NL1012489C2

NL1012489C2 - Turbine en turbinesamenstel voor toepassing in een stromende vloeistof.

Info

Publication number: NL1012489C2
Application number: NL1012489A
Authority: NL
Inventors: Fred Ernest Gardner
Original assignee: Tocardo B V
Priority date: 1999-05-25
Filing date: 1999-07-01
Publication date: 2000-11-28

Description

Turbine en turbinesamenstel voor toepassing in een stromende vloeistof

De uitvinding heeft betrekking op een turbine voor toepassing in een stromende vloeistof, omvattende een aantal op een roteerbare as bevestigde turbinebladen en een 5 stationaire as ten opzichte waarvan de roteerbare as draaibaar is. De uitvinding heeft tevens betrekking op een turbinesamenstel van meerdere turbines.

Er bestaan verschillende soorten turbines waarmee stromingsenergie van water kan worden omgezet in andere vormen van energie. Voorbeelden hiervan zijn het met een 10 schoepenrad aandrijven van een molen of zagerij en elektriciteitsturbines in stuwdammen. De nadelen van de bestaande turbines is dat deze constructief relatief zwaar zijn en slechts een beperkt rendement hebben waardoor ze economisch in veel gevallen niet rendabel kunnen worden ingezet.

15 Doel van de onderhavige uitvinding is het verschaffen van een verbeterde turbine die onderhoudsarm is en goedkoop kan worden geproduceerd waardoor de mogelijkheden voor het economisch verantwoord toepassen van turbines in stromende vloeistoffen, zoals met name rivieren en getijdenstromingen, toenemen.

20 De uitvinding verschaft daartoe een turbine van het in aanhef genoemde type omvattende tevens een nabij de uiteinden van de turbinebladen geplaatste stationaire steunring met een steunzijde, zodanig dat de uiteinden van de turbinebladen grenzen aan en tijdens bedrijf afsteunen op de steunzijde van de steunring. In een voorkeursuitvoering staat de steunzijde van de steunring in hoofdzaak loodrecht op de 25 centrale as zodanig dat de uiteinden van de rotorbladen, die in hoofdzaak eveneens loodrecht staan op de centrale as, grenzen aan de steunzijde van de steunring. Bij voorkeur is de turbine bovendien voorzien van ten minste één nabij de roteerbare as geplaatste en daarmee samengebouwde toevoeropening voor vloeistof welke toevoeropening aansluit op ten minste één met een turbineblad verbonden kanaal voor 30 het doorlaten van de toegevoerde vloeistof naar ten minste één op het kanaal aansluitende afvoeropening welke nabij het van de roteerbare as afgekeerde uiteinde van het turbineblad is gelegen. De steunring maakt dat de turbinebladen aanmerkelijk lichter kunnen worden uitgevoerd; zij worden immers ondersteund. Een lichtere constuctie is goedkoper en makkelijker in het onderhoud maar ook het rendement van de turbine 101 2489 • r -2- wordt hierdoor groter. De centripetaalkracht zal bij het roteren van de turbinebladen vloeistofdruk opbouwen in het kanaal voor het doorvoeren van vloeistof (doorgaans water). De opgebouwde vloeistofdruk kan op diverse wijzen nuttig worden aangewend zoals navolgend zal worden verduidelijkt.

5

Wanneer de afvoeropening is gelegen in het uiteinde van het turbineblad dat grenst aan de steunring kan de opgebouwde vloeistofdruk worden aangewend voor hydraulische lagering van de turbinebladen op de steunring. Om te voorkomen dat er een grote vloeistofstroming ontstaat ten gevolge van deze hydraustatische lagering is bij voorkeur 10 tussen de afvoeropening in het turbineblad en de steunring een afdichting aangebracht. De tussen de turbinebladen en de steunring wegvloeiende vloeistof veroorzaakt een verminderd rendement van de turbine en het is daarom gewenst deze vloeistofstroom zoveel mogelijk te reduceren. Het effect van de hydraustatuiche lagering kan verder worden versterkt door aansluitend op de afvoeropening tussen het turbineblad en de 15 steunring een drukkamer aan te brengen.

