CN103256170A - 一种浮筒式潮流能发电装置 - Google Patents

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Abstract

一种浮筒式潮流能发电装置，包括系泊系统、载体和水轮机/发电机组三大部分；其中，浮筒式系泊系统用于系泊安装有水轮机/发电机组的载体；载体呈横置“日”字形门结构，具有流线型本体、人员操作平台和双列水轮机/发电机组支座；水轮机/发电机组用于将潮流的动能转换为电能，由水轮机、发电机及附件同轴线串联而成，为双列对转式，安装于载体的空间内；其有益效果在于：不需要搭载在浮式平台下、桩基础或张力腿上；消除了单转子水轮机运转时产生的侧向力；同时，结构简单，生产和制造成本低；安装和维护检修方便、经济；发电性能稳定，适合在潮流能丰富的高海况环境应用。

Description

一种浮筒式潮流能发电装置
技术领域
一种浮筒式潮流能发电装置，属于液力机械和液力发电机领域。
背景技术
随着经济的发展，煤炭、石油、天然气等化石能源的供应日趋紧张，环境污染不断加剧，开发利用绿色可再生能源成为解决当前能源紧张和环境污染问题的有效途径。潮流能作为一种清洁无污染的绿色可再生能源，具有储量大、分布广、可预测性强、环境污染小等特点，近年来受到各国的重视，各种潮流能发电装置不断被开发产生。目前，潮流能发电装置根据载体的结构形式分为座底式、桩柱式和漂浮式。与座底式和桩柱式潮流能发电装置相比，漂浮式潮流能发电装置具有结构相对简单，对船厂的制造技术要求不高，制造成本相对较低，安装、运输、维护检修方便等特点，近年来成为开发研究和应用的热点。但是，漂浮式潮流能发电装置的突出问题是受海洋风浪影响大，发电稳定性差，安装运输和维护检修仍有不便。针对漂浮式潮流能发电装置的上述突出问题，发明一种结构简单，生产和制造成本低，安装和维护检修方便、经济，发电性能稳定，适合在潮流能丰富的高海况环境应用，可向沿海地区及岛屿居民提供生产和生活用电的浮筒式潮流能发电装置。
中国专利公开了《一种垂直轴潮流发电装置》（公开号CN101988463A）包括上层平台部分、支撑框架部分、叶轮部分三个模块；上层平台部分主要包括发电机、齿轮箱、水平连接轴、支撑平台、支柱和垂直连接轴；支撑框架部分由上框架板、下框架板、左框架板和右框架板连接组成；叶轮部分包括主轴、轮辐套、轮辐、轮辐轴、叶片、叶片轴、轮圈和自适应控攻角装置。
其不足之处在于：1）需要搭载在浮式平台下、桩基础或张力腿上；2）单转子形式导致水轮机旋转时产生侧向力。
发明内容
本发明的目的是公开一种浮筒式潮流能发电装置，包括系泊系统、载体和水轮机/发电机组三大部分；其中，浮筒式系泊系统用于系泊载体和安装于其上的水轮机/发电机组；载体呈横置“日”字形门结构，具有流线型本体、人员操作平台和双列水轮机/发电机组支座；水轮机/发电机组用于将潮流的动能转换为电能，由水轮机、发电机及附件同轴线串联而成，为双列对转式，安装于载体的空间内；其有益效果在于：不需要搭载在浮式平台下、桩基础或张力腿上；消除了单转子水轮机运转时产生的侧向力；同时，结构简单，生产和制造成本低；安装和维护检修方便、经济；发电性能稳定，适合在潮流能丰富的高海况环境应用。
所述的系泊系统用于锚固装有水轮机/发电机组的载体，包括浮筒、浮筒-海底系缆、浮筒-载体系缆和载体-海底系缆；其中，所述的浮筒-海底系缆用于连接浮筒和海底；所述浮筒-载体系缆用于连接浮筒和载体；所述载体-海底系缆用于连接载体和海底。浮筒、浮筒-海底系缆、浮筒-载体系缆和载体-海底系缆构成的耦合系泊系统，可以减小载体的浮力损失，降低其结构体积，降低系缆对载体的拉力载荷。所述浮筒-海底系缆为锚链缆，浮筒-载体系缆、载体-海底系缆为锚链和弹性索的组合缆。
