DE10113609C1 - Turbinenrotor, insbesondere für Aufwindturbinen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Turbinenrotor insbesondere für Aufwindturbinen; DOLLAR A - mit einem Nabenkörper; DOLLAR A - mit Rotorblättern; DOLLAR A - der Nabenkörper umfaßt einen Außentragring mit am Außendurchmesser eingebrachten axialen Profilnuten und ein Nabeninnenteil; DOLLAR A - Nabeninnenteil und Außentragring sind drehfest miteinander verschaltet; DOLLAR A - der Nabenkörper umfaßt pro Rotorblatt mindestens eine Zwischenplatte, die zwischen Außentragring und Rotorblatt geschaltet ist; DOLLAR A - die Zwischenplatte ist von außen auf den Außentragring geschaltet und umfaßt auf ihrer Innenseite Gegenprofile, die in die axialen Profilnuten eingreifen; DOLLAR A - die Rotorblätter sind in den Zwischenplatten gelagert.

Description

Die Erfindung betrifft einen Turbinenrotor, insbesondere für Windturbinen bzw. Aufwindturbinen.

Im Turbinenbau gibt es das grundlegende Problem, daß mit zunehmenden Leistungsgrößen der Turbinen immer höhere Festigkeitanforderungen an die Turbinenrotoren gestellt werden. Eine Leistungssteigerung wird durch Vergrößerung des Mediumdurchsatzes entweder durch Erhöhung der Drehzahl des Turbinenrotors oder durch eine größere Baugröße des Turbinenrotors erreicht. Insbesondere bei Windkraftturbinen werden inzwischen Rotordurchmesser von über 100 Metern und Gewichte von Rotorblättern von mehreren 10 Tonnen erreicht. Dabei beträgt die Leistung dieser Windturbinen einige Megawatt (MW).

Bei Aufwindturbinen gibt es einen Trend zu deutlich größeren Leistungen, zum Beispiel hinzu Leistungen von über 50 MW. Dabei erreichen die Nabenkörper der Turbinenrotoren von Maschinen dieser Leistungsklasse Durchmesser von über 20 Metern. An diesen Nabenkörpern sind sehr größe und schwere Rotorblätter befestigt. Der Nabenkörper muß die hohen radialen Fliehkräfte bei allen Betriebs- und Störfällen sicher aufnehmen und gleichzeitig das Drehmoment weiterleiten. Häufig ist zusätzlich die Befestigung so zu gestalten, daß das Rotorblatt während des Betriebes, das heißt während der Rotation um seine Längsachse gedreht werden kann.

Herkömmliche Schaufelfußbefestigungen sind beispielsweise in den Schriften DE 38 39 672 C2, EP 0 274 978 A1 und DE 199 14 227 A1 dargestellt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Turbinenrotor anzugeben, der hinsichtlich seiner Festigkeitseigenschaften verbessert ist und insbesondere für den Einsatz in Aufwindturbinen großer Leistung (z. B. größer 50 MW) und niedriger Drehzahl (z. B. weniger als 50 Umdrehungen pro Minute) geeignet ist. Weiterhin soll der Turbinenrotor kostengünstig hergestellt und montiert werden können.

Diese Aufgabe wird durch einen Turbinenrotor mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die abhängigen Ansprüche beschreiben besonders vorteilhafte Ausgestaltungen.

Die Erfinder haben erkannt, daß besonders gute Festigkeitseigenschaften bei einem Turbinenrotor dadurch erreicht werden können, daß man den Nabenkörper des Turbinenrotors gemäß seiner Funktionen "Fliehkraftbeanspruchung" und "Drehmomentübertragung" in zwei Teile aufteilt. Der erfindungsgemäße. Turbinenrotor umfaßt einen Nabenkörper mit einem Nabeninnenteil und einem Außentragring. Der Außentragring umfaßt axiale Profilnuten, die am Außendurchmesser eingebracht sind, das heißt die von außen in die äußere Oberfläche des Außentragringes hinein ausgearbeitet sind.

