DE102013223618A1

DE102013223618A1 - Rohrturbinen-Generatoreinheit

Info

Publication number: DE102013223618A1
Application number: DE102013223618.2A
Authority: DE
Inventors: Manfred Stummer; Stanley Kocon
Original assignee: Voith Patent GmbH
Current assignee: Voith Patent GmbH
Priority date: 2013-11-20
Filing date: 2013-11-20
Publication date: 2015-01-08

Abstract

Rohrturbinen-Generatoreinheit zur Energieeinspeisung in ein Stromnetz der Frequenz f_N, mit einem Turbinenlaufrad der Nenndrehzahl d_T, einer Antriebswelle, die mit dem Turbinenlaufrad drehstarr verbunden ist, einer elektrischen Synchronmaschine mit einem Läufer, welcher eine Anzahl Läuferpole n_P aufweist und von der Antriebswelle angetrieben wird, einem Rohrturbinengehäuse, das die Synchronmaschine zumindest teilweise umschließt, wobei die Anzahl der Läuferpole kleiner als (f_N·2/d_T) ist, und wobei die elektrische Synchronmaschine über einen Frequenzumrichter mit dem Stromnetz verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Rohrturbinen-Generatoreinheit nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
Aus der gattungsgemäßen DE 10 2008 017 537 A1 ist eine derartige Rohrturbinen-Generatoreinheit bekannt. Sie besteht im Wesentlichen aus einem Turbinenlaufrad, einer Antriebswelle, welche mit dem Turbinenlaufrad drehstarr verbunden ist, einem elektrischen Generator mit einem Läufer und einem Ständer, sowie den entsprechenden Ständerwicklungen und Läuferwicklungen. Dabei wird der Läufer von der Antriebswelle zumindest mittelbar angetrieben. Wie es bei Rohrturbinen-Generatoreinheiten typisch ist, befindet sich um den elektrischen Generator ein Rohrturbinengehäuse, in welchem typischerweise auch die Antriebswelle und darüber das Turbinenlaufrad gelagert ist. Diese Rohrturbinen-Generatoreinheit wird üblicherweise innerhalb eines rohrförmigen Durchtritts für Wasser in einem Wasserkraftwerk so eingebracht, dass das Wasser zuerst das Rohrturbinengehäuse umströmt und anschließend, typischerweise über Leitschaufeln auf das Turbinenlaufrad geleitet wird. Wenn es sich bei dem Wasserkraftwerk um ein Gezeitenströmungskraftwerk handelt, dann kehrt sich die Wasserströmung im Laufe der Gezeiten periodisch um, so dass während ungefähr der Hälfte der Zeit die umgekehrte Strömungsrichtung vorliegt. Es gibt weiterhin auch Bauformen, die ein nicht rundum geschlossenes Gehäuse um den Generator aufweisen, so dass beispielsweise das Gehäuse nach oben hin offen ist. Durch eine solche Öffnung kann u.a. der Zugang zum Generator realisiert werden. In dem Fall, dass ein nicht rundum geschlossenes Gehäuse vorliegt, wird die Rohrturbinen-Generatoreinheit auch nur teilweise vom Wasser umströmt.
Der gesamte Aufbau des Wasserkraftwerks muss auf die Größe der Rohrturbinen-Generatoreinheit angepasst werden. Typischerweise wird der Durchmesser des Rohrturbinengehäuses durch den notwendigen Durchmesser des darin angeordneten Generators bestimmt. Um die benötigte Wassermenge um das Rohrturbinengehäuse herum zu dem Turbinenlaufrad leiten zu können muss dann ein entsprechender Strömungsquerschnitt der Rohrleitung in dem Wasserkraftwerk realisiert werden. Je größer dieser Querschnitt sein muss, desto größer ist der bauliche Aufwand und der erforderliche Aushub bei dem Bau des Wasserkraftwerks.
Außerdem stellt das Rohrturbinengehäuse ein Strömungshindernis dar, da es von Wasser umflossen werden muss. Je kleiner der Durchmesser des Rohrturbinengehäuses ist, umso kleiner ist dieser Strömungswiderstand. Dieser Strömungswiderstand spielt insbesondere bei Gezeitenkraftwerden eine noch größere Rolle, wenn der Wasserfluss umgekehrt verläuft, d.h. wenn das Wasser zuerst das Turbinenlaufrad durchströmt und dann erst um das Rohrturbinengehäuse strömt.
Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Rohrturbinen-Generatoreinheit in der Art weiterzuentwickeln, dass ein sehr einfacher und effizienter Aufbau entsteht, welcher einen hohen Wirkungsgrad bei minimalem Bauraum gewährleistet.
Für den Aufbau einer Rohrturbinen-Generatoreinheit kommen in der Regel permanent oder statisch erregte Synchronmaschinen zum Einsatz, die elektrische Energie in das Stromnetz mit der vorgegebenen Netzfrequenz f_N einspeisen. Daher ergibt sich folgender Zusammenhang zwischen der Netzfrequenz f_N, der Drehzahl d und der Anzahl der Pole des Generatorläufers n_P: f_N = d·n_P/2. D.h. eine Synchronmaschine mit 20 Polen (10 Nordpole und 10 Südpole) kann bei einer vorgegebenen Netzfrequenz von 50 Hz genau dann ins Netz einspeisen, wenn die Drehzahl d = 5 Umdrehungen pro Sekunde beträgt. Bei langsamer laufenden Kaplan- oder Propellerlaufrädern ergibt sich daher in der Regel eine hohe benötigte Anzahl von Polen n_P. Da die Größe der Läuferpole nicht beliebig verkleinert werden kann, ohne den Wirkungsgrad des Generators zu beeinträchtigen, ergibt sich aus der Anzahl der Pole somit auch der minimal realisierbare Durchmesser des Generator-Läufers und damit auch des Generator-Ständers und mithin auch des Generators selbst. D.h. die Nenndrehzahl d_T der Turbine bestimmt somit den minimal realisierbaren Generatordurchmesser.
Will man den Generatordurchmesser darüber hinaus weiter verkleinern, so ist aus dem Stand der Technik die Verwendung eines Getriebes zwischen der Turbine und dem Generatorläufer bekannt. Damit wird die Drehzahl d des Generatorläufers gegenüber der Nenndrehzahl d_T der Turbine erhöht, so dass die Anzahl der Pole n_P verringert werden kann. Bei dieser Lösung des Problems ergibt sich jedoch durch die Reibung im Getriebe ein geringerer Gesamtwirkungsgrad des Kraftwerks und außerdem das Risiko, dass bei einem Ausfall des Getriebes das gesamte Kraftwerk vom Netz genommen werden muss.
Die Erfinder haben erkannt, dass die gestellte Aufgabe durch eine Rohrturbinen-Generatoreinheit mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst werden kann.
Die Erfinder haben erkannt, dass die Anzahl der Pole n_P auch dadurch verringert werden kann, dass die Synchronmaschine nicht mehr direkt ins Stromnetz einspeist, sondern zwischen Synchronmaschine und Netz ein Frequenzumrichter geschaltet wird. Frequenzumrichter haben einen hohen Wirkungsgrad und eine hohe Zuverlässigkeit. Die Synchronmaschine mit reduzierter Anzahl von Polen liefert so elektrische Energie mit einer Frequenz, die unterhalb der Netzfrequenz f_N liegt. Mit Hilfe des Frequenzumrichters wird die elektrische Energie auf die Netzfrequenz umgerichtet und ins Stromnetz eingespeist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008017537 A1 [0002]

Claims

Rohrturbinen-Generatoreinheit zur Energieeinspeisung in ein Stromnetz der Frequenz f_N, mit einem Turbinenlaufrad der Nenndrehzahl d_T, einer Antriebswelle, die mit dem Turbinenlaufrad drehstarr verbunden ist, einer elektrischen Synchronmaschine mit einem Läufer, welcher eine Anzahl Läuferpole n_P aufweist und von der Antriebswelle angetrieben wird, einem Rohrturbinengehäuse, das die Synchronmaschine zumindest teilweise umschließt, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Läuferpole kleiner als (f_N·2/d_T) ist, und dass die elektrische Synchronmaschine über einen Frequenzumrichter mit dem Stromnetz verbunden ist.