CN114599875A

CN114599875A - 静水压涡轮机及其涡轮机转轮

Info

Publication number: CN114599875A
Application number: CN202080074256.0A
Authority: CN
Inventors: O·豪特尔-伊沙伊
Original assignee: Adkanin
Current assignee: Adkanin
Priority date: 2019-10-24
Filing date: 2020-07-13
Publication date: 2022-06-07
Also published as: UY38780A; GB202015343D0; MX2022004746A; CL2022000982A1; GB2588519B; GB2588519A; GB2588519C; JP2022553340A; CA3096958C; EP4028661A1; AR119431A1; CA3096958A1; KR20220084378A; EP4028661A4; AU2020369157A1; WO2021077203A1; BR112022007628A2; US10738755B1

Abstract

一种静水压涡轮机转轮，包括可旋转轴，由可旋转轴承载的至少一个静水压叶片，其中，该至少一个静水压叶片具有在上游面和对于静水压涡轮机转轮的流动方向之间测量的冲角θ，其中0°＜θ≤35°，该至少一个静水压叶片具有跨度和弦长，具有纵向接合范围(LEE)，该纵向接合范围被定义为弦长与冲角θ的正弦的乘积，其中，对于该至少一个静水压叶片，LEE除以跨度的值大于0.75，并且其中，通过由静水力和液体流驱动的该至少一个静水压叶片跨液体流运动而从液体提取的总能量超过等于仅从液体流可获得的动能的66％的量。

Description

静水压涡轮机及其涡轮机转轮

技术领域

本公开涉及用于从平流河流和其他水力发电应用产生水力发电的涡轮机。

背景技术

自古以来，人类已经知道径流式水力发电，并且在现代仍然普遍使用。术语“径流式水力发电”是指通常在平流河流上使用的用于提取水力发电的水力发电设施，其对水流的干扰最小。径流式水力发电的最简单方法是基于将涡轮机转轮浸没在水流中并且将水流的动能转换成水力发电。涡轮机转轮的范围从古代的简单水车到现在的复杂水电涡轮机。已知径流式水力发电是环境友好且成本有效的。由于地球表面的75％以上是平的，所以从平流河流产生水力发电的潜力显著。

平流河流的特征在于沿着河床的较小坡度。因此，其提供非常有限的“压头”用于能量提取(“压头”是液压***中的静水压的量度，测量为供给到设施中的液体的上表面高于排出表面水平的高度)。已知现代涡轮机技术的当前公认的操作效率上限小于流过涡轮机的流动的动能的60％。该操作效率上限在1919年由德国物理学家Alfred Betz确定。其是基于理论物理和实践考虑而发现的。贝兹定律——以其作者命名——是一种理论物理定律，由实验结果支持，其将从流动中提取动能的上限设定为通过提取能量的装置的总动能的0.593(59.3％)。贝兹定律目前被认为是评价新的流动水力涡轮机设计的基准。增加涡轮机在提取流动能量方面的效率是涡轮机设计的主要目标之一。

发明内容

本公开涉及一种静水压涡轮机转轮，其设计成通过主要利用流动的静水压以及其动能的一小部分来广泛地提取水力。不受理论的限制，并且不保证任何特定的应用，人们相信，根据本发明的各方面的静水压涡轮机转轮在至少一些情况下可提取超过由贝兹定律建立的作为操作效率上限的水力发电量的水力发电量。

通过利用流动的势能而不是集中于提取其动能来实现更高的能量提取率。尽管贝兹定律确定了流动的动能提取的上限，但是任何流动也携带可提取的势能，而不管该流动携带的动能的量如何。

流体的势能由流体的静水压体现(例如，伯努利定律)。流动的静水压是在垂直于流动方向的方向上测量的流体压力，而流体动压是在流动运动的方向上测量的流体压力。

根据本公开的静水压涡轮机转轮设计成最大程度地利用流体的静水压，而不是最大化从流动中提取动能。与当前的径流式涡轮机转轮技术相比，该新颖设计将较少的流动动能转换成水力发电。然而，根据本公开的静水压涡轮机转轮将显著更多的势能转换成水力发电。结果，转换成水力发电的能量的总量显著高于从常规的径流式涡轮机转轮设计可获得的水力发电，并且在没有承诺任何特定实用性的情况下，可能能够超过如贝兹定律所定义的转换能量的上限。在径流式的背景下，转换能量(主要是转换的势能)的总量可能超过由涡轮机转轮引入的流动的动能的量。另外，与当前的径流式涡轮机转轮相比，根据本公开的静水压涡轮机转轮基本上不减慢流动的速度以提取能量。当前的涡轮机转轮需要减慢水流以提取其动能。

在一个方面中，描述了一种用于从流动液体提取势能的方法。该方法包括将至少一个静水压叶片浸没在液体中，使得每个静水压叶片具有相对于液体流的上游面和相对于液体流的下游面，由此在每个静水压叶片的上游面和下游面之间产生压力梯度，其中上游面上的上游压力超过下游面上的下游压力。压力梯度将静水力施加到每个静水压叶片的上游面，基本上垂直于液体流。静水力和液体流各自向每个静水压叶片施加相应的力，以驱动每个静水压叶片基本上垂直于液体流地跨液体流运动，从而使每个静水压叶片机械地联接到其上的动力提取机构的从动轴旋转。静水力对驱动每个静水压叶片跨液体流运动的总力的贡献超过驱动每个静水压叶片跨液体流运动的总力的百分之十(10％)。

