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Die Erfindung betrifft einen Turbinengenerator, insbesondere Wasserturbinengenerator zur Stromerzeugung aus einer Wasserströmung, aufweisend ein Turbinenlaufrad und einen elektrischen Generator.
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Die
US 2009/0115193 A1 beschreibt einen Wasserturbinengenerator, bei der eine Wasserströmung ein Turbinenlaufrad antreibt, das mit mehreren Generatoren verbunden ist. Der Wasserturbinengenerator kann in fließende Gewässer, wie beispielsweise Flüsse, Ströme, Kanäle, Gezeitenbuchten oder Ozeane eingesetzt werden. Umfangseitig umgibt das Turbinenlaufrad ein Zahnkranz, der mit vier Zahnrädern kämmt, die auf den Wellen der Generatoren sitzen. Durch die unmittelbare Lagerung des Turbinenlaufrads auf den Wellen der Generatoren müssen die Lagerkräfte des Turbinenlaufrads von den Generatoren aufgenommen werden. Außerdem sind wenigstens drei Generatoren notwenig, um das Turbinenlaufrad überhaupt lagern zu können.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen Wasserturbinengenerator zu schaffen, bei der die Lagerung des Turbinenlaufrads verbessert ist.
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Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch einen Turbinengenerator, insbesondere Wasserturbinengenerator zur Stromerzeugung aus einer Wasserströmung, aufweisend ein Turbinenlaufrad, einen elektrischen Generator und ein Stützmittel, durch welches eine gegenseitige Lage von Turbinenlaufrad und Generator zueinander bestimmt ist, sowie ein Getriebe zur Übertragung eines Drehmoments von dem Turbinenlaufrad auf eine Welle des Generators, des Weiteren aufweisend ein Lager, das einen mit dem Stützmittel verbundenen Außenring und einen mit dem Turbinenlaufrad verbundenen Innenring aufweist, der eine durch das Turbinenlaufrad geführte Strömung umfängt.
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In dem das Lager die durch das Turbinenlaufrad geführte Strömung umfangt, können auf innerhalb der Strömung vorzusehende Einbauten zum Lagern des Turbinenlaufrad verzichtet werden. Da keine die Strömung störende Einbauten vorhanden sind kann der Wirkungsgrad des Turbinengenerators verbessert sein. Das Lager kann als Wälzlager ausgebildet sein. Indem das Turbinenlaufrad an dem Lager bzw. dem Wälzlager gelagert ist, müssen die Lagerkräfte des Turbinenlaufrads nicht von den Wellen der Generatoren aufgenommen werden, wodurch die Lebensdauer des Turbinengenerators erhöht sein kann.
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Der Innenring kann die Außenkontur des Turbinenlaufrads umfangen. Der Innenring kann dabei in der axialen Ebene des Turbinenlaufrads liegen. Alternativ kann der Innenring in einem axialen Abstand von dem Turbinenlaufrad angeordnet sein. Das Turbinenlaufrad kann auch zwischen zwei oder mehreren Innenringen und/oder Lager, insbesondere Wälzlagern angeordnet sein.
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Der Turbinengenerator kann einen das Turbinenlaufrad mit dem Innenring verbindenden Tragring aufweisen. Je nach Einsatzbedingung und Platzverhältnis kann der Tragring unterschiedlich gestaltet sein. Der Tragring kann an einem Turbinenring befestigt sein, der die radial äußeren Enden der Schaufeln des Turbinenlaufrads verbindet. Der Turbinenring kann insbesondere einstückig mit den Schaufeln bzw. dem Turbinenlaufrad hergestellt sein. Der Turbinenring kann eine innere Umfangswand aufweisen, die an die Strömung angepasst strömungsgünstig geformt ist.
