專利名稱：從流體流中提取動力的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于從例如潮汐流一類的流體流中提取動力的設(shè)備。
背景技術(shù)：
全球?qū)﹄娏Φ男枰找嬖黾?。但是，人們也對由傳統(tǒng)能源、例如燃燒礦物燃料所造成的環(huán)境污染狀況的認識也日益增加。因此，人們希望利用可再生能源、例如可從海流或河流以及潮汐流中得到的能量，并且希望將這種提取的動力以一種對環(huán)境較為友好的方式應(yīng)用到發(fā)電中。
傳統(tǒng)的潮汐流能量提取裝置包括水下螺旋槳驅(qū)動渦輪機。這些裝置的不足之處在于，機械部件并且甚至是電力部件必須設(shè)置在水下這一有害環(huán)境中，在該環(huán)境中易于受損、并且難以接近，從而使得維修費用昂貴。此外，這種渦輪機往往必須與攔河壩結(jié)合成一體，以便提供必要的壓位差(即能量提取機構(gòu)的入流和出流之間的水平面的差值)，并且攔河壩的造價較高且對環(huán)境不利。
WO 99/6620提出了針對這些不足之處的解決方案，它公開了一種裝置，其中渦輪機一類的流體驅(qū)動發(fā)動機位于水上。一部分引入的潮汐流被引導(dǎo)通過一具有流體加速收縮部分的通道，并且流體流過一將流體驅(qū)動發(fā)動機與具有加速流體流的一部分通道相連的管道得以驅(qū)動流體驅(qū)動發(fā)動機。不過，流體流入流動加速收縮部分的速度較慢(約5m/s)，從而該裝置僅可驅(qū)動低速水輪機。該收縮部分的直徑無法在不引入由于摩擦而導(dǎo)致的懲罰性動力損失的條件下進一步減小以便增加流動加速。
尚未審批的專利申請GB0206623.1公開了一種裝置，其中，渦輪機也是位于水上方，但是該渦輪機是由一種存在于通過流動加速收縮部分的流體流中的非水流體進行驅(qū)動的。該系統(tǒng)的優(yōu)點在于，流體驅(qū)動發(fā)動機可由壓縮空氣(驅(qū)動流體)進行驅(qū)動，而不是由水進行驅(qū)動。因為低水頭水輪機直徑小并且速度快，所以建造和維修由兩或三個大氣壓下的壓縮空氣驅(qū)動的渦輪發(fā)電機比輸出容量類似的低水頭水輪機更為便宜。使用這種氣驅(qū)動渦輪發(fā)電機免去了大體積水密軸承和齒輪箱的必要。除了使非水流體循環(huán)通過流體驅(qū)動發(fā)動機的電路外，該尚未審批的申請的系統(tǒng)使用了初級和二級兩個驅(qū)動回路(二級壓力放大系統(tǒng))。
在公知能量提取系統(tǒng)中是不可能將氣態(tài)驅(qū)動流體、例如空氣直接導(dǎo)入初級驅(qū)動回路(即通過流動加速收縮部分的流體流回路)中的。原因在于，為了實現(xiàn)將空氣直接傳送至流體加速通道內(nèi)并且產(chǎn)生足夠大的壓差來用于良好的汽輪機運行，需要產(chǎn)生大吸力壓力。為了將驅(qū)動流體(空氣)從水面向下引入流體加速收縮部分的進入點就必須做功。具體而言，吸入壓力必須大于流體加速通道所位于的深度h處的靜水壓力。利用標準流體加速收縮部分(其取決于伯努利效應(yīng))通過從其中提取動能的速度較慢的潮汐流難以獲得所需要的較大的吸入壓力。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種用于從一流體流中提取動力的設(shè)備，該設(shè)備包括一流體驅(qū)動發(fā)動機；一流體引導(dǎo)裝置，將其做成在主流體的流動中限定出一通道的形式，該通道具有一流體加速收縮部分，其形狀使得當主流體經(jīng)過流體加速收縮部分時被加速，將流體引導(dǎo)裝置做成對進入流體加速收縮部分內(nèi)的主流體施加一旋流分力的形式，從而當主流體經(jīng)過流體加速收縮部分時在主流體中產(chǎn)生一徑向壓力梯度；一管道，用于引導(dǎo)驅(qū)動流體流動，驅(qū)動流體和主流體為不同的流體，該管道與流體驅(qū)動發(fā)動機和一部分已對流體流進行加速的通道流體連通；其中驅(qū)動流體經(jīng)流體加速收縮部分中的主流體的旋流通過管道的流動得以驅(qū)動流體驅(qū)動發(fā)動機，并且管道將驅(qū)動流體輸送至流體引導(dǎo)裝置，從而驅(qū)動流體基本上沿旋流的中軸被吸入。
本發(fā)明的設(shè)備通過提供如下一種裝置緩解了現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，該裝置即使是在大的靜水壓力深度下也能將驅(qū)動流體直接引入流體加速收縮部分，該驅(qū)動流體為與主流體不同的流體。這是通過提供一種可操作地將角動量(即旋流)在主流體進入流體加速收縮部分時傳給它的流體引導(dǎo)裝置得以實現(xiàn)的。由流體引導(dǎo)裝置所賦予的旋流與在流體加速收縮部分中產(chǎn)生的壓降一起在主流體上產(chǎn)生一種正反饋效應(yīng)，從而沿與收縮部分中的流體旋轉(zhuǎn)軸相當?shù)囊坏蛪郝窂疆a(chǎn)生基本上大于僅從伯努利效應(yīng)獲得的壓降。驅(qū)動流體沿該低壓路徑被引入以傳送通過流體加速收縮部分。已經(jīng)通過該流動加速收縮部分的驅(qū)動流體用來驅(qū)動流體驅(qū)動發(fā)動機。
