專利名稱：管內(nèi)水力發(fā)電系統(tǒng)及渦輪機(jī)的制作方法
管內(nèi)水力發(fā)電系統(tǒng)及渦輪機(jī)
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于水力發(fā)電領(lǐng)域。特別地，本發(fā)明是關(guān)于通過流體流經(jīng)渦輪機(jī)進(jìn)行發(fā)電的水力發(fā)電領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
佐羅夫(Gorlov)的美國專利No. 5，451，137、No. 5，642，984、No. 6，o36, 443、 No. 6，155，892、No. 6，253，700B1和No. 6，293，835B2公開了用于發(fā)電系統(tǒng)的各種圓柱形渦輪機(jī)，這些渦輪機(jī)的刀片螺旋地延伸掃出一個(gè)敞開的圓柱形。這些專利公開了在橫截面為矩形和/或方形的通道或管道內(nèi)安裝這些渦輪機(jī)，這些通道或管道能夠運(yùn)輸水流使渦輪機(jī)旋轉(zhuǎn)以產(chǎn)生水力發(fā)電的技術(shù)。佐羅夫的圓柱形渦輪機(jī)具有螺旋形彎曲/扭曲的刀片或葉片，它們通過徑向支撐或者看上去任意輻射的輻條或至少為非螺旋型(例如，圓形截面)的方式安裝于中心軸線上。戈德堡(Goldberg)的美國專利No. 5，405，246中心軸線揭示了一種垂直軸風(fēng)力渦輪機(jī)，其具有扭轉(zhuǎn)葉片，其中，兩個(gè)可旋轉(zhuǎn)葉片沿其整個(gè)長度方向彎曲和扭曲，而形成一個(gè)旋轉(zhuǎn)體，該旋轉(zhuǎn)體的描述是“美式足球的外表面”。在他發(fā)明所示的唯一實(shí)施例中，Goldberg的葉片以旋轉(zhuǎn)柱所在虛擬平面與旋轉(zhuǎn)軸成大約45度角的方式放射狀地抵接于中央轉(zhuǎn)軸。圖示說明

圖1是本發(fā)明的球形渦輪機(jī)的一個(gè)實(shí)施例的等距分解裝配圖。詳圖A和B為圖1所示的渦輪機(jī)管道的片段側(cè)視圖，其顯示了兩個(gè)不同實(shí)施例的中圓形板的并排比較。具體地，詳圖A示出了一個(gè)用于安裝所述渦輪機(jī)軸近端的平坦的圓形板，詳圖B示出了一個(gè)用于安裝所述渦輪機(jī)軸近端的球形凹陷的圓形板。圖2為已裝配的實(shí)施例的正視圖。圖3為圖1的球形渦輪機(jī)的等距分解裝配圖。圖4為已裝配的球形渦輪機(jī)的等距視圖。圖5為導(dǎo)流板本發(fā)明第二實(shí)施例的已裝配的具有上游流體導(dǎo)流板的球形渦輪機(jī)的等距視圖。
具體實(shí)施方式圖1是本發(fā)明具有球形渦輪機(jī)特征的水力發(fā)電系統(tǒng)的第一實(shí)施例的等距分解裝配圖。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的系統(tǒng)10包括一個(gè)T字?jǐn)嗝媪黧w(大致包括例如水等液體或者空氣等氣體或者顯示出具有有用的流體特性的類似材料等)管道12、一個(gè)艙壁或者發(fā)電機(jī)組件14以及一個(gè)球形渦輪機(jī)組件96.通過簡單參考圖2，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解的是，當(dāng)所裝備的渦輪機(jī)組件由流經(jīng)管道12的流體驅(qū)動(dòng)時(shí)，渦輪機(jī)組件96進(jìn)行旋轉(zhuǎn)并且系統(tǒng)10產(chǎn)生可存儲(chǔ)、消耗或者輸送入電網(wǎng)中的水電。管道12通常為圓柱形的且具有通常為圓形的橫截面，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，管道12的橫截面可以是略微橢圓形的。通常情況下，管道12是一個(gè)更長的，并且可能是更加復(fù)雜的流體輸送或管道系統(tǒng)的一部分，并且應(yīng)當(dāng)理解的是，現(xiàn)有的管道系統(tǒng)可以很容易地通過進(jìn)行分割和用本發(fā)明的發(fā)電系統(tǒng)替換去除的部分來進(jìn)行本發(fā)明發(fā)電系統(tǒng)的改造。因此，管道12裝有圓形凸緣1 和12b，以栓接固定于上游管端或下游管端(未示出)。管道12在側(cè)壁的第一區(qū)域設(shè)置有一個(gè)小開口 12c并且在其相對(duì)的區(qū)域內(nèi)設(shè)置有一個(gè)大開口 12d?？梢钥吹降氖?，所述渦輪機(jī)的一個(gè)軸貫穿該小開口 12c，而所述渦輪機(jī)組件96貫穿所述大開口 12d。管道12還裝有一個(gè)帶凸緣的T型十字管道(所謂的“三通”)，其與管道12的長軸形成直角的形式，與大開口 12d有效配合。發(fā)電機(jī)蓋組件14包括一個(gè)圓拱形板18，當(dāng)系統(tǒng)10組裝時(shí)，其有效地覆蓋或關(guān)閉大開口 12d。