本發(fā)明涉及適于在從水流產(chǎn)生電力的過程中使用的系統(tǒng)和設(shè)備。具體地，本發(fā)明涉及適于在用于從水流產(chǎn)生電力的設(shè)備中使用的渦輪組合件。

背景技術(shù)：

已經(jīng)提出用于將水流轉(zhuǎn)換成電力的許多系統(tǒng)。一種類型的裝置在WO2013/190304中有所描述，其可從流動水體產(chǎn)生電力，尤其是在其中存在以相對較低速度流動的高體積水流量的情況下從流動水體產(chǎn)生電力。該文獻(xiàn)描述了在該系統(tǒng)中使用標(biāo)準(zhǔn)的渦輪/驅(qū)動器布置以便產(chǎn)生電力。

已知在水力發(fā)電的行業(yè)中使用其它渦輪布置。一種類型的渦輪是輪緣發(fā)電渦輪(rim-generation turbines)，有時稱為斯特拉富洛(straflo)渦輪。在斯特拉富洛渦輪中，管分為兩個半部，即上游部段和下游部段。該渦輪包括短的圓柱形輪緣，其附接到與渦輪管相同直徑的渦輪葉片上且定位于兩個固定不動的管部段之間。葉片和輪緣一起旋轉(zhuǎn)，其中在管的固定不動的上游部段和下游部段與旋轉(zhuǎn)的渦輪輪緣的邊緣之間具有小的間隙。因為管不固定到渦輪，因此上游流動路徑和下游流動路徑處于固定不動的管內(nèi)。將輪緣和管部段之間的兩個周向間隙進(jìn)行密封是困難的。大的間隙會導(dǎo)致從渦輪盤的高壓面到渦輪盤的下游低壓面有過多的旁路泄漏，這將耗散所產(chǎn)生的功率。而小的間隙會導(dǎo)致由于過度密封而導(dǎo)致的過多摩擦力。

本發(fā)明提供適于在低壓頭水力發(fā)電的過程中使用的替代性渦輪組合件。具體地，描述一種可在下述情況下使用的渦輪組合件，其中存在相對低壓頭下的高體積水流量，該渦輪組合件例如適于在如WO2013/190304中所述的系統(tǒng)中使用。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的一方面包括用于從水流產(chǎn)生電力的設(shè)備，所述設(shè)備包括：

-收縮部段，其連接到混合管的第一端部，使得在收縮部段的端部與混合管之間限定文丘里管；

-連接到所述混合管的第二端部的擴(kuò)散部段，擴(kuò)散部段配置成使得在使用中在擴(kuò)散部段出口處的壓力大于在文丘里管處的壓力；

-渦輪管，其包括具有多個葉片的葉片組合件，渦輪管支撐在收縮部段中使得在渦輪管與收縮部段之間限定環(huán)形空間以形成第一流動通道，并且所述渦輪管限定第二流動通道，其中所述渦輪管可旋轉(zhuǎn)地支撐在收縮部段中以及葉片附接到渦輪管的內(nèi)表面，使得在使用中流經(jīng)葉片的水流驅(qū)動渦輪管的旋轉(zhuǎn)。

渦輪管和葉片相對于收縮部段旋轉(zhuǎn)。葉片固定地連接到渦輪管的內(nèi)表面并且橫跨渦輪管的內(nèi)徑延伸，使得當(dāng)水流經(jīng)葉片時葉片組合件和渦輪管一起同心地旋轉(zhuǎn)。渦輪管不需要包括驅(qū)動軸，該驅(qū)動軸從葉片組合件沿著渦輪管的中心軸線延伸以便將渦輪管的旋轉(zhuǎn)能量傳遞到外部發(fā)電機(jī)。葉片連接到渦輪管的內(nèi)表面，使得當(dāng)水流經(jīng)葉片時葉片組合件和渦輪管一起同心地旋轉(zhuǎn)。渦輪管的旋轉(zhuǎn)可驅(qū)動發(fā)電機(jī)。在一個實施例中，葉片組合件定位在渦輪管內(nèi)，使得在渦輪管內(nèi)的第二流動通道的一部分設(shè)置在葉片組合件之前和之后。在一個實施例中，渦輪管的長度可大于渦輪管的直徑。

渦輪管可旋轉(zhuǎn)地安裝在支撐凸臺內(nèi)，其中支撐凸臺通過支撐導(dǎo)葉安裝在收縮部段中。所述支撐凸臺具有貫穿其中形成的中心孔以便接收和支撐所述渦輪管。支撐凸臺包括軸承組合件，渦輪管在軸承組合件上圍繞其縱向軸線旋轉(zhuǎn)。渦輪管的內(nèi)部可以不包括任何機(jī)械軸承。軸承位于第二流動通道的外部。

支撐凸臺可包括支撐管，其具有的長度短于渦輪管的長度，渦輪管保持在該支撐管內(nèi)。支撐凸臺可進(jìn)一步包括在支撐管的每一端部處的端蓋(end cap)，端蓋具有渦輪管可在其上旋轉(zhuǎn)的軸承。

渦輪管可包括推力凸緣，其圍繞渦輪管的外表面周向延伸。支撐凸臺可包括推力凸臺，其圍繞支撐凸臺的內(nèi)表面周向延伸。渦輪管的推力凸緣可與支撐凸臺的推力凸臺接合。推力凸臺和推力凸緣的接合可經(jīng)由軸承組合件進(jìn)行。

渦輪管可自由地旋轉(zhuǎn)以驅(qū)動發(fā)電機(jī)并使得該設(shè)備能夠從渦輪管的旋轉(zhuǎn)能量產(chǎn)生電能。渦輪管可驅(qū)動用于產(chǎn)生電力的機(jī)械發(fā)電機(jī)(mechanical generator)或電力發(fā)電機(jī)(electrical generator)。

