DE19632793A1 - Wasserrad - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Wasserrad für die Nutzung des Oberflächenwassers eines fließenden Gewässers.

Wasserräder, die die Energie eines fließenden Gewässers nutzen, wie beispielsweise Wasserräder für den Betrieb von Mühlen, sind im Stand der Technik bekannt. Derartige Wasserräder arbeiten nach einem solchen Wirkprinzip und sind so angeordnet, daß sie nur teilweise in ein fließendes Gewässer eintauchen, oder das Wasser über einen Kanal oberhalb des Wasserrades zugeführt wird und die entsprechende Wasserkraft von oben auf das Wasserrad übertragen wird. Im Gegensatz dazu sind im Stand der Technik Turbinenräder bekannt, die über ihre Gesamtfläche von Wasser angeströmt werden und deshalb nach einem anderen Wirkprinzip arbeiten als das Wasserrad der vorliegenden Erfindung. Derartige Turbinen sind beispielsweise zur Stromerzeugung mit Hilfe von Wasser vorgesehen, das in Fallrohren von Stauseen abgelassen wird.

Wasserräder der eingangs genannten Art weisen den Nachteil auf, daß ihr Wirkungsgrad abhängig von einer momentanen Höhe des Wasserstandes des fließenden Gewässers ist, an dem sie angeordnet sind. Aufgrund der Reibung des Wassers an seinem Flußbett stellt sich nämlich in einem fließenden Gewässer ein Geschwindigkeitsprofil mit einer von unten nach oben zunehmenden Geschwindigkeit des Wassers der einzelnen Wasserschichten des Gewässers ein. Daraus ergibt sich, daß ein Wasserrad, das tiefer als die Schichten des Oberflächenwassers in ein fließendes Gewässer eingetaucht ist, mit seinen dem Wasser ein wirksames Hindernis entgegenstellenden Wassereinfangflächen in solche Wasserschichten eintaucht, die eine geringere Geschwindigkeit aufweisen als die Schichten des Oberflächenwassers des Gewässers, und deshalb eine geringere Energieübertragung erfährt als ein Wasserrad, das nur in die Schichten des Oberflächenwassers eingetaucht ist.

Aufgabe der Erfindung ist deshalb, ein Wasserrad für die Nutzung des Oberflächenwassers eines schnell fließenden Gewässers bereitzustellen. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß das Wasserrad an seinem Umfang in Richtung stromaufwärts offene, einen Hohlraum bildende Wassereinfangflächen aufweist, und das Wasserrad in seiner Höhe verstellbar angeordnet ist.

Bei dem erfindungsgemäßen Wasserrad wird durch seine Höhenverstellbarkeit erreicht, daß es dem jeweiligen Wasserstand bzw. dem Niveau eines fließenden Gewässers angepaßt werden kann. Dabei ist vorgesehen, daß die Wassereinfangflächen, die eine Höhe von 10 bis 30 cm aufweisen können, gerade so tief in das Wasser des Gewässers eingetaucht werden, bis sie vollständig von Wasser umspült werden. Erfindungswesentlich ist dabei, daß die Wassereinfangflächen nur mit dem Oberflächenwasser des fließenden Gewässers in Berührung kommen und deshalb nicht tiefer als etwa der Betrag ihrer eigenen Höhe unter die Oberfläche des fließenden Gewässers geführt werden. Die Wassereinfangflächen sind erfindungsgemäß so ausgebildet, daß sie dem Oberflächenwasser einen maximalen Widerstand entgegensetzen und sind deshalb so ausgebildet, daß sie für das stromabwärts fließende Wasser einen offenen Hohlraum bilden, in dem sich das Wasser verfängt und damit eine entsprechende Kraft auf das Wasserrad ausübt, die einen Drehimpuls des Wasserrades bewirkt.

