專利名稱：帶增強(qiáng)導(dǎo)管的單向水力渦輪、葉片和發(fā)電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于單向水流環(huán)境的單向水力渦輪。具體來(lái)說(shuō)，本發(fā)明涉及用于單向 水流環(huán)境的單向水力渦輪，其具有增強(qiáng)的外導(dǎo)管設(shè)置、渦輪葉片設(shè)計(jì)、磁發(fā)電機(jī)設(shè)置和將該 渦輪連接到電力分配系統(tǒng)的裝置。
背景技術(shù)：
利用水流發(fā)電的水下水力渦輪是現(xiàn)有技術(shù)已知的。特別是，水下水力渦輪已經(jīng)設(shè) 計(jì)為用于單向和雙向水流應(yīng)用，例如河流和海洋的水流和潮汐。由于日益增加的對(duì)可持續(xù) 性發(fā)電的需求和將持續(xù)性發(fā)電的成本降低到傳統(tǒng)的非可持續(xù)性發(fā)電的價(jià)格的期望，需要提 高水下水力渦輪發(fā)電機(jī)的效率和性能并降低其投資、操作和維護(hù)費(fèi)用。
授予Davis等人的美國(guó)專利7，471，009公開(kāi)了一種利用水流發(fā)電的雙向水力潤(rùn)輪 發(fā)電機(jī)。該專利公開(kāi)了繞著渦輪的圓柱形殼體或?qū)Ч?，其從任一端接收水流并包括?duì)稱的 水翼渦輪葉片。該專利還公開(kāi)了帶雙側(cè)軸流磁發(fā)電機(jī)的水力渦輪，用于雙向水流應(yīng)用。一 些公開(kāi)的實(shí)施例還包括位于該渦輪兩端的導(dǎo)向葉片，以在雙向水流應(yīng)用中將水流導(dǎo)向渦輪 葉片。
授予Thompson的美國(guó)專利4，025, 220公開(kāi)了一種利用水流發(fā)電的單向水力潤(rùn)輪。 該專利公開(kāi)了一種軸流單向渦輪，其容裝在一剛性文丘里型噴嘴內(nèi)并包括一延伸到該渦輪 上游的、柔性織物水流收集導(dǎo)管，以試圖在漏斗型收集導(dǎo)管裝置中收集水流。
Spooner等人的的歐洲專利申請(qǐng)EP2112370A1公開(kāi)了一種利用水流發(fā)電的水力渦 輪發(fā)電機(jī)，其包括至少一組被動(dòng)式磁力軸承。在該專利文件中，一組或多組被動(dòng)式磁力軸承 用于通過(guò)相對(duì)的被動(dòng)式磁體組的排斥或吸引來(lái)支撐渦輪發(fā)電機(jī)，所述磁體組獨(dú)立于所述渦 輪發(fā)電機(jī)的部件。
在單向水力渦輪發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)上,現(xiàn)有的水力渦輪發(fā)電機(jī)技術(shù)不能令人滿意，該單 向水力渦輪發(fā)電機(jī)可以有益地在單向水流環(huán)境(例如河流或洋流)中高效、合算地發(fā)電。因 此，需要一種單向水力渦輪發(fā)電機(jī)，其提供效率和性能提高的渦輪和發(fā)動(dòng)機(jī)部件，用以在嚴(yán) 酷的和/或腐蝕性的、淹在水中的操作環(huán)境中提供改進(jìn)的可靠性和使用壽命，或者降低制 造、操作和維護(hù)的復(fù)雜性或費(fèi)用。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目的在于提供克服現(xiàn)有技術(shù)一些缺點(diǎn)的渦輪發(fā)電機(jī)裝置。具體而 言，本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種克服現(xiàn)有技術(shù)一些缺點(diǎn)的、用于單向水流環(huán)境的單 向水力渦輪裝置。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，提供一種由水流發(fā)電的水力渦輪發(fā)電機(jī)裝置。在該實(shí) 施例中，該水力渦輪發(fā)電機(jī)包括
一轉(zhuǎn)子，該轉(zhuǎn)子包括一轂和多個(gè)從所述轂徑向向外延伸的水力渦輪葉片；和
一導(dǎo)管，所述導(dǎo)管的入口端和出口端中至少一個(gè)剖面為橢圓形；
其中，所述導(dǎo)管出口的橫截面面積和所述導(dǎo)管入口的橫截面面積之比在1.1或 2.1之間。
本發(fā)明的一些實(shí)施例的另一個(gè)目的在于，提供一種高效的、適用于淺的河流以及 深的洋流位置的、設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單的、環(huán)保的水力渦輪。
本發(fā)明的一些實(shí)施例的又一個(gè)目的在于，提供一種低外形設(shè)計(jì)，用于在淺水流或 水深低的區(qū)域高效操作。
根據(jù)一些實(shí)施例，本發(fā)明的又一個(gè)目的在于，提供水流增強(qiáng)功能，包括攝入罩和開(kāi) 孔、下游擴(kuò)散器開(kāi)口和斜面入口水流增強(qiáng)器，以提高所述渦輪的性能。
根據(jù)一實(shí)施例，本發(fā)明的又一個(gè)目的在于，在所述擴(kuò)散器內(nèi)表面提供傾斜或喇叭 形，這可以改進(jìn)流動(dòng)特征，從而提高性能。
根據(jù)一些實(shí)施例，本發(fā)明的又一個(gè)目的在于，提供一水力渦輪發(fā)電機(jī)，其帶有結(jié)合 一個(gè)或多個(gè)錐形的和/或傾斜的渦輪葉片的增強(qiáng)的渦輪葉片設(shè)計(jì)。
根據(jù)一實(shí)施例，本發(fā)明的又一個(gè)目的在于，提供帶一個(gè)或多個(gè)渦輪葉片的水力渦 輪發(fā)電機(jī)，所述渦輪葉片包括多個(gè)珠狀表面(beadedsurface)特征，以提高所述渦輪的效 率和性能。
根據(jù)一實(shí)施例，本發(fā)明的又一個(gè)目的在于，提供包括一單側(cè)軸流磁發(fā)電機(jī)的水力 渦輪發(fā)電機(jī)，所述單側(cè)軸流磁發(fā)電機(jī)提供軸向軸承的功能，以支持軸向軸承負(fù)載的至少一 部分。
根據(jù)一實(shí)施例，本發(fā)明的又一個(gè)目的在于，提供包括一軸流磁發(fā)電機(jī)的水力渦輪 發(fā)電機(jī)，所述軸流磁發(fā)電機(jī)提供至少一軸向軸承的功能，以支持軸向軸承負(fù)載的至少一部 分。
根據(jù)一實(shí)施例，本發(fā)明的又一個(gè)目的在于，提供包括一角通量磁發(fā)電機(jī)的水力渦 輪發(fā)電機(jī)，所述角通量磁發(fā)電機(jī)提供至少一徑向和/或軸向軸承的功能，以支持徑向和/或 軸向軸承負(fù)載的至少一部分。
根據(jù)一實(shí)施例，本發(fā)明的又一個(gè)目的在于，提供包括一克服現(xiàn)有技術(shù)一些缺陷的 裝置，將本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)單向水力渦輪發(fā)電機(jī)單元連接到岸邊的電力分布系統(tǒng)。
參考附圖并結(jié)合詳細(xì)描述，本發(fā)明的進(jìn)一步的優(yōu)點(diǎn)會(huì)更容易理解。


現(xiàn)在參考附圖描述本發(fā)明的裝置和方法，附圖中
圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的帶有擴(kuò)散器(diffuser)的單向渦輪的俯視剖視圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的單向渦輪的擴(kuò)散器導(dǎo)管彎曲的剖視圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的單向渦輪的帶有圓形入口和出口的擴(kuò)散器導(dǎo)管的等軸 測(cè)視圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的單向渦輪的帶有圓形入口和出口的擴(kuò)散器導(dǎo)管的等軸測(cè)視圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的單向渦輪的帶有圓形入口和出口的擴(kuò)散器導(dǎo)管的側(cè)視 圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的單向渦輪的帶有圓形入口和出口的擴(kuò)散器導(dǎo)管的俯視 圖7示出了根據(jù)本發(fā)明的單向渦輪的帶有圓形入口和出口的擴(kuò)散器導(dǎo)管的后視 圖8示出了根據(jù)本發(fā)明的單向渦輪的帶有圓形入口和橢圓形出口的擴(kuò)散器導(dǎo)管 的等軸測(cè)視圖9示出了根據(jù)本發(fā)明的單向渦輪的帶有圓形入口和橢圓形出口的擴(kuò)散器導(dǎo)管 的等軸測(cè)視圖10示出了根據(jù)本發(fā)明的單向渦輪的帶有圓形入口和橢圓形出口的擴(kuò)散器導(dǎo)管 的側(cè)視圖；示出了根據(jù)本發(fā)明的單向渦輪的帶有圓形入口和橢圓形出口的擴(kuò)散器導(dǎo)管圖11圖12示出了根據(jù)本發(fā)明的單向渦輪的帶有圓形入口和橢圓形出口的擴(kuò)散器導(dǎo)管圖13示出了根據(jù)本發(fā)明的單向渦輪的帶有側(cè)向攝入罩和開(kāi)孔的擴(kuò)散器導(dǎo)管的等圖14示出了根據(jù)本發(fā)明的單向渦輪的帶有側(cè)向攝入罩和開(kāi)孔的擴(kuò)散器導(dǎo)管的等圖15示出了根據(jù)本發(fā)明的單向渦輪的帶有側(cè)向攝入罩和開(kāi)孔的擴(kuò)散器導(dǎo)管的側(cè)圖16示出了根據(jù)本發(fā)明的單向渦輪的帶有側(cè)向攝入罩和開(kāi)孔的擴(kuò)散器導(dǎo)管的俯圖17示出了根據(jù)本發(fā)明的單向渦輪的帶有側(cè)向攝入罩和開(kāi)孔的擴(kuò)散器導(dǎo)管的后圖18示出了根據(jù)本發(fā)明的單向渦輪的帶有尾部擴(kuò)散開(kāi)口的擴(kuò)散器導(dǎo)管的等軸測(cè)圖19示出了根據(jù)本發(fā)明的單向渦輪的帶有尾部擴(kuò)散開(kāi)口的擴(kuò)散器導(dǎo)管的等軸測(cè)圖20示出了根據(jù)本發(fā)明的單向渦輪的帶有尾部擴(kuò)散開(kāi)口的擴(kuò)散器導(dǎo)管的側(cè)視 圖21示出了根據(jù)本發(fā)明的單向渦輪的帶有尾部擴(kuò)散開(kāi)口的擴(kuò)散器導(dǎo)管的俯視 圖22示出了根據(jù)本發(fā)明的單向渦輪的帶有尾部擴(kuò)散開(kāi)口的擴(kuò)散器導(dǎo)管的后視 圖23示出了根據(jù)本發(fā)明的單向渦輪的帶有傾斜面的擴(kuò)散器導(dǎo)管的等軸測(cè)視圖24示出了根據(jù)本發(fā)明的單向渦輪的帶有傾斜面的擴(kuò)散器導(dǎo)管的等軸測(cè)視的俯視圖
的后視圖
軸測(cè)視圖
軸測(cè)視圖
視視視視視圖25示出了根據(jù)本發(fā)明的單向渦輪的帶有傾斜面的擴(kuò)散器導(dǎo)管的側(cè)視圖
圖26示出了根據(jù)本發(fā)明的單向渦輪的帶有傾斜面的擴(kuò)散器導(dǎo)管的俯視圖
