Система для преобразования энергии волн - RU2567344C2
Код документа: RU2567344C2
Чертежи
Описание
Область техники, к которой относится предлагаемое изобретение
Предлагаемое изобретение относится к преобразованию энергии волн. В частности, предлагаемое изобретение относится к устройству для извлечения энергии из движения волн.
Кроме того, предлагаемое изобретение относится к плавучему аппарату и системе для преобразования энергии волн, содержащему такой плавучий аппарат.
Согласно одному из технических решений упомянутый плавучий аппарат может быть выполнен как плавучий исполнительный механизм, чувствительный по отношению к движению волн, в частности как рабочий орган, передающий движение волн на устройство, движение которого является реакцией на движение волн. При таком решении упомянутый плавучий аппарат может быть погружен в толщу воды ниже ее поверхности. Согласно другому техническому решению упомянутый плавучий аппарат может быть выполнен как плавучий буй.
Замысел предлагаемого изобретения состоит, в частности, хотя и не только, в плавучем исполнительном механизме, выполненном с возможностью использования энергии волн и предназначенном для преобразования этой энергии в линейное перемещение для привода преобразующего устройства, такого как насос текучей среды или линейный электрический генератор. При таком техническом решении упомянутый плавучий исполнительный механизм может быть оперативно соединен с упомянутым преобразующим устройством, при этом плавучий исполнительный механизм находится в плавучем подвешенном состоянии в толще воды (но обычно ниже поверхности воды). При этом плавучий исполнительный механизм фактически представляет собой погруженный поплавок, перемещение которого является реакцией на движение волн в толще воды.
Кроме того, предлагаемое изобретение относится к устройству для преобразования энергии, содержащему насос текучей среды, выполненный с возможностью осуществлять перекачку текучей среды в качестве реакции на движение волн.
Область техники, к которой относится предлагаемое изобретение
Последующее обсуждение предшествующего уровня техники имеет единственной целью облегчение понимания предлагаемого изобретения. Это обсуждение не является признанием или допущением того, что любая часть материала, на который дается ссылка, на дату подачи настоящей заявки являлась частью общего знания.
В данной области техники известно использование воздействия движения волн на преобразующее устройство, работа которого является реакцией на движение волн, одним из примеров чего является использование плавучего исполнительного механизма для преобразования движения волн в возвратное движение в преобразующем устройстве.
При агрессивном поведении морской среды, обычно в неблагоприятных погодных условиях (например, в штормовых условиях), плавучие исполнительные механизмы могут подвергаться силовым воздействиям слишком большой величины. Известные плавучие исполнительные механизмы в таких условиях могут быть подвержены повреждениям или отпадению. Кроме того, системы и компоненты, с которыми соединены исполнительные механизмы, могут подвергаться избыточным нагрузкам. В тех случаях, когда система для преобразования энергии волн содержит такой плавучий исполнительный механизм, избыточным нагрузкам могут подвергаться различные компоненты (такие как насос, основание, к которому насос крепится, а также соединение между плавучим исполнительным механизмом и насосом).
Предлагались различные решения для ослабления избыточных нагрузок на основания, насос и соединительные компоненты системы для преобразования энергии волн с целью избежания их повреждения в неблагоприятных условиях на море. Одно такое предложение состоит в избирательном открывании внутреннего пространства плавучего исполнительного механизма с обеспечением для воды возможности сквозного протекания через плавучий исполнительный механизм в качестве реакции на попадание плавучего исполнительного механизма в неблагоприятные погодные условия. Благодаря тому, что для воды обеспечивается возможность прохождения внутреннего пространства плавучего исполнительного механизма насквозь, уменьшается его сопротивление движению воды, которая ударяется в плавучий исполнительный механизм. При таком решении из процесса исключается значительная доля потенциальной энергии, так как плавучий исполнительный механизм не так высоко поднимается на волнах. Кроме того, в то же самое время исключается также часть кинетической энергии, так как уменьшается восприимчивая масса (так как вода больше не улавливается и не удерживается во внутреннем пространстве плавучего исполнительного механизма) и скорость (так как плавучий исполнительный механизм при таком решении не так реагирует на силу волн, чтобы ускоряться). При таком решении нагрузка на насос и связанные с ним соединения (включая кабель-трос) может быть ослаблена до приемлемого уровня, и это может быть достигнуто в приемлемо короткий отрезок времени.
Предлагаемое изобретение разработано вопреки тому, что можно узнать из предшествующего уровня техники.
Краткое описание предлагаемого изобретения
Согласно первому аспекту осуществления предлагаемого изобретения предусматривается создание плавучего аппарата, содержащего полое тело, имеющее наружную поверхность, при этом упомянутое полое тело выполнено с возможностью непрерывного пребывания ниже поверхности воды в процессе работы, демпфирующее средство, связанное с упомянутым полым телом, для соединения полого тела с кабелем-тросом, при этом с помощью упомянутого демпфирующего средства обеспечивается упругое соединение между полым телом и кабелем-тросом, при этом плавучий аппарат выполнен с возможностью оперативного соединения с отдельным насосом с помощью соединения, которое включает кабель-трос.
Представляется предпочтительным такое решение, при котором демпфирующее средство выполнено с возможностью поддержания по существу жесткого соединения между полым телом и кабелем-тросом до тех пор, пока нагрузка между ними не превышает заданное значение, после чего демпфирующее средство допускает их ограниченное относительное перемещение с целью ослабления нагрузки.
Представляется предпочтительным такое решение, при котором демпфирующее средство находится внутри упомянутого полого тела.
Представляется предпочтительным такое решение, при котором демпфирующее средство содержит демпфирующий механизм и гидравлический аккумулятор, который оперативно соединен с демпфирующим механизмом через посредство противодействующей текучей среды.
Представляется предпочтительным такое решение, при котором демпфирующее средство содержит корпус, ограничивающий некоторую полость, внутри которой расположен поршневой узел, при этом упомянутые корпус и поршневой узел взаимодействуют таким образом, что в полости образована рабочая камера, при этом обеспечивается такое состояние, что при относительном перемещении поршневого узла и корпуса упомянутая рабочая камера меняет свой объем, при этом упомянутый гидравлический аккумулятор оперативно соединен с рабочей камерой через посредство противодействующей текучей среды.