在機(jī)械發(fā)電機(jī)組合件中，渦輪管連接到齒輪系，所述齒輪系能夠連接到發(fā)電機(jī)。在一個實施例中，渦輪管包括在其外表面上的帶齒凸緣，其與位于支撐凸臺和渦輪管之間的空間內(nèi)的至少一個小齒輪接合。每個小齒輪連接到驅(qū)動軸，其中所述驅(qū)動軸能夠連接到發(fā)電機(jī)。

該設(shè)備可在支撐凸臺和渦輪管之間的空間內(nèi)包括多個小齒輪和驅(qū)動軸布置。在一個實施例中，該設(shè)備包括至少兩個小齒輪和驅(qū)動軸布置，每個小齒輪與帶齒凸緣接合。該設(shè)備可包括兩個、三個、四個或更多個小齒輪和驅(qū)動軸布置。帶齒凸緣圍繞渦輪管周向延伸。

在電力發(fā)電機(jī)組合件中，渦輪管和支撐凸臺包括永久磁體和定子布置。在一個實施例中，渦輪管包括處于渦輪管外表面上的凹部內(nèi)的永久磁體，并且支撐凸臺包括與永久磁體對準(zhǔn)的定子。凹部和永久磁體可圍繞渦輪管的外表面周向延伸。

該設(shè)備還可包括延伸通過支撐導(dǎo)葉之一和支撐凸臺的取能(power off-take)管道。機(jī)械發(fā)電機(jī)布置的驅(qū)動軸或來自電力發(fā)電機(jī)布置的電力電纜可延伸通過該管道到達(dá)設(shè)備的外部。具有通過支撐凸臺和支撐導(dǎo)葉的管道意味著渦輪管在其內(nèi)部不包括任何驅(qū)動軸和/或電力電纜。這使得第一流動通道和第二流動通道能夠不具有任何驅(qū)動軸和/或電力電纜，這可有助于減少對水流的干擾。

該設(shè)備還可包括空氣壓縮機(jī)，以便經(jīng)由延伸通過支撐導(dǎo)葉之一的空氣管道將空氣注入到渦輪管和支撐凸臺之間的空間內(nèi)。空氣壓縮機(jī)可位于渦輪管和/或收縮部段的外部。

該設(shè)備可進(jìn)一步包括圍繞渦輪管徑向定位的鼓風(fēng)機(jī)，以便經(jīng)由延伸通過支撐導(dǎo)葉之一的空氣管道將空氣吸入到渦輪管和支撐凸臺之間的空間內(nèi)。

在一個實施例中，向下延伸的排放管道從支撐凸臺通過支撐導(dǎo)葉延伸到收縮部段的外部。排放管道給滲入到渦輪管和支撐凸臺之間的空間內(nèi)的任何水提供通道。

支撐凸臺可包括頭部整流罩和/或尾部整流罩。在一個實施例中，頭部整流罩的外部輪廓具有圓柱形輪廓或子彈形輪廓。頭部整流罩的內(nèi)部輪廓可具有凹形、圓錐形或凸形的形狀。

在一個實施例中，葉片與渦輪管的內(nèi)表面是一體的。在進(jìn)一步的實施例中，管的內(nèi)表面包括葉片的末端固定在其中的多個凹部。

渦輪管可包括由第一材料制成的第一部段和由第二材料制成的第二部段，其中第一材料和第二材料不同。第一材料可以是比第二材料更結(jié)實的材料。第一部段可以是管的前部部段并且包括葉片，以及第二部段可以是管的后部部段。

渦輪管的內(nèi)徑可以變化。在一個實施例中，渦輪管的內(nèi)徑在水流方向上沿其長度減小。在另一個實施例中，渦輪管具有沿其長度大致恒定的內(nèi)徑。

該管的位置可相對于收縮部段變化。渦輪管定位在收縮部段中，使得渦輪管的縱向軸線與收縮部段的縱向軸線大致對準(zhǔn)。渦輪管可定位成使得收縮部段的入口在渦輪管入口的上游。在進(jìn)一步的實施例中，渦輪管可定位成使得渦輪管的入口在收縮部段入口的上游。

渦輪管出口的位置也可以變化。在一個實施例中，渦輪管定位成使得渦輪管的出口延伸到混合管內(nèi)。在進(jìn)一步的實施例中，渦輪管定位成使得渦輪管的出口在混合管入口的上游。

該設(shè)備還包括位于第二流動通道內(nèi)的預(yù)旋定子(pre swirl stator)。預(yù)旋定子可定位于頭部整流罩入口中的渦輪葉片組合件之前或渦輪管入口的前面。

收縮部段、混合管和擴(kuò)散部段可被制造為連續(xù)的管。在進(jìn)一步的實施例中，收縮部段、混合管和擴(kuò)散部段被制造為連接在一起以形成連續(xù)管的離散部段。

在一個優(yōu)選的實施例中，收縮部段的輪廓配置成提供通過環(huán)形空間的主流(primary flow)的恒定加速度。擴(kuò)散部段的輪廓可優(yōu)選配置成提供通過擴(kuò)散部段的水流的恒定減速度。

本發(fā)明的另一方面包括用于從水流產(chǎn)生電力的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括：橫跨流動水體的橫截面定位的屏障；并設(shè)有至少一個如上所述的設(shè)備，其中所述設(shè)備定位成使得在使用中提供從屏障上游側(cè)到屏障下游側(cè)的流動路徑。

