具有动态增加的扫掠面积的横流轴旋转机械设备的制造方法

具有动态增加的扫掠面积的横流轴旋转机械设备的制造方法
【专利摘要】描述了具有动态增加的扫掠面积的横流轴旋转机械设备，其包括：至少两个具有相等臂尺寸的转子，所述转子彼此平行地连接到支承结构上，且它们具有垂直于流体的旋转轴并具有转子偏移量0<＝Ro<2R，通过转子同步机制彼此同步旋转，具有至少一个通过径向臂连接到每个转子的叶片，其中相对的转子的叶片在旋转过程中不发生碰撞。带臂转子与叶片共同使用它们的空间、流体、支承结构、转子同步机制、电机、制动系统、偏航系统，同时也分享性能、参数、效果以及与不具有动态增加的扫掠面积的横流轴旋转机械设备相比较，具有动态增加的扫掠面积的横流轴旋转机械设备所具有的其他机制。
【专利说明】
具有动态増加的扫掠面积的横流轴旋转机械设备
技术领域
[0001] 本发明涉及横流轴旋转机械设备类，它为具有动态增加的扫掠面积的横流轴旋转 机械设备新类别提供了基础，所述横流轴旋转机械设备新类别适用于不同流体类型和广泛 的应用，例如风力发电涡轮机、水力发电涡轮机、螺旋桨、吹风机、栗压缩机、混合器等。
【背景技术】
[0002] 横流轴旋转机械装置包括不同类型的设备，例如风力发电涡轮机、水力发电涡轮 机、螺旋桨、吹风机、栗压缩机、混合器等。这些设备拥有共同的特性、效果、参数和机制，例 如:带臂转子和叶片、支承结构、电机(发电机或电动机)连同限定这些设备及其机制和物理 特性的参数，但最重要的是，它们拥有它们的旋转轴方向始终垂直于流这一主要特征。横流 轴涡轮机代表了主要的横流轴旋转机械装置，并有悠久的设计历史(阻力涡轮机在专利号 1766765的美国专利中有公开，升力式涡轮机在专利号1835018的美国专利中有公开）。
[0003] 横流轴涡轮机的主要优点体现在它是全方位的（相较于流动轴涡轮机，横流轴涡 轮机不需要指出进入的流动方向）。
[0004] 横流轴涡轮机的主要缺点是比流动轴涡轮机的效率低，这主要是因为该设备产生 正扭矩（以提取能量)所使用的扫掠面积是有限的。图la是一个横流轴升力式涡轮机10、转 子11、扫掠区域24和该涡轮机产生正扭矩所使用的有限的扫掠面积"提升区"的示意显示 图。而图lb是一个横流轴阻力涡轮机10、转子11、扫掠区域24和该涡轮机产生正扭矩所使用 的有限扫掠面积"能量提取区"的示意显示图（从自由流体流动的观点看，由横流轴涡轮机 处理的流体量小于由流动轴涡轮机处理的流体量，所述流动轴涡轮机在空间上是明智的）。
[0005] 横流轴涡轮机的其他缺点是每一轮转动时叶片穿过不同压力部位产生脉动(特别 是对升力式横流轴涡轮机，其对叶片产生应力，每一轮转动从压缩到拉伸进行变化），在转 轴上产生弯矩(特别是对于大型结构），由升力式涡轮机叶片产生的湍流尾流对传递它们的 叶片具有的负面效应，波动载荷传递到支承结构（以及其他系统，如:基础系统，轴系统，发 电机系统，轴承等），自启动问题(升力式涡轮机），缺乏流体动态制动(空气动态制动或流体 动态制动），扭矩曲线和振动不顺滑。
[0006] 本发明的目的是提供一种横流轴旋转机械装置的新类别，它可以比现在的横流轴 旋转机械装置更有效，并且可以克服上面列出的一些缺点。

【发明内容】

[0007] (从这里开始，DISA的意思是动态增加的扫掠面积，CARM的意思是横流轴旋转机 械，Y-设备偏航角，TSR-叶尖速度比，S-叶片涡轮的密实度，R N-雷诺数，BL-叶片边界层，VT-涡旋式，BT-叶片型（形状，箱），F T-流体型（空气，水），Bn-叶片数，β-叶片桨距角(箱片叶片）， R〇-转子偏移量，SBr-每个叶片尖端和相对转子的平面之间的间距，SB_相对转子引出的两个 交叉叶片之间的最小间距，B SR-每个转子的叶片间距，Bsbr-转子间的叶片间距）。
[0008] 具有DISA的CARM设备产生了一个相较于常规CARM设备类别的新类别(超级类别）， 因为它们包括(继承)常规CARM设备的所有特性、效果、参数和机制并且还增加了新的特性、 效果、参数和机制，例如：
[0009] ?新特性-相对于由静态管道、螺旋叶片等静态增加其扫掠面积的常规CARM设备， 具有DISA的CARM设备相较于常规CARM设备(没有DISA)的主要新特性是，以动态方式增加的 扫掠面积(特别是扫掠面积的能量提取/施加部分）。扫掠面积的"能量提取/施加"部分的增 加意味着通过具有DISA的CARM设备可以"处理"更多的流体(在空间和材料上是明智的），或 者从所述设备逃逸出的"未被处理"的流体很少(从这个角度看，动态增加的扫掠面积的概 念等效于动态增加的处理流体的概念）。具有DISA的CARM设备可根据不同因素改变其扫掠 面积的大小(或被处理的流体量），所述因素例如，设备相对于流动方向的相对位置，反向旋 转或同向旋转的转子，叶片桨距角等来调整设备的相对位置。
[0010]具有DISA的CARM设备的另一个特性是模块化。具有DISA的CARM设备的基础是至少 两个共享它们的空间的转子、流体、支承结构、转子同步机制、电机、制动系统、偏航系统以 及特性、参数和效果的模块。具有DISA的CARM设备可具有多个(阵列)模块，其中它们可以在 它们之间共享支承结构、电机以及扭矩、波动载荷等。
[0011] ?新效果-具有DISA的CARM设备相较于常规CARM设备(没有DISA)具有新效果，如：
