CN105378268A - 用于电力设备的机翼和涡轮机构造 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于产生电力的电力设备(10)。电力设备(10)包括结构(7)和运载器(11)，该运载器包括至少一个机翼(3)，该机翼包括第一翼部(13)和第二翼部(14)。运载器(11)借助至少一条系绳(6)固定至该结构(7)。运载器(11)借助于经过机翼(3)的流体流在预定轨迹上移动。运载器(11)包括至少一个涡轮机(12)，该涡轮机连接至包括发电机的机舱(4)。至少第一翼部(13)布置为相对于机翼(3)的水平中线(19)成第一角度(α)。机舱(4)附接至机翼(3)的面向第一翼部(13)折曲成角度的方向的表面。

Description

用于电力设备的机翼和涡轮机构造
技术领域
本发明涉及用于产生电力的电力设备。电力设备包括结构和运载器，该运载器包括至少一个机翼，该机翼包括第一翼部和第二翼部。运载器借助于至少一条系绳(tether)固定至该结构。运载器借助于通过机翼的流体流(fluidstream)在预定轨迹上移动。运载器包括至少一个涡轮机，该涡轮机连接至包括发电机的机舱。
背景技术
用于产生电力的电力设备在本领域中是已知的，例如EP1816345。在EP1816345中，电力设备包括运载器，该运载器附接至结构并由潮汐流驱动而沿着轨迹移动。
EP1816345中记载的电力设备可能出现的问题在于，运载器具有向上倾斜的倾向，这导致运载器偏离最佳轨迹。这是由于质量在运载器的体积上分布不均匀造成浮心和重心不在同一位置而导致的。如果重心和浮心之间距离较远，浮力和重力的差值引起的扭矩将使运载器向上倾斜。这个问题特别地出现在低速水流中，其中，运载器的机翼的水力升力的数量级与由浮力和重力产生的升力的数量级相同或略低。
因此，希望提供一种改进的电力设备。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种部分避免上述问题的发明性的电力设备。这个目的通过权利要求1的特征部分的特征来实现。本发明涉及用于产生电力的电力设备。电力设备包括结构和运载器，该运载器包括至少一个机翼，该机翼包括第一翼部和第二翼部。运载器借助至少一条系绳固定至该结构。运载器借助经过机翼的流体流在预定轨迹上移动。运载器包括机舱，该机舱包括发电机，其中，机舱附接至涡轮机。至少第一翼部相对于机翼的水平中线成第一角度。机舱附接至机翼的面向第一翼部折曲成角度(angled)的方向的表面。
潜水式电力设备可使用前后撑杆为系绳提供远低于机翼的附接点。通过改变运载器的重量分布，撑杆减少了倾斜不稳定和静水压力不平衡的影响。然而，这是一个包括许多相对易碎部分和多个联结器的系统，并且因此，设计与制造是复杂的，这会增加潜水式电力设备的成本。本发明的优势在于，通过使至少第一翼部相对于机翼的水平中线布置为成第一角度，并且机舱附接至机翼的面向第一翼部和第二翼部折曲成角度的方向的表面，不再需要诸如撑杆的结构部件，从而获得了电力设备的运载器的期望结构强度和控制稳定性。这些特性允许运载器构造得更紧凑，使得操作运载器沿着预定轨迹运行更容易。至少一个翼部相对于机翼的水平中线布置为成一定角度的事实保证甚至在没有撑杆的情况下可以获得稳定性。进一步地，通过去除撑杆，当运载器沿着预定轨迹移动时，电力设备经受较少的阻力。去除撑杆的另一优点在于，电力设备的紧凑构造使得安装和维护期间的运输和操作简化。
进一步地，运载器的更紧凑构造允许减少运载器的重心和浮心之间的距离，从而减少或消除在上述现有技术中发现的不良影响。
第二翼部相对于机翼的水平中线可布置为成第二角度。机舱可附接至机翼的面向第一翼部和第二翼部折曲成角度的方向的表面。
