AT510320B1 - Wasserkraft-staudruckmaschine - Google Patents

Abstract

Wasserkraft-Staudruckmaschine (1) mit wenigstens einem an einem Rahmen drehbar gelagerten Laufrad (2), das eine Nabe (3) und damit verbundene Schaufeln (9) aufweist, und das im Betrieb eine Wasserstandshöhe als Differenz zwischen einem Oberwasserpegel und einem Unterwasserpegel festlegt, und mit einer mit dem Laufrad (2) über ein Getriebe (21) gekuppelten, in einem Modul (20) mit diesem zusammengefassten elektrischen Motor-Generator-Maschine (21'), wobei benachbart wenigstens einer Stirnseite der Nabe (3) des Laufrads ein mit dem Rahmen (5) fest verbundener, gegenüber dem Laufrad (2) abgedichteter Tragteil (22) mit mehreren Steckplatz-artigen, vorzugsweise unterwasserseitig angeordneten Aufnahmen (25) für jeweils ein Maschinen-(21')-Getriebe( 21)-Modul (20) angeordnet ist, dass in zumindest einigen Aufnahmen (25) Maschinen- Getriebe- Module (20) befestigt sind, von denen jeweils ein Antriebsritzel (34) mit einem an der Stirnseite der Nabe (3) fest angebrachten Zahnkranz (33, 33') kämmt, und dass den Maschinen-Getriebe-Modulen (20) Schalter (PWR1, PWR2, ... PWRn) zum selektiven Zu- bzw. Abschalten der Maschinen- Getriebe- Module (20) zugeordnet sind.

Description

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft eine Wasserkraft-Stauduckmaschine mit wenigstens einem in einem Rahmen drehbar gelagerten Laufrad, das eine Nabe und damit verbundene Schaufeln aufweist, und das im Betrieb eine Wasserstandshöhe als Differenz zwischen einem Oberwasserpegel und einem Untenwasserpegel festlegt, und mit einer mit dem Laufrad über ein Getriebe gekuppelten, in einem Modul mit diesem zusammengefassten elektrischen Motor-Generator-Maschine.

[0002] Wasserkraft-Staudruckmaschinen sind aus der AT 404 973 B und der AT 501 575 A1 bekannt. Das Laufrad wird quer zur Strömungsrichtung in einem Gerinne angeordnet. Die Nabe des Laufrads kann ein Wehr ersetzen, worunter im Wasserbau eine Stauanlage verstanden wird, die einen Flussbereich abschließt. Je nach Ausführung können Wehre bei Bedarf überströmt bzw. durchströmt werden, wobei der Abschnitt des Gerinnes in Strömungsrichtung oberhalb des Wehrs als Oberwasser und der Abschnitt des Gerinnes unterhalb des Wehrs als Unterwasser bezeichnet wird. Früher wurden Wehre mit geringen Stauhöhen lediglich zum bedarfsweisen Aufstauen von Wasser vorgesehen; ausgehend davon wurde in der AT 404 973 B bzw. AT 501 575 A1 vorgeschlagen, den Staudruck zur Energiegewinnung zu nützen. Zu diesem Zweck treibt das einströmende Wasser die Schaufeln des Laufrads an, das mit der Motor-Generator- Maschine verbunden ist. Im Generatorbetrieb wird ein bremsendes Drehmoment aufgebaut, und es erfolgt eine Umsetzung der mechanischen Leistung in eine elektrische Nutzleistung, die einem Energiespeicher zugeführt oder in ein Stromnetz eingespeist wird. Dieser Typ Wasserkraftmaschine hat den Vorteil, dass der Antrieb des Generators über den Druck des strömenden Wassers erfolgt. Demnach wird im Sinne eines hohen Wirkungsgrads bei großem Schluckvermögen sowohl die Fließgeschwindigkeit des Gerinnes als auch die der Wasserstandshöhe entsprechende potentielle Energie zur Energiegewinnung genutzt.

[0003] Die abgegebene Leistung und der erzielbare Wirkungsgrad hängen u.a. vom Oberwasserpegel ab, d.h. vom oberwasserseitigen Wasserstand des Gerinnes bezüglich der Nabe des Laufrads. Der Oberwasserpegel beeinflusst die zum Antrieb des Laufrads verfügbare Wassermenge. Es wurde bereits vorgeschlagen (vgl. http://de.wikipedia.org/wiki/Staudruckmaschine sowie die nicht vorveröffentlichte frühere Anmeldung AT A 1195/2010), den Obenwasserpegel zu regeln, um den aktuellen Oberwasserpegel laufend an den Obenwasserpegel-Soll-Wert anzugleichen.

