NO323150B1 - Integrert vannturbin og generator uten nav - Google Patents

Abstract

Det omtales en turbingenerator for å generere elektdsk kraft fra gjennomstrømmende vann, omfattende en rørformig stator (12) med innstøpte, vanntette elektriske magnetviklinger (22), en rørformig rotor (10) uten nav som er opplagret roterbart i statoren (12) og endeflenser (14a,14b) for opplagring av rotoren (10) i statoren (12), hvor rotoren (10) danner turbinrøret og innbefatter en gjennomløpende, indre åpning (38), samt skovler (16) som rager inn mot senter av nevnte åpning, innrettet til å drives av det gjennomstrømmende vannet. Rotoren (10) omfatter innstøpte, vanntette permanentmagneter (24), innrettet til å samvirke med magnetviklingene (22) i statoren (12) for å generere elektrisk kraft, og at rotoren (10) er opplagret ved hjelp av et sidelager (26) i hver ende samt minst et topplager (32) mellom statoren (12) og rotoren (10), innrettet til å oppta både radial- og aksialkrefter og til å hindre at stator (12) og rotor (10) kommer i kontakt med hverandre.

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en turbingenerator for å generere elektrisk kraft fra gjennomstrømmende vann, omfattende en rørformig stator med innstøpte, vanntette elektriske magnetviklinger, en rørformig rotor uten nav som er opplagret roterbart i statoren, samt minst et topplager og endeflenser for opplagring av rotoren i statoren, hvor rotoren danner turbinrøret og innbefatter en gjennomløpende, indre åpning, og skovler som rager inn mot senter av nevnte åpning, innrettet til å drives av det gjennomstrømmende vannet,

Oppfinnelse er i hovedsak utviklet for, men ikke begrenset til, å utnytte langsomt flytende vannstrømmer, så som i elver og fjorder med tidevannstrømmer, samt utløp fra dammer og kraftverk hvor fallhøyden er for lav til benytte konvensjonelle turbiner.

Fra kjent teknikk skal blant annet US 4123666 omtales, hvor dokumentet omhandler en vannturbin hvor turbinhjulet er opplagret i et rør, og med skovler festet til et nav i senter og ytterst til en ring som roterer sammen med resten av turbinhjulet. Videre er det til ringen festet rotordelen av en elektrisk generator. US 2652505 omhandler en fremdriftsanordning for skip, med skovler som rager ut fra en ring og inn mot midten av røret, og funger som en pumpe. Fra JP 9177652, US 6648589, US 6729840 og US 5592816 er det også kjent med en vannturbin hvor rotoren ha skovler som er festet i periferien og som rager inn mot sentrum av røret. Rotorene har ikke nav. Kraftoverføring er mekanisk ved at rotoren driver et drivhjul som igjen driver en aksling til en generator. Fra EP 0977343 A1 er det kjent å utforme rotorpolene i en turbingenerator i form av permanentmagneter, men turbingeneratoren i nevnte dokument er aksialopplagret.

Av de fremtrukne dokumenter er det US 2652505 som anses som det nærmestliggende mothold. Det som særlig skiller de to systemene er at foreliggende turbingenerator består av kun fire hovedkomponenter, nemlig stator, rotor, lagre og flenser, mens løsningen omtalt i US 2652505 består av svært mange deler, der noen av delene er svært sårbare for vanninntrengning på grunn av nødvendig tetning mellom den roterende delen og stator (børster/sleperinger). I tillegg er lagrene oljesmurte og kun på periferien mellom rotor og stator. Foreliggende oppfinnelse anvender et annet elektrisk prinsipp, nemlig permanentmagnetgenerator. Dermed faller behovet bort for elektrisk børsteoverføring mellom rotor og stator, idet permanentmagnetene plasseres i den roterende delen. Dette medfører også at det ikke er behov for vanntett eller trykktett kapsling mellom rotor og stator. Regulering av spenning, frekvens og last, osv. i foreliggende løsning skjer ved hjelp av nyutviklet kraftelektronikk.

Videre er det i foreliggende oppfinnelse utviklet et prinsipp med å støpe inn hjelpeviklinger i rotoren for å kunne oppmagnetisere permanentmagnetene hvis magnetismen av ulike årsaker forsvinner. Isolerte kontaktpunkter kan åpnes i enden av rotoren for oppmagnetisering uten å demontere rotoren, slik man må gjøre i dag. Dette vil lette drift og vedlikehold. Opplagringen av den roterende delen er annerledes, idet foreliggende løsning kan benytte kulelagre i hver ende i tillegg til avstandsruller mellom rotor og stator. Dette er nødvendig for å oppta de store radiale og aksiale kreftene. Videre kan lagrene være vannsmurte.

