NO318983B1

NO318983B1 - Method and control device to increase the efficiency of a water turbine

Info

Publication number: NO318983B1
Application number: NO20014742A
Authority: NO
Inventors: Jan Tunli
Original assignee: Jan Tunli
Priority date: 2001-09-28
Filing date: 2001-09-28
Publication date: 2005-05-30
Also published as: WO2003027494A1; NO20014742L; NO20014742D0

Description

Innledning Introduction

Oppfinnelsen gjelder en metode og ledeapparat for å øke en vannturbins effektivitet i for eksempel vannkraftproduksjon. Ved å føre en massestrøm av vann gjennom en enhet i en sentripetal roterende bevegelse, kan sentrifugale kraftmomenter rettes i strømningsretningen av enhetens spesielle konstruksjon. Sentrifugalkraftens reaksjonskomponent i strømningsretningen gir et krafttilskudd som øker vinkelhastigheten i vannets treghetsmoment om rotasjonsaksen. Den kinetiske energi i rotasjonen og den lagrede trykkenergien fra sentrifugalkraften kan utnyttes til kraftproduksjon. The invention relates to a method and control device for increasing a water turbine's efficiency in, for example, hydropower production. By passing a mass flow of water through a device in a centripetal rotary motion, centrifugal moments of force can be directed in the direction of flow by the device's special construction. The centrifugal force's reaction component in the direction of flow provides a power supplement that increases the angular velocity in the water's moment of inertia about the axis of rotation. The kinetic energy in the rotation and the stored pressure energy from the centrifugal force can be used for power production.

Enheten kan plasseres på bunnen av elver, kanaler, tunneler, undervannsområder med stor tidevannsvariasjon og i havstrømmer. The unit can be placed at the bottom of rivers, canals, tunnels, underwater areas with large tidal variations and in ocean currents.

Produksjonsenheten består av to sammenkoblede deler i tillegg til ytterskroget. Fremre del av enheten har hule kamre for vanngjennomstrømningen. Denne er uten roterende deler. I bakkant vil enheten være koblet sammen med en turbin. I den videre tekst vil den fremre enheten bli betegnet som et sentripetalkammer eller kammer. The production unit consists of two interconnected parts in addition to the outer hull. The front part of the unit has hollow chambers for the water flow. This has no rotating parts. At the rear, the unit will be connected to a turbine. In the following text, the anterior unit will be referred to as a centripetal chamber or chamber.

Sentripetalkammerets konstruksjon The construction of the centripetal chamber

Sentripetalkammeret har en inngang 2 i front for innløp av vannstrømmen og utgang 7 bak for utløp for vannet (se Fig.2). The centripetal chamber has an entrance 2 at the front for the entry of the water flow and exit 7 at the back for the exit of the water (see Fig.2).

Kammeiet vil i lengderetningen ha føringsvegger 4 som blir vridd i en gradvis økende vinkling pr. lengdeenhet fra innløp til utløp i en gradvis mindre rotasjonsomkrets og tverrsnitt gjennom kammeret. In the longitudinal direction, the comb will have guide walls 4 which are twisted at a gradually increasing angle per length unit from inlet to outlet in a progressively smaller rotational circumference and cross-section through the chamber.

Ytterveggen 8 i kammeret mellom føringsveggene vil sammen med føringsveggene 4 danne kanaler for vanngjennomstrømningen. The outer wall 8 in the chamber between the guide walls will together with the guide walls 4 form channels for the water flow.

Ytterveggene 8 skrur seg rundt kammeret i lengderetningen sammen med føringsveggene 4 i en stadig mindre radius og tverrsnitt i hver kanal for vannstrømmen. The outer walls 8 twist around the chamber in the longitudinal direction together with the guide walls 4 in an increasingly smaller radius and cross-section in each channel for the water flow.

Ytterveggene 8 i kanalene er spesielt utformet ved at vinklingen 10 på ytterveggene i lengderetningen gir en større rotasjonsomkrets ved føringsveggen i utløpsretningen (se Fig. 4). Den spesielle utformingen på ytterveggene 8 vil være som en omvendt trakt med den største åpningen rettet i strømningsretningen. Dette kan ses fra Fig. 6 som er et langsgående tverrsnitt av ledekanalen. Vinklingen 10 på ytterveggene 8 vil gi et kraftmoment i strømningsretningen av det stadig stigende trykk mot ytterveggene forårsaket av sentrifugalkraften. Utformingen vil bidra til å motvirke den dynamiske motstand i kammeret. The outer walls 8 in the channels are specially designed in that the angulation 10 on the outer walls in the longitudinal direction gives a larger circumference of rotation at the guide wall in the outlet direction (see Fig. 4). The special design of the outer walls 8 will be like an inverted funnel with the largest opening directed in the direction of flow. This can be seen from Fig. 6, which is a longitudinal cross-section of the guide channel. The angle 10 on the outer walls 8 will produce a moment of force in the direction of flow of the ever-increasing pressure against the outer walls caused by the centrifugal force. The design will help counteract the dynamic resistance in the chamber.

Virkemåte Method of operation

Ved utplassering i en elv eller havstrøm vil trykket og den kinetiske energi i massestrømmen drive en vannstrøm gjennom enheten. When deployed in a river or ocean current, the pressure and kinetic energy of the mass flow will drive a current of water through the device.

