Однонаправленная гидрокинетическая турбина (варианты) и ограждение для такой турбины
UNIDIRECTIONAL HYDROKINETIC TURBINE (VARIANTS) AND ENCLOSURE FOR SUCH A TURBINE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
[0001] Настоящее изобретение относится к гидрокинетическим турбинам, выполненным с возможностью выработки электроэнергии, и к способам проектирования и использования таких турбин. Настоящее изобретение дополнительно относится к конкретным элементам, используемым в гидрокинетических турбинах. Турбины, согласно настоящему изобретению, выполнены с возможностью их размещения под водой с обеспечением закрепления, плавания, постановки на якорь или буксировки в любом местоположении, в котором имеется эффективное течение воды, предпочтительно имеющее минимальную скорость приблизительно 0,25 м/сек. Поток воды или течение воды могут иметь любой тип или могут иметь любой источник, однако обычно такой поток воды или такое течение представляет собой комбинацию из одного или более потоков воды или течений воды следующих типов:
[0002] а) Закрепление, плавание или постановка на якорь в непрерывном потоке или течении воды, что наблюдается, например, в морских течениях, реках или ручьях.
[0003] b) Закрепление, плавание или постановка на якорь в изменяющемся, чередующемся и/или цикличном потоке воды или течениях воды, которые могут периодически или нерегулярно изменять направление, что наблюдается, например, в приливо-отливном или сезонном течении.
[0004] с) Закрепление, плавание или постановка на якорь в механически или естественно возбуждаемых потоках, создаваемых, например, путем заполнения и опорожнения резервуаров, озер, запруд или шлюзовых камер.
[0005] d) Устройство может быть взято на буксир в воде судном или другим устройством, или может быть использован способ искусственного или фактического создания потока с помощью указанного устройства.
[0006] Энергию проточной воды человечество использует в течение тысячелетий для выработки энергии различных видов для ее использования в различных целях. Эту энергию используют для помола зерна, приведения в действие ленточных приводов для обеспечения работы машин на фабриках, а также для питания механической энергией устройств различных типов. За последние 150 лет поток воды доказал свою чрезвычайную эффективность для выработки электрической энергии в конструкциях различного назначения и в различных областях применения.
[0007] Основной принцип использования постоянных магнитов и медных катушек для выработки электроэнергии все еще применяют в настоящее время множеством различных способов, включая использование текущей воды и водяных турбин для приведения в действие электрических генераторов постоянного и переменного тока.
[0008] Большинство океанских течений вызваны ветром, который в свою очередь вызывается силами Кориолиса, возникающими в результате вращения Земли. На эти течения часто влияют положения наборов суши, которые могут отклонять поток, а в некоторых случаях и ускорять его. Океанские течения также могут быть вызваны различием в плотности водных масс, разницами температуры или изменениями солености воды. Океанские течения на нашей планете, вероятно, являются самым большим из существующих в природе неиспользуемым источником энергии. Речные потоки также часто используют в качестве очень хороших и эффективных источников энергии.
[0009] С самого начала технологического развития предпринимались множество попыток сбора этой энергии с различной степенью успеха и эффективности. Течения, считаемые наиболее доступными и самыми легкими для использования для выработки энергии, являются прибрежными поверхностными морскими и речными течениями. Поток воды также может быть создан искусственным образом путем возведения плотин и создания резервуаров для накопления больших масс воды, которые могут быть использованы в случае необходимости.
[0010] Первая в мире гидроэлектростанция была построена в 1882 на реке «Фокс Ривер» (Fox River) в Эплтоне, штат Висконсин. К 1889 году в США были построены 200 электрических станций, а к 1920 году гидроэлектроэнергия составляла 25% электрогенерации в США, при этом доля гидроэлектроэнергии в вырабатываемой электроэнергии к 1940 году достигла 40%. Сегодня гидроэлектроэнергия составляет только 6-8% электроэнергии, вырабатываемой в Соединенных Штатах. Имеются широкие возможности и существенные экологические и экономические преимущества, которые могут быть получены в результате замены традиционных работающих на угле двигательных установок гидроэлектрическими установками. Прежние установки гидроэлектрических станций в основном располагали внутри плотин или ниже них для использования давления у основания плотины для обеспечения работы гидротурбины, которая приводит в действие электрические генераторы.
[0011] Со времен Первой мировой войны область науки, сегодня называемая динамикой текучих сред, чрезвычайно быстро развивалась и стала очень точной и полной научной дисциплиной, которую сегодня используют при проектировании конструкций современных гидрокрыльев. Гидрокрылья (а также аэродинамические профили, как часть динамики текучей среды) используют для решения множества различных задач, в том числе для большей части проектируемых конструкций в области аэронавтики, транспортных средств, судостроения и отдельных элементов, используемых в гидрокинетических турбинах.
[0012] Гидрокинетические турбины могут быть разделены на различные категории или типы. Например, турбина может быть двунаправленной или однонаправленной. В первом случае турбина осуществлена таким образом, что она может быть приведена в действие потоком, протекающим в обоих осевых направлениях через турбину, например, активирована для выработки энергии приходящим приливо-отливным потоком и уходящим приливо-отливным потоком. Во втором случае однонаправленную турбину приводит в действие поток воды, протекающей только в одном осевом направлении. С гидродинамической точки зрения критерии проектирования для построения двунаправленной турбины имеют значительно больше ограничений, чем в случае однонаправленной турбины, т.е. все критерии проектирования, которые могли бы создать отрицательное воздействие после изменения направления потока текучей среды на обратное.
[0013] Еще один способ категоризации гидрокинетических турбин заключается в различии конструкций их втулки, а именно закрытой или открытой является центральная втулка. Обычно большая часть гидрокинетических турбин снабжены невращающейся (неподвижной относительно наружного обода турбины) центральной втулкой, которая является закрытой или сплошной и вокруг которой вращаются роторные лопатки. См., например, следующие документы: патент США №3,986,787 (Mouton и др.), патент США №4,221,538 (Wells), патент США №4,313,711 (Lee), патент США №4,421,990 (Heuss и др.), патент США №6,168,373 (Vauthier), патент США №6,406,251 (Vauthier) и патент Великобритании №2,408,294 (Susman и др.). Некоторые конструкции имеют сплошную центральную втулку, но вращаются на подшипниках, установленных между радиально наружным кольцом ротора и ободом турбины, как описано, например, в патенте США №4,163,904 (Skendrovic).
[0014] Относительно недавно одна компания осуществила проекты гидродинамических турбин, в которых использовалась втулка с открытым центром по экологическим причинам, т.е. для создания безопасного канала для морских существ. См., например, следующие документы: US 6,957,947, US 7,378,750, US 8,308,422, и US 8,466,595. В этих в основном безвтулочных конструкциях роторные лопатки обычно устанавливают радиально внутри на внутреннем кольцевом элементе и радиально снаружи на наружном кольцевом элементе, а в некоторых конструкциях внутренний кольцевой элемент может совсем отсутствовать. Все эти в основном безвтулочные конструкции турбины являются двунаправленными и осесимметричными.
[0015] В раскрытии понятия открытого центра описан тип гидрокинетической турбины, которая имеет фиксированную конструкцию центральной втулки, описанную выше, и также содержит канал или отверстие в центральной втулке. См., например, документы US 2013/00443685 (Sireli и др.) и US 7,471,009 (Davis и др.), оба из которых касаются проектирования однонаправленной конструкции турбины. Также см. документы US 7,874,788 (Stothers и др.) и US 2010/0007148 (Davis и др.), которые касаются, в частности, двунаправленных гидрокинетических турбин, в которых дополнительно используют втулки с открытым центром, или, как описано в последнем документе, обходное отверстие во втулке, как описано в соответствующем документе US 7471009 (Davis и др.), указанном выше (см. фиг. 7 для обоих).
[0016] Выработка гидрокинетической энергии остается предметом большого интереса и приобрела усиливающуюся значимость наряду с солнечной энергией и энергией ветра. Имеется потребность в значительных усилиях, которые необходимо предпринять в проектировании и создании намного более сложных и высокоэффективных турбин для выработки гидрокинетической энергии, однако, поскольку процесс усовершенствования конструкций турбин во многих отношениях является непредсказуемым и, таким образом, времязатратным, то, к сожалению, наблюдается тенденция к простому построению увеличенных версий существующих конструкций турбин с целью получения от них повышенной выходной мощности. Новые высокоэффективные турбины обеспечивают извлечение повышенного количества энергии из возобновляемого источника фактически без отрицательного воздействия на окружающую среду. По этим причинам имеется крайняя необходимость в дополнительном усовершенствовании таких турбин.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0017] Согласно одному из аспектов настоящего изобретения предложена однонаправленная гидрокинетическая турбина, имеющая входной конец для воды и выходной конец для воды, задающие направление потока воды через турбину, содержащая: в целом цилиндрический обод ускорителя, который имеет заданное сечение стенки и который в пределах своего цилиндрического сечения задает область для потока воды, которая содержит расположенную в ней конструкцию, по существу состоящую из выполненного за одно целое гидрокинетического элемента для создания усилия, содержащего: центральную втулку, имеющую асимметричный профиль гидрокрыла, и множество лопаток, установленных на втулке, при этом элемент для создания усилия установлен с возможностью вращения на внутренней поверхности обода ускорителя. Гидрокинетический элемент для создания усилия предпочтительно содержит роторный узел, который дополнительно содержит роторное наружное кольцо, к которому прикреплены кончики лопаток и который имеет наружную периферию, выполненную с возможностью вращения в пределах обода ускорителя. Втулка предпочтительно содержит в целом круглый профильный элемент, имеющий открытый центр, при этом стенки, окружающие открытый центр, образуют асимметричный профиль гидрокрыла с наружной выпуклой поверхностью, обращенной к наружной стороне турбины, и внутренней вогнутой поверхностью, обращенной к центру втулки. Кроме того, конструкция лопаток имеет в сечении асимметричный профиль гидрокрыла, при этом лопатки наиболее предпочтительно на своих радиально наружных концах имеют длину хорды, которая больше, чем длина хорды на радиально внутренних концах лопаток, и имеют на своих радиально наружных концах толщину профиля, которая больше, чем толщина профиля на радиально внутренних концах лопаток. Наиболее предпочтительно профиль стенки обода ускорителя также имеет асимметричную форму.
[0018] Согласно еще одним предпочтительным вариантам реализации однонаправленная гидрокинетическая турбина имеет центральную втулку, имеющую длину, которая проходит по направлению вперед и назад на значительное расстояние за пределы кромок лопаток, а более предпочтительно проходит от лопаток по направлению вперед к первому местоположению, находящемуся позади входного конца для воды обода ускорителя, и проходит по направлению назад к местоположению, по меньшей мере соответствующему по удаленности выходному концу для воды указанного обода ускорителя. Предпочтительно центральная втулка проходит полное расстояние, составляющее примерно 50-80%, более предпочтительно примерно 60-70% и наиболее предпочтительно 2/3 длины обода ускорителя.
[0019] Согласно еще одним предпочтительным вариантам реализации однонаправленная гидрокинетическая турбина дополнительно содержит кольцевой диффузор, содержащий в целом цилиндрический кольцевой элемент, сечение стенки которого предпочтительно имеет асимметричную форму гидрокрыла, причем кольцевой диффузор имеет диаметр, который больше, чем диаметр обода ускорителя, и расположен позади основного обода ускорителя в направлении потока воды через турбину, а предпочтительно перекрывает его.
[0020] Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения предложена однонаправленная гидрокинетическая турбина, имеющая входной конец для воды и выходной конец для воды, задающие направление потока воды через турбину, и содержащая: в целом цилиндрический обод ускорителя, сечение стенки которого имеет в целом асимметричную форму гидрокрыла, имеющую в целом S-образный профиль, в котором наружная поверхность имеет передний выпуклый участок и задний вогнутый участок, который переходит в передний выпуклый участок, а внутренняя поверхность имеет задний выпуклый участок и передний участок, который имеет прямую или вогнутую форму и который переходит в задний выпуклый участок, и роторный узел, установленный с возможностью вращения в пределах обода ускорителя вокруг оси, которая в целом параллельна направлению потока воды через турбину, и содержащий множество роторных лопаток, проходящих в радиальном направлении наружу от центра турбины и установленных с возможностью вращения в пределах обода ускорителя. Предпочтительно роторный узел дополнительно содержит центральную втулку, предпочтительно содержащую в целом круглый профилированный элемент, имеющий профиль гидрокрыла, при этом со втулкой соединены роторные лопатки. Более предпочтительно втулка содержит в целом круглый профилированный элемент, имеющий открытый центр, при этом стенки, окружающие открытый центр, образуют асимметричный профиль гидрокрыла с наружной выпуклой поверхностью, обращенной к наружной стороне турбины, и внутренней вогнутой поверхностью, обращенной к центру втулки.
[0021] Согласно некоторым предпочтительным вариантам реализации элемент ротора дополнительно содержит наружное роторное кольцо, к которому прикреплены кончики лопатки и которое имеет наружную периферию, выполненную с возможностью вращения внутри обода ускорителя. Согласно еще одним предпочтительным вариантам реализации однонаправленная гидрокинетическая турбина дополнительно содержит кольцевой диффузор, содержащий в целом цилиндрический кольцевой элемент, профиль стенки которого имеет асимметричную форму гидрокрыла, причем кольцевой диффузор имеет диаметр, который больше, чем диаметр обода ускорителя, и расположен позади основного обода ускорителя в направлении потока воды через турбину и предпочтительно перекрывает его.
