DE60217683T2 - Hydroelektrische Anlage zum Gewinnen von Energie - Google Patents

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    • F03MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03BMACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS
    • F03B3/00Machines or engines of reaction type; Parts or details peculiar thereto
    • F03B3/04Machines or engines of reaction type; Parts or details peculiar thereto with substantially axial flow throughout rotors, e.g. propeller turbines
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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  • Control Of Eletrric Generators (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft eine hydroelektrische Anlage zum Gewinnen von Energie aus einem fallenden Wasserfluss mittels einer Turbine mit einem im wesentlichen rohrförmigen Turbinengehäuse, das in den Wasserfluss eingesetzt ist, einem Schaufelrad, das drehbar in diesem Gehäuse montiert ist und einer Turbinenwelle, die sich in Längsrichtung des Gehäuses erstreckt und auf der eine Anzahl von vor ragenden, sich drehenden Blättern angeordnet sind, die das Gehäuse in einen Einlassabschnitt bzw. Auslassabschnitt aufteilt. Eine derartige hydroelektrische Anlage ist beispielsweise aus der EP-A-0 499 806 bekannt.
  • Heute wird Energie mit natürlichen Strömungen, etwa Flüssen, Sturzbächen und Bächen mittels hydroelektrischer Anlagen, die in der Strömung installiert sind, in Elektrizität gewandelt. Zu diesem Zweck werden normalerweise Turbinen zum Antreiben von Generatoren verwendet, die den elektrischen Strom erzeugen. Die Turbinen sind typischerweise an dem Boden einer fallenden Strömung angeordnet, wo der Energiegehalt der Strömung am größten ist.
  • Manche Strömungen bilden natürliche Wasserfälle. Üblicherweise wird das Wasser in einem Strom in einem künstlichen See oder einem Stau eingefasst. Dadurch wird ein regelmäßiger Wasserfluss mit einem genau definierten Fall erreicht, der es einer hydroelektrischen Anlage erlaubt, über eine längere Periode stabil zu laufen, auch wenn der verfügbare Wasserstrom währenddessen in Abhängigkeit von dem Wetter und dem Niederschlag schwankt.
  • Bei kleineren Strömungen ist die Möglichkeit, größere Mengen von Wasser zum Ausgleichen eines unregelmäßigen Wasserflusses zu sammeln, oft recht begrenzt. Ein erhebliches Problem tritt dabei insofern auf als eine Turbine in einem solchen Strom mit erheblich variierenden Wassermengen betrieben wird.
  • In manchen Fällen wird von einfachen Turbinen Verwendung gemacht, die nicht in Abhängigkeit von dem verfügbaren Wasserstrom reguliert werden können. Diese Turbinen werden daher mit einer durchschnittlich tiefen hydraulischen Effizienz arbeiten.
  • Eine bessere hydraulische Effizienz kann erreicht werden, indem die Turbinen bei voller Leistung für geeignete Zeitdauern arbeiten, d. h., durch wiederholtes Stoppen und Starten der Turbinen. Dieses Verfahren hat jedoch den Nachteil, dass es für die Umgebung nachteilig ist und eine sehr schwankende Erzeugung zeigt.
  • Um die obigen Nachteile zu vermeiden, wurden justierbare Turbinen entwickelt. Diese Turbinen regeln die Wassermenge in dem gesamten Strömungsbereich, das Ergebnis ist, dass sie sehr kompliziert und teuer werden.
  • Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine hydroelektrische Anlage der in dem Eingangsparagraph genannten Art zu schaffen, die einen einfachen Aufbau hat und die einfach und effektiv geregelt werden kann in Abhängigkeit von dem verfügbaren Wasserstrom mit einer durchschnittlich hohen hydraulischen Effizienz.
  • Nach der Erfindung wird dies erreicht durch Anordnen einer Anzahl von Trennwänden in dem Einlassabschnitt des Turbinengehäuses, die den Abschnitt in einer Anzahl von Einlassabschnitten aufteilen, Aufteilen des fallenden Wasserflusses in eine Anzahl von Teilströmungen, die in den jeweiligen Druckleitungen fließen, wobei die Druckleitungen mit ihren jeweiligen Einlassabschnitten verbunden sind und Mittel vorgesehen sind zum Absperren des Teilstroms in wenigstens einer Druckleitung.
  • Die Turbine kann vorzugsweise angeordnet sein um optimal zu arbeiten, wenn es mit der maximalen Wassermenge der jeweiligen Strömung oder einem vorgegebenen Bruchteil dieser Strömung, beispielsweise ¾ versorgt wird, über alle Druckleitungen während der vollständige Strömungsbereich der Turbine betrieben wird.
  • In dem Fall einer in Bezug darauf eingeschränkten Wasserströmung kann eine oder können mehrere Druckleitungen geschlossen werden. Der entsprechende Teil des Schaufelrades wird dadurch aus dem aktiven Betrieb entfernt, während der verbleibende Teil mit genau so viel Wasser versorgt wird, dass die Turbine eine hohe hydraulische Effektivität beibehalten kann.
