空气内能的应用及装置制造方法

空气内能的应用及装置制造方法
【专利摘要】本发明提供了一种空气内能的应用及装置。一种将空气内能转换成有用的动能的方法，该方法基于流过大致渐缩管嘴的空气，由于管嘴截面减小，所以该渐缩管嘴使空气加速，从而增大空气的动能。动能的增量等于空气内能(即温度)的减少量。在所述管嘴内设置有涡轮，以将气流的动能转换成机械能，所述机械能被转化成电能或传递到齿轮箱中以提供驱动力矩。使用该方法的装置可利用自然风作为气流源或利用人工气流装置。结合有人工产生气流的装置的装置可用作用于陆地、海洋交通工具和飞行器的发动机。由于管嘴内的气温降低，所以会出现水分凝结并且可积存液态水以进一步使用。
【专利说明】空气内能的应用及装置
[0001] 本申请是申请号为200580043924. 9、发明名称为："空气内能的应用及装置"（国 际申请日为2005年11月16日，国际申请号PCT/IL2005/001208)的发明专利申请的分案 申请。

【技术领域】
[0002] 本发明涉及用于增大气体动能并通过所述动能来产生电能或机械能的方法和装 置。

【背景技术】
[0003] 现今，风力涡轮在多风地区十分普遍。其设计类似于飞行器的螺旋桨。风力涡轮 面向自然风安装于高塔架上，自然风使风力涡轮转动，并且该转动驱动发电机发电。需要约 为4米/秒的最小风速来使螺旋桨开始转动。发电机所产生的电随后由风力涡轮的所有者 使用或被输送给电网。
[0004] 这种产品的一个很好的示例是由该领域的主要制造商制造的产品。以下数据描述 了一种2兆瓦的发电机。
[0005] 直径：80米
[0006] 扫掠面积：5, 027平方米
[0007] 叶片数：3
[0008] 塔架数据：
[0009] 轮轴高度（近似值）：60-67-78-100米
[0010] 工作数据：
[0011] 切入风速：4米/秒
[0012] 额定风速：15米/秒
[0013] 停止风速：20米/秒（该机器的最大工作速度）
[0014] 发电机：
[0015] 额定输出：2000千瓦
[0016] 重量：
[0017] 塔架（60 米）：110 吨
[0018] 引擎舱（nacelle) :61 吨
[0019] 转子（螺旋桨）：34吨
[0020] 总计：205 吨
[0021] 注意：塔架越1?意味着越重。
[0022] 这种巨大的机器在15米/秒的额定风速下的额定输出功率为2兆瓦。
[0023] 当风力涡轮的螺旋桨转动时，实际上仅位于由螺旋桨末端形成的圆周内的一小部 分流动空气足够靠近任一螺旋桨叶片流动，从而在该叶片上产生气动升力。沿螺旋桨叶片 分布的这些升力（事实上是其在螺旋桨转动平面内的分量，该分量与由产生所述升力分量 的叶片部分形成的圆周相切）绕螺旋桨轴线产生转动力矩。这些升力与其到螺旋桨转动轴 线的对应距离相乘并累加成特定大小的转矩，该转矩使螺旋桨叶片转动。由于大量空气在 螺旋桨叶片之间流动，这些空气不会有助于对螺旋桨产生任何升力或转矩。这是这种螺旋 桨仅使用了穿过螺旋桨圆周的空气的约20%的动能的一个原因。因此，为了在低风速下产 生足够的电力，需要巨大的螺旋桨。
[0024] 由于这种低效率，这些风力涡轮必须是大型的以产生充足的电力。因此这些风力 涡轮大、重且昂贵，并且其运动的叶片对鸟和飞行器来说很危险。因此，这些风力涡轮不能 安装在城市的建筑物上，而城市正是极需电力的地方。
[0025] 特别期望通过风力发电有多种原因：其为无污染的清洁能源，不会产生C02并且风 是免费的，因此其是清洁能源的廉价来源，然而风有时太弱而不能使该巨大的螺旋桨运转。
[0026] 因此期望更高效、尺寸紧凑且制造成本低并且可安装在城市建筑物的屋顶上的风 力涡轮。
[0027] 这些风力涡轮的另一固有缺陷在于它们局限于在强风中进行工作。这是由于螺旋 桨叶片沉重（大约11吨），从而高转速下的离心力变得很大，并且为超过25米/秒的风设 计这些叶片在经济上不合算。


【发明内容】

[0028] 根据本发明，提供了一种将气体内能转换成动能并将气体动能转换成机械能（该 机械能被转换成电能）的方法和系统。
