CN109863298A - 管道式风力涡轮机和支撑平台 - Google Patents

管道式风力涡轮机和支撑平台 Download PDF

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Abstract

本发明涉及管道式风力涡轮机，其具有涡轮机转子组件，该涡轮机转子组件转子从流过其的空气中提取动能。该转子组件包括多个转子叶片，转子叶片在其最外端处具有转子稍端，最外端限定转子稍端扫描周长。管道组件至少部分地包围所述转子稍端扫描周长，并且基部平台支撑管道式风力涡轮机。管道组件通过风向标轴承布置安装在基部平台上，使得管道组件可响应于风向的变化而围绕涡轮机转子组件随风向改变方位。还设置有与管道式风力涡轮机相关联的半潜式支撑平台、波能捕获设备，扭转轴承机构和格构式风力涡轮机塔架。

Description

管道式风力涡轮机和支撑平台
本发明涉及管道式风力涡轮机，特别地但不排他地、涉及用于在近海环境中使用的浮动管道式风力涡轮机。还描述了与管道式风力涡轮机或不与管道式风力涡轮机一起使用的半潜式支撑平台、波能捕获设备和扭转支撑轴承。
近年来，对可再生能源如风力涡轮机产生的电力的需求增加。由此，对这种涡轮机的效率相应增加的需求导致涡轮机开发成具有越来越长的叶片长度。例如，存在叶片长度超过80米的风力涡轮机、以及接近8MW的相关发电量。
然而，通常认为这种涡轮机的尺寸和发电量不能继续增加。这是由于有许多因素可能最终对这种涡轮机的尺寸和发电量产生有效限制；例如，材料工程学不能继续提供能够承受施加在这种大型结构上的空气动力、动态力和静态力的材料；社会政治压力可能使这种大型涡轮机的架设变得不可能；其他物流/制造原因可能使这种结构不可行/太昂贵。
已经开发了近海风力涡轮机、波浪涡轮机和潮汐涡轮机，以解决这些问题和其他问题；然而，许多这样的涡轮机在其发电生命期可能经历的固有恶劣环境条件下具有不良生存能力前景。实际上，最大振幅波和最强风才有可能在这些装置中产生最多的电力；然而，许多已知的系统需要在这种条件下关闭、停放或以其他方式严密保护以避免损坏。
根据本发明的第一方面，提供了一种管道式风力涡轮机，所述管道式风力涡轮机包括：
至少涡轮机转子组件，所述涡轮机转子组件适于从流过其的空气中提取动能，所述转子组件包括多个转子叶片，所述转子叶片在其最外端处具有转子稍端，所述最外端限定转子稍端扫描周长；
管道组件，所述管道组件至少部分地包围所述转子稍端扫描周长；
基部平台，所述基部平台适用于支撑所述管道式风力涡轮机；并且
其中，所述管道组件通过风向标轴承布置安装在所述基部平台上，使得所述管道组件能够响应于风向的变化而围绕所述涡轮机转子组件随风向改变方位。
所述管道式风力涡轮机可以包括用于在水上浮动的基部平台。所述基部平台可以包括半潜式基部平台。
在所述风力涡轮机组件的管道入口和管道出口之间设置有管道通道，每个所述管道入口和所述管道出口均具有纵向轴线。所述管道入口和所述管道出口可以布置成使得其各自的所述纵向轴线基本上平行但相对于彼此竖向或侧向地偏移。所述管道入口和所述管道出口可以交替地布置成使得其各自的所述纵向轴线以重定向角α彼此相交。
所述重定向角α可以在大约90度到170度之间。
所述管道入口和所述管道出口的面积可以基本上彼此相等，以使流经所述风力涡轮机的空气的压缩或膨胀最小。
所述管道入口的面积可以大于所述管道出口的面积，以便对穿过所述涡轮机的空气产生冲压效应。
所述管道入口的面积可以小于所述管道出口的面积，以便对穿过所述涡轮机的空气产生扩散器效应。
所述管道入口和所述管道出口可以包括圆形的、卵形的或矩形的区域。
所述管道通道可以包括至少导叶布置，所述导叶布置适于引导空气流经所述管道通道并流入所述涡轮机转子组件。
所述涡轮机转子组件中的所述多个涡轮机转子可以组装在两组同轴对转的轮毂上，使得提供沿一个方向旋转的主要组转子和沿相反方向旋转的次要组转子。
所述管道通道的内表面可以在空气动力学上被优化成利于流经其中的气流以最小的能量损失平稳流动。
所述管道通道的外表面可以在空气动力学上被优化成使所述涡轮机和所述半潜式基部平台上的结构载荷和空气动力湍流最小，同时增强气流、推动更低的压力遍及所述管道出口、并向从所述涡轮机出口排出的流增加动量以帮助所述涡轮机质量气流和能量捕获。
所述风力涡轮机布置可以设置有竖直稳定器尾部，所述竖直稳定器尾部与所述管道式风力涡轮机集成或分离但仍连接到所述风力涡轮机，以便利于所述随风向改变方位的运动。所述尾部可以包括可转向的控制表面和/或纵倾调整片。
所述半潜式基部平台可以包括三角翼形布置，所述三角翼形布置具有从其向下延伸的多个分立的浮动构件。
所述半潜式基部平台可以包括四个分立的浮动构件，在所述半潜式基部平台的每个角部处或朝向所述半潜式基部平台的每个角部各自设置一个浮动构件，使得可以设置有前浮动构件、后浮动构件和两个侧翼浮动构件。
