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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine Dampfturbine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung zur Lagerung einer Welle nach dem nebengeordneten Anspruch.
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Stand der Technik
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Aus dem Stand der Technik sind Dampfturbinen bekannt, mit welchen sich die thermische Energie von Dampf, insbesondere von überhitztem Dampf, in mechanische Energie und weiter mittels eines Generators in elektrische Energie umwandeln lässt. Solche Dampfturbinen sind auch für kleine Leistungen, d. h. Leistungen von weniger als 500 kW bekannt, wobei aus dem Stand der Technik bekannte Dampfturbinen über eine Welle verfügen, auf welcher Turbinenschaufeln angeordnet sind. Über einen Dampfeinlass wird Dampf in axialer Richtung auf die Turbinenschaufeln zum Antreiben der Welle geleitet.
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Nachteilig bei solchen axial durchströmten Dampfturbinen ist allerdings, dass sie mit vertretbarem Aufwand und guten Wirkungsgraden nur für hohe Leistungen konstruiert werden können. Für kleinere Massenströme sind solche axial durchströmten Dampfturbinen teuer und weisen unter Umständen außerdem einen schlechten Wirkungsgrad auf.
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Weiterhin sind radial angeströmte Laufräder bekannt, beispielsweise aus der
DE 10 2008 052513 . Die dort gezeigte Anordnung mit radialer Abströmung hat allerdings nur einen begrenzten Wirkungsgrad bei Anwendungen mit kleinen Massenströmen.
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Offenbarung der Erfindung
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Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile des Standes der Technik zu lindern oder zu beheben, insbesondere ist es Aufgabe der Erfindung, eine Dampfturbine für geringe Massenströme oder kleine Nennleistungen anzugeben, die mit einem guten Wirkungsgrad betrieben werden kann oder einfach hergestellt oder aufgebaut ist.
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Die Aufgabe wird mit einer Dampfturbine gemäß Anspruch 1 gelöst. Besonders geeignet sind solche Dampfturbinen für Biogasanlagen, welche üblicherweise über eine im Vergleich zu herkömmlichen Kraftwerken geringere thermische Leistung verfügen. Besonders geeignet sind erfindungsgemäße Dampfturbinen für die Nutzung von Abgaswärme nach einer Kraft-Wärme-Kopplungsstufe einer Biogasanlage.
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Die erfindungsgemäße Dampfturbine weist eine mechanische Nennleistung bis zu 500 kW auf. Dabei ist mit mechanischer Nennleistung die Leistung gemeint, welche die Dampfturbine im Dauerbetrieb auf ihrer Abtriebswelle zum Antrieb eines Generators oder direkt auf die Welle eines Verbrennungsmotors abgeben kann. Besonders bevorzugt werden Dampfturbinen mit noch kleinerer Leistung, da bei noch geringeren Leistungen die Vorteile der erfindungsgemäßen Technologie gegenüber axial durchströmten Dampfturbinen noch größer werden. So haben erfindungsgemäße Dampfturbinen vorzugsweise eine mechanische Nennleistung von bis zu 300 kW, besonders bevorzugt bis zu 150 kW und noch bevorzugter von bis zu 100 kW. Bevorzugte Ausführungsformen umfassen offene Radiallaufräder, da mit diesen ein guter Wirkungsgrad erreicht werden kann. Weitere Ausführungsformen umfassen Radiallaufräder in geschlossener Form. Vorzugsweise ist das Radiallaufrad für eine axiale Abströmung des Dampfes ausgelegt. Unter „radialer Zuströmung” des Dampfes wird eine Strömungsrichtung des Dampfes von mindestens 45°, bevorzugter mindestens 70°, noch bevorzugter mindestens 85° oder 88° gegenüber der axialen Richtung der Welle von radial außen nach innen verstanden.
