FI130478B - Virtaavaan väliaineeseen upotettavaksi tarkoitettu turbiini ja turbiiniasetelma - Google Patents

Abstract

Keksintö koskee turbiinia ja turbiiniasetelmaa. Turbiiniin (10), joka on tarkoitettu upotettavaksi virtaavaan väliaineeseen, kuuluu kaksi etäisyydellä toisistaan olevaa vastakkaista laippaa (11) ja niiden välissä oleva akseli (12). Laippojen väliin on laakeroitu ainakin yksi turbiinisiipiyksikkö (13a, 13b) joka väliaineen virtauksen (V) voimasta pyörittää turbiinia. Turbiinisiipiyksikössä on kaksilapainen siipi (14) joka on laakeroituna akseliin (15) ja jota virtauksen myötävirtaan kuljettavan matkan ohjataan hihnalla (17). Keksinnön mukaisesti siipi (14) muodostuu kahdesta seinämästä, joiden väliseen tilaan on sovitettu ainakin yksi lisäsiipi ja sen ainakin yksi mäntä. Siiven kummassakin lavassa on yksi tai useampi virtausaukko väliaineelle, jolloin kun siiven liike myötävirtaan on päättymässä, väliaineen paine siiven sisällä työntää mäntää ja lisäsiipeä väliaineen virtaussuunnassa ulospäin, jolloin siiven painopiste siirtyy ja siipi tulee epäkeskeiseksi ja siipi kääntyy virtauksen suuntaiseksi vastavirtaan kuljettavan matkan.

Description

Virtaavaan väliaineeseen upotettavaksi tarkoitettu turbiini ja turbiiniasetelma - Turbin avsedd for nedsänkning i ett strommande medium och ett arrangemang för turbiner

Keksinnön kohteena on veteen tai muuhun virtaavaan väliaineeseen upotettava turbiini.

Keksintö liittyy erityisesti sellaisiin turbiineihin, joissa on akseli, jonka ympärille on pyörivästi sovitettu joukko turbiinisiipiä, jotka kiertävät — etäisyyden päästä turbiinin akselia turbiinia käyttävän väliaineen virtauksen voimasta.

Tällaisia turbiineja käytetään esimerkiksi upotettuna virtaavaan veteen, jossa niiden pyörimisliike muunnetaan sähköksi generaattorin avulla.

Myös kaasuvirtauksissa näitä turbiineja voidaan käyttää.

Ongelmana tämäntyyppisissä turbiineissa on syklissä vastavirtaan kulkevien siipien aiheuttama tehohäviö. Kun turbiinissa siivet on sovitettu pyörimään oman akselinsa ympäri, siipiä voidaan ohjata jakohihnan avulla oikeassa asennossa myötävirtauksen eli työvaiheen aikana. Tunnetaan ratkaisuja, esim. WO8501780 ja US4095422, joissa vastavirtaan kulkevia siipiä muutetaan erilaisilla mekanismeilla vähemmän virtausvastusta aiheuttavaan asentoon, paremman työntövoiman saamiseksi turbiiniin.

Ongelmana on ollut löytää yksinkertainen ja luotettava ratkaisu, jolla minimoidaan vastavirtaan kulkevien turbiinisiipien aiheuttamaa tehohäviötä. Lisäksi tavoitteena on luoda turbiinirakenne, joka ei vaadi suuria tai pysyviä muutoksia ympäristöön, ja jonka maisemavaikutus on vähäinen. Keksinnön mukaisesta turbiinirakenteesta 90% on vedenpinnan alla. Lisäksi tavoitteena on ollut mahdollisimman vähän teknistä valvontaa vaativa laite, joka soveltuisi hyvin paikalliseen sähköntuotantoon ympäri maailmaa.

Keksinnön kohteena olevassa turbiinissa tämä ongelma on ratkaistu siten, miten jäljempänä olevissa patenttivaatimuksissa on esitetty.

Keksintö koskee myös asetelmaa, jossa useita pystysuoraan — virtaavaan veteen asetettuja keksinnön mukaisia turbiineja on sijoitettu rinnakkain ja peräkkäin matriisin muotoon, ja jossa kussakin turbiinissa siipiyksiköiden siipikulmat ohjataan vastakkaisvaiheisesti seuraavaan vierekkäin ja/tai peräkkäin olevaan turbiiniin nähden.

Keksinnöstä seuraa merkittäviä etuja, kuten että turbiinin siipien kääntäminen vastavirta-asentoon ei vaadi veden alle upotettavia mekanismejä eikä ulkoista voimaa, vaan siivet kääntyvät virtauksen voimasta, eli hydraulisesti. Turbiinin rakenne on mm. tästä syystä hyvin modulaarinen ja helposti huollettavissa.

