CN1764781A - 安装在台板上的潜没式水流涡轮机 - Google Patents

Abstract

一种用于水动涡轮机系统的支撑结构，其中，一个涡轮机或多个涡轮机组件(3)被安装在一具有流线型截面的台板或平台(1)上，以与水流合作而工作，涡轮机按照一定的方式进行安装，以使得涡轮机组件(3)沿水流的横向方向(即与水流方向DW垂直的方向)布置，其中，所述平台(1)相对于水流水平地排布着，以减小其对水流的阻碍，台板或平台或者是被从所述水流底床竖立起的至少两支撑支腿或支柱(2)支撑在升高的位置上，或者是一个浮体，其被锚固在海洋、江河、或河口底床(SB)上的张力缆索、绳索或系带(5)下拉到水柱中，以处于所述的升高位置上。

Description

安装在台板上的潜没式水流涡轮机

技术领域

本发明涉及用于支撑涡轮机的结构，其中的涡轮机被布置成浸没在水流中，并由水的流动动能驱动。

背景技术

在英国专利GB 2256011 B、GB 2311566 B、GB 2348250、以及第0227739.0号英国专利申请中，本发明人已经公开了与水动涡轮机有关的构造，其中的水动涡轮机即指被支撑在海水、江河、或河口水柱中的叶轮转子，从而，水流可转动该转子而产生出电流或轴功率，以用于所需的用途。从这些文献可了解到如何使用此类用途的涡轮机，这些文献还公开了支撑此类涡轮机的各种结构。

发明内容

本发明的一个目的是提供一些支撑结构，其具体目的是为了支撑水流涡轮机(该涡轮机可以位于海洋中、江河中、河口中—视情况而定)，该支撑结构在本文中被称为“假海床”。

本发明一个特别的目的是提供能支撑一个或多个水动涡轮机系统的结构，在属于本申请人的在先英国专利GB 2311566B和GB 2348250中已介绍了其中的水动涡轮机系统。

但是，可由水流按照一定方式进行驱动、由此可带动发电机以发出电能或实现其它有用用途(例如带动泵或压缩机)的任何已有类型转子都可应用本发明，因此，本发明更进一步的目的是提供适于支撑转子等装置的支撑结构，其中的转子等装置基本上属于如下的类型：

●轴流型或螺旋桨型(即转子旋转所围绕的轴线与流动方向平行)；

●横流型(或Darrieus型)(转子的转动轴线大致上垂直于流动方向)；

●往复式水翼(其往复经过一条横断水流的曲线)。

涡轮机的水翼不论为何种类型，也不论其是处于海洋中、江河中、或者是河口内，都是完全处于水流的水柱内进行转动或往复运动(视情况而定)，而且这些水翼按照下文将要描述的各种方式来满足所述的要求。换言之，在其正常工作模式的整个过程中，这些活动构件都完全潜没在水中。

本发明再一个重要的目的是提供一些装置，借助于这些装置，可将转子和其它运动部件(例如动力系)彻底提升到水面的上方，以允许从水面船只安全而有效地接近所述部件，进而对所述部件执行安装、维护、修理、以及更换。

当按照一定的方式使用涡轮机以使其由水流驱动时，从水流中获取能量的操作将使得流经水的动量减小，这反过来将在涡轮机上产生很大的反作用力，该反作用力自身基本上表现为作用在流动方向上的推力，其与流经转子的平均速度的平方成正比。

这一现象是物理定律的结果，造成该现象的原因是动量从流动的水传递给运动的涡轮机构件，出现该现象与涡轮机转子的设计无关。在所有的情况下，作用在转子上的推力与一个乘积成正比，该乘积是指流经转子的水流平均速度的平方与转子扫掠面积的乘积。一般来讲，涡轮机转子的功率越大、效率越高，需要承受的作用力也越大，尽管在某些条件下—例如在由于负载消失而造成的“飞车”情况下，即使涡轮机并未向涡轮轴输出很大或任何有用功率，也会产生很大的推力。当然，这样的情形是如下事实的直接后果：由将转子保持就位所需的作用力提供反作用力，该反作用力是传递给涡轮机转子、以使其转动的力的反作用力，反过来，保持位置所需的作用力可被用来测量轴功率的产生效能。

另外，任何此类涡轮机还要受到各种循环载荷，这些循环载荷是由如下各种现象造成的：紊流效应、行波、水柱中的速度剪变(即随深度变化的速度变化)、涡旋分离，这些现象将在任何支撑结构上施加脉动的疲劳载荷，支撑结构应当考虑到具备足够结构完整性的能力。因而，对于任何此类涡轮机的一个重要要求是：利用一个结构将获取能量的转子保持就位，该结构具有足够的强度储备，以承受作用在转子上的静态以及动态作用力。

由于存在很多其它的基本性要求，所以此类结构的设置变得复杂，其中的基本性要求也即是：结构在水柱中产生的尾流应当不会过度地干扰流经转子的水流(不然的话将降低转子的效率)。因而，举例来讲，结构需要被设计成这样：其尾流能理想地完全避开转子；结构还应当具有尽可能高的制造经济性，以便于减小系统的成本；目前希望能有相当实用且高性价比的方法，以便于将结构安装在强水流的地点处；目前还希望能开发出相当实用且高性价比的方法，其用于将一个或多个涡轮机转子安装到结构上，且允许在随后接近转子，以便于进行维护或者在必要时进行更换或修理。