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Die Dampfturbine umfasst vorzugsweise ein offenes Radiallaufrad. Radiallaufräder bieten den Vorteil, dass sie auch bei kleinen Massenströmen einen guten Wirkungsgrad erreichen. Die offene Bauweise ermöglicht hohe Umfangsgeschwindigkeiten, die wiederum den Wirkungsgrad positiv beeinflussen. Weiterhin werden durch hohe Drehzahlen kleinere Durchmesser möglich, die dann bei kleinen Massenströmen akzeptable Schaufelquerschnitte ermöglichen. Dadurch können die Laufräder vollbeaufschlagt werden mit wiederum Vorteilen bzgl. Wirkungsgrad.
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Vorzugsweise sind der Dampfeinlass und das Radiallaufrad ausgebildet, sodass das Radiallaufrad mit Dampf voll beaufschlagbar ist. Auf diese Weise wird der Wirkungsgrad verbessert. Besonders bevorzugt wird, dass der Dampfeinlass einen Schneckenleitapparat zum Leiten des Dampfes auf das Radiallaufrad umfasst. Auf diese Weise wird eine verlustarme Anströmung erreicht. Vorzugsweise werden Leitapparate verwendet.
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Vorzugsweise ist die Dampfturbine ausgebildet, sodass die Welle bei einem Betrieb der Dampfturbine mit Nennleistung eine Drehzahl von mindestens 50.000 Umdrehungen pro Minute aufweist, bevorzugt mindestens 70.000 Umdrehungen pro Minute. Hohe Drehzahlen bieten den Vorteil, dass sich dadurch der Wirkungsgrad steigern lässt. Vorzugsweise liegt die Umfangsgeschwindigkeit des Umfangs des Radiallaufrads bei mindestens 150 m/sec. Dies bietet den Vorteil, dass mit hohen Anströmgeschwindigkeiten gearbeitet werden kann, sodass auch bei kleiner Leistung gute Wirkungsgrade erreicht werden.
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Erfindungsgemäß umfasst die Dampfturbine ein zweites Radiallaufrad, welches mit der Welle drehfest verbunden ist. Vorzugsweise ist das zweite Radiallaufrad ebenfalls ein offenes Laufrad. Das zweite Radiallaufrad bietet den Vorteil, dass mit gegenläufig durchströmten Radiallaufrädern Axiallasten auf die Welle ausgeglichen werden können.
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Vorzugsweise sind die Radiallaufräder auf der Welle an gegenüberliegenden Enden angeordnet. Dies bietet den Vorteil, dass die Lagerung der Welle einfacher aufgebaut sein kann, insbesondere bei einer bevorzugten Ausführungsform mit Radiallaufrädern, die derart ausgebildet sind, dass sich der Axialschub der Radiallaufräder zumindest im Wesentlichen aufhebt. Dabei werden die Radiallaufräder von dem Dampfstrom vorzugsweise in Serie durchströmt. Vorzugsweise ist eines der Radiallaufräder größer als das andere, besonders bevorzugt ist das stromabwärts gelegene Radiallaufrad größer als das stromaufwärts gelegene.
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Vorzugsweise ist ein zweiter Dampfeinlass zur Beaufschlagung des zweiten Radiallaufrades vorgesehen, wobei der Dampfeinlass für eine radiale Zuströmung des Dampfes auf das zweite Radiallaufrad von außen nach innen angeordnet ist.
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Bevorzugte Dampfturbinen umfassen einen ersten Dampfauslass für eine axiale Abströmung von Dampf von dem ersten Radiallaufrad. Weiterhin umfasst die Dampfturbine vorzugsweise einen zweiten Dampfauslass für eine axiale Abströmung von Dampf von dem zweiten Radiallaufrad.
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Vorzugsweise bilden jedes der beiden Axiallaufräder eine Druckstufe, wobei eine weitere Welle mit zwei weiteren fliegend an den Wellenenden gelagerten und entsprechend angeströmten Radiallaufrädern für weitere Druckstufen vorgesehen ist. Die Druckstufen sind vorzugsweise parallel oder in Serie aufgebaut.
