涡轮组件和发电机的制作方法

专利名称：涡轮组件和发电机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于为发电机提供动力的涡轮组件。本发明还涉及组合式涡轮组件和发电机。

背景技术：
在各种场所中需要局部电源，其没有主电力线或者其他常规的电力线供给并且不需要比如常规的汽油驱动或气体驱动的发电机的能源。可以利用的主要能量源是风或水。例如，水动力可利用陆地上的流动水体，在河流中或者例如湖中的流动水流中找到。水动力还可在大海中的水流中找到。
从移动的自然水体中提取能量来产生电能与常规的水力发电的区别在于水压头被故意地设计用于为驱动发电机的涡轮提供动力。
空气的自然气流的使用被应用于风动涡轮。风涡轮是具有一组风冲击的叶片的固定结构，其被构造成自定位以朝向风。
本发明的形成以提供局部电能源为目的，特别针对一种能够从水体的自然运动或受迫运动中提取能量的单元。预期本发明的教导可大规模应用在例如从手提便携式发电机到位于海床上的相当大单元的范围中。然而，本发明的教导不限于其规模。例如其可应用于通常所说的微工程学。本发明还可适用于从空气流中提取能量。在此参考的流体流将被理解成包含液体和气体流。本发明将特别描述和讨论关于从流动水中提取能量。
在美国专利4746808中描述了小涡轮发电机的一种形式。该涡轮是Pelton轮型的，需要通过连接到压力水源上的一组喷射器上来致动。其不能利用自然水流。涡轮的旋转运动被传送给使用永久磁体类型的发电机的转子。
美国专利6013955公开了一种轴向流涡轮，其安装在意欲浸没在流中的壳体中。涡轮被安装在延伸穿过壳体的管道中而且水流动通过该管道来旋转涡轮。涡轮单元设有尾翅片以保持朝向流体流的单元。涡轮被机械连接到单独的发电机上。
在′995专利中描述的涡轮壳体和管道的设计不提供自身对准流动流。此外，与壳体和从其中穿过的管道相关联的流动通道不具有从流动水中提取能量来为涡轮提供动力的特别高的效率。所提取的可利用的水流势能的效率是涡轮自身结构和在其中操作的流动通道二者的函数。′955专利中公开的由壳体提供的入口到流动通道的一个缺陷是其具有对称构造。随后将解释其重要性。
通常希望的是提供一种涡轮发电机(涡轮单元加上发电机)，其能够以较高效率在缓慢流动的水流或其他流体(包括空气)中操作。在下列描述的本发明实施例中，可用于做功的能量仅仅是涡轮单元浸没其中的自由流，因此，第一个目标是从自由流动的流体流有效率地提取能量的涡轮设计。该流体流可以是相对的非约束流，比如水这样的自然流它可以是比如在管子中设立的约束流。将描述的涡轮布置可适用于任何方位，包括水平的、竖直的或倾斜的方位。其可在宽范围的流速中使用而且其规模可从非常小直到大规模装置。


发明内容
在一个方面，本发明是关于用作将流体流转换成机械能的转换器的涡轮单元的设计。将如此形成的机械能放入本发明优选实施例中的特别使用是为发电机提供动力。发电机可以与涡轮单元分离，或者可以具有自己的转子，该转子与涡轮单元的转子整体制成或者是涡轮单元的转子的整体结构的一部分。
本发明的另一个方面是关于发电机，其转子使用作为整体构件的涡轮转子或者其中至少涡轮转子和发电机组合在整体组件中。
与前述的一个方面相关的是，本发明提供了如权利要求1中所提出的涡轮单元。
优选的涡轮单元设有根据权利要求6的入口部分和扩散器。还更优选的是具有如权利要求10、权利要求11或12中所提出的作为带有发电机转子的整体结构的一部分的涡轮转子。
本发明关于发电机的上述其他方面可适用于涡轮发电机单元，该涡轮发电机单元包括壳体，其限定用于流体流从其中穿过的管道；位于管道中的涡轮转子，用于被从其中经过的流体流旋转，所述转子包括多个转子叶片；以及其连接到涡轮转子上从而被驱动的发电机，所述发电机包括转子组件和定子组件。根据本发明的其他方面，所述转子组件与涡轮转子整体制成或者是带有涡轮转子的整体结构。
与该其他方面相关的是，本发明还提供如权利要求13所提出的涡轮发电机。
根据本发明的涡轮单元和涡轮发电机的这些和其他特征、实施例和优点在所附的权利要求书、摘要和参照附图的优选实施例的下列详细说明中进行描述。
本发明及其实施将参照附图中所说明的其优选实施例进行描述。



图1a和1b显示了体现本发明的涡轮发电机单元的透视外部视图； 图2在概略图中显示了涡轮发电机单元的轴向截面视图； 图3显示了涡轮单元的连续段及其界面的示意性半轴向视图； 图4a和4b分别显示了绝对流动速度(C)和静压(P)作为流体流动通过涡轮单元的连续段的距离(x)的函数； 图5显示了与入口导向翼片(IGV)和涡轮转子段有关的矢量速度关系，速度三角形a)和b)分别涉及界面92和93； 图6是将图5的图a)和b)组合在一起的归一化的矢量图； 图7显示了通过涡轮单元的入口段的部分以及与流体进入入口段相关联的流线； 图7a显示了在入口段的内外表面之间确定的压力差和速度差； 图8显示了通过涡轮发电机单元的横截面，以便显示形成为发电机的部分的转子段的正视图，仅显示了一个转子叶片； 图9显示了通过图2的涡轮发电机单元的修改实施例的概略轴向横截面；以及 图10显示了通过更大比例的图9的发电机单元的径向横截面图。

