WO2012019676A2 - Wasserkraftanlage sowie verfahren zu deren montage - Google Patents

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    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the invention relates to a hydropower plant and a method for their
  • the invention particularly relates to an underwater power plant, for example a tidal power plant or a water turbine.
  • an underwater power plant for example a tidal power plant or a water turbine.
  • the object of the invention will be explained on a tidal power plant.
  • a typical design included a propeller-type water turbine revolving on a nacelle.
  • Watershunt fundamental support structure worn or held as a buoyant unit by anchoring at a predetermined depth. For a sufficiently large training such underwater power plants already relatively slow currents can be exploited for energy. This is typically an electrical in the nacelle
  • Underwater power plant are large-scale and heavy. This leads to a high assembly cost, in particular for on-site assembly aboard a watercraft or at the installation of the system.
  • the weight of the electric generator in the storage adjustment is a hindrance. Furthermore, unwanted magnetic forces can have a disturbing influence on the centering of the components to be stored and the bearing adjustment, in particular in the case of a generator rotor design with permanent magnets. Mounting devices are needed.
  • WO 2010/003604 describes an underwater power plant in the form of a gondola.
  • the turbine is arranged in a first nacelle section, and the generator in a second.
  • the generator and the generator housing form a separate generator unit. This can be handled and assembled as a whole.
  • the generator is delivered fully assembled by the manufacturer. The question of a montage thus does not arise for the operator.
  • the invention is based on the object, a generic
  • adjusting means are provided for adjusting the radial distance between the rotor and the stator.
  • the adjustment means can be introduced before or during assembly, and removed after assembly.
  • the generator assembly is in turn manageable and mountable as a whole.
  • the generator of the generator thus requires no
  • the non-rotatable connection between the turbine and the shaft and between the generator assembly and the shaft is a plug connection.
  • connection is a frictional, and can transmit the torques occurring during operation.
  • Figure 1 shows a hydropower plant in the assembled state in one
  • FIG. 2 shows the article of FIG. 1 in an exploded view.
  • Figure 3 shows the turbine housing of Figures 1 and 2 in an enlarged
  • Figure 4 shows the electric generator of Figures 1 and 2 in an enlarged view.
  • FIG. 5 again shows an enlarged view of an adjusting device for setting the mutual axial distance between the stator and
  • Figure 6 shows the shaft of Figures 1 and 2 in an enlarged view.
  • Fig. 7.1 - 7.6 illustrate the individual process steps for mounting the
  • the hydropower plant shown in Figure 1 comprises the following elements:
  • the turbine 1 is designed as a tubular turbine in propeller design. It has several propeller blades 1.1. These can be variable pitch propellers. Turbine 1 has a discharge hood 1.2.
  • the electric generator 2 comprises a rotor 2.1 and a stator 2.2.
  • the rotor 2.1 is located radially inside the stator 2.2. This could be the other way around.
  • Rotor 2.1 is occupied by a plurality of permanent magnets.
  • the turbine housing 4 has an inlet structure 4.1, further an outlet pipe 4.2.
  • the turbine housing 4 fulfills two
  • the exploded view according to FIG. 2 allows the individual components to be recognized even more accurately.
  • the central component for mounting are the shaft 3 and the turbine housing 4.
  • the turbine housing 4 has a radial bearing 5.1 and a thrust bearing 5.2.
  • the shaft has a radial bearing 6.1 and a thrust bearing 6.2.
  • Thrust bearing 6.2 is arranged on a side surface of a collar 6, see also FIG. 3.
  • each screw 9 is formed as a pin. This engages in an annular groove in the rotor sleeve 2.1.1.
  • the set screws are installed by the manufacturer during assembly of the generator and removed after assembly. After installation, the set screws are removed again.
  • the one end of the stator 2.2 carries retaining pins 2.2.1. These engage in the assembly in corresponding holes of a support ring 8 of L-shaped profile. See also FIG. 4.
  • the shaft 3 transmits the forces via said bearing in the housing parts, and the torque of the turbine 1 to the generator 2.
  • a tread coating is a flame-sprayed and then ground hard layer is used.
