Настоящее изобретение относится к опоре турбин, расположенных для погружения в потоки воды и привода при помощи кинетической энергии потока воды.
В Английских патентах GB 2256011 В, и GB 2311566 В, В2348250 и Английской патентной заявке №0227739.0 описаны конструкции, относящиеся к гидравлическим турбинам, т.е. роторы, поддерживаемые внутри водной колонны в море, реке или устье так, что поток воды может вращать ротор для выработки либо электричества, либо мощности на валу для применения в требуемых целях. Из этих документов известно, как использовать турбины в этих случаях, и также известны конструкции разных типов для поддержки таких турбин.
Задачей настоящего изобретения является создание опорных структур, называемых здесь «Ложное морское дно», для поддержки гидравлических турбин (в море, реке или устье, в зависимости от обстоятельств).
Другой задачей настоящего изобретения является создание структур, способных поддерживать одну или более систем гидравлических турбин, таких какие уже были описаны в более ранних английских патентах GB 2311566 В и GB 2348250.
Однако роторы любого известного типа, которые могут быть приведены в движение течением воды таким образом, что они могут приводить генератор для выработки электричества или для какого-либо другого полезного применения, такого как насос или компрессор, могут быть применены с этим изобретением, поэтому еще одной задачей изобретения является создание опорных структур, подходящих для поддержания, например, ротора (роторов), которые могут, как правило, быть следующих типов:
- осевого потока или пропеллерного типа (т.е. с ротором (роторами), которые могут вращаться вокруг оси параллельно направлению потока);
- поперечного потока (или тип Дарриуса) (с ротором (роторами), которые могут вращаться вокруг оси, приблизительно нормальной направлению потока);
- возвратное гидрокрыло (которое движется взад и вперед по арке, поперечной направлению потока).
Турбинные гидрокрылья любого типа вращаются либо движутся возвратно-поступательно (в зависимости от обстоятельств) целиком внутри водной колонны текущих потоков, независимо от того в море, в реках или в устьях, и которые в различных способах, которые будут описаны, встречают вышеупомянутые требования. Другими словами активные компоненты остаются полностью погруженными в течение их нормального режима работы.
Другой важной задачей этого изобретения является обеспечение средств, при помощи которых роторы и другие подвижные части, такие как силовая передача, могут быть четко подняты над поверхностью воды для обеспечения безопасного и эффективного доступа с надводного судна для установки, технического обслуживания, ремонта и замены вышеуказанных компонентов,
Когда турбина используется таким образом, что она приводится в движение потоком воды, извлечение энергии из потока воды вызывает снижение импульса проходящей воды, что в свою очередь производит большие силы реакции на турбину, эти силы реакции проявляют себя в основном как сила тяги, действующая в направлении потока и пропорциональная численному квадрату средней скорости по ротору.
Это явление является следствием законов физики, получаясь из передачи импульса в текущей воде подвижным компонентам турбины, и будет возникать, несмотря на конструкцию ротора турбины. Во всех случаях тяга на роторе будет прямо пропорциональна произведению квадрата средней скорости потока воды по ротору и площади развертки ротора. Как правило, чем мощнее и эффективнее ротор турбины, тем больше силы, которым необходимо сопротивляться, хотя при определенных условиях, например таких, при которых возникает «потеря управления», вызванная потерей нагрузки, больше силы тяги могут быть получены, даже когда турбина не подает много или вообще не подает полезной энергии на вал турбины. Эта ситуация конечно является прямым следствием того факта, что силы, необходимые для удержания ротора в положении, обеспечивают противодействие силам, переданным ротору турбины для его вращения, что в свою очередь дает меру его эффективности для выработки валовой мощности.
Более того, любая такая турбина дополнительно подвержена многочисленным циклическим нагрузкам, вызванным явлениями, такими как эффекты турбулентности, протекающих волн, сдвиг скорости в водной колонне (т.е. изменение в скорости с изменением глубины) и вихревые сбросы, которые оказывают пульсирующие усталостные нагрузки на любую опорную структуру, которой необходимо обладать адекватной структурной целостностью. Поэтому основное требование к любой такой турбине заключается в том, чтобы ротор, который извлекает энергию, удерживался на месте структурой с адекватными запасами прочности для сопротивления статическим, а также динамическим силам, прилагаемым к ротору.
Обеспечение такой структуры усложняется рядом других типичных требований, а именно: тем, что след, вырабатываемый присутствием структуры в водной колонне, не должен чрезмерно пересекаться с потоком через ротор (иначе это снизит производительность ротора). Отсюда, например, структуру необходимо выполнить так, что ее след идеально полностью минует ротор; структура также должна быть как можно более экономичной в производстве для минимизации стоимости системы; необходим какой-то действительный и прибыльный способ для установки структуры в положение с сильными течениями; и необходим какой-то действительный и прибыльный способ для установки ротора или роторов турбины на структуру и затем для получения доступа к ротору или роторам для их обслуживания и ремонта или замены при необходимости.
Более подробное описание, относящееся к обеспечению опорной структуры для гидравлических турбин, к которой относится настоящее изобретение, приведено ниже.
Во-первых, следует отметить, что поток в водной колонне в местах с достаточно большими скоростями, подходящими для использования в энергозахватывающих турбинах, изменяется с глубиной, так что максимальная скорость стремится быть около поверхности. Также течения внизу водной колонны, около морского дна (или дна устья или реки), движутся довольно медленно. Более того, любые неровные природные особенности в дне моря, реки или устья будут вызывать разрушение потока около морского дна и турбулентность: чем более неровная и грубая природа дна, тем больше будет толщина медленно движущегося и турбулентного граничного слоя.
