CN105264220B - 径流式或者洋流涡轮机 - Google Patents

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Abstract

一种径流式或者洋流涡轮机可以包括舱口1612和倾斜块1605,所述倾斜块1605具有用于将水流引导至水轮1608的保护肋1630。所述舱口可以由多个TransgearTM齿轮组件2210、2220、2230、2240控制,以便将至所述水轮的水流的量从极端干旱改变到洪涝条件,从而使所述水轮可以以额定速度在预定范围内转动。所述Transgear齿轮组件可以包括用于累加粗调水轮速度和精调水轮速度的累加器3010。所述Transgear组件可以包括动力输出开关的实施例,以便实现例如双向或者顺时针和逆时针水轮轴转动。所述涡轮机可以对齐以便从顶部进水、侧面进水或者底部进水,并且可以包括尾翼或者面朝相反方向的第一涡轮机和第二涡轮机,以捕获高潮汐流和低潮汐流。

Description

径流式或者洋流涡轮机
[0001]本申请要求于2014年4月17日提交的标题为“径流式或者洋流涡轮机织仙-^-the-River or Ocean Current Turbine)”的美国专利申请第I4/255,377号的优先权的权 益,并且是于2013年6月12日提交的标题为“用于具有差速器的变速器的无级变速运动控制 (Infinitely Variable Motion Contro1 (IVMC)for a Transmission with a Differential)”的美国专利申请第13/915,785号的部分接续案和于2013年12月4日提交的 标题为“用于发电机、变速器和栗/压缩器的无级变速运动控制(Infinitely Variable Motion Control (IVMC)for Generators,Transmissions,and Pumps/Compressors),’的美 国专利申请第14/096,171号的部分接续案,所有这些专利申请都归Kyung Soo Han,其全部 内容通过引用的方式并入。
技术领域
[0002]本发明的技术领域涉及提供一种具有将可变转速转化为恒定的机械速度转换器 并且可用于生成交流电能的高效径流式或者洋流涡轮机,更具体地,涉及一种使用舱口高 效收集(利用)流体动能(水能)的涡轮机,该舱口由作为控制和动力输出(PT0)开关的 Transgear™齿轮组件控制,例如,诸如具有输入、输出和控制的正齿轮Transgear组件。
背景技术
[0003]水电能源是一种所谓的可再生能源。参照图1,大约48%或者几乎一半的电能是通 过使用煤的蒸汽发电而产生的。天然气提供了大约18 %的美国电能,而现在核能经由蒸汽 发电提供了大约22%。石油,诸如油,用于产生仅大约1 %的美国电能。煤、天然气和石油都 是基于碳的并且在燃烧时产生废气,废气的减排成本可能很高,如果不能减排,那么可能是 危险的或者至少增加了地球大气中的所谓碳排放量。煤、天然气和石油的供给也是有限的。 除非极其谨慎地处理,否则核能发电是危险的,并且废核燃料会对世界构成危害。
[0004]因此,未来发电的希望在于所谓的可再生能源,这些可再生能源包括但不限于:空 气(风能)、太阳(太阳能)和水(水电)来源。胡佛水坝和田纳西河谷管理局是美国在20世纪 初开始的示例性工程。在美国的河流上的这些水坝中的大型水力发电涡轮机现在正被更高 效更大容量的涡轮机取代。但是基于水坝的水电力的数量和利用是有限的,而且这些水坝 关闭了在通航河流上的商业河运。水坝阻断河流形成湖泊,这可以夺走可以用于栽培食物 或者允许养殖动物的宝贵土地资源。另一方面,产生的湖泊提供水控制和划船、钓鱼等娱乐 性用途。虽然如此,但仍然需要一种可以节省修建水坝的成本、允许水力发电并且使用河流 的固有流动或者洋流、潮汐和波浪的流动的装置。
[0005]参照图2,可以看到,所谓的由植物和动物材料(废弃物)生成的所谓生物质能源, 虽然占了总可再生能源的5.83%,但却具有与不可再生的碳基体系相似的问题并且可以产 生废气。虽然水力发电能源占了次佳可再生能源的3.96%,但是人们认为,可以更有效地利 用在美国及其近海岸的河流、潮汐和洋流,而不是通过构建水坝来阻碍水路贸易的流动。 [0006]其他可再生能源包括地热、风和太阳能。虽然这些是“清洁,,资源,但是迄今为止, 它们的发展尚不理想。在大约20年的时间内,只有经能源部门支持的风能从全美国能源的 0.55 %增长到20 %。
[0007] 参照图3,示出了目前使用的常规风轮机3〇〇。在1992年8月20日公开并且转让给美 国风能有限公司(Windpower,Inc.)的WO 1992/14298中描述了常规涡轮机的其他细节。变 速转子305可以转动齿轮箱312(上方的黑白图)以增加转子和叶片组件305、307、309的转动 速度输出。例如,通过在高风速条件下经由节距控制系统307控制转子305的节距并且减少 转子叶片噪音,转子305的所谓切入速度(转动速度)可以为大约每分钟6转,并且转子叶片 通常可以大约每分钟30转切出。通常,使大型转子叶片以切入速度(转动速度)转动需要超 过3m/Sec的风速。己经测得,切入速度与切出速度(速率)之间的风频率根据位置、天气模式 等而变化。例如,如果布置在丘陵或者山上,可能更可取的是将风轮机定位在山谷的低点 处。因此,可以认识到,存在风轮机300根本不具有足够的风速来运转的时间段,这取决于天 气条件、布置等。
[000S]当风速达到过量时,节距(和偏航)控制系统307可以测量风速并且调节转子叶片 305的节距,以使更多风通过,因此控制转子叶片以免转动过快并且使转子叶片指向风。偏 航控制可以补充节距控制,以协助使转子指向流动方向。例如,通过使用风速控制系统使叶 片与风平行地转动从而保持转动速度接近切出速度,可以减轻高转子速度引起的噪音。在 涡轮机300的尾部处的风速计380可以测量风速并且提供控制输入。涡轮机的尾部可以装备 有用于节距或者偏航控制的方向舵或者风标。可以设置水平的或者垂直的稳定器(未示 出),用于节距或者偏航控制。方向舵或者风标可以有助于使变速转子305指向风。然而,一 般而言,己知的风轮机系统存在的问题是,只有在风轮机发电场现场可用的一部分风能可 以利用,导致只能利用可用风的一部分动能来馈送电网。
[0009]再次参照图3,齿轮箱3丨2可以将6RPM的切入速度(转子输出)乘以例如50,得到 3〇ORPM(差不多),以便转动变速发电机幻4(上方的黑白线条图)。变速发电机314可以用于 将主轴309 (上方的黑白线条图)的变化转动速度转换为变频交流电322,以便输入称为变频 转换器320 (VFC320)的电源转换器。这样,变频交流电源322可以转换为直流电324,然后转 换为有用频率(诸如,6〇Hz)下的不定期切换交流电326。从可变频率到直流电再到恒定频率 的转换在将动能(流动能)转换为有用的电能时效率较低,所以减少了可以输出至电网33〇 的电量。
[0010] VFC322将由变速发电机314产生的变频交流电322转换为直流电DC 324,再转换为 不定期切换的交流电326。该不定期切换的交流电326适用于以恒定频率328输出至恒定功 率交流电的电网330,但是产生的效率较低。VFC (电源转换器)320经常会出故障。替换已知 的变频转换器(电源转换器)320的成本是,例如,在50000美元与looooo美元之间,因此,已 经为常规风轮机300寻找到了替代设计,如本文中参照图4和图5进一步论述的。
[0011]众所周知,齿轮箱312具有大约的故障率。在风轮机3〇〇中使用的电子器件具有 26 %的最高潜在故障率。控制单元通常表现出〖i %的故障率。传感器和偏航控制表现出大 约10%的故障率。根据苏格兰格拉斯哥的斯特拉斯克莱德大学正在进行的驱动机构动力学 的联合研究,VFC32〇的故障率可以为大约2e% (电子器件)。平均故障间隔时间可能平均只 有2年,而每个转换器的更换成本可能超过5〇〇〇〇美元(美国)。发电机314的故障率大约为 4.5%。因此,与已知风轮机相关的问题与齿轮箱、发电机、变频转换器及其相关联的电子器 件的故障率和操作低效性密切相关。
[0012]己识别出来的问题的解决方案是,提供一种恒定转动速度作为至恒速发电机的输 入,从而使发电机又可以产生恒定频率输出并且直接将电力传输至电网330。以下实体己经 研发出或者正在研发变速器:IQWind、Fallbr〇〇k和VoitMind (Voith Turbo),以提供来自 可变输入的恒定输出。转让给德国Voith Turbo的美国专利第7081689号(‘689专利)举例说 明了提供三种发电机控制等级的总体系统控制设计。Voith提供了一种所谓的电力分流齿 轮和水动力Fottinger速度转换器或者变换器,该水动力Fottinger速度转换器或者变换器 适应于连接在转子和齿轮组件与同步发电机之间,以便例如以5〇Hz (欧洲)的频率将电力输 出至电网。