Selve turbingeneratoren i følge oppfinnelsen består som nevnt i hovedsak av kun fire hoveddeler: Stator, rotor med skovler, og to endeflenser. Generatorens rotor er fortrinnsvis formet som et rør. I rørets (rotorens) vegger er det plassert permanentmagneter. Turbinskovlene (eller vingene) festes foretrukket til rørets indre vegger, og møtes ikke i sentrum. Statorens viklinger kan være vanntett forseglet. Det samme kan permanentmagnetene i rotoren være. Den elektriske kabeltilkoblingen kan også være utformet vanntett.

Denne kombinasjonen av turbin og permanentmagnetgenerator uten nav i en sammenbygget vanntett enhet, er ikke tidligere kjent, og fordelene er enkel og robust konstruksjon med få deler. Ingen mekaniske overføringer i form av girutveksling og aksling som gir lavt mekanisk tap. Størrelser opp til 500 KW eller mer, vil være mulig med foreliggende teknologi.

Formålet med turbingeneratoren i følge oppfinnelsen er å omforme den kinetiske energien i langsomt flytende vannstrømmer, som elver og tidevannstrømmer, til elektrisk energi på en kosteffektiv måte uten å bygge dammer og rørgater. Med foreliggende teknologi utnyttes fornybare energikilder uten naturinngrep, og med enheter som enkelt kan demonteres og fjernes uten å etterlate seg skjemmende spor.

Turbingeneratoren i følge oppfinnelsen kan ha mange anvendelsesområder. Enhetene kan enten monteres på rammeverk plassert på elvebunnen eller fjordbunnen, eller opphenges under pongtonger som blir ankret i strømmen.

Et annet alternativ kan være å feste enheten til uteliggere på elvebredden, eller festet/integrert i brokar som står i strømmen.

Ved disse ovenfor nevnte bruksområdene kan det for eksempel monteres en vannoppsamlingstrakt for å lede mest mulig av vannstrømmen inn i turbinen

Et annet anvendelsesområde for turbingeneratoren kan være å flense enheten på utløpsrør fra dam, eller utløpsrenne fra eksisterende kraftstasjoner hvor fallhøyden er lav. I disse tilfellene kan turbingeneratoren flenses under et sneglehusformet innløp som setter vannet i sirkulasjon før det strømmer inn på turbinen. Med denne metoden oppnås bedre gjennomstrømming og lavere kavitasjon og dermed forbedret total virkningsgrad.

De overnevnte formål oppnås med en turbingenerator som omtalt i inn-ledningen, og som kjennetegnet ved karakteristikken i det selvstendige krav 1, ved at rotoren omfatter innstøpte, vanntette permanentmagneter, innrettet til å samvirke med magnetviklingene i statoren for å generere elektrisk kraft, og at rotoren er opplagret ved hjelp av minst et sidelager i hver ende samt nevnte topplager mellom statoren og rotoren, innrettet til å oppta både radial- og aksialkrefter og til å hindre at stator og rotor kommer i kontakt med hverandre.

Alternative foretrukne utførelser er kjennetegnet ved de uselvstendige kravene 2-9. Rotorens sidelager, fortrinnsvis på hver sideflate, omfatter en på sideflaten sirkulært anordnet kulerlagerbanehalvdel og hver endeflens omfatter en samsvarende kulerlagerbanehalvdel, som sammen danner en kulelagerbane og som er innrettet for mottak av et antall lagerkuler, slik at rotoren er opplagret i en bestemt avstand fra endeflensene, avhengig av lagerkulenes diameter. Topplageret er anordnet innvendig i statoren og omfatter fortrinnsvis et antall rullelagre, tilstøtende begge sider av statorens innvendige boring, innrettet for å rulle mot rotorens ytterflate og for å holde rotoren i en bestemt avstand fra statoren.

Vannturbinen i følge oppfinnelsen kan omfatte et kraftelektronisk reguleringssystem for regulering av spenning, frekvens, last, etc, til nettet, og hvor systemet omfatter minst en av en aktiv likeretter, reaktiv effektkompensator, nettstabilisator, aktivt filter og/eller heldigital styreelektronikk.

