NO20230391A1 - Rotorblad for enveis rotasjon i en oscillerende fluidstrøm med presis kontroll av angrepsvinkel - Google Patents

Description

Beskrivelse

Bakgrunn

Turbiner som opptar energi fra strømmer i et fluid er i utstrakt bruk til omforming av bevegelsesenergien i vind eller strømmende vann til dreiemoment i en elektrisk generator, og til bruk ved omforming av bevegelsesenergien og trykket i en rørgate fra et vannmagasin. I disse tilfellene er fluidets bevegelsesretning ensrettet.

Ved bruk av turbiner til bruk i forbindelse med omforming av energien i havbølger eller tidevannsstrømmer derimot, er fluidbevegelsen oscillerende. For likevel å opprettholde et ensrettet dreiemoment i en generator, er det nødvendig å enten bruke et gir eller turbiner som er i stand til å omdanne den oscillerende bevegelsen til ensrettet dreiemoment.

Wells-turbinen ble utviklet av prof. Alan Arthur Wells ved Queens' University Belfast på slutten av 1970-tallet. Bladene har en symmetrisk foilform med symmetriplanet i rotasjonsplanet og vinkelrett på luftstrømmen. Den ble utviklet for bruk i bølgekraftverk basert på prinsippet "svingende vannsøyle", der en stigende og fallende vannoverflate som beveger seg i et luftkompresjonskammer produserer en oscillerende luftstrøm (Wikipedia).

Impulsturbiner kan ved bruk av foiler tilpasses en oscillerende fluidstrøm slik at den omformer denne til et ensrettet dreiemoment i en aksling. Dette er et alternativ til Wellsturbinen for et svingende vannsøylekammer.

I norsk patent nummer 338027 er det beskrevet en turbin for omforming av energien i havbølger. Turbinen har fleksible blad som gir enveis rotasjon ved den oscillerende bevegelsen den gjør i vannmassen. Turbinbladet omslutter en indre, ikke-roterende aksling nær ledende kant. Bladet kan rotere omkring denne akslingen, kun begrenset av en hindring i form av fastholding av bladets ytre ende parallelt med rotasjonsplanet. Løsningen er også beskrevet i denne publikasjonen: SCHAAP et al.: DEVELOPMENT OF THE WAVECO PASSIVELY ADAPTIVE TWISTING ROTOR BLADE.

Oppfinnelsen

Oppfinnelsen gjelder et turbinblad (5) som er laget for å transformere energi fra en oscillerende væskestrøm til et ensrettet dreiemoment (6) i en rotor (1). Bladet (5) omslutter en ikke-roterende rett, konisk eller trinnvis avsmalnende aksling (3) med sirkulært tverrsnitt, som har en utstående skinne (4) festet langs den siden som vender mot bladets bakre kant. Akslingen (3) er festet (2) vinkelrett på rotoren (1).

Turbinbladet (5) er laget av et elastisk materiale som er stivt på tvers av bladets lengderetning og fleksibelt på langs. Det kan settes sammen av to identiske halvdeler som limes sammen for å danne en symmetrisk foil. Bladet (5) kan rotere rundt akslingen (3) så langt skinnen (4) og en utsparing i bladet omkring skinnen (4) tillater. Et glidelager (7) beskytter den delen av bladet som har kontakt med akslingen (3). En forsterkning (8) beskytter den delen av bladet (5) som får kontakt med skinnen (4). Bladhalvdelene utformes med fordypninger for å unngå unødvendig bruk av materialer.

Fordypningene i halvdelene vil danne hulrom i bladet når de settes sammen. Bladmaterialet (5) må være sterkt nok til å motstå aktuelt vanntrykk omkring hulrommene.

Bredden til utsparingen i bladmaterialet (5) omkring skinnen (4) vil bestemme presist hvor mye bladet (5) kan rotere omkring akslingen (3). Utsparingens bredde omkring skinnen (4) vil være sentrert omkring bladets midtlinje, slik at bladet kan rotere like langt til begge sider av denne.

