專利名稱：水下動(dòng)力發(fā)生器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大體上涉及由河流、海流、海底潮汐流以及概括而言的水流的流動(dòng)來(lái)產(chǎn)生可用的動(dòng)力。
背景技術(shù)：
人們已提出多種由水的流動(dòng)(例如像河流、海流和潮汐流之類的流動(dòng))來(lái)產(chǎn)生動(dòng)力和將動(dòng)力轉(zhuǎn)換為可用動(dòng)力(通常為電力)的機(jī)械。為增大由這些已知機(jī)械轉(zhuǎn)換和產(chǎn)生的動(dòng)力，現(xiàn)已在嘗試制造更為龐大的機(jī)械。此類嘗試造成了多個(gè)部件暴露在外，并且這類機(jī)械總體上具有更大的機(jī)械應(yīng)力，并已因此產(chǎn)生與期望效果相反的結(jié)果。葉片長(zhǎng)度已經(jīng)變得更大，并且對(duì)葉片、支桿(strut)和其它部件上的載荷的檢查已經(jīng)成為非常復(fù)雜和令人困擾的問(wèn)題。其結(jié)果造成部件本身變得昂貴和復(fù)雜，同時(shí)建模變得昂貴且費(fèi)時(shí)。同時(shí)，產(chǎn)品壽命下降，而維護(hù)周期變得更短。本發(fā)明人開發(fā)了一種水下動(dòng)力發(fā)生器裝置，該裝置尤其適用于由潮汐流和海流來(lái)產(chǎn)生動(dòng)力。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方案，提供一種用于由水流產(chǎn)生動(dòng)力的動(dòng)力發(fā)生設(shè)備，該動(dòng)力發(fā)生設(shè)備包括發(fā)生器；第一葉片部，可運(yùn)轉(zhuǎn)地安裝到該發(fā)生器，用于響應(yīng)從選定的方向流來(lái)的水而沿選定的方向旋轉(zhuǎn)；第二葉片部，可運(yùn)轉(zhuǎn)地安裝到該發(fā)生器以進(jìn)行旋轉(zhuǎn)并可運(yùn)轉(zhuǎn)地連接到該第一葉片部，該第二葉片部與該第一葉片部同軸地設(shè)置，并且該第二葉片部設(shè)置在該第一葉片部的下游或尾流區(qū)(wake zone)內(nèi)；其中，該發(fā)生器適于由至少一個(gè)上述葉片部驅(qū)動(dòng)，并且該發(fā)生器被同軸地設(shè)置在該第一葉片部與該第二葉片部之間。在某些配置(方式)中，同軸設(shè)置的第一葉片部和第二葉片部分別安裝在第一轉(zhuǎn)子和第二轉(zhuǎn)子上。在這種配置中，第一轉(zhuǎn)子和第二轉(zhuǎn)子優(yōu)選安裝在軸組件上，該軸組件包括可運(yùn)轉(zhuǎn)地聯(lián)結(jié)或連結(jié)的多個(gè)轉(zhuǎn)子軸，這些轉(zhuǎn)子軸連接在一起，使得第二轉(zhuǎn)子沿與第一轉(zhuǎn)子相同的方向旋轉(zhuǎn)。在其它配置中，設(shè)有離合器或制動(dòng)裝置，以便使第一葉片部與第二葉片部脫離。因此在這些配置中，在運(yùn)行時(shí)可借助制動(dòng)設(shè)備將第二葉片部鎖定在停止位置或使其完全脫離并允許其自由轉(zhuǎn)動(dòng)。在可供選用的配置中，在這些葉片部之間可設(shè)有一聯(lián)結(jié)裝置，該聯(lián)結(jié)裝置沿與第一葉片部的方向相反的方向驅(qū)動(dòng)第二葉片部。在另外的多個(gè)實(shí)施例中，該發(fā)生器可通過(guò)一獨(dú)立的發(fā)生器軸驅(qū)動(dòng)，該發(fā)生器軸可運(yùn)轉(zhuǎn)地聯(lián)結(jié)到轉(zhuǎn)子軸?？蓪⒃摪l(fā)生器軸可運(yùn)轉(zhuǎn)地連接到一齒輪箱，從而使該發(fā)生器軸以比上述轉(zhuǎn)子軸更高或更低的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)。然而優(yōu)選的是，第一和第二轉(zhuǎn)子直接驅(qū)動(dòng)一發(fā)生器，并因此被直接安裝在一共同的轉(zhuǎn)子軸上，從而使第一和第二轉(zhuǎn)子以相同轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。優(yōu)選地，上述轉(zhuǎn)子經(jīng)由轂并借助干涉配合或花鍵連接而被安裝在該軸上。優(yōu)選地，每個(gè)葉片部設(shè)有多個(gè)葉片?？稍O(shè)有例如像介于2和10之間這樣的任何合適數(shù)量的葉片。在一種優(yōu)選形式中，每個(gè)葉片部設(shè)有三個(gè)葉片。在多個(gè)優(yōu)選的配置方案中， 第二葉片部的葉片以傾斜定位方式相對(duì)于第一葉片部錯(cuò)開地設(shè)置，使得當(dāng)在共同的軸上旋轉(zhuǎn)時(shí)，第二葉片部的葉片不會(huì)直接被第一葉片部的葉片遮蔽。在選擇旋轉(zhuǎn)方向時(shí)，一個(gè)優(yōu)選因素是葉片的設(shè)置，并且在優(yōu)選實(shí)施例中，葉片的迎角(angle of attach)是固定的，然而在一些實(shí)施例中，葉片的斜度(Pitch)可以是可變的。在一種更為優(yōu)選的形式中，兩個(gè)葉片部包含數(shù)量相同、且具有大體上相同的外形 (profile，輪廓)和尺寸的葉片。由此在使用中，一個(gè)葉片部可能會(huì)遮蔽另一個(gè)葉片部?？