NO320852B1 - Anordning med en skrastilt baeresoyle for forankring av en aksialturbin for produksjon av elektrisk energi fra vannstrommer - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse angår et fundament med en skråstilt bæresøyle for en aksialturbin for produksjon av elektrisk energi fra strømmer i vannmasser.

Fundamentet med den skråstilte bæresøylen skaper større avstand mellom aksialturbinens turbinblader og bæresøylen, og dermed reduseres de dynamiske kreftene som oppstår hver gang et turbinblad passerer i skyggen av bærekonstruksjonen. Fundamentet er spesielt egnet for plassering på en havbunn for utnyt-telse av tidevannsstrømmer.

Forskning og utvikling på tidevannskraftverk, eller anlegg, for produksjon av elektrisk energi har pågått i mange tiår. Fordelene med tidevannsanlegg er blant annet at de eksempelvis i forhold til vindmøller, er forutsigbare og lite avhengige av vær. Likevel er svært få anlegg bygget til tross for at det på verdensbasis er svært store energimengder i tidevannsstrømmer. Årsaken er hovedsakelig av økonomisk og/eller miljømessig art. Disse og andre årsaker har medført at det er blitt utviklet anlegg som i sin helhet er plassert under havbunnen. Disse anleggene er bygget opp av moduler plassert på et fundament på havbunnen.

Imidlertid er det en utfordring å installere et solid fundament under havfla-ten på en økonomisk måte, fordi bunnforholdene kan være vannsklige og varierende og fordi modulene som skal fundamenteres kan ha betydelige dimensjoner. Fundamentet må nødvendig vis plasseres i strømmende vannmasser, og i noen tilfeller installeres forholdsvis dypt. Fundamentene utsettes for betydelige mekaniske belastninger fra de strømmende vannmassene og fra turbinen det er ment å bære. Disse belastningene kan være fluktuerende og skape egensvingninger i konstruksjonen. Fundamentene bør kunne installeres raskt fordi arbeidet med in-stallasjonen i mange tilfeller må skje i tidevannsskiftet for at strømmen i området ikke skal være så sterk at den hindrer arbeidet.

Det er tidligere utviklet lite teknikk på dette området fordi anlegg for produksjon av energi fra strømmende vannmasser, plassert på et fundament, som i sin helhet er plassert under vann har vært lite utbredt, og er av nyere dato.

Et eksempel på et slikt moduloppbygd tidevannsanlegg er beskrevet i pa-tentsøknad NO 2001 0737, Hammerfest Strøm. Dette anlegget omfatter et fundament plassert på havbunnen og en eller flere moduler plassert på fundamentet. Modulene kan omfatte turbin, generator for elektrisk kraft, gir og diverse elektriske komponenter. Disse turbinene er innfestet i fundamenter som kan omfatte søyler eller peler.

Fra US 5,798,572 fremgår det en turbin med turbinblader i strømmende vannmasser. Turbinen er innfestet i et hus stivt forbundet med et roterende hus hvilket gjør det mulig for huset og turbinen å dreie rundt en vertikal søyle.

Som nevnt skaper vannmasser som strømmer rundt konstruksjoner av

denne type lett i konstruksjonen. Dette gjør at det stilles store krav til fundamentet. Konstruksjoner som ikke går over vann er gunstige for å for å redusere forstyrrelse og oppbremsing av vannstrømmen. Oppbremsing og forstyrrelser i vannstrømmen kan påvirke turbinen på en uheldig måte.

