CN101828014A - 发电装置、用于由运动流体发电的涡轮转子形状 - Google Patents

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Abstract

一种发电装置包括涡轮转子，该涡轮转子用于优选地在水下由运动流体(优选地是水流或风)产生电力。涡轮转子包括具有柔性部分的涡轮桨叶，该柔性部分优选地安装到涡轮桨叶的硬性部分的边缘处。

Description

发电装置、用于由运动流体发电的涡轮转子形状
技术领域
本发明为发电装置。更具体地，本发明是用于优选地在水下由运动流体(优选地是水流)发电的涡轮转子形状。
背景技术
当前，当化石燃料和其他有限的资源的量减小时，需要可靠、可更新、“绿色”(生态无害)的能源。需要这些资源以维持与我们已经享有的相同的舒适度和生产力。还没有被充分利用的一个这种资源是运动的水。河流、潮汐流、泉水、湖的水流以及洋流都是潜在的可以使用的绿色能源。
在过去，为了捕获水能的流动，一个方法是竖立起蓄水装置(水坝)，并且之后将涡轮或水轮设置在水坝的基部，以驱动在水坝顶部的发电机。各种其他的装置(诸如上冲式水轮以及下冲式(胸式)水轮)由积蓄或流动的水驱动。它们中的一些使用管路以使水加速并且将水限制在更适合桨片接触的位置中，以使用水能。所有的这些水力发电系统具有相同的问题，即，如何以使得能量耗尽的水不会变为新的阻力源的方式将其卸载。因此，需要在增加余压(额外的摩擦)的同时为水安排不会妨碍水轮或涡轮转子的位置。为了能够再一次填充充满新的动能的水来为装置提供动力，期望桨片或水轮杯(water-wheel cup)尽可能地完全排空。
在先的水力能源具有由有少许柔性或没有柔性的材料(钢、木头、铝、黄铜、青铜等)制成的桨叶。非柔性桨叶或水轮杯可能不能使得能量耗尽的水完全地卸载。因此，有时需要进行控制以限制水的流入不超过可能导致阻力或在某些情况下导致气穴(cavitation)的设计参数。
发明内容
本发明提供了一种用于由运动流体(诸如水)产生电力的、具有柔性桨叶或鳍片的涡轮转子。该柔性桨叶现在可以吸收水流或波浪冲击，并且在波浪减小之后弹回。通过柔性的桨叶，桨叶可以随着水的速度的微小改变而改变其构造。涡轮转子形状也适合于从风来产生电力。
更具体地，本发明提供了一种涡轮转子，其用于由运动流体产生电力，包括：
(a)涡轮转子基部，其具有中轴线、上游端部以及下游端部，涡轮转子基部在垂直于中轴线的平面中具有通常为圆形的截面，涡轮转子基部具有主要部分，在主要部分中，垂直于中轴线的截面的尺寸从涡轮转子基部的上游端部处向涡轮转子基部的下游端部处增加，涡轮转子基部还可旋转地安装到轴线轴上；以及
(b)涡轮桨叶，其从基部的侧面突出，涡轮桨叶包括柔性部分。
附图说明
图1为从图2的线1-1观察的根据本发明的涡轮转子的截头圆锥形基部示例的右视图、左视图、主视图或后视图。
图2为从图1的线2-2观察的图1的涡轮转子基部的俯视图。
图3和图4为根据本发明的涡轮转子的涡轮桨叶的形状的示例。
图5为从图6的线5-5观察的、在静止状态下的根据本发明的组装后的涡轮转子的右视图、左视图、主视图或后视图，该涡轮转子包括涡轮转子基部以及从基部的侧面突出的涡轮桨叶。
图6为从图5的线6-6观察的、在静止状态下的图5的涡轮转子的俯视图。
图7为从图8的线7-7观察的、在使用状态下的根据本发明的组装后的涡轮转子的右视图、左视图、主视图或后视图，该涡轮转子包括涡轮转子基部以及从基部的侧面突出的涡轮桨叶。
图8为从图7的线8-8观察的、在使用状态下的图7的涡轮转子的俯视图。
图9为从图10的线9-9观察的根据本发明的具有平滑穹顶形基部的涡轮转子示例的右视图、左视图、主视图或后视图。
图10为从图9的线10-10观察的图9的涡轮转子的俯视图。
图11为从图12的线11-11观察的根据本发明的具有尖头穹顶形基部的涡轮转子示例的右视图、左视图、主视图或后视图。
图12为从图11的线12-12观察的图11的涡轮转子的俯视图。
图13为从图14的线13-13观察的根据本发明的具有长圆锥形基部的涡轮转子示例的右视图、左视图、主视图或后视图。
