水下發電機的製作方法

2023-04-28 05:47:36 2

專利名稱：水下發電機的製作方法
技術領域：
本發明總體上涉及利用例如海流、潮汐流或河流等水流發電的水下發電機。
背景技術：
公知的水下發電機利用海流和潮汐流的動力來驅動渦輪機葉片旋轉，由此進一步驅動發電機發電。適於利用合適的海流和潮汐流運轉水下發電機的最佳場所常常少於適於安置水下發電機的最佳環境。腐蝕性的環境、暴露於海洋生物、海洋生長物(growth)、遙遠的位置和崎嶇不平的海底地形都對水下發電機的成功安置構成重大挑戰。許多場所具有隨潮汐的改變而逆轉方向的迴蕩水流，而其它場所具有方向變化的水流。因為水下發電機通常具有單一的或窄範圍的最佳水流方向，為使得在指定位置產生的電力最大化，常常期望水下發電機可以旋轉以便重新應對水的方向改變。對於潮汐的場所而言，這樣通常需要旋轉180°。然而，轉動水下發電機所需的複雜機械在惡劣的水下環境中常常容易沾汙。這樣就導致需要頻繁地進行維護，這樣不僅成本昂貴而且困難，因為發電機通常必須升到水面以上進行維護作業。由於崎嶇不平的海底地形、當從漂浮的駁船(floating barge)上安置時的波動運動以及水下的水流的緣故，水下發電機的精確安置常常較為困難。即使是水下發電機相對於水流方向的微小錯位或者水平錯位，也可能對水下發電機的效率和有效運轉有害。為了使利用緩慢流動(約每小時5海裡)的水流輸出的電力最大化，有效的葉片設計同樣是關鍵。

發明內容
本發明的目的是基本克服或至少改善上述的一個或多個缺陷，或者提供一種可用的替代物。在第一方案中，本發明提供一種適於利用流水發電的水下發電裝置，該裝置包括支撐結構，包括塔架，該塔架的上端具有凸形隆起(male boss)；發電單元，具有殼體和葉片組，該葉片組被安裝成用以相對於該殼體旋轉，該葉片組適於在該發電裝置浸沒在流水中時旋轉；凹形插孔，設置在發電單元上，該凹形插孔被構造為用以容置該凸形隆起；以及旋轉單元，設置在該發電裝置的上部段與該發電裝置的下部段之間，該旋轉單元包括安裝在該上部段上的機動小齒輪和安裝在該下部段上的固定齒圈，其中該小齒輪與該齒圈嚙合，該機動小齒輪的運轉使該上部段相對於該下部段繞一偏轉軸線(偏移軸線，yawaxis)旋轉。在優選實施例中，上部段是殼體，下部段是凹形插孔。或者，上部段和下部段是塔架的兩個部分。優選地，該發電裝置還包括設置在上部段與下部段之間的傾斜單元，該傾斜單元適於調整上部段與下部段之間繞縱搖軸線或橫搖軸線的傾斜，以使該發電單元維持在水平位置。並且優選地，傾斜單元與旋轉單元形成為一體。在優選實施例中，在凸形隆起和凹形插孔的表面上形成互補的卡合構造(engagement formation)，以防止凸形隆起與凹形插孔之間的旋轉運動。優選地，該該卡合構造是互補的花鍵。優選地，凹形插孔在重力作用下不受限制地擱置在凸形隆起上，並且通過簡單地提升該發電單元能夠使該凹形插孔脫離該凸形隆起。可選地，該發電裝置還包括控制系統，該控制系統控制該旋轉單元響應於發電性能參數的改變而調整該發電單元的取向。在優選實施例中，該葉片組包括多個葉片，每個葉片具有從葉片的前緣到葉片的後緣測量的弦，其中從葉片根部至中間點，葉片的弦的長度增大，隨後該長度從該中間點至葉片尖部減小，並且其中該中間點位於沿著從葉片根部至葉片尖部的葉片長度的大約30%處。優選地，葉片具有沿葉片的長度的扭轉度。