专利名称：水力柱的制作方法
技术领域：
本发明是一种结合有水下柱平台的自吸式重力水波泵，该泵由波浪能驱 动，该柱可被拴系、通过枢轴设置，或者被固定于水底。该水下柱平台可结 合到另外的水下柱室内，以用作水力控制的、可适应于潮汐和暴风雨进行调 节的柱平台，并且该柱平台结合有自吸式自调节往复式双作用重力水波泵。 重力水波泵是波浪能转换装置，其利用呈波浪运动形式的波浪能使浮子移位 以提升泵活塞，并利用重物产生的重力向下推动活塞。通过相应的调节，泵
能够将水泵送为高达ioo米或更高的水头，并可使泵送压力超过每平方英寸
150磅。
背景技术：
该泵通常为全水下泵，并被设计为当波高增大时利用浮力移位在压力作 用下泵送水以提升泵活塞，以及当波浪过去时利用大重量重物形式的重力向 下推动泵活塞。形成水下平台以支撑近似全水下自调节泵的水下柱可被刚性 地固定、安装在枢轴上，或者被栓系。水能够被泵送到设于水中或陆地上的
水塔，或者能够被泵送到高出水源ioo米的区域内的陆基蓄水池中，上述水
塔或蓄水池中的水能够在返回到其初始水源地之前驱动水轮机以进行水力 发电，或者驱动机械装置或反渗透装置。通过增大浮力以及附连于相同尺寸 的泵上的重物来使压力增大，以获得更高的水头。可增加单个的泵的数量来 增大水的体积以满足需水量，在水面之上仅有承受浮力浮子和撞击防护环
(可能还有重物)是可见的，所以仅造成很小的美感影响(aesthetic pollution),
所有与泵关联的水力操作和润滑均利用流经泵的水源，而不使用油，因而 100%免除油污染。
发明内容
这些泵的不引人注目的浮子在周围水域不会引人注意。与在离开海岸的水底上建造美观性较差且造价高昂的固定结构相比，将 (在陆上建造的)附加重物的、被拴系的水下保气性柱平台和泵设置在水底 上的工作更为容易和经济。
同与刚性结构相撞相比，水中船舶无意中与被栓系的泵相撞而受到的损 坏较小。
所述泵通过其泵送的水而被润滑。
对于相同的泵而言，所述泵的相同的部件非常简单，这一优点意味着它 们可以以比风轮机低得多的成本大批量生产，所述泵中不包含齿轮箱或者液 压油，并且可以对供电影响极小或无影响地独立地或以小的组合方式提升、 拆下、替换、修复、再连接及再定位所述泵，并且拆除所述泵不会造成溢出 污染。
使用相同规格的泵作为单个的泵送单元，这使得更容易将它们设置在水 下，这些泵可以通过水底上的承载有重物的刚性或柔性管而被连接或被成组 连接，或者可以不进行连接，这些管在压力下将泵送的水传送到水塔，或传
送入高达100米水头或更高的陆基蓄水池。
将水泵送到水头的优点意味着将储存的水变为可用能源，这种能源具有 可控制的优点，其显然公知地为可用的潜在的电能存储，尤其用以满足紧急 情况下的用电需求。
波浪能源自太阳能和风能，这种能源还用于驱动风轮机，由重力水波泵 提供的储存水的水头可作为可用的清洁能源来使用，用以在风力降低之后驱 动水轮机。
水力发电是公知和经验证的技术，高水头的优点意味着陆上设备中的高 速水轮机无需齿轮箱传动地直接驱动发电机，极大地降低了发电机的维护成 本并且具有更少的运动部件。
可在陆上操作的建造和维护发电设备的方法极大地降低了最初成本和 管理成本。
现在将通过参考附图来阐述本发明的实例。
图1A示出了较低的波浪位置处使用的刚性固定的重力水波泵。图2A示出了被枢转地固定到重物上的重力水波泵。
图3A示出了被拴系地固定到重物上的重力水波泵。
图4A示出了被拴系的可调节的柱式水波泵。
图5A示出了被枢转地固定到水底的重力水波泵。
图6A示出了浮子中的空气阀及溢流阀。
图7A示出了泵的球形阀和阀座。
具体实施例方式
