CN1636111B - 水力涡轮发电机装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于由水流产生电力的水力涡轮发电机装置，所述装置包括实质上平行于水流的毂以及至少一个发电机，其特征在于包括：至少一个转子盘，其包括可转动地连接到所述毂并且从所述毂径向伸出的多个水翼叶片；限定管子的通常为圆柱状的外壳，所述管子接近所述叶片的末端并且通过多个从所述毂径向延伸的导向叶片连接到所述毂；以及其中所述至少一个发电机为不密封的发电机，并由外围工作液体淹没。该装置可以布置在至少一个伸缩式柱上，系于海床并且由外壳中的能浮起的混凝土保持浮起或插入坝中、在驳船之下或在潮力阵列中。

Description

水力涡轮发电机装置
技术领域
本发明总体上涉及流体动力发电涡轮机以及使用和布置的方法。尤其披露了各种布置形式的用于由潮汐流产生动力的管道轮缘式发动机、双向涡轮机。
背景技术
潮汐能已经被利用了几个世纪。潮力谷物磨粉机位于沿海河口湾，在该处海水能够在高潮时由水闸收集在低坝中，在低潮时通过水车轮释放。这种水车轮是初步的水力涡轮机的一个例子。
缺少能源促进了研究活动，包括在法国诺曼底和加拿大的新斯科舍利用更现代的涡轮机设计建造潮力发电的区域中的重要的试点工程。诺曼底和新斯科舍利工程需要重要的有潮河口的基础结构和堰塞。所有这些工程对海洋入口和堰塞的影响是与潮汐动力学干涉并且破坏坝后的潮间带中的海洋生物学生态系统。
尽管诺曼底和新斯科舍利的试点工程仍然在进行，但是没有证明这些工程是经济的，并且随着全球环境意识的增长，这种探索已经不受欢迎。更近的工作集中在“自由流”机器上，该机器廉价并且几乎不破坏潮汐动力学以及受影响的海洋生态系统。这种单元的阵列会包括单个或多个排的以风力场的方式横向和/或线性地配置在海洋入口中的自由流机器。实际上术语“涡轮机场”已经用于描述这种配置。
在二十世纪二十年代，授予Harza的美国专利1,493,154披露了用于低位差堰的尾水管中的大体水平轴的水轮机，其中定子线圈围绕容纳水轮机叶片的叶轮或轮缘。Harza建议在叶轮和定子之间密封水。要保持水轮机中的水密封的完整性是非常困难的，因为水下水轮机受到由于水的密度和速度产生的高程度的震动、腐蚀和扭转。
授予Mouton的美国专利3,986,787披露了具有也带有纵向扭曲的倾斜叶片的单方向水轮机。Mouton的专利教导了在河中在驳船之下安装水轮机而发电机在驳船的顶部上的布置方法。Mouton的专利还披露了由在水轮机前面由锥形排列的缆索组成的拦污栅。与多数的传统水轮机一样，Mouton的专利也使用了具有冲击式叶片的毂基发电系统，其中叶片相对于水流方向倾斜。Mouton的专利的拦污栅仅仅保护水轮机的一端并且不能自清洗，需要不断定期维护。
授予Skendrovic的美国专利4,163,904披露了一种水流下水轮机设备，该设备需要大量的基础结构并且围绕具有毂式(hub)发电机的单个单方向水轮机进行密封。
通过研究利用波浪运动，Wells获得了美国专利4,221,538，该专利披露了单方向风板涡轮机，该涡轮机由包围在浮动腔内的波浪运动产生的振动水柱通过涡轮机作用于空气而被推动。Wells的专利披露了具有毂基发电机的单个转子。
二十世纪八十年代，Heuss和Miller在美国专利4,421,990中披露了潮汐电厂，其中具有包括倾斜叶片的单方向冲击涡轮机和轮缘基发电机的固定混凝土堤坝。Huss的专利需要大量的基础结构，包括水坝、通流管和发电机房。定子容纳在水坝或容纳水轮机叶片的辗轮的外缘处的基础中并且需要水密密封。
授予Lee的美国专利4,313,711披露了固定的定子叶片，该定子叶片将气流或水流转向多个Wells型风板截面叶片以产生有效的转动。Lee的专利利用了波浪运动或波浪驱动空气以产生电力。导叶片固定并且转子以同样的速度和以同样的方向转动。
二十世纪九十年代，Curran和Gato试验了一系列不同的Wells式空气涡轮机并且在文章：“几种类型的Wells型涡轮机设计的能量转换性能”(Proc.Inst.Mech.Engrs.Vol.211PartA(1997))发表了试验结果。试验包括具有或没有导向叶片的单个电机装置，以及具有以相同方向转动和逆向转动的转子的双转子装置。尽管Curran和Gato没有研究具有导向叶片的对转式转子的效果，但是他们得出了该结论，即两个转子比一个更有效，对转式转子比单方向转子对提供较高的阻尼率和改进的后延时性能，以及与没有叶片的那些单元相比入口和出口导向叶片提供降低的切线方向的动能损失。
下面的论文也涉及垂直轴涡轮机以及由潮汐流在海底发电的可行性研究。
Davis，Barry V.(1997)Nova Energy Ltd.“世界大洋的主要能源”IECEC-97会议，7，31，1997，Honolulu.