[0012] 动态导管-它是由彼此相对旋转的转子的叶片产生，降低了从设备"逃逸"的或"未 加工处理"的流体，由明智的设备空间和材质增加强了"处理过的"流体(它对升力和阻力阻 力设备均有效影响）
[0013] >动态流偏转-它是由彼此相对旋转的相对转子的叶片产生，转而通过对其"截 留"来改变流体的方向，由设备及其速度、明智的空间和材质增加了"处理的"流体(它对升 力式和阻力式设备均有效）
[0014] >动态流屏蔽-它是由彼此相对旋转的相对转子的叶片产生，其中对于升力式设 备，一个转子的每个叶片形成相对转子的叶片的流体"屏蔽"，减小了负阻力，而对于阻力设 备，逆流体方向而旋转的叶片减小了它们的形状并因此降低了负阻力（它对升力和阻力设 备均有效）
[0015] >动态流体制动-它是通过相对于流体方向定位具有DISA的新CARM设备产生的， 从而改变了扫掠面积的"能量提取/施加"部分的大小，或改变了由该设备处理的流体量(它 对升力和阻力设备均有效）。
[0016] >动态尾流消失-它是由彼此反向旋转的相对转子的升力型叶片产生的，在此过 程中产生了可彼此抵消的反向旋转尾流，从而减弱了对下降流部分的叶片的尾流效应(它 对升力设备有效）。
[0017] >叶片迎角的动态变化(通过动态流偏转)_它是由彼此相对旋转的相对转子的箱 (提升)叶片产生的，能在旋转过程中保持升力的最佳叶片迎角，同时也延缓了深失速和尾 流产生过程(它对升力设备有效）
[0018] 这些效应取决于不同因素，如设备类型(升力，阻力）、该设备相对于流动方向的相 对位置、转子偏移量R〇、反向旋转或同向旋转的转子、叶片数目、叶片桨距角、转子之间的叶 片间距Bsbr等(上面提到各种因素的不同组合可能对某些效果有利和对其他效果不利）。
[0019] ?新参数-具有DISA的CARM设备与常规(没有DISA)CARM设备相比具有新的参数， 如：
[0020] -每个叶片的尖端和相对转子臂平面之间的间距
[0021] >知-相对转子的两个交叉叶片之间的最小间距
[0022] >Ro_转子偏移量，它是两偏置平行转轴之间的距离
[0023] >Υ_偏航角，它决定了设备的扫掠面积的能量"提取/施加"部分相对于流动方向 的位置。
[0024] >BSBR-转子间的叶片间距，0°〈 = 85册〈180°，它是在平行于转子的平面上从相对转 子引出的两个靠近叶片之间的角，其中叶片之一在ψ = 旋转相位角。
[0025] >BRA-叶片旋转角，0°〈8!?〈90°，它是在转子臂平面上旋转叶片（阻力型）相对于其 转子的最大角度。
[0026] ?额外机制-具有DIS A的CARM设备与常规（没有DISA) CARM设备相比具有额外机 制，如：
[0027] >转子同步机制-使具有相同TSR且相对于彼此旋转的转子同步的机制，避免了旋 转时相对转子的叶片碰撞，作为轴机制(升力和阻力设备）
[0028] >叶片转子同步机制-一个使叶片的旋转相对于其转子同步的机制以及转子同步 机制，以这种方式使得旋转时相对转子的叶片不会相互碰撞(阻力设备）
[0029] >叶片同步机制-一个使叶片的旋转（对于相同转子）在转子旋转期间同步的机 制，并且该机制与叶片转子同步机制相关联，以这种方式使得旋转时相对转子的叶片不会 相互碰撞(阻力设备）
[0030] >偏航机制-使新设备扫掠面积的"能量提取/施加"部分相对于流动方向定向为 最大"能量提取/施加"值的机制(升力和阻力设备）
[0031] 当具有DISA的CARM设备被卸除或半安装时(在这种情况下具有DISA的CARM设备完 全失去新特性、新参数、新效果及额外机制，成为没有DISA的常规CARM设备)或当具有DISA 的CARM设备改变它们相对于流动方向的位置时(在这种情况下具有DISA的CARM设备减少了 其扫掠面积的"能量提取/施加"部分，减少了它们从新特性、新参数、新效果及其额外机制 的获益，倾向于成为没有DISA的常规CARM设备），新类别的具有DISA的CARM设备(超级类别） 趋向于变成没有DISA的常规CARM设备(常规类别）。
[0032] 一个具有DISA的CARM设备包括在基部的至少两个具有相等径向臂尺寸的转子(意 味着两个转子具有相等的半径尺寸，其中每个转子的半径是臂），该转子连接到支承结构 上，其中带臂转子彼此平行，并且在垂直于流体的平面上具有平行的旋转轴(转子的旋转轴 可以是垂直的、水平的或在始终垂直于流体的平面上具有任何角度）。各转子通过至少一个 转子同步机制以相同的TSR相对于彼此同步旋转(在升力设备的情况下反向旋转或同向旋 转）。所述转子可以是同轴的，或者非同轴的，具有0〈 = R〇〈2R的转子偏移量，其中R是转子半 径或径向臂尺寸(对于R〇 = 0的值而言转子为同轴的）。具有DISA的CARM设备还包括:至少一 个叶片，在转子间的侧面上通过径向臂彼此连接(设备可具有根据不同因素而变化的不同 数量的叶片，所述因素如:CARM设备的类型、流体类型、流体速度等）。在每个叶片的尖端和 相对转子的平面之间存在间距，δ ΒΚ> = RFR，其中RFR是指转子自由旋转(是指旋转时一个转 子的叶片不会和相对转子碰撞），从相对转子引出的在旋转过程中彼此交叉的两个靠近叶 片之间存在一最小间距，δ Β> = BNCS，其中BNCS是指叶片非碰撞间距（意指旋转时相对转子 的叶片不会相互碰撞）。存在转子间叶片间距，〇°〈 = 8观〈180°，它是在平行于转子臂平面上 从相对转子引出的两个靠近叶片之间的角度，其中叶片之一在0°旋转相位角。
