AT506106B1 - Wasserrad - Google Patents

Description

österreichisches Patentamt AT506106 B1 2010-02-15

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft ein unterschlächtiges oder mittelschlächtiges Wasserrad mit horizontaler Nabe und wenigstens zwei Radwangen, wobei entlang des Radumfanges zwischen den Radwangen Schaufelanordnungen zur Umsetzung der Bewegungs- und gegebenenfalls auch der Lageenergie des Wasserstroms in eine Drehbewegung des Wasserrades vorgesehen sind, wobei die Schaufelanordnungen je eine äußere und wenigstens eine innere Schaufellamelle umfassen und die inneren Schaufellamellen vom Radumfang nach innen und gegen die Fließrichtung des Wasserstroms versetzt sind.

[0002] Wasserräder sind seit sehr langer Zeit im Gebrauch. Solche Wasserräder wurden insbesondere für die Kraftversorgung von Mühlen und Hammerwerken eingesetzt. Sowohl unter-schlächtige als auch oberschlächtige Wasserräder waren nur für eine relativ geringe Drehzahl eingerichtet und die Energieausnützung des Wasserstromes war mangelhaft. Die technologische Entwicklung derartiger Wasserräder hat daher weitgehend ein Ende gefunden, als durch die Entwicklung von Turbinen verschiedener Bauart eine hohe Effizienz und auch hohe Drehzahlen erzielt werden konnten, die in weiterer Folge auch die Erzeugung von elektrischem Strom wirtschaftlich sinnvoll machten.

[0003] Allerdings besteht ein ständiger und auch steigender Bedarf nach Kleinkraftwerken, die bei nur geringen Eingriffen in den natürlichen Wasserlauf eine Stromerzeugung ermöglichen, sodass jetzt eine Weiterentwicklung von Wasserrädern wieder sinnvoll geworden ist.

[0004] Bekannte unterschlächtige oder mittelschlächtige Wasserräder haben überwiegend einteilige durchgehende Schaufeln, die jedoch hinsichtlich der Strömungsverhältnisse ungünstig sind. Beim Eintauchen der Schaufeln in den Wasserstrom und auch beim Austreten der Schaufel aus dem Wasserstrom kommt es zu Energieverlusten, wobei Wasservolumina nutzlos verdrängt oder angehoben werden. Dadurch ist der Wirkungsgrad stark herabgesetzt und auch die erzielbaren Drehzahlen sind gering. Wenn die durchgehenden Schaufeln zur Nabe des Wasserrades hin geschlossen sind, kommt es zusätzlich noch zu einer Sogwirkung beim Ablaufen des Wassers, was das Wasserrad noch weiter hemmt.

[0005] Zur Überwindung dieses Nachteiles ist durch die AT 503 184 A1 vorgeschlagen worden, dass die Schaufelanordnungen je eine äußere und wenigstens eine innere Schaufeilamelle umfassen und die inneren Schaufellamellen vom Radumfang nach innen und gegen die Fließrichtung des Wasserstroms versetzt sind.

[0006] Es hat sich gezeigt, dass die Aufgabe der Verbesserung des Wirkungsgrades und Erhöhung der Drehzahlen des Wasserrades noch besser gelöst werden kann, wenn zwischen jeder Schaufelanordnung zusätzlich eine Verbindungslamelle vorgesehen ist, die entlang des Umfanges des Wasserrades zwischen benachbarten Schaufellamellen angeordnet ist.

[0007] Weitere Merkmale des Wasserrades sind, dass jede Schaufellamelle gebogen ist, wobei die konvexe Wölbung in Drehrichtung des Wasserrades gerichtet ist. Weiters kann jede Schaufellamelle ein zum Radumfang weisendes Anströmende und ein zur Drehachse weisendes Abströmende aufweisen, welches in der Verbindungsebene zur Drehachse mit maximaler Winkelabweichung + 10°, bevorzugt + 5°, liegt. Die Höhe jeder Schaufellamelle entspricht etwa 50% bis 100% der Wasserstromtiefe. Bevorzugt weist jede Schaufelanordnung zwei oder mehr Schaufellamellen auf, die entlang einer Bogenlinie angeordnet sind, deren konvexe Wölbung gegen die Drehrichtung des Wasserrades gerichtet ist. Diese Bogenlinie weist einen Radius etwa D x 'A auf, wobei D der Durchmesser des Wasserrades ist. In weiterer Folge liegen die Schaufelanordnungen in gleichen Sektoren des Wasserrades mit dem Innenwinkel ß, welcher gleich 15° oder 30°, bevorzugt 15° ist. Zusätzlich kann jede Schaufelanordnung eine Verbindungslamelle aufweisen, die entlang des Umfanges des Wasserrades zwischen benachbarten Schaufelanordnungen angeordnet ist und welche auf einer Bogenlinie 27 liegt, die die benachbarten Schaufellamellen umfasst und deren konvexe Wölbung in Drehrichtung des Wasserrades gerichtet ist. Weiters beträgt der Durchmesser des Wasserrades bevorzugt etwa das 8 bis 12-fache der Tiefe des Wasserstromes. Die Verbindungslamellen sind bei Anordnung von 1/11 österreichisches Patentamt AT506106 B1 2010-02-15 jeweils drei Schaufellamellen pro Schaufelanordnung vorteilhaft in der Höhe der mittleren Schaufellamelle angeordnet. Bei Anordnung von drei Schaufellamellen liegt die innerste Schaufellamelle mit ihrer Anströmfläche bevorzugt in einer Ebene, die den Winkel ß teilt und durch die Drehachse verläuft.

