流体动力能转化系统及其应用的制作方法

本发明涉及流体动力能转化系统，也就是用于从流动液体中提取能量的系统。所述流动液体可以是流动的水，例如海水(例如潮汐流或洋流)或淡水(例如在河中流动的水)。所述流动液体可替代地可以是流动的微咸水(brackish water)、流动的废水或任何其他保持有将被提取/利用的动能的液体。

具体而言，本发明涉及流体动力能转化系统，该系统包括涡轮机设备，所述涡轮机设备包括呈现有旋转轴的转子，所述涡轮机设备被布置为以相对于进来的水体倾斜的定向通过旋转轴操作，并且所述转子包括至少一个螺旋叶片，该至少一个螺旋叶片被布置为与进来的水体相互作用，这样旋转能量被传输到所述转子，所述至少一个螺旋叶片包括第一凸表面、第二凹表面和自由远端边缘，所述第一表面和第二表面在自由远端边缘相交(meet)。

本发明还涉及这样的系统的应用，以便从潮汐流、洋流和河流中任意一者中提取能量。

背景技术：

本发明涉及流体动力能转化系统，其中所述系统的涡轮机设备呈现为相对于进来的水体倾斜地定向。这样的系统的实例在WO 2013/006061 A1中公开，其通过引证方式结合于本文中。

与双击式涡轮机(cross-flow turbines)(其转子轴与进来的水流正交)和轴流式水轮机(axial flow turbines)(其转子轴在与进来的水流平行的平面中操作)相比，倾斜的涡轮机被布置为以相对于进来的水体的倾斜定向通过转子的旋转轴操作。在这样倾斜的涡轮机中，转子的几何结构将对系统的能量转化效率具有很大影响，而寻找高效的叶片几何结构已被证明是困难的。本发明处理这个问题，并寻求尤其很好地适于所述系统的叶片几何结构，在该系统中，转子的旋转轴以相对于进来的水体的倾斜定向进行操作。

因此，根据一个方面，本发明的目的是提出一种包括倾斜的流动式流体动力涡轮机的流体动力能转化系统，所述涡轮机与现有技术中的倾斜的流体涡轮机相比具有提高的能量转化效率。

技术实现要素：

根据本发明的系统的特征在于，当从与旋转轴正交的平面观察时，所述第二表面的曲率是这样的，即，使得当从与旋转轴和远端边缘相交的直线测量时，所述第二表面的最大深度至少为所述旋转轴与远端边缘之间的距离的35％，更优选地40％，并且最优选地50％。

还有利的是，将所述至少一个叶片的厚度布置成使得，所述至少一个螺旋叶片在所述最大深度的位置处呈现出的厚度小于所述旋转轴与远端边缘之间的距离的15％，并且更优选地10％。

当从与所述旋转轴正交的平面观察时，所述第二表面的横截面在最大深度的位置与远端边缘之间可有利地呈现出恒定的曲率。

所述至少一个螺旋叶片可有利地呈现出从所述最大深度的位置到远端边缘的连续减小的厚度。

所述至少一个螺旋叶片可有利地呈现出在1-4的区间内的螺距比。

所述转子可有利地呈现出在0.1-0.7的区间内的直径-长度比。

所述至少一个螺旋叶片可有利地包括第一螺旋叶片和第二螺旋叶片，所述第二螺旋叶片相对于第一螺旋叶片偏移180度。所述第二螺旋叶片可有利地与第一螺旋叶片相同。

所述转子可替代地可具有三个、四个或甚至更多的叶片，这些叶片有利地均匀分布在所述转子的旋转方向上。

所述系统可有利地包括支撑设备，用于支撑所述涡轮机设备，并且所述涡轮机设备可有利地包括第一近端和第二远端，所述近端围绕枢轴枢转地连接至所述支撑设备。所述枢轴可有利地与旋转轴正交。所述枢轴可有利地具有水平定向、竖直定向和斜定向中任意一种。

可替代地，所述系统可有利地包括用于支撑第一端的第一支撑设备和用于支撑所述涡轮机设备的第二端的第二支撑设备，所述第一和第二端固定地连接至所述支撑设备。

可以有利的是，当所述系统在操作中时，所述系统布置成使得所述旋转轴相对于进来的水体形成角度，所述角度在80-20度的区间内，更有选地70-30度，并且最优选地60-40度。

在系统的操作期间，所述转子有利地浸没在进来的水体中。

附图说明

在下文中，将参照附图更详细描述本发明。

图1为根据本发明的一个实施方式的由潮汐驱动的流体动力转化系统的侧面示意图。

图2为根据图1的系统在不同操作位置的侧视图。

图3为根据本发明的一个实施方式的基于河流的流体动力转化系统的顶部示意图。

图4为根据本发明的流体动力转化系统的转子的实施方式的透视图。

图5为根据图4的转子的侧视图。

图6为沿着图5的以VI-VI标记的区段的转子的截面图。

具体实施方式

图1公开了根据本发明的流体动力转化系统1的第一实施方式的侧视图。系统1包括涡轮机设备2，涡轮机设备包括第一近端8和第二远端9。涡轮机设备2进一步包括安装在支撑设备4上的螺旋转子3。转子3包括旋转轴O。在所述系统的操作期间，轴O具有相对于进来的水体W倾斜的定向，如在图1公开的。在操作期间，转子浸没在进来的水体W中，该水体将使得转子3围绕其轴O旋转，以使得旋转能量被施加给转子3。

转子3连接至能量转化器6，能量转化器可以是发电机。在可替换的实施方式中，能量转化器6可以是泵，例如用于提供加压空气。一般来说，能量转化器6可以是将转子的旋转能量转化为不同形式的能量的任何类型的能量转化设备，其中，转子的旋转能量进而由流动的水W的动能提供。