圖27示出了根據(jù)本發(fā)明的單向渦輪的帶有傾斜面的擴(kuò)散器導(dǎo)管的后視圖
圖28示出了根據(jù)本發(fā)明的單渦輪發(fā)電單元的俯視剖視圖，所述單渦輪發(fā)電單元 在帶導(dǎo)管的單向渦輪內(nèi)帶有剛性轂；
圖29示出了根據(jù)本發(fā)明的單渦輪發(fā)電機(jī)單元的俯視剖視圖，所述單渦輪發(fā)電單 元在帶導(dǎo)管的單向渦輪內(nèi)帶有穿過(guò)所述轂的縱向孔；
圖30示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的拱形水力渦輪葉片的立體圖31示出了圖30所示的、根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的示例性水力渦輪葉片的俯視 圖32示出了圖30所示的、根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的示例性水力渦輪葉片的后視 圖33示出了圖30所示的、根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的示例性水力渦輪葉片的側(cè)視 圖34示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的、帶有傾斜的頂部的水力渦輪葉片的立體 圖35示出了圖34所示的、根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的示例性水力渦輪葉片的俯視 圖36示出了圖34所示的、根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的示例性水力渦輪葉片的主視 圖37示出了圖34所示的、根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的示例性水力渦輪葉片的側(cè)視 圖38示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的、包括前傾葉片的水力渦輪發(fā)電機(jī)的剖視39示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的、包括多個(gè)珠狀表面特征的拱形渦輪葉片40示出了圖39所示的、根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的示例性水力渦輪葉片的俯視 圖41示出了圖39所示的、根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的示例性水力渦輪葉片的后視 圖42示出了圖39所示的、根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的示例性水力渦輪葉片的側(cè)視 圖；43示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的、包括一錐形末端的示例性渦輪葉片的后 44示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的、包括一前偏置頂錐的示例性渦輪葉片的 45示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的、包括一后偏置頂錐的示例性渦輪葉片的 46示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的、帶有磁發(fā)電機(jī)和軸承的水力渦輪發(fā)電機(jī)
圖的立體圖
圖 視圖 后視圖 后視圖的剖視示意圖
圖47
圖48
閱圖49圖;
圖50示意圖;
圖51意圖。示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)可選實(shí)施例的水力渦輪的防磨擦軸承的剖視圖；示出了根據(jù)本發(fā)明又一個(gè)可選實(shí)施例的水力渦輪的防磨擦軸承的剖視圖； 示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)可選實(shí)施例的水力渦輪的流體動(dòng)力學(xué)軸承的剖視示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的流中(in-stream)水力潤(rùn)輪發(fā)電廠600的示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的流中AC (交流)-并聯(lián)渦輪發(fā)電廠700的示具體實(shí)施方式
參考圖1，示出了本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的俯視剖視圖。帶有擴(kuò)散器的單向渦輪發(fā)電 機(jī)單元10可以用作單個(gè)的渦輪發(fā)電機(jī)單元10或者和多個(gè)渦輪發(fā)電機(jī)單元10 —起使用，通 常用在河流環(huán)境中，但是該設(shè)計(jì)可以用于其它環(huán)境，例如海下潮汐區(qū)域、尾流區(qū)域，或者用 于風(fēng)力發(fā)電單元中。單元10也可以設(shè)置為單向洋流循環(huán)或水流渦輪，也可以用于其他的單 向自然流動(dòng)應(yīng)用中，或者互惠地用于螺旋槳或泵或在渦輪模式和螺旋槳/泵模式操作的系 統(tǒng)。渦輪發(fā)電單元10的目的在于利用水流高效發(fā)電且對(duì)環(huán)境影響小。該優(yōu)選實(shí)施例對(duì)于 河流和/或海洋應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化。可以理解，本發(fā)明提供一種高效的發(fā)電單元，其帶有改進(jìn) 流體力學(xué)、發(fā)電機(jī)、軸承和葉片設(shè)計(jì)特征，獲得適于淺的河流應(yīng)用和洋流位置且環(huán)保的、高 效的、不復(fù)雜的設(shè)計(jì)。
所述渦輪發(fā)電單元沿中心線有兩端，攝入、上游或入口端在一端，流出、下游或出 口端在另一端。帶一基本上平行于水流100的方向的軸的轂20沿所述渦輪發(fā)電機(jī)10的 中央縱軸設(shè)置。轂20在其入口端設(shè)有一鼻部21，該鼻部可以有益地成型為任何流體力學(xué) 的形狀。鼻部21可以是尖拱形或者有尖拱形蓋，以減少進(jìn)出導(dǎo)管40的拖曳。一系列導(dǎo)葉 (vane)位于渦輪葉片的上游和/或下游并繞轂20徑向設(shè)置。可以有任何數(shù)量的導(dǎo)葉，例如 可以根據(jù)特定應(yīng)用的流體力學(xué)和結(jié)構(gòu)要求確定。所述中央轂優(yōu)選包括一所述轂20的內(nèi)壁 限定的縱向孔。所述轂20的內(nèi)壁可以形成一內(nèi)徑恒定的圓筒。在一可選實(shí)施例中，所述轂 20的內(nèi)壁可以聚散，以利用文丘里效應(yīng)增加水流過(guò)所述縱向孔的速度。在一個(gè)這樣的可選 實(shí)施例中，所述內(nèi)壁匯聚在一狹窄的中部，其與所述轂20的內(nèi)壁朝向所述出口端時(shí)的漸變 的、喇叭形發(fā)散相比在入口端角度更尖或更陡峭?？v向或中央孔的作用是減小所述轂20下 游所產(chǎn)生的流體分離，因此增加經(jīng)渦輪環(huán)或流動(dòng)區(qū)域的總質(zhì)量流量。在一個(gè)變化實(shí)施例中， 沒(méi)有中央孔，這允許小型的軸承設(shè)置。
所述擴(kuò)散器導(dǎo)管40為一中空的、繞轂20的所述縱軸設(shè)置的圓筒，以形成導(dǎo)管并容 裝一徑向朝向的轉(zhuǎn)子。所述導(dǎo)管40可以是內(nèi)徑恒定或匯聚的內(nèi)徑，或者所述內(nèi)壁可以發(fā)散 以增加經(jīng)所述導(dǎo)管40的水流的質(zhì)量流量。另外，所述導(dǎo)管40在所述攝入端或入口 42有一 開(kāi)口并在所述流出端或出口 44有一開(kāi)口。在一特定實(shí)施例中，入口 42在剖視圖中為圓形 而出口 44為橢圓形，以降低渦輪10在可能較淺處或者在有通行間隙限制的地方(例如河 流或海上航道)的高度輪廓，同時(shí)將流量和渦輪葉片直徑最大化從而最大化電能輸出。因 此，所述導(dǎo)管的豎直尺寸小于其水平尺寸?；蛘?，所述兩端或者前/上游攝入或入口 42和后/下游出口 44可以是基本上圓形、長(zhǎng)橢圓形、斜圓形、橢圓形或者其組合。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，導(dǎo)管40的入口 42可以限定一入口橫截面積，導(dǎo)管40 的出口 44可以限定一出口橫截面積。在該實(shí)施例中，導(dǎo)管40的入口橫截面積和出口橫截面積可以理想地設(shè)計(jì)，以優(yōu)化水力渦輪發(fā)電機(jī)單元10的流體力學(xué)效率，這在特定單向水流環(huán)境中對(duì)優(yōu)化發(fā)電量是有益的，在該環(huán)境中可以單獨(dú)安裝或者如發(fā)電廠那樣安裝一組發(fā)電機(jī)單元10。在這樣的實(shí)施例中，涉及入口和出口橫截面積的設(shè)計(jì)參數(shù)已經(jīng)確定，并在此公開(kāi)，其呈現(xiàn)為優(yōu)化的流體力學(xué)流動(dòng)并因此呈現(xiàn)優(yōu)化的發(fā)電性能。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例， 導(dǎo)管40的優(yōu)化的出口橫截面積和入口橫截面積之比(AratletAinlet)在1.1至2.1之間。上述的出口入口橫截面積之比的幾何范圍可以理想地提供與水流在發(fā)電機(jī)單元10下游擴(kuò)散流經(jīng)發(fā)電機(jī)單元10相關(guān)聯(lián)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)避免不理想的大的導(dǎo)管出口設(shè)計(jì)可能帶來(lái)的負(fù)面效果。因此，上面公開(kāi)的導(dǎo)管40的Awtlrt/Ainlet幾何范圍可以理想地提供下列優(yōu)點(diǎn)中的一個(gè)或多個(gè)減小通過(guò)導(dǎo)管40施加在所述發(fā)電機(jī)上的結(jié)構(gòu)負(fù)載、減小因?qū)Ч?0的流體力學(xué)拖曳、減小導(dǎo)管40的制造、部署和維護(hù)/更換費(fèi)用、減小導(dǎo)管40的整體深度和長(zhǎng)帶、減小下游紊流的發(fā)生，這些還可以理想地減小上游發(fā)電機(jī)單元對(duì)一個(gè)或多個(gè)下游單元的影響，這些發(fā)電機(jī)單元設(shè)置為發(fā)電機(jī)陣列或者是發(fā)電廠設(shè)置，從而提供對(duì)單向流體流動(dòng)資源的優(yōu)化利用。
