NO323140B1 - Rotor - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en rotor med et flertall blad, som er ment til omdannelse av energi. Rotoren kan eksempelvis anvendes til å utvinne rotasjonsenergi fra en fluidstrøm, eller omvendt å skape en fluidstrøm fra rotasjonsenergi.

Det er særlig fordelaktig å koble rotoren til en generator, og utvinne energi fra vind-eller vannkraft.

En mengde rotorer av den ovenstående type er kjent. Særlig vanlig er forskjellige former for propeller, der et flertall propellblad er anordnet på en aksel. Hvert propellblad utgjøres her av en langstrakt flate, som hovedsakelig strekker seg radialt ut fra akselen, og som er vridd i sin lengderetning.

Rotorer ifølge kjent teknikk er imidlertid beheftet med en rekke problemer, hvorav det viktigste vil bli omtalt i det følgende.

For det første er virkningsgraden ved tradisjonelle rotorer relativt lav. Når det gjelder vindkraft taler fagmenn om en effektutvinningsgrad for en kvadratmeter eksponert overflate på under 1 Watt pr. m/s. En propell som har en eksponert overflate på 1 kvadratmeter (en radius på ca. 60 cm), kan altså ved en vindstyrke på 10 m/s utvinne ca. 10 watt.

Videre skapes det store krefter i aksial retning når rotorer ifølge kjent teknikk utsettes for et strømmende fluid. Ved vindkraftverk regner fagmenn med at den støttende konstruksjonen må dimensjoneres for det dobbelte av den kraft som rotoren kan omdanne til energi.

Et ytterligere problem er at kjente rotorer gir opphav til kraftig lyd, som av mange betraktes som støy.

En første hensikt med den foreliggende oppfinnelse er å frembringe en effektiv utvinning av energi, eksempelvis vindkraft.

En annen hensikt med oppfinnelsen er å frembringe en rotor som er billig og enkel å produsere.

En tredje hensikt med oppfinnelsen er å frembringe en rotor som er relativt stillegående.

Disse hensikter oppnås med en rotdr av den ovennevnte art med de kjennetegn som er angitt i patentkrav 1.

For å avlede strømmen på ønsket måte omfatter rotoren et flertall blad, som hvert består av en enkeltknim flate, hvis forkant forløper hovedsakelig radialt ut fra rotasjonsakselen, og ligger i et plan som danner en liten vinkel (fortrinnsvis 0-10°) med rotasjonsakselen. Bladets bakkant ligger i et plan som danner en betydelig større vinkel (fortrinnsvis 80° -100°) med rotorakselen.

Videre er hvert blad lagret om en aksel som ligger i et normalplan til rotasjonsakselen, og som er parallellforskjøvet en avstand i forhold til en tenkt radius ut fra rotasjonsakselen.

Hvert blad kan utgjøres av en hovedsakelig rektangulær flate, hvor flatens krumning er slik at bladets planprojeksjon, dvs. bladets utbredelse mot strømmen, utgjøres av en hovedsakelig firkantet flate.

Med rotorblad som er utformet på denne måte bøyes hele strømmen av i et normalplan i forhold til rotorakselen i bladets forlengelse. Ettersom bladets forkant rager hovedsakelig radialt ut fra rotasjonsakselen, og strømmen etter avbøyning er rettet vinkelrett i forhold til forkanten, opptar strømmen for hvert blad en 90° sektor rundt rotasjonsakselen. Dersom antallet blad var flere enn fire ville den avbøyde strømmen bringes i kontakt med et nærliggende blad, og dermed bremse rotoren. En rotor ifølge oppfinnelsen har derfor maksimalt fire rotorblad.

Ved kjente rotorer er hvert rotorblads dreieaksel anordnet radialt ut fra rotasjonsakselen, og dets forkant er parallellforskjøvet en avstand i forhold til en tenkt radius. Ved den foreliggende oppfinnelse er forholdet nøyaktig det motsatte, idet forkanten i stedet er anordnet radialt ut fra rotasjonsakselen, og dreieaksel en er parallellforskjøvet i forhold til en tenkt radius. Det er denne løsning som gjør det mulig å frembringe det spesielle strømningsmønster som beskrives i den foreliggende søknad.

