CN102224338B - 旋转设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及水力旋转设备，特别地涉及波能旋转设备，并且涉及能量的转换，能量转换以例如产生电能。根据本发明的设备可以包括一个或多个轴向连接的水平地配置的浮动转子或者悬浮转子，所述转子由若干个由波状水流和/或线性水流驱动的翼片驱动，所述转子适用于转动，所述转动不可改变并且独立于水流的方向。转动能量优选地被内建的发电机转换成为电能。另外，该设备包括使所述设备适于移动到与水流方向对应的位置的配置。

Description

旋转设备
技术领域
本发明涉及水力和能量转换，例如用以发电。
背景技术
许多水力系统，特别是浮动系统，不能处理暴风浪。利用与波的传播方向垂直的大面积的板工作的系统易受大的锚定力影响。另外，使用锚定力以产生能量的系统，即所谓的定点吸收体(point absorber)，与依赖于悬浮体的系统，均存在与端部固定相关的问题。
已知不仅线性水流能、而且波状水流能可用于发电，如下面文献中所公开的：
WO 02/44558 A1(Rossen)
US 6036443A(Gorlov)
DK 171714(Stenberg)
DE 102004060275 A1(Jobb)
另外，WO 2008/093037 A1公开了一种设备，其中叶片响应于流体的流动而使主体转动，从而根据流体流的方向保持主体的角动量。
由转子驱动的系统并不如非转子系统那样易受与端部固定相关的缺陷影响。已知的由波状水流能驱动的转子通常被支撑在固定的竖直驱动轴上，该驱动轴将转动能传送到布置在转子外侧的水位上方的发电机。根据这样的系统，杆柱被锚固到海床，以吸收与发电机的定子相关的反作用转矩、并且吸收与源自长的径向转子叶片的大的轴向径向力相关的反作用转矩。但是，这样的系统仅用于浅海。另外，由于与暴风浪相关的大的力不易于由具有长的转子叶片的转子处理，而需要用于系统保护的另外的机构，比如用于调节转子高度的机构和用于回缩叶片的机构。
现有技术中另外已知一种浮动系统，该系统具有与发电机的定子的反作用转矩相关的竖直定向的驱动轴，该驱动轴可以设置有沿相反方向转动的转子单元。在这样的系统中，可以例如在海平面下40米处布置大的轴向阻尼板，这意味着该系统仅用于海洋具有大的深度的位置处，比如超过40米的深度的海洋。
具有竖直转轴的转子的效率高度依赖于转子相对于海平面的位置，因为水流随距离海面的距离而指数地降低。因此，关于安装有杆柱的转子系统，由于海平面的变化及波浪幅度的变化，需要足够大的水深，或者调节转子关于水平面的位置的可选配置。
在现有技术另外已知适用于利用水流能并且具有水平地定向的旋转驱动轴的转子系统。这样的系统以可旋转的方式被支撑在相关联的浮动构件中的轴承中，但是，需要不可忽视的花费和相当大量的维护工作，以耐受在轴承中形成的力。
在现有技术的一篇文献中，通过相当大程度地减小转子的直径以寻求降低制造成本。另外，为实现高的能量转换效率，许多转子被紧密地并行布置，且两个关联的发电机浮动配置。这样的配置特别地由于漂浮物的原因而具有低的操作可靠性。
发明内容
为克服所提到的困难，本发明的目的在于提供改进的用于利用水流力的旋转设备，特别地利用波状水流能和线性水流能，从而消除或者减小上述的缺点。
该目的通过用于利用水力的旋转设备实现特别地利用波浪能，所述设备包括一个或多个转子构件，所述转子构件适用于旋转和借助于使转子构件伸展的至少一个驱动装置由波状水流和/或线性水流驱动，并且所述旋转具有独立于水流方向的不可改变的旋转方向，其中至少一个驱动装置在受到水流作用时以可摆动的方式变换。
在优选实施方式中，该设备设置有轴向连接的长形的大体上的水平浮动转子构件或者悬浮转子构件。
