1.本发明涉及水下动力设备。更具体地，本公开涉及包括不对称水翼的水下动力设备，用于从诸如河流和潮汐流的水流中提取能量，如权利要求1的前言部分所限定的。
背景技术：
2.有助于理解该技术领域的文献包括wo 2013/043057 a1，其描述了一种自调节水翼悬挂系统，其中对称水翼放置在流体流中，通常是潮汐流，并且其中水翼可围绕旋转轴线旋转，其中水翼通过臂连接到轨道。臂可绕旋转轴线旋转，并绕悬挂轴线可旋转地连接到轨道，绕悬挂轴线与旋转轴线相距一定径向距离，并且悬挂轴线平行于旋转轴线。
3.gb 2131491a描述了一种装置，其具有安装在一条或多条环形带上的一系列翼型件，这些环形带围绕两个或更多个相隔一定距离放置的固定枢轴点运行并为这些带提供唯一支撑。动力可以从带的运动或一个或多个枢轴点的旋转运动中提取。翼型件是对称的(或接近对称的)，并且它们的翼弦基本上平行于带的行进方向放置。
4.wo 2016/126166a1描述了一种利用水流能量的设备和方法。放置在水流中的能源设备包括至少一根绳索，该绳索围绕至少两个转向站延伸并且承载至少一个至少部分浸没的水翼，该水翼围绕其弦大致对称。水流的速度和方向与水翼的移动速度和方向一起给出了作用在水翼上的所产生的水流速度和方向。该方法包括枢转水翼，直到它在顺流移动水翼时对所产生的水流方向具有所需的攻角；当水翼被逆流移动时，使水翼枢转直到它对所产生的水流方向具有所需的攻角，攻角在顺流和逆流时相同或不同。
5.其他有助于理解该技术领域的文献包括ep 2685089 a和wo 2006028454a。
6.现有技术还包括us 2009096215 a1、fr 2689184 a1、fr 2474106 a1和jp s57151074a，它们都描述了通常与占优势水流对齐布置的水下动力设备。
7.因此需要改进的水下动力设备。本发明的目的是提供水下动力设备，与现有技术相比，该动力设备的结构更简单、改进，从水流中获取能量的效率更高。本发明的目的是实现这一点并提供优于现有技术的更多优点。
技术实现要素：
8.本发明的一个目的是减轻、缓和或消除现有技术中的一个或多个上述缺陷和缺点，并且至少解决上述问题。
9.根据本发明的第一方面，提供了用于布置在水流中的水下动力设备，该水下动力设备包括：
[0010]-至少两个可旋转站；
[0011]-至少一个环形牵引构件，其与所述可旋转站连接；
[0012]-所述至少一个环形牵引构件构造成当所述环形牵引构件在其纵向方向上移动时旋转所述至少两个可旋转站；
[0013]-至少一个不对称水翼，其与所述至少一个环形牵引构件连接并且包括上弧面和
下弧面；
[0014]
其特征在于
[0015]-所述至少一个不对称水翼构造成当所述水流冲击所述不对称水翼时在其纵向方向上移动所述环形牵引构件；
[0016]-至少一个水翼的所述上弧面面向所述至少一个环形牵引构件的向外方向，并且至少一个水翼的所述下弧面面向所述至少一个环形牵引构件的向内方向；
[0017]-所述动力设备被定向以限定所述至少一个牵引构件的相对于水流的下游支路和上游支路；以及
[0018]-所述下游支路的所述下弧面面向所述水流，而所述上游支路的所述上弧面面向所述水流。
[0019]
根据一个实施方案，上弧面具有低压轮廓，而下弧面具有高压轮廓。
[0020]
根据一个实施方案，至少一个不对称水翼是刚性的。
[0021]
根据一个实施方案，环形牵引构件包括绳索或其他细长且柔性的构件，例如金属丝、链条或带。
[0022]
根据一个实施方案，环形牵引构件由与所述可旋转站连接的可旋转滑轮可旋转地支撑。
[0023]
根据一个实施方案，至少一个可旋转站包括发电机和可旋转传动装置，其中所述发电机可在所述环形牵引构件移动时产生电能。
[0024]
