本發(fā)明涉及流體動(dòng)力能轉(zhuǎn)化系統(tǒng)，也就是用于從流動(dòng)液體中提取能量的系統(tǒng)。所述流動(dòng)液體可以是流動(dòng)的水，例如海水(例如潮汐流或洋流)或淡水(例如在河中流動(dòng)的水)。所述流動(dòng)液體可替代地可以是流動(dòng)的微咸水(brackish water)、流動(dòng)的廢水或任何其他保持有將被提取/利用的動(dòng)能的液體。

具體而言，本發(fā)明涉及流體動(dòng)力能轉(zhuǎn)化系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括渦輪機(jī)設(shè)備，所述渦輪機(jī)設(shè)備包括呈現(xiàn)有旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)子，所述渦輪機(jī)設(shè)備被布置為以相對于進(jìn)來的水體傾斜的定向通過旋轉(zhuǎn)軸操作，并且所述轉(zhuǎn)子包括至少一個(gè)螺旋葉片，該至少一個(gè)螺旋葉片被布置為與進(jìn)來的水體相互作用，這樣旋轉(zhuǎn)能量被傳輸?shù)剿鲛D(zhuǎn)子，所述至少一個(gè)螺旋葉片包括第一凸表面、第二凹表面和自由遠(yuǎn)端邊緣，所述第一表面和第二表面在自由遠(yuǎn)端邊緣相交(meet)。

本發(fā)明還涉及這樣的系統(tǒng)的應(yīng)用，以便從潮汐流、洋流和河流中任意一者中提取能量。

背景技術(shù)：

本發(fā)明涉及流體動(dòng)力能轉(zhuǎn)化系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)的渦輪機(jī)設(shè)備呈現(xiàn)為相對于進(jìn)來的水體傾斜地定向。這樣的系統(tǒng)的實(shí)例在WO 2013/006061 A1中公開，其通過引證方式結(jié)合于本文中。

與雙擊式渦輪機(jī)(cross-flow turbines)(其轉(zhuǎn)子軸與進(jìn)來的水流正交)和軸流式水輪機(jī)(axial flow turbines)(其轉(zhuǎn)子軸在與進(jìn)來的水流平行的平面中操作)相比，傾斜的渦輪機(jī)被布置為以相對于進(jìn)來的水體的傾斜定向通過轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸操作。在這樣傾斜的渦輪機(jī)中，轉(zhuǎn)子的幾何結(jié)構(gòu)將對系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)化效率具有很大影響，而尋找高效的葉片幾何結(jié)構(gòu)已被證明是困難的。本發(fā)明處理這個(gè)問題，并尋求尤其很好地適于所述系統(tǒng)的葉片幾何結(jié)構(gòu)，在該系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸以相對于進(jìn)來的水體的傾斜定向進(jìn)行操作。

因此，根據(jù)一個(gè)方面，本發(fā)明的目的是提出一種包括傾斜的流動(dòng)式流體動(dòng)力渦輪機(jī)的流體動(dòng)力能轉(zhuǎn)化系統(tǒng)，所述渦輪機(jī)與現(xiàn)有技術(shù)中的傾斜的流體渦輪機(jī)相比具有提高的能量轉(zhuǎn)化效率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)的特征在于，當(dāng)從與旋轉(zhuǎn)軸正交的平面觀察時(shí)，所述第二表面的曲率是這樣的，即，使得當(dāng)從與旋轉(zhuǎn)軸和遠(yuǎn)端邊緣相交的直線測量時(shí)，所述第二表面的最大深度至少為所述旋轉(zhuǎn)軸與遠(yuǎn)端邊緣之間的距離的35％，更優(yōu)選地40％，并且最優(yōu)選地50％。

還有利的是，將所述至少一個(gè)葉片的厚度布置成使得，所述至少一個(gè)螺旋葉片在所述最大深度的位置處呈現(xiàn)出的厚度小于所述旋轉(zhuǎn)軸與遠(yuǎn)端邊緣之間的距離的15％，并且更優(yōu)選地10％。

當(dāng)從與所述旋轉(zhuǎn)軸正交的平面觀察時(shí)，所述第二表面的橫截面在最大深度的位置與遠(yuǎn)端邊緣之間可有利地呈現(xiàn)出恒定的曲率。