优选地，静水力对驱动每个静水压叶片跨液体流运动的总力的贡献超过驱动每个静水压叶片跨液体流运动的总力的15％，更优选地静水力对总力的贡献超过20％，还更优选地超过30％，甚至更优选地超过40％，还甚至更优选地超过50％，再甚至更优选地超过60％，再甚至更优选地超过70％。特别优选的是，静水力对总力的贡献超过80％，最优选地超过90％。

在一些实施方式中，通过由静水力和液体流驱动的每个静水压叶片跨液体流运动而从液体提取的总能量超过仅从液体流可获得的动能的60％的量。

在另一方面中，静水压涡轮机转轮包括可旋转轴和至少一个由可旋转轴承载的静水压叶片，其中每个静水压叶片具有相对于对于静水压涡轮机转轮的流动方向的上游面和相对于对于静水压涡轮机转轮的流动方向的下游面。每个静水压叶片具有在上游面和对于静水压涡轮机转轮的流动方向之间测量的冲角θ，其中，冲角θ是非零的并且小于或等于35°(0＜θ≤35°)。

优选地，冲角θ小于或等于三十度(0＜θ≤30°)，还更优选地小于或等于二十五度(0＜θ≤25°)，再更优选地小于或等于二十度(0＜θ＜20°)。

静水压涡轮机可以包括如上所述的静水压涡轮机转轮。

在又一方面中，静水压涡轮机转轮包括可旋转轴和至少一个由可旋转轴承载的静水压叶片，其中，每个静水压叶片具有相对于对于静水压涡轮机转轮的流动方向的上游面和相对于对于静水压涡轮机转轮的流动方向的下游面。每个静水压叶片具有在静水压叶片相对于轴的最内边缘和静水压叶片相对于轴的最外边缘之间的跨度，该跨度垂直于对于静水压涡轮机转轮的流动方向测量。每个静水压叶片具有在上游面和对于静水压涡轮机转轮的流动方向之间测量的冲角θ。每个静水压叶片具有弦长，该弦长被定义为在静水压叶片的最前前缘和静水压叶片的最后后缘之间的距离，该弦长平行于对于静水压涡轮机转轮的流动方向测量。每个静水压叶片具有纵向接合范围(LEE)，其被定义为弦长与冲角θ的正弦的乘积，并且对于每个静水压叶片，LEE除以跨度的值大于0.75。

优选地，LEE除以跨度的值大于0.85，更优选地大于1。

如上所述的静水压涡轮机转轮可以结合到静水压涡轮机中。

在又一方面中，描述了一种用于从流动液体提取势能的方法。该方法包括将至少一个静水压叶片浸没在液体中，使得每个静水压叶片具有相对于液体流的上游面和相对于液体流的下游面，由此在每个静水压叶片的上游面和下游面之间产生压力梯度，其中，上游面上的上游压力超过下游面上的下游压力。压力梯度将静水力施加到每个静水压叶片的上游面，基本上垂直于液体流。静水力和液体流各自向每个静水压叶片施加相应的力，以驱动每个静水压叶片基本上垂直于液体流地跨液体流运动，从而使每个静水压叶片机械地联接到其上的动力提取机构的从动轴旋转。通过由静水力和液体流驱动的每个静水压叶片跨液体流运动而从液体提取的总能量超过等于仅从液体流可获得的动能的60％的量。

优选地，通过由静水力和液体流驱动的每个静水压叶片的跨液体流的运动而从流体提取的总能量超过等于仅从液体流可获得的动能的66％的量。

在又一方面中，静水压涡轮机转轮包括可旋转轴和至少一个由可旋转轴承载的静水压叶片。每个静水压叶片具有相对于对于静水压涡轮机转轮的流动方向的上游面和相对于对于静水压涡轮机转轮的流动方向的下游面。每个静水压叶片具有在上游面和对于静水压涡轮机转轮的流动方向之间测量的非零冲角θ，其小于或等于35°(0＜θ≤35°)。每个静水压叶片具有在静水压叶片相对于轴的最内边缘和静水压叶片相对于轴的最外边缘之间的跨度，该跨度垂直于对于静水压涡轮机转轮的流动方向测量。

每个静水压叶片具有弦长，该弦长被定义为在静水压叶片的最前前缘和静水压叶片的最后后缘之间的距离，该弦长平行于对于静水压涡轮机转轮的流动方向测量。每个静水压叶片具有纵向接合范围(LEE)，其被定义为弦长与冲角θ的正弦的乘积。对于每个静水压叶片，LEE除以跨度的值大于0.75。当液体在对于静水压涡轮机转轮的流动方向上流过静水压涡轮机转轮时，在每个静水压叶片的上游面和下游面之间产生压力梯度，其中，上游面上的上游压力超过下游面上的下游压力。压力梯度将静水力施加到每个静水压叶片的上游面，基本上垂直于液体流。静水力和液体流各自向每个静水压叶片施加相应的力，以驱动每个静水压叶片基本上垂直于液体流地跨液体流运动，从而使可旋转轴旋转。通过由静水力和液体流驱动的每个静水压叶片的跨液体流的运动而从液体提取的总能量超过等于仅从液体流可获得的动能的66％的量。