優(yōu)選地，流體引導(dǎo)裝置包括至少一個位于流體加速收縮部分上游的流體變流裝置。其優(yōu)點在于使得旋渦在預(yù)定位置處形成，并且增大流體加速通道中的旋流，從而提高所得到的吸力。有利地，該至少一個流體變流裝置為一靜態(tài)結(jié)構(gòu)，從而避免了水下移動部件和較高維修費用的需要。
優(yōu)選的實施方式包括一用于從流體加速收縮部分的出流收集驅(qū)動流體的空氣收集槽。通過主流體經(jīng)過流體加速收縮部分時的旋流而簡化的該簡單的空氣收集機構(gòu)使得能量提起利用復(fù)雜程度較小的電路便可完成。此外，還使得驅(qū)動流體經(jīng)一簡單的流動通道從流動加速收縮部分再次循環(huán)通過流體驅(qū)動發(fā)動機，并且直接回到流體加速收縮部分的輸入端。
附圖簡要說明下面將通過僅參照附圖的實施例對本發(fā)明的實施方式進行描述，其中


圖1為本發(fā)明第一實施方式的一用于從流體流中提取動力的設(shè)備的示意圖；圖2為一流體柱的示意圖，其具有一沿z軸的潮汐流速度，對其已施加了一角速度分量；圖3為本發(fā)明第二實施方式的用于從流體流中提取動力的設(shè)備的示意圖；圖4A為與適合于圖1的設(shè)備的第一變流裝置相對應(yīng)的一具有固定角形葉片的定子的示意圖；圖4B示意性地示出了圖4A的定子的單個葉片的形狀；圖5示出了第二變流裝置的平面示意圖；圖6示出了圖5的第二變流裝置的側(cè)面示意圖；圖7A為本發(fā)明的第三實施方式的示意圖，其中，垂直尾翼用來防止在流體引導(dǎo)裝置的狹道之外發(fā)生旋轉(zhuǎn)；圖7B示意性地示出了圖7A的流體變流裝置的正截面圖；圖7C示意性地示出了圖7A的實施方案的防旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的橫剖面視圖；圖8為本發(fā)明的第四實施方式的示意圖，其中，流體引導(dǎo)裝置設(shè)有在進氣口的兩邊上各設(shè)置的一變流裝置的入流。
具體實施例方式
圖1為本發(fā)明第一實施方式的一用于從流體流中提取動力的設(shè)備的示意圖。該設(shè)備包括一流體引導(dǎo)裝置100、一管道200、一流體驅(qū)動發(fā)動機300、一流體收集槽400和一對流體變流裝置500。
流體引導(dǎo)布置100為柱形構(gòu)造。由圖1中所示的柱形構(gòu)造的剖視圖可看出流體引導(dǎo)裝置的壁面類似一機翼。該壁面形成一流體流經(jīng)的通道。該通道逐漸變窄形成一流體加速收縮部分，流入的流體在靠近流體收集槽400的流體引導(dǎo)裝置的尾部的下游排出之前流經(jīng)該收縮部分。該具有一流動加速收縮部分的流體引導(dǎo)裝置100通稱為“文丘里管”，因為其操作的基本原理與用來測量流體流速率的文丘里速度計類似。
由于連續(xù)性的原因，單位時間通過流體引導(dǎo)裝置100的較寬口的流體容量等于單位時間通過通道的窄部(即流動加速收縮部分)的流體容量。從而，通過收縮部分時的流體速度大于進入流體引導(dǎo)裝置100的入口時的流體速度。根據(jù)伯努利定律，P+1/2ρv2+ρgh＝常數(shù)，其中P為靜水壓力，v為流體速度，ρ為流體密度，g為重力加速度，而h為基準面(在這種情況下為水平面)下的高度。因此流體速度的增加導(dǎo)致流體速度增加的收縮部分處的有效壓力ρgh減小。將通過流體引導(dǎo)裝置100的流體流表示為主流體流。
伯努利定律通常被應(yīng)用到其中存在流線型(層流)流動的系統(tǒng)中。對于小直徑的通道中的小流動速度而言出現(xiàn)層流，而在流速大的通道中紊流占主流。但是，即使穿過通道中的收縮部分的流動為紊流狀，壓力將隨著整體速度的增加而下降，正如伯努利定律所述。這是因為為了流體體積守恒，流動隨著通道收縮必須加速。通過計算并通過引導(dǎo)實驗可以看出，伯努利定律可適用于紊流，正如其適用于線流一樣。
管道200提供了用于引導(dǎo)驅(qū)動流體的另一種不同的流體流路徑。驅(qū)動流體(在該具體實施方案中為空氣)被向下壓入管道的部分200a至流體引導(dǎo)裝置的開口附近的一入口200c處。入口200c引導(dǎo)空氣基本上沿軸向通過流動加速收縮部分。由管道形成的入口200c在水面之下高度h處?？諝饬鬟^由流動引導(dǎo)裝置100形成的通道，并且當空氣通過流動加速收縮部分的減壓區(qū)時膨脹。空氣在收縮部分中膨脹使得周圍水的壓力增加。主流體抵抗膨脹空氣的阻力增加而作的功將能量施加至空氣上，并且在流體引導(dǎo)結(jié)構(gòu)100的兩邊產(chǎn)生一壓位差。從流體加速收縮部分浮起的空氣將在從流體加速收縮部分浮起之后的一段時間沿渦流的軸線延伸通過，并且將就此朝流體收集槽400的方向移動，在收集槽處收集空氣用于隨后循環(huán)通過流體驅(qū)動發(fā)動機300。已經(jīng)通過流體加速收縮部分的主流體的旋流將最終通過在流體引導(dǎo)裝置中的紊流而消失。