具体实施例方式 下面将针对涡轮发电机描述本发明，所述涡轮发电机包括制成为与发电机或直流发电机组合的整体的部件的涡轮单元。将描述的实施例包括作为涡轮转子的整体部件的发电机构件。然而，涡轮单元本身作为将流体流的能量转换成机械能、特别是旋转能的转换器，这种设计可适用于涡轮发电机，其中，发电机相对于涡轮机是一单独实体，且该发电机接合到涡轮上而由涡轮的旋转驱动。下列说明将描述涡轮发电机单元的主要构件，随后更详细地考虑涡轮单元，以及其后更详细讨论将与涡轮发电机单元合并的发电机。
涡轮发电机单元 图1a和1b的每一个显示了体现本发明的涡轮单元的外部视图并显示了结构的主构件。在这些图中看不见单元内的发电机。如下所述，整个涡轮单元具有连续的段，假设单元将由单元浸没其中的流体的流动体来提供动力。将特别假设为水的流动体。
涡轮单元具有可绕单元的纵轴旋转的涡轮转子10。转子10设置用于在圆环形壳体20中旋转，该壳体提供了用于穿过其中的大致轴向流动通道的管道。壳体20包括具有入口开口32的入口段30。水沿着大致轴向流动方向F流动进入入口段。入口段30沿朝向转子10的流动方向F由宽逐渐变窄。
在入口段30和涡轮转子10之间的是一组入口导向翼片40(方便地称为IGV 40)。其外端部42附连到壳体20的内表面上而且其内端部44附连到轴向隆起50上，由此，隆起在流动管道中的轴向中心位置被支撑。入口导向翼片提供一个段，该段将涡旋分量赋予进入IGV段40的轴向水流。涡旋分量驱动作为反作用涡轮的涡轮转子10，将在下面更充分地解释。涡轮转子10的叶片12被固定到可旋转地安装到隆起50上的转子毂60上，从而绕公共纵轴旋转。稍后将参照图2描述该构造。转子10的下游侧通向通过支撑件(未示出)安装到壳体20的尾部的扩散器70。扩散器70沿向后或下游方向向外张开。扩散器的重要特征是，它提供了从单元外部吸到内部的扩散器腔室的水的补充流。用于使水周围的补充流能够进入扩散器70的装置在图1a和1b中被显示为一对环形槽72、74。从而，离开扩散器尾部的水的总流量是通过壳体20和经过转子10的流量加上通过环形槽吸入的补充流量。这将能够获得重要的操作益处，解释如下。
可以设想出许多提供补充流的引入方式。随后提及一些方式。所示的已说明的槽布置提供了在壳体20的尾部和第一扩散器部件70a之间的第一槽72，和在部件70a和第二扩散器部件70b之间的第二槽74b。所述槽面向补充流。第一扩散器部件70a在轴向方向上与壳体20的尾部重叠，而且其直径较大以形成前向槽72。类似地，第二前向槽74通过部件70b和70a的重叠而形成。壳体20和部件70a以及部件70a和70b可通过径向支柱73和75在重叠区中连接。槽通过重叠部件来限定不是必需的，如下文所描述的修改实施例将变得明显。
在图2中更好地看到了涡轮单元的内部结构，其显示了绕纵轴A-A基本圆周对称的概略轴向截面。相同附图标记表示与图1a和1b中相同的部件。
如稍后的说明将变得更明显，该单元的外部设计和外部流的方面对于从流动通过和环绕该单元的水中有效率地提取能量(动力)的单元的构造相当重要。水流动的方向由箭头F指示。上游在图的左边。
图2更详细地显示了涡轮发电机单元的内部结构，其中涡轮单元的转子与发电机80的转子形成为整体结构。在图2中，环形壳体20具有IGV 40被支撑(翼片被示意性显示为块)在其中的第一中间部分20a和涡轮转子10在其中旋转(涡轮翼片被示意性显示为块)的内径更大的第二中间部分20b。壳体部分20b的外步进段用于容纳发电机80的转子构件，如下所述。扩大的入口段30在壳体20的前面部分20c中形成并且通入IGV 40中。壳体的后面部分20d提供了涡轮转子10和扩散器70之间的流动连接。
如上所应注意的，IGV 40安装在隆起50和壳体(部分)20a的内表面之间，从而支撑对准在轴线A-A上的隆起。转子毂60带动转子叶片12(图1a和1b)在壳体20的中间部分20b内旋转。已说明的隆起50支撑轴向突出的主轴52，毂60绕该主轴在滚珠轴承座圈62上旋转。应该理解的是，可设想出可旋转地将旋转毂60支撑到固定隆起50上的许多方式。
