BE1023246B1

BE1023246B1 - Een gravitatie vortex waterturbine geheel

Info

Publication number: BE1023246B1
Application number: BE2015/5797A
Authority: BE
Inventors: Geert Slachmuylders
Original assignee: Turbulent Bvba
Priority date: 2015-12-08
Filing date: 2015-12-08
Publication date: 2017-01-10
Also published as: CN108368819A; US20180372059A1; EP3387250B1; WO2017097943A1; US11028816B2; CN108368819B; EP3387250A1

Abstract

Er wordt een gravitatie vortex waterturbine geheel (1) beschreven waarbij de waterturbine (100) onder de bodem (70) van het bassin (40) wordt aangebracht waarin de vortex (20) wordt geïnduceerd. Bij voorkeur bevat het bassin een spiraalvormige zijwand en zijn de rotorbladen van de turbine rotor zo gedimensioneerd dat ze de tangentiële, axiale en radiale component van de waterstroom (10) van de vortex (20) opvangen.

Description

Een gravitatie vortex waterturbine geheel

Domein van de uitvinding

De uitvinding heeft betrekking op een waterturbine voor het omzetten van kinetische en potentiële energie uit een waterstroom in mechanische arbeid en vervolgens via een generator in elektrische energie. Het betreft in het bijzonder een gravitatie vortex waterturbine geheel, waarbij de energie wordt omgezet van een vortex die door de waterstroom onder de invloed van de zwaartekracht wordt gevormd.

Stand van de techniek

Een dergelijk gravitatie vortex waterturbine geheel is bijvoorbeeld gekend uit W02004/061295. Het vortex waterturbine geheel bevat een rechthoekig bassin omgeven door vier zijwanden, met een instroomopening in één van die zijwanden. Het bassin bevat verder een horizontale bodem met een ronde, centrale uitstroomopening voor het induceren in de waterstroom onder invloed van de zwaartekracht van een stabiele vortex. In het bassin wordt coaxiaal met de vortex een waterturbine aangebracht. De waterturbine bevat een turbine rotor met verticale turbinebladen. De tangentiële component van de waterstroom van de vortex werkt op deze turbinebladen in, waardoor ze gaat roteren. De waterstroom van de vortex stroomt verder ringvormig, axiaal naar beneden doorheen de turbine rotor. De waterturbine wordt bijvoorbeeld gekoppeld aan een elektrische generator om vervolgens elektrische energie op te wekken.

Een dergelijk gravitatie vortex waterturbine geheel is voordelig in situaties waar het verval in de waterstroom te laag is om een andere types waterturbine gehelen efficiënt te laten werken. De gravitatie vortex waterturbine, maakt gebruik van de energie die geaccumuleerd wordt in de vortex onder invloed van de zwaartekracht en is dus minder afhankelijk van de kinetische en/of potentiële energie die aanwezig is in de bron van de waterstroom.

Een gelijkaardige gravitatie vortex waterturbine geheel is verder ook gekend uit WO2015/017881. Om de efficiënte vorming van een vortex te stimuleren bevat dit gravitatie vortex waterturbine geheel een cilindrisch bassin, dat bijvoorbeeld voorzien is van zijwanden met spiraalvormige vinnen. Verder wordt ook een instroomkanaal en een instroomopening in de zijwand van het bassin voorzien die de waterstroom nagenoeg tangentieel, nabij de zijwand van het cilindrisch bassin toevoert om zo een efficiëntere vorming van een vortex te bewerkstelligen.

Er blijft een nood bestaan aan het verder optimaliseren van een dergelijk gravitatie vortex waterturbine geheel. Hierbij wordt ernaar gestreefd om een grotere elektrisch vermogen te realiseren zonder de noodzaak aan een groter debiet, groter verval en een grotere installatie voor het gravitatie vortex waterturbine geheel.

Samenvatting van de uitvinding

Tot dit doel wordt er volgens een eerste aspect van de uitvinding voorzien in een gravitatie vortex waterturbine geheel, omvattende: - een spiraalvormig vortex bassin geconfigureerd om in een waterstroom onder invloed van de zwaartekracht een vortex te induceren met een nagenoeg verticale centrale as, het vortex bassin bevattende een zijwand met een tangentiële instroomopening voor het toevoeren van de waterstroom naar de vortex en een bodem met een centrale uitstroomopening voor het afvoeren van de waterstroom van de vortex, daardoor gekenmerkt dat het waterturbine geheel verder bevat: - een waterturbine aangebracht onder het bassin, coaxiaal met de centrale as van de vortex, bevattende een turbine behuizing gekoppeld aan de centrale uitstroomopening en een turbine rotor.

Het is daarbij duidelijk dat de centrale uitstroomopening zich op het centerpunt van het spiraalvormig vortex bassin bevindt. De centrale uitstroomopening bevat daarbij bijvoorbeeld een nagenoeg ronde doorsnede waarvan het middelpunt nagenoeg overeenstemt met het centerpunt van het spiraalvormig vortex bassin, alsook de centrale as van de geïnduceerde vortex,

Op deze wijze wordt de waterstroom waarmee de vortex wordt gevormd in het bassin efficiënter verwerkt, waardoor het maximale debiet dat doorheen de turbine kan stromen wordt verhoogd. Aangezien de waterturbine niet langer in het bassin, maar onder het bassin wordt gepositioneerd, kan de vorming van de vortex in het bassin op een consistente wijze, zonder enige impact van de waterturbine worden bewerkstelligd en wordt de vortex gebruikt als middel om additioneel verval te creëren over de turbine. Door de rotor op deze plek te positioneren wordt tevens volop gebruik gemaakt van zowel de tangentiele als de axiale en radiale snelheid.

Zoals verder zal verduidelijkt worden, betekent dit, voor uitvoeringsvormen waarbij het waterturbine geheel gebruik maakt van een diffuser, dat de turbine rotor aangebracht is in een turbinebehuizing die de overgang vormt tussen het bassin en deze diffuser. Het is verder ook duidelijk dat de instroomopening zich aan het bredere uiteinde van de geometrische progressie van de spiraalvormige zijwand van het bassin bevindt. Bijkomend zorgt de spiraalvormige vorm van het bassin voor een efficiëntere en stabielere vorming van de vortex in het bassin. Om de efficiënte vorming van een vortex te stimuleren kan het gravitatie vortex waterturbine geheel een bassin hebben met een spiraalvorm die nagenoeg overeenstemt met een Archimedes spiraal, of een logaritmische spiraal, zoals bijvoorbeeld een Fibonacci spiraal of een Bernoulli spiraal. De oorsprong, of het centerpunt van deze spiraalvorm bevindt zich dan bij voorkeur ter hoogte van de uitstroomopening in de bodem van het bassin. Bij voorkeur zijn de zijwanden van het bassin voor grotendeels verticaal aangebracht, wat een eenvoudige productie toelaat. Ter hoogte van de bodem van het bassin kunnen de zijwanden bij voorkeur door middel van een afronding overgaan in de bodem van het bassin aangezien op deze wijze een goede de geleiding van de vloeistofëtroom wordt gerealiseerd en dit ook toelaat om, in het geval dat er bij de productie van het bassin een mal wordt aangewend, een goede lossing van deze mal te bekomen.