Føringsvegger med en gradvis økende vinkel vil gi en økende rotasjonsbevegelse på massestrømmen. Et gradvis mindre tversnittareal vil i tillegg gi en økende hastighet på massestrømmen. Guiding walls with a gradually increasing angle will produce an increasing rotational movement of the mass flow. A gradually smaller cross-sectional area will also give an increasing speed of the mass flow.

Det stadig større sentrifugale kraftmoment mot ytterveggene gir med en vinklet overflate en resultant kraft i strømingsretningen som vil øke vinkelhastigheten og treghetsmomentet i rotasjonen samt motvirke den dynamiske motstanden. Ved utløpet av kammeret vil man ha den største massehastigheten, den minste radiusen og den største vinkelhastigheten på massestrømmen. The increasingly large centrifugal force moment against the outer walls gives, with an angled surface, a resultant force in the direction of flow which will increase the angular velocity and the moment of inertia in the rotation as well as counteract the dynamic resistance. At the exit of the chamber you will have the greatest mass velocity, the smallest radius and the greatest angular velocity of the mass flow.

Den kinetiske energi i rotasjonen samt trykket mot ytterveggene utgjør den utnyttbare energi som ved utløpet går over til bevegelsesenergi i en bevegelsesretning som vil være i en forlengelse av rotasjonsbanen og fordelt rundt omkretsen av utløpet The kinetic energy in the rotation as well as the pressure against the outer walls constitute the usable energy which at the outlet is transferred to movement energy in a direction of movement which will be in an extension of the rotation path and distributed around the circumference of the outlet

Man har lenge utnyttet sentrifugal/sentripetal-krefter i turbiners konstruksjon for å gi en høyere virkningsgrad. Det nye ved denne metoden er at de samme krefter også blir utnyttet i framføringen og før effektoverføringen skjer i turbinen. Centrifugal/centripetal forces have long been used in the construction of turbines to provide a higher degree of efficiency. The new thing about this method is that the same forces are also utilized in the forward movement and before the power transmission takes place in the turbine.

Turbinens konstruksjon og virkemåte The turbine's construction and operation

Massestrømmen vil bli ført inn i en radialskovleturbin (se Fig. 5) i bakkant av kammeret 5 (se Fig. 1). Skovleturbinen er spesielt formet ved at massestrømmen skal vinkles fra en nær vinkelrett bevegelse ut fra rotasjonsaksen tilbake til en bevegelse i lengderetningen. Denne bevegelsesendringen skjer i ef 3-dimensjonalt plan. En utadgående bevegelse vinkles langsgående for å gi en tverrgående reaksjonskraft gjennom turbinens skovler. The mass flow will be fed into a radial vane turbine (see Fig. 5) at the rear edge of the chamber 5 (see Fig. 1). The blade turbine is specially shaped in that the mass flow must be angled from a nearly perpendicular movement out from the axis of rotation back to a movement in the longitudinal direction. This movement change takes place in an ef 3-dimensional plane. An outward motion is angled longitudinally to provide a transverse reaction force through the turbine's blades.

Turbin vil med en rundet yttervegg 21 snu massestrømmen i lengderetningen samtidig som massestrømmen passerer gjennom turbinens skovler 22. The turbine will, with a rounded outer wall 21, turn the mass flow in the longitudinal direction at the same time as the mass flow passes through the turbine's blades 22.

Denne bevegelsen vil utøve et nytt sentrifugalt kraftmoment i enheten som forsterker trykket mot turbinens skovler. De reaksjonskreftene som skapes i, turbinen overføres enten mekanisk eller hydraulisk til en vannkjølt generator. This movement will exert a new centrifugal torque in the unit which increases the pressure against the turbine's blades. The reaction forces created in the turbine are transferred either mechanically or hydraulically to a water-cooled generator.

Ved utløpet av turbinen skal vannstrømmen tilbakeføres til elvens normale vannhastighet, og turbinens underside 24 sammen med det omliggende skrogs utløpsside 6 (se Fig. 1) er utformet slik at vannstrømmen får et stadig større tverrsnittsareal på utløpsstrømningen med redusert strømningshastighet som følge. Ytterskrogets form 12 skal også gi et undertrykk bak enheten som reduserer motstanden på utløpssiden for vannstrømmen. At the outlet of the turbine, the water flow must be returned to the river's normal water speed, and the turbine's underside 24 together with the surrounding hull outlet side 6 (see Fig. 1) is designed so that the water flow has an increasingly large cross-sectional area at the outlet flow with a reduced flow speed as a result. The shape of the outer hull 12 must also provide a negative pressure behind the unit which reduces the resistance on the outlet side for the water flow.

Plassering for kraftproduksjon Location for power generation

For kommersielt bruk vil kammeret sammen med turbin og generator, omsluttet av skroget, utgjøre en selvstendig kraftproduksjonsenhet ved plassering på bunnen av elver, kanaler, tunneler, undervannsområder med stor tidevannsvariasjon og i havstrømmer. For commercial use, the chamber together with the turbine and generator, enclosed by the hull, will form an independent power production unit when placed at the bottom of rivers, canals, tunnels, underwater areas with large tidal variations and in ocean currents.

Undersiden av skroget kan utstyres med forsterkede festepunkter for forankring til underlaget i elvebunnen eller festes med vaiere til et forankringspunkt på elvebunnen foran produksjonsenheten. The underside of the hull can be equipped with reinforced attachment points for anchoring to the substrate in the river bed or attached with cables to an anchor point on the river bed in front of the production unit.

