[0001] 本发明总体上涉及利用水的流动产生电力的涡轮机或发电装置的领域，无论流动是单向的(诸如流向河流或洋流中)还是双向的(诸如潮汐流)，更具体地，本发明涉及这样的装置，其中流体流引起大螺旋桨型的转子转动，该大螺旋桨型的转子具有设置在大环形壳体内的环形外轮缘(rim)。还更具体地，本发明涉及这样的装置，其中涡轮机浸没在水体中。

[0002] 用水电涡轮机来产生电力是公知的。典型地，涡轮机安装在坝上，以便受控的流体流引起螺旋桨型的转子或叶片转动。这样相对快速的水流条件已知为高水头(high head)条件。还已知将涡轮机设置在低水头条件下，诸如海湾中、河口或近海的潮汐流所产生的。

[0003] 虽然大多数涡轮机被构造成具有其上安装有叶片或叶轮的中心旋转轴，但还已知制造出中心开口(open-centered)的涡轮机，也就是已知的装有轮缘(rim-mounted)的涡轮机。具有中心开口的转子、其中叶片安装在内环形圈或轮缘与外环形圈或轮缘之间并且其中能量经外轮缘传递到保持转子的环形壳体的涡轮机在低水头条件下(即，更缓慢的水流中)是尤其成功的。

[0004] 中心开口、装有轮缘的涡轮机的实例可以在以下各项中看到：1997年1月14日公布的第5,592,816号美国专利，该专利于2003年12月2日作为RE38,336再次公布；2003年11月18日公布的第6,648,589号美国专利；2004年5月4日公布的第6,729,840号美国专利；以及2005年2月10日公开的美国专利公开US2005/0031442(序列号10/633,865)。
用于低水头(潮汐流)条件下的水电涡轮机的实例可以在以下各项中看到：Heuss等的第
4,421,990号美国专利；Vauthier的第6,168,373号和第6,406,251号美国专利；Susman等的第GB 2,408,294号英国专利申请；以及Davis等的世界知识产权组织国际公开WO
03/025385。

[0005] 流体驱动的涡轮机被视为是使用化石燃料或原子能的发电装置的环保替代物。在利用风或水大规模地产生电力而能够为大工业中心、镇区、城市等供电时，需要设置大量的涡轮机，并且要求涡轮机尽可能得大，以使每台涡轮机产生的电量最大化。这些涡轮机的转子叶片的长度达到数米，通过一些实验设计得知叶片的长度超过50米。

[0006] 随着转子叶片的长度增加，出现了在较小的涡轮机或发电机中没遇到过的结构和制造上的挑战。对于装有轴的涡轮机来说，难于设置既坚固又轻便的长叶片。装有轮缘的涡轮机为该问题提供了解决方案，其通过保持在具有环形狭槽或通道的壳体内的外支撑轮缘来为叶片的每端提供环形支撑。为了产生电力，沿环形支撑轮缘间隔有多个磁体，并且沿定子壳体内的接收通道间隔有多个线圈。由转子磁场系统所建立的磁场穿过隔开转子与定子的间隙。转子的旋转引起与线圈相关的磁通量改变，包括线圈中的电磁力。

[0007] 在装有轮缘的涡轮机中，转子重量由壳体的下半部承受，因为没有中心支撑轴或轴杆。对于大涡轮机来说，对于转子在壳体内的初始起动以及一旦旋转实现后涡轮机的总效率，该负载和所产生的摩擦作用可能是显著的。增加转子重量意味着增加旋转阻力，意味着需要更大的流体流来克服固有的惯性和摩擦。对于用在低水头条件下的水电涡轮机，这尤其是个问题。

[0008] 本发明的目的是为水电涡轮机提供一种改进的结构，其中转子的重量减轻，以使转子有浮力。本发明的另一目的是提供这样的涡轮机，其中重量减轻通过在转子中设置浮力腔(buoyant chamber)来实现，从而对于浸没在水中的涡轮机来说，转子的大重量所导致的消极重力效应通过增加的转子浮力而减小或抵消。

[0009] 本发明是一种改进的流体驱动型涡轮机，其中转子叶片由外轮缘支撑，且外轮缘保持在壳体内或由壳体保持，该壳体具有接收外轮缘的通道。在典型结构中，涡轮机是发电机，其中磁体设置在转子外轮缘上，并且线圈设置在壳体或定子通道中，以使转子在定子内的转动产生电力。具体地，涡轮机是浸没在水体中的这类涡轮机。

[0010] 改进包括在壳体内设置浮力转子。在优选实施例中，涡轮机的转子设有位于环形外轮缘和/或内轮缘和/或叶片中的一个或多个浮力腔，以使转子的总重量减轻，并且还使得转子的浮力增加。该腔可填充有空气、其他气体、液体、泡沫、固体或者任何比重为1或更小的材料。浮力腔可填充有聚合物泡沫，以增加转子的结构完整性和刚性。附图说明

