NO339029B1 - Neddykkede hydroelektriske turbiner som har oppdriftsrampe - Google Patents

Description

Oppfinnelsen vedrører generelt turbiner eller kraftanlegg som produserer elektrisk strøm under utnyttelse av vannstrømmer, enten strømmen er ensrettet, slik man finner den i elver eller hos havstrømmer, eller dobbeltrettet, eksempelvis i tidevannstrømmer, og oppfinnelsen vedrører mer særskilt slike innretninger hvor fluidstrømmen medfører en rotasjon av en stor rotor av propelltypen hvor rotoren har en ringformet ytre kant som er anordnet i et stort ringformet hus. Enda mer særskilt vedrører oppfinnelsen slike innretninger hvor turbinen er neddykket i en vannmasse.

Produksjon av elektrisk strøm ved hjelp av hydroelektriske turbiner er kjent. Typisk er slike turbiner montert i demninger slik at en styrbar fluidstrøm vil medføre en rotasjon av en rotor av propelltypen eller skovler. Slike relativt hurtige vannstrømbetingelser er kjent som høytrykksbetingelser. Det er også kjent å plassere turbiner i lavtrykksbetingelser, så som i tidevannstrømmer i en bukt, i en elvemunning eller offshore.

De fleste turbiner er bygget opp med en sentral roterende aksel hvor skovlene eller

løperne er montert, men det er også kjent å ha turbiner med åpent senter, også kjent som kantmonterte turbiner. Turbiner med rotorer med åpent senter, hvor skovlene er montert mellom indre og ytre ringer eller ringkanter og hvor energien overføres via den ytre kanten til et ringhus hvor rotoren er plassert, kan være særlig gunstige under lavtrykksbetingelser, eksempelvis i langsomtstrømmende strømninger.

Eksempler på kantmonterte turbiner med åpent senter finnes i US 5 592 816, konfr. RE38,336, US 6 648 589, US 6 729 840 og i US patentsøknad US 2005/0031442 (serie nr. 10/633,865). Eksempler på hydroelektriske turbiner som brukes under lavtrykksbetingelser (tidevannsstrømninger) finner man i US 4 421 990, US 6 168 373 og US 6 406 251, i UK-patentsøknad GB 2 408 294 og i WO 03/025385.

WO 2006/029496 vedrører en strømningsforsterkende forbedring for en undervanns turbingenerator, der en langsgående åpning er anordnet i det sentrale området, typisk et nav i generatoren, og der en andre, strømningsforsterkende kanal, fortrinnsvis en rigid kanal, er anordnet rundt den ytre kanal eller huset til enheten, for å danne et spalteområde. Spalten og det hule navet skaper arealer for glatt, laminær væskestrøm. De forreste kantene på navet eller den sentrale ring og strømningsforsterkeren, og de ytre kanaler er elliptiske for å forbedre konstruksjonens fluiddynamikk.

US 2003/193198 vedrører et havstrømkraftverk som trekker ut strømningsenergi av havstrømmene og omsetter energien som er trukket ut til elektrisk energi. Vannkraftverket har et vannhjul eller en rotor (turbin eller propell) som har oppdriftskamre anordnet i bladene til rotoren.

Fluiddrevne turbiner anses som miljøvennlige erstatninger for elektriske kraftanlegg hvor det brukes fossile brensler eller atomenergi. Når man skal utnytte vind eller vann for produksjon av elektrisitet i en større skala for betjening av industrielle komplekser, byer, tettsteder, etc, er det nødvendig å benytte et større antall turbiner, og turbinene må være så store som praktisk mulig, for derved å kunne maksimere den elektrisitetsmengden som kan produseres med hver turbin. Rotorskovlene i disse turbinene har lengder på flere meter, og det er kjent forsøkskonstruksjoner hvor skovlene har lengder på over 50 meter.

Ettersom rotorskovllengden øker, møter man strukturelle og fremstillingsmessige problemer som man ikke har i forbindelse med mindre turbiner eller generatorer. I akselmonterte turbiner vil det være vanskelig å ha lange skovler som både er sterke og lette. De kantmonterte turbinene gir en løsning på dette problemet ved at skovlene har bæring i hver ende, idet den ytre bæreringen er anordnet i et hus som er utformet med en ringformet spalte eller kanal. For generering av elektrisk kraft er et stort antall magneter avstandsplassert langs den ringformede bærekanten, og et stort antall spoler er avstandsplassert langs kanalen i statorhuset. Det magnetfeltet som etableres med rotorfeltsystemet, går over det gapet som foreligger mellom rotoren og statoren. En rotasjon av rotoren medfører at den magnetiske fluksforbindelsen med spolene endrer seg, hvorved det induseres en elektromagnetisk kraft i spolene.