[0004] Mehr im Einzelnen hängt bei einer Staudruckmaschine die pro Zeiteinheit vom Oberwasser durch die Anlage in das Unterwasser strömende Wassermenge - üblicherweise als Schluckvermögen bezeichnet - von der Drehzahl des Laufrads ab. Da dem Wasserstrom zweckmäßigerweise keine Möglichkeit geboten wird, dem quer über das gesamte Gerinne angeordneten Laufrad auszuweichen, strömt das gesamte Wasser durch die Staudruckmaschine. Bei einer hohen Drehzahl des Laufrads liegt ein hohes Schluckvermögen der Staudruckmaschine vor, wobei eine größere Wassermenge durch die Schaufeln auf die Unterwasserseite transportiert wird und somit der Obenwasserpegel verringert wird; umgekehrt führt eine Verringerung der Drehzahl des Laufrads zu einem niedrigeren Schluckvermögen der Staudruckmaschine, so dass weniger Wasser durch die Staudruckmaschine strömt und in der Folge der Oberwasserpegel steigt. Zur Einhaltung des vorgegebenen Obenwasserpegels, welcher auf eine bestimmte Leistungsabgabe bzw. einen optimalen Wirkungsgrad abzielt, kann somit die Drehzahl des Laufrads beeinflusst werden, was über das bremsende Drehmoment der Motor-Generator-Maschine bewerkstelligt werden kann. Zur Verringerung der Drehzahl des Laufrads kann das bremsende Drehmoment des Generators erhöht werden; um andererseits eine höhere Drehzahl des Laufrads zur Erzielung eines größeren Schluckvermögens der Staudruckmaschine zu erreichen, kann das bremsende Drehmoment der Motor-Generator-Maschine reduziert werden. Eine derartige Einflussnahme ist bei einer üblichen Staudruckmaschine mit einer Motor-Generator-Maschine regeltechnisch relativ aufwändig.

[0005] Ein weiterer Nachteil bei den bekannten Wasserkraftmaschinen bzw. Staudruckmaschi- nen ergibt sich dadurch, dass bei einem Ausfall der Motor-Generator-Maschine die Wasserkraft-bzw. Staudruckmaschine ausfällt, bis die Motor-Generator-Maschine repariert oder ersetzt ist.

[0006] Dieser Nachteil ist auch bei der Wasserkraftanlage gemäß DE 43 13 509 A1 gegeben, bei der direkt in einer Scheibenwand der Nabe des Wasserrads eine Vertiefung als Aufnahme für ein Getriebe vorgesehen ist, mit dem ein Generator gekoppelt ist, wobei ein Art Modul erhalten ist; der Generator wird von einer Tragkonsole abgestützt, die an einer Gebäudewand befestigt ist. Wesentlich ist hierbei ferner, dass eine koaxiale Anordnung des - einzigen - Getriebe-Generator-Moduls vorgesehen ist.

[0007] Auch beim Wasserkraftwerk gemäß WO 2009/121824 A2 sowie beim Generatorsystem gemäß US 2009/0322093 A1 ist jeweils ein einzelner Generator, wie üblich, vorgesehen, der über ein Zahnrad-Getriebe von einem Laufrad angetrieben und dabei relativ zu dessen Drehachse exzentrisch an einer eigenen Halterung angeordnet ist.

[0008] Wünschenswert wäre es überdies auch, im Fall der beispielsweise in der AT 501 575 A1 angesprochenen Modul-Bauweise je nach Leistung des Laufrads eine angepasste Gesamtgeneratorleistung zu ermöglichen, was bei den bekannten Staudruckmaschinen nur durch Austausch der Motor-Generator-Maschine, d.h. durch Anbringung einer Motor-Generator-Maschine mit an die Antriebsleistung angepasster Generatorleistung, bewerkstelligt werden kann.

[0009] Es ist nun Aufgabe der Erfindung, eine Wasserkraft-Staudruckmaschine wie eingangs angegeben vorzuschlagen, mit der nicht nur eine derartige Leistungsanpassung bei einer Modul-Bauweise der Staudruckmaschine auf einfach Weise realisiert werden kann, sondern darüber hinaus auch ein Gesamt-Ausfall der Wasserkraftmaschine bei Ausfall der Motor-Generator-Maschine vermieden werden kann, und bei der weiters auf einfache Weise ein Betrieb in einem optimalen Generator-Leistungsbereich abhängig vom Obenwasserpegel oder gegebenenfalls auch Unterwasserpegel, also insbesondere von der Wasserstandshöhe bzw. der Differenz zwischen Oberwasserpegel und Unterwasserpegel, ermöglicht wird.

[0010] Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung eine Wasserkraft- Staudruckmaschine wie im unabhängigen Anspruch gekennzeichnet vor. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen dieser Staudruckmaschine sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

[0011] Bei der vorliegenden Wasserkraft-Staudruckmaschine ist somit in erster Linie vorgesehen, dass benachbart wenigstens einer Stirnseite der Nabe des Laufrads ein mit dem Rahmen fest verbundener Tragteil mit mehreren Steckplatz-artigen, vorzugsweise unterwasserseitig angeordneten Aufnahmen für jeweils ein Maschinen-Getriebe-Modul angeordnet ist, der gegenüber dem Laufrad abgedichtet ist, dass in zumindest einigen Aufnahmen Maschinen- Getriebe-Module befestigt sind, von denen jeweils ein Antriebsritzel mit einem an der Stirnseite der Nabe fest angebrachten Zahnkranz kämmt, und dass den Maschinen-Getriebe-Modulen zugehörige Schaltmittel bzw. Schalter zum selektiven Zu- bzw. Abschalten der Maschinen-Getriebe-Module vorgesehen sind. Dadurch, dass mehrere Maschinen-Getriebe-Module vorgesehen sind, deren Ritzel sich zu einem „Matrixantrieb" ergänzen, kann z.B. je nach Breite des Laufrads durch Anbringung von mehr oder weniger Maschinen- Getriebe-Modulen mit dem Matrixantrieb einfach die Gesamtantriebsleistung (Gesamtgeneratorleistung) an die jeweilige Ausführung des Laufrads angepasst werden.