[0013]风轮机的许多问题会被转入径流式和潮汐涡轮机。存在必须将变频输入转换为恒 定频率输出的相同问题。另一方面,水的密度(质量)大得多,并且其速度不会像风速一样变 化。通常,河流在一个方向上流动,主洋流也如此。然而,在海洋和其他大型水体中的波浪的 产生则会随着风和天气而变化。海岸波浪更易于预测,并且强退浪可以用于发电。
[0014] 现在参照图4,示出了一种通过使用机械直接驱动400改进风轮机的构思,在机械 直接驱动400中,转子(表示为405)和轴(表示为409)驱动发电机414。直接驱动可以用于直 接驱动发电机,而不使用齿轮箱,即,直接驱动发电机。可以通过利用直接驱动取消齿轮箱, 来消除齿轮箱的故障和效率问题。可以将柱杆的数量增加50倍并且使用电源转换器320,结 果是,以由于直接驱动组件400引起的成本增加为代价,减少维修所需的停机时间。在美国 专利第8388481号中公开了一种将可变速度转换为恒定速度的速度转换器,该速度转换器 完全是机械的,所以改善了已知电气/机械系统的高故障率、可靠性和效率。在图5中示出了 正在研发中的速度转换器,可以将该速度转换器描述为无级变速转换器。
[0015] 参照图5,皮带与滑轮驱动的无级变速器(CVT)是已知的,但是其取决于摩擦驱动 并且不可伸缩。牵引驱动无级变速器是己知的,由Torotrak和Fallbrook生产。可以通过美 国专利第8133149号描述Fallbrook装置。2004年报告(NREL/TP-500-36371)的结论是 Fallbrook装置不可伸缩。通过微分动力基团(Differential Dynamics Corp)的美国专利 8641570的图10和图11描述了其他的速度转换器。(也称为DDMotion) dDMotion速度转换器 与Torotrak和Fallbrook的速度转换器的区别在于其齿轮驱动(无滑轮或者皮带)并且这些 齿轮驱动可伸缩。现在,将参照图6至图11对已知的河流和海洋装置进行论述。
[0016] 现有技术图6示出了由Hydrovolts公司生产的涡轮机的线条图。所描绘的装置600 似乎包括水轮610并且可以包括齿轮和皮带驱动(在箱体内部,未示出)。由于皮带的缘故, 该齿轮和皮带驱动可能容易滑落。在其网站中,15kW的瀑布式涡轮机被描述为用于瀑布处, 诸如,用于溢洪道处或者在工业厂房中的溢流处。Hydrovolts还生产了一款12kW的零头式 运河涡轮机,据称可以捕获移动水中的能量,可以参照于2010年9月23日公开的Hammer的美 国专利申请2010/0237626,其似乎包括水轮构造。Hydrovolts的旋转(铰接)叶片可以控制 一些水流速度,但是需要注意的是旋转叶片可能容易损坏。
[0017] 现在参照图7,提供了一种归Free Flow Power集团所有的可以一直下降到密西西 比河的底部或者附接至桩基的河流涡轮机700的机械透视图。人们认为,装置700包括与飞 机的涡轮发动机非常相似的装置720,只不过是在水面之下,并且,水,由于速度的缘故,驱 动涡轮螺旋桨710。由于降低了天然气的价格,所以该工程从经济上不可行(根据2012年的 新闻发布)。
[0018]本领域中众所周知的是利用看起来更像风轮机的装置来捕获水能。参照图8,示出 了从美国公开申请2009/0041584的图1摘取的潮汐和/或河流涡轮机的机械图。该图提供了 标记,示出了水流“A”的方向(从右到左)。注意,涡轮机在柱杆上转动,从而当水通过时使转 子叶片150捕获水。该装置可从Verdant Power购买并且可以进一步通过2009年2月12日的 美国公开专利申请2009/0041584来描述。恭敬地提交的是Verdant Power目前可能正在加 强其叶片并且增加节距控制。
[0019] 参照图9,示出了包括可从Oceana Energy公司购买的旋转环910的旋转环装置900 的机械前视图。从美国公开专利申请2〇12/0211990的图1摘取的该涡轮机图宣称在旋转环 的外部和内部都包括水翼。该装置可以进一步通过Oceana Energy在2012年8月23日的美国 公开专利申请2012/021190来描述。
[0020] 也许,在外观上最像风轮机的是伊比德罗拉(Iberdrola)的部门ScottishPower Renewables的潮汐能涡轮机1000。根据新闻发布,具有螺旋桨(转子叶片)的该潮汐装置 1000能够生成大约10MW的电力,作为12个或者更多个这种装置的“阵列”,每个生成的电力 小于1MW。
[0021]装置也以利用水波浪(诸如,海浪)中的电力而见长。这种装置是已知的并且可从 Pelamis Wave Power购买。参照从Pelamis的美国公开专利申请2013/0239566的图1中摘取 的图llA,Pelamis装置10漂浮在海洋中,该装置10可以包括多个铰接的部分12-A、12-B、 12-C、12-D和12E。参照图11B和图11C,示出了从左到右的波浪方向。当波浪通过铰接的部分 时,部分12A至12E随着波浪的高度而上下运动。由此,波浪产生移动,该移动可以用于发电。 可以这么说,波浪越高,移动越大;大海越平静,移动越小。在2013年9月19日的美国公开专 利申请2013/0239566中提供了另一些细节。
[0022]现在参照图12,是美国地图,示出了主要的河流,包括俄亥俄河、密西西比河、密苏 里河、斯内克河、以及德克赛斯州的佩科斯河和布拉索斯河。从地图中可以看出,利用美国 的这些河流的水能并且向,例如,由密西西比河及其支流(包括密苏里河、普拉特河和红河 谷)覆盖的整个区域供电具有很大的潜力。使用水坝成本会很高。也许,只有Free Flow Power (图7)已经研发出了用于河流(诸如,密西西比河)的装置(但是Free Plow Power在 2012年放弃了密西西比河工程)。
[0023] 参照图13,是世界地图,示出了世界上的主要河流,进一步突出了利用世界范围内 的河流的水能的潜力。最后,参照图14,是海洋地图,示出了主要的洋流。靠近美国,有众所 周知的沿着美国的东海岸向北流动的墨西哥湾流1401的强洋流。在美国的西海岸,有众所 周知的始于北太平洋漂流并且穿过加利福利亚的南向洋流1402 (称为加利福利亚沿岸流)。 其他重要的洋流包括但不限于秘鲁/东澳大利亚洋流1403、巴西洋流/本吉拉海流1404、西 风漂流1405、西澳大利亚洋流1406、黑潮1407和北大西洋漂流1408。这些强大洋流是众所周 知的并且具有生成相当大电力量的潜力,但是目前未用于发电,并且目前也没有人相信可 用于发电。(同样,可预测的海洋潮汐使水在高潮时在海洋支流中向上游流动,并且在低潮 时在海洋支流中向下游流动,并且可以更广泛地用于发电。)
[0024] 参照现有技术图15,示出了典型的水力发电厂的示意图。在该方法中利用水能的 第一步是修建水坝1510以产生与该水坝储备的水的深度成比例的压头。储备的水用蓄水池 1503表示。在水坝1510的基部,可以存在使已经由压头压缩的水流经水渠1516到达发电室 15〇5的进口闸门1501,发电室15〇5是可以沿着大型水坝的宽度建造的许多这种发电室1505 中的一个。一个发电室1505可以包括发电机1514和涡轮机1518,涡轮机1518将电力输出至 长距离电力线1522。一旦水通过涡轮机,便会回到河流1520中。发电机和涡轮机的细节如图 15B所示。发电机1514可以包括定子1525和转子1528,其中,转子由涡轮机发电机轴1530转 动。发电机1514产生电网频率的电力,然后馈送给电网1522。涡轮机1518可以包括用于控制 至涡轮机1518的水流1529的量的导叶栅1532。导叶栅1532允许水流经涡轮机转子叶片1534 然后向下游流动到已经筑坝的河流1520。
[0025] 参照图16A至图16D,示出了初次出现在美国专利第8485933号的图11和图12中的 径流式涡轮机。保护肋1111 (图11)已经从图11B和图12B所示的输入移开,以保护在当前的 图WA和图中视为保护肋163〇的水轮16〇8,保护肋163〇从块1605处延伸出来以部分地覆 盖水轮1608。图11B的保护肋1111和最近在图1仙中示出的保护肋1630-4、1630-5和1630-6 可以用于两种目的:保护至水轮1608的水输入避开大碎屑、以及将水引导向水轮1608。在图 16A至图16D中,看见水流从左侧进入并且经由与水渠相似的斜坡部分在块1605上流动,然 后在块1605的带平整表面的顶部上流动至舱口 1612,舱口 1612可以是弹簧加载式(弹簧未 示出)或者传感器控制型,因此,根据水的体积和速度、水流的方向和弹簧(未示出)的弹簧 常数,从图16A所示的完全打开位置自动调整到图1册所示的部分关闭位置再到图16C所示 的完全关闭位置。例如,在洪涝条件下,图16C的涡轮机可以使其舱口 1612完全关闭。弹簧常 数可以选择为与舱口唇部(未示出)的具体特征相匹配,以便当水流向水轮1608的转子叶片 时截获水。图16D示出了将水引导至块1605的基部的保护肋1630-1至1630-6和水导向件或 者文丘里管1630-4和1630-6,水在块1605之上流动并且流至受保护肋1630-1至1630-3保护 的水轮16〇8以生成电力。在本说明书中,本发明的所有描绘的实施例并未按比例绘制,并且 旨在描绘可以利用的并且在不同应用(诸如,浅河流、湍急河流;深河流、长河流、洋流、潮汐 河口等)中大小不同的构思。保护肋163〇的数量和位置只是示例性的,并不旨在构成限制。 同样,附图标记的第一个数字或者前面多个数字表示指定部件初次出现的地方。因此,例 如,块1605在具有图16A至16D之后的数字的附图中具有一致的标记。
