РАБОТАЮЩЕЕ ОТ ЭНЕРГИИ ВОЛН НАГНЕТАТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО И СПОСОБ НАГНЕТАНИЯ ФЛЮИДА С ЕГО ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ
WAVE-POWERED INJECTOR AND METHOD TO INJECT FLUIDS WITH ITS HELP

Область применения изобретения
Настоящее изобретение в общем имеет отношение к снабжаемым энергией от волн нагнетательным устройствам. Более конкретно настоящее изобретение имеет отношение к нагнетательному устройству, предназначенному для использования в приливных водах.
Предпосылки к созданию изобретения
Уже известны снабжаемые энергией от волн нагнетательные устройства. Типично эти устройства содержат насос, который приводится в движение за счет вертикального перемещения поплавка, расположенного на поверхности водного пространства, например, на поверхности моря. Снабжаемые энергией от волн нагнетательные устройства могут быть использованы для нагнетания воды через турбины, чтобы вырабатывать гидроэнергию, или могут быть использованы для нагнетания воды в резервуар на берегу, где ее накапливают для дальнейшего использования, например, чтобы вырабатывать гидроэнергию по запросу.
Пример известного нагнетательного устройства описан в патенте Заявителя GB 2453670 В и показан на фиг.1. Как это показано на фиг.1, известное нагнетательное устройство содержит насос, установленный на затопленной платформе 30. Платформа 30 связана с морским дном 31 при помощи цепи 28 и поддерживается в вертикальном положении в воде при помощи подводного поплавка 21. Насос содержит поршень 12, выполненный с возможностью возвратно-поступательного движения внутри цилиндра 9. Соединительный элемент 5 соединяет поршень 12 с утяжеленным поплавком 2, расположенным на поверхности моря.
В рабочем состоянии утяжеленный поплавок 2 поднимается вверх при увеличении высоты волны и падает вниз под действием силы тяжести, когда проходит (отступает) волна. Это вертикальное перемещение утяжеленного поплавка 2 при проходе волн управляет возвратно-поступательным движением поршня 12 и соединительного элемента 5 внутри цилиндра 9. Насос имеет двойное действие и работает следующим образом: при ходе вверх поршня 12, вода всасывается в цилиндр 9 через впускной клапан 14 и одновременно вода выталкивается из цилиндра 9 через выпускной клапан 8 и через коллектор 10. Наоборот, при ходе вниз поршня 12, вода всасывается в цилиндр 9 через впускной клапан 7 и одновременно вода выталкивается из цилиндра 9 через выпускной клапан 13 и через коллектор 10.
Платформу 30 можно поднимать или опускать в воде, чтобы регулировать высоту насоса в соответствии с различными приливными состояниями. Для этого платформа 30 содержит заполненную воздухом колонну 22, которая выполнена с возможностью телескопического движения относительно затопленного цилиндра 23. Когда в водном пространстве уровень воды поднимается, например, при приливе, утяжеленный поплавок 2 также поднимается и поднимает соединительный элемент 5 относительно цилиндра 9. Когда соединительный элемент 5 доходит до своего максимального удлинения из цилиндра 9, тогда продолжающееся движение вверх утяжеленного поплавка 2 преимущественно при приливе побуждает наполненную воздухом колонну 22 удлиняться относительно затопленного цилиндра 23.
У своего основания затопленный цилиндр 23 содержит всасывающий редукционный впускной клапан 25 и нагнетательный редукционный выпускной клапан 26. Когда наполненная воздухом колонна 22 удлиняется при приливах, вода всасывается через всасывающий редукционный впускной клапан 25 в камеру между колонной 22 и цилиндром 23. Наоборот, чтобы позволить колонне 22 втягиваться при отливах до меньшей высоты насоса, воду выталкивают из камеры через нагнетательный редукционный выпускной клапан 26. Всасывающий редукционный впускной клапан 25 и нагнетательный редукционный выпускной клапан 26 установлены так, чтобы создавать гидравлический замок, чтобы удерживать колонну 22 в положении, которое позволяет насосу 9 работать с нормальной величиной хода.
Регулировка высоты насоса в воде является важной, так как она позволяет насосу находиться на правильной высоте, чтобы работать нормально, когда утяжеленный поплавок 2 может двигаться вверх и вниз, и обеспечивает защиту компонентов нагнетательного устройство от чрезмерных нагрузок и усилий. Например, если бы высота насоса была фиксированной, то тогда при приливах насос находился бы слишком глубоко в воде. Это могло бы приводить к положению равновесия взвешенного поплавка 2, слишком удаленного от насоса, что не позволило бы поршню 12 работать при полном ходе вверх.
При приливах, если положение равновесия взвешенного поплавка 2 слишком удалено от насоса, тогда соединительный элемент 5 будет значительно выдвинут из насоса в течение длительных периодов времени. В этом выдвинутом положении, соединительный элемент 5 не будет защищен цилиндром 9 и будет подвержен воздействию больших боковых сил за счет движения волны в воде. Соединительный элемент 5 изготовлен из металла и имеет малый диаметр по сравнению с внутренним диаметром цилиндра 9. Соединительный элемент 5 проходит через нагнетательную камеру, и поэтому требуется его малый диаметр, чтобы максимально повысить нагнетательную способность устройства при нагнетательном ходе вверх. За счет своего малого диаметра, соединительный элемент 5 может изгибаться или подвергаться короблению под действием боковых сил, если он выдвинут из цилиндра 9 в течение длительных периодов времени. Таким образом, необходимо иметь платформу с регулируемой высотой, чтобы исключить выдвижение соединительного элемента 5 из цилиндра 9 на длительные периоды времени.
Несмотря на то что описанная выше со ссылкой на фиг.1 система работает хорошо, задачей настоящего изобретения является создание другого нагнетательного устройства, имеющего упрощенную конструкцию.