  • the following properties are decisive for the function of the bearings: the hardness, the surface quality, the form and bearing tolerances of the hard layer. But also the tightness is important, namely for corrosion resistance. Therefore, on the shaft under the hard layer, a layer can be applied, the pitting and
  • Figure 7.1 again shows the turbine housing 4. It is placed vertically.
  • the inlet structure points upwards.
  • smaller mounting platforms or scaffolding are used.
  • the thrust bearings can be positioned 5.1.
  • Figure 7.2 illustrates the insertion of the shaft in the housing 4, in the inlet region, until the thrust bearings 5.2 and 6.2 abut each other under pressure.
  • the radial bearings 5.1 and 6.1 are at the same time.
  • the shaft 3 requires no further centering and does not need to be further set up as it is centered over the radial bearing seat. However, it must be positioned coaxially with the radial bearing shell 6.1.
  • the fine tuning can be done by means of a feeler gauge.
  • the generator 2 is now pushed onto the shaft 3.
  • the generator is in the delivered condition with rotor 2.1.
  • a centering is not necessary because the radial positioning of the parts via the radial bearing shell takes place.
  • the rotor sleeve 2.1.1 is pushed onto the collar 7, wherein a frictional engagement between these two is produced.
  • Support ring 8 runs.
  • the set screws 9 are removed after completion of the bearing assembly.
  • the assembly of the rotor of the turbine 1 - see Figure 7.5 see Figure 7.5.
  • the previously mounted unit is turned upside down so that the run-in structure 4.1 points downwards.
  • the rotor can be mounted and mounted without difficulty. There is enough space for this. Aligning is not necessary.
  • the unit mounted so far is in turn rotated so that the inlet structure 4.1 points upwards.
  • the Anströmhaube 2.3 is mounted, possibly also peripheral systems within the Anströmhaube

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Wasserkraftanlage, umfassend die folgenden Bauteile beziehungsweise Merkmale: eine Wasserturbine; einen elektrischen Generator mit einem Rotor und einem Stator; eine Welle, über die Wasserturbine und Generator in Triebverbindung stehen. Die Erfindung ist gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale: es sind Einstellmittel zum Einstellen des radialen Abstandes zwischen Rotor und Stator bei der Montage vorgesehen; die Einstellmittel sind nach der Montage entfernbar.

Description

Wasserkraftanlage sowie Verfahren zu deren Montage
Die Erfindung betrifft eine Wasserkraftanlage und ein Verfahren zu deren
Montage. Die Erfindung betrifft insbesondere ein Unterwasserkraftanlage, zum Beispiel ein Gezeitenkraftwerk oder eine Wasserturbine. Exemplarisch soll der Gegenstand der Erfindung an einem Gezeitenkraftwerk erläutert werden.
In einer Gewässerströmung freistehende Unterwasserkraftanlage, insbesondere zur Energieerzeugung aus einer Gezeitenströmung, sind bekannt. Eine typische Bauform umfasste eine an einer Maschinengondel umlaufende, propellerförmige Wasserturbine. Dabei wird die Maschinengondel von einer auf dem
Gewässergrund fundamentierten Stützstruktur getragen oder als schwimmfähige Einheit durch eine Verankerung auf einer vorbestimmten Tauchtiefe gehalten. Für eine hinreichend große Ausbildung derartiger Unterwasserkraftanlagen können bereits relativ langsame Strömungen für die Energiegewinnung ausgenutzt werden. Hierzu ist typischerweise in der Maschinengondel ein elektrischer
Generator vorgesehen, der wenigstens mittelbar von der Wasserturbine angetrieben wird. Um im Antriebsstrang der Unterwasserkraftanlage auf ein wartungsanfälliges
Getriebe verzichten zu können, wurden direkt getriebene elektrische Generatoren vorgeschlagen, wobei der hieraus resultierende Langsamlauf des Generatorläufers durch dessen hochpolige Ausbildung kompensiert wird. Die aus diesem Ansatz resultierenden elektrischen Generatoren für eine gattungsgemäße
Unterwasserkraftanlage sind allerdings großbauend und schwer. Dies führt zu einem hohen Montageaufwand, insbesondere für eine Vorortmontage an Bord eines Wasserfahrzeugs oder am Installationsort der Anlage.