In weer een andere voorkeursuitvoering is de steunring gestroomlijnd uitgevoerd. Hierdoor blijft de belasting op de turbine door de door de stromende vloeistof op de steunring uitgeoefende druk beperkt. De stationaire steunring kan eenvoudig worden 20 bevestigd aan de eveneens stationaire centrale as door bijvoorbeeld spankabels en/of drukkracht opnemende elementen.

Om te voorkomen dat verontreiniging in de vorm van grotere deeltjes in het kanaal treedt of tussen de stationaire centrale as en de draaibare as komt is bij voorkeur aan de 25 van het kanaal afgekeerde zijde van de toevoeropening een filter geplaatst. In of achter de toevoeropening kan ook een magneet worden geplaatst voor het afvangen van verontreinigende metaaldeeltjes. De magneet is in het bijzonder voordelig wanneer in de turbine een elektrische generator is opgenomen; ijzeropbouw in het magnetisch veld van de generator kan aldus worden beperkt of voorkomen.

30

Door het in de turbine opnemen van elektriciteit opwekkende middelen kan met de turbine milieuvriendelijk elektriciteit worden opgewekt. Een zeer eenvoudige wijze van 1 0 1 2489 -3- integratie van de elektriciteit opwekkende middelen met de turbine kan worden gerealiseerd door een rotor samen te bouwen met de roteerbare as en een stator samen te bouwen met de centrale as. Als een gunstig alternatief kan de rotor worden samengebouwd met de uiteinden van de turbinebladen, en kan de stator worden 5 samengebouwd met de steunring. Voordelen van deze laatste variant zijn dat de centrale as en roteerbare as compact uitgevoerd kunnen worden en dat de elektriciteit opwekkende middelen makkelijk toegankelijk zijn. In deze laatste variant kunnen de afgeplatte uiteinden van de turbinebladen zijn voorzien van magneten en kunnen tegenover de magneten in de steunring aan een of meerdere zijden spoelen worden 10 opgesteld. In een andere uitvoeringsvorm kunnen de afgeplatte uiteinden, in plaats van te zijn voorzien van magneten, zijn geprepareerd om door middel van elektrische (wervel)stromen energie op te wekken in in de steunring opgestelde spoelen.

De turbine kan ook worden aangewend als pomp. Hiertoe kan de steunring zijn voorzien 15 van ten minste één doorvoer voor het doorlaten van uit de uitlaat van het turbineblad afkomstige vloeistof. Wanneer op de ten minste ene doorvoer in de steunring een leiding aansluit kan de door de toevoer aangezogen vloeistof door de leiding worden afgevoerd. Aldus kan de turbine bijvoorbeeld worden aangewend voor irrigatie of voor het aandrijven van een hydraulische motor. Weer een andere mogelijkheid is het 20 opstellen van een elektriciteitsgenerator voor de toevoeropening voor vloeistof nabij de roteerbare as. De door de pompende werking van de generator opgewekte versterkte stroming kan aldus nuttig worden gebruikt.

De uitvinding verschaft tevens een turbinesamenstel van meerdere turbines zoals 25 bovengaand beschreven, waarbij de toevoeropeningen van de turbines aangesloten zijn op een centrale toevoer waarvoor een elektriciteitsgenerator staat opgesteld. Aldus kunnen vloeistof met een groter debiet worden aangezogen hetgeen de toepassing van elektrische generatoren die met bijvoorbeeld grotere stroomsnelheden werken mogelijk.