因此，導(dǎo)管40的喇叭形開(kāi)口特征或發(fā)散的直徑可以由幾何關(guān)系描述，所述幾何關(guān)系最大化了該導(dǎo)管的擴(kuò)散效率。在一個(gè)實(shí)施例中，入口 42在剖視圖中為基本上圓形，而出口 44為橢圓形。圖2示出了導(dǎo)管40的內(nèi)表面的輪廓，從該導(dǎo)管的喇叭形開(kāi)口部分到下游或出口邊。導(dǎo)管40的設(shè)計(jì)參數(shù)已經(jīng)確定，在此所公開(kāi)的呈現(xiàn)優(yōu)化的流動(dòng)性能，從而呈現(xiàn)優(yōu)化的發(fā)電性能。在1. 5彡α/β彡2. 5時(shí)導(dǎo)管40呈現(xiàn)優(yōu)化的性能范圍，其中α和β如以下所定義。β是從渦輪10的中央縱軸偏向到穿過(guò)兩個(gè)點(diǎn)的線的夾角，如圖2所示，第一點(diǎn)為導(dǎo)管40的喇叭形開(kāi)口區(qū)域的起始點(diǎn)，第二點(diǎn)為在第一點(diǎn)直接下游(沿著的渦輪10的中央縱軸)的點(diǎn)，其位于出口 44末端處導(dǎo)管40的內(nèi)壁上。α是相對(duì)渦輪10的所述縱軸偏向到與出口 44處的導(dǎo)管內(nèi)表面的切線的夾 角。大致如圖2所示，如果α除以β(α/β)小于1. 5，提取的能量減小。如果α除以β大于所述范圍，流體會(huì)分開(kāi)，產(chǎn)生增加的結(jié)構(gòu)拖曳和增加的紊流，這會(huì)影響任意隨后的下游的渦輪單元10。上述限定的關(guān)系還提供便于制造的優(yōu)點(diǎn)，從而提供降低的生產(chǎn)費(fèi)用的優(yōu)點(diǎn)。
操作時(shí)，擴(kuò)散導(dǎo)管40會(huì)產(chǎn)生渦輪提取能量的遞增或增加。至關(guān)重要的是，導(dǎo)管的形狀限定為最大化從給定深度的水提取的能量。因此，擴(kuò)散管可以如圖2-7所示兩端均為圓形或者在出口 44為橢圓形，以最小化豎直高度并同時(shí)如圖8-12所示最大化導(dǎo)管40的擴(kuò)散性能。帶橢圓形出口 44的擴(kuò)散導(dǎo)管40可以在深度受限區(qū)域獲得最大的葉片直徑或者長(zhǎng)度，其具有提高性能的優(yōu)點(diǎn)。擴(kuò)散器40也可以可選地并入一個(gè)或多個(gè)額外特征，即攝入開(kāi)孔、尾部擴(kuò)散開(kāi)孔和入口流動(dòng)增強(qiáng)器，它們會(huì)進(jìn)一步提高該導(dǎo)管的性能。
為了實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的性能，在一些實(shí)施例中導(dǎo)管40的外側(cè)表面上設(shè)有整流罩、凹部或攝入罩46。在一優(yōu)選實(shí)施例中，攝入罩46不位于導(dǎo)管40的外表面的頂部/背部或底部/腹部，而是優(yōu)選地位于側(cè)部表面，以維持用于相對(duì)淺的環(huán)境或者需要避免對(duì)表面和淺的亞表面交通造成撞擊的環(huán)境中低的豎直輪廓。在這樣一個(gè)特定實(shí)施例中，有兩個(gè)罩46，位于導(dǎo)管 40的每個(gè)側(cè)部表面上。每個(gè)罩46包括一位于導(dǎo)管40的上游或攝入端的前部開(kāi)口、封閉的側(cè)部和一頂板，所述頂板逐漸朝著導(dǎo)管40的傾斜匯聚，使得在導(dǎo)管40的尾端或出口端處罩46的頂板鄰近導(dǎo)管40的外表面并與導(dǎo)管40的外表面連續(xù)。在導(dǎo)管40的側(cè)壁上有一開(kāi)口或開(kāi)孔，其優(yōu)選地基本上類似于罩46的頂板的面積。這些開(kāi)孔48的優(yōu)點(diǎn)在于，如圖13-17所示，它們提供額外的流動(dòng)控制而無(wú)須增加導(dǎo)管40的整體尺寸。攝入罩46的開(kāi)口或頂板相對(duì)開(kāi)孔48的相對(duì)大小或面積比會(huì)因?qū)嵤├牟煌煌?，并可以是任意適當(dāng)?shù)某叽纾缈梢曰谝韵乱粋€(gè)或多個(gè)選取流體流動(dòng)速度、渦輪葉片的大小、擴(kuò)散器導(dǎo)管40的尺寸和渦輪出口 42或出口 44的大小，所選取的對(duì)于特定應(yīng)用或者特定渦輪位置的要求是有益的。在一個(gè)實(shí)施例中，技術(shù)(例如計(jì)算流體力學(xué)方法)可以用于確定攝入罩46的開(kāi)口或頂板和開(kāi)孔48的適當(dāng)大小和/或面積比。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，如圖18-22所示，尾部擴(kuò)散開(kāi)口 50設(shè)在導(dǎo)管40的上部和下部，也稱作頂部和底部。因此，導(dǎo)管40尾部邊緣的一部分實(shí)際上偏離朝向?qū)Ч?0的前部區(qū)域。開(kāi)口 50減少因緊隨后擴(kuò)散器40的尾部邊緣的紊流或非層流產(chǎn)生的損失，在一優(yōu)選實(shí)施例中所述尾部邊緣為橢圓形導(dǎo)管40的基本上直的部分。因此，開(kāi)口 50可以提高流動(dòng)擴(kuò)散、減少尾跡并增大渦輪的功率(圖18-22)。在一特定實(shí)施例中，開(kāi)口 50可是適當(dāng)尺寸，使得開(kāi)口 50盡可能減少橢圓形導(dǎo)管40的平的區(qū)域，開(kāi)口 50的形狀限定為連續(xù)輪廓，而無(wú)需過(guò)分犧牲擴(kuò)散導(dǎo)管40的結(jié)構(gòu)完整性。也在一特定實(shí)施例中，如圖23-27所示，提供了導(dǎo)管40表面的入口流動(dòng)增強(qiáng)特征54或流通力學(xué)輪廓。該特征提供入口 42的下邊緣，該下邊緣伸出到導(dǎo)管40的上邊緣前。這種伸出的導(dǎo)管40的下邊緣或傾斜面54改進(jìn)渦輪中的流動(dòng)并增加整體的效率。通過(guò)將流體流動(dòng)近似于均勻流，傾斜表面54增強(qiáng)流經(jīng)渦輪10的流體流動(dòng)。傾斜表面54或鏟形口還允許流動(dòng)逐漸進(jìn)入渦輪10，從而減弱流動(dòng)繞渦輪10轉(zhuǎn)向的趨勢(shì)。為了用于較小的支撐配置，如圖28所示，在一個(gè)變化實(shí)施例中，轂20可以不設(shè)有縱向孔。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，如圖29所示，轂20包括一貫穿的縱向孔和兩個(gè)或多個(gè)附在轂20上的渦輪葉片60。參考圖30，示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的拱形水力渦輪葉片200的立體圖。根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例，水力渦輪葉片200包括位于接近水力渦輪的轂處、并適于連接到該轂(未示出)的葉片根部201。根據(jù)本發(fā)明水力渦輪在一個(gè)實(shí)施例中可以包括二至六個(gè)或更多個(gè)渦輪葉片，這些葉片可以連接到所述渦輪的轂(未示出)以形成一渦輪轉(zhuǎn)子。在一個(gè)實(shí)施例中，所述渦輪轉(zhuǎn)子包括三或四個(gè)渦輪葉片200。示例性渦輪葉片200還包括一遠(yuǎn)離根部201的頂部202。在一實(shí)施例中，渦輪葉片200可以沿葉片跨度并入一扭曲，該扭曲在根部201和頂部202之間徑向向外延伸。在一個(gè)實(shí)施例中，可以根據(jù)在特定水下水流環(huán)境(例如河流或洋流)中應(yīng)用的適當(dāng)性并考慮諸如流體流動(dòng)特性等因素來(lái)確定這種徑向或順翼展方向的扭曲，所述流體流動(dòng)特性可以包括平均速度、速度變化、紊流等。渦輪葉片200還包括一流體動(dòng)力學(xué)輪廓，例如在葉片根部201所示的流體動(dòng)力學(xué)輪廓，以從流體(例如河流和或海洋水流)流經(jīng)所述葉片產(chǎn)生提升力。在一個(gè)實(shí)施例中，葉片200的這種流體動(dòng)力學(xué)輪廓可以包括一拱形輪廓，該拱形輪廓繞所述輪廓的弦不對(duì)稱。在這樣的實(shí)施例中，任何適當(dāng)?shù)墓靶屋喞?例如現(xiàn)有技術(shù)已知的)可以用于渦輪葉片200。特別地，適當(dāng)?shù)墓靶慰梢赃x自已知的拱形輪廓，這些已知的拱形輪廓適于水力渦輪的特定應(yīng)用，例如根據(jù)特定應(yīng)用中普遍的流體流動(dòng)條件確定。參考圖31，示出了圖30所示的、根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的示例性水力渦輪葉片的俯視圖。在圖31中，葉片200的拱形流體動(dòng)力學(xué)輪廓在葉片根部206和葉片頂部207的俯視圖的輪廓線中清楚可見(jiàn)。如上所述，在示例性渦輪葉片200中，葉片輪廓包括一徑向或順翼展方向的扭曲，該扭曲在葉片根部206和葉片頂部207之間延伸，根據(jù)本發(fā)明所述葉片根部鄰近并可以連接到水力渦輪的轂，所述葉片頂部位于所述葉片根部的徑向遠(yuǎn)端，這在圖31中可以清楚看到。參考圖32，示出了圖30所示的、根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的示例性水力渦輪葉片的后視圖。如圖32所示，在一個(gè)實(shí)施例中，水力渦輪葉片還可以包括一順翼展方向或徑向的錐體，該錐體在葉片根部208和葉片頂部209之間延伸。在這樣一個(gè)實(shí)施例中，如圖32所示，渦輪葉片200可以理想地在渦輪葉片根部208有較大的弦尺寸(例如弦較寬)，而在渦輪葉片頂部209有較小的弦尺寸(例如弦較窄)，所述渦輪葉片根部可以位于接近并可以連接到所述水力渦輪的轂，所述渦輪葉片頂部位于葉片根部208的徑向遠(yuǎn)端。參考圖33，示出了圖30所示的、根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的示例性水力渦輪葉片200的側(cè)視圖。如圖33所示，根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例，水力渦輪葉片200還可以包括一順翼展方向或徑向的錐體，該錐體的輪廓厚度位于葉片根部205和葉片頂部210之間。在如圖33所示的這樣一個(gè)實(shí)施例中，渦輪葉片200的流體動(dòng)力學(xué)輪廓的厚度在葉片根部205處比在葉片頂部210處大，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例所述渦輪葉片根部位于接近并可以連接到所述水力渦輪的轂，所述渦輪葉片頂部有相對(duì)較小的流體動(dòng)力學(xué)輪廓厚度。參考圖34，示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的、帶有傾斜的頂部218的水力渦輪葉片211的立體圖。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，水力渦輪葉片211包括一葉片根部219，所述葉片根部適于位于鄰近水力渦輪的轂處并適于連接到這樣的轂(未示出)，以形成渦輪轉(zhuǎn)子，例如包括兩個(gè)到六個(gè)或更多個(gè)渦輪葉片211的示例性渦輪轉(zhuǎn)子。