Videre kan rotoren omfatte innstøpte hjelpviklinger, innrettet til å oppmagnetisere permanentmagnetene dersom magnetismen forsvinner. For oppmagnetisering kan det være anordnet isolerte kontaktpunkter til enden av rotoren, hvor kontaktpunktene er innrettet til å åpnes.

Foretrukket er det til minst en av statorens sider anordnet en innløpskanal i form av en ledetrakt, hvor ledetrakten innvendig kan være spiralformet. Innløpsvinkel i ledetrakten kan i en utførelse foretrukket være mellom 5° og 20°, mer foretrukket mellom 10° og 15°, og mest foretrukket omtrent 11°.

Oppfinnelsen skal nå beskrives nærmere med henvisning til de vedlagte tegninger, hvori: Figur 1 viser i perspektiv en permanentmagnetgenerator i følge oppfinnelsen.

Figur 2 viser eksplodert permanentmagnetgeneratoren vist i figur 1.

Figur 3 viser en generell oppstilling av et generatorsystem i følge oppfinnelsén, sett fra siden. Figur 4 viser et delvis snitt av permanentmagnetgeneratoren i følge oppfinnelsen. Figur 5 viser et delvis snitt av permanentmagnetgeneratoren i følge oppfinnelsen, i aksial retning. Figur 6 og 7 viser delsnitt av hjelpeviklinger i permanentmagnetgeneratorens rotor. Figur 8 og 9 viser et eksempel på en innløpstrakt til bruk ved en generator i følge oppfinnelsen. Figurene 10 til 18 viser ulike anvendelsesområder for et generatorsystem i følge oppfinnelsen.

Som figurene viser omfatter foreliggende oppfinnelse en permanentmagnetgenerator med en rørformig stator 12 innbefattende innstøpte, vanntette elektriske magnetviklinger 22, en rørformig rotor 10 uten nav som er opplagret roterbart i statoren 12 og endeflenser 14a, 14b for opplagring av rotoren 10 i statoren 12, hvor rotoren 10 danner turbinrøret og innbefatter en gjennom-løpende, indre åpning 38, samt skovler 16 som rager inn mot senter av nevnte åpning, innrettet til å drives av det gjennomstrømmende vannet. Rotoren 10 er følgelig plassert omdreibart i statoren 12 og innvendig i rotoren 10 er et antall rotorblader 16 eller skovler anordnet med innbyrdes avstand. Rotorbladene 16 rager inn mot sentrum av rotorens innvendige boring, fortrinnsvis uten at rotorbladene støter mot hverandre. Det blir således en åpning i sentrum som gir bedre vanngjennomstrømming og mindre kavitasjon. Rotoren 10 kan derved på grunn av bladene 16 drives for å omforme den kinetiske energien i langsomt flytende vannstrømmer, så som i elver og fjorder med tidevannstrømmer, eller utløp fra dammer og kraftverk hvor fallhøyden er for lav til benytte konvensjonelle turbiner, til elektrisk kraft som kan gjøres tilgjengelig for kraftselskap og/eller privatpersoner. Det skal bemerkes at oppfinnelsen også kan benyttes ved hurtigflytende strømmer, men den må da tilpasses til bruksområdet.

Statoren 12, eller mer presist statorhuset, omfatter fortrinnsvis vanntette, elektriske tilkoblingspunkter 20 og inngår i et kraftelektronisk reguleringssystem 18 for regulering av spenning, frekvens, last, etc, til nettet, hvor systemet omfatter minst en av en aktiv likeretter, reaktiv effektkompensator, nettstabilisator, aktivt filter og/eller heldigital styreelektronikk.

For å generere elektrisk kraft omfatter statoren 12 de innstøpte nevnte feltviklinger 22, mens rotoren 10 omfatter innstøpte permanentmagneter 24. Når rotoren 10 omdreies på grunn av vannets påvirkning på rotorbladene 16, genereres den elektriske kraften på grunn av feltene som oppstår mellom viklingene 22 og magnetene 24. Bruk av permanentmagneter er tidligere kjent og vil derfor ikke beskrives nærmere idet en fagmann vil ha kunnskap om denne teknologien.

