DE102013223174A1

DE102013223174A1 - Gezeitenströmungskraftanlage

Info

Publication number: DE102013223174A1
Application number: DE102013223174.1A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Gläntz; Michael Baumann
Original assignee: SKF AB
Current assignee: SKF AB
Priority date: 2013-11-14
Filing date: 2013-11-14
Publication date: 2015-06-03

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Gezeitenströmungskraftanlage (1), umfassend ein Turbinenelement (2) und einen Generator (3), wobei zwischen Turbinenelement (2) und Generator (3) ein drehmomentübertragendes Element (4) angeordnet ist, wobei das drehmomentübertragende Element (4) eine starre Kupplung (5) aufweist, die ein erstes Flanschteil (6) und ein zweites Flanschteil (7) umfasst, wobei die beiden Flanschteile (6, 7) mit einer Anzahl Schrauben (8) miteinander axial (a) aneinander gedrückt werden. Um einen kompakteren Aufbau zu erzielen, sieht die Erfindung vor, dass in der Kontaktfläche der beiden Flanschteile (6, 7) ein reibungserhöhendes Element (9) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Gezeitenströmungskraftanlage, umfassend ein Turbinenelement und einen Generator, wobei zwischen Turbinenelement und Generator ein drehmomentübertragendes Element angeordnet ist, wobei das drehmomentübertragende Element eine starre Kupplung aufweist, die ein erstes Flanschteil und ein zweites Flanschteil umfasst, wobei die beiden Flanschteile mit einer Anzahl Schrauben miteinander axial aneinander gedrückt werden.
Gezeitenströmungskraftanlagen dieser Art sind im Stand der Technik bekannt. Bei einer solchen Anlage befindet sich an einem Rotor ein Turbinenrad (Turbinenelement), das durch die gezeitenbedingte Wasserströmung angetrieben wird. Der Rotor steht direkt oder indirekt mit einem Generator in Verbindung, so dass Strom erzeugt werden kann. Die Übertragung des Drehmoments vom Rotor bis zum Generator erfolgt zumeist durch ein Getriebe, das für die richtige Übersetzung der Drehbewegung sorgt.
Die hinreichende Durchsetzung besagter Gezeitenströmungskraftwerke wird durch erhebliche Kosten bei der Herstellung der benötigten Komponenten gehindert. Diesbezüglich ist zu vermerken, dass gattungsgemäße Kraftwerke mit anderen regenerativen Kraftwerken konkurrieren, wie beispielsweise Windkraftanlagen.
Es besteht daher ein wachsender Bedarf an Elementen für Gezeitenströmungskraftanlagen, die sich durch einen einfachen Aufbau und in der Folge durch geringe Herstellkosten auszeichnen. Dennoch sollen die Komponenten langlebig sein und hohe Standzeiten haben. Bei Gezeitenströmungskraftanlagen ist diesbezüglich ein Augenmerk darauf zu richten, dass sich im Vergleich mit Windenergieanlagen infolge der sehr viel höheren Dichte des Mediums (Wasser vs. Luft) teils hohe Kräfte bzw. hohe Drehmomente ergeben, die durch den Antriebsstrang zwischen Turbinenelement und Generator zu übertragen sind.
Da auch bei Gezeitenströmungskraftanlagen ein Trend zu immer größeren Anlagen besteht, ist ein besonderer Augenmerk darauf zu richten, dass größere Anlagen kostenmäßig im Rahmen bleiben und möglichst mit weniger als einem proportional größeren Kostenrahmen im Vergleich zu kleineren Anlagen realisierbar sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Gezeitenströmungskraftanlage so auszustatten, dass eine stabilere Konstruktion bei kleinem Bauraum möglich ist, so dass mit weniger großen und daher kostengünstigeren Bauteilen die benötigte Funktionalität der Anlage gegeben ist. Die Lebensdauer der Anlage soll hinreichend hoch sein. Dabei soll sich eine kompakte und robuste Konzeption ergeben.
Die Lösung dieser Aufgabe durch die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass in der Kontaktfläche der beiden Flanschteile ein reibungserhöhendes Element angeordnet ist.
Das reibungserhöhende Element ist dabei bevorzugt ringförmig ausgebildet, wobei es konzentrisch zur Achse der Flanschteile angeordnet ist. Das ringförmige reibungserhöhende Element kann aus einer Anzahl Segmenten zusammengesetzt sein, wobei sich jedes Segment über einen vorgegebenen Umfangsabschnitt der Flanschteile erstreckt.
Das reibungserhöhende Element kann weiterhin aus einem Grundkörper bestehen, der mit einem Hartstoffmaterial beschichtet ist. Das Hartstoffmaterial sind beispielsweise Diamant-Partikel, Bornitrid-Partikel, Silizium-Karbid-Partikel, Wolframkarbid-Partikel, Titandiborit-Partikel oder Korund-Partikel. Das Hartstoffmaterial kann dabei durch eine elektrolytisch abgeschiedene Metallschicht, insbesondere durch eine Nickelschicht, an Oberfläche des Grundkörpers fixiert sein. Es ist auch möglich, dass das Hartstoffmaterial durch einen Plasmabeschichtungsprozess aufgebracht ist, insbesondere durch einen kalten Plasmabeschichtungsprozess, wobei die Hartstoffpartikel insbesondere durch eine Nickelschicht an Oberfläche des Grundkörpers fixiert sind.
