流體動力能轉化系統及其應用的制作方法

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

具體而言，本發明涉及流體動力能轉化系統，該系統包括渦輪機設備，所述渦輪機設備包括呈現有旋轉軸的轉子，所述渦輪機設備被布置為以相對于進來的水體傾斜的定向通過旋轉軸操作，并且所述轉子包括至少一個螺旋葉片，該至少一個螺旋葉片被布置為與進來的水體相互作用，這樣旋轉能量被傳輸到所述轉子，所述至少一個螺旋葉片包括第一凸表面、第二凹表面和自由遠端邊緣，所述第一表面和第二表面在自由遠端邊緣相交(meet)。

本發明還涉及這樣的系統的應用，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：

本發明涉及流體動力能轉化系統，其中所述系統的渦輪機設備呈現為相對于進來的水體傾斜地定向。這樣的系統的實例在WO 2013/006061 A1中公開，其通過引證方式結合于本文中。

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

因此，根據一個方面，本發明的目的是提出一種包括傾斜的流動式流體動力渦輪機的流體動力能轉化系統，所述渦輪機與現有技術中的傾斜的流體渦輪機相比具有提高的能量轉化效率。

技術實現要素：

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

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

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

所述至少一個螺旋葉片可有利地呈現出從所述最大深度的位置到遠端邊緣的連續減小的厚度。

所述至少一個螺旋葉片可有利地呈現出在1-4的區間內的螺距比。

所述轉子可有利地呈現出在0.1-0.7的區間內的直徑-長度比。

所述至少一個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。

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

所述系統可有利地包括支撐設備，用于支撐所述渦輪機設備，并且所述渦輪機設備可有利地包括第一近端和第二遠端，所述近端圍繞樞軸樞轉地連接至所述支撐設備。所述樞軸可有利地與旋轉軸正交。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，所述系統可有利地包括用于支撐第一端的第一支撐設備和用于支撐所述渦輪機設備的第二端的第二支撐設備，所述第一和第二端固定地連接至所述支撐設備。

可以有利的是，當所述系統在操作中時，所述系統布置成使得所述旋轉軸相對于進來的水體形成角度，所述角度在80-20度的區間內，更有選地70-30度，并且最優選地60-40度。

在系統的操作期間，所述轉子有利地浸沒在進來的水體中。

附圖說明

在下文中，將參照附圖更詳細描述本發明。

圖1為根據本發明的一個實施方式的由潮汐驅動的流體動力轉化系統的側面示意圖。

圖2為根據圖1的系統在不同操作位置的側視圖。

圖3為根據本發明的一個實施方式的基于河流的流體動力轉化系統的頂部示意圖。

圖4為根據本發明的流體動力轉化系統的轉子的實施方式的透視圖。

圖5為根據圖4的轉子的側視圖。

圖6為沿著圖5的以VI-VI標記的區段的轉子的截面圖。

具體實施方式

圖1公開了根據本發明的流體動力轉化系統1的第一實施方式的側視圖。系統1包括渦輪機設備2，渦輪機設備包括第一近端8和第二遠端9。渦輪機設備2進一步包括安裝在支撐設備4上的螺旋轉子3。轉子3包括旋轉軸O。在所述系統的操作期間，軸O具有相對于進來的水體W傾斜的定向，如在圖1公開的。在操作期間，轉子浸沒在進來的水體W中，該水體將使得轉子3圍繞其軸O旋轉，以使得旋轉能量被施加給轉子3。

轉子3連接至能量轉化器6，能量轉化器可以是發電機。在可替換的實施方式中，能量轉化器6可以是泵，例如用于提供加壓空氣。一般來說，能量轉化器6可以是將轉子的旋轉能量轉化為不同形式的能量的任何類型的能量轉化設備，其中，轉子的旋轉能量進而由流動的水W的動能提供。

