СХЕМА РАСПОЛОЖЕНИЯ КАТУШЕК ГИДРОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ТУРБИНЫ
HYDROELECTRIC TURBINE COIL ARRANGEMENT

Область техники, к которой относится изобретение
Данное изобретение относится к схеме расположения катушек гидроэлектрической турбины и, в частности, к схеме расположения катушек, образующих часть генератора гидроэлектрической турбины, причем схема расположения обеспечивает улучшение эксплуатационных характеристик генератора.
Уровень техники
Данное изобретение относится в целом к области гидроэлектрических турбин, вырабатывающих электричество путем использования потока воды, и, в частности, к таким устройствам, в которых приливной поток воды вызывает вращение крупногабаритного ротора крыльчаткового типа, имеющего кольцевой внешний обод, расположенный внутри крупногабаритного кольцевого корпуса.
При том, что большинство турбин сконструированы так, что имеют центральный вращающийся вал, на котором установлены лопатки или рабочие колеса, известно также производство турбин с открытым центром, также известных под названием устанавливаемых на ободах турбин. Турбины, имеющие роторы с открытым центром, в которых лопатки установлены между внутренним и внешним круговыми кольцами или ободами и в которых энергия передается через внешний обод к кольцевому корпусу, удерживающему ротор, могут быть, в частности, успешно использованы в условиях малого напора, то есть при медленных течениях.
Примеры устанавливаемых на ободах турбин с открытым центром можно найти в патенте US 5592816, выданном 14 января 1997 года и повторно выданном в качестве документа RE 38336 2 декабря 2003 года, в патенте US 6648589, выданном 18 ноября 2003 года, в патенте US 6729840, выданном 4 мая 2004 года, и в публикации патентной заявки US 2005/0031442, опубликованной 10 февраля 2005 года (серийный номер 10/633865). Примеры гидроэлектрических турбин, используемых в условиях малого напора (приливного течения), можно найти в патенте US 4421990, выданном Хейсу и другим, в патентах US 6168373 и US 6406251, выданных Ваузеру, в патентной заявке GB 2408294, выданной Зусману и другим, и в международной публикации WO 03/025385, выданной Дэвису и другим.
Турбины, вырабатывающие мощность от прилива, считаются экологически чистыми заменителями установок по производству электрической энергии, в которых используются ископаемые виды топлива или атомная энергия. При использовании воды для производства электричества в крупных масштабах для питания промышленных комплексов, городов, мегаполисов и других подобных объектов необходимо обеспечить наличие большого количества турбин и необходимо также, чтобы турбины по своей производительности были практичными для максимального увеличения количества электричества, вырабатываемого каждой турбиной. В данных турбинах лопатки ротора имеют длину во много метров, и в некоторых экспериментальных конструкциях длина лопаток превышает 50 метров.
При увеличении длины лопаток ротора появляются конструкционные и производственные проблемы, не характерные для меньших турбин или генераторов. Для турбин, устанавливаемых на валу, затруднительно обеспечить наличие длинных лопаток, которые были бы как прочными, так и легкими. В одном решении лопатки турбины, устанавливаемой на валу, снабжены внешним кольцевым ободом, содержащимся внутри кольцевого корпуса, для обеспечения, таким образом, опоры лопаткам посредством вала и обода. В альтернативном варианте устанавливаемые на ободе турбины без центрального вала обеспечивают решение данной проблемы благодаря наличию кольцевой опоры на внутреннем и наружном концах лопатки, причем внешний опорный обод удерживается внутри корпуса, имеющего кольцевую щель или канал. В обычном средстве для генерирования электрической мощности вдоль кольцевого опорного обода расположено большое количество магнитов, а вдоль приемного канала в корпусе статора расположено большое количество катушек. Магнитное поле, установленное системой поля ротора, проходит через зазор, разделяющий ротор и статор. Вращение ротора вызывает изменение потокосцепления магнитного потока с катушками, индуцируя электромагнитную силу в катушках.
Для того чтобы уменьшить пусковой крутящий момент подобных турбин с открытым центром и часто из-за допусков на изготовление подобные турбины изготавливают, как правило, с кольцевой щелью или каналом в статоре, с диаметром, превышающим диаметр ротора. Это приводит к тому, что ротор эффективно имеет плавающую ось вращения, что означает, что ротор не зафиксирован концентрично внутри статора и может совершать некоторое перемещение, плавание и/или эксцентричное вращение внутри статора. Кроме этого осевые упорные подшипники имеют зазор, позволяющий ротору совершать осевое перемещение и иметь отклонение плоскости вращения ротора от параллельности плоскости статора таким образом, что движение ротора может содержать прецессионные составляющие и другие составляющие сложной формы. Данное эксцентричное вращение может, однако, приводить к дисбалансу напряжения, генерируемого в катушках, причем катушки на статоре, расположенные более близко к магнитам на роторе, генерируют диспропорциональную величину электромагнитной силы вследствие эксцентриситета на роторе.
