CN112703312B - 海流涡轮机 - Google Patents

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Abstract

本发明是用于转换水流能量的改进的海流涡轮机，该海流涡轮机包括以下特征：布置成浸入在水流中的主框架，主框架包括：朝向水流的头部部分，具有板的环形旋转链，板布置成在头部部分处捕获水流并通过水流被向后驱动，旋转链绕使发电机进行工作的一个或更多个驱动轮延伸并与其驱动接合，以及连续凹形的且从头部部分延伸并向后延伸至横向宽尾部的左舷侧框架和右舷侧框架，横向宽尾部比左舷侧框架与右舷侧框架之间的最大距离更窄，以及布置成使每个板转动以在头部部分处捕获水流的反转机构，从而使每个板分别沿着右舷侧框架、左舷侧框架被向后驱动，以返回至宽尾部部分的后端部，并且在宽尾部部分的后部，转动机构将每个板转动至被动状态。

Description

海流涡轮机
技术领域
本发明涉及海流涡轮机。具体来说，本发明适用于海流涡轮机，在该海流涡轮机中，主框架是船形件，该船形件成形有头部、连续的凸形框架侧部并且成形有方艉(transomstern)。主框架的形状或多或少等于具有连续凸形侧部的小艇(dinghy)的水线，并且中间部段的宽度大于方艉的宽度。沿着连续的凸形框架侧部分别延伸有具有横板的右舷主链、左舷主链，该横板对水流进行捕获，并且主链驱动与发电机相连的轮以将动能转换为例如电能，或者主链驱动生成液压能的泵。从尾部开始，板从横向转动成纵向，并且主链在框架侧部之间的遮挡空间中返回，并且其中，板沿着链对齐。
背景技术
基于2016年6月10日提交的专利申请NO20160991的挪威专利NO341417描述了一种海洋发电装置，在该海洋发电装置中，主框架为尖的V形形状，该尖的V形形状具有：朝向水流的梢端；直的两个框架侧部，所述两个框架侧部的距离随着距梢端的距离增加而线性增加；以及宽的、直的尾部。主框架为V形形状，请参见附图5。沿着主框架分别延伸有具有横板的右舷主链、左舷主链，该横板对水流进行捕获，并且主链驱动与发电机相连的轮以将动能转换成例如电能。从最宽点处的后端部开始，板从横转动成纵向，并且主链在框架侧部之间的遮挡空间中返回，并且其中，板沿着链是对齐的。在提交的NO20160991中假定清楚的(clear)V形形状将向驱动主链的板提供水的最大动能转换，当如此假定时，在正视图中以相同的程度看到每个板的情况下观察该V形几何结构时，每个板将相等地暴露于累计的水流中，参见图6。
发明内容
本发明是一种用于转换水流能量的海流涡轮机，该海流涡轮机包括以下特征：
-主框架(0)，主框架(0)布置成浸入在海或河中的水流(F)中，
-其中，主框架(0)包括：
-头部部分(PB)，头部部分(PB)布置成直接面向水流(F)，
-一个或更多个右舷环形旋转链和左舷环形旋转链(4)，右舷环形旋转链和左舷环形旋转链(4)具有板(1)，板(1)布置成在头部部分(PB)处捕获水流(F)并通过水流(F)被向后驱动，
-其中，旋转链(4)绕一个或更多个驱动轮(5)运动并与所述一个或更多个驱动轮(5)驱动接合，所述一个或更多个驱动轮(5)使发电机(G)进行工作，以及
-左舷侧框架(PP)和右舷侧框架(PS)，左舷侧框架(PP)和右舷侧框架(PS)是连续凹形的并且从头部部分(PB)延伸并延伸返回至
-横向宽尾部部分(PA)，横向宽尾部部分(PA)比左舷侧框架(PP)与右舷侧框架(PB)之间的最大距离更窄，
-其中，旋转链(4)包括具有板(1)的右舷环形旋转链和左舷环形旋转链(4)，右舷环形旋转链和左舷环形旋转链(4)布置成沿着左舷侧框架(PB)和右舷侧框架(PS)运动，以及
-转动机构(9)，转动机构(9)布置成使每个板(1)转动以在头部部分(PB)处捕获水流(F)，从而使每个板(1)分别沿着右舷侧框架(PS)、左舷侧框架(PP)被向后驱动、返回至宽尾部部分(PA)的后端部，并且在宽尾部部分(PA)的后部，转动机构(8)将每个板(1)转动至被动状态，在被动状态下，在板(1)通过旋转链(4)在遮挡腔(PH)中再次被引导向前时，板(1)基本上不捕获水，遮挡腔(PH)位于右舷侧框架(PS)与左舷侧框架(PP)之间并延伸至头部部分(PB)。
