NO331419B1 - Turbin med rotor for anvendelse i vaeskestrom - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelsen vedrører generelt produksjon av energi fra strømmer i væske. Mer spesifikt vedrører oppfinnelsen en turbin, der turbinen er anordnet med venturielementer. Oppfinnelsen vedrører videre en rotor (som også kan benevnes en skrue) med bladelementer i en skrueliknende form der bladelementene er anordnet med valgbar bladvinkel om sin egen lengdeakse, der rotoren omfattes av en turbin ifølge oppfinnelsen.

Teknikkens område

Det er velkjent at væskestrømmer som f eks vannstrømmer utgjør stort energi-potensiale som i relativt liten grad er utnyttet. En spesielt aktuell form for væske-strøm er vannstrøm. Vannstrømmene kan eksempelvis forekomme i elver eller i havet der tidevannsstrømmer er av spesiell interesse. Av andre former for væske-strøm kan man for eksempel nevne avløpsvann eller olje. Væskestrømmene kan forekomme i ledende strukturer som f eks rør.

Effektiv utvinning av energi fra denne typen strømmer har imidlertid vist seg å by på mange utfordringer.

Kjent teknikk på området omfatter blant annet såkalte havmøller en vindmølle-liknende konstruksjon er anbrakt på havbunnen slik det er presentert i patentet N0327873 som omtales nærmere nedenfor. Slike havmøllers vinger sveiper typisk over et relativt stort areal. Dette medfører betydelig krefter som må tas opp av en stor og tung tårnkonstruksjon. Slike store konstruksjoner egner seg ikke til å utplasseres i grunne farvann; noe som kan være aktuelt blant annet for å fange opp lokale strømmer. Enkelte slike tårnkonstruksjoner rager til og med opp over havflaten, noe som kan være skjemmende og til hinder for skipstrafikk.

Generering av elektromotorisk kraft fra bevegelse av vann eller vind baserer seg i følge kjent teknikk på blader som, når de ses langs rotasjonsaksen, representerer en liten del av det arealet de sveiper over, og derfor må være lange for å maksimere overflatearealet og derved effektiviteten til den elektromotoriske kraftgenereringen. Derved kreves det dypt vann der disse skal plasseres.

Installasjon og oppankring av slike systemer er komplisert og kostnadskrevende grunnet kravene til dybde. Videre kreves høye strukturer med store fundamenter. For å generere elektrisk kraft i elver, er dagens muligheter begrensede. Av tradisjonelle løsninger, er peltonhjul blant de mest brukte.

Det norske patentet N0327873 gitt til FluCon AS presenterer en anordning med turbinmontasje for energiuttak fra strømmende vann hvor turbinmontasjen omfatter en rotorturbin med oppheng, oppdriftselement og bunnfeste. Videre omfatter turbinmontasjen nødvendige transmisjonselementer for overføring av energi til en kraftmaskin og minst to parallelle rotorturbiner som har motsatt stigning og som overlapper hverandre.

PCT-søknaden WO 2006/059094 A1 "Apparatus for the generation of power from a flowing fluid" inngitt av Malcolm Maclean Bowie, presenterer et apparat for generering av elektrisk eller mekanisk energi fra en flytende fluid. Nevnte apparat omfatter minst ett blad med i hovedsak helisk form der bladet består av et antall bladseksjoner. Fluidet får bladet til å rotere rundt sin akse, der denne rotasjons-bevegelsen brukes til å generere elektrisk eller mekanisk energi. Det presenteres også et helisk blad der pitchlengden og/eller radius varierer langs lengden av bladprofilen.

Oppsummering av oppfinnelsen

Overordnede formål ved oppfinnelsen er å redusere forurensning og å beskytte miljøet.

Et annet vesentlig formål ved oppfinnelsen er å tilveiebringe miljøvennlig energi.

Nok et formål ved oppfinnelsen er å gjøre det mulig å nyttiggjøre væskestrømmer bedre til energiproduksjon. Et videre formål er å utnytte lokale vannstrømmer og endringer i disse bedre. I denne sammenheng er det viktig å tilby plasserings-vennlige løsninger som derfor bør være relativt små. Dertil er det et formål å unngå å samtidig fange opp strømmer med forskjellige retninger; noe som utgjør et problem ved store bladkonstruksjoner.

Andre formål ved oppfinnelsen er å tilveiebringe løsninger som har lave kostnader både når det gjelder produksjon, utplassering og vedlikehold.

Videre er det et formål ved oppfinnelsen å effektivisere turbinløsninger generelt og vannturbinløsninger spesielt, og å optimalisere effektproduksjon i forhold til størrelsen på turbinen.

Et sentralt formål er å tilveiebringe en effektiv rotorbladløsning som optimalt kan utnytte den aktuelle strømmen. I denne sammenheng er det videre et formål at rotorbladet kan justeres avhengig nevnte strøm; der nevnte justering kan skje ved produksjon, installasjon og/eller operasjon. Et enda videre formål i denne sammenheng er å tilveiebringe muligheter for justering i sann tid som en funksjon av strømmen.

I sammenheng med optimalisering av energiproduksjon, er det også et formål å tilveiebringe effektive løsninger ved bruk av venturielementer.

