NO339441B1

NO339441B1 - Turbin med koaksiale bladenheter

Info

Publication number: NO339441B1
Application number: NO20081135A
Authority: NO
Inventors: Joe Clarke; Cameron Johnstone; Gary Connor; Douglas Andrew Grant
Original assignee: Univ Strathclyde
Priority date: 2005-08-05
Filing date: 2008-03-04
Publication date: 2016-12-12
Also published as: ES2391673T3; WO2007017629A1; EP1917436A1; NO20081135L; KR20080033476A; US20080226450A1; KR101427370B1; US8070444B2; EP1917436B1; GB0516149D0

Description

Oppfinnelsens tekniske område

Foreliggende oppfinnelse vedrører en turbin, og i særdeleshet en turbin for bruk i forbindelse med kraftgenerering fra tidevannsstrømmer.

Bakgrunn

De avtakende oljereserver, insentiver fra myndigheter og økt oppmerksomhet på miljøspørsmål har gitt en økning i bruk av og et ønske om å generere kraft fra fornybare energikilder, slik som vind-, sol- og vannkraftenergi. Mens fornybar energikilder ofte har fordeler med hensyn til en bærekraftig utvikling og på grunn av miljøaspektet, så er løsningene imidlertid ofte preget av ulemper, slik som uforutsigbarhet ved leveranse. Generering av energi ved å gjøre nytte av vind og solskinn er, for eksempel, begrenset til når det blåser eller til tider da solen skinner blankt. Disse situasjonene skaper en stor grad av usikkerhet, særlig sett over et tidsspenn på uker eller mer. Dette leder til vanskeligheter forbundet med å opprettholde en konstant leveranse til elektrisitetsnettet og kan lede til vanskeligheter med å planlegge kraftgenererende resurser og behovet for beredskap for genereringskapasitet.

I de senere år har en av de mest høyprofilerte former for fornybar energi vært vindkraft. Vindturbiner er benyttet for å utvinne vindkraft som kilde for å generere elektrisitet. Vindturbiner har generelt to eller flere åpne blader som er optimert for rotasjon, skapt av vind, og som er montert på en aksling som driver en generator via en girboks. Bladene er typisk montert høy opp på en bærende konstruksjon. For å oppnå anvendelige nivåer på levert kraft, er ofte flere turbiner gruppert sammen. Vindturbinene benyttet for kraftproduksjon i stor skala er følgelig generelt store, visuelt påtrengende konstruksjoner og ofte plassert i naturskjønne områder. Som sådant blir vindturbinutviklingen ofte protestert mot av lokale beboere, naturvernere og grupper som er opptatt naturarv. Et eksempel på en vinddrevet generator er beskrevet i US 4,039,848 og WO 2004031577A.

Vannkraft er en annen velkjent form for fornybar energi. Den kan bli trukket ut via en serie teknologier. Disse inkluderer oppdemming av elver for å tillate en styrt frigjøring av vann gjennom turbiner og bruk av tidevannsdemninger som tillater vann å flomme gjennom dammen via sluser ved stigende tidevann, slik at vann lagres for så å kunne strømme gjennom turbiner ved lavt tidevann. Disse metodene lider imidlertid av en rekke problemer som inkluderer høye konstruksjonskostnader, knapphet på egnede byggeplasser og ugunstig miljøbelastninger på grunn av behovet for store konstruksjoner og å sette landarealer under vann.

En annen form for vannkraft, er bølgekraft. Denne kan bli utnyttet på forskjellige måter, inklusive bruk av traktinnretninger som kanaliserer bølgene opp og inn i et kammer for enten å drive en turbin direkte eller å forårsake luftstrøm som driver turbinen. Andre tilnærmingsmåter kan være å anvende en multi-segmentert flytende konstruksjon som utnytter den relative bevegelse mellom segmentene, forårsaket av bølger som bringer et stempel i bevegelse for derigjennom å drive en generator. Disse metodene lider også av ulemper, inklusive en lav innfangingseffektivitet og eksponering for mulig skadelige stormer og ekstreme bølgeforhold.