Во-вторых, следует отметить, что для эффективного и надежного извлечения кинетической энергии из водных течений при помощи ротора турбины предложенного типа, (который может быть либо осевым, либо поперечным, или возможно возвратно-поступательным крыльевым типом устройства), желательно для потока воды через вышеуказанный ротор или через любое движущееся гидрокрыло быть как можно более однородным по скорости по площади развертки, для того чтобы двигаться как можно быстрее и иметь как можно меньшую турбулентность. Другими словами, желательно иметь средства для расположения активного ротора (роторов) или гидрокрыла (гидрокрыльев) в наиболее быстрых и наиболее однородных и нетурбрулентных потоках, избегая прохождение ротора через любой пограничный слой, вызванный течением по неровному дну моря, реки или устья. Также существенно поддерживать любой такой ротор (роторы) или гидрокрыло (гидрокрылья) при помощи структуры, способной противостоять наиболее высоким статическим и динамическим силам, которая будет показывать высокую степень надежности на протяжении рабочего периода много лет.
В-третьих, важно учесть, что к любому устройству, погруженному в течения в водной колонне (независимо от того в море, реке или устье), время от времени будет необходим доступ для обслуживания, ремонтов или замен. Подводные операции в быстро текущих течениях, либо человеком, одетым в водолазное оборудование, либо удаленно управляемыми подводными механизмами (ROV), очень сложны, так как большинство из этих мероприятий может быть предпринято только в то время, когда возникают потоки со скоростью менее 0,5 м/сек, и в хорошем энергетическом месте для эксплуатации энергии водных течений, длительность периодов с такими малыми скоростями в лучшем случае слишком коротка для выполнения более чем самой малой доли подводных операций.
Задачей настоящего изобретения является создание средств для доступа к элементам, которые нуждаются в обслуживании или ремонте, в частности к ротору (роторам) турбины и/или гидрокрыльям наряду с механической ведущей передачей и генератором, которые они приводят в действие, при помощи создания возможности поднятия вышеуказанных объектов над поверхностью текущих водных потоков так, чтобы сделать возможным доступ с надводного судна и чтобы не было необходимости в каком-либо подводном вмешательстве водолазов или удаленном управлении пригодными для работы под водой механизмами.
Поставленная задача достигается с помощью турбинной установки, приводимой в действие водой, для выработки мощности из колонны потока воды, содержащей прямоугольную деку обтекаемого поперечного сечения, имеющую верхнюю и нижнюю поверхности с ведущими и замыкающими краями относительно направления потока воды, по меньшей мере одну турбину и турбинную сборку, поднимающуюся вверх от верхней поверхности деки, и опору для деки, постоянно размещенную на дне водной колонны таким образом, что дека ограничивает при установке на опору вертикальное пространство между нижней поверхностью деки и дном воды, и включающей средство для осуществления вертикального перемещения деки относительно средств опоры, чтобы дека имела возможность перемещения из своего рабочего положения в поднятое положение, в котором каждая турбинная сборка доступна на поверхности водной колонны.
Предпочтительно установка содержит средство, частично блокирующее пространство, образованное, когда дека находится в своем рабочем положении таким образом, что поток воды ускоряется над верхней поверхностью деки.
Кроме того, блокирующее пространство может дополнительно являться таким, что путь прохождения потока воды проходит непосредственно под декой ниже поверхности для уменьшения турбулентности воды непосредственно под декой ниже поверхности в совокупности с ускорением потока воды по верхней поверхности деки.
Дополнительно участки ведущих и замыкающих краев деки могут быть закруглены.
Кроме того, верхние и нижние поверхности деки могут иметь разную кривизну.
Предпочтительно, верхняя поверхность деки имеет большую выпуклость, чем нижняя поверхность деки.
Более предпочтительно, нижняя поверхность выполнена плоской или вогнутой.
Кроме того, турбинная установка может содержать по меньшей мере одну дополнительную деку обтекаемого поперечного сечения, расположенную в «бипланарной» или «трипланарной» форме относительно первой деки, причем каждая дополнительная дека может являться прямоугольной декой, имеющей участки с закругленной ведущей и замыкающей кромками.
Предпочтительно, часть воды, способная протекать под декой, достаточна для предотвращения отклонения турбулентного граничного слоя, поднимающегося от потока воды относительно деки, над поверхностью верха деки.
Более подробно, в соответствии с первым аспектом изобретения, обеспечивается опорная структура для системы турбин, приводимых в действие текущей водой, где турбина, или множество турбинных сборок, установлена/установлены в колонне текущей воды для рабочего взаимодействия с потоком воды на деке или платформе обтекаемого поперечного сечения, которая расположена в поднятом положении относительно дна текущей воды, дека или платформа выровнена горизонтально таким образом, что она выровнена горизонтально с течением для минимизации ее сопротивления потоку воды.
В соответствии со вторым аспектом изобретения обеспечивается опорная структура для системы турбин, приводимых в действие текущей водой, где турбина, или множество турбинных сборок, установлена/установлены для рабочего взаимодействия с потоком воды на деке или платформе обтекаемого поперечного сечения таким образом, что турбина/турбины развернута/развернуты боком (т.е. по нормали к направлению потока) поперек течения, причем платформа выровнена горизонтально с течением с тем, чтобы минимизировать ее сопротивление потоку воды.
Предпочтительно, дека или платформа имеет плоскую прямоугольную форму.
Предпочтительно, дека или платформа, поддерживающая турбины, либо поддерживается в поднятом положении по меньшей мере двумя опорными ножками или стойками, поднимающимися вверх от дна вышеуказанной текущей воды, или удерживается в водной колонне натяжными кабелями, веревками или распорками, прикрепленными ко дну, чтобы располагаться в поднятом положении.