为水流涡轮机设置支撑结构还涉及多个考虑因素，下文将更为详细地指出本发明所要关注的这些因素。

首先，应当指出的是：在具有足够高流速、以适于使用能量俘获涡轮机的位置处，水柱中的水流随深度发生变化，由此使得最大的流速趋于接近于水面。另外，水柱中靠近海洋(或河口、江河)底床的底部水流的流动速度要慢很多。另外，海洋、江河或河口底床上任何不平坦的自然地貌都将干扰贴近海床的水流，并形成紊流；底床地貌的不平坦度和粗糙度越大，缓慢流动的紊流边界层的厚度越大。

其次，应当指出的是：为了高效而可靠地使用所述类型的涡轮机转子(其或者可以是轴流式或横流式的，或者可以是往复运动水翼型装置)从水流中提取动能，希望流经所述转子或经过任何运动水翼的水流尽可能在扫掠面积的范围内保持速度的一致，以便于尽可能快地流动，并产生尽可能少的紊流。换言之，希望具有将活动转子或水翼定位在最快、最为稳定、且无紊流水流中的装置，避免使转子划过任何边界层，其中的边界层是由于流过海洋、江河、或河口的不平坦水底而产生。还很重要的是：利用一种能抵御最大极限静态力和动态作用力的结构来支撑任何此类转子或水翼，且实践将证明该结构在很多年的工作服务期限内具有很高的可靠性。

第三，需要考虑的另一个重要因素是：浸没在水柱(无论位于海洋、江河、或河口中)内水流中的任何装置都需要被定期地接近，以执行保养、修理或更换。无论是借助于穿着潜水设备的人员、还是水下遥控车(ROV)，在流速很快的水流中执行水下操作都是非常困难的，使得大部分此类水下活动只能在水流流速小于约0.5m/s时进行，在适于开发水流能量的高能位置处，具有如此低流速的时期充其量也很短，不足以允许完成最低限度的水下作业。

结果就是，本发明所关注的问题是提供一些装置，其用于接近那些需要进行保养或修理的部件—尤其是带有由其带动的机械传动系和发电机的涡轮机转子和/或水翼，通过将所述部件物体升高到流动的水流表面上方、以便于可从水面船只上接近部件，就可实现该目的，且不需要利用潜水员或水下遥控车来参与水下作业。

广义来讲，根据本发明的第一方面，提供了一种用于水动涡轮机系统的支撑结构，其中，在一具有流线型截面的台板或平台上，一个涡轮机或多个涡轮机组件被安装在水流的水柱中，以与水流合作而工作，其中的台板或平台相对于水流的河床处于升高的位置，台板或平台被水平地排列着，且所在位置等于或高于所述轴线的高度。可增加一些与主支撑表面平行的额外表面，它们或者处于涡轮机转子轴线的高度上，或者高于涡轮机转子的高度，或者还可以是上述的这两种情况兼有。

另外，优选地是，所述另外的表面的弦长和厚度小于最下方支撑表面的弦长和厚度，但其也可以具有相等或更大的尺寸。

优选地是，具有流线型截面的所述第一台板或平台为非对称性的流线型截面，在该截面构造中，其中一个表面的凸度相比于另一表面的凸度在一定程度上较大，使得上表面和下表面均为凸面，且其中一个凸度大于另一凸度。

为了方便设置，以使得在俯视图中为矩形、且具有流线型截面的台板或平台或者是利用浮力以可控的方式脱离其支撑件而上浮到水面上，或者是带有某些类型的举升机构，其基本上是电动或液压动作的，从而具备了这样的措施：其使整个俯视为矩形且具有流线型截面的台板或平台随同整个涡轮机阵列到达水面上，从而可使用水面船只接近机组以执行维护或修理。

优选地是，俯视为矩形且为流线型截面的台板或平台具有非对称性的流线型横截面，在该截面构造中，其中一个表面的凸度相比于另一表面的凸度在一定程度上较大，使得两表面(上表面和下表面均为凸面，且其中一个凸度大于另一凸度)，或者其中一表面(上表面或下表面)为凸面，而另一表面或者大体上为平面，或者为凹面。这样设计的效果将是：使流经大凸度表面的水流按照一定方式加速，以降低转子经历的速度剪力(速度剪力是指上部水流移动速度大于靠近河床的水流速度的趋势)。

按照一定的方式排布台板或平台，使其相对于水流保持水平，从而可降低对水流的阻力。

根据本发明的第二方面，为水动涡轮机系统提供了一种支撑结构，其中，在一具有流线型截面的台板或平台上，一个涡轮机或多个涡轮机组件被按照一定方式安装成与水流合作而工作，使得涡轮机在水流的横向上(即与流动方向垂直地)排布开，且平台被排列成相对于水流为水平状态，从而可降低对水流的阻力。

优选地是，台板或平台的俯视结构为矩形。

优选地是，载承着涡轮机的台板或平台或者是被从所述水流的底床竖立起来的至少两个支腿或支柱支撑在升高的位置上，或者是被锚固在水床上的张力缆索、绳索或系带下拉到水柱中，以处于所述的升高位置上。