附图说明

从以下参考附图进行的描述中，这些和其他特征将变得更明显，其中：

图1A和图1B分别是示出了根据本公开的一个方面的静水压叶片的轮廓的示意图；

图2A示出了根据本公开的一个方面的静水压叶片，该静水压叶片的上游面凹入地弯曲并且其下游面凸出地弯曲；

图2B示出了根据本公开的一个方面的静水压叶片，该静水压叶片的上游面凹入地弯曲并且其下游面凸出地弯曲，并且在其后缘处具有翼片；

图2C示出了根据本公开的一个方面的静水压叶片，该静水压叶片的上游面凹入地弯曲并且其下游面凸出地弯曲，并且在其前缘处具有翼片；

图3A和图3B是分别示出了示例性的静水压叶片的透视图和轮廓图的示意图，并且概括了影响由根据本公开的给定静水压叶片产生的水力发电的量的参数；

图4示出了根据本公开的一个方面的示例性的半潜式静水压涡轮机转轮；

图5示出了根据本公开的一个方面的示例性的分段式静水压涡轮机转轮；

图6A至图6C示出了根据本公开的各方面的用于改变静水压叶片的冲角的某些示例性方法；

图7示出了根据本公开的一个方面的示例性的封闭式静水压涡轮机转轮；

图7A示出了示例性的静水压涡轮机转轮，其中静水压叶片通过一系列间隔开的环固定在相对位置；

图8A至图8F示出了根据本公开的各方面的静水压叶片的各种修改；

图9A至图9E示出了根据本公开的各方面的用于将动力从静水压涡轮机转轮传递到动力提取机构的传递设备的实例；以及

图10示出了根据本公开的一个方面的自潜式静水压涡轮机，其中动力提取机构设置在静水压涡轮机转轮的轴内。

具体实施方式

现在参考图1A和图1B，以便提供对与本公开的各方面相关的某些原理的简要理论回顾。图1A和图1B是示出了通常分别由附图标记100a和100b表示的静水压叶片的轮廓的示意图，该静水压叶片浸没在流动液体102(例如，平流河流)中，该流动液体具有由从左到右箭头104表示的流动方向。如本文使用的，术语“静水压叶片”是指用于涡轮机转轮的叶片，其特别适于从流动液体的静水压中提取动力，使得驱动每个静水压叶片100a，100b跨液体流104运动的总力的相当大的比例由静水力提供。当浸没时，静水压叶片100a，100b具有相对于液体102的流104的上游面106a，106b和相对于液体102的流104的下游面108a，108b。图1A示出了其上游面106a和下游面108a都基本上是平面的静水压叶片100a，而图1B示出了其上游面106b基本上是平面，但是其下游面108b具有不对称凸形形状的静水压叶片100b。

如将在图1A和图1B中看到的，静水压叶片100a，100b具有在上游面106a，106b和流动方向104之间测量的非零冲角θ。根据公认的物理定律，在这些条件下，流104在静水压叶片100a，100b的上游面106a，106b和下游面108a，108b之间产生压力梯度。更特别地，上游面106a，106b上的上游压力超过下游面108a，108b上的下游压力，由此在静水压叶片100a，100b的上游面106a，106b和下游面108a，108b之间产生压力梯度。该压力梯度施加由箭头P表示的静水力，该静水力等于压力梯度与静水压叶片100a，100b的表面积的乘积。因此，静水压叶片300的表面积越大，所施加的静水力P越大。将静水力P施加到每个静水压叶片100a，100b的上游面106a，106b，基本上垂直于河流102的流104。如果静水压叶片100a，100b固定到可旋转支撑件，该可旋转支撑件的旋转轴线基本上平行于流104并且阻止静水压叶片100a，100b在流动方向104上移动，则静水压叶片100a，100b将由静水力P推动以跨流旋转；即垂直于流动方向104。由这种布置例如通过旋转与静水压叶片100a，100b机械联接的动力提取机构的从动轴而产生的理论水力发电是施加在静水压叶片100a，100b上的静水力P与静水压叶片100a，100b跨流104的速度的乘积。

势能和动能在任何水力发电设备中都起作用。由河流102的流104施加到静水压叶片100a，100b的力由两个不同且明显的物理现象产生：垂直于流104的方向作用的流体的静水压(即，静水力P)；以及在流104的方向上作用的流体的流体动压。

基本上垂直于叶片106a，106b的上游面106a，106b作用在静水压叶片100a，100b上的组合力驱动静水压叶片100a，100b在河流102的跨流104运动。由于静水压叶片100a，100b被可旋转支撑件阻止在任何其他方向上移动，所以此运动基本上垂直于河流102的流104。

常规的流驱动的涡轮机转轮通常设计成提取最大可用动能。然而，重要地并且实际上关键地，根据本公开的静水压涡轮机转轮与常规的流驱动涡轮机转轮的区别在于，驱动每个静水压叶片跨流运动的总力的相当大的比例由静水力贡献。这允许水的势能被广泛利用。因此，“静水压涡轮机转轮”是结合了静水压叶片的涡轮机转轮，该静水压叶片以适于从流动液体的静水压中提取动力的冲角定位，使得驱动每个静水压叶片跨流运动的总力的相当大的比例由静水力贡献。