旋轉軸O可形成相對于進來的水體的角度α，所述角度在80-20度的區間內。但是，更優選地，角度α在70-30度的區間內，并且最優選地在60-40度的區間內，例如50度。

渦輪機設備2圍繞樞軸A樞轉地安裝在支撐設備4中，以使得角度α可相對于進來的水體W進行調節。樞軸A與旋轉軸O正交。這個配置在用于從潮汐流中提取能量的系統中尤其有利，這是因為它允許渦輪機設備2在與樞軸A正交的平面內旋轉，以便根據例如由變化的潮汐引起的進來的水體的速度和方向上的改變進行調節，如在圖2中公開的。在這樣的配置中，將轉子3布置為使得它的密度(density)小于周圍的水體W是有利的，這樣渦輪機設備2總是呈現相對于進來的水體W的恰當的角度α，例如以根據進來的水體的不同速度進行調節。可替代地或者另外地，在渦輪機設備2的遠端9布置浮力設備或水翼17可以是有利的。這樣的浮力設備在上文提到的文件WO 2013/006061 A1中公開。通過將轉子3布置為使得它的密度小于周圍的水體W和/或在渦輪機設備2的遠端9布置浮力設備或水翼17，設備2可被配置為取決于進來的水體的特性和速度，以在預先確定的區間內的角度α操作，例如60-40度。但是，在轉換潮汐時，所述系統可開始以稍微小于90度(例如85或80度)的角度α產生能量。

在圖1和圖2公開的實施方式中，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公開的實施方式中，支撐設備4位于水體W的底部B。可替代地，但是，支撐設備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)的結構上，只要支撐結構4允許轉子3浸沒在進來的水體W中。

圖3公開了根據本發明的流體動力轉化系統18的第二實施方式的頂部示意圖。在這個實施方式中，渦輪機設備2的第二端9也固定地安裝在支撐設備4’中。當所述系統安裝在河流中時，這個配置可以是有利的，在這種情況下，進來的水體的方向一般是恒定的。支撐設備4、4’因此允許渦輪機設備2保持相對于進來的水體W的固定角度α。當布置在河流中時，所述系統可有利地定位成使得旋轉軸O大致平行于河床。

支撐結構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構上，只要支撐結構4、4’允許轉子3浸沒在進來的水體W中。

在公開的實施方式中，流體動力轉化系統1、18包括一個轉子3，該轉子連接至能量轉化器6。但是，在可替代的實施方式中，流體動力轉化系統可包括兩個、三個、四個或者任何其他數目的轉子。而且，這些轉子可連接至共同的能量轉化器，或成組地連接至能量轉化器，以便兩個或更多個轉子連接至同一個能量轉化器。

圖4-6公開了根據本發明的流體動力能系統的螺旋轉子3的實施方式。轉子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。每個螺旋葉片10、11還包括自由遠端邊緣E(參見圖6)，第一表面12和第二表面13在該自由遠端邊緣處相交(meet)。遠端邊緣E限定或掠過(sweep)轉子3的外直徑D。

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

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

在公開的實施方式中，最大深度位于旋轉軸O與遠端邊緣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軸O的位置處，例如在0.3-0.5OE范圍內，或更接近遠端邊緣的位置處，例如在0.5-0.8OE范圍內。

轉子3包括：內部中央區段14，從軸O延伸至轉子3約四分之一半徑處；以及外部區段15，從內部區段14延伸至遠端邊緣E的半徑。內部區段14呈現出增加的厚度，以容納縱向軸16。在外部區段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端邊緣E處相交。

每個葉片10、11呈現有螺距比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與轉子3的直徑D之間的比率。螺距P定義為葉片10、11的一個完整的扭曲或轉向的長度(參見圖5)。

轉子3呈現有直徑-長度比D/L，其約為0.3。

對于上文的實施方式，參數D/L和P/D的值對于具體的實施方式已經給出。但是，要理解的是，需要根據系統的操作地點調節這些參數，尤其是考慮到系統在其中操作的水體的深度和主要速度。

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