NO321755B1

NO321755B1 - Fremgangsmate og anordning for omforming av energi fra/til vann under trykk.

Info

Publication number: NO321755B1
Application number: NO20032919A
Authority: NO
Inventors: Johnny Royrvik; Torbjorn K Nielsen
Original assignee: Sinvent As
Priority date: 2003-06-25
Filing date: 2003-06-25
Publication date: 2006-07-03
Also published as: WO2004113717A1; NO20032919L; EP1642024B1; CN1809695A; CN1809695B; EP1642024A1; NO20032919D0

Description

Anordning for omforming av vannbåren kinetisk energi

Oppfinnelsen gjelder et anordning som angitt i innledningen til patentkrav 1, for omforming av vannbåren kinetisk energi til eller fra elektrisk energi.. En slikt anordning kan også kalles en strømningsmaskin, som enten kan virke som en vannturbin som driver en generator eller som ei væskepumpe drevet av en motor.

Teknikkens stilling

I sveitsisk patentskrift 606.793 er det beskrevet et anlegg med rørturbin eller rørpumpe, hvilket har et enkelt løpehjul med en hovedsakelig horisontal dreieakse og med ikke-innstillbare skovler. Med denne strømningsmaskina kan en ved bruk som turbin omforme potensiell energi fra magasinert vann til elektrisk energi, henholdsvis ved bruk som pumpe, omforme elektrisk energi til kinetisk energi i vannet. Denne løsningen har imidlertid lav virkningsgrad.

Sveitsisk patentskrift 606.801 beskriver et lignende anlegg med rørturbin eller rørpumpe. Ved dette anlegget er imidlertid løpehjulets skovler innstillbart utformet. Ved denne strømningsmaskinen er det i det indre av et faststående nav lager som bærer ledeskovlene og som gir plass for en akselende til løpehjulet. Heller ikke denne løsningen gir tilfredsstillende virkningsgrad.

Fra US-patentskrift 3.353.028 (Braikevitch m.fl. 1964) er det kjent å bygge et sentrallagret turbinhjul med en ytterring som med magnetisk kobling trekker med seg en rotorring med permanentmagneter. Rotorringen er opplagen på rullelager. Oppstrøms for turbinhjulet er det anordnet faststående ledeskovler. Denne konstruksjonen er ikke særlig gunstig, verken med hensyn på byggekostnader, virkningsgrad eller vedlikehold..

Fra US-patentskrift 3.422.275 (Braikevitch m.fl.) 1965 er det kjent en lignende turbin, også med sentrallagring, og med innstillbare ledeskovler, men ellers med tilsvarende oppbygning som vannturbinen foran.

Fra SE-patentsøknad 9600118 (Nilsson 1996) er det kjent å bruke to kontraroterende tubinhjul som er mekanisk sammenkoblet med en fast utveksling. Denne turbinen har sentral opplagring og aksler som overfører momentene til en ekstern generatorer. Denne utformingen er fastlåst med hensyn til byggemåte, antall turbinhjul og driftsforhold og vil gi for lav virkningsgrad.

Fra EP-patentskrift 1 430 220 (Clean Current Power Systems) er det kjent å integrere flere sentral-lagrete turbinenheter i et felles hus og med integrert opplagring. Heller ikke dette er en egnet løsning for oppbygning av de mest aktuelle omformersystemene, så som vannkratfturbiner og pumper for kraftverk.

Formål

Hovedformålet med oppfinnelsen er å skape en anordning som angitt i innledningen, med mulighet for to eller flere kontraroterende løpehjul, hvor det både ved tubindrift og pumpedrift er mulig å oppnå en forbedret virkningsgrad sammenlignet med tilsvarende kjente anlegg.

Videre er det et formål å skape et anlegg som er tilrettelagt for modulbygging, slik at et gitt anlegg kan bygges opp på en fleksibel måte med modulære enheter. Slike modulære enheter må kunne tas ut for utskifting eller reparasjon med minst mulig arbeid.

Endelig berr et anlegg av det aktuelle slaget kunne bygges opp med lavest mulig konstruktiv og økonomisk innsats, hvilket bl.a. krever en konstruktiv enkel og rimelig løsning på opplagringen av de roterende elementene.

Oppfinnelsen

Oppfinnelsen er angitt i patentkrav 1, idet patentkravene 2-8 angir særlig gunstige trekk ved oppfinnelsen.

Fordelene ved oppfinnelsen er i det følgende beskrevet særlig i forbindelse med utnyttelse som vannturbin med generator. Men tilsvarende effekter kan oppnås også ved bruk av oppfinnelsen til pumpedrift.