Materialvalg Material selection

Materialet i kammer og boks kan være utformet i plast, metall eller andre egnede matrialer eller kombinasjoner av disse. The material in the chamber and box can be made of plastic, metal or other suitable materials or combinations of these.

Bakgrunn Background

Oppfinneren har gjort omfattende søk og har ikke funnet tilsvarende konstruksjon innen vannkraft hvor sentripetaWsentrifugalkrefter blir utnyttet på denne måten. I enkelte turbiner blir sentrifugalkraften brukt som et effektøkende kraftmoment. Sentrifuger og enkelte typer av vifter og pumper samt partikkelforsking er noen få eksempler på hvordan sentrifugalkraft blir utnyttet, men metoden er en annen enn som blir beskrevet her.'The inventor has made extensive searches and has not found a similar construction in hydropower where centripetal centrifugal forces are utilized in this way. In some turbines, the centrifugal force is used as an effect-increasing torque. Centrifuges and certain types of fans and pumps as well as particle research are a few examples of how centrifugal force is utilised, but the method is different from that described here.'

Den eneste litteratur oppfinneren har funnet av forskning hvor denne type teknologi. er påtenkt brukt til kraftproduksjon var utført av Viktor Schauberger (1885-1958). The only literature the inventor has found of research where this type of technology. is intended to be used for power production was carried out by Viktor Schauberger (1885-1958).

Eli Afnes, Institutt for Geologi, Univ. I Oslo har laget en betraktning av Schaubergers arbeid. Eli Afnes, Department of Geology, University of Oslo, has made a review of Schauberger's work.

Prinsippet for hans forskning var å føre medier som vann eller luft igjennom spiralformede rør av bestemte materiell og med et spesielt eggformet tverrsnitt. The principle of his research was to pass media such as water or air through spiral tubes made of specific material and with a special egg-shaped cross-section.

De konstruksjoner som Schauberger har etterlatt beskrivelser av er derfor av en annen type konstruksjon og virkemåte enn de prinsipper som denne oppfinnelse omfatter. The constructions that Schauberger has left descriptions of are therefore of a different type of construction and operation than the principles that this invention encompasses.

Fornybar energikilde og små naturinngrep Renewable energy source and small natural interventions

Vi har to hovedtyper kraftverk, magasinkraftverket og elvekraftverket. I begge typer vil potensiell energi bli omgjort til bevegelsesenergi, og begge typer kraftverk er basert på en forskjell på vannhøyden på inn og utsiden av en turbin for å gi kraftproduksjon. We have two main types of power plants, the reservoir power plant and the river power plant. In both types, potential energy will be converted into kinetic energy, and both types of power plants are based on a difference in the water height on the inside and outside of a turbine to produce power.

Med tradisjonelle metoder for vannkraftproduksjon er den relativt lave vannstrømningen i elver som regel ikke utnyttbar i større målestokk av økonomiske grunner og teknologiske og naturmessige forutsetninger. With traditional methods for hydropower production, the relatively low water flow in rivers is usually not usable on a larger scale for economic reasons and technological and natural conditions.

Tradisjonell vannkraftproduksjon er basert på trykk og fall og medfører store installasjoner med oppfattende konstruksjoner og bygg som ofte gir vesentlige inngrep i naturen. Traditional hydropower production is based on pressure and fall and entails large installations with perceptive constructions and buildings that often make significant interventions in nature.

Den produksjonsenheten som beskrives her kan mer sammenlignes med kraftproduksjonen fra moderne vindmøller. Produksjonsenhetene er relativt små og kan være plassert i grupper av flere enheter for å gi en effektiv og samlet framføring av kraftlinjer til strømnettet ellers. The production unit described here can be more closely compared to the power production from modern wind turbines. The production units are relatively small and can be placed in groups of several units to provide an efficient and unified delivery of power lines to the power grid otherwise.

Metoden utnytter en fornybar energikilde, og i en samfunnsdebatt om global oppvarming og internasjonale klimaavtaler for å begrense den fossile forurensning, vil innføring av ny teknologi i vannkraftproduksjonen som beskrevet her kunne være av vesentlig betydning for miljøet og ha ett stor industrielt potensiale. Sammenlignet med annen kraftproduksjon som har basis i fornybare energikilder vil det også være vesentlige fordeler med denne teknologien som beskrives her. The method utilizes a renewable energy source, and in a societal debate about global warming and international climate agreements to limit fossil pollution, the introduction of new technology in hydropower production as described here could be of significant importance for the environment and have great industrial potential. Compared to other power generation based on renewable energy sources, there will also be significant advantages with this technology described here.

Kraftpotensialet i en elv som har en relativt jevn tilførsel av vann, vil være tilsvarende stabil for kraftproduksjon. The power potential in a river that has a relatively steady supply of water will be correspondingly stable for power production.

Enhetene plasseres på bunn av elver og i havstrømmer, og krever ingen større inngrep i naturen bortsett fra en forankring i bunnen. Enhetene vil visuelt ikke syns i miljøet siden de blir plassert på elvebunnen. The units are placed at the bottom of rivers and in ocean currents, and require no major intervention in nature apart from an anchoring in the bottom. The units will not be visually visible in the environment since they will be placed on the river bed.

Enhetene på bunnen vil sannsynligvis gi svært lite innvirkning på miljøet de blir plassert i siden enhetene skal ha en samme totale gjennomstrømning i enheten som i elven ellers. De medfører ingen oppdemning av elven. The units on the bottom will probably have very little impact on the environment in which they are placed since the units must have the same total flow in the unit as in the rest of the river. They do not cause any damming of the river.