For at rotoren 10 hele tiden skal være korrekt anordnet og opplagret i statoren 12 er det frembrakt minst et sidelager 26 med en kulelagerbane 28 mellom rotoren og endeflensen(e). Kulelagerbanen 28 er oppdelt i to halvdeler 28a,28b, av lik eller ulik radius, hvor en halvdel 28a er anbrakt sirkulært innvendig på endeflensene 14a og 14b, mens den andre halvdelen 28b er motsvarende anbrakt utvendig på rotorens 10 sideflate. Fortrinnsvis er det frembrakt en kulelagerbane 28 på hver side, men det skal ikke utelukkes at det kan benyttes en eller flere enn det som er vist på tegningene. I kulelager-banene 28 er det videre anbrakt et antall lagerkuler 30. Tilsvarende er det frembrakt minst et topplager 32 mellom rotoren og statoren, hvor topplageret 32 er anordnet innvendig i statorens 12 boring og omfatter et antall rullelagre 34, som for eksempel er opplagret på en aksling 36. Det er foretrukket anordnet et topplager 32 tilstøtende begge sider av statorens innvendige boring, og som er innrettet for å rulle mot rotorens 10 ytterflate og for å holde rotoren 10 i en bestemt avstand fra statoren 12. Nevnte sidelagre og topplagre kan være vannsmurte.

Figurene 6 og 7 viser en prinsippskisse av rotoren 10 med permanentmagnetene 24 anordnet i rotorens periferi, og med et antall hjelpeviklinger 40 anordnet mellom magnetene for oppmagnetisering ved behov. Disse hjelpeviklingene 40 kan benyttes for ettermagnetisering ved bortfall av remanentfelt i generatoren. Videre er det frembrakt kontaktpunkter 42, som fortrinnsvis er forseglet, og hvor det er tilkomst fra en eller begge sider av rotorens ender for tilkobling av hjelpespenning. De isolerte kontaktpunktene 42 kan åpnes i enden av rotoren for oppmagnetisering uten å demontere rotoren, slik det må gjøres i dag. Dette vil følgelig lette drift og vedlikehold.

For å øke virkningsgraden i turbingeneratoren kan det anordnes en innløpstrakt 50 eller tilførselsrør i innstrømsretningen til vannet. Trakten 50 er utformet med tanke på å oppnå best mulig vanngjennomstrømning med minst mulig kavitasjon, og trakten er derfor fortrinnsvis innvendig spiralformet. Spiralformen kan om ønskelig utelattes. Innløpsvinkel i ledetrakten 50 kan foretrukket være mellom 5° og 20°, mer foretrukket mellom 10° og 15°, og mest foretrukket omtrent 11°.

Ved å forme innløpstrakten 50 som en trakt med profiler/ledeskinner 52 i spiralform oppnås to ting: Fange mest mulig vann og øke hastigheten på vannstrømmen, og å sette vannstrømmen i rotasjon før vannet treffer turbinbladene. Forsøk har vist opp til 25% forbedret vanngjennomstrømning ved enkle innretninger. Utformingen av ledeskinnene må tilpasses for optimalisering i hvert enkelt tilfelle, ut fra strømningstekniske beregninger.

Kraftproduksjonen fra integrerte turbin/generatorer basert på permanentmagnetgenerator ifølge oppfinnelsen, må harmoniseres med nettet før innfasing. Tradisjonelt gjøres slik harmonisering delvis mekanisk ved endring av vannstrømmen, og delvis elektrisk ved bruk av kraftelektronikk.

Mye utbredt er AC/DC-omformere, synkronisert mot AC-nett, alternativt mot for eksempel vindmøllegeneratorer. Utfordringene som oppstår når kraftelektroniske omformere kobles til nettet har å gjøre med omformerdimensjoneringen. Det er spesielt ved "svake" nett at problemene er størst. De forhold som volder problemer er resonans og stabilitet, spenningskvalitet, effektstyring og opp-førsel ved feil (komponentbegrensninger).

Det har skjedd en stor utvikling på kraftelektroniske omformere de senere årene. En moderne kraftelektronisk omformer for benyttelse i permanentmagnetgeneratoren kan bestå av: Aktiv likeretter (trekker aktiv effekt. Denne kan konfigureres til å trekke sinusformede strømmer. Effekten kan også kjøres i begge retninger og endres momentant). Reaktiv effektkompensator. Nettstabilisator. Aktivt filter ("reparerer spenningskurveformene" ved å injisere strømovertoner, dvs. kan også gå som elektronisk styrt resitiv last). Heldigital styreelektronikk.

Krafthalvledere er under stadig utvikling, hvor ytelsene vokser og robusthet, pålitelighet og svitsjeegenskapene øker. Styringen er blitt enklere og produksjonskostnadene faller. Også interaksjon mellom komponentene forbedres stadig. Det kraftelektronisk reguleringssystem kan følgelig utgjøres av kjente løsninger, eller løsninger som utvikles i fremtiden.

