PL246149B1 - Sposób regulowania podczas pracy kąta ustawienia łopat wirnika śmigłowego, zwłaszcza łopat wirnika turbiny wodnej oraz zespół wirnika śmigłowego o regulowanym podczas pracy kącie ustawienia łopat, zwłaszcza łopat wirnika turbiny wodnej. - Google Patents

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest sposób regulowania podczas pracy kąta ustawienia łopat wirnika śmigłowego, zwłaszcza łopat wirnika turbiny wodnej oraz zespół wirnika śmigłowego o regulowanym podczas pracy kącie ustawienia łopat, zwłaszcza łopat wirnika turbiny wodnej. Sposób regulowania podczas pracy kąta ustawienia łopat wirnika śmigłowego, zwłaszcza łopat wirnika turbiny wodnej, polega na analizie parametrów pracy maszyny: różnicy ciśnień prędkości obrotowej, przełyku turbiny lub wydatku pompy, i określeniu optymalnego kąta ustawienia łopat przez komputer, charakteryzuje się tym, że sygnały z komputera przesyła się przewodowo do modułu II łączności bezprzewodowej w obudowie turbiny, skąd transmituje się je bezprzewodowo do modułu I łączności bezprzewodowej w wirniku i dalej przewodowo przesyła się do sterownika i elektrosiłownika, którego trzpieniem w poosiowym ruchu przestawia się położenie czopa zamocowanego na trzpieniu i przy poosiowym przesuwie czopa obraca się przylegające do czopa suwliwe elementy kształtowe przymocowane do podstaw łopat zamocowanych obrotowo w gniazdach wirnika i zmienia się kątowe ustawienie łopat, po czym ponawia się przesyłanie sygnałów do i z komputera tym samym torem sygnałowym. Korzystnie sygnały pomiędzy modułami I i II łączności bezprzewodowej przesyła się w paśmie radiowym od 1 MHz do 100 kHz, najkorzystniej w paśmie < 1 MHz dla odległości < 0,5 m, < 500 kHz dla odległości < 1 m oraz < 100 kHz dla odległości < 3 m. Zespół wirnika śmigłowego o regulowanym podczas pracy kącie ustawienia łopat, zwłaszcza łopat wirnika turbiny wodnej, posiadający elektrosiłownik i łopaty z podstawami zamocowanymi obrotowo w gniazdach wirnika połączonego z wałem ułożyskowanym w korpusie zewnętrznym, charakteryzuje się tym, że elektrosiłownik (5) jest zamocowany wewnątrz wirnika (1), połączony poprzez sterownik (50) ze źródłem energii (10) elektrycznej przewodem (19), zaopatrzony w trzpień (6) zakończony czopem (7), w którego ukośnych względem osi wzdłużnych wybraniach umieszczone ma suwliwe, dopasowane kształtem do wybrań i/lub karbów, elementy kształtowe (9) przymocowane do podstaw (4) łopat, przy czym ruch poosiowy trzpienia (6) z czopem (7) powoduje ruch obrotowy elementów podstaw (4) wraz z łopatami względem osi obrotu łopat.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób regulowania podczas pracy kąta ustawienia łopat wirnika śmigłowego, zwłaszcza łopat wirnika turbiny wodnej. Przedmiotem wynalazku jest również zespół wirnika śmigłowego o regulowanym podczas pracy kącie ustawienia łopat, zwłaszcza łopat wirnika turbiny wodnej.

Znane konstrukcje mechanizmów obrotu łopatek wirników krętnych pomp i turbin osiowych i diagonalnych, można podzielić na następujące charakterystyczne typy:

- napędzane serwomechanizmem usytuowanym w piaście wirnika poprzez olejowy przewód umieszczony w wydrążonym wale. Serwomechanizm może wykonywać ruch obrotowozwrotny lub osiowo-zwrotny. Obrót lub skok tłoka jest przekazywany na krzyżak, który poprzez przeguby obraca ramionami dźwigni osadzonych na obrotowych czopach łopatek, łożyskowanych w piaście wirnika;

- napędzane cięgnem usytuowanym w wydrążeniu wału, którego ruch osiowy jest wywołany mechanizmem lub serwomechanizmem na górnym końcu wału. Przesunięcie dolnego końca cięgna powoduje ruch osiowy krzyżaka lub tarczy, który jest przekształcany na obrót czopa poszczególnej łopatki poprzez mechanizm korbowy lub mechanizm jarzmowy.

Dobór konstrukcji mechanizmu obrotu łopatki wirnika jest dokonywany przede wszystkim na podstawie liczby łopatek, kąta pochylenia osi łopatek względem osi głównej maszyny oraz jej wielkości.

Wszystkie w/w konstrukcje charakteryzują luzy występujące między ruchem osiowym krzyżaka lub tarczy a kątami obrotów łopatek. Luzy te powinny być możliwie identyczne dla wszystkich łopatek wirnika.

Ważnym czynnikiem jest koszt wykonania mechanizmu, który zależy od jego złożoności oraz ilości operacji obróbczych i tolerancji wymiarów jego elementów.

Znane mechanizmy dźwigniowe charakteryzują się zastosowaniem dwóch przegubów, wymagających spełnienia w/w warunków. Większość znanych wynalazków dotyczy mechanizmów regulacji kąta ustawienia łopat maszyn osiowych w postaci mechanizmów dźwigniowych lub wykorzystujących przekładnie zębate i napędy śrubowe.