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Vorzugsweise ist die Welle fliegend gelagert. Dadurch wird das An- bzw. Abströmen des Dampfes erleichtert. Ein weiterer Vorteil der gegenüber liegenden Radiallaufräder ist, dass ein Unterdruck in einer der letzten Turbinenstufen nach dem Laufrad nicht die Wellendichtungen erreicht. Die Wellendichtungen sind zwischen dem Innenraum eines Gehäuses und dem Dampfkanal angeordnet. Weiterhin kann die Welle extrem kurz ausgeführt werden, sodass sich eine hohe Steifigkeit mit einer hohen Eigenfrequenz ergibt.
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Vorzugsweise umfasst die Dampfturbine zumindest einen feststehend gelagerten Planetenradsatz mit Planetenreibrädern zur Lagerung der Welle. Die Planetenreibräder umfassen vorzugsweise Reibbeläge aus Stahl oder Keramik. Stahl oder Kermaik bieten den Vorteil, dass sie hoch belastbar sind. Vorzugsweise sind zwei feststehend gelagerte Planetenradsätze vorgesehen. Die Planetenreibräder umfassen vorzugsweise jeweils eine Stufe oder einen Anlaufbund. Dies bietet den Vorteil, dass in Zusammenwirkung mit einer Stufe auf der Welle eine Axiallagerung möglich ist. Die Planetenreibräder bieten den Vorteil, dass eine Lagerung und gleichzeitige Momentenübertragung der Welle bzw. von der Welle möglich ist, ohne dass Zahnräder eingesetzt werden müssen. Dadurch wird eine höhe Drehzahl der Welle ermöglicht.
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Weitere typische Ausführungsformen umfassen neben den Planetenreibrädern Planetenzahnräder, um die übertragbaren Drehmomente zu erhöhen wobei die Vorspannung der Reibräder bis auf null reduziert werden kann.
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Vorzugsweise steht der Planetenradsatz mit einer Hohlwelle in Wirkverbindung. Bei dem bevorzugt feststehend gelagerten Planetenradsatz wird auf diese Weise bei einer Drehung der Welle der Dampfturbine die Hohlwelle angetrieben, welche die Planetenreibräder umgibt. Die Hohlwelle ist vorzugsweise koaxial mit der Welle ausgerichtet. Die Hohlwelle kann direkt auf den Planetenreibrädern gelagert sein oder auf ein Hohlreibrad aufgesetzt sein. Das Hohlreibrad oder die Hohlwelle umfassen vorzugsweise einen Anlaufbund oder eine Stufe. Bevorzugte Planetenreibräder mit äußeren Laufringen ermöglichen auf diese Weise eine axiale Lagerung der Hohlwelle oder des Hohlreibrades, wie sie auch zum Lagern der Welle geeignet sind.
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Vorzugsweise umfasst die Hohlwelle einen Abtriebszahnkranz. Bevorzugte Ausführungsformen der Hohlwelle sind zweiteilig ausgeführt. Dies ermöglicht eine einfache Montage der Hohlwelle. Der außen liegende ist vorzugsweise in einer Einschneidung der Hohlwelle oder in einer Einschnürung der Hohlwelle aufgenommen und weist dort vorzugsweise nach außen. Auf diese Weise wird erreicht, dass der Abtriebszahnkranz einen kleinen Durchmesser aufweist, sodass in Zusammenwirkung mit einem angetriebenen Zahnrad eine große Übersetzung erreicht wird. Auf diese Weise können die hohen Drehzahlen der Dampfturbine weiter untersetzt werden, um einen Generator anzutreiben.
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Vorzugsweise ist ein Zahnrad einer Abtriebswelle mit dem Abtriebszahnkranz in Eingriff. Die Abtriebswelle weist vorzugsweise hierzu einen Zahnkranz auf, welcher einen größeren Durchmesser aufweist als der Abtriebszahnkranz der Hohlwelle.