Целесообразно, выполнение опорной структуры со средствами для осуществления перемещения деки или платформы между ее рабочим положением и вторым положением вблизи поверхности воды, при котором турбина или турбины, соединенные с декой или платформой, могут по меньшей мере достичь поверхности воды, посредством чего турбины могут быть доступны для обслуживания или ремонтов при помощи надводных судов.
В предпочтительной конструкции предусмотрена по меньшей мере еще одна дека или платформа обтекаемого поперечного сечения бипланарной или трипланарной формы, причем ее расположение предназначено для улучшения структурной целостности опорной структуры и для обеспечения поверхностей, параллельных поверхности первой вышеупомянутой деки или платформы либо на уровне осей присоединенной турбины или турбин, соединенных с первой вышеупомянутой декой или платформой, над уровнем вышеуказанных осей, либо в комбинации на и выше уровня вышеуказанных осей. Эти дополнительные поверхности могут быть добавлены как поверхность, параллельная главной опорной поверхности, либо на уровне оси ротора турбина, либо выше уровня роторов турбин, или в обоих этих положениях.
Более того, вышеуказанные дополнительные поверхности могут быть предпочтительно меньше по хорде и толщине, чем самая нижняя опорная поверхность, но они также могут иметь равные или большие размеры.
Предпочтительно, первая упомянутая дека или платформа обтекаемого поперечного сечения имеет асимметричное обтекаемое поперечное сечение, в котором на одной поверхности больше выпуклости по сравнению с другой, до того предела, когда нижняя и верхняя поверхности обе выпуклые, при этом одна больше другой.
Целесообразно обеспечить возможность либо освобождения прямоугольной плоской деки или платформы обтекаемого поперечного сечения от ее опоры и поднятия на поверхность при помощи использования способности всплывать управляемым образом, либо обеспечить некоторый подъемный механизм, который может, как правило, быть приводимым в движение электрически или гидравлически, так что существует возможность достижения поверхности воды всей прямоугольной плоской декой или платформой обтекаемого поперечного сечения полностью с рядом турбин, так что турбины могут быть доступными для обслуживания или ремонтов при помощи надводных судов.
Предпочтительно, прямоугольная плоская дека или платформа обтекаемого поперечного сечения имеет асимметричное обтекаемое поперечное сечение, в котором одна поверхность обладает большей выпуклостью по сравнению с другой, до предела, когда обе поверхности (верхняя и нижняя могут быть выпуклыми, одна больше другой) или одна поверхность (верхняя или нижняя) выпуклая, а другая либо по существу плоская, либо вогнутая. Результатом этого является ускорение потока по более выпуклой поверхности таким образом, что уменьшается сдвиг скорости по ротору (сдвиг скорости представляет собой способность воды в верхней части течения перемещаться быстрее воды ближе к морскому дну).
В еще одном предпочтительном воплощении образование вышеуказанных поверхностей таково, что ускоренный поток по более выпуклой поверхности служит для увеличения производительности турбин в случае, когда большая выпуклость имеет место на верхней поверхности.
В соответствии с еще одним аспектом изобретения, асимметричное обтекаемое поперечное сечение используется для прямоугольной плоской деки или платформы таким образом, что если более выпуклая сторона находится внизу, встреча с ней вызовет нижнюю тягу в результате выработанных подъемных сил, что поможет более прочно установить платформу на ее опоры, или когда более выпуклая поверхность расположена сверху, встреча с ней вызовет верхнюю тягу в результате подъемных сил, что может способствовать поддержанию напряжения и стабильности в плавучем крепежном приспособлении натяжной ножки.
Предпочтительно, когда прямоугольная плоская дека или платформа имеет обтекаемое поперечное сечение, чья верхняя поверхность более изогнута, чем нижняя поверхность, для ускорения потока воды через ряд турбин, и пространство под прямоугольной плоской декой или платформой обтекаемого поперечного сечения основательно заблокировано подходящим препятствием для вынуждения большей части потока воды подниматься и ускоряться по ее верхней поверхности и через роторы турбины и для просачивания маленькой части потока через узкий паз между нижней поверхностью прямоугольной плоской деки или платформы обтекаемого поперечного сечения и верхом вышеупомянутого препятствия для предотвращения отклонения турбулентного граничного слоя на верх прямоугольной плоской деки или платформы обтекаемого поперечного сечения, приспособление таково, что достигается значительное увеличение средней скорости потока через роторы турбины, таким образом улучшая их мощностной выход и при соответствующей конструкции будет также снижать сдвиг скорости для получения более однородного и менее турбулентного потока через роторы турбины, что будет также увеличивать эффективность отбора энергии и снижать усталостные нагрузки на роторы турбины.
В общих чертах, в соответствии с дополнительным аспектом настоящего изобретения, обеспечивается опорная система в виде деки или плота для по меньшей мере одной турбины, и более часто множества турбин (т.е. роторов, приводимых в действие водой, способных производить полезную мощность), устройство опорной системы служит для обеспечения плоской гладкой поверхности, как правило, прямоугольной деки или платформы (т.е. при виде непосредственно сверху), с адекватной структурной целостностью, с тем, чтобы не возникло случайного изгиба, развернутой как дека или мост в водной колонне, так что она образует пол для поддержки одной или более, как правило, ряда, турбин, причем расположение таково, что поверхность выполняет роль ложного морского дна, имея гладкую поверхность для увеличения ровности потока через нее, по сравнению с потоком воды через наиболее реальное морское дно.
Эта поверхность может либо поддерживаться на стойках, поддерживающих вес, например, ножках, так что она располагается на дне моря, реки или устья подобно столу, стоящему на множестве ножек, или она может быть плавучей и удерживаться в водной колонне множеством натяжных кабелей, присоединенных ко дну моря, реки или устья при помощи подходящих донных якорей подобно прямоугольному натяжному буйку, привязанному так, чтобы флотировать низко в водной колонне.