图14为从图13的线14-14观察的图13的涡轮转子的俯视图。
图15-图18为可以用在本发明中的涡轮转子基部的各种截面图。
具体实施方式
涡轮转子可以包括涡轮转子基部，该涡轮转子基部包括具有截头圆锥形(例如，图1中的基部11)的主要部分并且在主要部分的下游优选地包括具有环形圆柱形(例如，图1的部分12)的次要部分。
涡轮桨叶优选地具有直接从基部的侧面突出的硬性部分(例如，图3和图7的部分28)，并且涡轮桨叶柔性部分(例如，图3和图7中的部分31)连接到该硬性部分。从基部的侧面突出的涡轮桨叶硬性部分优选地都具有在涡轮转子基部的上游端部处比涡轮转子基部的下游端部处更宽的形状，并且优选地围绕涡轮转子基部的外周大致相等地间隔。(可选择地，柔性部分可以直接从基部的侧面突出。)涡轮桨叶硬性部分(如果存在的话)优选地都具有包括大致直线的边缘的形状，该边缘与该涡轮桨叶柔性部分所连接到的涡轮转子基部的轴线大致等距。
柔性桨叶可以由长链聚合物塑料(诸如硅酮和聚氨酯)制成。柔性桨叶可以吸收水流/波浪冲击，并且在波浪减小之后弹回。柔性桨叶可以随着水流或风速的微小改变而改变其构造。柔性桨叶也有助于从较慢的运动水流获取能量。
涡轮转子可以安装到主轴上，主轴上还安装有一个或多个发电机。根据一个优选选择，涡轮转子具有穿过其中的轴线中孔(例如，图1的中孔13)，使得涡轮转子可以可滑动地安装到主轴上。之后，涡轮转子可以磁力地连接到传动机构，该传动机构使彼此平行并围绕发电装置的主轴定位的三个或四个发电机的轴旋转。之后从发电机输出的电可以直接使用，或者通过给电池充电而为之后的使用而存储。根据另一个优选选择，涡轮转子牢固地安装到主轴上，该主轴也连接到使围绕主轴的发电机的轴旋转的传动装置。
作为一种环境无害的发电方法，发电装置可以固定地安装到水下，以将水的自然运动(诸如河流的流动或潮汐的水流)转换为电流。可选择地，其可以安装到船(诸如，帆船、划艇、独木舟或皮划艇)的下侧，以在可以另外具有或不具有电力的船中提供电力源。在其他环境中，可以并联地电连接根据本发明的多个发电机或多个发电装置，以提供所需的更大量的电流。
涡轮转子具有两个结构组件——基部和从基部的侧面突出的柔性涡轮桨叶。基部可以为截头圆锥形或者具有另一种形状(诸如圆锥形、平滑的穹顶或半球的形状或者尖头的穹顶的形状)。虽然基部可以具有大致相等的高度和外径，也可以预料到高度明显地更长，例如，是基部的宽度或外径的四倍。(虽然被描述为结构组件，但是组件不需要单独地构造并在之后组装，而是如下文所指出的，组件可以同时一同制作(例如，模制成形)。)
示例1——具有截头圆锥形基部的涡轮转子
在图1和图2中图示了具有用于插入涡轮桨叶的插槽的截头圆锥形基部，其中，图1为从图2的线1-1观察的截头圆锥形基部的右视图、左视图、主视图或后视图(在图示的示例中，所有的图都相同)；图2为从图1的线2-2观察的截头圆锥形基部的俯视图。如图所示，基部的较小的“顶部”为涡轮转子的上游端部，水从该处流动以与涡轮桨叶相接触；并且基部的较大的“底部”为涡轮转子的下游端部，水在帮助使涡轮转子旋转之后流动到此处。(术语涡轮转子的“顶部”、“底部”以及“侧面”仅是为了相对参照，因为涡轮转子所使用的最可能构造是“顶部”和“底部”几乎在相同的水平面处，即，图1中竖直地示出的中线通常在使用中大致为水平的。)
图3和图4中图示了涡轮桨叶的形状的两个示例。
图5和图6中图示了组装后的、在静止状态下的涡轮转子，其中，图5为组装后的涡轮转子的右视图、左视图、主视图或后视图；并且图6为如图5所示的组装后的涡轮转子的俯视图。
图7和图8中图示了组装后的、在使用状态下的涡轮转子，其中，图7为组装后的涡轮转子的右视图、左视图、主视图或后视图；并且图8为如图7所示的组装后的涡轮转子的俯视图。
基部11可以是由硬橡胶铸造或者机械加工的，或者由合适的塑料材料成型的。可以预先将基部构造为组件并且与涡轮桨叶组装以形成完整的涡轮转子，或者截头圆锥形基部和涡轮桨叶可以作为单元而一起成型。
