SE450901B - Rotodynamisk stromningsmaskin - Google Patents

Description

a15 '4so 901 strömningsmaskin av den inledningsvis anförda typen där skovelomställningen kan ske pâ ett ytterst enkelt och sam- tidigt tillförlitligt sätt, utan att nâgra komplicerade anordningar behövs för överföring av ställkraften till en roterande rotor. För att åstadkomma höga generatorvarvtal, skall en turbinrotor ha relativt liten diameter, vilket vid given genomströmningsarea kräver att rotorn, dvs skov- larna,uppvisar relativt stor axiell längd. Skovelomställ- ning hos en sådan rotor blir med kända metoder mycket komplicerad. Genom uppfinningen undanröjes denna nackdel och bl.a. vidgas användningsomrâdet för tvärströmsmaski- ner med rotorer som är relativt glest bestyckade med skov- lar sâ,att även utnyttjande av vattenkraft innefattas.

Små vattenturbiner av så kallad mikrostorlek (dvs med ef- fekter under c:a 100 kW) kunde hittills inte byggas till rimiigvkosçnaa för failhöjaer mindre än c=a 3 m. Enligt uppfinningen kan en sådan turbin byggas för fallhöjer re- dan i storleksordningen av 0,5 m, eftersom turbinen rote- 7 rar snabbt trots den låga fallhöjden,och uppvisar i mått- systemet,kubikmeter per sekund och meter'sâ kallade spe- cifika varvtal i storleksordningen upp till c:a 1000 ro- tationer per minut.

.Strömningsmaskinen enligt uppfinningen känneteck- nas av de särdrag som framgår ur närslutna patentkrav.

Maskinen enligt uppfinningen är i regel försedd med en rotor i form av en lângsträckt cylinder, dvs en cylinder med större längd än diameter, och skovlarna kan då lämpligen vara upphängda, eventuellt till cirkulära -stödringar, på flera ställen utmed rotorns längd.

En vattenturbin enligt uppfinningen med valsfor-_ mad rotor är, tack vare sitt höga varvtal vid låga fall- höjer, överlägsen en propellerturbin (kaplanturbin) och är såväl genom detta höga varvtal, som genom verknings- graden, överlägsen även vattenhjul av underfallstyp en- ligt de modernaste konstruktionsprinciperna. Principen för föreliggande uppfinning är emellertid ingalunda inskränkt till användning hos vattenturbiner, utan den lämpar sig 45-0 901 till användning hos alla maskiner av tvärströmstyp, och speciellt t.ex. för att âstadkomma,pâ ett synnerligen en- kelt sätt,skovelomställning hos en rotor av Darrieus-typ- pen, oavsett rotorns diameter/längdförhållande.

Uppfinningen kan sägas vara baserad på de rymd- geometriska relationer mellan rörelserna som âstadkommes när en skovel vrids kring en axellinje och samtidigt tvångsstyrs för vridning kring-åtminstone en annan axel- linje, varvid åtminstone en av nämnda axellinjer förlöper snett, dvs varken parallellt eller koaxiellt med rotorns rotationsaxellinje. Det har funnits att när skovlarna vrids kring axellinjer som förlöper snett mot rotorns rotationsaxellinje i stället för parallellt därmed, så kan de för omställningen nödvändiga ställkrafterna lätt överföras till alla skovlarna även när dessa, dvs hela rotorn, är mycket långa. När en vridningsaxellinje där- emot är parallellt med rotorns rotationsaxellinje, så måste för varje skovel anordnas en omställningsmekanism vid respektive skovelstöd,eller vridmoment alstrande" ställkrafter måste överföras i långa och slanka skovel- profiler. Enligt uppfinningen överförs däremot axiellt riktade ställkrafter. Enligt uppfinningen kan skovelom- ställningen hos rotorn helt enkelt åstadkommas därigenom, att åtminstone ett lager för rotorns axel vrides. Detta innebär att ett ställdon för omställning av den roterande rotorns alla skovlar kan anordnas vid maskinens statio- nära del. Ändstycken eller gavlar hos en långsträckt ro- tor, eller speciella skovelhâllare anordnade hos en Darieus-rotor, kan fast förenas med nämnda axel vilken är lagrad i det av ställdonet manövrerbara lagret. Till följd av att vridaxellinjen för skovlarnas infästning i ändstyckena eller skovelhållarna förlöper snett,medför en vridning av nämnda lager kring en axellinje som var- ken är koaxiell eller parallell med rotorns rotations- axellinje, att skovlarnas läge relativt tangenten till omloppsbanan, dvs deras vridläge eller "skovelvinkelfl ändras. Alternativt kan ändstycken eller skovelhållarna 450 901 vara vridbart resp. lutbart anordnade på en icke lutbar rotationsaxel för rotorn, och skovelomställningen åstad- kommes då på konventionellt sätt, exempelvis med hjälp av hydraulik. Det är även möjligt att ett av ändstyckena är monterat på det av ställdonet via lagret lutbara sättet och det andra ändstycket är monterat pä lutbart sätt på en i ett stationärt lager lagrad axel som då företrädes- vis utgör maskinens utaxel. _ Uppfinningen kommer nu att beskrivas närmare med ledning av bifogade schematiska ritningar som avser ut- föringsexempel och i vilka i fig. 1 visas i planvy en tvärströmsrotatiosmaskin av den typ som lämpar sig för användning av föreliggande uppfinning, fig. 2 är en planvy av en anordning enligt uppfinningen, fig. 3 är en perspektivvy av anordningen enligt fig. 2, fig. 4 visar i större skala en änddel av en skovel hos anordningen enligt fig. 2 och 3, fig. 5 är utmed planet V-V i fig. 4, i fig. 6a-c visas i tre projektioner de för föreliggande uppfinningen grund- en sektion läggande geometriska storheterna och i fig. 7 visas ett alternativt lagringssätt av rotorn. ' Identiska hänvisningsbeteckningar betecknar iden- tiska beståndsdelar i alla ritningsfigurer.

