SE526789C2 - Aggregat innefattande en vattenturbin och en generator, vars rotor är direktförbunden med vardera av turbinens blad - Google Patents

Description

526 789 2 och tidvatten påverkar ett i övrigt stabilt flöde. Dessutom, gör den erforderliga bär- strukturen att turbinen blir komplicerad och otymplig. Ändamålet med föreliggande uppfinning är att undanröja eller åtminstone reducera dessa problem.

Redogörelse för uppfinningen Det uppställda ändamålet har ernåtts genom att ett aggregat av det i patentkravets 1 ingress angivna slaget innefattar det speciella särdraget att vardera blad är individuellt direkt förbundet med generatorns rotor.

Genom att bladen bärs upp direkt av rotorn elimineras behovet av en speciell bärstruktur för dessa. Rotorn som normalt är en förhållandevis solid och robust kropp tillförsäkrar bra stöd för bladen åtminstone vid ena änden av dessa.

Bladen får dämied mer väldefinierade och stabila positioner. Dessutom reduceras den totala komplexiteten hos aggregatet genom att bärstrukturen blir mycket enklare och till en stor del utgörs av en komponent som ändå är närvarande av andra skäl. Ett aggregat enligt uppfinningen blir därför mycket fördelaktigt i situationer där ett stort aggregat erfordras och där strömningsbetingelserna inte alltid är stabila.

Enligt en föredragen utföringsfonn av aggregatet innefattar turbinen en första grupp blad riktade åt ett första håll från rotorn och en andra grupp blad riktade åt motsatt håll från rotorn, där vardera grupp innefattar minst tre blad.

Detta medför fördelen av att hela aggregatet får en symmetri som är gynnsam vad gäller att uppta de olika slag av krafter som uppträder. Det dub- belriktade arrangemanget innebär också att vardera blad kan göras kortare, vilket i ger ökad formstabilitet hos den del av vardera blad som är längst från infästningen i rotorn. Alternativt kan en turbin med större total axiell längd åstadkommas.

Enligt ytterligare en föredragen utföringsfonn är vardera blad i den första gruppen anordnat i linje med ett blad i den andra gruppen. Därmed ökas aggre- gatets symmetri ytterligare med än stabilare driftsegenskaper som följd.

Enligt ytterligare en föredragen utföringsfrom är blad som är belägna i samma linje direkt mekaniskt förbundna med varandra. Därmed uppnås fördelen att bladen parvis stabiliserar varandra genom att böjkrafter på det ena bladet upptas av böjkrafter på det andra. 526 789 ~ 3 Enligt ytterligare en föredragen utföringsform är vardera blad uppstagat med stagorgan. Ehuru aggregatet enligt uppfinningen i princip eliminerar behovet av uppstagningen utöver den som fås direkt från rotorn så kan det ofta vara för- delaktigt att förse bladen med kompletterande uppstagning för att förbättra bla- dens stabilitet. Stagorganen härför kan dock vara avsevärt enklare och klenare än vid en konventionell turbin där bladen helt och hållet bärs upp av en stagkon- struktion. Detta tack vare att bladen i första hand uppbärs och får stadga av rotorn.

Enligt ytterligare en föredragen utföringsform innefattar stagorganet ele- ment som förbinder blad med varandra. Därmed uppnås stagning på ett enkelt sätt.

Dessa element är enligt en föredragen utföringsform radiellt inåt riktade från respektive blad och förbundna med varandra med sina radiellt innersta ändar.

Enligt en altemativ föredragen utföringsform sträcker sig elementen mellan var- dera i omkretsriktningen intilliggande blad.

Båda dessa alternativ medför att stagningen blir stabil med en förhållande- vis enkel konstruktiv utformning av de element som bildar stagorganet.

Enligt ytterligare en föredragen utföringsform år vardera blad förbundet med rotorn via en ledanordning. Därmed uppnås att överföring av skadliga böj- och vridmoment till rotorn från bladen kan begränsas.

Enligt ytterligare en föredragen utföringsform innefattar rotorn permanent- magneter, varigenom denna blir robust och okänslig för driftsstörningar i den elektromagnetiska energiomvandlingen.

Enligt ytterligare en föredragen utföringsform är statorn inkapslad i ett vattentätt hus. Därmed blir generatorn på ett ändamålsenligt sätt anpassad att verka i en undervattensmiljö.

Enligt ytterligare en föredragen utföringsforrn är rotorn belägen radiellt utanför statorn och i samma axialplan som statorn. Aggregatet blir därmed kompakt i såväl axial- som radialriktningen.

Enligt ytterligare en föredragen utföringsfonn är statom lindad med en högspänningskabel försedd med en kärna av ledande material, ett det ledande materialet omslutande första skikt av halvledande material, ett det första skiktet omslutande skikt av isolerande material och ett det isolerande materialet omslu- tande andra skikt av halvledande material. 526 789 4 Med en lindning av det slaget möjliggörs att klara av att ström av mycket hög spänning kan induceras, tack var att det omgivande elektriska fältet blir homo- gent. Genom att strömstyrkan därmed kan hållas lägre minskar förluster och värmeutveckling.

