DE102013223177A1

DE102013223177A1 - Gezeitenströmungskraftanlage

Info

Publication number: DE102013223177A1
Application number: DE102013223177.6A
Authority: DE
Inventors: Michael Baumann; Tony Collinge
Original assignee: SKF AB
Current assignee: SKF AB
Priority date: 2013-11-14
Filing date: 2013-11-14
Publication date: 2015-05-21
Anticipated expiration: 2033-11-15
Also published as: DE102013223177B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Gezeitenströmungskraftanlage (1), umfassend einen drehbar angeordneten Rotor (2), an dessen einem axialen Ende ein Turbinenrad (3) und an dessen anderem axialen Ende eine Abtriebsmaschine (4) angeordnet ist, wobei der Rotor (2) in einem Gehäuse (5) mittels mindestens einer Lageranordnung (6, 7) drehbar gelagert ist. Um eine kostengünstige und leicht zu wartende Anordnung zu schaffen, sieht die Erfindung vor, dass das Gehäuse (5) als rohrförmiges Element ausgebildet ist, wobei die mindestens eine Lageranordnung (6, 7) von mindestens zwei Dichtungselementen (8, 9) abgedichtet ist, die in den axialen Endbereichen des Gehäuses (5) angeordnet sind, und wobei das Gehäuse (5) Befestigungsmittel (10) aufweist, mit denen es an einem Umgebungsbauteil befestigt werden kann.

