液力涡轮 [0001] 相关申请的交叉引用 [0002] 本申请要求2015年5月7日提交的美国临时专利申请No.62/158,170的优先权，该专利申请通过引用整体并入本文。 背景技术 [0003] 具有圆形截面的横流式(双击式)涡轮是普遍已知的，并且已经在世界各地的水力发电应用中广泛使用数十年。 [0004] 这种涡轮按照自由射流原理运行，利用喷嘴引导高速流体流过转轮。该转轮可包括围绕单个轴线排列的具有圆弧形截面的多个叶片，它们整体呈圆柱形。水沿垂直于圆柱轴线的方向流过圆柱，使流体作用于周向叶片的两个不同区域。通过设计，这种涡轮提取两级涡轮内流水的大部分动能，并且由于排水的剩余速度很小，这种涡轮不需要尾水管来保证高转换效率。尾水管可以用于一些竖直外流横流式涡轮中，以允许抽吸效应并捕获水电站的总毛水头。 [0005] 与弗朗西斯(Francis)涡轮等其它涡轮相比，圆形横流式涡轮有许多优势和益处。 圆形横流式涡轮能够在大范围流速下维持相对高效，这是弗朗西斯涡轮无法做到的。横流式转轮是自清洁转轮，因为第一级的前缘在第二级中成为后缘。大多数横流式涡轮在水道外设计有承托(bearings)，以降低环境污染风险。 [0006] 但是，圆形横流式涡轮也有许多局限性。根据设计和制造精度，其效率峰值在70％至85％之间，低于常规反动式涡轮，如卡普兰(Kaplan)涡轮或弗朗西斯涡轮，以及其它冲击式涡轮，如培尔顿(Pelton)涡轮，这些涡轮的效率均可以达到90％以上。造成圆形横流式单元效率低的原因有许多。实际上，只有一小部分圆形横流式转轮圆周能够作为跨流区。流过转轮的绝大部分流被夹带在叶片中，没有完全变成涡轮的轴功便排出。此外，理论上来说，两级之间横向跨过转轮的流流线必须相互交叉，而在一些情况下，流冲击中央轴，导致额外损耗。此外，大部分实用的横流式转轮需要沿叶片长度设置多个支撑肋。这些肋中的每一个会形成局部紊流区并导致效率损耗。 [0007] 圆形横流式涡轮的形状因素使得转轮直径与所述单元的流通能力密切相关，从而与所述单元的额定功率密切相关。由于转轮直径与轴速度直接相关，所以这种单元的实际尺寸和流量都是有限的。典型的横流式涡轮轴速度相对较低，尤其是低水头下的大流量单元。如果转轮接触到低水位，横流式涡轮将无法运行。在许多低水头现场，尾水水位可能会有很大差异(几米)，从而导致采用这种涡轮的发电站很难设计。 [0008] 除常见的圆形横流式涡轮外，各种直线型横流式机器也是已知的。在美国专利US7645115公开的设备中，流沿同时垂直于叶片行进路径和支撑驱动带或链的两个平行轴的轴线的方向穿过两级叶片。与现有发明的设计不同，美国专利US7645115中的叶片设计为使叶片的曲率围绕行进路径对称。理想地，美国专利US7645115中叶片上的反作用力与叶片的行进路径一致，但在某些操作条件下，如当未以最优叶片-水速度比运行时，垂直于叶片行进路径的大量拉力载荷会迫使运动的叶片向内朝向固定导向翼片阵列。为了防止因不期望的向内偏转导致碰撞而造成损坏，这种直线型涡轮中的驱动带必须高度张紧。这种张紧会超过正常电力传输所需要的最小张力，缩短传动系统寿命，并对机器施加额外应力。 [0009] 水电站必须设计为即使在公用电网连接缺失的情况下也能安全运行。正常地，在电力缺失的情况下，必须迅速关闭涡轮以防止因高速运转造成破坏的风险。如果涡轮突然关闭，或者如果突然断电，而机器迅速加速，高流量涡轮，如卡普兰涡轮、灯泡式涡轮、圆形横流式涡轮或弗朗西斯涡轮，会经受大的压力波动(即水锤现象)。这是因为必须阻止所有的水流过这些涡轮以使涡轮完全断电。培尔顿涡轮仅在高压力的现场使用，其优点在于能够在紧急情况下使用射流偏转板转移水流使其离开涡轮，从而允许迅速安全关闭而不会出现水锤现象，因为只改变了水流方向而非流量。 发明内容 [0010] 本发明涉及将流动流体的动能转换为轴功，尤其涉及一种用于直线型液力横流式涡轮的改进系统、方法和装置。这种新型涡轮保留了常规自由射流横流式涡轮的最佳特性，包括大范围流量下的高效率及自清洁操作，同时提供特定速度、效率和设计自由度方面的重大改进，从而实现低成本的土建工程，尤其是在低水头水电项目中。 [0011] 在本发明的一方面，涡轮具有两个工作级，其中，涡轮叶片围绕固定导向翼片中央阵列沿大体直线路径运动，涡轮设置有叶片，叶片在第一路径中具有负交错角，并且在第二路径中具有正交错角。得益于将叶片固有支撑在其路径内的液力，这种涡轮无需复杂的支撑机构，避免了叶片和固定导向翼片之间的碰撞风险，因而可以高效运行。 [0012] 在本发明的另一方面，涡轮具有两个工作级，其中，涡轮叶片围绕固定导向翼片中央阵列沿大体直线型路径运动，涡轮作为自由射流液力涡轮运行。在该机器中，工作流体，如水，作为被诸如空气等大体低密度的大气包围的自由射流进入涡轮。 [0013] 与包括圆形横流式涡轮和卡普兰涡轮在内的常规高流量液力涡轮相比，本发明公开的设计具有许多比较优势。与常见的圆形横流式设计相比，所公开的设计可以有效地最大化涡轮中的“工作区”。与横流式涡轮中使用的圆形转轮圆周上的狭窄部分不同，直线型横流式涡轮具有长横流区。而且，这种横流状态良好几乎没有紊流，而在圆形横流式涡轮中，理论上的流路实际上是与其自身交叉的，并且还会碰撞必需的驱动轴，造成额外损耗。 此外，圆形横流式涡轮中的大部分流被周向地“夹带”在翼片中，进一步导致性能损耗。与工作(直线型)部分相比，直线型横流中的夹带流部分最小化。因此，本发明设计的最大效率可以高于现在使用的圆形横流式涡轮。还有许多其它重要优势，如所公开的发明可以设置有真正的自由射流喷嘴，以允许使用与培尔顿涡轮中普遍采用的设计概念相似的射流偏转板。该射流偏转器可以允许涡轮在电网故障时瞬间断电，以防止失控，并同时防止造成任何水锤现象或冲击。