ШАРНИРНОЕ ЛОЖНОЕ МОРСКОЕ ДНО
HINGED FALSE SEA BOTTOM

Настоящее изобретение относится к конструкциям, предназначенным для того, чтобы служить опорами для турбин, размещенных таким образом, чтобы быть погруженными в воду и приводимых в действие кинетической энергией потока воды.
В патентах GB 2256011, GB 2311566, GB 2347976 и GB 2348250 В, а также в поданных патентных заявках GB 2396666 и GB 2400414 описаны конструкции, относящиеся к приводимым в действие водой турбинам, т.е. ротор или роторы, которые поддерживаются в столбе воды в море, реке или эстуарии таким образом, что поток воды может вращать ротор (роторы) для получения электроэнергии или мощности на валу для использования в нужных целях. Известно каким образом турбины используют для этих целей, и более того, известны и описаны также конструкции различных видов, предназначенные для того, чтобы служить опорами для турбин.
В частности, настоящее изобретение относится к несущим конструкциям для турбин, предназначенным для отбора кинетической энергии у потоков воды, способным нести всего одну турбину или множество турбин. Относящиеся к делу турбины могут быть турбинами с осевым потоком (т.е. «пропеллерными»), но могут быть и турбинами с поперечным потоком (подобными, в принципе, ветровым турбинам Darrieus), установленными с валами, выровненными по вертикали или горизонтали, но под прямым углом к направлению водных потоков, или же в действительности могут быть любым типом рационального устройства превращения кинетической энергии.
Новизна типа ротора или роторов турбины, к опоре для которого относится настоящее изобретение, не имеет принципиального значения, поэтому на практике предпочтение отдается наиболее экономичному и эффективному виду.
Стоит отметить, что при использовании турбины или преобразователя кинетической энергии (любого типа) таким образом, чтобы их привод осуществлялся потоком воды, отбор энергии от потока вызывает уменьшение количества движения проходящей воды, что в свою очередь вызывает возникновение больших реактивных сил в турбине, которые проявляют себя в первую очередь как осевая сила, действующая в направлении потока (т.е. горизонтально) и пропорционально квадрату средней скорости прохождения через ротор.
Задачей настоящего изобретения является создание несущей конструкции, которую обозначают далее как «шарнирное ложное морское дно», специально для поддержки турбины, работающей в потоке воды (которая может находиться в море, реке или эстуарии).
Еще одной практической задачей настоящего изобретения является предложение конструкций, способных поддерживать одну или несколько приводимых в действие водой роторных систем турбин, например, таких, какие уже были описаны в полученных заявителем ранее патентах GB 2256011, GB 2311566, GB 2347976 и GB 2348250 В, а также в поданных патентных заявках GB 2396666 и GB 2400414. Однако роторы любого типа, способные приводиться в действие текущей водой так, как они могут приводить в действие генератор для выработки электроэнергии, или они могут приводить в действие какую-либо другую полезную прикладную систему, такую как насос или компрессор, могут быть также использованы с настоящим изобретением. Указанный ротор (роторы) может скорее всего относиться к следующим типам:
- осевого или пропеллерного типа (т.е. с ротором (роторами), который вращается вокруг оси, приблизительно совмещенной с направлением потока);
- с поперечным потоком (или типа «Darrieus») (с ротором (роторами), который вращается вокруг оси, расположенной приблизительно под прямым углом к направлению потока и в общем вертикально, хотя, возможно, и горизонтально).
Указанные роторы турбин любого типа полностью погружены в водяной столб текущих потоков вне зависимости от того, находятся ли они в море, в реке или в эстуарии, и любыми путями, которые будут описаны далее, удовлетворяют упомянутым требованиям. Иными словами, активные компоненты остаются полностью погруженными при нормальном режиме работы.
Однако важной задачей настоящего изобретения является создание средства, с помощью которого роторы и другие имеющие ключевое значение движущиеся детали, такие как силовые приводы, могут быть заметно подняты над поверхностью воды для обеспечения надежного и эффективного доступа с находящегося на поверхности судна с целью установки, технического обслуживания, ремонта и замены указанных компонентов. Термином «силовой привод» в данном контексте обозначается компонент, который приводится в действие ротором для производства электроэнергии, перекачивания воды или выполнения какой-либо полезной работы, например в первом случае он может обычно состоять из зубчатой передачи или мультипликатора, соединенного с электрогенератором, который будет служить для преобразования медленного вращательного движения ротора турбины в скорости, необходимые для эффективного генерирования электроэнергии.
Еще одной задачей настоящего изобретения является возможность охватывать собирающими энергию роторами поперечное сечение быстро текущей воды как можно большей площади (поскольку сбор энергии будет пропорционален площади поперечного сечения потока, которая может быть доступной для ротора (роторов)). Еще одной задачей будет размещение ротора (роторов) как можно выше в водяном столбе для достижения наиболее быстро движущихся потоков (поскольку наиболее быстро движущиеся потоки имеют тенденцию располагаться в верхней половине водяного столба). Поэтому ожидается, что в большинстве вариантов реализации изобретения множество роторов будет в горизонтальном ряду, перпендикулярном направлению потока, на несущей конструкции, которая должна быть описана. Однако в особых случаях изобретение может быть применено не более чем к одному ротору турбины.