[0008] Ein Wasserkraftwerk kann dadurch ausgebildet sein, dass es zumindest ein Wasserrad mit wenigstens einigen dieser Merkmale aufweist.

[0009] Die Anordnung des Wasserrades mit horizontaler Nabe bedeutet, dass auch die einzelnen Schaufellamellen zwischen den vertikal stehenden Radwangen im wesentlichen horizontal liegen, obwohl im Rahmen der Erfindung die Schaufellamellen auch schräg zu den Radwangen stehen oder eine von der Geraden abweichende Form haben können. Die jeweils äußeren Schaufellamellen sind jene, die am nächsten zum Radumfang oder direkt am Radumfang angeordnet sind. Die inneren Schaufellamellen sind jene, die einen geringeren oder den geringsten radialen Abstand zur Nabe aufweisen.

[0010] Die jeweils genannte Wassertiefe ist jene Tiefe des Wasserstromes, die eine optimale Arbeit des Wasserrades erlaubt und für die das Wasserrad ausgelegt ist.

[0011] Die durch die Erfindung resultierende hohe Drehgeschwindigkeit des Wasserrades erlaubt im Hinterwasser eine höhere Eintauchtiefe des Wasserrades. Im gleichen Maße, wie das Rad tiefer eintaucht, erhöht sich die Fallhöhe des Wassers im Einlauf des Rades.

[0012] Ein ruhiges Laufverhalten kann dadurch erzielt werden, indem der Zwischenraum zwischen den Radwangen unterteilt wird und dazwischen die entsprechend verkürzten Lamellen am Umfang versetzt angebracht werden. Somit kann das Wasserrad auch das Merkmal aufweisen, dass es durch Zusammenfügen von zwei Wasserrädern zu einem einzigen Wasserrad mit drei Radwangen gebildet ist und dass die Schaufelanordnungen der beiden Wasserradhälften in ihrer Drehlage zueinander versetzt sind.

[0013] Die Benutzung des erfindungsgemäßen Wasserrades kann selbstverständlich auch sinnvoll sein, wenn nicht die optimale Wasserstromtiefe, sondern eine zu geringe oder eine etwas zu große Wassertiefe vorliegt.

[0014] Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben.

[0015] Die Figur 1 ist ein Schnitt durch ein Wasserkraftwerk und Figur 2 ein Schnitt nach der Linie ll-ll in Figur 1. Figur 3 ist eine Aufsicht auf dieses Wasserkraftwerk. Figur 4 zeigt schematisch die Strömungsverhältnisse am Wasserrad und Figur 5 zeigt das Schema der Anordnung der Schaufellamellen zwischen den Radwangen des Wasserrades. Figur 6 ist eine Seitenansicht einer einzelnen Schaufellamelle. Figur 7 zeigt im Detail ein Konstruktionsschema für die Anordnung der Schaufellamellen im Wasserrad.

[0016] In den Figuren 1 bis 3 ist ein Kraftwerk schematisch dargestellt. Der Wasserstrom fließt in Richtung der Fließrichtung 1 in den Wassereinlaufkanal 2, der ein Absetzbecken 3 aufweist. Ein Überströmkanal 4 ist vorgesehen, um überschüssiges Wasser aufzunehmen oder um den gesamten Wasserstrom mittels einer Wehr (8, 9) an den Wasserrädern 5 vorbeizulenken. Im vorliegenden Beispiel sind zwei Wasserräder nebeneinander angeordnet. Es kann aber auch bloß ein einziges Wasserrad vorgesehen sein oder eine Mehrzahl von Wasserrädern nebeneinander.