[0029] 根据本发明的一个方面公开了用于通过将空气热能（m*Cp*AT)转换成动能 (0.5m*V 2)并且使用该动能转换成有用功率来产生有用功率的设备，其中，m是气流质量速 率，Cp是空气的定压比热，T是绝对温度，V是空气速度，所述设备包括：a)生成气流的动力 风扇，该动力风扇包括：i)轴；ii)毂，多个叶片安装至该毂，并且该毂连接到所述风扇轴使 得当所述风扇轴旋转时，所述风扇叶片旋转并且生成气流；b)容纳所述气流，对所述气流 进行加速并且冷却所述气流的渐缩管嘴，该渐缩管嘴包括：i)管嘴入口；ii)管嘴喉部；以 及iii)管嘴出口；c)涡轮转子，其包括：i)安装有多个叶片的转子毂，所述转子设计为产 生比提供给所述风扇的功率大的功率量；ii)与安装在所述转子毂的所述毂一起旋转的转 子轴，所述转子轴用于将所述转子的输出功率传递到生成所述有用功率的机构；其中：_所 述涡轮转子安装在所述管嘴内部靠近所述管嘴喉部；-由所述气流源产生的气流通过所述 管嘴入口进入，并且沿所述管嘴出口的方向流动，冲击到所述涡轮转子叶片上，继续朝向所 述管嘴出口流动，并离开所述管嘴；-所述管嘴入口的横截面面积大于所述管嘴喉部的横 截面面积，从而在所述气流朝向所述喉部流动时使所述气流的速度增加并且使所述气流的 温度降低，以使得在所述管嘴喉部处的所述气流中的空气的动能比在所述管嘴入口处的所 述气流中的空气的动能实质上大于所述管嘴入口处的所述气流中的空气的内能热量部分 (C P ·Τ)与所述管嘴喉部处的所述气流中的空气的内能热量部分（CP ·Τ)之间的差；并且-当 所述气流冲击到所述涡轮转子叶片上时，所述气流的所述动能的一部分以推动所述叶片的 空气动力的形式被传递到所述转子叶片，而使所述涡轮转子和所述转子轴旋转，从而将所 述气流的所述动能的一部分转换为每单位时间对所述转子所做的功，所述转子轴将所述功 传递到产生所述有用功率的所述机构；所述转子设备的特征在于：叶片的数量和由翼型、 叶片入口角和叶片出口角限定的所述叶片的空气动力横截面，选择叶片的参数以生成大于 所述风扇中存在的气流每秒的动能的功率量，其中，所述管嘴和所述转子被设计为使得所 述气流的局部速度至少被加速到等于大约0. 2的马赫数的速度。
[0030] 本发明的主要方面在于渐缩管嘴的使用，该渐缩管嘴面向来风，其中该管嘴的截 面的面积朝向下游减小，从而使空气速度增大，即气流内能被转换成动能。
[0031] 本发明的另一方面在于设置在所述渐缩管嘴的出口处的空气涡轮的组合，使得离 开所述管嘴的空气驱动所述空气涡轮。
[0032] 本发明的另一方面在于所述空气涡轮的转动驱动发电机，该发电机通过转动功率 来发电。
[0033] 本发明的另一方面在于涡轮转子的转动轴线垂直于气流方向。
[0034] 本发明的另一方面在于所述涡轮的渐缩管嘴结合有导向叶片，所述导向叶片引导 所述管嘴内的气流。
[0035] 本发明的另一方面在于涡轮叶片具有管嘴喉部的形状和尺寸。
[0036] 本发明的另一方面在于可变的管嘴入口截面。
[0037] 本发明的另一方面在于结合有控制系统，该控制系统监测管嘴喉部处的空气速 度，并改变管嘴入口面积以在不超过本地音速的情况下在该喉部处获得最大的空气速度。
[0038] 本发明的另一方面在于结合有控制系统，该控制系统打开或关闭管嘴喉部处的开 口以使过剩空气溢出。
[0039] 本发明的另一方面在于与自然风的温度相比加速后的空气的温度降低。
[0040] 本发明的另一方面在于启动处理，该启动处理使所述涡轮转动小于一分钟，以从 所述管嘴抽吸空气，从而防止该管嘴内的静压升高并建立通过该管嘴的稳态流。
[0041] 本发明的另一方面在于结合有自动控制系统，该自动控制系统引导所述管嘴入口 朝向来风。
[0042] 本发明的另一方面是矩形的管嘴入口。
[0043] 本发明的另一方面在于所述渐缩管嘴与其涡轮分离，并通过导管连接该管嘴的出 口与空气涡轮，该导管将加速后的空气从所述管嘴输送至涡轮入口。
[0044] 本发明的另一方面是冲击式涡轮与所述渐缩管嘴的一起使用。
[0045] 本发明的另一方面在于通过进入涡轮管嘴的气流和云（cloud)中的水蒸汽来产 生水。
[0046] 本发明的另一方面是一控制系统，该控制系统改变渐缩-扩散管嘴的喉部以将管 嘴内的空气加速到Mach = 1. 0。
[0047] 本发明的另一方面在于结合有停止机构，该停止机构用于保持并防止管嘴朝向风 转动。
[0048] 本发明的另一方面在于结合有排水系统，该排水系统防止水积存在管嘴或转子腔 内。
[0049] 本发明的另一方面在于可变的管嘴喉部截面积。
[0050] 本发明的另一方面在于将空气涡轮单元放置在离开管嘴的气流中和空气涡轮单 元在管嘴处的气流中的位移（displacement)。
[0051] 本发明的另一方面在于在风力涡轮的重心正上方安装在风力涡轮上的起重吊钩 的使用。
[0052] 本发明的另一方面在于插入到渐缩-扩散管嘴的喉部中的涡轮单元。
[0053] 本发明的另一方面在于涡轮的垂直转动轴线，涡轮绕该转动轴线对准以面向管嘴 入口前方的风。
[0054] 本发明的另一方面在于配备有动力风扇的渐缩管嘴，该动力风扇驱动空气进入所 述管嘴，使得该管嘴将空气内能转换成动能，所述动能驱动涡轮产生比提供给所述动力风 扇的更多的功。