这种冲击负荷通常很大，会驱动压力管道设计及其它管道设备。通过设置偏转器，直线型横流可以显著降低水电站的总成本。 [0014] 在本发明的另一方面，对自由射流的截面进行调整，以允许调节涡轮的流量和功率而仅对涡轮效率造成很小的影响。 [0015] 在本发明的一方面，涡轮包括多个叶片，所述多个叶片构造为沿围绕第一轴线和第二轴线的路径行进，第二轴线平行于第一轴线。该路径可以包括第一段、第二段、第三段和第四段，第一段从第二轴线到第一轴线，其为涡轮的第一级；第二段围绕第一轴线；第三段从第一轴线到第二轴线，其为涡轮的第二级；第四段围绕第二轴线。多个叶片中的每个可以具有相对于叶片行进矢量的朝向，从而在涡轮的第一级中形成叶片负交错角，并在涡轮的第二级中形成叶片正交错角。另一方面，第一段可以是大体直线型的，第二段可以是大体弧形，第三段可以是大体直线型的，并且第四段可以是大体弧形。第一轴线和第二轴线可以沿水平面间隔开。另一方面，第一轴线和第二轴线可以沿竖直平面间隔开。 [0016] 在另一方面，涡轮可以包括多个叶片，所述多个叶片附接至结构件并沿包括第一级大体直线型部分、第一大体弧形部分、第二级大体直线型部分和第二大体弧形部分的路径行进。涡轮可以包括多个固定导向翼片，固定导向翼片设置在由所述结构件和护罩围绕的空间中，护罩设置为邻近第一大体弧形部分并顺应第一大体弧形部分的曲率。 [0017] 涡轮可以构造为接收自由射流工作流体，自由射流工作流体具有在大体垂直于第一级和第二级的平面内穿过涡轮的流动模式。自由射流工作流体可以以相对于第一级中的叶片行进线小于或等于45度的角度进入涡轮。另一方面，自由射流工作流体的最大绝对速度可以出现在进入第一级之前。第一级和第二级的多个叶片可以构造为以无冲击(impact-free)方式接合自由射流工作流体。自由射流工作流体离开第二级的流路可以沿大体垂直于第二级叶片行进线的方向离开。 [0018] 涡轮可以包括可动结构，所述可动结构构造为具有偏转位置和非偏转位置。当可动结构位于偏转位置时，可动结构可以重新引导自由射流工作流体远离多个叶片。 [0019] 护罩可以具有第一端和第二端，第一端定位在与第一大体弧形部分开始处基本相同的位置，第二端定位在与第一内部导向翼片的后缘基本一致的位置。 [0020] 涡轮在围绕第二弧形路径运动的多个叶片的末端与最近的固定壁之间具有至少大约一个叶片弦长的间隙。 [0021] 涡轮系统可以包括具有多个叶片的涡轮，所述多个叶片附接至结构件并沿包括第一级大体直线型部分、第一大体弧形部分、第二级大体直线型部分和第二大体弧形部分的路径行进。涡轮可以包括多个固定导向翼片，固定导向翼片设置在由所述结构件和护罩围绕的空间中，护罩设置为邻近第一大体弧形部分并顺应第一大体弧形部分的曲率。涡轮系统可以包括具有矩形截面的约束流喷嘴。约束流喷嘴可以构造为向涡轮提供自由射流工作流体，自由射流工作流体具有在大体垂直于第一级和第二级的平面中穿过涡轮的流动模式。 [0022] 约束流喷嘴可以包括两个相对的可动面板，可动面板构造为改变自由射流工作流体的截面面积。面板的朝向会导致自由射流工作流体的宽度大幅改变而截面基本不变。无论射流的宽度如何，自由射流工作流体可以以大体相同的方式与多个叶片相交。涡轮系统中面板的朝向会导致自由射流工作流体的宽度基本不变而截面高度改变。 [0023] 另一方面，涡轮可以构造为接收从开放通道闸离开的自由射流工作流体。 [0024] 另一方面，涡轮可以由密封的室包围。所述室可以具有控制阀。自由射流工作流体可以离开涡轮的第二级并通过通风室(draft chamber)离开室，通风室具有与出口流体主体液压密封的出口。自由射流工作流体穿过室中封闭空气空间的运动可以夹带周围大气的气泡。自由射流工作流体的动量可以从室中排出夹带的周围大气的气泡。控制阀可以构造为允许一些量的空气进入室，以维持通风室内吸水头的期望高度而不允许出口流体主体接触多个叶片。 [0025] 另一方面，多个叶片中的每个可以在第一端处连接至运动结构，并且在第二端处连接至第二运动结构，以沿路径行进。运动结构和第二运动结构可以是带。 [0026] 另一方面，多个叶片中的每个可以在其中跨处连接至运动结构，从而使每个叶片的端部均为悬臂式的。 附图说明 [0027] 图1是根据本发明多个方面的涡轮的截面示意图； [0028] 图2是根据本发明多个方面的涡轮中叶片和导向翼片栅的详细截面示意图，其中示出通过涡轮的速度三角形、力及流线； [0029] 图3是根据本发明多个方面的自由射流涡轮的截面示意图； [0030] 图4A是根据本发明多个方面的自由射流涡轮的截面示意图，其中示出位于升起位置的射流偏转板； [0031] 图4B是根据本发明多个方面的自由射流涡轮的截面示意图，其中示出位于降低位置的射流偏转板； [0032] 图5是根据本发明多个方面的自由射流涡轮的截面示意图； [0033] 图6是根据本发明多个方面的安装在气密壳体中的自由射流涡轮的截面示意图，自由射流涡轮配备有约束流喷嘴； [0034] 图7A是根据本发明多个方面的喷嘴的平面图； [0035] 图7B是根据本发明多个方面的自由射流涡轮系统的截面示意图； [0036] 图8是根据本发明多个方面的喷嘴的平面图； [0037] 图9A是根据本发明多个方面的自由射流涡轮系统的截面示意图； [0038] 图9B是根据本发明多个方面的自由射流涡轮系统的截面示意图； [0039] 图10A是根据本发明多个方面的自由射流涡轮系统的截面示意图； [0040] 图10B是根据本发明多个方面的自由射流涡轮系统的截面示意图； [0041] 图11是根据本发明多个方面的自由射流涡轮系统的透视图； [0042] 图12A是根据本发明多个方面的涡轮的截面示意图； [0043] 图12B是根据本发明多个方面的涡轮的截面示意图。 [0044] 部件列表 [0045] 10 涡轮 [0046] 103 叶片 [0047] 104 导向翼片 [0048] 105 第一直线路径 [0049] 106 第二直线路径 [0050] 107 第一圆形路径 [0051] 108 第二圆形路径 [0052] 109 第一轴 [0053] 110 第二轴 [0054] 111 叶片路径 [0055] α1 第一叶片级入口处的流角度 [0056] α2 第二叶片级入口处的流角度 [0057] λ1 交错角；弦线与轴向之间的夹角 [0058] λ2 交错角 [0059] θ1 第一级叶片的俯仰角 [0060] θ2 第二级叶片的俯仰角 [0061] B1 第一级叶片栅 [0062] B2 第二级叶片栅 [0063] F1 第一级叶片上的液力 [0064] F1u 叶片行进方向上的分力 [0065] F1n 垂直于叶片行进方向的分力 [0066] F2 第二级叶片上的液力 [0067] F2u 叶片行进方向上的分力 [0068] F2n 垂直于叶片行进方向的分力 [0069] GV2 第二级导向翼片栅 [0070] Hjet 射流截面高度 [0071] U1 叶片线速度 [0072] U2 叶片线速度；大小与U1相等 [0073] V1 工作流体的绝对流入速度 [0074] V2 叶片出口的绝对速度 [0075] V3 导向翼片出口的绝对速度 [0076] V4 工作流体的出口绝对速度 [0077] Wjet 射流截面宽度 [0078] W1 叶片入口的相对速度 [0079] W2 叶片出口的相对速度 [0080] W3 叶片入口的相对速度 [0081] W4 叶片出口的相对速度 [0082] 201 轴向流动方向 [0083] 202 叶片中弧线 [0084] 203 导向翼片中弧线 [0085] 204 工作流体的流线 [0086] 301 自由射流工作流体 [0087] 302 周围大气 [0088] 303 护罩 [0089] 304 轴护罩 [0090] 305 轴整流罩 [0091] 306 第二轴 [0092] 401 射流偏转板 [0093] 402 射流偏转板枢轴 [0094] 403 射流偏转板支撑部 [0095] 404 绕过涡轮的偏转射流 [0096] 501 短机器轴之间的间距 [0097] 502 长机器轴之间的间距 [0098] 601 喷嘴 [0099] 602 气密壳体 [0100] 603 外部周围大气 [0101] 604 封闭大气 [0102] 605 高度较高的池 [0103] 606 高度较低的池 [0104] 607 夹带的气泡 [0105] 608 上升至表面的气泡 [0106] 609 吸水头高度 [0107] 610 封闭水位与运动叶片之间的间隙 [0108] 611 真空调节进气口 [0109] 612 护罩与壳体之间的间隙，用于偏转射流以绕过涡轮 [0110] 613 壳体与靠近喷嘴出口的叶片之间的间隙 [0111] 614 毛水头(上下池之间的高度差) [0112] 615 压力管道或进入管 [0113] 700 喷嘴 [0114] 701 喷嘴面板 [0115] 702 喷嘴面板枢轴 [0116] 703 喷嘴壳体壁 [0117] 704 位于最大打开位置的喷嘴面板 [0118] 705 位于关闭位置的喷嘴面板 [0119] 706 带 [0120] 800 喷嘴 [0121] 801 喷嘴面板 [0122] 802 位于关闭位置的喷嘴面板 [0123] 900 喷嘴 [0124] 901 喷嘴导向矛 [0125] 902 喷嘴壳体 [0126] 1000 喷嘴 [0127] 1001 喷嘴壳体 [0128] 1002 喷嘴面板 [0129] 1003 喷嘴面板枢轴 [0130] 1101 压力管道 [0131] 1102 至喷嘴适配器的压力管道 [0132] 1103 喷嘴 [0133] 1104 壳体 [0134] 1105 基座或通风室 [0135] 1106 出口 [0136] 1107 进气口 [0137] 1108 大动力输出链轮 [0138] 1109 小动力输出链轮 [0139] 1110 发电机 具体实施方式 [0140] 如图1所示，涡轮10可以包括第一轴线109和第二轴线110。第一轴线109和第二轴线110可以互相平行。第一轴线109和第二轴线110可以沿水平方向间隔开。另一方面，第一轴线109和第二轴线110可以沿竖直方向间隔开。另一方面，第一轴线109和第二轴线110可以沿位于水平方向和竖直方向之间、相对于水平方向呈一角度的平面间隔开。 [0141] 涡轮10可以包括叶片103，叶片103可以沿包括多个段的路径运动，所述多个段在第一轴线109和第二轴线110之间且围绕第一轴线109和第二轴线110。例如，叶片103可以移动经过从第二轴线110到第一轴线109的第一段105、围绕第一轴线109的第二段107、从第一轴线109到第二轴线110的第三段106、以及围绕第二轴线110的第四段108。在第四段108之后，叶片103可以再次进入第一段105。第一段105和第三段106可以是大体直线型的。第二段 107和第四段108可以是大体弧形的。 [0142] 可以约束叶片103以使其以多种方式沿上述路径形状行进。例如，叶片103可以由围绕带轮或链轮设置的带、链或类似构件支撑。可选地，叶片103可以由轨道或类似引导件支撑。 [0143] 具有高速度V1的工作流体被引入叶片103并移动通过第一段105。速度V1可以大约等于自由喷射速度，自由喷射速度可以在已知横过涡轮的有效水头的情况下获得。