Кроме того, в местах с приливными потоками поток обычно является двунаправленным, перемещаясь в одном направлении во время прилива и в противоположном - во время отлива. Поэтому еще одной важной задачей в отношении несущей конструкции и ротора (роторов), опирающегося на него, является способность одинаково эффективно действовать при потоке, приближающемся с любого из двух противоположных направлений в случае применения в приливной среде в море или в эстуарии.
Согласно настоящему изобретению предлагается шарнирное ложное морское дно для, по меньшей мере, одной турбины в потоке воды, включающей в себя плавучие платформу или плот для установки турбин или турбины с возможностью их поддерживания в полностью погруженном рабочем положении и в поднятом положении, в котором турбина или турбины извлечены из воды, причем платформа или плот связаны при помощи распорок, соединенных одним концом с анкерным средством, установленным на морском дне, отличающееся тем, что длина платформы или плота выполнена достаточной для размещения ряда отдельных турбин, расположенных перпендикулярно направлению потоку воды, а каждый конец платформы или плота шарнирно соединен соответствующей распоркой с соответствующим анкерным средством, причем в погруженном рабочем положении платформа или плот удерживаются при помощи опоры, установленной на морском дне.
Предпочтительно в погруженном рабочем положении платформы или плота соответствующие распорки расположены горизонтально.
Опора, преимущественно, связана с нижней стороной платформы или плота и выполнена выступающей вниз таким образом, чтобы удерживаться на морском дне и устанавливать платформу или плот в требуемое рабочее положение.
Предпочтительным образом анкерные средства для каждой распорки включают в себя сваи или грунтовые якоря, направленные вверх от морского дна, причем распорка шарнирно присоединена при помощи шарнирного средства к верхнему концу указанных свай или грунтовых якорей.
Платформа или плот горизонтально размещены в воде с турбиной или турбинами, стоящими на его верхней поверхности, причем платформа или плот снабжены средством для взаимодействия с верхним концом опоры таким образом, чтобы платформа или плот были размещены и полностью поддерживалось опорой в полностью погруженном рабочем положении.
Предпочтительно, что опора расположена с возможностью регулировки уровня рабочего положения платформы или плота для расположения его на оптимальной высоте от морского дна, когда платформа или плот погружены и взаимодействуют с соответствующей опорой.
Предпочтительно, что опора включает две или более отдельные опоры, регулируемые по отдельности для установки уровня расположения платформы или плота в зависимости от неровностей морского дна.
Предпочтительно, что опора включает в себя основание, которое размещено на морском дне и наполнено грузом для повышения устойчивости.
Предпочтительным образом основание имеет полую сердцевину, а груз выполнен в виде песка или камней, которые заполняют сердцевину после размещения основания в нужном положении на морском дне, чтобы увеличить массу для повышения устойчивости.
Основание, преимущественно, снабжено острыми выступами и лапами, выполненными с возможностью проникновения в морское дно.
Предпочтительно опора погруженной платформы или плота проходит поперек всей ширины платформы или плота, причем компоновка выполнена без наличия значительного прохода для воды ниже платформы или плота, так что, по существу, вся вода, текущая в направлении платформы или плота, проходит выше платформы или плота, увеличивая, таким образом, среднюю скорость воды, проходящей через турбину или турбины.
Предпочтительно платформа или плот имеют в поперечном сечении обтекаемую форму и выпуклую верхнюю поверхность и плоскую, вогнутую или выпуклую нижнюю поверхность, причем средняя скорость потока воды, проходящего через роторы турбины, возрастает, увеличивая при этом выработку электроэнергии.
Профиль платформы или плота выполнен преимущественно таким образом, чтобы уменьшить сдвиг скорости потока воды таким образом, чтобы уменьшить или сместить турбулентный поток, проходящий через роторы турбины.
Предпочтительно предусматривают кабель для поднятия и опускания платформы или плота между его поднятым и рабочим положением.
Распорки предпочтительно имеют обтекаемую форму, чтобы минимизировать усилие торможения, возникающее при прохождении воды.
Преимущественно платформе или плоту придают нейтральную плавучесть с усилием, требуемым для его поднятия или опускания, причем оно может быть поднято за счет использования искусственно приложенных подъемных сил.
Преимущественно искусственно приложенные подъемные силы генерируются откидными створками, прикрепленными к нижней плоской поверхности платформы или плота, или путем использования водометов или вспомогательных двигателей, прикрепленных к платформе или плоту.
Обычно плоская гладкая поверхность служит несущей конструкцией и играет также роль «ложного морского дна», образуя ровную и гладкую поверхность непосредственно под турбиной или рядом турбин, так что эта конструкция служит улучшению равномерности потока над этой поверхностью по сравнению с потоком над, в общем, грубой и неровной поверхностью естественного морского дна.
Перед тем как рассмотреть детали конкретных вариантов реализации изобретения, следует отметить, что когда турбина или преобразователь кинетической энергии (любого рода) используется таким образом, что приводится в действие потоком воды, отбор энергии из потока вызывает уменьшение количества движения проходящей воды, что в свою очередь вызывает возникновение больших реактивных сил на турбине, которые проявляют себя в первую очередь как осевая сила, действующая в направлении потока (т.е. горизонтально) и пропорциональная квадрату средней скорости прохождения через ротор.
