NO320961B1 - Energiomvandler - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en energiomvandler i samsvar med ingressen til det etterfølgende krav 1.

Det er kjent en rekke pumper for å pumpe fluider og motorer som helt eller delvis baserer seg på utnyttelse av energien i fluider. Ofte vil en og samme enhet kunne fungere både som pumpe, kompressor, motor og turbin med enkle tilpasninger. Dette er tilfellet også ved energiomvandleren ifølge den foreliggende oppfinnelse.

Som eksempel på teknikkens stand beskriver GB 2234SS7 en hydroelektrisk generator der to roterbare sylindere er anordnet med den ene inne i den andre. Hver av sylinderne har heliske strømningsbaner, som er motsatt rettet. Sylinderne vil derved rotere i motsatt retning i forhold til hverandre. Rotasjonen overføres via et system av tannhjul til en elektrisk generator. Sylinderne har samme tverrsnitt over hele lengden.

GB 1573334 beskriver et sylindrisk vannhjul med vinger som er snodd helisk om aksen. Det er plassert inne i et kammer med glatte vegger. Vannhjulet og kammeret har samme tverrsnitt over hele den aktive lengden.

US 4378195 beskriver en sylindrisk rotor med ru overflate som er plassert inne i et kammer med glatte vegger. Også her har kammeret og rotoren samme tverrsnitt over hele lengden.

US 4412417 beskriver et bølgekraftverk der en rotor er utstyrt med minst to heliske vinger, som er noe forskjøvet i forhold til hverandre. Rotoren ikke plassert i noe hus. Rotoren har samme tverrsnitt over hele lengden.

US 5313103 beskriver en slags vindmølle med en rotor som har en helisk vinge. Denne er heller ikke plassert i noe hus. Rotoren har samme tverrsnitt over hele lengden.

DE 3802069 beskriver også en slags vindmølle. Her er rotoren konisk med et sett av heliske vinger. Noe rotorkammer finnes imidlertid ikke.

GB 1157273 beskriver en skruemotor, der to motsatt snodde heliske vinger er plassert etter hverandre på samme aksling inne i et kammer med glatte vegger. Både rotoren og kammeret har samme tverrsnitt over hele lengden.

WO 94/13957 beskriver en impeller. Her er rotoren satt sammen av heliske vinger festet til et konisk sentrallegeme. Rotorkammeret har glatte vegger.

GB 98714 beskriver en blander, som er spesielt innrettet på å blande plastmateriale. Blanderen omfatter en rotor og en stator, som begge er utstyrt med heliske spor. De heliske sporene på rotoren og statoren kan være slått i motsatte retninger. Sporene har her tilnærmet rektangulært tverrsnitt.

Den foreliggende oppfinnelse tar sikte på å tilveiebringe en energiomvandler, særlig til bruk som hydraulisk pumpe, kompressor, motor eller turbin, for samvirke med et eller flere fluider, som er fleksibel i bruk, har lav indre friksjon, er enkel å fremstille med lave krav til toleranser og som har stor anvendbarhet på flere bruksområder. Dette oppnås ved de trekk som fremgår av den kjennetegnende delen av det etterfølgende krav 1.

Boringen i den første delen og den ytre overflaten på den andre delen er koniske med komplementær konisitet. Med begrepene konisk og kjegle menes i det etterfølgende alle former som har mindre diameter i den ene enden enn i den andre enden. Dette innebærer ikke nødvendigvis at diameteren skal øke jevnt. En maskin ifølge oppfinnelsen, som for eksempel har deler med "flaskefasong" vil også kunne anvendes.

Oppfinnelsen skal nå forklares nærmere under henvisning til de medfølgende figurer, der: Figur la i en prinsippskisse viser en enhet for en energiomvandler ifølge den foreliggende oppfinnelse,

Figur lb viser enheten ifølge figur 1 a sett i retning av pilen A,

Figur lc viser enheten ifølge figur la sett i retning av pilen B,

Figur 2 illustrerer virkeprinsippet ved den foreliggende oppfinnelse,

Figur 3 viser statoren ifølge figur la,

Figur 4 viser rotoren ifølge figur la og

Figur 5 skjematisk illustrerer en praktisk anvendelse av energiomvandleren ifølge oppfinnelsen.

