CN109891090A

CN109891090A - 翼型件和涡轮设备

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Publication number: CN109891090A
Application number: CN201780066285.0A
Authority: CN
Inventors: C·J·卡伦
Original assignee: Karen Mechanics Co Ltd
Current assignee: Karen Mechanics Co Ltd
Priority date: 2016-11-02
Filing date: 2017-10-25
Publication date: 2019-06-14
Anticipated expiration: 2037-10-25
Also published as: ZA201903331B; ES2751752T3; KR102412684B1; CN109891090B; RU2019116510A; DK3318750T3; IL266081B; KR20190079649A; RU2019116510A3; PH12019500752A1; AU2017353216A1; US10968886B2; AR110025A1; WO2018082983A1; CL2019001216A1; PL3318750T3; BR112019008860A2; AU2017353216B2; EP3318750A1; JP2019537682A

Abstract

本发明提供了一种用于在环境流体中进行相对运动的涡轮翼型件、以及包括至少一个翼型件的涡轮设备。所述翼型件包括主翼梁和排放装置，主翼梁具有两个山丘构造，排放装置可操作以将蒸发和冷凝流体向外排放到流过所述主翼梁的环境流体中。这些山丘构造中的第一个加速环境流体的流动，直到其达到声速。在第一山丘构造之后，马赫数继续增加并且蒸发流体被排放到环境中，导致空气冷却，这进一步加速了环境流动并降低了压力。在第二山丘构造上，较低的压力引起推力。随着流相对于第二山丘构造运动，马赫数先减小，然后随着其沿着第二区域下降而增加。冷凝流体被排出，使得空气中的水分冷凝以释放热量，这导致马赫数减小并且压力增加。第二山丘构造上增加的压力将产生可用于转动旋翼的推力。本发明提供了一种翼型件，用于直接从空气中的水分产生功和功率。其不依赖于风速，并且其能量源直接来自随时可用的环境大气。

Description

翼型件和涡轮设备

本发明涉及一种用于在环境流体中进行相对运动的翼型件和一种具有翼型件的涡轮设备。

除了核和潮汐过程外，地球上的所有能量都可以描述为来自太阳本身，无论是直接地还是存储了相当长的时期。当太阳照射在地球上时，该能量会引发许多过程——其中气候效应是最明显的，众所周知，植物和动物的生命都是由这个能量源维持的。虽然太阳的绝大部分能量用于加热围绕太阳的巨大太阳系，但太阳的很大一部分能量去向了水蒸发，诸如主要水体的水蒸发。这种蒸发提供了降雨并保持了大量水蒸气，其中一小部分可能积聚形成凝结云。传统的能源来源于叶绿素和其他有机过程，它们使用不到1％的太阳能。

众所周知，可再生能源风车利用蒸发和冷凝过程产生功和功率。最近的发展是Barton预热膨胀发动机和EOLA风力涡轮。这些机器用于在有限的情况下供应能量(Barton制造)和水(EOLA涡轮)。Barton发动机需要预先加热的干燥空气并且蒸发水以达到极低的能效，并且仅限于涡轮排气或预加热的干燥空气，诸如太阳能电池阵列。EOLA是附接到传统空调机组的传统空气涡轮。

已知的装置依赖于间歇风速和/或二次能量源(诸如太阳能)进行发电，这需要备用的传统发电机。本发明的一个目的是提供一种翼型件和涡轮设备，其至少在某种程度上克服了上述问题，并且/或者将为公众和/或工业提供有用的替代方案。

本发明的其他方面将从随后仅作为示例给出的描述中变得显而易见。

根据本发明，提供了一种用于在环境流体中进行相对运动的涡轮翼型件，其包括：

具有翼型件的截面形状的主翼梁，所述翼型件具有顶部侧壁和底部侧壁、前缘、后缘和从所述前缘延伸到所述后缘的弧线，所述翼型件相对于所述环境流体的运动使得所述环境流体沿着从所述前缘到所述后缘的下游方向流过所述主翼梁，和

排放装置，其可操作以将流体向外排放到流过所述主翼梁的所述环境流体中；

其特征在于所述主翼梁的侧壁从所述前缘到所述后缘依次包括第一山丘构造和第二山丘构造，每个山丘构造包括距所述弧线距离逐渐增大的第一区域、距所述弧线距离逐渐减小的第二区域以及位于所述第一区域和所述第二区域之间的交界处的峰部，

由此，所述第一山丘构造的所述第一区域可操作以与所述环境流体相互作用，以将其从高亚音速相对速度在所述第一山丘构造的所述峰部上加速到音速相对速度并且在所述第一山丘构造的所述峰部之后加速到超音速；

所述排放装置排放蒸发流体，以在所述第一山丘构造的所述第二区域中的冷凝开始之前蒸发到所述环境流体中，所述第一山丘构造的所述第二区域与所述环境流体相互作用，以将所述环境流体从超音速相对速度加速到更高的超音速相对速度；

所述第二山丘构造的所述第一区域可操作以与所述环境流体相互作用，以在所述第二山丘构造的所述峰部上将所述环境流体减速并保持在超音速相对速度，并且

所述排放装置还可操作以排放冷凝流体，以捕获流过所述第二山丘构造的所述第二区域的所述环境流体中的冷凝激波或使所述冷凝激波成核，其将所述环境流体从超音速相对速度减速到亚音速相对速度，并且在所述侧壁上产生压力，并且从而在所述翼型件上施加推力。