Это явление является следствием физических законов, возникающим из передачи количества движения текущей воды движущимся компонентам турбины, и оно будет иметь место вне зависимости от применяемого типа ротора турбины. В общем, чем мощнее и эффективнее ротор турбины, тем больше силы, которым требуется противодействовать, хотя при определенных условиях, таких как т.н. «разбег», вызванных потерей нагрузки, большие осевые силы могут возникнуть даже тогда, когда турбина не вырабатывает много полезной энергии на валу турбины, если вообще ее вырабатывает. Это условие является, конечно, прямым последствием того факта, что силы, требующиеся для удержания ротора в нужном положении, являются реакцией на силы, переданные на ротор турбины для его вращения, что в свою очередь является показателем эффективности выработки мощности на валу.
Кроме того, на практике любая такая турбина подвержена многочисленным циклическим нагрузкам, вызванным такими явлениями, как эффект турбулентности, прохождение волн, сдвиг скоростей в столбе воды (т.е. изменение скорости с глубиной) и вихреобразование, которые все создают на несущей конструкции колеблющиеся усталостные нагрузки. Поэтому ключевым требованием к любой такой турбине является надежное удерживание ротора, отбирающего энергию, в одном положении в столбе движущейся воды посредством конструкции, обладающей достаточным запасом прочности для того, чтобы противостоять как статическим, так и динамическим нагрузкам, приложенным к ротору.
Предложение такой конструкции, к которой относится настоящее изобретение, на практике осложняется рядом других общих требований, а именно:
- турбулентный след, создаваемый присутствием несущей конструкции в столбе воды, не должен создавать чрезмерные помехи прохождению потока через ротор или роторы (поскольку может снизить эффективность указанного ротора (роторов)). В действительности конструкцию предпочтительно следует выполнять таким образом, чтобы этот след полностью обходил ротор (роторы);
- конструкция должна быть как можно более экономичной в изготовлении, чтобы свести к минимуму стоимость системы;
- существует необходимость в каком-либо практичном и экономичном с точки зрения затрат способе установки несущей конструкции в месте с сильными течениями;
- существует необходимость в каком-либо практичном и экономичном с точки зрения затрат способе установки на конструкции ротора или роторов для получения доступа к ротору или роторам и связанным с ними силовым приводам с целью их технического обслуживания и, в случае необходимости, их ремонта или замены;
- существует необходимость предусмотреть возможность для возможного извлечения для ремонта, замены или вывода из эксплуатации конструкции.
Некоторые более детальные соображения, относящиеся к предоставлению несущей конструкции для турбин в водном потоке включают такие факторы, как перечисленные ниже.
Во-первых, следует отметить, что поток в столбе вод в местах с высокими скоростями течения меняется с глубиной, так что максимальная скорость может наблюдаться возле поверхности. В отличие от этого течения в нижней части столба воды, рядом с морским (или в эстуарии, или речным) дном, движутся гораздо медленнее. Кроме того, любые природные неровности на дне моря, реки или эстуария вызовут срыв потока возле морского дна и дополнительную турбулентность, чем более неровным и грубым является характер дна, тем больше будет толщина более медленно движущихся и турбулентных нижних слоев.
Во-вторых, следует отметить, что для эффективного и надежного отбора кинетической энергии из водных течений с использованием ротора турбины предложенного типа желательно, чтобы поток воды, проходящий через ротор, был как можно более однородным по скорости по площади, обметаемой ротором или роторами, двигался как можно быстрее и обладал возможно меньшей турбулентностью. Иными словами, желательно иметь средство установки активного ротора (роторов) в наиболее быстрых и наиболее однородных и свободных от турбулентности потоках, избегая пересечения ротором любого граничного слоя или турбулентных следов, вызванных потоком, проходящим над неровным дном моря, реки или эстуария. Исключительно важно также поддерживать такой ротор (роторы) конструкцией, способной в течение многих лет противостоять наиболее экстремальным статическим и динамическим нагрузкам, которые будут испытываться.
В-третьих, важным дополнительным соображением является то, что любое устройство, погруженное в течения в столбе воды (не имеет значения в море, реке или эстуарии), должно быть доступным в случае необходимости для технического обслуживания, ремонта или замены. Выполнение работ под водой в быстрых течениях, проводимое персоналом с водолазным снаряжением или подводными аппаратами с дистанционным управлением (ROV), чрезвычайно затруднено или даже невозможно. В результате ключевой проблемой, решаемой настоящим изобретением, является создание средства доступа ко всем компонентам, нуждающимся в техническом обслуживании или ремонте, в частности ротора (роторов) турбины и/или подводных крыльев с механическим силовым приводом и генератором, который они приводят в действие, делая возможным подъем указанных объектов над поверхностью текущей воды, так чтобы сделать возможным доступ с надводного судна и не требовать вмешательства под водой с помощью водолазов или дистанционно управляемых аппаратов.
