专利名称：带有气泡的管内水力涡轮机的制作方法
技术领域：
本专利申请请求享有申请日为2010年6月16日、名称为“水力涡轮机”的美国临时专利申请号为61/355，173的专利申请的权益。技术领域与
背景技术：
本发明涉及用于在管道系统内的水力涡轮机的系统、装置与方法。这样一个系统能处理稳定和可变的流体，也能处理高头部和低头部。本发明的本质是一种在外壳内的气泡结合控制系统的用途，关于压力和流速，在所述系统的至少一个位置，优选地在整个区域，从输入到输出管。 气泡的概念在以前被认为是连接管内涡轮机而不连接控制系统。在Toyama的第4488055号美国专利中，揭示了一种气泡，但没有控制系统，也没有本发明所揭示的其他特征，例如，保持叶片摆脱来自水的背压的方法。此外，也没有任何装置来控制下游压力。这是一个至关重要的要点，需要特殊水平的下游压力来维持管道系统的整体性。本发明申请解决了这个问题。本系统的另一种特殊特征是它从流体中释放了输入流喷嘴和叶片区域，这样会减少撞击在叶片上的能量的量。需要注意的是，Toyama具有无输入的喷嘴，且没有提升变化以保持所述流体远离输入流体喷嘴。本申请描述了一些系统，其中，贡献了小量的效率以便达到这样的情形，作为回报，获得更高的叶片效率，该叶片面对来自在涡轮机区域内的液体的最小干涉。需要注意的是，在本申请中，输入流体喷嘴与输入空气喷嘴是不同的区别特征，输入流体喷嘴是调节进入涡轮机叶片的流体流的形状，而输入空气喷嘴输入空气喷嘴是将空气提供给所述系统。需要注意的是，第4731545号美国专利与本申请是不相关的，因为，该专利是花园洒水软管的附属物，而不是管道系统的一部分。而且，它不包括插入加压空气的装置。发明人丹尼尔·法伯的名称为“管内涡轮机关系”、申请号为IB2009/053611的更早的专利请求如下
“5、一种在管道系统内放置涡轮机的方法，所述管道系统具有管的向下部分，其特征在于所述下游涡轮机活动区域是不充满来自下游涡轮机的支持内容物”。本专利申请不会与之前的专利发生冲突，因为本申请描述了以一种脱离流体的涡轮机环境的实施方法，而之前的专利申请则描述了管的下游部分，其中分离的主要因素是重力，而不是压力。本专利申请描述了这样一种系统，该系统能在平的管道系统内工作，也可以在向下的管道系统内工作。附图
简要说明
本发明在这里仅通过实施例结合所附的附图的方式进行说明，其中
图I是带有空气泡和压力差的管内涡轮机系统的示意图。图2是带有空气泡和针的管内涡轮机的示意图。图3是带有空气泡的管内垂直轴涡轮机的示意图。
图4是带有针的输入流喷嘴的示意图。图5是输入水轮机喷嘴的针的示意图。图6是控制系统的示意图。优选
具体实施例方式 本发明涉及一种采用气泡和压力控制来从管内涡轮机引导电力的发明。根据本发明，提供了特殊的水力涡轮机的几种装置和方法，它们具有共同的目标，即解决了从管道系统生产能量的问题。目前存在关于水力涡轮机的大量的专利和装置。但是，仅在本发明中揭示了多个创新点，它们都特别涉及从管道系统产生的能源问题。在本申请中，有时“空气”和“气体”，“液体”和“水”可以是等同使用的术语。·本申请要解决的问题是在环绕在管外壳内涡轮的水的效果，导致效率减少。这里提出了一个解决方案来解决这个困难。该方案保持了涡轮机是完整地或充分地脱离水或者其他洗涤涡轮机的流体。如何工作的方法涉及泵气体的利用，并包括用于传递泵的任意装置，特别是保持所述涡轮机高于所述流体。任意类型的涡轮机，例如传统的水斗式涡轮机，带有本发明所述的这种气泡系统，都能更有效地操作，