[0017] Die Schaufelanordnungen 15 zwischen den jeweiligen Radwangen 12 sind nur schematisch durch gerade Striche angedeutet.

[0018] Der Wasserkanal verfügt in bekannter Weise über eine Beschleunigerstrecke 6, die am Wassereinlauf eine Erhöhung des Bodens und eine darauffolgende abfallende Strecke für den Wasserlauf vorzieht und der Erhöhung der Fließgeschwindigkeit sowie der Erzeugung eines definierten Wasserstroms dient.

[0019] Die Figur 3 zeigt die schematische Aufsicht auf dieses Kraftwerk, wobei die zugehörigen Wehre 8,9 nur schematisch dargestellt sind. 2/11 österreichisches Patentamt AT506106 B1 2010-02-15 [0020] In Figur 4 ist schematisch der Wasserlauf dargestellt, wobei die Höhenverhältnisse und Steigungen der Fließstrecke nicht maßstäblich eingezeichnet sind.

[0021] Der Wasserstrom hat im Wassereinlaufkanal eine Einlaufwassertiefe he, die sich entlang der Beschleunigerstrecke 6 verringert und die Wasserstromtiefe h ergibt, die den wirksamen Wasserstrom darstellt, der auf das Wasserrad seine Kraft ausübt. Bei jedem Wasserrad gibt es eine Wasserstromtiefe, die für die Arbeit des Wasserrades optimal ist und auf die die Dimensionen des Wasserrades abgestellt sind.

[0022] Nach Durchlaufen des Wasserrades fließt das Wasser über den Wasserauslauf 10 ab, wobei es vorteilhaft ist, wenn die Auslaufwassertiefe ha die Wasserstromtiefe h nicht unterschreitet. Zufolge der Drehbewegung des Wasserrades in Drehrichtung 11 um die Drehachse 18 und der Radnabe 26 kommt es jedoch zumeist zu einem Aufstauen des auslaufenden Wassers, wodurch die Auslaufwassertiefe ha auch größer sein kann als die Wasserstromtiefe h, wie strichliert mit ha' eingezeichnet ist.

[0023] Die Figur 5 zeigt das Schema der erfindungsgemäßen Schaufelanordnungen, wobei der leichteren Darstellung halber nur die unten liegenden Schaufelanordnungen eingezeichnet sind. Es versteht sich von selbst, dass die Schaufelanordnungen symmetrisch rund um das Wasserrad entlang des Umfanges vorgesehen sind.

[0024] Das anströmende Wasser ist durch den Pfeil für die Fließrichtung 1 angedeutet. Die innere Kreislinie 13 zeigt die wirksame Wassertiefe h, die allerdings nur im Bereich des untersten Punktes X auf das Wasserrad einwirkt. Die äußere Kreislinie ist der Umfang 14 der Radwangen 12 und daher auch des Wasserrades 5.

[0025] Die Schaufelanordnungen 15 sind entlang des gesamten Radumfanges 14 vorgesehen und liegen symmetrisch in Radsektoren 16, wobei die Radsektoren bevorzugt einen Winkel ß von 30° oder 15° einnehmen, besonders bevorzugt 15°. Letzterer Winkel ergibt 24 Schaufelanordnungen.

[0026] Eine Schaufelanordnung besteht grundsätzlich aus zumindest zwei und im vorliegenden Fall aus drei Schaufellamellen 23 an den Positionen a, b, c, die entlang einer Bogenlinie 17 angeordnet sind. Die konvexe Wölbung dieser Bogenlinie ist gegen die Drehrichtung 11 des Wasserrades gerichtet. Wesentlich ist, dass die inneren Schaufellamellen an den Positionen b, c gegenüber der äußersten Schaufellamelle bei a vom Radumfang 14 nach innen und gegen die Drehrichtung 11 des Wasserrades versetzt sind. Damit wird bewirkt, dass die Schaufellamellen in der Reihenfolge a, b, c in den Wasserstrom eintauchen und in dieser Reihenfolge auch wieder aus dem Wasserstrom austauchen, wenn sich das Wasserrad gedreht hat.

[0027] In der Ausführungsform Figur 5 und 7 sind weiters noch Schaufellamellen als Verbin-dungslamellen 24 vorgesehen, die zwischen zwei benachbarten äußeren Schaufellamellen a an der Position d liegen und etwa die gleiche Position von der Drehachse 18 einnehmen, wie die zweite Schaufellamelle bei b.