在一個(gè)實(shí)施例中，該渦輪轉(zhuǎn)子可以包括三個(gè)或五個(gè)渦輪葉片211。示例性渦輪葉片211還包括一傾斜的頂部218，所述頂部位于根部219的遠(yuǎn)端。傾斜的頂部218包括葉片211的遠(yuǎn)端長(zhǎng)度的至少一部分，所述遠(yuǎn)端長(zhǎng)度包括葉片211的特別尖的部分。在一個(gè)實(shí)施例，傾斜的頂部218朝向?yàn)橄鄬?duì)渦輪葉片211的長(zhǎng)度的其余主要部分成二面角。在一特定實(shí)施例中，這樣的將傾斜的頂部218從渦輪葉片211分開(kāi)的二面角可以例如是約2至40度之間。可選地，渦輪葉片211可以并入一沿渦輪葉片211跨度的扭曲，所述扭曲在所述根部219和傾斜的頂部218之間徑向向外延伸。類似于上面的描述，在一個(gè)實(shí)施例中，可以根據(jù)在特定水下水流環(huán)境(例如河流或洋流)中應(yīng)用的適當(dāng)性并考慮諸如流體流動(dòng)特性等因素來(lái)確定這種徑向或順翼展方向的扭曲，所述流體流動(dòng)特性可以包括平均速度、速度變化、紊流等。也類似于上面的描述，渦輪葉片211還包括一流體動(dòng)力學(xué)輪廓，例如在葉片根部219所示的流體動(dòng)力學(xué)輪廓，以從流體(例如河流和或海洋水流)流經(jīng)所述葉片產(chǎn)生提升力。在一個(gè)實(shí)施例中，葉片219的這種流體動(dòng)力學(xué)輪廓可以包括一拱形輪廓，該拱形輪廓繞所述輪廓的弦不對(duì)稱。在這樣的實(shí)施例中，任何適當(dāng)?shù)墓靶屋喞?例如現(xiàn)有技術(shù)已知的)可以用于渦輪葉片219，例如根據(jù)特定應(yīng)用中普遍的流體流動(dòng)條件確定。
參考圖35，示出了圖34所示的、根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的示例性水力渦輪葉片的俯視圖。在圖35中，葉片根部215和傾斜的葉片頂部214在剖視圖的輪廓線中可以看到葉片211的拱形的流體輪廓。如上面所描述，在一個(gè)可選實(shí)施例中，渦輪葉片211的葉片輪廓可以包括一順翼展方向或徑向的扭曲，該扭曲在葉片根部215和傾斜的葉片頂部214之間延伸，根據(jù)本發(fā)明，所述葉片根部鄰近并可以連接到水力渦輪的轂，所述葉片頂部位于所述葉片根部的遠(yuǎn)端并以相對(duì)渦輪葉片211的主要部分成二面角或傾角的方式對(duì)齊，這可以從圖35看出。參考圖36，示出了圖34所示的、根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的示例性水力渦輪葉片的主視圖。如圖36所示，在一個(gè)實(shí)施例中，水力渦輪葉片211還可以包括一順翼展方向或徑向的錐體，該錐體在葉片根部217和葉片頂部216之間延伸。在這樣一個(gè)實(shí)施例中，如圖32所示，渦輪葉片211可以理想地在渦輪葉片根部217有較大的弦尺寸(例如弦較寬)，而在渦輪葉片頂部216有較小的弦尺寸(例如弦較窄)，所述渦輪葉片根部可以接近并可以連接到所述水力渦輪的轂，所述渦輪葉片頂部位于葉片根部217的徑向遠(yuǎn)端。另外，在一可選實(shí)施例中，葉片頂部216還可以偏置或傾斜朝向葉片211的前緣或后緣，分別形成向前或向后傾斜的葉片211。在一個(gè)這樣的實(shí)施例中，如圖36所示，傾斜的葉片頂部216可以相對(duì)葉片211成一二面角(例如帶向上傾斜)，并可以傾斜或偏置朝向渦輪葉片211的前緣(例如帶向前的傾斜)，并因此稱作帶向上向前傾斜的頂部216的雙傾斜渦輪葉片211。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，雙傾斜渦輪葉片211可以理想地改變流體沿渦輪葉片211的徑向流動(dòng)分布，以提高根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的水力渦輪發(fā)電機(jī)的渦輪葉片211的性能和/或效率。圖37示出了圖34所示的、根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的示例性水力渦輪葉片的側(cè)視圖。如圖37所示，類似于上面的描述，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，水力渦輪葉片211還可以包括一順翼展方向或徑向的錐體，該錐體的輪廓厚度位于葉片根部213和葉片頂部212之間。在如圖37所示的這樣一個(gè)實(shí)施例中，渦輪葉片211的流體動(dòng)力學(xué)輪廓的厚度在葉片根部213處比在葉片頂部212處大，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例所述渦輪葉片根部接近并可以連接到所述水力渦輪的轂，所述渦輪葉片頂部有相對(duì)較小的流體動(dòng)力學(xué)輪廓厚度。圖38示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的、包括前傾葉片221、222的水力渦輪發(fā)電機(jī)220的剖視圖。水力渦輪發(fā)電機(jī)220包括一外導(dǎo)管或殼體224和一內(nèi)轂225，所述內(nèi)轂包括一穿過(guò)所述內(nèi)轂225軸向延伸的中央孔223，以例如允許流體或海洋生物通過(guò)所述內(nèi)轂225。從圖38可以看出，渦輪葉片221和222在根部連接所述內(nèi)轂225，以提供多葉片水力渦輪轉(zhuǎn)子。另外，在圖38所示的實(shí)施例中，渦輪葉片221和222以朝向渦輪220的前部或上游側(cè)(即朝向渦輪轂225的上游端)的前傾角連接至渦輪轂225。在這樣一個(gè)實(shí)施例中，在水下水流環(huán)境中，在使用渦輪220時(shí)，渦輪葉片221和222連接渦輪轂的前傾角可以理想地起到調(diào)整沿渦輪葉片221和222的流體徑向流動(dòng)分布的作用，以提高水力渦輪220的渦輪葉片221和222的性能和/或效率。圖39示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的、包括多個(gè)珠狀表面特征233、234的拱形渦輪葉片的立體圖。水力渦輪葉片230包括葉片根部232，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所述葉片根部設(shè)置為位于接近水力渦輪的轂并連接所述轂(未示出)，以形成一渦輪轉(zhuǎn)子，例如包括兩個(gè)到六個(gè)或更多個(gè)渦輪葉片230的示例性渦輪轉(zhuǎn)子。類似于上述的其他例子，在一個(gè)實(shí)施例中，水力渦輪轉(zhuǎn)子包括三個(gè)或五個(gè)渦輪葉片230。
示例性渦輪葉片230還包括一頂部231，所述頂部位于根部232的遠(yuǎn)端、葉片230的徑向最遠(yuǎn)處?？蛇x地，渦輪葉片230可以沿葉片230的跨度并入一扭曲，該扭曲在根部232和頂部231之間徑向向外延伸。類似于上面的描述，在一個(gè)實(shí)施例中，可以根據(jù)在特定水下水流環(huán)境(例如河流或洋流)中應(yīng)用的適當(dāng)性并考慮諸如流體流動(dòng)特性等因素來(lái)確定這種徑向或順翼展方向的扭曲，所述流體流動(dòng)特性可以包括平均速度、速度變化、紊流等。渦輪葉片230還包括一流體動(dòng)力學(xué)輪廓，例如在葉片根部232所示的流體動(dòng)力學(xué)輪廓，以從流體(例如河流和或海洋水流)流經(jīng)所述葉片產(chǎn)生提升力。如圖39所示，在一個(gè)實(shí)施例中，葉片230的這種流體動(dòng)力學(xué)輪廓可以包括一拱形輪廓，該拱形輪廓繞所述輪廓的弦不對(duì)稱。另外，在一個(gè)實(shí)施例中，葉片230的這種流體動(dòng)力學(xué)輪廓可以理想地包括兩個(gè)或多個(gè)珠狀表面特征，例如233和234。優(yōu)選地，所述多個(gè)珠狀表面特征233和234可以位于流體動(dòng)力學(xué)輪廓的低壓或吸入側(cè)，至少一個(gè)珠狀表面特征233位于朝向流體動(dòng)力學(xué)輪廓的上游或前緣，至少一個(gè)珠狀表面特征234相對(duì)第一特征233位于下游或朝向流體動(dòng)力學(xué)輪廓的后緣。這樣，示例性帶珠狀表面特征的渦輪葉片230的多個(gè)珠狀表面特征233和234可以在操作時(shí)理想地對(duì)葉片的低壓或吸入側(cè)提供基本上層流流動(dòng)條件的改進(jìn)的再附著，以例如在沿渦輪230的弦在更長(zhǎng)距離的下游鄰近葉片230處維持低壓條件。在另一個(gè)實(shí)施例中，所述多個(gè)珠狀表面特征233和234還可以理想地在鄰近葉片230的低壓或吸入側(cè)的流體流中提供降低的紊流，以理想地在葉片230的對(duì)側(cè)或高壓側(cè)維持相對(duì)高壓的流體流動(dòng)，從而在使用時(shí)在流動(dòng)流體環(huán)境中提高提升力和/或降低渦輪葉片230的拖曳特性。在一個(gè)這樣的實(shí)施例中，如圖39所示，所述多個(gè)珠狀表面特征233和234可以包括多個(gè)弄圓的凸曲線或者從葉片輪廓的低壓或吸入側(cè)的突起，并理想地沿渦輪葉片230的基本上整個(gè)跨度、從根部232朝向頂部231延伸。在另一個(gè)實(shí)施例中，所述多個(gè)珠狀表面特征233和234可以僅沿渦輪葉片230的整個(gè)跨度的一部分朝向頂部231延伸。在一個(gè)可選實(shí)施例中，諸如特征233和234的多個(gè)珠狀葉片表面特征可以包括任意數(shù)量的珠狀特征，這在特定操作環(huán)境中對(duì)改進(jìn)渦輪葉片的性能可能是理想的。在又一個(gè)實(shí)施例中，渦輪葉片230可以包括多個(gè)位于葉片230的高壓側(cè)的珠狀表面特征，例如至少一個(gè)珠狀表面特征朝向流體動(dòng)力學(xué)輪廓的上游或前緣位于葉片230的壓力側(cè)上，至少一個(gè)珠狀表面特征相對(duì)第一特征位于相對(duì)下游或朝向流體動(dòng)力學(xué)輪廓的后緣。在一個(gè)可選實(shí)施例中，這些珠狀表面特征可以僅僅位于渦輪葉片230的壓力側(cè)上，或者根據(jù)另一個(gè)可選實(shí)施例，渦輪葉片230包括在葉片230的高壓側(cè)和低壓側(cè)上的多個(gè)珠狀表面特征。圖40示出了圖39所示的、根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的示例性水力渦輪葉片230的俯視圖。在圖40中，以俯視圖形式從葉片根部236和葉片頂部235的輪廓線可以看出，葉片230的拱形流體動(dòng)力學(xué)輪廓包括多個(gè)示例性的珠狀表面特征237和238。類似于上面的描述，在一個(gè)可選實(shí)施例中，葉片230的葉片輪廓可以可選地包括一徑向或順翼展方向的扭曲，該扭曲在葉片根部236和葉片頂部235之間徑向延伸，根據(jù)本發(fā)明，所述葉片根部鄰近并可以連接到水力渦輪的轂，所述葉片頂部位于所述葉片根部236的徑向遠(yuǎn)端。