空氣內(nèi)能的應(yīng)用及裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種空氣內(nèi)能的應(yīng)用及裝置。一種將空氣內(nèi)能轉(zhuǎn)換成有用的動能的方法，該方法基于流過大致漸縮管嘴的空氣，由于管嘴截面減小，所以該漸縮管嘴使空氣加速，從而增大空氣的動能。動能的增量等于空氣內(nèi)能(即溫度)的減少量。在所述管嘴內(nèi)設(shè)置有渦輪，以將氣流的動能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，所述機(jī)械能被轉(zhuǎn)化成電能或傳遞到齒輪箱中以提供驅(qū)動力矩。使用該方法的裝置可利用自然風(fēng)作為氣流源或利用人工氣流裝置。結(jié)合有人工產(chǎn)生氣流的裝置的裝置可用作用于陸地、海洋交通工具和飛行器的發(fā)動機(jī)。由于管嘴內(nèi)的氣溫降低，所以會出現(xiàn)水分凝結(jié)并且可積存液態(tài)水以進(jìn)一步使用。
【專利說明】空氣內(nèi)能的應(yīng)用及裝置
[0001] 本申請是申請?zhí)枮?00580043924. 9、發(fā)明名稱為："空氣內(nèi)能的應(yīng)用及裝置"（國 際申請日為2005年11月16日，國際申請?zhí)朠CT/IL2005/001208)的發(fā)明專利申請的分案 申請。

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002] 本發(fā)明涉及用于增大氣體動能并通過所述動能來產(chǎn)生電能或機(jī)械能的方法和裝 置。

【背景技術(shù)】
[0003] 現(xiàn)今，風(fēng)力渦輪在多風(fēng)地區(qū)十分普遍。其設(shè)計(jì)類似于飛行器的螺旋槳。風(fēng)力渦輪 面向自然風(fēng)安裝于高塔架上，自然風(fēng)使風(fēng)力渦輪轉(zhuǎn)動，并且該轉(zhuǎn)動驅(qū)動發(fā)電機(jī)發(fā)電。需要約 為4米/秒的最小風(fēng)速來使螺旋槳開始轉(zhuǎn)動。發(fā)電機(jī)所產(chǎn)生的電隨后由風(fēng)力渦輪的所有者 使用或被輸送給電網(wǎng)。
[0004] 這種產(chǎn)品的一個很好的示例是由該領(lǐng)域的主要制造商制造的產(chǎn)品。以下數(shù)據(jù)描述 了一種2兆瓦的發(fā)電機(jī)。
[0005] 直徑：80米
[0006] 掃掠面積：5, 027平方米
[0007] 葉片數(shù)：3
[0008] 塔架數(shù)據(jù)：
[0009] 輪軸高度（近似值）：60-67-78-100米
[0010] 工作數(shù)據(jù)：
[0011] 切入風(fēng)速：4米/秒
[0012] 額定風(fēng)速：15米/秒
[0013] 停止風(fēng)速：20米/秒（該機(jī)器的最大工作速度）
[0014] 發(fā)電機(jī)：
[0015] 額定輸出：2000千瓦
[0016] 重量：
[0017] 塔架（60 米）：110 噸
[0018] 引擎艙（nacelle) :61 噸
[0019] 轉(zhuǎn)子（螺旋槳）：34噸
[0020] 總計(jì)：205 噸
[0021] 注意：塔架越1?意味著越重。
[0022] 這種巨大的機(jī)器在15米/秒的額定風(fēng)速下的額定輸出功率為2兆瓦。
[0023] 當(dāng)風(fēng)力渦輪的螺旋槳轉(zhuǎn)動時(shí)，實(shí)際上僅位于由螺旋槳末端形成的圓周內(nèi)的一小部 分流動空氣足夠靠近任一螺旋槳葉片流動，從而在該葉片上產(chǎn)生氣動升力。沿螺旋槳葉片 分布的這些升力（事實(shí)上是其在螺旋槳轉(zhuǎn)動平面內(nèi)的分量，該分量與由產(chǎn)生所述升力分量 的葉片部分形成的圓周相切）繞螺旋槳軸線產(chǎn)生轉(zhuǎn)動力矩。這些升力與其到螺旋槳轉(zhuǎn)動軸 線的對應(yīng)距離相乘并累加成特定大小的轉(zhuǎn)矩，該轉(zhuǎn)矩使螺旋槳葉片轉(zhuǎn)動。由于大量空氣在 螺旋槳葉片之間流動，這些空氣不會有助于對螺旋槳產(chǎn)生任何升力或轉(zhuǎn)矩。這是這種螺旋 槳僅使用了穿過螺旋槳圓周的空氣的約20%的動能的一個原因。因此，為了在低風(fēng)速下產(chǎn) 生足夠的電力，需要巨大的螺旋槳。
[0024] 由于這種低效率，這些風(fēng)力渦輪必須是大型的以產(chǎn)生充足的電力。因此這些風(fēng)力 渦輪大、重且昂貴，并且其運(yùn)動的葉片對鳥和飛行器來說很危險(xiǎn)。因此，這些風(fēng)力渦輪不能 安裝在城市的建筑物上，而城市正是極需電力的地方。
[0025] 特別期望通過風(fēng)力發(fā)電有多種原因：其為無污染的清潔能源，不會產(chǎn)生C02并且風(fēng) 是免費(fèi)的，因此其是清潔能源的廉價(jià)來源，然而風(fēng)有時(shí)太弱而不能使該巨大的螺旋槳運(yùn)轉(zhuǎn)。
[0026] 因此期望更高效、尺寸緊湊且制造成本低并且可安裝在城市建筑物的屋頂上的風(fēng) 力渦輪。
[0027] 這些風(fēng)力渦輪的另一固有缺陷在于它們局限于在強(qiáng)風(fēng)中進(jìn)行工作。這是由于螺旋 槳葉片沉重（大約11噸），從而高轉(zhuǎn)速下的離心力變得很大，并且為超過25米/秒的風(fēng)設(shè) 計(jì)這些葉片在經(jīng)濟(jì)上不合算。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0028] 根據(jù)本發(fā)明，提供了一種將氣體內(nèi)能轉(zhuǎn)換成動能并將氣體動能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能（該 機(jī)械能被轉(zhuǎn)換成電能）的方法和系統(tǒng)。