  • Es wird dadurch der erhebliche Vorteil erreicht, dass die Turbine schnell und einfach reguliert werden kann in Abhängigkeit von variierenden Wasserflüssen, ohne dass gleichzeitig die durchschnittliche hydraulische Effizienz der Turbine reduziert wird.
  • Weiter findet die Regulation statt mittels einer robusten zuverlässigen Struktur, wobei die Strömung durch eine oder mehrere Druckleitungen gestoppt werden muss.
  • Normalerweise wird der Einlass der Druckleitungen in eine obere, eingefasste Stauung eingetaucht. Wenn der Einlass einer der Leitungen höher ist als der Einlass der anderen Leitungen, wird eine besonders einfache Regulierung sofort erreicht, als die erste Leitung ganz einfach aufhören wird zu arbeiten, wenn der Wasserpegel in dem Stau unterhalb des Einlasses kommt, während der zweite Einlass weiterhin Wasser zu seinem Teil des Schaufelrads fördert.
  • Eine Druckleitung kann über seine gesamte Länge von dem Einlass zu der Turbine haben, bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann die Leitung jedoch über eine Fläche des Staubereichs entlang eines Abschnitts geführt sein, so dass ein oberer Teil der Leitung einen Syphon bildet.
  • Wenn der Wasserpegel jetzt soweit in dem Staubereich abgesenkt wird, dass der Einlass der Leitung in freier Luft ist, wird die Leitung schnell von Wasser geleert werden. Mittels einer Vakuumpumpe, die mit dem oberen Bereich des Syphons verbunden ist, kann die Leitung jedoch schnell mit Wasser gefüllt werden, wenn der Wasserpegel wieder ansteigt, so dass die Leitung wieder an dem Betrieb der Turbine teilnehmen kann.
  • Bei einer Variante dieses Ausführungsbeispiels ist der obere Bereich des Syphons zu dem Zeitpunkt mit einer Wasserleitung verbunden, deren Einlass höher als der Einlass der Druckleitung ist. Ein Sperrventil kann weiter in der Leitung angeordnet sein.
  • Wenn das Ventil offen ist, wird die Druckleitung von Wasser geleert werden und dadurch aus dem Betrieb genommen werden, wenn der Wasserpegel in dem Staubereich unterhalb des Einlasses der Leitung fällt. Wenn das Ventil geschlossen ist, wird die Druckleitung lediglich dann außer Betrieb genommen werden, wenn der Wasserspiegel unterhalb des Einlasses der Druckleitung liegt. Es wird dadurch eine selektive Regulation mittels ein und derselben Druckleitung erreicht.
  • Eine Turbine mit guter hydraulischer Effizienz wird normalerweise mit Statorschaufeln versehen, die direkt stromaufwärts der rotierenden Schaufeln vorgesehen ist. Nach der Erfindung kann jede Trennwand vorteilhaft direkt oberhalb einer derartigen Statorschaufel angeordnet sein, die so in vorteilhafter Weise zum Definieren eines Einlassabschnitts beiträgt, der sich in einem Bereich direkt stromaufwärts der rotierenden Schaufeln erstreckt.
  • Es wird so verhindert, dass die gesonderten Wasserflüsse durch die Einlassabschnitte sich gegenseitig stören und es dadurch unmöglich machen, die Turbine mit der gewünschten Genauigkeit zu regulieren.
  • Wenn ein oder mehrere Druckleitungen geschlossen oder leer sind und wieder in Betrieb genommen werden sollen, können die Statorschaufeln und die rotierenden Schaufeln der Turbine Flüssigkeitsstößen unterworfen sein, die in einem solchen Fall die Turbine beschädigen können.
  • Durch die Erfindung wird dieses Problem gelöst durch Montieren des Stators und der rotierenden Schaufeln der Turbine in einem Turbinengehäuse derart, dass dieses gegen die Wirkung beispielsweise einer Feder axial verlagerbar ist, so dass die Blätter dazu in der Lage sind, einen Flüssigkeitsstoß aufzufangen und dadurch den Flüssigkeitsstoß zu dämpfen, der sonst zu einer Beschädigung der Turbine führen könnte.
  • Wenn die axiale Verlagerung der Statorschaufeln und der rotierenden Schaufeln ausreichend ist, um sie aus dem Auslassabschnitt des Turbinengehäuses zu nehmen, wird ein freier Spalt zwischen den Schaufeln und dem Turbinengehäuse zum Abbauen des Flüssigkeitsstoßes in vorteilhafter Weise gebildet.
  • Seegras und Abfälle, die durch die Wasserströmung mit aufgenommen worden sind, sammeln sich besonders bei kleinen Turbinen leicht an, die dadurch nicht oder nur weiterhin mit einem erheblich reduzierten Wirkungsgrad arbeiten können.
