NO322433B1

NO322433B1 - Tapsreduksjon for anordning til bruk som skipspropell eller generator

Info

Publication number: NO322433B1
Application number: NO20060254A
Authority: NO
Inventors: Normann Sandoy
Original assignee: Brunvoll As; Norpropeller As
Priority date: 2006-01-18
Filing date: 2006-01-18
Publication date: 2006-10-02
Also published as: NO20060254A; EP1976750B1; EP1976750A1; EP1976750A4; PL1976750T3; WO2007084004A1

Abstract

Anordning til bruk som skipspropell (11) eller generator, omfattende en propelldel (15) med i det minste ett propellblad (15a), en rundt propell-delen (15) omliggende og med-roterende rotordel (25), som i sin periferi omfatter magnetanordninger (27) eller viklinger for generering av magnetfelt, slik at rotordelen (25) danner rotoren til en elektrisk motor og/eller generator. Anordningen omfatter ytterligere en statordel (23) som omgir rotordelen (25), hvilken statordel (23) omfatter magnetanordninger eller viklinger (29) for generering av magnetfelt. Anordningen er innrettet for tilføring av gass i i det minste en spalte (31) mellom rotordelen (25) og statordelen (23), for fortrengning av eventuell væske i spalten (31), for reduksjon av friksjonskrefter i spalten (31) ved rotasjon av rotordelen (25) i forhold til statordelen (23).

Description

Oppfinnelsen angår en anordning til bruk som skipspropell eller generator, innrettet for reduksjon av friksjonstap under drift.

Bakgrunn

Det er kjent anordninger til bruk som skipspropell eller generator, omfattende en propelldel som er festet i en omliggende rotordel, i hvilkens periferi det er festet permanentmagneter eller viklinger for dannelse av magnetfelt. Rotordelen utgjør rotoren til en elektrisk motor og/eller generator, og er posisjonert på innsiden av en omliggende statordel, hvilken statordel har anordnet magnetanordninger eller viklinger for generering av magnetfelt for å bevirke rotasjon av propelldelen. Ved å anbringe en slik anordning i et strømmende medium, så som i et rør med strømmende vann, kan den benyttes som en elektrisk generator.

US patentpublikasjon 5,220,231 (Veronesi m.fl.) viser en slik anordning til bruk som fremdriftsenhet for et vanngående fartøy. Denne anordningen har en sentralt opplagret propelldel, med propellblader som strekker seg radialt mellom en sentral del og en radialt utvendig posisjonert ring som roterer med liten radial avstand fra statordelen.

Mellom de roterbare og stasjonære delene til slike anordninger er det spalter som blir fylt med det mediumet anordningen senkes ned i. Ved bruk som skipspropeller og generatorer vil dette mediumet hovedsakelig være vann. Ved rotasjon av de roterbare delene vil det dannes friksjonskrefter i mediumet i de nevnte spaltene. Dette fører til energitap, som resulterer i mindre effektutbytte ved bruk som driv-anordning, eller mindre generert energi ved bruk som generator. Tapene i en spalte øker omtrent som en tredjepotens av periferihastigheten til spaltens indre, roterende flate i forhold til den ytre stasjonære flata. Ved langsom rotasjon vil tapene derfor være av mindre betydning. Videre er tapene lineært avhengig av densiteten til mediumet i spalten, idet større densitet gir større tap. Beregninger har vist at tapet i en spalte kan tilnærmes til følgende uttrykk:

der 7iDB er arealet til spalten, p er densiteten til mediumet og U er lineær hastighet.

Formål

Formålet med oppfinnelsen er å tilveiebringe en anordning til bruk som skipspropell eller generator, som er innrettet for reduksjon av friksjonstap ved rotasjon av anordningens roterbare deler.

Oppfinnelsen

Oppfinnelsen er angitt i det selvstendige patentkrav 1. Fordelaktige utførelser fremgår av de uselvsten-dige patentkravene.

Formålet med oppfinnelsen oppnås med en anordning til bruk som skipspropell eller generator, som er innrettet til å fortrenge eller å erstatte væske i en spalte eller spalter mellom roterende og ikke-roterende deler med gass. Slik gass kan fortrinnsvis være luft. I forhold til ei væske, så som vann, har en gass, så som luft, vesentlig mindre densitet. Tapene i en gassfylt spalte vil således være betraktelig mindre

enn tapene i en væskefylt spalte.