Den i fig. 1 visade konventionella tvärströmnings- maskinen har en rotor 40 som är utrustad med tre lång- sträckta skovlar 4. Rotorn har en rotationsaxellinje 1, representerad genom en materiell axel. Skovlarnas 4 in- ledningsvis nämnda normaler § är alla riktade mot den ävenledes redan omnämnda styrpunkten 2. Anströmningsrikt- ningen för ett genomströmmande medium anges med pilen.§.

Rotorn 40 kan vara placerad i ett omgivande hus 3 eller också i ett helt fritt strömningsfält av mediet. Fig. 1 visar schemat av en tvärströmsmaskin som lämpar sig för användning av föreliggande uppfinning utan att visa själ- va uppfinningen. o En anordning enligt uppfinningen visas i de föl- jande ritningsfigurerna. Enligt fig. 2 och 3 är en turbin- i Jf 450 901 rotor 40' enligt uppfinningen anordnad för rotation kring rotationsaxellinjen 1, vilken nu emellertid inte utmed sin hela längd förkroppsligas av en i ett stycke utförd materiell axel. Rotorn 40' innefattar två änd- eller ga- velstycken 5, 6 vilka vart och ett är fast anslutna till var sin axeldel 7, 83 Axeldelarna 7, 8 är roterbart lag- rade i vart sitt lager 9, 10 och varje lager 9, 10 är medelst bärarmar 9', 10' och vridtappar 11, 12 lagrat i maskinens stationära del eller fundament 13 för vridning kring 7, 8 ut- gör maskinens utgående axel varifrån vridmomentet kan vridaxellinjen §. Åtminstone en av axeldelarna tas ut t.ex. till en generator. Åtminstone en av tappar- na 11, 12 är ansluten till ett inställningsdon 18 för lägesinställning, t.ex. ett via ledningen 18' manövrerat servodon. I enklaste fallet kan inställningsdonet utgöras av en till tappen fäst manuellt manövrerbar spak.

Skovlarna 4 (för översiktlighet visas två skov- lar, fastän sâvel en skovel, eller t.ex. tre skovlar som i fig. 1, eller även flera, kan förefinnas) är medelst ledorgan 14, 15 i ledpunkter ledbart anslutna till gavel- styckena 5, 6. Längre rotorer 40' kan kompletteras med en eller flera mellanliggande stödringar 16 till vilka skovlarna är anslutna ävenledes på ledbart sätt via le- der 17. Ändstyckena 5, 6 och/eller stödringarna 16 kan i stället för skivor resp. ringar även utgöras av ensta- ka radiellt förlöpande armar som vid sina yttre ändar uppbär var sitt ledorgan. För att avlasta skovlarna 4 från varje vridande moment, kan utmed axellinjen 1 an- I ordnas en materiell axel som vid Sa, 6a (fig. 2) via icke visade, vridmomentöverförande kardanknutar ansluts till ändsf-.yckena 5, 6. Rotorns längd g väljs 'lämpligen t ex dubbelt så stort som,och helst som ett ännu större flertal av dess diameter Q. 7 V Enligt fig. 4 och 5 är i varje skovel 4 vid led- punkterna 14, 15, 17 ett axelorgan 20-22 anordnat som in- nefattar.två koaxiella axeldelar 20, 21 anslutna från vart sitt håll till en styrring 22. Ringen 22 är vridbart 15_ 450 901 lagrad på en skruvbult 23 som har en axellinje g och är i radiell riktning inskruvad i ändstycket 6. Lagringen vid ändstycket 5 och eventuellt vid stödringen 16 är likadan.

