專利名稱：提取潮汐能的裝置和系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明的實施方式總體涉及從移動的流體一例如潮汐流——提取能量的系統(tǒng)和方法，更特別地涉及能夠產(chǎn)生相對恒定的合力矩輸出的渦輪機以及采用這種渦輪機和增速裝置的系統(tǒng)。
背景技術：
潮汐能或潮能是水流或潮汐中固有的一種動能的形式。將該動能轉化成有用的形式的裝置是通常所說的潮汐流裝置。許多現(xiàn)有的潮汐流裝置采用類似于風力渦輪機的水平軸渦輪機。這些水平軸潮汐流渦輪機是大型設備，其直徑典型地大于10米并且設計成產(chǎn)生兆瓦量級的電能以減小每兆瓦特的總基礎設施的成本。相應地，這些大型渦輪機必須在深水中和高的潮汐流流動速度下運行。這樣嚴重地限制了這種大型渦輪機的潛在應用。此外，由于潮汐流流動每天兩次改變方向，這些大型渦輪機需要使用復雜的葉片控制器、傳感器和其它控制裝備以實現(xiàn)較高的效率。源自薩沃紐斯(Savonius)、達里厄(Darrieus)或戈爾洛夫(Gorlov)的設計的現(xiàn)有的豎軸渦輪機具有它們的局限性。薩沃紐斯的設計如阻力型渦輪機(drag type turbine)那樣運行并且因此與例如達里厄或戈爾洛夫設計的類似尺寸的升力式渦輪機相比提取較少的能量。豎軸渦輪機通常在單個回轉中產(chǎn)生具有總數(shù)量與葉片的數(shù)量相同的波峰或波谷的正弦力矩輸出。由單獨的葉片產(chǎn)生的力矩的總和導致正弦力矩輸出，該正弦波動根據(jù)回轉過程中它們與流動的接觸位置而變化。這些力矩波動將導致不希望的電輸出的波動。在戈爾洛夫螺旋式渦輪機中，葉片在豎直方向上螺旋狀地布置，以便旋轉時將它們的橫截面橫過流體流均勻地分布。然而，戈爾洛夫設計復雜、制造成本高并且由于結構剛性問題具有高度局限性。在潮汐能發(fā)電站中采用的潮汐流渦輪機通常布置在建造河口或橫跨瀉湖的入口的堰壩中。這種堰壩通常是需要高成本的例如750米長的大型基礎設施。堰壩的建造還對環(huán)境有這樣的負面影響淤積和改變當?shù)氐纳鷳B(tài)系統(tǒng)。美國專利No. 6，856，036(別林斯基(Belinsky))公開了用于在深水中獲取海洋流的動能的設備，其基于利用半潛式平臺和多個具有通風道的豎直定向的達里厄型液力渦輪機。該渦輪機定位在低于海平面一段足夠遠的距離以排除它們受波動作用的影響。發(fā)電機定位在水上面的結構上并且利用從半潛式平臺至海底的柔性電纜以及通向岸邊的水下電纜將電能傳輸至岸邊，在岸邊其連接于電力分布網(wǎng)絡。本發(fā)明的一個實施方式設計成在深水處采集潮汐能量。在美國專利No. 6，921，986(拜耳(Bayer))、W02008/050149 (尼普頓可再生能源有限公司(N 印 tune Renewable Energy Limited))、W02008/109784 (圣路易斯大學 (Saint Louis University))、美國專利公開文獻 No. 2008/0084067 (希爾(Hill))、美國專利公開文獻No. 2008/0159873(陳CTran))、美國專利公開文獻No. 2007/0269305 (伯格(Burg))、美國專利公開文獻No. 2007/0020097Α1(烏蘇亞⑴rsua))、美國專利公開文獻No. 2006/0008351(別林斯基(Belinsky))、美國專利公開文獻No. 2003/0014969 (沃爾特斯 (Walters))、美國專利 No. 4，717，832 (哈里斯(Harris))，和美國專利 No. 4，213，734(Lagg) 中，能夠發(fā)現(xiàn)涉及渦輪機和采用渦輪機的系統(tǒng)的其他信息。鑒于與現(xiàn)有渦輪機設計和渦輪機布置有關的上述和其它問題，以及上文中提到的公開文獻，非常需要改進的渦輪機設計和系統(tǒng)以及布置渦輪機的方法。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式，渦輪機組件可包括堆疊式布置的相同的區(qū)段。外板可設置在堆疊式布置的相反的端部處。每個區(qū)段包括頂部表面、底部表面和固定地安裝在它們之間的多個機翼形(airfoil)葉片。每個區(qū)段中的空間可以是無軸的。每個區(qū)段內(nèi)的葉片可被布置成與相鄰的區(qū)段內(nèi)的葉片旋轉地偏差一相位偏移或角度。由于這種旋轉偏置，每個區(qū)段定向成與相鄰的區(qū)段呈相位偏移。當流體流向區(qū)段提供能量以產(chǎn)生升力時，區(qū)段產(chǎn)生多個漸進(progressive)的相位偏移的力矩輸出。相位偏移的力矩輸出的總和將導致具有小的幅值波動的相對恒定的合成力矩輸出。相鄰的區(qū)段可分離或插入阻止相鄰的區(qū)段之間的流體連通的內(nèi)板?？商娲兀噜弲^(qū)段可插入允許相鄰區(qū)段之間流體連通的無輻條的環(huán)形框架。可采用渦輪機組件與定向和構造成用于向渦輪機組件提供加速的流體流的增速裝置相結合。根據(jù)本發(fā)明的一種實施方式，增速裝置包括具有多個彼此流體連通的開口的殼體。開口從殼體的兩個相反的端部處朝向定位在它們之間的渦輪機室延伸或甚至逐漸變小。殼體可進一步提供適當?shù)囟ǔ叽绲拈_口以允許將渦輪機組件放置在渦輪機室中并且允許將渦輪機組件從其中移除。殼體和渦輪機室可適合地定向成接收豎直地設置的或水平地設置的渦輪機組件。此外，增速裝置可設置適當?shù)囟ㄎ辉陂_口處通向渦輪機室的可移動的門。該門由來自流體流的力致動以形成用于在面向流體流的一個開口處增加流體集流區(qū)的入口輪廓。 由于門被連結成彼此保持一定的角度關系，入口輪廓的形成同時致動對應的門以形成具有與入口輪廓不同的幾何形狀的出口輪廓，用以在另一開口處分散流體。當流體流的方向改變時，由該改變的流體流中的力致動門以使得出口輪廓與入口輪廓相互交換，并且反之亦然。例如線纜和滑輪系統(tǒng)以及四桿聯(lián)動裝置的適合的連結件可設置在適當?shù)拈T之間以使得門之間保持預定的角度關系，從而使得一個門的運動致動其對應的門。增速裝置可包括用于在其中接收多個渦輪機組件的多個渦輪機室。增速裝置可被支撐在漂浮的駁船的下面以形成可以遷移至不同位置的駁船布置。