本發(fā)明的另一方面包括從水的水流產(chǎn)生電力的方法，所述方法包括：

-將如上所述的系統(tǒng)或設(shè)備橫跨水體安裝以便提供水的蓄積體，使得在屏障的上游側(cè)和下游側(cè)之間產(chǎn)生壓頭差；和

-使用通過所述設(shè)備的水流來使得渦輪旋轉(zhuǎn)。

屏障可包括至少兩個如上所述的設(shè)備。優(yōu)選地，屏障包括如上所述的設(shè)備的陣列。所述設(shè)備并入到屏障內(nèi)以提供從屏障的一側(cè)到另一側(cè)的流動路徑。

本發(fā)明的另一方面包括適于在外管中使用的渦輪組合件，所述外管具有收縮部段和發(fā)散部段，所述收縮部段連接到所述混合管的第一端部，使得在收縮部段和混合管之間限定文丘里管，而所述發(fā)散部段連接到混合管的第二端部以便用于從水流產(chǎn)生電力，所述渦輪組合件包括：

-渦輪管，其包括具有多個葉片的葉片組合件；和

-支撐凸臺，用于安裝在所述外管的收縮部段中；

其中所述渦輪管可旋轉(zhuǎn)地支撐在支撐凸臺內(nèi)以及葉片附接到渦輪管的內(nèi)表面，使得在使用中流經(jīng)葉片的水流驅(qū)動渦輪管的旋轉(zhuǎn)。渦輪管相對于支撐凸臺旋轉(zhuǎn)。

葉片固定地連接到渦輪管的內(nèi)表面，使得當(dāng)水流經(jīng)葉片時葉片組合件和渦輪管一起同心地旋轉(zhuǎn)。

所述支撐凸臺具有貫穿其中形成的中心孔以便接收和支撐所述渦輪管。支撐凸臺包括軸承組合件，渦輪管在軸承組合件上圍繞其縱向軸線旋轉(zhuǎn)。渦輪組合件可具有如上所述的渦輪管和支撐凸臺的進(jìn)一步的特征。

在下面的描述中，術(shù)語“上游側(cè)”和“下游側(cè)”被用來限定設(shè)備特征的相對位置。上游方向和下游方向相對于在使用中水流動通過設(shè)備的方向來定義。上游端可被認(rèn)為是輸入?yún)^(qū)域而下游端可被認(rèn)為是輸出區(qū)域。

附圖說明

現(xiàn)在將通過示例的方式參照附圖描述本發(fā)明：

圖1示出本發(fā)明一個實施例的橫截面?zhèn)纫晥D；

圖2示出本發(fā)明設(shè)備的一個實施例；

圖3示出圖2的剖視圖；

圖4示出本發(fā)明一個實施例的橫截面?zhèn)纫晥D；

圖5示出本發(fā)明的收縮部段和渦輪管的橫截面?zhèn)纫晥D；

圖6示出適于在本發(fā)明的設(shè)備中使用的收縮部段、渦輪管和支撐凸臺的剖視圖；

圖7示出本發(fā)明的渦輪管和支撐凸臺的端視圖；

圖8和圖9示出適于在本發(fā)明的設(shè)備中使用的渦輪管和支撐凸臺的實施例的剖視圖；

圖10示出渦輪管和支撐凸臺的一個實施例的分解視圖；

圖11和圖12示出本發(fā)明的渦輪管的示意性側(cè)視圖；

圖13A、圖13B和圖13C示出本發(fā)的實施例的示意性側(cè)視圖；

圖14示出本發(fā)明的渦輪管和收縮部段的示意性側(cè)視圖；

圖15示出本發(fā)明的機(jī)械發(fā)電機(jī)的剖視圖；以及

圖16、圖17和圖18示出本發(fā)明渦輪管的橫截面?zhèn)纫晥D。

具體實施方式

圖1示出根據(jù)本發(fā)明的用于將水流轉(zhuǎn)換為電力的系統(tǒng)10。該系統(tǒng)包括屏障12和設(shè)備14，所述屏障12橫跨水體的寬度定位，而所述設(shè)備14為水提供通過屏障12從屏障上游側(cè)到屏障下游側(cè)的流動通道。該系統(tǒng)將液壓流動能轉(zhuǎn)換成液壓勢能，然后將液壓勢能轉(zhuǎn)換成電能。

該系統(tǒng)對流動的阻力引起在上游側(cè)水自由表面的上升，產(chǎn)生積存的液壓勢能，其驅(qū)動通過設(shè)備的流，并且渦輪從該流提取機(jī)械能以便轉(zhuǎn)換成電力。在提升的上游側(cè)自由表面中積存的液壓能量由上游側(cè)流動的動能連續(xù)地補(bǔ)充。

參照圖1、圖2和圖3，設(shè)備14提供從屏障12的上游位置到下游側(cè)位置的流動通道。所述設(shè)備包括管，所述管具有收縮部段16、混合部段18和發(fā)散的擴(kuò)散部段22。收縮部段16朝向混合管18變窄，使得在收縮部段16和混合管18的邊界處限定文丘里管20。發(fā)散的擴(kuò)散部段22從混合管18的出口延伸。

渦輪管24在支撐凸臺26中可旋轉(zhuǎn)地支撐在收縮部段16內(nèi)，使得在渦輪管24的外表面與收縮部段16的內(nèi)表面之間形成環(huán)形空間28。支撐凸臺包括用于接收和支撐所述渦輪管的中心孔，使得所述渦輪管24的縱向軸線與所述收縮部段16的縱向軸線大致對準(zhǔn)。渦輪管包括葉片組合件30。當(dāng)水流動通過渦輪管24時，葉片組合件30驅(qū)動渦輪管24相對于靜止的支撐凸臺26和收縮部段16旋轉(zhuǎn)。