Axelorganets 20-22 axellinje E förlöper snett relativt ro- torns rotationsaxellinje 1, vilken axellinje 1 är parallell med skovelns 4 längdkanter 4' (se även fig. 3) och inneslu- ter än styrvinkel a med ett plan som innefattar rotations- axellinjen 1 och t.ex. en av längdkanterna 4' eller en längsgående generatris Q av skoveln 4 som skär skruvbul- tens 23 axellinje É. Härvid gäller _ _s° < a < as° resp. a = 50 - 850 och speciellt då a = 300 - 600 Ovan anförda extrema värden 50, 850 tillämpas när det gäl- ler att uppnå särskilt stort eller särskilt litet överfö- ringsförhållande mellan ändstyckenas lutning och skovlar- nas vridning.

Vid en alternativ utföringsform kan vridaxellinjen E innesluta en vinkel a enligt fig. 4 i storleken 950-1750 resp. 1200-1500. Vidare kan axellinjen g orienteras i god- tycklig riktning relativt rotationsaxellinjen 1 och radier till denna. I Ledarna 14, 15, 17 kan i stället för det i fig. 4 och 5 visade utförande utformas med fjädrande eller elas- tiska element såsom gummibussningar eller torsionsstavar.

I fig. Ga-c visas rörelsebanor som tvâ punkter_§, Q på axellinjen § tillryggalägger vid rotation. Enligt fig. Ga rör sig dessa punkter längs cirkelbanor Q, 3, § kring styrpunkten 2 resp. en genom denna punkt dragen axellinje 2'. I projektionen enligt fig. Gb åskådliggörs vridaxellinjens E sneda läge relativt ett plan som inne- fattar axellinjerna 1 och 2'. I projektionen enligt fig. 60 framträder cirkelbanorna Q, g, § ur fig. 6a som ellip- ser vilkanäraansluter sig till cirklar. Omständigheten, att axellinjerna 1 och 2' innesluter sinsemellan en vin- as f . nå ett stort startmoment) och vid delvis belastning 450 961 7 kel som i fig. Ga betecknas med B medför, att punkterna ocn § samt leden 14 får sina banor Q, g, § i projek- tionen enligt fig. Go inbördes förskjutna. Punkterna 5 och § är punkter på axellinjen E i ett givet vridläge för rotorn 40', medan gl och gl anger dessa punkters läge när rotorn 40' har genomfört ett halvt varv kring rotations- axellinjen 1. Projektionen av den axellinje § som ju rep- resenterar även skovelns 4 plan, visar i fig. 6c förlop-' pet av den för en tvärströmsmaskin önskade och i allmänhet nödvändiga skovelvinklingenf Företrädesvis väljs maskinens resp. rotorns periferihastighet, mediets anströmningshas- tighet,och skovlarnas.form så, att skovelplanet (represen- -terat av axellinjen E) under normal belastning förlöper tangentiellt till-omloppsbanan, dvs en kring axellinjen 1 dragen cirkel som passerar genom styrringen 22. Skovelom- ställningen behöver då endast ske vid start (för att upp- (för att även då uppnå god verkningsgrad), eller å andra sidan vid överbelastning av maskinen. Därigenom undvikes bl.a. de problem som brukar uppkomma vid så kallade fullasttur- biner för vattenkraft,_nämligen erosion nedströms turbinen_ till följd av ojämn vattenföring.

Vid uppfinningens applikation hos vattenturbiner kan stödringarna 16 utformas som för vatten begränsat el-, ler helt ogenomträngliga mellan- resp. skiljeväggar vilka i längdled uppdelar rotorn i flera delar, så att vattnet kan lâtas genomströmma endast valda delar av rotorn. En turbinrotor enligt uppfinningen-kan även kombineras med en konventionell rotor med fasta skovlar, och båda roto-_ rerna driver då en huvudaxel med en enda generator.

I ett praktiskt utförande av en vattenturbin en- ligt_uppfinningen enligt fig. 7 lagras en av axeldelarna 7, 8, närmare testämt den del 8' som Bilda: utaxeln till vilken generatorn 20 anslutes, i ett icke omställbart la- ger 10', medan den andra axeldelen lagras omställbart så- som det visas i fig. 3 t.ex. nos axeldelen 7. Rotorns änd- stycke 6' intill den icke omställbart lagrade axcldelen (dvs pä generatorsidan) ansluts då på ledat sätt till den icke ledat lagrade axeldelen, t.ex. medelst en vridmoment- överförande kulled 19.

