DE102011000420B4 - Turbo-generator unit - Google Patents
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Abstract
Turbo-Generator-Einheit (1), aufweisend eine als Turbine (2) mit einer Trommel (8) ausgebildete Antriebsvorrichtung (2) sowie einen Generator (4) mit einem Rotor (10) und einem Stator (15), wobei die Turbine (2) und der Generator (4) ineinander integriert angeordnet sind und eine gemeinsame Mittelachse (18) aufweisen, und wobei die Turbine (2) in Außenläuferbauweise und der Generator (4) in Innenläuferbauweise ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (10) des Generators (4) koaxial um die Trommel (8) der Turbine (2) angeordnet ist und eine hohlzylinderförmige Außenwandung sowie eine mit der Außenform der Trommel (8) der Turbine (2) korrespondierende Innenwandung aufweist, wobei die Innenwandung und die Außenwandung beabstandet zueinander, einen Ringspalt (19) ausbildend, angeordnet sind.Turbo-generator unit (1) comprising a drive device (2) designed as a turbine (2) with a drum (8) and a generator (4) with a rotor (10) and a stator (15), the turbine ( 2) and the generator (4) are arranged integrated into one another and have a common central axis (18), and wherein the turbine (2) in external rotor construction and the generator (4) are formed in internal rotor construction, characterized in that the rotor (10) the generator (4) is arranged coaxially around the drum (8) of the turbine (2) and has a hollow cylindrical outer wall and an inner wall corresponding to the outer shape of the drum (8) of the turbine (2), the inner wall and the outer wall being spaced from one another , an annular gap (19) forming, are arranged.
Description
Die Erfindung betrifft eine Turbo-Generator-Einheit mit einer schnelllaufenden Antriebsmaschine und einem schnelllaufenden Generator in integraler Bauweise.The invention relates to a turbo-generator unit with a high-speed drive machine and a high-speed generator in integral design.
In Verbindung mit der verstärkten Nutzung erneuerbarer Energien und der Nutzung industrieller Abwärme werden zunehmend verbrauchernahe und damit dezentrale Einheiten zur Erzeugung von Elektroenergie und Wärme benötigt. Die dezentralen Erzeugereinheiten weisen Leistungen im Bereich von einigen Kilowatt bis hin zu einigen Megawatt auf. Dabei ist die Verwendung von Dampfturbinenanlagen mit Gegendruckturbinen weit verbreitet. Diese Dampfturbinenanlagen, auch als Dampfturbosätze bezeichnet, basieren auf einer ausgereift entwickelten und zuverlässigen Technologie für den kommerziellen Einsatz.
Allerdings herrscht aus Kostengründen eine erhebliche Diskrepanz zwischen der Verbreitung der Dampfturbosätze kleinerer Leistung und deren Entwicklungsstand. Die Dampfturbosätze kleiner Leistung weisen einen geringen Umwandlungswirkungsgrad auf und sind in einer materialintensiven Schwerbauweise gefertigt. Bei Schwankungen der Wärmelast, das heißt bei Schwankungen des Dampfbedarfes, wird der Dampfmassestrom durch die Gegendruckregelung geändert, um einen konstanten Dampfdruck am Austritt der Turbine sicherzustellen. Die Gegendruckregelung wirkt dabei auf die Turbinenregelventile. Bei konstanter Turbinendrehzahl führt die Massestromänderung jedoch zu einem Anstieg der Strömungsverluste innerhalb der Turbine und damit zu einer Verminderung des ohnehin schon geringen effektiven Wirkungsgrades, der aufgrund der erheblichen Verluste durch Spalt- und Sekundärströmungen sowie Teilbeaufschlagung nur im Bereich von 50 % bis 65 % liegt.In conjunction with the increased use of renewable energies and the use of industrial waste heat, increasingly consumer-oriented and thus decentralized units are needed to generate electricity and heat. The decentralized generating units have outputs ranging from a few kilowatts to a few megawatts. The use of steam turbine plants with back pressure turbines is widespread. These steam turbine systems, also referred to as steam turbine sets, are based on a mature developed and reliable technology for commercial use.
However, for cost reasons, there is a significant discrepancy between the diffusion of steam turbine sets of smaller power and their level of development. The steam turbine sets of low power have a low conversion efficiency and are manufactured in a material-intensive heavy duty construction. In the event of fluctuations in the heat load, that is to say in the case of fluctuations in the steam demand, the steam mass flow is changed by the backpressure control in order to ensure a constant vapor pressure at the outlet of the turbine. The back pressure control acts on the turbine control valves. At constant turbine speed, however, the mass flow change leads to an increase in the flow losses within the turbine and thus to a reduction of the already low effective efficiency, which is only in the range of 50% to 65% due to the significant losses by fission and secondary flows as well as partial loading.