Enhetene kan monteres helt eller delvis ferdig på land, og fraktes med båt eller helikopter til plasseringsstedet uten noe behov for kostbare og varige naturinngrep i form av anleggsveier. The units can be fully or partially assembled on land, and transported by boat or helicopter to the location without any need for expensive and permanent interventions in the nature in the form of construction roads.

Totalt vil de miljømessige faktorer være mange og positive med få negative konsekvenser. Overall, the environmental factors will be many and positive with few negative consequences.

Kraftprinsipp og effekt Power principle and effect

Kraftprinsippet kan illustreres av en kulestøter som skal støte en kule lengst mulig. Kulas vekt er 7, 26 kg som sammen med kulestøterens kroppsvekt gir den kinetiske effekt som igjen sammen med styrken i støtarmen og kropp, i en rettvinklet bevegelse, gir et trykk som utgjør støtkraften. The force principle can be illustrated by a shot putter who must hit a ball as far as possible. The ball's weight is 7.26 kg, which together with the body weight of the shot puter gives the kinetic effect which, together with the strength of the impact arm and body, in a right-angled movement, gives a pressure that makes up the impact force.

Prinsippet for tradisjonell vannkraftproduksjon er det samme hvor vekt og trykk er de viktige elementer med utgangspunkt Newtons 2. lov : F = m • g. The principle for traditional hydropower production is the same where weight and pressure are the important elements based on Newton's 2nd law: F = m • g.

En god kulestøter støter 20 meter, men ved å utstyre den samme kulen med et hjelpemiddel i form av en meter wire, vil en sleggekaster kaste den samme kulen 80 meter (Vekten på kulen er den samme i de to idrettsgrenene). A good shot putter hits 20 meters, but by equipping the same ball with an aid in the form of a meter of wire, a hammer thrower will throw the same ball 80 meters (The weight of the ball is the same in the two sports).

Selv om de fysiologiske forutsetninger er relativt like for toppidrettsutøverne i de to grenene, med en relativ lik styrke og vekt, må den store forskjellen på oppnådde kastlengder derfor forklares av de fysiske prinsipper som benyttes. Although the physiological prerequisites are relatively similar for the top athletes in the two branches, with relatively similar strength and weight, the large difference in throw lengths achieved must therefore be explained by the physical principles used.

En sleggekaster bruker et helt annet kraftprinsipp enn en kulestøter og oppnår et langt høyere energipotensial som igjen dokumenteres av mye lengre kastlengder i slegge. A hammer thrower uses a completely different power principle than a shot putter and achieves a much higher energy potential, which is again documented by much longer throw lengths in the hammer.

Det samme kraftprinsippet som benyttes i sleggekast er også utnyttet i metoden som her beskrives. De fysiske forutsetninger som legges til grunn for å utnytte de sentrifugale krefter bygger på kjente fysiske formler for sentripetal kraft: The same power principle that is used in the hammer throw is also utilized in the method described here. The physical assumptions that are used as a basis for utilizing the centrifugal forces are based on well-known physical formulas for centripetal force:

F=mv2/ r. ( Kraft = masse <*> hastighet i annen potens / radius) F=mv2/ r. ( Force = mass <*> velocity squared / radius)

Sentrifugalkraften er den motsatt rettede imaginære kraftkomponent til sentripetalkraften. The centrifugal force is the oppositely directed imaginary force component of the centripetal force.

Ut fra formelen ser man at en økt hastighet i vannstrømmen gir en kvadratisk økning av kraften samt at sentripetalkraftens størrelse er avhengig av en minst mulig rotasjonens radius. Elven eller havstømmens massestrøm gir massen som kreves i formelen, og med utgangspunkt i massestrømmen er sentripetal kammeret konstruert for å tilfredsstille tre forutsetninger for effektiv kraftproduksjon: 1) Det er viktig å oppnå en størst mulig massehastighet som gir størst effekt med en kvadratisk økning i potensialet. Based on the formula, it can be seen that an increased speed in the water flow gives a quadratic increase in the force and that the magnitude of the centripetal force is dependent on the smallest possible radius of rotation. The mass flow of the river or sea current provides the mass required in the formula, and based on the mass flow, the centripetal chamber is designed to satisfy three conditions for efficient power production: 1) It is important to achieve the greatest possible mass velocity which gives the greatest effect with a quadratic increase in the potential .

2) En minst mulig rotasjonsradius vil gi størst effektpotensiale. 2) A smallest possible radius of rotation will give the greatest power potential.

3) De dynamiske tap med kraftkomponenter i strømningsretningen må reduseres mest mulig. 3) The dynamic losses with power components in the flow direction must be reduced as much as possible.

De tre enheter i formelen for sentripetalkraft, masse, hastighet og utløpets radius, er i konstruksjonen av kammeret gitt de forutsetninger som skal resultere i størst mulig virkning. The three units in the formula for centripetal force, mass, speed and radius of the outlet, are given the prerequisites in the construction of the chamber that should result in the greatest possible effect.

Den første forutsetningen for å oppnå en sentripetaleffekt er en viss massehastighet på vannstrømmen. Denne forutsetningen oppnås gjennom en gradvis innsnevring av tverrsnittet i kammeret. Massehastighet er definert i fysikken som transport av masse pr. tidsenhet og har dimensjonen kg/s. The first prerequisite for achieving a centripetal effect is a certain mass velocity of the water flow. This prerequisite is achieved through a gradual narrowing of the cross-section in the chamber. Mass velocity is defined in physics as the transport of mass per unit of time and has the dimension kg/s.