本发明提供了一种翼型件，用于直接从空气中的水分产生功和功率。其不依赖于风速，并且其能量源直接来自随时可用的环境大气。此外，冷凝水分是丰富的水源，并且在使用中允许制冷、空气调节和低温超导。最后，余热可用于满足当地的即时需求。

翼型件的特征设计提供沿着其长度安装的两个山丘构造。这些山丘构造中的第一个加速环境流体的流动，直到其达到声速。在第一山丘构造之后，随着面积的增加，马赫数继续向超音速增加。蒸发流体(诸如水滴喷雾)沿着第一山丘构造的下降部或在其底部处排放到周围环境中。这些蒸发导致空气冷却。这继而进一步加速了环境流体并降低了压力。在第二山丘构造上，较低的压力引起推力。随着流相对于第二山丘构造运动，马赫数沿着第一区域减小，然后随着其沿着第二区域下降而增加。在沿着该第二山丘构造的点处，马赫数达到冷凝马赫数。在该点处或之前，排放冷凝流体，使空气的水分冷凝以释放热量。这将导致马赫数减小和压力增加。第二山丘部的第二区域上增加的压力将产生可用于转动旋翼的推力。

本发明涉及一种翼型件和涡轮设备，其可操作以控制环境空气的冷凝和蒸发，以允许利用释放的热量产生功。因此，本发明不受现有技术的上述限制的局限，并且提供了一种一次可再生能源和水捕获装置。

在本发明的另一个实施方案中，蒸发流体在初期冷凝激波之前被排放，用于防止/补偿流过第一山丘构造的环境流体中的蒸发流体。

在本发明的另一个实施方案中，在流过所述第二山丘构造的所述环境流体中发生冷凝激波之前，所述冷凝流体被排放。

在本发明的另一个实施方案中，所述排放装置包括至少一个喷嘴，并且所述蒸发流体和冷凝流体经由所述翼型件中的一系列导管从供应源输送到所述喷嘴或每个喷嘴。所述一个或多个喷嘴的可变针孔尺寸将允许排放流体的可变流速和液滴尺寸。

在本发明的另一个实施方案中，所述主翼梁包括容纳工作流体的中空腔体，由此所述腔体被分成多个相互连接的腔室。

在本发明的另一个实施方案中，每个腔室包括阀装置，所述阀装置可操作以控制所述腔室之间的所述工作流体的流动，以独立地调节每个腔室中的所述工作流体的压力和/或温度。

在本发明的另一个实施方案中，蒸发流体是水、液氮和碳氢化合物(诸如甲醇)中的一种或其组合。

在本发明的另一个实施方案中，所述蒸发流体包括流体粒子，所述流体粒子具有可操作以在涡轮设计尺寸的规格下蒸发的直径。为了允许这个和其他周围环境因素，可以通过可变出口尺寸、可变流速和可变压力和温度来改变液滴尺寸。这些条件由涵道、腔室和可变喷嘴尺寸决定。旋转头离心力或外部泵送通过引起气体压缩和/或与外部大气的热交换来管理这些条件以进行温度管理。

在本发明的另一个实施方案中，冷凝流体包括被冷却、带静电的流体粒子，诸如水滴、盐水和冰粒子。

在本发明的另一个实施方案中，环境流体是潮湿空气。

在本发明的另外的方面，提供了一种涡轮设备，其具有至少一个如前述权利要求中任一项所述的翼型件，所述设备包括：

涡轮轴和从所述轴轴向延伸的至少一个旋翼，由此在每个旋翼的叶尖处承载翼型件，

所述轴和每个旋翼内的一系列导管，所述蒸发和冷凝流体通过所述一系列导管供应到所述翼型件，

每个旋翼构造成与所述环境流体相互作用以旋转，使得翼型件的所述前缘移动穿过所述环境流体，从而使所述涡轮轴旋转。

本发明的涡轮设备利用由蒸发和冷凝过程产生的能量储备，以提供可转换成电能或其他可用能量形式的能量。通过这样做，涡轮设备将使用空气中的水分作为其能量源从大气中发电。当在干燥气候中操作时，作为输出产生的冷凝水可被捕获并用于灌溉目的。

因此，本发明直接从空气中的水分产生功和功率。其不依赖于风速，并且其能量源直接来自随时可用的环境大气。冷凝水分是丰富的水源，并且冷芯低压允许制冷、空气调节和低温超导。任何余热可用于满足当地的即时需求。