蛇x地，一個(gè)轉(zhuǎn)子上的一個(gè)葉片部的葉片的外形可以不同于另一個(gè)轉(zhuǎn)子上的葉片部的葉片的外形，但優(yōu)選的是兩個(gè)葉片部的葉片在數(shù)量、長(zhǎng)度、橫截面和其它主要特征上均相同。優(yōu)選地，第一和第二轉(zhuǎn)子被以任一合適的間距隔開。在優(yōu)選實(shí)施例中，該間距至少是會(huì)使上述葉片被認(rèn)為是彼此隔開而非彼此鄰近的一個(gè)距離。優(yōu)選地，上述葉片部被隔開一有效距離，處于一尾流場(chǎng)或尾流區(qū)，并且大體上為葉片的直徑d的長(zhǎng)度。有利地，本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的建模和測(cè)試顯示，當(dāng)與直徑較大的單個(gè)葉片部單元相比時(shí)，(本發(fā)明)能夠以直徑較小的多個(gè)葉片部單元來(lái)獲得增大的動(dòng)力。這些實(shí)施例可以顯著降低每千瓦時(shí)(kWH)所花費(fèi)的成本。優(yōu)選地，該動(dòng)力發(fā)生設(shè)備適合于水下和海上安裝及使用。轉(zhuǎn)子優(yōu)選包括頭錐體(nose cone)，該頭錐體安裝在轉(zhuǎn)子的前部以減小作用于這些轉(zhuǎn)子上的阻力(drag)并減小湍水流。優(yōu)選地，該頭錐體是中空的，以便為諸如控制系統(tǒng)等輔助系統(tǒng)、或者供輔助系統(tǒng)乃至主系統(tǒng)使用的儲(chǔ)存器提供空間。包括單向葉片的實(shí)施例和具有雙向葉片的實(shí)施例均可包括一旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)，用以使葉片部對(duì)準(zhǔn)(align)潮汐流，該潮汐流可能會(huì)不時(shí)改變沖擊方向或流動(dòng)方向。由此，在一個(gè)實(shí)施例中，可配置為安裝一渦輪機(jī)頭單元，其包括至少一個(gè)發(fā)生器和兩個(gè)上述的可旋轉(zhuǎn)地安裝且沿縱軸隔開的葉片部，以自動(dòng)或(通過(guò)電力驅(qū)動(dòng)或其它手段) 手動(dòng)地使其自身對(duì)準(zhǔn)，使得該渦輪機(jī)頭單元的縱軸與潮汐流或沖擊流平行。因此在該實(shí)施例中，渦輪機(jī)頭單元被可旋轉(zhuǎn)地安裝在一支柱(pylon)上。優(yōu)選地，該支柱大體沿豎向設(shè)置，但該支柱可具有任何選定的合適取向，只要該配置滿足如下條件支柱將機(jī)艙(nacelle)與海底分隔開一選定距離，該選定距離大到足以使葉片在繞轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)不與海底接觸。旋轉(zhuǎn)裝置遠(yuǎn)離該渦輪機(jī)頭單元或者鄰近該渦輪機(jī)頭單元地設(shè)置在該支柱上。該動(dòng)力發(fā)生設(shè)備可以是模塊式的。亦即，其可以采用多個(gè)可分離或可松脫的模塊的形式，這些模塊可以在合適的階段彼此組裝。這些模塊可包括渦輪機(jī)頭單元、支柱單元、
5以及基座或支撐單元。該渦輪機(jī)頭單元可被可分離或可松脫地安裝到該支柱單元。此外， 支柱可被可分離或可松脫地安裝到該基座或支撐單元，以便將該支柱支撐在海底或其它水體底部上。優(yōu)選地，發(fā)生器被直接連接到一個(gè)或多個(gè)上述葉片部或轉(zhuǎn)子軸。優(yōu)選地，該發(fā)生器通過(guò)花鍵連接被連接到每個(gè)葉片部或轉(zhuǎn)子軸?？稍O(shè)置機(jī)罩或機(jī)殼以將水導(dǎo)向至葉片。該機(jī)罩或機(jī)殼可包括一流道，在使用中葉片部被置于該流道內(nèi)。在這種配置中，葉梢(blade tip)被設(shè)置為靠近一中空的柱體的內(nèi)壁。該機(jī)殼可延伸到第一葉片部的外側(cè)或上游的位置，或延伸跨過(guò)第一葉片部并到達(dá)相對(duì)于第二葉片部的對(duì)應(yīng)位置以便有助于提高效率。優(yōu)選地，該流道中設(shè)有限流部。有利的是，相對(duì)于該流道的不受限制的部分，這種配置提高了流過(guò)該流道的液體在該流道的受限制部分中的流速。該限流部?jī)?yōu)選包括文氏管，該文氏管可形成該流道的一部分或全部。特別地，該文氏管可包括發(fā)散-收斂-發(fā)散型文氏管，其從該流道的任一端的開口朝向該流道的內(nèi)部漸縮。該文氏管可包括至少一個(gè)第一截頭圓錐形(frusto-conical)、截頭棱錐形 (frusto-pyramid)或喇叭形體；可選的圓柱體；以及至少一個(gè)第二截頭圓錐形、截頭棱錐形或喇叭形體。優(yōu)選地，上述第一 /第二截頭圓錐形、截頭棱錐形或喇叭形體中的一個(gè)的發(fā)散端在縱向上與上述第一 /第二截頭圓錐形、截頭棱錐形或喇叭形體中的另一個(gè)的收斂端大體上吻合。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，該機(jī)殼朝向該轉(zhuǎn)子的后方延伸并起到擴(kuò)散器的作用，該機(jī)殼從喉部向該轉(zhuǎn)子后方的后部開口擴(kuò)展。優(yōu)選地，設(shè)置在轉(zhuǎn)子、發(fā)生器及機(jī)殼之間延伸的多個(gè)支撐桿。優(yōu)選地，支撐桿為中空的以供作管道或儲(chǔ)存器。在一種配置中，支撐桿大體沿徑向延伸于轉(zhuǎn)子和發(fā)生器之間。 