在本公开内容中可以发现本发明的各实施方式的其他细节。
附图说明
以下附图示出了本发明：
图1是改进的海流涡轮机的实施方式的立体图，并且该图示出了布置成面向水流的头部部分(PB)以及左舷侧框架(PP)和具有板(1)的被部分遮挡的驱动链(4)，板(1)从头部部分沿着侧框架的大部分是暴露的并且在水流的作用下向后，直到侧框架被横向宽尾部部分(PA)中断为止。侧框架是连续凸形的，即侧框架在侧框架的整个长度上均向外弯曲。
图2a是根据本发明的海流涡轮机的实施方式的平面截面图。该平面截面图示出了具有板的左舷环形旋转链和右舷环形旋转链(4)，板在定位成横向于水流(F)并且在头部部分(PB)处捕获水流(F)后对齐，在板分别在右舷旋转链和左舷旋转链(4)中沿着凸形侧框架(PS、PP)向宽尾尾部(PA)的后外端部运动时，该板在水流的作用下分别沿着右舷侧框架(PS)和左舷侧框架(PP)被向后驱动，然后板转动成被动状态，在该被动状态下，板大体上不捕获水，并通过旋转链(4)在右舷侧框架(PS)与左舷侧框架(PP)之间的遮挡腔(PH)中再次向前移动，并再次向前延伸至头部部分(PB)。链(4)因此闭合。
图2b是从主框架(0)的尾部观察的立体图，并且该图示出了尾部部分(PA)，在尾部部分(PA)中，两个轮(5)的竖向轴(7)布置在尾部部分的相反侧上。
图2c是从右舷侧观察的主框架(0)的侧视图。
图2d是主框架(0)的前视图，其中，头部部分(PB)面向读者。
图3是具有顶部板(00)和U形凹槽(8)的轮廓的主框架(0)的俯视图，其中，板(1)从头部部分(0)延伸至尾部(PA)。整个结构的长度可以在20米至200米的范围内，优选地，整个结构的长度在50米至150米的范围内，并且在图7中示出了船体长度为100米的右舷框架侧部(PS)的形状的实施方式。
图4是主框架(0)的立体图，其中，驱动链(4)在前部轮(5)与后部轮(5)之间延伸，并且该图示出了右舷(上部)驱动链(4)中的右舷板的一部分的运动方向。
图5示出了背景技术，具体示出了NO341417中的主框架的形状。
图6示出了背景技术，具体示出了NO341417中的V形几何结构。
图7示出了船体长度为100米的右舷框架侧部(PS)的形状的实施方式。
图8a示出了按照本发明模型在水平面中计算的速度运算，其中，水速初始为2.5m/s，L＝100m。
图8b示出了结合图8a中计算出的速度变化而计算的水中的动态压力运算。
图9示出了用于使板(1)在前部轮或后部轮(5)处转动的转动机构，该转动机构适于使板相对于驱动链(4)从纵向至横向或者从横向至纵向转动90度。
具体实施方式
图1是改进的海流涡轮机的实施方式的立体图，并且该图示出了布置成面向水流的头部部分(PB)以及左舷侧框架(PP)和具有板(1)的被部分遮挡的驱动链(4)，板(1)从头部部分沿着侧框架的大部分是暴露的并且在水流的作用下向后，直到侧框架被横向宽尾部部分(PA)中断为止。侧框架是连续凸形的，也就是说，侧框架在侧框架的整个长度上均向外弯曲。
图2a是根据本发明的海流涡轮机的实施方式的平面截面图。该平面截面图示出了具有板的左舷环形旋转链和右舷环形旋转链(4)，板适于：在定位成横向于水流(F)并且在头部部分(PB)处捕获水流(F)后，在板分别在右舷旋转链和左舷旋转链(4)中沿着凸形侧框架(PS、PP)返回至宽尾尾部(PA)的后端部运动时，在水流的作用下沿着右舷侧框架(PS)和左舷侧框架(PP)被向后驱动，然后板转动成被动状态，在该被动状态下，板大体上不捕获水，并通过旋转链(4)在右舷侧框架(PS)与左舷侧框架(PP)之间的遮挡腔(PH)中再次向前移动，并向前延伸至头部部分(PB)。链(4)因此是环形的。