[0022] Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения предложена однонаправленная гидрокинетическая турбина, имеющая входной конец для воды и выходной конец для воды, задающие направление потока воды через турбину, и содержащая: в целом цилиндрический обод ускорителя, сечение стенки которого имеет асимметричную форму гидрокрыла и который задает в пределах своего цилиндрического сечения область для потока, причем форма гидрокрыла служит для ускорения потока воды через обод ускорителя и создания области отрицательного давления позади обода ускорителя в направлении потока воды, а гидрокинетическая турбина также содержит роторный узел, установленный с возможностью вращения в пределах основного обода ускорителя вокруг оси, которая в целом параллельна направлению потока воды через турбину, и содержащий: в целом продолговатую цилиндрическую центральную втулку, сечение стенки которой имеет форму гидрокрыла, множество роторных лопаток, прикрепленных к стенке центральной втулки и проходящих в радиальном направлении наружу от стенки центральной втулки с обеспечением вращения вместе с указанной стенкой, причем указанные лопатки оканчиваются на роторных кончиках, а конструкция лопаток имеет в сечении асимметричную форму гидрокрыла, а указанная турбина также содержит роторное наружное кольцо, к которому прикреплены кончики лопаток и которое имеет наружную периферию, выполненную с возможностью вращения в пределах обода ускорителя, а также кольцевой диффузор, содержащий в целом цилиндрический кольцевой элемент, сечение стенки которого имеет асимметричную форму гидрокрыла. Кольцевой диффузор имеет диаметр, который больше, чем диаметр обода ускорителя, и расположен позади основного обода ускорителя в направлении потока воды через турбину, а предпочтительно перекрывает основной обод ускорителя, в результате чего форма гидрокрыла у кольцевого диффузора служит для ускорения потока воды через кольцевой диффузор и для создания области отрицательного давления позади кольцевого диффузора, а при во взаимодействии с формой гидрокрыла у обода ускорителя, втулки ротора и лопаток служит для увеличения ускорения потока воды через обод ускорителя в местоположении роторного узла.
[0023] Согласно некоторым предпочтительным вариантам реализации однонаправленной гидрокинетической турбины, лопатки на своих радиально наружных концах имеют длину хорды, которая больше, чем длина хорды на радиально внутренних концах лопаток, и/или лопатки имеют на своих радиально наружных концах толщину профиля или хорды, которая больше, чем толщина профиля или хорды на радиально внутренних концах лопаток. Согласно еще одним предпочтительным вариантам реализации, центральная втулка содержит в целом круглый профилированный элемент, имеющий открытый центр, при этом стенки, окружающие открытый центр, образуют асимметричный профиль гидрокрыла с наружной выпуклой поверхностью, обращенной к наружной стороне турбины, и внутренней вогнутой поверхностью, обращенной к центру втулки. Центральная втулка предпочтительно имеет длину, проходящую по направлению вперед и назад на значительное расстояние за пределы кромок лопаток, а более предпочтительно центральная втулка проходит от лопаток по направлению вперед к первому местоположению, находящемуся позади входного конца для воды указанного обода ускорителя, и проходит по направлению назад к местоположению, по меньшей мере соответствующему по удаленности выходному концу для воды указанного обода ускорителя. Центральная втулка предпочтительно проходит полное расстояние, составляющее примерно 50-80%, более предпочтительно примерно 60-70%, а наиболее предпочтительно примерно 2/3 длины обода ускорителя. Центральная втулка также может проходить по направлению назад за пределы заднего края обода ускорителя.
[0024] Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения предложена однонаправленная гидрокинетическая турбина, имеющая входной конец для воды и выходной конец для воды, задающие направление потока воды через турбину, и содержащая: в целом цилиндрический обод ускорителя, задающий в пределах своего цилиндрического сечения область для потока воды, роторный узел, установленный с возможностью вращения в пределах обода ускорителя вокруг оси, которая в целом параллельна направлению потока воды через турбину, и содержащий множество роторных лопаток, проходящих в радиальном направлении наружу от центра турбины, и ограждение для защиты от представителей живой природы и/или мусора, установленное на входном конце для воды указанного обода ускорителя и содержащее в целом коническую конструкцию, сужающуюся по направлению к ее переднему/узкому концу и содержащую набор оградительных стержней, проходящих параллельно друг другу и расположенных по существу равномерно на заданном расстоянии по отношению друг к другу вдоль всей своей длины, в результате чего указанное заданное расстояние задает максимальный размер представителей живой природы или объекта, способных пройти через ограждение. Предпочтительно ограждение для защиты от представителей живой природы и/или мусора содержит на своем переднем/узком конце кольцевой элемент, к которому прикреплены оградительные стержни и который имеет диаметр, который не больше, чем заданное расстояние между оградительными стержнями. Согласно еще одним предпочтительным вариантам реализации кольцевой элемент и/или по меньшей мере некоторые из оградительных стержней, а предпочтительно все оградительные стержни, имеют в сечении форму гидрокрыла для уменьшения турбулентности в воде, протекающей через оградительные стержни и/или кольцо.
[0025] Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения предложена однонаправленная гидрокинетическая турбина, имеющая входной конец для воды и выходной конец для воды, задающие направление потока воды через турбину, и содержащая: в целом цилиндрический обод ускорителя, сечение стенки которого имеет в целом асимметричную форму гидрокрыла, служащую для ускорения потока воды через основной обод ускорителя и создания области отрицательного давления позади обода ускорителя в направлении потока воды, и который в пределах своего цилиндрического профиля задает область для потока воды, которая содержит выполненный за одно целое гидрокинетический элемент для создания усилия, содержащий центральную втулку, сечение стенки которой имеет асимметричную форму гидрокрыла, и множество лопаток, установленных на втулке, при этом элемент для создания усилия установлен с возможностью вращения на внутренней поверхности обода ускорителя. Турбина характеризуется своей способностью увеличивать скорость обтекающего потока воды, попадающей в турбину, до скорости потока в лопатках, которая по меньшей мере в 2 раза больше скорости обтекающего потока воды, предпочтительно по меньшей мере в приблизительно 2,5 раза больше скорости обтекающего потока воды, а наиболее предпочтительно по меньшей мере в приблизительно 3 раза больше скорости обтекающего потока воды. Кроме того, турбина характеризуется своей способностью обеспечивать повышение выходной мощности по сравнению с обычными гидрокинетическими турбинами того же диаметра по меньшей мере на приблизительно 25%, предпочтительно по меньшей мере на приблизительно 50%, а наиболее предпочтительно по меньшей мере на приблизительно 80%.
[0026] Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения предложен обод, выполненный с возможностью использования в однонаправленной гидрокинетической турбине, имеющей входной конец для воды и выходной конец для воды, задающие направление потока воды через турбину. Обод ускорителя содержит в целом цилиндрический обод ускорителя, сечение стенки которого имеет в целом асимметричную форму гидрокрыла, имеющую в целом S-образный профиль, в котором наружная поверхность имеет передний выпуклый участок и задний вогнутый участок, а внутренняя поверхность имеет задний выпуклый участок и передний участок, имеющий прямую или вогнутую форму. Эта уникальная конструкция служит для ускорения оптимальным способом потока воды через основной обод ускорителя и создания области отрицательного давления позади обода ускорителя в направлении потока воды.
[0027] Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения предложена однонаправленная гидрокинетическая турбина, имеющая входной конец для воды и выходной конец для воды, задающие направление потока воды через турбину, и содержащая: в целом цилиндрический обод ускорителя, сечение стенки которого имеет асимметричную форму гидрокрыла, и роторный узел, установленный с возможностью вращения в пределах обода ускорителя вокруг оси, которая в целом параллельна направлению потока воды через турбину, и содержащий множество роторных лопаток, проходящих в радиальном направлении наружу от центра турбины, и роторное наружное кольцо, к которому прикреплены кончики лопаток с возможностью вращения в пределах обода ускорителя, при этом конструкция лопаток имеет в сечении асимметричный профиль гидрокрыла, а большая часть лопаток на своих радиально наружных концах имеют длину хорды, которая больше, чем длина хорды на радиально внутренних концах лопаток, и/или имеют на своих радиально наружных концах толщину профиля/хорды, которая больше, чем толщина профиля на радиально внутренних концах лопаток.
[0028] Предпочтительно роторный узел дополнительно содержит центральную втулку, предпочтительно содержащую в целом круглый профилированный элемент, имеющий асимметричный профиль гидрокрыла, и роторные лопатки, соединенные со втулкой. Более предпочтительно втулка содержит в целом круглый профилированный элемент, имеющий открытый центр, при этом стенки, окружающие открытый центр, образуют асимметричный профиль формы гидрокрыла с наружной выпуклой поверхностью, обращенной к наружной стороне турбины, и внутренней вогнутой поверхностью, обращенной к центру втулки.
[0029] Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения предложено ограждение для защиты от представителей живой природы и/или мусора, которое выполнено с возможностью использования в гидрокинетической турбине. Ограждение для защиты от представителей живой природы и/или от мусора выполнено с возможностью установки на любом конце турбины или на ее обоих концах. Ограждение содержит в целом коническую конструкцию, сужающуюся по направлению к одному из концов и содержащую набор оградительных стержней, проходящих параллельно друг другу и расположенных по существу равномерно на заданном расстоянии по отношению друг к другу вдоль всей своей длины, в результате чего указанное заданное расстояние задает максимальный размер представителей живой природы или объекта, способных пройти через ограждение. Ограждение для защиты от представителей живой природы и/или мусора предпочтительно содержит на своем более узком конце первый кольцевой элемент, к которому прикреплены оградительные стержни, и который имеет диаметр, который не больше, чем заданное расстояние между оградительными стержнями, аналогичным образом ограждение предпочтительно содержит на своем более широком конце или рядом с ним второй кольцевой элемент, к которому прикреплены оградительные стержни. Согласно еще одним предпочтительным вариантам реализации, по меньшей мере некоторые из оградительных стержней и/или колец, а предпочтительно все оградительные стержни и/или кольца, имеют в сечении форму гидрокрыла.
[0030] В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения предложен способ проектирования однонаправленной гидрокинетической турбины, имеющей входной конец для воды и выходной конец для воды, задающие направление потока воды через турбину, причем указанный способ включает: проектирование в целом цилиндрического обода ускорителя, сечение стенки которого имеет первоначальную асимметричную форму гидрокрыла и который задает в пределах своего цилиндрического сечения область для потока, при этом форму гидрокрыла выбирают на основании принципов динамики текучей среды для ускорения потока воды через обод ускорителя и создания области отрицательного давления позади обода ускорителя в направлении потока воды, проектирование роторного узла, устанавливаемого с возможностью вращения в пределах обода ускорителя вокруг оси, которая в целом параллельна направлению потока воды через турбину, и содержащего: (i) в целом продолговатую цилиндрическую центральную втулку, сечение стенки которой имеет первоначальную форму гидрокрыла, выбранную на основании принципов динамики текучей среды, (ii) множество роторных лопаток, прикрепленных к стенке центральной втулки и проходящих в радиальном направлении наружу от стенки центральной втулки с возможностью вращения вместе с указанной стенкой, при этом лопатки оканчиваются на кончиках ротора, а конструкция лопаток имеет в сечении первоначальную асимметричную форму гидрокрыла, выбранную на основании принципов динамики текучей среды, и (iii) роторное наружное кольцо, к которому прикреплены кончики лопаток и которое имеет наружную периферию, выполненную с возможностью вращения в пределах обода ускорителя, проектирование кольцевого диффузора, содержащего в целом цилиндрический кольцевой элемент, сечение стенки которого имеет первоначальную асимметричную форму гидрокрыла, выбранную на основании принципов динамики текучей среды, причем кольцевой диффузор имеет диаметр, который больше, чем диаметр обода ускорителя, и выполнен с возможностью его размещения позади основного обода ускорителя в направлении потока воды через турбину, предпочтительно с перекрытием указанного обода, и осуществление модификации первоначальных форм гидрокрыльев у кольцевого ускорителя, центральной втулки, роторных лопаток и кольцевого диффузора в ответ на испытание/анализ на основе метода вычислительной гидродинамики (CFD) конструкции турбины, содержащей такие компоненты таким образом, чтобы придать всем этим компонентам конечные формы гидрокрыльев, которые: (а) по меньшей мере улучшают способность ускорять поток воды через кольцевой диффузор и создавать область отрицательного давления позади кольцевого диффузора, и (b) обеспечивают взаимодействие между конечными формами гидрокрыльев у обода ускорителя, втулки ротора и лопаток с обеспечением по меньшей мере улучшения ускорения потока воды через обод ускорителя в местоположении роторного узла.
[0031] Дополнительные признаки и преимущества настоящего изобретения станут очевидными из подробного описания предпочтительных вариантов реализации, приведенного ниже, в рассмотрении вместе с сопроводительными чертежами.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0032] Ниже приведено краткое описание чертежей, которые представлены с целью раскрытия некоторых предпочтительных вариантов реализации настоящего изобретения, описанных в настоящей заявке, но не с целью его ограничения.
