CN113348300B - 流体涡轮机结构 - Google Patents

Abstract

一种流体结构，被配置为安装到流体涡轮机的轮毂上，所述流体涡轮机包括：轮毂，所述轮毂围绕中心轴线旋转并与主轴对齐，所述流体结构经由升力和/或阻力原理为所述涡轮机的所述主轴贡献转矩。所述流体结构可以是刚性的或具有一定柔性。所述结构具有两个或更多个弯曲的流体元件，所述弯曲的流体元件从与所述旋转中心轴线对齐的上游尖端延伸到远离所述中心轴线的某一其他径向位置处的下游端，并且围绕所述中心轴线旋转，其中所述两个或更多个弯曲的流体元件包含弦段，所述弦段在上游位置通常较宽，而在下游位置通常较窄。

Description

流体涡轮机结构

相关申请的交叉引用

本申请要求享有2018年9月4日提交的题为“FLUIDIC TURBINE STRUCTURE”的美国申请第16/121,326号的全部权益(包括优先权)，该申请是2015年8月5日(进入美国国家阶段日期为2017年2月3日)提交的题为“FLUID-REDIRECTING STRUCTURE”的美国申请第15/501,475号的部分继续申请，而其又是在35U.S.C.119(e)下要求享有2014年8月5日提交的美国临时专利申请序列第62/033,331号的所有权益(包括优先权)的、2015年8月5日提交的PCT申请第PCT/CA2015/050739号的进入美国国家阶段。上述申请的内容通过引用整体并入本文。

技术领域

本发明的实施例总体上涉及流体涡轮机，并且更具体地涉及要附接到涡轮机的轮毂的流体结构。

背景技术

用于通过旋转运动发电的水平轴风力涡轮机通常由一个或多个转子叶片构成，每个转子叶片均具有从主轴向外延伸的空气动力学主体，所述主轴由风力涡轮机机舱支撑并在风力涡轮机机舱内旋转。转子叶片是适于遍历流体环境的结构的示例，其中所述环境主要是环境空气。

机舱支撑在从地面或其他表面延伸的塔架上。入射在转子叶片上的风施加升力，以通过围绕轴的水平旋转轴线旋转所述轴使转子叶片运动，所述叶片从所述轴延伸。

轴继而与发电机相关联，众所周知，发电机将轴的旋转运动转换成电流，以进行传输、存储和/或立即使用。水平轴风力涡轮机通常是为人所熟知的，尽管改进它们的操作以提高功率转换效率和其整体操作特性是理想的。

即使是低速的入射风也会导致转子叶片非常快速地旋转。众所周知，对于给定旋转速度，转子叶片的线速度在其根部区(转子叶片靠近轴的部分)最低。

类似地，转子叶片的线速度在其尖端区(转子叶片远离轴的部分)最高。特别地，在较高的线速度下，随着转子叶片沿其旋转路径快速“割”穿空气，转子叶片的方面可能产生明显的空气声噪声。附近的人和动物见证，这种噪音可能非常不舒服。但是，噪声也可能指示操作效率不高，并且最大尖端速度实际上可能会受到此类低效率(包括对控制器的效率)的限制。

水平轴风力涡轮机由至少两个并且通常是三个转子叶片构成。转子叶片的总扫掠路径(swept path)被认为是该平面上可用于风力涡轮机的总动能的量度。当前风能技术只能提取入射风的小部分动能。

Albert Betz在1919年根据被称为贝茨定律(Betz's Law)的原理证明了从风中提取动能的最大理论值——贝茨极限(Betz Limit)。根据贝茨定律，风动能提取的最大性能系数(Cp)，贝茨极限，为59.3％。

该极限假设风的进入速度在扫掠区域内的每个径向位置处都是恒定的。但是，由于叶片的根部区域效率低下，形成了低压区域，从而将空气引入扫掠区域的中心——称为转子-根部泄漏(Rotor-Root leakage)现象，使得效率降低到可能的水平以下。这种现象的逆转原则上可以通过提高感应系数和通过转子的质量流来超过贝茨极限。

实际上，当前风能技术的Cp比贝茨极限低得多。

近年来，风力涡轮机效率的不断提高主要在于转子叶片设计的进步。然而，一些初期研究已经开始探索利用入射在转子叶片行进平面前方的中心轮毂部分中的风，以提高效率和产量并减少噪声排放。

Orbrecht等人的欧洲专利申请第EP2592265号公开了一种用于风力涡轮机的动力产生毂盖。该申请描述了转子叶片的根部区域之上的翼型延伸的区域，所述区域在轮毂区与上风向设置在风力涡轮机的每个叶片的内侧部分上的上风向翼型部分连接；该风力涡轮机具有通过轮毂围绕旋转轴线互连的多个叶片。该专利申请进一步描述了动力产生毂盖的以下能力：通过增加对流过动力产生毂盖的空气的轴向感应并将空气流向外导向到叶片的空气动力学可用区来提高风力涡轮机的效率。

Herr等人的美国专利第8,287,243号公开了一种风力涡轮机的毂盖。内转子剖面中的气流可以通过风力涡轮机的转子，而不用于产生能量。圆柱形毂盖使风围绕转子叶片根部偏转，从而提高了现有风力涡轮机的效率。

Kristian Godsk的美国专利第US9200614B2号公开了一种用于风力涡轮机的叶片，由此，该叶片是附接到轮毂的辅助叶片并且能够沿着较大风力涡轮机叶片的平面在根部附近的区域中增加叶片的平面形状。该专利继续描述了将该辅助叶片放置在较大风力涡轮机叶片的后缘和/或前缘附近的效果。

Bharat Bagepalli等人的美国专利第US8308437B2号类似地公开了空气动力学翅片，其沿风力涡轮机叶片的根部剖面从转子轮毂径向向外延伸，并且具有空气动力学形状，以便捕获风并从与转子轮毂和叶片根部剖面同轴的中心撞击风带向轮毂施加旋转转矩。

Dmitry Floryovych Opaits等人的美国专利第US20160040650A1号公开了一种被配置为安装到风力涡轮机的可展开的空气动力学部件，其在结构上被配置为覆盖风力涡轮机转子的内部的大部分。。

Fulton Jose Lopez等人的美国专利第US20160311519A1号公开了一种空气动力学圆顶部件，该空气动力学圆顶部件布设在风力涡轮机轮毂前方，以将风偏转离开该区，并使气流加速进入风力涡轮机转子叶片的空气动力学效率更高的区，从而提高现有风力涡轮机的效率。

因为包含从转子叶片的旋转大约90度入射的风，对风力涡轮机的偏航和桨距的控制对于保持最大效率很重要。

当前，这经由在与塔架的连接点处位于机舱底部的主动系统来实现，如在Rosenvard等人的美国专利第7,944,070号和Anderson的8,899,920中所述。这些主动系统由第一次风入射后位于机舱外部后部的传感器控制。因此，在风经过转子叶片后，这些传感器获悉风况，最重要地，速度和方向。这样，到机舱底部的主动偏航和桨距系统的风速和风向信息存在延迟。

LeClair等人的欧洲专利申请公开第EP 2048507号公开了位于整流罩前部的传感器。然而，传感器将其信息发送到无法主动移动涡轮机的马达和齿轮的主动系统，使得在没有反馈回路和后续延迟的情况下产生最大效率。此外，这些系统类似地需要电力来操作。

传统的整流罩通过毂盖附接到毂。然后，可以通过包括支柱在内的若干方法并使其形式包裹在转子叶片的根部上以固定到位，将毂盖附接到轮毂。这些方法中的大多数要求不存在用于毂盖附接的叶片，这对于组装新的风力涡轮机可能是好的，但是对于改装操作的涡轮机可能既费时又昂贵。

还已知表面纹理可以改善物体之上的层流。这些纹理通常是自相似的，并且本质上是重复的。这些纹理可以凹入模板中或突出于模板，和/或也可以是以有利的方式弯曲或曲折的U形或V形槽，或从模板中伸出的旋涡发生器。

发明内容

中心轮毂前方附接有转子叶片的部分可以由整流罩覆盖。整流罩通常用作风力涡轮机的轮毂的保护罩。迄今为止，整流罩通常并非配置为帮助旋转风力涡轮机的轴或以任何方式产生能量。

为此，转子叶片的总扫掠路径被认为是该平面上可用于风力涡轮机的可能动能的量度和风力涡轮机轮毂上游的风的动能当前未得到充分利用的量度。

为了理解这一点，申请人已经进行了广泛研究和开发，以设计一种放置在风力涡轮机的轮毂前方的空气动力学设备，所述空气动力学设备将提高其能量捕获效率和可能的先导或辅助益处(例如，改进的整流罩)。考虑到其位置和几何限制，需要一种新型空气动力学设计和工程方法。

观察落下的枫木钥匙的几何形状，通过仿生设计原理得出了一种新型几何形状。在理解了所谓的“锥角”和使用枫木钥匙时的空气动力学特性后，了解到该物体实际上是如何通过所谓的时间依赖型能量传递(TDET)来使效率最大化。然后，将该原理应用于新型流体结构的设计，如以下各种实施例中所述。在其他实施例中也可以设想变化。

在一些实施例中，涡轮机是旋转机械设备，其通过捕获来自流体流的运动提取能量。在一些实施例中，可以通过风(例如，风力涡轮机)、液体(例如，水或潮流能涡轮机)来提供流体流。涡轮机可包括转子和所附接的转子叶片，所述转子叶片捕获来自流体流的运动以使转子旋转，所述转子包括将机械旋转转换为其他形式(诸如电力)的机构。

涡轮机的有效性取决于涡轮机的空气动力学性能，并且鉴于流体流动力学的复杂性，提高涡轮机的有效操作是复杂且颇具挑战的。涡轮机的设计和配置还受到实际成本约束和环境约束。如各种实施例中所述，描述了一种用于涡轮机结构的流体结构(例如，改进的整流罩)。

改进的流体结构提高了涡轮机的整体操作效率。尽管捕获风能是优选实施例，但是改进的流体结构可用于多种环境和领域，诸如用于接收俘获入射流的涡轮机，诸如蒸汽涡轮机(例如，煤、天然气、核能、太阳冷凝器)、水力发电涡轮机等。

设想的其他涡轮机结构包括需要将动力嵌入流中的那些涡轮机结构，诸如飞机螺旋桨、船舶螺旋桨、涡轮机风扇发动机、水泵、径向叶轮和非电动旋转机构，诸如风车。

在本申请的一个实施例中，需要从进入流中提取动力，所述流体结构被附接或被配置为用于附接到涡轮机的轮毂或主轴，并且具有改进的几何特征，所述几何特征除了使涡轮机不受通过TDET的增加载荷影响外，还通过提供以下至少一项来提高涡轮机的效率：(A)在主轴上增加涡轮机的转矩，和(B)将入射流重新导向到相关转子叶片(例如，将入射流体重新导向到转子叶片的吸力面)以减少流分离和相关湍流。在一些实施例中，流体结构既增加了涡轮机的转矩，又将入射流重新导向到相关转子叶片(例如，将入射流体重新导向到转子叶片的吸力面)。