旋转轴O可形成相对于进来的水体的角度α，所述角度在80-20度的区间内。但是，更优选地，角度α在70-30度的区间内，并且最优选地在60-40度的区间内，例如50度。

涡轮机设备2围绕枢轴A枢转地安装在支撑设备4中，以使得角度α可相对于进来的水体W进行调节。枢轴A与旋转轴O正交。这个配置在用于从潮汐流中提取能量的系统中尤其有利，这是因为它允许涡轮机设备2在与枢轴A正交的平面内旋转，以便根据例如由变化的潮汐引起的进来的水体的速度和方向上的改变进行调节，如在图2中公开的。在这样的配置中，将转子3布置为使得它的密度(density)小于周围的水体W是有利的，这样涡轮机设备2总是呈现相对于进来的水体W的恰当的角度α，例如以根据进来的水体的不同速度进行调节。可替代地或者另外地，在涡轮机设备2的远端9布置浮力设备或水翼17可以是有利的。这样的浮力设备在上文提到的文件WO 2013/006061 A1中公开。通过将转子3布置为使得它的密度小于周围的水体W和/或在涡轮机设备2的远端9布置浮力设备或水翼17，设备2可被配置为取决于进来的水体的特性和速度，以在预先确定的区间内的角度α操作，例如60-40度。但是，在转换潮汐时，所述系统可开始以稍微小于90度(例如85或80度)的角度α产生能量。

在图1和图2公开的实施方式中，枢轴A是水平的，或至少大致水平的。但是，枢轴A可替代地可以是竖直的，或至少大致竖直的，或者可以是斜的。

在图1和图2公开的实施方式中，支撑设备4位于水体W的底部B。可替代地，但是，支撑设备4可位于水体W的表面S，或者甚至在水体的外部，例如在桥接窄直部(narrow straight)的结构上，只要支撑结构4允许转子3浸没在进来的水体W中。

图3公开了根据本发明的流体动力转化系统18的第二实施方式的顶部示意图。在这个实施方式中，涡轮机设备2的第二端9也固定地安装在支撑设备4’中。当所述系统安装在河流中时，这个配置可以是有利的，在这种情况下，进来的水体的方向一般是恒定的。支撑设备4、4’因此允许涡轮机设备2保持相对于进来的水体W的固定角度α。当布置在河流中时，所述系统可有利地定位成使得旋转轴O大致平行于河床。

支撑结构4、4’可有利地定位在河床上。但是，它们可替代地可定位在河岸上或桥接河流的结构上，只要支撑结构4、4’允许转子3浸没在进来的水体W中。

在公开的实施方式中，流体动力转化系统1、18包括一个转子3，该转子连接至能量转化器6。但是，在可替代的实施方式中，流体动力转化系统可包括两个、三个、四个或者任何其他数目的转子。而且，这些转子可连接至共同的能量转化器，或成组地连接至能量转化器，以便两个或更多个转子连接至同一个能量转化器。

图4-6公开了根据本发明的流体动力能系统的螺旋转子3的实施方式。转子3包括第一螺旋叶片10和第二螺旋叶片11，第一螺旋叶片和第二螺旋叶片彼此相同但偏移180度(参看图6)。每个螺旋叶片10、11包括第一凸表面12和第二凹表面13。所述第一表面12形成低压力表面，并且所述第二表面13形成高压力表面。每个螺旋叶片10、11还包括自由远端边缘E(参见图6)，第一表面12和第二表面13在该自由远端边缘处相交(meet)。远端边缘E限定或掠过(sweep)转子3的外直径D。

当从与旋转轴O正交的平面观察时，第二表面13的曲率是这样的，即，当从与旋转轴O和远端边缘E相交的直线测量时，第二表面13的最大深度D_max约为旋转轴O与远端边缘E之间的距离OE的49％。在最大深度位置处，叶片的厚度t约为旋转轴O与远端边缘E之间的距离OE的9％。

当从与所述旋转轴O正交的平面观察时，所述第二表面13的横截面在最大深度D_max的位置与远端边缘E之间具有恒定的曲率，并且叶片10具有从最大深度D_max的位置到远端边缘E的连续减小的厚度。

在公开的实施方式中，最大深度位于旋转轴O与远端边缘E之间约一半的位置处，也就是在0.5OE处。但是，最大深度可位于更接近旋转轴O的位置处，例如在0.3-0.5OE范围内，或更接近远端边缘的位置处，例如在0.5-0.8OE范围内。

转子3包括：内部中央区段14，从轴O延伸至转子3约四分之一半径处；以及外部区段15，从内部区段14延伸至远端边缘E的半径。内部区段14呈现出增加的厚度，以容纳纵向轴16。在外部区段15中，表面12和13具有大致恒定的曲率并且缓慢汇聚以在远端边缘E处相交。

每个叶片10、11呈现有螺距比P/D，其约为1.4，其中，所述螺距比定义为叶片10、11的螺距P与转子3的直径D之间的比率。螺距P定义为叶片10、11的一个完整的扭曲或转向的长度(参见图5)。

转子3呈现有直径-长度比D/L，其约为0.3。

对于上文的实施方式，参数D/L和P/D的值对于具体的实施方式已经给出。但是，要理解的是，需要根据系统的操作地点调节这些参数，尤其是考虑到系统在其中操作的水体的深度和主要速度。

在前述说明中，已经参照示例性实施方式描述根据本发明的装置的各种方面。出于解释的目的，陈述具体的数字、系统和配置是为了提供对所述装置和其工作的全面了解。但是，这个说明不旨在理解为限制意义。对与公开的主题相关的领域的技术人员显而易见的示例性实施方式的各种修和变体都被认为落在本发明的范围内。