方便地是，设置了能使台板或平台在其工作位置与靠近水面的第二位置之间移动的装置，由此使与台板或平台相连的涡轮机至少能到达水面上，从而可利用水面船只接近涡轮机，以对其进行维护或修理。

在一种优选的构造中，设置了至少一个流线型截面的另外台板或平台，另外的台板或平台被设置成“双翼”或“三翼”的形式，这样进行设置是为了提高支撑结构的结构完整性，并提供了与所述第一台板或平台的表面相平行的表面，其或者位于与所述第一台板或平台相连的涡轮机轴线的高度上，或者位于所述轴线所在高度的上方，或者还可以是这两种情况的组合形式。在另一种优选的设置方案中，所述各个表面的结构被设计成这样：在上表面的凸度较大的情况下，大凸度表面上的加速流具有提高涡轮机性能的作用。

根据本发明的又一方面，俯视结构为矩形的台板或平台采用了非对称的流线型截面，按照这种方式，如果凸度较大的一侧面朝下方，则由于产生了升力，将出现一个向下的推力，这将有助于使平台更为牢固地座压在其支撑体上，或者，凸度较大的表面可面朝上方，由于产生了升力，将出现一个向上的推力，该推力将有助于保持张力支腿浮力固定结构中的拉伸力和稳定性。

优选地是，俯视结构为矩形、且为流线型截面的台板或平台的上表面凸度大于其下表面凸度，以便于使流经涡轮机行列的水流加速，且俯视结构为矩形、且截面为流线型的台板或平台的下部空间被合适的障碍物阻塞，以迫使大部分水流上升，并在其上表面上加速，且流经涡轮机转子，而很小比例的水流是从一个狭窄的槽缝中泄流出去的，以防止紊流的边界层向上偏转而到达俯视结构为矩形且为流线型截面的台板或平台的上部，其中的槽缝是指俯视结构为矩形且为流线型截面的台板或平台的下表面与所述障碍物顶部之间的空间，这样的设置方案使得流经涡轮机转子的平均流速具有显著的增加，由此能提高涡轮机的功率输出，且利用合适的设计，还能减小速度剪力，以使得整个涡轮机转子都处于更为均匀、且更少紊流的水流中，这还能提高俘获能量的效率，并趋于降低涡轮机转子上的疲劳载荷。

广泛地讲，根据本发明的另外一个方面，为至少一个涡轮机—更一般而言是多个涡轮机(即能输出有用功率的水动转子)提供了台板或浮排形式的支撑系统，布置该支撑系统的作用在于提供一个光滑的平面，其位于一个基本上为矩形(即当从正上方进行观察时)的平台上，该具有足够结构完整性，从而不会过度地弯曲，该支撑系统如同一个台板或桥台被设置在水柱中，从而形成了一个用于支撑一个或多个涡轮机(基本上成行布置)的底板，系统被设置成这样：使得支撑表面的工作方式类似于一个具有平滑表面的“假河床”，与水流流过的大部分真实河床相比，该系统能提高流过表面的平坦性。

该表面或者被支撑在支腿等承重支柱上，从而可落座在海洋、江河、河口的河床上，此结构很像一个支撑在多条支腿上的桌面，或者该表面可以是一个浮体，其被多条张力缆索保持在水柱中，缆索被合适的地锚固定在海洋、江河或河口的河床上，此结构很像一个矩形的张力浮标，其被系缚到水柱中的浮体上。

在俯视图中，该光滑平面基本上为矩形，且其较长的尺寸足以容纳安装到其上表面的许多涡轮机(但相互独立)的总宽度。另外，平面的大尺寸方向设置成基本上垂直于水流的流动方向，从而，安装在该平面上表面上的涡轮机被排布在水流的横向方向上，且所有转子的工作型面都与水流垂直，从而能尽可能地拦截水流。在效果上，结构类似于一个俯视结构为矩形的“翼板”，其悬浮在水柱中，在该翼板上方布置了一排涡轮机。

出于两个原因将矩形表面或台板的横截面或型面设计成流线型，这两个原因也即是：减小其对流经水流的阻力，并有助于按照一定方式对水流执行定向，以减少水流流过表面的上部和流过转子时的紊流。为了形成流线型表面，将型面相对于水流的前边缘和后边缘锥缩化，或者使其成为一个尖锐的边缘，或者成为一个短窄但圆化的边缘，使得边缘与飞行器机翼或潜水艇/船舶稳定器的水翼的前边缘很相像。在某些情形中，会产生潮汐水流，且水流的方向周期性地改变(随退潮或涨潮而变化)，可将表面的截面设计成对称的，从而不论水流是在那个方向上流动，都能具有很低的阻力。

还可对矩形光滑平坦表面或台板的形状进行设计，以提高水流流经安装在其上表面的转子的流速，并提高流经转子的水流的均匀度。按照这种方式，表面或台板不仅作为承载涡轮机转子的结构，还被设计成能提高均匀度甚至流经转子的速度，与在未经改变水流中进行工作的情况相比，这能提高转子的性能和效率。