Раскрытие изобретения
В соответствии с первым аспектом настоящего изобретения, предлагается снабжаемое энергией от волн нагнетательное устройство, предназначенное для размещения в водном пространстве, причем указанное нагнетательное устройство содержит: погружаемый цилиндр, прикрепленный к дну водного пространства, причем указанный цилиндр имеет отверстие; подводный поплавок, воздействующий на цилиндр, причем указанный подводный поплавок выполнен так, чтобы удерживать цилиндр в вертикальной ориентации в воде; поверхностный поплавок, выполненный так, что в рабочем состоянии он плавает на поверхности водного пространства или достаточно близко от нее, чтобы перемещаться вверх и вниз в водном пространстве в соответствии с движением волны и с приливно-отливным движением; удлиненный элемент, отходящий вниз от поверхностного поплавка, причем указанный удлиненный элемент входит телескопически в отверстие погружаемого цилиндра, чтобы образовать нагнетательную камеру внутри цилиндра; причем: объем нагнетательной камеры изменяется при движении волны в нагнетательном цикле, чтобы всасывать флюид в нагнетательную камеру при ходе вверх удлиненного элемента и откачивать флюид из нагнетательной камеры при ходе вниз удлиненного элемента; длина нагнетательной камеры изменяется с приливно-отливным движением, для подстройки к изменению глубины прилива и отлива за счет выпускания или втягивания удлиненного элемента относительно цилиндра, в то время как эффективные нагнетательные циклы продолжаются при различных амплитудах прилива, без необходимости перемещения цилиндра относительно дна водного пространства; причем на том участке, на котором удлиненный элемент втянут в отверстие цилиндра, удлиненный элемент занимает большую часть площади поперечного сечения отверстия.
Устройство в соответствии с настоящим изобретением проще, дешевле и эффективнее, чем известные ранее системы. Снижение издержек по меньшей мере частично получено за счет использования меньшего числа деталей, чем в известных ранее системах. Например, в соответствии с настоящим изобретением не требуется отдельная регулируемая по высоте платформа и связанные с ней клапаны, чтобы поднимать и опускать цилиндр в воде для приспособления к приливно-отливным изменениям. Вместо этого, в соответствии с настоящим изобретением удлиненный элемент выпускают или втягивают телескопически относительно цилиндра, чтобы компенсировать приливно-отливные изменения. При приливе удлиненный элемент значительно будет выдвинут из цилиндра, в то время как при отливе удлиненный элемент будет главным образом втянут внутрь цилиндра.
Удлиненный элемент в соответствии с настоящим изобретением значительно толще, чем соответствующие удлиненные элементы (или соединительные тяги) известных ранее систем. В отличие от известных ранее систем, удлиненный элемент в соответствии с настоящим изобретением имеет большой диаметр и занимает большую часть площади поперечного сечения отверстия, когда он втянут внутрь цилиндра.
Большой диаметр удлиненного элемента позволяет сопротивляться изгибам или короблению под действием мощных боковых сил, воздействующих на него в воде, когда он выдвинут из цилиндра. Способность сопротивления деформациям указанным образом позволяет удлиненному элементу оставаться в сильно выпущенном или открытом положении в течение более длительных периодов времени, чем известные ранее системы. Таким образом, устройство в соответствии с настоящим изобретением может быть подстроено телескопически к приливно-отливным изменениям, в то время как в известных ранее системах используют регулируемый по высоте цилиндр, чтобы исключить выпускание соединительной тяги на длительные периоды времени.
Типично, удлиненный элемент имеет диаметр, который по меньшей мере составляет 90% диаметра отверстия. Диаметр отверстия может лежать в диапазоне 500-1600 мм. Преимущественно, отверстие имеет диаметр по меньшей мере 550 мм. Диаметр удлиненного элемента может лежать в диапазоне 500-1500 мм. Само собой разумеется, что устройство может быть намного длиннее, если его должны использовать в очень глубоких водах или в водных пространствах, имеющих очень высокие волны или большие амплитуды прилива. Устройство также может быть масштабировано для нагнетания еще больших объемов флюида. Таким образом, не исключено, что размеры различных компонентов могут превосходить указанные размеры.
Удлиненный элемент может иметь по существу круглое поперечное сечение и/или главным образом одинаковую площадь поперечного сечения по его длине. Удлиненный элемент работает как поршень. Днище поршня предусмотрено на нижнем конце удлиненного элемента, причем нижний конец удален от поверхностного поплавка. Днище поршня может быть отдельной деталью, соединенной с удлиненным элементом, или может быть образовано за счет закрытого нижнего конца удлиненного элемента. В других конструктивных вариантах может быть использован удлиненный элемент с открытым концом. Выпуск может быть предусмотрен на верхнем конце удлиненного элемента. Выпуск может иметь связь с генератором, установленным над удлиненным элементом.
Устройство преимущественно сконфигурировано так, что ход вниз удлиненного элемента представляет собой главный (или возможно единственный) рабочий ход. В тех конструктивных вариантах, в которых удлиненный элемент имеет закрытый нижний конец, главная нагнетательная камера расположена ниже удлиненного элемента, когда цилиндр расположен вертикально. Однако, когда удлиненный элемент имеет открытый нижний конец, нагнетательная камера может быть вытянута вверх в удлиненный элемент. В том и другом случаях, по меньшей мере большая часть нагнетательной камеры преимущественно расположена ниже самого верхнего конца цилиндра, когда цилиндр расположен вертикально. Кроме того, в том и другом случаях, удлиненный элемент не занимает часть нагнетательной камеры или не проходит через нее, и таким образом нет необходимости в ограничении размера (диаметра) удлиненного элемента в соответствии с настоящим изобретением.
