CN202926518U - 流体转换元件及包括所述流体转换元件的机器 - Google Patents

Abstract

本实用新型描述了一种流体转换元件及包括所述流体转换元件的机器。该流体转换元件包括围绕转动轴缠绕的至少两个敞开的管状管道，其中至少一个所述管状管道围绕所述转动轴螺旋地缠绕，每个所述管状管道包括具有各自的入口端口和各自的出口端口的室；其中至少一个所述管状管道的入口端口的横截面面积大于该所述管状管道的出口端口的横截面面积；并且其特征在于，所述流体转换元件的转速是可调节的。

Description

流体转换元件及包括所述流体转换元件的机器

技术领域

本实用新型在其一些实施方式中涉及一种没有螺旋叶片的涡轮机，更具体地但不绝对地涉及一种用于将线性流转换成旋转运动的装置，其可能用于发电。 

背景技术

人类面对的最大挑战中的两种是相互关联的。传统的碳基能源（比如石油和煤炭）正在耗尽。此外，基于人类对这些能源的使用产生的生态上的威胁被认为可能对地球上的生命有毁灭性打击。因此大多数国家的主要目标是寻找人类需要的能源但不明显地增加大气中的二氧化碳或其它“温室气体”。 

两种最引人注目的可再生能源是太阳能和风能。它们每天提供超过人类活动所需求的能量。也就是说，从经济上和技术上利用太阳能和风能的能力是非常有价值的。虽然到目前为止已经做出了开发太阳能和风能发电的努力，但是这两种用于发电的方法在它们对电网的贡献方面仍然是微小的。 

风力发电厂已经在世界各地涌现，其中许多建立在开阔的平原或疾风海洋地区。已经开发出了十亿瓦能量工程。大多数的涡轮包括能够响应于盛行的风而旋转的螺旋叶片（通常是三个）。转动的螺旋叶片驱动齿轮箱和发电机来发电。 

Donham等人的美国专利号4,297,076描述了一种改进的风力涡轮机，其中叶片顶部的斜度是可变的，并且斜度是周期性改变的，以控制转子的摇摆并减轻叶片上的弯矩，以及斜度是共同地改变的以减轻叶片上的弯矩并使在选定的恒定转速下涡轮机的电力输出最大。 

Locastro等人的美国专利号4,362,470描述了一种风力涡轮机，其 具有相对于一轴线可转动的轴以及安装在轴上的多个叶片，这些叶片布置成风使它们转动从而使轴转动。 

Sultzbaugh等人的美国专利号5,256,034描述了一种斜度可变的螺旋叶片机构，其包括在三个间隔开的叶片臂上的多个螺旋桨形状的叶片。 

Harman等人的US20080145230描述了一种在需要高输出并同时具有受约束的风扇尺寸的环境中所使用的轴向流风扇的表面轮廓和转子。 

WO2009/051793描述了一种承受应力的结构，其包括一构件，应力施加在该构件上，其中构件内的该应力分散并且其中构件的至少一主要部分的结构具有符合对数曲线的曲率以使应力基本均匀地分布。 

Gorlov的美国专利号5,642,984描述了一种螺旋涡轮机组件，其能够在多方向超低头流体流下提供高速单向转动。该组件包括一组竖直或水平布置的螺旋涡轮机单元或者模块，以例如利用水或风的动力。风动力模块能安装到由轻重量结构支撑的可转动轴上，轻重量结构由牵索锚定到地面。螺旋涡轮机还能通过利用海浪的动力来提供船的推进力。 

Becker的美国专利号7,132,760描述了一种混合叶片风力涡轮机装置，其至少由一对直的外部螺旋桨叶片和一对内部螺旋翼叶片构成，被支撑成用于在安全保护罩结构内转动，该风力涡轮机能安装在竖直、水平或其他准直的操作位置上。 