[0012] Weiters ist es durch (elektrisches) Wegschalten einzelner Module, je nach Wasserangebot, möglich, die im Betrieb verbleibenden einzelnen Generatoren in einem optimalen Leistungsbereich zu betreiben. Die elektrisch abgeschalteten Module drehen dann ohne Leistungsentnahme leer mit. Dadurch kann die elektrische Abgabeleistung an die Bedürfnisse des lokalen Wasserangebots angepasst werden.

[0013] Sollte ein Maschinen-Getriebe-Modul (elektrisch) ausfallen, so kann die Wasserkraftmaschine weiter, mit den noch arbeitenden Modulen, gegebenenfalls mit reduzierter Leistung, betrieben werden, d.h. es fällt nicht das gesamte System aus, wie dies beim Stand der Technik der Fall ist.

[0014] Was die Leistungsanpassung bzw. Baukasten-Bauform anlangt, so gibt ein breites Wasserrad, bei gegebenem Durchmesser, mehr Leistung ab als ein schmäleres Laufrad (mit demselben Durchmesser). Mit guter Näherung gilt, dass ein doppelt so breites Laufrad (Wasserrad) ein doppeltes Drehmoment und in der Folge eine doppelte Leistung ergibt. Mit dem erfindungsgemäßen Tragteil für eine Mehrzahl von Maschinen-Getriebe-Modulen kann je nach Breite des Laufrads die Anzahl der zu verwendenden Module festgelegt werden, die in den gewünschten Aufnahmen des Tragteils montiert werden. Nicht verwendete Aufnahmen, also freie Aufnahmen, in die keine Maschinen-Getriebe-Module eingesteckt werden, werden auf geeignete Weise dicht verschlossen. Dies führt dazu, dass bei maximal breiten Laufrädern die maximale Anzahl von Maschinen-Getriebe-Modulen am Tragteil befestigt wird, wogegen bei schmäleren Laufrädern einfach weniger Maschinen-Getriebe-Module am Tragteil angebracht werden können.

[0015] Bei den vorliegenden Maschinen-Getriebe-Modulen liegt somit ein Generator mit einem integrierten Getriebe, z.B. einem Planetengetriebe oder Stirnradgetriebe, vor; ein Antriebsritzel dieses Getriebes ist von außen zugänglich, und dieses Antriebsritzel steht in Eingriff mit dem Zahnkranz an der Naben-Stirnseite; über das Getriebe wird die relativ niedrige Drehzahl des Laufrads in eine geeignet hohe Drehzahl des Generators umgesetzt.

[0016] Theoretisch ist es auch denkbar, als Getriebe nur das mit dem Zahnkranz kämmende Antriebsritzel vorzusehen, wenn die Übersetzung zwischen Zahnkranz und Ritzel bereits für die Drehzahlübersetzung zum Generator ausreicht. Für diese Zwecke ist es insbesondere von Vorteil, wenn der Zahnkranz an der Naben-Stirnseite ein innenverzahnter Zahnkranz ist, der somit außen (d.h. außerhalb der Ritzel) vorliegt und so einen relativ großen Durchmesser und damit eine große Zähnezahl aufweist, so dass das verhältnismäßig kleine Ritzel, mit kleiner Zähnezahl, im Betrieb mit einer vergleichsweise wesentlich höheren Drehzahl vom Zahnkranz angetrieben werden kann.

[0017] Im Prinzip ist es aber selbstverständlich auch möglich, etwa wenn dies aus sonstigen baulichen Gegebenheiten notwendig ist, einen außenverzahnten Zahnkranz an der Naben-Stirnseite vorzusehen, wobei dann die Ritzel der Maschinen-Getriebe-Module außerhalb dieses Zahnkranzes vorliegen, der dann im Vergleich zu einem innenverzahnten Zahnkranz einen kleineren Durchmesser hat, so dass die Übersetzung nicht so hoch sein kann wie bei einem innenverzahnten Zahnkranz.

[0018] Für eine einfache, platzsparende, kompakte Konstruktion ist der Tragteil bevorzugt plattenförmig, z.B. als Seitenblech, ausgebildet.

[0019] Weiters kann der Tragteil einfach mit dem Rahmen über zumindest eine vom Rahmen auskragende Konsole verbunden sein; dabei befinden sich die Maschinen-Getriebe-Module wie bereits angeführt bevorzugt auf der Unterwasserseite der Staudruckmaschine, und die Konsole, vorzugsweise zwei Konsolen, stehen untenwasserseitig von Rahmen-Trägern ab und stützen den Tragteil mit der erforderlichen Festigkeit ab. Der Tragteil kann auch zur Lagerung des Laufrads verwendet werden, d.h. der Tragteil ist über die Konsole (n) Teil des Lager-Rahmens.

[0020] Um die Maschinen-Getriebe-Module einfach am Tragteil zu montieren, ist es von Vorteil, wenn diese Module über Flanschverbindungen am Tragteil befestigt sind. Im Fall von frei bleibenden Aufnahmen des Tragteils werden bevorzugt diese freien Aufnahmen des Tragteils durch Blindflansche verschlossen.