I figur la er det vist et utførelseseksempel på en enhet for en energiomvandler ifølge den foreliggende oppfinnelse. I figur la kan man tenke seg at både rotor og stator er vist delvis gjennomsiktige. Enheten består av en stator 1 og en rotor 2. Til rotoren er det festet en aksling 3.

Figur 3 illustrerer skjematisk statoren 1. Man kan også her tenke seg at rotoren og statoren er vist delvis gjennomsiktige. Den har en innvendig boring 4 som er konisk utformet med sin minste diameter Dl til venstre i figur 3 og sin største diameter D2 til høyre i figuren. Hensiktsmessig er et mindre parti 5 ved den minste diameteren Dl utformet med uniform diameter, mens det øvrige av statoren har en indre overflate 6 som danner en vinkel a med statorens ytre sylindriske overflate 7. Vinkelen a er hensiktsmessig mellom 1° og 3°.

I den indre overflaten 6 er det utformet heliske spor 8. Hensiktsmessig er det utformet flere heliske spor som er forskjøvet noe i forhold til hverandre. I det viste utførelseseksempelet er det utformet 12 heliske spor som er slått i 45° vinkel på statorens lengdeakse. Antallet spor kan være flere eller færre enn dette og vinkelen kan også være større eller mindre enn 45°.

Partiet 5 med uniform diameter utgjør hensiktsmessig mellom 5% og 20% av statorens lengde. Diameteren Dl og D2 utgjør hensiktsmessig ca. 1/3 til 1/5 av statorens totale lengde.

Sporene 8 er svært grunne ved statorens 1 største diameter D2 (til høyre i figur 3) og har en dybde tilnærmet lik null ved denne enden av statoren 1. Sporenes dybde øker gradvis mot statorens motsatte ende ved diameteren Dl (til venstre i figur 3). Her når sporene 8 en dybde tilnærmet lik diameteren D2, slik at bunnen av sporene 8 ligger på en tenkt sylinderflate tilsvarende diameteren D2. Dette forenkler fremstillingen av statoren 1 betydelig, slik det skal forklares nedenfor. Imidlertid er ikke dette kritisk for funksjonen og for statorer som er støpt til ferdig form, vil bunnen av sporene også kunne ligge på en tenkt kjegle. Stigningen for sporene 8 kan være den samme over hele statorens lengde eller variere.

Figur 4 viser rotoren 2. Rotoren 2 har en kjegleformet ytre overflate 10, som danner en vinkel a med en tenkt sylinder som omskriver rotoren 2. Vinkelen a er den samme som for statoren 1. Rotoren 2 har sin største diameter D3 ved den enden der akslingen 3 er festet. Her er det også et parti 15 med uniform diameter. Diameteren D3 kan være tilnærmet lik statorens største diameter D2. Rotorens minste diameter D4 er Uk eller mindre enn statorens 1 minste diameter Dl.

I rotorens overflate 10 er det utformet spor 18 tilsvarende statorens spor 8. Sporene være av likt antall og med samme stigningsvinkel som sporene 8 for statoren 1, men kan også avvike både i antall og stigning. Imidlertid er sporene 18 slått i motsatt retning av sporene 8 i statoren 1. For å oppnå en best mulig vkkningsgrad, må sporene i statoren 1 og rotoren 2 krysse hverandre 90 °.

Partiet 15 med uniform diameter utgjør hensiktsmessig mellom 5% og 20% av rotorens lengde. Diameteren D3 og D4 utgjør hensiktsmessig ca. 1/3 til 1/5 av rorens totale lengde.