Krolick等人的美国专利号4,708,592描述了一种可折叠结构，该可折叠结构包括根据多种方法中的一种由轻重量结构支撑的非刚性螺旋板。 

Clark的US20090160194描述了一种用在风力涡轮机中的叶片，叶片具有从风力涡轮机的叶片的转动中心径向向外延伸的纵向轴。叶片具有前侧和后侧，前侧具有在上风方向上取向的前表面，后侧具有用于在下风方向上取向的后表面。 

Aylor的美国专利号5,425,619描述了一种流体能量涡轮机，其具 有径向流转子，在该转子中流体驱动式叶片围绕水平轴周向地分布，在该转子中设置辅助偏压出口门，绎用于释放高流体压力，从而控制比如在强暴风中的涡轮机速度。 

Rangi等人的美国专利号4,082,479描述了一种用于竖直轴风力涡轮机的超速导流板，这种类型的涡轮机具有直的或弯的螺旋桨叶片，该螺旋桨叶片附连至竖直轴，通过铰接地安装在后缘、前缘上或在螺旋桨截面的一部分的中心位置处的相对薄的平坦叶片状导流板元件而形成该竖直轴。 

Townsend的美国专利号5,632,599教导了一种风能涡轮机，其具有围绕水平转动轴周向地分布的空气驱动式叶片，水平转动轴形成了内部区域，在内部区域中通过引入其中的风而增大的空气压力通过这些叶片之间的空间被释放。 

Sullivan的美国专利号4,500,257描述了一种用于竖直轴风力涡轮机的空气动力导流板系统，该系统包括在叶片上的导流板，叶片初始地存放在转子轴附近，以使拖拽力最小化。 

Shimmel的美国专利号4,715,782描述了一种液压速度控制装置，其用于通过控制转子制动装置的配置来限制风力涡轮机的速度，该液压速度控制装置包括四个相互流体连接的元件：一个或多个流体缸、安全阀、蓄能器和止回阀。 

Hulls的美国专利号5,531,567教导了具有张紧叶片的Darrieus式竖直轴风力涡轮机，其具有用于张紧这些叶片的各个机构。 

实用新型内容

因此本实用新型的目的是描述在将线性流能量转换成转动能量方面具有改进的效率的方法和装置。具体地，本实用新型包括实现更有效率的涡轮机的结构和方法，该涡轮机缺少螺旋叶片而是引导流体经过渐缩中空的涡轮机的主体，以实现高的能量转换效率。 

根据本实用新型，提供了用于将流体的流动转换成转动的转换元件，该流体转换元件包括围绕转动轴缠绕的至少两个敞开的管状管道， 其中至少一个所述管状管道围绕所述转动轴螺旋地缠绕，每个所述管状管道包括具有各自的入口端口和各自的出口端口的室。 

在一些实施方式中，至少一个所述管状管道的入口端口的横截面面积大于该管道的出口端口的横截面面积。 

在一些实施方式中，至少其中一个管状管道的直径沿着其长度变化。 

在一些实施方式中，所述流体属于风和水中的至少一个。 

在一些实施方式中，一种机器包括流体转换元件，还包括响应于流体转换元件的换能器。 

在该机器的一个方面中，换能器是从由发电机、压缩机、泵、捕捉器、提升机、钻机、搅拌机和捏和机构成的组中选出的。 

在一些实施方式中，至少一个所述管状管道是由从由金属、纤维、木头、聚合材料、玻璃、织物、合金以及它们的组合构成的组中选出的材料制成的。 

根据本实用新型的另一个方面，提供了一种用于将与流体流相关的能量转换成电的方法，包括：提供流体转换元件，所述流体转换元件包括围绕转动轴缠绕的至少两个敞开的管状管道，其中至少一个所述管状管道围绕所述转动轴螺旋地缠绕并且每个所述管状管道包括各自的入口端口和各自的出口端口；将所述流体转换元件置于流体流中，从而引起所述流体转换元件的转动；将所述转动转换成电。 