Ved aksialturbiner eller propellerturbiner som er montert på en bærekonstruksjon i en fast vinkel i forhold til omgivelsene, og hvor bladene eller vingene har regulerbar pitch og kan roteres minst 180' i forbindelse med skifte av strømret-ning, er det et problem at bærekonstruksjonen vil "skygge" for turbinen i den ene strømretningen og skape forstyrrelser i de strømmende vannmassene. Dette er spesielt fremtredende når en bærekonstruksjon ligger i nærheten av en turbin. I et slikt tilfelle oppstår det dynamiske effekter på grunn av det skapes ubalanse mellom turbinens forskjellige turbinblader eller turbinvinger. Turbinbladene som ikke passerer konstruksjonen og derved ikke går gjennom "skyggen" av konstruksjonen der de strømmende vannmassene er bremset opp og forstyrret av konstruksjonen, beholder pådraget eller drivkreftene, inkludert aksialkreftene. Turbinbladet som går gjennom "skyggen" mister imidlertid drivkreftene, inkludert aksialkreftene. Dermed oppstår det et bøyemoment om turbinakslingen. Dette skaper dynamiske effekter som forplanter seg gjennom hele konstruksjonen og er kostnadsdrivende fordi det må dimensjoneres opp for å unngå utmattingsbrudd på konstruksjonsde-lene. Det kan også oppstå unødvendig store belastninger på selve turbinen. Det er spesielt turbinbladenes ytre del mot tuppen som bidrar til denne virkningen. Problemet er vesentlig mindre inne ved roten av bladene.

Vertikale komponenter kan også forstyrre en vertikalt plassert turbin i stor

grad, fordi forstyrrelsen påvirker hele lengden av et turbinblad samtidig, og følgelig genererer en vesentlig mer markant eller brå belastning og påvirkning på turbinen i forhold til om forstyrrelsene hadde blitt fordelt på forskjellige deler langs lengden av bladet under en omdreining.

En forutsetning for at et turbinblad skal fungere effektivt er at det er justert riktig i forhold til retning og hastighet på mediet som virker på det. Strømmende vann som treffer en bærestruktur vil endre karakter både med hensyn til retning og hastighet. Når et turbinblad som står nedstrøms i forhold til bærestrukturen passerer gjennom "skyggen" av bærestrukturen, vil turbinbladet miste store deler av både momentet og aksialkreftene som virker på bladet. Dette introduserer dynamiske krefter som er svært uheldig fordi turbinvingene, samt alle elementer som opptar krefter fra turbinvingene, må dimensjoneres for høyere laster og for uguns-tige utmattingsforhold. Økt krav til dimensjonering vil ha en vesentlig innvirkning på byggekostnadene. I tillegg vil en, dersom turbinen er knyttet til en elektrisk generator, få en ugunstig "flikking" i strømproduksjonen. Problemet er kjent blant annet fra vindturbinindustrien.

Den foreliggende oppfinnelse angår følgelig en bærekonstruksjon eller et bærefundament som vesentlig reduserer de negative effektene beskrevet over. Videre tilveiebringes det en skråstilt konstruksjon som kan fundamenteres på en enkel og økonomisk måte ved forskjellige bunnforhold, og som forenkler vedlikehold og utskiftning av komponenter.

Videre tilveiebringes det en konstruksjon som reduserer og fordeler forstyrrelsen av vannstrømmen som treffer turbinen.

Dette oppnås med den foreliggende oppfinnelsen som angitt i de selvsten-dige krav, og der det beskrives en anordning for forankring av en aksialturbin med turbinblader i strømmende vannmasser, der aksialturbinen er opplagret i et hus og er tilpasset for å dreie om en første akse. Anordningen omfatter en bæresøyle med en første og en andre ende, som definerer en andre akse langs sin lengde og den første aksen og den andre aksen danner en innbyrdes skrå vinkel a. Avstanden mellom bæresøylen og turbinbladene øker proporsjonalt med avstanden ut fra roten av turbinbladene, og den andre enden av bæresøylen er tilpasset for å være fast forbundet med huset bæresøylen er hovedsakelig rett mellom sine to ender. Den første enden av bæresøylen er tilpasset for fast plassering mot havbunnen og for stiv forankring i forhold til de strømmende vannmassene. Bæresøy-len er forbundet med et støtterør med to ender, der den ene enden av støtterøret er forbundet mellom bæresøylens to ender, og den andre enden av støtterøret er avstøttet mot havbunnen eller mot en annen støttekonstruksjon nær havbunnen og der støtterørets lengdeakse, aksialturbinens første akse og bæresøylens andre akse hovedsakelig ligger i samme plan.