[0033] 具有DISA的CARM设备还包括至少一个电机，该电机可以是发电机(涡轮机），或电 动机(螺旋桨、鼓风机、栗压缩机、混合器等）。具有DISA的CARM设备有一个支承结构，该支承 结构具有不同类型，其中整个设备被安装。具有DISA的CARM设备可以从气体、液体或同时从 这二者中提取(施加)能量。具有DISA的CARM设备的两个相对转子--具有通过臂连接的叶 片一一拥有共同空间、流体和其他系统，如支承结构系统、同步机制、电机（发电机/电动 机）、制动系统、偏航系统等，从而形成一个设备模块。
[0034]具有DISA的CARM设备的相对旋转的转子在相同TSR下的同步（避免了旋转时相对 转子的叶片碰撞)可通过至少一种同步机制来实现。转子的同步机制可以是机械的，包括连 接到两个转子且平行于所述转子旋转轴的一个杆且包括使所述转子在相同TSR下保持同步 的传动机构(所述杆把一个转子的扭矩传递给与另一个转子相连的电机）；或者可以是电动 的，包括每个转子的一个电动机/发电机，算法，通过有线或无线连接电动机/发电机的系统 (在这种情况下，同步电机系统行为类似于电磁传动系统，而算法程序可以用正确选择的参 数根据不同的流体速度下的最大效率曲线使反向（同向）旋转的转子以及它们的速度同 步)。
[0035]具有DISA的CARM设备也可以包括在不位于转子之间的侧面上的叶片，其中在转子 臂平面上的每个转子的两个最接近的叶片之间的角度为0°〈 = 8^〈 = 180°。在这种情况下， 存在一个在转子之间的侧面上运行的具有DISA的CARM设备和在不位于转子之间的侧面上 运行的常规CARM设备组成的混合设备。
[0036]具有DISA的CARM设备可以具有一系列的模块，其中在转子臂平面上的每个转子的 两个最接近叶片间的角度可以是〇°〈 = BSR〈= 180°。所述模块可具有相同高度的叶片(转子 的一个模块始终具有相同的叶片高度，其由Sbr限定），或不同的模块可以具有不同高度的叶 片。所述一系列模块可以有一个电机或沿着该一系列模块具有不同电机(在此情况下每个 电机可以具有作为发电机/电动机和同步器的双重作用）。
[0037]具有DISA的CARM设备--其有作为发电机用于从流体中提取能量的电机--产 生了具有DISA的横流轴涡轮机的子类。
[0038] 具有DISA的横流轴涡轮机可以具有不同的制动系统，如机械制动、电磁制动、流体 动力制动或它们的组合(流体动力制动是具有DISA的新设备的新特征，并且这可以通过改 变设备相对于流的位置、通过改变升力型涡轮机的叶片桨距角、或它们的组合来实现）。
[0039] 具有DISA的横流轴涡轮机不是"完全"全方位的设备，而是一个"半"全方位的设备 (即该新设备将总是在相对于流动方向的任何位置上工作，但其性能将因为该设备相对于 流动方向的不同位置而不同）。所述新设备相对于流动方向的位置可以通过偏航角Y来限 定。具有DISA的横流轴涡轮机的偏航系统可以包括无源偏航系统（叶片系统）、带电动马达 的有源偏航系统，或者是二者的组合。
[0040] 具有DISA的横流轴涡轮机--其中叶片轮廓是箱片--产生了具有DISA的横流 轴升力涡轮机的新子类。在这种情况下，转子是非同轴的，且转子偏移量R〇为R〇 = f(SB，Y， TSR，S，Rn，Bl，Vt，Βτ，Ft，Bn，β，Bsr，Bsbr )的函数 〇
[0041] 通过转子同步机制，在同步中，具有DISA的横流轴升力涡轮机可以具有反向旋转 或同向旋转的转子。
[0042]具有DISA的横流轴升力涡轮机可具有固定的叶片桨距角，其中所述桨距角可以是 i3 = f(Y，R〇，TSR，S，RN，BL，VT，B T，FT，BN，BSR，BSBR)的函数。固定的桨距角对于所有叶片可以是 相同的，或对于相同转子或不同转子的不同叶片可以是不同的，这取决于β函数的参数(尤 其是Bsr和Bsbr参数）。
[0043]具有DISA的横流轴升力涡轮机可具有可变叶片桨距角，其中所述可变桨距角可以 是0 =汽￥，1?〇#1^，办几^及力，8〃此[^观)的函数。所述可变桨距角在每一轮转动时 不会改变，而是它在更大程度上是桨距角的重置，被调整为适应流速和方向的改变(在流动 方向变化的情况下，可变桨距角可进行调节以与不同偏航系统相结合）。
[0044] 具有DISA的横流轴升力涡轮机的每个转子或转子之间可具有不同的叶片几何形 状，例如直线的，弯曲的（半螺旋形叶片），扫掠形的（半三角形叶片)或它们的组合。新涡轮 机的每个转子或转子之间可具有不同的叶片箱片，以及对称或不对称的箱片（具有不对称 箱片的叶片与对称的相比具有优势，因为它可以提取向上流动部分的所有能量，其中流经 新设备的流体很少，所以对称箱片没有必要获得对向下流动部分的升力，其结果是对于每 一轮转动，作用在叶片上的应力不会从挤压变为拉伸）。
[0045] 具有DISA的横流轴升力涡轮机可以包括多个支柱，机械地把叶片与叶片臂连接到 一起。
[0046] 具有DIS A的横流轴涡轮机--其具有弯曲叶片（阻力型叶片）和反向旋转的转 子一一产生一具有DISA的横流轴阻力涡轮机的新子类，其中所述转子可以是同轴的或非同 轴的。