Op deze wijze kan het gravitatie vortex waterturbine geheel gebruik maken van de vortex om reeds bij lage vervallen een uniforme vloeistofstroom te creëren waarbij tegen hoge efficiëntie de energie kan onttrokken worden. Daarbij wordt op voordelige wijze, relatief ten opzichte van alternatieve types van waterturbine gehelen, een grotere en tragere, roterende vloeistofstroom gradueel versneld naar het centrum van de vortex en naar de uitstroomopening toe. De positionering van de waterturbine onder de uitstroomopening, en de bijhorende opgetreden versnelling van de waterstoom laat ook toe om met kleinere turbine rotoren te werken. Dit principe brengt de rotatiesnelheid van de turbine rotor verder ook tot een hoog genoeg toerental om een goedkopere generator te gebruiken. Toch kan dit op een ecologische en milieuvriendelijke manier, aangezien het relatieve snelheidsverschil tussen de waterstroom in de vortex, alsook alle débris en dieren in deze vloeistofstroom, en de turbine rotor van de waterturbine beperkt is. Beide draaien namelijk min of meer gesynchroniseerd rondom het centerpunt van de vortex.

Volgens een uitvoeringsvorm bevat de waterturbine een elektrische generator, of is de waterturbine gekoppeld aan een elektrische generator voor het opwekken van elektrische energie. Het spreekt voor zich dat ook alternatieve uitvoeringsvormen denkbaar zijn, waarbij de waterturbine eveneens gebruikt wordt voor een mechanische aandrijving van allerhande installaties, zoals bijvoorbeeld een mechanische aandrijving van een waterzuiveringsinstallatie.

Volgens een uitvoeringsvorm wordt er voorzien in een waterturbine geheel, daardoor gekenmerkt dat de zijwand zich stroomafwaarts uitstrekt rondom de centrale as vanaf een eerste zijde tot aan een tegenoverliggende tweede zijde van de instroomopening, waarbij de afstand tussen de zijwand en de centrale as daarbij afneemt van een maximumstraal ter hoogte van de eerste zijde tot een minimumstraal ter hoogte van de tweede zijde volgens een stroomafwaartse richting.

Deze vorm van de zijwand van het bassin zorgt voor een efficiëntieverhoging van het gravitatie vortex waterturbine geheel aangezien het op een efficiëntere wijze een vortex induceert dan bijvoorbeeld een bassin met een cilindrische zijwand. Het is duidelijk dat de spiraalvormige zijwand zich daarbij nagenoeg volledig rondom de centrale as uitstrekt, bijvoorbeeld overeen hoek in het bereik van 330° tot 390°.

Volgens een verdere uitvoeringsvorm wordt er voorzien in een waterturbine geheel, daardoor gekenmerkt dat de minimumstraal zich bevindt in het bereik van 50% tot 85% van de maximumstraal.

Deze afname van de zijwand van het spiraalvormige bassin zorgt ervoor dat de inkomende waterstroom doorheen de instroomopening in het spiraalvormige bassin de vortex op een zo optimaal mogelijke wijze binnenstroomt. Het is daarbij duidelijk dat de inkomende waterstroom, doorheen de instroomopening in de zijwand bij voorkeur nagenoeg tangentieel het spiraalvormige bassin binnenstroomt. Dit wil zeggen op een manier dat de waterstroom ter hoogte van de instroomopening de binnenwand van de zijwand volgt, bijvoorbeeld onder een hoek in het bereik van 0° tot 20° ten opzichte van het vlak van de zijwand.

Volgens een verdere uitvoeringsvorm wordt er voorzien in een waterturbine geheel, daardoor gekenmerkt dat het verloop van de afstand van de zijwand tot de centrale as tussen de maximum straal en de minimum straal verloopt volgens: - een logaritmische spiraal; of - een Archimedes-spiraal.

De logaritmische spiraal kan bijvoorbeeld uitgevoerd worden als een Fibonacci spiraal of een Bernoulli spiraal.

Een dergelijke vorm verhoogt het maximale debiet dat door het waterturbine geheel kan stromen en de efficiëntie waarmee de vortex wordt geïnduceerd. Bovendien laat dit eveneens toe om het verloop van de vorm van de zijwand op eenvoudige wijze te dimensioneren aangezien de vorm van de zijwand nagenoeg overeenstemt met een eenvoudige, wiskundig gedefinieerde spiraalvorm.

Volgens een verdere uitvoeringsvorm wordt er voorzien in een waterturbine geheel, daardoor gekenmerkt dat de zijwand een veelvoud segmenten bevat.

Het gebruik van segmenten laat toe om het bassin gemakkelijk te transporteren waarna de vooraf gedefinieerde vorm van het bassin op de site kan worden geïnstalleerd als een soort prefab constructie. Dit laat toe om met grotere precisie de gewenste vorm van het bassin te garanderen en laat een efficiëntere installatie toe. We definiëren de vorm voor we gaan installeren. Op deze wijze kan een zijwand geproduceerd worden waarvan de vorm naderhand tijdens de installatie aan de specifieke parameters van de waterstroom kan worden aangepast zoals bijvoorbeeld het debiet, het verval, etc., als deze parameters van de rivier bijvoorbeeld substantieel zouden veranderen.

Volgens een verdere uitvoeringsvorm wordt er voorzien in een waterturbine geheel, daardoor gekenmerkt dat de centrale uitstroomopening van de bodem een straal heeft die kleiner of gelijk is aan de minimumstraal van de zijwand; en de inwendige straal van de turbine behuizing, ter hoogte van de turbine rotor, zich bevindt in het bereik van 20% tot 45% van de maximumstraal van de zijwand.

Op deze wijze wordt ter hoogte van de uitstroomopening, en vervolgens in de waterturbine die aansluit op deze uitstroomopening, het aandeel van de vortex met een maximale hoeksnelheid vergroot. Als je van buiten naar binnen beweegt langs de straal van de vortex, dan zal de vortexsnelheid eerst exponentiel toenemen, en na het bereiken van een maximum snelheid vervolgens lineair afnemen tot nul in het absolute centerpunt van de vortex ter hoogte van de centrale as. Anders geformuleerd, bevat een dergelijke vortex dus een kernzone, waarin de hoeksnelheid van de waterstroom lineair oploopt tot een bepaalde maximum hoeksnelheid bij een toename van de afstand tot de centrale as, waarna, buiten deze kemzone de hoeksnelheid terug afneemt bij een toename van de afstand tot de centrale as. Met een dergelijk bereik voor de straal van de centrale uitstroomopening en de daarop aansluitende binnenwand van de turbinebehuizing wordt het aandeel van de kernzone van deze vortex ter hoogte van de turbinerotor gemaximaliseerd. Een beperkt overschrijden van de kernzone, bijvoorbeeld met maximum 20% kan wenselijk zijn, maar een te grote overschrijding levert een waterstroom met een afnemende hoeksnelheid die de efficiëntie van de turbine rotor nadelig beïnvloedt.

Volgens een verdere uitvoeringsvorm wordt er voorzien in een waterturbine geheel, daardoor gekenmerkt dat het stroomafwaartse einde van de turbinebehuizing een diffuser bevat geconfigureerd om de waterstroom in een richting met een component radiaal weg van de centrale as te leiden.

Op deze wijze zorgt de diffuser ervoor dat ter hoogte van de uitstroomopening van de behuizing van de waterturbine er minder risico is op een turbulente verstoring van de stroming in de waterturbine zelf. Bovendien creëert een dergelijke diffuser een zekere axiale tegendruk in de waterturbine waardoor het risico op cavitatie wordt gereduceerd. Een dergelijke radiale diffuser laat ook toe om de diffuser, en dus ook de bijhorende waterturbine, compact te houden wat betreft de inbouwdiepte. Tot slot vergemakkelijkt een dergelijke radiale diffuser ook de productie, aangezien de diffuser kan worden geproduceerd met twee eenvoudige vormen die pas tijdens de installatie moeten worden samengevoegd.

Volgens een verdere uitvoeringsvorm wordt er voorzien in een waterturbine geheel, daardoor gekenmerkt dat de diffuser verder geconfigureerd is om de waterstroom vanaf een laagste positie terug omhoog te leiden.

