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CN107429656A - 水电/水力涡轮机及其制造和使用方法 - Google Patents

水电/水力涡轮机及其制造和使用方法 Download PDF

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CN107429656A
CN107429656A CN201680013145.2A CN201680013145A CN107429656A CN 107429656 A CN107429656 A CN 107429656A CN 201680013145 A CN201680013145 A CN 201680013145A CN 107429656 A CN107429656 A CN 107429656A
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CN
China
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turbine
accelerator
hydrofoil
rotor
water
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Application number
CN201680013145.2A
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Inventor
W·舒尔坦布格尔
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HYDRAULIC ENERGY Co
Original Assignee
HYDRAULIC ENERGY Co
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Filing date
Publication date
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Abstract

本申请涉及具有改进的流动加速系统的单向水力涡轮机，其在所述涡轮机的一些或全部关键部件上使用不对称的水翼形状。可以是水翼形的这些部件包括例如转子叶片(34)、中心轮毂(36)、转子叶片罩(38)、加速器罩(20)、环形扩散器(40)、野生动物和杂物排除器(10、18)和尾舵(60)。该制造方法设计了各种部件以配合优化能量提取，而其他部件减少或消除可能对其他部件产生负面影响的湍流。

Description

水电/水力涡轮机及其制造和使用方法
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。
在开放中心概念的适应中，公开了一种水力涡轮机，其是上述固定的中心轮毂设计，而且还包括在中心轮毂中的通道或开口。参见例如Sireli等人的美国专利公开2013/00443685，Davis等人的美国专利7,471,009号，其都涉及单向涡轮机设计。另请参见Stothers等人的美国专利7,874,788号和Davis等人的美国专利公开2010/0007148，其涉及特殊构造的双向水力涡轮机，其包括可选地使用开放式中心轮毂，或者在后者中是轮毂中的旁路开口，如在上述的相关Davis等人的专利‘009中所述的(同时参见图7)。
伴随着太阳能发电和风力发电，水力发电仍然是非常有意义的并且日益重要。需要作出巨大努力来设计和建造更复杂和高效的水力发电涡轮机；然而，由于改善涡轮机设计的过程在许多方面是不可预测的并且因此是耗时的，所以不幸的是，倾向于简单地建造现有涡轮机设计的更大型式，以便从它们获得更大的能量输出。新的、高效率的涡轮机将能够从可再生能源中提取更多的能量，几乎没有对环境的影响。由于这些原因，对这种涡轮机的进一步改进是非常需要的。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供一种具有限定水流通过涡轮机的方向的入水口端和出水口端的单向水力涡轮机，包括大致圆柱形的加速器罩，其具有在其圆柱形截面内限定包含位于其中的结构的水流区域的壁截面，该结构基本上由包括具有不对称水翼轮廓的中心轮毂构件的整体水力力产生构件组成；以及安装在轮毂构件上的多个叶片构件，其中该力产生构件安装成用于在加速器罩的内表面上旋转。优选地，水力力产生构件包括转子组件，该转子组件还包括与叶片尖端附接的转子外环，并且该转子外环具有被配置为用于在加速器罩内旋转的外周。优选地，轮毂构件包括具有开放中心的大致圆形轮廓构件，并且其中围绕该开放中心的壁构件形成不对称水翼轮廓，外拱部朝向涡轮机的外侧，并且内拱部面向轮毂的中心。此外，叶片优选地具有不对称的水翼形截面构造，叶片最优选地在其径向外端具有大于其径向内端处的弦长的弦长，并且在其径向外端处的轮廓/弦厚度大于其径向内端处的轮廓厚度。最优选地是，加速器罩具有同样不对称形状的壁截面。
根据其它优选实施例，单向水力涡轮机具有中心轮毂，该中心轮毂具有同时向前和向后延伸超过叶片边缘的相当长距离的长度，并且更优选地从叶片向前延伸到作为加速器罩的入水口端后部的第一点，并且向后延伸到至少与加速器罩的出水口端一样远的点。优选地，中心轮毂延伸的总距离为加速器罩的长度的约50％至80％，更优选地约60％至70％，最优选地约2/3。
根据其它优选实施例，单向水力涡轮机还包括环形扩散器，其包括具有壁截面的大致圆柱形的环形构件，其还优选地包括不对称的水翼形状，该环形扩散器具有大于加速器罩的直径的直径并且优选地以重叠的关系在水流通过涡轮机的方向上位于主加速器罩的后面。
根据本发明的另一方面，提供一种具有限定水流通过涡轮机的方向的入水口端和出水口端的单向水力涡轮机，包括大致圆柱形的加速器罩，其具有包括不对称水翼形状的壁截面，其中该水翼形状包括大致S形的轮廓，其中外表面包括前凸部和过渡到该前凸部的后凹部，并且内表面包括后凸部和具有直形或凹形并过渡到该后凸部的前部；以及转子组件，其安装成用于围绕大致平行于通过涡轮机的水流的方向的轴线在加速器罩内旋转，该转子组件包括从涡轮机的中心径向向外延伸的多个转子叶片，并且安装成用于在加速器罩内旋转。优选地，转子组件还包括中心轮毂构件，优选地具有带有水翼轮廓的大致圆形轮廓构件，并且转子叶片附接到轮毂构件。更优选地，轮毂构件包括具有开放中心的大致圆形轮廓构件，其中环绕开放中心的壁构件形成不对称水翼轮廓，其中外拱部朝向涡轮机的外侧，并且内拱部面向中心轮毂。
在一些优选实施例中，转子构件还包括与叶片尖端附接的转子外环，并且该转子外环具有被配置为用于在加速器罩内旋转的外周。在其它优选实施例中，单向水力涡轮机还包括环形扩散器，其包括具有也包括不对称水翼形状的壁截面的大致圆柱形的环形构件，该环形扩散器具有大于加速器罩的直径的直径并且优选地以重叠的关系在水流通过涡轮机的方向上位于主加速器罩的后面。
根据本发明的另一方面，提供一种具有限定水流通过涡轮机的方向的入水口端和出水口端的单向水力涡轮机，包括大致圆柱形的加速器罩，其具有包括不对称水翼形状的壁截面，并在其圆柱形截面内限定流动区域，其中水翼形状用于加速通过加速器罩的水流并且在水流方向上的加速器罩后面产生负压场；转子组件，其安装成用于围绕大致平行于通过涡轮机的水流的方向的轴线在加速器罩内旋转，该转子组件包括具有包括水翼形状的壁截面的大致细长的圆柱形中心轮毂；多个转子叶片，其固定到中心轮毂壁并从中心轮毂壁径向向外延伸用于与其一起旋转，并终止于转子叶片尖端，这些叶片具有不对称水翼形截面构造；以及转子外环，其附接叶片尖端并具有被配置为用于在加速器罩内旋转的外周；以及环形扩散器，其包括具有包括不对称水翼形状的壁截面的大致圆柱形的环形构件。该环形扩散器具有大于加速器罩的直径的直径并且优选地以重叠的关系在水流通过涡轮机的方向上位于主加速器罩的后面，由此该环形扩散器的水翼形状用于加速通过环形扩散器的水流并在环形扩散器后面产生负压场，并与加速器罩的水翼形状、水翼形转子轮毂和叶片相配合以增加在转子组件的位置处通过加速器罩的水流的加速。
在单向水力涡轮机的一些优选实施例中，叶片在其径向外端处具有比在其径向内端处更大的弦长，并且/或者叶片在其径向外端处具有比在其径向内端处更大的轮廓/弦厚度。在其他优选实施例中，中心轮毂包括具有开放中心的大致圆形轮廓构件，其中围绕该开放中心的壁构件形成不对称水翼轮廓，其中外拱部朝向涡轮机的外侧，并且内拱部面向中心轮毂。优选地，该中心轮毂具有同时向前和向后延伸超过叶片边缘的相当长距离的长度，更优选地该中心轮毂从叶片向前延伸到作为加速器罩的入水口端后部的第一点，并且向后延伸到至少与加速器罩的出水口端一样远的点。优选地，中心轮毂延伸的总距离为加速器罩的长度的约50％至80％，更优选地约60％至70％，最优选地约2/3。其也可以向后延伸超过加速器罩的后边缘。
