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Das vorliegende Gebrauchsmuster betrifft eine hydraulische Rohrgeneratoranordnung, welche in eine an eine funktionierende Wasserquelle angeschlossene Rohrleitung eingebaut wird und die Bewegungsenergie des durchströmenden Wassers zur Erzeugung von elektrischer Energie nutzt.
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Schon seit Langem werden zur Erzeugung von elektrischer Energie mit strömendem Wasser angetriebene Wasserkraftmaschinen genutzt, deren Hauptkomponente die Turbine ist, die durch ihre Bauart den Anwendungsbereich entscheidend definiert. Bei Wasserspeicherkraftwerken wird die Wasserenergie mit der Verwendung des in einem Wasserspeicher aufgestauten Wassers über Wasserturbinen gewonnen und in Form von mittels elektrischer Generatoren erzeugter elektrischer Energie weitergeleitet. Die nutzbare Energiemenge hängt von der durchfließenden Wassermenge sowie dem Höhenunterschied zwischen der Wasserquelle und der Austrittsstelle, das heißt der Fallhöhe des Wassers ab, dessen Ausnutzung mit besonderen Turbinenkonstruktionen erfolgt.
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Pelton-Turbinen werden besonders in Wasserkraftwerken mit hoher Fallhöhe (50-2000 m) und kleinem Durchfluss (≤5 m3/s) verwendet. Bei der Maschine tritt das über die Druckleitung zugeführte Wasser mit hohem Druck aus dem über eine Regelnadel verfügenden Strahlrohr aus und trifft auf die Doppelschaufeln des Laufrades. Bei Kraftwerken mit mittlerer Fallhöhe (15-50 m) und mittlerem Durchfluss (5-50 m3/s) werden zumeist Francis-Turbinen verwendet, bei denen das Wasser in Radialrichtung ein- und in Axialrichtung austritt. Die Banki-Turbine, eine Freistrahlturbine mit zweifachem Durchfluss, wird in erster Linie bei Kleinstwasserkraftwerken verwendet. Eine verbreitete Wasserkraftmaschine ist weiterhin die Kaplan-Turbine, bei der sowohl die Schaufeln des Laufrades als auch die des Führungsrades verstellbar sind. Die Turbine arbeitet daher in einem großen Fallhöhenbereich mit einem guten Wirkungsgrad. Der Wirkungsgrad einer Kaplanturbine beträgt in der Regel 90%, und ist nur bei sehr kleinen Fallhöhen (≤15 m) niedriger. Die Laufräder der Propellerturbinen sind fix auf der Nabe befestigt, nur das Führungsrad ist verstellbar, daher können sie nur bei konstanter Fallhöhe und Durchflussmenge mit günstigem Wirkungsgrad betrieben werden. Bei den Thomann-Turbinen dagegen sind nur die Schaufeln des Laufrades verstellbar, ihr Wirkungsgrad ist niedriger als bei Kaplan-Turbinen. Rohrturbinen werden in Wasserkraftwerken mit kleinem Durchfluss verwendet. In Rohrturbinen fließt das Wasser im Wesentlichen ohne Richtungsänderung durch, daher ist der hydraulische Wirkungsgrad noch besser als bei Kaplan-Turbinen. Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass Pelton-Turbinen bei Wasserkraftwerken mit großen Fallhöhen, Bänki- und Francis-Turbinen bei Wasserkraftwerken mit mittleren Fallhöhen, Kaplan-, Propeller-, und Thomann Turbinen sowie Rohrturbinen bei Wasserkraftwerken mit niedrigen Fallhöhen eingesetzt werden.
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Für den Aufbau der von einer Turbine angetriebenen elektrischen Generatoren sind zahlreiche technische Lösungen bekannt.
Die Patentschrift Nr.
HU 228531 B1 beschreibt eine Anlage zur Erzeugung elektrischer Energie, die aus übereinander und/oder nebeneinander in Modulen angeordneten Rohrturbinen-Synchrongeneratoreinheiten bestehen, bei denen das Bauteil für die Erregung der Generatoren der Pol eines Dauermagneten ist. Zur Erzeugung der elektrischen Energie strömt das Medium so durch die Turbinen-Generatoreinheit, dass die Turbinenschaufeln mit den Dauermagnetpolen des Rotors in Drehung gebracht werden, und der mit Hilfe der Rotoren beziehungsweise der um die Rotoren in Modulen befestigten Statoren des Generators erzeugte elektrische Strom mittels Leitungen weitergeleitet wird.