Для лучшего понимания изобретения и для того, чтобы показать его эффективное применение, будет приведена ссылка на прилагаемые чертежи, которые иллюстрируют изобретение в отношении описанных выше технических принципов и на которых:
на фиг.1 показан вид сбоку в вертикальной проекции несущей конструкции для установки турбины, основанной на принципах настоящего изобретения, когда соответствующая турбина (турбины) находится в рабочем положении;
на фиг.2 показан вид спереди в вертикальной проекции несущей конструкции для установки турбины с фиг.1;
на фиг.3 показан вид сбоку в вертикальной проекции конструкции с фиг.1 и 2 в момент, когда установленная турбина поднята таким образом, чтобы не находиться в погруженном состоянии;
на фиг.4 показан вид спереди в вертикальной проекции конструкции и соответствующей установки, показанных на фиг.3;
на фиг.5 показан вид сбоку в вертикальной проекции второго варианта реализации несущей конструкции для установки турбины, основанной на принципах настоящего изобретения, когда соответствующая турбина (турбины) находится в рабочем положении;
на фиг.6 показан вид сбоку в вертикальной проекции конструкции с фиг.5 в момент, когда установленная турбина поднята таким образом, чтобы не находиться в погруженном состоянии;
на фиг.7 показан вид сбоку в вертикальной проекции третьего варианта реализации несущей конструкции для установки турбины, основанной на принципах настоящего изобретения, когда соответствующая турбина (турбины) находится в рабочем положении;
на фиг.8 показан вид сбоку в вертикальной проекции конструкции с фиг.7 в момент, когда установленная турбина поднята таким образом, чтобы не находиться в погруженном состоянии;
на фиг.9 показан вид сбоку в вертикальной проекции третьего варианта реализации несущей конструкции для установки турбины, основанной на принципах настоящего изобретения, когда соответствующая турбина (турбины) находится в рабочем положении;
на фиг.10 показан вид сбоку в вертикальной проекции конструкции с фиг.9 в момент, когда установленная турбина частично поднята таким образом, чтобы не находиться в погруженном состоянии;
на фиг.11 показан вид сбоку в вертикальной проекции конструкции с фиг.9 в момент, когда установленная турбина полностью поднята таким образом, чтобы не находиться в погруженном состоянии;
на фиг.12 показан вид сбоку в вертикальной проекции дополнительного варианта реализации несущей конструкции для установки турбины, основанной на принципах настоящего изобретения, когда соответствующая турбина (турбины) находится в рабочем положении;
на фиг.13 показан вид спереди в вертикальной проекции несущей конструкции для установки турбины с фиг.12;
на фиг.14 показан вид сбоку в вертикальной проекции еще одного варианта реализации несущей конструкции для установки турбины, основанной на принципах настоящего изобретения, когда соответствующая турбина (турбины) находится в рабочем положении; и
на фиг.15 показан вид спереди в вертикальной проекции несущей конструкции для установки турбины с фиг.14.
На фиг.1-4 показан ряд из пяти турбин с осевым потоком, установленных по отдельности на соответствующей несущей колонне или на чем-либо подобном (2). Пять колонн (2) установлены рядом друг с другом на верхней поверхности плоской крыловидной платформы или конструкции ложного морского дна (3).
Следует отметить, что в настоящем изобретении тип турбины не имеет серьезного значения, поскольку возможно использование также альтернативных вариантов, как турбина с поперечным потоком «Darrieus» или другие. Плоская крыловидная платформа или конструкция ложного морского дна (3) соединяется с помощью распорок (5), соединенных по одной с каждым противоположным концом конструкции ложного морского дна (3) с анкерными средствами (6), на морском дне. Эти анкерные средства (6) являются обычно короткими сваями или грунтовыми якорями, забитыми, как схематически показано, в скважины на морском дне, но они могут также быть анкером любой формы, способным противодействовать с морским дном при достаточном сопротивлении смещению или перемещению по горизонтали.
Распорки (5) выровнены в направлении (или как можно ближе к направлению) течения потока и надежно прикреплены к соответствующему анкерному средству (6) с помощью шарнирного сочленения (7) и к плоской крыловидной платформе или конструкции ложного морского дна (3) с помощью другого шарнирного сочленения (8). Шарнирное сочленение (7) может содержать штифтовое сочленение, шаровое сочленение или любой вид сочленения, который допускает вращение распорок (5) по вертикально расположенной относительно речного или морского дна (SB) дуге. Сочленение (8) может в некоторых случаях быть похожим на связанное с ним сочленение (7) или, в некоторых случаях, описанных далее, может содержать не гибкое, но разрушаемое соединение для жесткого крепления распорки к плоской крыловидной платформе или конструкции ложного морского дна (3).
Сочленение (8) в виде гибкого шарнирного, штифтового или шарового сочленения может также предпочтительно быть зафиксировано механически, так что не допускается его изгиб или поворот за исключением тех случаев, когда указанный механизм фиксации разомкнут. Поскольку детали того, каким образом это соединение может быть зафиксировано, не имеют ключевого значения для изобретения, они здесь не разъясняются и не представлены.
Главной причиной использования не гибкого соединения или гибкого соединения, которое может быть зафиксировано и временно сделано не гибким в пункте (8), является предотвращение для плоской крыловидной платформы или структуры ложного морского дна (3) с их рядом турбин (1) возможности опрокидывания или поворота относительно распорок (5) под воздействием осевых сил, возникших из-за взаимодействия роторов с течением.
Для платформы или конструкции морского дна (3) и установленных на них турбин (1) предусмотрены одна или несколько опор (4). Опора или опоры могут быть погружены в морское дно, как показано на иллюстрации, или же просто лежать на морском дне и удерживаться на месте трением или другими средствами. Хотя на иллюстрации показана только одна такая опора, могут с успехом использоваться две или несколько опор.
Применение шарнирных сочленений (7) и (8) позволяет поднимать плоскую крыловидную платформу или конструкцию ложного морского дна (3) из положения, показанного на фиг.1 и 2, в положение, показанное на фиг.3 и 4.