每个所述分立的浮动构件均可以包括通过支撑支柱附接到所述半潜式平台的下浮动构件，所述支撑支柱在水面处具有较小的船体横截面积以使所提供支撑的稳定性最大。
所述风向标轴承布置可以包括基本上圆形的承载板和设置在所述风力涡轮机布置和所述半潜式基部平台之间的对应的基本上圆形的凹部，使得、在使用中、所述管道组件可以围绕所述涡轮机转子组件随风向改变方位。
所述风向标轴承布置还设置有摩擦减小装置，以便于响应于沿盛行风向的运动而利于所述管道组件相对于所述半潜式基部平台的加载旋转运动。
多个波能吸收器可以从所述半潜式基部平台上的附接点延伸到水中，使得每个所述波能吸收器的一端可以直接或间接地由所述基部平台支撑，并且另一端可以通过与水的浮力接合进行支撑。
所述波能吸收器可以在所述涡轮机布置的任一侧上从所述半潜式基部平台的后缘向后延伸。
所述波能吸收器的所述附接点可以逐渐向后地布置在所述半潜式平台上，使得、在使用中、经过所述风力涡轮机布置的波浪将相继地与最前面的所述波能吸收器到最后面的所述波能吸收器逐渐地相互作用。
所述波能吸收器可以设置有能量浮动模块，以用于与水的浮力相互作用。
所述能量浮动模块可以包括设置在所述波能吸收器的结构臂的远端处的基本上半球形的浮动构件。
所述能量浮动模块可以包括组合式的单体结构臂和浮动室。
所述波能吸收器可以通过扭转轴承布置附接到所述半潜式平台，所述扭转轴承布置包括第一可旋转构件、可与所述第一可旋转构件旋转连通的第二可旋转构件、设置在所述第一可旋转构件和所述第二可旋转构件之间的抗扭转装置，使得当其中至少一个所述可旋转构件相对于另一个所述可旋转构件旋转时，在所述可旋转构件之间产生抵抗这种运动的抗扭转力。
至少水涡轮机布置可以由所述半潜式平台在水面下方进行支撑。
还可以设置适于改善流经所述涡轮机转子组件的气流的扩散器布置。
根据本发明的第二方面，提供一种半潜式支撑平台，包括：
上支撑甲板，物品、机器、建筑物、装备或其他物品能够设置在所述上支撑甲板上；
多个下部的分立的浮动构件；
多个对应的支撑支柱，所述支撑支柱从所述支撑甲板的每个角部延伸到每个对应的浮动构件，所述支撑支柱的横截面积相对于所述浮动构件的横截面积较小，以便使由所述支撑支柱提供的对所述上支撑甲板的支撑的稳定性最大；
锚固布置，所述锚固布置设置在所述支撑甲板的前导角部处，以允许所述支撑平台围绕所述支撑甲板随风向改变方位，从而形成前浮动构件、后浮动构件和两个侧翼浮动构件。
可以设置风向标轴承布置，使得所述管道组件能够响应于盛行风向的变化而相对于所述半潜式基部平台随风向改变方位。
所述风力涡轮机组件可以包括管道式风力涡轮机。
所述风力涡轮机组件可以包括管道式风力涡轮机，所述管道式风力涡轮机具有设置在所述风力涡轮机组件的管道入口和管道出口之间的管道通道，每个所述管道入口和所述管道出口均具有纵向轴线。所述管道入口和所述管道出口可以布置成使得其各自的所述纵向轴线基本上平行但相对于彼此竖向或侧向地偏移。可替代地，所述管道入口和所述管道出口可以布置成使得其各自的所述纵向轴线以重定向角α彼此相交。
所述重定向角α可以在大约90度到170度之间。
所述上支撑甲板可以适于设置核反应器设施。
所述上支撑甲板可以包括三角翼形布置。
可以设置多个波能吸收器，所述波能吸收器从所述半潜式基部平台上的附接点延伸到水中，使得每个所述波能吸收器的一端直接或者间接地由所述基部平台支撑，并且另一端通过与水的浮力接合进行支撑。
可以设置至少水涡轮机布置，其由所述半潜式平台在水面下方进行支撑。
根据本发明的第三方面，提供一种波能捕获设备，包括：
支撑平台，所述支撑平台为所述波能捕获设备提供附接枢转点；
长形臂构件，所述长形臂构件附接到所述支撑平台，所述长形臂构件包括用于与经过的波浪浮力相互作用的单体浮力浮体，使得所述长形臂构件能够响应于所述经过的波浪而绕所述枢转点旋转。
根据本发明的第四方面，提供一种扭转轴承机构，包括：
第一可旋转构件；
第二可旋转构件，所述第二可旋转构件与第一可旋转构件可旋转地连通；以及
抗扭转装置，所述抗扭转装置设置在所述第一可旋转构件和所述第二可旋转构件之间，使得当其中至少一个所述可旋转构件相对于另一个所述可旋转构件旋转时，在所述可旋转构件之间产生抵抗这种运动的抗扭力。
所述抗扭构件可以包括金属的或非金属的杆。
在所述第一可旋转构件和所述第二可旋转构件之间可以设置附加的、基本上非扭转的支撑构件，以便在相对于彼此旋转期间在结构上支撑所述构件。
根据本发明的第五方面，提供一种格构式风力涡轮机塔架，包括：
外周面；
对应的内周面；以及
设置在所述外周面和所述内周面之间的多个交叉斜撑结构构件。
所述外周面和/或所述内周面可以包括多个弯曲的或直型的结构斜撑构件。
所述格构式涡轮机塔架可以包括设置在所述格构的所述结构斜撑构件之上和所述结构支撑构件之间的空气动力覆盖件。
根据权利要求和以下描述，本发明的其他特征和优点将变得显而易见。
现在将参照以下附图仅以示例的方式描述本发明的实施例，其中：
