CN102099569A - 扭矩平衡涡轮机停泊系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种能够支撑涡轮机组件的浮动平台。该平台和涡轮机组件可被构造成抵抗阻力。阻力可以由在力矩中心上方和下方连接至本发明的保持构件吸收。此外，可以在涡轮机组件中结合枢转缆绳，由此涡轮机组件可移动且因此能够吸收当过大的扭矩作用在涡轮机转子上时施加在不可移动的固定定位的涡轮机上的阻力。该涡轮机组件还可在竖直(工作)位置和水平(运输)位置之间枢转。

Description

扭矩平衡涡轮机停泊系统
技术领域
本发明总的来说涉及用于涡轮机的平台组件领域，且更具体地涉及一种可以停泊涡轮机的浮动平台。
背景技术
由于水流被越来越多地认作为可以产生电能的天然能源，所以水力涡轮机(water turbine)呈现增长的趋势。有多种将涡轮机定位在水流(包括潮汐流、波浪流和涌流(current flows))中的方法。将涡轮机定位在涌流中的一种特别广泛的方法是将涡轮机定位在浮动平台上。
本发明克服了将涡轮机支撑在水流中的现有浮动平台所固有的缺陷。之前在用于涡轮机的浮动平台领域中的创新受阻力(drag，拖曳)影响。阻力一般起因于现有平台的两方面。第一，大多数现有平台是固定地停泊，以便使平台在流动的水中尽可能地保持静止。这种定位方式在处于水中的平台的各元件上产生阻力。例如，水流对转子施加过大的扭矩从而产生阻力。这是由于转子在水流中几乎静止而发生的。第二，由于平台位于水中，所以平台承受阻力。当涡轮机运转时，平台努力保持其在水中的位置且因此平台的活动区域被拖到水面下，这产生了阻力。其进一步使得平台表面不水平且平台作为一个整体不稳定。
美国专利No.4,940,387中公开了现有技术的一个实例。其中公开的发明包括一种用来将水轮机定位在水源路径中的结构，诸如堤坝。该结构横跨水源水面并在其上方延伸，并且涡轮机安装在位于水面下且作为该结构的一部分而向下延伸的外壳内。该结构例如由桩基从下面支撑。
美国专利申请No.2003/0014969公开了平台的另一种构造。在该现有技术的实例中，应用了一种包括两个间隔开的平行中空侧部构件的装置。所述侧部构件形成为具有向内的相对倾斜端面，以允许本体的上游端将水转向至侧部构件之间的通道中。涡轮机转子连接于定位成在侧部构件之间延伸的横杆的面向水的一侧。平台通过连接于该结构的各个角部的缆线而锚固。
这些现有技术实例的构造方式使得它们容易受到阻力。锚固平台的方法会造成不稳定，其中，平台不水平，且阻力将平台的一部分拖入水面下。此外，涡轮机距离平台的严格定位在涡轮机转子上产生阻力。而且，这些结构没有考虑到各位置之间的容易转移。需要一种发明来克服现有技术中固有的这些问题。
发明内容
本公开公开了一种用于发电的可浮动涡轮机系统，包括：(a)涡轮机安装组件，用于保持通过水流产生电力的涡轮机；(b)可浮动平台，用于支撑所述涡轮机安装组件；以及(c)至少四个保持构件，用于以抵抗作用在可浮动平台上的水阻力的方式连接涡轮机安装组件。
因此，一个方面，本发明提供了一种可浮动涡轮机系统，其特征在于，所述可浮动涡轮机系统包括：用于将涡轮机安装组件支撑在水中的浮动平台，该浮动平台可在枢转支架内移动；以及至少四个保持构件，用于在水面下的力矩中心上方和下方都连接至涡轮机安装组件。
在该方面，在详细地解释本发明的至少一个实施方式之前，应该理解，本发明在其应用方面不限于下面的描述中所阐述的或者图中所示出的结构上的细节和各部件的布置。本发明能够以其他实施方式体现，并且能够以各种方式来实践和实现。而且，应该理解，这里所采用的措辞和术语是为了描述的目的，并不应该被认为是限制性的。
