EP2742232A1 - Turbinengenerator - Google Patents

Turbinengenerator

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Publication number
EP2742232A1
EP2742232A1 EP11743509.9A EP11743509A EP2742232A1 EP 2742232 A1 EP2742232 A1 EP 2742232A1 EP 11743509 A EP11743509 A EP 11743509A EP 2742232 A1 EP2742232 A1 EP 2742232A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
turbine
seal
turbine generator
turbine runner
generator according
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP11743509.9A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Henning Kern
Christina Pfeuffer
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SKF AB
Original Assignee
SKF AB
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by SKF AB filed Critical SKF AB
Publication of EP2742232A1 publication Critical patent/EP2742232A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • 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
    • F03B3/00—Machines or engines of reaction type; Parts or details peculiar thereto
    • F03B3/04—Machines or engines of reaction type; Parts or details peculiar thereto with substantially axial flow throughout rotors, e.g. propeller turbines
    • 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
    • F03B11/06—Bearing arrangements
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2220/00—Application
    • F05B2220/70—Application in combination with
    • F05B2220/706—Application in combination with an electrical generator
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
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    • F05B2240/00—Components
    • F05B2240/50—Bearings
    • F05B2240/54—Radial bearings
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2240/00—Components
    • F05B2240/57—Seals
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2260/00—Function
    • F05B2260/40—Transmission of power
    • F05B2260/403—Transmission of power through the shape of the drive components
    • F05B2260/4031—Transmission of power through the shape of the drive components as in toothed gearing
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/20—Hydro energy

Definitions

  • the invention relates to a turbine generator, in particular a water turbine generator for generating electricity from a water flow, comprising a turbine runner and an electric generator.
  • US 2009/0115193 A1 describes a water turbine generator in which a water flow drives a turbine runner connected to a plurality of generators.
  • the hydro turbine generator can be used in flowing waters, such as rivers, streams, canals, tidal coves or oceans.
  • the turbine wheel surrounds a ring gear that meshes with four gears that sit on the shafts of the generators. Due to the direct bearing of the turbine impeller on the shafts of the generators, the bearing forces of the turbine impeller must be absorbed by the generators.
  • at least three generators are necessary to be able to store the turbine wheel at all.
  • US 7,218,011 B2 describes a turbine runner supported by bearings which may be supported by magnetic bearings. By Ge Reifenhausenen a proppant is formed.
  • the bearings are designed as slide bearings or split bearings, which can be supported by magnetic bearings at higher rotational speeds.
  • FR 2 795 140 AI describes a turbine wheel which is mounted by means of ball bearings. The turbine wheel is supported on a concrete foundation of a riverbed.
  • EP 1 885 047 A1 describes magnetic bearings for supporting a plurality of turbine runners.
  • the object of the invention is to provide a water turbine generator in which the bearing of the turbine runner is improved.
  • a turbine generator in particular a water turbine generator for power generation from a water flow, comprising a turbine runner, an electric generator and a support means by which a mutual position of the turbine runner and generator is determined to each other, and a transmission for transmitting a torque of the turbine runner on a shaft of the generator, further comprising a bearing having an outer ring connected to the support means and an inner ring connected to the turbine runner, which surrounds a guided through the turbine runner flow, the bearing having a double row tapered roller bearing.
  • the bearing surrounds the flow guided by the turbine runner, it is possible to dispense with internals to be provided within the flow for supporting the turbine runner. Since there are no disturbing the flow internals, the efficiency of the turbine generator can be improved.
  • the bearing can be designed as a rolling bearing. By supporting the turbine runner on the bearing, the bearing forces of the turbine runner need not be absorbed by the shafts of the generators, whereby the life of the turbine generator may be increased.
  • the inner ring may surround the outer contour of the turbine runner. The inner ring can lie in the axial plane of the turbine runner. Alternatively, the inner ring may be disposed at an axial distance from the turbine runner.
  • the turbine runner can also be arranged between two or more inner rings and / or bearings, in particular rolling bearings.
  • the turbine generator may include a support ring connecting the turbine runner to the ring of irons. Depending on the conditions of use and space, the support ring can be designed differently.
  • the support ring may be attached to a turbine ring connecting the radially outer ends of the blades of the turbine runner.
  • the turbine ring may in particular be manufactured in one piece with the blades or the turbine runner.
  • the turbine ring may have an inner circumferential wall, which is shaped streamlined in accordance with the flow.
  • the inner ring of the bearing can be connected, for example by means of a fit fit, in particular interference fit with the support ring.
  • the support ring can be connected by means of releasable fastening means with a flange of the turbine runner.
  • a releasable attachment can be done for example by means of screws.
  • the flange may be an annular flange, which may in particular extend radially away from the circumference of the turbine runner.
  • a drive sprocket may be connected to the support ring.
  • the drive sprocket may substantially extend on a diameter corresponding to the support ring.
  • the drive sprocket may be made separately or integrally with the support ring.
  • the teeth of the drive sprocket may extend radially outward and thus form a spur gear.
  • the teeth of the drive sprocket may extend in an axial direction, for example in the form of a bevel gear.
  • the transmission may have a meshing with the drive sprocket pinion, which by means of a shaft to the generator connected is.
  • the pinion need not necessarily sit directly on the output shaft of the generator, but can sit on a separate shaft which is coupled to the generator.
  • the tapered roller bearings may be formed in O arrangement and / or with a pressure angle of 45 °.
  • the support means may be a housing.
  • the housing may in particular have at least one mating surface for at least one seal.