与旋转方向相关的术语“不可改变”是指优选地连续的大体上均一的旋转运动，该旋转运动的方向在设备受到具有不同方向的水流作用时不可反向。在优选实施方式中，在具有改变方向的水流的环境中，在优选地以1至8秒为周期水平地改变方向的情况中，该设备适于利用水力，特别地利用波浪能。优选地，该设备被水包围并且由所述围绕的水旋转支撑；但是，该设备的部分可以延伸到在水面上方。
在优选实施方式中，该设备适于利用波状水流能和/或线性水流能和/或适于利用与波状水流和线性水流的组合相关的能量。
在另一个优选实施方式中，至少一个驱动装置包括布置在旋转面中的径向刚性部。在另一个实施方式中，至少一个驱动装置在受到水流作用时以可摆动的方式变换。优选地，所述至少一个驱动装置包括弹性体或者弹性部，并且被构造成可柔性地变换。更优选地，所述至少一个驱动装置具有空气动力学形状或者流体动力学形状和对称的横截面。优选地，所述至少一个驱动装置在径向上距离转子远的端部具有最大弹性，并且所述至少一个驱动装置可以例如包括具有柔性梯度的部分，其中在接近转子的部分具有最大刚性。在优选实施方式中，所述至少一个驱动装置在以可摆动方式变换时适于弯曲，例如所述至少一个驱动装置可以关于其其余部分弯曲高达45°。
驱动装置如翼片可以均包括平面部，该平面部在所述驱动装置处于静止位置时大体上位于关于转子中心轴线垂直或者成角度的平面中。在一个实施方式中，该平面与转子中心轴线之间的角度大体上是90°。该角度可以小于90°，并且所述驱动装置的构造不必要设置成使得不同驱动装置的该角度相等。例如，驱动装置可以设置在如下构造中：其中，每隔一个驱动装置的角度交替形成。在相关的实施方式中，提供了多个转子平面，每个平面具有多个相关联的驱动装置，并且所述驱动装置被构造成使得连续的转子平面中的驱动装置被设置有关于下一个转子平面和前一个转子平面呈22.5°的角度。每第四个转子平面的驱动装置由此设置有相同的角度。在另一个实施方式中，多个驱动装置可以设置成螺旋构造。
驱动装置的作用方式可类似鱼类的尾翼的反向力。如同鱼类移动其尾部以向前移动，驱动装置借由水流移动以驱动转子。另外，如果波传播方向平行于转子中心轴线，则转子平面中的驱动装置被偏转向相同的方向。另外，因为水流的速度在波浪平面处最大，驱动装置在接近波浪平面处被最强烈地偏转。在优选实施方式中，至少一个驱动装置适于被偏转到至少两个方向。该驱动装置可以由此适用于移动，例如驱动装置以可摆动的方式变换且具有转动点的移动方式。
在优选实施方式中，多个驱动装置以辐式配置设置并且被刚性地、回旋地或者可摆动地/振荡地连接到同心环。
在另一个优选实施方式中，该设备包括至少一个非旋转壳体。优选地，该壳体由于非旋转的龙骨构件而适用于非旋转，并且更优选地，所述至少一个非旋转壳体旋转地连接到至少一个转子构件。
在另一个实施方式中，该设备包括适于经由至少一个联接件而接合和脱离接合的至少一个发电机。
在另一个实施方式中，该设置的吃水深度是可调节的。例如，通过设置在壳体中和/或转子构件内的压载箱进行调节。
在另一个实施方式中，与能量转换相关的功能元件如发电机和制动器被设置在至少一个前壳体中。所述功能元件优选地连接到与至少一个转子构件直接连接或者通过万向节连接的驱动轴。
在另一个实施方式中，该设备包括具有相反的旋转方向的至少第一转子构件和第二转子构件。该设备可以具有交替地具有相反旋转方向的若干个转子构件。
本发明具有与水平地配置的、在水中浮动(或者悬浮)的转子，例如在一个实施方式中，转子由于该水平配置而可以具有长的长度和大的重量。由围绕的水支撑的该设备由轨道水流和线性水流旋转地驱动。另外，在另一个实施方式中，该设备可以包括通过万向节连接的、设置在共同的旋转驱动轴上的若干个转子。