Davis，Barry V.(1980).Nova Energy Ltd.“水轮机试验”报告No.NEL 002.DSS合同No.OSX-00043.
在美国专利6,168,373B1，6,406,251，以及2002/0088222A1中Vauthier披露了一种适用于潮汐或河流布置的浮动式、单方向和双方向的轻质双管道式涡轮机毂式发电机单元。双并排转动单方向涡轮机随水流自由摆动。因此，当涡轮机仅仅接受单方向水流时它必须摆向水流方向。双方向单元在两端系住并且由此不论水流方向如何都保持在流动线路中。附加的特征包括外壳上的稳定器翼片，以及在外壳下游端的增力环以将外部水流转向，由此在外壳的排水口处产生文丘里管效果并且可推测地加速通过水轮机的水流。水轮机叶片是倾斜式的、传统型的并且没有使用导向叶片。
2001年秋天，新西兰的Vortec Energy Limited出版了“信息备忘录”，其中披露了利用漫射环以产生在涡轮机转子下游的低压区域的风力涡轮机。Vortec单元的优选实施例是布置在岸上或离岸的巨大的50m直径和更大的风力涡轮机。安装海底单元的驳船、杆以及墩台(block)被考虑，但是没有研究实现。Vortec备忘录还提出了轮缘发电的可能性，以便不需要大的中心体结构以及毂机构。在授予Fox等的归属于Vortec的PCT公开WO01/06122A1中，披露了涡轮机中的开缝翼板截面叶片的优点。
由于在腐蚀性的盐水环境中的大量个运动部件以及制造、安装和维护涡轮机的复杂性，用于水轮机的当前的技术并不令人满意。
因此需要有效的水轮机发电单元，该发电单元能够以最小的环境影响利用潮汐能。需要一种涡轮机，该涡轮机具有最少量的运动部件，通过使摩擦和流动损失最小化使节能最优并且能够在不需要大量基础设施成本的情况下制造、安装以及维护，以及需要没有移动部件以便维护需要最低的简单发电机。本发明提供一种管道淹没式轮缘发电机和双向涡轮机，该涡轮机具有两个或多个具有增力罩的同轴对转式转子，从而克服了现有技术的缺点。
发明内容
本发明的目的是实施一种克服现有技术的一些缺点的用于水力涡轮发电机的装置。
其它目的包括提供一种装置，该装置具有平行于水流的毂、多个叶片、圆筒状外壳以及多个导向叶片，该导向叶片是弯曲的并且是矩形的并且引导水流以最佳角度冲击叶片。叶片可以是沿截面对称的水翼。
各叶片可以固定或可以在第一和第二位置之间翻转，第一位置适合于使入流改变方向而第二位置适合于使出流改变方向，以便使下游效率损失最小化。
本发明的另一个目的是提供一种具有双对转式转子盘的双向涡轮机，以产生稳定有效的涡轮机发电单元，以最小化涡流损失。
本发明的另一个目的是提供一种防止海洋生物和碎片侵入涡轮机单元的栅网。
本发明的另一个目的是提供水能够从其中流过的位于毂中的纵向孔。
本发明的进一步的目的是提供一种增力罩，该增力罩最小化Betz效果并且适于当由于潮汐的变化水流改变方向时转动导向叶片。
本发明的进一步的目的是提供一种轮缘发电水力涡轮机，其中发电机被外围流体淹没。
本发明的又一个目的是提供一种具有包括转子盘以使维护容易的模块可移动单元的涡轮发电机。
本发明的又一个目的是提供一种水力涡轮发电机，该发电机可以单个或以任何数量的单元布置，并且可以布置在支架上、筏之下，系到海底并且借助一体的有浮力的结构由河水浮在坝中，或者沿潮汐穿过海底、洼地或谷底的排列中。
根据本发明的一个方面，其提供一种用于由水流产生电力的水力涡轮发电机装置，所述装置包括实质上平行于水流的毂以及至少一个发电机，其特征在于：
至少一个转子盘，其包括可转动地连接到所述毂并且从所述毂径向伸出的多个水翼叶片；
限定管子的通常为圆柱状的外壳，所述管子接近所述叶片的末端并且通过多个从所述毂径向延伸的导向叶片连接到所述毂；以及
其中所述至少一个发电机为不密封的发电机，并由外围工作液体淹没。
根据本发明的另一方面，其提供一种用于流体涡轮机的装置，包括轴和至少一个发电机，其特征在于包括：
多个从所述轴径向延伸的可转动的叶片；
多个在所述涡轮机上游和下游从所述轴径向延伸的可调节的导向叶片；以及
其中所述至少一个发电机为不密封的发电机，并由外围工作液体淹没。