[0028] Wie der Figur 5 ebenfalls zu entnehmen ist, liegen alle Schaufellamellen am untersten Punkt X innerhalb der wirksamen Wasserstromtiefe h. Die Höhe jeder Schaufellamelle beträgt die halbe Wassertiefe h. Weiters ist zu beachten, dass jede Schaufellamelle ein in Richtung zum Umfang 14 weisendes Anströmende und ein in Richtung zur Drehachse 18 ragendes Abströmende aufweist.

[0029] Durch alle diese Maßnahmen ist gewährleistet, dass eine hohe Drehgeschwindigkeit und maximale Effizienz des Wasserrades gegeben ist. Beim Eintauchen in den Wasserstrom kommt es unmittelbar danach zu einer Kraftübertragung in Drehrichtung 11, wobei das Eintauchen in das Wasser ohne oder nur bei geringem Spritzen und damit ohne Kraftverlust erfolgt. Die maximale Kraftübertragung vom Wasserstrom auf das Wasserrad erfolgt im eingezeichneten X-Punkt. Nach dem Durchgang durch den X-Punkt kommen die Schaufellamellen in eine Lage, wo sie aus dem Wasser wieder herausgehoben werden. Dabei wird das zwischen den Schaufeln befindliche Wasser wieder leicht und ohne nennenswerten Kraftverlust abfließen gelassen und die Anordnung der Schaufellamellen stellt sicher, dass die angehobenen Wasservolumina 3/11 österreichisches Patentamt AT506106 B1 2010-02-15 nur sehr gering sind. Dies erfolgt auch durch die Maßnahme, dass die Schaufeln bzw. deren Schaufellamellen auch nach innen offen sind, sodass keinerlei Saugwirkung auftreten kann.

[0030] Die Schaufellamellen an den Positionen a und b bilden jeweils eine Verengung in Richtung zur Drehachse. Diese Verengung wirkt wie ein Stoßdämpfer, der die Kraft des Wassers von außen nach innen aufnimmt und ins Radinnere verlangsamt. Die Schaufellamelle an der Position a erzeugt an der konvexen Rückseite einen Unterdrück, die Lamelle bei b verlangsamt die Hinterspülung der Lamelle a. Das durch die Schaufellamellen bei a und b gepresste Wasser strömt mit Hilfe der Schwerkraft in Richtung Unterdruckseite, wodurch das Wasser am äußeren Rand des Rades bleibt. Bei der Entleerung der Zwischenräume wirkt dieser Mechanismus in umgekehrter Reihenfolge, wodurch es zu einer beschleunigten Entleerung des Wasserrades und Erhöhung des Wirkungsgrades kommt.

[0031] Die Figur 6 zeigt die Ansicht auf eine Schaufellamelle 23, 24 mit dem Anströmende 19 und dem Abströmende 20. Wie zuvor geschildert, ragt das Abströmende 20 in Richtung zur Drehachse 18, wobei das Abströmende über einen Teil der Schaufelhöhe 21 gerade ausgebildet ist und diese geraden Flächen ebenfalls in Richtung zur Drehachse stehen.

[0032] Das Anströmende 10 ragt in Richtung zum Umfang des Wasserrades und steht in einem Winkel zur Tangente am Wasserrad. Ein bevorzugter Radius für die Wölbung ist die Höhe der Schaufellamelle. Die Ausdehnung der geraden Fläche zum Abströmende 20 beträgt etwa B/3.

[0033] Der Figur 7 ist das genaue Konstruktionsschema für die Anordnung der Schaufellamellen zwischen den beiden Radwangen zu entnehmen. Durch die Lage der äußeren Schaufellamelle bei a wird der Anfang der Sektorengrenze 22 definiert. Die dritte, nämlich innerste Lamelle liegt bei c auf dem Kreisbogen 25 der halben Wassertiefe, genau in der Winkelsymmetrale des Sektors. Die hier ebenfalls vorhandene zweite Schaufellamelle liegt bei b genau zwischen der äußersten und innersten Schaufellamelle.

[0034] Wenn eine Verbindungslamelle bei d vorgesehen wird, liegt diese mit einer analogen Kreisbogenkonstruktion spiegelbildlich zur Sektorengrenze 22. Alle Abströmenden liegen in Richtung zur Drehachse 18.

[0035] Die Ausrichtung der Abströmenden der Schaufellamellen zur Drehachse soll bevorzugt innerhalb maximaler Winkelabweichungen von + 10° bevorzugt+ 5° liegen.