Description

Die Erfindung betrifft eine Gezeitenströmungskraftanlage, umfassend einen drehbar angeordneten Rotor, an dessen einem axialen Ende ein Turbinenrad und an dessen anderem axialen Ende eine Abtriebsmaschine angeordnet ist, wobei der Rotor in einem Gehäuse mittels mindestens einer Lageranordnung drehbar gelagert ist.
Gezeitenströmungskraftanlagen dieser Art sind im Stand der Technik bekannt. Bei einer solchen Anlage befindet sich an einem Rotor ein Turbinenrad, 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 infolge der Wasserströmungen teils hohe Kräfte ergeben, denen das Turbinenrad und in der Folge der Rotor ausgesetzt sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Gezeitenströmungskraftanlage so auszustatten, dass eine einfache und kostengünstige Konstruktion gegeben ist, wobei eine hinreichend hohe Lebensdauer erreicht werden kann. Die Komponenten der Gezeitenkraftanlage sollen sich auch für eine ausreichend große Dimensionierung eignen, so dass große Anlagen realisiert werden können; demgemäß sollen große Lasten und schnelle Bewegungen des Turbinenrades problemlos aufgenommen werden können. Dabei soll sich eine kompakte und robuste Konzeption ergeben. Die Anlage soll auch leicht zu warten sein, so dass diesbezüglich keine hohen Kosten anfallen.
Die Lösung dieser Aufgabe durch die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse als rohrförmiges Element ausgebildet ist, wobei die mindestens eine Lageranordnung von mindestens zwei Dichtungselementen abgedichtet ist, die in den axialen Endbereichen des Gehäuses angeordnet sind, und wobei das Gehäuse Befestigungsmittel aufweist, mit denen es an einem Umgebungsbauteil befestigt werden kann.
Das Befestigungsmittel ist bevorzugt eine flanschförmige radiale Erweiterung, die am Gehäuse angeordnet ist. Die flanschförmige radiale Erweiterung kann dabei aus dem Material des Gehäuses bestehen und an diesem angeformt sein.
Die mindestens eine Lageranordnung ist bevorzugt eine Wälzlagerung.
Das Turbinenrad kann ein Nabenteil umfassen, das eine konische Aufnahmebohrung aufweist, wobei das eine axiale Ende des Rotors zur konischen Aufnahmebohrung passend ausgebildet ist. Das Nabenteil kann dabei durch eine Stirnscheibe axial abgeschlossen werden, die mit mindestens einer Schraube axial auf den Rotor zu gezogen wird, wozu die mindestens eine Schraube in einer Gewindebohrung im Rotor eingeschraubt ist. Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass eine einzige Schraube vorhanden ist, die koaxial zur Drehachse des Rotors angeordnet ist.
Die mindestens eine Lageranordnung kann mit einem Schmiersystem zur Versorgung mit einem Schmiermittel versehen sein oder mit einem solchen Schmiersystem in Verbindung stehen. Sie kann auch mit einem Überwachungssystem zur Überwachung mindestens eines Lagerparameters versehen sein.
Die Abtriebsmaschine ist dabei zumeist ein Getriebe oder ein Generator.
Die Erfindung schlägt demgemäß somit vor, alle wesentlichen Komponenten in ein rohrförmiges Gehäuse zu integrieren, um so eine spindelartig ausgebildete Einheit zu schaffen, an die nach Fixierung des Gehäuses an einem Anbauteil axial endseitig das Turbinenrad bzw. der Generator oder ein mit diesem verbundenes Getriebe montiert wird. Die Einheit kann nach einem Standard ausgestattet oder auch kundenspezifisch gestaltet sein.
Demgemäß ist es möglich, eine wirtschaftliche Lösung zu realisieren. Die Instandhaltung vereinfacht sich infolge der integralen Bauweise gleichermaßen.
Das Gehäuse ist bevorzugt einstückig ausgebildet und wird als stationäres, ruhendes Bauteil verwendet. Die Anzahl der Lager wird entsprechend den Lastbedingungen gewählt. Die Lagerart wird entsprechend gewählt (Pendelrollenlager, Zylinderrollenlager, Kegelrollenlager, Toroidallager, etc.). Im gegebenen Falle können auch Mittel zum Einstellen der Lagervorspannung oder des Lagerspiels integriert werden.
Die Befestigungsmöglichkeiten für das Turbinenrad auf der einen Seite und den Generator / das Getriebe auf der anderen Seite wird gemäß den gewünschten Anforderungen gewählt. Es können integral angeordnete Flansche oder Kupplungen eingesetzt werden, die durch formschlüssige und/oder kraftschlüssige Verbindungen (Pressverbund) fixiert werden.
Die zum Einsatz kommenden Dichtungen werden so gewählt, dass sie dauerhaft dem Einsatz der Einheit unter Wasser gerecht werden. In beiden axialen Endbereichen des Gehäuses werden entsprechende Dichtungen platziert.
Die benötigten Bauteile können aus einem Material gefertigt werden, das eine hohe Resistenz gegen Korrosion aufweist, nachdem sie Seewasser ausgesetzt sind.
Sofern Sensoren vorgesehen sind, um Lagerparameter zu messen, kann es sich hier um Temperatursensoren, Schwingungssensoren, Sensoren für akustische Emissionen, Spannungsmesssensoren (Dehnmessstreifen), Drehgeschwindigkeits- oder Drehwinkelsensoren handeln. Die Sensorik kann drahtlos mit einer Überwachungsstation kommunizieren oder per Kabel.
Weiterhin können auch Sensoren eingesetzt werden, die detektieren, ob Seewasser in das Gehäuseinnere eingedrungen ist.
Sofern Daten von der rotierenden Welle erfasst werden müssen, können entsprechende Schleifringe vorgesehen werden, die der Datenübertragung zum stationären Gehäuse dienen.