優選地，在上部段與下部段之間設有密封裝置，以防止水進入旋轉單元。在第二方案中，本發明提供一種用於轉動水下發電裝置的發電單元的旋轉單元，所述旋轉單元包括下部段，具有固定齒圈，該固定齒圈具有沿第一徑向方向凸伸的多個齒和沿相反的第二徑向方向凸伸的肋；上部段，具有與該齒圈的齒嚙合的機動小齒輪以及構造為用以容置該齒圈的肋的支承槽。在優選實施例中，上述齒向內凸伸，而上述肋向外凸伸。優選地，該旋轉單元還包括密封裝置，該密封裝置包括通道凸緣，設置在上部段和下部段的其中之一上；密封凸緣，設置在上部段和下部段中的另一個上，並具有一個或多個設置在該密封凸緣的徑向表面上的密封件；其中，該密封凸緣被容置在該通道凸緣中，該密封件接合該通道凸緣的表面以防止水進入該旋轉單元。在優選實施例中，該通道凸緣設置在下部段上，該密封凸緣設置在上部段上。優選地，該密封件是唇式密封件。在第三方案中，本發明提供一種用於轉動水下發電裝置的發電單元的旋轉單元，該旋轉單元包括下部段，具有向下凸伸的凸形隆起和安裝在該下部段內的齒圈；上部段，具有向上凸伸的凸形隆起和安裝在上部段並向下凸伸到下部段中的機動小齒輪，其中該小齒輪與該齒圈嚙合；以及密封裝置，設置在該上部段與該下部段之間，以防止水進入該旋轉單元，其中，該上部段和該下部段的凸形隆起適於被容置在發電裝置的對應的凹形插孔中。


現在將參照附圖，藉助特定示例來描述本發明的優選實施例，在附圖中
圖1繪示了安裝在塔架上的水下發電機；
圖2繪示了安裝在塔架上的另一種水下發電機；
圖3繪示了水下發電機的發電單元；
圖4是圖3的發電單元的正視圖5是圖3的發電單元的剖視圖6是圖5的發電單元的詳細的剖視圖7是水下發電機的另一種發電單元的剖視圖8是水下發電機的又一種發電單元的剖視圖9繪示了水下發電機的旋轉單元；
圖10是沿圖9中的A-A線的截面圖11是沿圖10中的線B-B線的截面圖12是水下發電機的另一種旋轉單元的局部截面圖13是設於水下發電機的塔架的基部的旋轉單元的示意圖；以及
圖14是設於水下發電機的塔架的基部的另一種旋轉單元的示意圖。
具體實施例方式圖1繪示了水下發電裝置10，該裝置包括發電單元12和支撐結構14。發電單元12包括殼體15和轉子或葉片組16，葉片組16具三個有安裝在中央轉子轂18上的葉片17。葉片組16被設計成響應於沿流向A大體平行於旋轉軸20的流動水流而繞水平的旋轉軸線20旋轉。支撐結構14包括塔架22，塔架22的上端具有凸形隆起M，而其下端安裝到基部平臺26。基部平臺沈通常包括用於容納廢石方(棄土，spoil)、混凝土或其它穩定物質的凹部。基部平臺沈和塔架22可彼此分離。或者，在一些實施例中，塔架22簡單地直接安裝在海床中。發電單元12設有適於容置凸形隆起M的凹形插孔觀。凹形插孔觀被設計成向下放置並在重力作用下擱置在凸形隆起M上。設置有花鍵四以防止凹形插孔相對於凸形隆起M旋轉。不需要使用鎖定機構、夾緊機構或其它緊固機構來使發電單元12保持在支撐結構14上，因為重力使發電單元12保持就位。這樣就使得能夠僅通過提升發電單元12，使凹形插孔觀與凸形隆起M脫離來升高發電單元12，以進行維護。在一些實施例中，凹形插孔觀包括機械限制裝置以加強重力連接，同時仍允許僅通過提升發電單元12以與凸形隆起M脫離。這樣就提供了應對意外衝擊載荷的另外的安全因素。當發電單元12安裝在塔架22上時，凹形插孔28與凸形隆起M重疊，重疊部分的長度約為2米。將凸形隆起M設在塔架22的上端的一個優點是，塔架22更容易維護，並與凹形插孔相比，凸形隆起M不太可能被淤泥和海洋生物阻塞。