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Die Patentschrift Nr.
EP 2735729 B1 beschreibt eine Schwimmanlage mit Generator zur Stromerzeugung, die auf Flüsse und Wasserkanäle installiert werden kann, deren Turbine aus einer zentralen Welle und einem daran gekoppelten Schaufelrad mit gekrümmten Schaufeln aufgebaut ist. Die Turbinenachse ist an einen Dauermagnetgenerator gekoppelt.
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Die Patentschrift
EP 1739303 A1 beschreibt ein Druckakkumulationsstromgeneratorsystem, bei dem zum Antrieb der Turbine über das Auslaufrohr eines Druckbehälters eine unter Druck stehende Flüssigkeit auf die Turbinenschaufeln gespritzt wird. Die Turbine ist über eine zentrale Welle an den Generator gekoppelt.
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Die Patentschrift Nr.
US 4,272,686 A beschreibt eine mit durch ein Rohr fließendes Wasser betriebene Stromerzeugungsanlage, bei der die Schaufeln der Turbine auswechselbar sind. Der Rotor des Generators wird von einem Schwungrad angetrieben, das an die zentrale Welle der Turbine gekoppelt ist.
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Die Patentschrift Nr.
US 6,114,773 A beschreibt einen im Becken eines Staudamms senkrecht angebrachten Hydrogenerator. Der Rotor der Anlage ist eine Turbine, deren Schaufeln an der Rohrwelle der Turbine angebracht sind. Die sich drehende Rohrwelle ist an dem das Wasser des Beckens ableitenden Rohr befestigt und im Innenraum der Rohrwelle sind die beiden über eine Zahnradübersetzung angetriebenen Generatoren untergebracht.
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Die Patentschrift Nr.
US 2011/0260458 A1 schlägt eine Rohrgeneratoranordnung für Wasserkraftwerke vor, die ein auf eine Antriebswelle montiertes Turbinenlaufrad, einen Stator und Rotor beinhaltenden elektrischen Generator und ein den Generator sowie die Lager der Welle umgebendes, birnenförmiges Gehäuse umfasst. Der Rotor des Generators wird von Welle der Turbine angetrieben. Der Innenraum des Gehäuses, wo sich der Rotor, der Spalt zwischen dem Stator und Rotor des Generators sowie die Spalten der wassergeschmierten Wellenlager befinden, sind während des Betriebs mit Wasser geflutet. Der Stator ist in einem vor Wasser geschützten Bereich außerhalb des Gehäuses untergebracht. Im Optimalfall ist der elektrische Generator ein Synchrongenerator und der Rotor enthält Dauermagneten.
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Die Patentschrift
US 4,963,780 A beschreibt eine Wasserarmatur für den Haushaltsgebrauch, die eine Turbine und einen Generator beinhaltet, wobei das Laufrad der Turbine im Wasserkanal der Armatur angebracht ist. Das Laufrad der Turbine treibt über seine Welle den mit Dauermagneten versehenen Rotor des Generators an. Der Rotor wird von einer in den Spalt zwischen dem Stator und dem Rotor des Generators eingesetzten, glasförmigen, mit Wasser gefüllten Dichtung umgeben, in der sich der Rotor des Generators dreht. Die Dichtung beinhaltet das Lagergehäuse des Rotors und ist auf wasserdichte Weise an das Armaturengehäuse gekoppelt. Der Stator des Generators ist auf die Dichtung aufgesetzt.
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Die Patentschrift
JP 2000-213446 A beschreibt einen mit der Energie von strömendem Wasser betriebenen und in eine Rohrleitung einbaubaren Hydrogenerator, bei dem der Stator des Generators auf dem Motorgehäuse und der Rotor des Generators im Innenraum des Motorgehäuses angebracht ist. Der Rotor enthält Dauermagneten und das Laufrad der Turbine ist zwischen den Dauermagneten und der Welle des Rotors angebracht. Die Wellenenden werden in Lagergehäusen geführt, die die zwei Enden des Generators abschließen, und die mit Bohrungen versehen sind, um das Wasser durchzuleiten.
