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CN119256158A - 使用自动叶片间距定位的水下水流涡轮机 - Google Patents

使用自动叶片间距定位的水下水流涡轮机 Download PDF

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CN119256158A CN202380041584.4A CN202380041584A CN119256158A CN 119256158 A CN119256158 A CN 119256158A CN 202380041584 A CN202380041584 A CN 202380041584A CN 119256158 A CN119256158 A CN 119256158A
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Abstract

本发明涉及一种通过使用具有自动涡轮机叶片间距定位的恒流竖直轴线涡轮机通过泵送系统回收可再生能源所涉及的水下或表层水流、风速和波浪的前进动力并且将它们的动能转换为电能或势能的方法。海岸冲浪波形式的能量也是可以以可用形式回收的能量来源。

Description

使用自动叶片间距定位的水下水流涡轮机
技术领域
本发明涉及一种通过使用具有自动涡轮机叶片间距定位的恒流竖直轴线涡轮机通过泵送系统回收可再生能源所涉及的水下或表层水流、风速和波浪的前进动力并且将它们的动能转换为电能或势能的方法。海岸冲浪波形式的能量也是可以以有用形式回收的能量来源。
通过在系统的工作原理内生成旋转运动，该旋转运动的使用可以驱动被导体环绕的一组永磁体并且在其中感应电压/电流或将液体泵送到更高的平面，从而生成势能回收系统。
背景技术
海洋能转换装置的设计大约有1000种，几乎所有这些装置的设计都使用了浮力原理。经过的波浪所获得的垂荡运动被转换为完全直接电能或用于将液体泵送到更高的平面。
似乎不存在提取行波可用的动能或在设计中使用波速度的装置。
国际可再生能源机构(IRENA)在其《2014年海洋能源报告》第19页第3.2节中列举了水动力潮汐流转换系统的类型，并且这些装置大多数都使用了
1.水平轴线轴流式涡轮机
2.竖直横流式涡轮机
在上述第一种情况下，叶片围绕水平轴线旋转，这非常类似于风力涡轮机，并且这些系统需要很大的海水深度来适应涡轮机的直径，并且需要将涡轮机放置在海洋流内。来流平行于涡轮机叶片的轴线经过涡轮机叶片，并且旋转是基于引起上升并因此引起旋转的翼型几何形状。
在上述第二种情况下，来流使叶片围绕涡轮机的竖直轴线旋转。这同样是使用叶片的翼型几何形状来生成引起扭矩的升力，从而形成竖直轴线的旋转。这同样将需要涡轮机沿着海洋流放置在深水中。
美国专利号7,279,803Bl描述了一种轴流式涡轮机，其中流平行于旋转轴线。
欧洲专利号EP 1467092A3描述了一种叶片变桨机构，但它涉及轴向水下水流涡轮机。
美国专利号2015/0035279Al描述了一种在其能量转换机构中使用浮力原理的波浪能转换系统。
美国专利号7911074B2描述了一种用于将水动力能转换为电能的锥形螺旋钻涡轮机。涡轮机的旋转是在水平平面中并且具有引起旋转的滚动轮廓。叶片轮廓在涡轮机的构造中很复杂，就像混合器的‘螺旋钻’的螺旋转子泵的螺旋转子。
美国专利号4184212同样描述了一种螺旋转子装置以及其在生产氢气以用于其他用途中的用途。
美国专利号8624417B2描述了一种系统，其中涡轮机被放置在容器中并且使用波浪角度将海水引入该容器中。
澳大利亚专利号2017100917描述了一种系统，其中涡轮机叶片对行进介质呈现不同的攻角，在相对象限的另一侧创建差分区域。然而，在中央叶片支撑轴周围呈现的叶片区域是对称的，并且这样，在叶片轴线本身周围的旋转扭矩将是相同的且不会产生任何回转扭矩。该申请还描述了一种系统，其中叶片以相等区域固定在叶片轴周围并且借助致动器来旋转。因此，致动器力还将需要补偿作用于叶片区域的下半部的力。在另一种形式中，一组铰链固持在轴上自由旋转的叶片，该轴设置有多个销并且限制所铰接的叶片的旋转运动。本发明包含多个移动零件，即铰链，它们直接暴露在环境中并且这样更容易出故障。
本发明旨在克服这些不足，并且提出了一种新颖的涡轮机设计。
叶片攻角的改变是本发明的基本特征以及提供暴露于定向水流的不同区域的手段，并且通过使叶片旋转使得它对在一侧的波浪呈现非常小的着水区域同时最大化在相反象限中的区域来实现。
叶片本身的旋转是通过跨叶片支撑轴呈现差分区域来实现的。在叶片自身的轴线周围的叶片区域是不对称的，其中一个分段在叶片支撑轴的轴线周围具有比另一分段更大的区域，因此差分负载作用于叶片本身，使叶片沿着其自身的轴线旋转。
然后，叶片的一个象限投射出完全叶片区域，而在另一象限的叶片呈现小得多的区域，并且动能差确保旋转运动被保持。
因此，需要两组差分区域来产生沿着主竖直轴线的旋转，继而经由多个或一个增速齿轮箱使永磁发电机旋转。
整个组件设置有合适的机械密封件以允许其在水下运行。
在本发明的另一形式中，流量加速器装配在水流涡轮机前面，并且它旨在使前往叶片的流体流加速。
如水流涡轮机(500)的功率是由基本方程控制的P＝1/2×Rho×A×V3
其中：
a.P：功率，瓦特
b.Rho：流体密度：kg/m3
c.A：叶片面积：m2
d.V：流体速度：m/s
可以容易地看出，在恒定密度的情况下，功率与面积呈正比变化并且与速度呈三次方关系。因此，为了增加功率，可以增加叶片面积或速度。鉴于功率是速度的三次方函数的事实，本发明旨在加快进入‘流量增强器’的速度，但逐渐减小流动面积，使得在较小面积下增加前进速度。