在图1A中示出了最简单形式的重力水波泵，由木材、金属、混凝土、 复合材料、或者其它的材料构成的无浮力的、不可调节的近似竖直的柱平台 22被刚性地固定到或者压入到海床、河床、湖床或者蓄水池底部31中，并 被设置在低于可用的水面高度01的平均高度的一预定的固定的高度处。该 柱的顶部处为固定的凸缘16，借助贯穿配合凸缘15的螺栓，该凸缘16上附 连有水下的、根据周围水位自调节的重力水波泵9。
图1A、图2A、图3A、图4A、图5A、图6A中的泵9可以由金属或者 复合材料构成。图1A、图2A、图3A、图4A、图5A、图6A中的带有碰撞 防护装置l的浮子2可由金属、复合材料、混凝土、或者其它的材料构成， 浮子2可通过枢轴固定或者刚性地固定到往复式连接构件5，该连接构件5 的直径大体为活塞直径的一半，该连接构件5穿过缸体9顶部的专用的刮片 式水密封件6并连接到活塞12,活塞12借助浮子2的浮力移位且根据周围 水位自调节，活塞12的指定的自调节行程由所选定位置的水文地理学数据 结合控制缸体9长度的设计参数以及相应的连接构件5确定。活塞行程的极 限位置由碰撞防护缓冲件4和11保护。该泵是自吸式双作用往复式泵，并 由连接于缸体9中的双作用活塞12上的连接构件5构成，且具有(如图7A) 所示的位于窄边缘的阀座07和014上以拦截水藻和碎屑的自启动液压进水 阀7和14;以及同样位于窄边缘的阀座08和013上以拦截水藻和碎屑的、 以共用的集管10连通的自启动液压出水阀8和13。
图1A、图2A、图3A、图4A、图5A、图6A中的重物3可以是水压载 物，或者可由混凝土、复合材料、金属或其它的材料构成，或者是含有重集 料的容器。重物3可通过枢轴被固定到往复式连接构件5，或者刚性地固定
6到往复式连接构件5上，通过波浪撞击承受浮力的浮子2产生的能量使重物 3近似竖直地上升，由此提升活塞12，从而经由进水阀14抽入水，活塞12 在压力下促使水经由出水阀8排出。当波浪过去时，重物3使活塞12向下 返回，将经由进水阀7抽入水，并在压力下促使水经由出水阀13排出，活 塞12的这种一次向上和一次向下的冲程是一个完整的循环，并保持缸体始 终装有水，同时泵处于预期的被淹没状态。水在预定的最大压力下从出水阀 8和出水阀13流经由卸压阀101控制的集管IO进入出水管17，该出水管17 持续地处于需水量所需的压力下。水头距该泵100米高是可行的。
活塞12在缸体9中向上移动的距离是承受浮力的浮子2和重物3在波 浪中近似竖直上升的距离，活塞12在缸体中向下移动的距离是承受浮力的 浮子2和重物3在波浪过去之后在波谷中近似竖直下降的距离。泵9的设计 长度应匹配其预期的地理定位点的波浪高度水文地理学记录，如图1A中示 出的固定的柱22上的泵将只被定位在波浪高度低于图4A中定位的泵的地理 位置。防护缓冲件11限制活塞的向上行程，在此位置处，浮子2和重物3 处于被淹没状态直至超过正常高度的波浪经过，防护缓冲件4限制活塞的向 下行程，在此位置处，如果波谷在深度上超过活塞12的冲程，则浮子2和 重物3将会复位。 一旦超过正常高度的波浪或者超过正常深度的波谷过去之 后，自吸式的水下泵立即自启动并重新开始泵送水。
图2A、图3A、图4A、图5A、图6A中的水下保气性柱22和图4A中 的可调节的浸水柱23可以由金属、复合材料或者其它的材料构成。图2A中 的重力水波泵9附连到水下保气性柱平台22上，水下保气性柱平台由装配 到重物29的柱底部上的枢轴、支轴或钩环30竖直地控制，重物29必须足 够重并且枢轴或支轴或钩环必须足够坚固以阻止所有的浮力部件2、 21、 22 全部向上浮升，并且枢轴、支轴或钩环30在固定到海床、河床、湖床或蓄 水池底部31 (如图5A所示)时必须同样足够坚固。如图2A所示，位于凸 缘16下方的水下保气性柱平台22的上端由全水下保气性轴环21近似竖直 地支撑在水中，保气性轴环21均匀地围绕水下保气性柱平台22附连，该保 气性轴环21必须具有一定的体积以排开一定重量的水，所述被排开的水的 重量大于保气性柱平台22的沉没重量(若存在的话)外加泵9及其所有部 件1、 2、 3、 4、 5、 6、 7、 8、 9、 10、 101、 11、 12、 13、 14、 15、 16、 17的沉没重量的结合。