[0026]所有上面识别出来的专利和公开的申请的全部内容均通过引用的方式并入本文。 [0027]即使利用来自上述识别出来的实体、专利申请和专利的对风轮机、河流涡轮机和 海洋涡轮机的上述改进,在本领域中,仍然需要通过用于径流以及用于洋流和潮汐的涡轮 机和发电机的其他实施例,以例如对可扩展性、效率、可靠性和增加的发电做出进一步的提 高和改进。
发明内容
[0028]本“发明内容”部分用于介绍构思的选取。下面将在“具体实施方式”部分中进一步 描述这些构思。本“发明内容”部分不旨在识别所请求主题的关键特征或者本质特征,也不 旨在帮助确定所请求主题的范围。这些构思涉及具有恒速发电机的径流式涡轮机和/或洋 流涡轮机的实施例和动力输出组件和开关的实施例的利用,这些动力输出组件和开关有效 利用Transgear组件和其他组件来控制发电,例如,如本文将进一步描述的在体积和流动方 向方面上可变化的水流的情况下。
[0029] 简要参照图16A至图16D,示出了也可以用于洋流流动的DDMotion径流式涡轮机的 一些基本构思。示出了可以使涡轮机组件上升到污泥或者其他河流(或者海洋)底部碎屑之 上的河流底部平台1640。安装在河流底部平台上的可以是包括块16〇5的组件,以使从左侧 进入的流或者河水随着在舱口 1612水位处流动的水一起加速并且增压,从而使块1605具有 如图16A所示的完全打开的舱口组件1612的水位处传送并且产生增加的压力和流量的水渠 功能。当水在块1605的平顶之上流动时,块1605允许水流被水轮1608的转子叶片直接截获。 注意,转子叶片在某一个位置上可以直接水平于块1605的水平平顶部分或者与块1605的水 平平顶部分处于同一平面,以便直接到达水轮1608的左侧。(为了清楚地解释该构思,水轮 1608的转子叶片用直线描绘,并且叶片的数量可以固定为八个,但是叶片形状和叶片的数 量则根据给定条件而优化。)水轮舱口 1612处于正常完全打开的位置,但是可以通过在舱口 1612的左侧处的小唇部(未示出)和附接至舱口 1612的弹簧组件(未示出)或者传感器和伺 服电机(未示出)来启动,以便测量并且随着增加的水压移动至图16B所示的部分关闭位置。 唇部的大小和弹簧的弹簧常数可以具体选择,以便当水流向水轮1608时匹配块1605之上的 期望正常水流速度。如果图16的这些径流式涡轮机实施例1600放置在水运的流动范围之 夕卜,但是通常沿着强河流(诸如,密西西比河)的整体长度串联放置,那么迫切要求沿着密西 西比河的河岸的全部人口都可以通过这一连串的径流式涡轮机1600供电。现在,将参照图 17A至图17D对基本正齿轮Transgear组件进行论述。
[0030] 参照图17A至图17D,示出了基本正齿轮Transgear组件,首次出现为US 8388481的 图4B、US 8485933的图1、以及US 8641570的图3。根据本发明,正齿轮Transgear组件可以包 括用于图16A的水轮的简单推动开关或者动力输出(PT0)。此外,蜗杆与蜗轮组件可以用作 动力输出控制,并且与首次在美国专利第8485933号的图2A中示出的正齿轮Transgear离合 器组件一起处于常锁位置。当第一正齿轮Transgear组件和第二正齿轮Transgear组件与公 共轴和方向控制一起并排使用时,这种实施例可以与第一正齿轮Transgear组件一起用作 对动力输出、顺时针水轮转动方向的保持,而第二正齿轮Transgear组件可以用作对动力输 出、逆时针转动方向的保持。因此,这两个正齿轮组件可以形成双向动力输出开关。
[0031]在本发明的另一实施例中,该双向动力输出开关可以通过蜗杆与蜗轮组件来增 强,以便连接至动力输出通常所在的顺时针正齿轮Transgear组件。
[0032]对于控制多个方向的水流输入,多组双向开关是可行的。例如,针对至水轮的这种 多方向的水流输入,可以使用两组或者多组双向正齿轮Transgear组件结合顺时针转动方 向的蜗杆与蜗轮组件控制。
[0033]除了舱口的舱口唇部和弹簧控制之外,可以使用传感器来测量流速和/或转子RPM 或者发电机RPM,并且经由伺服电机、电源(备用电池)或者使用从发电机抽出的生成的电力 来控制舱口,以便通过控制舱口的打开和关闭的程度来增加或者减少流至水轮的水量。舱 口本身可以通过由水轮提供动力的正齿轮Transgear组件来控制,同样地,例如,以同样的 方式,牵引机PT0由牵引机的发动机结合正齿轮Transgear组件连接至蜗杆与蜗轮组件所在 处的盘来提供动力,如本文中将进一步论述的。
[0034] —般而言,与蜗杆与蜗轮组件结合的正齒轮Transgear组件可以用于锁定控制反 馈或者溢流,并且使轮rpm尽可能恒定,从而产生可以作为恒定频率输出的恒定电频率。 [0035]在其他实施例中,正齿轮Transgear组件可以用作多个水轮输入的累加器。本文将 对Transgear组件用作累计器的三个实施例进行论述。也可以有增用于舱口的粗略控制和 舱口控制型水轮(轴)rpm的精调并且使用正齿轮Transgear组件来累加粗调输入和精调输 入以用于至己知齿轮箱的输出的组件。同样,针对至已知齿轮箱和发电机的输入,已知的恒 速发电机可以与粗调和精调以及累加器一起使用,以确保发电机的恒定速度。粗调是通过 根据水流打开和关闭舱口来对水轮的转动速度进行控制。精调是二级控制,用于控制已经 经过粗略舱口控制控制后的水轮轴的转动速度。
[0036]本文将论述用于径流式或者洋流涡轮机的各种平台。除了河流或者海洋洪涝底部 平台(其中,水流从块的顶部进入)之外,涡轮机可以安装至浮动平台。径流式涡轮机的Free Flow Power密西西比河实施例可能已经降到水面之下并且安装在平台或者河流底部上。在 本发明的实施例中,除了涡轮机冰轮)和舱口之外,包括舱口控制、RPM控制、齿轮箱和发电 机在内的所有部件均可以安装至浮动平台的顶部,但是同样可以通过线连接至电网再到陆 地。在另一个实施例中,可以修建或者已经存在平行于水流的垂直壁,诸如桥的平台,以便 将径流涡轮机安装在平台的一侧或者两侧上。在水流的方向急剧变化时,诸如,例如,当高 潮水流入然后在低潮时反向并且流出海洋支流回到海洋时,涡轮机可以是侧面进水的并且 面朝一个方向具有一个涡轮机以及面朝相反的方向具有另一个涡轮机(分别用于高潮汐和 低潮汐)。本发明的径流式涡轮机的实施例可以是侧面安装型并且从低于水平面的桥堤岸 的各侧侧面进水,或者安装在来自河流底部的水平平台、浮动平台或者安装在水平方向上。 在另一个实施例中,在河流可能,例如,从正常方向稍微变化至另一个方向(例如,上面给出 的潮汐河口示例)的情况下,该径流式或者洋流涡轮机可以从柱杆安装有水轮的一侧进水 并且具有尾翼。柱杆和尾部构思也可以适用于舱口控制型垂直轴风轮机。
[0037]将参照在具有变化的定向流、洋流、潮汐流、波流等的河流中的具体应用对这多种 技术进行进一步地描述。所有这些技术促进了比根据本领域的现状已知的涡轮机更高效 的、更可靠的、具有对电网的更高发电能力的涡轮机。在下面的附图和对附图的说明中描述 了这多种技术。
附图说明
[0038]本发明的特征和优点将通过下面结合附图所阐述的详细说明而变得更加显而易 见,在附图中,类似的附图标记可以表示相同的或者功能相似的元件。
[0039]图1(现有技术)包括表,该表示出了分为煤、天然气、石油、核能源和大批的可再生 能源(包括所有类型的可再生能源)的美国电力能源。
[0040]图2 (现有技术)包括表,该表示出了美国可再生电能源,其按照所有美国可再生能 源的最大百分比到最小百分比的顺序分为生物质能源、水电能源、地热能、风能和太阳能。 [0041]图3 (现有技术)示出了初次表示为美国专利第83884S1号的已知或者常规风轮机 及其内部构造。
[0042]图4 (现有技术)为了比较目的示出了图3的常规风轮机的图,该风轮机无齿轮箱, 具有数量增加的发电机柱杆的发电机,具有用于风轮机的直接驱动,该直接驱动具有与常 规风轮机一样的故障和更换成本问题。可变转子(螺旋桨)速度到恒定电频率输出的转换是 风轮机和水轮机共有的问题。
