NO328590B1

NO328590B1 - Innretning for regulering av turbinbladstigning

Info

Publication number: NO328590B1
Application number: NO20083014A
Authority: NO
Inventors: Svein Dag Henriksen
Original assignee: Hydra Tidal Energy Technology
Priority date: 2008-07-03
Filing date: 2008-07-03
Publication date: 2010-03-29
Also published as: DK2315933T3; CL2010001650A1; EP2315933B1; RU2011103735A; US20110206516A1; CN102084121A; KR20110038098A; AR072682A1; WO2010002264A3; EP2315933A2; JP5379851B2; WO2010002264A2; CA2729627A1; PT2315933E; NO20083014L; JP2011526978A

Abstract

En innretning for regulering av en turbinbladstigning innbefatter en turbinbladspindel (14) for forbindelse med turbinbladet og dreibart forbundet med et bæreelement (28). En aktuator (32) er forbundet med spindelen (14) og via et aktiveringselement (3 8) med bæreelementet (28). Aktuatoren (32) kan brukes for dreiebevegelse av spindelen (14) om en spindellengdeakse og på den måten tilveiebringe en turbinstigningsregulering. Fordelaktig innbefatter bæreelementet (28) en tannbue (28) som via tannhjul er forbundet med en stigningsreguleringsdrivenhet (18). Oppfinnelsen representerer en hjelpe- og/eller nødstigningsreguleringsinnretning som eksempelvis egner seg for rask turbinbladvinkelinnstilling.

Description

Oppfinnelsen vedrører turbinsystemer med regulerbar bladstigning (pitch), og særlig en innretning for regulering av en turbinbladstigning. Mer særskilt vedrører oppfinnelsen tidevannturbiner og særlig et system for selektiv innstilling av stigningen til tidevannturbinblad.

Turbinbladsystemer med regulerbar bladstigning innbefatter typisk et antall turbinblad som er montert på et roterbart nav som er forbundet med en drivaksel. Hvert turbinblad strekker seg radielt ut fra navet langs bladets lengdeakse. For å muliggjøre en stigningsregulering er hvert blad montert på navet slik at det kan utføre en svingebevegelse om bladets lengdeakse. Navet innbefatter typisk et kammer hvor det er anordnet et stigningsendringsaktiveringssystem som er drivforbundet med turbinbladene. Aktiveringssystemet muliggjør en selektiv endring av bladstigningen for på den måten å kunne endre fluidmotstanden mot bladrotasjonen og derved kunne påvirke akselens rotasjonshastighet.

Når det dreier seg om et turbinsystem med regulerbar stigning for et kraftanlegg for generering av elektrisk energi fra havstrømmer (eksempelvis tidevannsstrømmer), blir turbinene rotert som følge av påvirkningen fra vannstrømmene, og denne rotasjonsbevegelsen overføres til anleggets generator via navet og drivakselen. Turbinbladstigningen reguleres ved å dreie bladene om deres lengdeakser for på den måten å muliggjøre at vannstrømturbinen oppnår maksimal virkningsgrad under varierende vannstrømforhold, så vel som for å bidra til en start av turbinen og, ved å vinkelstille bladene, hindre en overturtalldrift av turbinen under høye vannstrømhastigheter.

Anlegg for generering av energi fra strømmer i vann blir ofte plassert med generatorene neddykket i vann hvor det foreligger fremherskende strømmer, slik at tidevannsstrømmer hvor vannstrømretningen reverseres i visse intervaller, i takt med ebbe og flo. Turbinsystemer med regulerbar stigning for anlegg av denne typen blir ofte forsynt med stigningsreguleringssystemer som muliggjør en 180° rotasjon av hvert enkelt turbinblad om dets lengdeakse. Fra tid til annen oppstår det et behov for kantstilling av turbinbladene. Dette kan være ønskelig for å hindre overturtallsdrift eller i forbindelse med stenging av anlegget.

