DE102014213882A1

DE102014213882A1 - Gezeitenströmungskraftanlage

Info

Publication number: DE102014213882A1
Application number: DE102014213882.5A
Authority: DE
Inventors: Michael Baumann; Matthias Hofmann
Original assignee: SKF AB
Current assignee: SKF AB
Priority date: 2014-07-16
Filing date: 2014-07-16
Publication date: 2016-01-21
Also published as: WO2016008958A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Gezeitenströmungskraftanlage (1), umfassend einen drehbar angeordneten Rotor (2), der in einem Gehäuse (3) mittels einer Lageranordnung (4) radial und axial gelagert ist. Um eine kompakte Lagerung des Rotors im Gehäuse zu erreichen, die zur optimalen Übertragung beidseitig wirkender Axiallasten geeignet ist, sieht die Erfindung vor, dass die Lageranordnung (4) ein Festlager (5) aufweist, das umfasst: zwei axial beabstandete Axial-Pendelrollenlager (6, 7), die in X-Anordnung positioniert sind und den Rotor (2) relativ zum Gehäuse (3) axial lagern, und mindestens ein axial zwischen den beiden Axial-Pendelrollenlagern (6, 7) angeordnetes Radiallager (8) zur Übertragung ausschließlich radialer Lasten zwischen Rotor (2) und Gehäuse (3).

