WO2016142241A2

WO2016142241A2 - Turbinenrad-anordnung für eine turbine, insbesondere einer abwärmenutzungseinrichtung

Info

Publication number: WO2016142241A2
Application number: PCT/EP2016/054443
Authority: WO
Inventors: Oliver Fritz; Rolf Müller; Thomas Riemay; Hans Christian UIBELEISEN; Peter Wieske
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2015-03-12
Filing date: 2016-03-02
Publication date: 2016-09-15
Anticipated expiration: 2017-09-12
Also published as: DE102015204506A1; US20180066580A1; WO2016142241A3

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Turbinenrad-Anordnung (1) für eine Turbine, insbesondere einer Abwärmenutzungseinrichtung, - mit einem Turbinenrad (2), - mit einer Magnetkupplung (4), welche einen ersten und einen zweiten Rotor (5, 6) aufweist, die jeweils um eine gemeinsame, eine axiale Richtung (A) definierende Rotationsachse (R) drehverstellbar sind, - wobei der erste Rotor (5) drehfest mit dem Turbinenrad (2) verbunden ist, - wobei der erste Rotor (6) in der axialen Richtung (A) mit dem zweiten Rotor (6) magnetisch gekoppelt ist.

Description

Turbinenrad-Anordnung für eine Turbine, insbesondere einer Abwärmenutzungseinrichtung

Die Erfindung betrifft eine Turbinenrad-Anordnung für eine Turbine, insbesondere einer Abwärmenutzungseinrichtung.

Beim Betrieb einer Brennkraftmaschine fallen typischerweise große Abwärme- Mengen an. Es ist grundsätzlich möglich und erstrebenswert, diese Abwärme- Mengen mit entsprechenden thermodynamischen Prozessen in mechanische Arbeit umzuwandeln bzw. in einer für mechanische Arbeit geeigneten Weise zu speichern. Etwa besteht die prinzipielle Möglichkeit, mittels der Abwärme eines Abgassystems ein Fluid, wie zum Beispiel Ethanol, Kältemittel oder Wasser- Ammoniak zu verdampfen und den so erzeugten Dampf zum Betrieb einer Turbine oder einer sonstigen Expansions- oder Strömungsmaschine zu nutzen. Dabei sollten das Turbinenrad der Turbine in einem fluidisch hermetisch isolierten Bereich arbeiten, um das zum Betrieb verwendete Fluid nachfolgend ohne Schwund erneut erhitzen und zum Antreiben des Turbinenrads heranziehen zu können. Auch aus Sicherheitsgründen kann eine hermetische Abdichtung erforderlich sein, etwa um einen Austritt von Ethanol und eine damit verbundene Entzündung des Ethanols zu vermeiden. In diesem Zusammenhang besteht das Problem, das Turbinenrad antriebsmäßig mit einer die Arbeit der Turbine oder dergleichen nutzenden Einrichtung zu verbinden.

Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, magnetische Kupplungen zu verwenden, mittels welcher das vom Turbinenrad in einem fluidisch isolierten Bereich erzeugte Drehmoment kontaktlos aus dem isolierten Bereich heraus übertragen werden kann. Hierzu ist es bekannt, das Turbinenrad der Turbine drehfest mit einem ersten Rotor zu verbinden, welcher im fluidisch isolierten Bereich angeordnet ist. Der zweite Rotor ist hingegen außerhalb des isolierten Bereichs angeordnet. Die Drehmomentübertragung zwischen den beiden Rotoren erfolgt durch magnetische Kopplung der an den beiden Rotoren vorgesehenen magnetischen Elemente. Derartige, herkömmlichen Magnetkupplungen besitzen typischerweise einen Innenrotor und einen Außenrotor, die beide um eine gemeinsame axiale Drehachse drehverstellbar sind. Der Außenrotor ist dabei bezüglich der Drehachse radial außerhalb des Innenrotors angeordnet. Ist beispielsweise der Innenrotor mit dem Turbinenrad drehfest verbunden, so erfolgt die magnetische Kopplung der üblicherweise außenumfangsseitig am Innenrotor angeordneten magnetischen Elemente mit den innenumfangsseitig am Außenrotor angeordneten magnetischen Elementen in radialer Richtung. Eine solche, bzgl. der beiden Rotoren umfangsseitige Anordnung der magnetischen Elemente ist aber mit einem erheblichen Bauraumbedarf verbunden. Hinzu kommt, dass zur fluidischen Trennung des Innenrotors mit dem Turbinenrad vom Außenrotor in der Regel eine Trennwand erforderlich ist, die radial zwischen Innen- und Außenrotor angeordnet werden muss und somit als Umfangswand zu realisieren ist. Die konstruktive Realisierung einer solchen Umfangswand in einem möglichst kleinen Zwischenraum zwischen Innen- und Außenrotor ist aber konstruktiv sehr aufwändig.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Ausführungsform einer Turbinenrad-Anordnung, vorzugsweise für Abwärmenutzungseinrichtungen, zu schaffen, die sich insbesondere durch einen geringen Bauraumbedarf auszeichnet.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche. Grundgedanke der Erfindung ist demnach, einen ersten Rotor einer Magnetkupplung drehfest mit einem Turbinenrad zu verbinden und axial mit dem zweiten Rotor magnetisch zu koppeln. Mittels einer derartigen, axial verlaufenden magnetischen Kopplung zwischen den beiden Rotoren lässt sich die erfindungsgemäße Turbinenrad-Anordnung extrem bauraumsparend realisieren. Dies gilt insbesondere für den Bedarf an Bauraum in axialer Richtung, der gegenüber herkömmlichen Magnetkupplungen mit radialer Kopplung zwischen einem Innen- und einem Außenrotor erheblich reduziert werden kann. Dies ermöglicht auch eine vereinfachte, drehverstellbare Lagerung des Turbinenrads an einem Turbinengehäuse der Turbinenrad-Anordnung. Ferner kann die sich zwischen den beiden Rotoren bildende Axialkraft zur Verspannung bzw. Vorspannung der Lager genutzt werden. Schließlich entfällt die bei Magnetkupplungen mit radialer Kopplung bei Verwendung in Abwärmenutzungseinrichtungen erforderliche, technisch aufwändige Ausbildung der Trennwand zwischen den beiden Rotoren in Form einer Um- fangswand.

