具有轴向空隙的螺旋螺杆流体涡轮的制造方法
【专利摘要】一种螺旋式涡轮机包括：一个轴杆，该轴杆被构造成进行旋转；以及一个或多个螺旋叶片，这个或这些螺旋叶片通过一个或多个支撑连接件与该轴杆相联接。每个螺旋叶片均是围绕与该轴杆同轴的一个锥形内空间并且在其外部形成的。对于包括两个或更多螺旋叶片的构造，这些叶片可以围绕该轴杆对称地布置。
【专利说明】具有轴向空隙的螺旋螺杆流体涡轮机
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求在2012年6月7日提交的美国临时专利申请号61/656，851的优先权，该临时专利申请的披露内容通过引用被全部结合在此。
【技术领域】
[0003]本发明的领域涉及涡轮机叶片，更具体地涉及用于产生电能的涡轮机叶片。
【背景技术】
[0004]涡轮机叶片通常被设计成从流动的流体、如流动的水或空气中获取能量。当今的风轮机和水轮机存在多种设计，并且在世界很多地区用于通过流体(空气或水最为常见)的流动所引起的转动来产生电能。
[0005]已做出了许多提议来利用流体动力发电而从潮汐和其他水流获取电能。在流体动力发电方面的初期提议是使用能够在水流的压力下转动的涡轮机叶片。总体来说，已有四类流体动力装置于近些年获得测试:水平轴涡轮机、竖直轴涡轮机、振荡水翼、以及文丘里系统。其中的最后一种，即文丘里系统，通常用于通过“扼流系统”来使水加速以产生可以用于驱动涡轮机的压力降。
[0006]例如，从授予戈尔洛夫(Gorlov)的美国第6，036，443号专利中获知了一种螺旋形涡轮发电机，该专利披露了一种带有机翼型叶片的螺旋形涡轮机，这些叶片围绕中央轴被安排成螺旋形。横向于旋转轴线穿过涡轮机的流体引起涡轮机转动。可用一个涡轮机阵列来提高功率输出。授予拉佩尔(Lapeyre)的美国第4，384，212号专利公开了另一类型的螺旋形涡轮机。该螺旋形涡轮机具有一个水平安装的有浮力的螺旋形构件，这样使得当其在水面上使用而波浪横向于该螺旋形构件的长度时，该螺旋形构件的浮力与波浪相互作用致使该螺旋形构件绕其轴线转动，从而将波浪能转换成了电能。
[0007]如今众所周知的是，发电涡轮机可能产生与海洋生物相关的重大问题，即转动的涡轮机叶片会伤害海洋生物。到目前为止，用于降低对海洋生物的伤害的这些不同的提议仅仅导致增加了涡轮机的成本以及安装费用。
[0008]人们注意到，许多早前的流体动力发电方案通过引入坚固外壳或锚定系统来维持这些发电系统的布置而增加了费用。
【发明内容】
[0009]本发明所针对的是具有与一个轴杆相连的一个或多个螺旋叶片的一种螺旋式涡轮机。
[0010]在本发明的第一个独立方面，该螺旋式涡轮机包括被构造成进行旋转的一个轴杆，并且该一个或多个螺旋叶片通过一个或多个支撑连接件与该轴杆相联接。每个螺旋叶片均是围绕与该轴杆同轴的一个锥形内空间并且在其外部形成的。这些螺旋叶片可采用若干选项:每个叶片可以在该锥形内空间的窄末端处固定到该轴杆上；每个叶片均可以是分段式的；每个叶片可以绕该轴杆是重量平衡的；每个叶片可以具有扁平轮廓或弯曲轮廓；每个叶片可以在该锥形内空间的宽末端处与在窄末端处相比具有更宽的轮廓；并且每个叶片可以具有与该锥形内空间的周边间隔开的前缘。作为另一个选项，对于包含两个或更多个螺旋叶片的构造，这些叶片可以围绕该轴杆对称地布置。