附图说明
当考虑本发明的以下详细描述时，将更好地理解本发明，并且本发明的目的将显而易见。这一描述参照附图进行，附图中：
图1是枢转组件的分解图。
图2是浮动涡轮机组件的分解图。
图3是本发明在水中的正视图。
图4是本发明的视图，示出了保持构件连接。
图5是本发明的侧视图，其中涡轮机组件处于竖直位置。
图6是本发明处于运输位置的视图。
图7是本发明处于运输位置的正视图。
图8是本发明处于运输位置的侧视图。
图9是本发明的包括底部支承件的一个实施方式的视图。
图10是本发明的包括底部支承件的一个实施方式的正视图。
图11是本发明的包括底部支承件的一个实施方式处于运输位置的视图。
图12是水平轴涡轮机组件的视图。
图13是本发明的包括水平轴涡轮机的浮动涡轮机组件的一个实施方式的分解图。
图14是本发明的包括水平轴涡轮机的一个实施方式的正视图。
图15是本发明的包括水平轴涡轮机组件的一个实施方式处于竖直位置的视图。
图16是本发明的包括水平轴涡轮机的一个实施方式处于竖直位置的侧视图。
图17是本发明的包括水平轴涡轮机的一个实施方式处于运输位置的视图。
图18是本发明的包括水平轴涡轮机的一个实施方式处于运输位置的正视图。
图19是本发明的包括水平轴涡轮机的一个实施方式处于运输位置的侧视图。
在附图中，以实例的形式示出本发明的实施方式。可以清楚地理解，这些描述和附图仅是为了示出的目的并仅用于帮助理解，而不作为限制本发明的定义。
具体实施方式
本发明涉及一种用于发电的可浮动涡轮机系统，包括：用于将涡轮机安装组件支撑在水中的浮动平台，该浮动平台可在枢转支架内移动；以及至少四个保持构件，用于将涡轮机安装组件以抵抗浮动平台上的水阻力的方式连接于浮动平台上。在本发明的一个方面，所述至少四个保持构件在水面下的力矩中心上方和下方都连接至涡轮机安装组件的相对侧。
本发明的平台和涡轮机安装组件被构造成抵抗阻力。具体地，连接有使平台保持在水流内特定位置的缆绳，以吸收阻力。这具有如下效果：由水中的转子产生的有限的阻力被转移至浮动平台。作用在浮动平台上的大部分阻力会拖住浮动平台的位于水面下的部分，但相反，在本发明中阻力被缆绳吸收。因此，浮动平台可以保持几乎水平。缆绳构造可包括连接于涡轮机组件的每一侧的至少两条缆绳，所述缆绳被定位成在力矩中心上方和下方都连接至本发明。力矩中心等同于阻力中心。
此外，通过将涡轮机枢转安装至该可浮动平台，可减小由于作用在浸入于水中的转子上的水力而造成的阻力。涡轮机可以以枢转的方式安装至涡轮机安装组件并因此没有被固定地保持。这可允许涡轮机的一些移动。这进而可减小由水流施加在转子上扭矩。结果是转子在水中更有效地运作，这是由于其施加更少的能量来抵抗扭矩且因此能够产生更多的电能。
本发明的构造具有几个优点。浮动平台仅需要支撑涡轮机安装组件和涡轮机自身的重量，而不需要提供额外的浮力来补偿阻力。因此，浮动平台可以相对较小，因而构建方面更经济。此外，浮动平台的更小尺寸可以使得更容易运输本发明。涡轮机安装组件可被枢转至一水平运输位置，这进一步有助于本发明在水中和陆上的运输。
本发明可以具有多个实施方式。这些实施方式通常涉及能够从水流(无论水流是波浪流、潮汐流，还是涌流)产生电力的涡轮机元件。