[0047]具有1型DISA的横流轴阻力涡轮机包括:至少两个通过转子同步机制彼此同步旋 转的同轴转子。它包括至少两个通过径向臂固定地连接到每个转子上的相对的对称基部叶 片，在转子中心彼此重叠，其中每个基础叶片相对于其在转子轴侧面上的转子平面具有一 个〈 = 90°的角。它还包括在一个转子的每个基部叶片的外侧上的一个基部叶片延伸部，其 在转子轴侧上具有到其转子平面的一个〈90°的角;和在另一个转子的每个基部叶片的内侧 面上的一个基部叶片延伸部，所述基部叶片相对于其在转子轴侧面上的转子平面具有一个 〈90°的角。此外，每个叶片延伸部的形状被配置为用于产生一个最大动态流体管道和动态 流体偏转，相对的转子叶片延伸部在旋转过程中在它们的交叉部分相互交叉，在它们之间 具有一个最小间距 δΒ。
[0048] 具有2型DISA的横流轴阻力涡轮机包括:至少两个通过转子同步机制彼此同步旋 转的非同轴转子，和至少两个彼此固定连接的相对的对称叶片，其中每个叶片到转子中心 的最近距离大于相应转子臂的一半。
[0049] 具有3型DISA的横流轴阻力涡轮机包括:至少两个通过转子同步机制彼此同步旋 转的同轴转子，每个转子的至少两个相对的对称叶片，所述叶片附连到垂直于径向臂上的 转子臂平面的各自旋转轴上，其中所述叶片以〈 = 90°的最大Bra角相对于它们的转子旋转， 且叶片旋转轴到转子中心的距离大于转子径向臂的一半。它还包括:每个转子的至少一个 弯轨叶片-转子相对旋转机制，所述机制在下部流体侧在不位于转子之间的侧面上固定地 连接到支承结构上且平行于转子臂平面，其中所述弯轨使每个叶片从它的径向臂以最大Bra 角度旋转。它还包括:在每个叶片的外下部边缘处的轮子，该轮子具有垂直于转子臂平面的 旋转轴，且在旋转时在下部流侧接触内部弯轨;对于每个叶片的位于转子臂上的一个阶梯， 用以停止相对于其转子旋转的叶片;和同一转子的各叶片的一个弯曲叶片同步机制。
[0050] 具有非同轴转子的3型DISA的横流轴阻力涡轮机形成具有4型DISA的横流轴阻力 涡轮机（在这种情况下，叶片可围绕着垂直于转子平面的转轴进行偏转（rotate partially))〇
[0051] 具有5型DISA的横流轴阻力涡轮机包括:至少两个通过转子同步机制彼此同步旋 转的同轴转子;每个转子的至少两个相对的对称叶片，所述叶片固定地连接到直径臂并且 所述叶片之间的角度Bra〈 = 90°，其中所述直径臂连接到转子以相对于所述转子围绕其自身 的轴以最大Bra角度旋转;每个转子的至少一个弯轨叶片-转子相对旋转机制，其在下部流侧 在不位于转子之间的侧面上固定地连接到支承结构，其中所述弯轨所在圆筒半径比垂直于 转子臂平面的转子半径大，并且所述弯轨使每个叶片以最大Bra角度旋转，在每个叶片的与 该叶片的转子相对的外部边缘处包括一轮子，该轮子具有平行于转子臂平面的旋转轴，其 中在旋转过程中在下部流侧，一个转子的各叶片的轮子接触所述弯轨的内侧，而其相对转 子的各叶片的轮子接触所述弯轨的外侧;每个直径臂的位于转子平面上的一个阶梯，用以 使具有相对于其转子旋转的叶片的转子臂停下来，其中 Bra角是最大值。
[0052]具有3型、4型或5型DISA的横流轴阻力涡轮机可具有环绕着转子旋转轴根据流动 方向而旋转的两个转子的模块的叶片-转子相对旋转机制。在这种情况下，叶片-转子相对 旋转机制的旋转行为类似偏航机制。
[0053]具有1型、2型或5型DISA的横流轴阻力涡轮机一一其具有两个转子的一个模 块一一对于每个转子可具有一端盘(end disk)用以增加静态管道(对一系列模块而言这种 端盘不是必需的）。
[0054] 具有1型、2型、3型、4型或5型DISA的横流轴阻力涡轮机可以包括连接到支承结构 的不同静态管道系统。
[0055]具有DISA的CARM设备--其承继了上述任何设备的所有特征，具有作为电动机用 于向流体施加能量的电机--能得到不同类型的具有DISA的CARM设备，如:具有DISA的横 流轴螺旋桨，具有DISA的横流轴鼓风机，具有DISA的横流轴栗压缩机以及具有DISA的横流 轴混合器。
【附图说明】
[0056]图la是常规横流轴升力型涡轮机扫掠面积的示意显示图(现有技术）。
[0057]图lb是常规横流轴阻力型涡轮机扫掠面积的示显示意图（现有技术）。
[0058]图2a是具有DISA的横流轴升力涡轮机扫掠面积的示意显示图，其中转子彼此反向 旋转。图2b是横流轴阻力涡轮机扫掠面积的示意显示图。
[0059]图3a是具有DISA的横流轴升力涡轮机能量提取(提升）区域大小变化(减少）的示 意显示图。图3b是具有DISA的横流轴阻力涡轮机能量提取区域大小变化(减少）的示意显示 图。
[0060]图4a是具有DISA的横流轴升力涡轮机的轴侧图。图4b是具有DISA的横流轴升力涡 轮机的示意显示图。
[0061 ] 图5a是具有DISA的CARM设备的电动转子同步机制的示意显示图。图5b是具有DISA 的CARM设备的电动转子同步机制示意显示图。
[0062]图6是每个转子具有不同叶片数、间隔和几何形状的具有DISA的横流轴升力涡轮 机轴侧图。