[0011]在本发明的第二个独立方面，一种发电系统包括至少一台发电机，该发电机具有一个转动性输入和一个具有多台螺旋式涡轮机的阵列。每台螺旋式涡轮机包括一个运作式地联接到所述转动性输入上的轴杆、以及通过一个或多个支撑连接件与该轴杆相连接的一个或多个螺旋叶片。每个螺旋叶片均是围绕与该轴杆同轴的一个锥形内空间并且在其外部形成的。可选地，可以将两台或更多台螺旋式涡轮机串联或并联地、运作式地联接到所述转动性输入上。
[0012]在本发明的第三个独立方面，可以组合地采用任何前述方面。
[0013]因此，披露了一种改进的螺旋螺杆涡轮机。从该优选实施例的附图和描述中可明显看出这些改进的优势。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]上文的概述以及下文对示例性实施例的详细说明是要结合附图来阅读的。然而，应该理解的是本发明不限于下图所示的这些精确安排和手段；
[0015]图1是一台三叶片螺旋螺杆涡轮机的侧视图。
[0016]图2是一个三叶片螺旋螺杆涡轮机叶片的等角视图。
[0017]图3是一个双叶片螺旋螺杆涡轮机叶片以及在叶片内的空隙中形成的伪锥体的示意图。
[0018]图4是一个经截短的三叶片螺旋螺杆涡轮机叶片的侧视图。
[0019]图5是一个单叶片螺旋螺杆涡轮机叶片的侧视图，是在没有中心轴杆和轴杆附接件的情况下示出的。
[0020]图6展示了使用多个螺旋螺杆涡轮机叶片的一个发电机阵列。
[0021]图7展示了使用多个螺旋螺杆涡轮机叶片的另一个阵列。
[0022]图8A-C是一种双叶片螺旋螺杆设计的示意图。
[0023]图9展示了使用多个螺旋螺杆涡轮机叶片的另一个阵列。
【具体实施方式】
[0024]依照本发明原理对说明性实施例进行的描述旨在结合附图来阅读，并且这些附图将被视作整个书面描述的一部分。在描述本文所披露的本发明实施例时，对方向或取向的任何提及仅为了方便描述而并非旨在以任何方式限制本发明的范围。相对性用语如“下部”、“上部”、“水平”、“竖直”、“上方”、“下方”、“上”、“下”、“左”、“右”、“顶部”和“底部”及其派生词(例如，“水平地”、“向下地”、“向上地”等)应看作是针对所描述的或在所讨论的附图中示出的取向。这些相对性用语仅是为了方便描述而并不要求设备以特定取向来构造或运作，除非明确这样指出。用语如“附接”、“附连”、“连接”、“联接”、“互连”和类似用语是指在多个结构直接地或通过介入结构间接地彼此固定或附接的关系、以及活动的或刚性的附接或关系，除非明确地另外指出。此外，通过参照优选实施例展示了本发明的特征和益处。因此，本发明明显不应局限于这样的优选实施例，它们展示的是可以单独存在或以其他的特征组合方式存在的一些可能的非限制性的特征组合；本发明的范围是由所附权利要求限定的。
[0025]详细地参照附图，图1展示了一台螺旋式涡轮机，该螺旋式涡轮机具有通过多个支撑连接件4与一个中心轴杆3相联接的三个螺旋叶片I，每个支撑连接被显示为一个从各自的对应叶片I延伸至该中心轴杆3的横向轴。在所示的实施例中，每个叶片I还述窄末端19处与中心轴杆3直接联接。图5展示了单个叶片I而没有中心轴杆或支撑连接件，并且螺旋式涡轮机可以配置单个叶片。如下文所述，这些叶片I与中心轴杆3的这种直接连接在某些实施例中可以被省略。总体的螺旋叶片布置是关于该轴杆平衡的且沿该轴杆是对称的，以使得这些涡轮机叶片能够转动而不在转动时引起涡轮机晃动。