Способ, которым плоская крыловидная конструкция может быть поднята на уровень воды, показан на фиг.1 пунктиром (10). Фигура обозначает также, каким образом опоры (5) могут поворачиваться по вертикальной дуге.
Возможно также использование единственной опоры (4) (не показанной как таковая), которая тянется в стороны (т.е. перпендикулярно к направлению течения) на полную ширину плоской крыловидной платформы или конструкции ложного морского дна (3). Такое решение не оставляет пространства для прохождения воды под плоской крыловидной платформой или конструкцией ложного морского дна (3) и обладает преимуществом усиления потока, проходящего через ряд роторов, установленных на платформе, хотя установка и закрепление такой опоры может быть более трудной, чем в случае применения относительно небольших опор типа свай.
Как показано на фиг.1 и 2, на нижней поверхности плоской крыловидной платформы или конструкции ложного морского дна (3) предусмотрено клиновидное закрепляющее устройство (9), предназначенное для зацепления и более точной установки платформы относительно опоры (4) на морском дне, когда ее подводят к опоре и, в особенности, когда ее опускают в рабочее положение, которое показано на фиг.1 сплошными линиями.
Как упоминалось выше, на фиг.2 показан вид спереди в вертикальной проекции той же системы, которая показана на фиг.1, и иллюстрируется установка пяти двухлопастных роторов турбины (1) с осевым потоком. Этот вид показывает также набор имеющих меньшее поперечное сечение горизонтальных распорок (1а), находящихся на уровне осей роторов и предназначенных для повышения прочности конструкции, хотя эти распорки (1а), как следует из находящейся одновременно на рассмотрении патентной заявки GB 2400414 данного заявителя «Турбины с водяным приводом, установленные на платформе или ложном морском дне», не имеют ключевого значения для целей и функционирования настоящего изобретения. На практике ряд деталей, описанных в указанной находящейся одновременно на рассмотрении патентной заявке, может применяться в сочетании с предложениями настоящей заявки.
На фиг.3 и 4 показаны те же виды сбоку и спереди в вертикальной проекции системы, показанной на фиг.1 и 2 соответственно, но в поднятом положении, так что платформа, крыло или конструкция ложного морского дна (3) поднята на поверхность воды. Можно видеть, что в поднятом положении распорки (5) будут эффективно служить швартовыми, причем их шарнирные сочленения (7 и 8) допускают движение под воздействием волн, но не допускают ухода системы под влиянием течений.
Способ подъема плоской крыловидной платформы или конструкции ложного морского дна (3) с рядом турбин (1) может предпочтительно включать в себя придание плавучести плоской крыловидной платформе или конструкции ложного морского дна (3), так что она стремится всплыть на поверхность, но для реализации настоящего изобретения возможно использование других средств подъема, таких как кран или лебедка на судне. С другой стороны, если система близка к нейтральной плавучести, возможно использование небольших сил, таких как создаваемые двигателями малой тяги или водяными струями, для подведения турбин непосредственно к поверхности, а кран на надводном судне может быть использован для подъема турбины над поверхностью.
Если в качестве способа подъема плоской крыловидной платформы или конструкции ложного морского дна (3) используется плавучесть, ее можно контролировать путем заполнения водой внутренней полости для погружения, или путем откачивания воды для подъема, или же, с другой стороны, он может постоянно сохранять плавучесть, и в этом случае требуются положительные средства для противодействия подъемным силам плавучести и спуска, как будет более подробно описано ниже.
И, наконец, шарнирные распорки (5), применяемые для ограничения движения плоской крыловидной платформы или конструкции ложного морского дна (3), могут предпочтительно иметь обтекаемое поперечное сечение для того, чтобы свести к минимуму торможение в потоке, когда система поднята на поверхность.
На фиг.5 и 6 показано, как опора (опоры) (4), проиллюстрированная на предыдущих фигурах, может быть прикреплена к нижней поверхности платформы, крыла или ложного морского дна (3) вместо того, чтобы быть закрепленной на самом морском или речном дне. В этом варианте реализации опора (опоры) (4) предназначена для установки на морском или речном дне, будучи опущена так, как показано на фиг.5. Поскольку морское дно или речное дно во многих случаях может быть неровным, подверженным водной эрозии или иметь грубую поверхность, применяемые в этом варианте реализации опоры могут быть сделаны регулируемыми, способными удлиняться или укорачиваться на небольшое расстояние, возможно порядка 1 или 2 метров для регулирования высоты установки плоской крыловидной платформы или конструкции ложного морского дна (3) на морском или речном дне. Это регулирование может также быть использовано для выравнивания плоской крыловидной платформы для компенсирования неровности морского или речного дна в случае использования двух или более опор. Эта возможность регулирования не проиллюстрирована на фиг.5 и 6, но может быть реализована любым подходящим механизмом, включающим, например, гидроподъемники, винтовые домкраты, пружины и т.п.