適于主流32的第一流動路徑在渦輪管24和收縮部段16之間的環(huán)形空間內(nèi)限定。適于次流34的第二流動路徑在渦輪管24內(nèi)限定。環(huán)形空間并不限于在管與收縮部段的內(nèi)壁之間的圓形、環(huán)形空間。環(huán)形空間的形狀將取決于收縮部段、渦輪管和支撐凸臺的橫截面形狀。

橫過水體的屏障12提供緊接在設(shè)備上游側(cè)的壓頭。當(dāng)流動隨著屏障后面的水深度增加而減慢時，這將來自進(jìn)一步上游側(cè)的流的動能的一部分轉(zhuǎn)換成升高水位的勢能。所得壓頭差(H)允許勢能轉(zhuǎn)換成有用的能量，其高于直接從等效流動提取動能的自由流裝置的輸出上限，該輸出上限被稱為貝茨極限(Betz limit)。來自屏障上游側(cè)的水流動通過收縮部段到達(dá)混合部段中，然后通過擴(kuò)散部段從設(shè)備流出。引導(dǎo)通過管的次流(secondary flow)，其經(jīng)由葉片組合件驅(qū)動渦輪管的旋轉(zhuǎn)，經(jīng)由機(jī)械或電力取能布置產(chǎn)生電力。

收縮部段使在文丘里管處進(jìn)入到低壓區(qū)內(nèi)的主流加速。低壓區(qū)引導(dǎo)通過渦輪管的次流。主流和次流兩者進(jìn)入混合腔室，在混合腔室中兩個流混合。該混合后的流進(jìn)入擴(kuò)散部段以及當(dāng)水流移動通過擴(kuò)散部段時水流的速度減慢。當(dāng)水流動通過擴(kuò)散部段時，流恢復(fù)其靜壓頭并在離開下游的擴(kuò)散部段之前損耗其動態(tài)壓頭。這保持文丘里管中的低的靜壓頭。

水流的主要部分，主流32，將通過在收縮部段16和渦輪管24之間形成的環(huán)形空間28。較小體積的水，次流34，將流動通過所述渦輪管24，當(dāng)其流經(jīng)葉片組合件30時驅(qū)動渦輪管的旋轉(zhuǎn)。因為主流32朝向文丘里管20收縮，主流加速并損耗靜壓頭。在渦輪管24出口處在渦輪管24外部的高速主流32協(xié)助將較慢的次流34從渦輪管24的端部吸出來進(jìn)入到主流32內(nèi)。

因此，設(shè)備通過渦輪管的旋轉(zhuǎn)能夠?qū)⒏唧w積的低壓頭流動轉(zhuǎn)變成低體積的高壓頭流動，從低體積的高壓頭流動可有效地產(chǎn)生電力。

參照圖4和圖5，渦輪管24可旋轉(zhuǎn)地支撐在靜止的支撐凸臺26中的收縮部段16內(nèi)，并居中地位于收縮部段16內(nèi)。渦輪管24提供在上游高靜壓頭和文丘里管中的低靜壓頭之間的流動路徑。由渦輪管的上游端部和文丘里管之間的增大的壓頭降導(dǎo)致次流流動通過渦輪管。

包括多個渦輪葉片的葉片組合件30位于渦輪管24的內(nèi)部。葉片組合件經(jīng)由葉片的末端連接到渦輪管24的內(nèi)表面，使得當(dāng)水流動經(jīng)過葉片組合件30時，渦輪管24圍繞其中心軸線旋轉(zhuǎn)。渦輪管和葉片組合件作為單個單元一起旋轉(zhuǎn)。當(dāng)水流動經(jīng)過葉片組合件時，水流與葉片相互作用，并且這驅(qū)動渦輪管的旋轉(zhuǎn)，所述渦輪管在支撐凸臺中的軸承上旋轉(zhuǎn)。

在一個實施例中，在渦輪管的內(nèi)表面內(nèi)加工出多個凹部。每個葉片具有在其末端處的區(qū)域，其成形為配合到凹部內(nèi)并將渦輪葉片相對于所述渦輪管固定。凹部被加工到渦輪管前端部的內(nèi)表面內(nèi)，以及葉片末端區(qū)域可從管的前端部滑入到凹部內(nèi)。這使得如果葉片出現(xiàn)損壞或需要更換的話能夠?qū)⑷~片從渦輪管的前端部分移除和插入，而不需要將渦輪管大幅拆解。

在一個替代實施例中，葉片末端與渦輪管的內(nèi)表面是一體的。

在葉片組合件周圍渦輪管沒有中斷，因此在葉片組合件的上游面和下游面之間沒有泄漏。渦輪管24在其上旋轉(zhuǎn)的軸承36、40在渦輪管24外部旋轉(zhuǎn)，與流動通過葉片組合件30的流隔離。因此橫跨渦輪的高壓力降沒有可用的旁路泄漏路徑，并且所有的次流34流動通過渦輪管24的長度。

葉片組合件可以設(shè)置在從渦輪管的入口相距的足夠距離，即葉片組合件從渦輪管的入口后縮(set-back)設(shè)置，使得存在流經(jīng)葉片組合件的良好受控的流動。在一個實施例中，葉片組合件沿著渦輪管的部分長度設(shè)置，使得第二流動通道的至少一部分在所述葉片組合件之前設(shè)置，以及第二流動通道的至少一部分在所述葉片組合件之后設(shè)置。

通過使渦輪管和葉片組合件的葉片作為單個單元在支撐凸臺內(nèi)旋轉(zhuǎn)，存在從葉片到管的物理連續(xù)性，這有助于消除在葉片末端的會伴隨常規(guī)渦輪發(fā)生的功率損耗。葉片到渦輪管的這種連續(xù)性也有助于提高葉片的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和彈性，并允許使用更小、更輕的葉片設(shè)計，這可有助于最小化功率損耗。