板(1)布置成在链(4)中转动，使得板在向后运动的途中横向于链，并且在向前运动的途中与链一起转动。在前部轮(5)处存在将板相对于链从纵向反转成横向的机构，并且在尾部轮(5)处存在将板相对于链(4)从横向反转成纵向的相反的机构。在NO341417中详细描述了这种反转的机构。在一个实施方式中，板(1)是两个半板，所述两个半板向外翻折并形成横向板，并且所述两个半板可以折叠在一起，以使所述两个半板转动成平行于链。在另一实施方式中，板(1)可以是整体板，该整体板相对于链在横向位置与纵向位置之间转动并复原。
在一个实施方式中，拱形部分(PB)是具有前面部的板状结构或实心结构，该前面部面向水流主方向是弯曲的或部分尖状的，从而将水流分成右舷水流和左舷水流，右舷水流和左舷水流在顶部和底部由顶部板和底部板引导。
左舷侧框架(PP)和右舷侧框架(PS)是连续凸形的，并且从头部部分(PB)延伸返回至横向宽尾部(PA)，即便如此，但是该横向宽尾部(PA)比左舷侧框架(PP)与右舷侧框架(PB)之间的最大距离窄。事实证明，相比于示出为V形主要形状的现有技术，左舷侧框架(PP)和右舷侧框架(PS)相对于其最宽点“波束宽度点”(PPB)的这种锥度使得布置成横向于链的板(1)上的水速与压力分布更好。这是令人惊喜的效果。
图2b是从主框架(0)的尾部视角观察的立体图，该图示出了尾部部分(PA)，在尾部部分(PA)中，两个轮(5)的竖向轴(7)布置在尾部部分的相反侧上。在该立体图中，还可以观察到位于轮(5)的轴(7)轴向上方的筒形壳体，该筒形壳体可以容纳用于生成电流的发电机(G)，这是水流在板(1)上作用并驱动链(4)从而使轮(5)在发电机轴(7)上旋转的最终工作结果。发电机可以替代地间接生成氢并对所生成的氢进行压缩。在图中描绘出了沿着右舷框架侧部(PS)和左舷框架侧部(PP)的外部的板是横向的并捕获水流，并且示出了沿着腔(PH)的内部路径的板(1)与链(4)纵向对齐，因此沿着腔(PH)的内部路径的板(1)不捕获水。在此还示出了板(1)在U形凹槽(8)中暴露于水流中，该U形凹槽(8)在上弯曲纵向表面与下弯曲纵向表面(81)之间从头部部分(PB)附近延伸并延伸返回至尾部(PA)处的后部轮(5)附近。该凹槽(8)还可以布置在上船体板(82)与下船体板(82)之间，这也有助于利用板(1)来捕获和收集流向凹槽(8)的水流。如果板(1)是矩形的，则凹槽不是U形而是矩形的。
从图2b中示出，驱动链(4)(上部和下部)以及轮(5)被弯曲的纵向表面(81)覆盖，从而使水流集中以沿着板流动并且不会干扰驱动链(4)、尤其是不会干扰轮(5)。每个框架(2)以及驱动链(4)上的中间链节可具有向上和向下突出的销(22)，销(22)具有横向滑架(23)，该横向滑架(23)分别围绕沿着驱动链的期望路径布置的上轨道和下轨道(101)进行抓持并沿着上轨道和下轨道(101)延伸。这些销(22)还布置成与驱动轮(5)中的竖向凹部接合以驱动这些驱动轮(5)进行旋转(around)。
图2c是从右舷侧观察的主框架(0)的侧视图。在此，示出了右舷开放凹槽(8)，其中，纵向、弯曲表面(81)将驱动链(4)、轮(5)和销(22)遮挡，但是使板(1)暴露，该板(1)沿着框架侧部(PS、PB)相对于驱动链横向对齐，因此使水流流过。凹槽(8)在弯曲表面(81)内延伸，再次从头部部分(PB)一直延伸返回至尾部部分(PA)。
图2d是从前视图观察的主框架(0)的视图，其中，头部部分(PB)面向读者。在这里也清楚地示出了将水流(F)捕获的每排横向板(1)的开始部分在U形凹槽(8)和弯曲表面(81)的上部和下部中是暴露的。应指出的是，这里的为轮(5)提供遮挡的头部部分(PB)和前后延伸的板(1)是相当宽的：由于这个原因，头部的纵向水速和压力没有被特别提高，请参见图8a至图8b中的速度与压力曲线。头部部分(PB)的宽度可以是左舷框架位置(PP)与右舷框架位置(PS)之间的最大宽度(PPB)的1/4至1/2。
图3是具有顶部板(00)和U形凹槽(8)的轮廓的主框架(0)的俯视图，其中，板(1)从头部部分(0)延伸至尾部(PA)。整个结构的长度可以在20米至200米的范围内，优选地，整个结构的长度在50米至150米的范围内，并且在图7中示出了船体长度为100米的右舷框架侧部(PS)的形状的实施方式。