Et mer spesifikt formål ved oppfinnelsen er å øke det totale bladarealet til en turbin uten i samme grad å øke størrelsen av turbinen.

Et sentralt, spesifikt formål er å tilveiebringe en løsning som tillater justering av et rotorformet rotorblad ved vridning av rotorens bladelementer; der nevnte vridning kan skje ved produksjon, installasjon og/eller operasjon.

Andre formål er å tilveiebringe løsninger som kan operere på grunne farvann fortrinnsvis uten å stikke over vannets overflate.

Et første aspekt ved oppfinnelsen er en turbin egnet til drives av en væskestrøm omfattende en rotor (70) egnet til å rotere drevet av nevnte væskestrøm, minst en generator (6) anordnet i mekanisk drivende forbindelse rotorens (70) aksling (4), slik at en rotasjon av rotoren (70) vil forårsake at generatoren (6) produserer elektrisk effekt. Turbinen omfatter videre ett eller flere kanaliserende elementer egnet til å lede deler av væskestrømmen, der de kanaliserende elementene innbefattet et sylindrisk rør (1) anordnet i hovedsak koaksialt med rotoren (70) og et første traktliknende element (2) som er egnet til å forbindes mekanisk tettende ved en første ende av røret (1) for at det traktliknende elementet (2) skal bidra til å gi en venturieffekt slik at vannstrømmens hastighet gjennom røret (1) øker med tilhørende forbedring av turbinens effekt; og den minst ene generatoren (6) er anordnet i et generatorhus (5), og der generatorhuset (5) er anordnet innen volumet definert av ett av traktelementene (2), og der generatorhuset (5) er utformet for gi en venturieffekt i samvirke med tilhørende traktelement (2).

De kanaliserende elementene kan videre omfatte et andre traktliknende element (2) som er egnet til å forbindes mekanisk tettende ved en andre ende av røret (1) slik at det andre traktliknende elementet også bidrar til å gi en venturieffekt.

En andre generator (6) kan være anordnet i et andre generatorhus (5), og der det andre generatorhuset (5) er anordnet innen volumet definert av ett av det andre traktelementet (2), og der det andre generatorhuset (5) er utformet for gi en venturieffekt i samvirke med tilhørende traktelement (2). Videre kan generatorhuset eller -husene (5) være utformet i hovedsak sirkulærsymmetrisk om sin langsgående senterlinje, og generatorhuset (5) kan typisk være anordnet slik at dets langsgående senterlinje i hovedsak faller i forlengelse av aksen til rotorens (70) aksling (4). Videre kan generatorhuset (5) med sin tilhørende trakt (2) være utformet slik at tverrsnittsarealet mellom disse er tilnærmet konstant.

En girboks (22) kan typisk være koplet mellom akslingen (4) og den minst ene generatoren (6), der girboksen (22) driver generatoren (6) med en høyere rotasjonshastighet enn akslingens (4) rotasjonshastighet. Videre kan akslingen, girboksen (22) og generatoren (6) være egnet til å tilveiebringe anordning av generatoren (6) slik at dens langsgående senterlinje i hovedsak faller i forlengelse av aksen til rotorens aksling (4).

Et annet sentral aspekt ved oppfinnelsen er at rotoren kan ha en i hovedsak helisk form, og der rotoren omfatter et antall bladelementer, en aksling (4) hvorpå bladelementene kan anordnes, hvert bladelement omfatter et blad (29) og et nav (34), der navet (34) er egnet til å monteres på nevnte aksling (4), hvert blad (29) er anordnet med valgbar bladvinkel om sin egen lengdeakse i forhold til tilhørende nav (34), der nevnte valgbare bladvinkel tilveiebringer mulighet for å bidra til å bestemme rotorens (70) form. Rotorens blader (29) kan typisk være anordnet med avstand når bladelementene er anordnet på akslingen (4) og der bladelementene er like.

Rotorens aksling (4) kan typisk ved sin ytre periferi og navet (34) ved periferi av et aksialt anordnet hull, være anordnet med samvirkende mekaniske elementer i form av splines for å bidra til å holde hvert bladelement i ønsket stilling som en del av rotoren (70), og der vinkelavstand mellom hver spline bestemmer vinkelen om akslingen (4) mellom nabobladelementer, som videre sammen med den aksiale lengden av navet (34), bestemmer rotorens (70) stigning.

Rotorens blader (29) kan være anordnet med en fast bladvinkel, der nevnte bladvinkel er valgbar ved at den velges før produksjon, men er fast etter produksjon.

Et sentral aspekt ved oppfinnelsen er at bladet (29) og navnet (34) til bladelementene kan omfatte samvirkende mekaniske elementer for å tilveiebringe dreining av bladet (29) om sin lengdeakse i forhold til navet (34), og at bladene (29) derved er dreibart anordnet slik at nevnte bladvinkel er valgbar. De samvirkende mekaniske elementene kan omfatte en gjennomgående trekkstang (31) anordnet i et hull gjennom navet (34) parallelt med dets akse, og et snekkedrevliknende element kan være anordnet i fast tilknytning til bladet (29), der trekkstangen (31) og snekkedrevet kan være anordnet slik at en langsgående bevegelse av trekkstangen (31) i hullet tilveiebringer en dreining av bladet (31) ved hjelp av snekkedrevet. Videre kan trekkstangen (31) og hullet i hvert bladelement, være slik utformet at trekkstangen (31) kan entre hull i nabobladelementene når bladelementene er montert på akslingen (4), og slik at dette også tillates når nabobladelementene er anordnet med vinkel i forhold til hverandre gitt av nevnte splines; slik at en trekkstang (31) i et bladelement vil kunne samvirke med en trekkstang (31) i et nabobladelement for å tilveiebringe samordnet dreining av flere blader (29) ved et pådrag på én trekkstang (31).