一个实施方式包括图1所示的用于枢转地安装涡轮机的涡轮机安装组件。该涡轮机安装组件包括允许涡轮机移动并枢转的枢转支架14。该涡轮机安装组件还包括上臂16和从上臂的相对端部延伸的两个下臂18。涡轮机包括连接于传动系12的发电机(generator)10。当组装好发电机和传动系时，将它们插入到枢转支架14内，上臂16从枢转支架的任一侧上延伸，每个上臂16具有从其沿竖直(vertical)方向延伸并到达力矩中心之下的下臂18。组装好的发电机10和传动系12在插入穿过支架14后可被连接至位于枢转支架的与发电机/传动系组件相对的一侧上的涡轮机转子20。通过这种连接，可以利用该发电机/传动系组件来从转子20在水流中的移动产生电力。在该实施方式中，枢转支架14以允许转子20以及其所连接的发电机/传动系组件的一些移动的方式支撑发电机10/传动系12，因而转子20没有以固定方式定位，而是以允许移动的方式定位。
如图2所示，枢转的涡轮机安装组件可以由浮动平台支撑。技术读者将认识到，该平台可以具有多种构造，但通常可以包括位于支撑结构26下面的浮力装置24，由此涡轮机组件被支撑在平台上。在本发明的一个实施方式中，通常，支撑结构26可以包括连接装置28，由此涡轮机组件22可以被保持在该支撑结构上并从而连接至浮动平台。如图2所示，连接装置28中可以具有槽，并且连接装置28被连接至支撑结构26，从而涡轮机安装组件的上臂16可以以可拆卸方式被保持在支撑结构上的特定位置中。图3中示出了涡轮机安装组件22处于支撑位置。技术读者将认识到，也可以采用其他的连接装置来将涡轮机组件22支撑在浮动平台上。
如图3所示，浮动平台仅需要能够支撑涡轮机安装组件22的重量。因此，浮力装置24可以根据待被支撑的涡轮机组件的重量来设计。当定位在水中时，支撑结构26可以保持在吃水线(水位，water line)W上方，同时浮力装置24可以部分地浸入水中。涡轮机转子20可以完全浸入。
此外，如图4所示，下臂18可以延伸超过力矩中心。在每个下臂18中可以包含至少两个连接区30a、30b。一个连接区30a可以位于力矩中心上方，而另一个连接区30b可以位于力矩中心5下方。保持构件32可在一端连接至连接装置，并在另一端连接至停泊点34，从而浮动平台可以经由保持构件32连接至停泊点34。在本发明的一个实施方式中，停泊点34可以连接至另外的缆绳或缆线。停泊点34或者其所连接的另外的缆绳或缆线可以连接至不动物体，例如桥梁或锚杆，从而浮动平台通过连接至该点而被保持在水流中的特定位置并防止浮动平台漂移。本领域技术人员将认识到，浮动平台可经由保持构件32(例如可以是诸如停泊缆绳的缆绳)连接至多个停泊点34。
在本发明的一个实施方式中，涡轮机安装组件22可以从如图5所示的竖直位置(由此涡轮机转子延伸到浮力装置24下方)枢转到如图6所示的水平位置。枢转装置可以如图5所示类型的，由此涡轮机组件22在竖直位置和水平位置之间移动。枢转缆线36可以连接至至少一个上臂16。如图5所示，与上臂的这种连接可以借助于从上臂16以一定角度延伸的凸缘38，该凸缘中具有凸缘连接装置40，由此枢转缆线36的一端连接至凸缘38。枢转缆线36的另一端连接至位置调节器42，诸如调节张力(tension)的装置，例如曲轴。技术读者将认识到，在本发明的实施方式中也可以采用其他的位置调节器。本发明的一个实施方式可以包括用来增大和减小枢转缆线36的张力的位置调节器42。从而，当枢转缆线中的张力减小时，涡轮机组件可以基本上竖直地定位。然而，当枢转缆线中的张力增大时，涡轮机组件可以朝向基本水平的位置枢转。位置调节器42能够将枢转缆线36固定在特定位置，例如这可以通过改变枢转缆线中的张力并保持该张力状态一定时间而实现，由此涡轮机组件可以牢固地保持在竖直位置、水平位置或这些位置之间的某个位置一段时间。
在本发明的一个实施方式中，水平定位的涡轮机组件(如图6至图8所示)能够在各位置之间运输。这种运输可以借助于拖车(未示出)实现。
