CN103958885A - 水轮机支架 - Google Patents

Abstract

一种水下轮机装置，包含一刚性臂，其一端与枢轴连接，另一端与水下锚具连接。该装置仅通过对装置浮力的调节，就可在调度状态和工作状态之间旋转。

Description

水轮机支架

本发明涉及用于水力发电的轮机，特别是那些位于海岸或河口的水轮机。

目前，此类位于水流中的轮机，已有许多安装此系统。一个特定的问题是：怎样布置才能使轮机顺利地送达、调整到工作位置以及在需要维修或搬迁时将其拆卸运走。

一些此类系统的特点是，利用一种具有可变浮力的安装机架来辅助安装和拆除。比如，GB 2348249B (Armstrong)公开了一种方法，就是利用可变浮力，将安装机架从工作位置，绕过水下锚具的倾斜纵轴，横滚旋转到水平漂浮的维修位置。GB 2434410A (Todman)中，则是利用可变浮力，并结合安装机架的受控挠曲，绕刚性臂臂运动，来达到相似的效果，只是不进行横滚旋转。一些其他方案则是基于绳索等柔性绳，如GB 2256011A (Fraenkel)。

其他需要考虑的因素包括：在工作水流中，水轮机的俯仰稳定性（即，绕过水下锚点水平横轴旋转）。一些在先申请中，比如上文引用的例子以及GB 2409885A (MCT)，都是利用对装备的一个或多个部件的表面渗透来实现浮力驱动的被动俯仰稳定性，这样就能使水轮机在不同的水流量和阻力的情况下，将其起伏幅度保持在可控范围内。另外，为了使水轮机完全淹没在水中，使用主动控制面而不是表面贯穿件，来达到这样的稳定性（如：WO 00/42318A Dehlsen）。还有一些，如GB 2422878B (Mackie)，提出对于以柔性绳拴系的水轮机，可用表面贯穿件来控制俯仰，用主动控制面来调节横滚。

本发明提供了一种可选的布置方案，即通过调节压舱物来实现水轮机从漂浮的调度状态移动到大致淹没在水中的工作位置。

本发明所提供的水下轮机装置，包含：一个可以在其上安装多个水轮机的有浮力的延长机架；一刚性臂，其一端与所述机架枢接，另一端与水下锚具连接；以及一个可调节所述机架浮力的装置，通过该装置，所述机架在使用中可在大致水平的维修位置和大致垂直的工作位置之间绕所述枢轴旋转。

在维修位置和工作位置之间的移动基本由浮力的变化决定，例如，通过用合适的水泵、阀门等增加或去除压载水使浮力产生变化。也可用压缩空气来排出浮力舱中的压载水。移动可受制动器或在机架和刚性臂之间作用的类似装置的控制，比如一个部件上的夹式制动器紧紧夹住与其相对运动的部件的制动表面。

在一个实施例中，机架包含一个或多个浮力舱，机架也可由一个大致挖空的容器构成，这是为了适应在漂浮的调度状态/或维修状态和淹没或部分淹没在水中的工作状态之间移动。

水流的力量和/或水轮机朝有利方向的旋转，有助于在维修状态和工作状态之间的移动。水轮机可以自转或受到驱动后产生一个沿所需方向的推进力，多个水轮机的话也可朝不同的方向转动——在以上每种情况中，额外力量的产生都是为了帮助装置的移动。

在一个实施例中，装置具有一个或多个主动阻力面，可在作用状态和基本不作用的状态之间切换。处于作用状态时，引导拖拽力沿弓形弧线移动装置，处于基本不作用的状态时，不会引起弓形移动。

在一个实施例中，浮力的变化将装置基本转动到工作状态，随后，主动阻力面开始作用，以促进或帮助装置到达工作状态。

在使用中，机架支撑一个或多个水轮机，通常，水平轴水轮机布置于机架的下游侧。机架枢接在工作状态和维修状态间的旋转基本为直角，这样安排可使轮机在维修状态下大致或全部位于水体外。