Eine erfindungsgemäße Turbinenrad-Anordnung umfasst ein Turbinenrad und eine Magnetkupplung, welche einen ersten und einen zweiten Rotor aufweist. Die beiden Rotoren sind jeweils um eine gemeinsame, eine axiale Richtung definierende Rotationsachse drehverstellbar. Der erste Rotor ist drehfest mit dem Turbinenrad verbunden. Weiterhin ist der erste Rotor axial mit dem zweiten Rotor magnetisch gekoppelt.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung besitzt der erste Rotor wenigstens einen erstes Magnetelement. Der zweite Rotor besitzt wenigstens ein zweites Magnetelement. Die ersten und zweiten Magnetelemente sind dabei an einander zugewandten axialen Stirnseiten der beiden Rotoren angeordnet. Auf diese Weise können die beiden Rotoren magnetisch sehr effektiv aneinander gekoppelt werden. In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann der erste Rotor mit dem wenigstens einen ersten Magnetelement integral am Turbinenrad ausgeformt sein. Mit anderen Worten, das wenigstens eine erste Magnetelement ist direkt an dem Turbinenrad angebracht. Ein derart vereinfachter konstruktiver Aufbau von erstem Rotor und Turbinenrad ist mit nicht unerheblichen Kostenvorteilen bei der Herstellung der Turbinenrad-Anordnung verbunden. Alternativ dazu kann der erste Rotor aber auch lösbar am Turbinenrad befestigbar sein. Dies erleichtert insbesondere den Austausch eines defekten Rotors.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die Magnetkupplung wenigstens zwei erste Magnetelemente, vorzugsweise eine Mehrzahl von ersten Magnetelementen. Diese sind entlang der Umfangsrichtung des ersten Rotors benachbart zueinander angeordnet sind. Alternativ oder zusätzlich kann die Magnetkupplung wenigstens zwei zweite Magnetelemente, vorzugsweise eine Mehrzahl von zweiten Magnetelementen, umfassen, welche dann ebenfalls entlang der Umfangsrichtung des zweiten Rotors benachbart zueinander angeordnet sind. Die Anzahl der ersten und zweiten Magnetelemente kann auf diese Weise anwendungsspezifisch festgelegt werden, was sich als vorteilhaft erweist, wenn die Magnetkupplung als magnetisches Getriebe realisiert werden soll.

Besonders zweckmäßig kann das wenigstens eine erste Magnetelement und/oder das wenigstens eine zweite Magnetelement als Permanentmagnet ausgebildet sein, das eine magnetische Polarisationsrichtung entlang der axialen Richtung aufweist. Derart ausgebildete Magnetelemente sind kommerziell kostengünstig und in großen Mengen verfügbar, was sich vorteilhaft auf die Fertigungskosten der Turbinenrad-Anordnung auswirkt. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann der erste Rotor ein drehfest mit dem Turbinenrad verbundenes erstes Basisteil aufweisen. An diesem Basisteil ist an einer dem zweiten Rotor zugewandten Stirnseite eine erste Aufnahme vorhanden, in welcher das wenigstens eine erste Magnetelement aufgenommen ist. Eine solche Aufnahme erleichtert die Montage des wenigstens einen ersten Magnetelements. Dies gilt insbesondere, wenn eine Mehrzahl von ersten Magnetelementen vorhanden ist. In analoger Weise kann daher alternativ oder zusätzlich zum ersten Rotor auch der zweite Rotor ein zweites Basisteil aufweisen, an welchem an einer dem ersten Rotor zugewandten Stirnseite eine zweite Aufnahme vorhanden ist. In dieser zweiten Aufnahme ist das wenigstens eine zweite Magnetelement aufgenommen.

Zur stabilen Aufnahme der Magnetelemente in der ersten Aufnahme erweist es sich als vorteilhaft, wenn die erste Aufnahme als ein axial vom ersten Basisteil zum zweiten Rotor hin abstehender erster Aufnahme-Kragen ausgebildet ist. In diesen ersten Aufnahme-Kragen ist das wenigstens eine erste Magnetelement eingesetzt. Alternativ oder zusätzlich kann auch die zweite Aufnahme als ein axial vom zweiten Basisteil zum ersten Rotor hin abstehender zweiter Aufnahme- Kragen ausgebildet sein. In die zweite Aufnahme ist das wenigstens eine zweite Magnetelement eingesetzt.