[0021] Um eine möglichst gute Leistungsanpassung zu ermöglichen, ist es günstig, wenn der Tragteil mehr als drei Aufnahmen für Maschinen-Getriebe-Module enthält. Es ist aber grundsätzlich auch möglich, nur zwei oder drei Aufnahmen vorzusehen.

[0022] Für einen ordnungsgemäßen Betrieb der Staudruckmaschine ist es weiters bevorzugt, wenn zwischen dem Tragteil und der Naben-Stirnseite Dichtungen, z.B. Lippendichtungen, gegen Wassereintritt einerseits und Ölaustritt andererseits angeordnet sind; bzw. wenn zwischen dem Tragteil und einer Laufrad-Welle Dichtungen gegen Wassereintritt einerseits und Ölaustritt andererseits angeordnet sind.

[0023] Für eine möglichst automatische Leistungsanpassung, für einen optimalen Betrieb der Staudruckmaschine und insbesondere der Generatoren, ist es weiters günstig, wenn die Schaltmittel an eine Steuereinheit, z.B. mit SPS-Modul, angeschlossen sind, die ihrerseits mit einem Pegelsensor, vorzugsweise einem Obenwasser- Pegelsensor, verbunden ist, um bei einer vergleichsweise niedrigen Wasserstandshöhe (z.B. in der Reihenfolge des Abschaltens vorgegebene) Schaltmittel zum Abschalten einzelner Maschinen- Getriebe- Module anzusteuern.

[0024] Die Erfindung wird nachfolgend anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen, auf die sie jedoch nicht beschränkt sein soll, und unter Bezugnahme auf die Zeichnung noch weiter erläutert. In der Zeichnung zeigen im einzelnen: [0025] Fig. 1 eine schaubildliche Ansicht einer Wasserkraft-Staudruckmaschine gemäß der Erfindung, und zwar von der Unterwasserseite her gesehen, wobei die Seite des Laufrads mit den Maschinen-Getriebe-Modulen ersichtlich ist; [0026] Fig. 2 eine ähnliche schaubildliche Darstellung der Unterwasserseite der

Staudruckmaschine gemäß Fig. 1, nun jedoch von der anderen Seite, gegenüber jener Seite, wo die Maschinen-Getriebe- Module angebracht sind; [0027] Fig. 3 eine Schrägansicht der Staudruckmaschine gemäß Fig. 1 und 2 von der Oberwasserseite her; [0028] Fig. 4 eine Seitenansicht der Staudruckmaschine gemäß Fig. 1 bis 3, wobei die Seite mit den Maschinen-Getriebe-Modulen ersichtlich ist; [0029] Fig. 5 eine Aufrissdarstellung der Staudruckmaschine gemäß Fig.1 bis 4 von der Oberwasserseite her gesehen; [0030] Fig. 6 eine Seitenansicht der Staudruckmaschine ähnlich Fig. 4, wobei jedoch das stationäre Gestell und der Lager-Rahmen der Staudruckmaschine weggeschnitten sind, im Wesentlichen gemäß der Linie Vl-Vl in Fig. 5; [0031] die Fig. 7A und 7B zwei Ausführungsformen hinsichtlich der Anordnung des Zahnkran zes an der Stirnseite der Nabe der Staudruckmaschine, nämlich einmal mit Innenverzahnung (Fig. 7A) und einmal mit Außenverzahnung (Fig. 7B); [0032] Fig. 8 eine Teil-Ansicht, teilweise aufgebrochen, der Staudruckmaschine gemäß Fig. 1 bis 4, wobei insbesondere die Lagerung des Laufrads sowie eine Ausbildung eines außenverzahnten Zahnkranzes an der Nabe veranschaulicht sind; [0033] die Fig. 9 und 10 Teil-Schnittdarstellungen im Bereich der Dichtung zwischen Modul-

Tragteil und Nabe (Detail IX in Fig. 9) bzw. zwischen Modul-Tragteil und Laufrad-Welle (Detail X in Fig. 10); und [0034] Fig. 11 ein Blockschaltbild zur Veranschaulichung einer elektrischen Schal tung einschließlich Steuereinheit zum Zu- und Abschalten der elektrischen Maschinen (Generatoren) abhängig vom Wasserpegel.

[0035] In Fig. 1 und 2 ist eine Wasserkraft-Staudruckmaschine 1 mit einem Laufrad 2 von der Unterwasserseite her gesehen schaubildlich veranschaulicht. Die Fig. 3 und 5 zeigen diese Staudruckmaschine 1 von der Obenwasserseite her gesehen.

[0036] Das Laufrad 2 weist eine zylindrische Nabe 3 auf, deren Achse gleichzeitig die Drehachse des Laufrads 2, auch Rotor genannt, ist. An dieser Nabe 3 sind an den axialen Enden kreisringförmige Deckscheiben 4 fix angebracht, welche die Breite des Laufrads 2 begrenzen. Diese Deckscheiben 4 ermöglichen eine vorteilhafte Abdichtunq des Laufrads 2 in einem Laaer-

Rahmen 5 mit Hilfe von in Fig. 3 und 5 ersichtlichen, an einem stationären Gestell 6 oberwasserseitig befestigten Blechen 7 und an diesen befestigten Dichtlippen 8.

[0037] Am Umfang der Radnabe 3 sind geeignet geformte Schaufeln 9 angebracht, z.B. angeschraubt und/oder angeschweißt, um Taschen für den Wassertransport zu bilden, d.h. den Wasserdruck aufzunehmen und ein Drehmoment um die Radachse zu bewirken.

