CN105164406B - 安装在水道内的水力发电机 - Google Patents

Abstract

一种适于安装在水道(10)内具有半潜式转子的水力发电机(1)，其包括固定平台(2)、用于将流体(10A)的动能转换成电能的转子装置(3、13)，其特征在于，所述水力发电机还包括用于调节所述转子装置(3、13)的位置的调节装置(4、4B、5、6)。用于调节位置的所述调节装置(4、4B、5、6)约束于所述固定平台(2)，并且以可控制的方式使所述转子装置(3、13)相对于所述固定平台(2)移动至少一个自由度，以相对于水(10A)的主流动方向(D)至少改变所述转子装置(3、13)的转子的轴线(A)的方向。

Description

安装在水道内的水力发电机

技术领域

本发明涉及一种适于安装在水道内的具有半潜式转子的水力发电机。半潜式转子意指只有一部分转子的叶片是浸没在水道内。

更具体地说，本发明涉及一种适于安装在低水流速度的河流内的水力发电机。

背景技术

众所周知，水力发电机是一种将流体的动能转换成电能的机械，通常是通过由转子驱动的交流发电机来实现，该转子再通过作用于转子本身的流体而转动。此外，公知的是转移到机械的动能与质量成比例，并且与由转子拦截的流体的速度的平方成比例。因此，显而易见的是，如果水道的流体具有缓慢的流速，则机械可获得的动能会明显减小。为了克服这个缺点，需要操纵动能的其它上述参数，即转子拦截的流体质量。

第一种增加这种参数的方法包括将转子完全地浸没，优选地将发电机固定在河床上。这种方法确保了有较大的转子表面与流体接触，但是在设计、安装和保养上是非常复杂。事实上，机械的一些需要工作的部分总是被浸没，即在不利的环境中。此外，为了确保带已浸没的转子的发电机是可用的，必须将该机械安装在河流的某个位置，尤其是安装在河床上，在该位置，转子能够完全浸没在安全的环境中。另外，这种机械在很大程度上干扰水道。由于这种机械昂贵且适应性不佳，因此它们不能用于低流速的水道。

为了克服这些缺点，已知的是制造一些适于安装在水道内的水力发电机，其中，转子的叶片被设计成半潜式，即仅有部分浸没在水中。在这种情况下，通常将发电机的结构固定到水道本身的一个或两个岸堤上。

因此，如果转子不能被完全浸没，为了增加由发电机的转子拦截的流体质量，必须增加机械的尺寸，尤其是设计成用于拦截流体流动的叶片的尺寸。对于本领域的技术人员来说显而易见的是，尺寸的增加会导致在水道内，具体地说在相对于水道本身的横向方向上，有庞大的发电机主体。另外，具有大尺寸的半潜式转子的机械还会涉及发电机的高噪音。最后，尺寸的增加导致机械的价格昂贵，并且难以安装、管理和保养。

应当注意的是，更详细地说，使用具有半潜式叶片设计的以及具有相当大尺寸的转子，涉及转子相对于流体的主流动方向的角度误差更低，这也会导致水力发电机的效率较低和高噪音。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种具有半潜式转子的水力发电机，其允许在主体相对小的情况下产生高功率。

本发明的另一个目的是提供一种具有半潜式转子的水力发电机，其操作时噪音低。

本发明进一步目的是提供一种具有半潜式转子的水力发电机，其能够用于流体的流动速度低的水道中。

本发明的这些和其它目的通过提供根据权利要求1所述的水力发电机来实现。优选的方面在从属权利要求中陈列。

根据本发明的一种适于安装在水道内具有半潜式转子的水力发电机包括固定平台、用于将流体的动能转换成电能的转子装置，所述水力发电机还包括用于调节所述转子装置的位置的调节装置。用于调节位置的所述调节装置约束于所述固定平台，并且使所述转子装置相对于所述固定平台移动至少一个自由度，以相对于所述水道内的水体的主流动方向至少改变转子的轴线的方向。

由于这种方案，能够当转子装置与流体接触时简单地且有效地改变转子装置的入射角，从而根据发电机的多种可能的操作情况下优化机械的效率。即使在尺寸受到限制的情况下，具有较高效率的水力发电机仍能够从水道得到高功率。

因此，本发明使机械的制造和管理成本得到控制，因此即使将机械安装在水的流动速度较低的河流中也变得有利。

所述调节装置提供了受控的运动。能够采用闭环控制，即是通过检测操作数据和作用于所述调节装置上，从而将所述转子装置设置在它们的效率最高的位置，这将在详细的叙述中作更好的说明。然而，甚至能够执行开环控制，根据该开环控制，所述调节装置能够以受控的方式被驱动，从而将所述转子装置设置在被认为是效率最高的位置。