Des Weiteren werden zur Ausbildung des hochpoligen Generatorläufers
Hochleistungspermanentmagnete verwendet, sodass die Notwendigkeit besteht, zum Transport und der Handhabung eines Generatorläufers eine
Permanentmagnetsicherung vorzusehen. Zusätzlich führt ein Anlagenkonzept mit einem wasserdicht gekapselten elektrischen Generator mit einem umschließenden Gehäuse und einer Wellendichtung zu einer weiteren Erschwernis der Montage.
Ähnliche Wasserkraftanlagen sind bekannt geworden aus WO 2007/125349 A2 und WO 2007/017629 AI. Aus diesen Druckschriften geht eine Wellenlagerung hervor, die in Axialrichtung gesehen zu beiden Seiten des elektrischen Generators angeordnet ist. Für eine solche Konstruktion wird die Lagerjustage üblicherweise mit einem auf die Antriebswelle aufgesetzten Generatorläufer vorgenommen.
Dabei ist das Eigengewicht des elektrischen Generators bei der Lagereinstellung hinderlich. Ferner können insbesondere bei einer Generatorläuferausbildung mit Permanentmagneten unerwünschte magnetische Kräfte einen störenden Einfluss auf die Zentrierung der zu lagernden Komponenten und die Lagerjustage haben. Es werden Montagevorrichtungen benötigt.
WO 2010/003604 beschreibt eine Unterwasserkraftanlage in Gestalt einer Gondel. Dabei ist die Turbine in einem ersten Gondelabschnitt angeordnet, und der Generator in einem zweiten. Der Generator und das Generatprgehäuse bilden eine separate Generator-Baueinheit. Diese ist als Ganzes handhabbar und montierbar. Der Generator wird vom Hersteller komplett montiert geliefert. Die Frage einer Montage stellt sich somit für den Betreiber nicht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße
Wasserkraftanlage so auszubilden, dass dessen Montage im Hinblick auf den
Transport und die Handhabbarkeit einzelner Bauteile verbessert wird und sich das Zusammenführen und die Justage, insbesondere die Lagerjustage, der
Anlagenkomponenten vereinfacht. Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Demgemäß werden Einstellmittel zum Einstellen des radialen Abstandes zwischen Rotor und Stator vorgesehen. Die Einstellmittel können vor beziehungsweise während der Montage eingebracht werden, und nach der Montage wieder entfernt werden.
Ein weiterer Gedanke der Erfindung besteht in Folgendem:
Die Generator-Baueinheit ist wiederum als Ganzes handhabbar und montierbar. Der Betreiber des Generators benötigt somit keine
Montagevorrichtungen.
Die drehfeste Verbindung zwischen der Turbine und der Welle sowie zwischen der Generator-Baueinheit und der Welle ist eine Steckverbindung.
- Die hierbei miteinander zusammenarbeitenden Bauteile sind derart bemessen, dass die Verbindung eine reibschlüssige ist, und die im Betrieb auftretenden Drehmomente übertragen kann.
Die Erfindung ist anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin ist im Einzelnen folgendes dargestellt:
Figur 1 zeigt eine Wasserkraftanlage in montiertem Zustand in einem
Axialschnitt. Figur 2 zeigt den Gegenstand von Figur 1 in einer Explosionsansicht.
Figur 3 zeigt das Turbinengehäuse aus den Figuren 1 und 2 in vergrößerter
Darstellung. Figur 4 zeigt den elektrischen Generator aus den Figuren 1 und 2 in vergrößerter Darstellung.
Figur 5 zeigt wiederum in vergrößerter Darstellung eine EinStelleinrichtung zum Einstellen des gegenseitigen axialen Abstandes von Stator und
Rotor des elektrischen Generators.