图4是主框架(0)的立体图，其中，驱动链(4)在前部轮(5)与后部轮(5)之间延伸，并且该图示出了右舷(上部)驱动链(4)中的右舷板的一部分的运动方向。在此，为了清楚起见，仅示出了下部轮和上部驱动链，并且在一个实施方式中存在上部驱动链和下部驱动链(4)。
图5示出了背景技术，具体示出了NO341417的主框架的形状。右舷框架侧部和左舷框架侧部是直的，并且与通过头部至尾部的中心线形成30度的角度。
图7示出了船体长度为100米的右舷框架侧部(PS)的形状的实施方式，使用船体长度为100米的右舷框架侧部(PS)在图8a至图8b中建模。“圆1”、“圆2”等示出了代表沿着右舷框架侧部(PS)沿着U形凹槽(8)的板(1)以沿着凹槽的速度来建模的8个圆的位置，参见图8a至图8b。
图8a示出了根据本发明的模型在水平面中计算的水中的速度运算，其中，水速初始为2.5m/s，L＝100m。该模型与上述附图略微不同之处在于，在头部部分(PB)的前面也插入有假想的板(1)。详细的速度计算表明，在沿着框架侧部(PP)的点(N)的前方的速度低于水速为2.5m/s的进水速度，因此，不旨在允许板(1)从该点(N)前方的点开始板的行程，因为在板以平均速度运动的情况下，在点(N)前方的点的板在水的作用下将被减速。因此，头部部分(PB)不会对板造成阻碍，即使头部部分(PB)在整个宽度上都遮挡进入水流也不会对板造成阻碍。在该头部部分(PB)的后面，我们布置了相对较大的两个轮(5)，链(4)与板(1)绕所述两个轮(5)转动。沿着框架侧部的水速运算的最大值达到超过4m/s，在框架侧部(PB)的最宽点(PPB)的水速也较高并且保持在3.125以上直到尾部(PA)的端部，并且平均速度为3.45m/s，该平均速度比速度为2.5m/s的周围水流高出0.95m/s(该运算是从1/8m/s至4m/s以0.125m/s为等高线间距分32个级别进行的)。方艉(PA)的外端部也形成了具有高水速的涡流，但是在板(1)外部的一定距离处的水速和整个结构对于本发明中的能量利用而言意义不大；重要的是紧靠板(1)的水速。因此，存在相当大的机会来通过轮(5)将水速和压力转换为旋转能并驱动发电机(8)。在横向尾部(PA)的后方，在中心线的两侧均形成具有很低水速的涡流，但是该涡流的延伸范围窄且是长形的。模型计算还表明，水压从点N向后增加，并且承受得远低于框架的最大宽度(PPB)。这与板(1)的高且稳定的水速有关，以更有效地进行驱动。可以认为这是高效率的原因中的一个原因，与此同时，方艉比现有技术中的方艉更窄，在现有技术中，尾部镜的宽度对应于结构的长度，因此现有技术由于必须形成大涡流而损失了很多能量。
本发明的速度条件的建模显示出令人惊讶的是，右舷框架侧部(PS)和左舷框架侧部(PB)的形状为连续的凸形并且具有对于最宽的点而言成一定锥形的尾部，从而提供了比初始水速明显更高的速度，并且在沿着框架侧部的整个暴露部分的水速均比初始水速明显更高，并且效率也比图5中所示的现有技术中的三角形模型大得多。
图8b示出了结合图8a中计算出的速度变化而计算的水中的动态压力运算。应指出的是，对于具有图8b中的两排板(1)的双实施方式而言进行了计算。在此处将看到，头部部分(PB)上的压力累积至大约300帕，但是在模型中随着速度沿着框架侧部(PP)的增加，压力在较长范围内朝向-3,000Pa降低，并且在继续返回至框架侧部(PP)的尾部端部的过程中压力均是降低的，其中，速度沿着该范围是显著增加的。在根据本发明的流动模型中，沿着通道(8、81)不会出现突然的、不期望的压力变化。
图9示出了用于使板(1)在前部轮或后部轮(5)处转动的转动机构，该转动机构布置成使板相对于驱动链(4)从纵向至横向或从横向至纵向转动90度。板(1)可以如NO341417中所示的借助于巧妙控制的机构来转动，该机构可以包括电磁体、致动器等。