Keksinnön mukaisella turbiinilla voidaan joen, kanavan tai olemassa olevan vesivoimalan alavirtauksen kokonaisvirran vesimäärää hyödyntää tehokkaasti ja moninkertaisesti, kun turbiineja asetetaan virtaukseen peräkkäin.

Keksinnön mukainen turbiini voi olla kokonaisuutena tehdasvalmistei- nen, jolloin pienemmät turbiiniyksiköt voidaan toimittaa toimintavalmii- na, ja suuremmat osakokonaisuuksina vesillelaskupaikalla kokoonpan- tavaksi.

Keksinnön mukaisen turbiinin tuottopotentiaali on arviolta n. 1 kW/m? virtausnopeudella im/s, eli jos turbiiniyksiköiden työvaiheessa olevien siipien yhteenlaskettu pinta-ala on 100 m?, niin laitteiston teho on n. 100 kW, kun virtaus on 1 m/s.

Keksintöä selostetaan seuraavassa tarkemmin esimerkkien avulla viittaamalla oheisiin kuvioihin, joissa

Kuvio 1 esittää poikkileikkauskuvan keksinnön ainakin joitakin suoritusmuotoja mahdollistavasta turbiinista;

Kuvio 2 esittää keksinnön mukaisen turbiinisiipiyksikön ainakin joidenkin suoritusmuotojen rakennetta;

Kuvio 3 esittää esimerkkejä turbiinin siipien asennoista yhden keksinnön mukaisen turbiinin kierroksen aikana;

Kuvio 4 esittää turbiinin siipien irroituskytkintä;

Kuvio 5 esittää keksinnön mukaisen lisäsiiven rakennetta;

Kuvio 6 esittää asetelmaa keksinnön mukaisista turbiineista;

Kuvio 7 esittää keksinnön ainakin joitakin suoritusmuotoja mahdollistavan turbiinin sivusta katsottuna.

Kuviossa 1 on esitetty keksinnön ainakin eräitä suoritusmuotoja mahdollistava turbiini 10, johon kuuluu kaksi etäisyydellä toisistaan olevaa vastakkaista pyörivää laippaa 11, joiden välissä on turbiiniakseli 12. Laipoista 11 näkyy kuvion 1 poikkileikkauskuvassa vain alempi.

Turbiinin 10 muodostaa kuvion 1 mukaisessa sovellutusmuodossa kuusi turbiinisiipiyksikköä 13a,13b sovitettuina tasavälein laipan 11 kehälle ja symmetrisesti akseliin 12 nähden. Siipiyksiköt pyörittävät laippoja ja koko turbiinia 10 väliaineen virtauksen V voimasta.

Turbiinisiipiyksiköt voivat olla keskenään identtisiä, ja kuviossa yksiköt 13a kulkevat hetkellisesti virtauksessa V myötävirtaan eli suorittavat — työtä, kun yksiköt 13b kulkevat vastavirtaan.

Kussakin turbiinisiipiyksikössä on kaksilapaiset siivet 14, jotka on sovitettu pyörivään myös oman siipiakselinsa 15 ympäri. Akselin 15 ainakin toisessa päässä on ensimmäinen hihnapyörä 16. — Siipiyksiköiden hihnapyöriä 16 käyttää jakohihnan 17 avulla turbiinin akselin 12 käyttämä toinen hihnapyörä 18. Akselin 12 ja hihnapyörien 16 välinen välitys on edullisesti 72, eli ainakin joissakin sovellutusmuodoissa siipiyksiköiden pyörimisnopeus on puolet turbiinin pyörimisnopeudesta. Jakohihnan 17 radalla voi olla muitakin — pyöriä 19, esim. kiristysrullia tms. apupyöriä. Toimintaa selitetään jäljempänä tarkemmin.

Kuviossa 2 on tarkemmin esitetty keksinnön mukaisen turbiinisiipiyksikön 20 rakennetta. Siipiyksiköllä on akseli 22, joka on laakeroitu päistään kuvion 1 mukaisesti turbiinin kahteen vastakkaiseen laippaan 21. Siiven 23 kaksi lapaa ovat ainakin osittain onttoja (vrt. kuvio 5). Siiven seinämien välissä oleva ontto tila aukenee siiven kärkeä kohti, jolloin siinä oleva lisäsiipi 26 voi liikkua siiven kärjestä sisään tai ulos. Kummassakin siiven lavassa on ainakin yksi lisäsiipeä 26 liikuttava mäntä 27. Saman siiven vastakkaisilla puolilla olevat männät 27 voivat liukua pitkin samaa tai erillistä akselia 24 siten, lisäsiivet 26 liikkuvat ulos ja sisään, nuolen A osoittamalla 5 tavalla.

