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EP-4540517-B1 - SHAFT TURBINE WITH A RING GENERATOR AND CONVEYING AND THROTTLE DEVICES

EP4540517B1EP 4540517 B1EP4540517 B1EP 4540517B1EP-4540517-B1

Inventors

  • WITTI, Christian

Dates

Publication Date
20260506
Application Date
20230614

Claims (15)

  1. A turbine-generator unit (2) for generating electricity by energy conversion of an outflow between headwater with a headwater level (3) and 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), a support element (18) and a turbine impeller (10) with an 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 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 a turbine shaft (14) aligned along the axis of rotation (11) is mounted by means of the bearing device (12), wherein the turbine impeller (10) is coupled to the turbine shaft (14) in the outlet region (8), - wherein the rim-type generator (15) comprises a rim generator stator (16), wherein the rim generator stator (16) is coupled to the rim-shaped housing (6) in the outlet region (8) in a rotationally fixed manner and is coupled axially opposite to the support element (18) in a rotationally fixed manner, - wherein the rim-type generator (15) comprises a rim generator rotor (17), wherein the rim generator rotor (17) is coupled to the turbine impeller (10) at an outer diameter of the turbine impeller (10) in a rotationally fixed manner, - wherein an annulus (26) is formed between the rim generator stator (16) and the rim generator rotor (17), and - wherein the turbine-generator unit (2) in the region of the coupling of the rim-shaped housing (6) to the rim-type generator (15) comprises a radially circulating first conveying and throttling device (27) for the cooling liquid to be supplied to the annulus (26) and in the region of the coupling of the rim-type generator (15) to the support element (18) comprises a radially circulating second conveying and throttling device (28) for the cooling liquid to be discharged from the annulus (26), -- wherein the first conveying and throttling device (27) has a cooling liquid inlet (32) formed as a first annular gap (31) and the second conveying and throttling device (28) has a cooling liquid outlet (34) formed as a second annular gap (33), -- wherein the first and the second conveying and throttling device (28) each comprise a first rim element (29a, 29b) coupled to the rim generator stator (16) in a rotationally fixed manner and a second rim element (30a, 30b) coupled to the rim generator rotor (17) in a rotationally fixed manner, wherein the first and the second annular gap (33) are formed between the respectively associated first rim element (29a, 29b) and the second rim element (30a, 30b), characterized in that the cooling liquid inlet (32) is inclined by a first inclination angle (35) relative to and/or starting from a normal plane (36) to the axis of rotation (11) and against the flow direction (9) of the turbine-generator unit (2), wherein the first inclination angle (35) is selected from a range of up to 60°, in particular from a range of up to 45°.
  2. The turbine-generator unit (2) according to claim 1, characterized in that the cooling liquid outlet (34) is inclined by a second inclination angle (37) relative to and/or starting from the normal plane (36) to the axis of rotation (11) and in the flow direction (9) through the turbine-generator unit (2), wherein the second inclination angle (37) is selected from a range of up to 60°, in particular from a range of up to 45°.
  3. The turbine-generator unit (2) according to one of the preceding claims, characterized in that the first conveying and throttling device (27) and the second conveying and throttling device (28) are configured to convey the quantity of cooling liquid taken from the operating medium flowing through the turbine-generator unit (2) through the annulus (26) and to limit the quantity of cooling liquid which can be conveyed through the annulus (26) exclusively by their geometric configuration.
  4. The turbine-generator unit (2) according to one of the preceding claims, characterized in that the cooling liquid inlet (32) has a first gap width which is smaller than a second gap width of the annulus (26).
  5. The turbine-generator unit (2) according to one of the preceding claims, characterized in that the first conveying and throttling device (27) has an annular first swirl chamber (39), wherein the cooling liquid inlet (32) is fluidically couplable to the annular first swirl chamber (39).
  6. The turbine-generator unit (2) according to one of the preceding claims, characterized in that the second conveying and throttling device (28) has an annular second swirl chamber (40), wherein the cooling liquid outlet (34) is fluidically couplable to the annular second swirl chamber (40).
  7. The turbine-generator unit (2) according to claim 6, characterized in that the second conveying and throttling device (28) has radially circumferentially distributed connecting bores (41), wherein the annulus (26) is fluidically couplable to the annular second swirl chamber (40) by means of the connecting bores (41).
  8. The turbine-generator unit (2) according to one of the preceding claims, characterized in that the second rim element (30) of the cooling liquid outlet (34) has flow guide elements (42) which are distributed over the circumference of the turbine-generator unit (2) and extend radially outwards.
  9. The turbine-generator unit (2) according to one of the preceding claims, characterized in that the surfaces of the faces of the first and second rim elements (29a, 30a, 29b, 30b) bounding the annular gaps (31, 33) have a mean roughness value from a range comprising 0.2 µm to 6.3 µm, in particular 0.6 µm to 3.2 µm.
  10. The turbine-generator unit (2) according to one of the preceding claims, characterized in that the first inclination angle (35) is 45°.
  11. The turbine-generator unit (2) according to one of claims 3-10 in conjunction with claim 2, characterized in that the second inclination angle (37) is 45°.
  12. The turbine-generator unit (2) according to one of the preceding claims, characterized in that the faces of the rim generator stator (16) and rim generator rotor (17) bounding the annulus (26) have a surface structure provided with dent-like depressions, wherein the surface structure is produced by means of a manufacturing process comprising hammering, shot blasting or a similar manufacturing process.
  13. The turbine-generator unit (2) according to one of the preceding claims, characterized in that cooling fins (38) are coupled to the rim generator stator (16) circumferentially on an outer diameter of the rim generator stator (16).
  14. 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 mounted on the bearing device (12), 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.
  15. The turbine-generator unit (2) 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.

