CN112154266A - 用于从流体流产生能量的动力学模块化机器 - Google Patents

用于从流体流产生能量的动力学模块化机器 Download PDF

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Abstract

本发明是一种如图1中所示的动力学模块化机器(M)，其从以不同速度移动的单向或双向流产生电能。所述机器(M)包括一个或多个同轴的“开放式中心”的涡轮机(Ti，其中i＝1，2，……n)；浮动/定位系统(F)；机器与停靠区之间的连接件。每个涡轮机包括转子(R)、定子(S)和同步发电机(G)。在任何多涡轮机构造中，涡轮机在结构、机械和电气上是独立的。浮动/定位系统(F)包括浮动器(11)、翼(12)和将机器连接至浮动器的固定装置(13)，从而实现旋转轴线(翻滚、俯仰、偏航)控制；所述翼将机器保持于距岸和流体表面的基准距离处。作为独立涡轮机解决方案，所述模块化设计容许灵活的设计，从而保持低的安装和维护成本，甚至在发生故障期间也产生能量。

Description

用于从流体流产生能量的动力学模块化机器
技术领域
本发明涉及带有单转子和/或双转子的“开放式中心”(不带有中心轴和/或毂)的涡轮机或流体动力学浮动式涡轮机系统，换句话说，所述涡轮机配备有浮动器定位系统，能够从以不同的流动速度运行的单向或双向流体流产生电能。
特别地，本发明涉及涡轮机，浮动和旋转(围绕偏航、翻滚和俯仰轴线)系统，相对于岸以及流的机器位置。
背景技术
众所周知，可以建造用于从潮汐流产生电能的SintEnergy涡轮机。它们由带有容许产生能量的可动组成部件的一些动力学机器组成，所述动力学机器完全浸没于水中并且通过仅仅受拉伸应力且由刚性系锚绳驱动的绳索系泊至岸(岸上技术)。工作原理与风筝十分相似：机器在水中处于平衡状态，并且在操作期间不改变位置；即使当流动方向和强度改变时，它也能够自我控制其位置，从而维持垂直于流的旋转平面。
这样的SintEnergy涡轮机被设计成开放式中心并且由以下组成：两个反向旋转的同轴转子、单个定子(一体式定子方案)、两个同步的、独立的内置发电机、安装于定子中心的中心翼(也称为定位翼)、以及浮动器(浮标)。
每个发电机由两个钢环组成，一个钢环被内置至转子(转子钢环)第二个被内置至定子(定子钢环)。这些环分别容纳永磁体和线圈。
在功能上受定子限制的两个转子仅仅在电气上完全独立。在运行期间，当流撞击机器时，两个转子在定子内与发电机一起运转，从而产生电能。通过沿着在转子的侧面上形成的一些座圈的多个球实现旋转，在所述多个球之间具有一定的基准间隙。
浮动器和中心翼容许以适应性模式部分地管控相对于水表面和岸的机器位置。
所引用的常规技术的缺点是与机器的起动有关以及在发生流动方向改变时的部分瞬态管控。
特别地，在作者看来，上述方案不容许完全管控机器轴线旋转(偏航、翻滚、俯仰)，这意味着任何潜在的波动对于“水中”机器的稳定性和平衡以及能量产生都是有风险的。
更多潜在的麻烦可能来自：
·由于需要主要用于一体式定子制造的复杂制造程序和机器，因此组成元件的产生成本较高；
·由于两个转子在功能上连接至定子，因此即使在仅仅一个转子的计划的维护或无人值守的故障的情况下，能量产生也停止；
·由于小的中心孔，因此使用空气动力学效率低的低展弦比中心翼；
·由于整个锚固系统的长度，如远离边界层所要求的，因此机器的安装成本较高，可用的运输方式以及可管控性降低(参见S.Barbarelli，G.Florio，M.Amelio，N.M.Scornaienchi，A.Cutrupi，G.Lo Zupone Transients analysis of a tidalcurrents self-balancing kinetic turbine with floating stabilizer AppliedEnergy 160(2015)715-727)；
·由于中心偏转器，所以建造复杂性较高，中心偏转器意味着在流动方向发生改变时容许转动机器的复杂装置；