Klasyczne rozwiązania wirników typu Kaplana posiadają drążony wał turbiny, przez który przeprowadzony jest drąg regulacyjny na zewnątrz maszyny i generatora (nieraz po kilka metrów ma wał turbiny i generatora). Zewnętrzny mechanizm steruje kątem łopat wirnika poprzez ruch posuwisty ułożyskowanego drążka regulacyjnego wewnątrz wału. Według innego rozwiązania klasycznego stosuje się siłownik hydrauliczny zabudowany wewnątrz wału czy opływki turbiny sterowany olejem pod ciśnieniem podawanym przez złącze obrotowe na wale turbiny. Każde z tych dwóch rozwiązań standardowych wymaga podania energii do wykonania pracy z zewnątrz.

Ważnym zagadnieniem szczególnie w przypadku turbin wodnych jest eliminacja rozbiegu turbozespołu, który wynika najczęściej z awarii odbiornika energii (zwykle sieci elektroenergetycznej). Prędkość rozbiegowa turbin wodnych może sięgać 2-3 krotności prędkości znamionowej i może powodować szybsze zużycie łożysk i przekładni a w skrajnych przypadkach może doprowadzić do mechanicznego uszkodzenia turbiny czy generatora oraz elektrycznego uszkodzenia aparatury elektrowni. Regulacja kąta pochylenia łopat wirnika turbiny wodnej pozwala dostosować prawidłowy kąt natarcia wody spływającej z palisady kierownic. Kombinatoryka regulacji tych dwóch palisad pozwala na uzyskanie wysokich sprawności toru przetwarzania energii wody na energię elektryczną. Dodatkowo umożliwia realizację regulacji natężenia przepływu wody przez maszynę wirnikową.

W opisie patentowym US6402477B1 ujawniona jest instalacja hydroelektryczna zawierająca turbinę z regulowanymi łopatami. Posiada kanał wodny i kanał turbiny umieszczony w kanale za pierścieniem wylotowym. Prowadnica turbiny zawiera wydrążoną piastę z oddalonymi od siebie powierzchniami wewnętrznymi i zewnętrznymi oraz osią wzdłużną i wieloma łopatami. Piasta jest zasadniczo pusta, a pusta wnęka mieści różne mechanizmy, połączenia i inne systemy niezbędne do obracania łopat wokół osi. Każda łopata jest ruchoma wokół osi obrotowej rozciągającej się w kierunku zasadniczo prostopadłym do osi wzdłużnej. Instalacja zawiera kilka zasuw, które mogą być regulowane obrotowo w celu regulacji przepływu wody wpuszczanej do przejścia, oraz łopatki podporowe, które są zaprojektowane do podtrzymywania części instalacji znajdującej się nad turbiną, to znaczy łożyska oporowego, generatora, systemów sterowania i komponentów znanych jako „regulator”. System sterowania zawiera wiele czujników zaprojektowanych do pomiaru pracy turbiny i innych powiązanych parametrów sterowania.

Sygnały elektryczne generowane przez czujniki są przesyłane do sterownika, za pośrednictwem obwodów kondycjonowania sygnału. Sygnał elektryczny reprezentatywny dla prędkości turbiny jest dostarczany przez tarczę zębatą zamontowaną na wale turbiny; tarcza jest powiązana z dwoma indukcyjnymi elementami czujnikowymi dostarczającymi dwa niezależne sygnały do sterownika. Sterownik odbiera również sygnał elektryczny generowany przez czujnik i reprezentujący położenie zasuwy. Sterownik zawiera procesor cyfrowy i wymagane obwody konwersji analogowo-cyfrowej i skalowania sygnału. Informacje dostarczane przez różne czujniki są wykorzystywane w algorytmach sterowania, umożliwiając sterownikowi obliczanie i generowanie różnych sygnałów sterujących, zgodnie z wymaganiami, w celu wydajnego działania instalacji. Sygnały sterujące generowane przez sterownik są następnie podawane do wielu konwerterów sygnałów. Sygnał z każdego konwertera sygnału jest wysyłany w odpowiedniej formie do powiązanego siłownika typu hydraulicznego. Jeden z dwóch siłowników jest używany do regulacji położenia łopat poprzez jarzma zamocowane do trzpienia umieszczonego poosiowo wewnątrz wału generatora elektrycznego łączącego z turbiną, podczas gdy drugi jest używany do regulacji otwarcia furtki lub grupy furtek z zasuwami przepływu wody.

Z opisu patentowego JPS60162073A znany jest mechanizm łopatowy turbiny wodnej o przepływie półosiowym składający się z serwomotoru napędzanego ciśnieniem hydraulicznym dostarczanym przez wydrążony wał główny turbiny wodnej, wielu łopat kierownicy rozmieszczonych w kierunku obwodowym wyśrodkowanym na wale głównym i napędzanych przez powyższy serwomotor oraz zamontowane pod kątem w dół do osi wału głównego. Łopaty kierownicy są przymocowane do trzpieni łopat kierownicy i są zamontowane obrotowo wokół osi trzpieni łopat kierownicy i napędzane przez wałek powyższego serwomotoru. Do wałka serwomotoru zamocowana jest prowadnica ślizgowa z nachylonymi rowkami uformowanymi na zewnętrznym obwodzie, w których przesuwają się swobodnie bloki ślizgowe z czterema półkulistymi sekcjami, z których każdy jest umieszczony po obu stronach powyższego nachylonego rowka naprzeciw siebie tworząc odpowiednio cztery sekcje kuliste. Kula dźwigni służy do obracania łopaty kierownicy zgodnie z ruchem osiowym wałka i prowadnicy ślizgowej. Dźwignia robocza napędzana jest tłokiem powyższego serwomotoru i przymocowana do odpowiedniego trzpienia łopaty kierownicy powoduje obrót łopaty.

W opisie patentowym nr EP3271572 ujawniony jest system kontrolny przepływu wody przez turbinę wodną, sterowany ruchem dwóch zewnętrznych pierścieni obracanych w przeciwnych kierunkach przy pomocy zewnętrznych siłowników elektrycznych zamiast siłowników hydraulicznych, pomiędzy którymi zamocowane są łopaty (wieńce łopatkowe). Systemy hydrauliczne z zastosowaniem olejów hydraulicznych w wypadku awarii powodują zanieczyszczenia wody w rzece i mogą osiągnąć zrzut dużej ilości substancji ropopochodnych do środowiska naturalnego.