图1A和图2是根据本发明第一实施例的安装在相关联的半潜式平台上的管道式风力涡轮机的示意性侧视立体图图示；
图1C是根据本发明第二实施例的浮动管道式风力涡轮机的示意性侧视立体图图示；
图1B是替代性的连结的浮动船体布置的示意性横向图示；
图3A是图1A和图2中涡轮机的示意性平面图图示；
图3B和图3C是示例替代地成形的支撑平台和浮动布置的示意性平面图；
图4A是图1A和图2中涡轮机的横向局部剖视示意图示；
图4B是图1C中涡轮机的横向局部剖视示意图示；
图5是图1A和图2中涡轮机的涡轮叶片、轮毂和内部塔架布置的更详细的示意图示；
图6是涡轮机的替代实施例的更详细的示意图示，其中内部塔架轮廓具有变窄的横截面；
图7A是图5和图6中轨道车轴和相关联的栏杆的更详细的示意性前视图图示；
图7B是图7A中布置的平面图示意图示；
图8A是示出根据替代实施例的涡轮机塔架的示意性平面图图示，其中两个示例涡轮叶片构造示出为附接到其上；
图8B是示出图8A中涡轮机塔架的一部分的示意性立体图图示；
图8C是更详细地示出图8A中涡轮机塔架上部部分的示意性立体图图示；
图9A是附接到扭转轴承布置的替代波能吸收器的下部立体示意图示；
图9B是图9A中扭转轴承布置的更详细的图示；
图10是示出波能吸收器运行的基本工作原理的示意图；
图11是图3中的布置的立体图示，其中，一对附加的倾斜轴水涡轮机布置从该布置的后缘延伸；
图12A是倾斜轴水涡轮机布置及其相关部件的更详细的平面图示意图示；以及
图12B是图12A中所示布置的横向示意图示。
特别参照图1至图3，总体上标记为10的近海发电模块包括安装在总体上标记为14的半潜式平台(SSP)上的总体上标记为12的浮动管道式风力涡轮机(DWT)。
DWT 12包括弯曲式成形外罩16，外罩16在其内侧上形成有空气动力学轮廓以利于流经外罩16的气流以最小的能量损失平稳流动，并且在其外侧上形成有空气动力学轮廓以使DWT 12和安装有DWT 12的SSP 14上的结构载荷和空气动力湍流最小。中间尾翼部分18位于罩16的下游，中间尾翼部分18从罩16到相关联的竖直稳定器20呈渐缩状。
可以使用若干种类型和形式的材料来形成罩16、尾翼18和尾部20部段；然而，示例包括帆布、玻璃纤维、大地测量学结构等。
外罩16从位于其使用时的前端处的矩形截面的入口管道22到位于其上表面处的圆形截面的出口管道24逐渐地且空气动力学地渐缩。在罩16的与入口22相邻的侧壁中可以设置有渐缩的切口(未示出)，以便利于所遇到的任何偏离中央的阵风进入。如图4所示，入口管道22设有纵向轴线L1，出口管道24设有纵向轴线L2。相符于从邻近入口管道22的矩形截面到邻近出口管道24的圆形截面，罩16旋转经过重定向角α(图4)，这是两个轴线L1和L2之间的角度。在所示的实施例中，该重定向角α接近100度；然而，重定向角α可根据要求而更小或更大。
如图2和图4A中最佳地示出，罩16的内部构件还包括一系列水平布置的气流导叶26和中央竖向布置的气流挡板28。
特别参照图4A，在DWT 12内部，设置有主空气管道25，并且导叶26从入口纵向轴线L1朝向出口纵向轴线L2逐渐地弯曲，以便类似地引导穿过其中的空气流。导叶26之间的竖向间隔距离随着导叶26从入口管道22朝向出口管道24延伸而逐渐地增加，以便促进平稳的气流并利于空气朝向出口24均匀分布。可选的扩散器翼部27可以设置在DWT出口24上方的适当距离处，以便有利地与从出口24排出的气流相互作用，以使设备的效率最大(如图4A中的区域D中的线F所示)。扩散器翼部27的上表面还可以设置有光伏电池阵列，以便在需要的情况下允许从太阳能中进一步捕获能量。
对转的涡轮机组件(CRTA)30伸入主空气管道25中。参照图5，CRTA 30包括主要组涡轮叶片32和次要组涡轮叶片34，主要组涡轮叶片32和次要组涡轮叶片34布置成使得其相对于彼此反向旋转。主要叶片32安装在主要塔架36上，次要叶片34安装在次要塔架38上，次要塔架38由主要塔架36同轴地包围(图5出于说明的目的以局部剖视图示出主要塔架和次要塔架)。在图5中所示出的叶片取向的情况下，当穿过DWT 12的气流A施加于其上时，主要叶片将沿顺时针方向(当从上方观察时)旋转，次要叶片将沿逆时针方向(当从上方观察时)旋转；然而，可以通过根据需要改变叶片取向来变更这些方向。此外，如果需要，可以使用主动叶片节距调整机构。
参照图6，在替代实施例中，主空气管道25的位于CRTA 30处、或邻近CRTA 30的横截面可包括变窄的部段，以便提供穿过DWT 12的、由箭头A1表示的改变的流动态(flowdynamics)。
在图5和图6所示的实施例中，主要组叶片32和次要组叶片34未可旋转地安装在其各自的塔架36、38上。相反，这两组叶片32、34刚性地安装到其各自的塔架36、38，并且塔架36、38可旋转地安装在其各自的位于动力甲板模块40处的基部上。然而，在替代实施例中，如果需要，可以通过将轴承和发电机(随后讨论)定位在塔架顶部与涡轮叶片相同的高度处来实现倒置构造。
