NL2000840C2

NL2000840C2 - Inrichting voor het omzetten van kinetische energie van een stromend water in kinetische energie van een roteerbare rotoras.

Info

Publication number: NL2000840C2
Application number: NL2000840A
Authority: NL
Inventors: Fred Ernest Gardner
Original assignee: Tocardo B V
Priority date: 2007-08-31
Filing date: 2007-08-31
Publication date: 2009-03-03
Also published as: JP2010538198A; US9534578B2; ES2665034T3; EP2195524B1; NO2195524T3; US20100244452A1; KR101517452B1; KR20100086983A; DK2195524T3; WO2009031887A1; CA2699165A1; JP5551594B2; CA2699165C; EP2195524A1

Description

Inrichting voor het omzetten van kinetische energie van een stromend water in kinetische energie van een roteerbare rotoras

De uitvinding betreft een inrichting voor het omzetten van kinetische energie van een 5 stromend water in kinetische energie van een roteerbare rotoras, waarbij de inrichting is ingericht om effectief te zijn bij een eerste en een tweede, hoofdzakelijk aan de eerste tegengestelde stroomrichting, waarbij de inrichting omvat: twee rotorbladen die elk verbonden zijn met een voor overdracht van een koppel ten opzichte van de rotoras met de rotoras gekoppelde bladas.

10

Een dergelijke installatie vormt het onderwerp van de niet vóórgepubliceerde Nederlandse octrooiaanvrage NL-2000150, waarin een waterturbine beschreven is, die is ingericht voor gebruik onder water, tezamen met een generator.

15 Er is een toenemende vraag naar energie en met name naar milieuvriendelijke energie. Één van de bronnen voor milieuvriendelijke energie is de getijdenbeweging van de zee. Getijdencentrales maken gebruik van de verticale of horizontale waterstromen die het gevolg zijn van eb- en vloedbeweging van het water, om kinetische energie om te zetten in elektrische energie. Zo kan een onderwater turbine met rotorbladen geplaatst worden 20 in een gebied waar een duidelijk verschil in watemiveau is te zien tussen hoogwater (hoogste waterstand tijdens vloed) en laagwater (laagste waterstand tijdens eb) met daarbijbehorende sterke horizontale waterstroming. Een groot voordeel van deze manier van energieomzetting ten opzichte van windenergie is dat de stromingskarakteristieken beter voorspelbaar en constanter zijn. Ook wordt door de veel grotere dichtheid van 25 water ten opzichte van lucht een grotere kracht op de rotorbladen uitgeoefend en kan de omvang van een turbine beperkt blijven. Een ander voordeel is dat de turbine ook nog eens langzamer hoeft te draaien om eenzelfde vermogen te behalen.

Bij deze bekende inrichting worden symmetrische rotorbladen toegepast, waarvan het 30 bekend is dat die een niet optimaal rendement opleveren. Hiermede is het weliswaar mogelijk in de bij getijden optredende beide stroomrichtingen van het water de kinetische energie van het water om te zetten in kinetische energie van de rotor, maar in beide richtingen met slechts een matig rendement omdat de vormgeving van de rotorbladen een compromis is.

2

Het doel van de onderhavige uitvinding is het verschaffen van een dergelijke inrichting met een verbeterd rendement.

5 De uitvinding verschaft daartoe een inrichting van het in aanhef genoemde type met het kenmerk dat de rotorbladen elk star met hun bladas zijn verbonden, dat de bladassen elk roteerbaar om hun eigen as ten opzichte van de rotoras zijn gelagerd, dat de bladassen voor rotatie in dezelfde rotatierichting met elkaar zijn gekoppeld, en dat de rotorbladen elk een asymmetrische dwarsdoorsnede hebben.