[0029] 根據(jù)本發(fā)明的一個方面公開了用于通過將空氣熱能（m*Cp*AT)轉(zhuǎn)換成動能 (0.5m*V 2)并且使用該動能轉(zhuǎn)換成有用功率來產(chǎn)生有用功率的設(shè)備，其中，m是氣流質(zhì)量速 率，Cp是空氣的定壓比熱，T是絕對溫度，V是空氣速度，所述設(shè)備包括：a)生成氣流的動力 風(fēng)扇，該動力風(fēng)扇包括：i)軸；ii)轂，多個葉片安裝至該轂，并且該轂連接到所述風(fēng)扇軸使 得當(dāng)所述風(fēng)扇軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，所述風(fēng)扇葉片旋轉(zhuǎn)并且生成氣流；b)容納所述氣流，對所述氣流 進(jìn)行加速并且冷卻所述氣流的漸縮管嘴，該漸縮管嘴包括：i)管嘴入口；ii)管嘴喉部；以 及iii)管嘴出口；c)渦輪轉(zhuǎn)子，其包括：i)安裝有多個葉片的轉(zhuǎn)子轂，所述轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)為產(chǎn) 生比提供給所述風(fēng)扇的功率大的功率量；ii)與安裝在所述轉(zhuǎn)子轂的所述轂一起旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn) 子軸，所述轉(zhuǎn)子軸用于將所述轉(zhuǎn)子的輸出功率傳遞到生成所述有用功率的機(jī)構(gòu)；其中：_所 述渦輪轉(zhuǎn)子安裝在所述管嘴內(nèi)部靠近所述管嘴喉部；-由所述氣流源產(chǎn)生的氣流通過所述 管嘴入口進(jìn)入，并且沿所述管嘴出口的方向流動，沖擊到所述渦輪轉(zhuǎn)子葉片上，繼續(xù)朝向所 述管嘴出口流動，并離開所述管嘴；-所述管嘴入口的橫截面面積大于所述管嘴喉部的橫 截面面積，從而在所述氣流朝向所述喉部流動時(shí)使所述氣流的速度增加并且使所述氣流的 溫度降低，以使得在所述管嘴喉部處的所述氣流中的空氣的動能比在所述管嘴入口處的所 述氣流中的空氣的動能實(shí)質(zhì)上大于所述管嘴入口處的所述氣流中的空氣的內(nèi)能熱量部分 (C P ·Τ)與所述管嘴喉部處的所述氣流中的空氣的內(nèi)能熱量部分（CP ·Τ)之間的差；并且-當(dāng) 所述氣流沖擊到所述渦輪轉(zhuǎn)子葉片上時(shí)，所述氣流的所述動能的一部分以推動所述葉片的 空氣動力的形式被傳遞到所述轉(zhuǎn)子葉片，而使所述渦輪轉(zhuǎn)子和所述轉(zhuǎn)子軸旋轉(zhuǎn)，從而將所 述氣流的所述動能的一部分轉(zhuǎn)換為每單位時(shí)間對所述轉(zhuǎn)子所做的功，所述轉(zhuǎn)子軸將所述功 傳遞到產(chǎn)生所述有用功率的所述機(jī)構(gòu)；所述轉(zhuǎn)子設(shè)備的特征在于：葉片的數(shù)量和由翼型、 葉片入口角和葉片出口角限定的所述葉片的空氣動力橫截面，選擇葉片的參數(shù)以生成大于 所述風(fēng)扇中存在的氣流每秒的動能的功率量，其中，所述管嘴和所述轉(zhuǎn)子被設(shè)計(jì)為使得所 述氣流的局部速度至少被加速到等于大約0. 2的馬赫數(shù)的速度。
[0030] 本發(fā)明的主要方面在于漸縮管嘴的使用，該漸縮管嘴面向來風(fēng)，其中該管嘴的截 面的面積朝向下游減小，從而使空氣速度增大，即氣流內(nèi)能被轉(zhuǎn)換成動能。
[0031] 本發(fā)明的另一方面在于設(shè)置在所述漸縮管嘴的出口處的空氣渦輪的組合，使得離 開所述管嘴的空氣驅(qū)動所述空氣渦輪。
[0032] 本發(fā)明的另一方面在于所述空氣渦輪的轉(zhuǎn)動驅(qū)動發(fā)電機(jī)，該發(fā)電機(jī)通過轉(zhuǎn)動功率 來發(fā)電。
[0033] 本發(fā)明的另一方面在于渦輪轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動軸線垂直于氣流方向。
[0034] 本發(fā)明的另一方面在于所述渦輪的漸縮管嘴結(jié)合有導(dǎo)向葉片，所述導(dǎo)向葉片引導(dǎo) 所述管嘴內(nèi)的氣流。
[0035] 本發(fā)明的另一方面在于渦輪葉片具有管嘴喉部的形狀和尺寸。
[0036] 本發(fā)明的另一方面在于可變的管嘴入口截面。
[0037] 本發(fā)明的另一方面在于結(jié)合有控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)監(jiān)測管嘴喉部處的空氣速 度，并改變管嘴入口面積以在不超過本地音速的情況下在該喉部處獲得最大的空氣速度。
[0038] 本發(fā)明的另一方面在于結(jié)合有控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)打開或關(guān)閉管嘴喉部處的開 口以使過?？諝庖绯觥?br> [0039] 本發(fā)明的另一方面在于與自然風(fēng)的溫度相比加速后的空氣的溫度降低。
[0040] 本發(fā)明的另一方面在于啟動處理，該啟動處理使所述渦輪轉(zhuǎn)動小于一分鐘，以從 所述管嘴抽吸空氣，從而防止該管嘴內(nèi)的靜壓升高并建立通過該管嘴的穩(wěn)態(tài)流。
[0041] 本發(fā)明的另一方面在于結(jié)合有自動控制系統(tǒng)，該自動控制系統(tǒng)引導(dǎo)所述管嘴入口 朝向來風(fēng)。
[0042] 本發(fā)明的另一方面是矩形的管嘴入口。
[0043] 本發(fā)明的另一方面在于所述漸縮管嘴與其渦輪分離，并通過導(dǎo)管連接該管嘴的出 口與空氣渦輪，該導(dǎo)管將加速后的空氣從所述管嘴輸送至渦輪入口。
[0044] 本發(fā)明的另一方面是沖擊式渦輪與所述漸縮管嘴的一起使用。
[0045] 本發(fā)明的另一方面在于通過進(jìn)入渦輪管嘴的氣流和云（cloud)中的水蒸汽來產(chǎn) 生水。
[0046] 本發(fā)明的另一方面是一控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)改變漸縮-擴(kuò)散管嘴的喉部以將管 嘴內(nèi)的空氣加速到Mach = 1. 0。
[0047] 本發(fā)明的另一方面在于結(jié)合有停止機(jī)構(gòu)，該停止機(jī)構(gòu)用于保持并防止管嘴朝向風(fēng) 轉(zhuǎn)動。
[0048] 本發(fā)明的另一方面在于結(jié)合有排水系統(tǒng)，該排水系統(tǒng)防止水積存在管嘴或轉(zhuǎn)子腔 內(nèi)。
[0049] 本發(fā)明的另一方面在于可變的管嘴喉部截面積。
[0050] 本發(fā)明的另一方面在于將空氣渦輪單元放置在離開管嘴的氣流中和空氣渦輪單 元在管嘴處的氣流中的位移（displacement)。
[0051] 本發(fā)明的另一方面在于在風(fēng)力渦輪的重心正上方安裝在風(fēng)力渦輪上的起重吊鉤 的使用。
[0052] 本發(fā)明的另一方面在于插入到漸縮-擴(kuò)散管嘴的喉部中的渦輪單元。