为了实现流动的增强，(在某些情况下，但非所有情况下)，还可将矩形平坦表面或台板的横截面设计成非对称的或拱形断面(即其一侧为凸面，另一侧可以是凹面、平面或至少为较小的凸度)，按照这种方式，表面或台板可产生一个与水流垂直的升力，其原理与机翼或水翼的作用方式相同。在此情况下，如果表面被支腿或支柱支撑着，则可将所述的非对称性设置成能产生一个垂直向下的升力，以改善支腿与海洋、江河、或河口底床的接合力，但在表面或台板为浮体、且被张力锚索向下拉的情况下，则可将型面或截面的非对称性设计成能产生垂直向上的升力，以便于随着水流的增大而加大支撑缆索中的张力，进而将结构稳定在水柱中，防止其受水流的推力而过度地移位。

因而，本发明的支撑结构类似于翼状的机构，且涡轮机被安装到其上，并将涡轮机的转子或从动水翼设置在一个与水流垂直的行列中。所述翼板可以是对称的流线型，其被支撑在多个支腿或支柱上，或者其可以是一个浮体，其被张力缆索或其它构件保持着，而缆索或其它构件则被牢固地锚系在海洋、江河、或河口的河床上。

附图说明

可参照附图来更好地理解本发明、并了解本发明如何在实践中实施，在附图中：

图1A中的示意性轴测图表示了第一实施方式的、用于安装水动涡轮机的支撑结构，其中，该支撑结构上安装有一排涡轮机；

图1B是图1A中轴测图的端视图；

图1C是图1A中轴测图的前视图；

图2A的端视图表示了第二实施方式的涡轮机支撑结构及与其相关的涡轮机，图示状态下，支撑结构处于将涡轮机升高的位置；

图2B是图2A中实施方式的前视图；

图3A中的端视图表示了第三实施方式的涡轮机支撑结构及与其相关的涡轮机，图示状态下，支撑结构处于使涡轮机工作的位置；

图3B是图3A所示实施方式的前视图；

图3C中的端视图表示了第三实施方式的涡轮机支撑结构及与其相关的涡轮机，图示状态下，支撑结构处于升高涡轮机的位置；

图3D是图3C所示实施方式的前视图；

图4A中的端视图表示了第四实施方式的涡轮机支撑结构及与其相关的涡轮机，图示状态下，支撑结构处于使涡轮机工作的位置；

图4B中的端视图表示了第四实施方式的涡轮机支撑结构及与其相关的涡轮机，图示状态下，支撑结构处于升高涡轮机的位置；

图5A和图5B分别是图4A和图4B所示涡轮机支撑结构实施方式的前视图；

图6A中的示意性轴测图表示了用于安装水动涡轮机的支撑结构的另一实施方式，其中，该支撑结构上安装有一排涡轮机；

图6B是图6A所示实施方式在被安装到海床上时的前视图；

图7A中示意性的轴测图表示了用于安装水动涡轮机的支撑结构的另一实施方式，其中，该支撑结构上安装有一排涡轮机；

图7B是图7A所示实施方式在被安装到海床上时的端视图；

图7C是图7B所示实施方式的前视图；

图8A中示意性的轴测图表示了用于安装水动涡轮机的支撑结构的又一实施方式，其中，该支撑结构上安装有一排涡轮机；

图8B是图8A所示实施方式在被安装到海床上时的端视图；

图8C是图8A所示实施方式的前视图；

图9A中示意性地表示了用于安装水动涡轮机的支撑结构的再一实施方式，在图示的情形中，支撑结构上安装有一排涡轮机，且涡轮机处于水面下的工作位置上；

图9B示意性地表示了当涡轮机被升高到水面以上位置时、图9A所示实施方式的情形；

图10A、10B、10C示意性地表示了水流相对于采用了本发明概念的支撑结构的状况。

具体实施方式

下面参见图1A、1B和1C，这些视图分别是应用了本发明设计原理的支撑结构第一实施方式的示意性轴测图、侧视图、以及正视图，其中的支撑结构也就是一个平台或台板1，其例如由竖立在江河、河口或海洋底床SB上的多根支腿2固定就位，并载承着多个由水流驱动的涡轮机(水动涡轮机)3，这些涡轮机被布置在与水流方向DF垂直的行列上，其中的水流是指流经涡轮机的水流。在图示的情况下，使用了四个轴流式涡轮机3，但也可使用其它数目的涡轮机。另外，如上文提到的那样，也可使用多种不同类型的涡轮机。在图1所示的基本实施方式中，涡轮机3被支撑在上文讨论的、各个悬臂形式的流线型支撑支柱4上。在图中，水流的方向DF用双箭头指示，这表明水的流动方向可能是双向的。

在具体考虑说明书中其它附图和其余附图中所绘内容之前，对结合附图描述和讨论的各种支撑结构的总体构造和发展作一个概述将是有利的。因而，将图1A、1B和1C所示实施方式作为一个基础结构，该基础结构所体现的本发明基本概念可包括如下另外一些特征：

在各个涡轮机之间设置第二组水平的平面构件，其与上文已描述的主支撑表面平行，并位于其上，按照这样的方式，使得结构类似于双翼飞机的机翼结构；第二组平面构件也可以是流线型，且其横截面尺寸一般(并非必须)小于翼状的主支撑台板。