在期望将动力嵌入流中的本申请的另一实施例中，流体结构被附接或配置为用于附接到设备或结构的轮毂或驱动轴。在船舶的螺旋桨的情况下，流体结构将附接到船舶的驱动轴上，并具有改进的几何特征，所述改进的几何特征允许流体结构通过以下TDET原理避免发生气穴现象来保护自身：需要更长的时间来加速水，以更有效的方式产生期望的推力，这意味着达到相同航速所需的燃料消耗更少。这会提高螺旋桨的相对旋转效率(HR)，以及船体后方的螺旋桨效率(ηρ)，其中ηo是开阔水域中的螺旋桨效率：

iηρ＝ηoχηR

相对旋转效率(HR)是螺旋桨围绕其轴线旋转的效率。阻力和流入条件对该性能有直接影响。由于进入船体后方的螺旋桨盘区域的水流既不恒定也不成直角，因此螺旋桨转动的动作会导致水流轻微旋转。该旋转通过“预调节”流以沿着对齐的轨迹加速而有助于相对旋转效率，从而限制湍流和相关驱动轴振动。有助于这一现象的几何形状将有利于螺旋桨性能，特别是类似于本申请中采用TDET的那些的几何形状。

在两种情况下，流体结构都是围绕中心轴线旋转的刚性固定桨距结构。流体结构与主轴/驱动轴对齐，并通过升力和/或阻力原理的组合(根据应用要求)，向涡轮机或设备或结构的主轴贡献或传递转矩。

一个实施例的流体结构包括具有两个或更多个弯曲的流体元件的几何结构，所述两个或更多个弯曲的流体元件从与旋转中心轴线对齐的上游尖端延伸到远离中心轴线的径向位置处的下游端。

流体结构围绕中心轴线旋转，其中两个或更多个弯曲的流体元件包含弦段，所述弦段在上游位置相较于下游位置较宽。

流体结构在涡轮机的轮毂处耦合到涡轮机，例如作为对现有涡轮机结构的改装(例如，代替仅保护轮毂的整流罩)或作为制造的涡轮机结构的一部分，使得涡轮机结构是一种具有协同工作以捕获旋转运动来转换成另一种形式或另一种模式能量的部件的系统。在替代实施例中，流体结构也可以永久地附接到涡轮机结构。本文描述了各种实施例和结构变体。

根据一个方面，提供了一种流体结构，其包括具有上游端、下游端和旋转轴线的主体，所述刚性主体并入有多个弯曲的流体元件(突起、通道、槽等)，所述多个弯曲的流体元件从与旋转中心轴线对齐的上游尖端延伸到远离中心轴线的某一其他径向位置处的下游端，并且围绕中心轴线旋转，从而向涡轮机贡献转矩。从入射风的定向来看，下游是相对于转子叶片根部的圆形剖面的中点的参考。参考平面是转子叶片的平面。在贡献转矩时，首先向结构(例如，流体元件)的尖端施加入射流。

可以存在不同数量的流体元件，在一些实施例中，考虑了2、3、4、5、6、7、8、9和10个流体元件。在一些实施例中，它们可以彼此均匀地间隔开，或者在其他实施例中，它们可以不规则地排列。

本文所述的流体结构可以在中心位置处与涡轮机(诸如水平轴风力涡轮机)的轮毂结构完全集成在一起或装配并附接在一起，从而代替现有的整流罩。

当与风力涡轮机相关时，随着入射风在其从上游端到下游端的路径上推动并通过弯曲的流体元件，流体结构面向从上游位置流向下游位置的入射风，接收风，并响应于入射风的流动结合风力涡轮机的转子叶片而旋转。

在优选实施例中，流体结构与转子叶片一致地旋转。当添加到风力涡轮机中时，流体结构成为转子的一部分，适于“与转子一起旋转”(例如，耦合和/或以其他方式可操作地连接在一起)。

例如，流体结构可以用螺栓固定到位，以便将其固定到转子的轮毂部分，使得流体结构与转子之间不应存在旋转差，因此不会有多余的振动。

此外，流体结构将到达弯曲的流体元件的下游端的入射风沿基本垂直于旋转轴线的方向沿着元件向外导向，从而沿着风力涡轮机的相应转子叶片的吸力面导向。

在流体结构的下游端处的弯曲的流体元件部分通常与上风向动力产生转子叶片部分对齐，并且在相似实施例中，转子叶片可以呈现翼型的形状和/或可以形成转子叶片的新的前缘剖面和/或可以形成转子叶片的新的后缘剖面。大体对齐包括在径向方向上的基本上对齐，使得“突出部”的翼型剖面最佳地对齐流以越过转子叶片的吸力面。尽管对齐可能会有一些变化，但可以利用对齐来最大化电力并限制湍流和不适当的载荷。

流体结构从而用于利用仍在风力涡轮机的转子叶片的平面上游的入射风来旋转轮毂，从而通过其应用和使用并通过增加能量提取发生的时间(称为时间依赖型能量传递)总体上提高效率和/或减少噪声排放和风力涡轮机的载荷。

进一步地，远离涡轮机的旋转轴线但抵靠转子叶片的入射风的动能的导向和重新分布提供动能源，在替代方法中，通过转子-根部泄漏的现象产生低压区域，所述动能源已经从轮毂区域损失了。

根据另一方面，提供了一种用于涡轮机的流体结构，包括可附接到涡轮机的轮毂结构且并入有多个弯曲的流体元件的刚性主体，每个弯曲的流体元件均通过针对对应涡轮机叶片的吸力面的阻力和升力过程接收和导向入射在刚性主体上的风。

在一个实施例中，可以代替标准抛物面整流罩或与标准抛物面整流罩一起将流体结构改装为现有涡轮机，从而为现有涡轮机提供效率和动力产生益处。

选择流体元件相对于旋转轴线弯曲的方向，以与驱动轴和转子叶片的旋转方向的相反方向相对应。弯曲基于最大化与转子叶片的径向对齐，使得突出部的翼型剖面最佳地将流输送到转子上。不同的转子叶片配置与3D空间中的曲线几何形状的非常微小的差异有关。

这样，转子叶片的预期旋转的逆时针方向将与流体设备的槽围绕旋转轴线的顺时针螺旋相协调，而转子叶片的预期旋转的顺时针方向将与流体设备的槽围绕旋转轴线的逆时针螺旋配合。

各个实施例提供了针对改进风力或水力涡轮机的整流罩的传统方面的机会的描述。生物启发的配置可以方便地改装到涡轮机的轮毂结构上，始于转子叶片运动平面的前方，并终止于所述平面的后方。本文所述的流体结构旨在使用位于转子叶片行进平面的前方的入射流体(诸如风)在涡轮机的驱动轴中产生旋转运动，并将位于轮毂结构前方的这种入射流体导向到转子叶片的动力产生区的吸力面，从而通过利用轮毂区域中流体中可用的利用不足的能量来提高涡轮机的整体效率，以便形成高压区域。该高压区域还导向进入流朝涡轮机的外部径向位置移动，从而通过产生压差产生间接影响，所述压差有用地产生更高的感应系数并在给定流速下产生更多通过转子的质量流。

通过本文所述的实施例，具有流体结构的风力涡轮机在集成本发明的情况下效率可能会提高，这超过了常规方法可获得的效率。如果一台集成有流体结构的风力涡轮机安装在另一台集成有流体结构的风力涡轮机的上风向处，效率也会有类似的提高。由于涉及改进的风力涡轮机的尾迹的宏观影响，安装有流体结构的多台风力涡轮机的总和可能大于该风电场中的任何一台风力涡轮机。

在一些实施例中，流体结构的上游尖端包含用于确定环境和涡轮机状态的传感器和相关数据系统，其中来自传感器和相关数据系统的数据已并入主涡轮机的数据采集与监控系统中。

在一些实施例中，弯曲的流体元件包含相关测力传感器，并且其中上游尖端包含适于确定环境和涡轮机特定数据的传感器系统，所述传感器系统耦合到状态监测系统和数据采集与监控系统中的至少一个。

在一些实施例中，流体结构被配置为使用可调节托架系统和硬点附接到轮毂结构，所述可调节托架系统和硬点允许沿着旋转轴线的平面和在方位角位置方面进行改变。

在一些实施例中，流体涡轮机是水平轴风力涡轮机，并且流体结构是向主轴提供转矩的唯一空气动力学结构。

在一些实施例中，流体涡轮机是水平轴风力涡轮机，所述水平轴风力涡轮机具有根部安装到轮毂剖面的转子，所述转子具有多个叶片，所述多个叶片构成转子平面，所述多个叶片中的每个叶片具有前缘、后缘、压力面、吸力面并且具有翼型剖面，所述翼型剖面适于通过升力从风中提取能量并向主轴提供转矩；流体结构是具有两个或更多个弯曲的流体元件的空气动力学整流罩，所述两个或更多个弯曲的流体元件在转子平面上游的尖端和在转子平面下游的另一径向位置处相遇。

在一些实施例中，流体涡轮机是以下中的至少一种：水平轴潮流能涡轮机、水电站坝涡轮机、风筝涡轮机、高空风力发电(HAWP)设备或风筝风力涡轮机，并且流体结构是向主轴提供转矩的唯一流体动力学结构。

在一些实施例中，流体涡轮机是以下中的至少一种：垂直轴潮流能涡轮机、水电站坝涡轮机、风筝涡轮机、高空风力发电(HAWP)设备或风筝风力涡轮机，并且流体结构是向主轴提供转矩的唯一流体动力学结构。

在一些实施例中，流体涡轮机是水平轴潮流能涡轮机，所述水平轴潮流能涡轮机具有根部安装到轮毂剖面的转子，所述转子具有多个叶片，所述多个叶片构成转子平面，所述多个叶片中的每个叶片具有前缘、后缘、压力面、吸力面并且大体具有翼型剖面，所述翼型剖面设计用于从水中提取能量并向主轴提供转矩，所述流体结构是流体动力学整流罩，所述整流罩具有在转子平面上游的尖端和在转子平面下游的另一径向位置。

在一些实施例中，空气动力学整流罩包括弯曲的流体元件，所述弯曲的流体元件适于逐渐地利用来自进入气流的动力，并通过将这种气流从旋转中心轴线集中到另一径向位置，在流体涡轮机的附近提高主涡轮机的效率，并且所述弯曲的流体元件适于将气流引导到叶片的吸力面，从而减少流分离、湍流和相关振动。

在一些实施例中，空气动力学整流罩包括弯曲的流体元件，并且适于在转子的轮毂和根部周围产生有用的高压区域，从而促进进入气流径向地加速远离转子上游的轮毂，并通过提高轴向感应系数和通过转子的质量流来提高主涡轮机的效率。

在一些实施例中，弯曲的流体元件用于逐渐地利用来自进入水流的动力，并通过将这种水流从旋转中心轴线集中到另一径向位置，在下游附近提高涡轮机的效率，并且将水流导引到叶片的吸力面，从而减少流分离、气穴现象、湍流和相关振动。