Anordningen i samsvar med oppfinnelsen, gjør det mulig, bl. a. ved valg av antall innbyrdes uavhengig, særlig kontraroterende turbinhjul, å omforme energien i vannet med betydelig bedre virkningsgrad, enn det som har vært tilfelle ved kjente anlegg. I tillegg til dette muliggjør anlegget i samsvar med oppfinnelsen i noen tilfeller å utnytte energimessig gunstig større trykk eller fallhøyder for vannet, enn det som har vært mulig med kjente vannturbiner, særlig rørturbiner.

En viktig fordel ligger i muligheten for å samkjøre generatorenhetene bedre med de enkelte løpehjulene enn det som er mulig med forslaget i svensk patentsøknad 9600118 og på den måte øke virkningsgraden.

En ytterligere fordel ligger i opplagringen, som blir enklere og kreve mindre vedlikehold enn kjente sentrallager.

Endelig gir bruken av modulære enheter en mer rasjonell produksjon og montering.

Ved anlegget i samsvar med oppfinnelsen blir det i tilfellet turbindrift, oppnådd en trinnvis gjennomført reduksjon av vanntrykket, slik at det er mulig, ved tilsvarende kombinasjon av to eller flere turbinelement som kan forbindes med hverandre i aksiell retning, å oppnå best mulig energiutbytte og optimal virkningsgrad ved energiomformingen. Vannet som kommer ut fra de gjennomstrømte løpehjulene har praktisk talt ingen utnyttbar trykk - og bevegelsesenergi.

Det som er beskrevet foran i forbindelse med bruk av strømningsmaskinen som turbin gjelder - med visse modifikasjoner og/eller tilsvarende endringer - tilsvarende også for det tilfellet at den brukes som pumpe, idet den elektriske generatoren da blir til motor.

Sammenkoblingen av generator- eller rotorspolene kan skje med elektriske styringskretser, for å optimalisere energiomformingen.

Eksempel

Figuren er i det følgende beskrevet nærmere ved hjelp av et utførelseseksempel som er illustrert i fig. 1 -3, idet

fig. 1 viser et anlegg i samsvar med oppfinnelsen skjematisk i perspektivriss,

fig. 2 viser et delområde av anlegget i samsvar med fig. 1, med roterende enheter og med faststående anleggsdeler som er tilordnet de roterende enhetene i snitt og skjematisk, mens

fig. 3 viser delområdene til anlegget i samsvar med fig. 2 i snitt, sett etter snittlinje III-III i fig. 2.

Fig. I viser et anlegg 1 i samsvar med oppfinnelsen, som hovedsakelig består av en todelt rørturbin 2, et trykkammer 3 som er anordnet på trykksida, dvs. ved inngangen til røtturbinen 2 og et sugerør 4 som er anordnet på sugesida, altså rørturbinens 2 utgang.

Mens trykkammeret 3 har en lengde som er et flertall av tverrmålet og et tverrsnitt som er hovedsakelig konstant over lengden, utvides sugerørets 4 tverrsnitt seg i retning mot dets fri ende S.

Røtturbinen 2, trykkammeret 3 og sugerøret 4 er slik innbyrdes forbundet og anordnet på monteringsstedet, at de i eksemplet ligger i den samme hovedsakelige horisontale akseretning. Dermed blir det oppnådd et mest mulig rettlinjet forløp av vannføringen fra vannets inngang i trykkammeret 3 henholdsvis rørturbinen 2 til det går ut av sugerøret 4, idet trykkamret 3 tjener trykkoppbygningen foran turbinen og utjevning av strømningen for å oppnå en mest mulig ren potesialstrømning.