圓拱形板18在管道12內(nèi)部提供一個(gè)連續(xù)的圓形壁供流體流過，這樣避免了空穴作用或者其他平滑流體流的毀壞，否則會(huì)在三通部分內(nèi)形成一個(gè)口袋體積。當(dāng)一個(gè)包括一個(gè)環(huán)形密封件2 和一個(gè)圓形板22b的蓋板22螺栓固定于凸緣1 上時(shí)，一個(gè)具有三葉片的圓柱形墊片20將圓拱形板18保持在三通內(nèi)。圓形板22b具有一個(gè)開口 22ba，一個(gè)安裝塊M在其內(nèi)延伸安裝塊對(duì)。具有滾子軸承組件的第一底座沈安裝于所述渦輪機(jī)組件96 的軸的遠(yuǎn)端，以供該軸在該底座內(nèi)平滑旋轉(zhuǎn)。一個(gè)扁平墊片221Λ可設(shè)置于安裝塊M與圓形板2 之間。上述圓形板22b的可供選擇的替代方式顯示于詳圖A和B中，詳圖A和B是顯示三通12e的內(nèi)部特征的片段剖視側(cè)視圖。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解的是，詳圖A和B中的絕對(duì)尺寸和相對(duì)尺寸并不是按比例的，因?yàn)樗鼈冎皇怯脕碜鲆话阈缘慕Y(jié)構(gòu)對(duì)比。以上述的平坦圓形板22b為特征的詳圖A與以球形凹陷圓形板22b’為特征的詳圖B之間的并排對(duì)比揭示了可供選擇替代板22b’的一些重要優(yōu)點(diǎn)。平坦圓形板22b必須是由相對(duì)較厚的材料形成，因此使其變得較重而且難以操作。而另一方面，可以看出球形凹陷圓形板22b’是由相對(duì)較薄的材料形成，使其在重量上大大降低并且更加容易操作。這是根據(jù)可供選擇替代板22b’的曲率所得出的。此外，可以看出，平坦圓形板22b的中央?yún)^(qū)域距離渦輪機(jī)組件更遠(yuǎn)，從而使渦輪機(jī)的軸的長度不期望地增加。相反地，可以看出，球形凹陷圓形板22b’的中央?yún)^(qū)域更加靠近渦輪機(jī)組件，因此符合期望地縮短了渦輪機(jī)軸所要求的長度或垂直跨距。這也是根據(jù)可供選擇替代板22b’的曲率所得出的。根據(jù)圖B，可以理解的是，凹陷板22b'的形狀通常為球形的，其凹面是從發(fā)電機(jī)組件(圖中出于簡單和清晰的目的，未示出)朝向渦輪機(jī)組件96’(在這些詳圖中僅通過點(diǎn)劃線示意性地示出，并且與渦輪機(jī)組件96的唯一區(qū)別在于提供了更短的軸64’)向內(nèi)延伸。 這種向內(nèi)或向下凹陷的的凹陷圓板在本文中可被描述成反轉(zhuǎn)拱頂(或者反轉(zhuǎn)圓頂)。盡管示出并描述了球形凹陷的形狀，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解的是，可以在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情形下，對(duì)其作出適合的修改。例如，以拋物線橫截面而不是半圓形橫截面為特征的反轉(zhuǎn)拱頂也是可能的，而其他具有各種長寬比的(例如，各種深寬比，為了清楚起見，僅顯示了其中一個(gè)故意夸大的深寬比)曲線橫截面也同樣是可能的。同樣的，橫截面為圓頂形的板可以具有一個(gè)更圓的上肩，其產(chǎn)生的曲率可以認(rèn)為是復(fù)合曲率。在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，所有此類合適的替代性構(gòu)造都視作未脫離本發(fā)明的精神和范圍。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解的是，可直接對(duì)這樣的替代性實(shí)施例中的安裝細(xì)節(jié)進(jìn)行改進(jìn)，來將反轉(zhuǎn)圓頂形圓板22b’及其螺栓固定組件通過環(huán)形密封件2 安裝到管道12的標(biāo)準(zhǔn)凸緣1 上。例如，安裝塊24’可包括墊片221Λ'，其球形中凸地彎曲，以配合并密封反轉(zhuǎn)圓頂內(nèi)部的球形凹陷彎曲?？梢岳斫獾氖牵l(fā)電機(jī)32直接安裝至位于球形凹陷板 22b‘的中央?yún)^(qū)域開口上方的渦輪機(jī)軸的遠(yuǎn)端以與其一起旋轉(zhuǎn)。其他用于安裝可選擇替代性球形凹陷圓板22b'的部件和技術(shù)都視作未脫離本發(fā)明的精神和范圍。發(fā)電機(jī)子組件28通過螺栓穿過一個(gè)圓形孔固定于圓形板22b中。發(fā)電機(jī)子組件 28包括一個(gè)用于收容能夠與渦輪機(jī)軸連接的發(fā)電機(jī)32的環(huán)形隔圈或支座30、具有第一機(jī)械提升凸出部34a的環(huán)形圈34以及具有第二機(jī)械提升凸出部36a的蓋子36。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解的是，凸出部3 和36a能夠在裝配、拆卸和維修期間為抬起所有或部分的已裝配的三通發(fā)電組件提供便利。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解的是，所述發(fā)電機(jī)可為直流電或者交流電(DC或AC)以及單相的或者三相的，同步120VAC或240VAC等，和/或是可以根據(jù)電網(wǎng)的要求從一種發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換成另一種發(fā)電機(jī)的。