设置用于使支撑平坦表面或台板漂浮的装置(如果表面或台板并非永久性漂浮)的装置—例如通过使用压缩空气将水从支撑结构中排出，并设置用于使平坦表面或台板与结构构件脱离的装置，其中的结构构件被连接到海洋、江河、或河口的底床上，按照这样的方式，表面或台板能以可控的方式上浮到水面上，从而使位于其上的涡轮机能浮出海洋、江河、或河口的水面，然后，能借助于水面船只接近涡轮机以进行保养或维护。

设置用于以物理方法提升支撑平坦表面或台板的装置，在浮力不能作为主上升方法的情况下，该装置利用合适的提升装置使表面或台板浮到水面上—就如上一段落中描述的那样。

设置可选的装置，用于使支撑平坦表面连同涡轮机与固结到海洋、江河或河口底床上的构件或系索完全脱离，随后还可重新连接到构件或系索上，按照这样的方式，可将表面或台板上浮，从而或者用起重机将其吊到驳船上，或者以浮动船体的形式被拖到海岸基底，以进行修理或维护。然后可用一个类似的单元替换或将该单元安放到原位，以继续发出功率。

设置用于完全或部分地阻塞支撑表面下方空间的可选装置，从而，水流被部分或全部地阻止从支撑表面的下方流过，这一效果将进一步提高平台表面上方、流经涡轮机转子的水流的流速，由此可提高系统的功率。一种优选的实施方式包括这样的方案：阻塞海床与平坦表面下侧之间的大部分空间，但留有一个较为狭窄垂直通道，其位于平坦表面的正下方，从而允许表面正下方存在一平静的液流，按照这种方式，在海洋、江河、或河口底床上方流动的任何紊流边界层可通过上升的空间在平坦表面的下方流走，以便于使顶部上的水流尽可能保持不含紊流的状态。

设置另外一个可选的流线型翼状平板构件，其可被安装到涡轮机高度的上方，并被流线型的垂直或接近于垂直的支柱支撑着，其与上述的主支撑构件类似，也为矩形的俯视结构。这种设计的构造与多发动机的双翼型飞机非常相像，且动力单元(在此情况下为涡轮机)被布置在两“机翼”之间。上述的第二组平板构件被布置在涡轮机之间，作为备选方案，其可被上述的可选流线型翼状构件取代，该构件可被安装在涡轮机的高度之上。

在涡轮机所在高度之上安装有另外一个可选流线型平板翼状构件的情况下，可在第二个较高的翼板上安装另一排涡轮机，从而布置了两行涡轮机。

简言之，在与水流横交的水平面上，可设置两个或三个流线型的平坦表面，以形成“单翼”、“双翼”、或“三翼”式的结构。双翼或三翼结构的优点在于：在部分上能提高结构强度，在部分上还能对流线型翼状构件的形状进行设置，使得流经涡轮机转子的水流既能更为均匀(即穿过转子垂直高度的速度剪力变小)，在某些情况下，也能使水流加速，从而，支撑翼板有效地还起到了流动增强器的作用，其可增大通过给定转子截面的能量流。

从上文可了解到，本发明的一个主要方面是使用了固定在水柱中的流线型平坦表面或台板，以便于能承载一排水动涡轮机，这些涡轮机被布置在与水流方向横交的方向上，因而，流线型的平坦表面可作为水流涡轮机的结构支撑件，该表面还可被制成浮体，从而，其可上浮到水面上，以允许接近设置在其上表面的涡轮机。流线型平坦表面的形状被设计成能提高流经涡轮机转子的水流的均匀度，在某些情况下，可提高流经转子的局部流速，从而，对于面积给定的转子，能量的俘获率得以提高。

下面参见图2A和图2B，图中的侧视/端视图和前视图表示了如何利用浮力将平台或台板1(例如图1所示支撑平台)上升到水面上，例如，通过将缆索、系链或绳索5从各个地角处放长就可实现上浮，这些地角被牢固地固定到地基支撑件2上。通过卷收缆索、系链或绳索5可将平台或台板1拉低，由此完成与上述过程相反的操作，直到台板1重新与安装在海床上的支撑件2相接触为止。该实施方式的支撑结构的一个主要部件是承载着涡轮机3的平台或台板1，其能按照某些方式上升(或被机械提升)到水面上，以允许接近涡轮机，执行维护、修理或更换，而无需涉及水下作业。

图3A、3B、3C和3D中的侧视/端视图和前视图表示了支撑结构的一种实施方式，该实施方式可被看作是图1A、1B和1C所示实施方式的一种改型，在该改型中，台板或平台1被永久性地保持着悬浮状态，且不论是在潜没时、还是在水面上，都由连接到合适固定件6上的、可延长的张力系索5保持就位，其中的固定件6被埋入或锚固到海洋或江河的底床中，其必须要能承受相关的上浮力。

图4A、4B以及图5A、5B(分别为侧视图和前视图)表示了支撑结构的另一实施方式，在该实施方式中，并未采用可延长的柔性系链、缆索或绳索，而是将平台1约束到两根、四根(如图示状况)(或其它数目)的支腿7上，支腿7被埋入到海洋或江河的底床SB中，其延伸高度超出水面高度线WL，按照这种方式，支腿可借助于合适的滑动套筒或其它固定件8引导承载着涡轮机的平台或台板的垂直运动，其中的套筒8能相对于支腿7在垂直方向上运动，并受到约束而只能沿所述支腿运动。

