具有軸向空隙的螺旋螺桿流體渦輪的制造方法
【專利摘要】一種螺旋式渦輪機包括：一個軸桿，該軸桿被構造成進行旋轉；以及一個或多個螺旋葉片，這個或這些螺旋葉片通過一個或多個支撐連接件與該軸桿相聯接。每個螺旋葉片均是圍繞與該軸桿同軸的一個錐形內空間并且在其外部形成的。對于包括兩個或更多螺旋葉片的構造，這些葉片可以圍繞該軸桿對稱地布置。
【專利說明】具有軸向空隙的螺旋螺桿流體渦輪機
[0001]相關申請的交叉引用
[0002]本申請要求在2012年6月7日提交的美國臨時專利申請號61/656，851的優先權，該臨時專利申請的披露內容通過引用被全部結合在此。
【技術領域】
[0003]本發明的領域涉及渦輪機葉片，更具體地涉及用于產生電能的渦輪機葉片。
【背景技術】
[0004]渦輪機葉片通常被設計成從流動的流體、如流動的水或空氣中獲取能量。當今的風輪機和水輪機存在多種設計，并且在世界很多地區用于通過流體(空氣或水最為常見)的流動所引起的轉動來產生電能。
[0005]已做出了許多提議來利用流體動力發電而從潮汐和其他水流獲取電能。在流體動力發電方面的初期提議是使用能夠在水流的壓力下轉動的渦輪機葉片。總體來說，已有四類流體動力裝置于近些年獲得測試:水平軸渦輪機、豎直軸渦輪機、振蕩水翼、以及文丘里系統。其中的最后一種，即文丘里系統，通常用于通過“扼流系統”來使水加速以產生可以用于驅動渦輪機的壓力降。
[0006]例如，從授予戈爾洛夫(Gorlov)的美國第6，036，443號專利中獲知了一種螺旋形渦輪發電機，該專利披露了一種帶有機翼型葉片的螺旋形渦輪機，這些葉片圍繞中央軸被安排成螺旋形。橫向于旋轉軸線穿過渦輪機的流體引起渦輪機轉動。可用一個渦輪機陣列來提高功率輸出。授予拉佩爾(Lapeyre)的美國第4，384，212號專利公開了另一類型的螺旋形渦輪機。該螺旋形渦輪機具有一個水平安裝的有浮力的螺旋形構件，這樣使得當其在水面上使用而波浪橫向于該螺旋形構件的長度時，該螺旋形構件的浮力與波浪相互作用致使該螺旋形構件繞其軸線轉動，從而將波浪能轉換成了電能。
[0007]如今眾所周知的是，發電渦輪機可能產生與海洋生物相關的重大問題，即轉動的渦輪機葉片會傷害海洋生物。到目前為止，用于降低對海洋生物的傷害的這些不同的提議僅僅導致增加了渦輪機的成本以及安裝費用。
[0008]人們注意到，許多早前的流體動力發電方案通過引入堅固外殼或錨定系統來維持這些發電系統的布置而增加了費用。
【發明內容】
[0009]本發明所針對的是具有與一個軸桿相連的一個或多個螺旋葉片的一種螺旋式渦輪機。
[0010]在本發明的第一個獨立方面，該螺旋式渦輪機包括被構造成進行旋轉的一個軸桿，并且該一個或多個螺旋葉片通過一個或多個支撐連接件與該軸桿相聯接。每個螺旋葉片均是圍繞與該軸桿同軸的一個錐形內空間并且在其外部形成的。這些螺旋葉片可采用若干選項:每個葉片可以在該錐形內空間的窄末端處固定到該軸桿上；每個葉片均可以是分段式的；每個葉片可以繞該軸桿是重量平衡的；每個葉片可以具有扁平輪廓或彎曲輪廓；每個葉片可以在該錐形內空間的寬末端處與在窄末端處相比具有更寬的輪廓；并且每個葉片可以具有與該錐形內空間的周邊間隔開的前緣。作為另一個選項，對于包含兩個或更多個螺旋葉片的構造，這些葉片可以圍繞該軸桿對稱地布置。