在一个实施方式中，转子可以设置有水密性内部空间，该内部空间可以容纳发电机、需要被保护而不受水影响的其它功能性元件、提供与同心地设置的发电机相关的反作用转矩的若干偏心摆动反作用转矩载荷、和适于制动转子的旋转的制动器。该机械轴承由此被保护不受冲击、污染和特别地水的影响。
在另一个实施方式中，由于电气配线和/或其它传输媒介适用沿与转子相同的方向旋转，不需要相关联的可移动功能元件所用的密封装置。在相关的实施方式中，转子是水密和气密的，使得能够安装去湿器，以延长该设备的使用寿命并减少维护工作。
在另一个实施方式中，功能元件可以包括由开关分离的、或者由通过万向节轴向连接的转子分离的若干模块。优选地，各个模块适于在存在缺陷的情况下被更换。另外，转子之间的配线可以被引导穿过万向节。
在另一个实施方式中，转子适于由大量的水流驱动翼片转动，所述水流驱动翼片在长度方向上设有转子并且绕转子的外壳设置。转子优选地使得转子的旋转方向不可以改变并且独立于水流的方向。另外，适于利用波状水流能和线性水流能的翼片优选地在旋转平面中在径向上为刚性的，并具有气体动力学外形或者流体动力学外形且具有对称横截面。
在一个实施方式中，在翼片受到水流作用时，翼片的形状关于旋转面垂直地和/或平行地和/或倾斜地以可摆动的方式变换。在优选实施方式中，该设置包括大量的具有较短长度的翼片。与具有较少但长的径向转子叶片的设备的翼片即叶片相比，这些短长度的翼片的设备的翼片会显著降低机械强度和应力。在相关实施方式中，翼片以辐式配置设置并且另外辐式组件可以连接到同心环。由于该辐式配置，相当大程度地提高了翼片相关于暴风浪的使用寿命。另外，易于接触翼片并且易于检查翼片的状态。
翼片的尺寸、形状、摆动特性和它们的相互配置能够根据所存在的水流类型进行优化。与大体上的线性水流相关的，例如与潮汐水流等相关的，该装置可以优选地设置有具有特定形状并且相应地相互配置的翼片。
在一个实施方式中，转子设置有适于从旋转反作用转矩负载脱离联接以关闭发电机的同心内建式发电机。无负载运行由此是可行的，这可用于与小启动转矩相关的情况，例如转子开始旋转况时或者暴风浪的情况，以防止发电机过载。
发电机根据水流强度而接合并且该接合能够通过对转子的轴速度的步进式调节来进行，使得该设备也可以在小波浪的环境中运行。转子的转矩根据优选地相对于转子沿长度方向布置的发电机的数目减小。关于传送转矩的元件的尺寸确定是重要的。关于具有通过万向节连接的转子的设备，可以对于每个转子，布置一个功能模块和一个发电机。
发电机的使用寿命由于发电机以低的性能被顺序地接合而得以提高。在与制动步骤相关的缺陷的情况中，在使用相关联的制动器以停止转动时，可以接合全部发电机以减弱制动。
转子仅受小的弯曲载荷的影响，这是由于那些能够在转子的整个长度上均匀分布的小量剩余悬浮体。通过使若干转子经由万向节轴向连接，能够进一步降低该弯曲载荷。
由于大的转子重量和相关联的与设备的细长圆筒形状相关的惯性，该设备通过波浪以小的竖直运动下潜。因此，提供放大的推进效应，并且另外防止过大机械应力和应变，特别在与非常大的波浪相关的情况中。
另外，与已知的具有竖直驱动轴的转子不同，该设备的吃水深度由于设备的细长形状和水平配置而较小。因此，该设备仅通过微小改变就可用于各种位置，比如针对在非常大的水深位置处锚固的修改和针对设备的长度的修改。
由于波浪环境中的反向的粒子流的原因和由于布置在转子上的大量翼片的原因，施加到设备的轴向力被补偿。具有大的转子浮动长度的设备因此仅受到小的锚固力的作用。需要被考虑到的锚固力主要由线性水流所产生。该效应允许非常大的转子浮动长度，以利用主要包括波状水流的水流能。另外，与设备的大的惯性相关地，该效应降低了设备内的与冲击相关的作用于转动轴承的应力和应变。