En lovende innretning for utvinning av vannkraft er gjennom bruk av vannturbiner. Dette er innretninger som benytter blader som roteres av vannstrøm, for eksempel i elver eller forårsaket av strømmer av tidevann. En fordel med denne tilnærmingen er at utstyret for kraftgenerering ofte kan være neddykket eller plassert i områder til havs, langt borte fra bebyggelser, for derigjennom å unngå visuell påvirkning. Bevegelse av vann i form av tidevannsstrømmer er som sådan derfor en ideell og underutviklet kilde for fornybar energi.

Konvensjonell vannturbinteknologi benytter typisk en vannturbin som har en enkelt rotor, der hver rotor har to eller flere blader, anordnet slik at disse roterer under påvirkning av vannstrømmen. Rotoren kan være åpen eller innesluttet i en hette. Kraftuttaket skjer generelt ved hjelp av en aksling koplet til rotoren som driver en konvensjonell generator. Alternativt kan turbinen benyttes for å trykksette et hydraulisk fluid som driver en hydraulisk motor som på sin side driver en elektrisk generator. Hastigheten på rotorakslingen rotasjon kan styres for den optimale generatorhastighet ved å anordne en girboks mellom rotoren og generatoren. Turbinen kan henge under en flytende pontong eller kan være forankret på sjøbunnen eller elvebunnen.

Til tross forfordelene ved å anvende kraft fra tidevann og elvestrøm, er det noen utfordringer som må overvinnes ved utvinning fra denne energikilden. Ettersom vann har større tetthet enn luft, tenderer vannturbiner generelt å rotere saktere og utsettes for høyere dreiemoment enn sammenlignbare vindturbiner. For å drive en generator på en effektiv hastighet trenger rotasjonshastigheten til vannturbinen å økes gjennom bruk av en girinnretning. På grunn av det høye dreiemomentet vil den nødvendige girinnretning bli tung og ineffektiv. I tillegg kommer svært stor vekt og et kompleks system med krav til økt vedlikehold. Drift av konvensjonelle vannturbiner kan videre skape en turbulent nedstrøms vannstrøm tilsvarende kjølvannsstripen fra en båt. Dette kan lede til utvasking av sjøbunnen eller elvebunnen nedstrøms for turbinen.

Vedlikehold av vannturbiner kan også være problematisk på grunn av uønsket effekt forårsaket av begroing av vannbårne organismer på systemet og saltvannets korrosive effekt. Disse problemene kommer i tillegg til den vanskelige atkomsten til turbinen. Installasjonen og fjerning av slike innretninger kan også være problematiske. På grunn av det store dreiemomentet som erfares med vannturbiner, er det behov for å bruke en sikker forankringsinnretning, slik som pæling, som vanligvis benyttes. Dette krever en lang installasjonstid, er kostbar og kan ha uheldige miljøkonsekvenser. En alternativ tilnærmingsmåte er å anvende et svært tungt fundament. Dette er imidlertid uegnet for systemer som har et stort reaktivt dreiemoment, hvilket kan resultere i bevegelse av turbininstallasjonen.

Et formål med foreliggende oppfinnelse er å skaffe til veie en løsning på minst et av ovennevnte problemer.

Oppsummering av oppfinnelsen

Ifølge et første aspekt ved denne oppfinnelse, er det fremskaffet en turbin som har minst to sett med kontra-roterbare blader som angitt i krav 1. Noen foretrukne egenskaper er angitt i de uselvstendige kravene.

Minst et sett med blader kan være montert på en første aksling. Minst et andre sett med blader kan være montert på en andre aksling.

Turbinen kan benyttes for å drive en elektrisk generator som har en eller

flere rotorer og en stator. Statoren kan være roterbar. Generatorens rotor kan være koplet til den første akslingen og generatorens stator kan være koplet til den andre akslingen. Den første og den andre aksling kan være koaksial. Statoren og rotoren kan være anordnet slik at ved bruk, så vil de rotere i motsatt retning i forhold til hverandre.