壓縮空氣隨著主流體(在該實施例中為水)通過流體加速收縮部分并由流體收集槽400收集。在該具體實施方式
中，流體收集槽位于流體引導(dǎo)裝置100的出口尾部附近，并且對流體加速收縮部分下游的驅(qū)動流體進行收集。流體收集槽設(shè)有徑向板，用于至少部分抵消引入驅(qū)動流體的旋流。
在備擇
具體實施例方式
中，流體引導(dǎo)裝置的尾部十分長，驅(qū)動流體可通過流體引導(dǎo)裝置尾部上部的狹槽得以收集，該流體引導(dǎo)裝置將驅(qū)動流體通過一將狹槽連接至收集槽的排出尾管而供給上方的流體收集槽。在另一備擇具體實施方式
中，在不同的層(即與流體引導(dǎo)裝置的中軸的距離不同)設(shè)置一疊收集盤，以便當驅(qū)動流體(例如空氣)從流體加速收縮部分中浮出時截取上升的驅(qū)動流體。各收集盤將一從收集盤升起的窄孔立管供給一共同的流體收集槽。
回到圖1的具體實施方式
，來自流體收集槽400的壓縮空氣向上流動通過管道的部分200b，并且隨后被供應(yīng)給渦輪機300。渦輪機300由自空氣收集槽400經(jīng)流體加速收縮部分流動至入口200c的空氣驅(qū)動。流體引導(dǎo)裝置100的入口處的空氣壓力P1＝P0+ρgh-p，其中P0為大氣壓，p為通過流體加速收縮部分形成的吸入壓力。作為對比，流體引導(dǎo)裝置出口處的壓力為P2＝P0+ρgh。因此，渦輪機兩側(cè)的氣壓為ρgh-(ρgh-p)＝p。空氣在壓力P1的條件下被向下抽吸至入口200c，并且在壓力P2的條件下再從流體引導(dǎo)裝置中浮出。如果P2＞P1，流體驅(qū)動發(fā)動機300便可由壓差驅(qū)動。不過，渦輪機的性能取決于壓力比P2/P1，而非取決于壓差。雖然更大的壓力比使得效率提高，但是壓力比P2/P1＝4已經(jīng)足夠。
如圖1所示，在文丘里管兩邊產(chǎn)生一壓位差。這一壓位差是通過在水中放置一障礙物而形成的。該障礙物可能由流體引導(dǎo)裝置100本身形成(如下文所述的圖8的具體實施方式
一樣)。不過，在圖1的實施方式中，壓位差由位于文丘里管上游的一水壩(未示出)形成。
入口200c處的壓力P1應(yīng)足夠高，以便空氣不會從溶液中出來。由于吸入壓力p的原因，入口200c處的壓力可能小于大氣壓P0(P0大約等于10米水壓)。在大氣壓條件下，一定量的空氣將溶解于水中。但是，如果壓力降低至約0.25個大氣壓，至少一部分溶解空氣會從溶液中出來。如果壓力進一步降低至約0.15個大氣壓，并且溫度約為20攝氏度，則水會沸騰。為了減小氣泡自發(fā)形成的可能性(一種公知為“成氣穴(cavitation)”的過程)，壓力應(yīng)至少為0.2個大氣壓(相當于2米水壓)。這是指P1應(yīng)當為至少等于2米水深的壓力，在這種情況下p＝(P0+ρgh-2ρg)，其中，P0＝1.013×105N/m2；ρ水＝1000kg/m3；g＝9.8m/s2；因此，h1大氣＝ P0/ρg＝10.34米水壓。良好的汽輪機運行所需要的壓力比至少為4。如果這種狀況令人滿意，則不管文丘里管系統(tǒng)的深度如何，都可提取出電力，雖然更高的壓力比確實使得渦輪機效率提高。
應(yīng)當注意，吸力為負壓力，故-0.6巴的吸力將相當于1-0.6的壓力，如果將該吸力施加到某一體積上，其將出人意料地處于大氣壓下。如果吸力為-0.75巴(其中，1巴約為一個大氣壓)，且文丘里管位于h＝7.5m處，則空氣將被吸入文丘里管，但是吸力將正好抵消靜水壓力，因此在輸入端進入的空氣將不可能做功(假設(shè)空氣在文丘里管100的尾部消失)。但是，如果將文丘里管就放在水面下方，則靜水壓力可忽略不計。在這種情況下，如果空氣引導(dǎo)通過一渦輪機并隨后反饋至作為輸入端的文丘里管開口，則可獲得1/0.25的壓力比(P2/P1)。
如果h＝12m，則吸力的數(shù)值必須小于19.5m，否則空氣將從溶液中出來(因為P1會太低)。在這種情況下，輸入端處的空氣為0.25巴(或相當于0.25大氣壓或2.5m的水)，而輸出端處的空氣，P2＝10m(大氣壓)+12m(深度h)＝22m。因此壓力比將為22/2.5。
假設(shè)文丘里管在僅通過伯努利效應(yīng)可得到的吸入壓力下工作。作為典型的情況，假設(shè)通道最寬點處的文丘里管直徑與通道最窄點(狹道)處的文丘里管直徑之比等于4。然后如果水在5m/s的水流速度v(對于潮汐流而言屬于高速)下進入文丘里管的開口，則水通過狹道的速度將為20m/s。吸力由下式得出，0.05v2＝0.05×400＝20m，該值約等于2個大氣壓。假設(shè)5m/s對于潮汐流而言是高速度，并且通過文丘里管將障礙物放置于潮汐流將勢必減小流動速度。因此應(yīng)當理解的是，2個大氣壓的吸入壓力是僅通過利用伯努利效應(yīng)本身所能達到的上限。為了獲得良好的動力傳送效率，需要高于2個大氣壓的吸入壓力。顯然，這需要比僅通過伯努利效應(yīng)所能獲得的更大的吸入壓力。