Для облегчения телескопической подстройки к приливам и отливам, используют удлиненный элемент, который значительно длиннее, чем соединительные тяги известных ранее систем. Аналогично, цилиндр значительно выше, чем известные ранее цилиндры. Типично, как цилиндр, так и удлиненный элемент имеют длину от 10 до 20 метров, однако следует иметь в виду, что они могут быть короче или длиннее, чтобы соответствовать специфическим характеристикам в конкретном водном пространстве. Преимущественно, цилиндр и удлиненный элемент имеют длину по меньшей мере 10 метров. Устройство подходит для использования в водных пространствах, в которых приливы и отливы создают значительные изменения глубины. Например, в некоторых водных пространствах могут происходить изменения глубины до 12 метров. Для подстройки к такой амплитуде прилива могут быть использованы цилиндр длиной 15 метров и удлиненный элемент длиной 15 метров. Это все еще позволяет дополнительно иметь 3 метра перемещения для ведомого волной возвратно-поступательное движения удлиненного элемента при приливах. Само собой разумеется, что цилиндр и удлиненный элемент могут быть сделаны еще длиннее, чтобы подстраиваться к еще большим волнам при приливах, если это требуется.
Удлиненный элемент может быть изготовлен из металла или из железобетона. Альтернативно, удлиненный элемент может быть изготовлен из пластмассы. Преимущественно, удлиненный элемент изготавливают из полиэтилена высокой плотности. Удлиненный элемент может быть изготовлен из композиционных материалов. В частности, удлиненный элемент может быть изготовлен из армированных волокном композиционных материалов. Например, удлиненный элемент может быть изготовлен из армированных волокном пластмасс, например, из армированного стекловолокном или нейлоновым волокном полиэтилена высокой плотности.
Обычно удлиненный элемент может быть полым или может иметь внутреннюю полость. Например, удлиненный элемент может быть трубчатым и может иметь по существу круглое поперечное сечение. Балласт, такой как заполнитель, вода, металл или другой плотный материал, может быть введен в полость для стабилизации (повышения устойчивости) удлиненного элемента в воде. Балласт повышает вес удлиненного элемента и способствует нагнетательному ходу вниз.
Область зазора, которая образована между цилиндром и удлиненным элементов внутри отверстия, может быть кольцевой. Область зазора может иметь ширину меньше чем 5 % диаметра удлиненного элемента. Преимущественно, ширина области зазора составляет меньше чем 2% диаметра удлиненного элемента, а предпочтительнее, меньше чем 1.5%. Типично, ширина области зазора лежит в диапазоне от 5 до 10 мм. Преимущественно, ширина области зазора составляет около 7 мм.
Удлиненный элемент преимущественно установлен в отверстии со скользящей посадкой. В области зазора могут быть предусмотрены подшипники для облегчения скольжения. Первый подшипник может быть установлен на внешней поверхности удлиненного элемента. Первый подшипник может быть установлен на нижнем концевом участке удлиненного элемента. Второй подшипник может быть установлен на внутренней стенке цилиндра. Второй подшипник может быть расположен в верхнем концевом участке цилиндра. Эта конфигурация подшипников помогает удерживать удлиненный элемент концентрически внутри цилиндра.
Устройство может быть сконфигурировано так, что, в его рабочем состоянии, растения или водоросли накапливаются в области зазора, чтобы смазывать удлиненный элемент при его движении внутри цилиндра. Скребок может быть предусмотрен на входе в область зазора, чтобы удалять избыточную толщину растений во время движения удлиненного элемента внутри цилиндра. Скребок также не позволяет закрепляться баланусам, моллюскам и т.п. на этой части цилиндра. Устройство может быть сконфигурировано так, что, в его рабочем состоянии, пленка воды в области зазора смазывает удлиненный элемент при его движении внутри цилиндра.
Поверхностный поплавок может иметь плавучую часть и часть балласта. Плавучая часть может быть заполнена воздухом. Часть балласта может содержать бак, который может содержать заполнитель или воду в качестве балласта. Если используют воду, то при необходимости количество воды в баке можно регулировать динамически, чтобы изменять балласт. Например, в штормовых условиях, в бак можно залить больше воды, чтобы погрузить поверхностный поплавок ниже морской поверхности. При более спокойных условиях на море, в бак может быть закачен воздух, например, из накопительного бака, чтобы вытолкнуть часть воды или всю воду из бака, чтобы вновь поднять поверхностный поплавок. Альтернативно, при необходимости поверхностный поплавок может быть расположен ниже поверхности моря при нормальном использовании, но достаточно близко к поверхности, чтобы совершать возвратно-поступательное движение в соответствии с движением волны. Часть балласта может дополнительно или альтернативно содержать бетон или металл, например, чугун.
Цилиндр может быть соединен с дном водного пространства при помощи страховочного фала, такого как веревка, цепь, трос и т.п. Использование страховочного фала является удобным и дешевым по сравнению с жестким соединением. Однако жесткое соединение, такое как шаровое шарнирное соединение, которое позволяет цилиндру совершать поворот относительно вертикального положения, также не выходит за рамки настоящего изобретения. Страховочный фал позволяет легко задавать и/или изменять высоту цилиндра в водном пространстве. Цилиндр может иметь фланец, к которому может быть привязан страховочный фал. Цилиндр может иметь единственную точку привязки, в которой могут быть привязаны один или несколько страховочных фалов. Преимущественно используют единственный страховочный фал для соединения цилиндра с дном водного пространства. Использование единственного страховочного фала позволяет устройству свободно перемещаться относительно точки крепления, чтобы приспосабливаться к преобладающему течению воды. Единственный страховочный фал исключает 'захватывание', которое может быть проблемой в системах с множеством страховочных фалов.