[0033] ФИГ. 1 показывает перспективный вид спереди одного варианта реализации гидрокинетической турбины с опорной/монтажной конструкцией,
[0034] ФИГ. 2 показывает перспективный вид сзади гидрокинетической турбины, показанной на ФИГ. 1, с опорной/монтажной конструкцией,
[0035] ФИГ. 3 показывает в разрезе вид сбоку гидрокинетической турбины, показанной на ФИГ. 1, с опорной/монтажной конструкцией,
[0036] ФИГ. 4 показывает перспективный вид одного варианта реализации обода ускорителя с кольцевым диффузором,
[0037] ФИГ. 5А показывает частичный разрез обода ускорителя с S-образной/имеющей двойную кривизну формой гидрокрыла в положении, показанном на ФИГ. 4, с кольцевым диффузором,
[0038] ФИГ. 5В показывает частичный разрез обода ускорителя без S-образной формы гидрокрыла в положении, показанном на ФИГ. 4, с кольцевым диффузором,
[0039] ФИГ. 6 показывает частичный разрез еще одного варианта реализации обода ускорителя с множеством кольцевых диффузоров с подобными диаметрами,
[0040] ФИГ. 7 показывает частичный разрез еще одного варианта реализации обода ускорителя с множеством кольцевых диффузоров с различными диаметрами,
[0041] ФИГ. 8 показывает перспективный вид одного варианта реализации всей турбины с центральной роторной секцией,
[0042] ФИГ. 9 показывает частичный разрез всей турбины, показанной на ФИГ. 8, с установленной центральной роторной секцией,
[0043] ФИГ. 9А показывает изолированный перспективный вид обода ускорителя, схематично показывающий размещение катушек,
[0044] ФИГ. 10 показывает перспективный вид только одной роторной секции согласно одному варианту реализации, показанному на ФИГ. 8,
[0045] ФИГ. 11 схематически показывает вид сбоку роторной секции по ФИГ. 8, иллюстрирующий одну из роторных лопаток с профилем гидрокрыла, обод для роторных лопаток и центральную втулку с профилем гидрокрыла,
[0046] ФИГ. 12 показывает перспективный вид только четырех роторных лопаток согласно варианту реализации, показанному на ФИГ. 8,
ФИГ. 12А показывает изолированный перспективный вид одиночной, приведенной в качестве примера, роторной лопатки,
[0047] ФИГ. 13 показывает разрез одного варианта реализации роторной лопатки, показывающий некоторые предпочтительные признаки, включая изменяемый угол атаки, изменяемую длину хорды и изменяемую толщину профиля и закрутку,
[0048] ФИГ. 14 показывает изолированный перспективный вид четырех вариантов реализации роторной лопатки с профилями лопаток, имеющими формы гидрокрыльев,
[0049] ФИГ. 15 показывает перспективный вид одиночной роторной лопатки с профилями, имеющими формы гидрокрыльев,
[0050] ФИГ. 16 показывает перспективный вид одного варианта реализации турбины с передним и задним защитными ограждениями для защиты от представителей живой природы и мусора,
[0051] ФИГ. 17 показывает разрез турбины, показанной на ФИГ. 16, с передним и задним защитными ограждениями для защиты от представителей живой природы и мусора,
[0052] ФИГ. 18 показывает перспективный вид турбины, показанной на ФИГ. 16, с передним и задним защитными ограждениями для защиты от представителей живой природы и мусора и использованием ограждения, содержащего профилированные стержни, имеющие форму гидрокрыла или каплевидную форму, для формирования защитных ограждений,
[0053] ФИГ. 19 - перспективное покомпонентное изображение, схематично показывающее все компоненты в частичном разрезе согласно одному варианту реализации настоящего изобретения,
[0054] ФИГ. 20 показывает вид турбины, показанной на ФИГ. 19, схематически показывающий все компоненты на виде сбоку и в частичном разрезе,
[0055] ФИГ. 21 показывает перспективный вид одного варианта реализации предназначенной для свайной установки гидрокинетической турбины, установленной на поворотной опоре,
[0056] ФИГ. 22 показывает в разрезе вид сбоку предназначенной для свайной установки гидрокинетической турбины, установленной на поворотной опоре, показанной на ФИГ. 21,
[0057] ФИГ. 23 схематически показывает перспективный вид предназначенной для установки на плоту гидрокинетической турбины, установленной на океанской барже, с обеими турбинами в рабочем положении,
[0058] ФИГ. 24 схематически показывает перспективный вид предназначенной для установки на плоту гидрокинетической турбины, установленной на океанской барже с турбиной по левому борту в рабочем положении и турбиной по правому борту в положении обслуживания,
[0059] ФИГ. 25 показывает перспективный вид предназначенной для установки на плоту гидрокинетической турбины, установленной на океанской барже, с турбиной по правому борту в рабочем положении и турбиной по левому борту в положении обслуживания,
[0060] ФИГ. 26 показывает перспективный вид предназначенной для установки на плоту одиночной гидрокинетической турбины, установленной между двумя океанскими баржами,
[0061] ФИГ. 27 показывает перспективный вид предназначенной для плавучей установки гидрокинетической турбины, установленной на погружном плоту,
[0062] ФИГ. 28 схематически показывает перспективный вид предназначенной для монтажа на неподвижной конструкции гидрокинетической турбины, установленной на мосту через реку,
[0063] ФИГ. 29А схематически показывает перспективный вид предназначенной для плавучей установки гидрокинетической турбины, установленной на погружном плоту, заякоренном на дне моря или русла реки,
[0064] ФИГ. 29В схематически показывает перспективный вид предназначенной для плавучей установки гидрокинетической турбины, прикрепленной непосредственно к кабель-тросам, заякоренным на дне моря или русла реки,
[0065] ФИГ. 30 показывает перспективный вид одного варианта реализации предназначенной для буксирной установки гидрокинетической турбины, буксируемой позади судна,
[0066] ФИГ. 31 показывает перспективный вид гидрокинетической турбины с имеющей форму гидрокрыла сплошной центральной втулкой и имеющими профиль гидрокрыла лопастями, удерживающими втулку на месте, и
[0067] ФИГ. 32 схематически показывает вид сбоку гидрокинетической турбины с имеющей профиль гидрокрыла сплошной центральной втулкой и имеющими профиль гидрокрыла лопастями, удерживающими втулку на месте,
[0068] ФИГ. 33А и 33В соответственно схематически показывают вид сбоку обода ускорителя, диффузора и центральной втулки, первоначально выбранной для потока, соответствующим образом, скоростью 6 узлов (10,8 км/час), и соответствующий вид обода ускорителя, диффузора и центральной втулки, которые оптимизированы для потока, соответствующим образом, скоростью 3 узла (5,4 км/час),
[0069] ФИГ. 34 схематически показывает вид сбоку и вид спереди роторной лопатки, оптимизированной для турбины с роторной секцией диаметром 1,5 м, которая будет использоваться в потоке соответствующим образом скоростью 3 узла (5,4 км/час),
[0070] ФИГ. 35 схематически показывает подробный вид сбоку обода ускорителя, диффузора и центральной втулки, оптимизированных для турбины с диаметром роторной секции 1,5 м, которая будет использоваться в потоке соответствующим образом скоростью 3 узла (5,4 км/час) и в которой используется роторная лопатка, показанная на ФИГ. 34,
[0071] ФИГ. 36 показывает график, сравнивающий выходную мощность гидротурбин согласно настоящему изобретению с мощностью подобны машин, не имеющих ободов с профилем гидрокрыла, в зависимости от изменяющейся скорости потока воды,
[0072] ФИГ. 37А и 37В показывают результаты 2-мерных измерений с использованием анализа CFD ускорения потока для скорости и давления соответственно согласно одному варианту реализации настоящего изобретения,
[0073] ФИГ. 38А и 38В показывают результаты измерений с использованием анализа CFD, для скорости вдоль линий потока и областей давления соответственно согласно одному варианту реализации настоящего изобретения,
[0074] ФИГ. 39 и 40 показывают перепады давлений на передней и задней сторонах лопаток соответственно при испытаниях с использованием анализа CFD.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0075] Устройства согласно настоящему изобретению характеризуются уникальной системой ускорения потока и другими уникальными компонентами, без центрального вала или редукторов, и в результате этих и других особенностей устройства, согласно настоящему изобретению, могут работать с более высокой эффективностью, чем другие сопоставимые с ними турбины.
[0076] Конструкции гидрокинетических турбин согласно настоящему изобретению являются легко масштабируемыми в размерах, т.е. они могут быть легко приспособлены и оптимизированы для любой специализированной географической области и для различных скоростей потока и объемов потока.
[0077] Настоящее изобретение включает несколько различных способов сборки, которые делают устройство подходящим для использования в различных местах и условиях с любой судоходной глубиной акватории.
[0078] Турбины согласно настоящему изобретению сконструированы таким образом, что являются совершенно безвредными для окружающей среды и фактически не влияют на морских представителей живой природы, морское дно или русло реки и их среду. Они предпочтительно оборудованы ограждением для защиты от морских представителей живой природы и мусора, безопасным проходом или сквозным каналом для небольших морских представителей живой природы и экраном электромагнитного излучения (EMF). Наружная часть турбин предпочтительно покрыта нетоксичным предохраняющим от обрастания покрытием.
[0079] Благодаря уникальной конструкции, материалам, используемым в конструкции, и применяемым покрытиям эти устройства требуют минимального обслуживания.
[0080] Согласно одному аспекту настоящее изобретение относится к гидрокинетической турбине, выполненной с возможностью размещения под водой с обеспечением закрепления, плавания, постановки на якорь или буксировки в потоке воды, который предпочтительно имеет минимальную скорость, приблизительно 0,25 м/сек. Настоящее изобретение также относится к некоторыми компонентам турбины, способу проектирования/изготовления таких турбин, а также к способу их использования. Разумеется, данное устройство выработает тем больше энергии, чем больше скорость потока.
[0081] Данные турбины могут быть установлены в любых количествах. Они могут быть использованы как одиночные блоки или могут быть установлены как "матрица турбин" или "ферма турбин", которая может состоять из множества турбин и может насчитывать до сотен блоков. Турбины могут вырабатывать электроэнергию вместе или по отдельности.
[0082] Конструкция этих турбин является масштабируемой и может быть реализована в форме небольшого блока любого размера, но с практической точки зрения диаметр секции ротора составляет по меньшей мере приблизительно 30 см и может иметь любой размер, который является практичным и соответствует конкретному случаю применения в конкретном месте. Устройство может быть большим блоком любого размера с диаметром секции ротора по меньшей мере вплоть до приблизительно 30 м или больше.
[0083] Настоящее изобретение обеспечивает усовершенствованную специально разработанную систему ускорения потока, в которой используются формы гидрокрыла в множестве ключевых компонентов турбины и наиболее предпочтительно на большей части всех компонентов, поверх которых или сквозь которые протекает вода. Этими компонентами, которые могут быть профилированным гидрокрылом, являются: роторные лопатки (34), центральная втулка (36), обод (38) роторных лопаток, обод (20) ускорителя, кольцевой диффузор (40), защитное ограждение (10, 18) для защиты от представителей живой природы и мусора, хвостовой руль (60) направления, опорная конструкция (50, 52), опорная свая (54). Некоторые из этих компонентов, такие как роторные лопатки или обод ускорителя, предпочтительно могут иметь профиль гидрокрыла для оптимизации извлечения энергии, в то время как другие компоненты, такие как защитные ограждения для защиты от представителей живой природы и мусора, могут иметь профиль гидрокрыла для уменьшения или устранения турбулентности, которая может отрицательно влиять на другой компонент или компоненты.
[0084] Гидродинамические принципы, которые применены к этой конструкции, подходят для любого размера, до которого масштабируется эта гидрокинетическая турбина, независимо от скорости потока воды. Эта гидрокинетическая турбина при соответствующем изменении форм ее компонентов, имеющих профиль гидрокрыла, может быть приспособлена и оптимизирована для условий потока в конкретном месте и требуемого размера. Изменения форм гидрокрыльев предпочтительно применяют к одной или более роторным лопаткам, ободу ускорителя, центральной втулке и/или кольцевому диффузору. Изменения, которые в некоторых случаях могут быть относительно небольшими, могут состоять в увеличении или уменьшении длины хорды крыла и/или толщины крыла относительно хорды некоторых гидрокрыльев, и/или изменении угла атаки/установки гидрокрыльев в соответствии со скоростью потока воды и необходимого размера турбины. Это означает, что конструкция конкретных вариантов реализации, согласно настоящему изобретению, может изменяться относительно немного или даже очень мало на вид, но будет действовать точно тем же самым способом независимо от размера турбины или скорости течения воды, пока пропорции в размере и положении компонентов относительно друг друга и положении между отдельными частями сохраняются и остаются неизменными или почти подобными.
[0085] Производительность турбины пропорциональна площади поверхности роторных лопаток, это означает, что движущая сила, которая определяет, сколько киловатт или мегаватт вырабатывает турбина, не пропорциональна ее диаметру, а пропорциональна площади поверхности роторных лопаток, открытых водному потоку. Производительность турбины увеличивается пропорционально квадрату диаметра, иными словами турбина, которая вдвое больше в диаметре, произведет в четыре раза больше электроэнергии. Эта особенность конструкции делает турбину масштабируемой почти до любого размера, который практичен и пригоден для использования в толще воды, путем изменения форм гидрокрыльев, которое часто оказывается относительно незначительным.