Гидравлический аккумулятор обеспечивает заданное давление текучей среды, оказываемое на поршневой узел внутри рабочей камеры для сопротивления перемещению поршневого узла до тех пор, пока нагрузка на поршень не превысит определенное значение, после чего происходит перемещение поршневого узла в качестве реакции на оказываемую на него нагрузку, в результате чего происходит постепенное сокращение объема рабочей камеры с воздействием на противодействующую текучую среду, которая оказывает упругое сопротивление такому перемещению.
Поршневой узел может делить полость на рабочую сторону и глухую сторону, при этом упомянутая рабочая сторона образует рабочую камеру.
Согласно одному из решений упомянутая глухая сторона может быть закрытой. Согласно другому решению между рабочей стороной и глухой стороной может быть предусмотрено соединение.
Поршневой узел может содержать поршневую головку, которая расположена в полости, и шток поршня, который простирается из полости вовне.
Корпус может представлять собой цилиндрическую оболочку.
Представляется предпочтительным такое решение, при котором упомянутая цилиндрическая оболочка соединена с полым телом, и шток поршня выполнен с возможностью соединения с кабелем-тросом.
Представляется предпочтительным такое решение, при котором аккумулятор расположен внутри полого тела.
Представляется предпочтительным такое решение, при котором цилиндрическая оболочка установлена с возможностью поворота вокруг оси, ориентированной поперечно по отношению к продольной оси плавучего аппарата.
Представляется предпочтительным такое решение, при котором конфигурация полого тела обеспечивает наличие верхней секции, нижней секции и средней секции, которая расположена между упомянутыми верхней секцией и нижней секцией.
Представляется предпочтительным такое решение, при котором упомянутые верхняя секция и нижняя секция имеют усеченную форму.
Представляется предпочтительным такое решение, при котором верхняя секция содержит самую верхнюю поверхность полого тела, а нижняя секция представляет самую нижнюю поверхность полого тела.
Представляется предпочтительным такое решение, при котором в полом теле предусмотрены отверстия для пропускания воды во внутреннее пространство полого тела.
Представляется предпочтительным такое решение, при котором упомянутые отверстия выполнены в средней секции полого тела.
Полое тело может иметь любую подходящую конфигурацию. Согласно одному из решений полое тело может быть конфигурировано в виде усеченной сферы или усеченного сплюснутого сфероида. Согласно другому решению средняя секция полого тела может иметь форму цилиндра или многоугольной призмы.
Полое тело может снабжено одной или большим количеством камер плавучести.
Упомянутые камеры плавучести могут быть расположены внутри полого тела.
Может быть предусмотрена возможность произвольного варьирования (регулирования) плавучести полого тела. Это произвольное варьирование или регулирование плавучести может быть достигнуто путем введения в камеры плавучести регулирующей плавучесть текучей среды или выведения из них регулирующей плавучесть текучей среды.
Полое тело может содержать внутреннюю опорную конструкцию, обеспечивающую опору для окружающей обшивки, которая обеспечивает наружную поверхность полого тела.
Цилиндрическая оболочка может быть расположена центрально внутри упомянутой внутренней опорной конструкции.
Представляется предпочтительным такое решение, при котором внутреннее пространство полого тела как на суше, так и в воде доступно для различных операций, таких как техническое обслуживание и установка и снятие оборудования.
Согласно одному из решений демпфирующее средство может представлять собой единственное средство снятия избыточных нагрузок на кабель-трос.
Согласно другому решению плавучий аппарат может быть снабжен дополнительными средствами снятия избыточных нагрузок на кабель-трос. Эти дополнительные средства снятия избыточных нагрузок могут быть реализованы в любом подходящем виде, например, они могут представлять собой средства для произвольного открывания внутреннего пространства плавучего аппарата с обеспечением возможности сквозного протекания через него воды. Примерами таких дополнительных средств снятия избыточных нагрузок могут служить устройства, раскрываемые в международных патентных заявках PCT/AU 2008/001853 и PCT/AU 2010/000398, содержание которых включается в настоящую заявку по ссылке.
Система, с которой плавучий аппарат соединен через посредство кабеля-троса, может включать также средства для снятия избыточных нагрузок на кабель-трос.
Согласно второму аспекту осуществления предлагаемого изобретения предусматривается создания плавучего аппарата, содержащего полое тело, имеющее наружную поверхность, при этом упомянутое полое тело приспособлено для непрерывного пребывания ниже поверхности воды в процессе работы, при этом конфигурация полого тела обеспечивает наличие верхней секции, нижней секции и средней секции, которая расположена между упомянутыми верхней секцией и нижней секцией, при этом в полом теле предусмотрены отверстия для пропускания воды во внутреннее пространство полого тела, при этом упомянутые отверстия выполнены в средней секции полого тела.
Представляется предпочтительным такое решение, при котором упомянутые верхняя секция и нижняя секция полого тела имеют усеченную конфигурацию.
Представляется предпочтительным такое решение, при котором верхняя секция содержит самую верхнюю поверхность полого тела, а нижняя секция содержит самую нижнюю поверхность полого тела.
В любом из рассмотренных выше аспектов осуществления предлагаемого изобретения плавучий аппарат может быть выполнен как плавучий исполнительный механизм.
Согласно третьему аспекту осуществления предлагаемого изобретения предусматривается создание плавучего аппарата, содержащего полое тело, имеющее наружную поверхность, при этом упомянутое полое тело приспособлено для непрерывного пребывания ниже поверхности воды в процессе работы, одну или большее количество камер плавучести, расположенных внутри полого тела, и средства для произвольного варьирования или регулирования плавучести полого тела путем манипуляций с регулирующей плавучесть текучей средой внутри по меньшей мере одной из упомянутых камер плавучести.
Согласно четвертому аспекту осуществления предлагаемого изобретения предусматривается создание системы для преобразования энергии волн, содержащей плавучий аппарат согласно любому из рассмотренных выше аспектов осуществления предлагаемого изобретения.