例如，V1≈sqrt(2gH)，其中，g是由重力产生的恒定加速度，H是有效水头。沿垂直于轴线109和110的取向引导进入流。进入流的朝向设置为与叶片行进路径呈锐角。在通过第一段105之后，大部分工作流体流横穿设置在第一段105的后缘与第三段106的前缘之间的直线排布的导向翼片栅104。这些导向翼片104重新引导流以使其与行进通过第三段106的叶片103有效相互作用。在对第三段106内的叶片103做功后，工作流体流以降低的速度V4离开涡轮。 [0144] 叶片103的交错角是叶片弦Lb与轴流方向201之间的夹角。如图1-2所示，叶片103在第一段105中具有负交错角λ1，并且在第三段106中具有正交错角λ2。可以约束叶片103以使交错角λ1与λ2大小相等但正负相反。这可以通过下述方式实现：维持叶片弦Lb相对于行进方向的固定俯仰角，以使第一段中的俯仰角θ1与第三段中的俯仰角θ2相等。 [0145] 图2详细示出涡轮10中叶片和导向翼片栅的截面示意图，其中示出通过涡轮的工作流体的速度三角形、力和流线。 [0146] 涡轮具有两级。叶片103沿第一段105的行进呈现涡轮10的第一级B1。叶片103沿第三段106的行进呈现涡轮10的第二级B2。叶片栅喉限定为在流线上任意点处两个相邻叶片之间的最小间隔。第一级叶片栅入口喉为O1i，第一级叶片栅出口喉为O1o。第二级叶片栅入口喉为O2i，第一级叶片栅出口喉为O2o。 [0147] 图2中的速度三角形示出这种涡轮设计的流体动力运行。流线204示出工作流体通过栅的路径。沿叶片路径所有点处的叶片线速度是相等的。因此，第一段105中的叶片线速度U1等于第三段106中的叶片线速度U2。当以最优速度运行时，涡轮会尽可能多地提取动能，从而导致入口速度V1与出口速度V4之间的最大可能差值。 [0148] 叶片103优选为弯曲形状并且其取向使叶片中弧线202在第一段105中第一级B1中的叶片前缘处与矢量W1大体相切，并且叶片中弧线202在该叶片后缘处与矢量W2大体相切。 [0149] 导向翼片栅GV2中的导向翼片104优选为弯曲形状，使导向翼片中弧线203在前缘处与矢量V2大体相切，并且导向翼片中弧线203在后缘处相对于叶片行进的第二级路径106以大体相同的角度α1取向，从而使α3≈α1。另一方面，α3略小于α1。例如，如果α1为20度，α3可以是18度。另一方面，α3略大于α1。例如，如果α1为20度，α3可以是21度。优选地，导向翼片的形状设计为使穿过导向翼片栅的喉持续减小。这样，流必须在穿过栅时持续加速。这种形状会促使流保持附接至导向翼片并以最小能量损耗通过导向翼片栅GV2。 [0150] 入口流角度α1、叶片形状、俯仰角θ和导向翼片形状的各种变型是可能的，而且有效设计中从入口到出口的速度减小范围可以是40％至75％，其中高效范围是约70％至 85％。另一方面，设备效率可以大于约85％。一般地，α1值较小且叶片的俯仰角θ较大的设计会导致速度减少值更大且效率更高，但同时在给定压力下允许通过涡轮的流更少，产生的电力也更少。α1值较大且俯仰角θ较小的设计会导致速度减少幅度较小且可能会降低效率，但同时在给定压力下允许通过涡轮的流更多，产生的电力也更多。在本发明的一个方面，入口流角度α1的范围可以是约10度至约45度。俯仰角θ的范围可以是约15度至约35度。 [0151] 如图所示，工作流体可以具有穿过第一段105的略微弯曲的流线204。在第一级B1中，由于叶片103具有曲率，其可以使工作流体流转向。由于B1叶片栅喉的尺寸从叶片栅入口喉O1i到叶片栅出口喉O1o增加，所以发生流扩散。这种行为有助于降低第一级B1中的流体速度，从而有效提取移动叶片上的力所表示的功。工作流体的第一级流出速度V2大体小于入口速度V1，不过，由于叶片线速度U1以及叶片的相对速度W1和W2的矢量相加，速度V2的方向略有改变。例如，在第一叶片级B1内，涡轮会经历从V1到V2的25％至35％的速度减少。 [0152] 在经过第一段105中第一级B1中的叶片103之后，工作流体可以加速通过导向翼片 104的栅GV2，并改变速度和方向，从而使速度V3与第三段106中第二级B2中的叶片103有效相互作用。第三段106中叶片103的正交错角λ2与其曲率相结合，形成会聚截面。流体以相对速度W3进入第二级叶片B2，并以相对速度W4离开。减去叶片线速度导致工作流体流以速度V4离开涡轮。 [0153] 叶片的朝向和形状导致第一段105中第一级内的反作用力F1，以及第三段106中第二级内的反作用力F2。平行于叶片行进方向取向的这些力的分量，F1u和F2u，用于通过例如驱动安装在与轴线109同心的轴上的发电机来从涡轮中提取有效功。 [0154] 由于叶片103的取向和形状，垂直分力F1n和F2n的取向设置为同时远离第一段105和第三段106中的导向翼片104的栅。这会导致支撑叶片的结构以类似于叶片路径111的形状向外偏转。叶片路径111的形状被放大以示出偏转方向。在叶片103由带或链沿行进路径支撑的涡轮中，这种向外偏转对于涡轮10来说是有益的，因为叶片103在运行中被动采取避免叶片103自身之间以及叶片103与诸如导向翼片104等任意内部固定构件之间发生碰撞的位置。 [0155] 在本发明的一方面，第一段105中涡轮10的第一级B1中做的功的量与第三段106中涡轮10的第二级B2做的功的量基本相等。这样的一个益处在于均匀分布机械力，从而合理利用材料以实现能量转换功能。 [0156] 图3示出涡轮10具有沿图1所示路径运动的叶片和导向翼片布置。图3所示的涡轮 10的工作流体作为自由射流工作流体301进入涡轮10，移动通过密度大体低于工作流体301的大气302。例如，在本发明的一方面，工作流体301可以是水，大气可以是空气。涡轮10设置有围绕第一旋转轴线109的护罩和整流罩系统。