如圖12中所示，渦輪管24可具有沿其長度大致恒定的內(nèi)徑。在替代性的配置中，渦輪管24可如圖11中所示朝向其下游端逐漸變細(xì)成錐形。渦輪管的直徑沿其長度收縮使得渦輪管24的入口具有比渦輪管的出口更大的直徑。提供錐形的渦輪管對于該設(shè)備而言可有助于由于減少表面摩擦而產(chǎn)生更高的效率。

在一個實施例中，渦輪管24可包括兩個或更多個部段。渦輪管24可包括前部承載部段44和后部部段46。前部部段和后部部段可由不同的材料制成。優(yōu)選地，前部部段由比后部部段更結(jié)實的材料制成。這可通過在后部部段中使用輕和/或更便宜的材料來幫助降低系統(tǒng)的制造成本。對于由更結(jié)實的材料制成的部段而言可以使用的合適材料包括但不限于諸如鋼、鈦、鋁、青銅和它們的合金等材料。對于其它部段而言的更輕和/或更便宜的材料可包括但不限于塑料或低成本的金屬合金。

形成管的部段可通過常規(guī)手段來制造。在一些實施例中，包括端部固定(encastred)渦輪的前部部段可選地通過3D打印來制造。

渦輪管可具有足夠的長度以使得它被定位在收縮部段中以便在文丘里管處從高壓區(qū)跨越到低壓區(qū)。如在圖5中所示，渦輪管24的下游端可位于混合管18內(nèi)，以距離X延伸到混合管內(nèi)。距離X選擇成優(yōu)化裝置的性能，并且可以是0、正值或負(fù)值。當(dāng)距離X為正值時，渦輪管延伸到混合管中。當(dāng)距離X為負(fù)值時，渦輪管的出口終止在混合管入口的上游側(cè)。當(dāng)距離X為0時，渦輪管的出口與混合管的入口大致對齊。

支撐凸臺26包括具有中心孔的支撐管，渦輪管24被安裝在中心孔中。支撐凸臺由支撐導(dǎo)葉62安裝在收縮部段16內(nèi)。

渦輪管24包括推力凸緣38，其圍繞渦輪管24的外表面周向延伸。渦輪管24上的推力凸緣38與推力軸承40接合，推力軸承40由帶螺紋的推力凸臺42約束在支撐凸臺26內(nèi)。帶螺紋的推力凸臺42圍繞支撐凸臺26的內(nèi)表面周向延伸。推力凸緣與推力凸臺的接合防止渦輪管在渦輪管旋轉(zhuǎn)時向下游側(cè)軸向移動。

在一個實施例中，支撐凸臺26可包括頭部整流罩48和/或尾部整流罩50，它們與支撐管接合。頭部整流罩和尾部整流罩成形為當(dāng)安裝在支撐凸臺上時對于主流呈現(xiàn)光滑的流體動力輪廓，以便有助于最小化由于湍流造成的能量損耗。如圖5中所示，頭部整流罩可以是圓柱形的，或呈現(xiàn)為如圖15至圖18中所示的子彈形輪廓。

頭部整流罩48提供到渦輪管24的入口護(hù)罩，并限定適于次流34進(jìn)入到渦輪管內(nèi)的入口。頭部整流罩的內(nèi)表面與次流接觸，并且可被成形為有助于設(shè)備的效率。圖13例示頭部整流罩內(nèi)表面的一些可能的形狀。如圖13A中所示，頭部整流罩的內(nèi)表面可具有凹入的形狀。圖13B示出一種設(shè)備，其中頭部整流罩具有圓錐形狀，其具有從其入口到渦輪管入口的恒定錐度。圖13C示出一種設(shè)備，其中頭部整流罩具有外凸形狀。在一個實施例中，設(shè)備可進(jìn)一步包括連接到渦輪管入口的攔魚柵(未示出)。攔魚柵選擇成仍然允許水流動通過渦輪管而同時防止魚進(jìn)入管。管渦輪的旋轉(zhuǎn)可有助于保持?jǐn)r魚柵沒有碎屑。

如圖14中所示，支撐凸臺26的頭部整流罩48的上游端處在從收縮部段16的入口相距距離Y處。距離Y可以為零、正值或負(fù)值。當(dāng)距離Y為正值時，收縮部段的入口在支撐凸臺的頭部整流罩入口的上游側(cè)。當(dāng)距離Y為負(fù)值時，支撐凸臺的入口在收縮部段入口的上游側(cè)。當(dāng)距離Y為零時，所述收縮部段的入口與支撐凸臺的頭部整流罩的入口基本上對齊。

在其中自由水流速度小于每秒2米的一個優(yōu)選實施例中，結(jié)合D1(收縮入口的直徑)的大小來選擇距離Y，以確保通過與頭部整流罩的前部邊緣成對準(zhǔn)水平的收縮部段的橫截面的水具有約每秒2米的平均速度。

參照圖5，支撐凸臺26包括凸起的內(nèi)部圓形區(qū)域52。渦輪管24的推力凸緣38與支撐凸臺的圓形區(qū)域52接合。發(fā)電組件位于支撐凸臺26和渦輪管24之間的空間內(nèi)。帶螺紋的端蓋54和56封閉渦輪管24和支撐凸臺26之間空間的端部。端蓋54和56可承載軸承36，渦輪管24圍繞其縱向軸線在軸承36上旋轉(zhuǎn)。密封件58設(shè)置在渦輪管24和端蓋54、56之間，設(shè)置在端蓋54、56與頭部整流罩48和尾部整流罩50之間，和/或設(shè)置在支撐凸臺26與頭部整流罩48和尾部整流罩50之間。密封件58有助于限制水進(jìn)入支撐凸臺與渦輪管之間的空間。