Op deze wijze wordt een constante en hogere axiale tegendruk gecreëerd die het risico op cavitatie, alsook een turbulente verstoring van de stroming in de waterturbine reduceert. Verder verzekert een dergelijke uitvoeringsvorm ook dat, zelfs wanneer de uitstroomopening van de waterturbine zich boven het wateroppervlak zou bevinden, het risico vermindert dat een luchtstroom via deze uitstroomopening van de waterturbine zich met de waterstroom zou vermengen, wat de efficiënte werking van de waterturbine zou reduceren.

Volgens een verdere uitvoeringsvorm wordt er voorzien in een waterturbine geheel, daardoor gekenmerkt dat de waterturbine zich aan zijn stroomafwaartse einde onder het wateroppervlak bevindt.

Op deze wijze wordt de druk in de waterstroom ter hoogte van de waterturbine op peil gehouden en bestaat er geen risico dat een luchtstroom zich mengt met het uitstromende water.

Volgens een verdere uitvoeringsvorm wordt er voorzien in een waterturbine geheel, daardoor gekenmerkt dat de turbine rotor een centrale rotomaaf en daaraan bevestigde rotorbladen bevat, waarbij het aantal rotorbladen in het bereik is van twee tot en met tien.

Een beperkt aantal rotorbladen alsook een bijhorende grotere afstand tussen de rotorbladen zorgt ervoor dat de waterturbine visvriendelijk is en minder gevoelig voor verstoring door vervuiling of verzanding. Bij voorkeur draait de rotor turbine ook aan een relatief laag toerental, zoals bijvoorbeeld 300 toeren per minuut of minder, bijvoorbeeld 100 toeren per minuut of minder.

Volgens een verdere uitvoeringsvorm wordt er voorzien in een waterturbine geheel, daardoor gekenmerkt dat de rotorbladen geconfigureerd zijn zodat ze de tangentiële, axiale en radiale component van de waterstroom van de vortex opvangen.

Het is duidelijk dat de rotorbladen van de waterturbine aangebracht zijn op een roteerbare centrale naaf, die coaxiaal met de centrale as van de vortex gelagerd is. Dit wil zeggen dat de draaias van de naaf van de turbine rotor nagenoeg samenvalt met de centrale as van de vortex. De draaias van de turbine rotor is dus nagenoeg verticaal.

Gekende gravitatie vortex waterturbine gehelen, waarbij de turbine rotor gepositioneerd is in het bassin, maken gebruik van verticale rotorbladen. Op deze wijze wordt enkel de tangentiële component van de waterstroom van de vortex gecapteerd door de rotorbladen. De axiale en radiale component van de waterstroom van de vortex wordt niet verstoord bij dergelijke gekende systemen om het risico dat de vortex in het bassin wordt verstoord te minimaliseren. Deze uitvoeringsvorm, waarbij de waterturbine onder de uitstroomopening in de bodem van het bassin wordt gepositioneerd, laat toe om alte componenten van de waterstroom van de vortex ter hoogte van de waterturbine te capteren, zonder het risico dat de vortex in het bassin wordt verstoord. Hierdoor kan met een grotere efficiëntie energie worden onttrokken aan de waterstroom door de turbine rotor.

Volgens een verdere uitvoeringsvorm wordt er voorzien in een waterturbine geheel, daardoor gekenmerkt dat de rotorbladen: - aan een stroomopwaartse einde een kleinere hoek hebben ten opzichte van de centrale as dan de hoek aan het stroomafwaartse einde; - aan een radiaal inwaarts einde een grotere hoek hebben ten opzichte van een vlak volgens de centrale as dan aan een radiaal uitwaarts einde; en - aan een radiaal inwaarts einde een kleinere hoek hebben ten opzichte van een vlak loodrecht op de centrale as dan aan een radiaal uitwaarts einde.

Op deze wijze kunnen rotorbladen gerealiseerd worden die zowel de tangentiële, de axiale, als de radiale component van de waterstroom van de vortex opvangen.

Volgens een verdere uitvoeringsvorm wordt er voorzien in een waterturbine geheel, daardoor gekenmerkt dat de hoek ten opzichte van de centrale as aan het stroomopwaartste einde zich in het bereik van 0° tot 45° bevindt en dat de hoek aan het stroomafwaartse einde zich in het bereik van 45° tot 80° bevindt.

Bij voorkeur staan deze hoeken, bij het toerental van de rotor voor een optimale belasting van een daaraan gekoppelde generator, nagenoeg dwars op de tangentiële, radiale en axiale hoeken van de snelheidsvector van de waterstroom, zodat een optimale impact van de waterstroom op de turbinebladen wordt bewerkstelligd.

Volgens een verdere uitvoeringsvorm wordt er voorzien in een waterturbine geheel, daardoor gekenmerkt dat de maximumstraal zich in het bereik van 1,5m tot en met 10m bevindt. De maximumstraal van de uitstroomopening in de bodem van het bassin, alsook de turbinebehuizing, bevindt zich bij voorkeur in het bereik van 0,5m tot 3m.

Een dergelijk waterturbine geheel is compact en kan zonder ingrijpende werkzaamheden in, naast of in de nabijheid van een bestaande waterloop worden geïnstalleerd.

Volgens een volgende uitvoeringsvorm wordt er voorzien in een waterturbine geheel, daardoor gekenmerkt dat het waterturbine geheel verder bevat: - een aan de waterturbine gekoppelde of in de waterturbine aangebrachte elektrische generator; - een aan de generator gekoppelde stuureenheid, de stuureenheid geconfigureerd om tijdens het bedrijf het toerental en de belasting van de generator en de daaraan gekoppelde turbinerotor van de waterturbine aan te sturen zodat een Maximum Power Point Tracking sturing wordt gerealiseerd.

Op deze wijze wordt het elektrische vermogen dat via het waterturbine geheel kan worden opgewekt gemaximaliseerd door het optimaliseren van het toerental en de belasting van de turbinerotor door de stuureenheid van de elektrische generator.

Volgens een volgende uitvoeringsvorm wordt er voorzien in een waterturbine geheel, daardoor gekenmerkt dat het waterturbine geheel verder bevat: - een aan de waterturbine gekoppelde of in de waterturbine aangebrachte elektrische generator; - een aan de generator gekoppelde stuureenheid, de stuureenheid geconfigureerd om tijdens het bedrijf het toerental en de belasting van de generator en de daaraan gekoppelde turbinerotor van de waterturbine aan te sturen zodat een relatief maximum snelheidsverschil tussen de turbine bladen en de waterstroom in de vortex, een vooraf bepaalde maximale waarde niet overschrijdt.

Op deze wijze wordt een visvriendelijk waterturbine geheel gerealiseerd met een minimale ecologische impact, wat de noodzaak reduceert om bijkomende maatregelen te voorzien om bijvoorbeeld te verhinderen dat vissen de waterturbine binnenzwemmen, of om het mogelijk te maken dat vissen voorbij de waterturbine kunnen migreren.

Volgens een tweede aspect van de uitvinding wordt er voorzien in een methode voor het vervaardigen van een turbine rotor voor gebruik in een waterturbine geheel volgens het eerste aspect van de uitvinding, daardoor gekenmerkt dat de methode de volgende stappen bevat: - het simuleren van de vortex op basis van het turbine geheel; - het bepalen van de axiale, tangentiële en radiale componenten van de vortex ter hoogte van de waterturbine; - het automatisch genereren van een vorm voor de rotorbladen op basis van de axiale, tangentiële en radiale componenten van de vortex zodat een minimale grenslaag afscheiding ontstaat ter hoogte van de rotorbladen; - het vervaardigen van de gegenereerde vorm van de rotorbladen door middel van additieve vervaardigingstechnieken, bijvoorbeeld driedimensionaal printen.

