PL195898B1 - Urządzenie, zwłaszcza przemiennik energii przepływających płynów lub gazów - Google Patents

Abstract

1. Urzadzenie, zwlaszcza przemiennik energii przeplywajacych plynów lub gazów, zawierajace pierscieniowy stojan, na zewnatrz lub wewnatrz którego jest umieszczony obrotowy pierscieniowy wirnik, przy czym pierscieniowy wirnik ma srednice o wielkosci odpowiadajacej co najmniej trzy krotnej wielkosci jego osiowego wymiaru, zas do wirnika jest zamocowana co najmniej jedna lopatka napedzana za pomoca plynu napedowego lub gazu, przy czym pomiedzy stojanem i wirnikiem sa usytuowane ma- gnesy do wytwarzania sily, a ponadto urzadzenie zawiera wykrywacze polozenia co najmniej czesci wirnika wzgledem stojana oraz elementy sterowania silami magnetycznymi wytwarzanymi przez magnesy zalezne od kierunku wykrywaczy polozenia i pod- trzymujace wirnik w stalym polozeniu wzgledem stojana, znamienne tym, ze przyciagajace sily ma- gnetyczne pomiedzy stojanem i wirnikiem sa wytwa- rzane przez elementy magnetyczne do utrzymywania wirnika w stalym polozeniu wzgledem stojana. PL PL PL PL

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie, zwłaszcza przemiennik energii przepływających płynów lub gazów. Tego typu urządzenie jest stosowane, zwłaszcza do przemiany mocy w zakresie od jednego do kilku lub kilkudziesięciu kilowatów, korzystnie tysięcy kilowatów lub powyżej. Wynalazek może być również zastosowany w innych dziedzinach, tam gdzie stosuje się urządzenie wytwarzające energię za pomocą obracających się względem siebie dwóch współosiowych pierścieni.

Podczas przemiany energii elektrycznej na mechaniczną i odwrotnie, w wirujących częściach urządzenia wał przenoszący energię mechaniczną obraca się z małą prędkością, co wynika z małych obrotów mechanicznego napędu lub mechanicznego obciążenia.

Znanym przykładem takiego urządzenia jest silnik Diesla, w którym zastosowano wolnoobrotowy wał napędzający na przykład śrubę okrętową. Innym przykładem układu z wolnoobrotowym wałem jest silnik wiatrowy stosowany do napędzania kamienia młyńskiego lub koła wodnego.

W znanej konstrukcji zawierającej urządzenie elektryczne z wirującymi elementami, części składowe umieszcza się w pobliżu centralnego wału. Gdy w urządzeniach takich wykorzystuje się silnik przekształcający energię elektryczną na energię mechaniczną, lub generator przekształcający energię mechaniczną na energię elektryczną, zastosowanie wolnoobrotowego wału jest niekorzystne z powodu małej prędkości obwodowej wirnika względem stojana. Mała prędkość obwodowa zapewnia małą energię w jednostce czasu na jednostkę powierzchni (gęstość mocy), co powoduje konieczność zastosowania ciężkiego sprzętu przy danym poziomie mocy.

Jednym ze sposobów zwiększenia gęstości mocy urządzenia elektrycznego jest zwiększenie prędkości wirnika względem stojana. Często polega to na zastosowaniu przekładni pomiędzy urządzeniem elektrycznym i wolnoobrotowym wałem w taki sposób, aby wał urządzenia elektrycznego obracał się z większą prędkością niż wolnoobrotowy wał.

Znanym, alternatywnym sposobem zwiększenia prędkości obwodowej wirnika względem stojana jest zwiększenie odległości wirnika od wału, przy czym stojan i wirnik stanowią części urządzenia elektrycznego połączone w układ dwóch współosiowych pierścieni, obracających się względem siebie.

Znane są urządzenia przetwarzające energię przepływającej wody w energię elektryczną, przy czym na skutek poruszania dwóch pierścieni można przekształcić energię zawartą w przepływającej cieczy lub gazu w energię elektryczną, lub odwrotnie przekształcić energię elektryczną na energię przepływu cieczy lub gazu. W takich przypadkach układ według pos. l może być tak zmieniony, aby łopatki pędnika lub turbiny zajęły miejsce ramion koła wirnikowego, a medium w postaci gazu lub cieczy przepływało wokół tych łopatek, napędzając obrotowo pierścień wirnika.