[0053] 本發(fā)明的另一方面在于渦輪的垂直轉(zhuǎn)動軸線，渦輪繞該轉(zhuǎn)動軸線對準(zhǔn)以面向管嘴 入口前方的風(fēng)。
[0054] 本發(fā)明的另一方面在于配備有動力風(fēng)扇的漸縮管嘴，該動力風(fēng)扇驅(qū)動空氣進(jìn)入所 述管嘴，使得該管嘴將空氣內(nèi)能轉(zhuǎn)換成動能，所述動能驅(qū)動渦輪產(chǎn)生比提供給所述動力風(fēng) 扇的更多的功。
[0055] 本發(fā)明的另一方面在于配備有動力風(fēng)扇和渦輪的漸縮管嘴，所述渦輪向所述動力 風(fēng)扇提供能量，從而該組合是驅(qū)動飛行器的渦輪螺槳發(fā)動機(jī)。
[0056] 本發(fā)明的另一方面在于配備有動力風(fēng)扇和渦輪的漸縮管嘴，所述渦輪機(jī)械地驅(qū)動 所述動力風(fēng)扇，從而該組合是驅(qū)動飛行器的渦輪螺槳發(fā)動機(jī)。
[0057] 本發(fā)明的另一方面在于配備有動力風(fēng)扇和渦輪的內(nèi)漸縮管嘴，所述渦輪向所述動 力風(fēng)扇和附加的風(fēng)扇提供能量，所述附加的風(fēng)扇將空氣推入另一管嘴，從而該組合是驅(qū)動 飛行器的渦輪螺槳發(fā)動機(jī)。
[0058] 本發(fā)明的另一方面在于幾何尺寸可變的內(nèi)漸縮管嘴，該內(nèi)漸縮管嘴配備有動力風(fēng) 扇和渦輪，所述渦輪向所述動力風(fēng)扇和附加的風(fēng)扇提供能量，所述附加的風(fēng)扇將空氣推入 另一幾何尺寸可變的管嘴，從而該組合是驅(qū)動飛行器的渦輪螺槳發(fā)動機(jī)。
[0059] 本發(fā)明的另一方面在于幾何尺寸可變的內(nèi)漸縮管嘴，該內(nèi)漸縮管嘴配備有動力風(fēng) 扇和渦輪，所述渦輪向所述動力風(fēng)扇和附加的風(fēng)扇提供能量，所述附加的風(fēng)扇將空氣推入 另一幾何尺寸可變的管嘴，該另一管嘴改變氣流方向，從而該組合是驅(qū)動飛行器的具有推 力換向器的渦輪螺槳發(fā)動機(jī)。
[0060] 本發(fā)明的另一方面在于所述渦輪螺槳發(fā)動機(jī)結(jié)合有位于漸縮管嘴中的燃料噴射 器，以增大氣流的能量和溫度，從而增大渦輪中的質(zhì)量流速和音速，從而增大渦輪產(chǎn)生的能 量。
[0061] 本發(fā)明的另一方面是一種裝置，該裝置不依賴于自然風(fēng)而通過空氣內(nèi)能來發(fā)電， 該裝置包括配備有第一動力風(fēng)扇和渦輪的漸縮管嘴，該第一動力風(fēng)扇用于啟動所述裝置， 所述渦輪將空氣動能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，該機(jī)械能驅(qū)動第一渦輪、第二動力風(fēng)扇和用于發(fā)電的 發(fā)電機(jī)。
[0062] 本發(fā)明涉及一種用于將空氣內(nèi)能轉(zhuǎn)換成動能，并進(jìn)一步將動能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的方 法。
[0063] 根據(jù)本發(fā)明一個方面的方法，該方法如下進(jìn)行：使空氣流過管嘴，入口截面積為 化、溫度為1\、速度為而在下游，在多個可變截面積處的氣流參數(shù)為：面積Ad、速度Vd和 溫度Td，其中所述多個截面積Ad中的一部分或者全部小于化，以使Ad處的空氣速度值V d為 \的大約\與&除以Ad(Ai/Ad)的比值的乘積的倍數(shù)，其中由于空氣速度V d的增量而導(dǎo)致 的空氣速度的動能的增量大約等于空氣內(nèi)能的減少量，也就是說，氣流質(zhì)量速率m乘以空 氣的定壓比熱C p，再乘以截面Ad處的空氣溫度的減小量Λ T，即，Λ T = Ti-Td，從而該能量 轉(zhuǎn)換大約為：m*Cp*AT，其大約等于：n^V^-Vi 2)/^。
[0064] 根據(jù)本發(fā)明一個方面的方法，其中，在所述管嘴的出口或者在所述管嘴內(nèi)設(shè)置有 渦輪，用于將一部分空氣動能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。
[0065] 根據(jù)本發(fā)明一個方面的方法，其中，所述管嘴具有連續(xù)減小的截面以使空氣速度 連續(xù)加速。
[0066] 根據(jù)本發(fā)明一個方面的方法，其中，所述管嘴為漸縮-擴(kuò)散管嘴并且所述渦輪設(shè) 置在該管嘴的最小截面積處，即設(shè)置在喉部處，或者設(shè)置在該喉部的截面之前或該喉部的 截面之后的具有較大截面積的截面處。
[0067] 在根據(jù)本發(fā)明一個方面的裝置的管嘴內(nèi)部具有至少一個導(dǎo)向葉片，所述導(dǎo)向葉片 用于形成流過可變截面積處的至少兩個子流。
[0068] 根據(jù)根據(jù)本發(fā)明一個方面涉及管嘴，該管嘴的內(nèi)部具有多個導(dǎo)向葉片。
[0069] 在根據(jù)本發(fā)明以上方面的裝置中，所述空氣含有水分，因此當(dāng)空氣加速并且其溫 度降低時(shí)，所述水分凝結(jié)而變成水滴，由此所述管嘴中的空氣靜壓降低，從而形成附加的吸 力，該吸力使得進(jìn)入所述管嘴的流的速度和質(zhì)量增大。
[0070] 在根據(jù)本發(fā)明以上方面的裝置中，積存所述水滴以用于任何用途。
[0071] 在根據(jù)本發(fā)明一個方面的裝置中，所述渦輪提供機(jī)械能以驅(qū)動用于發(fā)電的發(fā)電 機(jī)，或者提供機(jī)械能以用作發(fā)動機(jī)。
[0072] 在根據(jù)本發(fā)明多個方面的裝置中，所述氣流的源是自然風(fēng)。
[0073] 根據(jù)本發(fā)明多個方面的安裝到管嘴上的風(fēng)力渦輪具有繞一軸線轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)子轂，該 軸線與撞擊所述轉(zhuǎn)子轂的葉片的氣流正交，其中：各個葉片從所述轉(zhuǎn)子轂徑向延伸，并且所 述葉片的平面形狀與空氣撞擊所述葉片所在通道的截面的形狀和尺寸相同。
[0074] 根據(jù)本發(fā)明多個方面的安裝到漸縮管嘴上的風(fēng)力渦輪具有橫跨在兩個平行的圓 形盤之間的多個翼，所述翼以圓形方式固定到所述盤上，從而所述翼位于氣流通道中，在該 氣流通道中所述氣流在所述翼上產(chǎn)生氣動力，所述氣動力產(chǎn)生氣動轉(zhuǎn)矩，使得所述盤繞與 所述盤的平面正交并與所述翼的跨距平行的軸線轉(zhuǎn)動。