在图5和图6所示的实施例中，塔架36、38包括格构式空间框架结构，该格构式空间框架结构具有布置成用以提供圆形外横截面的弯曲构件；然而，可以适当地使用任何替代结构。
参照图8A，在替代实施例中，涡轮机塔架136(其可以是主要涡轮机塔架或次要涡轮机塔架)包括多面格构式空间框架结构。在所示的实施例中，结构的横截面示出为六边形；然而，可以设置任意数量的直边以形成所需的塔架的360度形状。格构的每个单元均包括外表面支柱136A、内表面支柱136B和对角交叉斜撑支柱136C。例如，在外表面支柱136A的长度接近6米的情况下，可以围绕塔架136的圆周设置大约40个平坦面，以便提供360度的组件。
参照图8B，格构的每个单元均在类似布置的单元之上并且邻近类似布置的单元安装，以便提供双壁的多面格构式塔架。
参照图8C，涡轮叶片132通过一个或多个叶片根部杆135附接到塔架136的单元。在使用中，当沿图8C中箭头A所示的方向驱动涡轮叶片时，叶片根部杆135产生联接力T1和T2并在塔架136上施加旋转力F，该旋转力F又通过驱动发电模块(未示出)而产生电力。
参照图8A至图8C所描述的格构式框架布置使主要塔架和/或次要塔架的总质量、材料和构造成本最小。
如果需要，上面提到的结构可以设置有减阻空气动力外壳，以便使在DWT 12的主管道内对流经该结构的空气的扰动最小。
再次参照图5和图6，动力甲板模块40包括与主要塔架相关联、并且因此与主要叶片32相关联的主要组滚筒轴承组件42和主要发电机44。同样，对于次要塔架38，动力甲板模块40同样包括与次要塔架相关联、并且因此与次要叶片34相关联的次要组滚筒轴承组件46和次要发电机48。
参照图7A和图7B，滚筒轴承组件42、46包括一对轮组48，轮组48通过弹性弹簧/阻尼器布置52定位于转向架(bogey)布置50内，以便允许轮组48沿相关联的轨道54的圆形弯曲部段行进。
发电机44、48包括任何合适的发电机、例如、诸如大直径永磁体和线圈发电机之类。
参照图1A，SSP 14包括方形平面的上支撑甲板56，该上支撑甲板56具有一对尾翼58，尾翼58从甲板56的对置的角部向后延伸，以便在由系绳锚固时形成所得到的三角翼形状，系绳由图1A中的箭头60图示地表示。
注意，在图3B和图3C所示的替代实施例中，SSP 14和任何相关联的浮动布置可以根据需要布置有替代地成形的轮廓。
回到图1A的布置，四个船体支撑支柱62从支撑甲板56朝向设置有垂荡板(heaveplate)66的对应的浮动船体64向下伸出。支撑支柱62的相对尺寸和浮动船体64的尺寸/浮力定尺寸成使得支撑支柱62在其可能与水线相遇的点处具有相对(相对于由船体64提供的浮力)较小的横截面积，以便使根据“小水线面双体船”(SWATH)理论所提供的支撑的稳定性最大。水线的通常预期平均位置在图4A中表示为W。根据需要，可以提供多于或少于四个的船体支撑支柱。
参照图1B，在替代实施例中，浮动船体64A可以通过连杆65彼此连结，并且根据需要通过一个或多个支撑支柱62A连接到SSP 14。图1B中所示的连杆65示出为与浮动船体64A的纵向轴线同线；然而，在替代实施例(未示出)中，连杆可以相反垂直于所连结的浮动船体的纵向轴线而连结。
多个波能吸收器68自尾翼58向后延伸。这些波能吸收器68彼此具有相同的长度，使得其端部有效地反映了尾翼58的三角翼形状，其目的将在后面描述。波能吸收器68包括长形臂70，长形臂70在一端通过枢转接头72连接到尾翼58，并且在另一端设置有半球形浮动布置74，以用于与水面/经过的波浪接合。
参照图9A和图9B，在替代实施例中，波能吸收器包括组合式单体结构臂和浮动室布置68A，浮动室布置68A在其一端处具有扭转轴承80和动力输出连接件78。设置扭转轴承80以允许浮动室68A枢转附接到SSP 14，并且扭转轴承80包括与浮动室68A刚性地连接的中央盘76、刚性地连接到SSP 14上适当的锚固点的一对端盘82、以及将端盘82连接到中央盘76的扭转/支撑杆84。
参照图1至图3，DWT 12通过总体上标记为86的转台布置附接到SPP 14，该转台布置包括附接到DWT 14的下侧的圆形承载板88和设置在SSP 14的上甲板56上的对应的圆形凹部90。摩擦减少装置、诸如类似于上述滚筒轴承组件42、46的轮和轨道布置、或者基于滚珠轴承的布置、使DWT 12能够响应于盛行风向的变化如箭头W所指示的那样在SSP 14上方随风向改变方位。
在所描述的实施例中，整个组合式DWT和SSP结构的高度可以在大约200米到800米的范围内，使得稍端到稍端的翼展也在大约200米到800米的范围内；然而，读者将理解，可以根据需要大大改变这些尺寸以适应所预测的力、发电要求、部署位置等。
近海发电模块10还可以设置有潮汐涡轮机布置，例如竖直“横跨”轴涡轮机(如图3中由75图示地示出)、水平“横跨”轴涡轮机、或轴流涡轮机(如在图12、图12A、图12B中由90图示地示出)。
