CN1720394A - 水力发电装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于通过一个涡轮机、转换流动水体的流动能量而产生电能的水力发电装置，它具有转子、发电机和浮体。所述涡轮机被锚定并且所述转子在流动方向上定向。此外所述涡轮机以悬浮状态保持在水面以下并且可对其浮体有选择地施加以气体介质或者注水。

Description

水力发电装置
本发明涉及一种用于通过一个涡轮机、转换流动水体的流动能量而产生电能的水力发电装置(Wasserkraftanlage，水力装置)，它至少具有一个转子、一个由转子驱动的发电机和一个用于涡轮机的浮体，其中所述涡轮机位置固定地锚定并且所述转子定向在水体的流动方向上。在本发明的范围内，转子指的是叶轮和翼轮以及螺旋桨、多叶片或类似部件。作为流动的水体特别可以是海洋流动和江川河流。
风力发电装置将风的流动能量转换成电能，其必需在无风时容忍停机时间，与此不同，水力发电装置可以不间断地产生电能，因为流动的水体处于不间断地运动。已知文首所述构造型式的水力发电装置，它们具有一个在水表面上漂浮的涡轮机。这一点一方面从美学的观点来看是不能令人满意的，因为这会影响自然风景，另一方面必需容忍低效的能量转换，因为在此构造型式中转子作为规则的叶轮只能部分地潜入流动的水体中并被驱动(参见DE 41 12 730 C2)。而在水下发电厂中也使用涡轮机，其中叶轮设置在一个机架上而该机架竖立在水底的一个基础上。在这种构造型式中，在水下安置基础是费事的并且几乎不能保证机架足够强地锚定在基础上，因此几乎不能保证叶轮充分地定向在流动方向上(参见DE 200 11 874 U1)。在另一种用于获取能量的水下涡轮机中，转子的转轴在下端通过一个轴颈可旋转地支承在一个轴承里面。这个轴承位于一个多体式的基础中，其每个基础部分对于安装地点是悬浮的并且必需借助于潜水(员)组装在水底上(参见DE 299 00 124 U1)。
本发明的目的是，提供一种文首所述的构造型式的水力发电装置，其涡轮机在使用中是不可见的，能够实现一个短暂的安装并且还由于在装配技术和保养技术方面简单的结构方式而与众不同。
按照本发明，这个目的在一种此类型水力发电装置中由此得以实现，即，所述涡轮机以悬浮状态保持在水面以下，并且为此可对浮体有选择地施加以一种气体介质例如压缩空气以及必要时可用水灌注。本发明的这些措施首先使所述涡轮机在使用中是不可见的并且因此满足所有美观方面的要求，因为这样可以保持风景。此外保证所述转子总是在其整个圆周上位于流动的水体里面并因此使流动能量最佳地转换成电能。此外，能够实现一种在结构上相当简单的结构方式，它保证短期的安装和简单的装配。再者，可以不困难地进行保养和维修，因为所述涡轮机可以通过以气体介质如压缩空气对浮体加载而升起到水面上。实际上所述涡轮机的升起和下降过程可以经由一个压缩空气管道通过送入空气进行控制，必要时也可以利用注水。也可实现使涡轮机下降到水体基底上。
下面描述本发明的其它重要特征。按照本发明，所述转子支承在一个在水体流动方向定向的转子轴上并且其转子叶片通过一个调整机构可以沿流动方向或者逆流动方向进行调整，以便例如防止当流动压力超过给定值时效率降低。这一点通过使转子叶片犹如旗帜飘甩定位(Fahnenstellung)那样实现并由此减小迎流面。本发明还规定，所述转子轴构造为空心轴并且形成浮体。这样的空心轴具有高的抗弯强度并且支持转子在流动水体的流动方向上的取向。按照本发明，在转子轴上抗扭转地支承的转子的转子叶片在流动方向上可以偏转，并且通过弹簧加载逆着流体压力保持垂直，并且在流动压力超过以一个给定值时连续地在流动方向上偏转，而减小迎流面。因此实现一种相对简单的且满足功能要求的转子叶片调整机构。这一点尤其是当转子叶片在其背离流动方向一侧通过支承凸起靠着撑开的板簧被支承的时候是有利的，所述板簧分布在转子轴的圆周上并且固定在转子轴上。这些板簧的弹簧力确定了相应的流动压力，在该压力下转子叶片保持垂直。只有当流动压力超过板簧的弹簧力时，转子叶片才犹如旗帜飘甩定位那样地偏转。