Подводный поплавок имеет существенную и достаточную плавучесть для того, чтобы сопротивляться воздействию направленных вниз сил от удлиненного элемента и поверхностного поплавка во время нагнетательного хода вниз. В системах со страховочным фалом, подводный поплавок имеет достаточную плавучесть для того, чтобы страховочный фал оставался натянутым при нагнетательном ходе вниз. Эта конфигурация отличается от большинства известных ранее систем, которые должны быть жестко связаны с дном водного пространства или должны быть жестко связаны с фиксированной платформой, если ход вниз используют как рабочий ход. Следовательно, нагнетательное устройство в соответствии с настоящим изобретением может быть свободно стоящим и независимым. В отличие от большинства известных ранее систем, нагнетательное устройство не требует дополнительных средств стабилизации, чтобы поддерживать его вертикально в воде.
Подводный поплавок надлежащим образом воздействует на верхний конец цилиндра. В соответствии с предпочтительными вариантами осуществления настоящего изобретения, подводный поплавок имеет форму кожуха, надетого вокруг верхнего конца цилиндра. Этот кожух может быть наполнен воздухом. В этой конфигурации, когда удлиненный элемент имеет закрытый конец, часть отверстия, которая образует нагнетательную камеру, продолжается внутри цилиндра до уровня ниже подводного поплавка. Аналогично, когда удлиненный элемент имеет открытый конец, большая часть нагнетательной камеры все еще будет находиться ниже подводного поплавка. Это отличается от известных ранее систем, в которых эквивалентное отверстие и нагнетательная камера расположены над подводным поплавком. Настоящее изобретение преимущественно позволяет получить более низкий центр тяжести, так что устройство в соответствии с настоящим изобретением является более стабильным, чем свободностоящие известные ранее устройства.
Нагнетательное устройство содержит выпуск, сообщающийся с нагнетательной камерой. Труба или шланг могут быть соединены с выпуском для подачи накаченного флюида в удаленное местоположение. Выпуск преимущественно может быть предусмотрен на нижней концевой области цилиндра. Предусмотрение выпуска на низком уровне гарантирует, что труба или шланг не будет отклонять цилиндр от его вертикального положения в воде. Кроме того, предусмотрение выпуска на низком уровне означает, что устройство является самопромывным: ил или другие отходы, которые падают на дно цилиндра, могут промываться через выпуск при нагнетательном ходе вниз. Нагнетательное устройство также может иметь впуск, сообщающийся с нагнетательной камерой. Аналогично, впуск может быть предусмотрен на нижней концевой области цилиндра. В этом месте окружающая вода имеет относительно высокое давление за счет глубины. Следовательно, флюид, поступающий в нагнетательную камеру через впуск, содействует движению вверх удлиненного элемента и ускоряет его при ходе вверх. Предусмотрение впуска на достаточно низком уровне гарантирует реализацию этого эффекта для всех приливно-отливных состояний, в том числе при отливах, когда удлиненный элемент втянут внутрь цилиндра на максимальную величину. Дополнительное преимущество от предусмотрения впуска на достаточно низком уровне заключается в том, что это минимизирует воздействие на впуск прямого солнечного света и, следовательно, минимизирует рост водорослей и накопление растений, водорослей, моллюсков, баланусов и т.п. на впуске и вокруг него.
Нагнетательное устройство преимущественно сконфигурировано так, чтобы нагнетать воду из окружающего водного пространства. В этом случае, впуск может сообщаться с окружающей водой. Накаченная вода может быть использована, например, для выработки гидроэнергии или для опреснения. Альтернативно, нагнетательное устройство может быть сконфигурировано так, чтобы нагнетать другие типы флюида, например, нефть или газ, за счет соединения впуска с соответствующим коллектором флюида.
Преимущественно, устройство представляет собой устройство простого действия. Однако устройство двойного действия также не выходит за рамки настоящего изобретения.
В соответствии со вторым аспектом настоящего изобретения, предлагается способ нагнетания флюида с использованием снабжаемого энергией от волн нагнетательного устройства, причем указанное нагнетательное устройство содержит погружаемый цилиндр, удерживаемый в вертикальном положении за счет плавучести, удлиненный элемент, телескопически введенный внутрь цилиндра, и поплавок, расположенный над цилиндром и связанный с удлиненным элементом, причем поплавок и удлиненный элемент выполнены так, чтобы совершать возвратно-поступательное движение относительно цилиндра в соответствии с движением волны и с приливно-отливным движением в водном пространстве, при этом указанный способ включает в себя следующие операции: нагнетание флюида во время приводимого в движение волной нагнетательного цикла, причем движение волны в водном пространстве побуждает поплавок и удлиненный элемент совершать возвратно-поступательное движение относительно цилиндра с частотой следования и с амплитудой, которые определяются частотой следования и амплитудой волн в водном пространстве; и подстройка к приливно-отливным изменениям в водном пространстве во время прилива и отлива за счет выпускания или втягивания удлиненного элемента телескопически относительно цилиндра, при поддержании ведомого волной нагнетательного цикла, чтобы нагнетать флюид в течение всего приливно-отливного периода.
Промежуток времени между последовательными пиками волн в море может лежать в диапазоне от 7 до 12 секунд, а обычно составляет от 8 до 9 секунд, и типично около 8.5 секунд. Ведомый волной нагнетательный цикл должен иметь продолжительность, ориентировочно равную промежутку времени между последовательными пиками волн.
Период следования приливов, который представляет собой промежуток времени между последовательными приливами, зависит от водного пространства, но обычно составляет ориентировочно 12.5 часов. При расположении в водном пространстве, имеющем такой период следования приливов, выпускание удлиненного элемента из цилиндра будет максимальным ориентировочно через каждые 12.5 часов во время прилива.