所述至少一個(gè)螺旋葉片可有利地呈現(xiàn)出從所述最大深度的位置到遠(yuǎn)端邊緣的連續(xù)減小的厚度。

所述至少一個(gè)螺旋葉片可有利地呈現(xiàn)出在1-4的區(qū)間內(nèi)的螺距比。

所述轉(zhuǎn)子可有利地呈現(xiàn)出在0.1-0.7的區(qū)間內(nèi)的直徑-長度比。

所述至少一個(gè)螺旋葉片可有利地包括第一螺旋葉片和第二螺旋葉片，所述第二螺旋葉片相對于第一螺旋葉片偏移180度。所述第二螺旋葉片可有利地與第一螺旋葉片相同。

所述轉(zhuǎn)子可替代地可具有三個(gè)、四個(gè)或甚至更多的葉片，這些葉片有利地均勻分布在所述轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向上。

所述系統(tǒng)可有利地包括支撐設(shè)備，用于支撐所述渦輪機(jī)設(shè)備，并且所述渦輪機(jī)設(shè)備可有利地包括第一近端和第二遠(yuǎn)端，所述近端圍繞樞軸樞轉(zhuǎn)地連接至所述支撐設(shè)備。所述樞軸可有利地與旋轉(zhuǎn)軸正交。所述樞軸可有利地具有水平定向、豎直定向和斜定向中任意一種。

可替代地，所述系統(tǒng)可有利地包括用于支撐第一端的第一支撐設(shè)備和用于支撐所述渦輪機(jī)設(shè)備的第二端的第二支撐設(shè)備，所述第一和第二端固定地連接至所述支撐設(shè)備。

可以有利的是，當(dāng)所述系統(tǒng)在操作中時(shí)，所述系統(tǒng)布置成使得所述旋轉(zhuǎn)軸相對于進(jìn)來的水體形成角度，所述角度在80-20度的區(qū)間內(nèi)，更有選地70-30度，并且最優(yōu)選地60-40度。

在系統(tǒng)的操作期間，所述轉(zhuǎn)子有利地浸沒在進(jìn)來的水體中。

附圖說明

在下文中，將參照附圖更詳細(xì)描述本發(fā)明。

圖1為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的由潮汐驅(qū)動(dòng)的流體動(dòng)力轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的側(cè)面示意圖。

圖2為根據(jù)圖1的系統(tǒng)在不同操作位置的側(cè)視圖。

圖3為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的基于河流的流體動(dòng)力轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的頂部示意圖。

圖4為根據(jù)本發(fā)明的流體動(dòng)力轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子的實(shí)施方式的透視圖。

圖5為根據(jù)圖4的轉(zhuǎn)子的側(cè)視圖。

圖6為沿著圖5的以VI-VI標(biāo)記的區(qū)段的轉(zhuǎn)子的截面圖。

具體實(shí)施方式

圖1公開了根據(jù)本發(fā)明的流體動(dòng)力轉(zhuǎn)化系統(tǒng)1的第一實(shí)施方式的側(cè)視圖。系統(tǒng)1包括渦輪機(jī)設(shè)備2，渦輪機(jī)設(shè)備包括第一近端8和第二遠(yuǎn)端9。渦輪機(jī)設(shè)備2進(jìn)一步包括安裝在支撐設(shè)備4上的螺旋轉(zhuǎn)子3。轉(zhuǎn)子3包括旋轉(zhuǎn)軸O。在所述系統(tǒng)的操作期間，軸O具有相對于進(jìn)來的水體W傾斜的定向，如在圖1公開的。在操作期間，轉(zhuǎn)子浸沒在進(jìn)來的水體W中，該水體將使得轉(zhuǎn)子3圍繞其軸O旋轉(zhuǎn)，以使得旋轉(zhuǎn)能量被施加給轉(zhuǎn)子3。

轉(zhuǎn)子3連接至能量轉(zhuǎn)化器6，能量轉(zhuǎn)化器可以是發(fā)電機(jī)。在可替換的實(shí)施方式中，能量轉(zhuǎn)化器6可以是泵，例如用于提供加壓空氣。一般來說，能量轉(zhuǎn)化器6可以是將轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)能量轉(zhuǎn)化為不同形式的能量的任何類型的能量轉(zhuǎn)化設(shè)備，其中，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)能量進(jìn)而由流動(dòng)的水W的動(dòng)能提供。

