流體轉換元件及包括所述流體轉換元件的機器的製作方法
2023-05-26 14:35:01 1
專利名稱:流體轉換元件及包括所述流體轉換元件的機器的製作方法
技術領域：
本實用新型在其一些實施方式中涉及一種沒有螺旋葉片的渦輪機，更具體地但不絕對地涉及一種用於將線性流轉換成旋轉運動的裝置，其可能用於發電。
背景技術：
人類面對的最大挑戰中的兩種是相互關聯的。傳統的碳基能源(比如石油和煤炭)正在耗盡。此外，基於人類對這些能源的使用產生的生態上的威脅被認為可能對地球上的生命有毀滅性打擊。因此大多數國家的主要目標是尋找人類需要的能源但不明顯地增加大氣中的二氧化碳或其它「溫室氣體」。
兩種最引人注目的可再生能源是太陽能和風能。它們每天提供超過人類活動所需求的能量。也就是說，從經濟上和技術上利用太陽能和風能的能力是非常有價值的。雖然到目前為止已經做出了開發太陽能和風能發電的努力，但是這兩種用於發電的方法在它們對電網的貢獻方面仍然是微小的。
風力發電廠已經在世界各地湧現，其中許多建立在開闊的平原或疾風海洋地區。已經開發出了十億瓦能量工程。大多數的渦輪包括能夠響應於盛行的風而旋轉的螺旋葉片(通常是三個)。轉動的螺旋葉片驅動齒輪箱和發電機來發電。
Donham等人的美國專利號4，297，076描述了一種改進的風力潤輪機,其中葉片頂部的斜度是可變的，並且斜度是周期性改變的，以控制轉子的搖擺並減輕葉片上的彎矩，以及斜度是共同地改變的以減輕葉片上的彎矩並使在選定的恆定轉速下渦輪機的電力輸出最大。
Locastro等人的美國專利號4，362，470描述了一種風力渦輪機，其具有相對於一軸線可轉動的軸以及安裝在軸上的多個葉片，這些葉片布置成風使它們轉動從而使軸轉動。
Sultzbaugh等人的美國專利號5，256，034描述了一種斜度可變的螺旋葉片機構，其包括在三個間隔開的葉片臂上的多個螺旋槳形狀的葉片。
Harman等人的US20080145230描述了一種在需要高輸出並同時具有受約束的風扇尺寸的環境中所使用的軸向流風扇的表面輪廓和轉子。
W02009/051793描述了一種承受應力的結構，其包括一構件，應力施加在該構件上，其中構件內的該應力分散並且其中構件的至少一主要部分的結構具有符合對數曲線的曲率以使應力基本均勻地分布。
Gorlov的美國專利號5，642，984描述了一種螺旋渦輪機組件，其能夠在多方向超低頭流體流下提供高速單向轉動。該組件包括一組豎直或水平布置的螺旋渦輪機單元或者模塊，以例如利用水或風的動力。風動力模塊能安裝到由輕重量結構支撐的可轉動軸上，輕重量結構由牽索錨定到地面。螺旋渦輪機還能通過利用海浪的動力來提供船的推進力。
Becker的美國專利號7，132，760描述了一種混合葉片風力渦輪機裝置，其至少由一對直的外部螺旋槳葉片和一對內部螺旋翼葉片構成，被支撐成用於在安全保護罩結構內轉動，該風力渦輪機能安裝在豎直、水平或其他準直的操作位置上。
Krolick等人的美國專利號4，708, 592描述了一種可摺疊結構，該可摺疊結構包括根據多種方法中的一種由輕重量結構支撐的非剛性螺旋板。
Clark的US20090160194描述了一種用在風力渦輪機中的葉片，葉片具有從風力渦輪機的葉片的轉動中心徑向向外延伸的縱向軸。葉片具有前側和後側，前側具有在上風方向上取向的前表面，後側具有用於在下風方向上取向的後表面。
Aylor的美國專利號5，425，619描述了一種流體能量渦輪機，其具有徑向流轉子，在該轉子中流體驅動式葉片圍繞水平軸周向地分布，在該轉子中設置輔助偏壓出口門，繹用於釋放高流體壓力，從而控制比如在強暴風中的渦輪機速度。