發電單元12還設有設置在殼體15與凹形插孔觀之間的偏移旋轉單元30。旋轉單元30適於使殼體15相對於凹形插孔觀旋轉。這樣就使殼體15和葉片組16能夠旋轉以便面向水流的流向。圖中所示的縱搖及橫搖傾斜單元31設置在塔架22上的中間位置，該傾斜單元31適於調整發電單元12相對於縱搖軸線及橫搖軸線的對準。或者，偏移旋轉單元30可與縱搖及橫搖單元31形成為一體。在正常操作中，塔架22和發電單元12上的所有上述部件設置在葉片組16的下遊。圖2中繪示了發電裝置110的另一(備選)實施例，其中發電單元112包括殼體115、葉片組116和凹形插孔128。然而，旋轉單元130設置在凹形插孔1 下方。在這一備選實施例中，旋轉單元130設有上凸形隆起124，該上凸形隆起IM適於按與上文參照圖1論述的實施例相同的方式容納在向下放置並擱置在上凸形隆起IM的凹形插孔1 中。這樣就允許發電單元112與旋轉單元130相獨立地安置和升高以進行維護。支撐結構114包括上端具有凹形插孔123的塔架122。旋轉單元130還設有下凸形隆起125，該下凸形隆起125適於被容置在塔架122的凹形插孔123中，以將旋轉單元130安裝在塔架122上。如圖3和圖4所示，發電單元12具有包括三個葉片17的葉片組16，葉片被設計成單向式，這意味著這些葉片被設計成響應於水流方向A而不是水流的反方向而驅動葉片組16旋轉。每個葉片17被設計成使從葉片17的前緣向後緣測得的該葉片17的弦32沿該葉片17的長度變化。具體而言，從葉片根部34至中間點36，弦32的長度增大，隨後該長度朝向葉片尖部36減小。該中間點位於沿從葉片根部34至葉片尖部36的葉片17的長度的約30%處。葉片17還具有沿葉片17的長度的扭轉度，以改善提升效率。參照圖5並且更詳細地參照圖6，其示出發電單元12的橫截面。葉片組16經由轉子轂18安裝到轉子軸40上，轉子軸40延伸穿過軸承組件41和制動組件42到達齒輪箱44。驅動軸46從齒輪箱44延伸，以驅動發電機單元48。參看圖7，其繪示了發電單元212的可選實施例，其中轉子轂218安裝到轉子軸240,該轉子軸240延伸穿過軸承組件241到達齒輪箱M4。驅動軸246從齒輪箱244延伸並延伸穿過制動組件對2，以驅動發電機單元M8。通過使制動組件242設置在驅動軸246而不是轉子軸240上，使得停止葉片組所需的制動力矩更小。圖8繪示了不設有齒輪箱的發電單元312的直接驅動實施例。轉子轂318安裝到轉子軸；340，轉子軸340延伸穿過軸承組件341和制動組件342，以驅動發電機單元348。圖9至圖11中更詳細地繪示了旋轉單元30，其中圖10是沿圖9中的A-A線的截面圖，圖11是沿圖10的B-B線的截面圖。上部段50由旋轉單元30支持，以相對於下部段52旋轉。馬達M安裝到上部段50，並驅動小齒輪56。小齒輪56與安裝在下部段52上的固定齒圈58嚙合。當被馬達M驅動時，小齒輪56繞固定齒圈58行進，使得上部段50相對於下部段52旋轉。密封裝置60包括上部段50上的外凸緣62、下部段上的內凸緣64和密封件66。外凸緣62向下凸伸超出內凸緣64，使得兩個凸緣62、64沿豎向重疊。