[0055] 本发明的另一方面在于配备有动力风扇和涡轮的渐缩管嘴，所述涡轮向所述动力 风扇提供能量，从而该组合是驱动飞行器的涡轮螺桨发动机。
[0056] 本发明的另一方面在于配备有动力风扇和涡轮的渐缩管嘴，所述涡轮机械地驱动 所述动力风扇，从而该组合是驱动飞行器的涡轮螺桨发动机。
[0057] 本发明的另一方面在于配备有动力风扇和涡轮的内渐缩管嘴，所述涡轮向所述动 力风扇和附加的风扇提供能量，所述附加的风扇将空气推入另一管嘴，从而该组合是驱动 飞行器的涡轮螺桨发动机。
[0058] 本发明的另一方面在于几何尺寸可变的内渐缩管嘴，该内渐缩管嘴配备有动力风 扇和涡轮，所述涡轮向所述动力风扇和附加的风扇提供能量，所述附加的风扇将空气推入 另一几何尺寸可变的管嘴，从而该组合是驱动飞行器的涡轮螺桨发动机。
[0059] 本发明的另一方面在于几何尺寸可变的内渐缩管嘴，该内渐缩管嘴配备有动力风 扇和涡轮，所述涡轮向所述动力风扇和附加的风扇提供能量，所述附加的风扇将空气推入 另一几何尺寸可变的管嘴，该另一管嘴改变气流方向，从而该组合是驱动飞行器的具有推 力换向器的涡轮螺桨发动机。
[0060] 本发明的另一方面在于所述涡轮螺桨发动机结合有位于渐缩管嘴中的燃料喷射 器，以增大气流的能量和温度，从而增大涡轮中的质量流速和音速，从而增大涡轮产生的能 量。
[0061] 本发明的另一方面是一种装置，该装置不依赖于自然风而通过空气内能来发电， 该装置包括配备有第一动力风扇和涡轮的渐缩管嘴，该第一动力风扇用于启动所述装置， 所述涡轮将空气动能转化成机械能，该机械能驱动第一涡轮、第二动力风扇和用于发电的 发电机。
[0062] 本发明涉及一种用于将空气内能转换成动能，并进一步将动能转换成机械能的方 法。
[0063] 根据本发明一个方面的方法，该方法如下进行：使空气流过管嘴，入口截面积为 化、温度为1\、速度为而在下游，在多个可变截面积处的气流参数为：面积Ad、速度Vd和 温度Td，其中所述多个截面积Ad中的一部分或者全部小于化，以使Ad处的空气速度值V d为 \的大约\与&除以Ad(Ai/Ad)的比值的乘积的倍数，其中由于空气速度V d的增量而导致 的空气速度的动能的增量大约等于空气内能的减少量，也就是说，气流质量速率m乘以空 气的定压比热C p，再乘以截面Ad处的空气温度的减小量Λ T，即，Λ T = Ti-Td，从而该能量 转换大约为：m*Cp*AT，其大约等于：n^V^-Vi 2)/^。
[0064] 根据本发明一个方面的方法，其中，在所述管嘴的出口或者在所述管嘴内设置有 涡轮，用于将一部分空气动能转换成机械能。
[0065] 根据本发明一个方面的方法，其中，所述管嘴具有连续减小的截面以使空气速度 连续加速。
[0066] 根据本发明一个方面的方法，其中，所述管嘴为渐缩-扩散管嘴并且所述涡轮设 置在该管嘴的最小截面积处，即设置在喉部处，或者设置在该喉部的截面之前或该喉部的 截面之后的具有较大截面积的截面处。
[0067] 在根据本发明一个方面的装置的管嘴内部具有至少一个导向叶片，所述导向叶片 用于形成流过可变截面积处的至少两个子流。
[0068] 根据根据本发明一个方面涉及管嘴，该管嘴的内部具有多个导向叶片。
[0069] 在根据本发明以上方面的装置中，所述空气含有水分，因此当空气加速并且其温 度降低时，所述水分凝结而变成水滴，由此所述管嘴中的空气静压降低，从而形成附加的吸 力，该吸力使得进入所述管嘴的流的速度和质量增大。
[0070] 在根据本发明以上方面的装置中，积存所述水滴以用于任何用途。
[0071] 在根据本发明一个方面的装置中，所述涡轮提供机械能以驱动用于发电的发电 机，或者提供机械能以用作发动机。
[0072] 在根据本发明多个方面的装置中，所述气流的源是自然风。
[0073] 根据本发明多个方面的安装到管嘴上的风力涡轮具有绕一轴线转动的转子毂，该 轴线与撞击所述转子毂的叶片的气流正交，其中：各个叶片从所述转子毂径向延伸，并且所 述叶片的平面形状与空气撞击所述叶片所在通道的截面的形状和尺寸相同。
[0074] 根据本发明多个方面的安装到渐缩管嘴上的风力涡轮具有横跨在两个平行的圆 形盘之间的多个翼，所述翼以圆形方式固定到所述盘上，从而所述翼位于气流通道中，在该 气流通道中所述气流在所述翼上产生气动力，所述气动力产生气动转矩，使得所述盘绕与 所述盘的平面正交并与所述翼的跨距平行的轴线转动。
[0075] 在根据本发明多个方面的装置中，所述气流的源是驱动气流通过管嘴的人工源。
[0076] 在根据本发明一个方面的装置中，其中，所述人工空气源是由诸如电、机械、蒸汽、 风等的任何动力源提供动力的风扇。