Zur verbesserten Aussteifung der ersten Aufnahme wird in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform vorgeschlagen, auf dem ersten Aufnahme-Kragen radial außen ein den ersten Aufnahme-Kragen entlang der Umfangsrichtung einfassendes, erstes äußeres Hülsenelement anzuordnen. Als Hülsenmaterial des ersten äußeren Hülsenelements empfiehlt sich dabei ein Faserverbundwerkstoff, insbesondere Carbon, der sich durch ein geringes Eigengewicht bei gleichzeitig extrem hoher mechanischer Festigkeit auszeichnet. Alternativ oder zusätzlich kann zur verbesserten Aussteifung der zweiten Aufnahme auch auf dem zweiten Aufnah- me-Kragen radial außen ein den zweiten Aufnahme-Kragen entlang der Umfangs- richtung einfassendes, zweites äußeres Hülsenelement angeordnet sein. Auch für das Hülsenmaterial des zweiten äußeren Hülsenelements empfiehlt sich einen Faserverbundwerkstoff, insbesondere das bereits genannte Carbon.

Eine verbesserte Aussteifung der ersten Aufnahme kann auch gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform erreicht werden, bei der radial innen an den ersten Magnetelementen ein sich entlang der Umfangsrichtung erstreckendes und an den ersten Magnetelementen anliegendes, erstes inneres Hülsenelement angeordnet ist. Auch das Hülsenmaterial des ersten inneren Hülsenelements kann einen Faserverbundwerkstoff, insbesondere Carbon, umfassen. Alternativ oder zusätzlich kann auch zur verbesserten Aussteifung der zweiten Aufnahme radial innen an den zweiten Magnetelementen ein sich entlang der Umfangsrichtung erstreckendes und an den zweiten Magnetelementen anliegendes zweites inneres Hülsenelement angeordnet sein, dessen Hülsenmaterial einen Faserverbundwerkstoff, insbesondere Carbon, umfasst.

Aus anwendungsspezifischen Gründen kann es im Praxisbetrieb der Turbinenrad- Anordnung von Vorteil sein, wenn die Drehzahl des Turbinenrads ins Langsame übersetzt wird. Hierfür wird vorgeschlagen, die Magnetkupplung als Magnetgetriebe, insbesondere in der Art eines Reluktanzgetriebes, auszubilden.

Soll die Magnetkupplung die Wirkung eines magnetischen Getriebes entfalten, so wird gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung vorgeschlagen, an der Trennwand entlang der Umfangsrichtung eine Mehrzahl von Polstäben anzuordnen. Diese Polstäbe bewirken, wenn sie zusammen mit den ersten und zweiten Magnetelementen in geeigneter Anzahl bereitgestellt sind, die gewünschte Übersetzung der Drehzahl des Turbinenrads ins Langsame. Um das Turbinenrad mit dem ersten Rotor, insbesondere bei Verwendung in einer Abwärmenutzungseinrichtung, fluidisch vom zweiten Rotor der Magnetkupplung zu isolieren, wird besonders zweckmäßig vorgeschlagen, in der axialen Richtung zwischen dem ersten und dem zweiten Rotor eine Trennwand vorzusehen. Eine solche Trennwand mag etwa in einem axial zwischen den beiden Rotoren angeordneten Zwischenraum, welcher bevorzugt in der Art eines Spalts realisiert ist, ausgebildet sein.

Eine besonders bauraum-sparende Anordnung der Magnetkupplung wird in einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung erzielt, bei welcher die Trennwand in einer Ebene senkrecht zur Rotationsachse verläuft.

Eine besonders gute magnetische Kopplung zwischen den Magnetelementen des ersten und zweiten Rotors wird erzielt, wenn eine Spaltbreite, die durch den axialen Abstand zwischen den beiden Basisteilen definiert ist, höchstens 3mm, vorzugsweise höchstens 1 mm, beträgt.

Besonders bevorzugt können folgende Komponenten der beiden Rotoren als Gleichteile ausgebildet sein: die Magnetelemente, die inneren Hülsenelemente, und/oder die äußeren Hülsenelemente. In diesem Fall können die genannten Komponenten wahlweise in den ersten oder zweiten Rotor der Turbinenrad- Anordnung verbaut werden. Dies führt zu einer vereinfachten Fertigung der Turbinenrad-Anordnung und somit zu reduzierten Fertigungskosten der erfindungsgemäßen Turbinenrad-Anordnung.

In einer bevorzugten Ausführungsform sind der erste und zweite Rotor als Gleichteile ausgebildet und jeweils mittels eines Befestigungsbolzens oder mittels einer Schraubverbindung oder mittels Einpressens oder mittels des äußeren Hülsen- elements lösbar am Turbinenrad befestigbar oder befestigt. Somit kann das Gleichteil sowohl am ersten oder am zweiten Rotor befestigt werden.