可以看出：可选地是，对涡轮机承载平台的垂直运动进行引导的支腿7的上部(如图4A、4B以及5A、5B所示)可被缩细，以降低其在水流中的阻力(如图所示，在俯视图中，支腿上部的横截面类似于椭圆形)。还应当指出的是，支腿可被设置在涡轮机的转子之间，从而，当水流流过时，支腿产生的尾流不会撞击到转子上，或至少能减少转子与尾流之间的干扰。如图5A和5B清楚表明的那样，这样的设计是优选的构造。

下面参见图6A和6B，它们分别是轴测图和沿水流方向WF所作的正视图，表示了一种“双翼”型结构，在该结构中，一第二翼状平台或台板9被设置在各个涡轮机3之间，且这些涡轮机位于涡轮机转子3A中心线的高度上，以便于提高组件的结构强度。应当将该结构与图1A中轴测图所示的“单翼”型结构进行比较，在图1A的结构中，各个涡轮机转子被安装在各个悬臂支撑支柱上，而没有横向支撑。

图7A表示了一种备选的“双翼”结构，在该结构中，第二流线型平面平台10被安装在涡轮机的正上方，并位于垂直支撑支柱4的延长部11上。如上文提到的那样，图7A是一个轴测图，而图7B和7C则分别是端视图/侧视图和沿水流方向WF所作的前视图。该设计的作用在于提高整个组件的结构强度，并允许支撑件2之间具有更大的跨度距离，从而或者能容纳更多个涡轮机，或者可容纳更大尺寸的涡轮机3。另外，下部支撑平台1面向上方的凸面与上部平台10面向下方的凸面产生了一个效果，该效果与文氏管的效果类似(参见图7B中的侧视图)，该效应使得流经转子的水流相比于转子上游远处的水流被加速。这就能提高转子单位面积俘获的能量，从而对于给定的功率需求，能使用比其它情况小的转子。

图8A、8B和8C中的实施方式可被方便地看作是这样一个支撑结构实施方式：其结合了图6的方案和图7的方案，实际上，该实施方式是一个“三翼”型的结构，其具有三个翼状的平台：支撑平台1、位于涡轮机转子3A高度上(参见图6A、6B和6C)的中间平台9、以及上部平台10(参见图7A、7B、以及7C)。该结构的主要优点在于具有更大的结构强度，但该优点是以阻力增大、干扰转子的尾流增大为代价的。但是，上述的文氏管效应能补偿该缺点。

在图7A、7B、7C以及8A、8B、8C的结构中，作为优选实施方式，上部平台10的弦长和断面尺寸一般(但非必须)小于下部支撑平台1的尺寸，图7A、7B、7C以及图8A、8B、8C各个视图大体上表示出了这样的设计。

在水深足够的地点处，还可在上部翼板上增设另一排涡轮机。事实上，尽管在大多数情形中，优选的实施方式是采用单排涡轮机，但水柱的深度相对于涡轮机的直径而言能容纳很多排涡轮机，采用单排涡轮机的原因在于其易于接近以进行维护，且结构最为简单。图中未表示出多层结构的可选方案。

图6、7和8这组附图中所示的“双翼”和“三翼”构造也可使用附图2、3、4和5附图组中所示的相同提升机构。

图9A和图9B示意性地表示了一种实施方式，该实施方式包括单个平坦表面或台板1，其被带有举升柱2A的支撑件2承载着，与之相同的设计原理同样能被应用于图6、7和8这组附图所示的、带有“双翼”或“三翼”结构的设计。

图9A(是沿水流方向WF所作的正视图)示意性地表示了被降低而处于工作位置的支撑平台/台板系统1，而图9B则表示了当平台/台板系统上升到水面上以进行维护时的情形。这两个视图表示了这样的结构设计：在其中，一平坦表面、平台或台板1可承载多个涡轮机3，且在此情况下，按照这样的方式进行支撑—使得台板1不必依赖于浮力来进行举升，而是通过使用液压油缸、电动千斤顶、或卷扬机(图中未示出)而设置了机械装置，用以将整个台板组件随同其涡轮机阵列一起举升到水面上。平台1的浮力可被用来补偿举升力，因此可减小所需的举升力。应当理解的是：图9A和图9B清楚地表明了这一点—可使用不同的方法来举升承载着涡轮机的平坦表面或台板。还应当指出的是：在图9A和9B所示的实施方式中，举升柱在任何时候都突伸到水位的上方，并被一水平结构构件连接起来，其中，水平构件是一可选的另加部件。

图10A和图10B是对图1或图6(以及所有其它上述附图所表示)所示主支撑平台或台板1所作的示意性剖视图。尽管在先前的那些视图中，支撑平台或台板被表示为具有对称的流线型椭圆断面或型面，但图10A中的示例却为非对称的剖面，在该剖面上，下侧的凸度大于上侧的凸度。如图示的那样，上侧面可以是略微的凹面，但如果上侧面是平面或凸度小于下侧面的凸面，则也适用于同样的原理。图10B表示了一种非对称的平台或台板，在该剖面上，上侧凸度大于下侧凸度。

