DE4425294A1 - Mit einem Generator vereinigte, flüssigkeitsangetriebene Turbine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine mit einem Generator vereinigte, flüssigkeitsan­ getriebene Turbine kleiner Leistung, insbesondere zur Stromversorgung einer elektrisch betätigbaren Wasserarmatur, deren Laufrad in einem Rohr axial zu dessen Achse gelagert ist und über den Umfang verteilt mit Magneten versehen ist, die in einem außerhalb des Rohres vorgesehenen Spulensystem bei Laufrad­ rotation durch Induktion einen elektrischen Stromfluß erzeugen.

Kleinstturbinen dieser Art sind beispielsweise durch die US-Patentschrift 2 436 683 und speziell für die Speisung von Wasserleitungsarmaturen durch die PCT-Schriften WO 85/01337 und WO 93/02258 bekannt. Das Laufrad dieser Kleinstturbinen ist dabei durchwegs nach Art eines Propellers gestaltet. Während bei der Kleinstturbine nach der WO 85/01337 die von der Turbinen­ radwelle abnehmbare Energie mit einer gegen das die Antriebsflüssigkeit füh­ rende Rohr abgedichteten Welle zu einem außerhalb angeordneten Generator geführt wird, ist bei den Kleinstturbinen der anderen Veröffentlichungen das Laufrad der Turbine zugleich Träger von auf seinen Umfang verteilten Magne­ ten, denen Spulen im Rohrwandungsbereich zugeordnet sind, in denen bei der Rotation des Laufrades ein elektrischer Strom induziert wird.

Diese Kleinstturbinen zeigen, beispielsweise bei einem Wasserdurchfluß von 5 Litern in der Minute und einem Druckgefälle von etwa 2 Atmosphären zwischen Eingang und Ausgang, Gesamtwirkungsgrade die kaum ein Prozent erreichen. Wie der Erfindung zugrunde liegende Untersuchungen zeigten, liegt das zum Teil daran, daß die Laufradschaufeln - vor allem wenn man sie nach dem Prinzip der Francis-Turbine arbeiten lassen will - bei hoher Drehzahl nur eine sehr gerin­ ge radiale Lange haben dürfen. Dadurch kommt aber der für einen freien Lauf notwendige Spalt zwischen der Außenseite des Laufrades und der gegenüberste­ henden Rohrwand in eine ungünstige Relation zur Radialerstreckung der Schau­ feln des Laufrades. Diese Konstruktionen führen auch zu ungünstigen magneti­ schen Verhältnissen.

Nach der Erfindung wird diesen Schwierigkeiten dadurch begegnet, daß die ver­ teilten Magnete als rohrförmiges, mehrpolig auf dem Außenumfang magnetisier­ tes Polrad ausgebildet sind, in dessen Innenraum die Turbinenschaufeln des Laufrades angeordnet und verankert sind, daß ein wenigstens eine Düse enthal­ tendes Übergangsteil vorgesehen ist, das in Fließrichtung der Flüssigkeit dem Laufrad vorgeordnet ist, und dessen Düsen so ausgebildet und ausgerichtet sind, daß der aus der einzelnen Düse austretende Flüssigkeitsstrahl auf die Schaufeln des Laufrades zumindest weitgehend normal zur Schaufelfläche und mit einer wesentlichen Tangentialkomponente auftrifft, daß über den das Pol­ rad umschließenden Rohrbereich in die Rohrwandung eine gerade Anzahl von pa­ rallel zur Rohrachse verlaufenden, durch Spalte gegenseitig magnetisch ge­ trennten Polschuhen integriert ist, die in der Weise mit zwei magnetisch lei­ tenden Endplatten verbunden sind, daß in Umfangsrichtung jeweils jeder zweite Polschuh an einem Ende mit der einen Endplatte und die übrigen Polschuhe je­ weils an einem Ende mit der anderen Endplatte magnetisch leitend verbunden sind, und daß die Polschuhe im Bereich zwischen den beiden Endplatten von we­ nigstens einer das Spulensystem bildenden Spule umschlossen sind und beide Endplatten über ein Rückschlußteil magnetisch verbunden sind, welches das Spulensystem zwischen sich und den Polschuhen einschließt.