[0077] 根据本发明多个方面的机动装置用作车辆发动机，该机动装置将其涡轮的机械转 动功率的一部分传递给车辆的驱动系统，并将一部分传递给用于产生电力的发电机以驱动 所述人工源流动。
[0078] 根据本发明以上方面的安装到渐缩管嘴上的涡轮包括至少一级轴流式涡轮。
[0079] 在根据本发明的装置中，第一管嘴的入口被升高到高于地面，而其出口通过一管 路与在第一管嘴下面的第二管嘴相连，所述第二管嘴容纳有涡轮。
[0080] 根据上述权利要求的渐缩管嘴具有自动控制系统，该自动控制系统用于改变入口 的截面积，以使在该管嘴的喉部处的空气速度最大化到期望速度。
[0081] 根据本发明多个方面的管嘴结合有控制系统，该控制系统用于改变所述管嘴的喉 部截面积以在该喉部处获得期望的空气速度。
[0082] 根据本发明以上方面的管嘴与根据本发明的任何类型的涡轮的任何组合，其中， 所述涡轮被放置在所述喉部之前或者在所述喉部处或者在所述喉部之后。
[0083] 根据本发明以上方面的的装置设置有启动系统，该启动系统初始化空气涡轮的转 动，以使气流能够进入所述入口、经过该涡轮而离开该装置。
[0084] 根据本发明以上方面的装置安装在转动系统上，使得所述入口可转动，从而以相 对于翼向量的从〇度到180度的任何角度朝向来风。
[0085] 根据本发明以上方面的的管嘴具有启动系统，该启动系统提供动力以使空气涡轮 转动，该启动系统包括电动机和诸如电池或电网的电源，所述电动机可选地是涡轮发电机。 [0086] 本发明的另一个方面涉及风力涡轮的启动系统，该启动系统包括风传感器、电池 以及电动机，该电动机使所述涡轮沿其工作方向转动，从而该涡轮吸入空气并使进入管嘴 的风能够流过该涡轮的叶片。
[0087] 根据本发明以上方面的装置具有放置在自由风中的基本垂直的翼表面，使得来风 在所述翼上产生气动力和力矩，从而该力矩使所述装置朝向来风转动。
[0088] 根据本发明以上方面的装置具有使所述装置朝向来风转动的动力装置。
[0089] 与根据本发明以上方面的管嘴组合进行工作的任何空气涡轮利用诸如液体、或通 过电流或热空气进行加热的除冰手段使来自所述管嘴和涡轮元件的冰融化。
[0090] 根据本发明以上方面的在其入口中具有动力风扇的装置配备有根据本发明上述 方面的涡轮，所述涡轮驱动其叶片面向自由空气的螺旋桨，从而该装置是驱动飞行器的涡 轮螺桨发动机。
[0091] 在根据本发明一个方面的装置中，所述动力风扇由电动机或者由所述涡轮的机械 动力驱动。
[0092] 根据本发明一个或多个方面的涡轮螺桨发动机包括配备有动力风扇和涡轮的内 渐缩管嘴，所述涡轮向所述动力风扇提供能量并且向附加的大风扇提供能量，所述大风扇 将空气推入外管嘴，从而该组合是驱动飞行器的两级式涡轮螺桨发动机。
[0093] 根据本发明以上方面的涡轮螺桨发动机具有几何形状可变的渐缩-扩散管嘴。
[0094] 根据本发明以上方面的涡轮螺桨发动机具有几何形状可变的渐缩管嘴，其中，该 管嘴的可移动部分偏离，以将气流推到与该气流进入的方向相反的方向，从而该装置是用 于驱动飞行器的带有推力换向器的涡轮螺桨发动机。
[0095] 在根据本发明上述方面的涡轮螺桨发动机中，该涡轮螺桨发动机的管嘴结合有燃 料喷射器和点火器，以增大所述涡轮处的气流温度、内能、质量流速率以及气流速度，从而 增大涡轮产生的能量。
[0096] 根据本发明上述方面的装置不依赖于自然风而使用空气内能来发电，该装置包括 配备有第一动力风扇和涡轮的渐缩管嘴，该第一动力风扇用于启动所述装置，所述涡轮将 空气动能转化成机械能，该机械能驱动第一动力风扇、优选地较大的第二动力风扇和用于 发电的发电机。
[0097] 根据本发明一个或多个方面的装置利用诸如液体、或通过电流或热空气进行加热 的除冰手段使来自所述管嘴和空气涡轮元件的冰融化。

【专利附图】

【附图说明】
[0098] 从以下结合附图的详细描述将进一步理解并清楚本发明，附图中：
[0099] 图1是沿根据本发明一个实施例的风力涡轮的侧剖视图，该风力涡轮具有带圆形 入口的渐缩管嘴。
[0100] 图2是图1的风力涡轮的正视图。
[0101] 图3是沿图1的风力涡轮的俯视剖视图。
[0102] 图4是沿根据本发明另一实施例的具有矩形入口的风力涡轮的侧剖视图。
[0103] 图5是图4的风力涡轮的正视图。
[0104] 图6是图4的风力涡轮的俯视剖视图。
[0105] 图7是根据本发明另一实施例的具有可变截面积入口的风力涡轮的侧剖视图。
[0106] 图8是图7的风力涡轮的正视图。
[0107] 图9是沿图7的风力涡轮的俯视剖视图。
[0108] 图10是沿根据本发明另一实施例的带导向叶片的风力涡轮的侧剖视图，该风力 涡轮具有定子和带翼片的转子。
[0109] 图11是图10的风力涡轮的正视图。