下文中，參考附圖公開了本發(fā)明的實施方式，其中圖IA是根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式的渦輪機組件的立體圖；圖IB是圖IA的渦輪機組件的一個區(qū)段的俯視圖；圖2A是根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式的渦輪機組件的立體圖；圖2B是圖2A的渦輪機組件的一個區(qū)段的俯視圖；圖2C是從圖2B中的線C-C截取的剖面視圖3A根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式的增速裝置的立體圖；圖;3B是容納在圖3A的增速裝置中的渦輪機組件的立體圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式的用于從流體運動中提取能量的系統(tǒng)的側剖面視圖；圖5A是具有布置成以豎直安置方式接收渦輪機組件的多個渦輪機室的增速裝置；圖5B示出了豎直地設置在圖5A的增速裝置中的多個渦輪機組件；圖5C是具有布置成以水平安置方式接收渦輪機組件的多個渦輪機室的增速裝置；圖5D示出了水平地設置在圖5C的增速裝置中的多個渦輪機組件；圖6A是具有布置成接收從方向A的流體流的增速裝置的堰壩的簡化的側視圖；圖6B是具有布置成接收從方向B的流體流的增速裝置的堰壩的簡化的側視圖；圖6C是從圖6A的布置改變至圖6B的布置或相反的過程中上門和下門的過渡布置的簡化的側視圖；圖6D是設置在圖6A至圖6C的堰壩中的渦輪機組件的側向剖視圖；圖7是圖6B的堰壩的俯視剖面圖；圖8A是由從渦輪機組件的截面中的一個產(chǎn)生的力矩輸出的圖示；以及圖8B是由渦輪機組件的各個截面產(chǎn)生的漸進地相位轉變的力矩輸出的圖示，以及這些漸進地相位轉變的力矩輸出的總和。
具體實施例方式在下列說明中，為了提供對本發(fā)明的各個示意性的實施方式的全面的理解，詳細地闡述了許多特定的細節(jié)。然而，應當理解對于本領域的一個技術人員來說在沒有某些或所有這些特定細節(jié)的情況下也可以實踐本發(fā)明的實施方式。在其它情況下，為了避免不必要地掩蓋被描述的實施方式的相關方面，并未對公知的過程操作進行描述。也應理解，盡管術語“第一”、“第二”等可被用在此處用以描述各個構件，這些構件不應該被這些術語所限制。這些術語只用于構件的彼此區(qū)分，而不偏離本發(fā)明的范圍。此外，應該理解在當本說明書中術語“彼此”的使用不限制于具有三個或更多的情況；該術語也適用于兩個或更多個的情況。參考圖1A，圖IA是根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式的渦輪機組件100的立體圖。渦輪機組件100可以由設置成堆疊式布置的多個相同的區(qū)段110形成。外(圓形)板10 設置在堆疊式布置的相反的端部處。內(nèi)(圓形)板102b插入或分離相鄰的區(qū)段110，內(nèi)(圓形)板102b將阻止相鄰的區(qū)段110之間的流體連通和流體橫向流動。與使用圓形板分離相鄰的區(qū)段110有關的其它優(yōu)點包括但不限制于提高渦輪機組件100的結構剛性以及減小導致能量損耗的豎直渦流。在每個區(qū)段110中，多個葉片104被固定地或不可移動地安裝在圓形板的頂部表面106和另一圓形板的底部表面108之間。每個葉片104可包括具有前緣和后緣的機翼或水翼形狀。機翼形狀可以是對稱的或非對稱的，并且從來源于包括但不限制于國家航空咨詢委員會(National Advisory Committee for Aeronautics (NACA))的已知的機翼輪廓中選擇。適合的機翼形狀的選擇將取決于例如希望的總尺寸、力矩輸出和渦輪機組件100的旋轉速度等因素。在一種實施方式中，葉片104可被定向成橫向于流體流方向，即旋轉路徑的切向。該位置可被稱作切向位置。然而，在某些其他實施方式中，每個葉片104可傾斜角度(θ )以將其前緣定位成遠離切向位置，例如偏離4°，以允許流體流正角度地攻擊(參見圖1Β)。應當理解，可以按需要采用其它傾斜角度。通過相對于切向位置傾斜葉片104， 可阻止在每個區(qū)段110中形成漩渦并且由此增加力矩輸出。此外，適當?shù)貎A斜葉片104將允許減小圓形盤的直徑和圖3Α和;3Β中的渦輪機室316的寬度和/或使其最優(yōu)化。每個區(qū)段110中的葉片104彼此分離并且可被設置成沿或靠近區(qū)段110的圓周或周邊相對均勻地分布。在某些實施方式中，機翼形狀的葉片104的翼弦與每個區(qū)段110的圓形板102b的翼弦重合。葉片104被適當?shù)囟ㄎ怀蓽u輪機組件100在多方向流的作用下單方地向旋轉。盡管圖IB的實施方式示出了每個區(qū)段110具有三個葉片104，應當意識到， 在某些其它的實施方式中，每個區(qū)段110中的葉片104的數(shù)量可以在二至六之間選擇，如果需要可以選擇更多個。此外，每個區(qū)段110中的葉片104可以是中空的或實心的機翼。