Für eine erfindungsgemäße Kleinstturbine haben sich folgende Ausgestaltungen als vorteilhaft erwiesen. Dem Laufrad wird ein weiteres Übergangsstück in Fließrichtung der Flüssigkeit nachgeordnet, das Austrittsöffnungen für die Flüssigkeit in ein weiterführendes Rohr enthält und beide Übergangsstücke die­ nen als Träger der Lager für die Laufradachse. Das Laufrad besteht aus einem sternförmigen Profilkörper der im Inneren des rohrförmigen Polrades angeordnet ist und in dessen Zentrum die Laufradachse vorgesehen ist. Wie Untersuchungen zeigten, nimmt der Wirkungsgrad bei gegebener Wassermenge und Druckdifferenz besonders günstige Werte an, wenn die Anzahl der Düsen nennenswert geringer als die Anzahl der Schaufeln des Laufrades ist. Es beruht dies offenbar auf der dann wesentlich höheren Wasseraustrittsgeschwindigkeit aus der Düse. Das in dem Raum zwischen den gerade nicht angestrahlten Schaufeln des Laufrades befindliche Wasser wirkt dabei durch seine rotierende Masse zusätzlich last­ stabilisierend. Für eine Kleinstturbine mit den einleitend angeführten Werten genügte sogar nur eine Düse um eine gewünschte elektrische Leistung zu erhal­ ten. Die Schaufeln können an sich nach Art von radial gerichteten Rippen aus­ gebildet sein, wodurch sich sehr einfache Fertigungsverhältnisse ergeben. Eine weitere Gesamtwirkungsgrad-Steigerung läßt sich dadurch realisieren, daß die Laufradschaufeln zur Optimierung des axialen Austritts der Flüssigkeitsströ­ mung aus dem Laufrad gekrümmt sind. Die erwähnten Polschuhe werden zweckmäßig in nichtmagnetisches Material, vorzugsweise Kunststoff eingebettet, insbeson­ dere derart daß dieses Material, gegebenenfalls zusammen mit den Polschuhen, im Turbinenabschnitt die Innenwandung des der Flüssigkeitsführung dienenden Rohres bildet. Für die Ausgestaltung des magnetischen Kreises im Generatorbe­ reich ist es von Vorteil, wenn jede der beiden erwähnten Endplatten mit einem topfförmigen Fortsatz versehen ist, von denen der eine einen Außendurchmesser hat der nur geringfügig geringer als der Innendurchmesser des anderen, und wenn beide Fortsätze zueinander weisend angeordnet und zur Bildung des magnetischen Rückschlusses ineinander geschoben sind.

Nachstehend wird die Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert, die Ausführungsbeispiele wiedergibt. In der Zeichnung zeigt
die Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Kleinstturbine,
die Fig. 2 einen Querschnitt durch ein auf dem Umfang magnetisiertes Pol­ rad mit dem Verlauf der magnetischen Feldlinien in der Wandung,
die Fig. 3 ein mit einer Düse versehenes Übergangsteil,
die Fig. 4 eine Explosionsdarstellung von in Polschuhe übergehenden End­ scheiben, magnetischem Rückschluß, Spule und rohrförmigen Polrad, das mit dem Laufrad der Turbine vereinigt ist,
die Fig. 5 ein erprobtes Kunststoffprofil für die Laufradbildung und
die Fig. 6 eine topfförmige Ausbildung der Endplatten, bei der die Topf­ wände zugleich den magnetischen Rückschluß herstellen.