[0110] 图12是沿根据本发明另一实施例的具有轴向冲击式涡轮的风力涡轮的剖面。
[0111] 图13是表示图12的空气涡轮的涡轮轴、支承臂、定子盘和转子盘的剖面。
[0112] 图14是图12的定子盘和转子盘的平面图。
[0113] 图15是沿根据本发明另一实施例的风力涡轮的侧剖视图，该风力涡轮具有与该 空气涡轮分离的管嘴。
[0114] 图16是沿根据本发明另一实施例的风力涡轮的侧剖视图，该风力涡轮具有与该 涡轮分离的渐缩-扩散管嘴。
[0115] 图17是沿根据本发明另一实施例的位于渐缩管嘴前方的风力涡轮的侧剖视图， 该风力涡轮具有垂直转动轴线。
[0116] 图18是沿配备有动力风扇的管嘴的侧剖视图。
[0117] 图19是沿配备有动力风扇和涡轮以成为用于飞行器的涡轮螺桨发动机的管嘴的 侧剖视图。
[0118] 图20是沿配备有涡轮和多个动力风扇以成为用于飞行器的两级式涡轮螺桨发动 机的管嘴的侧剖视图。
[0119] 图21是沿配备有动力风扇、涡轮和推力换向器以成为用于飞行器的两级式涡轮 螺桨发动机的管嘴的侧剖视图。
[0120] 图22是沿配备有动力风扇和涡轮以成为两级式涡轮螺桨发电机的管嘴的侧剖视 图。

【具体实施方式】
[0121] 现今的风力涡轮包括被气流（即，风）驱动的螺旋桨。当风增大时，更多的动能可 用于驱动螺旋桨叶片，但是由于螺旋桨叶片大而重（每一个叶片大约11，〇〇〇千克），当风速 超过特定水平（取决于叶片的强度及其安装到轴上的安装强度）时，必须停止转动以防止 离心力破坏叶片。因此空气涡轮停止其工作，大量的风能被浪费。另一方面，当风太弱（大 约4米/秒或更低）时，由于可用动能太小而不能使巨大的空气涡轮转动，所以不能使巨大 的螺旋桨工作。本发明克服了这些障碍，并说明了如何使本发明的空气涡轮紧凑并在弱风 以及高速风中产生更多的电。
[0122] 此外，安装用于产生流入到管嘴入口的气流的动力风扇是值得的，这是因为渐 缩-扩散管嘴能够在其喉部使气流动能增大约10倍，因而净输出功率大于输入功率，从而 得到不依赖于风的发动机。抽吸空气并将气流推入渐缩管嘴或渐缩-扩散管嘴的动力风扇 是本发明的主要方面。
[0123] 风动能可由下式数学地表达：
[0124] EK = P XVXAXV2/2其中：V是空气速度
[0125] P是空气密度
[0126] A是流动空气的截面积
[0127] " X "是乘法符号，以下将省略。
[0128] 因此，空气速度为0时，动能为0。
[0129] (注意：本专利申请中的所有公式和所用数据都取自以下参考书：
[0130] FOUNDATIONS OF AERODYNAMICS，第二版
[0131] A. M. KUETHE 和 J. D. SCHETZER 著
[0132] Department of Aeronautical Engineering
[0133] University of Michigan (USA)
[0134] 出版商 JOHN WILEY&S0NS
[0135] 图书馆专业分类卡号：59-14122。
[0136] 令人惊讶的是，即使是在冰冻温度下，自然风空气的能量（称为"内"能）与其动 能相比也很巨大。
[0137] 为得到该论点，必须考察单位质量的可等熵压缩流的能量方程：
[0138] CpT+V2/2 =常数（参考书第140页的方程24)
[0139] 在讨论风时，以上方程中的所有相关参数都与特定状态的空气有关，其中：
[0140] Cp是空气的定压比热（参见参考书第132页）
[0141] Cv是空气的定容比热（参见参考书第131页）
[0142] Y = 1.4为空气在1000° R下的Cp/Cv的比值
[0143] T是空气的绝对温度
[0144] V是空气速度
[0145] CpXT是气体（空气）的内能，而V2/2是单位质量的气体的动能。对于等熵流（热 不增加也不从空气吸热），必须满足方程24给出的能量关系，即存在能量守恒。
[0146] 为了论证动能与内能的比值，针对温度为T = 32° F，风速为25米/秒（V802兆 瓦风力涡轮的最大工作风速）的相对较强的风来计算这些能量，该风是在这种空气涡轮很 普遍的有人居住的北半球的冬天相当冷的空气。
[0147] 利用英制单位系统
[0148] Cp = 6000FTXLB/Slug° R
[0149] T = 460+32 = 492° R
[0150] V = 25/0. 3048 = 82. 02FT/SEC
[0151] 内能为：CPT = 6000 X 492 = 2, 952, 000FTX LB/Slug
[0152] 动能为：V2/2 = (82. 02)2/2 = 3, 201. 6FTXLB/Slug
