專利名稱：渦輪組件和發(fā)電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于為發(fā)電機(jī)提供動力的渦輪組件。本發(fā)明還涉及組合式渦輪組件和發(fā)電機(jī)。

背景技術(shù)：
在各種場所中需要局部電源，其沒有主電力線或者其他常規(guī)的電力線供給并且不需要比如常規(guī)的汽油驅(qū)動或氣體驅(qū)動的發(fā)電機(jī)的能源?？梢岳玫闹饕芰吭词秋L(fēng)或水。例如，水動力可利用陸地上的流動水體，在河流中或者例如湖中的流動水流中找到。水動力還可在大海中的水流中找到。
從移動的自然水體中提取能量來產(chǎn)生電能與常規(guī)的水力發(fā)電的區(qū)別在于水壓頭被故意地設(shè)計用于為驅(qū)動發(fā)電機(jī)的渦輪提供動力。
空氣的自然氣流的使用被應(yīng)用于風(fēng)動渦輪。風(fēng)渦輪是具有一組風(fēng)沖擊的葉片的固定結(jié)構(gòu)，其被構(gòu)造成自定位以朝向風(fēng)。
本發(fā)明的形成以提供局部電能源為目的，特別針對一種能夠從水體的自然運(yùn)動或受迫運(yùn)動中提取能量的單元。預(yù)期本發(fā)明的教導(dǎo)可大規(guī)模應(yīng)用在例如從手提便攜式發(fā)電機(jī)到位于海床上的相當(dāng)大單元的范圍中。然而，本發(fā)明的教導(dǎo)不限于其規(guī)模。例如其可應(yīng)用于通常所說的微工程學(xué)。本發(fā)明還可適用于從空氣流中提取能量。在此參考的流體流將被理解成包含液體和氣體流。本發(fā)明將特別描述和討論關(guān)于從流動水中提取能量。
在美國專利4746808中描述了小渦輪發(fā)電機(jī)的一種形式。該渦輪是Pelton輪型的，需要通過連接到壓力水源上的一組噴射器上來致動。其不能利用自然水流。渦輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動被傳送給使用永久磁體類型的發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子。
美國專利6013955公開了一種軸向流渦輪，其安裝在意欲浸沒在流中的殼體中。渦輪被安裝在延伸穿過殼體的管道中而且水流動通過該管道來旋轉(zhuǎn)渦輪。渦輪單元設(shè)有尾翅片以保持朝向流體流的單元。渦輪被機(jī)械連接到單獨(dú)的發(fā)電機(jī)上。
在′995專利中描述的渦輪殼體和管道的設(shè)計不提供自身對準(zhǔn)流動流。此外，與殼體和從其中穿過的管道相關(guān)聯(lián)的流動通道不具有從流動水中提取能量來為渦輪提供動力的特別高的效率。所提取的可利用的水流勢能的效率是渦輪自身結(jié)構(gòu)和在其中操作的流動通道二者的函數(shù)。′955專利中公開的由殼體提供的入口到流動通道的一個缺陷是其具有對稱構(gòu)造。隨后將解釋其重要性。
通常希望的是提供一種渦輪發(fā)電機(jī)(渦輪單元加上發(fā)電機(jī))，其能夠以較高效率在緩慢流動的水流或其他流體(包括空氣)中操作。在下列描述的本發(fā)明實施例中，可用于做功的能量僅僅是渦輪單元浸沒其中的自由流，因此，第一個目標(biāo)是從自由流動的流體流有效率地提取能量的渦輪設(shè)計。該流體流可以是相對的非約束流，比如水這樣的自然流它可以是比如在管子中設(shè)立的約束流。將描述的渦輪布置可適用于任何方位，包括水平的、豎直的或傾斜的方位。其可在寬范圍的流速中使用而且其規(guī)?？蓮姆浅Ｐ≈钡酱笠?guī)模裝置。


發(fā)明內(nèi)容
在一個方面，本發(fā)明是關(guān)于用作將流體流轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的轉(zhuǎn)換器的渦輪單元的設(shè)計。將如此形成的機(jī)械能放入本發(fā)明優(yōu)選實施例中的特別使用是為發(fā)電機(jī)提供動力。發(fā)電機(jī)可以與渦輪單元分離，或者可以具有自己的轉(zhuǎn)子，該轉(zhuǎn)子與渦輪單元的轉(zhuǎn)子整體制成或者是渦輪單元的轉(zhuǎn)子的整體結(jié)構(gòu)的一部分。
本發(fā)明的另一個方面是關(guān)于發(fā)電機(jī)，其轉(zhuǎn)子使用作為整體構(gòu)件的渦輪轉(zhuǎn)子或者其中至少渦輪轉(zhuǎn)子和發(fā)電機(jī)組合在整體組件中。
與前述的一個方面相關(guān)的是，本發(fā)明提供了如權(quán)利要求1中所提出的渦輪單元。
優(yōu)選的渦輪單元設(shè)有根據(jù)權(quán)利要求6的入口部分和擴(kuò)散器。還更優(yōu)選的是具有如權(quán)利要求10、權(quán)利要求11或12中所提出的作為帶有發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的整體結(jié)構(gòu)的一部分的渦輪轉(zhuǎn)子。
本發(fā)明關(guān)于發(fā)電機(jī)的上述其他方面可適用于渦輪發(fā)電機(jī)單元，該渦輪發(fā)電機(jī)單元包括殼體，其限定用于流體流從其中穿過的管道；位于管道中的渦輪轉(zhuǎn)子，用于被從其中經(jīng)過的流體流旋轉(zhuǎn)，所述轉(zhuǎn)子包括多個轉(zhuǎn)子葉片；以及其連接到渦輪轉(zhuǎn)子上從而被驅(qū)動的發(fā)電機(jī)，所述發(fā)電機(jī)包括轉(zhuǎn)子組件和定子組件。根據(jù)本發(fā)明的其他方面，所述轉(zhuǎn)子組件與渦輪轉(zhuǎn)子整體制成或者是帶有渦輪轉(zhuǎn)子的整體結(jié)構(gòu)。
與該其他方面相關(guān)的是，本發(fā)明還提供如權(quán)利要求13所提出的渦輪發(fā)電機(jī)。
根據(jù)本發(fā)明的渦輪單元和渦輪發(fā)電機(jī)的這些和其他特征、實施例和優(yōu)點在所附的權(quán)利要求書、摘要和參照附圖的優(yōu)選實施例的下列詳細(xì)說明中進(jìn)行描述。
本發(fā)明及其實施將參照附圖中所說明的其優(yōu)選實施例進(jìn)行描述。