Nok et aspekt ved oppfinnelsen er at mekaniske elementer som anordnet for å kunne bevege trekkstangen (31) i minst ett bladelement ved en ende av rotoren (70), der de mekaniske elementene kan omfatter en første justerskive (42) med et gjennomgående hull, der justerskiven (42) er festet til trekkstangen (31) til et bladelement anordnet ene ende av bladelementene, og anordnet med akslingen (4) løpende gjennom hullet; og en første justerstang (41) anordnet slik at den kan påvirke tilhørende justerskive (42) med en aksial kraft for å bevege trekkstangen (31) og derved dreie bladene (29). Videre kan de mekaniske elementene omfatte en andre justerskive (42) og en andre justerstang (41) ved motsatt ende i forhold til den første enden, av en del av rotoren (70) eller hele denne, anordnet på tilsvarende måte som første justerskive (42) og justerstangen (41), slik nevnte at andre justerskive (42) og justerstang (41) kan bidra til å dreie bladene (29) i motsatt retning av nevnte første justerskive (42) og justerstang (41).

Turbinen kan videre omfatte anordninger for å bevirke operasjon av de nevnte mekaniske elementene slik at dreining av bladene iverksettes fra avstand også når rotoren (70) er i operasjon. Eventuelt kan turbinen videre omfatte minst ett sensorelement for måling av strømningshastighet i væsken, der sensorelementet er anordnet slik at dets målinger kan brukes til å styre nevnte anordninger for å bevirke operasjon for å bidra til dynamisk regulering av bladvinkel under operasjon av rotoren (70) som en funksjon av strømningsforhold.

Et siste aspekt ved oppfinnelsen er et undervannsturbinsystem som i tillegg til turbinen kan omfatte et fundament omfattende mekaniske anordninger for å holde undervannsturbinen i en hensiktsmessig stilling, og distribusjonssystem for elektrisk energi/effekt. Fundamentet kan videre være egnet til å anbringe tilhørende turbin nær bunnen, og der fundamentet kan bidra til å justere vinkelen til turbinens rør manuelt og/eller automatisk avhengig av de lokale strømningsforholdene. Undervannsturbinsystemet kan omfatte et antall turbiner, der nevnte turbiner er plassert for optimalt å utnytte de lokale strømningsforholdene og der distribusjonssystemet for elektrisk effekt kopler undervannsturbinene sammen i parallell.

Kortfattet beskrivelse av figurene

Figur 1a-d viser en utførelsesform av en undervannsturbin ifølge oppfinnelsen

Figur 2 viser et snitt gjennom en del av en turbin der et generatorhus med generator er anordnet i en trakt Figur 3 viser et snitt gjennom elementer for konvertering av mekanisk energi til elektrisk energi Figur 4a-d viser tre ortogonale snitt og en perspektivskisse av en Turbin ifølge oppfinnelsen, der rotoren er anordnet med venturielementer

Figur 5 viser to ortogonale riss av en rotor med aksling

Figur 6 illustrerer i detalj bladelementer med anordninger for å tilveiebringe dreibarhet av blad

Figur 7 viser en rotor der bladene er anordnet med valgte faste vinkler

Figur 8 viser en utførelsesform av oppfinnelsen der rotoren er montert for å drives av en væskestrøm i et rørsystemet

Detaljert beskrivelse av oppfinnelsen

Oppfinnelsen vedrører primært en rotor med skrueliknende form slik det fremkommer av selvstendig krav 1, der rotoren i det videre benevnes en rotor. Nevnte rotor kan fordelaktig anvendes i en turbinløsning slik det fremkommer i vedheftede kravsett. I det videre presenteres først en fortrukket utførelsesform av oppfinnelsen i form av en turbin. Derved settes den omtalte rotoren inn i en sammenheng. Det understrekes imidlertid at denne utførelsesformen kun utgjør et eksempel på en løsning der rotoren anvendes i det rotoren også kan anvendes i f eks andre typer turbiner drevet av andre væsker enn vann som f eks avløpsvann.

Figur 1 viser en utførelsesform av en undervannsturbin ifølge oppfinnelsen, der undervannsturbinen er anordnet på et fundament. Mer presist viser Figur 1a et sideriss av undervannsturbinen. Figur 1b viser et vertikalt lengdesnitt gjennom undervannsturbinen ved senter av dennes aksling, der nevnte rotor fremkommer med tilhørende generatorer anordnet ved endene av rotoren. Figur 1c viser et riss av løsningen sett inn mot denne langs aksen til rotorens aksling. Figur 1d viser en perspektivskisse av løsningen der fundamentet er sett delvis gjennom turbinen fra et punkt skrått over denne.