[0011]在本發明的第二個獨立方面，一種發電系統包括至少一臺發電機，該發電機具有一個轉動性輸入和一個具有多臺螺旋式渦輪機的陣列。每臺螺旋式渦輪機包括一個運作式地聯接到所述轉動性輸入上的軸桿、以及通過一個或多個支撐連接件與該軸桿相連接的一個或多個螺旋葉片。每個螺旋葉片均是圍繞與該軸桿同軸的一個錐形內空間并且在其外部形成的。可選地，可以將兩臺或更多臺螺旋式渦輪機串聯或并聯地、運作式地聯接到所述轉動性輸入上。
[0012]在本發明的第三個獨立方面，可以組合地采用任何前述方面。
[0013]因此，披露了一種改進的螺旋螺桿渦輪機。從該優選實施例的附圖和描述中可明顯看出這些改進的優勢。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014]上文的概述以及下文對示例性實施例的詳細說明是要結合附圖來閱讀的。然而，應該理解的是本發明不限于下圖所示的這些精確安排和手段；
[0015]圖1是一臺三葉片螺旋螺桿渦輪機的側視圖。
[0016]圖2是一個三葉片螺旋螺桿渦輪機葉片的等角視圖。
[0017]圖3是一個雙葉片螺旋螺桿渦輪機葉片以及在葉片內的空隙中形成的偽錐體的示意圖。
[0018]圖4是一個經截短的三葉片螺旋螺桿渦輪機葉片的側視圖。
[0019]圖5是一個單葉片螺旋螺桿渦輪機葉片的側視圖，是在沒有中心軸桿和軸桿附接件的情況下示出的。
[0020]圖6展示了使用多個螺旋螺桿渦輪機葉片的一個發電機陣列。
[0021]圖7展示了使用多個螺旋螺桿渦輪機葉片的另一個陣列。
[0022]圖8A-C是一種雙葉片螺旋螺桿設計的示意圖。
[0023]圖9展示了使用多個螺旋螺桿渦輪機葉片的另一個陣列。
【具體實施方式】
[0024]依照本發明原理對說明性實施例進行的描述旨在結合附圖來閱讀，并且這些附圖將被視作整個書面描述的一部分。在描述本文所披露的本發明實施例時，對方向或取向的任何提及僅為了方便描述而并非旨在以任何方式限制本發明的范圍。相對性用語如“下部”、“上部”、“水平”、“豎直”、“上方”、“下方”、“上”、“下”、“左”、“右”、“頂部”和“底部”及其派生詞(例如，“水平地”、“向下地”、“向上地”等)應看作是針對所描述的或在所討論的附圖中示出的取向。這些相對性用語僅是為了方便描述而并不要求設備以特定取向來構造或運作，除非明確這樣指出。用語如“附接”、“附連”、“連接”、“聯接”、“互連”和類似用語是指在多個結構直接地或通過介入結構間接地彼此固定或附接的關系、以及活動的或剛性的附接或關系，除非明確地另外指出。此外，通過參照優選實施例展示了本發明的特征和益處。因此，本發明明顯不應局限于這樣的優選實施例，它們展示的是可以單獨存在或以其他的特征組合方式存在的一些可能的非限制性的特征組合；本發明的范圍是由所附權利要求限定的。
[0025]詳細地參照附圖，圖1展示了一臺螺旋式渦輪機，該螺旋式渦輪機具有通過多個支撐連接件4與一個中心軸桿3相聯接的三個螺旋葉片I，每個支撐連接被顯示為一個從各自的對應葉片I延伸至該中心軸桿3的橫向軸。在所示的實施例中，每個葉片I還述窄末端19處與中心軸桿3直接聯接。圖5展示了單個葉片I而沒有中心軸桿或支撐連接件，并且螺旋式渦輪機可以配置單個葉片。如下文所述，這些葉片I與中心軸桿3的這種直接連接在某些實施例中可以被省略。總體的螺旋葉片布置是關于該軸桿平衡的且沿該軸桿是對稱的，以使得這些渦輪機葉片能夠轉動而不在轉動時引起渦輪機晃動。