EP2591227A1 - Strömungsmaschine - Google Patents

Strömungsmaschine

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Publication number
EP2591227A1
EP2591227A1 EP11727670.9A EP11727670A EP2591227A1 EP 2591227 A1 EP2591227 A1 EP 2591227A1 EP 11727670 A EP11727670 A EP 11727670A EP 2591227 A1 EP2591227 A1 EP 2591227A1
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EP
European Patent Office
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support structure
housing
turbomachine
turbomachine according
stiffening
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP11727670.9A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Erich Holzhüter
Werner Lahres
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KSB AG
Original Assignee
KSB AG
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Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F03B13/00—Adaptations of machines or engines for special use; Combinations of machines or engines with driving or driven apparatus; Power stations or aggregates
    • F03B13/10—Submerged units incorporating electric generators or motors
    • F03B13/105—Bulb groups
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03B—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS
    • F03B11/00—Parts or details not provided for in, or of interest apart from, the preceding groups, e.g. wear-protection couplings, between turbine and generator
    • F03B11/02—Casings
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F05B2240/97—Mounting on supporting structures or systems on a submerged structure
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    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the invention relates to a hydraulic turbomachine, comprising a rotor bearing blades, a motor / generator unit, a control and / or regulating unit and a housing comprising these components consisting of a support structure and a cladding or casing.
  • the US 4,219,303 A shows a power turbine whose flow-guiding housing is constructed of a grid-shaped support frame, which is covered with thin metal or plastic plates.
  • the disadvantage here is that the production is very complex.
  • the present invention is based on the object to provide a housing for a turbomachine that is corrosion-resistant, dimensionally stable and waterproof, and allows a simple and inexpensive production.
  • a thin-walled support structure dictates the inner shape of the housing, wherein the support structure at its outwardly facing Surface is covered with a stiffening mineral layer.
  • the advantage here is that the inner geometry of the housing can be specified very accurately by means of the support structure, whereby the flow control can be optimally adapted to the turbine properties.
  • the support structure is additionally coated with a mineral layer, whereby the necessary stiffening of the housing is achieved.
  • the support structure is coated with the mineral material, the support structure as lost formwork forms a component of the composite material.
  • the coating of mineral material provides protection against the harsh environmental conditions, especially when used in salt water.
  • the material is seawater resistant without protective coating and insensitive to fouling.
  • the multi-layered composite housing has a strength similar to that of steel, is ductile enough to withstand bending stresses and easily allows, for example by casting, open spaces such as a cylindrical tube in combination with a corrosion-resistant permanent metal shuttering manufacture.
  • the design of the lost formwork for the hub body of the turbine, in which the drive shaft, the bearing and the generator are housed, is characterized by flanges and stiffeners, which are also designed as a receptacle for the shaft bearing.
  • the support structure has a material thickness of at least 1 mm, in particular, a corrosion allowance of 0.3 mm per year is provided. This ensures that the support structure provides the necessary rigidity, especially during the entire period of use.
  • the surcharge takes into account that the static properties of the base course are not affected by corrosion.
  • the support structure is formed of a corrosion-resistant metal.
  • the advantage here is that the inner geometry of the housing is executed in detail and a long-lasting dimensional stability and stability of the support structure can be achieved.
  • the support structure is formed of a fiber reinforced plastic.
  • the advantage here is that electrical and magnetic fields are not affected by the support structure.
  • support structure is formed from a fiber reinforced concrete.
  • the advantage here is that the material properties of the support structure are very closely adapted to the properties of the stiffening mineral layer.
  • the formation of the stiffening mineral layer of mineral casting is advantageous.
  • Mineral casting consists of a small proportion of epoxy binders and mineral fillers.
  • the advantage here is that the mineral fillers can be selected according to the ambient conditions at the site of the turbomachine. Thus, the chemical and physical stress of the mineral layer can be greatly reduced.
  • the stiffening mineral layer is made of concrete, in particular fiber-reinforced concrete or high-performance concrete.
  • the advantage here is that the admixture of suitable fibers or fabric inserts is tuned to the fact that the housing parts endure the occurring during transport, assembly and operation bending and tensile stresses harmless.
  • the concrete is so miscible that corrosion during operation is greatly reduced.
  • high performance concrete is inexpensive and relatively easy to handle.
  • the outer concrete surface also has a very good quality, which in conjunction with the high alkaline milieu of the selected concrete prevents fouling as much as possible.
  • the support structure comprises lift-generating elements.
  • the turbomachine is running floating with sufficient buoyancy.