一個(gè)安裝板12f焊接至管道12的小開口 12c周圍和第二底座38上，所述第二底座38具有一個(gè)安裝于渦輪機(jī)組件96的軸的遠(yuǎn)端以使其能夠平滑旋轉(zhuǎn)的滾子軸承組件。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解的是，為了適應(yīng)圓柱形管道12的圓形橫截面，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的第一底座26包括一個(gè)墊片(在相關(guān)詳細(xì)內(nèi)容中未示出，但是相信本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以通過這些簡單的描述理解)，其具有一個(gè)外部平面和一個(gè)與管道的所述外部圓柱形表面配合的內(nèi)部圓柱形表面。該墊片可通過任何合適的工藝以及任何合適的材料進(jìn)行加工或成型，必須能夠確保所述軸與所述軸所通過的管道開口之間一致的密封嚙合性?？梢岳斫獾氖?，本文所述和/或所示出的任一墊片都是可選擇的，因?yàn)槿我粔|片都能很容易地合并入對(duì)應(yīng)的安裝塊或安裝板。在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情形下，第一和第二底座沈和38可采取各種可供選擇的形式，但可以肯定的是，軸向和徑向推力控制最佳的是采用只產(chǎn)生滾動(dòng)摩擦的球形滾子軸承，而不是采用其他例如套筒軸承或其他滑動(dòng)摩擦設(shè)備，?？梢源_信的是，本文所述的滾子軸承底座使得系統(tǒng)10能夠在管道12內(nèi)的流體流速小到3至4英尺/秒(fps)的情況下，安全、可靠和持久地產(chǎn)生電能。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解的是，渦輪機(jī)組件96通過管道12的大開口 12d，并且其軸的遠(yuǎn)端固定至第二底座38上。發(fā)電機(jī)組件14螺栓固定于管道12的凸緣1 上，水力發(fā)電系統(tǒng)準(zhǔn)備運(yùn)轉(zhuǎn)。發(fā)電系統(tǒng)10安裝于或者設(shè)置于管道系統(tǒng)(未示出)的一部分上。當(dāng)流體流經(jīng)管道12時(shí)，發(fā)電系統(tǒng)10產(chǎn)生電力。令人驚訝的是，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)渦輪機(jī)組件，譬如本文所述和示出的渦輪機(jī)組件，可以在低至約3至4英尺/秒(fps)的流體流動(dòng)速率下進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。本領(lǐng)域的技術(shù)人員也可以理解的是，更廣義的術(shù)語“類似球體的”可用來替代術(shù)語 “球形的”，或者反之，其中橫截面為輕微或稍微不圓或者橢圓形的球狀渦輪機(jī)可有效地用于對(duì)應(yīng)的橫截面為稍微不圓或者橢圓形的圓柱形管道中去。本發(fā)明的這些和其他變化都視作未脫離本發(fā)明的精神和范圍。圖2為已裝配的系統(tǒng)10的側(cè)視圖?？梢源_信的是，由于參考其對(duì)應(yīng)的圖1的上述詳細(xì)描述，圖2本身就很清楚明了。從圖2可以看出的是，球形渦輪機(jī)組件的“弦周比”在約 15%至30%之間，這取決于多個(gè)刀片的數(shù)量以及它們各自的構(gòu)造和間距?？梢岳斫獾氖牵?根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，每一個(gè)球形渦輪機(jī)刀片與所述軸的中心軸線的相交角度為約30度，雖然其他角度都視作未脫離本發(fā)明的精神和范圍。例如，所述角度可選擇的、但未脫離本發(fā)明的精神和范圍的可在約10和45度之間，或者更優(yōu)選地，在約15至35度之間，或者最優(yōu)選地，在約25至35度之間。任何有效范圍內(nèi)的任何合適角度都視作未脫離本發(fā)明的精神和范圍。本文所述的實(shí)施例為四刀片球形渦輪機(jī)組件，但是少至兩刀片、多至二十刀片都視作未脫離本發(fā)明的精神和范圍。更優(yōu)選地，約兩刀片與十一刀片之間都是可以預(yù)期的。最優(yōu)選地，約三到七刀片都是可預(yù)期的。約呈180度弧形的球形渦輪機(jī)刀片的其他數(shù)量和構(gòu)造都視作未脫離本發(fā)明的精神和范圍。或許，本領(lǐng)域的技術(shù)人員通過圖3會(huì)更好地進(jìn)行理解，圖3中，球形渦輪機(jī)組件的刀片沿其整個(gè)長度方向具有翼型橫截面的特征。這為渦輪機(jī)產(chǎn)生水電提供了流體動(dòng)力和效率。