在另一個(gè)實(shí)施例中，葉片230的所述多個(gè)珠狀表面特征237和238可以理想地沿渦輪葉片230的基本上整個(gè)跨度、從根部236到頂部235延伸。圖41示出了圖39所示的、根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的示例性水力渦輪葉片230的后視圖。如圖41所示，在一個(gè)實(shí)施例中，水力渦輪葉片230還可以包括一順翼展方向或徑向的錐體，該錐體在葉片根部240和葉片頂部239之間延伸。在這樣一個(gè)實(shí)施例中，如圖41所示，渦輪葉片230可以理想地在渦輪葉片根部240有較大的弦尺寸(例如弦較寬)，而在渦輪葉片頂部239有較小的弦尺寸(例如弦較窄)，所述渦輪葉片根部可以位于接近并可以連接到所述水力渦輪的轂，所述渦輪葉片頂部位于葉片根部240的徑向遠(yuǎn)端。圖42示出了圖39所示的、根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的示例性水力渦輪葉片230的側(cè)視圖。如圖42所示，如上面所描述，根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例，水力渦輪葉片200還可以包括一順翼展方向或徑向的錐體，該錐體的輪廓厚度位于葉片根部242和葉片頂部241之間。在如圖42所示的這樣一個(gè)實(shí)施例中，渦輪葉片230的流體動(dòng)力學(xué)輪廓的厚度在葉片根部242處比在葉片頂部241處大，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，所述渦輪葉片根部位于接近并可以連接到所述水力渦輪的轂，所述葉片頂部有相對(duì)較小的流體動(dòng)力學(xué)輪廓厚度。圖43示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的、包括一錐形末端253的示例性渦輪葉片250的后視圖。與上面參考其他實(shí)施例描述的、在葉片250的弦長(zhǎng)上的、可選的逐漸順翼展方向的徑向錐體相比，渦輪葉片250在錐形末端253處的錐形優(yōu)選更顯著且更局限于葉片末端253的中間區(qū)域。特別地，渦輪葉片250的局域化錐形末端253可以理想地在流體流動(dòng)環(huán)境中、水下使用渦輪時(shí)、在流體流經(jīng)渦輪葉片250的末端時(shí)起到減少末端漩渦強(qiáng)度的作用。這種在流動(dòng)流體中末端漩渦的減少可以理想地提高渦輪葉片250的效率，例如通過(guò)減少葉片250經(jīng)過(guò)所述流體時(shí)受到的拖曳力，并且因此理想地提高渦輪葉片250提取的功率。圖44示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的、包括一前偏置尖錐的示例性渦輪葉片251的后視圖。渦輪葉片251在錐形尖部255處的尖錐偏置朝向葉片251的前緣257并與葉片251的前緣257成一基本上銳角。類似于上面參考圖43所述，與位于根部256和頂部255之間的、在葉片251的弦長(zhǎng)上的、可選的逐漸順翼展方向的徑向錐體相比，渦輪葉片251在錐形末端255處的錐形優(yōu)選更顯著且更局限于葉片末端255的中間區(qū)域。也類似于上面所述，渦輪葉片251的局域化的、向前偏置的錐形末端255可以理想地在流體流經(jīng)渦輪葉片251的末端時(shí)起到減少末端漩渦強(qiáng)度的作用。圖45示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的、包括一后偏置尖錐的示例性渦輪葉片252的后視圖。渦輪葉片252在錐形尖部259處的尖錐偏置朝向葉片252的后緣257，所述后緣與所述前緣258相對(duì)。因此，向后偏置的錐尖與葉片252的后緣成一基本上銳角。類似于上面參考圖43、44所述，與位于根部260和頂部259之間的、在葉片252的弦長(zhǎng)上的、可選的逐漸順翼展方向的徑向錐體相比，渦輪葉片252在錐形末端259處的錐形優(yōu)選更顯著且更局限于葉片末端259的中間區(qū)域。也類似于上面所述，渦輪葉片252的局域化的、向后偏置的錐形末端259可以理想地在流體流經(jīng)渦輪葉片252的末端時(shí)起到減少末端漩渦強(qiáng)度的作用。圖46示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的、帶有磁發(fā)電機(jī)和軸承的水力渦輪發(fā)電機(jī)300的剖視不意圖。水力潤(rùn)輪發(fā)電機(jī)300包括一單側(cè)軸流永磁發(fā)電機(jī)和一外殼或擴(kuò)散管302，所述擴(kuò)散管將單向流體流301導(dǎo)向通過(guò)渦輪發(fā)電機(jī)300并經(jīng)過(guò)渦輪葉片310。渦輪葉片310連接到一渦輪轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，所述渦輪轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)包括一外軸承套圈311和多個(gè)轉(zhuǎn)子永磁體314，所述轉(zhuǎn)子永磁體優(yōu)選繞所述渦輪轉(zhuǎn)子的外周基本上均勻分布。轉(zhuǎn)子永磁體314連接一轉(zhuǎn)子鐵軛(back-1ron) 315,所述轉(zhuǎn)子鐵軛用于封閉順序的多個(gè)轉(zhuǎn)子永磁體314之間的磁力線。通過(guò)中央防磨擦軸承312，所述渦輪轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)可轉(zhuǎn)動(dòng)地連接到中央的渦輪轂結(jié)構(gòu)的外軸承套圈311并可以繞中央軸304轉(zhuǎn)動(dòng)。所述中央的渦輪轂結(jié)構(gòu)也包括多個(gè)層壓的鐵質(zhì)定子電樞316，所述定子電樞優(yōu)選繞所述渦輪轂的外周基本上均勻分布。定子電樞316中的每一個(gè)包括一發(fā)電機(jī)定子繞組317，所述繞組優(yōu)選基本上容裝在定子電樞316內(nèi)。通過(guò)任何適當(dāng)?shù)臋C(jī)械連接303，包括多個(gè)定子電樞316的所述渦輪轂結(jié)構(gòu)和靜止的內(nèi)軸承套圈313機(jī)械式連接到的所述外殼或擴(kuò)散管302。在一個(gè)實(shí)施例中，渦輪葉片310可以包括任何適當(dāng)?shù)娜~片設(shè)計(jì)，以用于單向流體流動(dòng)渦輪，例如但不限于上面所述的渦輪葉片。在另一個(gè)實(shí)施例中，擴(kuò)散管302可以包括任何適當(dāng)?shù)膶?dǎo)管或殼體設(shè)計(jì)，以用于單向流體流動(dòng)渦輪，例如但不限于上面詳細(xì)描述的導(dǎo)管設(shè)計(jì)。而且，在一個(gè)實(shí)施例中，轉(zhuǎn)子鐵軛315可以包括層壓或澆鑄的鐵軛組合，例如適于封閉多個(gè)轉(zhuǎn)子永磁體314之間的磁力線。使用時(shí)浸入單向流體流動(dòng)環(huán)境中，穿過(guò)渦輪發(fā)電機(jī)300的流體流動(dòng)301可以轉(zhuǎn)動(dòng)渦輪轉(zhuǎn)子的葉片310，所述渦輪轉(zhuǎn)子也使轉(zhuǎn)子永磁體314相對(duì)定子電樞316轉(zhuǎn)動(dòng)。通過(guò)流體流動(dòng)301的這種對(duì)渦輪葉片310的轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生軸向葉片推力305，所述推力通過(guò)流體流向葉片而施加在渦輪葉片310或渦輪轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)上，并且所述推力朝向下游方向。轉(zhuǎn)子永磁體314相對(duì)定子電樞316和定子繞組317的轉(zhuǎn)動(dòng)在定子繞組317內(nèi)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，其理想地提供在轉(zhuǎn)子磁體314和定子電樞316之間的單個(gè)空隙內(nèi)轉(zhuǎn)化穿過(guò)機(jī)械支撐系統(tǒng)311-312-313的流體流動(dòng)301的機(jī)械能的手段，并且隨后用于在定子繞組發(fā)電，以產(chǎn)生電能，所述電能可以從渦輪發(fā)電機(jī)300通過(guò)例如到電源供應(yīng)和分配網(wǎng)的連接以用于電負(fù)荷。所述渦輪發(fā)電機(jī)300可以理想地用于水下水流環(huán)境，其中轉(zhuǎn)子磁體314和定子電刷316之間的空隙在外圍流體的沖刷下，例如在河流或海洋環(huán)境中的河流和海水，因此在轉(zhuǎn)子/定子發(fā)電機(jī)間隙并不需要可能昂貴的、容易發(fā)生故障的密封設(shè)置。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，和基本上所有轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械類似，單向渦輪發(fā)電機(jī)300在浸入流體流動(dòng)環(huán)境轉(zhuǎn)動(dòng)使用時(shí)會(huì)受到各種嚴(yán)峻的負(fù)載。渦輪轉(zhuǎn)子軸承311-312-313受到的力和動(dòng)量傳遞給渦輪轂和/或支撐結(jié)構(gòu)。所述軸承結(jié)構(gòu)311-312-313優(yōu)選浸入苛刻的水環(huán)境或海洋環(huán)境操作，并且可能使用很長(zhǎng)時(shí)間，例如在維護(hù)或更換間隔之間。圖46所示的本發(fā)明的軸承結(jié)構(gòu)311-312-313為包含在渦輪轂內(nèi)的主支撐元件。因此，渦輪轉(zhuǎn)子/轂軸承組合311-312-313必須能夠適應(yīng)下列組合負(fù)載渦輪轉(zhuǎn)子的徑向負(fù)載309 (轉(zhuǎn)子的重量)，其由所述支撐組合施加在渦輪轉(zhuǎn)子上的徑向力308平衡；由渦輪葉片310和電磁場(chǎng)產(chǎn)生的軸向推力負(fù)載305 ;以及可能的瞬時(shí)的扭力負(fù)載和傾斜動(dòng)量。所述軸承組合311-312-313也必須理想地在振動(dòng)環(huán)境操作，其中例如因?yàn)榱黧w流動(dòng)301穿過(guò)渦輪發(fā)電機(jī)300而出現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)、線性加速和振蕩。而且，對(duì)于渦輪發(fā)電機(jī)300，所述軸承組合311-312-313的選擇和設(shè)置優(yōu)選出于減少摩擦扭矩的目的，因此增加水力渦輪發(fā)電機(jī)300的整體發(fā)電效率。另外，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，發(fā)電機(jī)300和軸承組合311-312-313的可靠性和延長(zhǎng)的壽命也很重要，以維持系統(tǒng)的完整性直至計(jì)劃的維護(hù)或更換完成。