参照图12A和图12B，组合式涡轮机的主涡轮轴92从SSP 14成角度地进入水中，并且在其下端设置有涡轮机布置94。主轴92和/或涡轮机94是易浮的，从而使任何起伏负载最小并使径向轴承负载在轮毂/枢转点处减小。该浮力还支撑涡轮机质量并减少施加到主轴的任何弯矩，以减少由轴旋转引起的疲劳负载。通过整流罩96还将流入涡轮机的流量增加到涡轮机中。
在使用中，首先通过合适的船只或通过自推进马达等将近海发电模块10拖入其期望的水上操作位置。该位置可以在浅海或深水海、河流、河口或如湖泊和进水口等的内陆水域。
一旦处于合适的位置，模块10就通过任何合适的锚固布置、如图1A中由箭头60图示地表示的、拴系在那里。在这种情况下，施加在SSP 14上的盛行水流自然会使其围绕其系绳随风向改变方位，使得SSP 14将自然地与盛行水流对齐。
由于盛行风(可能与盛行水流的方向不同)被施加在DWT 14上，所述风的力将与中间尾翼部分18和竖直稳定器20相互作用，以便自然地使DWT 14的罩16的前部随风—如图1A中由箭头W所示—围绕涡轮机模块在其轴承台86上随风向改变方位。
以这种方式，SSP 14将总是自然地与盛行水流对齐，并且DWT 12将总是自然地与盛行风向对齐。
替代地或另外地，可以使用前视感测系统主动地控制DWT 12的罩16相对于盛行风向的取向。这种系统的示例是LIDAR，其中LIDAR传感器设置在罩16上或其周围。在这种布置中，感测数据由机载或远程计算机控制系统处理并且将控制响应发送到机电致动器、气动致动器、磁致动器和/或液压致动器，以便随风直接地驱动风力涡轮机的罩16或使尾部20的部件偏转并因此使罩16随风旋转。
在某些情况下，这种控制系统可以允许罩16比在只有被动随风向改变方位的控制的情况下更快地响应风向变化。上述控制系统可以附加地或独立地用于控制或调整系统内任何位置的任何空气动力系统或其他系统。
设置LIDAR传感器与这种控制系统的结合还使得能够检测到可以与发电模块10交界的迎面而来的波浪和浪涌的海况和型面。当检测到这样的预期状况时，将该信息输入到系统，使得可以优化任何部件的所有响应，以确保由系统的不同部件从环境中获取的能量的最大效率。例如，当预期高幅度波浪时，可以增加波能吸收器的运动阻力。这还可以总体上增强平台稳定性并降低整个系统的机械应力和电应力，这又可以帮助延长系统的寿命并降低维护要求。
这种控制系统和软件可以是预编程的或包含学习算法。控制输入要求可以在发电模块10上生成、在操作员控制中心处输出或来自需求一方的输入(例如电网或能源公司)。
参照图4A，在DWT 12的管道入口22直接面向任何盛行风的情况下，进入的气流A将穿过入口22进入DWT的主空气管道25，在导叶26的引导下，沿着内主管道25行进并向上行进，并将朝向涡轮机布置30而被向上引导。
参照图5，当这种管道式气流A遇到主要组涡轮叶片32时，其将在该主要组涡轮叶片32上施加顺时针(当从上方观察时)旋转力。由于主要叶片32安装在主要塔架36上，主要塔架36本身安装在轮轴轴承42上，因此主要塔架36将在所述旋转力的作用下旋转。当这发生时，将在主要发电机44处产生电力。
以类似的方式，一旦该股气流经过主要组涡轮叶片32，其将作用在次要组涡轮叶片34上并因此在其上施加旋转力。然而，由于次要叶片34以与主要叶片32相反的方向取向，因此这将是逆时针(当从上方观察时)旋转力。由于次要叶片34安装在次要塔架38上，次要塔架38本身安装在轮轴轴承46上，因此次要塔架38将在所述逆时针旋转力的作用下旋转。当这发生时，也将在次要发电机48处产生电力。
贯穿上述操作，应当理解，管道或罩组件16可以围绕涡轮机布置自由地随风向改变方位，而不需要要求整体上旋转涡轮机转子组件。这形成了管道或罩组件16的角度取向与发电模块10的其余部件的角度取向之间的有用的机械分离。
先前描述的主要叶片32相对于次要叶片34的反向旋转意味着由一组叶片产生的任何扭矩在很大程度上通过由另一组叶片产生的任何扭矩而抵消。这导致最小的残余扭矩施加到安装有DWT 12的SSP 14。
现在还将描述从安置有SSP 14的水中获取能量的过程。为清楚起见，将参照经过波浪的示例并且单独地参照盛行水流的示例对此进行描述；然而，应当理解，该模块能够同时从风、波浪和水流中获取能量。
示例波浪接近模块10时，波浪与模块10的第一有用相互作用将是与两个最前面的波能吸收器(例如，最接近SSP 14的中心线的两个波能吸收器)的半球形浮动布置74的相互作用。参照图9，当在方向A上行进的波前W与浮体74相互作用时，浮体的固有浮力将使浮体74及其附接臂70向上远离其中位位置(在此处其纵向轴线在位置P1处)朝向其加载位置(在此处其纵向轴线位于位置P2处)旋转。在远离中位位置P1的这种旋转期间，浮体74的浮力用于向扭转轴承80施加扭转加载力并且用于有用地移动附接到其动力输出连接件78的任何动力输出布置并因此产生动力。扭转轴承80的这种加载基本上将从波能吸收器68的向上运动中获得的一部分动能作为势能存储在扭转轴承80内。SSP的垂荡板66对水柱内的竖向运动的磁阻还提供了反作用力，浮体74在该向上行程加载阶段期间抵抗该反作用力而作用。