30 In een ander turbinesamenstel volgens de uitvinding zijn de turbines zoals bovengaand beschreven opeenvolgend op een draagarm zijn bevestigd, welke draagarm loodrecht op de lengterichting zwenkbaar is. Daarbij zijn de turbines bij voorkeur met 1012489 -4- snelkoppelmiddelen bevestigbaar aan de draagarm. Met behulp van de draagarm kunnen de turbines eenvoudig verdraaid worden hetgeen vooral gunstig is in omstandigheden met wisselende stromingsrichtingen zoals bijvoorbeeld het geval is bij getij denstroming.

5

De onderhavige uitvinding zal verder worden verduidelijkt aan de hand van de in de navolgende figuren weergegeven niet-limitatieve uitvoeringsvoorbeelden. Hierin toont: figuur 1 een dwarsdoorsnede door een uitvoeringsvorm van de turbine overeenkomstig de uitvinding, 10 figuur 2 een op vergrote schaal weergegeven detail van de dwarsdoorsnede getoond in figuur 1, en figuur 3 een perspectivisch aanzicht op een turbinesamenstel overeenkomstig de uitvinding.

15 Figuur 1 toont een turbine 1 in dwarsdoorsnede met een stationaire as 2 waaromheen een roteerbare as 3 verdraaibaar is. Op de roteerbare as grijpen turbinebladen 4 aan de aldus ook roteerbaar zijn ten opzichte van de stationaire as 2. Door middel van spankabels 5 en drukkracht opnemende elementen 6 is een steunring 7 stationair verbonden met de stationaire as 2.

20

De uiteinden van de turbinebladen 4 zijn voorzien van afgevlakte uiteinden 8 die loodrecht staan op de hartlijn van de stationaire as 2. De afgevlakte uiteinden 8 zijn in deze figuur uitgevoerd als afzonderlijke delen, maar zij kunnen ook onderdeel uitmaken van een schijf welke de turbinebladen 4 met elkaar verbindt. Deze uiteinden 8 van de 25 turbinebladen 4 zijn roteerbaar ten opzichte van de stationaire steunring 7 maar kunnen wel een steunkracht ontlenen aan steunring 7.

In de turbinebladen 4 zijn kanalen 9 aangebracht waarvan de werking nader zal worden verduidelijkt aan de hand van figuur 2. Een uiteinde van de stationaire as 2 kan zijn 30 voorzien van een snelkoppeling 10, bijvoorbeeld in de vorm van een bajonetsluiting, voor het los- respectievelijk vastkoppelen van de turbine 1 aan een grotere structuur. In het in deze figuur weergegeven uitvoeringsvoorbeeld is de van de snelkoppeling 10 10 1 24 89 -5- afgekeerde zijde van de stationaire as 2 voorzien van elektrische koppelmiddelen 11 (schematisch weergegeven) waarmee op afstand van de koppeling 10 een elektrische verbinding kan worden gerealiseerd dan wel verbroken tussen de turbine 1 en een niet weergegeven elektrisch systeem.

5

Figuur 2 toont een deel van de turbine 1 in meer detail dan in figuur 1. Hierin is duidelijk zichtbaar dat de steunring 7 is voorzien van een contactring 12 van bijvoorbeeld een zeer slijtagebestendig materiaal. Deze contactring 12 is star verbonden met de steunring 7. Rond het geheel van steunring 7, contactring 12 en de uiteinden 8 10 van de turbinebladen 4 is een gestroomlijnde behuizing 13 geplaatst die de door de omgeving uitgeoefende krachten beperkt.

In de roteerbare as 3 zijn inlaten aangebracht waardoor overeenkomstig de pijl PI omgevingsvloeistof, waarschijnlijk water, wordt aangezogen. Aansluitend op de inlaten 15 14 zijn filters 15 aangebracht voor het afvangen van verontreinigende delen. Achter de filters 15 staan op hun beurt magneten 16 opgesteld waarmee metaaldeeltjes kunnen worden afgevangen. Bij het roteren van de turbinebladen 4 zal het in de kanalen 9 aanwezige water door middel van centripetale krachten naar de uiteinden 8 worden gedrongen. Hierdoor ontstaat de aanzuigende werking van de inlaten 14. Het naar de 20 uiteinden 8 gedrongen water komt vervolgens in drukkamers 17 waarvan er in deze figuur slechts een is weergegeven. Het vrije uiteinde van de drukkamer 17 is gericht naar de steunring 7. Tussen het uiteinde 8 van een turbineblad 4 en de contactring 12 zijn afdichtingen 18 aangebracht om een grote stroming van water door het kanaal 9 te voorkomen. Een deel van het water in de drukkamer 17 zal uiteindelijk tot buiten de 25 behuizing 13 stromen overeenkomstig de pijlen P2.