刚性臂包含一个牵引部件，其在调度状态下使用。为此，该部件应能漂浮或闩在机架上，能够大致能伸到机架的前方。在牵引状态下，刚性臂的前端（锚具端）基本位于水面。一旦到达调度位置，就将解除刚性臂上的锁闩，并在保持与机架连接的状态下将刚性臂降低，与水下锚具进行连接。锚具配备有枢轴连接点，允许装置在水流中上下起伏，也配有潮汐部件，使刚性臂能够绕一条大致垂直的轴线旋转，以便在涨潮与退潮时都能发电。为了使维修工作在水面上进行，锚具的关节点最好在刚性臂的末端，举例来说，可以用万向节。刚性臂也可包含一关节点及一接插件装置，并配有合适的锁闩。

在一个最佳实施例中，刚性臂和机架在工作状态下对接，以防止机架在转向工作状态时旋转过度。任何合适的对接器都可以使用，包括刚性臂和机架直接接触，或使用在轴环和末端挡板间滑动的支撑杆。对接器可包含一个柔性和/或弹性缓冲器，且允许在平衡位置有一些相对转动，转动角度通常不超过±10°。在工作状态，刚性臂和机架以一个基本固定的角度关系闩住。

在使用中，装置在水流中拖曳运动，所以可以利用水流的阻力来协助装置从维修位置运动到工作位置。尤其是当通过调整浮力将机架移动到离（垂直）工作状态还差一点时。这种布置可以保证在浮力增加时可进行返回运动。移动到工作状态的最后一步可通过主动阻力面和/或驱动器完成。举例来说，驱动器包含一能绕刚性臂和机架枢轴操作的马达、一抓取装置、一推进装置或任何其他能使装置移动到工作状态最后一步的合适装置。

另一种方案，可将压载舱进一步分隔，使机架的切线接近机架与刚性壁的对接位置。在一个实施例中，机架在接近垂直位置时，纵向（相对于水流方向来说）分隔压载水舱，向压载舱内注入或排出不同量的压载水能够调节机架与垂直方向的夹角，以达到能够进行锁闩的正确位置。通常缓慢的递增运动能够实现。为了使机架在水平位置和垂直位置之间微调旋转，可以使用向沿机架垂直方向（在调度状态）分布的压载舱装载不同量的压载物的方法。

在一个实施例中，刚性臂基本笔直并枢接于机架的后部，后部是相对于水流方向而言的（在维修状态下）。在工作状态下，该连接点位于机架中点的下方，在一个实施例中，连接点临近机架的下端。在另一个实施例中，刚性臂在调度状态下像肘部一样向下弯曲，并大致连接于延长机架的中点。

在另一个实施例中，刚性臂连接在更朝向机架头部的地方（在维修状态下），在工作状态时，刚性臂向下的分支固定于机架的末端或机架的中下部。

本发明还供了一个仅靠浮力调整来调度水轮机装置的方法。

本发明的其他特征都将在下文对最佳实施例的描述中显现出来，最佳实施例仅以附图中所示样例的形式展现，其中：

图1为本发明的第一个实施例在调度状态的侧视图；

图2与图1对应，为第一个实施例在维修状态的示意图；

图3为第一个实施例在向工作状态移动过程中的示意图；

图4为第一个实施例处于工作状态的示意图；

图5为一个双臂实施例在工作状态的透视图；

图6为本发明的第二个实施例处于工作状态的示意图；

图7、图8分别为本发明的第三个实施例处于调度状态和工作状态的示意图；

图9-图11分别为本发明的进一步实施例处于调度状态、维修状态和工作状态的示意图，且

图12为本发明的进一步实施例在工作状态的示意图。

如图1-4所示，一水轮机组件10包含：用于水轮机12、13的支架11，以及刚性臂14。水底面（如海底）用15表示，而16则表示水面。刚性臂14的一端装有水下锚具17，用来将组件固定在水底面或预先安装好的水下装置上。刚性臂14的另一端通过枢轴18与支架连接。锚具17包含一个万向节或类似装置，及一用于水下锚具插口的公插头。