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Gemeinsames Merkmal der bekannten Lösungen ist, dass die Turbine auf einer in ihrer Achse verlaufenden, durchgehenden Welle angebracht wird, und die Welle in Lagergehäusen in den Deckeln auf der Eintritts- und Austrittsseite des Turbinen- oder des Generatorgehäuses gelagert ist. Bei in Rohrleitungen einbaubaren Generatoren bilden die Turbinenwelle, die Lagergehäuse und die Deckel ein Hindernis für das durch die Rohrleitung fließende Wasser, daher müssen die Deckel mit Öffnungen versehen werden, um die Strömung des Wassers zu ermöglichen, wie dies in
der Patentschrift Nr.
JP 2000-213446 A zu sehen ist. Bei diesen Anordnungen ist somit der Durchflussquerschnitt immer kleiner als der freie Querschnitt der Rohrleitung, was in Bezug auf die Nutzung der Wasserenergie - besonders auf der Eintrittsseite von Generatoren, die in Rohrleitungen mit niedrigem Durchfluss eingebaut werden - einen Verlust darstellt.
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Wir haben es uns als Aufgabe gesetzt, einen hydraulischen Rohrgenerator zu schaffen, bei dem dieser Verlust vermieden werden kann, der Querschnitt der Eintritts- und Austrittsseite des in die Rohrleitung eingebauten elektrischen Generators durch die Bauteile der Vorrichtung nicht verringert wird und die Energie des Wassers an der Turbine des Generators ohne Beschränkungen genutzt werden kann.
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Wir haben erkannt, dass wenn das Laufrad der Turbine nicht an eine zentrale Welle befestigt wird sondern in einer Rohrwelle, deren innerer Durchmesser dem der das Wasser zuführenden Rohrleitung entspricht, weiterhin wenn die Rohrwelle die zentrierte Drehung der Turbine gewährleistet und als Rotor des Generators genutzt wird, das vorgegebene Ziel erreicht werden kann.
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Die beschriebene Aufgabe wird durch eine in eine Rohrleitung einbaubare, mit Dauermagneten erregte hydraulische Rohrgeneratoranordnung verwirklicht, in deren Generatorgehäuse der mit einer Drehstromwicklung versehene Stator eingebaut ist. Im Innenraum des Stators ist der einen Dauermagneten enthaltende Rotor angeordnet, der von Lagern geführt wird, die in im Eintritts- und Austrittsbereich des Rohrgenerators angeordneten Lagergehäusen verbaut sind. Das Wesentliche der Erfindung besteht darin, dass eine Rohrachse, in deren Innerem das Laufrad der Turbine befestigt ist, den Rotor bildet. Die dem Gebrauchsmuster gemäße Anordnung beinhaltet einen Drehstromsynchrongenerator, in dessen Rotor kein Strom geleitet wird sondern dieser wird von einem Dauermagneten erregt, daher kann die Erregung des Rotors nicht geregelt werden.
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Die allgemeine Lösung des Gebrauchsmusters wird im 1. Hauptanspruch beschrieben, die vorteilhaften Verwirklichungsarten sind in den Unteransprüchen enthalten.
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Das Gebrauchsmuster wird im Weiteren mit Verweis auf die beigelegte Abbildung detailliert beschrieben, wobei den Schnitt der hydraulischen Rohrgeneratoranordnung zeigt.
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Der in gezeigte hydraulische Rohrgenerator ist aus zwei Hauptkomponenten aufgebaut, dem Turbinenbereich 1 und dem Generatorbereich 2. In dem den Generatorbereich 2 umgebenden, ringförmigen Generatorgehäuse 5 wird der aus einem Transformatorplattenbündel geformte Stator des Generators 4 mit den isolierten Statorwicklungen und Wicklungsköpfen in bekannter Weise angeordnet. In der Abbildung ist zur Vereinfachung das Generatorgehäuse 5 nur symbolisch dargestellt, die Wicklungen und die Wicklungsköpfe sind nicht abgebildet. Im Optimalfall wird in den Rohrgenerator ein Spannungsregler eingebaut, mit dem die Ausgangsspannung auch bei Lastwechseln stabil gehalten werden kann.