Unter einer Turbine kleiner Leistung wird eine Turbine verstanden, deren elektrische Ausgangsleistung zwischen etwa einigen zehn Watt und einigen Mil­ liwatt liegt. Bei diesen Turbinen führen die allgemein bekannten Konstruk­ tionsprinzipien zu äußerst ungünstigen Gesamtwirkungsgrad-Werten, da die für einen freien Lauf des Turbinenrades erforderlichen Spalte einen Strömungs­ querschnitt erreichen, der in der Größenordnung der durch die Turbinenschau­ feln gebildeten aktiven Bereiche liegt. Dem wird durch die erfindungsgemäße Konstruktion begrenzt für die in der Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel wie­ dergegeben ist. Mit 1 ist der Wassereintritt in die Turbine bezeichnet und mit 2 der Wasseraustritt. Es sind dies Anschlußstücke für weiterführende Wasserleitungsrohre mit- einem Nennwert von z. B. zwischen 3/8′′ und 1½′′. Dem eigentlichen Turbinenraum ist ein Übergangsteil 3 mit einer tangential ausge­ richteten Düse 4 vorgeordnet. Das Übergangsteil ist in der Fig. 3 in Schräg­ ansicht wiedergegeben. Im Übergangsteil 3 ist das eine Lager für die das Laufrad 5 tragende Turbinenwelle angeordnet. Das andere Lager 6 ist im Zen­ trum eines zweiten Übergangsteils angeordnet, das in Fließrichtung des An­ triebswassers dem Laufrad 5 nachgeordnet ist und mit Öffnungen 7 für den Aus­ tritt des Wassers in ein weiterführendes Rohr versehen ist. Das Laufrad trägt an seinem Umfang ein magnetisches Polrad 5′, das wie aus der Fig. 2 ersicht­ lich, auf seinem Außenumfang mehrpolig magnetisiert ist. Der Turbinen-Innen­ raum wird durch einen Formkörper aus unmagnetischem Material wie einem Kunst­ stoff begrenzt, der mit 8 bezeichnet ist und dessen Gestaltung, wie aus der Fig. 1 ersichtlich, so ist, daß nur ein kleiner Spalt beziehungsweise Zwi­ schenraum von der Außenfläche des Polrades zu den gegenüberstehenden Polschu­ hen 9 und 10 gegeben ist. Der Formkörper 8 ist mit Dichtungsringen 13 und 14 gegen das Teil 1 beziehungsweise das Teil 2 abgedichtet. Die Polschuhe gehen in sich radial erstreckende Endplatten über. Zwischen den Polschuhen 9 und 10 ist ein Spulenkörper 11 angeordnet, der die eigentliche Spule 12 trägt in der bei Rotation des Laufrades durch das Polrad ein Stromfluß induziert wird. Zur Schließung des magnetischen Kreises sind die Polschuhe 9, 10 über die sie tragenden Endplatten und einen magnetischen Rückschluß 15 auf der dem Polrad abgewandten Seite magnetisch verbunden. Polschuhe, Endplatten und Rückschluß bestehen aus weichmagnetischem Material. Durch an Flanschen der Teile 1 und 2 angreifende Schraubverbindungen 16 wird die mit dem Generator integrierte Turbine zusammengehalten. Durch diese Ausgestaltung des Generators ist der einzig wesentliche magnetische Widerstand im magnetischen Kreis des Genera­ tors in dem Spalt zwischen der Fläche des einzelnen Polschuhs und der diesem gegenüberliegenden Außenfläche des Polrades begründet, der entsprechend klein zu wählen ist. Die Spalte zwischen benachbarten Polschuh-Kanten sind demgegen­ über so groß zu wählen, daß der magnetische Widerstand in diesen Bereichen groß gegenüber dem ersterwähnten magnetischen Widerstand ist. Die angewende­ te Generatorkonstruktion ermöglicht es, eine große Übertrittsfläche für den Magnetfluß zwischen dem einzelnen Polschuh und dem jeweils gegenüberliegenden Polbereich des Polrades und damit einen entsprechend niedrigen magnetischen Widerstand in diesem Bereich zu erzielen. Die Mittel hierfür sind ein entspre­ chend großer Polrad-Durchmesser, der die Breite des einzelnen Polschuhes in Umfangsrichtung des Polrades bestimmt und eine entsprechend große Polrad- und damit Polschuhlänge. Die Fließrichtung des dem Antrieb dienenden Wasser ist in der Fig. 1 durch Pfeile angedeutet.

Bei einer nach dieser Zeichnung ausgeführten Kleinstturbine mit einem Polrad- Außendurchmesser von ca. 15 mm und einer ebensolchen Polrad-Länge konnte auf der Generatorseite eine elektrische Leistung von etwa 500 mW abgenommen wer­ den. Die durchlaufende Wassermenge betrug etwa 5 Ltr/Min. und der Druckabfall zwischen Turbinen-Eingang und -Ausgang lag bei etwa zwei Atmosphären. Das Pol­ rad wies drei Polpaare auf und jede der Endplatten trug drei Polschuhe. Die Kleinstturbine hatte bei dieser Leistung eine Drehzahl von 3000 Umdr./Minute und die Frequenz des vom Generator gelieferten Stromes lag bei 100 Hz.

Der in der Fig. 2 dargestellte Querschnitt durch das rohrförmige Polrad zeigt, eine Ausführungsform mit drei Polpaaren. Gestrichelte Linien deuten den Ma­ gnetfeldverlauf im Polrad an. Die Anzahl der Polpaare ist an sich frei wähl­ bar und wird vom Hersteller bei der Fertigung nach Kundenwunsch realisiert. Solche Rohrmagnete sind allgemein bekannt und beispielsweise in dem Firmen­ prospekt der Firma Krupp Widia GmbH - Magnettechnik in Essen (Drucksache Nr. W 2.20 51.1 d 1089) ausführlich beschrieben. Als gut geeignet hat sich das darin beschriebene Magnetmaterial mit dem Warenzeichen KOEROX® P erwiesen, da es zum einen ausreichend wasserresistent und zum anderen gut formbar ist.