已经提到了壳体的部分20b与IGV 40在其中被支撑的部分20a相比具有较大内径。转子10具有基本上等于壳体部分20a的内径的外径(在转子叶片的尖端处)以便接收通过IGV 40输送的流。转子尖端从而与壳体部分20b的内表面20e间隔开，而且在该空间中被形成为发电机80的转子部件的环形结构接收。环形结构包括附接到转子叶片尖端上的环82，磁体84嵌入所述环82中，当转子10旋转时，该磁体移动接近相邻表面20e。环82的内表面形成IGV 40所附连的壳体部分20a内表面的延长部。如果隆起50和毂60在到IGV 40的入口和转子10的出口之间是相同直径，而且同样地，由壳体部分20a和表面82形成的通道外径是相同，则提供了具有恒定的横截面积(忽略翼片和转子叶片)的平顺流动通道。磁体84提供了与一组线圈86相联的磁通量，该线圈86支撑在壳体部分20b中的环形组件中并且延伸到表面20e或紧密邻近表面20e，从而获得线圈和磁体之间的最大联接或磁耦合。发电机80将进一步讨论如下。还将看出环82的后内表面88朝向壳体内表面20e向外张开以有助于沿表面的流体平顺流动。
壳体20位于涡轮转子的后部的部分20d提供了扩散器70的输入部分，该扩散器在如向外展开的部件70a和70b所描述的沿下游方向延伸，其带有设在壳体部分20d和第一扩散器部件70a之间的第一入口槽72和设在部件70a和70b之间的第二扩散器槽74。未显示部件20d和70a之间的支撑件以及部件70a和70b之间的支撑件。
如上所述的槽72和74朝向涡轮发电机单元外部的流体流F，扩散器部件70a的前边缘部分71a在该端与壳体部分20d的尾边缘部分轴向重叠；同样，扩散器部件70b的前边缘部分71b与部件70a的尾边缘重叠。前边缘71a和71b以类似于由壳体部分20c所提供的入口段30的成形方式成形以引导流体流进入扩散器内部，进一步讨论如下。
所述槽的另一个特征是槽72将补充的附加流倾斜地沿由箭头S1所示的轴线引导槽74以较小或较窄(shallow)的角度将流体流以更接近平行于由箭头S2所示的轴线导向。扩散器的操作将更充分地讨论如下。
迄今，已经概述了涡轮发电机单元的主要构件，现在将更详细地考虑整个涡轮单元的单独段。
涡轮单元 与通过它的流动相关的涡轮单元的操作可根据该单元的连续段以及相邻段之间的各个界面来考虑。单元的段和界面如图3所示。入口段30提供了流动流进入的入口界面90和带有IGV段40的入口段/导向翼片界面91。IGV 40通向带有转子10的入口侧的界面92。转子10的出口侧具有带有扩散器70的入口的界面93，而且扩散器具有回流入流动流的出口界面94。进入扩散器70的补充量未在图3中显示，随后进行讨论。
首先进行的更详细的考虑是入口导向翼片和涡轮转子的组合。导向翼片和转子叶片形状的设计使用现有技术已知的技术。入口导向翼片40在界面91处接收轴向定向流并且在界面92处为其引入切向定向的分量或涡旋分量。该涡旋分量作用在转子叶片12上以旋转用作反作用涡轮的转子。
下列说明介绍了在不同界面可以具有不同值的各种参数。参数(例如C、V、h或H)所附的下标0、1、2、3或4表示分别在界面90、91、92、93和94处的参数值。
如已经注意到的水力涡轮单元被描述成反作用类型。目前所考虑的单元的相关段是包括界面91、92和93的IGV 40和转子10。用于测量角度的数据是轴向流A-A的方向。角α与表示绝对流速C的矢量相关角β附属于表示与平均转子叶片半径rm处的转子叶片相关的流速V矢量。假设在界面91处进入IGV 40的流是轴向的(α＝0)，并且假设退出转子的流在界面93处进入扩散器还是轴向的(α＝0)。除了速度C和V之外，还参考平均半径rm处的转子叶片的切向速度U，使得U＝Ωrm其中，Ω是转子10旋转的角速度。
利用的两个其他参数是无量纲(归一化的)的流动参数 φ＝Cn/U (1) 其中n指相关界面，而且给出作用在涡轮单元上的压头ψ为 ψ＝ΔH/U2 (2) 其中ΔH表示界面91和93之间的流体流动的总焓的变化。
从而ΔH＝H1-H3 (3) 涡轮单元(IGV 40加上转子10)的反作用力R可表示如下 其中h表示静焓，H表示总焓。
现在参照图5，通过段40和10的轴向方向是竖直的从上到下的。将讨论的速度三角形涉及平均叶片半径rm处的流动。水以绝对速度C1进入IGV 40。然后其随着翼片角度增加到导向翼片的出口角α2而被逐渐加速，使得在界面92处的流的绝对速度由C2表示。C2可被表示为 其中，Vw是IGV 40给出的涡旋或切向速度分量。C1和Vw如图a)的虚线所示。
水现在进入转子10从而冲击其叶片12并以速度Ω旋转转子。
退出转子10的水希望沿轴向方向以绝对速度C3流动而且速度V3相对转子成β3角。理想地，涡旋或切向速度分量Vw在为转子10提供动力的过程中已经完全被消散。如果流动保持通过单元的连续性，还应该注意的是C3＝C1并且通过涡轮单元的轴向流速度保持恒定。这假设了流动通道的横截面面积A1和A3是相等的。在参照图2描述的结构中，A1＝A2＝A3。
图5中的图a)和b)中给出的速度三角形可以被组合，如图6中所示，其中速度矢量参照转子速度U被归一化，从而变成无量纲的。转子速度矢量U从而变成单位一(1.0)而且轴向流速可被归一化成φ＝C1/U＝C3/U。作用在涡轮单元上的归一化的压头ψ也可在图6中看到。还显示了IGV40中的流动偏转角度εs以及穿过转子的流的流动偏转角度εR。