在本发明的另一实施方式中，底部支承件46可以连接至下臂18，由此该底部支承件在下臂之间延伸，如图9和图10所示。当涡轮机安装组件22竖直地定位时，底部支承件46位于涡轮机转子20下方，以使得转子能够旋转而不会与底部支承件干涉。此外，底部支承件46可以将涡轮机转子20保持在基本竖直的位置中，如图10所示。底部轴48可以例如借助于底部轴48的上端与涡轮机转子轴21之间的连接而连接至涡轮机转子20。底部轴48的下端可以连接至底部支承件46。因此，涡轮机转子20可以以根据底部轴48与底部支承件46的连接点维持旋转位置的方式而围绕转子轴21旋转，从而涡轮机转子20围绕该连接点旋转。
底部支承件46可以进一步包括一连接件，由此一停泊缆绳可以连接在底部支承件46与浮动平台(未示出)下方的停泊点之间。此外，底部支承件可以定位成充分位于涡轮机转子20下方，使得当其枢转至水平位置时，可以使浮力装置24的前方畅通无阻(clear)，如图11所示。前横向构件25可从浮动平台的支撑结构26上卸下。可拆除前横向构件25以有助于涡轮机组件的枢转，从而当涡轮机安装组件枢转至水平位置时，底部轴48可以穿过支撑结构26。在完成枢转且涡轮机组件水平定位之后，可再次连接前横向构件25。前横向构件25的再次连接使得在运输浮动平台期间浮动平台的所有构件保持完整。
在本发明的再一实施方式中，如图12所示，可以采用水平轴涡轮机安装组件50来安装具有水平轴涡轮机转子53的水平轴涡轮机52。水平轴涡轮机安装组件50可由上臂54形成，该上臂能够保持从其竖直向下延伸的水平轴涡轮机52。下臂56可从上臂54的每一端竖直向下延伸。在上臂54和至少第一下臂56的连接处可包含枢转支架58。枢转支架58允许水平轴涡轮机安装组件50的移动和枢转，由此水平轴涡轮机52没有被保持在固定位置。
水平轴涡轮机安装组件50可以定位在浮动平台上，由此其借助于连接装置28可拆卸地固定于支撑结构26，该连接装置能够支撑水平轴涡轮机组件50的上臂54，如图13所示。当如此连接时，如图14所示，浮力装置24必须能够支撑水平轴涡轮机组件50的重量。水平轴涡轮机转子53可以水平地定位。
如图15所示，水平轴涡轮机安装组件的每个下臂56可以包括至少两个连接区60a和60b，由此保持构件62可借助于连接区60a和60b以或者可固定的方式或者可拆卸的方式连接至下臂56。一个连接区60a可在下臂56中位于力矩中心上方，而另一个连接区60b可在下臂56中位于力矩中心下方。保持构件62的另一端可以连接至停泊点64。保持构件62例如可以是缆绳，诸如停泊缆绳。停泊点可以是不动物体，例如桥梁或锚杆，由此浮动平台通过其连接至该点而可以保持在水流中的特定位置，并防止浮动平台漂移。本领域技术人员将认识到，浮动平台可经由保持构件62连接至多个停泊点64。
涡轮机安装组件50可以从如图16所示的竖直位置(由此水平轴涡轮机52延伸到浮力装置24下方)枢转到如图17所示的水平位置。枢转装置可以如图16所示类型的，从而水平轴涡轮机安装组件50在竖直位置和水平位置之间移动。枢转缆线36可以连接至水平轴涡轮机安装组件的上臂。如图16所示，与上臂的这种连接可以借助于从水平涡轮机组件上臂以一定角度延伸的水平轴涡轮机组件凸缘68，该凸缘中具有水平轴涡轮机组件凸缘连接装置70，由此枢转缆线36的一端连接至水平轴涡轮机组件凸缘68。枢转缆线36的另一端连接至位置调节器42，例如张力调节器，如曲轴。技术读者将认识到，在本发明的实施方式中也可以采用其他的位置调节器。位置调节器42可以用来增大和减小枢转缆线36的张力。从而，当枢转缆线中的张力减小时，涡轮机组件可以基本上竖直地定位。然而，当枢转缆线中的张力增大时，水平轴涡轮机安装组件50可以朝向基本水平的位置枢转。位置调节器42能够固定枢转缆线36，从而使水平轴涡轮机安装组件50保持在特定位置一定时间。本发明的一个实施方式采用张力调节器，以在枢转缆线36中形成张力状态并保持该张力状态一定时间，由此涡轮机组件可以牢固地保持在竖直位置、水平位置、或水平位置和竖直位置之间的某个位置一段时间。