根据本发明的另一方面，提供一种具有限定水流通过涡轮机的方向的入水口端和出水口端的单向水力涡轮机，包括大致圆柱形的加速器罩部分，其在其圆柱形截面内限定水流区域；转子组件，其安装成用于围绕大致平行于通过涡轮机的水流方向的轴线在加速器罩内旋转，该转子组件包括从涡轮机的中心径向向外延伸的多个转子叶片，以及安装在加速器罩的入水口端处的野生动物和/或杂物偏转器构件，该偏转器包括大致锥形的结构，其朝向其前/窄端逐渐变细，并且包括彼此平行延伸并且在其全长上相对于彼此基本均匀地间隔开预定距离的偏转杆阵列，由此该预定距离限定可以穿过偏转器的野生动物或物体的最大尺寸。优选地，野生动物和/或杂物偏转器构件在其前部/窄端处包括环形构件，偏转杆附接到该环形构件，环的直径不大于偏转杆的预定距离。在其他优选实施例中，环形构件和/或至少一些并且优选地所有导向杆具有水翼形截面，以便减少流过环和/或偏转杆的水中的湍流。
根据本发明的另一个方面，提供一种具有限定水流通过涡轮机的方向的入水口端和出水口端的单向水力涡轮机，包括大致圆柱形的加速器罩，其具有包括不对称水翼形状的壁截面，所述水翼形状用于加速通过主加速器罩的水流并且在水流方向上的加速器罩后面产生负压场；并且在其圆柱形截面中限定包含整体水力力产生构件的水流区域，所述水力力产生构件包括具有不对称水翼轮廓的中心轮毂构件，以及安装在轮毂构件上的多个叶片构件，其中该力产生构件安装成用于在加速器罩的内表面上旋转。涡轮机的特征在于，其能够将进入涡轮机的水的环境流速度加速到叶片构件处的流速，其至少为环境流速的两倍，优选地为至少约21/2倍，且最优选地为至少约3倍。此外，涡轮机的特征在于，与相同直径的常规水力涡轮机相比，其能够提供的功率输出增加至少约25％，优选至少约50％，最优选至少约80％的因数。
根据本发明的另一方面，提供一种设计用于单向水力涡轮机的护罩，其具有限定通过涡轮机的水流的方向的入水口端和出水口端。加速器罩包括大致圆柱形的加速器罩，其具有包括大致不对称水翼形状的壁截面，其中水翼形状包括大致S形的轮廓，其中外表面包括前凸部和后凹部，并且内表面包括后凸部和具有直形或凹形的前部。这种独特的构造用于以最佳方式加速通过主加速器罩的水流并且在水流方向上的加速器罩后面产生负压场。
根据本发明的另一方面，提供一种具有限定水流通过涡轮机的方向的入水口端和出水口端的单向水力涡轮机，包括大致圆柱形的加速器罩，其具有包括不对称水翼形状的壁截面；以及转子组件，其安装成用于围绕大致平行于通过涡轮机的水流方向的轴线在加速器罩内旋转，该转子组件包括从涡轮机的中心径向向外延伸的多个转子叶片以及转子外环，该转子外环与叶片尖端附接以在加速器罩内旋转，其中叶片具有不对称水翼形的截面构造，其中叶片最优选地在其径向外端具有大于其径向内端处的弦长的弦长，并且/或者在其径向外端处的轮廓/弦厚度大于其径向内端处的轮廓厚度。
优选地，转子组件还包括中心轮毂构件，优选地具有带有不对称水翼轮廓的大致圆形轮廓构件，并且转子叶片附接到轮毂构件。更优选地，轮毂构件包括具有开放中心的大致圆形轮廓构件，其中环绕开放中心的壁构件形成不对称水翼轮廓，其中外拱部朝向涡轮机的外侧，并且内拱部面向中心轮毂。
根据本发明的另一方面，提供一种设计用于水力涡轮机的野生动物和/或杂物偏转器构件。野生动物和/或杂物偏转器构件被设计成安装在涡轮的任一端或两端。偏转器包括大致圆锥形的结构，其朝向一端逐渐变细，并且包括彼此平行延伸并且在其全长上相对于彼此基本均匀地间隔开预定距离的偏转杆阵列，由此该预定距离限定可以穿过偏转器的野生动物或物体的最大尺寸。优选地，野生动物和/或杂物偏转器构件在其窄端处包括第一环形构件，偏转杆附接到该第一环形构件，该第一环的直径不大于该预定距离。类似地，偏转器优选地在其较宽端处或其附近具有第二环形构件，偏转杆附接到该第二环形构件。在其他优选实施例中，至少一些并且优选地所有的偏转杆和/或环都具有水翼形截面。
根据本发明的另一方面，提供一种用于设计具有限定水流通过涡轮机的方向的入水口端和出水口端的单向水力涡轮机的方法，包括设计大致圆柱形的加速器罩，其具有包括初始不对称水翼形状的壁截面，并且在其圆柱形截面内限定流动区域，其中基于流体动力学原理选择该水翼形状用于加速通过加速器罩的水流并在水流方向上的加速器罩后面产生负压场；设计转子组件，其安装成用于围绕大致平行于通过涡轮机的水流方向的轴线在加速器罩内旋转，该转子组件包括：(i)大致细长的圆柱形中心轮毂，其具有包括基于流体动力学原理选择的初始水翼形状的壁截面；(ii)多个转子叶片，其固定到中心轮毂壁并从中心轮毂壁径向向外延伸用于与其一起转动并终止于转子尖端，这些叶片具有基于流体动力学原理选择的初始非对称水翼形截面构造；以及(iii)转子外环，叶片尖端附接到该转子外环，并且该转子外环具有被配置成用于在加速器罩内旋转的外周；设计环形扩散器，其包括大致圆柱形的环形构件，其具有包括基于流体动力学原理选择的初始不对称水翼形状的壁截面，其中环形扩散器的直径大于加速器罩的直径并且优选地以重叠的关系在水流通过涡轮机的方向上位于主加速器罩的后面；以及响应于对包括这些部件的涡轮机设计的CFD测试/分析来改变环形加速器、中心轮毂、转子叶片和环形扩散器的初始水翼形状，以便为所有这些部件提供最终的水翼形状，该最终的水翼形状(a)至少增强并且优选地最优化用于加速通过环形扩散器的水流并在环形扩散器后面产生负压场的能力，并且(b)提供与加速器罩、转子轮毂和叶片的最终水翼形状的协作，以至少增强并优选地最优化在转子组件的位置处通过加速器罩的水流的加速。
当与附图一起考虑时，从下面的优选实施例的详细描述中，本发明的其他特征和优点将变得显而易见。
附图说明
以下是为了说明本文所阐述的本发明的某些优选实施例的公开而不是为了限制本发明的目的而给出的对附图的简要描述。
图1是具有支撑/安装结构的水力涡轮机的一个实施例的三维前视图；
图2是具有支撑/安装结构的图1的水力涡轮机的三维后视图；
图3是具有支撑/安装结构的图1的水力涡轮机的截面侧视图；
图4是具有环形扩散器的加速器罩的一个实施例的三维视图；
图5A是在如图4所示的装置中具有环形扩散器的S形/双曲面水翼加速器罩的局部截面图；
图5B是在如图4所示的装置中具有环形扩散器的非S形水翼加速器罩的局部截面图；
图6是具有类似直径的多个环形扩散器的加速器罩的另一实施例的局部截面图；
图7是具有不同直径的多个环形扩散器的加速器罩的另一实施例的局部截面图；
图8是具有中心转子部分的整个涡轮机的一个实施例的三维视图；
图9是具有中心转子部分就位的图8的整个涡轮机的截面图；
图9A是加速器罩的分离透视图，示意性地示出了线圈的放置；
图10是图8的实施例的仅转子部分的三维视图；
图11是图8的转子部分的示意性侧视图，示出了水翼形转子叶片、转子叶片罩和水翼形中心轮毂中的一个；
图12是图8的实施例中仅四个转子叶片的透视图；
图12A是单个示例性转子叶片的分离透视图；
图13是转子叶片的一个实施例的截面图，示出了某些优选特征，包括可变的迎角，可变的弦长和可变的轮廓厚度与扭度；
图14是具有水翼形状叶片的截面的四转子叶片实施例的分离透视图；
图15是单独的转子叶片与水翼形截面的透视图；
图16是具有前后野生动物和杂物排除器的涡轮机的一个实施例的透视图；
图17是具有前后野生动物和杂物排除器的图16的涡轮机的截面图；
图18是具有前后野生动物和杂物排除器并利用水翼/泪珠形偏转杆来形成排除器的图16的涡轮机的截面图；
图19是根据本发明的一个实施例的以局部截面示意性地示出所有部件的分解透视图；
图20是图19的涡轮机的分解图，以示意性侧视图和部分截面示出了所有部件；
图21是安装在枢转基座上的桩式安装的水力涡轮机的一个实施例的透视图；
图22是安装在枢转基座上的图21的桩式安装的水力涡轮机的截面侧视图；
图23是安装在海洋驳船上的筏式安装的水力涡轮机的示意性透视图，两台涡轮机都运行；
图24是安装在海洋驳船上的筏式安装的水力涡轮机的示意性透视图，左舷侧涡轮机运行，并且右舷侧涡轮机处于维护位置；
图25是安装在海洋驳船上的筏式安装的水力涡轮机的透视图，右舷侧涡轮机运行，并且左舷侧涡轮机处于维护位置；
图26是安装在两艘海洋驳船之间的筏式单水力涡轮机的透视图；
图27是安装在潜水筏上的水力涡轮机的漂浮安装的透视图；
图28是安装在跨河桥上的结构安装的水力涡轮机的示意性透视图；
图29A是固定在安装在海床或河床上的潜水筏上的水力涡轮机的漂浮安装的示意性透视图：
图29B是直接附着在安装在海床或河床上的系绳的漂浮水力的漂浮安装的示意性透视图；
图30是被拖曳在船舶后面的水力涡轮机的拖曳安装的一个实施例的透视图；
图31是具有水翼形实体中心轮毂和水翼形叶片以将轮毂保持在适当位置的水力涡轮机的透视图；和
图32是具有水翼形实体中心轮毂和水翼形叶片以将轮毂保持在适当位置的水力涡轮机的示意性侧视图；
图33A和图33B分别是最初选择为6kn水流的加速器罩、扩散器和中心轮毂的示意性侧视图，以及已经被优化为3kn水流的加速器罩、扩散器和中心轮毂的相应视图；
图34是针对3kn水流中使用的1.5m转子部分直径涡轮机优化的转子叶片的示意性侧视图和正视图；
图35是利用图34中的转子叶片针对3kn水流中使用的1.5m转子部分直径涡轮机优化的加速器罩、扩散器和中心轮毂的更详细的示意性侧视图。
图36是比较根据本发明的水力涡轮机与不具有水翼罩的类似机器在不同的水速下的功率输出曲线。
图37A和图37B分别示出了根据本发明的实施例的在速度和压力中对流动加速进行CFD分析的二维测试结果。
图38A和图38B分别示出了根据本发明的实施例的速度流线和压力场中的CFD测量。