通过使用这些无量纲的速度三角形，使用下列关系来限定角度和速度 α2＝εs＝arctan(ψ/φ) 为了概括上述所讨论的内容，IGV 40将旋转的涡旋分量施加给流体并且该运动能量被转换成转子叶片上的转矩。涡轮提取的动力正比于作用在转子上的涡旋速度。为了使能量损耗最小，退出涡轮转子的流应该具有最小的涡旋。在本讨论中忽略了比如外表摩擦的损失和剪切损失， 根据在界面91和93处的总焓，效率ηTT可被表示成 其中ζS和ζR分别是入口导向翼片(定子)和涡轮转子的损失系数。这些系数考虑了外形的摩擦损失和次要的流动损失。
整个系统的从入口界面90到出口界面94的静态压力和总压力的变化可以通过使用伯努利方程并且通过使用各种界面处的绝对速度分量来实现。
还可以考虑涡轮段中的水力损失。
涉及IGV和转子段的设计参数的前述讨论是指用平均叶片半径rm确定的参数。为了实现整个设计样机，其水力设计在三个阶段中进行。
首先，使用一维模型来限定基本尺寸、速度分量和处于中跨横截面处的入口和出口的叶片的角度。假设所述流为转子的轴向上游而且一个设计目的是最小化在转子处排放的次要(涡旋)流，从而假设轴向流进入扩散器。由于叶片表面上的摩擦并且由于次要流的原因，考虑了水力损失。假设沿叶片跨度的功的分布相同，认为是自由涡流设计。利用该假设来指定在毂和入口导向翼片以及转子的尖端部分处的叶片角度。
在第二步中，进行叶片的几何设计。在近毂、近尖端和中跨部分使用专用的叶片外形，而且将它们连接在一起以便形成三维叶片形状。
在第三步中，进行湍流的三维计算流体动力学分析以便评定涡轮段的液力性能和预测IGV与转子通道内部的详细流动现象。该分析提供了压力和速度分布的详细说明以及整体的性能参数(比如功率输出、效率和转矩)。
需要第二和第三步骤的许多次迭代以便实现目标液力性能参数。涡轮设计领域的技术人员有能力想到这些步骤的详细性能。
在这三个设计步骤之前进行参数研究以便确定产生有用涡轮设计的参数间隔。已发现为了归纳设计程序，无量纲流动系数φ和ψ应该被选成独立变量。上述已经讨论了该程序。
为了进一步考虑整个涡轮单元的从入口到包括入口段30和扩散器70的出口的操作，再次参照图3以及图4a和4b的速度和压力曲线，图4a和4b示例性地说明了通过整个单元的速度和压力变化的曲线。应该理解的是这些图是为了示意的目的，而且与图3相同，它们不旨在确定比例。
现在注意的是输入段30的设计。因为单元将被浸没在流动水中，必须意识到水找到绕单元外部的流动通道和找到通过单元的流动通道是类似的。输入段如此成形使得将水以漏斗的形式(funnelling)提供给输入导向翼片40和转子10。输入段在界面90(图3a)处具有比界面91处的面积A1更大的有效输入或收集面积A0，使得在A1处的流速以A0/A1增加。因而，输入段的用途是为了从上游收集尽可能多的流并且将其加速到界面91的面积A1处的较大速度C1，该速度给定为 C1＝C0·A0/A1(7) 其中C0是界面90处的轴向流动速度，关于这一点将在下面另外叙述。输入段30的成形的一个特征是有效输入面积大于入口开口32的实际面积。
参考如图1a、1b和2中所说明的输入段30，壳体的前部20c具有张开的或渐变的内表面22，从实际嘴32到入口导向翼片40变窄。实际嘴是壳体的环形前边缘或外周。此外，该张开表面是曲面并且具有比较平的壳体部分20c的外表面24更大的曲率(下述提到的角度变化率更小—曲率是角度变化率的反函数)，所述外表面24在形状上更接近环形圆柱体。表面22和24合并处的外周32应该具有光滑的过渡以避免将湍流引入到进入壳体部分以及壳体部分20外部的水流中。表面22和24的曲率的差别在于将不对称性引入入口段30，该入口段具有捕获通过面积比实际嘴32更大面积的水流的效果。根据图3限定的界面90与有效地位于图2中的入口外周32的上游的界面是等效的。在上述的美国专利6,013,955中公开的涡轮单元的入口嘴具有不大于入口嘴的实际面积的捕获面积。
入口段的嘴的不对称性设计的优点可在图7中看到，图7中显示了通过环形壳体部分20c的示意性径向部分，该环形壳体部分限定了入口段以及其在外周32处会合但相对轴26从该处不对称地发散的内表面22和外部表面24。轴26包括外周32的抽象的圆柱体轴A-A。如已经提到的，内外表面24和26应该在外周点32处形成光滑的曲面或过渡，如通过在该点处共享公切线。