Als Stand der Technik sind Getriebe-Dampfturbosätze mit konstanter Drehzahl in aufgelöster Bauweise von Turbine und Generator bekannt. Unter der aufgelösten Bauweise ist die örtlich getrennte Anordnung von Turbine und Generator zu verstehen, wobei die Wellen von Turbine und Generator mechanisch miteinander gekoppelt sind und einen Wellenstrang bilden.As the state of the art, transmission steam turbine sets of constant speed are known in the resolved design of turbine and generator. Under the resolved design is the spatially separated arrangement of turbine and generator to understand, with the shafts of the turbine and generator are mechanically coupled together and form a shaft train.
Die vom Generator
The
Neben den Getriebe-Dampfturbosätzen mit konstanter Drehzahl sind auch getriebelose Dampfturbosätze in aufgelöster Bauweise von Turbine und schnelllaufendem Generator mit lastabhängiger Drehzahlvariabilität bekannt. Allerdings befinden sich diese Dampfturbosätze noch in der Entwicklungsphase.In addition to the constant-speed gearbox steam turbine sets, gearless steam turbine sets in the dissolved design of turbine and high-speed generator with load-dependent speed variability are also known. However, these steam turbine sets are still in the development phase.
Den im Stand der Technik bekannten Getriebe-Dampfturbosätzen ist zueigen, in materialintensiver Schwerbauweise ausgeführt zu sein und eine durch das Getriebe und den Generator im Vergleich zur Turbine geringe Drehzahl aufzuweisen. Die herkömmlichen Getriebe-Dampfturbosätze erfordern die Ausbildung eines Ölsystems für Getriebe, Lager und die Ventilantriebe. Infolge der Betriebsweise mit konstanter Drehzahl treten insbesondere bei Teillastbedingungen, das heißt Dampfbedarfsschwankungen, erhöhte Verluste auf.
Die in aufgelöster Bauweise von Turbine und Generator ausgebildeten Dampfturbosätze beanspruchen zudem einen großen Bauraum.The known in the art transmission-Dampfurbosätzen is own, to be executed in material-intensive heavy construction and have a low by the transmission and the generator compared to the turbine speed. The conventional transmission steam turbine sets require the design of an oil system for transmission, bearings and the valve actuators. As a result of operating at a constant speed occur especially at part load conditions, that is, steam demand fluctuations, increased losses.
The trained in dissolved construction of turbine and generator steam turbine sets also claim a large amount of space.
Im Stand der Technik werden integrale Turbine-Generator-Anordnungen beschrieben, die den Platzbedarf der Turbosätze reduzieren und damit eine kompaktere Bauweise erzielen.
Aus der
From the
Das zum Antrieb der Turbine verwendete Gas wird somit gleichzeitig zur Generatorkühlung genutzt. Die kompakte Bauweise der Turbine-Generator-Einheit soll zudem den Einsatz als Hilfsstromversorgung bei Flugzeugen möglich machen.The gas used to drive the turbine is thus used simultaneously for the generator cooling. The compact design of the turbine-generator unit is also intended to make it possible to use it as an auxiliary power supply for aircraft.
Auch in der
Im Stand der Technik sind bisher jedoch keine, zum Beispiel auf der
In der
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine kompakte Turbo-Generator-Einheit zur Verfügung zu stellen, welche ein auf ein Minimum reduziertes Gewicht und einen minimalen Platzbedarf aufweist. Die Turbo-Generator-Einheit soll auch unter Teillastbedingungen die Energie unter minimalen Verlusten umwandeln. Die Turbo-Generator-Einheit soll dabei wartungsarm und damit wenig kostenintensiv betreibbar sein.Object of the present invention is to provide a compact turbo-generator unit having a reduced to a minimum weight and a minimum space requirement. The turbo-generator unit is to convert the energy under minimum load conditions with minimal losses. The turbo-generator unit should be low-maintenance and therefore less expensive to operate.
Die Aufgabe wird durch eine erfindungsgemäße Turbo-Generator-Einheit gelöst, welche eine als eine Turbine ausgebildete Antriebsvorrichtung und einen Generator mit einem Rotor und einem Stator umfasst. Die Turbine und der Generator sind ineinander integriert angeordnet und weisen eine gemeinsame Mittelachse auf.
Nach der Konzeption der Erfindung sind die Turbine in Außenläuferbauweise und der Generator in Innenläuferbauweise ausgebildet.