Rangi等人的美國專利號4，082, 479描述了一種用於豎直軸風力潤輪機的超速導流板，這種類型的渦輪機具有直的或彎的螺旋槳葉片，該螺旋槳葉片附連至豎直軸，通過鉸接地安裝在後緣、前緣上或在螺旋槳截面的一部分的中心位置處的相對薄的平坦葉片狀導流板元件而形成該豎直軸。
Townsend的美國專利號5，632，599教導了一種風能渦輪機，其具有圍繞水平轉動軸周向地分布的空氣驅動式葉片，水平轉動軸形成了內部區域，在內部區域中通過引入其中的風而增大的空氣壓力通過這些葉片之間的空間被釋放。
Sullivan的美國專利號4，500, 257描述了一種用於豎直軸風力渦輪機的空氣動力導流板系統，該系統包括在葉片上的導流板，葉片初始地存放在轉子軸附近，以使拖拽力最小化。
Shimmel的美國專利號4，715，782描述了一種液壓速度控制裝置，其用於通過控制轉子制動裝置的配置來限制風力渦輪機的速度，該液壓速度控制裝置包括四個相互流體連接的元件:一個或多個流體缸、安全閥、蓄能器和止回閥。
Hulls的美國專利號5，531，567教導了具有張緊葉片的Darrieus式豎直軸風力渦輪機，其具有用於張緊這些葉片的各個機構。
實用新型內容
因此本實用新型的目的是描述在將線性流能量轉換成轉動能量方面具有改進的效率的方法和裝置。具體地，本實用新型包括實現更有效率的渦輪機的結構和方法，該渦輪機缺少螺旋葉片而是引導流體經過漸縮中空的渦輪機的主體，以實現高的能量轉換效率。
根據本實用新型，提供了用於將流體的流動轉換成轉動的轉換元件，該流體轉換元件包括圍繞轉動軸纏繞的至少兩個敞開的管狀管道，其中至少一個所述管狀管道圍繞所述轉動軸螺旋地纏繞，每個所述管狀管道包括具有各自的入口埠和各自的出口埠的室。
在一些實施方式中，至少一個所述管狀管道的入口埠的橫截面面積大於該管道的出口埠的橫截面面積。
在一些實施方式中，至少其中一個管狀管道的直徑沿著其長度變化。
在一些實施方式中，所述流體屬於風和水中的至少一個。
在一些實施方式中，一種機器包括流體轉換元件，還包括響應於流體轉換元件的換能器。[0026]在該機器的一個方面中，換能器是從由發電機、壓縮機、泵、捕捉器、提升機、鑽機、攪拌機和捏和機構成的組中選出的。
在一些實施方式中，至少一個所述管狀管道是由從由金屬、纖維、木頭、聚合材料、玻璃、織物、合金以及它們的組合構成的組中選出的材料製成的。
根據本實用新型的另一個方面，提供了一種用於將與流體流相關的能量轉換成電的方法,包括:提供流體轉換元件，所述流體轉換元件包括圍繞轉動軸纏繞的至少兩個敞開的管狀管道，其中至少一個所述管狀管道圍繞所述轉動軸螺旋地纏繞並且每個所述管狀管道包括各自的入口埠和各自的出口埠 ；將所述流體轉換元件置於流體流中，從而引起所述流體轉換元件的轉動；將所述轉動轉換成電。
在本實用新型的一個方面中，所述流體屬於風和水中的至少一個。
在一些實施方式中，所述流體轉換元件圍繞所述轉動軸的轉速是可調節的。這可通過擾亂流體的流動或通過打開流體轉換元件的室中的腔或通過改變入口埠或出口埠中的至少一個的面積或通過改變螺旋地纏繞的管狀管道的螺旋角來實現。此外，包括上述流體轉換元件的機器還包括響應於流體轉換元件的轉動的換能器。
除非另有限定，這裡所使用的所有技術和/或科學術語可具有與本實用新型所屬技術領域：
的技術人員通常理解的意思相同的意思。儘管在本實用新型的實施方式的實施或測試中能使用與這裡描述的那些方法和材料類似或等效率的方法和材料，但是下面描述了實例性方法和/或材料。在牴觸的情況下，包括限定的書將進行控制。此外，這些材料、方法和實例只是說明性的，並不意圖進行必要的限制。
