SE538147C2 - Anordning vid turbin - Google Patents

Description

Anordning vid turbin Den föreliggande uppfinningen avser en vertikalt riktad turbin för strömmande vatten och där turbinen är försedd med flera våningsplan fördelade i vertikal riktning med skovelformade vingar.

Kommersiell el från vattenkraftsverk eller strömvattenkraftsverk bygger vanligtvis på vattenfall av olika storlekar och direkt eller indirekt uppdämning av strömfåran, vilket menligt påverkar både fauna och flora. Vattenkraftverken bygger på att fallhöjden utnyttjas genom att vattnet får strömma igenom en turbin som sedan driver en generator för alstring av ström. Sådana konstruktioner är svåra att återställa när och om vattenkraftverket inte längre utnyttjas. Vidare omöjliggörs, eller i alla fall försvåras, det naturliga fiskbeståndets vandring upp- och nedströms i vattendraget.

Det är visserligen förut känt med vertikalt riktade vattenturbiner exempelvis genom: DE 100 40 940 Al, US 1,556,876A, WO 2011/061559 Al, och WO 2008/002149 Al.

Dessa kända turbiner är emellertid av tung konstruktion och de uppvisar genomgående axlar vilket för-hindrar att vattnet fullt kan strömma igenom turbinen vid dess mittområde. Därigenom påverkas verkningsgraden negativt såväl vid låga som vid höga strömningshastigheter.

Vid höga strömningshastigheter är detta speciellt negativt eftersom vattenvirvlar bildas och som ger motstånd.

Genom DE 100 4 0 94 0 Al känd turbin uppvisar en genomgående lagringsaxel (1) vilken hindrar vattnet från att fritt passera genom turbinens mittområde. Dessutom är turbinens blad ej taktförskjutna såsom avses enligt föreliggande uppfinning.

Genom US 2011/0309624 Al förut känd turbin är avsedd att mottagas lagrad i ett omgivande hus varvid någon lagringsaxel ej krävs vid sagda utförande. Den därigenom kända turbinen uppvisar fasta vingar på varje våningsplan, varvid våningsplanen är spiralformigt fördelade från turbinens ena ände till den andra. Detta ger en be-lastningskurva på turbinen i form av en båge, en mycket ogynnsam belastning när det gäller roterande föremål. Till skillnad mot uppfinningen där turbinens våningsplan är taktförskjutna 1, 3, 2, 4 så att en ormliknande belast-ningskurva erhålles. Detta är en bra belastning på turbinen .

WO 02/052149 Al visar en turbin som uppvisar ett flertal på mer eller mindre komplicerade sätt svängbara vingar och även försedd med mittaxel. Se Fig 14.

Huvudändamålet med den föreliggande uppfinningen är därför i första hand att bl.a. lösa de ovan sagda problemen på ett effektivt, säkert och ekonomiskt sätt.

Sagda ändamål uppnås medelst en turbin enligt den föreliggande uppfinningen, som i huvudsak känne-tecknas därav, att turbinen är lagrad utan någon genomgående axel, med möjlighet till fri strömning av vatten genom turbinens mitt, samt att de olika våningsplanen är taktförskjutna, vilket minimerar vibrationer och klart påverkar turbinens effekt, varvid vid förekomsten av tre våningsplan är taktförskjutningen enligt följande: 1, 3 och 2 och vid fyra våningsplan är taktförskjutningen enligt följande: 1,3,2 och 4 och så vidare, att turbinens lagringsaxel utskjuter axiellt uppåt från turbinens ovansida, och att lagringsaxeln är förbindbar med en växellåda samt en generator.

En sådan nu definierad vertikal turbin möjliggör effektivt utnyttjande av speciellt mindre strömmande vattendrag för åstadkommande av elproduktion utan att negativt påverka faunan och floran eller andra i natu-ren förekommande oskattbara värden.

Vid sådana mindre strömmande vattendrag är det viktigt att verkningsgraden är hög. Detta möjliggöres bl.a. genom att göra lätta konstruktioner på turbinerna samt att tillåta det strömmande vattnet fritt passera igenom turbinen vid dess mittområde där vattnet ej påverkar några turbinskovlar. Detta gäller även vid höga ström-ningshast igheter då vattenvirvlar lätt bildas och som ger motstånd när det gäller turbinens rotation.

Genom att dessutom utföra turbinen med taktförskjutning med viss ordning uppnås dessutom den effekten att vibrationer i turbinen minimeras, vilket höjer effekten på turbinen.