Плоская гладкая поверхность, как правило, будет прямоугольной при виде сверху и длинный размер будет достаточным для вмещения общей ширины скольких угодно отдельных турбин, которые могут быть присоединены к ее верхней поверхности. Более того, длинный размер будет, как правило, установлен по нормали к направлению потока течений, так что турбины, которые будут присоединены к его верхней поверхности, расположены боком поперек течения с рабочим профилем всех роторов, расположенным по нормали к потоку для перехватывания как можно большего количества потока. В сущности, структура будет походить на прямоугольное плоское «крыло», подвешенное в водной колонне, с рядом турбин, расположенных поверх него.
Поперечное сечение профиля прямоугольной поверхности или деки должно быть обтекаемым по двум причинам, а именно для минимизации сопротивления, которое она будет испытывать от проходящего потока, а также для осуществления ориентации потока таким образом, чтобы минимизировать турбулентность в потоке, проходящем через верх поверхности и через роторы. Для обеспечения обтекаемой поверхности, ведущие и замыкающие грани профиля по отношению к потоку воды будут клиновидными либо до острой грани, либо до узкой, но закругленной грани, наподобие ведущей грани либо крыла самолета, либо гидрокрыла подводной лодки, либо стабилизатора корабля. В некоторых ситуациях, когда возникает приливной поток и направление течения периодически разворачивается в противоположном направлении (с отливом и приливом течений), поверхность будет симметричной в поперечном сечении, так что она испытывает маленькое сопротивление, независимо от того, направлен ли поток в одном направлении, или в противоположном направлении.
Также возможно выполнить плоскую гладкую прямоугольную поверхность или деку так, чтобы увеличить скорость потока, проходящего через ротор (роторы), установленные на ее верхней поверхности и чтобы улучшить однородность потока через роторы. Таким образом, поверхность или дека будет не только играть роль структуры для поддержки ротора (роторов) турбины, но также будет выполнена таким образом, чтобы улучшать однородность и возможно скорость потока через ротор (роторы), что будет повышать их производительность и эффективность по сравнению с работой в немодифицированном потоке.
Для достижения этого увеличения потока поперечное сечение прямоугольной плоской поверхности или деки может (в некоторых, но не во всех случаях) также быть асимметричным или выпуклым в поперечном сечении (т.е. выпуклое с одной стороны, и возможно вогнутое, плоское или менее выпуклое с другой) таким образом, что оно вырабатывает подъемную силу, перпендикулярную течению, подобно аэрокрылу или гидрокрылу. В случае, когда поверхность поддерживается ножками или стойками, вышеуказанная асимметрия может быть выполнена так, чтобы вырабатывать вертикальную направленную вниз подъемную силу для улучшения зацепления ножек с дном моря, реки или устья, но в случае, когда поверхность или дека плавучая и удерживается натяжными швартами, профиль или поперечное сечение будет асимметричным таким образом, чтобы создавать действующую вертикально вверх подъемную силу для увеличения натяжения опорных кабелей с ускорением течения и таким образом для стабилизации структуры в водной колонне и избежания ее случайного перемещения напором от течения.
Опорная структура настоящего изобретения таким образом походит на крылообразное приспособление с турбинами, установленными на нем так, что их ротор (роторы) или подвижные гидрокрылья установлены в горизонтальный ряд по нормали к потоку течения. Вышеуказанное крыло может быть симметричным и обтекаемым и опираться на множество ножек или опор, или оно может быть плавучим и удерживаться натяжными кабелями или элементами, прочно прикрепленными ко дну моря, реки или устья.
Для лучшего понимания изобретения и для того, чтобы показать, как осуществить подобное в действительности, будет сделана ссылка на прилагаемые чертежи, на которых:
Фигура 1А - схематичный изометрический вид первого воплощения опорной структуры для установки турбин, приводимых в действие текущей водой, с рядом турбин, установленных на ней;
Фигура 1В - вид с торца изометрического вида с фигуры 1А;
Фигура 1C - вид спереди изометрического вида с фигуры 1А;
Фигура 2А - вид с торца второго воплощения опорной структуры для турбин и присоединенных турбин, показана опорная структура в положении поднятия турбин;
Фигура 2В - вид спереди воплощения с Фигуры 2А;
Фигура 3А - вид с торца третьего воплощения опорной структуры для турбин и присоединенных турбин, показана опорная структура в положении работы турбин;
Фигура 3В - вид спереди воплощения с фигуры 3А;
Фигура 3С - вид с торца третьего воплощения опорной структуры для турбин и присоединенных турбин, показана опорная структура в положении поднятия турбин;
Фигура 3D - вид спереди воплощения с фигуры 3С;
Фигура 4А - вид с торца четвертого воплощения опорной структуры для турбин и присоединенных турбин, показана опорная структура в положении работы турбин;
Фигура 4В - вид с торца четвертого воплощения опорной структуры для турбин и присоединенных турбин, показана опорная структура в положении поднятия турбин;
Фигура 5А и 5В - соответствующие виды спереди воплощения опорной структуры турбин с Фигур 4а и 4В;
Фигура 6А - схематичный изометрический вид еще одного воплощения опорной структуры для установки турбин, приводимых в действие текущей водой, с рядом турбин, расположенных на ней;
Фигура 6В - вид спереди воплощения с фигуры 6А при установке на морское дно;
Фигура 7А - схематичный изометрический вид еще одного воплощения опорной структуры для установки турбин, приводимых в действие текущей водой, с рядом турбин, расположенных на ней;
Фигура 7В - вид с торца воплощения с фигуры 7А при установке на морское дно;
Фигура 7С - вид спереди воплощения с фигуры 7В;
Фигура 8А - схематичный изометрический вид дополнительного воплощения опорной структуры для установки турбин, приводимых в действие текущей водой, с рядом турбин, расположенных на ней;
Фигура 8В - вид с торца воплощения с фигуры 8А при установке на морское дно;
Фигура 8С - вид спереди воплощения с фигуры 8А;
Фигура 9А - схематично показано еще одно воплощение опорной структуры для установки турбин, приводимых в действие текущей водой, с рядом турбин, установленных на ней, когда турбины находятся в рабочем положении ниже уровня воды;
Фигура 9 В - схематично показывает воплощение с фигуры 9А, когда турбины подняты до положения над уровнем воды;
Фигуры 10А, 10В и 10С - схематично показывают потоки воды относительно опорных структур, включающих концепции изобретения.