护罩303围绕第一旋转轴线109，并且与叶片 103的末端外侧以足够小以允许自由相对运动而不会发生碰撞的间隙间隔开。例如，在叶片 103的弦长为216毫米的涡轮中，所述间隙可以介于10毫米至20毫米之间。叶片与该护罩之间的大径向间隙会导致旁路流或泄漏流增加，从而降低涡轮10的功率和效率。护罩303可以在射流301附近延伸，以形成大部分不会与流接触的悬臂部分307。在出口侧，护罩303可以终止在从第二段107到第三段106的过渡点附近的锋利边缘处。另一方面，护罩303可以具有复合曲率，转而与离开涡轮10的流的期望流线对准。护罩303也可以分成多个主体件，但主体件之间接合处形成的任何间隙应该最小化，以减少泄漏流或旁路流。 [0157] 涡轮10设置有与第一旋转轴线109同心的圆形主体304。该主体可以包括例如轴或围绕轴的护罩。整流罩305设置在靠近圆形主体304的位置。圆形主体304和整流罩305一起形成流线或泪珠形状。圆形主体304和整流罩可以组合成单个护罩。 [0158] 由于作为自由射流涡轮运行的本质，圆形主体不需要围绕第二旋转轴线110，因为该区域会由周围大气而非工作流体填充。图3示出该区域可选地存在的圆形主体306。如果出于机械原因需要，该区域存在轴或类似主体不会影响涡轮10的运行。 [0159] 图4A和4B示出根据本发明一方面的射流偏转板401。射流偏转板401围绕轴线402枢转。射流偏转板401可以设置在涡轮10上方，从而使偏转板401可以向下摆动。可以通过偏转器自身因重力产生的重量驱动偏转器，或者可以通过其它方式驱动偏转器，如利用弹簧或气压缸或液压缸。另一方面，偏转板可以相对于射流定位成其它朝向，如位于射流的一侧或射流下方。在涡轮正常运行期间，偏转板401保持在周围大气302中，不与进入射流工作流体301接触。偏转器的保持方式可以有很多设计选则。一方面，连接至与枢转轴线402同心的轴的气缸将板保持在射流之外的位置。当出现功率损耗时，排放气压，使板落入射流中。射流偏转板可以枢转至第二偏转位置，停靠在支撑部403上。在该第二位置，工作流体射流冲击偏转板并被引导远离涡轮，形成新的偏转路径404。工作流体射流的偏转会导致向板401施加力，这限定了板401和支撑部403的尺寸，继而牢固地锚固至结构件。在实践中，该射流偏转作用允许快速安全地移除涡轮中的液力而无需工作流体流量的任何改变。当发电站出现功率损耗时，这一功能对于允许安全关闭涡轮来说是期望的。当用于管道系统尤其是输送诸如水等不可压缩工作流体的管道时，射流偏转器可以避免管道中压力激增的风险，因为其允许快速关闭涡轮而无需流量的任何改变。 [0160] 图5示出直线型自由射流涡轮10如何构造为不同长度。在一个涡轮10'中，第一旋转轴线109与第二旋转轴线110之间的距离501相对较短，轴间距离501与叶片弦长Lb的比约为6：1。在第二机器中，第一旋转轴线109与第二旋转轴线110之间的距离502相对较长，轴间距离502与叶片弦长Lb的比约为12：1。 [0161] 在叶片103的俯仰和交错关系如图1-2所示的涡轮中，垂直力F1n和F2n为在轴线 109和110之间行进的叶片提供支撑，从而不需要额外机构即可避免移动叶片103与固定导向翼片104之间的机械碰撞。叶片构造的这种有益特性允许以简单方式构造细长涡轮而无需额外结构和/或机构来防止叶片碰撞。增加长度允许增加通过涡轮的流量，并且增加从工作流体中转换的功的量。如果涡轮的轴间距离502构造为小机器轴间距离501的两倍，在可用压力相同的位置，长涡轮的流通能力和功率输出均为短涡轮的约两倍。例如，包括弦长Lb为216毫米的23个叶片的短涡轮的轴间距离501可以为1.4米，或者轴间距离与叶片弦的比约为6.5。功率输出约为两倍的长涡轮可以包括38个叶片，并且轴间距离502为2.8米，或者轴间距离与叶片弦的比约为13。在其它方面，短机器和长机器都是可能的。此外，在其它方面，使用更大叶片或更小叶片的机器是可能的，如叶片弦长度Lb为约100毫米的机器，或叶片弦长度Lb为500毫米及以上的机器。 [0162] 图6示出直线型液力涡轮，其所在现场的位于较高高度605的工作流体池，如水池，与位于较低高度606的池之间具有高度差614。通过管或压力管道615将流体传输至喷嘴601内，喷嘴601以气密方式相对于气密壳体或罩壳602密封。该罩壳在下方池的表面下方延伸，从而使封闭大气604与外部周围大气603隔离。压力管道615的长度可以根据需要任意扩大，其形状可以是任意便利形状，如截面为圆形或矩形。 [0163] 工作流体，如水，在压力作用下移动通过喷嘴601并作为自由射流301离开喷嘴。图 6所示的系统因两个池的水位差而产生压力，但在其它应用中，该压力可以来源于任意可用源。 [0164] 涡轮10以图3所示的方式运行。护罩303和壳体壁602之间设置有间隙612，从而当偏转板401降低时，偏转射流404可以绕过涡轮叶片。该间隙612的宽度应该与射流的高度Hjet大约相等。 [0165] 在围绕第二圆形路径段108移动的叶片103与壳体壁602之间设置有间隙613，以提供空间供水冲下叶片而不会导致阻滞。该间隙613应该至少为叶片弦长度Lb，并且优选大于叶片弦长度Lb的三倍。 [0166] 当自由射流工作流体接触涡轮的叶片103时，来自封闭大气604的空气被夹带在工作流体中，并由出口流以气泡607的形式携载。在离开系统进入下方池时，这些气泡上升至表面并与外部大气603再次结合。由于壳体602是气密密封的，空气从内部大气604的排放会形成真空压力，该真空压力将壳体内的内部水位提升至外部下方水池高度606上方的高度 609。设置进气阀611以实现从外部大气603向内部大气604补充鲜新空气。