[0075] 在根據(jù)本發(fā)明多個方面的裝置中，所述氣流的源是驅(qū)動氣流通過管嘴的人工源。
[0076] 在根據(jù)本發(fā)明一個方面的裝置中，其中，所述人工空氣源是由諸如電、機(jī)械、蒸汽、 風(fēng)等的任何動力源提供動力的風(fēng)扇。
[0077] 根據(jù)本發(fā)明多個方面的機(jī)動裝置用作車輛發(fā)動機(jī)，該機(jī)動裝置將其渦輪的機(jī)械轉(zhuǎn) 動功率的一部分傳遞給車輛的驅(qū)動系統(tǒng)，并將一部分傳遞給用于產(chǎn)生電力的發(fā)電機(jī)以驅(qū)動 所述人工源流動。
[0078] 根據(jù)本發(fā)明以上方面的安裝到漸縮管嘴上的渦輪包括至少一級軸流式渦輪。
[0079] 在根據(jù)本發(fā)明的裝置中，第一管嘴的入口被升高到高于地面，而其出口通過一管 路與在第一管嘴下面的第二管嘴相連，所述第二管嘴容納有渦輪。
[0080] 根據(jù)上述權(quán)利要求的漸縮管嘴具有自動控制系統(tǒng)，該自動控制系統(tǒng)用于改變?nèi)肟?的截面積，以使在該管嘴的喉部處的空氣速度最大化到期望速度。
[0081] 根據(jù)本發(fā)明多個方面的管嘴結(jié)合有控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)用于改變所述管嘴的喉 部截面積以在該喉部處獲得期望的空氣速度。
[0082] 根據(jù)本發(fā)明以上方面的管嘴與根據(jù)本發(fā)明的任何類型的渦輪的任何組合，其中， 所述渦輪被放置在所述喉部之前或者在所述喉部處或者在所述喉部之后。
[0083] 根據(jù)本發(fā)明以上方面的的裝置設(shè)置有啟動系統(tǒng)，該啟動系統(tǒng)初始化空氣渦輪的轉(zhuǎn) 動，以使氣流能夠進(jìn)入所述入口、經(jīng)過該渦輪而離開該裝置。
[0084] 根據(jù)本發(fā)明以上方面的裝置安裝在轉(zhuǎn)動系統(tǒng)上，使得所述入口可轉(zhuǎn)動，從而以相 對于翼向量的從〇度到180度的任何角度朝向來風(fēng)。
[0085] 根據(jù)本發(fā)明以上方面的的管嘴具有啟動系統(tǒng)，該啟動系統(tǒng)提供動力以使空氣渦輪 轉(zhuǎn)動，該啟動系統(tǒng)包括電動機(jī)和諸如電池或電網(wǎng)的電源，所述電動機(jī)可選地是渦輪發(fā)電機(jī)。 [0086] 本發(fā)明的另一個方面涉及風(fēng)力渦輪的啟動系統(tǒng)，該啟動系統(tǒng)包括風(fēng)傳感器、電池 以及電動機(jī)，該電動機(jī)使所述渦輪沿其工作方向轉(zhuǎn)動，從而該渦輪吸入空氣并使進(jìn)入管嘴 的風(fēng)能夠流過該渦輪的葉片。
[0087] 根據(jù)本發(fā)明以上方面的裝置具有放置在自由風(fēng)中的基本垂直的翼表面，使得來風(fēng) 在所述翼上產(chǎn)生氣動力和力矩，從而該力矩使所述裝置朝向來風(fēng)轉(zhuǎn)動。
[0088] 根據(jù)本發(fā)明以上方面的裝置具有使所述裝置朝向來風(fēng)轉(zhuǎn)動的動力裝置。
[0089] 與根據(jù)本發(fā)明以上方面的管嘴組合進(jìn)行工作的任何空氣渦輪利用諸如液體、或通 過電流或熱空氣進(jìn)行加熱的除冰手段使來自所述管嘴和渦輪元件的冰融化。
[0090] 根據(jù)本發(fā)明以上方面的在其入口中具有動力風(fēng)扇的裝置配備有根據(jù)本發(fā)明上述 方面的渦輪，所述渦輪驅(qū)動其葉片面向自由空氣的螺旋槳，從而該裝置是驅(qū)動飛行器的渦 輪螺槳發(fā)動機(jī)。
[0091] 在根據(jù)本發(fā)明一個方面的裝置中，所述動力風(fēng)扇由電動機(jī)或者由所述渦輪的機(jī)械 動力驅(qū)動。
[0092] 根據(jù)本發(fā)明一個或多個方面的渦輪螺槳發(fā)動機(jī)包括配備有動力風(fēng)扇和渦輪的內(nèi) 漸縮管嘴，所述渦輪向所述動力風(fēng)扇提供能量并且向附加的大風(fēng)扇提供能量，所述大風(fēng)扇 將空氣推入外管嘴，從而該組合是驅(qū)動飛行器的兩級式渦輪螺槳發(fā)動機(jī)。
[0093] 根據(jù)本發(fā)明以上方面的渦輪螺槳發(fā)動機(jī)具有幾何形狀可變的漸縮-擴(kuò)散管嘴。
[0094] 根據(jù)本發(fā)明以上方面的渦輪螺槳發(fā)動機(jī)具有幾何形狀可變的漸縮管嘴，其中，該 管嘴的可移動部分偏離，以將氣流推到與該氣流進(jìn)入的方向相反的方向，從而該裝置是用 于驅(qū)動飛行器的帶有推力換向器的渦輪螺槳發(fā)動機(jī)。
[0095] 在根據(jù)本發(fā)明上述方面的渦輪螺槳發(fā)動機(jī)中，該渦輪螺槳發(fā)動機(jī)的管嘴結(jié)合有燃 料噴射器和點(diǎn)火器，以增大所述渦輪處的氣流溫度、內(nèi)能、質(zhì)量流速率以及氣流速度，從而 增大渦輪產(chǎn)生的能量。
[0096] 根據(jù)本發(fā)明上述方面的裝置不依賴于自然風(fēng)而使用空氣內(nèi)能來發(fā)電，該裝置包括 配備有第一動力風(fēng)扇和渦輪的漸縮管嘴，該第一動力風(fēng)扇用于啟動所述裝置，所述渦輪將 空氣動能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，該機(jī)械能驅(qū)動第一動力風(fēng)扇、優(yōu)選地較大的第二動力風(fēng)扇和用于 發(fā)電的發(fā)電機(jī)。
[0097] 根據(jù)本發(fā)明一個或多個方面的裝置利用諸如液體、或通過電流或熱空氣進(jìn)行加熱 的除冰手段使來自所述管嘴和空氣渦輪元件的冰融化。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0098] 從以下結(jié)合附圖的詳細(xì)描述將進(jìn)一步理解并清楚本發(fā)明，附圖中：
[0099] 圖1是沿根據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施例的風(fēng)力渦輪的側(cè)剖視圖，該風(fēng)力渦輪具有帶圓形 入口的漸縮管嘴。
[0100] 圖2是圖1的風(fēng)力渦輪的正視圖。
[0101] 圖3是沿圖1的風(fēng)力渦輪的俯視剖視圖。
[0102] 圖4是沿根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的具有矩形入口的風(fēng)力渦輪的側(cè)剖視圖。