[0038] Die Schaufeln 9 des Laufrads 1 können außer der gezeigten V-förmigen Anordnung auch andere Anordnungen, wie beispielsweise einfache Schräganordnungen (siehe z.B. AT 404 973 B), aufweisen, und sie können auch je nach Zielsetzung eine Krümmung aufweisen.

[0039] Der das Laufrad 2 lagernde Rahmen 5 hat insgesamt eine rechteckige Form mit zwei vertikalen Trägern 10, 11 sowie einem unteren Träger 12 und einem oberen Träger 13 rund um das Laufrad 2 herum. Die Träger 10 bis 13 sind dabei bevorzugt aus im Querschnitt rechteckigen Formrohren gebildet, wodurch eine einfache, leichtgewichtige, dennoch stabile Bauweise des Rahmens 5 erzielt wird, die überdies eine problemlose Anpassung an verschiedene Dimensionen, insbesondere Breiten, von Laufrädern 2 ermöglicht. Diesbezüglich ist auf die nicht vorveröffentlichte frühere Anmeldung AT A 1193/2010 zu verweisen, deren Inhalt durch Bezugnahme als hier aufgenommen anzusehen ist.

[0040] Die vertikalen Träger 10, 11 tragen Radlager 14 (in Fig. 2 ist nur eines dieser Lager ersichtlich, das andere ist in den Fig. 1 bis 3 verdeckt; vgl. aber auch Fig. 8), wobei das Radlager 14 gemäß Fig. 2 an einer vom Träger 10 auskragenden Konsole 15 befestigt ist, wie aus Fig. 2 ersichtlich ist. Diese Anbringung des Lagers 14 ist beim bevorzugten Ausführungsbeispiel an der stromabwärtigen Seite (Unterwasserseite) der Staudruckmaschine 1 vorgesehen.

[0041] Die vertikalen Träger 10, 11 sind an ihren Außenseiten, also an der vom Laufrad 2 abgewandten Seite, mit nicht näher ersichtlichen Führungsrolleneinheiten (oder anderen eine reibungsarme Verschiebung des Rahmens 5 im stationären Maschinen-Gestell 6 gewährleistenden Führungselementen) ausgestattet, vgl. die im Gestell 6 vorgesehenen Führungsnuten 16 in Fig. 1 bis 3, um so ein Anheben bzw. Absenken des Rahmens 5 relativ zum Gestell 6, etwa zu Wartungszwecken oder aber zur Anpassung der Laufrad-Höhe an den jeweiligen Unterwasserpegel, mit Hilfe einer geeigneten, nicht näher gezeigten Hubvorrichtung zu ermöglichen; vgl. die erwähnte A 1193/2010; das Anheben bzw. Absenken des Rahmens 5 ist in Fig. 3 schematisch mit einem Doppelpfeil 5' veranschaulicht.

[0042] In Fig. 3, die die Oberwasserseite oder stromaufwärtige Seite der Staudruckmaschine 1 zeigt, ist weiters ein im unteren Bereich des Laufrads 2 angeordnetes, gekrümmtes Kropfblech 17 gezeigt, das mit Hilfe von an den vertikalen Trägern 10, 11 befestigten, hiervon auskragenden Haltern 18A, 18B am Rahmen 5 befestigt ist und eine Krümmung aufweist, die an den Bewegungspfad des Laufrads 2 bzw. der Schaufeln 9 desselben angepasst ist. Mit Hilfe dieses Kropfblechs 17 kann somit das Wasser tangential in den unteren Bereich rund um das Laufrad 2 eingeleitet werden, so dass es an der Unterwasserseite (Fig. 1 und 2) an der Unterseite des Laufrads 2 in einem Auslaufbereich 19 (Fig. 2) oberhalb des unteren Trägers 12 ausläuft und abfließt.

[0043] Durch die Anordnung mit den Dichtlippen 8 sowie weiters mit dem Kropfblech 17 wird erreicht, dass das Wasser des Gerinnes möglichst optimal für die Erzeugung elektrischer Energie genützt wird, d.h. der Wirkungsgrad der gezeigten Staudruckmaschine 1 wird dadurch zusätzlich verbessert.

[0044] Der beschriebene Rahmen 5 zur Lagerung des Laufrads 2 ermöglicht ein Baukastenprinzip für die Staudruckmaschine 1, wobei mit Hilfe der Träger 10 bis 12 auf einfache Weise ein an die jeweilige Größe (Breite bzw. Durchmesser) eines Laufrads 2 angepasster Lager-Rahmen 5 zusammengebaut werden kann. Hierzu passend ist dann das im Gerinne stationär angeordnete Gestell 6 vorzusehen.