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Der Innenring des Lagers kann beispielsweise mittels eines Passungssitzes, insbesondere Presssitzes mit dem Tragring verbunden sein. Alternativ oder ergänzend kann der Tragring mittels lösbarer Befestigungsmittel mit einem Flansch des Turbinenlaufrads verbunden sein. Eine lösbare Befestigung kann beispielsweise mittels Schrauben erfolgen. Der Flansch kann ein Ringflansch sein, der sich insbesondere radial vom Umfang des Turbinenlaufrads weg erstrecken kann.
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In einer Weiterbildung der Erfindung kann ein Antriebszahnkranz mit dem Tragring verbunden sein. Der Antriebszahnkranz kann sich im Wesentlichen auf einem dem Tragring entsprechenden Durchmesser erstrecken. Der Antriebszahnkranz kann getrennt oder einstückig mit dem Tragring hergestellt sein. Die Zähne des Antriebszahnkranzes können sich beispielsweise radial nach außen erstrecken und somit ein Stirnrad bilden. Alternaiv können sich die Zähne des Antriebszahnkranzes in eine axiale Richtung erstrecken, beispielsweise in Form eines Kegelrads.
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In einer weiterführenden Ausgestaltung kann das Getriebe ein mit dem Antriebszahnkranz kämmendes Ritzel aufweisen, das mittels einer Welle mit dem Generator verbunden ist. Das Ritzel muss nicht notwendiger Weise unmittelbar auf der Abtriebswelle des Generator sitzen, sondern kann auf einer separaten Welle sitzen, die mit dem Generator gekoppelt ist.
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In allen erfindungsgemäßen Ausgestaltungen kann das Lager zwei Schrägkugellager und/oder ein zweireihiges Kegelrollenlager aufweisen. Die Schrägkugellager bzw. die Kegelrollenlager können in O-Anordnung und/oder mit einem Druckwinkel von 45° ausgebildet sein.
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In allen erfindungsgemäßen Ausgestaltungen kann das Stützmittel ein Gehäuse sein. Das Gehäuse kann insbesondere wenigstens eine Gegenlauffläche für mindestens eine Dichtung aufweisen. Die Dichtung kann insbesondere drehbar bezüglich Gehäuse und Turbinenlaufrad gelagert sein. Durch eine drehbare Lagerung der Dichtung kann die Umfangsgeschwindigkeit zwischen Dichtlippe der Dichtung und dem Turbinenrad reduziert, insbesondere etwa halbiert werden.
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Die Dichtung kann beispielsweise mittels wenigstens dreier Laufrollen, die sich sowohl gegen eine erste Rollbahn am Gehäuse als auch eine zweite Rollbahn am Turbinenlaufrad abstützen, drehbar zwischen Gehäuse und Turbinenlaufrad gelagert sein. Mittels der wenigstens drei Laufrollen kann die Dichtung in ihrer koaxialen Lage bezüglich Turbinenlaufrad und Gehäuse ausgerichtet gelagert werden.
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In allen erfindungsgemäßen Ausgestaltungen der Dichtung kann diese wenigstens einen Radialwellendichtring, insbesondere mit wenigstens zwei Radialwellendichtlippen, und/oder eine Kassettendichtung aufweisen.
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Die Dichtung kann wenigstens eine nach außen, insbesondere strömungsabgewandt dichtende Radialwellendichtlippe aufweisen, die an einer innenumfangsseitigen Gegenlauffläche des Gehäuses anliegt.
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In einer Ausführung der Dichtung kann diese alternativ oder ergänzend wenigstens eine nach außen, insbesondere strömungsabgewandt dichtende Radialwellendichtlippe aufweisen, die an einer außenumfangsseitigen Gegenlauffläche des Turbinenlaufrads anliegt.
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In einer anderen Ausführung der Dichtung kann diese alternativ oder ergänzend wenigstens eine nach innen, insbesondere strömungszugewandt dichtende Radialwellendichtlippe aufweisen, die an einer innenumfangsseitigen Gegenlauffläche des Gehäuses anliegt.