[0043]图5示出了处于研发中的多个常规机械速度转换器,包括皮带和滑轮转换器、具有 摩擦和牵引驱动并且无级变速的Tortrak转换器和Fal lbrook转换器、以及例如从美国专利 第8641570号的图10和图11得知的DDMotion棘轮型速度转换器,该DDMotion棘轮型速度转 换器可扩展并且具有齿轮驱动(而其他不可扩展)。
[0044] 图6至图10 (现有技术)示出了来自各个生产商的本领域中已知的各种涡轮机,其 中,图6包括来自Hydrovolts公司的用于溢洪道和运河的水轮涡轮机的透视图;图7包括用 于搁在河流底部的涡轮机的透视图,该涡轮机曾经是从Free Flow Power集团购买并且可 能已经安装在河流底部平台上;图8包括潮汐或者河流涡轮机的侧视图的机械图,其中,水 流A的方向是从右到左并且可以与潮汐流或者河流一起使用;图9是来自Oceana Energy公 司的用于潮汐河口和河流的在其上和其内安装有水翼的旋转环的前视图;以及图10是位于 海洋的地面上的用于潮汐发电的已知螺旋桨驱动型涡轮机的透视图。
[0045] 图11A (现有技术)是可从Pelamis Wave Power购买的海浪发电系统的侧视图的机 械图,该海浪发电系统包括随着波浪运动上升并且下降的多个部分,由波浪运动引起的该 多个部分的运动从而产生电力,如11B和图11C的波浪运动图所示。
[0046]图12 (现有技术)示出了已知的示出有主要河流的美国地图。
[0047]图13 (现有技术)示出了已知的示出有主要河流的世界地图。
[0048]图14 (现有技术)示出了已知的示出有主要洋流的世界地图。
[0049]图15A和图15B (现有技术)示出了河流水坝的典型水电发电机的横截面图,该河流 水坝包括用于在高压头下将水从水坝的较深部分引导至发电机和涡轮机的水渠,在该发电 机和涡轮机处,水允许在流经发电机发电室之后向下游回到比水坝低的河流中。
[0050]图16A、图16B、图16C和图16D示出了首次在具有由例如弹簧加载式舱口基于水流 提供的舱口控制的美国专利第8485933号的图11和图12中描述的实施例中介绍的DDMotion 径流式涡轮机,其中,图16A示出了完全打开的舱口;图16B示出了部分关闭的舱口;图16C示 出了当舱口可以完全关闭时的异常条件,例如,洪涝条件;以及图16D示出了俯视图,在顶部 可以更好地看出水轮保护肋1630保护水轮的转子叶片避开海草或者漂浮碎肩。
[0051] 图17A至图17D包括首次出现在US 8388481的图4B、US 8485933的图1和US8641S70 的图3中的基本正齿轮Transgear组件的机械装配图,其中,图17A是沿着线A-A的左侧视图; 图17B是前视图;图17C是沿着线B-B的右侧视图;以及图17D是Transgear组件从B侧的透视 图(为了清晰可见,去除了托架盘)。
[0052]图18A至图18C提供了本发明的实施例的径流式或者洋流涡轮机的机械图,其中, 图18A提供了示出了位于平台上的块、水轮和图丨6A的舱口的侧视图;图18B示出了包括块、 轮子和舱口的俯视图,在俯视图中,具有用于引导块和水轮之上的水的水导向件(文丘里 管)或者保护肋;以及图18C示出了包括水轮1608和水轮轴1820在内的机械运动部件的横截 面视图,其中,水轮轴1820是至横截面视图中图17A、图17B和图17C的正齿轮Transgear组件 的输入,动力输出(PT0)是围绕水轮输出轴的套管1706,并且Transgear组件可以是动力输 出开关。
[0053]图19提供了包括径流式或者洋流祸轮机的第二实施例的运动部件的横截面视图 的机械图,该径流式或者洋流涡轮机具有功率输出的蜗杆与蜗轮组件控制,该蜗杆与蜗轮 组件控制经由蜗轮到达控制齿轮与蜗轮组件啮合的位置处的加重正齿轮Transgear组件并 且经由盘到达套管再到达右太阳齿轮,以提供对水轮的左太阳齿轮的控制,其中,保持过桥 齿轮以便动力输出,并且蜗轮轴1928是常锁的。
[0054]图2〇提供了包括用于水轮和输入轴的双向开关(动力输出(pT0))的运动部件的横 截面视图的机械图,该双向开关包括弟一正齿轮Transgear组件和第二正齿轮Transgear组 件,其中一个是具有用于顺时针输出的保持的基本正齿轮组件,而第二组件具有用于逆时 针转动的保持,其具有连接至套管和右太阳齿轮或者与套管和右太阳齿轮联接的控制齿 轮,从而可以在水流的任何方向上具有PTO输出。
[0055]图21提供了包括用于水轮和输入轴的另一种双向开关(动力输出(PT0))的运动部 件的横截面视图的机械图,该另一种双向开关具有第一正齿轮Transgear组件和第二正齿 轮Transgear组件,其中一个用于输入轴转动的各个方向和除了控制齿轮和轴外的蜗杆蜗 轮组件以便控制动力输出。
[0056]图22提供了包括为两组双向开关(动力输出(PT0))的运动部件的横截面视图的机 械图,示出了多组开关可能用于切换与对应的蜗杆蜗轮组件的第一动力输出和第二动力输 出面对面的输入轴的转动方向;(各对Transgear和蜗杆蜗轮组件可以均用于顺时针或者逆 时针转动)。
[0057]图23示出了首次在美国专利8485933的图11C和图12C中看见的弹簧控制的舱口唇 部,其中,沿着块1605向上流动的水可以向上抬升舱口唇部1615,从而导致在受到附接至舱 口 1612的弹簧2302的张力的反击时使舱口上升并且关闭舱口。
[0058]图24示出了首次如美国专利第8485933号的图11B和图12B中所见的流量致动的处 理器的简化图,其中,在这些顶视图中水流示为是输入至处理器以便经由私服电机控制恒 速发电机的变速或者舱口的运动。
[0059]图25不出了包括第一Transgear组件和第二Transgear组件的水轮舱口控制组件 以及包括用于打开舱口输入的保持和用于关闭舱口输入的保持的蜗杆蜗轮组件的运动部 件的横截面视图。
[0060] 图26提供了在与按年计的小时频率相对的河流的最小或者干旱条件与最大或者 洪涝条件之间的额定转动速度的曲线图,理想的情况是,额定速度在一年内尽可能地保持 在预定转动速度限制的范围内。
[0061] 图27C和图27D示出了包括每次额定速度时通过使用Transgear组件和蜗杆蜗轮控 制组件将水轮转动速度保持在预定限制范围内的运动部件的横截面视图的整体机械图,其 中,图27C示出了保持减小转动速度(水轮速度设计为比图27A所示的额定速度更快),而图 27D示出了保持增加转动速度(水轮速度设计为比图27B所示的额定速度更慢)。
[0062] 图28A和图28B示出了一起使用图27C和图27D的概观,图28B是具有单个蜗杆和蜗 轮组件的运动部件的横截面视图,蜗杆和蜗轮组件两者都用于在干旱或者洪涝条件期间增 加转动速度和减小转动速度。水轮速度设计为如图28A所示的额定速度。
[0063] 图29A、图29B和图29C在具有两个独立输入和一个输出的DDMotion的基本正齿轮 Transgear组件的移动部件的横截面图中示出了相应的机械图。如图29A所示,输入# 1是穿 过轴2905的托架,输入#2是穿过套筒2910的顶部太阳齿轮2901,并且输出是穿过套筒293〇 的底部太阳齿轮2902。如图29B所示,两个输入是穿过轴2930的托架和穿过套筒291〇的底部 太阳齿轮2902,并且输出是穿过套筒2930的顶部太阳齿轮2901。如图29C所示,两个输入是 穿过套筒2905的顶部太阳齿轮2901和穿过套筒291〇的底部太阳齿轮2902,并且输出是穿过 轴2930的托架
[0064]图30是机械图,包括本发明的河流涡轮机的另一实施例的移动部件的横截面图, 其中,利用分别包括Transgear组件和蜗杆与涡轮组件的第一动力输出控制和第二动力输 出控制进行粗调和精调,而使用根据图29A、图29B或图29C中的一个的另一Transgear组件 将两个输入(粗略和精细)累加为朝向齿轮箱和发电机(未示出)的一个输出。
[0065]图31示出了机械图,该机械图包括用于提供舱口控制(粗调)、精调(rpm调整)、累 加的移动部件、以及用于提供恒定的和增加的转动速度输出的齿轮箱、以及恒速发电机的 横截面图。
[0066]图32示出了本发明的顶部进水舱口控制型径流式涡轮机的侧视图,舱口完全打 开。
[0067]图33示出了本发明的径流式涡轮机,该径流式涡轮机是底部进水式或者安装至浮 动平台的底部,从而使得水向下流到块之下并且进入水轮,该水轮具有在图33中示出为完 全打开的舱口。
[0068]图34A和图34B包括本发明的进水径流式涡轮机的俯视图,该侧进水径流式涡轮机 安装至如图34A所示的可以是连续的垂直壁、或者如图34B所示的可以带轮廓线(具有平台) 并且安装至水平平台的垂直壁的一侧。
[0069]图35A和图35B包括侧进水径流式涡轮机的俯视图,该侧进水径流式涡轮机安装为 旋转移动到在图35B的侧视图中可以看到的柱杆,该柱杆固定至平台或者固定至河床,据 此,尾翼可以用于使侧进水径流式涡轮机指向水流的方向。该构思也可以适用于具有轮式 转子(垂直轴或者水平轴)的舱口控制型水轮机。