在圖1的裝置中，通過使用變流裝置500來將角動量就在潮汐流進入流體引導(dǎo)裝置100之前施加至一部分進入的潮汐流上便可獲得大的吸力壓力。圖2示意性地示出了一柱狀流體，其具有一沿已施加了一角速度分量的z軸的潮汐流速度。在圖2中，與圖1一樣，變流裝置500用來將角動量賦予流體。但是，變流裝置500為可任意，因為人們認為旋流可在文丘里管的通道中自然出現(xiàn)，原因在于其在流體流中的不穩(wěn)定性較小。如下所述，圖3為依靠自發(fā)形成旋渦的具體實施例。
在圖1的實施例中，變流裝置500相當于一具有如圖4所示意的靜態(tài)排列的固定角形葉片的定子。該定子在結(jié)構(gòu)上與噴氣式發(fā)動機上的渦輪風扇類似，雖然該定子的葉片較少。各葉片的形狀近似三角形，具有一非常小的頂角，并具有一上升邊610和一下降邊620。通風管220c經(jīng)定子中的一中心孔630進入。圖4B示意性地示出了從三角形的底部、頂點遠離眼睛所視的單個葉片。從這個方向看上去，葉片呈現(xiàn)為一大圓的一短弧，該弧從一特定葉片的一上升邊610至一下降邊620形成。進入的主流體最初平行于葉片的表面，但隨后相對于一邊按弧的曲度偏斜。這樣，變流裝置將角動量傳給沿其流過的主流體。該葉片將角動量rω(其中，r為流體的圓形截面半徑)賦予引入水，使其基本上像一固體一樣地旋轉(zhuǎn)(即以一致的方式旋轉(zhuǎn)，從而對于所有進入系統(tǒng)的水而言，角速度為定值)。使用靜態(tài)葉片而非與渦輪機連接的葉片的優(yōu)點在于，固定葉片可簡單地摘下并從水中取出用于清理。由于這種結(jié)構(gòu)在能量提取設(shè)備所安裝的典型水下環(huán)境中變臟，因此可能需要清理。在備擇實施方式中，使用不設(shè)葉片的形狀合適的變流裝置。在一個這樣的備擇實施方式中，實心物體所處的位置使得當主流體進入流體引導(dǎo)裝置100時，其對主流體起阻礙作用。如果這種實心物體阻礙了流體引導(dǎo)裝置的一半開口，但是位于遠離開口的一定距離處(即開口上游的一定距離處)，流體勢必僅僅從一側(cè)平行于收縮部分的中軸流入流體加速收縮部分中去。當主流體進入流體加速收縮部分時，這將給主流體賦予一旋轉(zhuǎn)分量。由于渦流在北半球自然沿順時針方向旋轉(zhuǎn)(由于地球的自轉(zhuǎn)方向)，因此可這樣確定被阻塞的開口側(cè)。
在圖2中，引入的潮汐流沿z軸具有一線速度v。假定沒有摩擦損失，偏斜前后的水柱的動能(由此推知合速度v)是相同的，雖然速度的軸向分量vrz減小而速度的切向分量vrt被賦予水柱。
由于能量被保存，從而v2＝vrz2+vrt2。流體柱的角位移導(dǎo)致在流體的非慣性參考坐標系中產(chǎn)生一離心力。該離心力產(chǎn)生一壓差，從而流體柱中心與周邊之間的壓力增加。
在半徑r處，由于離心力而導(dǎo)致的壓力增量可容易地表示為等于vrt2/2g＝r2ω2/2g。變流裝置500已使得所有進入流體引導(dǎo)裝置100的水具有基本上恒定的角速度ω，至少開始在進入流體引導(dǎo)裝置100的開口處是這樣。因此，由于離心力而導(dǎo)致的壓力增量在圓周處最大，亦即在由流體引導(dǎo)裝置100的入口喇叭口所形成的通道的壁面附近最大。當流體在vrz的作用下前進通過通道的流體加速部分時，由于離心力而導(dǎo)致的徑向相關(guān)的壓力增量至少局部補償了該壓降(與伯努利效應(yīng)有關(guān))，該壓降由于由流體加速收縮部分導(dǎo)致vrz增加而出現(xiàn)。因此，賦予流體加速收縮部分中的水的加速度以徑向相關(guān)的方式減小，與一相應(yīng)半徑條件下離心力的大小一致。
流體加速收縮部分中與離心力有關(guān)的壓力梯度以及與伯努利效應(yīng)有關(guān)的壓降的對抗作用使得在收縮部分的區(qū)域內(nèi)的通道人為地變窄。因此，在渦流中軸的區(qū)域內(nèi)的vrz顯著地大于通道壁面附近的vrz。
現(xiàn)在考慮圖2中的旋轉(zhuǎn)流體柱通過流體引導(dǎo)結(jié)構(gòu)100的流體加速收縮部分時會出現(xiàn)的情況。假定流體柱基本上象一固體一樣旋轉(zhuǎn)、并且忽略任何可能形成的二級渦流的影響，當通道變窄時角動量必然得到保存。對于按角速度ω旋轉(zhuǎn)的固體而言，角動量與r2ω成比例，因此如果角動量被保存，則r12ω1＝r22ω2。由于當流體朝流體加速收縮部分的最窄點流動時半徑r減小(r2＜r1)，角速度必須增加(ω1＞ω2)以便保存角動量。