在一些实施例中，弯曲的流体元件用于在转子的轮毂和根部周围产生高压区域，从而使进入水流径向地加速远离转子上游的轮毂，从而通过提高轴向感应系数和通过转子的质量流来提高整个涡轮机的效率。

在一些实施例中，流体涡轮机包括在上游尖端的超声波噪声感应器，所述超声波噪声感应器经过专门编程，通过产生人类听不到的噪声来阻止蝙蝠和其他禽类在涡轮机附近飞行。

在一些实施例中，在与旋转中心轴线成直线的中心位置处，将流体结构与流体涡轮机的轮毂结构集成在一起或装配并附接在一起，以替代现有的整流罩，同时将所述流体涡轮机安装在主涡轮机的操作环境中，或安装在作为主涡轮机制造的一部分的出厂设置中。

一种操作流体涡轮机的对应方法，其中传感器系统被配置为确定环境和涡轮机特定数据，并且包括以下中的至少一个：耦合到流体结构的尖端的前向LiDAR单元，所述前向LiDAR单元提供LiDAR信息的前馈数据流，以减少主涡轮机旋转部件和支撑结构上的不需要的载荷和操作现象，同时通过预期的控制程序以及定义的操作方法和阈值来提高动力性能，其中；可变桨距转子叶片是可控制的，以设置期望的迎角，主涡轮机或流体结构的旋转部件是可控制的，以偏航到一个或多个期望的定向；所述方法包括：

在与流体涡轮机间隔开的第一检测平面处，检测代表第一检测平面处的风速特性的LiDAR读数的前馈数据流；在数据架构系统中处理前馈数据流，所述数据架构系统被配置为响应于所述风速特性读数生成一系列机械控制命令信号，所述一系列机械控制命令信号至少修改期望的迎角和旋转部件的一个或多个期望的定向；其中所述数据架构系统被配置为实时或近实时地刷新控制决策。

在一些实施例中，所述方法进一步包括：在物理耦合到流体结构的一个或多个弯曲的流体元件的一个或多个测力传感器处，检测应变水平，所述应变水平指示要作为一个或多个载荷系数数据集存储在数据存储器中的所耦合的一个或多个弯曲的流体元件上的载荷系数；通过数据架构系统处理一个或多个载荷系数数据集，以在一系列机械控制命令信号与风速特性之间建立误差度量；通过数据架构系统更新数据架构系统的一个或多个控制特性以减少误差度量，所述一个或多个控制特性至少包括在利用一系列机械控制命令信号改变至少期望的迎角和旋转部件的一个或多个期望的定向的时间与测量风速特性的时间之间的补偿滞后时间。

在一些实施例中，描述了一种利用复合材料制造空气动力学整流罩的方法，所述整流罩包括：轮毂，围绕中心轴线旋转，并与主轴对齐；和流体结构，被配置为安装到主涡轮机的轮毂上，所述流体结构通过增加升力和阻力中的至少一个为所述主涡轮机的所述主轴贡献转矩，所述方法包括：从计算机辅助设计(CAD)文件制作模具；将玻璃和碳纤维的铺设层铺设到模具中，并且在所述层之间设置环氧树脂并使其凝固以产生类似于CAD文件的硬化产品。

在一些实施例中，所述用于制造的方法包括在预先架设的风力涡轮机的轮毂上安装法兰和板，并且由此，在将整个结构经由起重机提升到位之前，将根据权利要求4所述的安装结构的大部分预先组装并附接到地面上的空气动力学整流罩上，并经由预先安装的法兰和板附接到风力涡轮机。

在一些实施例中，一种运输空气动力学整流罩的方法，所述空气动力学整流罩包括：轮毂，围绕中心轴线旋转，并与主轴对齐；和流体结构，被配置为安装到主涡轮机的轮毂上，所述流体结构通过增加升力和阻力中的至少一个为主涡轮机的主轴贡献转矩，其中所述流体结构包括两个或更多个弯曲的流体元件，所述弯曲的流体元件从与旋转中心轴线对齐的上游尖端延伸到远离中心轴线的径向位置处的下游端，并且围绕中心轴线旋转，从而向主涡轮机贡献转矩；并且其中所述两个或更多个弯曲的流体元件包含弦段，所述弦段在上游位置相较于下游位置较宽，所述方法包括：将所述两个或更多个弯曲的流体元件中的每个彼此堆叠，并且将所述两个或更多个弯曲的流体元件彼此堆叠地存放在海运集装箱内或平板货车的车箱上。

其他方面以及优点将在本文中描述。

附图说明

在附图中，通过示例的方式示出了实施例。应当明确理解的是，说明书和附图仅出于说明的目的并作为理解的辅助。

现在将仅通过示例的方式参考附图来描述实施例，其中在附图中：

现在将参考附图描述本发明的实施例，其中：

图1是根据现有技术的水平轴风力涡轮机的侧视图；

图2A是根据本发明的实施例的并入有流体结构的水平轴风力涡轮机的侧视图；

图2B是图2A的水平轴风力涡轮机的正面透视图；

图3A是根据本发明的实施例的流体结构的侧视图；

图3B是图3A的流体结构的正视图；

图4A和4B是图3A的流体结构从上游端(4A)附近的位置和从更靠近下游端(4B)的位置所观察到的剖视图；

图5A、5B、5C和5D是在槽的边缘处的保持结构的各种替代实施例的剖视图；

图6是用于图3A的流体结构与风力涡轮机的轮毂结构相连接的附接结构的正面透视图；

图7是替代附接结构的背面透视图；

图8是另一替代附接结构的背面透视图；

图9是图8的流体结构的侧视图，进一步示出了附接系统以及流体结构与涡轮机的毂盖、轮毂结构和转子叶片之间的关系；

图10是根据一个实施例的具有表面纹理的流体结构的正视图；

图11是根据一个实施例的流体结构的正视图，所述流体结构具有与相应转子叶片齐平地终止的槽端；

图12是根据本发明的替代实施例的替代流体结构的侧视图；

图13是图12的流体结构的侧视图，进一步示出了通风结构以及流体结构与涡轮机的毂盖和轮毂结构之间的关系；

图14是根据一个实施例的具有槽的流体结构的正面透视图，所述槽的横截面是空气动力学的；

图15是并入有流体结构的城市风力涡轮机的正视图；

图16是根据一些实施例的并入有流体结构的涡轮机组件的正视图；

图17是根据一些实施例的并入有流体结构的涡轮机组件的侧视图；

图18是根据一些实施例的流体结构的正视图；

图19是根据一些实施例的流体结构的侧视图；

图20是根据一些实施例的并入有流体动力学流体结构的涡轮机组件的侧视图；

图21是根据一些实施例的流体动力学流体结构的侧视图；

图22是根据一些实施例的流体结构的正视图，示出了设置在其上的测力传感器；

图23是根据一些实施例的用于安装流体结构的轮毂的透视图；

图24是根据一些实施例的存储有流体结构的用于运输的海运集装箱的侧视图；

图25是根据一些实施例的涡轮机控制器的示意框图；

图26是根据一些实施例的计算设备的框图；并且

图27是根据一些实施例的船舶的螺旋桨的侧视图。

具体实施方式

现在将详细参考本发明的各种实施例，在附图中示出了其一个或多个示例。每个示例都是通过解释本发明的方式提供的，并不意味着对本发明的限制。例如，作为一个实施例的一部分示出或描述的特征可以在其他实施例上或与其他实施例结合使用以产生进一步的实施例。本发明旨在包括这样的修改和变化。

图1是根据现有技术的水平轴风力涡轮机10的侧视图。风力涡轮机10包括由表面S(诸如地面)支撑并从表面S延伸的塔架100。塔架100继而支撑水平延伸的机舱200。具有毂盖300的轮毂结构可旋转地安装在机舱200的前端，并且可相对于机舱200围绕旋转轴线R旋转。毂盖300接收并支撑多个转子叶片400，每个转子叶片从毂盖300向外延伸。转子叶片400捕获流向风力涡轮机10的入射风W并因此旋转。由于转子叶片400由毂盖300支撑，因此转子叶片在旋转时使毂盖300围绕旋转轴线R旋转，从而引起旋转运动，所述旋转运动可以通过公知的方式转换为可用的电力或机械力。在这个意义上，转子叶片400均是适于遍历流体环境的结构，其中在本实施例中，流体是环境空气。机舱200可以可旋转地安装到塔架100，使得机舱200可以相对于塔架100围绕基本竖直的轴线(未示出)旋转，从而使转子叶片400能够适应性地面对入射风W正接近风力涡轮机10的方向。大致均匀的抛物面形状的整流罩500示出为安装到毂盖300的前端以使入射风W偏转远离毂盖300。

图2A是根据本发明的实施例的并入有流体结构600的水平轴风力涡轮机15的侧视图，并且图2B是水平轴风力涡轮机15的正面透视图。

风力涡轮机15包括由表面S(诸如地面)支撑并从表面S延伸的塔架100。塔架100继而支撑水平延伸的机舱200。具有毂盖300的轮毂结构可旋转地安装在机舱200的前端，并且可相对于机舱200围绕旋转轴线R旋转。毂盖300接收并支撑多个转子叶片400，每个转子叶片从毂盖300向外延伸。转子叶片400捕获流向风力涡轮机15的入射风W并因此旋转。由于转子叶片400由毂盖300支撑，因此转子叶片在旋转时使毂盖300围绕旋转轴线R旋转，从而引起旋转运动，所述旋转运动可以通过公知的方式转换为可用的电力或机械力。机舱200可以可旋转地安装到塔架100，使得机舱200可以相对于塔架100围绕基本竖直的轴线(偏航轴线，未示出)旋转，从而使转子叶片能够适应性地面对入射风W正接近风力涡轮机15的方向。

在本实施例中，流体结构600被示出为安装到毂盖300的前端，并且可与毂盖300和转子叶片400一起围绕旋转轴线R旋转。

图3A是流体结构600的侧视图，为便于说明进行了放大，并且图3B是流体结构600的正视图。流体结构600包括具有上游端602U和下游端602D的刚性主体602。刚性主体602并入有多个槽，在本实施例中，为三(3)个槽604A、604B和604C。每个槽604A、604B和604C围绕旋转轴线R从上游端602U处的尖端606螺旋到下游端602D。槽604A、604B和604C也各自相对于旋转轴线R张开，从而在基本垂直于旋转轴线R的方向上沿着槽604A、604B和604C靠近下游端602D定向入射流(在本实施例中为入射风W_i)。

在本实施例中，在上游端602U处的槽604A、604B和604C通常沿着与旋转轴线R大致平行的方向来自于尖端606附近的点，然后随着它们螺旋地朝向下游端602D前进，从旋转轴线渐进式向外张开以重新定向入射风W_i(显示进入图3B中的页面中)，以便重新定向的风_WRD沿着转子叶片400的前表面流动。