Undervannsturbinen omfatter et kanalelement i form av et rør (1) som er egnet til å lede det strømmende vannet. I hver ende av røret (1) er det anordnet et traktformet element (2) som er egnet til å lede en vannstrøm inn i nevnte rør (1). Trakten (2) utgjør et ve ntu rie lem ent slik det er beskrevet nærmere nedenfor.

Undervannsturbinen er anordnet på et fundament som er tilpasset slik at det er egnet til å stå stabilt på bunnen der man ønsker å plassere undervannsturbinen. Fundamentet i figuren holder røret (1) i en fast posisjon, men fundamentet kan utføres slik at posisjonen og innretningen til røret (1) kan endres mens fundamentet fortsatt er forankret til bunnen. Slike justeringer av rørets posisjon kan være nyttige for å optimalisere effekten til undervannsturbinen som en funksjon av det lokale strømningsmønsteret og endringer av dette over tid.

Undervannsturbinen omfatter videre nevnte rotor med en skrueliknende form, der rotoren benevnes en rotor. Rotoren er anordnet i røret (1) og har typisk en aksial lengde tilsvarende rørets lengde og diameter som tilsvarer rørets (1) indre diameter. De to traktene (2) vil mest typisk være likeformede slik de er i denne figuren, men de kan også være ulike. Videre kan det være anordnet en trakt (2) kun den ene enden. Antall traktformede elementer (2) og utformingen av disse kan med fordel tilpasses det aktuelle strømningsmønsteret og hvordan dette endrer seg over tid. I en elv vil det typisk være en fremherskende strømningsretning som i liten grad endrer seg over tid. Ved anvendelse i en slik sammenheng kan det være fordelaktig med en løsning der det kun er anordnet en trakt ved den enden av røret som vender mot strømningsretningen. Dersom undervannsturbinen derimot er ment anvendt i en tidevannsstrøm, kan det med fordel være anordnet en trakt (2) i hver ende av røret slik at turbinen optimalt utnytter strømmen i begge retninger. Generelt vil det være slik at dersom det er anordnet en generator (6) ved en ende av turbinen, vil det også være anordnet en trakt (2) ved den samme ende, og dersom det ikke er noen generator (6), vil det heller ikke være noen trakt (2).

Undervannsturbinen omfatter videre minst en generator (6) anordnet i et generatorhus (5) der generatoren (6) er anordnet i forbindelse akslingen (4) til rotoren (70) slik den generatoren (6) kan drives av rotoren (70). Generatorhuset er typisk anordnet utenfor røret (1) innen volumet definert av den tilhørende trakten (2). Trakt (2) og tilhørende generatorhus (5) kan anvendes som venturielementer og er utformet og anordnet blant annet med tanke på å optimalisere en slik funksjon. Med tanke på å overføre effekt produsert av undervannsturbinen til tilkoplingspunkt, er hver generator (6) tilkoplet ved hjelp av en kabel. Generatorløsningen med henhørende aspekter er beskrevet i ytterligere detalj senere i foreliggende dokument

Som innledende beskrevet ovenfor, er trakten (2) utformet med tanke på utgjøre et effektivt venturielement ved å danne et større areal mot den aktuelle strømmen enn røret (1) danner alene. Fluidhastigheten gjennom rør (1) må derved øke for å tilfredsstille kontinuitetslikningen, mens trykket synker for å konservere energien. Dette vil si at økning i kinetisk energi balanseres av fall i trykk. Traktene (2) vil gi en dobbel effekt ved at det ved den ene enden av røret (1) vil dannes et økt trykk, mens det ved den andre enden vil oppstå en sugeeffekt. En trakt (2) med tilhørende generatorhus (5) anordnet i nevnte trakt (2) bidrar til å gi en økt venturieffekt. En hensiktsmessig utforming av disse elementene er at traktens (2) og generatorhusets (5) helningsvinkler er tilpasset til hverandre for å gi gunstige strømningsforhold i rommet mellom disse. Utformingen av nevnte elementer kan med fordel tilpasses til de lokale strømningsforholdene.

Når det gjelder røret (1) ifølge oppfinnelsen, bør dets dimensjoner generelt tilpasses de aktuelle, lokale strømningsforholdene. Dersom strømmen er jevn, vil det for eksempel være gunstig med et relativt stort rør. Tykkelsen av røret avhenger av de øvrige dimensjoner og av hvilket materiale røret (1) er laget. Røret (1) er for eksempel laget av stål blant på grunn av dette materialets korrosjonsegenskaper. Bladelementene vil typisk være laget av rustfritt stål. Dimensjoneringen av røret (1) og resten av vannturbinen er altså først og fremst styrt av strømningsbildet og omgivelsene der røret (1) skal anvendes.