Utsparingens bredde kan variere langs bladets lengderetning. Dermed vil bladets (5) frihet til å rotere omkring midtlinjen begrenses tilsvarende (vinkel v1 til vinkel v2, figur 3) og (A-A', B-B' og C-C', figur 4).

Sammendrag

Oppfinnelsen angår et turbinblad (5) for omforming av energien i en oscillerende fluidstrøm til enveis dreiemoment i en aksling (1). Bladet (5) er fleksibelt på langs og stivt på tvers av bladets (5) lengderetning. Det omslutter en intern, ikke-roterende aksling (3) nær bladets ledende kant. En skinne (4) langs akslingens bakre kant har inngrep i en utsparing i bladmaterialet som kan utformes slik at den styrer bladets (5) mulighet til å rotere omkring akslingen (3). Utsparingens bredde kan gradvis endres langs bladets (5) utstrekning og gi presis kontroll over alle deler av bladets (5) angrepsvinkel.

Dette oppnås med oppfinnelsen

Rotasjonsgraden til ulike deler av bladet (5) kan kontrolleres progressivt og presist fra roten (A-A') til ytre ende (C-C'). Dette vil forbedre effektiviteten i forhold til det lignende turbinbladet beskrevet i norsk patent nummer 338027 og publikasjonen SCHAAP et al.: DEVELOPMENT OF THE WAVECO PASSIVELY ADAPTIVE TWISTING ROTOR BLADE. Der blir ulike deler av bladets mulighet til å rotere omkring bladakslingen kun kontrollert av ytre endes låsning til rotasjonsplanet og bladmaterialets fleksibilitet. Dette vil gi liten vridning av bladet ved lav fluidhastighet gjennom rotasjonsplanet og stor vridning ved stor fluidhastighet. Dette er ikke ideelt.

En rotor i en fri fluidstrøm vil ha en optimal hastighet der effektiviteten er størst. Dette er fordi en rotor som roterer for sakte vil la en del av fluidet strømme uforstyrret gjennom åpningen mellom bladene. Men en rotor som roterer for raskt vil fremstå som en solid vegg mot vannstrømmen og ikke slippe den gjennom og gi kraft til rotorbladene. Derfor er det nødvendig å kontrollere rotorens vinkelhastighet til den hastigheten som gir størst effekt. Denne hastigheten kalles bladtuppforholdet, engelsk tip speed ratio, forkortet TSR. Det er forholdet mellom bladtuppens hastighet langs rotasjonsperiferien dividert på fluidstrømmens hastighet vertikalt gjennom rotorplanet. For en trebladet rotor vil TSR være 5, eller nær dette. For å oppnå høyest mulig effektivitet må TSR holdes konstant, uansett fluidstrømmens hastighet.

Men høy effektivitet avhenger også av turbinbladets utforming og den vinkelen bladet møter fluidstrømmen med. Når en rotor roterer med ideell TSR vil hver del av turbinbladet møte vannet i en fast vinkel skapt av de to hastighetskomponentene bladets absolutte hastighet og fluidstrømmens hastighet vertikalt på rotorplanet. Ytre ende av bladet har størst absolutt hastighet, mens indre del, ved roten, har lavest absolutt hastighet. Men samtidig er fluidstrømmens hastighet vertikalt på rotorplanet den samme for hele bladet. Bladet må derfor vris, altså roteres ulikt omkring den indre akslingen, for at alle deler av bladet skal møte fluidstrømmen med samme vinkel. Rotasjonen må være størst innerst. Samtidig må bladet møte vannstrømmen litt skrått, kalt angrepsvinkelen, slik at det får størst mulig løft uten å skape for mye motstand mot rotasjonen, kalt drag. Hva som er den riktige vinkelen, avhenger av bladets utforming. Det finnes utregninger for dette for ulike foiltyper. Det viktige er at bladvinkelen kan kontrolleres så nøyaktig som mulig.