基部11优选地在基部的下游端部处具有短圆柱体部分12，以提供比如果基部以锐角终止的情况下更大的力。基部11可以小到长度为3英寸并且大端部直径为3英寸，或者大到每个尺寸都是数个英尺。基部11优选地具有相同的长度和大端部直径，产生约15到25度的上圆锥角“∠B”以及约65到75度的下圆锥角“∠A”。基部11优选地具有穿过基部的(在图1中示出为竖直的)中孔13，以容纳轴。基部11优选地具有插入口14、15，以容纳垫圈。基部11优选地具有一系列的插槽(对于图1和图2中示出的实施例来说是四个)16(图1和图2)、17和18(只有图2)以及19(图1和图2)，以容纳同样数目的涡轮桨叶21、22、23和24(见图5-8，在图1-2中未示出)。涡轮桨叶(因此以及涡轮桨叶插槽16-19)围绕基部大致相等地间隔，以便于基本为暴露到水的通路中的基部的截面的每个部分设置桨叶表面。例如，在图1、2和5-8中图示的涡轮转子基部和涡轮转子中，有四个插槽16-19和四个涡轮桨叶21-24，每个桨叶覆盖暴露到水的通路中的基部的截面的四个区域中的一个。可选择地，根据涡轮转子的尺寸，可以有六个(或者12个或24个等)插槽和六个(或者12个或24个等)涡轮桨叶，每个桨叶覆盖暴露到水的通路中的基部的截面的六个(或者12个或24个等)区域中的一个。
在图3中示出每个桨叶21-24的优选轮廓20(但是该装置不限于这种轮廓)。每个桨叶21-24的可选轮廓25在图4中示出，该轮廓具有带有倒圆的拐角而不是图3中示出的锋利拐角的尾部26。
每个桨叶21-24的固定部分27嵌入槽16-19中的一个。如图3所示，每个桨叶可以有基本三角形的硬性部分28，该部分(在桨叶安装到涡轮转子基部11上时)从涡轮转子基部11向外突出，三角形的硬性部分28的基部29为朝向涡轮转子所暴露到的上游水的前缘，并且三角形的硬性部分28的顶点30为朝向下游水的后缘的涡轮转子侧的拐角。每个桨叶的柔性部分31从三角形的硬性部分28的外侧边缘32延伸。柔性部分31以使得柔性部分31在涡轮转子静止或处于柔和水流中时在基部的下游端部附近处折叠，但是在巨大的水流中每个桨叶的柔性部分31向外延伸(如图7和图8所示)的方式结合到硬性部分28。这具有以下优点：当涡轮转子静止或处于柔和水流中时，涡轮转子具有小的截面并且因此不表现出太多的阻力；而在巨大的水流中，柔性部分31张开以如图7和图8所示地向外延伸，来为水流推动提供更大的面积，并且因此从运动水流中获得比仅具有三角形的硬性部分28的涡轮转子所能获得的能量更多的能量。
涡轮桨叶也可以构造为使得涡轮桨叶的整个外部部分(即，除去固定部分27之外的部分)都是柔性的。这是图4中图示的涡轮桨叶的优选构造。
在形成基部11的同时，涡轮转子桨叶21、22、23和24可以形成为涡轮转子的一部分，并具有与基部11基本相同的材料(在基本三角形的硬性部分28中可以通过加硬构件可选择地增强)；或者它们可以由另一种材料制成并且将桨叶21-24和基部11组装以形成整个涡轮转子。如果单独地形成，桨叶21-24可以例如由聚氨酯膜制成，并且经加热以在基本三角形的硬性部分28与柔性部分31之间形成折叠。如果桨叶21-24由聚氨酯膜制成，聚氨酯树脂可以施加到基本三角形的硬性部分28的背面，以有助于提高硬度以及平滑基部11与桨叶21-24之间的过渡。如果与基部11整体地形成的话，可以将与基部11和桨叶21-24相同的材料设置在基本三角形的硬性部分28的背面，以有助于提高硬度以及平滑基部11与桨叶21-24之间的过渡。
在直径大于30英寸的涡轮转子中，可以在三角形部分28的边缘32处增加铰链系统。在较小的涡轮转子中，可以铸造聚氨酯来形成角，或者将聚氨酯铸造为平坦的并且经过加热以允许聚氨酯以角度弯曲。在任何情况下，边缘32都是允许桨叶的外侧部分随着水流过涡轮桨叶而向外张开的枢转的位置。
示例2——具有平滑穹顶形基部的涡轮转子
图9和图10图示了具有平滑穹顶形基部的涡轮转子。基部11a具有半球形的形状，但是与图1和图2中的基部11具有相同的功能。中孔13a、插入口14a和15a以及槽16a、17a、18a和19a与图1和图2中的中孔13、插入口14和15以及槽16、17、18和19具有相同的功能。代替形成槽16a、17a、18a和19a，可以将涡轮桨叶(在图9和图10中未示出)与基部11a整体地成型。
