DE3440499C2 - Vorrichtung zum Nutzbarmachen von hydromechanischer Energie - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.

Eine solche Vorrichtung ist aus der DE-PS 6 84 417 bekannt und kann u. a. eingesetzt werden, um in Mittelwasserregionen, d. h. Flüssen und Bächen geringen Gefälles, bei denen der Bau von Staumauern zur Energiegewinnung nicht möglich oder zu kostspielig ist, die hydromechanische Energie des fließenden Wassers nutzbar zu machen. Diese bekannte Vorrichtung dürfte aber einen geringen Wirkungsgrad aufweisen und im Betrieb verschleißanfällig sein. Bei ihr ist nämlich die Klappe, die das Verschwenken des Hebels bwirkt, kurz ausgebildet, wogegen die mit der Klappe gelenkig verbundene Steuerflosse, die zum Umsteuern des sich oszillierend bewegenden Hebels dient, langgestreckt ausgebildet ist. Mit dieser Ausbildung wird bei der bekannten Vorrichtung bezweckt, sicherzustellen, daß auch bei zeitweise nachlassender Strömung die Vorrichtung nicht in einer Totpunktlage stehenbleibt und dann von selbst nicht wieder in Gang kommt und daß der Hebel in seine Endstellung gedrückt und dann die Rückbewegung desselben eingeleitet wird. Durch die langgestreckte Steuerflosse soll somit möglichst in allen Stellungen der Strömung eine verhältnismäßig große Angriffsfläche geboten werden. Dadurch dürfte sich bei dem Aufbau der bekannten Vorrichtung zwar ein sicheres Umsteuern ermöglichen lassen, die auf Kosten der Länge der die eigentliche Arbeit leistenden Klappe vorgenommene Verlängerung der Steuerflosse dürfte aber mit einer erheblichen Wirkungsgradeinbuße verbunden sein. Darüber hinaus wird bei der bekannten Vorrichtung die Abwinkelung zwischen Klappe und Steuerflosse durch an einem Scharnier vorgesehene Anschläge bestimmt, und die Abwinkelung zwischen Klappe und Hebel wird durch eine zwischen dem freien Ende der Steuerflosse und dem Hebel angebrachte Kette begrenzt, wobei statt der zeichnerisch dargestellten Kette auch federnde oder feste Anschläge verwendbar sein sollen. Die Anschläge an dem Scharnier zwischen Klappe und Steuerflosse dürften großem Verschleiß ausgesetzt sein, da sie die Abwinkelungsbewegung zwischen Klappe und Steuerflosse zu stoppen haben und somit hoch belastet werden, wenn deren gemeinsame Schwenkbewegung beim Erreichen der Endstellung durch die Kette oder die diese ersetzenden Anschläge gestoppt wird. Überdies bilden die Klappe und die Steuerflosse gemeinsam ein langgestrecktes, an dem Scharnier knickbares Gebilde, das zwischen seiner Anlenkstelle an dem Hebel und seinem mit der Kette oder den dieser entsprechenden Anschlägen verbundenen Ende äußerst biegesteif ausgebildet sein muß.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art so auszubilden, daß diese bei höherem Wirkungsgrad und geringerer Verschleißanfälligkeit sicher umsteuerbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Bei der Vorrichtung nach der Erfindung ist die Klappe langgestreckt ausgebildet, d. h. wesentlich länger als die kurze Steuerflosse, und zwischen Klappe und Steuerflosse sind keine Anschläge erforderlich, um die Drehung der Klappe bezüglich des Hebels zu begrenzen. Diese Funktion übernimmt bei der Vorrichtung nach der Erfindung das nachgiebig längenveränderliche Steuerorgan, das zwischen dem freien Ende der Steuerflosse und einem Punkt an dem Hebel befestigt ist, der Abstand von dem freien Ende des Hebels aufweist. In der Mittellage von Hebel und Klappe bezüglich der Strömung gewährleistet das nachgiebig längenveränderliche Steuerorgan ein sicheres Umsteuern der Vorrichtung. Da diese somit im Vergleich zu der bekannten Vorrichtung mit kurzer Steuerflosse und ohne Anschläge an der Anlenkstelle zwischen Steuerflosse und Klappe auskommt, hat sie einen besseren Wirkungsgrad als die bekannte Vorrichtung, ist weniger verschleißanfällig und wird trotzdem sicher umgesteuert. Bei der Vorrichtung nach der Erfindung werden nämlich die Klappe und die Steuerflosse, die zunächst schräg zur Strömungsrichtung angeordnet sind, durch den Druck des fließenden Gewässers in Bewegung versetzt, wobei der Hebel diese Bewegung mitmacht und dabei die durch das fließende Gewässer erzeugte Kraft auf das Übertragungsglied überträgt und wobei dann bei Überschreiten einer bestimmten Stellung die Steuerflosse aufgrund des gespannten Steuerorgans und der Kraft des fließenden Gewässers schließlich aus einer Stellung in bezug auf die Klappe in eine andere Stellung umgeklappt wird, in der das Wasser auf die entgegengesetzten Seiten der Klappe und der Steuerflosse einwirkt, so daß sich die Bewegung in der entgegengesetzten Richtung wiederholt, wobei ebenfalls die Kraft des Gewässers über das Übertragungsglied übertragen wird.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung bilden die Gegenstände der Unteransprüche.