Согласно пятому аспекту осуществления предлагаемого изобретения предусматривается создание системы для преобразования энергии волн, содержащей плавучий аппарат, содержащий полое тело, имеющее наружную поверхность, при этом упомянутое полое тело приспособлено для непрерывного пребывания ниже поверхности воды в процессе работы, одну или большее количество камер плавучести, расположенных внутри полого тела, и открывающее средство внутри полого тела, обеспечивающего возможность поступления воды во внутреннее пространство полого тела, насос, оперативно соединенный с плавучим аппаратом для осуществления перекачивающего действия в качестве реакции на движение волн, при этом упомянутый насос встроен в гидравлическую цепь, по которой с помощью насоса осуществляется подача текучей среды, средства, связанные с упомянутой гидравлической цепью для регулирования характеристик текучей среды, доставляемой с помощью насоса, при этом насос имеет первый порт и второй порт, при этом насос выполнен с возможностью блокирования сообщения между вторым портом и рабочей камерой по мере достижения объемом рабочей камерой его минимального значения, с ограничением, тем самым, скорости, с которой текучая среда может покидать сжимающуюся рабочую камеру, когда второй порт заблокирован, тем самым подвергая ту порцию текучей среды, которая все же остается в рабочей камере, сжатию с намного более высокой скоростью и принуждая ее, таким образом, оказывать намного большее сопротивление продолжающемуся перемещению поршневой головки.
Представляется предпочтительным такое решение, при котором полое тело имеет верхнюю секцию, нижнюю секцию и среднюю секцию, которая расположена между упомянутыми верхней секцией и нижней секцией, при этом упомянутое открывающее средство содержит совокупность отверстий, выполненных в средней секции.
Подлежащие регулированию характеристики текучей среды могут включать скорость, с которой нарастает давление текучей среды в процессе осуществляемого насосом цикла нагнетания.
Регулирование скорости, с которой нарастает давление текучей среды в процессе осуществляемого насосом цикла нагнетания, осуществляется системой для снятия избыточных нагрузок на устройство преобразования энергии волн. При таком решении в процессе работы устройства преобразования энергии волн для недопущения избыточных нагрузок энергия из него может высвобождаться гидравлическим путем.
Представляется предпочтительным такое решение, при котором гидравлическая схема содержит гидравлический аккумулятор. Этот аккумулятор может работать, оказывая гидравлическое сопротивление осуществляемому насосом циклу нагнетания.
Представляется предпочтительным такое решение, при котором гидравлическое сопротивление осуществляемому насосом циклу нагнетания постепенно нарастает на протяжении этого цикла нагнетания.
Некоторая часть энергии текучей среды, подаваемой на протяжении осуществляемого насосом цикла нагнетания, может храниться в аккумуляторе, функция которого состоит в сглаживании течения текучей среды.
Представляется предпочтительным такое решение, при котором насос представляет собой поршневой возвратно-поступательный насос.
Представляется предпочтительным такое решение, при котором насос содержит корпус, образующий полость, поршневой узел, расположенный внутри упомянутой полости, при этом упомянутые корпус и поршневой узел взаимодействуют таким образом, что в полости образована рабочая камера, при этом обеспечивается такое состояние, что при относительном перемещении поршневого узла и корпуса упомянутая рабочая камера меняет свой объем, при этом упомянутый гидравлический аккумулятор оперативно соединен с рабочей камерой через посредство противодействующей текучей среды.
Поршневой узел может делить полость на рабочую сторону и глухую сторону, при этом рабочая сторона образует упомянутую рабочую камеру.
Поршневой узел может содержать поршневую головку, которая расположена в полости, и шток поршня, который простирается из полости вовне.
Корпус может представлять собой цилиндрическую оболочку.
Представляется предпочтительным такое решение, при котором цилиндрическая оболочка соединена с причальным сооружением, таким как основание, установленное на ложе водного массива, а шток поршня выполнен с возможностью соединения с кабелем-тросом.
Представляется предпочтительным такое решение, при котором второй порт сообщен с магистралью протекания текучей жидкости.
Представляется предпочтительным такое решение, при котором конфигурацией полости предусматривается первая секция полости, имеющая больший диаметр, и вторая секция полости, имеющая меньший диаметр, между которыми предусмотрен уступ, при этом упомянутая первая секция полости выполнена с возможностью вмещения поршневой головки, а вторая секция полости составляет часть рабочей камеры.
Представляется предпочтительным такое решение, при котором упомянутая вторая секция полости имеет боковую стенку, на которую открывается второй порт, а упомянутый уступ имеет кольцеобразную поверхность, которая обращена к первой секции полости и на которую открывается первый порт для сообщения с первой секцией полости.
Представляется предпочтительным такое решение, при котором вторая секция полости имеет размер, обеспечивающий возможность вмещать шток поршня, но не поршневую головку, при этом шток поршня простирается от поршневой головки, проходя сквозь вторую секцию полости.
Представляется предпочтительным такое решение, при котором шток поршня имеет загораживающую манжету, которая расположена с прилеганием к поршневой головке и выполнена с возможностью вхождения во вторую секцию полости по мере достижения объемом рабочей камеры его минимального значения, при этом при вхождении загораживающей манжеты во вторую секцию полости она взаимодействует с боковой стенкой второй секции полости и загораживает второй порт от первой секции полости. Этим обеспечивается эффективное ограничение сообщения между рабочей камерой и гидравлическим аккумулятором через первый порт.
Согласно седьмому аспекту осуществления предлагаемого изобретения предусматривается создание устройства для преобразования энергии волн, содержащего плавучий аппарат, приспособленный для непрерывного пребывания ниже поверхности воды в процессе работы, и насос, выполненный с возможностью осуществления операции перекачивания в качестве реакции на движение волн, при этом упомянутый насос включен в гидравлическую цепь, по которой с помощью этого насоса осуществляется подача текучей среды, и средства, связанные с упомянутой гидравлической цепью для регулирования характеристик текучей среды, доставляемой с помощью насоса.