[0153] 因此，在这种情况下空气动能与空气内能之比为：3, 201. 6/2, 952, 000 = 0. 00108, S卩，动能大约是空气内能的千分之一，并且该情况是针对复杂的2MW空气涡轮的 最大工作空气速度。越弱的风得到越小的能量比。
[0154] 由于中速风（小于10米/秒）的动能较小，所以需要大面积的转子叶片来增大由 这种风力涡轮收集的能量。较大的转子叶片使得整个机器（如V80)很大且很昂贵，这最终 使广生的电昂贵。
[0155] 因此，令人惊讶的是还没有人提出利用空气内能的能源的方法。本发明通过新颖 的涡轮设计将空气内能转换成动能，然后将动能转换成机械能。
[0156] 图1示意性地示出了沿本发明一个实施例的剖视图。舱体（pod) 100容纳有具有 叶片126、127、128等的圆柱状转子122。这些叶片可以为矩形平面形式的平面或凹面，或 者为任何其他平面形状。因而当风150进入管嘴入口 110并如152所示在管嘴108内流动 时，其进一步向管嘴截面积最小的管嘴喉部114会聚，空气在这里达到其最大空气速度。紧 接着在喉部114之后，流动空气154遇到与气流154瞬时垂直的"上升"的叶片128和叶片 126。叶片126被流动空气154强制向右运动，即绕转子的转动轴线120顺时针转动，该转动 轴线与驱动气流154正交。由于叶片126、127、128等牢固地安装在转子圆柱体122上，所 以转子122随其叶片126、127、128等顺时针转动。转子叶片126、127、128等的边缘与圆柱 状腔壁124U25之间的距离很小（几毫米），因而流动空气154U56不能绕过这些叶片，从 而当流动空气154、156在通道162内流动时迫使叶片转动，直至流动空气154、156到达开 口 129,此时气流158在该开口处通过由?'表示的排放管嘴离开转子腔，并作为气流159 离开涡轮截面118。从转子叶片126到转子叶片129的气流路径为气流在转子叶片上施加 持续的气动力提供了时间距离（time distance)，同时将叶片数量最小化到2,从而降低了 该空气涡轮的制造成本并最终降低了由该设计产生的电的成本。然而，为了保持平稳操作 (即，在转子122上施加恒定的气动转矩），应该使用4到大约8个叶片。该设计是本发明 的主要方面。
[0157] 舱体100配备有垂直翼194,其直立在自由空气中，因而任何不与垂直翼194的平 面平行的风都在该翼上施加气动力，并且该力使舱体100通过安装支柱134绕其垂直轴线 145转动，使得舱体入口 110面对来风150。
[0158] 舱体支柱134配备有止动件133和引导锥135,它们都牢固地安装在支柱134上。 这有助于将支柱134对准到管140内，该管是用于安装舱体100以使其进行工作（即，通过 风来发电）的塔架。在将支柱134插入到管140内后，当止动件133遇到其配对件141时， 该止动件133使支柱134停止向下移动到管140内。止动件133和配对件141都具有相同 的平面形状，优选地为圆形平面形式。当止动件133停靠在配对件141上时，将c形截面的 锁定件142牢固地安装到下部的141上（优选地通过螺栓），从而使止动件133和整个舱体 100能够朝向来风绕轴线145转动，而不向上运动，从而使涡轮舱体保持安装在其承载支柱 140上。安装系统130至140是本发明的另一方面。
[0159] 吊钩109正好安装在舱体的对称平面上并位于重心上方，从而当起重机运送舱体 以将其安装在支柱140上时，支柱134将垂直于水平面并平行于支柱140,从而能够容易地 将锥135对准到支柱140的顶部开口内，以使得能够容易地将涡轮安装在其工作位置。该 吊钩及其位置是本发明的另一方面。为非常高速的风（其可能使喉部中的马赫数超过1. 0， 即音速）提供了可选的过剩空气通道。在这种情况下，结合有管嘴108中的风速测量装置 的可选控制系统将打开该空气通道，以使过量的气流通过该通道离开管嘴，从而不会在喉 部114处超过Μ = 1. 0而引起噪音和隆隆声。
[0160] 由于本发明的空气涡轮在几乎封闭的容器内工作，所以需要排水系统来除去积存 在管嘴内或转子腔的雨水。而且，由于进入管嘴的空气是冷的（参见以下的数值示例），所 以水蒸汽会液化成水。为了从空气涡轮排水，增加了集水器167,该集水器从渐缩管嘴收集 水并将其输送到管131。而且，排水孔和管168从转子腔收集水。由于这些是干净的可饮用 水，所以在干旱地区，这些水可用于任何用途。如果涡轮放置于有云的地区（即山顶或高塔 顶部），则可产生并储存大量的水以备以后使用。该集排水系统是本发明的另一实施例。