在多個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，支撐桿的發(fā)生器端被安裝成使這些支撐桿大體上與發(fā)生器相切地延伸。這是為了改善發(fā)生器與機(jī)殼之間的轉(zhuǎn)矩傳遞，有助于使支撐桿更輕。此外，這種優(yōu)選配置方式的優(yōu)點(diǎn)在于，由于在使用中的時(shí)候，沿切向安裝的支撐桿通常并非完全設(shè)置于沿徑向安裝的葉片后方或者被沿徑向安裝的葉片完全“遮蔽”，因此降低了支撐桿上的疲勞載荷。優(yōu)選地，在使用中以制動(dòng)器來(lái)阻止第一轉(zhuǎn)子和/或第二轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。優(yōu)選地，該制動(dòng)器為失效保護(hù)機(jī)構(gòu)(fail safe mechanism)。優(yōu)選地，在使用中，當(dāng)向制動(dòng)促動(dòng)器(braking actuator)施加動(dòng)力(電力)時(shí)，制動(dòng)促動(dòng)器克服促動(dòng)力而將制動(dòng)元件保持成遠(yuǎn)離所述轉(zhuǎn)子。在使用中，當(dāng)從制動(dòng)促動(dòng)器撤除動(dòng)力時(shí)，促動(dòng)力(其可來(lái)自彈簧或者來(lái)自其它類型的合適的推動(dòng)力)克服制動(dòng)促動(dòng)器的作用力并使制動(dòng)元件作用于轉(zhuǎn)子，從而使該轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)減慢或停止。優(yōu)選地，在葉根上設(shè)置滑腳(boot)或插塞以覆蓋任何間隙、凸起或螺栓頭等物， 以使該區(qū)域內(nèi)的干擾阻力最小化。在一些配置方式中，自葉片的根部(葉根)或基部延伸至葉梢的葉片縱軸線可從徑向平面(徑向平面垂直于轉(zhuǎn)子的縱向中心軸線)向后斜張約1°至20°的傾角、斜張角
6或傾斜角。優(yōu)選地，上述葉片縱軸線自葉根至葉梢從該徑向平面向后斜張2°至10°、更優(yōu)選為4°至6°的傾斜角。更優(yōu)選地，上述葉片自葉根至葉梢從與該中心軸線垂直的平面向后斜張約5°的傾斜角。在其它配置中，葉片的縱軸線由該徑向平面來(lái)定向。在這些實(shí)施例中，葉片的前緣可從該徑向平面向后傾斜約1°至20°的傾角、斜張角或傾斜角。該方式可對(duì)第一葉片部和第二葉片部都適用，亦即，兩個(gè)葉片部都可向后傾斜?？赡艿那闆r是，下游的(或第二)葉片部的葉片被設(shè)置為比其上游的葉片部或第一葉片部更為傾斜或扭轉(zhuǎn)。此外，葉片的后緣可向前傾斜與上述前緣向后傾斜的量大致相同的量。這種配置的優(yōu)點(diǎn)在于形成了漸縮形，并因此而減小了葉根處的彎矩。上述葉片可以是單向或雙向葉片。這些葉片可以具有任何有利的橫截面形狀，如平槳形、機(jī)翼形、雙凸面形、漸縮形或梯形、矩形、平行多邊形、彎曲形或扭轉(zhuǎn)形等。在一些配置中，上述機(jī)翼形是NACA4412系列的橫截面形狀。所提供的葉片可以是單向的，然而在多個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，這些葉片是雙向的，后者是為了消除感知到的對(duì)轉(zhuǎn)子和葉片部的旋轉(zhuǎn)量的需求。該單向或雙向葉片包括P十根；葉梢；從葉根延伸到葉梢的前緣；從葉根延伸到葉梢的后緣；葉根弦，其被定義為在葉根處的位于前緣與后緣之間的直線；葉梢弦，其被定義為在葉梢處的位于前緣與尾緣之間的直線；其中，所述葉梢弦以50°至90°之間的扭轉(zhuǎn)角從葉根弦進(jìn)行角度移位(angularly displace)。優(yōu)選地，單向或雙向的葉梢弦以60°至80°之間的扭轉(zhuǎn)角從葉根弦進(jìn)行角度移位。更優(yōu)選地，該葉梢弦以65°至75°之間的扭轉(zhuǎn)角從葉根弦進(jìn)行角度移位。更優(yōu)選地， 該葉梢弦以約70°的扭轉(zhuǎn)角從葉根弦進(jìn)行角度移位。上述葉片可由任何合適的材料利用模制工藝來(lái)制造，所述材料可采用纖維增強(qiáng)塑料或其它復(fù)合物，但可以替代性地采用由鋼、非鐵合金或纖維增強(qiáng)塑料制成的構(gòu)造肋和薄板制造。優(yōu)選地，所述葉片由合成材料制成。在一些實(shí)施例中，葉片可以是雙向渦輪機(jī)葉片。優(yōu)選地，該葉片包括葉根和葉梢； 分布在葉根和葉梢之間的第一表面和第二表面；相對(duì)于在葉片的縱向邊緣之間延伸的弦線對(duì)稱的橫截面外形；以及從該弦線扭轉(zhuǎn)的扭轉(zhuǎn)(角)，其介于約5°至35°之間；其中該葉片能夠借助第一表面或第二表面處的水的流動(dòng)來(lái)驅(qū)動(dòng)水下渦輪機(jī)。該雙向葉片可以具有任何對(duì)稱的橫截面外形，包括平坦形、雙楔形和六角形(改良的雙楔形)。在多個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，為有助于增大提升力(lift)并減小阻力，橫截面外形為雙凸形(其為一種橢圓狀外形)。優(yōu)選地，該雙向葉片是繞葉片的中央縱軸線扭轉(zhuǎn)的，或者是在沿葉片長(zhǎng)度的弦線的中點(diǎn)處扭轉(zhuǎn)的，因此總的扭轉(zhuǎn)葉片的形狀對(duì)稱。優(yōu)選地，雙向葉片的總體扭轉(zhuǎn)處于約10至20度的范圍內(nèi)。