Eksempel på utførelsesform

I det følgende gis et eksempel på en utførelsesform i samsvar med oppfinnelsen. Utførelsesformen fremviser en anordning i samsvar med oppfinnelsen til bruk som skipspropell, som nyttiggjør oppfin-nelsens prinsipp for reduksjon av friksjonstap. Beskrivelsen av utførelseseksemplet gis med henvis-ning til figurer, der Figur 1 er et perspektivriss av en anordning i samsvar med oppfinnelsen, i form av en skipspropellanordning med sentral opplagring og elektrisk motor integrert rundt rotordelens periferi,

Figur 2 er et frontriss av skipspropell-anordningen i figur 1,

Figur 3 er et tverrsnittsriss av anordningen i figur 1 og 2, langs linja A-A i figur 2, og

Figur 4 er et utsnittsriss av tverrsnittsrisset i figur 3.

I figur 1 er det vist en propellanordning 11 som fordelaktig kan benyttes som for eksempel en tunnel-thruster eller framdriftsenhet, festet til et skip (ikke vist). I anordningens 11 overdel har den en feste-flens 13, for festing til skipet. Propellanordningen 11 har en hovedsakelig form som et kort rørstykke, med en propelldel IS roterbart opplagret med en sentral aksel 17 (figur 3). Akselen 17 er festet til en senterdel 19 som holdes i posisjon ved hjelp av tre holdestenger 21, som rager radialt ut fra senterdel-en 19 og til en ytre stasjonær del eller statordel 23.

I figur 1 er noen ytre deler delvis fjernet, for synliggjøring av innvendige deler.

Figur 2 viser anordningen 11 i figur 1 sett forfra, langs anordningens 11 lengdeakse. Som det kan sees i figur 2, omfatter propelldelen 15 fire propellblader 15a. Disse strekker seg hovedsakelig radialt mellom den sentrale akselen 17 (figur 3) og en ringformet rotordel 25 (figur 3) som ligger rundt propell-delen 15, og til hvilken propellbladene 15a er festet. Dette framgår bedre ved betraktning av figur 3, som viser et tverrsnittsriss av anordningen 11 langs snittlinja A-A i figur 2.

Figur 4 er et forstørret utsnitt av en øvre del av tverrsnittsrisset i figur 3.1 figurene 3 og 4 fremkommer hvordan den ringformete rotordelen 25 er roterbart anbrakt innenfor statordelen 23. Til rotordelens 25 ytre periferi er det festet et flertall permanentmagneter 27. Permanentmagnetene 27 er posisjonert i kort avstand fra et flertall viklinger 29 som er festet til statordelen 23, på en slik måte at det ved tilfør-ing av elektrisk strøm i viklingene 29 kan genereres magnetfelt for kraftpåvirkning av magnetene, for styrbar og kontrollert rotasjon av rotordelen 25, og således også propelldelen 15.

Mellom den utvendige flata til rotordelen 25 og den motstående innvendige flata til statordelen 23, vil det være en spalte 31 som, når anordningen 11 er nedsenket i vann, vil fylles med vann. En typisk spaltetykkelse, dvs. avstanden mellom ei utvendig flate til rotordelen 25 og ei motstående innvendig flate til statordelen 23, kan være i området 1-30 mm, men kan også være større og mindre.

For å fortrenge vannet i spalten 31, er det i statordelen 23 anordnet gasskanaler 33, for tilføring av gass, fortrinnsvis luft, til spalten 31. Gassen kan bli tilført ved hjelp av påføring av overtrykk i gasskanalene 33, hvilket trykk er større enn trykket i spalten 31. Den tilførte gassen vil til slutt gå ut fra spalten og strømme ut sammen med det gjennomstrømmende vannet.

Dersom anordningen 11 ikke er anbrakt for dypt, vil vannets strømningshastighet gjennom anordningen 11, ved tilstrekkelig rask rotasjon av rotordelen 25, imidlertid danne et undertrykk i spalten 31, hvorved luft automatisk vil bli sugd inn i spalten 31 og erstatte vannet, dersom gasskanalene 33 er i forbindelse med luft med atmosfærisk trykk. Man vil da fordelaktig unngå tilføring av trykksatt luft eller gass. Dersom anordningen 11 blir benyttet ved større vanndybder, er det imidlertid fordelaktig å til-føre lufta eller gassen ved hjelp av påsatt overtrykk for å sikre at gassen erstatter vannet i spalten 31.