Enligt ytterligare en föredragen utföringsform är generatorns stator roter- bar och förbunden med en turbin anordnad att rotera statorn i motsatt riktning mot rotorn.

Den elektromotoriska kraft, E, som induceras i en spole bestäms enligt Farradays lag av sambandet E= d* dt där N är antalet varv och t» det magnetiska flödet. Det betyder att vid en långsamt löpande rotor, så blir :li-T litet och resulterar i en liten inducerad elektromotorisk kraft. Genom att även statorn roterar och att dess rotationsriktning är motriktad rotorns riktning kommer relativrörelsen mellan rotor och stator att bli summan av dl deras rotationshastigheter. Därmed kommer termen ä: att öka i motsvarande grad. Om statorn således roterar med samma hastighet som rotom kommer termen att fördubblas resulterande i en fördubblad inducerad elektromotorisk kraft jämfört med vid en stillastående stator.

Enligt ytterligare en fördelaktig utföringsform är statom lindad för trefas.

Ovan angivna föredragna utföringsformer av det uppfunna aggregatet anges i de av kravet 1 beroende patentkraven.

Det uppfunna aggregatets fördelar är speciellt värdefulla då aggregatet utnyttjas för utvinning av energi från undervattenströmmar.

En andra aspekt av uppfinningen utgörs därför av en användning av det uppfunna aggregatet för genrering av elektrisk ström från undervattensströmmar.

Uppfinningen förklaras närmare genom efterföljande detaljerade beskriv- ning av fördelaktiga utföringsexempel av densamma under hänvisning till medföl- jande ritningsfigurer. 526 789 s Kort beskrivning av figurerna Fig. 1 är en schematisk perspektiwy av ett första utföringsexempel av uppfinningen.

Fig. 2 är en schematisk perspektivvy av ett andra utföringsexempel av uppfinningen.

Fig. 3 - 5 är schematisk ändvyer av olika exempel på turbinutformningen enligt uppfinningen.

Fig. 6 är en schematisk perspektiwy av turbinen enligt ytterligare ett utföringsexempel av uppfinningen.

F ig. 7 illustrerar en detalj av uppfinningen enligt ytterligare ett utförings- exempel.

Fig. 8 är en schematisk perspektiwy av ytterligare ett utföringsexempel av uppfinningen.

Fig. 9 är ett tvärsnitt genom en kabel använd i statorlindningen i ett utföringsexempel av uppfinningen.

Beskrivning av fördelaktiga utföringsexempel av uppfinningen Fig. 1 är en schematisk perspektiwy av ett första exempel på ett aggregat enligt uppfinningen. Aggregatet består av en generator 1 och en turbin 2. Genera- torn 1 har en utanpåliggande stator 3 anordnad i en stomme 7 som vilar på havs- botten. Vid den innanförliggande rotorn 4 är respektive axel 8 till fyra axiellt riktade blad 5 fästade. Bladen 5 är vid sina från rotorn 4 vända ändar uppstagade med fyra stag 6 som vardera sträcker sig mellan två intilliggande blad 5. En under- vattenström A bringar turbinen 2 att rotera och därmed även rotorn 4, varvid ström induceras i statorns lindningar. Utgående ledningar markerar att det här är fråga om trefas. Bladen kan naturligtvis alternativt vara nedåtriktade från rotom. l utföringsexemplet enligt fig. 2 är rotorn 4 radiellt belägen utanför statorn 3. Statorn är uppburen av ett (icke visat) stativ som vilar på havsbotten. Vid rotorn är två grupper av blad 5a, 5b fästade riktade åt axiellt motsatt håll. Vardera blad 5a i den första gruppen är anordnat i linje med ett blad 5b i den andra gruppen.

Vardera motstående par av blad 5a, 5b är förenade med varandra.

I figurerna 3 - 5 illustreras i ändvyer av olika exempel på hur bladen med sina från rotorn vända ändar kan vara stagade vid varandra. Vid exemplet enligt 526 789 6 fig. 3 har turbinen fem blad 5 och arrangemanget av stag motsvarar i princip det som visas i fig. 1.

I fig. 4, där turbinen har tre blad 5 är stagen 5 radiellt riktade och är förbundna med varandra i centrum.

I fig. 5, där turbinen har sex blad 5 är stagen 5 radiellt riktade såsom i fig. 4 men är här anslutna till ett centralt anordnat ríngformat stagningselement 9.

Stagen 5 kan naturligtvis alternativt vara anordnade ett stycke in från bladens ändar. Vidare kan flera axiellt fördelade stag anordnas. Ett sådant utföran- de illustreras i fig. 6.

