-
[Beschreibung und Einleitung des allgemeinen Gebietes der Erfindung]
-
Die vorliegende Erfindung betrifft den Aufbau, Lagerung und Anordnung eines Impellers für eine Wasserkraftanalge. Dieser kann zur Stromerzeugung durch Wasserkraft oder auch Pumpzwecken dienen. Der Impeller ist fischdurchlässig.
-
[Stand der Technik]
-
In der
DE3718954 wird eine Impelleranordnung ohne Nabe beschrieben. Diese wird aber nur als Schiffsantrieb verwendet. Eine Verwendung zur Stromerzeugung aus Wasserkraft ist nicht vorgesehen. Weiterhin hat die beschriebene Lösung den Nachteil, dass eine Fischgängigkeit nicht gewährleistet ist. Damit ist diese Lösung zur Ausnutzung der Wasserkraft nach §35 Wasserhaushaltgesetz nicht anwendbar (Gewährleistung des Schutzes der Fischpopulation).
-
Bisher werden zur Gewinnung von elektrischem Strom aus Fließgewässern meist erhebliche bauliche Maßnahmen durchgeführt, wodurch die leistungsspezifischen Investitionskosten hoch sind. Absicht dessen ist, größere Gefälle zu erreichen. Um elektrische Energie bei kleinen Gefällen zu gewinnen, werden bisher u. a. unterschlächtige Wasserräder eingesetzt. Wasserräder sind langsamläufige Kraftmaschinen (kleine Schnelllaufzahl) die eine hohe Durchmesserzahl (5) aufweisen. Die hohe Durchmesserzahl bedingt einen großen Materialeinsatz und damit hohe leistungsspezifische Investitionskosten.
-
[Aufgabe]
-
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen bzw. zu umgehen.
-
[Lösung der Aufgabe]
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Wasserkraftanlage mit nabenlosem Impeller, bei dem die Schaufeln verkürzt sind. Dadurch ergibt sich in der Rotationsachsenmitte ein durchgängiger Hohlraum, der keine mechanischen Teile aufweist und den Fische zum Durchschwimmen nutzen können. Der Hohlraum stellt eine Art Zylinder dar, der eine vieleckige bis runde Grundfläche hat. Fische, die im Schaufelbereich in den Impeller eintreten, haben genügend Zeit, um in die Rotationsachsenmitte auszuweichen. Damit wird die Fischgängigkeit gewährleistet.
-
Bei der vorliegenden Erfindung handelt es sich wie bei einer Rohrturbine um eine axial oder diagonal durchströmte Maschine (Axial- oder Diagonalmaschine). Dieser Maschinentyp ist im Gegensatz zu Wasserrädern u. ä. geeignet für kleine Gefälle, wie das Cordier-Diagramm (5) belegt. Axialmaschinen erreichen Ihre höchste Effizienz bei kleinen Durchmesserzahlen und sind somit im Zusammenhang der Kleinwasserkraft investitionskostenoptimal.
-
Das energetisch optimale Gefälle und der energetisch optimale Durchfluss in einem Fließgewässer sind in Pelz, P. F.; Upper Limit for Hydropower in an Open-Channel Flow; Journal of Hydraulic Engieneering, 137 (2011) 1536–1543 beschrieben.
-
Der Hohlraumradius ist variabel und sollte an den Fischbestand angepasst werden. Bei kleinen Fischen (bis 30 cm) sollte ein Mindestradius des Hohlraums von 20 cm eingehalten werden. Bei größeren Fischen ist der Mindestradius des Hohlraums zu vergrößern. Bei Niedrigwasser ist dafür zu sorgen, dass die verbleibende Wasserhöhe im Hohlraum der Rotationsachse ausreicht, damit Fische in beiden Richtungen durchschwimmen können. So ist bei der Auslegung der Wasserkraftanlage aufgrund des Niedrigwasserstandes, in einigen Ausführungsformen ein wesentlich größerer Radius des Hohlraums in der Rotationsachse zu wählen. Wenn beispielsweise der Impeller nur halb vom Wasser durchströmt wird, muss der halbe Teil des Hohlraums, der mit Wasser gefüllt ist, so dimensioniert sein, dass Fische durchschwimmen können.