Turbinen kan være anordnet for å bli drevet av tidevannstrømmer.

Beskrivelse av tegningene

Forskjellige aspekter ved oppfinnelsen vil nå bli beskrevet nærmere kun i form av eksempler og med referanse til de medfølgende tegninger, der: figur 1 er et oppriss i perspektiv og delvis i snitt av en kontra-roterende turbin- og generatorenhet der generatorhuset delvis er fjernet;

figur 2 er et oppriss i perspektiv fra fronten til generatoren vist i figur 1, med bladene fjernet;

figur 3 er et oppriss i perspektiv av generatoren vist i figur 1, sett bakfra og med bladene fjernet;

figur 4 er et hastighetsvektordiagram for et snitt gjennom et blad i det første, fremre sett med turbinblader på turbinen vist i figur 1; og

figur 5 er et hastighetsvektordiagram for et snitt gjennom et blad i det bakerste sett med turbinblader på turbinen sett i figur 1.

Detaljert beskrivelse av tegningene

Figur 1 viser en turbin 5 som har to tilstøtende sett med blader, et første sett 10 som er koplet til en første aksling 20, koaksialt montert med et andre sett 15 som er koplet til en andre aksling 25. Som vist i figur 2 er den første aksling 20 roterbart anordnet i et hulrom 30 som løper aksialt innvendig i den andre akslingen 25 og der den andre aksling 25 er roterbart understøttet av lagerenheter 35,40. Den første aksling 20 er direkte koplet til en rotor 45 i en generator 50 og den andre aksling 25 er direkte koplet til en roterbar stator 55. Profilen og orienteringen til bladene 65 i hvert sett 10,15 er slik at det første settet med blader 10 er kontra-roterende i forhold til det andre settet med blader under påvirkning fra en fluidstrøm. Dette forårsaker kontra-rotasjon av de respektive aksler 20,25 og derved generatorens 50 rotor 45 og stator 55.

Generatoren 50 kan ha en hvilken som helst form, selv om det i dette eksempelet er en likestrømsenhet, der rotoren 45 har et flertall viklinger av metalltråder 57 og statoren 55 er i form av permanente magneter (magnetpoler), 60 montert på et roterbart statorhus 75 og anordnet rundt rotoren 45. Kraftelektronikk er elektrisk koplet til viklingene 57 på rotoren 10 for å regulere og invertere spenningstilførselen, slik som er kjent fra teknikkens stand. Denne kraftelektronikken 90 er anordnet inne i et roterende hus 95 på rotorakslingen 20. Den elektriske kraft som leveres fra kraftelektronikken 90 mates til et par med sleperinger 80 ved bakenden. Sleperingene 80 muliggjør uttak av elektrisk kraft via børstestrømavtakere 85. Disse mater en statisk kraftuttakskabel (ikke vist) som forbinder generatoren 50 til et elektrisk forsyningsnett. Generatoren er utformet for å forhindre inntrenging av vann, for eksempel ved å inneslutte denne i en hermetisk lukket generatorkasse.

For å optimalisere generatorytelsen, er bladene 10,15 anordnet slik at et sett ikke kan være fullstendig skygget for av det andre på noen punkter i kraftgenereringssyklusen. Dette arrangementet forhindrer et eller flere av bladsettene i å blokkeres. Dette kan oppnås ved for eksempel å ha et sett med et likt antall blader med lik innbyrdes avstand og det andre settet med et ulikt antall med blader i lik avstand fra hverandre. Siden energi trekkes utfra tidevannstrømmen av det første settet med blader 10, reduseres i praksis det energiinnhold i strømmen som virker på det andre bladsettet 15. For at begge sett med rotorer skal være balansert og trekke ut like mengder energi (fortrinnsvis i det vesentlige det samme), har det andre settet med blader 15 flere blader enn det første settet med blader 10. På denne måten blir netto reaktivt dreiemoment minimert. Som et spesifikt eksempel, kan det første settet 10 ha tre blader som er anordnet med lik avstand i forhold til hverandre, mens det andre settet har fire.