根据本发明的再一方面，其提供一种用于由潮汐流产生电力的水力涡轮机，具有毂和至少一个发电机，其改进特征在于包括：
多个围绕所述毂径向并且可转动地设置的对称水翼叶片；
围绕所述叶片设置并且由至少一个导向叶片连接到所述毂的外壳，所述外壳包括与所述毂一体以便所述涡轮发电机浮在预定水下深度的浮力装置；以及
其中所述至少一个发电机为不密封的发电机，并由外围工作液体淹没。
当结合详细的说明考虑附图时本发明的进一步的优点将变得较清楚。
附图说明
下面通过参照附图说明本发明的装置和方法。
图1是根据本发明的具有外壳和导向叶片的对转式转子盘的双直列式组的剖切透视图。
图2是根据本发明的包括单个转子盘和发电机，导管和导向叶片的涡轮机的一半的立体图。
图3是具有以曲面延伸到末端叶片的涡轮机转子、叶片和轮缘组件的正视图。
图4是根据本发明的具有宽末端叶片的涡轮机转子、叶片和轮缘组件的正视图。
图5是根据本发明的具有垂直偏距叶片的涡轮机转子、叶片和轮缘组件的正视图。
图6是根据本发明的具有垂直叶片的涡轮机转子、叶片和轮缘组件的正视图。
图7是根据本发明的具有垂直偏距叶片和海洋生物隧道的涡轮机转子、叶片和轮缘组件的正视图。
图8是根据本发明的涡轮机叶片结构的侧剖视图。
图9是根据本发明的水力涡轮发电机单元的立体图。
图10是根据本发明的导管上的水力涡轮发电机柔性增力罩的立体图。
图11是根据本发明的导管上的水力涡轮发电机铰接的增力罩的立体图。
图12是穿过根据现有技术的对称翼片的流体流的矢量图。
图13是穿过根据现有技术的作为双直列式涡轮机部件的两个对转式叶片部分的流动图。
图14是穿过根据本发明的作为双直列式涡轮机的级联对的部件的四个对转式叶片部分的流动图。
图15是穿过转子叶片部分以及通过根据本发明的作为涡轮机的部件的交替位置入口和出口导向叶片的流动图。
图16是穿过两个水力对转式叶片部分以及通过根据本发明的作为双直列式涡轮机的部件的入口和出口导向叶片的流动图。
图17是根据本发明的安装在可伸缩式支架上的涡轮发电机单元的立体图。
图18是根据本发明的安装在可伸缩式支架上的涡轮发电机单元的侧视图。
图19是根据本发明的系住的涡轮发电机单元的侧视图。
图20是图19的沿根据本发明的单个涡轮发电机的I-I的剖视图。
图21是图19的沿根据本发明的单个转子盘涡轮发电机的II-II的剖视图。
图22是图19的沿双转子盘涡轮发电机的I-I的剖视图。
图23是图19的沿根据本发明的双转子盘涡轮发电机的II-II的剖视图。
图24是根据本发明的安装在驳船之下的涡轮发电机单元的侧视图。
图25是根据本发明的安装在小坝中的涡轮发电机单元的平面图。
图26是根据本发明的潮汐栅栏的正视图。
图27是根据本发明的潮汐栅栏的正视图。
图28是在根据本发明的潮汐栅栏中的单个涡轮发电机的正视图。
图29是图27中在潮汐栅栏或沉箱中的3个堆叠的涡轮发电机的剖视图。
图30是示出利用位于沉箱的顶部在轨道上的门架以盒式移出涡轮发电机单元的维护能力的剖视图。
具体实施方式
请参见图1，图中示出了本发明优选实施例的剖切图。模块管道式涡轮发电机单元10可以作为单个的涡轮发电机单元10使用或以多个涡轮发电机单元10使用，典型地布置在海底潮汐区域，但是该设计可以用在诸如河流、尾水渠或风能单元的其它环境。涡轮发电机单元10的目的是以最小的环境影响利用潮汐有效地产生电力。该优选实施例旨在供海底布置。很明显，本发明提供一种具有最少运动部件的有效的发电单元。
涡轮发电机单元10具有两个围绕中心线且对称的端部。轴线大体平行于水流100的方向的毂20沿涡轮发电机10的中心轴设置。毂20在每一端具有毂头部21，有利的方式是毂头部可以以任何流体动力形状形成。毂头部21可以是尖拱状或具有尖拱状的盖子，以便使进入和流出管子40的阻力最小。
具有对称截面的多个水翼叶片30的根部连接到中心毂26，多个水翼叶片30的圆周或末端连接到还称作转子轮缘54的永久磁铁座圈并且还一起包括转子盘50。在优选实施例中第一转子盘50和第二转子盘52同轴以前后结构安装。转子盘50和52由于叶片30的水翼形状而仅仅沿一个方向转动。推力轴承29在用于每一个转子盘50和52的中心毂26和毂头部21之间自由转动并且对接于两者上。轴承优选水润滑低摩擦推力轴承29。中心毂或轴承隔离圈28可转动并且同轴地设置在两个转子盘50和52的中心毂26之间并且分开转子盘50和52以防止其彼此接触。转子盘50和52围绕隔离圈28自由地转动。