-
Weiterhin wird bei fehlender Rechenanlage Schwemmgut durch den Hohlraum geleitet.
-
Der Impeller entspricht einer Turbine mit innenliegenden Schaufeln.
-
Die Wasserkraftanlage besteht aus einem Impeller, bei dem die Schaufeln am Außenring befestigt sind. Der Außenring weist mindestens ein Lager auf. Bevorzugt werden Axial- oder Schräglager verwendet. Beim Einsatz von zwei Schräglagern, die entgegengesetzt angeordnet sind, ist eine Produktion von elektrischer Energie durch die Wasserkraftanlage auch dann möglich, wenn sich die Richtung des Wasserstroms ändert. Die axiale Kraft der Strömung wird durch mindestens ein Schräglager aufgenommen. Beim Wechsel der Strömungsrichtung wird die axiale Kraft der Strömung durch ein anderes Lager aufgenommen.
-
Der Außenring hat einen Zahnkranz oder Zahnstangen. Der Außenring bildet mit dem Zahnkranz ein Zahnrad. Über dieses Zahnrad wird mit einem Ritzel ein Generator angetrieben. Alternativ dazu wird der Generator mittels Riementrieb oder Kettentrieb angetrieben. Eine weitere Ausführungsform sieht Magnete oder Spulen auf dem Außenring oder die Schaltung des Außenrings als Kurzschlussläufer vor. Diese bewegen sich an einer oder mehreren feststehenden Spulen oder Magneten vorbei, so dass in dem feststehenden Teil elektrische Energie abgegriffen wird. Der feststehende Teil befindet sich bevorzugt im Gehäuse. Über einen Frequenzwandler wird die notwendige Netzfrequenz bei abweichender Drehzahl der Turbine in das Netz eingespeist.
-
Die Wasserkraftanlage wird in einen Wasserlauf eingebaut. Der Wasserstand sollte bevorzugt den Hohlraum in der Rotationsachse des Impellers bei Niedrigwasser überdecken. Es ist aber nicht notwendig, dass der Impeller vollständig im Wasser läuft. Wasserstandsschwankungen sind damit für die Wasserkraftanlage unproblematisch solange der Hohlraum genügend Wasser enthält, so dass die Fische durchschwimmen können.
-
In Abhängigkeit von der Ausprägung der Schaufeln ist eine Rotation des Außenrings auch bei geringen Wasserströmungen möglich. Das Teilungsverhältnis, das ist das Verhältnis von Schaufellänge zu Schaufelabstand, die Schaufelkrümmung, der Staffelungswinkel, wird so ausgeführt, dass eine ideale Energieumsetzung stattfindet. Eine Schaufel weist eine Länge über einen Winkelbereich (im Bezug zum Außenring) auf, der sich in etwa aus 360° geteilt durch die Zahl der Schaufein ergibt. Der Anstellwinkel der Schaufel zur Strömung ist variabel, während des Betriebs verstellbar und liegt im Bereich von 0 bis 90°, bevorzugt 40 bis 80°. Bei einer nicht verstellbaren Schaufel liegt der feste Schaufelwinkel im Bereich von 0 bis 90°, bevorzugt bei 40 bis 90°. Der Anstellwinkel oder Schaufelwinkel weist keine großen Änderungen über der Länge der Schaufel auf.
-
Eine weitere Ausführungsform sieht bei den Schaufelflächen einen abgeschrägten oder abgerundeten Bereich vor, der zum Strömungseinlass gerichtet ist. Damit ist ein trichterförmiger Hohlraum einstellbar. Durch den trichterförmigen Hohlraum ist eine verbesserte Fischgängigkeit und eine geringere Neigung zu Verstopfungen durch Schwemmgut gegeben. Das hat die Folge, dass vorgeschaltete Rechen einen größeren Abstand der Rechenstäbe aufweisen können bzw. das auf Rechenanlagen ganz verzichtet werden kann.
-
Der Verzicht auf eine Rechenanlage ist ebenfalls durch die Vorschaltung einer Leiteinrichtung erreichbar.