在圖IA中，形成渦輪機組件100的堆疊式布置由六個相同的區(qū)段110形成。區(qū)段 110可被定向成所有葉片104在區(qū)段110或堆疊式布置的橫向方向上彼此不對齊。更特別地，每個區(qū)段110內(nèi)的葉片104可被布置成相對于相鄰區(qū)段的葉片104旋轉地偏差或移動一相位偏移或角度。該旋轉偏置或相位偏移是在區(qū)段110的橫向方向上漸進的，從而使得在葉片104的布置中和相同區(qū)段的葉片104之間的間隙中，橫過各個區(qū)段110可觀察到螺旋效果。當渦輪機組100由流體流提供能量時，該偏置布置將產(chǎn)生相對恒定的合成力矩輸出。進一步詳細說明當流體流進入渦輪機組100時，向每個區(qū)段110被提供能量以產(chǎn)生升力。由于偏置布置，由每個區(qū)段110產(chǎn)生的力矩輸出定向成相對于由相鄰的區(qū)段110中的一個產(chǎn)生的力矩輸出產(chǎn)生相位偏移。如果該偏置布置在整個旋轉上——即360°——均勻地分布，那么由各個區(qū)段110產(chǎn)生的力矩輸出的波峰和波谷將均勻地分布。換言之，由區(qū)段 110產(chǎn)生多個漸進地相位偏移的力矩輸出，并且其總和將實現(xiàn)相對恒定的合成力矩輸出。通過一個或多個連接軸將該相對恒定的合成力矩輸出提供給例如發(fā)電機的能量轉化裝置。該一個或多個連接軸可連接于堆疊式布置的端部板，從而使得每個區(qū)段110內(nèi)的空間通常沒有軸或無軸?？墒褂孟铝泄酱_定由每個區(qū)段110產(chǎn)生的漸進地相位偏移的力矩輸出之間的相位偏移相位偏移(° ) = 360° + (每個區(qū)段中的葉片數(shù)量X區(qū)段的數(shù)量)根據(jù)圖IA和圖IB中圖示出的一個實施方式，即渦輪機組件具有六個相同的區(qū)段 110，每個區(qū)段110具有布置成旋轉地偏置120°的三個葉片104，使用上面的公式計算出的每個區(qū)段相對于相鄰區(qū)段的相位偏移為20°。相應地，相鄰區(qū)段的葉片布置成旋轉偏置或移置20°。盡管圖IA和圖IB示出了具有六個相同的區(qū)段110的渦輪機組件且每個區(qū)段110 具有三個機翼形狀的葉片104，應當意識到，本發(fā)明不受限制于此。在本發(fā)明的其它實施方式中可以使用區(qū)段110和葉片104的數(shù)量的其他組合。參考圖2A、圖2B和圖2C，其圖示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式的渦輪機組件 200。圖2A、圖2B和圖2C的渦輪機組件200類似于圖IA和圖IB的渦輪機組件100，它們的不同之處在于下文中所描述的某些變型。在圖2A中，渦輪機組件200包括設置在堆疊式布置的相反的端部處的兩個外(圓形)板20加。無輻條環(huán)的或環(huán)形框架202b分離或插入渦輪機組件200的相鄰的區(qū)段210 中。在一些區(qū)段中，多個葉片204可被固定地安裝在環(huán)形框架的頂部表面206和另一環(huán)形框架的底部表面208之間。在另一些區(qū)段中，葉片204可被固定地安裝在外板20 和環(huán)形框架202b之間。圖2B示出了渦輪機組件200的一個區(qū)段210的俯視圖。如所圖示的，無輻條的環(huán)形框架202b限定了將允許相鄰區(qū)段210之間的液體連通以及液體橫向流動的開口。無輻條的環(huán)形框架202減小了分離相鄰區(qū)段210的表面面積。由于分離相鄰區(qū)段的大的表面面積造成大的風阻損失(windage loss)，大的風阻損失導致較低的力矩輸出，所以無輻條的環(huán)形框架的使用導致分離相鄰區(qū)段的表面的面積較小并且由此減小了風阻損失。圖2C示出了從圖2B中的線C-C獲得的剖面視圖。如所示出的，無輻條的環(huán)形框架202可具有橢圓形橫截面以避免環(huán)形框架202的表面上的大的邊界層間距。由于環(huán)形框架上的大的邊界層間距將產(chǎn)生可導致力矩輸出減少的壓差阻力，所以橢圓形橫截面將導致環(huán)形框架的表面上方的較小的邊界層間距并且由此導致較小的力矩輸出減少。然而，應當意識到，無輻條的環(huán)形框架202的橫截面可具有其它形狀。形成圖2A的渦輪機組件200的堆疊式布置由四個相同的區(qū)段210形成。類似于圖IA和圖IB的渦輪機組件100，每個區(qū)段210內(nèi)的葉片204可布置成相對于相鄰的區(qū)段 210的葉片204旋轉地偏差或移動一相位偏移或角度。該旋轉偏置或相位偏移在區(qū)段210 的橫向方向上是漸進的，從而使得在葉片204的布置中以及相同區(qū)段的葉片204之間的間隙中，在各個區(qū)段210橫向方向上可觀察到螺旋效果。當渦輪機組200由流體流提供能量時，該偏置布置將產(chǎn)生相對恒定的合成力矩輸出。根據(jù)在圖2A和2B中示出的實施方式，在該實施方式中渦輪機組件具有四個區(qū)段 210，其中每個區(qū)段210具有布置成旋轉偏置120°的三個葉片204，使用上面的公式計算出的每個區(qū)段210相對于相鄰區(qū)段的相位偏移為30°。相應地，相鄰區(qū)段的葉片布置成旋轉偏置或移置30°。還應意識到，在本發(fā)明的其它實施方式中可以使用區(qū)段210和葉片204 的數(shù)量的其它組合。根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式，用于從流體流中提取能量的系統(tǒng)可包括聯(lián)接于例如發(fā)電機的能量轉化裝置的渦輪機組件。