DE10012927A1

DE10012927A1 - Dampfturbinen-Generator-Einheit

Info

Publication number: DE10012927A1
Application number: DE2000112927
Authority: DE
Inventors: Friedrich Roth
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-03-16
Filing date: 2000-03-16
Publication date: 2001-09-20

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist eine Dampfturbinen-Generator-Einheit, mit der aus überhitztem Dampf elektrische Energie erzeugt werden soll. DOLLAR A Aufgabe der Erfindung ist es, eine kleine Einheit zu bauen, bei der Turbine und Generator in einem Gehäuse untergebracht sind. DOLLAR A Dies gelingt dadurch, daß in einem radial geteilten Gehäuse ein mit Schaufeln besetztes Turbinenlaufrad angeordnet ist, das eine mit Lagerelementen versehene Turbinenhohlwelle aufweist. Die Hohlwelle trägt einen Rotor mit Dauermagneten, der in einen Ring mit Induktionsspulen eintaucht. Der Dampf tritt zentripetal in das Laufrad ein und wird durch die Hohlwelle in einen Kondensator geleitet.

Description

Gegenstand der Erfindung ist eine Dampfturbinen-Generator-Einheit zur Gewinnung elektrischer Energie aus überhitztem Dampf.

Dampfturbinen und Generatoren sind in vielen Ausführungsformen bekannt geworden. In aller Regel sind beide Maschinen getrennte Einheiten für große Leistungen, die über eine Wellenkupplung oder ein Getriebe miteinander verbunden werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine kleine Turbinen-Generator-Einheit zu schaffen, bei der Turbine und Generator zu einer Einwelleneinheit mit gemeinsamem Gehäuse zusammengefaßt sind, wobei ein schmierstofffreier Betrieb angestrebt wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in einem radial geteilten Gehäuse ein mit Schaufeln besetztes Turbinenlaufrad angeordnet ist, das eine mit Lagerelementen versehene Hohlwelle aufweist, daß diese Hohlwelle einen scheibenförmigen, mit Dauermagneten besetzten Generatorläufer trägt, der in einen teilbaren Ständerring mit eingegossenen Statorwicklungen eintaucht, und daß der überhitzte Dampf aus einem Düsenring die Schaufeln beaufschlagt, zentripedal in das Laufrad eintritt, durch die Hohlwelle weitergeleitet und einem Kondensator zugeführt wird.

Alternativ kann die Hohlwelle mit einem Zahnrad versehen werden, das über ein Planetengetriebe einen ringförmigen mit Innenzahnung versehenen Generatorläufer antreibt, der mit Dauermagneten besetzt ist. Die Ständerwicklungen des Generators sind außen am Gehäuse angeordnet. Das Magnetfeld durchdringt einen druckdichten Ring aus einem nicht metallischen Material. Der Ring, vorzugsweise ein Zylindermantel aus Hartkeramik oder Spezialglas, liegt gewissermaßen im Luftspalt des Generators. Mit Hilfe des Planetengetriebes wird die sehr hohe Drehzahl des Turbinenlaufrades auf vorzugsweise 3000 Umdrehungen pro Minute beim Generatorläufer untersetzt.

Die Hohlwelle des Turbinenlaufrades kann mit Spezialkugellagern oder mit Tellerscheiben gelagert sein, die in Nuten der Hohlwelle abrollen. Die Wellen dieser Tellerscheiben tragen zugleich die Planetenräder des Untersetzungsgetriebes.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand von Fig. 1-6 der Zeichnung erläutert.

Fig. 1 stellt einen Längsschnitt durch die Dampfturbinen-Generatoreinheit dar,

Fig. 2 eine andere Generatorbauform - im Längsschnitt gezeichnet -,

Fig. 3 zeigt einen Querschnitt durch diesen Generator,

Fig. 4 einen Querschnitt im Bereich des Turbinenlaufrades,

Fig. 5 einen vergrößerten Ausschnitt aus Fig. 2,

Fig. 6 einen vergrößerten Ausschnitt aus Fig. 3.

In Fig. 1 ist mit 1 das vorzugsweise zylindrische Gehäuse eines Wärmetauschers bezeichnet, dem über einen Stutzen 2 Heißluft oder ein anderes Gas als Wärmeträger zugeführt wird. Die Luft oder das Gas tritt aus einem Stutzen 3 aus. Im Innern des Gehäuses 1 sind ringförmig zylindrische Dampferzeuger 4, 5 angeordnet. Eine Trennwand 6 und Luftleitbleche sorgen dafür, daß die heiße Luft von unten nach oben entsprechend den Pfeilen an den Rippen der Dampfkesselwände entlang streicht und möglichst viel Wärme an die im Innenraum vorgesehenen Strukturkörper 7, 8 abgibt.