In einem zusätzlichen Aspekt der Erfindung umfasst eine Turbinenrad-Anordnung für eine Turbine, insbesondere einer Abwärmenutzungseinrichtung, ein Turbinenrad mit einem drehfest mit dem Turbinenrad verbundenen Rotor, Der Rotor ist zusammen mit dem Turbinenrad um eine Rotationsachse drehverstellbar, die eine axiale Richtung definiert. Weiterhin umfasst die Turbinenrad-Anordnung einen Stator, welcher auf einer axial dem Rotor zugewandten Stirnseite wenigstens zwei elektrische Spulenelemente aufweist. Schließlich umfasst die Turbinenrad- Anordnung wenigstens zwei erste Magnetelemente, welche auf einer dem Stator zugewandten Stirnseite des Rotors an diesem angeordnet sind. Die Anordnung der Magnetelemente erfolgt derart, dass während einer Drehbewegung des Rotors relativ zum Stator in den wenigstens zwei elektrische Spulenelementen eine elektrische Induktionsspannung induziert wird. Auf diese Weise kann die Turbinenrad-Anordnung als elektrischer Generator verwendet werden. Eine solche Turbinenrad-Anordnung mit einer axialen Kopplung von Magnetelementen und Spulenelemente anstelle einer Magnetkupplung besitzt eigenen Erfindungscharakter. Alle oben genannten Vorteile bzw. vorteilhaften Ausführungsformen in Bezug auf Verwendung einer axialen ausgerichteten Magnetkupplung könne auch auf eine solche, als Generator wirkende Turbinenrad-Anordnung übertragen werden. Die axiale Kopplung der Magnetelemente des Rotors mit den Spulenelementen des Stators, der beispielsweise ortsfest an einem Turbinengehäuse angebracht ist, an welchem der Rotor drehbar gelagert ist, sorgt für eine Anordnung mit besonders geringem Bauraum-Bedarf.

In einer weiteren Variante können die Spulenelemente mit Hilfe einer geeigneten elektrischen Wechselstromquelle aktiv mit elektrischem Wechselstrom bestromt werden. Das sich aufbauende magnetische Wechselfeld bewirkt in diesem Szena- rio durch Wechselwirkung mit den Magnetelementen des Rotors eine Drehbewegung des Rotors um seine Drehachse. Die Turbinenrad-Anordnung gemäß dem zusätzlichen Aspekt der Erfindung folgt in diesem Fall dem Wirkprinzip eines Elektromotors.

Die Erfindung betrifft auch eine Turbine mit einem Turbinengehäuse und einer vorangehend vorgestellten Turbinenrad-Anordnung, wobei das Turbinenrad drehbar am Turbinengehäuse der Turbine gelagert ist.

Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.

Es zeigen, jeweils schematisch

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Turbinenrad-Anordnung in einem Längsschnitt entlang der Rotationsachse ihrer Rotoren, Fig. 2 den ersten Rotor der Magnetkupplung der Turbinenrad-Anordnung in einer stirnseitigen Draufsicht,

Fig. 3 den zweiten Rotor der Magnetkupplung der Turbinenrad-Anordnung in einer perspektivischen Darstellung,

Fig. 4-7 eine Variante der Turbinenrad-Anordnung der Figur 1 , bei welcher die Magnetkupplung als magnetisches Getriebe ausgebildet ist,

Fig. 8 eine Variante der ersten und weiten Magnetelemente der Magnetkupplung,

Fig. 9 eine weiterbildende Variante des ersten Rotors der

Figuren 1 bis 7,

Fig. 9 eine erfindungsgemäße Turbinenrad-Anordnung gemäß dem zusätzlichen Aspekt der Erfindung.

Figur 1 zeigt ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Turbinenrad-Anordnung 1 . Die Turbinenrad-Anordnung 1 umfasst ein Turbinenrad 2 mit mehreren Laufschaufeln 3. Die Turbinenrad-Anordnung 1 besitzt weiterhin eine Magnet- Kupplung 4, welche einen ersten und einen zweiten Rotor 5, 6 aufweist, die jeweils unabhängig voneinander um eine gemeinsame, eine axiale Richtung A definierende Rotationsachse R drehverstellbar sind. Die Drehversteilbarkeit der Rotoren 5, 6 ist in Figur 1 durch die Pfeile Pi, P₂ angedeutet. Der erste Rotor 5 ist drehfest mit dem Turbinenrad 2 verbunden, d.h. auch das Turbinenrad 2 ist relativ zum zweiten Rotor 6 um die Rotationsachse R drehverstellbar. Erfindungsgemäß ist der erste Rotor 5 axial mit dem zweiten Rotor 6 magnetisch gekoppelt. Hierzu besitzt der erste Rotor 5 eine Mehrzahl von ersten Magnetelementen 8, die entlang der Umfangsrichtung U des ersten Rotors 5 benachbart zueinander angeordnet sind. Dieses Szenario illustriert die Darstellung der Figur 2, welche den ersten Rotor 5 in Draufsicht entlang der axialen Richtung A auf eine dem zweiten Rotor 6 zugewandte Stirnseite 7 zeigt. In analoger Weise besitzt der zweite Rotor 6 eine Mehrzahl von zweiten Magnetelementen 9 - in Figur 3 in perspektivischer Darstellung gezeigt -, die entlang der Umfangsrichtung U des zweiten Rotors 6 benachbart zueinander angeordnet sind. In einer Variante des Ausführungsbeispiels kann der erste Rotor 5 mit den ersten Magnetelementen 8 integral am Turbinenrad 2 ausgeformt sein. Alternativ dazu kann der erste Rotor 5 auch als separates Bauteil ausgebildet sein, welches, insbesondere mittels einer Schraubverbindung, mittels Einpressen oder mittels eines Befestigungsbolzens lösbar am Turbinenrad 2 befestigbar ist. Dies erweist sich insbesondere als vorteilhaft, wenn der erste und zweite Rotor 5, 6 als Gleichteile ausgebildet sind.

