专利名称：流体能量转换器的制作方法
技术领域：
本发明的领域通常涉及流体能量转换器，更特别地，本发明涉及 风车和风力涡轮机。
背景技术：
流体能量转换器典型地使用叶片、推进器(propellers)或叶轮将 流动流体的动能转换为机械能，或者将机械能转换为流动流体流的动 能。例如，风车和水车将风或水的动能转换为旋转机械能，并且风力 涡轮机和水力涡轮机还使用发电机将旋转机械能转换为电能。在逆向 过程中，风扇、推进器、压缩机和泵可以配置为将来自旋转机械能的 动能施加给流体。
尤其是利用风车和风力涡轮机，从动能到机械能的能量转换对气 体而言效率很低。人们通常认为，对于由风力转换动能的装置而言， 最大可能的效率为大约59.3%。然而，这一数字忽略了由例如空气阻 力和紊流造成的损失。 一些应用级的三叶式风力涡轮机可以实现 40-50%的最高效率，但风车的效率明显更低。因此，需要对风力应用 而言更有效的流体能量转换器。
尽管一些供液体流体使用的流体能量转换器可以实现高效率，但 这些机器价格昂贵。例如，尽管轴向辐流式水力涡轮机可以实现高于90%的效率，但是它们极为昂贵。存在成本是比效率最大化更为重要 的因素的应用，因此，需要对液体流而言成本更低的流体能量转换器， 并且该转换器仍然保持希望的效率。发明内容这里显示和描述的系统和方法具有若干特征，没有单个的特征对 其希望的属性单独起作用。在不将本发明限制于下列说明所描述的范 围之内的情况下，现在将简要讨论其更突出的特征。在考虑这些讨论 之后，尤其是阅读标题为"具体实施方式
"的段落之后，人们应该明白 该系统和方法的特征如何提供优于传统系统和方法的若干优点。在一个方面，本发明涉及用于流体能量转换器的管。该管可以具 有通常圆柱形的中空主体，该中空主体具有内表面、外表面和纵向轴 线。该管可以具有多个螺旋凹槽，该螺旋凹槽用于在流体流使管围绕 纵向轴线旋转时收集流体流的动能。在另一个方面，本发明涉及一种流体能量转换器，该流体能量转 换器具有纵向轴线和与该纵向轴线同轴的可旋转管。该可旋转管可以 具有形成在其内、外表面上的螺旋凹槽以便将旋转机械能转换为流体 动能。在另一个方面，本发明涉及用于流体能量转换器的管。该管可以 包括通常圆柱形的中空主体，该中空主体具有内表面、外表面和纵向 轴线。该管也可以具有形成在其外表面和内表面上的多个螺旋凹槽。 螺旋凹槽适合于收集外表面上螺旋凹槽的第一侧上的流体，并且螺旋凹槽适合于收集内表面上螺旋凹槽的第二侧上的流体。在一个实施例 中，本发明涉及用于流体能量转换器的转子。该转子具有纵向轴线和 与该纵向轴线同轴的可旋转管。该管可以包括内表面和外表面。在外 表面和内表面上可以形成多个螺旋凹槽，每个螺旋凹槽具有大体上彼 此相对的至少两个螺旋凹槽壁。外表面上的螺旋凹槽壁形成0-100度 的角度，并且螺旋凹槽配置为将旋转机械能转换为流体动能，或者将 流体动能转换为旋转机械能。在另一个实施例中，本发明涉及一种流体能量转换器，该流体能 量转换器具有纵向轴线和与该纵向轴线同轴的可旋转管。该可旋转管 具有形成在其外表面和内表面上的多个螺旋凹槽。能量转换器还可以 包括围绕纵向轴线径向分布的前叶片组，该前叶片组联接到可旋转管 上。围绕纵向轴线径向分布的后叶片组可以联接到可旋转管上。流体 能量转换器还可以包括与纵向轴线重合并操作联接到可旋转管上的 轴。在一些配置中，可旋转管将流体动能转换为旋转机械能，或者将 旋转机械能转换为流体动能。
另 一个实施例包括用于风车的转子。该转子可以包括通常圆柱形 的空心管，该空心管具有内表面、外表面和多个沿管外周的壁，所述 壁形成配置为接收风力动能的多个螺旋叶片。
另 一个实施例包括用于转子的管段。该管段可以包括大体上矩形 的弧形板、从板边缘伸出的第一管段边缘和形成在所述板上的管段切 口。管段切口可以配置为接收第二管段边缘。
另 一实施例包括操作风车的方法。该方法可以包括提供管状转子， 将转子安装成使该转子的纵向轴线与流体流大体上平行，并且使转子
相对于流体流的流动方向纵倾和/或横倾1-30度的纵倾角和/或横倾 角。
对于本领域的技术人员来说，在阅读下列说明和附图的情况下， 这些及其它改进将变得显而易见。
图l是流体能量转换器的透视图。
图2是图1所示流体能量转换器的局部剖视图。
图3是图1所示流体能量转换器的另一局部剖视图。
图4是可以与图1所示流体能量转换器一起使用的管的透视图。
图5A是图4所示管的一个管段的透视图。
图5B是图4所示管的两个管段的透视图。