在根据本公开的静水压涡轮机转轮中，静水力对驱动每个静水压叶片跨流运动的总力的贡献超过驱动每个静水压叶片跨流运动的总力的10％。优选地，静水力对驱动每个静水压叶片跨流总力的运动的贡献超过驱动每个静水压叶片跨流运动的总力的15％，更优选地，静水力对总力的贡献超过20％，还更优选地超过30％，甚至更优选地超过40％，还甚至更优选地超过50％，再甚至更优选地超过60％，再甚至更优选地超过70％。特别优选的是，静水力对总力的贡献超过80％，最优选地超过90％。在静水压叶片机械地联接到动力提取机构的从动轴的情况下，在一些实施方式中，由静水力和来自流动的动能的组合驱动的，通过每个静水压叶片跨流运动所提取的总能量(例如从河流102)超过仅从流动中可获得的动能的60％的量，优选地超过66％的量。因此，在一些实施方式中，根据本公开的各方面的由静水压涡轮机转轮产生的水力发电的量可以超过如由贝兹定律建立的常规流驱动涡轮机转轮的操作效率上限。

如上所述，图1A示出了其上游面106a和下游面108a都基本上是平面的静水压叶片100a，而图1B示出了其上游面106b基本上是平面但是其下游面108b具有不对称凸形形状的静水压叶片100b。后一种形状，稍微类似于飞机机翼的轮廓，导致来自流104的压力梯度增加。因此，在相同的条件下，图1B中的静水压叶片100b承受的静水力P大于图1A中的静水压叶片100a承受的静水力P，如图1B所示的较大箭头P所示。以相同的速度在流104上移动，图1B中的静水压叶片100b比图1A中的静水压叶片100a产生更多的能量。

根据本发明的静水压叶片的性能可通过对其轮廓的各种修改和通过添加另外的结构元件而进一步增强，该另外的结构元件的一些示例性实例在图2A至图2C中示出。

图2A示出了其上游面206a和其下游面208a都弯曲的静水压叶片200a。上游面206a是凹形弯曲的，而下游面208a是凸形弯曲的。图2B和图2C各自示出了其上游面206b，206c凹入弯曲并且其下游面208b，208c凸出弯曲的静水压叶片200b，200c，其中叶片轮廓通过翼片212，214进一步增强。翼片212，214是可移动的机械装置，其允许静水压叶片200b，200c的轮廓的选择性修改，例如，增加弦长B(见图3A)，改变曲率等。翼片212，214可配置成延伸或缩回，并且根据流动的可变条件通过合适的机械装置改变其相对角度。图2B中的静水压叶片200b在其后缘处具有翼片212，并且图2C中的静水压叶片200c在其前缘处具有翼片214。还设想，根据本公开的静水压叶片可以在前缘和后缘处都包括翼片。

定义静水压叶片所需的最佳曲率取决于许多技术因素以及流动特性，并且这在本领域技术人员的能力范围内，现在由本公开内容获悉。

通过在叶片的边缘处增加副翼，如图8E和图10所示，从而减少在静水压叶片的两个表面之间的压力泄漏，或者通过将边缘形成为具有特定形状，如图8A至图8D和图8F所示，静水压叶片的性能就可进一步增强。也可使用图2B和图2C所示的翼片。因此，静水压叶片可以设置有成形副翼，成形边缘和机械翼片中的任一种，或者这些中的任一种的组合。如本文使用的，术语“副翼”是指在静水压叶片的边缘处的液压元件，其适于改变(例如增强)其操作流体动力学特性。如本文使用的，术语“翼片”是指在液压叶片的前缘或后缘处的可移动延伸部，其适于改变(例如增强)其操作流体动力学特性。

现在参考图3A和图3B，其提供了总结了影响由给定的静水压叶片在浸没在液体流(例如，平流河流)中同时由机械设备(例如，可旋转轴)支撑时由静水压产生的水力发电量的各种参数的示意图，该机械设备允许静水压叶片仅基本上垂直于流动方向移动。

图3A和图3B示出了静水压叶片300，其上游面306基本上是平面的，并且其下游面308具有不对称凸形形状。图3A示出了透视图，并且图3B示出了轮廓图。静水压叶片300通常将从作为静水压涡轮机转轮的一部分的可旋转轴延伸；在图3A和图3B中，为了简化说明，仅示出了静水压叶片300。在图3A和图3B中，附图标记S表示流动速度，其由指示流动304的方向的箭头304表示。

如在图3A中看到的，附图标记A表示静水压叶片300的跨度。静水压叶片300的跨度A是在静水压叶片相对于轴(未在图3A和图B中示出)的最内边缘316和静水压叶片300相对于轴的最外边缘318之间的跨度，该跨度垂直于对于静水压涡轮机转轮(未在图3A和图3B中示出)的流动方向304测量。

继续参考图3A，附图标记B表示静水压叶片300的弦。弦长被定义为静水压叶片300的最前前缘320和静水压叶片300的最后后缘322之间的距离，该距离基本上平行于对于静水压涡轮机转轮的流动方向304测量。

仍然参考图3A，箭头P表示由流304在静水压叶片300上的总压力梯度产生的静水力。总压力梯度是静水压叶片300的上游表面306和下游表面308上的流动压力的平衡。