圖1a和1b顯示了體現(xiàn)本發(fā)明的渦輪發(fā)電機(jī)單元的透視外部視圖； 圖2在概略圖中顯示了渦輪發(fā)電機(jī)單元的軸向截面視圖； 圖3顯示了渦輪單元的連續(xù)段及其界面的示意性半軸向視圖； 圖4a和4b分別顯示了絕對流動速度(C)和靜壓(P)作為流體流動通過渦輪單元的連續(xù)段的距離(x)的函數(shù)； 圖5顯示了與入口導(dǎo)向翼片(IGV)和渦輪轉(zhuǎn)子段有關(guān)的矢量速度關(guān)系，速度三角形a)和b)分別涉及界面92和93； 圖6是將圖5的圖a)和b)組合在一起的歸一化的矢量圖； 圖7顯示了通過渦輪單元的入口段的部分以及與流體進(jìn)入入口段相關(guān)聯(lián)的流線； 圖7a顯示了在入口段的內(nèi)外表面之間確定的壓力差和速度差； 圖8顯示了通過渦輪發(fā)電機(jī)單元的橫截面，以便顯示形成為發(fā)電機(jī)的部分的轉(zhuǎn)子段的正視圖，僅顯示了一個轉(zhuǎn)子葉片； 圖9顯示了通過圖2的渦輪發(fā)電機(jī)單元的修改實施例的概略軸向橫截面；以及 圖10顯示了通過更大比例的圖9的發(fā)電機(jī)單元的徑向橫截面圖。

具體實施例方式 下面將針對渦輪發(fā)電機(jī)描述本發(fā)明，所述渦輪發(fā)電機(jī)包括制成為與發(fā)電機(jī)或直流發(fā)電機(jī)組合的整體的部件的渦輪單元。將描述的實施例包括作為渦輪轉(zhuǎn)子的整體部件的發(fā)電機(jī)構(gòu)件。然而，渦輪單元本身作為將流體流的能量轉(zhuǎn)換成機(jī)械能、特別是旋轉(zhuǎn)能的轉(zhuǎn)換器，這種設(shè)計可適用于渦輪發(fā)電機(jī)，其中，發(fā)電機(jī)相對于渦輪機(jī)是一單獨(dú)實體，且該發(fā)電機(jī)接合到渦輪上而由渦輪的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動。下列說明將描述渦輪發(fā)電機(jī)單元的主要構(gòu)件，隨后更詳細(xì)地考慮渦輪單元，以及其后更詳細(xì)討論將與渦輪發(fā)電機(jī)單元合并的發(fā)電機(jī)。
渦輪發(fā)電機(jī)單元 圖1a和1b的每一個顯示了體現(xiàn)本發(fā)明的渦輪單元的外部視圖并顯示了結(jié)構(gòu)的主構(gòu)件。在這些圖中看不見單元內(nèi)的發(fā)電機(jī)。如下所述，整個渦輪單元具有連續(xù)的段，假設(shè)單元將由單元浸沒其中的流體的流動體來提供動力。將特別假設(shè)為水的流動體。
渦輪單元具有可繞單元的縱軸旋轉(zhuǎn)的渦輪轉(zhuǎn)子10。轉(zhuǎn)子10設(shè)置用于在圓環(huán)形殼體20中旋轉(zhuǎn)，該殼體提供了用于穿過其中的大致軸向流動通道的管道。殼體20包括具有入口開口32的入口段30。水沿著大致軸向流動方向F流動進(jìn)入入口段。入口段30沿朝向轉(zhuǎn)子10的流動方向F由寬逐漸變窄。
在入口段30和渦輪轉(zhuǎn)子10之間的是一組入口導(dǎo)向翼片40(方便地稱為IGV 40)。其外端部42附連到殼體20的內(nèi)表面上而且其內(nèi)端部44附連到軸向隆起50上，由此，隆起在流動管道中的軸向中心位置被支撐。入口導(dǎo)向翼片提供一個段，該段將渦旋分量賦予進(jìn)入IGV段40的軸向水流。渦旋分量驅(qū)動作為反作用渦輪的渦輪轉(zhuǎn)子10，將在下面更充分地解釋。渦輪轉(zhuǎn)子10的葉片12被固定到可旋轉(zhuǎn)地安裝到隆起50上的轉(zhuǎn)子轂60上，從而繞公共縱軸旋轉(zhuǎn)。稍后將參照圖2描述該構(gòu)造。轉(zhuǎn)子10的下游側(cè)通向通過支撐件(未示出)安裝到殼體20的尾部的擴(kuò)散器70。擴(kuò)散器70沿向后或下游方向向外張開。擴(kuò)散器的重要特征是，它提供了從單元外部吸到內(nèi)部的擴(kuò)散器腔室的水的補(bǔ)充流。用于使水周圍的補(bǔ)充流能夠進(jìn)入擴(kuò)散器70的裝置在圖1a和1b中被顯示為一對環(huán)形槽72、74。從而，離開擴(kuò)散器尾部的水的總流量是通過殼體20和經(jīng)過轉(zhuǎn)子10的流量加上通過環(huán)形槽吸入的補(bǔ)充流量。這將能夠獲得重要的操作益處，解釋如下。
可以設(shè)想出許多提供補(bǔ)充流的引入方式。隨后提及一些方式。所示的已說明的槽布置提供了在殼體20的尾部和第一擴(kuò)散器部件70a之間的第一槽72，和在部件70a和第二擴(kuò)散器部件70b之間的第二槽74b。所述槽面向補(bǔ)充流。第一擴(kuò)散器部件70a在軸向方向上與殼體20的尾部重疊，而且其直徑較大以形成前向槽72。類似地，第二前向槽74通過部件70b和70a的重疊而形成。殼體20和部件70a以及部件70a和70b可通過徑向支柱73和75在重疊區(qū)中連接。槽通過重疊部件來限定不是必需的，如下文所描述的修改實施例將變得明顯。
在圖2中更好地看到了渦輪單元的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，其顯示了繞縱軸A-A基本圓周對稱的概略軸向截面。相同附圖標(biāo)記表示與圖1a和1b中相同的部件。
如稍后的說明將變得更明顯，該單元的外部設(shè)計和外部流的方面對于從流動通過和環(huán)繞該單元的水中有效率地提取能量(動力)的單元的構(gòu)造相當(dāng)重要。水流動的方向由箭頭F指示。上游在圖的左邊。
圖2更詳細(xì)地顯示了渦輪發(fā)電機(jī)單元的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，其中渦輪單元的轉(zhuǎn)子與發(fā)電機(jī)80的轉(zhuǎn)子形成為整體結(jié)構(gòu)。在圖2中，環(huán)形殼體20具有IGV 40被支撐(翼片被示意性顯示為塊)在其中的第一中間部分20a和渦輪轉(zhuǎn)子10在其中旋轉(zhuǎn)(渦輪翼片被示意性顯示為塊)的內(nèi)徑更大的第二中間部分20b。殼體部分20b的外步進(jìn)段用于容納發(fā)電機(jī)80的轉(zhuǎn)子構(gòu)件，如下所述。擴(kuò)大的入口段30在殼體20的前面部分20c中形成并且通入IGV 40中。殼體的后面部分20d提供了渦輪轉(zhuǎn)子10和擴(kuò)散器70之間的流動連接。
如上所應(yīng)注意的，IGV 40安裝在隆起50和殼體(部分)20a的內(nèi)表面之間，從而支撐對準(zhǔn)在軸線A-A上的隆起。轉(zhuǎn)子轂60帶動轉(zhuǎn)子葉片12(圖1a和1b)在殼體20的中間部分20b內(nèi)旋轉(zhuǎn)。已說明的隆起50支撐軸向突出的主軸52，轂60繞該主軸在滾珠軸承座圈62上旋轉(zhuǎn)。應(yīng)該理解的是，可設(shè)想出可旋轉(zhuǎn)地將旋轉(zhuǎn)轂60支撐到固定隆起50上的許多方式。