但是，由于離心壓力沿徑向增加，從而對流體運動產(chǎn)生一阻力，因此當通道變窄時，來自通道外區(qū)域的流體被迫朝中心流動。由于整個流體向內(nèi)流動而導(dǎo)致的慣性矩減小也使得角速度增加(與溜冰者用她的手臂牽引以實現(xiàn)更快速的旋轉(zhuǎn)類似)以保存角動量。假定r2ω為定值，并且假定離心壓力由r2ω2/2g確定，從而離心壓力等于kω，其中k為一常量。因此，由于對于較小的r比較大的r而言ω增加得更多，從而對于小r而言，離心壓力也增加得更多。
因此，由于負反饋機構(gòu)，所以將角速度在主流體進入流體引導(dǎo)裝置處施加于其上導(dǎo)致在通道中形成旋渦，從而旋轉(zhuǎn)的水在大半徑處形成一封閉效應(yīng)。接著，該封閉效應(yīng)使得整個流體朝向流體的中心移動，從而使得慣性矩減小并且為了角動量守恒而驅(qū)使角速度增加。加速度的增加進一步使得流體加速收縮部分壁面附近(即在大半徑處)的離心壓力增加。
該正反饋機構(gòu)運行直至沿軸線的壓力基本上為零(至少在理論上)，以致于不能獲得進一步的壓降。通過將一角速度傳給進入流體傳導(dǎo)裝置100的開口的流入流體流而誘發(fā)的該正反饋機構(gòu)導(dǎo)致沿流體加速收縮部分的軸線產(chǎn)生一大的吸入壓力。無論主流體速度v和流體加速收縮部分所位于的深度h如何均可獲得該大的吸入壓力。在圖1的第一具體實施例中，流體流變流裝置500用于將角動量賦予進入文丘里管開口處的主流體。
相比通過僅利用伯努利效應(yīng)(即未旋轉(zhuǎn)主流體)而可獲得的吸力，將角動量傳給進入文丘里管100的開口的流體使得吸力明顯增加。當該進入流體具有旋轉(zhuǎn)運動時，入口200c處的靜水壓力可更容易被克服，從而文丘里管100可位于更大的深度h處，而無需依靠利用輔助泵將空氣向下泵入入口200c。如果在文丘里管100的開口處將驅(qū)動流體(例如空氣)直接引入一非轉(zhuǎn)動流體的主流體(例如水)中，將不會驅(qū)使空氣朝向文丘里管的軸線方向移動，所以它將擾動水流，使其變得更為紊亂并且使其在文丘里管100的狹道和尾部中的損失大大增加。
如上所述，雖然變流裝置500通過利用流體加速收縮部分中的正反饋機構(gòu)足以從容地引起旋渦形成，但是變流裝置對于獲得渦流來說并不是必不可少的，因為即使是主流體通過文丘里管100的流動中的小的不平衡可能也足以誘發(fā)正反饋機構(gòu)。因此，本發(fā)明的一備擇實施方式包括圖1中除了流體流變流裝置500外的所有結(jié)構(gòu)部件。在這一實施方式中，管道的進氣口部分200c所處的位置使其基本上與在文丘里管100內(nèi)形成的渦流的中軸一致。自然形成的渦流的中軸將不必與文丘里管的流動加速收縮部分的中軸一致。不過，文丘里管通道的對稱性將主要決定渦流是如何自然形成的，從而如果通道的橫截面積為旋轉(zhuǎn)對稱，渦流和通道本身的中軸可基本上重合。此外，管道入口200c的位置可在現(xiàn)場進行調(diào)整以基本上與渦流的中軸對齊，從而使得驅(qū)動流體流過文丘里管。但是，即使管道進氣口200c不是正好與主流體的旋轉(zhuǎn)軸重合，空氣將始終朝中軸的方向被“擠壓”，假定該擠壓效應(yīng)控制著空氣的浮力。這是因為如果水體旋轉(zhuǎn)，則中軸上始終具有最低壓力。
圖3為在該實施方式中本發(fā)明第二實施方式的用于從流體流中提取動力的設(shè)備的示意圖。該第二實施方式是具體實施方式
的另一個實施例，其中未用流體變流裝置來形成旋流。此外，在該實施方式中，驅(qū)動流體(空氣)不是通過由渦輪機300的流出口供應(yīng)的一部分管道(圖1中的200a、200c)而供給文丘里管的開口。相反地，驅(qū)動流體入口為一自然形成的渦流120，其從水面向下延伸至文丘里管100的開口處?？諝鈴乃嫣幍拇髿獗晃霚u流的中心內(nèi)，并且氣泡在渦流的旋渦水中被輸送，該渦流驅(qū)使它們向下至文丘里管100的開口，因此空氣通過流體加速收縮部分而被吸入空氣收集槽400。從圖3中可看出，水面處渦流的半徑Rv比文丘里管的開口處的渦流的半徑大得多。壓縮空氣從文丘里管100排氣處的空氣收集槽向上通過一部分管道200并進入渦輪機300的流動用于驅(qū)動渦輪機。但是，圖3中的實施方式與圖1中的不同之處在于，膨脹空氣從渦輪機300流出不再循環(huán)向下回到文丘里管100的開口處。
在本發(fā)明的實施方式中，例如圖1和3中所示意的那些實施方式，文丘里管100的流體加速收縮部分中的軸向壓力(即渦流中軸附近的壓力)可能趨向于零，這是由于轉(zhuǎn)動流體流動的結(jié)果，而與流體引導(dǎo)結(jié)構(gòu)和吸入噴嘴200c在水面下的深度h無關(guān)。因此，該裝置適于深水操作。本發(fā)明的實施方式利用文丘里管中的水的旋轉(zhuǎn)流動來獲得大的吸入壓力，這意味著渦輪機的排氣壓力將較低。能夠獲得較大的吸入壓力意味著即使對于深水操作而言，壓力比(P2/P1)為4也是可行的。
