用于雙向流的沖擊式渦輪的制作方法
【專利摘要】一種雙向流沖擊式渦輪裝置，與雙向反向流一起使用，尤其與振動(dòng)水柱發(fā)電機(jī)一起使用。渦輪裝置具有轉(zhuǎn)子；和第一和第二組導(dǎo)向輪葉，位于轉(zhuǎn)子的相反的軸向側(cè)上，用于將雙向反向流引導(dǎo)到／自轉(zhuǎn)子葉片。導(dǎo)向輪葉設(shè)置在自轉(zhuǎn)子葉片更大的半徑和徑向偏移處。渦輪裝置還包括第一和第二環(huán)形導(dǎo)管，分別設(shè)置在第一和第二組導(dǎo)向輪葉與轉(zhuǎn)子之間，用于將流體從導(dǎo)向輪葉引導(dǎo)到轉(zhuǎn)子葉片。輪葉和轉(zhuǎn)子葉片可具有輪廓，以在輪葉的轉(zhuǎn)向區(qū)上在輪葉之問(wèn)保持恒定的流動(dòng)通路；并且，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)子葉片具有更高的轉(zhuǎn)向角，并產(chǎn)生非軸向出口下游流。渦輪還可加入具有狹槽和邊界層鼓風(fēng)裝置的輪葉，以為輪葉上的反向流重新提供能量和改善輪葉上的反向流。
【專利說(shuō)明】用于雙向流的沖擊式渦輪
[0001]本申請(qǐng)是申請(qǐng)日為2007年7月25日，申請(qǐng)?zhí)枮?00780035855.6且發(fā)明名稱為“用于雙向流的沖擊式渦輪”的申請(qǐng)的分案申請(qǐng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明涉及可與雙向流一起操作的渦輪組裝置，并且特別地涉及可與雙向流一起使用的沖擊式潤(rùn)輪(impulse turbine)裝置。更具體地說(shuō),并且優(yōu)選地,它涉及一種用在振動(dòng)水柱發(fā)電廠中的渦輪裝置，以利用波動(dòng)力發(fā)電。該渦輪裝置可另外用于可再生發(fā)電領(lǐng)域，或甚至更通常地用在其它渦輪應(yīng)用中。
【背景技術(shù)】
[0003]利用振動(dòng)水柱的動(dòng)力的發(fā)電機(jī)問(wèn)世至少幾十年了。通常，這些發(fā)電機(jī)包括很大的腔室，腔室包括:潛在水平面下的第一開(kāi)口 ；和經(jīng)渦輪排到大氣的第二開(kāi)口。隨著波浪的波峰和波谷到達(dá)腔室，腔室內(nèi)水柱的水平面周期地上升和下降，從而交替地強(qiáng)制腔內(nèi)的空氣經(jīng)過(guò)渦輪排放入大氣，并且將空氣經(jīng)過(guò)渦輪從大氣抽取到腔室。這種發(fā)電機(jī)的特定問(wèn)題在于:它們需要能夠操作并利用經(jīng)過(guò)渦輪裝置的振動(dòng)水柱泵取的相反雙向空氣流發(fā)電的渦輪裝置。
[0004]可用在這種振動(dòng)水柱發(fā)電機(jī)中的一種類型的渦輪裝置是沖擊式渦輪。沖擊式渦輪的基本操作原理是:將被提取能量的流體流首先經(jīng)過(guò)用于對(duì)流體流加速的一行噴嘴，以適合的角度進(jìn)入轉(zhuǎn)子，該轉(zhuǎn)子然后從加速流提取動(dòng)能。沖擊式渦輪的重要特性在于:對(duì)轉(zhuǎn)子的靜態(tài)壓力實(shí)質(zhì)不發(fā)生變化(在反應(yīng)類型渦輪中，隨著流體經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)子平臺(tái)，靜態(tài)壓力減小)。當(dāng)經(jīng)過(guò)沖擊式渦輪的流體流為單向(傳統(tǒng)情況)時(shí)，該渦輪平臺(tái)將包括噴嘴行，其后是轉(zhuǎn)子行。然而，如果期望將沖擊式渦輪用在其中經(jīng)過(guò)渦輪的流向周期地顛倒的應(yīng)用中，例如在振動(dòng)水柱發(fā)電設(shè)備中，則在轉(zhuǎn)子的每側(cè)上需要一行噴嘴，以在兩個(gè)流向中產(chǎn)生正確的轉(zhuǎn)子啟動(dòng)條件。在GB 1449740和GB1500400中描述了這種裝置的實(shí)例，特別地用在振動(dòng)水柱發(fā)電裝置中。
[0005]這種裝置的問(wèn)題在于:如果噴嘴幾何形狀固定，則在轉(zhuǎn)子的下游側(cè)上的葉片不會(huì)正確對(duì)準(zhǔn)以接受轉(zhuǎn)子排出流。典型地，產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子排出流為軸向的，沒(méi)有圓周漩渦流或分量，不會(huì)提供經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)子的壓力降低和良好的轉(zhuǎn)子效率。鄰近轉(zhuǎn)子的噴嘴導(dǎo)向輪葉雖然與軸向方向成某一角度，以某一角度正確地引導(dǎo)反向流引導(dǎo)到轉(zhuǎn)子上。對(duì)于各自相反流的流動(dòng)未對(duì)準(zhǔn)角度的量可能很大，這導(dǎo)致經(jīng)過(guò)下游噴嘴很大壓力損失，并且類似地渦輪的總效率很大地減小。典型地，與在振動(dòng)水柱發(fā)電廠中使用的固定幾何形狀的沖擊式渦輪裝置相關(guān)的峰值穩(wěn)定流效率的水平小于40%。
[0006]如果噴嘴導(dǎo)向輪葉或者設(shè)計(jì)使得輪葉的角度設(shè)置或輪葉本身的實(shí)際幾何形狀隨著流方向改變，則可以克服這個(gè)問(wèn)題。然而，這種解決方案的實(shí)際實(shí)現(xiàn)典型地導(dǎo)致需要復(fù)雜的機(jī)械裝置，以實(shí)現(xiàn)所需的幾何變化。當(dāng)該裝置用于大數(shù)目的循環(huán)與/或用在海洋環(huán)境中時(shí)，這接著會(huì)引起大量的可靠性和維護(hù)問(wèn)題。對(duì)于這種可變幾何形狀渦輪類型，雖然已取得超過(guò)60%的峰值效率，但它們存在大量的維護(hù)和可靠性問(wèn)題，所以未被采用。
[0007]相應(yīng)地，振動(dòng)水柱發(fā)電裝置的發(fā)展并未促進(jìn)沖擊類型渦輪裝置的使用。實(shí)際上，盡管沖擊式渦輪具有一些優(yōu)點(diǎn)，它們并未廣泛使用或得到青睞，并且對(duì)于水壓應(yīng)用，它們僅用在專門的應(yīng)用中，通常反應(yīng)式渦輪裝置較受青睞。特別地，振動(dòng)水柱發(fā)電機(jī)的發(fā)展集中在使用Wells類型渦輪，它們可自校正和可操作和從反向雙-向空氣流發(fā)電。理論上，在穩(wěn)定的流動(dòng)條件下，采用固定幾何形狀，這種渦輪可以超過(guò)50%的顯示峰值穩(wěn)定流效率的高效率運(yùn)行。然而，這種渦輪僅對(duì)于相對(duì)小量流范圍高效運(yùn)行，并且因此，僅可對(duì)于相對(duì)較小范圍的波浪條件高效運(yùn)行。另外，Wells渦輪通常以相對(duì)較高旋轉(zhuǎn)速度和較小扭矩運(yùn)行(與例如沖擊式渦輪相比)，并具有相對(duì)較高的軸向負(fù)載，這些對(duì)于在振動(dòng)水柱發(fā)電設(shè)備中使用是不期望的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]因此，期望提供一種可選方法，并提供一種改進(jìn)的沖擊式渦輪裝置，其可從例如由振動(dòng)水柱泵取的反向雙-向流操作，并且其提供解決當(dāng)經(jīng)沖擊式渦輪的流周期地反向時(shí)、總效率低下的上述問(wèn)題的解決方案。還期望地提供一種加入并使用改進(jìn)渦輪的改進(jìn)振動(dòng)水柱發(fā)電機(jī)。本發(fā)明還可更通用，并且更期望地提供一種可與相反雙-向流操作的改進(jìn)與/或可選渦輪裝置。
[0009]根據(jù)本發(fā)明，因此提供了雙向流沖擊式渦輪裝置。本發(fā)明還提供了一種振動(dòng)水柱發(fā)電機(jī)，包括上述的雙向流沖擊式渦輪裝置。