[0045] Um diesem Baukastenprinzip auch hinsichtlich der stromerzeugenden Mittel gerecht zu werden, ist eine Matrixanordnung mit mehreren Modulen 20, jeweils enthaltend eine elektrische

Maschine (Generator-Motor) sowie damit integriert ein Getriebe vorgesehen. Aus Fig. 1 sind drei derartige Module 20, je mit einem Getriebe 21 und einer Maschine bzw. einem Generator 21', ersichtlich. Diese Module 20 werden an einem mit dem Rahmen 5 fest verbundenen Tragteil 22 fest angebracht, der an der Stirnseite der Nabe 3 des Laufrads 2 angeordnet ist, jedoch nicht mit dieser Nabe 3 umläuft, sondern mit Hilfe von Konsolen 23, 24 mit einem der vertikalen Träger des Rahmens 5, gemäß Fig. 1 mit dem dort links gezeigten vertikalen Träger 11, starr verbunden ist. Der Tragteil 22 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel plattenförmig bzw. scheibenförmig ausgebildet, wobei dieser scheibenförmige Tragteil 22 wie aus Fig. 1 ersichtlich radial innerhalb und angrenzend an die auf dieser Seite kreisringförmige Deckscheibe 4 vorliegt, die ihrerseits mit der Nabe 3 des Laufrads fest verbunden ist, wie vorstehend erwähnt wurde.

[0046] Der Tragteil 22, auch Kreisscheibe, Seitenblech oder Motorplatte genannt, hat mehrere Steckplatz-artige Aufnahmen 25 für jeweils ein Maschinen-Getriebe-Modul 20, wobei es nicht notwendig ist, in allen Aufnahmen 25 entsprechende Module 20 anzubringen. So ist im Beispiel von Fig. 1 vorgesehen, in drei von fünf Aufnahmen 25 jeweils ein Modul 20 anzubringen. Die beiden dazwischen liegenden freien Steckplatz-Aufnahmen 25, die keine Module 20 aufnehmen, s. Fig. 1, werden dicht verschlossen, beispielsweise mit Hilfe von Blindflanschen 26. Die Module 20 ihrerseits werden in entsprechender Weise über schematisch aus Fig. 1 und 9 ersichtliche Flanschverbindungen 27 mit dem Tragteil 22 verbunden.

[0047] Auf diese Weise können je nach Größe, d.h. Breite und Durchmesser, des Laufrads 2 mehr oder weniger Module 20 angebracht werden, um so in optimaler Weise elektrische Energie aus der kinetischen Energie des Laufrads 2, bei optimalem Wirkungsgrad, zu gewinnen.

[0048] Aus Fig. 4 ist in einer Seitenansicht die Anordnung des Laufrads 2 der Staudruckmaschine 1 im Gestell 6 (der Rahmen 5 ist in Fig. 4 nicht ersichtlich) veranschaulicht, wobei gezeigt ist, dass die Module 20 bzw. Aufnahmen 25 im Tragteil 22 an der Unterwasserseite 28 der Staudruckmaschine 1 vorliegen; die Oberwasserseite ist in Fig. 4 mit 29 angegeben, und weiters ist die Drehrichtung des Laufrads 2 mit einem Pfeil 30 angedeutet. Weiters ist in der Darstellung gemäß Fig. 4 auch erkennbar, dass am Träger 11 mittig ein weiteres Lager 31 für die Welle des Laufrads 2 angebracht ist. Dieses Lager 31 ist ebenso wie das Lager 14 bevorzugt ein Pendellager; von den Pendellagern können Achs- und Winkelfehler ausgeglichen werden.

[0049] Aus der oberwasserseitigen Ansicht der Staudruckmaschine 1 gemäß Fig. 5 sind wiederum der im Gestell 6 angebrachte Rechteck-Rahmen 5, das Laufrad 2 mit den Schaufeln 9, weiters die Bleche 7 mit den Dichtlippen 8 sowie das Kropfblech 17 ersichtlich.

[0050] In einer Schnittansicht gemäß der Linie Vl-Vl in Fig. 5 ist in Fig. 6 sodann die Anordnung der Aufnahmen 25 für Maschinen-Getriebe-Module 20 im Seitenblech-Tragteil 22 erkennbar; weiters sind Anschlussteile 32 zur Verbindung des Tragteils 22 mit den Konsolen 23, 24, somit mit dem Rahmen 5, erkennbar.

[0051] In den Fig. 7A und 7B ist die Stirnseite der Nabe 3 ersichtlich, wobei dargestellt ist, dass an diesen Naben-Stirnseiten ein Zahnkranz 33 (Fig. 7A) bzw. 33' (Fig. 7B) fest angebracht ist.

[0052] Im Fall der Fig. 7A ist der Zahnkranz 33 ein innenverzahnter Zahnkranz mit relativ großem Durchmesser, und mit diesem innenverzahnten Zahnkranz 33 kämmen drei Antriebsritzel 34, die zu den drei Maschinen-Getriebe-Modulen 20 gemäß Fig. 1, 2 und 4 gehören, wobei der Zahnkranz 33 mit dem jeweiligen Antriebsritzel 34 bereits eine Getriebestufe zur Erhöhung der Drehzahl bilden. In bestimmten Fällen kann dabei die dadurch gegebene Übersetzung bereits ausreichen, um die Generatoren 21' der Module 20 mit geeigneter Drehzahl anzutreiben, so dass weitere Getriebeteile in den Getrieben 21 der Module 20 entfallen können. Das Getriebe 21 ist dann jeweils nur durch den Zahnkranz 33 und das zugehörige Ritzel 34 gebildet. Im Regelfall werden jedoch noch weitere Zahnräder vorhanden sein, um eine zusätzliche - im Fall der Fig. 7A jedoch relativ kleine - Übersetzung (Sekundärübersetzung) für den Antrieb des Rotors des Generators 21' vorgesehen sein.