Deze productiemethode laat toe om een optimale turbine rotor efficiënt te produceren.

Volgens een derde aspect van de uitvinding wordt er voorzien in een inrichting en methode voor het aansturen van een waterturbine geheel volgens het eerste aspect van de uitvinding, wanneer gekoppeld aan een elektrische generator en bijhorende stuureenheid. Het is duidelijk dat de elektrische generator kan gekoppeld zijn aan de rotor van de waterturbine door middel van een as of een andere geschikte mechanische koppeling. Alternatief kan de generator ook in de waterturbine geïntegreerd zijn, waarbij bijvoorbeeld de rotor van de generator in de turbine rotor wordt aangebracht en de stator van de generator in de turbine behuizing wordt aangebracht. De stuureenheid van een dergelijke gekoppelde generator, maakt bij voorkeur gebruik van een MPPT of Maximum Power Point Tracking algoritme dat door middel de stuurelektronica een variabele belasting aan de generator, en dus ook de turbine rotor, kan opleggen. Door middel van deze variabele belasting en rotatiesnelheid van de turbine rotor, kan de impactsnelheid van de waterstroom op de turbine rotor worden aangestuurd, en kunnen voor de turbine rotor als het ware virtuele, variabele bladhoeken voor de vaste turbinebladen worden ingesteld.

Dit laat toe om de efficiëntie nog verder te optimaliseren voor het opwekken van elektrische energie door middel van het waterturbine geheel.

Korte beschrijving van de Figuren

Bij wijze van voorbeeld zullen enkele uitvoeringsvormen van de uitvinding worden beschreven aan de hand van de Figuren waarbij:

Figuur 1 schematisch een gedeeltelijke doorsnede toont in een perspectief aanzicht van een uitvoeringsvorm van een gravitatie vortex waterturbine geheel;

Figuur 2 schematisch een bovenaanzicht toont van de uitvoeringsvorm uit Figuur 1 ;

Figuur 3 schematisch een perspectief aanzicht toont van de uitvoeringsvorm van Figuur 1;

Figuur 4 schematisch een gedeeltelijke doorsnede in een zijaanzicht toont van de uitvoeringsvorm van Figuur 1 ;

Figuren 5 tot 7 respectievelijk schematisch een bovenaanzicht, zijaanzicht en perspectief aanzicht tonen van een uitvoeringsvorm van een turbine rotor voor gebruik in een waterturbine geheel.

Figuren 8 en 9 respectievelijk schematisch een zijaanzicht en een bovenaanzicht tonen van een alternatieve uitvoeringsvorm van een turbine rotor;

Figuur 10 schematisch een installatie weergeven van waterturbine gehelen in of naast een waterloop;

Figuur 11 schematisch het verloop van de waterstroom en de vortex aangeeft voor een waterturbine geheel volgens een uitvoeringsvorm uit Figuren 1 tot 4;

Figuren 12 en 13 respectievelijk een zijaanzicht en een doorsnede in zijaanzicht weergeven van een alternatieve uitvoeringsvorm van een waterturbine geheel;

Figuren 14 en 15 schematisch een vergelijking geven van de efficiëntie en het vermogen van verschillende uitvoeringsvormen van de uitvinding ten opzichte van gekende waterturbine gehelen.

Gedetailleerde beschrijving van de Figuren

Figuren 1 tot 4 tonen schematisch een gravitatie vortex waterturbine geheel 1 volgens een eerste uitvoeringsvorm van de onderhavige uitvinding. Het water 10 stroomt het geheel 1 binnen via de inlaat 210. Deze inlaat staat dus best zoveel mogelijk richting stroomopwaarts gericht zodat een maximale hoeveelheid water via de inlaat 210 het geheel 1 kan binnenstromen. De inlaat 210 leidt het water 10 dan naar de instroomopening 60 die de overgang vormt tussen de inlaat 210 en het spiraalvormige vortex bassin 40. In dit bassin 40 wordt de eigenlijke vortex 20 geïnduceerd rond de verticale centrale as 22.

De opstaande zijwand 50 van het spiraalvormige bassin 40 begint aan de buitenzijde of eerste zijde 62 van de inlaat 210 ter hoogte van de instroomopening 60. Vanaf deze zijde 62 strekt de zijwand zich verder uit rondom de centrale as 22 tot aan de binnenste zijde 64 van de inlaat 210 ter hoogte van de instroomopening 60. Voor een optimale vorming van de vortex 20, strekt de spiraalvormige zijwand 50 zich bij voorkeur uit rond de centrale as 22 onder een hoek in het bereik van 330° tot 390°.

De buitenste zijde 62 en bij uitbreiding dus de instroomopening 60 sluit bij voorkeur tangentieel aan op zijwand 50. Hierdoor zal de inkomende waterstroom 10 doorheen de instroomopening 60 aan de zijwand nagenoeg tangentieel het spiraalvormige bassin 50 binnenstromen. Met andere woorden zal de waterstroom 10 ter hoogte van de instroomopening 60 de binnenwand van de zijwand 50 volgen. Om dit te bewerkstelligen is de hoek tussen het vlak van de buitenste zijde 62 en het vlak van de binnenkant van de zijwand 50 ter hoogte van de instroomopening 60 in het bereik van 0° tot 20°.

Door de spiraalvormige vorm en het aansluiten van de zijwand met zowel de buitenste zijde 62 als de binnenste zijde 64 van de inlaat 210 aan de instroomopening 60 zal de afstand tussen de centrale as 22 van de geïnduceerde vortex 22 en de zijwand 50 gradueel afnemen. Met andere woorden zal de zijwand 50 in de stroomafwaartse richting een kromming met afnemende straal beschrijven. Ter hoogte van de eerste zijde 62 of dus bij 0° van bereik zal de straal 42 maximaal zijn. Daarna neemt de straal gradueel af tot straal 44 bij 90°, tot straal 46 bij 270° en tenslotte tot straal 48 bij 360° bij de binnenste zijde 64 ter hoogte van de instroomopening 60. De verhouding tussen de maximale straal 42 en de minimale straal 48 definieert daarbij de grootte van de instroomopening 60 in verhouding met het bassin 40. Deze verhouding is belangrijk voor de totale efficiëntie van het geheel 1 en daarom bevindt bij voorkeur de minimumstraal 48 zich in het bereik van 50% tot 85% van de maximumstraal 42.

Verder kan de zijwand 50 een spiraal beschrijven. Bij voorkeur is dit een logaritmische spiraal of een Archimedes spiraal. Op deze manier wordt de efficiëntie van de geïnduceerde vortex 20 verhoogd terwijl de vorm van de zijwand eenvoudig te dimensioneren is.

De zijwand 50 kan verder uit één geheel bestaan of alternatief een veelvoud segmenten bevatten. Dit laat toe om het verloop van de zijwand 50 aan te passen tijdens of na de constructie van het geheel 1 rekening houdende met de specifieke parameters van de waterstroom 10 zoals bijvoorbeeld het debiet, het verval, etc.

Het bassin 40 bevat verder ook een uitstroomopening 80 voor het afvoeren van de waterstroom 10 van de vortex 20. Deze opening 80 is cirkelvorming in de bodem 70 van het bassin 40 aangebracht. Het middelpunt van de opening valt hierbij samen met de centrale as 22. De straal 82 van de opening 80 is verder kleiner dan de minimumstraal 48.