当从水流100的方向观看时的上游转子盘50将始终沿一个方向(或顺时针或逆时针)转动，而下游转子52始终沿相反的方向转动。当潮汐和水流100的方向转向，第二转子52将是上游，并且由于水翼形状继续沿与以前相同的方向转动。从而，对于水流100涡轮发电机单元10是双向的，并且每一个转子盘50和52始终沿同一方向转动。当涡轮发电机单元10具有单个转子盘50时，它还沿单个方向转动。
叶片30是从毂26以大体90°径向伸出的对称的翼型或水翼。叶片30具有顶部和底部表面以及前缘和后缘。叶片30的顶部和底部表面通常垂直于水流100。叶片30可以倾斜角度设置，例如用于向后倾斜叶片结构。叶片30的数量取决于涡轮机的尺寸。可以使用本领域所知的产生流过叶片30的各个侧面的流体速度变化的翼型和/或水翼状，由此产生最优的升力和阻力。
管子40是设置在转子50的轴线周围以形成管子的中空的圆筒，并且容纳转子50。管子40可以是恒定内径的圆筒，或内壁可以汇聚以便增加流过管子40的水的速度。在优选实施例中，管子40的内壁汇聚在中心部分，由此当水流100通过管子40时产生文丘里效应。转子轮缘54允许多个密封封闭的永久磁铁56连接到转子盘50和52的外部轮缘。转子盘轮缘永久磁铁座圈设置在外部管子40的凹处中，该凹处容纳密封封闭的定子线圈60。第二转子52沿与第一转子50相反的方向转动，以便降低由于涡流产生的流体动量损失，并且由此使涡轮发电机单元10更有效。固定定子线圈60安装在邻近容纳磁铁56的转子盘50的外部边缘的管子40中。
任选地，为了同轴操作并且抵抗侧向载荷，磁铁轴承系统可以用在转子轮缘54，这是本领域熟知的。转子轮缘54可转动地设置在管子40中的磁铁座圈中或转子轮缘腔55中，水润滑低摩擦防撞击滑板(未示出)可以安装在转子轮缘54的外侧，以保护定子线圈60，避免转子盘50和52的过度偏转。
多个弯曲的、通常是矩形的导向叶片24还作为毂支撑，从毂20延伸到转子外壳或管子40以形成转子盘50和52在其上转动的稳定的轴。导向叶片24具有一般锐利的前缘、锐利的后缘以及两个侧面。导向叶片24提供冲击到上游转子盘50和下游转子盘52的尾部的出口导向叶片24的初始角，以最小化流体动力涡流动量损失。在优选实施中导向叶片的表面以弧形弯曲，以便撞击叶片24的水在撞击叶片30之前以预定的冲角度改变方向。叶片30相对于转子盘50具有零度冲角，并且具有对称的截面。
涡轮发电机单元10保持固定在适当的位置，并且当潮汐转向并且由此水流100转向时，转子开始沿其各自的方向转动。对转式转子盘50和52以及导向叶片24的布置提供了高效率的电输出，流100从转子盘轴的任意方向进入管子40并且使运动机械部件最少，由此减少了海洋环境中昂贵的维护。
下面请参见图2，图中是涡轮机组件的一半移去后的详细视图，其中示出了转子盘毂26、叶片30、永久磁铁转子轮缘54、永久磁铁56、定子线圈60、导向叶片24以及管子40。
转子盘力矩由进入管子40的、由穿过叶片30产生升力的导向叶片给出初始冲角的水流100产生，由此开始第一转子50的转动。当离开第一转子50时，水流100以有利的冲角漩流并且撞击第二转子52，由此沿与第一转子50相反的方向转动第二转子52(参见图1)。当转子盘轮缘54中的磁铁56经过导管40中的固定定子60时，根据法拉第定律，如本领域众所周知，感应的电压等于定子线圈的匝数乘以磁通量的变化率。然后，通过本领域已知的方式由电缆(图中未示出)可以获得电流。该发电机90包括转子50、磁铁56和定子60，能够引线以产生直流电流或三相交流电，如本领域所知。磁铁56和定子60之间的间隙充满外围工作流体，由此昂贵并且不实际地使用空气密封，这种密封一般在水下应用失效或需要较高的维护，因为较高的流体动力载荷施加在涡轮发电机单元上。