Mit 9 ist eine Ringleitung bezeichnet, die über Magnetventile 10, 11 Speisewasser an die Dampferzeuger abgibt. Die Ringleitung 9 ist über eine weitere Leitung 12 zu einer Pumpe 13 geführt, die von einem Kondensator 14 gespeist wird. Der Kondensator ist innen mit Strukturkörpern 15 gefüllt. Außen trägt er Kühlrippen 16. Ein Gehäuse 17 umschließt die Kühlrippen. Diesem Gehäuse wird über einen Stutzen 18 Kühlluft zugeführt, die aus einem Stutzen 19 austritt.

Das in die Dampferzeuger 4, 5 eingespritzte Wasser wird beim Auftreffen auf die erhitzten Strukturkörper 7, 8 verdampft. Der im Gegenstromprinzip überhitzte Dampf tritt unten an Dampfdüsen 20, 21 aus, die die Schaufeln eines Turbinenlaufrades 22 beaufschlagen. Dieses Rad ist mit einer Turbinenhohlwelle 23 verbunden, die an zwei Stellen zwischen Tellerscheiben 24, 25, 26, 27 gelagert ist. In der Praxis verwendet man 2 × 3 Tellerscheiben, die jeweils um 120° gegeneinander versetzt sind.

Am unteren Ende trägt die Hohlwelle 23 ein Zahnrad 28, das größere Zahnräder 29, 30 antreibt. Diese sitzen auf den Wellen 31, 32, die die Tellerscheiben 24-27 und weitere Zahnräder 33, 34 tragen. Über Planetenräder 35, 36 wird ein ringförmiger Generatorläufer 37 mit Innenverzahnung angetrieben, in den Dauermagnete eingearbeitet sind.

Das Turbinengehäuse ist in der Ebene des Generatorläufers 37 teilbar. Zwischen der unteren Hälfte 38 und der oberen Hälfte 39 ist ein zylindermantelförmiger Ring 40 aus einem nichtmetallischen Werkstoff dichtend eingeklemmt, der die magnetischen Kraftlinien ohne Wirbelstromverluste durchläßt. Als Werkstoff kommt ein Spezialglas oder ein keramisches Material infrage.

Außerhalb des Druckraumes ist der Generatorständer angeordnet, der aus einem Eisenkern und Induktionsspulen 41, 42 besteht.

Das Turbinenlaufrad 22 ist so aufgebaut, daß der Dampf zentripetal in die Schaufeln eintritt und durch die Hohlwelle 23 nach unten abgeleitet wird, wo er in den Kondensator 14 eintritt.

In Höhe der Tellerräder 24-27 weist die Hohlwelle spezielle Nuten auf, in denen die Tellerräder stabilisierend abrollen. Alle Tellerräder und Zahnräder bestehen aus Materialien, die unter Feuchtigkeit ohne Fettschmiermittel dauerlauffest sind. Unter Umständen sind besondere Oberflächenbeschichtungen aufzubringen.

Die Lager für den Generatorläufer, die Zahnräder und die Tellerscheiben bestehen vorzugsweise aus Edelstahlringen mit Keramikkugeln, benötigen also ebenfalls keine Fettschmierung.

Zwischen der unteren Gehäusehälfte 38 und der oberen 39 werden nicht dargestellte Säulen Paßstifte und Schrauben benutzt, um alle Teile exakt und sicher zu positionieren. Das mehrstufige Untersetzungsgetriebe ermöglicht es, die Turbine für den Bereich um 50000 Umdrehungen pro Minute auszulegen, während der Generatorläufer nur 3000 Umdrehungen macht. Somit kann Drehstrom von 50 Hz erzeugt werden.

Unterhalb des Kondensators 14 ist ein Wasssertank 54 angedeutet, dem ein Überdruckventil 55 zugeordnet ist. Im Falle eines unzulässigen Druckanstieges kann das gesamte im Kreislauf geführte Prozesswasser in den Tank 54 ablaufen. Weitere Überdruckventile 56, 57 und 58 sind an den Dampferzeugern 4, 5 und der Leitung 12 angebracht. Das gesamte System wird von einer Steuereinheit 59 überwacht.