Description

Die Erfindung betrifft eine Gezeitenströmungskraftanlage, umfassend einen drehbar angeordneten Rotor, der in einem Gehäuse mittels einer Lageranordnung radial und axial gelagert ist.
Gezeitenströmungskraftanlagen dieser Art sind im Stand der Technik bekannt. Bei einer solchen Anlage befindet sich an einem Rotor ein Turbinenrad, das durch die gezeitenbedingte Wasserströmung angetrieben wird. Der Rotor steht direkt oder indirekt mit einem Generator in Verbindung, so dass Strom erzeugt werden kann. Die Übertragung des Drehmoments vom Rotor bis zum Generator erfolgt zumeist durch ein Getriebe, das für die richtige Übersetzung der Drehbewegung sorgt.
Die hinreichende Durchsetzung besagter Gezeitenströmungskraftwerke wird durch erhebliche Kosten bei der Herstellung der benötigten Komponenten gehindert. Diesbezüglich ist zu vermerken, dass gattungsgemäße Kraftwerke mit anderen regenerativen Kraftwerken konkurrieren, wie beispielsweise Windkraftanlagen.
Es besteht daher ein wachsender Bedarf an Elementen für Gezeitenströmungskraftanlagen, die sich durch einen einfachen Aufbau und in der Folge durch geringe Herstellkosten auszeichnen. Dennoch sollen die Komponenten langlebig sein und hohe Standzeiten haben. Bei Gezeitenströmungskraftanlagen ist diesbezüglich ein Augenmerk darauf zu richten, dass sich infolge der Wasserströmungen teils hohe Kräfte ergeben, denen das Turbinenrad und in der Folge der Rotor ausgesetzt sind.
Eine andere Forderung gegenüber sonstigen regenerativen Energieerzeugungsanlagen ist eine kompakte Bauform der Anlage, deren Lagerung dennoch in der Lage sein muss, hohe Axialkräfte in beiden Achsrichtungen zu übertragen. Daher ist eine qualitativ hochwertige und steife Lagerung anzustreben, die dennoch kompakt und kostengünstig ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Gezeitenströmungskraftanlage so auszustatten, dass es möglich ist, eine kompakte Lagerung des Rotors im Gehäuse zu realisieren, die zur optimalen Übertragung beidseitig wirkender Axiallasten geeignet ist. Dabei soll sich eine kompakte und robuste Konzeption ergeben. Die Anlage soll auch leicht zu warten sein, so dass diesbezüglich keine hohen Kosten anfallen.
Die Lösung dieser Aufgabe durch die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Lageranordnung ein Festlager aufweist, das umfasst: zwei axial beabstandete Axial-Pendelrollenlager, die in X-Anordnung positioniert sind und den Rotor relativ zum Gehäuse axial lagern, und mindestens ein axial zwischen den beiden Axial-Pendelrollenlagern angeordnetes Radiallager zur Übertragung ausschließlich radialer Lasten zwischen Rotor und Gehäuse.
Das Radiallager ist dabei bevorzugt ein Toroidallager (bekannt unter der Handelsbezeichnung „CARB“).
Die Bohrungsdurchmesser der beiden Innenringe der beiden Axial-Pendelrollenlager sind vorzugsweise unterschiedlich groß. In diesem Falle ist bevorzugt vorgesehen, dass der Rotor zylindrische Sitzabschnitte mit unterschiedlichen Durchmessern für die Aufnahme der beiden Innenringe der beiden Axial-Pendelrollenlager aufweist.
Die beiden Laufbahnradien der beiden Außenringe der beiden Axial-Pendelrollenlager haben im Radialschnitt vorzugsweise einen gemeinsamen Mittelpunkt.
Die Lageranordnung kann weiterhin ein Loslager aufweisen, wobei dieses ein Toroidallager umfasst.
Das Gehäuse kann als rohrförmiges Element ausgebildet sein.
Die Lageranordnung kann mit einem Schmiersystem zur Versorgung mit einem Schmiermittel versehen sein oder mit einem solchen Schmiersystem in Verbindung stehen.
Die Lageranordnung kann auch mit einem Überwachungssystem zur Überwachung mindestens eines Lagerparameters versehen sein. In diesem Falle sieht eine Fortbildung vor, dass das Überwachungssystem mindestens einen drahtlos kommunizierenden Sensor aufweist.
Die Erfindung trägt dem Umstand Rechnung, dass Lagerungen für den Rotor einer Windkraftanlage zumeist kein geeignetes Vorbild sind, wenn es um die Rotorlagerung im Gehäuse einer Gezeitenenergieanlage geht. Die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Lagerung berücksichtigt vielmehr, dass bei Gezeitenenergieanlagen eine in beide Achsrichtungen besonders stabile Lagerung des Rotors im Gehäuse nötig ist. Dies trägt dem Umstand sich ständig ändernder Strömungen im Wasser Rechnung.
Nach dem erfindungsgemäßen Vorschlag werden die Aspekte der Kompaktheit und der Fähigkeit der beidseitig auftretenden Axiallasten durch Axial-Pendelrollenlager berücksichtigt, zwischen denen ein Radiallager angeordnet ist, das bevorzugt als Toroidallager ausgebildet ist. Damit können Axiallasten in beiden Achsrichtungen effizient übertragen werden, wenngleich auch hohe Radialkräfte aufgenommen werden. Fehlstellungen der Achsen von Rotor und Gehäuse können leicht ausgeglichen werden. Auch bei geringen Rotordrehzahlen tritt nur eine geringe Reibung auf. Gleichzeitig ist ein hoher Grad an Steifigkeit gewährleistet.
Es ergibt sich vorteilhaft eine geringe Anzahl an sich bewegenden Bauteilen. Daraus folgt auch ein hohes Maß an Zuverlässigkeit der Lageranordnung.
Die Lageranordnung kann kostengünstig und somit mit Blick auf andere regenerative Energieerzeugungsanlagen wettbewerbsfähig realisiert werden. Auch die Wartbarkeit der Lageranordnung und die Wartungsintervalle gestalten sich positiv.
Es ergibt sich – bezogen auf die Leistung der Energieerzeugungsanlage – ein leichter Aufbau. Somit wird – verglichen mit bisherigen Lösungen – eine höhere Leistungsdichte der Einheit möglich.
Durch entsprechende Dichtungselemente kann der Eintritt von Seewasser in die Lageranordnung verhindert werden. Des weiteren wird eine hohe Gebrauchsdauer der Lagerung durch eine effiziente Versorgung mit Schmierstoff begünstigt.
Zusammengefasst ergibt sich in vorteilhafter Weise eine kompakte Anordnung bei geringem Gewicht und verminderten Kosten. Fehlstellungen der Achsen können leicht ausgeglichen werden. Dadurch ergibt sich eine hohe Verfügbarkeit der Anlage bei geringerer Wartungsnotwendigkeit und eine hohe Gebrauchsdauer der Lagerung. Dies ermöglicht auch eine relativ geringe Betriebstemperatur der Lageranordnung. Die Montage und Demontage der Lageranordnung ist in einfacher Weise möglich.