Fundamentet for turbinen slik det er fremstilt i Figur 1, omfatter seks rørtester, tre fester for generatorhus, tre tetninger for aksling, fire kulelagre, et lagerhus, to selvopprettende kulelagre, en bærearm, seks rørfundamenter, to bunnkanaler 1, to bunnkanaler 2 og en skråkanal. Fundamentet kan være konstruert for å tilveiebringe orientering av turbinen, der slik orientering/dreining er aktuell for å oppnå optimale betingelser i forhold til aktuell lokal strøm. Slik orientering av turbinen kan skje ved produksjon, installasjon og/eller operasjon og eventuelt være styrt som en funksjon av strømningsforholdene gjerne i nær sann tid. Figur 2 viser et snitt gjennom en del av turbinen der et generatorhus (5) med generator (4) er anordnet i en trakt (2). Generatorhuset (5) er ikke bare konstruert for at generatoren (6) skal kunne anordnes inne i dette, men også for å utgjøre et venturielement på liknende måte som trakten (2). Generatorhusets (5) utforming er samordnet med traktens utforming med tanke på å oppnå en hensiktsmessig venturieffekt. Generatoren er opplagret på akslingen slik at generatorhuset står stille mens akslingen roterer. Figur 3 viser deler av løsningen for konvertering av mekanisk energi til elektrisk energi. Vannturbinens aksling (4) drives av rotoren (70) som typisk roterer med et relativt lavt turtall. Akslingen (4) er derfor normalt tilkoplet et gir (22) som igjen driver en generatoraksling med et høyere turtall enn turtallet til akslingen (4). Nevnte gir (22) kan være av en standard type innen fagområdet, men anvendelse av gir (22) i foreliggende sammenheng, er nytt. Generatorakslingen driver en generator (6) som produserer en effekt som kan distribueres over et egnet strømnett. Generatoren (6) vil typisk være en asynkrongenerator. Spenningen på elektriske utgangen av en vannturbin kan typisk være over 10 kV. Et antall undervannsturbiner kan parallell-koples ved hjelp av hver sin transformator til et felles strømnett med et spennings- nivå på eksempelvis 22 kV. Den samlede genererte strømmen ledes typisk til et felles tilkoplingspunkt som kan befinne seg på land.

Et antall vannturbiner ifølge oppfinnelsen kan utplasseres samordnet i et område. Vannturbinene kan plasseres i parallell, ved siden av hverandre (eller eventuelt over hverandre) eller i serie tilsvarende en lang turbin. Dette gir mulighet for å optimalisere utnyttelse av strømforholdene i et område. Videre muliggjør dette kosteffektive løsninger både når det gjelder utstyr, utplassering, drift og vedlikehold.

Eksempler på plasseringer der foreliggende oppfinnelse spesielt oppviser fordelaktige trekk i forhold til teknikkens stand, er i elver, utnytte restvann fra vannkraftverk, på grunner og i trange sund der strømmen er sterk).

Figur 4 og Figur 5 detaljerer en rotor (70) ifølge oppfinnelsen. I Figur 4 er rotoren (70) anordnet som en del av en turbin ifølge oppfinnelsen. Figur 4a, 4b og 4c viser tre ortogonale snitt av turbinen. Mer presist viser Figur 4a et riss av løsningen sett

inn mot denne langs aksen til rotorens aksling (4). Figur 4b viser et horisontalt snitt (forutsatt at turbinen er anordnet på et horisontalt underlag) gjennom midten av røret (1) og derved gjennom midten av traktene (2), akslingen (4), rotoren og generatoren (6) med generatorhuset (5), sidene disse elementene er anordnet i hovedsak aksialsymmetrisk om rørets (1) langsgående senterlinje. Figur 4c viser et vertikalt lengdesnitt gjennom undervannsturbinen ved senter av dennes aksling, der nevnte rotor fremkommer med tilhørende generatorer anordnet ved endene av rotoren.

Figur 4d viser en perspektivskisse av løsningen der rotoren (70) og generatorene (6) med generatorhus (5) er sett delvis gjennom turbinen fra et punkt skrått over denne.

En turbin ifølge oppfinnelsen omfatter kort oppsummert kanaliserende elementer, generator (6) med gir (22), og rotor (70). De kanaliserende elementene omfatter videre et rør (1), to trakter (2) og to generatorhus (5) anordnet i hver sin trakt (2). Rotoren (70) omfatter en aksling (4) og på denne akslingen (4) er det anordnet et antall bladelementer omfattende et nav (34) og et blad (29). Rotoren (70) bringes til å rotere ved hjelp av en væskestrøm. Rotorens (70) bladelementer er anordnet på akslingen (4). Bladelementene kan utformes og anordnes for å optimalisere turbinens effekt som en funksjon av strømforholdene. Bladene (29) kan ha ulike former uten at dette er detaljert i foreliggende dokument. Rotorens (70) form bestemmes i hovedsak av bladelementenes form og hvordan nevnte bladelementer er anordnet på akslingen (4). Hvert bladelement er typisk anordnet slik at tilhørende blads lengdeakse står i hovedsak ortogonalt på akslingens (4) lengdeakse. Hvert blad er videre anordnet med typisk en justerbar dreiningsvinkel om sin egen lengdeakse, der dreiningsvinkelen typisk er i hovedsak den samme for alle bladelementene. I enkelte utførelsesformer av oppfinnelsen kan bladelementene vris (dreies om sin lengdeakse) som en funksjon av vannstrømmens hastighet. Vannstrømmens hastighet måles typisk ved hjelp av en dedikert føler og bladene dreies som en funksjon av denne målingen. Videre bestemmes rotorens form av avstanden langs akslingens lengderetning mellom festepunktet for ett bladelement og det neste, samt vinkelendring for nevnte festepunkter om nevnte akslings (4) lengderetning slik det er detaljert nedenfor.