图3示出了转子盘50的正视图，转子盘50具有翼弦尺寸或从根部到末端的尺寸恒定的直叶片30。叶片30以与毂20轴成一直线的四分之一弦布置。所有的叶片30都是截面对称水翼。叶片30可以是从两个到多个的n个。
图4是转子盘50的正视图，转子盘50的弯曲叶片30在毂处较窄而在末端较宽。可选地，可以使用在毂20处较宽的具有窄末端的弯曲叶片30(图中未示出)。所有的叶片30是截面对称水翼。叶片30的后掠方向是涡轮发电机单元毂20的后部或朝向涡轮发电机单元毂20的中心，但是前掠也是一种选择方式。叶片30可以是两个至多个的n个。
图5是涡轮机转子盘50、叶片30以及转子轮缘54的正视图，其中具有与毂20轴成一直线的中心线的恒定弦尺寸的直叶片30。叶片30可以是两个至多个的n个。
图6是转子盘50的正视图，转子盘50具有在毂20处较窄而在末端较宽的的直叶片30。可选地，可以使用在毂20处较宽的具有窄末端的直叶片30(图中未示出)。所有的叶片30是截面对称水翼。叶片30可以是两个至多个的n个。
图7是转子盘50、叶片30以及转子轮缘54(参见图1)的正视图，其中具有垂直偏距叶片和海洋生物旁通管32。海洋生物旁通管32是通过毂20的中心轴的纵向孔，通过该孔诸如鱼和哺乳动物的海洋生物如果进入涡轮发电机单元10能够通过。旁通管32是可能的，因为轮缘式涡轮发电机单元10使毂20作为一个较小的结构仅仅用作支撑轴的转子盘50并且不容纳发电机90。
图8是具有用于转子盘50的弯曲表面而不是平面的涡轮机转子盘的布置的剖视图。该布置可以与恒定厚度或变厚度的叶片30一起使用。该布置可以与单个或多个转子盘以及与前面附图的转子叶片30的任何布置一起使用。
图9是本发明优选实施例的立体图。涡轮发电机单元10可以由连接到管子端部40的一般椭圆状的滤网70封装。滤网70可以由多个从管子40纵向伸出并且在两个毂20端部之前、之上、旁边或之下的点相交的杆组成。滤网70的作用是使海洋生物的侵入最少并且用于防止海草、碎片和海洋生命进入涡轮发电机单元10的护罩，否则，它们会阻塞或损坏涡轮机叶片30和导向叶片24。由于滤网的形状以及潮汐和水流100改变方向，滤网70可以自清洗。增力罩74包括具有围绕涡轮发电机单元10的圆周的纵向中平面的铰链37(图9中未示出)的铰接面板36。
请再参照图7，当滤网70与海洋生物旁通管32结合使用时，滤网70在旁通管32嘴的外部边缘终止并且延伸到管子40的前缘，由此，当碎片附在滤网70中时，海洋生物能够通过涡轮发电机单元，由此降低发电对环境的影响。
再次参见图9，由转子盘50(以及52(如果可适用))(在此未示出)和发电机组成的涡轮机组件可以作为一个单元插入或取出以便便于进行维护，而管子40和配置装置留在适当的位置。转子盘50和发电机90(在此未示出)可以是整装的在顶部表面上具有凸出部或钩子的芯单元。设置作为管子40的柔性中心部分的管子边缘隔离片44，以便能够移去涡轮机组件。一旦移去管子边缘隔离片44，涡轮机组件48可以升起到表面，以维护或更换。
图10示出了具有连接在涡轮发电机10的中点的柔性增力罩74的管子40。由诸如SpectraTM编织纤维的耐久柔性材料制成的罩74如此形成，即流100的动压力将迫使罩74到适当的位置，罩74向外展开的端部在管子40的出口。罩74可以具有嵌入其中的加强环(图中未示出)，但是在其最大和末端直径处将一定具有刚性罩环75，以便当受到潮汐流100的较大的动压力作用时保持适当的形状。罩74可以由诸如“Spectra编织物”的耐久复合材料或金属铰接部件组成。罩74在后缘具有较大的圆周，从而它自管子40张开。罩74在涡轮发电机单元10的出口产生低压区域，由此使由于Betz效应产生的涡轮机效率损失最小。这种类型的固定增力器使通过涡轮机的流量增加，并且具有本领域所熟知的特点。当潮汐改变方向时柔性织物和铰接金属罩74都由潮汐流的动力来回地移动，从而罩74始终在管子40的出口或管子40的出口之上向后伸出。这种是双向单独定位的增力罩74，该增力罩74绕涡轮机管子40圆周的中部铰接或固定。罩可以围绕整个圆周安装，或如果具体安装需要，可以围绕只是圆周的部分安装，或围绕多个单元安装。
