-
Stand der Technik
-
Die Erfindung geht aus von einer Rohrturbine zum generatorischen und/oder motorischen Betrieb, wobei die Rohrturbine ein Laufrad mit verstellbaren Rotorblättern und eine erste elektrische Maschine aufweist, wobei die erste elektrische Maschine als elektrischer Generator und/oder elektrischer Motor ausgestaltet ist und einen Stator und einen Rotor aufweist, und wobei das Laufrad am Rotor der ersten elektrischen Maschine angeordnet ist.
-
Die Offenlegungsschrift
US 2782321 A zeigt eine als Straight-Flow-Turbine ausgestaltete Rohrturbine, welche aus einer elektrisch erregten Synchronmaschine und einem Turbinenrad, dass sich direkt im Rotor der Synchronmaschine befindet aufgebaut ist. Die Turbine ist im Rotor integriert und eine zusätzliche mechanische Kopplung von elektrischer Maschine und Turbine ist nicht erforderlich (siehe auch Kaplan-Turbine).
-
Derartige Rohrturbinen zeichnen sich für ihre kompakte Bauform aus. Des Weiteren muss das Strömungsmedium nicht aufwendig zum Turbinenrad geführt werden, da diese Turbinenart, wie der Name Straight-Flow-Turbine vermuten lässt, direkt vom Fluid durchströmt wird. Es ergeben sich herbei Vorteile im Gesamtaufbau der Turbine und im Wirkungsgrad. In der Offenlegungsschrift wird auch ein Mechanismus zur Verstellung der Rotorblätter gezeigt, wobei solch eine Turbine auch als Verstell-Propeller bezeichnet werden kann. Die Verstellung der Rotorblätter erfolgt hierbei über eine aus dem Strömungskanal heraus geführten Welle. Hierfür ist eine kurvenförmige Anpassung des Strömungskanals notwendig, was die Vorteile einer Straight-Flow-Turbine zum Teil kompensiert.
-
Diese Probleme sollen durch die Erfindung behoben werden.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Die Erfindung geht aus von einer Rohrturbine zum generatorischen und/oder motorischen Betrieb, wobei die Rohrturbine ein Laufrad mit verstellbaren Rotorblättern und eine erste elektrische Maschine aufweist, wobei die erste elektrische Maschine als elektrischer Generator und/oder elektrischer Motor ausgestaltet ist und einen Stator und einen Rotor aufweist, und wobei das Laufrad am Rotor der ersten elektrischen Maschine angeordnet ist.
-
Der Kern der Erfindung besteht darin, dass die Rohrturbine eine zweite elektrische Maschine aufweist, welche als elektrischer Motor ausgestaltet und zumindest teilweise am und/oder im Rotor der ersten elektrischen Maschine angeordnet und dazu eingerichtet ist, die Rotorblätter des Laufrads in ihrer Lage zu verstellen.
-
Vorteilhaft ist hierbei, dass eine robuste und einfache Rohrturbine geschaffen ist. Durch die berührungslose, elektrische Verstellung der Rotorblätter muss kein Element aus dem Strömungskanal herausgeführt werden, wodurch die Komplexität und die Fehleranfälligkeit der Rohrturbine verringert werden kann. Zudem ist es hierdurch nicht notwendig den Strömungskanal kurvenförmig anzupassen, wodurch der Wirkungsgrad der Rohrturbine erhöht wird.
-
Unter Rohrturbine ist ein System zu verstehen (z. B. Turbine, Kreiselpumpe, Turboverdichter), welches dem durch ein Rohr strömenden Fluid entweder Arbeit entzieht oder zuführt. Um dies genau zu steuern, weist die Rohrturbine ein Laufrad mit in ihrer Lage verstellbaren Rotorblättern auf, welche innerhalb des Rohres entsprechend angeordnet sind und sich gegenüber dem Volumenstrom entsprechend ausrichten lassen, wodurch der Anströmwinkel des Fluids entsprechend verändert wird. Die Rotorblätter des Laufrads sind hierbei beispielsweise innerhalb des Rotors der ersten elektrischen Maschine zwischen dessen Rotorjoch und Rotorwelle angeordnet und mit diesen verbunden.
-
Unter dem Begriff Fluid werden in der Physik Flüssigkeiten und Gase zusammengefasst. Das Gas kann beispielsweise gewöhnliche Luft bzw. das Fluid beispielsweise Wasser sein, welche bzw. welches mittels der Rohrturbine bewegt wird und wodurch entsprechend ein Volumenfluss erzeugt wird. Unter Volumenfluss ist folglich eine Bewegung des Fluids zu verstehen. Hierbei kann der Volumenfluss entsprechend auch die Rohrturbine in Bewegung versetzen.