第一翼部和第二翼部相对于机翼的水平中线都可布置为成一定角度。这使得可能根据期望的操纵性能和/或安装地点的条件将运载器建造为多种不同的构造。
机舱可借助于塔架附接至机翼的表面，并且可以选取以下特征中的一个或多个，使得运载器的重心和运载器的浮心基本上对应：
-第一角度和第二角度
-塔架的高度，
-机舱的重量
-机翼的厚度
-机翼的重量
-系绳与运载器之间的联结器的位置
-系绳与运载器之间的联结器的重量。
通过设计运载器，使得重心和浮心基本上对应，运载器在低速下倾斜的问题在很大程度上减弱或者甚至消除。通过使重心和浮心基本上对应，使得只有较少的扭矩作用在重心周围，这减少运载器向上倾斜的倾向。
第一翼部和第二翼部的角度可以是上反角。系绳可通过附接至运载器的机翼上或者运载器的机翼内部上的联结器来附接至运载器。
通过将第一翼部和第二翼部折曲成为上反角，运载器会由于上反角效应而变得稳定。这消除了对结构部件(诸如，撑杆)的需要，使得运载器变得稳定。在这一构造中，随着机翼向上折曲成角度，机舱附接至运载器的机翼的上侧。然后，通过附接至运载器的机翼中的联结器，系绳可以附接至运载器，使得不会有来自系绳的力被传导至机舱。
通过将机舱移至机翼之上，使得机舱、在机舱附近的涡轮机和发电机、以及结构之间的距离增大。这导致流动经过涡轮机的流体的速度增大，这是由于在机翼以相同速度移动时，机舱的角速度增大。在这一构造中，运载器的重心和浮心之间的距离减小，这是由于机舱位于机翼部件之间。因此，通过选择上述适当的特征，控制浮心和重心的位置会更容易。
第一角度可与第二角度不同。系绳可在与第一翼部和第二翼部中点不同的点处附接至运载器。
运载器设计成在预定轨迹上移动。如果运载器在圆形或椭圆形的预定轨迹上移动，则将运载器的第一翼部和第二翼部设计为具有不同的角度，使得运载器偏转(biased)而转入一个方向。这意味着，运载器将用比(在其他情况下为必要的)更少的运载器操控来沿着预定轨迹移动。在这种情况下，可以选择系绳的位置，以便平衡折曲成角度的机翼的影响，使得可以获得期望的偏转。
第一翼部和第二翼部的角度可以是下反角。通过将系绳附接至机舱的机壳中的联结器，可以将系绳附接至运载器。
可以使用下反角替换上反角。在这一构造中，随着机翼向下折曲成角度，机舱附接至运载器的机翼的下侧。然后，通过将系绳附接至机舱的机壳中的联结器，可以将系绳附接至运载器。
如上反角一样，可以使用下反角提高运载器的稳定性和操控性。通过使机舱安装在机翼下方，降低重心，因此产生与上反角且机舱安装在机翼的上表面上时相同的上反角效应。
当第一角度是上反角时，第一角度相对于机翼的水平中线可以在5°与20°之间，优选地，相对于机翼的水平中线在10°与15°之间，并且其中，当第一角度是下反角时，第一角度相对于机翼的水平中线可以在-5°与-20°之间，优选地，相对于机翼的水平中线在-10°与-15°之间。当第二角度是上反角时，第二角度相对于机翼的水平中线可以在5°与20°之间，优选地，相对于机翼的水平中线在10°与15°之间，并且其中，当第二角度是下反角时，第二角度相对于机翼的水平中线可以在-5°与-20°之间，优选地，相对于机翼的水平中线在-10°与-15°之间。正角是指翼部是向上折曲成角度的，即，成上反角。负角是指翼部是向下折曲成角度的，即，成下反角。
当然，可以想到的是，第一翼部可以向上折曲成角度而第二翼部可以向下折曲成角度，反之亦然。根据本发明的运载器也可具有多面体的机翼，即，其中，相对于机翼的水平中线，第一翼部和第二翼部沿着机翼的长度布置为成不同的角度。
机翼平面形状构造(wingplanformconfiguration)的机翼掠角(wingsweep)可以是平直机翼、后掠翼或者前掠翼中的一个。机翼平面形状构造的翼弦可以是椭圆翼弦、固定翼弦、锥形翼弦或者梯形翼弦中的一个。