Hensikten med oppfinnelsen er å tilveiebringe en innretning for gjennomføring av en turbinbladkantstilling på en rask, forutsigbar og pålitelig måte.

Oppfinnelsen foreslår en slik innretning, idet det foreslås en innretning for regulering av en turbinbladstigning, karakterisert ved en turbinbladspindel for forbindelse med turbinbladet, hvilken spindel har en lengdeakse for innretting med turbinbladlengdeaksen og roterbart forbundet med et bæreelement, en aktuator forbundet med spindelen og via et aktiveringselement forbundet med bæreelementet, idet aktuatoren kan bringes til å rotere spindelen om en spindellengdeakse.

Aktiveringselementet kan fordelaktig betjenes mellom en tilbaketrukket tilstand og en forlenget (eller utkjørt) tilstand, idet bruken av aktuatoren medfører en rotasjon av spindelen om en spindellengdeakse. I en foretrukket utførelse innbefatter spindelen et forbindelseselement for forbindelse med aktuatoren.

Fordelaktig innbefatter forbindelseselementet et første svingeforbindelsesmiddel for forbindelse med aktuatoren, og bæreelementet innbefatter et andre svingeforbindelsesmiddel for forbindelse med aktuatoren.

I en foretrukket utførelse innbefatter bæreelementet en tannbue, som via et tannhjul og et konisk tannhjul er forbundet med en stigningsreguleringsdrivenhet.

I en foretrukket utførelse innbefatter aktuatoren en hydraulisk drevet aktuator eller en solenoidaktuator og/eller en aktuator som innbefatter én eller flere eksplosive ladninger eller fjærer. I en foretrukket utførelse kan aktuatoren være utformet for drift uavhengig av stigningsinnstillingsgiret. Aktuatoren kan også være utformet slik at den kan virke samtidig med stigningsreguleringsgiret.

Den nye innretningen egner seg særlig for bruk i en generator som er neddykket i en vannmasse for generering av elektrisitet fra strømmer som går forbi den neddykkede generatoren.

Disse og andre kjennetegn ved oppfinnelsen vil gå frem av den etterfølgende beskrivelse av en foretrukket utførelsesform og under henvisning til tegningen, hvor: Fig. 1 viser et snitt gjennom et turbinhus som representerer en foretrukket utførelse av oppfinnelsen, Fig. 2 er en prinsippskisse som viser den foretrukne utførelsen av oppfinnelsen,