表面22和24可以是椭圆段，当外表面24从公共切点发散时，外表面24比内部表面22呈现更大的切线与表面间的夹角的变化率不是必需的。如所看到的，表面24较快地变得基本平坦而平行于轴A-A，而表面22更逐渐地向内渐变以便给出横截面面积的更快变化。该不对称性设计的结果是与表面22相关联的内部流的压力从外周32(滞点)处的下降比外部流更快。这在图7a中通过各自的与表面22和24有关的实线压力(P)曲线进行了说明，其中原点在横坐标轴上，嘴32和横坐标是在流向界面91的方向上的轴向距离。伴随而来的是，在内外表面处的水速度以与虚线曲线所表示的压降相反的方式增加。压差使水流入嘴32，如流线100所表示的。如从流线100可以看出的，从延伸区的上游区域捕获水，使得当界面90与嘴32的实际面积直接相关联时，其具有比A0大的有效横截面积。此外，压差有助于使涡轮单元朝向流动方向F。外表面较平坦给外部流最小的扰动并且避免引起不想要的压力梯度和流体加速/减速。当然，内表面24被设计成尽可能提供最平顺的流动(最低的边界层阻力)以实现上述增强的捕获面积。
如已经指出的，所描述的张开的入口段形状与壳体主体的外表面的不对称性组合在一起产生重要特征，即单元“自动导向(self-head)”水流。这使在需要位置处的单元的束缚或其他固定物的布置更简单，特别是在单元的方位时时需要跟随流动方向改变的情况下。该自动导向能力相对于上述提到的美国专利6013955所显示的结构具有显著优点，在该美国专利中涡轮单元被支撑在响应于流动方向的翼片结构上，并且依次被可旋转地支撑在较大的基部结构上。
现在转向扩散器70，其最初可认为是连续张开的表面，没有布置将补充流引入扩散器腔室的设备。这是如图3所说明的扩散器。扩散器通过将界面93处确定的低压恢复到出口界面94处的环境压力而适合压力恢复的功能。扩散器应该使压力能够恢复而无不希望的效果(比如气窝现象或损失边界层的稳定性)。
扩散器的功能将被描述成用于确定通过单元的速度和压力的全部流体参数的构件之一。在图4a和4b中分别说明了绝对速度C和压力P的变化与通过涡轮单元的能量提取相关联。它们显示为沿涡轮轴的轴向距离的函数，而且细竖直线表示图3a的界面90-94相对于速度和压力曲线位置。速度C是在给定轴向位置处的绝对流速。速度矢量不必须是轴向的。压力P是在给定轴向位置处的静压。为了便于说明，图4a和4b的线图的每一个显示了稍微简化而成的一系列直线段。被应用于下列说明中的参数C和P的下标0-4分别涉及界面90-94处的值。
两个线图从界面80的上游点处开始并且显示了与流动流或其他水体相关的初始速度C0和压力P0。如已经描述的，由于在入口段30的加速，速度在界面91处增加到值C1，如在上述方程(4)中得出的以及图3a可看到的那样。然而随着速度增加压力减小。在界面91和92之间，当流体穿过IGV 40时，流体速度继续增加。在此处速度是具有由导向翼片增添的切向分量或涡旋分量的流体绝对速度。其由上述方程(5)可知。
在反作用涡轮转子10处产生的功率以Vw(图5)值增加。为了赋予涡旋速度分量，导向翼片转动角度被选择用来优化Vw的值。然而，涡旋速度分量Vw的增加伴随着在通向转子10的入口界面92处的增大的压降。
速度从C1加速到C2伴随着通向转子10的压力从P1下降到P2。给出界面92处的压力为 其中，ρ是流体(即水)的密度。
退出转子叶片的流体速度将下降到值C3，在该点处，施加在转子入口处的涡旋分量理想地已经减少到零。在界面93处，绝对流速C3是轴向的而且等于C1，如参照图5(忽略损失)的解释。压力将显著下降至一低值P3。理想地，由涡轮转子提取的功率W正比于转子中的压降Pd和体积流量Q，即 W＝Q·Pd＝ρ·C2A2(P2-P3) (9) 按照方程(9)，理想地，P3的值将被最小化以最大化Pd的值。然而，实际上可获得的P3的最小值受下游扩散器70中的压力恢复极限的限制，而且需要避免气窝现象(尤其是在高速流中)。因而在扩散器处减轻压力恢复限制的设施是有价值的。现在将更全面地考虑扩散器的性能。
如已经描述的，退出转子10的水在低压下具有动能。由扩散器提供的压力恢复必须将水离开转子的动能转换成压力增加。假设速度C3是完全轴向的而且忽略从界面93到界面94的压力损失，扩散器70中的压力恢复可表示如下。
在界面93处，可利用的能量(静态的和动态的)是 在界面94处，可利用的能量(静态的和动态的)是 以及 当这些能量相等时，在扩散器70中获得的压力恢复Pr为P4-P3，使得从上述给出的在界面93和94处的能量表达式Pr可被表示成 还假设在界面93和94的每一处的水流的质量平衡， C3A3＝C4A4 其中A3和A4分别是界面处的流动横截面面积。
从而，压力恢复Pr可被表示成 可看出当A3<<A4时，压力恢复接近其最大值

扩散器将流动截面从A3扩大到A4的渐变必须被保持得足够低以便沿着扩散器表面建立稳定的边界层条件并且从而避免在通过界面93的水流和该水流最终并入的周围水之间引入湍流。
再次参照图4a和4b，沿着扩散器的流速C的减小由压力P的增加来匹配，扩散器具有足够的长度来提供到周围水的流动的平顺过渡，在界面94处的C和P的值接近入口界面90处的值 图3的扩散器到目前为止已经忽略了用于将补充流引入扩散器的槽72、74(图1a、1b和2)。图2通过箭头S1和S2分别表示了在点72和74处将补充流引入扩散器70。进入上游槽72的补充流体以一角度被导入退出转子10的流。进入下游槽的补充流体以基本上平行于该流的一角度被导入与扩散器的出口相邻的流。