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Vorzugsweise umfasst die Dampfturbine einen weiteren Satz mit zwei Radiallaufrädern, welche auf einer zweiten Welle drehfest angeordnet sind, wobei die zweite Welle ebenfalls mit der Abtriebswelle in Wirkverbindung steht, insbesondere über ein analog zu dem oben beschriebenen Getriebe aufgebauten Getriebe mit Planetenrädern, Hohlwelle und Außenverzahnung. Ebenso können dritte oder weitere Wellen mit Laufrädern und Getriebe vorgesehen werden. Dies bietet den Vorteil, dass mit einem kompakten Aufbau mit mehreren Radiallaufrädern, welche vorzugsweise in Serie mit Dampf beaufschlagt werden, eine einzige Abtriebswelle angetrieben werden kann.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist eine Biogasanlage mit einer der oben beschriebenen erfindungsgemäßen oder bevorzugten Dampfturbinen. Dabei wird die Dampfturbine vorzugsweise zur Restenergienutzung der im Abgas enthaltenen Wärme verwendet.
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Ein weiterer unabgängiger Aspekt der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Lagerung einer Welle, insbesondere einer Welle mit einer Nenndrehzahl von mehr als 50.000 Umdrehungen pro Minute, mit einer Welle, zwei Planetenradsätzen, die jeweils festehend drehbar gelagerte Planetenräder mit in Umfangsrichtung glatter zylinderfömirger Oberfläche umfassen zur Lagerung der Welle und einer auf den Planetenradsätzen gelagerten Hohlwelle. Mit „feststehend drehbar gelagert” ist dabei gemeint, dass die Planetenräder oder Planetenreibräder an einem festen Gehäuse gelagert sind, so dass sie sich nur um ihre Drehachse frei drehen können.
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Die Planetenradsätze sind vorzugsweise derart angeordnet, dass die Welle unter Vorspannung durch die Planetenradsätze gelagert ist. Die Planetenradsätze sind vorzugsweise als Planetenreibradsätze ausgeführt und dienen so zur Momentenübertragung. Die Planetenräder oder Planetenreibräder weisen vorzugsweise eine Oberfläche aus Stahl, insbesondere Oberflächen-gehärtetem oder durchgehend gehärtetem Stahl oder Keramik auf.
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Vorzugsweise umfasst die Hohlwelle einen zwischen den Eingriffsumfängen mit den Planetenradsätzen angeordneten Kraftabgriff. Der Kraftabgriff ist vorteilhafterweise in einer Verengung zwischen den Bereichen angeordnet, in welchen die Hohlwelle auf auf der der Innenseite mit den Planetenreibrädern in Kontakt steht. Dies bietet den Vorteil einer hohen Übersetzung.
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Vorzugsweise umfassen die Hohlwelle oder die Plantenräder oder die Welle einen Bund zur axialen Führung der Welle oder der Hohlwelle. Dies bietet den Vorteil einer einfachen Lagerung in axialer Richtung.
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Weiterhin umfassen typische Ausführungsformen der Vorrichtung zur Lagerung einer Welle Merkmale, welche im Zusammenhang mit der Dampfturbine in Bezug auf deren Getriebe und Wellenlagerung offenbart sind, insbesondere zusätzliche Planetenräder mit Zahnkränzen, die den gleichen Teilkreisdurchmesser wie die Planetenreibräder aufweisen, oder eine Abtriebswelle, welche mit der Hohlwelle am Kraftabgriff in Eingriff steht. Ebenso sind bevorzugte Ausfürhungsformen mit weiteren Wellen, die analog gelagert und anlaog mit der Abtriebswelle in Eingriff sind, ausgerüstet, so dass mehrere Wellen mit großer Übersetzung auf die eine Abtriebswelle wirken.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Anschließend werden bevorzugte Einzelheiten der Erfindung anhand einiger Zeichnungen eingehender erläutert, wobei die Zeichnungen zeigen:
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1 zeigt eine erfindungsgemäße Dampfturbine mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Lagerung einer Welle in einer schematischen Seitenansicht;
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2 zeigt einen Schnitt durch die Dampfturbine der 1 in einer schematischen Schnittansicht; und
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3 zeigt eine weitere schematische Schnittansicht der Dampfturbine der 1.