На фигурах 1А, 1В и 1C, соответственно, показаны в схематичных изометрическом, боковом и концевом видах относительно основных элементов первого воплощения опорной структуры, включающей идеи изобретения, а именно платформы или деки 1, удерживаемой на месте при помощи, например, множества ножек 2, выступающих вверх со дна реки, устья или моря SB, и несущей ряд турбин (3), приводимых в действие потоком воды, расположенных в ряд по нормали к направлению потока DF течения через турбины. На фигурах показано использование четырех турбин осевого потока 3, но может быть использовано и какое-то другое количество. Более того, другие типы и различные типы турбин могут быть использованы, как указано ранее. В основном воплощении, показанном на фигуре 1, турбины 3 поддерживаются на индивидуальных консольных, обтекаемых опорных стойках 4, описанных выше. На чертежах направление потоков воды DF обозначено двусторонней стрелкой так, чтобы показать возможность двустороннего направления потока воды.
До подробного рассмотрения содержания дальнейших фигур и оставшихся фигур будет удобно дать общее представление об обычном образовании и развитии различных опорных структур, проиллюстрированных и описанных в отношении фигур. Таким образом, выделяя воплощение с фигуры 1А, 1В и 1C как основную структуру, развитие этих основных концепций изобретения, представленного ими, может включать в себя дополнительные особенности, такие как описаны далее.
Размещение второго набора плоских горизонтальных элементов между каждой турбиной, параллельно и выше главной уже описанной опорной поверхности или деки таким образом, что структура похожа на приспособление бипланарного крыла; второй набор плоских элементов будет также обтекаемым и как правило (но не обязательно) будет иметь меньшие размеры в поперечном сечении, чем главная крылообразная опорная дека.
Обеспечение средств для придания плавучести опорной плоской поверхности или деки (если она не является постоянно плавучей), например, при помощи вывода из нее воды при помощи сжатого воздуха, и обеспечение средств для снятия плоской поверхности или деки со структурных элементов, соединяющих ее с дном моря, реки или устья, таким образом, что она может всплывать к поверхности управляемым образом, так что турбины своей верхней частью появляются над поверхностью моря, реки или устья и могут затем быть с легкостью доступны с надводного судна для обслуживания или ремонта.
Обеспечение средств для конструктивного поднятия опорной плоской поверхности или деки при помощи подходящих подъемных устройств в случае, если способность держаться на плаву не используется как первичный способ для того, чтобы вынудить ее всплыть к поверхности, как описано в предшествующем абзаце.
Обеспечение дополнительных средств для полного отсоединения и последующего повторного присоединения плоской опорной поверхности вместе с турбинами от элементов или швартов, присоединяющих ее ко дну моря, реки или устья, таким образом, что она может всплывать либо быть поднятой на баржу при помощи крана или отбуксирована как плавающее судно к базе на берегу для обслуживания или ремонтов. Подобный блок может затем быть замещен и оставлен на месте для того, чтобы продолжать вырабатывать энергию.
Обеспечение дополнительных средств для полной или частичной блокировки пространства под опорной поверхностью, так чтобы вода полностью или частично не могла протекать под ней; результатом этого будет дополнительное ускорение потока воды через верх плоской поверхности и через ротор (роторы) турбины, таким образом увеличивая мощность, выработанную системой. Предпочтительное воплощение будет применять блокировку большей части пространства между морским дном и нижней стороной плоской поверхности, но при этом оставлять относительно вертикальный узкий проход непосредственно под плоской поверхностью с тем, чтобы позволить проходить чистому потоку непосредственно под ней; таким образом, любой турбулентный граничный слой, протекающий по дну моря, реки или устья, может быть отсечен под плоской поверхностью через вышеупомянутый промежуток для поддержания потока через верх насколько можно более свободным от завихрений.
Обеспечение необязательного дополнительного обтекаемого плоского крылообразного элемента, который может быть расположен над уровнем турбины (турбин), поддерживаемого обтекаемыми, вертикальными или почти вертикальными стойками, и имеющего схожую прямоугольную плоскую форму с первым опорным элементом, описанным ранее. Это приспособление будет иметь конфигурацию, во многом схожую с многомоторным бипланарным самолетом с силовыми блоками, в данном случае турбинами, расположенными между «крыльями». Вышеупомянутый второй набор плоских элементов, развернутых между турбинами, может быть альтернативно замещен вышеупомянутым необязательным обтекаемым плоским крылообразным элементом, который может поддерживаться над уровнем турбины (турбин).
В случае, когда необязательный дополнительный обтекаемый плоский крылообразный элемент установлен над уровнем турбины (турбин), над этим вторым верхним крылом может быть установлен дополнительный ряд турбин для образования двух рядов турбин.