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中， 從葉梢至葉根的扭轉(zhuǎn)為約14度。發(fā)明人所做的測(cè)試和建模顯示，結(jié)合本發(fā)明的其它優(yōu)選特征，介于約5度至35度之間的扭轉(zhuǎn)范圍高效且實(shí)用。優(yōu)選地，葉片表面為漸縮形，使得縱緣向后傾斜，亦即朝著中央縱軸線向內(nèi)傾斜。 在多個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，這種漸縮形是這樣的葉梢處的弦的長(zhǎng)度比葉根處的弦的長(zhǎng)度短約 10%。發(fā)明人所做的測(cè)試和建模顯示，在這種葉片設(shè)計(jì)中，漸縮形的范圍(比如說(shuō)介于約 2%和30%之間)可能是高效和實(shí)用的。
當(dāng)安裝到渦輪機(jī)中時(shí)，雙向葉片被設(shè)置成使該葉片的中間部分與渦輪機(jī)的中軸線成約45°的角度。這意味著當(dāng)安裝時(shí)，優(yōu)選的是葉片在根部或近端葉片區(qū)域朝向到來(lái)(進(jìn)入)的水流扭轉(zhuǎn)若干度、并且在梢部或遠(yuǎn)端葉片區(qū)遠(yuǎn)離水流或者向后方或下游扭轉(zhuǎn)若干度。優(yōu)選地，雙向葉片的斜度是固定的，以使葉片不能繞其縱軸線旋轉(zhuǎn)并改變其朝向水流的迎角。依據(jù)水流方向，葉片可沿兩個(gè)方向旋轉(zhuǎn)，而發(fā)生器因此在葉片部沿任何方向旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生動(dòng)力?？稍O(shè)置一控制系統(tǒng)來(lái)控制動(dòng)力發(fā)生設(shè)備，該控制系統(tǒng)可包括測(cè)量裝置， 其用于測(cè)量影響該動(dòng)力發(fā)生設(shè)備的操作的活躍因素；改變裝置，其用于改變渦輪機(jī)的操作； 以及數(shù)據(jù)處理裝置，其包括中央處理器(CPU)和可運(yùn)轉(zhuǎn)地連接到該CPU的存儲(chǔ)器，該存儲(chǔ)器包含適于由CPU執(zhí)行的程序，其中CPU和存儲(chǔ)器可運(yùn)轉(zhuǎn)地適于從測(cè)量裝置接收信息并發(fā)出指令到改變裝置以改變?cè)搫?dòng)力發(fā)生設(shè)備的操作。優(yōu)選地，該控制系統(tǒng)控制渦輪機(jī)，以在給定的水流流速下優(yōu)化動(dòng)力的產(chǎn)生。通常， 該流速小于約10節(jié)，小于約8節(jié)、小于約6節(jié)、或者介于約1節(jié)和5節(jié)之間。該水流可以是潮汐、河流、外向流(outflow)、或海洋中的海流。該系統(tǒng)能夠被用于控制安裝在低流速(流速小于約5節(jié))環(huán)境中的水力渦輪機(jī)，以供最優(yōu)化地產(chǎn)生動(dòng)力或電力。該系統(tǒng)能夠被用于控制流速高達(dá)約8節(jié)的渦輪機(jī)。優(yōu)選地，影響渦輪機(jī)的輸出的活躍因素選自水的速度(流速)、水流方向、相對(duì)于水流的相對(duì)位置、負(fù)載、轉(zhuǎn)矩、在水中的高度或位置、轉(zhuǎn)子葉片或輪葉(foil)速度、轉(zhuǎn)子葉片或輪葉提升力、轉(zhuǎn)子葉片或輪葉阻力、轉(zhuǎn)矩、動(dòng)力輸出、所產(chǎn)生的電力、動(dòng)力負(fù)載等等。響應(yīng)于所測(cè)得的輸入值，可用一種或多種方式來(lái)改變渦輪機(jī)，包括相對(duì)于水流方向改變方位設(shè)置；調(diào)整高度、深度或取向；改變轉(zhuǎn)子葉片或輪葉的速度；改變上游或下游的葉片部的轉(zhuǎn)速、或改變動(dòng)力負(fù)載；改變轉(zhuǎn)矩、動(dòng)力輸送量，等等。優(yōu)選地，使用與該渦輪機(jī)或系統(tǒng)關(guān)聯(lián)設(shè)置的可變速驅(qū)動(dòng)器(VSD)來(lái)改變上游或下游葉片中的任一者上的轉(zhuǎn)速或動(dòng)力負(fù)載。在一種優(yōu)選配置中，VSD被設(shè)置在動(dòng)力發(fā)生系統(tǒng)的支柱或安裝結(jié)構(gòu)上。該VSD優(yōu)選以多種方式控制或監(jiān)控動(dòng)力(包括作用于發(fā)生器上的反作用動(dòng)力等)以影響從該發(fā)生器輸出的負(fù)載或轉(zhuǎn)矩。在一些情況下，可使用外部動(dòng)力以最小的或期望的速度來(lái)啟動(dòng)或繼續(xù)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)，以確保最優(yōu)化地產(chǎn)生動(dòng)力。由于渦輪機(jī)系統(tǒng)附接于動(dòng)力網(wǎng)(power grid)，所以如果需要的話，該控制系統(tǒng)能夠啟動(dòng)從該動(dòng)力網(wǎng)中抽取動(dòng)力的操作，以為渦輪機(jī)提供動(dòng)力。