PL B1. Turbogenerator tarczowy z elementami magnetycznymi w wirniku, zwłaszcza do elektrowni małej mocy, w tym wodnych i wiatrowych

Transkrypt

1 PL B1 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (13) B1 Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (21) Numer zgłoszenia: (22) Data zgłoszenia: (51) Int.Cl. H02K 7/18 ( ) F01D 15/10 ( ) F03B 13/10 ( ) F03D 9/00 ( ) (54) Turbogenerator tarczowy z elementami magnetycznymi w wirniku, zwłaszcza do elektrowni małej mocy, w tym wodnych i wiatrowych (43) Zgłoszenie ogłoszono: BUP 16/14 (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: WUP 10/16 (73) Uprawniony z patentu: INSTYTUT MASZYN PRZEPŁYWOWYCH IM. ROBERTA SZEWALSKIEGO POLSKIEJ AKADEMII NAUK, Gdańsk, PL (72) Twórca(y) wynalazku: KRZYSZTOF KOSOWSKI, Gdańsk, PL TADEUSZ BLEKIEWICZ, Sopot, PL MARIAN PIWOWARSKI, Gdańsk, PL ROBERT STĘPIEŃ, Gdynia, PL WOJCIECH WŁODARSKI, Gdańsk, PL JAROSŁAW MIKIELEWICZ, Gdańsk, PL JAN KICIŃSKI, Gdańsk, PL

2 2 PL B1 Opis wynalazku Dziedzina techniki. Przedmiotem wynalazku jest turbogenerator tarczowy z elementami magnetycznymi w wirniku, zwłaszcza do elektrowni małej mocy, w tym wodnych i wiatrowych. Stan techniki. Bezłopatkowa turbina adhezyjna została wynaleziona przez Nikolę Teslę. W stosowanych dotychczas rozwiązaniach energia mechaniczna produkowana przez turbinę była odbierana przez wyprowadzony na zewnątrz obudowy urządzenia wał, który po sprzęgnięciu napędzał odbiornik energii, zazwyczaj w postaci oddzielnego generatora elektrycznego. Rozwiązanie to jest kłopotliwe w montażu, ze względu na konieczność precyzyjnego osiowania wału turbiny z wałem generatora przed sprzęgnięciem niezbędnego ze względu na wysokie prędkości obrotowe, przy których najczęściej pracuje turbina adhezyjna. Ponadto stosowanie oddzielnej turbiny oraz generatora zwiększa gabaryty oraz koszty turbozespołu. Z opisu patentowego US znany jest generator pokazany na rys. 1, zawierający silnik elektryczny, na którego wale osadzona jest turbina gazowa 54, a generator i turbina umieszczone są w osi przewodu rurowego 42. W przedniej części przewodu rurowego 42 umieszczony jest stożek 46, a w tylnej części dusza w kształcie stożka. Przepływający przez przewód 42 czynnik roboczy w postaci gazowej o dużej prędkości przepływu na skutek opływu stożka 46, zostaje skierowany na turbinę 54 i następnie wypływa dyfuzorem wylotowym. Natomiast z opisu patentowego PL (U1) znany jest generator przeciwbieżny prądu zmiennego pokazany na rys. 2. Układ koncentryczny dwóch wirników 1 i 2 jest zamocowany pomiędzy stojanem zewnętrznym 4 w generatorze. Wirniki są napędzane każdy oddzielnie i obracają się w przeciwną stronę powodując wirowanie wytworzonego pola magnetycznego. Wirnik 1 napędzany jest poprzez pierwsza turbinę wiatrową ze śmigłem 2 umieszczoną na wale generatora. Wirnik 5 zamocowany jest łącznie z tuleją 6 napędzaną przekładnią mechaniczną energią z drugiej strony turbiny wiatrowej ze śmigłem 3. W generatorze przeciwbieżnym ruch wirników 1 i 5 powoduje zsumowanie szybkości obrotów, co skutkuje dwukrotnie szybszym wzbudzaniem prądu i pozyskiwaniem większego prądu zmiennego. Podwójna siła obrotów wynika z przeciwbieżności ruchu wirników 1 i 5 oraz wirującego pola magnetycznego. W obu przestawionych rozwiązaniach konstrukcyjnych generator i turbina napędowa osadzone są na wspólnym wale, ale nie są umieszczone w jednej obudowie. Z kolei z opisu patentowego PL (B1) znane jest urządzenie i układ do wytwarzania energii elektrycznej z przepływającego czynnika przykładowo wody, zawierającego pewną ilość zespołów turbina-generator, które są umieszczone jeden nad drugim i/lub obok siebie oraz są połączone, tworząc jeden lub szereg modułów, przy czym generatory są ukształtowane, jako generatory synchroniczne, które jako układ wzbudzenia posiadają bieguny magnesów trwałych. W przedstawionym urządzeniu do wytwarzania energii elektrycznej według wynalazku tarcza turbiny nie jest jednocześnie tarczą generatora elektrycznego i turbiny. Istota wynalazku. Wirnik turbogeneratora składa się z jednej lub wielu tarcz wirnikowych zamocowanych do piasty wału lub bezpośrednio na wale, przy czym wał osadzony jest w łożyskach, umieszczonych w otworach wewnątrz pokryw obudowy, a magnesy trwałe lub elektromagnesy umieszczone są w otworach wykonanych w tarczy lub tarczach wirnikowych, przy czym bieguny N i S sąsiadujących magnesów trwałych występują naprzemiennie. Również w otworach w tarczy lub tarczach wirnikowych umieszczony jest pierścień lub pierścienie wykonane z materiału ferromagnetycznego, zamykające obwód strumienia magnetycznego. Z kolei rdzenie twornika wraz z uzwojeniami zamocowane są do tarczy twornika i do pokrywy w obudowie od strony tarczy twornika. Wlot czynnika roboczego w postaci gazu lub cieczy następuje poprzez dysze umieszczone na obwodzie obudowy, przy czym czynnik przepływa spiralnie przez szczeliny, a wylot czynnika zrealizowany jest przez otwory w pokrywach obudowy, zlokalizowane w pobliżu osi turbogeneratora. Ponadto szczeliny umiejscowione są pomiędzy tarczą wirnikową i tarczą twornika oraz pomiędzy tarczą wirnikową a pokrywą obudowy. Kolejno rdzenie tworników z uzwojeniami mogą być umieszczone w różnych miejscach na obwodzie koła lub kół na tarczy lub tarczach twornika, a magnesy trwałe lub elektromagnesy, w różnych miejscach na obwodzie koła lub kół na tarczy lub tarczach wirnikowych. Zaletą turbogeneratora według wynalazku jest to, że tarcza wirnika jest jednocześnie tarczą generatora elektrycznego i turbiny, co wydatnie zmniejsza gabaryty turbogeneratora oraz koszty wykonania i eksploatacji.