Fig. 2 viser den todelte røtturbinen 2 i skjematisk gjengivelse og snitt. Rørturbinen 2 består av to turbinelementer 6 og 7. Turbinelementene 6,7 har en roterende enhet 8 henholdsvis 9, som er lagret roterbart i et rørformet turbinhus 10 henholdsvis 11 om en felles geometrisk dreieakse 12. For å lagre de roterende enhetene 8 og 9 i turbinhuset 10 henholdsvis 11 tjener et hydrodynamisk glidelager - i det følgende betegnet "lager" - 13 henholdsvis 14. Lageret 13 henholdsvis 14 avgrenser et mellomrom 15 henholdsvis 16, som opptar den hydrodynamiske virksomme væska, som altså skaper hydrodynamisk mottrykk, hvilken på en side dannes av faststående områder 17 henholdsvis 18, altså områder av turbinhuset 10 henholdsvis 11, til anlegget l og på den andre side av området 19 henholdsvis 20, som befinner seg på en krans 21 henholdsvis 22 til den roterende enheten 8 henholdsvis 9. Mellomrommet 15 henholdsvis 16 er utformet slik at det ved drift av rørturbinen 2 skjer en gjennomstrømning av mellomrommet 15 henholdsvis 16 med en del av vannet som strømmer gjennom anlegget I. På denne måten blir ikke bare den ønskede lagereffekten oppnådd ved dannelsen av et tilsvarende hydrodynamisk mottrykk, men i tillegg blir statorens spoler - og eventuelt også permanentmagnetene til rotoren til den roterende enheten 8 henholdsvis 9, kjølt. Herunder er det ved en tilsvarende utforming og forløp av mellomrommene 15 henholdsvis 16 mulig, at en gjennomstrømning av mellomrommet 15 henholdsvis 16 skjer i en forutbestemt retning, f. eks. i den retningen som er antydet med pila 23 henholdsvis 24 i fig. 2. For å oppnå en slik virkemåte gir den hydrodynamiske lagerteorien det teoretiske grunnlaget, slik at det ikke er nødvendig å gå inn på konstruktive detaljer i denne sammenhengen.

Gjengivelsen i fig. 2 viser, at mellomrommet 15 henholdsvis 16 til lagret 13 henholdsvis 14 er trinnvis og utformet usymmetrisk i forhold til et radialt midtplan for den aktuelle roterende enheten 8 henholdsvis 9.

I tillegg til de beskrevne, konstruktive utformingene av lagrene 13 henholdsvis 14, kan disse ikke bare være utformet som aksialt virkende lager, men kan i tillegg også være utformet for opptak av radiale krefter, som ved en utførelsesform av rørturbinen virker hovedsakelig horisontalt. De tilsvarende, ikke nærmere betegnete sirkelringformete flankeområder til lageret 13 henholdsvis 14, som danner områder av den roterende enheten 8 henholdsvis 9 på en side og tilordnete faststående område av anlegget 1 på den andre, men også den aktuelle sylindriske flateområder som danner det egentlige hydrodynamiske lageret, kan være belagt med et friksjonsnedsettende materiale, f. eks. Teflon (varemerke).

Den roterende enheten 8 henholdsvis 9 består av et løpehjul 25 henholdsvis 26, den allerede nevnte kransen 21 henholdsvis 22 og en rotor 27 henholdsvis 28. Rotoren 27 henholdsvis 28 omfatter ei ringformet rekke permanentmagneter 29, ovenfor hvilke det ligger spoler 31, henholdsvis 32, til generatorens ikke nærmere betegnete stator. Rotorene 27, 28 er med den aktuelle kransen 21 henholdsvis 22 hver enkelt forbundet til et kroppslig-konstruktiv enhet og danner sammen med den aktuelle statoren de viktigste elementene.

Løpehjulet 25 består i hovedsakelig av et nav 33, på navet 33 fastgjorte, ikke-innstillbare skovler 34 og en krans 21 som forbinder de ytre endene til skovlene 34 fast.

Løpehjulet 26 består hovedsakelig av et nav 35, skovler 36 som ikke er regulerbare og som er festet til navet og kransen 22 som forbinder de ytre endene av skovlene 36.

Skovlene 34 til løpehjulet 25 er slik utformet og rettet/anordnet slik i forhotd til navets 33 geometriske rotasjonsakse 12, at de påvirker den strømningen som møter løpehjulets 25 trykkside i retning av pila 37. Omfanget av denne påvirkningen henger naturligvis hovedsakelig av belastningen på løpehjulet 25, altså av ytelsesuttaket av generatoren. I forhold til dette er skovlene 36 til løpehjulet slik utformet og innrettet/anordnet i forhold til den geometriske rotasjonsaksen 12 til navet 35, at den påvirker strømningen som kommer ut av løpehjulets 25 sugeside og umiddelbart deretter når løpehjulets 25 trykkside, idet det påvirker dette i urviserretningen. De to umiddelbart på hverandre følgende løpehjulene 25,26 i rørturbinen 2 roterer følgelig med innbyrdes motsatt rotasjonsretning.

Navene 33, 34 til løpehjulet 25 henholdsvis 26 har - sett i radiell retning • i det minste vesentlig lik tverrsnitt og omslutter fortrinnsvis et forholdsvis lavt mellomrom i områdene ved de innbyrdes tilstøtende endene 38, 39.