Sporene 18 er svært grunne ved rotorens 2 minste diameter D4 (til venstre i figur 4) og har en dybde tilnærmet lik null ved denne enden av roren 2. Sporenes dybde øker gradvis mot rorens motsatte ende ved diameteren D3 (til høyre i figur 4). Her når sporene 18 en dybde tilnærmet lik diameteren D4, slik at bunnen av sporene 18 Ugger på en tenkt sylinderflate tilsvarende diameteren D4. Dette forenkler fremstiUingen av roren 2 betydelig, slik det skal forklares nedenfor. Imidlertid er ikke dette kritisk for funksjonen og for rotorer som er støpt til ferdig form, vil bunnen av sporene også kunne ligge på en tenkt kjegle. Stigningen for sporene 18 kan være den samme over hele rotorens lengde eller variere.

Statoren 1 og rotoren 2 er hensiktsmessig omtrent like lange.

Når rotoren 2 settes inn i statoren 1 slik det er vist i figur la, vil det hensiktsmessig være et parti av rotoren 2 som stikker ut av statoren 1, og tilsvarende et parti av statoren 1 som ikke overlappes av rotoren 2. Betydningen av dette skal forklares nærmere nedenfor. Imidlertid vil energiomvandleren fungere utmerket også om rotoren lar seg føre fullstendig inn i statoren. Figur lb viser enheten i figur la sett i retning pilen A i figur la. Her ser man inngangen til de 12 sporene 8 i statoren ved disses største dybde. Rotoren 2 fremtrer med glatt overflate her, fordi sporene i rotoren har tilnærmet null dybde ved denne enden av enheten. Figur lc viser enheten i figur la sett i retning pilen B i figur la. Her ser man inngangen til de 12 sporene 18 i rotoren ved disses største dybde. Statoren 2 fremtrer med glatt overflate her, fordi sporene i statoren har tilnærmet null dybde ved denne enden av enheten.

Enhetens funksjon skal nå forklares nærmere under henvisning til figur 2, der det for å illustrere prinsippet er tatt ut ett spor 18 fra rotoren og ett spor 8 fra statoren. For dette eksempelet er enheten tenkt brukt som en hydraulisk motor. Fluid strømmer inn ved statorens 1 ende med minst diameter Dl (se pilen A i fig 1), men med størst spordybde. Siden sporene i rotoren 2 ved denne enden av enheten har null dybde vil fluidet strømme langs sporene 8 i statoren 1. Imidlertid blir sporene 8 i statoren 1 grunnere etter hvert som fluidet strømmer langs sporet 8. Samtidig blir sporet 18 i rotoren 2 dypere. Fluidet vil derfor tvinges til å strømme over i sporet 18 i rotoren 2.1 figur 2 er det vist et situasjonsbilde på et gitt tidspunkt for to spor, et spor 8 i statoren 1 og ett spor 18 i rotoren 2. Man ser her at sporet 8 og sporet 18 krysser hverandre tilnærmet vinkelrett i punktet X på dette gitte tidspunktet. Litt av fluidet vil derfor her strømme over fra sporet 8, som har stadig synkende tverrsnitt, til sporet 18, som har stadig økende tverrsnitt. Samtidig må fluidet endre retning med 90° (her fra å strømme ned mot høyre til å strømme opp mot høyre). Denne remmgsenclringen medfører at det påføres en kraft på rotoren 2, og denne tvinges derved til rotasjon.

Siden rotoren roterer og det er et stort antall spor i rotoren og i statoren, vil man få et. stort antall krysningspunkter som hele tiden forflytter seg. Fluid vil derfor kontinuerlig strømme over fra sporene 8 til sporene 18 og bidra til å øke rotasjonen til rotoren og derved øke energioverføringen. Rotasjonsmomentet kan så hentes ut på akslingen 3 og benyttes til for eksempel drift av en generator. Jo flere spor man har i rotoren og statoren, jo flere krysningspunkter vil man få og jo jevnere vil enheten gå og jo bedre vil virkningsgraden bli.

For bruk som pumpe vil enheten fungere motsatt, idet rotasjon av rotoren 2 skaper et undertrykk i sporene 8 i statoren 1, som suger fluid inn i sporene 8, samtidig som det skapes et overtrykk i sporene 18, som presser fluidet ut ved den motsatte enden av pumpen.

