技术领域
[0001] 本
发明总体上涉及一种原动机和涉及使用方法。更具体地，本发明涉及一种用于产生源自
流体流的功率的装备和方法。
背景技术
[0002] 多年以来，旋转
叶片已经用于将
风能和/或
水能转换为完成有用功所需的其它形式的
能量。例如，传统的
风力机和风轮机利用
推进器表面来接合迎面气流，并将该迎面气流中的能量转换为水平风力机轴的旋转。然而，这些传统的风力机具有多个缺点。例如，传统的风力机的推进器或叶片通常面对一个方向。在风不在推进器的方向上吹动的情况下，风力机并不起作用，并且并不将
风能转换为所需的其它形式的能量。此外，无论是否获得了最佳的风向，水平轴线风力机均不能利用高能、高速的风，因为这种风会使移动中的叶片过载，从而导致叶片损坏或故障。风速超过35mph时，必需使常规的水平风力机停止运转以避免这些问题。风能随速度的三次方增大；叶片操作在高速风期间的停止意味着严重的缺点，这是因为这是大部分的风能可用于转换的时候。
[0003] 竖直轴线风轮机也是存在的。尽管竖直轴线轮机解决了水平轴风力机的多个缺点，但是它们具有它们自身固有的问题。例如，一些
现有技术设备以不理想的方式改变达到叶片区域的空气流，例如国际公开No.WO 2009/047679中所示的设备。在该设备中，流体被吸入而穿过该设备的流体偏转器的中空中央。在流体偏转器之间需要大的间隙，以便使该设备适当地运转。特别地，该设备需要用于有利的
涡流形成的大间隙，以使叶片旋转。因此，这种设备可能会效率差，并且具有大的不理想的高度。
[0004] 因此，需要一种高效且实用的改进的原动机。
发明内容
[0005] 提供了一种由流体能提供动力的原动机。这种原动机可包括第一整流件、第二整流件和叶片组件，该第二整流件与第一整流件间隔开以在其间限定间隙，该叶片组件安装在轴上，该轴在第一整流件与第二整流件之间延伸。整流件中的至少一个的高度为在整流件之间限定的间隙的高度的至少15％。第一整流件与第二整流件各自具有用于将流体引导到间隙中的弯曲的外围边缘。当流体流到该间隙中时，它
接触叶片组件，由此使叶片组件围绕由轴限定的竖直轴线旋转。在一些实施方式中，各个整流件的外围边缘过渡到基本平坦的连续表面。
[0006] 可通过安装在构造成传送
信号的
塔架上的原动机来发电。该原动机可包括第一整流件和与该第一整流件间隔开的第二整流件。叶片组件可设置在第一整流件与第二整流件之间，并可构造成在叶片组件被流体接触时围绕竖直轴线旋转。能量可通过旋转中的叶片组件产生并存储在发
电机中。所存储的能量可随后被输送至电力网。
附图说明
[0007] 图1A是原动机的示例性实施方式的俯视图。
[0008] 图1B是图1A中所示的原动机的俯视图，其中出于清楚目的而卸下了顶部整流件。
[0009] 图1C是图1A中所示的原动机的侧视图。
[0010] 图2A是根据本发明的将要用于原动机的叶片组件的示例性实施方式的俯视图。
[0011] 图2B是根据本发明的将要用于原动机的叶片组件的另一示例性实施方式的等距视图。
[0012] 图2C是形成叶片组件的一部分的叶片的截面图。
[0013] 图3A是根据本发明的将要用于原动机的叶片组件的另一示例性实施方式的俯视图。
[0014] 图3B是根据本发明的将要用于原动机的叶片组件的另一示例性实施方式的俯视图。
[0015] 图4是根据本发明的将要用于原动机的叶片组件的另一示例性实施方式的俯视图。
[0016] 图5A是根据本发明的将要用于原动机的叶片组件的另一示例性实施方式的俯视图。
[0017] 图5B是图5A中所示的叶片组件的侧视图。
[0018] 图6A是根据本发明的将要用于原动机的叶片组件的另一示例性实施方式的俯视图。
[0019] 图6B是图6A中所示的叶片组件的侧视图。
[0020] 图7A是描绘了具有非对称尺寸的整流件的原动机的等距视图。
[0021] 图7B是图7A中所示的原动机的俯视图。
[0022] 图8是描绘了安装在塔架上的原动机的示意图。