Onder de opening 80 aansluitend op de bodem 70 van het bassin is een waterturbine 100 gekoppeld. Deze turbine 100 omvat verder een turbinebehuizing 110 die de waterstroom 10 naar beneden leidt. De turbinebehuizing 110 heeft een cirkelvormige doorsnede die kan variëren over de hoogte van de behuizing. Aan de bovenkant van de behuizing 110 komt de straal van de cirkelvormige doorsnede dan overeen met de doorsnede van de uitstroomopening 80 en dus met straal 82. De centrale as van de turbinebehuizing 110 komt verder overeen met de centrale as 22. De turbine 100 omvat verder ook een rotor 120 coaxiaal met de centrale as 22 die binnenin de turbinebehuizing 110 is aangebracht. Deze rotor 120 omvat een centrale naaf 122 met daaraan gekoppeld rotorbladen 124. Wanneer de waterstroom 10 doorheen de opening 80 wordt geleid, zal ze verder door de turbinebehuizing langs de rotorbladen 124 worden geleid. Door de tangentiele beweging, de neerwaartse of axiale beweging en de radiale beweging van de vortex 20 op de rotorbladen 124, zal de rotor 120 roteren. De centrale naaf 122 is roteerbaar aangebracht in de waterturbine en is verder coaxiaal met de centrale as 22 van de vortex 20 gelagerd. Dit wil zeggen dat de draaias 22 van de naaf van de turbine rotor nagenoeg samenvalt met de centrale as 22 van de vortex 20. De draaias van de turbine rotor is daardoor nagenoeg verticaal.

Ter hoogte van de rotorbladen 124 is de inwendige straal 112 van de horizontale doorsnede van de turbinebehuizing bij voorkeur in een bereik van 20% tot 45% van de maximumstraal 42. Op deze wijze wordt ter hoogte van de uitstroomopening 80, en vervolgens in de waterturbine 100 die aansluit op deze uitstroomopening, het aandeel van de vortex 20 met een maximale hoeksnelheid vergroot. Een dergelijke vortex bevat namelijk een kemzone, waarin de hoeksnelheid van de waterstroom 10 lineair oploopt tot een bepaalde maximum hoeksnelheid bij een toename van de afstand tot de centrale as 22, waarna, buiten deze kernzone de hoeksnelheid terug afneemt bij een toename van de afstand tot de centrale as 22. Met een dergelijk bereik voor de straal 82 van de centrale uitstroomopening en de daarop aansluitende straal 112 van de binnenwand van de turbinebehuizing 110 wordt het aandeel van de kernzone van deze vortex 20 ter hoogte van de turbinerotor 120 gemaximaliseerd. Een beperkt overschrijden van de kernzone, bijvoorbeeld met maximum 20% kan wenselijk zijn, maar een te grote overschrijding levert een waterstroom 10 met een afnemende hoeksnelheid die de efficiëntie van de turbine rotor 120 nadelig beïnvloedt.

Het geheel 1 omvat verder stroomafwaarts een diffuser 130. Deze diffuser bevindt zich onder de rotorbladen 124 en heeft als functie om de waterstroom 10 radiaal weg te leiden van de centrale as 22 naar de uitlaat 220. De turbine 100 en diffuser 130 zijn volledig omgeven door de uitlaat 220. Uitlaat 220 omvat een bodem 140 aan de onderkant van de turbine rotor 120. De bovenkant 141 van uitlaat 220 bevindt zich ter hoogte van de opening 80 en de onderkant van de bodem 70 van het bassin 40. Hierdoor kan de waterstroom 10 na het verlaten van de diffuser 130 terug stijgen tot op het niveau van de uitstroomopening 80. Uitlaat 220 omvat verder een uitgang 142 doordat de zijwand van de uitlaat 220 aan één kant opengewerkt is. De opening 142 bevindt zich aan de stroomafwaartse kant, d.i., aan de tegenovergestelde kant van de inlaat 210 en dus van de instroomopening 60.

Zonder diffuser 130 zou de waterstroom 10 op een turbulente manier de waterturbine 100 verlaten. Deze turbulente stroming kan dan echter reeds ter hoogte van de rotorbladen 124 optreden en dus de stroming in de waterturbine 100 zelf verstoren. Door de diffuser wordt de waterstroom eerst op een niet turbulente manier van de waterturbine weggeleid waardoor de kans op turbulentie in de waterturbine 100 zelf geminimaliseerd wordt. Bovendien creëert een dergelijke diffuser 130 een zekere axiale tegendruk in de waterturbine waardoor het risico op schade aan de waterturbine 100 door cavitatie wordt gereduceerd.

Figuur 11 illustreert de waterstroom 10 in het geheel 1 volgens bovenstaande uitvoeringsvorm. De waterstroom 10 komt het geheel 1 binnen via de inlaat 210 waarbij het naar het bassin 40 wordt geleid. In het bassin wordt dan de vortex 20 geïnduceerd door de waterstroom 10 in het spiraalvormige bassin te leiden. Onderaan het bassin komt de waterstroom dan in de waterturbine 100 waar de axiale, radiale en tangentiele snelheidscomponent van de waterstroom 10 ten opzichte van de rotor de rotor doet rondraaien. Wanneer de waterstroom 10 de rotor is gepasseerd komt het onderaan in het geheel waarna het door de diffuser zijwaarts naar de uitlaat 220 wordt geleid. De waterstroom 10 verlaat ten slotte de uitlaat 220.

Figuren 5 tot 7 tonen schematisch een respectievelijk bovenaanzicht, zijaanzicht en perspectief aanzicht van de turbine rotor 120 voor gebruik in het geheel 1 volgens een eerste uitvoeringsvorm van de onderhavige uitvinding. Figuren 8 en 9 tonen schematisch een respectievelijk zijaanzicht en bovenaanzicht van de turbine rotor 120 voor gebruik in het geheel 1 volgens een tweede uitvoeringsvorm van de onderhavige uitvinding. Beide uitvoeringsvormen worden hieronder samen beschreven.

Rotor 120 omvat een centrale naaf 122 die roterend om de centrale as 22 in de turbinebehuizing 110 is aangebracht. Op de naaf 122 zijn vijf rotorbladen 124 aangebracht. Het aantal rotorbladen is niet beperkt tot vijf, maar is bij voorkeur in het bereik van twee tot en met tien. Door het aantal rotorbladen te beperken kan de afstand 129 tussen de rotorbladen 124 groot genoeg gehouden worden. Op deze manier kunnen bijvoorbeeld vissen doorheen de rotor passeren indien deze kleiner zijn dan de afstand 129 en wordt aldus een visvriendelijke waterturbine verkregen. Verder is de waterturbine dan ook minder gevoelig voor verstoring door vervuiling of verzanding. Dit effect kan nog verder versterkt worden door de turbine rotor 120 aan een relatief laag toerental te laten draaien zoals bijvoorbeeld 300 toeren per minuut of minder, bijvoorbeeld 100 toeren per minuut of minder.

De rotorbladen 124 zijn zo gepositioneerd op de rotornaaf 122 dat ze de tangentiële, axiale en radiale component van de waterstroom 10 van de vortex 20 opvangen, d.i., dat de rotor 120 gaat roteren en dus een draaimoment ondervindt door inwerking van elk van deze componenten. De richting van deze componenten is aangegeven op elk van de Figuren 5 tot 7, waarbij T staat voor de tangentiele component, R voor de radiale component en A voor de axiale component. Gekende gravitatie vortex waterturbine gehelen, waarbij de turbine rotor gepositioneerd is in het bassin, maken gebruik van verticale rotorbladen. Op deze wijze wordt enkel de radiale component van de waterstroom van de vortex gecapteerd door de rotorbladen. De axiale en radiale component van de waterstroom van de vortex wordt niet verstoord bij dergelijke gekende systemen om het risico dat de vortex in het bassin wordt verstoord te minimaliseren. Deze uitvoeringsvorm, waarbij de waterturbine onder de uitstroomopening in de bodem van het bassin wordt gepositioneerd, laat toe om alle componenten van de waterstroom van de vortex ter hoogte van de waterturbine te capteren, zonder het risico dat de vortex in het bassin wordt verstoord. Hierdoor kan met een grotere efficiëntie energie worden onttrokken aan de waterstroom door de turbine rotor.