此外，采用增速裝置與渦輪機組件協(xié)作且適當?shù)囟ㄏ蛴跍u輪機組件以提供穿過渦輪機組件的加速的流體流。圖3A示出了所采用的用以與根據(jù)本發(fā)明的實施例的渦輪機組件一起運行的增速裝置的示例。然而，應當意識到，在適當?shù)刈冃偷那闆r下可以采用其它適合的增速裝置。圖3A和圖:3B示出了具有設置成與第二開口 320流體連通的第一開口 310的殼體 300。第一開口 310和第二開口 320由兩個相反的端部形成并且朝向收縮的中央?yún)^(qū)域逐漸變小。第一開口 310、第二開口 320和中央?yún)^(qū)域可被稱為文丘里管形開口。該漸縮體可具有彎曲的或直的輪廓，適合于加速從第一和/或第二開口進入并且朝向中央?yún)^(qū)域移動的流體流。收縮的中央?yún)^(qū)域可容納渦輪機組件100(或200)并且將被稱作渦輪機室316。根據(jù)流體流的方向，流體流可經(jīng)由第一開口 310或第二開口 320進入殼體300，并且朝向渦輪機室 316移動并且穿過另一開口。這允許渦輪機組件100的雙向運行。
殼體300進一步包括由殼體300的頂部表面形成的且設置成與渦輪機室316流體連通的第三開口 330?？蓪⒃摰谌_口 330的尺寸適合地確定為給渦輪機組件100提供通向渦輪機室316的通道。該第三開口 330因此在為了運行而進行的安裝過程中允許將渦輪機組件100降低至渦輪機室316中，并且在為了保養(yǎng)或維修而進行的拆卸過程中，允許將渦輪機組件100從渦輪機室316中移除。因此，通過提供渦輪機組件100、增速器裝置，即殼體300，和作為分離的模塊的發(fā)電機，各個模塊的安裝和保養(yǎng)將花費較少的時間且成本節(jié)約。由于每個模塊具有較低的個體重量，將需要較輕的提升裝備。第一開口 310、第二開口 320和渦輪機室316可具有從包括矩形、方形和圓形的形狀組中選擇的橫截面輪廓。然而，可應用其它形狀的橫截面輪廓。渦輪機室316可具有尺寸一致的橫截面輪廓。第一開口 310、第二開口 320和渦輪機室316可具有被適當?shù)囟ǔ叽绯稍诔驕u輪機室31的流體流中的實現(xiàn)希望的加速度變化率的多個橫截面輪廓。在一些實施方式中，例如，進入第一開口 310或第二開口 320的流體流可在該流體流進入渦輪機室316之前被加速至其自由流動速度的1. 2至3倍之間。因此，即使在低于1米/秒(m/s)的低的自由流動速度的條件下，通過在流體流進入渦輪機組件100之前增加其自由流動速度，能夠提高來自于渦輪機組件100的力矩輸出。在一個示例中，殼體300可具有大約11米的長度，第一開口 310和第二開口 320可具有大約4米的寬度和大約5米的高度；并且渦輪機室316可具有大約2米的寬度和大約3米的高度。此外，根據(jù)本實施方式，渦輪機組件100可具有大約2米的直徑和大約3米的橫向長度。該尺度的渦輪機組件100和殼體300允許在淺水中安裝并且因此大大地增加了本發(fā)明的潛在應用。在該實施方式和某些其它實施方式中，平均力矩輸出可以是具有大約2. 5%的幅值波動的相對恒定的值。現(xiàn)在參考圖4，其中，為了運行而進行安裝時，相對于發(fā)電機布置設置在圖;3B中所示的殼體300中的渦輪機組件100。可提供一個或多個軸用以將渦輪機組件100聯(lián)接于發(fā)電機402。在一個實施方式中，第一軸404可連接于渦輪機組件100的一個端部并且遠離渦輪機組件100朝向發(fā)電機402延伸。更特別地，第一軸404可被固定地安裝于第一區(qū)段并且不延伸穿過區(qū)段110的其它部分。第二軸406可固定地安裝于遠離第一區(qū)段的最后的區(qū)段，并且遠離渦輪機組件100朝向殼體300的底部延伸。盡管兩個軸都聯(lián)接于渦輪機組件100的端部區(qū)段110，軸不延伸穿過渦輪機組件100的各區(qū)段110。中間區(qū)段110通過隔離板102和機翼板104彼此聯(lián)接。通過每個區(qū)段110內(nèi)的“無軸”設計，防止了馬格努斯效應并且減小了漩渦引發(fā)的振動，因此延長了渦輪組件100的壽命。相應地，允許較大的體積的流體流穿過區(qū)段110，從而使得實現(xiàn)每單位橫截面110面積較高的流體流，這導致每單位時間的較高的能量提取。此外，每個區(qū)段110的內(nèi)沒有軸允許為海洋動物提供更多的用于逃離的空間。由渦輪機組件100產(chǎn)生的力矩可通過連接軸傳遞至一個或多個發(fā)電機402。連接軸與第一軸可是一體的或分離的。發(fā)電機402可被放置在水平面下面或上面；然而，浸沒的發(fā)電機可要求高成本的殼體和密封技術。在發(fā)電機被放置在水平面上面的實施方式中，渦輪機組件100可懸吊于發(fā)電機402的推力軸承408或由發(fā)電機402的推力軸承408支撐。多個推力軸承408將渦輪機組件100的連接軸可移動地聯(lián)接于發(fā)電機殼體，并且支撐渦輪機組件100和連接軸的重量。在渦輪機組件100懸吊于發(fā)電機402的情況下，需要多個導向軸承410以阻止渦輪機室316內(nèi)的渦輪機組件100的側向移動。為此目的，可采用適合于水下應用的多個干式導向軸承。盡管可使用其它類型的導向軸承，干式導向軸承不需要對水造成污染的人造潤滑劑?？稍趦蓚€位置處采用導向軸承410 靠近渦輪機組件100的底部處和渦輪機組件100的頂部的上面。在渦輪機組件100經(jīng)由多個軸連接于發(fā)電機402的某些實施方式中，導向軸承410可設置在殼體300內(nèi)的渦輪機組件100的頂部的上面。在某些其它實施方式中，連接軸被選擇成適合場地、水深和波動條件，由此允許所有其它構件標準化。