專利名稱：流體能量轉換器的制作方法
技術領域：
本發明的領域通常涉及流體能量轉換器，更特別地，本發明涉及 風車和風力渦輪機。
背景技術：
流體能量轉換器典型地使用葉片、推進器(propellers)或葉輪將 流動流體的動能轉換為機械能，或者將機械能轉換為流動流體流的動 能。例如，風車和水車將風或水的動能轉換為旋轉機械能，并且風力 渦輪機和水力渦輪機還使用發電機將旋轉機械能轉換為電能。在逆向 過程中，風扇、推進器、壓縮機和泵可以配置為將來自旋轉機械能的 動能施加給流體。
尤其是利用風車和風力渦輪機，從動能到機械能的能量轉換對氣 體而言效率很低。人們通常認為，對于由風力轉換動能的裝置而言， 最大可能的效率為大約59.3%。然而，這一數字忽略了由例如空氣阻 力和紊流造成的損失。 一些應用級的三葉式風力渦輪機可以實現 40-50%的最高效率，但風車的效率明顯更低。因此，需要對風力應用 而言更有效的流體能量轉換器。
盡管一些供液體流體使用的流體能量轉換器可以實現高效率，但 這些機器價格昂貴。例如，盡管軸向輻流式水力渦輪機可以實現高于90%的效率，但是它們極為昂貴。存在成本是比效率最大化更為重要 的因素的應用，因此，需要對液體流而言成本更低的流體能量轉換器， 并且該轉換器仍然保持希望的效率。發明內容這里顯示和描述的系統和方法具有若干特征，沒有單個的特征對 其希望的屬性單獨起作用。在不將本發明限制于下列說明所描述的范 圍之內的情況下，現在將簡要討論其更突出的特征。在考慮這些討論 之后，尤其是閱讀標題為"具體實施方式
"的段落之后，人們應該明白 該系統和方法的特征如何提供優于傳統系統和方法的若干優點。在一個方面，本發明涉及用于流體能量轉換器的管。該管可以具 有通常圓柱形的中空主體，該中空主體具有內表面、外表面和縱向軸 線。該管可以具有多個螺旋凹槽，該螺旋凹槽用于在流體流使管圍繞 縱向軸線旋轉時收集流體流的動能。在另一個方面，本發明涉及一種流體能量轉換器，該流體能量轉 換器具有縱向軸線和與該縱向軸線同軸的可旋轉管。該可旋轉管可以 具有形成在其內、外表面上的螺旋凹槽以便將旋轉機械能轉換為流體 動能。在另一個方面，本發明涉及用于流體能量轉換器的管。該管可以 包括通常圓柱形的中空主體，該中空主體具有內表面、外表面和縱向 軸線。該管也可以具有形成在其外表面和內表面上的多個螺旋凹槽。 螺旋凹槽適合于收集外表面上螺旋凹槽的第一側上的流體，并且螺旋凹槽適合于收集內表面上螺旋凹槽的第二側上的流體。在一個實施例 中，本發明涉及用于流體能量轉換器的轉子。該轉子具有縱向軸線和 與該縱向軸線同軸的可旋轉管。該管可以包括內表面和外表面。在外 表面和內表面上可以形成多個螺旋凹槽，每個螺旋凹槽具有大體上彼 此相對的至少兩個螺旋凹槽壁。外表面上的螺旋凹槽壁形成0-100度 的角度，并且螺旋凹槽配置為將旋轉機械能轉換為流體動能，或者將 流體動能轉換為旋轉機械能。在另一個實施例中，本發明涉及一種流體能量轉換器，該流體能 量轉換器具有縱向軸線和與該縱向軸線同軸的可旋轉管。該可旋轉管 具有形成在其外表面和內表面上的多個螺旋凹槽。能量轉換器還可以 包括圍繞縱向軸線徑向分布的前葉片組，該前葉片組聯接到可旋轉管 上。圍繞縱向軸線徑向分布的后葉片組可以聯接到可旋轉管上。流體 能量轉換器還可以包括與縱向軸線重合并操作聯接到可旋轉管上的 軸。在一些配置中，可旋轉管將流體動能轉換為旋轉機械能，或者將 旋轉機械能轉換為流體動能。