Hvert blad kan utgjøres av en hovedsakelig rektangulær flate, idet flatens krumning fører til at bladets planprojeksjon, dvs. bladets utbredelse mot strømmen, utgjøres av en hovedsakelig firkantet flate.

Når en rotor ifølge oppfinnelsen utnyttes til å utvinne energi fra en strøm, eksempelvis en luftstrøm, anordnes rotoren slik at strømmen strømmer i aksial retning og først treffer bladenes forkant. Hvert blad bevirker på denne måte at strømmen tvinges til å endre sin bevegelsesretning, fra å være hovedsakelig parallell med rotasjonsakselen til å ligge i et normalplan i forhold til rotasjonsakselen, hovedsakelig tangensialt i forhold til denne. Denne omstyring av strømmen gir opphav til en kraft i tangensial retning, som gir opphav til et dreiemoment om rotasjonsakselen. Et flertall blad er anordnet til å samvirke, slik at hele rotoren ved påvirkning av en fluidstrøm bringes i rotasjon.

Den strøm som passerer hvert blads bakkant oppnår videre relativt høye strømningshastigheter, og skaper dermed en ejektorvirkning, som trekker med hovedsakelig stillestående fluid fra bladets leside. Det skapes dermed et visst undertrykk bak bladet, som ytterligere forsterker dreiemomentet.

Ettersom hele strømmen bringes til å forandre sin strømningsretning, tillates i hovedsak ikke noe luft å passere gjennom rotoren, og bak rotoren dannes det et «kjølvann» eller en dødsone, som kontinuerlig fylles av omgivende fluid.

Ved tester som er blitt utført i hemmelighet med en prototyp av oppfinnelsen i en vindstrøm, har tilførsel av røyk avslørt et strømningsmønster omtrent som vist på fig. 1.

Bladenes konstruksjon og orientering, og det strømningsmønster som de gir opphav til, fører til en bemerkelsesverdig effektutvinning. Ovennevnte test ble gjennomført med en prototyp av oppfinnelsen som har en vindmottagende flate på ca. 1 kvadratmeter, i vindstyrker på ca. 10 m/s. Effekten som kunne utvinnes var ca. 200 Watt, ved ca. 140 omdreininger/min. Denne effekten var i høyeste grad overraskende.

Det har videre blitt konstatert at rotoren oppnår sin fulle effekt hovedsakelig umiddelbart etter oppstart. Mulig effektuttak er således uavhengig av turtallet.

Vinkelen mellom et tenkt plan som forbinder bladets forkant og bakkant og rotasjonsakselen ligger passende i området 30-50°, fortrinnsvis ca. 45°.

Bladene kan videre være fjærbelastet dreibare om dreieakselen, for automatisk tilpasning til strømningshastigheten.

Den foreliggende oppfinnelse vil i det følgende bli beskrevet nærmere under henvisning til de ledsagende tegninger, som for eksemplifiserende formål viser foretrukkede utførelsesformer av oppfinnelsen. Fig. 1 er en skjematisk skisse av strømning forbi en rotor ifølge en utførelsesform av oppfinnelsen. Fig. 2 er et perspektivriss av en rotor ifølge en utførelsesform av oppfinnelsen. Fig. 3 er en skjematisk skisse av hvordan reguleringsorganet i rotoren på fig. 2 funksjonerer. Fig. 4a-c er skjematiske skisser av rotorutforminger ifølge oppfinnelsen med forskjellig antall rotorblader. Fig. 5 er en skjematisk skisse av et rotorblad ifølge en utførelsesform av oppfinnelsen.

Rotoren 1 som er vist på fig. 2 har et flertall, i det viste tilfellet fire, blad 2, som er anordnet til å rotere om en rotasjonsakset 3. Rotoren 1 er ment til å rotere i et fluid, som strømmer forbi rotoren i en strømningsretning A.

Hvert blad 2 utgjøres i den viste utførelsesform av en enkeltkrum flate, hvis generatrise, dvs. den rette linje som genererer flaten, ligger i et normalplan i forhold til rotasjonsakselen. Bladets 2 krumning fremgår tydeligere av fig. 3, og vil bli omtalt nærmere nedenfor. Bladet 2 har en forkant 5 som er vendt mot fluidets strømningsretning A, og altså er den del av bladet som først treffes av fluidet som strømmer mot rotoren 1. Bladet har videre en bakkant 6 som altså befinner seg nedstrøms forkanten 5.