  • supporting frames that support the turbomachine can be designed to be weaker, since they are less engaged, in the support structure are to be provided for this purpose with air or the like filled cavities.
  • the support structure can additionally stiffen.
  • the stiffening, mineral layer comprises buoyancy-generating elements. This arrangement of buoyancy elements is distributed over the entire outer surface of the turbomachine uniformly. By adding air or low-density particles, such as polystyrene particles, a certain buoyancy can be generated, which acts evenly on the entire housing.
  • the support structure comprises connection possibilities such as bearing bushes or flanges.
  • connection possibilities such as bearing bushes or flanges.
  • the housing is modularly composed of a plurality of elements, wherein the support structure of a first element with the support structure of an adjacent second element is connectable.
  • the advantage here is that production and transport of the individual elements is greatly simplified.
  • flow-guiding attachments are attachable to the housing, the attachments are ideally made of the same composite material as the housing.
  • the advantage here is that material stresses are prevented due to different properties.
  • Figure 1 shows a turbomachine in a side view
  • FIG. 1 shows an embodiment of the turbomachine according to the invention in a sectional view.
  • the turbomachine is designed as an underwater generator and consists of an elongate housing 1, an impeller 8 and the flow-leading attachment 6.
  • the housing 1 is composed of several parts and in its interior there is a shaft 7, which carries the rotor of a generator 9.
  • the shaft is guided by a flange 5 and a bearing bush 4, which contains a seal 10 to the outside, where the impeller 8 is fixed.
  • the housing 1 comprises a thin-walled support structure 2, which defines the inner shape of the housing.
  • a corrosion-resistant steel which is easily malleable.
  • a mineral layer 3 is applied to this support structure 2.
  • the choice of the material from which this mineral layer 3 is made depends strongly on the environmental conditions. For use in fresh water, the requirements are not so high. However, under harsh seawater conditions, a tough material is required.
  • a material which fulfills these conditions is, for example, a high-strength, diffusion-tight and seawater-resistant Ultra high-performance fiber concrete with a compressive strength of 150 to 230 N / mm 2 and sufficient ductility by admixing suitable fibers.
  • FIG. 2 shows a section of the housing 1 in detail. At this detail it is clarified that all stiffening areas necessary for the formation of a flange 5 or a bearing seat necessary are already incorporated into the support structure 2.
  • the figure also shows two possibilities for regulating the buoyancy of the turbomachine.
  • uplift-generating elements 12 may be incorporated in the mineral layer 3, for example air bubbles, hollow fibers or polystyrene particles. These act on the entire surface of the turbomachine and produce a uniform buoyancy. If a punctual effect is desired, it is possible to provide ballast spaces 11 in the housing 1. In a water-inflated housing 1, the ballast space 11 is filled with air so as to cause a local buoyancy. In a dry housing 1, the ballast space 1 1 can be filled with water. The number, position and size of the Ballastschreib 1 1 may vary greatly from the presentation depending on the requirements of the turbomachine.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine, umfassend einen Schaufeln tragenden Rotor, eine Generatoreinheit, eine Steuer- und/oder Regeleinheit und ein diese Komponenten beinhaltendes Gehäuse, bestehend aus einer Tragstruktur und einer Umhüllung. Eine dünnwandige Tragstruktur gibt die innere Form des Gehäuses vor und die Tragstruktur ist außen mit einer aussteifenden mineralischen Schicht überzogen.

Description

Beschreibung
Strömungsmaschine
Die Erfindung betrifft eine hydraulische Strömungsmaschine, umfassend einen Schaufeln tragenden Rotor, eine Motor-/Generatoreinheit, eine Steuer- und/oder Regeleinheit und ein diese Komponenten beinhaltendes Gehäuse bestehend aus einer Tragstruktur und einer Verkleidung oder Umhüllung.
Strömungsmaschinen sind in zahlreichen Bauweisen bekannt. Die US 3,209, 156 A zeigt einen Unterwassergenerator in Form einer Meeresstromturbine. Das Gehäuse dieser Meeresturbine ist als ein Spritzgussteil aus einem Epoxydharz gefertigt. Nachteilig ist hier die teuere und in der dargestellten Form sehr materialintensive Konstruktion für das Turbinengehäuse.
Die US 4,219,303 A zeigt eine Stromturbine deren strömungsführendes Gehäuse aus einem gitterförmigen Traggerippe aufgebaut ist, das mit dünnen Metall- oder Kunststoffplatten belegt ist. Nachteilig ist hierbei, dass die Herstellung sehr aufwändig ist.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Gehäuse für eine Strömungsmaschine zu schaffen, das korrosionsfest, formstabil und wasserdicht ist, sowie eine einfache und kostengünstige Herstellung ermöglicht.