通过改变机翼平面形状，可以将上反角效应调整为具有期望的特性。机翼平面形状也可用于控制重心和浮心。
运载器可包括控制装置，该控制装置是V型尾翼、倒置的V型尾翼、可移动系绳连接或者升降舵中的一个。
沿着预定轨迹操纵运载器，以便增加电力的产生。这已记载在EP1816345中，其中记载了现有技术的运载器的控制面。为了控制本发明的运载器，控制装置是必需的。V型尾翼、可移动系绳连接(其中，系绳具有允许倾斜控制(pitchcontrol)的可移动联结器)、或者升降舵是三个可以想到的控制运载器的倾斜的可能的事物。结合有升降舵和方向舵的功能的V型尾翼减少了为控制运载器的偏航而对方向舵产生的需要。可移动系绳连接或者升降舵都需要方向舵以能够控制运载器的倾斜和偏航。在这种情况下，方向舵位于机舱上，而升降舵可位于机翼上和/或机舱上。
第一翼部和/或第二翼部可包括翼尖装置。翼尖装置设计成降低运载器的阻力。例如，翼尖装置可以是方形翼尖、铝管弓形(aluminiumtubebow)翼尖、圆形翼尖、霍纳型(Hoernerstyle)翼尖、小翼(winglets)、下垂翼尖(droopedtips)、倾斜(raked)翼尖、围栏和端板中的任一个。
电力设备可以是潜水式电力设备。例如，该电力设备可以在浸没在海洋中或者湖泊中时运行。在这种情况下，流体流是水流，例如，潮流、海流或者湖流。
附图说明
图1示意性地示出了现有技术的电力设备，
图2示意性地示出了现有技术的电力设备，
图3示意性地示出了根据本发明的电力设备的立体图，
图4示意性地示出了根据本发明的电力设备的运载器的前视图，
图5示意性地示出了根据本发明的电力设备的运载器的前视图。
图6示意性地示出了根据本发明的电力设备的运载器的前视图。
具体实施方式
图1示意性地示出了包括现有技术的运载器2的现有技术的电力设备1。现有技术的运载器2包括机翼3以及包括发电机的机舱4。机舱4附接至涡轮机。机舱4借助于附接至机翼3的下侧的塔架5而附接至机翼3。系绳6将现有技术的运载器2附接至结构7。现有技术的运载器2具有重心(CG)和浮心(CB)。在现有技术的运载器2中，CG位于机舱4附近而CB位于机翼3附近。GG和CB的位置仅是示意性的，以便展示现有技术的运载器2的缺点。向下的重力Fg作用于现有技术的运载器2的CG上。浮力Fb作用于现有技术的运载器2的CB上。现有技术的运载器设计成能够使得在周围流体中将整体浮力调整为中立。质量在运载器的位移上的不均匀分布使竖直向上指向的浮力Fb与竖直向下指向的重力Fg产生合力矩，浮力Fb与重力Fg的值大致相同。合力矩的大小取决于力矢量Fb和Fg在水平方向上的距离。CG与CB之间的水平距离L构成杠杆臂8，从而导致围绕连接点9施加一扭矩，其中，系绳6在该连接点处附接至机舱4。图2中示出了围绕连接点9施加的扭矩的结果，其中，系绳6在该连接点处附接至机舱4。
图2示意性地示出了现有技术的电力设备1的现有技术的运载器2。在图2中，可以看出现有技术的运载器2围绕连接点9转动，系绳6在该连接点处附接至机舱4或者可替换地附接至诸如撑杆的另一结构。这导致现有技术的运载器2处于非最佳发电位置。不可能总可以将现有技术的运载器2的位置校正回到图1的位置，这导致现有技术的电力设备1产生少于最佳量的电力。
图3示意性地示出了根据本发明的电力设备10的运载器11的前视图。运载器11包括机翼3以及连接至涡轮机12的机舱4。机翼3包括第一翼部13和第二翼部14。机舱4包括借助涡轮机的旋转而产生电能的发电机。涡轮机12因经过涡轮机12的流体的流动而旋转，该旋转带动机舱4中的发电机旋转而发电。机舱4进一步包括V型尾翼形状的控制装置15，用于控制并操纵运载器。V型尾翼的控制面可以是整个V型尾翼或者仅一部分V型尾翼。运载器11借助于系绳6附接至一结构(未示出)。系绳6借助于机翼上或者机翼3的内部上的联结器16附接至机翼3。在图3中，联结器16附接至机翼的中点，即，位于第一翼部13与第二翼部14之间的点。