[0103] 圖5是圖4的風(fēng)力渦輪的正視圖。
[0104] 圖6是圖4的風(fēng)力渦輪的俯視剖視圖。
[0105] 圖7是根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的具有可變截面積入口的風(fēng)力渦輪的側(cè)剖視圖。
[0106] 圖8是圖7的風(fēng)力渦輪的正視圖。
[0107] 圖9是沿圖7的風(fēng)力渦輪的俯視剖視圖。
[0108] 圖10是沿根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的帶導(dǎo)向葉片的風(fēng)力渦輪的側(cè)剖視圖，該風(fēng)力 渦輪具有定子和帶翼片的轉(zhuǎn)子。
[0109] 圖11是圖10的風(fēng)力渦輪的正視圖。
[0110] 圖12是沿根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的具有軸向沖擊式渦輪的風(fēng)力渦輪的剖面。
[0111] 圖13是表示圖12的空氣渦輪的渦輪軸、支承臂、定子盤和轉(zhuǎn)子盤的剖面。
[0112] 圖14是圖12的定子盤和轉(zhuǎn)子盤的平面圖。
[0113] 圖15是沿根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的風(fēng)力渦輪的側(cè)剖視圖，該風(fēng)力渦輪具有與該 空氣渦輪分離的管嘴。
[0114] 圖16是沿根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的風(fēng)力渦輪的側(cè)剖視圖，該風(fēng)力渦輪具有與該 渦輪分離的漸縮-擴(kuò)散管嘴。
[0115] 圖17是沿根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的位于漸縮管嘴前方的風(fēng)力渦輪的側(cè)剖視圖， 該風(fēng)力渦輪具有垂直轉(zhuǎn)動軸線。
[0116] 圖18是沿配備有動力風(fēng)扇的管嘴的側(cè)剖視圖。
[0117] 圖19是沿配備有動力風(fēng)扇和渦輪以成為用于飛行器的渦輪螺槳發(fā)動機(jī)的管嘴的 側(cè)剖視圖。
[0118] 圖20是沿配備有渦輪和多個動力風(fēng)扇以成為用于飛行器的兩級式渦輪螺槳發(fā)動 機(jī)的管嘴的側(cè)剖視圖。
[0119] 圖21是沿配備有動力風(fēng)扇、渦輪和推力換向器以成為用于飛行器的兩級式渦輪 螺槳發(fā)動機(jī)的管嘴的側(cè)剖視圖。
[0120] 圖22是沿配備有動力風(fēng)扇和渦輪以成為兩級式渦輪螺槳發(fā)電機(jī)的管嘴的側(cè)剖視 圖。

【具體實(shí)施方式】
[0121] 現(xiàn)今的風(fēng)力渦輪包括被氣流（即，風(fēng)）驅(qū)動的螺旋槳。當(dāng)風(fēng)增大時(shí)，更多的動能可 用于驅(qū)動螺旋槳葉片，但是由于螺旋槳葉片大而重（每一個葉片大約11，〇〇〇千克），當(dāng)風(fēng)速 超過特定水平（取決于葉片的強(qiáng)度及其安裝到軸上的安裝強(qiáng)度）時(shí)，必須停止轉(zhuǎn)動以防止 離心力破壞葉片。因此空氣渦輪停止其工作，大量的風(fēng)能被浪費(fèi)。另一方面，當(dāng)風(fēng)太弱（大 約4米/秒或更低）時(shí)，由于可用動能太小而不能使巨大的空氣渦輪轉(zhuǎn)動，所以不能使巨大 的螺旋槳工作。本發(fā)明克服了這些障礙，并說明了如何使本發(fā)明的空氣渦輪緊湊并在弱風(fēng) 以及高速風(fēng)中產(chǎn)生更多的電。
[0122] 此外，安裝用于產(chǎn)生流入到管嘴入口的氣流的動力風(fēng)扇是值得的，這是因?yàn)闈u 縮-擴(kuò)散管嘴能夠在其喉部使氣流動能增大約10倍，因而凈輸出功率大于輸入功率，從而 得到不依賴于風(fēng)的發(fā)動機(jī)。抽吸空氣并將氣流推入漸縮管嘴或漸縮-擴(kuò)散管嘴的動力風(fēng)扇 是本發(fā)明的主要方面。
[0123] 風(fēng)動能可由下式數(shù)學(xué)地表達(dá)：
[0124] EK = P XVXAXV2/2其中：V是空氣速度
[0125] P是空氣密度
[0126] A是流動空氣的截面積
[0127] " X "是乘法符號，以下將省略。
[0128] 因此，空氣速度為0時(shí)，動能為0。
[0129] (注意：本專利申請中的所有公式和所用數(shù)據(jù)都取自以下參考書：
[0130] FOUNDATIONS OF AERODYNAMICS，第二版
[0131] A. M. KUETHE 和 J. D. SCHETZER 著
[0132] Department of Aeronautical Engineering
[0133] University of Michigan (USA)
[0134] 出版商 JOHN WILEY&S0NS
[0135] 圖書館專業(yè)分類卡號：59-14122。
[0136] 令人驚訝的是，即使是在冰凍溫度下，自然風(fēng)空氣的能量（稱為"內(nèi)"能）與其動 能相比也很巨大。
[0137] 為得到該論點(diǎn)，必須考察單位質(zhì)量的可等熵壓縮流的能量方程：
[0138] CpT+V2/2 =常數(shù)（參考書第140頁的方程24)
[0139] 在討論風(fēng)時(shí)，以上方程中的所有相關(guān)參數(shù)都與特定狀態(tài)的空氣有關(guān)，其中：
[0140] Cp是空氣的定壓比熱（參見參考書第132頁）
[0141] Cv是空氣的定容比熱（參見參考書第131頁）
[0142] Y = 1.4為空氣在1000° R下的Cp/Cv的比值
[0143] T是空氣的絕對溫度
[0144] V是空氣速度
[0145] CpXT是氣體（空氣）的內(nèi)能，而V2/2是單位質(zhì)量的氣體的動能。對于等熵流（熱 不增加也不從空氣吸熱），必須滿足方程24給出的能量關(guān)系，即存在能量守恒。
[0146] 為了論證動能與內(nèi)能的比值，針對溫度為T = 32° F，風(fēng)速為25米/秒（V802兆 瓦風(fēng)力渦輪的最大工作風(fēng)速）的相對較強(qiáng)的風(fēng)來計(jì)算這些能量，該風(fēng)是在這種空氣渦輪很 普遍的有人居住的北半球的冬天相當(dāng)冷的空氣。