图11示出了具有由铰链37连接在涡轮机单元10的中点的铰接增力罩74的管子40。罩74由耐久的刚性面板36构成并且由流100的动压力定位，流100将迫使罩74到适当的位置，罩部分的展开的端部位于管子40的出口。涡轮发电机单元10由管子40结构和材料构成，由此提供利于布置和维护操作的浮力。
涡轮发电机单元由耐久抗腐蚀材料构成。在优选实施例中，整体结构是正浮力的包含充分比例的轻质内部加强集料的海洋等级的混凝土用于管子40并且耐腐蚀高强度材料用于构成涡轮机10的转子50和轴以及其它主要部件。可以使用诸如先进的复合材料、混凝土和钢。如本领域所知，涡轮发电机单元10涂敷硅玻璃产品，以降低水利损失以及使海洋生物附着造成的结垢最少。
管子40涂敷新的硅玻璃产品并且优选由轻质能浮起的混凝土形成，使涡轮发电机单元10能够拖到工地布置，然后系住以便涡轮发电机单元10浮动在水表面16之下的预定深度。涡轮发电机单元10降低到河或海底的期望位置。在优选实施例中，涡轮发电机单元使用潮汐力发电。
图12是穿过现有技术的对称翼的气流的矢量图，其中在美国专利4,221,538中Wells图示了穿过叶片30的水翼截面的驱动矢量，其中V是与叶片30的方向相反的流的相对速度，I1和I2是合成流体矢量迎流速度，U1和U2表示双向水流100，而L1和L2表示升力的法向分量。穿过水翼叶片30的升力以有效并且有力的方式加速转子50。
图13是穿过作为具有双同轴转子盘50的涡轮发电机单元的部件的两个水力对转式叶片30部分的流动图。该现有技术的系统有效地降低了由于涡流造成的下游能量损失并且增加了更大速度范围上的操作效率。
图14是穿过同轴转子50涡轮发电机单元的级联对的流动图。对于非常高速度的范围使用多个级联使穿过多单元的压力下降最小。对转式盘的级联对的数量是两个或多个的n个。
图15是穿过具有水翼叶片30的单个转子盘50以及通过交替位置入口和出口导向叶片24的流动图。叶片24是柔性的并且由具有铰接罩的连杆控制。流100的动压力使罩调节，由此将导向叶片移动到适当的位置。上游导向叶片将提供正冲角而下游导向叶片将降低动量涡流损失。当水流100转向，转子50以相同的方向转动，但是叶片24通过铰接转向或翻转，占据虚线25所示的位置。在这种变化中，叶片24的前缘刚性固定到毂20结构和管子40的内表面。
图16是穿过两个水力对转式叶片30部分以及通过作为双直列式转子50涡轮发电机单元的部件的入口和出口导向叶片24的流动图。在优选实施例中，导向叶片24以图示的结构永久固定。
图17是安装在可伸缩式支架80上的涡轮发电机单元10的立体图。在优选实施例中，涡轮发电机单元10安装在支架80上，支架80可以是可伸缩的，以便能够实现涡轮发电机单元10的遥控高度调节，包括将涡轮发电机单元10升高到水面16之上，以便维护。
图18是安装在河或潮汐流中水下的多个可伸缩式支架80上的涡轮发电机单元的正视图。通过升起或降低可伸缩支架80以接近涡轮发电机单元方便了安装、拆卸以及维护。可以使用双同轴转子盘50和52，以及设置另外的同一支架80组上的涡轮发电机单元10。可以使用任何已知的电缆系统以获得电力并且控制涡轮发电机单元10。
图19是通过外部凸出部和缆索13系在海洋或河床15上的两个或更多的锚14组的涡轮发电机单元的侧视图。锚可以是任何类型的包括镀锌钢船锚或混凝土块。缆索13连接到涡轮发电机单元10的每一端，由此涡轮发电机10保持在适当的位置。由于转子50和52是双向的，涡轮发电机单元可以保持在固定的位置。
图20是图19的沿单个转子50涡轮发电机的I-I的剖视图。
图21是图19的沿单个涡轮发电机单元的II-II的剖视图。
涡轮发电机单元10可以单个或以两个或多个涡轮发电机单元10的组进行使用。
图22是图19的沿I-I的剖视图，其中示出了本发明的双并排涡轮发电机单元10的变化。
图23是双并排涡轮发电机单元10的变化的图19的端部视图。两个涡轮发电机单元10的管子40可以焊接、螺栓固定或通过任何其它适合于承受流体动力的装置连接在一起。
至少有五种可能的预期用于涡轮发电机单元10的布置方法。这些方法是：