Ved å benytte en skråstilt bærestruktur eller anordning i henhold til oppfinnelsen (fremfor en struktur som står loddrett) oppnås det flere fortrinn.

Det blir større avstand fra bærestrukturen til turbinen. Dermed reduseres forstyrrelsene i vannstrømmen vesentlig og dermed også de dynamiske effektene. De negative effektene på turbinbladet av forstyrret strømningsbilde er økende med økende avstand fra roten av turbinen. Løsningen med skråstilt bærestruktur er derfor spesielt gunstig fordi avstanden mellom bærestruktur og turbinblad øker proporsjonalt med avstanden ut fra roten av turbinbladet. Dersom bærestrukturen består av sirkulære rør, vil skråstillingen av bærefundamentet gi et ovalt tverrsnitt sett i horisontalplanet (planet vannet strømmer i). Strømning rundt et ovalt rør er gunstigere med tanke på å redusere forstyrrelsene i strømmen i forhold til strøm-ning rundt ett sirkulært rør.

Skråstillingen av bærefundamentet tillater elastisk bøying av turbinbladet uten fare for at turbinbladene kommer i kontakt med bærestrukturen. (I vindturbinindustrien er dette et forhold som må tas spesielt hensyn til ved utforming av turbinbladene).

Bærefundamentet kan benyttes for varierende bunnforhold og kan eksempelvis være gravitasjons basert. Bokser eller kasser med ballastvekter kan i dette tilfellet blir separat installert på tre fundament-plattformer. Boksene kan være laget av et tungt materiale, men er fortrinnsvis hule og fylles med vektmateriale ved installasjon. Kassenes innbyrdes avstand velges i forhold til antatt belastning, slik at fundamentets "fotavtrykk" er tilstrekklig til at det skapes en ønsket stabilitet. Denne formen for fundamentering egner seg for hard sjøbunn. Ved bløt sjøbunn kan en-ten sugeanker eller peler brukes til sikring av fundamentet til sjøbunnen. Alterna-tivt kan fundamentet være fastgjort til elementer drevet ned i bunnen.

Bærekonstruksjonen eller fundamentet kan omfatte en kabelgate som over-føringskabelen festes til for å unngå utmattingsbrudd på grunn av kreftene fra vannstrømmen.

De beskrevne komponentene kan være satt sammen som moduler for å lette installasjon og vedlikehold. Under installasjon vil normalt huset med turbinen påmontert representere én modul og fundamentet en eller flere andre moduler. Fordelene med moduloppbygning er vesentlig lavere anleggskostnader, mulighe-ter for trinnvis utbygging, og enklere nedbygging.

Kort beskrivelse av de vedlagte figurer:

Fig. 1 viser et sideriss av et fundament i henhold til en utførelsesform av oppfinnelsen; Fig. 2 viser frontriss av utførelsesformen vist på fig 1;

Fig. 3 viser et toppriss av anordningen som vist på fig 1 og 2.

I det følgende vil oppfinnelsen bli beskrevet med et utførelseseksempel.

Figurene 1, 2 og 3 viser en anordning i henhold til en utførelsesform av

oppfinnelsen, sett henholdsvis fra siden, forfra og ovenfra. Anordningen er bereg-net for forankring av en aksialturbin 2 til en bunn under strømmende vannmasser, og for å bli senket ned på en havbunn fra et fartøy. Bunnen kan være en havbunn, en sjøbunn, eller en elvebunn, og de strømmende vannmassene kan være en tidevannsstrøm, en elvestrøm eller en kunstig generert strøm.