根據(jù)本發(fā)明的這種球形渦輪機(jī)實(shí)施例，在旋轉(zhuǎn)的球形渦輪機(jī)組件周圍以及管道內(nèi)部提供足夠的間隙，以避免流體在渦輪機(jī)掃動(dòng)邊界處的過度壓縮 (見圖2)。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解的是，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，所述球形渦輪機(jī)刀片可由任何合適的材料以及通過任何合適的工藝制成。例如，刀片可由鋁、適合的組合物或者適合的強(qiáng)化塑性材料制成。刀片可通過旋轉(zhuǎn)成型或者注塑成型、擠壓、拉擠、彎曲或者其他的與所用材料相一致的，并且與所述具有大體上橫截面不變的拉伸件的符合成本效益產(chǎn)品相一致的成型技術(shù)制成。這些以及其他有用的材料和工藝都視作未脫離本發(fā)明的精神和范圍。根據(jù)本發(fā)明的所示實(shí)施例，球形渦輪機(jī)刀片的翼型橫截面符合公認(rèn)的NACA20標(biāo)準(zhǔn)，可選擇的翼型橫截面都視作未脫離本發(fā)明的精神和范圍。圖3為球形渦輪機(jī)96的等距分解裝配圖。球形渦輪機(jī)96包括上輪轂組件98和下輪轂組件100。各輪轂組件包括轂襯102和四個(gè)安裝支架104、106、108和110 (為了清楚明確，僅指出了上輪轂組件)。轂襯102為扁平的，并且其特征在于具有類似鋸片式的外周邊緣(交替的曲線來遵循旋轉(zhuǎn)的圓形橫截面輪廓，直的部分以實(shí)現(xiàn)刀片端部的鄰接和嵌入安裝)，其直線部分如圖所示，用于安裝安裝支架。安裝支架分別以指定的角度，例如，優(yōu)選地以刀片所在平面與所述軸的中心軸線成大約30度的角度，按順序安裝四個(gè)球形刀片112、 114、116和118。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解的是，球形刀片112、114、116和118也具有翼型橫截面，例如，NACA 20或者任何其他合適的標(biāo)準(zhǔn)。上分離聯(lián)軸器和下分離聯(lián)軸器120和 122用于將輪轂組件固定地附接至軸64。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，螺栓固定至復(fù)數(shù)個(gè)刀片的安裝支架是使用圖中所示導(dǎo)銷和孔對(duì)準(zhǔn)，以焊接的方式附接至轂襯上。如圖所示，合適的緊固件，例如六角頭螺栓、鎖緊墊圈和固定螺釘，用于裝配球形渦輪機(jī)組件96的剩余零部件。圖4為已裝配的球形渦輪機(jī)96的等距視圖?？梢源_信的是，由于參考其對(duì)應(yīng)的圖 3的上述詳細(xì)描述，圖4本身就很清楚明了。旋轉(zhuǎn)的球形渦輪機(jī)組件的動(dòng)態(tài)間隙大于其靜態(tài)間隙，并且動(dòng)態(tài)間隙是相對(duì)于管道的內(nèi)徑，通過略微縮小圓柱形渦輪機(jī)的尺寸而調(diào)節(jié)的，例如，通過提供較小的、但是優(yōu)選地為約0. 5厘米至5厘米之間的不變間隙，以及優(yōu)選地為約 1厘米至3厘米之間的不變間隙，這取決于管道12的直徑和其他特定應(yīng)用。這些間隙僅是示意性的，并不旨在進(jìn)行限制，因?yàn)榭晒┻x擇的替代性間隔都視作未脫離本發(fā)明的精神和范圍。
圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的設(shè)備。供選擇的系統(tǒng)10’與上述的系統(tǒng) 10類似，因此相同的部件采用相同的參考指示符以及為類似的部件采用備用參考指示符。 可進(jìn)一步看出，系統(tǒng)10’還包括一個(gè)上游導(dǎo)導(dǎo)流板122(為了清楚明確，圖5省略了渦輪機(jī)和發(fā)電機(jī)組件的細(xì)節(jié))。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的導(dǎo)流板122是由兩個(gè)或多個(gè)扁平的寬廣區(qū)域形成，這些寬廣區(qū)域包括一個(gè)曲線地與管道12的內(nèi)部圓形橫截面相符的第一較少傾斜寬廣區(qū)域12 和一個(gè)產(chǎn)生朝向圓形橫截面球形渦輪機(jī)延伸并與所述渦輪機(jī)相應(yīng)凹陷彎曲內(nèi)自由邊緣122ba的第二較多傾斜寬廣區(qū)域122b管道12。該兩個(gè)寬廣區(qū)域沿著一接合線焊接或者接合，所述接合線在它們相對(duì)于管道的中心軸線的傾斜角度上形成一個(gè)開口。因此，在系統(tǒng)10’中運(yùn)轉(zhuǎn)的導(dǎo)流板122有效地阻擋了在一個(gè)旋轉(zhuǎn)電弧中所述球形渦輪機(jī)的旋轉(zhuǎn)刀片的外部旋轉(zhuǎn)程度，而在該旋轉(zhuǎn)電弧中，它們的發(fā)電能力大多數(shù)時(shí)候較差，并且可能在低流速時(shí)出現(xiàn)不希望的停轉(zhuǎn)。