图10A和图10B以流线的形式表示出了在平台或台板上方以及下方流动的水流，流动水流中的任何质点都将沿这些流线流动。

在这两个附图中，在断面“A-A”的上游以及平台1的左侧，水柱内的流动型线或速度梯度是潮汐流、海洋、江河、或河口中典型的未受阻碍流态，在该流态中，流动最快的水位于水流的上50％中，而在水流的下50％中流速一般按照指数规律减小，在与河床接触的位置处，流速变为零(在该视图中利用箭头线的长度指代速度，其中，每条流线都经过所涉及的横截面)。

在断面“BB”处的水柱流速分布图表示出：由于存在障碍物，水流已经受到了影响，其中的障碍物是由成形的平台构成的；在任何障碍物的上游，水流将开始出现偏流。类似地，位置“CC”处的流速分布图大致上表示出了平台或台板正上方和正下方的速度分布，其中，在平台或台板上设置了一些涡轮机3。事实上，“BB”处的型线是“AA”位置与“CC”位置之间的中间处。

图10A和图10B表示出了公知的效应，该效应是由流体动力学中的连续性规律形成的，流体如果需要流经较长的路线、或其流经的横截面平滑地减小，则流速增加，反之则减速。因而，在非对称流线型平台或台板的凸度较大侧，流线被挤压到一起，流动将加速，而在凸度较小一侧或凹陷侧，流线将趋于分散开。事实上，该现象类似于经过机翼或水翼的流动，该流动所伴随的效应也是公知的，即：移动速度快的流体会使压力降低，而移动速度慢的流体则使压力相对增加。在流线型平台两侧形成的压力差与机翼或水翼的效果类似，该压力差将产生一个与流动方向正交的作用力，该作用力实质就是升力，该升力在图10A和图10B中被标为“L”。还会在流动方向上产生一个远小于升力“L”的阻力“D”。支撑结构或张力系索需要承受这些作用力。

图10A和图10B都表示出了形状不对称的支撑平台的效果—使得流经平台上表面的液流较为均匀，在最大凸面侧位于最上方的情况下(见图10B)，该效果能使流速相比于自由流态(如位置“AA”处的流态)略微增加，在最大凸面侧位于下方的情况下(见图10A)，该效果使流速相比于自由流态情形略微减小。

通过将涡轮机转子布置在非对称支撑平台或台板(如图10A、10B所示意性表示的那样)的上方空间中，可使得流经转子的水流更为均匀(在提高效率、减小转子磨损和撕裂方面，该设计是有利的)。还可根据最大凸度是面向上方或面向下方，将自由流的流速增大或减小一定的小的量值，但该小的量值能具有很大的作用。可以通过将水流底床邻近上方中产生的紊流边界层保持得尽可能地低、使其远离涡轮机转子(见图10A和10B)就能部分地实现上述目的。在水流与海洋或江河的底床发生相互作用的情况下，紊流造成了该边界层，在某些情况下，如果处于不均匀状态或缺乏均匀性的边界层非常厚，则就会造成涡轮机转子性能的下降，甚至会对涡轮机转子的底部造成损失—如果转子要穿过存在强烈扰动流的该区域的话。

最后，由非对称性支撑平台或台板产生的升力可被用来提高自身的稳定性；在图10A所示的情况中，平台可被布置在压缩性的支撑件(或支腿)上，且向下的作用力L实际上将提供额外的向下推力，以将平台牢固地保持在支撑件上。在图10B所示的情况中，支撑平台或台板可以是浮体，其利用张力系索保持就位，通过增加保持系索中张力所需的浮力效应，向上作用的浮力将趋于使平台稳定。由于升力和阻力都与水流速度的平方成比例，且升力分量和阻力分量趋于保持一定的比例，所以，在较强的水流中，这样的设计将趋于利用显著增大的作用力保持系统的稳定。

图10C表示了图10B所示实施方式的一种改型，在该实施方式中，支撑平台或台板下方的空间几乎被一个障碍物完全阻塞，其中的障碍物是为此目的而设置的，其被标注为“XX”。可以看出，该障碍物的作用是迫使位置“AA”处流动水柱的大部分升高、并受挤压地通过“CC”处高度变小水柱区(此区域处布置了涡轮机转子)。平台上凸侧面的形状可使得从其上方流过的水流均匀且获得加速。可选地是，允许少量水流经一个或多个槽缝12从平台的下方泄走(如图10B所示)，其中的槽缝12位于障碍物“XX”上方，并位于平台的正下方。这样做主要是为了防止紊流边界层对上部水流造成干扰；基本上，通过将顺畅的主水流从平台下方泄放一部分，小量的下部泄流就能限制边界层的高度。

采用图11所示实施方式的优点在于不仅使流经涡轮机的水流更为均匀、紊流更弱，而且能使水流显著加速，从而用较小的涡轮机就能获得较大的功率。

Claims (14)

1.一种支撑结构，该结构用于由流水驱动的涡轮机系统，其特征在于：在一具有流线型截面的台板或平台(1)上，一个涡轮机或多个涡轮机组件(3)被安装在流动的水柱中，以与水流可操作地合作，其中的台板或平台相对于流水的底床(SB)处于升高的位置，台板或平台按照这样的方式水平地排列，以使得台板或平台相对于水流水平地排布着，以减小其对水流的阻力。