所述的载体是由左浮力立柱、中间浮力立柱、右浮力立柱、上横梁和下横梁组成的横置“日”字形门结构，其内部空间用于安放水轮机/发电机组；所述的左浮力立柱、中间浮力立柱、右浮力立柱均为钢板焊接的筒形柱，用于支撑上横梁、连接下横梁、容纳压载水及人员和设备；其横断面呈流线型，以改善其水动力性能，减小流阻力并起到一定的导流作用。左浮力立柱和右浮力立柱外部上端各自焊接断面为流线型左补偿浮箱和右补偿浮箱，用于提高装置浮心高度，提高发电装置稳性；内部分舱设置，上层舱为非水密舱，用于容纳人员和设备，下层为水密舱，用于容纳压载水。所述的左浮力立柱和右浮力立柱内借助角钢和T型材加强结构，外侧分别设有登梯。左浮力立柱和右浮力立柱的上端外侧设有载体系缆环，顶端还设有左浮力立柱入口及入口盖、右浮力立柱入口及入口盖。所述非水密舱舱板的舱口与左浮力立柱入口和右浮力立柱入口交错布置，舱口下设有攀爬贴壁钢梯。所述左浮力立柱和右浮力立柱的非水密舱内还分别装有电动机和水泵，用于抽、排压载水。借助电机和水泵向浮力立柱内注入压载水以降低装置的重心高度，提高装置稳性；或排出浮力立柱内的压载水提高装置重心高度，实现翻转挂缆和摘缆。所述的上横梁用于安装水轮机/发电机组上部的发电机舱并形成水上工作平台，故加工出两个发电机舱安装孔，并装设护栏、系桩和位置指示灯。所述上横梁为钢板焊接箱型梁，内部亦用角钢和T型材加强；上横梁的发电机舱安装孔处的宽度略大，选用厚钢板结构加强，护栏用于在上横梁上圈成作业平台，系桩用于船舶停靠，位置指示灯用于夜间指示装置位置。所述下横梁为钢板焊接箱型梁，内部以角钢和T型材作结构加强，下横梁用于支撑水轮机/发电机组，在与所述上横梁发电机舱安装孔相对的位置上设置两个水轮机主轴座，并选用厚钢板做结构加强；下横梁的底面安装有载体-海底系缆环。所述载体的浮力立柱、补偿水箱的设置、流线型外形，使载体具有小水线面特征，具有较小的流阻力、较好的耐波性能和稳性。
所述水轮机/发电机组用于将潮流的动能转换为电能，包括由叶片、轮辐、轮辐盘、水轮机主轴、水轮机主轴法兰组成的水轮机部分以及由安装于发电机舱内且从上至下顺次连接的发电机、制动器、增速器和外伸的传动轴、传动轴法兰组成的发电机部分；其中，所述的水轮机部分用于将潮流的动能转换为机械能，为竖轴H型直叶水轮机，两根直立的叶片借助轮辐和轮辐盘与水轮机主轴固装；所述的发电机部分用于将水轮机主轴转动的动能转换为机械能，借助传动轴法兰和水轮机主轴法兰固装在水轮机主轴的顶端；所述增速器用于传递水轮机主轴转矩和增加水轮机主轴转速，所述制动器用于装置检修时水轮机的制动；发电机舱上端安装于所述的上横梁上的两个发电机舱安装孔内，所述的水轮机主轴下端借助水润滑轴承插装于所述下横梁上的两个水轮机主轴座内。
本发明所涉及的潮流能发电装置适合应用于潮流能丰富的高海况海域，也适合应用于潮流能丰富的普通海况海域并具有如下突出特点：（1）采用门式流线型载体结构形式，降低了载体的总重量和造价，减小了装置在水中的流阻力。门式流线型载体结构还具有小水线面特征，提高了装置的耐波性能，使装置在高海况环境下具有较小的波流载荷和运动响应；（2）门式载体采用左浮力立柱、中间浮力立柱和右浮力立柱的结构形式，左浮力立柱、右浮力立柱可以调节压载水重量，便于重心位置的调整，提高重心位置，实现翻转挂缆和摘缆，降低重心位置保证装置的稳性；（3）左补偿浮箱和右补偿浮箱设置，提高了装置的浮心位置，方便系缆翻转安装和提高装置稳性；（4）浮筒及浮筒-海底系缆、浮筒-载体系缆和载体-海底系缆的设置，使装置实现耦合系泊。