在本发明的另一个实施方案中，引起的冷凝激波可操作以冷凝所述环境流体中的流体粒子，并且所述翼型件可以构造成将所述冷凝的流体偏转到所述设备的至少一个收集装置中。

在本发明的另一个实施方案中，收集装置包括以下中的一个或多个：

在涵道中形成的通道，冷凝的流体成分通过其流入收集腔室；

外壳的收集表面、围绕所述涡轮的网或其他表面，冷凝的流体成分抵靠其偏转到收集腔室中；和

一个或多个旋流或涡流管和收集腔室，用于沿着所述涡轮轴收集冷凝的流体成分。

在本发明的另一个实施方案中，所述涡轮还包括能量转换装置，以用于将由所述旋转涡轮轴产生的能量转换成电能和/或机械能。

在本发明的另一个实施方案中，所述能量转换装置设置在所述涡轮设备的外壳中，并且所述轴联接到所述外壳，由此在所述外壳中设置用于产生电能的所述能量转换装置的导电绕组。

本发明提供了一种能够产生功的发动机，其包括任选地包括旋翼和轴向毂的跨音速翼型件或旋转体。翼型件或旋转体在减小的截面附近和最小截面处或之前具有超音速气孔，并且其中蒸发喷雾或冷却剂气体通过喷嘴引入。这是为了减小随后增加的截面上的压力而定制的。在最大截面处或附近，可以引入另外的喷雾以使随后的冷凝成核。在最大截面之后，减小的截面引起冷凝激波。先前引入的液体喷雾提供了捕获这些短暂液滴的核。这些液体(通常是水)或气体可以通过具有合适的内涵道的旋翼从毂运送到翼型件或旋转体。冷凝激波终止超音速气孔并使气流返回亚音速，从而对装置背面加压。

发动机可用于产生功、从毂提取轴向功、维持旋翼的旋转、提取冷凝水、利用叶尖处的极冷条件以用于低温和超导目的，或者利用旋转装置的离心泵送。

具体实施方式

参考附图，从以下仅作为示例给出的对本发明的一些实施方案的描述中，将更清楚地理解本发明，在附图中：

图1是根据本发明的翼型件的透视图；

图2是图1的翼型件的端视图；

图2a是图1和图2的翼型件的旋转体的示意图；

图3是图1的翼型件的示意侧视图；

图4是包括根据图1至图3的翼型件的涡轮的透视图；

图5是图4的涡轮的剖开部分的详细透视图；

图6是体现图3的涡轮的水收集装置的透视图；

图7a至图7c是示出图3的涡轮设备中的水流的透视图；

图8是示出在超音速流通过翼型件中心区段的稳定情况下马赫数分布图的图示；

图9是示出在亚音速流通过翼型件中心区段的不稳定情况下马赫数分布图的图示；

图10是示出不同出口压力下通过喷嘴的压力变化的图示；

图11是示出图3的涡轮中使用的翼型件的几何设计的示意图；

图12是示出具有10K冷却的变化温度和湿度的冷凝后马赫数的表格；

图13是具有10K冷却的变化温度和湿度的凹谷(dip)深度的表格；

图14是示出涡轮设备的推力计算的输入参数的表格；

图15是示出蒸发开始前的马赫数分布图的图示；

图16是示出蒸发后马赫数分布图的图示，示出了发生蒸发的区域；

图17是示出冷凝后的马赫数分布图的图示，示出了发生冷凝的区域；

图18是示出出口压力升高到大气压后的马赫数分布图的图示，示出了冷凝后的激波；并且

图19是示出布雷顿循环的做功循环的图示。

参考附图，并且首先参考图1和图2，示出了用于在环境流体(诸如潮湿空气)中进行相对运动的涡轮翼型件，总体上由附图标记1表示。翼型件1包括具有翼型件的截面形状的主翼梁2，该翼型件具有总体由附图标记3表示的顶部侧壁和总体由附图标记4表示的底部侧壁、前缘5和后缘6。弧线7从前缘5延伸到后缘6。当翼型件1沿箭头“A”(图1)的方向相对于或穿过环境流体移动时，环境流体在从前缘5到后缘6的下游方向上流过主翼梁2。

图2是翼型件的剖视图，并且图2a示出了图2的翼型件的旋转体，其在所示实例中给出了膨胀和渐缩的圆柱形形状，并且是体现本发明的一般设计原理的翼型件形状的一个示例。圆柱形轮廓也可以根据需要或期望应用于翼型件的叶尖5、6，例如，如果未采用外壳来管理叶尖端部涡流。

主翼梁2从前缘5到后缘6依次包括第一山丘构造8和第二山丘构造9。每个山丘构造8、9包括距弧线6距离逐渐增加的第一区域8a、9a，距弧线距离逐渐减小的第二区域8b、9b以及位于第一区域8a、9a和第二区域8b、9b之间的交界处的峰部8c、9c。虽然山丘构造如图1和图2所示位于顶部侧壁3和底部侧壁4两者上，但是应当理解，根据需要或期望，山丘构造可以位于翼型件的顶部和/或底部侧壁上。在下面的描述中将仅参考在顶部侧壁3上提供的山丘构造，但是这不应被视为限制性的。

主翼梁2包括容纳工作流体的空腔体，由此腔体被分成多个相互连接的腔室。在腔室之间是阀装置，其可操作以控制腔室之间的工作流体的流动，使得可以独立地调节每个腔室中的工作流体的压力和/或温度。

如图3所示，翼型件1还包括总体由附图标记10表示的排放装置，其可操作以将蒸发流体12或冷凝流体13从主翼梁2向外排放到流过主翼梁2的潮湿空气中。排放装置包括至少一个喷嘴(未示出)，并且从翼型件1排放的流体经由导管或一系列导管11从供应源输送到每个喷嘴，所述导管或一系列导管位于翼型件1的主翼梁2内或沿着其布置。

蒸发流体12是水、液氮和碳氢化合物(诸如甲醇)中的一种或其组合，并且包括具有可根据使用翼型件的涡轮的尺寸和规格进行蒸发的直径的流体粒子。为了允许这个和其他周围环境因素，可以通过可变出口尺寸、可变流速和可变压力和温度来改变液滴尺寸。