[0063]图7a是具有一系列两转子模块的具有DISA的横流轴升力涡轮机正视图，其中所述 模块具有相同叶片高度。图7b是具有一系列两转子模块的具有DISA的横流轴升力涡轮机的 正视图，其中每个不同模块具有不同叶片高度，且沿着该系列模块具有不同电机。
[0064]图8a是具有无源偏航机制的具有DISA的横流轴升力涡轮机轴侧图。图8b是具有有 源偏航机制的且具有一系列转子的具有DISA的横流轴升力涡轮机正视图。图8c是具有无源 偏航机制的具有DISA的横流轴升力涡轮机的示意显示图。图8d是具有无源偏航机制的具有 DISA的横流轴阻力涡轮机的示意显示图。
[0065]图9a和图9b是具有固定叶片桨距角的具有DISA的横流轴升力涡轮机的示意显示 图。图9c是动态尾流消失效应的示意显示图。
[0066]图10是具有固定阻力式叶片和同轴转子的具有1型DISA的横流轴阻力涡轮机的轴 测图。
[0067]图11是具有固定阻力式叶片和非同轴转子的具有2型DISA的横流轴阻力涡轮机的 轴测图（包括静态管道）。
[0068]图12是具有围绕着垂直于转子平面的轴旋转的可变阻力叶片的具有3型DISA的横 流轴阻力涡轮机的轴测图（同轴转子）。
[0069]图13是具有围绕着垂直于转子平面的轴旋转的可变阻力叶片的具有4型DISA的横 流轴阻力涡轮机的轴测图（非同轴转子）。
[0070]图14是具有围绕着平行于转子平面的轴旋转的可变阻力叶片的具有5型DISA的横 流轴阻力涡轮机的轴测图（同轴转子）。
【具体实施方式】
[007?]图2a是具有DISA 10的横流轴升力祸轮机示意显示图，展示了：以转子偏移量Ro反 向旋转的转子11和12;每个转子24和25的总体扫掠区域，与常规的横流升力涡轮机（图la) 的扫掠面积相比较，增加了涡轮机的总体扫掠面积(空间上是明智的）；能量提取的提升区 域11和12,由各自的转子11和12产生。每个转子扫掠面积的提升部分开始时接近Φ=〇(叶片 具有负桨距角），其中相对转子的提升扫掠面积彼此间隔，从而为动态效应创造有利条件， 所述动态效应如动态管道、动态流偏移和叶片迎角的动态变化。
[0072]图2b是具有DISA 10的横流轴阻力涡轮机的示意显示图，展示了以转子偏移量Ro 反向旋转的转子11和12，扫掠面积24和25，和由该设备两侧上的各自的转子11和12产生的 能量提取区11和12(相比于图lb的常规横流轴阻力涡轮机的能量提取区）。
[0073]图3a是具有DISA 10的横流轴升力祸轮机示意显示图，展示了以转子偏移量Ro反 向旋转的转子11和12，和由各自的转子11和12产生的能量提取区的提升区11和12。在这种 情况下，相较于图2a因为相对于设备，流动方向改变，因此提升区11减效，这可以用作设备 动态流体制动。
[0074]图3b是具有DISA 10的横流轴阻力涡轮机示意显示图，展示了以转子偏移量Ro反 向旋转的转子11和12，和由各自的转子11和12产生的能量提取区11和12。在这种情况下，相 较于图2b，因为相对于设备，流动方向改变，因此两个能量提取区缩小。
[0075]图4a展示了具有DISA 10的横流轴升力涡轮机，具有相同尺寸径向臂2的转子11和 转子12彼此平行地连接到支承结构6,所述转子的各自的旋转轴3在垂直于流体的平面上 (在垂直于流体的平面上的转子的旋转轴3的角度可以是不同的）且具有Ro>0的转子偏移 量。存在通过在两个转子间的侧面50上的径向臂2附连到转子11的两个叶片21和附连到转 子12的两个叶片22,每个叶片的尖端和相对转子的平面之间的间距S br> = RFR，从相对转子 引出且在旋转过程中相互交叉的两个靠近的叶片之间的最小间距k> = BNCS。所述转子通 过至少一个转子同步机制4以相同的TSR彼此同步反向旋转，形成两个转子的一个模块。具 有一个连接到所述转子的电机5(在此情况下为发电机），并且具有支承带臂转子、叶片、转 子同步机制和发电机的支承结构6。
[0076]图4b是具有DISA 10的横流轴升力涡轮机示意显示图，所述涡轮机具有一个两个 反向转旋转子11和12的模块，所述两个反向转旋转子具有转子偏移量Ro、经由臂2附连到转 子11的两个叶片21，和经由臂2附连到转子12的两个叶片22,每个转子的叶片间距，例如转 子12的叶片22的叶片间距，为Bsr，两个转子之间的叶片间距，即转子12的叶片22和转子11的 叶片21之间的叶片间距为B SBR(在此情况下为90°)，其中叶片22处于φ=0°旋转相位角。
[0077]图5a展示了具有DISA的CARM设备的机械转子同步机制4,由杆7和传动机构8组成 以保持转子在相同TSR下同步旋转。传动机构8可以具有不同变化，如：
[0078] A.偏移转子反向旋转，有X: y传动装置(对于相同TSR，X = y)
[0079 ] B.偏移转子同向旋转，有X: z: y传动装置(z用于同向旋转的转子）
[0080] c.同轴转子反向旋转，有3x: lz/2z: 6x传动装置 [0081 ] D.同轴转子同向旋转，有X: y/y. X传动装置
[0082]图5b展示了具有DISA的CARM设备的电动转子同步机制4，它由每个转子的一个电 动机/发电机5、算法和通过有线或无线连接电动机/发电机的系统组成(在这种情况下，同 步电机系统也可以表现得像一个电磁传动系统用以保持转子同步）。