In Fig. 2 ist eine alternative Bauform des Generators dargestellt. Die Turbinenhohlwelle 23 trägt anstelle eines Zahnrades einen scheibenförmigen Rotor 43 mit Dauermagneten. Dem Magneten steht ein teilbarer Ständerring gegenüber, der Induktionsspulen 44, 45 trägt. Die Spulenanschlüsse werden über druckdichte Durchführungen 46, 47 nach außen geleitet. Da die Induktionsspulen im Feuchtbereich angeordnet sind, sind sie durch ausreichend temperaturbeständige Vergußmassen gegen Feuchtigkeit und elektrische Entladungen abzusichern.

Fig. 3 zeigt einen Querschnitt durch diesen Generator. Man blickt von unten gegen den Rotor 43 mit eingesetzten Dauermagneten 48. Hinter dem Rotor sind die Tellerscheiben 25, 27, 49 angedeutet.

Da der Generator als Schnellläufer ohnehin schon hochfrequenten Strom induziert, ist der Läufer 43 als zweipoliger Läufer ausgeführt. Die eine Hälfte der Kreisfläche trägt Magneten, die dem Betrachter den Nordpol zuwenden, bei der anderen Hälfte ist es der Südpol. Die erzeugte elektrische Energie wird einem Umrichter zugeführt. Damit entfällt die sonst übliche Forderung, die Drehzahl der Turbine konstant zu halten. Die Turbinen-Generator-Einheit nach Fig. 2 und 3 kann jederzeit bei Bedarf ohne Synchronisationsprobleme zugeschaltet werden.

Fig. 4 zeigt einen Querschnitt von unten in Höhe des Turbinenlaufrades 22. Man erkennt die bereits in Fig. 2 benannten Dampferzeuger 4 und 5 mit den Dampfdüsen 20 und 21. Weitere acht Dampferzeuger und Dampfdüsen sind im Kreis angeordnet. Sie können einzeln oder auch gemeinsam angesteuert und geregelt werden, wie in Fig. 1 angedeutet ist.

Die Ausschnittvergrößerung nach Fig. 5 zeigt die Turbinenhohlwelle 23 mit Tellerscheiben 25 und 27. Der Rotor 43 ist auf der Welle 23 befestigt. Der Magnetring taucht in eine Induktionsspule 45 ein. Über eine Durchführung 47 in der Gehäusewand 49 wird der Strom nach außen geleitet. Die Tellerscheibe 27 sitzt auf einer Welle 50. Sie sitzt mit dem unteren Ende in einem Lager 51. Die Turbinenhohlwelle 23 trägt eine halbrunde Nut 23a, in der die Tellerscheiben abrollen.

An der Gehäusewand 49 ist eine Konsole 52 befestigt, auf der der teilbare Ständerring 53 des Generators aufliegt. In diesen Ständerring sind Eisenkerne, vorzugsweise Ferritkerne, integriert, die den Magnetfluß durch die Spulen leiten.

Fig. 6 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt aus Fig. 3. Mit 23 ist die Turbinenhohlwelle angedeutet, mit 25 und 27 zwei Tellerscheiben. Die Magneten 48 sitzen auf dem Rotor 43. Von insgesamt 10 Eisenkernen mit darüberliegenden Induktionsspulen 44 sind nur 3 dargestellt.

Es ist darauf hinzuweisen, daß die dargestellten Elemente und Maschinenteile nicht maßstabsgerecht gezeichnet sind. Auch könnte die Anzahl der Dampferzeuger wesentlich kleiner als 10 sein.

Durch den Anbau der Dampferzeuger an das Turbinen- und Generatorgehäuse erhält man eine sehr kompakte Anlage mit kurzen Leitungen für Dampf und Wasser. Zur Erzielung einer Eigensicherheit ist es vorteilhaft, daß nur eine sehr kleine Wassermenge benötigt wird.