Et tenkt plan 7 som forbinder forkanten 5 og bakkanten 6 danner en spiss vinkel a med rotasjonsakselen 3. Denne vinkelen kan eksempelvis ligge i området mellom 30" og 50°, og fortrinnsvis være ca. 45°.

I det viste eksemplet er bladet rektangulært og nærmest kvadratisk. Denne utformingen har vist seg å være fordelaktig, men skal ikke anses som begrensende for oppfinnelsen.

Hvert blad 2 er dreibart anordnet på en dreieaksel 8, som ligger i et normalplan i forhold til rotasjonsakselen, og beligger et sted mellom for- og bakkantene.

Dreieakselen 8 forløper hovedsakelig radialt ut fra rotasjonsakselen 3, og er fortrinnsvis parallellforskjøvet en avstand d fra en tenkt radius 9 til rotasjonsakselen.

Dreieakselen er fortrinnsvis beliggende på bladets 2 leside 2a, dvs. den side som er vendt bort fra strømningsretningen.

Ved det viste eksempelet er de fire dreieakslene 8 anordnet i fire plater 10, som er symmetrisk anordnet om rotasjonsakselen 3. Platene kan være montert, eksempelvis fastsveiset, på et rørlegeme eller en ring 11, men kan alternativt være forbundet med hverandre. Ringen 11 og platene 9 danner en navkonstruksjon 12.

Bladene 2 er fortrinnsvis fjærende dreibare om sine respektive dreieaksler 8. Fjæringen kan eksempelvis frembringes som i den viste utførelsesformen, der et fjærende element, eksempelvis en skruetrykkfjær 13, er konsentrisk anordnet i forhold til rotasjonsakselen 3 nedstrøms navkonstruksjonen 12. Skrue fjæren 13 kan være anordnet om en stang 14, som strekker seg et stykke oppstrøms, og er fast anodnet i navkonstruksjonen 12.

Ved skruefjærens 13 ene ende 13a er et ringformet løpeelement 15 anordnet om stangen 14, slik at det er skyvbart mot skruefjærens 13 fjærvirkning. Skruefjærens 13 andre ende 13b er fastholdt i forhold til stangen 14, eksempelvis ved at den er festet i stangen, eller ved at et mothold 18 er anordnet som anslagsflate for skruefjæren 13.

Ifølge den viste utførelsesform er et stag 16 fast anordnet parallelt med hvert blads forkant 5, hvilket stag 16 strekker seg i en avstand i retning inn mot rotasjonsakselen 3. En lenkarm 17 er i sin ene ende 17a dreibart anordnet i den ende av staget 16 som befinner seg nærmest rotasjonsakselen 3, og i sin andre ende 17b dreibart anordnet i løpeelementet 15.

På fig. 3 vises det i nærmere detalj hvordan bladets 2 overflate ifølge denne utførelsesform er krummet. En tenkt linje L mellom forkanten 5 og et rett motsatt dreieakselen 8 beliggende punkt P på bladet 2 danner ca. 20° vinkel p med rotasjonsakselen 3. Deretter fortsetter bladets krumning, slik at en tenkt linje mellom bladets forkant 5 og dets bakkant 6 danner ca. 45° vinkel a med rotasjonsakselen. Ved forkanten 5 danner bladet en vinkel cp med strømningsretningen A og rotasjonsakselen 3, hvilken vinkel <p ligger i området mellom 0° og 10°, mens bladet 2 ved bakkanten 6 danner en vinkel 5 med strømningsretningen A og rotasjonsakselen 3, hvilken vinkel 8 ligger i området mellom 80° og 100°.

Rotorens funksjon vil i det følgende bli beskrevet med utgangspunkt i at rotoren anvendes til utvinning av energi fra et forbistrømmende fluid, eksempelvis luft. I tilfelle det funksjonen er den omvendte, dvs. når rotoren omdanner rotasjonsenergi til en fluidstrøm, må den nedenstående beskrivelse tilpasses dette. Dette volder ikke noe problem for en fagmann.