图39和图40分别显示了在CFD测试中叶片前部和叶片后部的压力差。
具体实施方式
根据本发明的装置的特征在于独特的流动加速系统和其他独特的部件，没有中心轴或齿轮，并且由于这些和其它特征，可以以比其他可比涡轮机更高的效率水平运行。
本发明的水力涡轮机的设计在尺寸上容易缩放，这意味着它们可以容易地针对任何特定的地理区域以及不同的流速和流量进行调整和优化。
本发明包括几种不同的安装方法，使得该装置适用于具有任何可导航水深的许多不同类型的位置和状况。
本发明的涡轮机被设计为非常环境友好，并且对海洋生物、海床或河床及其周围环境几乎没有影响。他们优选地配备有野生动物和杂物排除器，小海洋生物安全通道或通路和电磁辐射(EMF)屏蔽。外表面优选地涂有无毒的防污涂层。
由于独特的设计、施工中使用的材料和所涂覆的涂层，这些装置需要极少的维护。
在一个方面，本发明涉及一种水力涡轮机，其旨在以固定、漂浮、锚定或拖曳的构造被放置于优选具有最小约0.25m/s的流速的溪流或水流中的水下。本发明还涉及某些涡轮机部件，一种用于设计/生产这种涡轮机的方法，以及使用该涡轮机的方法。当然，这种装置通过更大的流速会产生更多的能量。
这些涡轮机可以以任何数量安装。它们可以用作单个单元，或者可以被安装成可以由多个涡轮组成并且可以高达数百个单元的“涡轮机阵列”或“涡轮机场”。涡轮机可以一起发电或单独发电。
这些涡轮机的设计是可缩放的，并且可以作为任何尺寸的小单元生产，但实际上来说是至少约30cm的转子部分直径，并且可以是对于特定位置的特定应用是实用和适用的任何尺寸的转子部分直径。该装置可以是多达至少约30m的转子部分直径或更大的任何尺寸的大单元。
本发明提供了一种由申请人开发的改进的流动加速系统，其在涡轮机的许多关键部件上使用水翼形状，并且最优选地在水流通过的大部分或全部部件上使用水翼形状。这些可以是水翼形状的部件被称为：转子叶片(34)，中心轮毂(36)，转子叶片罩(38)，加速器罩(20)，环形扩散器(40)，野生动物和杂物排除器(10、18)，尾舵(60)，支撑结构(50、52)，支撑桩(54)。这些部件中的一些，例如转子叶片或加速器罩，可以有利地是水翼形状以便优化能量的提取，而诸如野生动物和杂物排除器的其它部件可以是水翼形状以便减少或消除可能会对另一个部件或多个部件造成负面影响的湍流。
适用于该设计的流体动力学原理适用于该水力涡轮机的任何尺寸以及水的任何流速。通过适当改变这些水翼形部件的形状，该水力涡轮机可以适应于特定场所的流动条件以及所需涡轮机的尺寸并针对其进行优化。有利地针对一个或多个转子叶片、加速器罩、中心轮毂和/或环形扩散器进行水翼形状的变化。这些变化在一些情况下可以相对较小，并且根据水流速度和所需的涡轮机尺寸可以在于增加或减少一些水翼的弦长和/或弦厚度和/或改变水翼的迎角/入射角。这意味着根据本发明的具体实施例的设计可能在外观上相对或甚至非常小地变化，但是无论水轮机的尺寸或水流的速度如何，都将以完全相同的方式工作，只要部件相对于彼此的尺寸比例和位置以及各部件之间的位置维持或保持不变或非常相似。
涡轮机的输出将与转子叶片的表面积成比例地增加；这意味着确定涡轮产生多少千瓦或兆瓦的驱动力不与其直径成比例，但与暴露于水流的转子叶片的表面积成比例。涡轮机的输出随着直径的平方增加；换句话说，直径两倍的涡轮机将产生四倍的电力。这种设计特性使得涡轮机可缩放到实际上可用于水体中的几乎任何尺寸，只要改变通常不太变化的水翼形状。
对这些特定形状的水翼部件的设计和使用不仅消除了转子叶片的尖端涡旋，而且还加速了通过涡轮机的转子部分的水流，这是因为加速器罩与环形部件扩散器在涡轮机出口处或后方形成低压区域，其优选地由水翼形的中心轮毂进一步放大。这些部件一起创建了协同作用，以更进一步增加水流。通过入口管道的隧道效应已经在涡轮机入口处稍微加速的水流被涡轮机后面的产生吸力以从后面将水以更快的速度拉过转子部分的低压区域进一步加速。在优选使用水翼形部件的情况下，根据本发明的设计对通过涡轮机的定位有水翼形转子叶片的转子部分的流速获得了非常大的提升。没有其他已知的水力涡轮机设计已经达到了这种程度的流动加速。
通过该独特的形状和所有水力元件的组合产生的流动加速在任何尺寸的涡轮机中保持相同。对根据本发明的水力涡轮机的设计的计算流体动力学分析已经证明，它们将通过转子部分的流速加速到围绕涡轮机外部的环境流速大约三倍之多。这意味着，例如，如果该装置放置在3kn的水流中，则通过该装置的转子部分的流速将达到9kn，这种增加的水流对于水力发电的非常显著的优点是明显的。
下面参照附图中的图结合本发明的几个示例性实施例对各个部件的作用以及各个部件彼此间的相互作用/协作和关系的作用进行详细描述。
本发明优选地由四个主要部件组成：a)流动加速器罩，b)在流动加速器罩之后的任选的环形扩散器，c)内置于加速器罩中但是是独立部件的主转子，以及d)一个或多个可选的野生动物/杂物排除器。这些部件中的一些通常包括被组装为涡轮机的一个部件的若干不同的子部件。附加特征和优点如下所述。这些部件和特征以同样如下描述的方式彼此协作并且相互作用，以产生对根据本发明的涡轮机的改进操作。
带有环形扩散器的流动加速器罩
现在参见图1-5，图8和图19，流动加速器罩(20)是体现最复杂的水翼形状的重要部件。如在本发明的设计中所使用的那样，其优选地具有不对称水翼形状，并且最优选地具有S形/双曲线水翼形状(图5a，21)，或者换句话说是大致S形双曲线构型(图9)，以在罩后面产生负压场来加速通过涡轮机的转子部分(30)的水流。加速器罩的壁的截面也可以是非S形双曲线的水翼形状，而是更类似于常规的水翼形状(图5b，24)。与加速器罩外部的环境流速相比，加速器罩加速了涡轮机内侧的水流。加速器罩优选由四个零件组成：入口管道(22)、定子壳体(24)、转子叶片罩(38)(图10)和后整流罩(28)。这四个部件一起优选地形成单个形状，其优选地是加速器罩的不对称水翼，其在某些优选实施例中具有S形/双曲线水翼形状。所有四个零件优选地平整地接合在一起以形成内部和外部均完美光滑的表面，水流过该表面而不产生任何明显的湍流。
入口管道(22)用于将水流汇集到转子部分(30)中，并将水流引导到加速器罩外部的定子壳体(24)上和上方，以及内部的转子叶片罩(38)上方。该定子外壳外表面和转子叶片罩内表面是加速器罩的整体形状的一部分。入口管道还包含在运行期间引导转子部分的前向推力轴承。
定子壳体(24)包含包括环形发电机的定子的所有金属的，优选铜的线圈(25)以及用于传送从涡轮机产生的电能的常规电线(未示出)。定子壳体还包含转子部分在其上旋转的旋转辊/球轴承(或其它轴承或低摩擦聚合物衬套)(26)。
转子叶片罩(38)的外表面形成加速器罩的一部分，但是是附接到转子叶片尖端(33)并与主转子一起在加速器罩内旋转的独立部件。这将在下面更详细地描述。
位于定子壳体(24)和转子叶片罩(38)后面的后整流罩(28)将水流引导到加速器罩(20)的出口，并且优选地在后端具有羽状边(29)以避免造成任何湍流或阻力。后整流罩还包含转子部分在旋转时被推压于其上的尾/后推力轴承(26)(图9)。
环形扩散器(40)还优选地是不对称水翼形环，并且优选地具有比加速器罩(20)更大的直径。环形扩散器(40)位于加速器罩的后面，并且优选地在加速器罩(20)的后端稍微重叠。其以与加速器罩非常相似的方式工作，进一步增加了涡轮机后面的负压场。由于加速器罩和环形扩散器的协作和产生的协同效应，通过转子部分的流速更大地增加。一般地，在相对靠近(例如，约4至6英寸)(最终)环形扩散器的后缘(其优选地为羽状边)的位置，附接有后部野生动物和杂物排除器。可能存在一些情况，例如特定的水流条件，可能有利的是采用彼此前后定位的一个或多个环形扩散器，例如第二环形扩散器(42)甚至可能第三个环形扩散器(44)。(图6-7)
转子组件
现在参见图10-15，本发明的水力涡轮机优选地具有开放中心(37)。部分地，这在本发明的设计中是有利的，因为叶片通过转子部分中心附近的水流时速度很低，因此不会产生足够的提升或足够的能量提取。实际上，中心部分通常对转子具有负面影响，这是由于较大的润湿表面产生的额外的阻力以及需要由水驱动的额外重量。转子叶片(34)的末端以更高的速度通过水，因此产生显著更多的升力并允许显著更大的能量提取。根据涡轮机的尺寸、安装位置以及所需要的其他特定场地处的流速，开放中心与叶片以及轮毂尺寸之间的比例可以在从约40％叶片：60％开放空间，到约80％叶片：20％开放空间中的任一值。根据本发明的涡轮机有利地沿着转子部分的周边使用总直径的主要部分来产生的升力，该主要部分通常大于直径的约60％、更优选地为大约2/3。这留下剩余的小部分，例如在优选实施例中为中心开口(37)中的总直径的约1/3。取消转子的中心部分减小了转子的总重量，并且还减少了实心轮廓部分将产生的润湿表面积和阻力。因此，本发明的设计产生了更有效的转子部分，其使用具有更小重量的更小的叶片面积，具有更少的润湿面积和更小的阻力，其可以以更高的转速旋转并允许提取更多的能量。还有一个次要的作用，其对下面描述的野生动物和杂物排除器更为有利。