已經(jīng)提到了殼體的部分20b與IGV 40在其中被支撐的部分20a相比具有較大內(nèi)徑。轉(zhuǎn)子10具有基本上等于殼體部分20a的內(nèi)徑的外徑(在轉(zhuǎn)子葉片的尖端處)以便接收通過IGV 40輸送的流。轉(zhuǎn)子尖端從而與殼體部分20b的內(nèi)表面20e間隔開，而且在該空間中被形成為發(fā)電機(jī)80的轉(zhuǎn)子部件的環(huán)形結(jié)構(gòu)接收。環(huán)形結(jié)構(gòu)包括附接到轉(zhuǎn)子葉片尖端上的環(huán)82，磁體84嵌入所述環(huán)82中，當(dāng)轉(zhuǎn)子10旋轉(zhuǎn)時，該磁體移動接近相鄰表面20e。環(huán)82的內(nèi)表面形成IGV 40所附連的殼體部分20a內(nèi)表面的延長部。如果隆起50和轂60在到IGV 40的入口和轉(zhuǎn)子10的出口之間是相同直徑，而且同樣地，由殼體部分20a和表面82形成的通道外徑是相同，則提供了具有恒定的橫截面積(忽略翼片和轉(zhuǎn)子葉片)的平順流動通道。磁體84提供了與一組線圈86相聯(lián)的磁通量，該線圈86支撐在殼體部分20b中的環(huán)形組件中并且延伸到表面20e或緊密鄰近表面20e，從而獲得線圈和磁體之間的最大聯(lián)接或磁耦合。發(fā)電機(jī)80將進(jìn)一步討論如下。還將看出環(huán)82的后內(nèi)表面88朝向殼體內(nèi)表面20e向外張開以有助于沿表面的流體平順流動。
殼體20位于渦輪轉(zhuǎn)子的后部的部分20d提供了擴(kuò)散器70的輸入部分，該擴(kuò)散器在如向外展開的部件70a和70b所描述的沿下游方向延伸，其帶有設(shè)在殼體部分20d和第一擴(kuò)散器部件70a之間的第一入口槽72和設(shè)在部件70a和70b之間的第二擴(kuò)散器槽74。未顯示部件20d和70a之間的支撐件以及部件70a和70b之間的支撐件。
如上所述的槽72和74朝向渦輪發(fā)電機(jī)單元外部的流體流F，擴(kuò)散器部件70a的前邊緣部分71a在該端與殼體部分20d的尾邊緣部分軸向重疊；同樣，擴(kuò)散器部件70b的前邊緣部分71b與部件70a的尾邊緣重疊。前邊緣71a和71b以類似于由殼體部分20c所提供的入口段30的成形方式成形以引導(dǎo)流體流進(jìn)入擴(kuò)散器內(nèi)部，進(jìn)一步討論如下。
所述槽的另一個特征是槽72將補(bǔ)充的附加流傾斜地沿由箭頭S1所示的軸線引導(dǎo)槽74以較小或較窄(shallow)的角度將流體流以更接近平行于由箭頭S2所示的軸線導(dǎo)向。擴(kuò)散器的操作將更充分地討論如下。
迄今，已經(jīng)概述了渦輪發(fā)電機(jī)單元的主要構(gòu)件，現(xiàn)在將更詳細(xì)地考慮整個渦輪單元的單獨(dú)段。
渦輪單元 與通過它的流動相關(guān)的渦輪單元的操作可根據(jù)該單元的連續(xù)段以及相鄰段之間的各個界面來考慮。單元的段和界面如圖3所示。入口段30提供了流動流進(jìn)入的入口界面90和帶有IGV段40的入口段/導(dǎo)向翼片界面91。IGV 40通向帶有轉(zhuǎn)子10的入口側(cè)的界面92。轉(zhuǎn)子10的出口側(cè)具有帶有擴(kuò)散器70的入口的界面93，而且擴(kuò)散器具有回流入流動流的出口界面94。進(jìn)入擴(kuò)散器70的補(bǔ)充量未在圖3中顯示，隨后進(jìn)行討論。
首先進(jìn)行的更詳細(xì)的考慮是入口導(dǎo)向翼片和渦輪轉(zhuǎn)子的組合。導(dǎo)向翼片和轉(zhuǎn)子葉片形狀的設(shè)計使用現(xiàn)有技術(shù)已知的技術(shù)。入口導(dǎo)向翼片40在界面91處接收軸向定向流并且在界面92處為其引入切向定向的分量或渦旋分量。該渦旋分量作用在轉(zhuǎn)子葉片12上以旋轉(zhuǎn)用作反作用渦輪的轉(zhuǎn)子。
下列說明介紹了在不同界面可以具有不同值的各種參數(shù)。參數(shù)(例如C、V、h或H)所附的下標(biāo)0、1、2、3或4表示分別在界面90、91、92、93和94處的參數(shù)值。
如已經(jīng)注意到的水力渦輪單元被描述成反作用類型。目前所考慮的單元的相關(guān)段是包括界面91、92和93的IGV 40和轉(zhuǎn)子10。用于測量角度的數(shù)據(jù)是軸向流A-A的方向。角α與表示絕對流速C的矢量相關(guān)角β附屬于表示與平均轉(zhuǎn)子葉片半徑rm處的轉(zhuǎn)子葉片相關(guān)的流速V矢量。假設(shè)在界面91處進(jìn)入IGV 40的流是軸向的(α＝0)，并且假設(shè)退出轉(zhuǎn)子的流在界面93處進(jìn)入擴(kuò)散器還是軸向的(α＝0)。除了速度C和V之外，還參考平均半徑rm處的轉(zhuǎn)子葉片的切向速度U，使得U＝Ωrm其中，Ω是轉(zhuǎn)子10旋轉(zhuǎn)的角速度。
利用的兩個其他參數(shù)是無量綱(歸一化的)的流動參數(shù) φ＝Cn/U (1) 其中n指相關(guān)界面，而且給出作用在渦輪單元上的壓頭ψ為 ψ＝ΔH/U2 (2) 其中ΔH表示界面91和93之間的流體流動的總焓的變化。
從而ΔH＝H1-H3 (3) 渦輪單元(IGV 40加上轉(zhuǎn)子10)的反作用力R可表示如下 其中h表示靜焓，H表示總焓。
現(xiàn)在參照圖5，通過段40和10的軸向方向是豎直的從上到下的。將討論的速度三角形涉及平均葉片半徑rm處的流動。水以絕對速度C1進(jìn)入IGV 40。然后其隨著翼片角度增加到導(dǎo)向翼片的出口角α2而被逐漸加速，使得在界面92處的流的絕對速度由C2表示。C2可被表示為 其中，Vw是IGV 40給出的渦旋或切向速度分量。C1和Vw如圖a)的虛線所示。
水現(xiàn)在進(jìn)入轉(zhuǎn)子10從而沖擊其葉片12并以速度Ω旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子。
退出轉(zhuǎn)子10的水希望沿軸向方向以絕對速度C3流動而且速度V3相對轉(zhuǎn)子成β3角。理想地，渦旋或切向速度分量Vw在為轉(zhuǎn)子10提供動力的過程中已經(jīng)完全被消散。如果流動保持通過單元的連續(xù)性，還應(yīng)該注意的是C3＝C1并且通過渦輪單元的軸向流速度保持恒定。這假設(shè)了流動通道的橫截面面積A1和A3是相等的。在參照圖2描述的結(jié)構(gòu)中，A1＝A2＝A3。