Keksinnön toiminnan kannalta on olennaista, että turbiinia käyttävä väliaine pääsee liikkumaan siiven sisällä, esim. toisen lavan virtausaukoista 25 sisään ja toisen lavan aukoista ulos. Lisäsiiven 26 tehtävä on aiheuttaa turbiinisiipeen epäkeskisyyttä siiven tullessa alakuolokohtaansa (vrt. kohta B' kuviossa 3), joka tässä määritellään kohtana, jossa siiven kulku myötävirtaan päättyy ja liike vastavirtaan alkaa. Virtaus liikuttaa mäntiä 27 siten, että virtauksen suuntaan osoittavasta lavasta lisäsiipi 26 työntyy siiven alakuolokohdassa ulospäin ja vastakkaisen lavan lisäsiipi vetäytyy sisäänpäin.

Viittaamalla nyt lisäksi kuvioon 3 voidaan havaita, että kun siipi lähestyy alakuolokohtaa B' ja asettuu vinoon kulmaan virtaukseen nähden, paine kasvaa siiven kuvassa ylempänä olevan lavan pinnassa kohdassa D verrattuna alempana olevan lavan pinnassa vastaavassa kohdassa D”. Tällöin vesi virtaa siiven sisään aukoista 25 kohdassa D ja vastaavasti niistä ulos kohdassa D'. Tämä siiven sisäinen virtaus liikuttaa mäntiä 27 siiven sisällä. Siiven 23 ulkokehän puolella olevassa lavassa lisäsiipi 26 työntyy ulos ja on alakuolokohdassa B' ääriasennossaan. Vastaavasti vastakkaisessa siiven lavassa lisäsiipi vetäytyy sisään. Tällöin siiven 23 pinnat muodostuvat epäsymmetriseksi akseliin 22 nähden, joka tekee siiven käyttäytymisen virtauksessa epäkeskeiseksi. Tämän epäkeskisyyden johdosta nokan ohjauksesta vapautuneet siivet 32 stabiloituvat ja asettuvat kuviossa 3 vastavirtaan liikkuessa virtauksen suuntaiseksi (vrt. siivet 13b kuviossa 1).

Kuviossa 3 esitetään viitteellisesti turbiinin 30 siipien 33 asennot yhden — turbiinin kierroksen aikana, kun siipien asennot keksinnön mukaisesti ohjataan jakohihnan (vrt. kuvio 1, osa 17) avulla. Jakohihna (ei piirretty) käyttää kuten kuvion 1 yhteydessä on esitetty kuuden siipiyksikön akseleihin 32 liitettyjä hihnapyöriä 34, joissa on tapit tai vastaavat tartuntaelimet 35. Tappien muoto, kiinnitys hihnapyöriin tai — sijainti voivat vaihdella vapaasti jäljempänä olevien patenttivaatimusten puitteissa.

Tarkastellaan seuraavaksi ensin siipiyksiköiden toimintaa kuvioon 3 piirretyn pistekatkoviivan C-C vasemmalla puolella. Katkoviivoin — esitetyn siiven ollessa alakuolokohdassaan B', siipi alkaa pyörimään vastavirtaan. Vastavirtaan kulkeva siipi pyrkii asettumaan virtaukseen nähden pystysuoraan. Ulos työntyneen lisäsiiven ja sen aiheuttaman epäkeskoisuudesta johtuen siipi myös pysyy tässä asennossa, kuten yllä on esitetty.

Hihnapyörän tapit 35 pyörivät jakohihnan määräämällä nopeudella, joka on puolet itse turbiinin 30 kierrosnopeudesta. Kuviossa 4 on esitetty esimerkki vastaavasta hihnapyörästä 44 ja tapeista 45, sekä siipien akselin 32, 42 mukana pyörivästä nokkapyörästä 43. Selvyyden — vuoksi siipien nokkapyörät ei ole esitetty kuviossa 3.

Kuvion 4 mukaisen nokkapyörän 43 nokkien 46 ote tapeista 45 irtoaa alakuolokohdassa B', kun siivet pääsevät asettumaan virtauksen suuntaisiksi. Siivet 33 liikkuvat siten katkoviivan C-C vasemmalla puolella vastavirtaan tapit 35 oleellisesti vapaina, ilman nokkapyörän ohjausta.