[0023] 图9A是描绘了设置在导流装置内的原动机的局部等距视图。
[0024] 图9B是图9A中所示的原动机和导流装置的侧视图。
[0025] 图10A是描绘了用于引导恰好离开
建筑物顶缘的较高速度
层流的空气流的导流装置的示意图。
[0026] 图10B是描绘了用于引导空气流绕过障碍物的导流装置的示意图。
[0027] 图11A是原动机和整流件的施行方案的侧视图，通过该施行方案，叶片的流体接触区域被设置在整流件外侧；以及
[0028] 图11B是图11A中所示的组件的俯视图。
具体实施方式
[0029] 于此描述了用于发电的优选结构和方法。还描述了利用该技术的原动机的实施方式。本发明并不限于所公开的原动机的构造和用途，而是涵盖了在根据
权利要求的文字所述的任一发电应用中公开的技术的用途。
[0030] 图1A、1B和1C描绘了示例性原动机。如所示，原动机10可包括第一整流件14、第二整流件18、和安装在轴26上的叶片组件22。如图1C中所示，第一整流件14与第二整流件18间隔开，使得在两个整流件之间形成间隙30。间隙30应该足够大，使得叶片组件22能够在第一整流件14与第二整流件18之间在轴26上自由旋转。如图1C中所示，流体34可在第一整流件14与第二整流件18之间流到间隙30中，并可接触叶片组件22，由此使叶片组件22旋转。流体34可以是诸如空气或水之类的任一流体。应该明白的是，与所示的仅叶片组件22旋转的实施方式不同，整流件14和18以及叶片组件22可被连接在一起，以作为单个单元旋转。
[0031] 如图1A、1B和1C中所示，整流件14和18各自被定向在水平面中，并具有内表面36、外表面38和外围表面42。如图1A和1B中所示，整流件14和18优选地为圆形形状。
此外，优选地整流件14和18中的任一个或全部两者的高度为整流件14与18之间的间隙
30的高度的至少15％，更为优选地为至少20％且还更优选地为30％。整流件的较大高度进一步增大到达叶片区域的流体流动速度。通过使整流件为圆形并且定向在水平面中，原动机10可以是全方向的。即，无论流体34的流动方向如何，原动机10均可以是能够运转的。然而，应该明白的是，整流件14和18并不限于具有圆形形状，而是可具有其它形状。
[0032] 如图1A、1B和1C中所示，整流件14和18的内表面36是连续的，并且其直径均小于它们相应的外表面38的直径。应该明白的是，术语连续的意指基本未被孔中断。连续的内表面有助于产生所需的文丘里效应。此外，整流件14和18被
定位成，使得整流件14的内表面36与整流件18的内表面36相对。由于内表面36与外表面38在直径方面的差异、连同内表面36与外表面38在高度方面的差异，并且由于整流件14和18相对于彼此的定位，外围表面42将如图1C中所示地朝叶片组件22引导流体34。优选地，外围表面42呈柏努利形状，从而朝间隙30向内弯曲。即，外围表面42应该各自具有圆形弧或抛物线形状。通过具有弯曲的外围表面42，流动中的流体34将不仅朝间隙30被引导并因此而朝叶片组件22被引导，而且还将在它进入间隙30时增大速度。因此，原动机10能够在流体34以较慢速度流动的环境中运转，并且可以在所有的速度下以较快速率转换能量。
[0033] 例如，风中可用的动力由下列等式给出：
[0034]
[0035] 等式1—风力等式
[0036] 式中，
[0037] P＝以瓦特(watts)为单位的风中可用的动力
[0038] Cp＝叶片效率
[0039] A＝叶片所掠过的以平方米为单位的面积
[0041] v＝风速
[0042] 改变风吹动的速度是不可能的；然而，人们可以增大叶片接收的风速。这是通过使用整流件14和18来实现的，该整流件14和18形成一种文丘里效应，由此外部流体流动区域的横截面积在整流件14与18之间的间隙30中大大地减小，由此在整流件14与18之间大大地增大了速度。典型的文丘里管的速度增大由下列等式给出：
[0043] A1V1＝A2V2
[0044] 等式2：文丘里管等式