冷凝流体13包括经冷却并带静电的流体粒子。合适的冷凝流体的示例包括水滴、盐水或冰粒子。

当翼型件相对于环境流体移动时，第一山丘构造8的第一区域8a可操作以与环境流体相互作用，以将环境流体从高亚音速相对速度在第一山丘构造8的峰部8c上方加速到音速相对速度。

然后排放装置10排放蒸发流体12以在第一山丘构造8的第二区域8b中冷凝开始之前蒸发到环境流体中，使得第一山丘构造8的第二区域8b与环境流体相互作用，以将环境流体从低超音速相对速度加速到高超音速相对速度。因此，在流过第一山丘构造8的环境流体中发生初期冷凝激波之前，排放蒸发喷雾。

第二山丘构造9的第一区域9a可操作以与环境流体相互作用，以在第二山丘构造9的峰部9c上方将环境流体减速和保持在超音速相对速度，并且排放装置10进一步可操作以排放冷凝流体13以捕获流过第二山丘构造9的第二区域9b的环境流体中的冷凝激波或使所述冷凝激波成核。因此，在流过第二山丘构造9的环境流体中发生冷凝激波之前，排放冷凝流体或喷雾。这具有使环境流体从超音速相对速度减速到亚音速相对速度的效果，这继而在主翼梁2上产生压力，从而在翼型件1上施加推力。

参考图4和图5，并且使用与图1至图3中相同的附图标记，示出了总体上由附图标记20表示的涡轮设备，其包括根据图1至图3构造的至少一个翼型件1。

设备20包括涡轮轴21和从轴21轴向延伸的至少一个旋翼22，由此图1至图3的翼型件1被承载在每个旋翼22的叶尖或端部，所述叶尖或端部总体由附图标记23表示。还提供了轴21和每个旋翼22内的一系列导管，蒸发和冷凝流体通过该一系列导管供应到翼型件1的导管11。

在使用中，涡轮设备20构造成使得每个旋翼22与环境流体相互作用以旋转，使得每个翼型件1的前缘5移动通过环境流体，从而使涡轮轴21旋转。

在操作中，当翼型件1相对于环境流体移动时，在第二山丘构造9处或附近诱导的冷凝激波可操作以冷凝环境流体中的流体粒子，并且翼型件1构造成将冷凝的流体偏转至涡轮设备20的至少一个收集装置中。在一个实施方案中，可以提供一个或多个旋流或涡流管和收集腔室，用于沿着涡轮轴21收集冷凝的流体成分。在一个替代实施方案中，收集装置包括在涵道24中形成的通道，冷凝的流体成分通过其流入收集腔室。

图6示出了水收集装置30，其包括图4和图5的涡轮设备20，并且体现了另外的水收集装置。水收集装置30可操作以产生从装置的中心吹出或朝向中心吹入的旋转空气的圆柱体。水收集装置30包括位于轴21两端的文丘里管31，位于每个文丘里管31的喉道之前的一组静叶32，其可操作以在进入静叶32的高速低压流体液滴气流中诱导旋转。针孔33的集合环沿着涵道24设置并且由排出到收集罐35的低压腔室34支撑。在喉道和针孔33之后提供另一组静叶36，其可操作以使旋转减速并恢复气流能量和压力。收集罐35围绕包含水滴的外出气流，并且罐35的表面可操作以收集在罐35中收集的撞击液滴。

该涡轮设备20还包括能量转换装置，以用于将由旋转涡轮轴21产生的能量转换成电能和/或机械能。任选地，能量转换装置设置在涡轮设备20的外壳中，并且轴21联接到外壳，由此在外壳中提供用于产生电能的能量转换装置的导电绕组。

将参考图19描述本发明的做功循环，该图示出了布雷顿循环的做功循环，其中本发明的涡轮设备使用其变型。本发明的涡轮设备试图降低最低温度(3-4)。通常，这受到排热温度为环境空气温度的限制。在这台机器中，排热温度可高达零下60或70摄氏度。静态温度降低(3-4)是由速度等熵增加引起的空气动力学。排热(4-1)受蒸发影响。温度升高(1-2)是由速度的近似等熵降低引起的空气动力。通过冷凝或燃烧碳氢化合物提供热添加(2-3)。需注意，蒸发和冷凝之间的平衡得到了很好的说明，并且可以用这个循环来计算。实际上，蒸发流是最容易控制以平衡冷凝的。这意味着需要通过阀和可变针孔布置控制流量和液滴尺寸。

所提出的涡轮系统是安装在竖直轴线上的旋翼。实际涡轮位于旋翼的叶尖，并且该装置以类似于翼尖喷气(诸如Fairey Rotodyne直升机)的原理操作。来自涡轮的推进产生推力，该推力沿圆形推动旋翼。与直升机不同，目标不是使用运动产生升力，而是产生电力。

在涵道设计中，如图4至图6所示，跨音速叶尖安装在悬挂涵道内。水喷雾沿着中心轴向上通道式引导，并且沿着旋翼向下通道式引导到叶尖，在那里它被添加到空气中。空气通过装置下拉，并且从装置中移除水喷雾，如图7所示。

当流体开始以大于其波速的速度移动时，发生超音速流。这种类型的流动最明显的应用是军用飞行器的设计，其通常需要“突破”音障。由于流体的移动速度快于其波速，因此无法向上游传递有关潜在障碍物的信息。因此，超音速流与亚音速流明显不同，亚音速流在日常情景中更常见。