[0053] Im Fall der Fig. 7B ist der Zahnkranz 33' außenverzahnt, wobei die Antriebsritzel 34 der Maschinen-Getriebe-Module 20 (siehe Fig. 1) radial außerhalb dieses Zahnkranzes 33' vorlie gen. Wie ersichtlich ist hier das Übersetzungsverhältnis kleiner als im Fall der Fig. 7A, so dass hier eine vergleichsweise größere Sekundärübersetzung im Getriebe 21 des jeweiligen Moduls 20 erforderlich ist.

[0054] Es ergibt sich hier, dass ein innenverzahnter Zahnkranz 33, wie in Fig. 7A gezeigt, im Regelfall vorzuziehen ist, da eine kleinere Sekundärübersetzung - wenn überhaupt - im Modul 20 erforderlich ist, und da geringere Zahnkräfte im Zahnradbetrieb wirken.

[0055] Aus Gründen von konstruktiven Gegebenheiten kann jedoch manchmal eine Außenverzahnung notwendig sein, und diese ist, wie aus Fig. 7B ersichtlich, bei der vorliegenden Staudruckmaschine 1 durchaus möglich.

[0056] Aus der Teil-Darstellung in Fig. 8 sind die Lager 14, 31 für an der Nabe 3 des Laufrads 2 stirnseitig angebrachte Wellenstummel 35, 36 erkennbar. Dabei kann das eine Lager, nämlich das Lager 14, an der von den Modulen 20 abgewandten Stirnseite, beispielsweise als Pendellager ausgeführt sein. Das gegenüberliegende Lager 31, für den anderen Wellenstummel 36, ist beispielsweise über eine starre Befestigungsscheibe 37 mit einer als Naben-Stirnseite 38 vorgesehenen Platte verbunden.

[0057] Weiters sind aus Fig. 8 noch innere Versteifungen 39 an den Naben-Stirnseiten erkennbar. Diese Versteifungen 39 können zur Aufnahme von Biegemomenten vorgesehen werden, die von den Abständen zwischen den Lagern 14, 31 und den Befestigungsscheiben 37 an den Naben-Stirnseiten 38 herrühren.

[0058] Fig. 9 zeigt in einem Detailschnitt entsprechend dem Detail IX in Fig. 8 den Bereich der Abdichtung zwischen dem Tragteil 22 und der Rad-Nabe 3. Dabei ist veranschaulicht, dass zwischen der Nabe 3 und dem Tragteil 22 (Motorplatte bzw. Seitenblech) ein Ölraum 40 vorgesehen ist, wobei dieser Ölraum 40 bzw. Zwischenraum zwischen Tragteil 22 und Nabe 3 entsprechend abzudichten ist. Im Einzelnen ist hier eine Dichtung 41, insbesondere Lippendichtung, vorgesehen, um einen Wassereintritt in den Raum 40 zu verhindern, und eine weitere Dichtung 42, insbesondere Lippendichtung, die axial weiter innen liegt, dient dazu, einen Ölaustritt aus dem Ölraum 40 zu verhindern. Wie weiters aus Fig. 9 ersichtlich ist, kann der jeweilige Zahnkranz, beispielsweise der innenverzahnte Zahnkranz 33 (siehe auch Fig. 7A), mit Hilfe von Bolzen oder dergleichen Befestigungsmitteln 43 mit der Stirnseite 38 bzw. einem damit fest verbundenen Flanschteil 44 der Nabe 3 verbunden sein.

[0059] Fig. 10 zeigt das Detail X gemäß Fig. 8 und dabei konkret den Bereich eines Wälzlagers 45 zur Zentrierung des Tragteils oder Seitenblechs 22 relativ zu der Welle 36 sowie weiters einen entsprechenden Teil des Ölraums 40, mit einer Dichtung 42' gegen Ölaustritt einerseits bzw. einer Dichtung 41' gegen Wassereintritt einerseits zwischen dem Tragteil 22 und der Welle bzw. dem Wellenstummel 36.