回到方程(11)，最大压力恢复为 由补充流提供给扩散器槽72和74的是补充动能项的引入，压力恢复可从该补充的动能项获得。在仅一个以速度Cs引入补充流的槽的情况下，其添加的附加项为

对于两个或多个槽，其可表示为

其中∑表示各个槽贡献的最终结果。
因而，最大压力恢复可表示为 这些附加因素使得 1)将使转子中的压降Pd大于其他可能的情况 2)将使转子出口(界面93)处的流动速度小于其他可能的情况 3)将扩散器的长度(以及其最终出口的横截面)减少到其他可能需要的情况。
可能性可以单独或以选定组合来实现。
应该意识到，如已经表示的，用于引入补充流的装置可以是除了槽以外的装置。可利用其他形式的孔，优选保持绕扩散器轴的流体的引入基本上均匀。在扩散器中可包含一个或多个穿孔或筛眼部分。
槽的优选特征是通过上游槽72(或其他等同方式)的向内流S1应被向内指向轴A-A(即与轴成一角度)，如箭头S1所表示的。而通过下游槽74(或其他等同方式)的向内流应该更接近平行于轴A-A。还优选以类似于参照图2到图7所描述的入口段30的前边缘部分的方式来使扩散器部件70a和70b的前边缘部分71a和71b成形。也就是给定内表面比外表面的曲率更大。后壳体部分20d和扩散器部件70a的前边缘部分71a的重叠部分的成形，以及扩散器部件70a的尾边缘部分和扩散器部件70b的前边缘部分71b的成形应该使得分别产生希望的向内流动方向S1和S2，而与此同时保持内部流的稳定性，包括保持连接扩散器腔室表面的边界层的稳定性。
已经提到入口段的自动导向设计用来对准流的向内方向。该特征相当有助于在流动流体中支撑或束缚整个组件。该束缚受朝向壳体20前面的附件影响，使得该单元趋于起翼片作用，即使不采用其他自动导向措施。应该理解的是如果需要的话所描述的设计不排除布置外翼片。
已经针对从流动流体(尤其是水)中获得的运动动力进行了前述说明。在此该教导还可适用于由流动的气体(比如空气)提供动力的涡轮单元。
发电机 可从涡轮单元得到的机械能的一个显而易见的使用是电力的产生，但该应用不局限于该领域。发电机(动力驱动)可以是连接到转子上的单独实体，尽管它仍可以被容纳在整个单元内。例如，发电机可被容纳在如在图1a、1b和2可看到的隆起/转子毂组件50、60中。
图2中说明的替代方案将使用涡轮转子以便还提供发电机的转子元件或部件，使得不需要从转子连接到发电机的单独传动。一个可能性是将各个永久磁体嵌入每一个转子叶片顶端以旋转经过一组沿周向(有角度地)间隔开的线圈，该线圈被支撑在壳体20的部分20b中。
已经参照图2概述了更优选的构造，其中永久磁体84嵌入的环82被附连到涡轮转子10以随其旋转，从而一起作为发电机的转子。该整体构造应该能够保持平衡旋转。
图8说明了带有壳体部分20b的涡轮转子10的正视图。环82被附连到转子叶片的尖端，仅显示了一个。磁体84被嵌入环82而从环82的外表面上显露出来。为了保护的目的，磁体可以不在外表面处显露出来，但是可以被围绕环82的薄套管保护。将磁体与转子叶片12分隔的一个优点是磁体的数量的选择不取决于转子叶片的数量。
虽然图2显示了嵌入壳体部分20b的发电机线圈，但是图8显示了更优选的布置，其中壳体部分20b形成为两个环形部件。图8中以20b表示的外部件与壳体20的剩余部分成一体。紧密地固定在外部件内的是可插入部件88，其可以延伸到壳体20的尾部或环绕转子环82的定子组件并且从壳体20的尾部或环绕转子环82的定子组件插入，该转子环82通过壳体的向后延伸的内部部分而定位在适当位置。可插入部件可以被键入到壳体使其固定以抵抗旋转。可插入部件88从而提供了先前参照图2提到的具有内部表面20e的发电机定子元件。部件88包含线圈86，该线圈向内凸出而终止在表面20e处或与表面20e相邻，以便与横跨气隙G的磁体84磁性接合。线圈的数量通常等于磁体的数量，通常为6-8个。涡轮转子叶片的数量可处于4-10的范围中。线圈86被支撑在铁磁性电极件上，该铁磁性电极件可以与环绕轴A的铁磁性圆环87磁性地成为一体以形成整个磁路。整个铁磁性结构优选层置以减少涡旋电流，使得其可被形成为一冲压制品栈。
许多永久磁体发电机构造是已知的，并且在精通发电机领域的技术人员的范围内是公知的。本发明设计的重要特征是保证发电机部件受到更好的保护，使之免受可以是腐蚀性的流动水或其他流体的损害。因而可以使用包括将元件嵌入耐腐蚀性塑料材料或密封套管中的技术。
磁体应该是高性能材料，比如稀土磁体。磁体性能经常由材料的能源产品提供。例如，烧结钕是高能源产品的稀土基的磁体材料，尽管其合成物具有高含铁量。钐钴是另一个选择物，其无含铁量。