[0010]根據(jù)本發(fā)明的第一方面的實(shí)施例，提供了一種雙向流沖擊式渦輪裝置，與經(jīng)過(guò)它的雙向反向流一起使用。該渦輪裝置具有軸線，并包括:轉(zhuǎn)子;和第一和第二組導(dǎo)向輪葉，其圍繞軸線圓周設(shè)置并位于轉(zhuǎn)子的相反的軸向側(cè)上，用于將雙向反向流引導(dǎo)到轉(zhuǎn)子葉片，和從轉(zhuǎn)子葉片引導(dǎo)雙向反向流。該轉(zhuǎn)子可旋轉(zhuǎn)地安裝以圍繞軸線旋轉(zhuǎn)，并具有環(huán)繞在轉(zhuǎn)子周圍設(shè)置的多個(gè)轉(zhuǎn)子葉片。該導(dǎo)向輪葉被設(shè)置在比轉(zhuǎn)子葉片更大的半徑處，使得:它們從轉(zhuǎn)子葉片徑向偏移，并且該渦輪裝置還包括第一和第二環(huán)形導(dǎo)管，其分別設(shè)置在第一和第二組導(dǎo)向輪葉與轉(zhuǎn)子之間，用于將流體從導(dǎo)向輪葉引導(dǎo)到轉(zhuǎn)子葉片。
[0011]在這種裝置中，在它到達(dá)下游導(dǎo)向輪葉之前，自轉(zhuǎn)子的流動(dòng)速度減小，使得:下游導(dǎo)向輪葉上的下游轉(zhuǎn)子流關(guān)聯(lián)的損失減小。
[0012]第一和第二環(huán)形導(dǎo)管的環(huán)形流動(dòng)通路的高度可沿環(huán)形導(dǎo)管的長(zhǎng)度恒定?？蛇x地，第一和第二環(huán)形導(dǎo)管的環(huán)形流動(dòng)通路的高度可以改變，并且特別地在鄰近轉(zhuǎn)子葉片的導(dǎo)管的端部減小。這種導(dǎo)管高度變化將優(yōu)選地改變流到和自導(dǎo)向輪葉的角度，其然后被引導(dǎo)到轉(zhuǎn)子葉片，從而減小轉(zhuǎn)子與/或?qū)蜉喨~的所需轉(zhuǎn)向角度。然后，這可減小在導(dǎo)向輪葉上的反向流期間，與導(dǎo)向輪葉上的自轉(zhuǎn)子的下游流關(guān)聯(lián)的損失。
[0013]在根據(jù)本發(fā)明的第二方面的實(shí)施例中，提供了一種雙向流沖擊式渦輪裝置，與經(jīng)過(guò)它的雙向反向流一起使用。該渦輪裝置具有軸線，并包括:轉(zhuǎn)子；和第一和第二組導(dǎo)向輪葉，其圍繞軸線圓周設(shè)置并位于轉(zhuǎn)子的相反的軸向側(cè)上，用于將雙向反向流引導(dǎo)到和自轉(zhuǎn)子葉片。該轉(zhuǎn)子可旋轉(zhuǎn)地安裝以圍繞軸線旋轉(zhuǎn)，并具有環(huán)繞在轉(zhuǎn)子周圍設(shè)置的多個(gè)轉(zhuǎn)子葉片。至少一個(gè)邊界層流動(dòng)控制出口被確定在第一和第二組導(dǎo)向輪葉組的至少一組的導(dǎo)向輪葉的導(dǎo)向輪葉表面中。該邊界層流動(dòng)控制出口被連接到流體源，以在使用中將來(lái)自流體源的流體引導(dǎo)到出口并經(jīng)過(guò)導(dǎo)向輪葉表面。
[0014]這種邊界層流動(dòng)體控制出口、和從流體源到出口并經(jīng)過(guò)導(dǎo)向輪葉表面的導(dǎo)向流體對(duì)導(dǎo)向輪葉上的流重新提供能量，并且因此，關(guān)聯(lián)壓力損失從而提高了渦輪裝置的效率。
[0015]在根據(jù)本發(fā)明的第三方面的實(shí)施例中，提供了一種雙向流沖擊式渦輪裝置，與經(jīng)過(guò)它的雙向反向流一起使用。該渦輪裝置具有軸線，并包括:轉(zhuǎn)子；和第一和第二組導(dǎo)向輪葉，其圍繞軸線圓周設(shè)置并位于轉(zhuǎn)子的相反的軸向側(cè)上，用于將雙向反向流引導(dǎo)到和自轉(zhuǎn)子葉片。該轉(zhuǎn)子可旋轉(zhuǎn)地安裝以圍繞軸線旋轉(zhuǎn)，并具有環(huán)繞在轉(zhuǎn)子周圍設(shè)置的多個(gè)轉(zhuǎn)子葉片。該導(dǎo)向輪葉具有橫斷面輪廓，包括:與軸線和經(jīng)過(guò)渦輪的軸向流大致平行定向的第一部；與軸線和經(jīng)過(guò)渦輪的軸向流成某一角度定向的第二部；和在第一端和第二部之間設(shè)置的轉(zhuǎn)向部。流通路被確定在相鄰導(dǎo)向輪葉之間，并且在相鄰導(dǎo)向輪葉的轉(zhuǎn)向區(qū)之間確定的流通路的橫斷面面積大體上恒定。特別地，為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)，導(dǎo)向輪葉由壁確定，并在相鄰導(dǎo)向輪葉的轉(zhuǎn)向區(qū)之間，相鄰導(dǎo)向輪葉的壁之間的距離大體上恒定。
[0016]這種裝置減小了與導(dǎo)向輪葉上的反向流關(guān)聯(lián)的流損失，從而提高了渦輪裝置的效率。
[0017]輪葉的轉(zhuǎn)向區(qū)優(yōu)選地具有由圓弧確定的拱形線；并且圓弧延伸經(jīng)過(guò)輪葉的預(yù)定轉(zhuǎn)向角度。
[0018]優(yōu)選地，第二部的端部具有圓弧邊緣，圓弧邊緣的半徑在輪葉的軸向弦的2%和10%之間，并且更優(yōu)選地為4.5%。這還減小了與導(dǎo)向輪葉上的反向流關(guān)聯(lián)的流損失，從而也提高了渦輪裝置的效率。
[0019]在根據(jù)本發(fā)明的第四方面的實(shí)施例中，提供了一種雙向流沖擊式渦輪裝置，與經(jīng)過(guò)它的雙向反向流一起使用。該渦輪裝置具有軸線，并包括:轉(zhuǎn)子；和第一和第二組導(dǎo)向輪葉，其圍繞軸線圓周設(shè)置并位于轉(zhuǎn)子的相反的軸向側(cè)上，用于將雙向反向流引導(dǎo)到和自轉(zhuǎn)子葉片。該轉(zhuǎn)子可旋轉(zhuǎn)地安裝以圍繞軸線旋轉(zhuǎn)，并具有環(huán)繞在轉(zhuǎn)子周圍設(shè)置的多個(gè)轉(zhuǎn)子葉片。轉(zhuǎn)子葉片具有轉(zhuǎn)向角，其比轉(zhuǎn)子葉片在渦輪的運(yùn)行點(diǎn)產(chǎn)生軸向流所需的角度大3度到5度。此外，該轉(zhuǎn)子葉片具有轉(zhuǎn)向角，以在使用中從轉(zhuǎn)子產(chǎn)生非軸向出口流。
[0020]這種轉(zhuǎn)子葉片的轉(zhuǎn)向角是非傳統(tǒng)的，但減小了下游導(dǎo)向輪葉上的迎角，從而減小與導(dǎo)向輪葉上的反向流關(guān)聯(lián)的損失，從而提高了渦輪裝置的效率。
[0021]優(yōu)選地，轉(zhuǎn)子葉片的轉(zhuǎn)向角度在70度和140度之間。
[0022]該轉(zhuǎn)子葉片優(yōu)選地關(guān)于垂直于軸線并經(jīng)過(guò)葉片的軸向中點(diǎn)的平面對(duì)稱。
[0023]在根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了包括如上所述的這種渦輪裝置的振動(dòng)水柱發(fā)電機(jī)。該振動(dòng)水柱發(fā)電機(jī)包括外殼，其確定了由振動(dòng)水柱周期地壓縮和膨脹的流體腔室。該外殼具有出口，用于從外殼引導(dǎo)由振動(dòng)水柱周期地壓縮和膨脹的流體的雙向反向流。該渦輪裝置被連接到出口，并由自出口的流體的雙向反向流驅(qū)動(dòng)。發(fā)電機(jī)被連接到渦輪裝置的轉(zhuǎn)子并被該轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)。
[0024]這種具有這種渦輪裝置的振動(dòng)水柱發(fā)電機(jī)比使用其它渦輪裝置的傳統(tǒng)裝置更高效。
[0025]通常，在這里描述的新穎的沖擊式渦輪裝置加入如下特性和方面，其可分開(kāi)使用，或更優(yōu)選地組合使用，特別地用在振動(dòng)水柱發(fā)電機(jī)中，或更通常地用在需要與反向雙向流一起操作的任何渦輪中。該裝置的主要方面是:[0026]A)環(huán)形偏移導(dǎo)管，其用于將導(dǎo)向輪葉設(shè)置在比轉(zhuǎn)子葉片從旋轉(zhuǎn)軸線更大的半徑處；
[0027]B)適合在周期反向流中運(yùn)作的噴嘴/引導(dǎo)輪葉設(shè)備；
[0028]C)使用通過(guò)邊界層鼓風(fēng)，引起經(jīng)過(guò)噴嘴/導(dǎo)向輪葉表面的流體為邊界層重新提供能量的裝置；