  • the seal may in particular be rotatably mounted with respect to the housing and the turbine runner. By a rotatable mounting of the seal, the peripheral speed between the sealing lip of the seal and the turbine wheel can be reduced, in particular approximately halved.
  • the seal can be rotatably mounted between the housing and the turbine runner by means of at least three rollers, which are supported both against a first runway on the housing and a second runway on the turbine runner.
  • the seal can be stored aligned in its coaxial position with respect to turbine runner and housing.
  • the seal may have at least one radial shaft sealing ring, in particular with at least two radial shaft sealing lips, and / or a cartridge seal.
  • the seal may have at least one outwardly, in particular fluid-tight sealing radial shaft sealing lip, which rests against an inner peripheral side mating surface of the housing.
  • this may alternatively or additionally be provided with at least one radial shaft seal, which seals outwards, in particular against the flow. having lip which abuts an outer peripheral side mating surface of the turbine runner.
  • this may alternatively or additionally have at least one inwardly, in particular flow-facing sealing radial shaft sealing lip, which rests against an inner peripheral side mating surface of the housing.
  • this may alternatively or additionally have at least one inwardly, in particular flow-facing, sealing radial shaft sealing lip, which rests against an outer peripheral side mating surface of the turbine runner.
  • the gasket may have at least two radial shaft sealing lips which are outwardly directed, in particular facing away from the flow, and at least two radial shaft sealing lips which are inwardly facing, in particular facing the flow direction.
  • the invention thus provides a turbine generator, in particular a water turbine, which is more compact than known solutions and has a high efficiency and high performance even with a small size.
  • the rotor that is to say the turbine runner
  • the rotor can be fastened in a large bearing, for example a moment bearing, in particular of the "Nautilus” type or two angular contact ball bearings. Occurring radial and axial forces can be absorbed in this camp.
  • no turbine shaft is required. Instead, the torque can be transmitted to the generator via a transmission member attached to the rotating inner ring of the large-scale bearing, such as a toothing.
  • a transmission of the torque can be done for example via a small gear which is connected to the shaft of the generator or sitting on this shaft and picks up the torque.
  • a very high transmission ratio can be realized, which delivers a high speed at the generator.
  • the generator can generate a high electrical power even at low speeds of the turbine runner or at low flow velocities of the water flow.
  • radial shaft seals can be used.
  • the seals, in particular the radial shaft seals can be rotatably supported, i. the radial shaft seals not only move with respect to the turbine wheel, but also with respect to the housing.
  • the rotationally mounted seals according to the invention can reduce the circumferential speeds at the sealing edges. Especially with large diameters and the expected speeds, the rotationally mounted seals according to the invention also the wear can be kept within limits.
  • the seal according to the invention may have four radial shaft seals. Of the four radial shaft sealing rings, two may be arranged sealingly outwards and two sealingly inwards in each case.
  • the rotating seals can be supported by at least three rollers.
  • the rollers can be located between the rotor and the housing.
  • the rotatably mounted seals can form a sealing cassette together with the rollers.
  • the seal cassette may be driven by the turbine runner in which the rollers roll on the turbine runner and bear against the housing.
  • the peripheral speed of the seal cassette reduces the peripheral speeds at the sealing edges in a non-critical area.
  • the storage according to the invention makes it possible to seal the storage outside the water flow. This means that a normal lubrication of the bearing is possible, which can be selected independently of the flow medium. In addition, maintenance and, where appropriate, disassembly and / or replacement of components of the turbine generator can be carried out more easily. Since with the storage according to the invention due to the omission of a turbine shaft no bending moments must be recorded, but almost exclusively axial forces occur, simpler or smaller gear can be used. The installation position of the turbine generator is also completely variable.
  • FIG. 1 is a partial perspective sectional view of an embodiment of a turbine generator according to the invention
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the turbine generator of FIG. 1;
  • FIG. 3 is an enlarged partial sectional view of the turbine generator of FIG. 2 through a bearing according to the invention
  • Fig. 4 is an enlarged partial sectional view of Fig. 3 by a seal according to the invention.
  • the turbine generator 1 shown by way of example in FIG. 1 has a turbine runner 3 and an electric generator 5.
  • the turbine runner 3 has five blades 7.
  • the blades 7 extend in the radial direction, starting from a central node 9, which lies on a rotation axis 11 of the turbine generator 1, to the outside.
  • the outer ends of the blades 7 are connected to a turbine ring 13.
  • the turbine ring 13 is substantially formed as a pipe section, which may have on its inner wall 15 a sfluid to the flow, such as water, adapted contour.
  • the turbine generator 1 has a support means 17, which may also be referred to as a housing.
  • the support means 17 comprises in the illustrated embodiment, an annular housing 19 and then an inlet pipe piece 21 and an outlet pipe piece 23.
  • the support means 17 not only the Strömungsflu- id out, but also determines a mutual position of the turbine runner 3 and generator 5 to each other.
  • the turbine generator 1 For transmitting a torque, the turbine generator 1 has a transmission 25 shown in FIG. 2.
  • the transmission 25 transmits the torque delivered by the turbine runner 3 to a shaft 27 of the generator 5.
  • the shaft 27 of the generator 5 is connected to an output gear 29 for this purpose.
  • the output pinion 29 sits directly on the shaft 27.
  • the output pinion 29 meshes with a drive sprocket 31 which is connected to the turbine runner 3.
  • an inventive bearing 33 is shown in greater detail in an enlarged partial sectional view of the turbine generator 1 of FIG.
  • the bearing 33 is over a support ring 35 connected to the turbine runner 3.