Nabeninnenteil und Außentragring sind drehfest miteinander verschaltet, damit das Drehmoment vom Außentragring auf das Nabeninnenteil übertragen wird.

Der Turbinenrotor umfaßt weiterhin Rotorblätter, die insbesondere verstellbar sind. Die erhebliche Masse der Rotorblätter bewirkt im Betrieb, das heißt bei der Rotation, Fliehkräfte, die durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung vom äußeren Teil des Nabenkörpers aufgenommen werden. Dazu umfaßt der Nabenkörper pro Rotorblatt mindestens eine Zwischenplatte, die zwischen Außentragring und Rotorblatt geschaltet ist. Die Zwischenplatte ist von außen an dem Außentragring angeschlossen und umfaßt auf ihrer Innenseite Gegenprofile, die in die axialen Profilnuten am Außendurchmesser des Außentragringes eingreifen. Vorteilhaft können diese Gegenprofile als Schwalbenschwanzfuß, (Doppel-)Hammerkopffuß oder als Tannenbaumfuß ausgebildet sein. Solche Fußformen haben sich besonders bei großen Radialkräften bewährt. Die Aufzählung ist jedoch nicht abschließend, sondern es sind selbstverständlich auch andere Fußformen denkbar, beispielsweise seien nur Steckfüße oder Klauenfüße genannt.

Die Rotorblätter sind in den Zwischenplatten gelagert, zum Beispiel mittels eines nach außen überstehenden Kragens am inneren Rotorblattende, der in entsprechende in der Zwischenplatte ausgeführten Innenwinkel oder in auf der Zwischenplatte ausgeführten Konsolen eingreift. Besonders vorteilhaft sind zwischen Zwischenplatte und Rotorblatt, insbesondere bei um ihre Längsachse verdrehbaren Rotorblättern, Traglager geschaltet.

In einer besonders vorteilhaften Ausführung umfaßt der Außentragring einzelne Segmente, die mittels Verbindungsmitteln zusammengefügt sind. Dies ist besonders dann vorteilhaft, wenn der Turbinenrotor sehr große Abmessungen aufweist. In einer hinsichtlich der Festigkeitseigenschaften und Herstellungs- bzw. Montagekosten besonders vorteilhaften Ausführung umfaßt der Turbinenrotor einen Außentragring mit einer Laminatstruktur. Die Laminatstruktur ist aus überlappend geschichteten dünnen Blechen aufgebaut. Die Bleche weisen Bohrungen auf und sind mittels Bolzen, die durch diese Bohrungen gesteckt sind, miteinander verkettet. Mittels dieser Bolzen werden sozusagen einzelne Blechpakete zusammengehalten, welche durch die netzartige Verkettung in ihrer Gesamtheit den Außentragring bilden. Besonders geeignet sind dünne, hochfeste Bleche. Die Einzelbleche können durch Stanzen bzw. Laserschneiden formgenau hergestellt werden. Dadurch ist eine kostengünstige Herstellung und gleichzeitig ein kostengünstiger Transport eines nicht montierten Turbinenrotors möglich.

Besonders vorteilhaft ist die Laminatstruktur derart ausgebildet, daß die Bleche in axialer Richtung des Nabenkörpers aufeinander geschichtet sind, und die Verbindungsmittel, insbesondere die Bolzen, eine Längsachse aufweisen, die parallel der Längsachse des Nabenkörpers verläuft. Diese Ausführung hat besondere Vorteile hinsichtlich der Aufnahme von Radialkräften, welche in Umfangsrichtung abgeleitet werden. Weiterhin ist das Einbringen der axialen Profilnuten in die einzelne Blechsegmente durch entsprechende Formgebung beim Stanzen oder Laserschneiden besonders einfach und sehr präzise möglich.