圖5中的圖a)和b)中給出的速度三角形可以被組合，如圖6中所示，其中速度矢量參照轉(zhuǎn)子速度U被歸一化，從而變成無量綱的。轉(zhuǎn)子速度矢量U從而變成單位一(1.0)而且軸向流速可被歸一化成φ＝C1/U＝C3/U。作用在渦輪單元上的歸一化的壓頭ψ也可在圖6中看到。還顯示了IGV40中的流動偏轉(zhuǎn)角度εs以及穿過轉(zhuǎn)子的流的流動偏轉(zhuǎn)角度εR。
通過使用這些無量綱的速度三角形，使用下列關(guān)系來限定角度和速度 α2＝εs＝arctan(ψ/φ) 為了概括上述所討論的內(nèi)容，IGV 40將旋轉(zhuǎn)的渦旋分量施加給流體并且該運(yùn)動能量被轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子葉片上的轉(zhuǎn)矩。渦輪提取的動力正比于作用在轉(zhuǎn)子上的渦旋速度。為了使能量損耗最小，退出渦輪轉(zhuǎn)子的流應(yīng)該具有最小的渦旋。在本討論中忽略了比如外表摩擦的損失和剪切損失， 根據(jù)在界面91和93處的總焓，效率ηTT可被表示成 其中ζS和ζR分別是入口導(dǎo)向翼片(定子)和渦輪轉(zhuǎn)子的損失系數(shù)。這些系數(shù)考慮了外形的摩擦損失和次要的流動損失。
整個系統(tǒng)的從入口界面90到出口界面94的靜態(tài)壓力和總壓力的變化可以通過使用伯努利方程并且通過使用各種界面處的絕對速度分量來實現(xiàn)。
還可以考慮渦輪段中的水力損失。
涉及IGV和轉(zhuǎn)子段的設(shè)計參數(shù)的前述討論是指用平均葉片半徑rm確定的參數(shù)。為了實現(xiàn)整個設(shè)計樣機(jī)，其水力設(shè)計在三個階段中進(jìn)行。
首先，使用一維模型來限定基本尺寸、速度分量和處于中跨橫截面處的入口和出口的葉片的角度。假設(shè)所述流為轉(zhuǎn)子的軸向上游而且一個設(shè)計目的是最小化在轉(zhuǎn)子處排放的次要(渦旋)流，從而假設(shè)軸向流進(jìn)入擴(kuò)散器。由于葉片表面上的摩擦并且由于次要流的原因，考慮了水力損失。假設(shè)沿葉片跨度的功的分布相同，認(rèn)為是自由渦流設(shè)計。利用該假設(shè)來指定在轂和入口導(dǎo)向翼片以及轉(zhuǎn)子的尖端部分處的葉片角度。
在第二步中，進(jìn)行葉片的幾何設(shè)計。在近轂、近尖端和中跨部分使用專用的葉片外形，而且將它們連接在一起以便形成三維葉片形狀。
在第三步中，進(jìn)行湍流的三維計算流體動力學(xué)分析以便評定渦輪段的液力性能和預(yù)測IGV與轉(zhuǎn)子通道內(nèi)部的詳細(xì)流動現(xiàn)象。該分析提供了壓力和速度分布的詳細(xì)說明以及整體的性能參數(shù)(比如功率輸出、效率和轉(zhuǎn)矩)。
需要第二和第三步驟的許多次迭代以便實現(xiàn)目標(biāo)液力性能參數(shù)。渦輪設(shè)計領(lǐng)域的技術(shù)人員有能力想到這些步驟的詳細(xì)性能。
在這三個設(shè)計步驟之前進(jìn)行參數(shù)研究以便確定產(chǎn)生有用渦輪設(shè)計的參數(shù)間隔。已發(fā)現(xiàn)為了歸納設(shè)計程序，無量綱流動系數(shù)φ和ψ應(yīng)該被選成獨(dú)立變量。上述已經(jīng)討論了該程序。
為了進(jìn)一步考慮整個渦輪單元的從入口到包括入口段30和擴(kuò)散器70的出口的操作，再次參照圖3以及圖4a和4b的速度和壓力曲線，圖4a和4b示例性地說明了通過整個單元的速度和壓力變化的曲線。應(yīng)該理解的是這些圖是為了示意的目的，而且與圖3相同，它們不旨在確定比例。
現(xiàn)在注意的是輸入段30的設(shè)計。因為單元將被浸沒在流動水中，必須意識到水找到繞單元外部的流動通道和找到通過單元的流動通道是類似的。輸入段如此成形使得將水以漏斗的形式(funnelling)提供給輸入導(dǎo)向翼片40和轉(zhuǎn)子10。輸入段在界面90(圖3a)處具有比界面91處的面積A1更大的有效輸入或收集面積A0，使得在A1處的流速以A0/A1增加。因而，輸入段的用途是為了從上游收集盡可能多的流并且將其加速到界面91的面積A1處的較大速度C1，該速度給定為 C1＝C0·A0/A1(7) 其中C0是界面90處的軸向流動速度，關(guān)于這一點將在下面另外敘述。輸入段30的成形的一個特征是有效輸入面積大于入口開口32的實際面積。
參考如圖1a、1b和2中所說明的輸入段30，殼體的前部20c具有張開的或漸變的內(nèi)表面22，從實際嘴32到入口導(dǎo)向翼片40變窄。實際嘴是殼體的環(huán)形前邊緣或外周。此外，該張開表面是曲面并且具有比較平的殼體部分20c的外表面24更大的曲率(下述提到的角度變化率更小—曲率是角度變化率的反函數(shù))，所述外表面24在形狀上更接近環(huán)形圓柱體。表面22和24合并處的外周32應(yīng)該具有光滑的過渡以避免將湍流引入到進(jìn)入殼體部分以及殼體部分20外部的水流中。表面22和24的曲率的差別在于將不對稱性引入入口段30，該入口段具有捕獲通過面積比實際嘴32更大面積的水流的效果。根據(jù)圖3限定的界面90與有效地位于圖2中的入口外周32的上游的界面是等效的。在上述的美國專利6,013,955中公開的渦輪單元的入口嘴具有不大于入口嘴的實際面積的捕獲面積。
入口段的嘴的不對稱性設(shè)計的優(yōu)點可在圖7中看到，圖7中顯示了通過環(huán)形殼體部分20c的示意性徑向部分，該環(huán)形殼體部分限定了入口段以及其在外周32處會合但相對軸26從該處不對稱地發(fā)散的內(nèi)表面22和外部表面24。軸26包括外周32的抽象的圓柱體軸A-A。如已經(jīng)提到的，內(nèi)外表面24和26應(yīng)該在外周點32處形成光滑的曲面或過渡，如通過在該點處共享公切線。
表面22和24可以是橢圓段，當(dāng)外表面24從公共切點發(fā)散時，外表面24比內(nèi)部表面22呈現(xiàn)更大的切線與表面間的夾角的變化率不是必需的。如所看到的，表面24較快地變得基本平坦而平行于軸A-A，而表面22更逐漸地向內(nèi)漸變以便給出橫截面面積的更快變化。該不對稱性設(shè)計的結(jié)果是與表面22相關(guān)聯(lián)的內(nèi)部流的壓力從外周32(滯點)處的下降比外部流更快。這在圖7a中通過各自的與表面22和24有關(guān)的實線壓力(P)曲線進(jìn)行了說明，其中原點在橫坐標(biāo)軸上，嘴32和橫坐標(biāo)是在流向界面91的方向上的軸向距離。伴隨而來的是，在內(nèi)外表面處的水速度以與虛線曲線所表示的壓降相反的方式增加。壓差使水流入嘴32，如流線100所表示的。如從流線100可以看出的，從延伸區(qū)的上游區(qū)域捕獲水，使得當(dāng)界面90與嘴32的實際面積直接相關(guān)聯(lián)時，其具有比A0大的有效橫截面積。此外，壓差有助于使渦輪單元朝向流動方向F。外表面較平坦給外部流最小的擾動并且避免引起不想要的壓力梯度和流體加速/減速。當(dāng)然，內(nèi)表面24被設(shè)計成盡可能提供最平順的流動(最低的邊界層阻力)以實現(xiàn)上述增強(qiáng)的捕獲面積。