Согласно восьмому аспекту осуществления предлагаемого изобретения предусматривается создание насоса, содержащего корпус, образующий полость, поршневой узел, расположенный внутри упомянутой полости, при этом упомянутые корпус и поршневой узел взаимодействуют таким образом, что в полости образована рабочая камера, при этом обеспечивается такое состояние, что при относительном перемещении поршневого узла и корпуса упомянутая рабочая камера меняет свой объем, при этом поршневой узел делит полость на рабочую сторону, образующую рабочую камеру, первый порт для сообщения с гидравлическим аккумулятором и второй порт для сообщения с магистралью протекания текучей среды для впуска текучей среды при увеличении объема рабочей камеры и нагнетания текучей среды при сокращении объема рабочей камеры, при этом насос выполнен с возможностью блокирования сообщения между вторым портом и рабочей камерой по мере достижения объемом рабочей камеры его минимального значения.
Представляется предпочтительным такое решение, при котором насос обеспечивает возможность блокирования сообщения между вторым портом и рабочей камерой по мере достижения объемом рабочей камеры его минимального значения за счет конфигурации поршневого узла.
Представляется предпочтительным такое решение, при котором поршневой узел содержит загораживающую манжету для блокирования сообщения между вторым портом и рабочей камерой по мере достижения объемом рабочей камеры его минимального значения.
Насос согласно седьмому аспекту осуществления предлагаемого изобретения может включать любой один или большее число признаков, о которых говорилось выше в отношении насоса в составе системы для преобразования энергии волн согласно пятому аспекту осуществления предлагаемого изобретения.
Согласно еще одному аспекту осуществления предлагаемого изобретения предусматривается создание системы для преобразования энергии волн, содержащей насос согласно седьмому аспекту осуществления предлагаемого изобретения.
Краткое описание прилагаемых чертежей
Предлагаемое изобретение будет лучше понято из последующего подробного описания нескольких конкретных вариантов осуществления предлагаемого изобретения, проиллюстрированных на прилагаемых чертежах.
На фиг.1 схематично показано устройство для использования энергии океанских волн согласно первому варианту осуществления предлагаемого изобретения.
На фиг.2 на виде сбоку схематично показан плавучий исполнительный механизм, входящий в состав устройства, изображенного на фиг.1.
На фиг.3 плавучий исполнительный механизм, изображенный на фиг.2, показан на виде сверху.
На фиг.4 этот же плавучий исполнительный механизм показан тоже на виде сверху, при этом для показа его внутреннего строения сняты некоторые детали.
На фиг.5 этот же плавучий исполнительный механизм показан в разрезе по 5-5 (см. фиг.4).
На фиг.6 в аксонометрии схематично показана конфигурация наружной обшивки этого плавучего исполнительного механизма.
На фиг.7 на виде сбоку показана сходная конфигурация наружной обшивки плавучего исполнительного механизма, сходного с тем, который изображен на фиг.6.
На фиг.8 в аксонометрии схематично показана еще одна конфигурация наружной обшивки плавучего исполнительного механизма.
На фиг.9 в аксонометрии схематично показан плавучий исполнительный механизм, у которого удалена часть наружной обшивки, чтобы показать внутреннее строение.
На фиг.10 схематично в разрезе показан плавучий исполнительный механизм, при этом показано расположенное во внутреннем пространстве этого плавучего исполнительного механизма демпфирующее средство.
На фиг.11 схематично в аксонометрии показана часть плавучего исполнительного механизма.
На фиг.12 схематично показано демпфирующее средство, в частности изображен демпфирующий механизм и гидравлический аккумулятор.
На фиг.13 схематично показана часть насоса, входящего в состав устройства согласно первому варианту осуществления предлагаемого изобретения.
На фиг.14 графически проиллюстрировано повышение давления внутри насоса в течение хода нагнетания.
На фиг.15 схематично показано демпфирующее средство для плавучего исполнительного механизма, входящего в состав устройства для использования энергии океанских волн согласно второму варианту осуществления предлагаемого изобретения.
На фиг.16 схематично показана часть демпфирующего средства для плавучего исполнительного механизма, входящего в состав устройства для использования энергии океанских волн согласно третьему варианту осуществления предлагаемого изобретения.
На фиг.17 схематично в разрезе на виде сбоку показан плавучий исполнительный механизм, входящий в состав устройства для использования энергии океанских волн согласно четвертому варианту осуществления предлагаемого изобретения.
На фиг.18 схематично на виде сбоку показан плавучий исполнительный механизм, входящий в состав устройства для использования энергии океанских волн согласно пятому варианту осуществления предлагаемого изобретения.
На фиг.19 плавучий исполнительный механизм, изображенный на фиг.18, показан в аксонометрии.
На фиг.20 схематично на виде сбоку показан плавучий исполнительный механизм, входящий в состав устройства для использования энергии океанских волн согласно шестому варианту осуществления предлагаемого изобретения.
На фиг.21 плавучий исполнительный механизм, изображенный на фиг.20, показан в аксонометрии.
Лучший вариант осуществления предлагаемого изобретения
Все варианты осуществления предлагаемого изобретения, проиллюстрированные на прилагаемых чертежах, относятся к устройству 10 для использования океанских волн.
Как можно видеть на фиг.1, устройство 10 установлено в море в толще воды 11, имеющей поверхность 12 и дно 13. Устройство 10 включает плавучий исполнительный механизм 14 и насос 15, заякоренный на причальное сооружение 16, которое в иллюстрируемом варианте представляет собой основание, установленное на морском дне 13. Насос 15 прикреплен к причальному сооружению 16 таким образом, что насос имеет возможность поворота относительно причального сооружения.
Устройство 10 выполнено с возможностью работать в режиме замкнутого контура, в котором текучая среда под высоким давлением перекачивается на берег с помощью насоса 15, при этом энергия утилизируется как полезная работа с помощью расположенной на берегу установки 17, а текучая среда, давление которой в результате этого понизилось, возвращается в находящийся в море насос 15 для повторной энергизации.
Плавучий исполнительный механизм 14 оперативно соединен с насосом 15 и находится во взвешенном состоянии в толще воды 11 выше насоса 15, но ниже водной поверхности 12 на такой глубине, что его верхняя поверхность обычно находится на несколько метров ниже среднего уровня моря 12а.
Плавучий исполнительный механизм 14 оперативно соединен с насосом 15 с помощью соединительного средства 18, которое представляет собой кабель-трос 19.
