DE102013007187B4

DE102013007187B4 - Anlage zur Erzeugung elektrischer Energie

Info

Publication number: DE102013007187B4
Application number: DE102013007187.9A
Authority: DE
Inventors: Gottfried Heinrich Fritz Baur; Pierre Baur
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-06-18
Filing date: 2013-04-25
Publication date: 2015-01-15
Anticipated expiration: 2033-04-26
Also published as: DE102013007187A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anlage zur Erzeugung elektrischer Energie, bestehend aus einem über mindestens eine Einströmöffnung mittels Wasser beaufschlagbaren und mit Schaufeln bestückten Turbinenrad, welches über eine Welle mit dem Rotor eines ortsfesten Generators verbunden ist. Um den Wirkungsgrad einer solchen Anlage zu verbessern, ist die den Rotor (7a) tragende Welle als Hohlwelle (3) ausgebildet und nimmt in ihrem Inneren eine zumindest einseitig aus derselben herausragende Welle (11) auf, die innerhalb der Hohlwelle (3) befindliche Welle (11) trägt an ihrem einen Ende ein dem ersten Turbinenrad (5) benachbartes Turbinenrad (12), bei dem die Wirkflächen der Schaufeln (12a) den Wirkflächen der Schaufeln (5a) des ersten Turbinenrades (5) entgegen gerichtet sind, die Welle (11) nimmt an ihrem anderen Ende den inneren Rotor (10a) eines zweiten Generators (10) auf und die rotierende Hohlwelle (3) ist mit Abstand hinter dem ersten, ortsfesten Generator (7) mit dem äußeren Rotor (10b) des zweiten Generators (10) verbunden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anlage zur Erzeugung elektrischer Energie gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Es sind sogenannte Wasserturbinen zur Erzeugung elektrischer Energie bekannt, die aus einem ortfesten Gehäuse mit mindestens einer radialen oder axialen Einströmöffnung für das Wasser bestehen. In dem Gehäuse ist eine Welle drehbar gelagert, auf der ein Turbinenrad befestigt ist. Das Turbinenrad ist mit einer Vielzahl von radialen Schaufeln bestückt, deren sogenannte Wirkflächen der Einströmöffnung zugewandt sind. Dadurch wird das Turbinenrad durch das einströmende Wasser in Drehbewegung gesetzt. Die das Turbinenrad tragende Welle ist außerhalb des Gehäuses meist mit einer weiteren Welle gekuppelt, die Bestandteil eines ortsfesten Generators ist. Auf dieser Welle ist nun der Rotor des Generators befestigt, der sich somit innerhalb des ringförmigen Stators des Generators befindet. Über das sich drehende Turbinenrad wird zwangsläufig auch der Rotor des Generators in Drehbewegung gesetzt und dadurch Strom erzeugt. Bei einer solchen, aus Wasserturbine und Generator bestehenden Anlage zur Erzeugung elektrischer Energie wird es als nachteilig angesehen, dass das das Turbinenrad bzw. die Schaufeln desselben verlassende Wasser noch Energie enthält, die ungenutzt verloren geht. Dies ist bei den immer weniger werdenden Ressoursen, wie Öl, Gas und Kohle bedeutsam. Hinzu kommt noch der fortschreitende Ausstieg aus der Kernenergie.
Um nun den Wirkungsgrad einer solchen Anlage zu verbessern, ist aus der WO 81/00 595 A1 eine Anlage zum Gewinnen von elektrischer Energie aus einem strö- menden Gewässer bekannt, die aus einem über mindestens eine Einströmöffnung mittels Wasser beaufschlagbaren und mit Schaufeln bestückten Turbinenrad besteht, welches über eine Welle mit dem Rotor eines ortsfesten Generators verbunden ist, wobei die den Rotor tragende Welle als Hohlwelle ausgebildet ist und in ihrem Inneren eine zumindest einseitig aus derselben herausragende Welle aufnimmt und wobei weiterhin die innerhalb der Hohlwelle befindliche Welle an ihrem einen Ende ein dem ersten Turbinenrad benachbartes Turbinenrad trägt, bei dem die Wirkflächen der Schaufeln den Wirkflächen der Schaufeln des ersten Turbinenrades entgegen gerichtet sind und die Welle an ihrem anderen Ende einen inneren Rotor eines zweiten Generators trägt.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die bekannte Anlage zur Erzeugung elektrischer Energie so weiter zu bilden, dass deren Wirkungsgrad weiter verbessert wird.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird gemäß der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen, dass der äußere Stator des zweiten Generators nicht ortsfest sondern ebenfalls rotierbar als äußerer Rotor gestaltet ist und die rotierende Hohlwelle hinter dem ersten, ortsfesten Generator mit dem äußeren Rotor des zweiten Generators verbunden ist.
Durch diese besondere Ausgestaltung einer Anlage zur Erzeugung elektrischer Energie werden die in dem das Turbinenrad bzw. die Schaufeln desselben verlassenden Wasser noch enthaltene Energie weiter ausgenutzt, der Wirkungsgrad der Anlage erheblich verbessert und wertvolle Ressoursen, wie Öl, Gas und Kohle eingespart.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2–6 offenbart.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand in einer Zeichnung als stark vereinfachte Prinzipskizzen dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei zeigen