Claims (10)

450 901 8 PATENTKRÅV

1. '1. . '_ 3 Rotodynamisk strömningsmaskin med en: rotor ¶40') innefattande åtminstone en avlång skovel fiq) anordnad att i en åtminstone närmelsevis cirkulär omloppsbana röra sig kring rotorns rotationsaxellinje (1), k ä n n e - t e c k n'a d a v att rotorn innefattar två ändstycken (5,6) _ vilka uppbär skoveln eller skovlarna och vilka är lutbara kring sina på rotorns rotationsaxel belägna centra; till ändstyckena anslutna organ för ändstyckenas samstämmigat lutning kring lutningsaxellinjer (K) som är vinkelräta mot rotorns rotationsaxellinje medan rotorn under driften roterar 'och genomströmmas då av ett medium i en ström som omfattar hela nämnda omloppsnana och förlöper_i riktningen (P) tvärs mot nämnda rotationsaxellinje; ledorgan (14,15) för anslutningf '_ av skovelns eller skovlarnas ändar till ändstyckena, vilka -fledorgan-innefattar axelorgan (23) som bildar en första . svängaxellinje (H) mellan skoveln eller skovlarna och ändstycket, vilken. svängaxellinje har ett oföränderligt läge relativt änd- sqfiket och organ (21,22).som bildar en andra svängaxellinje IF) mellan skqveln eller_skovlarna och ändstycketviflmm sänqæælküfie förlöper i huvudsak vinkelrätt mot den första svängaxeln I samt snett gentemot ett längsplan genom respektive skovel och innesluter en styrvinkel (CX) mellan ungfär 5° och 850 respektive ungefär 95° och 1750 med skovelns längddimension (Gïj varigenom.skove1n på så sätt kmnfinmæfligt ändrar sitt vinkelläge relativt nämnda strömningsriktning (P) att en normal (N) till skoveln passerar genom en styrpunkt (2) som är belägen På ett av ändstyckenas lutning relativt rotationsakellinjen _ bestämt avstånd från denna axellinje.

2. “ - - Strömningsmaskin enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d _a-vi att styrvinkeln är i storleks- ordningen 5°.- _ ,q,¿ e» 450 901

3. Strömningsmaskin enligt något eller några av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a d a v att den första svängaxellinjen (H) förlöper radiellt relativt rotorns rotationsaxellinje (1).

4. Strömningsmaskin enligt något eller några av föregående patentkrav, k ä n'n e t e c k n a d a v _ att den första svängaxellinjen (H) ligger i ett plan som år parallellt med planet för respektive ändstycke.

5. ' Strömningsmaskin enligt något eller några av föregående patentkrav, klä n n e tee cåk n a d a v att åtminstone ett av ändstyckena är styvt anslutet till en axel (7,8) som är lagrad i ett lager (9,10) vilket kan lutas kring respektive lutningsaxellinje (K).

6. Strömningsmaskin enligt patentkrav 5, k ä n n e t e c k n a d a v att det andra ändstycket är på ledbart och vridmomentöverförande sätt anslutet till en med rotorns rotationsaxellinje sammanfallande, ej läges- inställbart monterad axeldel (8') som bildar maskinens utaxel- organ.

7. _ Strömningsmaskin enligt något eller några av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a d a v 'att rotorns längd (E) utgör ett flertal av dess diameter (D).

8. Strömningsmaskin enligt något eller några.av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a d a v att mellan de båda ändstycken är åtminstone ett stöd- organ (16) anordnat till vilket skoveln eller skovlarna är ledbart anslutna.

9. Strömningsmaskin enligt patentkrav 8, k ä n n e t e c k n a d a v att stödorganet eller -organen innefattar en för vatten i begränsad utsträckning eller inte alls genomtränglig skiljevägg. lsß 9@¶

10. Strömningsmaskin enligt något eller några av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a d a v att ett flertal skovlar är på inbördes vinkelavstândl anordnade kring røtorns rotationsaxellinje varvid varje ' skovel är ledbart ansluten till ändstyckena medelst nämnäa ledorgan vilka innefattar en central styrring (22) och i radiellt motsatta riktningar därtill anslutna axeltappar (20,21) som förlöper i respektive skøvels plan, samt ett bultorqan (23) sem passerar genom styrringen och är i radiell riktning infäst i respektive ändstycke. Jc I “a