可能需要对一个或多个螺旋叶片I添加一块或多块重物(未示出)，以对于整个涡轮机实现旋转平衡。在所示实施例中，每个叶片I均有扁平的截面轮廓，该轮廓在这些螺旋叶片I的宽末端18处是宽于在窄末端19处。替代地，螺旋叶片I可以采用弯曲轮廓，其曲率使每个叶片中心线的位置较每个叶片I的前缘7或后缘6离所述中心轴杆3远，这样使得该叶片I的内表面2具有向中心轴杆3敞开的凹曲率。作为另一替代方案，每个叶片I的内表面2可以具有扁平轮廓或弯曲轮廓，而每个叶片I的外表面可以具有一种不同的轮廓。这些叶片的截面的形状可以改变、或者甚至是不规则形状的，以便使涡轮机捕获的能量最大化，而仍包括作为轴线空隙的锥形内空间(也称为“伪锥体”)，这具体取决于该涡轮机的既定运行条件。
[0026]在螺旋叶片I的宽末端18处，每个叶片有一个可以采取任何形状或角度的截短末端5。可选地，截短末端5可以汇合到一个向中心轴杆3横向延伸的支撑连接件中。
[0027]在螺旋叶片I的窄末端19处，中心轴杆3通过一个轴延伸部10连接到一台发电机16。这些螺旋叶片I在发电机16的相反一侧通过一块配重块9实现重量平衡，该配重块9通过一个支撑臂11附连到发电机16。取决于具体的涡轮机设计，可以消除这个平衡配重块。发电机16通过一个水平枢接件14和一根支撑棒13安装到一根支撑柱8上。尽管在所示实施例中，支撑柱8仅支撑单一一台涡轮机，但可以将多台涡轮机联接到单根支撑柱并由其支撑，这取决于具体的设计规格。
[0028]所示的螺旋式涡轮机被构造成使得流体以箭头20所示的方向从螺旋叶片I的宽末端18流入并流向螺旋叶片I的窄末端19。如下文更为详细描述的那样，在某些实施例中，叶片I的前缘7是与这些叶片所围绕的锥形内空间间隔开的(参见图3)，其中叶片I的后缘6不是与该锥形内空间间隔开的。
[0029]图2示出一个具有三个螺旋叶片I的实施例。此图更清楚地示出了螺旋叶片I的某些特征。每个叶片I通过构成支撑连接件4的两根支柱连接到中心轴杆3，并且每个叶片I在窄末端19处与中心轴杆3连接。
[0030]这些螺旋叶片I形成的锥形内空间如图3所示，该图绘出了围绕锥形内空间23且在其外部形成的两个螺旋叶片I。锥形内空间23是由于每个叶片的交线限定的。在所示实施例中，相互对称的每个螺旋叶片I的后缘6限定了从宽末端18直至窄末端19间的锥形内空间23。每个叶片的前缘7是与以此方式限定的锥形内空间23的周边间隔开的。对于这一所示构造，每个螺旋叶片I的后缘6 —般较该螺旋叶片I的前缘7上的最近点更接近中心轴杆3。
[0031]图4示出了在窄末端19附近被截短的螺旋叶片I。在某些实施例中，可能希望该窄末端19是更敞开的，且这些叶片I并不一直延伸至与中心轴杆3联接。取决于具体运行条件，此类构造预计将提供一个优点。替代地，这些螺旋叶片可以非连续地从宽末端延展至窄末端。此类构造将减轻螺旋式涡轮机的重量，并且取决于具体的运行条件仍可以提供所需的能量输出。作为另一替代方案，这些叶片的重量可以通过在叶片上提供孔洞或穿孔来减轻。以这些方式之一设计螺旋叶片能够改变涡轮机叶片前半径(R)的大小、和/或叶片长度(L)、和/或叶片宽度(即，调节暴露给流经伪锥体的流体的叶片表面)，从而使得涡轮机的重量和运行参数可以构造成针对不同的运行条件使能量产生最大化。