Kontinuitetsligningen tilsier at volumet av massen som passerer tverrsnitt ved inngangen til kammeret må være det samme ved utgangen fordi vannet ikke er kompressibelt. The continuity equation dictates that the volume of the mass passing through the cross-section at the entrance to the chamber must be the same at the exit because the water is not compressible.

Kontinuitetsligningen kan skrives på formen: The continuity equation can be written in the form:

Hvor Al er arealet ved tverrsnitt ved inngang og A2 er areal ved tverrsnitt ved utgang. Where Al is the cross-sectional area at the entrance and A2 is the cross-sectional area at the exit.

VI er hastighet på massestrømmen ved inngang og V2 tilsvarende ved utgang. VI is the velocity of the mass flow at the inlet and V2 correspondingly at the outlet.

Betingelsen viser at en innsnevring av tverrsnittet vil medføre at hastigheten må økes på vannstrømmen ved et redusert tverrsnitt for at den samme volummengden pr. tidsenhet skal kunne passere. The condition shows that a narrowing of the cross-section will mean that the speed of the water flow must be increased with a reduced cross-section in order for the same amount of volume per time unit must be able to pass.

Dette blir utnyttet ved såkalte venturirør i måleteknikk for hastighetsmåling av vannstrømmer i rør. Venturirøret består prinsipielt av et kort dobbeltkonisk rør som bygges inn i aktuell rørledning. Den statiske trykkforskjellen som oppstår på grunn av hastighetsforskjellen på vannet mellom innløp og den trangeste del i Venturirøret, vil ved beregninger med ligningen angi volumstrømmen i røret. Teknikken for å øke massestrømmen er dermed kjent og velprøvd. This is utilized by so-called venturi tubes in measuring technology for velocity measurement of water flows in pipes. The venturi tube basically consists of a short double-conical tube that is built into the pipeline in question. The static pressure difference that occurs due to the speed difference of the water between the inlet and the narrowest part in the Venturi tube, when calculated with the equation, will indicate the volume flow in the tube. The technique for increasing the mass flow is thus known and well-proven.

Kammerets utforming bruker de samme prinsipper for å oppnå en økning i hastigheten på massestrømmen ved at kammeret gir stadig mindre tverrsnitt i strømretningen og en gradvis akselerasjon av vannhastigheten. Massevolumet pr. tidsenhet vil være det samme ved alle tverrsnitt av kammeret og det samme massevolumet som ved innløpet av kammeret. The design of the chamber uses the same principles to achieve an increase in the speed of the mass flow by the chamber providing an increasingly smaller cross-section in the direction of the flow and a gradual acceleration of the water speed. The mass volume per time unit will be the same at all cross-sections of the chamber and the same mass volume as at the inlet of the chamber.

Kammerets utforming vil gi stadig større massehastighet gjennom de stadig mindre tverrsnitt i kammeret sammenlignet med elvens utgangshastighet. The design of the chamber will give an increasingly greater mass velocity through the ever smaller cross-sections in the chamber compared to the river's exit velocity.

For å etablere et stort sentripetalmoment vil betingelsene for dette være oppnådd med større hastighet på det samme massevolum pr. tidsenhet. In order to establish a large centripetal moment, the conditions for this will be achieved with greater speed at the same mass volume per unit of time.

Neste forutsetning for å skape et sentripetalmoment er at det oppnås en rotasjonsbevegelse på vannet. Rotasjonsbevegelsen oppnås ved føringsveggene i kammeret. Føringsveggene vinkles gradvis og logaritmisk pr. lengdeenhet slik at vannstrømmen oppnår en størst mulig rotasjonshastighet ved kammerets minste tverrsnitt, dvs. ved utløpet av kammeret. The next prerequisite for creating a centripetal moment is that a rotational movement is achieved on the water. The rotational movement is achieved by the guide walls in the chamber. The guide walls are angled gradually and logarithmically per length unit so that the water flow achieves the greatest possible rotation speed at the chamber's smallest cross-section, i.e. at the outlet of the chamber.

Den tredje forutsetningen er den viktigste siden de dynamiske tap er vesentlige med en rotasjon av vannet mot en vinklet overflate som f. eks i en trakt. The third assumption is the most important since the dynamic losses are significant with a rotation of the water towards an angled surface such as in a funnel.

Hvis ytterveggen er plan vil kraftkomponentene bestå av en sentripetalkraft og dens motkraften, sentrifugalkraften, som vil stå vinkelrett på bevegelsesenergien i vannstrømmen og dermed gjensidig oppheve hverandre. Kraftkomponentene vil derfor ikke gå til fratrekk eller gi tillegg i bevegelsesenergien hvis ytterveggen er plan. If the outer wall is flat, the force components will consist of a centripetal force and its counter force, the centrifugal force, which will be perpendicular to the movement energy in the water flow and thus mutually cancel each other out. The power components will therefore not be deducted or add to the movement energy if the outer wall is flat.