根据一个实施方案，动力装置还包括用于将至少一个不对称水翼可旋转地连接到至少一个环形牵引构件的连接装置。
[0025]
根据一个实施方案，水翼还包括用于将水翼连接到连接装置的连接构件。
[0026]
根据一个实施方案，阻尼元件被布置成限制水翼绕平行于水翼的跨度的轴线的旋转。
[0027]
根据一个实施方案，阻尼元件是弹簧。
[0028]
根据一个实施方案，水翼的旋转被自由横向行进扇区限制到所述环形牵引构件的任一侧。
[0029]
根据一个实施方案，至少一个水翼构造成在第一可旋转站处从阻尼元件释放，从而允许至少一个水翼围绕连接构件自由旋转。
[0030]
根据一个实施方案，至少一个水翼构造成在第二可旋转站处连接到阻尼元件。
[0031]
根据下面给出的详细描述，本发明将变得显而易见。详细描述和具体示例仅以说明的方式公开了本发明的优选实施方案。本领域的技术人员从详细描述的指导中理解，可以在本发明的范围内做出改变和修改。
[0032]
因此，应当理解，此处公开的发明不限于所描述的装置的特定组成部分或所描述的方法的步骤，因为这样的装置和方法可以变化。还应理解，本文使用的术语仅用于描述特定实施方案的目的，而不旨在进行限制。应当注意，如在说明书和所附权利要求中所使用的，词语“一(a)”、“一个(an)”和“该(the)”旨在表示存在一个或多个元素，除非上下文另有明确规定。因此，例如，对“单元”或“该单元”的引用可以包括若干装置等。此外，“包含”、“包括”、“含有”等类似词语不排除其他元素或步骤。
附图说明
[0033]
当结合所附的图时，通过参考本发明示例性实施方案的以下说明性和非限制性详细描述，将更充分地理解本发明的上述目的以及附加目的、特征和优点。
[0034]
图1示出了布置在水体中的水下动力设备的实施方案的平面图。
[0035]
图2示出了水下动力设备的部分的侧视图。
[0036]
图3示出了非对称水翼的截面图。
[0037]
图4示出了图1中方框“a”的放大图，说明了由受到水流影响的非对称水翼产生的力。
[0038]
图5a和图5b示出了设置有上部和下部连接装置的水翼的实施方案的透视图和侧视图。
[0039]
图6对应于图1，但示出了一种配置的水下动力设备，其中一些水翼已经被释放，使得它们可以相对于环形牵引构件围绕连接构件自由旋转。
具体实施方式
[0040]
现在将参考附图描述本发明，其中示出了本发明的优选示例实施方案。然而，本发明可以以其他形式体现并且不应被解释为限于本文公开的实施方案。提供所公开的实施方案以向本领域技术人员充分传达本发明的范围。
[0041]
参照图1和图2，水下动力设备1在所示实施方案中包括两个可旋转站3、4，它们由两个环形牵引构件2a、2b连接，此处两个环形牵引构件2a、2b为上部和下部环形绳索2a、2b的形式。两个可旋转站3、4构造成沿方向r旋转，如图1所示。环形牵引构件2a、2b本身可以是驱动构件，其构造成将环形牵引构件2a、2b的纵向运动传递到可旋转站3、4。在图2中，只有一个可旋转站3是可见的，而在图1中，只有上部环形牵引构件2a是可见的。
[0042]
上部环形牵引构件2a可由相应的上部可旋转滑轮30a、31a可旋转地支撑在每个可旋转站上(上部滑轮31a，如图2所示)，下部环形牵引构件2b可由相应的下部可旋转滑轮可旋转地支撑在每个可旋转站上(下滑轮31b，如图2所示)。可旋转滑轮30a、30b、31a、31b可固定到对应的可旋转站3、4，使得当移动的环形牵引构件2a、2b与滑轮30a、30b、31a、31b相互作用时，滑轮和可旋转站3、4旋转。
[0043]