在推力軸承408和導向軸承410的上述布置的情況下，實現(xiàn)了渦輪機和發(fā)電機軸線的三點對齊，以為渦輪機提供旋轉穩(wěn)定性。將來自渦輪機的機械能或轉動能轉化成電能之后，所產(chǎn)生的電能被調(diào)節(jié)成適合于經(jīng)由水底埋藏的電纜或高架的傳輸線輸送至岸上的合適量的電壓。關于上述不旋轉的構件，可使用例如水泥、玻璃纖維、惰性材料或其組合之類的材料以防止海洋污濁問題。此外，構件可涂有抗污涂料并且施加有使用犧牲陽極的陰極保護。 對于例如軸、包括隔離件和機翼形葉片104的渦輪機組件100之類的旋轉的構件來說，可使用抗腐蝕材料。例如金屬合金，但不限制于金屬合金。根據(jù)需要，可旋轉的構件可以是空心的或實心的。圖5A示出了具有布置成用以在豎直方向上接收多個渦輪機組件的多個渦輪機室的增速裝置500a。如圖5A所示的，圖3A的殼體300的兩個單元設置成并置的布置，該并置的布置又插在兩個側部壁510之間。圖5A的增速裝置可以進一步聯(lián)接于漂浮的駁船、船只或漂浮的結構(未示出)，例如通過懸掛附接于其，或與漂浮的駁船或結構一體地形成。圖5B示出了豎直地設置在圖5A的渦輪機室中的多個渦輪機組件。對于設置于其中的每個渦輪機組件來說，可提供一個或多個軸以將渦輪機組件聯(lián)接于發(fā)電機(類似于前述與圖4有關的說明)?？商娲兀瑥拿總€渦輪機組件豎直地延伸穿過渦輪機室的頂部開口的軸可聯(lián)接于水平地設置的連接軸(未示出)，該水平的連接軸與錐齒輪和其它適合的構件一起將由渦輪機組件產(chǎn)生的單獨的力矩傳遞至一個或多個設置在漂浮駁船上的發(fā)電機。 由于每個渦輪機組件不需要專用的發(fā)電機，因此能夠減小電力構件的數(shù)量和成本。圖5C示出了具有布置成以水平安置方式接收多個渦輪機組件的多個渦輪機室的增速裝置^Ob。在圖5D中，殼體501的兩個單元(類似于圖3A的殼體，具有適當?shù)淖冃? 被重新定向并且設置成插在兩個側部壁520之間的并置布置。可形成附加的開口以允許將渦輪機組件安裝入渦輪機室和從其中移除，以及允許安裝連接于渦輪機組件的軸。圖5C的增速裝置可進一步聯(lián)接于漂浮的駁船、船只或漂浮的結構(未示出)，例如通過懸掛附接于其，或與漂浮的駁船或結構一體地形成。圖5D示出了多個水平地設置在圖5C的渦輪機室501中的多個渦輪機組件?？商峁┧降卦O置的連接軸(未示出)以將相鄰的渦輪機組件聯(lián)接在一起。渦輪機組件可通過錐齒輪聯(lián)接于豎直地設置的軸，該軸又將產(chǎn)生的力矩傳遞至位于漂浮的駁船上的發(fā)電機。 類似地，由于每個渦輪機組件不需要專門的發(fā)電機，因此能夠減小電力構件的數(shù)量和成本。在某些增速裝置聯(lián)接于漂浮的駁船或船只的實施方式中，可形成漂浮的堰壩布置。該漂浮的堰壩布置可包括漂浮的駁船、和具有一個或多個渦輪機室的增速裝置、渦輪機組件和發(fā)電機。可通過拖曳將漂浮的堰壩重新定位至希望的位置。與固定的堰壩或橫跨河口的筑壩建筑相比，可搬運的漂浮的堰壩允許在大大地減小建造成本和環(huán)境成本的情況下收集潮汐能。如圖3A、3B、5A_5D中所示的，在增速裝置的流體入口和出口處的開口具有固定的輪廓。在某些其它的實施方式中，例如圖6A至6C，增速裝置提供有由占優(yōu)勢的流體流的方向確定的可變的入口和出口輪廓。參考圖6A，其示出了支撐其下方的增速裝置620的漂浮駁船610以形成漂浮堰壩布置600。增速裝置620包括殼體630，該殼體630具有第一開口 632，該第一開口 632與第二開口 634流體連通。第一開口 632和第二開口 634由兩個相對的端部形成并且朝向它們之間的用于容納渦輪機組件的渦輪機室636延伸或逐漸變小。根據(jù)占優(yōu)勢的流體流的方向，流體流可經(jīng)由第一開口 632或第二開口 634進入殼體630并且朝向渦輪機室636移動。 這允許渦輪機組件的雙向操作。根據(jù)渦輪機組件的希望的方向(豎直的或水平的)，殼體可具有類似于如上所述圖3A-;3B和圖5A-5B或圖5C-5D的其它開口或結構變型。如圖6A中所示的，在殼體630的每個開口處提供至少兩個門。該門在開口的上部分或下部分處可移動地或樞轉地聯(lián)接于殼體630以允許流體流穿過其。上部門642被連接或連結以彼此保持第一角度關系。更特別地，上部門642可通過滑輪或繩索系統(tǒng)646彼此連接。因此，如果入口上部門被提升，出口上部門將通過滑輪或繩索系統(tǒng)646被降低，并且反之亦然。此外，下部門644可由四桿聯(lián)動裝置648連接以彼此保持第二角度關系。類似地， 如果入口下部門被降低，出口下部門將經(jīng)由四桿聯(lián)動裝置648被提升，并且反之亦然。聯(lián)動裝置646、648允許門在殼體630的開口處形成可變的輪廓。應當理解，在進行適合的變型的情況下，在本發(fā)明的實施方式中可使用其它類型的聯(lián)動裝置。在運行中，引入的流體流的壓力向下推動入口的下部門以形成壁堵塞件(第一開口 632的下方)。下部門可被設置成垂直于流體流并且被布置在渦輪機室636的下面的肋部阻止其過度旋轉或被設置在渦輪機室636的下面(參見圖6A、圖5A-5D)，其定尺寸成允許流體在無堵塞的情況下在渦輪機室的下面流動。該壁堵塞阻止流體流并且增加在入口處形成的能量，由此形成堰壩的效果。同時，來自流體流的壓力還作用于入口上部門以與駁船 610的底部形成斜面或斜坡。由于入口和出口處的下部門由四桿聯(lián)動裝置648連接，入口下部門的降低(在第一開口 632處)將同時致動出口下部門(在第二開口 634處)使得被提升以便與出口的上部門一起形成出口輪廓的一部分。