-
Unter elektrischer Maschine ist hierbei ein System zu verstehen, welches unter anderem mittels Stator und Rotor beispielsweise einen Antriebsmotor oder einen Generator bildet. Die elektrische Maschine kann beispielsweise als Elektromotor oder als elektrischer Generator ausgestaltet sind. Hierbei wird beispielsweise die elektrische Energie von einer Gleichspannungsquelle über einen Wechselrichter mittels einer entsprechenden Ansteuerung in eine Wechselspannung umgewandelt wird, die aufgrund einer entsprechenden Verschaltung mit Statorwicklungen dem zugehörigen Stator zugeführt wird, um dort ein Drehfeld zu erzeugen. Das magnetische Drehfeld wiederum treibt im Zusammenspiel mit magnetischen Bauteilen des Rotors den Rotor und letztlich die Rotorwelle an, wodurch auf diese ein entsprechendes Drehmoment wirkt.
-
Entsprechend kann mit dem umgekehrten Prinzip die elektrische Maschine als Generator fungieren und mechanische Energie des Volumenstroms, welche ein Drehmoment auf den Rotor gibt und folglich den Rotor in eine Drehung versetzt, in elektrische Energie umwandeln.
-
Die zweite elektrische Maschine ist hierbei als reiner Motor ausgestaltet und weist keinen generatorischen Betrieb auf. Insbesondere ist die zweite elektrische Maschine als eine Art Servoantrieb ausgestaltet.
-
Zur Ansteuerung der elektrischen Maschine kann die Rohrturbine wenigstens eine Verarbeitungseinheit aufweisen, welche beispielsweise als Mikrocontroller ausgestaltet sein kann.
-
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass eine Welle des Rotors der ersten elektrischen Maschine zumindest bereichsweise hohl ausgestaltet ist, wobei die zweite elektrische Maschine zumindest teilweise innerhalb der hohlen Welle angeordnet ist.
-
Vorteilhaft ist hierbei, dass die zweite elektrische Maschine zur Verstellung der Rotorblätter durch die Hohlwelle des Rotors der ersten elektrischen Maschine an die Rotorblätter geführt werden kann, wodurch eine Platzierung der zweiten elektrischen Maschine in unmittelbarer Nähe zum Verwendungsort möglich ist.
-
Hierdurch muss die Rohrturbine in ihrer äußeren Form nicht verändert werden, wodurch entsprechend auch keine Änderungen des Rohres notwendig werden, wie dies im Stand der Technik der Fall ist.
-
Die Welle des Rotors der ersten elektrischen Maschine entspricht hierbei einer mittig angeordneten Welle und bildet ebenso den Kern des Laufrads. Als hohl ist hierbei zu verstehen, dass die Welle einen insbesondere mittig zentriert angeordneten Hohlraum aufweist. Innerhalb des Hohlraums der Hohlwelle sind hierbei Bauelemente der zweiten elektrischen Maschine mitrotierend angeordnet, wobei diese Bauelemente sowohl gegenüber den ortsfesten Elementen der Rohrturbine als auch gegenüber der Hohlwelle drehbar ausgestaltet sind.
-
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass ein Rotor der zweiten elektrischen Maschine drehbar innerhalb der hohlen Welle des Rotors der ersten elektrischen Maschine angeordnet ist und ein Stator der zweiten elektrischen Maschine an und/oder in einem ortsfesten Element der Rotorturbine, insbesondere einem Lager der Welle des Rotors der ersten elektrischen Maschine oder einem Leitrad der Rohrturbine, angeordnet ist.
-
Vorteilhaft ist hierbei, dass dies eine einfache Möglichkeit ist, die zweite elektrische Maschine entsprechend in die Rohrturbine, insbesondere in den Rotor der ersten elektrischen Maschine, zu integrieren.
-
Die Anordnung eines ersten Elements an und/oder in einem zweiten Element bedeutet, dass das erste Element außen an dem zweiten Element oder auch innerhalb des zweiten Elements angebracht sein kann, insbesondere in einem vom zweiten Element gebildeten Hohlraum.
-
Der Rotor der zweiten elektrischen Maschine bildet hierbei insbesondere einen Teil der Verstell-Mechanik, um die Rotorblätter des Laufrads in ihrer Lage zu verstellen. Hierbei ist der Rotor der zweiten elektrischen Maschine drehbar in der Hohlwelle des Rotors der ersten elektrischen Maschine angeordnet.