Når det strømmende fluidet treffer bladenes 2 forkanter 5, følger strømmen bladenes krumning og bøyes dermed av. Denne avbøyning, som er en akselerasjon i sideretning, gir opphav til en sentrifugalkraft som påvirker bladene 2 i en i forhold til rotasjonsakselen 3 omkretsretning, slik at det oppstår et dreiemoment Ml. Bladene 2 er slik anordnet ved rotoren at disse dreiemomentene samvirker, og således driver rotoren 1 rundt og driver utstyr som eventuelt er tilkoblet denne for utvinning av energi.

Ettersom dreieakselen 8 befinner seg på bladets 2 leside, er videre bladets lovartside, altså den side som vender i retning mot fluidstrømmen, helt jevn, hvilket fremmer den jevne strømningen.

Når strømmen passerer bladets 2 bakkant 6 har strømningsretningen blitt forandret til å være rettet ut fra rotasjonsakselen 3 istedenfor å være parallell med rotasjonsakselen. I det viste eksempelet er strømningsretningen ved bladets 2 bakkant hovedsakelig vinkelrett ut fra rotasjonsakselen, og ligger altså i et normalplan til rotasjonsakselen 3.

På grunn av bladets jevne krumning minker ikke strømmens strømningshastighet, idet den tvert imot øker, ettersom alt fluid som strømmer inn mot bladets mottaksareal som utgjøres av en planprojeksjon 19 av bladet på tvers av strømningsretningen, bringes til å passere bakkanten 6 (se fig. 1). Det er således viktig å tilpasse bladets krumning korrekt, slik at det oppnås passende forhold mellom bladets mottaksareal, dets krumning og dets lengde. Bladets krumning sammen med dets lengde avgjør vinkelen a.

Fluidet bringes altså til å passere bakkanten 6 med en hastighet som overstiger den opprinnelige strømningshastigheten. Dette skaper en ejektorvirkning, slik at fluid ved lesiden trekkes med av fluidstrømmen B som strømmer forbi bakkanten 6. Denne ejektorvirkningen skaper et visst undertrykk på bladets 2 leside, hvilket ytterligere forsterker rotorens dreiemoment Ml.

På grunn av at hovedsakelig alt fluid som strømmer i retning langs rotorakselen 3 bøyes av og isteden bringes til å strømme ut fra rotasjonsakselen, dannes det nedstrøms rotoren et forholdsvis strømningsfritt område, dvs. et «kjølvann» eller en dødsone 20.1 denne dødsonen 20 kan det med en godt avpasset utforming av bladene 2 hovedsakelig råde stillhet. Det dannes dermed en fluidstrøm C inn mot dødsonen, som vist på fig. 1.

Foruten omkretskraften Fj, som gir opphav til momentet Mi, påvirkes hvert blad av en kraft F2, som forårsaker et moment M2. Dette momentet forsøker å dreie bladet om dreieakselen 8. Denne dreiebevegelsen hindres av staget 16, som via lenkarmen 17 holdes fastholdt av løpeelementet 15. Ved tilstrekkelig høy strømningshastighet blir momentet M2 imidlertid så stort at løpeelementet forskyves langs stangen 14 mot virkning av skruefjæren 13.

Den vridning som bladet herved utfører fører til en reduksjon av avbøyningen av fluidstrømmen, ettersom bladets mottaksareal minker. Dessuten kan nå en viss strøm strømme mellom bladenes forkanter, nær rotasjonsakselen 3, inn på bladets leside, hvilket ødelegger det undertrykk som tidligere rådet der. Til sammen fører dette til at momentene Mi og M2 minker. Dreiingen av bladet 2 blir dermed selvregulerende, slik at vinkelen a antar en slik verdi at momentet M2 oppveier skruefjærens 13 fjærvirkning. Et passende valg av fjærelement gir altså en ønsket regulering av rotorens dreiemoment Mi.