2.一种支撑结构，该结构用于由流水驱动的涡轮机系统，其特征在于：一个涡轮机或多个涡轮机组件(3)被安装在一具有流线型截面的台板或平台(1)上，以与水流可操作地合作，涡轮机按照这样的方式进行安装，以使得涡轮机组件(3)沿水流的横向方向(即与水流方向DW垂直的方向)布置，其中，所述平台相对于水流水平地排布着，以减小其对水流的阻力。

3.根据权利要求1或2所述的支撑结构，其特征在于：台板或平台(1)的俯视结构为矩形。

4.根据权利要求1、2或3所述的支撑结构，其特征在于：载承着涡轮机的台板或平台(1)或者是被从所述流水底床竖立起的至少两个支撑支腿或支柱(2)支撑在升高的位置上。

5.根据权利要求1、2或3所述的支撑结构，其特征在于：台板或平台(1)是一个浮体，其被锚固在水床上的张力缆索、绳索或系带(5)下拉到水柱中，以处于所述的升高位置上。

6.根据权利要求1、2或3所述的支撑结构，其特征在于：设置了能使台板或平台(1)在其工作位置与靠近水面(WL)的第二位置之间移动的装置，由此使与台板或平台(1)相关联的涡轮机(3)至少能到达水面上，从而可利用水面船只接近涡轮机组件(3)，以对其进行维护或修理。

7.根据权利要求1、2、3或4所述的支撑结构，其特征在于：支撑结构包括至少一个流线型截面的另外一个台板或平台(10)，另外的台板或平台被设置成“双翼”或“三翼”的形式，这样进行设置以提高支撑结构的结构完整性。

8.根据权利要求7所述的支撑结构，其特征在于：另外的台板或平台(10)被设置成形成了与所述第一台板或平台(1)的表面相平行的表面，其或者位于与所述第一台板或平台(1)相关联的涡轮机(3)的轴线的高度上，或者位于所述轴线所在高度的上方，或者是这两种情况的组合形式。

9.根据权利要求8所述的支撑结构，其特征在于：所述另外的表面(10)的弦长和厚度等于、小于或大于所述第一支撑表面(1)的弦长和厚度。

10.根据上述权利要求之一所述的支撑结构，其特征在于：具有流线型截面的所述第一台板或平台(1)为非对称性的流线型截面，在该截面中，一个表面的凸度相比于另一表面的凸度在一定程度上较大，使得上表面和下表面均为凸面，且其中一个凸度大于另一凸度。

11.根据上述权利要求之一所述的支撑结构，其特征在于：流线型截面的第一台板或平台(1)具有非对称性的流线型横截面，在该截面中，一个表面的凸度相比于另一表面的凸度在一定程度上较大，使得一表面为凸面，而另一表面或者大体上为平面，或者为凹面，这样进行设置以使流过大凸度表面上方的水流按照一定方式加速，以减小通过转子的速度剪力。

12.根据上述权利要求1到10之一所述的支撑结构，其特征在于：流线型截面的第一台板或平台(1)具有非对称的流线型截面，在该截面中，一个表面的凸度相比于另一表面的凸度在一定程度上较大，使得一表面为凸面，而另一表面或者大体上为平面，或者为凹面，这样进行设置：当台板或平台(1)被安装到支撑件(2)上，且凸度较大的一侧面朝下方时，则由于产生了升力，流经台板或平台的水流将形成一个向下的推力，该推力的作用方式有助于使平台更为牢固地座压在其支撑件上；当凸度较大的表面面朝向流经台板或平台的上方水流，由于产生了升力，凸面将形成一个向上的推力，该推力有助于保持支腿浮力固定结构(5)中的拉伸力和稳定性。

13.根据权利要求1到3之一所述的支撑结构，其特征在于：流线型截面的第一台板或平台(1)具有非对称的流线型截面，在该截面中，一个表面的凸度相比于另一表面的凸度在一定程度上较大，使得一表面为凸面，而另一表面或者大体上为平面，或者为凹面，这样进行设置：当台板或平台被锚固在河床(SB)上的张力缆索、绳索或系带(5)下拉到水柱中、以处于所述的升高位置上，且凸度较大的表面向上面向流经台板或平台的水流，由于升力的结果，凸面将形成一个向上的推力，该推力有助于保持张力支腿浮力固定结构(5)中的拉伸力和稳定性。

14.根据权利要求1到13之一所述的支撑结构，其特征在于：流线型截面的所述第一台板或平台(1)上表面凸度大于其下表面凸度，以便于使流经所述排涡轮机的水流加速，且俯视为矩形、且截面为流线型的台板或平台的下部空间被一障碍物(XX)大体上阻塞，这样进行设置的作用是：可迫使大部分水流相对于台板或平台上升，并在其上凸表面上加速，且流经涡轮机组件(3)的转子，而很小比例的水流是从一个狭窄的槽缝(12)中泄流出去的，以防止紊流的边界层向上偏转而到达俯视为矩形且为流线型截面的台板或平台(1)的上部，其中的槽缝是指俯视为矩形且为流线型截面的台板或平台(1)的下表面与所述障碍物(XX)顶部之间的空间，这样的设置使得流经涡轮机转子的平均流速具有显著的增加，由此提高涡轮机组件(3)的功率输出。

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