Unijne rozporządzenie Komisji (UE) 2016/631 z dnia 14 kwietnia 2016 r. (NC RfG) narzuciło wymogi dotyczące przyłączania do sieci zakładów wytwarzania energii, a mianowicie synchronicznych modułów wytwarzania energii, modułów parku energii oraz morskich modułów parku energii, do systemu wzajemnie połączonego. Moduł wytwarzania energii musi mieć zdolność do aktywowania mocy czynnej w odpowiedzi na zmianę częstotliwości przy progu częstotliwości i statyźmie dla tego samego obszaru synchronicznego, a praktycznie przepis wymusza szerokie stosowanie falowników prądu stanowiących istotne źródła zakłóceń elektromagnetycznych środowiska w otoczeniu modułów wytwarzania energii.

Kluczowym pojęciem dla poprawnego funkcjonowania urządzeń zaangażowanych w poprawność funkcjonowania systemów łączności jest kompatybilność elektromagnetyczna, czyli zdolność do poprawnego współdziałania z innymi urządzeniami w środowisku- w skrócie zwana EMC (od angielskiego electromagnetic compatibility). W ostatnim czasie powstało konsorcjum z kilku uczelni i jednostek naukowo-badawczych pn. Polska Sieć Laboratoriów EMC nazwana EMC-LabNet, którą zaopatrzono w najnowocześniejszą aparaturę badawczą umożliwiającą mierzenie poziomów sygnałów emitowanych przez urządzenia do środowiska (drogą radiową i przez przewody) dla oceny wpływu różnych zaburzeń elektromagnetycznych w miejscu użytkowania urządzeń na ich pracę.

W nawigacji podwodnej do prezentacji położenia względem statku sond typu ROV, nurków, itp. stosowane są systemy akustycznej nawigacji podwodnej, tak zwane systemy USBL (Ultra-short Baseline), gdyż woda ma wysoką tłumienność elektryczną i magnetyczną i nadzwyczaj skutecznie tłumi fale radiowe o częstotliwościach powyżej kilku kHz. Wykres pochłaniania promieniowania EM przez wodę opracowali G.M. Haleand, M.R. Querry (Appl. Opt. 12, 555-563, 1973), z optymalnym zakresem dla światłą widzialnego.

W klasycznych rozwiązaniach elektrownie wyposaża się w rezerwowe układy realizujące funkcję awaryjnego zamykania dopływu wody do turbiny (akumulatory hydrauliczne lub elektryczne) czy też układy hamulców elektrycznych lub mechanicznych.

Celem wynalazku jest zaprojektowanie zwartej konstrukcji, która zapewni skuteczne i długotrwałe działanie układu bez zewnętrznego zasilania, z możliwością szybkich zmian kąta ustawienia łopat wirnika śmigłowego podczas pracy turbiny dla osiągnięcia optymalnych warunków jej pracy.

W sposobie regulowania podczas pracy kąta ustawienia łopat wirnika śmigłowego, zwłaszcza turbiny wodnej, który polega na analizie parametrów pracy maszyny: różnicy ciśnień, prędkości obrotowej, przełyku turbiny lub wydatku pompy, i określeniu optymalnego kąta ustawienia łopat przez komputer, z którego sygnały przesyła się przewodowo do modułu sterownika i siłownika, którego to trzpieniem siłownika w poosiowym ruchu przestawia się położenie czopa zamocowanego na trzpieniu i przy poosiowym przesuwie czopa obraca się przylegające do czopa suwliwe elementy kształtowe przymocowane do podstaw łopat zamocowanych obrotowo w gniazdach wirnika, czym zmienia się kątowe ustawienie łopat, ewentualnie z wykorzystaniem transmisji bezprzewodowej, istotą wynalazku jest, że z modułu II łączności w obudowie turbiny sygnały transmituje się w paśmie radiowym do modułu I łączności w wirniku i dalej do elektrosiłownika zamocowanego wewnątrz wirnika, po czym ponawia się przesyłanie sygnałów do i z komputera tym samym torem sygnałowym.

Korzystnie sygnały pomiędzy modułami I i II łączności przesyła się w paśmie radiowym od 1 MHz do 100 kHz, korzystnie w paśmie < 1 MHz dla odległości < 0,5 m, < 500 kHz dla odległości < 1 m oraz < 100 kHz dla odległości < 3 m.