Med en konisk traktform vil sentripetalkraften skape et trykk mot en vinklet overflate som gir kraftkomponenter mot strømningsretningen. Vannet vil klatre på traktveggen i. rotasjonen og igjen sterkt regulere og redusere massestrømmen med trykktap inntil et stabilitetsnivå er oppnådd mellom kreftene. Resultatet vil være en meget begrenset massetransport med et lite kraftpotensial. With a conical funnel shape, the centripetal force will create a pressure against an angled surface which gives force components against the direction of flow. The water will climb the funnel wall in the rotation and again strongly regulate and reduce the mass flow with pressure loss until a level of stability is achieved between the forces. The result will be a very limited mass transport with a low power potential.

Formen og vinklingen på ytterveggene vil derfor ha en meget stor betydning for The shape and angle of the outer walls will therefore have a very large impact on

den dynamiske motstanden i kammeret siden det nettopp er et stadig økende trykk på ytterveggene som er ønskelig i enheten. the dynamic resistance in the chamber since it is precisely a constantly increasing pressure on the outer walls that is desirable in the unit.

Sentripetalkammeret utnytter dette med yttervegger som er vinklet med strømningsretningen samtidig som radiusen reduseres. Dette er oppnådd med en spesiell geometrisk form. Hver føringskanal bestående av 2 føringsvegger og ytterveggen mellom føringsveggene med den største åpningen i akselinjen rettet mot utløpet med et langsgående feste for ytterveggen senket på føringsvegg i innløpsretning. Denne vinklingen kan betraktes som en omvendt trakt og gi en positiv kraftkomponent i strømningsretningen. The centripetal chamber utilizes this with outer walls that are angled with the direction of flow while reducing the radius. This is achieved with a special geometric shape. Each guide channel consisting of 2 guide walls and the outer wall between the guide walls with the largest opening in the axis line directed towards the outlet with a longitudinal attachment for the outer wall sunk on the guide wall in the inlet direction. This angulation can be regarded as an inverted funnel and gives a positive force component in the direction of flow.

Sentrifugalkraften har flere kraftkomponenter ved et trykk mot ytterveggene.. En av kraftkomponentene vil være rettet mot strømningsretningen siden kammeret vil ha en stadig mindre rotasjonsradius medstrøms enn motstrøms. Denne negative radiusvinkelen i strømningslinjen vil gi en kraftkomponent mot strømningsretningen, men med en tilsvarende vinkling i ytterveggen vil kreftene bli balansert. Med en større vinkel i ytterveggen vil kraftkomponenten bli positiv i strømningsretningen The centrifugal force has several force components by a pressure against the outer walls. One of the force components will be directed towards the direction of flow since the chamber will have an increasingly smaller radius of rotation with the flow than against the flow. This negative radius angle in the flow line will give a force component against the flow direction, but with a corresponding angle in the outer wall, the forces will be balanced. With a larger angle in the outer wall, the force component will become positive in the flow direction

Forskjellen fra tradisjonell vannkraft The difference from traditional hydropower

En viktig beregningsformel er Bernoullis ligning for utregning av energi i form av trykk, høydeforskjell og bevegelse i strømmende vesker. Denne ligningen er 'utgangspunktet for beregninger hvor høydeforskjellen er det viktigste elementet i ligningen innen tradisjonell vannkraft. An important calculation formula is Bernoulli's equation for calculating energy in the form of pressure, height difference and movement in flowing bags. This equation is the starting point for calculations where the height difference is the most important element in the equation within traditional hydropower.

Med Bernoullis ligning kan man beregne den kinetiske kraft og trykksummen av energimengdene som vannet har ved inngangen til kammeret og som driver vannet gjennom kammeret. With Bernoulli's equation, one can calculate the kinetic force and the pressure sum of the amounts of energy that the water has at the entrance to the chamber and which drives the water through the chamber.

Hvis man betrakter veskestrømmen i lengderetningen gjennom kammeret med Bernoullis ligning vil det bli en stadig mindre trykkenergi som følge av en økning i hastigheten i lengderetningen. Dette kan beregnes av Bernoullis ligning som slår fast at summen av energimengdene må være konstant og den samme ved ulike tverrsnitt av et strømningsløp. Ved høyere hastighet på volumstrømmen vil den kinetiske energien øke på bekostning av trykkenergien siden den totale energi er konstant. If one considers the fluid flow in the longitudinal direction through the chamber with Bernoulli's equation, there will be an ever smaller pressure energy as a result of an increase in the velocity in the longitudinal direction. This can be calculated by Bernoulli's equation, which states that the sum of the energy quantities must be constant and the same at different cross-sections of a flow. At a higher speed of the volume flow, the kinetic energy will increase at the expense of the pressure energy since the total energy is constant.

Kammeret utnytter ikke trykk- og den kinetiske energien i lengderetningen direkte som i et tradisjonelt vannkraftverk. Kammeret er derimot konstruert for gi minst mulige strømningstap gjennom kammeret for å oppnå best mulig hastighet på vanngjennomstrømmingen og derav en størst mulig vinkelhastighet i den roterende bevegelsen. Et roterende treghetsmoment med en lagret trykkenergi fra sentrifugalkraften utgjør energipotensialet og ikke energibetingelsene i Bernoullis ligning som er rettlinjet i lengderetningen gjennom kammeret. The chamber does not utilize the pressure and kinetic energy in the longitudinal direction directly as in a traditional hydropower plant. The chamber, on the other hand, is designed to give the least possible flow loss through the chamber in order to achieve the best possible speed of the water flow through and hence the greatest possible angular speed in the rotating movement. A rotating moment of inertia with a stored compressive energy from the centrifugal force constitutes the energy potential and not the energy terms in Bernoulli's equation which is rectilinear in the longitudinal direction through the chamber.