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In einer weiteren Ausführung der Dichtung kann diese alternativ oder ergänzend wenigstens eine nach innen, insbesondere strömungszugewandt dichtende Radialwellendichtlippe aufweisen, die an einer außenumfangsseitigen Gegenlauffläche des Turbinenlaufrads anliegt.
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In allen Ausführungsformen der Dichtung kann diese wenigstens zwei nach außen, insbesondere strömungsabgewandt dichtende Radialwellendichtlippen und wenigstens zwei nach innen, insbesondere strömungszugewandt dichtende Radialwellendichtlippen aufweisen.
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Zusammenfassend stellt die Erfindung somit einen Turbinengenerator, insbesondere eine Wasserturbine bereit, der gegenüber bekannten Lösungen kompakter baut und auch bei geringer Baugröße eine hohe Effizienz besitzt bzw. eine hohe Leistung erbringt. Erfindungsgemäß kann der Rotor d. h. das Turbinenlaufrad in einem Großlager, wie beispielsweise einem Momentenlager, insbesondere des Typs ”Nautilus” oder zweier Schrägkugellager, befestigt sein. Auftretende radiale und axiale Kräfte können in diesem Lager aufgenommen werden. Für eine Übertragung des Drehmoments von dem Turbinenlaufrad auf einen Generator ist keine Turbinenwelle erforderlich. Stattdessen kann das Drehmoment über ein an dem drehenden Innenring des Großlagers befestigtes Übertragungsglied, wie beispielsweise eine Verzahnung, auf den Generator übertragen werden.
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Eine Übertragung des Drehmoments kann beispielsweise über ein kleines Zahnrad erfolgen, das mit der Welle des Generators verbunden ist bzw. auf diese Welle sitzt und das Drehmoment abgreift. Durch eine solche Ausgestaltung kann ein sehr hohes Übersetzungsverhältnis realisiert werden, das am Generator eine hohe Drehzahl liefert. Damit kann der Generator auch bei geringen Drehzahlen des Turbinenlaufrads bzw. bei geringen Strömungsgeschwindigkeiten der Wasserströmung eine hohe elektrische Leistung erzeugen.
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Im Ergebnis können auch Gewässer mit geringen Strömungsgeschwindigkeiten wirtschaftlich durch Wasserkraftanlagen mit erfindungsgemäßen Turbinengeneratoren erschlossen werden. Durch die erfindungsgemäße Lagerung kann außerdem ein sonst notwendiger sehr langer Kanal zur Führung des Wassers wesentlich kürzer ausfallen. Durch einen kompakten Aufbau des erfindungsgemäßen Turbinengenerators und der erfindungsgemäßen Lagerung wird es zudem möglich eine Anstellung der Turbinenschaufeln mit einfacher gestalteten Anlenkungen zu erreichen. Eine Anlenkung muss nicht mehr durch eine hohle Turbinenwelle geführt werden.
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Darüber hinaus kann eine Abdichtung des Turbinenlaufrads einfacher gestaltet werden. Erfindungsgemäß können Radialwellendichtringe verwendet werden. Die Dichtungen, insbesondere die Radialwellendichtringe können drehend gelagert werden, d. h. die Radialwellendichtringe bewegen sich nicht nur bezüglich des Turbinenlaufrads, sondern auch bezüglich des Gehäuses.
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Besonders bei großen Durchmessern können die erfindungsgemäßen drehend gelagerten Dichtungen die Umfangsgeschwindigkeiten an den Dichtkanten reduzieren. Gerade bei großen Durchmessern und den dabei zu erwartenden Drehzahlen kann die erfindungsgemäßen drehend gelagerten Dichtungen außerdem der Verschleiß in Grenzen gehalten werden. Die erfindungsgemäße Dichtung kann vier Radialwellendichtringe aufweisen. Von den vier Radialwellendichtringen können jeweils zwei nach außen dichtend und zwei nach innen dichtend angeordnet sein.