另 一個實施例包括用于風車的轉子。該轉子可以包括通常圓柱形 的空心管，該空心管具有內表面、外表面和多個沿管外周的壁，所述 壁形成配置為接收風力動能的多個螺旋葉片。
另 一個實施例包括用于轉子的管段。該管段可以包括大體上矩形 的弧形板、從板邊緣伸出的第一管段邊緣和形成在所述板上的管段切 口。管段切口可以配置為接收第二管段邊緣。
另 一實施例包括操作風車的方法。該方法可以包括提供管狀轉子， 將轉子安裝成使該轉子的縱向軸線與流體流大體上平行，并且使轉子
相對于流體流的流動方向縱傾和/或橫傾1-30度的縱傾角和/或橫傾 角。
對于本領域的技術人員來說，在閱讀下列說明和附圖的情況下， 這些及其它改進將變得顯而易見。
圖l是流體能量轉換器的透視圖。
圖2是圖1所示流體能量轉換器的局部剖視圖。
圖3是圖1所示流體能量轉換器的另一局部剖視圖。
圖4是可以與圖1所示流體能量轉換器一起使用的管的透視圖。
圖5A是圖4所示管的一個管段的透視圖。
圖5B是圖4所示管的兩個管段的透視圖。
圖6是與圖1所示流體能量轉換器相關的某些流體力學的簡圖。圖7是圖l所示流體能量轉換器的轉子下傾的簡圖。 圖8是圖1所示流體能量轉換器的轉子上傾的簡圖。 圖9是圖1所示流體能量轉換器的前視圖，該流體能量轉換器具有沿第一方向橫傾的轉子。圖IO是圖1所示流體能量轉換器的前視圖，該流體能量轉換器具有沿第二方向橫傾的轉子。圖11是圖1所示流體能量轉換器的轉子發生縱傾和橫傾的透視圖。圖12是圖1所示流體能量轉換器的轉子下傾的側視圖。 圖13是圖1所示流體能量轉換器的轉子下傾的側視圖。 圖14是圖1所示流體能量轉換器的轉子沿第一方向橫傾的頂視圖。圖15是圖1所示流體能量轉換器的轉子沿第二方向橫傾的頂視圖。圖16A是圖1所示流體能量轉換器的導流罩(nacelle)的局部前 視圖，顯示了導流罩對流入流體能量轉換器的流體的作用。圖16B是圖16A所示導流罩的局部透視圖，并且顯示了導流罩對 流入圖1所示流體能量轉換器的流體的作用。圖17A是橫穿典型管的典型邊界層的示意圖。圖17B是形成在與圖l所示流體能量轉換器一起使用的管表面上 的邊界層的示意圖。圖18是用于圖l所示流體能量轉換器的轉子的可選安裝方法的透 視圖。圖19是圖1所示流體能量轉換器的導流罩的可選位置的透視圖。 圖20是圖1所示流體能量轉換器的剖視圖，該流體能量轉換器具有連續可變的變速器單元。圖21是圖1所示流體能量轉換器的可選導流罩的剖視圖。圖22A是用于圖l所示流體能量轉換器的管的可選制造方法的分解圖。圖22B是用于圖1所示流體能量轉換器的管的可選制造方法的》圖23是圖1所示流體能量轉換器的可選實施例的側視圖。圖24是圖1所示流體能量轉換器的可選實施例的側視圖。圖25是風力渦輪機系統的可選實施例的透視圖。圖26A是圖25所示系統的剖視圖。圖26B是圖25所示系統的局部端視圖。圖27是可與圖25所示系統一起使用的轉子段的透視圖。圖28是圖27所示轉子段的模塊化部件的透視圖。圖29是可與圖25所示系統一起使用的中央主體的透視圖。圖30是圖29所示中央主體的一個實施例的示意圖。圖31是圖29所示中央主體的可選實施例的剖視圖。圖32是風力渦輪機系統的可選實施例的立面側視圖。圖33是圖32所示系統的頂部立面圖。圖34是圖32所示系統的立面前視圖。圖35是可與圖32所示系統一起使用的旋轉支座的透視圖。圖36是圖35所示旋轉支座的底視圖。圖37是可與圖32所示系統一起使用的前葉片組的透視圖。圖38是可與圖32所示系統一起使用的后葉片組的透視圖。