Bei der Montage eines Nabenkörpers wird der Außentragring bevorzugt auf das Nabeninnenteil aufgeschrumpft, zum Beispiel kann der Außentragring mit in Bohrungen eingesetzten Heizstäben erwärmt und zur Ausdehnung gebracht werden. In diesem Zustand werden dann Beilagen an den Kontaktflächen zum Nabeninnenteil eingefügt, die beim nachfolgenden Abkühlen zwischen Nabeninnenteil und Außentragring verspannt werden. Ein Abheben des Außentragringes von dem Nabeninnenteil, was wegen der unterschiedlichen Aufweitungen infolge der unterschiedlichen mechanischen Beanspruchungen der Bauteile sonst häufig unvermeidbar ist, tritt dadurch erst bei einer durch die Höhe des Schrumpfes einstellbaren Drehzahl ein, beziehungsweise kann gänzlich vermieden werden.

In einer besonderen Ausführung mit verstellbaren Rotorblättern ist ein Verstellmechanismus in die einzelnen Zwischenplatten eingebracht. In der Regel ist es erforderlich, daß die Position der Rotorblätter um ihre Längsachse während des Betriebes verstellt werden kann. Der Verstellmechanismus wird vorteilhaft ausschließlich mit der Zwischenpaltte verschaltet.

Im Bereich der Rotorblattlängsachse kann vorteilhaft eine radiale Aussparung im Außentragring eingebracht sein. Durch diese kann zum Beispiel der Mechanismus für die Flügelverstellung zugänglich sein, und Montage- und Wartungsarbeiten können einfach durchgeführt werden. Bei der Ausführung des Außentragringes mittels einzelner Bleche ist das Einbringen dieser radialen Aussparung bei der Formgebung beim Stanzen oder Laserschneiden besonders einfach möglich.

Nachfolgend soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles näher beschrieben werden.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Axialschnitt durch die Hälfte eines erfindungsgemäßen Turbinenrotors;

Fig. 2 eine Ansicht auf den äußeren Teilbereich eines erfindungsgemäßen Turbinenrotors;

Fig. 3 einen Schnitt entlang der Schnittlinie A-B aus Fig. 1;

Fig. 4 die Einzelheit Z aus Fig. 1 mit zwei Beispielen a und b der Verbindung zwischen Nabeninnenteil und Außentragring.

In Fig. 1 ist ein Schnitt durch einen Turbinenrotor einer Aufwindturbine dargestellt. Man erkennt einen Nabenkörper 1 mit einem Nabeninnenteil 10 und einem Außentragring 3. Radial von außen ist eine Zwischenplatte 5 auf den Außentragring 3 geschaltet. Die Zwischenplatte 5 trägt ein Rotorblatt 2 in Form eines Flügels und einen Verstellmechanismus 8 zum Verstellen des Rotorblattes 2 um seine Längsachse. Das Nabeninnenteil 10 umfaßt eine Tragwerkstruktur. Man erkennt zwei innenliegende Flansche 10.1, an die Kreisscheiben 10.2 angeschlossen sind, welche besonders vorteilhaft mittels Verstrebungen untereinander gegen Verformung gesichert sind.

Besonders im Schnitt C-A erkennt man weiterhin eine radiale Tragstruktur 10.3, die beispielsweise wie dargestellt mittels senkrechten, radial angeordnete Blechen ausgeführt sein kann. Die Kreisscheiben 10.2 beziehungsweise die radiale Tragstruktur 10.3 tragen Elemente zur drehfesten Anbindung des Außentragringes 3, beispielsweise Vierkantprofile 11.

Die Tragwerksstruktur des Nabeninnenteils 10 kann besonders vorteilhaft als Schweißkonstruktion ausgeführt sein.

Insbesondere in Fig. 2 ist die Verbindung zwischen Nabeninnenteil 10 und Außentragring 3 genauer dargestellt. Wie man sieht, sind zwischen Außentragring 3 und radialer Tragstruktur 10.3 Vierkantprofile 11 eingebracht, deren Längsachse in Richtung der Längsachse des Nabenkörpers 1 verläuft. Diese Vierkantprofile 11 greifen in Nuten im Nabeninnteil 10 ein und sind mit dem Nabeninnenteil 10, insbesondere mit der radialen Tragstruktur 10.3 beziehungsweise den Kreisscheiben 10.2 verschweißt. Die in der Fig. 4 dargestellte Einzelheit Z aus Fig. 1 zeigt zwei besonders vorteilhafte Verbindungen zwischen Vierkantprofil 11 und Außentragring 3. Wie man sieht, ist die radial außen liegende Kontur des Vierkantprofiles 11 der radialen Innenkontur des Außentragringes 3 angepaßt. Generell sind aber verschiedene Querschnitte eines beliebigen Profiles denkbar.