-
Als Lager bezeichnet man im Maschinen- und Gerätebau ein Element zum Führen beweglicher Bauteile, welches hier beispielsweise als Welle ausgestaltet ist.
-
Das Gegenstück zum bewegten Laufrad ist das unbewegte Leitrad oder Leitwerk, welches die Anströmung zum Laufrad leitet.
-
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die zweite elektrische Maschine als permanent erregter Synchronmotor ausgestaltet ist. Vorteilhaft ist hierbei, dass dies eine einfach Möglichkeit darstellt, die zweite elektrische Maschine mit den entsprechend Vorzügen einer PSM auszugestalten. Der Synchronmotor bietet hierbei als Vorteile eine hohe Leistungsdichte und einen hohen Wirkungsgrad bei niedrigerer Leistungsanforderung, insbesondere im Vergleich zu anderen Motoren wie beispielsweise Gleichstrom- oder Asynchronmotoren.
-
Eine Synchronmaschine ist eine rotierende elektrische Maschine, in der der Rotor synchron mit dem Drehfeld des Stators läuft. Handelt es sich um eine permanent erregte Synchronmaschine (PSM), trägt der Rotor Permanentmagnete zur Erregung.
-
Alternativ wäre es jedoch auch denkbar, dass die zweite elektrische Maschine als elektrisch erregte Synchronmaschinen oder auch als Asynchronmaschine ausgestaltet ist.
-
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Rohrturbine dazu eingerichtet ist, die zweite elektrische Maschine derartig anzusteuern, dass ein durch die zweite elektrische Maschine erzeugtes magnetisches Drehfeld mit einer Drehzahl rotiert, welche die Summe aus Drehzahl der ersten elektrischen Maschine und einer Solldrehzahl der zweiten elektrischen Maschine ist.
-
Vorteil ist hierbei, dass die Drehzahl der ersten elektrischen Maschine bei der Ansteuerung der zweiten elektrischen Maschine berücksichtigt wird, um eine Relativdrehung des Rotors der zweiten elektrischen Maschine im Verhältnis zur Welle des Rotors der ersten elektrischen Maschine zu erzielen. Die Relativdrehung verursacht letztendlich die gewünschte Verstellung der Rotorblätter, wobei die Solldrehzahl hierbei die gewünschte Drehzahl des Rotors der zweiten elektrischen Maschine bedeutet.
-
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Rohrturbine ein Rotorlagenmesssystem aufweist, welches dazu eingerichtet ist, jeweils eine Rotorlage der ersten elektrischen Maschine und der zweiten elektrischen Maschine zu erfassen, wobei die Rohrturbine dazu eingerichtet ist, die zweite elektrische Maschine in Abhängigkeit von der jeweiligen Rotorlage der ersten elektrischen Maschine und der zweiten elektrischen Maschine anzusteuern.
-
Vorteilhaft ist hierbei, dass dies eine einfache Möglichkeit darstellt, die Ansteuerung der zweiten elektrischen Maschine effektiv und zuverlässig umzusetzen, wobei die entsprechenden Rotorlagen zur korrekten Ansteuerung berücksichtigt werden.
-
Als Rotorlage ist hierbei der Drehwinkel des Rotors der jeweiligen elektrischen Maschine zu verstehen. Abhängig vom Drehwinkel werden beispielsweise die Wicklungen des Stators angesteuert, um die jeweilige elektrische Maschine entsprechend anzutreiben. In Abhängigkeit vom Drehwinkel kann insbesondere auch die Drehzahl bestimmt werden.
-
Zur Bestimmung der Rotorlage gibt es beispielsweise magnetbasierte Rotorlagesensoren. Zudem sind aber auch induktiv messende Rotorlagesensoren auf Basis von gekoppelten Spulen bekannt.
-
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Rohrturbine dazu eingerichtet ist, einen Fehlerfall der ersten elektrischen Maschine zu erfassen und im Fehlerfall die zweite elektrische Maschine derartig anzusteuern, dass die Rotorblätter des Laufrads eine Neutralstellung einnehmen. Vorteilhaft ist hierbei, dass bei einem Fehlerfall die Rohrturbine in einen sicheren Zustand gebracht werden kann, wodurch weitere Komplikationen durch den entsprechenden Fehlerfall abgeschwächt oder gar komplett vermieden werden können.
-
Unter Fehlerfall ist zu verstehen, dass insbesondere die erste elektrische Maschine nicht mehr wie vorgesehen arbeiten kann. Dies kann beispielsweise der Fall sein, wenn die erste elektrische Maschine elektrisch nicht mehr korrekt mit einem externen Stromnetz verbunden ist oder aber wenn die erste elektrische Maschine intern einen Defekt aufweist. Dieser interne Defekt kann sowohl mechanischer als auch elektrischer Natur sein.