令人驚訝的是，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，渦輪機(jī)組件96的上游區(qū)域附近的導(dǎo)流板122能夠?qū)l(fā)電率提高約14%至40%，而且更可能地，能夠?qū)⒐艿乐胁淮嬖谶@類上游導(dǎo)流板的球形渦輪機(jī)的標(biāo)稱輸出提高約20%至30%。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解的是，所述導(dǎo)流板的覆蓋范圍與渦輪機(jī)的范圍之間的比值可在約10%至40%之間，而且更可能地，在約20%至30%之間。本領(lǐng)域的技術(shù)人員還可以理解的是，導(dǎo)流板的覆蓋范圍的數(shù)量可以是特殊用途，因?yàn)樗硎玖巳莘e流率與頭下降之間的平衡。因此，導(dǎo)流板覆蓋范圍相對(duì)于渦輪機(jī)范圍的可供選擇的范圍都視作未脫離本發(fā)明的精神和范圍。本領(lǐng)域的技術(shù)人員會(huì)理解的是，導(dǎo)流板122可由任何合適的材料制成，例如鋼，并且可以在球形渦輪機(jī)組件96的上游區(qū)域內(nèi)，根據(jù)任意期望的流體流動(dòng)調(diào)節(jié)對(duì)其進(jìn)行尺寸和方向的調(diào)節(jié)。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，導(dǎo)流板122的自由邊緣122 相對(duì)于管道12的長中心軸線呈小于90度的角度的傾斜。導(dǎo)流板自由邊緣相對(duì)于管道12的中心軸線的所謂的出射角(exit angle)優(yōu)選地為約10度至40度。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，寬廣區(qū)域 12 和寬廣區(qū)域122b相對(duì)于管道12的中心軸線分別呈約15度的角度和約30度的角度傾斜。然而，其他傾斜角度也都視作未脫離本發(fā)明的精神和范圍。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解的是，導(dǎo)流板122在本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，可以以不同的形式進(jìn)行呈現(xiàn)。例如，由于導(dǎo)流板122朝向管道12的中心軸線向內(nèi)輻射，因此其可具有兩個(gè)以上的且更短的分段式平面段，從而更好地近似形成一個(gè)平滑的、并且優(yōu)選地為圓形-圓柱形的曲線，其中心軸線優(yōu)選地大致與渦輪機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸相平行(即，大致與軸64 的長軸平行)。實(shí)際上，在本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，導(dǎo)流板122可以是在其管道接合邊緣與其自由邊緣之間平滑地呈圓柱形彎曲的。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的導(dǎo)流板122的自由邊緣122ba通常是凹陷的彎曲的， 以使其向內(nèi)延伸沿其高度方向上與球形渦輪機(jī)的刀片的大致曲線相一致。任何合適的直線型或平滑型曲線或者曲率的半徑都視作未脫離本發(fā)明的精神和范圍。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解的是，球形渦輪機(jī)除了可以用于發(fā)電也可用于電能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中。例如，流體的軸向動(dòng)能可轉(zhuǎn)換為任何旋轉(zhuǎn)機(jī)械(例如，輸送機(jī)、磨機(jī)、鉆子、鋸子、 碾磨機(jī)和飛輪等)的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能，這些旋轉(zhuǎn)機(jī)械包括發(fā)電機(jī)或者合適的可選擇機(jī)械。本發(fā)明的流體渦輪機(jī)的所有此類應(yīng)用都視作未脫離本發(fā)明的精神和范圍。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解的是，本發(fā)明的系統(tǒng)在其許多實(shí)施例中的方向都僅是示例性的，并不應(yīng)視作對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制。因此，可以理解的是，術(shù)語的使用，如上部的和下部的，只是相對(duì)性的，而不是絕對(duì)性的。換言之，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情形下，該系統(tǒng)可以假設(shè)任一垂直方向，同時(shí)收容發(fā)電機(jī)和渦輪機(jī)軸的腔壁相對(duì)于管道的長軸向上或向下延伸。實(shí)際上，該系統(tǒng)可假設(shè)任何其他合適的角度，在該角度下，渦輪機(jī)的軸以大約垂直于流體流動(dòng)方向的方式延伸。