[0086] Конструкция и использование этих конкретных форм частей гидрокрыла не только устраняют концевой вихрь роторных лопаток, но также ускоряют течение воды через секцию ротора турбины вследствие того, что обод ускорителя в сочетании с кольцевым диффузором создают область низкого давления на выходе или позади турбины, причем это действие предпочтительно дополнительно усиливается центральной втулкой, имеющей профиль гидрокрыла. Эти компоненты вместе создают синергию, увеличивающую течение воды в еще большей степени. Течение воды, которое уже немного ускоряется на входе турбин благодаря эффекту туннелирования входного раструба, дополнительно ускоряется этой областью низкого давления позади турбины, которая вызывает всасывание, в результате чего вода втягивается через секцию ротора сзади с еще большей скоростью. В случае предпочтительного использования формы гидрокрыла частей турбины конструкция турбины согласно настоящему изобретению обеспечивает значительное увеличение скорости потока через секцию ротора турбины, где расположены имеющие профиль гидрокрыла лопатки. Никакая другая известная гидрокинетическая конструкция турбины не достигает такой степени ускорения потока.
[0087] Ускорение потока, обеспеченное уникальными формами и сочетанием всех гидродинамических элементов, остается тем же самым при любом размере турбины. Вычислительный гидродинамический анализ конструкций гидрокинетических турбин согласно настоящему изобретению доказал, что они увеличивают скорость потока через секцию ротора трехкратно по сравнению со скоростью окружающего потока за пределами турбины. Это означает, что, например, если это устройство разместить в потоке воды, имеющем скорость 3 узла (5,4 км/час), скорость потока через секцию ротора этого устройства составит до 9 узлов (16,2 км/час). Весьма существенные преимущества влияния этого увеличения скорости потока на выработку гидроэлектрической энергии являются совершенно очевидными.
[0088] Эффекты каждой отдельной части, а также эффекты взаимодействия/координации и отношения частей друг к другу подробно описаны ниже на примере нескольких вариантов реализации настоящего изобретения соответствующим образом ссылкой на сопроводительные чертежи.
[0089] Настоящее изобретение предпочтительно состоит из четырех основных компонентов: а) обода ускорителя потока, b) дополнительного кольцевого диффузора, расположенного после обода ускорителя потока, с) основного ротора, который встроен в обод ускорителя, но является отдельной частью, и d) одного или более дополнительных защитных ограждений для защиты от представителей живой природы и/или мусора. Некоторые из этих компонентов обычно содержат несколько различных подсекций, которые собирают для формирования одной части турбины. Дополнительные особенности и преимущества описаны ниже. Эти части и признаки взаимодействуют друг с другом и оказывают влияние друг на друга способами, которые также описаны ниже, для обеспечения улучшенной работы турбин согласно настоящему изобретению.
ОБОД УСКОРИТЕЛЯ ПОТОКА С КОЛЬЦЕВЫМ ДИФФУЗОРОМ
[0090] Как показано на ФИГ. 1-5, 8 и 19, обод (20) ускорителя потока является важной частью, которая имеет самую сложную форму гидрокрыла. При использовании в конструкциях настоящего изобретения обод предпочтительно имеет асимметричную форму гидрокрыла и наиболее предпочтительно S-образную форму гидрокрыла с двойной кривизной (ФИГ. 5а, 21), или, иными словами, в общем S-образную конфигурацию с двойной кривизной (ФИГ. 9) для создания области с отрицательным давлением позади обода с целью ускорения течения воды через роторную секцию (30) турбины. Профиль стенки обода ускорителя также может иметь форму гидрокрыла, которая не является S-образной формой с двойной кривизной, но больше напоминает обычные формы гидрокрыла (ФИГ. 5b, 24). Обод ускорителя ускоряет поток воды внутри турбины по сравнению со скоростью потока снаружи обода ускорителя. Обод ускорителя предпочтительно состоит из четырех частей: входного раструба (22), корпуса (24) статора, обода (38) роторных лопаток (ФИГ. 10) и обтекателя (28) задней части. Эти четыре компонента вместе предпочтительно образуют единую форму, которая предпочтительно является асимметричным гидрокрылом обода ускорителя, который согласно некоторым предпочтительным вариантам реализации имеет S-образную форму гидрокрыла с двойной кривизной. Все четыре части вместе предпочтительно являются обтекаемыми и формируют совершенно гладкую поверхность как внутри, так и снаружи, вдоль которой вода протекает без образования значительной турбулентности.
[0091] Входной раструб (22) служит для направления потока воды в секцию (30) ротора, а также на корпус (24) статора и поверх него за пределами обода ускорителя, и поверх обода (38) роторных лопаток во внутренней части. Наружная поверхность корпуса статора и внутренняя поверхность обода роторных лопаток являются частями общей формы обода ускорителя. Входной раструб также содержит передние опорные подшипники, которые направляют секцию ротора во время работы.
[0092] Корпус (24) статора содержит все металлические, предпочтительно медные, катушки (25), которые образуют статор кольцевого генератора, а также традиционный электрический монтаж (не показан), предназначенный для передачи электрической энергии, которую вырабатывает турбина. Корпус статора также содержит вращательный роликовые/шариковые подшипники (или другие подшипники или низкофрикционные полимерные втулки) (26), на которых вращается роторная секция.
[0093] Наружная поверхность обода (38) роторных лопаток представляет собой часть обода ускорителя, но является отдельной частью, которая соединена с кончиками роторной лопатки (33) и вращается вместе с основным ротором в ободе ускорителя. Это описано более подробно ниже.
[0094] Задний обтекатель (28), расположенный позади корпуса (24) статора и обода (38) роторных лопаток, направляет поток воды к выходу из обода (20) ускорителя и предпочтительно имеет острый край (29) на заднем конце для предотвращения возникновения любой турбулентности или аэродинамического сопротивления. Задний обтекатель также содержит хвостовые/задние опорные подшипники (26) (ФИГ. 9), на которые опирается роторная секция во время вращения.
[0095] Кольцевой диффузор (40) также предпочтительно является асимметричным, имеющим профиль гидрокрыла кольцом, и предпочтительно имеет больший диаметр, чем обод (20) ускорителя. Кольцевой диффузор (40) расположен позади обода ускорителя и предпочтительно частично перекрывает задний конец обода (20) ускорителя. Он действует способом, подобным способу действия обода ускорителя, дополнительно увеличивая область отрицательного давления позади турбины. Благодаря взаимодействию и результирующему синергетическому эффекту обода ускорителя и кольцевого диффузора скорость потока через роторную секцию значительно увеличивается. В целом, в относительно близком положении (например, от примерно 4-6 дюймов (101,6-152,4 мм)) позади заднего края (концевого) кольцевого диффузора, который предпочтительно является острым краем, прикреплено заднее защитное ограждение для защиты от представителей живой природы и мусора. В некоторых случаях, например, в конкретных условиях потока воды, может быть предпочтительным использование одного или более кольцевых диффузоров, таких как второй кольцевой диффузор (42) и даже третий кольцевой диффузор (44), расположенных друг за другом. (ФИГ. 6-7).
РОТОРНЫЙ УЗЕЛ
[0096] Как показано на ФИГ. 10-15, гидрокинетические турбины, согласно настоящему изобретению, предпочтительно имеют открытый центр (37). Отчасти, это является предпочтительным в конструкциях, согласно настоящему изобретению, из-за низкой скорости, с которой лопатки перемещаются сквозь воду в области рядом с центром роторной секции и, таким образом, не создают достаточную тягу или не извлекают энергию в достаточной степени. Фактически центральная часть в целом оказывает отрицательное действие на ротор из-за дополнительного гидродинамического сопротивления, которое это создает за счет увеличенной смоченной поверхности и дополнительного веса, перемещаемого сквозь воду. Оконечности роторных лопаток (34) перемещаются сквозь воду с более высокой скоростью и, таким образом, создают по существу большую подъемную силу и обеспечивают возможность извлечения значительно большего количества энергии. В зависимости от размера турбины, скорости потока в месте установки и других конкретных для данного местоположения требований, отношение между открытым центром и лопаткой и размером втулки может быть в пределах от примерно 40% лопатки:60% открытого пространства до примерно 80% лопатки:20% открытого пространства. Турбины согласно настоящему изобретению предпочтительно используют основную часть общего диаметра вдоль периметра роторной секции для вырабатывания тяги, обычно более чем приблизительно 60% и более предпочтительно приблизительно 2/3 диаметра. В результате чего оставшаяся незначительная часть, например, согласно предпочтительному варианту реализации составляет приблизительно 1/3 общего диаметра в открытом центре (37). Исключение центральной секции ротора позволяет снизить общий вес ротора и также уменьшает площадь смачиваемой поверхности и гидродинамическое сопротивление, которое может создавать сплошная секция профиля. Таким образом, конструкции согласно настоящему изобретению позволяют построить более эффективную роторную секцию, в которой используется уменьшенная площадь поверхности лопастей с уменьшенным весом, уменьшенная площадь смачиваемой поверхности и уменьшенное гидродинамическое сопротивление, и которая может вращаться с более высокими скоростями в оборотах в минуту и обеспечивает возможность извлечения повышенного количества энергии. Также имеется побочный эффект, который является дополнительным преимуществом, состоящим в защитном ограждении для защиты от представителей живой природы и мусора, как описано ниже.
[0097] Центральная втулка (36, 80), которая предпочтительно является кольцевой и предпочтительно окружает открытый центр (37), также используется для прикрепления хвостовиков (39) роторных лопаток (как показано на ФИГ. 11-12 и 31). Центральная втулка (80), которая является сплошной, предпочтительно имеет симметричную форму гидрокрыла, в то время как центральная втулка 36 с открытым центром предпочтительно имеет асимметричную форму гидрокрыла с наружной выпуклой поверхностью, обращенной к наружной стороне турбины, и внутренней вогнутой поверхностью, обращенной к центру втулки. Тяга, созданная центральной втулкой, способствует дополнительному увеличению области отрицательного давления позади турбины, создаваемого ободом (20) ускорителя и кольцевым диффузором (40). Этот эффект увеличивает скорость потока воды, протекающей сквозь секцию роторных лопаток, и способствует усилению синергетического эффекта и результирующему повышению генерации мощности.
[0098] Обод (38) роторных лопаток (также называемый наружным кольцом основного ротора) расположен в области, в которой скреплены оконечности/кончики (33) лопаток (34) (как показано на ФИГ. 10). Этот обод (38) роторных лопаток является частью формы гидрокрыла обода (20) ускорителя. Обод (38) роторных лопаток отделен от обода ускорителя, в результате чего обеспечена возможность его вращения вместе с роторными лопатками (34). Но поверхность обода роторных лопаток предпочтительно точно соответствует внутренней поверхности обода ускорителя (20) для создания одной гладкой кривой обеих внутренних поверхностей: обода ускорителя и обода роторных лопаток. Наружная поверхность обода роторных лопаток, которая обращена к внутренней поверхности корпуса (24) статора, предпочтительно углублена в обод ускорителя и имеет плоскую поверхность, на которой расположены постоянные магниты (32), которые при вращении ротора перемещаются мимо медных катушек (25) статора для вырабатывания электрической энергии. Обод (38) роторных лопаток также устраняет концевой вихрь и уменьшает лобовое сопротивление и турбулентность, что приводит к повышению эффективности и увеличивает извлечение энергии.
[0099] Как показано на ФИГ. 11-15, эффективность роторных лопаток (34) предпочтительно увеличивается за счет использования асимметричной формы гидрокрыла, которая также предпочтительно оптимизирована, как описано ниже. Эта форма, также называемая хордой или профилем (35) гидрокрыла, в результате приводит к повышению эффективности каждой лопатки, позволяет уменьшить ее размер и уменьшить указанное количество лопаток по сравнению с другими конструкциями. Уменьшенная роторная лопатка (34) имеет уменьшенную омываемую площадь и, таким образом, позволяет снизить гидродинамическое сопротивление. Величина тяги, которую создает форма гидрокрыла, определяется формой хорды/профиля (35) (как показано на ФИГ. 15), длиной (74) хорды и толщиной (76) хорды формы гидрокрыла. (ФИГ. 13) В конструкциях согласно настоящему изобретению одно или оба из длины (74) и/или толщина (76) хорды предпочтительно изменяются от хвостовика (39) лопатки до кончика (33) лопатки. Это изменение оптимизирует тягу, созданную формой гидрокрыла в отношении скорости, с которой она перемещается в воде. Указанное количество лопаток в роторной секции конструкций согласно настоящему изобретению может изменяться в зависимости от размера турбины и скорости потока воды в конкретном случае применения.
[00100] Угол (72) атаки/установки (как показано на ФИГ. 13), под которым расположены роторные лопатки, также является изменяемым и может регулироваться с целью оптимизации угла атаки или установки лопатки, перемещающейся в воде. Предпочтительно использовать оптимальный угол, который определяется оборотами в минуту ротора, для создания ламинарного или по меньшей мере близкого к ламинарному потоку воды, протекающей вдоль поверхности лопатки. Если этот поток является турбулентным или по существу неламинарным, форма гидрокрыла создает уменьшенную тягу, и, таким образом, может быть извлечено уменьшенное количество энергии. Кончик лопатки перемещается в воде быстрее, чем хвостовик лопатки, вследствие того, что он проходит более длинное расстояние в течение одного полного оборота. Таким образом, угол установки лопатки предпочтительно постепенно уменьшается от хвостовика (39) лопатки к кончику (33) лопатки для сохранения своей оптимальности. Это изменение угла называют закруткой (78) лопатки. Закрутка предпочтительно используется для создания максимальной тяги роторной лопатки в каждом профиле и, таким образом, увеличения эффективности и повышения извлечения энергии.