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Die drehend gelagerten Dichtungen können sich über mindestens drei Laufrollen abstützen. Die Laufrollen können sich zwischen Rotor und Gehäuse befinden. Die drehend gelagerten Dichtungen können zusammen mit den Laufrollen eine Dichtungskassette bilden. Die Dichtungskassette kann durch das Turbinenlaufrad angetrieben werden, in dem die Laufrollen auf dem Turbinenlaufrad abrollen und sich gegen das Gehäuse abstützen. Die Umfangsgeschwindigkeit der Dichtungskassette reduziert die Umfangsgeschwindigkeiten an den Dichtkanten in einen unkritischen Bereich.
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Statt eines einzigen elektrischen Generators können auch mehrere, insbesondere kleinere elektrische Generatoren vorgesehen sein. Durch die erfindungsgemäße Lagerung kann eine Abdichtung der Lagerung außerhalb der Wasserströmung erfolgen. Dies bedeutet, dass eine normale Schmierung der Lagerstelle möglich ist, die unabhängig des Strömungsmediums gewählt werden kann. Außerdem kann eine Wartung und gegebenenfalls eine Demontage und/oder ein Austausch von Bauteilen des Turbinengenerators einfacher erfolgen. Da mit der erfindungsgemäßen Lagerung wegen des Wegfalls einer Turbinenwelle keine Biegemomente aufgenommen werden müssen, sondern fast ausschließlich Axialkräfte auftreten, können einfachere bzw. kleinere Getriebe verwendet werden. Die Einbaulage des Turbinengenerators ist außerdem vollkommen variabel.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist exemplarisch in den beigefügten schematischen Zeichnungen dargestellt. Es zeigen:
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1 eine perspektivische Teilschnittansicht einer Ausführung eines erfindungsgemäßen Turbinengenerators,
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2 eine Querschnittsansicht des Turbinengenerators gemäß 1,
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3 eine vergrößerte Teilschnittansicht des Turbinengenerators aus 2 durch ein erfindungsgemäßes Lager,
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4 eine vergrößerte Teilschnittansicht aus 3 durch eine erfindungsgemäße Dichtung.
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Der in der 1 beispielhaft dargestellte Turbinengenerator 1 weist ein Turbinenlaufrad 3 und einen elektrischen Generator 5 auf. In der gezeigten Ausführungsform weist das Turbinenlaufrad 3 fünf Schaufeln 7 auf. Die Schaufeln 7 erstrecken sich im wesentlichen in radialer Richtung ausgehend von einem Zentralknoten 9, der auf einer Drehachse 11 des Turbinengenerators 1 liegt, nach außen. Die äußeren Enden der Schaufeln 7 sind mit einem Turbinenring 13 verbunden. Der Turbinenring 13 ist im Wesentlichen als Rohrabschnitt ausgebildet, der an seiner Innenwand 15 eine an das Strömungsfluid, wie beispielsweise Wasser, angepasste Kontur aufweisen kann.
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Der Turbinengenerator 1 weist ein Stützmittel 17 auf, das auch als Gehäuse bezeichnet werden kann. Das Stützmittel 17 umfasst in der dargestellten Ausführungsform ein Ringgehäuse 19 und daran sich anschließend ein Einlaufrohrstück 21 und ein Auslaufrohrstück 23. Durch das Stützmittel 17 wird nicht nur das Strömungsfluid geführt, sondern auch eine gegenseitige Lage von Turbinenlaufrad 3 und Generator 5 zueinander bestimmt.
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Zur Übertragung eines Drehmoments weist der Turbinengenerator 1 ein in 2 gezeigtes Getriebe 25 auf. Das Getriebe 25 überträgt das von dem Turbinenlaufrad 3 gelieferte Drehmoment auf eine Welle 27 des Generators 5. Die Welle 27 des Generators 5 ist dazu mit einem Abtriebsritzel 29 verbunden. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sitzt das Abtriebsritzel 29 unmittelbar auf der Welle 27. Das Abtriebsritzel 29 kämmt mit einem Antriebszahnkranz 31, das mit dem Turbinenlaufrad 3 verbunden ist.