[0083]图6展示了具有DISA 10的横流轴升力涡轮机，它具有一个两个反向转旋转子11和 12的模块，所述转子具有转子偏移量Ro、同步机制4、发电机5、支承结构6,还包括在不位于 转子之间的侧面51上的叶片。此实施方案具有在转子之间的侧面50上运转的具有DISA 10 的横流轴升力涡轮机和在不位于转子之间的侧面51上运转的常规横流轴涡轮机的混合。此 实施方案具有每个转子不同的叶片数目（在位于转子之间的侧面上和不位于转子之间的侧 面上)和每个转子不同的叶片间距Bsr。该实施方案显示了直叶片21、弯曲叶片22和扫掠叶片 23,还包括叶片支柱13。
[0084]图7a展示了具有DISA 10的横流轴升力涡轮机，其具有一系列模块7(每个模块的 转子11和12以转子偏移量Ro反向旋转）、具有相同高度且通过臂连接到所述转子的叶片1、 每个模块的一个转子同步机制4、一个共享的发电机5和支承结构6。此实施方案的每个转子 在它的每侧面上有不同的叶片间距Bsr(这可以使扭矩曲线平滑，并分担不同模块上的负 载)。
[0085]图7b展示了具有DISA 10的横流轴升力涡轮机，其具有一系列模块7(每个模块的 转子11和12以转子偏移量Ro反向旋转），每个不同的模块具有不同的叶片高度，所述叶片通 过转子臂连接到所述转子;具有沿着所述一系列模块的不同电机5(在此情况下每个电机可 以具有作为发电机/电动机和转子同步器的双重作用)和支承结构6。
[0086]图8a展示了具有DISA 10的横流轴升力涡轮机，其具有两个反向旋转的转子11和 12,所述转子具有转子偏移量Ro;每个转子的两个叶片1，其经由转子臂2连接到所述转子； 同步机制4;发电机5;支承结构6;和无源偏航机制9。
[0087]图8b展示了具有DISA 10的横流轴升力涡轮机，其具有安装在支承结构6的各侧的 一系列模块7 (每个模块的反向旋转的转子11和12具有转子偏移量Ro )，每个模块的同步机 制4,和发电机5(在此实施方式中所述一系列模块通过有源偏航系统9围绕所述支承结构旋 转)。
[0088]图8c是具有DISA 10的横流轴升力涡轮机的示意显示图，反向旋转的转子11和12 具有转子偏移量R〇,对于该升力型设备的偏航角Y(l)，其是流动方向（上侧)和该设备转子 的共同直径的垂线之间的角度(或流动方向和偏航叶片9的方向之间的角度）。
[0089]图8d是具有DISA 10的横流轴阻力祸轮机的示意显示图，两个转子11和12反向旋 转，偏航角Y(d)是流动方向之间（上侧)和该设备的扫掠面积的"能量提取/施加"部分的平 行线之间的角度，其中该设备的"能量提取/施加"部分的扫掠面积最大(或流动方向和偏航 叶片9的方向之间的角度）。
[0090]图9a展示了具有DISA 10的横流轴升力涡轮机的示意显示图，两个反向旋转的转 子具有转子偏移量R〇,叶片21和22具有固定叶片桨距角β，其中桨距角为i3 = f(Y，Ro，TSR，S， RN，Bl，VT，Βτ，Ft，Bn，Bsr，Bsbr)的函数。所述固定桨距角β对于所有叶片可以是相同的，或对于 相同转子或不同转子的不同叶片可以是不同的，这取决于不同的参数，特别是Bsr和Bsbr参 数。反向旋转转子的固定桨距角β可以是负的，用以为每个转子的叶片产生早期升力，因此 从相对转子引出的各个叶片都有彼此间隔开的升力扫掠区(预设的负桨距角也可以减少各 叶片上的阻力）。转子12的叶片22在φ= 90时具有桨距角β，流体速度U，V = - ω *R，相对流体 速度W，迎角α，升力L和阻力D，而转子11的叶片21在Φ=〇具有相同的桨距角β，流体速度U，V =-ω *R)，相对流体速度W，迎角α，升力L和阻力的D。转子路径24的区域26代表从转子12的 叶片到转子11的叶片的动态流体屏蔽，而转子路径21的区域27代表从转子11的叶片到转子 12的叶片的动态流体屏蔽。
[0091]图9b展示了具有DISA 10的横流轴升力涡轮机的示意显示图，两个反向旋转的转 子11和12具有转子偏移量Ro,转子11的叶片21在φ=45"具有桨距角β，流体速度U，增加的流 体速度山在(()=4$°通过转子12的叶片22偏转，合成的流体速度U 2，V=- ω *R，相对流体速度Wi 作为U2和V的结果而得到，迎角(^因出和Wi而各异，升力Li和阻力D。它显不了，动态导管28捕 获一部分从相对的转子叶片出来的流体，由动态流偏转引起的叶片迎角29的动态变化维持 迎角<^稳定增长达到最佳升力，以及延缓深失速过程和尾流产生过程。
[0092]图9c展示了具有DISA 10的横流轴升力涡轮机的示意显示图，展示了具有转子偏 移量Ro的两个反向旋转转子11和12，转子11的叶片21，转子12的叶片22，通过转子11的叶片 21产生的涡流11，由转子12的叶片22在与涡流11不同的时间产生的涡流12,和动态尾流消 失过程。
[0093]图10展示了具有1型DISA 10的横流轴阻力涡轮机，它具有彼此反向旋转的同轴转 子11和12,同步机制4,发电机5,支承结构6,每个转子的两个相对且对称的固定的基部叶片 30,在基部叶片30的外部上的两个相对且对称的固定的基部叶片延伸部31，在基部叶片30 的内部上的两个相对且对称的固定的基部叶片延伸部32,向着转子平面33的基部叶片角， 向着转子平面34的基部叶片延伸部角，从相对的转子引出的两个交叉叶片之间的最小间距 δβ〇