[0070] 图36A和图36B示出了例如在潮汐可以将朝着陆地(高潮)的河道水流的方向改变 为朝着海洋(低潮)的潮汐河口中的使用的示例性实施例,其中,两个涡轮机中的每一个相 对地对齐,从而使得在高潮或者低潮期间启动一个涡轮机或者另一个涡轮机。
[0071] 图37A和图37B分别示出了安装在平台上的顶部进水径流式涡轮机的侧视图和对 应的横截面俯视图,示出了齿轮组件和发电机彼此接近并且包含在水轮内,从而使得齿轮 组件可以围绕水轮轴。
[0072]不应该将本发明的附图考虑为是按比例绘制而成,并且部件或者形状的相应尺寸 可以变化以符合特定应用,诸如,用在洋流、大河流、小山涧等中。将在下面对附图的详细说 明中进一步描述针对各个实施例的新颖径流式涡轮机的变型和技术的这些应用。
具体实施方式
[0073]本发明涉及,例如,具有块(或者相当于水渠)、水轮(相当于涡轮机)、舱口(相当于 导叶栅)Jransgear组件控制、以及恒速发电机的径流式涡轮机的应用,据此,Transgear组 件可以广泛用作舱口控制(粗调)、rpm调整(精调)和累加器。将参照图16至图37描述实施例 以及实施例的各个方面,其中,图16 A至图16D提供了舱口控制的概览;图17A至图17C示出了 基本正齿轮Transgear组件的实施例;图18A至图22示出了利用Transgear组件的动力输出 推动开关的多个实施例;图27A至图28B涉及利用Transgear组件来提供恒定输出速度、以及 由此提供恒定电频率以馈送至电网的实施例;图29A、图29B和图29C示出了具有两个输入和 一个输出的Transgear组件的使用;图30提供了被控制为提供粗调和精调并且通过使用图 29A、图29B或图29C的Transgear组件将两个输入累加为一个输出的径流式涡轮机的概览; 图31示出了向图30增加了齿轮箱和已知的恒速发电机,以输出至电网;以及图32至图37B示 出了针对本发明的水轮机的各种安装布置,据此,应用可以包括潮汐流、河流、洋流,并且示 出了如何有效地将发电机和齿轮组件容置在水轮内部并且以水轮轴为中心。因此,示出了 移动部件的横截面图的许多图并未按比例绘制,包括但不限于图18C、图19至图22、图25、图 27C和图27D、图28B和图30至图31。
[0074]首先参照图16A至图16D,本发明的基本径流式或者洋流涡轮机1600用可扩展 Transgear控制型组件替代了来自风轮机领域的的已知变频转换器(VFC)(有时称为电源转 换器或者电源电子器件),该可扩展Transgear控制型组件包含舱口 1612,该舱口1612定位 为接近块1605,该块1605用作水渠以使水轮1608按照受控的速度转动。所描绘的实施例从 顶部进水,并且旨在安装在平台上,例如,河流底部平台1640,该平台建造在河床或者海床 上,离地面足够高,以避免污泥、沙子或者碎屑累积在平台1640的基座处。保护肋1630保护 设备避开浮动的碎肩,并且可以帮助将水流引导致水轮1608。假设河流或者洋流在干旱到 洪涝范围内的条件期间或者在危险的气候条件下具有水流速率变化,舱口 1612旨在被控制 为限制至水轮的水流的量(水流的速度),水流示出为从左侧进入。在水流向上移动到块(7_K 渠)1605处并且与水轮1608相接触时,水流的速度增加,从而,由于大转动速度下的水的质 量和速度,水轮转动。在一个实施例中,简单的弹簧可以附接至舱口 1612和配备有唇部的舱 口,以截获上升的水流,如美国专利第8485933号的图11C和图12C所示。由此可以对舱口进 行调节,以通过克服弹簧的张力而上升的唇部来控制水流动的速度,并且,如果处于足够高 的速度,水流具有足够的质量和速度在极端条件(诸如,洪涝条件)下完全关闭舱口(但是水 轮可以被控制为仍然以恒速转动)。可替代地,如‘933专利的图11B和图12B(俯视图)所示, 表示为1116、1206/1205的装置示出为提供水流指示,以控制箱体1121、1210,以控制用于恒 速发电机1119的变比齿轮1118。在图12B中,除了经由舱口支架1108提供用于舱口控制的伺 服电机1116和蜗杆1115之外,还提供伺服电机1206进行输入补偿以及流动控制。
[0075]如图16A所示,舱口 1612示出为完全打开,并且满足干旱和正常期望水流的需要, 除非是在不常见的情况下。例如,在暴雨期间,舱口 1612可以部分地关闭到水轮1608之上, 以限制水轮1608的转动速度,如图16B所示。在图16C中,舱口 1610可以完全关闭,例如,在特 大洪涝条件期间。可以进一步遵循‘933专利图11和图12的原理,以通过变速输入提供恒速 发电机,如现有技术中已知的,并且具有的优点在于,无需修建昂贵的水坝,不影响水运,并 且,通过沿着河流的长度方向上修建一些列这种涡轮机,在整个河流(诸如,密西西比河)的 长度方向上可以捕获水动力能。因为实施例是全机械的并且由齿轮控制,所以存在更好的 扩展性、可靠性和效率。人们认为,一个这种涡轮机1600可以生成多达几兆瓦的电力,远高 于太阳能或者风能,并且比修建水坝的成本更低。
[0076] 在根据本发明的实施例的径流式或者洋流涡轮机的构造中,控制部件(三种变量 控制技术)是Transgear组件。如此处将论述的,Transgear组件可以提供舱口控制、rpm控 制,并且,在多个实施例中,可以用作输入累加器和用作动力输出开关。在图17A左侧视图中 的线A-A、图17B前视图和图17C右侧视图中的线B-B示出了 一个这种基本正齿轮Transgear 组件。图17D提供了侧视图B的透视图。下面将对此进行进一步阐释。其他Transgear组件实 施例包括,但不限于,在涉及恒速转换的变速流的美国专利第8,388,481号的图3C中针对风 轮机的速度控制以及图4B、图5A、图6B、图7和图10中针对反馈控制示出的Transgear组件实 施例。在美国专利第8485933号中,应该参照图1A、图1B和图1C的正齿轮Transgear组件、图 2A、图2B和图2C的正齿轮Transgear离合器、图4的IVMC速度转换器、以及在图11B和图12B的 使用变比齿轮1119来控制恒速发电机1119。参照美国专利第8641570号,应该参照图1的锥 齿轮Transgear组件、图2的齿圈Transgear组件、图3的基本正齿轮Transgear组件、以及图 4A至图6B的另一些正齿轮Transgear组件。所有这些都可以如此处进一步论述的一样单独 地或者组合地用作图17A、图17B和图17C的基本正齿轮Transgear组件的替代,以产生各种 动力输出开关实施例,累加输入,并且调节速度。
[0077] 现在参照图UA、图17B和图1冗,基本正齿轮Transgear组件包括:轴1701,该轴 1701具有连接至轴1701或者与轴1701—体成型的第一太阳齿轮1707;套筒1706,该套筒 1706围绕该轴,具有连接至套筒1706或者与套筒1706—体成型的第二太阳齿轮1705。第一 太阳齿轮和第二太阳齿轮1707、1705通过控制组件联接在一起,该控制组件包括,例如,托 架盘或者齿轮1708、1709、销1710-1至1710-4、以及行星齿轮1703-1至1703-4。在所描绘的 实施例中,轴表示为17〇1。左太阳齿轮17〇7示出为连接至轴1701或者与轴1701—体成型。套 筒17〇6围绕轴17〇1。右太阳齿轮n〇5示出为连接至套筒1706或者与套筒1706—体成型。作 为控制,存在:位于轴上方和下方的组件、左右太阳齿轮和包括过桥齿轮1708、1709的套筒、 销1710-1至1710-4、以及星形齿轮1703-1至1703-4。在左侧视图或者右侧视图中,看到星形 齿轮17〇3-1至17〇3-4围绕相应的销niO-l至1H0-4。下面示出了用于控制的相似结构。基 本构思是三个变量控制:输入、输出和控制。贯穿以下论述的实施例中都使用了该原理,例 如,图18A至图22的实施例,用于示出具有如图16A至图16C的块的舱口型水轮机的动力输出 开关。
[0078]现在参照图ISA至图1SC,示出了水轮组件18〇〇的图16A至图16C的实施例,该水轮 组件1800示出为安装在平台上,用于从左侧实现顶部进水式水流。图18B示出了图18A的俯 视图,从而看得见朝内倾斜的保护肋163〇-4至1630-6,用于聚集来自左侧的水流向上前进 到块并且到达水轮16〇8。在块与保护肋1630-4至163〇-6之间,水流在与水轮1608的转子叶 片相接触时增加速度。图1SC在简化的推动开关(动力谁出)的移动部件的横截面图中提供 了另一些细节,该推动开关包括基本正齿轮Transgearl830。在左侧,可以看到控制输入保 持托架盘1708和1709(存在通过销接合的两个托架盘),例如,保持PT0输出。在本示例中,水 轮1608使轴1820以及与轴1820相关联的第一太阳齿轮转动。控制从左侧提供,并且PT0输出 (通常是中性的)由所描绘的围绕轴1820及其相关联的第二太阳齿轮1705的套筒1706提供。 水轮16〇8和轴182〇 (如此处将进一步描述的一样对其进行控制)生成水轮输出,可以将水轮 输出馈送至齿轮箱,以将转动限制调节到在预定界线内,并且然后,进入以所需频率(例如, 60Hz (在欧洲为50Hz))使涡轮机及其相关联的发电机转动。注意,在图18C中描绘的基本正 齿轮Transgear组件包括第一和第二托架17〇8、丨7〇9、第一和第二销2、以及第 一和第二行星齿轮1703-1和17〇3-2 (总共存在四个行星齿轮),作为控制。在图17A至图17D 中可以看到行星齿轮1703-3和1703-4,但是在图18C中隐藏了起来。