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Das Generatorgehäuse 5 ist an seinen Stirnflächen mit Montageelementen 21, zweckmäßig mit Flanschen versehen, an die die Montageelemente 21 der eintrittsseitigen 6a und austrittsseitigen 6b Lagergehäuse mit Befestigungsschrauben 23 gekoppelt werden können. Am anderen Ende der Lagergehäuse 6a, 6b befinden sich ebenfalls Montageelemente 22, zweckmäßig Flansche, mit deren Hilfe der Rohrgenerator in die den Wasserstrom bereitstellende Rohrleitung montiert und dort mittels Schraubverbindungen befestigt werden kann. Die Montageelemente 21 der Lagergehäuse 6a, 6b können ebenfalls Flansche sein, die mit den am Generatorgehäuse 5 ausgestalteten oder an diesem befestigten Montageelementen 21 zusammenwirken. zeigt eine Anordnung, bei der die Montageelemente 21, 22 gesonderte Flansche sind, die zum Beispiel durch Verschweißungen an die Lagergehäuse 6a, 6b befestigt werden, es sind jedoch auch Lösungen möglich, bei denen die Lagergehäuse 6a, 6b und diese Montagelemente aus einem Stück gefertigt werden. Der Körper des Rohrgenerators besteht somit aus dem Generatorgehäuse 5 sowie den eintritts- 6a und austrittsseitigen 6b Lagergehäusen, wobei das Generatorgehäuse 5 durch die Lagergehäuse 6a, 6b und die starre Verbindung mit der Versorgungsrohrleitung gegen Verrutschen gesichert ist.
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Der Rotor des Rohrgenerators 3 ist eine Rohrwelle 7, deren Außendurchmesser dem Innendurchmesser der Lagergehäuse 6a, 6b entspricht. In dem am Stator 4 anliegenden Bereich der Rohrwelle 7 sind entlang des Umfangs der Rohrwelle 7 auf einem Weicheisenring 15 Dauermagnete 16 angeordnet. Der Dauermagnet 16 sorgt für die Erregung des Rohrgenerators, er besteht zweckmäßigerweise aus Neodym. Der Weicheisenring 15 ist im Sitz der Rohrwelle 7 befestigt, und die Segmente des Dauermagneten 16 werden mittels Pressung oder Klebung (auf nicht dargestellte Weise) darauf befestigt. Zwischen dem Eisenkern des Stators 4 und den Magnetsegmenten des Rotors 3 ist ein Luftspalt von 1 mm eingestellt.
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Der Rotor 3 wird im Lagergehäuse auf der Eintrittsseite 6a und im Lagergehäuse auf der Austrittsseite 6b mit Lagern 12 geführt. Die Lager 12 sind zweckmäßig ein- oder zweireihige, geschlossene Rillen- oder Kegelrollenlager, die keine gesonderte Kühlung benötigen, da das durch die Rohrwelle 7 ständig durchströmende Wasser nach unseren Praxiserfahrungen für ausreichend Kühlung sorgt. Die Lager 12 benötigen Schmierung, welche über die an den Lagergehäusen 6a, 6b angebrachten Schmiernippel (in nicht dargestellt) erfolgen kann.
Das durch den Rohrgenerator strömende Wasser würde bei den Lagern 12 in das Generatorgehäuse 5 eindringen, und dort einen Kurzschluss verursachen. Um dem vorzubeugen, werden daher vor den Lagern 12 in den für diesen Zweck vorgesehenen Sitzen der Lagergehäuse 6a, 6b druckbeständige Gleitringdichtungen 13a eingesetzt, die das Eindringen des Wasser von der Rohrwelle 7 zum Generatorbereich 2 verhindern. Zur hermetischen Versiegelung des Generatorraumes 2 wird nach den Lagern 12 bevorzugt eine weitere Dichtung 13b verbaut, diese muss jedoch nicht mehr druckbeständig sein, für diese Aufgabe ist auch ein Wellendichtring geeignet. Die Dichtungen 13b sind in Dichtungsdeckeln 14 untergebracht, die mit Schrauben in den Sitzen der Lagergehäuse 6a, 6b befestigt sind.
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In der Rohrwelle 7 ist das Laufrad 8 der Axialschaufelturbine des Rohrgenerators sowie ein ebenfalls über Axialschaufeln verfügendes Turbinenführungsrad 17 angeordnet. Das Laufrad 8 ist eine geschweißte Konstruktion, welche aus einer in einem Laufradmantel 9 zentriert angeordneten Turbinennabe 11 und Turbinenschaufeln 10 besteht. Der Laufradmantel 9 ist zweckmäßig mittels einer Verschweißung im Sitz der Rohrwelle 7 befestigt, und bildet mit dieser eine Einheit. Die Nabe 11 ist - zum Zwecke der Gewichtsreduzierung - hohl, der Hohlraum ist wie aus ersichtlich geschlossen ausgestaltet, um das Eindringen von Wasser zu verhindern. Der Durchmesser der Nabe 11 beträgt 1/4 - 1/5 des Durchmessers des Turbinenlaufrades 8. Das Laufrad 8 verfügt über 6-8 befestigte, nicht verstellbare Turbinenschaufeln 10. Das Turbinenführungsrad 17, welches das einströmende Wasser auf das Laufrad 8 der Turbine leitet, ist im Sitz des Eintrittslagergehäuses 6a zweckmäßig mittels Verschweißung befestigt. Das Führungsrad 17 ist eine geschweißte Konstruktion und im Aufbau ähnlich dem Laufrad 8, es besteht aus einer im Führungsradmantel 18 zentriert angeordneten, geschlossenen, hohlen Nabe 20 sowie aus in einer Ebene angeordneten, nicht verstellbaren 20-25 Führungsradschaufeln 19, die die Nabe 20 sowie den Mantel 18 verbinden.
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Das Generatorgehäuse 5, der Rotor 3 mit dem Turbinenlaufrad 8, die Lagergehäuse 6a, 6b mit den Befestigungselementen und das Turbinenführungsrad 17 bestehen zweckmäßig aus rostfreiem Stahl. Der Durchmesser der Anlage kann 150-500 mm, die Betriebsdrehzahl 450-1100 Umdrehungen/Minute betragen.
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Das dem Rohrgenerator zugeführte Wasser muss gefiltert werden. In geschlossenen Rohrleitungen können sich lange, fadenähnliche Gebilde bilden, in den Schächten des Wasserversorgungssystems können Blätter und andere Verschmutzungen vorkommen, die an das Führungsrad 17 anhaften können und dadurch eine Verringerung der Effizienz oder die vollständige Verstopfung der Anlage verursachen. Es kann erforderlich sein, die Filterung mehrstufig auszuführen. Der Rohrgenerator ist nicht wartungsbedürftig, gegebenenfalls kann jedoch der Auseinanderbau der Konstruktion erforderlich sein. Auf dem Generatorgehäuse 5 kann eine Hebelasche befestigt werden (in nicht dargestellt), welche die Möglichkeit bietet, den Rohrgenerator nach dem Lösen der Flanschverbindungen mit einer Hebemaschine aus dem Wasserversorgungssystem zu heben.
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Aus dem oben Beschriebenen wird ersichtlich, dass der dem Gebrauchsmuster gemäße hydraulische Rohrgenerator geeignet ist, die in der Zielsetzung festgelegten Aufgaben zu erfüllen, besonders elektrische Energie aus Wasserquellen mit niedrigem Durchfluss zu erzeugen. Aufgrund des einfachen Aufbaus benötigen Betrieb und Wartung keine besondere Sorgfalt. Der Generatorraum ist vom wassergefluteten Bereich sicher abgetrennt. Zum Antrieb der Turbine ist keine Abstützung einer durchgehenden Welle notwendig, das Wasser kann grundlegend ohne Behinderungen durch die Anlage fließen, seine Bewegungsenergie kann gut zur Stromerzeugung genutzt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1 -
- Turbinenbereich
- 2 -
- Generatorbereich
- 3 -
- Rotor
- 4 -
- Stator
- 5 -
- Generatorgehäuse
- 6a -
- Lagergehäuse Eintrittsseite
- 6b -
- Lagergehäuse Austrittsseite
- 7 -
- Rohrwelle
- 8 -
- Turbinenlaufrad
- 9 -
- Mantel Turbinenlaufrad
- 10 -
- Turbinenschaufel
- 11 -
- Turbinennabe
- 12 -
- Lager
- 13a -
- Druckbeständige Dichtung
- 13b -
- Dichtung
- 14 -
- Dichtungsdeckel
- 15 -
- Weicheisenring
- 16 -
- Dauermagnet
- 17 -
- Turbinenführungsrad
- 18 -
- Mantel Turbinenführungsrad
- 19 -
- Schaufel Turbinenführungsrad
- 20 -
- Nabe Turbinenführungsrad
- 21 -
- Montageelement
- 22 -
- Montageelement
- 23 -
- Befestigungsschraube
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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.
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Zitierte Patentliteratur
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- HU 228531 B1 [0004]
- EP 2735729 B1 [0005]
- EP 1739303 A1 [0006]
- US 4272686 A [0007]
- US 6114773 A [0008]
- US 2011/0260458 A1 [0009]
- US 4963780 A [0010]
- JP 2000213446 A [0011, 0012]