Bladene 65,66 har en generell hydrofoilprofil for å maksimere effekten av de typiske driftsforhold. Profilen kan være optimalisert for å gi en myk gjennomsynkingsprofil og intoleranse til imperfekt overflate, tilsvarende hva som er kjent fra kjent teknikk. Bladenes tipp-profil har en varierende krumningsradius for å minimere bladenes tippvirvler. Den ideelle bladutforming er forskjellig fra de til et blad som anvendes på en tilsvarende dimensjonert turbin med et enkelt sett med blader, siden hvert sett med blader 10,15 ifølge foreliggende oppfinnelse bare trekker ut omkring halvparten av kraften. Bladene 65,66 ifølge foreliggende oppfinnelse utsettes derfor for en komparativt lettere belastning og følgelig løper med en høyere rotasjonshastighet. Et blad 65 eller 66 som er optimert for foreliggende oppfinnelse, kan derfor variere med hensyn til trekk, slik som kordelengde, bladvinkel, tvist og koning, sammenlignet med et blad som er optimert for anvendelse i tilknytning til turbiner som bare har et sett med blader.

Ved bruk bøyer det første settet med blader 10 strømmen av fluider som treffer det andre settet med blader. Strømningsforholdene som oppleves av det andre settet med blader 14 er derfor forskjellig fra de som oppleves av det første settet 10. Som sådant vil den optimale bladkonfigurasjon også variere. For å minimere den totale resulterende virvel produsert av turbinen, har bladene 66 i den andre turbinen en krumningsradius og en tipp-profil som er slik at virvelen som produseres motvirker virvelen produsert av bladene på det første bladsettet. Den optimale bladkonfigurasjon for blader 65 oppstrøms og blader 66 nedstrøms kan være kalkulert ved å anvende bladelementteori.

Bladelementteori, når denne anvendes på bladene på en konvensjonell turbin som har et enkelt sett med blader, utligner krefter på bladet og på fluidstrømmen i aksial og tangensial retning, ifølge ligningen

(aksialt)

og

(tangensialt)

der dF er en aksial kraft som virker på et bladelement i Newton, dS er en tangensial kraft som virker på et bladelement i Newton, rer avstanden mellom tyngdepunktet til et bladelement og rotasjonssenteret i meter, p er væsketettheten i kg/m<3>til strømmen, V«, er strømmens hastighet i m/s, W er hastigheten til strømmen relativt i forhold til bladet i m/s, D er vinkelhastigheten til rotoren i rad/s, a og a'er henholdsvis aksiale og tangensiale strømningsparameter, a er rotortettheten ved radius r, R er rotorradius i meter og d og Cd er henholdsvis bladenes løft- og dragsugkoeffisient.

Disse ligningene er løst ved en iterasjonsprosess for å produsere konvergerende verdier av strømningsparametrene a og a', hvoretter hastighetsvektorene vist i figur 2 kan bli evaluert. Ytelsesprediksjoner for det komplette settet av blader fås ved en summering av alle bladelementene, idet tilstrekkelig hensyn tas for bladtipptapene.

Ved å forutsi ytelsen til to kontra-roterende sett med blader 10,15, kan visse antagelser gjøres. Det er antatt at settet med blader 10,15 er i tett nærhet, og fungerer som en single aktuatorskive hva turbinytelsen angår. For det andre er det antatt at virvelen som påføres strømmen av oppstrøms sett med blader 10 er fjernet av nedstrømssettet med blader 15, det vil si at et minimalt reaksjonsdreiemoment overføres til konstruksjonen som understøtter settet med blader. Bladkonfigurasjonen som følgelig kalkuleres ved å anvende denne fremgangsmåten, gir en bladutforming som resulterer i små eller ingen reaktive dreiemomenter.