该设备可以包括非旋转的前壳体和后壳体。这些壳体由于相关联的非旋转龙骨而不旋转。所述壳体被旋转地支撑和连接到转子。根据需求，壳体可以容纳压载箱、泵、用于相应的媒介比如与电气相关的媒介的旋转套管。前壳体和对应的配线被连接到主锚固构件，后壳体在需要时连接到额外锚固装置。由于连接到前壳体的锚固构件的原因，该设备由其自身移动到大体上平行于波浪的传播方向和/或线性水流的方向的位置中。如果存在波状水流和线性水流两者，该设备由其自身移动到波状水流的方向与线性水流的方向之间的位置，并且所述位置依赖于波浪的强度和线性水流的强度。根据需求，具有单件转子的设备能够利用能够内建在后壳体内的受控转向装置关于波状水流和线性水流进行优化。
在另一个实施方式中，全部内功能元件被布置在由于非旋转龙骨而不旋转的浮动前壳体中。转子的旋转通过万向节或者直接通过由前壳体支撑的驱动轴传递。在这样的配置中，转子可以仅容纳适于利用壳体中的旋转套管填充的压载箱。
在一个实施方式中，设备的一部分通过万向节被轴向地连接或者刚性地连接，使得至少第一转子适于具有关于至少一个二转子的旋转方向相反的旋转方向，由此定子和制动器的反作用转矩被补偿。例如，分别地包括第一前壳体和第二前壳体的两个相同的第一配置和第二配置可以被连接，使得第一前壳体通过例如反转所述配置中的一个配置180°而被连接到第二前壳体，其中第一前壳体和第二前壳体分别连接到第一转子和第二转子，第一转子相对于第一前壳体的第一旋转方向等于第二转子相对于第二前壳体的第二旋转方向。所生成的设备由此可以包括顺时针旋转的一个部分，该一个部分连接到逆时针旋转的另一个部分，即所生成的设备可以具有第一转子，该第一转子具有相对于第二转子的旋转方向相反地定向的旋转方向。使第一和第二反向地旋转部分连接的设备是有利的，因为第一部分的转矩可以抵消或者补偿第二部分的转矩。第一转子的定子可以例如以补偿的转矩的方式连接到第二转子的定子。相对于以补偿转矩的方式连接的转子，主锚固部可以连接到远端构件，比如龙骨。相对于此，传输所需要的配线可以通过转子被引导到在主锚固部处的相关联的连接位置，其中所述配线适用于壳体中的旋转套管并且适用于所给定的旋转。
在另一个实施方式中，该设备包括支撑在壳体之间的单件转子。所述壳体可以设置有具有气体动力学形状或者流体力学形状的悬浮空腔，并且优选地所述悬浮空腔延伸到水面上方。所述悬浮空腔与压载箱组合使用，所述压载箱可以布置在转子内和/或布置在壳体内，以调节设备关于水平面的吃水深度和/或位置。另外，可以使用悬浮空腔和压载箱以保持运行状态，例如以保护不受浮动物的影响和/或长时间运行。由此能够关于所围绕的水的重量而调节设备的重量，例如使得设备的不包括悬浮空腔的密度稍微大于围绕的水的密度。由此，利用悬浮空腔可以调节增大的设备的吃水深度，所述悬浮空腔优选地布置在壳体的上部，或者布置在中间壳体的上部。在悬浮空腔的上部中，可以设置可用于维护的水密开口(hatch)。
附图说明
参考附图更详细地公开本发明，在附图中：
图1A是根据本发明的优选实施方式的设备的侧视图，
图1B是图1A中的设备的截面图，
图1C是图1A中的设备的俯视图，
图2是根据本发明的另一实施方式的设备的侧视图，
图3A是根据本发明的另一实施方式的设备的侧视图，
图3B是图3A中的设备的截面图，
图3C是图3A中的设备的俯视图，
图4是根据本发明的另一实施方式的设备的侧视图，
图5是根据本发明的另一实施方式的侧视图，
图6是根据本发明的另一实施方式的设备的侧视图，
图7是转子的截面侧视图，
图8A是具有相关联的驱动装置的转子的截面图，
图8B是翼片的截面图，
图9是示出翼片在波浪环境中的运行的侧视图，
图10是翼片的截面图，和
图11是深海中粒子的路径和速度的示意图。
具体实施方式