1 einen axialen Schnitt durch eine Anlage zur Erzeugung elektrischer Energie gemäß der Erfindung,
2 eine gegenüber der 1 geänderte Ausbildung der Anlage und
3 eine weitere Ausbildung einer Anlage.
In den 1 und 2 der Zeichnung sind jeweils nur zwei Lager 1 und 2 von mindestens einem an sich bekannten und deshalb nicht weiter gezeichneten Gehäuse zu sehen, die mit Abstand voneinander angeordnet sind. Diese beiden Lager 1 und 2 dienen zur drehbaren Aufnahme einer Hohlwelle 3. Diese Hohlwelle 3 ist an ihrem in der Zeichnung unteren Ende über einen Flansch 4 mit einem Turbinenrad 5 verbunden, welches mit einer Vielzahl von Schaufeln 5a bestückt ist, die mit ihren konkav ausgebildeten Wirkflächen gegen ein Strahlrohr 6 gerichtet sind, welches unter einem vorgegebenen Winkel in einem an sich bekannten, jedoch nicht gezeichneten Gehäuse eingesetzt ist. Über dieses Strahlrohr 6 wird der Wasserstrahl radial auf die Schaufeln 5a des Turbinenrades 5 gerichtet werden, welches dadurch in Drehbewegung gesetzt wird.
Die Hohlwelle 3 nimmt etwa im mittleren Bereich ihrer Länge den Rotor 7a eines Generators 7 auf, der dort in dem gezeichneten Ausführungsbeispiel zwischen zwei Flanschen 8a und 8b eingesetzt ist. Bei der vorerwähnten Drehung der Hohlwelle 3 wird dieser Rotor 7a ebenfalls gedreht. Der Stator 7b des Generators 7 ist ortsfest angeordnet und wird von einem nicht näher gezeichneten Gehäuse aufgenommen. Ferner weist die Hohlwelle 3 an ihrem dem Turbinenrad 5 abgewandten und damit an ihrem in der Zeichnung oberen Ende einen Flansch 9 auf, der mit einem ringförmigen äußeren Rotor 10b eines weiteren Generators 10 verbunden ist. Dieser äußere Rotor 10b ist jedoch nicht ortsfest; er wird bei einer Drehung der Hohlwelle 3 ebenfalls in Drehbewegung gesetzt. Bedarfsweise kann dieser drehbare äußere Rotor 10b auch von einer ortsfesten Lagerung aufgenommen werden.
Durch die Hohlwelle 3 ragt eine Welle 11, die an ihren aus der Hohlwelle 3 herausragenden Enden in an sich bekannter, jedoch nicht dargestellter Weise gelagert ist. Bedarfsweise kann die Welle 11 auch noch in der Hohlwelle 3 gelagert sein. Auf diese Welle 11 ist an deren in der Zeichnung unterem Ende und damit mit geringem Abstand unterhalb des Turbinenrades 5 über einen Flansch 12b ein Turbinenrad 12 befestigt, welches ebenfalls mit Schaufeln 12a bestückt ist. Die Wirkflächen dieser Schaufeln 12a sind jedoch den Wirkflächen der Schaufeln 5a entgegen gerichtet. Die Wirkflächen der Schaufeln 5a des Turbinenrades 5 besitzen nun eine solche Form, dass sie den über das Strahlrohr 6 auf die Schaufeln 5a geleiteten Wasserstrahl bei ihrer Drehbewegung umlenken und den Schaufeln 12a des Turbinenrades 12 zuführen. Dies hat zur Folge, dass sich das Turbinenrad 12 ebenfalls dreht, jedoch ist dessen Drehbewegung der Drehbewegung des Turbinenrades 5 entgegengesetzt.
Nahe dem anderen Ende der Welle 11 nimmt dieselbe im Bereich des Generators 10 bzw. dessen äußeren Rotors 10b über einen Flansch 13 den inneren Rotor 10a des Generators 10 auf, der bei der Drehbewegung der Welle 11 ebenfalls eine Rotation ausführt. Diese Drehbewegung ist damit der Drehung des äußeren Rotors 10b entgegengesetzt. Damit wird durch die Erfindung erreicht, dass durch das von den Schaufeln 5a des Turbinenrades 5 abströmende Wasser weiter genutzt und die darin noch enthaltene Energie zusätzlich zur Stromgewinnung ausgenutzt werden kann, wodurch sich zwangsläufig der Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen Anlage nicht unbeträchtlich erhöht. Diese Erhöhung des Wirkungsgrades kann etwa 30% betragen. Die Energie des in die Turbine einströmenden Wassers wird also optimal ausgenutzt.
Das Ausführungsbeispiel der 2 unterscheidet sich nur geringfügig von dem Ausführungsbeispiel der 1. Bei dem Ausführungsbeispiel der 2 ist lediglich die Hohlwelle 3 aus zwei Teilen 3a und 3b gebildet, zwischen denen dann vorteilhaft der Rotor 7a des Generators 7 eingesetzt ist.
In Abänderung der Ausführungsbeispiele der 1 und 2 ist es möglich, zwischen den Generatoren 7 und 10 ein an sich bekanntes Getriebe anzuordnen, von dem dann beispielsweise ein Zahnrad auf der Hohlwelle 3 bzw. dem Teil 3b der Hohlwelle 3 befestigt ist. Ferner ist es möglich, den Generator 10 unter einem Winkel von gleich oder kleiner als 90° zum Generator 7 anzuordnen. Dabei ist es erforderlich, sowohl die Hohlwelle 3 bzw. das Teil 3b der Hohlwelle 3 mit entsprechend ausgebildeten Kegelrädern zu bestücken.
In der 3 der Zeichnung ist nur der untere Bereich der Anlage der 1 und 2 zu sehen. Der Unterschied besteht darin, dass hier das einströmende Wasser in annähernd radialer Richtung den Schaufeln 5a des Turbinenrades 5 zugeführt wird. Dazu besitzt das Gehäuse zunächst radial verlaufende Kanäle 14a, die dann in axiale Kanäle 14b übergehen. Die Wirkflächen der Schaufeln 5a und 12a der Turbinenräder 5 und 12 sind dann geringfügig anders geformt.
Bezugszeichenliste