-
Erfolgt eine Trennung der ersten elektrischen Maschine von einem externen Stromnetz, kann unter Umständen auch die zweite elektrische Maschine nicht mehr richtig mit elektrischer Energie versorgt werden. In diesem Fall ist es denkbar, dass die Rohrturbine einen Energiespeicher aufweist, welcher im Fehlerfall die zweite elektrische Maschine versorgt. Alternativ wäre es bei einem generatorischen Betrieb denkbar, dass die erste elektrische Maschine die zweite elektrische Maschine versorgt, bis die Rotorblätter in einer Neutralstellung sind.
-
Unter Neutralstellung kann die Stellung der Rotorblätter verstanden werden, in welcher diese keinen bzw. einen minimalen Einfluss auf den Volumenstrom haben.
-
Die Erfindung betrifft zudem ein System mit einem Rohr und einer erfindungsgemäßen Rohrturbine. Hierbei ist die Rohrturbine im bzw. am Rohr angeordnet. Die Rohrturbine nutzt einen Volumenstrom eines Fluids durch das Rohr und entsprechend auch durch die Rohrturbine zur Umwandlung von mechanischer Energie des Volumentstroms in elektrische Energie. Alternativ oder zusätzlich kann die Rohrturbine elektrische Energie in mechanische Energie umwandeln und entsprechenden den Volumenstrom des Fluids steuern bzw. beeinflussen.
-
Ein Rohr ist ein länglicher Hohlkörper, dessen Länge in der Regel wesentlich größer als sein Durchmesser und typischerweise aus relativ unflexiblem Material gefertigt ist.
-
Das System kann beispielweise als Teil eines Wasserkraftwerks ausgestaltet sein und die erfindungsgemäße Rohrturbine dann entsprechend einen Turbinen-Generator-Ansatz nutzen. Alternativ kann das System auch als Pumpe oder Verdichter/Kompressor ausgestaltet sein, beispielsweise für den Autormotive Bereich, indem die Rohrturbine im motorischen Betrieb genutzt wird und entsprechend in der Größe angepasst ist.
-
Zeichnungen
-
- 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Systems mit einer erfindungsgemäßen Rohrturbine in einem Längsschnitt.
- 2 zeigt einen Querschnitt der erfindungsgemäßen Rohrturbine nach 1 senkrecht zum Längsschnitt aus 1.
-
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
-
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Systems mit einer erfindungsgemäßen Rohrturbine in einem Längsschnitt.
-
Dargestellt ist ein Längsschnitt durch ein System 100 mit einem Rohr 110 und einer am bzw. innerhalb vom Rohr 110 angeordneten Rohrturbine 10 zum generatorischen und/oder motorischen Betrieb. Das System 100 kann beispielweise als Teil eines Wasserkraftwerks ausgestaltet sein und die erfindungsgemäße Rohrturbine 10 dann entsprechend einen Turbinen-Generator-Ansatz nutzen. Alternativ kann das System 100 auch als Pumpe oder Verdichter/Kompressor ausgestaltet sein, beispielsweise für den Autormotive Bereich, indem die Rohrturbine 10 im motorischen Betrieb genutzt wird und entsprechend in der Größe angepasst ist.
-
Durch das Rohr 110 erfolgt ein fließt ein nicht dargestelltes Fluid und verursacht einen entsprechenden Volumenstrom, welcher von der Rohrturbine 10 genutzt und/oder beeinflusst werden kann.
-
Die Rohrturbine 10 weist hierfür ein Laufrad 20 mit verstellbaren Rotorblättern 22 und eine erste elektrische Maschine 30 auf. Die erste elektrische Maschine 30 ist wiederum als elektrischer Generator und/oder elektrischer Motor ausgestaltet und weist einen Stator 32 und einen um eine Achse x rotierenden Rotor 34 auf, wobei das Laufrad 20 am Rotor 34 der ersten elektrischen Maschine 30 angeordnet ist. Hierbei sind die Rotorblätter 22 innerhalb des Rotors 34 zwischen einem außenliegenden Rotorjoch 36 des Rotors 34 und einer innenliegenden Welle 35 des Rotors 34 angeordnet. Der Rotor 34 ist insbesondere als permanentmagnetischer Rotor ausgestaltet, was hier jedoch bildlich nicht dargestellt ist.
-
Die Rohrturbine 10 weist zudem eine zweite elektrische Maschine 40 auf, welche als elektrischer Motor ausgestaltet und zumindest teilweise am und/oder im Rotor 34 der ersten elektrischen Maschine 30 angeordnet und dazu eingerichtet ist, die Rotorblätter 22 des Laufrads 20 in ihrer Lage zu verstellen.
-
Insbesondere kann die zweite elektrische Maschine 40 als permanent erregter Synchronmotor ausgestaltet sein und somit eine Art Servoantrieb bilden.
-
Die Welle 35 des Rotors 34 der ersten elektrischen Maschine 30 ist zumindest bereichsweise hohl ausgestaltet, wobei die zweite elektrische Maschine 40 zumindest teilweise innerhalb der hohlen Welle 35 angeordnet ist. Insbesondere ist hierbei ein Rotor 44 der zweiten elektrischen Maschine 40 drehbar um die Achse x innerhalb der hohlen Welle 35 des Rotors 34 der ersten elektrischen Maschine 30 angeordnet. Der Rotor 44 der zweiten elektrischen Maschine 40 ist hierbei zudem auch drehbar gegenüber der hohlen Welle 35 des Rotors 34 der ersten elektrischen Maschine 30 ausgestaltet.
-
Zudem ist entsprechend ein Stator 42 der zweiten elektrischen Maschine 40 an und/oder in einem ortsfesten Element 50 der Rotorturbine 10, hier in einem Lager 37 der Welle 35 des Rotors 34 der ersten elektrischen Maschine 30, angeordnet ist. Alternativ wäre es auch denkbar, dass der Stator 42 an und/oder in einem Leitrad 52 der Rohrturbine 10 angeordnet ist.
-
Der Rotor 44 der zweiten elektrischen Maschine 40 bildet hierbei insbesondere einen Teil der Verstellmechanik zur Änderung der Lage der Rotorblätter 22, welche den Rotor 44 mit den Rotorblättern 22 verbindet, wobei diese Verbindung schematisch als gestrichelte Linie 46 dargestellt ist.
-
Des Weiteren ist die Rohrturbine 10 dazu eingerichtet, die zweite elektrische Maschine 40 derartig anzusteuern, dass ein durch die zweite elektrische Maschine 40 erzeugtes magnetisches Drehfeld mit einer Drehzahl rotiert, welche die Summe aus Drehzahl der ersten elektrischen Maschine 30 und einer Solldrehzahl der zweiten elektrischen Maschine 40 ist.
-
Insbesondere weist die Rohrturbine 10 hierfür ein bildlich nicht dargestelltes Rotorlagenmesssystem aufweist, welches dazu eingerichtet ist, jeweils eine Rotorlage der ersten elektrischen Maschine 30 und der zweiten elektrischen Maschine 40 zu erfassen, wobei die Rohrturbine 10 dazu eingerichtet ist, die zweite elektrische Maschine 40 in Abhängigkeit von der jeweiligen Rotorlage der ersten elektrischen Maschine 30 und der zweiten elektrischen Maschine 40 anzusteuern.
-
Des Weiteren kann die Rohrturbine 10 dazu eingerichtet sein, einen Fehlerfall der ersten elektrischen Maschine 30 zu erfassen und im Fehlerfall die zweite elektrische Maschine 40 derartig anzusteuern, dass die Rotorblätter 32 des Laufrads 20 eine Neutralstellung einnehmen.
-
2 zeigt einen Querschnitt der erfindungsgemäßen Rohrturbine nach 1 senkrecht zum Längsschnitt aus 1.
-
Der Querschnitt erfolgt hierbei entlang der in 1 gezeigten Schnittebene A. Dargestellt ist wiederum das Rohr 110. Im Rohr 110 ist das Lager 37 der Welle 35 des Rotors 34 der ersten elektrischen Maschine 30 angeordnet, wobei im Lager 37 die Statorwicklungen des Stators 42 der zweiten elektrischen Maschine 40 angeordnet sind. Das Lager 37 umgreift die Welle 35 des Rotors 34 der ersten elektrischen Maschine 30 und nimmt diese entsprechend derartig auf, dass sich die Welle 35 um eine Achse x drehen kann und vom Lager 37 geführt wird. Die Welle 35 ist hohl ausgestaltet, wobei innerhalb des Hohlraums der Welle 35 der Rotor 44 der zweiten elektrischen Maschine 40 drehbar um die Achse x und drehbar gegenüber der Welle 35 angeordnet ist. Die Welle 35 dient wiederum als Lager für den Rotor 44 der zweiten elektrischen Maschine 40.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