在本实用新型的一个方面中，所述流体属于风和水中的至少一个。 

在一些实施方式中，所述流体转换元件围绕所述转动轴的转速是可调节的。这可通过扰乱流体的流动或通过打开流体转换元件的室中的腔或通过改变入口端口或出口端口中的至少一个的面积或通过改变螺旋地缠绕的管状管道的螺旋角来实现。此外，包括上述流体转换元件的机器还包括响应于流体转换元件的转动的换能器。 

除非另有限定，这里所使用的所有技术和/或科学术语可具有与本实用新型所属技术领域的技术人员通常理解的意思相同的意思。尽管在本实用新型的实施方式的实施或测试中能使用与这里描述的那些方 法和材料类似或等效率的方法和材料，但是下面描述了实例性方法和/或材料。在抵触的情况下，包括限定的专利说明书将进行控制。此外，这些材料、方法和实例只是说明性的，并不意图进行必要的限制。 

附图说明

这里仅通过实例参照附图描述本实用新型的一些实施方式。通过现在特别详细地参照这些图，强调了通过实例的方式和出于示出地讨论本实用新型的实施方式的的目的而示出了细节。在这方面，结合附图的描述可以使本领域技术人员清楚本实用新型可以如何实施。在这里披露的各个实施方式中，类似的元件具有类似的附图标记，不同的是加上了100的倍数。 

在这些图中： 

图1A-1C是具有三个管的单个“流体转换元件”的示意图，强调了本实用新型的独特方面； 

图2A-2B是具有三个管的单个流体转换元件的示意图，其中强调了管的内部方面； 

图3是具有两个管的流体转换元件的示意图，本实用新型的最小形式； 

图4是图3的流体转换元件的示意性侧视图； 

图5是用在本实用新型中的可行结构中的具有三个管的流体转换元件示意图； 

图6是用作风力涡轮机的流体转换元件的示意图，具有发电机的示出； 

图7是用于水力涡轮机的流体转换元件的示意图，具有发电机的示出； 

图8是基于多个流体转换元件基风力涡轮机的风力发电厂的示意图；以及 

图9是与本实用新型相关的方法的流程图。 

具体实施方式

在如下的描述中，为了提供对本实用新型的彻底的理解阐述了许多具体的细节。但是对于本领域技术人员显而易见的是本实用新型可以在没有这些具体细节的情况下实施。在其他情况下，为了使本实用新型清楚而没有详细地示出公知的电路和控制逻辑部件。 

本实用新型在其一些实施方式中涉及一种没有螺旋叶片的涡轮机，更特别但不排除地涉及一种用于有效地将风力或水力转换成电的螺旋系统。 

为了有助于更好地理解本实用新型，现在限定特定的术语。 

“涡轮机”、“定子”、“转子”、“发电机”、“风”、“线性力”和“波”或“水波”可以具有它们通常被使用的含义，如在发电机和发动机领域中所理解的。 

术语“流体转换元件”、“敞开的管状管道”和“管”对本实用新型具有特殊的限定。流体转换元件或装置通常指的是围绕一轴彼此相关联的多个结实的管或敞开的管状管道，其中至少一个敞开的管状管道采取沿着其长度具有渐缩的直径的螺旋状结构的形式。管或敞开的管状管道可以称作单个中空螺旋状元件，其中螺旋体沿其长度具有不恒定的直径，其入口端口实际上大于其出口端口，其中其出口端口面对的方向不同于其入口端口面对的方向。敞开的管状管道是刚性结构，可以基于特殊的应用具有任何相关的尺寸，并且通常是多个同时被使用，单个流体转换元件通常是由两个或更多个管组成的，其中每个管是坚实结构，每个管的入口端口的表面面积显著大于管出口端口的表面面积。流体转换元件的管围绕彼此而缠绕，从而在单个管中形成了双重、三重等的管的螺旋体。出于本实用新型的目的，流体转换元件或敞开的管状管道代表涡轮机，其整个主体响应于线性流的能量（线性流的能量通常从流入出口和流出出口的风或水流而获得）而转动。每个管的底壁通常构造成入射在管上的线性力（通常是水或空气）指向底壁并允许线性力的能量有效地转换，以用于在单个流体转换元件中转动多个管。 