[0029]D)使用例如在轉(zhuǎn)子葉片上具有非傳統(tǒng)的等于70度的高轉(zhuǎn)向角的轉(zhuǎn)子葉片設(shè)計(jì)，以典型地取得1.0的最后設(shè)備質(zhì)量流動(dòng)比條件的峰值效率。(注意:質(zhì)量流量率被確定為進(jìn)入渦輪的平均軸向速度與在中間跨度處轉(zhuǎn)子速度之間的比率，并給予標(biāo)號(hào)Φ)
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0030]本發(fā)明將僅參考下圖通過(guò)實(shí)例進(jìn)行描述，其中:
[0031]圖1是振動(dòng)水柱發(fā)電裝置的示意圖；
[0032]圖2是傳統(tǒng)沖擊式渦輪的部分外殼被去除以揭示葉片行的更詳細(xì)視圖，其與振動(dòng)水柱發(fā)電裝置一起使用并具有用在周期反向流中的固定導(dǎo)向輪葉；
[0033]圖3是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的包括沖擊式渦輪裝置的振動(dòng)水柱發(fā)電設(shè)備的示意圖；
[0034]圖4是沖擊式渦輪裝置的部分外殼被去除以揭示葉片行的更詳細(xì)視圖，其具有固定導(dǎo)向輪葉，并加入用于圖3中所示的振動(dòng)水柱發(fā)電設(shè)備中的環(huán)形偏移無(wú)輪葉導(dǎo)管；
[0035]圖5A到5C是在分別穿過(guò)圖4中所示的沖擊式渦輪裝置的橫斷面A_A，B-B和C-C上的橫斷面視圖；
[0036]圖6是圖4中所示的沖擊式渦輪裝置的環(huán)形偏移無(wú)輪葉導(dǎo)管的更詳細(xì)示意圖；
[0037]圖7是圖4中所示的沖擊式渦輪設(shè)備的導(dǎo)向輪葉的導(dǎo)向輪葉輪廓和間隙的更詳細(xì)示意圖；
[0038]圖8是經(jīng)過(guò)輪葉的一系列橫斷面輪廓，顯示了可加入圖4中所示的沖擊式渦輪裝置的導(dǎo)向輪葉輪廓的輪葉斷面扭曲、傾斜和移動(dòng)；
[0039]圖9是沖擊式渦輪裝置的導(dǎo)向輪葉的示意透視圖，顯示了有利于其邊界層鼓風(fēng)(blowing)的其表面中的斜槽(angled slot)，其可加入圖4中所示的沖擊式渦輪裝置的導(dǎo)向輪葉輪廓中；
[0040]圖10是圖4中所示的沖擊式渦輪裝置的轉(zhuǎn)子葉片輪廓的示意橫斷面；
[0041]圖11是經(jīng)過(guò)類似于圖3和4的沖擊式渦輪裝置的示意半橫斷面視圖，但包括一種裝置，以通過(guò)從驅(qū)動(dòng)流動(dòng)流取得流體，提供用于噴嘴/引導(dǎo)輪葉上的邊界層鼓風(fēng)的流體；
[0042]圖12是經(jīng)過(guò)類似于圖11的沖擊式渦輪裝置的示意半橫斷面視圖，但包括一種可選裝置，以通過(guò)使用流動(dòng)環(huán)面中的進(jìn)口，提供用于噴嘴/引導(dǎo)輪葉上的邊界層鼓風(fēng)的流體；
[0043]圖13是穿過(guò)類似于圖11的沖擊式渦輪裝置的示意半橫斷面視圖，但包括另一種可選裝置，以利用升壓壓縮機(jī)，實(shí)現(xiàn)在噴嘴/引導(dǎo)輪葉上的邊界層鼓風(fēng)；和
[0044]圖14是經(jīng)過(guò)類似于圖11的沖擊式渦輪裝置的示意半橫斷面視圖，但包括:另一種可選裝置，以利用自外部來(lái)源的開(kāi)關(guān)控制流體供應(yīng)，實(shí)現(xiàn)在噴嘴/引導(dǎo)輪葉上的邊界層鼓風(fēng)?！揪唧w實(shí)施方式】
[0045]參照?qǐng)D1，振動(dòng)水柱發(fā)電機(jī)10包括:倒置容器外殼12，其確定了一個(gè)大型、典型地圓柱形腔室14，其包括:潛在水平面W下方的第一開(kāi)口 16;和經(jīng)空氣導(dǎo)管19與大氣通口的第二開(kāi)口 18 ;安裝在空氣導(dǎo)管19內(nèi)的渦輪組件20 ;和出口 21。隨著波峰22和波谷24到達(dá)腔室14，該腔室14內(nèi)的水柱的水平面W周期性地上升和下降，從而:交替地強(qiáng)制腔室14內(nèi)的空氣經(jīng)由第二開(kāi)口 18，經(jīng)過(guò)渦輪組件20到大氣，并反向經(jīng)過(guò)渦輪組件20將來(lái)自大氣的空氣抽入腔室14內(nèi)。經(jīng)過(guò)渦輪組件20的雙向流F驅(qū)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)經(jīng)由軸連接到發(fā)電機(jī)的渦輪組件的轉(zhuǎn)子，以產(chǎn)生電力。
[0046]圖2顯示了可用在這種振動(dòng)水柱發(fā)電機(jī)10中的傳統(tǒng)沖擊類型渦輪組件20。該渦輪組件20包括:外部圓柱外殼26:和圓柱中心體28，其圍繞渦輪組件20的中心軸線I共心地安裝，并在外殼26內(nèi)，其間確定環(huán)形導(dǎo)管30。該環(huán)形導(dǎo)管30—端連接到振動(dòng)水柱發(fā)電機(jī)10的第一開(kāi)口 18，并且另一端連接到振動(dòng)水柱發(fā)電機(jī)10的出口 21，以引導(dǎo)雙向流F，F(xiàn)1，F(xiàn)2通過(guò)渦輪組件20。沖擊式渦輪轉(zhuǎn)子組件32可旋轉(zhuǎn)地安裝在外部圓柱外殼26內(nèi)，它包括中央轂34和圓周間隔并圍繞轂34的圓周安裝的多個(gè)轉(zhuǎn)子葉片36。該轂34被連接和安裝在將轉(zhuǎn)子組件32連接到發(fā)電機(jī)的軸38上。該轂34的外周部與中心體28對(duì)準(zhǔn)，以延續(xù)環(huán)形導(dǎo)管28，其中:轉(zhuǎn)子葉片36設(shè)置在內(nèi)部并與環(huán)形導(dǎo)管28對(duì)準(zhǔn)。在轉(zhuǎn)子組件32的一個(gè)軸向側(cè)上，形成定子組件的第一組噴嘴導(dǎo)向輪葉40被安裝和圓周地設(shè)置在環(huán)形導(dǎo)管28內(nèi)，用于對(duì)從腔14沿第一方向Fl流動(dòng)的空氣加速和引導(dǎo)到轉(zhuǎn)子組件32的葉片36上。類似地，在轉(zhuǎn)子組件32的另一相反的軸向側(cè)上，形成定子組件的第二組噴嘴導(dǎo)向輪葉42被安裝和圓周地設(shè)置在環(huán)形導(dǎo)管28內(nèi)，用于對(duì)從出口 21沿第二方向F2流動(dòng)的空氣進(jìn)行加速和引導(dǎo)到轉(zhuǎn)子組件32的葉片36上。第一和第二組噴嘴導(dǎo)向輪葉40，42的輪葉44優(yōu)選地定向并成角度，以將各自雙向空氣流F，F(xiàn)l, F2引導(dǎo)到轉(zhuǎn)子葉片36上，以不管空氣流F，F(xiàn)l, F2的方向，沿相同的方向旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子組件32。該輪葉44可傳統(tǒng)地包括簡(jiǎn)單彎曲片以轉(zhuǎn)變空氣流的方向，給予空氣流F，F(xiàn)l, F2環(huán)繞漩渦分量，并提供流限制以對(duì)空氣流F，F(xiàn)l, F2加速?？蛇x地，輪葉44可具有更精細(xì)的翼型輪廓。噴嘴導(dǎo)向輪葉40，42和轉(zhuǎn)子葉片36和環(huán)形導(dǎo)管28均軸向?qū)?zhǔn)，并且從中心軸線I采用相同的半徑，以提供與渦輪組件20的中心軸線I平行的大致軸向流通路。
[0047]這種沖擊式渦輪組件是傳統(tǒng)的，并且類似于例如GB1449740中描述的。如先前提及，這種渦輪裝置20存在效率低的問(wèn)題。這主要因?yàn)?當(dāng)空氣沿第二相反方向F2流動(dòng)時(shí)，并且導(dǎo)向輪葉變?yōu)槌隹趯?dǎo)向輪葉時(shí)，所需和成角度操作為進(jìn)口導(dǎo)向輪葉以沿第一方向Fl將空氣流引導(dǎo)到轉(zhuǎn)子32上的噴嘴導(dǎo)向輪葉40未被正確對(duì)準(zhǔn)，以從轉(zhuǎn)子32接受空氣流F2。結(jié)果，在轉(zhuǎn)子32的下游產(chǎn)生很大的壓力損失，導(dǎo)致較差的總體效率。