在另一个实施方案中，滑轮30a、30b、31a、31b可以是可旋转站3、4的部分。或者，可旋转滑轮30a、30b、31a、31b可机械耦合到可旋转站3、4，使得当环形牵引构件2a、2b与滑轮30a、30b、31a、31b相互作用时，滑轮和可旋转站3、4旋转。可旋转站3、4的旋转速度可因此不同于可旋转滑轮30a、30b、31a、31b的旋转速度。本发明不应限于这种数量的环形牵引构件；可以设想具有更少或更多环形牵引构件的系统。应当理解，环形牵引构件2a、2b可包括细长且柔性的构件，例如金属丝、链条、合成纤维绳索或带。
[0044]
可旋转站3、4中的至少一个是用于产生电能的发电机站，其中滑轮30a、30b、31a、31b中的一个或多个可以经由发电机轴34连接到电流发生器33。在只有一个可旋转站包括发电机的情况下，另一个可旋转站仅仅是环形牵引构件2a、2b的可旋转支撑件。
[0045]
发电机33和发电机轴34可以布置在外壳32内。每个站3、4可以配备有浮力装置(未示出)并且可以通过合成绳索、链条等(未示出)或水下系泊站领域已知的任何其他系泊装置或支撑装置连接到固定结构。很容易理解，环形牵引构件2a、2b的运动将导致滑轮31a、
31b、30a、30b和轴34旋转。该旋转运动被传递到发电机33，从而产生电能。这种电能的产生在本领域中是众所周知的，因此不需要进一步描述。
[0046]
在图1所示的实施方案中，滑轮30a、31a(30b、31b不可见)和环形牵引构件2a(2b不可见)沿方向r逆时针旋转。相对于水流vc，可旋转站3、4之间的第一支路是下游支路ld，可旋转站3、4之间的第二支路是上游支路lu。由于设备相对于水流vc的横向取向，在图1所示的实施方案中，下游支路ld实际上是左舷横梁前臂，而上游支路lu实际上是右舷横梁前臂。需要说明的是，本发明不限于图1所示的取向。
[0047]
不对称的水翼5间隔地连接到环形牵引构件2a、2b，每个这样的水翼5具有跨度s和索线c。水下动力设备可以仅包括一个水翼5，但优选地包括多个。多个水翼5提供环形牵引构件2a、2b的恒定运动。每个不对称水翼5可以任选地在每一端装配有小翼10。如果布置在两个或更多个环形牵引构件2a、2b上，则每个水翼5可布置在环形牵引构件2a、2b上，使得环形牵引构件2a、2b在沿水翼5的跨度s的方向上平行移位。
[0048]
另外参考图3，为了本发明的目的，不对称水翼5应被理解为具有前缘e
l
、后缘e
t
和弦线c与弧中线b之间的距离(弯度)大于零的水翼。当水翼5布置在环形牵引构件2a、2b上的中性位置时，索线c大致平行于环形牵引构件2a、2b的纵向方向。环形牵引构件2a、2b的纵向方向与行进方向t重合。当水翼5不受任何外力或水流影响时可出现中性位置。中性位置也可以是水翼5在通过可旋转站3、4时的位置。
[0049]
不对称水翼5由具有与下弧面36不同的流动剖面的上弧面35限定。上弧面35被定义为弦线c的一侧，其中，弧中线b存在或弧中线b的大多数存在。在图示的实施方案中，上弧面35比下弧面36更凸。因此，上弧面35具有低压轮廓，而下弧面36具有高压轮廓。
[0050]
在一个实施方案中，水翼跨度s可以约为10米，弦线c约为50厘米，并且在40％弦处的最大弯度约为2％(例如naca 2418翼型)。然而，本发明不应限于这些尺寸。
[0051]
每个水翼5优选是刚性的。刚性结构意味着水翼5不包括任何改变水翼5总体形状的移动部件。水翼5的横截面，例如如图3所示，因此是永久性的，并且不会构造成更改。上弧面3和下弧面36固定在坚硬的不对称水翼5中。固定弧面意味着水翼5的一侧始终是上弧面35(图3中的顶面)，反面始终是下弧面36(图3中的底面)。即使改变或甚至反转流的方向，水翼5的顶面和底面也始终分别是上弧面和下弧面。
[0052]