Bei der Turbine wird die Strömungsenergie des die Turbine durchströmenden Fluids in Rotationsenergie umgesetzt. Bei der in Innenläuferbauweise ausgebildeten Turbine wird die Rotationsenergie mit Hilfe eines auf einer Achse angeordneten, aus Laufschaufeln ausgebildeten Schaufelrades abgegriffen, wobei die Achse mit dem Schaufelrad in Rotation versetzt wird. Im Vergleich dazu wird bei der in Außenläuferbauweise ausgebildeten Turbine, bei welcher die Laufschaufeln an einem äußeren Umfang der Turbine fixiert sind, die Rotationsenergie folglich am äußeren Umfang der Turbine abgeführt. Der äußere Umfang rotiert.
Beim Generator in Innenläuferbauweise ist der bewegte Teil, welcher auch als Rotor oder Läufer bezeichnet wird, im Inneren des Generators angeordnet und wird vom ruhenden Teil, welcher auch als Stator des Generators bezeichnet wird, umschlossen.
Dadurch wird der Generator, aufweisend einen Rotor und einen Stator, vorteilhaft am äußeren Umfang der Turbine anordenbar.
Die Ausbildung der Turbine in Außenläuferbauweise und des Generators in Innenläuferbauweise ermöglicht die direkte Kraftübertragung vom bewegten Turbinenteil auf den Rotor des Generators bei minimalem Platzbedarf in axialer und radialer Ausdehnung. Zudem werden die biegedynamischen und rotationsdynamischen Eigenschaften der Kraftübertragung gegenüber anderen Anordnungen, wie der Innenläufer-Innenläufer-Bauweise oder der Außenläufer-Außenläufer-Bauweise von Turbine und Generator, verbessert.
Durch die Anordnung des Stators des Generators auf der Außenseite der Turbo-Generator-Einheit ist die an dieser Stelle erzeugte Verlustwärme sicher und mit geringem technischen Aufwand abführbar, da der Stator auf der turbinenabgewandten Seite des Generators und damit auf der Seite mit geringerer Temperatur angeordnet ist. Im Stator wird die meiste Verlustwärme innerhalb des Generators erzeugt.
Zudem ermöglicht die Anordnung des Stators auf der Außenseite eine unkomplizierte Spannungsausleitung aus der Turbo-Generator-Einheit beziehungsweise einen einfachen Spannungsanschluss an einen Maschinenstromrichter, da keine zusätzliche Umhüllung zur Dampfzuführung und/oder Dampfabführung ausgebildet ist. Außerdem ist im Wicklungsraum des Stators kein kritischer Dichtspalt zum Hochdruckteil des Dampfes der Turbine ausgebildet.The object is achieved by a turbo-generator unit according to the invention, which comprises a drive device designed as a turbine and a generator with a rotor and a stator. The turbine and the generator are integrated with each other and have a common center axis.
According to the concept of the invention, the turbine are designed in external rotor construction and the generator in internal rotor construction.
In the turbine, the flow energy of the fluid flowing through the turbine is converted into rotational energy. In the internal rotor design turbine, the rotational energy is tapped using a arranged on an axis, formed of blades paddle wheel, wherein the axis is rotated with the paddle wheel in rotation. In comparison, in the outer rotor design turbine, in which the blades are fixed to an outer circumference of the turbine, the rotational energy is consequently dissipated at the outer circumference of the turbine. The outer circumference rotates.
In the generator in internal rotor design of the moving part, which is also referred to as a rotor or rotor, arranged in the interior of the generator and is enclosed by the stationary part, which is also referred to as the stator of the generator.
As a result, the generator, comprising a rotor and a stator, can advantageously be arranged on the outer circumference of the turbine.
The design of the turbine in external rotor design and the generator in internal rotor design allows direct power transmission from the moving turbine part to the rotor of the generator with minimal space requirements in axial and radial extent. In addition, the bending dynamic and rotationally dynamic properties of the power transmission over other arrangements, such as the internal rotor internal rotor construction or the external rotor outer rotor construction of turbine and generator, improved.
Due to the arrangement of the stator of the generator on the outside of the turbo-generator unit, the heat loss generated at this point is safe and can be discharged with little technical effort, since the stator is disposed on the turbine side facing away from the generator and thus on the side with lower temperature , The stator generates most of the heat lost inside the generator.