Bruk av enheten som kompressor blir i prinsippet det samme som ved bruk som pumpe. Det er også tenkelig å benytte enheten som brermstoffturbin, idet en forbrenning av et brennstoff initieres ved inngangen til turbinen, og brennstoffet og eventuell ekspansjonsgass ekspanderer gjennom turbinen. Dette vil imidlertid medføre at enheten, på grunn av volumekspansjon, må utformes med et forholdsvis lite innløpsareal og et forholdsvis stort utløpsareal.

Netto åpningsareale (gjennomstrømningsareale) gjennom enheten vil typisk ligge i området 30 - 40% av statorens aksielle tverrsnittsareal, fortrinnsvis 35 - 37%, noe som gir en stor gjermomstrømning i forhold til størrelsen. Når enheten anvendes som væsketurbin eller pumpe, er det viktig at gjennomstrømningarealet er tilnærmet det samme gjennom hele enheten, for å unngå kavitasjon på grunn av lokale trykkfall eller trykkøkninger.

Det er også viktig at vinkelen a for konisiteten til boringen i statoren og den ytre overflaten til rotoren er tilnærmet like, for å unngå lekkasje og tilbakestrømninger, som kan redusere virkningsgraden og gi varmegang.

I figur 5 er det skjematisk vist et praktisk eksempel på anvendelse av enheten, her for pumping av olje, der olje også benyttes som drivmedium.

En hydraulisk motor 20 og en hydraulisk pumpe 21 er plassert i et felles hus 22.

Motoren 20 har en stator 20a, som er fiksert i forhold til huset 22 ved at den er festet til en delevegg 24, og en rotor 20b. Pumpen 21 har en stator 21a, som er fiksert i forhold til huset 22 ved at den er festet til en delevegg 25, og en rotor 21b. Rotorene 20b og 21b er koblet til en felles aksling 23.

Pumpen 21 har større fortrengningsvolum enn motoren 20. Pumpen 21 og motoren 20 er anordnet slik at motorens 20 utløpsende vender mot pumpens 21 innløpsende.

Et innløp 26 for drivfluid er anordnet ved motorens 20 innløpsende til venstre for deleveggen 24. Et innløp 27 for pumpemedium ér anordnet mellom deleveggene 24 og 25 og et utløp 28 for både drivmedium og pumpemedium er anordnet ved pumpens 21 utløpsende til høyre for deleveggen 25.

Drivmedium, for eksempel olje, tilføres under trykk gjennom innløpet 26 og presses gjennom motoren 20. Dette setter motorens 20 rotor 20b i rotasjon og driver, gjennom akslingen 23, i sin tur pumpens 21 rotor 21b. I og med at pumpen 21 har større fortrengningsvolum enn motoren 20 vil det skapes et undertrykk i kammeret mellom deleveggene 24 og 25. dette medfører at pumpemedium suges inn gjennom innløpet 27, blander seg med drivmediet som strømmer ut av motoren 20 sin utløpsende og trekkes gjennom pumpen 21. Den samlede fluidstrømmen tvinges så ut gjennom utløpet 28. Hensikten med denne løsningen er at energien i væske med høyt trykk omdannes til mekanisk roterende energi som driver en større lavtrykksmaskin, som omdanner mekanisk energi til væskeenergi, imidlertid med et lavere trykk, men med vesentlig større mengde.

I stedet for å bruke samme fluid som drivmedium som man skal pumpe, så kan man også plassere en delevegg mellom motoren og pumpen og anordnet et utløp for drivmedium til venstre for denne deleveggen. Derved er det mulig å benytte et annet drivmedium enn fluidet som skal pumpes. Imidlertid er det egenskapen til å utnytte samme fluid som gjør omvandleren særlig anvendelig, fordi man unngår tetningsproblemer og sammenblanding av ulike væsker.

En annen svært aktuell anvendelse av energiomvandleren ifølge oppfinnelsen er i

forbindelse med vannkraft. Energiomvandleren ifølge oppfinnelsen egner seg særdeles godt for å hente ut energi ved høyt trykk. Det vil derfor være spesielt hensiktsmessig å benytte energiomvandleren som turbin ved utnyttelse av mindre vannkraftressurser, det vil si vannkraftressurser med forholdsvis liten vannmengde, men stor fallhøyde. Energiomvandleren i henhold til oppfinnelsen er også egnet i forbindelse med bølgekraftverk. I dette tilfellet er trykket forholdsvis lite, mens vannmengden er stor. Dette medfører imidlertid at energiomvandlerens lengde/diameterforhold må endres, ved at diameteren økes, slik at gjennomløpsarealet øker.