Fig. 3 er et perspektivriss av en foretrukket utførelse av oppfinnelsen,

Fig. 4 er et perspektivriss av visse komponenter som inngår i en foretrukket utførelse av oppfinnelsen, vist i en første stilling, og Fig. 5 er et perspektivriss av komponentene i fig. 4, vist i en andre stilling. Fig. 1 viser en foretrukket utførelsesform av oppfinnelsen, inkorporert i et maskinhus eller hus 10. En drivaksel 12 er ved én ende forbundet med et turbinnav II og er ved den andre enden forbundet med en generator (ikke vist) for generering av elektrisitet fra vannstrømmer, så som tidevannstrømmer eller lignende. I den viste utførelsen innbefatter turbinnavet to turbinbladspindler 14. Til den respektive frie enden av spindlene er det vanligvis festet et turbinblad (ikke vist). For å lette oversikten er turbinbladene ikke vist i figurene, men fagpersoner vil forstå at turbinbladene kan være festet til den frie enden 8 av hver spindel 14 og på en slik måte at spindelens lengdeakse er innrettet med turbinbladets lengdeakse. Hver spindel 14 er i den beskrevne utførelsen opplagret ved hjelp av respektive ytre radiallagre 9 og et indre lager 7. Det indre lageret 7 kan være et kombinert trykk- og radiallager. I den beskrevne utførelsen er lagrene vannsmurte. Fig. 1 viser også stigningsreguleringsdrivenheten 18, som på konvensjonell måte (hydraulisk eller elektrisk betjent) driver turbinstigningsreguleringsgiret 16. Stigningsreguleringsgiret 16 er vist nærmere i fig. 3. Fig. 3 viser en stigningsreguleringsaksel 20 (som er forbundet med stigningsreguleringsdrivenheten 18, ikke vist i fig. 3), hvilken aksel 20 er forbundet med et gir som innbefatter et pinjongdrev 22 og et kronhjul 24 for hver turbinspindel 14 (bare en del av denne er vist i fig. 3). Hvert kronhjul 24 er forbundet med et respektivt tannhjul 26 hvis tenner har inngrep med korresponderende tenner 29 på en respektiv fortannet sirkelsegmentbue 28, heretter betegnet som en tannbue 28. Fagpersoner vil forstå at tannbuen 28 kan være i form av en fullstendig sirkulær skive uten at man derved går utenfor den inventive rammen. I den viste utførelsen har tannbuen 28 en delskiveform, med tenner 29 langs omkretsen og med to perforerte sidevegger som begrenser et innerrom 33. Fig 3 viser også hvordan hver turbinbladspindel 14 er roterbart forbundet med en respektiv tannbue 28. Turbinbladspindelen 14 kan dreie seg om sin lengdeakse i et egnet utformet bæreområde 31 av tannbuen 28. Spindelens indre ende 15 er forbundet med og bæres av de foran nevnte indre lagrene 7 på i og for seg kjent måte, og nærmere detaljer er derfor ikke vist her. Til spindelen 14 er det tilknyttet et forbindelseselement 36, som i den her viste utførelsen er i form av et element som er festet til spindelen 14 i nærheten av bæreområdet 31, plassert mellom deler av tannbuens to vegger. Forbindelseselementet 36 kan være tilknyttet spindelen 14 ved hjelp av skruer eller lignende festemidler, eller det kan være utformet i ett med spindelen 14. En aktuator 32 er svingbart forbundet med forbindelseselementet 36 og derved med spindelen 14. Aktuatoren 32 - som vil bli beskrevet nærmere nedenfor - innbefatter en aktuatorstang 38 (vist i en tilbaketrukket tilstand i fig. 3) hvis frie ende er forbundet med tannbuen 28 ved hjelp av en svingeforbindelse 34.

Spindelens dreiestilling - og således turbinstigningen - kan innstilles ved styrt aktivering av stigningsreguleringsdrivenheten 18, hvorved innstillingsakselen 20 dreies. Innstillingsakselens dreiebevegelse overføres via tannhjulene 22, 24 til de individuelle tannhjulene 26 og til den respektive tannbuen 28. Da tannbuen 28 er forbundet med spindelen 14 via aktuatoren 32 (og dets forbindelser 34, 35, 36), blir tannbuens rotasjonsbevegelse direkte overført til spindelen 14.1 denne tilstanden vil således tannbuen 28 og spindelen 14 virke som ett enkelt element, nettopp som følge av den faste forbindelsen som er etablert mellom tannbuen og spindelen ved hjelp av aktuatoren 32 og dens forbindelser 34, 35, 36.

Tannbuens 28 buelengde bestemmer den mulige dreiebevegelsen for den enkelte spindelen 14 om dens lengdeakse, og bestemmer således innstillings- eller reguleringsområdet for turbinbladstigningen. I den viste utførelsen muliggjør tannbuens 28 buelengde en dreiebevegelse på mer enn 180°. Et slikt dreieområde er nyttig slik at man eksempelvis kan ta hensyn til reverserende strømmer som eksempelvis kan oppstå i forbindelse med tidevannstrømmer.

En regulering av turbinbladstigningen når anlegget er i drift og turbinene er utsatt for store belastninger, krever at tennene 29 på tannbuen 28 er av et materiale med høy styrke. Dette er vist i fig. 3, 4 og 5, hvor bueavsnittene 30 i begge ender av tannbuen 28 er av høystyrkemateriale, så som Duplex eller lignende.