[00101] С целью достижения оптимальности форм гидрокрыльев, согласно настоящему изобретению, при их перемещении в воде с различными скоростями они предпочтительно имеют различные длины (74) хорды и различные толщины (76) профиля/хорды. Предпочтительно толщина (76) лопатки увеличивается, и/или длина (74) хорды увеличивается в направлении от хвостовика лопатки к кончику лопатки для увеличения площади поверхности на участке лопатки, который перемещается в воде с более высокой скоростью и создает повышенную тягу. Таким образом, лопатки наиболее предпочтительно увеличиваются в размере и в толщине в радиальном направлении от втулки. Это увеличение длины и толщины хорды имеет результатом более высокую эффективность и повышенную извлекаемость энергии.
[00102] Форма гидрокрыла (35) роторных лопаток, длина (74) хорды, толщина (76) профиля/хорды, угол (72) установки и закрутка (78) каждой роторной лопатки, а также количество лопаток предпочтительно могут быть изменены для каждого случая применения с целью приспособления к конкретным в данном местоположении условиям потока воды и другим местным требованиям.
ОГРАЖДЕНИЕ ИЛИ ОГРАЖДЕНИЯ ДЛЯ ЗАЩИТЫ ОТ ПРЕДСТВИТЕЛЕЙ ЖИВОЙ ПРИРОДЫ И МУСОРА
[00103] Как показано на ФИГ. 16-18, гидрокинетическая турбина, которая вырабатывает энергию из возобновляемого источника с нулевой эмиссией углерода, должна быть безвредной для окружающей среды не только в форме природных ресурсов и атмосферы, но также и в отношении морских представителей живой природы. Настоящее изобретение отклоняет и удерживает любых морских представителей живой приводы, а также плавающий или погруженный мусор, размер которого превышает заданную величину, от попадания в ротор гидрокинетической турбины согласно настоящему изобретению. Размер морских представителей живой природы или мусора, который не попадает во входную секцию турбины, определяется промежутком/расстоянием (15) между оградительными стержнями (14) переднего и заднего защитных ограждений. Согласно настоящему изобретению оградительные стержни в соответствии с конструкцией проходят параллельно друг другу и равномерно расположены на расстоянии друг от друга по всей своей длине для гарантии того, что расстояние (15) между стержнями в одном месте не больше, чем в другом месте. Расстояние промежутка (15) определяется размером и биологическими видами морских представителей живой природы, а также размером встречающегося мусора, который необходимо отклонить, для приспособления к местным требованиям конкретных условий работы. Такой подход позволяет предотвратить попадание любой морской живой природы, такой как рыба, черепахи, морские млекопитающие и даже дайверы, которые имеют размер намного больше, чем расстояние (15) между оградительными стержнями (14), в роторную секцию гидрокинетической турбины с передней стороны, а также с задней стороны, где также используется заднее защитное ограждение.
[00104] Настоящие конструкции контрастируют с другими известными конструкциями (см., например, документы: US 3,986,787, US 2010/0007148 А1 и US D 614,560), характеризующимися оградительными стержнями, которые являются непараллельными, так что отверстия между стержнями становятся большими/более широкими к одному концу защитного ограждения и, таким образом, не ограничивают попадание морской живой природы или мусора конечным размером. Еще одни известные устройства имеют форму концентрических круглых оградительных решеток (см., например, US D 304,322 и US 5,411,224), которые задают конечный размер отверстия, но такие конструкции фактически не защищают от всех представителей живой природы и мусора, как оградительные стержни согласно настоящему изобретению, наклон которых совмещен с направлением потока. В концентрической конструкции представители живой природы или мусор могут легко застрять между кольцами. В конструкциях согласно настоящему изобретению точный размер морской живой природы или мусора, который необходимо отклонить, предпочтительно может быть предварительно выборочно задан расстоянием (15) между оградительными стержнями (14).
[00105] Океанские течения и речные потоки содержат плавающий мусор различных видов. Этот мусор может плавать на поверхности или может быть погружен на различные глубины. Таким образом, предпочтительно удерживать такой мусор от попадания в роторную секцию гидрокинетической турбины в максимально возможной степени, чтобы предотвратить повреждение турбины и обеспечить продолжительную и непрерывную выработку электричества. Конструкции согласно настоящему изобретению фактически отклоняют и не пропускают любой мусор, размер которого выше заданного размера (15) промежутка между оградительными стержнями.
[00106] Гидрокинетические турбины согласно настоящему изобретению предпочтительно имеют два защитных ограждения для защиты от представителей живой природы и мусора: одно переднее ограждение (10) расположено перед входом (22) турбины, и одного заднее ограждение (18) расположено на выходе, позади турбины. Переднее защитное ограждение (10), расположенное перед турбиной, защищает вход (22) обода (20) ускорителя и соединено с передним концом обода ускорителя, а также предпочтительно с опорной конструкцией (50, 52) турбины. Оградительные стержни (14) защитного ограждения могут быть выполнены из металла, стекловолокна или синтетических материалов и могут иметь различные диаметры в зависимости от размера турбины: от примерно 0,25 дюйма (6,35 мм) для малоразмерной турбины и до примерно 2 дюймов (50,8 мм) для очень больших турбин. Оградительные стержни (14) предпочтительно имеют профиль гидрокрыла или каплевидный профиль (как показано на ФИГ. 18) с тупым передним концом, обращенным навстречу потоку воды, и острыми задними концами. Такая форма позволяет предотвратить турбулентность водного потока, которая может снизить эффективность одного или более других компонентов, таких как обод (20) ускорителя, кольцевой диффузор (40) и/или роторные лопатки (34).
[00107] Первое или переднее защитное ограждение (10) предпочтительно выполнено таким образом, что оградительные стержни на переднем конце переднего защитного ограждения (14) в целом образуют конусную конструкцию. Оградительные стержни на переднем конце прикреплены к небольшому кольцу (12), которое предпочтительно имеет внутренний диаметр, равный указанному заданному расстоянию (15) между внутренними частями оградительных стержней. На заднем конце оградительные стержни предпочтительно соединены с большим кольцом (16), диаметр которого предпочтительно больше, чем диаметр кольцевого диффузора (40). Степень конусности ограждения, созданной разностью размеров переднего кольца (12) и заднего кольца (16), к которым прикреплены оградительные стержни (14), может быть изменена для приспособления к различным экологическим требованиям. Переднее защитное ограждение предпочтительно расположено с небольшим перекрытием кольцевого диффузора с щелевым отверстием, имеющим приблизительно тот же самый размер, как и расстояние (15) между оградительными стержнями, ограничивающее прохождение представителей живой природы и мусора сквозь ограждение, имеющее конусную форму для защиты и отклонения любых представителей живой природы, мусора, морской травы или других предметов, которые могут встречаться в потоке воды вокруг входа в турбину.
[00108] Второе или заднее защитное ограждение 18 (см. ФИГ. 16 и 18) расположено позади выхода турбины и прикреплено к заднему краю (конечного) кольцевого диффузора. Заднее защитное ограждение также предпочтительно состоит из решетки или сетки из параллельных стержней, которые расположены на некотором расстоянии друг от друга, равном тому же самому заданному расстоянию между стержнями (14) в переднем защитном ограждении, и в случае заднего защитного ограждения самой предпочтительной является в целом плоская конфигурация. Заднее защитное ограждение препятствует попаданию крупной морской живой природы в роторную секцию сзади против направления водного потока или также в случае отсутствия потока, например, во время смены приливного течения на отливное течение. Оградительные стержни защитного ограждения разделены тем же самым указанным выше расстоянием (15), как и переднее защитное ограждение, для предотвращения попадания любых представителей живой природы или мусора, размер которых больше, чем указанное расстояние между стержнями, в роторную секцию. Все оградительные стержни (14) обоих защитных ограждений предпочтительно имеют профиль гидрокрыла, минимизирующий возникновение турбулентности и вихрей, которые могут отрицательно влиять на эффективность формы гидрокрыла одного или более других компонентов, таких как роторные лопатки, обод ускорителя, кольцевые диффузоры и/или центральная втулка.
[00109] Для имеющих меньший размер морских представителей живой природы, которые могут проходить через промежуток (15) между оградительными стержнями, предпочтительно обеспечен вторичный путь для безопасного прохода через цилиндрическую центральную втулку (36), имеющую открытый центр (37) в большей части показанных на чертежах вариантов реализации турбины. Открытый центр роторной секции описан выше. Поскольку скорость потока воды в центральной втулке выше, чем снаружи, где расположены лопатки, более мелкие морские представители живой приводы будут всасываться через это отверстие и выходить из него невредимыми. Диаметр открытого центра может изменяться в широких пределах без существенного влияния на характеристики турбины. Оптимальный диаметр может быть вычислен для каждого случая применения и в некоторых предпочтительных вариантах реализации обычно составляет приблизительно 1/3 общего диаметра роторной секции. Ускоренный поток воды через открытый центр (37) служит для безопасного перемещения малоразмерных представителей живой природы и мелкого мусора через внутреннюю часть турбины.
[00110] Турбины, согласно настоящему изобретению, предпочтительно автоматически ориентируются самостоятельно независимо от того, какой способ их размещения выбран, т.е. они всегда точно ориентируются в направлении навстречу потоку воды. Это предпочтительно достигается использованием расположенного позади турбины фиксированного хвостового руля (60), который предпочтительно имеет профиль гидрокрыла и ориентирует турбину непосредственно в направлении потока воды. Этот признак обеспечивает возможность ориентации устройства точно в направлении, из которого приходит поток, так что вода, протекающая поверх имеющих профиль гидрокрыла компонентов турбины, протекает под оптимальным углом вдоль всех имеющих профиль гидрокрыла поверхностей. Такой подход оптимизирует перепад давлений между этими двумя сторонами, увеличивает синергетический эффект формы гидрокрыла и способствует созданию ламинарного потока воды.
[00111] Конструкция гидрокинетических турбин согласно настоящему изобретению такова, что поток воды всегда протекает с одной и той же стороны, т.е. однонаправленно. Это позволяет использовать большое преимущество множества асимметричных форм гидрокрыльев в турбинах и гидродинамических эффектов, которые в сумме обеспечивают весьма значительную эффективность работы турбины. Двунаправленные турбины не могут использовать асимметричные формы гидрокрыльев и, таким образом, являются менее эффективными.
[00112] В турбинах согласно настоящему изобретению не только намного лучше используется эффект Вентури/Бернулли благодаря их однонаправленной ориентации в потоке, но они также способствуют дополнительному увеличению скорости потока путем использования обода ускорителя и/или кольцевого диффузора, предпочтительно имеющих асимметричный профиль гидрокрыла, и/или центральной втулки, предпочтительно имеющей профиль гидрокрыла.
[00113] Кольцевая конструкция генератора предпочтительно содержит магниты (32), установленные на ободе (38) роторных лопаток и медные или выполненные из другого металла катушки (25), размещенные в корпусе (24) статора, который предпочтительно расположен в ободе (20) ускорителя. Такая конструкция избавляет от необходимости использования редуктора или передачи, или гидравлических систем для механического извлечения и передачи энергии из турбины. Редукторы, передачи и гидравлические системы создают трение, которое потребляет часть энергии, вырабатываемой турбиной. Благодаря использованию кольцевого генератора настоящее изобретение минимизирует потери трения/передачи и позволяет создать более эффективную турбину или генератор. Электрическая энергия, вырабатываемая непосредственно в турбине, передается через электрические провода (не показаны), устраняющие потери энергии на трение/передачу. Затем, выработанная энергия передается для кондиционирования в инвертор/трансформатор, который обычно расположен снаружи турбины в любом подходящем месте. Предпочтительная конструкция согласно настоящему изобретению также избавляет от необходимости использования центральных подшипников, что также избавляет от необходимости использования любой фиксированной конструкции (например, вала или втулки), безотносительно ее расположения внутри проходного сечения турбины. Кроме того, отсутствие любой фиксированной конструкции означает отсутствие необходимости использования любых распорок или других крепежных элементов для поддержки такой фиксированной конструкции.
[00114] Обод (20) ускорителя, кольцевой диффузор (40), имеющая профиль гидрокрыла центральная втулка (36, 80) и роторные лопатки (34) этой турбины предпочтительно выполнены из композитных строительных материалов, таких как, например, углеродное волокно, арамидное волокно, стекловолокно или подобный материал, или из волокна с твердотельным сердечником и смолы, или материала поверх сердечника из конструкционного пенопласта, или ячеистого материала. Некоторые части, такие как корпус статора, предпочтительно являются полыми для размещения медных катушек (25) статора. Другие части, такие как входной раструб (22), задний обтекатель (28) обода (20) ускорителя и кольцевой диффузор (40) согласно некоторым предпочтительным вариантам реализации могут иметь сплошную или многослойную конструкцию и оставаться полыми внутри, в качестве варианта с выборочным заполнением водой при погружении. При соответствующем (для данной глубины погружения) конструкционном креплении внутри полых частей, эти компоненты смогут выдерживать давление воды в погруженном положении. В случае многослойной конструкции такие используемые композитные материалы являются по своей природе плавучими и поддерживают плавучесть турбины. Несмотря на то, что композитные материалы идеально подходят для постройки гидрокинетической турбины, устройство также может быть выполнено из стали, алюминия, титана или других металлических сплавов, считающихся подходящими для конкретного случая применения. Общая плавучесть этой турбины в основном является положительной, и для удерживания турбины в погруженном положении может быть использован щебень. Турбина также может быть погружена путем заполнения водой полых отсеков. Установка соответствующего количества щебня или заполнение водой некоторых отсеков обеспечивает возможность управления общей плавучестью турбины для выборочного придания турбине положительной, нейтральной или отрицательной плавучести для различных случаев применения.