此外，通过限制转子的尺寸，再有利地限制了水力发电机的噪音。

根据本发明的一个方面，所述转子装置能够设有至少一个叶片，所述叶片具有沿着所述转子的轴线以大体上螺旋形延伸的轮廓。

根据本发明的另一个方面，所述固定平台可包括用于将所述固定平台稳定地锚定到地面的锚定装置。

根据本发明的另一个方面，所述叶片的至少一部分由大体上柔性的材料制成。这方面使本发明的转子具有更大的使用灵活性，这将在下文作更好的说明。

根据本发明的又一个方面，所述至少一个自由度可包括所述固平台与所述转子装置的转子之间的距离。

根据本发明的另一个方面，所述至少一个自由度可包括调节浸没在所述流体中的所述转子装置的转子部分的体积与没有浸没在所述流体中的转子部分的体积之比值。

根据本发明的另一个方面，所述水力发电机可包括调节装置，用于调节所述固定平台相对于地面的高度和/或倾斜度。

本发明还叙述了一种通过水力发电机将水道的水的动能转换成电能的方法，其中，所述水力发电机设有用于将流体的动能转换成电能的转子装置，通过相应的用于调节位置的调节装置使所述转子装置相对于固定平台移动至少一个自由度，所述用于调节位置的调节装置约束于所述固定平台。具体地说，所述方法包括以下步骤：

a)稳定地安装所述固定平台；

b)以受控的方式调节水力发电机的转子装置的位置，以至少使所述转子装置的转子轴线相对于水流方向定向，并且将所述转子装置设置成半浸没于水道的流体中。

根据本发明的另一个方面，所述调节所述转子装置的位置的步骤可包括调节所述转子与所述固定平台之间的距离。

根据本发明的另一个方面，所述调节所述转子装置的位置的步骤可包括调节浸没在流体中的转子部分的体积与没有浸没在流体中的转子部分的体积之比值。

根据本发明的另一个方面，上述方法可包括调节所述固定平台相对于地面的高度和/或倾斜度。

根据本发明的又一个方面，上述方法可包括相对于水的主流动方向调节所述固定平台的位置。

附图说明

本发明的进一步特征和优点将通过以下的叙述并结合附图而变得更加显而易见，以下叙述仅以说明为目的而并非对本发明作限制，其中：

图1是根据本发明的水力发电机的实施例的示意前视图；

图2是图1所示的发电机的示意平面图；

图3是根据本发明的水力发电机的替代实施例的示意前视图；

图4是图3所示的水力发电机的示意平面图；

图5是图3所示的水力发电机的转子叶片进入水中的示意图；

图6是根据本发明水力发电机的又一个实施例的示意前视图；

图7是根据本发明的又一个实施例的示意平面图。

具体实施方式

参照图1和图2，水力发电机1(在下文称为发电机1)由用于将发电机1约束于地面11的固定平台2、以及用于转换水道10的流体10A(在下文称为水10A)的动能的转子装置3组成。平台2的结构适于将机器稳定地锚定到地面，以及与此同时支承转子装置3并且抵消作用在转子装置3它们本身上的力。

在附图所示的实施例中，该结构由一组梁元件2A、2B和2C组成，甚至，明确的是，有可能是不同的结构形状。发电机1包括用于调节转子装置3的位置且约束于固定平台2的调节装置4、5、6。调节装置4、5、6为转子装置3提供至少一个自由度。具体地说，调节装置4、5、6允许改变至少转子装置3的轴线A相对于水10A的主流动方向D的方向。为了实现这种功能，本领域已知有多种运动学系统。在所示的实施例中，转子装置3与梁元件2C整体转动，从而围绕销9.1刚性地转动。起重机6与梁元件2A铰接，从而控制梁元件2C和转子装置3的转动。

其它可移动装置也可以约束于固定平台2，因而为转子装置3提供进一步的自由度。

具体地说，在本文所示的实施例中，示出了横向定位装置4、4B和安全装置5。

横向定位装置4、4B允许调节转子装置3与固定平台2之间的距离，以使转子装置在水道10中的横向位置最优化。在示出的实施例中，支承元件4能够在套管4B内滑动，该套管4B约束于固定平台2。