可能需要對一個或多個螺旋葉片I添加一塊或多塊重物(未示出)，以對于整個渦輪機實現旋轉平衡。在所示實施例中，每個葉片I均有扁平的截面輪廓，該輪廓在這些螺旋葉片I的寬末端18處是寬于在窄末端19處。替代地，螺旋葉片I可以采用彎曲輪廓，其曲率使每個葉片中心線的位置較每個葉片I的前緣7或后緣6離所述中心軸桿3遠，這樣使得該葉片I的內表面2具有向中心軸桿3敞開的凹曲率。作為另一替代方案，每個葉片I的內表面2可以具有扁平輪廓或彎曲輪廓，而每個葉片I的外表面可以具有一種不同的輪廓。這些葉片的截面的形狀可以改變、或者甚至是不規則形狀的，以便使渦輪機捕獲的能量最大化，而仍包括作為軸線空隙的錐形內空間(也稱為“偽錐體”)，這具體取決于該渦輪機的既定運行條件。
[0026]在螺旋葉片I的寬末端18處，每個葉片有一個可以采取任何形狀或角度的截短末端5。可選地，截短末端5可以匯合到一個向中心軸桿3橫向延伸的支撐連接件中。
[0027]在螺旋葉片I的窄末端19處，中心軸桿3通過一個軸延伸部10連接到一臺發電機16。這些螺旋葉片I在發電機16的相反一側通過一塊配重塊9實現重量平衡，該配重塊9通過一個支撐臂11附連到發電機16。取決于具體的渦輪機設計，可以消除這個平衡配重塊。發電機16通過一個水平樞接件14和一根支撐棒13安裝到一根支撐柱8上。盡管在所示實施例中，支撐柱8僅支撐單一一臺渦輪機，但可以將多臺渦輪機聯接到單根支撐柱并由其支撐，這取決于具體的設計規格。
[0028]所示的螺旋式渦輪機被構造成使得流體以箭頭20所示的方向從螺旋葉片I的寬末端18流入并流向螺旋葉片I的窄末端19。如下文更為詳細描述的那樣，在某些實施例中，葉片I的前緣7是與這些葉片所圍繞的錐形內空間間隔開的(參見圖3)，其中葉片I的后緣6不是與該錐形內空間間隔開的。
[0029]圖2示出一個具有三個螺旋葉片I的實施例。此圖更清楚地示出了螺旋葉片I的某些特征。每個葉片I通過構成支撐連接件4的兩根支柱連接到中心軸桿3，并且每個葉片I在窄末端19處與中心軸桿3連接。
[0030]這些螺旋葉片I形成的錐形內空間如圖3所示，該圖繪出了圍繞錐形內空間23且在其外部形成的兩個螺旋葉片I。錐形內空間23是由于每個葉片的交線限定的。在所示實施例中，相互對稱的每個螺旋葉片I的后緣6限定了從寬末端18直至窄末端19間的錐形內空間23。每個葉片的前緣7是與以此方式限定的錐形內空間23的周邊間隔開的。對于這一所示構造，每個螺旋葉片I的后緣6 —般較該螺旋葉片I的前緣7上的最近點更接近中心軸桿3。
[0031]圖4示出了在窄末端19附近被截短的螺旋葉片I。在某些實施例中，可能希望該窄末端19是更敞開的，且這些葉片I并不一直延伸至與中心軸桿3聯接。取決于具體運行條件，此類構造預計將提供一個優點。替代地，這些螺旋葉片可以非連續地從寬末端延展至窄末端。此類構造將減輕螺旋式渦輪機的重量，并且取決于具體的運行條件仍可以提供所需的能量輸出。作為另一替代方案，這些葉片的重量可以通過在葉片上提供孔洞或穿孔來減輕。以這些方式之一設計螺旋葉片能夠改變渦輪機葉片前半徑(R)的大小、和/或葉片長度(L)、和/或葉片寬度(即，調節暴露給流經偽錐體的流體的葉片表面)，從而使得渦輪機的重量和運行參數可以構造成針對不同的運行條件使能量產生最大化。