Eine alternative Lösung sieht vor, dass das Hartstoffmaterial durch Auftragen, insbesondere durch mechanisches Rollen, eines Einkomponenten-Polyurethan-Harzlacks (PU-Lack) aufgebracht ist, wobei der Harzlack das Hartstoffmaterial aufweist. Dabei sind die Hartstoffpartikel im Einkomponenten-Polyurethan-Harzlack bevorzugt nach dessen Auftragen und Abtrocknen in einer Zinkmatrix eingebettet. In diesem Falle wird das sich im Harzlack befindliche Hartstoffmaterial bevorzugt auf einem seewassertauglichen austenitischen Grundkörper fixiert.
Alternativ kann das reibungserhöhende Element durch eine Beschichtung aus Zink oder Molybdän gebildet werden. Diese Beschichtung kann durch einen galvanischen Vorgang oder einen Spritzvorgang, insbesondere durch einen Flammspritzvorgang, aufgebracht sein. Die Dicke der Beschichtung beträgt bevorzugt zwischen 0,05 mm und 0,5 mm.
Die Oberflächenrauheit (R_a) des reibungserhöhenden Elements weist bevorzugt einen Wert von mindestens 15 μm, vorzugsweise von mindestens 20 μm, auf.
In vorteilhafter Weise lässt sich mit der vorgeschlagenen Ausgestaltung erreichen, dass hohe Drehmomente über ein starres Kupplungselement übertragbar sind, wobei eine sehr kompakte Konstruktion erreicht werden kann. Die Kosten für den Antriebsstrang zwischen Turbine und Generator können so gering gehalten werden.
Vorteilhaft ist auch die einfache Demontierbarkeit des Kupplungssystems zwischen Turbine und Generator.
Ein anderer Vorteil besteht darin, dass das reibungserhöhende Element gegebenenfalls als wiederverwendbares Bauteil vorgesehen werden kann, das in einer neuen Anlage eingesetzt wird, wenn es bei einer alten Anlage nicht mehr benötigt wird.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigen:
1 die Seitenansicht, teilweise geschnitten dargestellt, eines drehmomentübertragenden Elements einer Gezeitenströmungskraftanlage und
2 den Schnitt A-B gemäß 1.
In den Figuren ist eine Gezeitenströmungskraftanlage 1 nur schematisch angedeutet, die ein Turbinenelement 2 und einen Generator 3 aufweist, wobei auch diese Komponenten der Anlage nur schematisch angedeutet, als solche aber hinlänglich bekannt sind.
Der Generator 3 stellt demgemäß Strom her, wenn sich das Turbinenelement 2 dreht. So wird Energie gewonnen, wenn die Anordnung im Bereich einer Wasserströmung platziert wird, die durch den Gezeitenwechsel hervorgerufen wird.
Zwischen dem Turbinenelement 2 und der Generator 3 stellt ein drehmomentübertragendes Element 4 sicher, dass das Drehmoment der Turbine zum Generator gelangt. Das drehmomentübertragende Element kann insoweit als Antriebsstrang angesprochen werden, der eine starre Kupplung 5 aufweist.
Die Kupplung 5 weist zwei Flanschteile 6 und 7 auf, die eine zylindrische Form haben und mit Wellenabschnitten 10 bzw. 11 verbunden sind, beispielsweise verschweißt.
Zur Übertragung eines Drehmoments vom einen Wellenabschnitt 10 auf den anderen Wellenabschnitt 11 werden die beiden Flanschteile 6, 7 mittels einer Anzahl Schrauben 8 (im Ausführungsbeispiel – s. 2 – mit sechs Schrauben 8) in axialer Richtung a zusammengepresst. Die so erzeugte Normalkraft hab über den Reibungskoeffizienten eine entsprechende Tangentialkraft in Umfangsrichtung der Flanschteile 6, 7 zur Folge (F_R = µ F_N). Um die insofern übertragbare Reibungskraft zu erhöhen, ist ein reibungserhöhendes Element 9 zwischen den beiden Kontaktflächen der Flanschteile 6, 7 angeordnet.
Mittels des reibungserhöhenden Elements kann ein Reibungskoeffizient bis zu 0,8 und 0,9 problemlos erzielt werden. Dadurch wird es möglich, bereits bei einer begrenzten Anzahl von Schrauben eine hinreichend große axiale Anpresskraft zwischen den beiden Flanschteilen zu erzeugen, so dass das zu übertragende Drehmoment problemlos übertragen werden kann.
Das reibungserhöhende Element 9 kann als separates Bauteil realisiert werden, das hergestellt und dann zwischen die Stirnseiten der Flanschteile 6, 7 eingebaut wird. Möglich ist alternativ aber auch eine Beschichtung einer oder beider Stirnseiten der Flanschteile 6, 7. Demgemäß lässt sich eine kleine und kompakte Bauweise erreichen. Somit kann auch ein nur geringer Bauraum genutzt werden.
Bezugszeichenliste