  • Wenn die Turbine mit Statorschaufeln und rotierenden Schaufeln versehen ist, die, wie erwähnt, axial aus dem Turbinengehäuse verlagert sind, wirkt die Turbine selbstreinigend, Seegras und Abfallstücke werden durch den Spalt, der durch die Schaufeln in ihrer Extremposition gebildet werden, ausgespült.
  • Dieser Reinigungsprozess findet statt bei einem Flüssigkeitsstoß oder wenn die Turbine so sehr blockiert worden ist, dass die Last der Wassersäule, die auf den Statorschaufeln und den rotierenden Schaufeln ruht, nicht länger absorbieren kann.
  • Wenn die Ränder an den Statorschaufeln und/oder den rotierenden Schaufeln, die in Richtung der Strömung weisen, sich schräg neigt weg von der Richtung der Strömung erstrecken, gleiten Seegras und Abfallstücke, die durch den Strom aufgenommen worden sind, leicht an den Blättern ab, wenn sie aus dem Gehäuse hinausgedrückt werden.
  • Zum Schutz vor beispielsweise Zweigen und Steinen, die in den Wasserstrom gelangt sind, die zwischen die Statorschaufeln und die rotierenden Schaufeln gelangen, können die rotierenden Schaufeln weiter in einer axial verlagerbaren Weise in Bezug auf die Statorschaufeln montiert sein.
  • Eine Turbine in der Art, wie sie in der vorliegenden Anmeldung offenbart worden ist, kann nicht arbeiten, wenn sie mehr oder weniger in Wasser eingetaucht ist. Das Turbinengehäuse ist daher mit einem Saugrohr versehen, das sich in den unteren Lauf des Stroms erstreckt. Es wird dadurch ein Luftspalt hergestellt, der einen Unterdruck hat, der mittels eines Unterdruckventils aufrecht erhalten wird.
  • Nach der Erfindung wird dieser Unterdruck vorteilhaft verwendet zum Steuern des hydraulischen Kraftwerks mittels einer oder jeder Druckleitung, die mit einem Luftrohr versehen ist, die das Luftrohr mit einem oberen Bereich der Druckleitung verbindet. Ein erstes Sperrventil in jedem Luftrohr, ein zweites Sperrventil, das in einen Zwei eingesetzt ist, der ausgebildet ist an jedem Luftrohr zwischen dem oberen Bereich und dem ersten Sperrventil und mit der Umgebungsluft kommuniziert und ein drittes Sperrventil, das in der Druckleitung eingesetzt ist zwischen dem oberen Bereich und dem Turbinengehäuse vorzugsweise ein dünnwandiger Schlauch ist.
  • Die Erfindung wird in ihren Einzelheiten im Folgenden erläutert, wobei lediglich ein beispielhaftes Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben wird. Dabei zeigen:
  • 1 eine perspektivische Ansicht einer hydroelektrischen Anlage nach der Erfindung,
  • 2 eine perspektivische Seitenansicht in größerem Maßstab einer Turbine, die Teil einer hydroelektrischen Anlage von 1 ist, in der Betriebsposition,
  • 3 zeigt die Turbine von 2 in der Leerlaufposition,
  • 4 ist eine gebrochene Seitenansicht einer Einzelheit der hydroelektrischen Anlage von 1, und
  • 5 ist eine schematische Ansicht eines Systems zum Steuern der hydroelektrischen Anlage nach der Erfindung.
  • Im Folgenden wird angenommen, dass die hydroelektrische Anlage nach der vorliegenden Erfindung dazu dient, die Wasserkraft in einem kleinen Strom mittels einer einzigen Turbine, die einen Generator zur Erzeugung von Elektrizität antreibt, zu nutzen.
  • In 1 ist eine hydroelektrische Anlage, die allgemein durch das Bezugszeichen 1 angegeben ist, in einem Wasserstrom angeordnet, der gebrochen dargestellt ist und allgemein durch das Bezugszeichen 2 bezeichnet wird.
  • Der Wasserstrom hat einen oberen und einen unteren Lauf 3; 4, die gegeneinander vertikal versetzt angeordnet sind und so einen Fall bilden, der von der hydroelektrischen Anlage nutzbar ist. Der obere Lauf ist mittels eines Damms 6 in einem Stau gehalten. Von dem Damm 5 wird das Wasser in dem oberen Lauf unter normalen Umständen in den unteren Lauf in einem schließenden Wasserfall herabfallen, in dem gezeigten Fall in einer ersten Druckleitung 7 und in einer zweiten Druckleitung 8, die mit der Turbine 9, die den elektrischen Generator 11 über einen Riemenantrieb 10 verbunden ist.
  • Die 2 und 3 zeigen in Einzelheiten, dass die Turbine im Wesentlichen aus einem rohrförmigen Turbinengehäuse 12, das in einer Punkt-Strich-Linie dargestellt ist, besteht, in dem das Schaufelrad 13 drehbar montiert ist und eine Turbinenwelle 14 hat, die sich in Längsrichtung des Gehäuses erstreckt.
  • In 2 ist das Schaufelrad in einer Betriebsposition und in 3 in einer Leerlaufposition. Das bedeutet, dass diese Positionen im Folgenden in ihren Einzelheiten erläutert werden.
