PL223125B1 - Turbogenerator tarczowy z uzwojeniem twornika w wirniku, zwłaszcza do elektrowni małej mocy, w tym wodnych i wiatrowych - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Dziedzina techniki. Przedmiotem wynalazku jest turbogenerator tarczowy z uzwojeniem twornika w wirniku, zwłaszcza do elektrowni wodnych i wiatrowych.

Stan techniki. Bezłopatkowa turbina adhezyjna została wynaleziona przez Nikolę Teslę. W stosowanych dotychczas rozwiązaniach energia mechaniczna produkowana przez turbinę była odbierana przez wyprowadzony na zewnątrz obudowy urządzenia wał, który po sprzęgnięciu napędzał odbiornik energii, w postaci oddzielnego generatora elektrycznego. Rozwiązanie to jest kłopotliwe w montażu, ze względu na konieczność precyzyjnego osiowania wału turbiny z wałem generatora przed sprzęgnięciem - niezbędnego ze względu na wysokie prędkości obrotowe, przy których najczęściej pracuje turbina adhezyjna. Ponadto stosowanie oddzielnej turbiny oraz generatora elektrycznego zwiększa gabaryty oraz koszty turbozespołu, oraz wpływa niekorzystnie na dynamikę turbozespołu.

Z opisu patentowego US 4 555 637 znany jest generator pokazany na rys. 1, zawierający silnik elektryczny, na którego wale osadzona jest turbina gazowa 54, a generator i turbina umieszczone są w osi przewodu rurowego 42. W przedniej części przewodu rurowego 42 umieszczony jest stożek 46, a w tylnej części dusza w kształcie stożka. Przepływający przez przewód 42 czynnik roboczy w postaci gazowej o dużej prędkości przepływu na skutek opływu stożka 46, zostaje skierowany na turbinę 54 i następnie wypływa dyfuzorem wylotowym.

Natomiast z opisu patentowego PL 119 775 (U1) znany jest generator przeciwbieżny prądu zmiennego pokazany na rys. 2. Układ koncentryczny dwóch wirników 1 i 2 jest zamocowany pomiędzy stojanem zewnętrznym 4 w generatorze. Wirniki są napędzane każdy oddzielnie i obracają się w przeciwną stronę powodując wirowanie wytworzonego pola magnetycznego. Wirnik 1 napędzany jest poprzez pierwszą turbinę wiatrową ze śmigłem 2 umieszczoną na wale generatora. Wirnik 5 zamocowany jest łącznie z tuleją 6 napędzaną przekładnią mechaniczną energią z drugiej strony turbiny wiatrowej ze śmigłem 3. W generatorze przeciwbieżnym ruch wirników 1 i 5 powoduje zsumowanie szybkości obrotów, co skutkuje dwukrotnie szybszym wzbudzaniem prądu i pozyskiwaniem większego prądu zmiennego. Podwójna siła obrotów wynika z przeciwbieżności ruchu wirników 1 i 5 oraz wirującego pola magnetycznego.

Z kolei z opisu patentowego US 4 253 031 znany jest generator pokazany na rys. 3, zawierający wirnik turbiny gazowej 2 i wirnik sprężarki doładowującej oraz tarczę 9a i tarczę twornika 17, os adzone na wspólnym wale 6. Do wirnika sprężarki 3 zamocowana jest tarcza 9a z umieszczonymi obwodowo magnesami trwałymi 18a i 18b. Z kolei do tarczy twornika 17 zamocowane są rdzenie twornika wraz z uzwojeniami. Wirnik turbiny gazowej 2 i wirnik sprężarki 3 oraz tarcza twornika 17, umieszczone są w oddzielnych obudowach.

W przestawionych rozwiązaniach konstrukcyjnych generator i turbina napędowa osadzone są na wspólnym wale, ale nie są umieszczone w jednej obudowie, przy czym tarcza turbiny nie jest jednocześnie tarczą generatora elektrycznego i turbiny.

Kolejno z opisu patentowego PL 202 556 (B1) znane jest urządzenie i układ do wytwarzania energii elektrycznej z przepływającego czynnika przykładowo wody, zawierającego pewną ilość zespołów turbina-generator, które są umieszczone jeden nad drugim i/lub obok siebie oraz są połączone, tworząc jeden lub szereg modułów, przy czym generatory są ukształtowane, jako generatory synchroniczne, które jako układ wzbudzenia posiadają bieguny magnesów trwałych.

W przedstawionym urządzeniu do wytwarzania energii elektrycznej według wynalazku tarcza turbiny nie jest jednocześnie tarczą generatora elektrycznego i turbiny.