安全装置5允许调节浸没在水10A中的转子部分的体积与没有浸没在水10A中的转子部分的体积之比值。此外，在机械故障或在维修保养的情况下，安全装置5能够将转子装置3完全移离水道10。在示出的实施例中，安全装置5由起重机5组成，该起重机的一端约束于固定平台2，而另一端则约束于套管4B。套管4B相对于固定平台2围绕销9.2转动。因此能够控制起重机5以使套管4B围绕销9.2转动，并相应地使转子装置3围绕销9.2转动。在图1中，虚线示出了当转子装置3完全移离水道10时的位置。

本文所述的装置是本领域中已知的多种动能系统中的一个例子，能够以类似的方式使转子装置3移动。明显的是，可提供能够以类似的方式使转子装置3移动但不同于本文所叙述的动能系统并落入本发明的目的。

在一个实施例中，固定平台2可进一步包括能够为固定平台2本身提供额外的自由度的器件7、8，即使只作短距离移动。具体地说，由于有适当的提升器件7，可以相对于地面调节平台2的高度。此外，提升器件7可以彼此独立地被调节，从而能够将提升器件7调节至彼此不同的高度。由于这种方案，可以调节固定平台12相对于地面11的倾斜度，并且相应地，能够为转子3相对于水的位置提供另一个调节参数。

进一步或作为选择，可以沿着一条(或多条)轨道8约束固定平台2，以允许将固定平台2的位置调整成平行于水10A的主流动方向D，并因此将发电机1的位置调整成平行于水10A的主流动方向D。

转子装置3由轮毂3B和转子或推进器组成、该转子或推进器由一个或多个叶片3A构成。轮毂3B旋转地约束于固定平台2，并且具体地说，在本文所示的实施例中，轮毂3B旋转地约束于支承元件4。

制成轮毂的材料要考虑耐用性和轻巧度，在两者之间作出良好的平衡。

已证明，不锈钢合金在这方面特别有效。

如上所述，实际上构成转子本身的一个或多个叶片3A键联接于轮毂3B。多个叶片3A可被布置成多种形状。除了例如可在摩托艇找到的传统的螺旋形叶片，叶片的轮廓可沿着转子装置3的轴线A延伸，以致于叶片3A的主要方向正好在转子装置本身的轴线A的方向上。由于这种方案，单个叶片3A拦截水10A的表面显著地增加。

叶片3A的至少一部分由大体上柔性的材料制成，已经证实这在这设置中特别有利。

术语“大体上柔性的材料”意指一种可以变形而不会破损的材料，以致于当叶片3A安装在轮毂3B上后才能够限定叶片3A的轮廓。换句话说，由于叶片的柔性，叶片3A的最终形状(即已扭曲的形状)不在制造过程中得到，而是在将叶片3A安装在轮毂3B上后才直接沿着轮毂3B变形和模塑。

例如，叶片3A有利地可由复合材料制成的织物或布料制成。例如，已证明由基于碳或聚酯纤维纱线的复合材料制成的织物是特别适用于本发明。

具体地说，已证明聚酯-聚芳基酸酯纤维(已知在本领域称为)是特别适用于本发明。

然而，清楚的是，不同的材料具有如上所定义的“柔性”特征。例如，可以使用特别轻的金属合金，该种金属合金能够易于沿着轮毂3B的轮廓被模塑和弯曲，成形为叶片3A。

用柔性材料制造叶片3A提供多个好处。

如上所述，与传统的推进器相比，叶片3A可更容易随意成形，而非根据预定的形状来形成。

具体地说，采用布料或复合织物就不需要涉及预先限定(或预先弯曲)叶片3A的轮廓的任何工序，这是因为根据想要的形状很容易使这些材料弯曲和成形，在制造叶片本身的过程中执行最后加工之后也可以实施上述的弯曲和成形。

此外，减少了使用重的材料。结果大大减小了转子3的惯量，因为众所周知惯量是质量的函数，并且因此是重量的函数、是制造转子3本身的材料的函数。

再者，转子3可以包括张力调整器，以收紧由柔性材料制成的叶片3A的部分。

另一方案是提供多级转子组件，即沿着轴线A设置的一系列多个推进器，推进器可以是摩托艇采用的那种类型和/或类似于航空涡轮机使用的那种斗式和/或其它类型的推进器，后者的尺寸在转子装置3的轴线A方向上比前述两种推进器小。