特别是如图3B所示，槽604A、604B和604C中的每一个通常是单级格式，即，螺旋的焦半径从上游端602U到下游端602D渐进式逐渐增加。此外，槽的宽度从上游端602U到下游端602D相应地逐渐增大。在本实施例中，槽604A、604B和604C中的每一个大致呈抛物线状加宽，使得槽的宽度从上游端602U到下游端602D逐渐增大。在替代实施例中，槽的轮廓可以制成为宽度从上游端602U到下游端602D逐渐增大，然后在整个中间区保持稳定宽度，使得槽的边缘平行，然后宽度到下游端602D再次逐渐增大。在又另一替代实施例中，槽的轮廓可以制成为宽度从上游端602U到下游端602D逐渐增大，然后在下游区到下游端602D保持稳定宽度，不会再次增大。

图4A和4B是从上游端附近的位置A(图3A中的A所示)和从更靠近下游端的位置(图3A中的B所示)所观察到的流体结构600的剖视图，示出了槽604A、604B和604C的不同焦半径FR_A和FR_B，以及槽604A、604B和604C的不同宽度。应当注意，在本实施例中，每个槽604A、604B和604C的宽度与焦半径成比例地增加。

如图3A、3B、4A和4B所示，每个槽604A、604B和604C具有从上游端602U延伸到下游端602D的相对边缘。在本实施例中，每个槽604A、604B和604C的边缘之一并入有相应的保持结构605A、605B和605C，用于抑制入射流体(在本实施例中为入射风)离开相应的槽604A、604B和604C并用于沿着槽定向入射流体。

在本实施例中，每个保持结构605A、605B和605C是弧形的细长壁，其横截面通常为C形。特别地，每个槽604A、604B和604C的沿着边缘面对入射风Wi的表面的一部分自身逐渐弯曲成最大二百七十(270)度的角度。槽127的横截面可以进一步具有任何有益的椭圆或弓形形状。

图5A、5B、5C和5D是用于槽(诸如槽604B)的沿其边缘一部分的保持结构的各种替代实施例的剖视图。例如，图5A是保持结构607B的视图，所述保持结构是在上游方向上大致延伸90度的极略微弧形的壁；图5B是保持结构609B的视图，所述保持结构是半径宽于图5A的壁，且先在向下游方向上略微下降，再在上游方向上起弧；图5C是如图4B所示的流体结构600的保持结构605B的视图，所述保持结构先在上游方向上大体延伸90度，再弯曲；并且图5D是保持结构611B的视图，其类似于保持结构605B，但是如保持结构605B一样，先在向下游方向上略微下降，再在上游方向上起弧。在仍进一步的实施例中，保持结构可以以其大致C形延伸，以使其横截面大致呈U形。

保持结构阻止入射风Wi溢出槽的边缘，从而在保持结构从边缘延伸的区中将更多的风保持在槽内。

图6是呈鼻夹组件650形式的附接结构的正面透视图，所述附接结构用于使流体结构600与水平轴风力涡轮机(诸如风力涡轮机15)的轮毂结构相连接。鼻夹组件650被配置为使得不需要拆卸现有的轮毂结构300和转子叶片400来使用鼻夹组件650以流体结构600改装风力涡轮机15。如图所示，鼻夹组件650附接到风力涡轮机15的现有轮毂结构300，并通过鼻夹组件650的支撑设备(包括托架656、夹具652和滚轮和/或脚轮654)进一步稳定到转子叶片400的根部402。可替代地，一个或多个夹具、一个或多个支架、一个或多个托架、一个或多个支柱、一个或多个脚轮，以及一个或多个滚轮或其组合可以用作附接机构。

应注意，优选地，滚轮和/或脚轮654与流体结构600和涡轮机15相连接，以使鼻夹组件650能够适应每个转子叶片400相对于轮毂结构的桨距的选择性调节。在这种情况下，滚轮沿着相应转子叶片400的根部402的外表面滚动，同时将流体结构600相对于轮毂结构保持在中心位置。

图7是呈鼻夹组件660形式的替代附接结构的背面透视图，所述替代附接结构用于将流体结构600附接到水平轴风力涡轮机15的转子叶片400的仅根部402。在本实施例中，在以流体结构600改装风力涡轮机15之前，不必去除现有的毂盖300和转子叶片500。如图所示，通过鼻夹组件660的支撑设备将鼻夹组件660稳定到转子叶片400的根部402，所述支撑设备包括托架656、夹具652和滚轮和/或脚轮654。可替代地，一个或多个夹具、一个或多个支架、一个或多个托架、一个或多个支柱、一个或多个脚轮，以及一个或多个滚轮或其组合可以用作附接机构。

应注意，优选地，滚轮和/或脚轮654与流体结构600和涡轮机15相连接，以使鼻夹组件660能够适应每个转子叶片400相对于轮毂结构的桨距的选择性调节。在这种情况下，滚轮沿着相应转子叶片400的根部402的外表面滚动，同时将流体结构600相对于与旋转轴线R成直线的轮毂结构和尖端606保持在中心位置。

在替代实施例中，附接系统可以被配置为仅与风力涡轮机的轮毂结构相连接，从而不与其转子叶片物理接触。

图8是替代流体结构700的背面透视图。流体结构700与流体结构600相似，因为流体结构700包括具有上游端702U和下游端702D的刚性主体702。刚性主体702并入有多个槽，在本实施例中，为三(3)个槽704A、704B和704C。每个槽704A、704B和704C围绕旋转轴线R从上游端702U处的尖端706螺旋到下游端702D。槽704A、704B和704C也各自相对于旋转轴线R张开，从而在基本垂直于旋转轴线R的方向上沿着槽704A、704B和704C靠近下游端702D导向入射流(在本实施例中为入射风W_i)。

在本实施例中，流体结构700包括整体圆环740A、740B和740C，所述整体圆环固定到流体结构700的向后侧，并且每个的尺寸设成接收并容纳转子叶片400的相应根部402(图8中未示出)，然后根部402与涡轮机(诸如风力涡轮机15)的轮毂结构相连接。为清楚起见，示出了整体圆环740A、740B和740C，而没有任何滚轮。

图9是流体结构700的侧视图，进一步示出了轮毂结构670和其与流体结构700和轮毂结构的毂盖300以及风力涡轮机15的转子叶片400之间的关系。轮毂结构和整体循环回路740A、740B和740C可用于将流体结构700“螺栓”到风力涡轮机15的轮毂结构上，从而以流体结构改装风力涡轮机15，并与可能已成为原始整流罩500和/或毂盖300的一部分的支柱675相连接。

图10是流体结构800的正视图，所述流体结构在槽804B之一上具有表面纹理855并且示出了顺时针旋转的预期定向。其他槽804A和804C可以具有相似的表面纹理855。流体导向结构800可以被配置为与流体导向结构600和700非常相似，并且在本实施例中，示出为终止于下游端，使得其槽804A、804B和804C与相应转子叶片400集成在一起，从而提供连续的前表面，以沿着WRD所示的方向接收和重新导向入射风Wi。连续的前表面减少了可能会导致不期望的流体阻力的流体流中断。

纹理855可以具有减小流体阻力并因此允许增加流体结构800的电力产生的任何配置。例如，纹理可以包括凹坑。可以在860处看到纹理855的特写视图示出了陷落在槽的表面下方的凹坑861和隆起到表面上方的凹坑862。图10中在863处示出的放大的侧视图子图示出了凹坑861的挖掘和其在表面862上方的隆起。

在一个实施例中，在整流罩组件的表面上还可以包括旋涡发生器。可以在制造期间或安装之后通过任何方式应用表面纹理。

图11是流体结构800的正视图，其中未示出表面纹理855，并且示出了逆时针旋转的预期定向。

应当理解，槽804A、804B和804C相对于旋转轴线R成螺旋形的方向对应于转子叶片400意图旋转的相反方向。这样，转子叶片的预期旋转的逆时针方向将与槽804A、804B和804C的围绕旋转轴线R的顺时针螺旋(进入图11所示的页面)配合，而转子叶片的预期旋转的顺时针方向将与804A、804B和804C围绕旋转轴线的逆时针螺旋配合，如图10所示。在本实施例中，在分别与相应转子叶片400的上风向电力产生翼型部分对齐处，流体结构800的槽804A、804B和804C可以呈现翼型的横截面形状。替代地或以某种组合，槽804A、804B和804C可以形成转子叶片400的新的前缘部分和/或可以形成转子叶片400的新的后缘部分。

图12是替代流体结构900的侧视图。在本实施例中，流体结构900具有槽904A、904B和904C，每个槽具有从其上游端902U的尖端906到位于上游端902U与下游端902D中间的中点位置P逐渐加宽的第一级S1。槽904A、904B和904C中的每一个还包括从中点位置P到下游端902D逐渐加宽的第二级S2。每个槽904A、904B和904C在其第二级S1通常比在其第一级S2中宽。

级S1和S2中的每一个通常在形状上呈抛物线状渐进式加宽。在本实施例中，中点位置P在上游与下游端之间的中间。然而，在替代实施例中，中点位置P可以在上游端与下游端之间的大于一半处，诸如在四分之三(3/4)位置处。此外，槽904A、904B和904C可以围绕旋转轴线R在约一百八十(180)度与约三百六十(360)度之间螺旋。螺旋的轮廓可能会有许多偏差。例如，槽的螺旋可以开始于整流罩的前尖端906，并一直延伸到下游端902D，在所述下游端处，槽的表面平齐连接和/或与相应转子叶片400的上风向电力产生翼型部分紧密接近。在实施例中，螺旋可以横穿任何抛物面形状或其大部分，从而具有多于两个级。在尖端906处开始之后，抛物线轮廓接着可以在中点位置P附近的位置处逐渐变细以达到与旋转轴线R几乎平行的线。在中点位置P附近的该位置处，抛物线轮廓接着可以张开到较宽的焦点，完成其一半或九十(90)度的转向。然后，轮廓可以在轮毂结构附近再次逐渐变细，以与驱动轴的线平行，在该点处，将完成整体一百八十(180)度的转向。因此，这种配置允许入射风Wi在翠鸟的喙和头的启发下沿着各自的槽904A、904B、904C的表面在多级S1、S2之上逐步行进，并被导向到相应的转子叶片400的上风向电力产生翼型部分。

图13是流体结构900的侧视图，进一步示出了通风结构以及流体结构与涡轮机的毂盖和轮毂结构120之间的关系。通风结构包括通风入口985、柔性管和/或软管986，以及现有轮毂结构120和整流罩500的相对内部位置。在本实施例中，流体结构900可在第二级S2内在其表面上包括通风入口985，以允许空气经由柔性管和/或软管986渗透到整流罩500和轮毂结构120和/或机舱200中。

根据另一实施例的一方面，流体重新导向结构900可以是具有结构蒙皮的单壳式构造组件，并且所述单壳式构造组件被配置为使得具有毂盖300和/或整流罩500的现有轮毂结构120能够在流体结构900内被接收在下游端902D。在本实施例中，流体结构可以是单件式单元。在替代实施例中，流体结构可以是多件式单元。