Hierbei besteht die Möglichkeit, das Gehäuse so zu gestalten, dass ein Aufnahmeraum für eingedrungenes Wasser geschaffen wird. Besagter Aufnahmeraum wird bevorzugt zwischen einem Dichtungselement für die Abdichtung des Seewassers und einem Dichtungselement zum Zurückhalten des Schmiermittels in der Lageranordnung angeordnet werden. Hier kann eingedrungenes Seewasser aufgefangen werden, so dass es in geringen Mengen unkritisch bleibt.
Es können Sensoren vorgesehen werden, die den Wasserstand in besagtem Aufnahmeraum erfassen. Es ist auch möglich, den Aufnahmeraum mit einer Pumpe zu versehen bzw. eine Pumpe in fluidische Kommunikation mit dem Aufnahmeraum zu bringen, um bei Detektion eines entsprechenden Wasserstandes im Aufnahmeraum diesen leer zu pumpen. Die Gebrauchsdauer der Gehäuseeinheit kann so wesentlich verlängert werden.
Demgemäß wird eine einfach und preiswert herstellbare Einheit geschaffen, die auch leicht zu montieren und zu überprüfen ist. Sie ist robust und stellt einen zuverlässigen Betrieb sicher.
Gleichermaßen kann durch entsprechend modularen Aufbau eine günstige Fertigung erreicht werden. Dabei ist die Wartung und gegebenenfalls die Reparatur infolge des standardisierten Aufbaus der Gehäuseeinheit schnell und kostengünstig durchführbar. Entsprechende Vorteile lassen sich auch mit Blick auf das Vorhalten von Ersatzteilen erzielen.
Insgesamt wird eine höhere Leistungsdichte der Einheit möglich, verglichen mit bisherigen Lösungen, die aus einzelnen Komponenten konzipiert sind.
Die vorgeschlagene Rotoranordnung bildet mit den Dichtungselementen eine integrale Einheit, umfassend das Gehäuse mit dem gelagerten Rotor, den Lagern und dem Schmiersystem. Die Dichtungen halten einerseits das Seewasser vom Inneren des Gehäuses ab, andererseits stellen sie sicher, dass kein Schmiermittel ins Seewasser gelangt. Zusätzliche Dichtelementen werden nicht benötigt.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die einzige Figur zeigt in perspektivischer und geschnittener Darstellung den Rotor einer Gezeitenströmungskraftanlage, der in einem Gehäuse drehbar gelagert ist.
In der Figur ist eine Gezeitenströmungskraftanlage 1 angedeutet, die einen Rotor 2 aufweist, der in einem Gehäuse 5 drehbar gelagert ist. Nicht dargestellt, sondern nur angedeutet ist, dass am einen (linken) axialen Ende des Rotors 2 ein Turbinenrad 3 befestigt ist; am anderen (rechten) Ende des Rotors 2 ist eine Abtriebsmaschine 4 angeordnet.
Bei der Abtriebsmaschine 4 handelt es sich beispielsweise um einen direkt angeflanschten Generator oder um ein Getriebe, das die Drehung des Rotors 2 übersetzt und das Drehmoment des Rotors 2 dann zwecks Stromerzeugung zu einem Generator leitet.
Der Generator stellt demgemäß Strom her, wenn sich das Turbinenrad 3 dreht. So wird Energie gewonnen, wenn die skizzierte Anordnung im Bereich einer Wasserströmung platziert wird, die durch den Gezeitenwechsel hervorgerufen wird.
Die Lagerung des Rotors 2 im Gehäuse 5 erfolgt durch zwei Lageranordnungen 6 und 7. Hierfür können beliebige Lager in Frage kommen, d. h. Gleit- und Wälzlager. Die Wälzlager können unterschiedlicher Art sein. Damit die Lageranordnungen 6, 7 vor dem Zutritt von Seewasser geschützt werden, sind Dichtungselemente 8 und 9 in den jeweiligen axialen Endbereichen des Gehäuses 5 vorgesehen.
Das Dichtungselement 9 an der Seite des Turbinenrads 3 und auch dasjenige an der Seite der Abtriebsmaschine 4 kann als Lippendichtung ausgeführt sein, wobei die Dichtlippe auf einem gehärteten, nicht-rostendem Material anläuft. Das Eindringen von Seewasser wird damit genauso verhindert wie das Austreten von Schmiermittel, mit dem die Lageranordnungen 6, 7 geschmiert werden.
Das Gehäuse 5 ist rohrförmig ausgestaltet und weist in einem axialen Endbereich ein Befestigungsmittel 10 in Form einer flanschartigen radialer Erweiterung auf. In diese Erweiterung sind um den Umfang herum Bohrungen eingebracht, über die die Befestigungsmittel 10 und damit auch das Gehäuse 5 an einem (nicht dargestellten) Anbauteil per Schraubverbindung befestigt werden können.
Im einen (linken) axialen Endbereich des Rotors 2 ist – wie erläutert – das Turbinenrad 3 angebracht. Hierzu weist der Rotor 3, der fliegend aus dem Gehäuse 5 herausragt, eine konische Gestaltung auf, die zu einer Aufnahmebohrung 12 eines Nabenteils 11 passt.
Das Nabenteil 11 weist Bohrungen zur Befestigung des Turbinenrades 3 bzw. der einzelnen Turbinenschaufeln auf. Das Nabenteil 11 wird dann mit einer Stirnscheibe 13 axial auf den konischen Sitz des Rotors 2 gedrückt, so dass ein fester (kraftschlüssiger) Verbund zwischen Nabenteil 11 und Rotor 2 vorliegt. Hierzu wird eine Schraube 14 stirnseitig durch die Stirnscheibe 13 in den Rotor 2 eingeschraubt.
Insgesamt entsteht so eine kompakte und bauliche Einheit, deren Kern das rohrförmige Gehäuse 5 ist, in dem der Rotor 2 drehbar gelagert ist.
Die skizzierte Einheit ist bevorzugt modular aufgebaut, so dass eine Anzahl an Komponenten für verschieden groß ausgeführte Einheiten eingesetzt werden können.
Hierdurch ergeben sich nicht nur eine kostengünstige Realisierung der beschriebenen Anordnung, sondern auch kostensparende Effekte bei der Wartung und Reparatur der Anlage.
Die Verbindungsmittel zur Verbindung des Rotors mit dem Turbinenrad 4 bzw. mit der Abtriebsmaschine 4 sind generell beliebig. Es können hierfür Naben-Zwischenstücke mit kegeligen Bohrungen etc. eingesetzt werden, die mit korrespondierenden Gegenflächen zusammenwirken.
Auch können Zuflüsse von Drucköl für die Montage bzw. Demontage vorgesehen werden.
Bezugszeichenliste