Хотя погружение платформы, крыла или конструкции ложного морского дна (3) может осуществляться путем их заполнения водой, а их подъем - путем закачивания воздуха для вытеснения воды, как было описано ранее, на фиг.7 и 8 показан альтернативный способ управления их положением. В данном случае предусмотрен кабель (10) (или несколько кабелей), прикрепленный к опоре (или опорам)(4), установленной на морском дне. Этот кабель (кабели) может поддерживаться буем (11), как показано на фиг.1, когда платформа, крыло или конструкция ложного морского дна отсутствует или снята для замены. Когда конструкция ложного морского дна (3) прикреплена к своим распоркам (5), то, как показано на фиг.8, упомянутый кабель (кабели) (10) может быть прикреплен к лебедке (не показана), размещенной внутри плавучей платформы, крыла или конструкции ложного дна (3), и эта лебедка может тянуть систему вниз к морскому дну, противодействуя ее плавучести; на фиг.8 иллюстрируется ситуация, при которой конструкция (3) частично притянута к морскому дну (SB), и конечное положение покоя, когда полностью притянутая вниз конструкция показана пунктиром.
Возможно использование аналогичного принципа, при котором упомянутый кабель, показанный на фиг.8, может быть заменен жестким элементом, или распоркой, или же цепью. В случае использования распорки конструкция (3) может быть поднята путем отвода распорки вниз посредством реечной передачи или другого подходящего механизма.
На фиг.9, 10 и 11 показан альтернативный вариант реализации, при котором концы распорок (5), которые прикреплены к соединительной точке (8) плавучей платформы, крыла или конструкции ложного дна, могут быть закреплены жестко, а не заделаны (ранее описанный вариант), а жесткое соединение также может быть разъединено.
На фиг.9 показана система, развернутая в рабочем положении, которая опирается на опору (4), находящуюся на морском или речном дне, и в значительной мере подобная полностью шарнирному варианту реализации, показанному на фиг.1, 2, 3 и 4. На фиг.10 показано, каким образом при такой компоновке система может всплыть или быть поднята иным путем на поверхность, где она оказывается расположенной под углом, с турбинами, частично выступающими из воды, и с плоской платформой или крылом, остающимися совмещенными с распоркой (распорками)(5) под углом к поверхности. Очевидно, что при направлении течения справа оно будет способствовать подъему системы и наоборот. Если система близка к нейтральной плавучести, это может оказаться основным способом генерирования сил, необходимых для ее подъема и опускания.
Когда нужно снять систему, возможно для технического обслуживания или ремонта, будут представлены средства для ее отсоединения от распорок, как показано на фиг.11. Распорки (5) являются полыми и могут быть заполнены воздухом, так что в случае необходимости они будут плавать для того, чтобы их можно было легко подсоединить при установке или замене системы. С другой стороны, они могут быть отмечены временными буями, и им дается возможность вновь опуститься на морское или речное дно.
На фиг.12 и 13 показана компоновка, подобная проиллюстрированной на фиг.1, 2, 3 и 4. Остаются применимыми одинаковые числовые позиции и описания большинства компонентов, хотя главное различие заключается в том, что распорки (5) и плоская крыловидная платформа или конструкция ложного морского дна (3) показаны прикрепленными к массивному основанию (12), которое погружено в морское или речное дно для предотвращения забивания свай, бурения для установки опор или установки якорей. Основание может быть выполнено из бетона или другого подобного долговечного и дешевого материала таким образом, что оно имело полую сердцевину для того, чтобы иметь возможность доставить его на место на плаву. Полую сердцевину можно заполнить песком или камнями (13) после установки в нужном положении, чтобы добавить массу для повышения устойчивости. Как только массивное основание окажется на месте, распорки могут быть повернуты из шарнирного соединения таким образом, чтобы дать возможность показанным на иллюстрации путем поднять на поверхность платформу, крыло или ложное морское дно.
Массивное основание может при взаимодействии с морским дном зависеть исключительно от своего веса и трения для предотвращения движения, но для выполнения этой функции могут также быть полезны имеющие определенный профиль острые выступы и лапы (обозначенные на схеме как 14), которые будут проникать в морское дно, или же в некоторых случаях они могут быть надежно заделаны или закреплены с использованием грунтовых якорей (не показаны).
И, наконец, на фиг.14 и 15 показан вариант описанного решения, при котором может оказаться желательным, чтобы свая (сваи) или анкерное средство (средства) (6) была достаточно высокой для того, чтобы выступать над поверхностью моря или реки. Это может быть сделано для удобства при отметке расположения системы, но свая или анкерное средство может в равной степени быть частью моста, пирса или другого подобного сооружения и это дает возможность расширить электростанцию без потребности в значительных подводных работах. Можно видеть, что в этом варианте реализации распорки (5) наклонены, когда плоская крыловидная платформа или конструкция ложного морского дна (3) находится в опущенном и рабочем положении, и они расположены горизонтально или почти горизонтально, когда система поднята на поверхность. Как и в других, уже описанных вариантах реализации, опора или опоры (4) могут располагаться, как показано, на морском или речном дне, или же они могут быть прикреплены к нижней поверхности плоской крыловидной платформы или конструкции ложного морского дна (3), как показано на фиг.5 и 6.
Конечно, существует возможность конфигурации, при которой свая (сваи) или анкерное средство (средства)(6) могут иметь ту же высоту между объектами, проиллюстрированными на фиг.1 и 14, и эта конфигурация будет находиться в рамках предложений по настоящему изобретению.