[0079]现在参照图19,示出了图18的实施例的增强型实施例的部件的横截面(并未按比 例绘制),也不出了具有同一个水轮输入轴1820、第一太阳齿轮17〇7、套筒1706、第二太阳齿 轮17〇5和相似控制的推动开关(动力输出(PT0))。然而,本控制已经修改为包括大直径齿轮 1902,该大直径齿轮1902此处称为太阳齿轮扩展齿轮,该齿轮联接至套筒1706或者与套筒 1706—体成型,该套筒1706与围绕涡轮轴1928的蜗杆与涡轮组件的蜗杆1918和涡轮1922的 控制齿轮1924和控制轴1926啮合。PTO输出的保持仍然从左侧提供,但是PTO输出(通常是锁 定的)由涡轮轴1928提供。在下面论述的另一些实施例中将看到相似的蜗杆、涡轮、锥齿轮 组件。
[00S0]现在参照图20,图2〇提供了增强型动力输出2000的另一个横截面,其中,对两个转 动方向进行了补偿。壳体围绕接近水轮16〇8的第一Transgear组件2010,以及其中,水轮轴 182〇是具有第一太阳齿轮17〇7的轴。在下方可以看到套筒1706和第二太阳齿轮1705,经由 太阳/过桥齿轮2002联接至第二Transgear组件2020。经由太阳齿轮扩展盘2004,Transgear 组件2010具有PTO输出顺时针转动的保持,并且Transgear组件2〇20具有PTO输出逆时针转 动的保持。轴W26连接至控制齿轮2024,其中,PT0输出通常是中性的。在本实施例中,第一 Transgear组件和第二Transgear组件联接至轴1犯6 (通常是中性的),以实现水轮输出的双 向转动。该动力输出开关2〇〇〇的应用的示例是针对在河口处的潮汐流,在河口处,潮汐每天 在高潮时流入并且在低潮时流出,所以水轮16〇8可以在任何转动方向上具有动力输出,这 取决于潮汐流。可以通过使用已经介绍过的并且现在参照图21将描述的涡流控制组件,来 进一步增强该双向实施例。
[0081]现在参照图21,示出了双向开关(PT0)的另一实施例(横截面,并未按比例绘制), 该双向开关在左侧相对于第一 Transgear组件2〇 10具有PT0输出顺时针的保持以及相对于 Transgear组件2〇20具有PT0输出逆时针的保持。在本实施例中,如在具有蜗杆1918、涡轮 1922的图19中初次介绍的一样,重复锥形蜗杆涡轮组件,但却包括位于控制轴1926上的控 制齿轮2024,其中,涡轮轴1928通常是锁定的,但是,当潮汐到来或者离开时,启动PT0,以实 现水轮1608的反向或者逆时针转动。PT0输出由涡轮轴1928提供。现在将参照图22论述最终 动力输出实施例,该图22具有两组双向开关(PT0),其中,在图21中仅示出了一组双向开关。 [0082]图22提供了示出为实施例2200的一对这种双向开关(PT0)的机械图(部件的横截 面,并未按比例绘制)。针对实施例2200中的四个Transgear组件,在第一对Transgear组件 2210和2220中,Transgear组件2210具有PT0输出#1顺时针转动的保持,并且Transgear组件 2220具有PT0输出#1逆时针转动的保持,具有上面针对该对Transgear组件2210和2220示出 并且描述的该锥形蜗杆涡轮组件。水轮轴1820穿过这两对Transgear组件,其中,第三和第 四Transgear组件2230、2240由第二锥形蜗杆涡轮组件控制。在第二对Transgear组件2230 和2240中,Transgear组件223〇具有PT0输出#2顺时针转动的保持,并且Transgear组件2240 具有PT0输出#2逆时针转动的保持,具有上面针对该对Transgear组件2230和2240示出并且 描述的该锥形蜗杆涡轮组件。在右侧,针对实施例2200,由轴1928-1提供的针对顺时针和逆 时针转动方向的PT0输出#1通常如由轴1928_2提供的针对顺时针和逆时针转动方向的pT0 输出#2—样被锁定。图22展示了多组PT0开关都可用于同一个水轮1608。经由同一个水轮轴 1820,来操作所有四个Transgear组件,因此,如图37所示,可以都包含在水轮内。现在将参 照图23至图25描述舱口控制,其中,图23包括最简单的控制,g卩,用于接收水流并且动作以 套上弹簧的弹簧加载式舱口和舱口唇部。
[0083]图23提供了图16的水轮的机械图,该图经修改示出了舱口唇部丨615。水轮丨608可 以包括八个转子叶片16〇8_A至1608-H,其中,例如,转子叶片1 6〇8-a示出为在水平位置,并 且转子叶片1608-G示出为准备接收在水流过块1605时来自左侧的水流,并且,由于其倾斜, 块1605用作水渠,并且增加水速度并且在水冲击舱口唇部1615时送水。如果弹簧23〇2(弹簧 2302附接至舱口,附接点(未示出)是设计选择)的张力和弹簧常数较强或者较高,那么,舱 口唇部1615不会随着,例如,期望的水流移动。另一方面,随着水流速度增加超过基准速度, 舱口唇部1615会上升,套上弹簧2302,并且水流速度可以在舱口唇部1615以及与其附接的 舱口 1612上升时下降,因此防止水流以该速度到达水轮1608,导致舱口唇部1615上升。图23 由此提供了一种依赖于与舱口唇部1615相接触的弹簧常数和水速度的简单舱口控制形式。 水轮1608的转子叶片被拉直,并且转子叶片的数量可以是固定的,例如,八个,但是,转子叶 片的叶片形状和数量可以根据给定条件和应用而优化(河流、潮汐、洋流、在地理应用区域 中的典型气候,等等)。
[0084] 现在参照图24,利用了传感器2410(诸如,已知的流动速率传感器、水流方向传感 器、转子RPM或者发电机RPM的测量)的第二种舱口控制形式可以触发处理器2430启动致动 器2420,该致动器2420可以包括伺服电机、电源、电池和用于舱口 1612的控制。流动速率或 者方向传感器可以位于,例如,块1605的顶部,仅仅在水流到水轮1608之前(或者之后)。这 样,控制不仅仅是简单地留给弹簧,而是可以更加直接地与传感器有关,该传感器选择出来 作为水流、水方向或者水流或者方向自身的示例。在一些实施例中,伺服电机和电源等由储 存的电力或者径流式涡轮机实施例生成的电力供电。现在,将论述第三种舱口控制选项,其 涉及第一 Transgear组件和第二Transgear组件、以及如上面参照图25介绍的锥形蜗杆祸轮 组件。
[0085]图25在水轮1608的俯视图中提供了舱口控制实施例2500的机械图(移动部件的横 截面),但未示出保护肋或者折片,当舱口 1612经由舱口齿轮2512进入与Transgear组件 2010咬合时,该保护肋或者折片可以移动。惰轮2514可以与舱口齿轮2512咬合。可以通过使 用Transgear技术来控制舱口 1612(以及移动肋)。在实施例2500中,第二Transgear组件 2020保持为关闭,并且第一Transgear组件2010保持为打开,这取决于经由蜗杆与涡轮组件 1918、1922的启动,其中,舱口 1612示出为连接至Transgear组件2010和2020,并且由蜗杆与 涡轮组件1918、1922的锥齿轮2528调节。由锥齿轮2528提供的PTO输出示出为相似地针对舱 口 1612遮蔽,以显示控制。Transgear组件2010和2020也可以调节保护肋(未示出),如同舱 口 1612提供水轮轴1820的肋和舱口控制型恒定rpm输出一样简单。
[0086]图26表示水轮的额定速度的曲线图,从而使得本发明的实施例的水轮不会超出额 定速度或者不允许下降得太低,如果可能的话。该曲线图示出了按年计的小时频率&最小或 者干旱条件(低水流或者无水流)到夜间的最大或者洪涝条件。理想的情况是,流动速率应 该维持为额定速度,在该年的尽可能多的小时的合理范围内。所示的轮RPM(l)总是小于额 定RPM,并且应该结合恒速转换器的变量应用最大肋和舱口控制,以将速度增大到额定速 度。所示的轮RPM(2)总是大于额定rpm并且指向最大洪涝条件,必须对舱口 1612(以及可选 地,保护肋1630)进行控制,以允许水流旁通过水轮(关闭舱口)。此处,轮RPM总是大于额定 RPM,并且必须减小该轮RPM。理想的情况是,额定速度和小时数应该达到每轮RPM (3)最大额 定速度。