這裡僅通過實例參照附圖描述本實用新型的一些實施方式。通過現在特別詳細地參照這些圖，強調了通過實例的方式和出於示出地討論本實用新型的實施方式的的目的而示出了細節。在這方面，結合附圖的描述可以使本領域技術人員清楚本實用新型可以如何實施。在這裡披露的各個實施方式中，類似的元件具有類似的附圖標記，不同的是加上了100的倍數。
在這些圖中:
圖1A-1C是具有三個管的單個「流體轉換元件」的示意圖，強調了本實用新型的獨特方面；
圖2A-2B是具有三個管的單個流體轉換元件的示意圖，其中強調了管的內部方面；
圖3是具有兩個管的流體轉換元件的示意圖，本實用新型的最小形式；
圖4是圖3的流體轉換元件的示意性側視圖；
圖5是用在本實用新型中的可行結構中的具有三個管的流體轉換元件示意圖；
圖6是用作風力渦輪機的流體轉換元件的示意圖,具有發電機的示出；
圖7是用於水力渦輪機的流體轉換元件的示意圖，具有發電機的示出；
圖8是基於多個流體轉換元件基風力渦輪機的風力發電廠的示意圖；以及
圖9是與本實用新型相關的方法的流程圖。
具體實施方式
在如下的描述中，為了提供對本實用新型的徹底的理解闡述了許多具體的細節。但是對於本領域技術人員顯而易見的是本實用新型可以在沒有這些具體細節的情況下實施。在其他情況下，為了使本實用新型清楚而沒有詳細地示出公知的電路和控制邏輯部件。
本實用新型在其一些實施方式中涉及一種沒有螺旋葉片的渦輪機，更特別但不排除地涉及一種用於有效地將風力或水力轉換成電的螺旋系統。
為了有助於更好地理解本實用新型，現在限定特定的術語。
「渦輪機」、「定子」、「轉子」、「發電機」、「風」、「線性力」和「波」或「水波」可以具有它們通常被使用的含義，如在發電機和發動機領域中所理解的。
術語「流體轉換元件」、「敞開的管狀管道」和「管」對本實用新型具有特殊的限定。流體轉換元件或裝置通常指的是圍繞一軸彼此相關聯的多個結實的管或敞開的管狀管道，其中至少一個敞開的管狀管道採取沿著其長度具有漸縮的直徑的螺旋狀結構的形式。管或敞開的管狀管道可以稱作單個中空螺旋狀元件，其中螺旋體沿其長度具有不恆定的直徑，其入口埠實際上大於其出口埠，其中其出口埠面對的方向不同於其入口埠面對的方向。敞開的管狀管道是剛性結構，可以基於特殊的應用具有任何相關的尺寸，並且通常是多個同時被使用，單個流體轉換元件通常是由兩個或更多個管組成的，其中每個管是堅實結構，每個管的入口埠的 表面面積顯著大於管出口埠的表面面積。流體轉換元件的管圍繞彼此而纏繞，從而在單個管中形成了雙重、三重等的管的螺旋體。出於本實用新型的目的，流體轉換元件或敞開的管狀管道代表渦輪機，其整個主體響應於線性流的能量(線性流的能量通常從流入出口和流出出口的風或水流而獲得)而轉動。每個管的底壁通常構造成入射在管上的線性力(通常是水或空氣)指向底壁並允許線性力的能量有效地轉換，以用於在單個流體轉換元件中轉動多個管。
「室」指的是敞開的管狀管道的入口與出口之間的空間。室通常而言實際上是中空的，具有從入口到出口具有圍繞室的所有側面的單個連續表面。室沿其長度通常是漸縮的。
「換能器」可以指的是能將能量從一種形式轉換成另一種形式的元件或裝置。非限制性實例是能將流體流的運動轉換成電能的發電機。
術語「包括」、「包含」、「含有」、「具有」以及它們的演化含義是「包括但不限於」。
術語「由……組成」的意思是「包括並限於」。
出於更好地理解本實用新型的一些實施方式(如在圖1-9中所示的)的目的，首先參照整體是螺旋形流體轉換元件的渦輪機的結構和操作，如圖1A-1C中所示出的。不受任何特殊理論的束縛，提供如下的討論以便於理解本實用新型。在詳細解釋本實用新型的至少一個實施方式之前，應該理解的是本實用新型不必局限於將其應用於在下面的描述中所闡述的和/或在附圖(和/或實例)中所說明的結構的細節和元件(和/或方法)的配置。本實用新型能夠具有其他實施方式或以各種方式被實施或執行。