類似地，提升入口上部門將同時致動出口上部門以便被降低以完成分散器輪廓。為實現(xiàn)不同的目的，入口和出口輪廓具有不同的幾何形狀。輸入輪廓被可操作以通過降低入口下部門以阻礙流體流，來增加流體集流區(qū)(或增加流體集流區(qū)的深度)，并且通過提升入口上部門以形成以與駁船的底部形成斜面或斜坡而將流體流引導朝向渦輪機室。與殼體的逐漸變小(或文丘里管形狀)的開口合作，入流的流體流在到達渦輪機室和設置在渦輪機室內(nèi)的渦輪機組件之前被加速。分散器輪廓可被操作用以通過在出口上部門和下部門之間形成大約小于20度(或在出口門和水平面之間形成大約小于10度)的出口幾何形狀來減小不利的流體壓力梯度，該不利的流體壓力梯度將導致邊界層流分離。盡管圖6A示出了沿方向A的流體流，圖6B示出了相反的流體流(沿方向B)，該流體流可被操作以使得出口輪廓和入口輪廓相互交換，并且反之亦然。在圖6B中，來自沿方向B的流體流的壓力推動在第二開口 634處的入口下部門以形成壁堵塞件(第二開口 634 的下方)。同時，來自流體流的壓力也作用于入口上部門上以與駁船的底部形成斜坡。由于下部門由四桿聯(lián)動裝置連接，入口的下部門(在第二開口 634處)的降低同時致動出口下部門(在第一開口 632處)以便被提升以與出口上部門一起形成分散器輪廓的部分。類似地，通過經(jīng)由滑輪和繩索系統(tǒng)提升入口上部門來同時降低出口上部門(在第一開口 632處)以完成分散器輪廓。圖6C是在流體流方向改變的過程中上部和下部門的過渡布置的簡化的側視圖。圖6D是設置在圖6A-6C的堰壩600中的渦輪機組件的側向橫截面視圖。渦輪機組件被豎直地設置在渦輪機室內(nèi)并且連接軸豎直地從渦輪機組件延伸以連接于發(fā)電機(未示出)。這些構件被支撐在漂浮的駁船610的下面。在方向B上占優(yōu)勢的流體流作用在入口處的門上以形成入口輪廓。由于上部門和下部門中的各聯(lián)動裝置，在出口處的門被致動以形成分散器輪廓。圖7是具有用于接收豎直地設置的渦輪機組件的兩個渦輪機室的堰壩的平面剖視圖。該堰壩包括端部壁702，在端部壁702之間插入有增速裝置和渦輪機室。端部壁702可被操作以補充由上部門和下部門形成的入口和出口分散器輪廓。更特別地，端部壁702將增加在入口處自由流動流體的捕捉，并且在出口處形成分散器輪廓的部分以防止不利的流體壓力梯度的形成?？稍谘邏蔚膫炔勘谥行纬刹?參見圖5A-5D)以適應下部門的桿聯(lián)動裝置的移動。堰壩可例如通過使用混凝土自重錨固件而錨固于海底的適當位置?？梢匀缦路绞桨惭b和運行一種用于使用上述構件從流體流中提取能量的系統(tǒng)然而，應當意識到，為安裝在本發(fā)明的各個圖中所示的布置，可根據(jù)需要改變或互換所描述的順序。為了安裝該系統(tǒng)，首先確定適當?shù)乃挛恢?。該水下位置可在河流、沿海海域、大海、洋底、湖或具有足夠的深度和流動速度的液體或水體中的任何其它位置。例如殼體300、630的增速裝置和連結的門的布置可被降低入水中，直至殼體至少部分地浸入或擱置在水下地面上為止?？煽紤]預期的水流方向來適當?shù)囟ㄏ蛟摎んw以允許水經(jīng)由第一開口和/或第二開口進入殼體?？赏ㄟ^適當?shù)腻^固方法或裝置——例如使用重力底座——和/或懸掛于可被錨固于水下地面的漂浮的駁船，將殼體固定于水下地面?？山?jīng)由頂面開口將渦輪機組件降低進入該殼體，直至渦輪機組件被適當?shù)卦O置在殼體中為止。更特別地，渦輪機組件和殼體被適當?shù)囟ㄏ?，使得殼體向渦輪機組件提供加速的流體運動。在渦輪機殼體的放置以及推力和導向軸承的布置之后，根據(jù)水的情況，渦輪機組件被至少部分地浸沒?？商峁┮粋€或多個軸以將渦輪機組件連接于發(fā)電機。發(fā)電機可設置在水的上方，例如在駁船上、用于水上行進的船只上或錨固于水下地面的平臺上。如果需要保養(yǎng)或維修，可以通過頂面開口提升渦輪機組件，將渦輪機組件從殼體中移除。這樣消除了對于提升殼體和渦輪機組件的整個系統(tǒng)的需要，由此減小了保養(yǎng)或維修的成本以及系統(tǒng)的停工期。然而，在某些實施方式中，殼體和渦輪機組件可被布置或聯(lián)接，使得此二者都被從水下提升以保養(yǎng)和維修。圖3B、圖4和圖6D示出了渦輪機組件以豎直軸線運行的取向。應當意識到，在本發(fā)明的其他實施方式中，可使系統(tǒng)取向不同，使得渦輪機組件以水平軸線運行，例如圖5B。在這種實施方式中，可進行適合的變型。例如，將渦輪機組件連接于發(fā)電機的軸可具有不同的取向，并且此外可使用承載軸承來代替導向軸承。當為了運行而安裝系統(tǒng)時，來自流體流的力致動連結的門以在入口處形成增加流體集流區(qū)的入口輪廓。從第一開口和/或第二開口進入殼體的流體流在進入渦輪機室之間被開口的逐漸變小的壁加速。響應輸入輪廓的形成，連結門的角度關聯(lián)件進一步致動門以便在出口處形成用于散流的不同的出口輪廓。被加速的水流向渦輪機組件中的各個區(qū)段中的葉片提供能量并且導致渦輪機組件旋轉。在一種實施方式中，如果機翼形葉片被定位在相同的順時針或逆時針方向上，則不考慮流體流的方向或方向改變，渦輪機組件都可在單個方向上旋轉。在被流體流提供能量的每個區(qū)段中，產(chǎn)生升力，該升力形成導致渦輪機旋轉運動的力矩輸出。圖8A繪制出了在一個區(qū)段中進行的一個回轉的力矩輸出，其中，區(qū)段的三個葉片產(chǎn)生了圖示波形的三個波峰和三個波谷。圖8B繪制出了各個區(qū)段的漸進的相位偏移的力矩輸出及其總和，其中，在合成力矩輸出中波動的幅值很小或不大的。