10

Als gevolg van deze maatregelen worden de asymmetrische rotorbladen tijdens het energieomzettingsproces steeds vanaf dezelfde richting ten opzichte van het blad aangestroomd, zodat het profiel van de rotorbladen voor deze stroomrichting kan worden geoptimaliseerd, waardoor een hoger rendement kan worden bereikt. Hierbij 15 worden eventuele koppels die door de bladen op de bladassen worden uitgeoefend en die als gevolg van de hoofdzakelijke symmetrie van de constructie tegengesteld zijn, door de verbinding tussen de bladassen, vereffend.

Hierbij wordt opgemerkt dat de maatregel dat de bladassen voor rotatie in dezelfde 20 rotatierichting met elkaar zijn gekoppeld, wiskundig gezien veronderstelt dat de bladassen zich parallel aan elkaar uitstrekken. Voor de betekenis in de onderhavige uitvinding wordt uitgegaan van het feit dat ook voor zich elk onder een stompe hoek met de rotoras uitstrekkende bladassen de rotatierichting van de bladassen overeen kunnen komen.

25

Voorts wordt opgemerkt dat JP-A-62 142863 een dergelijke inrichting toont, waarbij de bladen elk op een afzonderlijke bladas zijn bevestigd en waarbij de bladassen zodanig met elkaar zijn gekoppeld dat de rotatierichting van zich naar tegengestelde richtingen uitstrekkende assen onderling tegengesteld is. Hiermede kan door middel van een 30 instelmechanisme de aangrijphoek van de bladen worden ingesteld. Bij de onderhavige uitvinding daarentegen is de rotatierichting van zich in tegengestelde richting uitstrekkende assen gelijk om het effect van de uitvinding, de automatische aanpassing van de bladstand aan de stroomrichting mogelijk te maken.

3

Volgens een eerste voorkeursuitvoeringsvorm strekken de bladassen zich elk loodrecht op de rotoras uit. Dit leidt tot een sterk vereenvoudigde constructie.

De uitvinding betreft dan ook tevens een werkwijze voor het omzetten van kinetische 5 energie van een stromend water in kinetische energie van een roteerbare rotoras, waarbij het water afwisselend in een eerste en in een tweede hoofdzakelijk aan de eerste tegengestelde stroomrichting kan stromen, en waarbij het stromende water een kracht uitoefent op rotorbladen, die via een bladas een koppel uitoefenen op de rotoras, waarbij een verandering van de stroomrichting de rotorbladen doet veranderen van positie.

10

Het kan voor montage voordelig zijn om met minder omvangrijke onderdelen te werken. Hierdoor wordt bijvoorbeeld het transport vergemakkelijkt. In een verdere uitvoeringsvorm is de inrichting volgens de uitvinding daartoe voorzien van op afstand van elkaar dwars op de bladasrichting geplaatste bladassen waarbij de bladassen voor 15 rotatie zijn gekoppeld. Deze koppeling dient voor de hierboven toegelichte vereffening van de door de bladen op de bladassen uitgeoefende koppels. Deze koppeling kan zijn uitgevoerd door een kruk-stangverbinding, door een tandheugelverbinding of door een tandwielkoppeling met een tussengeplaatst tandwiel.

20 Inrichtingen voor het omzetten van kinetische energie van een stromend water in kinetische energie van een roteerbare rotoras zijn normaliter geplaatst in een zeewatermilieu, waarbij het zeewater inwerkt op de inrichting, wat regelmatig onderhoud en controle met zich meebrengt. Een eenvoudigere uitvoering van een dergelijke inrichting met behoud van effectiviteit heeft dan ook voordelen. Volgens een 25 voorkeursuitvoeringsvorm zijn beide rotorbladen star met eenzelfde bladas verbonden.