Figur 6 zeigt die Welle aus den Figuren 1 und 2 in vergrößerter Darstellung. Fig. 7.1 - 7.6 veranschaulichen die einzelnen Verfahrensschritte zum Montieren der
Wasserkraftanlage gemäß Figur 1.
Die in Figur 1 gezeigte Wasserkraftanlage umfasst die folgenden Elemente:
Die Turbine 1 ist als Rohrturbine in Propellerausführung ausgebildet. Sie weist mehrere Propellerblätter 1.1 auf. Diese können Verstellpropeller sein. Turbine 1 weist eine Abströmhaube 1.2 auf.
Der elektrische Generator 2 umfasst einen Rotor 2.1 und einen Stator 2.2. Der Rotor 2.1 befindet sich radial innerhalb des Stators 2.2. Dies könnte auch umgekehrt sein. Rotor 2.1 ist mit einer Mehrzahl von Permanentmagneten besetzt.
Man erkennt ferner eine Welle 3. Diese stellt in montiertem Zustand eine mechanische Triebverbindung zwischen Turbine 1 und Generator 2 her.
Ein wichtiges Bauteil ist das Turbinengehäuse 4. Dieses weist eine Einlaufstruktur 4.1 auf, ferner ein Auslaufrohr 4.2. Das Turbinengehäuse 4 erfüllt zwei
Funktionen. Vor allem trägt es die Welle 3, die Turbine 1 und den Generator 2. Sodann erfüllt die Ein lauf struktur 4.1 des Gehäuses 4 die hydraulische Funktion der Zuführung des einströmenden Wassers zur Turbine 1. Eine Anströmhaube 2.3 ist auf den Stator 2.2 aufgesetzt und sorgt für eine
Trennung des Maschinen-Innenraumes von der Umgebung.
Die Explosionsdarstellung gemäß Figur 2 lässt die einzelnen Bauteile nochmals genauer erkennen. Wichtig ist die Gestaltung des Turbinengehäuses 4. Zentrales Bauteil für das Montieren sind die Welle 3 sowie das Turbinengehäuse 4. Das Turbinengehäuse 4 weist ein Radiallager 5.1 und ein Axiallager 5.2 auf. Die Welle weist ein Radiallager 6.1 und ein Axiallager 6.2 auf. Axiallager 6.2 ist an einer Seitenfläche eines Bundes 6 angeordnet, siehe auch Figur 3.
Aus Figur 5 erkennt man die genannte Einrichtung zum Positionieren von Rotor 2.1 und Stator 2.2 relativ zueinander. Der Rotor 2.1 des Generators 2 wird beim Hersteller im Stator 2.2 vormontiert und mittels mehrerer Stellschrauben 9 in einer zentrierten Lage gehalten. An den beiden Endschilden 2.2.2 (hier nur ein
Endschild dargestellt) des Stators 2.2 sind drei Stellschrauben 9 verteilt
angeordnet. Es handelt sich somit um insgesamt sechs Stellschrauben 9. Hiermit wird die Rotorhülse 2.1.1 im Stator 2.2 gehalten. Es erfolgt somit eine präzise und zuverlässige Positionierung von Rotor 2.1 und Stator 2.2 relativ zueinander. Das radial innere Ende einer jeden Stellschraube 9 ist als Stift ausgebildet. Dieser greift in eine Ringnut in der Rotorhülse 2.1.1 ein. Die Stellschrauben werden bei der Montage des Generators vom Hersteller eingebaut und nach der Montage wieder entfernt. Nach der Montage werden die Stellschrauben wieder entfernt.
Es können auch mehr oder weniger als drei Stellschrauben verwendet werden.
Ganz allgemein sind auch andere Mittel zum Einstellen des radialen Abstandes von Rotor 2.1 und Stator 2.2. denkbar, beispielsweise Keile. Radiallager 5.1 arbeitet mit Radiallager 6.1 zusammen, und Axiallager 5.2 mit Axiallager 6.2. Die Welle 3 trägt einen weiteren Bund 7 mit Absatz 7.1. Bund 7 ist derart bemessen, dass sein Außendurchmesser der lichten Weite einer Hülse 2.1.1 des Rotors 2.1 entspricht.