In addition, the arrangement of the stator on the outside allows an uncomplicated Spannungsausleitung from the turbo-generator unit or a simple voltage connection to a machine converter, since no additional enclosure for steam supply and / or steam discharge is formed. In addition, no critical sealing gap is formed in the winding space of the stator to the high-pressure part of the steam of the turbine.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Turbine der Turbo-Generator-Einheit als axiale Dampfturbine und mehrstufig ausgebildet. Jede Stufe weist dabei ein Leitgitter sowie ein Laufgitter auf. Unter dem Laufgitter, das auch als Schaufelgitter bezeichnet wird, ist die Abwicklung der am Umfang angeordneten Laufschaufeln und deren Projektion in die Ebene zu verstehen. Dabei bilden jeweils ein auf einer Trommel angeordnetes Leitgitter und ein als Ring ausgebildetes Schaufelgitter eine Stufe der mehrstufigen Turbine. Unter einem Ring beziehungsweise einer Reihe ist eine gleichmäßig beabstandete Anordnung, in radialer Richtung von der Innenwandung des Rotors vorragender Laufschaufeln zu verstehen. Der Rotor ist über die Laufschaufeln vorteilhaft antreibbar und in Rotationsbewegung um die Mittelachse versetzbar. Die Leitgitter, welche eine Vielzahl von Leitschaufeln aufweisen, sind auf einer vorteilhaft kreiszylindrisch oder kegelstumpfförmig ausgebildeten Trommel vollumfänglich angeordnet.According to a preferred embodiment of the invention, the turbine of the turbo-generator unit as an axial steam turbine and multi-stage educated. Each stage has a guide grid and a playpen. Under the playpen, which is also referred to as a blade grid, the settlement of the circumferentially arranged blades and their projection is to be understood in the plane. In each case, a guide grid arranged on a drum and a blade grid designed as a ring form one stage of the multi-stage turbine. Under a ring or a series is a uniformly spaced arrangement to understand in the radial direction of the inner wall of the rotor projecting blades. The rotor can be advantageously driven via the rotor blades and set into rotational movement about the central axis. The guide gratings, which have a multiplicity of guide vanes, are arranged in full on an advantageously circular-cylindrical or truncated-cone-shaped drum.
Nach einer ersten Ausgestaltung der Erfindung ist die Trommel feststehend ausgebildet. Beim Umströmen der auf der Trommel angeordneten, am Umfang der Trommel fest fixierten Leitschaufeln wird ein Teil der stoffgebundenen Energie des Fluids in kinetische Energie umgewandelt, sodass die Strömung am Austritt eine höhere Geschwindigkeit sowie einen Drehimpuls aufweist. Dadurch wirken an den Laufschaufeln Kräfte in Umfangsrichtung. Es kommt zur Rotation. Bei der mehrstufigen Ausführung der Turbine sind die Leitschaufeln und Laufschaufeln in Strömungsrichtung des Fluids in abwechselnder Reihenfolge angeordnet.According to a first embodiment of the invention, the drum is fixed. As the vanes are fixed around the circumference of the drum, a portion of the material-bound energy of the fluid is converted into kinetic energy, such that the flow at the exit has a higher velocity and an angular momentum. As a result, act on the blades forces in the circumferential direction. It comes to rotation. In the multi-stage embodiment of the turbine, the vanes and blades are arranged in the flow direction of the fluid in alternating order.
Nach einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung ist die Trommel mit den am Umfang angeordneten Leitschaufeln entgegen der Drehrichtung der Laufschaufeln rotierend beweglich gehaltert angeordnet. Die Trommel mit Leitschaufeln ist folglich ebenfalls derart rotierbar ausgebildet, dass Leitgitter und Schaufelgitter jeder Stufe zueinander gegenläufig rotieren. Auf diese Weise kann bei gleicher Leistung der Turbine die Stufenzahl gegenüber der Ausführung mit feststehendem Leitgitter verringert werden. Damit sind die Turbine und die Turbo-Generator-Einheit noch kompakter und platzsparender ausführbar.According to a second embodiment of the invention, the drum with the vanes arranged on the circumference is arranged to be movable in a rotary manner counter to the direction of rotation of the moving blades. The drum with guide vanes is therefore likewise designed to be rotatable in such a way that the guide vanes and the vane grille of each stage rotate in opposite directions relative to one another. In this way, with the same power of the turbine, the number of stages compared to the design with a fixed guide grid can be reduced. This makes the turbine and the turbo-generator unit even more compact and space-saving.