[0147] 利用英制單位系統(tǒng)
[0148] Cp = 6000FTXLB/Slug° R
[0149] T = 460+32 = 492° R
[0150] V = 25/0. 3048 = 82. 02FT/SEC
[0151] 內(nèi)能為：CPT = 6000 X 492 = 2, 952, 000FTX LB/Slug
[0152] 動能為：V2/2 = (82. 02)2/2 = 3, 201. 6FTXLB/Slug
[0153] 因此，在這種情況下空氣動能與空氣內(nèi)能之比為：3, 201. 6/2, 952, 000 = 0. 00108, S卩，動能大約是空氣內(nèi)能的千分之一，并且該情況是針對復(fù)雜的2MW空氣渦輪的 最大工作空氣速度。越弱的風(fēng)得到越小的能量比。
[0154] 由于中速風(fēng)（小于10米/秒）的動能較小，所以需要大面積的轉(zhuǎn)子葉片來增大由 這種風(fēng)力渦輪收集的能量。較大的轉(zhuǎn)子葉片使得整個機(jī)器（如V80)很大且很昂貴，這最終 使廣生的電昂貴。
[0155] 因此，令人驚訝的是還沒有人提出利用空氣內(nèi)能的能源的方法。本發(fā)明通過新穎 的渦輪設(shè)計(jì)將空氣內(nèi)能轉(zhuǎn)換成動能，然后將動能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。
[0156] 圖1示意性地示出了沿本發(fā)明一個實(shí)施例的剖視圖。艙體（pod) 100容納有具有 葉片126、127、128等的圓柱狀轉(zhuǎn)子122。這些葉片可以為矩形平面形式的平面或凹面，或 者為任何其他平面形狀。因而當(dāng)風(fēng)150進(jìn)入管嘴入口 110并如152所示在管嘴108內(nèi)流動 時(shí)，其進(jìn)一步向管嘴截面積最小的管嘴喉部114會聚，空氣在這里達(dá)到其最大空氣速度。緊 接著在喉部114之后，流動空氣154遇到與氣流154瞬時(shí)垂直的"上升"的葉片128和葉片 126。葉片126被流動空氣154強(qiáng)制向右運(yùn)動，即繞轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動軸線120順時(shí)針轉(zhuǎn)動，該轉(zhuǎn)動 軸線與驅(qū)動氣流154正交。由于葉片126、127、128等牢固地安裝在轉(zhuǎn)子圓柱體122上，所 以轉(zhuǎn)子122隨其葉片126、127、128等順時(shí)針轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)子葉片126、127、128等的邊緣與圓柱 狀腔壁124U25之間的距離很?。◣缀撩祝蚨鲃涌諝?54U56不能繞過這些葉片，從 而當(dāng)流動空氣154、156在通道162內(nèi)流動時(shí)迫使葉片轉(zhuǎn)動，直至流動空氣154、156到達(dá)開 口 129,此時(shí)氣流158在該開口處通過由?'表示的排放管嘴離開轉(zhuǎn)子腔，并作為氣流159 離開渦輪截面118。從轉(zhuǎn)子葉片126到轉(zhuǎn)子葉片129的氣流路徑為氣流在轉(zhuǎn)子葉片上施加 持續(xù)的氣動力提供了時(shí)間距離（time distance)，同時(shí)將葉片數(shù)量最小化到2,從而降低了 該空氣渦輪的制造成本并最終降低了由該設(shè)計(jì)產(chǎn)生的電的成本。然而，為了保持平穩(wěn)操作 (即，在轉(zhuǎn)子122上施加恒定的氣動轉(zhuǎn)矩），應(yīng)該使用4到大約8個葉片。該設(shè)計(jì)是本發(fā)明 的主要方面。
[0157] 艙體100配備有垂直翼194,其直立在自由空氣中，因而任何不與垂直翼194的平 面平行的風(fēng)都在該翼上施加氣動力，并且該力使艙體100通過安裝支柱134繞其垂直軸線 145轉(zhuǎn)動，使得艙體入口 110面對來風(fēng)150。
[0158] 艙體支柱134配備有止動件133和引導(dǎo)錐135,它們都牢固地安裝在支柱134上。 這有助于將支柱134對準(zhǔn)到管140內(nèi)，該管是用于安裝艙體100以使其進(jìn)行工作（即，通過 風(fēng)來發(fā)電）的塔架。在將支柱134插入到管140內(nèi)后，當(dāng)止動件133遇到其配對件141時(shí)， 該止動件133使支柱134停止向下移動到管140內(nèi)。止動件133和配對件141都具有相同 的平面形狀，優(yōu)選地為圓形平面形式。當(dāng)止動件133?？吭谂鋵?41上時(shí)，將c形截面的 鎖定件142牢固地安裝到下部的141上（優(yōu)選地通過螺栓），從而使止動件133和整個艙體 100能夠朝向來風(fēng)繞軸線145轉(zhuǎn)動，而不向上運(yùn)動，從而使渦輪艙體保持安裝在其承載支柱 140上。安裝系統(tǒng)130至140是本發(fā)明的另一方面。
[0159] 吊鉤109正好安裝在艙體的對稱平面上并位于重心上方，從而當(dāng)起重機(jī)運(yùn)送艙體 以將其安裝在支柱140上時(shí)，支柱134將垂直于水平面并平行于支柱140,從而能夠容易地 將錐135對準(zhǔn)到支柱140的頂部開口內(nèi)，以使得能夠容易地將渦輪安裝在其工作位置。該 吊鉤及其位置是本發(fā)明的另一方面。為非常高速的風(fēng)（其可能使喉部中的馬赫數(shù)超過1. 0， 即音速）提供了可選的過剩空氣通道。在這種情況下，結(jié)合有管嘴108中的風(fēng)速測量裝置 的可選控制系統(tǒng)將打開該空氣通道，以使過量的氣流通過該通道離開管嘴，從而不會在喉 部114處超過Μ = 1. 0而引起噪音和隆隆聲。
[0160] 由于本發(fā)明的空氣渦輪在幾乎封閉的容器內(nèi)工作，所以需要排水系統(tǒng)來除去積存 在管嘴內(nèi)或轉(zhuǎn)子腔的雨水。而且，由于進(jìn)入管嘴的空氣是冷的（參見以下的數(shù)值示例），所 以水蒸汽會液化成水。為了從空氣渦輪排水，增加了集水器167,該集水器從漸縮管嘴收集 水并將其輸送到管131。而且，排水孔和管168從轉(zhuǎn)子腔收集水。由于這些是干凈的可飲用 水，所以在干旱地區(qū)，這些水可用于任何用途。如果渦輪放置于有云的地區(qū)（即山頂或高塔 頂部），則可產(chǎn)生并儲存大量的水以備以后使用。該集排水系統(tǒng)是本發(fā)明的另一實(shí)施例。