参考图1至图6，示出了具有水平面A的波浪环境中的设备，其中波浪沿与设备的长度方向平行的方向B传播。水密浮动转子1、13、18、21、28、29、30沿与设备的长度方向垂直的圆形旋转方向C由使转子伸展的驱动装置2转动。转子由主锚固装置7锚固并且通过第一非旋转端部壳体3、14、20、22中的万向节9’连接到用于能量传输的配线8，比如用于电能传输的配线。第二非旋转端部壳体4、15、23设置在设备的远端，另一个锚固装置9”可以连接到该远端。配线8通过万向节12被柔性地引导并且适用于设置在非旋转端部壳体中的旋转套管。转子和非旋转端部壳体容纳压载箱，所述压载箱能够由泵填充或排空以调节设备的吃水深度。
非旋转端部壳体的上部设置有悬浮空腔，所述悬浮空腔与压载箱协作，以调节设备的吃水深度。被额外部分5压下的龙骨6设置在非旋转端部壳体的下部中。非旋转端部壳体中的悬浮空腔另外与额外部分5一起使龙骨6保持在低的位置。
参考图1A，示出了根据实施方式的设备，其中设置单件的细长转子1，转子1容纳一个或多个具有相关联的联接件、制动器、以可摆动的方式在轴承上安装到中心轴的偏心负载的发电机。前端壳体3和后端壳体4适于为不可旋转的并且在轴承上安装到转子1。前端壳体3包括用于相应的媒介比如电气的旋转套管。另外，该设备的翼片10以环形构造11固定到转子1，如图1B所示。
参考图2，示出了根据与图1中的实施方式类似的实施方式的设备，除了带有通过万向节12连接的若干轴向连接的转子13、16、17。前壳体14以非旋转方式在轴承上安装到第一转子16，后壳体15以非旋转方式在轴承上安装到最后转子17。每个转子包括功能模块，比如具有相关联的联接器、制动器、以可摆动的方式在轴承上安装到中心轴的偏心负载的发电机。配线8被柔性引导通过万向节12，所述配线特别地适用于电气传输。
参考图3A，示出了根据实施方式的设备，其中设置有仅容纳压载配重比如压载箱和相关联的泵的单件细长转子18。通过万向节连接到转子18的非旋转前端壳体20容纳其余的功能模块。万向节12连接到在轴承上安装到前端壳体20的驱动轴，以驱动一个或多个发电机。具有大的表面积的、竖直地和水平地长形的龙骨6提供了需要的反作用转矩。另外，设备的翼片10以环形构造11固定到转子1，见图3B。在另一个实施方式中，转子18刚性连接到端部壳体20中的驱动轴。
参考图4，示出了与图3中的实施方式类似的实施方式的设备，除了带有通过万向节12连接的若干轴向连接转子21。转子21仅容纳压载配重，比如压载箱。前端壳体22和后端壳体23收纳相同的功能模块，比如发电机、联接器、制动器和电流传导装置。由此与图3中的实施方式相比，每个端部壳体的传输转矩和必需的反作用转矩就相同转子长度而言要减小一半。
参考图5，示出了根据实施方式的设备，其中设置具有远端转子24、25的两个相同的子系统，所述子系统具有的远端转子24、25具有关于中部转子28相反地定向的旋转方向。壳体26、27设置有相同的功能模块，并且通过万向节连接到中部转子28，所述中部转子的长度是壳体的另外侧上的远端转子的长度的两倍。
参考图6，示出了根据实施方式的设备，提供了相同的两个子系统，在两个子系统中，第一单件转子29的旋转方向关于第二单件转子30的旋转方向被相反地定向。第一转子连接到第一壳体31，第一壳体31经由万向节连接到与第二转子30连接的第二壳体32。
参考图3至图6，包括端部壳体和转子之间的万向节的全部连接可以通过旋转地直接安装在转子上的方式被替代地设置，与全部后端壳体4类似地。
在图5和图6中所示的实施方式中，主锚固装置7被固定到前壳体。另外，由于发电机的定子的原因和由于制动的原因而产生的反作用转矩可以补偿，从而龙骨6能够形成更小的尺寸。另外，上述的设备可以通过万向节被进一步加长，由此后端壳体和/或前端壳体成为中间壳体。