该阀可以调节以在封闭体积内保持期望真空压力。例如，期望的真空压力量会提升内部水位，使其靠近第二级直线行进叶片但与第二级直线行进叶片以间隙610间隔开。真空压力增加了直线型涡轮上的可用压力，允许涡轮利用大部分有效高度差614，同时也允许涡轮放置在下方池上方的便利高度处，以避免在出现高流事件，如洪水时造成破坏。这种能力在高度落差小的水电项目中是非常重要的，因为尾水上方的单元高度所代表的总有效落差的比例可以是很大的。 例如，在上方池到下方池的总落差为20英尺的项目中，单元可能需要设置在下方池上方6英尺的位置，以避免发洪水时尾水上升造成破坏。这种使用真空抽吸的能力允许涡轮利用6英尺落差的优势，而其它方式则可能会丧失。 [0167] 图7和8示出允许形成具有可调节宽度Wjet的工作流体自由射流的喷嘴的两种可能构造。调节工作流体自由射流的宽度允许调节通过涡轮10的流量而不改变工作流体自由射流的速度。这允许响应于可用流量来调节涡轮的流量，同时保持高效运转。一方面，自由射流宽度可以从其最大值调节至0。 [0168] 图7示出具有安装在壳体703内的一对面板701的喷嘴700。该面板铰接在轴线702处。一方面，轴线702可以垂直于第一轴线109和第二轴线110。工作流体301的射流离开喷嘴并进入涡轮叶片103。在最大打开位置704，面板平行于流。在完全关闭位置705，面板在它们的末端处相接，不允许任何流通过。喷嘴可以设置为其极限值之间的任意角度。设置该喷嘴的机械系统可以是任意各种不同设计。例如，面板可以由气动致动器、液压致动器或电致动器致动。面板可以被独立地驱动，也可以通过机械连杆联接。这种喷嘴也可以构造为仅具有单个面板，该面板跨越整个喉部宽度以调节流。 [0169] 图8示出具有安装在壳体803内的一对面板801的喷嘴800。工作流体射流301离开喷嘴并进入涡轮叶片103。面板内外平移以允许调节流。在完全关闭位置802，不允许任何流通过。 [0170] 喷嘴700与喷嘴800相比的优势在于，在一些方面，喷嘴700可以制作为物理上更紧凑。喷嘴800的优势在于面板的形状可以设计为使流平稳地加速进入工作流体射流。 [0171] 图9A、9B、10A和10B示出允许形成工作流体自由射流的喷嘴的可能构造，该自由射流具有可调节高度Hjet。调节工作流体射流高度允许调节通过涡轮的流而不改变工作流体自由射流的速度。但是，与调节工作流体自由射流宽度Wjet的喷嘴不同，调节工作流体自由射流高度Hjet的喷嘴会导致射流与具有不同截面的涡轮10交叉。 [0172] 图9A示出包括主体901的喷嘴900，主体901可调节地设置在流过喷嘴壳体902的流内。 [0173] 图9B示出主体901的可选位置，其中，喷嘴出口受限，并且工作流体自由射流的高度降低。 [0174] 图10A示出与图7所示喷嘴类似的喷嘴1000，只是面板1002和枢轴1003的朝向设置为使枢轴1003平行于涡轮轴线109。 [0175] 图11示出包括圆形截面的压力管道1101的水电系统，压力管道1101连接至过渡管 1102，过渡管1102的截面从圆形变为矩形。过渡管连接至喷嘴1103。喷嘴配备有围绕轴702铰接的两个面板701。工作流体经压力钢管流向喷嘴，然后作为自由射流301离开喷嘴。喷嘴 1103连接至包围涡轮10的气密壳体1104。壳体1304安装在混凝土基座1105上。基座1105具有出口1106，工作流体经出口1106离开基座。射流偏转板401设置在工作流体自由射流301的正上方。设置真空泄压阀1107以调节壳体1104内因内部水位的高度610高于尾水水位形成的抽吸压力。工作流体自由射流301接合叶片103，叶片103的每端附接至驱动带706。叶片和带围绕第一轴109和第二轴110转动。刚性地安装至轴109的大带轮1108由带连接至安装在第三轴上的小带轮1109。该带轮驱动发电机1110，发电机1110将转矩和速度转换为电力。 [0176] 图12A示出一个朝向的涡轮10，其中，轴线109和轴线110设置在竖直平面上。 [0177] 图12B示出一个朝向的涡轮10，其中，轴线109和轴线110设置在相对于水平面呈一定角度的平面上。 [0178] 操作 [0179] 根据本发明的一个方面，叶片具有固定俯仰角和反向交错角的直线型涡轮可以以下述方式运行。叶片103的阵列沿包括第一段105、第二段107、第三段106和第四段108的路径行进。经过第一段105后，叶片103在第二段107中围绕第一旋转轴线109行进，之后沿第三段106行进，第四段108中围绕第二旋转轴线110返回，然后再次进入第一段105。固定导向翼片104的阵列设置在被叶片103的路径围绕的空间内。 [0180] 叶片103相对于其行进路径的切线方向保持大体固定的俯仰角，从而使第一段105中的俯仰角θ1与第三段106中的俯仰角θ2基本相等。叶片103具有弯曲形状，并且其弦线的朝向使俯仰角θ1小于90度。叶片103的曲率相对于第一级B1和第二级B2的行进路径线不对称。不论叶片103位于其路径上的什么位置，垂直于叶片弦线且远离叶片凸形表面伸出的矢量具有非零分量，该非零分量的取向为垂直于行进路径，且远离由叶片的行进路径包围的区域指向外侧。所有的叶片103以相同的线速度移动，从而使U1与U2大小相等(图2)。 [0181] 功在涡轮10内对应于第一段105和第三段106的两级中被转换为有效力。如图2所示，工作流体流过涡轮10的运动可以通过流线204可视化。在第一级105中，工作流体，如水，以速度V1且相对于叶片行进路径呈锐角α1的取向朝涡轮移动。在本发明的一个方面，α1的范围可以是约10度至约45度。在本发明的另一方面，α1的范围可以是约15度至约30度。叶片 103同时转动并使流减速，从而使工作流体以新的朝向和降低的速度V2离开第一段105。