因此，图2大体上描绘了轴向延伸叶片组件或多级转子组件的多个可能的尺寸中的其中一个。

交流发电机12以已知的方式与轮毂3B连接，以将由轮毂3B本身的转动所得到的机械能转换成电能。

参照图3至图5，现叙述特别有利特征的实施例。图3和图4是根据与之前所述的实施例的图1和图2相似的视图的表示。相同的字母数字参考号代表类似的元件。

与图1和图2的实施例相比，在这实施例中，转子装置13具有特定的形状。更详细地说，转子装置13设有安装在轮毂13B上的一个或多个叶片13A，优选地由如上文所限定的柔性材料制成，叶片13A具有沿着转子装置13的轴线A螺旋地延伸的轮廓。为了清楚起见，图4示出了单个叶片13A的轮廓。为了进一步帮助理解叶片13A的形成，在图1所示的轴线A方向上放大了叶片13A本身的弯曲程度。具体地说，由于该放大图示，可以看到叶片13A的半径尺寸在叶片13A本身的两端之间连续地从最小值R1(甚至可以是零)显著地增加至最大值R2。

其它变型(未示出)也是可能的。例如，叶片可以螺旋地延伸而其半径沿着轴线A基本上保持恒定不变，或者具有混合的形状，其中形成的叶片仅有部分沿着转子装置的轴线A螺旋地延伸。

由于该螺旋形状，叶片13A以“剪刀状”的模式进入水中，即叶片13A的外边缘逐点地进入水10A中。图5示意性地更详细地示出了这种特征，图中可以看到叶片的外边缘仅有一点13C与水10A接触。显而易见地，作为叶片13A本身旋转的函数，点13C可沿着叶片13A的外边缘移动。

这个方案大大地减少了当转子装置13与水接触时所产生的噪音。半径R1的低值(极限是零)允许减小、甚至消除与水10A的水流方向D正交设置的元件。这个特征允许减小异物残留在根据本发明的发电机1的转子装置13的叶片13A上的可能性。

此外，在这个实施例中，调节转子装置13的轴线A相对于水10A的主流动方向D允许更准确地且更明显地相对于图1和图2的一般实施例来改变效率，由此，已证明具有螺旋形叶片的转子装置13具有更高的效率。

根据发明的发电机1通过以上的论述变得清楚。首先，必须将固定平台2安装在水道10的边缘上。一旦该固定平台被锚定在地面，将转子装置3、13插入水道10的水流中。然后，操作设于该机械内的一个或多个调节装置4、4B、5、6、7、8，以致于使发电机1定位在相对于水10A的流动具有最高效率的位置中。这种调节操作可以是手动的、自动的或者是这两者的结合。具体地说，该机械可设有控制装置，其能够监控发电机1的操作状态，并且控制一个或多个调节装置4、4B、5、6、7、8的操作，以永久地使发电机1保持在最高效率的状态。

图6示出了本发明的替换实施例，其中，固定平台22可包括可移动装置30，例如是挂钩式提升拖车。具体地说，可移动装置30设有轮子26或类似物，它们为可移动装置30以及因此与该可移动装置连接的构件(即固定平台22的其它元件和转子23)提供自由度。

更详细地说，第一调节元件22.1被约束成相对于可移动装置30轴向地滑动。换句话说，第一调节元件22.1被伸缩地约束于可移动装置30。以大体上正交的方式依次将第二调节元件22.2滑动地约束于第一调节元件。换句话说，第二调节元件22.2可沿着相对于第一调节元件22.1倾斜的轴线滑动，该倾斜角优选地接近90°。

由于第二调节元件22.2的移动，固定平台22能够与地面11接合、或者与地面分离。具体地说，第二调节元件22.2的末端连接锚定装置22.3，该锚定装置22.3适于将该结构稳固地接合并锚定到地面11。在与地面11接合之前，可调节第二调节元件22.2与可移动装置30之间的距离，以使固定平台的稳定性最优化，并且找出地面11的最佳点，在那里需要进行与地面11本身的接触。

转子装置23以至少一个自由度约束于可移动装置30，该转子装置设有普通推进器23A，该普通推进器23A根据上述的实施例中之一被定型。

更详细地说，类似于上述的实施例，能够改变浸没在水10A中的转子装置23的转子部分的体积与没有浸没在水中的转子部分的体积之比值。例如，转子装置23可铰接到可移动装置30。类似于上述的实施例中出现的安全装置5的安全装置25能够控制转子装置23的转动，并且在故障时可控制转子装置23从水10A中完全移离，如图6的虚线所示。

此外，如在之前的实施例所示，转子装置23的支承元件24能够在套管24B内滑动，以调节转子装置23与固定平台22之间的距离。

如果需要调节固定平台22相对于水10的主流动方向的位置(由轨道8来实现)，和/或需要调节转子装置23的方向(由起重机6来实现)，则必须使固定平台22与地面11分离，并且对可移动装置30进行操作。