W zespole wirnika śmigłowego o regulowanym kącie ustawienia łopat, zwłaszcza łopat wirnika turbiny wodnej podczas pracy, który posiada elektrosiłownik połączony poprzez sterownik ze źródłem energii elektrycznej przewodem, zaopatrzony w trzpień zakończony czopem, w którego ukośnych względem osi wzdłużnych wybraniach umieszczone ma suwliwe elementy kształtowe przymocowane do podstaw łopat, przy czym ruch poosiowy trzpienia z czopem powoduje ruch obrotowy elementów podstaw wraz z łopatami względem osi obrotu łopat i łopaty z podstawami zamocowanymi obrotowo w gniazdach wirnika połączonego z wałem ułożyskowanym w korpusie zewnętrznym, istotą wynalazku jest, że elektrosiłownik jest zamocowany wewnątrz wirnika, przy czym źródłem energii elektrycznej jest synchroniczny zatapialny generator energii elektrycznej przymocowany stojanem do piasty wirnika i/lub kołnierza wału zaś zewnętrznym wirnikiem generatora z magnesami trwałymi do nieruchomego korpusu, i elementy kształtowe ma dopasowane kształtem do wybrań i/lub karbów. Korzystnie element kształtowy zamocowany jest mimośrodowo względem osi obrotu. Korzystnie elementem kształtowym jest kostka w obrysie prostopadłościanu, korzystnie wykonana z polimeru smarowanego wodą. Korzystnie wybrania mają postać prosto-osiowych kanałów. Korzystnie przewód jest umieszczony w kanale piasty wirnika. Korzystnie przewód jest połączony elektryczne z zewnętrznym źródłem zasilania energią elektryczną poprzez kabel umieszczony w kanale wału. Korzystnie sterownik jest połączony z akumulatorem energii elektrycznej zaopatrzonym w regulator ładowania, korzystnie zamocowane wewnątrz opływki wirnika. Korzystnie sterownik zaopatrzony jest w moduł I łączności w paśmie radiowym, który zamocowany jest wewnątrz opływki wykonanej z materiału o niskiej tłumienności fal radiowych i sparowany sygnałowo z modułem II łączności w paśmie radiowym w obudowie turbiny, który to moduł II połączony jest z komputerem. Korzystnie sygnały pomiarowe i sygnały sterowania pomiędzy modułem I i modułem II transmitowane są w paśmie radiowym od 1 MHz do 100 kHz, korzystnie w paśmie < 1 MHz dla odległości < 0,5 m, < 500 kHz dla odległości < 1 m oraz < 100 kHz dla odległości < 3 m. Korzystnie elektrosiłownik jest zamocowany w wybraniu wewnątrz wału wirnika, z czopem w płaszczyźnie przecięcia osi wału i osi obrotu łopat.

Nieoczekiwanie stwierdzono, iż stosując rozwiązanie według wynalazku, możliwe jest regulowanie ustawienia łopat zespołu wirnika przy pomocy wewnętrznego akumulatora energii, dla zmiennych warunków przepływu strumienia w turbinie i obciążeń wirnika, przy pomocy sygnałów przesyłanych z zewnętrznego komputera optymalizującego parametry pracy turbiny, zwłaszcza przesyłanych bezprzewodowo do wirnika podczas pracy. Ustawienie łopat można w szerokim zakresie regulować poprzez transmisję bezprzewodową. Układ do działania nie wymaga użycia materiałów smarnych. Nieoczekiwanie stwierdzono również, iż jest możliwe wyeliminowanie kosztownego drążenia wału turbiny wprowadzając jako źródło energii elektrycznej autonomiczny zatapialny synchroniczny generator energii elektrycznej przyłączony do zespołu wirnika i korpusu turbiny.

Przedmiot wynalazku uwidoczniono na rysunku, w którym Fig. 1 ukazuje z boku widok zewnętrzny zespołu wirnika śmigłowego, Fig. 2 - łopatę połączoną z dwuczęściową podstawą i elementem kształtowym przymocowanym do dolnej części podstawy, Fig. 3 - ustawienie robocze łopat w widoku odchylonym o mały kąt od osi czopa, Fig. 4 - widok ukośny elektrosiłownika z kołnierzem mocującym i trzpieniem zakończonym czopem z prosto-osiowymi wybraniami, Fig. 5 - fragment przekroju przez generator energii elektrycznej, Fig. 6 - przekrój wzdłużny przez zespół wirnika z elektrosiłownikiem zamocowanym w opływce, zaś Fig. 7 ukazuje przekrój wzdłużny przez zespół wirnika z elektrosiłownikiem zamocowanym w wybraniu wału wewnątrz wirnika.

Sposób regulowania podczas pracy kąta ustawienia łopat wirnika śmigłowego, zwłaszcza łopat wirnika turbiny wodnej, polega na analizie parametrów pracy maszyny: różnicy ciśnień, prędkości obrotowej, przełyku turbiny lub wydatku pompy, i określeniu optymalnego kąta ustawienia łopat przez komputer, z którego sygnały przesyła się przewodowo do modułu sterownika i siłownika, którego to trzpieniem siłownika w poosiowym ruchu przestawia się położenie czopa zamocowanego na trzpieniu i przy poosiowym przesuwie czopa obraca się przylegające do czopa suwliwe elementy kształtowe przymocowane do podstaw łopat zamocowanych obrotowo w gniazdach wirnika, czym zmienia się kątowe ustawienie łopat. Z modułu II łączności w obudowie turbiny sygnały transmituje się w paśmie radiowym do modułu I łączności w wirniku i dalej do elektrosiłownika zamocowanego wewnątrz wirnika, po czym ponawia się przesyłanie sygnałów do i z komputera tym samym torem sygnałowym. Sygnały pomiędzy modułami I i II łączności przesyła się w paśmie radiowym od 1 MHz do 100 kHz, korzystnie w paśmie < 1 MHz dla odległości < 0,5 m, < 500 kHz dla odległości < 1 m oraz < 100 kHz dla odległości < 3 m. Przy transmisji sygnałów pomiędzy modułami I i II łączności stosuje się algorytmy redukujące błędy powodowane zakłóceniami pola elektromagnetycznego w otoczeniu jednostek wytwarzania prądu elektrycznego.

Poniżej przedstawiono rozwiązanie według wynalazku z przywołaniem oznaczeń na rysunku.

Zespół wirnika śmigłowego o regulowanym kącie ustawienia łopat 3, posiada elektrosiłownik 5 i łopaty 3 z podstawami 4 zamocowanymi obrotowo w gniazdach wirnika 1 połączonego z wałem 2 ułożyskowanym w korpusie 20 zewnętrznym.