·由于中心翼所引起的湍流，机器效率降低；
·由于位于转子的侧面上的滚珠轴承：由于这个原因，每个转子的重量影响轴承，所以它在切削负荷下工作，从而增加了机械摩擦以及切入速度(机器开始产生能量的速度)并且因此降低了所产生的能量，所以在运行位置(其中扫掠区域位于流前部)期间的机械效率低。
由于上述原因，需要寻找创新的解决方案以克服所述限制。
发明内容
本发明旨在克服流体动力学机器中主要由于实际构造造成的已知的(最接近现有技术的)任何先前限制。
本发明的、如所附权利要求中所述的主要目的是建造一种能够从流体流产生能量的动力学机器，所述动力学机器由一个或多个涡轮机所构成的构件(模块)组成，这些涡轮机在结构、机械和电气上是独立的，与螺纹系统或压力/棘爪固定装置相互连接，带有内置的同步发电机，以在一个或多个涡轮机发生故障时减少机器的停机以及能量产生的损失。
取决于第一个目的的第二个目的是建造一种用于从流动流产生能量的模块化动力学机器，其中组装多个组成部件，以使组装阶段更容易(减少阶段的数量)并且使离岸维护更容易，从而降低产生和管理的风险、时间以及成本。
取决于先前目的的第三个目的是根据现场特征或负荷的要求制造不同的且“定制的”许多组件化部件(模数)。
第四个目的是提供一种机器，该机器具有的结构、化学/物理/机械强度的特征相对于操作环境是理想的，由构造材料的形状和种类确保，相对于特定目的是多样化的。
第五个目的是在瞬态期间也实现对机器的完全且正确的位置控制，可通过定位翼在涡轮机外部的位置以及浮动器的适当设计和建模实现所述位置控制。
第六个目的是通过减小转子上的机械摩擦而增加所产生的能量。
第七个目的是通过考虑一些比较的计算流体动力学(CFD)结果来优化所产生的能量。
另一个目的是使用所有已知的组装策略、部件、制造和装置来制造和组装该动力学机器，亦即但非唯一地，连接每台机器的或机器之间的部件的、或用于客户界面的螺钉、固着器(机械的和电气的)、端子。
基于本发明，创新的流体动力学机器容许更好地运行以转换来自比如潮汐或河流的流体流的能量，从而比现有技术的实际技术水平更有效率并且更有利，因为它包括：
·一个或多个涡轮机，所述涡轮机在电气上以及在结构上和在机械上是独立的，从而使机器完全模块化；
·浮动/定位系统，所述浮动/定位系统实现对翻滚、俯仰和偏航以及相对于岸和水表面的位置的控制；
·中心孔，所述中心孔不带有任何阻碍物并且根据CFD结果设计，以优化能量产生，以减少涡轮机后面的尾流后果和环境影响。
附图说明
·图1是显示根据本发明的机器的轴测图；
·图2是由垂直于旋转平面的直径平面剖开的外部叶片式涡轮机(T1)的轴测图；
·图3是由垂直于旋转平面的直径平面剖开的内部叶片式涡轮机(T2)的轴测图；
·图4是机器的浮动/定位系统(F)的侧视图；
·图5示出了本发明的锚固比现有技术更有利的目的；
·图6是组装好的双涡轮机的正视图；
·图7是根据本发明的单涡轮机机器(M)的一种形式的轴测图；
·图8是由垂直于旋转平面的直径平面剖开的、内置于涡轮机(T1)中的发电机(G1)的轴测图；以及
·图9是由垂直于旋转平面的直径平面剖开的、内置于涡轮机(T2)中的发电机(G2)的轴测图。
具体实施方式
以下描述是具备经验的人建造所述机器所需要的最低限度的说明，因此，可以在不对本发明的主题带有偏见的情况下以及在不改变如在权利要求中所限定的相关保护领域的情况下进行任何其它改进/修改。
所发现的机器(在图1中总体上被定义为(M))为浮动式机器，也就是说被浸没于水中但是未被锚固至岸床，而是仅仅通过如下系统连接至岸，该系统容许平衡由流施加于机器自身之上的拖曳。
根据本发明的机器(M)包括：两个反向旋转的同轴涡轮机，即带有外部叶片的一个涡轮机(T1)和带有内部叶片的另一涡轮机(T2)；浮动/定位系统；机器与岸之间的连接系统(图5示出了工作原理)。
如图2中所示，涡轮机(T1)包括转子(R1)、定子(S1)和同步发电机(G1)。
圆形的转子(R1)包括四个环(1a、1b、1c、1d)。它在定子(S1)内部旋转，所述定子(S)在外部周边之上容纳叶片(5)。