I kantmonterte turbiner bæres rotorvekten av den nedre halvdelen av huset fordi det ikke finnes en sentral bæreaksel. I større turbiner kan denne belastningen og den resulterende friksjonen være betydelig, både ved oppstarten av rotoren i huset og med hensyn til den totale effektiviteten som man kan oppnå med turbinen når den roterer. En øket rotorvekt betyr øket rotasjonsmotstand, hvilket betyr at det er nødvendig med en større fluidstrøm for å overvinne den iboende tregheten og friksjonen. Dette er særlig et problem for hydroelektriske turbiner som brukes i lavtrykkssituasj oner.

Det er en hensikt med foreliggende oppfinnelse å tilveiebringe en forbedret utførelse av en hydroelektrisk turbin, hvor rotorvekten er redusert slik at rotoren har oppdrift. Videre er det en hensikt å tilveiebringe en slik turbin hvor vektreduksjonen oppnås ved at det anordnes oppdriftskamre i rotoren, slik at for turbiner som er neddykket i vann vil de negative tyngdekreftene som skyldes rotorens store vekt, bli redusert eller bli motvirket av rotorens økte oppdrift.

Oppfinnelsen er en forbedret fluiddrevet turbin av den typen hvor rotorskovlene bæres av en ytre kant og hvor denne kanten holdes i eller opptas i et hus som er utformet med en kanal for opptak av den ytre kanten. I en typisk utførelse er turbinen en generator hvor magneter er anordnet på rotorens ytre kant og hvor spoler er anordnet i huset eller statorkanalen, slik at en rotasjon av rotoren i statoren vil produsere elektrisk strøm. Særlig er turbinen av den typen som er neddykket i en vannmasse.

Forbedringen innbefatter en tilveiebringelse av en rotor med oppdrift i huset. I en foretrukket utførelse har turbinens rotor ett eller flere oppdriftskamre som er anordnet i den ringformede ytre kanten og/eller i den indre kanten og/eller i skovlene, slik at rotorens totale vekt derved reduseres og rotorens oppdrift også økes. Kamrene kan være fylt med luft, andre gasser, væsker, skum, faststoffer eller andre materialer som har en spesifikk egenvekt på én eller mindre. Oppdriftskamrene kan være fylt med et polymert skum for derved å gi rotoren ekstra strukturell integritet og stivhet.

På tegningen viser

Fig. 1 et riss av en representativ kantmontert turbin med åpent senter, hvilken turbin innbefatter en rotor med en ytre kant og et statorhus som har en kanal for opptak av rotorens ytre kant, og risset er i form av et aksialt perspektivriss,

Fig. 2 er et perspektivriss av statorhuset,

Fig. 3 er et perspektivriss av rotoren,

Fig. 4 er et delsnitt gjennom rotorens ringformede ytre kant,

Fig. 5 er et delsnitt gjennom statorhuset, og

Fig. 6 er et delsnitt gjennom rotorens ringformede indre kant.

Oppfinnelsen vil nå bli beskrevet nærmere under henvisning til tegningen som viser et foretrukket utførelseseksempel. Generelt dreier oppfinnelsen seg om en hydroelektrisk turbin av en type som er neddykket i en vannmasse. Turbinen har en rotor som er montert i et statorhus. Rotoren har en ringformet ytre kant som er opptatt i og holdt i en ringkanal eller spalte i statorhuset, og rotoren er bygget slik at den har oppdrift. Generatormidler innbefatter en kombinasjon av et stort antall magneter anordnet på rotorens ringkant, og et antall spoler som er anordnet i statorhuset, fortrinnsvis i den kanalen hvor rotorens ringkant er opptatt, selv om man også kan tenke seg bruk av andre generatormidler. For belysning av oppfinnelsen er turbinen vist som en kantmontert rotor med åpent senter, slik at rotorb æringen derved vil være i statorhuset, men det skal her være underforstått at oppfinnelsen også gjelder en turbin som har en akselmontert rotor med en ytre ringkant. Som brukt her skal uttrykket "oppdrift" bety at det beskrevne elementet ikke synker i den vanntypen hvor elementet er neddykket, enten det dreier seg om ferskvann eller saltvann. Den her gitte henvisningen til den mer vitenskapelige definisjonen av "oppdrift" i den betydning at det dreier seg om en egenvekt som er mindre eller lik én, skal her inkludere utvidelser av området slik at man også dekker situasjoner hvor densiteten eller tettheten til vannet adskiller seg fra den man finner i rent vann.