Ukazany w Fig. 6 elektrosiłownik 5 jest zaopatrzony w trzpień 6 zakończony czopem 7, w którego ukośnych względem osi wzdłużnych wybraniach 8 (lepiej ukazanych w Fig. 3) umieszczone ma suwliwe, dopasowane kształtem do wybrań 8 i/lub karbów 8a, elementy kształtowe 9 przymocowane do podstaw 4 łopat 3, ukazane w Fig. 2. Elektrosiłownik 5 jest zamocowany wewnątrz wirnika 1, połączony poprzez sterownik 50 ze źródłem energii 10 elektrycznej przewodem 19. Ruch poosiowy trzpienia 6 z czopem 7 powoduje ruch obrotowy elementów podstaw 4 wraz z łopatami 3 względem osi obrotu O łopat 3. Korzystnie element kształtowy 9 zamocowany jest mimośrodowo względem osi obrotu O. Korzystnie elementem kształtowym 9 jest kostka w obrysie prostopadłościanu, najkorzystniej wykonana z polimeru smarowanego wodą. Korzystnie wybrania 8 mają postać prosto-osiowych kanałów. Korzystnie źródłem energii 10 elektrycznej jest synchroniczny zatapialny generator 11 energii elektrycznej przymocowany stojanem 11a do piasty wirnika 1 i/lub kołnierza wału 2 zaś zewnętrznym wirnikiem generatora 11b z magnesami trwałymi do nieruchomego korpusu 20. Korzystnie przewód 19 jest umieszczony w kanale 18 piasty wirnika 1.

Korzystnie sterownik 50 jest połączony z akumulatorem 51 energii elektrycznej zaopatrzonym w regulator ładowania 52, najkorzystniej zamocowane wewnątrz opływki 1a wirnika 1. Korzystnie sterownik 50 zaopatrzony jest w moduł I 53 łączności w paśmie radiowym, który zamocowany jest wewnątrz opływki 1a wykonanej z materiału o niskiej tłumienności fal radiowych i sparowany sygnałowo z modułem II 54 łączności w paśmie radiowym w obudowie 55 turbiny, który to moduł II 54 połączony jest z komputerem 56.

Z uwagi na dużą tłumienność wody (pomiędzy modułami I i II łączności) do transmisji sygnałów należy wykorzystać transmisję radiową w paśmie < 1 MHz dla odległości < 0,5 m, < 500 kHz dla odległości < 1 m oraz < 100 kHz dla odległości < 3 m. Korzystnie sygnały pomiarowe i sygnały sterowania pomiędzy modułem I 53 i modułem II 54 transmitowane są w paśmie radiowym od 100 kHz do 1 MHz.

Opcjonalnie elektrosiłownik 5 zamocowany jest w wybraniu 21 wewnątrz wału 2, z czopem 7 w płaszczyźnie przecięcia osi wału 2 i osi obrotu O łopat 3.

Opcjonalnie, na wypadek awarii któregoś z elementów wewnętrznego autonomicznego układu zasilania elektrycznego w zespole wirnika, regulator ładowania 52 akumulatora 51 energii elektrycznej przewodem 19 jest połączony elektryczne z zewnętrznym źródłem zasilania energią elektryczną poprzez kabel 22 umieszczony w kanale 23 wału 2. Kanał 23 może być wyfrezowany na powierzchni wału 2, a kabel 22 zabezpieczony lutem twardym, co pozwala wyeliminować poosiowe drążenie wału 2.

Zgodnie z wynalazkiem w stożkowej obudowie opływki 1a wylotowej znajduje się autonomiczny mechanizm nastawczy. Wewnątrz szczelnej obudowy utwierdzony jest elektrosiłownik 5 o ruchu posuwistym. Opływka 1a zamocowana jest osiowo do wirnika 1 turbiny i wiruje razem z nim. Poprzez mechanizm jarzmowy przekazywany jest ruch posuwisty na obwodowo umieszczone palisady łopat 3 powodując ich ruch obrotowy w osi promieniowej. Energię niezbędną do wykonania pracy jak również komunikacji z nadrzędnym sterownikiem (komputerem 56) dostarcza zatapialny zintegrowany z korpusem piasty wirnika 1 synchroniczny generator 11 wzbudzany magnesami trwałymi. Jak ukazano w Fig. 5, do stałej części obudowy wlotowej przytwierdzony jest wirnik generatora 11b z magnesami trwałymi, natomiast nazwojony stojan 11a wiruje razem z piastą wirnika 1. Powstała w ten sposób energia elektryczna magazynowana jest w akumulatorze 51. Całością zarządza mikroprocesorowy układ sterownika 50 pełniący jednocześnie funkcję zasilacza regulatora ładowania 52 komunikacji dwustronnej i sterowania.

Wartość roboczego kąta pochylenia łopat 3 wirnika 1 podczas normalnej pracy turbiny zadawana jest przez komputer 56 jako wartość wynikowa z pomiarów warunków hydraulicznych, mechanicznych czy też elektrycznych stanu pracy maszyny w zależności od aplikacji rozwiązania. W turbinach z regulowanym układem łopat 3 wirnika (tzw. turbiny Kaplana) na podstawie pomiaru rzeczywistej wartości kąta łopat 3 kierownicy obliczany i zadawany jest optymalny kąt łopat 3 wirnika 1. Regulacja kąta pochylenia łopat 3 wirnika 1 turbiny wodnej pozwala optymalnie wykorzystać kręt wody spływającej z palisady kierownic, przez co można uzyskać szersze pole pracy maszyny przy zmienności parametrów hydraulicznych.

Wzajemna kombinatoryka regulacji tych dwóch kątów pozwala na uzyskanie wysokich sprawności toru przetwarzania energii wody na energię mechaniczną. W maszynach wirnikowych często wykorzystywane jest sterowanie kątami kierownicy i/lub wirnika 1 do kontroli ilości wody przepływającej przez turbinę/pompę a zarazem regulacja ich wydajności. W ten sposób można pośrednio uzyskać funkcję regulacji poziomu wody w elektrowniach zbiornikowych i przepływowych a w systemach pompowych odpowiednią wydajność lub wysokość tłoczenia. W tej aplikacji w komputerze 56 zaimplementowany jest regulator (typu PI) w pętli sprzężenia zwrotnego od aktualnej zadanej wartości poziomu wody lub wydajności gdzie sygnał sterowania zadawany jest na układ wykonawczy regulatora łopat 3, którym jest elektrosiłownik 5.