本發(fā)明的實施方式一般采用單級壓力放大系統(tǒng)，該壓力放大系統(tǒng)通過流體加速收縮部分提供。驅(qū)動流體(例如空氣)直接被傳送至文丘里管100。文丘里管100無需任何噴嘴或入口來有效操作，這意味著流動阻力得以減小。由于主流體快速流過文丘里管，在這些系統(tǒng)中污垢很少會成為一個問題。
由流體加速收縮部分和通過流體引導(dǎo)裝置所賦予的旋流的綜合作用所引起的正反饋機構(gòu)使得確實可獲得有效汽輪機運行所需的吸入壓力。如果流體引導(dǎo)裝置100所處的深度足夠，則驅(qū)動流體(在該實施例中為空氣)將充分被壓縮，從而可用于驅(qū)動渦輪機300。相反，如果流體引導(dǎo)裝置僅位于水下一小段距離處，空氣渦輪機300通過所產(chǎn)生的吸力而非通過所產(chǎn)生的壓縮空氣被有效地驅(qū)動。由于通過吸入可得到的壓差較小(因為水在0.75×105N/m2左右的吸入壓力下開始起泡)，從而空氣渦輪機將必須在1個大氣壓左右的壓差條件下工作，這可能不會非常有效率。因此，當裝置位于水平面下一足夠深度(h＞＞12m)對其進行操作優(yōu)于淺水操作。
一般而言，流體引導(dǎo)裝置100的效率與其面積比有關(guān)。在由流體引導(dǎo)結(jié)構(gòu)100所形成的通道的最寬處的橫截面與流體加速收縮部分的最窄點(即狹道)的比率為面積比。典型的面積比將例如為3.5，其中狹道直徑為0.75m。面積比將視工程、重量和費用因素而進行適當?shù)剡x擇。通常，流體引導(dǎo)裝置的面積比越小，效率越高。但是，針對可能最大的效率而選擇的面積比將取決于流體的入口氣流的速度。由于由導(dǎo)流片500所引發(fā)的正反饋機構(gòu)，流體加速收縮部分狹道處的橫截面積相對于最寬點處的不必很大。狹道越寬，則主流體的流動阻力越小，從而其中使用正反饋機構(gòu)的裝置相對于公知裝置效率得到改進。
鑒于沿由流體加速收縮部分形成的通道的軸線的低壓區(qū)域理論上橫截面的半徑非常小。于是驅(qū)動流體進入流體引導(dǎo)結(jié)構(gòu)的吸入導(dǎo)管200c的半徑也應(yīng)較小(0.1m或更小)。為了便于流體經(jīng)小直徑出口排出，驅(qū)動流體的粘度應(yīng)較低?？諝庵惖尿?qū)動流體適于由一小直徑出口排出，而水的粘度則過高。由于由渦輪輸送的動力與單位時間內(nèi)通過其中的驅(qū)動流體的質(zhì)量有關(guān)，因此空氣密度對于確定輸出能量是一個重要因素。由于水位越深，空氣密度則越高，所以如果文丘里管100位于更大的深度處的話，文丘里管100的進氣口200c可具有更小的直徑。為了使得能量提取裝置工作效率最大化，應(yīng)將驅(qū)動流體排出，從而其可沿渦流的中心軸直接進入低壓區(qū)域。但是如果驅(qū)動流體是遠離軸線供應(yīng)的，它應(yīng)當通過由旋轉(zhuǎn)形成的壓差朝軸線驅(qū)動。
圖5示意性地示出了圖1的變流裝置500的另一可能結(jié)構(gòu)的平面圖。在該實施例中，變流裝置由靜態(tài)壁面510、512形成，其阻礙水流進入(從圖中的左側(cè)進入)。其中一個壁面510為L形結(jié)構(gòu)，而另一個為直立壁面512。來自進入流的水通過L形壁面510與直立壁面512之間的縫隙，并且由壁面對流體提供的阻礙使得渦流120在由壁面所限定的空間內(nèi)形成。在該實施例中，渦流的旋轉(zhuǎn)方向為由一箭頭所示的順時針方向。圖6示出了圖5的靜態(tài)壁面變流裝置結(jié)構(gòu)的側(cè)面圖。在該實施例中，主流體的旋轉(zhuǎn)方向由十字標記(最靠近壁面512)和點標記(最靠近壁面510)表示，十字標記表示主流體流入該頁的平面內(nèi)，而點標記表示主流體從該頁的平面中流出。圖5和6示出的靜態(tài)壁面變流裝置適用于較淺的水中。
圖7A示意性地示出了能量提取設(shè)備的第三實施方式。在該實施方式中，流體收集槽400位于文丘里管的尾部。流體收集槽400包括一收集盤412，該收集盤延伸至文丘里管的通道內(nèi)，并且經(jīng)一狹窄通道414與收集槽410相連，該狹窄通道貫穿文丘里管尾段主體內(nèi)的一狹縫而向下進入文丘里管通道內(nèi)。該設(shè)備包括一位于文丘里管開口處的初級變流裝置520，當流體進入流體加速收縮部分110時其將旋轉(zhuǎn)賦予流體，并且包括一位于初級變流裝置520與收集槽410之間的流體加速收縮部分110以外的防旋轉(zhuǎn)構(gòu)件120。防旋轉(zhuǎn)構(gòu)件120用于防止從流體加速收縮部分中出來的流體朝驅(qū)動流體收集盤412的方向旋轉(zhuǎn)流動。圖7B示意性示出了初級變流裝置520的正截面圖。偏轉(zhuǎn)葉片的結(jié)構(gòu)與圖4A和4B中所描述的相同。圖7C示意性地示出了防旋轉(zhuǎn)構(gòu)件120的橫截面，該構(gòu)件包括一垂直尾翼，以至少部分阻止由流體加速收縮部分浮出的流體在其進一步沿文丘里管100的尾部流動至流體收集槽412之前旋轉(zhuǎn)。來自水面中的空氣經(jīng)通向進氣管210的管道供給文丘里管的開口。