Energiomvandleren kan også benyttes som ekspanderende maskin, for eksempel som forbrenningsmotor. Fortrinnsvis må da gjennomstrørnningsarealet da øke i forbrenningsmediets strømnmgsretning. Dette kan for eksempel gjøres ved at sporenes bredde øker i strømnmgsretningen.

Energiomvandleren er særdeles gunstig å fremstille, fordi den stiller lave krav til toleranser. Både rotoren og statoren kan støpes til ferdig form, med minimalt behov for etterbearbeiding. Det vil normalt kun være behov for å fjerne grader og slipe de overflater som kommer i kontakt med hverandre.

Alternativt kan statorens boring freses ut og sporene dreies. Rotorens spor kan også dreies ved enkle operasjoner.

Det kreves ikke tetninger mellom rotor og stator. Rotoren føres inn i statoren inntil en lett berøring finner sted mellom rotor og stator. I henhold til en spesiell utførelsesform, kan sågar eksistere en liten klaring mellom rotoren og statoren. Under drift vil det dannes en liten pute av fluid mellom rotoren og statoren som rotoren vil flyte på. Rotoren trenger derfor ikke å opplagres i begge ender. Denne utførelsesformen kan være aktuell for spesielle applikasjoner. Rotoren bør imidlertid normalt være opplagret i begge ender, slik at man oppnår en minimal - tilnærmet null klaring mellom statoren og rotoren for å unngå kavitasjon og resirkulasjon. En av delene bør i tillegg være fremstilt av et bløtere materiale slik at rotoren ved slitasje kan skyves lenger inn i statoren.

Dette vil igjen si at den eneste tetningen som eventuelt er nødvendig mot roterende deler er rundt akslingen fra rotoren. I enkelte tilfeller, slik som ved eksempelet i figur 5 er heller ikke dette nødvendig.

Som nevnt tidligere er rotoren og statoren utformet slik at disse ikke kan føres helt sammen. Selv om dette er kraftig overdrevet i figurene, er hensikten med dette at etter hvert som. rotoren og statoren slites i berøringsflaten, skal rotoren kunne føres lenger inn i statoren. På denne måten kan delenes levetid forlenges betydelig og uten at det må foretas noe vedlikehold. Denne innskyvingen av rotoren kan foretas manuelt ved at en stillskrue etterjusteres med jevne mellomrom, men kan også foretas automatisk, for eksempel ved at rotoren er forspent mot statoren og mates inn i denne etter hvert som delene blir slitte.

På grunn av denne tilpasningen etter slitasjegrad, er energiomvandleren ifølge oppfinnelsen svært ufølsom overfor partikler og forurensninger i mediet som strømmer gjennom dette. Selv om mediet er svært slitende, slik som for eksempel boreslam, vil levetiden til energiomvandleren likevel bli akseptabelt lang.

Det ovennevnte er også en av de viktigste grunnene til at toleransekravene ved fremstillingen er svært lave. Selv om det for en nyprodusert energiomvandler kan eksistere avvik som gir lekkasjer mellom rotor og stator, vil rotoren og statoren, etter hvert som disse er i bruk, tilpasse seg hverandre og gi en stadig bedre tetning.

Rotoren og statoren kan fremstilles i ulike materialer avhengig av bruksområdet. Aktuelle materialer kan være stål, aluminium og ulike typer herdeplast eller termoplast.

Tverrsnittsformen på sporene 8 og 18 er firkantet i det viste utførelseseksempelet. Imidlertid kan formen også være avrundet, trekantet eller andre former som er hensiktsmessige å fremstille eller er virkningsgradsmessig optimale for den aktuelle anvendelse.