Fig. 7 illustrerar ledad infâstning av ett blad 5 där dess axel 8 via en ledanordning 10 är fäst vid rotom 4.

Fig. 8 illustrerar ett alternativt utföringsexempel med en utanförliggande rotor 4 mot tre blad 5 på turbinen 2 och en innanförliggande stator 3. Statom är här anordnad att rotera och är förbunden med en turbin 22 med tre blad 25.

Statorturbinens blad 25 är så vinklade att statom kommer att rotera i motsatt riktning B mot rotorns rotationsriktning C. lfig 9 illustreras ett fördelaktigt utföringsexempel av generatorns stator- lindning. Statorn är lindad med högspänningskabel och figuren är ett tvärsnitt genom en sådan. Kabeln består av en kärna med en eller flera kardeler 31 av kop- par. Kärnan omsluts av ett inre halvledande skikt 32. Utanför denna är anordnad ett skikt av fast isolation 33 t.ex. PEX-isolation. Kring isolationen är anordnad ett yttre halvledande skikt 34. Vardera av de halvledande skikten bildar en ekvipoten- tialyta.

Figurerna som beskrivits ovan är schematiska i det att för uppfinningens förståelse mindre viktiga detaljer är utelämnade i syfte att framhålla de specifika aspekter som är betydelsefulla för uppfinningen.

Ett aggregat enligt uppfinningen har normalt en storlek motsvarande en turbindiameter av 2 - 10 m. Vid lokal energiförsörjning till någon enstaka an- vändare kan dock mindre storlekar i området 0,5 - 2 m rotordiameter bli aktuellt.

Vid vissa applikationer såsom t.ex. långt ute till havs i Golfströmmen kan mycket stora dimensioner bli aktuella, med rotordiameter upp till 100 m.

Claims (16)

20 25 30 526 789 PATENTKRAV

1. Aggregat innefattande en vattenturbin (2) och en roterande elektrisk generator (1), vars rotor (4) är förbunden med turbinen (2), vilken turbin (2) innefattar minst tre axiellt riktade blad (5) kännetecknat av att vardera blad (5) är individuellt direkt förbundet med generatorns (1) rotor (4).

2. Aggregat enligt patentkrav 1, kännetecknat av att turbinen (2) innefattar en första grupp blad (5a) riktade åt ett första håll från rotorn (4) och en andra grupp blad (5b) riktade åt motsatt håll från rotorn (4), där vardera grupp innefattar minst 3 blad (5a, 5b).

3. Aggregat enligt patentkrav 2, kännetecknat av att vardera blad (5a) i den första gruppen är anordnat i samma linje som ett blad (5b) i den andra gruppen.

4. Aggregat enligt patentkrav 3, kännetecknat av att blad (5a, 5b) belägna i samma linje är direkt mekaniskt förbundna med varandra.

5. Aggregat enligt patentkrav 1 - 4, kännetecknat av att varje blad (5) är uppstagat med stagorgan.

6. Aggregat enligt patentkrav 5, kännetecknat av att stagorganet innefattar element (6) som förbinder blad (5) med varandra.

7. Aggregat enligt patentkrav 6, kännetecknat av att stagorganet innefattar från respektive blad (5) radiellt inåt riktat element (6), vilkas radiellt innersta ändar är förbundna med varandra.

8. Aggregat enligt patentkrav 6, kännetecknat av att stagorganet innefattar element som sträcker sig mellan vardera i omkretsriktning intilliggande blad.

9. Aggregat enligt något av patentkraven 1 - 8, kännetecknat av att vardera blad (5) är förbundet med rotorn via en ledanordning (10). 20 25 526 789 a

10. Aggregat enligt något av patentkraven 1 - 9, kännetecknat av att rotom (4) innefattar permanentmagneter (21). 1 1. (3) är inkapslad i ett vattentätt hus.

11. Aggregat enligt något av patentkraven 1 - 10, kännetecknat av att statorn

12. Aggregat enligt något av patentkraven 1 - 11, kännetecknat av att rotorn är belägen radiellt utanför statorn och i samma axial-plan som statorn.

13. Aggregat enligt något av patentkraven 1 - 12, kännetecknat av att statorn är lindad med en högspänningskabel försedd med en kärna (31) av ledande material, ett det ledande materialet omslutande första skikt (32) av halvledande material, ett det första skiktet (32) omslutande skikt (33) av isolerande material och ett det isolerande materialet omslutande andra skikt (34) av halvledande material.

14. Aggregat enligt något av patentkraven 1 - 13, kännetecknat av att generatorns stator (3) är roterbar och förbundne med en turbin (22) anordnad att rotera statom (3) i motsatt riktning mot rotorn (4).

15. Aggregat enligt något av patentkraven 1 - 14, kännetecknat av att statorn (9) är lindad för trefas.

16. Användning av ett aggregat enligt något av patentkraven 1 - 15 för generering av elektrisk ström från undervattenströmmar.