在本发明的一个实施方式中，涡轮机安装组件水平地定位，如图17-19所示。水平轴涡轮机转子53可以以使得转子定位在支撑结构26上方的方式定位。在该位置，本发明能够在各位置之间运输。这种运输可以借助于拖车(未示出)实现。
本发明能够实现优于现有技术的多个效果。枢转支架14允许涡轮机安装组件20移动，而枢转支架58允许水平轴涡轮机安装组件50移动。在本发明的实施方式中，涡轮机组件可移动性的结合(incorporation)具有减小作用在涡轮机转子20和水平轴涡轮机转子53上的扭矩的效果。保持在固定位置的转子没有转移(avert)扭矩的装置，而有助于可转动性的涡轮机组件给涡轮机转子提供了转移过大扭矩的装置。通常，这种转移进一步有助于减小作用在本发明上的阻力。在本发明的实施方式中，枢转支架可以构造成使得涡轮机转子可移动，从而这种转子几乎不受阻力影响。
作用在本发明上的阻力因保持构件的定位而进一步减小。如本发明的实施方式中所示出的，保持构件可以借助于涡轮机组件或水平轴涡轮机组件下臂中所包含的连接装置而连接至浮动平台。这些连接装置可以定位在力矩中心上方和下方。这种定位可以使缆绳能够吸收在现有技术构造中施加于浮动平台上的阻力。这种阻力使得现有技术浮动平台的一些部分或者现有技术浮动平台整体被拖入吃水线以下。本发明不受阻力的这种影响。因此，与现有技术相反，本发明的浮动平台的稳定性可以提高且具有几乎水平的表面。本发明的实施方式几乎在所有载荷条件下都可以保持水平，且无论本发明如何停泊。
优于现有技术的另一效果是灵活性，由此本发明可以被运输。可枢转的涡轮机安装组件和水平轴涡轮机安装组件有助于实现这种效果。允许涡轮机组件从竖直工作位置移动到水平前行位置使得能够易于将本发明的实施方式装载到运输装置上，诸如拖车、卡车箱或其他这种车辆。
而且，在本发明的一个实施方式中，浮动平台的尺寸可以比现有技术实例所要求的更小。在本发明的实施方式中，浮动平台可能仅需要大得足以支撑涡轮机组件的重量。这具有两个效果。第一，更小的浮动平台在运输方面更经济，因为它重量轻且因此不需要太多的燃料用来运输。第二，浮动平台小得足以处于实施运输许可需求的规章所设定的运输机构尺寸和荷载要求范围内。因此，本发明实施方式的运输可能不需要运输许可。这是本发明的另一潜在节约成本的方面。
涡轮机安装组件枢转的能力形成另一优点，即本发明可以在陆上组装。本发明的实施方式可以直接组装成水平前行位置。因此，在本发明的各构件在陆上甚至在运输装置上时，就可以将涡轮机安装组件连接至浮动平台。当随后将本发明运输至水上时，在其开始运作之前，可将该涡轮机组件枢转至竖直位置。
本领域技术人员将理解，在不背离本发明范围的前体下，也可以实践这里所述实施方式的其他变型。因此，其他的修改也是可行的。例如，本发明中可以应用其他类型的涡轮机，并且这些涡轮机可能需要不同的涡轮机组件形式以便于将涡轮机支撑在浮动平台上。可以改变本发明，以应用于非水力涡轮机，包括风力涡轮机，由此本发明可以构造成在强烈的气流上而不是在水上浮动。

Claims (20)

1.一种可浮动涡轮机系统，其特征在于，所述可浮动涡轮机系统包括：
(a)涡轮机安装组件，用于保持从水流产生电力的涡轮机；
(b)可浮动平台，用于支撑所述涡轮机安装组件；以及
(c)至少四个保持构件，用于以抵抗作用在所述可浮动平台上的水阻力的方式连接至所述涡轮机安装组件的相对侧。