Uppfinningen beskrives nedan såsom ett antal föredragna utföringsexempel med hänvisning till de bifogade ritningarna, på vilka Fig. 1 visar i perspektiv och snett ovan-ifrån en cylindrisk vattenturbin i vertikalt arbetsläge, Fig. 2 visar en bärstomme för uppbärning av turbin, generator samt växellåda enligt uppfinningen, Fig. 3 visar variant av turbinen med ko-ni sk utformning, Fig. 4 visar en snittvy av en turbin, Fig. 5 visar en planvy av ett skikt av turbinen, Fig. 6-8 visar skövlar i turbinen och an-ordnade i skilda lägen, Fig. 9 visar planvyer av turbinens skilda våningsplan med skovlarna i visade skilda arbetslägen, Fig. 10 visar en kurva över strömningshastigheten på vattnet vid olika djup, Fig. 11 visar sidovy av koniskt uppbyggd turbin, Fig. 12-13 visar sidovy resp. ovanvy av uppburen turbin vid vattendrag, och Fig. 14-15 visar ovanvyer av i rad uppburna turbiner förankrade utmed vattendrag.

Det finns behov av lösningar av reprodu-cerbar, närproducerad el.

Uppfinningens koncept bygger på en vertikal turbinkonstruktion med följande funktion: Tillämpningar där energin i första hand i ett fritt strömmande vatten kan utnyttjas för elproduktion utan att man skall behöva göra omfattande ingrepp i natu-ren genom dammbyggnader av olika slag. Uppfinningen bygger på en turbin, som sänks ner vertikalt i det strömmande vattnet och fås att rotera, varefter rotationskraften om-vandlas till elektrisk ström med en generator eller utnyttjas för drift av maskinell utrustning. Genom att endast minimala fasta installationer erfordras kan vattendraget när som helst återställas. Vidare hindras ej fis-karnas vandring och faunan påverkas endast marginellt tack vare uppfinningen.

Konceptet fyller dessutom EU:s krav på re-producerbarhet och närproducerad energi varigenom el-förlusterna reduceras avsevärt tack vare det korta trans-fereringsavståndet .

Turbinkonstruktionen är främst avsedd att användas för att tillgodose behovet av elektrisk ström där tillgång till elnät saknas och där det finns vattendrag tillgängligt, såsom vid fritidshus, båtbryggor eller per-manentbostäder långt från annan bebyggelse eller för strömförsörjning av byar i utvecklingsländer. Ett annat användningsområde är som komplement för att tillvarataga resteffekten i vattendrag efter ett "vanligt" vattenkraft-verk s.k. "turboeffekt", inom ramen för vattenkraftverkets fallrättigheter.

Genom att seriekoppla ett antal turbiner erhålles elenergi som lätt kan tillgodose relativt stor-skaligt elbehov.

Med dagens energikrav på exempelvis miljö-husbyggande av typ "Green house" möjliggöres att elför-brukningen av växelström nu mer än halveras genom övergång till elförsörjning med likström (DC). Detta är möjligt då dagens tekniska utrustning i stor utsträckning enbart krä-ver, alternativt lika väl kan använda, likström på 12-24V, för t.ex. belysning (lysdioder), ventilation, uppvärmning, telefoni, datorer, servrar, routrar skrivare etc.

Huvudidén är således att i första hand tillgodose behovet av likström (DC) och i andra hand genom användande av befintliga kommersiella omvandlare (inverte-rar) omvandla strömmen till 220-240V växelström (AC) där absoluta krav föreligger.

Turbinens konstruktion utgår ifrån tanken att den skall "ta emot" så mycket kraft från det strömmande vattnet som möjligt på trycksidan, medan baktrycket skall vara så lågt som möjligt. Turbinen består av tre till tio "hjulsegment" staplade ovanpå varandra. Varje "hjul" består av två cirkulära skivor mellan vilka finns fastsatt tre till sex radiella "vingar". Vingarnas bredd, egentligen höjd, är 20 till 50% av skivornas diameter. Vingarna placeras med jämna mellanrum över skivans diame ter så att t.ex. med tre vingar placeras de med 120° förskjutning och vid fem vingar med 72° förskjutning.