Когда подобные катушки в группе соединены вместе параллельно, то их различные индуцированные электромагнитные силы приводят к тому, что катушки несут различный ток, и катушки не разделяют электрическую нагрузку равным образом. Небольшое смещение ротора из концентричного положения может приводить к непропорционально большому неравенству в распределении нагрузки. Это может приводить к перегреву катушки и сниженной эффективности преобразования мощности.
Таким образом, задача данного изобретения состоит в устранении вышеуказанной проблемы без обращения к трудному и дорогостоящему решению использования подшипников с жесткими допусками и плотной посадкой для поддержания ротора в концентричном положении и в одной плоскости внутри статора.
Раскрытие изобретения
Согласно данному изобретению предложена гидроэлектрическая турбина, содержащая статор, безвальный ротор, расположенный с возможностью вращения внутри статора, причем статор образует отверстие, внутри которого ограничен ротор, причем отверстие имеет форму и размеры относительно ротора, обеспечивающие наличие у ротора плавающей оси вращения, совокупность магнитов на роторе и соответствующую совокупность катушек на статоре, отличающаяся тем, что катушки расположены в группах, внутри которых катушки расположены по окружности на равном расстоянии друг от друга и электрически соединены вместе последовательно.
Предпочтительно, катушки, электрически соединенные вместе последовательно, не расположены физически рядом друг с другом на статоре.
Предпочтительно, ротор содержит открытый центр.
Предпочтительно, отверстие имеет форму и размеры, позволяющие ротору совершать по существу эксцентричное или гипоциклоидное движение.
Предпочтительно, гидроэлектрическая турбина содержит набор подшипников, поддерживающих ротор внутри статора, причем подшипники содержат совокупность подшипниковых модулей на одном из статора и ротора и соответствующую шейку на другом из статора и ротора.
Предпочтительно, статор содержит кольцевой канал, который образует отверстие и внутри которого ротор удерживается с возможностью вращения.
Используемый в данном документе термин “плавающая ось” означает ось вращения тела, например ротора гидроэлектрической турбины, причем ось не зафиксирована в положении и может совершать некоторое перемещение или поступательное перемещение в направлениях, по существу ортогональных оси вращения, в частности, если ротор совершает вращение вокруг оси. В результате ротор может описывать сложную форму вращения вокруг своей оси в сочетании со случайным или орбитальным движением оси в пределах заданного пространства. Траектория ротора может быть классифицирована как гипоциклоидная или случайная и может также иметь составляющие в осевом направлении и прецессию оси.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 в аксонометрии показана гидроэлектрическая турбина согласно варианту осуществления данного изобретения;
на фиг.2 схематично изображена турбина, показанная на фиг.1, в которой изображены компоненты, образующие часть генератора турбины;
на фиг.3 показана электрическая схема катушек генератора, изображенного на фиг.2;
на фиг.4 изображена электрическая схема, представляющая эквивалентную электрическую цепь для одной из катушек, показанных на фиг.1 и 2; и
на фиг.5 показано еще одно схематичное изображение турбины, изображенной на фиг.1.
Осуществление изобретения
На прилагаемых чертежах изображена гидроэлектрическая турбина, обозначенная, как правило, номером позиции 10, которая адаптирована для установки на дне моря или в подобном месте, предпочтительно с использованием подходящего основания, которое может быть закреплено в соответствующем положении на дне моря.
Турбина 10 содержит внешний статор 12, внутри которого установлен с возможностью вращения ротор 14. Ротор 14 содержит круговую совокупность радиально вытянутых лопаток 16, удерживаемых между внешним ободом 18 и внутренним ободом 20. В показанном варианте осуществления изобретения внешний обод 18 ограничен кольцевым каналом (не показан), образованным на внутренней поверхности статора 12. Можно видеть, что турбина 10 не содержит центральный вал, на котором в обычной турбине установлен с возможностью вращения ротор 14, и, таким образом, турбина 10 представляет собой турбину 10 с открытым центром или безвальную турбину 10. На внешнем ободе 18 и статоре 12 расположены подходящие подшипники (не показаны), например, в виде шеек и опорных дисков. Кроме этого электрические компоненты турбины 10 расположены противоположно друг другу вокруг внешнего обода 18 и статора 12 и, таким образом, обычно носят название “установленный на ободе генератор”.