In der Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 6 wird in dem Schwimmkörper der Haltevorrichtung Druckluft erzeugt, mittels welcher sich ein Verbraucher antreiben läßt (z. B. ein Preßluftmotor mit nachgeschaltetem elektrischem Generator).

Die Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 8 ist vorteilhaft, wenn die Vorrichtung eine beträchtliche Baugröße hat oder bei sehr großen Strömungsgeschwindigkeiten eingesetzt wird.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Nutzbarmachen von hydromechanischer Energie in Draufsicht und

Fig. 2 die Vorrichtung nach Fig. 1 in Seitenansicht.

Die in den Fig. 1 und 2 dargestellte Vorrichtung weist zwei Schwimmkörper 10 auf, die mit Abstand voneinander durch zwei Träger 14, 14′ fest miteinander verbunden sind. Die Schwimmkörper sind in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel als Drucklufttanks ausgebildet, was weiter unten noch näher erläutert ist. An dem Träger 14′ ist ein Schwenklager 16 befestigt. Unterhalb der Schwimmkörper 10 ist eine drehbare Klappe 20 so angeordnet, daß sie sich mit einem Ende unter die Schwimmkörper erstreckt. Die Klappe 20 hat in ihrer Längsrichtung (in Fig. 1 in Draufsicht) ein strömungsgünstiges Profil. Die Klappe 20 ist als schwimmfähiger Körper ausgebildet. Am zu den Schwimmkörpern 10 entgegengesetzten Ende hat die Klappe 20 eine Anlenkstelle 26, an der eine Steuerflosse 24 schwenkbar angelenkt ist. Etwa im mitleren Teil ihrer Länge hat die Klappe 20 eine Anlenkstelle 28, an der ein Ende eines Hebels 30 angelenkt ist. Der Drehpunkt des Hebels 30 ist an dem Schwenklager 16 angelenkt. Zwischen dem freien Ende der Steuerflosse 24 und einem Punkt auf dem Hebel 30, der sich zwischen dessen anderem Ende 31 und der Anlenkstelle 16 befindet, ist ein nachgiebig längenveränderliches Steuerorgan 32 befestigt, das in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel aus einer Feder 32a und einem Seil 32b besteht.