Som vist generelt på fig. 1-3 er oppfinnelsen en turbin eller et kraftanlegg 10 som innbefatter et i hovedsaken ringformet statorhus 30. Den viste utformingen av huset 30 er ikke ment å være begrensende, idet man kan tenke seg andre mulige utforminger, forutsatt at huset 30 blant annet kan brukes for holding av den roterende anordningen eller rotoren 20 slik at det unngås uønskede bevegelser i aksialretningene, samtidig som rotoren 20 kan rotere om sin rotasjonsakse. Huset 30 innbefatter et par holdeflenser 31 som danner en kanal 32 for opptak og holding av rotoren 20.

Den roterende anordningen eller rotoren 20 innbefatter et indre ringformet kantlegeme 23 og et ytre ringformet kantlegeme 22. Mellom det indre og det ytre kantlegemet 23, 22 er det anordnet et antall propellvinger, løpere eller skovler 21. Skovlene 21 er vridd på i og for seg kjent måte, slik at flui db e vegel sen i aksialretningen og gjennom statorhuset 30 vil gi en rotasjon av rotoren 20. Antall, utformingen av og materialbruken i skovlene 21 kan variere, men fortrinnsvis lages skovlene 21 så lette som mulig uten at man i vesentlig grad gir avkall på den strukturelle integriteten.

Huset 30 og rotoren 20 danner sammen en innretning for produksjon av elektrisk strøm. Dette kan oppnås ved å plassere et antall magneter 41 på den ytre omkretsen til den ytre kanten 22 og plassere et antall spoler 42 rundt den indre omkretsflaten 34 i huset 30 eller i huskanalen 32, slik at huset 30 derved blir en generatorstator. En rotasjon av rotoren 20 medfører at magnetene 41 føres forbi spolene 42, hvorved det produseres elektrisk strøm på i og for seg kjent måte.

Som følge av turbinens 10 store størrelse, er det ønskelig å bruke relativt lette, men allikevel strukturelt sett sterke materialer. Man har derfor funnet det ønskelig å bygge turbinen med bruk av polymerer, epoksyer, harpikser, armeringsfibre og lignende, som primære strukturelle komponenter i rotoren 20 og huset 30. Typisk blir rotoren 20 primært bygget av de foran nevnte lette materialene, slik at magnetene 41 og andre komponenter kan legges inn i rotoren. Rotoren 20 er bygget slik at den har oppdrift når den er neddykket i vann.

I én utførelse kan ett eller flere oppdriftskamre 60 være anordnet i rotoren 20, så som i den ytre ringkanten 22, slik det er vist på fig. 4. I en foretrukket utførelse strekker ett enkelt ringformet kammer 60 seg fullstendig rundt i den ytre ringkanten 22, men det kan også brukes flere side om side eller ende mot ende plasserte kamre 60. Dersom det brukes flere kamre, så balanseres disse rundt omkretsen, slik at rotorens 20 rotasjon ikke påvirkes i negativ retning. Strukturelle elementer, ikke vist, så som stagelementer eller lignende, kan være anordnet i oppdriftskamrene 60, for derved å øke stivheten til den ringformede ytre kanten 22. Oppdriftskamrene 60 kan være fylt med luft eller en annen gass, en væske eller med lette, stive materialer som har en egenvekt på én eller mindre, men mest fordelaktig er kamrene 60 fylt med et oppdriftsmateriale 61 som har positive strukturelle egenskaper, så som et polymert skum. Det polymere skummet, så som eksempelvis polyuretan blir preformet og plassert i kammeret 60 eller sprøytes inn i oppdriftskammeret 60, og i sistnevnte tilfelle benyttes det fortrinnsvis et skum som etter herding vil binde seg til innerveggen i kammeret 60. Skummets stivhet og dets binding til veggen i oppdriftskammeret 60 vil øke den totale stivheten og strukturelle integriteten til rotoren 20. Størrelsen av oppdriftskamrene 60 og det spesielle oppdriftsmaterialet 61 velges for oppnåelse av den ønskede oppdriftsgraden i samsvar med de stedlige kravene. I visse tilfeller vil det eksempelvis kunne være ønskelig bare å gjøre rotoren 20 lettere, mens det i andre tilfeller vil kunne være ønskelig å redusere rotorens 20 vekt slik at den blir nøytral hva angår oppdriften. I andre tilfeller kan det være ønskelig å redusere rotorens 20 vekt i en slik grad at rotoren vil få en positiv oppdrift i vann, slik at rotoren vil flyte i forhold til statorkanalen 32 og eventuell friksjon da vil forekomme i kanalens 32 øvre del.