图1为调度位置的示意图。组件10被运送至安装地点，例如由拖船牵引。组件的吃水较小，且轮机12、13被安置在支架11的上表面上，因此轮机位于水面之上。刚性臂14作为组件的牵引臂，而锚具17构成一个大致在水面位置的牵引点。

需要说明的是，支架是具有漂浮能力的，且可用任意可能的方式实现，比如为支架配备合适的浮箱或腔体。支架本身也可包含封闭的中空结构，从而获得所需的浮力。显然，支架的浮力是可调节的，从而使组件能够适合发电状态。

在图1所示的调度状态中，刚性臂14也是有浮力的，还通过适当的方式锁紧或闩紧在支架11上。比如，装有一可拆卸式锁定销24或类似装置，可以是自动开启的部件。

图2为组件处于维修状态的示意图。刚性臂14从调度状态被释放，并锚定于水底面15。系绳锚固20包含一个关节，这使得支架11可以随着水平面16的变化而上下起伏，比如潮涨潮落。该系绳锚固还允许支架左右摆动，以应对在水流方向上的变化，比如为了适应潮流的交替。

一制动器21，在刚性臂14和支架11之间工作，用于减少或限制相对运动；优选地采用夹式制动器。

在图2所示的维修状态，水轮机位于水体之外，并处于一个适合进行维护、修理或更换的位置。坐船进出的方式是显而易见的，另外，支架还需配备合适的工作平台或类似结构。

图3为组件从维修状态转换到工作状态的示意图。通过不断增加压舱物——通常是以向浮箱或腔体注水的形式——来减小支架的浮力。支架的尾端开始下沉，并绕枢轴18（顺时针）旋转，直到达到图4所示的工作状态。这时，浮力控制最好能暂停或停止，以确保可进行反向运动。水流的阻力——如箭头19所示——使支架11旋转到图4中基本垂直的方向。

水轮机还可以自转或被反向驱动，这是为了增加阻力，以便辅助水轮机向维修状态移动或从维修状态移出。在有多个水轮机处于不同使用平面的情况下，通常采用差速转动来帮助移动。控制水轮机的转速来微调机架。

也可选用主动阻力面，马达可通过枢轴18工作，或可将一个推/拉力装置安装在刚性臂14和支架11之间。这样布置的优点是：支架可以自动地（或在帮助下）回到略微倾斜的状态——比如离垂直位置还有10°的状态，在这个状态下，一个变化浮力的就能确保装置回到维修状态。

一个可选的或附加的用于调整机架的垂直状态以便安装锁闩（如销24）的方法是，准备好压载舱，例如纵向布置垂直隔板77。压载水充满末端的压载舱（图中右侧）就能使机架顺时针旋转，而充满头部的压载舱（图中左侧）就能使机架逆时针旋转。

为了能在垂直位置以外的位置对机架进行微调，压载舱可沿机架的长度方向布置，这样就可实现机架平衡位置的角度在垂直工作状态和水平维修状态之间时，对机架进行微调。

刚性臂14包含一个辅助臂22，辅助臂延伸到枢轴18上方，并具有一个笔直的或弯曲的尾端23，当机架处于工作状态时，尾端与支架11的对接器啮合。对接器包含一柔性缓冲或类似防止冲击载荷的装置。当处在图4所示的情况下，通过安装锁或锁闩来防止支架和刚性臂14继续进行超出既定范围的相对运动，既定范围通常为在中间位置的±10°之内。

从图4可以看出，支架会穿出水面，这样就能标示出其所在位置。较佳地，可安装一警示灯。在工作状态，水轮机12、13完全淹没在水中，从而用于发电，电力可以任何可能的形式传递出去，比如，通过刚性臂14的电缆以及任何可能的水下集电装置。

