[发明专利]具有混合器和喷射器的水力涡轮机

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2008年4月16日提交的名称为“具有混合器和喷射器的水轮机”的美国临时专利申请No.61/124,397的优先权，其全部公开内容通过引用的方式并入本文。

技术领域

本发明的主题涉及轴流式涡轮机和喷射器系统，诸如：例如为那些用于当浸没在诸如海流、潮汐流、河/溪流及其它液流时提取能量。

背景技术

在此，将从流动的水中提取能量的轴流式水力涡轮机(水轮机)系统称为“水流涡轮机”。水流涡轮机通常包括取向为接收运动的水流的螺旋桨状的装置或“转子”。如图1所示，转子可以无外罩或者容纳在外罩里。当水流撞击转子时，水流在转子上产生的力使转子绕其中心旋转。转子可以通过诸如齿轮、带、链条等联动装置与发电机或机械装置相连。这种涡轮机可用于发电和/或驱动旋转泵或移动机械零件。它们还可以用于大型发电“水流涡轮机场”(也称为“水流涡轮机阵列”)，其包括以几何图形排列的多个这样的涡轮机，该几何图形被设计为能够在使各个这种涡轮机对彼此和/或周围环境的影响最小的情况下实现最大的功率提取。

无外罩的转子在置于宽度和深度比其直径更大的水流中时将流体功率转换为旋转功率的能力被限制为来流功率的59.3％，该值是在1926年由A.Betz所证明的称为“贝兹(Betz)”极限的已被良好证实的理论值。该生产率极限值尤其适用于如图1A所示的常规多叶片轴流式水流涡轮机和潮汐涡轮机。已经尝试使水流涡轮机的性能潜力超过“贝兹”极限。与无外罩的转子相比，适当设计的外罩可使来流在接近转子时加速。因而使来流集中在管道的中央。通常，对于适当设计的转子而言，这种与无外罩的转子相比提高的流速导致转子上的作用力增大，并继而导致与相同尺寸的无外罩转子相比功率提取水平更高。诸如图1B所示的现有的带外罩的水流涡轮机已采用入口集中器和出口扩压器来提高涡轮机转子处的流速。扩压器典型地包括具有沿着轴向长度的开口的管状结构，从而使得管内部的水与管外部的水缓慢、扩散地混合，该扩压器通常需要大的长度以获得良好的性能，并且往往对来流的变化非常敏感。这种长而对流动敏感的扩压器在许多设备中不实用。短的扩压器可能脱流，从而降低系统的能量转换效率。

发明内容

在第一实施例中，提供一种涡轮机系统，其用于从相对于所述涡轮机系统沿引入水流方向运动的水流中提取能量，所述涡轮机系统具有适于指向引入水流方向的入口端和与所述入口端相对的出口端。所述水具有跨所述涡轮机系统的入口端的不均匀的流速分布。所述涡轮机系统包括：转子组件；涡轮机外罩，其具有涡轮机外罩内容积，所述转子组件的至少一部分设置在所述涡轮机外罩内容积中；以及喷射器外罩，其具有喷射器外罩内容积，所述涡轮机外罩的至少一部分设置在所述喷射器外罩内容积中。所述转子组件相对于旋转轴线是轴对称的，并且所述转子组件具有朝向所述入口端的上游转子面。所述涡轮机外罩包括涡轮机外罩入口和涡轮机外罩末端，所述涡轮机外罩入口设置为比转子组件更接近所述入口端，所述涡轮机外罩末端设置为比所述转子组件更接近出口端。所述涡轮机外罩末端包括多个涡轮机外罩混合元件。所述涡轮机外罩入口适于将沿引入水流方向流动的第一体积的水导向所述转子组件，从而由所述第一体积的水使所述转子组件旋转，并且在所述第一体积的水经由所述涡轮机外罩末端从所述涡轮机外罩以较低的能量排到所述喷射器外罩中之间，从所述第一体积的水中提取能量。所述喷射器外罩包括喷射器外罩入口和喷射器外罩末端。所述喷射器外罩入口相对于穿过旋转轴线的平面是不对称的，从而使所述喷射器外罩入口在穿过旋转轴线的平面的低流速侧的横截面面积大于在穿过旋转轴线的平面的高流速侧的横截面面积。所述喷射器外罩末端沿所述水流方向延伸超过所述涡轮机外罩混合元件。