如已經(jīng)指出的，所描述的張開的入口段形狀與殼體主體的外表面的不對稱性組合在一起產(chǎn)生重要特征，即單元“自動導(dǎo)向(self-head)”水流。這使在需要位置處的單元的束縛或其他固定物的布置更簡單，特別是在單元的方位時時需要跟隨流動方向改變的情況下。該自動導(dǎo)向能力相對于上述提到的美國專利6013955所顯示的結(jié)構(gòu)具有顯著優(yōu)點，在該美國專利中渦輪單元被支撐在響應(yīng)于流動方向的翼片結(jié)構(gòu)上，并且依次被可旋轉(zhuǎn)地支撐在較大的基部結(jié)構(gòu)上。
現(xiàn)在轉(zhuǎn)向擴(kuò)散器70，其最初可認(rèn)為是連續(xù)張開的表面，沒有布置將補(bǔ)充流引入擴(kuò)散器腔室的設(shè)備。這是如圖3所說明的擴(kuò)散器。擴(kuò)散器通過將界面93處確定的低壓恢復(fù)到出口界面94處的環(huán)境壓力而適合壓力恢復(fù)的功能。擴(kuò)散器應(yīng)該使壓力能夠恢復(fù)而無不希望的效果(比如氣窩現(xiàn)象或損失邊界層的穩(wěn)定性)。
擴(kuò)散器的功能將被描述成用于確定通過單元的速度和壓力的全部流體參數(shù)的構(gòu)件之一。在圖4a和4b中分別說明了絕對速度C和壓力P的變化與通過渦輪單元的能量提取相關(guān)聯(lián)。它們顯示為沿渦輪軸的軸向距離的函數(shù)，而且細(xì)豎直線表示圖3a的界面90-94相對于速度和壓力曲線位置。速度C是在給定軸向位置處的絕對流速。速度矢量不必須是軸向的。壓力P是在給定軸向位置處的靜壓。為了便于說明，圖4a和4b的線圖的每一個顯示了稍微簡化而成的一系列直線段。被應(yīng)用于下列說明中的參數(shù)C和P的下標(biāo)0-4分別涉及界面90-94處的值。
兩個線圖從界面80的上游點處開始并且顯示了與流動流或其他水體相關(guān)的初始速度C0和壓力P0。如已經(jīng)描述的，由于在入口段30的加速，速度在界面91處增加到值C1，如在上述方程(4)中得出的以及圖3a可看到的那樣。然而隨著速度增加壓力減小。在界面91和92之間，當(dāng)流體穿過IGV 40時，流體速度繼續(xù)增加。在此處速度是具有由導(dǎo)向翼片增添的切向分量或渦旋分量的流體絕對速度。其由上述方程(5)可知。
在反作用渦輪轉(zhuǎn)子10處產(chǎn)生的功率以Vw(圖5)值增加。為了賦予渦旋速度分量，導(dǎo)向翼片轉(zhuǎn)動角度被選擇用來優(yōu)化Vw的值。然而，渦旋速度分量Vw的增加伴隨著在通向轉(zhuǎn)子10的入口界面92處的增大的壓降。
速度從C1加速到C2伴隨著通向轉(zhuǎn)子10的壓力從P1下降到P2。給出界面92處的壓力為 其中，ρ是流體(即水)的密度。
退出轉(zhuǎn)子葉片的流體速度將下降到值C3，在該點處，施加在轉(zhuǎn)子入口處的渦旋分量理想地已經(jīng)減少到零。在界面93處，絕對流速C3是軸向的而且等于C1，如參照圖5(忽略損失)的解釋。壓力將顯著下降至一低值P3。理想地，由渦輪轉(zhuǎn)子提取的功率W正比于轉(zhuǎn)子中的壓降Pd和體積流量Q，即 W＝Q·Pd＝ρ·C2A2(P2-P3) (9) 按照方程(9)，理想地，P3的值將被最小化以最大化Pd的值。然而，實際上可獲得的P3的最小值受下游擴(kuò)散器70中的壓力恢復(fù)極限的限制，而且需要避免氣窩現(xiàn)象(尤其是在高速流中)。因而在擴(kuò)散器處減輕壓力恢復(fù)限制的設(shè)施是有價值的?，F(xiàn)在將更全面地考慮擴(kuò)散器的性能。
如已經(jīng)描述的，退出轉(zhuǎn)子10的水在低壓下具有動能。由擴(kuò)散器提供的壓力恢復(fù)必須將水離開轉(zhuǎn)子的動能轉(zhuǎn)換成壓力增加。假設(shè)速度C3是完全軸向的而且忽略從界面93到界面94的壓力損失，擴(kuò)散器70中的壓力恢復(fù)可表示如下。
在界面93處，可利用的能量(靜態(tài)的和動態(tài)的)是 在界面94處，可利用的能量(靜態(tài)的和動態(tài)的)是 以及 當(dāng)這些能量相等時，在擴(kuò)散器70中獲得的壓力恢復(fù)Pr為P4-P3，使得從上述給出的在界面93和94處的能量表達(dá)式Pr可被表示成 還假設(shè)在界面93和94的每一處的水流的質(zhì)量平衡， C3A3＝C4A4 其中A3和A4分別是界面處的流動橫截面面積。
從而，壓力恢復(fù)Pr可被表示成 可看出當(dāng)A3<<A4時，壓力恢復(fù)接近其最大值

擴(kuò)散器將流動截面從A3擴(kuò)大到A4的漸變必須被保持得足夠低以便沿著擴(kuò)散器表面建立穩(wěn)定的邊界層條件并且從而避免在通過界面93的水流和該水流最終并入的周圍水之間引入湍流。
再次參照圖4a和4b，沿著擴(kuò)散器的流速C的減小由壓力P的增加來匹配，擴(kuò)散器具有足夠的長度來提供到周圍水的流動的平順過渡，在界面94處的C和P的值接近入口界面90處的值 圖3的擴(kuò)散器到目前為止已經(jīng)忽略了用于將補(bǔ)充流引入擴(kuò)散器的槽72、74(圖1a、1b和2)。圖2通過箭頭S1和S2分別表示了在點72和74處將補(bǔ)充流引入擴(kuò)散器70。進(jìn)入上游槽72的補(bǔ)充流體以一角度被導(dǎo)入退出轉(zhuǎn)子10的流。進(jìn)入下游槽的補(bǔ)充流體以基本上平行于該流的一角度被導(dǎo)入與擴(kuò)散器的出口相鄰的流。
回到方程(11)，最大壓力恢復(fù)為 由補(bǔ)充流提供給擴(kuò)散器槽72和74的是補(bǔ)充動能項的引入，壓力恢復(fù)可從該補(bǔ)充的動能項獲得。在僅一個以速度Cs引入補(bǔ)充流的槽的情況下，其添加的附加項為

對于兩個或多個槽，其可表示為

其中∑表示各個槽貢獻(xiàn)的最終結(jié)果。