应当说明的是，在水轮机需要进行维护和修理时，可以通过解除对接器锁定，且同时增加支架11的浮力，来将组件从工作状态（图4）移动到维修状态（图2）。增加支架11的浮力可以通过将浮力舱中的压舱水抽出来完成。制动器可用来控制枢轴18的相对运动速度，从而保证转换过程平稳进行。

图5所示为一个多轮机阵列模型的透视图。该模型包含一个支架11，支架含有一对浮力舱31，且与基本水平的上下两条横臂32、33相连，两条臂上安装着一个由6台水轮发电机34组成的水轮机阵列。图5显示的是工作状态。支架11由一个整体的十字横梁框架组成，在使用中，十字横梁框架位于水流的横断面上，而在维修状态下，十字横梁框架基本与水面共面。

Y型刚性臂35的尖端部位与水底的锚具36相连。在该实施例中，锚具可绕垂直轴37进行360°的旋转，也可绕水平轴38进行上下运动。较佳地，锚具可使Y型刚性臂35进行左右横滚。

刚性臂的每条臂39分别在下横臂33与各自浮力舱31之间的部分与支架进行枢接。每条臂上还进一步包含一辅助臂40，辅助臂包含一弯曲的对接器，用于在上横臂32与各自浮力舱31之间的部分与支架进行对接。如图5所示，布置方式基本是对称的。图中将刚性臂35置于水底，所以不会对船舶通航产生过度地妨碍。

图6所示的是另一个实施例。该实施例中的辅助臂包含一个刚性连杆51，刚性连杆的一端与刚性臂14枢接，并且在与支架11枢接的轴环或管套52中滑动。这种布置类似于开窗的支撑杆。刚性连杆51的自由端有一个对接部分，用来与支架11上的缓冲器啮合，还有一个恰当的锁或锁闩来防止在工作状态下产生相对运动。当处于工作状态时，对接部分使支架保持在基本垂直的平面内。当向维修状态移动时，刚性连杆51在管套中滑动，可以对刚性连杆51进行制动，以避免支架11突然转向。

图7和图8所示为第三个实施例。该实施例中，水轮机64安装在支架61的头部或前端，且支架的头部先下沉（逆时针旋转）形成图8中的工作状态。刚性臂62呈弯曲状，例如角度大于60°，这样就能够在图7的调度状态下获得较大的吃水，而由图8可见，工作状态下刚性臂更靠近水底。63处应配备合适的对接器和锁闩，以防止刚性臂62和支架61间有相对运动。在这种布置方式中，水轮机64位于支架61的前端，因此与图4和图6的布置方式相比，水轮机是不受阻碍的。

图9-11所示为第四个实施例。该实施例中，刚性臂72从锚端73到机架上的枢轴74之间是笔直的，因此在调度状态（图9）下的吃水深度较小。图10所示为维修状态。

图11显示了工作状态。在工作状态下，支架71顺时针旋转90°，刚性臂的弯曲端75构成了支架71拖曳面的对接器76。枢轴74在支架71（图11）的下部，对接器则大约位于支架的中点。就像前文所述，也可包含一个缓冲器。

图5中的主机架桅杆31在图中是笔直的（且在维修状态下呈水平）。但在实际的实现中，这些桅杆可以有轻微的弯折，使得在维修状态下其中部较低。这样的方式可增强其适航性，并提高其在工作状态下的浮力平衡能力。

图12显示了又一个工作系统的布置实例。当处在工作状态时，刚性臂14与机架的连接点更靠上（邻近中点），而辅助臂22则较低，辅助臂提供的固定点紧靠机架末端或机架的下部（大约在枢轴18和底端的中点）。

Claims (29)

1.一种水下轮机装置，包含：一个可以在其上安装多个水轮机的浮力延长机架；一刚性臂，其一端与所述机架枢接，另一端与水下锚具连接；以及一个可调节上述机架浮力的装置，通过该装置，上述机架在使用中可在大致水平的维修状态和大致垂直的工作状态之间绕上述枢接旋转。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的机架包含一个或多个装载压载水的浮力舱。