Вкратце, может быть одна, две или три обтекаемые плоские поверхности, расположенные в горизонтальной плоскости поперек потока течения в «монопланарной», «бипланарной», и «трипланарной» конструкциях. Преимущества и задачи бипланарных или трипланарных конструкций состоят частично в улучшении конструкционной прочности, а также частично в образовании обтекаемых крылообразных элементов так, что поток через ротор (роторы) турбины становится более однородным (т.е. с меньшим скоростным сдвигом по вертикальной высоте роторов), и в некоторых случаях может быть ускорен так, что опорные крылья также эффективно выполняют роль манипуляторов потока, которые увеличивают поток энергии через данное поперечное сечение ротора (роторов).
Из вышесказанного ясно, что главным аспектом изобретения является применение обтекаемой плоской поверхности или деки, закрепленной в водной колонне с тем, чтобы поддерживать ряд турбин, приводимых в действие потоком воды, расположенных поперек направления движения потока, так что обтекаемая плоская поверхность выполняет роль структурной опоры для гидравлической турбины (турбин), причем она может также быть всплывающей, так что она может всплывать к поверхности, для осуществления доступа к турбине (турбинам), расположенным на ее верхней поверхности. Форма обтекаемой плоской поверхности такова, что она улучшает однородность потока через ротор (роторы) турбины и может в некоторых случаях увеличить локальную скорость через ротор (роторы) для улучшения отбора мощности для заданной области ротора.
На фигурах 2А и 2В показан боковой/концевой и передний виды того, как платформа или дека 1, такая как показана на фигуре 1, может быть поднята к поверхности, посредством ее всплытия, и, например, посредством разматывания кабелей, цепей или веревок 5 от каждого угла, которые прочно прикреплены к фундаментальным опорам 2. Этот процесс может быть произведен в обратном порядке путем опускания вниз платформы или деки 1 посредством наматывания кабелей, цепей или веревок 5 до тех пор, пока дека 1 не войдет обратно в контакт с опорами 2, установленными на морском дне. Неотъемлемым компонентом этого воплощения опорной структуры является то, что платформа или дека 1, несущая турбины 3, может каким-либо образом иметь возможность всплывать (или быть механически поднятой) к поверхности для осуществления доступа к турбинам для обслуживания, ремонтов или замены без необходимости в подводном вмешательстве.
На фигурах 3А, 3В, 3С и 3D показаны концевой/боковой и передний виды воплощения опорной структуры, которая может быть расценена как вариант воплощения с Фигур 1А, 1В и 1C, вариант, где дека или платформа 1 установлены в постоянно флотирующем состоянии и удерживаются на месте как при погружении, так и на поверхности, посредством растягиваемых натяжных швартов 5, присоединенных к подходящим крепежам 6, встроенным или заанкеренным в дно моря или реки, которые должны быть способными сопротивляться возникшим подъемным силам.
На фигурах 4А, 4В и фигурах 5А, 5В показано (в виде с торца и виде спереди соответственно) еще одно воплощение опорной структуры, где вместо использования растягиваемых эластичных цепей, кабелей или веревок, платформа 1 соединена с двумя, четырьмя (как показано) (или другим множеством) ножек 7, которые встроены в дно моря или реки SB, и которые выступают над уровнем поверхности воды WL, таким образом, что ножки направляют вертикальное перемещение платформы или деки, несущей турбину (турбины) посредством подходящих скользящих муфт или других крепежей 8, способных перемещаться вертикально по отношению к ножкам 7 и прикрепленных к вышеуказанным ножкам.
Можно увидеть, что верхняя часть ножек 7 (как показано на фигурах 4А, 4В и 5А, 5В), которые направляют вертикальное перемещение платформы или деки, несущей турбины, может необязательно быть сужена для снижения их торможения в течении, как показано (так что поперечное сечение верхней части ножки при виде сверху представляет собой эллипс). Также следует отметить, что ножки расположены между роторами турбин, так что их следы, когда поток течет, не затрагивают роторы или по меньшей мере взаимодействие между роторами и следами минимизируется. Это является предпочтительным расположением, что ясно показано на фигурах 5А и 5В.
На фигурах 6А и 6В представлены соответственно изометрический вид и вид спереди относительно направления потока WF воды, конструкции «бипланарного» типа, где вторая крылообразная платформа или дека 9 помещена между турбинами 3 на уровне центральной линии роторов 3А турбин, для улучшения структурной целостности сборки. Эта конструкция сравнима с «монопланной» конструкцией изометрического вида с фигуры 1А, где индивидуальные роторы турбин установлены на индивидуальные консольные опорные стойки без какой-либо боковой связи.
На фигуре 7А показана альтернативная «бипланарная» конструкция, где вторая обтекаемая плоская платформа 10 установлена непосредственно над турбинами на продолжениях 11 их вертикальных опорных стоек 4. Как уже было упомянуто, фигура 7А представляет собой изометрический вид в перспективе, в то время как на фигурах 7В и 7С соответственно показаны торцевой/боковой и передний виды в направлении от потока WF течения. Эта конструкция служит для увеличения конструкционной прочности всей сборки и может позволить ей иметь большее расстояние между ее опорами 2, так чтобы вмещать либо большее количество турбин, либо турбины 3 большего размера. Более того, действие обращенной вверх выпуклой поверхности нижней опорной платформы 1 и обращенной вниз выпуклой поверхности верхней платформы 10 будет подобно трубке Вентури (смотри вид с торца на фигуре 7В) и будет вынуждать поток через роторы ускоряться по сравнению с потоком дальше по потоку от роторов. Это будет улучшать отбор энергии, захваченной единицей площади роторов, позволяя применять меньшие роторы для заданного мощностного выхода, чем были бы необходимы в другом случае.