现在参考附图，图I显示了在管内的水力涡轮机(1)，其中，上面的部分是空气。在继续每次程序之前，外壳(2)允许液体从所述涡轮机的下面排出。该图显示，在涡轮机的上面部分(3)的流体入口处，在空气-流体界面的交汇处有高的空气压力(6)，以及在涡轮机的下面的流体收集处有低的压力(5)，当它存在时。本发明的创新性是本系统是管道系统的一部分，并在它的附近完全封闭，以及采用空气输入(4)来保持涡轮机脱离周围的流体。在一个具体实施方式
中，空气压力是直接施加进入杯座内，以致不会从旋转运动中转移。水位和压力的控制也可以是机械的。图2是带有空气泡和针(9)的管内涡轮机的示意图。在右侧是一个带有针和可选弹簧的喷嘴。当结合所示的涡轮机系统(7)来应用时，这个部分是创新的。在涡轮机内的流体在某个区域冲击杯座，由空气压力入口(10)从上面供应到这个区域。理想地，这些入口对准杯座，同时不会减缓旋转。然后，该流体从下面(8)排出该涡轮机。在一个具体实施方式
中，流体上升到左边。在一个具体实施方式
中，在最左边是一个好的位置以设置单向阀来确保流体流动而没有背压。 图3是带有空气泡的管内垂直轴涡轮机的示意图。液体在输入管(11)流入，输入喷嘴是设置在输入管内。在一个具体实施方式
中，管道系统在水位(12)处是相对平的，而液体升高到点(11)处。这意味着大气压的部分损失，但作为回报，它使得系统能提供能量的高效转换。外壳(19)包括带有叶片(13)的垂直轴涡轮机，但在其他具体实施方式
中，涡轮机可以具有其他构造。在一个具体实施方式
中，轴杆(14)将涡轮机连接到发电机(15)。这个构造的一个优点是较少需要紧密密封的发电机轴，该轴会导致能量通过摩擦而损失。接口阻断剂(16)或用于产生水和空气层分离的装置可减少在空气与水(17)之间的界面的面积，因而需要更少的能量用于维持气泡。当然，接口阻断剂也能用于平行轴涡轮机或其他涡轮机。在一个具体实施例中，所述接口阻断剂能在液体的水位垂直移动，在一个具体实施例中，通过漂浮，或在另一个具体实施例中，通过滑动。输出管是(18)。图4是带有针的输入流喷嘴的示意图。部分(20)是针。轴杆件(21)将针连接到弹簧或其他调节器(22 )，由周围附属装置(23 )保持在合适的位置。图5是输入水轮机喷嘴的针的示意图。针体(24)是被这样构造以致不仅它自身能ill后移动进入嗔嘴开口，在水电能源领域所熟知，而且一部分针(25)能在流体流中如后移动，因而能得到对于压力变化的更大控制。该部分针(25)使得水喷射形状能改变，以便减少或增加水在旋转叶片上施加的力量，因而控制机械扭矩和轴杆的每分钟旋转速度，而且它也可被用于制动目的，通过转移从叶片的戽斗的喷射。图6显示了电控制系统的一部分是如何通过微处理器与存储器来进行控制。在最基础的水平，在多种具体实施方式
和多种结合方式中，PLC (可编程逻辑控制器)(26)通过连接到以下装置来控制水位和压力空气压缩器(27)、空气汽缸(28)、压力调节器(29)、针的阀(30)、水位传感器(31)，以形成压力调节系统。在一个具体实施方式
中，针的位置是由这个系统来控制的。空气压缩器是这个系统的一个可选的部分。总的来说，权利要求所请求的是用于无流体或基本上无流体的涡轮机，该涡轮机 在外壳内连接到管，采用这里所描述的不同装置和方法的不同组合来保持这样的构造。这些方法和装置涉及将流体水位保持在最大效率点，在一个具体实施方式
中，当水位升高时，通过减少向内的流量来保持，而当水位降低时，通过增加流量来保持。用于操作本系统的另一个方法和装置涉及相对于流体流出压力来调整空气压力。在一个具体实施方式