Wynalazek z uwagi na fakt, że posiada magazyn (akumulator 51) energii elektrycznej może realizować awaryjne zamykanie dopływu wody do turbiny w sposób niezależny.

Podczas rozbiegu maszyny układ samoczynnie zamyka łopaty 3 wirnika 1 ograniczając moment napędowy, a więc i prędkość wirnika 1.

Niezależnym od zewnętrznego zasilania źródłem energii 10 elektrycznej przesyłanej poprzez regulator ładowania 52 do akumulatora 51 jest generator 11 energii elektrycznej wewnątrz zespołu wirnika 1.

Generator 11 elektryczny jest maszyną synchroniczną z magnesami trwałymi. Stojan 11a generatora 11 przymocowany do obracającego się wału 2 i/lub piasty wirnika 1 turbiny zawiera uzwojenia, w których indukuje się napięcie zasilania układu sterowania łopatami 3 turbiny. Zewnętrzny wirnik generatora 11b z magnesami trwałymi pełni rolę wzbudzenia i jest przymocowany do nieruchomej części korpusu 20 zewnętrznego. Częstotliwość maksymalna (dla maksymalnej prędkości obrotowej) nie powinna przekraczać 200 Hz. Wartość napięcia generatora 11 wyprostowana na mostku diodowym powinna mieścić się w zakresie od 0 do 60 Vdc w zależności od prędkości obrotowej wirnika 1 turbiny. Napięcie z generatora 11 o zmiennych parametrach przetwarzane jest w regulatorze lądowania 52 na stałe napięcie 24 Vdc zasilania elektrosiłownika 5 i modułu I 53 transmisji radiowej i zasila magazyn energii elektrycznej, akumulator 51.

W zespole wirnika stosuje się układ pomiarowy, który ma za zadanie przetworzenie mechanicznej wartości odchylenia łopat 3 wirnika 1 na napięcie o wartości od 0 do 10 V. Może to zostać zrealizowane poprzez wykorzystanie absolutnego enkodera obrotowego lub liniowego, np. w postaci potencjometru rezystancyjnego.

Układ wykonawczy zmienia kąt ustawienia łopat 3 wirnika 1 poprzez elektrosiłownik 5. Konieczne jest zastosowanie zabezpieczenia (wyłącznika) przeciążeniowego (np. poprzez pomiar prądu) z sygnalizacją stanu przeciążenia. Układ wykonawczy powinien być samohamowny.

Dla lepszego przedstawienia wynalazku, poniżej omówiono realizację rozwiązań według wynalazku.

Przykład I

W sposobie regulowania podczas pracy kąta ustawienia łopat wirnika śmigłowego, zwłaszcza turbiny wodnej, przesyłano sygnały z wartościami kąta ustawienia łopat, do komputera, który wyliczał i przekazywał sygnały z optymalnym kątem ustawienia łopat. Sygnały z komputera przesyłane były do modułu II łączności bezprzewodowej w obudowie turbiny, skąd transmitowany były bezprzewodowo do modułu I łączności bezprzewodowej w wirniku i dalej przewodowo przesyłane do sterownika i elektrosiłownika. Trzpieniem elektrosiłownika w poosiowym ruchu przestawiane było położenie czopa zamocowanego na trzpieniu. Przy poosiowym przesuwie czopa obracały się przylegające do czopa suwliwe elementy kształtowe przymocowane do podstaw łopat zamocowanych obrotowo w gniazdach wirnika i zmieniało się kątowe ustawienie łopat. Okresowo ponawiano przesyłanie sygnałów do i z komputera (jako nadrzędnego sterownika układu) tym samym torem sygnałowym. Sygnały pomiędzy modułami I i II łączności bezprzewodowej przesyłano doświadczalnie w zakresie pasma radiowego od 1 MHz do 100 kHz. W zależności od odległości pomiędzy modułami I i II łączności bezprzewodowej transmisję stosowano transmisję sygnałów w paśmie < 1 MHz dla odległości 0,45 m.

Przy większych turbinach i tym samym większych odległościach pomiędzy modułami I i II łączności w paśmie radiowym: dla odległości 0,8 m stosowano transmisję w paśmie 500 kHz a dla dużych turbin przy odległości zbliżonej do 3 m stosowano transmisję w paśmie 100 kHz.

Przykład II

Zespół wirnika śmigłowego o regulowanym kącie ustawienia łopat 3, zaopatrzono w elektrosiłownik 5 i łopaty 3 z podstawami 4 zamocowanymi obrotowo w gniazdach wirnika 1 połączonego z wałem 2 ułożyskowanym w korpusie 20 zewnętrznym. Elektrosiłownik 5 zamocowany został wewnątrz wirnika 1 i połączony poprzez sterownik 50 ze źródłem energii 10 elektrycznej przewodem 19. Źródłem energii 10 elektrycznej jest synchroniczny generator 11 energii elektrycznej przymocowany stojanem 11a do obracającego się wału 2 i piasty wirnika 1 zawierający uzwojenia, w których indukuje się napięcie zasilania układu sterowania łopatami 3 zespołu wirnika. Zewnętrzny wirnik 11b z magnesami trwałymi pełni rolę wzbudzenia i jest przymocowany do nieruchomej części korpusu 20 zewnętrznego.