优选地环形并围绕优选开放中心(37)的中心轮毂(36、80)还用于附接转子叶片根部(39)。(图11-12和图31)实心的中心轮毂(80)优选具有对称的水翼形状，而具有开放中心的中心轮毂36优选具有不对称水翼形状，其中外拱部朝向涡轮机的外侧，并且内拱部面向轮毂的中心。由中心轮毂产生的升力有助于进一步增加由加速器罩(20)和环形扩散器(40)产生的涡轮机后面的负压场。这种效果增加了通过转子叶片部分的水流的加速，并且有助于协同效应和生成较高的发电量。
转子叶片罩(38)(也称为主转子的外圈)是叶片(34)的末端/尖端(33)附接的位置。(图10)该转子叶片罩(38)形成加速器罩(20)的水翼形状的一部分。其是与加速器罩分离的元件，允许其与转子叶片(34)一起旋转，但是转子叶片罩的表面优选地与加速器罩(20)的内表面完全一致，以产生两个内表面、加速器罩和转子叶片罩的一个平滑曲线。转子叶片罩的面向定子壳体(24)内表面的外表面优选地凹入到加速器罩中，并且具有平坦表面，永磁体(32)位于其中并旋转经过定子的铜线圈(25)来产生电能。转子叶片罩(38)还消除了尖端涡旋并减少了阻力和湍流，从而实现了更高的效率和更高的能量提取。
现在参见图11-15，转子叶片(34)的效率通过优选地使用不对称的水翼形状来增加，其也优选地被优化，如下所述。这种形状(也称为水翼的弦或截面(35))提升了每个叶片的效率，减小了其尺寸并且相对于其他设计减少了叶片的数量。较小的转子叶片(34)具有较小的润湿面积，因此产生较小的阻力。水翼形状产生的升力量取决于水翼的弦/截面(35)的形状(图15)、弦的长度(74)和弦的厚度(76)。(图13)在根据本发明的设计中，弦的长度(74)和/或弦的厚度(76)之一或两者优选地在叶片根部(39)和叶片尖端(33)之间变化。这优化了水翼形状产生的与其经过水的速度相关的升力。根据本发明设计的转子部分中的叶片数量可以根据涡轮机的尺寸和特定应用中的水的流速而变化。
安装转子叶片的角度/入射角(72)(图13)也是可变的，其可以被调节为用于优化叶片经过水的迎角或入射角。优选使用由转子的转速确定的最佳角度以产生叶片表面上的层流或至少近似的层流。如果该层流是湍流或显著的非层流，则水翼产生较少的升力，因此只能提取更少的能量。由于叶片的尖端完成一圈要经过更长的距离，因此叶片的尖端比叶片的根部更快地经过水。因此，叶片的入射角有利地从叶片的根部(39)到叶片的尖端(33)逐渐减小，以便处于最佳角度。这种角度的变化被称为叶片的扭度(78)。扭度优选地被设计成在每个截面处产生转子叶片的最大升力，并因此提高效率和功率提取。
为了使根据本发明的水翼形状在它们以不同速度经过水时都是最佳的，它们优选地具有不同的弦长(74)和不同的轮廓/弦厚度(76)。优选地，叶片的厚度(76)和/或弦长(74)从叶片的根部朝向叶片的尖端增加，以便增加叶片以更高的速度经过水时的表面面积，并产生最大量的升力。因此，叶片最优选地随着其从轮毂径向延伸而增大尺寸和厚度。这些弦长和厚度的增加导致更高的效率和更大的功率提取。
每个转子叶片的转子叶片水翼形状(35)、弦长(74)、轮廓/弦厚度(76)、入射角(72)和扭度(78)，以及叶片的数量可以有利地针对每个应用而变化，以便适应水体的特定位置的水流条件和其他位置需求。
野生动物和杂物排除器
现在主要参考图16-18，一个从零碳排放的可再生能源产生能量的水力涡轮机不应该仅对自然资源和大气环境友好，而且对于海洋和野生动物也应是环境友好的。本发明将超过特定尺寸的任何海洋生物和漂浮或水下的杂物偏移开本发明的水力涡轮机的转子。无法进入涡轮机喷嘴部分的海洋生物或杂物的尺寸由前后排除器的偏转杆(14)的间距/距离(15)来限定。在本发明中，通过设计，偏转杆彼此平行地延伸并且在其全长上均匀间隔开，以确保在一个地方的杆(15)之间的距离不比另一个地方更大。间距(15)的距离由将被排除的且适应于特定操作场所的位置需求的遇到的海洋野生动物的大小和种类以及杂物的大小来确定。它将防止大于偏转杆(14)之间的空间(15)的任何海洋生物，如鱼、海龟、海洋哺乳动物甚至潜水员从前方进入水力涡轮机的转子部分，以及还采用后排除器时也防止从后面进入。
本设计与其他先前已知的设计(参见例如(美国专利3,986,787，美国专利公开2010/0007148 A1和美国专利D 614,560)不同，先前已知设计的特征在于不平行的偏转杆，使得朝向排除器的一端的杆之间的开口更大/更宽，因此不限制进入的海洋生物或杂物为有限的大小。一些其他现有技术的装置被设计为同心圆形偏转杆(参见例如美国专利D304,322和美国专利5,411,224)，其限定有限尺寸的开口，但是这样的构造不能如同根据本发明的偏转杆一样有效地摆脱所有野生动物和杂物，其相对于水流方向倾斜地对准。在同心设计中，野生动物或杂物很容易被夹在该环之间。在本发明的设计中，要排除的海洋生物或杂物的精确尺寸可以有利地被偏转杆(14)之间所选择的距离(15)选择性地预定。
洋流和河流含有许多种类的漂浮杂物。这些杂物可能浮在水面或浸没在不同的深度。因此，优选将这些杂物最大限度可能地保持在水力涡轮机的转子部分之外，以便防止对涡轮机的损坏并确保连续且不间断的电力输出，根据本发明的设计有效地偏转并且防止在偏转杆的间隔的特定尺寸(15)之上的任何杂物。
根据本发明的水力涡轮机优选地具有两个野生动物和杂物排除器，一个(10)在涡轮机的入口(22)的前面，一个(18)在涡轮机的出口后面。前部野生动物和杂物排除器(10)位于涡轮机的前面保护加速器罩(20)的入口(22)，并且附接到加速器罩的前端，并且优选地附接到涡轮机的支撑结构(50、52)。排除器的偏转杆(14)可以由具有不同直径的金属、玻璃纤维或合成材料制成，这取决于涡轮机的尺寸；从小型涡轮机上的约1/4英寸到非常大单元上的高达约2英寸。偏转杆优选为水翼/泪珠(14)形的截面形状(图18)，钝圆末端指向水流，尖端为后缘。这种构造用于避免水流中的湍流，该端流可能会扰乱一个或多个其他部件(例如加速器罩20，环形扩散器40和/或转子叶片34)的效率。
第一/前向野生动物和杂物排除器(10)优选地被构造成使得前排除器(14)的前端上的偏转杆形成大致锥形的形状。前端的偏转杆附接到小环(12)，该小环优选地具有与偏转杆的内部之间的特定距离(15)相同的内径。在后端，偏转杆优选地附接到大环(16)，其优选地具有大于环形扩散器(40)的直径。可以改变由偏转杆(14)所附接的前环(12)和后环(16)之间的差异所产生的锥形形状的斜率，以适应不同的环境需要。前排除器优选地定位成与环形扩散器稍微重叠，其中间隙大约与偏转杆之间的距离(15)相同，以便保持允许进入的野生动物和杂物的有限尺寸。其被设计成锥形，以便摆脱和转移任何野生动物、杂物、海草或任何其他可能漂浮在水流中的物体进入涡轮机。
第二/后向野生动物和杂物排除器18(图16和图18)位于涡轮机出口的后面，并附接到(最终)环形扩散器的后缘。后排除器优选地还包括平行杆构件的格栅或网格，其彼此间隔开与前排除器中的杆(14)相同的预定距离，并且在后排除器的情况下，最优选的配置是大致平面的。后排除器防止更大的海洋生命从后面进入转子部分，甚至在与水流相反的方向上，或者在没有水流的情况下，例如在从涨潮到退潮的变化期间。排除器的偏转杆与前向野生动物和杂物排除器间隔相同的特定距离(15)，以防止任何大于该特定距离的野生动物或杂物进入转子部分。两个排除器的所有偏转杆(14)优选地具有水翼形截面，以最小化将不利地影响可能存在于一个或多个其他部件(例如转子叶片、加速器罩、环形扩散器和/或中心轮毂)上的水翼形状的湍流和涡漩的产生。
在大多数所描绘的实施例中，能够穿过偏转杆的间隔(15)的较小的海洋生物有利地被提供有用于安全地通过具有开放中心(37)的圆柱形中心轮毂(36)的第二路径。转子部分的开放中心如上所述。由于中心轮毂中的水流速度比刀片所在的外部的流动速度更快，因此较小的海洋生物可以通过该开口被吸入并且可以无伤害地离开。开放中心的直径可以大范围地变化，而不会对涡轮机的性能造成实质影响。可以为每个应用计算最佳直径，并且在某些优选实施例中通常为转子部分总直径的大约1/3。通过开放中心(37)的加速水流用于安全地将小型野生动物和小杂物传送通过涡轮机内部。
无论选择哪种安装方法，根据本发明的涡轮机优选地是自动定向的，这意味着它们将始终指向水流的来向。这优选地通过在涡轮机后方安装固定尾舵(60)来实现，该固定尾舵(60)优选为水翼形，并且将该单元直接定向到水流方向。该特征允许装置精确地指向水流的来向，使得通过涡轮机的水翼形部件的水以最佳角度流过所有水翼形表面。这样优化了两侧之间的压力差，增加水翼形状的协同效应，并有助于确保水的层流。
本发明的水力涡轮机的设计使得水的流动总是来自同一侧，即单向的。这允许涡轮机充分利用许多不对称的水翼形状和流体动力学效应，当它们组合在一起时获得更高效的涡轮机。双向涡轮机不能使用不对称的水翼形状，因此效率较低。
根据本发明的涡轮机由于其单向流动不仅更好地利用了文丘里/伯努利效应，而且还通过使用优选地不对称水翼形加速器罩和/或环形扩散器和/或优选地水翼形中心轮毂来进一步增加流速。