1: Lager
2: Lager
3: Hohlwelle
3a: Teil
3b: Teil
4: Flansch
5: Turbinenrad
5a: Schaufeln
6: Strahlrohr
7: Generator
7a: Rotor
7b: Stator
8a: Flansch
8b: Flansch
9: Flansch
10: Generator
10a: innerer Rotor
10b: äußerer Rotor
11: Welle
12: Turbinenrad
12a: Schaufeln
12b: Flansch
13: Flansch

Claims

Anlage zur Erzeugung elektrischer Energie, bestehend aus einem über mindestens eine Einströmöffnung mittels Wasser beaufschlagbaren und mit Schaufeln bestückten Turbinenrad, welches über eine WeIle mit dem Rotor eines ersten, ortsfesten Generators verbunden ist, wobei die den Rotor des ersten Generators tragende WeIle als Hohlwelle (3) ausgebildet ist und in ihrem Inneren eine zumindest einseitig aus derselben herausragende weitere Welle aufnimmt, welche an ihrem einen Ende ein dem ersten Turbinenrad benachbartes zweites Turbinenrad trägt, bei dem die Wirkflächen der Schaufeln den Wirkflächen der Schaufeln des ersten Turbinenrades entgegen gerichtet sind, und wobei weiterhin die Welle an ihrem anderen Ende den inneren Rotor eines zweiten Generators trägt, dadurch gekennzeichnet, dass der äußere Stator des zweiten Generators (10) nicht ortsfest sondern ebenfalls rotierbar als äußerer Rotor (10b) gestaltet ist und die rotierende Hohlwelle (3) hinter dem ersten, ortsfesten Generator (7) mit dem äußeren Rotor (10b) des zweiten Generators (10) verbunden ist.
Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (7a) des ersten Generators (7) auf der Hohlwelle (3) angeordnet ist.
Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlwelle (3) aus zwei Teilen (3a, 3b) gebildet und der Rotor (7a) des ersten Generators (7) zwischen den beiden Teilen (3a, 3b) der Hohlwelle (3) angeordnet ist.
Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem ersten Generator (7) und dem zweiten Generator (10) zumindest ein Teil eines Getriebe angeordnet ist.
Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Generator (10) unter einem Winkel von 90° oder kleiner zum ersten Generator (3) angeordnet ist.
Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der äußere Rotor (10a) des zweiten Generators (10) drehbar in einer Lagerung gehalten ist.