Способ может предусматривать работу устройства в водных пространствах, имеющих амплитуду прилива до 12 метров. Под амплитудой прилива понимают изменение средней глубины воды между отливом и приливом. Следует иметь в виду, что амплитуда прилива в водном пространстве изменяется вместе с лунным циклом, причем максимальная амплитуда прилива будет при сизигийных приливах, а минимальная амплитуда прилива будет при квадратурных приливах. Цилиндр и удлиненный элемент преимущественно являются достаточно длинными для того, чтобы приспособиться к амплитуде прилива, в том числе и к сизигийному приливу, в то время как они позволяют продолжать совершать ведомое волной возвратно-поступательное движение при приливе. Таким образом, способ может предусматривать выпускание удлиненного элемента на длину до 12 метров (и даже больше при сизигийных приливах) из цилиндра, чтобы приспособиться к приливу, в то время как они позволяют выпускать удлиненный элемент больше из цилиндра, чтобы приспособиться к ведомому волной возвратно-поступательному движению при приливе. При силе ветра 6 баллов Бофорта, то есть при сильном ветре, высота от пика до впадины волн в море типично составляет от 3 до 4 метров. При силе ветра 9 баллов Бофорта, то есть при шторме, высота волн может доходить до 7-10 метров, в то время как при силе ветра 11 или 12 баллов Бофорта, то есть при сильном шторме или урагане, высота волн может доходить до 16 метров. Таким образом, способ может предусматривать работу нагнетательного устройства в водном пространстве, имеющем волны такой амплитуды.
Способ может предусматривать по существу поддержание неизменной высоты цилиндра в водном пространстве во время прилива. Поддержание высоты цилиндра может предусматривать поддержание по существу постоянного разделительного расстояния между дном водного пространства и основанием цилиндра.
Концепция изобретения включает в себя снабжаемое энергией от волн нагнетательное устройство простого действия, содержащее погружаемый цилиндр, привязанный к дну водного пространства и поддерживаемый вертикально в воде при помощи подводного поплавка; причем указанный цилиндр имеет отверстие, в которое телескопически введен удлиненный поршневой элемент; при этом указанный поршневой элемент соединен на верхнем конце с поверхностным поплавком, расположенным над цилиндром, чтобы совершать возвратно-поступательное движение в воде в соответствии с движением волны, чтобы приводить в движение поршневой элемент внутри отверстия; причем указанный поршневой элемент имеет по существу постоянное поперечное сечение вдоль по меньшей мере той части его длины, которая при работе введена в отверстие, причем указанное поперечное сечение занимает большую часть площади поперечного сечения отверстия.
Концепция изобретения также включает в себя способ нагнетания флюида с использованием снабжаемого энергией от волн нагнетательного устройства, причем указанный способ включает в себя следующие операции: погружение цилиндра в водное пространство, причем указанный цилиндр имеет отверстие; прикрепление цилиндра к дну водного пространства; поддержание цилиндра по существу в вертикальной ориентации с использованием подводного поплавка; размещение поверхностного поплавка на поверхности водного пространства или поблизости от нее, так чтобы поверхностный поплавок двигался вверх и вниз в водном пространстве в соответствии с движением волны и с приливно-отливным движением; выпускание удлиненного элемента телескопически из отверстия цилиндра, чтобы образовать нагнетательную камеру внутри цилиндра, причем удлиненный элемент соединен на верхнем конце с поверхностным поплавком; использование хода вверх удлиненного элемента, чтобы всасывать флюид в нагнетательную камеру при повышении высоты волны; использование хода вниз удлиненного элемента, чтобы выталкивать флюид из нагнетательной камеры при снижении высоты волны; выпускание или втягивание удлиненного элемента относительно цилиндра при приливно-отливном движении, чтобы изменять длину нагнетательной камеры, чтобы приспосабливать устройство к изменению глубины прилива, в то время как эффективные нагнетательные циклы продолжаются при различных амплитудах прилива.
Указанные ранее и другие характеристики изобретения будут более ясны из последующего детального описания, приведенного со ссылкой на сопроводительные чертежи.
Краткое описание чертежей
В разделе «Предпосылки к созданию изобретения» уже было описано со ссылкой на фиг.1 известное нагнетательное устройство.
На фиг.2а показан вид сбоку в разрезе нагнетательного устройства простого действия в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения, причем указанное устройство показано в условиях отлива.
На фиг.2b показан разрез по линии А-А, показанной на фиг.2а.
Фиг.2с соответствует фиг.2а, но на ней показано нагнетательное устройство в условиях прилива.
На фиг.3 показан вид сбоку в разрезе нагнетательного устройства простого действия в соответствии со вторым вариантом осуществления настоящего изобретения.
На фиг.4 показан вид сбоку в разрезе нагнетательного устройства простого действия в соответствии с третьим вариантом осуществления настоящего изобретения.
На фиг.5 показан вид сбоку в разрезе нагнетательного устройства двойного действия в соответствии с четвертым вариантом осуществления настоящего изобретения.
Подробное описание изобретения
Обратимся теперь к рассмотрению фиг.2а, на которой показано расположенное в море нагнетательное устройство 100 в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения. Если описывать вкратце, то нагнетательное устройство 100 содержит трубчатый цилиндр 102, который погружен ниже морской поверхности 104. Цилиндр 102 привязан к бетонному блоку 106 на морском дне 108 при помощи цепи 110 и удерживается по существу в вертикальном положении в воде 112 при помощи подводного поплавка 114. Цилиндр 102 имеет цилиндрическое отверстие 116, ограниченное круговой внутренней стенкой 117 цилиндра 102. Удлиненный элемент 118 телескопически введен в отверстие 116. Удлиненный элемент 118 имеет нижний конец 120, соединенный с днищем 122 поршня, и верхний конец 124, соединенный с поверхностным поплавком 126, находящимся на морской поверхности 104. Днище 122 поршня и удлиненный элемент 118 совершают возвратно-поступательное движение внутри отверстия 116, когда поверхностный поплавок 126 движется вверх и вниз в воде 112, приводимый в движение за счет движения волны. На фиг.2а показано, что удлиненный элемент 118 находится у нижней границы его хода вниз при отливе.