[0161] 圖1的轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)確保了高效率，這是因?yàn)橛捎谇槐谂c葉片邊緣之間的距離為大約 1或2毫米而葉片跨距或弦長約為30厘米或更大，所以氣流不能繞過葉片。作為這種幾何 形狀的結(jié)果，氣流不能繞過葉片而必須推動葉片，從而通過使葉片具有與氣流速度相同的 速度而將大量空氣動能傳遞給葉片。葉片可以是簡單的平面片狀金屬或者其他材料，從而 降低該葉片的制造成本。另一方面，凹形葉片可提供更大的氣動效率和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。因而圖 1中的葉片可具有凹形設(shè)計(jì)。與利用螺旋槳的空氣渦輪相比，該設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)子葉片明顯較小。 氣動效率高的螺旋槳跨距長度應(yīng)當(dāng)至少為螺旋槳弦長的10倍。因此，對于2麗的機(jī)器來 說，各個葉片的長度約為40米，而重量約為11公噸。當(dāng)該葉片轉(zhuǎn)動時(shí)，其產(chǎn)生相當(dāng)大的離 心力，該離心力可能將葉片從其軸扯下。由于葉片的離心力為：
[0162] F = / ω 2Rdm
[0163] ω為轉(zhuǎn)速
[0164] R為螺旋槳葉片的質(zhì)量元的局部半徑
[0165] dm為螺旋槳葉片的微分質(zhì)量元
[0166] 隨著葉片轉(zhuǎn)速的增加，在其軸上產(chǎn)生更大的離心力。這是為何基于螺旋槳的空氣 渦輪必須在高速風(fēng)下停止的原因。在本發(fā)明中，葉片的跨距短，葉片的質(zhì)量小，因而整個轉(zhuǎn) 子組件小而輕，這使得作用在轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)子葉片上的離心力大大小于螺旋槳型風(fēng)力渦輪。因 此，本申請的實(shí)施例能夠在更高的速度下轉(zhuǎn)動而無需大大加強(qiáng)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。
[0167] 因此，轉(zhuǎn)子的低重量降低了轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣性矩，這使得通過氣流來開始轉(zhuǎn)動比現(xiàn) 有得風(fēng)力渦輪更容易。由于功率等于直接力與速度的乘積，即P = FXV，因而轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速是 獲得高輸出功率的重要因素。
[0168] 此外，在本實(shí)施例中，作用在轉(zhuǎn)子葉片上的氣動力是"升力"和曳力（drag)的合 力。在本實(shí)施例中，由于關(guān)注的是正交于葉片的氣動力的組合效果，因而失速（stall)沒有 意義。因此，升力和曳力用于相同的目的，即增大與葉片主平面正交的力，并且多個力的合 力使得力更加穩(wěn)定。因此，對于該轉(zhuǎn)子實(shí)施例來說，將氣動力視作曳力。本實(shí)施例的曳力系 數(shù)對于被垂直氣流撞擊的方形葉片來說在1. 〇到2. 0的范圍內(nèi)。因而，基于氣動曳力的設(shè) 計(jì)是本發(fā)明的另一方面。
[0169] 在飛行器機(jī)翼以及螺旋槳葉片中，機(jī)翼的幾何構(gòu)造源自諸如NACA65系列的翼型。 各翼型均具有弦，該弦被定義為連接前緣和后緣的直線。在該實(shí)施例中，機(jī)翼通過其翼型的 后緣區(qū)域安裝到轉(zhuǎn)子轂上，這與葉片通過整個翼型區(qū)域連接到轂上的螺旋槳葉片或渦噴發(fā) 動機(jī)的軸流式渦輪不同。因此，具有通過翼型的后緣區(qū)域連接到轂上并且在封閉腔中沿氣 流路徑與氣流一起運(yùn)動的輕型轉(zhuǎn)子葉片的轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)是本發(fā)明的附加方面。
[0170] 漸縮管嘴108是本發(fā)明的主要方面。管嘴截面積朝向喉部114逐漸減?。ㄔ谠摵?部處管嘴截面積最?。?，從而迫使氣流152加速，S卩，將空氣內(nèi)能轉(zhuǎn)換成動能。
[0171] 為了使由于紊流而導(dǎo)致的動能損失最小化并防止管嘴內(nèi)的靜壓力升高，入口 108 設(shè)有導(dǎo)向葉片112。這些導(dǎo)向葉片是平面并且薄的剛性件（由金屬、塑料或諸如碳纖維、玻 璃纖維等的組合物制成），它們迫使氣流彼此"平行"地以流線型流動從而具有管嘴壁的大 致方向，以使離開導(dǎo)向葉片朝向喉部114流動的氣流具有相同的速度且盡可能平穩(wěn)地流動 而不混合，并且氣流在喉部114處平行于管嘴壁并與轉(zhuǎn)子葉片126正交。箭頭154表示了 該流。結(jié)合有導(dǎo)向葉片以減少管嘴內(nèi)的紊流和降低靜壓力升高的漸縮管嘴設(shè)計(jì)是本發(fā)明的 另一方面。
[0172] 喉部114的截面積約為入口 110的截面的1/10,喉部114使得氣流150的速度與 自然風(fēng)速相比提高了大約十倍，而其動能提高了大約100倍。由于較長的管嘴有利于防止 紊流和壓力升高，這對于獲得等熵流以及管嘴輸送盡可能大的空氣質(zhì)量同時(shí)最小化入口溢 出的能力來說很重要，因此管嘴的長度和形狀是效率和重量考慮之間的折衷。將氣流內(nèi)能 轉(zhuǎn)換成動能的漸縮管嘴是本發(fā)明的主要方面。
[0173] 為了證明該高動能增益，應(yīng)該計(jì)算沿著管嘴從入口直到喉部的空氣參數(shù)：
[0174] 入口 110的截面的氣流參數(shù)：
[0175] 入口 110處的截面積Ai = 10M2
[0176] 入口 110處的風(fēng)速￥1 = 21.737FT/SEC(請注意，選取該值是為了易于稍后的數(shù)值 計(jì)算）
[0177] 入口 110處的空氣密度Pi = 0.002378Slug/FT3(海平面處的標(biāo)準(zhǔn)大氣值）
[0178] 入口 110處的空氣溫度?\ = 32° F(冬季平均空氣溫度）
[0179] 需要知道喉部114 (氣流撞擊渦輪葉片128和126的地方）的相同參數(shù)，即：
[0180] 喉部114處的截面積A2 = 1Μ2 (由設(shè)計(jì)給定）
[0181] 喉部114處的風(fēng)速乂2 =?
[0182] 喉部114處的空氣密度Ρ2 =?
[0183] 喉部114處的空氣溫度Τ2 =?