具体地说，需要与锚定装置22.3分离，并提升第二调节元件22.2。然后可以通过将可移动元件30与牵引装置(例如载重车车身)连接来使转子装置23移动并且相对于水道10内的水10A的流动方向定向。

该结构还可以设有配重(图中未示出)，该配重能够平衡转子装置23的重量，以提高固定平台22相对于地面11的稳定性。

图7示出了根据本发明的又一个实施例，在静止位置时，固定平台32被定向成使转子装置33的平面投影至少部分地置于水道10之外，而优选地，如在图6中完全地置于水道外。

固定平台具有底座32.1和能够缩回该底座32.1中的伸缩杆34。

转子装置33的支承件34.1约束于伸缩杆34。为了说明用途，图中的转子装置的33的长度较短。

优选地，支承件34.1为格状，以为该结构体提供强度和较轻的质量。

底座32.1包括调节装置，以改变转子装置的轴线相对于水的主流动方向D的定向。

具体地说，轮子38或类似物使底座32.1或至少固定结构32相对于地面移动。

由于本发明的实施例，也可以在地面上设置固定结构32之后再手动操作转子装置33，因为操作员可直接从地面接触它们。

虚线示出了在平台32旋转之后，水力发电机31的两种可能的操作状态。

Claims (11)

1.一种适于安装在水道(10)内并具有半潜式转子的水力发电机(1)，其包括固定平台(2)、用于将流体(10A)的动能转换成电能的转子装置(3、13)，所述水力发电机(1)还包括用于调节所述转子装置(3、13)的位置的调节装置(4、4B、5、6)，用于调节位置的所述调节装置(4、4B、5、6)约束于所述固定平台(2)，并且以可控制的方式使所述转子装置(3、13)相对于所述固定平台(2)移动至少一个自由度，以相对于所述水道(10)内的水(10A)的主流动方向(D)至少改变所述转子装置(3、13)的转子的轴线(A)的方向，其特征在于，所述至少一个自由度包括调节浸没在所述流体(10A)中的所述转子装置(3、13)的转子部分的体积与没有浸没在所述流体(10A)中的转子部分的体积之比值。

2.根据权利要求1所述的水力发电机(1)，其特征在于，所述转子装置(3、13)设有至少一个叶片(3A、13A)，所述叶片的至少一部分具有沿着所述转子装置的所述轴线(A)螺旋形状延伸的轮廓。

3.根据权利要求2所述的水力发电机(1)，其特征在于，所述叶片的至少一部分由大体上柔性的材料制成。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的水力发电机(1)，其特征在于，所述固定平台(2)包括用于将所述固定平台稳定地锚定到地面的锚定装置。

5.根据权利要求1-3中任一项所述的水力发电机(1)，其特征在于，所述至少一个自由度包括所述固定平台(2)与所述转子装置(3、13)的转子之间的距离。

6.根据权利要求1-3中任一项所述的水力发电机(1)，其特征在于，包括调节装置(7)，用于调节所述固定平台(2)相对于地面的高度和/或倾斜度。

7.根据权利要求1-3中任一项所述的水力发电机(1)，其特征在于，包括调节装置(7、8)，用于将所述固定平台(12)的位置调整成平行于所述水道(10)内的水(10A)的主流动方向。

8.一种通过水力发电机(1)将水道(10)的水(10A)的动能转换成电能的方法，其中，所述水力发电机(1)设有用于将流体(10A)的动能转换成电能的转子装置(3、13)，通过相应的用于调节位置的调节装置(4、4B、5、6)使所述转子装置相对于固定平台(2)移动至少一个自由度，所述用于调节位置的调节装置(4、4B、5、6)约束于所述固定平台(2)，所述方法包括以下步骤：

a)稳定地安装所述固定平台(2)；

b)以受控的方式调节所述水力发电机的所述转子装置(3、13)的位置，以至少使所述转子装置(3、13)的转子轴线相对于水流方向定向，并且将所述转子装置设置成半浸没于所述流体中，

其特征在于，所述调节所述转子装置(3、13)的位置的步骤包括调节浸没在所述流体(10A)中的转子部分的体积与没有浸没在所述流体(10A)中的转子部分的体积之比值。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述调节所述转子装置(3、13)的位置的步骤包括调节所述转子装置的转子与所述固定平台(2)之间的距离。

10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，所述方法还包括调节所述固定平台(2)相对于地面的高度和/或倾斜度。

11.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，所述方法还包括相对于所述水道(10)内的水的主流动方向调节所述固定平台(2)的位置。