Der Rotor des Generators ist erfindungsgemäß koaxial um die Trommel der Turbine angeordnet und weist eine hohlzylinderförmige Außenwandung sowie eine mit der Außenform der Trommel und den darauf angeordneten Leitgittern korrespondierende Innenwandung auf. Die Trommel der Turbine und der Rotor des Generators sind eine gemeinsame Mittelachse aufweisend angeordnet. Infolge der Ausdehnung des Fluids bei der Entspannung nimmt in Strömungsrichtung des Fluids durch die mehrstufig ausgeführte Turbine die Strömungsquerschnittsfläche, insbesondere die Höhe beziehungsweise die Länge der Laufschaufeln, zu. Der Strömungsraum innerhalb der Turbine ist kegelförmig ausgebildet.According to the invention, the rotor of the generator is arranged coaxially around the drum of the turbine and has a hollow-cylindrical outer wall as well as an inner wall corresponding to the outer shape of the drum and the guide gratings arranged thereon. The drum of the turbine and the rotor of the generator are arranged having a common center axis. As a result of the expansion of the fluid during the expansion, the flow cross-sectional area, in particular the height or the length of the rotor blades, increases in the direction of flow of the fluid through the multi-stage turbine. The flow space inside the turbine is cone-shaped.
Bei einer Trommel mit einer kreiszylindrischen Außenform sowie im Durchmesser zunehmenden Leitschaufeln und Laufschaufeln ist die Innenwandung des Rotors kegelstumpfförmig ausgebildet und korrespondiert damit mit der Außenform der Trommel und den darauf angeordneten Leitschaufeln. Da sich die Dichte des Fluids beim Durchströmen der Turbine temperaturabhängig und druckabhängig ändert, ändern sich die Strömungsquerschnitte nicht linear, sodass die Form der Innenwandung des Rotors von der eines idealen Kegelstumpfes abweichen kann.In a drum having a circular cylindrical outer shape and increasing in diameter vanes and blades, the inner wall of the rotor is frusto-conical and thus corresponds to the outer shape of the drum and the vanes arranged thereon. Since the density of the fluid changes as it flows through the turbine depending on temperature and pressure, the flow cross sections do not change linearly, so that the shape of the inner wall of the rotor can deviate from that of an ideal truncated cone.
Bei einer Trommel mit einer kegelstumpfförmigen Außenform ist die Innenwandung des Rotors kreiszylinderförmig ausgebildet und korrespondiert damit ebenfalls mit der Außenform der Trommel und den darauf angeordneten Leitschaufeln, wobei der Durchmesser des Kegelstumpfes in Strömungsrichtung des Fluids im gleichen Maße kleiner wird, wie der Durchmesser der Leitschaufeln und Laufschaufeln zunimmt.In a drum with a frusto-conical outer shape, the inner wall of the rotor is circular cylindrical and thus also corresponds to the outer shape of the drum and the vanes arranged thereon, wherein the diameter of the truncated cone in the flow direction of the fluid is smaller as the diameter of the vanes and Blades is increasing.
Die Innenwandung und die Außenwandung des Rotors sind konzeptionsgemäß derart zueinander beabstandet angeordnet, dass zwischen der Innenwandung und der Außenwandung ein Ringspalt ausgebildet ist. Die Außenwandung und die Innenwandung sind bevorzugt über Radscheiben mechanisch miteinander verbunden.The inner wall and the outer wall of the rotor are conceptually arranged spaced from each other such that an annular gap is formed between the inner wall and the outer wall. The outer wall and the inner wall are preferably mechanically interconnected via wheel discs.
Eine Weiterbildung der Erfindung besteht darin, dass die Laufschaufeln der Turbine am inneren Umfang der Innenwandung des Rotors, fest mit dem Rotor verbunden angeordnet sind. Die Laufschaufeln sind bevorzugt in einer Reihe, ringförmig am Umfang angeordnet und bilden das Schaufelgitter.A development of the invention is that the blades of the turbine are arranged on the inner circumference of the inner wall of the rotor, fixedly connected to the rotor. The blades are preferably arranged in a row, annular on the circumference and form the blade grid.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Stator des Generators den Rotor des Generators umfänglich umschließend angeordnet. Dabei ist der Stator bevorzugt mit Statorwicklungen versehen. Die Wandung des Stators ist mit der Außenwandung des Rotors korrespondierend und vorteilhaft als Gehäuse der Turbo-Generator-Einheit ausgebildet. Die Wandung des Stators und die Außenwandung des Rotors weisen im Wesentlichen gleiche Konturen und Formen auf, sodass der Rotor innerhalb des Stators integrierbar und der Rotor im Verhältnis zum Stator rotationsbeweglich anordenbar ist.
An der Außenwandung des Rotors ist bevorzugt ein Permanentmagnet derart angeordnet, dass der Permanentmagnet bei der Rotationsbewegung des Rotors an den feststehenden Statorwicklungen vorbeigeführt wird. Die Relativbewegung zwischen Rotor und Stator beziehungsweise zwischen Permanentmagnet und Statorwicklung führt zur Induktion einer Spannung innerhalb der Statorwicklungen.According to a further embodiment of the invention, the stator of the generator is circumferentially surrounding the rotor of the generator. The stator is preferably provided with stator windings. The wall of the stator is formed with the outer wall of the rotor correspondingly and advantageously as a housing of the turbo-generator unit. The wall of the stator and the outer wall of the rotor have substantially the same contours and shapes, so that the rotor can be integrated within the stator and the rotor is rotatably movable relative to the stator.