BEZUGSZEICHENLISTE 1. Fließlichtung 2. Wassereinlaufkanal 5 3. Absetzbecken 4. Überstromkanal 5. Wasserrad 6. Beschleunigerstrecke 7. Wasser 10 8. Wehr 9. Wehr 10. Wasserauslauf 11. Drehrichtung 12. Radwange 15 13. Kreislinie 14. Umfang 15. Schaufelanordnungen 16. Radsektor 17. Bogenlinie 20 18. Drehachse 19. Anströmende 20. Abströmende 4/11

Claims (12)

1. österreichisches Patentamt AT506106 B1 2010-02-15 21. Höhe der Schaufellamelle

   22. Sektorengrenze 25

   23. Schaufellamellen

   24. Verbindungslamellen

   25. Kreisbogen h/2

   26. Radnabe

   27. Bogenlinie Verbindungslamelle 30 he Einlaufwassertiefe h Wasserstromtiefe ha, ha' Auslaufwassertiefe X' unterer Punkt a,b,c,d Schaufellamellenpositionen Patentansprüche 1. Unterschlächtiges oder mittelschlächtiges Wasserrad mit horizontaler Nabe und wenigstens zwei Radwangen, wobei entlang des Radumfanges zwischen den Radwangen Schaufelanordnungen zur Umsetzung der Bewegungs- und gegebenenfalls auch der Lageenergie des Wasserstromes in eine Drehbewegung des Wasserrades vorgesehen sind, wobei die Schaufelanordnungen (15) je eine äußere (a) und wenigstens eine innere (b, c) Schaufellamelle (23) umfassen und die inneren Schaufellamellen (b, c) vom Radumfang nach innen und gegen die Fließrichtung (1) des Wasserstroms (7) versetzt sind, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen jeder Schaufelanordnung (15) zusätzlich eine Verbindungslamelle (24) vorgesehen ist, die entlang des Umfanges (14) des Wasserrades (bei d) zwischen benachbarten Schaufellamellen (23) angeordnet ist.
2. 2. Wasserrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede Schaufellamelle (23, 24) gebogen ist, wobei die konvexe Wölbung in Drehrichtung (11) des Wasserrades gerichtet ist, und dass jede Schaufellamelle (23, 24) ein zum Radumfang (14) weisendes Anströmende (19) und ein zur Drehachse (18) weisendes Abströmende (20) aufweist, wobei die Abströmenden (20) in der Verbindungsebene zur Drehachse (18) mit maximaler Winkelabweichung ± 10°, bevorzugt ± 5° liegen.
3. 3. Wasserrad nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe (21) jeder Schaufellamelle (23,24) etwa 50% der Wassertiefe (h) entspricht.
4. 4. Wasserrad nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass jede Schaufelanordnung (15) drei oder mehr Schaufellamellen (23, 24) aufweist, die entlang einer Bogenlinie (17) angeordnet sind, deren konvexe Wölbung gegen die Drehrichtung (11) des Wasserrades gerichtet ist.
5. 5. Wasserrad nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Bogenlinie (17) einen Radius etwa D x 1/4 aufweist, wobei D der Durchmesser des Wasserrades ist.
6. 6. Wasserrad nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufelanordnungen (15) in gleichen Sektoren des Wasserrades mit dem Innenwinkel ß liegen.
7. 7. Wasserrad nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ß gleich 15° oder 30°, bevorzugt 15° ist.
8. 8. Wasserrad nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungslamellen (24) auf einer Bogenlinie (27) liegen, die die benachbarten Schaufellamellen (23 bei c, a) umfassen und deren konvexe Wölbung in Drehrichtung (11) des Wasserrades gerichtet sind. 5/11 österreichisches Patentamt AT506106 B1 2010-02-15
9. 9. Wasserrad nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser (D) des Wasserrades etwa das 8 bis 12-fache der Tiefe (h) des Wasserstromes (7) beträgt.
10. 10. Wasserrad nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungslamellen (24) bei Anordnung von jeweils drei Schaufellamellen (23) pro Schaufelanordnung (15) in der Höhe der mittleren Schaufellamelle (bei b) angeordnet sind.
11. 11. Wasserrad nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass bei Anordnung von drei Schaufellamellen (23) die innerste Schaufellamelle (c) in einer Ebene liegt, die den Innenwinkel ß des Sektors halbiert und durch die Drehachse (18) verläuft.
12. 12. Wasserrad nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass es durch Zusammenfügen von zwei Wasserrädern zu einem einzigen Wasserrad mit drei Radwangen gebildet ist und dass die Schaufelanordnungen der beiden Wasserradhälften in ihrer Drehlage zueinander versetzt sind. Hierzu 5 Blatt Zeichnungen 6/11