優(yōu)選地，用于測(cè)量活躍因素的測(cè)量裝置是如下裝置中的一個(gè)或多個(gè)，并且可與其它裝置組合，這些裝置包括用于探測(cè)可能的或?qū)嶋H的障礙物的聲納裝置；采用水流剖面儀(current profiler)形式的用于測(cè)量活躍因素的裝置；用于測(cè)量環(huán)境空氣或環(huán)境水的溫度、或者馬達(dá)溫度、或者液壓油溫的熱電偶；接收與渦輪機(jī)的迎角(yaw)或線性定位相關(guān)的角度或高度測(cè)量值的變換器(transducer)；—個(gè)或多個(gè)用于探測(cè)可能的或?qū)嶋H的障礙物的水下或水上攝像機(jī)；一個(gè)或多個(gè)用于測(cè)量渦輪機(jī)的速度或所產(chǎn)生的動(dòng)力、所產(chǎn)生的電壓或所產(chǎn)生的相位的變換器；潮汐信息裝置；熔絲，連接器或繼電器檢查程序裝置；以及它們的組合。根據(jù)本發(fā)明多個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的動(dòng)力發(fā)生設(shè)備可被安裝在海洋環(huán)境中，其中第一轉(zhuǎn)子面對(duì)到來(lái)的潮汐流的方向、而第二轉(zhuǎn)子面向離去的潮汐流的方向，使得兩個(gè)轉(zhuǎn)子同時(shí)被到來(lái)的潮汐流和離去的潮汐流所驅(qū)動(dòng)。要理解的是，該動(dòng)力發(fā)生設(shè)備可相對(duì)于潮汐流以相反的配置方式來(lái)設(shè)置。在這些實(shí)施例中，不需要設(shè)置旋轉(zhuǎn)單元來(lái)轉(zhuǎn)動(dòng)該動(dòng)力發(fā)生設(shè)備以便由到來(lái)的和離去的潮汐流產(chǎn)生動(dòng)力。根據(jù)本發(fā)明的另一方案，提供一種由水流產(chǎn)生動(dòng)力的方法，該方法包括將根據(jù)本發(fā)明的第一限定方案的動(dòng)力發(fā)生設(shè)備設(shè)置到海洋或河流環(huán)境中；讓水流過(guò)該動(dòng)力發(fā)生設(shè)備，以使所述葉片旋轉(zhuǎn)；以及從所述動(dòng)力發(fā)生設(shè)備獲取可用動(dòng)力。優(yōu)選設(shè)置一支柱或支架，在其上安裝發(fā)生器裝置和渦輪機(jī)。在某些優(yōu)選實(shí)施例中， 該支柱安裝在轉(zhuǎn)子之間，以便在水流初次沖擊一個(gè)或另一個(gè)轉(zhuǎn)子時(shí)減小對(duì)水的干擾。該柱支優(yōu)選呈流線型。在某些配置中，該柱包括從其上延伸出的多個(gè)臂部，這些臂部?jī)?yōu)選為水平延伸，以便并排地安裝兩個(gè)或更多個(gè)如所述的動(dòng)力發(fā)生設(shè)備，以增大所產(chǎn)生的動(dòng)力。根據(jù)本發(fā)明的再一方案，提供一種用于由水流產(chǎn)生動(dòng)力的動(dòng)力發(fā)生系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括多個(gè)根據(jù)本發(fā)明的前述方案的動(dòng)力發(fā)生設(shè)備。在本說(shuō)明書全文中，除非上下文另有要求，否則用詞“包括”(或其變形如“包含” 或“含有”之類)應(yīng)被理解為意指包括一個(gè)所述元件、多個(gè)元件的整合方式或步驟、或者多個(gè)元件組成的群組，但并不排除任何其它元件、多個(gè)元件的其它整合方式或步驟，或者由多個(gè)元件組成的其它群組。任何對(duì)本發(fā)明中所包含的文獻(xiàn)、行為、材料、裝置、物品等的論述僅用于提供本發(fā)明的背景內(nèi)容。上述這些內(nèi)容的任一部分或全部均不應(yīng)被認(rèn)為構(gòu)成現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)的一部分、或是在本申請(qǐng)文件的各項(xiàng)權(quán)利要求的優(yōu)先權(quán)日之前已存在的、與本發(fā)明相關(guān)的領(lǐng)域內(nèi)的公知常識(shí)。為了可以更清楚地理解本發(fā)明，下面將結(jié)合下述附圖和示例來(lái)描述優(yōu)選實(shí)施例。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的動(dòng)力發(fā)生設(shè)備(從一端上方并且從一側(cè)觀看) 的立體圖；圖2是圖1的動(dòng)力發(fā)生設(shè)備的前視圖；圖3是圖1的動(dòng)力發(fā)生設(shè)備的組合的側(cè)向立體圖；圖4是圖1的動(dòng)力發(fā)生設(shè)備的仰視圖；圖5是可安裝在圖1的動(dòng)力發(fā)生設(shè)備上的第一葉片部的立體圖；圖6是可安裝在圖1的第一葉片部上的葉片的立體圖；圖7是圖6的葉片的另一立體圖；而圖8示出沿著圖6和圖7的葉片截取的多個(gè)橫截面圖。
具體實(shí)施例方式參照附圖，其中示出了以附圖標(biāo)記10概括表示的動(dòng)力轉(zhuǎn)換或發(fā)生設(shè)備。該動(dòng)力發(fā)生設(shè)備10用于將水流轉(zhuǎn)換為可用的電力，并在運(yùn)行時(shí)浸沒(méi)于水中。動(dòng)力發(fā)生設(shè)備10包括渦輪機(jī)頭單元5，該渦輪機(jī)頭單元5具有中央縱軸線11，并且該動(dòng)力發(fā)生設(shè)備10還包括一渦輪機(jī)，該渦輪機(jī)包括第一葉片部或稱第一轉(zhuǎn)子12，其設(shè)置在動(dòng)力發(fā)生設(shè)備10的第一端13，可旋轉(zhuǎn)地安裝以響應(yīng)進(jìn)入的水流而旋轉(zhuǎn)；以及第二葉片部或稱第二轉(zhuǎn)子14，其設(shè)置在動(dòng)力發(fā)生設(shè)備10的第二端，類似地可旋轉(zhuǎn)地安裝。