Istota wynalazku. Wirnik turbogeneratora składa się z jednej lub wielu tarcz wirnikowych zamocowanych do piasty wału lub bezpośrednio do wału, przy czym wał osadzony jest w łożyskach umieszczonych w otworach wewnątrz pokrywy pierwszej i pokrywy drugiej w obudowie, a na obwodzie koła tarczy wirnika, umieszczone są przewody uzwojenia twornika generatora, przy czym zaciski uzwojenia są przyłączone do pierścieni ślizgowych. Z kolei wyprowadzenie energii elektrycznej z generatora jest zrealizowane poprzez szczotki ślizgowe, które umieszczone są w otworach pokrywy pierwszej albo pokrywy drugiej. Kolejno w otworach wykonanych w pokrywie pierwszej i pokrywie drugiej w obudowie lub w tarczach stojanowych w przypadku wirników wielotarczowych, umieszczone są magnesy trwałe, a bieguny N i S sąsiadujących magnesów trwałych występują naprzemiennie. Kolejno w otworach wykonanych w pokrywach obudowy lub w tarczach stojanowych w przypadku wirników wielotarczowych, umieszczone są pierścień lub pierścienie, przy czym pierścień lub pierścienie

PL 223 125 B1 wykonane z materiału ferromagnetycznego zamykają obwody strumieni magnetycznych w turbogeneratorze.

Wlot czynnika roboczego w postaci gazu lub cieczy następuje poprzez dysze umieszczone na obwodzie obudowy generatora, przy czym czynnik roboczy przepływa spiralnie przez szczeliny, które umiejscowione są pomiędzy tarczą wirnikową i pokrywami w obudowie lub pomiędzy tarczami wirnikowymi a tarczami stojanowymi w przypadku wirników wielotarczowych. Z kolei wylot czynnika roboczego zrealizowany jest przez otwory w pokrywach obudowy lub tarcz i obudowy w przypadku wirników wielotarczowych.

Zaletą turbogeneratora według wynalazku jest to, że jedna tarcza wirnikowa pełni rolę zarówno tarczy generatora elektrycznego, jak i tarczy wirnika turbiny, co wydatnie zmniejsza jego gabaryty oraz koszty wykonania oraz poprawia eksploatację i charakterystyki dynamiczne wirnika.

Ponadto zaletą turbogeneratora jest to, że uzwojenie twornika umieszczone jest w tarczy wirnika, a magnesy stałe z pierścieniami zamykającymi strumień magnetyczny umieszczone są w pokrywach obudowy lub tarczach stojana w przypadku wirników wielotarczowych. Dzięki temu minimalizuje się gabaryty i ciężar turbogeneratora.

Objaśnienie figur rysunku. Przedmiot wynalazku jest przedstawiony na przykładzie wykonania przedstawionym na rysunku, na którym Fig. 1 przedstawia schemat ideowy turbogeneratora tarczowego, Fig. 2 uzwojenie twornika w tarczy wirnikowej turbogeneratora tarczowego, Fig. 3 rozmieszczenie magnesów w obudowie turbogeneratora tarczowego, a Fig. 4 pokazuje przekrój A-A z Fig. 3 obwód magnetyczny w turbogeneratorze tarczowym.

Przykład wykonania wynalazku. Turbogenerator tarczowy według wynalazku stanowi konstrukcję, w której turbina adhezyjna (tzw. turbina Tesli) połączona jest z generatorem elektrycznym typu tarczowego, przy czym uzwojenia twornika generatora umieszczone są w wirniku tarczowym turbiny, a elementy magnetyczne w pokrywach obudowy. Wirnik tarczowy turbiny i pokrywy osadzone są w jednej obudowie.

Wirnik turbogeneratora pokazany na Fig. 1 składa się przykładowo z jednej tarczy wirnika 1 zamocowana do piasty 2 wału 3, przy czym wał 3 osadzony jest w łożyskach 4 umieszczonych w otworach wewnątrz pokrywy 5 i 6 obudowy 7. Przykładowo na Fig. 1 i Fig. 2 pokazano, że na obwodzie tarczy wirnika 1 umieszczone są przewody uzwojenia twornika 8 generatora, a zaciski 18 uzwojenia 8 są przyłączone do pierścieni ślizgowych 9. Wyprowadzenie energii elektrycznej z generatora jest zr ealizowane poprzez szczotki ślizgowe 10, które są dociskane do pierścieni ślizgowych 9 poprzez sprężyny 11 i śruby 12, przy czym szczotki 10 umieszczone są w otworach 13 pokrywy 5 albo 6, a w osiach otworów 13 umieszczone są kolejno zaciski 18 uzwojenia twornika 8 połączone z pierścieniami 9 i szczotki 10.