转子10可以由各种材料制成。耐腐蚀以及强度是要记住的一个因素。转子应该不易碎以避免受到水中携带的杂垢的损坏。转子应该是轻质的，而且材料可锻或可铸造成体现涡轮转子叶片设计特征的复杂曲线。转子还应该便宜以便于替换。作为单元的主要运动部件，其可能将是第一个被破坏的。可以想到的用于满足这些要求的材料是碳纤维、铸造的或机械加工的铝、硅青铜或环氧树脂合成物和不锈钢。这些是应用到带有单独的发电机的涡轮单元和应用到转子被制成为发电机部件的涡轮单元都应该关心的。入口段30可以设有格栅以限制至少较大的杂垢物进入单元，而不过度影响流动。
应该理解成线圈中感生的交流电压的频率是转子速度的函数。如果发电机的输出功率被整流以产生直流电源(D.C.)，则在上述一些较低速度下旋转的转子所提供的速度变化的重要性小。
电流在其中流动的发电机80的定子部件88应该被保护使其免受流动通过涡轮单元管道并冲击转子的水的影响。为此优选提供用于发电机定子的不透水内衬套或套管90，从而绕转子延伸。衬套应该保持尽可能薄以允许转子磁体84到线圈磁极构件的通道最近。衬套应该不影响磁体84所发出的磁通量。虽然可使线圈处于转子上而磁体位于定子上，在具有不包括电流的转子支撑元件和将电流传送给定子方面是相当有利的。
附图的图9和10显示了根据本发明构造的涡轮发电机单元大致对应于图2和8部分并结合了构造的一些目前优选特征。为与在图2和8看到的部件相同的部件给出了相同附图标记加上“100”的标记。
如上所描述的实施例中，图9的涡轮发电机单元包括壳体120，该壳体具有成形的入口段130，使水流F形成漏斗形状或倾斜地先流入入口导向翼片140再到转子110中。根据上述给出的考虑事项设计了转子110和IGV 140。导向翼片140支撑轴向中心隆起150，套管(spigot)152在从该隆起处向后延伸并且终止于鼻部(nose)200，该鼻部向内渐变以促进所经过的水的平顺流动。套管152可以螺旋地接合隆起150中的螺纹孔。转子10的叶片被固定到中心毂160上，该中心毂轴向地定位在隆起150和鼻部200之间的并且可绕套管152自由旋转。
退出转子110的水流流动通过壳体的后面部分120d而进入扩散器170的第一部件170a并且随后进入扩散器的下游部件170b。槽172被限定在壳体部分120d和扩散器的上游部件170a之间。槽174被限定在部件170a和170b之间。然而，应该注意的是在本实施例中，壳体部分120d和扩散器部件170a不重叠而是后者的前边缘具有比前者的尾边缘更大的直径，同时壳体部分120d的外表面被成形为有助于进入的补充流S1成漏斗形地进入扩散器，S1朝向轴A-A。同样，在扩散器部件170b和170a之间有很小的重叠，前者的前边缘具有比后者的尾边缘更大的直径，以促进进入流动S2基本上沿轴A-A方向。
转向图9和10所说明的发电机，其遵循前述的具有环的实施例，该环由涡轮叶片所支撑并且支撑磁体。如在图10中更好地看到的，环182被支撑在八个等角度布置的转子叶片112的尖端处，该转子叶片固定在毂160上。环182支撑多个等角度布置的弓形径向磁体184，在所说明的实施例中是八个。每一个磁体被径向磁化以呈现北外极或南外极而且磁体的极性轮换使得紧接相邻的磁体为相反磁性。环绕转子组件的壳体部分120b支撑多个等角度间隔开的线圈186，该线圈在这种情况下的数量等于磁体184的数量。每一个单独线圈186还具有弓形形状以匹配磁体行进的路径。所显示的线圈为空气间隔开的，其未缠绕在铁磁性磁心材料上。如先前所表示的，还预期附加铁磁性回路以提高效率。测试表明，尤其对于低功率要求的应用，仍然可以产生非常有用的功率量。为了使磁体与线圈有效地磁性耦合，磁体和线圈之间的有效气隙应该保持最小值。现在将特别参照图9进行描述，在本实施例中采用的构造在实现该目标中是有效的。
在图9中看到的是由转子支撑而且支撑磁体184的环182进入壳体部分120b中的环形凹槽202。该凹槽向外延伸，从流体流动管道通过壳体120并终止于线圈186被接收在其中的环形腔室204。如先前所解释的，壳体120可以被制成可分离件以允许发电机元件的放置和定位。
环形环182与磁体184被接收在其中的环形外凹槽212一起形成。优选各个唇从凹槽212的每个壁的外端向内凸出以便当转子旋转时保持磁体184抵抗离心力。磁体还可以通过粘合剂和所提供的防水覆盖层(例如环氧树脂覆盖层)而被固定在适当位置以保护磁体。
毂160可以被制成多于一个件。其可以包括转子叶片112被附连在其上的主环形体222。该主环形体绕套管152旋转并且较薄的滑动环224a和224b还绕套管152安装到每一侧。套管152的外端包括头部226，该头部固定抵靠鼻部200中的肩部，使得当套管被固定在适当位置时，鼻部、主体222和滑动环224a和224b都定位在套管的适当位置。
应该理解的是如所描述的和/或提出的各种特征可以以各种方式组合。
权利要求
1.一种涡轮单元，包括
壳体，其限定了用于流体流从其中穿过的管道，所述管道具有入口开口；