[0032]圖8示出了螺旋葉片相對于某些實施例中形成的錐形內空間的構造細節。取決于既定的運行條件，該偽錐體的錐角(Θ )可以在大約5度與60度之間變化，以有助于最大化能量輸出。同樣，取決于既定的運行條件，該偽錐體的中心線與螺旋葉片之間的角度(Θ)可以在大約5度與90度之間變化，以有助于最大化能量輸出。此外，該螺旋葉片角度(Θ )可以沿葉片本身的長度變化。取決于既定的運行條件，該偽錐體的半徑與螺旋葉片之間的角度(Θ )可以在大約5度與90度之間變化，以有助于最大化能量輸出。任一上述變量均可以單獨調節或組合地調節，以考慮流體流速、湍流和其他運行條件，從而在具體應用所需的渦輪機尺寸的基礎上更好地實現能量輸出的最大化。
[0033]在一種不同的構造中，偽錐體表面的半徑與螺旋葉片之間的度角(Θ)可以在約90度與180度之間變化，則該螺旋式渦輪機被構造成使得流體在從窄末端流向寬末端的方向上流動。
[0034]圖6展示了以并聯方式與單臺發電機16聯接的三臺螺旋式渦輪機1，該發電機16由一根支撐柱8支撐。每臺渦輪機I通過一個或多個萬向接頭12和傳動軸29聯接到發電機16。此構造讓多臺螺旋式渦輪機通過單臺發電機產生能量。
[0035]圖7展示了聯接在一起的五臺螺旋式渦輪機通過一臺或多臺發電機(未示出)發電。在這一構造中，其中兩臺螺旋式渦輪機31，、32通過多個萬向接頭12和多個傳動軸29以串聯方式直接聯接，而另外兩臺螺旋式渦輪機33、34通過多個萬向接頭12和多個傳動軸29以并聯方式聯接且然后通過一個萬向接頭12和多個傳動軸29以串聯方式可操作地與另外兩臺螺旋式渦輪機31、32聯接。第五臺螺旋式渦輪機35按相同方式并聯地連接到示出的所有其他螺旋式渦輪機31、32、33、34。本實施例舉例說明了能以多種方式將多臺螺旋式渦輪機聯接起來以適合具體的應用和/或運行條件。無論單臺還是多臺發電機都可以連接到一個主蓄電中心或一個配電中心。
[0036]圖9示出一個支撐架42內的一個具有多臺螺旋式渦輪機41的陣列。盡管未示出發電機，但在此構造中，可以為每臺螺旋式渦輪機配一臺發電機，或者可以通過萬向接頭和傳動軸按將兩臺或更多臺渦輪機運作性地聯接到單臺發電機。無論單臺還是多臺發電機都可以連接到一個主蓄電中心或一個配電中心。
[0037]螺旋式渦輪機能夠通過轉動發電機將旋轉能轉化成電能。如果該中心軸桿通過一個樞轉軸承附接到一個支撐柱上，則這一布置可以是自定向的，即自動將寬末端暴露給流體流，而且該中心軸桿通過一個萬向接頭聯接到一臺發電機。
[0038]螺旋式渦輪機可以用于流體動力學能量轉換裝置中，具體是可以在潮汐流或江河流中使用的流體動力學能量轉換裝置中。應理解的是，螺旋式渦輪機可以結合道任何其他類型的流體動力裝置和發電機中，甚至結合到風力發電機上。螺旋式渦輪機可以完全在水面水位以下運行或者部分在水面水位以上運行，且該渦輪機的一部分處于水面上方的空氣中。螺旋式渦輪機還可以在加壓流體流中使用，以最大化對能量的捕獲。可以使用在一個末端具有較窄錐形形狀的圓柱形管(比如說文丘里管構造)來對流體流加壓。此類螺旋式渦輪機還可以用作與中樞件和旋轉動力源連接的螺旋槳。螺旋式渦輪機還可以附接到快速移動的物品上，以利用相對流體流動來發電。
[0039]雖然本發明是結合具體實例進行描述的，其中包括目前實施本發明的優選模式，但是本領域普通技術人員理解的是，上述系統和技術存在眾多變體和變更。應理解的是，可以采用其他的實施例，并且可以在不背離本發明的范圍的情況下做出結構和功能上的修改。因此，本發明的精神和范圍應該如所附權利要求中提出的那樣來寬泛地解釋。