На фиг.2-12 иллюстрируется плавучий исполнительный механизм 14, входящий в состав устройства 10 согласно первому варианту осуществления предлагаемого изобретения, который содержит полое тело 21, имеющее внутреннюю опорную конструкцию 23, обеспечивающую опору для окружающей обшивки 25, которая обеспечивает наружную поверхность 27 полого тела. Упомянутое полое тело 21 ограничивает внутреннее пространство 29, в котором расположена упомянутая внутренняя опорная конструкция 23. Внутреннее пространство 29 полого тела 21 доступно для различных операций, таких как техническое обслуживание и установка и снятие оборудования как на суше, так и в воде. Для облегчения подъема полого тела 21 и его развертывания на нем могут быть предусмотрены различные приспособления. Обычно такие приспособления закрепляются на внутренней опорной конструкции 29.
Конфигурация полого тела 21 обеспечивает наличие верхней секции 31, нижней секции 33 и средней секции 35, которая расположена между упомянутыми верхней секцией 31 и нижней секцией 33.
Верхняя секция 31 имеет усеченную конфигурацию и содержит сужающийся верхний участок 36 и самую верхнюю поверхность 37. Нижняя секция 33 имеет усеченную конфигурацию и содержит сужающийся участок 38 и самую нижнюю поверхность 39. Упомянутые самая верхняя поверхность 37 и самая нижняя поверхность 39 являются плоскими и замкнутыми. Такая конфигурация представляет особенное преимущество для самой нижней поверхности с точки зрения оптимизации взаимодействия с движением волн.
Полое тело 21 имеет центральную продольную ось (на чертежах не показана), которая простирается через него между самой верхней поверхностью 37 и самой нижней поверхностью 39.
В рассматриваемом варианте осуществления предлагаемого изобретения средняя секция 35 имеет форму многогранника, имеющего совокупность боковых граней 41. Форма верхней секции 31 и нижней секции 33 такова, что сужающийся верхний участок 36 имеет совокупность верхних граней 43, а сужающийся нижний участок 38 имеет совокупность нижних граней 45.
Полое тело 21 выполнено с возможностью впуска воды в его полое внутреннее пространство 29 через порты 47, выполненные в обшивке 25. В рассматриваемом варианте осуществления предлагаемого изобретения упомянутые порты 47 выполнены в средней секции 35, обычно по одному в каждой из граней 41. Благодаря наличию портов 47 обеспечивается возможность втекания воды во внутреннее пространство 29 полого тела 21 и ее вытекания из него, благодаря чему удается уменьшить влияние бокового течения воды на плавучий исполнительный механизм 10. Что касается размеров портов 47, то они таковы, что обеспечивается заполнение внутреннего пространства 29 полого тела 21 водой, а также некоторое перемещение воды в горизонтальной направлении во внутреннее пространство 29 и из него, когда плавучий исполнительный механизм 14 перемещается горизонтально. Этого малого перемещения воды может оказаться достаточно для уменьшения боковой нагрузки на плавучий исполнительный механизм 14 и, следовательно, ограничить его боковое перемещение. Это боковое перемещение желательно ограничивать, для того чтобы ограничивать боковую нагрузку на соединительное средство 18, насос 35 и причальное сооружение 16. При таком решении боковое перемещение, к которому восприимчив плавучий исполнительный механизм 14, может до некоторой степени регулироваться надлежащим подбором размеров портов 47.
Во внутреннем пространстве 29 полого тела 21 расположены камеры плавучести 51, предназначенные для обеспечения плавучести плавучего исполнительного механизма 14. В иллюстрируемом варианте осуществления предлагаемого изобретения имеются четыре камеры плавучести 51, которые располагаются вокруг центральной продольной оси полого тела 21 на одинаковом расстоянии друг от друга. Предусматривается возможность произвольного варьирования (регулирования) плавучести плавучего исполнительного механизма 14 путем произвольного введения в камеры плавучести регулирующей плавучесть текучей среды или выведения из них регулирующей плавучесть текучей среды.
Плавучий исполнительный механизм 14 снабжен соединительным средством 61, которое выполнено с возможностью обеспечивать упругое соединение между полым телом 21 и кабелем-тросом 19.
Упомянутое соединительное средство 61 содержит демпфирующее средство 63, выполненное с возможностью поддерживать по существу жесткое соединение между полым телом 21 и кабелем-тросом 19 до тех пор, пока нагрузка между ними не превысит заданное значение, после чего демпфирующее средство 63 допускает их ограниченное относительное перемещение с целью облегчения нагрузки. В частности, демпфирующее средство 63 может быть выполнено с возможностью ограничения максимальной натягивающей нагрузки на кабель-трос, например, величиной 140 тонн силы и начинает работать, как только натягивающая нагрузка на кабель-трос достигает 100 тонн силы. В этом примере демпфирующее средство 63 не работало бы при величине натягивающей нагрузки на кабель-трос менее 100 тонн силы, и в этом случае между полым телом 21 и кабелем-тросом 19 имело бы место фактически жесткое соединение. Как только натягивающая нагрузка на кабель-трос достигает 100 тонн силы, демпфирующее средство 63 вступает в работу и оказывает нагрузке на кабель-трос упругое сопротивление, ограничивая эту нагрузку до максимум 140 тонн силы. Разумеется, демпфирующее средство 63 может работать в любом выбранном диапазоне нагрузок на кабель-трос, и выше был рассмотрен только частный пример, приведенный для лучшего уяснения идеи изобретения.
Демпфирующее устройство 63 расположено во внутреннем пространстве 29 полого тела 21 и содержит гидравлический демпфирующий механизм 65 и гидравлический аккумулятор 67. Соединение между упомянутыми гидравлическим демпфирующим механизмом 65 и гидравлическим аккумулятором 67 осуществлено с помощью противодействующей текучей среды, которая может протекать по трубопроводу 69, который простирается между ними. В рассматриваемом варианте осуществления предлагаемого изобретения упомянутая противодействующая текучая среда представляет собой упруго сжимаемую текучую среду, такую как воздух или сухой газ.
Демпфирующий механизм 65 содержит корпус 71, ограничивающий полость 73. В иллюстрируемом варианте осуществления предлагаемого изобретения корпус 71 выполнен в виде цилиндрической оболочки 74, имеющей боковую стенку 75 и две расположенных напротив друг друга торцевых стенки 77 и 79. Внутри упомянутой полости 73 расположен поршневой узел 81. Упомянутый поршневой узел 81 содержит поршневую головку 83 и шток поршня 85.