Rotorblad 124 omvat een stroomopwaarts einde of zijde 126, d.i., de bovenstaande zijde van het rotorblad aangezien in werking de bovenstaande of stroomopwaartse zijde 126 eerst in aanraking komt met de waterstroom 10 uit de vortex 20. Dit is schematisch weergegeven in Fig. 6 waar de relatieve beweging van de waterstroom 10 ten opzichte van het rotorblad wordt weergegeven. De waterstroom 10 verlaat het rotorblad 124 dan langs de zijde 128, d.i., de stroomafwaartse zijde of onderste zijde of einde 128 onderaan het rotorblad 124. De plaatsing van deze twee zijdes bepalen dan in hoeverre de energie van de axiale snelheidscomponent van de waterstroom zal omgezet worden in een beweging van de rotor 120. De plaatsing van de zijdes 126 en 128 wordt gekenmerkt door de kleinste respectievelijke hoek 126A en 128A tussen de centrale as 22 en het vlak rakend aan de respectievelijke zijde 126 en 128. Voor een optimale omzetting van de axiale snelheidscomponent is de hoek 126A aan het stroomopwaartse einde of dus zijde 126 bij voorkeur kleiner dan de hoek 128A aan de stroomafwaartse einde 128. Bij voorkeur worden de hoeken verder zo gekozen dat bij het nominale toerental van de rotor de radiale snelheidscomponent van de waterstroom 10 optimaal ingrijpt op het rotorblad 124. Dit kan bijvoorbeeld wanneer de hoek 126A aan het stroomopwaartste einde 126 zich in het bereik van 0° tot 45° bevindt en wanneer de hoek 128A aan het stroomafwaartse einde 128 zich in het bereik van 45° tot 80° bevindt.

De plaatsing en vorm van het rotorblad 124 wordt verder bepaald door de hoeken 125A en 127A. Hoek 125A is de hoek tussen een verticaal vlak rakend aan het radiaal inwaartse einde 125 van het rotorblad 124 en een vlak doorheen de centrale as 22 en doorheen dit radiaal inwaartse einde 125. Het radiaal inwaartse einde is daarbij de positie waar het rotorblad bevestigd is aan de centrale naaf 22. Hoek 127A is dan de hoek tussen een verticaal vlak rakend aan het radiaal uitwaarts einde 127 van het rotorblad 124 en een vlak doorheen de centrale as 22 en doorheen dit radiaal inwaartse einde 127. Bij voorkeur is de hoek 125A groter dan de hoek 127A om een optimale impact van de waterstroom 10 op de turbinebladen te bewerkstelligen. Met andere woorden heeft het radiaal inwaarts einde 125 zo een grotere hoek 125A ten opzichte van een vlak volgens de centrale as 22 dan aan het radiaal uitwaarts einde 127.

Ten laatste wordt de plaatsing en vorm van het rotorblad 124 ook bepaald door de hoeken 125B en 125C. Hoek 125B is de hoek tussen het radiaal inwaartse einde 125 van het rotorblad 124 en een vlak loodrecht op de centrale as 22 en doorheen dit radiaal inwaartse einde 125.Hoek 125C is dan de hoek tussen het radiaal uitwaarts einde 127 van het rotorblad 124 en een vlak loodrecht op de centrale as 22 en doorheen dit radiaal inwaartse einde 127. Bij voorkeur is de hoek 125C groter dan de hoek 125B om een optimale impact van de waterstroom 10 op de turbinebladen te bewerkstelligen. Met andere woorden heeft het radiaal inwaarts einde 125 zo een kleinere hoek 125B ten opzichte van een vlak loodrecht op de centrale as 22 dan aan een radiaal uitwaarts einde 127.

Volgens een uitvoeringsvorm van de uitvinding kan op de volgende werkwijze in de turbinerotor 120 worden voorzien. In een eerste stap wordt een simulatie van de gecreëerde vortex 20 in het geheel 1 uitgevoerd. Bij deze simulatie is de rotor 120 nog niet aanwezig zodat de vortex 20 vrij doorheen de waterturbine kan stromen. Een voorbeeld van een grafisch resultaat van zo’n simulatie wordt getoond in Figuur 11. Hierop staat de rotor illustratief afgebeeld, maar interageert ze niet met de waterstroom 10. In een volgende stap worden dan de axiale, tangentiële en radiale componenten van de vortex 20 ter hoogte van de rotorbladen 124 in de waterturbine 100 bepaald. Daaropvolgend worden op basis van deze componenten de rotorbladen gegenereerd op dusdanige manier dat er een minimale grenslaag afscheiding van de waterstroom 10 ontstaat ter hoogte van de rotorbladen. Aangezien alle nodige parameters gekend zijn, kan het genereren van de vorm van de rotorbladen volledig automatisch gebeuren. Tenslotte worden de rotorbladen dan vervaardigd. Dit kan efficiënt gebeuren aan de hand van additieve vervaardigingstechnieken, zoals bijvoorbeeld driedimensionaal printen. Aan de hand van bovenstaande stappen kan op een efficiënte manier een de turbinerotor 120 gedimensioneerd en geproduceerd worden.

Figuren 12 en 13 tonen respectievelijk een zijaanzicht en een doorsnede in zijaanzicht van een alternatieve uitvoeringsvorm van het waterturbine geheel volgens de uitvoeringsvorm van Figuren 1 tot 4. Inlaat 210, bassin 40 en waterturbine 100 zijn hierbij op dezelfde manier uitgevoerd. De diffuser 330 en uitlaat 320 hebben een alternatieve configuratie. De diffuser 330 is dusdanig geconfigureerd dat de waterstroom 10 eerst radiaal weggeleid wordt van de rotor 120 en daarna axiaal vanuit de laagste positie terug omhoog wordt gestuwd naar de uitlaat 320. Hierdoor ligt de bodem 340 van de uitlaat 320 hoger dan de positie van de waterstroom 10 als het de rotor 120 is gepasseerd. Doordat de waterstroom 10 terug omhoog dient gestuwd te worden, wordt op deze manier een constante en hogere axiale tegendruk gecreëerd die het risico op cavitatie, alsook een turbulente verstoring van de stroming in de waterturbine reduceert. Verder verzekert een dergelijke uitvoeringsvorm ook dat, zelfs wanneer de uitstroomopening van de waterturbine zich boven het wateroppervlak zou bevinden, het risico vermindert dat een luchtstroom via deze uitstroomopening van de waterturbine zich met de waterstroom zou vermengen, wat de efficiënte werking van de waterturbine 100 zou reduceren.