[0094]图11展示了具有2型DISA 10的横流轴阻力涡轮机，它具有非同轴转子11和12,所 述转子具有转子偏移量R〇且彼此反向旋转;每个转子的两个固定叶片1，从相对的转子引出 的两个交叉叶片之间的最小间距同步机制4,发电机5,支承结构6。
[0095]图12展示了具有3型DISA 10的横流轴阻力涡轮机，它具有彼此反向旋转的同轴转 子11和12;同步机制4;发电机5;支承结构6;每个转子的两个对称叶片1，其相对于它们的转 子围绕着轴44以最大B RA角旋转，所述轴44垂直于臂2上的转子平面;每个转子的至少一个 弯轨叶片-转子相对旋转机制40,其固定到支承结构上平行于转子平面;在每个叶片的外下 边缘处的轮子41，该轮子具有垂直于转子臂平面的旋转轴;对于每个叶片的位于转子平面 上的一个转子阶梯43;和同一转子的各叶片的一个弯曲叶片同步机制42。
[0096]图13展示了具有4型DISA 10的横流轴阻力涡轮机，它具有彼此反向旋转且具有转 子偏移量R〇的非同轴转子11和12;同步机制4;发电机5;支承结构6;每个转子的两个对称叶 片1，其相对于它们的转子围绕着轴44以最大B RA角旋转，所述轴44垂直于臂2上的转子平 面;每个转子的至少一个弯轨叶片-转子相对旋转机制40,其固定到支承结构上平行于转子 平面;在每个叶片的外下边缘处的轮子41，其具有垂直于转子臂平面的旋转轴;对于每个叶 片的位于转子平面上的一个转子阶梯43;和同一转子的各叶片的一个弯曲叶片同步机制 42 〇
[0097]图14展示了具有5型DISA 10的横流轴阻力涡轮机，它具有彼此反向旋转的同轴转 子11和12;同步机制4;发电机5;支承结构6;每个转子的两个对称叶片1，它们固定地连接到 直径臂2且它们之间的角B RA〈 = 90°，其中直径臂2相对于转子围绕其自身的轴以最大B RA 角度旋转;每个转子的至少一个弯轨叶片-转子相对旋转机制40，其在下部流体侧在不位于 转子之间的侧面上固定连接到支承结构;在每个叶片的与该叶片的转子相对的外部边缘处 的轮子41，其具有平行于转子臂平面的旋转轴;对于每个直径臂的位于转子平面上的一个 阶梯，用以使具有相对于其转子旋转的叶片的转子臂停止下来，其中B RA角为最大值。
[0098] 图4a，图6,图10,图11，图12,图13,图14代表具有DISA的CARM设备，其中电机是发 电机。通过用电动机代替发电机，这些实施方案得到了不同的设备，如:具有DISA的横流轴 螺旋桨，具有DISA的横流轴鼓风机，具有DISA的横流轴栗压缩机，具有DISA的横流轴混合 器，它们承继了上面所提设备的任何特征。具有DISA的CARM设备的特点是，权衡了常规CARM 设备的优点和缺点。在本发明背景部分中提到的常规CARM设备的主要优点是它是全方位 的，而对于具有DISA的CARM设备而言，这将变得不那么有利，因为它们不再完全是全方位 的，而是半全方位的。另一方面，在本发明的背景部分中提到的常规CARM设备的主要缺点， 对于具有DISA的新CARM设备而言，将变得不那么不利，因为与常规CARM设备相比较，具有 DISA的CARM设备具有新特征和新效果。
【主权项】
1. 一种具有动态增加的扫掠面积的横流轴旋转机械设备，包括： 至少两个具有相等径向臂尺寸的转子，其彼此平行地连接到支承结构，并具有在垂直 于流体的平面上的旋转轴和具有转子偏移量〇〈=此〈21?，其中所述转子通过至少一个与所 述转子相连接的转子同步机制以相同的TSR彼此同步旋转，形成一个模块； 至少一个叶片，其在位于所述转子之间的侧面上经由径向臂彼此连接，其中一个转子 的每个叶片在φ = 时与最靠近的相对转子的叶片在平行于转子的平面上的旋转相位角为 0°〈 = 8观〈180°，每个叶片的叶片尖端和相对转子臂平面之间的间距3册> =1^1?，每个叶片与 相对转子的交叉叶片的最小间距δΒ> = BNCS; 至少一个电机，其连接到所述支承结构并与所述转子中的一个相连接;和 支承结构。2. 根据权利要求1所述的具有动态增加的扫掠面积的横流轴旋转机械设备，其中所述 转子同步机制是机械的，进一步包括： 一个杆，其连接到所述的两个转子并平行于所述转子的旋转轴;和 传动机构，其连接到所述转子和所述杆上。3. 根据权利要求1所述的具有动态增加的扫掠面积的横流轴旋转机械设备，其中所述 转子同步机制是机械的，还包括： 一个电机，附连到连接每个转子的所述支承结构，其中所述电机通过有线或无线彼此 相连;和 用于经由所述电机使相对旋转的所述转子同步的算法。4. 根据权利要求2或3所述的具有动态增加的扫掠面积的横流轴旋转机械设备，还包括 每个转子的至少一个叶片，所述叶片在不位于所述转子之间的侧面上且通过径向臂连接， 其中在所述转子臂平面上每个转子的两个最接近叶片之间的角度为〇°〈 = BSR〈 = 180°。5. 根据权利要求2-4所述的具有动态增加的扫掠面积的横流轴旋转机械设备，还包括 多个模块，其中在所述转子臂平面上每个转子的两侧面上的所述最接近叶片的角度为〇°〈 = Bsr〈 = 180。。6. 根据权利要求2-5所述的具有动态增加的扫掠面积的横流轴旋转机械设备，其中所 述电机是用于从流体提取能量的发电机。7. 根据权利要求6所述的具有动态增加的扫掠面积的横流轴旋转机械设备，还包括制 动系统，其中所述制动系统是机械的和/或电磁的和/或流体动态的。8. 