具有合适的空气动力学形状和截面并且具有低展弦比(小于二)的叶片(5)的特征在于根部弦大于或等于末端弦的渐缩形状。叶片-转子连接部的截面带有较长的弦。
定子(S1)是组装有四个环(2a、2b、2c、2d)的壳体环形。
图8中所示的发电机(G1)由容纳于转子(R1)内部的金属支撑环(14)和容纳于定子(S1)内部的金属支撑环(16)组成，在所述金属支撑环(14)处安装多个永磁体(15)，在所述金属支撑环(16)处安装数量与磁体相同的多个铜线圈(17)。
转子叶片、磁体和线圈的数量可以根据设计目的和规格变化。
借助球形、圆柱形或其它合适形状的旋转元件(4)提供转子(R1)在定子(S1)内部的旋转，以减小定子与转子之间的机械摩擦。数量根据目的和设计规格变化的这种元件沿着圆形座圈运行，所述圆形座圈部分地靠近叶片根部在转子上形成，并且部分地在定子上形成(如图2中所示)；这些元件通过间隔件(3)以相同的适当相互距离定位。作为可选构造，代替旋转元件，可以根据目的引入或同时使用任何其它使用其它物理现象(例如但非唯一地，磁悬浮)的装置，以减小摩擦。
如图3中所示，涡轮机(T2)包括转子(R2)、定子(S2)和同步发电机(G2)。
圆形的转子(R2)包括四个环(6a、6b、6c、6d)。它在定子(S2)内部旋转，定子(S2)在内部周边中容纳叶片(10)。它在定子(S2)内部旋转，定子(S2)在内部周边中容纳叶片(10)。
具有合适空气动力学形状和截面的叶片(10)的特征在于根部弦小于或等于末端弦的渐缩形状。叶片-转子连接部的截面带有较小的弦。
定子(S2)是组装有六个环(7a、7b、7c、7d、7e、7f)的壳体环形。
图9中所示的发电机(G2)包括容纳于转子(R2)内部的金属支撑环(18)以及容纳于定子(S2)内部的金属支撑环(20)，在金属支撑环(18)处安装多个永磁体(19)，在金属支撑环(20)处安装数量与磁体相同的多个铜线圈(21)。
转子叶片、磁体以及线圈的数量可以根据设计目的和规格变化。
借助于球形、圆柱形或其它合适形状的旋转元件(9)提供转子(R2)在定子(S2)内部的旋转，以减小定子与转子之间的机械摩擦。数量根据目的和设计规格变化的这种元件沿着圆形座圈运行，所述圆形座圈部分地靠近叶片根部在转子上形成，并且部分地在定子上形成(如图3中所示)；这些元件通过间隔件(8)以相同的适当相互距离定位。作为可选构造，代替旋转元件，可以根据目的引入或同时使用任何其它使用其它物理现象(例如但非唯一地，磁悬浮)的装置，以减小摩擦。
如图4中所示的浮动/定位系统(F)包括浮动器(11)、定位翼(12)以及将机器连接至浮动器的固定装置(13)。
如图5中所示，根据设计要求，由所述构件(11)、(12)以及(13)提供的协同操作容许在距水表面和岸的基准距离处控制机器。
特别地：
·被适当地设计和建模的浮动器(11)在瞬变期间提供机器的正确深度和稳定性，以优化能量产生(参见：S.Barbarelli，G.Florio，M.Amelio，N.M.Scornaienchi，A.Cutrupi，G.Lo Zupone Transients analysis of a tidal currents self-balancingkinetic turbine with floating stabilizer Applied Energy 160(2015)715-727)；
·定位翼(12)容许控制相对于岸的机器位置(参见：Barbarelli S.，Amelio M.，Castiglione T.，Florio G.，Scornaienchi N.M.，Cutrupi A.，Lo Zupone G.，Analysisof the equilibrium conditions of a double rotor turbine prototype designedfor the exploitation of the tidal currents，Energy Conversion and Management，2014年，第87卷，第1124-1133页-doi：10.1016/j.egypro.20l4.11.1005)；