На фигурах 8А, 8В и 8С изображено воплощение опорной структуры, совмещающей предложения с фигуры 6 и фигуры 7, ив сущности оно представляет собой «трипланарную» конструкцию с тремя крылообразными платформами, опорной платформой 1, промежуточной платформой 9 на уровне роторов турбины 3А (как на фигурах 6А, 6В и 6С) и верхней платформой 10 (как на фигурах 7А, 7В и 7С). Главным преимуществом этой конструкции является большая структурная прочность, но ценою большего сопротивления и большего пересечения следа с роторами. Однако вышеупомянутый эффект Вентури будет компенсировать все это.
В структурах с фигур 7А, 7В, 7С и фигур 8А, 8В, 8С верхняя платформа 10 будет как правило (но не обязательно) меньше в длине хорды и поперечном сечении, чем нижняя опорная платформа 1, как в предпочтительном воплощении, по существу так, как показано на различных фигурах 7А, 7В, 7С и фигурах 8А, 8В, 8С.
Также возможно добавить еще один ряд турбин на верхнее крыло в местах с подходящей глубиной воды. Фактически, возможно так много рядов турбин, сколько может быть вмещено глубиной водной колонны по отношению к их диаметру, даже несмотря то, что предпочтительным воплощением в большинстве случаев будет являться один ряд, так как это упрощает доступ для обслуживания, и требует самых простых структурных приспособлений. Многослойный вариант не показан.
Такие же подъемные приспособления, показанные на группе фигур 2, 3, 4 и 5, могут также быть использованы для «бипланарых» и «трипланарных» конфигураций, показанных на группе фигур 6, 7 и 8.
На фигурах 9А и 9В схематично показано воплощение, включающее в себя одну плоскую поверхность или деку 1, поддерживаемую опорами 2, включающими в себя подъемные колонны 2А, те же принципы могут быть равно применены к конфигурациям с «бипланарой» и «трипланарной» конструкциями, такими как показаны в группе фигур 6, 7 и 8.
На фигуре 9А (в виде спереди относительно направления течения WF) схематично показана система 1 опорной платформы/деки, опущенная вниз и работающая, в то время как на фигуре 9В показана система платформы/деки, поднятой к поверхности для обслуживания. На эти фигурах показано воплощение, в котором плоская поверхность, платформа или дека 1, может нести множество турбин 3, и в этом случае она поддерживается таким образом, что она не должна обязательно зависеть от способности всплытия для ее подъема, а обеспечиваются механические средства при помощи использования гидравлических подъемных цилиндров или электрических домкратов или лебедок (не показано) для поднятия всей сборки деки вместе с рядом турбин к поверхности. Способность всплытия платформы 1 может быть использована для облегчения подъема и таким образом снижения необходимых подъемных сил. Следует понимать, что на этих фигурах 9А и 9В ясно показано то, что различные способы могут быть применены для подъема плоской поверхности или деки, которая поддерживает турбины. Следует отметить, что в воплощении, показанном на фигурах 9А и 9В, подъемные колонны выступают над уровнем воды все время, причем они соединены горизонтальным структурным элементом, который является необязательным дополнением.
Фигуры 10А и 10В являются схематичными видами в поперечном сечении через главную опорную платформу или деку 1 с фигуры 1 или фигуры 6 (и как показано на всех других предшествующих фигурах). Несмотря на то, что на предшествующих фигурах опорная платформа или дека была показана как имеющая симметричное, обтекаемое эллиптическое поперечное сечение или профиль, например, на фигуре 10А показано необязательное асимметричное поперечное сечение, которое более выпуклое на нижней стороне, чем на верхней стороне. Верхняя сторона может быть слегка вогнутой как на чертеже, но тот же принцип будет применен, если верхняя сторона либо плоская, либо менее выпуклая, чем нижняя сторона. На фигуре 10 В показано асимметричное поперечное сечение платформы или деки, в которой верхняя сторона более выпуклая, чем нижняя сторона.
На фигурах 10А и 10В показан поток воды над и под платформой или декой в виде линий обтекания, по которым будет следовать любая частица в колонне текущей воды.
На обеих фигурах, в поперечном сечении «А-А» вверху и слева от платформы 1, профиль потока или градиент скорости через водную колонну типичный для беспрепятственного течения в приливном потоке в море, реке или устье, где наиболее быстро текущая вода находится в верхних 50% потока и где, как правило, экспоненциальное снижение скорости возникает в нижних 50% потока, достигая нуля там, где вода находится в непосредственном контакте с дном (скорость показана на фигуре длинной стрелкой, где каждая линия обтекания пересекает данное поперечное сечение).
Профиль скорости через водную колонну показан как профиль «ВВ», показывающий, что вода уже подвержена влиянию присутствия препятствия, образованного фасонной платформой; поток воды начнет отклоняться вверх от любого препятствия.
Подобным образом, профили скорости в сечении «СС» показывают приблизительное распределение скорости непосредственно над и под платформой или декой в положении, где расположены турбины (3). В сущности, профили «ВВ» являются промежуточными между профилями «АА» и «СС».
На фигурах 10А и 10В показан хорошо известный эффект, который развивается из законов непрерывности в динамике жидкостей, в соответствии с которым поток будет ускоряться, если ему нужно пройти по более длинному пути, или если поперечное сечение, через которое он протекает плавно уменьшается, и наоборот. Отсюда линии обтекания сжимаются вместе и поток ускоряется по более выпуклой стороне асимметричной обтекаемой платформы или деки, и поток замедляется и линии обтекания стремятся распределиться шире друг от друга на менее выпуклой стороне или вогнутой стороне. Это фактически подобно потоку через крыло или гидрокрыло и сопроводительный эффект, который также хорошо известен, состоит в том, что быстро движущаяся жидкость вызывает понижение давления, в то время как более медленно движущаяся жидкость вызывает относительное повышение давления. Получившаяся разница давлений поперек обтекаемой платформы подобна эффекту гидрокрыла или крыла и вырабатывает силу под прямыми углами к направлению потока, которая эффективно является Подъемной силой, обозначенной "L" на фигурах 10А и 10В. Сила сопротивления "D", намного меньшая, чем сила подъема «L», также будет вырабатываться в направлении потока. Опорная структура или натяжные шварты должны противостоять этим силам.