Поршневая головка 83 размещается в полости 73 с возможностью скольжения с сохранением герметичности, разделяя эту полость на рабочую сторону 91 и глухую сторону 93. Упомянутая рабочая сторона 91 образует в полости 73 рабочую камеру 95, при этом упомянутая рабочая камера 95 выполнена с возможностью изменения своего объема в зависимости от перемещения поршневого узла 81 и цилиндрической оболочки 74 относительно друг друга. Упомянутая глухая сторона демпфирующего механизма 65 замкнута.
Шток поршня 85 простирается из полости 73 вовне через торцевую стенку 79.
Цилиндрическая оболочка 74 соединена с полым телом 21, а шток поршня 85 приспособлен для соединения с кабелем-тросом 19. В частности, цилиндрическая оболочка 74 имеет центральное расположение внутри полого тела 21 по линии его центральной продольной оси, а конфигурация наружного конца штока поршня 85 обеспечивает наличие точки крепления 97 для кабеля-троса 19. Шток поршня 85 простирается вниз за пределы самой нижней поверхности 39 обшивки 25 полого тела 21 для соединения с кабелем-тросом 19.
Гидравлический аккумулятор 67 может быть любого подходящего типа, например, он может быть поршневым гидравлическим аккумулятором, заряженным азотом.
Гидравлический аккумулятор 67 предварительно заряжен для обеспечения предварительно заданного давления текучей среды, нагружающего поршневой узел 81 внутри рабочей камеры 95, обеспечивая сопротивление перемещению поршневого узла до тех пор, пока нагрузка на шток поршня 85, передаваемая кабелем-тросом 19, превосходит упомянутую предварительно заданную нагрузку, после чего поршневой узел 81 перемещается в качестве реакции на нагрузку на шток поршня 85, результатом чего является постепенное сжатие рабочей камеры 95, воздействуя на противодействующую текучую среду, которая упруго сопротивляется такому перемещению. По мере того как рабочая камера 95 постепенно сжимается, она последовательно оказывает все большее давление на противодействующую текучую среду, сообщающуюся с гидравлическим аккумулятором 67. При таком решении обеспечивается ослабление натяжения между плавучим исполнительным механизмом 14 и кабелем-тросом 19, и обеспечивается время для управляемого замедления плавучего исполнительного механизма 14. По мере того как упомянутое натяжение убывает, давление текучей среды, подаваемой от гидравлического аккумулятора 67, восстанавливает свое действие и вызывает возвратное перемещение поршневого узла.
Цилиндрическая оболочка 74 опирается на основание 101, которое является частью внутренней опорной конструкции 23, через посредство шарнира 103 с обеспечением возможности поворота вокруг оси, ориентированной поперечно относительно центральной продольной оси полого тела 21. Такое техническое решение, предполагающее крепление с возможностью поворота, обеспечивает для полого тела 21 возможность наклоняться при соблюдении центровки между демпфирующим механизмом 65 и кабелем-тросом 19.
На фиг.13 и 14 можно видеть насос 15, имеющий выпускной канал 121, который соединен с расположенной на берегу установкой 17 посредством трубопровода 122, сообщающегося с доставочным трубопроводом высокого давления и с обратным трубопроводом низкого давления. Упомянутые доставочный трубопровод высокого давления и обратный трубопровод низкого давления сообщены с упомянутым выпускным каналом 121, при этом имеет место впуск текучей среды, находящейся под низким давлением, при ходе всасывания насоса и выталкивание текучей среды, находящейся под высоким давлением, при ходе нагнетания насоса.
Насос 15 содержит корпус 131, ограничивающий полость 133. В иллюстрируемом варианте осуществления предлагаемого изобретения упомянутый корпус 131 конфигурирован как цилиндрическая оболочка 134, имеющая боковую стенку 135 и две расположенных напротив друг друга торцевые стенки, из которых показана только одна - торцевая стенка 139. Внутри полости 133 находится поршневой узел 141. Упомянутый поршневой узел 141 содержит поршневую головку 143 и шток поршня 145.
Поршневая головка 143 размещается в полости 133 с возможностью скольжения с сохранением герметичности, разделяя эту полость на рабочую сторону 151 и глухую сторону 153. Упомянутая рабочая сторона 151 образует в полости 133 рабочую камеру 155, при этом упомянутая рабочая камера 155 выполнена с возможностью изменения своего объема в зависимости от перемещения поршневого узла 141 и цилиндрической оболочки 134 относительно друг друга. Упомянутая глухая сторона 153 насоса 15 замкнута.
Цилиндрическая оболочка 134 соединена с причальным сооружением 16, а шток поршня 145 приспособлен для соединения с кабелем-тросом 19.
Насос 15 имеет первый порт 161 и второй порт 162, которые сообщены с полостью 133. Упомянутый первый порт 161 сообщен с гидравлическим аккумулятором 165 через посредство трубопровода 167. Упомянутый второй порт 162 представляет собой упоминавшийся выше выпускной канал 121.
Упомянутый гидравлический аккумулятор 165 может быть любого подходящего типа, например, он может быть поршневым гидравлическим аккумулятором, заряженным азотом.
Упомянутый аккумуляторный трубопровод 167 через обводной трубопровод 168, в который включен одноходовой клапан 169, сообщен с трубопроводом 122.
Конфигурацией полости 133 предусматривается первая секция 171 полости, имеющая больший диаметр, и вторая секция 172 полости, имеющая меньший диаметр, между которыми предусмотрен уступ 173. Упомянутая первая секция 171 полости вмещает поршневую головку 143, а вторая секция 172 полости составляет часть рабочей камеры 155.
Вторая секция 172 полости имеет боковую стенку 175, на которую открывается второй порт 162.
Упомянутый уступ 173 имеет кольцеобразную поверхность 177, которая обращена к первой секции 171 полости и на которую открывается первый порт 161 для сообщения с первой секцией полости.