根据权利要求6或7所述的具有动态增加的扫掠面积的横流轴旋转机械设备，还包 括:偏航系统，其中所述偏航系统是无源的和/或所述偏航系统是有源的。9. 根据权利要求6-8所述的具有动态增加的扫掠面积的横流轴旋转机械设备，其具有 非同轴转子，其中所述叶片的轮廓是箱片。10. 根据权利要求9所述的具有动态增加的扫掠面积的横流轴旋转机械设备，其中所述 相对的转子同步反向旋转。11. 根据权利要求9所述的具有动态增加的扫掠面积的横流轴旋转机械设备，其中所述 相对的转子同步同向旋转。12. 根据权利要求10或11所述的具有动态增加的扫掠面积的横流轴旋转机械设备，其 中叶片桨叶角是固定的。13. 根据权利要求10或11所述的具有动态增加的扫掠面积的横流轴旋转机械设备，还 包括可变的叶片桨叶角，其中在每一轮旋转时，所述叶片桨叶角不会改变。14. 根据权利要求10-13所述的具有动态增加的扫掠面积的横流轴旋转机械设备，其中 每个转子或转子之间的叶片几何形状是直线的和/或弯曲的和/或扫掠形的。15. 根据权利要求14所述的具有动态增加的扫掠面积的横流轴旋转机械设备，还包括 多个支柱，其机械地把叶片连接到其臂。16. 根据权利要求6-8所述的具有动态增加的扫掠面积的横流轴旋转机械设备，其中所 述叶片是弯曲叶片，所述设备还包括反向旋转的转子。17. 根据权利要求16所述的具有动态增加的扫掠面积的横流轴旋转机械设备，其具有 同轴转子，且还包括： 至少两个相对的对称基部叶片，其通过径向臂固定地连接到每个转子上，且在转子的 中心彼此重叠，其中每个基部叶片在转子轴侧面上到其转子臂平面具有一个〈 = 90°的角； 在一个转子的每个基部叶片外侧上的一个基部叶片延伸部，其在转子轴侧上具有到其 转子臂平面的〈90°的角，其中每个叶片延伸部的形状被配置为用于产生一个最大动态流体 管道和动态流体偏转，相对的转子延伸叶片在旋转过程中在它们的交叉部分相互交叉;和 在另一转子的每个基部叶片内侧上的一个基部叶片延伸部，其在转子轴侧上具有到其 转子平面的〈90°的角，其中每个延伸部的形状被配置为用于产生一个最大动态流体管道和 动态流体偏转，相对的转子延伸叶片在旋转过程中在它们的交叉部分相互交叉。18. 根据权利要求16所述的具有动态增加的扫掠面积的横流轴旋转机械设备，其具有 非同轴转子，还包括至少两个相对的对称叶片，所述叶片通过径向臂固定地连接到每个转 子上，其中每个叶片到转子中心的最近距离大于相应转子径向臂的一半。19. 根据权利要求16所述的具有动态增加的扫掠面积的横流轴旋转机械设备，其具有 同轴转子，还包括： 每个转子的至少两个相对的对称叶片，其连接到各自的垂直于径向臂上的转子臂平面 的旋转轴，其中所述叶片以最大Bra角〈=90°相对于它们的转子旋转，且从转子中心到叶片 旋转轴的距离大于转子径向臂的一半； 每个转子的至少一个弯轨叶片-转子相对旋转机制，其在下部流侧在不位于转子之间 的侧面上固定连接到所述支承结构且平行于转子臂平面，其中所述弯轨使每个叶片以距离 径向臂最大Bra角度旋转； 在每个叶片外下部边缘处的轮子，其具有垂直于转子臂平面的旋转轴，且在旋转过程 中在下部流侧接触内部弯轨； 每个叶片的在转子臂上的一个阶梯，其用于使相对于其转子旋转的叶片停止;和 同一转子的叶片的一个弯曲叶片同步机制。20. 根据权利要求19所述的具有动态增加的扫掠面积的横流轴旋转机械设备，其中转 子是不同轴的。21. 根据权利要求16所述的具有动态增加的扫掠面积的横流轴旋转机械设备，其具有 同轴转子，且还包括： 每个转子的至少两个相对的对称叶片，所述叶片固定地连接到直径臂且它们之间的角 度BRA〈 = 90°，其中所述直径臂连接到转子以相对于所述转子围绕其自身的轴以最大Bra角 旋转； 每个转子的至少一个弯轨叶片-转子相对旋转机制，其在下部流侧在不位于转子之间 的侧面上固定连接到所述支承结构，其中所述弯轨所处的圆柱半径大于垂直于转子臂平面 的转子半径，并且所述弯轨使每个叶片以最大Bra角度旋转； 每个叶片的与其转子相对的外侧边缘处的轮子，其具有平行于转子臂平面的旋转轴， 其中，在下部流侧在旋转过程中，一个转子的叶片的轮子接触所述弯轨的内侧，而其相对转 子的叶片的轮子接触所述弯轨的外侧;和 每个直径臂的在转子平面上的一个阶梯，用于使具有相对于其转子旋转的叶片的转子 臂停止，其中Bra角为最大值。22. 根据权利要求19-21所述的具有动态增加的扫掠面积的横流轴旋转机械设备，其中 模块的叶片-转子相对旋转机制围绕转子的旋转轴根据流动方向而旋转。23. 根据权利要求17、18或21所述的具有动态增加的扫掠面积的横流轴旋转机械设备， 还包括:每个转子的一个端盘，其中所述设备仅具有一个模块。24. 根据权利要求17-23所述的具有动态增加的扫掠面积的横流轴旋转机械设备，还包 括:固定地连接到所述支承结构的不同静态管道系统。25. 根据权利要求12-15或17-24所述的具有动态增加的扫掠面积的横流轴旋转机械设 备，其中所述电机是用于向流体施加能量的电动机。
【文档编号】F03B17/06GK105899802SQ201380081629
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2013年12月18日
【发明人】阿尔廷·普普勒库
【申请人】阿尔廷·普普勒库