In Fig. 4a ist die Verbindung mittels einer Paßfeder 12 hergestellt. Die Paßfeder 12 ist dabei gleichzeitig in eine Axialnut im Vierkantprofil 11 und in eine Axialnut im Außentragring 3 eingebracht.

In Fig. 4b ist eine weitere Ausführung dargestellt, bei der ein Vierkantprofil 11 in einer Axialnut des Nabeninnenteiles 10 verschweißt ist. Das Vierkantprofil 11 umfaßt auf seiner radial außenliegenden Seite eine Nut, in welche eine Paßfeder 12 eingebracht ist. Der Außentragring 3 umfaßt auf seiner Innenseite eine Axialnut, in welcher die Paßfeder 12 mittels eines Keilpaares 13 verkeilt ist. Diese Ausführung gewährleistet eine sehr sichere Verbindung und ist gleichzeitig besonders leicht montierbar.

Durch eine solche Nut- und Federkombination wird der Außentragring 3 radial geführt und kann sich in dieser Richtung entsprechend den angreifenden Kräften elastisch verformen. Aufgrund der vielen radialen Führungen behält er aber zu jedem Zeitpunkt seine Kreisform.

In der in Fig. 2 dargestellten Ansicht ist weiterhin beispielhaft die Verbindung zwischen Außentragring 3 und Zwischenplatte 5 dargestellt, welche derart ausgeführt sein muß, daß die großen Radialkräfte von der Zwischenplatte 5 auf den Außentragring 3 übertragen werden können. Dies ist beispielsweise durch die dargestellte Ausführung mit in dem Außentragring 3 eingebrachten axialen Profilnuten 4 möglich, in welche die Gegenprofile 6 eingreifen, die auf der Innenseite der Zwischenplatte 5 ausgebildet sind. Für eine besonders zuverlässige Verbindung können diese Gegenprofile 6 mit der Zwischenplatte 5 integral ausgebildet sein. Der in Fig. 2 dargestellte Außentragring 3 ist mittels überlappend geschichteten dünnen Blechen ausgebildet, welche mittels in Axialrichtung des Nabenkörpers 1 ausgerichteten Bolzen miteinander verkettet sind. Die Mittellinien der Bolzen sind als Kreuze angedeutet.

Weiterhin erkennt man durchgestrichelte Linien angedeutet eine Aussparung 9 im Außentragring 3, die in radialer Richtung im Bereich der Längsachse des Rotorblattes 2 verläuft und welche für Wartungs- und Montagearbeiten genutzt werden kann.

In Fig. 3 ist in einem weiteren Radialschnitt, der entlang der Schnittlinie A- B aus Fig. 1 ausgeführt ist eine beispielhafte Verbindung zwischen einer Zwischenplatte 5 und einem Rotorblatt 2 dargestellt. Das Rotorblatt 2 ist mittels eines Verstellmechanismus 8, welcher in die Zwischenplatte 5 geschaltet ist, um seine Längsachse drehbar. Der Verstellmechanismus 8 umfaßt einen Motor 8.1 und ein Zahnrad 8.2, welches in eine Innenverzahnung 8.4 eines Kragenelementes 8.5 eingreift. Das Kragenelement 8.5 ist drehbar in einer an der Zwischenplatte 5 angeschlossenen Konsole 14 gelagert und am Rotorblatt 2 angeflanscht. Die Lagerung des Kragenelementes 8.5 erfolgt dabei mittels eines oder mehreren Traglagern 15, welche zwischen den hinsichtlich der Längsachse des Rotorblattes 2 radial nach außen überstehenden Kragen 8.4 des Kragenelementes 8.5 und einem radial nach innen überstehenden Flansch der Konsole 14 geschaltet ist.