[0032]图8示出了螺旋叶片相对于某些实施例中形成的锥形内空间的构造细节。取决于既定的运行条件，该伪锥体的锥角(Θ )可以在大约5度与60度之间变化，以有助于最大化能量输出。同样，取决于既定的运行条件，该伪锥体的中心线与螺旋叶片之间的角度(Θ)可以在大约5度与90度之间变化，以有助于最大化能量输出。此外，该螺旋叶片角度(Θ )可以沿叶片本身的长度变化。取决于既定的运行条件，该伪锥体的半径与螺旋叶片之间的角度(Θ )可以在大约5度与90度之间变化，以有助于最大化能量输出。任一上述变量均可以单独调节或组合地调节，以考虑流体流速、湍流和其他运行条件，从而在具体应用所需的涡轮机尺寸的基础上更好地实现能量输出的最大化。
[0033]在一种不同的构造中，伪锥体表面的半径与螺旋叶片之间的度角(Θ)可以在约90度与180度之间变化，则该螺旋式涡轮机被构造成使得流体在从窄末端流向宽末端的方向上流动。
[0034]图6展示了以并联方式与单台发电机16联接的三台螺旋式涡轮机1，该发电机16由一根支撑柱8支撑。每台涡轮机I通过一个或多个万向接头12和传动轴29联接到发电机16。此构造让多台螺旋式涡轮机通过单台发电机产生能量。
[0035]图7展示了联接在一起的五台螺旋式涡轮机通过一台或多台发电机(未示出)发电。在这一构造中，其中两台螺旋式涡轮机31，、32通过多个万向接头12和多个传动轴29以串联方式直接联接，而另外两台螺旋式涡轮机33、34通过多个万向接头12和多个传动轴29以并联方式联接且然后通过一个万向接头12和多个传动轴29以串联方式可操作地与另外两台螺旋式涡轮机31、32联接。第五台螺旋式涡轮机35按相同方式并联地连接到示出的所有其他螺旋式涡轮机31、32、33、34。本实施例举例说明了能以多种方式将多台螺旋式涡轮机联接起来以适合具体的应用和/或运行条件。无论单台还是多台发电机都可以连接到一个主蓄电中心或一个配电中心。
[0036]图9示出一个支撑架42内的一个具有多台螺旋式涡轮机41的阵列。尽管未示出发电机，但在此构造中，可以为每台螺旋式涡轮机配一台发电机，或者可以通过万向接头和传动轴按将两台或更多台涡轮机运作性地联接到单台发电机。无论单台还是多台发电机都可以连接到一个主蓄电中心或一个配电中心。
[0037]螺旋式涡轮机能够通过转动发电机将旋转能转化成电能。如果该中心轴杆通过一个枢转轴承附接到一个支撑柱上，则这一布置可以是自定向的，即自动将宽末端暴露给流体流，而且该中心轴杆通过一个万向接头联接到一台发电机。
[0038]螺旋式涡轮机可以用于流体动力学能量转换装置中，具体是可以在潮汐流或江河流中使用的流体动力学能量转换装置中。应理解的是，螺旋式涡轮机可以结合道任何其他类型的流体动力装置和发电机中，甚至结合到风力发电机上。螺旋式涡轮机可以完全在水面水位以下运行或者部分在水面水位以上运行，且该涡轮机的一部分处于水面上方的空气中。螺旋式涡轮机还可以在加压流体流中使用，以最大化对能量的捕获。可以使用在一个末端具有较窄锥形形状的圆柱形管(比如说文丘里管构造)来对流体流加压。此类螺旋式涡轮机还可以用作与中枢件和旋转动力源连接的螺旋桨。螺旋式涡轮机还可以附接到快速移动的物品上，以利用相对流体流动来发电。
[0039]虽然本发明是结合具体实例进行描述的，其中包括目前实施本发明的优选模式，但是本领域普通技术人员理解的是，上述系统和技术存在众多变体和变更。应理解的是，可以采用其他的实施例，并且可以在不背离本发明的范围的情况下做出结构和功能上的修改。因此，本发明的精神和范围应该如所附权利要求中提出的那样来宽泛地解释。