[0161] 图1的转子设计确保了高效率，这是因为由于腔壁与叶片边缘之间的距离为大约 1或2毫米而叶片跨距或弦长约为30厘米或更大，所以气流不能绕过叶片。作为这种几何 形状的结果，气流不能绕过叶片而必须推动叶片，从而通过使叶片具有与气流速度相同的 速度而将大量空气动能传递给叶片。叶片可以是简单的平面片状金属或者其他材料，从而 降低该叶片的制造成本。另一方面，凹形叶片可提供更大的气动效率和结构强度。因而图 1中的叶片可具有凹形设计。与利用螺旋桨的空气涡轮相比，该设计的转子叶片明显较小。 气动效率高的螺旋桨跨距长度应当至少为螺旋桨弦长的10倍。因此，对于2丽的机器来 说，各个叶片的长度约为40米，而重量约为11公吨。当该叶片转动时，其产生相当大的离 心力，该离心力可能将叶片从其轴扯下。由于叶片的离心力为：
[0162] F = / ω 2Rdm
[0163] ω为转速
[0164] R为螺旋桨叶片的质量元的局部半径
[0165] dm为螺旋桨叶片的微分质量元
[0166] 随着叶片转速的增加，在其轴上产生更大的离心力。这是为何基于螺旋桨的空气 涡轮必须在高速风下停止的原因。在本发明中，叶片的跨距短，叶片的质量小，因而整个转 子组件小而轻，这使得作用在转子和转子叶片上的离心力大大小于螺旋桨型风力涡轮。因 此，本申请的实施例能够在更高的速度下转动而无需大大加强转子结构。
[0167] 因此，转子的低重量降低了转子的转动惯性矩，这使得通过气流来开始转动比现 有得风力涡轮更容易。由于功率等于直接力与速度的乘积，即P = FXV，因而转子的转速是 获得高输出功率的重要因素。
[0168] 此外，在本实施例中，作用在转子叶片上的气动力是"升力"和曳力（drag)的合 力。在本实施例中，由于关注的是正交于叶片的气动力的组合效果，因而失速（stall)没有 意义。因此，升力和曳力用于相同的目的，即增大与叶片主平面正交的力，并且多个力的合 力使得力更加稳定。因此，对于该转子实施例来说，将气动力视作曳力。本实施例的曳力系 数对于被垂直气流撞击的方形叶片来说在1. 〇到2. 0的范围内。因而，基于气动曳力的设 计是本发明的另一方面。
[0169] 在飞行器机翼以及螺旋桨叶片中，机翼的几何构造源自诸如NACA65系列的翼型。 各翼型均具有弦，该弦被定义为连接前缘和后缘的直线。在该实施例中，机翼通过其翼型的 后缘区域安装到转子毂上，这与叶片通过整个翼型区域连接到毂上的螺旋桨叶片或涡喷发 动机的轴流式涡轮不同。因此，具有通过翼型的后缘区域连接到毂上并且在封闭腔中沿气 流路径与气流一起运动的轻型转子叶片的转子设计是本发明的附加方面。
[0170] 渐缩管嘴108是本发明的主要方面。管嘴截面积朝向喉部114逐渐减小（在该喉 部处管嘴截面积最小），从而迫使气流152加速，S卩，将空气内能转换成动能。
[0171] 为了使由于紊流而导致的动能损失最小化并防止管嘴内的静压力升高，入口 108 设有导向叶片112。这些导向叶片是平面并且薄的刚性件（由金属、塑料或诸如碳纤维、玻 璃纤维等的组合物制成），它们迫使气流彼此"平行"地以流线型流动从而具有管嘴壁的大 致方向，以使离开导向叶片朝向喉部114流动的气流具有相同的速度且尽可能平稳地流动 而不混合，并且气流在喉部114处平行于管嘴壁并与转子叶片126正交。箭头154表示了 该流。结合有导向叶片以减少管嘴内的紊流和降低静压力升高的渐缩管嘴设计是本发明的 另一方面。
[0172] 喉部114的截面积约为入口 110的截面的1/10,喉部114使得气流150的速度与 自然风速相比提高了大约十倍，而其动能提高了大约100倍。由于较长的管嘴有利于防止 紊流和压力升高，这对于获得等熵流以及管嘴输送尽可能大的空气质量同时最小化入口溢 出的能力来说很重要，因此管嘴的长度和形状是效率和重量考虑之间的折衷。将气流内能 转换成动能的渐缩管嘴是本发明的主要方面。
[0173] 为了证明该高动能增益，应该计算沿着管嘴从入口直到喉部的空气参数：
[0174] 入口 110的截面的气流参数：
[0175] 入口 110处的截面积Ai = 10M2
[0176] 入口 110处的风速￥1 = 21.737FT/SEC(请注意，选取该值是为了易于稍后的数值 计算）
[0177] 入口 110处的空气密度Pi = 0.002378Slug/FT3(海平面处的标准大气值）
[0178] 入口 110处的空气温度?\ = 32° F(冬季平均空气温度）
[0179] 需要知道喉部114 (气流撞击涡轮叶片128和126的地方）的相同参数，即：
[0180] 喉部114处的截面积A2 = 1Μ2 (由设计给定）
[0181] 喉部114处的风速乂2 =?
[0182] 喉部114处的空气密度Ρ2 =?
[0183] 喉部114处的空气温度Τ2 =?
