DE19932005A1

DE19932005A1 - Strömungsmaschine zur Verwendung als Unterwasserkraftwerk

Info

Publication number: DE19932005A1
Application number: DE19932005A
Authority: DE
Inventors: Karl Stern
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-07-02
Filing date: 1999-07-02
Publication date: 2001-01-18

Description

Strömungsmaschinen sind als Wasser- und Windräder in der Geschichte schon sehr lange zur Entlastung der menschlichen und tierischen Arbeit bekannt.

Während Windräder in moderner Ausführung eine Renaissance erfuhren, beschränkt sich die Nutzung der kinetischen Energie des Wassers auf große Turbinenanlagen in Verbindung mit Speicherkraftwerken.

Bei den Wasserturbinen wird unterschieden zwischen Freistrahlturbinen, deren Laufräder von einzelnen Wasserstrahlen teilbeaufschlagt werden und in vollbeaufschlagte Turbinen, die vollständig unter Wasser arbeiten. In Wasserkraftanlagen finden je nach Drehzahlkenngröße Peltonturbinen (Hochdruckanlage im Gebirge), Francisturbinen (Mitteldruckanlage an einer Talsperre) oder Kaplanturbinen (Niederdruckanlage am Flußstauwehr) Anwendung. Die Einsatzbereiche werden durch die nutzbare Fallhöhe, den Wasservolumenstrom und die Wellenleistung bestimmt.

Ähnlich ist es bei den Gezeitenkraftwerken, die als sogenannte Flutkraftwerke den Unterschied des Wasserstandes bei Ebbe und Flut ausnutzen (DE 80 05 619, DE 42 44 104 A1, DE 33 43 955 A1).

In den 90iger Jahren wurden auch einige Unterwasserkraftwerke zum Patent angemeldet (DE 197 03 565 A1, DE 39 17 947 C2 und DE 44 23 278 A1).

So wird in der DE 44 23 278 A1 ein Unterwasserkraftwerk mit einem um eine senkrechte Laufachse rotierenden, horizontal angeströmten, Schaufeln aufweisenden Laufrad, welches in einer Turbinenkammer angeordnet ist, die zumindest einen Wassereinlaß und einen Wasserauslaß hat, beschrieben. Diese Konstruktion ist technisch aufwendig.

Die anderen Erfindungen betreffen Turbinen mit in Strömungsrichtung verlaufenden Laufradachsen.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Wellenbewegung und Strömungsgeschwindigkeit für die Energieerzeugung durch unter Wasser arbeitende Turbinen nutzbar zu machen, wobei auf das Prinzip der Peltonturbine zurückgegriffen werden soll.

Gelöst wird diese Aufgabe mit den kennzeichnenden Merkmalen des 1. Anspruchs, vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die erfindungsgemäße Strömungskraftmaschine zum Antrieb von Generatoren zur Erzeugung von Elektroenergie, bei der ein Rotor durch ein Laufrad mit Schaufeln am Umfang angetrieben wird, wobei die Laufradachse quer zur Strömungsrichtung des Gewässers angeordnet ist und die so ausgebildete Turbine vollständig unter Wasser arbeitet, sieht vor, daß die am Umfang des Laufrades angeordneten Schaufeln in einen starren, mit dem Laufrad verbundenen Schaufelteil und jeweils einem am äußeren Umfang der Schaufelteile angeordneten, vom Rotor weg nach außen begrenzt schwenkbaren Schaufelteil unterteilt sind, das nach außen Ausschwenken der Schaufelteile jeweils im Verlauf der Bewegung in Strömungsrichtung aus einer Lage, bei der die schwenkbaren Schaufelteile mindestens teilweise auf den fest angeordneten Schaufelteilen aufliegen, heraus erfolgt bis in eine Position des größten Strömungswiderstandes, und bei einer Bewegung entgegen der Strömungsrichtung die Schaufelteile eine im wesentlichen parallele Lage zu den Strömungslinien einnehmen.

Durch diese Anordnung wird gewährleistet, daß die Strömungsenergie optimal über die ausgeschwenkten Schaufelteile in eine Drehbewegung des Laufrades umgesetzt wird und die Rückführung der Schaufelräder in die Arbeitsposition bei geringstem Strömungswiderstand erfolgt.

In einer bevorzugten Ausführung sind die fest mit dem Schaufelrad verbundenen Schaufelteile als Rahmen, der in sich offen ist, ausgeführt.