W otworach 14 i 15 wykonanych w pokrywach 5 i 6 stojana w obudowie 7, umieszczone są k olejno magnesy trwałe 16 i pierścień 17, przy czym przykładowo, jak pokazano na Fig. 3, magnesy trwałe 16 i pierścień 17, umieszczone są na obwodzie koła w pokrywach 5 i 6 stojana, a sąsiadujące magnesy trwałe 16 są zamocowane naprzemiennie biegunami N i S. Z kolei, jak pokazano na Fig. 4, pierścień 17 wykonany z materiału ferromagnetycznego, zamyka obwód strumienia magnetycznego w turbogeneratorze. Wlot czynnika roboczego w postaci gazu lub cieczy następuje poprzez dysze 19 umieszczone na obwodzie obudowy 7, przy czym czynnik przepływa spiralnie przez szczeliny 20 umiejscowione pomiędzy tarczą wirnikową 1 i pokrywą 5 i 6.

Czynnik roboczy przepływając spiralnie w szczelinach 20 dzięki siłom adhezji i zjawiskom w ystępującym w warstwie przyściennej, oddaje energię, napędzając obracającą się tarczę wirnikową 1. Z kolei wylot czynnika roboczego zrealizowany jest przez otwory 21 w pokrywie 5 i 6 obudowy 7, zlokalizowane w pobliżu osi turbogeneratora.

Podczas obrotu tarczy wirnikowej 1 z umieszczonymi wewnątrz przewodami uzwojenia tworn ika 8, których zaciski 18 są przyłączone do pierścieni ślizgowych 9 względem pokrywy 5 i 6 z magnesami stałymi i pierścieniami oraz szczotkami 10 przylegającymi do pierścieni 9, powstaje zmienne pole magnetyczne w rezultacie, czego w uzwojeniu generatora indukuje się siła elektromotoryczna. Ponadto przewody uzwojenia twornika 8 mogą być umieszczone w różnych miejscach wewnątrz tarczy wirnikowej, a magnesy trwałe 16 i pierścienie 17 na obwodzie koła lub kół w pokrywie 5 i 6 obudowy 7.

Generator według wynalazku może być korzystnie zastosowany do wytwarzanie energii elektrycznej, zwłaszcza do elektrowni małej mocy, w tym wodnych i wiatrowych.

Claims (5)

Zastrzeżenia patentowe

1. Turbogenerator tarczowy z uzwojeniem twornika w wirniku, zwłaszcza do elektrowni małej mocy, w tym wodnych i wiatrowych, znamienny tym, że wirnik turbogeneratora składa z jednej lub wielu tarcz wirnikowych (1) zamocowanych do piasty (2) wału (3) lub bezpośredni do wału, przy czym wał (3) osadzony jest w łożyskach (4), umieszczonych w otworach wewnątrz pokrywy (5) i (6) obudowy (7), a w tarczy wirnika (1) umieszczone są przewody uzwojenia twornika (8) generatora, przy czym zaciski (18) uzwojenia (8) są przyłączone do pierścieni ślizgowych (9), z kolei wyprowadzenie energii elektrycznej z generatora jest zrealizowane poprzez szczotki ślizgowe (10), które umieszczone są w otworach (13) pokrywy (5) albo (6), kolejno w otworach (14) i (15) wykonanych w pokrywach (5) i (6) w obudowie (7), umieszczone są magnesy trwałe (16) i pierścień lub pierścienie (17), przy czym p ierścień lub pierścienie (17) wykonane z materiału ferromagnetycznego zamykają obwody strumieni magnetycznych w turbogeneratorze, a sąsiadujące magnesy trwałe (16) są zamocowane naprzemiennie biegunami N i S, kolejno wlot czynnika roboczego w postaci gazu lub cieczy następuje poprzez dysze (19) umieszczone na obwodzie obudowy (7), przy czym czynnik przepływa spiralnie przez szczeliny (20) z kolei wylot czynnika roboczego zrealizowany jest przez otwory (21) w pokrywie (5) i (6) obudowy (7).

2. Turbogenerator według zastrz. 1, znamienny tym, że szczeliny (20) umiejscowione są pomiędzy tarczą wirnikową (1) i pokrywą (5) i (6) lub między tarczami wirnikowymi (1) a tarczami stojana w przypadku wirników wielotarczowych.

3. Turbogenerator według zastrz. 1, znamienny tym, że magnesy trwałe (16) i pierścienie (17) umieszczone są w otworach (14) i (15), wykonanych na obwodzie koła lub kół w pokrywie (5) i (6) lub tarczach stojana w przypadku wirników wielotarczowych (1).

4. Turbogenerator według zastrz. 1, znamienny tym, że przewody uzwojenia twornika (8) mogą być umieszczone w różnych miejscach wewnątrz tarczy wirnikowej (1).

5. Turbogenerator według zastrz. 1, znamienny tym, że otwory (21) w pokrywie (5) i (6) obudowy (7), zlokalizowane są w pobliżu osi turbogeneratora.