Sterownik 50 połączony został z akumulatorem 51 energii elektrycznej zaopatrzonym w regulator ładowania 52, które zamocowano wewnątrz opływki 1a wirnika 1. Sterownik 50 zaopatrzono w moduł I 53 łączności bezprzewodowej sparowany sygnałowo z modułem II 54 łączności bezprzewodowej w obudowie 5 turbiny, który to moduł II 54 połączono z komputerem 56. Opływkę 1a wirnika 1 wykonano z tworzywa sztucznego (wytoczono z teflonu) umożliwiającego transmisję sygnałów z układu elektronicznego (modułu I 53 łączności bezprzewodowej) do sterownika zewnętrznego, komputera 56, poprzez moduł II 54 łączności bezprzewodowej połączone przewodami sygnałowymi 54a.

Z uwagi na dużą tłumienność wody, do bezprzewodowej transmisji sygnałów wykorzystano transmisję radiową w paśmie 0,9 MHz ze względu na niewielkie wymiary turbiny, a zwłaszcza odległość pomiędzy modułami I i II łączności bezprzewodowej 0,45 m. Przy badaniu transmisji sygnałów dla większych turbin, w których odległość pomiędzy modułami I i II łączności bezprzewodowej była większa (do 1 m) lepszym okazało się zastosowanie pasma 480 kHz (czyli < 500 kHz), zaś dla dużej turbiny doświadczalnie stosowano pasmo 90 kHz (< 100 kHz) dla odległości pomiędzy modułami I i II łączności bezprzewodowej sięgającej prawie 3 m. Transmisję sygnałów pomiarowych i sygnałów sterowania w wodzie pomiędzy modułem I 53 i modułem II 54 testowano w paśmie radiowym od do 100 kHz.

Elektrosiłownik 5 zaopatrzony został w trzpień 6 zakończony czopem 7, w którego ukośnych względem osi wzdłużnych wybraniach 8 umieszczono suwliwe, dopasowane kształtem do wybrań 8, elementy kształtowe 9 przymocowane do elementów podstaw 4b łopat 3. Poosiowy ruch trzpienia 6 z czopem 7 powoduje ruch obrotowy elementów kształtowych 9 wraz z łopatami 3 względem osi obrotu O łopat 3. Elementy kształtowe 9 zamocowane zostały mimośrodowo względem osi obrotu O. Elementy kształtowe 9 wykonano jako kostki w obrysie prostopadłościanu, które wykonano z poliacetalu wzmocnionego włóknem szklanym POM-C GF25. Wybrania 8 mają postać prosto-osiowych kanałów.

Przykład III

W wariantowym rozwiązaniu powyższego zespołu wirnika zastosowano siłownik obrotowy zakończony śrubą niesamohamowną.

Przykład IV

Zrealizowano zespół wirnika śmigłowego o regulowanym kącie ustawienia łopat 3, który posiada elektrosiłownik 5 i łopaty 3 z podstawami 4 zamocowanymi obrotowo w gniazdach wirnika 1 połączonego z wałem 2 ułożyskowanym w korpusie 20 zewnętrznym. Elektrosiłownik 5 (sterownik tłoczyskowy z silnikiem krokowym SMC serii Ley) w tym wykonaniu zamocowany został w wybraniu 21 wewnątrz wału 2, z czopem 7 umieszczonym w płaszczyźnie przecięcia osi wału 2 i osi obrotu O łopat 3.

Elektrosiłownik 5 zaopatrzony został w trzpień 6 zakończony czopem 7, w którego ukośnych względem osi wzdłużnych wybraniach 8 umieszczono suwliwe, dopasowane kształtem do wybrań 8, elementy kształtowe 9 przymocowane do podstaw 4 łopat 3. Poosiowy ruch trzpienia 6 z czopem 7 powoduje ruch obrotowy elementów kształtowych 9 wraz z łopatami 3 względem osi obrotu O łopat 3. Elementy kształtowe 9 zamocowane zostały mimośrodowo względem osi obrotu O. Elementy kształtowe 9 wykonano jako kostki w obrysie prostopadłościanu, które wykonano z polimeru PPTA z grupy poliamidów. Wybrania 8 mają postać prosto-osiowych kanałów.

Źródłem energii 10 elektrycznej jest synchroniczny generator 11 energii elektrycznej przymocowany stojanem 11a do obracającego się wału 2 zawierający uzwojenia, w których indukuje się napięcie zasilania układu sterowania łopatami 3 zespołu wirnika. Zewnętrzny wirnik 11b z magnesami trwałymi pełni rolę wzbudzenia i jest przymocowany do nieruchomej części korpusu 20 zewnętrznego. Elektrosiłownik 5 został połączony poprzez sterownik 50 ze źródłem energii 10 elektrycznej przewodem 19. Sterownik 50 połączono z akumulatorem 51 energii elektrycznej zaopatrzonym w regulator ładowania 52. Przewód 19 umieszczono w kanale 18 piasty wirnika 1. Sterownik 50 zamocowano wewnątrz opływki la wirnika 1. Kablem 22 umieszczonym w kanale 23 wału 2 przyłączono rezerwowe zasilanie energią elektryczną, łącząc go ze sterownikiem 50, z możliwością automatycznego przełączenia w przypadku zaniku zasilania z akumulatora 51.

Sterownik 50 połączono z modułem I 53 łączności bezprzewodowej sparowanym sygnałowo z modułem II 54 łączności bezprzewodowej w obudowie 5 turbiny. Moduł II 54 połączony został z komputerem 56. Opływka 1a wirnika 1 wykonana została z materiału umożliwiającego nisko-stratną transmisję sygnałów z modułu I 53 łączności bezprzewodowej do zewnętrznego sterownika nadrzędnego (komputera 56), poprzez moduł II 54 łączności bezprzewodowej połączone przewodami sygnałowymi 54a. Kołnierz wału 2 przymocowano do piasty wirnika 1 śrubami 2a.