超音速流态中的主要控制公式是等熵流动公式。这些公式将观察到的压力、温度、密度和面积变化与流动的马赫数相关。

这些公式是：

马赫数：

压力：

温度：

面积：

符号

M＝马赫数，V＝速度，R＝气体常数，T＝温度，P＝压力

A＝面积，γ＝比热比，ρ＝密度，Φ＝相对湿度，Y＝喉道

X＝纵向距离

下标/上标

0＝滞止属性，*＝阻流属性

这些公式表明，随着流动的马赫数增加，静压和温度将下降。只要没有热传递，滞止属性将保持不变。随着马赫数在超音速流态中远离一增加，该面积也将增加，但随着马赫数在亚音速流态中从一移动也会观察到面积的增加。

大气中的冷凝过程取决于空气的温度和蒸气含量。对于任何给定的温度，可以通过以下公式计算气压

P＝ρRT 公式5

其中ρ是密度，R是空气的气体常数，并且T是以开尔文为单位的温度。

空气由一定量的水蒸气组成，并且冷凝的其中一个重要术语是该蒸气的分压。分压是气压乘以相对湿度。另一个重要的术语是饱和压力。这是水将冷凝的压力，并且可以通过以下公式确定

P＝133.322e^{(20.386-5132/T)}

如果分压大于饱和压力，则开始冷凝。类似地，如果分压小于饱和压力，水将蒸发。

加热对超音速流的影响是复杂的，因为马赫数、温度和压力都是相互依赖的。一种简化是假设由于蒸发或冷凝而发生的任何温度变化都是在恒定面积上进行的。这意味着在冷凝的情况下这些变化几乎是瞬间发生的。在这些条件下，加热的影响可以从瑞利公式确定，其中每个属性与其在阻流条件下的值相关。这些公式是：

压力：

密度：

温度：

然后，温度变化的影响可以与马赫数相关，并且因此用于计算气体压力和密度的变化。

设计本发明的涡轮设备所涉及的主要问题之一是流动的稳定性。稳定性可能受损的一种方式是当两个山丘部之间的区段(中心区段)中的流动变成亚音速时。如果发生这种情况，则结果将是在第二山丘部的前向区段上形成高压区域。这将增加内部结构的阻力并减小装置的潜在推力。

图8示出了在超音速流通过中心区段的稳定情况下马赫数分布图。相反，图9示出了在亚音速流通过中心区段的不稳定情况下马赫数分布图的图示。

当考虑该区段如何使气流变成亚音速时，将中心区段与已被充分研究过的类似情况即火箭发动机喷嘴的情况进行比较是有用的。

图10是示出从(Courant&Friedrichs，1999)变型的不同出口压力下通过喷嘴的压力变化的图示。图10示出了对于火箭发动机中的不同出口压力，腔室压力和沿着喷嘴的压力之间的关系。如果出口处的压力接近腔室中的压力(P₁)，结果将是始终亚音速流。如果出口处的压力降低到低得多的值(P₃)，则流动将是始终超音速的。当出口压力处于这两点之间的值时存在问题。在该区域中的出口压力下可能发生的现象之一是沿着长度喷嘴的某个点处的正激波，这导致膨胀期间的压力增加。

当翼型件的中心区段中的气流变成亚音速时，通常观察到这种类型的现象。该流动沿翼型件的第一山丘构造向下是超音速的，但是在沿该山丘部向下的某个点处发生正激波，从而导致亚音速流。在图9中，在第一山丘部的端部可以观察到激波，即马赫数的迅速减小和分布图的突变。停止这种情况的关键参数是第一山丘部的“出口”处的压力。为了保持超音速条件，该压力不能过高。考虑的“出口”压力是指当流动减慢通过第二山丘构造时压力的增加。如果第二山丘构造过高，结果将是观察到亚音速流。可以使用设定方法计算该山丘部的最小喉道。

第二山丘部的喉道的计算方法如下：

1)如果我们考虑给定马赫数下的入口条件，则可以使用公式2计算滞止压力。

2)知道山丘基部处的期望马赫数后，可以通过公式4计算第一山丘部的基部处的面积。

3)下一阶段是假设在山丘基部处存在正激波，并且计算所得的马赫数。

4)根据激波后马赫数和山丘基部处的面积，可以计算阻流条件下的马赫数。

5)为了提供操作裕度，然后根据阻流条件计算马赫数为1.1的面积。

马赫数为1.1的这个面积表示第二山丘部处喉道的最小高度。对于大于此的喉道，在整个系统的流动将是超音速的。如果喉道小于此，则中心区段将分解成亚音速流。这提供了涡轮的一个参数，因为如果入口马赫数、第一山丘部处的喉道高度和马赫数已知，则可以计算第二山丘部的高度。

可能妨碍涡轮操作的条件之一是在翼型件的中心区段内发生冷凝，该中心区段被理解为第一山丘构造和第二山丘构造之间的交界。其主要原因是如果在该区域发生净冷凝，如果存在足够的量，则不会发生为装置供电所需的蒸发。如果蒸气的分压在给定温度下升高到水的饱和压力以上，则开始发生冷凝。为了防止这种情况，蒸气的分压必须保持低于饱和压力。