叶片103的曲率导致流转向。流发生减速是因为叶片形状和负交错角结合导致涡轮喉从其入口O1i至其出口O1o扩张。 [0182] 离开第一段105后，工作流体流被固定导向翼片104转向，固定导向翼片104将流线大体重定向，以提供与正在第三段106中移动的叶片103的有效相互作用。工作流体流以速度V3、相对于叶片行进路径呈锐角α3的取向离开固定导向翼片104，之后在第三段106中因叶片103急剧转向。在本发明的一个方面，α3与α1的大小可以基本相等。在另一方面，α3与α1的大小可以相近但不是大约相等。虽然俯仰角θ2与俯仰角θ1相比没有变化，但第三段106中的叶片103具有会聚喉部，从而使O2o比O2i小。在第三段106中离开叶片103的工作流体流具有明显降低的速度V4，并且以接近垂直于第三段106的角度离开。在本发明的一个方面，涡轮从V1到V4可以经受约40％至约75％的速度减少。α1和α3的值更小的涡轮一般具有更大幅度的速度减少，但是由于陡峭的入口角度，这些设计可以具有降低的最大流量。涡轮设计可以基于特定应用参数，如有效压力或流，在最大流量和效率之间找到适当平衡。 [0183] 叶片103可以由很多种机械系统支撑。例如，叶片103可以附接至带或链，或者叶片可以在轨道或导向件中运行。叶片103可以由其一端或两端支撑，或者每个叶片可以是对称或不对称的悬臂式。 [0184] 涡轮10可以在很多种环境下运行。例如，涡轮10可以在诸如运河或河流等开放通道流环境中，或潮汐环境中运行。或者，涡轮可以在由加压的、用水填充的壳体包围的约束流环境下运行，如美国专利US7,645,115中所公开的环境。进一步地，这种涡轮可以作为自由射流涡轮运行。 [0185] 在第一段105中具有负交错角λ1并且在第三段106中具有正交错角λ2的叶片103的朝向和形状导致操作中力的有益朝向，其允许这种涡轮10的简单构造。典型的直线型涡轮可能需要额外机构，如惰轮或轨道和引导件，以防止移动叶片与固定导向翼片之间的碰撞。 但是，根据本发明的一个方面，叶片103的朝向产生垂直力F1n和F2n，使得每个叶片103能够支撑其自身质量并避免移动叶片103与固定导向翼片104之间发生机械碰撞的风险。通过这种叶片设计，直线型机器可以构造为第一轴线109和第二轴线110之间的距离增加的长形状。例如，图5示出涡轮10”中第一轴线109和第二轴线110之间的轴间距502是类似单元10'中第一轴线109和第二轴线110之间的轴间距501的两倍。单元尺寸设计的这种简易性允许以模块化的方式构建更强大且成本更低的涡轮。例如，具有短轴间距501的机器可以使用相同的叶片、导向翼片，以及如具有长轴间距502的机器的相关机械系统。如果叶片的液力反作用力无法防止与固定导向翼片104碰撞，长机器将需要较大的带张力或链张力，和/或诸如惰轮或轨道等额外的机械系统来支撑叶片。与本发明的涡轮相比，任何这些额外措施都会增加复杂性和摩擦力，并缩短使用寿命。 [0186] 根据本发明的一个方面，工作流体射流301，如水，可以被推进通过大体低密度的大气302，如空气(图6)。射流301可以由任意适当结构形成，如封闭喷嘴601或开放通道闸。 在用封闭喷嘴601形成的情况下，射流301的速度导出为表示从喷嘴入口到出口的压力差。 在用开放通道闸形成的情况下，射流301的速度导出为表示从闸的入口到出口的高度落差。 理想地，射流301的截面为矩形，具有高度Hjet和宽度Wjet。但任意截面形状的射流，包括圆形射流，均可以与涡轮10一起使用。涡轮10利用沿一路径运动的叶片103，所述路径包括第二轴线与第一轴线之间的第一段105、围绕第一轴线109的第二段107、第一轴线109与第二轴线110之间的第三段106，以及围绕第二轴线110的第四段108，叶片103之后再次进入第一路径105。在由移动叶片103的路径封闭的空间中设置有固定导向翼片305的阵列。设置大体包围围绕轴线109移动的叶片末端的护罩303。 [0187] 当射流进入第一路径105中的移动叶片103的阵列时，其速度和方向改变，并在叶片103上做功，导致叶片103上的反作用力。在经过移动叶片103的第一阵列105后，工作流体由固定导向翼片105重新定向并移动通过移动叶片的第二阵列106，然后离开涡轮。由于速度和方向改变，力传递至路径106内的移动叶片103。这些力可以以很多种方法外化，包括在驱动带或链内聚合并经旋转轴提取。护罩303的作用在于约束工作流体，使其以受控方式围绕第一旋转轴线109运动，从而使围绕该轴线的流大体连贯且不间断。如果没有该护罩，工作流体会以不期望方式离开涡轮，导致明显的效率损耗。类似地，围绕旋转轴线109设置的护罩304和305提供相关功能，并且与护罩303共同作用以增强围绕该部分涡轮的连贯且高效的流。护罩304和305可以结合在同一主体中，也可以分开，只要主体之间的间隙保持较小，能防止泄漏或旁路流变大即可。如果需要，护罩304也可以是轴形。类似地，移动叶片103与护罩303之间的间隙应该较小，但同时又足够大以防止叶片103与护罩303之间的任何机械碰撞。护罩303可以分段以便于组装或维护，但配合部件之间的任意间隙应该最小化以减少旁路流或损耗。护罩303可以具有靠近射流入口的延伸部307，其作用在于平稳地收集并引导通过涡轮该区域的进入射流。护罩303在其出口处可以具有复合曲率，其中，护罩平滑地成形，从而使护罩的形状在出口处与离开涡轮的流线相切，大体垂直于路径106。 [0188] 进入射流的取向设置为在第一段105与第四段108之间的相交点附近进入移动叶片103的第一段105。该位置选择为使涡轮10的工作截面最大化，同时避免射流与从路径108靠近射流的叶片的凸形面之间不期望的阻力载荷或冲击。 [0189] 虽然存在工作流体的显著溅射，但位于射流下方、靠近轴线110的区域主要由周围大气302填充。出于机械原因，虽然用虚线306表示的轴或护罩在该位置是期望的，但从流体动力学的角度来看不是必要的。 [0190] 自由射流直线型涡轮可以使用射流偏转器提供快速安全的关闭能力。进入涡轮10的射流301穿过仅由周围大气302封闭的一大段距离。可以设置围绕轴线402铰接的偏转板 401，在紧急情况下，偏转板401可以展开处于偏转位置，在偏转位置，射流围绕移动叶片103大体转向404。重要的是，这种转向发生的非常快，例如，发生时间小于1秒，不会导致输水装置中的流量变化。由于流量不变，例如，与利用射流偏转板401的涡轮相联的管道上游或下游不会出现突然的压力激增。 [0191] 偏转板401及相联的机械构件，如支撑部403和围绕轴线402的轴，可以设计为承受因工作流体转向形成的冲击所造成的力。例如，如果射流的Hjet＝0.5米且Wjet＝1.2米，以入口角α1＝21度进入涡轮10，由相当于6米水头的工作压力驱动，然后以相对于叶片行进第一段105呈30度的角度偏转，则板将承受约为64kN，或14000磅力的总冲击力。板401、支撑部 403和围绕轴线402的轴的尺寸均需要选择为保证运行而不会出现机械故障。例如，假设板由屈服强度为约250MPa(36ksi)的低碳钢构造而成，则确保屈服强度安全系数大约为2所需要的板厚度为约25毫米(1英寸)。 [0192] 自由射流直线型涡轮可以这样一种方式制造：在该方式中所有有效压头均被利用，且涡轮出口与下方池之间的落差恢复为最大可能程度。在这种构造中，自由射流直线型涡轮封闭在压力密封壳体602内。该壳体以仅允许外侧大气603与封闭大气604之间进行可控大气交换的方式密封。封闭喷嘴601相对于壳体602密封，并将工作流体301引导至涡轮内，涡轮的运行方式如上文所述。例如，可以通过由两个工作流体主体之间的高度差驱动的压力导出射流的速度。移动通过涡轮并冲击出口中流体池的射流的动作会夹带封闭大气 604中的气泡607，并且移动流体的动量将这些气泡运载至封闭壳体外，在封闭壳体外，气泡上升至表面并与外部大气603结合。除非允许新鲜空气进入封闭大气604内，否则该过程将排空封闭室并形成抽吸压力。这种抽吸压力会增加喷嘴上的工作压力，从而增加射流速度和涡轮功率。期望使这种抽吸压力最大化，但不期望这种涡轮在运行中与下方池接触。因此，期望提供调节阀611，其可以进行调节以允许来自外部大气603的新鲜空气流进入封闭大气604，平衡封闭大气604以维持封闭室内的水位609，封闭室靠近移动叶片但位于其下方 610。 [0193] 本发明的自由射流直线型涡轮的一方面在于其功率输出和流量可以通过改变射流的截面面积而进行调节，且无需改变射流速度或射流朝向角度。这是高流涡轮的独特能力，其通常必然会迫使流体角度改变并同时实现流的改变。在直线型自由射流涡轮中，这种能力的益处在于，在多种流量下，这种涡轮的效率几乎是恒定的。 [0194] 工作流体自由射流的截面面积可以以许多方式改变。例如，可以调节矩形射流的宽度和/或高度。图7-8示出调节射流宽度Wjet的两种可选方式，其中，喷嘴具有可调节面板。在图7中，面板701围绕轴线702铰接，并且通过旋转该面板调节射流的宽度。这种面板布置可以用单个面板或多个面板实现。在图8中，面板801平移，并且通过改变其位置调节射流的宽度。这种喷嘴可以用单个面板或多个面板构造。面板可以具有诸如曲率等特征，从而以能量损耗最小化的方式提供射流形状。 [0195] 图9-10示出调节射流高度Hjet的两种可选方式。图9A示出设置在壳体902内的主体901。流围绕该主体移动，然后作为自由射流离开喷嘴主体。如图9B所示，主体901可以平移以减小出口孔的尺寸。射流高度减小并作用于涡轮长度的缩短部分。图10A示出具有铰接在轴线1003处的面板1002的喷嘴。当调节面板时，面板会改变射流的高度。这种喷嘴可以用单个面板或多个面板构造。可以用平移而非铰接的面板实现类似效果。 [0196] 允许通过改变射流宽度而非射流高度调节流的喷嘴设计的一个益处在于，获得的流动模式将与整个涡轮截面，而非截面的子集，以高效方式相互作用。 [0197] 图11示出利用本发明构造的自由射流直线型水电涡轮机。在压力下水流过压力管道1101，经过使圆形压力管道适应矩形截面1102的管段，进入能够通过改变射流宽度调节流量的喷嘴1103。该喷嘴具有围绕轴702铰接的两个面板701。喷嘴附接至包围直线型自由射流涡轮的气密密封壳体1104。该壳体1104安装至中空混凝土基础或基座1105。混凝土基座1105具有设置在下方池下方高度处的出口1106。随着单元运行，空气从壳体和基座内部排出，并且内部水位上升，使得抽吸水头610增加驱动射流301的压力。基座内的水位用自动真空调节阀1107调节。涡轮的叶片在其端部处附接至一对带706，带706围绕安装至一对平行轴杆的链轮运行。这两个轴中的一个支撑大带轮1108，大带轮1108通过在小带轮1109上运行的带驱动第三轴。这种加速动力输出系统利用联接件连接至发电机1110，发电机1110将机械转矩和速度转换为电力。涡轮配备有射流偏转板401，射流偏转板401通常设置在进入射流正上方的空气中。紧急情况下，该板释放至射流中，几乎立刻围绕转轮转移射流，使其通过护罩与壳体之间的间隙，无害地将涡轮断电而不改变压力管道内的流量。 [0198] 图12A和12B示出涡轮10可以如何相对于水平面呈任意角度取向。例如，如图12A所示，涡轮10可以相对于水平面竖直取向，从而使第一轴线109和第二轴线110沿竖直平面间隔开。另一方面，如图12B所示，第一轴线109和第二轴线110沿相对于水平面呈角度的平面间隔开。