图14是具有槽1004A、1004B和1004C的流体结构1000的正面透视图，所述槽的横截面是空气动力学的，并且增设了空气动力学的翼型剖面1046。

根据这一方面，这可以通过在流体结构1000的下游端1002D的最外部与风力涡轮机转子叶片400的上风向电力产生翼型部分之间具有间隙1043来实现。该方法覆盖了转子叶片402的根部区域，但是允许材料的柔性和/或将流体结构1000的下游端1002D的最外部转换成翼型剖面的能力。这有效地延伸了转子叶片400的长度，从而产生了新的前缘404和后缘405。此外，可以在平行于转子叶片400并且在流体结构1000的下游端1002D的最外部的稍上方的位置处增设另一个空气动力学翼型剖面1046。这具有防止入射风Wi中任何剩余动能在没有首先事先对流体结构1000做功的情况下从转子叶片402的根部之间离开流体结构1000的下游端1002D的最外部。此处显示的功在Wii处进行，在那里沿空气动力学翼型剖面1046转移入射风的路径，从而在该剖面上做功并减小其动能，且入射风在We处离开。通过任何合适的方法，该空气动力学翼型剖面1046在1005A处附接到槽的后部，和流体结构1000的下游端1002D的最外部的前部1005B，使得当入射风Wi经过时产生旋转力。根据另一方面，该剖面1046与流体结构1000的任何其他剖面可以一起形成两(2)个或更多个可分离剖面的组合。

贝茨极限注意事项及其改进

如上所述，贝茨极限是风动能提取中的最大性能系数(Cp)，为59.3％。实际上，已知的风能技术的Cp远低于贝茨极限。贝茨极限的方程式如下：

其中，Pmax是最大可用功率，p是空气的密度，S是转子的扫掠面积，并且v是空气的速度。

还可以通过检查涡轮机(a)的轴向感应系数来确定性能系数，其通过以下关系式来描述：

C_p＝4a(l-a)²

并且当a＝1/3时达到贝茨极限。

贝茨定律假定：

1.转子不具有轮毂，这是理想的转子，具有无数个无阻力的叶片。任何产生的阻力只会降低该理想值。

2.流入和流出转子的流是轴向的。这是控制体积分析，并且要构建解决方案，控制体积必须包含所有流入和流出的流，如果不考虑该流，将违反守恒方程。

3.流是不可压缩的。密度保持恒定，并且没有热传递。

4.在盘或转子区域上的均匀推力。

以上是从未达到的理想最大值，因为现代涡轮机具有轮毂并且其转子不是理想的。但是，从理论上讲，可以通过打破第4个假设(转子区域上的推力是均匀的)来扩展该极限。通过将流朝向外部径向位置集中，一种改进的方法可以超过给定流状态下的功率捕获潜力。本申请中的实施例描述了一种这样的设备，所述设备可以通过将进入的流输送离开旋转中心轴线来打破这一假设。

这样做，下面提供了一个新的方程式来描述现象，这可以帮助预测可能的结果。

图16是根据一些实施例的并入有流体结构(例如，空气动力学整流罩)的风力涡轮机组件的正视图。

图16示出了具有塔架1601、机舱1602和可变桨距叶片1603(它们一起限定了转子)的风力涡轮机1600。

机舱1602容纳风力涡轮机的主轴和传动系以及电源转换器(例如，发电机)，所述电源转换器通过主轴的转矩旋转，从而限定相对于转子1603的围绕位置1606a的旋转轴线。

主轴的转矩由可变桨距叶片1603提供，所述可变桨距叶片本身由几何形状基于径向位置的多个优化的翼型剖面构成(这在现有技术中已定义)，并使用升力的空气动力学原理产生围绕位置1606a的转矩力。

更具体地，在风力涡轮机1600的可变桨距叶片1603的两侧(称为“压力”和“吸力”面)之间的压差在主轴上产生转矩，这是因为压力试图变得均衡并导致转子旋转。

在一些实施例中，可变桨距叶片1603的翼型剖面的弦长渐进式加宽，也就是说，叶片从叶片尖端1603a到最大弦宽位置1603b渐进式变宽，所述最大弦宽位置通常为叶片总长度的80％。

转子包含可变桨距叶片1603，以在其给定径向位置以及操作期间的局部速度下，针对各种翼型剖面几何形状维持最佳迎角。从最大弦宽1603b的区域到转子最靠近旋转轴线1606a的端，限定了转子叶片根部1604。

该叶片根部1604被设计用于结构目的，以支撑可变桨距叶片1603的重量，并且因此其横截面通常是圆形的，从而为经由变桨距马达进行变桨距动作提供双重支持。这样，该叶片根部1604在空气动力学上是次佳的，并且其在操作中的失速和湍流进一步造成风力涡轮机1600整体效率潜力降低，因此不是优化的翼型剖面。

在剖面1604中产生湍流和失速的原因之一是：在由于转子叶片的几何形状(更圆)而产生剧烈方向变化下，风中没有足够的能量保持附着在可变桨距叶片1603上，并且因此流从叶片根部1604的表面分离开，从而产生湍流和失速。

叶片根部1604包含最接近最大弦长位置1603b的本质上更像机翼的横截面，并且还包含最接近旋转轴线1606a的本质上不太像机翼的横截面。这样，最接近旋转轴线1606a的叶片根部1604的剖面更可能失速并产生湍流，并且与更接近1603b的截面相比，在那些剖面中所产生的失速和湍流的程度更有可能较高。在本申请的一个实施例中，描述了一种用于风力涡轮机1600的空气动力学整流罩1606。

该空气动力学整流罩1606的功能之一是促进和帮助对应于叶片根部1604的可变桨距叶片1603的优先空气动力学，所述叶片根部当前是次优的并且易于产生湍流和失速。在操作期间，湍流和失速在机舱1602内所包含的传动系中产生不期望的振动，并且导致昂贵的维护和过早的部件更换。转子叶片1603也是易于过早更换的部件，因此进一步期望减少该部件上以及塔架1601的湍流和失速所造成的振动和不必要的载荷。

在操作中，在三个可变桨距叶片1603之上流动的风使转子通过升力的空气动力学机构转动。这些叶片通过位于机舱1602上风向处的轮毂附接到主轴，所述机舱连接到发电的发电机。

图17是根据一些实施例的并入有流体结构的风力涡轮机组件的侧视图。

在风力涡轮机1600的操作期间，还已知发生称为“转子根部泄漏”的现象，由此，由于次优的空气动力学在转子叶片根部1604周围形成低压区。在可变桨距叶片1603的更接近尖端1603a的另一径向位置处，已知存在高压区域。这些区域之间的压差导致空气从高压区向低压区略微径向移动，从而朝向旋转轴线1606a加速进入转子表面的入射流体‘Fi’。

可通过贝茨极限描述可用于任何风力涡轮机1600的最大功率，并且部分地取决于可变桨距叶片1603的长度，从而可描述转子的扫掠面积。对该极限的一种假设是——整个转子盘上的流量是均匀的，但实际上并非如此，部分原因是转子根部泄漏现象。反过来也是成立的，这意味着如果流朝向另一径向位置‘Fi’集中，那么可以超越理论上的极限。在较早的方程式中对此进行了描述。

在另一实施例中，空气动力学整流罩1606通过在其局部区域(例如，在25米之内)在之前是低压区域的区域创建高压区域来根据以上方程式促进优先空气动力学。部分由于其几何形状上，从空气动力学整流罩1606a的尖端开始，入射流体‘F’被输送到外部径向位置‘Fi’。

在进一步的实施例中，这首先通过基于阻力的机构发生，然后通过基于升力的机构发生，在图19中进行了更详细的描述。

局部影响是，它吸收入射流体‘F’来呈现在‘Fi’中看到的流动模式，这意味着更多的流体流过翼型剖面，所述翼型剖面能够更好地将该流转换成主轴上的另一径向位置处的转矩。

根据另一实施例，这使整个转子盘上的压力均匀分布，并且减小了风力涡轮机1600，特别是塔架1601上的载荷。

图18是根据一些实施例的适于在风中操作的流体结构的正视图。示例尺寸包括大约三分之一的流体结构是基于阻力的，而大约三分之二的结构是基于升力的，+/-15％。在本示例中，从中心轴线到1809的点是整个叶片长度的1/3。

在一个实施例中，描述了具有弯曲的流体元件1804、1805的流体结构1806，所述流体结构从与中心轴线成直线的上游尖端1806a开始，延伸到下游端1810，并且沿‘R’方向围绕中心轴线旋转，使得每个弯曲的流体元件1804、1805具有前缘1808和后缘1809。更接近上游尖端1806a的弯曲的流体元件1804更通常地基于阻力原理操作，而流体元件1805更通常地基于升力原理操作，从而构成翼型剖面。剖面1804和1805两者的弦剖面和宽度通常从上游尖端1806a到下游端1810渐进式变窄。

在与流体涡轮机(诸如风力涡轮机1600)的操作有关的本申请的一个实施例中，流体‘F’流向流体元件1804并围绕1805的翼型剖面流动，产生沿方向‘R’的旋转力，从而从流体结构1806贡献转矩，并且当耦合(例如，螺栓连接)到流体涡轮机(诸如风力涡轮机1600)时，为容纳在机舱1602内的主轴产生附加的转矩。

在本申请的另一实施例中，流体涡轮机(诸如风力涡轮机1600)的操作由空气动力学整流罩1806辅助，并且在上游尖端1806a处包含超声波噪声诱发器1825，所述超声波噪声诱导器经过专门编程，通过产生人类听不到的噪声来阻止蝙蝠和其他禽类在涡轮机附近飞行。

如图所示，一些实施例可以是蛇形的，以及圆锥形的或截头圆锥形的。几何形状可以包括向外“螺旋”的连续形状，并且每个流体元件可以是彼此分离并且彼此间隔开的连续结构。组合的流体元件的整体轮廓可以是圆锥形的、蛇形的或截头圆锥形的。

从比例视角来看，在非限制性示例实施例中，每个流体结构是整流罩的延伸至叶片长度的大约20％(+/-5)的叶片，所述长度大约是叶片上出现最大弦的长度。因此，例如，50米的叶片长度将具有10米的改善整流罩流体元件叶片长度。

图19是根据一些实施例的适于在风中操作的流体结构的侧视图。

当流体粒子撞击流体元件1804时，其几何形状使流体粒子偏转，使得发生相等且相反的反应，从而在‘R’方向上表现出力，导致围绕旋转中心轴线‘A’的转矩。

三个流体元件1804、1805在1806a处相连，这描述了上游尖端和旋转中心轴线‘A’。在操作中，入射流体“F”沿1804的表面向下到达流体元件的压力面1805，所述流体元件的横截面由适当的翼型剖面1811限定，从而汇合撞击该压力面1805的流和撞击翼型的前缘1808的流并产生升力。

由于增加从1804到1805的压力面的流，导致1805的翼型剖面的压力面与吸力之间压差增大，并促进了空气动力学模拟像(effigy)增加，然后流体结构1806和其所附接的所得流体涡轮机(例如，可以是图16中描述的风力涡轮机)利用空气动力学模拟像。该空气动力学机构可以有效地局部加速流动，并贡献增能边界层，从而有助于促进层流从流体结构1806的后缘1809流走。