[0087]图27A和图27B示出了额定速度曲线图和实施例图27C和图27D,利用了 Transgear 组件的本发明的实施例如何可以将舱口 1612控制在额定速度内。图27A提供了一个曲线图, 该曲线图示出了轮RPM大于额定速度。在这种情况下,示出了阴影区域,以表示舱口 1612通 过围绕水轮轴1820的套筒联接至舱口齿轮2512,该舱口齿轮2512经由蜗杆与涡轮组件 1918、1922的惰轮2514联接至锥齿轮2528以关闭舱口。如图所示,暗色阴影部分的齿轮2004 保持为减小或者关闭舱口 1612。在图27D中,当额定速度指向左时,情况相反。当水流或者轮 RPM小于额定速度时,应该打开舱口 1612。在这种情况下,Transgear组件的托架盘1708、 1709用暗色阴影示出,以便保持为增大或者打开舱口 1612。
[0088] 现在参照图28B,示出了另一实施例(横截面,并未按比例绘制),用于使水轮RPM恒 定或者落入额定速度限制内。示出了两个Transgear组件2010和2〇2〇,Transgear组件2〇10 保持为增大或者打开舱口 1612,而太阳齿轮扩展盘2004保持为减小或者关闭舱口 1612并且 将RPM维持为在图28A的双箭头曲线图的额定速度内。
[0089] 图29A至图29C示出了如何可以使用太阳齿轮Transgear组件将两个输入累加为一 个输出。DDMotion的基本太阳齿轮Transgear组件可以具有两个独立的输入和一个输出。如 图29A所示,输入#1是穿过轴2905的托架,输入#2是穿过套筒2910的顶部太阳齿轮29〇1,并 且输出是穿过套筒2930的底部太阳齿轮2902。如图29B所示,两个输入是穿过轴2930的托架 和穿过套筒2910的底部太阳齿轮2902,并且输出是穿过套筒2930的顶部太阳齿轮2901。如 图29C所示,两个输入是穿过套筒2905的顶部太阳齿轮2901和穿过套筒2910的底部太阳齿 轮2902,并且输出是穿过轴2930的托架。按照这些方式,两个输入可以累加,并且提供累加 的输出。
[0090] 图30示出了(横截面,并未按比例绘制)实施例3000和Transgear组件对2210和 2220、2230和2240如何可以提供粗调(例如,针对舱口控制)和精调。第二Transgear组件对 2230、2240可以提供另外的精调控制,以控制已经经过Transgear组件对2210和2220粗调控 制的rpm。来自水轮1608的单个轴1820通过粗调和精调,并且累加在累加器3010处作为齿轮 3018提供的累加的精调和粗调输出。在图30中,存在累加器3010,该累加器3010具有累加器 延伸齿轮3002,该累加器延伸齿轮3002进入具有套筒3〇〇6和第一太阳齿轮3012或者输入#1 的累加器3010中。中心块3014是其他输入(输入#2),并且累加的输出由联接至太阳齿轮# 23016的齿轮3018提供。图30由此示出了双调节:粗调和精调,例如,舱口控制以向齿轮箱和 发电机提供经过精调的恒定rpm输出。实施例3000通过壁分为PT0#1或者舱口控制(粗调)和 PT0#2:舱口控制精调,这两者均是举例说明的顺时针转动。注意,PT0#1的保持逆时针指向 太阳齿轮扩展盘2004-1,并且PT0#2的保持逆时针指向太阳齿轮扩展盘2004-2。随着 Transgear组件对2210和2220、2230和2240的各对到达累加器3010,该轴1820穿过另一壁。 t〇〇91]图31示出了具有块、舱口和水轮的径流式涡轮机的实施例(横截面,并未按比例绘 制),本实施例可以是舱口控制型(粗调)和利用齿轮箱和恒速发电机进行的精调。水轮1608 的轴182〇穿过舱口控制器2210和222〇、223〇和2240,该舱口控制器包括第一 Transgear组件 对和第二Transgear组件对,这些Transgear组件对具有舱口 1612的锤形蜗杆涡轮控制,如 上面论述的。由此,轴1820进入精调2230和2240,用于精调轴1820的RPM。然后,轴1820进入 累加器3〇10用于累加两个输入,舱口控制和精调应用于齿轮箱3110。同时,经由齿轮箱3110 将来自水轮轴1820的转动输出传送至恒速发电机312〇,并且从恒速发电机3120处传送至电 网(或者其他储电系统)3130。现在将参照图32A至图36论述不同形式的利用舱口控制向水 轮机进水。
[0092]图32示出了本发明的顶部进水舱口控制型径流式涡轮机3200的侧视图,舱口完全 打开。如上面论述的,舱口 1612可以部分地打开或者完全地关闭,这取决于水流和方向。如 之前论述的,可以通过肋(未示出)和倾斜块1605来使在所示方向上的水流加速,以使水从 河底上升为如在水渠中流动一样,以便使水轮1608转动。本实施例是可以安装在河底在河 底平台1640上的顶部进水涡轮机。
[0093]图33示出了本发明的径流式涡轮机3300的侧视图,该径流式涡轮机3300是底部进 水式或者安装至浮动平台3340的底部,从而使得水向下流到块3305之下并且进入水轮 1608,该水轮1608具有舱口 1612。齿轮箱和发电机优选地可以位于浮动平台3350的夹板上, 并且优选地,包含在外壳中保持干燥。另一方面,如图37所示,Transgeai'组件可以绕着水轮 1608的轴容置。
[0094]图34A和图34B包括本发明的第一侧进水径流式涡轮机和第二侧进水径流式涡轮 机的俯视图,如图34A所示,这两个侧进水径流式涡轮机安装至垂直壁3410-1,该垂直壁 3410-1可以是连续的。可替代地,如图34B所示,垂直壁3410-2可以带轮廓线,例如,桥支撑 桩基。这些都可以是已经现存的桩基,可以看得见并且可以通过河运避开。侧进水涡轮机的 原理相同。块3405-1、3405-2、3405-3和3405-4应该用作水渠,并且应该增加流到面朝水流 的水轮1608-1、1608-2、1608-3和1608-4的河水的速度。在图34中,侧进水R0R涡轮机可以在 水平平台之下或者之上,水平平台上构造有垂直壁。垂直壁可以是运河的壁或者在长度方 向上沿着流动的水流或者其他水流源延伸的其他壁(诸如,海洋堤岸)。
[0095]图35A和图35B包括侧进水径流式涡轮机的俯视图,该侧进水径流式涡轮机安装为 旋转移动到柱杆,该柱杆,例如,经由齿轮组件和发电机所在的基脚3560固定至浮动平台或 者固定至河床或者海床,并且据此,由于ROR涡轮机可以旋转为面朝水流,所以尾翼3550-1、 3550-2可以用于使侧进水径流式涡轮机指向水流的方向。舱口 1612可以独立控制,如上面 论述的。齿轮箱和发电机可以在顶部,也可以在底部(基脚3560)。流动介质可以是水(或者 空气),但是优选地是水,并且可以是潮汐,潮汐使涡轮机一直绕圈摆动,以面朝高潮流或者 低潮流。
[0096]图36A和图36B示出了例如在潮汐可以将朝着陆地(高潮)的河道水流的方向改变 为朝着海洋(低潮)的潮汐河口中的使用的示例性实施例,其中,两个涡轮机中的每一个相 对地对齐,从而使得在高潮或者低潮期间启动一个涡轮机或者另一个涡轮机。在图36A中, 水流朝右。水向上流过涡轮机3605-1的块的坡道以打开舱口 1612,并且启动水轮1608转动。 另一方面,涡轮机3605-2的舱口 1612关闭,如通过水流的方向确定的。在图36B中,由于当涡 轮机3605-4的舱口 1612打开时水流的方向从左变到右,所以涡轮机3605-3的舱口 1612关 闭,从而使水轮1608可以水流速度转动。
[0097]图37A和图37B是示出了 Transgear组件3760和发电机3120将是固定的并且不随着 水轮16〇8的水轮轴182〇转动。发电机3120可以安装为接近由轴1820运行的Transgear组件。 在本发明的许多应用中,Transgear组件或者蜗杆与涡轮组件无需处在水轮1608的边界外。 事实上,提供尽可能紧凑的涡轮机可能是优选的。如图37A所示,水向上流过块1605和平台 1640以打开舱口 1612,从而使得水轮1608可以转动(与水流一起旋转)。内轴1820可以位于 齿轮组件376〇的内部,并且发电机3120也可以围绕轴1820或者安装至齿轮组件3760。组件 3760和发电机的重量可以主要由轴1820支撑。见图37B,发电机3120和齿轮组件3760可以彼 此接近以及处于水轮1608的边界内,并且围绕轴1820 (以及,可以由轴1820驱动)。参照图 37八和图37B,可以存在一个臂(无附图标记),该臂用于从块1605的一侧到达舱口 1612不能 到达之处,并且提供块1605的固定装置部,以固定地支撑发电机3120和齿轮组件,例如,通 过L支架(未示出)安装至该臂。可以存在一个臂,该臂在块1605之间延伸,以系到发电机 31沈和/或齿轮组件37(30中的一个。同样,电线(未示出)可以连接至发电机:312〇以经由框架 传输生成的电力,并且沿着导管近臂1820行进到达块1605外部并且附接至电网(未示出)。 [0098]上述“摘要”部分的目的是使美国专利与商标局以及不熟悉专利和法律术语或者 措辞的民众(一般地以及尤其是相关领域中的科学家、工程师和实践者)通过粗略的检查能 够快速确定本技术公开的性质和本质。“摘要,,部分布置在以任何方式对本发明的范围进行 限制。