然而，在本发明的实施方式中，可以在没有电子类型的控制机构的情况下实现转动机构。在本发明的实施方式中，反转机构是所谓的日内瓦机构(90)。在更实质的实施方式中，这种日内瓦机构包括与每个板(1)或板(1)的竖向轴联接的分度轮(91)。分度轮具有十字形的分度轨道(94)，每次分度销绕计数轮(93)旋转360度时，分度轨道(94)一次被分度销(92)驱动大约90度。通过前部轮和后部轮(5)布置有弯曲的摩擦路径(95)，并且弯曲的摩擦路径(95)具有与计数轮(93)的一整圈旋转相对应的长度，计数轮(93)可以布置成在该弯曲的摩擦路径(95)上运动。这样，板(1)每次经过前部轮或后部轮(5)时都旋转四分之一转。这种使板转动的日内瓦机构不需要电子控制，并且可以装配有弹簧加载的止动机构，该止动机构在分度板首先旋转90度时将分度板保持在四个方向中的每个方向上，从而使分度板(1)在每转之间都不会不受控制地旋转。
在本发明的一个实施方式中，发电机(G)可以连接至部分地延伸通过海的电网，并且将电能输送至所期望的位于任何地方的接收器。在本发明的替代实施方式中，发电机(G)可以包括氢工厂，该氢工厂将海水转换成氢和氧，并且向船舶或管道供给以所需的压力被压缩的氢或液态氢(分别与氧一起供给)，除非连接至电网在经济上是有益的。

Claims (3)

1.一种海流涡轮机，所述海流涡轮机用于对水流的能量进行转换，所述海流涡轮机包括以下特征：
-主框架(0)，所述主框架(0)布置成浸在海或河中的水流(F)中，
-其中，所述主框架(0)包括：
-头部部分(PB)，所述头部部分(PB)布置成直接面向所述水流(F)，
-一个或更多个右舷环形旋转链和左舷环形旋转链，所述右舷环形旋转链和左舷环形旋转链具有板(1)，所述板(1)布置成在所述头部部分(PB)处捕获所述水流(F)并通过所述水流(F)被向后驱动，
-其中，所述右舷环形旋转链和所述左舷环形旋转链绕一个或更多个驱动轮(5)运动并与所述一个或更多个驱动轮(5)驱动接合，所述一个或更多个驱动轮(5)使发电机(G)进行工作，以及
-左舷侧框架(PP)和右舷侧框架(PS)，所述左舷侧框架(PP)和所述右舷侧框架(PS)是连续凹形的并且从所述头部部分(PB)延伸并向后延伸至横向宽尾部(PA)，
-横向宽尾部(PA)，所述横向宽尾部(PA)比左舷侧框架(PP)与右舷侧框架(PS)之间的最大距离窄，
-其中，所述右舷环形旋转链和左舷环形旋转链布置成沿着左舷侧框架(PP)和右舷侧框架(PS)运动，以及
-转动机构(9)，所述转动机构(9)布置成使每个板(1)转动以在所述头部部分(PB)处捕获所述水流(F)，从而使每个板(1)分别沿着所述右舷侧框架(PS)和所述左舷侧框架(PP)被向后驱动、返回至所述横向宽尾部(PA)的后部，并且在所述横向宽尾部(PA)的后部，所述转动机构(9)将每个板(1)转动至被动状态，在所述被动状态下，当所述板(1)通过所述右舷环形旋转链和所述左舷环形旋转链在遮挡腔(PH)中再次被引导向前时，所述板(1)基本上不捕获水，所述遮挡腔(PH)位于右舷侧框架(PS)与左舷侧框架(PP)之间并延伸至所述头部部分(PB)，
其中，所述头部部分(PB)形成宽的遮挡部，所述宽的遮挡部形成的宽度与所述主框架的最大宽度(PPB)处的长度(L)的1/4与1/2之间相对应，并且所述宽的遮挡部跟随所述左舷侧框架(PP)和所述右舷侧框架(PS)向后延伸至沿着框架侧部的水速比进入的水流(F)的初始速度大的点。
2.根据权利要求1所述的海流涡轮机，其中，所述横向宽尾部(PA)的宽度的被所述主框架(0)的长度(L)分成的一半等于15度的正切。
3.根据前述权利要求中的任一项所述的海流涡轮机，其中，所述转动机构(9)包括日内瓦机构，所述日内瓦机构被布置成在所述板(1)经过所述一个或更多个驱动轮(5)的前部轮和后部轮时使所述板(1)相对于所述右舷环形旋转链和所述左舷环形旋转链转动90度。
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