На фигурах 10А и 10В показано, что действие асимметрично сформированной опорной платформы или деки состоит в производстве основательно однородного потока по ее верхней поверхности, который будет слегка ускоряться по сравнению со случаем свободного потока (как показано в положении «АА»), в случае, когда наиболее выпуклая поверхность расположена сверху (как на фигуре 10В), и слегка замедляться по сравнению со случаем свободного потока, когда наиболее выпуклая сторона расположена снизу (как на фигуре 10А).
Путем помещения роторов турбины в пространство над асимметричной опорной платформой или декой (как показано схематично на фигурах 10А и 10В), можно сделать поток через роторы более однородным (что является преимущественным с точки зрения как эффективности, так и минимизации износа и задиров на роторах). Также возможно либо увеличение, либо снижение скорости свободного потока на малое, но потенциально полезное количество, в зависимости от того расположена ли максимальная выпуклость лицом вверх, или вниз. Это также частично достигается прохождением турбулентного пограничного слоя, который возникает непосредственно над дном текущего потока воды, насколько возможно снизу и вне пути роторов турбины (фигуры 10А и 10В). Граничный слой подвергается турбулентности, когда поток пересекается с дном моря или реки, и в некоторых случаях, если оно неровное или в нем отсутствует однородность, граничный слой может быть довольно толстым и может вызывать потерю производительности и возможно наносить вред дну роторов турбин, если они проходят сквозь эту область крайне возмущенного потока.
В заключении следует отметить, что подъемные силы, выработанные асимметричной опорной платформой или декой, могут быть использованы для улучшения ее стабильности; в случае с фигуры 10А платформа может быть размещена на компрессионных опорах (или ножках) и направленная вниз сила L будет приводить к обеспечению дополнительной нижней тяги для прочного удержания платформы на опорах. В случае с фигуры 10В опорная платформа или дека может быть плавучей и удерживаться в положении натяжными швартами и подъемная сила, действующая вверх, будет стремиться стабилизовать платформу путем добавления эффекта всплытия, необходимого для поддержания натяжения в швартах. Так как и подъемная сила и сила сопротивления будут пропорциональны квадрату скорости потока, они будут стремиться стабилизировать систему со значительно большими силами в более сильных течениях, и компоненты подъема и сопротивления будут стремиться оставаться пропорциональными.
На фигуре 10С показана модификация воплощения, показанного на фигуре 10В, где пространство под опорной платформой или декой практически полностью заблокировано препятствием, обеспеченным для этого, и обозначенным «XX». Можно увидеть, что действием этого является вынуждение большей части текущей водной колонны в точке «АА» подниматься и просачиваться через уменьшенную высоту водной колоны в «СС», где расположены роторы турбин. Форма выпуклой верхней стороны платформы такова, что поток по ее верхней части однородный и ускоренный. Малое количество воды необязательно может просачиваться под этой платформой, как показано на фигуре 10В, через паз или пазы 12 выше препятствия «XX» и непосредственно под платформой. Это сделано, во-первых, для предотвращения пересечения турбулентного граничного слоя с потоком через верх; в основном небольшой поток, просачивающийся снизу, ограничивает высоту пограничного слоя путем просачивания части главного плавно текущего потока под платформой.
Преимущество использования воплощения с фигуры 11 состоит не только в том, что оно приводит к более однородному и менее турбулентному потоку через турбины, а также в том, что существует значительное ускорение потока, что позволяет получить большую мощность от меньших турбин.
Изобретение относится к опоре турбин, расположенных для погружения в потоки воды и привода при помощи кинетической энергии потока воды. Турбинная установка, приводимая в действие водой, для выработки мощности из колонны потока воды содержит прямоугольную деку обтекаемого поперечного сечения, имеющую верхнюю и нижнюю поверхности с ведущими и замыкающими краями относительно направления потока воды, по меньшей мере, одну турбину и турбинную сборку, поднимающуюся вверх от верхней поверхности деки, и опору для деки. Опора постоянно размещена на дне водной колонны таким образом, что дека ограничивает при установке на опору вертикальное пространство между нижней поверхностью деки и дном воды, и включает средство для осуществления вертикального перемещения деки относительно средств опоры, чтобы дека имела возможность перемещения из своего рабочего положения в поднятое положение, в котором каждая турбинная сборка доступна на поверхности водной колонны. Задачей изобретения является создание опорных структур для поддержки гидравлических турбин. 9 з.п. ф-лы, 26 ил.
| US 6091161 А, 18.07.2000 | |||
| МЕХАНИЗМ ПРИВОДА СТРЕЛОЧНОГО ПЕРЕВОДА | 2012 |
|
RU2501696C2 |
| Цифровой модуляционный экстремальный мост переменного тока | 1974 |
|
SU708241A1 |
| Прибор, замыкающий сигнальную цепь при повышении температуры | 1918 |
|
SU99A1 |
| Плавающая приливно-отливная электростанция, устанавливаемая в морском или речном течении | 1988 |
|
SU1813186A3 |
| Преобразователь энергии океанского течения в другой вид энергии | 1979 |
|
SU1009283A3 |