其中浮筒具有抵消系缆垂向载荷的作用，减小了系缆对装置的重力载荷，降低了载体的结构体积，而浮筒及浮筒-海底系缆、浮筒-载体系缆和载体-海底系缆的耦合作用，减小了系缆对载体的冲击载荷，降低了对载体和系泊系统强度规格的要求及成本，同时也有益于降低载体和水轮机/发电机组的运动响应；（5）左浮力立柱、中间浮力立柱和右浮力立柱的设置，不仅可以加强载体的结构强度，流线型结构还起到导流的作用，提高水轮机的水动力性能；（6）采用2个水轮机的双转子对旋对称结构形式，提高了发电装置发电功率的同时抵消了因水轮机旋转产生的侧向力。
附图说明
图1一种浮筒式潮流能发电装置的结构总图
图2浮筒布置示意图
图3载体结构图
图4左浮力立柱内部结构图
图5水轮机/发电机组结构图
图6发电机舱内部布置示意图
图中：1.载体，2.水轮机/发电机组，3.浮筒，4.浮筒-海底系缆，5.浮筒-载体系缆，6.载体-海底系缆，7.位置指示灯，8.护栏，9.左浮力立柱，10.中间浮力立柱，11.右浮力立柱，12.左补偿浮箱，13.右补偿浮箱，14.上横梁，15.下横梁，16.左浮力立柱入口，17.左浮力立柱入口盖，18.右浮力立柱入口，19.右浮力立柱入口盖，20.载体系缆环，21.发电机舱安装孔，22.水轮机主轴座，23.角钢，24.T型材，25.舱板，26.舱口，27.叶片，28.轮辐，29.轮幅盘，30.水轮机主轴，31.水轮机主轴法兰，32.传动轴法兰，33.传动轴，34.增速器，35.制动器，36.发电机，37.发电机舱，38.浮筒投影轴线，39.左补偿浮箱投影轴线，40.右补偿浮箱投影轴线
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明专利的实施方案进行详细说明：
如图1、2所示，一种浮筒式潮流能发电装置，设计为双转子对旋对称布置形式，包括系泊系统、载体和水轮机/发电机组；其中，系泊系统主要包括四个浮筒3、四根浮筒-海底系缆4、四根浮筒-载体系缆5和两根载体-海底系缆6；每个浮筒3包括一个浮筒-海底系缆环和一个浮筒-载体系缆环，浮筒-海底系缆环位于浮筒3的中段位置下方，水面以下，浮筒-载体系缆环位于浮筒3的载体1一侧，水面以上。浮筒-海底系缆4为锚链缆，一端通过浮筒-海底系缆环系于浮筒3上，另一端锚固于海底。浮筒-载体系缆5为锚链和弹性索的组合缆，一端通过浮筒-载体系缆环系于浮筒3上，另一端通过载体系缆环20系于左浮力立柱9和右浮力立柱11上。浮筒-载体系缆5的锚链段位于浮筒3一侧，弹性索段位于载体1一侧。所述4根浮筒投影轴线38与左补偿浮箱投影轴线39和右补偿浮箱投影轴线40的夹角θ均为30度，所述的载体位于4个浮筒3的中间。浮筒3、浮筒-海底系缆4、浮筒-载体系缆5和载体-海底系缆6构成了耦合系泊系统。
如图3所示，所述的载体为横置“日”字形门形结构，主要包括左浮力立柱9、中间浮力立柱10、右浮力立柱11、左补偿浮箱12、右补偿浮箱13、上横梁14和下横梁15；其中，左浮力立柱9、中间浮力立柱10和右浮力立柱11均为钢板焊制的桶形柱，采用流线型结构，用于支撑上横梁14、连接下横梁15、容纳压载水及人员和设备；左浮力立柱9和右浮力立柱11的内部分舱设置，上层舱为非水密舱，用于容纳人员和设备，下层舱为水密舱，用于容纳压载水；左浮力立柱9的上端开有左浮力立柱入口16，左浮力立柱入口16处设有左浮力立柱入口盖17，右浮力立柱11上端开有右浮力立柱入口18，右浮力立柱入口18处设有右浮力立柱入口盖19；左浮力立柱9和右浮力立柱11的上端外侧分别设有浮筒-载体系缆环20，下端分别设有载体-海底系缆环。