“室”指的是敞开的管状管道的入口与出口之间的空间。室通常而言实际上是中空的，具有从入口到出口具有围绕室的所有侧面的单个连续表面。室沿其长度通常是渐缩的。 

“换能器”可以指的是能将能量从一种形式转换成另一种形式的元件或装置。非限制性实例是能将流体流的运动转换成电能的发电机。 

术语“包括”、“包含”、“含有”、“具有”以及它们的演化含义是“包括但不限于”。 

术语“由……组成”的意思是“包括并限于”。 

出于更好地理解本实用新型的一些实施方式（如在图1-9中所示的）的目的，首先参照整体是螺旋形流体转换元件的涡轮机的结构和操作，如图1A-1C中所示出的。不受任何特殊理论的束缚，提供如下的讨论以便于理解本实用新型。在详细解释本实用新型的至少一个实施方式之前，应该理解的是本实用新型不必局限于将其应用于在下面的描述中所阐述的和/或在附图（和/或实例）中所说明的结构的细节和元件（和/或方法）的配置。本实用新型能够具有其他实施方式或以各种方式被实施或执行。 

第一实施方式 

现在参考附图，图1A示出了根据本实用新型的流体转换元件100。流体转换元件100包括三个敞开的管状管道110，管状管道110都是螺旋状的并且沿着转动轴160围绕彼此缠绕。流体转换元件100的特征包括其长度（定义为从入口130到出口140）大于其直径，尽管其它实施方式也是显然的。流体转换元件100包括三个敞开的管状管道110，每个管状管道110都是中空螺旋状元件，限定了室120，室120具有入口130、出口140和底壁150，底壁150相对于流体转换元件100的长度弯曲。入口130和出口140总是面向彼此不同的方向，如图1A中所示。入口130的横截面面积明显大于出口140的横截面面积，从而在与流体转换元件100相关联的每个敞开的管状管道110的长度105上形成渐缩的螺旋状结构。流体转换元件100是由机械上强度大的或刚性的材料制成，包括但不限于金属、聚合物、陶瓷、合 金、织物以及合成物。流体转换元件100的特定长度和敞开的管状管道110的入口130和出口140的尺寸取决于特定应用和由通过流体转换元件100的线性流所产生的动力。流体转换元件能够是小到几厘米的长度直至几米的长度，以用于由风力或水波进行大功率发电。虽然在图1A中示出的敞开的管状管道110尺寸上看起来是相同的，但是应该理解的是各个敞开的管状管道110可以具有不同的尺寸和特征。敞开的管状管道110通常是在流体转换元件100生产期间一起生产的，尽管敞开的管状管道110能分开地制造并且能用不同的材料来制造。图1B示出了与图1A中示出的敞开的管状管道110相同的配置，但是没有截面视图。图1B中的流体转换元件100是具有三个敞开的管状管道110的单个流体转换元件。 

现在参考图1C，图1C是涡轮机流体转换元件102的截面视图，其中，（具有三个管的流体转换元件的）单个的敞开的管状管道110被示出了其与转动轴160的关系。敞开的管状管道110的入口130允许空气或水进入，同时相关的力使涡轮机流体转换元件100的敞开的管状管道110转动。空气和水沿着涡轮机流体转换元件102的主体运动并在出口140处排出。与风或水相关的能量传递到涡轮机流体转换元件100的主体，从而使敞开的管状管道110围绕其螺旋轴160转动。如下面要描述的，流体转换元件100的转动允许通过合适的发电机系统进行发电或产生机械动力。应该注意的是图1C中示出的流体转换元件100仅是为了解释的目的，通常在实践中不使用具有单个敞开的管状管道110的流体转换元件。多个管（图1B，110）如图所示围绕彼此而布置，利用通过入口130进入并通过出口140离开的水、空气或其它线性力，水、空气或其它线性力允许管沿顺时针或逆时针方向转动。 