【权利要求】
1.一种螺旋式涡轮机，包括: 一个轴杆，该轴杆被构造成进行旋转； 一个或多个螺旋叶片，这个或这些螺旋叶片是通过一个或多个支撑连接件与该轴杆相联接，每个螺旋叶片是围绕与该轴杆同轴的一个锥形内空间并且在其外部形成的。
2.如权利要求1所述的螺旋式涡轮机，其中，该一个或多个螺旋叶片包括至少两个螺旋叶片，而这些叶片是围绕该轴杆对称地布置的。
3.如权利要求1所述的螺旋式涡轮机，其中，每个螺旋叶片均在该锥形内空间的窄末端处会聚到该轴杆上并与该轴杆相联接。
4.如权利要求1所述的螺旋式涡轮机，其中，每个螺旋叶片均是分段式的。
5.如权利要求1所述的螺旋式涡轮机，其中，该一个或多个螺旋叶片是围绕该轴杆而重量平衡的。
6.如权利要求1所述的螺旋式涡轮机，其中，每个螺旋叶片在该锥形内空间的宽末端处是宽于在该锥形内空间的窄末端处。
7.如权利要求1所述的螺旋式涡轮机，其中，每个螺旋叶片均具有与该锥形内空间的周边间隔开的一个前缘。
8.如权利要求1所述的螺旋式涡轮机，其中，每个螺旋叶片具有的轮廓为一种扁平轮廓和一种弯曲轮廓之一。
9.如权利要求1所述的螺旋式涡轮机，进一步包括运作式地联接到该轴杆上的一台发电机。
10.如权利要求9所述的螺旋式涡轮机，其中，该轴杆通过一个可旋转的万向接头运作式地联接到该发电机上。
11.一种发电系统，包括: 至少一台发电机，该发电机具有一种转动性输入； 一个具有多台螺旋式涡轮机的阵列，每台涡轮机包括: 一个轴杆，该轴杆运作式地联接到该转动性输入上； 一个或多个螺旋叶片，这个或这些螺旋叶片是通过一个或多个支撑连接件与该轴杆相联接，每个螺旋叶片是围绕与该轴杆同轴的一个锥形内空间并且在其外部形成的。
12.如权利要求11所述的螺旋式涡轮机，其中，每台涡轮机的该一个或多个螺旋叶片包括至少两个螺旋叶片，而这些叶片是围绕该轴杆对称地布置的。
13.如权利要求11所述的螺旋式涡轮机，其中，对于这些涡轮机中的至少一者而言，每个螺旋叶片在该锥形内空间的窄末端处会聚到该轴杆上并与该轴杆相联接。
14.如权利要求11所述的螺旋式涡轮机，其中，对于这些涡轮机中的至少一者而言，每个螺旋叶片均是分段式的。
15.如权利要求11所述的螺旋式涡轮机，其中，对于这些涡轮机中的至少一者而言，每个螺旋叶片在该锥形内空间的宽末端处是宽于在该锥形内空间的窄末端处。
16.如权利要求11所述的螺旋式涡轮机，其中，对于这些涡轮机中的至少一者而言，每个螺旋叶片均具有与该锥形内空间的周边间隔开的一个前缘。
17.如权利要求11所述的螺旋式涡轮机，其中，对于这些涡轮机中的至少一者而言，每个螺旋叶片具有的轮廓为一种扁平轮廓和一种弯曲轮廓之一。
18.如权利要求11所述的螺旋式涡轮机，其中，每个轴杆通过一个可旋转的万向接头运作式地联接到这些发电机之一上。
19.如权利要求11所述的系统，其中，这些螺旋式涡轮机中的至少两台是串联地、运作式地联接到该转动性输入上。
20.如权利要求11所述的系统，其中，这些螺旋式涡轮机中的至少两台是并联地、运作式地联接到该转动性输入上。
【文档编号】F03D1/06GK104520579SQ201380041915
【公开日】2015年4月15日 申请日期:2013年6月7日 优先权日:2012年6月7日
【发明者】乌帕拉·拉贾卡鲁纳, 布斯特哈·世汉·杰科颜格 申请人:乌帕拉·拉贾卡鲁纳