1: Gezeitenströmungskraftanlage
2: Turbinenelement
3: Generator
4: drehmomentübertragendes Element
5: starre Kupplung
6: erstes Flanschteil
7: zweites Flanschteil
8: Schraube
9: reibungserhöhendes Element
10: Wellenabschnitt
11: Wellenabschnitt
a: axiale Richtung

Claims

Gezeitenströmungskraftanlage (1), umfassend ein Turbinenelement (2) und einen Generator (3), wobei zwischen Turbinenelement (2) und Generator (3) ein drehmomentübertragendes Element (4) angeordnet ist, wobei das drehmomentübertragende Element (4) eine starre Kupplung (5) aufweist, die ein erstes Flanschteil (6) und ein zweites Flanschteil (7) umfasst, wobei die beiden Flanschteile (6, 7) mit einer Anzahl Schrauben (8) miteinander axial (a) aneinander gedrückt werden, dadurch gekennzeichnet, dass in der Kontaktfläche der beiden Flanschteile (6, 7) ein reibungserhöhendes Element (9) angeordnet ist.
Gezeitenströmungskraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das reibungserhöhende Element (9) ringförmig ausgebildet ist, wobei das reibungserhöhendes Element (9) konzentrisch zur Achse (a) der Flanschteile (6, 7) angeordnet ist.
Gezeitenströmungskraftanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das ringförmige reibungserhöhende Element (9) aus einer Anzahl Segmenten zusammengesetzt ist, wobei sich jedes Segment über einen vorgegebenen Umfangsabschnitt der Flanschteile (6, 7) erstreckt.
Gezeitenströmungskraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das reibungserhöhende Element (9) aus einem Grundkörper besteht, der mit einem Hartstoffmaterial beschichtet ist.
Gezeitenströmungskraftanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Hartstoffmaterial Diamant-Partikel, Bornitrid-Partikel, Silizium-Karbid-Partikel, Wolframkarbid-Partikel, Titandiborit-Partikel oder Korund-Partikel sind.
Gezeitenströmungskraftanlage nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Hartstoffmaterial durch eine elektrolytisch abgeschiedene Metallschicht, insbesondere durch eine Nickelschicht, an Oberfläche des Grundkörpers fixiert sind.
Gezeitenströmungskraftanlage nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Hartstoffmaterial durch einen Plasmabeschichtungsprozess aufgebracht ist, insbesondere durch einen kalten Plasmabeschichtungsprozess, wobei die Hartstoffpartikel insbesondere durch eine Nickelschicht an Oberfläche des Grundkörpers fixiert sind.
Gezeitenströmungskraftanlage nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Hartstoffmaterial durch Auftragen eines Einkomponenten-Polyurethan-Harzlacks (PU-Lack) aufgebracht ist, wobei insbesondere der Harzlack das Hartstoffmaterial aufweist und die Hartstoffpartikel im Einkomponenten-Polyurethan-Harzlack nach dessen Auftragen und Abtrocknen in einer Zinkmatrix eingebettet sind.
Gezeitenströmungskraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das reibungserhöhende Element (9) durch eine Beschichtung aus Zink oder Molybdän gebildet wird.
Gezeitenströmungskraftanlage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung durch einen galvanischen Vorgang oder einen Spritzvorgang, insbesondere durch einen Flammspritzvorgang, aufgebracht ist.
Gezeitenströmungskraftanlage nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Beschichtung zwischen 0,05 mm und 0,5 mm beträgt.
Gezeitenströmungskraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenrauheit (R_a) des reibungserhöhenden Elements (9) einen Wert von mindestens 15 μm, vorzugsweise von mindestens 20 μm, aufweist.