Door de drukopbouw van water in drukkamer 17 is het uiteinde 8 op hydrostatische wijze gelagerd ten opzichte van de contactring 12. De weerstand waarmee de uiteinden 8 verplaatsbaar zijn ten opzichte van de contactring 12 wordt hierdoor beperkt hetgeen 30 een verhoogd rendement van de turbine 1 betekent.

1012489

' I

-6-

De roteerbare as 3 is onder tussenkomst van een lager 19 bevestigt op de stationaire as 2. Ook is het mogelijk in de stationaire as 3 of in de uitenden 8 van de turbinebladen 4 een, niet weergegeven, rotor op te nemen en om met de stationaire as 2 of de steunring 7 een stator te verbinden; hierdoor wordt het mogelijk energie op te wekken middels 5 rotatie van de turbine 1. Andere mogelijkheden tot het benutten van het roteren van de turbine 1 zijn het nabij de inlaten 14 plaatsen van electriciteitsgeneratoren of het gecontroleerd afvoeren vanuit de uiteinden 8 van de turbinebladen 4 afgevoerd water. Dit laatste is bijvoorbeeld mogelijk door daartoe in de contactring 12 doorlaatopeningen aan te brengen. Het afgevoerde water kan worden gebruikt voor het aandrijven van de 10 hydraulische motor maar het is ook mogelijk dit naar een hoger niveau te brengen zodanig dat de turbine 1 werkt als een pomp.

Figuur 3 tenslotte toont een samenstel 20 van een zestal turbines 1 zoals getoond in de figuren 1 en 2. De turbines 1 zijn met behulp van snelkoppelingen 10 verbonden met 15 een horizontale draagstructuur 21. De horizontale draagstructuur 21 is roteerbaar verbonden met een staander 22 zodanig dat de stand van de turbines 1 wijzigbaar is. Opgemerkt zij dat de horizontale draagstructuur 21 in deze figuur uit het hart roteerbaar aangrijpt op de staander 22 zodanig dat wijzigingen in de stromingsrichting een ten opzichte van de staander 22 roterende kracht uitoefenen op de horizontale 20 draagstructuur 21 waardoor deze zal verdraaien. Om de uiterste standen waarin de horizontale draagstructuur 21 kan verkeren te bepalen kan de staander 22 zijn voorzien van aanslagen maar het is ook mogelijk aanslagen aan de bodem te bevestigen conform de bevestiging van de staander 22.

25 Ten opzichte van de snelkoppelingen 10 zij opgemerkt dat het bijvoorbeeld mogelijk is deze zodanig uit te voeren dat de stationaire assen van de turbines 1 met hun vrije uiteinden naar boven kunnen worden gezwenkt om vervolgens de snelkoppeling te kunnen lossen. Ook het aankoppelen van een turbine 1 kan op deze wijze eenvoudig worden uitgevoerd.

30

Hoewel de uitvinding aan de hand van slechts een enkel uitvoeringsvoorbeeld is toegelicht zal het eenieder duidelijk zijn dat de uitvinding geenszins tot het beschreven 1 0 1 2489 -7- en getoonde uitvoeringsvoorbeeld is beperkt. Integendeel zijn binnen het kader van de uitvinding voor een vakman nog vele variaties mogelijk.