Na een verandering van stroomrichting zullen beide bladen tegelijk omklappen van een eerste, voor een eerste stroomrichting effectieve, positie naar een tweede, voor een in hoofdzaak tegengestelde tweede stroomrichting effectieve, positie. Op het moment dat 30 het omklappen moet plaatsvinden is de stroomsnelheid zeer gering en derhalve de door de waterstroom op de rotorbladen uitgeoefende druk eveneens. Om het omklappen toch dan plaats te laten vinden, dient het koppel van de waterdruk op de bladas zo groot mogelijk te zijn. Het heeft dan ook voordeel de bladas op afstand van het drukpunt van het rotorbladprofiel plaatsen, omdat daarmede de arm van het koppel wordt vergroot en 4 ook bij een kleine druk een effectief omklappen bereikt kan worden. Deze uitvoeringsvorm verschaft tevens een werkwijze van de hierboven genoemde soort, waarbij de verandering van positie van de bladen wordt veroorzaakt door omkering van de stroomrichting.

5

Wanneer de torsie op de bladas als gevolg van krachten van de waterstroom verkleind wordt kan lichter worden geconstrueerd. In een uitvoeringsvorm met voordeel is de inrichting volgens de uitvinding gekenmerkt doordat de bladas door het drukpunt van het bladprofiel loopt.

10

Bij een verandering van stroomrichting van een eerste stroomrichting naar een tweede in hoofdzaak tegengestelde stroomrichting dienen de rotorbladen omgeklapt te worden om voor deze tweede stroomrichting effectief te worden. Echter, tijdens deze verandering van stroomrichting is de stroomsnelheid zeer gering en daarmee de 15 uitgeoefende druk door de waterstroom op de rotorbladen eveneens. Om ondanks deze suboptimale omstandigheden tot een effectief omklappen te komen verschaft een voorkeursuitvoeringsvorm de maatregel dat de inrichting volgens de uitvinding daartoe omklapmiddelen omvat. Deze omklapmiddelen zijn ingericht voor het bij extremen van getijden gedwongen omklappen van de bladas. Voor het aansturen van deze 20 omklapmiddelen kan gebruik gemaakt worden van een getij den tabel, die bijvoorbeeld in een geheugen is opgeslagen, maar ook van een stromingsmeter die is ingericht voor het vaststellen dat de stroomsnelheid gelijk is aan nul. Deze uitvoeringsvorm omvat bovendien een werkwijze waarbij de verandering van de positie van de bladen door omklapmiddelen wordt uitgevoerd.

25

Volgens een specifieke voorkeursuitvoeringsvorm is de rotoras hol uitgevoerd en omvatten de omklapmiddelen een zich door de rotoras heen uitstrekkende omklapas, die door middel van een tandwieloverbrenging is gekoppeld met de bladas, evenals aandrijfmiddelen voor het in rotatie aandrijven van de omklapas. Door activering van de 30 aandrijfmiddelen kan het omklapproces worden uitgevoerd. Hierbij is het van belang dat tijdens het energieomzettingsproces de omklapas vrij kan roteren om dan verstoring van de krachtsoverdracht te voorkomen. Voorts verschaft dit een ingesloten en aldus tegen het zeewater beschermde uitvoeringsvorm.

5

Tijdens het normale energieomzettingsproces zullen de bladen zich in een evenwichtpositie bevinden, die als gevolg van natuurlijke fluctuaties van de stroom ook zal fluctueren. Hierdoor zal de bladas kleine rotatiebewegingen uitvoeren. Dit leidt tot slijtage. Om dit te vermijden omvat volgens een voorkeursuitvoeringsvorm de inrichting 5 arreteermiddelen voor het in de eerste en tweede positie arreteren van de rotorbladen.

In de meest simpele vorm omvatten de arreteermiddelen een eerste aanslag en een tweede aanslag voor het begrenzen van de beweging van de rotorbladen tussen de eerste positie en de tweede positie via eenzelfde traject. Deze aanslagen zijn constructief 10 simpel. Zij kunnen geplaatst zijn voor het volledig voorkomen van bewegingen van de bladas buiten de omklapbeweging, maar eveneens voor het toelaten van een beperkte beweging.