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解的是，本發(fā)明系統(tǒng)的零部件可由任何合適的材料制成，包括鋼和鋁。大多數(shù)零部件都是鋼制的，比如渦輪機(jī)的軸、平板以及導(dǎo)流板。剩余的部分，包括輪轂、連結(jié)塊和刀片在內(nèi)的零部件可以是由經(jīng)過機(jī)械加工過的、擠壓成型的或者拉擠過的鋁制成(刀片然后經(jīng)過輥軋成形和/或彎曲至所想要的形狀)，或者由吹塑成型的強(qiáng)化塑料制成。任何可選擇的材料和成型工藝都視作未脫離本發(fā)明的精神和范圍。本領(lǐng)域的技術(shù)人員會(huì)理解的是，取決于其應(yīng)用，本發(fā)明系統(tǒng)可很容易地向上或向下按比例調(diào)整尺寸。因此，盡管本文未給出尺寸，但可以理解的是，尺寸可如圖所示的那樣實(shí)現(xiàn)精確成比例調(diào)整，而在未脫離本發(fā)明的精神和范圍的情形下，尺寸的絕對(duì)比例是可以變化的。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解的是，兩個(gè)或多個(gè)水力發(fā)電系統(tǒng)可在輸水管內(nèi)部或者沿著輸水管，以限定的間隔進(jìn)行安裝(串聯(lián)的)，從而使發(fā)電能力成倍增長。本領(lǐng)域的技術(shù)人員還可以理解的是，兩個(gè)或多個(gè)水力發(fā)電系統(tǒng)的并聯(lián)裝置可安裝于輸水管的支管內(nèi)部， 從而可選擇地或者額外地使發(fā)電能力成倍增長。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解的是，必要的話，發(fā)起(kick-start)機(jī)制可增加至本文所述和所示的水力發(fā)電系統(tǒng)中，以實(shí)現(xiàn)這類系統(tǒng)在潮水(雙向的、擺動(dòng)的)流動(dòng)應(yīng)用中的使用。本領(lǐng)域的技術(shù)人員還可以理解的是，在使用本發(fā)明的管內(nèi)水力發(fā)電系統(tǒng)時(shí)，可啟動(dòng)失效保險(xiǎn)模式，以阻止在軸承損壞或類似情況下的自毀。最后，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解的是，如上所述和所示的水力發(fā)電系統(tǒng)可放置于一個(gè)外部套管中，該外部套管保護(hù)該發(fā)電系統(tǒng)免于惡劣天氣和/或有助于電力通過電纜或其他合適的輸送形式分配至附近的儲(chǔ)存裝置或電網(wǎng)?？梢岳斫獾氖牵景l(fā)明不受到本文所述和所示的構(gòu)造、制作、材料、應(yīng)用或使用的方法或細(xì)節(jié)的限制。實(shí)際上，任何制造、使用或應(yīng)用的適合性變化都視作為替代性實(shí)施例， 而且由此處于本發(fā)明的精神和范圍中。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該理解來源于使用或操作的應(yīng)用或方法、構(gòu)造、制造方法、形狀、大小或材料方面的任何變化的還未在本文所含的詳細(xì)書面描述或示圖中指明本發(fā)明的任何其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明的范圍。因此，盡管已經(jīng)結(jié)合了本發(fā)明設(shè)備的上述實(shí)施例來對(duì)本發(fā)明進(jìn)行示出和描述，但是對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說明顯的是，可在不脫離由附加權(quán)利要求書所限定的本發(fā)明的精神和范圍的情形下，作出其他形式和細(xì)節(jié)上的變化。
10
權(quán)利要求
1.一種通常為球形的渦輪機(jī)，包括一中心縱向軸，其配置為安裝并在垂直于流體流動(dòng)方向的中心軸線上旋轉(zhuǎn)，以及多個(gè)通常為圓弧形的刀片，其連接于所述中心縱向軸并且從該軸徑向地向外延伸，所述刀片沿該軸四周大體上均勻地間隔分離，并以大約180度弧度進(jìn)行彎曲，并且所述刀片沿其實(shí)質(zhì)長度方向具有翼型橫截面，當(dāng)所述刀片與所述軸一起旋轉(zhuǎn)時(shí)，所述刀片的范圍形成一個(gè)大致的球形。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪機(jī)，其進(jìn)一步包括相對(duì)的輪轂組件，每一輪轂組件包括一轂襯和多個(gè)用于將多個(gè)對(duì)應(yīng)刀片的相對(duì)端附接于所述軸上的安裝支架。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪機(jī)，其中各轂襯具有圓形鋸片式外周邊緣，所述外周邊緣具有組合曲線和直線邊緣段的特征。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪機(jī)，還包括相對(duì)的聯(lián)軸器，其用于將對(duì)應(yīng)的輪轂組件牢固地附接于所述軸上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪機(jī)，其中多個(gè)刀片限定的標(biāo)稱弦周比為約15%至50%之間。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪機(jī)，其中各刀片圍繞所述通常為球形的渦輪機(jī)的周緣， 以大約180度弧度進(jìn)行延伸，并且其中，由各刀片限定的平面與所述軸的中心軸線以約30 度的角度相交。