En turbin omfattende eksempelvis et rør (1) med diameter på 1 meter og en lengde på 6 meter, vil kunne omfatte 90 blader; noe som kan gi rotoren (70) en total, effektiv overflate på ca 7 kvadratmeter avhenging av bladelementenes utforming. En slik rotor med slike dimensjoner kan typisk ha en "stigning" på ca 2 meter. Nevnte stigning kan med fordel tilpasses strømforholdene; noe som også gjelder bladene (29) utforming, størrelse og vinkling. Dette bidrar til at man kan optimalisere rotorens effektivitet som en funksjon av strømningsforholdene.

Figur 6 presenterer bladelementer med sine komponenter anordnet på en aksling (4), der hvert enkelt bladelement omfatter et blad (29) og et nav (34). Selve bladet (29) kan ha ulike former. I foreliggende utførelse blir selve bladet i hovedsak bredere med større avstand fra den delen som festes i navet (34). Vinkelen som bladets bredde tiltar med, kan stå i samsvar med rotorens (70) dreining fra ett bladelement til neste. Derved dekker bladene rotorens tverrareal i omtrent samme grad uavhengig av avstand til rotasjonssenter. Bladelementet er ved den enden som vender mot navet (34), anordnet med en tannhjulsaktig, snekkedrevlignende anordning som er egnet til å samvirke med en trekkstang som omtales nedenfor. Navet (34) er i hovedsak sylinderformet med en gjennomgående åpning symmetrisk om navets lengdeakse, der nevnte åpning gjør navet (34) egnet til å monteres på en tilhørende aksling (4). Åpningen ved sin periferi er anordnet med langsgående riller eller såkalte splines som samsvarer med tilsvarende mekaniske elementer eller splines på akslingen (4). Navet (34) er viderekarakterisert vedsin diameter, sin lengde og vinkelavstanden mellom hver spline. Lengden til navet (34) og spline-avstanden i vinkel vil når de er montert på tilhørende aksling (4), sammen bestemme rotorens stigning.

Bladet (29) kan være anordnet på navet (34) i en fast vinkel om sin egen lengdeakse eller så kan bladet (3a) være vridbart anordnet om nevnte akse. Et vrid bart blad kan enten være vridbart inntil det låses i en fast vinkel f eks før utplassering av vannturbinen, eller det kan være vridbart også når rotoren (70) roterer.

Realisering av vridbare blader (29) anordnet i en rotorkonfigurasjon utgjør en relativt kompleks mekanisk problemstilling. Foreliggende oppfinnelse løser problemet ved å anordne en gjennomgående trekkstang (31) gjennom hvert nav (34), der trekkstangen (31) samvirker med tannhjulet i samme bladelement slik at en forskyvning av trekkstangen (31) langs dennes lengdeakse vil medføre en vridning av bladet (29).

Videre realiseres samordnet vridning av alle bladene (29) i en rotor (70) ved at trekkstangen (31) i et bladelement samvirker med trekkstangen (31) i det neste ved at nabotrekkstenger (31) er anordnet for å kunne skyve på hverandre i lengderetningen. Hullet gjennom navet (34) for hver trekkstang løper imidlertid parallelt med navets (34) akse; noe som medfører at hullene til to nabobladelementer ikke faller sammen da naboelementene er dreid i forhold til hverandre slik det er beskrevet ovenfor, for å realisere rotorens (70) stigning. For å tillate ønsket dreining av bladet (29), må trekkstangen (31) til et bladelement tillates å bevege seg inn i hullet til trekkstangen (31) i naboelementet. Dette kan realiseres ved at nevnte hulls diameter er større i et område ved hver ende av navet (34) eller fortrinnsvis ved at det er anordnet et ikke-gjennomgående hull ved hver ende av det gjennomgående hullet, der det ikke-gjennomgående hullet har en diameter som tillater en trekkstang (31) å entre, og der hullet er vinkelforskjøvet om navets (34) akse i forhold til det gjennomgående hullet. Økningen i diameter eller vinkelforskyvning av det ikke-gjennomgående hullet, er bestemt av dreining om lengdeaksen fra et bladelement til det neste; noe som igjen bestemmes av utformingen av splines og lengde på navet (34). Dybden for den delen av hullet som har en økt diameter, bestemmes av ønsket dreiningsvinkel for hvert blad (29) sett i sammenheng med dimensjoneringen av trekkstangen (31) og tilhørende tannhjul (29).

Figur 4 sett i sammenheng med Figur 2 viser løsningen ved overgangen mellom

rotoren (70) og generatoren (6), der disse er montert på samme aksling (4). Figuren illustrerer anordninger for å justere vinkelen på de dreibare/vribare bladene (29). En trekkstang (31) er anordnet i forbindelse med et justerbart blad (29) for å dreie dette slik det er beskrevet ovenfor. Til enden av trekkstangen (31) er det festet en

justerskive (42), der nevnte skive (42) har et en sirkulær åpning i midten, og er anordnet konsentrisk med akslingen (4) uten å være i direkte kontakt med denne. Videre er det anordnet en justeraksel (41) slik at den kan påvirke nevnte justerskive (42). Nevnte justeraksel (41) omfatter en dreibar stang med en utstikkende del/arm med lager (53) ved enden, der nevnte arm bringes i glidende kontakt med justerskiven (42) når stangen til justerakselen (41) dreies. Justerakselen (42) kan derved påvirke justerskiven (41) med en aksial kraft som overføres til trekkstangen (31) og derved bevirker at bladene (29) dreies. Aktuell bevegelse av justerakselen

(42) kan igjen tilveiebringes av en stempelanordning (43) i Figur 2.

