[发明专利]水电/水力涡轮机及其制造和使用方法

说明书

背景技术

本发明涉及为发电目的而设计的水力涡轮机，以及用于设计和使用这种涡轮机的方法。其进一步涉及在水力涡轮机中使用的某些元件。根据本发明的涡轮机旨在以固定、漂浮、锚定或拖曳的构造被放置在水下、有效水流优选地以约0.25m/s的最小速度流动的任何位置。水流可以是任何类型的来源，尽管通常它由以下一种或多种类型的水流组成：

a)固定、漂浮或锚定在例如在洋流、河流或溪流中具有的连续水流中。

b)固定、漂浮或锚定在例如在潮汐流或季节性流中具有的可以周期地或不规则地改变方向的波动、交替和/或周期性水流中。

c)固定、漂浮或锚定在例如通过填充和排空水库、湖泊、水坝或水闸所创建的机械或自然诱导发生的液流中。

d)该装置可以由船舶或其他装置或方法在水中拖曳以人为地或有效地创建通过该装置的流动。

流水的力量已被人类利用了千年来为许多不同的目的产生各种能量。其已被用于研磨谷物、在工厂中运行机器的皮带驱动应用，并用于机械地驱动许多类型的装置。在过去的150年中，水流已被证明在无数的不同设计和应用中的发电非常有效。

使用永磁铁和铜线圈发电的基本原理今天仍然以许多不同的形式使用，包括使用流水和水轮机来驱动发电机和交流发电机。

大多数洋流是由风引起的，这又是由地球旋转造成的科里奥利力引起的。这些洋流通常受到可以偏转洋流并且在一些情况下加速该洋流的大陆块的位置的影响。洋流还可能由水体密度差异、温度差异或海水盐度的不同而引起。这个星球上的洋流可能是存在的最大的未开发能源。河流也经常被用作一个非常好且有效的能源。

自从技术发展开始以来，在不同程度的成功和效率下，已经进行了许多不同的尝试来获取这种能源。最可获取和最容易用于能源发电的水流是海洋和河流的近岸表面流。水流也可以通过建设水坝和创建水库来积累可以按需利用的大量的水来人为产生。

1882年，世界上第一个水力发电厂位于威斯康星州的阿普尔顿的福克斯河上。到1889年，美国建成了200个电厂，到1920年，水电被用于美国发电的25％，到了1940年的使用量高达40％。今天在美国只有6％-8％的电力来自水力发电。用水力发电设备取代传统的燃煤发电厂能够获得巨大的机会和巨大的环境和成本优势。较旧的水力发电厂的装置大部分位于坝内或坝下，使用坝底部的压力来操作驱动发电机的水轮机。

自从第一次世界大战以来，科学领域(今天被称为流体动力学)已经大幅发展，成为当今用于现代水翼设计的非常精确和有限的科学。水翼(以及也是流体动力学的一部分的机翼)用于各种各样的目的，包括在航空、机动车、船舶中的大多数设计，以及在水力涡轮机中使用的孤立元件。

水力涡轮机可以分为不同的类别或类型。例如，涡轮机可以是双向或单向的。在前一种情况下，涡轮机被限定为可以由在两个轴向上流过涡轮机的水流来操作，例如，被涨潮的潮汐流以及退潮的潮汐流均致动来发电。另一方面，单向涡轮机仅由单个轴向上的水流来驱动。从流体动力学的角度来看，制造双向涡轮机的设计标准比单向涡轮机的情况明显更加受限，即所有设计标准将会在流体流动方向反转时产生不利影响。

对水力涡轮机进行分类的另一种方式在于其轮毂设计，即中心轮毂是闭合还是开放的。传统上，大多数水力涡轮机具有非旋转(相对于涡轮机外罩固定)中心轮毂，其是封闭的或实心的，并且转子叶片围绕其旋转。例如参见以下文件：授予Mouton等人的美国专利3,986,787号，授予Wells的美国专利4,221,538号，授予Lee的美国专利4,313,711号，授予Heuss等人的美国专利4,421,990号，授予Vauthier的美国专利6,168,373号，授予Vauthier的美国专利6,406,251号和授予Susman等人的英国专利2,408,294号。一些设计具有实心的中心轮毂，但是绕径向外转子环和涡轮机罩之间的轴承旋转，例如在Skendrovic的美国专利4,163,904号中所公开的。

最近，一个公司已经寻求这样的水力涡轮机设计，其中由于环境原因设置了开放的中心轮毂，即为海洋生物提供安全的通道。例如参见以下文件：美国专利6,957,947,、7,378,750、8,308,422和8,466,595号。在这些基本上无轮毂的设计中，转子叶片通常在径向内侧安装在内圈构件上，并且在径向外侧安装在外圈构件上，并且在一些设计中，根本不存在内圈构件。这些基本上无轮毂的涡轮机设计都是双向的并且在设计中是轴对称的。