7.一種發(fā)電系統(tǒng)，其借助流體的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)發(fā)電，所述系統(tǒng)包括一渦輪機(jī)，其包括配置為在完全相對(duì)的底座內(nèi)旋轉(zhuǎn)的中心縱向軸，該軸配置成大體上垂直于流體流動(dòng)方向而延伸，該軸的一端配置成可有效地連結(jié)至一塊旋轉(zhuǎn)機(jī)械；多個(gè)軸承，所述第一軸承將所述軸的最遠(yuǎn)離發(fā)電機(jī)的一端安裝至一個(gè)支撐座上以在環(huán)形方向上旋轉(zhuǎn)，一個(gè)第二軸承配置為將所述軸的中間部分安裝于一個(gè)支撐上，以實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)， 所述軸延伸通過這些軸承中的第二個(gè)軸承；以及多個(gè)刀片，其連結(jié)至所述一對(duì)軸承之間的軸，刀片從該軸徑向地向外延伸，并且刀片大體上圍繞該軸相互均勻地間隔分離。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的系統(tǒng)，其中所述渦輪機(jī)的各刀片以大約180度弧度進(jìn)行彎曲。
9.根據(jù)權(quán)利要求7的系統(tǒng)，其中所述渦輪機(jī)的各刀片大體上沿其整個(gè)長度方向包括一翼型橫截面。
10.根據(jù)權(quán)利要求7的系統(tǒng)，其中所述渦輪機(jī)的整體形狀通常為球形。
11.根據(jù)權(quán)利要求7的系統(tǒng)，其還包括一對(duì)相對(duì)的通常為圓形的輪轂，其附接至通常為球形的渦輪機(jī)的所述軸上，各輪轂具有復(fù)數(shù)個(gè)沿其圓周呈放射性間隔附接于其上安裝支架，該復(fù)數(shù)個(gè)支架用于安裝所述多個(gè)刀片的相對(duì)端。
12.根據(jù)權(quán)利要求7的系統(tǒng)，還包括一發(fā)電機(jī)，其可有效地連結(jié)至所述軸的近端，以根據(jù)流體的流動(dòng)與所述軸一起旋轉(zhuǎn)來產(chǎn)生電能。
13.根據(jù)權(quán)利要求7的系統(tǒng)，其中無論流體流動(dòng)方向如何，所述渦輪機(jī)都配置為沿著相同的方向旋轉(zhuǎn)。
14.根據(jù)權(quán)利要求7的系統(tǒng)，其中固定所述渦輪機(jī)軸的所述底座包括軸承。
15.一種發(fā)電系統(tǒng)，其通過流經(jīng)管道的流體的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生電能，該系統(tǒng)包括一渦輪機(jī)，其包括在一個(gè)通常為圓柱形的管道內(nèi)的完全相對(duì)的底座內(nèi)旋轉(zhuǎn)的中心縱向軸，所述中心縱向軸大體上垂直于所述通常為圓柱形的管道的長軸而延伸，所屬中心縱向軸的一端可有效地連結(jié)至發(fā)電機(jī)；多個(gè)軸承，所述第一軸承將所述軸的最遠(yuǎn)離發(fā)電機(jī)的一端安裝至所述通常為圓柱形的管道的側(cè)壁上，以實(shí)現(xiàn)環(huán)形方向上的旋轉(zhuǎn)，第二軸承對(duì)所述軸的中間部分進(jìn)行安裝，以實(shí)現(xiàn)在所述通常為圓柱形的管道內(nèi)旋轉(zhuǎn)，且所述軸延伸通過這些軸承中的第二個(gè)軸承；以及多個(gè)刀片，其連結(jié)至所述軸承之間的所述軸，刀片從所述軸徑向地向外延伸，并且所述刀片大體上圍繞該軸相互均勻地間隔分離。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的系統(tǒng)，其中所述渦輪機(jī)的各刀片以大約180度弧度進(jìn)行彎曲。
17.根據(jù)權(quán)利要求15的系統(tǒng)，其中所述渦輪機(jī)的各刀片大體上沿其整個(gè)長度方向包括一翼型橫截面。
18.根據(jù)權(quán)利要求15的系統(tǒng)，其中所述渦輪機(jī)的整體形狀通常為球形。
19.根據(jù)權(quán)利要求15的系統(tǒng)，還包括一對(duì)相對(duì)的通常為圓形的輪轂，其附接至所述通常為球形的渦輪機(jī)的所述軸上，各輪轂具有復(fù)數(shù)個(gè)沿其圓周呈放射性間隔附接于其上安裝支架，該復(fù)數(shù)個(gè)支架用于安裝所述多個(gè)刀片的相對(duì)端。