3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，进一步包含一个或多个可操作的阀门，用于上述一个或多个浮力舱增加和/或去除压载水。

4.如权利要求2或3所述的装置，其特征在于，在工作状态下，所述的多个浮力舱按相对于水流的纵向排列，用于对机架的竖直位置进行微调。

5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，在工作状态下，多个所述的纵向排列的浮力舱通过基本垂直的机架隔板分割。

6.如权利要求2-5所述的装置，其特征在于，在维修状态下，所述的多个浮力舱沿相对于水流的机架长度方向排列，当装置在维修状态和工作状态之间转换时，所述的浮力舱用于对机架和刚性臂的角度进行微调。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，进一步包括一个可操作的泵，用于上述一个或多个浮力舱增加和/或去除压载水。

8.如任意上述权利要求所述的装置，其特征在于，当装置处于漂浮调度状态时，所述机架位于维修状态，所述刚性臂的另一端大致与机架水平对齐。

9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述刚性臂的另一端包含一用于所述机架的牵引点。

10.如权利要求8或9所述的装置，其特征在于，在调度状态下，所述刚性臂闩在所述机架上，用于阻止两者之间的相对转动。

11.如权利要求8-10所述的装置，其特征在于，所述的刚性臂基本笔直。

12.如权利要求8-10中任意一条所述的装置中，所述的刚性臂向下折弯。

13.如任意上述权利要求所述的装置，其特征在于，在工作状态下，所述的连接点位于所述机架没入水中的部分。

14.如任意上述权利要求所述的装置，其特征在于，进一步包含一个位于所述机架和所述刚性臂之间的对接器，用于限制两者之间的相对运动。

15.如权利要求14所述的装置中，其特征在于，当装置处于工作状态时，所述述对接器啮合。

16.如权利要求15所述的装置中，其特征在于，所述的对接器包含一柔性缓冲部件。

17.如权利要求14-16中任一所述的装置中，其特征在于，所述的刚性臂进一步包括一个支撑杆，所述支撑杆的一端与所述刚性臂枢接，另一端在所述机架的轴环中定向移动，当所述刚性臂和所述机架之间有相对转动时，所述支撑杆会在所述轴环中滑动。

18.如权利要求15-17中任一所述的装置，其特征在于，进一步包括一个锁闩，用于将所述刚性臂和所述机架保持在工作状态。

19.如任意上述权利要求所述的装置，其特征在于，进一步包括一个可操作的制动器，用于控制所述刚性臂和所述机架之间的相对转动。

20.如任意上述权利要求所述的装置，其特征在于，在工作状态下，所述机架部分淹没在水中。

21.如任意上述权利要求所述的装置，其特征在于，进一步包含多个基本平行的延长机架，多个所述机架通过一个或多个横向部件连接，其中，所述刚性臂从锚具端开始分叉，与其中两个所述机架枢接。

22.如任意上述权利要求所述的装置，其特征在于，进一步包含安装于其上的一个或多个水轮机。

23.如权利要求22所述的装置，其特征在于，在维修状态时，所述水轮机基本位于水面线之上。

24.一种在基本水平的维修状态和基本垂直的工作状态之间移动水下轮机的方法，该方法包含以下步骤：

    将刚性臂锚定于水下锚点，并改变机架的浮力。

25.如权利要求24所述的方法，其特征在于，进一步包括使所述机架适应水流的阻力，用于加强所述移动。

26.如权利要求24或25所述的方法，其特征在于，所述机架上装有一个或多个轮机，且所述方法还包括以下步骤，按有利的方向驱动轮机以产生阻力，用于加强所述移动。

27.如权利要求26所述的方法，其特征在于，允许一个或多个所述水轮机在水流中自转。

28.如权利要求26所述的方法，其特征在于，一个或多个所述水轮机受驱动。

29.如权利要求26所述的方法，其特征在于，多个所述水轮机中的一个受驱动。