Kammerets form gir sentrifugal kraften en økende kraftkomponent ved at akselerasjonen øker siden farten hele tiden skifer retning i hvert punkt i omløpsbanen. Akselerasjonen er stadig økende gjennom kammeret er: a = vVr hvor r er rotasjonsradiusen. The shape of the chamber gives the centrifugal force an increasing force component in that the acceleration increases since the speed is constantly changing direction at every point in the orbit. The acceleration is constantly increasing through the chamber is: a = vVr where r is the radius of rotation.

Massestrømmen vil ved utløpet ha en kinetisk energikomponent i rotasjonsbanen samt en trykkenergi vinkelrett på rotasjonsaksen til massestrømmen og i størrelse være proporsjonal med den sentrifugale kraft ved utløpet på kammeret. At the outlet, the mass flow will have a kinetic energy component in the rotational path as well as a pressure energy perpendicular to the axis of rotation of the mass flow and in size will be proportional to the centrifugal force at the outlet of the chamber.

Vannet skal etter gjennomløpet på turbinen ledes ut i et strømningskammer som vil ha et undertrykk på grunn av profilen på skroget rundt sentripetalkammeret. After passing through the turbine, the water must be led out into a flow chamber which will have a negative pressure due to the profile of the hull around the centripetal chamber.

Dette skal redusere trykkmotstanden for vannstrømmen ved utløpet. This should reduce the pressure resistance for the water flow at the outlet.

Effekttap Power loss

Effekttap i kammeret vil hovedsaklig oppstå på grunn av en økende friksjon mellom vann og ytter- og føringsveggene samt effekttap på grunn av turbulent vannstrøm. Disse tap er proporsjonal med kvadratet av hastigheten på massestrømmen. Loss of power in the chamber will mainly occur due to an increasing friction between water and the outer and guiding walls as well as loss of power due to turbulent water flow. These losses are proportional to the square of the velocity of the mass flow.

Det vil også være dynamiske tap ved det stadig mindre tverrsnitt i kammeret i tillegg til tap ved vinklingen av vannretningen. There will also be dynamic losses due to the ever-smaller cross-section in the chamber in addition to losses due to the angling of the water direction.

I tillegg vil statiske tap som formmotstand, tap i overganger og turbin også gjøre seg gjeldene. In addition, static losses such as form resistance, losses in transitions and turbines will also apply.

Kammerets utforming tar sikte på å redusere disse tap mest mulig. The design of the chamber aims to reduce these losses as much as possible.

Et langt kammer vil gi en mindre vinkeldreining pr lengdeenhet og mindre dynamisk motstand i kammeret. A long chamber will give a smaller angular rotation per unit length and less dynamic resistance in the chamber.

Ytterveggene i kanalens løp mellom føringsveggene er konstruert med en motsatt vinklet flate som er positiv rettet mot utløpet i akselinjen for å gi en positiv kraftkomponent medstrøms. The outer walls in the course of the channel between the guide walls are constructed with an oppositely angled surface which is positively directed towards the outlet in the axis line to give a positive force component downstream.

Kammerets yttermål, kammerets innsnevring i lengderetningen og skilleveggenes vinkeløkning pr. lengdeenhet beregnes ut fra vannstrømmens utgangshastighet, tilgjengelige vannstand og plassering for å gi en størst mulig sentripetal bevegelse av vannet gjennom kammeret. The outer dimensions of the chamber, the narrowing of the chamber in the longitudinal direction and the angular increase of the partitions per unit of length is calculated based on the exit velocity of the water flow, available water level and location to provide the greatest possible centripetal movement of the water through the chamber.

Effekt Effect

Tilgjengelig virkningsgrad vil være avhengig av dynamiske og statiske tap i kammer, tap i turbin og tap i effektoverføring til generator. Available efficiency will depend on dynamic and static losses in the chamber, losses in the turbine and losses in power transmission to the generator.

Hvis man forutsetter følgende data på enheten: Assuming the following data on the device:

Innløpets størrelse: 3x3 meter = 9 m2 Size of the inlet: 3x3 meters = 9 m2

Utløpets størrelse: Radius= 0.47 m => 0,67 m<2>Outlet size: Radius= 0.47 m => 0.67 m<2>

Forhold inn/ut: 1:13 Ratio in/out: 1:13

Elvens hastighet: 1' m/s River speed: 1' m/s

Massevolum pr. sek: 9000 kg/s Mass volume per sec: 9000 kg/s

Utløpsvinkel: 45° Outlet angle: 45°

Sentrifugal kraften har et meget stor kraftmoment." Overstående data gir at enheten roterer 9 tonn vann rundt i en hastighet på 13 m/s med en radius på 0,47 m ved utløpet på kammeret. Kraftmomentet vil være: F = m- v2/r = 9000- 132 / 0.47 = 3.2 MN The centrifugal force has a very large moment of force." The above data shows that the unit rotates 9 tonnes of water at a speed of 13 m/s with a radius of 0.47 m at the outlet of the chamber. The moment of force will be: F = m- v2/ r = 9000- 132 / 0.47 = 3.2 MN

Teoretisk effekt i enheten vil være: Theoretical effect in the unit will be:

P = m ■ v<3> / r = 9000 ■ 133 / 0.47 = 42 MW P = m ■ v<3> / r = 9000 ■ 133 / 0.47 = 42 MW

Deler av denne effekten kan utnyttes til å gi en større vinkelhastighet, større treghetsmoment og en økende kinetisk energi ved vinklede resultantkrefter i strømningsretningen. Parts of this effect can be utilized to provide a greater angular velocity, greater moment of inertia and an increasing kinetic energy in the case of angled resultant forces in the direction of flow.