3 PL B1 3 Ponadto zaletą turbogeneratora jest to, że czynnik roboczy w postaci gazu lub cieczy przepływa spiralnie w szczelinie dzięki siłom adhezji i zjawiskom występującym w warstwie przyściennej, oddaje energię, napędzając tarczę wirnikową a jednocześnie może być czynnikiem chłodzącym generator. Również zaletą turbogeneratora jest to, że rdzenie tworników z uzwojeniami mogą być umieszczone, w różnych miejscach na obwodzie koła lub kół na tarczy twornika, a magnesy trwałe lub elektromagnesy, w różnych miejscach na obwodzie koła lub kół tarczy wirnikowej. Objaśnienie figur na rysunku. Przedmiot wynalazku jest przedstawiony na przykładzie wykonania przedstawionym na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat ideowy turbogeneratora tarczowego, fig. 2 rozmieszczenie magnesów w tarczy wirnikowej turbogeneratora tarczowego, fig. 3 przekrój A-A na fig. 2, fig. 4 rozmieszczenie rdzeni twornika z uzwojeniami w tarczy twornika turbogeneratora tarczowego, a na fig. 5 obwód magnetyczny w turbogeneratorze tarczowym. Przykład wykonania wynalazku. Turbogenerator tarczowy według wynalazku stanowi konstrukcję, w której turbina adhezyjna (tzw. turbina Tesli) połączona jest z generatorem elektrycznym typu tarczowego, przy czym elementy magnetyczne w postaci magnesów stałych lub elektromagnesów umieszczone są w wirniku tarczowym turbiny, a elementy twornika powiązane są z nieruchomą obudową. Wirnik tarczowy turbiny oraz elementy twornika i obudowy osadzone są na wspólnym wale w jednej obudowie. Wirnik turbogeneratora pokazany na fig. 1 składa się przykładowo z jednej tarczy wirnikowej 1 zamocowanej do piasty 9 wału 10, przy czym wał 10 osadzony jest w łożyskach 18 umieszczonych w otworach wewnątrz pokrywy 11 i 12 obudowy 7. Przykładowo na fig. 2 pokazano, że magnesy trwałe 2 umieszczone są w otworach 13 wykonanych na obwodzie koła w tarczy wirnikowej 1, przy czym bieguny N i S sąsiadujących magnesów trwałych 2 występują naprzemiennie. Z kolei na fig. 5 pokazano, że w otworze 14, w tarczy wirnikowej 1 umieszczony jest pierścień 5 wykonany z materiału ferromagnetycznego, który zamyka obwód strumienia magnetycznego. Kolejno na fig. 4 pokazano rdzenie twornika 3 wraz z uzwojeniami 8 zamocowane są do tarczy twornika 4 i do pokrywy 12 obudowy 7. Przy czym rdzenie twornika 3 umieszczone są na obwodzie koła w tarczy twornika 4. Wlot czynnika roboczego w postaci gazu lub cieczy następuje poprzez dysze 16 umieszczone na obwodzie w obudowie 7, przy czym czynnik przepływa spiralnie przez szczeliny 6 umiejscowione pomiędzy tarczą wirnikową 1 i tarczą twornika 4 oraz pomiędzy tarczą wirnikową 1 a pokrywą 11 obudowy 7. Czynnik roboczy przepływając spiralnie w szczelinach 6 dzięki siłom adhezji i zjawiskom występującym w warstwie przyściennej, oddaje energię, napędzając obracającą się tarczę wirnikową 1. Z kolei wylot czynnika roboczego zrealizowany jest przez otwory 15 w pokrywie 11 i 12 obudowy 7, zlokalizowane w pobliżu osi turbogeneratora. Podczas obrotu tarczy wirnikowej 1 z zamocowanymi względem tarczy twornika 4, powstaje zmienne pole magnetyczne w rezultacie czego w uzwojeniu generatora indukuje się siła elektromotoryczna. Generator według wynalazku może być korzystnie zastosowany do wytwarzanie energii elektrycznej w elektrowniach małej mocy, w tym wodnych i wiatrowych. Zastrzeżenia patentowe 1. Turbogenerator tarczowy z elementami magnetycznymi w wirniku, zwłaszcza do elektrowni małej mocy, w tym wodnych i wiatrowych, znamienny tym, że wirnik turbogeneratora składa się z jednej lub wielu tarcz wirnikowych (1) zamocowanych do piasty (9) wału (10) lub bezpośrednio na wale, przy czym wał (10) osadzony jest w łożyskach (17), umieszczonych w otworach wewnątrz pokrywy (11) i (12) obudowy (7), a magnesy trwałe lub elektromagnesy (2) umieszczone są w otworach (13) wykonanych w tarczy lub tarczach wirnikowych (1), przy czym bieguny N i S sąsiadujących magnesów trwałych (2) występują naprzemiennie, z kolei rdzenie twornika (3) wraz z uzwojeniami (8) zamocowane są do tarczy twornika (4) i do pokrywy (12) obudowy (7), ponadto w tarczy lub tarczach wirnikowych (1), umieszczony jest pierścień lub pierścienie (5) z materiału ferromagnetycznego, zamykające obwód strumienia magnetycznego, kolejno wlot czynnika roboczego w postaci gazu lub cieczy następuje poprzez dysze (16) umieszczone na obwodzie obudowy (7), przy czym czynnik przepływa spiralnie przez szczeliny (6), z kolei wylot czynnika zrealizowany jest przez otwory (15) w pokrywie (11) i (12) obudowy (7).