Vingarna är "skovelformade". De utgöres av en rak del, utgörande 40 till 75% av den totala längden. Därefter böjs skivan 30 till 45 grader och efter ytterligare 10 till 30% av längden böjs skivan ytterligare 3 0 till 45 grader. Enligt uppfinningen är den sistnämnda delen av "vingen", som utgör 10 till 30% av hela längden fäst vid de cirkulerade skivorna upptill och nertill. Res-terande del av "vingen", utgörande 70 till 90% av "ving-ens" längd, är fäst med ett gångjärn vid den fasta delen av vingen. Denna del av vingen kan därvid av vattenkraften flyttas mellan två stopp. I början av varvet, då vattentrycket träffar vingarnas krökta framsida, trycks den rörliga delen av vingen mot det bakre stoppet och en maximal andel av vattentrycket tages upp av vingen. När vingen kommer till den motsatta sidan av varvet gör vattentrycket att den rörliga delen av vingen trycks mot det främre stoppet, varvid vingen påverkas minimalt av vattentrycket bakifrån.

Vingarna liksom de cirkulära skivorna är lätta och tillverkas av ett skivmaterial av t.ex. aluminium, fiberarmerad plast, laminat eller annat lätt mate-rial .

När flera hjulsegment staplas på varandra vrids varje segment så att vingarnas läge blir vinkelför-skjutna i förhållande till varandra för att få en jämn belastning. Vid t.ex. tre vingar per hjulsegment och t.ex. fyra hjulsegment staplade på varandra är förskjutningen mellan varje hjulsegment 30°.

För att säkerställa en jämn belastning ut-efter turbinens längd skall fasförskjutningen fördelas ut-efter turbinens längd på t.ex. följande sätt vid det van- ligaste utförande med tre vingar per hjulsegment och med t.ex. fyra hjulsegment staplade ovanpå varandra, även om det kan räcka med åtminstone tre stycken staplade hjulsegment: - Hjulsegment nr 2: 60 graders fasförskjutning i förhållande till hjulsegment nr 1 - Hjulsegment nr 3: 30 graders fasförskjutning i förhållande till hjulsegment nr 1 - Hjulsegment nr 4: 90 graders fasförskjutning i förhållande till hjulsegment nr 1 Eller uttryckt på ett annat sätt, ord-ningsföljden mellan sektorerna skall vara 1-3-2.

Med ett annat antal vingar och/eller annat antal hjulsegment är vinkelförskjutningen 14,4° mellan hjulsegmenten.

På ritningarna visas funktionen med "vik-bara" vingar på olika nivåer.

Vid grunda strömmar och vid höga strömningshastigheter blir strömningshastigheten vid ytan mar-kant högre än längre ner under vattenytan. Strömningshastigheten får därvid en gradient. För att under sådana förhållanden maximalt utnyttja kraften i vattenströmmen och få en jämn belastning i varje hjulsegment är det för-delaktigt att hjulsegmenten får en större diameter vid lägre vattendjup. I visat exempel har hjulsegment nr 2 (räknat från vattenytan) en diameter som är 2 0% större än hjulsegment nr 1. Hjulsegment nr 3 har vidare en diameter som är 44% större än hjulsegment nr 1, dvs. en 20%-ig dia-meterökning mellan de individuella hjulsegmenten. Hjulsegment nr 4 har en diameter som är ca 70% större än hjulsegment nr 1. Den successiva ökningen av hjuldiameter kan variera utifrån de specifika förhållandena. Skillnaden i diameter mellan hjulsegmenten kan variera från O till ca 40% .

Energianläggningens funktion är enligt följ ande: Principen för turbinen är att genom mini-merad egenvikt och friktion ge möjligheten till att produ-cera ström redan vid låga strömningshastigheter av vatten. När turbinen sänks ner i ett vattendrag får turbinens vingar kraft av det strömmande vattnet och en rotationskraft uppstår. Denna rotationskraft kan överföras till en generator för att alstra ström eller användas på annat sätt t.ex. för drift av roterande maskiner.

I båda fallen kan vid behov rotationskraften från turbinen mekaniskt växlas upp eller ner till öns-kat varvtal för att få optimal kraft ur den till turbinen kopplade generatorn. Växellådan kan kombineras med en automatisk slirfunktion så att den kan kompensera för eventuella stopp eller andra snabba varvtalsändringar.

Upphängningen av generatorn sker genom att på en egen axel som är kopplad till växellådan använda två glidlager med t.ex. 400 mm avstånd. För att hålla axeln på plats och inte glida ur glidlagren används: 1. Först ovan vardera glidlager en för-tjockning av axeln som en sekundär säkring. 2. Direkt nedanför glidlagren skärs en skåra för en utvändig segersäkring och ovanför denna placeras en glidbricka i nylon av större dimension.

För att underlätta transporten är hela an-läggningen delbar vid turbinen. Turbinens drivaxel är ut-rustad med en överfallshållare som skruvas fast och säkras med två st genomgående bultar till axeln till växellådan.

