DE4139134C2 - Wasserkraftschnecke zur Energieumwandlung - Google Patents

Description

Die Erfindung ist in der Energietechnik anzuwenden, insbe­ sondere zur Wasserkraftnutzung in kleinen Anlagen. Kleine Wasserkräfte mit niedriger Fallhöhe und geringer Wasser­ führung eignen sich nicht zum Betrieb von Turbinen. In diesem Bereich werden nach wie vor Wasserräder eingesetzt, die eine Jahrtausende lange Tradition haben und auch heute nicht als Repräsentanten einer veralteten Technologie an­ zusehen sind. Nachteilig sind die individuelle Einzelfer­ tigung zur optimalen Ausnutzung der vorgefundenen Fall­ höhe und Abflußverhältnisse sowie die fehlende Anpassungs­ möglichkeit an wechselnde Wasserstände im Ober- und Unter­ wasser. Die abzugebende Leistung kann nicht geregelt werden.

Diese Nachteile lassen sich vermeiden, wenn man an Stelle der Wasserräder Wasserkraftschnecken verwendet, denen am oberen Ende Wasser zugeführt wird, das sich unter Einwir­ kung der Schwerkraft in der Schnecke abwärts bewegt, diese dadurch in Drehung versetzt und so die Energie der Lage in Bewegungsenergie umwandelt. Dieser Vorschlag ist in der Praxis noch niemals ausgeführt worden. In seiner "Allge­ meinen Maschinenlehre" (C. A. Schwetschke und Sohn, Braun­ schweig, 1875) schreibt jedoch Professor Dr. Moritz Christian Rühlmann in Fußnote 2) auf Seite 316 : "Navier er­ wähnt (in Belidors Arch.hydraul., P.454) die sogenannte Ar­ chimedische Schraube als Wasserrad, wobei deren Achse (ge­ rade so, wie man sie gewöhnlich als Schöpfmaschine verwendet) geneigt ist, indessen wird dabei von einer wirklichen Ver­ wendung nichts berichtet. Eine solche Schraube als Recepteur für bewegtes Wasser ist zwar nicht schlecht zu nennen, dürf­ te jedoch ziemlich unter allen Umständen vorteilhafter durch Wasserräder zu ersetzen sein. Dagegen schreibt Navier a.a.O. : "und es ist wahrscheinlich, daß man, von Schwierigkei­ ten der Anlage und der Konstruktion abgesehen, in der Praxis ein mindestens ebenso vorteilhaftes Resultat erhalten würde, wie mit jedem anderen Wasserrad". Anzumerken ist, daß Navier die ursprüngliche Form der Schnecke des Archimedes im Auge hatte, wie sie von Vitruvius in seinen "10 Büchern über Ar­ chitektur" beschrieben worden ist. Diese Schnecke ist von einem mit ihr umlaufenden Mantel umgeben. Dessen ungeachtet ist die theoretische Möglichkeit zur Anwendung der Schnecke als Wasserrad als Stand der Technik anzusehen.

Aufgabe der Erfindung ist es, die beschriebenen Nachteile bei herkömmlichen Wasserrädern zu vermeiden, die Schwierig­ keiten in Konstruktion und Anlage im Vorschlag von Navier zu überwinden und eine Leistungsregelung vorzuschlagen.

Die Schwierigkeiten werden dadurch vermieden, daß die von Navier gedachte, geschlossene Schnecke durch eine Wasser­ kraftschnecke ersetzt wird, die in Aussehen und Ausführung gleich den aus der Abwassertechnik bekannten Wasserförder­ schnecken mit feststehendem, oben offenem Trog, in dem sich die Schnecke dreht, gestaltet wird. Der Anlagenbau und die Konstruktion dieser Schnecken werden von den Herstellern beherrscht und z. B. in DIN 1184, Teil 4 sowie im Buch "Wasserförderschnecken" von Nagel/Radlik (Bauverlag Wies­ baden, 1988) ausführlich beschrieben.

Der Nachteil der Einzelfertigung zur Anpassung an von Ort zu Ort verschiedene Bedingungen entfällt dadurch, daß im Gegensatz zu herkömmlichen Wasserrädern bei Wasserkraft­ schnecken kein Zusammenhang zwischen Fallhöhe und Durch­ messer besteht, obwohl die Schnecke keine Strömumgsmaschine ist. Der Schneckendurchmesser hängt nur vom Wasserdargebot ab. Die Übereinstimmung mit Wasserförderschnecken ermöglicht die Auswahl unter Normteilen der Hersteller. Zur optimalen Nutzung der Fallhöhe kann die Schneckenlänge bis zur Festigkeitsgrenze stufenlos ge­ wählt werden. Beide Größen können außerdem durch die Wahl des Aufstel­ lungswinkels beeinflußt werden. Gegenüber der geschlossenen Schnecke bei Navier ist die Wasserkraftschnecke mit offenem Trog mindestens ebenso unempfindlich gegen Verstopfungen gegen vom Wasser mitgeführte Feststoffe wie ein herkömmliches Wasserrad.

Fig. 1 zeigt eine derartige Wasserkraftschnecke. Der Schneckenkörper 1 wird von dem unteren Lager 4 und dem oberen Lager 5 getragen und von dem Trog 2 umschlossen. Vom Oberwasserspiegel 8 fließt Wasser durch den Trog. 2 zum Unterwasserspiegel 9. Es wird durch die Schneckengänge in einzelne Gangfüllungen unterteilt, die vom Trog und je 2 Gängen begrenzt werden, ,unter Einwirkung der Schwerkraft im Trog abwärts gleiten und dabei eine Schubkraft auf die Gänge ausüben, welche die Schnecke in Drehung versetzt. Das Übersetzungsgetriebe 6 wandelt die niedrige Drehzahl der Schnecke in eine für den Generator 7 geeignete höhere Drehzahl.

