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EP-4540515-B1 - BEARING LUBRICATION OF A SHAFT TURBINE BY MEANS OF NATURAL PRESSURE DIFFERENCE

EP4540515B1EP 4540515 B1EP4540515 B1EP 4540515B1EP-4540515-B1

Inventors

  • WITTI, Christian

Dates

Publication Date
20260506
Application Date
20230614

Claims (18)

  1. A turbine-generator unit (2) for generating electricity by energy conversion of an outflow between a headwater with a headwater level (3) and a tailwater with a tailwater level (4) in a pit-type hydropower plant (1) with an intake basin (5), the turbine-generator unit (2) comprising a rim-shaped housing (6) with an inlet region (7) and an outlet region (8), a rim-type generator (15), and a turbine impeller (10) with a turbine axis of rotation (11), - wherein the rim-shaped housing (6) in the inlet region (7) comprises a pear-shaped bearing device (12) aligned along the turbine axis of rotation (11), -- wherein the bearing device (12) is held in a fixed position on the rim-shaped housing (6) by means of at least one connecting element (13), -- wherein the bearing device (12) comprises a first hydrodynamic axial sliding bearing (26), a second hydrodynamic axial sliding bearing (27) spaced from the first axial sliding bearing (26) in the direction of the turbine axis of rotation (11) and a first hydrodynamic radial sliding bearing (28a), wherein a turbine shaft (14) aligned along the turbine axis of rotation (11) is mounted by means of the sliding bearings (26, 27, 28), wherein the turbine impeller (10) is coupled to the turbine shaft (14) in the outlet region (8) in a rotationally fixed manner, and -- wherein a filtering and conveying device (30) for the cooling and lubricating fluid to be supplied to the sliding bearings (26, 27, 28) is formed in the inlet region (7) at a first axial end face (29) of the bearing device (12), - wherein a first bearing gap space (31) of the first axial sliding bearing (26), subsequently a second bearing gap space (32) of the second axial sliding bearing (27) and subsequently a third bearing gap space (33) of the first radial sliding bearing (28a) can be flown through sequentially by the cooling and lubricating liquid, -- wherein the cooling and lubricating fluid can flow into a collecting chamber (35) following and/or being located downstream of the sliding bearings (26, 27, 28) along the flow path (34) of the cooling and lubricating fluid, characterized in that - the turbine shaft (14) in some sections has a flow channel (36) aligned essentially parallel to the turbine axis of rotation (11), -- wherein the flow channel (36) is fluidically couplable to the operating medium flowing through the turbine-generator unit (2) in the outlet region (8) of the turbine-generator unit (2) and/or in the region of the coupling of the turbine shaft (14) to the turbine impeller (10), and -- the turbine shaft (14) has a connecting channel (37) which can be fluidically coupled to the flow channel (36) and the collecting chamber (35), so that the cooling and lubricating fluid can flow through the bearing device (12).
  2. The turbine-generator unit (2) according to one of the preceding claims, characterized in that the flow channel (36) is formed along the turbine axis of rotation (11) and being rotationally symmetrical to the turbine axis of rotation (11).
  3. The turbine-generator unit (2) according to one of the preceding claims, characterized in that the flow channel (36) comprises a throttle element (42) and/or a diffuser element (43) in the outlet region (8).
  4. The turbine-generator unit (2) according to one of the preceding claims, characterized in that multiple connecting channels (37) are formed, which are arranged distributed in the circumferential direction and can each be fluidically coupled to the flow channel (36).
  5. The turbine-generator unit (2) according to claim 1, characterized in that multiple flow channels (36), which are arranged distributed in the circumferential direction, are formed and multiple connecting channels (37), which are arranged distributed in the circumferential direction and are each fluidically couplable to a flow channel (36), are formed.
  6. The turbine-generator unit (2) according to one of the preceding claims, characterized in that the bearing device (12) comprises a second hydrodynamic radial sliding bearing (28b) axially spaced from the first radial sliding bearing (28a) in the flow direction (9), wherein the second radial sliding bearing (28b) comprises a fourth bearing gap space (45), wherein the cooling and lubricating fluid can flow into a collecting chamber (35) following and/or being located downstream of the sliding bearings (26, 27, 28) along the flow path (34) of the cooling and lubricating fluid.