Die Lösung dieser Aufgabe sieht vor, dass eine dünnwandige Tragstruktur die innere Form des Gehäuses vorgibt, wobei die Tragstruktur an ihrer nach außen weisenden Oberfläche mit einer aussteifenden mineralischen Schicht überzogen ist. Von Vorteil ist dabei, dass die innere Geometrie des Gehäuses mittels der Tragstruktur sehr genau vorgegeben werden kann, wodurch die Strömungsführung optimal auf die Turbineneigenschaften angepasst werden kann. Die Tragstruktur ist zusätzlich mit einer mineralischen Schicht überzogen, wodurch die notwendige Aussteifung des Gehäuses erreicht ist. Beim Überziehen der Tragstruktur mit dem mineralischen Werkstoff bildet die Tragstruktur als verlorene Schalung eine Komponente des Verbundwerkstoffs. Für den Einsatz einer erfindungsgemäßen Strömungsmaschine bietet der Überzug aus mineralischem Werkstoff einen Schutz gegen die rauen Umgebungsbedingungen, insbesondere beim Einsatz im Salzwasser. Der Werkstoff ist ohne Schutzanstrich meerwasserbeständig und gegen Bewuchs unempfindlich. Das Gehäuse aus einem mehrschichtigen Verbundwerkstoff besitzt eine Festigkeit ähnlich der von Stahl, ist ausreichend duktil, um Biegespannungen schadlos zu widerstehen und erlaubt es auf einfache Weise, zum Beispiel durch Gießen, Freiflächen wie die eines zylindrischen Rohres im Verbund mit einer korrosionsbeständigen verlorenen Schalung aus Metall herzustellen. Die Gestaltung der verlorenen Schalung für den Nabenkörper der Turbine, in welchem die Antriebswelle, die Lagerung und der Generator untergebracht sind, ist durch Flansche und Aussteifungen gekennzeichnet, die zugleich als Aufnahme für die Wellenlagerung ausgelegt sind.
In einer Ausgestaltung der Erfindung weist die Tragstruktur eine Materialstärke von mindestens 1 mm auf, wobei insbesondere ein Korrosionszuschlag von 0,3 mm pro Jahr vorgesehen ist. Hierdurch ist gesichert, dass die Tragstruktur die notwendige Steifigkeit, insbesondere während des gesamten Verwendungszeitraumes, bietet. Der Zuschlag berücksichtigt, dass die statischen Eigenschaften der Tragschicht durch Korrosion nicht beeinträchtigt werden.
Des Weiteren ist die Tragstruktur aus einem korrosionsfesten Metall geformt. Von Vorteil ist dabei, dass die innere Geometrie des Gehäuses detailgenau ausführbar ist und eine lang andauernde Formtreue und Stabilität der Tragstruktur zu erreichen ist. Alternativ ist die Tragstruktur aus einem faserverstärkten Kunststoff geformt. Von Vorteil ist dabei, dass elektrische und magnetische Felder durch die Tragstruktur nicht beeinträchtigt werden.
In einer weiteren Ausführungsform ist Tragstruktur aus einem faserverstärkten Beton geformt. Von Vorteil ist dabei, dass die Materialeigenschaften der Tragstruktur auf die Eigenschaften der aussteifenden mineralischen Schicht sehr eng anpassbar sind.
Vorteilhaft ist die Ausbildung der aussteifenden mineralischen Schicht aus Mineralguss. Mineralguss besteht aus einem geringen Anteil Epoxid-Binder und mineralischen Füllstoffen. Von Vorteil ist dabei, dass die mineralischen Füllstoffe entsprechend der Umgebungsbedingungen am Einsatzort der Strömungsmaschine ausgewählt werden können. Somit kann die chemische und physikalische Belastung der mineralischen Schicht stark eingedämmt werden.
Alternativ ist die aussteifende mineralische Schicht aus Beton, insbesondere faserverstärktem Beton oder Hochleistungsbeton, ausgebildet. Von Vorteil ist dabei, dass die Beimischung geeigneter Fasern oder Gewebeeinlagen darauf abgestimmt wird, dass die Gehäuseteile die während des Transports, der Montage und des Betriebes auftretenden Biege- und Zugspannungen schadlos ertragen. Der Beton ist so mischbar, dass Korrosion im Betrieb stark reduziert ist. Außerdem ist Hochleistungsbeton kostengünstig und relativ einfach in der Handhabung. Die äußere Betonoberfläche besitzt zudem eine sehr gute Qualität, die in Verbindung mit dem hohen alkalischen Milieu des gewählten Betons einen Bewuchs weitestgehend verhindert.