Znane jest mechaniczne podparcie centralnego wału wirnika, które wymaga zastosowania mechanicznych części prowadzących, usytuowanych na zewnątrz od wału do części połączonych ze stojanem.

W przypadku śruby okrętowej, stosowanej na przykład do napędu statku handlowego, korzystnie zbiornikowca o długości 300 m, lub innego statku dalekomorskiego, mechaniczne podparcie centralnego wału powoduje rozkład pulsacji przepływu wody wytwarzający wzrost hałasu w wodzie i mechaniczne drgania w wale oraz kadłubie statku, co jest niekorzystne.

W przypadku wytwarzania elektryczności za pomocą wiatru lub przepływu wody o mocy rzędu na przykład kilku megawatów i przy zastosowaniu łopatek o średnicy na przykład 20 m mechaniczne podparcie centralnego wału będzie również powodować wzrost rozchodzenia się pulsacji w medium oraz w konstrukcji.

Zaburzenia równomiernego przepływu medium powodują zmniejszenie sprawności przekształcania energii, a w wielu przypadkach występuje hałas nie do przyjęcia.

Znana jest konstrukcja pędnika z mechanicznym centralnym wałem i łożyskami, do którego podłącza się silnik lub generator, przy czym taki układ charakteryzuje się znacznymi wymiarami w kierunku wału w porównaniu ze średnicą pędnika. Łożyska pędnika oraz silnika lub generatora powinny być współosiowe, co wymusza sztywność podparcia łożysk oraz silnika lub generatora, lub alternatywnie wprowadzenie elementów dopuszczających odchyłkę położenia i kąta pomiędzy wałem pędnika oraz wałem silnika lub generatora.

Znane jest zastosowanie wirnika co najmniej częściowo podpierającego wystające z niego do wewnątrz łopatki, po których przemieszcza się ciecz lub gaz, gdzie na przykład wirnik stanowi obwodowe osadzony pierścień o dużej średnicy w porównaniu z jego długością w kierunku poosiowym. Taka konstrukcja może dawać wiele zalet, ponieważ umożliwi częściowe lub całkowite pominięcie

PL 195 898B1 centralnego podparcia łopatek przez wał, lub wyeliminuje konieczność zastosowania wału, lecz przy zastosowaniu samych łożysk mechanicznych będzie stwarzać problemy konstrukcyjne.

Jest wiadomym, że korpus nie może być trwale podtrzymywany na skutek działania sił pola magnetycznego pochodzącego od magnesów trwałych, jeśli nie wprowadzi się dodatkowych elementów stabilizujących. To samo dotyczy układu bez docelowo regulowanych elektromagnesów (np. pod warunkiem nie zamierzonego pole magnetyczne, na przykład w wyniku zasilania stałą mocą). Niemożliwe jest również wykonanie układu zawierającego liczne magnesy stałe nie regulowane, które będą stabilnie działać na wirnik i stojan, bez mechanicznego kontaktu z korpusem poruszającym się w polu magnetycznym.

Z opisu patentowego DE 3638129 znany jest turbogenerator o dużej średnicy wytwarzający energię elektryczną o dużej mocy i zawierający generator pierścieniowy, który jest zintegrowany na obwodzie koła turbiny i jest wyposażony w trwały magnes o dużej mocy usytuowany w wirniku. Wirnik i stojan pierścienia generatora są usytuowane w części przenoszącej obciążenie oraz odpowiednio w kole turbiny. Każdy z nich ma szereg magnesów.

Z opisu patentowego US 4398773 znany jest magnetyczny układ, zawieszenia zwłaszcza dla wirnika zawierający stojan mający osiowo oddalone trwałe magnesy na wirniku, tak że pole odpychania zawiesza wirnik względem stojana. Magnetyczny zwój otacza wirnik i jest umieszczony pomiędzy nabiegunnikiem stojana zasadniczo mostkując szczelinę pomiędzy nimi, zaś trwałe magnesy stojana i wirnika odpychają się wzajemnie w kierunku osiowym.