On the outer wall of the rotor, a permanent magnet is preferably arranged such that the permanent magnet is guided past during the rotational movement of the rotor to the stationary stator windings. The relative movement between rotor and stator or between Permanent magnet and stator winding leads to the induction of a voltage within the stator windings.
Von besonderem Vorteil ist, dass in das Gehäuse der Turbo-Generator-Einheit integrierte Lager ausgebildet sind. Die bevorzugt als Magnetlager ausgebildeten Lager führen und haltern den sich innerhalb des Stators rotationsbeweglich angeordneten Rotor. Dabei ist ein Lager als radiales und axiales Lager sowie ein Lager als radiales Lager ausgebildet. Die Lager führen den Rotor jeweils in radialer Richtung. Das als radiales und axiales Lager ausgebildete Lager wird beiderseits von benachbart angeordneten, am Rotor umfänglich ausgebildeten Ausformungen in Richtung der Mittelachse begrenzt und führt folglich den Rotor zusätzlich in axialer Richtung. Die Ausformungen ragen in radialer Richtung aus der Außenwandung des Rotors in Richtung des Stators beziehungsweise des Gehäuses der Turbo-Generator-Einheit. Alternativ umfasst das als radiales und axiales Lager ausgebildete Lager eine am Rotor umfänglich ausgebildete Ausformung in Richtung der Mittelachse beiderseits, wobei die Ausformung in radialer Richtung aus der Außenwandung des Rotors in Richtung des Stators ragend ausgebildet ist.
Die Lager sind in axialer Richtung, das heißt in Richtung der Mittelachse der Turbo-Generator-Einheit, bevorzugt jeweils neben der Statorwicklung angeordnet. Die Lager begrenzen die Statorwicklung in Richtung der Mittelachse beidseitig, wobei jeweils ein Lager auf einer Seite der Statorwicklung angeordnet ist.It is particularly advantageous that integrated bearings are formed in the housing of the turbo-generator unit. The bearings, which are preferably designed as magnetic bearings, guide and support the rotor which is rotatably mounted within the stator. In this case, a bearing is designed as a radial and axial bearing and a bearing as a radial bearing. The bearings guide the rotor each in the radial direction. The designed as a radial and axial bearing bearing is located on both sides of adjacent, formed on the rotor circumferentially formed formations in the direction of the central axis and thus additionally guides the rotor in the axial direction. The formations protrude in the radial direction from the outer wall of the rotor in the direction of the stator or the housing of the turbo-generator unit. Alternatively, the bearing formed as a radial and axial bearing comprises a circumferentially formed on the rotor molding in the direction of the central axis on both sides, wherein the formation is formed projecting in the radial direction from the outer wall of the rotor in the direction of the stator.
The bearings are preferably arranged in the axial direction, that is to say in the direction of the center axis of the turbo-generator unit, next to the stator winding. The bearings limit the stator winding in the direction of the central axis on both sides, wherein in each case a bearing is arranged on one side of the stator winding.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass der Rotor aus thermisch entkoppelnden Materialpaarungen ausgebildet ist, um die Wärmeströme von der Turbine zum Generator zu reduzieren und damit die thermische Belastung des Generators zu begrenzen. Die thermische Entkopplung erfolgt bevorzugt an den Verbindungsstellen der Radscheiben und der Außenwandung des Rotors, wobei die Radscheiben hohlwandig ausgebildet sind. Alternativ sind die Radscheiben radial zweigeteilt und durch Kohlefaserverbundelemente formschlüssig und kraftschlüssig verbunden, wobei die Radscheibenteile schwalbenschwanzförmig oder hammerkopfförmig ausgebildet sind.