[0048]圖3和4顯示了本發(fā)明實(shí)施例的振動(dòng)水柱發(fā)電機(jī)110和改進(jìn)渦輪組件120。該振動(dòng)水柱發(fā)電機(jī)110和渦輪組件120與圖1和2中所示和上面描述的大體相似。因此，僅詳細(xì)描述主要的差別，并且類似但增加100的標(biāo)號(hào)將用于類似的對(duì)應(yīng)部件。圖3和4還顯示了圖1和2中未顯不的發(fā)電機(jī)150。
[0049]如圖3和4所示，第一和第二組噴嘴導(dǎo)向輪葉140，142被放置在比轉(zhuǎn)子葉片136更大的半徑Rv處。具體地，轉(zhuǎn)子葉片136的中心點(diǎn)或中間范圍/中間高度在半徑Rr處，噴嘴導(dǎo)向輪葉144的中心點(diǎn)或中間范圍在自中心軸線101的半徑Rv處。在這個(gè)實(shí)施例中，第一和第二組噴嘴導(dǎo)向輪葉140，142均被設(shè)置在從中心軸線的相同徑向距離Rv處。蜿蜒彎曲的環(huán)形偏移導(dǎo)管146連接在噴嘴導(dǎo)向輪葉140，142組和轉(zhuǎn)子葉片136之間，以將空氣流F，"，F(xiàn)2引導(dǎo)到導(dǎo)向輪葉144和轉(zhuǎn)子葉片136和從導(dǎo)向輪葉144和轉(zhuǎn)子葉片136引導(dǎo)。在這個(gè)實(shí)施例中，該環(huán)形偏移導(dǎo)管146的流動(dòng)通路高度Hd (垂直于導(dǎo)管壁)大致保持恒定，并等于轉(zhuǎn)子葉片和噴嘴導(dǎo)向輪葉144徑向高度Hr，Hv。作為這種半徑變化的結(jié)果，環(huán)形流通路的總體橫斷面面積(垂直于軸向方向與/或流方向)從環(huán)形偏移導(dǎo)管146的噴嘴導(dǎo)向輪葉140，142端152，154到環(huán)形偏移導(dǎo)管146的轉(zhuǎn)子端156減小。這意味著:在使用中，在穿過(guò)噴嘴導(dǎo)向輪葉144后，并當(dāng)流F，F(xiàn)1，F(xiàn)2被徑向向內(nèi)引導(dǎo)向轉(zhuǎn)子葉片136時(shí)，它被加速，并且其軸向和漩渦速度均增加。在流F，F(xiàn)1，F(xiàn)2已穿過(guò)轉(zhuǎn)子132后，它由徑向向外穿過(guò)并隨著半徑增加而增加環(huán)形流面積和通路的環(huán)形偏移導(dǎo)管146引導(dǎo)，并在到達(dá)下游導(dǎo)向輪葉前，被擴(kuò)散和去除漩渦。該流F，F(xiàn)1，F(xiàn)2的軸向和環(huán)繞漩渦速度相應(yīng)地減小。這意味著:相對(duì)較慢運(yùn)動(dòng)流體被引導(dǎo)在噴嘴導(dǎo)向輪葉142處，這減小了否則會(huì)出現(xiàn)的壓力損失(其與速度平方成比例)的量，并且因此提高了效率。隨著噴嘴導(dǎo)向輪葉葉片144和轉(zhuǎn)子葉片136所處半徑Rv，Rr的差Ro的增加，取得的效率提高也增加，直到益處被環(huán)形偏移導(dǎo)管146內(nèi)的摩擦流損失增加超過(guò)。
[0050]圖6中更詳細(xì)地顯示了環(huán)形偏移導(dǎo)管146之一的一部分。該環(huán)形偏移導(dǎo)管146由渦輪組件120的彎曲壁158和內(nèi)部中心體128的外周壁160確定，確定了環(huán)形導(dǎo)管146和其問(wèn)的流通路。該環(huán)形偏移導(dǎo)管146的流通路中心線162由余弦函數(shù)確定，其關(guān)于轉(zhuǎn)子葉片徑向高度Hr，通過(guò)確定導(dǎo)管146的長(zhǎng)度L和所需徑向偏移Ro依比例確定。利用確定的中心線，在這個(gè)實(shí)施例中的導(dǎo)管壁158，160之間的垂直距離優(yōu)選地沿導(dǎo)管146長(zhǎng)度保持恒定，并等于轉(zhuǎn)子132和噴嘴導(dǎo)向輪葉140，142處的流環(huán)面的高度Hd。對(duì)于第一組噴嘴導(dǎo)向輪葉140、轉(zhuǎn)子葉片132和第二組噴嘴導(dǎo)向輪葉142，該流環(huán)面的高度Hd相同。
[0051]由加入和使用轉(zhuǎn)子132與噴嘴導(dǎo)向輪葉140，142之間的環(huán)形偏移導(dǎo)管帶來(lái)的性能收益，與在保持附著流(避免隨著流擴(kuò)散而流分離)并使?jié)癖砻婷娣e最小同時(shí)，可以取得的擴(kuò)散量成比例。實(shí)際上，這些限制容易導(dǎo)致最大流通路面積比率，使得:在導(dǎo)向輪葉端部152，154處的導(dǎo)管146的流通路面積等于轉(zhuǎn)子端部156處的導(dǎo)管146的流通路面積的4倍，更特別地等于3.5倍，并且更優(yōu)選地等于2.5倍。這等于恒定高度Hd導(dǎo)管146的半徑Rv，Rr中類似的變化，使得:輪葉中間跨度的半徑等于轉(zhuǎn)子Rr的中間跨度半徑的4倍，更特別地等于3.5倍，并且更優(yōu)選地等于2.5倍。這也等于并給出了典型的偏移距離Ro，和轉(zhuǎn)子葉片136和噴嘴導(dǎo)向輪葉144的中間跨度點(diǎn)的半徑Rr，Rv的差等于10倍或12倍的轉(zhuǎn)子葉片高度Hr，并且對(duì)于具有典型轂到尖比率和高度的轉(zhuǎn)子葉片136，更優(yōu)選地為6倍的轉(zhuǎn)子葉片高度Hr。
[0052]取得面積比率的期望變化所需的偏移導(dǎo)管146的軸向長(zhǎng)度L由傳統(tǒng)的擴(kuò)散器設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)確定。通常，隨著擴(kuò)大率的減小，擴(kuò)散器損失減小，直到被濕潤(rùn)面積增加超過(guò)。理想地，期望使導(dǎo)管盡可能地短，同時(shí)避免如果導(dǎo)管146的膨脹率太陡峭和太彎曲會(huì)出現(xiàn)并會(huì)引起流損失的流分離。因此，實(shí)際中，根據(jù)尋求的擴(kuò)散量，該長(zhǎng)度L類似地在轉(zhuǎn)子葉片高度Hr的4倍到12倍的范圍內(nèi)，并且優(yōu)選地4倍到8倍。更具體地和優(yōu)選地，以沿軸向方向的長(zhǎng)度L典型地為5倍轉(zhuǎn)子葉片高度Hr的導(dǎo)管146，實(shí)現(xiàn)擴(kuò)散和面積變化。
[0053]優(yōu)選地，環(huán)形偏移導(dǎo)管146如所示無(wú)輪葉，并且是徑向向內(nèi)/向外的簡(jiǎn)單引導(dǎo)流F，〃，F(xiàn)2的普通導(dǎo)管146。然而，在其中期望具有極緊湊裝置的特定應(yīng)用中，其中:半徑Ro的變化沿極短的軸向長(zhǎng)度L實(shí)現(xiàn)，可能需要在導(dǎo)管146中安裝流控制設(shè)備，諸如例如渦流發(fā)生器，以防止流分離或高非均勻流的發(fā)展。
[0054]在這個(gè)實(shí)施例中，在轉(zhuǎn)子132的任一側(cè)上的偏移導(dǎo)管146是對(duì)稱的，并且噴嘴導(dǎo)向輪葉140，142組具有相同半徑Rv。然而，在其它實(shí)施例中，第二組噴嘴導(dǎo)向輪葉142和引向它們的偏移導(dǎo)管146可具有不同的半徑和尺寸，由于從腔114的流Fl比自大氣進(jìn)入腔114的空氣的流F2更密集，使得:從渦輪組件和出口 121出來(lái)的空氣流Fl的速度小于進(jìn)入腔114的空氣流的速度。因此，偏移導(dǎo)管146的偏移Ro和尺寸可改變，以將其考慮在內(nèi)。