图3A中，重力水波泵9附连到水下保气性柱平台22，该水下保气性柱 平台22由系链28竖直地控制，该系链28的上端附连到柱底部，而该系链 28的下端固定到搁置在海床、河床、湖床或蓄水池底部31上的混凝土或金 属重物29上，或者该系链28固定到海床、河床、湖床或蓄水池底部31，系 链可以是链条28、钢缆、钢绳或其它种类的系链，链条28、钢缆、钢绳或 其它的系链可被调节以适合平均水位的地理定位深度，这意味着更深的定位 点对于水波泵组件的定位而言可能是实际和经济的。位于凸缘16的下方的 水下保气性柱平台22的上端由全水下保气性轴环21近似竖直地支撑在水 中，该全水下保气性轴环21均匀地围绕水下保气性柱平台22附连，该保气 性轴环21必须具有足够大的体积以排开一定重量的水，所述被排开的水的 重量大于保气性柱平台22的沉没重量(若存在的话)外加泵9及其的所有 部件l、 2、 3、 4、 5、 6、 7、 8、 9、 10、 101、 11、 12、 13、 14、 15、 16、 17、 28的沉没重量的结合。系链28必须足够坚固并且重物29必须足够重以阻止 所有的浮力部件2、 21、 22全部向上浮升。
图4A中，重力水波泵9附连到可调节的水下保气性柱平台22上。水下 浸水柱23由枢轴、支轴或者钩环(类似图2A和5A中的柱22上的枢轴)， 或者图4A中的系链28而被竖直地控制，该系链28附连到柱23的底部并固 定到搁置在海床、河床、湖床或蓄水池底部31上的混凝土或金属重物29上， 或者该系链28固定到海床、河床、湖床或蓄水池底部31，系链可以是链条 28、钢缆、钢绳或其它种类的系链，所述链条28、钢缆、钢绳或其它种类的 系链可被调节以适合平均水位的地理定位点深度，这意味着更深的定位点对 于设置水波泵组件而言可能是实际和经济的。
图4A示出了，位于凸缘16下方的水下浸水柱平台23的上端由全水下 保气性轴环21近似竖直地支撑在水中，该保气性轴环21均匀地围绕水下的 浸水柱23附连，保气性轴环21必须具有足够大的体积以排开一定重量的水， 所述被排开的水的重量大于水下的浸水柱平台23的沉没重量，外加水下可 调节的保气性柱平台22的被淹没重的量(若存在的话)，以及泵9及其所 有部件l、 2、 3、 4、 5、 6、 7、 8、 9、 10、 101、 11、 12、 13、 14、 15、 16、 17、 18、 19、 20、 24、 25、 26、 27、 28的沉没重量的结合。系链28必须足够坚固并且重物29必须足够重以阻止在完全淹没的状态下所有的浮力部件 2、 21、 22全部向上浮升。
图4A示出了可调节的保气性柱平台22，其能够从固定的水下的浸水柱 平台23上伸出，作为支撑重力水波泵9的近似竖直地延伸的柱平台。竖直 延伸的柱平台22使泵9能够借助浮子2的浮力移位而持续地保持竖直地自 定位，浮子2将其自身定位于周围水体的水平面或潮汐的高度，这使得该泵 在任何的潮汐的高度Ol下均能够最大限度地利用可用的波浪。图4A示出了 保气性柱平台22如何能够通过固定到浸水柱平台23的上部内壁的引导轴承 20和设置于柱室23顶部的刮片式水密封件19而向上或向下移动的，引导轴 承24围绕并固定到柱22的底部，该引导轴承24在柱23的浸水柱室的内壁 上下移动。