图6是与图1所示流体能量转换器相关的某些流体力学的简图。图7是图l所示流体能量转换器的转子下倾的简图。 图8是图1所示流体能量转换器的转子上倾的简图。 图9是图1所示流体能量转换器的前视图，该流体能量转换器具有沿第一方向横倾的转子。图IO是图1所示流体能量转换器的前视图，该流体能量转换器具有沿第二方向横倾的转子。图11是图1所示流体能量转换器的转子发生纵倾和横倾的透视图。图12是图1所示流体能量转换器的转子下倾的侧视图。 图13是图1所示流体能量转换器的转子下倾的侧视图。 图14是图1所示流体能量转换器的转子沿第一方向横倾的顶视图。图15是图1所示流体能量转换器的转子沿第二方向横倾的顶视图。图16A是图1所示流体能量转换器的导流罩(nacelle)的局部前 视图，显示了导流罩对流入流体能量转换器的流体的作用。图16B是图16A所示导流罩的局部透视图，并且显示了导流罩对 流入图1所示流体能量转换器的流体的作用。图17A是横穿典型管的典型边界层的示意图。图17B是形成在与图l所示流体能量转换器一起使用的管表面上 的边界层的示意图。图18是用于图l所示流体能量转换器的转子的可选安装方法的透 视图。图19是图1所示流体能量转换器的导流罩的可选位置的透视图。 图20是图1所示流体能量转换器的剖视图，该流体能量转换器具有连续可变的变速器单元。图21是图1所示流体能量转换器的可选导流罩的剖视图。图22A是用于图l所示流体能量转换器的管的可选制造方法的分解图。图22B是用于图1所示流体能量转换器的管的可选制造方法的》图23是图1所示流体能量转换器的可选实施例的侧视图。图24是图1所示流体能量转换器的可选实施例的侧视图。图25是风力涡轮机系统的可选实施例的透视图。图26A是图25所示系统的剖视图。图26B是图25所示系统的局部端视图。图27是可与图25所示系统一起使用的转子段的透视图。图28是图27所示转子段的模块化部件的透视图。图29是可与图25所示系统一起使用的中央主体的透视图。图30是图29所示中央主体的一个实施例的示意图。图31是图29所示中央主体的可选实施例的剖视图。图32是风力涡轮机系统的可选实施例的立面侧视图。图33是图32所示系统的顶部立面图。图34是图32所示系统的立面前视图。图35是可与图32所示系统一起使用的旋转支座的透视图。图36是图35所示旋转支座的底视图。图37是可与图32所示系统一起使用的前叶片组的透视图。图38是可与图32所示系统一起使用的后叶片组的透视图。
具体实施方式
现在将参照附图描述本发明的实施例，其中，相同的数字在全文表示相同的元件。在本说明书中使用的术语不能因为其连同本发明的某些特定实施例的具体描述使用而简单地以任何局限或限制的方式进行解释。而且，本发明的实施例可以包括若干个新颖的特征，没有一 个单个的特征能够对其希望的特性单独起作用或者对实施在此描述的本发明来说必不可少。在一个方面，流体涡轮机可以具有管状转子和支架或塔架。管状 转子包括纵向轴线、与纵向轴线同心的可旋转管、与纵向轴线同心的可旋转前叶片组、与纵向轴线同心的导流罩、与纵向轴线同心的可旋 转后叶片组、以及与纵向轴线同心的轴。在一个实施例中，管包括多 个螺旋凹槽，其从管的前缘处开始并延伸到管的后缘，从而形成管表 面外径上的凹陷和管表面内径上的突起。前、后叶片刚性附接到管上并与其一起旋转。在一些实施例中， 前、后叶片在轴上旋转，并且在轴和叶片之间使用轴承以使摩擦最小 化。导流罩可以刚性附接到轴上，并且在其外表面上可以具有多个螺 旋叶片。所述轴可以为刚性杆或空心管，并且附接到支撑管状转子的 塔架上。在一个实施例中，导流罩容纳动力传动系统，所述动力传动 系统可以包括增速器和发电机以产生电力。在一些实施例中，尾部位 于管状转子的后面并附接于其上，所述尾部由流体流引导以使管状转 子朝向流体流。所述尾部可以具有竖直面部件和水平面部件，所述部 件用于使管状转子以纵倾和横倾方式定位。在一些实施例中，当可压缩流体流经管状转子时产生高压和低压 区域。管内流体沿与管状转子相同的方向旋转，从而沿远离纵向轴线 的方向径向流出并压靠管内壁，从而相对于周围流体压力产生高压区 域。低压区域形成在纵向轴线周围，从而将流体吸入管中。这样，低 压区域有助于流体从管中流过。另外，进入管状转子的流体的流体切 线朝向管的外表面，从而在管的内、外表面上产生高压区域。在一些情况下，管状转子可以纵倾(即，在竖直面内向上或向下) 和/或横倾(即，在水平面上从一侧到另一侧)以取得增大能量生产的 有益效果。导流罩可以结合有螺旋叶片，所述螺旋叶片引导流体从而 沿与管状转子旋转方向相同的方向转动，以便产生涡流并增大能量生 产。在另一个方面，导流罩适合于沿与管状转子相反的方向旋转以在 发电机上产生大速度差，从而增大能量生产。在另一个方面，管在前 开口处扩口或成喇叭口以使进入管中的流量最大化。在另一个方面，管状转子的动力传动系统结合有无级变速传动装置(CVT)，从而当例如空气或水的流体速度变化时，使发电机保持 大体上恒定的速度。CVT位于增速器和发电机之间，并且可以提供使发电机在由于流体流中突然增大，例如阵风引起的扭矩尖脉冲的情况下减振的额外优点。CVT的输入连接到增速器的输出，CVT的输出 附接到发电机的输入。在一些实施例中，增速器可以是2008年11月12日 申请日期2006年8月18日 优先权日2005年8月22日
发明者D·C·米勒 申请人:Viryd科技公司