2.根据权利要求1所述的可浮动涡轮机系统，其特征在于，所述四个保持构件中的至少两个在位于水面下的力矩中心上方和下方连接至所述涡轮机安装组件的一侧，并且所述四个保持构件中的至少两个在位于水面下的所述力矩中心上方和下方连接至所述涡轮机安装组件的另一相对侧。
3.根据权利要求2所述的可浮动涡轮机系统，其特征在于，所述涡轮机安装组件包括允许所述涡轮机移动和枢转的枢转支架。
4.根据权利要求3所述的可浮动涡轮机系统，其特征在于，所述可浮动涡轮机系统进一步包括枢转装置，所述枢转装置用于使所述涡轮机安装组件在有助于运输所述可浮动涡轮机系统的基本水平的位置和有助于从水流产生电力的基本竖直的位置之间枢转。
5.根据权利要求4所述的可浮动涡轮机系统，其特征在于，所述涡轮机安装组件进一步包括上臂和从所述上臂的相对端部延伸的两个下臂。
6.根据权利要求5所述的可浮动涡轮机系统，其特征在于，在所述基本竖直的位置中，所述下臂延伸至水中的位于所述力矩中心下方的某点处。
7.根据权利要求5所述的可浮动涡轮机系统，其特征在于，所述涡轮机安装组件能够保持一竖直轴涡轮机，所述竖直轴涡轮机包括涡轮机转子和连接于传动系的发电机，其中，所述发电机和传动系位于所述枢转支架的与所述涡轮机转子相对的一侧上，从而使得在所述涡轮机安装组件的基本竖直的位置中，所述涡轮机转子位于水面下。
8.根据权利要求5所述的可浮动涡轮机系统，其特征在于，所述涡轮机安装组件能够保持具有水平轴涡轮机转子的涡轮机，并且所述枢转支架被包含在所述上臂和至少一个下臂之间的连接处。
9.根据权利要求5所述的可浮动涡轮机系统，其特征在于，每个下臂均包括用于连接至所述保持构件的至少两个连接装置，其中，在所述涡轮机安装组件的基本竖直的位置中，一个连接装置位于所述力矩中心上方，而另一个连接装置位于所述力矩中心下方。
10.根据权利要求9所述的可浮动涡轮机系统，其特征在于，每个保持构件的一端均连接至一个连接装置，并且每个保持构件的另一端连接至一停泊点，以防止所述浮动平台漂移。
11.根据权利要求1所述的可浮动涡轮机系统，其特征在于，所述保持构件是缆绳。
12.根据权利要求1所述的可浮动涡轮机系统，其特征在于，所述浮动平台能够支撑所述涡轮机组件的重量。
13.根据权利要求1所述的可浮动涡轮机系统，其特征在于，所述水流包括波浪、潮汐流和涌流。
14.根据权利要求5所述的可浮动涡轮机系统，其特征在于，所述安装组件进一步包括在所述下臂之间延伸的底部支承件。
15.根据权利要求14所述的可浮动涡轮机系统，其特征在于，所述底部支承件进一步包括连接装置，由此停泊缆绳能够连接在所述底部支承件和所述浮动平台下方的停泊点之间。
16.根据权利要求5所述的可浮动涡轮机系统，其特征在于，所述可浮动平台包括支撑所述涡轮机安装组件的支撑结构和位于所述支撑结构下方的浮力装置。
17.根据权利要求16所述的可浮动涡轮机系统，其特征在于，所述支撑结构包括用于保持所述涡轮机安装组件的上臂的连接装置。
18.根据权利要求16所述的可浮动涡轮机系统，其特征在于，在所述涡轮机安装组件的基本竖直的位置中，所述涡轮机转子延伸到所述浮力装置下方。
19.根据权利要求4所述的可浮动涡轮机系统，其特征在于，所述枢转装置包括枢转缆线，所述枢转缆线的一端连接至所述上臂且另一端连接至位置调节器，所述位置调节器能够增大或减小枢转缆线上的张力。
20.根据权利要求19所述的可浮动涡轮机系统，其特征在于，所述枢转缆线借助于从所述上臂以一定角度延伸的凸缘连接至所述上臂。
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