一旦浮体74以及到达波前W的波峰，臂70将处于位置P2并且扭转轴承80可以被认为对于该波前W满载。此时，波前W开始下降，并且不再完全支撑波能吸收器68的重量，使得波能吸收器68将开始沿着经过的波前W的波峰向后漂浮。同时，存储在扭转轴承80内的势能被释放，从而利于波能吸收器68的所述向下行程。
来自向上行程的波能吸收器68的动能、转换为扭转轴承80中的临时存储的势能、然后又转换回向下行程的波能吸收器68中的动能(除了由能量输出有用地提取的动力之外)的上述转换基本上是能量中性的；然而，这以最小的摩擦损失提供了具有所需枢转能力的强大支撑轴承。
由于波浪型面总体上可以近似为数学正弦波，因此每个波能吸收器68的运动型面并且因此发电型面也可以总体上近似为数学正弦波。当给定波浪经过每个波能吸收器68时，产生附加的正弦波能型面。这产生了一组相移的能量脉冲，其有助于平滑由系统捕获的合成能量的型面。该效果通过布置成三角翼形布置的多个波能吸收器68而进一步得到增强，因为这导致每个新的波前在靠前的波能吸收器68处产生正弦波能型面，而较旧的、经过的波前仍然与更靠后的波能吸收器68相互作用。
可以主动地控制波能吸收器68，以便随各个吸收器布置响应于经过发电模块10的波浪和海浪形成向上或向下移位而调整各个吸收器布置的浮力刚度。
SSP 14本身为所描述的各种部件提供了非常稳定的结构，因为SSP14总是与任何盛行水流良好对齐、具有较低且集中的重心、并受益于固有的几何稳定性并且利用小水线面面积支柱/浮动和垂荡板。
通过多个上述布置同时收获的能量可以通过机械或电气装置积累，使得经调整的且平滑的能量脉冲可以适当地馈送到电网中。示例机械蓄能器可包括气动的或液压的蓄能器或弹簧或飞轮等。示例电气蓄能器可包括例如电容器或电池等。替代地/附加地，收获的能量可以在模块10上用于诸如产生气体(例如氢气或氧气)或脱盐/电解操作等之类的有用的效果。
除了先前描述的那些之外，本发明还具有允许许多移动的且复杂的机械部件良好地保持在水位之上并远离飞溅区域的优点。这因磨损减少而导致更长的预期寿命。
此外，应当理解，所描述的发明具有几乎可以任何比例构造、同时还非常适合于作为单个单元或在几个单元的领域中提供的优点。
尽管本文已经详细公开了本发明的特定实施例，但这种公开仅作为示例并且仅出于说明的目的。前述实施例并非意在限制所附权利要求的范围。
发明人考虑，在不偏离由权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明进行各种替换、改变和修改。例如：尽管本申请中描述的实施例主要涉及设置在水体上的浮动布置，但是本发明不限于设置在浮动平台上，而是可以设置在各种可能的基体上，例如陆地或冰上，无论本发明是直接附接到这样的基体(例如，在将涡轮机直接放置在一块地上的情况下)、还是安装在车辆或建筑物上(例如，在将涡轮机安装在建筑物顶部的情况下)。
本发明可以设置有控制系统，以用于维持浮动平台中正确的浮力水平和/或同化环境和需求一方的数据信号，使得涡轮机操作效率和输出最大。这可以根据需要通过预编程的控制装置、学习控制算法或任何其他适当的控制策略来实现。
在参照图1C所示的替代实施例中，发电模块210可以设置有LIDAR传感器212，以便提供前面提到的LIDAR能力。此外，竖直稳定器220设置有对应的方向舵控制表面221、水平稳定器223和对应的升降舵控制表面230。这些表面允许以与机尾能够控制偏航角和对迎面而来的气流的迎角相同的方式控制管道或罩216的取向。还可以提供纵倾调整片以配平将罩216保持在相对于盛行风向的最佳取向所需的任何力。
图1C所示的实施例还设有外部空气动力轮叶225，外部空气动力轮叶225进一步在空气动力学上利于罩216上方和周围的有效气流。前缘空气动力翼片227邻近入口管道222设置，并且对应的后缘空气动力翼片229邻近出口管道224设置。翼片227、229可以由机载或远程控制的系统响应于任何前视风况或海况传感器信息(例如上述从LIDAR系统获得的信息)而进行控制和部署。

Claims (50)

1.一种管道式风力涡轮机，所述管道式风力涡轮机包括：
至少涡轮机转子组件，所述涡轮机转子组件适于从流过其的空气中提取动能，所述转子组件包括多个转子叶片，所述转子叶片在其最外端处具有转子稍端，所述最外端限定转子稍端扫描周长；
管道组件，所述管道组件至少部分地包围所述转子稍端扫描周长；
基部平台，所述基部平台适用于支撑所述管道式风力涡轮机；并且
其中，所述管道组件通过风向标轴承布置安装在所述基部平台上，使得所述管道组件能够响应于风向的变化而围绕所述涡轮机转子组件随风向改变方位。
2.根据权利要求1所述的管道式风力涡轮机，其中，所述基部平台包括用于在水体上浮动的基部平台。