20.根據(jù)權(quán)利要求15的系統(tǒng)，還包括一通常為圓柱形的管道，其直徑略微大于所述渦輪機(jī)的軸上的一對(duì)輪轂之間的距離，所述通常為圓柱形的管道將所述渦輪機(jī)安裝于其內(nèi)， 使其根據(jù)流經(jīng)該通常為圓柱形的管道的流體流動(dòng)，在其內(nèi)旋轉(zhuǎn)。
21.根據(jù)權(quán)利要求15的系統(tǒng)，還包括一通常為圓柱形的管道，其直徑略微大于所述渦輪機(jī)的軸上的一對(duì)輪轂之間的距離， 所述通常為圓柱形的管道將所述渦輪機(jī)安裝于其內(nèi)，使其根據(jù)流經(jīng)該通常為圓柱形的管道的流體流動(dòng)，在其內(nèi)旋轉(zhuǎn)，該管道具有一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)流板，其附接至緊鄰該通常為球形的渦輪機(jī)的上游的側(cè)壁上，該一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)流板以與一垂直于管道的長軸的平面呈小于90度的角度的方式，沿著渦輪機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向朝向該渦輪機(jī)傾斜，該一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)流板中的每一個(gè)導(dǎo)流板，其最遠(yuǎn)離對(duì)應(yīng)的導(dǎo)流板與所述管道側(cè)壁附接的位置處一側(cè)，具有向內(nèi)彎曲的、類似于渦輪機(jī)形狀的邊緣，并且所述一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)流板覆蓋所述管道的一部分橫截面面積。
22.根據(jù)權(quán)利要求15的系統(tǒng)，還包括一發(fā)電機(jī)，其可有效地連結(jié)至所述軸的近端，以根據(jù)流體的流動(dòng)與所述軸一起旋轉(zhuǎn)來產(chǎn)生電能。
23.根據(jù)權(quán)利要求15的系統(tǒng)，其中無論經(jīng)過管道的流體流動(dòng)方向如何，所述渦輪機(jī)都沿著相同的方向旋轉(zhuǎn)。
24.根據(jù)權(quán)利要求15的系統(tǒng)，其中固定所述渦輪機(jī)軸的所述底座包括軸承。
25.根據(jù)權(quán)利要求15的系統(tǒng)，還包括通常為圓柱形的三通部分，其安裝于所述通常為圓柱形的管道的外側(cè)壁上，所述三通部分收容一發(fā)電機(jī)，所述發(fā)電機(jī)可有效地與所述渦輪機(jī)的所述軸連接，在渦輪機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)與所述軸一起旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生電能。
26.根據(jù)權(quán)利要求25的系統(tǒng)，還包括圓柱形拱板，其覆蓋所述通常為圓柱形的管道的一個(gè)檢查孔，以充分阻止水流進(jìn)入所述通常為圓柱形的三通部分中。
27.根據(jù)權(quán)利要求25的系統(tǒng)，還包括一個(gè)圓形平板或凹板，其將進(jìn)入所述通常為圓柱形的三通部分的檢查孔覆蓋。
28.根據(jù)權(quán)利要求27的系統(tǒng)，其還包括一坐在所述圓板或凹板上的發(fā)電機(jī)。
全文摘要
一種通常為球形的渦輪機(jī)構(gòu)，其設(shè)置在一個(gè)圓柱管道內(nèi)，在從任一方向流經(jīng)該圓柱管道的流體的驅(qū)動(dòng)下，可于圓柱管道內(nèi)橫向地旋轉(zhuǎn)，其可有效地連結(jié)至一臺(tái)旋轉(zhuǎn)機(jī)械或者發(fā)電機(jī)以產(chǎn)生電能。在一個(gè)實(shí)施例中，該球形渦輪機(jī)的刀片在一平面內(nèi)以大約180度弧度進(jìn)行彎曲，而該平面相對(duì)于中心軸線的旋轉(zhuǎn)軸形成一定的傾斜角。在另一個(gè)實(shí)施例中，導(dǎo)流板設(shè)置于球形渦輪機(jī)的上游并且位于圓柱管道內(nèi)，以通過對(duì)一部分流體的屏蔽來控制流經(jīng)球形渦輪機(jī)的流體。球形渦輪機(jī)的刀片在橫截面內(nèi)為螺旋槳型，以優(yōu)化流體的流動(dòng)、將空穴作用最小化并使得軸向能量向旋轉(zhuǎn)能量的轉(zhuǎn)換程度最大化。
文檔編號(hào)F03B3/12GK102317618SQ201080014557
公開日2012年1月11日 申請(qǐng)日期2010年3月24日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月7日
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