现在参考图3B，静水压叶片300具有在静水压叶片300的上游面306和对于静水压涡轮机转轮(在图3B中未示出)的流动方向304之间测量的非零冲角θ。如上所述，根据本公开的静水压涡轮机转轮与常规的流驱动涡轮机转轮的区别在于其广泛地利用水或其他流体的势能。冲角θ的适当选择对使驱动静水压叶片300跨流304运动的总力F_p的大部分由静水力P贡献做出了关键的贡献，使得可利用势能。为了实现这一点，冲角θ优选地小于或等于三十五度(0＜θ≤35°)，更优选地小于或等于三十度(0＜θ≤30°)，还更优选地小于或等于二十五度(0＜θ≤25°)，再更优选地小于或等于二十度(0＜θ≤20°)。当前的径流式涡轮机转轮设计通常应用相对大的冲角以最大化水流的动能的提取。在根据本公开的各方面的静水压涡轮机转轮中，冲角θ显著小于常规的流驱动涡轮机转轮。这种相对小的冲角θ将降低这种涡轮机转轮提取流304的动能的能力，但是同时，其允许这种涡轮机转轮经由由压力梯度产生的静水力P沿着流304提取更多的势能。相对小的冲角θ允许每个静水压叶片300具有比带有更大冲角的常规的流动驱动涡轮机转轮中明显更长的弦长B。通常，虽然每个静水压叶片300的跨度A受到河流的深度的限制，但是对于每个静水压叶片300的弦A的长度的范围存在更少的限制——弦A的范围将仅受到河流的长度和河流路径的曲率的限制。这进而使得每个静水压叶片300能够具有相对大的表面积。

相对小的冲角θ还使得能够实现相对更长的纵向接合范围(LEE)，这允许更好地利用沿着流304的静水压P。纵向接合范围被定义为弦长B乘以冲角θ的正弦的乘积：

(1)LEE＝B*sinθ

纵向接合范围可以被概念化为在流动引导方向中测量的流304的长度，该流动引导件在给定时刻与静水压叶片300接合。

常规的径流式涡轮机转轮具有较短的纵向接合范围。因为涡轮叶片以更高的冲角定位——为了更好地提取流动的动能——其纵向接合范围(其为叶片的弦长与其冲角的正弦的乘积)通常相对较短(当角度增加时，该角度的正弦减小)。更短的纵向接合范围减小了叶片的总体阻力，并且允许涡轮机转轮提取更多的动能。同时，更短的纵向接合范围限制了在任何时刻可用于由叶片提取的势能的量。

通过使用较小的冲角θ结合较大的静水压叶片的表面积来实现提取大量可用势能。由于在径流式应用中叶片的跨度通常受到河流深度的限制，所以通过增加静水压叶片的弦长B可实现增加该静水压叶片的表面积。小冲角θ和长弦长B的组合通过定义意味着更长的纵向接合范围，这是本发明的静水压涡轮机转轮叶片设计的重要特性。对于具有给定跨度的叶片，在任何情况下可用于提取的势能与其纵向接合范围成比例。对于根据本公开的静水压叶片，纵向接合范围除以跨度(LEE/A)的值优选地大于0.75，更优选地大于0.85，还更优选地大于1。

继续参考图3B，现在将描述作用在静水压叶片300上的关键的力。

由F_p表示的力是垂直于其弦长B作用在静水压叶片300的表面上的总力。总力F_p是静水力P和流体动力的垂直于静水压叶片300的上游表面306的分量的矢量和。

由F_x表示的力由支撑件(例如，图3B中未示出的可旋转涡轮机转轮轴，其定位成其旋转轴线基本上平行于流动方向304，从而防止静水压叶片300向下游移动)施加，该支撑件将静水压叶片300限制为基本上垂直于流动方向304移动。这些力F_p和F_x的矢量和是最终的矢量力，由F表示，基本上垂直于流动方向304。结果是以由箭头V表示的给定速度跨流推动静水压叶片300，该给定速度基本上垂直于流动方向304。可用功率是力F和速度V的乘积。

因此，根据本公开的静水压涡轮机转轮利用具有以小冲角Q布置的长弦长B的静水压叶片，从而获得比常规的径流式涡轮机转轮设计长得多的纵向接合范围(LEE)。在河流地形允许的地方，静水压叶片的弦长B可延伸100米或更多，与空气动力产生应用中的许多常规风车叶片的跨度相当。

现在参考图4，其示出了根据本公开的一个方面的用于平流河流的第一示例性静水压涡轮机转轮440。静水压涡轮机转轮400包括可旋转轴442和多个由轴442承载并从其径向地向外延伸的静水压叶片400。如图所示的每个静水压叶片400相对于流动方向404具有基本上平面的上游面406和具有不对称凸形形状但是可以具有任何合适形状的下游面408。静水压叶片400可以直接或间接地安装到轴442，其可以是中空的或实心的，并且其横截面可以是环形的，或者具有任何其他合适的横截面形状。轴442可以形成动力提取机构(例如，发电机)的一部分，或机械地联接到该动力提取机构。因此，每个静水压叶片400机械地联接到动力提取机构。优选地，静水压叶片400围绕轴442周向地等距地间隔开。

图4所示的静水压涡轮机转轮440是半潜式实施方式，其中仅静水压涡轮机转轮440的下部浸没在河流446的表面444下方，其中轴442在表面444上方。静水压涡轮机转轮440浸没在基本上等于静水压叶片400的跨度A的深度，并且由在轴442和静水压叶片400之间延伸的机械联接件(为了简化图示而未示出)支撑。因此，静水压叶片400从轴442径向地向外间隔开。机械联接件优选地保持在河流446的表面444上方。

轴442定位成其轴线基本上平行于流动方向404。因为静水压叶片400由轴442承载，所以将静水压叶片400限制为跨(即，基本上垂直于)流动方向402移动，而在其他方向(例如，下游)上的运动被抑制。同时，因为轴442是可旋转的，所以静水压叶片400的跨流动方向402的运动将扭矩450传递到轴442，并且导致轴442围绕其轴线旋转。扭矩450的大小由力F(见图3B)与扭矩矢量距轴442的轴线的垂直距离的乘积确定。在所示的实施方式中，扭矩450如图所示是顺时针的。