Aksiaiturbinen 2 omfatter propellvinger eller turbinblader og er opplagret i et hus, nacelle, kapsel eller gondol 3 og er tilpasset for å dreie om en første akse. Anordningen kan beskrives som et bærefundament som omfatter en bæresøyle 1 og som definerer en andre akse langs sin lengde. Bæresøylen har to ender, og huset 3 er tilpasset for å være fast forbundet med den ene enden av bæresøylen, og den andre enden er tilpasset for å være fast forankret til havbunnen. Den førs-te aksen og den andre aksen danner en innbyrdes skrå vinkel a. Formålet med den skrå vinkelen a er å gi gunstigere hydrodynamiske forhold rundt turbinen, samt å danne en stivere og stødigere konstruksjon for innfesting av turbinen 2 og turbinhuset 3. Vinkelen a må være over 90<*> kan være i eksempelvis en størrel-sesorden på 120° til 150*. gjerne 135°. (når vinkelen ses fra foran turbinens senter akse og videre langs bæresøylen). Vinkelen er tilpasset for å gi optimale hydrodynamiske og mekaniske forhold. Avstanden mellom turbinen 2 og bæresøylen 1 er stor og vil sikre at ikke turbinbladene går inn i bærekonstruksjonen under ekstre-me strømningsforhold. Når en bæresøyle 1 med sirkulært tverrsnitt blir satt på skrå i en vannstrøm som vist, vil det effektive tverrsnittprofilet bli ovalt, hvilket er et gunstig profil i en hydrodynamisk sammenheng, og følgelig blir forstyrrelsen av vannmassen som skal strømme gjennom turbinen 2 redusert.

Bæresøylen 1 er vist med et rørformet tverrsnitt, og er fremstilt av stål, alu-minium, komposittmateriale eller andre egnete konstruksjonsmaterialer. Bæresøy-lens 1 tverrsnitt kan imidlertid også være ovalt, dråpeformet, formet som et vinge-profil eller inneha et annet tverrsnitt som gir gunstige hydrodynamiske forhold når det er plassert i vinkelen bæresøylen skal plasseres med.

Søylen 1 er forbundet med et støtteelement eller støtterør 6 som igjen er forbundet med to støtteben 5 for å sikre stabil installasjon av anordningen. Støtte-rør 6, er vist innfestet med hovedsakelig rett vinkel til søylen 1, men denne vinkelen kan inneha en hvilken som helst annen gunstig størrelse. Støtterøret 6 sikrer god støtte av bæresøylen 1 samtidig som anordningens utstrekning i en strøm-ningsretning holdes på et lavt nivå slik at forstyrrelsen av vannmassene i området rundt turbinen holdes nede. Dette kan oppnås ved eksempelvis at bæresøylen 1 er forbundet med støtteelementet 6 med en senterakse i lengderetningen av støt-terøret 6 slik at bæresøylens senterakse, aksialturbinens omdreiningsakse og bæresøylens akse hovedsakelig ligger i samme plan og som fortrinnsvis innrettes med strømningsretningen når fundamentet er satt i stilling. Imidlertid kan i noen tilfeller fundamentet skråstilles for å optimalisere dynamiske virkninger fra turbinen, og for å ta opp momentet produsert av denne.

Støtterøret 6 er vist rørformet, men kan i likhet med bæresøylen inneha et hvilket som helst tverrsnitt. Tverrsnittet bør imidlertid gi god stivhet og små hydrodynamiske forstyrrelser. Støttebena 5 er vist plassert i en vinkel i forhold til hver-andre, men kunne være laget simpelthen med et element som kunne danne en "invertert T" sammen med støtterøret 6. Støtterøret 6 kan også være drevet ned i havbunnen, eller stabiliseres på en hvilken som helst annen måte.

Støtterøret 6 bæres av støttebena 5 som er tilpasset for å ligge an mot, eller på annen måte være feste til havbunnen. På den viste utførelsesformen er støttebena og enden av bæresøylen utstyrt med kasseformede elementer 4 eller elementer tilpasset for å fylles med ballastmateriale, eksempelvis grus og stein eller betong. Kassene 4 kan være laget av et tungt materiale, men er fortrinnsvis hule og fylles med vektmateriale ved installasjon.