Die ersten Magnetelemente 8 und die zweiten Magnetelemente 9 sind jeweils als Permanentmagnete ausgebildet, die eine magnetische Polarisationsrichtung entlang der axialen Richtung aufweisen. Entsprechend den Figuren 2 und 3 besitzen zwei in Umfangsrichtung U erste bzw. zweite Magnetelemente 8, 9 jeweils eine entgegengesetzte Polarisation, d.h. in der Draufsicht der Figur 2 wechseln sich in Umfangsrichtung U ein Nordpol N und ein Südpol ab. Gleiches gilt für die zweiten Magnetelemente 9 des zweiten Rotors 6 (vgl. Figur 3).

Betrachtet man nun wieder die Figur 1 , so erkennt man, dass der erste Rotor 5 ein, vorzugsweise integral am Turbinenrad 2 ausgeformtes, erstes Basisteil 10 aufweist. Am ersten Basisteil 10 ist an der dem zweiten Rotor 6 zugewandten Stirnseite 7 eine erste Aufnahme 12 vorhanden, in welcher die ersten Magnetelemente 8 aufgenommen sind. Entsprechend weist der zweite Rotor 9 ein zweites Basisteil 1 1 auf, an welchem an einer dem ersten Rotor 6 zugewandten Stirn- seite 14 eine zweite Aufnahme 13 vorhanden ist. In der zweiten Aufnahme 13 sind die zweiten Magnetelemente 9 aufgenommen.

Wie die Figuren 1 bis 3 anschaulich belegen, ist die erste Aufnahme 12 als ein axial vom ersten Basisteil 10 zum zweiten Rotor 6 hin abstehender erster Aufnahme-Kragen 15 ausgebildet. In den ersten Aufnahme-Kragen 15 sind die ersten Magnetelement 8 eingesetzt (vgl. hierzu Fig. 2). Auch die zweite Aufnahme 13 (vgl. hierzu Fig. 3) ist als ein axial vom zweiten Basisteil 1 1 zum ersten Rotor 5 hin abstehender zweiter Aufnahme-Kragen 16 ausgebildet ist. In den zweiten Aufnahme-Kragen 16 sind daher in analoger Weise zum ersten Aufnahme-Kragen 15 die zweiten Magnetelemente 9 eingesetzt.

Zur Aussteifung des Aufbaus ist auf dem ersten Aufnahme-Kragen 15 radial außen ein den ersten Aufnahme-Kragen 15 entlang der Umfangsrichtung U einfassendes, erstes äußeres Hülsenelement 17 angeordnet. Das Hülsenmaterial des ersten äußeren Hülsenelements 17 kann einen Faserverbundwerkstoff, insbesondere Carbon, umfassen oder aus einem solchen bestehen. Zur Aussteifung des Aufbaus ist auch auf dem zweiten Aufnahme-Kragen 16 radial außen ein den zweiten Aufnahme-Kragen 16 entlang der Umfangsrichtung U einfassendes zweites, äußeres Hülsenelement 18 angeordnet ist. Auch das Hülsenmaterial des zweiten äußeren Hülsenelements 18 kann einen Faserverbundwerkstoff, insbesondere Carbon, umfassen oder aus einem solchen bestehen. Besonders können folgende Komponenten der beiden Rotoren 5, 6 als Gleichteile ausgebildet sein: die Basisteile 10, 1 1 , die Magnetelemente 8, 9, die inneren Hülsenelemente 23, und/oder die äußeren Hülsenelemente 17, 18. Dann können diese Komponenten wahlweise in den ersten oder zweiten Rotor 5, 6 der Turbinenrad-Anordnung 1 verbaut werden. Dies hat erhebliche Kosteneinsparungen bei der Fertigung der Turbinenrad-Anordnung 1 zur Folge. Die Figuren 4 bis 7 zeigen ein Anwendungsbeispiel der Turbinenrad-Anordnung 1 , bei welcher die Magnetkupplung 4 als Magnetgetriebe 20 realisiert ist, welches die Drehzahl des Turbinenrads 2 ins Langsame übersetzt. Insbesondere kann das Magnetgetriebe 20 nach Art eines Reluktanzgetriebes ausgebildet sein. Hierzu ist in der axialen Richtung A in einem dort ausgebildeten Spalt 22 zwischen dem ersten und dem zweiten Rotor 5, 6 eine Trennwand 19 angeordnet, die in einer Ebene senkrecht zur Rotationsachse R verläuft. Die Trennwand 19 ist in Figur 6 in separater Darstellung in einem Querschnitt senkrecht zur axialen Richtung A gezeigt. Durch den axialen Abstand a zwischen den beiden Basisteilen 10, 1 1 ist eine Spaltbreite b definiert, die höchstens 3mm, vorzugsweise höchstens 1 mm, beträgt, um eine gute magnetische Kopplung zwischen den ersten und zweiten Magnetelementen 8, 9 sicherzustellen.