旋轉(zhuǎn)軸O可形成相對于進(jìn)來的水體的角度α，所述角度在80-20度的區(qū)間內(nèi)。但是，更優(yōu)選地，角度α在70-30度的區(qū)間內(nèi)，并且最優(yōu)選地在60-40度的區(qū)間內(nèi)，例如50度。

渦輪機(jī)設(shè)備2圍繞樞軸A樞轉(zhuǎn)地安裝在支撐設(shè)備4中，以使得角度α可相對于進(jìn)來的水體W進(jìn)行調(diào)節(jié)。樞軸A與旋轉(zhuǎn)軸O正交。這個(gè)配置在用于從潮汐流中提取能量的系統(tǒng)中尤其有利，這是因?yàn)樗试S渦輪機(jī)設(shè)備2在與樞軸A正交的平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)，以便根據(jù)例如由變化的潮汐引起的進(jìn)來的水體的速度和方向上的改變進(jìn)行調(diào)節(jié)，如在圖2中公開的。在這樣的配置中，將轉(zhuǎn)子3布置為使得它的密度(density)小于周圍的水體W是有利的，這樣渦輪機(jī)設(shè)備2總是呈現(xiàn)相對于進(jìn)來的水體W的恰當(dāng)?shù)慕嵌圈?，例如以根?jù)進(jìn)來的水體的不同速度進(jìn)行調(diào)節(jié)?？商娲鼗蛘吡硗獾?，在渦輪機(jī)設(shè)備2的遠(yuǎn)端9布置浮力設(shè)備或水翼17可以是有利的。這樣的浮力設(shè)備在上文提到的文件WO 2013/006061 A1中公開。通過將轉(zhuǎn)子3布置為使得它的密度小于周圍的水體W和/或在渦輪機(jī)設(shè)備2的遠(yuǎn)端9布置浮力設(shè)備或水翼17，設(shè)備2可被配置為取決于進(jìn)來的水體的特性和速度，以在預(yù)先確定的區(qū)間內(nèi)的角度α操作，例如60-40度。但是，在轉(zhuǎn)換潮汐時(shí)，所述系統(tǒng)可開始以稍微小于90度(例如85或80度)的角度α產(chǎn)生能量。

在圖1和圖2公開的實(shí)施方式中，樞軸A是水平的，或至少大致水平的。但是，樞軸A可替代地可以是豎直的，或至少大致豎直的，或者可以是斜的。

在圖1和圖2公開的實(shí)施方式中，支撐設(shè)備4位于水體W的底部B?？商娲?，但是，支撐設(shè)備4可位于水體W的表面S，或者甚至在水體的外部，例如在橋接窄直部(narrow straight)的結(jié)構(gòu)上，只要支撐結(jié)構(gòu)4允許轉(zhuǎn)子3浸沒在進(jìn)來的水體W中。

圖3公開了根據(jù)本發(fā)明的流體動(dòng)力轉(zhuǎn)化系統(tǒng)18的第二實(shí)施方式的頂部示意圖。在這個(gè)實(shí)施方式中，渦輪機(jī)設(shè)備2的第二端9也固定地安裝在支撐設(shè)備4’中。當(dāng)所述系統(tǒng)安裝在河流中時(shí)，這個(gè)配置可以是有利的，在這種情況下，進(jìn)來的水體的方向一般是恒定的。支撐設(shè)備4、4’因此允許渦輪機(jī)設(shè)備2保持相對于進(jìn)來的水體W的固定角度α。當(dāng)布置在河流中時(shí)，所述系統(tǒng)可有利地定位成使得旋轉(zhuǎn)軸O大致平行于河床。

支撐結(jié)構(gòu)4、4’可有利地定位在河床上。但是，它們可替代地可定位在河岸上或橋接河流的結(jié)構(gòu)上，只要支撐結(jié)構(gòu)4、4’允許轉(zhuǎn)子3浸沒在進(jìn)來的水體W中。

在公開的實(shí)施方式中，流體動(dòng)力轉(zhuǎn)化系統(tǒng)1、18包括一個(gè)轉(zhuǎn)子3，該轉(zhuǎn)子連接至能量轉(zhuǎn)化器6。但是，在可替代的實(shí)施方式中，流體動(dòng)力轉(zhuǎn)化系統(tǒng)可包括兩個(gè)、三個(gè)、四個(gè)或者任何其他數(shù)目的轉(zhuǎn)子。而且，這些轉(zhuǎn)子可連接至共同的能量轉(zhuǎn)化器，或成組地連接至能量轉(zhuǎn)化器，以便兩個(gè)或更多個(gè)轉(zhuǎn)子連接至同一個(gè)能量轉(zhuǎn)化器。