[0055]采用非線性方式，噴嘴導(dǎo)向輪葉140，142存在的阻塞量和因此與其關(guān)聯(lián)的損失涉及方向改變量。這意味著:減小噴嘴導(dǎo)向輪葉144轉(zhuǎn)向角度存在明顯的益處。這可以通過(guò)使偏移導(dǎo)管146的高度Hd在導(dǎo)向輪葉端部I 52，154處比在轉(zhuǎn)子端部156處更小實(shí)現(xiàn)。具體地，如果導(dǎo)管146的高度Hd對(duì)于半徑Ro的任何變化恒定，流F，〃，F(xiàn)2的軸向速度分量和圓周漩渦速度分量成比例地改變，并且在噴嘴導(dǎo)向輪葉端部152，154和轉(zhuǎn)子端處，流F，F(xiàn)l，F(xiàn)2關(guān)于軸向方向的角度保持恒定。然而，如果導(dǎo)管Hd的高度改變，流F，"，F(xiàn)2的軸向和圓周分量不同地改變，并且流F，F(xiàn)1，F(xiàn)2對(duì)軸向方向的角度能夠改變，以減小方向改變要求。特別地，如果導(dǎo)管高度Hr，Hv，Hd在轉(zhuǎn)子端部156處比在噴嘴導(dǎo)向輪葉端部152，154處更大，該流角度能夠優(yōu)選地改變，以減小噴嘴導(dǎo)向輪葉144需要的方向改變，并且損失也如此。然而，這種導(dǎo)管高度Hd的變化減小了流通路面積的變化，并且因此，擴(kuò)散效果和總速度變化，并且可導(dǎo)致需要增加轂/尖比率，兩者都均趨向于降低性能。因此，存在打破平衡，這將意味著:在噴嘴導(dǎo)向輪葉端部152,154處的導(dǎo)管146的高度Hd不可能小于轉(zhuǎn)子端部156處的一半。為了補(bǔ)償導(dǎo)管高度Hd的變化，還將認(rèn)識(shí)到:到轉(zhuǎn)子132的偏移半徑Ro和輪葉140，142半徑Rv，Rr的差可被改變，以在總流通路面積和擴(kuò)散中保持所需變化。
[0056]當(dāng)將導(dǎo)向輪葉140，142向外移到比轉(zhuǎn)子葉片136更大的半徑Rv會(huì)減小壓力損失的幅度時(shí)，仍圍繞轉(zhuǎn)子132下游的各自導(dǎo)向輪葉144產(chǎn)生大區(qū)域的湍流分離流。這引起壓力損失并效率降低。通過(guò)采用適合沿相反流操作的新穎導(dǎo)向輪葉幾何形狀，可以減小該區(qū)域分離(即湍流)的范圍和它引起的損失。
[0057]因此，對(duì)于它們，當(dāng)沿前向流方向作為進(jìn)口導(dǎo)向輪葉時(shí)，導(dǎo)向輪葉144的設(shè)計(jì)要求是提供低損失的高效流改變方向，以將空氣流引導(dǎo)到轉(zhuǎn)子葉片132上，并具有當(dāng)它們沿相反方向作為出口引導(dǎo)輪葉操作時(shí)，減小出現(xiàn)的流分離的影響。特別地，該導(dǎo)向葉輪144輪廓應(yīng)提供沿前向流方向的有效的方向改變，并具有當(dāng)沿反向流方向操作時(shí)，提高性能的特性。
[0058]如果當(dāng)在轉(zhuǎn)子上游操作時(shí)，傾斜以將流引導(dǎo)到轉(zhuǎn)子處的簡(jiǎn)單彎曲板將用于導(dǎo)向輪葉144，則任何相鄰兩個(gè)導(dǎo)向輪葉之間的流通路的面積向著轉(zhuǎn)子減小。然而，當(dāng)流相反，并且導(dǎo)向輪葉在轉(zhuǎn)子的下游處時(shí)，彎曲板導(dǎo)向輪葉之間的通路用作極差的擴(kuò)散器，這增加了損失。因此，為了提高當(dāng)沿相反流方向操作時(shí)的性能，該導(dǎo)向輪葉144被設(shè)計(jì)以具有輪廓，其中:其中出現(xiàn)流轉(zhuǎn)向的輪葉144之問(wèn)的通路部分的橫斷面面積幾乎保持恒定。這個(gè)特性意味著:當(dāng)輪葉144沿相反流方向操作時(shí)，在其中流被轉(zhuǎn)向的區(qū)域中幾乎不會(huì)出現(xiàn)擴(kuò)散一這會(huì)加劇分離流的發(fā)展，擴(kuò)散發(fā)生在其中無(wú)流轉(zhuǎn)向的通路的部分。
[0059]此外，該輪葉的轉(zhuǎn)向區(qū)166的長(zhǎng)度保持盡可能地短，以使對(duì)轉(zhuǎn)子出口流的軸向阻塞最小。該導(dǎo)向輪葉144還具有相當(dāng)鈍的圓弧式后緣，這減小了高流沖角的影響和流沖角的變化。與傳統(tǒng)的單方向?qū)蜉喨~相比，通常期望后緣(更接近轉(zhuǎn)子)具有盡可能尖的輪廓，并且對(duì)于導(dǎo)向輪葉的后緣盡可能地薄。
[0060]圖5a，5c和7中顯示了符合這些目標(biāo)并將空氣流引導(dǎo)到轉(zhuǎn)子葉片上的適合的導(dǎo)向輪葉輪廓。圖7顯示了關(guān)于流方向F，F(xiàn)l, F2，第一組噴嘴導(dǎo)向輪葉140的輪葉144的輪葉輪廓。第二組噴嘴導(dǎo)向輪葉142的輪葉144的葉輪輪廓與之相同，但通過(guò)與圖5a和5c比較，輪葉144沿所述相反軸向方向定向。
[0061]經(jīng)過(guò)斷面輪廓的噴嘴導(dǎo)向輪葉144包括鼻區(qū)164、轉(zhuǎn)向區(qū)166和后緣區(qū)168。該鼻區(qū)164被設(shè)置軸向最遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)子132，并根據(jù)輪葉用于的噴嘴導(dǎo)向輪葉組，朝向進(jìn)入腔114的開(kāi)口 118或出口 121。該后緣區(qū)168被設(shè)置軸向朝向轉(zhuǎn)子132，其中轉(zhuǎn)向區(qū)166在鼻區(qū)164與后緣區(qū)168之間。該噴嘴導(dǎo)向輪葉144的輪廓通過(guò)一起彎曲這些區(qū)的每個(gè)的多個(gè)幾何特性形成。
[0062]通過(guò)確定作為延伸經(jīng)過(guò)所需轉(zhuǎn)向角。的圓弧170所需轉(zhuǎn)向量,構(gòu)造所需輪廓和轉(zhuǎn)向區(qū)166，以當(dāng)流(圖7中的Fl)使得導(dǎo)向輪葉144在轉(zhuǎn)子葉片136的上游處時(shí)，將空氣流正確地引導(dǎo)在轉(zhuǎn)子葉片136處。該圓弧170形成輪葉144的中心拱形線170，使轉(zhuǎn)向區(qū)166的長(zhǎng)度最小。離開(kāi)拱形線170的上部和下部表面172，174，和厚度tv與弦的比率則在這種轉(zhuǎn)向區(qū)上確定，以保持經(jīng)過(guò)這種轉(zhuǎn)向區(qū)166上的連續(xù)噴嘴導(dǎo)向輪葉144之問(wèn)的通路的面積Fp實(shí)質(zhì)恒定。通過(guò)使用適合的數(shù)學(xué)函數(shù)、余弦、立方與/或正切函數(shù)確定其輪廓，上部和下部表面172，174保持連續(xù)平滑。
[0063]該后緣區(qū)168包括轉(zhuǎn)向區(qū)166的端部的短直延長(zhǎng)部，其中上部和下部表面基本平行。該后緣區(qū)168優(yōu)選地僅等于總輪葉軸弦長(zhǎng)度的10%，但可等于總輪葉軸弦長(zhǎng)度的30%或甚至50%。該后緣區(qū)168的端部結(jié)束于相對(duì)較鈍的圓弧式后緣邊緣176，當(dāng)輪葉144受到反向流時(shí)，這減小了高流迎角(入射角)的沖擊和的流迎角的變化(圖7中的F2)。該后緣176可如所示優(yōu)選地包括半圓形后緣(19)，其中:半徑rt在軸向弦的2%和10%之間，并且更優(yōu)選地為4.5%。
[0064]該輪葉輪廓的鼻區(qū)164被布置，其中:拱型線與中心軸線101平行并沿軸向方向，使得:在鼻區(qū)164上沒(méi)有流的轉(zhuǎn)向。該鼻區(qū)164具有相當(dāng)細(xì)(即，相對(duì)較長(zhǎng))的橢圓或其它合適輪廓，其確定了鄰近輪葉144之間的增加流通路，以當(dāng)輪葉144受到反向流(圖7中的F2)并在轉(zhuǎn)子132的下游時(shí)，為反向流提供逐漸需要的擴(kuò)散。該輪葉144的最大厚度Tvmax和最大厚度點(diǎn)前的橢圓鼻區(qū)164的長(zhǎng)徑比由后緣176的厚度、轉(zhuǎn)向區(qū)166和轉(zhuǎn)角Θ以及在轉(zhuǎn)向區(qū)166上保持恒定流通路面積Fp的要求確定。
[0065]如圖7所示，結(jié)果的輪葉144輪廓相對(duì)平坦,并且具有相對(duì)較大的最大厚度。這種幾何形狀還具有存在顯著內(nèi)部容量的優(yōu)點(diǎn)，其可以用于或者用作用于邊界層鼓風(fēng)的空氣的增壓腔室(在下面描述)，或者容納與具有可變幾何形狀葉片關(guān)聯(lián)的致動(dòng)器機(jī)構(gòu)。