Prosedyren for bladutforming for en turbin ifølge foreliggende oppfinnelse involverer fastlegging av en geometri for bladsettet 10 oppstrøms, å oppnå konvergerende løsninger for a og a'og å anvende disse for å spesifisere en egnet geometri for bladsettet 14 nedstrøms. For å oppnå en lukket løsning på momentligningen for oppstrøms bladsettene 10, er det nødvendig med en ytterligere antagelse. Det er klart at ligningen ovenfor for dF ikke kan gyldig anvendes for bladsettet 10 oppstrøms, da bladsettet 10 oppstrøms bare vil erfare en fraksjon av den totale retarderende kraft på fluidstrømmen. Det er imidlertid nødvendig å spesifisere denne fraksjonen for ligningen som skal løses. I praksis kan et stort område av forhold skje, og disse trenger følgelig å bli undersøkt. Et sett med blader kan i praksis være utformet for optimal ytelse i spesifiserte strømningsforhold.

I disse kalkulasjonene benyttes et "symmetrisk" tilfelle, der settet med blader å løpe med samme tipphastighetsforhold og det er antatt at hvert sett erfarer den samme aksiale skyvkraftbelastning, lik halvdelen av den som erfares av fluidstrømmen. Derfor

der Å er bladtippens hastighetsforhold, definert av Å = T1RN«>(-).

Ved å forlenge dette til hvert bladelement kan ligningen for dF for bladsettet oppstrøms modifiseres som følger:

Ligningen løses deretter ved å gi verdiene av a og a'. For settet med blader som en helhet kan parametere, slik som aksial skyvkraft, dreiemoment og kraftuttak, beregnes på dette stadiet.

For bladsettet 15 nedstrøms er hastighets- og kraftvektordiagrammene (figur 5) like, men ikke identiske med de for bladene 10 oppstrøms. Vinkelen forbundet med den tilsynelatende strømningsvektor i grader, ^, fås fra

^ kan derfor fastlegges som a allerede har vært fastlagt. Ligningen for bevegelesenergien kan følgelig reduseres til

der Cn= Qcos cp+ Cosin cp er den aksiale eller normale kraftkoeffisienten, og Ct = Qsin ( p+ CdCOS cp er den tangensiale kraftkoeffisienten.

Disse er deretter kombinert for å eliminere a, hvilket gir

Denne ligning er løst ved en iterasjonsprosess som involverer presentasjon av verdier for vinkelenj8 for bladstigningen, derj8 = ^ - a, inntil en løsning er funnet. Prosedyren er å økej8 med små inkrementer inntil ubalansen i denne ligningen er minimert. Når dette er oppnådd, kan soliditeten a kalkuleres, og bladets kordelengde kan fastlegges.

En turbin 5 og generator 50, slik som de som er beskrevet her, kan ha mange fordeler overfor konvensjonelle teknologier. Tilveiebringelsen av multiple

sett med turbinblader 10,15 øker effektiviteten ved innfangingen av energi. Å ha to kontra-roterbare sett med blader 10,15 i tett nærhet leder videre til nær null reaktivt dreiemoment på systemet. Dette har mange fordeler, inklusivt at større fleksibilitet tillates ved utformingen av den bærende konstruksjon og mulig eliminering av behovet for benyttelse avfastpæling i sjø- eller elvebunnen. Komponentene kan i tillegg bli gjort lettere og billigere, siden de ikke trenger styrke for å motstå den høye graden av reaktivt dreiemoment. Den større relative hastighet på rotoren og statoren gjør det mulig med en reduksjon opp til 50% i antallet elektriske maskinpoler sammenlignet med standard maskiner med samme ytelse. Dette åpner for bruk av et mye lettere, enklere og en mer kompakt girmekanisme eller eliminering av giret, der generatoren drives direkte. Siden virvlene produsert av bladene nedstrøms kan arrangeres slik at disse i det vesentlige utbalanserer virvlene produsert av bladene oppstrøms, kan påvirkningen fra omgivelsene tilknyttet utvasking av sjøbunnen på grunn av virveldannelser bli vesentlig redusert. Videre kan den relative bevegelse av de kontra-roterende rotorene være slik at marine organismer finner det vanskeligere å sette seg fast på rotorene, noe som leder til en reduksjon i bio-begroing på bladene.