涡轮转子，位于一部分管道中，所述涡轮转子由于所经过的流体的作用而旋转；
所述壳体能够被浸没在流动的流体中，使流体既通过管道又通过壳体外部；
扩散器，位于所述涡轮转子的下游以接收从转子排放的流体，所述扩散器沿下游方向向外渐变，
其中
所述扩散器包括用于从壳体外部向从转子排放的流引入补充流体的装置。
2.如权利要求1所述的涡轮单元，其中所述装置包括扩散器壁中的至少一个槽、孔、筛眼结构等。
3.如权利要求1所述的涡轮单元，其中所述用于引入补充流的装置位于扩散器的上游部分并且被成形以便以一角度将补充流引入到退出转子的流。
4.如权利要求1所述的涡轮单元，其中所述用于引入补充流的装置位于扩散器的下游部分并且被成形为在基本上平行于即将从扩散器退出的流的方向上引入补充流。
5.如权利要求1所述的涡轮单元，其中所述用于引入补充流的装置包括上游部件和下游部件，上游部件被定形为以一角度将补充流引入到退出转子的流，下游部件被成形为在基本上平行于即将从扩散器退出的流的方向上引入补充流。
6.如权利要求3或4所述的涡轮单元，其中所述装置包括扩散器壁中的槽、孔组、筛眼结构等。
7.如权利要求5所述的涡轮单元，其中所述上游部件和所述下游部件中的每一个包括扩散器壁中的槽、孔组、筛眼结构等。
8.如前述权利要求1-7任一项所述的涡轮单元，其中所述装置被成形为向前面向处于所述壳体外部的流。
9.如前述权利要求任一项所述的涡轮单元，其中所述涡轮转子作为反作用涡轮起作用并且该单元还包括所述涡轮转子上游的导向翼片组件，以将涡旋分量施加到通向转子的流中。
10.如前述权利要求1-9任一项所述的涡轮单元，还包括发电机，所述发电机包括转子组件和定子组件，所述转子组件被安装到所述转子叶片上以随其旋转，而且所述定子组件被安装在所述壳体上。
11.如前述权利要求任一项所述的涡轮单元，其中所述涡轮转子被附连到转子叶片上的环环绕以随其旋转，所述环支撑多个磁体和多个电线圈中的一种，而且壳体具有环绕所述环并且支撑定子组件中的所述多个磁体和多个线圈中的另一种的部分，由此当涡轮转子旋转时，磁体与线圈磁耦合以提供发电机。
12.如前述权利要求1-11任一项所述的涡轮单元，其中所述涡轮转子包括多个叶片，各个磁体被设在叶片的每一个的尖端部分处或尖端部分中，而且其中多个互连的线圈由围绕涡轮转子的壳体部分支撑以受由磁体产生的磁场影响并且从而与其一起形成发电机。
13.一种涡轮发电机单元，包括
壳体，限定了用于流体流从其中穿过的管道，
涡轮转子，位于一部分所述管道中，所述涡轮转子由于所经过的流体流的作用而旋转；该转子包括多个转子叶片；
发电机，连接到涡轮转子上从而被驱动，发电机包括转子组件和定子组件；
转子组件和定子组件中的一个包括一个或多个线圈，而且转子组件和定子组件中的另一个包括用于与所述一个或多个线圈磁性耦合的一个或多个磁体，用于当涡轮转子旋转时在其中感生电流，
其中
转子组件被支撑在涡轮转子叶片上。
14.如权利要求13所述的涡轮发电机单元，其中转子组件包括附连到涡轮转子叶片上的环以随其旋转，所述环支撑所述一个或多个线圈或所述一个或多个磁体中的一种。
15.如权利要求13所述的涡轮发电机单元，其中转子组件包括一个或多个线圈或一个或多个磁体，每一个线圈或每一个磁体被设在涡轮转子叶片的尖端部分处或尖端部分中。
16.如权利要求13、14或15所述的涡轮发电机单元，其中转子组件包括一个或多个磁体，而且定子组件包括一个或多个线圈。
17.如前述权利要求13-16任一项所述的涡轮发电机单元，其中定子组件包括插入在所述壳体中的环形部件以环绕所述转子组件。
18.如前述权利要求13-16任一项所述的涡轮发电机单元，还包括
扩散器，位于所述涡轮转子的下游以接收从转子排放的流体，所述扩散器沿下游方向向外渐变，其中扩散器包括用于从壳体外部向从转子排放的流引入补充流的装置。
全文摘要
一种涡轮单元，包括壳体(20)、涡轮转子(10)、以及扩散器(70)，该扩散器位于所述涡轮转子(10)的下游以接收从转子排放的流体，其沿下游方向向外减缩，而且其包括用于从壳体(20)外部向从转子排放的流引入补充流体的装置(72、74)。此外，涡轮发电机单元设有转子(10)，所述转子包括多个转子叶片，而且该单元还包括连接到涡轮转子上从而被驱动的发电机，该发电机包括转子组件和定子组件，转子组件和定子组件中的一个包括一个或多个线圈(86)和转子组件和定子组件中的另一个包括用于与一个或多个线圈(86)磁性耦合的一个或多个磁体(84)，用于当涡轮转子旋转时在其中感生电流，其中转子组件支撑在涡轮转子叶片上。
文档编号F03B17/06GK101389853SQ200780006745
公开日2009年3月18日 申请日期2007年3月16日 优先权日2006年3月21日
发明者G·R·李, B·里默, A·图尔里达基斯 申请人:国际壳牌研究有限公司