从图3中可以看出，第一翼部13和第二翼部14向上折曲成角度而成上反角。机舱4安装在机翼3的上表面17上，即，在机翼的面向第一翼部13和第二翼部14折曲成角度的方向的表面上。机舱4借助于塔架5安装至机翼3。第一翼部13和第二翼部14进一步包括翼尖装置18。
机舱4安装在机翼3的上表面17上，即，在机翼的朝向第一翼部13和第二翼部14折曲成角度的一侧上的事实，使得图1和图2中看到的影响大大降低。这是由于CG与CB之间的距离减小并且质量分布比现有技术的实施例更加均匀。CG与CB之间的距离可以通过许多因素的组合进行控制，其中机翼3的平面形状构造是许多因素中的一个的。其他因素可以是塔架的高度、机舱的重量、机翼的厚度和重量和/或系绳与运载器之间的联结器的位置、设计和重量。
在图3中示出了假想的水平中线19，第一翼部13的第一角度α和第二翼部14的第二角度β都是相对于水平中线19测量的。第一翼部13和第二翼部14进一步包括翼尖装置18。
图4示意性地示出了根据本发明的电力设备10的运载器11的前视图。在图4中示出了假想的水平中线19，第一翼部13的第一角度α和第二翼部14的第二角度β都是相对于水平中线19测量的。在图4中，电力设备10的运载器11的第一翼部13和第二翼部14向下折曲成角度而成下反角。机舱4安装在机翼3的底表面20上，即，机翼的面向第一翼部13和第二翼部14折曲成角度的方向的表面上。通过将机舱4安装在机翼3下面，可以获得与当第一翼部13和第二翼部14呈现上反角时的相同效果。这是由于机翼3在机舱4上的布置使得机翼放置在运载器的重心以上，导致CG与CB之间的距离减小并且质量分布比现有技术的实施例更均匀。
机翼3的厚度是从顶表面17到底表面20进行测量的。
图3和图4中的机翼3是多面体的。如上所述，这仅是根据本发明的机翼3的一个实施例。
图5示意性地示出了根据本发明的电力设备10的运载器11的前视图。在图5中，第一翼部13和第二翼部14连续向上弯曲而成上反角。涡轮机附接至机翼的顶表面。还可以使连续弯曲的机翼向下弯曲而成下反角，并将涡轮机附接至机翼的底表面。
图6示意性地示出了根据本发明的电力设备10的立体图。电力设备10包括运载器11，该运载器11包括机翼3以及连接至涡轮机12的机舱4。运载器11借助系绳6附接至结构7，并且借助经过机翼3的流体流在预定轨迹上移动。由发电机产生的电力通过系绳6从运载器11传输至结构7。通过连接至电力设备10的结构7的电力网可以将电力从结构7分配到各个位置。
权利要求中提及的附图标记不应被视为限制权利要求所保护的主题的范围，并且这些附图标记的唯一作用是使权利要求更加容易理解。
应认识到，在不脱离所附权利要求的范围的情况下，本发明能够在各个明显的方面进行修改。因此，实质上本文的附图和说明被视为说明性的而非限制性的。

Claims (15)

1.一种用于产生电力的电力设备(10)，所述电力设备(10)包括结构(7)和运载器(11)，所述运载器(11)包括至少一个机翼(3)，所述机翼包括第一翼部(13)和第二翼部(14)，所述运载器(11)借助至少一条系绳(6)固定至所述结构(7)；所述运载器(11)借助经过所述机翼(3)的流体流在预定轨迹上移动，所述运载器(11)包括机舱(4)，所述机舱(4)包括发电机，所述机舱(4)附接至涡轮机(12)，其特征在于，至少所述第一翼部(13)布置为相对于所述机翼(3)的水平中线(19)成第一角度(α)，并且所述机舱(4)附接至所述机翼(3)的面向所述第一翼部(13)折曲成角度的方向的表面(17；20)。