示例3——具有尖头穹顶形基部的涡轮转子
图11和图12图示了具有尖头穹顶形基部的涡轮转子。基部11b具有尖头穹顶的形状，但是与图1和图2中的基部11具有相同的功能。中孔13b以及插入口14b和15b与图1和图2中的中孔13以及插入口14和15具有相同的功能。可以类似于图1和图2的槽16、17、18和19而设置槽，或者可以将涡轮桨叶(在图11和图12中未示出)与基部11b整体地成型。
示例4——具有长圆锥形基部的涡轮转子
图13和图14图示了具有长圆锥形基部的涡轮转子。基部11c具有长圆锥形的形状，但是与图1和图2中的基部11具有相同的功能。中孔13c以及插入口14c和15c与图1和图2中的中孔13以及插入口14和15具有相同的功能。可以类似于图1和图2的槽16、17、18和19而设置槽，或者可以将涡轮桨叶(在图13和图14中未示出)与基部11c整体地成型。
示例5-8——具有各种截面的涡轮转子
图15-18图示了具有基部11d、11e、11f和11g的涡轮转子，其中基部11d、11e、11f和11g分别具有各种截面。
图9-18中图示的每个形状可以具有与图1、图5和图7中的部分12类似的短圆柱体部分。
可以采用上述装置的其他变化。例如，涡轮桨叶21-24可以具有恒定的厚度，或者可以朝向桨叶的尾边缘的末端而变薄。它们可以直线的安装到基部11上(如图1-2以及图6-10中所示)，或者它们可以是弯曲的以使其更加符合空气动力学，举例来说，槽16-19可以是弯曲的，以将桨叶在涡轮桨叶21-24的上游端部处平行地对准到流体流动的方向，并随着向下游的距离增加，以逐渐增加的角度将桨叶定位到流体流动的方向。涡轮桨叶21-24可以在基部11的截头圆锥形部分的基部处终止，或者它们可以延伸到或者延伸超过圆柱体部分12的底部(如图7所示)。

Claims (11)

1.一种涡轮转子，其用于由运动流体产生电力，其包括：
(a)涡轮转子基部，其具有中轴线、上游端部以及下游端部，所述涡轮转子基部在垂直于所述中轴线的平面中具有大致为圆形的截面，涡轮转子基部具有主要部分，在所述主要部分中，垂直于所述中轴线的截面的尺寸从所述涡轮转子基部的上游端部处向所述涡轮转子基部的下游端部处增加，所述涡轮转子基部还可旋转地安装到轴线轴上；以及
(b)涡轮桨叶，其从所述基部的侧面突出，所述涡轮桨叶包括柔性部分。
2.根据权利要求1所述的涡轮转子，其中，所述涡轮转子基部包括具有截头圆锥形的主要部分。
3.根据权利要求2所述的涡轮转子，其中，所述涡轮转子基部包括在主要部分下游的次要部分，所述次要部分具有环形的圆柱体形状。
4.根据权利要求1所述的涡轮转子，其中，所述涡轮转子基部具有轴线中孔，穿过所述轴线中孔而将所述涡轮可滑动地安装到所述轴线轴上。
5.根据权利要求1所述的涡轮转子，其中，所述涡轮转子基部牢固地安装到所述轴线轴上。
6.根据权利要求1所述的涡轮转子，其中，所述涡轮桨叶围绕所述涡轮转子基部的外周相等地间隔。
7.根据权利要求1所述的涡轮转子，其中，所述涡轮桨叶具有直接从所述基部的侧面突出的硬性部分，并且所述涡轮桨叶柔性部分连接到所述硬性部分。
8.根据权利要求7所述的涡轮转子，其中，从所述基部的侧面突出的每个所述涡轮桨叶硬性部分都具有在涡轮转子基部的上游端部处比在涡轮转子基部的下游端部处更宽的形状。
9.根据权利要求8所述的涡轮转子，其中，从所述基部的侧面突出的每个所述涡轮桨叶硬性部分都具有包括大致直线的边缘的形状，所述大致直线的边缘与所述涡轮转子基部的轴线大致等距离。
10.根据权利要求9所述的涡轮转子，其中，所述涡轮桨叶柔性部分连接到与所述涡轮转子基部的轴线大致等距离的所述大致直线的边缘。
11.根据权利要求1所述的涡轮转子，其中，所述涡轮桨叶柔性部分直接从所述基部的侧面突出。
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