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，渦輪發(fā)電機(jī)300理想地包括一混合軸承組合，其中軸承功能的至少一部分由渦輪磁發(fā)電系統(tǒng)提供。在一個(gè)這樣的設(shè)置中，渦輪發(fā)電機(jī)并入一兩件式磁性和防磨擦軸承。在一可選實(shí)施例中，一第三流體動(dòng)力學(xué)軸承部件也并入渦輪發(fā)電機(jī)軸承系統(tǒng)。可以理解，在其他實(shí)施例中有軸承系統(tǒng)部件的各種組合，其中兩個(gè)和多個(gè)混合軸承系統(tǒng)部件可以接合，以產(chǎn)生一特定的混合軸承組合，以用于實(shí)現(xiàn)上述支撐負(fù)載部件的一些和全部功能。在又一實(shí)施例中，一個(gè)軸承部件可以主要依靠的，而并入的另一個(gè)軸承部件意在提供額外的和/或備用的軸承功能。在一個(gè)實(shí)施例中，渦輪發(fā)電機(jī)300的轉(zhuǎn)子永磁體314功能是引入渦輪定子(或轂)的定子繞組317中的電勢(shì)并永久地磁性吸引定子電樞316，從而提供永久的軸向朝向的磁吸引力306，所述磁吸引力相對(duì)流體流動(dòng)301朝向上游方向，從而用于至少部分平衡渦輪葉片310上施加的向下游的軸向推力305。因此，渦輪發(fā)電機(jī)300的軸承結(jié)構(gòu)311-312-313可以理想地僅需承受渦輪葉片軸向推力305的減少后的部分，所述軸承組合因此僅施加減小后的軸向軸承力307，以完全平衡渦輪操作時(shí)所述軸向推力305的大小。在目前的混合磁力/防磨擦軸承設(shè)置中，通過(guò)軸承組合311-312-313施加的所述軸向軸承力307的大小的這種減小可以理想地導(dǎo)致機(jī)械防磨擦軸承組合311-312-313的減小的磨擦和磨損，因此提供效率、使用壽命和/或可靠性提高的軸承系統(tǒng)。而且，轉(zhuǎn)子磁體314和定子電樞316之間的軸向磁吸引軸承力306的大小對(duì)于下列變化相對(duì)不敏感渦輪轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)速度的變化、流體流動(dòng)301速度的變化和施加在發(fā)電機(jī)繞組317的外部電負(fù)載的變化。在另一個(gè)實(shí)施例中，軸向磁吸引軸承力306的大小也可以理想地對(duì)于在渦輪轉(zhuǎn)子中的轉(zhuǎn)子磁體314的磁極的順序或朝向(N-S或S-N等)基本上不敏感。在另一實(shí)施例中，兩件式磁力防磨擦軸承系統(tǒng)可以包括一軸流永磁發(fā)電機(jī)部件和一防磨擦軸承部件。在這樣一實(shí)施例中，軸流發(fā)電機(jī)的永磁體轉(zhuǎn)子之間的徑向朝向的磁吸引力可以理想地用于提供至少一部分徑向軸承力，以支撐渦輪轉(zhuǎn)子的徑向重量。在這樣的設(shè)置中，混合徑向磁力軸承和防磨擦軸承系統(tǒng)可以理想地減小整個(gè)發(fā)電機(jī)和混合軸承系統(tǒng)的徑向大小，例如理想地可以用于水深受限和流體力學(xué)上優(yōu)選小徑向大小的發(fā)電機(jī)/軸承系統(tǒng)的環(huán)境中。在又一可選實(shí)施例中，兩件式磁力防磨擦軸承系統(tǒng)可以包括一角通量(angular-flux)永磁發(fā)電機(jī)部件和一防磨擦軸承部件。在這樣一實(shí)施例中，角流永磁發(fā)電機(jī)可以設(shè)置使得永磁體轉(zhuǎn)子和發(fā)動(dòng)機(jī)的定子元件之間的平面相對(duì)水力渦輪發(fā)電機(jī)的縱軸成一銳角，使得轉(zhuǎn)子和定子元件之間磁吸引力包括軸向和徑向分量。因此，這種軸向和徑向磁吸引力可以理想地提供軸向和徑向軸承力的至少一部分，支撐受軸向和徑向負(fù)載的渦輪轉(zhuǎn)子。另外，在又一可選實(shí)施例中，角流磁發(fā)電機(jī)相對(duì)渦輪發(fā)電機(jī)的縱軸的角度可以理想地優(yōu)化，使得所得的發(fā)電機(jī)的軸向磁吸引力可以幾乎抵消渦輪葉片軸向推力。因此，這種設(shè)置可以理想地減少機(jī)械防磨擦軸承部件在軸向和徑向上的摩擦和相關(guān)的磨損，因而可以理想地提供效率、使用壽命和/或可靠性提高的兩件式磁力防磨擦軸承系統(tǒng)。圖47示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)可選實(shí)施例的水力渦輪的防磨擦軸承的剖視圖，其并入了磁力和防磨擦混合軸承功能。在這樣一個(gè)實(shí)施例中，防磨擦軸承401安裝在位于渦輪轂410上游部分和下游渦輪轂結(jié)構(gòu)404之間的一個(gè)靜止的桿408上，并適于例如通過(guò)保持螺母或螺栓406和/或保持環(huán)402夾住或保持定位。渦輪發(fā)電機(jī)定子芯411包括定子電樞和繞組并安裝在基本上剛性的定子板409上，以提供一基本上剛性的定子盤。渦輪轉(zhuǎn)子永磁體套圈407包括所述轉(zhuǎn)子永磁體并安裝在渦輪轉(zhuǎn)子(或渦輪葉片環(huán))405內(nèi)，其支撐防磨擦軸承401。防磨擦軸承401支撐來(lái)自渦輪轉(zhuǎn)子405 (其包括渦輪葉片403和轉(zhuǎn)子磁體407的組合)的重量的整個(gè)徑向負(fù)載，其還支撐渦輪葉片403的軸向推力負(fù)載的剩余部分，所述剩余部分沒(méi)有被轉(zhuǎn)子磁體407和定子芯411之間的軸向磁吸引力磁性補(bǔ)償。
在渦輪發(fā)電機(jī)單元沒(méi)有操作時(shí)，圖47所示的防磨擦軸承401通過(guò)渦輪轉(zhuǎn)子磁體407和渦輪定子芯(即定子電樞)411之間的軸向磁吸引力有效地軸向預(yù)加載。一旦由于流體流經(jīng)渦輪葉片403的力而渦輪發(fā)電機(jī)開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，在連續(xù)的流中轉(zhuǎn)動(dòng)操作中，施加在渦輪葉片403上的軸向推力有效地軸向卸載防摩擦軸承401，減小需要被防磨擦軸承401支撐的軸向平衡力。如圖47所示的實(shí)施例的混合磁力/防磨擦軸承設(shè)置在操作時(shí)，防磨擦軸承401的這種減小的負(fù)載因此可以有益地導(dǎo)致防磨擦軸承401減小的摩擦和磨損，并因此可以理想地提供效率、使用壽命和/或可靠性提高的防磨擦軸承以及最終的水流渦輪發(fā)電機(jī)。在圖47所示的實(shí)施例中，防摩擦軸承401的部件，包括軸承套圈、滾動(dòng)/滑動(dòng)軸承元件、軸承罩等，可以在全浸沒(méi)狀態(tài)操作，其中這些部件被外圍流體媒介淹沒(méi)，在河流和/或洋流應(yīng)用中外圍流體媒介是淡水和/或海水。因此，在這樣的實(shí)施例中，淹沒(méi)的防磨擦軸承401可以理想地不需要或使用流體密封，所述密封例如用來(lái)防止外圍水或其他流體進(jìn)入，這是因?yàn)檫@樣的流體密封可能昂貴和/或容易發(fā)生故障。因此，防磨擦軸承401可以考慮為在這樣的淹沒(méi)條件下無(wú)潤(rùn)滑操作。因此，在防磨擦軸承401的設(shè)置中可以實(shí)施的密封的出現(xiàn)和目的優(yōu)選限于非接觸型密封(例如但不限于迷宮式密封(labyrinth seals)或保護(hù)罩)，其可以設(shè)計(jì)為將流體入口“過(guò)濾”到軸承，以減少或防止碎片進(jìn)入防磨擦軸承401，但不阻止流體淹沒(méi)防磨擦軸承401。在一個(gè)實(shí)施例中，任何類型的適于長(zhǎng)期浸沒(méi)的可以用作防磨擦軸承401。在一個(gè)特定實(shí)施例中，防磨擦軸承401可以包括完全陶瓷軸承，其中所有軸承部件包括陶瓷材料，例如但不限于Si3N4。但是，在其他實(shí)施例中，也可以使用軸承材料的混合組合，例如陶瓷球和合金和/或帶涂層的套圈，用于防磨擦軸承401。在又一個(gè)可選實(shí)施例中，渦輪轉(zhuǎn)子組合407 (包括轉(zhuǎn)子永磁體)和定子芯411 (包括定子電樞)之間的機(jī)械空隙可以理想地適當(dāng)隔開(kāi)和/或調(diào)節(jié)，使得產(chǎn)生額外的流體動(dòng)力學(xué)推力，其朝向渦輪葉片的軸向推力的方向。這樣的流體動(dòng)力學(xué)推力因此可以理想地減小防磨擦軸承401上的轉(zhuǎn)子磁體的吸引力產(chǎn)生的任何軸向磁負(fù)載的大小。在這樣一個(gè)實(shí)施例中，定子芯和定子電樞411可以設(shè)計(jì)為流體動(dòng)力學(xué)推力墊，渦輪轉(zhuǎn)子405的渦輪轉(zhuǎn)子表面和轉(zhuǎn)子磁體組合407可以設(shè)計(jì)為流體動(dòng)力學(xué)軸承的流體動(dòng)力學(xué)推力墊圈。另外，在一個(gè)可選實(shí)施例中，防磨擦軸承保持環(huán)402可以設(shè)計(jì)為彈簧元件，因此允許防磨擦軸承401在操作時(shí)響應(yīng)軸承力在軸向沿軸承桿408排水(displace)。這種軸向排水可以動(dòng)態(tài)變化轉(zhuǎn)子和定子元件407和411之間的空隙，從而提供對(duì)可選的流體動(dòng)力學(xué)軸承的軸承支撐能力的調(diào)節(jié)，并從而允許控制防磨擦軸承401的負(fù)載。圖48示出了根據(jù)本發(fā)明又一個(gè)可選實(shí)施例的水力渦輪的防磨擦軸承組合的剖視圖。圖48所示的防磨擦軸承組合代表另一種設(shè)置，其中軸承的外套圈包括定子芯411和定子板409并適于保持靜止，而軸承的內(nèi)套圈適于保持轉(zhuǎn)動(dòng)，所述內(nèi)套圈包括渦輪葉片403、磁套圈407、轉(zhuǎn)子405、軸408和保持環(huán)402。圖48所示的防磨擦軸承的所有其他部件基本上如上面參考它們的附圖標(biāo)記所述。圖49示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)可選實(shí)施例的水力渦輪的流體動(dòng)力學(xué)軸承的剖視圖，其并入了磁力和防磨擦混合軸承功能。在這樣的實(shí)施例中，適當(dāng)?shù)牧黧w膜流體動(dòng)力學(xué)軸承451用于替代前述類似實(shí)施例的防磨擦軸承。流體動(dòng)力學(xué)軸承451安裝在渦輪轂的上游部分457和下游渦輪轂結(jié)構(gòu)453之間的靜止軸之上。在本實(shí)施例中，渦輪發(fā)電機(jī)定子芯458包括定子電樞和繞組并安裝在基本上剛性的定子板456上，以提供基本上剛性的定子盤。渦輪轉(zhuǎn)子永磁體套圈455包括多個(gè)轉(zhuǎn)子永磁體并安裝在渦輪轉(zhuǎn)子(或渦輪葉片環(huán))454內(nèi)，所述渦輪轉(zhuǎn)子連接到渦輪葉片452并支撐流體動(dòng)力學(xué)軸承451。