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In der 3 ist in einer vergrößerten Teilschnittansicht des Turbinengenerators 1 aus 2 ein erfindungsgemäßes Lager 33 näher dargestellt. Das Lager 33 ist über einen Tragring 35 mit dem Turbinenlaufrad 3 verbunden. Das Lager 33 weist im dargestellten Ausführungsbeispiel einen Innenring 37 und einen Außenring 39 auf. Zwischen dem Innenring 37 und dem Außenring 39 sind Wälzkörper 41 angeordnet. Der Außenring 39 ist mit dem Stützmittel 17 verbunden. Der Außenring 39 sitzt dazu in einem Lagersitz 43 des Stützmittel 17 bzw. des Ringgehäuses 19, beispielsweise mittels eines Passungssitzes, insbesondere Presssitzes.
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Das Lager 33 kann zwei Schrägkugellager aufweisen oder wie in 3 dargestellt als ein zweireihiges Kegelrollenlager ausgebildet sein. Insbesondere das zweireihige Kegelrollenlager kann dabei einen Druckwinkel von 45° aufweisen. Dies verleiht dem Kegelrollenlager eine große Stützweite und damit hohe Steifigkeit. Ein weiterer Vorteil des großen Druckwinkels ist der sich daraus ergebende kleine Kegelwinkel der Wälzkörper 41. Je kleiner der Kegelwinkel, desto geringer wird die Reibung zwischen den Wälzkörpern 41 und einem Führungsbord des Kegelrollenlagers. Der Führungsbord kann dabei tribologisch günstig gestaltet sein, damit sich im Wälzkörper-Führungsbord-Kontakt ein idealer Schmierfilm einstellen kann.
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Der Innenring 37 des Lagers 33 ist mittels des Tragrings 35 mit dem Turbinenlaufrad 3 verbunden. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Innenring 37 des Lagers 33 mittels eines Passungssitzes, insbesondere Presssitzes mit dem Tragring 35 verbunden. Der Innenring 37 umfängt die Außenkontur des Turbinenlaufrads 3. Damit umfängt der Innenring 37 auch eine durch das Turbinenlaufrad 3 geführte Strömung. Mit anderen Worten ist das Turbinenlaufrad 3 im Ausführungsbeispiel vollständig innerhalb des Innenrings 37 angeordnet. Es kann jedoch ausreichend sein, wenn die Innenkontur des Turbinenlaufrads 3 auf einem kleineren Durchmesser liegt, als der Innendurchmesser des Innenrings 37. Dies bedeutet, dass der Innenring 37 nicht notweniger Weise auf derselben axialen Position wie das Turbinenlaufrad 3 sitzen muss. Der Innenring 37 kann beispielsweise axial bezüglich des Turbinenlaufrads 3 versetzt angeordnet sein bzw. es können beispielsweise zwei Innenringe 37, insbesondere zwei Lager 33 in einem axial Abstand voneinander vorgesehen sein, zwischen denen das Turbinenlaufrad 3 in einer dazwischen liegenden axialen Position liegt.
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Der Tragring 35 ist im Ausführungsbeispiel mittels lösbarer Befestigungsmittel 45 mit dem Turbinenlaufrad 3 verbunden. Das lösbare Befestigungsmittel 45 kann insbesondere durch Schrauben gebildet werden. Der Tragring 35 ist, wie in 3 gezeigt, mit einem Ringflansch 47 des Turbinenlaufrads 3 verbunden. An dem Tragring 35 ist außerdem der Antriebszahnkranz 31 befestigt.
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Der Turbinengenerator 1 weist im Ausführungsbeispiel zwei Dichtungen 49a, 49b auf. Jede Dichtung 49a, 49b kann in Art einer Kassettendichtung ausgebildet sein. Jede Dichtung 49a, 49b kann insbesondere drehbar sowohl bezüglich des Stützmittels 17 bzw. des Gehäuses als auch bezüglich des Turbinenlaufrads 3 gelagert sein.