Das erfindungsgemäße Wasserrad weist vorzugsweise einen Durchmesser im Bereich von 40 cm bis 120 cm und hierbei vorzugsweise einen Durchmesser von um 80 cm auf. Es hat sich gezeigt, daß insbesondere Wasserräder mit einem Durchmesser von 80 cm auf der einen Seite leicht genug sind, um mit relativ einfachen Mitteln und unter Aufbringung kostengünstiger technischer Mittel in ihrer Höhe verstellbar angeordnet werden können, und auf der anderen Seite groß genug sind, um die gewünschte Leistung zu erbringen. Die Größe bzw. Höhe der Wassereinfangflächen ist dabei jeweils an die Durchmesser der Wasserräder angepaßt und beträgt im Falle des Durchmessers eines Wasserrades von 40 cm ungefähr 10 cm und im Falle des Durchmessers eines Wasserrades von 120 cm vorzugsweise 20 bis 30 cm. Je nach Größe des Wasserrades können entlang seinem Umfang 12 bis 36 Wassereinfangflächen vorgesehen sein, wobei im Fall von Wasserrädern, die einen Durchmesser von mehr als 120 cm aufweisen, auch mehr als 36 Wassereinfangflächen vorgesehen sein können.

Gemäß einer einfachen bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wasserrades sind die Wassereinfangflächen als hohlprismenförmige, im Querschnitt vorzugsweise gleichschenklig dreieckige Profile ausgebildet sind, wobei die Hohlprismakante jeweils parallel zur Oberfläche des Wassers so verläuft, daß sich das Wasser im Inneren des Hohlprismas verfängt. Diese Ausführungsform ist sowohl kostengünstig als auch effektiv.

Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wasserrades sind die Wassereinfangflächen als halbrunde zylindrische Hohlflächen ausgebildet. Dies entspricht einer einfacheren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wassereinfangflächen. Gemäß einer weniger kostengünstigen, aber gleichwohl effektiveren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wassereinfangflächen sind diese als ellipsenförmige zylindrische Hohlflächen ausgebildet. Zur Vermeidung von Verletzungen, und um den Wassereinfangflächen eine höhere Stabilität zu verleihen können die Wassereinfangflächen an ihren Rändern mit einer Abkröpfung versehen sein.

Das erfindungsgemäße Wasserrad ist vorzugsweise aus einem nichtrostenden Metall, insbesondere Leichtmetall, hergestellt. Es kann jedoch auch aus einem leichten Kunststoffmaterial, das die notwendige Härte und Stabilität aufweist, hergestellt sein. Wichtig bei der Wahl des Materials für das erfindungsgemäße Wasserrad ist insbesondere, daß es kein Wasser in sich aufnimmt und damit nicht sein Gewicht verändert, wie dies beispielsweise bei Holz der Fall wäre. Um die Kraft des Wassers möglichst verlustarm auf das Wasserrad zu übertragen, ist das erfindungsgemäße Wasserrad auf einem Kugel- oder Wälzlager gelagert.

Das erfindungsgemäße Wasserrad wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiel erläutert, das in den Figuren der Zeichnung dargestellt ist. Darin zeigt:

Fig. 1 einen Querschnitt einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wasserrades;

Fig. 2 einen Querschnitt einer ersten bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Wassereinfangfläche;

Fig. 3 einen Querschnitt einer weiteren bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Wassereinfangfläche.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Wasserrad 10 sind 12 Wassereinfangflächen 13 entlang dem Umfang 12 des Wasserrades angeordnet. Die Wassereinfangflächen 13 weisen eine Höhe von 20 cm auf, und das Wasserrad 10 hat einen Durchmesser von 80 cm.

Die Achse 11 des Wasserrades ist in einem Kugellager reibungsarm gelagert. Die Wassereinfangflächen 13 sind entsprechend ihrer einfachsten Ausführungsform halbkugelförmig gestaltet. Diese Wassereinfangflächen 13 sind im unteren Bereich des Wasserrades 10 in Richtung stromaufwärts, d. h. in die Richtung, aus der das Wasser kommt, offen und bilden einen Hohlraum, in dem sich das Wasser eines fließenden Gewässers staut und seine Bewegungsenergie an das Wasserrad abgibt, so daß sich dieses dreht. Im Bereich der Achse 11 ist ein nicht dargestellter Generator vorgesehen, der durch die Achse 11 angetrieben wird, um elektrischen Strom zu erzeugen.