Теперь различные компоненты нагнетательного устройства будут описаны более подробно, также со ссылкой на фиг.2а. Следует иметь в виду, что этот чертеж приведен не в реальном масштабе.
Поверхностный поплавок 126 имеет диаметр около 10 метров и содержит заполненную воздухом плавучую часть 128 и часть 130 балласта в виде бака, содержащего морскую воду. Объем воды в баке можно регулировать динамически для подстройки балласта, если это необходимо. Например, в штормовых условиях, в бак можно залить больше воды, чтобы погрузить поверхностный поплавок 126 ниже морской поверхности 104. При более спокойных условиях на море, в бак может быть закачен воздух, например, из накопительного бака, чтобы вытолкнуть часть воды или всю воду из бака, чтобы вновь поднять поверхностный поплавок 126.
Цилиндр 102 имеет длину около 15 метров и идет от закрытого нижнего конца 132 в направлении открытого верхнего конца 134. Нижний конец 132 имеет форму перевернутой буквы Y, с ветвями 136, 137 перевернутой буквы Y, идущими вниз и наружу в направлении морского дна 108. Открытый верхний конец 134 образует вход 138 в отверстие 116. Вход 138 обращен к морской поверхности 104, когда цилиндр 102 расположен вертикально, как это показано на чертеже.
Цилиндр 102 содержит впуск 140 и выпуск 142, которые образованы за счет соответствующих ветвей 136, 137 перевернутого Y-образного нижнего конца 132. Впуск 140 и выпуск 142 содержат соответствующие впускной и выпускной клапаны 144, 146, которые сообщаются с нагнетательной камерой 148, образованной внутри отверстия 116. Выпускная труба 150 или передаточный шланг для передачи накаченного флюида в удаленное местоположение прикреплены к выпускной ветви 137 цилиндра 102. Соединительный фланец 152 предусмотрен между ветвями 136, 137 Y-образного нижнего конца 132. Верхний конец 154 цепи 110 прикреплен к соединительному фланцу 152, в то время как нижний конец 156 цепи 110 прикреплен к бетонному блоку 106 на морском дне 108, чтобы прикрепить цилиндр 102 к морскому дну 108.
Трубчатый удлиненный элемент 118 имеет длину около 15 метров и изготовлен из полиэтилена высокой плотности. Внутренняя полость 158 удлиненного элемента 118 содержит заполнитель 160, который действует как балласт, чтобы стабилизировать удлиненный элемент 118 (обеспечивать его устойчивость) в воде 112.
Первый направляющий подшипник 162 установлен снаружи на нижнем конце 120 удлиненного элемента 118, в то время как второй направляющий подшипник 164 установлен внутри в отверстии 116 у открытого верхнего конца 134 цилиндра 102. Первый и второй направляющие подшипники 162, 164 поддерживают удлиненный элемент 118 и цилиндр 102 в концентрической связи и способствуют гладкому перемещению удлиненного элемента 118 и связанного с ним днища 122 поршня, когда они совершают возвратно-поступательное движение в отверстии 116.
Обратимся теперь к рассмотрению фиг.2b, где показан разрез цилиндра 102 и удлиненного элемента 118 по линии А-А на фиг.2а. Узкая область 166 зазора образована между внешней поверхностью 167 удлиненного элемента 118 и внутренней стенкой 117 цилиндра 102. Радиальный зазор между цилиндром 102 и удлиненным элементом 118, показанный стрелками 168, составляет около 7 мм, что является достаточным для размещения первого направляющего подшипника 162, показанного на фиг.2а. Диаметр отверстия 116, показанный сдвоенной стрелкой 170, составляет 550 мм. Внешний диаметр удлиненного элемента 118, показанный сдвоенной стрелкой 172, составляет 536 мм. Таким образом, удлиненный элемент 118 имеет площадь поперечного сечения, которая занимает основную часть площади поперечного сечения отверстия 116. Важно отметить, что эта конфигурация резко отличается от конфигурации известных ранее систем, например, от конфигурации устройства, показанного на фиг.1, в котором используют удлиненный элемент 5, имеющий значительно меньший диаметр, чем диаметр соответствующего отверстия. Следовательно, этот удлиненный элемент 5 занимает малую часть площади поперечного сечения этого отверстия.
Вновь обратимся к рассмотрению фиг.2а, на которой показан подводный поплавок 114 в виде кольца, надетого вокруг верхнего конца 134 цилиндра 102. Подводный поплавок 114 имеет плавучесть, достаточную для того, чтобы поддерживать цилиндр 102 вертикально в воде 112, так что цепь 110 остается натянутой даже при сильном ходе вниз удлиненного элемента 118 и связанного с ним днища 122 поршня внутри отверстия 116.
Днище 122 поршня имеет форму диска и лежит в плоскости, перпендикулярной продольной оси 174 отверстия 116. Уплотнительное кольцо (не показано) окружает днище 122 поршня и прилегает к внутренней стенке цилиндра 117, образуя уплотнение между нагнетательной камерой 148 и областью 166 зазора.
Нагнетательная камера 148, имеющая переменный объем, расположена ниже днища 122 поршня, когда цилиндр 102 расположен вертикально, как это показано на фиг.2а. Объем нагнетательной камеры 148 изменяется в соответствии с рабочим объемом цилиндра 102, когда удлиненный элемент 118 и связанное с ним днище 122 поршня совершают возвратно-поступательное движение внутри отверстия 116. Рабочий объем зависит от возвратно-поступательного движения поверхностного поплавка 126, которое, в свою очередь, зависит от высоты волны в воде 112 в любой данный момент времени.
Далее будет описана работа нагнетательного устройства 100, вновь со ссылкой на фиг.2а и 2с.