环形发电机设计优选地具有安装在转子叶片罩(38)上的磁体(32)和优选位于加速器罩(20)内部的定子壳体(24)中的铜或其它金属线圈(25)。该设计消除了对用于机械地提取并将能量输送出涡轮机的齿轮箱或变速箱或液压系统的需要。齿轮箱、变速箱和液压系统产生了消耗涡轮机产生的一部分能量的摩擦。通过使用环形发电机，本发明使这些摩擦/传输损失最小化，并创建了更有效的涡轮或发电机。直接在涡轮内部产生的电能通过电线(未示出)传输，消除了摩擦/传输和功率损耗。然后将所产生的能量传送到通常位于涡轮机外部(任何认为可行的地方)的逆变器/变压器进行调节。根据本发明的优选设计还消除了对中心轴承的需要，由此消除了对位于通过涡轮机的流动区域内的任何固定结构(例如轴或轮毂)的需要。没有任何固定结构进一步意味着不需要支柱或其他元件来支撑该固定结构。
该涡轮机的加速器罩(20)、环形扩散器(40)、水翼形中心轮毂(36、80)和转子叶片(34)优选地由复合建筑材料构成，例如碳纤维、芳族聚酰胺纤维、玻璃纤维或类似的固体纤维和树脂或结构泡沫芯材料或蜂窝芯材料。诸如定子壳体的一些部件优选地是中空的，以容纳定子的铜线圈(25)。在一些优选实施例中，诸如加速器罩(20)的入口管道(22)、后整流罩(28)和环形扩散器(40)的其他部件可以是实心或夹层结构并且在内部保持中空，可以在被淹没时选择性地充满水。利用中空部件内部的适当(针对水深)结构支撑，它们将能够承受被淹没后的水压。在夹层结构的情况下，所使用的这些复合材料是自然漂浮的并且将保持涡轮机漂浮。尽管复合材料理想地适用于该水力涡轮机的结构，该装置也可由钢、铝、钛或被认为适用于特定应用的其他金属合金构成。该涡轮机的整体浮力将大部分是正的，并可以使用压舱物来保持其被淹没。涡轮机也可以通过允许空心隔室充满水而被淹没。安装适当数量的压舱物或某些舱室的充水将允许涡轮机的整体浮力被控制以选择性地使涡轮机对于不同的应用变成正浮力、平衡浮力或负浮力。
该装置的优选地自定向特征允许该涡轮机是单向水流涡轮机。在单向涡轮机中，总是来自涡轮机前部的水流的存在允许在设计中使用不对称或单向水翼形状。因此，任何或所有基本部件，即转子叶片、加速器罩、环形扩散器、中空中心轮毂、尾舵和/或野生动物和杂物排除器可以有利地包括至少一定程度上不对称的水翼形状。不对称或单向水翼形状比对称和双向水翼更有效。
可能包括不对称水翼形状的那些元件(即加速器罩、转子叶片、环形扩散器、空心中心轮毂和/或野生动物和杂物排除物)之间的关系和协作产生互惠和协同效应，该互惠和协同效应随着更多的这些元件中具有非对称水翼轮廓被增强。在最优选的实施例中，所有五个这些元件受益于彼此的存在，并且当它们组合在一起时，它们的效应被放大以在涡轮后面产生比它们单独地或分开地产生的更大的负压场。换句话说，多个元件一起的作用大于多个元件独立的总和。这种协同效应对通过转子部分的水流产生了更大的加速，在该转子部分处不对称水翼形叶片更充分地利用并且能够以更高的速度或转速旋转。这些组合作用导致了相互有利的协同效应，并且由于发明人开发的“水流加速技术”导致更高的效率，从而允许更大的能量提取。
参考图36，该表示出了对于一个优选实施例，水翼形加速器罩的存在如何相对于环境流速对通过喷嘴部分的流速产生指数加速。
图36中所示的数据说明了具有1.5米直径转子的2个不同设计的水力涡轮机之间随着环境流速增加的功率输出差异。带有方框的线代表仅具有轮毂和3个叶片而没有罩的水力涡轮机(这是世界上的水力涡轮涡轮机中使用的最常用设计)。具有三角形的线表示使用水翼形加速器罩、环形扩散器和开放中心轮毂的本发明的输出。对于包含于具有类似于图35所示的水翼形状的加速器罩中的相同的转子组件，这是相同的关系。可以看出，电力的增长是3阶幂指数。还可以看出，在较低水流速度范围内(例如，约3kn，这表示了这种类型的水力发电机的绝大多数应用)，比较关系对于水流速度的变化较不敏感。因此，在这种常见范围的运行内，优化护罩构件(以及其他部件和关系)的设计尤为重要，以便最大化功率输出的相对增加。
展示本发明的涡轮机的效率增加的另一种方法是与其他高效商用涡轮机相比较。世界上最成功的水力涡轮机制造商和安装商之一最近开发出一种新设计的水力涡轮机，其声称是最高效的。它是具有16m直径的转子部分的双向涡轮机，其具有外部护罩和开放的中心轮毂，并据称能够产生2.2MW的电力。利用本发明的设计方法，根据我们的“理论计算”，具有相同的16m直径的转子部分的涡轮将产生3.88MW的电力。这相当于针对相同尺寸的涡轮机增加了76％的电力输出。
以下是用于对根据本发明的水力涡轮机设计的输出预测的计算：
安装方法：
根据本发明的水力涡轮机可以安装在几乎任何移动的水体中，或者可以通过移动经过水以产生可用的输出。对于这些水力涡轮机有五种主要的安装和部署方法：
桩式安装(图21、22)：一个或多个涡轮机单元可以是桩式安装的装置，其包括被驱动到海底或河床中的桩(52)，该桩(52)具有在顶部的一组旋转推力轴承和压缩枢转轴承(53)。附接到安装结构(50)的较大的管，涡轮机所在的管套在该固定桩(52)和轴承(53)上。安装结构(50)可以从管(52)上松开并且在管内部具有可拔出的电气插头(53)用于维护和涡轮机的移除。这种安装允许涡轮单元枢转，并且涡轮机可以自由地旋转360°以使其本身精确地定向到水流方向。这种类型的安装还具有非常小的海底面积，并且对环境影响最小。在这种安装中，电力通过套筒内的一组铜环和炭刷(53)传输，以避免电缆扭曲和对枢转动作有任何限制。
漂浮结构安装(图23、24、25、26、27)：一个或多个涡轮机单元可以附接到任何类型的漂浮结构，例如海洋驳船、筏(54)、漂浮在水面上的船舶或船只。这些装置可以锚定到海底或河床(59)或通过与GPS定位装置耦接的推进器固定在适当的位置，类似于石油钻井平台或者绑定到海洋或河流或沿岸的任何结构。有两种类型的筏上安装，一种在纵向枢轴上(图23、24、25)，另一种在横向枢轴上(图26、27)。优选地，筏式安装的装置采用安装在甲板上的提升系统或起重机或斜齿轮驱动装置用于将涡轮枢转到甲板上。一种类型的安装仅使用一个筏或驳船，而横向安装的系统采用两个筏或驳船，其中涡轮机单元安装在它们之间。根据涡轮机的尺寸、位置或操作者的偏好，一种类型的安装可以比另一种更好。对于较大的系统，通常有利的是使用两个筏或平台并将涡轮机安装在这两个之间的中心横向轴线上(图26、27)，涡轮机可以在其上枢转180°以在水面上方进行维护或修理。对于较小的单元，一个或多个涡轮机可以安装在浮动结构的侧面上并且在纵向轴线上枢转(图23、24、25)，以被放置在结构的甲板上用于维护或修理。
陆基结构安装(图28)：一个或多个涡轮机单元还可以安装到诸如海堤、海岸线的陆基结构或者附接到安装在洋流或河流中的桥梁或其他结构。该装置可以优选地通过至少两种不同的方法安装在这些固定结构中的任何一个上。涡轮机附接到的支撑结构可以安装在一个或两个附接到该固定结构的轨道上，在该固定结构上该单元下降到水中并从水中升起以用于维护或修理，或者可以将其安装在枢轴上，其也允许装置枢转到水流中并从水中返回以进行维护或修理。无论哪种方式，该单元通过闩锁机构被保持在上部位置，而在下部位置它可以搁置在一些端部挡块上。电缆连接优选地进入基座结构并从那里到达用于调节的变压器。
漂浮安装(图29)：一个或多个涡轮机单元可以由于可用于构造任何或所有部件的复合建筑材料而自然地漂浮。这允许该装置在由附接到基础/海床系泊(59)或螺旋式锚固件或海床上或河床上的任何其他固定装置的系绳(64和66)的长度确定的任何给定深度处漂浮。该两段系绳具有两个目的：固定系绳(64)和滚动系绳(66)将使该装置浸入所需的深度并将电力从发电机组传送到基座，然后传送到岸上。该系绳(64和66)具有2个部件；主固定系绳(64)，其在涡轮机和辅助滚动系绳(66)之间是固定长度，辅助滚动系绳(66)是滚动机构，其附接到基座并且其长度与水面和涡轮机将要保持的期望深度之间的距离相等。当辅助系绳展开时，允许涡轮机漂浮到水面用于维护或修理。该装置还可以附接到水下筏(58)或水下浮选装置(58)上，以将涡轮机悬置在中游中。在该情形下可以使用同一系绳。
拖曳安装(图30)：一个或多个涡轮机单元也可以被拖曳在船舶的后面，或者被其他装置拖动经过水，通过不运动的水推动该装置以人为地产生通过该装置的水流。拖曳电缆通常附接到野生动物和杂物排除器的前部，因此将使涡轮机定向以最佳地产生从前向后通过该单元的水流。代替通常位于涡轮机出口之后的单个方向舵，可替代地，可以将2或4个小翼(62)附接到环形扩散器的外部；每侧各有一个小翼，顶部和底部有各一个小翼。这些小翼(62)防止涡轮机组本身在被拖曳经过水时旋转，从而确保只有转子部分旋转。
维护步骤：
由于部件的设计，并且由于优选的复合建筑材料实际上是抗腐蚀的，所以本发明的水力涡轮机只需要极少的维护。然而，就像一切浸入海洋中一段时间的任何东西一样，将发生污染和海洋生长。这些水力涡轮机涂覆有无毒防污涂料，但仍然需要定期清洁表面以确保最佳的功能和输出。这些单元可以由潜水员潜水时压力冲洗，这使得它们能够保持在水下，或者它们可以被带到地面并被地面人员压力冲洗。除了定期清洁之外，这些设备需要很少的维护。根据安装类型，首选维护步骤可能会有所不同，如下所述。