Turbinen och generatorpaketet kan t.ex. placeras på en fast brygga eller en flytande flotte för ankrad en bit ut i vattendraget. Rotationskraften och/eller den i generatorn alstrade strömmen ledes i land. Med fördel kan turbinen tillsammans med en flytbrygga eller en flytboj samt en eventuell generator och utväxling utgöra en fast enhet som kan transporteras för tillfälligt nedsättning i lämpligt vattendrag t.ex. för tillfällig elförsörjning vid katastrofsituationer eller dylikt.

Alternativ I. Specialtillverkad flytande brygga vilken är: a. förankrad med fyra stolpar för botten-hållare för justering i höjdled, för reglering till vat-tennivån vid t.ex. ebb och flod eller vår och sommar. b. förankrad från kajkant Alternativ II. Kajförankring med: a. modifierad marin s.k. Y-bom b. stegformad flytboj Generatorn med dess växellåda ("generatorpaketet") monteras fast på ett för ändamålet lämpligt un-derlag av typ kabelstege där turbinen fastsättes och säkras innan nedsänkning i vattnet. Den producerade elström-men förs med lämpliga kablar till ett elskåp, som företrädesvis är fristående och monteras på fast mark.

Turbiner med tillhörande kringutrustning kan placeras nära varandra i en "turbinpark" för att få en högre, sammanlagd utgående effekt. Med fördel kan turbinerna placeras efter varandra i strömriktningen för att minimera intrånget i vattendraget och påverkan på båttra-fik och fiske. Beroende på valet av antalet turbin i "turbinparken" kan behovet av närproducerad elenergi med avsevärd effekt tillgodoses.

Turbinerna kan kopplas ihop mekaniskt så att rörelseenergin sammanförs till en gemensam generator, en landsbaserad elcentral.

Enligt uppfinningen avses en anordning 1 vid vertikalt riktad turbin 2 för strömmande vatten 3 och där turbinen är försedd med åtminstone tre våningsplan 4-7 fördelade i vertikal riktning 8 innefatta en turbin 2 av självbärande slag och med möjlighet till fri strömning av vatten 3 genom turbinens mitt 9.

Turordningen för de kända turbinernas skilda våningsplan är ej valda efter speciellt valda tak-ter utan löper i vanlig ordning från ett och framåt. Därför är de olika våningsplanen 4-7 taktförskjutna samt att turbinens skövlar 10 är rörligt automatiskt inställbara .

Vid förekomsten av tre våningsplan 4-6 är taktförskjutningen enligt följande: 1,3 och 2 och vid förekomsten av fyra våningsplan 4-7 är taktförskjutningen enligt följande 1, 3, 2 och 4 osv. Turbinen 2 består av en lätt konstruktion, företrädesvis aluminium eller plastmaterial t.ex. med kompositmaterial.

För att möjliggöra lagring av turbinen 2 utskjuter turbinens lagringsaxel 11 axiellt uppåt 12 från turbinens ovansida 13 och denna lagringsaxel 11 är förbindbar med en växellåda 14 samt en generator 15.

Turbinen 2 kan såsom visas i t.ex. Fig 1, 2 och 4 uppvisa likformig diameter D utmed dess hela höjd H alternativt att turbinen 2 uppvisar ökande vidd mellan våningsplanen 4-7 i riktning uppifrån och ner 16.

Varje våningsplan 4-7 hos turbinen 2 uppvisar åtminstone tre stycken, utmed turbinens omkrets jämnt fördelade ledade turbinskovlar 10.

Varje skovel består av två skovelhalvor 10A, 10B varav den ena halvan 10A är lagrad fast medan den andra skovelhalvan 10B är lagrad svängbar kring en skovel-lagringsaxel 17 och är anliggbar mot stoppanslag 18, 22.

Den svängbart lagrade skovelhalvan 10B är V-formad med trubbig vinkel X, varvid den fasta skovelhalvan 10A är belägen med dess inåt mot turbinens mitt 9 vända ände belägen på avstånd från sagda mitt 9 och att den svängbart lagrade skovelhalvans utåtvända parti uppvisar åtminstone dubbla längden av den fasta skovelhalvan 10A.

I fig. 2 och 14-15 visas en ponton 20 som är anordnad att uppbära en eller flera turbiner 2 enligt föreliggande uppfinning flytande i aktuellt strömmande vattendrag 3. I fig. 12-13 visas turbin 2, växellåda 14 samt generator 15 uppburna av ett stöd 21 som är förankrat på fasta land 22, på en flytboj eller på en flytbrygga etc.

I fig. 6-8 visas åskådliggjort ett turbin-blads 10 rörelsemönster när vatten 3 strömmar genom turbinen 2 .