Die eine Stirnseite des Stators 2.2 trägt Haltestifte 2.2.1. Diese greifen bei der Montage in entsprechende Bohrungen eines Tragringes 8 von L-förmigem Profil. Siehe auch Figur 4.
Die Übertragung des Drehmomentes zwischen der Welle 3 und dem Generator 2 erfolgt durch Reibschluss zwischen diesen beiden. Siehe die genannten Lager 5.1 bis 5.3, so wie unter Bezugnahme auf Figur 2 und Figur 3 beschrieben.
Die Welle 3 überträgt die Kräfte über die genannten Lager in die Gehäuseteile, und das Drehmoment der Turbine 1 an den Generator 2. Als Laufflächenbeschichtung kommt eine flammgespritzte und anschließend geschliffene Hartschicht zum Einsatz. Für die Funktion der Lager sind die folgenden Eigenschaften maßgeblich: Die Härte, die Oberflächenqualität, die Form- und Lagertoleranzen der Hartschicht. Aber auch die Dichtigkeit ist wichtig, und zwar für die Korrosionsbeständigkeit. Deshalb kann auf der Welle unter der Hartschicht eine Schicht aufgebracht werden, die lochfraß- und
korrosionsbeständig ist und beispielsweise aus Edelstahl besteht.
Die Montage des gesamten Kraftwerkes ergibt sich aus den Figuren 7.1 bis 7.6. Im Einzelnen werden die folgenden Verfahrensschritte ausgeführt: Figur 7.1 zeigt wiederum das Turbinengehäuse 4. Es ist vertikal aufgestellt. Die Einlaufstruktur weist nach oben. Hierzu werden kleinere Montageplattformen oder Gerüste verwendet.
In dieser Position können die Axiallager 5.1 positioniert werden.
Figur 7.2 veranschaulicht das Einsetzen der Welle in das Gehäuse 4, und zwar in dessen Einlaufbereich, bis die Axiallager 5.2 und 6.2 unter Pressung aneinander anliegen. Dabei liegen auch gleichzeitig die Radiallager 5.1 und 6.1 mit an. Die Welle 3 benötigt keine weitere Zentrierung und muss nicht weiter eingerichtet werden, da sie über den Radiallagersitz zentriert wird. Sie muss allerdings koaxial zur radialen Lagerschale 6.1 positioniert werden. Das Feineinstellen kann mittels einer Fühllehre erfolgen.
Gemäß Figur 7.3 wird nunmehr der Generator 2 auf die Welle 3 aufgeschoben. Der Generator befindet sich im Anlieferzustand mit Rotor 2.1. Eine Zentrierung ist nicht notwendig, da die radiale Positionierung der Teile über die Radiallagerschale erfolgt. Hierbei wird die Rotorhülse 2.1.1 auf den Bund 7 aufgeschoben, wobei ein Reibschluss zwischen diesen beiden hergestellt wird.
Nunmehr wird das hintere Radiallager montiert - siehe Figur 7.4, dort die eingekreisten Teile, nämlich einen Stützring 8 und das Ende der Welle 3. Dabei muss wiederum darauf geachtet werden, dass die Welle koaxial zum
Stützring 8 verläuft. Wie oben ausgeführt, werden die Stellschrauben 9 nach Abschluss der Lagermontage entfernt. Als weiterer Schritt folgt die Montage des Rotors der Turbine 1 - siehe Figur 7.5. Zu diesem Zweck wird die zuvor montierte Einheit auf den Kopf gestellt, sodass die Ein lauf struktur 4.1 nach unten weist.
Der Rotor kann ohne Schwierigkeiten aufgesetzt und montiert werden. Hierzu ist genügend Raum vorhanden. Ein Ausrichten ist nicht notwendig.