Wie die Figuren 4 und 6 erkennen lassen, sind an der Trennwand 19 entlang der Umfangsrichtung U der Rotoren 5, 6 eine Mehrzahl von Polstäben 21 angeordnet. Die Anzahl n an Polstäben 21 beträgt im Beispiel der Figur 4 n = 12. Die Figur 5 zeigt die ersten Magnetelemente 8 des ersten Rotors 5 in einem Querschnitt senkrecht zur axialen Richtung A. Man erkennt, dass sechs erste Magnetelemente 8 vorhanden sind, welche drei erste Polpaare ausbilden. Die Zahl der ersten Polpaare wird nachfolgend als pi bezeichnet, d.h. im Beispiel der Figur 5 beträgt Pi = 3. Die Figur 7 zeigt die zweiten Magnetelemente 9 des zweiten Rotors 6 in einem Querschnitt senkrecht zur axialen Richtung A. Man erkennt, dass achtzehn zweite Magnetelemente 9 vorhanden sind, welche neun zweite Polpaare ausbilden. Die Zahl der zweiten Polpaare wird nachfolgend mit p₂ bezeichnet, d.h. im Beispiel der Figur 7 beträgt p₂ = 9. Für die Anzahl der Polstäbe n und die Anzahl der ersten und zweiten Polpaare pi, p₂ gilt also die Beziehung n = pi + p₂. Wenn nun der erste Rotor 5 mit den ersten Magnetelementen 8 in Umfangsrich- tung U gedreht wird, werden die von ersten Magnetelementen 8 erzeugten Magnetfelder durch die Polstäbe 21 auf der feststehenden Trennwand 19 durchsetzt, mit der Folge, dass zweite Rotor 6 und dementsprechend das zweite Basisteil 1 1 mit den zweiten Magnetelementen 9 entgegen der Umfangsrichtung U - in den Figuren 5 bis 7 mit IT bezeichnet dreht. Dabei wird die Drehzahl des ersten Rotors 5 entsprechend dem Verhältnis pi:p₂ ins Langsame übersetzt.

In einem in den Figuren nicht näher dargestellten, weiteren Anwendungsbeispiel kann der zweite Rotor 6 der Magnetkupplung 4 zur Übersetzung des ersten Rotors 5 ins Langsame oder, bei geeigneter Konfiguration, auch ins Schnelle, drehfest mit der Eingangswelle eines Getriebes, insbesondere eines Planetengetriebes, verbunden sein. Für den Fachmann eröffnet die hier vorgestellte, erfindungsgemäße Turbinenrad-Anordnung 1 also eine Vielzahl von Anwendungsfeldern.

Die Figur 8 zeigt eine Variante der ersten und weiten Magnetelemente 8,9. Im Beispiel der Figur 8 ist ein erstes Magnetelement 8 gezeigt, welches einteilig und vorzugsweise ringförmig ausgebildet ist. Dieses kann die einzelnen ersten Magnetelemente 8 der Figur 1 ersetzen, indem die entgegengesetzten axialen Polarisationsrichtungen direkt in das einstückige Magnetelement 8 integriert wird. Mit anderen Worten, in diesem Fall wird nur ein einziges erstes Magnetelement 8 im ersten Rotor 5 verbaut. Das aufwändige Aufbringen einer Mehrzahl von ersten Magnetelementen 8 kann in diesem Fall entfallen. Das Beispiel eines einzigen und einstückigen, vorzugsweise ringförmigen ersten Magnetelements 8 anstelle mehrerer erster Magnetelemente 8 kann direkt auf die zweiten Magnetelemente 9 übertragen werden, d.h. vorangehende Erläuterungen gelten mutatis mutandis für ein einziges und einstückiges, vorzugsweise ringförmiges, zweites Magnetelement 9. Die Figur 9 zeigt eine weiterbildende Variante des ersten Rotors 5 der Figuren 1 bis 7. Beim ersten Rotor 5 der Figur 9 ist radial innen an den ersten Magnetelementen 9 ein sich entlang der Umfangsrichtung U erstreckendes und an den ersten Magnetelementen 9 anliegendes erstes inneres Hülsenelement 23 angeordnet. Bezügliche einer radialen Richtung sind also der erste Aufnahme-Kragen 15 und die Magnetelemente 8 sandwichartig zwischen dem inneren und dem äußeren ersten Hülsenelement 17, 23 angeordnet. Auf diese Weise kann eine besonders gute Aussteifung des ersten Aufnahme-Kragens 15 erzielt werden. Auch das Hülsenmaterial des ersten inneren Hülsenelements 23 kann einen Faserverbundwerkstoff, insbesondere Carbon, umfassen. Auch die zweiten Magnetelemente 9 können mit einem solchen zweiten inneren Hülsenelement ausgestattet werden (in Figur 9 nicht explizit gezeigt), wobei obige Erläuterungen zum erstes inneren Hülsenelement 23 mutatis mutandis für das zweite innere Hülsenelement 23 gelten.

In einer bevorzugten Variante des Beispiels können der erste und zweite Rotor 5, 6 als Gleichteile ausgebildet sein. Das jeweilige Gleichteil kann dann mittels eines Befestigungsbolzens oder mittels einer Schraubverbindung oder mittels Einpressens oder mittels des äußeren Hülsenelements 17, 18 lösbar am Turbinenrad 2 befestigt sein.