  • the bearing 33 has in the illustrated embodiment, an inner ring 37 and an outer ring 39. Between the inner ring 37 and the outer ring 39 rolling elements 41 are arranged.
  • the outer ring 39 is connected to the support means 17.
  • the outer ring 39 is seated in a bearing seat 43 of the support means 17 and the annular housing 19, for example by means of a fit fit, in particular interference fit.
  • the bearing 33 may have two angular contact ball bearings or as shown in Fig. 3 may be formed as a double row tapered roller bearing.
  • the double row tapered roller bearing can have a pressure angle of 45 °. This gives the tapered roller bearing a large span and thus high rigidity.
  • Another advantage of the large pressure angle is the resulting small cone angle of the rolling elements 41. The smaller the cone angle, the lower the friction between the rolling elements 41 and a guide board of the tapered roller bearing.
  • the guide board can be designed tribologically low, so that can set an ideal lubricating film in Wälz Archives- guide board contact.
  • the Inneming 37 of the bearing 33 is connected by means of the support ring 35 with the turbine runner 3.
  • the Inneming 37 of the bearing 33 is connected by means of a fit fit, in particular interference fit with the support ring 35.
  • the inner ring 37 surrounds the outer contour of the turbine runner 3.
  • the inner ring 37 also surrounds a flow guided through the turbine runner 3.
  • the turbine runner 3 is arranged completely inside the inner ring 37 in the exemplary embodiment.
  • the Inneming 37 may for example be arranged axially offset with respect to the turbine runner 3 or it may, for example, two inner rings 37, in particular two bearings 33 in an axial distance from each other be provided, between which the turbine runner 3 is located in an intermediate axial position.
  • the support ring 35 is connected in the embodiment by means of releasable fastening means 45 with the turbine runner 3.
  • the releasable fastening means 45 can be formed in particular by screws.
  • the support ring 35 is, as shown in Fig. 3, connected to an annular flange 47 of the turbine runner 3. On the support ring 35, the drive sprocket 31 is also attached.
  • the turbine generator 1 has two seals 49a, 49b in the exemplary embodiment.
  • Each seal 49a, 49b may be formed in the manner of a cassette seal.
  • Each seal 49a, 49b may in particular be rotatably mounted both with respect to the support means 17 or the housing and with respect to the turbine runner 3.
  • FIG. 4 shows one of the two seals 49a according to the invention in an enlarged partial sectional view.
  • the seal 49a is formed in the illustrated embodiment as a radial shaft seal.
  • the seal 49a has a first radial shaft sealing lip 51a which projects outward, in particular against the flow, and bears against an inner circumferential mating surface 53 of the support means 17 or of the housing.
  • the seal 49a furthermore has, to the outside, in particular a flow-sealing manner, a second radial shaft sealing lip 51b, which rests against an outer circumferential mating surface 55 of the turbine runner 3.
  • the first radial shaft sealing lip 51a and the second radial shaft sealing lip 5lb may be at the same axial height, as shown. be considered radially superimposed.
  • the seal 49a also has a third radial shaft sealing lip 51c which is inwardly, in particular flow-tight, and bears against the inner peripheral side mating surface 53 of the support means 17 or the housing.
  • the seal 49a further has inwardly, in particular Strömungs Kome wall sealingly a fourth radial shaft sealing lip 51d, which on the outer peripheral side Mating surface 55 of the turbine runner 3 is applied.
  • the third radial shaft sealing lip 51c and the fourth radial shaft sealing lip 51d can, as shown, be at the same axial height, ie be arranged one above the other as viewed radially.
  • each of the seals 49a, 49b is in the embodiment according to the invention by means of at least three rollers 57, which are supported against both a first runway 59 on the support means 17 and the housing and supported against a second runway 61 on the turbine runner 3, rotatable between support means 17 and Housing and turbine runner 3 stored.
  • each of the seals 49a, 49b may additionally be axially supported axially by means of associated axial rollers 63, in particular against an axial roller track 65 on the support means 17 or on the housing.

Landscapes

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Turbinengenerator (1), insbesondere Wasserturbinengenerator zur Stromerzeugung aus einer Wasserströmung, aufweisend ein Turbinenlaufrad (3), einen elektrischen Generator (5) und ein Stützmittel (17), durch welches eine gegenseitige Lage von Turbinenlaufrad (3) und Generator (5) zueinander bestimmt ist, sowie ein Getriebe (25) zur Übertragung eines Drehmoments von dem Turbinenlaufrad (3) auf eine Welle (27) des Generators (5), des Weiteren aufweisend ein Lager (33),das einen mit dem Stützmittel (17) verbundenen Aussenring (39) und einen mit dem Turbinenlaufrad (3) verbundenen Innenring (37) aufweist, der eine durch das Turbinenlaufrad (3) geführte Strömung umfängt.

Description

B e s c h r e i b u n g
Turbinengenerator
Die Erfindung betrifft einen Turbinengenerator, insbesondere Wasserturbinengenerator zur Stromerzeugung aus einer Wasserströmung, aufweisend ein Turbinenlaufrad und einen elektrischen Generator.
Die US 2009/0115193 AI beschreibt einen Wasserturbinengenerator, bei der eine Wasserströmung ein Turbinenlaufrad antreibt, das mit mehreren Generatoren verbunden ist. Der Wasserturbinengenerator kann in fließende Gewässer, wie beispielsweise Flüsse, Ströme, Kanäle, Gezeitenbuchten oder Ozeane eingesetzt werden. Umfang seitig umgibt das Turbinenlaufrad ein Zahnkranz, der mit vier Zahnrädern kämmt, die auf den Wellen der Generatoren sitzen. Durch die unmittelbare Lagerung des Turbinenlaufrads auf den Wellen der Generatoren müssen die Lagerkräfte des Turbinenlaufrads von den Generatoren aufgenommen werden. Außerdem sind wenigstens drei Generatoren notwenig, um das Turbinenlaufrad überhaupt lagern zu können.