现在参考图5，其示出了根据本公开的一个方面的分段式静水压涡轮机转轮540。图5所示的静水压涡轮机转轮540与图4所示的相似之处在于，其包括可旋转轴542和多个由轴542承载并从轴542径向地向外延伸的周向地等距地间隔开的静水压叶片500。每个静水压叶片500具有相对于流动方向504的上游面506和下游面508。为了便于说明，上游面506和下游面508都示出为平面的，但是可以具有任何合适的形状。如前所述，轴542可以是动力提取机构(例如，发电机)的一部分，或者机械地联接到该动力提取机构。在分段式静水压涡轮机转轮540中，静水压叶片500布置在一系列纵向间隔开的段或模块548中，即，多组静水压叶片500纵向地串联布置在轴542上，由间隙552分开。轴542可以是整体构造，或者其本身可以形成为联接的段。图5所示类型的分段式静水压涡轮机转轮540可提供更大的累积纵向接合范围，同时适应例如河流中的地理特征或用于轴542的结构支撑。对于图5所示类型的分段式静水压涡轮机转轮540，分段式静水压涡轮机转轮540的总纵向接合范围是各个段548的所有纵向接合范围的算术和；间隙552的范围不包括在纵向接合范围中。静水压涡轮机转轮540可以是半浸式的或全浸式的。

各个段548可以布置成使得每个相邻段548的静水压叶片500在其相对径向位置上相对于彼此偏移。段548还可以在其相应的静水压叶片500的冲角上有所不同。每个单独的段548的静水压叶片500的性能不需要是相同的，并且每个单独的段548的静水压叶片500可通过应用如本文所述的各种性能增强来增强。

此外，在根据本公开的静水压涡轮机转轮中，冲角不需要是静态的，而是可以替代地变化。现在参考图6A至图6C，其示出了用于改变静水压叶片的冲角的某些示例性方法。改变冲角可以有利于适应流动条件的变化，例如季节性变化。

首先参考图6A，在示例性的静水压涡轮机转轮640中，每个静水压叶片600a通过可旋转枢转臂652安装到轴642。枢转臂652基本上垂直于轴642的轴线并基本上平行于轴542的跨度A延伸。通过如箭头654a所示地使枢转臂652围绕其轴线旋转，可调节静水压叶片600相对于流动方向604的冲角。

现在参考图6B和图6C，其示出了一种布置，其中冲角可通过扭转静水压叶片600而改变。在这种布置中，静水压叶片600c由柔性材料制成，并且通过由轴642承载的一对刚性星形安装框架656附接到轴642。每个星形安装框架656包括多个向外延伸的脊部658，并且每个静水压叶片600c在一对相对的脊部658之间延伸。星形安装框架656中的至少一个可围绕轴642的轴线旋转，如箭头654c所示。通过使星形安装框架656中的一个相对于另一个旋转，可使形成静水压叶片600的柔性材料扭转，从而改变冲角。

因此，静水压叶片的冲角可以是固定的或可变的。转子的静水压叶片可以是例如两侧都是平面的，扭转的(螺旋的)，一侧是弯曲的而另一侧是平面的，或者两侧都是弯曲的，这些弯曲可以是相同的或不同的。其他配置也是可能的。

图7示出了根据本公开的一个方面的浸没式静水压涡轮机转轮740。在此实施方式中，静水压涡轮机转轮740的可旋转轴742采用中空管的形式，多个静水压叶片700由轴742承载，并且从管状轴742的内表面758向内延伸。因此，在此实施方式中，轴742完全包围静水压叶片700，并且与静水压叶片700一起旋转，液体可流过轴742的内部经过静水压叶片700。

在一个替代实施方式中，轴是中断的轴而不是连续的轴，其结构完整性至少部分地由静水压叶片提供。例如，代替如图7所示的包围静水压叶片的连续管状轴，图7A示出了浸没式静水压涡轮机转轮740a，其中静水压叶片700a通过与静水压叶片700a一起旋转的一系列间隔开的环759固定在相对位置。虽然图7A示出了一对环759，但是在其他实施方式中可以有更大数量的环。图7A所示的静水压叶片700a在形状上类似于图4所示的静水压叶片400，但是可以具有任何合适的形状。静水压叶片700a的外边缘760a联接到环759，并且静水压叶片700a的内边缘762a彼此径向地间隔开。

在另一实施方式中，静水压涡轮机转轮可以由固定管包围，其中静水压叶片从中心轴向外延伸，该固定管的直径稍微大于轴的直径和静水压叶片的跨度的和，从而产生环形间隙并且允许静水压涡轮机转轮在固定管内旋转。这允许根据本公开的各方面的静水压涡轮机转轮安装在管道或隧道内，以便利用其中的液体流。

图8A至图8F示出了根据本公开的各方面的静水压叶片的各种修改，并且表示了在特定条件下增强性能的潜在优化。虽然为了说明的目的单独示出了这些修改，但是两个或更多个修改可以结合在单个静水压叶片中。流动方向由箭头804示出。