Alternativt, eller i tillegg til oppdriftskamrene 60 i den ringformede ytre kanten 22, kan det være anordnet oppdriftskamre 60 i den ringformede indre kanten 23 og/eller i skovlene 21, slik det er vist på fig. 6. Som nevnt foran kan oppdriftskamrene 60 i den ringformede indre kanten 23 og i skovlene 21 være fylt med luft eller en annen gass, en væske eller et lett stivt materiale som har en egenvekt på én eller mindre, men mest fordelaktig er kamrene 60 fylt med et oppdriftsmateriale 61 som har positive strukturelle egenskaper, så som et polymert skum.

På denne måten kan de negative friksjonsvirkningene som oppstår mellom rotoren 20 og statorhuset 30 som følge av rotorens 20 betydelige vekt, reduseres eller elimineres, slik at en start av anlegget kan gjennomføres på en enklere måte og med større rotasjonseffektivitet.

I noen tilfeller kan det også være ønskelig å redusere vekten av statorhuset 30, så

som når det er ønskelig med en flytende turbin. Som vist på fig. 5 kan ett eller flere oppdriftskamre 60 være anordnet i statorhuset 30. Disse oppdriftskamrene 60 fylles med et fyllmateriale 61 som har oppdrift, så som in situ herdet polymert skum eller et annet materiale som beskrevet foran, og fortrinnsvis et materiale som gir huset 60 stivhet og strukturell integritet. Fordi statorhuset 30 er en stasjonær komponent i turbinen 10, anordnes oppdriftskamrene 60 fordelaktig i den øvre delen av statorhuset 30, for derved å øke turbinens 10 stabilitet i vannet.

Det skal forstås at ekvivalenter og erstatning for visse deler som beskrevet over kan være åpenbare for fagmannen, derfor er oppfinnelsens ramme og definisjon slik det angis i de vedlagte kravene.

Claims (10)

1. Fluiddrevet turbin (10) av den typen som er neddykket i vann, hvilken turbin omfatter en rotor (20), et statorhus (30) som opptar rotoren (20), og generatormidler for produksjon av elektrisk strøm, og hvor rotoren (20) ha* omfatter en ytre kant (22) plassert på skovler (21), karakterisert vedat ett eller flere oppdriftskamre (60) er anordnet i den nevnte ytre kanten (22).

2. Turbin ifølge krav 1, karakterisert vedat ett eller flere oppdriftskamre (60) er anordnet i de nevnte skovlene (21).

3. Turbin ifølge krav 1 eller 2, karakterisert vedat rotoren (20) omfatter en indre kant (23) som er anordnet på skovlene (21), og hvori ett eller flere oppdriftskamre (60) er anordnet i den nevnte indre kanten (23).

4. Turbin ifølge hvilket som helst av kravene 1-3, karakterisert vedvidere omfattende oppdriftsfyllmateriale (61) anordnet i nevnte ett eller flere oppdriftskamre (60).

5. Turbin ifølge krav 4, karakterisert vedat det nevnte oppdriftsfyllmaterialet (61) har en egenvekt på én eller mindre.

6. Turbin ifølge krav 4 eller 5, karakterisert vedat det nevnte oppdriftsfyllmaterialet (61) omfatter en gass, fortrinnsvis luft.

7. Turbin ifølge krav 4 eller 5, karakterisert vedat det nevnte oppdriftsfyllmaterialet (61) omfatter polymert skum.

8. Turbin ifølge hvilket som helst av de foregående krav,karakterisert vedat nevnte ett eller flere oppdriftskamre (60) strekker seg helt rundt rotoren (20).

9. Turbin ifølge hvilket som helst av de foregående krav,karakterisert vedat nevnte ett eller flere oppdriftskamre (60) omfatter multiple kamre som er anordnet side om side.

10. Turbin ifølge hvilket som helst av de foregående krav,karakterisert vedat nevnte ett eller flere oppdriftskamre (60) omfatter multiple kamre som er anordnet ende mot ende.