Urządzenie, zwłaszcza przemiennik energii przepływających płynów lub gazów, według wynalazku, zawierające pierścieniowy stojan, na zewnątrz lub wewnątrz którego jest umieszczony obrotowy pierścieniowy wirnik, przy czym pierścieniowy stojan ma średnicę o wielkości odpowiadającej co najmniej trzykrotnej wielkości jego osiowego wymiaru, zaś do stojana jest zamocowana co najmniej jedna łopatka napędzane za pomocą płynu napędowego lub gazu, przy czym pomiędzy stojanem i wirnikiem są usytuowane magnesy wytwarzania siły, a ponadto urządzenie zawiera wykrywacze położenia co najmniej części wirnika względem stojana oraz elementy sterowania siłami magnetycznymi wytwarzanymi przez magnesy zależne od kierunku wykrywaczy położenia i podtrzymujące wirnik w stałym położeniu względem stojana, charakteryzuje się tym, że przyciągające siły magnetyczne pomiędzy stojanem i wirnikiem są wytwarzane przez elementy magnetyczne do utrzymywania wirnika w stałym położeniu względem stojana.

Korzystnym jest, gdy przyciągające siły magnetyczne są do zwiększania stabilności postaciowej stojana i/lub wirnika.

Stabilność postaciowa wzrasta o wartość co najmniej 10%.

Ze stojanem jest połączona łopatka napędzana powietrzem lub wodą z otoczenia.

Zaletą powyższego rozwiązania jest to, że proponuje zastosowanie pola magnetycznego dla przynajmniej częściowego podtrzymania, bądź osadzenia wirnika względem stojana. Zastosowano tu siły magnetyczne pola magnetycznego, do zwiększenia statycznej i/lub dynamicznej stabilności wirnika bądź stojana, na przykład mechanicznie usztywniając te zespoły. Zapewnia to lekkość konstrukcji i nie wymaga zastosowania mechanicznego podparcia jak jest to stosowane w znanych urządzeniach tego typu. Stabilność zespołu wirnika i stojana można zwiększyć w kierunku promieniowym oraz w kierunku poosiowym. Pole magnetyczne wywiera korzystny i znaczący wpływ na stabilność. Pole magnetyczne zwiększa na przykład sztywność na zginanie lub stabilność postaciową wirnika i stojana co najmniej o 10%, korzystniej co najmniej o 20% i najkorzystniej co najmniej o 25%. Dzięki maksymalnej elastyczności wirnika i stojana, ich stabilność może być całkowicie zależna od pola magnetycznego. Ponieważ łopatki (jeśli występują) lub inne części (jeśli występują) mechanicznie zamocowane do wirnika mogą zwiększyć stabilność w jednym lub w obu kierunkach należy sądzić, że pole magnetyczne będzie dawać największe korzyści dla stabilizacji w kierunku nie stabilizowanym przez łopatki. Natomiast przy wprowadzeniu układu sterowania, reagującego na położenie korpusu względem korpusu umieszczonego w polu magnetycznym, poprzez zmianę pola korpus można utrzymywać w stabilnym położeniu, co przynajmniej częściowo eliminuje potrzebę mechanicznego podparcia wirnika. Gdyby w silniku lub generatorze zastosowano wirnik i stojan o dużej średnicy w stosunku do poprzecznego przekroju, bądź ich wymiaru poosiowego, występuje problem stabilności mechanicznej.

Taka sytuacja pojawia się, gdy wirnik przynajmniej częściowo podpiera wystające z niego łopatki do wewnątrz, a wokół łopatek przepływa płyn lub gaz. Lokalna średnica pierścieni może być zmienna w różnych położeniach azymutalnych na ich długości, a pierścienie mogą być wygięte tak, aby nie leżały w jednej płaszczyźnie. Wynalazek może być zastosowany do rozwiązania wielu zagadnień dotyczących zastosowań pierścieniowego silnika/generatora ze zintegrowanym napędzanym lub

PL 195 898B1 napędzającym pędnikiem cieczowym albo gazowym bądź licznymi takimi pędnikami, zwłaszcza o dużej średnicy pierścieniowego wirnika i stojana w porównaniu z wymiarami poprzecznego przekroju wirnika.

Przedmiot wynalazku jest opisany w przykładzie wykonania na podstawie rysunku, na którym przedstawione jest urządzenie według wynalazku w przekroju.