-
Eine weitere Ausführungsform verbindet die Schaufeln im Hohlraum mit einem Innenring. Hierdurch kann eine hohle Nabe veränderlichen Querschnittsradius umgesetzt werden, wie sie in birnenförmigen Nabengeometrien bei Kaplanturbinen Anwendung findet. Weiterhin ist die Wasserkraftanlage mit einer Neigung installierbar. Der Neigungswinkel hängt von den örtlichen Gegebenheiten und von der Schaufelgestalt ab. Bei Neigungen ist darauf zu achten, dass auch hier der Hohlraum in der Rotationsachse vollständig mit Wasser gefüllt ist.
-
Die Turbine wird zur Energieerzeugung oder als Pumpe (Energieverbrauch) eingesetzt.
-
Die erfindungsgemäße Ausführung ist nachfolgend erläutert, wobei die Erfindung alle nachfolgend aufgeführten bevorzugten Ausführungsformen einzeln und in Kombination umfasst.
-
[Ausführungsbeispiele]
-
In der 1 ist eine Ansicht der Wasserkraftanlage von vorn dargestellt. Die Schaufeln 1 sind an einem Außenring 2 angebracht und bilden zusammen einen Impeller. Dieser Außenring 2 ist beweglich gelagert und dreht sich. Für diese Anlage wird ein Fundament 4 und ein Gehäuse 3 gebraucht. Durch die Drehbewegung Ω des Außenrings 2 wird gleichzeitig ein Zahnrad 5 angetrieben, das ein Kitzel 6 antreibt. Über das Ritzel 6 wird mittels einer Generatorwelle 7 ein Generator 12 angetrieben. Durch den Niedrigwasserstand bleibt nur ein Teil des Hohlraumes 8 zur Fischgängigkeit übrig.
-
In 2 ist eine Seitenansicht der Wasserkraftanlage dargestellt. Die Schaufeln 1 sind auch hier mit dem Außenring 2 verbunden. Das Gehäuse 3 steht auf dem Fundament 4. Am Außenring ist ein Zahnkranz 5 befestigt, der ein Zahnrad 6 und damit über eine Generatorwelle 7 einen Generator 12 antreibt. Die Schaufeln 1 sind so ausgeprägt, dass ein von Fischen durchschwimmbarer Hohlraum 8 gebildet wird. Der Außenring 2 ist mit dem Gehäuse 3 durch Lager verbunden. In diesem Ausführungsbeispiel wurde ein Schräglager 9 und ein Radiallager 10 eingesetzt. Das Schräglager nimmt dabei axiale und radiale Kräfte auf. Axiale Kräfte entstehen vor alter durch den Strömungswiderstand des Impellers. Die Schaufeln führen aufgrund der Strömung 14 eine Drehbewegung Ω aus. Dem Außenring kann eine Leiteinrichtung 11, 13 z. B. als Leitrad vorgeschaltet sein.
-
In diesem Beispiel füllt der Wasserstand den Hohlraum 8 vollständig aus. Der Impeller ist allerdings nicht vollständig im Wasser.
-
In 3 wird eine weitere Schaufelanordnung gezeigt. Hierbei sind die Schaufeln 1 mit dem Außenring 2 und am Innenring 16 verbunden. Je nach Anwendung kommen auch kürzere Schaufeln zum Einsatz. Bei großer Schaufellänge sind die Schaufeln je über einen Winkelbereich von 100° bis 240° geführt. Teilweise sind auch größere Umschlingungswinkel von über 720° aufgebaut. in einer Ausführung weisen nicht alle Schaufeln diesen Umschlingungswinkel auf, sondern haben unterschiedliche Umschlingungswinkel. Der Schaufelwinkel liegt im Bereich von 0° bis 90°, bevorzugt 40° bis 90° zur Strömung. Der Schaufelwinkel muss nicht über die gesamte Länge der Schaufel konstant sein. Die Schaufeln 1 sind mit einem Innenring 16 verbunden. Dieser geht über die Schaufellänge hinaus. Der Innenring 16 hat über die Schaufellänge und darüber hinaus einen veränderten Durchmesser. Zum Strömungseinlass ist der Durchmesser des Innenrings 16 geringer, als zum Strömungsauslass. In anderen Ausführungen ist der Durchmesser des Innenrings 16 beim Strömungseinlass größer oder gleich des Durchmessers beim Strömungsauslass. Im Beispiel wurde ein wellenförmiger, sinusartiger oder birnenförmiger Verlauf des Innenringdurchmessers gewählt. In anderen Ausführungen ist auch eine lineare Änderung des Durchmessers der Innenringes 16 aufgebaut. in einer weiteren Ausführung wird eine Kombination zwischen wellenförmiger und linearer Änderung des Durchmessers aufgebaut.