1 o 1 24 89

Claims

1. Turbine voor toepassing in een stromende vloeistof, omvattende: - een aantal op een roteerbare as bevestigde turbinebladen, 5. een stationaire as ten opzichte waarvan de roteerbare as draaibaar is, en - een nabij de uiteinden van de turbinebladen geplaatste stationaire steunring met een steunzijde, zodanig dat de uiteinden van de turbinebladen grenzen aan en tijdens bedrijf afsteunen op de steunzijde van de steunring.

2. Turbine volgens conclusie 1, waarbij de steunzijde van de steunring in hoofdzaak loodrecht staat op de centrale as zodanig dat de uiteinden van de rotorbladen, die in hoofdzaak eveneens loodrecht staan op de centrale as, grenzen aan de steunzijde van de steunring.

3. Turbine volgens conclusie 1 of 2, waarbij de turbine tevens is voorzien van ten minste één nabij de roteerbare as geplaatste en daarmee samengebouwde toevoeropening voor vloeistof welke toevoeropening aansluit op ten minste één met een turbineblad verbonden kanaal voor het doorlaten van de toegevoerde vloeistof naar ten minste één op het kanaal aansluitende afvoeropening welke nabij het van de roteerbare 20 as afgekeerde uiteinde van het turbineblad is gelegen.

4. Turbine volgens conclusie 3, waarbij de afvoeropening is gelegen in het uiteinde van het turbineblad dat grenst aan de steunring.

5. Turbine volgens conclusie 3 of 4, waarbij tussen de afvoeropening in het turbineblad en de steunring een afdichting is aangebracht.

6. Turbine volgens een der conclusies 3-5, waarbij aansluitend op de afvoeropening tussen het turbineblad en de steunring een drukkamer is gevormd. 30

7. Turbine volgens een der voorgaande conclusies, waarbij de steunring gestroomlijnd is uitgevoerd. 1. t 24δ9 -9-

8. Turbine volgens een der voorgaande conclusies, waarbij de steunring is samengebouwd met de centrale as.

9. Turbine volgens een der conclusies 3-8, waarbij aan de van het kanaal 5 afgekeerde zijde van de toevoeropening een filter is geplaatst.

10. Turbine volgens een der conclusies 3-9, waarbij in of achter de toevoeropening een magneet is geplaatst.

11. Turbine volgens een der voorgaande conclusies, waarbij de turbine elektriciteit opwekkende middelen omvat.

12. Turbine volgens conclusie 11, waarbij de elektriciteit opwekkende middelen een rotor omvatten die is samengebouwd met de roteerbare as en een stator die is 15 samengebouwd met de centrale as.

13. Turbine volgens conclusie 11, waarbij de elektriciteit opwekkende middelen een rotor omvatten die is samengebouwd met de uiteinden van de turbinebladen, en een stator die is samengebouwd met de steunring. 20

14. Turbine volgens een der conclusies 3-13, waarbij in de steunring is voorzien van ten minste één doorvoer voor het doorlaten van uit de uitlaat van het turbineblad afkomstige vloeistof.

15. Turbine volgens conclusies 14, waarbij op de ten minste ene doorvoer in de steunring een leiding aansluit.

16. Turbine volgens een der conclusies 3-15, waarbij voor de toevoeropening voor vloeistof nabij de roteerbare as een elektriciteitsgenerator staat opgesteld. 30 1012489 -10-

17. Turbinesamenstel van meerdere turbines volgens een der conclusies 3-16, waarbij de toevoeropeningen van de turbines aangesloten zijn op een centrale toevoer waarvoor een elektriciteitsgenerator staat opgesteld.

18. Turbinesamenstel van meerdere turbines volgens conclusie 16 of 17, waarbij de turbines opeenvolgend op een draagarm zijn bevestigd, welke draagarm loodrecht op de lengterichting zwenkbaar is.

19. Turbinesamenstel van meerdere turbines volgens conclusie 18, waarbij de 10 turbines met snelkoppelmiddelen bevestigbaar zijn aan de draagarm. 1012489