Aktuatoren 32 innbefatter i den viste utførelsen en aktuatorstang 38 som kan påvirkes mellom en tilbaketrukket tilstand (se fig. 4) og en utkjørt eller forlenget tilstand (se fig. 5). Aktuatoren 32 kan være hydraulisk drevet, idet da aktuatorstangen 38 kjøres ut og trekkes inn ved hjelp av en regulering av det hydrauliske trykket på i og for seg kjent måte. I en alternativ utførelse kan aktuatoren 32 være en solenoidaktuator, idet da en utkjøring og inntrekking av aktuatorstangen 38 oppnås ved hjelp av elektriske impulser. I tegningsfigurene er hydrauliske ledninger og styreledninger utelatt for å lette oversikten, og for øvrig dreier det seg her om i og for seg kjente detaljer.

Aktuatoren 32 tjener således som en ekstra stigningsreguleringsinnretning, fordi spindelen 14 (og derved et turbinblad som er tilknyttet spindelen) kan dreies om en spindellengdeakse ved hjelp av aktuatoren 32. En slik stigningsregulering ved hjelp av aktuatoren 32 kan gjennomføres uavhengig av den foran beskrevne stigningsreguleringen som oppnås ved hjelp av drivenheten 18, tannhjulene 22, 24 og tannbuen 28. Aktuatoren 32 kan således benyttes som en hjelpestigningsreguleringsinnretning.

Det stigningsreguleringsområdet som kan oppnås ved hjelp av aktuatoren 32 vil i den viste utførelsen være begrenset av visse dimensjonsparametere, så som aktuatorstangens 38 slaglengde, avstanden mellom turbinbladspindelsenteret og aktuatortilknytningspunktet 35, og avstanden mellom turbinbladspindelsenteret og tannbuetilknytningspunktet 34. Disse parameterne er angitt som henholdsvis "S", "a" og "b" i fig. 2.

Aktuatoren 32 kan således benyttes som et middel for fininnstilling av turbinstigningen, eksempelvis når tannbuen 28 er låst ved hjelp av tannhjulsarrangementet som er vist i fig. 3. De to stigningsreguleringsmidlene (dvs. det dreibare tannhjulet 28 og aktuatoren 32) kan således drives uavhengig av hverandre, men de to stigningsreguleringsmidlene kan også benyttes samtidig.

I én bruksmodus kan stigningen reguleres ved hjelp av drivenheten 18, tannhjulene 22, 24 og tannbuen 28, slik det er beskrevet foran og vist i fig. 3. Aktuatoren 32 er da fiksert i den tilbaketrukkede tilstanden, dvs. at aktuatorstangen 38 er trukket inn i aktuatorhuset, og dreiebevegelsen til stigningsreguleringsakselen 20 blir overført direkte til spindelen 14 via den fikserte aktuatoren 32, slik det er beskrevet over. I noen tilfeller vil det kunne være ønskelig eller nødvendig å kunne gjennomføre en stigningsregulering, eksempelvis for kantstilling av turbinbladene for i en vesentlig grad å kunne avlaste turbinbladene. Dette kan eksempelvis være tilfellet i et tidevannkraftanlegg når vannstrømhastigheten overstiger tillatte konstruksjonsparametere og/eller dersom stigningsreguleringsgiret 16 eller tilhørende komponenter svikter, slik at det derved vil foreligge et behov for en rask stillingsregulering. Slik stillingsregulering kan da oppnås ved å aktivere aktuatoren 32 og kjøre ut aktuatorstangen 38, slik at derved turbinbladspindelen 14 dreies tilstrekkelig om sin lengdeakse.

Fig. 4 viser aktuatoren 32 og aktuatorstangen 38 i tilbaketrukket tilstand, og fig. 5 viser aktuatorstangen 38 i utkjørt tilstand. Spindelens dreiebevegelse om lengdeaksen (og således en innstilling av turbinbladstigningen) som følge av aktiveringen av aktuatoren 32, er indikert med bokstaven "A" i fig. 4 og 5.