横截面可能会发生变化，例如沿着水翼5的跨度s，但刚性特性提供了水翼5的恒定物理外观。水翼5的不对称形状、尺寸和形状因此是恒定的。合适的水翼材料可以是铝、树脂、pvc和复合材料，它们都被认为是刚性材料，但是水翼5也可以由例如塑料或织物扫过刚性骨架制成。已经发现，与对称的水翼或非刚性的水翼相比，刚性的不对称水翼5在与水下动力设备一起使用时更高效。
[0053]
水翼5连接到环形牵引构件2a、2b，使得上弧面35面向至少一个环形牵引构件2a、2b的大体向外的方向o，或朝向限定在环形牵引构件2a、2b的外侧的区域或容积大体向外的方向o。由于环形牵引构件2a、2b限定了闭环，并且水翼5布置在环形牵引构件2a、2b上，因此向外方向o通常是离开该闭环的方向。下弧面36面向至少一个环形牵引构件2a、2b的大体向内的方向i，或朝向限定在环形牵引构件2a、2b的内侧的区域或容积的大体向内的方向i。由于环形牵引构件2a、2b限定了闭环，并且水翼5布置在环形牵引构件2a、2b上，因此向内方向i通常是进入该闭环的方向。当水翼5处于中性位置时，即不受水流vc的影响，向外方向o和
向内方向i通常垂直于环形牵引构件2a、2b的行进方向t。
[0054]
向外方向o和向内方向i如图1所示，其中向内方向由三个箭头i指示，向外方向由三个箭头o指示。水翼5的弦线c处于中性位置，与环形牵引构件2a、2b的行进方向t对齐。当水翼5受到水流冲击时，它相对于环形牵引构件2a、2b的行进方向t成角度，如参考图4更详细地描述的。
[0055]
由于水翼5的下弧面36面向水下动力设备1的内部i，下游支路ld上的水翼5比上游支路lu上的水翼5受到流vc的影响更大。下游支路ld上的水翼5的下弧面36(高压侧)面对流vc，因此受到流vc的影响，而上游分支lu上的水翼5的上弧面35(低压侧)面对流vc，并因此受到流vc的影响。这样做的效果是下游支路ld被迫远离上游支路lu，防止两条支路lu、ld之间的碰撞并提供动力设备1的平稳运行。如果流vc强度增加，则下游支路ld拉离上游支路lu的效果更加突出。
[0056]
每个水翼5可包括用于将水翼5连接到环形牵引构件2a、2b的连接构件9。连接构件9可以是轴、销或构造成用于将水翼5连接到环形牵引构件2a、2b的类似构件。连接构件9允许水翼5绕连接构件9相对于环形牵引件2a、2b旋转。连接构件9，或布置在水翼5上端和下端的两个连接构件9之间的假想线，可以定位成使得连接构件9和后缘e
t
之间的水翼5的区域比连接构件9和前缘e
l
之间的区域更大，或者被配置成受流vc的影响更大。水翼5可以如此配置以保持其相对于流vc的方向。
[0057]
连接构件9可以固定到水翼5并且可旋转地连接到相应的连接装置6。上部和下部连接装置6连接到相应的上部和下部环形牵引构件2a、2b(见图2)。图2示出了轴形式的连接构件9延伸穿过水翼跨度s，平行于水翼跨度s，但是连接构件9可以包括其他可旋转连接装置，例如单独的螺栓或栓钉。
[0058]
在图1中，水下动力设备1被示为布置在水中，横向于流vc。另外参考图4，vc表示真实水流速度，v
app
是表观水流速度，vs是水翼(和环形牵引构件)的速度，α是攻角(aoa)。总力f
t
是侧向力f
l
和推进力f
p
的总和；后者沿着环形牵引构件2a、2b作用。因此，在使用中，真实水流速度v
app
会导致不对称水翼产生推进力f
p
；这导致环形牵引构件沿行进方向t移动，并导致滑轮沿方向r旋转。
[0059]
水下动力设备1构造成沿一个方向r旋转。图1所示的实施方案示出了水下动力设备1，其中因为环形牵引构件2a、2b上的水翼5的取向，环形牵引构件2a构造成逆时针沿方向r旋转。在另一个实施方案中，水下动力设备可以被配置成在与时钟一致的方向上旋转，前提是水翼反向布置在环形牵引构件上。
[0060]
如图1所示，每个水翼5具有到连接构件9连接到的环形牵引构件2a、2b的任一侧的自由横向行进扇区β1、β2。该限制可由阻尼元件11(例如弹簧常数)或其他邻接构件限定。在一个实施方案中，β1＝β2＝10