Kun siipi saapuu yläkulokohtaan B", hihnapyörä 34 on pyörinyt puoli — kierrosta asentoon, jossa tapit 35 tarttuvat siipien nokkapyörän nokkiin 46 ja ohjaavat siipiä katkoviivan C-C oikealla puolella olevassa myötävirrassa. Siivet 33 muodostavat nyt tehokkaan virtausesteen virtaukselle ja tuottavat turbiinin akselia 31 pyörittävää voimaa. Ala- ja yläkuolokohtien B' ja B" tarkka sijainti, eli alakuolokohdan ajoitus, on — säädettävissä tappien 35 sijainnilla hihnapyörässä, kuten on alan ammattilaiselle ilmeistä. Muutos ajoitukseen vaikuttaa siiven vapautumiseen alakuolokohdassa B', ja siihen voidaan vaikuttaa myös virtausaukkojen (vrt. Kuvio 2, osa 25) mahdollisilla säädöillä.

Kuviossa 4 on myös esitetty kunkin siipiyksikön akselin 22 päässä ja turbiinin laipassa 21, 41 kiinni olevaa irrotuskytkintä 40. Kytkimen vipua 47 tai esim. sähkömekaanista käyttöelintä käyttämällä voi siipiyksikköä vapauttaa vapaavirtaukseen, kun kytkimellä nostetaan siiven nokkapyörää 43 irti hihnapyörästä 44.

Kuviossa 5 on esitetty tarkemmin keksinnön mukaisen lisäsiiven rakennetta. Turbiinin siiven lapa 50 pyörii siipiyksikön akselin 52 ympäri. Lavalla 50 on seinämät 53 joiden väliin jää ontto tila 51, joka aukeaa lavan pituussuunnassa sen kärkeä päin. Tilassa 51 on lisäsiipi 56, joka liikkuu siivestä 50 sisään- ja ulospäin nuolen E osoittamalla tavalla. Lisäsiipeen 56 on liitetty akseli 54. Akselilla 54 on mäntä 57, joka saa lisäsiiven liikkumaan akselin 54 suuntaisesti kun siiven aukoista 55 virtaa vettä sisään tai ulos, kuten kuvion 2 ja 3 yhteydessä on edellä esitetty.

Siiven akselin 52 toisella puolella oleva lapa voi olla identtinen, tai mäntä 57 ja sen akseli 54 yhteinen molemmille lavoille. Akseli 52 voi olla rei'itetty tai jaettu osiin niin, että vesi voi virrata lavalta toiselle.

Aukkojen 55 kokoa, muotoa ja lukumäärää pitkin siiven lapoja voidaan sovittaa niin että virtaus on riittävä. Tämä on alan ammattilaiselle selvä mitoitustehtävä.

Kuviossa 6 on esitetty asetelma 60, jossa on keksinnön mukaisia turbiineja 61-66 asetettuina pareittain vierekkäin ja kolme paria peräkkäin väliaineen virtaussuuntaan kuviossa ylhäältä alas nähden.

Kussakin turbiinissa siipiyksiköiden siipikulmat ohjataan vastakkaisvaiheisesti seuraavaan vierekkäin ja/tai peräkkäin olevaan turbiiniin nähden. Tämä on havainnollistettu kuviossa 6 virtausta osoittavilla nuolilla X ja Y, jossa X-merkityt ovat vastavirtaan kulkevien siipiyksiköiden kohdalla ja Y-merkityt myötävirtaan kulkevien siipiyksiköiden kohdalla.

Kuviossa 7 on esitetty keksinnön ainakin eräitä suoritusmuotoja mahdollistava turbiini 70 upotettuna virtaavaan väliaineeseen, kuten veteen. Vedenpinta on merkitty kirjaimella W. Edellä esitettyä vastaavasti turbiinissa on kaksi etäisyydellä toisistaan olevaa vastakkaista laippaa 71, joiden välissä on turbiiniakseli 72. Akselin 72 oikealla puolella on esimerkinomaisesti merkitty siipiyksikkö 73a, jonka siipi kulkee myötävirtaan poikittain ja siten pyörittää turbiinia.

Vastaavasti vasemmalla puolella on vastavirtaan kulkeva siipiyksikkö 730 siipi käännettynä virtauksen suuntaisesti, keksinnön mukaisesti.

Turbiiniin kuuluu tunnelimainen runko, jossa on kansi 74, pohja 75 ja sivut 76. Vedenpinta on merkitty katkoviivalla W. Turbiinin tunnelimaisen rungon yläpuolella on pyörimätön taso 77, jonka läpi turbiiniakseli 72 on viety ja jonka päälle on rakennettu turbiinin käyttämä koneisto hihnapyörineen 78 ja generaattoreineen 79.