[0045] 式中，A1是进入文丘里管的流体流动区域的面积，而A2是管的内部的最小部分的横截面积。V1是外部流体流动速度，而V2是内部流体流动速度。
[0046] 从该等式，可以看出的是，随着外部流体流动面积与内部流体流动面积之比增大，管内部的流体流动速度也增大。整流件14和18类似地操作(但以较小程度)，只是不同于文丘里管，流体可从任一方位方向进入和被利用。进入流体流量的横截面积是经过权衡的，以增大流体在内部撞击原动机叶片组件22的速度。因此，整流件14和18可增大到达叶片组件22的流体速度，使得克服了竖直轴线风轮机的较低叶片效率，以利用它们的优点并获得增大的功率输出，并还可使多个原动机能够被堆叠在彼此之上以使功率成倍增大，且使得能够在通信塔架上施用。
[0047] 如图1C中所示，轴26在整流件14与18之间至少部分地延伸。如图1A、1B和1C中所示，轴26和安装在该轴26上的叶片组件22接近整流件14和18的中央。应该明白的是，尽管将轴26示出为在整流件14与18之间部分地延伸，但它可在整流件14与18之间完全地延伸。
[0048] 图2A、2B、2C、3A、3B、4、5A、5B、6A和6B描绘了叶片组件22的若干种不同的构造。每个叶片组件优选地围绕竖直轴线旋转，但并不限于这种定向。此外，尽管绘出了若干种构造，但原动机10并不限于所公开的实施方式，而是可包括结合有图中所示的叶片组件的优点的其它叶片组件。
[0049] 就该方面而言，图2A描绘了将要在诸如原动机10之类的原动机中使用的叶片组件70的示例性实施方式。如所示，叶片组件70包括第一叶片74和第二叶片78。叶片74和78均安装在轴82上，并包括
正面86和背面90。如图2A中所示，叶片74和78均是弯曲的，使得正面86是凹入的，并且背面90是凸起的。即，正面86随着它们从相应的尖端94朝轴82延伸而弯入，并且背面90随着它们从相应的尖端94朝轴82延伸而弯出。由于叶片74和78是弯曲的，因此，在流体102沿叶片的凸起的背面90流动时，流体102的水平分量倾向于在叶片的返回路径期间将叶片拉到引入的流体中。
[0050] 如图2A中所示，正面86各自限定凹部106，用于捕获引入的诸如风之类的流体。在流体流动时，凹部106将捕获流体，由此使叶片组件70旋转。因此，由于叶片74和78的形状和特征，取决于在旋转中叶片组件70所处的
位置，叶片74和78各自能够被流动中的流体推和拉。
[0051] 如图2A中所示，一个尖端94弯入到流动中的流体中，同时另一尖端94弯曲远离流动中的流体。这种特征有助于使叶片组件70旋转。在这方面，叶片组件70的尖端94利用了杠杆作用，由此从流动中的流体获得最大的动力。
[0052] 图2B描绘了与图2A中所示的叶片组件相似的叶片组件，但与两个不同，包括三个叶片。如所示，叶片组件110包括第一叶片114、第二叶片118和第三叶片122。叶片114、118和122均包括凸起的背面126和限定凹部134的凹入的正面130。正面130、背面126和凹部134相似于针对叶片组件70所描述的正面、背面和凹部，并由此以相似的方式操作且提供了相同的优于常规叶片的优点。
[0053] 图2C是描绘了可形成诸如叶片组件22或叶片组件70之类的叶片组件的一部分的叶片的横截面的局部横截面图。如所示，叶片150具有正面154和背面158。正面154限定凹部162，并且背面158被成形为在叶片150切过流体时偏转流体。尽管背面158被示出为滚圆，但应该了解的是，背面158可具有用于切过流体的其它构造。例如，背面158可具有弯曲形状。
[0054] 图3A和3B描绘了可在诸如原动机10之类的原动机中使用的叶片组件的两个另外的实施方式。图3A和3B中绘出的叶片组件均包括附接于臂的较小的叶片。这种构造可更为经济并且可将流动中的流体的动力集中在叶片组件具有最大的杠杆作用的位置。
[0055] 如图3A中所示，叶片组件162包括附接于轴170的三个臂166，其中，每个臂166具有从其远端延伸的叶片174。由于叶片174从臂166的远端延伸，流动中的流体的动力将被集中在叶片组件162具有最大的杠杆作用的点处。