支撐凸臺和渦輪管還配置成使得在可能泄漏路徑的入口之間存在很小的壓力差或沒有壓力差，所述泄漏路徑從次流引入到渦輪管和支撐凸臺之間的空間內(nèi)。這有助于防止水泄漏到該空間內(nèi)。

支撐凸臺26由兩個或更多個支撐導(dǎo)葉62支撐在收縮部段中，所述支撐導(dǎo)葉62從支撐凸臺26的外表面延伸到收縮部段16的內(nèi)表面。支撐導(dǎo)葉的數(shù)量可以變化，優(yōu)選使用三個或四個支撐導(dǎo)葉，然而如果需要可以使用更多或更少的支撐導(dǎo)葉。支撐導(dǎo)葉的輪廓成形為最小化主流中的能量損耗。如圖8中所示，支撐導(dǎo)葉62通過螺栓64和/或銷釘66附接到收縮部段16和支撐凸臺26。其它常規(guī)的附接裝置也可用于將支撐導(dǎo)葉附接到收縮部段和附接到支撐凸臺。

在一個實施例中，支撐凸臺26可包括排放管道60，其延伸通過支撐凸臺26和支撐導(dǎo)葉62到達(dá)收縮部段18的外部。如果存在的話，排放管道被定位成使得在使用中管道60向下垂直對準(zhǔn)，以及確實進(jìn)入支撐凸臺和渦輪管之間的空間內(nèi)的水可被排放到設(shè)備14的外部。

渦輪管的旋轉(zhuǎn)會導(dǎo)致一些旋轉(zhuǎn)能量通過表面摩擦而傳遞到主流內(nèi)。在一個實施例中，如圖6和圖7中所示，在流動中的任何不希望程度的旋轉(zhuǎn)通過在頭部整流罩48中包括預(yù)旋定子68來抵消。預(yù)旋定子68還可有助于防止大的碎片進(jìn)入到所述渦輪管內(nèi)。

發(fā)電組件位于支撐凸臺26和渦輪管24之間的空間內(nèi)。適于該設(shè)備的兩種優(yōu)選的取能選項是機(jī)械取能布置和電取能布置。

在圖15至圖18中示出機(jī)械取能布置。渦輪管24的推力凸緣38具有切入其上游側(cè)中的齒輪齒。渦輪管的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動連接到帶齒的推力凸緣38的齒輪系。齒輪系包括帶齒的小齒輪70，其位于支撐凸臺26和渦輪管24之間的空間內(nèi)并與帶齒的推力凸緣38接合。該小齒輪70連接到驅(qū)動軸72的一個端部。驅(qū)動軸72向上延伸通過在支撐凸臺26和支撐導(dǎo)葉62中的管道74。渦輪管24的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致小齒輪70和驅(qū)動軸72的旋轉(zhuǎn)。驅(qū)動軸連接到位于設(shè)備14外部的交流發(fā)電機(jī)(未示出)以產(chǎn)生電力。

該設(shè)備可包括一個或多個驅(qū)動軸72和小齒輪70組合件，其與渦輪管24的帶齒凸緣38接合。其中可希望具有限制設(shè)備的取能組件中應(yīng)力的高功率裝置，該高功率裝置可包括多個驅(qū)動軸/小齒輪組合件，其中每個驅(qū)動軸72向上通過支撐凸臺26和支撐導(dǎo)葉62中的管道74。

參照圖7和圖16，在一個實施例中，所述設(shè)備包括空氣壓縮機(jī)(未示出)，以便將空氣沿著延伸通過支撐導(dǎo)葉62和支撐凸臺26的管道76注入到支撐凸臺26和渦輪管24之間的空間內(nèi)。沿著管道76注入空氣有助于將處于支撐凸臺26和渦輪管24之間的空間內(nèi)的任何水從排放管道60排出。當(dāng)存在于包括機(jī)械取能布置的設(shè)備中時，空氣壓縮機(jī)可由齒輪系的驅(qū)動軸72驅(qū)動。

將水從包含軸承36和小齒輪70的空間移除有助于最小化在驅(qū)動系上的摩擦阻力。當(dāng)設(shè)備不操作時，滲入到空間內(nèi)的任何水將在重力作用下從排放管道60流出。

圖8、圖9和圖10中示出一種電取能布置。永久磁體78被固定到在渦輪管24的外表面內(nèi)加工的凹槽內(nèi)。凹槽可位于渦輪管24的承載部分44內(nèi)。定子80承載初級繞組82并連接到支撐凸臺26。定子80通過螺栓84或其它常規(guī)的附接裝置保持在支撐凸臺26內(nèi)。

渦輪管24的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致永久磁體78在軟鐵鐵芯定子80和初級繞組82內(nèi)旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生電功率。電功率經(jīng)由電力電纜86通過延伸通過支撐凸臺26和支撐導(dǎo)葉62的管道88輸出。

在一個實施例中，鼓風(fēng)機(jī)90裝配在渦輪管24周圍。鼓風(fēng)機(jī)的尺寸定制成使得渦輪管的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致鼓風(fēng)機(jī)沿著空氣管道76抽吸空氣。管道延伸通過支撐凸臺和支撐導(dǎo)葉，將空氣抽吸到支撐凸臺和渦輪管之間緊接在鼓風(fēng)機(jī)上游側(cè)的空間內(nèi)。當(dāng)存在于包括電力取能布置的設(shè)備中時，鼓風(fēng)機(jī)將在壓力下的空氣吹入到定子周圍的空間內(nèi)。

定子80周圍產(chǎn)生的空氣壓力通過排放管道60將任何水排放到定子周圍的空間內(nèi)。當(dāng)設(shè)備不操作時，滲入到空間內(nèi)的任何水將在重力作用下經(jīng)由排放管道60流出。