動(dòng)力發(fā)生器34設(shè)置在第一和第二葉片部之間。動(dòng)力發(fā)生設(shè)備10被大體上安裝為使中央縱軸線11 沿與水流方向平行的方向延伸。在使用中，第二轉(zhuǎn)子14設(shè)置在相對(duì)于第一轉(zhuǎn)子12的下游位置。此外，第二轉(zhuǎn)子14 設(shè)置成與第一轉(zhuǎn)子12同軸，而且直接設(shè)置在第一轉(zhuǎn)子12的下游并位于第一轉(zhuǎn)子12的尾流區(qū)內(nèi)。第一葉片部或第一轉(zhuǎn)子12和第二葉片部或第二轉(zhuǎn)子14包括葉片配置件 (arrangement)或葉片部(blade set，葉片組)16，這些葉片配置件或葉片組16與第一葉片部或第一轉(zhuǎn)子12和第二葉片部或第二轉(zhuǎn)子14 一體形成或安裝在第一葉片部或第一轉(zhuǎn)子12 和第一葉片部或第二轉(zhuǎn)子14上，并且葉片配置件或葉片組16包括多個(gè)葉片18。這些葉片 18可以是任何類型的葉片，并且在一個(gè)配置件中，葉片18為單向葉片(如圖6所示)。這些葉片顯示出如上所述的較高的扭轉(zhuǎn)度。圖6所示的轉(zhuǎn)子可被這樣使用如在每個(gè)端部所顯示的那樣，使得葉片組面向外部，或一個(gè)葉片組可面向內(nèi)部。作為選擇，葉片的斜度是可變的并且是完全可反向的。然而，優(yōu)選的是，葉片18是雙向的(參看所有其它附圖，但詳見圖6至圖8所示)， 使得假如水從一側(cè)或另一側(cè)沖擊葉片時(shí)，葉片可以同樣地運(yùn)作。盡管在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，尾流區(qū)是被擾動(dòng)的流區(qū)，但可有利地利用第二葉片組來(lái)提高從尾流區(qū)獲取的能量的轉(zhuǎn)換效率。然而，當(dāng)安置在反向流中時(shí)，可將(動(dòng)力)發(fā)生設(shè)備10布置為使得第一葉片部和第二葉片部均適于作為上游葉片部。在采用單向葉片的情況下，這種配置可以采取葉片相對(duì)于彼此可反向地安裝的方式。由此，在一種配置中，葉片可布置成 每個(gè)葉片如上所述地朝向該發(fā)生器傾斜一選定的傾角(rake angle)。在此情況下，由于在發(fā)生機(jī)(發(fā)生器)有效地反向運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，葉片部可能不會(huì)提高發(fā)生機(jī)的總體效率，因此位于后面的葉片部可以被鎖定而不能旋轉(zhuǎn)或者可以自由旋轉(zhuǎn)。然而，還有可能并且可預(yù)期的是，這兩個(gè)葉片部被布置為第二葉片部被設(shè)計(jì)成始終為下游葉片部，并因此被設(shè)置為與上游葉片部相同(亦即如果傾斜效率最高，則在傾斜的情況下，兩個(gè)葉片部將以彼此對(duì)應(yīng)的角度傾斜，即兩個(gè)葉片部沿同一方向傾斜)。后一種配置將最可能需要一個(gè)旋轉(zhuǎn)渦輪機(jī)頭。葉片18安裝在每個(gè)轉(zhuǎn)子上，并以相等的角間距圍繞該轉(zhuǎn)子設(shè)置。每個(gè)轉(zhuǎn)子設(shè)有三個(gè)葉片18。第二轉(zhuǎn)子14上的葉片18被設(shè)置為使這些葉片18相對(duì)于第一轉(zhuǎn)子12上的葉片處于錯(cuò)開的位置，由此在使用中，當(dāng)這些轉(zhuǎn)子被安裝在共同的軸(圖中未示出)上時(shí)，一個(gè)葉片不致被另一個(gè)葉片遮蔽。轉(zhuǎn)子12、14可以如上所論述的那樣安裝在共同的軸上，或者可安裝在分開的或者可運(yùn)轉(zhuǎn)地連結(jié)的軸上。如需要提高效率，可通過(guò)齒輪箱連結(jié)這些軸，以提高或降低第二轉(zhuǎn)子 14相對(duì)于第一轉(zhuǎn)子12的相對(duì)速度。然而，在渦輪機(jī)10的本優(yōu)選實(shí)施例中使用的是圖示的轉(zhuǎn)子12、14，并且通過(guò)干涉配合或花鍵連接(圖中均未示出)將轉(zhuǎn)子12、14安裝在相同的軸上，但在任何情況下，該軸將轉(zhuǎn)子12、14的轉(zhuǎn)速固定為彼此相同，并保持葉片在轉(zhuǎn)子12、14 之間有角度地錯(cuò)開。葉片部或轉(zhuǎn)子12、14可被選擇性地脫離，以使一個(gè)葉片部能相對(duì)于另一個(gè)葉片部自由旋轉(zhuǎn)，并且可設(shè)置一制動(dòng)裝置來(lái)選擇性地鎖定一個(gè)葉片部或另一個(gè)葉片部。還可將這兩個(gè)葉片部或轉(zhuǎn)子可運(yùn)轉(zhuǎn)地連接，以使兩者能沿彼此相反的方向旋轉(zhuǎn)。動(dòng)力發(fā)生設(shè)備10可設(shè)有旋轉(zhuǎn)單元(圖中未示)，該旋轉(zhuǎn)單元可轉(zhuǎn)動(dòng)高達(dá)180度， 這在渦輪機(jī)10安裝有單向葉片18時(shí)更有價(jià)值，但在裝有雙向葉片18時(shí)也可具有某些作用。例如，為提高效率，可轉(zhuǎn)動(dòng)該動(dòng)力發(fā)生設(shè)備10，使得中軸線可以移動(dòng)若干度比如說(shuō)最多至45°，以便使該中軸線對(duì)準(zhǔn)水流或海流(其可能在多個(gè)周期之間或之中移動(dòng)若干度)。