  • Der Riemenantrieb 10 weist eine Riemenscheibe 15 auf, die an der Turbinenwelle 14 moniert ist, und einen Riemen 16 zum Übertragen der Antriebskraft auf einen elektrischen Generator, der in den 2 und 3 nicht gezeigt ist.
  • Der dargestellte Riemenantrieb 10 ist nur beispielhaft, die Übertragung zwischen der Turbine und dem Generator kann in vielen bewährten Weisen innerhalb des Schutzbereichs der Erfindung erfolgen.
  • Eine Anzahl von vorragenden rotierenden Blättern ist an dem Schaufelrad 13 angeordnet. Oberhalb dieser Blätter ist eine Mehrzahl von Statorblättern 18 angeordnet, um während des Betriebs den Wasserfluss durch das Turbinengehäuse in Richtung auf die rotierenden Blätter zu führen, um diese zu einer Drehung zu veranlassen.
  • Das Turbinengehäuse ist in einen Einlassabschnitt 19 und einen Auslassabschnitt 20 aufgeteilt. Die Grenze zwischen diesen beiden Abschnitten wird durch das Schaufelrad 13 in der in 2 gezeigten Betriebsposition dieses Rades gebildet.
  • Zwei Trennwände 21a, b trennen den Einlassabschnitt 19 in einen ersten und in einen zweiten Einlassabschnitt 22; 23, die mit ihren Druckleitungen 7; 8 verbunden sind, die lediglich gebrochen in einer Punkt-Strich-Linie dargestellt sind.
  • Die beiden Trennwände 21a, b sind, wie gezeigt, über den Statorblättern angeordnet. Die beiden Einlassabschnitte werden sich auf diese Weise in vorteilhafter Weise vollständig zu den Rotorblättern 17 erstecken, wodurch diese mit dem Wasserstrom durch das Turbinengehäuse in zwei vollständig getrennten Flüssen versorgt werden.
  • In dem gezeigten Fall erstreckt sich der Einlassabschnitt 22 über 240°, während der der zweite Einlassanschnitt 23 sich über 120° erstreckt. In dem Fall des vollen Wasserflusses wird der Wasserfluss durch den ersten Einlassabschnitt 22 daher doppelt so groß sein wie der Wasserfluss durch den zweiten Einlassabschnitt 23.
  • Die Welle 14 des Schaufelrads 13 ist in einer drehbaren und axialen verlagerbaren Weise in einem Lager 24 eingesetzt, das in dem Turbinengehäuse 12 in einer hier nicht in seinen Einzelheiten beschriebenen Weise fixiert ist.
  • Die Welle 14 erstreckt sich weiter drehbar aber nicht axial verlagerbar durch eine Nabe 25, die nicht drehbar in dem Turbinengehäuse montiert ist und die Statorblätter 18 stützt.
  • Eine Zugfeder 26 dient zum Halten des Schaufelrades 13 und der Statorblätter 18 in der normalen, in 2 dargestellten Betriebsposition. Im Fall einer Überbelastung können die Statorblätter und das Schaufelrad in die in 3 gezeigte Leerlaufposition gegen die Wirkung der Feder 26 gedrückt werden. In dieser Position werden die oberen Ränder 27 die Statorblätter, die nach unten schräg geneigt verlaufen, unterhalb der unteren Begrenzung des Turbinengehäuses 12 sein.
  • Die hydraulische Effizienz einer Turbine wird mit dem Wasserstrom variieren oder, mit anderen Worten, mit der spezifischen Rate des Wasserstroms durch die Turbine. Die Turbine kann zweckdienlicher Weise derart ausgebildet sein, dass die optimale hydraulische Effizienz beispielsweise bei ¾ des maximalen Wasserstroms erreicht wird. Die Effizienz wird bei größeren Strömungen des Wassers nur wenig zunehmen, dagegen bei geringeren Wasserströmen. erheblich zunehmen.
  • Der Wasserstrom insbesondere in kleinen Strömen wird jedoch erheblich von den unterschiedlichen Niederschlägen abhängen. Der Wasserstrom einer Turbine, die in einem solchen Strom angeordnet ist, kann daher so unregelmäßig sein, dass es sich nicht lohnt, eine hydroelektrische Anlage diesbezüglich zu konstruieren.
  • Das Problem wird in einer einfachen und wirtschaftlichen Weise durch Verwendung einer hydraulischen Anlage nach der Erfindung gelöst.
  • In einem Intervall um den normalen Wasserstrom, der beispielsweise auf ¾ der maximalen Strömung festgelegt werden kann, wird der Wasserstrom durch die Druckleitungen 7; 8 zu dem Schaufelrad 13 geführt. Die hydraulische Effizienz ist optimal oder fast optimal.