Zwischen den Trägern 14, 14′ ist eine Kolben-Zylindervorrichtung 36 befestigt. Die Kolben-Zylindervorrichtung 36 weist einen Zylinder 36a, einen Kolben 36b und eine Kolbenstange 36c auf. An dem freien Ende der Kolbenstange 36c ist der Hebel 30 mit seinem Ende 31 drehbar angelenkt. Der Zylinderraum des Zylinders 36a ist mit einer Saugleitung 38 verbunden, die über ein auf in Fig. 1 dargestellte Weise angeordnetes Rückschlagventil 40 mit der umgebenden Atmosphäre verbindbar ist. An die Saugleitung 38 ist eine Druckleitung 42 angeschlossen, die über ein auf in Fig. 1 dargestellte Weise angeordnetes Rückschlagventil 44 mit dem Inneren der Schwimmkörper 10 verbindbar ist. Das Innere der Schwimmkörper 10 ist über eine Ausgangsleitung 46 mit einem Verbraucher 48 verbindbar, bei welchem es sich in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel um einen Preßluftmotor mit nachgeschaltetem Elektrogenerator handeln kann.

Gemäß der Darstellung in Fig. 2 ist die gesamte Vorrichtung im Betrieb in strömendem Wasser angeordnet, dessen Spiegel in Fig. 2 mit W bezeichnet ist. Die als Drucklufttanks ausgebildeten Schwimmkörper 10 schwimmen auf dem Wasser, wie dargestellt, und die Klappe 20 hat einen derartigen Auftrieb, daß sie unter dem Wasserspiegel W schwebt. Gemäß der Darstellung in Fig. 1 wird die gesamte Vorrichtung mittels vier Spannseilen 12, die beispielsweise am Ufer verankert sind, an geeigneter Stelle im strömenden Wasser festgehalten. Die Strömungsrichtung des Wassers ist in den Zeichnungen mit S bezeichnet.

Die Vorrichtung arbeitet folgendermaßen:

In Fig. 1 sind mit ausgezogenen Linien die Klappe 20, die Steuerflosse 24 und der Hebel 30 in einer möglichen Ausgangsstellung dargestellt, in der die Klappe 20 schräg zur Strömungsrichtung S und die Steuerflosse 24 schräg zur Klappe 20 angeordnet ist. Der Hebel 30 ist mit zwei Anschlägen 33, 34 für die Klappe 20 versehen. In der mit ausgezogenen Linien dargestellten Ausgangsstellung liegt die Klappe 20 an dem Anschlag 33 an. Das in der Strömungsrichtung S fließende Wasser drückt gegen die Klappe 20 und gegen die Steuerflosse 24, so daß diese sich in Fig. 1 im Gegenuhrzeigersinn zu bewegen beginnen. Der in der Ausgangsstellung zwischen der Klappe 20 und dem Hebel 30 vorhandene Winkel β bleibt bei der Bwegung im Gegenuhrzeigersinn bis nach dem Passieren einer Mittellinie M gleich. Die Anordnung aus der Klappe 20, der Steuerflosse 24 und dem Hebel 30 erreicht nach dem Passieren der Mittellinie M eine in Fig. 1 mit strichpunktierten Linien dargestellte Stellung, in der das Ende 31 des Hebels 30 den Kolben 36b so weit verschoben hat, daß er an der Stirnwand des Zylinders 36a anliegt und eine weitere Drehbewegung des Hebels 30 im Gegenuhrzeigersinn um das Schwenklager 16 verhindert. In der strichpunktierten Stellung, in der die Klappe 20 zur Strömungsrichtung S im wesentlichen parallel ist, wirkt der Druck des strömenden Wassers praktisch nur noch auf die Steuerflosse 24 ein. Die Steuerflosse 24 nimmt die Klappe 20 nun im Gegenuhrzeigersinn mit, so daß sich die Klappe 20 von dem Anschlag 33 entfernt. Dabei wird der zwischen der Klappe 20 und der Steuerflosse 24 an der Anlenkstelle 26 eingeschlossene Winkel größer, weil die zunehmende Kraft, die die Steuerflosse 24 auf das Seil 32b ausübt, die Feder 32a dehnt. Die Steuerflosse 24 erreicht bei ihrer gemeinsamen Bewegung mit der Klappe 20 im Gegenuhrzeigersinn schließlich eine Stellung (nicht dargestellt), in der sie sich in der Längsmittelachse L der Klappe 20 befindet. In dieser nicht dargestellten Stellung, die sich in Fig. 1 zwischen der strichpunktiert und der gestrichelt dargestellten Stellung befindet, erstreckt sich das Seil 32b von seinem Befestigungspunkt an dem Hebel 30 aus gerade über die Anlenkstelle 28 und die Anlenkstelle 26. In dieser Stellung wird die Klappe 20 in Fig. 1 auf der rechten Seite durch das Wasser angeströmt, so daß auf die Klappe 20 eine Kraft einwirkt, die sie in Fig. 1 im Gegenuhrzeigersinn um die Anlenkstelle 28 zu drehen versucht. Diese Kraft bewirkt, daß die Steuerflosse 24 um die Anlenkstelle 26 in die Stellung klappt, in der sie in Fig. 1 mit gestrichelten Linien dargestellt ist, wobei in der gestrichelten Stellung gleichzeitig die Klappe 20 an dem linken Anschlag 34 anliegt. Aus der gestrichelt dargestellten Stellung bewegen sich dann die Klappe 20, die Steuerflosse 24 und der Hebel 30 sowie das Seil 32b mit der Feder 32a auf die zuvor beschriebene Weise im Uhrzeigersinn zurück. Bei dieser Zurückbewegung im Uhrzeigersinn bewegt sich der Kolben 36b in dem Zylinder 36a wieder nach rechts, bis er schließlich die mit ausgezogenen Linien dargestellte Anschlagstellung erreicht, in der sich die Klappe 20, die Steuerflosse 24, der Hebel 30 und das Steuerorgan 32 wieder in der mit ausgezogenen Linien dargestellten Stellung befinden, so daß ein neues Arbeitsspiel beginnen kann.