Die US 7,218,011 B2 beschreibt ein Turbinenlaufrad, das mittels Lager gelagert ist, die durch magnetische Lager unterstützt sein können. Durch Gehäuseröhren wird ein Stützmittel gebildet. Die Lager sind als Gleitlager oder Spaltlager ausgebildet, die bei höheren Drehgeschwindigkeiten durch magnetische Lager unterstützt sein können. Die FR 2 795 140 AI beschreibt ein Turbinenlaufrad, das mittels Kugellager gelagert ist. Das Turbinenlaufrad stützt sich an einem Betonfundament eines Flussbettes ab.
Die EP 1 885 047 AI beschreibt magnetische Lager zur Lagerung mehrerer Turbinenlaufräder.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Wasserturbinengenerator zu schaffen, bei der die Lagerung des Turbinenlaufrads verbessert ist.
Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch einen Turbinengenerator, insbesondere Wasserturbinengenerator zur Stromerzeugung aus einer Wasserströmung, aufweisend ein Turbinenlaufrad, einen elektrischen Generator und ein Stützmittel, durch welches eine gegenseitige Lage von Turbinenlaufrad und Generator zueinander bestimmt ist, sowie ein Getriebe zur Übertragung eines Drehmoments von dem Turbinenlaufrad auf eine Welle des Generators, des Weiteren aufweisend ein Lager, das einen mit dem Stützmittel verbundenen Außenring und einen mit dem Turbinenlaufrad verbundenen Innenring aufweist, der eine durch das Turbinenlaufrad geführte Strömung umfängt, wobei das Lager ein zweireihiges Kegelrollenlager aufweist.
In dem das Lager die durch das Turbinenlaufrad geführte Strömung umfängt, können auf innerhalb der Strömung vorzusehende Einbauten zum Lagern des Turbinenlaufrad verzichtet werden. Da keine die Strömung störende Einbauten vorhanden sind kann der Wirkungsgrad des Turbinengenerators verbessert sein. Das Lager kann als Wälzlager ausgebildet sein. Indem das Turbinenlaufrad an dem Lager bzw. dem Wälzlager gelagert ist, müssen die Lagerkräfte des Turbinenlaufrads nicht von den Wellen der Generatoren aufgenommen werden, wodurch die Lebensdauer des Turbinengenerators erhöht sein kann. Der Innenring kann die Außenkontur des Turbinenlaufrads umfangen. Der Innenring kann dabei in der axialen Ebene des Turbinenlaufrads liegen. Alternativ kann der Inneming in einem axialen Abstand von dem Turbinenlaufrad angeordnet sein. Das Turbinenlaufrad kann auch zwischen zwei oder mehreren Innenringen und/oder Lagern, insbesondere Wälzlagern angeordnet sein.
Der Turbinengenerator kann einen das Turbinenlaufrad mit dem Irmenring verbindenden Tragring aufweisen. Je nach Einsatzbedingung und Platzverhältnis kann der Tragring unterschiedlich gestaltet sein. Der Tragring kann an einem Turbinenring befestigt sein, der die radial äußeren Enden der Schaufeln des Turbinenlaufrads verbindet. Der Turbinenring kann insbesondere einstückig mit den Schaufeln bzw. dem Turbinenlaufrad hergestellt sein. Der Turbinenring kann eine innere Umfangs- wand aufweisen, die an die Strömung angepasst strömungsgünstig geformt ist.
Der Innenring des Lagers kann beispielsweise mittels eines Passungssitzes, insbesondere Presssitzes mit dem Tragring verbunden sein. Alternativ oder ergänzend kann der Tragring mittels lösbarer Befestigungsmittel mit einem Flansch des Turbinenlaufrads verbunden sein. Eine lösbare Befestigung kann beispielsweise mittels Schrauben erfolgen. Der Flansch kann ein Ringflansch sein, der sich insbesondere radial vom Umfang des Turbinenlaufrads weg erstrecken kann.
In einer Weiterbildung der Erfindung kann ein Antriebszahnkranz mit dem Tragring verbunden sein. Der Antriebszahnkranz kann sich im Wesentlichen auf einem dem Tragring entsprechenden Durchmesser erstrecken. Der Antriebszahnkranz kann getrennt oder einstückig mit dem Tragring hergestellt sein. Die Zähne des Antriebszahnkranzes können sich beispielsweise radial nach außen erstrecken und somit ein Stirnrad bilden. Alternaiv können sich die Zähne des Antriebszahnkranzes in eine axiale Richtung erstrecken, beispielsweise in Form eines Kegelrads.
In einer weiterführenden Ausgestaltung kann das Getriebe ein mit dem Antriebszahnkranz kämmendes Ritzel aufweisen, das mittels einer Welle mit dem Generator verbunden ist. Das Ritzel muss nicht notwendiger Weise unmittelbar auf der Abtriebswelle des Generator sitzen, sondern kann auf einer separaten Welle sitzen, die mit dem Generator gekoppelt ist.
Die Kegelrollenlager können in O-Anordnung und/oder mit einem Druckwinkel von 45° ausgebildet sein.