De arreteermiddelen kunnen echter eveneens tenminste een pal omvatten die 15 beweegbaar is tussen een de beweging van het rotorblad ten opzichte van de bladas blokkerende positie en een de beweging van het rotorblad ten opzichte van de bladas vrijgevende positie. De blokkerende positie kan bij voorkeur worden ingenomen in beide posities van de bladas. Hiertoe kunnen twee holten zijn aangebracht, overeenkomende met de twee posities van de bladas, in elk waarvan de pal tot in de 20 holte kan treden, maar het is eveneens mogelijk dat de twee pallen zijn aangebracht, die elk in een van de posities van de bladas tot in een enkele holte kan treden. Hierbij kan de holte zowel in de bladas als in de lagering van de bladas zijn geplaatst. De pal is dan steeds in het tegenoverliggende element geplaatst.

25 Volgens een verdere voorkeursuitvoeringsvorm zijn dringmiddelen verschaft voor het naar de blokkerende positie dringen van de pal. Deze dringmiddelen kunnen worden gevormd door een veer. Hierbij zijn de dringmiddelen ingericht voor het opwekken van een zodanige kracht dat de pal slechts bij die krachten die optreden bij omdraaien van de stroomrichting van het water uit de betreffende holte treedt.

30

Volgens een alternatieve uitvoeringsvorm omvat de inrichting activeringsmiddelen voor het bij activering doen bewegen van de pal van de blokkerende positie naar de vrijgevende positie. Hierbij vindt de besturing van de activeringsmiddelen bij voorkeur plaats in afhankelijkheid van de besturing van de omklapmiddelen.

6

De uitvinding betreft tevens een dergelijke inrichting voor het omzetten van kinetische energie van een stromend water in elektrische energie, omvattende een inrichting van de hierboven genoemde soort, waarvan de rotoras is gekoppeld met een elektrische 5 generator.

Vervolgens zal de onderhavige uitvinding worden toegelicht aan de hand van de bijgaande tekeningen, waarin voorstellen:

Figuur 1: een dwarsdoorsnede-aanzicht van een inrichting voor het omzetten van 10 kinetische energie van stromend water in elektrische energie;

Figuur2: een schematische perspectivisch aanzicht van een inrichting voor het omzetten van kinetische energie van stromend water in kinetische energie van een rotoras;

Figuur 3: een schematisch perspectivisch aanzicht van een variant van de in figuur 2 afgebeelde inrichting; 15 Figuur 4A en 4B: dwarsdoorsnedeaanzichten van de bladas van de in figuren 2 en 3 afgebeelde voorkeursuitvoeringsvorm; en

Figuur 5A en 5B: dwarsdoorsnedeaanzichten van de bladas volgens een alternatieve uitvoeringsvorm.

20 In figuur 1 is een generator 1 afgebeeld die is bevestigd in een draagconstructie welke zich onder het zeeoppervlak bevindt. De draagconstructie omvat verticale elementen 2, die direct met de generator zijn verbonden, evenals horizontale elementen 3. De generator 1 omvat een rotoras 4, waaraan een in zijn geheel met 5 aangeduide waterturbine is verbonden. De waterturbine omvat een bladas 6, die aan weerszijden 25 star is verbonden meteen turbineblad 7, respectievelijk 8. Aan het einde van de rotoras 4 is een zich met zijn as dwars op de rotoras uitstrekkende mof 9 bevestigd, waarin de bladas 6 draaibaar is gelagerd.