Gemäß Figur 7.6 wird die soweit montierte Einheit wiederum verdreht, sodass die Einlaufstruktur 4.1 nach oben verweist. Nunmehr wird die Anströmhaube 2.3 montiert, gegebenenfalls auch Peripheriesysteme innerhalb der Anströmhaube
Bezugszeichenliste
1 Wasserturbine
1.1 Turbinenblätter
1.2 Abströmhaube
2 Generator
2.1 Rotor
2.1.1 Rotorhülse
2.2 Stator
2.2.1 Haltestifte
2.2.2 Endschild
2.3 Anströmhaube
3 Welle
4 Turbinengehäuse
4.1 Einlaufstruktur
4.2 Auslaufrohr
5.1 Radiallager
5.2 Axiallager
6 turbinennaher Bund
6.1 Radiallager
6.2 Axiallager
7 turbinenferner Bund
7.1 Absatz
8 Stützring
9 Stellschraube
9.1 Sicherungsmutter

Claims

Patentansprüche
1. Wasserkraftanlage, umfassend die folgenden Bauteile beziehungsweise Merkmale:
1.1 eine Wasserturbine (1);
1.2 einen elektrischen Generator (2) mit einem Rotor (2.1) und einem Stator (2.2);
1.3 eine Welle (3), über die Wasserturbine (1) und Generator (2) in
Triebverbindung stehen;
gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:
1.4 es sind Einstellmittel (9) zum Einstellen des radialen Abstandes zwischen Rotor (2.1) und Stator (2.2) bei der Montage vorgesehen;
1.5 die Einstellmittel (9) sind nach der Montage entfernbar.
2. Wasserkraftanlage nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:
2.1 die Einstellmittel (9) umfassen Stellschrauben (9) zum Einschrauben in Gewinde des Stators (2.2);
2.2 die Gewinde sind derart angeordnet, dass sich die Stellschrauben (9) in eingeschraubten Zustand zum Justieren des gegenseitigen radialen Abstandes zwischen Rotor (2.1) und Stator (2.2) abstützen
3. Wasserkraftanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in wenigstens einem von zwei Endschilden (2.2.2) des Stators (2.2.)
Gewindebuchsen (2.2.2) zum Einschrauben der Schrauben (9) vorgesehen sind.
4. Wasserkraftanlage nach Anspruch 3, gekennzeichnet, durch die folgenden Merkmale:
4.1 ein Turbinengehäuse (4), das die Turbine (1) umgibt und in Strömungsrichtung vor der Turbine (1) eine Einlaufstruktur (4.1) und hinter der Turbine (1) ein Auslaufrohr (4.2) aufweist;
4.2 das Turbinengehäuse (4) weist ein Radiallager (5.1) auf, in das die Welle
(3) einschiebbar ist, und das mit dieser einen Sitz bildet;
4.3 das Turbinengehäuse (4) weist ein Radiallager (5.2) auf, das mit einem aus der Welle (3) gebildeten Gegenlager (6.2) zusammenarbeitet;
4.4. die Welle (3) weist an ihrem der Turbine (1) gegenüberliegenden Ende ein Radiallager (5.3) auf.
5. Wasserkraftanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (3) von einem turbinennahen Bund (6) umgeben ist, der ein
Axiallager (6.2) trägt, das seinerseits mit dem Axiallager (5.1) des Gehäuses
(4) zusammenarbeitet.
6. Wasserkraftanlage nach Anspruch 4 oder 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (3) von einem turbinenfernen Bund (7) umgeben ist, der eine radial innere Hülse (2.1.1) des Rotors (2.1) trägt.
7. Wasserkraftanlage nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, dass der Stator (2.2) an seinem turbinenfernen Ende einen Stützring (8) trägt, der ein Lager für die Welle (3) bildet.
8. Verfahren zum Montieren einer Wasserkraftanlage gemäß einem der
Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:
8.1 die Welle (3) wird in das Gehäuse (4) eingesetzt, und zwar in dessen
Einlaufbereich, bis zum gegenseitigen Anliegen der Axiallager (5.2, 6.2);
8.2 der Generator (2) wird auf die Welle (3) aufgeschoben;
8.3 ein Stützring (8) wird auf das dem Turbinengehäuse abgewandte Ende der Welle aufgeschoben; der Rotor der Turbine (1) wird mit der Welle drehfest verbunden. Wasserkraftanlage sowie Verfahren zu dessen Montage
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