Claims (22)

1. 一种具有水轮和输出轴的水轮机,通过所述水轮使所述输出轴以通过水流和方向确 定的转动速度转动,所述水轮机还包括用于与至所述水轮的水流成比例地覆盖所述水轮的 舱口, 其特征在于, 第一正齿轮组件,所述第一正齿轮组件包括第一太阳齿轮,所述第一太阳齿轮连接至 所述水轮的所述输出轴或者与所述水轮的所述输出轴一体成型,所述水轮的所述输出轴向 所述第一正齿轮组件的壳体进入并且从所述第一正齿轮组件的壳体退出,所述第一正齿轮 组件还包括第二太阳齿轮,所述第二太阳齿轮连接至围绕所述水轮的所述输出轴的套筒或 者与围绕所述水轮的所述输出轴的套筒一体成型,所述第一正齿轮组件具有用于动力输出 的保持控制,所述保持控制保持托架盘,并且通常为中性的动力输出是围绕所述水轮的所 述输出轴及相应太阳齿轮的所述套筒,所述水轮的输出具有用作双向动力输出开关的所述 第一正齿轮组件,用于所述水轮的顺时针旋转和逆时针旋转的其中之一。
2. 根据权利要求1所述的水轮机, 其特征在于, 包括在所述壳体内的蜗杆与蜗轮组件,所述蜗杆与蜗轮组件联接至大直径太阳齿轮扩 展盘,所述大直径太阳齿轮扩展盘也连接至所述第一正齿轮组件的所述套筒或者与所述第 一正齿轮组件的所述套筒一体成型,所述大直径太阳齿轮扩展盘通过控制齿轮联接至所述 蜗杆与蜗轮组件。
3. 根据权利要求1所述的水轮机, 其特征在于, 第二正齿轮组件,所述第二正齿轮组件通过大直径太阳齿轮扩展盘连接至所述第一正 齿轮组件,所述大直径太阳齿轮扩展盘连接至所述第一正齿轮组件的所述套筒或者与所述 第一正齿轮组件的所述套筒一体成型,所述第一正齿轮组件具有用于顺时针转动动力输出 的保持控制,所述第二正齿轮组件具有用于逆时针动力输出的保持控制,所述水轮的所述 输出具有用作双向动力输出开关的所述第一正齿轮组件和所述第二正齿轮组件,并且所述 动力输出包括通过控制齿轮联接至所述第一正齿轮组件和所述第二正齿轮组件的轴。
4. 根据权利要求3所述的水轮机, 其特征在于, 包括在所述壳体内的蜗杆与蜗轮组件,所述蜗杆与蜗轮组件联接至所述第一正齿轮组 件和所述第二正齿轮组件,所述蜗杆与蜗轮组件包括常锁的动力输出,以便控制所述水轮 的顺时针或者逆时针转动运动。
5. 根据权利要求4所述的水轮机, 其特征在于, 包括第一壳体和第二壳体, 所述第一壳体和第二壳体的每个分别具有第一正齿轮组件和第二正齿轮组件以形成 四个正齿轮组件,并且所述第一壳体和第二壳体的每个还具有一蜗杆与蜗轮组件, 所述水轮的所述输出轴具有连接至所述水轮的所述输出轴的第一太阳齿轮、第二太阳 齿轮、第三太阳齿轮和第四太阳齿轮,所述水轮输出在顺时针转动方向和逆时针转动方向 的每个方向上具有第一输出和第二输出。
6. 根据权利要求1所述的水轮机, 其特征在于, 舱口控制,所述舱口控制连接至用于覆盖所述水轮的所述舱口并且所述舱口具有唇 部,所述水轮机具有用于将水流引导向所述唇部的倾斜块,水流的速率倾向使所述唇部和 所述舱口移动,所述唇部和所述舱口通过连接至所述舱口的所述舱口控制来抵接,在将水 流增加到超过通过所述舱口控制的常数确定的预定量期间,所述舱口在如此移动时覆盖至 少一部分所述水轮。
7. 根据权利要求6所述的水轮机, 其特征在于, 所述舱口控制包括具有弹簧常数的弹簧。
8. 根据权利要求6所述的水轮机, 其特征在于, 所述舱口控制包括水流速率指示器、连接至所述水流速率指示器的控制箱和伺服电 机,所述伺服电机响应于所述控制箱而打开和关闭所述舱口。
9. 根据权利要求1所述的水轮机, 其特征在于, 保护肋在所述水轮之上延伸以保护所述水轮避开碎屑并且将水引导至所述水轮。
10. 根据权利要求1所述的水轮机, 其特征在于, 第一保护肋和第二保护肋在至所述水轮机的输入处,以便将超出所述水轮机的倾斜块 的水引导至所述水轮。
11. 根据权利要求1所述的水轮机, 其特征在于, 传感器,该传感器用于检测水流速率、所述水轮机的转子的每分钟转子转动次数、水流 方向和所述水轮机的发电机的每分钟发电机转动次数中的一个;处理器,该处理器用于将 水流速率以及转子和发电机其一的每分钟转动次数中的一个与相关联的预定值相比较,或 者,确定不同的水流方向并且启动致动器,所述致动器包括伺服电机或者舱口控制器中的 一种,以便在水流速率和所述转子或者发电机的每分钟转动次数超过所述相关联的预定值 或者水流改变方向期间,控制所述舱口关闭。
12. 根据权利要求1所述的水轮机, 其特征在于, 用于所述第一正齿轮组件的壳体包含在所述水轮机内并且围绕所述水轮的所述输出 轴。
13. 根据权利要求1所述的水轮机, 其特征在于, 所述水轮机安装在浮动平台下面并且接收来自所述水轮的底部的水。
14. 根据权利要求1所述的水轮机, 其特征在于, 所述水轮机水轮接收来自所述水轮的一侧的水,所述水轮相对于倾斜块和适应于安装 所述水轮机的垂直结构而垂直定向。
15. —种具有水轮和输出轴的水轮机, 通过所述水轮使所述输出轴以通过水流和方向确定的转动速度转动,所述水轮机的特 征在于, 舱口,所述舱口用于与所述水轮的水流量和方向中的至少一个成比例地覆盖所述水 轮,所述舱口连接至套筒或者与套筒一体成型并且连接至控制齿轮,所述套筒围绕所述水 轮的所述输出轴,以及 第一正齿轮组件和第二正齿轮组件,各个组件具有连接至所述水轮的所述输出轴或者 与所述水轮的所述输出轴一体成型的太阳齿轮,所述控制齿轮操作性地连接至蜗杆与蜗轮 组件以便操作所述第一正齿轮组件和所述第二正齿轮组件,以根据所述水轮输出轴的转动 速度控制所述舱口的关闭和打开中的一种。
16. 根据权利要求15所述的水轮机, 其特征在于, 所述舱口的打开和关闭控制在所述水轮的最小额定转动速度与最大额定转动速度之 间,一正齿轮组件具有连接至控制轴的控制齿轮以控制所述蜗杆与蜗轮组件以便关闭所述 舱口,并且具有过桥齿轮和销以便由所述蜗杆与蜗轮组件控制以打开所述舱口,所述水轮 转动速度保持在最小额定转动速度与最大额定转动速度之间。
17. —种具有水轮和输出轴的水轮机, 其特征在于, 通过所述水轮使所述输出轴以通过水流和方向确定的转动速度转动,所述水轮机还包 括: 一正齿轮组件,该正齿轮组件用作第一精调输入和第二粗调输入的累加器并且提供累 加的舱口控制型且精调的旋转输出以施加到一齿轮箱,该正齿轮组件具有进入所述累加器 的累加器扩展齿轮,所述累加器包括第一套筒和第一太阳齿轮,该第一套筒和第一太阳齿 轮提供精调输入,并且,由中心块提供粗调输入,且累加的输出通过第二太阳齿轮经由与该 第二太阳齿轮联接的齿轮提供给所述齿轮箱。
18. 根据权利要求17所述的水轮机, 其特征在于, 所述输出轴是至所述累加器的舱口控制型输入, 所述累加器的所述中心块是至所述累加器的精调输入,并且所述中心块包括所述输出 轴的太阳齿轮。
19.根据权利要求17所述的水轮机, 其特征在于, 连接至第一蜗杆与蜗轮组件的第一正齿轮组件和第二正齿轮组件组成容纳在第一壳 体中的粗调控制齿轮组件,所述第一正齿轮组件和所述第二正齿轮组件联接至所述水轮的 所述输出轴的第一太阳齿轮,并且 连接至第二蜗杆与蜗轮组件的第三正齿轮组件和第四正齿轮组件组成联接至水轮轴 的第二太阳齿轮的精调控制齿轮组件,用于精调所述水轮轴的所述第三正齿轮组件和所述 第四正齿轮组件组成容纳在第二壳体内并用于精调所述水轮轴的每分钟转动次数,所述第 一蜗杆与蜗轮组件和所述第二蜗杆与蜗轮组件通过一控制轴而相互连接,并且累加器正齿 轮组件用于累加粗调输入和精调输入以输出精调的、相对恒定的转动速度至齿轮箱和发电 机。
20. 根据权利要求19所述的水轮机, 其特征在于, 齿轮箱连接在恒速发电机与所述正齿轮组件之间,用于累加所述粗调输入和精调输入 以输出精调的、相对恒定的转动速度至所述发电机。
21. —种具有水轮和输出轴的水轮机, 其特征在于, 所述水轮部分地由舱口覆盖,所述舱口具有用于与水流量和水流方向中的一个成比例 地控制所述舱口的打开和关闭的舱口控制, 所述水轮机水轮和舱口具有尾翼并且安装至柱杆并可绕所述柱杆转动,所述水轮和舱 口由所述尾翼控制以根据水流的方向在所述水轮处接受水流,所述水轮能够接收从不同的 水方向围绕所述柱杆流动的水。
22. 根据权利要求21所述的水轮机,所述水轮机从所述水轮的用于接受水流的一侧进 水, 其特征在于, 所述舱口能够在打开位置和关闭位置之间移动,所述打开位置用于接受水流,而所述 关闭位置用于防止水流转动所述水轮,当处于所述关闭位置时,所述舱口遮挡所述水轮的 另一侧,所述水流转动所述水轮,所述水轮具有转动从而发电的轴,所述水轮机适应于与垂 直的所述水轮垂直地安装,所述舱口面向水流的方向。
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