На практике, как было показано на чертежах, в общем прямоугольная плоская платформа или плот будет иметь более длинную размерность, которой будет достаточно для размещения суммарной ширины любого количества отдельных турбин, которые требуется установить на ее верхней поверхности. Кроме того, более длинная размерность будет помещена перпендикулярно направлению течений, так что турбины, которые будут установлены на верхней поверхности, располагаются поперек течения с рабочим профилем всех роторов, перпендикулярным потоку, так чтобы пересекать как можно больший водяной поток. В сущности, конструкция будет напоминать прямоугольное в плане крыло, подвешенное в столбе воды с размещенным на ней рядом турбин. В общем, турбины и силовые приводы, которые они приводят в действие, будут поддерживаться на платформе выровненными по вертикали обтекаемыми распорками, надежно прикрепленными к конструкции платформы.
Поперечное сечение или профиль прямоугольной поверхности или платформы (причем поперечное сечение рассматривается как параллельное направлению потока) должно быть обтекаемым по двум причинам, а именно для сведения к минимуму лобового сопротивления, возникающего при прохождении течения, а также для того, чтобы способствовать ориентации потока таким образом, чтобы свести к минимуму турбулентность в потоке, проходящем над поверхностью и через роторы. Для получения обтекаемой поверхности передний и задний края профиля в отношении потока воды будут сведены на конус или с получением острой кромки, или, что более предпочтительно, до узкой, но закругленной кромки, в наибольшей степени похожей на переднюю кромку крыла самолета, или гидрокрыло подводной лодки, или стабилизатор судна. В тех ситуациях, когда возникают приливы и отливы и направление течения периодически изменяется на противоположное (при приливе и отливе), поверхность будет имеет профиль, обтекаемость которого обеспечивает минимальное торможение в любом направлении.
Однако, так же как и в указанной выше более ранней патентной заявке, GB 2396666 «Несущие конструкции гидротурбин», поверхность плоской поверхности или платформы может быть в общем искривлена при наблюдении в поперечном сечении, параллельном потоку, так что она может ускорять или замедлять проходящий над ней поток, так чтобы улучшить распределение скоростей путем уменьшения «сдвига скоростей», а также дополнительно усилить поток, проходящий над верхней поверхностью и через роторы турбины путем отклонения потока, который в противном случае прошел бы под ней. Для достижения такого улучшения потока поперечное сечение прямоугольной плоской поверхности или платформы может быть (в некоторых, но не во всех случаях) также асимметричным или дугообразным в поперечном сечении (т.е. выпуклым с одной стороны и, возможно, вогнутым, плоским или по меньшей мере менее выпуклым с другой), так что она создает подъемную силу, перпендикулярную течению в значительной степени таким же образом, как аэродинамическая поверхность или гидродинамическая поверхность. Благодаря генерированию подъема фактически происходит возникновение движущих сил в потоке, известных как «циркуляция» относительно поперечного сечения прямоугольной плоской поверхности, которая может быть использована для усиления потока выше поверхности по сравнению с потоком, проходящим под ней, и таким образом турбины получат некоторое увеличение скорости потока, проходящего через роторы и, следовательно, увеличение мощности, которую они вырабатывают. Хотя в большинстве случаев указанная плоская крыловидная поверхность будет установлена со своей линией хорды (т.е. линией, соединяющей ведущую и заднюю кромку), находящейся под нулевым углом атаки к потоку, возможны причины для ее установки под небольшим углом атаки к потоку с целью достижения определенного эффекта в отношении улучшения потока, проходящего через роторы.
Таким образом, плоская поверхность или платформа будет служить не только надежной конструкцией для установки ротора (роторов) турбины, но она будет также выполнена таким образом, чтобы улучшить однородность и также увеличить скорость потока, проходящего через ротор (роторы) турбины, что будет способствовать улучшению их рабочих характеристик и эффективности по сравнению с работой при не модифицированном потоке.
Общим фактором для всех вариантов реализации настоящего изобретения является то, что упомянутая плоская несущая конструкция или крыловидная компоновка может быть помещена со своей горизонтальной (или почти горизонтальной) плоской поверхностью на опоре таким образом, что она может быть погружена на позицию возле морского или речного дна со своей продольной осью, перпендикулярной направлению течения. При установке таким образом ряд турбин, размещенных вдоль ее верхней поверхности, выравнивают так, что они располагают поверхность диска исполнительного механизма или вращающиеся поверхности в ряд, перпендикулярный потоку, и так, чтобы проходящий поток наиболее эффективно вращал указанные роторы.
Если поток проходит в одном направлении, как это имеет место в реке, могут использоваться односторонние роторы, но если поток является двухсторонним, как в случае приливных потоков, то должны применяться роторы, которые могут функционировать при потоке, идущем в любом направлении. Этого можно добиться посредством роторов с осевым потоком, которые считаются наиболее эффективными из известных до сих пор, за счет контроля шага лопастей в пределах 180 градусов, как описано в патенте GB 2347976.
Упомянутая выше плоская крыловидная поверхность с рядом турбин, размещенных на ее верхней поверхности, будет испытывать большую осевую силу в направлении течения при работе турбин и некоторую осевую силу при любом течении даже тогда, когда турбины не работают. Эта осевая сила будет пропорциональной обшей площади роторов и квадрату скорости потока. Поэтому исключительно важно предусмотреть средства, не допускающие смещения или опрокидывания под воздействием этих сил. Это требование может быть выполнено за счет применения одной, чаще двух, и в некоторых случаях множества распорок, которые подсоединяют между креплениями или анкерными средствами на дне моря или реки таким образом, чтобы быть выровненными приблизительно параллельно направлению течения, и одной из более длинных кромок крыловидной плоской поверхности.