可以通过两种方法进行计算。每种方法都有其优点和缺点。

第一种方法涉及G.Schnerr的论文(Schnerr，1989)中提出的相似定律，其中冷凝发生时的马赫数通过以下关系与相对滞止湿度相关

其中

α＝0.208，并且β＝0.59

根据针对给定相对湿度确定的冷凝开始马赫数，可以选择中心区段的最大马赫数，使得其小于冷凝开始马赫数。根据所选择的马赫数，可以从公式4计算出装置的最大深度。需注意，当在这里考虑冷却时，应该针对冷凝开始以及在获得面积之前计算得到的上游马赫数考虑冷却后的马赫。该方法的优点在于其代表了计算冷凝开始的更简单的方法，但是变量α和β仅对于特定的喷嘴族是恒定的。

一种替代方法是根据蒸气压力计算开始马赫数。已知随着马赫数的增加，压力温度和密度降低。根据空气和蒸气的密度，可以计算每一个的摩尔体积。由此也可以确定蒸气的摩尔分数。

分压是摩尔分数和静压的乘积。如果该分压大于给定点下蒸气的饱和压力，则会发生冷凝。可以针对每个马赫数计算这些值，并且开始马赫数在分压和饱和压力相等处确定。然后，可以根据前一种情况计算该面积。

该方法的优点在于其可以不考虑形状而进行计算，然而所述计算不考虑可能改变冷凝开始行为的任何曲率。

根据上述计算，已经建立了用于计算翼型件的几何形状的方法。图11示出了用于一侧保持山丘构造的特征而另一侧是平坦表面的涵道情况的翼型件设计的几何形状。在这种情况下，整个设计可以与喉道直径y*相关。

知道y*和入口马赫数，可以使用公式4执行yin的计算。根据湿度条件，可以根据蒸气压力的相似定律的任一者计算中心区段的深度Y_dip和马赫数。利用马赫数(在任何冷却之后)和面积Y_dip，可以计算第二喉道y²*的高度。然后，出口条件y_out必须足够大，以确保冷凝按照要求发生在该区段内。

根据先前识别的设计参数，可以建立涡轮的一组操作条件。在这种情况下，首先计算冷凝开始马赫数。如果该数字低于1，则冷凝将发生在跨音速流态。这意味着冷凝将在流穿过第一山丘部之前开始。这将有效地防止涡轮操作。

如果冷凝开始马赫数大于1，则考虑到空气的蒸气含量，也可以计算温度升高。根据瑞利公式，温度升高将导致马赫数减小。如果冷凝后的马赫数小于1，则从该点开始，流动将是亚音速的。如果马赫数在1和1.12之间，则流动将是超音速的，并且该区域的扩展将马赫数朝1.12增加。一旦达到这一点，正激波可导致出口马赫数0.9，其与入口马赫数匹配。高于马赫数1.12时，任何激波都会导致马赫数低于0.9，因此在出口处需要某种形式的可变几何形状喷嘴，以防止正常激波产生问题。

图12是示出具有10K冷却的变化温度和湿度的冷凝后马赫数的表格。在该表格中，箭头B表示的区域表示在第一山丘部之前发生冷凝的地方，箭头C表示的区域示出冷凝后的亚音速马赫数，箭头D表示的区域示出马赫数小于1.12的地方，并且箭头E表示的区域示出马赫数高于1.12的地方。

该表格必须注意的一个考虑因素是，在许多情况，凹谷和第二山丘部之间的所得高度差足够小，使得第二山丘部可能被边界层淹没，该边界层在从第一山丘部的下降部上产生。图13中示出了具有10K冷却的变化温度和湿度的凹谷深度的表格。

这可产生缓冲效果，其中流动变得不受凹谷以及在两个山丘部的峰之间延伸的剪切层的存在的影响。在这些情况下，马赫数不会按要求增加，并且因此会破坏流动。必须注意确保高度的这种增加足以使其高于边界层。

本发明的涡轮设备的推力计算是使用表现出潜势的其中一个涡轮的CFD分析进行的。所选择的涡轮代表温度为30℃并且相对湿度为5％的情况。该涡轮固定在装置的操作包络线内，并且在中心区段的凹谷和第二喉道之间显示出足够的高度差，以确保边界层不应干扰流动。对于这种情况，为了避免冷凝，在图14中提供了计算的关键几何细节。

构造的几何形状为0.5cm厚，并且应用于该模拟的初始边界条件是：

·入口静压＝101325Pa

·入口滞止温度＝352K

·空气质量流量＝0.092kg/s(18.4kg/ms)

·蒸气质量流量＝0.000118602kg/s(0.02372kg/ms)

·出口静压＝20000Pa

括号中的值是装置每米宽度的质量流速。使用Spairt-AlImaras湍流模型进行模拟。该解决方案被初始化为流量参数的估计值。这些都是故意低估值，以确保收敛的稳定性。初始化中使用了以下设置：

·静压＝101325Pa

·x速度＝283m/s

·温度＝303K

为了使模拟以稳定的方式进行，首先计算流量，假设零蒸发和零冷凝，直到达到结果的收敛。此时，使用负能量源将蒸发添加到第一山丘基部的区域。然后再次运行模拟直到建立收敛。此时，在由分压和饱和压力之差建议的点处添加冷凝作为能量源。再次，运行模拟直到达到收敛。最后阶段涉及将输出压力从20000Pa增加到100800Pa。这使出口朝向大气条件移动，并且将出口激波移动至刚好在冷凝之后发生，以便精确地模拟涡轮出口处的行为。