3.根据权利要求2所述的管道式风力涡轮机，其中，所述基部平台包括半潜式基部平台。
4.根据前述权利要求中任一项所述的管道式风力涡轮机，其中，在所述风力涡轮机组件的管道入口和管道出口之间设置有管道通道，每个所述管道入口和所述管道出口均具有纵向轴线。
5.根据权利要求4所述的管道式风力涡轮机，其中，所述管道入口和所述管道出口布置成使得其各自的所述纵向轴线基本上平行但相对于彼此竖向或侧向地偏移。
6.根据权利要求4所述的管道式风力涡轮机，其中，所述管道入口和所述管道出口布置成使得其各自的所述纵向轴线以重定向角α彼此相交。
7.根据权利要求6所述的管道式风力涡轮机，其中，所述重定向角α在大约90度到170度之间。
8.根据权利要求4至7中任一项所述的管道式风力涡轮机，其中，所述管道入口和所述管道出口的面积基本上彼此相等，以使流经所述风力涡轮机的空气的压缩或膨胀最小。
9.根据权利要求4至7中任一项所述的管道式风力涡轮机，其中，所述管道入口的面积大于所述管道出口的面积，以便对穿过所述涡轮机的空气产生冲压效应。
10.根据权利要求4至7中任一项所述的管道式风力涡轮机，其中，所述管道入口的面积小于所述管道出口的面积，以便对穿过所述涡轮机的空气产生扩散器效应。
11.根据权利要求4至10中任一项所述的管道式风力涡轮机，其中，所述管道入口和所述管道出口各自包括圆形的、卵形的或矩形的区域。
12.根据权利要求4至11中任一项所述的管道式风力涡轮机，其中，所述管道通道包括至少导叶布置，所述导叶布置适于引导空气流经所述管道通道并流入所述涡轮机转子组件。
13.根据前述权利要求中任一项所述的管道式风力涡轮机，其中，所述涡轮机转子组件中的所述多个涡轮机转子组装在两组同轴对转的轮毂上，使得提供沿一个方向旋转的主要组转子和沿相反方向旋转的次要组转子。
14.根据前述权利要求中任一项所述的管道式风力涡轮机，其中，所述管道通道的内表面在空气动力学上被优化成利于流经其中的气流以最小的能量损失平稳流动。
15.根据权利要求3至14中任一项所述的管道式风力涡轮机，其中，所述管道通道的外表面在空气动力学上被优化成使所述涡轮机和所述半潜式基部平台上的结构载荷和空气动力湍流最小，同时增强气流、促进更低的压力遍及所述管道出口、并向从所述涡轮机出口排出的流增加动量以帮助所述涡轮机质量气流和能量捕获。
16.根据前述权利要求中任一项所述的管道式风力涡轮机，其中，所述风力涡轮机布置设置有竖直稳定器尾部，所述竖直稳定器尾部与所述管道式风力涡轮机集成或分离但仍连接到所述风力涡轮机，以便利于所述随风向改变方位的运动。
17.根据权利要求16所述的管道式风力涡轮机，其中，所述尾部包括可转向的控制表面和/或纵倾调整片。
18.根据权利要求3至17中任一项所述的管道式风力涡轮机，其中，所述半潜式基部平台包括三角翼形布置，所述三角翼形布置具有从其向下延伸的多个分立的浮动构件。
19.根据权利要求15所述的管道式风力涡轮机，其中，所述半潜式基部平台包括四个分立的浮动构件，在所述半潜式基部平台的每个角部处或朝向所述半潜式基部平台的每个角部各自设置一个浮动构件，使得设置有前浮动构件、后浮动构件和两个侧翼浮动构件。
20.根据权利要求18或19所述的管道式风力涡轮机，其中，每个所述分立的浮动构件均包括通过支撑支柱附接到所述半潜式平台的下浮动构件，所述支撑支柱在水面处具有较小的船体横截面积以使所提供支撑的稳定性最大。
21.根据前述权利要求中任一项所述的管道式风力涡轮机，其中，所述风向标轴承布置包括基本上圆形的承载板和设置在所述风力涡轮机布置和所述半潜式基部平台之间的对应的基本上圆形的凹部，使得、在使用中、所述管道组件可以围绕所述涡轮机转子组件随风向改变方位。
22.根据权利要求21所述的管道式风力涡轮机，其中，所述风向标轴承布置还设置有摩擦减小装置，以便于响应于沿盛行风向的运动而利于所述管道组件相对于所述半潜式基部平台的加载旋转运动。
23.根据权利要求3至22中任一项所述的管道式风力涡轮机，其中，多个波能吸收器从所述半潜式基部平台上的附接点延伸到水中，使得每个所述波能吸收器的一端直接或间接地由所述基部平台支撑，并且另一端通过与水的浮力接合进行支撑。
24.根据权利要求23所述的管道式风力涡轮机布置，其中，所述波能吸收器在所述涡轮机布置的任一侧上从所述半潜式基部平台的后缘向后延伸。
25.根据权利要求23或24所述的管道式风力涡轮机装置，其中，所述波能吸收器的所述附接点逐渐向后地布置在所述半潜式平台上，使得、在使用中、经过所述风力涡轮机布置的波浪将相继地与最前面的所述波能吸收器到最后面的所述波能吸收器逐渐地相互作用。
26.根据权利要求23至25中任一项所述的管道式风力涡轮机布置，其中，所述波能吸收器设置有能量浮动模块，以用于与水的浮力相互作用。
27.根据权利要求26所述的管道式风力涡轮机布置，其中，所述能量浮动模块包括设置在所述波能吸收器的结构臂的远端处的基本上半球形的浮动构件。