Zudem weisen die Radscheiben Profilschlitze auf, sodass durch den zwischen der Innenwandung und der Außenwandung des Rotors ausgebildeten Ringspalt Kühlluft leitbar ist. Die Profilschlitze sind bevorzugt derart ausgebildet, dass die Kühlluft durch die Rotation des Rotors durch die Spalte zwischen der Außenwandung des Rotors mit den Permanentmagneten und der Innenwandung des Rotors als Begrenzung des Strömungskanals der Turbine hindurch gefördert wird. Die Kühlluft strömt durch den Ringspalt und die in den Radscheiben vorgesehenen Profilschlitze und verringert den Vorgang der Wärmeübertragung von der Turbine an den Generator.A further advantageous embodiment of the invention is that the rotor is formed of thermally decoupled material pairings in order to reduce the heat flows from the turbine to the generator and thus to limit the thermal load of the generator. The thermal decoupling is preferably carried out at the junctions of the wheel discs and the outer wall of the rotor, wherein the wheel discs are hollow-walled. Alternatively, the wheel discs are radially divided into two and positively connected by carbon fiber composite elements and non-positively, the wheel disc parts are dovetailed or hammerhead-shaped.
In addition, the wheel discs have profile slots, so that cooling air can be conducted through the annular gap formed between the inner wall and the outer wall of the rotor. The profile slots are preferably formed such that the cooling air is conveyed through the rotation of the rotor through the gaps between the outer wall of the rotor with the permanent magnets and the inner wall of the rotor as a boundary of the flow channel of the turbine. The cooling air flows through the annular gap and provided in the wheel discs profile slots and reduces the process of heat transfer from the turbine to the generator.
Die Turbo-Generator-Einheit ist weiterhin vorteilhaft über einen Umrichter an ein elektrisches Netz anschließbar ausgebildet. Der Umrichter weist dabei einen gepulsten Maschinenstromrichter, einen Gleichspannungszwischenkreis und einen gepulsten Netzstromrichter mit je einer mikrocontroller-basierten Informationsverarbeitung auf.The turbo-generator unit is furthermore advantageously designed to be connectable to an electrical network via a converter. In this case, the converter has a pulsed machine converter, a DC intermediate circuit and a pulsed mains converter, each with a microcontroller-based information processing.
Des Weiteren ist die Turbo-Generator-Einheit vorteilhaft derart ausgebildet, dass die Drehzahl der Turbo-Generator-Einheit variierbar und bevorzugt an die Leistung der Turbo-Generator-Einheit anpassbar ist.Furthermore, the turbo-generator unit is advantageously designed such that the rotational speed of the turbo-generator unit can be varied and preferably adapted to the power of the turbo-generator unit.
Die erfindungsgemäße Lösung als Integration einer Turbine, welche bevorzugt als mehrstufige, in Außenläuferbauweise realisierte Dampfturbine ausgebildet ist, mit einem massearmen, schnelllaufenden Generator in einer Turbine-Generator-Einheit, welche mit einer vorteilhaft aus Magnetlagern und damit ölfreien Lagerung ausgebildet ist, weist diverse Vorteile auf:
- - kompakte, platzsparende und gewichtsreduzierte Bauweise durch Integration des Generators und Ausbildung ohne zusätzliches mechanisches Getriebe und damit Reduzierung der Länge gegenüber der aufgelösten Bauweise um mindestens 15 %,
- - reduzierte Anzahl von Komponenten, zum Beispiel durch Reduzierung der Anzahl der Lager auf zwei Traglager und ein Axiallager,
- - Betriebsweise mit hoher Drehzahl - schnelllaufend,
- - Betriebsweise mit variabler Drehzahl - Anpassen der Drehzahl an die Leistung der Turbo-Generator-Einheit derart, dass die Strömungswinkel an den Turbinenschaufelprofilen nahezu konstant bleiben, um speziell die Strömungsverluste bei Teillast zu reduzieren,
- - großer Wirkungsgrad auch bei Teillast infolge der Drehzahlvariabilität,
- - Verzicht auf Nebenaggregate und Hilfsverbrauchsstoffe, insbesondere durch eine ölfreie Ausführung,
- - Minimierung der Wartungskosten, da beispielsweise die Wartung des Getriebes mit dazugehörigem Ölwechsel entfällt und
- - Verringerung von Spaltverlusten innerhalb der Turbine durch aktive Spaltkontrolle während des Betriebes - Reduzierung der Dichtspalte mittels Veränderung der Radiallage und der Axiallage der Trommel mit den Leitschaufeln innerhalb der Magnetlager durch gezielte Veränderung der mittels der Magnetlager erzeugten Lagerkräfte.