具體實施方式
現在將參照附圖描述本發明的實施例，其中，相同的數字在全文表示相同的元件。在本說明書中使用的術語不能因為其連同本發明的某些特定實施例的具體描述使用而簡單地以任何局限或限制的方式進行解釋。而且，本發明的實施例可以包括若干個新穎的特征，沒有一 個單個的特征能夠對其希望的特性單獨起作用或者對實施在此描述的本發明來說必不可少。在一個方面，流體渦輪機可以具有管狀轉子和支架或塔架。管狀 轉子包括縱向軸線、與縱向軸線同心的可旋轉管、與縱向軸線同心的可旋轉前葉片組、與縱向軸線同心的導流罩、與縱向軸線同心的可旋 轉后葉片組、以及與縱向軸線同心的軸。在一個實施例中，管包括多 個螺旋凹槽，其從管的前緣處開始并延伸到管的后緣，從而形成管表 面外徑上的凹陷和管表面內徑上的突起。前、后葉片剛性附接到管上并與其一起旋轉。在一些實施例中， 前、后葉片在軸上旋轉，并且在軸和葉片之間使用軸承以使摩擦最小 化。導流罩可以剛性附接到軸上，并且在其外表面上可以具有多個螺 旋葉片。所述軸可以為剛性桿或空心管，并且附接到支撐管狀轉子的 塔架上。在一個實施例中，導流罩容納動力傳動系統，所述動力傳動 系統可以包括增速器和發電機以產生電力。在一些實施例中，尾部位 于管狀轉子的后面并附接于其上，所述尾部由流體流引導以使管狀轉 子朝向流體流。所述尾部可以具有豎直面部件和水平面部件，所述部 件用于使管狀轉子以縱傾和橫傾方式定位。在一些實施例中，當可壓縮流體流經管狀轉子時產生高壓和低壓 區域。管內流體沿與管狀轉子相同的方向旋轉，從而沿遠離縱向軸線 的方向徑向流出并壓靠管內壁，從而相對于周圍流體壓力產生高壓區 域。低壓區域形成在縱向軸線周圍，從而將流體吸入管中。這樣，低 壓區域有助于流體從管中流過。另外，進入管狀轉子的流體的流體切 線朝向管的外表面，從而在管的內、外表面上產生高壓區域。在一些情況下，管狀轉子可以縱傾(即，在豎直面內向上或向下) 和/或橫傾(即，在水平面上從一側到另一側)以取得增大能量生產的 有益效果。導流罩可以結合有螺旋葉片，所述螺旋葉片引導流體從而 沿與管狀轉子旋轉方向相同的方向轉動，以便產生渦流并增大能量生 產。在另一個方面，導流罩適合于沿與管狀轉子相反的方向旋轉以在 發電機上產生大速度差，從而增大能量生產。在另一個方面，管在前 開口處擴口或成喇叭口以使進入管中的流量最大化。在另一個方面，管狀轉子的動力傳動系統結合有無級變速傳動裝置(CVT)，從而當例如空氣或水的流體速度變化時，使發電機保持 大體上恒定的速度。CVT位于增速器和發電機之間，并且可以提供使發電機在由于流體流中突然增大，例如陣風引起的扭矩尖脈沖的情況下減振的額外優點。CVT的輸入連接到增速器的輸出，CVT的輸出 附接到發電機的輸入。在一些實施例中，增速器可以是2008年11月12日 申請日期2006年8月18日 優先權日2005年8月22日
發明者D·C·米勒 申請人:Viryd科技公司