[0066]如所示，在優(yōu)選布置中，在轉(zhuǎn)彎166和后緣區(qū)168上方，該流動(dòng)通路的面積實(shí)質(zhì)恒定，僅面積在鼻區(qū)上改變和增加。相應(yīng)地，流F，F(xiàn)1，F(xiàn)2的擴(kuò)散僅出現(xiàn)在輪葉144的鼻區(qū)164上。
[0067]通常，隨著經(jīng)過(guò)沖擊式渦輪的流增加，效率也增加，直到到達(dá)峰值，此后，隨著流速的進(jìn)一步增加，存在緩和減小。這意味著:為取得反向循環(huán)的聞效率，該潤(rùn)輪應(yīng)在聞質(zhì)量流量率條件下運(yùn)行一以使低質(zhì)量流速操作、低效率條件運(yùn)行花費(fèi)的時(shí)間最小。因此，為滿足前述要求，設(shè)計(jì)目標(biāo)變?yōu)榫哂邢鄬?duì)較高的質(zhì)量流量比設(shè)計(jì)點(diǎn)，即例如基于輪葉幾何形狀，在①=1.0的中間跨度處具有平均軸向速度/旋轉(zhuǎn)速度。這可以與傳統(tǒng)的沖擊式渦輪裝置和轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)以及例如具有①=0.4的設(shè)計(jì)點(diǎn)質(zhì)量流量比的轉(zhuǎn)向角α形成對(duì)比。
[0068]在傳統(tǒng)的裝置中，當(dāng)自轉(zhuǎn)子的出口流為軸向時(shí)，沖擊式渦輪以最大效率運(yùn)轉(zhuǎn)，并且因此，在其設(shè)計(jì)點(diǎn)處，渦輪通常被設(shè)計(jì)以接近這一條件。當(dāng)導(dǎo)向輪葉140，142在轉(zhuǎn)子出口下游時(shí)，如在反向流的情況中，并且轉(zhuǎn)子132出口流接近軸向時(shí)，在導(dǎo)向輪葉144上的流迎角極高，這導(dǎo)致極大的流分離。通過(guò)減小轉(zhuǎn)子132出口流在下游的導(dǎo)向輪葉140，142上的迎角，可以減小這種分離的范圍。相應(yīng)地，可以將轉(zhuǎn)子葉片132轉(zhuǎn)向角增加幾度，例如3— 5度，超過(guò)在設(shè)計(jì)點(diǎn)處嚴(yán)格要求的那個(gè)值(等于最大70度的總轉(zhuǎn)向)，使得:從轉(zhuǎn)子132引出斜流。這減小了自轉(zhuǎn)子132的流在轉(zhuǎn)子132下游的輪葉144上的迎角。相應(yīng)地，該轉(zhuǎn)子葉片136優(yōu)選地具有比傳統(tǒng)使用的更高的轉(zhuǎn)向角度。雖然這導(dǎo)致轉(zhuǎn)子132性能的略微下降，由于與導(dǎo)向輪葉140，142略微更好的流對(duì)準(zhǔn)，它大于損失減小補(bǔ)償。
[0069]為了使效率最大，為了使渦輪盡可能多地從經(jīng)過(guò)它的空氣流取得功，期望從渦輪組件120取得低漩渦出口流。這意味著:期望具有相對(duì)較高加載的轉(zhuǎn)子輪廓，這導(dǎo)致相對(duì)較大的導(dǎo)向輪葉144和轉(zhuǎn)子葉片136轉(zhuǎn)向角，典型地大于55度?？紤]到這個(gè)，并且通過(guò)使用改變高度Hd的偏移導(dǎo)管146可以減小(如所述)導(dǎo)向輪葉144轉(zhuǎn)向角，該導(dǎo)向輪葉144轉(zhuǎn)向角Θ將典型地在35-70度的范圍中，并且類似的轉(zhuǎn)子葉片136轉(zhuǎn)向角α在35_70度的范圍中，由于轉(zhuǎn)子關(guān)于其軸向中間平面對(duì)稱，給出在70-140度(1.e2a)之間的總的轉(zhuǎn)子葉片136轉(zhuǎn)向角度。
[0070]換言之，轉(zhuǎn)子132，并且特別地轉(zhuǎn)子葉片136的轉(zhuǎn)向角α被設(shè)計(jì)以產(chǎn)生非軸向出口流，并具有(在設(shè)計(jì)運(yùn)行點(diǎn)處)環(huán)繞漩渦分量，以減小出口流中與面對(duì)鄰近轉(zhuǎn)子132的葉片輪廓的未對(duì)準(zhǔn)。這能夠與典型的沖擊式渦輪轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)形成對(duì)比，其設(shè)計(jì)以在設(shè)計(jì)運(yùn)行點(diǎn)處具有多個(gè)軸向流。相應(yīng)地，該轉(zhuǎn)子132和轉(zhuǎn)子葉片輪廓并且特別地轉(zhuǎn)向角被配置以被更高地加載，并具有比典型純沖擊式渦輪的情況更高的質(zhì)量流量率。因此，根據(jù)本發(fā)明的轉(zhuǎn)子132不是純沖擊式輪廓，但具有經(jīng)轉(zhuǎn)子132的略微壓降，以產(chǎn)生非軸向出口流。雖然這減小了轉(zhuǎn)子132的效率，由于非軸向出口流未與葉片輪廓未對(duì)準(zhǔn)，它得到與導(dǎo)向輪葉144的出口流未對(duì)準(zhǔn)關(guān)聯(lián)的損失減小的補(bǔ)償，并給出總效率的總體改進(jìn)。甚至，該轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)(和轉(zhuǎn)向角)優(yōu)選地最優(yōu)化并被設(shè)置，使得:以設(shè)計(jì)流速，漩渦和圓周速度分量的程度使得由于具有這種漩渦分量的出口流、與轉(zhuǎn)子出口關(guān)聯(lián)的損失，等于由于具有這種漩渦分量和處于非軸向的角度的出口流、與經(jīng)過(guò)導(dǎo)向輪葉144上的流關(guān)聯(lián)的損失減小。
[0071]本發(fā)明的實(shí)施例的轉(zhuǎn)子葉片輪廓在圖10中顯示，并且由圓弧拱形線180和厚度確定。該轉(zhuǎn)子葉片136優(yōu)選地關(guān)于其中線在其整個(gè)徑向高度上對(duì)稱。該圓弧180確定了轉(zhuǎn)子葉片136的轉(zhuǎn)角α。應(yīng)該注意:由于葉片輪廓是對(duì)稱的，該轉(zhuǎn)子葉片136的總轉(zhuǎn)角實(shí)際上為2倍α。壓力和吸力表面182，184則由經(jīng)過(guò)前緣186和后緣188邊界點(diǎn)和在弦中部處的最大厚度的點(diǎn)的拋物曲線確定。這種輪廓定義通過(guò)將特定半徑(將取決于制造考慮)應(yīng)用于前和后緣186,188完成。
[0072]除了使用新穎的輪廓，可通過(guò)使它們3維以使它們更好地匹配于隨著半徑改變的局部流條件，該噴嘴導(dǎo)向輪葉144與/或轉(zhuǎn)子葉片136的性能得以改進(jìn)。這意味著:當(dāng)噴嘴/導(dǎo)向輪葉葉片的輪廓沿其跨度保持相同時(shí)，在不同半徑處包括輪葉/葉片的區(qū)域被扭曲，并且通過(guò)旋轉(zhuǎn)該區(qū)域并將質(zhì)心堆疊在3維數(shù)學(xué)函數(shù)上，而不是沿直的徑向線堆疊質(zhì)心，引起周向和軸向位移(傾斜和平移)。導(dǎo)向輪葉和轉(zhuǎn)子葉片輪廓的3維葉片航空動(dòng)力設(shè)計(jì)優(yōu)化的這種使用在如下情況中特別優(yōu)選:前和反向流的特征是不同的，例如由于自腔室114與從大氣進(jìn)入腔室114的空氣流之間的密度差。圖8示意性地顯示了可能施加于區(qū)段的扭曲、傾斜和平移。此外，輪葉144和轉(zhuǎn)子葉片136的輪廓也可在其徑向高度和跨度上改變。
[0073]已知:通過(guò)經(jīng)討論表面引入流體以通過(guò)邊界層鼓風(fēng)重新為邊界層提供能量，可以減小或甚至防止流分離，并產(chǎn)生性能的凈增加。與經(jīng)過(guò)渦輪的總體質(zhì)量流量率相比，這樣做所需的流體質(zhì)量流量率典型地相對(duì)較小。