第一葉片部或第一轉(zhuǎn)子12和第一葉片部或第二轉(zhuǎn)子14被隔開一合適的下游距離，迄今的測(cè)試已顯示，該距離為與葉片18的直徑d大致相同的距離。其它的下游分隔距離也已被建模，并且當(dāng)這些分隔距離處于或0. Id和IOd之間時(shí)獲得了有利的效率?？稍O(shè)置頭椎體30，以便促進(jìn)或幫助流體附著。動(dòng)力發(fā)生設(shè)備10可包括支柱32，包括發(fā)生器34的渦輪機(jī)頭單元5安裝在支柱32 上。支柱32可以是流線型的，以便降低作用于該支柱上的水流壓力。支柱32可包括可松脫的座部，以便可松脫地支撐渦輪機(jī)頭單元5。支柱32的基部還可被可松脫地安裝到支撐基座單元；該支撐基座單元呈基座平臺(tái)的形式，并包括用于接納棄土(spoil)、水泥或其它物質(zhì)的凹部，以使該基座穩(wěn)固設(shè)置在海底上。由于設(shè)置了電力發(fā)生器(發(fā)電機(jī))且其包括發(fā)生器轉(zhuǎn)子和發(fā)生器定子，因此來(lái)自渦輪機(jī)18的可用動(dòng)力為電力形式。該發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子安裝在渦輪機(jī)軸上(圖中未示)以產(chǎn)生電力。該電力被傳送到電控柜(電氣柜)(圖中未示)，該電控柜對(duì)電力進(jìn)行除了其它步驟之外還包括如下步驟的處理逆變(inversion)、轉(zhuǎn)換、濾波、變壓，以便以相當(dāng)高效的方式連接到電網(wǎng)。該發(fā)生器可裝備有制動(dòng)裝置，以在高流速的情況下使轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)減慢。該渦輪機(jī)可包括一控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)可包括上文所涵蓋的多個(gè)特征。此外，該渦輪機(jī)可包括一機(jī)殼，以及包括不同樣式、形狀和方位的葉片，其中的多個(gè)特征均包括在上文中。發(fā)生器可以是轉(zhuǎn)子在定子內(nèi)旋轉(zhuǎn)那種類型的發(fā)生器。這類發(fā)生器可以是標(biāo)準(zhǔn)的電磁型或永磁型發(fā)生器。為了將葉片連接到轉(zhuǎn)子，在葉根可具有一柱體，該柱體可插入對(duì)應(yīng)的孔內(nèi)。該孔可以是能夠繞其縱軸線旋轉(zhuǎn)的，以便轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)整葉片本身的斜度。或者，該孔可以相對(duì)于轉(zhuǎn)子固定。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解的是，可以在不背離本發(fā)明的概括性描述的精神或范圍的情況下，對(duì)具體實(shí)施方式
中所示的本發(fā)明做出各種修改和/或改型。因此，從任何方面而言，本發(fā)明的這些實(shí)施例都應(yīng)被視為示例性的，而非限制性的。
1權(quán)利要求
1.一種用于由水流產(chǎn)生動(dòng)力的動(dòng)力發(fā)生設(shè)備，所述動(dòng)力發(fā)生設(shè)備包括 發(fā)生器；第一葉片部，可運(yùn)轉(zhuǎn)地安裝到所述發(fā)生器，用于響應(yīng)從選定的方向流來(lái)的水而沿選定的方向旋轉(zhuǎn)；第二葉片部，可運(yùn)轉(zhuǎn)地安裝到所述發(fā)生器以進(jìn)行旋轉(zhuǎn)并可運(yùn)轉(zhuǎn)地連接到所述第一葉片部，所述第二葉片部與所述第一葉片部同軸地設(shè)置，并且所述第二葉片部設(shè)置在所述第一葉片部的下游或尾流區(qū)內(nèi)；其中，所述發(fā)生器適于由至少一個(gè)所述葉片部驅(qū)動(dòng)，并且其中所述發(fā)生器被同軸地設(shè)置在所述第一葉片部與所述第二葉片部之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的動(dòng)力發(fā)生設(shè)備，其中所述第二葉片部可運(yùn)轉(zhuǎn)地連接到所述第一葉片部。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的動(dòng)力發(fā)生設(shè)備，其中所述第一葉片部和所述第二葉片部可運(yùn)轉(zhuǎn)地聯(lián)結(jié)在一起，使得所述第二葉片部沿與所述第一葉片部相同的方向旋轉(zhuǎn)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的動(dòng)力發(fā)生設(shè)備，其中設(shè)有離合器或制動(dòng)裝置，以便使所述第一葉片部與所述第二葉片部選擇性地脫離或可運(yùn)轉(zhuǎn)地分開。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的動(dòng)力發(fā)生設(shè)備，其中設(shè)有制動(dòng)設(shè)備，以阻止所述葉片部之一旋轉(zhuǎn)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的動(dòng)力發(fā)生設(shè)備，其中所述制動(dòng)裝置為失效保護(hù)機(jī)構(gòu)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的動(dòng)力發(fā)生設(shè)備，其中在使用中，當(dāng)向制動(dòng)促動(dòng)器施加動(dòng)力時(shí)， 所述制動(dòng)促動(dòng)器克服一促動(dòng)力而將一制動(dòng)元件保持成遠(yuǎn)離所述轉(zhuǎn)子。