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Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
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In der 1 ist schematisch eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Dampfturbine mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Lagerung einer Welle gezeigt. Die Dampfturbine umfasst ein Gehäuse, von welchem in der 1 lediglich eine Gehäusehälfte 1 dargestellt ist.
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Die 2, welche im Zusammenhang mit der 1 und der 3 erläutert wird, zeigt einen Schnitt durch die Dampfturbine der 1, wobei bei den 1 bis 3 gleiche Bezugszeichen für gleiche oder ähnliche Teile verwendet werden und nicht bei jeder Figurenbeschreibung zwingend noch einmal genannt werden.
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In der 2 ist die Gehäusehälfte 1 ebenfalls geschnitten dargestellt, wobei der Schnitt der 2 durch den unteren Bereich der Dampfturbine der 1 verläuft. Weiterhin ist in der 2 eine zweite Gehäusehälfte 2 zu sehen, welche an die erste Gehäusehälfte 1 angeflanscht ist.
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In der 1 ist weiterhin in Draufsicht eine erste Einlaufschnecke 5 schematisch dargestellt, welche Teil eines Dampfeinlasses zur Beaufschlagung eines ersten Radiallaufrades 6 ist. Das Radiallaufrad 6 ist in der 1 nur teilweise dargestellt. Zu sehen sind Teile des Radiallaufrades 6 durch ein Auslassrohr 7. Das Auslassrohr 7 wird als Dampfauslass verwendet, um axial abströmenden Dampf des ersten Radiallaufrades 6 abzuführen.
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Das erste Radiallaufrad 6 ist auf einer Welle 10 gelagert, wobei auf dem gegenüberliegenden Ende der Welle 10 ein zweites Radiallaufrad 12 angeordnet ist. Das zweite Radiallaufrad 12 ist entgegengesetzt zu dem ersten Radiallaufrad 6 angeordnet und wird über eine zweite Einlaufschnecke 13 mit Dampf voll beaufschlagt. Ebenso ist ein zweiter Dampfauslass 14 vorgesehen. Pfeile, welche mit ”A” gekennzeichnet sind, zeigen schematisch die Strömungsrichtung des Dampfes.
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In der 2 ist außerdem schematisch dargestellt, wie die Welle 10 durch zwei Planetenreibsätze gelagert ist. Die Welle ist nicht direkt an den Gehäusehälften 1 und 2 gelagert, sondern wird ausschließlich durch die Planetenreibsätze gelagert. Auf der Seite der Gehäusehälfte 1 ist die Welle 10 mit einem ersten Planetenreibradsatz gelagert, von welchem zwei erste Planetenreibräder 15 in der 2 geschnitten schematisch dargestellt sind. Die ersten Planetenreibräder 15 sind auf Lagerbolzen 16 gelagert, welche in der Gehäusehälfte 1 angeordnet sind. Eine Stufe oder Anlaufkante in der Welle 10 sorgt für eine axiale Lagerung der Welle 10. Dabei ist zu berücksichtigen, dass die auf die Welle 10 wirkenden Axialkräfte aufgrund der gegensätzlich angeordneten Radiallaufräder 6 und 12 sehr gering sind.
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Die Welle 10 mit den Planetenreibradsätzen sind zentrale Elemente der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Lagerung der Welle 10. Die nachfolgende Erläuterung der Einzelheiten der Lagerung und der Untersetzung der Welle bis zu der Abtriebswelle sind ebenso Merkmale einer bevorzugten Ausfürhungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Lagerung einer Welle. Diese Vorrichtung ist auch zu anderen Zwecken als innerhalb einer Dampfturbine einsetzbar, insbesondere für schnell drehende Wellen, die auf eine Abtriebswelle überstezt werden müssen.
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Auf der Seite der Gehäusehälfte 2 ist eine spiegelbildliche Anordnung mit einem zweiten Planetenreibradsatz vorhanden. Zweite Planetenreibräder 18 sind auf zwei Lagerbolzen 19 in der Gehäusehälfte 2 gelagert. Die zweiten Planetenreibräder 18 sind auf ihrer Innenseite zur Lagerung der Welle 10 wiederum mit einer Stufe zur axialen Lagerung der Welle 10 ausgerüstet. Am Außenumfang ist auf den zweiten Plantenreibrädern 18 ein Hohlrad zweites 20 angeordnet, welches eine zweite Teilwelle 21 einer Hohlwelle trägt. Die Hohlwelle umfasst außerdem eine erste Teilwelle 22, welche auf einem ersten Hohlrad 23 angeordnet ist, welche durch den ersten Reibradsatz gelagert wird.