文丘里管開口處的進氣管210將通常在大氣壓P0條件下，而位于深度H處的空氣罐410則處于(P0+ρgH槽)的壓力條件下。在入口210處可能需要施加一小正壓P入口，其中P入口＜＜ρgH槽，以驅(qū)使空氣進入入口管內(nèi)，并且通過文丘里管100?？諝鈴氖占?10流至進氣管210用于驅(qū)動渦輪300。
圖8示意性地示出了本發(fā)明第四實施方式中的一種用于從流體流中提取動力的設(shè)備。在該具體實施方式
中，流體引導(dǎo)裝置100具有一延伸以在流體加速收縮部分上游形成一錐形孔112、114的中心通道116。文丘里管100沿軸向?qū)ΨQ，并且進氣口200c基本上位于錐形孔112、114的軸線上。同樣的葉片522、524位于該錐形孔中，從而當引入水進入文丘里管100時穿過該葉片。槳葉522、524略微偏離通道的范圍，其中它們的位置使得在水進入文丘里管主通道的流體加速收縮部分之前將角動量賦予水。由于在文丘里管的通道中所形成的吸力，所以進氣口200c處的壓力將小于大氣壓(比如0.25P0)。
在圖8的具體實施方式
中，文丘里管通道從收縮部分116至尾部118向上朝水面方向延伸，通道的直徑朝尾部增大。由文丘里管對引入水所提供的阻礙使得在文丘里管的上游和下游產(chǎn)生一水平面差值。該水平面差值ΔH通稱為壓位差。大氣壓P0下的空氣進入渦輪300，并且流下管道220至進氣口220c，在此它在水中被輸送并被吸入文丘里管通道116內(nèi)。當含氣氣泡向上升起穿過文丘里管通道時發(fā)生膨脹，并且使得空氣和水流過流體加速收縮部分。該膨脹空氣有助于將水牽引通過文丘里管通道?？諝饬鬟^流體加速收縮部分驅(qū)動渦輪300。
在本發(fā)明的具體實施方式
中，流體驅(qū)動發(fā)動機30可為一種例如轉(zhuǎn)葉渦輪機的渦輪機，或一種例如汽缸中的活塞的往復(fù)式發(fā)動機。在一種實施例中，熱交換器位于流體驅(qū)動發(fā)動機的排出端處，并接收由通過流體驅(qū)動發(fā)動機的膨脹而產(chǎn)生的冷空氣。熱交換器用來至少部分凍干潛在的潮濕空氣(已經(jīng)在通過流體引導(dǎo)裝置的水流中被輸送)，該潮濕空氣在將其循環(huán)通過流體驅(qū)動發(fā)動機之前由流體收集槽接收。在將空氣作為進料供給流體驅(qū)動發(fā)動機之前對其進行干燥這一過程在船用裝置中尤其有用。考慮到渦輪機的例子，當空氣膨脹通過渦輪機時，任何存在于進氣量中的水蒸汽將膨脹并冷卻，從而水蒸汽可凍結(jié)，使得來自海水蒸汽的鹽從溶液提出。除非采取措施(例如預(yù)先干燥空氣)，則高速渦輪機槳葉可能被冰和鹽的晶體攻擊，從而可能導(dǎo)致快速侵蝕。
在另一實施例中，熱交換器與空調(diào)裝置一類的附近設(shè)備的熱交換電路(例如冷水電路)相連。在該具體實施方式
中，流體驅(qū)動發(fā)動機的膨脹可為附近設(shè)備提供冷卻功能。其有利之處還在于從流體驅(qū)動發(fā)動機中發(fā)電。
權(quán)利要求
1.一種用于從一流體流中提取動力的設(shè)備，所述設(shè)備包括一流體驅(qū)動發(fā)動機；一流體引導(dǎo)裝置，將其形成在主流體的流動中限定出一通道的形式，所述通道具有一流體加速收縮部分，收縮部分的形狀使得當主流體經(jīng)過流體加速收縮部分時被加速，將流體引導(dǎo)裝置做成對進入流體加速收縮部分內(nèi)的主流體施加一旋流分量的形式，從而當主流體經(jīng)過流體加速收縮部分時在主流體中產(chǎn)生一徑向壓力梯度；一管道，用于引導(dǎo)驅(qū)動流體流動，驅(qū)動流體和主流體為不同的流體，所述管道與流體驅(qū)動發(fā)動機和一部分具有加速的流體流的通道流體連通；其中通過所述管道的流動驅(qū)動流體經(jīng)流體加速收縮部分中的主流體的旋流起作用以驅(qū)動流體驅(qū)動發(fā)動機，并且所述管道將驅(qū)動流體輸送至所述流體引導(dǎo)裝置，從而驅(qū)動流體基本上沿旋流的中心軸線被吸入。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，所述流體引導(dǎo)裝置包括至少一個位于所述流體加速收縮部分上游的流體變流裝置，所述至少一個流體變流裝置可操作地將角動量傳給主流體。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其特征在于，所述至少一個變流裝置可操作以將一基本恒定的旋流角速度賦予所有進入流體加速收縮部分的主流體。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3的設(shè)備，其特征在于，所述至少一個流體變流裝置為一靜態(tài)結(jié)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2至4之一的設(shè)備，其特征在于，所述至少一個變流裝置為一定子，其具有葉片，葉片設(shè)置成用于將角動量賦予橫穿葉片的流體。