[00115] Предпочтительный признак самоориентации устройства обеспечивает возможность использования этой турбины в режиме однонаправленного потока. В однонаправленной турбине поток воды всегда направлен с передней стороны турбины, в результате чего обеспечена возможность использования асимметричных или однонаправленных форм гидрокрыльев в конструкции. Соответственно любые из основных компонентов, т.е. роторных лопаток, обода ускорителя, кольцевых диффузоров, полой центральной втулки, хвостового руля и/или защитных ограждений для защиты от представителей живой природы и мусора предпочтительно могут иметь по меньшей мере до некоторой степени асимметричные формы гидрокрыльев. Асимметричные или однонаправленные формы гидрокрыльев намного более эффективны, чем симметричные и двунаправленные формы гидрокрыльев.
[00116] Отношения и взаимодействие между теми элементами, которые могут иметь асимметричные формы гидрокрыльев, т.е. обод ускорителя, роторные лопатки, кольцевой диффузор, полая центральная втулка и/или защитные ограждения для защиты от представителей живой природы и мусора, оказывают взаимное полезное и синергетическое влияние, которое усиливается при увеличении количества элементов, обеспеченных асимметричными профилями гидрокрыльев. Согласно большей части предпочтительных вариантов реализации эффективность всех пяти из этих элементов возрастает благодаря синергетическому эффекту при их объединении для создания значительно увеличенной области отрицательного давления позади турбины, чем если бы они действовали индивидуально или по отдельности. Иными словами, эффект объединения множества элементов больше, чем сумма эффектов множества отдельных элементов. Этот синергетический эффект позволяет значительно ускорить поток через роторную секцию, в которой имеющие асимметричный профиль гидрокрыла лопатки обеспечивают значительное преимущество и могут вращаться с более высокой скоростью или обеспечивать большее количество оборотов в минуту. Эти объединенные эффекты приводят к синергетическому эффекту, который взаимно полезен, и который позволяет достичь намного более высокой эффективности, что обеспечивает возможность повышенного извлечения энергии благодаря этой "Технологии ускорения потока" согласно настоящему изобретению.
[00117] Из графика на ФИГ. 36 понятно, что согласно одному предпочтительному варианту реализации присутствие имеющего профиль гидрокрыла ускорителя обода обеспечивает экспоненциальное увеличение скорости потока через секцию сопла по сравнению со скоростью потока снаружи.
[00118] Данные, представленные на ФИГ. 36, показывают разность в выходной мощности при увеличении скорости окружающего потока между 2 различными конструкциями гидрокинетических турбин с диаметром ротора 1,5 метра. Линия с квадратиками представляет гидрокинетическую турбину, которая просто содержит втулку и 3 лопатки без всякого обода (обычная конструкция, используемая в гидрокинетических турбинах во всем мире). Линия с треугольниками показывает производительность турбины согласно настоящему изобретению, в которой используются имеющие профиль гидрокрыла обод ускорителя, кольцевой диффузор и открытая центральная втулка. Эти данные относятся к тому же самому узлу ротора, содержащегося в пределах обода ускорителя, имеющего форму гидрокрыла, подобную показанной на ФИГ. 35. На графике видно, что увеличение мощности происходит в соответствии с экспонентой, показатель которой равен 3. Также может заметить, что в нижнем диапазоне скоростей потока (например, около 3 узлов (5,4 км/час), который представляет огромное большинство случаев применения гидротурбин этого типа) сравнительные отношения менее чувствительны к изменениям скорости потока. Таким образом, для этого общераспространенного диапазона работы особенно важной является оптимизация конструкции обода (и других компонентов и соотношений) для максимизации относительного повышения выходной мощности.
[00119] Другой способ демонстрации повышенной эффективность турбин согласно настоящему изобретению состоит в сравнении с другими высокоэффективными имеющимися в продаже турбинами. Один из самых успешных в мире изготовителей и монтировщиков гидрокинетических турбин недавно разработал новую конструкцию гидрокинетической турбины, которая, как он заявляет, является самой эффективной. Это двунаправленная турбина, которая имеет роторную секцию диаметром 16 метров, содержащую наружный обод и открытую центральную втулку, и которая, как заявлено, может вырабатывать мощность 2,2 МВт. Построенная с использованием методологии конструирования согласно настоящему изобретению турбина, имеющая ту же самую роторную секцию диаметром 16 метров, вырабатывает 3,88 МВт в соответствии с "теоретическими вычислениями" согласно настоящему изобретению. Это составляет 76% увеличения производительности электрической мощности для турбины того же размера.
[00120] Ниже приведена таблица 1, содержащая вычисление, используемое для получения расчетной выходной мощности конструкций гидрокинетических турбины согласно настоящему изобретению:
СПОСОБЫ УСТАНОВКИ:
[00121] Гидрокинетические турбины согласно настоящему изобретению фактически могут быть установлены в любой движущейся массе воды или могут перемещаться в воде для создания пригодной для использования выходной мощности. Существуют пять основных способов установки и развертывания этих гидрокинетических турбин:
[00122] Свайная установка (ФИГ. 21, 22): блок турбины или блоки турбин могут быть установлены свайным способом, который заключается в использовании сваи (52), вбитой в морское дно или русло реки, которая имеет набор вращательных опорных подшипников и прижимной поворотный подшипник (53), опирающийся на вершину сваи. Труба увеличенного диаметра, соединенная с монтажной конструкцией (50), на которой размещена турбина, в качестве муфты охватывает эту неподвижную сваю (52) и подшипники (53). Монтажная конструкция (50) выполнена с возможностью отсоединения от трубы (52) и имеет электрический штепсель (53) внутри трубы, который может быть отсоединен для удаления турбины и обслуживания. Такой способ установки обеспечивает возможность свободного шарнирного вращения блока турбины в пределах 360° для точной самоориентации в направлении водного потока. Этот способ установки также занимает весьма небольшую габаритную площадь на морском дне и оказывает минимальное воздействие на окружающую морскую среду. При этом способе установки электроэнергия передается через набор медных колец и угольных щеток (53) внутри муфты для предотвращения перекручивания кабеля и любого ограничения поворота.
[00123] Установка турбины на плавающей конструкции (ФИГ. 23, 24, 25, 26, 27): блок турбины или блоки турбин могут быть соединены с плавающей конструкцией любого вида, такой как баржа неограниченного морского плавания, плот (54), судно или резервуар, плавающий на поверхности воды. Эти устройства могут быть заякорены к морскому дну или руслу (59) реки или удерживаемы на месте подруливающими двигателями, соединенными с определяющими местонахождение устройствами на основе GPS, подобными подруливающим двигателям, используемым для стабилизации морских нефтяных платформ, или могут быть связаны с любой конструкцией в океане, реке или на берегу. Известны два способа установки турбины с использованием плота, в одном из которых используется продольный шарнир (как показано на ФИГ. 23, 24, 25), и в другом используется поперечный шарнир (как показано на ФИГ. 26, 27). Предпочтительно в случае установленного на плоту устройства используется спускоподъемная система или подъемный кран, установленный на палубе, или приводимое в действие винтовым редуктором устройство для подъема турбины на палубу. Для монтажа одного типа используется только один плот или баржа, в то время в случае поперечно установленной системы используются два плота или баржи с блоком турбины, установленным между ними. В зависимости от размера турбины, местоположения или предпочтения оператора, один тип установки может быть лучше, чем другой. Для большеразмерных систем обычно предпочтительно используют два плота или платформы и турбину устанавливают между ними вдоль центральной поперечной оси (как показано на ФИГ. 26, 27), вокруг которой турбина может вращаться на 180° для извлечения из воды с целью обслуживания или ремонта. В случае малоразмерных блоков турбину или турбины могут быть установлены на боковой стороне плавающей конструкции с возможностью вращения вокруг продольной оси (как показано на ФИГ. 23, 24, 25) для подъема на палубу конструкции с целью обслуживания или ремонта.
[00124] Установка турбины на наземной конструкции (ФИГ. 28): блок турбины или блоки турбин также могут быть установлены на наземной конструкции, такой как дамба, берег, или могут быть соединены с опорой моста или другими конструкциями, установленными в потоке океанского течения или в речном потоке. Устройство предпочтительно может быть установлено на любой из указанных фиксированных конструкций по меньшей мере двумя различными способами. Опорная конструкция, к которой прикреплена турбина, может быть установлена на одном или двух рельсах, прикрепленных к неподвижной конструкции, на которой блок опускают в воду и поднимают из воды для обслуживания или ремонта, или турбина может быть установлена на шарнире, который также обеспечивает возможность шарнирного перемещения устройства в поток воды и из потока воды для обслуживания или ремонта. В любом случае блоки удерживаются на месте в поднятом положении посредством запирающего механизма, в то время как в опущенном положении они могут опираться на некоторые конечные упоры. Соединительный кабель предпочтительно проходит в конструкцию основания и из нее к трансформатору для кондиционирования.
[00125] Плавучая установка турбины (ФИГ. 29): блоку турбины или блокам турбин может быть придана естественная плавучесть благодаря сборным конструкционным материалам, которые могут использоваться для изготовления любой части. Такой подход обеспечивает возможность устройству плавать на любой заданной глубине, определяемой длиной кабель-троса (64 и 66), который соединен с фундаментом/морским дном посредством мертвого якоря (59) или винтового анкера, или любого другого устройство, закрепленного на морском дне или дне русла реки. Двухкомпонентный кабель-трос удовлетворяет двум целям: фиксированный кабель-трос (64) и наматывающийся кабель-трос (66) должны удерживать устройство, погруженное на необходимую глубину, и передавать электроэнергию от блока генератора к основанию и затем к берегу. Этот кабель-трос (64 и 66) содержит 2 компонента: первичный фиксированный кабель-трос (64), который имеет фиксированную длину, равную расстоянию до турбины, и вторичный наматывающийся кабель-трос (66), который является частью лебедочного механизма, соединенного с основанием, и имеет длину, равную расстоянию между водной поверхностью и необходимой глубиной, на которой должна удерживаться турбина. Когда вторичный кабель-трос разматывают, турбина всплывает на поверхность для обслуживания или ремонта. Устройство также может быть закреплено на погружном плоту (58) или погруженном плавучем устройстве (58) для удерживания турбины, подвешенной в середине водной массы реки. В этом случае может быть использован тот же самый механизм кабель-троса.
[00126] Буксируемая установка турбины (ФИГ. 30): блок турбины или блоки турбин также можно буксировать позади судна или тянуть в воде посредством других устройств, которые перемещают устройство в неподвижной воде, для искусственного создания потока воды через устройство. Буксирующий кабель обычно соединен с передней стороной защитного ограждения и, таким образом, ориентирует турбину для создания оптимального потока спереди для протекания воды через блок. Вместо одиночного руля направления, который обычно расположен позади выхода турбины, альтернативно могут быть использованы 2 или 4 небольших крыла (62), прикрепленных снаружи кольцевого диффузора: одно небольшое крыло на каждой стороне и одно небольшое крыло сверху и снизу. Эти небольшие крылья (62) предотвращают непосредственно блок турбины от вращения при буксировке в воде и, таким образом, обеспечивают возможность вращения только роторной секции.
ПРОЦЕДУРЫ ОБСЛУЖИВАНИЯ:
[00127] Гидрокинетические турбины согласно настоящему изобретению требуют только минимального обслуживания благодаря конструкции компонентов и тому, что предпочтительные сборные конструкционные материалы фактически являются коррозионностойкими. Однако точно так же, как и все, что попадает в океан, через некоторый период времени турбины загрязняются и обрастают морскими организмами. Гидрокинетические турбины согласно настоящему изобретению покрыты нетоксичными предохраняющими от обрастания красителями, но, тем не менее, нуждаются в периодической очистке поверхностей для обеспечения оптимальной функциональности и производительности. Эти блоки могут быть вымыты с использованием давления ныряльщиком, когда они находятся в погруженном положении, в результате чего они могут оставаться под водой, или они могут быть подняты на поверхность и вымыты водой под давлением наземным персоналом. Кроме периодической очистки, эти блоки требуют весьма небольшого обслуживания. В зависимости от типа установки предпочтительные процедуры обслуживания могут изменяться, как описано ниже.
[00128] В случае свайной установки турбины (как показано на ФИГ. 21, 22) предпочтительным является использование специального обслуживающего судна (также сконструированного Заявителем), которое является судном типа катамаран, имеющим съемную палубу между двумя корпусами, и П-образную раму с лебедкой, установленную поверх съемной палубы. Судно может быть расположено над турбиной, которая нуждается в обслуживании, и блок турбины может быть поднят через отверстие в палубе между двумя корпусами на лодку. Электрический провод, соединяющий турбину с берегом и ведущий к медным кольцам и щеткам (53), которые расположены внутри опорной поворотной сваи (52), имеет водонепроницаемый штепсель (53), который может быть отсоединен, когда турбину поднимают на обслуживающее судно, расположенное над турбиной. На судне турбину, которую только что сняли со сваи, может быть размещена с одной стороны на одном из корпусов катамарана, и запасная турбина, приготовленная и размещенная на другом корпусе катамарана, может быть опущена через отверстие, подключена и соединена болтами со сваей, с которой был снят первый блок.