参考图7，示出了具有转子1和功能模块的设备，所述功能模块包括：包括翼片10的驱动装置2、同心环11、模块分隔器40、发电机41、可以连接到发电机冷却系统的压载室42、联接器43、交联系统44、制动器42、和摆动反作用转矩载荷46。相关联的轴承可以包括滚珠轴承或者辊子轴承。
参考图8A，示出了转子的截面图，其中驱动装置包括翼片10和同心环11。在图8B中示出了相关翼片的截面。
参考图9，示出了波浪环境中的翼片的运转，其中波浪沿方向B传播。参考图11，示出了根据水粒子的递增改变方向的翼片运动。在波浪的相应波幅处用箭头示出了水粒子的相关联方向。翼片运动的转折点通过水粒子的方向和水粒子抵抗翼片的弹簧力的强度确定。
参考图10，示出了翼片10的截面，所述翼片10具有对称地弯曲的轮廓部10A作为用于柔性尾端部10B的安装部。添加尾端部以使得轮廓形状可变，由此适用于变换的流动。
参考图11，示出了深水波浪中的水流粒子的路径和速度的示意图，示出了变换的流动方向。在浅水中，圆形变换成为水平方向直径大于它们的竖直方向直径的椭圆形。该示意图来自于G.Clauss，E.Lehmann和and C.在“Springer-Verlag 1988”的书《Meerestechnische Konstruktionen》的第113页。
虽然上面详细示出和说明了本发明的具体和优选的实施方式以说明本发明的原理，应认识到在不偏离如在权利要求书中提出的本发明的范围的前提下，可以对这些实施方式进行变形。

Claims (12)

1.一种用于利用波状水流和线性水流的能量的旋转设备，该设备包括：
一个或多个转子构件，所述转子构件适于绕一纵向旋转轴线转动，并且借助于波状水流和/或线性水流旋转驱动，并且构造成在水中浮动或者悬浮，使得所述纵向旋转轴线水平布置；以及
由每一个所述转子构件的纵向旋转轴线大致径向向外伸展的至少一个驱动装置，
其中所述旋转设备构造为使得所述纵向旋转轴线大致沿波浪的传播方向或大致沿线性水流的方向或沿它们的组合的方向而定向；
其中每一个转子构件的旋转方向是不变的并且独立于水流的方向；和
其中至少一个所述驱动装置在受水流作用时在转子构件的旋转过程中以摆动的方式变换。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述设备设置有轴向连接的细长的水平浮动转子构件或者悬浮转子构件。
3.根据权利要求1或2所述的设备，其中，所述设备适于利用波状水流能和/或线性水流能和/或适于利用与波状水流和线性水流的组合相关的能量。
4.根据权利要求1或2所述的设备，其中，至少一个驱动装置包括配置在转动面中的径向刚性部。
5.根据权利要求1或2所述的设备，其中，多个所述驱动装置以辐式配置设置，并且被刚性地、可回转地或者可摆动地连接到同心环构件。
6.根据权利要求1或2所述的设备，其中，至少一个转子构件是水密的，并且至少一个转子构件包括：与能量转换相关的功能元件、至少一个制动器、配置有所述相关联的驱动轴的至少一个偏心摆动反作用扭矩负载。
7.根据权利要求1或2所述的设备，其中，包括至少一个非转动壳体。
8.根据权利要求1或2所述的设备，其中，包括适于经由至少一个联接件接合和脱离接合的至少一个发电机。
9.根据权利要求1或2所述的设备，其中，所述设备的吃水深度是能调节的。
10.根据权利要求1或2所述的设备，其中，与能量转换相关的功能元件被设置在至少一个前壳体中。
11.根据权利要求10所述的设备，其中，所述与能量转换相关的功能元件包括发电机和制动器。
12.根据权利要求1或2所述的设备，其中，包括至少第一转子构件和第二转子构件，所述第一转子构件和第二转子构件具有相反的旋转方向。
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