Da das entstehende Drehmoment vom Gewicht der Gangfüllungen abhängt, wird zur Regelung des Drehmoments und der Leistung der Inhalt der Gang­ füllung verändert. Die technischen Mittel zur Änderung der Gangfüllung sind nicht Gegenstand der Erfindung. Die Zulaufhöhe kann mit bekannten Mitteln gesteuert werden, z. B. durch eine Klappe 3 oder ein Schütz im Zulauf oder auch durch ein höhenveränderliches Wehr im Freischuß. Da das Drehmoment bei allen Drehzahlen gleich ist, kann durch Drehzahlän­ derung eine zusätzliche Leistungsregelung bewirkt werden. Dabei wird die gleichbleibende oder veränderliche Drehzahl weniger durch die Schnecke als durch die angetriebene Arbeitsmaschine bestimmt. Ein Dreh­ strom-Asynchrongenerator z. B. gibt - unter Vernachlässigung des Schlupfs - eine gleichbleibende Drehzahl vor, die sich aus Polzahl und Netzfrequenz ergibt. Diese Drehzahl kann bei Schwachlast durch Polumschaltung oder auch durch einen Regeltrieb, der das Übersetzungs­ verhältnis herabsetzt, verringert, werden, um trotz geringerer Leistung das volle Regelvolumen der Gangfüllung auszunutzen.

Dagegen ändert sich die Leistungsaufnahme z. B. einer Kreiselpumpe bei unverändertem System mit der 2. bezw. 3. Potenz ihrer Drehzahl und kann zusätzlich durch Systemänderungen beeinflußt werden. Die Drehzahl wird in diesem Fall erst konstant, wenn Kraft- und Lastmoment übereinstimmen.

Wenn der Oberwasserspiegel 9 so weit gesunken ist, daß das Gefälle nicht mehr ausreicht, um der Schnecke genügend Wasser zuzuleiten, z. B. beim Absenken eines Speichers (Mühlteichs), kann das Treibwasser durch absperrbare Leitungen oder Kanäle der Schnecke unterhalb des oberen Trogendes zugeführt werden. Fig. 2 zeigt die Leitung 10 und die Absperrvorrichtung 11.

Auch Veränderungen auf der Unterwasserseite sind zu beachten. Wenn der Unterwasserspiegel über die Auslaufhöhe am unteren Trogende ansteigt, z. B. durch Rückstau im Ablauf, so entsteht ein Leistungsver­ lust durch das Herumwirbeln der in das Unterwasser eingetauchten Schneckengänge. Zur Abhilfe schlägt die Erfindung vor, die mit Trog, Lagern, Getriebe und Arbeitsmaschine zu einer kompakten Einheit zusammengebaute Schnecke durch Schwenkung, Hebung, Senkung und Ver­ schiebung an wechselnde Ober- und Unterwasserstände anzupassen. Ein Beispiel ist in Fig. 3 und Fig. 4 dargestellt. Fig. 3 zeigt eine Schnecke, die einer großen Höhendifferenz H zwischen Ober- und Unterwasserspiegel durch einen großen Aufstellwinkel mit den Höhenmaßen h1 und h2 angepaßt ist. Ein Gelenkanschluß 12 läßt eine Veränderung des Winkels gegen die Zulaufleitung 10 und das Abschluß­ wehr 13 zu. Wird die Höhendifferenz H kleiner, so wird das Höhenmaß h1 um den Betrag x kleiner und das Maß h2 um den Betrag y größer, wie in Fig. 4 zu erkennen ist. Der Verlust an Fallhöhe bei Verringe­ rung der Höhendifferenz H wird zum Teil durch die Erhöhung des Schluckvermögens bei flacherem Aufstellwinkel ausgeglichen.

Claims (3)

1. Wasserkraftschnecke zur Energieumwandlung, in Aus­ sehen und Ausführung gleich einer aus der Abwassertech­ nik bekannten Wasserförderschnecke mit oben offenem,. nicht drehendem Trog, in dem sich die ein- oder mehr­ gängige Schnecke dreht, der am oberen Ende Wasser zuge­ führt wird, das sich unter Einwirkung der Schwerkraft in der Schnecke abwärts bewegt, diese dadurch in Drehung versetzt und so die im Wasser enthaltene Energie der Lage in Bewegungsenergie umwandelt, dadurch gekennzeich­ net, daß die abzugebende Leistung sowohl bei gleichblei­ bender als auch bei veränderlicher Drehzahl durch Än­ derung der Gangfüllung geregelt wird.

2. Schnecke nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ihr zur Anpassung an wechselnde Oberwasserstände auch unterhalb ihres oberen Trogendes Wasser durch eine oder mehrere einzeln absperrbare Leitungen oder Kanäle zugeführt wird.

3. Schnecke nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mit Trog, Lagern, Getriebe und Kraft- oder Ar­ beitsmaschine kompakt zusammengebaute Schnecke durch Schwenkung oder Hebung oder Senkung oder Verschiebung in der vertikalen Ebene an wechselnde Ober- und/oder Unterwasserstände angepaßt wird.