De waterturbine is meer in detail weergegeven in figuur 2. Tijdens de normale werking 30 van de turbine, waarbij het water stroom in de richting van de pijl 10 en de bladen zich in de in figuur 2 weergegeven positie bevinden, oefent de waterstroom een druk uit op de balden 7 en 8 waardoor de rotoras 4 zal roteren in de met de pijl 11 aangegeven richting. Bij deze uitvoeringsvorm zijn de bladen 7 en 8 zodanig aan de bladas 6 bevestigd, dat het aangrijppunt van de door het stromende water op de bladen 7, 8 7 uitgeoefende waterdruk wordt doorsneden door de as van de bladas 6 of tenminste op korte afstand daarvan ligt bij de optimale positie van de bladen 7, 8. Hiermede behoeft de verbinding tussen bladas en bladen geen of slechts een klein moment of koppel om de bladas 6 over te dragen, zodat deze licht kan worden gedimensioneerd.

5

Bij de alternatieve, in figuur 3 weergegeven constructie is dit niet het geval; hierbij zijn de bladen 7 en 8 zodanig aan de bladas 6 bevestigd, dat het aangrijppunt van de door het stromende water op de bladen 7, 8 uitgeoefende waterdruk op aanzienlijk afstand ligt van de bladas bij de optimale positie van de bladen 7, 8. Dit vereist weliswaar een 10 zwaardere constructie van de verbinding tussen de bladas en de bladen, maar deze configuratie heeft het voordeel dat het omklappen van de bladen bij de omkering van de stroomrichting gemakkelijker automatisch kan plaatsvinden.

Figuren 4A en 4B tonen een dwarsdoorsnede van de bladas 6 op korte afstand van de 15 mof 9, waarin deze is gelagerd. Uit deze figuren blijkt dat op de bladas 6 een nok 12 is aangebracht. Bij de in figuur 4A weergegeven positie, die behoort bij een eerste stoomrichting van het water, rust de nok 12 tegen een eerste aanslag 13, terwijl in de in figuur 4B weergegeven positie de nok 12 rust tegen de tweede aanslag 14. Deze laatste positie behoort bij de tweede stroomrichting. Het zal duidelijk zijn dat de beweging van 20 de bladas en daarmede die van de daaraan bevestigde bladen slecht via het door de pijl 15 aangegeven traject plaats kan vinden.

Ten slotte tonen figuren 5A en 5B een alternatieve uitvoeringsvorm van arreteermiddelen in de vorm van twee in de bladas 6 aangebrachte holten 16,17 en een 25 met de mof 9 verbonden, in de radiale richting van 'de bladas beweegbare pen 18. De pen 18 is opgenomen in een in de mof 9 aangebrachte holte 20, en de pen 18 wordt door middel van een in de holte 20 aangebrachte veer 19 tot in de holte 16 gedrongen, waardoor arretering in de in de tekening weergegeven positie plaats vindt. In figuur 5B is de overeenkomstige positie voor de andere stroomrichting weergegeven, waarbij de 30 pen 18 tot in de holte 17 is bewogen. In beide figuren is de rotatiepositie van de bladas 6 ten opzichte van de mof 9 door een pijl 21 weergegeven. Zoals is toegelicht, kunnen deze arreteermiddelen zijn gedimensioneerd voor automatische ontgrendeling bij wisseling van de stroomrichting, maar kunnen zij ook van activeringsmiddelen zijn voorzien voor het gestuurd ontgrendelen op het tijdstip van de wisseling van de 8 stroomrichting. Het zal een vakman eveneens duidelijk zijn dat de positie van pen en holten in de mof, respectievelijk bladas kunnen worden gewisseld. Evenmin worden verdere variaties van de constructie van de arreteermiddelen niet uitgesloten, evenals variaties op de algehele constructie van de getoonde uitvoeringsvormen van de 5 uitvinding.

Claims

1. Inrichting voor het omzetten van kinetische energie van een stromend water in kinetische energie van een roteerbare rotoras, waarbij de inrichting is ingericht om 5 effectief te zijn bij een eerste en een tweede, hoofdzakelijk aan de eerste tegengestelde stroomrichting, waarbij de inrichting omvat: - twee rotorbladen die elk verbonden zijn met een voor overdracht van een koppel ten opzichte van de rotoras met de rotoras gekoppelde bladas, met het kenmerk, dat de bladen elk star met hun bladas zijn verbonden, dat de bladassen roteerbaar om 10 hun eigen as ten opzichte van de rotoras zijn gelagerd, dat de bladassen voor rotatie in dezelfde rotatierichting met elkaar zijn gekoppeld, en dat de rotorbladen elk een asymmetrische dwarsdoorsnede hebben.

2. Inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de bladassen zich elk 15 loodrecht op de rotoras uitstrekken.

3. Inrichting volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat de rotorbladen elk met een afzonderlijke bladas zijn verbonden, dat de bladassen op afstand van elkaar dwars op de bladasrichting zijn geplaatst en dat de bladassen voor rotatie zijn 20 gekoppeld.

4. Inrichting volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat de beide rotorbladen star met eenzelfde bladas zijn verbonden.

5. Inrichting volgens conclusie 4, met het kenmerk, dat de bladas op afstand van het drukpunt van het rotorbladprofiel is geplaatst.

6. Inrichting volgens conclusie 4, met het kenmerk, dat de bladas zich door het drukpunt van het rotorbladprofiel uitstrekt. 30

7. Inrichting volgens een van de voorafgaande conclusies, met het kenmerk, dat de inrichting omklapmiddelen omvat voor het doen roteren van de rotorbladen tussen de eerste en de tweede positie.

8. Inrichting volgens conclusie 7, met het kenmerk, dat de rotoras hol is uitgevoerd en dat de omklapmiddelen een zich door de rotoras heen uitstrekkende omklapas, die door middel van een tandwieloverbrenging is gekoppeld met de bladas, evenals aandrijfmiddelen voor het in rotatie aandrijven van de omklapas. 5

9. Inrichting volgens een van de voorafgaande conclusies, met het kenmerk, dat de inrichting arreteermiddelen omvat voor het in de eerste en tweede positie arreteren van de rotorbladen.

10. Inrichting volgens conclusie 9, met het kenmerk, dat de arreteermiddelen een eerste aanslag en een tweede aanslag omvatten voor het begrenzen van de beweging van de rotorbladen tussen de eerste positie en de tweede positie via eenzelfde traject.

11. Inrichting volgens conclusie 9, met het kenmerk, dat de arreteermiddelen 15 tenminste een pal omvatten die beweegbaar is tussen een de beweging van het rotorblad ten opzichte van de bladas blokkerende positie en een de beweging van het rotorblad ten opzichte van de bladas vrijgevende positie.

12. Inrichting volgens conclusie 11, gekenmerkt door dringmiddelen voor het naar 20 de blokkerende positie dringen van de pal.

13. Inrichting volgens conclusie 12, gekenmerkt door activeringsmiddelen voor het bij activering doen bewegen van de pal van de blokkerende positie naar de vrijgevende positie. 25

14. Inrichting voor het omzetten van kinetische energie van een stromend water in elektrische energie, gekenmerkt door een inrichting volgens een van de voorafgaande conclusies, waarvan de rotoras is gekoppeld met een elektrische generator.

15. Werkwijze voor het omzetten van kinetische energie van een stromend water in kinetische energie van een roteerbare rotoras, waarbij het water afwisselend in een eerste en in een tweede hoofdzakelijk aan de eerste tegengestelde stroomrichting kan stromen, en waarbij het stromende water een kracht uitoefent op rotorbladen, die via een bladas een koppel uitoefenen op de rotoras, met het kenmerk, dat bij een verandering van de stroomrichting de rotorbladen veranderen van rotatiepositie ten opzichte van hun bladas.

16. Werkwijze volgens conclusie 15, met het kenmerk, dat de verandering van 5 rotatiepositie van de bladen wordt veroorzaakt door omkering van de stroomrichting.

17. Werkwijze volgens conclusie 15, met het kenmerk, dat de verandering van de rotatiepositie van de bladen door omklapmiddelen wordt uitgevoerd.