按照本发明的另一实施形式，在转子轴上设置一个支座，其中在转子叶片上铰接有操纵杆，并且使操纵杆铰接在一个在转子轴上可轴纵向移动的支承环上，并且还在支座与支承环之间设置一个包围转子轴的螺旋簧型式的压簧，该压簧通过操纵杆对转子叶片逆着水体流动方向加载。在这种情况下，当有效的流动压力超过压簧的弹簧力时，则转子叶片偏转。所述转子轴可以至少在前轴端和后轴端上构成为螺杆轴，其中所述支座和/或转子叶片的轴承构造成在螺杆轴上可调整的和可锁紧的螺杆螺母，用于使压簧可以以一个给定值预紧或者改变弹簧压力。按照本发明的一种变化的实施形式，在支承环与转子叶片的轴承之间设置一个包围螺杆轴的螺旋形压簧或拉簧，其中所述支承环以及转子叶片的轴承构造成螺杆螺母。在这种情况下，设置在所述支承环与转子叶片的轴承之间的弹簧作为压簧还是拉簧工作取决于流动方向，和与此相关地转子叶片从一个方向或另一方向加载。
按照本发明，在转子轴上设置许多转子，它们分别具有以给定间距设置的调整机构。在这个实施形式中，由流动的水体产生的流动压力分布在多个转子叶片上，从而能够以低的流动速度实现充足的能量转换。同时，通过流动压力在各个转子叶片上的分布使流动压力得以降低。这一点在转子或其转子叶片的外径在水体的流动方向上以给定的级增加并且超过前置的转子的时候尤其有利。
所述转子轴最好设计成在水体流动方向上锥形扩展的空心轴，由此不仅显示出有利于流动的结构，而且同时也减少作用于法兰连接的发电机上的应力尤其是弯曲力。所述空心轴适宜由构成空腔的、分别具有转子的轴段构成和延长，其中所述轴段通过不透气或不透空气且不透水的法兰连接相互连接。由此能够使转子轴以足够的稳定性和悬浮性能有选择地延长。与此相关，也存在所述转子轴以给定的间距通过导向轴承支承的可能性。此外，可以使在流动方向上位于后面的转子轴端部具有一个尾翼，由此保证转子轴和位于其上的转子的完美结构。
所述发电机可以设置在一个不透水(水密)的外壳里面，例如由半壳如具有外部冷却肋的半管构成的外壳里面，冷却肋最好在外壳纵向上并由此在流动方向上延伸。此外还存在着使多个发电机串联设置并相互以及连接到转子轴上的可能性，用于实现一种在电流上最佳的能量转换。由于流体技术方面的原因，可以在外壳上在迎流侧上法兰连接一个空心的流动锥，它也有利于在发电机处的升力。所以浮体最好由空心轴、必要时由外壳和流动锥构成。按照本发明的另一实施形式，所述浮体由一个具有空心支架的框架和/或用于一个或多个涡轮机的箱体构成。此外在可注水的浮体上连接一个或多个气体或压缩空气管道。最后本发明规定，使多个涡轮机相互串联地和/或前后错开地设置并且在必要时通过柔性的或弹性的连接机构相互连接，就象构成一个发电厂。所述涡轮机通过链条、钢索或类似部件锚定在岸边或水底上，因此当锚定在水底上时也使锚定装置不可见。
下面借助于一个在附图中所示的实施例详细描述本发明。附图中：
图1以示意侧视图示出一个按照本发明涡轮机，
图2以正视图示出一个图1的涡轮机，
图3以正视图示出一个按照本发明的水力发电装置，它具有多个相互并排设置的涡轮机，
图4示出图1中涡轮机的局部，它具有在发电机方向上可偏转的转子叶片，
图5示出图4中的涡轮机，它具有在相反方向偏转的转子叶片，
图6示出图1中涡轮机的另一实施形式，它具有一个安置在外壳里面的发电机，
图7示出图6中的涡轮机的另一实施形式，
图8示出图1中的涡轮机的另一实施形式，
图9示出图8中的涡轮机的另一实施形式，
图10示出图7中的涡轮机的另一实施形式，
图11以局部俯视图示出图3中的涡轮机。
在附图中示出一个水力发电装置，用于在转换流动水体的流动能量的情况下产生电能或电流。这种水力发电装置包括至少一个具有至少一个转子2的涡轮机1、一个由转子2驱动的发电机3和一个用于涡轮机1的浮体4，其中所述涡轮机1位置固定地例如在岸边和/或水底的固定点5上这样锚定，使得所述转子2定向在水体的流动方向上。所述涡轮机1在悬浮状态保持在水面6以下。为此对所述浮体4有选择地施加以压缩空气或其它的气体介质并在必要时用水灌注。未示出为此所需的阀门和控制装置。