·机器-浮动器连接固定装置(13)由一个或多个梁或者用于该目的的任何其它支撑结构组成，并且它被设计成用于提供最佳机器深度，在所述最佳机器深度下根据设计要求实现最大的合适流动速度。
与最接近的现有技术相比，本发明的创新方面是：
模块性
使机器能够完全地模块化的涡轮机结构、机械和电气独立性被证明使机器本身在构件制造和组装以及维护方面更有利。主要地，模块性概念减少停止作业时间，以在其余的涡轮机甚至可以以较低的数量继续生产的同时拉出一个或多个故障涡轮机。
浮动/定位系统
由于系统(F)的构造和创新特征，浮动/定位系统(F)涵盖对机器(M)的翻滚、俯仰和偏航的控制。根据本发明，它的构造特别地有利，因为如图1中所示，机器(M)充当铰接于翻滚轴线A’和俯仰轴线B’(取决于所考虑的振荡计划)处的摆锤；同时，通过浮动器(11)的形状以及定位翼(12)的流体动力学性能执行围绕偏航轴线C的旋转控制。特别地：
·由于被浸没的机器移动的流体的体积，浮动器(11)体积避免机器下沉；同时，由于仅仅出于示例目的的图中所示的特定流体动力学要求，形状容许在围绕轴线A’和B’的小振荡期间维持正确的机器位置；
·位于涡轮机外部的定位翼(12)可以被设计成具有更大的展弦比(大于1)，从而以更高的定位角度和更短的机器-岸连接固定装置运行，如图5中所示(参见，S.Barbarelli，G.Florio，M.Amelio，N.M.Scornaienchi，A.Cutrupi，G.Lo ZuponeTransients analysis of a tidal currents self-balancing kinetic turbine withfloating stabilizer Applied Energy 160(2015)715-727)；
·一旦已知机器本身的质量和惯性动量，元件(13)的自涡轮机的旋转轴线A测量的长度“l”固定机器的振荡周期。
中心孔
中心孔的最佳尺寸基于由CFD执行的比较分析，参考带有中心毂的常规“风力类”涡轮机，根据本发明的开放式中心单转子涡轮机以及根据本发明的双转子涡轮机证明最后一个在能量产生方面是有利的。
实际上已知的是，在能量产生方面，性能在其它因素相同的情况下取决于功率系数Cp和扫掠面积S。
结果表明，通过如图6中所示增大中心孔直径Di，维持涡轮机(T1)的外部直径De，开放式中心涡轮机提供比“风力类”(带有中心毂)高的Cp。无论如何，在开放式中心的情况下，由于当中心孔直径增大时扫掠面积减小，所以能量产生较低。
遵循所获得的结果，从常规技术获得的优点与从开放式中心方案获得的优点之间的良好确定通过采用与双转子构造结合的开放式中心方案、利用创新技术的适当能量产生而获得(如在Giacomo Lo Zupone，Mario Amelio，Silvio Barbarelli，Gaetano Florio，Nino Michele Scornaienchi，Antonino Cutrupi LCOE evaluation for a tidalkinetic self balancing turbine:Case study and comparison Applied Energy 185(2017)1292-1302中所示)，本发明基于所述创新技术。
实际上，尽管扫掠面积较小，但是与传统技术相比，该方案使得能够实现Cp和能量产生的增加，具有更多的经济优势(如在Giacomo Lo Zupone，Mario Amelio，SilvioBarbarelli，Gaetano Florio，NinoMichele Scornaienchi，Antonino Cutrupi LCOEevaluation for a tidalkinetic self balancing turbine:Case study andcomparison AppliedEnergy 185(2017)1292-1302中所示)。