Vorteilhaft ist es, wenn die Tragstruktur Auftrieb erzeugende Elemente umfasst. Somit ist die Strömungsmaschine bei ausreichendem Auftrieb schwimmend ausgeführt. Ebenso können Traggerüste, die die Strömungsmaschine stützen schwächer ausgelegt werden, da sie weniger beiastet sind, in der Tragstruktur sind hierfür mit Luft oder ähnlichem gefüllte Hohlräume vorzusehen. Bei geeigneter Anlage der Hohlräume lässt sich die Tragstruktur zusätzlich aussteifen. In besonders vorteilhafter Weise umfasst die aussteifende, mineralische Schicht Auftrieb erzeugende Elemente. Diese Anordnung der Auftriebselemente verteilt sich über die gesamte Außenfläche der Strömungsmaschine gleichmäßig. Durch Beimengung von Luft oder Partikeln mit geringer Dichte, beispielsweise Polystyrolteilchen, lässt sich ein gewisser Auftrieb erzeugen, der gleichmäßig am gesamten Gehäuse wirkt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Tragstruktur Anschluss- mögiichkeiten wie Lagerbuchsen oder Flansche. Zum Betrieb einer Strömungsmaschine sind verschiedene Anschlussmöglichkeiten am Gehäuse notwendig. Sind diese bereits in die Tragstruktur integriert, so hat dies den Vorteil, dass keine weitere Bearbeitung des Gehäuseteils notwendig ist.
Des Weiteren ist das Gehäuse modular aus mehreren Elementen zusammengesetzt, wobei die Tragstruktur eines ersten Elementes mit der Tragstruktur eines benachbarten zweiten Elements verbindbar ist. Von Vorteil ist dabei, dass Herstellung und Transport der einzelnen Elemente stark vereinfacht ist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind strömungsführende Anbauteile an das Gehäuse anbaubar, wobei die Anbauteile idealer weise aus demselben Verbundwerkstoff hergestellt sind wie das Gehäuse. Von Vorteil ist dabei, dass Materialspannungen aufgrund unterschiedlicher Eigenschaften verhindert werden.
Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus der Kombination der bisher dargestellten und sind deshalb hier nicht weiter ausgeführt.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen die
Figur 1 eine Strömungsmaschine in einer Seitenansicht und die
Figur 2 ein Detail der Strömungsmaschine. Die Figur 1 zeigt eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Strömungsmaschine in einer Schnittansicht. Die Strömungsmaschine ist als Unterwassergenerator ausgeführt und besteht aus einem länglichen Gehäuse 1 , einem Laufrad 8 und dem strömungsführenden Anbauteil 6. Das Gehäuse 1 ist aus mehreren Teilen zusammengesetzt und in seinem Innern befindet sich eine Welle 7, die den Rotor eines Generators 9 trägt. Die Welle wird durch einen Flansch 5 und eine Lagerbuchse 4, die eine Dichtung 10 enthält nach außen geführt, wo das Laufrad 8 befestigt ist.
Das Gehäuse 1 umfasst eine dünnwandige Tragstruktur 2, die die innere Form des Gehäuses definiert. Hierfür eignet sich ein korrosionsbeständiger Stahl, der einfach formbar ist. Im direkten Verbund ist auf diese Tragstruktur 2 eine mineralische Schicht 3 aufgebracht. Die Wahl für den Werkstoff, aus dem diese mineralische Schicht 3 hergestellt wird, hängt stark von den Umgebungsbedingungen ab. Für den Einsatz im Süßwasser sind die Anforderungen nicht so hoch. Unter rauen Meerwasserbedingungen ist jedoch ein widerstandsfähiger Werkstoff erforderlich. Ein Werkstoff der diese Bedingungen erfüllt ist beispielsweise ein hochfester, diffusionsdichter und meerwasserbeständiger Ult- ra-Hochleistungs-Faserbeton mit einer Druckfestigkeit von 150 bis 230 N/mm2 und ausreichender Duktilität durch Zumischung geeigneter Fasern. Durch die extreme Feinkörnigkeit dieses Betons wird unter anderem auch eine sehr gute Verbindung mit der metallischen Tragstruktur 2 erreicht. Bei Verwendung präziser äußerer Metallformen, als Schalung, die nach dem Glessen abgenommen werden, gelingt die Herstellung dünnwandiger Rohrteile mit hoher Oberflächenqualität vergleichbar zu der aus Metall gefertigten. Das hohe alkalische Milieu dieses Betons ist für die meisten Organismen wachstumshinderlich und wird deshalb von diesen gemieden. Hiermit ist ein Schutz gegen Bewuchs oder Fouling erreicht. Grundsätzlich ist eine solche Beton-Metallverbundkonstruktion ökonomischer und ökologischer als eine reine Metailkonstruktion. Als weiterer Vorteil hat sich gezeigt, dass aufgrund der geringen Dichte von Beton, die weniger als die Hälfte der von Stahl beträgt, die Transportgewichte deutlich geringer sind und die Montage der zu handhabenden Rohrteile wesentlich leichter erfolgen kann.