°
。在另一个实施方案中，β1≠β2。当水翼5处于中性位置时，β1＝β2＝0
°
。同样如图1所示，当水翼5定位在横向行进扇区β1、β2内的任何位置时，上弧面35面向外方向o。相应地，当水翼5定位在横向行进扇区β1、β2内的任何位置时，下弧面36面向向内方向i。
[0061]
参考图5a和图5b，每个水翼5可包括连接装置6。在所示实施方案中，水翼5连接到两个环形牵引构件，并且同样包括两个连接装置6，上连接装置6和下连接装置6。每个连接装置6通过例如夹具12或类似的固定装置固定地连接到其各自的环形牵引构件。连接装置6
可包括用于可旋转连接构件(图2中所示)的容器，使得水翼5可围绕连接构件旋转，如参考图2所述。阻尼元件11(例如扭簧或螺旋弹簧)可以限制连接装置6中的连接构件9的旋转并且将连接构件9(和不对称水翼5)恢复到平衡位置。阻尼元件11布置成限制水翼5绕平行于跨度s的轴线旋转(图2中所示)。阻尼元件11可以是可更换的和/或可调节的。应当理解，类似的限制和恢复装置可以嵌入水翼5中。
[0062]
所示实施方案的顺时针行进的水翼5可以在上游(不对称/左舷横梁前臂)和下游支路(对称/右舷横梁前臂)上朝向它们各自的阻尼元件11倾斜，而与水流方向无关，从而允许上弧面朝外，并促进水翼在整个循环行程中绕过可旋转站。水翼的高攻角可以一直保持到水流速度v
c3
超过预定阈值，例如1.5m/s，此时阻尼元件11可以开始压缩并因此随着水流速度的增加而减小攻角。因此促进了重要的调峰，以便不损害设备的结构完整性。
[0063]
图6示出了水下动力设备1，其中一些水翼5'已被释放，使得它们可以相对于环形牵引构件2a、2b绕连接构件9自由旋转。水翼5'的弧线(camber line)c(图6中未示出，参见图3)因此可以与水流vc或表观水流速度v
app
(如参考图4所述)对齐，或大致对齐，使得释放的水翼5'可能不会有助于在行进方向t上移动环形牵引构件2a、2b。如果水翼5的允许行进以最大允许行程β1、β2到任一侧都不足以限制环形牵引构件2a、2b的速度，则水翼5的这种释放是有益的。如果水流速度vc太高，例如超过阈值，可能需要释放水翼5以防止动力设备1过载。
[0064]
在图6中，沿着下游支路lu和上游支路ld每隔一个水翼就被释放一次。任何数量的释放的水翼5'都是可能的，例如在一个实施例中，上游支路ld上的每第三个水翼5可以被释放，而例如下游支路部lu上的所有水翼5都不会被释放。通过在上游支路lu上比在下游支路ld上释放更多的水翼5'，可以操纵动力设备1，使得下游支路ld受到水流vc的影响更大，从而拉离上游支路lu。
[0065]
水翼5可以在旋转站3、4处进行释放和连接，使得释放水翼5'的数量可以连续调节，并且释放水翼5'的数量可以连续适应水流vc的强度。每个水翼5可以同样被配置成被释放。可旋转站3处的连接机构可以例如是断开阻尼元件11，使得释放的水翼5'可以围绕连接构件9自由旋转。当释放的水翼5'行进到下一个可旋转站4时，可旋转站4处的相应连接机构可以连接阻尼元件11，使得水翼5再次被限制在行进扇区β1、β2内移动。连接机构可以自动操作，使得释放和连接水翼5'可以是自动的并且基于例如水流速度vc、发电机33的功率输出(图6中未示出)，或类似的输入。
[0066]
本发明不限于水翼的数量。本发明系统的实施方案可以包括范围从一个水翼到多个水翼的任何数量的水翼。
[0067]
本领域技术人员认识到本发明不限于上述优选实施方案。本领域技术人员进一步认识到在所附权利要求的范围内可以进行修改和变化。此外，通过研究附图、公开内容和所附权利要求，本领域技术人员在实施要求保护的发明时可以理解和实现对所公开实施方案的变型。