在桩式安装(图21、图22)的情况下，优选地利用作为在两个船体之间具有活动甲板并在活动甲板上安装有起重机的龙门架的双体船的特殊维护船(也由申请人设计)。船舶可以位于需要维护的涡轮机上方，并且涡轮机单元可以通过到达两个船体之间的甲板中的开口并将涡轮机提升到船上而被提升。将涡轮机连接到岸边并通向位于用于枢转的支撑桩(52)内部的铜环和电刷(53)的电线具有防水塞(53)，当涡轮由其上方的维护船舶提升时可以被拔掉。在船舶上，刚刚从桩上移除的涡轮机可以放在一侧到其中一个船体上，另一个船体上做好准备的备用涡轮机可以通过该开口下降，并将第一个单元中拆除的塞子螺固回桩。
在筏上安装的情况下，优选地是将涡轮机的支撑结构(50)纵向附接到筏旁或横向附接到两筏之间(图23、24、25、26、27)。在每种情况下都使用支撑结构(55)，其安装在具有轴承(55)的枢转点上，这允许该单元在纵向安装单元(图23，24，25)的情况下围绕中心轴线枢转270°，或在横向安装单元(图26，27)的情况下枢转180°。当下沉用于发电时，以及当浮出水面用于维护或修理时，使用锁定机构将单元固定在适当位置。为了使该单元浮出水面，采用安装在筏上的吊车或起重机(56)，其可以附接到涡轮机的支撑结构。一旦在浸没位置解锁，吊车就可以通过将该单元枢转到维护位置来将该单元从水中拉出，在维护位置可以将该单元锁定到位来固定。
在固定结构安装的情况下(图28)，可以通过至少两种方法来维护或修理涡轮机单元。一种方法是使在涡轮机被吊出水面后被放置在适当位置的浮动平台或筏通过在固定机构的轨道上向上滑动安装在支撑结构上的涡轮机，或者使安装在支撑结构上的单元向上，来离开水面。另一个步骤是使附接到可摆动的固定机构的平台移开用于提升涡轮机单元离开水面，然后重新定位以进行维修。
在漂浮安装的情况下，也有至少两种维修涡轮机单元的方式。在通过附接到滚动系绳(66)的固定系绳(64)系拴到海床或河床的漂浮涡轮机的情况下，滚动系绳通过展开牵引机构(在上述安装说明中描述)而被延长，并且带动涡轮机到达水面。一旦在水面上，涡轮机单元可以被吊到船舶的甲板上用于维护或修理。在涡轮机单元附接到浸没式筏(58)或漂浮装置的情况下，滚动系绳(66)牵引机构以与漂浮涡轮机相同的方式展开，并且一旦在水面处，涡轮机单元可以枢转到平台上用于维修。
在拖曳安装的情况下，附接到涡轮机单元的拖曳线被拖拉以将涡轮机单元带到船舶旁边或后面，在此通常由安装在船舶上的起重机或吊机吊起。然后优选地将涡轮机放置在船舶的甲板上用于维护或修理。
设计方法
本发明的涡轮机单元的设计方式被认为是新颖而独特的。作为设计师在流体力学领域工作超过30年的经验，并且在他的职业生涯中创造和建造了许多不同类型的水翼之后，申请人获得了做为设计根据本发明的涡轮机的基础的基本概念。根据这些基本设计理念，他认为根据本发明的他的涡轮机设计提供了超过并优于目前存在的任何其他设计的水力涡轮机。
今天，许多环境中使用的是以逆流水流为特征的水力涡轮机，因此大部分现代设计工作集中在提供可以有效地用于这种环境中(主要是潮汐流)的双向涡轮机。因此，很多这些双向涡轮机或多或少体现了水翼体部件，或者如果他们这样做，则水翼设计必然是对称的。然而，不对称或弧形水翼的截面升力系数大于对称水翼的截面升力系数。根据本发明的单向水力涡轮机的设计利用了这种现象。
根据本发明已经确定，对于3kn的水流来说主要优化水力涡轮机是最有意义的(例如，参见图34和图35所示的实施例)，因为大约3kn的水流是洋流以及潮汐流和许多河流中最常见的水流。还有一些其中通常发现有大约5kn至7kn之间的更高水流速度的位置和/或情况的例子，例如在存在特殊地理特征的区域，例如快速流动的潮汐流或河流，或者甚至在罕见情况下的洋流，以及还有在船只(通常是帆船)后面拖曳水轮机中的一个的情况下。为了考虑到这些更高的水流速度情况，本申请还描述了旨在为6kn水流设计的实施例的设计修改，作为旨在用于在呈现这些较高水流流速的环境中使用的代表性和示例性涡轮机。因此，本申请描述了代表在这两个最常(即几乎所有)遇到的流速下使用的设计的实施例。当然，遵循本申请的教导，根据本发明的涡轮机可以针对任何流速进行优化，从实际的角度来看，这些流速包括从大约1/2kn至大约12kn的流速的水流。
流体动力学中使用许多标准算法来计算水翼的形状，标准教科书和数据库包含与这些计算和已知设计有关的完整信息和表格。这些在本上下文中不需要讨论，因为它们是本领域技术人员所熟知的。然而，如下所述，在一些实施例中，本发明在新颖的设计方案中利用这些算法/数据库，作为设计新颖的水翼形状的起点，其作为水轮机设计过程的第一阶段中所谓的“初始”设计。
根据一种模式，设计过程通常以基于常规流体动力学考虑的手绘草图(通常但不一定是新颖的)开始，该草图基于根据本发明的新颖原理来选择。所选择的草图随后被输入到称为3-D建模程序的计算机程序中，其中一个例子称为“Rhino 3-D”或“SolidWorks”。这产生了“初始”设计的第一版本。
或者，可以再次基于用于制作手绘草图的同一常规流体动力学考虑通过从数据库(例如国家航空咨询委员会(NACA)的档案)之一中选择各种不同的水翼形状来产生“初始”设计的第一版本，但是再次选择(从巨大的数量中)该形状是基于本申请中教导的新颖设计考虑。这些第一版本的形状，“初始”直观的水翼形状(不管如何获得)都使用3-D模型软件(如Rhino 3D或SolidWorks)进行修改，并在2-D水流分析程序(例如“Java Foil”等以及用于此目的其他类似的商业可用的软件产品)中进行分析。该修改通过在3-D中观察所选择的“初始”轮廓并且基于流体动力学考虑进行认为有利的修改而继续进行，以便保持层流并避免湍流，同时保持最大流速。作为该第一阶段的结果，创建了代表根据本发明的原理的新(新颖)和独特形状的水翼的改进的“初始”设计，然后将其制成环形或喷嘴形状，目的在于在水轮机的情况下使用它们。
通常，当考虑针对单个选定的水流速度(例如3kn)的设计时，根据本发明的水力涡轮机的尺寸可以按比例放大或缩小，通常在总体结构中仅有微小的变化。选择“初始”水翼形状然后进一步修改该轮廓的主要影响因素是其中放置涡轮机的水流的流速。在较高的流速(例如6kn)中，水翼形状的截面通常更细长和平坦(在水翼的两侧较少弯曲)，它们处于3kn水流的轮廓设计中时，水翼的截面将更加弯曲和更厚(在水翼的两侧有更多的弯度)。这在图33中一般地示出，其中相应截面或轮廓的差异是清楚可见的。在更高的流速下，水翼形状的弦通常也增加。这在图33中也是可见的，其中在图33a中，当设计用于6kn水流时，针对中心轮毂和加速器罩的修改的“初始”设计比设计用于在3kn水流中使用的类似结构的情况更细长，如图33b所示(然而，它不是“初始”设计，而是由设计过程的第二阶段产生的最终设计，如下所述)。这些修改(在三维建模软件中执行)完成后用于创建最佳的升力和最大流动加速。利用图33a的修改的“初始”设计(其在该过程的第一步中一定程度地直观设计，如上所述)，现在可以移动到设计过程的第二阶段(下面讨论)，其中使用CFD分析对修改的“初始”设计进行更多的定量优化。
转子叶片形状的设计方式与中心轮毂和加速器罩相同。因此，根据本发明的原理，为转子叶片的截面绘制或从文库中选择合适的“初始”水翼形状，然后基于它经过水流的速度对其进行修改(利用流体动力学原理)，叶片尖端的速度大于叶片根部的速度。因此，转子叶片的水翼截面、弦长、弦/轮廓的厚度和截面的入射角各自优选地从叶片的根部到叶片尖端改变，更优选地连续地改变。在设计过程的第一阶段，通过直观地应用流体动力学考虑，尽可能多地进行修改，以获得修改的“初始”设计。如本领域技术人员所理解的，这通常借助于被设计为协助这种设计活动的软件产品来完成，例如被称为“JavaProp”、“QBlade”等的程序。(这里描述的变型通常可以通过观察图34所示的优选的最终的或“优化的”实施例来可视化，图34示出了对于1.5m直径的转子叶片部分进行“优化”(在第二阶段)的转子叶片轮廓，用于3kn水流。可清楚地看出，所有定义叶片的水翼形状的参数及其入射角是如何在叶片根部和尖端之间发生变化的。)
参考图37A和37B，前者示出了由软件分析产生的2-D速度中的流动加速，而后者是显示在2-D压力中的流动加速的相关表示。两个图都清楚地示出了从根据本发明的设计特征得到的增强加速的区域。
现在转向开发过程的第二阶段，在设计的第一阶段中产生的那些修改后的“初始”形状然后被分析，该分析针对他们在涡轮机环境中一起工作时产生最大的压力差并以最小的湍流获得通过喷嘴的最大水流加速的效率。这是“优化”步骤，在其中确定了每个水翼部件的最终优化形状。对于这种分析，使用了所谓的计算流体动力学(CFD)。众所周知，这种测试通常是在三维框架中完成的。这些模拟可以在任何已知的CFD计算机程序中完成，例如一个名为“STAR CCM+”的程序，这是该领域最先进的软件之一。该软件使设计者能够直观地创建水翼形状，以便在构建用于实际测试的原型之前在虚拟环境中分析和优化流动特性。
以下是针对在3-D中进行的CFD分析的求解程序的结果的一个示例，用于具有环形扩散器的加速器罩和中心轮毂的早期设计。参考图38A，通过显示流线描绘了由于流动加速在涡轮机内部产生的压力差。这也用于确定水流中是否存在可能降低效率的湍流。参考图38B，示出了由图38A所示的流动流线产生的压力场。
来自已经部分优化的增加有环形扩散器的加速器罩和中心轮毂的CFD分析的这些实例表明元件的协同效应一起产生更大的压力差。