图4A示出了位于水下的浸水柱平台23底部的卸压出水阀26和卸压进 水阀25如何控制保气性柱22的竖直运动，这些阀控制被抽入柱23的浸水 柱室中的水的阻力、以及从柱23的浸水柱室中排出的水的压力，在这种情 况下形成液压锁，以在对应于这些阀的预设值的载荷值的作用下，将柱22 保持在所需的位置，该载荷值将大于泵9在其最高压力下工作所需的力，但 在这种设置下，在浮子2或者重物3吸开进水阀25以允许水进入柱室23之 前，使浮子2或者重物3能够调节柱22的位置，而无需将浮子2完全拉入 水下，以及在这种设置下，向出水阀26施压以允许一些水从柱室23排出之 前不需使重物3保持在水的上方01，而是暴露于空气中。受阀控制的液压锁 将柱22保持在使重力水波泵9能够在其正常的自调节冲程内操作的位置， 但如果由于潮汐增大或较高的波浪而使泵9中的活塞撞击缓冲件11时，则 施加在浮子2上的更大排水量的极大提升力将打开进水阀25以允许更多的 水进入柱室23，使柱22能够上升，直到由于浮子2已达到正常的位置，阀 25受较小的吸力作用而关闭，类似地，如果重物3在泵9的顶部压迫缓冲件 4，该附加载荷将使卸压出水阀26打开而使水排出柱室23，使柱22竖直下 降直至浮子2的移位回复到正常并且出水阀26关闭(该出水阀还具有防护 缓冲件27)，随后重力水波泵9在其正确位置正常操作直至达到其最高压力， 但是如果在较高的波浪或者较深的波谷经过后，该泵始终能够在竖直方向精 确地调节其自身的位置。图4A示出保气性柱22的竖直定位也可通过将水压管连接到进水阀 25而进行控制，可从陆基控制室或者浮动控制室通过在可控制的压力下将水 压入浸水的柱室23以利用水力升高柱平台22而自动或手动地进行控制，以 及通过将加载有可控制的气压或水压的小孔高压管连接到气动操作或液压 操作的阀26，用以从柱室23释放水以使柱平台22下降进行控制，或者在发 生暴风雨的情况下，利用图6A中的阀02和002以及双气压管线，且借助加 载有重物的浸水的浮子2，将柱平台22向下锁定到缓冲件27上。
在图4A中，浮子2必须具有在实现所需的水头所必需的水压力下提升活 塞12的移位能力，以及能够通过预设在柱室23中的进水限制阀25以液压方 式提升水下保气性柱22和所有下列部件1、 3、 4、 5、 6、 7、 8、 9、 10、 101、 11、 12、 13、 14、 15、 16、 17、 18、 24的移位能力，浮子2的移位能力必须 比实现上述提升力所需的移位能力稍大，因为在波浪非常高的情况下，通过 泵9和柱22的充分延伸的部件使图4A中的浮子2保持在水面下而淹没是必 要的。
在图2A、图3A、图4A、图5A、图6A中，水下保气性轴环21用作水 下柱平台的侧向振动吸收件，通过允许在轴环21使柱再次自行竖立为接近 竖直状态之前使水下柱22和23能够以各种角度倾斜，而吸收波浪及水中船 舶对泵浮子2和重物3的侧向撞击力。用以吸收作用于泵9及其部件的竖直 振动载荷的竖直阻尼作用在利用由波浪赋能的浮子通过液压阀泵送诸如水 的流体过程中自然地产生。
图1A、图2A、图3A、图5A、图6A中的浮子2必须具有在实现所需 的水头所必需的水压下提升泵活塞12的移位能力，以及下列部件l、 3、 4、 5、 11、 12的移位能力，浮子2的移位能力必须比实现上述提升力所需的移 位能力稍大，因为在波浪非常高的情况下，通过泵9的充分延伸的部件使图 1A、图2A、图3A、图5A、图6A中的浮子2保持在水面下而淹没是必要的。