  7. The turbine-generator unit (2) according to claim 6, characterized in that a second cooling and lubricating fluid inlet (44) is formed in the region of the coupling of the turbine shaft (14) to the turbine impeller (10), wherein the fourth bearing gap space (45) is fluidically couplable to the second cooling and lubricating fluid inlet (44) and the collecting chamber (35), so that by means of the second cooling and lubricating fluid inlet (44) the fourth bearing gap space (45) can be flown through with cooling and lubricating fluid taken from the operating medium flowing through the turbine-generator device (2) during operation.
  8. The turbine-generator unit (2) according to claim 6, characterized in that the fourth bearing gap space (45) of the second radial sliding bearing (28b) can be flown through sequentially and/or in series following the third bearing gap space (33) by the cooling and lubricating fluid, which can be taken from the operating medium of the turbine-generator unit (2) by means of the filtering and conveying device (30).
  9. The turbine-generator unit (2) according to one of the preceding claims, characterized in that the filtering and conveying device (30) comprises a cover plate (38) coupled in a rotationally fixed manner to the turbine shaft (14), wherein a first cooling and lubricating fluid inlet (39) is formed between the cover plate (38) and the bearing device (12), and wherein the cover disk (38) and/or the bearing device (12), in the region of the cover disk (38), starting from a first radial distance in the direction of a second radial distance which is greater relative to the first radial distance, has at least one groove, a gouge, a wiper, a rubber lip or a similar guide member in the first cooling and lubricating fluid inlet (39).
  10. The turbine-generator unit (2) according to claim 9, characterized in that the bearing gap spaces (31, 32, 33) have flushing grooves, wherein a first gap width of the first cooling and lubricating fluid inlet (39) is smaller than a depth of the flushing grooves.
  11. The turbine-generator unit (2) according to one of the preceding claims, characterized in that the filtering and conveying device (30) comprises a conveying member (40) which is rotationally-energetically coupled to the turbine shaft (14), wherein the cooling and lubricating fluid to be supplied to the sliding bearings (26, 27, 28) is conveyable to the first bearing gap space (31).
  12. The turbine-generator unit (2) according to one of the preceding claims, characterized in that the turbine-generator unit (2) comprises a flow guide device (22) with guiding elements (23), wherein the flow guide device (22) is arranged in the flow direction (9) between the at least one connecting element (13) and the rim-type generator (15), wherein the guiding elements are each mounted on the bearing device (12) by means of a sliding bearing, wherein the flow guide device (22) is provided for actively controlling the flow towards the turbine impeller (10) by means of a first adjusting device.
  13. The turbine-generator unit (2) according to one of the preceding claims, characterized in that the turbine-generator unit (2) is receivable in its entirety in the intake basin (5) of the pit-type hydropower plant (1).
  14. The turbine-generator unit (2) according to one of the preceding claims, characterized in that at least three connecting elements (13) are formed, wherein the bearing device (12) is held in a fixed position on the rim-shaped housing (6) by means of the at least three connecting elements (13).
  15. The turbine-generator unit (2) according to one of the preceding claims, characterized in that the rim-type generator (15) of the turbine-generator unit (2) is configured as a synchronous generator, wherein permanent-magnet poles and/or a brushless excitation machine is/are provided as excitation in the rim generator rotor (17).
  16. The turbine-generator unit (2) according to claim 14, characterized in that the rim-type generator (15) is configured to be speed-controllable by means of an electronic control device.
  17. The turbine-generator unit (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the turbine impeller (10) has rotatably mounted turbine blades, wherein the turbine blades are mounted on the rim generator rotor (17) on the one hand and are mounted on the bearing device (12) on the other hand, wherein the turbine blades are rotatable in the bearing device (12) by means of a second adjusting device.
  18. The turbine-generator unit (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the rim-shaped housing (6) has a supporting device (24) in the inlet region (7), wherein the turbine-generator unit (1) can be supported on a bottom (25) of the intake basin (5) by means of the supporting device (24).