  • Wenn der Wasserstrom auf etwa 2/3 des normalen Stroms abfällt, wird die zweite Druckleitung 8 geschlossen, wodurch der Wasserstrom von dem Teil des Schaufelrads abgeschnitten wird, der unterhalb des zweiten Einlassabschnitts 23 ist. Da dieser Einlassabschnitt sich über 120° erstreckt, bedeckt er 1/3 des gesamten Turbinenströmungsbereichs. 1/3 des Schaufelrads wird daher nicht länger an dem Betrieb der Turbine teilnehmen.
  • Der Wasserstrom, der auf 2/3 des normalen Stroms reduziert ist, wird lediglich durch die erste Druckleitung 7 und über den ersten Einlassabschnitt 22 herab zu den darunter liegenden 2/3 des Schaufelrads strömen, das dadurch mit derselben spezifischen Rate wie das gesamte Schaufelrad bei normalem Wasserstrom umströmt wird. Dies bedeutet, dass die Turbine auch in dem Fall, bei dem nur eine Wassermenge strömt, die 2/3 des normalen Flusses beträgt, mit der gewünschten optimalen hydraulischen Effizienz arbeitet Wenn der Wasserfluss auf 1/3 des normalen Flusses abfällt, wird die erste Druckleitung 8 sofort geschlossen, wodurch der Wasserstrom aus dem Teil des Schaufelrades abgesperrt wird, der unter dem ersten Einlassabschnitt 22 liegt. Der Wasserstrom, der auf 1/3 des norma len Stroms reduziert ist, wird jetzt nur in der zweiten Druckleitung 8 verlaufen und über den zweiten Einlassabschnitt 23 herab auf die darunter liegenden 1/3 des Schaufelrads, das dadurch mit derselben spezifischen Rate wie das gesamte Schaufelrad gegenüber dem normalen Wasserstrom umströmt wird. Dies bedeutet, dass die Turbine auch in dem Fall des Fließens von nur 1/3 mit der gewünschten optimalen hydraulischen Effizienz arbeiten wird.
  • Es ergibt sich, dass die Turbine so einfach reguliert werden kann, dass sie bei drei unterschiedlichen Pegeln des Wasserstroms, nämlich in diesem Fall 1/3, 2/3 und dem nominalen Wasserstrom mit der gewünschten optimalen hydraulischen Effizienz arbeitet Wenn eine Druckleitung in Betrieb genommen wird, nachdem sie geschlossen worden ist, kann der Fluss durch die Leitung, der die Eigenschaft eines Fluidstoßes zeigt, der unter bestimmten Bedingungen das Gehäuse der Turbine sowie der Statorblätter und rotierenden Blätter beschädigen könnte.
  • Wie oben erwähnt, ist die Welle 14 des Schaufelrads 13 daher in einer axial verlagerbaren Weise in dem Lager 14 befestigt, so dass die Nabe 25 mit den ortsfesten Blättern 18 und dem Schaufelrad 13 mit den drehenden Blättern 17 einem solchen Flüssigkeitsstoß nachgeben kann und daher dieses abfedern kann gegenüber einem möglicherweise schädlichen Effekt auf die Turbine.
  • In der in 2 gezeigten Betriebsposition sind die ortsfesten Blätter und die drehenden Blätter 18: 17 in der Betriebsposition von der Zugfeder 28 gehalten, die vorzugsweise so zu dimensionieren ist, dass sie dazu in der Lage ist, die maximal auftretende axiale Last auf die Schaufeln 18; 17 aufzufangen. Wenn die Blätter 18; 17 dagegen durch Flüssigkeitsstöße betroffen werden, die in ihrem Volumen die maximale Last übersteigen, werden sie nach unten in die Freilaufposition, die in 3 gezeigt ist, gegen die Wirkung der Zugfeder 26 gedrückt, wodurch ein Spalt zwischen der unteren Begrenzung 28 des Turbinengehäuses und den Blättern 18; 17 gebildet wird. Dieser Spalt ist ausreichend groß und dazu in der Lage, die Last des Flüssigkeitsstoßes aufzunehmen und dadurch einen möglicherweise schädlichen Einfluss auf die Turbine zu vermeiden.
  • Währenddessen werden Seegrans und/oder Abfall, das von dem Wasserstrom aufgenommen ist und dazu neigt, insbesondere bei kleinen Turbinen diese zu blockieren, werden gleichzeitig ausgeworfen und ausgespült von dem Turbinengehäuse. Die Turbine ist somit selbstreinigend.
  • Derselbe Vorgang findet statt, wenn die Turbine blockiert ist, so dass die darüber stehende Wassersäule die Statorblätter 18 und die Rotorblätter 17 mit einer Kraft belastet, die größer ist als die Federkraft der Zugfeder 26.
  • Die oberen Ränder 27 der Statorblätter 28 sind, wie in den 2 und 3 gezeigt, mit einer Neigung ausgebildet, die sich schräg nach unten erstreckt, wodurch es leichter wird, Seegras und Abfall an den Blättern abgleiten zu lassen.
  • Die oberen Ränder der rotierenden Blätter können in derselben Weise geneigt sein, um, in entsprechender Weise, mögliches Seegras und Abfall auszuwerfen.