Das in der Fig. 3 wiedergegebene Übergangsteil 3, das in Fließrichtung dem Laufrad 5 vorgeordnet ist, besteht im einfachsten Fall aus einer beispielswei­ se aus Messing oder aus einem anderen wasserbestärdigen Material bestehenden Scheibe, in die durch einen schräg verlaufenden Einschnitt 4 eine Düse gebil­ det wird, die eine stark ausgeprägte tangentiale Ausrichtung hat. Es können auch mehrere solche Düsen vorgesehen werden, doch hängt die Anzahl von dem zulässigen Druckabfall in der Turbine, der vorgegebenen Wasserdurchflußmenge und der geforderten Drehzahl ab. Je weniger Düsen vorgesehen sind, umso höher ist die Ausströmgeschwindigkeit des Wassers, das normal zur Schaufelfläche auf die Schaufeln des Turbinenrades 5 auftrifft. Diese sind beim Ausführungs­ beispiel nach der Fig. 1 zur Optimierung des axialen Austritts der Flüssig­ keitsströmung aus dem Laufrad - wie dargestellt - gekrümmt. Es wird so u. a. ein Maximum an Energieabgabe vom eingespritzten Wasser an die einzelne Schau­ fel erreicht. Die Scheibe hat einen kleinen Ansatz um sie, wie aus der Fig. 1 ersichtlich, zwischen den Teilen 1 und 8 fest durch Klemmung zu halten.

Die Fig. 4 verdeutlicht die Integration von Turbine und Generator. Die er­ wähnten Endplatten sind mit 20 und 21 bezeichnet und tragen jeweils drei Pol­ schuhe 17, 18, und 19 beziehungsweise 22, 23 und 24. Diese greifen im zusam­ mengesetzten Zustand wie Digitalfinger ineinander und werden vom Spulenkörper 11 und der darauf befindlichen Spule 12 umschlossen. In dem von den Polschu­ hen umschlossenen Raum befindet sich im zusammengebauten Zustand das Laufrad 5 mit dem Polrad 5′. Der magnetische Rückschluß 15 ist als Rohr ausgebildet und verbindet die freien Außenflächen der Endplatten 20, 21 unter Einschlie­ ßung der auf dem Spulenkörper 11 befindlichen Spule 12.

In der Praxis hat sich gezeigt daß das Laufrad 5 auch mit nicht radial ausge­ richteten Schaufeln zufriedenstellende Ergebnisse liefert. Eine solche Aus­ führung erleichtert die Verwendung von sternartig ausgebildeten Strangzieh­ profilen wie es in der Fig. 5 dargestellt ist. Das Strangziehprofil kann dann bei entsprechend gewähltem Außendurchmesser unmittelbar in das rohrför­ mige Polrad eingepreßt werden. Bei Verwendung eines Magnet-Werkstoffes, wie des vorstehend erwähnten Magnet-Werkstoffes KOEROX® P, ist es auf diese Wei­ se sogar möglich, Laufrad und Polrad aus dem gleichen Material und in einem Stück herzustellen.

Der magnetische Rückschluß läßt sich auch so realisieren, daß wie in der Fig. 6 gezeigt, die Endplatten in je einen topfförmigen Fortsatz 25, 26 über­ gehen, von denen einer einen Außendurchmesser hat, der geringfügig geringer ist als der Innendurchmesser des anderen. Beim Ineinanderschieben der beiden Töpfe, nach vorherigem Einbringen von Spulenkörper und Spule, ist der magneti­ sche Rückschluß realisiert. Die Spulenanschlüsse können durch nicht näher dar­ gestellte Öffnungen nach außen geführt werden.

Zu dem Fachausdruck "mehrpolig auf dem Außenumfang magnetisiert" findet sich in dem vorstehend zitierten Prospekt der Firma Krupp Widia GmbH auf Seite 7 auch eine Darstellung. Sie zeigt, daß der jeweilige Polbereich von dem einen Rohrende zu dem anderen reicht.