因而，最大壓力恢復(fù)可表示為 這些附加因素使得 1)將使轉(zhuǎn)子中的壓降Pd大于其他可能的情況 2)將使轉(zhuǎn)子出口(界面93)處的流動速度小于其他可能的情況 3)將擴(kuò)散器的長度(以及其最終出口的橫截面)減少到其他可能需要的情況。
可能性可以單獨(dú)或以選定組合來實現(xiàn)。
應(yīng)該意識到，如已經(jīng)表示的，用于引入補(bǔ)充流的裝置可以是除了槽以外的裝置?？衫闷渌问降目?，優(yōu)選保持繞擴(kuò)散器軸的流體的引入基本上均勻。在擴(kuò)散器中可包含一個或多個穿孔或篩眼部分。
槽的優(yōu)選特征是通過上游槽72(或其他等同方式)的向內(nèi)流S1應(yīng)被向內(nèi)指向軸A-A(即與軸成一角度)，如箭頭S1所表示的。而通過下游槽74(或其他等同方式)的向內(nèi)流應(yīng)該更接近平行于軸A-A。還優(yōu)選以類似于參照圖2到圖7所描述的入口段30的前邊緣部分的方式來使擴(kuò)散器部件70a和70b的前邊緣部分71a和71b成形。也就是給定內(nèi)表面比外表面的曲率更大。后殼體部分20d和擴(kuò)散器部件70a的前邊緣部分71a的重疊部分的成形，以及擴(kuò)散器部件70a的尾邊緣部分和擴(kuò)散器部件70b的前邊緣部分71b的成形應(yīng)該使得分別產(chǎn)生希望的向內(nèi)流動方向S1和S2，而與此同時保持內(nèi)部流的穩(wěn)定性，包括保持連接擴(kuò)散器腔室表面的邊界層的穩(wěn)定性。
已經(jīng)提到入口段的自動導(dǎo)向設(shè)計用來對準(zhǔn)流的向內(nèi)方向。該特征相當(dāng)有助于在流動流體中支撐或束縛整個組件。該束縛受朝向殼體20前面的附件影響，使得該單元趨于起翼片作用，即使不采用其他自動導(dǎo)向措施。應(yīng)該理解的是如果需要的話所描述的設(shè)計不排除布置外翼片。
已經(jīng)針對從流動流體(尤其是水)中獲得的運(yùn)動動力進(jìn)行了前述說明。在此該教導(dǎo)還可適用于由流動的氣體(比如空氣)提供動力的渦輪單元。
發(fā)電機(jī) 可從渦輪單元得到的機(jī)械能的一個顯而易見的使用是電力的產(chǎn)生，但該應(yīng)用不局限于該領(lǐng)域。發(fā)電機(jī)(動力驅(qū)動)可以是連接到轉(zhuǎn)子上的單獨(dú)實體，盡管它仍可以被容納在整個單元內(nèi)。例如，發(fā)電機(jī)可被容納在如在圖1a、1b和2可看到的隆起/轉(zhuǎn)子轂組件50、60中。
圖2中說明的替代方案將使用渦輪轉(zhuǎn)子以便還提供發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子元件或部件，使得不需要從轉(zhuǎn)子連接到發(fā)電機(jī)的單獨(dú)傳動。一個可能性是將各個永久磁體嵌入每一個轉(zhuǎn)子葉片頂端以旋轉(zhuǎn)經(jīng)過一組沿周向(有角度地)間隔開的線圈，該線圈被支撐在殼體20的部分20b中。
已經(jīng)參照圖2概述了更優(yōu)選的構(gòu)造，其中永久磁體84嵌入的環(huán)82被附連到渦輪轉(zhuǎn)子10以隨其旋轉(zhuǎn)，從而一起作為發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子。該整體構(gòu)造應(yīng)該能夠保持平衡旋轉(zhuǎn)。
圖8說明了帶有殼體部分20b的渦輪轉(zhuǎn)子10的正視圖。環(huán)82被附連到轉(zhuǎn)子葉片的尖端，僅顯示了一個。磁體84被嵌入環(huán)82而從環(huán)82的外表面上顯露出來。為了保護(hù)的目的，磁體可以不在外表面處顯露出來，但是可以被圍繞環(huán)82的薄套管保護(hù)。將磁體與轉(zhuǎn)子葉片12分隔的一個優(yōu)點是磁體的數(shù)量的選擇不取決于轉(zhuǎn)子葉片的數(shù)量。
雖然圖2顯示了嵌入殼體部分20b的發(fā)電機(jī)線圈，但是圖8顯示了更優(yōu)選的布置，其中殼體部分20b形成為兩個環(huán)形部件。圖8中以20b表示的外部件與殼體20的剩余部分成一體。緊密地固定在外部件內(nèi)的是可插入部件88，其可以延伸到殼體20的尾部或環(huán)繞轉(zhuǎn)子環(huán)82的定子組件并且從殼體20的尾部或環(huán)繞轉(zhuǎn)子環(huán)82的定子組件插入，該轉(zhuǎn)子環(huán)82通過殼體的向后延伸的內(nèi)部部分而定位在適當(dāng)位置?？刹迦氩考梢员绘I入到殼體使其固定以抵抗旋轉(zhuǎn)?？刹迦氩考?8從而提供了先前參照圖2提到的具有內(nèi)部表面20e的發(fā)電機(jī)定子元件。部件88包含線圈86，該線圈向內(nèi)凸出而終止在表面20e處或與表面20e相鄰，以便與橫跨氣隙G的磁體84磁性接合。線圈的數(shù)量通常等于磁體的數(shù)量，通常為6-8個。渦輪轉(zhuǎn)子葉片的數(shù)量可處于4-10的范圍中。線圈86被支撐在鐵磁性電極件上，該鐵磁性電極件可以與環(huán)繞軸A的鐵磁性圓環(huán)87磁性地成為一體以形成整個磁路。整個鐵磁性結(jié)構(gòu)優(yōu)選層置以減少渦旋電流，使得其可被形成為一沖壓制品棧。
許多永久磁體發(fā)電機(jī)構(gòu)造是已知的，并且在精通發(fā)電機(jī)領(lǐng)域的技術(shù)人員的范圍內(nèi)是公知的。本發(fā)明設(shè)計的重要特征是保證發(fā)電機(jī)部件受到更好的保護(hù)，使之免受可以是腐蝕性的流動水或其他流體的損害。因而可以使用包括將元件嵌入耐腐蝕性塑料材料或密封套管中的技術(shù)。
磁體應(yīng)該是高性能材料，比如稀土磁體。磁體性能經(jīng)常由材料的能源產(chǎn)品提供。例如，燒結(jié)釹是高能源產(chǎn)品的稀土基的磁體材料，盡管其合成物具有高含鐵量。釤鈷是另一個選擇物，其無含鐵量。
轉(zhuǎn)子10可以由各種材料制成。耐腐蝕以及強(qiáng)度是要記住的一個因素。轉(zhuǎn)子應(yīng)該不易碎以避免受到水中攜帶的雜垢的損壞。轉(zhuǎn)子應(yīng)該是輕質(zhì)的，而且材料可鍛或可鑄造成體現(xiàn)渦輪轉(zhuǎn)子葉片設(shè)計特征的復(fù)雜曲線。轉(zhuǎn)子還應(yīng)該便宜以便于替換。作為單元的主要運(yùn)動部件，其可能將是第一個被破壞的?？梢韵氲降挠糜跐M足這些要求的材料是碳纖維、鑄造的或機(jī)械加工的鋁、硅青銅或環(huán)氧樹脂合成物和不銹鋼。這些是應(yīng)用到帶有單獨(dú)的發(fā)電機(jī)的渦輪單元和應(yīng)用到轉(zhuǎn)子被制成為發(fā)電機(jī)部件的渦輪單元都應(yīng)該關(guān)心的。入口段30可以設(shè)有格柵以限制至少較大的雜垢物進(jìn)入單元，而不過度影響流動。