Det er klart at statoren 1 ikke nødvendigvis trenger å stå stille, men kan rotere motsatt vei av rotoren, slik at enhetenen faktisk har to rotorer. Likeledes kan den indre delen stå stille og fungere som stator mens den ytre delen kan rotere og fungere som rotor.

Claims (14)

1. Energiomvandler, særlig for bruk som hydrodynamisk pumpe, kompressor, motor eller turbin, omfattende en første enhet (20) og en andre enhet (21), karakterisert ved at hver enhet (20,21), som i og for seg kjent, innbefatter en første del (1) med en boring (4), der det er utformet minst et helisk spor (8) i boringens (4) vegg og en andre del (2) med en ytre overflate (10), der det er utformet minst et helisk spor (18) i den ytre overflaten (10), der boringen (4) i den første delen (1) og den ytre overflaten (10) på den andre delen (2) er koniske med komplementær konisitet, idet den første (1) og den andre (2) delen er innrettet til å rotere i forhold til hverandre og der minst den ene av den første (1) eller den andre (2) delen er innrettet til å kraftkobles til en aksling (3) for uttak eller tilførsel av rotasjonsmoment, og at akslingen fra den første enheten (20) er kraftkoblet til akslingen fra den andre enheten (21) slik at den første enheten (20) er innrettet til å drive den andre enheten (21).

2. Energiomvandler ifølge krav 1, karakterisert ved at den første enheten (20) har et innløp (26) for et drivfluid og et utløp for drivfluidet, at den andre enheten (21) har et innløp (27) for et pumpefluid og et utløp (28) for pumpefluidet og at utløpet fra den første enheten (20) står i kommunikasjon med innløpet til den andre enheten (21), slik at drivfluid som har passert gjennom den første enheten (20) er innrettet til å blande seg med pumpefluid som skal strømme gjennom den andre enheten(21).

3. Energiomvandler ifølge krav 2, karakterisert ved at den andre enheten (21) har et større fortrengningsvolum enn den første enheten (20).

4. Energiomvandler ifølge ett av de foregående krav, karakterisert ved at den første og den andre enheten (20,21) er omsluttet av et hus (22), hvilket hus er utstyrt med et innløp (26) for drivfluid, et innløp (27) for pumpefluid og et utløp (28).

5. Energiomvandler ifølge ett av de foregående krav, karakterisert ved at det minst ene sporet (8) i den første delen (1) har økende dybde fra den delen av boringen (4) som har størst diameter (D2) til den delen av boringen (4) som har minst diameter (Dl).

6. Energiomvandler ifølge ett av de foregående krav, karakterisert ved at det minst ene sporet (18) i den andre delen (2) har økende dybde fra den delen av rotoren (2) som har minst diameter (D4) til den delen av rotoren (2) som har størst diameter (D3).

7. Energiomvandler ifølge ett av de foregående krav, karakterisert ved at bunnen av det minst ene sporet (8,18) ligger på en tenkt sylinderflate.

8. Energiomvandler ifølge ett av de foregående krav, karakterisert ved at det minst ene sporet (8,18) er slått med en stigning som er konstant over den første (1) og/eller den andre delens (2) lengde.

9. Energiomvandler ifølge ett av de foregående krav, karakterisert ved at det er utformet flere parallelle heliske spor (8,18) i den første (1) og/eller den andre (2) delen.

10. Energiomvandler ifølge ett av de foregående krav, karakterisert ved at sporet/ene (8) i den første delen (1) er slått motsatt av sporet/ene (18) i den andre delen (2).

11. Energiomvandler ifølge ett av de foregående krav, karakterisert ved at det totale gjennomstrømningsareal for sporene (8,18) er hovedsakelig konstant over den første (1) og/eller den andre (2) delens lengde.

12. Energiomvandler ifølge ett av de foregående krav, karakterisert ved at den andre delen (2) er rotor og er opplagret kun ved-sin ene ende.

13. Energiomvandler ifølge ett av de foregående krav, karakterisert ved at sporene (8,18) har en stigning på omtrent 45°.

14. Energiomvandler ifølge ett av de foregående krav, karakterisert ved at sporene (8,18) har hovedsakelig trekantet tverrsnitt.