Løsningen for å dreie bladene (29) slik den er beskrevet ovenfor, kan kun bevirke dreining i en retning. For å bevirke dreining i motsatt retning, kan en tilsvarende løsning som den som nettopp er beskrevet, anordnes ved et annet sted på akslingen. Løsningen vil derved tilveiebringe dreining av bladene (29) i begge retninger.

Figur 7 viser en annen utførelsesform av rotoren (70) der bladene (29) er anordnet med en fast dreiningsvinkel. Denne faste dreiningsvinkelen anordnes ved produksjon av bladelementene. Når man skal konstruere en rotoren (70), vil man kunne velge dreiningsvinkel avhengig av rotorens (70) anvendelse. Dette valget kan tenkes gjort enten før selve produksjonen skjer, eller ved å velge bladelementer med den ønskede karakteristikken blant et utvalg av ferdigproduserte bladelementer.

I en annen utførelsesform av rotoren kan bladvinklene justeres semi-dynamisk i den forstand at bladene dreies til den ønskede stilling og fikseres i denne for eksempel før rotoren settes i operasjon. Ved behov vil bladvinklene kunne omjusteres ved at rotoren tas ut av eventuell operasjon, bladene (29) frigjøres fra sin fikserte posisjon, bladvinklene endres og fikseres slik at rotoren får en ny karakteristikk. Deretter kan rotoren (70) igjen settes i operasjon. Denne semi-dynamiske utførelsesformen vil kunne tilveiebringes ved hjelp av i hovedsak de samme elementene som er beskrevet ovenfor.

Med dynamisk justering av bladvinkel menes det at bladvinklene kan justeres under operasjon av rotoren (70). Styring av slik dynamisk justering kan eksempelvis gjøres ved at det sendes kontrollsignaler til stempelet (43). Slike kontrollsignaler kan enten bestemmes av en operatør eller ved hjelp av et reguleringssystem som kan omfatte sensorer som føler på den aktuelle væskestrømmen.

Rotoren (70) ifølge oppfinnelsen kan anvendes i mange ulike sammenhenger. En vannturbin for bruk i en vannmasse som f eks havet er en spesielt aktuell utførelsesform. Figur 8 viser en annen anvendelse der rotoren er montert for å drives av en væskestrøm i et rørsystemet. Rørsystemet kan være anordnet for å lede andre væsker enn vann; som f eks avløpsvann.

Claims (19)

1. Turbin egnet til drives av en væskestrøm, der turbinen omfatter - en rotor (70) egnet til å rotere drevet av nevnte væskestrøm; - minst en generator (6) anordnet i mekanisk drivende forbindelse rotorens (70) aksling (4), slik at en rotasjon av rotoren (70) vil forårsake at generatoren (6) produserer elektrisk effekt. - videre omfattende ett eller flere kanaliserende elementer egnet til å lede deler av væskestrømmen, der de kanaliserende elementene innbefattet et sylindrisk rør (1) anordnet i hovedsak koaksialt med rotoren (70) og et første og et andre traktliknende element (2) som er egnet til å forbindes mekanisk tettende ved henholdsvis enførste og en andre ende av røret (1) for at det første og andre traktliknende elementet (2) skal bidra til å gi en venturieffekt slik at vannstrømmens hastighet gjennom røret (1) øker med tilhørende forbedring av turbinens effekt; og - en første og en andre generator (6) er anordnet i henholdsvis et første og et andre generatorhus (5), og der det første og det andre generatorhuset (5) er anordnet innen volumet definert av henholdsvis det første og det andre traktelementet (2), og der det første og andre generatorhuset (5) er utformet for gi en venturieffekt i samvirke med tilhørende traktelement (2).

2. Turbin ifølge krav 1, der generatorhuset (5) er utformet i hovedsak sirkulærsymmetrisk om sin langsgående senterlinje, og der generatorhuset (5) er anordnet slik at dets langsgående senterlinje i hovedsak faller i forlengelse av aksen til rotorens (70) aksling (4).

3. Turbin ifølge ett av kravene 1 eller 2, der generatorhuset (5) med sin tilhørende trakt (2) er utformet slik at tverrsnittsarealet mellom disse er tilnærmet konstant.

4. Turbin ifølge ett av kravene ovenfor, der det er anordnet en girboks (22) koplet mellom akslingen (4) og den minst ene generatoren (6), der girboksen (22) driver generatoren (6) med en høyere rotasjonshastighet enn akslingens (4) rotasjonshastighet.

5. Turbin ifølge krav 4, der akslingen, girboksen (22) og generatoren (6) er egnet til å tilveiebringe anordning av generatoren (6) slik at dens langsgående senterlinje i hovedsak faller i forlengelse av aksen til rotorens aksling (4).