圖4-6公開了根據(jù)本發(fā)明的流體動(dòng)力能系統(tǒng)的螺旋轉(zhuǎn)子3的實(shí)施方式。轉(zhuǎn)子3包括第一螺旋葉片10和第二螺旋葉片11，第一螺旋葉片和第二螺旋葉片彼此相同但偏移180度(參看圖6)。每個(gè)螺旋葉片10、11包括第一凸表面12和第二凹表面13。所述第一表面12形成低壓力表面，并且所述第二表面13形成高壓力表面。每個(gè)螺旋葉片10、11還包括自由遠(yuǎn)端邊緣E(參見圖6)，第一表面12和第二表面13在該自由遠(yuǎn)端邊緣處相交(meet)。遠(yuǎn)端邊緣E限定或掠過(sweep)轉(zhuǎn)子3的外直徑D。

當(dāng)從與旋轉(zhuǎn)軸O正交的平面觀察時(shí)，第二表面13的曲率是這樣的，即，當(dāng)從與旋轉(zhuǎn)軸O和遠(yuǎn)端邊緣E相交的直線測量時(shí)，第二表面13的最大深度D_max約為旋轉(zhuǎn)軸O與遠(yuǎn)端邊緣E之間的距離OE的49％。在最大深度位置處，葉片的厚度t約為旋轉(zhuǎn)軸O與遠(yuǎn)端邊緣E之間的距離OE的9％。

當(dāng)從與所述旋轉(zhuǎn)軸O正交的平面觀察時(shí)，所述第二表面13的橫截面在最大深度D_max的位置與遠(yuǎn)端邊緣E之間具有恒定的曲率，并且葉片10具有從最大深度D_max的位置到遠(yuǎn)端邊緣E的連續(xù)減小的厚度。

在公開的實(shí)施方式中，最大深度位于旋轉(zhuǎn)軸O與遠(yuǎn)端邊緣E之間約一半的位置處，也就是在0.5OE處。但是，最大深度可位于更接近旋轉(zhuǎn)軸O的位置處，例如在0.3-0.5OE范圍內(nèi)，或更接近遠(yuǎn)端邊緣的位置處，例如在0.5-0.8OE范圍內(nèi)。

轉(zhuǎn)子3包括：內(nèi)部中央?yún)^(qū)段14，從軸O延伸至轉(zhuǎn)子3約四分之一半徑處；以及外部區(qū)段15，從內(nèi)部區(qū)段14延伸至遠(yuǎn)端邊緣E的半徑。內(nèi)部區(qū)段14呈現(xiàn)出增加的厚度，以容納縱向軸16。在外部區(qū)段15中，表面12和13具有大致恒定的曲率并且緩慢匯聚以在遠(yuǎn)端邊緣E處相交。

每個(gè)葉片10、11呈現(xiàn)有螺距比P/D，其約為1.4，其中，所述螺距比定義為葉片10、11的螺距P與轉(zhuǎn)子3的直徑D之間的比率。螺距P定義為葉片10、11的一個(gè)完整的扭曲或轉(zhuǎn)向的長度(參見圖5)。

轉(zhuǎn)子3呈現(xiàn)有直徑-長度比D/L，其約為0.3。

對于上文的實(shí)施方式，參數(shù)D/L和P/D的值對于具體的實(shí)施方式已經(jīng)給出。但是，要理解的是，需要根據(jù)系統(tǒng)的操作地點(diǎn)調(diào)節(jié)這些參數(shù)，尤其是考慮到系統(tǒng)在其中操作的水體的深度和主要速度。

在前述說明中，已經(jīng)參照示例性實(shí)施方式描述根據(jù)本發(fā)明的裝置的各種方面。出于解釋的目的，陳述具體的數(shù)字、系統(tǒng)和配置是為了提供對所述裝置和其工作的全面了解。但是，這個(gè)說明不旨在理解為限制意義。對與公開的主題相關(guān)的領(lǐng)域的技術(shù)人員顯而易見的示例性實(shí)施方式的各種修和變體都被認(rèn)為落在本發(fā)明的范圍內(nèi)。