Figurene 10 til 18 viser implementering av oppfinnelsen i ulike miljøer. Figur 10 og 11 viser prinsippskisser for minikraftverk som nytter utslippsvannet fra en eksisterende kraftstasjon. Innløpstrakten kan i disse tilfellene være montert rettvendt eller tverrstilt til turbingeneratorens innløp. Figur 12 viser en variant for tilslutning til dam, sluse, utløp drikkevannskilde, etc. Figur 13 viser et eksempel på montering av generatoren i forbindelse med brokar i elver og tidevanns-strømmer, hvor generatoren er plassert til side for brokaret. Imidlertid kan også generatoren være integrert i brokaret. Figurene 14 og 15 viser eksempler på plassering ved en elvebredd, henholdsvis hengende eller bunnmontert. Figur 16 viser generatorsystemet opphengt under en lekter. Videre viser figurene 17 og 18 generatorsystemet opphengt i pongtonger eller bøyer, hvor systemet således er overseilbart for båter og skip.

Claims (9)

1. Turbingenerator for å generere elektrisk kraft fra gjennomstrømmende vann, omfattende en rørformig stator (12) med innstøpte, vanntette elektriske magnetviklinger (22), en rørformig rotor (10) uten nav som er opplagret roterbart i statoren (12), samt minst et topplager (32) og endeflenser (14a, 14b) for opplagring av rotoren (10) i statoren (12), hvor rotoren (10) danner turbinrøret og innbefatter en gjennomløpende, indre åpning (38), og skovler (16) som rager inn mot senter av nevnte åpning, innrettet til å drives av det gjennomstrømmende vannet, karakterisert ved at rotoren (10) omfatter innstøpte, vanntette permanentmagneter (24), innrettet til å samvirke med magnetviklingene (22) i statoren (12) for å generere elektrisk kraft, og at rotoren (10) er opplagret ved hjelp av minst et sidelager (26) i hver ende samt nevnte topplager (32) mellom statoren (12) og rotoren (10), innrettet til å oppta både radial- og aksialkrefter og til å hindre at stator (12) og rotor (10) kommer i kontakt med hverandre.

2. Turbingenerator i samsvar med krav 1, karakterisert ved at nevnte sidelager (26) omfatter en på rotorens (10) sideflater sirkulært anordnet kulerlagerbanehalvdel (28b) og en på hver endeflens (14a, 14b) samsvarende kulerlagerbanehalvdel (28a), hvor halvdelene (28a,28b) danner en kulelagerbane (28) som er innrettet for mottak av et antall lagerkuler (30), hvorved rotoren (10) er omdreibart opplagret i en bestemt avstand fra endeflensene (14a, 14b), avhengig av lagerkulenes (30) diameter.

3. Turbingenerator i samsvar med krav 1og2, karakterisert ved at topplageret (32) er anordnet innvendig i statorens (12) boring og omfatter et antall rullelagre (34), tilstøtende begge sider av statorens innvendige boring, innrettet for å rulle mot rotorens (10) ytterflate og for å holde rotoren (10) i en bestemt avstand fra statoren (12).

4. Turbingenerator i samsvar med krav 3, karakterisert ved at vannturbinen omfatter et kraftelektronisk reguleringssystem (18) for regulering av spenning, frekvens, last, etc, til nettet, og hvor systemet omfatter minst en av en aktiv likeretter, reaktiv effektkompensator, nettstabilisator, aktivt filter og/eller heldigital styreelektronikk.

5. Turbingenerator i samsvar med krav 3 eller 4, karakterisert v e d at rotoren (10) omfatter innstøpte hjelpviklinger (40), innrettet til å oppmagnetisere permanentmagnetene (24) dersom magnetismen forsvinner.

6. Turbingenerator i samsvar med krav 5, karakterisert ved at det for oppmagnetisering er anordnet isolerte kontaktpunkter (42) til enden av rotoren (10), hvor kontaktpunktene (42) er innrettet til å åpnes.

7. Turbingenerator i samsvar med et av de foregående krav, karakterisert ved at det til minst en av statorens (12) sider er anordnet en innløpskanal i form av en ledetrakt (50).

8. Turbingenerator i samsvar med krav 7, karakterisert ved at ledetrakten (50) innvendig er spiralformet.

9. Turbingenerator i samsvar med krav 7 eller 8, karakterisert v e d at innløpsvinkel i ledetrakten (50) foretrukket er mellom 5° og 20°, mer foretrukket mellom 10° og 15°, og mest foretrukket omtrent 11°.