中，在管道系统的水平区段，进入的空气压力将比流体流出压力更大。在另一个具体实施方式
中，管道出口倾斜度、流体排出压力与空气压力的组合将作为一组因素来控制，以便确保流体的排出。虽然本发明虽然本发明已经根据有限数量的实施例进行了说明，但应当明确的是，本发明的许多变化、修饰和其他应用都是可实现的。本
发明内容
本发明成功地通过提供一种带有电控制下的气泡的管内水力涡轮机来克服目前已知的构造的缺陷。本发明首次揭示了一种在包含流体的管内的水电系统，带有用于电输出的连接的发电机，所述系统包括
a.包封涡轮机的外壳，所述涡轮机具有至少一个叶片，并连接到至少一个输入管和至少一个输出管；
b.气体压力装置，通过至少一个空气喷嘴将连续气体压力提供到所述外壳的内部，可操作地保持所述涡轮机叶片脱离回流的水。在一个具体实施方式
中，所述系统还包括
c.在所述涡轮机的下游的水位传感器。在一个具体实施方式
中，所述系统还包括
c. 一种系统，可操作地保持输出压力是I大气压或更大。在一个具体实施方式
中，所述系统还包括
c.具有对下面衰减装置的叶片，可操作地引导至少一些水在冲击所述叶片之后在下方变衰弱。在一个具体实施方式
中，所述系统还包括
c.液体-气体界面面积减少装置，该装置在所述涡轮机叶片的下游的机壳内，以致所述液体和气体之间的界面面积是减少的。在一个具体实施方式
中，所述界面面积减少装置能根据所述流体的水位来改变垂直水位。
在一个具体实施方式
中，所述系统还包括
c.单向阀，在所述涡轮机的下游，结合内容物的再加压装置。在一个具体实施方式
中，所述系统还包括
c.微处理器控制系统，通过采用来自至少一个传感器的输入可操作地调节上游和/或下游压力，和/或调节上游或下游流速。根据另一个具体实施方式
，至少一个输入气体喷嘴是将气体引导向所述叶片的内表面，用于去除液体的目的，在液体旋转进入从所述输入气体喷嘴接受流体的位置。在一个具体实施方式
中，所述系统还包括
c.输入流体针型喷嘴系统，包括上游部分，包括在流体流动的方向上移动的装置；以及下游部分，可在流体流动的方向上从所述上游部分分离流体。根据另一个具体实施方式
，所述输入流体针型喷嘴系统也能扩展它的喷嘴针的直径。在一个具体实施方式
中，所述系统还包括 c.邻近于机壳的输入管的水位的上游提升装置。在一个具体实施方式
中，所述系统还包括
c.所述机壳的水位高度的衰减装置，或者在涡轮机的下游的管道系统从入口点到所述机壳的水位高度的衰减装置。根据另一个具体实施方式
，所述涡轮机是在垂直轴的。在一个具体实施方式
中，所述系统还包括 c.邻近于机壳的输入管的水位的上游提升装置。在一个具体实施方式
中，所述系统还包括
c.下游单向阀。在一个具体实施方式
中，所述系统还包括
c.压缩器装置，可操作地对输出液体再加压。根据另一个具体实施方式
，至少一个涡轮叶片具有疏水涂层。本发明成功地通过提供一种将管内涡轮机系统的叶片保持在机壳内而脱离水的方法，包括以下步骤
a.放置微处理器控制系统以调节在所述管内涡轮机系统内的压力，具有以下至少一个连接的部件液体水位传感器、液体压力传感器、气体压力传感器、气体压缩器和针阀系统；
b.引导气泡进入所述机壳。在一个具体实施方式
中，所述方法还包括
c.提供气体/下游液体界面面积减少装置。
权利要求