Jak to przedstawiono na fig. 2 rysunku urządzenie składa się z pierścienia wirnika 9 obracającego się wewnątrz pierścienia stojana 12 połączonego mechanicznie z pędnikiem 8 napędzającym lub napędzanym przez medium i wystającym do wewnątrz z wirnika 9, w pierścieniu wirnika występuje wirnik 7 urządzenia elektrycznego oraz nabiegunniki 10 magnesów. W pierścieniu stojana są usytuowane elektromagnesy 2, 3, 4,5, połączone do elementów sterujących (nie pokazanych) i współpracujących z nabiegunnikami 10 w celu wytworzenia sił poosiowych i/lub sił obrotowych wokół dwóch nierównoległych, korzystnie przechodzących w poprzek, lub prostopadłych osi przebiegających prostopadle do osi symetrii 11 pierścienia wirnika 9. Również części obwodów nabiegunników 10 mogą wytwarzać promieniowe siły sterowania promieniowego położenia pierścienia wirnika względem pierścienia stojana 12. W pierścieniu stojana 12 usytuowany jest stojan 6 maszyny elektrycznej, części obwodów magnesów 5 dostarczających poosiowe i obrotowe siły wywierane na części 10. Pomiędzy stojanem 6 i wirnikiem 7 występuje szczelina z polem magnetycznym urządzenia elektrycznego. Obwody magnesów 2 i 3 wytwarzają siły promieniowe i słabe siły poosiowe. Natomiast obwody magnesów 4i 5 wytwarzają siły poosiowe, siły obrotowe i słabe siły promieniowe. Pole magnetyczne w szczelinie 1może wytwarzać siły promieniowe, gdy pierścień wirnika nie jest dokładnie wycentrowany względem pierścienia stojana, lub gdy prądy w stojanie i wirniku urządzenia elektrycznego nie są równomiernie azymutalnie rozłożone.

Przedstawione urządzenie nie posiada osadzonego czopowo centralnego wału, a pędnik 8 w postaci łopatek jest zamocowany na pierścieniu wirnika 9, na który działa pole magnetyczne wytworzone wewnątrz pierścienia stojana 11. Możliwe są inne przykłady wykonania, w których wirnik 1 i nabiegunniki 10 nie będą wystawać do wnętrza pierścienia stojana 12, przez co magnesy 4 i 5 nie wystają z pierścienia stojana 12. Magnesy 2, 3, 4 i 5 mogą być częściowo lub całkowicie wymienne względem nabiegunników 10. Może także występować oddziaływanie magnetyczne utworzone jedynie przez stojan 6 i wirnik 1 urządzenia elektrycznego.

Jak to ilustruje fig. 2 średnica pierścienia wirnika jest mała w porównaniu z wymiarem jego poosiowego przekroju, co na podstawie wymiarów i stałych technicznych sugeruje dużą sztywność tego zespołu. Natomiast w praktyce średnica ta jest co najmniej trzykrotnością wymiaru poosiowego, korzystnie dziesięciokrotnością wymiaru poosiowego pierścienia wirnika, co daje niestabilne działanie wymuszające konieczność dalszej stabilizacji wobec długookresowej ekonomicznej eksploatacji. Pierścień wirnika będzie niestabilny także przy mniejszych proporcjach średnicy do wymiaru długości, jeśli jest wykonany na przykład z tworzywa sztucznego.

Claims (4)

1. Urządzenie, zwłaszcza przemiennik energii przepływających płynów lub gazów, zawierające pierścieniowy stojan, na zewnątrz lub wewnątrz którego jest umieszczony obrotowy pierścieniowy wirnik, przy czym pierścieniowy wirnik ma średnicę o wielkości odpowiadającej co najmniej trzy krotnej wielkości jego osiowego wymiaru, zaś do wirnika jest zamocowana co najmniej jedna łopatka napędzana za pomocą płynu napędowego lub gazu, przy czym pomiędzy stojanem i wirnikiem są usytuowane magnesy do wytwarzania siły, a ponadto urządzenie zawiera wykrywacze położenia co najmniej części wirnika względem stojana oraz elementy sterowania siłami magnetycznymi wytwarzanymi przez magnesy zależne od kierunku wykrywaczy położenia i podtrzymujące wirnik w stałym położeniu względem stojana, znamienne tym, że przyciągające siły magnetyczne pomiędzy stojanem i wirnikiem są wytwarzane przez elementy magnetyczne do utrzymywania wirnika w stałym położeniu względem stojana.

2. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że przyciągające siły magnetyczne są do zwiększania stabilności postaciowej stojana i/lub wirnika.

3. Urządzenie według zastrz. 2, znamienne tym, że stabilność postaciowa wzrasta o wartość co najmniej 10%.

4. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że z wirnikiem jest połączona łopatka napędzana powietrzem lub wodą z otoczenia.