Die Anzahl und Verteilung der Pole auf dem Außenumfang des Polrades sind so zu wählen, daß alle Polschuh - axial betrachtet - jeweils in der gleichen Richtung durchflossen werden. Beim Ausführungsbeispiel sind dementsprechend drei Polpaare auf dem Außenumfang des Polrades gleichmäßig verteilt vorge­ sehen und über den Umfangsrichtung ebenfalls gleichmäßig verteilt sechs Pol­ schuhe angeordnet. Es ist jedoch auch möglich mit nur zwei oder mit mehr als drei Polschuhen zu arbeiten. Es ist nur die Anzahl der Polpaare auf dem Au­ ßenumfang des Polrades der vorstehenden Bedingung entsprechend anzupassen. Wie der Erfindung zugrunde liegende Untersuchungen zeigten, verbessert sich jedoch mit zunehmender Anzahl der Polpaare das Anlaufverhalten der Turbine. Dabei nimmt bei gleicher Laufraddrehzahl die Frequenz des abgegebenen Wech­ selstromes entsprechend zu.

Claims (8)

1. Mit einem Generator vereinigte, flüssigkeitsangetriebene Turbine kleiner Leistung, insbesondere zur Stromversorgung einer elektrisch betätigbaren Wasserarmatur, deren Laufrad in einem Rohr axial zu dessen Achse gelagert ist und über den Umfang verteilt mit Magneten versehen ist, die in einem außerhalb des Rohres vorgesehenen Spulensystem bei Laufradrotation durch Induktion einen elektrischen Stromfluß erzeugen, dadurch gekennzeichnet,
daß die verteilten Magnete als rohrförmiges, mehrpolig auf dem Außenum­ fang magnetisiertes Polrad ausgebildet sind, in dessen Innenraum die Tur­ binenschaufeln des Laufrades angeordnet und verankert sind, daß ein wenig­ stens eine Düse enthaltendes Übergangsteil vorgesehen ist, das in Fließ­ richtung der Flüssigkeit dem Laufrad vorgeordnet ist, und dessen Düsen so ausgebildet und ausgerichtet sind, daß der aus der einzelnen Düse austre­ tende Flüssigkeitsstrahl auf die Schaufeln des Laufrades zumindest weit­ gehend normal zur Schaufelfläche und mit einer wesentlichen Tangential­ komponente auftrifft, daß über den das Polrad umschließenden Rohrbereich in die Rohrwandung eine gerade Anzahl von parallel zur Rohrachse verlau­ fenden, durch Spalte gegenseitig magnetisch getrennten Polschuhen inte­ griert ist, die in der Weise mit zwei magnetisch leitenden Endplatten verbunden sind, daß in Umfangsrichtung jeweils jeder zweite Polschuh an einem Ende mit der einen Endplatte und die übrigen Polschuhe jeweils an einem Ende mit der anderen Endplatte magnetisch leitend verbunden sind,
und daß die Polschuhe im Bereich zwischen den beiden Endplatten von wenig­ stens einer das Spulensystem bildenden Spule umschlossen sind und beide Endplatten über ein Rückschlußteil magnetisch verbunden sind, welches das Spulensystem zwischen sich und den Polschuhen einschließt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiteres Über­ gangsstück in Fließrichtung der Flüssigkeit dem Laufrad nachgeordnet ist, das die Austrittsöffnungen für die Flüssigkeit in ein weiterführendes Rohr enthält, und daß beide Übergangsstücke als Träger der Lager für die Lauf­ radachse dienen.

3. Anordnung nach Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Lauf­ rad aus einem sternförmigen Querschnitt aufweisenden Profilkörper besteht, der im Inneren des rohrförmigen Polrades angeordnet ist und in dessen Zen­ trum die Laufradachse vorgesehen ist.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Düsen wesentlich geringer als die Anzahl der Laufradschau­ feln ist.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet daß nur eine Düse vor­ gesehen ist.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufradschaufeln zur Optimierung des axialen Austritts der Flüssig­ keitsströmung aus dem Laufrad gekrümmt sind.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Polschuhe in nichtmagnetisches Material, vorzugsweise Kunststoff ein­ gebettet sind, insbesondere derart, daß dieses Material gegebenenfalls zu­ sammen mit den Polschuhen im Turbinenabschnitt die Innenwandung des der Flüssigkeitsführung dienenden Rohres bildet.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß jede der beiden Endplatten mit einem topfförmigen Fortsatz versehen ist, von denen der eine einen Außendurchmesser hat der nur geringfügig gerin­ ger als der Innendurchmesser des anderen ist, daß beide Fortsätze zuei­ nander weisend vorgesehen und zur Bildung des magnetischen Rückschlusses ineinander geschoben sind.