[0074]相應(yīng)地，當(dāng)噴嘴引導(dǎo)輪葉144在轉(zhuǎn)子132的下游時(shí)，流體的重新提供能量流可被引導(dǎo)經(jīng)過(guò)噴嘴引導(dǎo)輪葉144，以在噴嘴引導(dǎo)輪葉144上給邊界層重新提供能量，并控制和減小在噴嘴引導(dǎo)輪葉144上的反向流期間出現(xiàn)的流分離。如圖9所示，這可以通過(guò)提供接近輪葉144的后緣176的細(xì)槽190實(shí)現(xiàn)，當(dāng)葉片144受到逆向流時(shí)，從這里，流體的噴射可被排出，并且該流使得葉片144在轉(zhuǎn)子132的下游。該狹槽190以某一角度布置，典型地約45度，以與局部表面斜面相切。為取得最大效果，當(dāng)輪葉144用作下游導(dǎo)向輪葉144時(shí)，該狹槽190典型地位于后緣176(其在逆向流中，為前緣)和流分離點(diǎn)上。為將狹槽190和適合的管道容納在輪葉144內(nèi)以將流體供應(yīng)到狹槽190，后緣176被制作得相對(duì)較厚。為了高效，自狹槽的流體流的速度必須比經(jīng)過(guò)輪葉的局部自由流速度更高，并且典型地為自由流速度的1.1倍到1.3倍的范圍中。
[0075]利用適合措施可提供產(chǎn)生邊界層控制所需的流體流。例如并如圖14所示，經(jīng)適合的閥202、圍繞該組噴嘴導(dǎo)向輪葉的壓力通風(fēng)和集合管204，從那里流體會(huì)經(jīng)多個(gè)供應(yīng)導(dǎo)管管道206輸送到各個(gè)輪葉144和每個(gè)葉片的狹槽190，該流體可從分離的加壓空氣源200提供。該受壓流體的來(lái)源優(yōu)選地在足以提供所需速度的自狹槽190的流體流的壓力處，所需速度典型地為自由流速度的1.1倍到1.3倍，并且這由狹槽的面積確定，并且必須比在葉片144處的靜壓力更大。該開(kāi)關(guān)閥202被控制，使得:當(dāng)經(jīng)渦輪組件120并在各自葉片144上存在反向流(在第一組導(dǎo)向輪葉140的情況中F2)，它僅將鼓風(fēng)流體供應(yīng)到狹槽190。應(yīng)該意識(shí)到:在圖14中，僅顯示了第一組噴嘴導(dǎo)向輪葉140的鼓風(fēng)流體供應(yīng)裝置，并且意識(shí)到:對(duì)應(yīng)的流體供應(yīng)裝置被提供用于第二組噴嘴導(dǎo)向輪葉142。
[0076]可選地，如果經(jīng)渦輪的壓降足夠大，通過(guò)從流體源取得另外的流，或通過(guò)在流動(dòng)環(huán)中加入進(jìn)口(諸如例如簡(jiǎn)單的皮托管類型)以排出所需的鼓風(fēng)流，通過(guò)將流體從上游導(dǎo)向輪葉142前面?zhèn)魉偷较掠我龑?dǎo)輪葉，這可以用于提供鼓風(fēng)流體。優(yōu)選地，在這種裝置中，弓丨起適合鼓風(fēng)流的壓差將僅存在于經(jīng)渦輪120存在適合流Fl，F(xiàn)2時(shí)。此外，在主流F，F(xiàn)l, F2顛倒時(shí)，進(jìn)入狹槽190并且從進(jìn)口出來(lái)的反向鼓風(fēng)流未出現(xiàn)，因?yàn)楠M槽190在輪葉144鄰近轉(zhuǎn)子132的邊緣上并且因此在后緣上，并且后緣上和狹槽190處的壓力與在相對(duì)輪葉的相對(duì)側(cè)處的下游壓力類似，其中沖擊式渦輪的主壓降出現(xiàn)在進(jìn)口 /上游引導(dǎo)輪葉上。相應(yīng)地，對(duì)于主流〃，F(xiàn)2的當(dāng)前方向，這種被動(dòng)鼓風(fēng)裝置僅自動(dòng)地將鼓風(fēng)流體供應(yīng)到適合的導(dǎo)向輪葉，無(wú)需任何開(kāi)關(guān)裝置202。這將優(yōu)選地產(chǎn)生不具有運(yùn)動(dòng)部件的被動(dòng)鼓風(fēng)系統(tǒng)。這種被動(dòng)鼓風(fēng)裝置如圖11和12所示。
[0077]在圖11的鼓風(fēng)裝置中，經(jīng)輔助進(jìn)口 208和導(dǎo)管210，第一組輪葉140的另外流體流取自大氣，以將流體傳送到第一組噴嘴導(dǎo)向輪葉140周圍的強(qiáng)制通風(fēng)系統(tǒng)204，從那里，它被管道206輸送入各個(gè)葉片144和狹槽190。第二組葉片142的鼓風(fēng)裝置未顯示在圖11，但相類似，雖然在那種情況中，另外的流體流取自振動(dòng)水柱發(fā)電機(jī)110的腔室114。
[0078]在圖12的鼓風(fēng)裝置中，這是優(yōu)選地布置，以當(dāng)沿反向流F2操作時(shí)，將流體提供給第一組輪葉140，皮托管類型進(jìn)口 212被布置在流通路228中，在第二組噴嘴導(dǎo)向輪葉142前。皮托管類型進(jìn)口 212被連接到導(dǎo)管210以圍繞第一組噴嘴導(dǎo)向輪葉140傳送流體，到第二組噴嘴導(dǎo)向輪葉142下游，并到轉(zhuǎn)子132的另一側(cè)和到壓力通風(fēng)系統(tǒng)204，從那里，它被管道206輸送入第一組葉片140的各自輪葉144和狹槽190中。第二組輪葉142的鼓風(fēng)裝置未顯示在圖12中，但與之類似，雖然在那種情況中，另外的流體流取自在流動(dòng)通路228中設(shè)置的皮托管類型進(jìn)口 212，在第一組噴嘴導(dǎo)向輪葉142之前。皮托管類型進(jìn)口 212被連接到導(dǎo)管以圍繞第一組噴嘴導(dǎo)向輪葉140傳送流體，并到第一組噴嘴導(dǎo)向輪葉142的下游，到轉(zhuǎn)子132的另一側(cè)，到強(qiáng)制通風(fēng)系統(tǒng)204，從那里，它被管道206輸送入第二組噴射導(dǎo)向輪葉142的各自輪葉144和狹槽190中。
[0079]如果在特殊應(yīng)用中的壓差太小而不能泵取鼓風(fēng)空氣所需的質(zhì)量流量率，小型壓縮機(jī)214可加入系統(tǒng)，如圖13所示，以也增加變向空氣的壓力。這種泵214可類似地被加入圖11的裝置中。由于它增加了復(fù)雜度并且還需要開(kāi)關(guān)系統(tǒng)以適合地運(yùn)行泵214，這種泵214的使用不太期望。
[0080]也將認(rèn)識(shí)到:在其它實(shí)施例中，狹槽190可由一系列小孔或多個(gè)狹槽代替，以在輪葉上提供鼓風(fēng)流體的多個(gè)間隔噴射。這可減小鼓風(fēng)流體要求與/或增加給定鼓風(fēng)流量率取得的效果。
[0081]所述發(fā)明包括新穎的渦輪裝置，其提供了當(dāng)通過(guò)沖擊式渦輪的流動(dòng)周期地顛倒方向時(shí)的上述低的總效率問(wèn)題的解決方案，并且根據(jù)本發(fā)明的特定實(shí)施例的渦輪120可提供75%或更多的改進(jìn)效率。因此，本發(fā)明的這種沖擊式渦輪裝置可以實(shí)際上并優(yōu)選地例如用于振動(dòng)水柱發(fā)電機(jī)系統(tǒng)中。這種沖擊式渦輪裝置還具有超過(guò)其它裝置，例如傳統(tǒng)地用在這種應(yīng)用中的Wells類型渦輪裝置，的另外的優(yōu)點(diǎn)，包括:具有相對(duì)較低的運(yùn)行旋轉(zhuǎn)速度；與例如類似任務(wù)的wells類型渦輪相比較的高扭矩特征；和無(wú)(或低)軸向運(yùn)行負(fù)載。優(yōu)選實(shí)施例的沖擊式渦輪裝置還具有固定的幾何形狀和僅一個(gè)主運(yùn)動(dòng)部件一轉(zhuǎn)子。
[0082]雖然如所述，該沖擊式渦輪裝置120特別適合與振動(dòng)水柱發(fā)電機(jī)設(shè)備110 —起使用，它可被用于其中經(jīng)沖擊式渦輪裝置120的流動(dòng)周期地顛倒的其它應(yīng)用中。
[0083]也將認(rèn)識(shí)到:該渦輪裝置120的精確幾何形狀，并且特別地，輪葉144和葉片136確切輪廓和尺寸將由特定應(yīng)用細(xì)節(jié)確定，并且因此它們已參照重要參數(shù)的典型值在這里進(jìn)行了描述。此外，雖然描述僅提及使用具有單行和單組噴嘴導(dǎo)流葉片140，142，轉(zhuǎn)子132的任一側(cè)具有單一葉片行，這些可由多葉片行和多行導(dǎo)流輪葉代替。
[0084]本發(fā)明的原理和操作方式已在其優(yōu)選實(shí)施例中說(shuō)明和顯示。然而，應(yīng)該理解識(shí)到:在不背離其精神和范圍的情況下，本發(fā)明可以超出特定說(shuō)明和顯示，采用其它方式實(shí)施。