图2A和2B示出了先前在图1A中示出的三个管的流体转换元件200的示意性侧视图。管210以三个螺旋状结构的形式围绕彼此而缠绕。这些螺旋体在入口端口230处比在出口端口240处大。虽然在大多数的应用中，用在单个涡轮机中的两个或更多个管210具有相同的 基本尺寸并且由相同的材料制成，但是不必须是这样的情况。单个流体转换元件200中的管210可以由不同的材料制造并且可以具有不同的尺寸。应该理解的是与涡轮机结合的流体转换元件200的制造可包括单独生产管210，随后通过任何装置进行连接，或者替代性地制造具有管210（管210以被连接的方式生产）的流体转换元件。后一种的方法是优选的。这两种管210必要地均围绕公共的转动轴260转动，转动轴260不运动并且可以保持允许管210转动的元件。如图2A中所示，本实用新型的关键的特征是沿着管210的长度的渐缩形状（从宽的入口端口230到窄的出口端口240），从而产生了较大的力，以用于使具有流体转换元件200的涡轮机转动，因为管210在流体转换元件200的整个长度上变得较小。入口端口230和出口端口240面向不同的方向，这与渐缩的形状相结合允许压力被施加到每个管210的底壁250，与标准的基于螺旋叶片的涡轮机的转动相比这加速了涡轮机201的转动。 

第二实施方式 

现注意图3和4，它们示出了本实用新型的实施方式的示意图。在该实施方式中，具有两个敞开的管状管道310的流体转换元件300在其转动轴360的路线上具有多个螺旋弯曲部370。弯曲部370的数量的增加允许流体转换元件300转动的更快。流体转换元件300可以具有一个或多个弯曲部370，实际数量是由用于发电或其它应用的流体转换元件300的尺寸和应用场合决定的。该实施方式呈现了根据本实用新型的最小的流体转换元件300，即其具有两个敞开的管状管道310。敞开的管状管道310围绕共用轴360转动并且采用螺旋的形状，入口端口330大于出口端口440（见图4）。 

第三实施方式 

注意图5，其示出了一种风力涡轮机501，风力涡轮机501构成了使用根据本实用新型的流体转换元件的机器的实例。具有三个管510的流体转换元件500连接到架部件575和基部580，所述架部件和基部允许安装流体转换元件500和使流体转换元件500被提升，以用于 接收最佳的外力，通常是来自于风（未示出）。流体转换元件500能在任意方向上转动并且能移动，以便允许空气/风在入口530最佳地进入。通过入口530的空气继续经过管510的中空室（不可见），以便允许风能有效地转换，从而在空气经过出口（不可见）出来之前导致流体转换元件500转动。 

图6示出了图5中呈现的风力涡轮机501的一些内部工作部件，并且为了与其它图一致风力涡轮机重新编号为601。发电机690及其相关元件（比如齿轮箱、轴等等）与风力涡轮机601相联接，风力涡轮机601用于根据流过管610（其与流体转换元件600相联接）的风流产生AC电流。 

第四实施方式 

注意图7，其示出了水力涡轮机701的示意图，水力涡轮机701构成了具有流体转换元件700的机器的另一个实例，流体转换元件700具有用于从流动的水发电的三个敞开的管状管道710。在世界中存在一些区域，例如墨西哥海湾，在一年的很多时间内这里有强烈的已知的水流。具有架部件775和基部780的流体转换元件700定位成允许水流经过以螺旋方式围绕转动轴760布置的敞开的管状管道710的入口730。水在将与其流动相关的能量的大部分传递给流体转换元件700（以便通过与流体转换元件700相联接的发电机而发电）之后通过出口（在该视图中未示出）排出。 