4 4 PL B1 2. Turbogenerator według zastrz. 1, znamienny tym, że szczeliny (6) umiejscowione są pomiędzy tarczą wirnikową (1) i tarczą twornika (4) oraz pomiędzy tarcza wirnikową a pokrywą (11) obudowy (7). 3. Turbogenerator według zastrz. 1, znamienny tym, że magnesy trwałe lub elektromagnesy (2) oraz pierścień lub pierścienie (5), umieszczone są kolejno w otworach (13) i (14) wykonanych na obwodzie koła lub kół w tarczy lub tarczach wirnikowych (1). 4. Turbogenerator według zastrz. 1, znamienny tym, że rdzenie twornika (3) umieszczone są na obwodzie koła lub kół w tarczy lub tarczach twornika (4). 5. Turbogenerator według zastrz. 1, znamienny tym, że tarcze twornika (4) z zamocowanymi rdzeniami twornika (3) i uzwojeniami (8) są nieruchome względem tarcz wirnikowych (1) z zamocowanymi magnesami trwałymi lub elektromagnesami (2). 6. Turbogenerator według zastrz. 1, znamienny tym, że otwory (15) w pokrywie (11) i (12) obudowy (7), zlokalizowane są w pobliżu osi turbogeneratora. Rysunki

5 PL B1 5

6 6 PL B1 Departament Wydawnictw UPRP Cena 2,46 zł (w tym 23% VAT)