8.根據(jù)權(quán)利要求1、2、4或5所述的動(dòng)力發(fā)生設(shè)備，其中在所述第一葉片部與所述第二葉片部之間設(shè)有一聯(lián)結(jié)裝置，以利于沿與所述第一葉片部的方向相反的方向驅(qū)動(dòng)所述第二葉片部。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)所述的動(dòng)力發(fā)生設(shè)備，其中所述葉片部安裝在轉(zhuǎn)子上以進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，所述轉(zhuǎn)子包括轉(zhuǎn)子軸。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的動(dòng)力發(fā)生設(shè)備，其中設(shè)有包括齒輪箱輸出軸的齒輪箱，使得在使用中所述轉(zhuǎn)子軸的轉(zhuǎn)速能夠提高，以提高發(fā)生器轉(zhuǎn)子的速度。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一項(xiàng)所述的動(dòng)力發(fā)生設(shè)備，其中所述第一葉片部和所述第二葉片部直接驅(qū)動(dòng)發(fā)生器，并且被安裝在共同的轉(zhuǎn)子軸上以使所述第一葉片部和所述第二葉片部以相同轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的動(dòng)力發(fā)生設(shè)備，其中所述第一葉片部上的葉片與所述第二葉片部上的葉片錯(cuò)開。
13.根據(jù)權(quán)利要求1至12中任一項(xiàng)所述的動(dòng)力發(fā)生設(shè)備，其中所述葉片的迎角是固定的。
14.根據(jù)權(quán)利要求1至12中任一項(xiàng)所述的動(dòng)力發(fā)生設(shè)備，其中所述葉片的迎角是可變的。
15.根據(jù)權(quán)利要求1至14中任一項(xiàng)所述的動(dòng)力發(fā)生設(shè)備，其中所述第一葉片部和第二葉片部?jī)烧叩娜~片的數(shù)量、橫截面和長(zhǎng)度均相同。
16.根據(jù)權(quán)利要求1至15中任一項(xiàng)所述的動(dòng)力發(fā)生設(shè)備，其中所述發(fā)生器安裝在從設(shè)置于海底上的基座延伸的支撐柱上。
17.根據(jù)權(quán)利要求1至16中任一項(xiàng)所述的動(dòng)力發(fā)生設(shè)備，其中所述發(fā)生器能夠繞一支撐件轉(zhuǎn)動(dòng)，以改變所述葉片部的迎角。
18.根據(jù)權(quán)利要求1至17中任一項(xiàng)所述的動(dòng)力發(fā)生設(shè)備，其中一個(gè)或多個(gè)所述葉片的縱軸線向后斜張約1°至20°之間。
19.根據(jù)權(quán)利要求1至17中任一項(xiàng)所述的動(dòng)力發(fā)生設(shè)備，其中所述葉片是雙向的。
20.一種用于由水流產(chǎn)生動(dòng)力的方法，所述方法包括將根據(jù)權(quán)利要求1至18中任一項(xiàng)所述的動(dòng)力發(fā)生設(shè)備設(shè)置到海洋或河流環(huán)境中； 讓水流過(guò)所述動(dòng)力發(fā)生設(shè)備，以使所述葉片旋轉(zhuǎn)；以及從所述動(dòng)力發(fā)生設(shè)備獲取可用動(dòng)力。
21.一種由水流產(chǎn)生動(dòng)力的動(dòng)力發(fā)生系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括多個(gè)根據(jù)權(quán)利要求1至17中任一項(xiàng)所述的動(dòng)力發(fā)生設(shè)備。
全文摘要
本發(fā)明描述了一種用于由水流產(chǎn)生動(dòng)力的動(dòng)力發(fā)生設(shè)備。該動(dòng)力發(fā)生設(shè)備包括發(fā)生器；第一葉片部，可運(yùn)轉(zhuǎn)地安裝到該發(fā)生器，用于響應(yīng)從選定的方向流來(lái)的水而沿選定的方向旋轉(zhuǎn)；第二葉片部，可運(yùn)轉(zhuǎn)地安裝到該發(fā)生器以進(jìn)行旋轉(zhuǎn)并可運(yùn)轉(zhuǎn)地連接到該第一葉片部，該第二葉片部與該第一葉片部同軸地設(shè)置，并且該第二葉片部設(shè)置在該第一葉片部的下游或尾流區(qū)內(nèi)，其中該發(fā)生器適于由至少一個(gè)上述葉片部驅(qū)動(dòng)，該發(fā)生器被同軸地設(shè)置在該第一葉片部與該第二葉片部之間。
文檔編號(hào)F03B13/10GK102459866SQ201080028820
公開日2012年5月16日 申請(qǐng)日期2010年4月28日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月28日
發(fā)明者提姆·科爾內(nèi)留斯, 約翰·基爾, 迪爾瓦·布拉克斯蘭 申請(qǐng)人:亞特蘭蒂斯能源有限公司