第一實施方式
現在參考附圖，圖1A示出了根據本實用新型的流體轉換元件100。流體轉換元件100包括三個敞開的管狀管道110，管狀管道110都是螺旋狀的並且沿著轉動軸160圍繞彼此纏繞。流體轉換元件100的特徵包括其長度(定義為從入口 130到出口 140)大於其直徑，儘管其它實施方式也是顯然的。流體轉換元件100包括三個敞開的管狀管道110，每個管狀管道110都是中空螺旋狀元件，限定了室120，室120具有入口 130、出口 140和底壁150，底壁150相對於流體轉換元件100的長度彎曲。入口 130和出口 140總是面向彼此不同的方向，如圖1A中所示。入口 130的橫截面面積明顯大於出口 140的橫截面面積,從而在與流體轉換元件100相關聯的每個敞開的管狀管道110的長度105上形成漸縮的螺旋狀結構。流體轉換元件100是由機械上強度大的或剛性的材料製成，包括但不限於金屬、聚合物、陶瓷、合金、織物以及合成物。流體轉換元件100的特定長度和敞開的管狀管道110的入口130和出口 140的尺寸取決於特定應用和由通過流體轉換元件100的線性流所產生的動力。流體轉換元件能夠是小到幾釐米的長度直至幾米的長度，以用於由風力或水波進行大功率發電。雖然在圖1A中示出的敞開的管狀管道110尺寸上看起來是相同的，但是應該理解的是各個敞開的管狀管道110可以具有不同的尺寸和特徵。敞開的管狀管道110通常是在流體轉換元件100生產期間一起生產的，儘管敞開的管狀管道110能分開地製造並且能用不同的材料來製造。圖1B示出了與圖1A中示出的敞開的管狀管道110相同的配置，但是沒有截面視圖。圖1B中的流體轉換元件100是具有三個敞開的管狀管道110的單個流體轉換元件。
現在參考圖1C，圖1C是渦輪機流體轉換元件102的截面視圖，其中，(具有三個管的流體轉換元件的)單個的敞開的管狀管道110被示出了其與轉動軸160的關係。敞開的管狀管道110的入口 130允許空氣或水進入，同時相關的力使渦輪機流體轉換元件100的敞開的管狀管道110轉動。空氣和水沿著渦輪機流體轉換元件102的主體運動並在出口140處排出。與風或水相關的能量傳遞到渦輪機流體轉換元件100的主體，從而使敞開的管狀管道Iio圍繞其螺旋軸160轉動。如下面要描述的,流體轉換元件100的轉動允許通過合適的發電機系統進行發電或產生機械動力。應該注意的是圖1C中示出的流體轉換元件100僅是為了解釋的目的，通常在實踐中不使用具有單個敞開的管狀管道110的流體轉換元件。多個管(圖1B，110)如圖所示圍繞彼此而布置，利用通過入口 130進入並通過出口140離開的水、空氣或其它線性力，水、空氣或其它線性力允許管沿順時針或逆時針方向轉動。
圖2A和2B示出了先前在圖1A中示出的三個管的流體轉換元件200的示意性側視圖。管210以三個螺旋狀結構的形式圍繞彼此而纏繞。這些螺旋體在入口埠 230處比在出口埠 240處大。雖然在大多數的應用中，用在單個渦輪機中的兩個或更多個管210具有相同的基本尺寸並且由相同的材料製成，但是不必須是這樣的情況。單個流體轉換元件200中的管210可以由不同的材料製造並且可以具有不同的尺寸。應該理解的是與渦輪機結合的流體轉換元件200的製造可包括單獨生產管210，隨後通過任何裝置進行連接，或者替代性地製造具有管210 (管210以被連接的方式生產)的流體轉換元件。後一種的方法是優選的。這兩種管210必要地均圍繞公共的轉動軸260轉動，轉動軸260不運動並且可以保持允許管210轉動的元件。如圖2A中所示，本實用新型的關鍵的特徵是沿著管210的長度的漸縮形狀(從寬的入口埠 230到窄的出口埠 240)，從而產生了較大的力，以用於使具有流體轉換元件200的渦輪機轉動，因為管210在流體轉換元件200的整個長度上變得較小。入口埠 230和出口埠 240面向不同的方向，這與漸縮的形狀相結合允許壓力被施加到每個管210的底壁250，與標準的基於螺旋葉片的渦輪機的轉動相比這加速了渦輪機201的轉動。