【權利要求】
1.一種螺旋式渦輪機，包括: 一個軸桿，該軸桿被構造成進行旋轉； 一個或多個螺旋葉片，這個或這些螺旋葉片是通過一個或多個支撐連接件與該軸桿相聯接，每個螺旋葉片是圍繞與該軸桿同軸的一個錐形內空間并且在其外部形成的。
2.如權利要求1所述的螺旋式渦輪機，其中，該一個或多個螺旋葉片包括至少兩個螺旋葉片，而這些葉片是圍繞該軸桿對稱地布置的。
3.如權利要求1所述的螺旋式渦輪機，其中，每個螺旋葉片均在該錐形內空間的窄末端處會聚到該軸桿上并與該軸桿相聯接。
4.如權利要求1所述的螺旋式渦輪機，其中，每個螺旋葉片均是分段式的。
5.如權利要求1所述的螺旋式渦輪機，其中，該一個或多個螺旋葉片是圍繞該軸桿而重量平衡的。
6.如權利要求1所述的螺旋式渦輪機，其中，每個螺旋葉片在該錐形內空間的寬末端處是寬于在該錐形內空間的窄末端處。
7.如權利要求1所述的螺旋式渦輪機，其中，每個螺旋葉片均具有與該錐形內空間的周邊間隔開的一個前緣。
8.如權利要求1所述的螺旋式渦輪機，其中，每個螺旋葉片具有的輪廓為一種扁平輪廓和一種彎曲輪廓之一。
9.如權利要求1所述的螺旋式渦輪機，進一步包括運作式地聯接到該軸桿上的一臺發電機。
10.如權利要求9所述的螺旋式渦輪機，其中，該軸桿通過一個可旋轉的萬向接頭運作式地聯接到該發電機上。
11.一種發電系統，包括: 至少一臺發電機，該發電機具有一種轉動性輸入； 一個具有多臺螺旋式渦輪機的陣列，每臺渦輪機包括: 一個軸桿，該軸桿運作式地聯接到該轉動性輸入上； 一個或多個螺旋葉片，這個或這些螺旋葉片是通過一個或多個支撐連接件與該軸桿相聯接，每個螺旋葉片是圍繞與該軸桿同軸的一個錐形內空間并且在其外部形成的。
12.如權利要求11所述的螺旋式渦輪機，其中，每臺渦輪機的該一個或多個螺旋葉片包括至少兩個螺旋葉片，而這些葉片是圍繞該軸桿對稱地布置的。
13.如權利要求11所述的螺旋式渦輪機，其中，對于這些渦輪機中的至少一者而言，每個螺旋葉片在該錐形內空間的窄末端處會聚到該軸桿上并與該軸桿相聯接。
14.如權利要求11所述的螺旋式渦輪機，其中，對于這些渦輪機中的至少一者而言，每個螺旋葉片均是分段式的。
15.如權利要求11所述的螺旋式渦輪機，其中，對于這些渦輪機中的至少一者而言，每個螺旋葉片在該錐形內空間的寬末端處是寬于在該錐形內空間的窄末端處。
16.如權利要求11所述的螺旋式渦輪機，其中，對于這些渦輪機中的至少一者而言，每個螺旋葉片均具有與該錐形內空間的周邊間隔開的一個前緣。
17.如權利要求11所述的螺旋式渦輪機，其中，對于這些渦輪機中的至少一者而言，每個螺旋葉片具有的輪廓為一種扁平輪廓和一種彎曲輪廓之一。
18.如權利要求11所述的螺旋式渦輪機，其中，每個軸桿通過一個可旋轉的萬向接頭運作式地聯接到這些發電機之一上。
19.如權利要求11所述的系統，其中，這些螺旋式渦輪機中的至少兩臺是串聯地、運作式地聯接到該轉動性輸入上。
20.如權利要求11所述的系統，其中，這些螺旋式渦輪機中的至少兩臺是并聯地、運作式地聯接到該轉動性輸入上。
【文檔編號】F03D1/06GK104520579SQ201380041915
【公開日】2015年4月15日 申請日期:2013年6月7日 優先權日:2012年6月7日
【發明者】烏帕拉·拉賈卡魯納, 布斯特哈·世漢·杰科顏格 申請人:烏帕拉·拉賈卡魯納