在位於外凸緣62的內表面與內凸緣64的外表面之間的多個凹部中設有一系列密封件66。密封裝置60防止水進入上部段50與下部段52之間。還設置有隔板68，以進一步防止水進入內部區域。任選地，可使用液體摩擦軸承(flooded friction bearing)。在另一可選實施例中，小齒輪設置在齒圈外側，該齒圈的齒朝向外面。圖12繪示了上部段72與下部段74之間的另一種旋轉單元70。該旋轉單元70包括兩個安裝在上部段72的板78上的機動小齒輪76，使得小齒輪76凸伸到板78下方。面向內部的齒圈80安裝在下部段74的頂部，環繞小齒輪72並與該小齒輪72嚙合。板78具有一向下垂掛的軸承凸緣82，該軸承凸緣82從該板78向下凸伸，並位於齒圈80的徑向外部。軸承凸緣82限定了面向內部的圓形支承槽，該支撐槽支撐環形肋86，該環形肋86從齒圈80的外表面向外凸伸並被容置在軸承凸緣82中。當小齒輪76被驅動時，它們繞齒圈80的內圓周行進，驅使板78旋轉。軸承凸緣82繞圓形肋86的運動使板78能夠旋轉。密封裝置88包括設置在下部段74上的外通道凸緣90和從上部段72凸伸出的密封凸緣92。該密封凸緣92被容置在通道凸緣90中，密封凸緣92上的唇式密封件96密封於下部段74的外表面94。這樣就提供了能夠防止水進入旋轉單元70的可靠的密封構造。圖13繪示了基部旋轉單元100，其中塔架102被安裝為能夠相對於基部平臺104軸向旋轉。裙部106從塔架102下垂，並與基部平臺104的驅動機構108接合，以驅動塔架102相對於基部平臺104旋轉。軸承103允許塔架102相對基部平臺104旋轉。圖14繪示了另一種基部旋轉單元200，其中塔架202被安裝在基部平臺204上設有的向上凸伸的塔架插孔205中，以便能夠相對於基部平臺204旋轉。驅動機構208設置在塔架插孔205中，以接合塔架202並驅動塔架202旋轉。儘管已經參照特定的示例描述了本發明，但本領域技術人員應理解的是，本發明可在許多其它形式下實施。
權利要求
1.一種適於利用流水發電的水下發電裝置，所述裝置包括支撐結構，包括塔架，所述塔架的上端具有凸形隆起；發電單元，具有殼體和葉片組，該葉片組被安裝成用以相對於所述殼體旋轉，所述葉片組適於在所述發電裝置浸沒在流水中時旋轉；凹形插孔，設置在所述發電単元上，所述凹形插孔被構造為用以容置所述凸形隆起；以及旋轉單元，設置在所述發電裝置的上部段與所述發電裝置的下部段之間，所述旋轉單元包括安裝在所述上部段的機動小齒輪和安裝在所述下部段上的固定齒圈，其中所述小齒輪與所述齒圈嚙合，所述機動小齒輪的運轉使所述上部段相對於所述下部段繞ー偏移軸線旋轉。
2.如權利要求1所述的發電裝置，其中，所述上部段是所述殼體，所述下部段是所述凹形插孔。
3.如權利要求1所述的發電裝置，其中，所述上部段和所述下部段是所述塔架的兩個部分。
4.如前述權利要求中任一項所述的發電裝置，還包括設置在所述上部段與所述下部段之間的傾斜單元，該傾斜単元適於調整所述上部段與所述下部段之間繞縱搖軸線或橫搖軸線的傾斜，以使所述發電單元維持在水平位置。
5.如權利要求4所述的發電裝置，其中，所述傾斜単元與所述旋轉単元形成為一體。
6.如前述權利要求中任一項所述的發電裝置，其中，在所述凸形隆起和凹形插孔的表面上形成互補的卡合構造，以防止所述凸形隆起與凹形插孔之間的旋轉運動。
7.如權利要求6所述的發電裝置，其中，所述卡合構造是互補的花鍵。