Rotoren ifølge oppfinnelsen bringer hele strømmen til å bøye av i et normalplan til rotasjonsakselen, i tangensial retning. Ettersom hvert rotorblads forkant rager hovedsakelig radialt ut fra rotasjonsakselen, dannes det dermed strømningsmønstre som vist på fig. 4a-c, hvor det er vist skjematisk forskjellige rotorkonfigurasjoner ifølge oppfinnelsen. Hvert rotorblads utbredelse mot strømmen betegnes 25a-c, og strømmens retningspiler betegnes 26a-c.

Fig. 4a viser en utforming med to rotorblad 25a. Den strøm 26a som følger disse rotorblad forlater rotoren i motsatt retning i et normalplan i forhold til rotasjonsakselen. På fig. 4b er det vist tre rotorblad 25b, med strøm 26b som forlater rotoren i tre forskjellige retninger, med innbyrdes vinkel på 120°. Til slutt tilsvarer fig. 4c den ovenfor beskrevne rotor, med fire rotorblad 25c. Strømmen 26c forlater her rotoren i fire forskjellige retninger.

Det skal bemerkes at strømmen på fig. 4a-c er momentanrepfesentasjoner. Under drift varierer selvsagt strømningsretningene 26a-c med rotorens rotasjon, hvilket resulterer i en i prinsippet kontinuerlig strøm ut fra rotasjonsakselen i alle retninger.

Det innses at en rekke varianter av den ovenstående utførelsesform er mulig innen rammen av de etterfølgende patentkrav. Den oppfinneriske idé omfatter dog samtlige rotorer, som med enkeltkrumme blad danner en slik avbøyning av en fluidstrøm som beskrives i den foreliggende søknad.

Et eksempel på en alternativ og foretrukket utførelse av et rotorblad ifølge oppfinnelsen vises på fig. 5, der dekkelementer 27 i form av plater er anordnet ved rotorbladets sider, slik at det dannes en øselignende konstruksjon 28. Disse dekkelementer tvinger en enda større del av det strømmende fluidet til å passere bladets bakkant, og høyner dermed rotorens virkningsgrad med ca. 20 % eller mer. I det viste eksempelet strekker selve rotorbladet seg et stykke forbi dekkplatene 27, men dette skal ikke anses som et begrensende særtrekk.

Claims (7)

1. Rotor ment til å rotere i et fluid som strømmer i en strømningsretning (A), omfattende minst to og maksimalt fire om en rotasjonsaksel (3) roterbare blad (2), karakterisert ved at hvert blad (2) utgjøres av en enkeltkrum flate, med en generatrise som ligger i et normalplan i forhold til rotasjonsakselen, hvor bladet (2) har en mot strømningsretningen (A) vendt forkant (5), som strekker seg hovedsakelig radialt ut fra rotasjonsakselen (3) og som ligger i et plan som danner en inngangsvinkel (cp) i området området mellom 0° og 10° med rotasjonsakselen (3), og en nedstrøms forkanten (5) beliggende bakkant (6), som ligger i et plan som danner en utgangsvinkel (8) i området mellom 80 og 100° med rotasjonsakselen (3), slik at et tenkt plan (7) som forbinder nevnte for- og bakkant danner en spiss vinkel (a) med rotasjonsakselen (3), og av at hvert blad er dreibart om en dreieaksel (8) for regulering av vinkelen (a), hvilken aksel (8) ligger i et normalplan i forhold til rotasjonsakselen (3) og er parallellforskjøvet en avstand (d) i forhold til en tenkt radius (9) ut fra rotasjonsakselen (3).

2. Rotor ifølge krav 1, karakterisert ved at vinkelen (a) ligger i området 30°-50°, fortrinnsvis ca. 45°.

3. Rotor ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at bladene (2) er fjærbelastet dreibare om dreieakselen (8), for automatisk tilpassing av vinkelen (a) til strømningshastigheten.

4. Rotor ifølge et av de foregående krav, karakterisert ved at den omfatter fire blad (2).

5. Rotor ifølge et av de foregående krav, karakterisert ved at hvert blad (2) utgjøres av en hovedsakelig rektangulær flate.

6. Rotor ifølge et av de foregående krav, karakterisert ved at rotoren anvendes ved utvinning av vindkraft.

7. Rotor ifølge et av de foregående krav, karakterisert ved at rotoren anvendes ved utvinning av vannkraft.