[0184] 1000° R下空气的(；/(；的比值为γ = 1.4
[0185] 解：利用以下公式：
[0186] 1) [CpT+V2/2]114 =常数=CpTjn。；未知数：截面 114 处的 T、V
[0187] 能量守恒；参考书第140页的方程24。
[0188] 2)p = P RT ;未知数：截面 114 处的 T、p、P
[0189] 理想气体的状态方程；参考书第130页的方程2。
[0190] 3) [PVA]=常数；未知数：截面114处的P、V
[0191] 连续方程；参考书第155页的方程22。
[0192] 4)T/p h = C = Tc/pZ-1 ;未知数：截面 114 处的 T、P
[0193] 绝热可逆流；参考书第142页的方程29。
[0194] (对于绝热流来说，截面114处的?；和与截面110中的具有相同的值，并且可 以通过给定参数利用方程1和4来计算）
[0195] 有4个未知数V、T、p、P，它们是截面（section)114处的气流参数。由于因为以 上方程4,最终求解该组方程需要用试探法，该参考书在第152至159页进一步推导了该解。 利用马赫数而不是气流速度V的定义对广义解进行了说明，并且在参考书第153页的图4 和该书的表2中示出了这些解。
[0196] 表 2
[0197] 流参数与亚音速流的Μ

【权利要求】
1. 一种用于通过将空气热能m*Cp*T转换成动能0. 5m*V2并且使用该动能转换成有用功 率来产生有用功率的设备，其中，m是气流质量速率，Cp是空气的定压比热，T是绝对温度，V 是空气速度，所述设备包括： a) 生成气流的动力风扇，该动力风扇包括： i) 轴； ii) 毂，多个叶片安装至该毂，并且该毂连接到所述风扇轴使得当所述风扇轴旋转时， 所述风扇叶片旋转并且生成气流； b) 容纳所述气流，对所述气流进行加速并且冷却所述气流的渐缩管嘴，该渐缩管嘴包 括： i) 管嘴入口； ii) 管嘴喉部；以及 iii) 管嘴出口； c) 涡轮转子，其包括： i) 安装有多个叶片的转子毂，所述转子设计为产生比提供给所述风扇的功率大的功率 量； ii) 与安装在所述转子毂的所述毂一起旋转的转子轴，所述转子轴用于将所述转子的 输出功率传递到生成所述有用功率的机构； 其中： -所述涡轮转子安装在所述管嘴内部靠近所述管嘴喉部； -由所述气流源产生的气流通过所述管嘴入口进入，并且沿所述管嘴出口的方向流动， 冲击到所述涡轮转子叶片上，继续朝向所述管嘴出口流动，并离开所述管嘴； -所述管嘴入口的横截面面积大于所述管嘴喉部的横截面面积，从而在所述气流朝向 所述喉部流动时使所述气流的速度增加并且使所述气流的温度降低，以使得在所述管嘴喉 部处的所述气流中的空气的动能比在所述管嘴入口处的所述气流中的空气的动能实质上 大于所述管嘴入口处的所述气流中的空气的内能热量部分（CP*T)与所述管嘴喉部处的所 述气流中的空气的内能热量部分（CP · T)之间的差；并且 -当所述气流冲击到所述涡轮转子叶片上时，所述气流的所述动能的一部分以推动所 述叶片的空气动力的形式被传递到所述转子叶片，而使所述涡轮转子和所述转子轴旋转， 从而将所述气流的所述动能的一部分转换为每单位时间对所述转子所做的功，所述转子轴 将所述功传递到产生所述有用功率的所述机构； 所述转子设备的特征在于：叶片的数量和由翼型、叶片入口角和叶片出口角限定的所 述叶片的空气动力横截面，选择叶片的参数以生成大于所述风扇中存在的气流每秒的动能 的功率量， 其中，所述管嘴和所述转子被设计为使得所述气流的局部速度至少被加速到等于大约 0.2的马赫数的速度。
2. 根据权利要求1所述的设备，其中所述风扇由下面的一方或两方提供动力： a. 由外部能量源提供的动力； b. 由所述涡轮转子提供的动力；和 c. 电动机。
3. 根据权利要求1所述的设备，其中所述涡轮转子是轴流式涡轮，所述设备包括安装 在所述转子前面的定子，以将所述气流朝向所述转子引导和加速。
4. 根据权利要求1所述的设备，其中产生所述有用功率的机构是发电的发电机。
5. 根据权利要求1所述的设备，其中产生所述有用功率的机构是用于驱动车辆的变速 箱。
6. 根据权利要求1所述的设备，其中所述设备被安装到垂直安装管上，并且包括用于 使所述设备绕垂直轴线旋转的装置。
7. 根据权利要求1所述的设备，其中管嘴喉部面积与管嘴入口面积之比是大约1/10， 并且该比是可变的。
8. 根据权利要求1所述的设备，所述设备包括启动系统，该启动系统给予从所述管嘴 吸取空气的涡轮初始旋转速度。
9. 根据权利要求8所述的设备，其中，所述启动系统是连接到电池的电动机。
10. 根据权利要求1所述的设备，其中，所述设备是驱动车辆的发动机。
11. 根据权利要求10所述的设备，其中，所述发动机是通过将动力风扇电动机连接到 电池而启动的。
12. 根据权利要求1所述的设备，其中所述设备安装在车辆上并且所述动力是以下中 的一方或双方： a. 电力；以及 b. 推动所述车辆的推力。
13. 根据权利要求1所述的设备，所述设备包括控制系统和剩余空气通道，所述控制系 统开启所述通道。
14. 根据权利要求1所述的设备，所述设备包括所述管嘴喉部的可变横截面面积。
15. 根据权利要求1所述的设备，该设备包括用于收集在所述设备的管嘴内部产生的 液态水的装置，该液态水是由于包含在所述气流的空气中的水蒸汽的凝结而产生的，该凝 结是由于在所述空气从所述管嘴入口朝向所述管嘴喉部流动时所述空气的温度下降而发 生的。
16. 根据权利要求1所述的设备，其中所述风扇轴和所述涡轮转子轴连接在一起并且 一起旋转。
17. 根据权利要求1所述的设备，其中所述有用功率是受控的推力。
18. 根据权利要求1所述的设备，其中所述管嘴包括可移动的气流门，以允许关闭管嘴 出口面积。
19. 根据权利要求18所述的设备，其中所述管嘴的可移动门使气流的改向以充当推力 反向器。
20. 根据权利要求1所述的设备，其中多个燃料喷射器将燃料喷射到所述前动力风扇 后面的气流中，并且至少一个燃料点火器点燃气流-燃料混合物。
【文档编号】F03D11/00GK104047814SQ201410180759
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2005年11月16日 优先权日:2004年11月16日
【发明者】伊斯拉埃尔·赫什伯格 申请人:伊斯拉埃尔·赫什伯格