Figuur 10 illustreert schematisch een installatie van de waterturbine gehelen 1 in of naast een waterloop 2. Bij een eerste installatiemogelijkheid wordt het geheel 1 in de rivier 2 geplaatst. De inlaat 210 is daarbij stroomopwaarts gericht zodat de waterstroom 10 in het bassin kan stromen waar de vortex 20 geïnduceerd wordt. De uitlaat 220 of 320 bevindt zich onder de waterspiegel en is stroomafwaarts gericht zodat de waterstroom 10 met de stroom van de rivier 2 uit de uitlaat 220, 320 kan stromen. Volgens een verdere uitvoeringsvorm wordt er voorzien in een waterturbine geheel, daardoor gekenmerkt dat de waterturbine zich aan zijn stroomafwaartse einde onder het wateroppervlak bevindt. Op deze wijze wordt de druk in de waterstroom 10 ter hoogte van de waterturbine 100 op peil gehouden en bestaat er geen risico dat een luchtstroom zich mengt met het uitstromende water wat tot een daling van de efficiëntie van het systeem zou kunnen leiden. Deze uitvoeringsvorm heeft als voordeel dat de installatie redelijk makkelijk kan verlopen zonder veel grondverzet. Het volstaat immers om een gepaste onderfundering in de waterloop 2 te voorzien en daarop het geheel 1 te verankeren.

Bij een tweede installatiemogelijkheid wordt het geheel in de oever naast de waterloop 2 ingewerkt. Om de waterstroom 10 dan tot aan de inlaat 210 te leiden wordt een deel van de waterloop 2 kunstmatig afgetakt en tot aan de inlaat 210 geleid. Het bassin 40 zelf is dan deels bovengronds uitgewerkt terwijl de waterturbine 100 ondergronds is ingewerkt. Het geheel wordt verder zo ingewerkt dat de uitlaat 220 of 320 dan verder stroomafwaarts in de waterloop 2 uitmondt. Wederom is de wordt de uitlaat 220 of 320 bij voorkeur onder de waterspiegel van de waterloop 2 gepositioneerd. Deze uitvoeringsvorm vereist meer grondverzet en plaats dan de eerste uitvoeringsvorm, maar heeft als voordeel dat het niet aan de uitwendige krachten van de waterloop 2 wordt onderworpen. Hierdoor hoeft het geheel 1 minder stevig gedimensioneerd te worden.

Een voordeel bij de installatie van geheel 1 volgens de uitvoeringsvorm geïllustreerd in Figuren 1 tot 4 is dat de onderkant 140 van de uitlaat 220 en dus van het geheel 1 vlak is. Hierdoor volstaat het een vlakke fundering te voorzien waarop het geheel dan kan bevestigd worden. Dit is vooral voordelig wanneer het geheel 1 in de waterloop wordt geïnstalleerd omdat het onder water voorzien van een uitsparing voor diffuser 330 meer complex is dat bij een vlakke bodemplaat 140.

Volgens een verdere uitvoeringsvorm bevindt de maximumstraal 42 zich in het bereik van 1,5m tot en met 10m. Een dergelijk waterturbine geheel is compact en kan zonder ingrijpende werkzaamheden in, naast of in de nabijheid van een bestaande waterloop worden geïnstalleerd.

De volgende dimensies kunnen bijvoorbeeld gehanteerd worden voor de tweede uitvoeringsvorm van het geheel 1 volgens de Figuren 12 en 13: - Een hoogte van 1500mm voor het bassin 40 en dus ook voor de inlaat 210. - Een breedte van 2000mm aan de ingang van de inlaat 210. - Een breedte van 700mm aan de instroomopening 60, d.i., het verschil tussen de straal 42 en 48 is 700mm. - Een grootste doormeter van het bassin 40 van 3600mm, de afstand van de 1e zijde 62 langs de straal 42 tot aan de overzijde van het bassin is 3600mm. - De inwendige straal 112 van de turbinebehuizing is 600mm. - De diameter van de rotornaaf 122 ter hoogte van de rotorbladen 124 is 480mm. - De totale hoogte van het geheel 1 is 2862mm, d.i., van aan de bovenkant van het bassin 40 tot aan de onderkant van de diffuser 330. - De hoogte van de uitlaat 320 is 450mm en de breedte van de uitlaat 320 is 3000mm.

Op deze manier ondergaat het water een totaal verval van 500mm. Met dergelijke afmetingen is men in staat om een waterturbine geheel te realiseren waarbij het totaal opgewekte nominaal elektrisch vermogen van dit geheel 1 10kW of hoger kan. Om een dergelijk opgewekt elektrisch vermogen te realiseren gebruikmakend van gekende gravitatie vortex waterturbine gehelen, dienen in het bijzonder voor het bassin afmetingen te worden aangewend, die in het algemeen een veelvoud zijn van de afmetingen hierboven vermeld.

Figuur 14 illustreert de gesimuleerde efficiëntie van verschillende turbine gehelen in functie van het debiet. Het debiet wordt uitgedrukt in kubieke meter per seconde. De efficiënte is een percentage, werd bepaald in een testopstelling waarbij het vermogen dat werd gebruikt door een pomp om een waterstroom met een bepaald debiet op te wekken die door de instroomopening in een geteste uitvoeringsvorm van de gravitatie vortex waterturbine geheel werd gestuurd, vergeleken werd met het vermogen opgewekt door een elektrische generator gekoppeld aan de turbinerotor. Curve 401 komt overeen met een geheel 1 volgens de uitvoeringsvorm zoals geïllustreerd in de Figuren 1 tot 4, waarbij gebruik gemaakt wordt van een spiraalvormig bassin. Curve 404 toont ter vergelijking de efficiëntie van een gekend turbine geheel met een gekende turbine rotor met verticale turbinebladen. Curves 402 en 403 tonen respectievelijk de relatieve verhoging van de efficiëntie ten gevolge van het gebruik van de geoptimaliseerde turbine rotor volgens de uitvoeringsvorm uit enerzijds Figuren 1 tot 7, en anderzijds Figuren 8 en 9.

Figuur 15 illustreert het nominaal vermogen van een waterturbine geheel in functie van het toerental van de rotor 120. Het toerental wordt uitgedrukt in het aantal toeren per minuut (RPM) en het vermogen is uitgedrukt in kilowatt (kW). Curve 501 komt overeen met een geheel 1 volgens de uitvoeringsvorm zoals geïllustreerd in de Figuren 1 tot 7 waarbij gebruik gemaakt wordt van een spiraalvormig bassin. Curve 504 toont ter vergelijking het opgewekt vermogen van een gekend turbine geheel met een gekende turbine rotor met verticale turbinebladen. Curves 502 en 503 tonen respectievelijk de relatieve verhoging van de efficiëntie ten gevolge van het gebruik van de geoptimaliseerde turbine rotor volgens de uitvoeringsvorm uit enerzijds Figuren 1 tot 7, en anderzijds Figuren 8 en 9.

Het is verder ook duidelijk dat de hierboven beschreven uitvoeringsvormen van het waterturbine geheel gekoppeld kunnen worden aan een elektrische generator en dat deze elektrische generator kan worden aangestuurd door middel van een bijhorende stuureenheid. De elektrische generator kan bijvoorbeeld gekoppeld worden aan de turbine rotor van de waterturbine door middel van een as of een andere geschikte mechanische koppeling. Alternatief kan de generator ook in de waterturbine geïntegreerd worden. Bij een dergelijke uitvoeringsvorm, wordt bijvoorbeeld de rotor van de generator in de turbine rotor aangebracht en de stator van de generator in de turbine behuizing. De stuureenheid van een dergelijke gekoppelde generator, maakt bij voorkeur gebruik van een MPPT of Maximum Power Point Tracking algoritme dat door middel de stuurelektronica een variabele belasting aan de generator, en dus ook de turbine rotor, kan opleggen. Door middel van deze variabele belasting en rotatiesnelheid van de turbine rotor, kan de impactsnelheid van de waterstroom op de turbine rotor worden aangestuurd, en kunnen voor de turbine rotor als het ware virtuele, variabele bladhoeken voor de vaste turbinebladen worden ingesteld. Dit laat toe om de efficiëntie om door middel van het waterturbine geheel elektrische energie op te wekken nog verder te optimaliseren.