Tettheten for vann er omtrent 1000 kg/m3 (noe høyere for sjøvann enn for ferskvann). Tettheten for luft er omtrent 1,2 kg/m<3>, og lavere for høye temperaturer. Ettersom tapene som følge av friksjonskrefter i en spalte som omtalt her er lineært avhengig av tettheten, vil altså slike tap reduseres med en fak-tor på omtrent 800, ved erstatning av vannet i spalten med luft. Dette utgjør en reduksjon til omtrent null tap i spalten, i forhold til utgangspunktet.

Ved eksperimenter med en propellanordning på 100 kW, var anordningens totale tap omtrent 30 kW. Av disse tapene på 30 kW kan omtrent 30 % tilskrives tap i spalten som omtalt her. Ved å erstatte vannet i spalten med luft, vil det således være mulig å redusere anordningens tap med omtrent 30 %. Det vil i dette tilfellet bety omtrent 9 % av den totale tilførte effekten (30 % av 30 % tap).

Størrelsen på tapsreduksjonen vil selvfølgelig avhenge av anordningens konstruksjon og rotasjonshas-tighet med mer, og kan således variere mye. Det er uansett tydelig at det kan oppnås betydelige tapsre-duksjoner med en anordning som er innrettet i samsvar med oppfinnelsen.

Typiske periferihastigheter for den roterende spalteflata i forhold til den stasjonære kan være i området 30-60 m/s, men kan også være større eller mindre.

Anordningen i samsvar med oppfinnelsen kan også ha en annen grunnkonstruksjon, for eksempel en periferi-opplagret propell- eller generatoranordning som kjent fra teknikkens stilling, hvis spalte(r) mellom roterende og ikke-roterende deler blir fylt med gass som fortrenger ei eventuell væske i disse,

i samsvar med oppfinnelsen.

Claims

1. Anordning til bruk som skipspropell (11) eller generator, omfattende en propelldel (IS) med i det minste ett propellblad (15a), en rundt propelldelen (15) omliggende og med-roterende rotordel (25), som i sin periferi omfatter magnetanordninger (27) eller viklinger for generering av magnetfelt, slik at rotordelen (25) danner rotoren til en elektrisk motor og/eller generator, samt ytterligere omfattende en statordel (23) som omgir rotordelen (25), hvilken statordel (23) omfatter magnetanordninger eller viklinger (29) for generering av magnetfelt, karakterisert ved at anordningen er innrettet for tilføring av gass i i det minste én spalte (31) mellom rotordelen (25) og statordelen (23), for fortrengning av eventuell væske i spalten (31), for reduksjon av friksjonskrefter i spalten (31) ved rotasjon av rotordelen (25) i forhold til statordelen (23).

2. Anordning i samsvar med patentkrav 1, karakterisert ved at den er innrettet for tilføring av gass i form av luft i den i det minste ene spalten (31).

3. Anordning i samsvar med patentkrav 1 eller 2, karakterisert ved at den er innrettet for tilføring av gass fra en gasskilde med høyere gasstrykk enn trykket i spalten (31).

4. Anordning i samsvar med patentkrav 1 eller 2, karakterisert ved at den er innrettet for tilføring av gass ved dannelse av et undertrykk i spalten (31) i forhold til gasskilden, ved gjennomstrømning av det mediumet, så som vann, som anordningen er nedsenket i.

5. Anordning i samsvar med et av de foregående patentkravene, karakterisert ved at anordningen er en periferi-opplagret skipspropellanordning.

6. Anordning i samsvar med et av de foregående patentkravene, karakterisert ved at anordningen er en sentralt opplagret skipspropellanordning.

7. Anordning i samsvar med et av de foregående patentkravene, karakterisert ved at den er innrettet for rotasjon av rotordelen (25) med en periferihastighet på opp til 60 m/s i begge rotasjonsretninger.

8. Anordning i samsvar med et av de foregående patentkravene, karakterisert ved at spaltetykkelsen til den i det minste ene spalten (31) på mellom 1 og 30 mm.