Die Wassereinfangflächen 13 sind zwischen zwei im Abstand von 40 cm angeordneten Umlaufrädern angeordnet, die über jeweils zwei Speichen 16 und 17 mit der Achse 11 verbunden sind. Die beiden Umlaufräder sind über die an je einer ihrer Endseiten mit einem Umlaufrad verbundenen Wassereinfangflächen 13 miteinander verbunden. Über eine nicht dargestellte mechanische Vorrichtung wird die Achse 11 des Wasserrades entlang einem Befestigungspfeiler 18 vertikal so weit verschoben, daß die Wassereinfangflächen 13 des Wasserrades 10 im untersten Bereich des Wasserrades 10 gerade so tief in das Wasser eines fließenden Gewässers hineinragen, daß auch ihre obere Kante von Wasser umspült ist. Bei einer alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wasserrades ist der Befestigungspfeiler 18 teleskopartig ausziehbar und wird durch eine nicht dargestellte mechanische Vorrichtung in seiner Höhe je nach dem Wasserstand des fließenden Gewässers gerade so geregelt, daß die jeweils unterste Wassereinfangfläche auch an ihrer Oberkante von Wasser umspült ist. Sensoren zum Feststellen des Wasserstandes können am Ufer des Gewässers oder an den Speichen 16, 17 der Umlaufräder angeordnet sein.

Fig. 2 zeigt eine alternative Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Wassereinfangfläche 13 im Detail. Diese Wassereinfangfläche 13 besteht ebenfalls aus einem im Querschnitt halbkreisförmigen Zylinderteil, wobei an das obere und untere Ende sich eine jeweils nach außen gebogene Abkröpfung 14 anschließt, die der Wassereinfangfläche eine gegenüber der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform erhöhte Stabilität verleiht und auch als Wassereinleiteinrichtung in die Höhlung der gebogenen Wassereinfangfläche wirkt.

Die in Fig. 3 dargestellte alternative Ausführungsform einer erfindungsgemäße Wassereinfangfläche 15 ist im Querschnitt ellipsenförmig ausgebildet und besitzt die Form eines halboffenen ellipsenförmigen zylindrischen Körpers. Auch bei dieser Ausführungsform sind an den Kanten Abkröpfungen 14 vorgesehen, um die Stabilität zu erhöhen und um eine größere Wassermenge in die Höhlung der Wassereinfangfläche 15 einzuleiten.

Claims (8)

1. Wasserrad für die Nutzung des Oberflächenwassers eines fließenden Gewässers, dadurch gekennzeichnet, daß an seinem Umfang in Richtung stromaufwärts offene, einen Hohlraum bildende Wassereinfangflächen vorgesehen sind, und das Wasserrad in seiner Höhe verstellbar angeordnet ist.

2. Wasserrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Wasserrad vorzugsweise einen Durchmesser im Bereich von 40 cm bis 120 cm, vorzugsweise hierbei um 80 cm aufweist.

3. Wasserrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wassereinfangflächen als hohlprismenförmige, im Querschnitt gleichschenklig dreieckige Profile ausgebildet sind.

4. Wasserrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wassereinfangflächen als halbrunde zylindrische Hohlflächen ausgebildet sind.

5. Wasserrad nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wassereinfangflächen als ellipsenförmige zylindrische Hohlflächen ausgebildet sind.

6. Wasserrad nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wassereinfangflächen an ihren Rändern einen Abkröpfung aufweisen.

7. Wasserrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Wasserrad aus einem nicht rostenden Metall, insbesondere Leichtmetall hergestellt ist.

8. Wasserrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Wasserrad auf einem Kugel- oder Wälzlager gelagert ist.