还已知的是，中心孔方案降低对动物的影响，并且如CFD结果所证明的，显著地降低机器后面的尾流现象。
图7描绘涉及刚刚显示的原理的本发明的实际执行的又一示例。与先前考虑的双转子构造相比，在功率系数Cp方面，单涡轮机构造的性能更高，并且因此对于低成本目的和/或小型用户而言，它是一种有利的方案。
对于需要安装于同一锚固结构上的多个涡轮机的、包含定制设计的浮动/定位系统的某些目的而言，这样的方案通常是最有利的。
说明书的顺序列表部分：
M 机器
T1 涡轮机：外部叶片式
T2 涡轮机：内部叶片式
F 浮动/定位系统
A 涡轮机旋转轴线
B 涡轮机俯仰轴线
C 偏航轴线
A’ 机器翻滚轴线
B’ 机器俯仰轴线
l 机器-浮动器固定装置长度
R1 转子1
1a 环1
1b 环2
1c 环3
1d 环4
S1 定子1
2a 环1
2b 环2
2c 环3
2d 环4
3 球间隔件
4 球
5 叶片
G1 外部叶片式涡轮机发电机
14 发电机转子环
15 磁体
16 发电机定子环
17 线圈
R2 转子2
6a 环1
6b 环2
6c 环3
6d 环4
S2 定子2
7a 环1
7b 环2
7c 环3
7d 环4
7e 环5
7f 环6
8 球间隔件
9 球
10 叶片
G2 内部叶片式涡轮机发电机
18 发电机转子环
19 磁体
20 发电机定子环
21 线圈
11 浮动器
12 定位翼
13 机器-浮动器连接固定装置
22 现有技术
23 本发明的新发现主题
24 现有技术的锚固元件长度
25 新发现的锚固元件长度
26 锚固基座
27 边界层
28 岸
Di 涡轮内部直径
De 涡轮外部直径

Claims (9)

1.一种用于从流体流产生电能的模块化动力学机器(M)，所述模块化动力学机器(M)为浮动型“开放式中心”类型，带有完全浸没并垂直于流动方向的扫掠区域，包括带有内置发电机(Gi，其中i＝1，2，……n)的一个或多个涡轮机(Ti，其中i＝1，2，……n)以及浮动/定位控制装置(F)，其特征在于，每个涡轮机在结构、机械以及电气上是独立的，并且包括带有叶片的转子、定子和内置发电机。
2.根据权利要求1所述的模块化动力学机器(M)，其中每个转子和相关的定子由以旋转机器轴线本身为中心的多个部件组成，在这些旋转部件之间具有低的径向跳动并且没有约束。
3.根据权利要求1和2所述的模块化动力学机器(M)，其中叶片的数量是能够与总机器尺寸和性能兼容的最大值，以降低每个叶片的负荷，从而容许使用以较低的结构强度为特征的材料并且降低整个机器的重量和成本。
4.根据权利要求1、2和3所述的模块化动力学机器(M)，其中在每个涡轮机中，通过球形、圆柱形或任何其它形状的旋转元件实现与定子有关的转子圆周运动，所述旋转元件滑动通过靠近叶片根部在所述转子上机械加工而成的圆形座圈；并且所述旋转元件的数量能够与设计要求有关地变化。
5.根据权利要求1、2、3和4所述的模块化动力学机器(M)，其中使用容许最大可用能量产生的Di/De比适当地设计中心孔。
6.根据权利要求1、2、3、4和5所述的模块化动力学机器(M)，其中所述浮动/轴线控制装置(F)至少包括浮动器(11)、定位翼(12)和机器浮动器连接固定装置(13)；并且其中浮动器(11)被适当地设计(形状和计算)以便在最佳深度和稳定的瞬变状态方面实现机器定位；并且其中所述定位翼(12)靠近所述浮动器(11)安装于所述涡轮机之外，并且所述定位翼通过一个或多个梁或适合于该目的的任何其它框架(13)连接至所述涡轮机模块，从而容许所述机器到达距岸或锚固点的正确距离。
7.根据全部前述权利要求所述的模块化动力学机器(M)，其中仅仅一个涡轮机用于低成本目的、高功率系数、容许小负荷。
8.根据全部前述权利要求所述的模块化动力学机器(M)，其中多个涡轮机能够安装在单个固定装置上，所述单个固定装置包含方便地设计的多个浮动/轴线控制装置。
9.根据全部前述权利要求所述的模块化动力学机器(M)，其中如所描述以及描绘的用于工业发明的本专利也涵盖产生和商业化。
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