Bei der Zurückbewegung aus der mit gestrichelten Linien dargestellten Stellung saugt der Kolben über die Saugleitung 38 und das sich öffnende Rückschlagventil 40 Umgebungsluft in den Zylinder ein. Bei der Bewegung aus der mit ausgezogenen Linien dargestellten Stellung im Gegenuhrzeigersinn wird diese Luft aus dem Zylinder über die Druckleitung 42 und das sich öffnende Rückschlagventil 44 in das Innere der Schwimmkörper 10 ausgeschoben. Mit fortschreitender Anzahl der Arbeitsspiele wird die Luft in den Schwimmkörpern 10 zunehmend komprimiert, so daß sie schließlich über die Ausgangsleitung 46 an den Verbraucher 48 abgegeben werden kann.

Bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel ist das Steuerorgan ein Seil mit einer Feder.

Stattdessen kann als Steuerorgan auch ein Steuerdruckluftzylinder benutzt werden, in welchem die komprimierte Luft die Feder 32a ersetzt. Der Steuerdruckluftzylinder könnte zusätzlich mit dem Inneren der Schwimmkörper 10 so verbunden sein, daß sich über den Druck im Innern der Schwimmkörper 10 die Stellung der Steuerklappe 24 beeinflussen läßt. Das wäre beispielsweise von Vorteil, wenn die Vorrichtung in dem Fall, daß der Verbraucher keine Energie entnimmt, stillgesetzt werden soll. In diesem Fall würde der Steuerdruckluftzylinder 32 durch den Druck im Innern der Schwimmkörper 10 seine Kolbenstange so weit ausfahren, daß die Steuerflosse 24 in eine Stellung gelangt, in der sie in der Längsachse L der Klappe 20 angeordnet ist. Die Klappe 20 würde dann noch eine restliche Bewegung ausführen können, bis sie in der Strömungsrichtung S ausgerichtet ist, womit die Vorrichtung stillgesetzt wäre.

Die Klappe 20 und die Steuerflosse 24 werden zweckmäßig aus korrosionsbeständigem Werkstoff (Aluminium, Kunststoff, Holz od. dgl.) hergestellt.