1: Gezeitenströmungskraftanlage
2: Rotor
3: Turbinenrad
4: Abtriebsmaschine (Getriebe / Generator)
5: Gehäuse
6: Lageranordnung
7: Lageranordnung
8: Dichtungselement
9: Dichtungselement
10: Befestigungsmittel
11: Nabenteil
12: Aufnahmebohrung
13: Stirnscheibe
14: Schraube

Claims

Gezeitenströmungskraftanlage (1), umfassend einen drehbar angeordneten Rotor (2), an dessen einem axialen Ende ein Turbinenrad (3) und an dessen anderem axialen Ende eine Abtriebsmaschine (4) angeordnet ist, wobei der Rotor (2) in einem Gehäuse (5) mittels mindestens einer Lageranordnung (6, 7) drehbar gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (5) als rohrförmiges Element ausgebildet ist, wobei die mindestens eine Lageranordnung (6, 7) von mindestens zwei Dichtungselementen (8, 9) abgedichtet ist, die in den axialen Endbereichen des Gehäuses (5) angeordnet sind, und wobei das Gehäuse (5) Befestigungsmittel (10) aufweist, mit denen es an einem Umgebungsbauteil befestigt werden kann.
Gezeitenströmungskraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Befestigungsmittel (10) eine flanschförmige radiale Erweiterung ist, die am Gehäuse (5) angeordnet ist.
Gezeitenströmungskraftanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die flanschförmige radiale Erweiterung aus dem Material des Gehäuses (5) besteht und an diesem angeformt ist.
Gezeitenströmungskraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Lageranordnung (6, 7) eine Wälzlagerung ist.
Gezeitenströmungskraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Turbinenrad (3) ein Nabenteil (11) umfasst, das eine konische Aufnahmebohrung (12) aufweist, wobei das eine axiale Ende des Rotors (2) zur konischen Aufnahmebohrung (12) passend ausgebildet ist.
Gezeitenströmungskraftanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Nabenteil (11) durch eine Stirnscheibe (13) axial abgeschlossen wird, die mit mindestens einer Schraube (14) axial auf den Rotor (2) zu gezogen wird, wozu die mindestens eine Schraube (14) in einer Gewindebohrung im Rotor (2) eingeschraubt ist.
Gezeitenströmungskraftanlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine einzige Schraube (14) vorhanden ist, die koaxial zur Drehachse des Rotors (2) angeordnet ist.
Gezeitenströmungskraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Lageranordnung mit einem Schmiersystem zur Versorgung mit einem Schmiermittel versehen ist oder mit einem solchen Schmiersystem in Verbindung steht.
Gezeitenströmungskraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Lageranordnung mit einem Überwachungssystem zur Überwachung mindestens eines Lagerparameters versehen ist.
Gezeitenströmungskraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtriebsmaschine (4) ein Getriebe oder ein Generator ist.