所述转子2支承在一个定向在水体流动方向上的转子轴7上。其转子叶片8通过一个调整机构9可以沿着流动方向或逆着流动方向调整。此外所述转子叶片8为了改变其迎角可以围绕其纵轴线调整。在一些实施形式中，所述转子轴7由空心轴构成，它同时形成浮体4。抗扭转地支承在转子轴7上的转子2的转子叶片8可以在流动方向上偏转并通过弹簧加载逆着流动压力保持垂直。在流动压力超过一个给定值时，所述转子叶片连续地在流动方向上犹如旗帜飘甩定位那样地偏转，使迎流面变小。这一点以虚线表示。具体地说，所述转子叶片8在其背离流动的一侧上通过支承凸起10支承在撑开的板簧11上，这些板簧分布在转子轴7的圆周上并且固定在转子轴7上。
在另一实施形式中，在转子轴7上设置一个支座12。此外在转子叶片8上铰接有操纵杆13，它们同样铰接在一个在转子轴7上在轴纵向上可滑移的支承环14上。在支座12与支承环14之间设置一个包围转子轴7的压簧15，它通过操纵杆13对转子叶片8逆着水体流动方向加载。所述转子轴7至少在前轴端和后轴端上构造成螺杆轴7a，7b构成，其中所述支座12和/或转子叶片8的轴承16构成为在螺杆轴7a，7b上可调整和可锁紧的螺杆螺母。在一种变化的实施形式中，在支承环14与转子叶片8的轴承16之间设置一个包围螺杆轴7的螺旋形压簧15’，它根据流动方向的不同也可以作为拉簧工作。所述支承环14以及转子叶片8的轴承16构成为螺杆螺母。
在转子轴7上可以安装许多转子2，它们分别具有以给定间距设置的调整机构9。在这种情况下，这些转子2或其转子叶片8的外径在水体的流动方向上以给定的级增加并且超过前置的转子，由此犹如构成一个所示的流动锥体。在这个实施形式中，推荐一种转子轴7的结构设计，它由在水体流动方向上锥形扩展的空心轴构成，该空心轴通过其收缩的端部连接到一个发电机3上。所述空心轴可以由构成空腔17的、分别具有一个转子2和调整机构9的轴段18组成并因此可以延长多个轴段18。为此，所述轴段18可以通过不透气或不透空气的且不透水的法兰连接19相互连接。此外还存在所述转子轴7以给定的间距通过导向轴承20支承的可能性。在一种实施形式中，在所述转子轴7的流动方向后端部上具有一个尾翼7，由此使涡轮机1在流动方向上的取向是稳定的。
所述发电机3可以设置在一个外壳22里面，例如由半壳组成的具有外冷却肋23的外壳。也存在使多个发电机前后串联地设置并相互以及连接到转子轴7上的可能性。在这种情况下，所述发电机3可以装入外壳。最好在迎流侧在外壳22上法兰连接一个空心的流动锥24。
在一种实施形式中，所述浮体4由空心轴7、必要时还有外壳22和流动锥24构成。在另一实施形式中，所述浮体4由一个具有空心支架26的框架25和/或用于一个或多个涡轮机1的箱体构成。为了建立起这个框架25可以配备橇座27。
在可注水的浮体4上连接一个或多个压缩空气管道28。为了实现一水力发电机，可以将多个涡轮机1并排地和/或前后错开地设置并且在必要时通过柔性的或挠弹性的连接机构29相互连接。所述涡轮机1通过链条、钢索30或类似部件在岸边31和/或水底32在固定点5被锚定。对于锚定在水底32上的情况，可以放弃大花费的基础而加设一个冲击桩或钻孔桩33。

Claims (22)

1.一种用于通过一个涡轮机、转换流动水体的流动能量而产生电能的水力发电装置，它至少具有一个转子、一个由转子驱动的发电机和一个用于涡轮机的浮体，其中所述涡轮机位置固定地锚定并且所述转子定向在水体的流动方向上，其特征在于，所述涡轮机(1)以悬浮状态保持在水面以下，并且为此可对浮体(4)有选择地施加以气体介质如压缩空气以及必要时可以用水灌注。
2.如权利要求1所述的水力发电装置，其特征在于，所述转子(2)支承在一个在水体流动方向定向的转子轴(7)上并且其转子叶片(8)通过一个调整机构(9)可以沿着或逆着流动方向进行调整。
3.如权利要求1或2所述的水力发电装置，其特征在于，所述转子轴(7)构造成空心轴构成并形成浮体(4)。