當潮汐改變導致流體流的方向改變時，出口輪廓與入口輪廓相互交換，并且反之亦然。本發(fā)明的實施方式實現(xiàn)了很多優(yōu)點，這些優(yōu)點不限制于前面的段落中和下文中所描述的那些內(nèi)容。本發(fā)明能夠在大的潮汐流速度范圍內(nèi)將來自海洋潮汐流的能量轉化成電。即使在具有低的自由流動速度的位置處，也能夠產(chǎn)生充足的力矩，從而允許其部署在不適合較大潮汐裝置的位置。這種位置包括但是不限制于淺的沿海區(qū)和溪流。如果本發(fā)明被安裝在靠近電能的消耗者處，那么將由此降低與安裝傳遞電纜相關的基礎設施的成本。盡管上面的段落描述了在例如水的液體中的應用，應當意識到，在適當?shù)淖冃偷那闆r下，也適用于例如風的其它形成的流體的應用。通過考慮本說明書和本發(fā)明的實踐，對本領域的那些技術人員來說其它實施方式將是顯而易見的。此外，為了清楚地描述的目的使用了某些術語，但是這些術語不限制所公開的實施方式。上文中所描述的實施方式和特征應當被視作示例性的，本發(fā)明由所附權利要求來限定。
權利要求
1.一種用于從移動的流體提取能量的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括用于提供加速了的流體流的增速裝置，包括具有設置成彼此流體連通的多個開口的殼體，其中，所述開口從所述殼體的兩個相反的端部朝向設置在它們之間的渦輪機室延伸；以及多個門，所述多個門連結成所述門之間保持多個預定角度關系，所述門可移動地聯(lián)接于所述殼體，其中，所述門可由流體流致動以便在面向所述流體流的一個開口處形成用于增加流體集流區(qū)的入口輪廓，并且響應形成所述入口輪廓，所述門能夠借由連結所述門的角度關系而被致動，以便在另一開口處形成用于散出流體的不同的出口輪廓；設置在所述渦輪機室中的渦輪機組件；聯(lián)接于所述渦輪機組件的軸；以及聯(lián)接于所述軸以便將來自所述渦輪機組件的轉動能轉化成電能的發(fā)電機。
2.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其中，通過改變所述流體流的方向致動所述門以便使所述出口輪廓與所述入口輪廓相互交換，并且反之亦然。
3.根據(jù)權利要求2所述的系統(tǒng)，其中，形成所述入口輪廓的至少一個所述門設置成垂直于所述流體流以阻礙所述流體流，并且形成所述入口輪廓的另一個所述門提供了用于朝向所述渦輪機室引導所述流體流的斜坡。
4.根據(jù)權利要求3所述的系統(tǒng)，其中，形成所述出口輪廓的至少兩個所述門彼此成角度地移置，所述角度小于約20度。
5.根據(jù)權利要求3所述的系統(tǒng)，其中，形成所述出口輪廓的至少兩個所述門中的每一個與水平平面成角度地移置，所述角度小于大約10度。
6.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述門中的上方的門由滑輪和線纜系統(tǒng)連結并且所述門中的下方的門由四桿聯(lián)動裝置連結。
7.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述增速裝置支撐在漂浮的駁船下面以形成可遷移的堰壩布置。
8.根據(jù)權利要求7所述的系統(tǒng)，其中，所述漂浮的駁船包括插入在所述增速裝置之間的多個端部壁，其中，所述端部壁設置成補充由所述門形成的所述入口輪廓和所述出口輪廓。
9.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其中，多個肋被布置在所述增速裝置的下面以用于阻止所述門中的下方的門被設置在所述渦輪機室的下面。
10.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述殼體具有設置成與所述渦輪機室流體連通的另一開口，所述另一開口用于從其中安裝以及移除所述渦輪機組件。
11.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，進一步包括可移動地聯(lián)接于所述軸以將所述渦輪機組件固定于所述殼體的多個導向軸承。
12.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，進一步包括可移動地聯(lián)接于所述軸以將所述渦輪機組件固定于所述發(fā)電機的多個推力軸承。
13.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述渦輪機組件豎直地設置，使得所述軸在豎直方向上遠離所述渦輪機組件延伸。
14.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述渦輪機組件水平地設置，使得所述軸在水平方向上遠離所述渦輪機組件延伸。
15.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述渦輪機組件包括設置成堆疊式布置的多個相同的區(qū)段；以及設置在所述堆疊式布置的相反的端部處的兩個外板，其中，每個所述區(qū)段包括頂部表面、底部表面、和固定地安裝在它們之間的多個機翼形的葉片，并且每個所述區(qū)段內(nèi)的空間是無軸的，并且，其中一個所述區(qū)段內(nèi)的所述葉片布置成與相鄰的一個所述區(qū)段內(nèi)的所述葉片旋轉地偏差一相位偏移。
16.根據(jù)權利要求15所述的系統(tǒng)，其中，所述相鄰的區(qū)段之間插入內(nèi)板，所述內(nèi)板可被操作以防止所述相鄰的區(qū)段之間的流體連通。