Wenn die Vorrichtung eine beträchtliche Baugröße hat, können sich in der Fig. 1 strichpunktiert dargestellten Stellung an der Klappe 20 in dem Bereich oberhalb der Anlenkstelle 28 so große Kräfte ergeben, daß das weitere Drehen der Klappe 20 erschwert wird. Deshalb ist in diesem Fall die Klappe 20 in ihrem Bereich oberhalb der Anlenkstelle 28 mit einer Öffnung versehen, in der eine jalousieartige Anordnung aus schwenkbaren Lamellen vorgesehen ist. Diese Lamellen sind in der in Fig. 1 mit ausgezogenen Linien dargestellten Stellung geschlossen und bleiben bis in die strichpunktiert dargestellte Stellung der Klappe 20 geschlossen. Sobald die Klappe 20 sich über die strichpunktierte Stellung hinaus weiterbewegt, werden die Lamellen selbsttätig geöffnet. Die Drehachsen der Lamellen sind jeweils zur Strömungsrichtung S rechtwinklig. Die Verwendung der Lamellen kann auch bei sehr großen Strömungsgeschwindigkeiten zweckmäßig sein.

Statt der gesonderten Steuerflosse 24, die bei 26 an der Klappe 20 angelenkt ist, kann auch eine Steuerflosse an der Klappe direkt angeformt und die Klappe in sich elastisch biegsam ausgebildet sein, so daß in diesem Fall die Klappe mit der integrierten Steuerflosse das Verhalten einer Blattfeder hat.

Claims (8)

1. Vorrichtung zum Nutzbarmachen von hydromechanischer Energie, mit einer in fließendem Gewässer verankerbaren Haltevorrichtung (10, 12, 14, 14′), mit einem an der Haltevorrichtung drehbar angelenkten Hebel (30), mit einer Klappe (20), die an einem freien Ende (28) des Hebels (30) drehbar angelenkt ist, mit einer Steuerflosse (24), die an einem Ende (26) der Klappe (20) angelenkt ist, mit einem an den Hebel (30) angeschlossenen Übertragungsglied (36) für Kräfte, die an dem sich oszillierend bewegenden Hebel (30) durch das fließende Gewässer periodisch erzeugt werden, und mit die Drehung der Klappe (20) bezüglich des Hebels (30) begrenzenden Anschlägen (33, 34) dadurch gekennzeichnet, daß die Klappe (20) langgestreckt ausgebildet und an einer Stelle (28) zwischen ihren Enden an dem freien Ende (28) des Hebels (30) angelenkt ist und daß ein unter Krafteinwirkung nachgiebig längenveränderliches Steuerorgan (32) zwischen dem freien Ende der Steuerflosse (24) und einem einen Abstand von dem freien Ende (28) des Hebels (30) aufweisenden Punkt an dem Hebel (30) befestigt ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerorgan (32) aus einem Seil (32b) und einer Feder (32a) besteht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerorgan (32) einen Steuerdruckluftzylinder aufweist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Haltevorrichtung (10, 12, 14, 14′) schwimmfähig ausgebildet ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Klappe (20) einen Auftrieb hat, der ihrer Wasserverdrängung entspricht.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Haltevorrichtung aus wenigstens einem Schwimmkörper (10) besteht, der als Drucklufttank ausgebildet ist, und daß das Übertragungsglied (36) eine mit dem Drucklufttank verbundene Kolben-Zylindervorrichtung ist, mittels welcher Umgebungsluft in den Drucklufttank pumpbar ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerflosse (24) an der Klappe (20) angeformt und die Klappe (20) in sich elastisch biegsam ausgebildet ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Klappe (20) in dem Bereich oberhalb ihrer Anlenkstelle (28) an dem Hebel (30) mit einer Öffnung versehen ist, in der eine jalousieartige Schwenklamellenanordnung vorgesehen ist.