經(jīng)由機(jī)械或電布置對來自渦輪的功率的取能通過延伸通過支撐凸臺和支撐導(dǎo)葉內(nèi)的管道進(jìn)行。這意味著主流或次流不受到驅(qū)動皮帶或驅(qū)動軸的干擾，如在固定管內(nèi)自由旋轉(zhuǎn)渦輪的情況那樣。

形成渦輪管和支撐凸臺的組件的集成結(jié)構(gòu)有助于減少安裝時間和成本，并且有助于設(shè)備的現(xiàn)場定位。

收縮部段16為漏斗形式，其具有在一端部處作為用于從屏障12后面接收水的入口的第一開口和在相反端部處作為用于將水釋放到混合管18內(nèi)的出口的較窄開口。收縮部段16從上游端朝向混合管18的入口逐漸變細(xì)。在收縮部段和混合管的邊界處限定文丘里管20。收縮部段的參數(shù)(諸如收縮的角度、部段的長度)和尺寸(諸如收縮部段的入口和出口的直徑)可選擇成優(yōu)化設(shè)備的性能。

參照圖13，如圖13A中所示，收縮部段16具有自上游端至下游端的大致圓錐形的輪廓。收縮部段可簡單地制造為截頭圓錐體形狀的單件。圖13B以及圖5例示一種替代配置，其中收縮部段16包括前部收縮部段92和后部收縮部段94。前部收縮部段和后部收縮部段可單獨(dú)制造，其中前部收縮部段具有為截頭圓錐體的簡單形狀，以及后部收縮部段具有更復(fù)雜的彎曲的外凸形狀。圖13C例示進(jìn)一步優(yōu)選的替代配置，其中收縮部段16沿其長度以可變的角度逐漸變細(xì)以提供外凸型的外部輪廓，其成形為對于通過環(huán)形空間的主流32產(chǎn)生恒定的加速度。

混合管提供在管中的部段，其中次流34與主流32可合并以形成基本上均勻的流動。流動在離開混合管18進(jìn)入到擴(kuò)散部段22之前是大致均勻的，其具有的速度分布允許在通過擴(kuò)散部段的流動中的足夠的壓力恢復(fù)，以維持在所述文丘里管處的低壓力和在擴(kuò)散部段出口處的較高壓力之間的壓力差。

混合管配置成最大化次流34所通過的渦輪管的功率輸出。這至少部分地通過下述來實現(xiàn)，即混合部段配置成優(yōu)化在緊接下述位置下游的區(qū)域中的流型，在所述位置中由文丘里管中的低壓導(dǎo)致的通過渦輪的次流開始與主流共混。混合管配置成優(yōu)化在該混合管中從主流傳遞到次流的能量。

混合管具有開口、出口和非零長度，以便在開口和出口之間提供流動可在其中混合的足夠長度的空間。限定所述混合管的管長度(L)選擇成使得在流動進(jìn)入擴(kuò)散部段之前獲得適當(dāng)調(diào)節(jié)的流動。選擇適于流動和壓力條件的正確長度確保在快速移動的主流和較慢的次流之間的最優(yōu)能量傳遞，使得在合并的流動進(jìn)入擴(kuò)散部段之前存在橫跨兩個流動的可接受的速度分布。

在本發(fā)明的一個實施例中，混合管可在下游方向上以半錐角β逐漸變細(xì)成錐形，使得所述混合管的出口比其入口更窄。該混合管的半錐角可以是正值或負(fù)值。在一個替代實施例中，混合管可在上游方向上逐漸變細(xì)成錐形，使得所述混合管的出口比所述混合管的入口更寬，即，混合管沿其長度朝向擴(kuò)散部段發(fā)散。具有錐形混合管可促進(jìn)在通過環(huán)形空間的較高速度的主流和離開渦輪管的較慢次流之間的能量傳遞。

混合管18的下游端連接到擴(kuò)散部段22。擴(kuò)散部段為漏斗的形狀，其具有作為用于從混合管18接收水的入口的第一開口和在相反端部處的作為用于將水釋放回到在屏障12下游側(cè)自由流動內(nèi)的出口的較寬開口。擴(kuò)散部段22從混合管18的出口向外發(fā)散以在其離開擴(kuò)散部段22之前減緩流動并恢復(fù)靜壓，并最小化通過湍流導(dǎo)致的能量損耗。發(fā)散的角度可選擇成優(yōu)化擴(kuò)散性能。

擴(kuò)散部段的參數(shù)，諸如部段的長度、發(fā)散角度θ，以及第一開口和第二開口的橫截面面積的比率選擇成當(dāng)流動減速回到自由流動速度時抑制湍流并減少由于流動分離而導(dǎo)致的能量損耗。當(dāng)流動接近擴(kuò)散部段的出口時，過度的湍流、渦流和流動分離會影響壓力恢復(fù)。參數(shù)選擇成最大化壓力恢復(fù)，使得在擴(kuò)散出口處的由下游側(cè)的水深設(shè)定的壓力盡可能高于在文丘里管處的壓力。

擴(kuò)散部段配置成當(dāng)壓力恢復(fù)發(fā)生時提供通過擴(kuò)散部段的以恒定的減速速率流動的主流。參照圖13A和圖13C，擴(kuò)散部段22沿其長度以不同的角度發(fā)散至下游端。如圖13A中所示，擴(kuò)散部段可具有凹入型的外部輪廓。如圖13C中所示，擴(kuò)散部段可具有外凸型的外部輪廓部段。圖13B例示具有擴(kuò)散部段22的設(shè)備，所述擴(kuò)散部段22以基本上恒定的角度逐漸變細(xì)以便具有大致圓錐形的輪廓。