Die Figur 10 zeigt ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Turbinenrad-Anordnung 1 gemäß dem zusätzlichen Aspekt. Die Anordnung der Figur 10 unterscheidet sich von jenem der Figur 1 darin, dass die Anordnung nur einen (ersten) Rotor 5 besitzt. Anstelle des zweiten Rotors 6 der Figur 1 ist hingegen ein Stator 24 vorhanden, der nicht um die Rotationsachse R des Rotors 5 drehverstellbar ist, sondern ortsfest an einem Turbinengehäuse 25 der Turbinenrad-Anordnung angebracht ist. An diesem Turbinengehäuse 25 ist der Rotor 5 mit dem Turbinenrad 2 drehverstellbar gelagert. Wie Figur 10 erkennen lässt, besteht ein weiterer Unterschied der Turbinenrad-Anordnung der Figur 10 gegenüber jener der Figur 1 weiterhin darin, dass der Stator 24 auf einer axial dem Rotor 5 zugewandten Stirnseite 14 wenigstens zwei elektrische Spulenelemente 26 aufweist. In analoger Weise zur Anordnung der Figur 1 sind auf einer dem Stator 24 zugewandten Stirnseite 7 des Rotors 5 mehrere (erste) Magnetelemente 8 angeordnet. Die Anordnung der Magnetelemente 8 und der Spulenelemente 26 erfolgt derart, dass während einer Drehbewegung des Rotors 5 relativ zum Stator 24 in den wenigstens zwei elektrischen Spulenelemente 26 eine elektrische Induktionsspannung induziert wird. Auf diese Weise kann die Turbinenrad-Anordnung 1 als elektrischer Generator 27 verwendet werden. In einer weiteren Variante können die Spulenelemente 26 mit Hilfe einer geeigneten elektrischen Wechselstromquelle (nicht gezeigt) aktiv mit elektrischem Wechselstrom bestromt werden. Das sich aufbauende magnetische Wechselfeld bewirkt durch Wechselwirkung mit den Magnetelementen des Rotors 5 eine Drehbewegung des Rotors, d.h. die Turbinenrad-Anordnung gemäß dem zusätzlichen Aspekt der Erfindung folgt in diesem Fall dem Wirkprinzip eines Elektromotors.

Claims

Ansprüche

1 . Turbinenrad-Anordnung (1 ) für eine Turbine, insbesondere einer Abwärmenut- zungseinrichtung,

- mit einem Turbinenrad (2),

- mit einer Magnetkupplung (4), welche einen ersten und einen zweiten Rotor (5, 6) aufweist, die jeweils um eine gemeinsame, eine axiale Richtung (A) definierende Rotationsachse (R) drehverstellbar sind,

- wobei der erste Rotor (5) drehfest mit dem Turbinenrad (2) verbunden ist,

- wobei der erste Rotor (6) in der axialen Richtung (A) mit dem zweiten Rotor (6) magnetisch gekoppelt ist.

2. Turbinenrad-Anordnung nach Anspruch 1 ,

dadurch gekennzeichnet, dass

der erste Rotor (5) wenigstens einen erstes Magnetelement (8) und der zweite Rotor (6) wenigstens einen zweites Magnetelement (9) aufweist, die an einander zugewandten axialen Stirnseiten (7, 14) der beiden Rotoren (5, 6) angeordnet sind.

3. Turbinenrad-Anordnung nach Anspruch 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet, dass

der erste Rotor (5) mit dem wenigstens einen ersten Magnetelement (5) integral am Turbinenrad (2) ausgeformt ist oder lösbar am Turbinenrad (2) befestigbar ist.

4. Turbinenrad-Anordnung nach Anspruch 2 oder 3,

dadurch gekennzeichnet, dass

- wenigstens zwei erste Magnetelemente (8), vorzugsweise eine Mehrzahl von ersten Magnetelementen (8), vorhanden sind/ist, die entlang einer Umfangs- richtung (U) des ersten Rotors (5) benachbart zueinander angeordnet sind, und/oder dass

- wenigstens zwei zweite Magnetelemente (9), vorzugsweise eine Mehrzahl von zweiten Magnetelementen (9), vorhanden sind/ist, die entlang einer Umfangs- richtung (U) des zweiten Rotors (6) benachbart zueinander angeordnet sind.

5. Turbinenrad-Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 4,

dadurch gekennzeichnet, dass

das wenigstens eine erste Magnetelement (8) und/oder das wenigstens eine zweite Magnetelement (9) als Permanentmagnet ausgebildet ist, welcher eine magnetische Polarisationsrichtung entlang der axialen Richtung (A) aufweist.

6. Turbinenrad-Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass

- der erste Rotor (5) ein drehfest mit dem Turbinenrad (2) verbundenes erstes Basisteil (10) aufweist, an welchem an einer dem zweiten Rotor (6) zugewandten Stirnseite (7) eine erste Aufnahme (12) vorhanden ist, in welcher das wenigstens eine erste Magnetelement (8) aufgenommen ist, und/oder dass

- der zweite Rotor (6) ein zweites Basisteil (1 1 ) aufweist, an welchem an einer dem ersten Rotor (5) zugewandten Stirnseite (14) eine zweite Aufnahme (13) vorhanden ist, in welcher das wenigstens eine zweite Magnetelement (9) aufgenommen ist.