Вторая секция 172 полости имеет размер, обеспечивающий возможность вмещать шток поршня 145, но не поршневую головку 143. Шток поршня 145 простирается от поршневой головки 143, проходя сквозь вторую секцию 172 полости. Шток поршня 145 простирается из полости 133 через отверстие в торцевой стенке 139, при этом между штоком поршня и упомянутой торцевой стенкой предусмотрено уплотнение 181.
Шток поршня 145 имеет загораживающую манжету 183, которая расположена с прилеганием к поршневой головке 143 и выполнена с возможностью вхождения во вторую секцию 172 полости по мере достижения объемом рабочей камеры 155 его минимального значения. При вхождении загораживающей манжеты 183 во вторую секцию 172 полости она взаимодействует с боковой стенкой 175 второй секции 172 полости и загораживает второй порт 162 от первой секции 155 полости, как можно видеть на фиг.13. Этим обеспечивается эффективное ограничение сообщения между рабочей камерой 155 и трубопроводом 122. Текучая среда, удерживаемая в рабочей камере 155, сообщается с гидравлическим аккумулятором 165 через первый порт 161, который остается открытым для влияния рабочей камеры 155. Давление удержанной текучей среды существенно возрастает, как можно видеть на графике, представленном на фиг.14. Этим достигается демпфирующее действие на поршневой узел 141 с диссипацией энергии и демпфированием перемещения плавучего аппарата.
Текучая среда, протекающая через второй порт 162 к трубопроводу 122, и текучая среда, протекающая через первый порт 161 к гидравлическому аккумулятору 165, взаимодействуют, создавая характеристику давление-ход для демпфирующего механизма. Эта характеристика может быть приспособлена для удовлетворения любой ситуации демпфирования путем варьирования одного или большего количества конструктивных параметров, таких как объем второй секции 172 полости.
Особенность рассмотренного выше технического решения состоит в том, что система управления насосом 15 для диссипации энергии в целях демпфирования эффективно расположена совместно с насосом, благодаря чему обеспечивается повышение эффективности.
На фиг.15 показано демпфирующее средство 63 для плавучего исполнительного механизма, входящего в состав устройства 10 согласно второму варианту осуществления предлагаемого изобретения. Это демпфирующее средство 63 для плавучего исполнительного механизма в устройстве 10 согласно второму варианту осуществления предлагаемого изобретения подобно такому средству в первом варианте осуществления предлагаемого изобретения, поэтому для подобных деталей используются подобные ссылочные обозначения. Демпфирующий механизм 65 в данном варианте осуществления предлагаемого изобретения отличается от демпфирующего механизма в первом варианте осуществления предлагаемого изобретения тем, что глухая сторона 93 не является замкнутой. Вместо этого глухая сторона 93 сообщена с рабочей стороной 91 через обходной путь 210, задаваемый обводным трубопроводом 211, в который включен клапан 213. Упомянутый клапан 213 выполнен с возможностью пропускания текучей среды, которая может утекать за уплотнения вокруг поршневой головки 83 и в глухую сторону 93 для возвращения в рабочую камеру 95.
На фиг.16 показано гидравлическое демпфирующее средство 63 для плавучего исполнительного механизма, входящего в состав устройства 10 согласно третьему варианту осуществления предлагаемого изобретения. Это демпфирующее средство 63 для плавучего исполнительного механизма в устройстве 10 согласно третьему варианту осуществления предлагаемого изобретения подобно такому средству в первом варианте осуществления предлагаемого изобретения, поэтому для подобных деталей используются подобные ссылочные обозначения. В демпфирующем механизме 63, иллюстрируемом на фиг.16, гидравлический аккумулятор 67 сообщен с рабочей камерой 95 внутри демпфирующего механизма 65 через посредство первого порта 221 и второго порта 222.
Демпфирующий механизм 63 выполнен с возможностью блокирования сообщения между вторым портом 222 и рабочей камерой 95, по мере того как объем рабочей камеры приближается к своему минимальному значению. Когда второй порт 222 заблокирован, скорость, с которой из сжимающейся рабочей камеры 95 может выходить противодействующая текучая среда, ограничена, тем самым обеспечивается такое состояние, что некоторая порция противодействующей текучей среды все же остается в рабочей камере и подвергается сжатию с намного более высокой скоростью, оказывая, тем самым, намного большее сопротивление непрерывному перемещению поршневой головки 83.
Конструкцией полости 73 предусматривается первая секция 225 полости, имеющая больший диаметр, и вторая секция 227 полости, имеющая меньший диаметр, между которыми предусмотрен уступ 229. Упомянутая первая секция 225 полости вмещает поршневую головку 83, а вторая секция 227 полости составляет часть рабочей камеры 95.
Вторая секция 227 полости имеет боковую стенку 231, на которую открывается второй порт 222.
Упомянутый уступ 229 имеет кольцеобразную поверхность 233, которая обращена к первой секции 225 полости и на которую открывается первый порт 221 для сообщения с первой секцией полости.
Вторая секция 227 полости имеет размер, обеспечивающий возможность вмещать шток поршня 85, но не поршневую головку 83. Шток поршня 85 простирается от поршневой головки 83, проходя сквозь вторую секцию 227 полости. Шток поршня 85 простирается из полости 73 через отверстие в торцевой стенке 79, при этом между штоком поршня и упомянутой торцевой стенкой предусмотрено уплотнение 237.
Шток поршня 85 имеет загораживающую манжету 241, которая расположена с прилеганием к поршневой головке 83 и выполнена с возможностью вхождения во вторую секцию 227 полости по мере достижения объемом рабочей камеры 95 его минимального значения. При вхождении загораживающей манжеты 241 во вторую секцию 227 полости она взаимодействует с боковой стенкой 231 второй секции 227 полости и загораживает второй порт 222 от первой секции 225 полости, как можно видеть на фиг.16. Этим обеспечивается эффективное ограничение сообщения между рабочей камерой 95 и гидравлическим аккумулятором 61 посредством первого порта 221, который открывается на первую секцию 225 полости и, таким образом, не загораживается.