- - compact, space-saving and weight-reduced design by integration of the generator and training without additional mechanical gear and thus reducing the length compared to the resolved construction by at least 15%,
- - Reduced number of components, for example by reducing the number of bearings on two support bearings and a thrust bearing,
- - high speed operation - fast running,
- Variable speed operation - adjusting the speed to the power of the turbo-generator unit such that the flow angles at the turbine blade profiles remain nearly constant, specifically to reduce the flow losses at part load,
- high efficiency even at partial load as a result of the speed variability,
- - abandonment of ancillary equipment and auxiliary consumables, in particular by an oil-free design,
- - Minimizing maintenance costs, since, for example, the maintenance of the gearbox with associated oil change is eliminated and
- - Reduction of gap losses within the turbine by active gap control during operation - Reduction of the sealing gaps by changing the radial position and the axial position of the drum with the vanes within the magnetic bearings by deliberately changing the bearing forces generated by the magnetic bearings.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:
-
2 : Prinzipdarstellung einer Turbo-Generator-Einheit ohne Getriebe - Anordnung der Turbine und des Generators auf einer Welle, -
3 : Prinzipdarstellung einer Turbo-Generator-Einheit in integraler Bauweise und -
4 : Konstruktion der Turbo-Generator-Einheit in integraler Bauweise.
-
2 : Schematic representation of a turbo-generator unit without transmission - Arrangement of the turbine and the generator on a shaft, -
3 : Schematic representation of a turbo-generator unit in integral construction and -
4 : Construction of the turbo-generator unit in integral design.
In
Die Turbo-Generator-Einheit
Durch den Einsatz des Umrichters
- - eine Leistungsregelung mit unterlagerter Stromregelung durch einen Maschinenstromrichter,
- - die Realisierung eines Wirkleistungsbetriebes des
Generators 4 mit cos (φ) ≈ 1 im gesamten Drehzahlbereich bei geringer Oberschwingungsbelastung, - - die Drehzahlvariabilität der Turbo-Generator-
Einheit 1 , - - eine Zwischenkreisspannungsregelung mit unterlagerter Stromregelung im Netzstromrichter und
- - eine normgerechte Netzeinspeisung in das Energieversorgungsnetz betreffen.
Through the use of the
- a power control with subordinate current regulation by a machine converter,
- - The realization of an active power operation of the
generator 4 with cos (φ) ≈ 1 in the entire speed range with low harmonic load, - - The speed variability of the turbo-
generator unit 1 . - - A DC link voltage control with secondary current control in the power converter and
- - relate to a standard-compliant grid feed-in into the energy supply network.
Die Dampfturbine
Der Dampf trifft in Strömungsrichtung
Da sich der Dampf beim Durchströmen der Turbine
Die Laufschaufeln
Der Rotor
Zudem wird die Turbo-Generator-Einheit
The
The steam hits in the direction of
As the steam flows through the
The
The
In addition, the turbo-
In
Der Dampf strömt in Strömungsrichtung
Der Dampf strömt nach der mehrstufigen Entspannung in Strömungsrichtung
Der Stator
The steam flows in the direction of
The steam flows after the multi-stage relaxation in the
The
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Turbo-Generator-EinheitTurbo-generator unit
- 22
- Antriebsvorrichtung, Dampfturbine, TurbineDrive device, steam turbine, turbine
- 33
- Getriebetransmission
- 44
- Generatorgenerator
- 55
- Strömungsrichtung des DampfesFlow direction of the steam
- 66
- elektrisches NetzElectrical network
- 77
- Umrichterinverter
- 88th
- Trommel, LeitgitterträgerDrum, guide bar carrier
- 99
-
Leitschaufel, Leitgitter der Turbine 2Guide vane, guide vanes of the
turbine 2 - 1010
- Rotor, RotortrommelRotor, rotor drum
- 1111
- Laufschaufel Rotor, SchaufelgitterBlade rotor, blade grid
- 1212
- Lager, radiales und axiales MagnetlagerBearing, radial and axial magnetic bearing
- 1313
- Lager, radiales MagnetlagerBearing, radial magnetic bearing
- 1414
- Permanentmagnetpermanent magnet
- 1515
-
Stator des Generators 4Stator of the
generator 4 - 1616
- Statorwicklungstator
- 1717
- Strömungsrichtung der KühlluftFlow direction of the cooling air
- 1818
- Mittelachsecentral axis
- 1919
- Ringspaltannular gap
- 2020
- Radscheiben mit ProfilschlitzenWheel discs with profile slots
- 2121
- Spiralgehäusevolute
- 2222
-
Leitgitter
1 . Stufeguidegrid 1 , step - 2323
- Laufrad 1. StufeImpeller 1st stage
- 2424
- Diffusordiffuser
- 2525
- Ausformungformation
- 2626
- Gehäusecasing
Claims (11)
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Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE102011000420.3A DE102011000420B4 (en) | 2011-01-31 | 2011-01-31 | Turbo-generator unit |
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| DE102011000420A1 DE102011000420A1 (en) | 2012-08-02 |
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Family Applications (1)
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
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Legal Events
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|---|---|---|---|
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| R020 | Patent grant now final |