Fig. 3 zeigt weiterhin eine Aussparung 9, welche im Bereich der Längsachse des Rotorblattes 2 sowohl in den Außentragring 3 als auch die Zwischenplatte 5 eingebracht ist.

Weiterhin sind wiederum Bolzen 7 angedeutet, welche die in Laminatstruktur verbundenen Bleche des Außentragringes 3 verketten.

Bezugszeichenliste

1

Nabenkörper

2

Rotorblatt

3

Außentragring

4

Profilnut

5

Zwischenplatte

6

Gegenprofil

7

Bolzen

8

Verstellmechanismus

8.1

Motor

8.2

Zahnrad

8.3

Kragen

8.4

Kragenelement

9

Aussparung

10

Nabeninnenteil

10.1

Flansch

10.2

Kreisscheibe

10.3

radiale Tragstruktur

11

Vierkantprofil

12

Paßfeder

13

Keilpaar

14

Konsole

15

Traglager

Claims (9)

1. Turbinenrotor, insbesondere für Aufwindturbinen;

• 1. 1.1 mit einem Nabenkörper (1);
• 2. 1.2 mit Rotorblättern (2);
• 3. 1.3 der Nabenkörper (1) umfaßt einen Außentragring (3) mit am Außendurchmesser eingebrachten axialen Profilnuten (4) und ein Nabeninnenteil (10);
• 4. 1.4 Nabeninnenteil (10) und Außentragring (3) sind drehfest miteinander befestigt;
• 5. 1.5 der Nabenkörper (1) umfaßt pro, Rotorblatt (2) mindestens eine Zwischenplatte (5), die zwischen Außentragring (3) und Rotorblatt (2) angeordnet ist;
• 6. 1.6 die Zwischenplatte (5) ist von außen auf den Außentragring (3) befestigt und umfaßt auf ihrer Innenseite zum Außentragring hin Gegenprofile (6), die in die axialen Profilnuten (4) eingreifen;
• 7. 1.7 die Rotorblätter (2) sind in den Zwischenplatten (5) gelagert.

2. Turbinenrotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Außentragring (3) einzelne Segmente umfaßt, die mittels Verbindungsmitteln zusammengefügt sind.

3. Turbinenrotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Außentragring (3) eine Laminatstruktur aus überlappend geschichteten dünnen Blechen aufweist, wobei die Bleche mittels Batzen (7) verbunden sind, die Bolzen durch Bohrungen die Bleche hätten.

4. Turbinenrotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bleche in axialer Richtung des Nabenkörpers (1) aufeinander geschichtet sind und die Längsachse der Bolzen (7) parallel der Längsachse des Nabenkörpers (1) verläuft.

5. Turbinenrotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Verstellmechanismus (8) zum Verstellen der Position der. Rotorblätter (2), insbesondere um ihre Längsachse vorhanden ist.

6. Turbinenrotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Außentragring (3) im Bereich der Rotorblattlängsachse eine radiale Aussparung (9) für Montage- und Wartungszwecke umfaßt.

7. Turbinenrotor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenprofile (6) als Schwalbenschwanzfuß, Hammerkopffuß, Doppelhammerkopffuß, Tannenbaumfuß, Klauenfuß oder Steckfuß ausgebildet sind.

8. Turbinenrotor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Nabeninnenteil (10) eine Tragwerkstruktur aufweist, die insbesondere verschweißt ist.

9. Turbinenrotor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigung des Außentragringes (3) und des Nabeninnenteiles (10) mittels in Längsrichtung des Nabenkörpers (1) ausgerichteten Profilen, insbesondere mittels mit dem Nabeninnenteil (10) verschweißten Vierkantprofilen (11), ausgeführt ist, wobei die Profile mittels Paßfedern (12) am Außentragring (3) angeschlossen sind.