在CFD中，程序创建了一个多面体形状的复杂网格以模拟流体体积，以及以数百万个三角形组成的网格形式的涡轮机的非常精确的形状。此后，这个新创建的模型通过程序的求解器运行，该程序的求解器分析涡轮机形状(三角形网格)上的流体/水流(多面体)，并显示了由其创建的流动路径。以这种方式，通过基于由CFD分析提供的测试反馈进行更改和评估这些更改的后果直到形成最终的最佳组合，来获得这些部件的最终优化形状和结构。
一旦所有的水翼形状被优化并显示出彼此协调工作，则计算出潜在的能量提取或电力输出。这是对在设计的早期阶段开发的特定叶片形状进行分析的示例性结果，使用CFD来分析当它们在水中旋转时的转子叶片(内拱和外拱)的两侧之间的压差(以确定叶片的最佳形状和数量)。参考图39和图40，它们示出了在转子叶片两侧上各自的高压区和低压区。
应该理解，不但在第一阶段，而且一定程度上在该过程的第二阶段中包括尝试和错误的元件。在第一阶段，不仅通过应用本申请教导的原则的技术人员的技能，而且还通过流体动力学的一般原理的直观应用，更重要的是通过由被应用为验证对各个部件设计进行的每个修改的影响的各种类型的软件提供的定量测试结果来知悉尝试和错误。在三维中进行测试和用于部件组合的第二阶段中，显然有很多做出改变的机会；然而，在这一点上优化是比较直接的。从CFD分析，可以检测显示缺乏层流和/或湍流的区域，然后进行修改以去除这些不需要的流动效应。通常，目标被认为是在理论上被认为是对结果的最大可能改进的目标，例如，通过涡轮机的流速的增加是进入的环境流速的大约三倍。或者，可以选择与已知的同等大小的涡轮机相比，对涡轮功率输出的某种改进的目标。当接近或达到这些目标中的任一个或两者时，认为实现了优化。例如，在图34和图35中，显示了根据本发明的涡轮机的一个优选实施例的主要尺寸，即已经被优化用于该区域中具有3kn的速度的水流中的1.5米直径的涡轮机，如下图例所示。
图13和图34的图例
图34的图例
72 叶片根部处的入射角 35°
72 叶片尖端处的入射角 58°
74 叶片根部处的轮廓/弦长 0.181m
74 叶片尖端处的轮廓/弦长 0.588m
75 转子叶片的长度 0.498m
76 叶片尖端处的轮廓/弦厚度 0.035m
76 叶片根部处的轮廓/弦厚度 0.107m
78 测量的叶片扭曲角度 23°
95 水流方向 ----
图35的图例
随后，在有限元分析程序中分析该设计形状的结构方面，例如称为CD-AdapcoFEA、Scan和Solve等的有限元分析程序。这种结构工程是为了确认已经确定的轮廓的形状实际上可以用必要的强度构建，例如使用复合材料。还有其他一些软件程序也可以一直在使用，如具有机械事件模拟的SolidWorks、AutoCAD，但它们对于设计的贡献较小。
一旦通过直观的设计/绘制、在3-D建模和CFD分析中优化形状确定了涡轮机的形状，开发阶段III就开始了。这个阶段是全面功能原型的物理构建，并在实际条件下进行测试，同时监测和记录设计的所有参数。这涉及记录转子部分的转速，涡轮机单元的电力输出，通过所有表面的簇流(类似于风洞中的飞机机翼)来视频记录流动特性。这些测试使用各种结构的加速器罩形状、环形扩散器形状和转子部分形状，以从1kn到6kn的各种不同的流速进行。最终，该测试结果对于给定的流速和特定的涡轮机尺寸对设计的功能和效率产生最终确认。
特定场地设计
此外，这种独特的设计方法可以用于通过特定场地的设计来改进从任何给定的自然发生的水流中提取最大功率。特定场地设计的第一步包括对在特定位置或场地处的特征的流动数据收集。借助于声学多普勒仪器，将精确测量和记录给定时间段内的流速、流动方向、流量特性(在任何特定时间流动的水量)和波动。第二步是通过长时间录像、潜水和记录所海洋生物的有种类和尺寸来评估、记录选择用作安装地点区域内的海洋生物和野生动物的类型和数量。还需要记录漂浮在水中的杂物的种类和数量。在上述设计方法可以开始之后，然后可以通过首先稍微调整加速器罩、扩散器、中心轮毂和转子叶片的水翼形状，然后调整野生动物和杂物排除器上的杆的间距为当地需求来开发用于特定场地的优化的涡轮机。这将确保没有野生动物受到涡轮机的伤害，涡轮机不会受到漂浮杂物的伤害，并且能够在精确位置提取最大量的能量/电力。
在本发明的方法的前述描述中已经提及的所有计算机程序是可商购的，并且它们的使用模式同样是本领域技术人员公知的。
因此，本申请人已经设想了用于水力涡轮机的某些新颖设计，此外还从多个不同领域中获得了概念、工具和信息，并且以新颖的方式采用和/或组合它们来设计显示出显著高效的单向水力涡轮机。这主要是由于体现出新颖的非对称水翼特性的多个新颖涡轮机部件的协同相互作用，这些新颖的涡轮机部件已经以一种新的方式进行了微调，适用于要使用它们的特定环境。“设计过程的新颖”是显而易见的，因为从未有过工程师和设计人员能够实现如根据本发明的水力涡轮机相关的高效率结果。这些效率允许本发明的涡轮机在水速太低而不能使用现有技术涡轮机的许多环境中被有用地使用。
这些水力涡轮机和/或部件的设计是独一无二的，因为直到目前为止没有其他设计结合了所有可能的流体动力学优点，更不用说以新颖的组合(在部件选择、部件设计和这些部件一起的相互作用)来优化涡轮机的输出并且加速水的流动，从而以本发明的涡轮机尽可能地提取更多的能量。虽然流体动力学原理是众所周知的，但是这些原理的使用以及在本设计中使用的所有不同元件的新颖设计和作用的组合，特别是这些元件组合在一起的互利和协同效应是新的和有创造性的。如在该设计中所证明的，每个和所有元件首先被设计并随后被优化用于流速和涡轮机的尺寸，因此最终的结果是具有比其他目前证实的设计更大的输出和效率的水力涡轮机。
零件列表
10 前向野生动物和杂物排除器
12 排除器中用于附接偏转杆的前向环
14 水翼形偏转杆
15 偏轩杆间的距离
16 排除器中用于附接偏转杆的后部环
18 后部野生动物和杂物排除器
20 完整加速器罩
21 S形/双曲线水翼形加速器罩截面
22 加速器罩的入口管道/前整流罩
23 加速器罩的定子壳体/中心部分
24 非S形水翼形加速器罩截面
25 定子的金属绕组
26 9个滚子/球轴承(3个前向推力轴承，3个后向推力轴承，3个定位轴承)
28 加速器罩的后整流罩/后部
29 加速器罩的羽状边
30 具有水翼形叶片的完整的主转子部分，具有用于安装永磁体的凹部的转子叶片罩，水翼形中心轮毂
32 安装在转子部分的凹部中的永磁体环
33 转子叶片尖端
34 水翼形转子叶片
35 水翼形转子叶片的截面
36 水翼形中心轮毂
37 主转子部分的开放中心
38 具有用于安装永磁体的凹部的转子叶片罩
39 转子叶片根部
40 具有水翼形戴面的环形扩散器
42 第二环形扩散器
44 第三环形扩散器
50 用于各种安装目的的管状支撑结构
51 涡轮机部件和支撑结构之间的水翼形附接杆
52 用于枢转的支撑桩
53 用于拆卸的防水塞，用于在桩内枢转的环和电刷
54 漂浮筏和海洋驳船
55 用于在筏/驳船安装上旋转的支撑结构
56 用于在筏/驳船安装上涡轮机转动的吊车
58 用于漂浮安装的潜水筏
59 海底系泊或螺旋式锚
60 将涡轮机定向到水流方向的涡轮机尾舵
62 附接涡轮机用于拖曳安装的小翼
64 用于驳船/筏安装或漂浮安装的固定系绳和系泊
66 通过缩短来沉没涡轮机或通过伸长来浮到水面的滚动系绳
72 水翼叶片的入射/攻角
74 水翼弦/弦长
75 转子叶片长度
76 水翼截面的厚度/形状
78 转子叶片扭度/入射角变化
80 实心/球形中心轮毂
82 水翼形叶片以支撑实心中心轮毂的位置
83 扩散器入口的直径
84 加速器罩入口的直径
85 中心轮毂的总直径
86 中心轮毂的轮廓/弦厚度
87 加速器罩的长度
88 扩散器的长度
89 中心轮毂的长度
90 加速器罩的轮廓/弦厚度
91 扩散器的轮廓/弦厚度
92 中心轮毂出口的直径
93 加速器罩出口的直径
94 扩散器出口的直径
95 水流方向

Claims (35)

1.一种具有限定水流通过涡轮机的方向的入水口端和出水口端的单向水力涡轮机，包括：
大致圆柱形的加速器罩，其具有在其圆柱形截面内限定包含位于其中的结构的水流区域的壁截面，所述结构基本上由整体水力力产生构件组成，所述水力力产生构件包括：具有水翼轮廓的中心轮毂构件；以及安装在所述轮毂构件上的多个叶片构件，其中所述力产生构件安装成用于在所述加速器罩的内表面上旋转。
2.根据权利要求1所述的单向水力涡轮机，其中所述水力力产生构件包括转子组件，所述转子组件还包括与叶片尖端附接的转子外环，并且所述转子外环具有被配置为用于在所述加速器罩内旋转的外周。
3.根据权利要求2所述的单向水力涡轮机，其中所述轮毂构件包括具有开放中心的大致圆形轮廓构件，并且其中围绕所述开放中心的壁构件形成不对称水翼轮廓，外拱部朝向所述涡轮机的外侧，并且内拱部面向所述轮毂的中心。
4.根据权利要求3所述的单向水力涡轮机，其中所述叶片具有不对称的水翼形截面构造。
5.根据权利要求4所述的单向水力涡轮机，其中所述叶片在其径向外端处具有大于其径向内端处的弦长的弦长。
6.根据权利要求5所述的单向水力涡轮机，其中所述叶片在其径向外端处具有大于其径向内端处的轮廓厚度的轮廓厚度。
7.根据权利要求3所述的单向水力涡轮机，其中所述中心轮毂具有同时向前和向后延伸超过所述叶片的边缘的相当长距离的长度。