[00129] В случае установленной на плоту установки предпочтительным является крепление опорной конструкции (50) турбины в продольном направлении рядом с плотом или в поперечном направлении между двумя плотами (как показано на ФИГ. 23, 24, 25, 26, 27). В каждом случае используется опорная конструкция (55), которая установлена на шарнирах с подшипниками (55), которые обеспечивают возможность вращения блока вокруг центральной оси на 270° в случае продольной ориентации установленных блоков (как показано на ФИГ. 23, 24, 25) или на 180° в случае поперечной ориентации установленных блоков (как показано на ФИГ. 26, 27). Фиксирующий механизм используется для удерживания блоков на месте в погруженном положении для генерации энергии, а также же при подъеме на поверхность для обслуживания или ремонта. Для подъема блока на поверхность используются подъемный кран или лебедка (56), установленные на плоту, крюки которых могут быть зацеплены за опорную конструкцию турбины. После отсоединения блока в погруженном положении подъемный кран может извлечь блок из воды путем шарнирного поворота блока в положение обслуживания, в котором блок может быть зафиксирован замками.
[00130] В случае крепления к неподвижной конструкции (как показано на ФИГ. 28) блоки турбины могут быть обслужены или отремонтированы по меньшей мере двумя способами. Один способ состоит в использовании плавучей платформы или плота, который располагают в заданном месте после извлечения турбины из воды путем перемещения скольжением турбины, прикрепленной к опорной конструкции, вверх по рельсам, закрепленным на неподвижной конструкции, или путем подъема блоков турбин, смонтированных на опорной конструкции, вверх из воды. Другой способ состоит в использовании платформы, которая шарнирно прикреплена к фиксированной конструкции и может отводиться в сторону при подъеме блоков турбин из воды и затем возвращаться назад для размещения на ней турбин для обслуживания.
[00131] В случае плавучей установки турбин также имеются по меньшей мере два способа обслуживания блоков турбин. В случае плавучей турбины, которая привязана к морскому дну или руслу реки фиксированным кабель-тросом (64), соединенным с наматывающимся кабель-тросом (66), который удлиняется при его разматывании посредством механизма натяжения (как описано выше в отношении установки турбины такого типа) и позволяет поднять турбину на поверхность. Затем на поверхности блок турбины может быть поднят лебедкой на палубу судна для обслуживания или ремонта. В случае, если блоки турбин соединены с погруженным плотом (58) или плавучим устройством, механизм натяжения разматывает кабель-трос (66) тем же самым способом, как и в случае с плавучей турбиной, и затем на поверхности блоки турбины могут быть подняты посредством шарнирного механизма на платформу для обслуживания.
[00132] В случае буксируемой установки турбины буксировочный трос, прикрепленный к блоку турбины, вытягивают лебедкой для размещения блока турбины рядом с судном или позади него, после чего турбину обычно поднимают лебедкой или подъемным краном, установленным на судне. Затем турбину предпочтительно размещают на палубе судна для обслуживания или ремонта.
МЕТОДОЛОГИЯ КОНСТРУИРОВАНИЯ
[00133] Способ конструирования блоков турбин согласно настоящему изобретению следует считать новаторским и уникальным. Имея 30-летний опыт проектирования в области динамики текучей среды с последующим созданием и строительством форм гидрокрыльев различных типов в своей профессиональной карьере, Заявитель пришел к фундаментальным принципам, ставшим основой для конструирования турбин согласно настоящему изобретению. С этими принципами предварительного проектирования он полагает, что его конструкции турбин согласно настоящему изобретению обеспечивают возможность построения гидрокинетических турбин, которые превосходят и опережают любую другую известную конструкцию.
[00134] В настоящее время существуют множество сред, в которых используются гидрокинетические турбины, характеризующиеся реверсирующим потоком, в результате чего большая часть современного конструирования сосредоточена обеспечением двунаправленных турбин, которые фактически могут использоваться в таких средах в основном в приливо-отливных течениях. Следовательно, множество этих двунаправленных турбин содержат небольшое количество компонентов, имеющих форму гидрокрыла, или не содержат их вообще, или если содержат такие конструкции, имеющие форму гидрокрыла, они обязательно являются симметричными. Однако коэффициент тяги профиля асимметричной или выгнутой формы гидрокрыла больше, чем коэффициент тяги симметричной формы гидрокрыла. Такая конструкция однонаправленных гидрокинетических турбин согласно настоящему изобретению использует преимущество этого явления.
[00135] Было определено, что наиболее целесообразной является первичная оптимизация гидрокинетических турбин согласно настоящему изобретению для скорости потока, составляющей 3 узла (5,4 км/час) (например, см. вариант реализации, показанный на ФИГ. 34 и 35), поскольку потоки соответствующим образом скоростью приблизительно 3 узла (5,4 км/час) обычно присутствуют в океанских течениях, в приливо-отливных течениях, а также в множестве речных потоков. Также известны примеры мест и/или условий, в которых обычно наблюдаются более высокие скорости течения, составляющие приблизительно 5-7 узлов (9-12,6 км/час), например, в областях, в которых присутствуют особенные географические признаки, такие как, например, быстрые приливо-отливные течения или речные потоки, или даже океанские течения в редких примерах, а также в случае буксирования одной из гидротурбин позади судна, обычно парусного судна. С учетом указанных случаев наблюдения более высоких скоростей течения, в настоящей заявке также описаны модификации конструкции, предполагаемые для вариантов реализации, применимых к потоку, имеющему скорость 6 узлов (10,8 км/час), как являющегося характерным и также показательным для турбин, предполагаемых для использования в условиях, опосредующих такие потоки, имеющие повышенные скорости течения. Таким образом, в настоящей заявке описаны варианты реализации, которые являются репрезентативными для конструкций, применимых к этим двум наиболее распространенным (т.е. почти везде) обычно встречающимся скоростям течения. Разумеется, после изучения описаний, представленных в настоящей заявке, турбины согласно настоящему изобретению могут быть оптимизированы для любой скорости потока, которая с практической точки зрения включает потоки, имеющие скорость от примерно 0,5 узла (0,9 км/час) до примерно 12 узлов (21,6 км/час).
[00136] Известны множество стандартных алгоритмов, используемых в динамике текучих сред, для вычисления форм гидрокрыльев, и стандартные учебники и базы данных содержат полную информацию и таблицы, имеющие отношение к таким вычислениям и известным конструкциям. Они не будут описаны в настоящем контексте, поскольку уже известны специалистам. Однако, как описано ниже, согласно некоторым вариантам реализации в настоящем изобретении используются эти алгоритмы/базы данных в новаторском режиме конструирования в качестве отправной точки для проектирования новаторских форм гидрокрыльев, которые служат так называемыми "первоначальными" конструкциями на первых стадиях проектирования гидротурбины.
[00137] В соответствии с одним режимом процесс проектирования обычно начинается с выполненных вручную эскизов (обычно, но не обязательно новаторских), основанных на традиционных принципах динамики текучей среды, причем указанные эскизы выбирают на основании новаторских принципов согласно настоящему изобретению. Затем выбранные эскизы вводят в компьютерную программу так называемого 3D-моделирования (объемного моделирования), один из примеров которой называют "Rhino 3-D" или "Solid Works". В результате чего получают первую версию "первоначальных" конструкций.
[00138] Альтернативно первая версия "исходной" конструкции может быть получена путем выбора различных форм гидрокрыльев из одной из баз данных, таких как архивы Национального консультативного комитета по аэронавтике (NACA), опять же на основании тех же самых традиционных принципов динамики текучей среды, которые используются в выполненных вручную эскизах, но опять же указанные формы выбираются (из огромного количества) на основании новаторских принципов проектирования, описанных в настоящей заявке. Формы этой первой версии, "первоначальные" интуитивные формы гидрокрыльев (независимо от способа их получения) модифицируют с использованием программного обеспечения для 3D-моделирования, такого как Rhino 3D или SolidWorks, и анализируются с использованием программы для 2D-анализа потока (двумерного анализа потока), такой как "Java Foil" или тому подобной, а также других имеющихся в продаже программных продуктов, предназначенных для этой цели. Эти модификации выполняются путем рассмотрения выбранных "первоначальных" профилей в объемном виде и созданием модификаций, считающихся предпочтительными, исходя из принципов динамики текучей среды, для поддержки ламинарного потока и предотвращения турбулентности с одновременным поддерживанием максимальной скорости потока. В результате этой первой стадии создаются модифицированные "первоначальные" конструкции, которые представляют новые (новаторские) уникальные формы гидрокрыльев в соответствии с принципами настоящего изобретения, которые затем превращаются в форму кольцевого диффузора или сопла с целью использования их в контексте гидротурбины.
[00139] В целом, при рассмотрении конструкции для одиночной выбранной скорости течения, такой как, например, 3 узла (5,4 км/час), размер гидротурбин согласно настоящему изобретению может быть увеличен или уменьшен обычно только с незначительными изменениями в общей конфигурации. Основным фактором влияния выбора "исходной" формы гидрокрыла и последующей дополнительной модификации этого профиля является скорость водного потока, в котором должна быть размещена турбина. При более высоких скоростях потока, таких как 6 узлов (10,8 км/час), например, профиль форм гидрокрыльев в целом является более тонким и более плоским (меньше кривизна профиля с обеих сторон формы гидрокрыла), чем в конструкции профиля для потока соответствующим образом скоростью 3 узла (5,4 км/час), в которой профиль формы гидрокрыла должен быть более изогнут и более толст (больше кривизна профиля с обеих сторон формы гидрокрыла). Это в целом показано на ФИГ. 33, на котором ясно видны различия в соответствующих сечениях или профилях. При более высоких скоростях потока также часто увеличивается хорда формы гидрокрыла. Это также показано на ФИГ. 33, причем на ФИГ. 33а видно, что модифицированные "первоначальные" конструкции для центральной втулки и обода ускорителя являются более продолговатыми при конструировании для использования в потоке со скоростью 6 узлов (10,8 км/час), чем в случае подобной конфигурации, сконструированной для использования в потоке со скоростью 3 узла (5,4 км/час), как показано на ФИГ. 33b (которая, однако, не является "исходной" конструкцией, а скорее конечной конструкцией, вытекающей из второй ступени процесса проектирования, как описано ниже). Эти модификации (выполненные в программном обеспечении для 3D-моделирования) всегда делаются для достижения оптимальной тяги и максимальной скорости потока. После получения модифицированной "исходной" конструкции, показанной на ФИГ. 33а, которая в некоторой степени интуитивно спроектирована на первом этапе способа, как описано выше, можно перейти к второй ступени процесса проектирования (описанной ниже), на которой модифицированная "исходная" конструкция в большей степени подвергается количественной оптимизации с использованием анализа CFD (вычислительной динамики текучей среды).
[00140] Форма роторной лопатки спроектирована тем же самым способом, как и центральная втулка и обод ускорителя. Таким образом, соответствующая "исходная" форма гидрокрыла эскизируется или выбирается из библиотеки профилей роторной лопатки в соответствии с принципами настоящего изобретения и затем модифицируется (с использованием принципов динамики текучей среды) на основании скорости, с которой она перемещается в воде, причем скорость перемещения больше в области кончика лопатки, чем в области хвостовика лопатки. Соответственно каждый из параметров, таких как профиль формы гидрокрыла роторной лопатки, длина хорды, толщина хорды/профиля и установка профиля, предпочтительно изменяется, более предпочтительно изменяется непрерывно от хвостовика лопатки к кончику лопатки. Во время первой стадии процесса проектирования делаются насколько возможно много модификаций путем интуитивного применения принципов динамики текучей среды для достижения модифицированной "исходной" конструкции. Специалистам понятно, что это обычно делается при помощи программных продуктов, предназначенных для облегчения проектных работ, таких как, например, программы "JavaProp", "QBlade" и т.п. (Изменения, описанные здесь, в целом могут быть визуализированы путем рассматривания предпочтительного конечного или "оптимизированного" варианта реализации, показанного на ФИГ. 34, на котором изображен профиль роторной лопатки, "оптимизированный" (на второй стадии) для секции роторных лопаток диаметром 1,5 метра для использования в потоке со скоростью 3 узла (5,4 км/час). На чертеже ясно видно, как все параметры, задающие форму гидрокрыла лопатки и ее инцидентные углы, изменяются между хвостовиком и кончиком лопатки).
[00141] Из ФИГ. 37А и 37В первый показывает ускорение потока на 2-мерной диаграмме скорости, полученное из анализа с использованием программного обеспечения, в то время как последний показывает сопутствующее представление, показывающее ускорение потока на 2-мерной диаграмме давления. Оба чертежа отчетливо показывают области повышенного ускорения, обусловленного характеристиками конструкции согласно настоящему изобретению.