在本实施例的一个方面，流体结构1806的几何形状还赋予优选的结构稳定性(其形状接近三角形)，这继而限制了在其操作期间可能通过本申请稍后描述的固体附接点传递给相关流体涡轮机1600的流体结构1806的振动。

在本申请的另一实施例中，给出了一种传感器系统，所述传感器系统可以包含至少一个前向LiDAR单元1826，所述前向LiDAR单元适于确定环境和涡轮机特定数据(可以包括RPM、转子位置、风速、风湍流、风切变、风向、温度、湿度和空气密度以及其他变量)，耦合到流体结构1806a的尖端，所述流体结构使前馈数据流能够减少涡轮机旋转部件(即转子1603和传动系、主轴和包含在机舱1602内的发电机)和支撑结构(包括塔架1601)上的不需要的载荷和操作现象。

在本实施例的一个方面，使用通过流体结构1806的附接而耦合到流体涡轮机(诸如1600)的前向LiDAR单元1826，经由如图22中所述的机构，可以通过预期控制程序和定义的操作方法和阈值来改善相关可变桨距叶片1603和涡轮机1600的动力性能和空气动力学效率，其中可变桨距叶片1603可以变桨距为所需的迎角，并且流体涡轮机1600的旋转部件(即转子1603和传动系、主轴和包含在机舱1602内的发电机)可以相对于入射流体‘F’的基准偏航到期望的定向。这些机械输入通过图25中描述的数据架构系统确定。

在本申请的另一实施例中，流体结构1806包含测力传感器1815，所述测力传感器直接与流体结构1806的弯曲的流体元件1804、1805中的至少一个物理相关，并在0.01-5秒内通过图25中描述的数据架构系统传输接近实时的数据馈送，以减少不必要的载荷和操作现象并改善动力性能。在操作期间，通过经由相关的变桨距马达调节可变桨距转子叶片1603和/或经由偏航马达来调节涡轮机的旋转部件，测力传感器和相关数据流能够基于测得的载荷直接控制流体涡轮机，通常在机舱1602底部处。示例测力传感器包括应变仪机构，在非限制性示例中，所述应变仪机构包括惠斯登电桥型电路系统，所述电路系统的电特性响应于物理变形(例如，弹性变形)而改变。这种类型的示例测力传感器可以包括线性导电条或电阻箔型电路系统，所述线路系统的应变水平可以通过对激励电压的测量响应来检测。

作为示例，在操作中，在测力传感器1815a和1815b之间测得的比载荷差可以在已知转子位置的情况下告知涡轮机控制器行为。在1805a和1805b之间被测量为不同的载荷以及差异的大小可以经由其偏航马达告知变桨距叶片1603和/或涡轮机舱1602所需的改变程度，以使涡轮机成直线，达到预定义的操作载荷参数。该系统可以容易地与测量可变桨距叶片1603上的载荷的其他系统兼容。

图20是根据本申请的一些实施例的潮流能涡轮机组件的侧视图，所述潮流能涡轮机组件包括塔架2001、传动系和被水密机舱2002包围的发电机，相关轮毂2013作用在所述机舱上，所述轮毂支撑两个流体动力学叶片2003和流体结构，所述流体结构是大体由弯曲的流体元件构成的流体动力学整流罩2000，每个弯曲的流体元件均由基于阻力的部件2004和基于升力的部件2005构成。在此图中，流体‘F’是水，其密度比空气中的流体大得多。这样，流体动力学整流罩2000的几何形状与先前图16-19的几何形状不同。

根据本发明的一个方面，保持了时间依赖型能量传递(TDET)的原理，流体密度的增加导致减速入射流体“F”所需的时间T增加，其中将入射流体从极端情况下的位置(从流体结构2006a的尖端到下游位置2010，覆盖了‘R’的径向位移)移动。这样，时间T'与径向位移‘R’的比率分别相对于图17和18中的流体结构1606、1806的示例增加。

在本实施例的一个方面，入射流体‘F’沿着流体动力学整流罩2000的压力面2004(流体结构的基于阻力的部分)摩擦，引起围绕旋转中心轴线‘A’旋转。根据本发明的另一方面，来自2004的该入射流体‘F’接着遇到了撞击剖面2005的前缘2008(翼型剖面构成的流体动力学整流罩2000的基于升力的部分)的附加流体。来自2004的附加流体‘F’增加了2005在压力面上的局部流速，从而通过增加2005的压力与吸力面之间的压差增强流体动力学效果，限制了从后缘2009产生的流体分离。进一步地，流体动力学整流罩2000必须减慢流体‘F’并产生动力所需的时间T的增加防止了气穴现象的发生，所述气穴现象是因为在水中物体没有足够的时间来改变水的速度而在旋转机械中形成的。

根据本申请的另一实施例，流体动力学整流罩2000通过其弯曲的流体元件2004、2005用于逐渐利用来自流向其的进入流体‘F’的动力，并通过使这种流体从旋转中心轴线‘A’向如由‘Fi’所描述的另一径向位置集中而在其下游附近提高相关涡轮机的叶片2003的效率。在本实施例的一个方面，流体动力学整流罩2000通过在轮毂2013和叶片2003a的根部周围产生高压区域来实现如‘Fi’所描述的效果，并且这样做促进了进入流径向地加速远离来自转子叶片2013上游的轮毂2013的“Fi”，并且通过提高轴向感应系数和通过转子的质量流来提高整个涡轮机2001、2002、2003的效率，如先前实施例中所述。

在本申请的另一实施例中，入射流体‘F’将优先以层流特性离开流体动力学整流罩2000的后缘2009，并且使得相关涡轮机叶片2003的性能得以改善，从而减少湍流和相关振动。

图21是根据一些实施例的适于在水中操作的流体动力学流体结构2100的侧视图。在此图中，流体动力学流体结构2100大体由弯曲的流体元件构成，每个弯曲的流体元件均由基于阻力的部件2004和基于升力的部件2005构成。

在本申请的一个实施例中，流体动力学流体结构2100是唯一围绕旋转中心轴线‘A’产生到主轴2013的转矩的流体部件。根据本申请的另一实施例，保持了时间依赖型能量传递(TDET)原理，这是因为流体密度的增加导致减慢入射流体‘F’所需的时间T增加，其中将入射流体从极端情况下的位置(从流体结构2006a的尖端到下游位置2010，覆盖了‘R’的径向位移)移动。

这样，时间T'与径向位移‘R’的比率分别相对于图17和18中的流体结构1606、1806的示例增加。

在本实施例的一个方面，入射流体‘F’沿着流体动力学整流罩2000的压力面2004(流体结构的基于阻力的部分)摩擦，引起围绕旋转中心轴线‘A’的旋转。

根据本发明的另一方面，来自2004的该入射流体‘F’接着遇到撞击剖面2005的前缘2008(翼型剖面构成的流体动力学整流罩2000的基于升力的部分)的附加流体。来自2004的附加流体‘F’增加了2005在压力面上的局部流速，从而通过增加2005的压力与吸力面之间的压差增强流体动力学效果，限制了从后缘2009产生的流分离。进一步地，流体动力学整流罩2000必须减慢流体‘F’并产生动力所需的时间T的增加防止了气穴现象的发生，所述气穴现象是因为在水中物体没有足够的时间来改变水的速度而在旋转机械中形成的。

图22是根据一些实施例的适于在水中操作的流体动力学流体结构2100的正视图。

根据一方面，流体动力学流体结构2100包含直接与弯曲的流体元件中的至少一个物理相关的测力传感器2015，所述弯曲的流体元件包含等距地位于相关弦宽度中间的基于阻力的元件2004和基于升力的元件2005。根据本申请的另一实施例，测力传感器2015通过图24中描述的数据架构系统发送近实时的数据馈送(例如，在0.01-5秒内)，以减少不必要的载荷和操作现象并改善动力性能。

在操作期间，通过经由偏航马达来调节涡轮机的旋转部件，测力传感器和相关数据流能够基于测得的载荷直接控制流体动力学流体涡轮机2100。尽管这通常在机舱底部处(如图16所示)，但也可以通过旋转环式发电机2017完成(如图15所示)。使环式发电机2017与流体动力学流体涡轮机2100相关是有利的，因为不使用齿轮箱，从而限制了部件的数量以及潜在的振动来源和维护，这是涡轮机在海洋环境中时的重要考虑因素。

在本申请的另一实施例中，上游尖端2006a包含适于确定环境和涡轮机特定数据的传感器系统2026，所述传感器系统耦合到状态监测系统和数据采集与监控系统中的至少一个，如图25所示。

在本申请的另一实施例中，流体结构2100的基于阻力的元件2004包含沿前缘2008的保持结构2020，用于抑制入射流体离开相应的基于阻力的元件2004并且用于将入射流体导向基于升力的元件2005，从而改善性能。

图23是根据一些实施例的用于安装流体结构的风力涡轮机的轮毂的透视图。

在安装过程中，通过经由多个双头螺栓2319b将法兰2320固定到叶片轴承2319a的外圈上，将法兰安装在轮毂2319上。这些法兰2320用于支撑安装板2321，从而为托架连接到其上提供稳定的安装点。进入这一区域可能涉及绕过通常覆盖风力涡轮机的轮毂2319的整流罩和毂盖组件(未示出)。

法兰2320可以在组装涡轮机时在工厂中，在架设涡轮机时在现场或在使用涡轮机后进行调试后的某一时刻附连到叶片轴承2319a的外圈上。可以移除位于2319a周围的双头螺栓2319b并用更长的双头螺栓代替，以容纳法兰2320，或者可以简单地将螺母移除，以容纳重新拧紧之前的法兰2320的厚度，如2319c所示。

该法兰2320允许建立牢固的硬点，以将流体结构1606附连到涡轮机，如图17所示。当期望将流体结构改装到过去已经运行过的涡轮机上时，可能需要重新定位或调节流体结构1606以优化其空气动力学性能。这可以通过允许多个附接点2321a或允许在‘Z’方向上调节板2321完成。还可能期望避免与可能在叶片轴承2319a周围定位的任何圆形润滑脂瓶发生干扰，因此，期望如在2320a上一样，在法兰上切孔，以允许润滑脂瓶穿过所述孔。

进一步地，当如图17所示附连流体结构1606时，可能期望调节可沿方位定向旋转的结构，这既是为了将其正确地附连到涡轮机上，也是为了通过将如图18所示的每个流体元件1804、1805定位成与涡轮机的相应叶片2303正确几何对准来优化空气动力性能。通过围绕方位方向‘A’滑动板2321也应考虑在内。

在架设涡轮机的安装过程中，转子叶片2303将通过本领域已知的标准程序锁定，从而允许安装法兰2320，其中最多可具有六(6)个法兰，每个叶片2303之间两(2)个，如图23所示。这些法兰2320将从毂盖(未示出)中伸出，并允许板2321在毂盖的顶部上的水平处附接并向元件敞开。在将流体结构1606和其托架提升到位之前，将提前安装两个元件，从而节省了宝贵的起重机时间。