En fagmann på området vil vite at variasjoner av de beskrevne arrangementene vil være mulig uten derved å fjerne seg fra oppfinnelsen. Mens hver av turbinens rotor og stator, som for eksempel beskrevet ovenfor, vil være direkte tilkoplet et tilsvarende sett med blader, så er det mulig å anvende andre arrangementer som involverer indirekte kopling via minst en girmekanisme mellom nevnte minst et sett med turbinblader og generatoren. Mens et spesifikt eksempel på systemet har to aksler, der den ene er tiknyttet med et sett med turbinblader og den andre med et andre sett turbinblader, så er det også mulig å kun benytte en aksling og en egnet innretning for kopling mellom begge settene med turbinblader, så som for eksempel et orbitalt girsystem. Selv om turbinen som er beskrevet er anordnet for optimal ytelse i en retning, kan modifikasjoner av bladform og generatorhuset gjøre det egnet for toveis bruk. Mens bladene beskrevet i foreliggende oppfinnelse er åpne, så kan en deksel i tillegg benyttes for å øke oppsamlingsarealet og derved sette fart på strømmen. Følgelig er ovennevnte spesifikke utførelsesform kun å anses som et eksempel som ikke er begrensende for beskyttelsen. Det vil være åpenbart for en fagmann på området at mindre modifikasjoner kan gjøres uten derved i nevneverdig grad å endre driften som er beskrevet.

Claims

1. Turbin (5) som har minst to sett med koaksialt anordnete, kontra-roterbare blader (10,15), med ulikt antall blader anordnet slik at det ene settet ikke kan skygge for det andre fullstendig, et sett blader (10) er i drift oppstrøms i en fluidstrøm, og det andre settet (15)er nedstrøms, idet bladene nedstrøms (15) er anordnet/utformet for å motvirke virvelen skapt av bladene (10) oppstrøms, for å minimere eller redusere den totale virvelen nedstrøms, hvert sett av blader kan drives for å trekke ut lik mengde energi, idet bladene i ett sett (10,15) har en forskjellig profil i forhold til bladene i det andre settet (10,15) og bladenes (10,15) profil er slik at det genereres et forskjellig reaktivt dreiemoment av hvert blad i forhold til et blad i et annet bladsett, slik at det i det vesentlige ikke er noe netto reaktivt dreiemoment mellom bladsettene.

2. Turbin (5) ifølge krav 1, der et sett har et likt antall blader (10,15) og det andre settet har et ulikt antall blader.

3. Turbin (5) ifølge et av kravene 1-2, der settene med blader (10,15) er montert i det vesentlige tilstøtende hverandre.

4. Turbin (5) ifølge et av kravene 1 -3, der minst et sett blader (10,15) er montert på en første aksling.

5. Turbin (5) ifølge krav 4, der minst et annet sett blader (10,15) er montert på en andre aksling.

6. Turbin (5) ifølge et av kravene 1 -5, der turbinen er benyttet for å drive en elektrogenerator som har en eller flere rotorer og en stator.

7. Turbin (5) ifølge krav 6, der statoren er roterbar.

8. Turbin (5) ifølge krav 7, der generatorens rotor er koplet med den første aksling og generatorens stator er koplet til den andre aksling.

9. Turbin (5) ifølge krav 8, der den første og andre aksling er ko-aksiale.

10. Turbin (5) ifølge krav 9, der statoren og rotoren eller rotorene er anordnet slik at, når de er i bruk, roterer de i motsatt retning i forhold til hverandre.

11. Turbin (5) ifølge et av kravene 1-10, der turbinen er arrangert for å drives av tidevannstrømmer.