图8A示出了静水压涡轮机转轮840a，其中静水压叶片800a的外边缘860a(离中心轴842a最远的那些)比其内边缘862a(离中心轴842a最近的那些)长。这导致倾斜的前缘864a。图8B示出了类似的静水压涡轮机转轮840B，其中静水压叶片800b的外边缘860b比其内边缘862b长，但是前缘864b从中心轴842b向外凹入地弯曲。图8C示出了静水压涡轮机转轮840c，其中静水压叶片800c的外边缘860c比内边缘862c短，也导致倾斜的前缘864c，但是方向与图8A所示的方向相反。图8D示出了静水压涡轮机转轮840d，其中前缘864d从中心轴842d朝向静水压叶片800d的外边缘860d向外凸出地弯曲。在每种情况下，后缘866a，866b，866c，866d保持垂直于轴842a，842b，842c，842d。附加地或替代地，后缘的轮廓可以以类似于前缘所示的方式改变，具有相同或不同的角度或曲率。

图8E示出了静水压涡轮机转轮840e，其中渐缩的管状副翼870固定在静水压叶片800e的外边缘860e处，并且延伸超过静水压叶片800e的前缘864e和后缘866e。

图8F示出了静水压涡轮机转轮840f，其中静水压叶片800f的后缘866f和前缘864f都基本上垂直于轴842f，但是后缘866f比前缘864f长。这导致静水压叶片800f的直的外边缘860f与轴864f成角度而不是基本上平行。这种构造在静水压涡轮机转轮840f浸没在流中，其中一端处于比另一端高的高度(参见图9C，如下所述)的情况下是有用的。

如上所述，在一些实施方式中，静水压叶片的弦长B可延伸100米或更多，并且跨度A也可以是相当大的。由于静水压涡轮机转轮的相当大的尺寸，以及其至少部分地浸没在水或其他液体的表面下方的事实，动力提取机构(例如，发电机)可定位在表面上方。例如，在静水压涡轮机转轮设置在河流中的情况下，动力提取机构可定位在浮动驳船(例如，系泊到河岸)上，或附接到河床底部处的固定支撑件，或设置在河岸上。在固定支撑件的情况下，可以使用机械装置来调节静水压涡轮机转轮的高度，以适应季节性的水位变化。

由静水压涡轮机转轮的旋转产生的动力必须被传递到动力提取机构。动力提取机构的优选位置在静水压涡轮机转轮的下游侧处，但是也考虑了动力提取机构的上游位置。

图9A至图9C示出了用于将动力从静水压涡轮机转轮传递到诸如发电机的动力提取机构的传递设备的一些非限制性实例。

图9A示出了通过传动齿轮箱972联接到动力提取机构970a的静水压涡轮机转轮940a；类似的布置可以使用链条或皮带分动箱代替齿轮箱972。在所示的实施方式中，齿轮箱972基本上垂直于静水压涡轮机转轮940a的轴942a和流动方向904a，但是这不是严格必需的。

图9B示出了通过倾斜连结的驱动轴974直接传递而联接到动力提取机构970b的静水压涡轮机转轮940b。在连结的驱动轴使用两个直角传递传动齿轮的其他实施方式中，动力提取机构单元可直接定位在静水压涡轮机转轮的端部上方。

图9C示出了静水压涡轮机转轮940c，其轴942c相对于水面944倾斜。尽管存在这种倾斜，但是轴942c保持平行于如在水平面中测量的水流方向904(即，轴942c在水面944上的竖直投影平行于流动方向904)。轴942c在静水压叶片900c的下游延伸得很远，并且可直接联接到位于水面944上方的动力提取机构970c。在图9C所示的实施方式中，静水压叶片900优选地具有梯形形式，其中后缘966比前缘964长，使得最下面的静水压叶片900c的外边缘960c将基本上平行于河床的底部。

图9D和图9E各自示出了用于从图7A所示类型的静水压涡轮机转轮740a传递扭矩的布置，其中静水压叶片700a通过一系列与静水压叶片700a一起旋转的间隔开的环759固定在相对位置。在图9D中，环759中的下游的环形成与另一齿轮982啮合的齿轮表面980，以将扭矩传递到动力提取机构。在图9E中，皮带984用于传递扭矩；可类似地使用链条。

因此，静水压涡轮机转轮可以通过任何合适的扭矩传递装置联接到动力提取机构设备，因此，图9A至图9E示出了结合有根据本公开的各方面的静水压涡轮机转轮的涡轮机的各种实施方式。还设想了从静水压涡轮机转轮到动力提取机构的动力的液压传递。因此，术语“静水压涡轮机”是指结合了静水压涡轮机转轮的涡轮机，该涡轮机转轮适于从流动液体的静水压中提取动力，使得驱动每个静水压叶片跨流运动的总力的相当大的部分由静水力提供。

虽然上述附图中所示的示例性的静水压涡轮机转轮各自具有六个静水压叶片，但是这仅仅是示例性的，并且根据本公开的静水压涡轮机转轮可以具有更多或更少的静水压叶片，这取决于安装。叶片的数量将受到设计参数的影响，例如容纳静水压叶片的跨度的可用空间和流体流动的速度。

图10示出了自浸式静水压涡轮机1080，其中动力提取机构1070设置在静水压涡轮机转轮1040的轴1042内。流动方向由箭头1004示出。轴1042被扩大以容纳具有流线型端盖1082(例如，圆锥形或类似形状)的动力提取机构1070。端盖1082可以固定到支撑件，例如固定在河床上，悬于驳船等。轴1042可相对于端盖1082旋转，并且动力提取机构1070包括设置在轴1042内的定子，该轴用作转子。这种布置可在适当的工程修改的情况下颠倒。然后，电缆可将动力提取机构1070连接到例如电网。在所示的实施方式中，静水压涡轮机转轮1040的三个静水压叶片1000包括在其外边缘1060处的副翼1084，以限制静水压叶片1000的上游侧1006和下游侧1008之间的静水压泄漏。副翼可以根据条件而具有各种形状和形式。在另一实施方式中，动力提取机构可以直接联接到静水压涡轮机转轮的端部，而不是结合到轴中。