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Die beiden Teilwellen 21 und 22 bilden eine Hohlwelle, auf welcher ein Abtriebszahnkranz 25 angeordnet ist. Der Grund für die Zweiteilung der Hohlwelle ist, dass die Hohlwelle aufgrund der Einschnürung, in welcher der Abtriebszahnkranz 25 angeordnet ist, nicht einteilig auf die beiden Reibradsätze aufgesetzt werden kann. Die beiden Hohlräder 20 und 23 sind ebenso wie die Welle 10 auf den beiden Planetenreibradsätzen gelagert.
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Typische Ausführungsformen der Erfindung umfassen zusätzlich zu den Reibradsätzen auch Planetenradsätze mit Zahnkränzen, um eine Übertragung von Momenten von der Welle auf die Hohlwelle zu verbessern. Weitere typische Ausführungsformen der Erfindung umfassen Dampfkanäle, um den abströmenden Dampf des ersten Radiallaufrades in die Einlaufschnecke zur Beaufschlagung des zweiten Radiallaufrades zu leiten.
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Die gleichzeitige Lagerung und Untersetzung der Welle mit zwei Planetenreibradsätzen und Kraftabgriff auf einer separaten Hohlwelle, die wiederum auf den zwei Hohlrädern der Planetenreibradsätze gelagert ist, bietet verschiedene Vorteile. So wird gleichzeitig eine Lagerungs- und eine Kraftübertragungsfunktion bei hoher Übersetzung vorgenommen. Vorzugsweise sind je Planetenreibradsatz mindestens drei feststehende Reibräder als Planetenräder angeordnet, also mindestens sechs pro Welle.
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Die Axiallagerung erfolgt vorzugsweise über jeweils Anlaufbünde oder Stufen der Welle und der Hohlräder bzw. der Hohlwelle an den äußeren Laufringen der feststehenden Planetenräder. Auf diese Weise lässt sich ein einfacher Aufbau mit einer Kraftübertragungs-Symmetrie und geringem Reibungsverlusten erreichen.
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Die Lager der Reibräder sind vorzugsweise als Wälzlager ausgeführt und haben aufgrund der Übersetzung von der Welle auf die Reibräder eine wesentlich geringere Drehzahl als die Welle. Die Welle selbst hat eine kurze Baulänge, sodass sie eine hohe Eigenfrequenz und eine hohe Steifigkeit aufweist.
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In der 3 ist das in der 1 dargestellte Ausführungsbeispiel noch einmal in einer schematischen Schnittansicht gezeigt, wobei die 3 einen vertikalen Schnitt durch die Dampfturbine der 1 zeigt. Zur Erläuterung wird auf die vorhergehenden Beschreibungen zu den 1 und 2 ergänzend verwiesen.
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Die 3 zeigt eine Abtriebswelle 30, welche mit Wälzlagern 31 in den Gehäusehälften 1 und 2 gelagert ist. Die Abtriebswelle trägt ein Zahnrad 32, welches mit dem Abtriebszahnkranz 25 der Hohlwelle in Eingriff ist. Da der Durchmesser des Zahnrades 32 wesentlich größer ist als der des Abtriebszahnkranzes 25 und dieser wiederum wesentlich kleiner ist als der Durchmesser der Hohlräder 20 und 23 wird eine weitere Übersetzung von den Planetenreibrädern 15 und 18 auf die Abtriebswelle 30 erreicht.
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Die Erfindung ist nicht auf das zuvor beschriebene bevorzugte Ausführungsbeispiel beschränkt, vielmehr wird der Umfang der Erfindung durch die Ansprüche bestimmt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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