Gleichermaßen kann durch entsprechend modularen Aufbau eine günstige Fertigung erreicht werden. Dabei ist die Wartung und gegebenenfalls die Reparatur infolge des standardisierten Aufbaus der Gehäuseeinheit schnell und kostengünstig durchführbar. Entsprechende Vorteile lassen sich auch mit Blick auf das Vorhalten von Ersatzteilen erzielen. Somit wird eine Gehäusekonzeption geschaffen, die die Lageranordnung effizient integriert.
Das Gehäuse wird bevorzugt in geeigneter Weise mit der Möglichkeit versehen, dass Schmiermittel in benötigter Menge zugeführt wird. Es kann auch für den einfachen Austausch von Schmieröl konzipiert sein.
Vorteilhaft ist es, wenn die Lageranordnung auch mit der Möglichkeit einer Überwachung der relevanten Lagerparameter ausgestattet wird. Dies betrifft insbesondere Schwingungen, akustische Emissionen, die Temperaturen der Lagerstellen und auch die Drehgeschwindigkeit des Rotors. Damit können kritische Betriebszustände erkannt und rechtzeitig Gegenmaßnahmen ergriffen werden. So können schwere Lagerschäden im Vorfeld vermieden werden.
Bei den Sensoren, die die Lagerparameter messen, kann es sich also um Temperatursensoren, Schwingungssensoren, Sensoren für akustische Emissionen, Spannungsmesssensoren (Dehnmessstreifen), Drehgeschwindigkeits- oder Drehwinkelsensoren handeln. Die Sensorik kann drahtlos mit einer Überwachungsstation kommunizieren oder per Kabel.
Weiterhin können auch Sensoren eingesetzt werden, die detektieren, ob Seewasser in das Gehäuseinnere eingedrungen ist.
Sofern Daten von der rotierenden Welle erfasst werden müssen, können entsprechende Schleifringe vorgesehen werden, die der Datenübertragung zum stationären Gehäuse dienen.
Die vorgeschlagenen Axial-Pendelrollenlager bieten die Möglichkeit, hohe Axiallasten aufzunehmen, dennoch aber auch Radiallasten übertragen zu können. Gleichzeitig können auch Fehlstellungen der Achsen sehr einfach ausgeglichen werden. Dieser Vorteil gilt auch für den vorgeschlagenen Einsatz von Toroidallagern, die für die Übertragung der Radiallasten eingesetzt werden; bei diesem Lagertyp kommt besonders auch der Aspekt zum Tragen, dass Axialverschiebungen leicht ausgeglichen werden können.
Die zum Einsatz kommenden Dichtungen werden so gewählt, dass sie dauerhaft dem Einsatz der Einheit unter Wasser gerecht werden. In beiden axialen Endbereichen des Gehäuses werden entsprechende Dichtungen platziert.
Die benötigten Bauteile können aus einem Material gefertigt werden, das eine hohe Resistenz gegen Korrosion aufweist, nachdem sie Seewasser ausgesetzt sind.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die einzige Figur zeigt den Radialschnitt durch einen Teil einer Gezeitenströmungskraftanlage, wobei ein Rotor mittels einer Lageranordnung in einem Gehäuse gelagert ist.
In der Figur ist eine Gezeitenströmungskraftanlage 1 angedeutet, die einen Rotor 2 aufweist, der in einem Gehäuse 3 drehbar gelagert ist. Nicht dargestellt ist, dass am einen axialen Ende des Rotors 2 ein Turbinenrad befestigt ist; am anderen Ende des Rotors 2 ist eine Abtriebsmaschine angeordnet. Es geht vorliegend also um die Lagerung der Hauptwelle einer Gezeitenströmungskraftanlage.
Bei der Abtriebsmaschine handelt es sich beispielsweise um einen direkt angeflanschten Generator oder um ein Getriebe, das die Drehung des Rotors 2 übersetzt und das Drehmoment des Rotors 2 dann zwecks Stromerzeugung zu einem Generator leitet.
Der Generator stellt demgemäß Strom her, wenn sich das Turbinenrad dreht. So wird Energie gewonnen, wenn die skizzierte Anordnung im Bereich einer Wasserströmung platziert wird, die durch den Gezeitenwechsel hervorgerufen wird.
Für die Lagerung des Rotors 2 im Gehäuse 3 ist eine Lageranordnung 4 vorgesehen, die aus einem Festlager 5 und einem hiervon axial beabstandeten Loslager 13 besteht.
Das Festlager weist zwei axial beabstandete Axial-Pendelrollenlager 6 und 7 auf, die in X-Anordnung positioniert sind und den Rotor 2 relativ zum Gehäuse 3 axial lagern. Ferner weist das Festlager ein axial zwischen den beiden Axial-Pendelrollenlagern 6 und 7 angeordnetes Radiallager 8 zur Übertragung ausschließlich radialer Lasten zwischen Rotor 2 und Gehäuse 3 auf. Das Radiallager 8 ist ein Toroidallager.
Das Loslager 13 weist gleichermaßen ein Toroidallager 14 auf, das ausschließlich radiale Lasten überträgt.
Die beiden Innenringe 9 und 10 der beiden Axial-Pendelrollenlager 6 und 7 haben unterschiedliche Bohrungsdurchmesser D₁ und D₂. Der Rotor 2 weist entsprechende zylindrische Sitzflächen auf, die einseitig von Schultern für die axiale Anlage der Innenringe 9, 10 begrenzt werden.
Die beiden Außenringe 11 und 12 der beiden Axial-Pendelrollenlager 6 und 7 haben eine im Radialschnitt kreisbogenförmige Laufbahn, die durch den Laufbahnradius R charakterisiert ist. Wie zu erkennen ist, haben die beiden Laufbahnen der beiden Außenringe 11, 12 einen gemeinsamen Mittelpunkt M.
Nur schematisch angedeutet ist ein Sensor 15, der zur Aufnahme relevanter Lagerparameter geeignet ist.
Damit die Lageranordnung vor dem Zutritt von Seewasser geschützt wird, sind nicht dargestellte Dichtungselemente vorgesehen.
Das Gehäuse 3 ist – was nicht näher zu erkennen ist – rohrförmig ausgestaltet und kann in einem axialen Endbereich ein Befestigungsmittel in Form einer flanschartigen radialer Erweiterung aufweisen. In diese Erweiterung sind um den Umfang herum Bohrungen eingebracht, über die die Befestigungsmittel und damit auch das Gehäuse 3 an einem (nicht dargestellten) Anbauteil per Schraubverbindung befestigt werden können.
Hierdurch ergeben sich nicht nur eine kostengünstige Realisierung der beschriebenen Anordnung, sondern auch kostensparende Effekte bei der Wartung und Reparatur der Anlage.
Bezugszeichenliste