流體動(dòng)力學(xué)軸承451支撐來(lái)自渦輪轉(zhuǎn)子454 (其包括渦輪葉片452和轉(zhuǎn)子磁體455的組合)的重量的全部徑向負(fù)載，它還支撐渦輪葉片452的軸向推力負(fù)載余下的部分，所述余下的部分沒(méi)有被轉(zhuǎn)子磁體455和定子芯458之間的軸向磁吸引力所補(bǔ)償。渦輪轉(zhuǎn)子454在上游側(cè)受到定子芯和電樞458軸向的限制，并在下游側(cè)受到下游推力板461的限制，所述定子芯和電樞458作為軸向推力墊，所述推力板可以由任何適當(dāng)?shù)牟牧现瞥?，例如但不限于防磨擦或低摩擦材料。在渦輪發(fā)電機(jī)單元沒(méi)有操作時(shí)，圖49所示的流體動(dòng)力學(xué)軸承451通過(guò)渦輪轉(zhuǎn)子磁體455和渦輪定子芯(即定子電樞)458之間的軸向磁吸引力有效地軸向預(yù)加載。一旦由于流體流經(jīng)渦輪葉片452的力而渦輪發(fā)電機(jī)開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，在連續(xù)的流中轉(zhuǎn)動(dòng)操作中，施加在渦輪葉片452上的軸向推力有效地軸向卸載流體動(dòng)力學(xué)軸承451，減小需要被流體動(dòng)力學(xué)軸承451支撐的軸向平衡力。如圖49所示的實(shí)施例的混合流體動(dòng)力學(xué)/防磨擦軸承設(shè)置在操作時(shí)流體動(dòng)力學(xué)軸承451的這種減小的負(fù)載因此可以有益地導(dǎo)致流體動(dòng)力學(xué)軸承451表面、鄰近的軸向負(fù)載板和墊的表面減小的摩擦和磨損，并因此可以理想地提供效率、使用壽命和/或可靠性提高的流體動(dòng)力學(xué)軸承以及最終的水流渦輪發(fā)電機(jī)。在替代實(shí)施例中，流體動(dòng)力學(xué)軸承451可以額外包括特征，例如推力表面、流體動(dòng)力學(xué)推力墊和/或擋板表面。而且，渦輪轉(zhuǎn)子454可以可選地至少部分中空或者制成具有浮力，使得任何這樣的浮力可以理想地減小轉(zhuǎn)子454的浸入重量，從而減輕流體動(dòng)力學(xué)軸承451支撐的徑向力。圖50示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的流中水力渦輪發(fā)電廠600的示意圖。示例性的流中水力渦輪發(fā)電廠600包括可以浸入單向流體流動(dòng)環(huán)境604的流中渦輪發(fā)電機(jī)(例如流中渦輪發(fā)電機(jī)601和603)陣列602，用于以可變電壓、變頻信號(hào)形式從中提取電能，環(huán)境例如是河流和/或單向洋流操作環(huán)境604 ;多個(gè)能量轉(zhuǎn)換模組(例如能量轉(zhuǎn)換模組609和618)，用于將流中渦輪發(fā)電機(jī)601和603產(chǎn)生的可變電壓、變頻信號(hào)轉(zhuǎn)化成固定電壓、固定頻率信號(hào)；多個(gè)能量傳輸線(例如能量傳輸線608和619)，將流中渦輪發(fā)電機(jī)601和603中的每一個(gè)連接到不同的能量轉(zhuǎn)換模組609和618，以將前者產(chǎn)生的變壓、變頻信號(hào)傳遞到后者。能量轉(zhuǎn)換模組609和618將固定電壓、固定頻率信號(hào)供應(yīng)給電能分布系統(tǒng)，例如電網(wǎng)612。流中渦輪發(fā)電機(jī)601和603可以包括任何適當(dāng)?shù)目山氲臏u輪發(fā)電機(jī)，其適于在單向流體流動(dòng)環(huán)境中浸入和產(chǎn)生電能并可以操作以以可變電壓和變頻信號(hào)形式從中提取電能。在一個(gè)實(shí)施例中，尤其如圖50所不，流中潤(rùn)輪發(fā)電機(jī)601和603中的每一個(gè)可以有圖46所示的、上面詳細(xì)描述的水流渦輪發(fā)電機(jī)300的特殊結(jié)構(gòu)。在這樣一個(gè)實(shí)施例中，流中渦輪發(fā)電機(jī)601和603的渦輪轉(zhuǎn)子和相應(yīng)的轉(zhuǎn)子永磁體607的通過(guò)流體流動(dòng)604的轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的變壓和變頻信號(hào)通過(guò)它們相應(yīng)的定子發(fā)電機(jī)繞組605和614輸出，細(xì)節(jié)參見(jiàn)結(jié)合附圖46所描述。另外，在這樣一個(gè)實(shí)施例中，為了將流中渦輪發(fā)電機(jī)601和603產(chǎn)生的變壓、變頻信號(hào)傳輸給相應(yīng)的能量轉(zhuǎn)化模組618和609，能量傳輸線608和619中每一個(gè)分別連接至電接頭615和606，用于將流中渦輪發(fā)電機(jī)601和603從它們相應(yīng)的定子發(fā)電機(jī)繞組605和614連接到能量轉(zhuǎn)換模組618和609相應(yīng)的渦輪連接側(cè)610和616。
通過(guò)中間的能量轉(zhuǎn)化模組618和609，能量傳輸線608和619作用為將單獨(dú)的流中渦輪發(fā)電機(jī)601和603產(chǎn)生的電能(即變壓、變頻信號(hào))傳輸給電能分布系統(tǒng)(例如電網(wǎng)612)，所述流中渦輪發(fā)電機(jī)可以浸入流體604的流動(dòng)主體內(nèi)，所述電能分布系統(tǒng)位于干燥的岸邊區(qū)域且通常距離流體604的流動(dòng)主體一段距離。這樣，在用于流中水力動(dòng)能渦輪發(fā)電廠600時(shí)，能量傳輸線608和619部分浸入單向流體流動(dòng)環(huán)境且部分伸出其上。制造能量傳輸線608和619的適當(dāng)材料可以選自本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的可浸入的線纜材料。能量轉(zhuǎn)化模組618和609包括多個(gè)電元件，例如開(kāi)關(guān)裝置、變壓器和動(dòng)力電子設(shè)備和/或控制器，它們是將變壓和變頻信號(hào)轉(zhuǎn)化成在它們電網(wǎng)側(cè)611和617的固定電壓和固定頻率電信號(hào)所必須的，以輸出到電網(wǎng)612，所述變壓和變頻信號(hào)接收自在它們渦輪側(cè)610和616的流中渦輪發(fā)電機(jī)601和603。用于描述流中渦輪發(fā)電機(jī)601和603的陣列術(shù)語(yǔ)“陣列”并不意味著流中渦輪發(fā)電機(jī)601和603彼此設(shè)置的特定順序。例如，在單向流體流動(dòng)環(huán)境604是河流的情形，流中渦輪發(fā)電機(jī)601和603可以跨河流寬度從岸邊613到另一岸邊614隔開(kāi)設(shè)置；或者，流中渦輪601可以相對(duì)陣列602的流中渦輪603設(shè)置在上游或下游。流中流體動(dòng)力渦輪發(fā)電廠600的一個(gè)示例性應(yīng)用可以包括適于近岸發(fā)電的有益應(yīng)用。也就是說(shuō)，在流中渦輪發(fā)電機(jī)601和603位于單向流體流動(dòng)環(huán)境604(例如海洋)和干燥區(qū)域(例如陸地、平臺(tái))之間并靠近一邊緣(例如海岸線613)并浸入前者的情形，流中渦輪發(fā)電機(jī)601和603可以和上面討論的、它自己的單個(gè)能量傳輸線608和619配對(duì)。每個(gè)流中發(fā)電機(jī)和能量傳輸線對(duì)可以看作一個(gè)模組，該模組可以插入相應(yīng)的能量轉(zhuǎn)換模組618和609或從中移除，允許陣列602的大小容易地改動(dòng)，例如但不限于少至兩個(gè)渦輪發(fā)電機(jī)到多個(gè)渦輪發(fā)電機(jī)，所述多個(gè)渦輪發(fā)電機(jī)是給定流體流動(dòng)資源所適合的或所要求的。多個(gè)水力渦輪發(fā)電機(jī)的這種“即插發(fā)電”使得流中渦輪發(fā)電廠600的設(shè)置特別適于離開(kāi)電網(wǎng)的和偏遠(yuǎn)的發(fā)電和分布應(yīng)用。圖51示出了根據(jù)本發(fā)明又一個(gè)實(shí)施例的流中AC(直流)_并聯(lián)水力渦輪發(fā)電廠700的示意圖。示例性的流中水力渦輪發(fā)電廠700包括一可以浸入單向流體流動(dòng)環(huán)境704 (例如河流和/或單向洋流操作環(huán)境)的流中渦輪發(fā)電機(jī)(例如流中渦輪發(fā)電機(jī)701和703，以及任何理想和適當(dāng)數(shù)量的額外的渦輪發(fā)電機(jī))的陣列702，用于以變壓、變頻信號(hào)的形式從中提取電能；一雙向能量轉(zhuǎn)化模組709，其連接到一電力分布系統(tǒng)諸如電網(wǎng)712 ;和至少一能量傳輸線(例如能量產(chǎn)生線708)，其將并聯(lián)的流中渦輪發(fā)電機(jī)701和703中的每一個(gè)連接到雙向能量轉(zhuǎn)化模組709，用以將渦輪發(fā)電機(jī)701、703產(chǎn)生的變壓和變頻電信號(hào)傳輸給能量轉(zhuǎn)化模組709。使用時(shí)，在單向流體流動(dòng)環(huán)境704中為了初始啟動(dòng)流中渦輪發(fā)電機(jī)701和703進(jìn)入轉(zhuǎn)動(dòng)，雙向能量轉(zhuǎn)化模組709用于將電網(wǎng)712供應(yīng)的固定電壓和固定頻率的能量轉(zhuǎn)化成變壓和變頻電信號(hào)，該電信號(hào)初始啟動(dòng)流中渦輪發(fā)電機(jī)701和703，以因此賦予渦輪發(fā)電機(jī)的永磁體轉(zhuǎn)子707的初始轉(zhuǎn)動(dòng)。一旦流中渦輪發(fā)電機(jī)701和703進(jìn)入轉(zhuǎn)動(dòng)，流中渦輪發(fā)電機(jī)701和703通過(guò)它們浸入基本上相同的流體流動(dòng)704而以基本上相同的轉(zhuǎn)動(dòng)速度自然操作。在一個(gè)實(shí)施例中，如果AC-并聯(lián)發(fā)電機(jī)陣列702中的一個(gè)或多個(gè)單個(gè)發(fā)電機(jī)相對(duì)陣列中其余的渦輪發(fā)電機(jī)的共同轉(zhuǎn)動(dòng)速度加速或減速，所述單個(gè)的發(fā)電機(jī)可以有益地自然與所述其余的渦輪自同步，以重新建立同步的并聯(lián)AC發(fā)電操作。因?yàn)榱黧w流動(dòng)704給予渦輪發(fā)電機(jī)陣列802的力的、相對(duì)弱的特征扭矩對(duì)RPM(每分鐘轉(zhuǎn)數(shù))的關(guān)系，這種自然的自同步可以理想地發(fā)生，所述相對(duì)弱是相對(duì)于其他產(chǎn)生能量的主要發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)的基本上不變的特征扭矩對(duì)RPM的關(guān)系來(lái)說(shuō)，所述主要發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)可能都需要發(fā)電機(jī)調(diào)速器來(lái)維持多個(gè)發(fā)電機(jī)之間的同步。