  • Die rotierenden Blätter können weiter in einer axial verlagerbaren Weise in Beziehung zu den Statorblättern (nicht gezeigt) verlagerbar sein, um so zu verhindern, dass Steine und Zweige zwischen die beiden Sätze von Blättern 18; 17 eingeklemmt werden und damit die Turbine außer Betrieb setzen.
  • Innerhalb des Schutzbereiches der Erfindung kann eine Druckleitung in verschiedener bekannter Weise geschlossen werden, beispielsweise durch ein Ventil, das in die Druckleitung eingesetzt ist.
  • 4 zeigt weitere zweckmäßige Verfahren zum Abschalten des Wasserflusses durch die Druckleitung, die beispielsweise die zweite Druckleitung sein kann.
  • In diesem Fall bildet der obere Teil der Druckleitung eine Syphon 29, der das Wasser über die Wasserfläche 30 des Staus 5 entlang eines Abschnitts führt. Der Einlass 31 der Druckleitung ist um einen Abstand unterhalb dieser Fläche angeordnet.
  • Wenn der Wasserpegel in dem Stau bei einem reduzierten Wasserfluss in dem Strom 2 so weit fällt, dass der Einlass der Druckleitung oberhalb der Oberfläche 30 ist, wird die Druckleitung automatisch vom Wasser entleert werden. Diese Situation entspricht beispielsweise der Situation, die oben erwähnt worden ist, in der der Wasserstrom etwa 2/3 des normalen Flusses beträgt. Der reduzierte Wasserfluss wird daher nur in der ersten Druckleitung 7 fließen (in 4 nicht gezeigt), die, um dies zu erreichen, einen Einlass haben muss, der unter dem der zweiten Druckleitung 8 liegt.
  • Die leere Druckleitung wird wieder in Betrieb genommen durch Aufziehen des Wassers in die Leitung mittels einer Vakuumpumpe 32.
  • In 4 ist der Syphon weiter mit einer Wasserleitung 33 mit einem Einlass 34, der unterhalb der Wasserfläche 30 liegt, verbunden, jedoch höher als ein Einlass 31 der Druckleitung. In die Leitung ist ein Ventil 35 eingesetzt zum Öffnen und Schließen der Leitung.
  • Wenn das Ventil geschlossen ist, wird die Druckleitung entleert, wenn der Wasserpegel in dem Damm so sehr fällt, dass der Einlass der Druckleitung oberhalb der Fläche 30 ist.
  • Wenn das Ventil offen ist, wird die Druckleitung jedoch schon entleert, wenn der Einlass 34 der Wasserleitung oberhalb dieser Fläche ist. Durch Öffnen bzw. Schließen des Ventils 32 ist es unmöglich, den Betrieb der Turbine in Abhängigkeit von dem Wasserpegel in dem Damm einfach mittels nur einer Druckleitung zu differenzieren.
  • 4 zeigt weiter ein einfaches Ventil zum Schließen und Öffnen der Druckleitung 8. Das Ventil ist als ein flexibler Schlauch ausgebildet, der mittels einer von außen aufgebrachten Kraftanwendung, die durch Pfeile angegeben wird, komprimiert werden kann. In der Fig. wird der Schlauch nicht zusammengedrückt, die Druckleitung ist daher offen.
  • 5 ist eine schematische Ansicht des Systems zum Steuern der hydraulischen Anlage, wie sie in den 1-4 gezeigt ist. Entsprechende Teile sind durch dieselben Bezugszeichen angegeben.
  • Das Turbinengehäuse 12 erstreckt sich, wie gezeigt, in dem unteren Lauf 4 des Stromes mit einer Saugpumpe 37 herab. Die Turbine 9 ist hier lediglich schematisch gezeigt. Ein bekanntes Unterdruckventil 38, das üblicherweise als Schnüffelventil bezeichnet wird, stellt einen gewünschten höheren Wasserpegel in dem Saugrohr 37 als in dem unteren Lauf 4 sicher. Wenn der Wasserpegel fällt, wird das Ventil automatisch geschlossen und wenn es ansteigt, wird mehr Luft eingelassen.
  • Es wird so ein Luftspalt 51 gebildet, der sicherstellt, dass die Turbine nicht arbeiten wird mehr oder weniger eingetaucht ins Wasser, wodurch es nicht funktionieren könnte oder nicht mit einer vernünftigen Effizienz arbeiten könnte.
  • Der höhere Wasserpegel in dem Saugrohr verursacht einen Unterdruck, der in dem Spalt 51 gebildet wird.
  • Der obere Bereich 41; 42 jeder Druckleitung 7 bzw. 8 ist mit dem Spalt 51 in dem Saugrohr 37 über die Luftröhren 39 und 40 verbunden.
  • In jeder dieser Luftröhren ist ein erstes Sperrventil 43; 44 eingesetzt. Zwischen diesem Ventil und dem oberen Bereich 41; 42 der Druckleitungen 7; 8 sind die Druckleitungen mit einer Verzweigung 47; 48 ausgebildet, die mit der Umgebungsluft kommunizieren. In jedem Zweig ist weiter ein zweites Sperrventil 45; 46 eingesetzt.
