AT412363B

AT412363B - Wasserkraftwerk

Info

Publication number: AT412363B
Application number: AT0000803A
Authority: AT
Inventors: Franz Dipl Ing Zotloeterer
Original assignee: Franz Dipl Ing Zotloeterer
Priority date: 2003-01-03
Filing date: 2003-01-03
Publication date: 2005-01-25
Also published as: ATA82003A

Description

Die Erfindung betrifft ein Wasserkraftwerk, welches die Rotationsenergie eines stabilen Gravi- tations-Wasserwirbels in elektrische Energie umwandelt.

In bekannter Weise werden bei Laufkraftwerken und Gezeitenkraftwerken vorwiegend Kaplan- und Francisturbinen eingesetzt, während bei Speicherkraftwerken mit hohem Gefälle vorwiegend die Peltonturbine Verwendung findet.

Ausgehend von diesem hier sehr kurz zusammengefassten bekannten Stand der Technik, ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein wesentlich verschleissfreieres und daher wartungs- ärmeres Wasserkraftwerk mit hohem Wirkungsgrad zu schaffen.

Grundsätzlich soll bei einem Wasserkraftwerk die potentielle Energie des aufgestauten Was- sers möglichst effektiv in kinetische Energie und schliesslich in elektrische Energie gewandelt werden.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Kraftwerken nutzt das erfindungsgemässe Wasserkraftwerk die Tendenz des Wassers ein rotierendes Moment zu erzeugen, wenn es aus einem Becken durch einen zentralen Abfluss ausströmt. Diese Strömungserscheinung ist als Abflusswirbel in der Bade- wanne bekannt und benötigt als spezielle Randbedingung um besonders ausgeprägt als Potential- Wasserwirbel in Erscheinung treten zu können einen Freihang zum Wasserspiegel im Abflussrohr.

Im Massstab wesentlich grösser verwendet das erfindungsgemässe Kraftwerk solch einen Potential- Wasserwirbel, der den eingeschwungenen Zustand des dynamischen Systems darstellt. Der eingeschwungener Zustand eines Systems ist energetisch günstiger aufrecht zu erhalten, wodurch das System bei kleineren äusseren Störungen relativ rasch wieder in dem eingeschwungenen Zustand zurückkehrt. Das gilt für den Gravitations-Wasserwirbel ebenso wie für den Abflusswirbel in der Badewanne der sich nach einer Störung der rotierenden Strömung rasch wieder ausbildet.

Der eingeschwungene Zustand eines Systems ist durch eine oder mehrere Eigenfrequenzen des Systems gekennzeichnet. Die Eigenfrequenzen des Gravitations-Wasserwirbels können mit einem Kontrastmittel als Ringströmungen sichtbar gemacht werden. Das erfindungsgemässe Wasser- kraftwerk unterstützt durch seine baulichen Randbedingungen eine möglichst störungsfreie Ausbil- dung eines Potential-Wasserwirbels, der die kinetische Energie in Form von Rotationsenergie in seinem ringförmigen Zentrum konzentriert. Genau hier liegt der wesentliche Unterschied zu her- kömmlichen Wasserkraftwerken, die durch Rohrsysteme, Druckleitungen oder Leitapparate die kinetische Energie des Wassers an die Turbine führen. Beim erfindungsgemässen Kraftwerk wird eine Turbine koaxial in das ringförmige Hochgeschwindigkeitszentrum des Gravitations-Wasser- wirbels platziert.

Die Turbine wird am ganzen Umfang tangential beaufschlagt und ist axial frei durchströmbar. Somit sind die axial wirkenden Lagerkräfte minimal. Die Turbine entzieht dem Wasserwirbel Rotationsenergie, die mit Hilfe eines Generators in elektrische Energie umgewandelt wird.

Bisher bekannte Wasserkraftwerke, die die Energie aus einem Wasserwirbel beziehen, arbei- ten mit Wirbelströmungen bei denen eine Kernströmung auftritt. Speziell in der Patentschrift DE 196 23 313 A1 wird mehrmals erwähnt das die Konzentration der Wirbetenergie in der Kern- strömung genutzt wird. Es werden dort zusätzlich Wirbel generierende Schaufeln für die Ausbil- dung eines Potentialdoppelwirbels verwendet. Die Kernströmung des Wasserwirbeis tritt auch im Wasserkraftwerk der Patentschrift DE 195 17 765 A1 auf, weil das dort in Fig. 1 abgebildete Drall- rohr inklusive Turbine komplett unter Wasser liegt.