图24是根据一些实施例的存储有用于运输的流体结构的海运集装箱的侧视图。

在本申请的实施例中，给出了一种运输空气动力学整流罩2400的方法，由此，构成空气动力学整流罩的空气动力学剖面的两个或更多个弯曲的流体元件2404中的每一个彼此堆叠，并且装配在海运集装箱2430内或平板货车的车箱上此外，安装托架以及法兰和板2420作为独立于弯曲的流体元件2404的件容纳在海运集装箱2430内。

鉴于使用超大型货车运输和海运方法运输风力涡轮机部件的当前成本，使用标准化海运集装箱2430或以平板货车运输的能力是新颖且有益的。流体结构的模块化设计允许实现这种情况，从而使组件可堆叠。

图25是根据一些实施例的涡轮机控制器的示意框图。

涡轮机控制器包括以下中的至少一个：数据采集系统、监视其他涡轮机参数的状态监测系统、涡轮机命令和采集系统和/或数据采集与监控系统。

涡轮机控制器包括预期的控制机构以及定义的操作方法和阈值，所述方法和阈值定义了近实时或实时地(例如，通过上述数据架构系统在0.01-5秒内)刷新控制决策的控制论控制方法和逻辑。

定义了用于涡轮机的控制论控制参数，其给出了前馈数据流和预期控制。类比人类，涡轮机“看到”将要发生的流动特性的变化，并进行调节以使载荷最小并使动力产生最大。

替代方法是保守的，因此涡轮机从机舱顶部上的风速计开始“盲目”运转。

这是有问题的，因为风速计读取的风速和真实风速是两个不同的方面，这是因为转子空气紊流(rotor wash)影响速度并产生湍流。使用称为“机舱转移函数”的调节来弥补该不足。

放置使用激光的LiDAR来查看和跟踪进入流可以一起解决所述问题，尤其是当放置在中心轴线时，以及当它是‘连续波’LiDAR技术时，尽管这两种LiDAR技术都是可能的。对于脉冲激光，由于LiDAR单元在空间中应是固定，因此需要滚轮箱。相同的规则适用于其他环境流体涡轮机，诸如潮流能涡轮机。

LiDAR包括使用脉冲激光的实施方式，其中利用传感器测量反射脉冲。可以对响应接收到的信号进行分析，以确定例如返回时间、可以使用的修改后的波长(多普勒效应)等，从而基于所检测的目标(诸如3D表示或迎面来风的风速测量的所检测的平面进行确定)。

这两个系统连同其他涡轮机参数一起馈送涡轮机命令和采集系统，所述系统通知SCADA系统。然后，该系统确定是否需要改变桨距或偏航。该系统可以仅使用测力传感器工作，或使用测力和前馈LiDAR的组合。

在示例中，安装了装有PowerCone^TM的涡轮机(例如，本文所述的各种实施例的整流罩)、前馈LiDAR。涡轮机以8m/s的速度产生额定功率。风速为8m/s，持续10秒，在转子前方100米处每秒(1秒数据)进行一次测量。在操作过程中，它接着‘看到’升至10m/s的接近的阵风。例如，阵风被检测为风速的快速增加(例如，加速或减速超过阈值)。

假设转子中的变桨距马达可以每秒1度使叶片变桨距，并且所需的迎角变化为1度(8至10m/s)，那么涡轮机‘计数’9秒，然后变桨距到正确的迎角，并及时遇到阵风。这类似于“及时”交付。因此，在桨叶的变桨距与检测到阵风之间可能存在延迟时间。

可以将LiDAR设置为‘看到’100米外的一架飞机，或在100米、75米、50米、25米外的地方改变测量值，以确认首先记录的测量值，并根据需要实时进行调节。假设LiDAR从其光源发出锥形激光，那么测量越近，测量的精度就越低，这是因为设备并未测量整个转子的风速。因此，将LiDAR系统和附加的测力传感器结合到整流罩的叶片上(例如，流体元件)以达到先进的控制系统，所述控制系统可以同时使用两组数据，使得可以使用这些数据集校正和调整不正确之处，而如果单独使用，则会影响其有效性。

考虑到该涡轮机接着在整流罩叶片上装有测力传感器。阵风来时被测量为对整流罩的力，从而可以确定LiDAR检测到什么或没有检测到。

该系统可以系统地生成控制信号以超越LiDAR，因为它是直接测量，并且将给出数据以与TCS系统中的阈值水平进行比较。如果它们对齐，则叶片将不会变桨距，且涡轮机将不会偏航。如果不是，则SCADA将生成控制信号，所述控制信号下发给叶片和涡轮机，以相应地进行调整(例如，改变桨距和/或偏航)。整流罩上的测力传感器可以代替风速计使用。类似的原理适用于其他流体涡轮机。

图26是根据一些实施例的计算设备的框图。计算设备2600可以包括诸如印刷电路板、一组现场可编程门阵列、计算机服务器等技术。

如所描绘的，计算设备包括至少一个处理器2602、存储器2604、至少一个I/O接口2606和至少一个网络接口2608。

处理器2602可以是Intel或AMD x86或x64、PowerPC、ARM处理器等。存储器2604可以包括位于内部或外部的计算机存储器(诸如例如，随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、光盘只读存储器(CDROM)等)的适当组合。

每个I/O接口2606使计算设备2600能够与一个或多个输入设备(诸如键盘、鼠标、照相机、触摸屏和麦克风)互连，或与一个或多个输出设备(诸如显示屏和扬声器)互连。计算设备可以从测力传感器、LiDAR系统等接收数据集。这些数据集可以包括原始数据(例如，在测量平面或测量点处的感官读数)或经处理的数据(例如，风速、以应力或应变计的载荷量)。

每个网络接口2608使计算设备2600能够与其他部件通信、与其他部件交换数据、访问并连接到网络资源、服务应用程序以及通过连接到具有以下能够承载数据的网络(或多个网络)来执行其他计算应用程序：互联网、以太网、老式电话服务(POTS)线、公用电话交换网(PSTN)、综合服务数字网(ISDN)、数字用户线(DSL)，同轴电缆、光纤、卫星、移动电话、无线网络(例如，Wi-Fi、WMAX)、SS7信令网络、固定线路、局域网、广域网以及其他(包括这些的任意组合)。用于通信的部件包括变桨距/偏航控制器、马达和伺服马达，它们可以基于建立的预测修改涡轮机转子或流体元件及其控件的各个方面，以更好地利用入射风。

可以利用通信路径建立反馈/校正回路，例如，提供校正反馈回路以使误差项(例如，PI控制器、P控制器、PID控制器等)最小化。每个可控制的自由度都可以作为变量建立，可以对所述变量进行优化控制，以尝试在一段时间内减少误差项。作为特定示例，可以将LiDAR测量值用于桨距控制，并且可以通过测力传感器或所检测的叶片速度/转矩来测量有效性。用于优化的特征包括计时方面(例如，应在测量与响应之间实施多长时间的延迟)、需要进行多大的变桨距修改、读数是持续阵风还是反常现象/噪声。

将程序代码应用于输入数据以执行本文描述的功能并生成输出信息。将输出信息应用于一个或多个输出设备。在一些实施例中，通信接口可以是网络通信接口。在其中元件可以组合的实施例中，通信接口可以是软件通信接口，诸如用于进程间通信的那些。在仍其他的实施例中，可以存在被实现为硬件、软件和其组合的通信接口组合。程序代码可以在专用硬件上运行，包括驻留在和/或电子耦合到涡轮机和/或整流罩的专用计算设备和处理器。在一些实施例中，可以一起或分开地对涡轮机元件和整流罩元件进行控制。测力传感器可以放置在整流罩流体元件或涡轮机转子或机舱上，以及其他位置。类似地，LiDAR单元可以位于机舱附近或机舱上、转子叶片上或各种其他位置和定向。

图27是根据一些实施例的用于船舶的螺旋桨的侧视图。根据本申请的实施例，被配置为用作船舶2701的螺旋桨并产生推力的流体结构2706将被附接到船舶的驱动轴2707，并且将具有改进的几何特征，这将允许流体结构通过经由TDET原理避免发生气穴现象来保护自身，这需要更长的时间跨度T来加速水，从而以更有效的方式产生所需的推力，而这意味着达到相同的航速所需的燃料消耗更少。

流体结构2706将加速从前缘2708到后缘2709的流，从而产生推力Th'。流体结构2706的几何形状使得前缘的半径从上游端2706a朝向下游位置2710渐进式增大，从而提供推进力‘F’。已经确定，增加叶片面积会对振动产生积极作用，因此该流体结构2706的几何形状减小了振动。振动的该减少也会对噪声的减少产生影响。简化的补偿喷嘴是增设到螺旋桨的独立设备，所述螺旋桨通过在更长的时间跨度内将气流输送到叶片中来减少流入的振荡，从而部分地利用了TDET现象。这反过来降低了噪声水平。此外，在一些实施例中，该原理通过有序组合并入到一个设备中，所述设备通过使各个方面协同工作来增强现象。

根据本申请的另一实施例，给出了一种用于操作具有如图27所示的螺旋桨的船舶的方法。

阻力和流入条件对性能有直接影响。由于流入船体后面的螺旋桨盘区域的水流量既不恒定也不成直角，因此转动螺旋桨的动作会导致水流轻微旋转。在操作期间，通过“预调节”流以沿着对齐的轨迹加速，从而限制湍流和相关驱动轴振动并促进层流，该旋转有助于相对旋转效率。在操作期间，流体结构2706的几何形状通过既对上游端2706a处和上游端的区域中的流进行预调节，又通过将其出口沿线性轨迹在朝向和超过下游位置2710的区域中对齐来促进层流。

期望本文所述的风力涡轮机整流罩组件配置通过在转子叶片的平面前方，尤其是在轮毂区周围利用更多的可用动能来提高风力涡轮机的操作效率和/或增加风到转子叶片的可用动能和/或使轮毂和周围区域通风和/或降低整流罩的操作噪音排放和/或为整流罩组件提供快速附接方法和/或降低风力涡轮机的运营成本。

水平轴风力涡轮机的整流罩的上述配置还可以应用于从移动流体中提取动力的其他设备(诸如垂直轴风力涡轮机)，并且两者都可以是任何规模。通过以相关的变化作出必要的修正，这些改进也可以同样适用，包括但不限于，高空风力发电(HAWP)设备、风筝风力涡轮机、能源风筝、潮流能涡轮机、城市风力涡轮机等。本文所描述的改进可以应用于具有比示例所描述的更少或更多叶片的风力涡轮机，以提高风力涡轮机的操作效率，降低维护成本和机械磨损，以及增加这种风力涡轮机的可扩展性和适销性。

以相关的变化作出必要的修正，该改进也可以同样地适用于将能量投入流中所需的结构。值得注意的示例包括飞机、轮船、滑翔机和无人机的螺旋桨和/或推进器；喷气发动机的进气风扇；水泵；风扇等。特别地，图27是用于船舶的螺旋桨。