  • In jeder Druckleitung 7; 8 ist ein drittes Sperrventil 49; 50 zwischen dem Turbinengehäuse 12 und den Syphons 29a; 29b eingesetzt, dieses dritte Ventil kann in jeder geeigneten Weise ausgebildet sein. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel besteht das dritte Sperrventil aus einem dünnwandigen Schlauch.
  • Wenn die Turbine nicht in Betrieb ist, ist keine Wassersäule in dem Saugrohr vorhanden und es besteht daher kein Unterdruck. Bei dem Starten kann der notwendige Luftspalt in dem Saugrohr und der Unterdruck in dem Spalt jedoch mittels beispielsweise einer Einspritzpumpe (nicht gezeigt) erzeugt werden, die das Saugrohr über eine Leitung 52 evakuiert, die ein viertes Sperrventil 53 hat. Bei normalem Betrieb ist dieses Ventil geschlossen.
  • Das System funktioniert wie folgt.
  • In 5 wird die Turbine lediglich durch Wasser aus der Druckleitung 1 betrieben. Das dritte Ventil 49 in dieser Leitung ist offen. Das erste und das zweite Ventil 43 und 45 sind geschlossen.
  • Die zweite Druckleitung 8 ist durch das dritte Ventil 50 in dieser Leitung geschlossen, während das erste und das zweite Ventil 44 und 46 geschlossen sind.
  • Durch zeitweises Öffnen des zweiten Ventils 45 gelangt Falschluft in die Druckleitung 7, wodurch der Syphoneffekt unterbrochen wird und die Druckleitung entleert wird. Dadurch wird der Unterdruck in dem Luftspalt 51 über die Turbine 50 zu dem dünnwandigen Schlauch 49 gefördert, der dadurch kollabieren wird und die Druckleitung schließen wird. Diese Situation ist in 5 bezüglich der zweiten Druckleitung 8 gezeigt.
  • Wenn eine Druckleitung auf diese Weise geschlossen wird, wird der Unterdruck in dem Luftspalt 51 des Saugrohres beibehalten, auch wenn der Wasserpegel in dem Damm 5 unterhalb der Mündung des Syphons 49 gefallen ist. Wenn die Mündung alternativ unterhalb der Wasserfläche des Damms ist, ist sichergestellt, dass der Unterdruck nicht zu dem Syphon geführt wird, der dadurch in unerwünschter Weise seine Wirkung wieder aufnehmen würde.
  • Wenn es erwünscht ist, die Druckleitung 8 wieder in Betrieb zu nehmen, wird das erste Ventil 44 zeitweise geöffnet, wodurch das Syphon 29b wieder zu arbeiten beginnen wird, so dass das Wasser zu dem kollabierten Schlauch 50 fließen wird, der sich unter dem Einfluss des Wasserdrucks wieder gedehnt hat und es dem Wasser wieder erlauben wird, hindurch zu fließen.
  • Es ergibt sich, dass die hydroelektrische Anlage nach der Erfindung einfach und zuverlässig gesteuert werden kann mittels des Vakuums des Luftspalts, was ein Zustand der Turbine ist, die dieser das Arbeiten erlaubt.
  • Die oben beschriebene und in den Zeichnungen dargestellte hydroelektrische Anlage beruht auf der Annahme, dass die hydroelektrische Anlage eine kleine Anlage zur Verwendung von Energie in einem kleinen Strom, beispielsweise einem Sturzbach oder einem Bach, ist.
  • Innerhalb des Schutzbereichs der Erfindung liegt es jedoch, dass die hydroelektrische Anlage in einer größeren oder großen hydroelektrischen Anlage zur Verwendung der Energie in ei nem größeren oder einem großen Strom, etwa einem Fluss mit denselben Vorteilen verwendet wird.
  • Statt nur einer Turbine kann die hydroelektrische Anlage nach der Erfindung weiter mit zwei oder mehreren Turbinen versehen sein.
  • Obwohl die obige Beschreibung einer hydroelektrischen Anlage auf der Grundlage beruht, dass die Wasserkraft in Elektrizität umgewandelt wird, kann die hydroelektrische Anlage auch zum Umwandeln der Wasserkraft in mechanische Energie verwendet werden, d. h., in Sägemühlen und in Mühlen. Auch dies liegt im Schutzbereich der Erfindung.