[0056] 如图3A中所示，每个臂166是弯曲的，从而具有凸起的背侧178和凹入的正侧182。通过具有该特定的构造，沿臂166流动的流体184可在臂返回期间有助于将臂166拉到流体中。类似地，叶片174具有凸起的背面186和限定凹部194的凹入的正面190。背面
186、正面190和凹部194相似于针对叶片组件70所描述的背面、正面和凹部，并由此以相似的方式操作且提供了相同的优于常规叶片的优点。
[0057] 图3B描绘了与图3A中所示的叶片组件162相似的叶片组件，只是与三个不同，图3B中所示的叶片组件具有四个臂和叶片，并且与弯曲的不同，臂是笔直的。如所示，叶片组件200包括附接于轴208的四个臂204，其中，每个臂204具有从其远端延伸的叶片212。由于叶片212从臂204的远端延伸，流动中的流体的动力将被集中在叶片组件200具有最大的杠杆作用的点处。叶片212具有凸起的背面216和限定凹部224的凹入的正面220。背面216、正面220和凹部224相似于针对叶片组件70所描述的背面、正面和凹部，并由此以相似的方式操作且提供了相同的优于常规叶片的优点。
[0058] 图4描绘了可在诸如原动机10之类的原动机中使用的叶片组件的另一实施方式。如所示，叶片组件230包括安装在轴238上的
飞轮234和从飞轮234的外围延伸的若干叶片242。如所示，每个叶片242具有凸起的背面246和限定凹部254的凹入的正面250。背面246、正面250和凹部254相似于针对叶片组件70所描述的背面、正面和凹部，并由此以相似的方式操作且提供了相同的优于常规叶片的优点。
[0059] 图5A和5B描绘了可在诸如原动机10之类的原动机中使用的叶片组件的另一实施方式。图5A和5B中所示的叶片组件与图4中所示的叶片组件相似，只是叶片结合在飞轮内。在这方面，叶片组件270包括安装在轴278上的飞轮274和结合到飞轮274中的若干叶型282。如图5A中所示，每个叶型282具有凸起的背面286和凹入的正面290。如图5B中所示，每个正面290与飞轮274的一些部分一起限定用于捕获流体298的凹部294。
[0060] 图6A和6B描绘了可在诸如原动机10之类的原动机中使用的叶片组件的另一实施方式。图6A和6B中所示的叶片组件是中空的以允许流体流经叶片。如所示，叶片组件302包括第一叶片306和与第一叶片306互连的第二叶片310。互连的叶片安装在轴314上。叶片306和310均包括凸起的背面318和限定凹部326的凹入的正面322。如图6A和
6B中所示，凹部326还被连接成允许流动中的流体330穿过其中。通过允许流体330穿过，可将
扭矩添加至旋转中的叶片组件，并且可导致累积在非期望位置中的压力的降低。例如，流动中的流体330可在互连的叶片306和310的入口334和出口338两者处从流体流动的动量变化获得力。这些动量变化可产生所需的分力(即在入口处推动叶片并在出口处推进叶片)。背面318和正面322相似于针对叶片组件70所描述的背面和正面，并由此以相似的方式操作且提供了相同的优于常规叶片的优点。
[0061] 图7A和7B描绘了具有非对称尺寸的整流件以允许用于流体进入的
角度更宽的原动机。如所示，原动机350可包括第一整流件354、第二整流件358和定位在第一整流件与第二整流件之间的叶片组件362。如所示，第一整流件354可被确定尺寸成小于第二整流件358。因此，在流体从上方流动的情况下，流体将仍然朝叶片组件362被引导，因为它将不会被整流件妨碍。尽管原动机350被示出为具有较小的顶部整流件，但应该明白的是，底部整流件可以小于顶部整流件。
[0062] 如图7A和7B中所示，原动机还可包括突出的导向翼片。如所示，整流件354和358各自包括突出的导向翼片366，用于朝叶片组件362引导流动中的流体。优选地，导向翼片366设置在各个整流件354和358的外围表面370上。尽管未示出，手动地或自动地，对于流体流动外围表面370的方向，导向翼片366可枢转以对自身进行定向。