可能已经参考方法类权利要求描述了一些实施例，而可能已经参考装置类权利要求描述了其他实施例。然而，本领域技术人员将从以上和以下描述中得出：除非另行通知，否则除了属于一种类型的主题的任何特征组合之外，同样地，与不同主题有关的特征之间的任何组合，特别是方法类权利要求的特征和装置类权利要求的特征之间的任何组合被认为是与本文件一起公开的。

上面定义的方面和其他方面从以下将描述的实施例的示例中显而易见，并且参考实施例的示例进行解释。

通过阅读以下内容，其他方面对于本领域技术人员而言将变得显而易见。

尽管已经参考附图描述了实施例，但是本领域技术人员将理解，在不脱离由所附权利要求限定的精神和范围的情况下，可以进行变化和修改。

应当注意，术语“包括”不排除其他元件或步骤，并且冠词“一个”或“一种”的使用不排除多个。而且，可以组合与不同实施例相关联地描述的元件。应当注意，权利要求中的附图标记不应解释为限制权利要求的范围。

尽管已经参考附图描述了实施例，但是本领域技术人员将理解，可以在不脱离由所附权利要求限定的本发明的精神、范围和目的的情况下进行变化和修改。

例如，流体设备和相关安装托架的替代构造可以采用“空间框架”设计，其中金属格栅包裹在聚酯编织涂层中。可替代地，设计可以采用泰森多边形模式。

尽管上面的描述主要针对用于水平轴风力涡轮机的流体结构，但是所描述的结构可以适用于其他设备，诸如垂直轴风力涡轮机、潮流能涡轮机、水电站坝涡轮机、风筝涡轮机、高空风力发电(HAWP)设备、风筝风力涡轮机、能源风筝和城市风力涡轮机。在需要附接的转子叶片的情况下，可用本文所述的流体设备来改善所有这些装置。例如，可以将整流罩放置在圆形结构内以旋转。特别地，图15是以这种方式并入有流体结构的城市风力涡轮机的正视图。

提到的所有设备都使用大小不同的相同设备。

用于飞机(诸如滑翔机、民用飞机、无人驾驶飞机或喷气式发动机盖)、船舶、航天器、涡轮机增压器等的螺旋桨可以采用上述流体结构，不同之处在于，动力用于旋转该设备，以将其旋转到相反的方向，从而引导流体流向结构的背面。螺旋将具有有益于这种配置的方向。

根据另一方面，用于从水平或垂直轴风力涡轮机驱赶任何飞行动物的超声波噪声感应器可以与本文所述的流体结构集成在一起，或集成到标准抛物面整流罩或其他结构中。就本发明人所知，不存在令人满意的解决方案来阻止或防止任何种类的飞行动物与转子叶片或使用超声波的风力涡轮机的任何其他零部件接触，以减少或防止动物死亡和受伤。

根据第一方面，在整流罩或机舱单元或不影响水平轴风力涡轮机的空气动力学特性的任何其他区域内安装具有15KHz或更高且声压在1米处为95-102dB的超声波噪声感应器，用于驱赶飞行动物，避免其撞击水平轴或垂直轴风力涡轮机，其中将超声波噪声感应器放置在风力涡轮机周围附近或内部，使得可以实现驱赶飞行动物的效果，并且不影响风力涡轮机的空气动力学特性，其中在水平轴风力涡轮机安装期间或之后进行超声波噪声感应器的安装，其中用于超声波噪声诱导器的电力来自风力涡轮机本身或外部来源。

术语“连接”或“耦合到”可以包括直接耦合(其中彼此耦合的两个元件彼此接触)和间接耦合(其中至少一个附加元件位于两个元件之间)。

尽管已经详细描述了实施例，但是应当理解，在不脱离范围的情况下，可以进行各种改变、替换和变更。而且，本申请的范围并不限于说明书中所描述的过程、机器、制造、物质组成、手段、方法和步骤的特定实施例。

如本领域的普通技术人员将从本公开中容易地理解，可以利用当前存在或以后将要开发的、与本文所描述的相应实施例执行基本相同功能或实现基本相同结果的过程、机器、制造、物质组成、手段、方法或步骤。因此，所附权利要求旨在将此类过程、机器、制造、物质组成、手段、方法或步骤包括在它们的范围内。

如可以理解的，以上描述和示出的示例仅是示例性的。

Claims (15)

1.一种流体涡轮机，包括：

轮毂，围绕中心轴线旋转，并与主轴对齐；和

流体结构，被配置为安装到主涡轮机的所述轮毂上，所述流体结构通过增加升力和阻力中的至少一个为所述主涡轮机的所述主轴贡献转矩，其中所述流体结构包括两个或更多个弯曲的流体元件，所述弯曲的流体元件从与所述中心轴线对齐的上游尖端延伸到远离所述中心轴线的径向位置处的下游端，并且围绕所述中心轴线旋转，从而向所述主涡轮机贡献转矩，所述两个或更多个弯曲的流体元件适于提高在空间上在所述主涡轮机的叶片根部区域附近的区域处的空气动力学流，所述两个或更多个弯曲的流体元件中的每个弯曲的流体元件包括更靠近所述上游尖端的第一部分和更远离所述上游尖端的第二部分，所述第一部分构造成用于贡献基于阻力的转矩，所述第二部分构造成用于贡献基于升力的转矩；并且

其中所述两个或更多个弯曲的流体元件包含弦段，所述弦段在上游位置相较于下游位置较宽；

其中，在操作中，当入射流体沿着所述两个或更多个弯曲的流体元件中的弯曲的流体元件的吸力面行进到所述弯曲的流体元件的压力面时，贡献所述基于升力的转矩；

其中，每个弯曲的流体元件的三分之一是构造成用于贡献所述基于阻力的转矩的所述第一部分，并且每个弯曲的流体元件的三分之二是构造成用于贡献所述基于升力的转矩的所述第二部分，并且

其中，在操作中，所述入射流体从所述轮毂输送到所述径向位置，所述入射流体首先通过与所述第一部分相互作用来提供所述基于阻力的转矩，然后通过与所述第二部分相互作用来提供所述基于升力的转矩。

2.根据权利要求1所述的流体涡轮机，其中所述流体结构的所述上游尖端包含用于确定环境和涡轮机状态的传感器和相关数据系统，其中来自所述传感器和相关数据系统的数据并入所述主涡轮机的数据采集与监控系统中。

3.根据权利要求1所述的流体涡轮机，其中所述弯曲的流体元件包含相关测力传感器，并且其中所述上游尖端包含适于确定环境和涡轮机特定数据的传感器系统，所述传感器系统耦合到状态监测系统和数据采集与监控系统中的至少一个。

4.根据权利要求1所述的流体涡轮机，其中所述流体结构被配置为使用可调节托架系统和硬点附接到轮毂结构，所述可调节托架系统和硬点允许沿着所述中心轴线的平面和在方位角位置方面进行改变。

5.根据权利要求1所述的流体涡轮机，其中所述流体涡轮机是水平轴风力涡轮机，并且所述流体结构是向主轴提供转矩的唯一空气动力学结构。

6.根据权利要求1所述的流体涡轮机，其中所述流体涡轮机是水平轴风力涡轮机，所述水平轴风力涡轮机具有根部安装到轮毂剖面的转子，所述转子具有多个叶片，所述多个叶片构成转子平面，

所述多个叶片中的每个叶片具有前缘、后缘、压力面、吸力面并且具有翼型剖面，所述翼型剖面适于通过升力从风中提取能量并向主轴提供转矩；并且

其中所述流体结构是具有两个或更多个弯曲的流体元件的空气动力学整流罩，所述两个或更多个弯曲的流体元件在所述转子平面上游的尖端和在所述转子平面下游的另一径向位置处相遇。

7.根据权利要求1所述的流体涡轮机，其中所述流体涡轮机是以下中的至少一种：水平轴潮流能涡轮机、水电站坝涡轮机、风筝涡轮机、高空风力发电设备或风筝风力涡轮机，并且所述流体结构是向主轴提供转矩的唯一流体动力结构。

8.根据权利要求1所述的流体涡轮机，其中所述流体涡轮机是以下中的至少一种：垂直轴潮流能涡轮机、水电站坝涡轮机、风筝涡轮机、高空风力发电设备或风筝风力涡轮机，并且所述流体结构是向主轴提供转矩的唯一流体动力结构。

9.根据权利要求1所述的流体涡轮机，其中所述流体涡轮机是水平轴潮流能涡轮机，所述水平轴潮流能涡轮机具有根部安装到轮毂剖面的转子，所述转子具有多个叶片，所述多个叶片构成转子平面，

所述多个叶片中的每个叶片具有前缘、后缘、压力面、吸力面并且大体具有翼型剖面，所述翼型剖面设计用于从水中提取能量并向主轴提供转矩，其中所述流体结构是流体动力学整流罩，所述流体动力学整流罩具有在所述转子平面上游的尖端和在所述转子平面下游的另一径向位置。

10.根据权利要求6所述的流体涡轮机，其中所述空气动力学整流罩包括所述弯曲的流体元件，所述弯曲的流体元件适于逐渐地利用来自进入气流的动力，并通过将这种气流从所述中心轴线集中到另一径向位置，在所述流体涡轮机的附近提高所述主涡轮机的效率；并且所述弯曲的流体元件适于将所述气流引导到所述叶片的所述吸力面，从而减少流分离、湍流和相关振动。

11.根据权利要求6所述的流体涡轮机，其中所述空气动力学整流罩包括所述弯曲的流体元件，并且适于在所述转子的所述轮毂和根部周围产生有用的高压区域，从而促进进入气流径向地加速远离所述转子上游的所述轮毂，并通过提高轴向感应系数和通过所述转子的质量流来提高所述主涡轮机的效率。

12.根据权利要求9所述的流体涡轮机，其中所述弯曲的流体元件用于逐渐地利用来自进入水流的动力，并通过将这种水流从所述中心轴线集中到另一径向位置，在所述下游附近提高所述涡轮机的效率；并且将所述水流导引到所述叶片的所述吸力面，从而减少流分离、气穴现象、湍流和相关振动。

13.根据权利要求9所述的流体涡轮机，其中所述弯曲的流体元件用于在所述转子的所述轮毂和根部周围产生高压区域，从而使进入水流径向地加速远离所述转子上游的所述轮毂，从而通过提高轴向感应系数和通过所述转子的质量流来提高整个涡轮机的效率。

14.根据权利要求1所述的流体涡轮机，进一步包括在所述上游尖端的超声波噪声感应器，所述超声波噪声感应器经过专门编程，通过产生人类听不到的噪声来阻止蝙蝠和其他禽类在所述涡轮机附近飞行。

15.根据权利要求1所述的流体涡轮机，由此，在与所述中心轴线成直线的中心位置处，将所述流体结构与流体涡轮机的轮毂结构集成在一起或装配并附接在一起，以替代现有的整流罩，同时将所述流体涡轮机安装在所述主涡轮机的操作环境中，或安装在作为所述主涡轮机制造的一部分的出厂设置中。