[0011] 图1是代表性的中心开口、装有轮缘的涡轮机的视图，如从轴向透视图中所看到的那样，其包括具有外轮缘的转子以及具有用于接收转子外轮缘的通道的定子壳体。

[0012] 图2是定子壳体的透视图。

[0013] 图3是转子的透视图。

[0014] 图4是转子环形外轮缘的局部横截面视图。

[0015] 图5是定子壳体的局部横截面视图。

[0016] 图6是转子环形内轮缘的局部横截面视图。

[0017] 下面将参考附图针对最佳模式和优选实施例详细描述本发明。在最一般意义上，本发明为浸没在水体中的这类水电涡轮机，该涡轮机包括安装在定子壳体内的转子，该转子具有由定子壳体中的环形通道或狭槽接收并保持的环形外轮缘，其中转子被构造成是有浮力的。所示发电机装置包括设置在转子环形轮缘上的多个磁体和设置在定子壳体内部上(优选地位于接收转子环形轮缘的通道内)的多个线圈的组合，但也可以使用其他发电机装置。出于说明的目的，图中涡轮机被示出为中心开口、装有轮缘的转子，因此转子的所有支撑由定子壳体提供，但应该理解的是，本发明也可应用于具有安装有轴的转子且该转子具有环形外轮缘的涡轮机。如本文中所使用的，术语“有浮力的”旨在表示所述构件不会沉没到该构件浸没在其中的这类水中，无论是淡水还是海水。本文中所涉及的对“浮力”的科学定义为具有小于或等于1的比重，应该被视为包括该范围的延伸，以解释水的密度不同于纯水的密度的情形。

[0018] 如图1到图3中大体所示，本发明是涡轮机或发电装置10，其包括大致为环形的定子壳体30。所示壳体30的形状不是限制性的，其他形状也是可能的，只要壳体30实现保持旋转组件或转子20不在轴向方向上做不期望的运动，并允许转子20绕旋转轴线旋转。壳体30包括一对保持法兰31，这对法兰限定出接收并保持转子20的通道32。

[0019] 旋转组件或转子20包括内环形轮缘件23和外环形轮缘件22。内轮缘23与外轮缘22之间延伸有多个螺旋桨、叶轮或叶片件21，叶片21以公知的方式成一角度或被扭曲，以使流体沿轴线方向并穿过定子壳体30的运动导致转子20旋转。叶片21的具体数量、形状和材料成分可以改变，但优选地，在不过度牺牲结构完整性的前提下，叶片21被构造得尽可能得轻。

[0020] 组合的壳体30和转子20限定出用于产生电力的发电机装置。这可以通过围绕外轮缘22的外圆周设置多个磁体41并且围绕壳体30或壳体通道32的内圆周表面34设置多个线圈42来实现，从而使壳体30成为发电机的定子。转子20穿过磁体41跨过线圈42旋转，并以公知的方式产生电力。

[0021] 由于涡轮机10的大尺寸，因此希望以相对轻但在结构上仍然坚固的材料来构造。为此，已经发现适于使用聚合物、环氧树脂、树脂、加强纤维等作为转子20和壳体30的主要结构成分来构造涡轮机。典型地，转子20主要由上述轻型材料构造，以使磁体41和其他构件能够嵌入其中。转子20被构造成当浸没在水中时是有浮力的。

[0022] 在一个实施例中，转子20中设有一个或多个浮力腔60，诸如设置在外环形轮缘22内，如图4中所示。在优选实施例中，单个环形腔60完全围绕外环形轮缘22延伸，但也可以使用成并排或首尾相连关系的多个腔60。如果使用多个腔，则它们绕周向均衡地布置，以使转子20的旋转不会受到不利的影响。浮力腔60内可以设有结构件(未示出)，诸如支撑件等，以增加环形外轮缘22的刚性。浮力腔60可填充有空气或其他气体、液体或轻型刚性件或比重为1或更小的材料，但最优选地，腔60填充有具有积极结构特征的浮力材料61，诸如聚合物泡沫。聚合物泡沫(诸如聚亚安酯)被预形成并被置于腔60内或者被注入到浮力腔60内，并且如果注入到浮力腔60内是优选的，则聚合物泡沫应是在固化后会粘附到腔60的内表面的这类聚合物泡沫。泡沫的刚性及其与浮力腔60的壁的粘接界面增加了转子
20的总刚性和结构完整性。选择浮力腔60的尺寸和特定的浮力材料61，以影响特定情况下所希望的浮力程度。例如，在某些情况下，仅希望减轻转子20，而在其他情况下，优选地，将转子20的重量减轻到浮力处于中立的点，而在另一些情形中，优选地，将转子20的重量减轻到转子相对于水具有正浮力的点，以使其漂浮在定子通道32上方，并且在通道32的上部上没有出现任何摩擦作用。

[0023] 可替换地，或者除了在环形外轮缘22中设有浮力腔60以外，浮力腔60可以设置在环形内轮缘23和/或叶片21内，如图6中所示。如上所述，环形内轮缘23和叶片21的浮力腔60可以填充有空气或其他气体、液体或轻型刚性件或比重为1或更小的材料，但最优选地，腔体60填充有具有积极结构特征的浮力材料61，诸如聚合物泡沫。

[0024] 这样，由转子20的显著重量所导致的在转子20与定子壳体30之间出现的消极摩擦作用被减小或消除了，从而使初始起动更容易地实现，并且提高了旋转效率。

[0025] 在某些情况下，还希望减轻定子壳体30的重量，诸如希望是漂浮式涡轮机时。如图5中所示，定子壳体30内可以设有一个或多个浮力腔60，浮力腔60填充有浮力填充材料61，诸如现场固化的聚合物泡沫或任何其他上述材料，且优选地是为壳体60提供刚性和结构完整性的材料。因为定子壳体30是涡轮机10的静止件，故浮力腔60最优选地设置在定子壳体30的顶部中，以增加涡轮机10在水中的稳定性。

[0026] 应该理解的是，对于本领域技术人员来说，上述某些件的等同物和替代物是显然的，因此本发明的真正范围和限定由以下权利要求给出。