In allen erfindungsgemäßen Ausgestaltungen kann das Stützmittel ein Gehäuse sein. Das Gehäuse kann insbesondere wenigstens eine Gegenlauffläche für mindestens eine Dichtung aufweisen. Die Dichtung kann insbesondere drehbar bezüglich Gehäuse und Turbinenlaufrad gelagert sein. Durch eine drehbare Lagerung der Dichtung kann die Umfangsgeschwindigkeit zwischen Dichtlippe der Dichtung und dem Turbinenrad reduziert, insbesondere etwa halbiert werden.
Die Dichtung kann beispielsweise mittels wenigstens dreier Laufrollen, die sich sowohl gegen eine erste Rollbahn am Gehäuse als auch eine zweite Rollbahn am Turbinenlaufrad abstützen, drehbar zwischen Gehäuse und Turbinenlaufrad gelagert sein. Mittels der wenigstens drei Laufrollen kann die Dichtung in ihrer koaxialen Lage bezüglich Turbinenlaufrad und Gehäuse ausgerichtet gelagert werden.
In allen erfindungsgemäßen Ausgestaltungen der Dichtung kann diese wenigstens einen Radialwellendichtring, insbesondere mit wenigstens zwei Radialwellendicht- lippen, und/oder eine Kassettendichtung aufweisen.
Die Dichtung kann wenigstens eine nach außen, insbesondere strömungsabgewandt dichtende Radialwellendichtlippe aufweisen, die an einer innenumfangsseitigen Gegenlauffläche des Gehäuses anliegt.
In einer Ausführung der Dichtung kann diese alternativ oder ergänzend wenigstens eine nach außen, insbesondere strömungsabgewandt dichtende Radialwellendicht- lippe aufweisen, die an einer außenumfangsseitigen Gegenlauffläche des Turbinenlaufrads anliegt.
In einer anderen Ausführung der Dichtung kann diese alternativ oder ergänzend wenigstens eine nach innen, insbesondere strömungszugewandt dichtende Radial- wellendichtlippe aufweisen, die an einer innenumfangsseitigen Gegenlauffläche des Gehäuses anliegt.
In einer weiteren Ausführung der Dichtung kann diese alternativ oder ergänzend wenigstens eine nach innen, insbesondere strömungszugewandt dichtende Radial- wellendichtlippe aufweisen, die an einer außenumfangsseitigen Gegenlauffläche des Turbinenlaufrads anliegt.
In allen Ausführungsformen der Dichtung kann diese wenigstens zwei nach außen, insbesondere strömungsabgewandt dichtende Radialwellendichtlippen und wenigstens zwei nach innen, insbesondere strömungszugewandt dichtende Radialwellendichtlippen aufweisen.
Zusammenfassend stellt die Erfindung somit einen Turbinengenerator, insbesondere eine Wasserturbine bereit, der gegenüber bekannten Lösungen kompakter baut und auch bei geringer Baugröße eine hohe Effizienz besitzt bzw. eine hohe Leistung erbringt. Erfindungsgemäß kann der Rotor d.h. das Turbinenlaufrad in einem Großlager, wie beispielsweise einem Momentenlager, insbesondere des Typs "Nautilus" oder zweier Schrägkugellager, befestigt sein. Auftretende radiale und axiale Kräfte können in diesem Lager aufgenommen werden. Für eine Übertragung des Drehmoments von dem Turbinenlaufrad auf einen Generator ist keine Turbinenwelle erforderlich. Stattdessen kann das Drehmoment über ein an dem drehenden Innenring des Großlagers befestigtes Übertragungsglied, wie beispielsweise eine Verzahnung, auf den Generator übertragen werden. Eine Übertragung des Drehmoments kann beispielsweise über ein kleines Zahnrad erfolgen, das mit der Welle des Generators verbunden ist bzw. auf diese Welle sitzt und das Drehmoment abgreift. Durch eine solche Ausgestaltung kann ein sehr hohes Übersetzungsverhältnis realisiert werden, das am Generator eine hohe Drehzahl liefert. Damit kann der Generator auch bei geringen Drehzahlen des Turbinenlaufrads bzw. bei geringen Strömungsgeschwindigkeiten der Wasserströmung eine hohe elektrische Leistung erzeugen.
Im Ergebnis können auch Gewässer mit geringen Strömungsgeschwindigkeiten wirtschaftlich durch Wasserkraftanlagen mit erfindungsgemäßen Turbinengeneratoren erschlossen werden. Durch die erfindungsgemäße Lagerung kann außerdem ein sonst notwendiger sehr langer Kanal zur Führung des Wassers wesentlich kürzer ausfallen. Durch einen kompakten Aufbau des erfindungsgemäßen Turbinengenerators und der erfindungsgemäßen Lagerung wird es zudem möglich eine Anstellung der Turbinenschaufeln mit einfacher gestalteten Anlenkungen zu erreichen. Eine Anlenkung muss nicht mehr durch eine hohle Turbinenwelle geführt werden.
Darüber hinaus kann eine Abdichtung des Turbinenlaufrads einfacher gestaltet werden. Erfindungsgemäß können Radialwellendichtringe verwendet werden. Die Dichtungen, insbesondere die Radialwellendichtringe können drehend gelagert werden, d.h. die Radialwellendichtringe bewegen sich nicht nur bezüglich des Turbinenlaufrads, sondern auch bezüglich des Gehäuses.