Videre har løpehjulene 25,26 fortrinnsvis det samme antall skovler 34 henholdsvis 36. Også med hensyn til valget av antallet permanentmagneter 29 henholdsvis 30 som er festet til rotorene 27,28 er det fortrinnsvis brukt det samme antall. Avhengig av de individuelle energiforholdene på bruksstedet og måten strømutviklingen skjer gjennom rørturbinen, kan det imidlertid også være hensiktsmessig å velge antallet skovler 34 henholdsvis 36 og/eller antallet permanentmagneter 29 henholdsvis 30 på rotorene 27,38 til de to turbinelementene 6,7 - eller også flere turbinelementer - forskjellig. Til dette hører også muligheten til å koble spolene 31 henholdsvis 32 på statoren til turbinelementene 6,7 elektrisk enten i serie eller i parallell.

Turbinhusene 10,11 som hvert er anordnet for å oppta en roterende enhet 8 henholdsvis 9, er fortrinnsvis utformet vesentlig ensartet, hensiktsmessig ringformet, og har innbyrdes samvirkende forbindelsesflenser 40 henholdsvis 41, med forbindelsesboringer 42 henholdsvis 43 som er antydet, som tjener til opptak av de ikke viste forbindelsesbolter. På denne måten er det mulig, avhengig av arten av et byggeelementsett, ved behov å forbinde to eller flere turbinelementer med hverandre såvel som ved en ende med et tilsvarende utformet sugerør, henholdsvis et trykkammer, til et fullstendig anlegg. Turbinhusene 10,11 er delbare om et radialplan ved ringsporet 44,45, slik at løpehjulet med rotoren kan sette inn og tas ut.

For øvrig kan det i de elektrisk serie- og eller parallellkoblete strømkretsene til spolene 31, 32 til generatoren være anordnet kjente elektriske koblingsmidler for å optimalisere energiomformingen gjennom anlegget, f.eks. koblingsutstyr for å fordele energiuttaket på generatoren i de enkelte turbinelementene, med tilsvarende tilbakevirkning på de aktuelle løpehjulene og dermed for å optimalisere energiutbyttet henholdsvis rørturbinens totale skovlytelse.

Claims

1. Anordning for omforming av vannbåren kinetisk energi tii eller fra elektrisk energi, med et rotorelement som danner kombinert skovlorgan i en vannturbin eller vannpumpe og rotor i en elektrisk motor eller generator, idet denne rotoren (27,28) bærer ei rekke magnetelementer langs sin omkrets, som danner et aktivt element sammen med ei rundtliggende rekke statorspoler (31,32), og hvor de ytre rotordeler løper i et ringspor som er innrettet for å være anordnet i veggen i en sylindrisk kanal, og som har lagerelement for føring av den elektriske rotordelen, karakterisert ved- at rekka av statorspoler (31, 32) er integrert i et ringformet byggeelement (10, 11) som avgrenser ringsporet(lS, 16), - at det i ringsporet er anordnet ringlager (13,14) for omkretslagring av skovlorganet (25,26), - at det ringformete byggeelementet (10, 11) har sideflater (40, 41) som tillater sammenkobling mot tilstøtende ringdeler, for modulær sammenkobling av to eller flere ensartete byggeenheter, samt - at statorspolene (31, 32) i hver byggeenhet er innrettet for individuell regulering.

2. Anordning i samsvar med patentkrav 1, karakterisert ved at det ringformete byggeelementet (10, 11) som inneslutter ringsporet og statorspolene (31,32) i generatoren/motoren, har sideflenser (40,41) for montering mot tilsvarende ringdeler.

3. Anordning i samsvar med patentkrav 2, karakterisert ved at to eller flere byggeenheter er koblet direkte sammen, sideflens mot sideflens.

4. Anordning i samsvar med patentkrav 3, karakterisert ved at skovlorganene (25, 26) til sammenkoblete naboenheter er innrettet med motsatt skråstilling, for å drives kontraroterende.

5. Anordning i samsvar med et av patentkravene 1 -4, karakterisert ved at rotorens (27) krans (21) inngår i et aksiallager (13,14).

6. Anordning i samsvar med et av patentkravene 5, karakterisert ved at det ringformete byggeelementet (10; 11) kan deles i tverretningen i det sentrale område ved statoren, for innmontering av rotoren (27).

7. Anlegg i samsvar med et av patentkravene 1-6, karakterisert ved at det omfatter et dobbelt vannsmurt glidelager (13,14) i området til kransen (21,22) til den aktuelle roterende enheten (8 henholdsvis 9).

8. Anlegg i samsvar med patentkrav 7, karakterisert ved at de vannsmurte glidelager er innrettet for å skape en vannstrøm gjennom spaltene i omkretssporet.