左浮力立柱9和右浮力立柱11的非水密舱内还分别安装有电动机和水泵，用于向水密舱抽、排压载水；左补偿浮箱12和右补偿浮箱13采用流线型结构，用于为发电装置提供浮力，分别焊于左浮力立柱9和右浮力立柱11的上端；上横梁14为钢板焊接箱型梁，内部以角钢和T型材作结构加强，上面设有一套护栏8、两个发电机舱安装孔21和一个位置指示灯7和两组系桩；上横梁14上的发电机舱安装孔21处的宽度略大，选用厚钢板结构加强；护栏8焊于上横梁14上端周向上；位置指示灯7设于护栏8上的右侧。下横梁15为钢板焊接箱型梁，内部以角钢和T型材作结构加强，下横梁15上面焊有两个水轮机主轴座22，水轮机主轴座22处选用厚钢板作结构加强；上横梁14左端与左浮力立柱9的上端内侧焊连，右端与右浮力立柱11的上端内侧焊连；下横梁14左端与左浮力立柱9的下端内侧焊连，右端与右浮力立柱11的下端内侧焊连；中间浮力立柱10的上端焊于上横梁14下面中间处，下端焊于下横梁15上面中间处；上横梁14上的两个发电机舱安装孔21，一个距左浮力立柱9和中间浮力立柱10的距离相等，另一个距右浮力立柱11和中间立柱10的距离相等；下横梁15上的水轮机主轴座22，一个距左浮力立柱9和中间浮力立柱10的距离相等，另一个距右浮力立柱11和中间立柱10的距离相等。
如图4所示，左浮力立柱9和右浮力立柱11内侧通过角钢23和T型材24作结构加强，外侧分别设有登梯；非水密舱舱板25上的舱口26与左浮力立柱入口16和右浮力立柱入口18交错布置，舱口25下设有攀爬贴壁钢梯。
如图5、6所示，所述水轮机/发电机组，包括由叶片27、轮辐28、轮辐盘29、水轮机主轴30、水轮机主轴法兰31组成的水轮机部分以及由安装于发电机舱37内且从上至下顺次连接的发电机36、制动器35、增速器34和外伸的传动轴33、传动轴法兰32组成的发电机部分；其中，所述的水轮机部分为竖轴H型直叶水轮机，两根直立的叶片27借助轮辐28和轮辐盘29与水轮机主轴30固装；所述的发电机部分借助传动轴法兰32和水轮机主轴法兰31固装在水轮机主轴30的顶端；所述增速器34用于传递水轮机主轴30的转矩和增加水轮机主轴30的转速，所述制动器35用于装置检修时水轮机的制动。
如图1、2所示，两套水轮机/发电机组的发电机舱37的顶端分别固装于上横梁14的两个发电机舱安装孔21内，两个水轮机主轴30下端的通过水润滑轴承分别置于两个水轮机主轴座22内。
安装时，首先将浮筒式潮流能发电装置拖于潮流能丰富的海域，令装置横躺于水面上，选好海底系泊点，将浮筒-海底系缆4一端锚固于海底，另一端系于浮筒3中段下方的浮筒-海底系缆环上，再将浮筒-载体系缆5的一端与浮筒3靠近载体1一端的浮筒-载体系缆环连接，另一端与对应的载体系缆环20连接，然后将载体-海底系缆6的一端锚固于海底，另一端系于左浮力立柱9和右浮力立柱11的载体-海底系缆环上。启动左浮力立柱9和右浮力立柱11内的电动机，带动水泵向左浮力立柱9和右浮力立柱11内抽入压载水，浮力立柱下端及下横梁15没入水中，浮力立柱上端及上横梁14出水，发电装置发生翻转，直立于水中，继续抽入压载水，直至装置吃水达到合适水位。调节四根浮筒-载体系缆5的长度，保证对装置的系泊约束作用。工作时，潮流冲击水轮机叶片27，经轮辐28和轮辐盘29的传递作用带动两个水轮机主轴30对旋，经水轮机主轴法兰31、传动轴法兰32、传动轴33、增速器34和制动器35的传递，带动发电机36发电，将潮流的动能转换为电能。维护、检修或回岸时，首先通过发电机舱37内的制动器35制动水轮机，令水轮机停止旋转，放松四根浮筒-载体系缆5，排出左浮力立柱9和右浮力立柱11内的压载水，左浮力立柱9、右浮力立柱11的下端和下横梁15部分浮出水面，左浮力立柱9、右浮力立柱11的上端和上横梁14部分没入水中，装置发生翻转，实现装置的维护和检修，脱掉浮筒-载体系缆5和载体-海底系缆6，消除系泊系统对装置的约束，将载体1和水轮机/发电机组2拖回岸边。