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In der 4 ist eine der beiden erfindungsgemäßen Dichtungen 49a in einer vergrößerten Teilschnittansicht gezeigt. Die Dichtung 49a ist im dargestellten Ausführungsbeispiel als Radialwellendichtring ausgebildet. Die Dichtung 49a weist eine nach außen, insbesondere strömungsabgewandt dichtende erste Radialwellendichtlippe 51a aufweist, die an einer innenumfangsseitigen Gegenlauffläche 53 des Stützmittels 17 bzw. des Gehäuses anliegt. Die Dichtung 49a weist des Weiteren nach außen, insbesondere strömungsabgewandt dichtend eine zweite Radialwellendichtlippe 51b auf, die an einer außenumfangsseitigen Gegenlauffläche 55 des Turbinenlaufrads 3 anliegt. Die erste Radialwellendichtlippe 51a und die zweite Radialwellendichtlippe 51b können, wie dargestellt, auf derselben axialen Höhe liegen d. h. radial betrachtet übereinander angeordnet sein.
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Die Dichtung 49a weist außerdem eine nach innen, insbesondere strömungszugewandt dichtende dritte Radialwellendichtlippe 51c auf, die an der innenumfangsseitigen Gegenlauffläche 53 des Stützmittels 17 bzw. des Gehäuses anliegt. Die Dichtung 49a weist des Weiteren nach innen, insbesondere strömungszugewandt dichtend eine vierte Radialwellendichtlippe 51d auf, die an der außenumfangsseitigen Gegenlauffläche 55 des Turbinenlaufrads 3 anliegt. Die dritte Radialwellendichtlippe 51c und die vierte Radialwellendichtlippe 51d können, wie dargestellt, auf derselben axialen Höhe liegen d. h. radial betrachtet übereinander angeordnet sein.
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Jede der Dichtungen 49a, 49b ist in dem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel mittels wenigstens dreier Laufrollen 57, die sich sowohl gegen eine erste Rollbahn 59 am Stützmittel 17 bzw. am Gehäuse abstützen als auch gegen eine zweite Rollbahn 61 am Turbinenlaufrad 3 abstützen, drehbar zwischen Stützmittel 17 bzw. Gehäuse und Turbinenlaufrad 3 gelagert. Darüber hinaus kann, wie in 4 gezeigt, jede der Dichtungen 49a, 49b zusätzlich axial mittels zugeordneter Axiallauf rollen 63, insbesondere gegen eine Axialrollbahn 65 am Stützmittel 17 bzw. am Gehäuse axial abgestützt sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Turbinengenerator
- 3
- Turbinenlaufrad
- 5
- elektrischer Generator
- 7
- Schaufeln
- 9
- Zentralknoten
- 11
- Drehachse
- 13
- Turbinenring
- 15
- Innenwand
- 17
- Stützmittel
- 19
- Ringgehäuse
- 21
- Einlaufrohrstück
- 23
- Auslaufrohrstück
- 25
- Getriebe
- 27
- Welle
- 29
- Abtriebsritzel
- 31
- Antriebszahnkranz
- 33
- Lager
- 35
- Tragring
- 37
- Innenring
- 39
- Außenring
- 41
- Wälzkörper
- 43
- Lagersitz
- 45
- Befestigungsmittel
- 47
- Ringflansch
- 49a
- Dichtung
- 49b
- Dichtung
- 51a
- erste Radialwellendichtlippe
- 51b
- zweite Radialwellendichtlippe
- 51c
- dritte Radialwellendichtlippe
- 51d
- vierte Radialwellendichtlippe
- 53
- innenumfangsseitige Gegenlauffläche
- 55
- außenumfangsseitige Gegenlauffläche
- 57
- Laufrollen
- 59
- erste Rollbahn
- 61
- zweite Rollbahn
- 63
- Axiallaufrollen
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2009/0115193 A1 [0002]