因此，当静水压涡轮机转轮完全或部分地浸没在流动表面下方时，动力提取机构可以固定在流动表面上方或浸没在流动表面下方。

已经通过实例描述了某些示例性实施方式。对于本领域技术人员来说将显而易见的是，在不脱离如权利要求中限定的本发明的范围的情况下，可进行多种变化和修改。

术语表

仅为了方便参考而提供以下术语表：

“副翼”是指在静水压叶片的边缘处的液压元件，其适于改变(例如增强)其操作流体动力学特性。

“冲角”(θ)是在静水压叶片的上游面和对于静水压涡轮机转轮的流动方向之间测量的。

贝兹定律是一种由实验结果支持的理论物理定律，其将从流中提取动能的上限设定为通过提取能量的装置的总动能的0.593(59.3％)。

“弦”和“弦长”被定义为基本上平行于对于静水压涡轮机转轮的流动方向测量的在静水压叶片的最前前缘和静水压叶片的最后后缘之间的距离。

“翼片”是指在静水压叶片的前缘或后缘处的可移动延伸部，其适于改变(例如增强)其操作流体动力学特性。

“压头”是液压***中的静水压的量度，其测量为供给到设施中的液体的上表面高于排出表面水平的高度。

流的“流体动压”是在流的运动方向上测量的流体压力。

流的“静水压”是在垂直于流动方向的方向上测量的流体压力。

“静水压叶片”是指用于涡轮机转轮的叶片，其特别适于从流动液体的静水压中提取动力，使得驱动每个静水压叶片跨流运动的总力的相当大的部分由静水力提供。

“静水压涡轮机”是指结合了静水压涡轮机转轮的涡轮机，该静水压涡轮机转轮适于从流动液体的静水压中提取动力，使得驱动每个静水压叶片跨流运动的总力的相当大的部分由静水力提供。

“静水压涡轮机转轮”是结合了静水压叶片的涡轮机转轮，该静水压叶片以适于从流动液体的静水压中提取动力的冲角定位，使得驱动每个静水压叶片跨流运动的总力的相当大的部分由静水力提供。

“纵向接合范围”或“LEE”被定义为弦长乘以冲角的正弦的乘积。

“径流式水力发电”是指用于提取水力发电的水力发电设施，其对水流的干扰最小，通常用于平流河流。

静水压叶片的“跨度”是在静水压叶片相对于轴的最内边缘和静水压叶片相对于轴的最外边缘之间测量的尺寸，该尺寸垂直于对于静水压涡轮机转轮的流动方向进行测量。

Claims

1.一种静水压涡轮机转轮，包括：

可旋转轴；

至少一个静水压叶片，所述至少一个静水压叶片由所述可旋转轴承载；

所述至少一个静水压叶片具有相对于对于所述静水压涡轮机转轮的流动方向的上游面和相对于对于所述静水压涡轮机转轮的流动方向的下游面；

其中，所述至少一个静水压叶片具有在所述上游面和对于所述静水压涡轮机转轮的所述流动方向之间测量的冲角θ，其中0＜θ≤35°；

所述至少一个静水压叶片具有在所述静水压叶片相对于所述轴的最内边缘和所述静水压叶片相对于所述轴的最外边缘之间的跨度，所述跨度垂直于对于所述静水压涡轮机转轮的所述流动方向进行测量；

所述至少一个静水压叶片具有被定义为所述静水压叶片的最前前缘和所述静水压叶片的最后后缘之间的距离的弦长，所述弦长平行于对于所述静水压涡轮机转轮的所述流动方向进行测量；

所述至少一个静水压叶片具有纵向接合范围(LEE)，所述纵向接合范围(LEE)被定义为所述弦长与所述冲角θ的正弦的乘积；

其中，对于所述至少一个静水压叶片，所述LEE除以所述跨度的值大于0.75；并且

其中，当液体在所述静水压涡轮机转轮的流动方向上流过所述静水压涡轮机转轮时，在所述至少一个静水压叶片的所述上游面和所述下游面之间产生压力梯度，其中，所述上游面上的上游压力超过所述下游面上的下游压力；

由此，所述压力梯度将静水力施加到所述至少一个静水压叶片的所述上游面，所述静水力基本上垂直于所述液体流；

其中，所述静水力和所述液体流各自向所述至少一个静水压叶片施加相应的力，以驱动所述至少一个静水压叶片基本上垂直于所述液体流地跨所述液体流运动，从而使所述可旋转轴旋转；

其中，通过由所述静水力和所述液体流驱动的所述至少一个静水压叶片跨所述液体流运动而从所述液体提取的总能量超过等于仅从所述液体流能获得的动能的66％的量。

2.根据权利要求1所述的静水压涡轮机转轮，其中，对于每个静水压叶片，所述LEE除以所述跨度的值大于0.85。

3.根据权利要求1所述的静水压涡轮机转轮，其中，对于每个静水压叶片，所述LEE除以所述跨度的值大于1。

4.根据权利要求1所述的静水压涡轮机转轮，其中，对于每个静水压叶片，所述LEE除以所述跨度的值大于1.5。

5.一种静水压涡轮机，包括根据权利要求1所述的静水压涡轮机转轮。