應(yīng)該理解成線圈中感生的交流電壓的頻率是轉(zhuǎn)子速度的函數(shù)。如果發(fā)電機(jī)的輸出功率被整流以產(chǎn)生直流電源(D.C.)，則在上述一些較低速度下旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子所提供的速度變化的重要性小。
電流在其中流動的發(fā)電機(jī)80的定子部件88應(yīng)該被保護(hù)使其免受流動通過渦輪單元管道并沖擊轉(zhuǎn)子的水的影響。為此優(yōu)選提供用于發(fā)電機(jī)定子的不透水內(nèi)襯套或套管90，從而繞轉(zhuǎn)子延伸。襯套應(yīng)該保持盡可能薄以允許轉(zhuǎn)子磁體84到線圈磁極構(gòu)件的通道最近。襯套應(yīng)該不影響磁體84所發(fā)出的磁通量。雖然可使線圈處于轉(zhuǎn)子上而磁體位于定子上，在具有不包括電流的轉(zhuǎn)子支撐元件和將電流傳送給定子方面是相當(dāng)有利的。
附圖的圖9和10顯示了根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的渦輪發(fā)電機(jī)單元大致對應(yīng)于圖2和8部分并結(jié)合了構(gòu)造的一些目前優(yōu)選特征。為與在圖2和8看到的部件相同的部件給出了相同附圖標(biāo)記加上“100”的標(biāo)記。
如上所描述的實施例中，圖9的渦輪發(fā)電機(jī)單元包括殼體120，該殼體具有成形的入口段130，使水流F形成漏斗形狀或傾斜地先流入入口導(dǎo)向翼片140再到轉(zhuǎn)子110中。根據(jù)上述給出的考慮事項設(shè)計了轉(zhuǎn)子110和IGV 140。導(dǎo)向翼片140支撐軸向中心隆起150，套管(spigot)152在從該隆起處向后延伸并且終止于鼻部(nose)200，該鼻部向內(nèi)漸變以促進(jìn)所經(jīng)過的水的平順流動。套管152可以螺旋地接合隆起150中的螺紋孔。轉(zhuǎn)子10的葉片被固定到中心轂160上，該中心轂軸向地定位在隆起150和鼻部200之間的并且可繞套管152自由旋轉(zhuǎn)。
退出轉(zhuǎn)子110的水流流動通過殼體的后面部分120d而進(jìn)入擴(kuò)散器170的第一部件170a并且隨后進(jìn)入擴(kuò)散器的下游部件170b。槽172被限定在殼體部分120d和擴(kuò)散器的上游部件170a之間。槽174被限定在部件170a和170b之間。然而，應(yīng)該注意的是在本實施例中，殼體部分120d和擴(kuò)散器部件170a不重疊而是后者的前邊緣具有比前者的尾邊緣更大的直徑，同時殼體部分120d的外表面被成形為有助于進(jìn)入的補(bǔ)充流S1成漏斗形地進(jìn)入擴(kuò)散器，S1朝向軸A-A。同樣，在擴(kuò)散器部件170b和170a之間有很小的重疊，前者的前邊緣具有比后者的尾邊緣更大的直徑，以促進(jìn)進(jìn)入流動S2基本上沿軸A-A方向。
轉(zhuǎn)向圖9和10所說明的發(fā)電機(jī)，其遵循前述的具有環(huán)的實施例，該環(huán)由渦輪葉片所支撐并且支撐磁體。如在圖10中更好地看到的，環(huán)182被支撐在八個等角度布置的轉(zhuǎn)子葉片112的尖端處，該轉(zhuǎn)子葉片固定在轂160上。環(huán)182支撐多個等角度布置的弓形徑向磁體184，在所說明的實施例中是八個。每一個磁體被徑向磁化以呈現(xiàn)北外極或南外極而且磁體的極性輪換使得緊接相鄰的磁體為相反磁性。環(huán)繞轉(zhuǎn)子組件的殼體部分120b支撐多個等角度間隔開的線圈186，該線圈在這種情況下的數(shù)量等于磁體184的數(shù)量。每一個單獨(dú)線圈186還具有弓形形狀以匹配磁體行進(jìn)的路徑。所顯示的線圈為空氣間隔開的，其未纏繞在鐵磁性磁心材料上。如先前所表示的，還預(yù)期附加鐵磁性回路以提高效率。測試表明，尤其對于低功率要求的應(yīng)用，仍然可以產(chǎn)生非常有用的功率量。為了使磁體與線圈有效地磁性耦合，磁體和線圈之間的有效氣隙應(yīng)該保持最小值?，F(xiàn)在將特別參照圖9進(jìn)行描述，在本實施例中采用的構(gòu)造在實現(xiàn)該目標(biāo)中是有效的。
在圖9中看到的是由轉(zhuǎn)子支撐而且支撐磁體184的環(huán)182進(jìn)入殼體部分120b中的環(huán)形凹槽202。該凹槽向外延伸，從流體流動管道通過殼體120并終止于線圈186被接收在其中的環(huán)形腔室204。如先前所解釋的，殼體120可以被制成可分離件以允許發(fā)電機(jī)元件的放置和定位。
環(huán)形環(huán)182與磁體184被接收在其中的環(huán)形外凹槽212一起形成。優(yōu)選各個唇從凹槽212的每個壁的外端向內(nèi)凸出以便當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時保持磁體184抵抗離心力。磁體還可以通過粘合劑和所提供的防水覆蓋層(例如環(huán)氧樹脂覆蓋層)而被固定在適當(dāng)位置以保護(hù)磁體。
轂160可以被制成多于一個件。其可以包括轉(zhuǎn)子葉片112被附連在其上的主環(huán)形體222。該主環(huán)形體繞套管152旋轉(zhuǎn)并且較薄的滑動環(huán)224a和224b還繞套管152安裝到每一側(cè)。套管152的外端包括頭部226，該頭部固定抵靠鼻部200中的肩部，使得當(dāng)套管被固定在適當(dāng)位置時，鼻部、主體222和滑動環(huán)224a和224b都定位在套管的適當(dāng)位置。
應(yīng)該理解的是如所描述的和/或提出的各種特征可以以各種方式組合。
權(quán)利要求
1.一種渦輪單元，包括
殼體，其限定了用于流體流從其中穿過的管道，所述管道具有入口開口；
渦輪轉(zhuǎn)子，位于一部分管道中，所述渦輪轉(zhuǎn)子由于所經(jīng)過的流體的作用而旋轉(zhuǎn)；
所述殼體能夠被浸沒在流動的流體中，使流體既通過管道又通過殼體外部；
擴(kuò)散器，位于所述渦輪轉(zhuǎn)子的下游以接收從轉(zhuǎn)子排放的流體，所述擴(kuò)散器沿下游方向向外漸變，
其中