Description

Die Erfindung betrifft eine Turbinen-Generatoreinrichtung zur Stromerzeugung durch Energieumwandlung eines Abflusses zwischen Oberwasser und Unterwasser in einem Schachtkraftwerk. Die Turbinen-Generatoreinrichtung umfasst Förder- und Drosselvorrichtungen für Kühl- und Schmierflüssigkeit, welche Kühl- und Schmierflüssigkeit einem Ringraum zwischen einem Ringgenerator-Stator und einem Ringgenerator-Rotor zuzuführen und abzuführen ist. Aus dem Stand der Technik sind artverwandte Dokumente bekannt. Die EP1451918B1 beschreibt eine Einrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie aus einem strömenden Medium, z.B. Wasser, mit einer Anzahl von Turbinen-Generatoreinheiten, die zumindest abschnittsweise übereinander und/oder nebeneinander angeordnet und miteinander zu einem oder mehreren Modulen verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Generator einer Turbinen-Generatoreinheit als Synchrongenerator ausgebildet ist, bei welchem als Erregung permanentmagnetische Pole vorgesehen sind. Weiters weist die Turbinen-Generatoreinheit drehbar gelagerte Turbinenschaufeln auf, die im Bereich ihrer äußeren Enden kraftschlüssig mit einem ringförmigen Rotor des Generators der Turbinen-Generatoreinheit verbunden sind, und wobei der Stator des Generators der Turbinen-Generatoreinheit konzentrisch um den Rotor drehfest in dem Modul angeordnet ist. Weiters wird beschrieben, dass ein Ringraum zwischen Rotor und Stator des Generators mit einem Raumabschnitt verbunden ist, welcher von dem durch die Turbine fließenden Medium durchströmt wird, und dass dieser Ringraum von dem Medium durchströmbar ist. Weiters wurde aus der US 2007 145 751 A1 eine Rohrturbine bekannt, wobei die Rohrturbine eine birnenförmige Lagervorrichtung zur Lagerung einer Welle aufweist, wobei die Welle mit einem Turbinenlaufrad gekoppelt ist, wobei die Rohrturbinen einen Ringgenerator aufweist, wobei ein Generator-Rotor des Ringgenerators an einem Außendurchmesser des Turbinenlaufrads mit dem Turbinenlaufrad drehfest gekoppelt ist, wobei ein Generator-Stator mit einem Gehäuse der Rohrturbine positionsfixiert gekoppelt ist und wobei ein mit Fluid spülbarer Ringeraum zwischen Generator-Stator und Generator-Rotor ausgebildet ist. Der Ringraum ist mittels eines ersten Ringspaltes mit Fluid spülbar, wobei das Fluid mittels eines zweiten Ringspaltes aus dem Ringraum abführbar ist. Aus dem Stand der Technik bekannte Lösungen zur Bereitstellung von Kühl- und Schmiermittel im Ringraum zwischen Ringgenerator-Stator und Ringgenerator-Rotor bei gattungsgemäßen Turbinen-Generatoreinrichtungen für Schachtkraftwerke sind nur bedingt zufriedenstellend. Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, mittels derer Kühl- und Schmiermittel im Ringraum zwischen Ringgenerator-Stator und Ringgenerator-Rotor in einfacher und effektiver Weise bereitstellbar sind, wobei die Bereitstellung dieser Mittel insbesondere durch die besondere konstruktive Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Turbinen-Generatoreinrichtung gewährleistet wird. Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß den Ansprüchen gelöst. Die erfindungsgemäße Turbinen-Generatoreinrichtung zur Stromerzeugung durch Energieumwandlung eines Abflusses eines Oberwassers mit einem Oberwasserniveau in ein 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 Drehachse. Das Ringgehäuse umfasst im Einlaufbereich eine längs der Drehachse ausgerichtete birnenförmige Lagervorrichtung, wobei die Lagervorrichtung am Ringgehäuse mittels zumindest eines Verbindungselementes lagefest gehaltert ist und wobei eine entlang der Drehachse ausgerichtete Turbinenwelle mittels der Lagervorrichtung gelagert ist, wobei das Turbinenlaufrad im Auslaufbereich mit der Turbinenwelle gekoppelt ist. Der Ringgenerator umfasst einen Ringgenerator-Stator, wobei der Ringgenerator-Stator im Auslaufbereich mit dem Ringgehäuse drehfest gekoppelt ist und axial gegenüberliegend mit dem Tragelement drehfest gekoppelt ist. Weiters umfasst der Ringgenerator einen Ringgenerator-Rotor, wobei der Ringgenerator-Rotor mit dem Turbinenlaufrad an einem Außendurchmesser des Turbinenlaufrads drehfest gekoppelt ist. Zwischen dem Ringgenerator-Stator und dem Ringgenerator-Rotor ist ein Ringraum ausgebildet. Die Turbinen-Generatoreinrichtung umfasst im Bereich der Kopplung des Ringgehäuses mit dem Ringgenerator eine radial umlaufende erste Förder- und Drosselvorrichtung für die dem Ringraum zuzuführende Kühlflüssigkeit und im Bereich der Kopplung des Ringgenerators mit dem Tragelement eine radial umlaufende zweite Förder- und Drosselvorrichtung für die aus dem Ringraum abzuführende Kühlflüssigkeit umfasst. Dabei ist der Ringraum mittels der ersten Förder- und Drosselvorrichtung und mittels der zweiten Förder- und Dros