Um das Ausschwenken der Schaufelteile ebenfalls durch die Strömung zu bewirken, sieht die Erfindung vor, daß die fest mit dem Laufrad verbundenen Schaufelteile in Drehrichtung unter einem stumpfen Winkel, vorzugsweise 130-150°, abgewinkelt sind und der äußere abgewinkelte Abschnitt des feststehenden Schaufelteils als Auflage für das jeweilige eingeschwenkte Schaufelteil dient, bevor dieses vom Rotor weg nach außen ausschwenkt. Der sich nicht auf dem feststehenden Schaufelteil abstützende Teil des schwenkbaren Schaufelteils bietet ausreichend Angriffsfläche für das strömende Wasser, um im Verlaufe der Bewegung der Schaufeln in Strömungsrichtung das schwenkbare Schaufelteil auszuklappen, so den Strömungswiderstand der Schaufel zu erhöhen und Strömungsenergie in Drehbewegung zu übertragen. Der Schwenkwinkel beträgt in einer bevorzugten Ausführung 100-120°.

Eine weitere Optimierung der Energieübertragung wird erreicht, indem die schwenkbaren Schaufelteile breiter ausgeführt sind als die fest mit dem Laufrad verbundenen Schaufelteile, wobei die schwenkbaren Schaufelteile in einer bevorzugten Ausführung eine Fischschwanzform aufweisen und mit einer welligen Rippe außen in Schaufellängsrichtung versehen sind.

In einer bevorzugten Ausführung ist vorgesehen, daß der Rotor mit einem oder mehreren Laufrädern und Stator auf einem unter Wasser verfahrbaren Gerüst angeordnet sind, und/oder mehrere nebeneinander und quer zur Strömungsrichtung angeordnete Rotoren mit Gerüsten vorgesehen sind. Dadurch ist es möglich, vorhandene Gewässerbreiten optimal auszunutzen und zu Wartungszwecken die Gerüste mit den Rotoren aus dem Wasser heraus zu fahren. Es versteht sich, daß dazu ein entsprechend befahrbarer Gewässeruntergrund hergestellt werden muß.

Weiterhin sieht die Erfindung vor, daß in Strömungsrichtung vor dem oder den Gerüsten mit den Rotoren eine dammförmige Strömungsleiteinrichtung vorgelagert ist, die die Strömung auf die schwenkbaren Schaufelteile lenkt. Auch das erhöht die Energieausbeute.

Die Erfindung soll Anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 die Strömungskraftmaschine,

Fig. 2 nebeneinander angeordnete Strömungsmaschinen,

Fig. 3 ein schwenkbares Schaufelradteil,

Fig. 4 ein feststehendes, abgewinkeltes Schaufelradteil und

Fig. 5 eine Kraftübertragung auf das Laufrad.

In Fig. 1 ist die Strömungskraftmaschine in arbeitender Position unter Wasser dargestellt. Laufrad 1 mit den feststehenden Schaufelteilen 4 und den ausschwenkbaren Schaufelteilen 6 dreht sich in Drehrichtung. Das Laufrad 1 ist mit dem Rotor 5 verbunden und treibt diesen an. Der Rotor 5 und das Laufrad 1 sind auf einem fahrbaren Gerüst 7 mit Fahrwerk 8 gelagert. Das Fahrwerk steht auf einer in Strömungsrichtung geneigten Plattform 11 und ist hier mit einer Fixiereinrichtung 10 befestigt. Das fest mit dem Laufrad 1 verbundene Schaufelteil 4 ist unter einem Winkel von 130-150° in Drehrichtung abgewinkelt. Auf dem abgewinkelten Abschnitt des feststehenden Schaufelteils 4 stützt sich das nicht ausgeschwenkte Schaufelteil 6 zeitweise ab, wobei nach dem Wechsel der Bewegung des Schaufelradteiles 6 aus der Bewegung gegen die Strömungsrichtung in Strömungsrichtung die Rückseite des ausschwenkbaren Schaufelradteiles für eine kurze Zeit einen Strömungswiderstand zum Antrieb des Laufrades liefert. Wird ein bestimmter Punkt in Drehrichtung überschritten, reicht der Teil des ausschwenkbaren Schaufelteils 6, der sich nicht auf dem Schaufelteil 4 abstützt, aus, um eine ausreichende Angriffsfläche für das strömende Wasser zu bieten, um im Verlaufe der Bewegung der Schaufel in Strömungsrichtung das schwenkbare Schaufelteil ö auszuschwenken, so daß sich der Strömungswiderstand der Schaufel sprunghaft erhöht und Strömungsenergie in Drehbewegung überträgt.

Da mehrere Schaufeln am Umfang des Laufrades 1 angeordnet sind, stellt sich bei nahezu gleichbleibender Strömung eine konstante Umlaufgeschwindigkeit des Laufrades 1 ein.

Zur Optimierung der Strömung und damit der Energiegewinnung ist vor dem Gerüst 7 eine dammförmige Strömungsleiteinrichtung 2 vorgelagert, die die Strömung auf die Schaufel teile 6 lenkt.

Fig. 2 zeigt eine Batterie nebeneinander angeordneter Strömungsmaschinen bei der jeweils ein Rotor 5 mit Laufrad 1 auf einem Gerüst 7, das fahrbar ist, angeordnet ist. Die Anordnung der Batterie erfolgt quer zur Strömungsrichtung.