Claims (13)

  1. Eine hydroelektrische Anlage zum Gewinnen von Energie aus einem fallenden Wasserfluss mittels einer Turbine (9), mit – einem im wesentlichen rohrförmigen Turbinengehäuse (12), das in den Wasserfluss eingesetzt ist, – einem Schaufelrad (13), das drehbar in diesem Gehäuse montiert ist, – einer Turbinenwelle (14), die dem Schaufelrad (13) zugehörig ist und sich in Längsrichtung des Gehäuses erstreckt, und – einer Anzahl von drehenden Schaufeln (17), die an die Turbinenwelle (14) angesetzt sind und das Gehäuse in einen Einlassabschnitt (19) bzw. einen Auslassabschnitt (20) teilt, dadurch gekennzeichnet, dass – eine Anzahl von Trennwänden (21a, b) in dem Einlassabschnitt (19) des Turbinengehäuses (12) angeordnet sind, die den Abschnitt in eine Anzahl von Einlassabschnitten (22, 23) aufteilen, – der fallende Wasserfluss in eine Anzahl von Teilströmungen, die in ihren jeweiligen Druckleitungen (7; 8) fließen, aufgeteilt ist, – die Druckleitugen (7; 8) mit ihren jeweiligen Einlassabschnitten (22; 23) verbunden sind, und – Mittel (29; 33; 35; 36) zum Absperren des Teilstroms in wenigstens einer Druckleitung (7; 8) vorgesehen sind.
  2. Eine hydroelektrische Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Absperren des Unterstroms in wenigstens einer Druckleitung (7; 8) ein Sperrventil aufweisen.
  3. Eine hydroelektrische Anlage nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlass zu wenigstens einer Druckleitung (7; 8) höher als der Einlass (31) wenigstens einer zweiten Druckleitung (7; 8) angeordnet ist.
  4. Eine hydroelektrische Anlage nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der obere Teil wenigstens einer Druckleitung (7; 8) als ein Siphon (29) ausgebildet ist.
  5. Eine hydroelektrische Anlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein oberer Teil des Syphons (29) mit einer Vakuumpumpe (32) verbunden ist.
  6. Eine hydroelektrische Anlage nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein oberer Bereich des Syphons (29) mit einer Wasserleitung (33) verbunden ist, dass der Einlass (34) dieser Leitung (33) höher als der Einlass (33) der Druckleitung (8) angeordnet ist und dass ein Sperrventil (35) in die Leitung (33) eingesetzt ist.
  7. Eine hydroelektrische Anlage nach einem der Ansprüche 1-6, bei der das Turbinengehäuse (12) der Turbine (9) mit einer Anzahl von Statorschaufeln (18) versehen ist, die oberhalb der rotierenden Schaufeln (17) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass jede Trennwand (21a, b) mit einer Statorschaufel (18) ausgerichtet ist.
  8. Eine hydroelektrische Anlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ränder (27) der Statorschaufeln und/oder der rotierenden Schaufeln (18; 17) die in die Richtung der Strömung weisen, eine Neigung haben, die schräg nach außen und in Richtung der Strömung verläuft.
  9. Eine hydroelektrische Anlage nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, dass die Statorschaufeln und die drehenden Schaufeln (18; 17) der Turbine (9) in einer axial verlagerbaren Weise in dem Turbinengehäuse (12) montiert sind und dass Mittel vorhanden sind, beispielsweise wenigstens eine Feder (26), um die Schaufeln (18; 17) mit einer Kraft zu beaufschlagen, die entgegengesetzt zu der Strömungsrichtung wirkt und einen vorgegebenen Wert hat.
  10. Eine hydroelektrische Anlage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Verlagerung der Statorschaufeln und der rotierenden Schaufeln (18; 17) wenigstens so groß ist, dass die rotierenden Schaufeln (17) oder sowohl die rotierenden Schaufeln (17) und die Statorschaufeln (18) vollständig oder teilweise aus dem Auslassabschnitt (20) des Turbinengehäuses (12) verlagert werden.
  11. Eine hydroelektrische Anlage nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die rotierenden Schaufeln (17) in einer axial verlagerbaren Weise in Bezug auf die rotierenden Schaufeln (18) montiert sind.
  12. Ein System zum Steuern einer hydroelektrischen Anlage, die die hydroelektrische Anlage nach den Ansprüchen 1-11 aufweist, sowie – ein Saugrohr (36), die sich abwärts in den unteren Lauf (4) des Stroms von dem Turbinengehäuse (12) erstreckt, und – ein Unterdruckventil (38), das mit dem Saugrohr verbunden und angeordnet ist zum Beibehalten des erwünschten Unterdrucks in diesem Rohr, dadurch gekennzeichnet, dass das System weiter aufweist – ein Luftrohr (39; 40), das jeder Druckleitung (7; 8) zugehörig ist und die Saugpumpe mit einem oberen Bereich (41; 42) der Druckleitung (7; 8) verbindet, – ein erstes Sperrventil (43; 44) in jedem Luftrohr, – ein zweites Sperrventil (44; 46), das in einen Zweig (47; 48) eingesetzt ist, der an jedem Luftrohr zwischen dem oberen Bereich und dem Sperrventil (43; 44) angeordnet ist und mit der Umgebung kommuniziert, und – ein drittes Sperrventil (49; 50), das in jede Druckleitung zwischen dem oberen Bereich (41; 42) und dem Turbinengehäuse (9) eingesetzt ist.
  13. Ein System nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das dritte Sperrventil (49; 50) ein dünnwandiger Schlauch ist.
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