Die Figur 2 zeigt einen Abschnitt des Gehäuses 1 im Detail. An diesem Detail wird verdeutlicht, dass alle aussteifenden Bereiche, die für die Ausbildung eines Flansches 5 oder eines Lagersitzes notwendig sind bereits in die Tragstruktur 2 eingearbeitet werden.
Die Figur zeigt außerdem zwei Möglichkeiten zur Regulierung des Auftriebs der Strömungsmaschine. Einerseits können in der mineralischen Schicht 3 Auftrieb erzeugende Elemente 12 eingebracht sein, beispielsweise Luftblasen, Hohlfasern oder Polystyrolteilchen. Diese wirken über die gesamte Oberfläche der Strömungsmaschine und erzeugen einen gleichmäßigen Auftrieb. Wird eine punktuelle Wirkung erwünscht, so lassen sich in dem Gehäuse 1 Ballasträume 11 vorsehen. Bei einem wassergefüliten Gehäuse 1 wird der Ballastraum 11 mit Luft gefüllt um so einen lokalen Auftrieb zu bewirken. Bei einem trockenen Gehäuse 1 lässt sich der Ballastraum 1 1 mit Wasser füllen. Die Anzahl, Position und Größe der Ballasträume 1 1 kann von der Darstellung je nach Anforderungen an die Strömungsmaschine stark abweichen.
Bezugszeichenliste
1 . Gehäuse
2. Tragstruktur
3. mineralische Schicht
4. Lagerbuchse
5. Flansch
6. Anbauteil
7. Welle
8. Laufrad
9. Motor/Generator
10. Dichtung
11. Ballastraum
2. Auftrieb erzeugendes Element

Claims

Patentansprüche Strömungsmaschine
1 . Strömungsmaschine, umfassend einen Schaufeln tragenden Rotor, eine Motor- /Generatoreinheit, eine Steuer- und/oder Regeteinheit und ein diese Komponenten beinhaltendes Gehäuse (1 ), bestehend aus einer Tragstruktur (2) und einer Umhüllung, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragstruktur (2) dünnwandig ist und die innere Form des Gehäuses (1 ) vorgibt, wobei die Tragstruktur (2) an ihrer nach außen weisenden Oberfläche mit einer aussteifenden mineralischen Schicht (3) überzogen ist.
2. Strömungsmaschine nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die
Tragstruktur (2) eine Materialstärke von mindestens 1 mm aufweist, wobei insbesondere ein Korrosionszuschlag von 0,3 mm pro Jahr vorgesehen ist.
3. Strömungsmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragstruktur (2) aus einem korrosionsfesten Metall geformt ist.
4. Strömungsmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragstruktur (2) aus einem faserverstärkten Kunststoff geformt ist.
5. Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die aussteifende mineralische Schicht (3) aus Mineralguss ausgebildet ist.
6. Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die aussteifende mineralische Schicht (3) aus Beton, insbesondere aus faserverstärktem Beton oder Hochleistungsbeton, ausgebildet ist.
7. Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragstruktur (2) Auftrieb erzeugende Elemente (12) umfasst.
8. Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die aussteifende mineralische Schicht (3) Auftrieb erzeugende Elemente (11) umfasst.
9. Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragstruktur (2) Anschlussmöglichkeiten wie Lagerbuchsen (4) oder Flansche (5) umfasst.
10. Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (1 ) aus mehreren Elementen zusammengesetzt ist, wobei die Tragstruktur (2) eines ersten Elementes mit der Tragstruktur (2) eines benachbarten zweiten Elements verbindbar ist.
1 1 . Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass strömungsführende Anbauteiie (6) an das Gehäuse (1) anbaubar sind.
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