第五实施方式 

注意图8，其示出了风力发电厂805的示意性实施方式，风力发电厂805构成了（通过基于如本实用新型所描述的转动元件的多个涡轮机而）产生交流电的机器的另一个实例。风力发电厂805包含多个风力涡轮机801，每个涡轮机包括流体转换元件800，流体转换元件800包括多个管810，如先前描述过的管810具有螺旋状的特征。每个涡轮机801通过管810的转动响应流动的风（未示出），并通过相联接的发电机设备（未示出）发电。所述发电机设备可以与每个风力涡轮机801相联接；替代地，发电机可与基于风力涡轮机801的多个流体 转换元件800相联接。管810可具有围绕轴860的一种或多种转动，每个流体转换元件800的入口830大于每个相关的出口（该视图中未示出），这种差别在以下方面是关键的特征，即，从经过每个流体转换元件800的风的流动而获得更大的转矩。 

第六实施方式 

注意图9，其示出了与本实用新型相关的方法的流程图。该方法允许与线性流相关的能量有效地转换成电。第一步包括提供流体转换元件，该流体转换元件包括沿可转动的轴的多个管（其具有敞开的室），其中至少一个管采用螺旋状结构。下一步包括将流体转换元件置于线性流中，从而管围绕转动轴转动。最后，将该转动转换成电，以便输送到电网或其它电元件。 

期望在从本申请至专利到期的有效期期间将开发很多相关的涡轮机，专利的期限范围旨在包括所有这些演绎的新技术。 

能意识到的是（为了清楚起见在单独实施方式的内容中描述的）本实用新型的某些特征还可提供成与单个实施方式相结合。相反，为了简短起见，（在单个实施方式的内容中描述的）本实用新型的各个特征还能单独地或者以任何合适的子组合的方式被提供，或者如在本实用新型的任何其它描述的实施方式中被合适地提供。在各个实施方式的内容中描述的某些特征并不认为是那些实施方式的主要特征，除非该实施方式没有那些元件的情况下是不可操作的。 

虽然已经结合其具体实施方式对本实用新型进行了描述，但很明显许多替代方式、改变和变型对于本领域技术人员来说是显而易见的。因此，旨在包含落入所附权利要求的范围内的所有这些替代方式、改变和变型。 

Claims (9)

1.一种用于将流体流动的能量转换成转动能量的流体转换元件（100），所述流体转换元件包括围绕转动轴（160）缠绕的至少两个敞开的管状管道（110），其中至少一个所述管状管道围绕所述转动轴螺旋地缠绕，每个所述管状管道包括具有各自的入口端口（130）和各自的出口端口（140）的室（120）； 

其中至少一个所述管状管道的入口端口的横截面面积大于该所述管状管道的出口端口的横截面面积；并且 

其特征在于，流体转换元件围绕所述转动轴的转速是可调节的。 

2.根据权利要求1所述的流体转换元件，其特征在于，所述流体转换元件的转速是通过扰动流体流动而可调节的。 

3.根据权利要求1所述的流体转换元件，其中所述流体转换元件的转速是通过打开所述室中的腔而可调节的。 

4.根据权利要求1所述的流体转换元件，其中所述流体转换元件的转速是通过改变所述入口端口和所述出口端口中的至少一个的面积而可调节的。 

5.根据权利要求1所述的流体转换元件，其中所述流体转换元件的转速是通过改变螺旋缠绕的所述管状管道的螺旋角而可调节的。 

6.根据权利要求1－5中任一项所述的流体转换元件，其特征在于，至少一个所述管状管道的直径沿其长度变化。 

7.根据权利要求1－5中任一项所述的流体转换元件，其特征在于，所述流体是风和水中的至少一个。 

8.一种包括根据权利要求1－5中任一项所述的流体转换元件（600，700）的机器（601，701），其特征在于，所述机器还包括响应于流体转换元件的转动的换能器（690，790）。 

9.根据权利要求8所述的机器，其特征在于，所述换能器是从以下设备所构成的组中选择的：发电机、压缩机、泵、捕捉器、提升机、钻机、搅拌机和捏和机。 

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