Figurene viser en løftindusert propellerturbin 2 med turbinblader og huset 3 kan utgjøre en modul som kan anvendes til å generere kraft fra de strømmende vannmassene. Modulen kan monteres på en anordning i henhold til oppfinnelsen. Bladene er pitchregulert for å kunne rotere minst 180° i forbindelse med skifte av strømretning og er påmontert huset 3 som fortrinnsvis er en vanntett kapsel med utstyr for å omdanne turbinens 2 rotasjon til elektrisk kraft, inklusiv en generator, eventuelt et gir og kontrollsystem.

Ved at turbinbladene kan roteres som beskrevet, kan den viste konstruksjonen monteres i en låst posisjon på bærekonstruksjonen 1 eller fundamentet (trenger ikke roteres, i motsetning til en vindmølle).

En anordning i henhold til oppfinnelsen som bærer turbinen 2 og huset 3 kan også omfatte en kabelgate som en overføringskabel er festes til for å unngå utmattingsbrudd på grunn av strømkreftene. Overføringskabelen for den genererte kraften som går fra den elektriske generatoren, gjennom det vanntette huset 3 og til et landanlegg (ikke vist). Landanlegget transformerer den genererte kraften før den fases inn på et eksisterende strømnett.

I den foregående beskrivelsen er det beskrevet en forankring for plassering på en bunn. Det er imidlertid ingen ting i veien for at en anordning med en skråstilt bæresøyle i henhold til oppfinnelsen kan plasseres ut fra en bergvegg, eller på annen måte plasseres i strømmende vannmasser fra en kunstig eller naturlig fore-kommende flate tilstøtende de strømmende vannmassene.

Claims (7)

1. Anordning for forankring av en aksialturbin (2) med turbinblader i strøm-mende vannmasser, der aksialturbinen er opplagret i et hus (3) og er tilpasset for å dreie om en første akse, der anordningen omfatter en bæresøyle (1) med en første og en andre ende, der bæresøylen (1) definerer en andre akse langs sin lengde og den første aksen og den andre aksen danner en innbyrdes skrå vinkel a, og avstanden mellom bæresøylen (1) og turbinbladene øker proporsjonalt med avstanden ut fra roten av turbinbladene, og den andre enden av bæresøylen (1) er tilpasset for å være fast forbundet med huset (3), karakterisert ved at: bæresøylen (1) er hovedsakelig rett mellom sine to ender; den første enden av bæresøylen (1) er tilpasset for fast plassering mot havbunnen og for stiv forankring i forhold til de strømmende vannmassene; og bæresøylen (1) er forbundet med et støtterør (6) med to ender, der den ene enden av støtterøret (6) er forbundet mellom bæresøylens (1) to ender, og den andre enden av støtterøret (6) er avstøttet mot havbunnen eller mot en annen støtte-konstruksjon nær havbunnen og der støtterørets (6) lengdeakse, aksialturbinens (2) første akse og bæresøylens (1) andre akse hovedsakelig ligger i samme plan.

2. Anordning i henhold til krav 1, karakterisert ved at støtterøret (6) igjen er forbundet med to støtteben (5) med to ender, der den ene enden er forbundet med støtterøret (6), og den andre enden av støttebena (5) er tilpasset for plassering mot havbunnen.

3. Anordning i henhold til krav 2, karakterisert ved at enden av bæresøylen (1) og enden av støttebena (5) som er tilpasset for plassering mot havbunnen omfatter elementer fastgjort til disse for opptak av ballast.

4. Anordning i henhold til krav 2, karakterisert ved at enden av bæresøylen (1) og enden av støttebena (5) som er tilpasset for plassering mot havbunnen er fastgjort til sugeankere.

5. Anordning i henhold til krav 2, karakterisert ved at enden av bæresøylen (1) og enden av støttebena (5) som er tilpasset for plassering mot havbunnen er tilpasset for fastgjøring til peler drevet ned i havbunnen.

6. Anordning i henhold til krav 1, karakterisert ved at den innbyrdes skrå vinkelen a er større enn 90°.

7. Anordning i henhold til krav 1, karakterisert ved at bæresøylen (1) har et sirkulært tverrsnitt.