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的設(shè)備，其特征在于，包括至少一個流體收集槽，用于收集所述流體加速收縮部分下游的驅(qū)動流體，所述流體收集槽與所述流體驅(qū)動發(fā)動機流體連通。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的設(shè)備，其特征在于，所述至少一個流體收集槽經(jīng)一貫穿所述流體引導(dǎo)裝置的壁而進入所述通道的孔收集流體。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或權(quán)利要求7所述的設(shè)備，其特征在于，所述流體收集槽包括一防旋轉(zhuǎn)構(gòu)件，用于至少部分阻止流入流體旋轉(zhuǎn)。
9.根據(jù)權(quán)利要求6或權(quán)利要求7所述的設(shè)備，其特征在于，包括一位于所述流體加速收縮部分與所述流體收集槽之間的防旋轉(zhuǎn)構(gòu)件。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的設(shè)備，其特征在于，設(shè)有所述流體流的一單級壓力放大系統(tǒng)，所述壓力放大系統(tǒng)由所述流體加速收縮部分提供。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的設(shè)備，其特征在于，所述主流體由水組成。
12.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的設(shè)備，其特征在于，所述驅(qū)動流體由空氣組成。
13.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的設(shè)備，其特征在于，所述流體引導(dǎo)裝置位于所述主流體的表面之下，而所述流體驅(qū)動發(fā)動機位于所述主流體的表面之上。
14.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的設(shè)備，其特征在于，所述流體驅(qū)動發(fā)動機包括一渦輪機。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的設(shè)備，其特征在于，包括一在所述渦輪機的一驅(qū)動流體排出端處、于所述驅(qū)動流體流動路徑中的熱交換器。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的設(shè)備，其特征在于，所述熱交換器用于冷卻所述驅(qū)動流體。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的設(shè)備，其特征在于，所述熱交換器被設(shè)置成用于冷卻與一外部設(shè)備連接的另一驅(qū)動流體。
18.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的設(shè)備，其特征在于，包括一用于在主流體水平面中形成一橫跨所述流體引導(dǎo)裝置的差異的障礙物。
19.用于由一流體流中提取動力的設(shè)備，所述設(shè)備基本上如文中參照附圖所述。
全文摘要
一種用于從流體流中提取動力的設(shè)備，該設(shè)備包括一流體驅(qū)動發(fā)動機(300)；一流體引導(dǎo)裝置(100)，將其做成在主流體的流動中限定出一通道的形式，該通道具有一流體加速收縮部分，其形狀使得當主流體經(jīng)過流體加速收縮部分時被加速，將流體引導(dǎo)裝置(100)做成對進入流體加速收縮部分內(nèi)的主流體施加一旋流分力的形式，從而當主流體經(jīng)過流體加速收縮部分時在主流體中產(chǎn)生一徑向壓力梯度；一管道(200)，用于引導(dǎo)驅(qū)動流體流動，驅(qū)動流體和主流體為不同的流體，該管道與流體驅(qū)動發(fā)動機(300)和一部分已對流體流進行加速的通道流體連通，并且其中驅(qū)動流體經(jīng)流體加速收縮部分中的主流體的旋流通過管道的流動得以驅(qū)動流體驅(qū)動發(fā)動機(300)，并且管道(200)將驅(qū)動流體輸送至流體引導(dǎo)裝置(100)，從而驅(qū)動流體基本上沿旋流的中軸被吸入。
文檔編號F03B17/00GK1643247SQ03806425
公開日2005年7月20日 申請日期2003年3月19日 優(yōu)先權(quán)日2002年3月20日
發(fā)明者杰弗里·K·羅切斯特, 基思·普倫 申請人:水療文氏管有限公司