●如图17和18所示安装在一个或多个伸缩式支架80上
●在驳船120之下浮动或连接到驳船120
●在河的一侧的可折叠收缩的橡胶坝130旁边
●如图19所示浮动系在表面之下，以及
●如图26-30所示在穿过海洋海湾或航路的潮汐栅栏内
图24是根据本发明的安装在驳船120之下的涡轮发电机单元10的侧视图。
图25是根据本发明的安装在小坝130中的涡轮发电机单元10的平面图。
图26是整个潮汐栅栏140的正视图，图中示出了根据本发明的几排涡轮发电机单元10。
图27是潮汐栅栏140的一部分的近距离视图，图中示出了根据本发明的九个堆迭的涡轮发电机单元10。
图28是在根据本发明的潮汐栅栏140中的单个涡轮发电机单元10的正视图。
图29是在潮汐栅栏140的结构中的3个堆叠的涡轮发电机单元10的剖视图。根据本发明的潮汐栅栏140具有T形梁结构141，电和监视大划艇以及相关的路基142，由垂直支撑柱147辅助的、包括T形梁143，进出口盖144，以及甲板交线145和146的柱状甲板结构。潮汐栅栏140另外包括波分流器148以及可移去的抗汽蚀平台149、重力基础结构150和相应的支撑网151以及支架152和153。该结构支撑多个涡轮发电机单元10。
图30是显示利用定位在潮汐栅栏140结构的顶部的导轨上的门架以盒式移出涡轮发电机单元的维护能力的剖视图。
上述优选实施例并不是详尽的或将本发明的范围限制在所披露的准确的形式。选择和描述这些实施例以便最好地说明本发明的原理以及其应用和实际使用，使本领域的其它人员理解该教导。
在不偏离本发明的精神或范围的情况下，本领域的普通技术人员根据上述披露的内容，在本发明的实践中可以进行许多变更和修改。因此，本发明的范围根据权利要求限定的内容进行限定。

Claims (42)

1.一种用于由水流产生电力的水力涡轮发电机装置，所述装置包括实质上平行于水流的毂以及至少一个发电机，其特征在于包括：
至少一个转子盘，其包括可转动地连接到所述毂并且从所述毂径向伸出的多个水翼叶片；
限定管子的通常为圆柱状的外壳，所述管子接近所述叶片的末端并且通过多个从所述毂径向延伸的导向叶片连接到所述毂；以及
其中所述至少一个发电机为不密封的发电机，并由外围工作液体淹没。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述叶片是截面对称的。
3.根据权利要求2所述的装置，其中所述叶片具有两个垂直于所述水流设置的平面。
4.根据权利要求1所述的装置，其中具有第一转子盘和第二转子盘，所述第一转子盘在上游并且沿相对于水流的第一方向转动，而第二转子盘在下游并且相对于所述第一转子盘沿相对于水流的第二方向反向转动。
5.根据权利要求4所述的装置，其中所述第一方向是从水流的方向的逆时针方向，所述第二方向是从所述水流方向的顺时针方向。
6.根据权利要求4所述的装置，其中所述第一方向是从水流的方向的顺时针方向，所述第二方向是从所述水流方向的逆时针方向。
7.根据权利要求4所述的装置，其中当所述水流改变方向时所述第二转子盘变成上游盘，并且继续以相同的方向转动，而所述第一转子盘变成下游盘，并且继续相对于所述沿相同方向的上游盘反向转动。
8.根据权利要求1所述的装置，其中所述导向叶片设置在所述毂的一端或两端。
9.根据权利要求1所述的装置，其中所述导向叶片是弯曲的并且实质上是矩形并且从所述毂在所述毂和所述管子的内壁之间径向延伸，以便所述弯曲改变所述水流方向，从而水流以锐角撞击所述水翼叶片，以产生升力并且由此转动所述转子盘。
10.根据权利要求1所述的装置，其中所述叶片固定在适当位置。
11.根据权利要求1所述的装置，其中所述叶片是可调节的。
12.根据权利要求1所述的装置，其中所述导向叶片是相对于所述毂和所述管子可转动调节的。
13.根据权利要求7所述的装置，其中当所述水流改变方向时所述导向叶片转动，以便所述导向叶片的弯曲转向，由此以优选的角度引导所述水流。