[0184] 1000° R下空氣的(；/(；的比值為γ = 1.4
[0185] 解：利用以下公式：
[0186] 1) [CpT+V2/2]114 =常數(shù)=CpTjn。；未知數(shù)：截面 114 處的 T、V
[0187] 能量守恒；參考書第140頁的方程24。
[0188] 2)p = P RT ;未知數(shù)：截面 114 處的 T、p、P
[0189] 理想氣體的狀態(tài)方程；參考書第130頁的方程2。
[0190] 3) [PVA]=常數(shù)；未知數(shù)：截面114處的P、V
[0191] 連續(xù)方程；參考書第155頁的方程22。
[0192] 4)T/p h = C = Tc/pZ-1 ;未知數(shù)：截面 114 處的 T、P
[0193] 絕熱可逆流；參考書第142頁的方程29。
[0194] (對于絕熱流來說，截面114處的?；和與截面110中的具有相同的值，并且可 以通過給定參數(shù)利用方程1和4來計(jì)算）
[0195] 有4個未知數(shù)V、T、p、P，它們是截面（section)114處的氣流參數(shù)。由于因?yàn)橐?上方程4,最終求解該組方程需要用試探法，該參考書在第152至159頁進(jìn)一步推導(dǎo)了該解。 利用馬赫數(shù)而不是氣流速度V的定義對廣義解進(jìn)行了說明，并且在參考書第153頁的圖4 和該書的表2中示出了這些解。
[0196] 表 2
[0197] 流參數(shù)與亞音速流的Μ

【權(quán)利要求】
1. 一種用于通過將空氣熱能m*Cp*T轉(zhuǎn)換成動能0. 5m*V2并且使用該動能轉(zhuǎn)換成有用功 率來產(chǎn)生有用功率的設(shè)備，其中，m是氣流質(zhì)量速率，Cp是空氣的定壓比熱，T是絕對溫度，V 是空氣速度，所述設(shè)備包括： a) 生成氣流的動力風(fēng)扇，該動力風(fēng)扇包括： i) 軸； ii) 轂，多個葉片安裝至該轂，并且該轂連接到所述風(fēng)扇軸使得當(dāng)所述風(fēng)扇軸旋轉(zhuǎn)時(shí)， 所述風(fēng)扇葉片旋轉(zhuǎn)并且生成氣流； b) 容納所述氣流，對所述氣流進(jìn)行加速并且冷卻所述氣流的漸縮管嘴，該漸縮管嘴包 括： i) 管嘴入口； ii) 管嘴喉部；以及 iii) 管嘴出口； c) 渦輪轉(zhuǎn)子，其包括： i) 安裝有多個葉片的轉(zhuǎn)子轂，所述轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)為產(chǎn)生比提供給所述風(fēng)扇的功率大的功率 量； ii) 與安裝在所述轉(zhuǎn)子轂的所述轂一起旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子軸，所述轉(zhuǎn)子軸用于將所述轉(zhuǎn)子的 輸出功率傳遞到生成所述有用功率的機(jī)構(gòu)； 其中： -所述渦輪轉(zhuǎn)子安裝在所述管嘴內(nèi)部靠近所述管嘴喉部； -由所述氣流源產(chǎn)生的氣流通過所述管嘴入口進(jìn)入，并且沿所述管嘴出口的方向流動， 沖擊到所述渦輪轉(zhuǎn)子葉片上，繼續(xù)朝向所述管嘴出口流動，并離開所述管嘴； -所述管嘴入口的橫截面面積大于所述管嘴喉部的橫截面面積，從而在所述氣流朝向 所述喉部流動時(shí)使所述氣流的速度增加并且使所述氣流的溫度降低，以使得在所述管嘴喉 部處的所述氣流中的空氣的動能比在所述管嘴入口處的所述氣流中的空氣的動能實(shí)質(zhì)上 大于所述管嘴入口處的所述氣流中的空氣的內(nèi)能熱量部分（CP*T)與所述管嘴喉部處的所 述氣流中的空氣的內(nèi)能熱量部分（CP · T)之間的差；并且 -當(dāng)所述氣流沖擊到所述渦輪轉(zhuǎn)子葉片上時(shí)，所述氣流的所述動能的一部分以推動所 述葉片的空氣動力的形式被傳遞到所述轉(zhuǎn)子葉片，而使所述渦輪轉(zhuǎn)子和所述轉(zhuǎn)子軸旋轉(zhuǎn)， 從而將所述氣流的所述動能的一部分轉(zhuǎn)換為每單位時(shí)間對所述轉(zhuǎn)子所做的功，所述轉(zhuǎn)子軸 將所述功傳遞到產(chǎn)生所述有用功率的所述機(jī)構(gòu)； 所述轉(zhuǎn)子設(shè)備的特征在于：葉片的數(shù)量和由翼型、葉片入口角和葉片出口角限定的所 述葉片的空氣動力橫截面，選擇葉片的參數(shù)以生成大于所述風(fēng)扇中存在的氣流每秒的動能 的功率量， 其中，所述管嘴和所述轉(zhuǎn)子被設(shè)計(jì)為使得所述氣流的局部速度至少被加速到等于大約 0.2的馬赫數(shù)的速度。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述風(fēng)扇由下面的一方或兩方提供動力： a. 由外部能量源提供的動力； b. 由所述渦輪轉(zhuǎn)子提供的動力；和 c. 電動機(jī)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述渦輪轉(zhuǎn)子是軸流式渦輪，所述設(shè)備包括安裝 在所述轉(zhuǎn)子前面的定子，以將所述氣流朝向所述轉(zhuǎn)子引導(dǎo)和加速。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中產(chǎn)生所述有用功率的機(jī)構(gòu)是發(fā)電的發(fā)電機(jī)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中產(chǎn)生所述有用功率的機(jī)構(gòu)是用于驅(qū)動車輛的變速 箱。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述設(shè)備被安裝到垂直安裝管上，并且包括用于 使所述設(shè)備繞垂直軸線旋轉(zhuǎn)的裝置。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中管嘴喉部面積與管嘴入口面積之比是大約1/10， 并且該比是可變的。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，所述設(shè)備包括啟動系統(tǒng)，該啟動系統(tǒng)給予從所述管嘴 吸取空氣的渦輪初始旋轉(zhuǎn)速度。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的設(shè)備，其中，所述啟動系統(tǒng)是連接到電池的電動機(jī)。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述設(shè)備是驅(qū)動車輛的發(fā)動機(jī)。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的設(shè)備，其中，所述發(fā)動機(jī)是通過將動力風(fēng)扇電動機(jī)連接到 電池而啟動的。
12. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述設(shè)備安裝在車輛上并且所述動力是以下中 的一方或雙方： a. 電力；以及 b. 推動所述車輛的推力。
13. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，所述設(shè)備包括控制系統(tǒng)和剩余空氣通道，所述控制系 統(tǒng)開啟所述通道。
14. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，所述設(shè)備包括所述管嘴喉部的可變橫截面面積。
15. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，該設(shè)備包括用于收集在所述設(shè)備的管嘴內(nèi)部產(chǎn)生的 液態(tài)水的裝置，該液態(tài)水是由于包含在所述氣流的空氣中的水蒸汽的凝結(jié)而產(chǎn)生的，該凝 結(jié)是由于在所述空氣從所述管嘴入口朝向所述管嘴喉部流動時(shí)所述空氣的溫度下降而發(fā) 生的。
16. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述風(fēng)扇軸和所述渦輪轉(zhuǎn)子軸連接在一起并且 一起旋轉(zhuǎn)。
17. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述有用功率是受控的推力。
18. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述管嘴包括可移動的氣流門，以允許關(guān)閉管嘴 出口面積。
19. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的設(shè)備，其中所述管嘴的可移動門使氣流的改向以充當(dāng)推力 反向器。
20. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中多個燃料噴射器將燃料噴射到所述前動力風(fēng)扇 后面的氣流中，并且至少一個燃料點(diǎn)火器點(diǎn)燃?xì)饬?燃料混合物。
【文檔編號】F03D11/00GK104047814SQ201410180759
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2005年11月16日 優(yōu)先權(quán)日:2004年11月16日
【發(fā)明者】伊斯拉埃爾·赫什伯格 申請人:伊斯拉埃爾·赫什伯格