Besonders bei großen Durchmessern können die erfindungsgemäßen drehend gelagerten Dichtungen die Umfangsgeschwindigkeiten an den Dichtkanten reduzieren. Gerade bei großen Durchmessern und den dabei zu erwartenden Drehzahlen kann die erfindungsgemäßen drehend gelagerten Dichtungen außerdem der Verschleiß in Grenzen gehalten werden. Die erfindungsgemäße Dichtung kann vier Radialwellendichtringe aufweisen. Von den vier Radialwellendichtringen können jeweils zwei nach außen dichtend und zwei nach innen dichtend angeordnet sein. Die drehend gelagerten Dichtungen können sich über mindestens drei Laufrollen abstützen. Die Laufrollen können sich zwischen Rotor und Gehäuse befinden. Die drehend gelagerten Dichtungen können zusammen mit den Laufrollen eine Dichtungskassette bilden. Die Dichtungskassette kann durch das Turbinenlaufrad angetrieben werden, in dem die Laufrollen auf dem Turbinenlaufrad abrollen und sich gegen das Gehäuse abstützen. Die Umfangsgeschwindigkeit der Dichtungskassette reduziert die Umfangsgeschwindigkeiten an den Dichtkanten in einen unkritischen Bereich.
Statt eines einzigen elektrischen Generators können auch mehrere, insbesondere kleinere elektrische Generatoren vorgesehen sein. Durch die erfindungsgemäße Lagerung kann eine Abdichtung der Lagerung außerhalb der Wasser Strömung erfolgen. Dies bedeutet, dass eine normale Schmierung der Lagerstelle möglich ist, die unabhängig des Strömungsmediums gewählt werden kann. Außerdem kann eine Wartung und gegebenenfalls eine Demontage und/oder ein Austausch von Bauteilen des Turbinengenerators einfacher erfolgen. Da mit der erfindungsgemäßen Lagerung wegen des Wegfalls einer Turbinenwelle keine Biegemomente aufgenommen werden müssen, sondern fast ausschließlich Axialkräfte auftreten, können einfachere bzw. kleinere Getriebe verwendet werden. Die Einbaulage des Turbinengenerators ist außerdem vollkommen variabel.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist exemplarisch in den beigefügten schematischen Zeichnungen dargestellt. Es zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Teilschnittansicht einer Ausführung eines erfindungsgemäßen Turbinengenerators,
Fig. 2 eine Querschnittsansicht des Turbinengenerators gemäß Fig. 1,
Fig. 3 eine vergrößerte Teilschnittansicht des Turbinengenerators aus Fig. 2 durch ein erfindungsgemäßes Lager, Fig. 4 eine vergrößerte Teilschnittansicht aus Fig. 3 durch eine erfindungsgemäße Dichtung.
Der in der Fig. 1 beispielhaft dargestellte Turbinengenerator 1 weist ein Turbinenlaufrad 3 und einen elektrischen Generator 5 auf. In der gezeigten Ausführungsform weist das Turbinenlaufrad 3 fünf Schaufeln 7 auf. Die Schaufeln 7 erstrecken sich im Wesentlichen in radialer Richtung ausgehend von einem Zentralknoten 9, der auf einer Drehachse 11 des Turbinengenerators 1 liegt, nach außen. Die äußeren Enden der Schaufeln 7 sind mit einem Turbinenring 13 verbunden. Der Turbinenring 13 ist im Wesentlichen als Rohrabschnitt ausgebildet, der an seiner Innenwand 15 eine an das Strömung sfluid, wie beispielsweise Wasser, angepasste Kontur aufweisen kann.
Der Turbinengenerator 1 weist ein Stützmittel 17 auf, das auch als Gehäuse bezeichnet werden kann. Das Stützmittel 17 umfasst in der dargestellten Ausführungsform ein Ringgehäuse 19 und daran sich anschließend ein Einlaufrohrstück 21 und ein Auslaufrohrstück 23. Durch das Stützmittel 17 wird nicht nur das Strömungsflu- id geführt, sondern auch eine gegenseitige Lage von Turbinenlaufrad 3 und Generator 5 zueinander bestimmt.
Zur Übertragung eines Drehmoments weist der Turbinengenerator 1 ein in Fig. 2 gezeigtes Getriebe 25 auf. Das Getriebe 25 überträgt das von dem Turbinenlaufrad 3 gelieferte Drehmoment auf eine Welle 27 des Generators 5. Die Welle 27 des Generators 5 ist dazu mit einem Abtriebsritzel 29 verbunden. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sitzt das Abtriebsritzel 29 unmittelbar auf der Welle 27. Das Abtriebsritzel 29 kämmt mit einem Antriebszahnkranz 31, das mit dem Turbinenlaufrad 3 verbunden ist.
In der Fig. 3 ist in einer vergrößerten Teilschnittansicht des Turbinengenerators 1 aus Fig. 2 ein erfindungsgemäßes Lager 33 näher dargestellt. Das Lager 33 ist über einen Tragring 35 mit dem Turbinenlaufrad 3 verbunden. Das Lager 33 weist im dargestellten Ausführungsbeispiel einen Innenring 37 und einen Außenring 39 auf. Zwischen dem Innenring 37 und dem Außenring 39 sind Wälzkörper 41 angeordnet. Der Außenring 39 ist mit dem Stützmittel 17 verbunden. Der Außenring 39 sitzt dazu in einem Lagersitz 43 des Stützmittel 17 bzw. des Ringgehäuses 19, beispielsweise mittels eines Passungssitzes, insbesondere Presssitzes.