对于在303K下的5％湿度，空气的水含量为1.25g/kg。提取的蒸发能量相当于温度降低16K或蒸发2.22g/kg，而用于冷凝的能量源相当于温度升高6.98K或冷凝3.47g/kg。

图15是示出蒸发开始前的马赫数分布图的图示，图16是示出蒸发后的马赫数分布图的图示，示出了发生蒸发的区域，图17是示出冷凝之后的马赫数分布图的图示，示出了发生冷凝的区域，并且图18是示出出口压力升高到大气压之后的马赫数分布图，示出了冷凝后的激波。

一旦完成这个过程，由此产生的推力可以根据壁表面上的力的报告来确定。该报告是针对涡轮的工作区域进行的，该工作区域被定义为入口和刚好在冷凝之后的终止激波之间的内部区域。这在工作区域中产生涡轮每米宽度546N的净推力。该推力包括涡轮工作区域内的阻力效应，但不包括由于旋翼系统涵道、出口几何形状或入口和出口之间的高度差引起的外部阻力效应。然后，可以采用可变几何形状的喷嘴来减小面积，并且替代地朝314m/s加速回流，可以减小出口深度，以防止速度的亚音速扩散。这两种选择都会降低装置的冲压阻力，同时也会减小产生的推力，并且因此必须获得平衡。

为了实现正的总推力，装置必须产生比在外部阻力中产生的更大内部推力。这里要考虑的有用参数是阻力系数。这是从以下公式计算得到的

其中D是旋翼系统上的阻力，并且A是旋翼的面积。假设具有直径为1m并且弦长为5cm的三旋翼系统，这将产生0.075m²的面积。在该计算中使用的速度是平均速度，其将是叶尖速度的一半。然后，对于具有33cm的叶尖深度的旋翼、由此的182N推力、以及正常空气密度，这意味着阻力系数必须小于0.14，系统才能产生正推力。如果系统的阻力系数可以设计为低至0.04的值，这对于流线体来说是常见的，则这会产生50N的阻力。连同轴承损失，总阻力为55.1N。对于具有33cm的叶尖深度的旋翼，这意味着应将30％的可用功率设置成与初始功率增益相对应。

对于运动的物体，功率等于力和速度的乘积。对于以314m/s的叶尖速度旋转的涡轮，这意味着在装置的工作区域上产生的总功率为171kW/rn(当包括可变喷嘴消耗时，这将在内部进一步减小至155kw)。这是蒸发/冷凝循环产生的功。即时损失将在外部将其减小至133kw/rn。

该功表明，在特定条件下，由于冷凝释放的能量的影响，涡轮将显示推力的增加。如果外部旋翼/泵送可以设计成将损失保持在装置的推力以下，则将产生净推力。考虑到装置旋转的速度，即使推力的小幅增加也会产生可用功率的大幅增加。

在此工作期间，假设该装置将是内部结构。这意味着存在外表面。这种结构的空气动力学设计对于涡轮的操作至关重要，因为其将对装置的阻力产生基本影响，并且因此对净功率产生具有基本影响。

该装置的操作条件非常敏感。对于给定的湿度，较高的温度导致空气中更多的可用水被冷凝。这意味着可用功率会更大。如图13所示，对于任何给定的温度，中心区段可以下降的深度对于更高的温度也更大。这将产生更容易制造的装置。这些设计也不太容易受到边界层的影响，因为中心区段和第二个山丘部之间的高度差也会更大。

对于给定温度，湿度的增加将导致可用功率的增加，但是也会导致冷凝更早发生，因为分压将更高。这意味着中心区段下降的深度将减小，并且装置将更容易受到使流动不稳定的边界层效应的影响。通过减少所用冷却剂的量，温度下降将减少，并且因此饱和压力将增加。通过正确地平衡所使用的冷却剂的量与湿度，可以扩展给定物理设计的操作范围。

出于本分析的目的，装置设计用于在大气温度高且相对湿度水平低的条件下操作。通过减少所使用的冷却可以在一定程度上抵消湿度的增加，以便保持流动稳定性。这些条件表明，在温暖干旱的气候条件下，更容易对装置进行分析。这种丰富的湿度可以通过使用“干燥的”冷却剂来管理，并且允许额外的冷凝发生在第一山丘部的后部斜坡上。在干旱的地方，作为装置副产物产生的冷凝也是非常有价值的，因此这增加了装置的整体价值。

值得注意的是，对于给定的一组条件，可以从纯粹的数学方法中找到关键几何。为了研究边界层的影响并且评估推力，CFD提供了最佳的可用方法。

这些方法的组合表明存在涡轮的操作包络线。该范围通过温度、相对湿度和装置中采用的冷却量的组合描述。如果对于固定的温度和冷却，如果湿度过高，则在流动变得阻流之前会发生冷凝，从而破坏整个过程。在涡轮本身内部，这些因素可以影响装置的设计，但是改变冷却量可以补偿其他因素中的一些变化。使用“干燥的”冷却剂(诸如氮气)代替水将扩展操作范围，因为当水在山丘部之间冷凝时，这种冷却剂可能蒸发。