7. Turbinenrad-Anordnung nach Anspruch 6,

dadurch gekennzeichnet, dass - die erste Aufnahme (12) als ein axial vom ersten Basisteil (10) zum zweiten Rotor (6) hin abstehender erster Aufnahme-Kragen (15) ausgebildet ist, in welchen das wenigstens eine erste Magnetelement (8) eingesetzt ist,

- die zweite Aufnahme (13) als ein axial vom zweiten Basisteil (1 1 ) zum ersten Rotor (5) hin abstehender zweiter Aufnahme-Kragen (16) ausgebildet ist, in welchen das wenigstens eine zweite Magnetelement (9) eingesetzt ist.

8. Turbinenrad-Anordnung nach Anspruch 7,

dadurch gekennzeichnet, dass

- auf dem ersten Aufnahme-Kragen (15) radial außen ein den ersten Aufnahme- Kragen (15) entlang der Umfangsrichtung (U) einfassendes erstes äußeres Hülsenelement (17) angeordnet ist, dessen Hülsenmaterial einen Faserverbundwerkstoff, insbesondere Carbon, umfasst,

- auf dem zweiten Aufnahme-Kragen (16) radial außen ein den zweiten Aufnahme-Kragen (16) entlang der Umfangsrichtung (U) einfassendes zweites äußeres Hülsenelement (18) angeordnet ist, dessen Hülsenmaterial einen Faserverbund Werkstoff, insbesondere Carbon, umfasst.

9. Turbinenrad-Anordnung nach Anspruch 7 oder 8,

dadurch gekennzeichnet, dass

- radial an den ersten Magnetelementen (8) ein sich entlang der Umfangsrichtung (U) erstreckendes und den ersten Magnetelementen (8) anliegendes erstes inneres Hülsenelement (23) angeordnet ist, dessen Hülsenmaterial einen Faserverbundwerkstoff, insbesondere Carbon, umfasst,

- radial innen an den zweiten Magnetelementen (9) ein sich entlang der Umfangsrichtung (U) erstreckendes und an den zweiten Magnetelementen (9) anliegendes zweites inneres Hülsenelement angeordnet ist, dessen Hülsenmaterial einen Faserverbundwerkstoff, insbesondere Carbon, umfasst. l O.Turbinenrad-Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass

die Magnetkupplung (4) als Magnetgetriebe (20), insbesondere nach Art eines Reluktanzgetriebes, ausgebildet ist, welches die Drehzahl des Turbinenrads (2) ins Langsame übersetzt.

1 1 .Turbinenrad-Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass

in der axialen Richtung (A) zwischen dem ersten und dem zweiten Rotor (5, 6) eine Trennwand (19) angeordnet ist.

12. Turbinenrad-Anordnung nach Anspruch 1 1 ,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Trennwand (19) in einer Ebene senkrecht zur Rotationsachse (R) verläuft.

13. Turbinenrad-Anordnung nach Anspruch 1 1 oder 12,

dadurch gekennzeichnet, dass

an der Trennwand (19) entlang der Umfangsrichtung (U) eine Mehrzahl von Polstäben (21 ) angeordnet ist.

14. Turbinenrad-Anordnung nach Anspruch 13,

dadurch gekennzeichnet, dass

durch den axialen Abstand (a) zwischen den beiden Basisteilen eine Spaltbreite (b) definiert ist, die höchstens 3mm, vorzugsweise höchstens 1 mm, beträgt.

15. Turbinenrad-Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 14,

dadurch gekennzeichnet, dass

eine oder mehrere der folgenden Komponenten der beiden Rotoren (5, 6) als Gleichteile ausgebildet sind: - die Magnetelemente (5, 6),

- die inneren Hülsenelemente (23),

- die äußeren Hülsenelemente (17, 18).

16. Turbinenrad-Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 15,

dadurch gekennzeichnet, dass

der erste und zweite Rotor (5, 6) als Gleichteile ausgebildet sind und jeweils mittels eines Befestigungsbolzens oder mittels einer Schraubverbindung oder mittels Einpressens oder mittels des äußeren Hülsenelements (17, 18) lösbar am Turbinenrad (2) befestigbar sind.

17. Turbinenrad-Anordnung (1 ) für eine Turbine, insbesondere einer Abwärmenutzungseinrichtung,

- mit einem Turbinenrad (2),

- mit einem drehfest mit dem Turbinenrad (2) verbundenen Rotor (5), der zusammen mit dem Turbinenrad (2) um eine Rotationsachse (R) drehverstellbar ist, die eine axiale Richtung (A) definiert,

- mit einem Stator (24), welcher auf einer axial dem Rotor (5) zugewandten

Stirnseite (14) wenigstens zwei elektrische Spulenelemente (26) aufweist,

- mit wenigstens zwei (ersten) Magnetelementen (8), welche auf einer dem Stator (24) zugewandten Stirnseite (14) des Rotors (5) an diesem angeordnet sind, derart, dass während einer Drehbewegung des Rotors (5) relativ zum Stator (24) in den wenigstens zwei elektrischen Spulenelemente (26) eine elektrische Induktionsspannung induziert wird.

18. Turbine,

- mit einem Turbinengehäuse (25), - mit einer Turbinenrad-Anordnung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Turbinenrad (2) drehbar am Turbinengehäuse (25) der Turbine gelagert ist.

*****