Med egnet dimensjonering av aktuatoren, herunder de foran nevnte parameterne i fig. 2, vil en slik aktivering av aktuatoren kunne medføre en kantstilling av turbinbladene. Aktuatorene kan videre være utformet slik at aktuatorstangen 38 kan beveges raskt. Aktuatoren kan således innbefatte en eksplosiv ladning og/eller fjærer, som de eneste aktiveringsmidlene, eller i kombinasjon med de hydrauliske eller elektriske aktiveringsmidlene som er beskrevet foran. Aktuatoren 32 kan således tjene som en kantstillingsinnretning og som en nødkantstillingsinnretning. Aktuatoren 32 representerer således en sikkerhetsinnretning som utgjør en backupfunksjon for stigningsreguleringsgiret 16.

Selv om oppfinnelsen foran er beskrevet i forbindelse med en utførelse med to turbinbladspindler 14, vil fagpersoner forstå at oppfinnelsen også innbefatter andre antall og anordninger av turbinbladspindler.

Claims

1. Innretning for regulering av en turbinbladstigning, omfattende stigningsjusteringsmidler (18, 22, 24, 26) roterbart tilknyttet et rotasjonselement (28) for en turbinbladspindel (14), der spindelen (14) er tilpasset for forbindelse med turbinbladet og har en lengdeakse for innretting med turbinbladets lengdeakse, karakterisert ved at spindelen (14) er roterbart forbundet med rotasjonselementet (28), ved en aktuator (32) som er forbundet med spindelen (14) og, via et aktiveringselement (38), forbundet med rotasjonselementet (28), og ved at aktuatoren (32) kan bringes til å rotere spindelen (14) om en spindellengdeakse, hvorved turbinbladstigningen kan justeres ved bruk av aktuatoren (32), uavhengig av bruken av stigningsjusteringsmidlene (18, 22, 24, 26).

2. Innretning ifølge krav 1, karakterisert ved at aktiveringselementet (38) kan drives mellom en tilbaketrukket tilstand og en utkjørt tilstand, idet bruken av aktuatoren (32) medfører en dreiebevegelse av spindelen (14) om en spindellengdeakse.

3. Innretning ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at spindelen (14) innbefatter et forbindelseselement (36) for forbindelse med aktuatoren (32).

4. Innretning ifølge krav 3, karakterisert ved at forbindelseselementet (36) innbefatter et første svingeforbindelsesmiddel (35) for forbindelse med aktuatoren (32).

5. Innretning ifølge et av kravene 1-4, karakterisert ved at rotasjonselementet (28) innbefatter et andre svingeforbindelsesmiddel (34) for forbindelse med aktuatoren (32).

6. Innretning ifølge et av kravene 1-5, karakterisert ved at rotasjonselementet (28) innbefatter en tannbue (28) som via et tannhjul (26) og et konisk tannhjul (22, 24) er forbundet med en stigningsreguleringsdrivenhet (18).

7. Innretning ifølge et av kravene 1-6, karakterisert ved at rotasjonselementet (28) omfatter to vegger adskilt med et innvendig rom (33), at et forbindelseselement (36) for å knytte aktuatoren (32) til spindelen (14) befinner seg mellom de to veggene, og at aktiviseringselement (38) strekker seg mellom de to veggene.

8. Innretning ifølge et av de foregående krav, karakterisert ved at aktuatoren (32) innbefatter en hydraulisk drevet aktuator eller en solenoidaktuator og/eller en aktuator som innbefatter én eller flere eksplosive ladninger eller fjærer.

9. Innretning ifølge et av de foregående krav, karakterisert ved at aktuatoren (32) er utformet til å kunne brukes samtidig med stigningsreguleringsgiret (16).

10. Bruk av en innretning som angitt i et av kravene 1-9 i en generator neddykket i en vannmasse, og for generering av elektrisitet fra strømmer som går forbi den neddykkede generatoren.