本发明结构简单，生产和制造成本低；安装和维护检修方便、经济；发电性能稳定，适合在潮流能丰富的高海况环境应用。

Claims (4)

1.一种浮筒式潮流能发电装置，包括系泊系统、载体和水轮机/发电机组三大部分；其特征在于：系泊系统由借助缆绳与载体相连的四个浮筒以及连接载体和海底的两根缆绳、连接浮筒和和海底的四根缆绳组成；载体具有横置“日”字形门结构，具有流线型本体、人员操作平台和双列水轮机/发电机组支座；水轮机/发电机组由竖轴H型直叶水轮机和安装于发电机舱内的发电机、制动器、增速器借助水轮机主轴法兰和传动轴法兰同轴线串联而成，且以双列对转的方式借助于所述载体上横梁上的发电机舱安装孔和下横梁上的水轮机主轴座安装于载体的空间内。
2.如权利要求1所述的一种浮筒式潮流能发电装置，其特征在于：所述的系泊系统包括由浮筒、浮筒-海底系缆、浮筒-载体系缆和载体-海底系缆构成的耦合系泊系统；其中，所述的浮筒-海底系缆用于连接浮筒和海底；所述的浮筒-载体系缆用于连接浮筒和载体；所述载体-海底系缆用于连接载体和海底；所述的浮筒-海底系缆为锚链缆，所述的浮筒-载体系缆和载体-海底系缆为锚链和弹性索的组合缆。
3.如权利要求1所述的一种浮筒式潮流能发电装置，其特征在于：所述的载体是由左浮力立柱、中间浮力立柱、右浮力立柱、上横梁和下横梁组成的横置“日”字形门结构；所述的左浮力立柱、中间浮力立柱、右浮力立柱均为钢板焊接的筒形柱，其横断面呈流线型；左浮力立柱和右浮力立柱外部上端各自焊接断面为流线型左补偿浮箱和右补偿浮箱；内部分舱设置，上层舱为非水密舱，下层为水密舱；所述的左浮力立柱和右浮力立柱内借助角钢和T型材加强结构，外侧分别设有登梯；左浮力立柱和右浮力立柱的上端外侧设有载体系缆环，顶端还设有左浮力立柱入口及入口盖、右浮力立柱入口及入口盖；所述非水密舱舱板的舱口与左浮力立柱入口和右浮力立柱入口交错布置，舱口下设有攀爬贴壁钢梯；所述左浮力立柱和右浮力立柱的非水密舱内还分别装有电动机和水泵；所述的上横梁上加工出两个发电机舱安装孔，并装设护栏、系桩和位置指示灯；所述上横梁为钢板焊接箱型梁，内部亦用角钢和T型材加强；上横梁的发电机舱安装孔处的宽度略大，选用厚钢板结构加强；所述下横梁为钢板焊接箱型梁，内部以角钢和T型材作结构加强，在与所述上横梁发电机舱安装孔相对的位置上设置两个水轮机主轴座，并选用厚钢板做结构加强；下横梁的底面安装有载体-海底系缆环；所述载体的浮力立柱、补偿水箱的设置、流线型外形。
4.如权利要求1所述的一种浮筒式潮流能发电装置，其特征在于：所述水轮机/发电机组包括：由叶片、轮辐、轮辐盘、水轮机主轴、水轮机主轴法兰组成的竖轴H型直叶水轮机部分以及由封装于发电机舱内且从上至下顺次连接的发电机、制动器、增速器和外伸的传动轴、传动轴法兰组成的发电机部分；其中，所述水轮机部分的两根直立的叶片借助轮辐和轮辐盘与水轮机主轴固装；所述的发电机舱借助外伸的传动轴法兰和水轮机主轴法兰固装在水轮机主轴的顶端；且发电机舱上端安装于所述的上横梁上的发电机舱安装孔；所述的水轮机主轴下端借助水润滑轴承插装于所述下横梁上的水轮机主轴座内。
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