Данные электрические компоненты состоят из совокупности магнитов 22, установленных на внешнем ободе 18, и соответствующей совокупности катушек 24, установленных на противоположной стороне статора 12, причем магниты 22 и катушки 24 отделены друг от друга небольшим зазором 26 между статором 12 и ротором 14. При этом очевидно, что положения магнитов 22 и катушек 24 могут быть изменены на противоположные положения. Однако конструкция с магнитами на статоре и с катушками на роторе имеет недостаток в том, что для отбора тока с ротора требуется определенная конструкция, и поэтому конструкция с магнитами на роторе и с катушками на статоре является, как правило, предпочтительной.
Вследствие безвального строения турбины 10, и как описано подробно выше, ротор 14 выполнен с возможностью совершения некоторого перемещения в кольцевом канале, образованном статором 12, и, таким образом, выполнен с возможностью совершать эксцентричное вращение относительно центра статора 12. В результате, и как показано на увеличенном виде на фиг.2, ротор 14 часто располагают в статоре 12 таким образом, что часть ротора 14 и, как следствие, секция магнитов 22, расположена ближе к статору 12, чем противоположный участок ротора 14. В результате это приводит к неравномерному генерированию электродвижущей силы между катушками 24, причем данные катушки 24, расположенные более близко к магнитам 22, индуцируют непропорционально высокую электромагнитную силу. Это может приводить к перегреву данных катушек 24, вызывая их вероятное повреждение. Таким образом, данный факт должен учитываться при проектировании турбины 10 и, в частности, катушек 24.
Как показано на фиг.4, каждая катушка 24 может быть представлена в эквивалентной электрической схеме источником напряжения переменного тока, соединенным последовательно с индукционным элементом и с резистором, представляющими индуцированную электромагнитную силу, реакцию якоря и сопротивление катушки. Индуктивные сопротивления и реактивное сопротивление не отличаются значительно между катушками, но источники напряжения отличаются, если ротор не является концентричным.
Электромагнитная сила, индуцированная в каждой катушке 24, представляет собой напряжение переменного тока, которое может быть описано его амплитудой, частотой и его фазой относительно электромагнитной силы, индуцированной в одной отдельной катушке, выбранной в качестве эталона. Если две или большее количество катушек соединены параллельно для выдачи тока к общему выходу, то две катушки имеют источники напряжения с равной амплитудой, частотой и фазой. Равенство частоты обеспечено конструкцией машины. Амплитуды могут быть неравными по описанным причинам. Источники напряжения совпадают по фазе, если катушки разделены целым числом шагов магнитных полюсов.
Ток, протекающий в катушке 24, равен разности между ее источником напряжения и напряжением в цепи, к которой подсоединена катушка, деленной на импеданс катушки. Таким образом, если, например, две катушки, имеющие напряжения 11 В и импеданс 1 Ом, соединены параллельно с цепью нагрузки под напряжением 10 В, то каждая катушка выдает 1 А на нагрузке. Если, однако, напряжения незначительно изменены эксцентричным вращением ротора только на 0,5 В, соответственно до 10,5 В и 11,5 В, то катушки проводят ток 0,5 А и 1,5 А соответственно. Эффект нагрева в каждой катушке пропорционален квадрату тока, поэтому эффект нагрева, который в идеальном случае равен 1 Вт в каждой катушке, принимает значения 2,25 Вт и 0,25 Вт и создает соотношение 9:1. Таким образом, при незначительном отклонении от равенства напряжения непропорционально значимое неравенство в токе приводит, совместно, к еще большему неравенству в потерях и к сопутствующему эффекту нагрева. Общие потери также увеличиваются.
Если две катушки 24 отличаются по фазе, то могут возникнуть аналогичные различия в токе. Эксцентричное вращение ротора может создавать различия по фазе между катушками, которые расположены правильно, как показано на фиг.5.
Если ротор имеет эксцентричное положение и его ось постоянно смещена в одном направлении, то одни катушки статора постоянно подвержены воздействию более высокой электромагнитной силы, а другие катушки подвержены воздействию более низкой электромагнитной силы. В результате может происходить перегрев статора, как правило, в одной зоне, проходящей по дуге периметра. Если ротор описывает более сложное движение, то зона катушек, проводящих более высокий ток, может вращаться с ротором, и ни одна зона не будет нагреваться больше, чем остальные зоны, но общие потери будут более высокими, чем в случае, когда ротор вращается идеально концентрично.
Однако в турбине 10 согласно данному изобретению катушки 24 расположены в группах, только одна из которых изображена на фиг.2, внутри которых катушки 24 электрически соединены последовательно для равномерного распределения тока по периметру машины и предотвращения перегрева в любой из катушек 24. На фиг.3 представлено изображение электрической схемы одной из данных групп катушек 24. Хотя это не показано, турбина 10 предпочтительно содержит определенное количество подобных групп катушек 24.