Det største energipotensialet vil være den lagrede trykkenergi i sentrifugalkraften som blir realisert i turbinen. The greatest energy potential will be the stored pressure energy in the centrifugal force that is realized in the turbine.

Turbinen vil i likhet med vindmøllers mulighet til å utnytte den kinetiske energi i vinden i et mølleprinsipp være underlagt Betz lov som beregner den utnyttbare energien sett i forhold til hastighet på massestrømmen på inngang og utløp i turbinen. The turbine, like windmills' ability to utilize the kinetic energy in the wind in a mill principle, will be subject to Betz's law, which calculates the usable energy in relation to the speed of the mass flow at the inlet and outlet of the turbine.

Loven ser på forholdet mellom den distribuerte transport av masse gjennom et bestemt areal som er belastet med turbin i forhold til uhindret gjennomløp. The law looks at the relationship between the distributed transport of mass through a specific area that is loaded with a turbine in relation to unobstructed flow.

Uhindret gjennomløp: Po = (p/2) - vi<3> ■ A Unobstructed flow: Po = (p/2) - vi<3> ■ A

Ratio i forholdet: (P/P0) = (1/2) (1 - (v2 / vO<2>) (1 + (v2 / v,)) Ratio in the ratio: (P/P0) = (1/2) (1 - (v2 / vO<2>) (1 + (v2 / v,))

I et plott P/Po som en funksjon mellom V2/V1 vil gi følgende graf In a plot P/Po as a function of V2/V1 will give the following graph

Vi kan se at funksjonen gir et maksimum for V2/vi= 1/3. og maksimum effekt som kan utnyttes er 0,59 eller 16/27 av det totale energi potensialet. We can see that the function gives a maximum for V2/vi= 1/3. and the maximum effect that can be utilized is 0.59 or 16/27 of the total energy potential.

Grafen viser at hele effektpotensialet kan ikke utnyttes fordi en del av effekten vil måtte brukes for å flytte vannet ut av turbinen før man kan skape ny utnyttbar effekt. The graph shows that the entire power potential cannot be utilized because part of the power will have to be used to move the water out of the turbine before new usable power can be created.

I tillegg vil man ha dynamiske og statiske effekttap, men selv med en virkningsgrad ned mot 20 - 30% kan utnyttbar effekt være vesentlig. In addition, there will be dynamic and static power losses, but even with an efficiency down to 20 - 30%, usable power can be significant.

De forskjelligeikomponenter i enheten krever ingen nyutvikling av materialer. De elektriske komponenter som skal plasseres under vann er utviklet allerede for undervanns mølleprosjekter i havstrømmer. Enheten kan enkelt settes i serieproduksjon. Ved siden av produksjon av ren og fornybar energi vil enhetene også gi vesentlige miljøfordeler ved at enhetene plasseres på bunn i elver eller på havbunnen og dermed ikke visuelt syns i naturen. Enhetene krever heller ikke landareal, kostbare anleggsveier eller store bygningsmessige inngrep i naturen. The various components in the unit do not require any new development of materials. The electrical components to be placed underwater have already been developed for underwater mill projects in ocean currents. The unit can easily be put into series production. In addition to the production of clean and renewable energy, the units will also provide significant environmental benefits in that the units are placed at the bottom of rivers or on the seabed and are thus not visually visible in nature. The units also do not require land area, expensive construction roads or major structural interventions in nature.

Claims

1. Guide device to increase the effect of a water turbine, where the water flow is led through a guide device and then into a turbine mounted on the guide device's output, characterized in that the guide apparatus comprises guide walls (4) which together with outer walls (8) between the guide walls form guide channels (18) with an elongated screw shape, and where the outer walls (8) in the course of the channels (18) between the guide walls (4) are constructed with an opposite angled surface that is positively directed towards the outlet (7).

2. Control device according to claim 1, characterized in that the inlet (2) of the guide apparatus has a large cross-sectional area which gradually decreases in the longitudinal direction towards the outlet (7).

3. Control device according to requirements 1-2, characterized in that the guide walls (4) and thus the channels (16) are twisted at a gradually increasing angle against the water flow through the unit.

4. Control device according to requirements 1-3, characterized in that the outer walls (8) at each point along the flow line in each channel (18) are angled with a larger opening along the longitudinal axis from inlet (2) towards outlet (7).

5. Control device according to requirements 1-4, characterized in that the turbine is designed with an angled intake (23) directed towards the axis of rotation of the turbine which transitions to a rounding in the outer wall (21) and inner wall, and where vanes (22) are attached, and which is gradually rounded at an oblique angle in the longitudinal direction.

6. Control device according to requirements 1.-5, characterized in that the turbine comprises a hemisphere (24) placed in the circular cross-sectional area between the turbine's outlet.

7. Method for increasing the power of a water turbine according to claim 1, where the water flow is led through a guide device to the turbine, characterized in that the water flow is set in rotation and gets an increase in speed when it passes through the guide device.

8. Method according to claim 7, characterized in that the water is set in rotation and gets an increase in speed by being passed through channels in the guide apparatus which have an elongated screw shape and a gradually decreasing cross-section towards the outlet of the guide apparatus.