常规水下风力涡轮机模仿风力涡轮机的几何形状，并且为了增加功率，需要大直径的护罩，这主要是不切实际的并且需要深水安装地点。关于这里提到的本发明，浅水体足以安装流量增强器。
具体实施方式
现在将参考图1
图1表示本发明的实施例并且是示出了装置的关键特征的剖面装配图。
水流涡轮机(500)包括包含永磁发电机(12)的主要外壳(1)，该永磁发电机通过中间轴(10)连接到增速齿轮箱(9)并且与支撑头部(11)集中在一起。行星齿轮箱(9)经由中间轴(7)连接到另一增速齿轮箱(6)。增速齿轮箱(6)的输出轴装配有副轴(4)和主轴(3)，并且连接到支撑所生成的负载的止推块(5)。
主轴(3)连接到扭矩盘(19)，该扭矩盘固持用于支撑叶片(15)的部件。
现在将参考图2和图3
图2表示主要旋转组件的平面和正面剖视图。
多个轴承壳体(22)附接到扭矩盘(19)，这些轴承壳体支撑叶片支撑轴(16)，该叶片支撑轴进而将叶片(15)刚性地固持在适当位置中。
扭矩传递螺柱(17)固定到叶片支撑轴(16)上并且允许叶片支撑轴(16)的预定旋转角度。扭矩传递螺柱(17)搁置在扭矩传递块(18)前面，该扭矩传递块固定到扭矩盘(19)上。示出了叶片轴密封件(23)。
示出了水流(100)的方向。
现在将参考图4
该图示出了本发明的另一优选实施例的正面剖视图。
在此，浮动主体(201)装纳永磁马达(12)以及齿轮箱(6)，并且此组件漂浮在水体(如河流或潮汐流)之上。
轴承止推块(5)支撑主轴(3)，该主轴上具有扭矩扳(19)以及叶片支撑轴(16)和叶片(15)。
现在将参考图5
该图示出了装配有流量加速器(300)的本发明的优选实施例的平面图。
浮动主体(201)装纳加速器(300)，并且该加速器旨在加快流(100)的速度，使得叶片(15)处流量增加。
现在将参考图6
该图示出了磁性耦接布置的布置。
永磁体(52)放置在主轴(3)上并放置到扭矩板驱动轴环(51)并且由独立止推轴承(53)支撑。密闭壳(50)放置在驱动轴环(51)上的永磁体(52)与主轴(3)上的永磁体(52)之间。
当扭矩扳(19)经受旋转扭矩时，主轴(3)上的永磁体(52)与驱动轴环(51)上的永磁体(52)之间的磁吸引通量驱动主轴(3)。
参考图7
该图示出了流量增强器(69)的平面和侧立面。
流量增强器(69)由适合近海海洋环境的腐蚀性的材料制成并且还可以适当地喷漆或涂层以提供保护。
入口(60)允许一定体积的流体进入流量增强器(6)，并且该流体经由出口(61)离开流量增强器(69)。由于其减小了横截面积，因此透过流量增强器(69)的长度加速了流进入。
流量增强器(69)包括顶板(62)和底板(63)，该底板在本发明的某个实施例中可以是船体(1)的顶部甲板(12)。侧盖由LHS侧板(66)和RHS侧板(65)提供并且因此形成封闭的体积。
在RHS侧板(65)上切出槽(67)并且该槽设置有橡胶或柔性橡胶幕帘(68)。
在本发明的另一实施例中，RHS侧板(65)未设置有槽(67)，亦未设置有橡胶幕帘(68)，并且CFITG(5)的位置放置为更靠船尾，使得叶片(118)不与流量增强器(69)相交。
现在将参考图8、图9和图10
旨在漂浮在水体(550)之上的浮动船体(501)装配有两个水流涡轮机(500)。
固定到浮动船体(501)的液压致动器(502)(通常为四个)旨在将平台(503)降低到水体(550)中以与流相互作用。
图9示出了本发明的实施例的正立面，并且图10示出了借助液压致动器(502)降低的平台(503)。
使用标准系泊链和锚对浮动船体(501)进行常规系泊。
简要操作原理
如图2中所示出的，水流(100)冲击在主轴(3)两侧的叶片(15)。
如图3所示，叶片(15)在叶片支撑轴(16)的中心线轴线上方的面积大于其下方的面积。这种面积差导致在叶片支撑轴(16)两侧的负载不同。这使该叶片支撑轴(16)在逆时针方向上旋转。扭矩传递螺柱(17)也与叶片支撑轴(16)一起旋转，并且在其撞到扭矩盘(19)和扭矩传递块(18)时停止。叶片(15)在垂直平面中，并且承载着由水流(100)强加的负载。
同时，在主轴(3)的另一侧，在给定扭矩传递螺柱(17)的位置和由叶片(15)对相同水流(100)方向呈现的差分区域的情况下，使叶片(15)与叶片支撑轴(16)一起在顺时针方向上旋转，并且扭矩传递螺柱现在反转并且因此在该侧的叶片(15)对水流(100)呈现窄得多的区域。
因此，现在在主轴(3)两侧生成的差分力引起主轴(3)沿着其中心轴线的整体旋转。
由于该旋转现在使叶片(15)旋转，因此新的位置使叶片(15)旋转，使得叶片对水流(100)呈现竖直面，因此差分扭矩被保持，并且旋转相对于水流(100)是连续的。
当预期进行水下操作时，提供防止外部环境进入次要外壳(2)和主要外壳(1)的机械密封件(13)。
在本发明的其他优选实施例中，可以使用单个齿轮箱(6)。
在本发明的另一实施例中，永磁发电机(12)与齿轮箱(6)一起被放置到浮动主体(201)上。该布置将确保这些部件不在水下环境中并且不需要机械密封件来防止液体渗入。
在本发明的另一实施例中，为了完全地消除机械密封件(13)的使用，利用将扭矩扳(19)的旋转扭矩传递到主轴(3)的磁性耦接件的用途。
所有与水或海水接触的材料均由防腐合金制成。
在扭矩传递螺柱(17)撞击扭矩盘(19)的情况下，橡胶垫或类似材料可以用于吸收任何冲击并且降低噪声。可以沿着叶片支撑轴(16)使用多个这样的扭矩传递螺柱(17)。
沿着叶片支撑轴(16)的差分扭矩以及在主轴(3)的相对侧生成的差分扭矩有助于涡轮机的操作。
在本发明的另一实施例中，可以将永磁发电机(12)替换为泵，使得倘若水体是河流，则可以将河水本身泵送到需要的地方。
在本发明的另一实施例中，可以将永磁发电机(12)替换为常规励磁发电机。