Das Lager 33 kann zwei Schrägkugellager aufweisen oder wie in Fig. 3 dargestellt als ein zweireihiges Kegelrollenlager ausgebildet sein. Insbesondere das zweireihige Kegelrollenlager kann dabei einen Druckwinkel von 45° aufweisen. Dies verleiht dem Kegelrollenlager eine große Stützweite und damit hohe Steifigkeit. Ein weiterer Vorteil des großen Druckwinkels ist der sich daraus ergebende kleine Kegelwinkel der Wälzkörper 41. Je kleiner der Kegelwinkel, desto geringer wird die Reibung zwischen den Wälzkörpern 41 und einem Führungsbord des Kegelrollenlagers. Der Führungsbord kann dabei tribologisch günstig gestaltet sein, damit sich im Wälzkörper- Führungsbord -Kontakt ein idealer Schmierfilm einstellen kann.
Der Inneming 37 des Lagers 33 ist mittels des Tragrings 35 mit dem Turbinenlaufrad 3 verbunden. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Inneming 37 des Lagers 33 mittels eines Passungssitzes, insbesondere Presssitzes mit dem Tragring 35 verbunden. Der Innenring 37 umfängt die Außenkontur des Turbinenlaufrads 3. Damit umfängt der Inneming 37 auch eine durch das Turbinenlaufrad 3 geführte Strömung. Mit anderen Worten ist das Turbinenlaufrad 3 im Ausführungsbeispiel vollständig innerhalb des Innenrings 37 angeordnet. Es kann jedoch ausreichend sein, wenn die Innenkontur des Turbinenlaufrads 3 auf einem kleineren Durchmesser liegt, als der Innendurchmesser des Innenrings 37. Dies bedeutet, dass der Innenring 37 nicht notweniger Weise auf derselben axialen Position wie das Turbinenlaufrad 3 sitzen muss. Der Inneming 37 kann beispielsweise axial bezüglich des Turbinenlaufrads 3 versetzt angeordnet sein bzw. es können beispielsweise zwei Innenringe 37, insbesondere zwei Lager 33 in einem axial Abstand voneinander vorgesehen sein, zwischen denen das Turbinenlaufrad 3 in einer dazwischen liegenden axialen Position liegt.
Der Tragring 35 ist im Ausführungsbeispiel mittels lösbarer Befestigungsmittel 45 mit dem Turbinenlaufrad 3 verbunden. Das lösbare Befestigungsmittel 45 kann insbesondere durch Schrauben gebildet werden. Der Tragring 35 ist, wie in Fig. 3 gezeigt, mit einem Ringflansch 47 des Turbinenlaufrads 3 verbunden. An dem Tragring 35 ist außerdem der Antriebszahnkranz 31 befestigt.
Der Turbinengenerator 1 weist im Ausführungsbeispiel zwei Dichtungen 49a, 49b auf. Jede Dichtung 49a, 49b kann in Art einer Kassettendichtung ausgebildet sein. Jede Dichtung 49a, 49b kann insbesondere drehbar sowohl bezüglich des Stützmittels 17 bzw. des Gehäuses als auch bezüglich des Turbinenlaufrads 3 gelagert sein.
In der Fig. 4 ist eine der beiden erfindungsgemäßen Dichtungen 49a in einer vergrößerten Teilschnittansicht gezeigt. Die Dichtung 49a ist im dargestellten Ausführungsbeispiel als Radialwellendichtring ausgebildet. Die Dichtung 49a weist eine nach außen, insbesondere strömungsabgewandt dichtende erste Radialwellendichtlippe 51a aufweist, die an einer innenumfangsseitigen Gegenlauffläche 53 des Stützmittels 17 bzw. des Gehäuses anliegt. Die Dichtung 49a weist des Weiteren nach außen, insbesondere strömungsabgewandt dichtend eine zweite Radialwellendichtlippe 51b auf, die an einer außenumfangsseitigen Gegenlauffläche 55 des Turbinenlaufrads 3 anliegt. Die erste Radialwellendichtlippe 51a und die zweite Radialwellendichtlippe 5 lb können, wie dargestellt, auf derselben axialen Höhe liegen d.h. radial betrachtet übereinander angeordnet sein.
Die Dichtung 49a weist außerdem eine nach innen, insbesondere strömungszuge- wandt dichtende dritte Radialwellendichtlippe 51c auf, die an der innenumfangsseitigen Gegenlauffläche 53 des Stützmittels 17 bzw. des Gehäuses anliegt. Die Dichtung 49a weist des Weiteren nach innen, insbesondere Strömungszuge wandt dichtend eine vierte Radialwellendichtlippe 51d auf, die an der außenumfangsseitigen Gegenlauffläche 55 des Turbinenlaufrads 3 anliegt. Die dritte Radialwellendichtlip- pe 51c und die vierte Radialwellendichtlippe 51d können, wie dargestellt, auf derselben axialen Höhe liegen d.h. radial betrachtet übereinander angeordnet sein. Jede der Dichtungen 49a, 49b ist in dem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel mittels wenigstens dreier Laufrollen 57 , die sich sowohl gegen eine erste Rollbahn 59 am Stützmittel 17 bzw. am Gehäuse abstützen als auch gegen eine zweite Rollbahn 61 am Turbinenlaufrad 3 abstützen, drehbar zwischen Stützmittel 17 bzw. Gehäuse und Turbinenlaufrad 3 gelagert. Darüber hinaus kann, wie in Fig. 4 ge- zeigt, jede der Dichtungen 49a, 49b zusätzlich axial mittels zugeordneter Axiallaufrollen 63, insbesondere gegen eine Axialrollbahn 65 am Stützmittel 17 bzw. am Gehäuse axial abgestützt sein.