28.根据权利要求26所述的管道式风力涡轮机布置，其中，所述能量浮动模块包括组合式的单体结构臂和浮动室。
29.根据权利要求23至28中任一项所述的管道式风力涡轮机布置，其中，所述波能吸收器通过扭转轴承布置附接到所述半潜式平台，所述扭转轴承布置包括第一可旋转构件、可与所述第一可旋转构件旋转连通的第二可旋转构件、设置在所述第一可旋转构件和所述第二可旋转构件之间的抗扭转装置，使得当其中至少一个所述可旋转构件相对于另一个所述可旋转构件旋转时，在所述可旋转构件之间产生抵抗这种运动的抗扭转力。
30.根据权利要求3至29中任一项所述的管道式风力涡轮机布置，所述风力涡轮机布置还至少包括由所述半潜式平台在水面下方进行支撑的水涡轮机布置。
31.根据前述权利要求任一项所述的管道式风力涡轮机，所述管道式风力涡轮机还包括扩散器布置，所述扩散器布置适于改善流经所述涡轮机转子组件的气流。
32.一种半潜式支撑平台，包括：
上支撑甲板，物品、机器、建筑物、装备或其他物品能够设置在所述上支撑甲板上；
多个下部的分立的浮动构件；
多个对应的支撑支柱，所述支撑支柱从所述支撑甲板的每个角部延伸到每个对应的浮动构件，所述支撑支柱的横截面积相对于所述浮动构件的横截面积较小，以便使由所述支撑支柱提供的对所述上支撑甲板的支撑的稳定性最大；
锚固布置，所述锚固布置设置在所述支撑甲板的前导角部处，以允许所述支撑平台围绕所述支撑甲板随风向改变方位，从而形成前浮动构件、后浮动构件和两个侧翼浮动构件。
33.根据权利要求32所述的半潜式支撑平台，所述半潜式支撑平台还包括风向标轴承布置，所述风向标轴承布置适于定位管道组件，使得所述管道组件能够响应于盛行风向的变化而相对于所述半潜式基部平台随风向改变方位。
34.根据权利要求33所述的半潜式支撑平台，其中，所述风力涡轮机组件包括管道式风力涡轮机。
35.根据权利要求34所述的半潜式支撑平台，其中，所述风力涡轮机组件包括管道式风力涡轮机，所述管道式风力涡轮机具有设置在所述风力涡轮机组件的管道入口和管道出口之间的管道通道，每个所述管道入口和所述管道出口均具有纵向轴线。
36.根据权利要求35所述的半潜式支撑平台，其中，所述管道入口和所述管道出口布置成使得其各自的所述纵向轴线基本上平行但相对于彼此竖向或侧向地偏移。
37.根据权利要求35所述的半潜式支撑平台，其中，所述管道入口和所述管道出口布置成使得其各自的所述纵向轴线以重定向角α彼此相交。
38.根据权利要求37所述的半潜式支撑平台，其中，所述重定向角α在大约90度到170度之间。
39.根据权利要求32至38中任一项所述的半潜式支撑平台，其中，所述上支撑甲板适于设置核反应器设施。
40.根据权利要求32至39中任一项所述的半潜式支撑平台，其中，所述上支撑甲板包括三角翼形布置。
41.根据权利要求32至40中任一项所述的半潜式支撑平台，所述半潜式支撑平台还包括多个波能吸收器，所述波能吸收器从所述半潜式基部平台上的附接点延伸到水中，使得每个所述波能吸收器的一端直接或者间接地由所述基部平台支撑，并且另一端通过与水的浮力接合进行支撑。
42.根据权利要求32至41中任一项所述的半潜式支撑平台，所述半潜式支撑平台至少还包括由所述半潜式平台在水面下方进行支撑的水涡轮机布置。
43.一种波能捕获设备，包括：
支撑平台，所述支撑平台为所述波能捕获设备提供附接枢转点；
长形臂构件，所述长形臂构件附接到所述支撑平台，所述长形臂构件包括用于与经过的波浪浮力相互作用的单体浮力浮体，使得所述长形臂构件能够响应于所述经过的波浪而绕所述枢转点旋转。
44.一种扭转轴承机构，包括：
第一可旋转构件；
第二可旋转构件，所述第二可旋转构件与第一可旋转构件可旋转地连通；以及
抗扭转装置，所述抗扭转装置设置在所述第一可旋转构件和所述第二可旋转构件之间，使得当其中至少一个所述可旋转构件相对于另一个所述可旋转构件旋转时，在所述可旋转构件之间产生抵抗这种运动的抗扭力。
45.根据权利要求44所述的扭转轴承机构，其中，所述抗扭构件包括金属的或非金属的杆。
46.根据权利要求45所述的扭转轴承机构，其中，在所述第一可旋转构件和所述第二可旋转构件之间设置附加的、基本上非扭转的支撑构件，以便在相对于彼此旋转期间在结构上支撑所述构件。
47.一种格构式风力涡轮机塔架，包括：
外周面；
对应的内周面；以及
设置在所述外周面和所述内周面之间的多个交叉斜撑结构构件。
48.根据权利要求47所述的格构式风力涡轮机塔架，其中，所述外周面和/或所述内周面包括多个弯曲的结构斜撑构件。
49.根据权利要求47所述的格构式风力涡轮机塔架，其中，所述外周面和/或所述内周面包括多个直型结构斜撑构件。
50.根据权利要求47至49中任一项所述的格构式风力涡轮机塔架，所述格构式风力涡轮机塔架还包括设置在所述格构的所述结构斜撑构件之上和所述结构斜撑构件之间的空气动力覆盖件。
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