Трубопровод 69 между гидравлическим аккумулятором 67 и демпфирующим механизмом 65 разветвляется на первую трубопроводную секцию 69а и вторую трубопроводную секцию 69b, упомянутая первая трубопроводная секция 69а сообщается с первым портом 121, а вторая трубопроводная секция 69b сообщается со вторым портом 122. В линию второй трубопроводной секции 69b включен одноходовой клапан 243, выполненный с возможностью пропускать текучую среду от второго порта 222 к гидравлическому аккумулятору 67, препятствуя, однако, протеканию текучей среды в противоположном направлении.
Текучая среда, протекающая через первый порт 221, и текучая среда, протекающая через второй порт 222 к гидравлическому аккумулятору 67, взаимодействуют, создавая характеристику давление-ход для демпфирующего механизма. Эта характеристика может быть приспособлена для удовлетворения любой ситуации демпфирования путем варьирования величины ограничения между рабочей камерой 95 и гидравлическим аккумулятором 67.
В рассмотренном выше варианте осуществления предлагаемого изобретения как гидравлическое демпфирующее средство 63, связанное с плавучим исполнительным механизмом 14, так и система управления насосом 15 для диссипации энергии в целях демпфирования, то и другое обеспечивают средство для ослабления избыточных нагрузок на кабель-трос 19. Этим обеспечивается преимущество, состоящее в резервировании средств ослабления избыточных нагрузок.
В некоторых других вариантах осуществления предлагаемого изобретения ослабление избыточных нагрузок может быть обеспечено только с помощью гидравлического демпфирования, связанного с плавучим исполнительным механизмом 14 (благодаря наличию в его составе гидравлического демпфирующего средства 63), то есть может быть не предусмотрено никакого средства управления насосом 15 для диссипации энергии в целях демпфирования.
Еще есть такие варианты осуществления предлагаемого изобретения, в которых ослабление избыточных нагрузок может быть обеспечено только с помощью управления насосом 15 для диссипации энергии в целях демпфирования, то есть может быть не предусмотрено никакого гидравлического демпфирования, связанного с плавучим исполнительным механизмом.
На фиг.17 показан плавучий исполнительный механизм 14, в составе которого имеется демпфирующее средство 63. Это демпфирующее средство 63 для плавучего исполнительного механизма 14 подобно демпфирующему средству, примененному в первом варианте осуществления предлагаемого изобретения, поэтому одинаковым деталям присваиваются те же ссылочные обозначения. В частности, демпфирующее средство 63 расположено во внутреннем пространстве 29 полого тела 21, как и в ранее рассмотренных вариантах осуществления предлагаемого изобретения, и содержит гидравлический демпфирующий механизм 65 и гидравлический аккумулятор (не показан).
Согласно рассматриваемому варианту осуществления предлагаемого изобретения конфигурация полого тела 21 обеспечивает возможность произвольно открывать внутреннее пространство плавучего исполнительного механизма 14 для дополнительного допуска воды для ее протекания насквозь через плавучий исполнительный механизм в качестве реакции на воздействие на плавучий исполнительный механизм неблагоприятных погодных условий. Благодаря тому что через внутреннее пространство плавучего исполнительного механизма может протекать дополнительное количество воды, обеспечивается дополнительное уменьшение сопротивления движению воды, ударяющей в плавучий исполнительный механизм, и тем самым обеспечивается дополнительное ослабление в качестве реакции на избыточные нагрузки. В рассматриваемом варианте осуществления предлагаемого изобретения полое тело 21 включает признаки плавучего исполнительного механизма, описанного и проиллюстрированного в международной патентной заявке PCT/AU 2010/000398 для целей обеспечения дополнительного ослабления избыточных нагрузок.
Плавучий исполнительный механизм 14 может быть выполнен в такой конструкции, что дополнительное демпфирующее средство обеспечивается либо первичной, либо вторичной системой ослабления избыточных нагрузок.
На фиг.18-21 показаны различные конфигурации полого тела 21, которые в надлежащих случаях могут быть использованы для плавучего исполнительного механизма 14 в устройстве 10 согласно предлагаемому изобретению.
Должно быть понятно, что объем предлагаемого изобретения не ограничивается объемом описанных выше вариантов его осуществления.
В частности, должно быть понятно, что плавучий исполнительный механизм в различных его формах, описанных и проиллюстрированных в настоящей заявке, не должен быть ограничен в использовании только устройством 10 для использования энергии океанских волн. Такой плавучий исполнительный механизм может найти различные другие применения.
Кроме того, должно быть понятно, что насос 15, описанный и проиллюстрированный в настоящей заявке, не должен быть ограничен в использовании только устройством 10 для использования энергии океанских волн. Такой насос и связанная с ним система управления насосом для диссипации энергии в целях демпфирования может найти различные другие применения.
Без выхода за пределы объема предлагаемого изобретения возможны различные модификации и усовершенствования.
В тексте описания и формулы изобретения, если контекст не требует иного понимания, глагол «содержать» в различных его формах (например, «содержит», «содержащий» и т.д.) должен пониматься в смысле включения указанной части или частей, но без исключения какой бы то ни было другой части или частей.
Реферат
Группа изобретений относится к преобразованию энергии волн, в частности к устройству для извлечения энергии из движения волн. Аппарат (10) содержит плавучий исполнительный механизм (14) и насос (15), размещенный в толще воды, обычно на морском дне (13). Аппарат (10) работает в режиме замкнутого контура. Текучая среда под высоким давлением перекачивается на берег с помощью насоса (15), энергия извлекается в виде полезной работы с помощью расположенной на берегу установки (17). Механизм (14) оперативно соединен с насосом (15) посредством кабеля-троса (19) и находится в подвешенном состоянии в толще воды (11) выше насоса (15). Механизм (14) снабжен соединительным средством, обеспечивающим упругое соединение между полым телом и кабелем-тросом (19). Соединительное средство содержит демпфирующее средство, выполненное с возможностью поддержания жесткого соединения между полым телом и кабелем-тросом (19) до тех пор, пока нагрузка между ними не превышает заранее предусмотренного значения, после чего демпфирующее средство допускает их ограниченное относительное перемещение с целью ослабления нагрузки. Группа изобретений направлена на ослабление избыточных нагрузок на компоненты аппарата (10) с целью недопущения их повреждения в неблагоприятных погодных условиях. 7 н. и 22 з.п. ф-лы, 21 ил.