Обратимся сначала к рассмотрению фиг.2а, на которой показано, что, когда высота волны на морской поверхности 104 возрастает, то тогда плавучесть поверхностного поплавка 126 побуждает его двигаться вверх вместе с поднимающейся волной. Это движение вверх поднимает удлиненный элемент 118 и днище 122 поршня в отверстии 116. Во время этого хода вверх, подъем днища 122 поршня создает отрицательное давление в нагнетательной камере 148, которое побуждает впускной клапан 144 отходить от его седла и позволяет всасывать воду в нагнетательную камеру 148 через впуск 144.
Когда волна проходит, поверхностный поплавок 126 падает вниз под действием силы тяжести, при содействии веса части 130 балласта и веса удлиненного элемента 118 и содержащегося в нем заполнителя 160. Это движение вниз поверхностного поплавка 126 побуждает удлиненный элемент 118 и днище 122 поршня двигаться вниз в отверстии 116. Во время этого хода вниз, днище 122 поршня сжимает воду в нагнетательной камере 148, что побуждает выпускной клапан 146 отходить от его седла и удалять (откачивать) воду из нагнетательной камеры 148 через выпуск 142. Воду нагнетают через выпускную трубу 150 к гидротурбинам или в резервуар (не показаны), где она может накапливаться для дальнейшего использования. Альтернативно, нагнетательное устройство 100 может быть использовано для нагнетания воды через систему опреснения воды с обратным осмосом.
Ход вверх, за которым следует ход вниз, образует один полный цикл работы нагнетательного устройство 100. Следует иметь в виду, что нагнетательное устройство 100, показанное на фиг.2а, представляет собой устройство простого действия и использует ход вниз удлиненного элемента 118 и днища поршня 122 как основной нагнетательный ход или основной рабочий ход. Это отличается от большинства известных ранее нагнетательных устройств простого действия, в которых обычно используют ход вверх удлиненного элемента и днища поршня в качестве рабочего хода. Недостатком таких устройств является то, что удлиненный элемент занимает часть нагнетательной камеры и, таким образом, уменьшает эффективный объем нагнетательной камеры. За счет использования хода вниз как основного нагнетательного хода в конфигурации, показанной на фиг.2а, удлиненный элемент 118 не занимает пространство в нагнетательной камеры 148, так что объем воды, нагнетаемой в основном рабочем ходе, соответствует полному рабочему объему цилиндра 102, ограниченного днищем 122 поршня.
Также в отличие от большинства известных ранее устройств, нагнетательное устройство 100 простого действия, показанное на фиг.2а, не требует уплотнения между цилиндром 102 и удлиненным элементом 118 на открытом верхнем конце 134 цилиндра 102, так как потеря давления в этой точке не создает проблемы, по причине наличия уплотнения, созданного за счет уплотнительного кольца вокруг днища 122 поршня. Нагнетательное устройство 100 является самосмазывающимся и использует окружающую воду 112 в качестве смазки. Кроме того, устройство 100 является самопромывным: ил или другие отходы, которые падают на дно цилиндра 102, промываются через выпуск 142 и выпускную трубу 150 при нагнетательном ходе вниз.
Далее со ссылкой на фиг.2с будет описана способность нагнетательного устройства 100 самоподстраиваться к приливам и отливам. Обратимся теперь к рассмотрению фиг.2с, на которой показано, что когда глубина воды 112 увеличивается при приливе, тогда поверхностный поплавок 126 поднимает удлиненный элемент 118 и связанное с ним днище 122 поршня, чтобы образовать новое положение равновесия в воде 112. В этом положении равновесия при приливе, удлиненный элемент 118 значительно выпущен из цилиндра 102. В этом выпущенном положении, значительная часть удлиненного элемента 118 открыта на несколько часов для воздействия боковых сил от движения волны. Однако в отличие от известных ранее систем, удлиненный элемент 118 позволяет выдерживать такие силы за счет его большого диаметра, который почти равен диаметру цилиндра 102.
Цепь 110 гарантирует, что разделительное расстояние между нижним концом 132 цилиндра 102 и морским дном 108 остается по существу постоянным, когда устройство 100 производит саморегулировку в соответствии с приливами и отливами. Другими словами, высота цилиндра 102 остается по существу постоянной, несмотря на то, что удлиненный элемент 118 подстраивается телескопически к приливам и отливам.
Обратимся теперь к рассмотрению фиг.3, на которой показано нагнетательное устройство 176 в соответствии со вторым вариантом осуществления настоящего изобретения. На фиг.3 и 2а аналогичные детали имеют одинаковые позиционные обозначения. Нагнетательное устройство 176 аналогично во многих отношениях нагнетательному устройству 100, показанному на фиг.2а, за исключением того, что нагнетательное устройство 176 не содержит днища поршня на нижнем конце 120 удлиненного элемента 118. Вместо этого, удлиненный элемент 118 имеет открытый нижний конец 120. Аналогично первому конструктивному варианту, удлиненный элемент 118 является полым. Следовательно, нагнетательная камера 148 дополнительно расширена вверх в удлиненную внутреннюю часть 178 внутри удлиненного элемента 118.
В этом конструктивном варианте, уплотнение 180 предусмотрено между цилиндром 102 и удлиненным элементом 118 на верхнем конце 134 цилиндра 102, чтобы исключить утечку воды из области 166 зазора. В этом конструктивном варианте отсутствуют подшипники между удлиненным элементом 118 и внутренней стенкой 117 цилиндра 102. Вместо этого, пленка морской воды в области 116 зазора смазывает удлиненный элемент 118 при его скольжении внутри отверстия 116 цилиндра 102. Более того, водоросли или растения, которые накапливаются в области 166 зазора, действуют как дополнительная смазка. Несмотря на то, что выпускная труба и соединение с морским дном на фиг.3 не показаны, следует иметь в виду, что эти компоненты могут быть аналогичны показанным на фиг.2а.