[0063] 根据本发明的原动机可放置在对于常规风力机而言未曾实践的多种结构上。例如，如图8中所示，原动机400可被放置在塔架404的顶部。塔架404可以是包括诸如
移动电话塔架之类的用于传送信号的塔架在内的任一类型的塔架。由于原动机400置于水平面中，因此，原动机400可使塔架404上的剪切
应力最小化，由此允许使用者将原动机400放置在塔架404的顶部处，从而将原动机400放置就位，以在具有较小扰动的情况下利用了较高的风速。当然，原动机400可按照需要放置在塔架内的不同位置处，以得到较高的风速和较低的扰动。
[0064] 如图8中所示，发电机408可放置成较低或放置在接近塔架404的地面上，并可通过轴412联接于原动机400。在原动机400由风提供动力时，轴412将旋转并且发电机408将发电。电可随后输送至电力网或在储能区域中被存储以用于在稍后时间使用，例如输送至图8中所示的电力网416。作为选择，电可被设备立即消耗。通过具有这种构造，发电机可接近地面，从而允许更为容易地进行维护。此外，可使用较大发电机，因为发电机408的重量不再放置在塔架上。这种构造还可为塔架404的电气部件提供电力，从而无需一定将塔架404连接于电力网。
[0065] 由于原动机400置于水平面中，因此原动机400可维持低轮廓并可以是能够堆叠的，因为它可被堆叠在附加原动机或其它设备的顶部上。例如，如图8中所示，原动机400被堆叠在叶型420的顶部上。通过堆叠原动机，每个原动机所用的叶片组件可以不同的角度定向以使扭矩中的
波动平滑。此外，可增大可用的动力的量。
[0066] 根据本发明的原动机还可放置在导流装置内。例如，图9A、9B、10A和10B描绘了放置在不同的导流装置中的原动机。这些导流装置的施用可有助于增大流体朝叶片组件的速度，并且还可有助于引导流体绕过障碍物以避免紊流。
[0067] 如图9A和9B中所示，叶片组件50放置在导流装置504内。如所示，导流装置504连接于塔架508并可以是方形形状。导流装置504是中空的并包括通道512，其中在方形的每一侧上具有入口。因此，流体可进入并可从任一方向朝叶片组件500被引导。
[0068] 图10A和10B描绘了放置在建筑物的顶部上的另一导流装置。通过在建筑物的顶部上施用导流装置，恰好离开建筑物顶缘的较高层流的空气流可朝原动机被引导，并可在到达轮机之前引导空气流绕过障碍物。如所示，导流装置600可被放置在建筑物604的顶部上。导流装置600可引导风绕过诸如障碍物608之类的障碍物，并可朝原动机616引导层流的空气流612。如所示，原动机616可被放置在导流装置600内，并可有助于利用风力发电。
[0069] 图11A和11B示出了另一原动机。如所示，原动机700包括第一整流件704和第二整流件708，其被紧密地放置在一起，从而流体在整流件704和708周围侧向流动，同时叶片组件712仍然可以围绕其轴线自由旋转。如所示，第一整流件704和第二整流件708各自具有在叶片组件712的大部分上延伸的外围表面716。特别地，表面716的上部分740可以延伸超出叶片组件712。
[0070] 如所示，叶片组件712围绕竖直轴线旋转并包括第一叶片760和第二叶片764。叶片760和764均包括凸起的背面768和限定凹部776的凹入的正面772。正面772、背面768和凹部776相似于针对叶片组件70所描述的正面、背面和凹部，并由此以相似的方式操作且提供了相同的优于常规叶片的优点。此外，叶片760和764在内部是中空的，并且提供了经过780的空气流路径。
[0071] 对原动机10、700及其相应的子系统的描述出于说明目的，并且本发明并不旨在于此提供的具体描述或用途，具体子系统中的零部件的
选定也绝不旨在限制本发明的范围，除了权利要求中明确叙述的具体结构之外。例如，原动机10和700还可用来产生热功率、循环液体、从水中分离出氢气以使用或存储能量以及其它能量动力运用。