1: Gezeitenströmungskraftanlage
2: Rotor
3: Gehäuse
4: Lageranordnung
5: Festlager
6: Axial-Pendelrollenlager
7: Axial-Pendelrollenlager
8: Radiallager (Toroidallager)
9: Innenring
10: Innenring
11: Außenring
12: Außenring
13: Loslager
14: Toroidallager
15: Sensor
D₁: Bohrungsdurchmesser
D₂: Bohrungsdurchmesser
R: Laufbahnradius
M: Mittelpunkt

Claims

Gezeitenströmungskraftanlage (1), umfassend einen drehbar angeordneten Rotor (2), der in einem Gehäuse (3) mittels einer Lageranordnung (4) radial und axial gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Lageranordnung (4) ein Festlager (5) aufweist, das umfasst: zwei axial beabstandete Axial-Pendelrollenlager (6, 7), die in X-Anordnung positioniert sind und den Rotor (2) relativ zum Gehäuse (3) axial lagern, und mindestens ein axial zwischen den beiden Axial-Pendelrollenlagern (6, 7) angeordnetes Radiallager (8) zur Übertragung ausschließlich radialer Lasten zwischen Rotor (2) und Gehäuse (3).
Gezeitenströmungskraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Radiallager (8) ein Toroidallager ist.
Gezeitenströmungskraftanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrungsdurchmesser (D₁, D₂) der beiden Innenringe (9, 10) der beiden Axial-Pendelrollenlager (6, 7) unterschiedlich groß sind.
Gezeitenströmungskraftanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (2) zylindrische Sitzabschnitte mit unterschiedlichen Durchmessern für die Aufnahme der beiden Innenringe (9, 10) der beiden Axial-Pendelrollenlager (6, 7) aufweist.
Gezeitenströmungskraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Laufbahnradien (R) der beiden Außenringe (11, 12) der beiden Axial-Pendelrollenlager (6, 7) im Radialschnitt einen gemeinsamen Mittelpunkt (M) haben.
Gezeitenströmungskraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Lageranordnung (4) weiterhin ein Loslager (13) aufweist, wobei dieses ein Toroidallager (14) umfasst.
Gezeitenströmungskraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (3) als rohrförmiges Element ausgebildet ist.
Gezeitenströmungskraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Lageranordnung (4) mit einem Schmiersystem zur Versorgung mit einem Schmiermittel versehen ist oder mit einem solchen Schmiersystem in Verbindung steht.
Gezeitenströmungskraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Lageranordnung (4) mit einem Überwachungssystem zur Überwachung mindestens eines Lagerparameters versehen ist.
Gezeitenströmungskraftanlage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Überwachungssystem mindestens einen drahtlos kommunizierenden Sensor (15) aufweist.