Claims (11)

1.一种用于利用水流发电的水下水流涡轮机，基本上包括：
叶片支撑轴，所述叶片支撑轴包括叶片，所述叶片被固定使得所述叶片位置在所述叶片支撑轴的纵向轴线周围提供不同的区域；
所述叶片轴固定至最少两个轴承壳体，其中所述轴承壳体固定到扭矩盘；
最少两个扭矩传递螺柱固定到部分，所述叶片支撑轴固定在所述轴承壳体之间；
最少两个扭矩传递块固定到所述扭矩盘；
所述叶片支撑轴中的最少三个定位在所述扭矩盘的区域周围；
外壳总成，所述外壳总成包含多个齿轮箱、发电机；
主轴，所述主轴具有连接到齿轮箱的第一端和连接到所述扭矩盘的第二端；
设置有用于将推力转移到止推轴承的轴环的所述主轴固定到止推环；
装纳机械密封件的密封线轴固定到所述止推盘上。
2.如权利要求1所述，水流涡轮机用于利用水流发电，但其中所述外壳未在水下并且固定到浮动主体，并且其中所述外壳总成是水平的。
3.如权利要求1和2所述，所述机械密封件被替换为永磁体，所述永磁体固定到所述主轴上并且固定到驱动轴环，其中所述驱动轴环首先固定到止推轴承，并且所述驱动轴环的第二端固定到所述扭矩盘，并且密闭壳放置在所述主轴与所述驱动轴环之间。
4.一种可再生能源装置，根据权利要求1和权利要求2所述，但其中永磁体或外部励磁发电机和齿轮箱适合用于水下/潜水应用。
5.一种可再生能源装置，如权利要求1、权利要求2和权利要求3所述，但其中通过外部或内部介质对叶片进行充气或放气，实现形状变化。
6.如权利要求1、2和3所述，但其中所述浮动主体设置有流量加速器。
7.如权利要求4所述，其中所述加速器设置有在所述加速器侧上形成的槽并且所述槽覆盖有橡胶幕帘。
8.如权利要求5所述，两个水流涡轮机固定到平台、放置在浮动船体的两侧，其中所述浮动船体设置有最少两个液压致动器，其中所述液压致动器的一端固定到所述浮动船体并且第二端固定到所述平台。
9.一种可再生能源装置，如权利要求1、权利要求2、权利要求3和权利要求4所述，但其中多个总成包含叶片。
10.一种可再生能源装置，如权利要求1、权利要求2、权利要求3、权利要求4和权利要求5所述，但其中叶片数量根据总成而定。
11.一种可再生能源装置，如上述权利要求所述，但其中叶片的一侧完全升高/不暴露于来流或波浪。
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