收縮部段、混合管和擴(kuò)散部段可被制造為單個連續(xù)的管。備選地，收縮部段、混合管和擴(kuò)散部段可被制造為兩個以上的單獨(dú)部段，所述部段通過螺栓或通過其它常規(guī)的結(jié)合手段或技術(shù)保持在一起。如在圖2和圖3中所示，收縮部段、混合管和擴(kuò)散部段示出可被制造為兩個部段，收縮和混合管部段與擴(kuò)散部段，其中兩個部段通過螺栓96保持在一起。

可在任何兩個相鄰的部段之間形成圓角過渡部98，以便最小化由于引起的湍流所導(dǎo)致的能量損耗，如果區(qū)段之間存在尖銳邊緣過渡可能會發(fā)生由于引起的湍流所導(dǎo)致的能量損耗。這將有助于提高系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率。

該設(shè)備可用于產(chǎn)生從1kW到超過1MW的功率輸出。參照圖4，收縮部段的入口直徑(D1)、支撐凸臺的頭部整流罩的入口直徑(D2)、渦輪管的出口直徑(D3)、混合部段的出口直徑(D4)、擴(kuò)散部段的出口直徑(D5)、混合部段的長度“M”和擴(kuò)散部段的長度“L”可以變化以幫助提高該系統(tǒng)的效率。比率D4/D1、D3/D1、M/D4和L/(D5-D4)將選擇成適應(yīng)其中該系統(tǒng)將被安裝的條件。

在一個實施例中，裝置設(shè)計成使得水流的約80％流動通過環(huán)形空間28以及水流的剩余的約20％通過渦輪管24吸入。在一個優(yōu)選的實施例中，設(shè)備配置成使得兩個無量綱參數(shù)α(阿爾法)和β(貝塔)的乘積約等于0.25，其中：

α是在渦輪管出口處的總主流面積[(π/4)(D4²-D3²)]與在渦輪管出口處的總次流面積(πD3²/4)之比；以及

β是在渦輪管中的次流的平均速度與在渦輪管出口處在環(huán)形空間中的主流的平均速度之比。

不同于在自由流體流中的動能機(jī)(kinetic energy machine)，其中任何這樣的機(jī)器的最大功率受限于貝茨極限，以及這樣的機(jī)器的陣列要求它們被放置成在每個機(jī)器之間具有顯著的分隔距離，本發(fā)明首先由于提供橫跨水體的整個寬度的屏障通過升高上游水位而從整個流動的動能產(chǎn)生積存的液壓勢能，然后將該積存勢能的大部分集中到流動通過渦輪管的流動的較小部分內(nèi)，并且橫跨其產(chǎn)生相應(yīng)增加的壓降，允許以經(jīng)濟(jì)的“從水到線(water to wire)”的效率產(chǎn)生電能。

為了在產(chǎn)生功率中實現(xiàn)可接受的效率，本發(fā)明允許使用葉片組合件和渦輪管，其具有的直徑比橫跨流動水的相同水體的自由流渦輪的渦輪盤的直徑更小。在許多現(xiàn)場，包括大多數(shù)河流和許多潮汐河口現(xiàn)場，自由流渦輪的理想直徑可能顯著超過可用的水深。較小的渦輪可與本發(fā)明的系統(tǒng)一起使用以便以較低的資本成本實現(xiàn)等效效率，以及所述系統(tǒng)適于在更大范圍的現(xiàn)場內(nèi)使用。

本發(fā)明系統(tǒng)后面的上游水的自由表面被抬升超過流動的整個寬度，通常超過1.0米到3.5米。對于自由流渦輪而言，將在渦輪上方的水表面上存在小的“隆起”，其由渦輪對水流動的阻力導(dǎo)致，并且其是該自由流渦輪的能量產(chǎn)生能力的量度。該隆起通常由正常的視力檢測不到。因為貝茨極限的制約，自由表面渦輪的緊鄰上游側(cè)的抬升幾乎難以察覺。此外，該小的抬升體積對于在計劃中的每個自由流渦輪而言是局部的，以及貝茨極限還規(guī)定在陣列中的每個自由流渦輪之間由水顯著間隔開，以使得在自由流渦輪或渦輪陣列上方和緊鄰上游側(cè)抬升的水的體積比橫跨相同的流動水體放置的本發(fā)明的上游側(cè)抬升顯著更小，一般要小一個數(shù)量級或更多。抬升的水體積的這種比較是由每種類型的機(jī)器可用于轉(zhuǎn)換成電力的相比較能量的直接量度。因此，本發(fā)明的系統(tǒng)通常具有的其可獲得的能量比自由流渦輪或自由流渦輪機(jī)陣列從相同水體獲得的能量多一個數(shù)量級或更多。

此外，本發(fā)明比自由流渦輪部署形成大得多的上游水壓頭抬升，然后通常通過在引起的次流中以3到5倍的因子進(jìn)一步放大該壓頭差，次流通常是上游流動的20％。所以本發(fā)明的渦輪的驅(qū)動壓頭(壓力)比橫跨自由流渦輪的驅(qū)動壓頭(壓力)更大，通常大一個數(shù)量級或更多。因此本發(fā)明的該設(shè)備可使用渦輪管和葉片組合件，其直徑比通常的自由流渦輪小一個數(shù)量級或更多，并以比通常的自由流渦輪高一個數(shù)量級或更多的速度旋轉(zhuǎn)。

典型的水電大壩要求通常3.5米或更高的壓頭差，以便有效地使發(fā)電機(jī)工作，在典型的水電大壩中，屏障橫跨水通道的源頭，所有水流通過渦輪。然而，由于在引起的次流中的壓力放大，本發(fā)明可在大約1.0米的壓頭差下成本有效地操作這種渦輪。