而且，在渦輪陣列702在單向流體流動(dòng)環(huán)境操作而單獨(dú)的渦輪發(fā)電單元701和703置于基本上一致的水流環(huán)境704時(shí)，本實(shí)施例中用于AC-并聯(lián)渦輪發(fā)電廠700的示例性渦輪發(fā)電機(jī)703的設(shè)置理想地導(dǎo)致渦輪發(fā)電機(jī)陣列702的直接的機(jī)器操作特征，以提供自然的自同步而無(wú)須調(diào)速器或其他同步電力電子器件，所述渦輪發(fā)電機(jī)包括永磁體渦輪轉(zhuǎn)子707，所述永磁體渦輪轉(zhuǎn)子包括多個(gè)永磁體和相應(yīng)的鐵軛(其可以理想地作為轉(zhuǎn)子罩)。在一個(gè)實(shí)施例中，示例性流中AC-并聯(lián)渦輪發(fā)電廠700可以額外包括多個(gè)斷路裝置，例如設(shè)置為在渦輪發(fā)電機(jī)和能量傳輸線708之間與流中渦輪發(fā)電機(jī)701和703的每一個(gè)串連的斷路器(例如斷路器714和716)。如果在操作時(shí)，任何一個(gè)單個(gè)的流中渦輪發(fā)電機(jī)701或703變得電不平衡或出故障，其可以通過(guò)其串連的斷路器714或716自動(dòng)斷開(kāi)，所述斷路器理想地監(jiān)測(cè)不平衡或出故障的發(fā)電機(jī)的能量流量和/或電流不平衡的程度。故障發(fā)電機(jī)從陣列702的這種斷開(kāi)可以有益地保護(hù)其余發(fā)電機(jī)和其他電力系統(tǒng)部件不受損壞或者其他可能的負(fù)面操作效果。流中AC-并聯(lián)渦輪發(fā)電廠700的設(shè)置在下列應(yīng)用中特別有益發(fā)電廠700的位置距離岸邊713足夠遠(yuǎn)，使用單個(gè)能量傳輸線708經(jīng)濟(jì)上在情理之中，例如在離岸洋流環(huán)境中使用發(fā)電機(jī)陣列702的情形。在這些情形，發(fā)電廠700的設(shè)置可以理想地提供用于大型或公用事業(yè)規(guī)模的渦輪發(fā)電廠。發(fā)電廠700的設(shè)置提供需要很少電力元件的優(yōu)點(diǎn)，因此可以適于在導(dǎo)電和化學(xué)侵蝕環(huán)境中使用，例如長(zhǎng)期浸入的海洋發(fā)電廠。與用于一些傳統(tǒng)發(fā)電廠設(shè)計(jì)的直流(DC)并聯(lián)渦輪相比，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的流中AC-并聯(lián)渦輪發(fā)電廠700并不需要使用一些浸入的直流動(dòng)力電子器件，例如浸入的二極管電橋，所述電子器件長(zhǎng)期浸入使用容易出現(xiàn)故障或性能下降，從而有益地減少了與發(fā)電廠操作和維護(hù)相關(guān)的整體成本。在此描述的示例性實(shí)施例并不意在窮舉或限制本發(fā)明的范圍為在此公開(kāi)的準(zhǔn)確形式。它們被選來(lái)描述和解釋本發(fā)明的原理、應(yīng)用和實(shí)際使用，以允許本領(lǐng)域技術(shù)人員理解其教導(dǎo)?？梢岳斫猓绢I(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)前述的公開(kāi)可以改動(dòng)和修改本發(fā)明。因此，本發(fā)明的范圍由后附的權(quán)利請(qǐng)求書(shū)來(lái)限定。
權(quán)利要求
1.一種由水流發(fā)電的水力渦輪發(fā)電裝置，所述裝置包括 一轉(zhuǎn)子，所述轉(zhuǎn)子包括一轂和多個(gè)從所述轂徑向向外延伸的渦輪葉片；和 一導(dǎo)管，所述導(dǎo)管包括一入口端和一出口端、一內(nèi)表面和一外表面、和一中央縱軸； 其中，α包括在所述渦輪裝置的所述中央縱軸和所述導(dǎo)管的所述內(nèi)表面在所述導(dǎo)管的所述出口端處的切線之間的第一夾角； β包括在所述渦輪裝置的所述中央縱軸和所述導(dǎo)管的喇叭形部分的起始處的第一點(diǎn)和位于所述第一點(diǎn)直接下游的、位于所述導(dǎo)管的所述內(nèi)表面上在所述導(dǎo)管的所述出口端處的第二點(diǎn)之間的線之間的第二夾角； 其中，α /β之比在1.1到2.1之間。
2.如權(quán)利要求1的水力渦輪發(fā)電裝置，其特征在于，所述導(dǎo)管的所述入口端剖面基本上為圓形而所述導(dǎo)管的所述出口端剖面基本上為橢圓形。
3.如權(quán)利要求1或2的水力渦輪發(fā)電裝置，其特征在于，所述導(dǎo)管的豎直尺寸小于所述導(dǎo)管的水平尺寸。
4.如權(quán)利要求1-3之一的水力渦輪發(fā)電裝置，其特征在于，所述導(dǎo)管出口端的橫截面面積和所述導(dǎo)管入口端的橫截面面積之比在1. 2到1. 6之間。
5.如權(quán)利要求1的水力渦輪發(fā)電裝置，其特征在于，所述導(dǎo)管的所述入口端和所述出口端中至少一個(gè)的橫截面為基本上圓形、長(zhǎng)橢圓形、斜圓形、橢圓形或者其組合。
6.如權(quán)利要求1-5之一的水力渦輪發(fā)電裝置，其特征在于，所述出口端的橫截面面積和所述入口端的橫截面面積之比在1. 5到2. 5之間。
7.如權(quán)利要求1-6之一的水力渦輪發(fā)電裝置，其特征在于，所述轂包括一由縱向穿過(guò)所述轂的至少一內(nèi)壁表面限定的縱向孔。
8.如權(quán)利要求1-7的水力渦輪發(fā)電裝置，其特征在于，還包括在所述導(dǎo)管側(cè)面上的至少一攝入罩，所述至少一攝入罩限定至少一在所述導(dǎo)管的外表面和內(nèi)表面之間延伸的攝入孔，使得水流從所述導(dǎo)管的所述外表面導(dǎo)向到所述內(nèi)表面。
9.如權(quán)利要求1-8的水力渦輪發(fā)電裝置，其特征在于，還包括一在所述導(dǎo)管的所述出口端處朝向所述導(dǎo)管的所述入口端的邊緣表面的偏離，使得至少一開(kāi)口限定在所述導(dǎo)管的所述出口端處所述邊緣表面內(nèi)。
10.如權(quán)利要求9的水力渦輪發(fā)電裝置，其特征在于，包括第一所述開(kāi)口和第二所述開(kāi)口，第一所述開(kāi)口在所述導(dǎo)管的所述出口端處所述邊緣表面的頂側(cè)，第二所述開(kāi)口在所述導(dǎo)管的所述出口端處所述邊緣表面的底側(cè)。
11.如權(quán)利要求1-10之一的水力渦輪發(fā)電裝置，其特征在于，所述導(dǎo)管在所述出口端有一前表面，所述表面在側(cè)視圖中是傾斜的，從所述表面的突出的下部前邊緣到所述表面的凹入的上部前邊緣傾斜向內(nèi)朝向所述轂。
12.如權(quán)利要求1-11之一的水力渦輪發(fā)電裝置，其特征在于，所述葉片包括至少一沿它們跨度的傾斜部分。
13.如權(quán)利要求1-12之一的水力渦輪發(fā)電裝置，其特征在于，所述葉片包括至少兩個(gè)沿所述葉片的低壓側(cè)至少一部分的珠狀表面。
14.如權(quán)利要求1-13的水力渦輪發(fā)電裝置，其特征在于，所述葉片中每一個(gè)包括一靠近所述轂的根部和一遠(yuǎn)離所述轂的頂部，所述葉片在弦厚度和弦長(zhǎng)度尺寸中至少一個(gè)上從所述根部朝向所述頂部逐漸變細(xì)。
15.如權(quán)利要求1-14之一的水力渦輪發(fā)電裝置，其特征在于，所述葉片中每一個(gè)包括一靠近所述轂的根部和一遠(yuǎn)離所述轂的頂部，所述葉片包括在所述根部和所述頂部之間沿所述葉片的至少一部分延伸的徑向扭曲。
16.如權(quán)利要求14的水力渦輪發(fā)電裝置，其特征在于，所述錐體偏置朝向所述水力渦輪葉片的前邊緣和后邊緣中的至少一個(gè)。
17.如權(quán)利要求1-16之一的水力渦輪發(fā)電裝置，其特征在于，還包括一單側(cè)軸流磁發(fā)電機(jī)，其中所述磁發(fā)電機(jī)提供一軸向軸承功能，所述軸向軸承功能包括一軸向磁吸引力，所述軸向磁吸引力適于平衡所述水力渦輪發(fā)電機(jī)的軸向負(fù)載的至少一部分。
18.如權(quán)利要求17的水力渦輪發(fā)電裝置，其特征在于，所述磁發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子和定子之間的間隙可以動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)并可以操作以動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)所述軸向磁吸引力。
19.如權(quán)利要求1-18之一的水力渦輪發(fā)電裝置，其特征在于，所述發(fā)電機(jī)還可以作為渦輪泵操作。
20.如權(quán)利要求1-19的水力渦輪發(fā)電裝置，其特征在于，還包括一永磁體發(fā)電機(jī)，其中所述永磁體磁發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子和定子之間的間隙在所述水力渦輪發(fā)電機(jī)浸入操作時(shí)適于被水完全淹沒(méi)。
21.如權(quán)利要求1-20之一的水力渦輪發(fā)電裝置，其特征在于，還包括至少一防磨擦軸承，其中所述至少一防磨擦軸承在所述水力渦輪發(fā)電機(jī)浸入操作時(shí)適于被水完全淹沒(méi)。
22.如權(quán)利要求1-21之一的水力渦輪發(fā)電裝置，其特征在于，還包括一帶永磁體轉(zhuǎn)子的單側(cè)軸流磁發(fā)電機(jī)，其中所述電能包括變壓和變頻的能量信號(hào)，所述發(fā)電機(jī)還可以工作連接到至少一個(gè)其他的這樣的發(fā)電機(jī)和并聯(lián)的至少一能量轉(zhuǎn)換模組，以將所述變壓和變頻的能量信號(hào)轉(zhuǎn)化處固定電壓和固定頻率的能量信號(hào)。
全文摘要
公開(kāi)了一種由水流發(fā)電的渦輪發(fā)電裝置，包括一橢圓截面的導(dǎo)管、攝入罩和開(kāi)孔、后擴(kuò)散開(kāi)口和傾斜表面，以優(yōu)化流動(dòng)和能量特征。還公開(kāi)了一單向渦輪發(fā)電裝置，包括帶一個(gè)和多個(gè)傾斜和/或錐形部分的渦輪葉片，還可選地帶有珠狀表面特征，以提高渦輪發(fā)電機(jī)的效率和性能。還公開(kāi)了帶單側(cè)軸流磁發(fā)電機(jī)的水力渦輪發(fā)電機(jī)，其包括混合磁力/防磨擦軸向軸承組合。還公開(kāi)了多個(gè)渦輪發(fā)電機(jī)設(shè)置，其包括多個(gè)連接到岸上的電力分布系統(tǒng)的單向渦輪發(fā)電機(jī)。
文檔編號(hào)F03B13/10GK103003563SQ201180032220
公開(kāi)日2013年3月27日 申請(qǐng)日期2011年4月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月30日
發(fā)明者鄂普·米特·賽瑞麗, 麥?！·普拉頓, 麥勒·阿特娜索夫·瑞柴夫 申請(qǐng)人:清流合伙有限公司