Het is verder duidelijk dat zowel bij het ontwerp van het waterturbine geheel als bij het aansturen daarvan er gestreefd wordt om het maximum relatief snelheidsverschil tussen de turbine bladen en de waterstroom in de vortex tijdens het bedrijf van het waterturbine geheel te beperken. Dit kan bijvoorbeeld gerealiseerd worden door het waterturbine geheel zo aan te sturen dat het maximum relatief snelheidsverschil tussen de turbine bladen en de waterstroom in de vortex een voorafbepaalde maximale waarde niet overschrijdt tijdens het bedrijf van het waterturbine geheel. Deze vooraf bepaalde maximale waarde kan bijvoorbeeld bepaald worden in functie van bioparameters, zodanig dat bijvoorbeeld vis overleving kan worden gegarandeerd. Deze vooraf bepaalde maximale waarde bedraagt bijvoorbeeld een waarde in de range van 0,5m/s tot 5m/s, bijvoorbeeld 1m/s.

Het spreekt voor zich dat tal van varianten en combinaties van de hierboven beschreven uitvoeringsvormen mogelijk zijn die vallen onder de beschermingsomvang zoals bepaald door de conclusies.

Claims

CONCLUSIES

1. Een gravitatie vortex waterturbine geheel (1), omvattende: - een spiraalvormig vortex bassin (40) geconfigureerd om in een waterstroom (10) onder invloed van de zwaartekracht een vortex (20) te induceren met een nagenoeg verticale centrale as (22), het vortex bassin (40) bevattende een zijwand (50) met een tangentiële instroomopening (60) voor het toevoeren van de waterstroom (10) naarde vortex (20) en een bodem (70) met een centrale uitstroomopening (80) voor het afvoeren van de waterstroom (10) van de vortex (20), daardoor gekenmerkt dat het waterturbine geheel (1) verder bevat: - een waterturbine (100) aangebracht onder het bassin (40), coaxiaal met de centrale as (22) van de vortex (20), bevattende een turbine behuizing (110) gekoppeld aan de centrale uitstroomopening (80) en een turbine rotor (120).
2. Een waterturbine geheel (1) volgens conclusie 1, daardoor gekenmerkt dat de zijwand (50) zich stroomafwaarts uitstrekt rondom de centrale as (22) vanaf een eerste zijde (62) tot aan een tegenoverliggende tweede zijde (64) van de instroomopening (60), waarbij de afstand tussen de zijwand (50) en de centrale as (22) daarbij afneemt van een maximumstraal (42) ter hoogte van de eerste zijde (62) tot een minimumstraal (48) ter hoogte van de tweede zijde (64) volgens een stroomafwaartse richting.
3. Een waterturbine geheel volgens conclusie 1 of 2, daardoor gekenmerkt dat de minimumstraal (48) zich bevindt in het bereik van 50% tot 85% van de maximumstraal (42).
4. Een waterturbine geheel volgens één of meer van de conclusies 1 tot 3, daardoor gekenmerkt dat het verloop van de afstand van de zijwand (50) tot de centrale as (22) tussen de maximum straal (42) en de minimum straal (48) verloopt volgens: - een logaritmische spiraal; - een Bernoulli spiraal; - een Fibonacci spiraal; of - een Archimedes-spiraal.
5. Een waterturbine geheel volgens één of meer van de conclusies 1 tot 4, daardoor gekenmerkt dat de zijwand (50) een veelvoud segmenten bevat.
6. Een waterturbine geheel volgens één of meer van de conclusies 1 tot 5, daardoor gekenmerkt dat de centrale uitstroomopening (80) van de bodem (70) een straal heeft die kleiner of gelijk is aan de minimumstraal (48) van de zijwand (50); en de inwendige straal (112) van de turbine behuizing (110), ter hoogte van de turbine rotor (120), zich bevindt in het bereik van 20% tot 45% van de maximumstraal (42) van de zijwand (50).
7. Een waterturbine geheel volgens één of meer van de conclusies 1 tot 6, daardoor gekenmerkt dat het stroomafwaartse einde van de turbinebehuizing (110) een diffuser (130, 330) bevat geconfigureerd om de waterstroom (10) in een richting met een component radiaal weg van de centrale as (22) te leiden.
8. Een waterturbine geheel volgens conclusie 7, daardoor gekenmerkt dat de diffuser (330) verder geconfigureerd is om de waterstroom (110) vanaf een laagste positie terug omhoog te leiden.
9. Een waterturbine geheel volgens één of meerdere van de conclusies 1 tot 8, daardoor gekenmerkt dat de waterturbine (100) zich aan zijn stroomafwaartse einde onder het wateroppervlak bevindt.
10. Een waterturbine geheel volgens één van de conclusies 1 tot 9, daardoor gekenmerkt dat de turbine rotor (120) een centrale rotornaaf (122) en daaraan bevestigde rotorbladen (124) bevat, waarbij het aantal rotorbladen (124) in het bereik is van twee tot en met tien.
11. Een waterturbine geheel volgens conclusie 10, daardoor gekenmerkt dat de rotorbladen (124) geconfigureerd zijn zodat ze de tangentiële, axiale en radiale component van de waterstroom (10) van de vortex (20) opvangen.
12. Een waterturbine geheel volgens conclusie 11, daardoor gekenmerkt dat de rotorbladen (124): - aan een stroomopwaartse einde (126) een kleinere hoek (126A) hebben ten opzichte van de centrale as (22) dan de hoek (128A) aan het stroomafwaartse einde (128); - aan een radiaal inwaarts einde (125) een grotere hoek (125A) hebben ten opzichte van een vlak volgens de centrale as (22) dan aan een radiaal uitwaarts einde (127); en - aan een radiaal inwaarts einde (125) een kleinere hoek (125B) hebben ten opzichte van een vlak loodrecht op de centrale as (22) dan aan een radiaal uitwaarts einde (127).
13. Waterturbine geheel, volgens conclusie 12, daardoor gekenmerkt dat de hoek (126A) ten opzichte van de centrale as (22) aan het stroomopwaartste einde zich in het bereik van 0° tot 45° bevindt en dat de hoek (128A) aan het stroomafwaartse einde zich in het bereik van 45° tot 80° bevindt.
14. Waterturbine geheel volgens één of meer van de conclusies 1 tot 13, daardoor gekenmerkt dat het waterturbine geheel verder bevat: - een aan de waterturbine gekoppelde of in de waterturbine aangebrachte elektrische generator; - een aan de generator gekoppelde stuureenheid, de stuureenheid geconfigureerd om tijdens het bedrijf het toerental en de belasting van de generator en de daaraan gekoppelde turbinerotor van de waterturbine aan te sturen zodat: - een Maximum Power Point Tracking sturing wordt gerealiseerd; en/of - een relatief maximum snelheidsverschil tussen de turbine bladen en de waterstroom in de vortex, een voorafbepaalde maximum waarde niet overschrijdt.
15. Methode voor het vervaardigen van een turbine rotor (120) voor gebruik in een waterturbine geheel (1) volgens één of meer van de conclusies 1 tot 14, daardoor gekenmerkt dat de methode de volgende stappen bevat: - het simuleren van de vortex (20) op basis van hef turbine geheel (1 ); - het bepalen van de axiale, tangentiële en radiale componenten van de vortex (20) ter hoogte van de waterturbine (100); - het automatisch genereren van een vorm voor de rotorbladen (124) op basis van de axiale, tangentiële en radiale componenten van de vortex zodat een minimale grenslaag afscheiding ontstaat ter hoogte van de rotorbladen (124); - het vervaardigen van de gegenereerde vorm van de rotorbladen (124) door middel van additieve vervaardigingstechnieken, bijvoorbeeld driedimensionaal printen.