Siden bladmaterialet har stor fleksibilitet på langs av turbinbladet, vil det selv ved lave fluidhastigheter gjennom rotasjonsplanet, presse bladet over til motsatt side så langt som begrensningen tillater, og siden bladet er stivt på tvers av turbinbladet, vil foilformen opprettholdes.

Turbinbladet, ifølge oppfinnelsen, vil derfor ha fordeler i forhold til både Wells turbin med sine stive blader med stort drag og lav effektivitet, og turbinbladene beskrevet i norsk patent nummer 338027 og publikasjonen SCHAAP et al.: DEVELOPMENT OF THE WAVECO PASSIVELY ADAPTIVE TWISTING ROTOR BLADE, med sine omtrentlig bladvinkler. Langt på vei vil turbinbladet, i følge oppfinnelsen, kunne få en effektivitet som kan konkurrere med turbinblad bygget for, og opererer i, enveis fluidstrøm.

Eksempel på anvendelse

Den åpenbare energien i bølgers bevegelse, skapt av vind, som igjen er skapt av solstrålingen, har fascinert kreative sjeler i hundrevis av år. Den første kjente patentsøknad innen dette feltet skal visstnok ha blitt innlevert sist på 1700-tallet. Tusenvis av ideer er framsatt og hundrevis av praktiske forsøk er utført. Men fortsatt er energipotensialet i havbølger utnyttet i ubetydelig grad. Dette gjelder også tidevannskraft, selv om det her er en del anlegg i drift der forholdene ligger godt til rette.

Flere nasjoner har uttrykt sterkt ønske om å ta i bruk denne formen for energi, også i form av bevilgninger og aktivitet. Dette gjelder særlig Storbritannia, Spania, Portugal, Australia og USA.

Alle former for tidevannskraft anvender turbiner. Oscillasjonen har her en periode på omkring seks timer. Dette løses på to måter. Enten svinges turbinen rundt ved strømskifte, eller så anvender man Wells turbin. Turbinen, ifølge oppfinnelsen, kan her spille en rolle ved å forenkle konseptet og likevel opprettholde høy effektivitet.

Langt fra alle teknologier for bølgekraft anvender turbiner. Av praktiske forsøk kjenner vi bruken ved svingende vannsøyle, med Wells turbin eller med en tilpasset form for enveis roterende impulsturbin. Men et turbinblad, i følge oppfinnelsen, som gir rotoren enveis rotasjon og høy effektivitet, kan endre dette ved å utnytte den oscillerende bevegelsen i bølgene til å bevege en turbin fram og tilbake i vannet. Norsk patent nummer 338027 angår en slik anvendelse. Publikasjonen SCHAAP et al.:

DEVELOPMENT OF THE WAVECO PASSIVELY ADAPTIVE TWISTING ROTOR BLADE omtaler flere forslag der bevegelsen av et skrog i bølgene vil presse en eller flere turbiner fram og tilbake i vannet.

Claims (1)

1. Patentkrav

   Krav 1

   Et foilformet turbinblad som nær bladets ledende kant omslutter en ikke-roterende bærende aksling med sirkulært tverrsnitt og en utstående skinne festet langs den siden av akslingen som vender mot bladets aktre kant, der en utsparing i bladmaterialet sentrert om bladets midtlinje omgir skinnen slik at utsparingens bredde begrenser bladets frihet til å rotere omkring akslingen.

   Krav 2

   Et foilformet turbinblad i følge krav 1, bestående av et materiale som er stivt på tvers av bladets lengderetning og fleksibelt på langs og der utsparingen omkring skinnen er bredest innerst på bladet og blir gradvis smalere fra bladets indre til ytre del.

   Krav 3

   Et foilformet turbinblad i følge krav 1 og 2, der den bærende akslingen har rett, konisk, eller trinnvis avsmalnende form, og bladmaterialet har hulrom og styrke nok til å tåle aktuelt vanntrykk mot hulrommene.

   Krav 4

   Et foilformet turbinblad ifølge krav 1-3, der bladmaterialet er beskyttet av et glidelager i kontakten med akslingen og en forsterkning i kontakten med skinnen.