14.根据权利要求7所述的装置，其中当所述水流改变方向时所述弯曲的导向叶片转动，以便将所述水流引导到所述上游转子盘上的所述叶片转向，由此引导所述水流离开平行于所述毂的轴线的新的下游转子盘，并且设置在所述毂的下游端的引导所述水流离开所述涡轮发电机的所述叶片现在转到用于将所述水流以锐角引导到所述以前的下游转子盘上的位置。
15.根据权利要求12所述的装置，其中当所述水流改变方向时，所述叶片由连接到从所述管子的一端翻转到另一端的罩的机械连接器转动。
16.根据权利要求1所述的装置，其中所述发电机是轮缘发电机。
17.根据权利要求1所述的装置，其中所述发电机由设置在所述叶片的末端的磁铁以及设置在所述管子的内壁中的电磁线圈构成。
18.根据权利要求1所述的装置，其中所述发电机包括在所述转子盘的轮缘中的永久磁铁，并且定子线圈设置在所述管子的内壁中。
19.根据权利要求1所述的装置，其中所述发电机是双或单轴向通量发电机或双或单径向通量发电机。
20.根据权利要求1所述的装置，其中所述发电机由周围的水淹没。
21.根据权利要求1所述的装置，其中所述转子盘和发电机适合于作为模块单元拆卸，以便容易进行维护和更换。
22.根据权利要求1所述的装置，还包括设置在所述管子外表面的中线周围并且沿所述水流的方向延伸越过所述管子的一个开口端的可翻转的罩。
23.根据权利要求22所述的装置，其中当所述水流转向时所述罩适合于升起并且翻转，从而所述罩将始终从所述管子的中线朝向所述水力涡轮机的下游端延伸。
24.根据权利要求22所述的装置，其中所述罩由柔性材料构成。
25.根据权利要求22所述的装置，其中所述罩由铰接面板构成。
26.根据权利要求1所述的装置，还包括围绕所述管子的开口端设置的栅网，以便碎片和生物被所述栅网转向。
27.根据权利要求26所述的装置，其中所述栅网由金属杆组成。
28.根据权利要求27所述的装置，其中所述金属杆从所述管子端部向前延伸到所述管子端部的中心的前面的点。
29.根据权利要求26所述的装置，其中所述栅网由与所述水流切向地形成角度的板条构成，以便碎片和生物围绕所述涡轮机被转向。
30.根据权利要求1所述的装置，其中至少一个涡轮发电机安装在至少一个水下伸缩式支架上，所述伸缩式支架适合于在水面之上选择性地将所述涡轮发电机降低或升高和选择性地将所述涡轮发电机降低或升高到选择的水下深度，以便实现最优化发电。
31.根据权利要求1所述的装置，其中所述水力涡轮发电机是双向的，并且能够从两个开口端的任一个接受所述水流并且发电。
32.根据权利要求1所述的装置，其中所述管子具有汇聚的内表面，以便产生文丘里效应。
33.根据权利要求4所述的装置，其中所述转子盘是同轴的并且是对转式。
34.根据权利要求33所述的装置，其中具有2至10个级联对的同轴对转式涡轮发电机。
35.根据权利要求1所述的装置，其特征在于进一步包括由所述毂限定的旁通孔，以使所述水流沿纵向通过所述毂。
36.根据权利要求13所述的装置，其中当所述水流改变方向时，所述叶片由连接到从所述管子的一端翻转到另一端的罩的机械连接器转动。
37.一种用于流体涡轮机的装置，包括轴和至少一个发电机，其特征在于包括：
多个从所述轴径向延伸的可转动的叶片；
多个在所述涡轮机上游和下游从所述轴径向延伸的可调节的导向叶片；以及
其中所述至少一个发电机为不密封的发电机，并由外围工作液体淹没。
38.根据权利要求37所述的装置，还包括围绕所述叶片设置的管子，所述叶片的末端接近所述管子。
39.根据权利要求37所述的装置，包括轮缘发电装置。
40.根据权利要求37所述的装置，其中所述轴包括限定有孔的内表面，海洋生物可通过该孔绕过所述流体涡轮机。
41.一种用于由潮汐流产生电力的水力涡轮机，具有毂和至少一个发电机，其改进特征在于包括：
多个围绕所述毂径向并且可转动地设置的对称水翼叶片；
围绕所述叶片设置并且由至少一个导向叶片连接到所述毂的外壳，所述外壳包括与所述毂一体以便所述涡轮发电机浮在预定水下深度的浮力装置；以及
其中所述至少一个发电机为不密封的发电机，并由外围工作液体淹没。
42.根据权利要求41所述的水力涡轮机，其中所述毂包括位于所述毂中的孔，该孔延伸通过所述毂。
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