第二實施方式
現注意圖3和4，它們示出了本實用新型的實施方式的示意圖。在該實施方式中，具有兩個敞開的管狀管道310的流體轉換元件300在其轉動軸360的路線上具有多個螺旋彎曲部370。彎曲部370的數量的增加允許流體轉換元件300轉動的更快。流體轉換元件300可以具有一個或多個彎曲部370，實際數量是由用於發電或其它應用的流體轉換元件300的尺寸和應用場合決定的。該實施方式呈現了根據本實用新型的最小的流體轉換元件300，即其具有兩個敞開的管狀管道310。敞開的管狀管道310圍繞共用軸360轉動並且採用螺旋的形狀，入口埠 330大於出口埠 440 (見圖4)。
第三實施方式
注意圖5，其示出了一種風力渦輪機501，風力渦輪機501構成了使用根據本實用新型的流體轉換元件的機器的實例。具有三個管510的流體轉換元件500連接到架部件575和基部580，所述架部件和基部允許安裝流體轉換元件500和使流體轉換元件500被提升，以用於接收最佳的外力，通常是來自於風(未示出)。流體轉換元件500能在任意方向上轉動並且能移動，以便允許空氣/風在入口 530最佳地進入。通過入口 530的空氣繼續經過管510的中空室(不可見)，以便允許風能有效地轉換，從而在空氣經過出口(不可見)出來之前導致流體轉換元件500轉動。
圖6示出了圖5中呈現的風力渦輪機501的一些內部工作部件，並且為了與其它圖一致風力渦輪機重新編號為601。發電機690及其相關元件(比如齒輪箱、軸等等)與風力渦輪機601相聯接，風力渦輪機601用於根據流過管610 (其與流體轉換元件600相聯接)的風流產生AC電流。
第四實施方式
注意圖7，其示出了水力渦輪機701的示意圖，水力渦輪機701構成了具有流體轉換元件700的機器的另一個實例，流體轉換元件700具有用於從流動的水發電的三個敞開的管狀管道710。在世界中存在一些區域，例如墨西哥海灣，在一年的很多時間內這裡有強烈的已知的水流。具有架部件775和基部780的流體轉換元件700定位成允許水流經過以螺旋方式圍繞轉動軸760布置的敞開的管狀管道710的入口 730。水在將與其流動相關的能量的大部分傳遞給流體轉換元件700 (以便通過與流體轉換元件700相聯接的發電機而發電)之後通過出口(在該視圖中未示出)排出。
第五實施方式
注意圖8，其示出了風力發電廠805的示意性實施方式，風力發電廠805構成了(通過基於如本實用新型所描述的轉動元件的多個渦輪機而)產生交流電的機器的另一個實例。風力發電廠805包含多個風力渦輪機801，每個渦輪機包括流體轉換元件800，流體轉換元件800包括多個管810,如先前描述過的管810具有螺旋狀的特徵。每個渦輪機801通過管810的轉動響應流動的風(未示出),並通過相聯接的發電機設備(未示出)發電。所述發電機設備可以與每個風力渦輪機801相聯接；替代地，發電機可與基於風力渦輪機801的多個流體轉換元件800相聯接。管810可具有圍繞軸860的一種或多種轉動，每個流體轉換元件800的入口 830大於每個相關的出口(該視圖中未示出)，這種差別在以下方面是關鍵的特徵，即，從經過每個流體轉換元件800的風的流動而獲得更大的轉矩。[0066]第六實施方式