Как показано на фиг.5, четыре катушки 24 соединены последовательно. Эксцентричное вращение ротора, имеющего показанную форму, приводит к наличию в катушке 24(1) напряжения с амплитудой, более низкой по сравнению со средним значением, при этом в катушке 24(3) амплитуда напряжения более высокая по сравнению со средним значением, катушка 24(4) имеет среднюю амплитуду напряжения, но по фазе опережает среднее значение, и катушка 24(2) имеет среднюю амплитуду напряжения, но по фазе отстает относительно среднего значения. Когда все четыре напряжения суммированы благодаря последовательному соединению катушек 24, отклонения от среднего значения почти полностью сведены к нулю.
Машина, имеющая тридцать шесть катушек и сорок восемь магнитных полюсов ротора, может содержать девять групп катушек, причем каждая группа имеет четыре последовательно соединенные катушки. Первая группа, содержащая первую, девятую, девятнадцатую и двадцать восьмую катушки, имеет напряжения, как показано на фиг.4. Вторая группа имеет напряжения, аналогичные, но смещенные по фазе на 120 электрических градусов. Третья группа также является аналогичной, но имеет дополнительное смещение по фазе на 120 градусов. Четвертая группа, содержащая четвертую, тринадцатую, двадцать вторую и тридцать вторую катушки, имеет электромагнитные силы, аналогичные электромагнитным силам первой группы. Отдельные электромагнитные силы отличаются незначительно в соответствии с влиянием эксцентриситета ротора, однако полная электромагнитная сила остается почти полностью незатронутой влиянием эксцентриситета. Аналогичным образом, группа семь имеет электромагнитные силы, суммарно равные той же сумме, но отдельные электромагнитные силы также отличаются в некоторой степени от электромагнитных сил группы один. Группы один, четыре и семь могут быть соединены параллельно с равномерным разделением их полного тока между двумя. Аналогичным образом, группы два, пять и восемь могут быть соединены параллельно, и группы три, шесть и девять могут быть соединены параллельно. Таким образом, тридцать шесть катушек могут быть соединены для образования сбалансированного трехфазного выхода. При этом при сбалансированной трехфазной нагрузке, потери мощности и нагрев равномерно распределены по периметру генератора. Внутри каждой группы катушки 24 предпочтительно расположены по окружности статора 12 на равном расстоянии друг от друга. Это обеспечивает самое равномерное распределение тока. Таким образом, в показанном варианте осуществления изобретения изображенная группа катушек 24 содержит четыре катушки, расположенные на равном расстоянии друг от друга под углом 90° вокруг статора 12, хотя, очевидно, что могут быть использованы катушки в любом другом подходящем количестве.
Для эффективной работы данного изобретения необходимо наличие по меньшей мере двух катушек 24, соединенных последовательно, для каждой группы катушек, при этом катушки должны быть расположены в по существу диаметрально противоположных положениях и соединены таким образом, что их электромагнитная сила суммируется, когда происходит относительное движение между ротором и статором. Однако наличие двух последовательно соединенных катушек в диаметрально противоположных положениях для всех параллельно соединенных групп катушек означает, что кабели, соединяющие последовательные катушки, должны быть очень длинными, поскольку они проложены по половине окружности статора, а также то, что для турбины, имеющей большой количество параллельно соединенных групп катушек, стоимость кабелей может быть высокой, и дополнительные электрические потери в кабелях негативным образом влияют на КПД генератора.
Предпочтительно соединять более двух катушек последовательно для уменьшения длины кабеля. Например, каждая группа катушек может иметь три последовательно соединенные катушки, причем катушки распределены равномерно (под углом 120 градусов) по внутренней окружности статора, четыре последовательно соединенные катушки, с угловым расстоянием между расположенными рядом катушками, равным 90 градусам, или пять последовательно соединенных катушек в группе с угловым расстоянием между расположенными рядом катушками, равным 72 градусам.
Хотя в предпочтительном варианте осуществления изобретения предложена трехфазная электрическая машина, относительно просто продолжить соединения для других многофазных машин, например, до фаз в количестве двух, четырех, пяти, шести, двенадцати или более.
Если катушка в отдельной группе катушек, принадлежащих отдельной фазе, выходит из строя по какой-либо причине, то происходит отключение или электрическое изолирование данной группы катушек, совместно с соответствующими группами катушек в других фазах, от машины для сохранения импеданса в фазах постоянным и сбалансированным.
Вышеописанная схема расположения позволяет, таким образом, уменьшить или устранить проблему неравномерного генерирования мощности при использовании безвальной турбины 10. Таким образом, это обстоятельство снимает с инженера-механика необходимость ограничения движение ротора до жестко определенного концентричного и соосного вращения, обеспечивает возможность эксцентричного или гипоциклоидного перемещения ротора, а также возможность перемещения оси ротора сложным или случайным образом.