8.根据权利要求7所述的单向水力涡轮机，其中所述中心轮毂从所述叶片向前延伸到作为所述加速器罩的入水口端后部的第一点，并且向后延伸到至少与所述加速器罩的出水口端一样远的点。
9.根据权利要求8所述的单向水力涡轮机，其中所述中心轮毂延伸的总距离为所述加速器罩的长度的大约2/3。
10.根据权利要求3所述的单向水力涡轮机，还包括环形扩散器，其包括具有包括不对称水翼形状的壁截面的大致圆柱形的环形构件，所述环形扩散器具有大于所述加速器罩的直径的直径并且优选地以重叠的关系在水流通过所述涡轮机的方向上位于所述主加速器罩的后面。
11.一种被设计为用于具有限定水流通过涡轮机的方向的入水口端和出水口端的单向水力涡轮机的加速器罩，所述加速器罩包括：
大致圆柱形的加速器罩，其具有包括大致不对称水翼形状的壁截面，其中所述水翼形状包括大致S形的轮廓，其中外表面包括前凸部和后凹部，并且内表面包括后凸部和具有直形或凹形的前部。
12.一种单向水力涡轮机，包括：
如权利要求11所述的大致圆柱形的加速器罩；与安装成用于围绕大致平行于穿过所述涡轮机的水流的方向的轴线在加速器罩内旋转的转子组件结合，所述转子组件包括从所述涡轮机的中心径向向外延伸并且被安装成在所述加速器罩内旋转的多个转子叶片。
13.根据权利要求12所述的单向水力涡轮机，其中所述转子组件还包括中心轮毂构件，并且所述转子叶片附接到所述轮毂构件。
14.根据权利要求13所述的单向水力涡轮机，其中所述轮毂构件包括具有水翼轮廓的大致圆形轮廓的构件。
15.根据权利要求14所述的单向水力涡轮机，其中所述轮毂构件包括具有开放中心的大致圆形轮廓构件，并且其中围绕所述开放中心的壁构件形成不对称水翼轮廓，外拱部朝向所述涡轮机的外侧，并且内拱部面向所述轮毂的中心。
16.根据权利要求15所述的单向水力涡轮机，其中所述转子构件还包括与所述叶片尖端附接的转子外环，并且所述转子外环具有被配置为用于在所述加速器罩内旋转的外周。
17.根据权利要求12所述的单向水力涡轮机，其中所述内表面前部是凹形的。
18.根据权利要求14所述的单向水力涡轮机，还包括环形扩散器，其包括具有包括不对称水翼形状的壁截面的大致圆柱形的环形构件，所述环形扩散器具有大于所述加速器罩的直径的直径并且优选地以重叠的关系在水流通过所述涡轮机的方向上位于所述主加速器罩的后面。
19.一种具有限定水流通过涡轮机的方向的入水口端和出水口端的单向水力涡轮机，包括：
大致圆柱形的加速器罩，其具有包括不对称水翼形状的壁截面，并在其圆柱形截面内限定流动区域，所述水翼形状用于加速通过所述加速器罩的水流并且在所述水流方向上的所述加速器罩后面产生负压场；
转子组件，其安装成用于围绕大致平行于通过所述涡轮机的水流的方向的轴线在所述主加速器罩内旋转，所述转子组件包括：具有包括水翼形状的壁截面的大致细长的圆柱形中心轮毂；多个转子叶片，其固定到所述中心轮毂壁并从所述中心轮毂壁径向向外延伸用于与其一起旋转，并终止于转子尖端，这些叶片具有不对称水翼形截面构造；以及转子外环，其附接所述叶片尖端并具有被配置为用于在所述加速器罩内旋转的外周；以及
环形扩散器，其包括具有包括不对称水翼形状的壁截面的大致圆柱形的环形构件，所述环形扩散器具有大于所述主加速器罩的直径的直径并且在水流通过所述涡轮机的方向上位于所述主加速器罩的后面，由此所述环形扩散器的所述水翼形状用于加速通过所述环形扩散器的水流并在所述环形扩散器后面产生负压场，并与所述加速器罩的水翼、所述转子轮毂和所述叶片相配合以增加在所述转子组件的位置处通过所述主加速器罩的水流的加速。
20.根据权利要求19所述的单向水力涡轮机，其中所述叶片具有不对称的水翼形截面构造。
21.根据权利要求20所述的单向水力涡轮机，其中所述叶片在其径向外端处具有大于其径向内端处的弦长的弦长。
22.根据权利要求21所述的单向水力涡轮机，其中所述叶片在其径向外端处具有大于其径向内端处的轮廓厚度的轮廓厚度。
23.根据权利要求19所述的单向水力涡轮机，其中所述中心轮毂包括具有开放中心的大致圆形轮廓构件，并且其中围绕所述开放中心的壁构件形成不对称水翼轮廓，外拱部朝向所述涡轮机的外侧，并且内拱部面向所述轮毂的中心。
24.根据权利要求23所述的单向水力涡轮机，其中所述中心轮毂具有同时向前和向后延伸超过所述叶片的边缘的相当长距离的长度。
25.根据权利要求24所述的单向水力涡轮机，其中所述中心轮毂从所述叶片向前延伸到作为所述加速器罩的入水口端后部的第一点，并且向后延伸到至少与所述加速器罩的出水口端一样远的点。
26.根据权利要求25所述的单向水力涡轮机，其中所述中心轮毂延伸的总距离为所述加速器罩的长度的大约2/3。
27.一种具有限定水流通过涡轮机的方向的入水口端和出水口端的单向水力涡轮机，包括：
大致圆柱形的加速器罩，其具有包括不对称水翼形状的壁截面；以及
转子组件，其安装成用于围绕大致平行于通过所述涡轮机的水流方向的轴线在所述加速器罩内旋转，所述转子组件包括从所述涡轮机的中心径向向外延伸的多个转子叶片以及转子外环，所述转子外环与所述叶片尖端附接以在所述加速器罩内旋转，其中所述叶片具有不对称水翼形的截面构造，其中所述叶片中的至少一些在其径向外端处具有大于其径向内端处的弦长的弦长，并且/或者在其径向外端处的轮廓厚度大于其径向内端处的轮廓厚度。
28.根据权利要求27所述的单向水力涡轮机，其中所述转子组件还包括中心轮毂构件，所述中心轮毂构件具有带有水翼形轮廓的大致圆形轮廓构件，并且所述转子叶片附接到所述轮毂构件。
29.根据权利要求28所述的单向水力涡轮机，其中所述轮毂构件包括具有开放中心的大致圆形轮廓构件，其中围绕所述开放中心的壁构件形成不对称水翼轮廓，外拱部朝向所述涡轮机的外侧，并且内拱部面向所述轮毂的中心。
30.一种具有限定水流通过涡轮机的方向的入水口端和出水口端的单向水力涡轮机，包括：
大致圆柱形的加速器罩，其具有包括大致不对称水翼形状的壁截面，所述水翼形状用于加速通过所述主加速器罩的水流并且在水流方向上的所述加速器罩后面产生负压场；并且在其圆柱形截面中限定水流区域；以及
在所述水流区域中的整体水力力产生构件，其包括：具有水翼轮廓的中心轮毂构件，以及安装在所述轮毂构件上的多个叶片构件，其中所述力产生构件安装成用于在所述加速器罩的内表面上旋转，并且其中所述涡轮机的特征在于，其能够加速进入所述涡轮机的水的环境流速至所述叶片构件处的流速，所述叶片构件处的流速是水的环境流速的至少约两倍，优选地是至少约2 1/2倍，并且最优选地是至少约3倍。
31.根据权利要求30所述的单向水力涡轮机，其中所述涡轮机的特征还在于，与相同直径的常规水力涡轮机相比，其能够提供的功率输出增加至少约25％，优选至少约50％，最优选至少约80％的因数。
32.一种用于水力涡轮机的野生动物和/或杂物偏转器构件，所述偏转器构件包括：
大致圆锥形的结构，其包括彼此平行延伸并且在其全长上相对于彼此基本均匀地间隔开预定距离的偏转杆阵列，由此所述预定距离限定可以穿过所述偏转器的物体的最大尺寸。
33.根据权利要求32所述的野生动物和/或杂物偏转器构件，还包括在其窄端处的环形构件，所述偏转杆附接到所述环形构件，所述环的直径不大于所述预定距离，并且其中所述环形构件以及所述偏转杆的至少一些具有水翼形截面。
34.根据权利要求32或33所述的野生动物和/或杂物偏转器，与水力涡轮机结合，所述水力涡轮机包括在其圆柱形截面内限定水流区域的大致圆柱形的加速器罩部分和转子组件，所述转子组件(a)安装成用于围绕大致平行于通过所述涡轮机的水流的方向的轴线在所述加速器罩内旋转，并且(b)包括从所述涡轮机的中心径向向外延伸的多个转子叶片。
35.一种用于设计具有限定水流通过涡轮机的方向的入水口端和出水口端的单向水力涡轮机的方法，包括：
选择大致圆柱形的加速器罩，其具有包括初始非对称水翼形状的壁截面并在其圆柱形截面内限定水流区域，其中基于流体动力学原理选择所述水翼形状以用于加速通过所述加速器罩的水流并在水流方向上的所述加速器罩的后面产生负压场；
设计转子组件，其安装成用于围绕大致平行于通过所述涡轮机的水流的方向的轴线在所述加速器罩内旋转，所述转子组件包括(i)具有包括基于流体动力学原理所选择的初始水翼形状的壁截面的大致细长的圆柱形中心轮毂；(ii)多个转子叶片，其固定到所述中心轮毂壁并从所述中心轮毂壁径向向外延伸用于与其一起旋转，并终止于转子尖端，这些叶片具有基于流体动力学原理所选择的初始不对称水翼形截面构造；以及(iii)转子外环，其附接所述叶片尖端并具有被配置为用于在所述加速器罩内旋转的外周；
设计环形扩散器，其包括具有包括基于流体动力学原理所选择的初始不对称水翼形状的壁截面的大致圆柱形的环形构件，其中所述环形扩散器的直径大于所述加速器罩的直径，并且被配置为优选地以重叠的关系在通过所述涡轮机的水流的方向上位于所述主加速器罩的后面；和
响应于对包括这些部件的涡轮机设计的CFD测试，改变环形加速器、中心轮毂、转子叶片和环形扩散器的初始水翼形状，以便为所有这些部件提供最终的水翼形状，所述最终的水翼形状(a)至少增强加速通过所述环形扩散器的水流并在所述环形扩散器的后面产生负压场的能力，和(b)提供在所述加速器罩、所述转子轮毂和所述叶片的最终水翼形状之间的协作，以至少增强在所述转子组件的位置处通过所述加速器罩的水流的加速。
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