Для того чтобы сделать понятной такую компоновку, крыловидную плоскую поверхность размещают в плане таким образом, что ее более длинная ось располагается перпендикулярно потоку в горизонтальной плоскости, а упомянутые распорки, предназначенные для предотвращения ее перемещения или опрокидывания, крепятся таким образом, что все они располагаются приблизительно горизонтально и симметрично под прямым углом к самой длинной оси крыловидной плоской поверхности, т.е. выровнены с направлением потока. Противоположный конец каждой распорки прикреплен к анкерному средству, или заделан в морское или речное дно, или прикреплен к достаточно массивной конструкции, надежно взаимодействующей с морским или речным дном, так что никакое скольжение не имеет места.
Кроме того, упомянутые распорки (или, возможно, распорка) обычно крепятся с каждого конца (т.е. в точке крепления к кромке крыловидной плоской поверхности и также в точке крепления к анкерным средствам) штифтовыми соединениями, шарнирными соединениями или шаровыми соединениями, так что они могут поворачиваться под углом не меньше 90 градусов относительно неподвижного анкерного средства (средств) на морском или речном дне.
Еще одним основным признаком настоящего изобретения, который относится ко всем вариантам реализации, является то, что крыловидная плоская поверхность с комплексом турбин, распределенных вдоль ее верхней поверхности, может свободно подниматься с любых предназначенных для нее опор, размещенных на морском дне, так чтобы достигать поверхности воды; способ подъема может предусматривать использование плавучести или какого-либо другого внешнего средства придания направленной по вертикали силы, такого как надводное судно с краном или подъемной системой на основе лебедки. Еще один способ подъема и опускания плоской поверхности заключается в придании ей при проектировании плавучести, близкой к нейтральной, так что для подъема или опускания требуется относительно небольшое усилие, поэтому она может быть поднята за счет использования искусственно приложенных подъемных сил, генерируемых откидными створками, прикрепленными к плоской поверхности, или даже путем использования водометов или вспомогательных двигателей, прикрепленных к плоской поверхности для ее подъема и опускания. Указанные водометы или вспомогательные двигатели могут быть встроены в саму поверхность. При нейтральной плавучести и даже в случаях, когда поверхность обладает значительным весом, желательно применение механизма фиксации, обеспечивающего взаимодействие с несущей конструкцией на морском дне для предотвращения случайного подъема или смещения плоской поверхности при работающих турбинах.
Когда крыловидную плоскую поверхность поднимают таким образом, упомянутые выше распорки могут допустить такое движение благодаря наличию штифтовых соединений или шарниров как на анкерном средстве, так и там, где они крепятся к кромке крыловидной плоской поверхности. Поскольку распорки прикреплены штифтом к неподвижным анкерным средствам на морском или речном дне, они могут описывать дугу в вертикальной плоскости с центром на штифте или шарнире на анкерном средстве и поэтому требуется подобрать такие размеры распорок, при которых их длина превышала максимальную глубину над анкерным средством, чтобы их противоположные концы могли подняться над поверхностью воды при ее наиболее высоком вероятном уровне. Поскольку распорка (распорки) будет подвергаться воздействию тянущих усилий, вызванных течением, когда они находятся в повернутом и поднятом положении, дополнительным признаком согласно изобретению будет наличие у них обтекаемого профиля с целью сведения к минимуму упомянутых тянущих усилий.
Поэтому крыловидная плоская поверхность принуждается к подъему в столбе воды по дуге, описываемой распорками, к которым она прикреплена, до тех пор, пока она не выйдет на поверхность воды. В такой ситуации турбины будут располагаться над уровнем воды, так что их легче обслуживать и ремонтировать или же облегчается установка или демонтаж систем без использования при этом подводных работ любого типа.
Из сказанного понятно, что настоящее изобретение позволяет добиться следующей компоновки:
1. Ряд турбин, расположенных перпендикулярно направлению течения в столбе воды реки или приливного потока на верхней поверхности горизонтальной крыловидной платформы, образующей несущую конструкцию, которая может опираться на одну или несколько опор, отделяющих ее от морского или речного дна.
2. Смещению или опрокидыванию несущих конструкций вместе с их рядом турбин препятствует одна или предпочтительно две (или более) горизонтальные (или приблизительно горизонтальные) распорки, размещенные в направлении течения таким образом, чтобы соединять их с фиксированными анкерными средствами (или анкерным средством), установленными на морском или речном дне.
3. Указанные распорки прикреплены штифтовыми или шарнирными соединениями, так что они могут позволить поднимать платформу с ее рядом турбин по вертикальной дуге до достижения ею поверхности воды для обеспечения доступа к турбинам для технического обслуживания, ремонта или замены. В поднятом положении распорки служат швартовыми, удерживающими платформу и ее ряд турбин на месте даже при сильных приливных или речных течениях.
4. Упомянутая платформа может иметь профиль при наблюдении в поперечном сечении, параллельном направлению потока, причем форма профиля обеспечивает обтекаемость (для сведения к минимуму сопротивления), а также может быть такой, чтобы усиливать поток, проходящий поверх платформы и проходящий через роторы. Это улучшение может привести к уменьшению сдвига скорости, вызывая ускорение потока непосредственно над платформой, и оно включает также в себя отклонение потока от более низких уровней в столбе воды для повышения эффективной скорости потока, проходящего через ротор (роторы).