当装置在其包络线内操作并且外部特征上的阻力最小化时，装置将产生正推力。在装置旋转的速度下，即使推力的小幅增加也会产生相当大的功率。

从CFD计算产生的设计是具有1m直径的三旋翼系统。叶尖具有33cm的深度，并且系统以6000rpm旋转。其设计用于在5％相对湿度和30℃的沙漠条件下操作。该装置将产生133kW的功率，并且每小时产生81升(每天1944升)水。由于该装置的“燃料”是潮湿的新鲜空气，因此不产生CO₂并且没有供给成本。最后，只要空气中有足够的湿度，即可根据需要打开和关闭装置。

本文公开的各种实施方案具有相同的常见能量源，然而对电力、水、热、低温、局部冷却/加热或泵送的要求将改变精确的材料和规格。连同此一起，机器必须在其中操作的总体环境也将决定材料和规格。本领域技术人员将认识到在高亚音速下有效操作的光滑和刚性表面的常见要求。

这些设计能抵抗高速风，并且对地震、海啸和其他自然灾害没有明显的缺陷。事实上，可以通过大量供水和直接从空气中抽取的泵送能力管理局部显著的火灾。

对于可行的能量提取，本发明在环境空气的寒冷和干燥程度方面确实具有限制。通常每千克空气需要一克以上的水蒸气。这意味着温度必须高于-20℃。如果甚至存在重要公共设施失效的可能性，则需要依赖于替代的方法。因此，在这种设计蒸发液体的情况下，所述液体通常是水，但可以是具有相当的蒸发潜热的碳氢化合物，比如甲醇。在这种设计由于冷凝潜热而增加热量时，其可以是所述碳氢化合物空气混合物的燃烧的化学热。

这当然决定了材料、泵送和喷雾规格，此外还有点火系统。即使它们在实践中从未使用过，这种要求的可能性也可决定设计的特征。然而，这意味着在指定这些公共设施时不需要备用设备。在这种情况下燃烧碳氢化合物对环境没有任何影响，因为燃料是用更温暖更加潮湿的时期可用的过剩功率合成的。如果在过剩功率可用的情况使用过剩功率合成：“CO₂+H₂O-＞碳氢化合物+O₂”，然后当其燃烧时，碳氢化合物+O_2-＞CO₂+H₂O并且返回一些最初投入的功率。需注意，CO₂的净产量是零。

因此，结合一种或多种前述技术用于功率产生、水收集、直接电力生产、低温/超导环境维护、泵送、加热或冷却，可以详细说明该说明书。由此产生的灵活性为设计人员提供了根据所需目的构造发动机的广泛选择。

其他实施方案

本发明的其他实施方案包括：

1.一种基本上如本文参考附图所描述的和/或如附图所示的涡轮翼型件。

2.一种基本上如本文参考附图所描述的和/或如附图所示的涡轮设备。

本发明的各方面仅通过举例的方式进行描述，并且应当理解，可以对本发明进行添加和/或修改，而不脱离如所附权利要求书中限定的本发明的范围。

Claims

1.一种用于在环境流体中进行相对运动的涡轮翼型件，其包括：

2.如权利要求1所述的涡轮翼型件，其中在流过所述第一山丘构造的所述环境流体中的初期冷凝激波之前，所述蒸发流体被排放。

3.如权利要求1或权利要求2所述的涡轮翼型件，其中在流过所述第二山丘构造的所述环境流体中发生冷凝激波之前，所述冷凝流体被排放。

4.如前述权利要求中任一项所述的涡轮翼型件，其中所述排放装置包括至少一个喷嘴，并且所述蒸发流体和冷凝流体经由所述翼型件中的一系列导管从供应源输送到所述喷嘴或每个喷嘴。

5.如前述权利要求中任一项所述的涡轮翼型件，其中所述主翼梁包括容纳工作流体的中空腔体，由此所述腔体被分成多个相互连接的腔室。

6.如权利要求5所述的涡轮翼型件，其中每个腔室包括阀装置，所述阀装置可操作以控制所述腔室之间的所述工作流体的流动，以独立地调节每个腔室中的所述工作流体的压力和/或温度。

7.如前述权利要求中任一项所述的涡轮翼型件，其中所述蒸发流体是水、液氮和诸如甲醇之类的碳氢化合物中的一种或其组合。

8.如权利要求7所述的涡轮翼型件，其中所述蒸发流体包括流体粒子，所述流体粒子具有可操作以在所述涡轮设计尺寸的规格下蒸发的直径。

9.如前述权利要求中任一项所述的涡轮翼型件，其中所述冷凝流体包括被冷却、带静电的流体粒子，诸如水滴、盐水或冰粒子。

10.如前述权利要求中任一项所述的涡轮翼型件，其中所述环境流体是潮湿空气。

11.一种涡轮设备，其具有至少一个如前述权利要求中任一项所述的翼型件，所述设备包括：

12.如权利要求11所述的涡轮设备，其中引起的冷凝激波可操作以冷凝所述环境流体中的流体粒子，并且所述翼型件可以构造成将所述冷凝的流体偏转到所述设备的至少一个收集装置中。

13.如权利要求11或权利要求12所述的涡轮设备，其中所述收集装置包括以下一项或多项：

14.如权利要求11至13中任一项所述的涡轮设备，其还包括能量转换装置，以用于将由所述旋转涡轮轴产生的能量转换成电能和/或机械能。

15.如权利要求14所述的涡轮设备，其中所述能量转换装置设置在所述涡轮设备的外壳中，并且所述轴联接到所述外壳，由此在所述外壳中设置用于产生电能的所述能量转换装置的导电绕组。