所述擴(kuò)散器包括用于從殼體外部向從轉(zhuǎn)子排放的流引入補(bǔ)充流體的裝置。
2.如權(quán)利要求1所述的渦輪單元，其中所述裝置包括擴(kuò)散器壁中的至少一個槽、孔、篩眼結(jié)構(gòu)等。
3.如權(quán)利要求1所述的渦輪單元，其中所述用于引入補(bǔ)充流的裝置位于擴(kuò)散器的上游部分并且被成形以便以一角度將補(bǔ)充流引入到退出轉(zhuǎn)子的流。
4.如權(quán)利要求1所述的渦輪單元，其中所述用于引入補(bǔ)充流的裝置位于擴(kuò)散器的下游部分并且被成形為在基本上平行于即將從擴(kuò)散器退出的流的方向上引入補(bǔ)充流。
5.如權(quán)利要求1所述的渦輪單元，其中所述用于引入補(bǔ)充流的裝置包括上游部件和下游部件，上游部件被定形為以一角度將補(bǔ)充流引入到退出轉(zhuǎn)子的流，下游部件被成形為在基本上平行于即將從擴(kuò)散器退出的流的方向上引入補(bǔ)充流。
6.如權(quán)利要求3或4所述的渦輪單元，其中所述裝置包括擴(kuò)散器壁中的槽、孔組、篩眼結(jié)構(gòu)等。
7.如權(quán)利要求5所述的渦輪單元，其中所述上游部件和所述下游部件中的每一個包括擴(kuò)散器壁中的槽、孔組、篩眼結(jié)構(gòu)等。
8.如前述權(quán)利要求1-7任一項所述的渦輪單元，其中所述裝置被成形為向前面向處于所述殼體外部的流。
9.如前述權(quán)利要求任一項所述的渦輪單元，其中所述渦輪轉(zhuǎn)子作為反作用渦輪起作用并且該單元還包括所述渦輪轉(zhuǎn)子上游的導(dǎo)向翼片組件，以將渦旋分量施加到通向轉(zhuǎn)子的流中。
10.如前述權(quán)利要求1-9任一項所述的渦輪單元，還包括發(fā)電機(jī)，所述發(fā)電機(jī)包括轉(zhuǎn)子組件和定子組件，所述轉(zhuǎn)子組件被安裝到所述轉(zhuǎn)子葉片上以隨其旋轉(zhuǎn)，而且所述定子組件被安裝在所述殼體上。
11.如前述權(quán)利要求任一項所述的渦輪單元，其中所述渦輪轉(zhuǎn)子被附連到轉(zhuǎn)子葉片上的環(huán)環(huán)繞以隨其旋轉(zhuǎn)，所述環(huán)支撐多個磁體和多個電線圈中的一種，而且殼體具有環(huán)繞所述環(huán)并且支撐定子組件中的所述多個磁體和多個線圈中的另一種的部分，由此當(dāng)渦輪轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，磁體與線圈磁耦合以提供發(fā)電機(jī)。
12.如前述權(quán)利要求1-11任一項所述的渦輪單元，其中所述渦輪轉(zhuǎn)子包括多個葉片，各個磁體被設(shè)在葉片的每一個的尖端部分處或尖端部分中，而且其中多個互連的線圈由圍繞渦輪轉(zhuǎn)子的殼體部分支撐以受由磁體產(chǎn)生的磁場影響并且從而與其一起形成發(fā)電機(jī)。
13.一種渦輪發(fā)電機(jī)單元，包括
殼體，限定了用于流體流從其中穿過的管道，
渦輪轉(zhuǎn)子，位于一部分所述管道中，所述渦輪轉(zhuǎn)子由于所經(jīng)過的流體流的作用而旋轉(zhuǎn)；該轉(zhuǎn)子包括多個轉(zhuǎn)子葉片；
發(fā)電機(jī)，連接到渦輪轉(zhuǎn)子上從而被驅(qū)動，發(fā)電機(jī)包括轉(zhuǎn)子組件和定子組件；
轉(zhuǎn)子組件和定子組件中的一個包括一個或多個線圈，而且轉(zhuǎn)子組件和定子組件中的另一個包括用于與所述一個或多個線圈磁性耦合的一個或多個磁體，用于當(dāng)渦輪轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時在其中感生電流，
其中
轉(zhuǎn)子組件被支撐在渦輪轉(zhuǎn)子葉片上。
14.如權(quán)利要求13所述的渦輪發(fā)電機(jī)單元，其中轉(zhuǎn)子組件包括附連到渦輪轉(zhuǎn)子葉片上的環(huán)以隨其旋轉(zhuǎn)，所述環(huán)支撐所述一個或多個線圈或所述一個或多個磁體中的一種。
15.如權(quán)利要求13所述的渦輪發(fā)電機(jī)單元，其中轉(zhuǎn)子組件包括一個或多個線圈或一個或多個磁體，每一個線圈或每一個磁體被設(shè)在渦輪轉(zhuǎn)子葉片的尖端部分處或尖端部分中。
16.如權(quán)利要求13、14或15所述的渦輪發(fā)電機(jī)單元，其中轉(zhuǎn)子組件包括一個或多個磁體，而且定子組件包括一個或多個線圈。
17.如前述權(quán)利要求13-16任一項所述的渦輪發(fā)電機(jī)單元，其中定子組件包括插入在所述殼體中的環(huán)形部件以環(huán)繞所述轉(zhuǎn)子組件。
18.如前述權(quán)利要求13-16任一項所述的渦輪發(fā)電機(jī)單元，還包括
擴(kuò)散器，位于所述渦輪轉(zhuǎn)子的下游以接收從轉(zhuǎn)子排放的流體，所述擴(kuò)散器沿下游方向向外漸變，其中擴(kuò)散器包括用于從殼體外部向從轉(zhuǎn)子排放的流引入補(bǔ)充流的裝置。
全文摘要
一種渦輪單元，包括殼體(20)、渦輪轉(zhuǎn)子(10)、以及擴(kuò)散器(70)，該擴(kuò)散器位于所述渦輪轉(zhuǎn)子(10)的下游以接收從轉(zhuǎn)子排放的流體，其沿下游方向向外減縮，而且其包括用于從殼體(20)外部向從轉(zhuǎn)子排放的流引入補(bǔ)充流體的裝置(72、74)。此外，渦輪發(fā)電機(jī)單元設(shè)有轉(zhuǎn)子(10)，所述轉(zhuǎn)子包括多個轉(zhuǎn)子葉片，而且該單元還包括連接到渦輪轉(zhuǎn)子上從而被驅(qū)動的發(fā)電機(jī)，該發(fā)電機(jī)包括轉(zhuǎn)子組件和定子組件，轉(zhuǎn)子組件和定子組件中的一個包括一個或多個線圈(86)和轉(zhuǎn)子組件和定子組件中的另一個包括用于與一個或多個線圈(86)磁性耦合的一個或多個磁體(84)，用于當(dāng)渦輪轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時在其中感生電流，其中轉(zhuǎn)子組件支撐在渦輪轉(zhuǎn)子葉片上。
文檔編號F03B17/06GK101389853SQ200780006745
公開日2009年3月18日 申請日期2007年3月16日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月21日
發(fā)明者G·R·李, B·里默, A·圖爾里達(dá)基斯 申請人:國際殼牌研究有限公司