Turbiiniakseli 72 käyttää siipiyksiköiden hihnapyöriä 34, 44 jakohihnan 80ja hihnapyörän 18 avulla, kuten kuvioissa 1, 3 ja 4 on esitetty.

Turbiini 70 pyörittää omaa generaattoria 79 valitun välityksen mukaan.

Kannen 77 päällä oleva kokonaisuus voi olla oma huollettava yksikkönsä, ja/tai koko turbiini 70 on nostettavissa vedestä, esim. — sivuilla 76 olevia liukukiskoja pitkin ylös laajemmasta kehyksestä (ei esitetty).

Alan ammattilaiselle on selvää, että keksinnön eri suoritusmuodot eivät rajoitu yllä esitettyihin esimerkkeihin, vaan että ne voivat vaihdella jäljempänä olevien patenttivaatimusten puitteissa.

Claims (5)

PATENTTIVAATIMUKSET

1. Turbiini (10) joka on tarkoitettu upotettavaksi virtaavaan väliaineeseen ja johon kuuluu kaksi etäisyydellä toisistaan olevaa vastakkaista laippaa (11) ja niiden välissä oleva akseli (12), ja joiden laippojen väliin on laakeroitu ainakin yksi turbiinisiipiyksikkö (13a, 13b) joka väliaineen virtauksen (V) voimasta pyörittää turbiinia, ja jossa turbiinisiipiyksikössä on kaksilapainen siipi (14) joka on laakeroituna akseliin (15) ja jota virtauksen myötävirtaan kuljettavan matkan ohjataan turbiinin akselin (12) käyttämällä jakohihnalla (17), tunnettu siitä, että siiven (14) asentoa väliaineen virtaukseen nähden ohjataan siipiakselin (15) päässä olevan hihnapyörän (16) yhteyteen järjestetyn tartuntaelimen (35, 45) avulla, joka tarttuu siipiakselin yhteydessä olevaan nokkaan (46) siiven myötävirtaliikkeen alussa, ja että siipi (14; 50) muodostuu kahdesta seinämästä (53) joiden väliseen tilaan (51) on sovitettu ainakin yksi lisäsiipi (23; 56) ja sen ainakin yksi mäntä (57), ja että siiven kummassakin lavassa on yksi tai useampi virtausaukko (55) mainitulle väliaineelle, jolloin kun siiven liike myötävirtaan on päättymässä, väliaineen virtaus siiven sisällä työntää mäntää (57) ja lisäsiipeä (23; 56) väliaineen virtaussuunnassa ulospäin, jolloin siiven painopiste siirtyy ja siipi tulee epäkeskeiseksi ja kääntyy virtauksen suuntaiseksi ja irtoaa nokasta siiven vastavirtaan kuljettavan matkan ajaksi.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen turbiini, tunnettu siitä, että hihnapyörän (16) välitys turbiinin pyörimisnopeuteen nähden on sovitettu sellaiseksi, että siipiyksikön pyörimisnopeus on puolet turbiinin pyörimisnopeudesta.

3. — Jonkin patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen turbiini, tunnettu siitä, että siipiyksikön akseli (22) on varustettu irrotuskytkimellä (40), jolla siipiyksikön akselissa (22) oleva nokka (46) on kytkettävissä irti hihnapyörän (44) tartuntaelimestä (45).

4. Jonkin patenttivaatimuksen 1 — 3 mukainen turbiini (10), tunnettu siitä, että turbiinissa on kuusi (13a, 13b) symmetrisesti turbiinin akseliin (12) nähden ja sen suuntaisesti sijoitettua turbiinisiipiyksikköä, jolloin virtauksen aiheuttama siipiyksiköiden kiertoliike veteen upotetussa turbiinissa käyttää turbiinin akseliin kytkettyä ja vedenpinnan yläpuolella olevaa generaattoria (79).

5. Asetelma (60), jossa useita pystysuoraan virtaavaan veteen asetettuja turbiineja (61 — 66) on sijoitettu rinnakkain ja peräkkäin matriisin muotoon, ja jossa kussakin turbiinissa siipiyksiköiden siipikulmat ohjataan vastakkaisvaiheisesti seuraavaan vierekkäin ja/tai peräkkäin olevaan turbiiniin nähden, tunnettu siitä, että turbiinit (61 — 66) ovat jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen 1 — 4 mukaiset turbiinit.