1.一种在包含流体的管内的水电系统，带有用于电输出的连接的发电机，所述系统包括 a.包封涡轮机的外壳，所述涡轮机具有至少一个叶片，并连接到至少一个输入管和至少一个输出管； b.气体压力装置，通过至少一个空气喷嘴将连续气体压力提供到所述外壳的内部，可操作地保持所述涡轮机叶片脱离回流的水。
2.根据权利要求I所述的系统，其特征在于，还包括 c.在所述涡轮机的下游的水位传感器。
3.根据权利要求I所述的系统，其特征在于，还包括 c. 一种系统，可操作地保持输出压力是I大气压或更大。
4.根据权利要求I所述的系统，其特征在于，还包括 c.具有对下面衰减装置的叶片，可操作地引导至少一些水在冲击所述叶片之后在下方变衰弱。
5.根据权利要求I所述的系统，其特征在于，还包括 c.液体-气体界面面积减少装置，该装置在所述涡轮机叶片的下游的机壳内，以致所述液体和气体之间的界面面积是减少的。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于所述界面面积减少装置能根据所述流体的水位来改变垂直水位。
7.根据权利要求I所述的系统，其特征在于，还包括 c.单向阀，在所述涡轮机的下游，结合内容物的再加压装置。
8.根据权利要求I所述的系统，其特征在于，还包括 c.微处理器控制系统，通过采用来自至少一个传感器的输入可操作地调节上游和/或下游压力，和/或调节上游或下游流速。
9.根据权利要求I所述的系统，其特征在于至少一个输入气体喷嘴是将气体引导向所述叶片的内表面，用于去除液体的目的，在液体旋转进入从所述输入气体喷嘴接受流体的位置。
10.根据权利要求I所述的系统，其特征在于，还包括 c.输入流体针型喷嘴系统，包括上游部分，包括在流体流动的方向上移动的装置；以及下游部分，可在流体流动的方向上从所述上游部分分离流体。
11.根据权利要求10所述的系统，其特征在于所述输入流体针型喷嘴系统也能扩展它的喷嘴针的直径。
12.根据权利要求I所述的系统，其特征在于，还包括 c.邻近于机壳的输入管的水位的上游提升装置。
13.根据权利要求I所述的系统，其特征在于，还包括 c.所述机壳的水位高度的衰减装置，或者在涡轮机的下游的管道系统从入口点到所述机壳的水位高度的衰减装置。
14.根据权利要求I所述的系统，其特征在于所述涡轮机是在垂直轴的。
15.根据权利要求14所述的系统，其特征在于，还包括 c.邻近于机壳的输入管的水位的上游提升装置。
16.根据权利要求I所述的系统，其特征在于，还包括 c.下游单向阀。
17.根据权利要求I所述的系统，其特征在于，还包括 c.压缩器装置，可操作地对输出液体再加压。
18.根据权利要求I所述的系统，其特征在于至少一个涡轮叶片具有疏水涂层。
19.一种将管内涡轮机系统的叶片保持在机壳内而脱离水的方法，包括以下步骤 a.放置微处理器控制系统以调节在所述管内涡轮机系统内的压力，具有以下至少一个连接的部件液体水位传感器、液体压力传感器、气体压力传感器、气体压缩器和针阀系统； b.引导气泡进入所述机壳。
20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，包括以下步骤 c.提供气体/下游液体界面面积减少装置。
全文摘要
一种采用气泡的管内涡轮机，具有电控制的新的和特别的构造，该构造能改善管内水力涡轮机的效率。
文档编号F03B3/12GK102959231SQ201180029683
公开日2013年3月6日 申请日期2011年6月15日 优先权日2010年6月16日
发明者丹尼尔·法伯, 阿夫纳·法卡什, 泽埃夫·塞翁 申请人:利维坦能源水电有限公司