【權(quán)利要求】
1.一種雙向流沖擊式渦輪裝置，所述渦輪裝置與經(jīng)過(guò)該渦輪裝置的雙向反向流一起使用，所述渦輪裝置具有軸線，并包括: 轉(zhuǎn)子，所述轉(zhuǎn)子可旋轉(zhuǎn)地安裝以圍繞所述軸線旋轉(zhuǎn)，并具有環(huán)繞所述轉(zhuǎn)子沿圓周設(shè)置的多個(gè)轉(zhuǎn)子葉片； 第一組導(dǎo)向輪葉，所述第一組導(dǎo)向輪葉圍繞所述軸線沿圓周設(shè)置，用于通過(guò)由第一導(dǎo)管限定的第一流動(dòng)通路將所述雙向反向流引導(dǎo)到所述多個(gè)轉(zhuǎn)子葉片和從所述多個(gè)轉(zhuǎn)子葉片引導(dǎo)所述雙向反向流；和 第二組導(dǎo)向輪葉，所述第二組導(dǎo)向輪葉圍繞所述軸線沿圓周設(shè)置并且與所述第一組導(dǎo)向輪葉在軸向方向上間隔開(kāi)，所述第二組導(dǎo)向輪葉用于通過(guò)由第二導(dǎo)管限定的第二流動(dòng)通路將所述雙向反向流引導(dǎo)到所述多個(gè)轉(zhuǎn)子葉片和從所述多個(gè)轉(zhuǎn)子葉片引導(dǎo)所述雙向反向流， 其中:所述第一組導(dǎo)向輪葉和所述第二組導(dǎo)向輪葉布置在比所述多個(gè)轉(zhuǎn)子葉片更大的半徑處，使得所述第一組導(dǎo)向輪葉和所述第二組導(dǎo)向輪葉從所述多個(gè)轉(zhuǎn)子葉片徑向偏移。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪裝置，其中: 在所述第一組導(dǎo)向輪葉和所述第二組導(dǎo)向輪葉中的至少一組導(dǎo)向輪葉的導(dǎo)向輪葉表面中限定至少一個(gè)邊界層流動(dòng)控制出口，所述邊界層流動(dòng)控制出口連接到流體源，以在使用中將流體從所述流體源引導(dǎo)到所述至少一個(gè)邊界層流動(dòng)控制出口并且經(jīng)過(guò)所述第一組導(dǎo)向輪葉和所述第二組導(dǎo)向輪葉中的至少一組導(dǎo)向輪葉的所述導(dǎo)向輪葉表面。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的渦輪裝置，其中: 所述至少一個(gè)邊界層流動(dòng)控制出口包括至少一個(gè)狹槽，所述至少一個(gè)狹槽限定在所述第一組導(dǎo)向輪葉和所述第二組 導(dǎo)向輪葉中的所述至少一組導(dǎo)向輪葉的所述導(dǎo)向輪葉表面中。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的渦輪裝置，其中: 所述至少一個(gè)邊界層流動(dòng)控制出口包括多個(gè)孔，所述多個(gè)孔限定在所述第一組導(dǎo)向輪葉和所述第二組導(dǎo)向輪葉中的所述至少一組導(dǎo)向輪葉的所述導(dǎo)向輪葉表面中。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的渦輪裝置，其中: 所述流體源包括至少一個(gè)進(jìn)口和至少一個(gè)流體導(dǎo)管，以使流經(jīng)所述渦輪裝置的一部分流體轉(zhuǎn)向到所述至少一個(gè)邊界層流動(dòng)控制出口。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的渦輪裝置，還包括: 第一進(jìn)口和第一流體導(dǎo)管，以使一部分流體轉(zhuǎn)向到所述第一組導(dǎo)向輪葉的所述至少一個(gè)邊界層流動(dòng)控制出口 ；和 第二進(jìn)口和第二流體導(dǎo)管，以使一部分流體轉(zhuǎn)向到所述第二組導(dǎo)向輪葉的所述至少一個(gè)邊界層流動(dòng)控制出口。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的渦輪裝置，其中: 所述至少一個(gè)進(jìn)口包括位于所述第一流動(dòng)通路和所述第二流動(dòng)通路中的至少一個(gè)內(nèi)的皮托管進(jìn)口。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的渦輪裝置，其中: 所述至少一個(gè)進(jìn)口與大氣連通。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的渦輪裝置，其中:所述流體源包括泵或壓縮機(jī)。
10.根據(jù)權(quán)利要求2所述的渦輪裝置，其中: 所述流體源包括至少一個(gè)閥，以控制從所述流體源到所述至少一個(gè)邊界層流動(dòng)控制出口并且經(jīng)過(guò)所述第一組導(dǎo)向輪葉和所述第二組導(dǎo)向輪葉中的所述至少一組導(dǎo)向輪葉的所述導(dǎo)向輪葉表面的流體流。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪裝置，其中: 在相鄰導(dǎo)向輪葉之間限定導(dǎo)向輪葉流動(dòng)通路，并且所述第一組導(dǎo)向輪葉和所述第二組導(dǎo)向輪葉具有橫斷面輪廓，所述橫斷面輪廓包括:與所述軸線和經(jīng)過(guò)渦輪的軸向流大致平行定向的第一部；與所述軸線和經(jīng)過(guò)所述渦輪的軸向流成角度定向的第二部；和設(shè)置在所述第一部和所述第二部之間的轉(zhuǎn)向部，且 在相鄰導(dǎo)向輪葉的所述轉(zhuǎn)向部之間的所述導(dǎo)向輪葉流動(dòng)通路的橫斷面面積大體上恒定。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的渦輪裝置，其中:所述第一組導(dǎo)向輪葉和所述第二組導(dǎo)向輪葉的導(dǎo)向輪葉由壁限定，并且經(jīng)過(guò)所述轉(zhuǎn)向部的在相鄰導(dǎo)向輪葉的壁之間的所述導(dǎo)向輪葉流動(dòng)通路的寬度大體上恒定。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的渦輪裝置，其中: 所述轉(zhuǎn)向部具有由圓弧限定的拱形線，所述圓弧延伸經(jīng)過(guò)導(dǎo)向輪葉的預(yù)定轉(zhuǎn)向角度。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的渦輪裝置，其中:` 所述轉(zhuǎn)向部包括相對(duì)于軸向方向在35度和70度之間的預(yù)定轉(zhuǎn)向角度。
15.根據(jù)權(quán)利要求11所述的渦輪裝置，其中: 所述第二部的長(zhǎng)度能夠達(dá)到導(dǎo)向輪葉的軸向弦的30%，并且第二部限定半徑在所述導(dǎo)向輪葉的軸向弦的2%和10%之間的半圓弧邊緣端部。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪裝置，其中: 所述多個(gè)轉(zhuǎn)子葉片關(guān)于垂直于所述軸線并且經(jīng)過(guò)所述多個(gè)轉(zhuǎn)子葉片的軸向中點(diǎn)的平面對(duì)稱；且 所述多個(gè)轉(zhuǎn)子葉片限定轉(zhuǎn)向角，所述轉(zhuǎn)向角比轉(zhuǎn)子葉片在渦輪裝置的運(yùn)行點(diǎn)產(chǎn)生軸向流所需的角度大3度到5度。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的渦輪裝置，其中: 所述多個(gè)轉(zhuǎn)子葉片的轉(zhuǎn)向角在70度到140度之間。
【文檔編號(hào)】F01D5/14GK103498704SQ201310129488
【公開(kāi)日】2014年1月8日 申請(qǐng)日期:2007年7月25日 優(yōu)先權(quán)日:2006年7月26日
【發(fā)明者】克里斯托弗·弗里曼, 斯蒂芬·詹姆斯·赫里, 凱文·班克斯 申請(qǐng)人:德賽爾蘭德能源（英國(guó)）有限公司