Im Gegensatz dazu beinhaltet der Gravitations-Wasservvirbel des erfindungsgemässen Wasser- kraftwerks keinerlei Kernströmung. Wie bereits oben beschrieben ist dieser strömungsfreie Kembe- reich des Gravitations-Wasserwirbels durch den zwingend erforderlichen Überhang zum Unter- wasser gewährleistet und notwendig.

Ein Staubecken oder treffender beschrieben ein Beschleunigungs-Becken für das erfindungs- gemässe Wasserkraftwerk muss also folgende Bedingungen erfüllen, um einen ungestörten stabil rotierenden Gravitations-Wasserwirbel entstehen zu lassen:
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Becken bzw. Stausee zur Verfügung stehen.

- Zweitens muss dieses Becken einen möglichst ebenen und horizontalen Boden besitzen um einen möglichst stabil rotierenden Gravitations-Wasservvirbel ausbilden zu können.

- Drittens muss ungefähr in der Mitte des Beckenbodens eine möglichst kreisrunde Ausfluss- öffnung vorhanden sein, deren Durchmesser die ringförmig abfliessende Wassermenge bestimmt.

- Viertens muss das Ausfliessen des Wassers aus der Ausflussöffnung ungehindert und im frei- en Fall möglich sein, d. h. es muss ein Freihang zwischen Ausflussöffnung des Wasserbeckens und dem Unterwasser vorhanden sein. Ein auch nur geringer Rückstau des Wassers in der Ausfluss- öffnung bewirkt ein Zusammenfallen des Gravitations-Wasserwirbels.

Um erfindungsgemäss Rotationsenergie für einen Generator zu erhalten, wird koaxial in den oben beschriebenen Gravitations-Wasserwirbel eine Turbine platziert, die über den ganzen Um- fang mit rotierendem Wasser beaufschlagt wird, sich mit dem Gravitations-Wasserwirbel mitdreht und Rotationsenergie über eine Welle an einen Generator liefert. Eine Änderung der Generator- drehzahl kann durch vertikales Verschieben der Turbine auf der Welle erfolgen. Die Turbine greift so in verschiedene Geschwindigkeitszonen des Gravitations-Wasserwirbels ein. Damit der Gravita- tions-Wasserwirbel beim Einbringen der Turbine nicht zusammenfällt, muss die Turbine in axialer Richtung leicht mit Wasser durchströmbar sein. Wenn die Turbine zum Stillstand abgebremst wird, bleibt der Gravitationswirbel darüber erhalten weil das Wasser axial durch die Turbine abfliessen kann.

Im folgenden wird eine bevorzugte einfache Ausführungsform des neuen erfindungsgemässen Wasserkraftwerks anhand von Zeichnungen beschrieben.

Es zeigt
Fig. 1 den vertikalen Schnitt durch die Symmetrieachse des Gravitations-Wasserwirbels eines erfindungsgemässen Beckens (1) dessen Ausflussöffnung (2) ungefähr in der Mitte des Beckenbo- dens (3) liegt. Damit sich der Gravitations-Wasserwirbel (4) ungestört ausbilden kann, darf die Beckenausflussöffnung (2) nicht in das Unterwasser (5) eintauchen. Der Ort des Zuflusses (6) am Staubecken (1) gibt die Drehrichtung des Gravitations-Wasserwirbels (4) vor.

Die koaxial im Gravitations-Wasserwirbel (4) rotierende Turbine (7) dreht die Generatorwelle (8) des Generators (9). Die Turbine (7) und der Generator (9) bleiben von oben durch die senkrechte nach oben erweiterte Luftsäule innerhalb des Gravitations-Wasserwirbels sichtbar. Die Turbine (7) ragt nur mit den äusseren Schaufelenden aber über den ganzen Umfang in den Gravita- tions-Wasserwirbel. Das ringförmig durch die Ausflussöffnung (2) strömende Wasser fällt zumin- dest für ein kurzes Stück, d. h. die Höhe des Freihangs (10) im freien Fall in das Unterwasser (5).