[00142] Что касается второй стадии процесса проектирования, вышеуказанные модифицированные "первоначальные" формы, созданные на первой стадии проектирования, анализируются на предмет их эффективности совместной работы в среде турбины для создания самых больших перепадов давлений при наименьшей турбулентности для достижения максимального ускорения потока воды через сопло. Этот этап является этапом "оптимизации", на котором конечные оптимизированные формы определяются для каждого из компонентов формы гидрокрыла. Для этого анализа используется метод, называемый как Вычислительная динамика текучих сред (CFD). Как известно, этот анализ всегда выполняется на 3-мерной модели. Эти модели могут быть выполнены любой известной компьютерной программой CFD, такой, например, как известная под именем "STAR ССМ+", которая является одной из большинства расширенных версий программного обеспечения в этой области техники. Это программное обеспечение предоставляет проектировщику интуитивно созданной формы гидрокрыла возможность анализа и оптимизации характеристик потока в виртуальной среде перед построением опытных образцов для реального испытания.
[00143] Ниже представлен пример полученных из программы решающего устройства результатов анализа CFD, выполненного на 3-мерной модели для ранней стадии проектирования обода ускорителя и центральной втулки с кольцевым диффузором. На ФИГ. 38А показан перепад давлений внутри турбины в результате ускорения потока посредством показа линий потока. Анализ CFD также используется для определения, имеется ли какая-либо турбулентность в потоке воды, которая может снизить эффективность. На ФИГ. 38В показаны области давления, которые являются следствием линий потока, показанных на ФИГ. 38А.
[00144] Эти примеры анализа CFD уже частично оптимизированного обода ускорителя и центральной втулки с добавленным к ней кольцевым диффузором демонстрируют синергистический эффект элементов, вместе создающих весьма большой перепад давлений.
[00145] В анализе CFD программа создает сложноорганизованное сплетение многогранных форм для моделирования объема текучей среды и чрезвычайно точного шаблона турбины в форме сетки, составленного из миллионов треугольников. Впоследствии эту только что созданную модель пропускают через решатель программы, который анализирует текучую среду/поток воды (многогранные тела) вокруг формы турбины (сетку треугольников) и показывает пути потока, созданные таким способом. Таким образом, конечные оптимизированные формы и конфигурация компонентов достигаются изменениям и оценкой последствий этих изменений на основании поверочной обратной связи, обеспеченной анализом CFD, пока не будет достигнута конечная оптимальная комбинация форм.
[00146] После того, как все формы гидрокрыльев оптимизированы и показали хорошее взаимодействие при работе друг с другом, вычисляются потенциальное извлечение энергии или электрическая производительность. Вот примерный результат анализа конкретной формы лопатки, разработанной во время ранней фазы проектирования с использованием CFD для анализа перепада давлений между обеими сторонами роторных лопаток (внутренней вогнутой поверхности и наружной выпуклой поверхности) при их вращении в воде (для определения оптимальной формы и количества лопаток). На ФИГ. 39 и 40 показаны соответствующие области высокого и низкого давления на двух сторонах роторных лопаток.
[00147] Понятно, что пробные и ошибочные элементы встречаются не только на первой стадии, но также и до некоторой степени на второй стадии способа. На первой стадии пробы и ошибки выявляются не только благодаря опыту специалиста в данной области техники, применяющего принципы, почерпнутые в настоящей заявке, но также благодаря интуитивному применению общих принципов динамики текучей среды и, что еще более важно, результатам количественного анализа, обеспеченным программными пакетами различных типов, которые применяются для проверки эффектов каждой модификации, выполненной в отношении конструкций отдельных компонентов. На второй стадии, на которой испытание выполняют на 3-мерных моделях в отношении комбинаций компонентов, очевидно могут быть сделаны множество изменений, однако оптимизация в этой точке является относительно прямолинейной. С использованием анализа CFD могут быть обнаружены области, свидетельствующие о недостаточно ламинарном потоке и/или чрезмерной турбулентности, которые затем могут быть модифицированы для устранения этих нежелательных эффектов потока. Как правило, цель состоит, как полагают, в теоретическом подтверждении максимально возможного улучшения результатов, например, повышения скорости потока через турбину, приблизительно троекратно превосходящей скорость потока снаружи турбины. Альтернативно, в качестве цели может быть выбрано некоторое повышение выходной мощности турбины по сравнению с известной турбиной, имеющей сравнительные размеры. Когда любая или обе из этих целей близки или достигнуты, оптимизация считается выполненной. Например, на ФИГ. 34 и 35 показаны базисные размеры одного предпочтительного варианта реализации турбины согласно настоящему изобретению, а именно турбины диаметром 1,5 метра, которая оптимизирована для использования в потоке, имеющем скорость примерно 3 узла (5,4 км/час) как показано в следующих таб. 2-4, содержащих пояснения к чертежам.
[00148] Затем, структурные аспекты формы конструкции анализируются с использованием программы анализа методом конечных элементов, такой как программа под названием CD-Adapco FEA, Scan и Solve или им подобной. Эта структурная проработка должна подтвердить, что формы профилей, которые определены, фактически могут быть построены с необходимой прочностью, например, с использованием композитных материалов. Также известны другие программы, которые также могут быть попутно использованы для этой цели, такие как Solid Works, AutoCAD, с механическим моделированием событий, но они вносят незначительный вклад в усовершенствование конструкции.
[00149] После определения формы турбины в соответствии с интуитивным проектированием/рисованием эскизов, оптимизацией форм с использованием 3D-моделирования и анализа CFD, начинается 3-я стадия усовершенствования. Эта стадия представляет собой физическое построение полностью функционального опытного образца и его испытание в реальных условиях с одновременным отслеживанием и документированием все параметров конструкции. Это включает регистрацию оборотов в минуту роторной секции, электрической производительности блока турбины, видеозапись характеристик потока путем визуализации всех поверхностей методом шелковинок (подобно визуализации крыла самолета в аэродинамической трубе). Эти испытания проводятся при различных скоростях потока от 1 узла (1,8 км/час) до 6 узлов (10,8 км/час) с использованием различные конфигураций форм обода ускорителя, форм кольцевого диффузора и форм роторной секции. В конечном счете эти испытания приводят к окончательному подтверждению функциональности и эффективности конструкции для данной скорости потока и конкретного размера турбины.
ПРОЕКТИРОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ ДЛЯ КОНКРЕТНОГО МЕСТА
[00150] Кроме того, эта уникальная методология проектирования может быть использована для улучшения извлечения максимальной энергии из любого данного естественно происходящего водного потока путем проектирования конструкции для конкретного места. Первый этап проектирования конструкции для конкретного места состоит из сбора данных о характеристиках потока в конкретном расположении или месте. Скорости потока, направление потока, характеристики массового расхода потока (объем воды, протекающей в любой конкретный момент времени) и колебания потока в течение данного промежутка времени измеряют с высокой точностью и записывают при помощи акустического оборудования, работающего по принципу Доплеровского смещения. Второй этап проектирования конструкции для конкретного места состоит в оценке, регистрации и записи типов и количеств представителей водной живой природы в области, выбранной для места установки, с применением продолжительной видеозаписи, водолазных работ и регистрацией всех видов и размеров морской живой природы. Также необходимо регистрировать тип и количество мусора, плавающего в воде. После этого может быть начат вышеуказанный метод проектирования конструкции для конкретного места, в результате чего оптимизированная турбина для конкретного места может быть разработана путем первоначального незначительного корректирования формы гидрокрыла обода ускорителя, диффузора, центральной втулки и роторных лопаток, после чего может быть выполнена регулировка промежутка между стержнями на защитном ограждении для защиты от водных представителей живой природы и мусора в соответствии с местными требованиями. Такой подход гарантирует, что водные представители живой природы не пострадают от турбины, турбина не будет повреждена плавающим мусором, и максимальное количество энергии/электричества может быть извлечено в данном местоположении.
[00151] Все компьютерные программы, указанные в приведенном выше описании способа согласно настоящему изобретению, имеются в продаже, и режимы их использования, таким образом, известны специалистам в данной области техники.
[00152] Таким образом, в настоящей заявке предложены некоторые новаторские способы проектирования конструкций для гидрокинетических турбин, а также привлечены понятия, инструменты и информация из различных областей техники, которые использованы и/или объединены новаторским способом для конструирования однонаправленных гидрокинетических турбин, которые обеспечивают значительно более высокую эффективность. Это стало возможным благодаря в значительной степени синергистическому взаимодействию множества новаторских компонентов турбины, которые реализуют новаторские асимметричные характеристики формы гидрокрыла, точно настроенные новым способом для конкретной среды, в которой они должны использоваться. "Новизна процесса проектирования" является очевидной, поскольку никогда прежде инженеры и проектировщики не достигали таких высоко эффективных результатов, какие демонстрируются гидрокинетическими турбинами согласно настоящему изобретению. Эти характеристики делают турбины согласно настоящему изобретению пригодными для использования в различных случаях применения, в которых скорость течения является слишком низкой для использования известных турбин.
[00153] Проектирование конструкций гидрокинетических турбин согласно настоящему изобретению и/или их компонентов является уникальным в силу того факта, что вплоть до настоящего времени никакой другой способ проектирования не объединяет все возможные гидродинамические преимущества и не открывает путь к новаторским сочетаниям (в выборе компонентов, проектировании конструкций компонентов и взаимодействии этих компонентов) для оптимизации производительности турбины и ускорения потока воды с целью извлечения большей энергии, как это делают турбины согласно настоящему изобретению. Несмотря на то, что гидродинамические принципы являются известными, использование этих принципов и сочетание новаторских способов проектирования конструкций и эффектов всех различных элементов, используемых в этом способе проектирования, в частности, взаимно полезных и синергистических эффектов этих элементов, объединенных вместе, является новаторским и обладает признаками изобретения. Как показано в настоящем способе проектирования, каждый элемент первоначально конструируют и затем оптимизируют для скорости потока и размера турбины, и, как следствие, конечным результатом является гидрокинетическая турбина с намного большей производительностью и эффективностью, чем другие проекты, считавшиеся общепризнанными до настоящего времени.
ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОЧНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
10 - Переднее защитное ограждение для защиты от представителей живой природы и мусора
12 - Переднее кольцо защитного ограждения для крепления оградительных стержней
14 - Оградительные стержни, имеющие профиль гидрокрыла
15 - Расстояние между оградительными стержнями
16 - Заднее/хвостовое кольцо защитного ограждения для крепления оградительных стержней
18 - Заднее/хвостовое защитное ограждение для защиты от представителей живой природы и мусора
20 - Полный обод ускорителя
21 - S-образная/имеющая двойную кривизну форма гидрокрыла профиля обода ускорителя
22 - Входной раструб/передний обтекатель обода ускорителя
23 - Корпус статора/центральная секция обода ускорителя
24 - Не S-образная форма гидрокрыла профиля обода ускорителя
25 - Металлические обмотки статора
26 - 9 роликовых/шариковых подшипников (3 опорных подшипника спереди, 3 опорных подшипника сзади, 3 выравнивающих подшипника)
28 - Задний обтекатель/задняя секция обода ускорителя
29 - Острый край обода ускорителя
30 - Полная основная роторная секция, содержащая имеющие профиль гидрокрыла лопатки, обод роторных лопаток с выемкой для установки постоянных магнитов, имеющую профиль гидрокрыла центральную втулку
32 - Кольцо постоянных магнитов, установленное в выемке в роторной секции
33 - Кончик роторных лопаток
34 - Имеющие профиль гидрокрыла роторные лопатки
35 - Профили форм гидрокрыльев в роторных лопатках
36 - центральная втулка с профилем гидрокрыла
37 - Открытый центр основной роторной секции
38 - Обод роторных лопаток с выемкой для установки постоянных магнитов
39 - Хвостовик роторных лопаток
40 - Кольцевой диффузор с имеющим профиль гидрокрыла сечением
42 - 2-ой кольцевой диффузор
44 - 3-ий кольцевой диффузор
50 - Трубчатая опорная конструкция для различных монтажных целей
51 - Имеющие профиль гидрокрыла стержни крепления между компонентами турбины и опорной конструкцией
52 - Опорная свая для поворота
53 - Водонепроницаемый штепсель для отключения турбины, кольца и щетки для поворота внутри сваи
54 - Плавающий плот или морская баржа
55 - Опорная конструкция для размещения турбины шарнирным поворотом на плоту/барже
56 - Подъемные краны для шарнирной установки турбины на плоту/барже
58 - Погружной плот для плавучей установки
59 - Якорение к морскому дну или анкеру винтового типа
60 - Хвостовой руль турбины для ориентации турбины в направлении потока воды
62 - Небольшие крылья, прикрепленные к турбине, для буксирной установки турбины
64 - Фиксированный кабель-трос и швартов для монтажной установки на барже/плоту или плавучей установки
66 - Наматывающийся кабель-трос для погружения турбины путем сокращении или увеличения расстояния до поверхности
72 - Установка/угол атаки лопатки, имеющей форму гидрокрыла
74 - Хорда формы гидрокрыла/длина хорды
75 - Длина роторной лопатки
76 - Толщина профиля/формы гидрокрыла
78 - Закрутка роторной лопатки/изменение установки
80 - Сплошная/выпуклая центральная втулка
82 - Имеющие профиль гидрокрыла лопасти для поддержки этого положения сплошной центральной втулки
83 - Диаметр входной части диффузора
84 - Диаметр входной части обода ускорителя
85 - Общий диаметр центральной втулки
86 - Толщина профиля/хорды центральной втулки
87 - Длина обода ускорителя
88 - Длина диффузора
89 - Длина центральной втулки
90 - Толщина профиля/хорды обода ускорителя
91 - Толщина профиля/хорды диффузора
92 - Диаметр выходной части центральной втулки
93 - Диаметр выходной части обода ускорителя
94 - Диаметр выходной части диффузора
95 - Направление потока.