注意圖9，其示出了與本實用新型相關的方法的流程圖。該方法允許與線性流相關的能量有效地轉換成電。第一步包括提供流體轉換元件，該流體轉換元件包括沿可轉動的軸的多個管(其具有敞開的室)，其中至少一個管採用螺旋狀結構。下一步包括將流體轉換元件置於線性流中，從而管圍繞轉動軸轉動。最後，將該轉動轉換成電，以便輸送到電網或其它電元件。
期望在從本申請至專利到期的有效期期間將開發很多相關的渦輪機，專利的期限範圍旨在包括所有這些演繹的新技術。
能意識到的是(為了清楚起見在單獨實施方式的內容中描述的)本實用新型的某些特徵還可提供成與單個實施方式相結合。相反，為了簡短起見，(在單個實施方式的內容中描述的)本實用新型的各個特徵還能單獨地或者以任何合適的子組合的方式被提供，或者如在本實用新型的任何其它描述的實施方式中被合適地提供。在各個實施方式的內容中描述的某些特徵並不認為是那些實施方式的主要特徵，除非該實施方式沒有那些元件的情況下是不可操作的。
雖然已經結合其具體實施方式
對本實用新型進行了描述，但很明顯許多替代方式、改變和變型對於本領域技術人員來說是顯而易見的。因此，旨在包含落入所附權利要求
的範圍內的所有這些替代方式、改變和變型。
權利要求
1.種用於將流體流動的能量轉換成轉動能量的流體轉換元件(100)，所述流體轉換元件包括圍繞轉動軸(160)纏繞的至少兩個敞開的管狀管道(110)，其中至少一個所述管狀管道圍繞所述轉動軸螺旋地纏繞，每個所述管狀管道包括具有各自的入口埠( 130)和各自的出口埠(140)的室(120)； 其中至少一個所述管狀管道的入口埠的橫截面面積大於該所述管狀管道的出口埠的橫截面面積；並且 其特徵在於，流體轉換元件圍繞所述轉動軸的轉速是可調節的。
2.據權利要求
1所述的流體轉換元件，其特徵在於，所述流體轉換元件的轉速是通過擾動流體流動而可調節的。
3.據權利要求
1所述的流體轉換元件，其中所述流體轉換元件的轉速是通過打開所述室中的腔而可調節的。
4.據權利要求
1所述的流體轉換元件，其中所述流體轉換元件的轉速是通過改變所述入口埠和所述出口埠中的至少一個的面積而可調節的。
5.據權利要求
1所述的流體轉換元件，其中所述流體轉換元件的轉速是通過改變螺旋纏繞的所述管狀管道的螺旋角而可調節的。
6.據權利要求
1一 5中任一項所述的流體轉換元件，其特徵在於，至少一個所述管狀管道的直徑沿其長度變化。
7.據權利要求
1一 5中任一項所述的流體轉換元件，其特徵在於，所述流體是風和水中的至少一個。
8.種包括根據權利要求
1 一 5中任一項所述的流體轉換元件(600，700)的機器(601,701),其特徵在於，所述機器還包括響應於流體轉換元件的轉動的換能器(690，790 )。
9.據權利要求
8所述的機器，其特徵在於，所述換能器是從以下設備所構成的組中選擇的:發電機、壓縮機、泵、捕捉器、提升機、鑽機、攪拌機和捏和機。
專利摘要
本實用新型描述了一種流體轉換元件及包括所述流體轉換元件的機器。該流體轉換元件包括圍繞轉動軸纏繞的至少兩個敞開的管狀管道，其中至少一個所述管狀管道圍繞所述轉動軸螺旋地纏繞，每個所述管狀管道包括具有各自的入口埠和各自的出口埠的室；其中至少一個所述管狀管道的入口埠的橫截面面積大於該所述管狀管道的出口埠的橫截面面積；並且其特徵在於，所述流體轉換元件的轉速是可調節的。
文檔編號F03D3/06GKCN202926518SQ201090001179
公開日2013年5月8日 申請日期2010年9月21日
發明者C·雷茲, A·埃亞爾 申請人:Re-10有限公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan