DE3638129A1 - Generatorturbine mit grossem durchmesser zur erzeugung elektrischer energie grosser leistung - Google Patents

Generatorturbine mit grossem durchmesser zur erzeugung elektrischer energie grosser leistung

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Generatorturbine gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Bei großen Ringmotoren oder -generatoren mit großen Durchmessern, aber gewollt kleinem magnetischen Spalt zwischen Rotor und Stator ist die Ein­ haltung eines gleichmäßigen Spaltes ein besonderes Problem. Sogenannte Motorpropeller respektive Generatorpropeller benötigen dafür bei gleich­ zeitiger Schubaufnahme Gelenkarme und große Achsial/Radiallager zur exakten Lagerung des Stators. Die vorbekannten Lösungen sind verschleißbehaftet, teuer, schwer und verlustbehaftet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verschleißarme und leichte Generatorturbine der eingangs genannten Art zu schaffen, mit der eine kostengünstige und wirtschaftliche Erzeugung elektrischer Energie großer Leistung möglich ist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 bis 21 be­ schrieben.
Ein besonderer Vorteil ist in der Problemlösung für die Schaffung eines konstanten Luftspaltes bei sehr großen Ringgeneratoren, die permanent erregt sind, zu sehen. Hierdurch wird die Möglichkeit zur Herstellung von Großkraftwerken geschaffen, beispielsweise können große Darrieus-Vertikal- Windkraftwerke < 5 MW Leistung bzw. Windkraftenergieanlagen mit Wirbel­ türmen bis 100 MW Leistung (Tornado-Typ-Kraftwerk) oder Anlagen zur OTEC-Meereswärme-Energieerzeugung bis 100 MW Leistung realisiert werden. Da hierbei die Generatorturbine im Vakuum arbeitet, ergibt sich die Ver­ meidung von Leckagen wegen fehlender Durchbrechung des Vakuumbehälters.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel nach der Erfindung darge­ stellt, und zwar zeigt
Fig. 1 eine Windkraft-Energieanlage mit einem Wirbelturm,
Fig. 2 und Fig. 3 Einzelheiten der aus Fig. 1 ersichtlichen Energieanlage,
Fig. 4 ein Darrieus-Vertikal-Windkraftwerk und
Fig. 5 eine Generatorturbine für ein OTEC-Kraftwerk.
Gemäß Fig. 1 sind die nicht näher bezeichneten Flügel eines Turbinenrades 1 an ihren äußeren Enden durch einen ringförmigen Rotor 3 mechanisch fest miteinander verbunden, der zur Aufnahme von Permanentmagneten 5 dient. Der Rotor 3 läuft reibungsfrei, nur durch einen magnetischen Spalt 10 in einem Stator 6, der im oberen Teil einer als Fundament dienenden Düse 2 angeordnet ist. An der äußeren Wandung der Düse 2 ist im Bereich des Stators 6 ein Wirbelturm 16 angeordnet. Die Richtung des Anströmmediums, das z. B. gasförmig oder flüssig sein kann, ist durch zwei Pfeile gekennzeichnet. Bei der Verwendung von Gasen kann unter Ausnutzung des Druckunterschiedes vor und nach der Turbine eine Kühlung des Stators 6 durch zeichnerisch nicht dargestellte Schlitze oder Röhren durch das Gas selbst erfolgen.
Der Rotor 3 und der Stator 6 weisen jeweils zusätzlich mehrere Lagermag­ nete 4 auf, die derart ausgelegt sind und sich voneinander derart abstoßen, daß die Abstoßkräfte größer als die radialen Anziehungskräfte zwischen Stator 6 und Rotor 3 sind. Im Betriebsfall wird der magnetische Spalt 10 mit konstantem Abstand zwischen Stator 6 und Rotor 3 aufrechterhalten. Es ist zweckmäßig, die Breite der Lagerelemente 4 in achsialer Richtung we­ sentlich größer auszuführen als die Breite des magnetischen Spaltes in radialer Richtung ist. Als Lagermagnete 4 werden vorzugsweise hochenerge­ tische Permanentmagnete verwendet, deren Bedeckungsfaktor verhältnismäßig hoch ist. Zur Minimierung der Abstoßoberwellen der Lagermagnete 4 ist es von Vorteil, eine Reihe dieser Lagermagnete 4 geschrägt zu einer gegenüber­ liegenden Reihe von Lagermagneten 4 anzuordnen.
Auf die eingangs im Stand der Technik erwähnten Gelenkarme und Lager kann bei dem beschriebenen Gegenstand verzichtet werden, wenn eine Verspannung von Rotor 3 und Stator 6 durch die auf Abstoßung ausgelegten Lagermagnete 4 erfolgt. Diese Magnete sind derart ausgelegt, daß sie achsiale und ra­ diale Kräfte aufnehmen können. Vorzugsweise ergibt sich hierbei zwischen Stator 6 und Rotor 3 ein magnetischer Spalt, der doppelkonusförmig ausge­ bildet ist (vgl. Fig. 2). Durch diese Spaltform wird erreicht, daß die Lagermagnete 4 und der magnetische Spalt 10 teilweise entsprechend den achsialen Schubkräften des Turbinenrades schräg zur Achse des Turbinenrades 1 angeordnet werden können. Diese Auslegung der Lagermagnete muß das Eigen­ gewicht und die maximale Schubkraft berücksichtigen, gegebenenfalls ist es sogar möglich, den oberen und den unteren Konus jeweils mit einer unter­ schiedlichen Neigung zu versehen. In jedem Fall muß die abstoßende Radial­ kraft die Anziehungskraft von Rotormagneten 5 und der Wicklung des Stators 6 erheblich übertreffen. Der Rotor 3 schwebt dabei ohne feste Reibung inner­ halb des Stators 6, wobei wichtig ist, daß das Verhältnis der Breite des magnetischen Spaltes 10 und der Breite der Lagermagnete 4 klein ist, um ein Verkanten des Rotors 3 auszuschließen. Durch reziproke Erhöhung der Abstoßkraft bei Verkleinern des magnetischen Spaltes 10 ist eine stabili­ sierte Lage erreichbar, was auch für große Kräfte gilt.
Bei Vertikalmaschinen, wie in Fig. 2 dargestellt, können die dem Fundament der Maschine am nächsten liegenden Lagermagnete 4 des Stators 6, bei denen es sich um Permanentmagnete handelt, vollständig oder teilweise durch Elek­ tromagnete 12 ersetzt werden. Diese Elektromagnete 12 können derart ausge­ legt sein, daß der Rotor 3 und der Stator 6 bei Leerlauf einen zentrierten magnetischen Spalt 10 bilden. Die Elektromagnete 12 werden ebenso wie die Wicklung des Stators 6 über elektrische Leitungen 7 gespeist. Weiterhin ist in demjenigen Teil des magnetischen Spaltes 10, der dem Fundament der Maschine am nächsten liegt, mindestens ein Bremsring 9 angeordnet, der entweder am Rotor 3 oder am Stator 6 befestigt sein kann. Der Bremsring 9 dient bei verminderter oder abgeschalteter Erregung der Elektromagnete 12 zusammen mit der gegenüberliegenden Stator- oder Rotorfläche zum mecha­ nischen Bremsen des Rotors 3. Bei in Zusammenhang mit den elektrischen Lagermagneten 12 auftretenden Störungen kann eine elektrische Bremsung des Rotors 3 auch durch vollständiges oder teilweises Kurzschließen der Wick­ lung des Stators 3 und durch eine Abschaltung der Elektromagnete 12 er­ folgen. Weiterhin ist es möglich, bei Auftreten von Biegekräften quer zur Drehachse eine Zentrierung des Rotors 3 durch eine teilweise Steuerung der Erregung der Elektromagnete 12 statisch und dynamisch bei einer Überwachung des magnetischen Spaltes 10 zu erreichen.
Fig. 3 zeigt in einer Draufsicht eine geschnittene Generatorturbine, bei der der Stator 6 aus gleichem Material wie der Rotor 3 als Statorring 8 hergestellt ist. Der Statorring 8 ist über annähernd tangential im Zwischenraum 19 angeordnete Abstandsbleche 11 am Statorfundament 20 befestigt. Dem Statorsitz wird so­ mit die Möglichkeit gegeben, bei einer Änderung der Mediumstemperatur sich auszudehnen. Es können auf diese Weise Generatorturbinen mit sehr großen Turbinendurchmessern hergestellt werden, bei denen eine besondere Kühlung des Stators über Kanäle oder Schlitze entfallen kann - wie dieses beispiels­ weise bei der in Fig. 2 dargestellten Generatorturbine der Fall ist.
Bei der in Fig. 4 dargestellten Windkraftanlage sind die in ihrem oberen Bereich miteinander mechanisch fest verbundenen Propellerflügel 13 an der Peripherie eines ringförmigen Bauelementes 14 mechanisch fest verbunden, das praktisch als Rotor 3 dient und die Permanentmagnete 5 ebenso wie die Lagermagnete 4 aufnimmt. Der Stator 6, der die Statorwicklung und die permanenten und elektrischen Lagermagnete 4 bzw. 12 aufnimmt, wird prak­ tisch durch ein ringförmiges Bauelement 15 gebildet. Der magnetische Spalt 10 zwischen Stator 6 und Rotor 3 weist die Form eines abgeknickten L's auf, an dessen Längsseite die Statorwicklung und die Permanentmagnete 5 des Rotors 3 und an dessen Querseite und abgeknickter Längsseite die Lagermag­ nete 4 des Stators 6 und des Rotors 3 angeordnet sind. Die an der Quer­ seite und an der abgeknickten Längsseite des magnetischen Spaltes 10 ange­ ordneten Lagermagnete des Stators 6 können durch Elektromagnete 12 ersetzt werden. Diese Elektromagnete können die gleichen Aufgaben erfüllen wie bei den in den Fig. 1 bis 3 dargestellten Anlagen beschrieben ist. Entsprechen­ des gilt auch für den im querseitigen magnetischen Spalt 10 angeordneten Bremsring 9, der am ringförmigen Bauelement 14 und damit am Rotor 3 be­ festigt ist. Eine Befestigung des Bremsringes 9 an dem ringförmigen Bauele­ ment 15 und damit an dem Stator 6 ist ebenfalls möglich.
Das Gewicht des Propellerflügels wird durch die oberen Lagermagnete 4 bzw. 12 kompensiert. Durch Ansteuerung von Gruppen der Elektromagnete 12 können Windkräfte ausgesteuert werden, wobei der magnetische Spalt z. B. auf gleichem Wert als Führungsgröße der Regelung dient. Unterstützend für die Haltekräfte gegen ein Kippen des Propellerflügels wirken die erheblichen Kräfte des Ge­ nerators gegen achsiale Verschiebung von Rotor 3 und Stator 6. Der beson­ dere Vorteil für die in Fig. 4 dargestellte Anlage liegt in der Realisier­ barkeit großer Leistungen im Megawattbereich bei großer Basisfläche und nahezu reibungsfreier Lagerung, die den Betriebsbereich nach kleineren Windstärken erweitert. Von Vorteil ist auch die zweifache oben beschriebene Bremsmöglichkeit sowie der Verzicht auf mechanische Lagerung und damit völlige Verschleißfreiheit und Erzielung eines geringstmöglichen Wartungs­ aufwandes.
Die aus Fig. 5 ersichtliche Generatorturbine unterscheidet sich von derjenigen gemäß Fig. 4 durch eine radiale Anordnung der Propeller­ flügel 13 und eine dementsprechend geänderte Ausführung von Stator 6, Rotor 3 und des ringförmigen Bauelementes 15. Im übrigen sind bei diesem Ausführungsbeispiel für die einzelnen Bauteile die bisherigen Bezugs­ zeichen verwendet worden.

Claims (21)

1. Generatorturbine mit großem Durchmesser zur Erzeugung elektrischer Ener­ gie großer Leistung unter Verwendung eines Ringgenerators, der am Umfang des Turbinenrades oder im inneren Ring eines Turbinenkranzes integriert, als Innenpol- oder Außenpolläufer mit hochenergetischen Permanentmagneten im Rotor ausgerüstet und in einem Trägerteil, vorzugsweise einer Düse, einem Rohr oder dergleichen oder bei Turbinendurchmessern <10 m in einer Achsenscheibe oder einem Achsenkranz, eingelassen ist, wobei der Stator und der Rotor des Ringgenerators in dem Trägerteil bzw. in dem Turbinenrad angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator (6) und der Rotor (3) jeweils zusätzlich mehrere Lagermagnete (4) aufweisen, und daß die im Stator (6) angeordneten Lagermagnete (4) und die im Rotor (3) angeordneten Lager­ magnete (4) derart ausgelegt sind und sich voneinander derart abstoßen, daß die Abstoßkräfte größer als die radialen Anziehungskräfte zwischen Stator (6) und Rotor (3) sind und daß im Betriebsfall ein magnetischer Spalt (10) mit konstantem Abstand zwischen Stator (6) und Rotor (3) aufrechterhalten wird.
2. Generatorturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der Lagermagnete (4) in achsialer Richtung wesentlich größer ist als die Breite des magnetischen Spaltes (10) in radialer Richtung.
3. Generatorturbine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagermagnete (4) und der magnetische Spalt (10) teilweise entsprechend den achsialen Schubkräften des Turbinenrades schräg zur Achse des Turbinen­ rades (1) angeordnet sind.
4. Generatorturbine nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetische Spalt (10) zwischen Stator (6) und Rotor (3) doppelkonus­ förmig ausgebildet ist.
5. Generatorturbine nach Anspruch 1, 2 oder 3, gekennzeichnet durch einen verhältnismäßig hohen Bedeckungsfaktor der Lagermagnete (4).
6. Generatorturbine nach Anspruch 1, 2, 3 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Minimierung der Abstoßoberwellen der Lagermagnete (4) eine Reihe der Lagermagnete (4) geschrägt zur gegenüberliegenden Reihe der Lagermag­ nete (4) angeordnet ist.
7. Generatorturbine nach Anspruch 1, 2, 3, 5 oder 6, gekennzeichnet durch die Verwendung von Lagermagneten (4) aus hochenergetischen Permanentmag­ neten vorzugsweise im Rotor.
8. Generatorturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeich­ net, daß bei Vertikalmaschinen die dem Fundament der Maschinen am nächsten liegenden Lagermagnete (4) des Stators (6) vollständig oder teilweise aus Elektromagneten (12) bestehen.
9. Generatorturbine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Elek­ tromagnete (12) derart ausgelegt sind, daß der Rotor (3) und der Stator (6) bei Leerlauf einen zentrierten magnetischen Spalt (10) bilden.
10. Generatorturbine nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß in demjenigen Teil des magnetischen Spaltes (10), der dem Fundament der Maschine am nächsten liegt, mindestens ein Bremsring (9) angeordnet ist, der bei verminderter oder abgeschalteter Erregung der Elektromagnete (12) zusammen mit der gegenüberliegenden Stator- oder Rotorfläche zum mechanischen Bremsen des Rotors (3) dient.
11. Generatorturbine nach Anspruch 8, 9, oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß bei Auftreten von Biegemomenten quer zur Drehachse eine Zentrierung des Rotors (3) durch eine teilweise Steuerung der Erregung der Elektromag­ nete (12) statisch und dynamisch bei einer Überwachung des magnetischen Spaltes (10) erfolgt.
12. Generatorturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß bei Störungen der elektrischen Lagermagnete (12) eine elek­ trische Bremsung des Rotors (3) durch vollständiges oder teilweises Kurz­ schießen der Wicklung des Stators (6) und durch eine Abschaltung der Elek­ tromagnete (12) erfolgt.
13. Generatorturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß bei sehr großen Turbinendurchmessern eine Ausdehnung des Stators (6) bei einer Änderung der Mediumstemperatur dadurch ermöglicht wird, daß der Stator (6) aus gleichem Material wie der Rotor (3) als Statorring (8) hergestellt ist, und daß der Statorring (8) über annähernd tangential an­ geordnete Abstandsbleche (11) am Statorfundament (2) befestigt ist.
14. Generatorturbine nach einem der Ansprüche 1, 2, 5, 6, 7, 10 oder 13, wobei das Turbinenrad durch Propellerflügel einer Vertikalwindkraftanlage vom Darrieustyp ersetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetische Spalt (10) zwischen Stator (6) und Rotor (3) die Form eines L's oder abge­ knickten L's aufweist, an dessen Längsseite die Statorwicklung und die Permanentmagnete (5) des Rotors (3) und an dessen Querseite und abgeknickter Längsseite die Lagermagnete (4) des Stators (6) und des Rotors (3) ange­ ordnet sind.
15. Generatorturbine nach Anspruch 9, 11, 12 oder 14, dadurch gekennzeich­ net, daß die an der Querseite und abgeknickten Längsseite des magnetischen Spaltes (10) angeordneten Lagermagnete des Stators (6) Elektromagnete (12) sind.
16. Generatorturbine nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß im querseitigen magnetischen Spalt (10) ein Bremsring (9) angeordnet ist.
17. Generatorturbine nach Anspruch 10 oder 16, gekennzeichnet durch einen am Rotor (3) befestigten Bremsring (9).
18. Generatorturbine nach Anspruch 10 oder 16, gekennzeichnet durch einen am Stator (6) befestigten Bremsring (9).
19. Generatorturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeich­ net, daß die Turbine auch motorisch betrieben wird.
20. Generatorturbine nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Spaltbreite zwischen Rotor (3) und Stator (6) im kalten Zustand wie bei Leerlauf am größten ist und bei Nennbetrieb durch Erwärmung des Stators und Ausdehnung auf den zulässigen Minimalwert sich verkleinert.
21. Generatorturbine nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Spaltbreite zwischen Rotor (3) und Stator (6) auf Langzeitänderung über­ prüft und auf konstanten Wert durch einstellbare Kühlung des Stators ge­ regelt wird.
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