Fig. 2 den Grundriss des Beckens (1) mit dem Zufluss (6), dem Gravitations-Wasserwirbel (4), der von oben sichtbaren Turbine (7), sowie der Generatorwelle (8), dem Generator (9) und dem Unterwasser (5).

Fig. 3 das horizontale Geschwindigkeitsprofil v (r) mit den Strömungsgeschwindigkeiten v (+ )=v(- )=0 und v(+R-AR)= v(-R+AR)=maximal des Gravitations-Wasserwirbels für die Radien #r #R-#R. Im strömungsfreien Kernbereich #r @@ R-AR ist das horizontale Geschwindigkeitsprofil v (r) der Turbine eingetragen. Deutlich ist zu erken- nen, dass die Turbine (7) mit dem Radius R nur in die Hochgeschwindigkeitszonen von R-AR bis R bzw. von-R bis -R+AR des Wasserwirbels eingreift.

Im Gegensatz zu herkömmlichen bekannten Wasserturbinen treten keine Sprungstellen im Geschwindigkeitsverlauf entlang des Radius r auf. Speziell am äussersten Umfang von bekannten Turbinen, z.B. Kaplanturbine, springt der Geschwindigkeitsvektor von sehr hohen Werten auf Null, da sich das Turbinengehäuse natürlich nicht mitdreht. Es muss aber sehr knapp um die Kaplantur- bine herum gebaut werden, damit Wasser nicht ungenutzt an der Kaplanturbine vorbeiströmt.

Extreme Materialbeanspruchung in diesen Bereichen begrenzen die Lebensdauer bekannter Turbinen. Auch für Treibholz müssen Rechenanlagen vorgesehen werden, um die Lebensdauer bekannter Turbinen nicht zusätzlich zu verkürzen. Beim erfindungsgemässen Wasserkraftwerk kann auf solche Rechen verzichtet werden. Treibholz wird einfach um das Wasserrad herum in das Unterwasser gespült. Die Lagerkräfte für die rotierende, erfindungsgemäss axial leicht zu durch- strömende Turbine sind wesentlich geringer als beispielsweise für eine Kaplanturbine, auf die die komplette hydraulische Wasserlast drückt.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: 1. Wasserkraftwerk, dadurch gekennzeichnet, dass ein im Verhältnis der Abmessungen des gewünschten Gravitations-Wasserwirbels (4) grosses Wasserbecken (1 ) vorliegt, wobei das Wasserbecken (1) einen entsprechenden Zulauf (6) und vorzugsweise einen ebenen und horizontalen Beckenboden (3) aufweist, dass eine in diesem Beckenboden befindli- che, runde Ausflussöffnung (2) ungefähr mittig angeordnet ist und dass weiters ein Frei- hang (10) zum Unterwasser (5) vorgesehen ist, damit sich ein stabil rotierender Gravitati- ons-Wasserwirbel (4) ausbilden kann und dessen Rotationsenergie mit Hilfe einer koaxial im Gravitations-Wasserwirbel (4) rotierenden, über den ganzen Umfang tangential beauf- schlagten und ringförmig axial durchströmten Turbine (7) und einem, an die Turbine (7) gekoppelten Generator (9), in elektrische Energie umgewandelt wird.
2. Wasserkraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die runde Ausfluss- öffnung (2) im Beckenboden (3) im Durchmesser änderbar ist, um den rotierenden Gravita- tions-Wasserwirbel für unterschiedliche Durchflutungsmengen stabil zu halten.
3. Wasserkraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Änderung der Generatordrehzahl durch vertikales Verschieben der Turbine (7) auf der Welle (8) erfolgt, da die Turbine (7) dadurch in verschiedene Geschwindigkeitszonen des Gravitations- Wasserwirbels eintaucht.
4. Wasserkraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auch mehrere dieser Wasserkraftwerksstrukturen kaskadiert also hintereinander oder parallel gebaut werden können.

HIEZU 1 BLATT ZEICHNUNGEN