17.根據(jù)權利要求15所述的系統(tǒng)，其中，所述相鄰的區(qū)段之間插有無輻條的環(huán)形框架， 所述無輻條的環(huán)形框架可被操作以允許所述相鄰的區(qū)段之間的流體連通。
18.一種方法，包括將增速裝置設置在流體中，所述增速裝置包括具有設置成彼此流體連通的多個開口的殼體，其中，所述開口從所述殼體的兩個相反的所述端部處朝向設置在它們之間的渦輪機室延伸，以及多個門，所述門連結成在所述門之間保持多個預定的角度關系并且可移動地聯(lián)接于所述殼體；將渦輪機組件設置在所述渦輪機室中；通過流體流致動所述門以便在面向所述流體流的一個開口處形成用于增加流體集流區(qū)的入口輪廓；響應所述入口輪廓的形成，通過連結所述門的角度關系致動所述門以在另一所述開口處形成用于散開流體的不同的出口輪廓；以及在由流體流提供能量的所述渦輪機組件中產(chǎn)生力矩輸出。
19.根據(jù)權利要求18所述的方法，進一步包括響應所述流體流的方向的改變，所述出口輪廓與所述入口輪廓相互交換，并且反之亦然。
20.根據(jù)權利要求19所述的方法，其中，致動所述門包括將形成所述入口輪廓的至少一個所述門設置成垂直于所述流體流以阻礙所述流體流，并且將形成所述入口輪廓的另一所述門設置成斜坡以便朝向所述渦輪機室引導所述流體流。
21.根據(jù)權利要求20所述的方法，其中，將渦輪機組件設置在所述渦輪機室中包括設置渦輪機組件，該渦輪機組件具有設置成堆疊式布置的多個相同的區(qū)段；以及設置在所述堆疊式布置中的相反的端部處的兩個外板， 其中，每個所述區(qū)段包括頂部表面、底部表面、和固定地安裝在它們之間的多個機翼形的葉片，并且每個所述區(qū)段內(nèi)的空間是無軸的，并且，其中一個所述區(qū)段內(nèi)的所述葉片布置成與相鄰的一個所述區(qū)段內(nèi)的所述葉片旋轉地偏差一相位偏移。
22.根據(jù)權利要求21所述的方法，其中，將渦輪機組件設置在渦輪機室中包括設置渦輪機組件，該渦輪機組件的相鄰的所述區(qū)段之間插有內(nèi)板，所述內(nèi)板可被操作以防止所述相鄰的所述區(qū)段之間的流體連通。
23.根據(jù)權利要求21所述的方法，其中，將渦輪機組件設置在渦輪機室中包括設置渦輪機組件，所述渦輪機組件的相鄰的所述區(qū)段之間插有無輻條的環(huán)形框架，所述無輻條的環(huán)形框架可被操作以允許所述相鄰的所述區(qū)段之間的流體連通。
24.根據(jù)權利要求18所述的方法，其中，所述流體是水。
25.一種渦輪機組件，包括設置成堆疊式布置的多個相同的區(qū)段；以及設置在所述堆疊式布置的相反的端部處的兩個外板，其中，每個所述區(qū)段包括頂部表面、底部表面、和固定地安裝在它們之間的多個機翼形的葉片，并且每個所述區(qū)段內(nèi)的空間是無軸的，并且，其中，一個所述區(qū)段內(nèi)的所述葉片布置成與相鄰的一個所述區(qū)段內(nèi)的所述葉片旋轉地偏差一相位偏移。
26.根據(jù)權利要求25所述的渦輪機組件，其中，所述區(qū)段由流體流提供能量以產(chǎn)生多個漸進的相位偏移力矩輸出，該相位偏移力矩輸出將產(chǎn)生相對恒定的合成力矩輸出。
27.根據(jù)權利要求25所述的渦輪機組件，其中，相鄰的所述區(qū)段之間插有內(nèi)板，所述內(nèi)板可被操作以防止所述相鄰的所述區(qū)段之間的流體連通。
28.根據(jù)權利要求25所述的渦輪機組件，其中，相鄰的所述區(qū)段之間插有無輻條的環(huán)形框架，所述無輻條的環(huán)形框架可被操作以允許所述相鄰的所述區(qū)段之間的流體連通。
29.根據(jù)權利要求觀所述的渦輪機組件，其中，所述環(huán)形框架具有橢圓形橫截面以用于減小無輻條的環(huán)形框架的表面上的邊界層間距。
30.根據(jù)權利要求沈所述的渦輪機組件，其中，所述相對恒定的合成力矩輸出的幅值波動是大約2.5%。
31.根據(jù)權利要求25所述的渦輪機組件，其中，通過360°每個區(qū)段中的葉片數(shù)量X區(qū)段的數(shù)量)來確定所述相位偏移。
32.根據(jù)權利要求25所述的渦輪機組件，其中，所述葉片彼此離散開并且沿每個所述區(qū)段的周向均勻地分布。
33.根據(jù)權利要求25所述的渦輪機組件，其中，每個所述葉片的前緣定向成與和旋轉路徑相切的位置成角度。
34.根據(jù)權利要求33所述的渦輪機組件，其中，所述葉片定向成使得所述渦輪機組件可被操作以在多方向流的情況下單向地旋轉。
35.根據(jù)權利要求25所述的渦輪機組件，其中，所述每個區(qū)段包括在二和六之間選擇的相同數(shù)量的葉片。
36.根據(jù)權利要求25所述的渦輪機組件，進一步包括聯(lián)接于至少一個所述外板的并且遠離所述堆疊式布置而延伸的軸。
全文摘要
公開了用于提取潮汐能的渦輪機組件和系統(tǒng)。渦輪機組件可包括設置以堆疊式排列布置的相同的區(qū)段。每個區(qū)段可以是無軸的，可由流體流提供能量以產(chǎn)生升力并且被適當?shù)囟ㄏ虺膳c相鄰的區(qū)段呈相位偏移，從而使得通過渦輪機組件的旋轉產(chǎn)生具有小的幅值波動的相對恒定的合成力矩輸出?？刹捎媒Y合有增速裝置的渦輪機組件，該增速裝置具有殼體，該殼體具有用于增強力矩輸出的可變輪廓的開口。渦輪機組件還可被用在可遷移的漂浮的堰壩布置中。
文檔編號F03B13/26GK102388187SQ201080011416
公開日2012年3月21日 申請日期2010年3月10日 優(yōu)先權日2009年3月11日
發(fā)明者王生印, 莫漢·達斯·埃塔努爾瑟普帕萊, 陳俊達 申請人:吉寶岸外與海事科技中心私人有限公司