Die Teile einer Schaufel sind in Fig. 3 und 4 dargestellt. Fig. 3 zeigt das ausschwenkbare Schaufelteil 6 und Fig. 4 das als Rahmen ausgebildete, fest mit dem Laufrad verbundene Schaufelradteil 4. Das fest mit dem Laufrad verbundene Schaufelteil 4 ist in einem stumpfen Winkel von 130-150° abgewinkelt, wobei der äußere abgewinkelte Abschnitt des Schaufelteils 4 als Auflage für Teile des Schaufelteils 6 dient, bevor sie ausschwenken. Das ausschwenkbare Schaufelteil 6 weist eine Fischschwanzform auf und ist außen mit einer welligen Rippe 13 versehen.

Fig. 5 zeigt die Kraftübertragung auf das Laufrad, wobei etwa bei Punkt A das Ausschwenken des ausschwenkbaren Schaufelteils 6 erfolgt. Auf dem Weg von A bis kurz vor B wird eine Kraft von der Schaufel auf das Laufrad in Drehrichtung übertragen. Bei B hat das ausschwenkbare Schaufelteil 6 eine parallele Stellung zu den Strömungslinien eingenommen und behält diese bei bis etwa zum Erreichen des Punktes C. Kurz nach Verlassen des Punktes C legt sich das schwenkbare Schaufelteil 6 an den äußeren abgewinkelten Teil des Schaufelteils 4 an. Die Rückseite des Schaufelteils 6 bildet jetzt einen Teil des Strömungswiderstandes und bewirkt so mit eine Drehung des Laufrades 1 in Drehrichtung. Mit dem Erreichen des Punktes A schwenkt das Schaufelteil 6 dann wieder nach außen aus.

Claims

1. Strömungskraftmaschine zum Antrieb von Generatoren zur Erzeugung von Elektroenergie, bei der ein Rotor durch ein Laufrad mit Schaufeln am Umfang angetrieben wird, wobei die Laufradachse quer zur Strömungsrichtung des Gewässers angeordnet ist und die so ausgebildete Turbine vollständig unter Wasser arbeitet, dadurch gekennzeichnet, daß die am Umfang des Laufrades (1) angeordneten Schaufeln (3) in einen starren, mit dem Laufrad (1) verbundenen Schaufelteil (4) und jeweils einem am äußeren Umfang der Schaufelteile (4) angeordneten, vom Rotor (5) weg nach außen begrenzt schwenkbaren Schaufelteil (6) unterteilt sind, das nach außen Ausschwenken der Schaufelteile (6) jeweils im Verlauf der Bewegung in Strömungsrichtung aus einer Lage, bei der die Schaufelteile (6) teilweise auf den Schaufelteilen (4) aufliegen, heraus erfolgt bis in eine Position des größten Strömungswiderstandes, und bei einer Bewegung entgegen der Strömungsrichtung die Schaufelteile (6) eine im wesentlichen parallele Lage zu den Strömungslinien einnehmen.

2. Strömungskraftmaschinen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufelteile (4) als Rahmen und innerhalb der Rahmen offen ausgeführt sind.

3. Strömungskraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufelteile (4) in Drehrichtung unter einem stumpfen Winkel abgewinkelt sind und der äußere abgewinkelte Abschnitt des Schaufelteils (4) als Auflage für das jeweilige Schaufelteil (6) dient, bevor dieses vom Rotor weg nach außen ausschwenkt.

4. Strömungskraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der stumpfe Winkel innerhalb des Schaufelteiles (4) 130-150° beträgt.

5. Strömungskraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere abgewinkelte Abschnitt des Schaufelteils (4) und das voll ausgeschwenkte Schaufelteil (6) einen Winkel von 100-120° bilden.

6. Strömungskraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufelteile (6) breiter ausgeführt sind als die Schaufelteile (4).

7. Strömungskraftmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufelteile (6) eine Fischschwanzform aufweisen.

8. Strömungskraftmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufelteile (6) außen eine wellige Rippe (13) in Schaufelteillängsrichtung aufweisen.

9. Strömungskraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (5) mit Laufrad (1) und Stator auf einem unter Wasser verfahrbaren Gerüst (7) angeordnet sind.

10. Strömungskraftmaschine nach Anspruch 1 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Rotoren (5) und Gerüste (7) nebeneinander und quer zur Strömungsrichtung angeordnet sind.

11. Strömungskraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Laufräder (1) auf einem Rotor (5) angeordnet sind.

12. Strömungskraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Strömungsrichtung vor den Gerüsten (7) mit Rotoren (5) eine dammförmige Strömungsleiteinrichtung (2) vorgelagert ist, die die Strömung auf die Schaufelteile (6) lenkt.