Обратимся теперь к рассмотрению фиг.4, на которой показано нагнетательное устройство 182 в соответствии с третьим вариантом осуществления настоящего изобретения. На фиг.4, 3 и 2а аналогичные детали имеют одинаковые позиционные обозначения. Нагнетательное устройство 182, показанное на фиг.4, является аналогичным нагнетательному устройству 176, показанному на фиг.3, в том, что оно не содержит подшипников и имеет удлиненный элемент 118 с открытым концом и уплотнение 180 на верхнем конце 134 цилиндра 102. Однако нагнетательное устройство 182, показанное на фиг.4, было модифицировано так, что поверхностный выпуск 184 подачи теперь предусмотрен на верхнем конце 124 удлиненного элемента 118.
Поверхностный выпуск 184 подачи сообщается с удлиненной внутренней частью 178 удлиненного элемента 118, которая является частью нагнетательной камеры 148. Шаровой клапан 186 предусмотрен внутри поверхностного выпуска 184 подачи для регулировки потока флюида 184 через него. Поверхностный выпуск 184 подачи может иметь связь с бортовым генератором или с другим расположенным на поверхности оборудованием. Выпуск 142 на нижнем конце 132 цилиндра 102 заглушен, так как он не требуется в этом конструктивном варианте. Несмотря на то что соединение с морским дном на фиг.4 снова не показано, следует иметь в виду, что для этого может быть использовано устройство, аналогичное показанному на фиг.2а.
Обратимся теперь к рассмотрению фиг.5, на которой показано нагнетательное устройство 200 в соответствии с четвертым вариантом осуществления настоящего изобретения. На фиг.5 и 2а аналогичные детали имеют одинаковые позиционные обозначения. Нагнетательное устройство 200 во многих отношениях аналогично нагнетательному устройству 100, показанному на фиг.2а, за исключением того, что оно является устройством двойного действия. Следовательно, в отличие от первого конструктивного варианта, нагнетательное устройство 200 нагнетает воду как при ходе вверх, так и при ходе вниз удлиненного элемента 118 и связанного с ним днища 122 поршня.
В дополнение к основным компонентам, описанным здесь выше в связи с фиг.2а, нагнетательное устройство, показанное на фиг.5, содержит коллектор в виде трубы 202, идущей параллельно цилиндру 102, снаружи от него. Эта труба имеет нижний конец 204, который содержит выпускной клапан 206 коллектора, сообщающийся с выпуском 142 цилиндра 102. Верхняя часть 208 трубы 202 проходит через подводный поплавок 114 и заканчивается на верхнем конце 210, который расположен по существу заподлицо с верхней поверхностью 212 подводного поплавка 114. Верхний конец 210 трубы 202 сообщается с окружающей морской водой 112 через впускной клапан 214 коллектора. Верхняя часть 208 трубы 202 также содержит питающий канал 216 коллектора, сообщающийся с областью 166 зазора между цилиндром 102 и удлиненным элементом 118. Уплотнение 218 предусмотрено между цилиндром 102 и удлиненным элементом 118 на верхнем конце 134 цилиндра 102 в этом конструктивном варианте, чтобы исключить утечку воды из области 166 зазора.
При ходе вниз, опускающийся удлиненный элемент 118 и связанное с ним днище 122 поршня принудительно выталкивают воду из нагнетательной камеры 148 через выпуск 142 и направляют ее вдоль выпускной трубы 150, во многом аналогично устройству 100, показанному на фиг.2а. Однако нагнетательное устройство 200, показанное на фиг.5, также всасывает воду в уплотненную область 166 зазора при ходе вниз через впускной клапан 214 коллектора и через питающий проход 216 коллектора.
При ходе вверх, в дополнение к всасыванию воды в нагнетательную камеру 148 через впуск 140 цилиндра, поднимающийся вверх удлиненный элемент 118 и связанное с ним днище 122 поршня выталкивают воду из области зазора 166, через питающий проход 216 коллектора, вниз через трубу 202, через выпускной клапан 206 коллектора и выпуск 142 цилиндр и вдоль выпускной трубы 150.
Так как область 166 зазора является узкой, то нагнетательное устройство 200 позволяет нагнетать значительно больше воды при ходе вниз, чем при ходе вверх. Однако вклад воды, нагнетаемой при ходе вверх, обычно увеличивает агрегатный объем воды, нагнетаемой при помощи нагнетательного устройства 200.
Четвертый вариант осуществления сконфигурирован так, чтобы телескопически подстраиваться к приливам и отливам аналогично описанному здесь выше первому варианту осуществления.
Различные модификации могут быть введены в описанные здесь выше примеры, не выходя за объем патентных притязаний, определенных в приложенной формуле изобретения. Например, несмотря на то, что в описанных здесь выше примерах цилиндр 102 связан с морским дном 108 с использованием цепи 110, следует иметь в виду, что цилиндр 102 может быть прикреплен к морскому дну 108 другим образом. Например, цилиндр 102 может удерживаться при помощи шарнирного соединения.
Кроме того, несмотря на то что в некоторых описанных здесь выше конструктивных вариантах предусмотрено днище 122 поршня в виде диска, соединенное с нижним концом 120 удлиненного элемента 118, следует иметь в виду, что в других вариантах осуществления изобретения, днище 122 поршня может быть образовано как единое целое с удлиненным элементом 118. Например, днище 122 поршня может быть образовано при помощи нижнего конца 120 удлиненного элемента 118.
Более того, несмотря на то, что описанные здесь выше устройства 100, 176, 182, 200 сконфигурированы так, чтобы нагнетать воду 112 из водного пространства, следует иметь в виду, что можно нагнетать другие флюиды, например, нефть или газ, при соединении впуска 140 с соответствующим коллектором флюида.