-
Der kleinste Durchmesser des Innenringes 16 muss so groß sein, dass Fische auch bei Niedrigwasser noch durchschwimmen können. Der Radius des Hohlraums ändert sich in diesem Beispiel mit dem Durchmesser des Innenrings 16 und verändert sich ebenfalls wellenförmig, linear oder als Kombination von wellenförmig und linear über die Schaufellänge und über die Schaufellänge hinaus. Der Außenring 2 ist mit zwei Schräglagern 9 mit dem Gehäuse verbunden.
-
In der 4 wird eine weitere Schaufelanordnung dargestellt. Hierbei sind die Schaufeln 1 mit dem Außenring 2 verbunden. Die Schaufeln 1 weisen einen zum Strömungseinlass abgerundeten Bereich 15 auf. Damit verändert sich der Radius des Hohlraumes über die Schaufellänge. Der Außenring 2 weist einen Zahnkranz 5 auf und ist über zwei, spiegelbildlich angeordnete Schräglager 9 mit dem Gehäuse verbunden.
-
Den Schaufeln 1 wird vor dem Strömungseinlass eine Leiteinrichtung in Form eines Leitrades mit den Leitschaufeln 19 vorgeschaltet. Die Leitschaufeln 19 weisen ebenfalls einen zum Strömungseinlass abgerundeten Bereich 18 auf. Damit ist es möglich, dass die Leiteinrichtung als Rechenanlage dient. Die Leitschaufeln 19 sind bevorzugt beweglich gelagert und haben einen Anstellwinkel von 10 bis 80°, bevorzugt 30 bis 60°.
-
In 6 wird eine weitere Schaufelanordnung gezeigt, wobei die Schaufeln 1 einen abgeschrägten oder abgerundeten Bereich 15 aufweisen, der zum Strömungseinlass gerichtet ist. Damit ist ein trichterförmiger Hohlraum einstellbar. Der Hohlraum hat damit einen veränderten Radius über die Schaufellänge. Die Schaufeln 1 sind auf der Seite des Strömungsauslasses mit einem abgeschrägten, abgerundeten oder geraden Bereich 17 versehen.
-
Die Schaufeln 1 sind im Hohlraum mit einem Innenring 16 verbunden. Die Schaufeln 1 sind am Außenring 2 angebracht, der durch ein oder mehrere Axial- und oder Schräglager 9 mit dem Gehäuse verbunden ist.
-
[Abbildungslegenden und Bezugszeichenliste]
-
1 Ansicht der Wasserkraftanlage von vorn
-
2 Seitenansicht der Wasserkraftanlage
-
3 Schaufelanordnung im Längsschnitt
-
4 Schaufelanordnung im Längsschnitt
-
5 Cordierdiagramm mit Maschinentypen
-
6 Schaufelanordnung im Längsschnitt
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Schaufel
- 2
- Außenring
- 3
- Gehäuse
- 4
- Fundament
- 5
- Zahnkranz
- 6
- Ritzel
- 7
- Generatorwelle
- 8
- Hohlraum
- 9
- Schräglager
- 10
- Radiallager
- 11
- Leiteinrichtung
- 12
- Generator
- 13
- Leiteinrichtung
- 14
- Strömung
- 15
- abgeschrägter oder abgerundetes Bereich in Richtung Strömungseinlass
- 16
- Innenring
- 17
- abgeschrägter oder abgerundetes Bereich in Richtung Strömungsauslass
- 18
- Leitschaufel
- 19
- abgeschrägter oder abgerundetes Bereich der Leitschaufel in Richtung Strömungseinlass
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- Pelz, P. F.; Upper Limit for Hydropower in an Open-Channel Flow; Journal of Hydraulic Engieneering, 137 (2011) 1536–1543 [0007]