2.根据权利要求1所述的电力设备(10)，其中，所述第二翼部(14)布置为相对于所述机翼(3)的所述水平中线(19)成第二角度(β)，并且其中，所述机舱(4)附接至所述机翼(3)的面向所述第一翼部(13)和所述第二翼部(14)折曲成角度的方向的表面(17；20)。
3.根据权利要求1或2所述的电力设备(10)，其中，所述机舱(4)借助于塔架(5)附接至所述机翼(3)的所述表面(17；20)，并且其中，选取以下因素中的一个或多个，使得所述运载器(11)的重心和所述运载器(11)的浮心基本上对应：
-所述第一角度(α)和所述第二角度(β)，
-所述塔架(5)的高度，
-所述机舱(4)的重量
-所述机翼(3)的厚度
-所述机翼(3)的重量
-附接所述系绳(6)和所述运载器(11)的联结器(16)的位置
-附接所述系绳(6)和所述运载器(11)的所述联结器(16)的重量。
4.根据权利要求2或3所述的电力设备(10)，其中，所述第一翼部(13)的所述第一角度(α)和所述第二翼部(14)的所述第二角度(β)是上反角。
5.根据权利要求4所述的电力设备(10)，其中，将所述系绳(6)附接至所述运载器(11)的所述联结器(16)位于所述运载器(11)的所述机翼(3)上或者位于所述机翼(3)的内部上。
6.根据权利要求4或5所述的电力设备(10)，其中，所述第一角度(α)与所述第二角度(β)不同，并且将所述系绳(6)附接至所述运载器的所述联结器(16)附接至与所述第一翼部(13)和所述第二翼部(14)的中点隔开的点。
7.根据权利要求2或3所述的电力设备(10)，其中，所述第一翼部(13)的所述第一角度(α)和所述第二翼部(14)的所述第二角度(β)是下反角。
8.根据权利要求7所述的电力设备(10)，其中，将所述系绳(6)附接至所述运载器(11)的所述联结器(16)位于所述机舱(4)上或者位于所述机舱(4)的机壳中。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的电力设备(10)，其中，当所述第一角度(α)是上反角时，所述第一角度(α)相对于所述机翼(3)的所述水平中线(19)在5°与20°之间，优选地，相对于所述机翼(3)的所述水平中线(19)在10°与15°之间，并且其中，当所述第一角度(α)是下反角时，所述第一角度(α)相对于所述机翼(3)的所述水平中线(19)在-5°与-20°之间，优选地，相对于所述机翼(3)的所述水平中线(19)在-10°与-15°之间。
10.根据权利要求2-8中任一项所述的电力设备(10)，其中，当所述第二角度(β)是上反角时，所述第二角度(β)相对于所述机翼(3)的所述水平中线(19)在5°与20°之间，优选地，相对于所述机翼(3)的所述水平中线(19)在10°与15°之间，并且其中，当所述第二角度(β)是下反角时，所述第二角度(β)相对于所述机翼(3)的所述水平中线(19)在-5°与-20°之间，优选地，相对于所述机翼(3)的所述水平中线(19)在-10°与-15°之间。
11.根据前述权利要求中任一项所述的电力设备(10)，其中，机翼平面形状构造的机翼掠角是平直机翼、后掠翼或前掠翼中的一个。
12.根据前述权利要求中任一项所述的电力设备(10)，其中，所述机翼平面形状构造的翼弦是椭圆翼弦、固定翼弦、锥形翼弦或者梯形翼弦中的一个。
13.根据前述权利要求中任一项所述的电力设备(10)，其中，所述运载器(11)包括控制装置(15)，所述控制装置是V型尾舵、可移动的系绳连接件或者升降舵中的一个。
14.根据前述权利要求中任一项所述的电力设备(10)，其中，所述第一翼部(13)和/或所述第二翼部(14)包括翼尖装置(18)。
15.根据前述权利要求中任一项所述的电力设备(10)，其中，所述电力设备(10)是潜水式电力设备。
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