Description

Die Erfindung betrifft eine Turbinen-Generatoreinrichtung zur Stromerzeugung durch Energieumwandlung eines Abflusses zwischen einem Oberwasser und einem Unterwasser. Die Turbinen-Generatoreinrichtung umfasst eine Lagervorrichtung mit Gleitlagern und einer Filter- und Fördervorrichtung für die den Gleitlagern zuzuführende Kühl- und Schmierflüssigkeit. Aus dem Stand der Technik sind artverwandte Dokument bekannt. Die EP2250367B1 zeigt beispielsweise eine Rohrturbinen-Generatoreinheit umfassend ein Turbinenlaufrad, eine Antriebswelle, die mit dem Turbinenlaufrad drehstarr verbunden ist, einen elektrischen Generator mit einem Generatorläufer und einem Generatorstator, wobei der Generatorläufer wenigstens mittelbar von der Antriebswelle angetrieben wird, ein Rohrturbinengehäuse, das den elektrischen Generator umschließt, eine Lageranordnung, die innerhalb des Rohrturbinengehäuses angeordnet ist und die zur Lagerung der Antriebswelle dient, einen flutbareren Raumbereich im Inneren des Rohrturbinengehäuses, der im Betrieb der Rohrturbinen-Generatoreinheit mit Wasser geflutet ist, wobei der Generatorspalt zwischen dem Generatorläufer und dem Generatorstator und der Lagerspalt der Lageranordnung Teil des flutbaren Raumbereichs sind. Weiters zeigt DE102009021289A1 eine Lageranordnung, umfassend ein Lager, das von einem Medium, insbesondere Wasser, durchströmt ist, eine Welle, die in dem Lager aufgenommen ist, eine Filtereinrichtung, die dem Lager einströmseitig vorgeschaltet ist, und die Partikel aus dem Medium entfernt, wobei die Filtereinrichtung eine Schutzkappe und einen Feinfilter umfasst, wobei die Schutzkappe dem Feinfilter einströmseitig vorgeschaltet ist, und eine Fördereinrichtung für das Medium, die zwischen der Schutzkappe und dem Feinfilter angeordnet ist. Die aus dem Stand der Technik bekannten Ausgestaltungsformen von Lageranordnungen beschreiben insbesondere für die Verwendung Turbinen-Generatoreinrichtung mit einem Ringgenerator in einem Schachtkraftwerk nur bedingt zufriedenstellende Lösungen. Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und eine Turbinen-Generatoreinrichtung mit einer Lagervorrichtung zur Verfügung zu stellen, mittels welcher Lagervorrichtung einerseits eine besonders gleichmäßige Durchströmung der Gleitlager gewährleistet wird und andererseits der konstruktive Aufwand und die notwendigen Hilfsorgane und -mittel der Turbinen-Generatoreinrichtung verringert sind. Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß den Ansprüchen gelöst. Die erfindungsgemäße Turbinen-Generatoreinrichtung zur Stromerzeugung durch Energieumwandlung eines Abflusses zwischen einem Oberwasser mit einem Oberwasserniveau und einem Unterwasser mit einem Unterwasserniveau in einem Schachtkraftwerk mit einem Einlaufbecken umfasst ein Ringgehäuse mit einem Einlaufbereich und einem Auslaufbereich, einen Ringgenerator, und ein Turbinenlaufrad mit einer Turbinendrehachse. Das Ringgehäuse umfasst im Einlaufbereich eine längs der Turbinendrehachse ausgerichtete birnenförmige Lagervorrichtung, wobei die Lagervorrichtung am Ringgehäuse mittels zumindest eines Verbindungselementes lagefest gehaltert ist. Die Lagervorrichtung umfasst ein erstes hydrodynamische Axialgleitlager, ein zweites, von dem ersten Axialgleitlager in Richtung der Turbinendrehachse beabstandetes hydrodynamische Axialgleitlager und ein erstes hydrodynamisches Radialgleitlager, wobei eine entlang der Turbinendrehachse ausgerichtete Turbinenwelle mittels der Gleitlager gelagert ist, wobei das Turbinenlaufrad im Auslaufbereich mit der Turbinenwelle drehfest gekoppelt ist. An einem ersten axialen Stirnende der Lagervorrichtung bzw. im Einlaufbereich umfasst die Lagervorrichtung eine Filter- und Fördervorrichtung für die den Gleitlagern zuzuführende Kühl- und Schmierflüssigkeit. Ein erster Lagerspaltraum des ersten Axialgleitlagers, nachfolgend ein zweiter Lagerspaltraum des zweiten Axialgleitlagers und nachfolgend ein dritter Lagerspaltraum des ersten Radialgleitlagers sind sequentiell, bzw. seriell oder in Serie von der Kühl- und Schmierflüssigkeit durchströmbar, wobei die Kühl- und Schmierflüssigkeit in einem, den Gleitlagern entlang dem Strömungspfad der Kühl- und Schmierflüssigkeit nachfolgendem bzw. nachgelagertem Sammelraum einströmbar ist. Die Turbinenwelle weist zumindest abschnittsweise zumindest einen im Wesentlichen parallel zur Turbinendrehachse ausgerichteten Strömungskanal auf, wobei der Strömungskanal im Auslaufbereich der Turbinen-Generatoreinrichtung bzw. im Bereich der Kopplung der Turbinenwelle mit dem Turbinenlaufrad mit dem durch die Turbinen-Generatoreinrichtung durchströmenden Betriebsmedium fluidisch koppelbar ist, sodass die Kühl- und Schmierflüssigkeit in Durchströmrichtung durch die Turbinen-Generatoreinrichtung gesehen dem Turbinenlaufrad nachfolgend in den Abfluss des Schachtkraftwerks übergeben wird. Dazu weist die Turbinenwelle einen, mit dem Strömungskanal und dem Sammelraum f