Bezugszeichenliste
1 Turbinengenerator
3 Turbinenlaufrad
5 elektrischer Generator
7 Schaufeln
9 Zentralknoten
11 Drehachse
13 Turbinenring
15 Innenwand
17 Stützmittel
19 Ringgehäuse
21 Einlaufrohrstück
23 Auslaufrohrstück
25 Getriebe
27 Welle
29 Abtriebsritzel
31 Antrieb szahnkranz
33 Lager
35 Tragring
37 Innenring
39 Außenring
41 Wälzkörper
43 Lagersitz
45 B ef e stigung smittel
47 Ringflansch
49a Dichtung b Dichtung
a erste Radialwellendichtlippeb zweite Radialwellendichtlippec dritte Radialwellendichtlipped vierte Radialwellendichtlippe
innenumfangsseitige Gegenlauffläche außenumfangsseitige Gegenlauffläche
Laufrollen
erste Rollbahn
zweite Rollbahn
Axiallaufrollen

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e Turbinengenerator
1. Turbinengenerator, insbesondere Wasserturbinengenerator zur Stromerzeugung aus einer Wasserströmung, aufweisend ein Turbinenlaufrad (3), einen elektrischen Generator (5) und ein Stützmittel (17), durch welches eine gegenseitige Lage von Turbinenlaufrad (3) und Generator (5) zueinander bestimmt ist, sowie ein Getriebe (25) zur Übertragung eines Drehmoments von dem Turbinenlaufrad (3) auf eine Welle (27) des Generators (5), des Weiteren aufweisend ein Lager (33),das einen mit dem Stützmittel (17) verbundenen Außenring (39) und einen mit dem Turbinenlaufrad (3) verbundenen Innenring (37) aufweist, der eine durch das Turbinenlaufrad (3) geführte Strömung umfängt, dadurch gekennzeichnet, dass das Lager (33) ein zweireihiges Kegelrollenlager aufweist.
2. Turbinengenerator nach Anspruch 1, bei dem das zweireihige Kegelrollenlager in O- Anordnung und/oder mit einem Druckwinkel von 45° ausgebildet ist.
3. Turbinengenerator nach Anspruch 1 oder 2, aufweisend einen das Turbinenlaufrad (3) mit dem Innenring (37) verbindenden Tragring (35).
4. Turbinengenerator nach Anspruch 3, bei dem der Innenring (37) des Lagers (33) mittels eines Passungssitzes, insbesondere Presssitzes mit dem Tragring (35) verbunden ist und/oder der Tragring (35) mittels lösbarer Befestigungs- mittel (45), insbesondere Schrauben mit einem Flansch, insbesondere Ringflansch (47) des Turbinenlaufrads (3) verbunden ist.
5. Turbinengenerator nach Ansprüche 3 oder 4, aufweisend einen mit dem Tragring (35) verbundenen Antriebszahnkranz (31).
6. Turbinengenerator nach Anspruch 5, bei dem das Getriebe (25) ein mit dem Antriebszahnkranz (31) kämmendes Ritzel (29) aufweist, das mittels einer Welle (27) mit dem Generator (5) verbunden ist.
7. Turbinengenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem das Stützmittel (17) ein Gehäuse ist, das wenigstens eine Gegenlauffläche (53) für mindestens eine Dichtung (49a, 49b), die insbesondere drehbar bezüglich Gehäuse und Turbinenlaufrad (3) gelagert ist, aufweist.
8. Turbinengenerator nach Anspruch 7, bei dem die Dichtung (49a, 49b) mittels wenigstens dreier Laufrollen (57), die sich sowohl gegen eine erste Rollbahn (59) am Gehäuse als auch eine zweite Rollbahn (61) am Turbinenlaufrad (3) abstützen, drehbar zwischen Gehäuse und Turbinenlaufrad (3) gelagert ist.
9. Turbinengenerator nach Anspruch 7 oder 8, bei dem die Dichtung (49a, 49b) wenigstens einen Radialwellendichtring, insbesondere mit wenigstens zwei Radialwellendichtlippen (51a, 51b, 51c, 51d), und/oder eine Kassettendichtung aufweist.
10. Turbinengenerator nach Anspruch 9, bei dem die Dichtung (49a, 49b) wenigstens eine nach außen, insbesondere strömungsabgewandt dichtende Radialwel- lendichtlippe (51a) aufweist, die an einer innenumfangsseitigen Gegenlauffläche (53) des Gehäuses anliegt.
11. Turbinengenerator nach Anspruch 9 oder 10, bei dem die Dichtung (49a, 49b) wenigstens eine nach außen, insbesondere strömungsabgewandt dichtende Ra- dialwellendichtlippe (51b) aufweist, die an einer außenumfangsseitigen Gegenlauffläche (55) des Turbinenlaufrads (3) anliegt.
12. Turbinengenerator nach einem der Ansprüche 9 bis 11, bei dem die Dichtung (49a, 49b) wenigstens eine nach innen, insbesondere strömungszugewandt dichtende Radialwellendichtlippe (51c) aufweist, die an einer innenumfangs- seitigen Gegenlauffläche (53) des Gehäuses anliegt.
13. Turbinengenerator nach einem der Ansprüche 9 bis 12, bei dem die Dichtung (49a, 49b) wenigstens eine nach innen, insbesondere strömungszugewandt dichtende Radialwellendichtlippe (51d) aufweist, die an einer außenumfangsseitigen Gegenlauffläche (55) des Turbinenlaufrads (3) anliegt.
14. Turbinengenerator nach einem der Ansprüche 9 bis 13, bei dem die Dichtung (49a, 49b) wenigstens zwei nach außen, insbesondere strömungsabgewandt dichtende Radialwellendichtlippen (51a, 51b) und wenigstens zwei nach innen, insbesondere strömungszugewandt dichtende Radialwellendichtlippen (51c, 51d) aufweist.
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