Bezugszeichenliste

1

Gehäuse

2

,

3

Stutzen

4

,

5

Dampferzeuger

6

Trennwand

7

,

8

Strukturkörper

9

Ringleitung

10

,

11

Magnetventile

12

Leitung

13

Pumpe

14

Kondensator

15

Strukturkörper

16

Kühlrippen

17

Gehäuse

18

,

19

Stutzen

20

,

21

Dampfdüsen

22

Turbinenlaufrad

23

Turbinenhohlwelle

23

a Nut

24

,

25

,

26

,

27

Tellerscheiben

28

,

29

,

30

Zahnräder

31

,

32

Wellen

33

,

34

Zahnräder

35

,

36

Planetenräder

37

Generatorläufer

38

untere Gehäusehälfte

39

obere Gehäusehälfte

40

Ring

41

,

42

Induktionsspulen

43

Rotor

44

,

45

Induktionsspulen

46

,

47

Durchführungen

48

Magnete

49

Gehäusewand

50

Welle

51

Lager

52

Konsole

53

Ständerring

54

Wassertank

55-58

Überdruckventile

59

Steuereinheit

Claims

1. Dampfturbinen-Generator-Einheit zur Gewinnung elektrischer Energie aus überhitztem Dampf, dadurch gekennzeichnet,
daß in einem radial geteilten Gehäuse ein mit Schaufeln besetztes Turbinenlaufrad (22) angeordnet ist, das eine mit Lagerelementen versehene Turbinenhohlwelle (23) aufweist,
daß diese Hohlwelle einen scheibenförmigen mit Dauermagneten besetzten Rotor (43) trägt, der in einen teilbaren Ständerring (53) mit eingegossenen Induktionsspulen (44, 45) eintaucht, und
daß der überhitzte Dampf aus einem Ring von Düsen (20, 21) die Schaufeln beaufschlagt, zentripetal in das Laufrad (22) eintritt, durch die Hohlwelle (23) weitergeleitet und einem Kondensator (14) zugeführt wird.

2. Dampfturbinen-Generator-Einheit zur Gewinnung elektrischer Energie aus überhitztem Dampf,
dadurch gekennzeichnet,
daß in einem radial geteilten Gehäuse (38, 39) ein mit Schaufeln besetztes Turbinenlaufrad (22) angeordnet ist, das eine Turbinenhohlwelle (23) aufweist, die mit mehreren Nuten (23a) und einem Zahnrad (28) versehen ist,
daß die Nuten (23a) zwischen je drei Tellerscheiben (24-27) gelagert sind,
daß die Tellerscheibenwellen (31, 32) über weitere untersetzende Planetenräder (35, 36) einen ringförmigen Generatorläufer (37) antreiben,
daß der Läufer (37) von einem mit Induktionsspulen (41, 42) versehenen Generatorständer umgeben ist,
daß im Luftspalt zwischen Generatorständer und Läufer ein zylindermantelförmiger Ring (40) aus einem nichtleitenden Werkstoff vorgesehen ist und
daß der genannte Ring (40) gegen die obere und untere Gehäusehälfte (38 und 39) abgedichtet ist.

3. Dampfturbinen-Generator-Einheit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß den Schaufeln des Turbinenlaufrades (22) ein Düsenring (20, 21) zugeordnet ist, aus dem der Dampf zentripetal in das Laufrad (22) eintritt, wobei der entspannte Dampf von der Turbinenhohlwelle (23) weitergeleitet und einem Kondensator (14) zugeführt wird.

4. Dampfturbinen-Generator-Einheit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gehäusehälften (38, 39) über Abstandssäulen, Paßstifte und Schrauben miteinander verbunden sind, wobei diese Verbindungselemente in den Freiräumen zwischen den Tellerscheiben resp. Planetenrädern angeordnet sind.

5. Dampfturbinen-Generator-Einheit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der ringförmige Generatorläufer (37) eine Innenverzahnung aufweist, die über Planetenräder (35, 36) mit den Zahnrädern (33, 34) der Tellerscheibenwellen verbunden sind.

6. Dampfturbinen-Generator-Einheit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rollen- oder Kugellager im Gehäuse für einen Betrieb ohne Öl oder Fett ausgelegt sind.

7. Dampfturbinen-Generator-Einheit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahnräder und Abrollflächen eine Beschichtung aufweisen, die einen öl- und fettfreien Betrieb erlaubt.

8. Dampfturbinen-Generator-Einheit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Tellerscheiben (24-27) und die Nuten (23a) der Tellerscheibenwellen (50) eine für ölfreien Betrieb geeignete Beschichtung aufweisen.

9. Dampfturbinen-Generator-Einheit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Generatorläufer (37) mit Innenverzahnung Lager aufweist, die als Stützlager in axialer und radialer Richtung guten Rundlauf gewährleisten.

10. Dampfturbinen-Generator-Einheit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Generatorläufer (37) mit Innenverzahnung als Drehkranzlager direkt an einer Gehäusehälfte gelagert ist.