Z uwagi na dużą tłumienność wody, do bezprzewodowej transmisji sygnałów testowano transmisję radiową w paśmie 0,9 MHz ze względu na niewielkie wymiary turbiny, i odległości pomiędzy modułami I i II łączności bezprzewodowej 0,45 m.

We wszystkich omówionych przypadkach uzyskano zadowalający rezultat rozwiązania. Ujawnione rozwiązanie ogranicza znacząco koszty drążenia wałów turbin i generatorów łopatkowych w porównaniu z wyprowadzeniem klasycznego drążka sterującego, jak również eliminuje zanieczyszczanie strumienia wody olejami z hydraulicznych układów sterowania.

Claims (12)

1. Sposób regulowania podczas pracy kąta ustawienia łopat wirnika śmigłowego, zwłaszcza łopat wirnika turbiny wodnej, polega na analizie parametrów pracy maszyny: różnicy ciśnień, prędkości obrotowej, przełyku turbiny lub wydatku pompy, i określeniu optymalnego kąta ustawienia łopat przez komputer, z którego sygnały przesyła się przewodowo do modułu sterownika i siłownika, którego to trzpieniem siłownika w poosiowym ruchu przestawia się położenie czopa zamocowanego na trzpieniu i przy poosiowym przesuwie czopa obraca się przylegające do czopa suwliwe elementy kształtowe przymocowane do podstaw łopat zamocowanych obrotowo w gniazdach wirnika, czym zmienia się kątowe ustawienie łopat, ewentualnie z wykorzystaniem transmisji bezprzewodowej, znamienny tym, że z modułu II łączności w obudowie turbiny sygnały transmituje się w paśmie radiowym do modułu I łączności w wirniku i dalej do elektrosiłownika zamocowanego wewnątrz wirnika, po czym ponawia się przesyłanie sygnałów do i z komputera tym samym torem sygnałowym.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że sygnały pomiędzy modułami I i II łączności przesyła się w paśmie radiowym od 1 MHz do 100 kHz, korzystnie w paśmie < 1 MHz dla odległości < 0,5 m, < 500 kHz dla odległości < 1 m oraz < 100 kHz dla odległości < 3 m.

3. Zespół wirnika śmigłowego o regulowanym podczas pracy kącie ustawienia łopat, zwłaszcza łopat wirnika turbiny wodnej, posiada elektrosiłownik połączony poprzez sterownik ze źródłem energii elektrycznej przewodem, zaopatrzony w trzpień (6) zakończony czopem (7), w którego ukośnych względem osi wzdłużnych wybraniach (8) umieszczone ma suwliwe elementy kształtowe przymocowane do podstaw (4) łopat (3), przy czym ruch poosiowy trzpienia (6) z czopem (7) powoduje ruch obrotowy elementów podstaw (4) wraz z łopatami (3) względem osi obrotu (O) łopat (3) i łopaty z podstawami zamocowanymi obrotowo w gniazdach wirnika połączonego z wałem ułożyskowanym w korpusie zewnętrznym, znamienny tym, że elektrosiłownik (5) jest zamocowany wewnątrz wirnika, przy czym źródłem energii (10) elektrycznej jest synchroniczny zatapialny generator energii elektrycznej przymocowany stojanem (11a) do piasty wirnika (1) i/lub kołnierza wału (2) zaś zewnętrznym wirnikiem generatora (11b) z magnesami trwałymi do nieruchomego korpusu (20), i elementy kształtowe (9) ma dopasowane kształtem do wybrań (8) i/lub karbów (8a).

4. Zespół według zastrz. 3, znamienny tym, że element kształtowy (9) zamocowany jest mimośrodowo względem osi obrotu (O).

5. Zespół według zastrz. 3, znamienny tym, że elementem kształtowym (9) jest kostka w obrysie prostopadłościanu, korzystnie wykonana z polimeru smarowanego wodą.

6. Zespół według zastrz. 3, znamienny tym, że wybrania (8) mają postać prosto-osiowych kanałów.

7. Zespół według zastrz. 3, znamienny tym, że przewód (19) jest umieszczony w kanale (18) piasty wirnika (1).

8. Zespół według zastrz. 3, znamienny tym, że przewód (19) jest połączony elektryczne z zewnętrznym źródłem zasilania energią elektryczną poprzez kabel (22) umieszczony w kanale (23) wału (2).

9. Zespół według zastrz. 3, znamienny tym, że sterownik (50) jest połączony z akumulatorem (51) energii elektrycznej zaopatrzonym w regulator ładowania (52), korzystnie zamocowane wewnątrz opływki (1a) wirnika (1).

10. Zespół według zastrz. 3, znamienny tym, że sterownik (50) zaopatrzony jest w moduł I (53) łączności w paśmie radiowym, który zamocowany jest wewnątrz opływki (1a) wykonanej z materiału o niskiej tłumienności fal radiowych i sparowany sygnałowo z modułem II (54) łączności w paśmie radiowym w obudowie (55) turbiny, który to moduł II (54) połączony jest z komputerem (56).

11. Zespół według zastrz. 3, znamienny tym, że sygnały pomiarowe i sygnały sterowania pomiędzy modułem I (53) i modułem II (54) transmitowane są w paśmie radiowym od 1 MHz do 100 kHz, korzystnie w paśmie < 1 MHz dla odległości < 0,5 m, < 500 kHz dla odległości < 1 m oraz < 100 kHz dla odległości < 3 m.

12. Zespół według zastrz. 3, znamienny tym, że elektrosiłownik (5) jest zamocowany w wybraniu (21) wewnątrz wału (2) wirnika (1), z czopem (7) w płaszczyźnie przecięcia osi wału (2) i osi obrotu (O) łopat (3).