8.如前述權利要求中任一項所述的發電裝置，其中，所述凹形插孔在重力作用下不受限制地擱置在所述凸形隆起上，並且通過簡單地提升所述發電単元能夠使所述凹形插孔脫離所述凸形隆起。
9.如前述權利要求中任一項所述的發電裝置，還包括控制系統，該控制系統控制所述旋轉單元，以響應於發電性能參數的改變而調整所述發電単元的取向。
10.如前述權利要求中任一項所述的發電裝置，其中，所述葉片組包括多個葉片，每個葉片具有從所述葉片的前緣到所述葉片的後緣測量到的弦，其中從葉片根部至中間點，所述葉片的弦的長度増大，隨後該長度從該中間點至葉片尖部減小，並且其中所述中間點位於沿著從所述葉片根部至所述葉片尖部的葉片長度的約30%處。
11.如權利要求10所述的發電裝置，其中，所述葉片具有沿所述葉片的長度的扭轉度。
12.如前述權利要求中任一項所述的發電裝置，其中，在所述上部段與所述下部段之間設有密封裝置，以防止水進入所述旋轉単元。
13.一種用於轉動水下發電裝置的發電單元的旋轉單元，所述旋轉単元包括下部段，具有固定齒圈，所述固定齒圈具有沿第一徑向方向凸伸的多個齒和沿相反的第二徑向方向凸伸的肋；上部段，具有機動小齒輪和支承槽，所述機動小齒輪與所述齒圈的齒嚙合，所述支承槽構造為用以容置所述齒圈的肋。
14.如權利要求13所述的旋轉單元，其中，所述齒向內凸伸，而所述肋向外凸伸。
15.如前述權利要求中任一項所述的旋轉單元，還包括密封裝置，所述密封裝置包括通道凸緣，設置在所述下部段和上部段的其中之一上；密封凸緣，設置在所述下部段和上部段中的另一個上，並具有一個或多個設置在所述密封凸緣的徑向表面上的密封件；其中，所述密封凸緣被容置在所述通道凸緣中，所述密封件接合所述通道凸緣的表面以防止水進入所述旋轉單元。
16.如權利要求15所述的旋轉單元，其中，所述通道凸緣設置在所述下部段上，所述密封凸緣設置在所述上部段上。
17.如權利要求15或16中任一項所述的旋轉單元，其中，所述密封件是唇式密封件。
18.一種用於轉動水下發電裝置的發電單元的旋轉單元，所述旋轉單元包括下部段，具有向下凸伸的凸形隆起和安裝在所述下部段內的齒圈；上部段，具有向上凸伸的凸形隆起和安裝在所述上部段並向下凸伸到所述下部段中的機動小齒輪，其中所述小齒輪與所述齒圈嚙合；以及密封裝置，設置在所述上部段與所述下部段之間，以防止水進入所述旋轉單元，其中，所述下部段和上部段的所述凸形隆起適於容置在所述發電裝置的對應的凹形插孔中。
全文摘要
一種水下發電機(10)，包括支撐結構(14)，該支撐結構包括塔架(22)，該塔架(22)的上端具有凸形隆起(24)。發電單元(12)具有殼體(15)和葉片組(16)。在發電單元(12)上設有凹形插孔(28)，該凹形插孔被構造為用以容置凸形隆起(24)。旋轉單元(30)包括安裝在上部段(50)上的機動小齒輪(56)和安裝在下部段(52)上的固定齒圈(58)，其中機動小齒輪(56)的運轉使上部段(50)相對於下部段(52)繞偏移軸線旋轉。在上部段與下部段(50，52)之間設有密封裝置(60)，以防止水進入旋轉單元(30)。
文檔編號E02B9/00GK102597493SQ201080048645
公開日2012年7月18日 申請日期2010年10月26日 優先權日2009年10月26日
發明者約翰·基爾, 迪爾瓦·布拉克斯蘭 申請人:亞特蘭蒂斯能源有限公司