4.如权利要求1至3中任一项所述的水力发电装置，其特征在于，抗扭转地支承在转子轴(7)上的转子(2)的转子叶片(8)可以在流动方向上偏转并且通过弹簧加载逆着流动压力保持垂直，并且在流动压力超过一个给定值时连续地在流动方向上偏转，使迎流面变小。
5.如权利要求1至4中任一项所述的水力发电装置，其特征在于，所述转子叶片(8)在其背离流体的一侧上借助支承凸起(10)靠着撑开的板簧(11)被支承，这些板簧分布在转子轴(7)的圆周上并且固定在转子轴(7)上。
6.如权利要求1至4中任一项所述的水力发电装置，其特征在于，在所述转子轴(7)上设置一个支座(12)，在转子叶片(8)上铰接有操纵杆(13)，这些操纵杆(13)铰接在一个在转子轴(7)上在轴纵向可滑移的支承环(14)上，并且在支座(12)与支承环(14)之间设置一个包围转子轴(7)的压簧(15)，它通过操纵杆(13)对转子叶片(8)逆着水体流动方向加载。
7.如权利要求1至4或6中任一项所述的水力发电装置，其特征在于，所述转子轴(7)至少在前轴端和后轴端上构造成螺杆轴(7a，7b)，并且所述支座(12)和/或转子叶片(8)的轴承(16)构成为在螺杆轴(7a，7b)上可调整和可锁紧的螺杆螺母。
8.如权利要求1至4或6中任一项所述的水力发电装置，其特征在于，在支承环(14)与转子叶片(8)的轴承(16)之间设置一个包围螺杆轴(7)的压簧(15’)或者拉簧，并且使所述支承环(14)以及转子叶片(8)的轴承(16)构成为螺杆螺母。
9.如权利要求1至8中任一项所述的水力发电装置，其特征在于，在所述转子轴(7)上以给定间距设置多个分别具有调整机构(9)的转子(2)。
10.如权利要求9所述的水力发电装置，其特征在于，所述转子(2)或其转子叶片(8)的外径在水体流动方向以给定的级增加并且超过相应的前置的转子(2)。
11.如权利要求1至10中任一项所述的水力发电装置，其特征在于，所述转子轴(7)构造成在水体流动方向上锥形扩展的空心轴。
12.如权利要求1至11中任一项所述的水力发电装置，其特征在于，所述空心轴(7)由构成空腔(17)的、分别具有一个转子(2)和调整机构(9)的轴段(18)组成并且可以延长更多个轴段(18)，其中所述轴段(18)可以通过不透气或不透空气且不透水的法兰连接(19)相互连接。
13.如权利要求1至12中任一项所述的水力发电装置，其特征在于，所述转子轴(7)以给定的间距通过导向轴承(20)支承。
14.如权利要求1至13中任一项所述的水力发电装置，其特征在于，转子轴(7)的在流动方向上位于后面的端部具有一个尾翼(21)。
15.如权利要求1至14中任一项所述的水力发电装置，其特征在于，所述发电机(3)设置在一个外壳(22)里面，例如由半壳构成的具有外冷却肋(23)的外壳。
16.如权利要求1至15中任一项所述的水力发电装置，其特征在于，多个发电机(3)相互串联地设置和耦联以及连接到转子轴(7)上。
17.如权利要求15或16所述的水力发电装置，其特征在于，在外壳(22)上在迎流侧上法兰连接一个空心的流动锥(24)。
18.如权利要求1至17中任一项所述的水力发电装置，其特征在于，所述浮体(4)由空心轴(7)、必要时还有外壳(22)和流动锥(24)构成。
19.如权利要求1至17中任一项所述的水力发电装置，其特征在于，所述浮体(4)由一个具有空心支架(26)的框架(25)和/或箱体以及必要时还有用于一个或多个涡轮机(1)的橇座(27)构成。
20.如权利要求1至19中任一项所述的水力发电装置，其特征在于，在可注水的浮体(4)上连接一个或多个气体或压缩空气管道(28)。
21.如权利要求1至20中任一项所述的水力发电装置，其特征在于，多个涡轮机(1)并排地和/或前后错开地和/或上下地设置，并且在必要时通过柔性的或挠弹性的连接机构(29)相互连接。
22.如权利要求1至21中任一项所述的水力发电装置，其特征在于，所述涡轮机(1)通过链条、钢索(30)或类似部件在岸边(31)和/或水底(32)在固定点(5)被锚定。
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