在某些情况下，当需要时，如果图1A、图2A、图3A、图5A、图6A 中的浮子2装配有如图6A所示的浸水阀02、排水阀002以及双气压管线34， 则在发生暴风雨的状况下，浮子2可被浸水并被淹没，从而在向下闭合的位 置安全渡过暴风雨，所述浸水阀02、排水阀002以及双气压管线34在暴风 雨时可由陆上的控制室手动地或自动地控制。
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权利要求
1.一种自吸式重力水波泵，其具有由重力和波浪能驱动的往复式双作用活塞，且结合有全水下保气性柱活塞平台，所述柱活塞平台竖直自定位和液压定位，以适应水面高度或潮汐高度，所述柱活塞平台被结合到全水下的、竖直的浸水柱室内，所述柱室借助附连到浸水柱室上端的、全水下的、基本上为保气性的支撑轴环而被支撑到竖直距离水底固定距离的位置处，并且附连到所述浸水柱室下端的如链条、缆绳、绳索或其它系链形式的系链向下延伸并附连到水底，或者如链条、缆绳、绳索或其它系链形式的系链向下延伸并附连到水底上的重物。
2. 根据权利要求1所述的自吸式重力水波泵，其中，在借助所述系链 竖直固定的位置处，所述全水下的、基本上为保气性的支撑轴环附连于并竖 直地支撑所述全水下的浸水柱室，所述全水下的、基本上为保气性的支撑轴 环应具有足够大的移位，以对抗和克服由所述泵活塞在其重力作用下的向下 的冲程中施加的、以及所有其它相关件施加的向下的力，所述力大于所述水 泵的位于水中的元件和所结合的柱平台及系链的重量。
3. 根据权利要求1或2所述的自吸式重力水波泵，其中，所结合的全 水下浸水柱室具有至少一个刮片式水密封件，所述刮片式水密封件将所述浸 水柱室相对于所述保气性柱活塞平台密封，所述浸水柱室的室内具有至少两 个引导轴承，所述浸水柱室的室内装配有至少一个自控式或可控制的可调节 卸压进水阀、以及至少一个自控式或可控制的可调节卸压出水阀，所述阀控 制所述浸水柱室内的压力和负压，并在容置在所述浸水室内的所述保气性柱 活塞平台上形成液压锁，这允许控制所述保气性柱活塞平台的竖直定位和锁 定，可控制的阀允许形成手动或电动的控制器，附加的优点是能够升高或降 低所述保气性柱活塞平台，并在暴风雨的条件下，通过从浮动控制位置或陆 基控制位置由压力管和液压阀或气动阀控制操作而将所述保气性柱活塞平 台锁定在下方。
4. 根据权利要求1所述的自吸式重力水波泵，其中，所述双作用泵具 有连接到竖直往复式构件上的加载有重物的水面浮子，所述竖直往复式构件 连接到缸体中的双作用活塞上，所述缸体具有集管以及至少两个进水阀和至少两个出水阀。
5. 根据权利要求4所述的自吸式重力水波泵，其中，所述泵的球形阀 闭合在很窄的阀座上，以用作碎屑拦截件和水藻拦截件。
6. 根据前述权利要求中任一项所述的自吸式重力水波泵，其中，所述 部件由金属、复合材料或可回收材料制成。
全文摘要
一种自吸式重力水波泵，该泵为双作用、竖直自调节式泵，且结合有如图4A所示的水下柱平台，该水下柱平台(22)可通过系链(28)或枢轴固定到重物(29)上，或者固定于水底(31)。柱(22)可结合到附加的水下充水柱室(23)内，以用作水力的、可适应于潮汐进行调节的柱平台。重力水波泵(9)是波浪能转换装置，其能够利用呈波浪运动形式的波浪能而使浮子(2)移位，以提升泵的往复式活塞(12)，并在波浪过去时利用重物(3)向下推动活塞。通过相应的调节，泵能够将所泵送的水加压为高达100米或更高的水头，并可使泵送压力超过每平方英寸150磅。
文档编号F03B13/18GK101617118SQ200780050383
公开日2009年12月30日 申请日期2007年11月13日 优先权日2007年1月25日
发明者阿尔文·史密斯 申请人:达特默斯波能有限公司