6. Turbin ifølge ett av kravene ovenfor, der rotoren har en i hovedsak helisk form, og der rotoren omfatter: - et antall bladelementer, - en aksling (4) hvorpå bladelementene kan anordnes, - hvert bladelement omfatter et blad (29) og et nav (34), der navet (34) er egnet til å monteres på nevnte aksling (4); og - hvert blad (29) er anordnet med valgbar bladvinkel om sin egen lengdeakse i forhold til tilhørende nav (34), der nevnte valgbare bladvinkel tilveiebringer mulighet for å bidra til å bestemme rotorens (70) form.

7. Turbin ifølge krav 6, der bladene (29) er anordnet med avstand når bladelementene er anordnet på akslingen (4) og der bladelementene er like.

8. Turbin ifølge krav 6 eller 7, der akslingen (4) ved sin ytre periferi og navet (34) ved periferi av et aksialt anordnet hull, er anordnet med samvirkende mekaniske elementer i form av splines for å bidra til å holde hvert bladelement i ønsket stilling som en del av rotoren (70), og der vinkelavstand mellom hver spline bestemmer vinkelen om akslingen (4) mellom nabobladelementer, som videre sammen med den aksiale lengden av navet (34), bestemmer rotorens (70) stigning.

9. Turbin ifølge ett av kravene ovenfor, der bladene (29) er anordnet med en fast bladvinkel, der nevnte bladvinkel er valgbar ved at den velges før produksjon, men er fast etter produksjon.

10. Turbin ifølge ett av kravene 6 til 8, der bladet (29) og navnet (34) til bladelementene omfatter samvirkende mekaniske elementer for å tilveiebringe dreining av bladet (29) om sin lengdeakse i forhold til navet (34), og at bladene (29) derved er dreibart anordnet slik at nevnte bladvinkel er valgbar.

11. Turbin ifølge krav 10, der de samvirkende mekaniske elementene omfatter en gjennomgående trekkstang (31) anordnet i et hull gjennom navet (34) parallelt med dets akse, og et snekkedrevliknende element anordnet i fast tilknytning til bladet (29), der trekkstangen (31) og snekkedrevet er anordnet slik at en langsgående bevegelse av trekkstangen (31) i hullet tilveiebringer en dreining av bladet (31) ved hjelp av snekkedrevet.

12. Turbin ifølge krav 11, der trekkstangen (31) og hullet i hvert bladelement, er slik utformet at trekkstangen (31) kan entre hull i nabobladelementene når bladelementene er montert på akslingen (4), og slik at dette også tillates når nabobladelementene er anordnet med vinkel i forhold til hverandre gitt av nevnte splines; slik at en trekkstang (31) i et bladelement vil kunne samvirke med en trekkstang (31) i et nabobladelement for å tilveiebringe samordnet dreining av flere blader (29) ved et pådrag på én trekkstang (31).

13. Turbin ifølge krav 12, videre omfattende mekaniske elementer som anordnet for å kunne bevege trekkstangen (31) i minst ett bladelement ved en ende av rotoren (70), der de mekaniske elementene omfatter: - en første justerskive (42) med et gjennomgående hull, der justerskiven (42) er festet til trekkstangen (31) til et bladelement anordnet ene ende av bladelementene, og anordnet med akslingen (4) løpende gjennom hullet; og - en første justerstang (41) anordnet slik at den kan påvirke tilhørende justerskive (42) med en aksial kraft for å bevege trekkstangen (31) og derved dreie bladene (29).

14. Turbin ifølge krav 13, videre omfattende en andre justerskive (42) og en andre justerstang (41) ved motsatt ende i forhold til den første enden, av en del av rotoren (70) eller hele denne, anordnet på tilsvarende måte som første justerskive (42) og justerstangen (41), slik nevnte at andre justerskive (42) og justerstang (41) kan bidra til å dreie bladene (29) i motsatt retning av nevnte første justerskive (42) og justerstang (41).

15. Turbin ifølge krav 13 eller 14, videre omfattende anordninger for å bevirke operasjon av de nevnte mekaniske elementene slik at dreining av bladene iverksettes fra avstand også når rotoren (70) er i operasjon.

16. Turbin ifølge krav 15, videre omfattende minst ett sensorelement for måling av strømningshastighet i væsken, der sensorelementet er anordnet slik at dets målinger kan brukes til å styre nevnte anordninger for å bevirke operasjon for å bidra til dynamisk regulering av bladvinkel under operasjon av rotoren (70) som en funksjon av strømningsforhold.

17. Undervannsturbinsystem omfattende minst en turbin ifølge ett kravene ovenfor, der undervannsturbinsystemet videre omfatter: - et fundament omfattende mekaniske anordninger for å holde undervannsturbinen i en hensiktsmessig stilling, og - distribusjonssystem for elektrisk energi/effekt.

18. Undervannsystem ifølge krav 17, der fundamentet er egnet til å anbringe tilhørende turbin nær bunnen, og der fundamentet kan bidra til å justere vinkelen til turbinens rør manuelt og/eller automatisk avhengig av de lokale strømningsforholdene.

19. Undervannsturbinsystem ifølge krav 18, der undervannsturbinsystemet omfatter et antall turbiner, der nevnte turbiner er plassert for optimalt å utnytte de lokale strømningsforholdene og der distribusjonssystemet for elektrisk effekt kopler undervannsturbinene sammen i parallell.