Stopp 18 resp. 22 hindrar turbinbladet 10 att fortsätta svängas förbi avsedda önskade lägen.

Turbinbladen 10 är rörligt lagrade att svängas kring varsin tillhörande svängaxel 17.

De olika våningsplanen 4-7 hos turbinen 2 avskiljes från varandra med varsin skiva 24 och även än-darna på turbinen avslutas med varsin skiva 25.

Föreliggande konstruktion bygger på prak-tiskt utprovad, ultralätt turbin med ett minimum av motstånd i växellåda och generator, eftersom tröghetsmoment i låg vikt ger responderande snabbhet mot vattnets ström-ningshastighet .

Vidare ger konstruktionen genom lättvikt och delmontering hög grad av mobilitet.

Turbinen bygger på en självbärande konstruktion utan genomgående axel vilket ger överflödet av vatten möjligheten att fritt strömma genom hela turbinen. Vilket också påverkar verkningsgraden både vid låga strömningshastigheter, vilket ger rent motstånd, som vid höga strömningshastigheter, där den då minimerar vattenvirvlar som brukar ge avsevärt motstånd.

Skovlarnas utformning och placering sam-verkar med våningsplanen och turbinens samverkande våningsplan tillsammans med taktförskjutningen 1,3,2 minimerar vibrationer och påverkar klart turbinens effekt.

Beskaffenhet och funktion av uppfinningen torde ha framgått av det ovan angivna och det på ritningarna visade.

Uppfinningen är naturligtvis inte begrän-sad till de ovan beskrivna och på de bifogade ritningarna visade utförandena. Modifieringar är möjliga, särskilt när det gäller de olika delarnas beskaffenhet, eller genom användande av likvärdig teknik, utan att man frångår skydds-området för uppfinningen, såsom den definieras i patent-kraven.

Claims (8)

1. Vertikalt riktad turbin (2) för strömmande vatten (3) och där turbinen är försedd med flera våningsplan (4-6) fördelade i vertikal riktning (8) med skovelformade vingar, kännetecknad därav, att turbinen (2) är lagrad utan någon genomgående axel, med möjlighet till fri strömning av vatten (3) genom turbinens mitt (9), samt att de olika våningsplanen (4-7) är taktförskjutna, vilket minimerar vibrationer och klart påverkar turbinens effekt, varvid vid förekomsten av tre våningsplan (4-6) är taktförskjutningen enligt följande: 1, 3 och 2 och vid fyra våningsplan (4-7) är taktförskjutningen enligt följande: 1,3,2 och 4 och så vidare, att turbinens lagringsaxel (11) utskjuter axiellt uppåt (12) från turbinens ovansida (13), och att lagringsaxeln (11) är förbindbar med en växellåda (14) samt en generator (15).

2. Turbin enligt patentkrav 1, kännetecknad därav, att del av turbinens skövlar (10) är rörligt automatiskt inställbara.

3. Turbin enligt något av ovan angivna patentkrav, kännetecknad därav, att varje våningsplan (4-7) uppvisar åtminstone tre utmed dess omkrets jämnt fördelade ledade skövlar (10) .

4. Turbin enligt patentkrav 3, kännetecknad därav, att varje skovel (10) består av två skovelhalvor (10A, 10B) varav den ena halvan (10A) är lagrad fast medan den andra halvan (10B) är lagrad svängbar kring en skovel-lagringsaxel (17) och är anliggbar mot ett stoppanslag (18, 22) .

5. Turbin enligt patentkrav 4, kännetecknad därav, att den svängbart lagrade skovelhalvan (10B) är V-formad med trubbig vinkel (X) varvid den fasta skovelhalvan (10A) är belägen med dess inåt mot turbinens mitt (19) vända ände belägen på avstånd från sagda mitt (19) och att den svängbart lagrade skovelhalvans utåtvända parti uppvisar åtminstone dubbla längden av den fasta skovelhalvan (10A).

6. Turbin enligt något av ovan angivna patentkrav, kännetecknad därav, att turbinen (2) består av en lätt konstruktion såsom exempelvis lättmetallmaterial, företrädesvis aluminium eller plastmaterial.

7. Turbin enligt något av ovan angivna patentkrav, kännetecknad därav, att turbinen (2) uppvisar likformig diameter (D) utmed dess hela höjd (H).

8. Turbin enligt något av patentkrav 1-6, kännetecknad därav, att turbinen (2) uppvisar ökad vidd mellan våningsplanen (4-7) i riktning uppifrån och ner (16) .