[0060] In Fig. 11 sind mehrere Stränge 51, 52, 53 etc. mit jeweils einem Generator 21' eines Moduls 20 wie vorstehend beschrieben gezeigt. Bei den Generatoren 21' handelt es sich bevorzugt um Asynchrongeneratoren, auch wenn Synchrongeneratoren ebenfalls eingesetzt werden könnten. Die Generatoren der einzelnen Stränge 51,52 ... 53 liefern ihre elektrische Energie an Frequenzumrichter 54, die über Schalter PWR1, PWR2 ... PWRn mit einem Rückspeiseumrichter 55 - im Normalbetrieb - verbunden sind, um über diesen Rückspeiseumrichter 55 Strom an ein Netz 56 zu liefern. Die Schalter PWR1, PWR2 ... PWRn bilden Schaltmittel 57, die zu einer Steuereinheit 58 mit beispielsweise einem SPS-Steuermodul 59 gehören. Dieses SPS-Modul 59 ist an einem Pegelsensor 60 zur Wasserpegelermittlung angeschlossen, wobei beispielsweise (nur) der Obenwasserpegel erfasst wird. Gegebenenfalls können aber auch Oberwasserpegel und Unterwasserpegel bzw. kann die Pegeldifferenz erfasst werden, wobei eine bestimmte Pegeldifferenz zu einem optimalen Betrieb der Staudruckmaschine 1 führt. Bei konstantem Unterwasserpegel genügt es, den Oberwasserpegel zu erfassen, um dann durch Beeinflussen der Drehzahl des Laufrads 2 der Staudruckmaschine 1 und damit des Schluckvermögens der Staudruckmaschine 1 einen beispielsweise zu tief abgesunkenen Oberwasserpegel wieder anzuheben oder aber einen zu hohen Oberwasserpegel durch verstärkten Wassertransport durch die Staudruckmaschine 1 wieder auf den optimalen Pegelwert abzusenken. In diesem Zusammenhang ist es günstig, wenn bei einer größeren Anzahl von Generator-Getriebe-Modulen 20 (siehe Fig. 1) einzelne Generatoren 21' zu- bzw. abgeschaltet werden können, wozu die Schaltmittel 57 in Verbindung mit dem SPS-Steuermodul 59 vorgesehen sind. Wenn nun der erfasste Wasserpegel relativ niedrig ist, können ein oder mehrere Generatoren 21' über die Steuereinheit 59 und den oder die entsprechenden Schalter PWRi abgeschaltet werden, um so den Wasserdurchsatz zu verringern und den Obenwasserpegel wieder zu erhöhen. Auf diese Weise kann ein Betrieb der (verbleibenden) einzelnen Generatoren 21' in einem optimalen Leistungsbereich erzielt werden. Die elektrisch abgeschalteten Generatoren 21' drehen dann ohne Leistungsentnahme leer mit. Eine auch mechanische Trennung der ungenutzten Generatoren 21' ist dabei zwar theoretisch möglich, jedoch nicht unbedingt erforderlich.

[0061] Abgesehen von der automatischen An- bzw. Abschaltung von Generatoren 21', wie anhand der Fig. 11 beschrieben, ist es selbstverständlich auch denkbar, einzelne Generatoren 22 händisch mit Hilfe von Schaltmitteln 57 zu- bzw. abzuschalten, etwa wenn lang anhaltende Veränderungen in den Wasserpegeln, bei längerer Trockenheit oder längeren Regenperioden, gegeben sind.

[0062] Die beschriebene Matrixanordnung mit mehreren Maschinen-Getriebe-Modulen 20 erbringt überdies, abgesehen von der vorbeschriebenen Betriebsoptimierung, auch den Vorteil, dass im Fall, dass ein Generator-Modul ausfällt, die Wasserkraftmaschine 1 weiterhin mit den noch arbeitenden Modulen 20, gegebenenfalls mit reduzierter Leistung, weiterbetrieben werden kann. Bei den Wasserkraftmaschinen gemäß Stand der Technik mit nur einem einzigen Generator fällt hingegen bei Ausfall des Generators das gesamte System aus.

Claims (10)

1. Patentansprüche

   1. Wasserkraft-Staudruckmaschine (1) mit wenigstens einem an einem Rahmen drehbar gelagerten Laufrad (2), das eine Nabe (3) und damit verbundene Schaufeln (9) aufweist, und das im Betrieb eine Wasserstandshöhe als Differenz zwischen einem Obenwasserpegel und einem Unterwasserpegel festlegt, und mit einer mit dem Laufrad (2) über ein Getriebe (21) gekuppelten, in einem Modul (20) mit diesem zusammengefassten elektrischen Motor-Generator-Maschine (21'), dadurch gekennzeichnet, dass benachbart wenigstens einer Stirnseite der Nabe (3) des Laufrads ein mit dem Rahmen (5) fest verbundener Tragteil (22) mit mehreren Steckplatz-artigen, vorzugsweise untenwasserseitig angeordneten Aufnahmen (25) für jeweils ein Maschinen-(21')-Getriebe-(21)-Modul (20) angeordnet ist, welcher Tragteil (22) gegenüber dem Laufrad (2) abgedichtet ist, dass in zumindest einigen Aufnahmen (25) Maschinen-Getriebe-Module (20) befestigt sind, von denen jeweils ein Antriebsritzel (34) mit einem an der Stirnseite der Nabe (3) fest angebrachten Zahnkranz (33, 33') kämmt, und dass den Maschinen-Getriebe-Modulen (20) Schalter (PWR1, PWR2 ... PWRn) zum selektiven Zu- bzw. Abschalten der Maschinen-Getriebe-Module (20) zugeordnet sind.
2. 2. Wasserkraft-Staudruckmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Tragteil (22) plattenförmig, z.B. als Scheibe oder Seitenblech, ausgebildet ist.
3. 3. Wasserkraft-Staudruckmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Tragteil (22) mit dem Rahmen (5) über zumindest eine von letzterem auskragende Konsole (23, 24) verbunden ist.
4. 4. Wasserkraft-Staudruckmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Maschinen- Getriebe- Module (20) über Flanschverbindungen (27) am Tragteil (22) befestigt sind.
5. 5. Wasserkraft-Staudruckmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass freie Aufnahmen (25) des Tragteils (22) durch Blindflansche (26) verschlossen sind.
6. 6. Wasserkraft-Staudruckmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Zahnkranz (33) an der Naben- Stirnseite ein innenverzahnter Zahnkranz ist.
7. 7. Wasserkraft-Staudruckmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Tragteil (22) mehr als drei Aufnahmen (25) für Maschinen-Getriebe-Module (20) enthält.
8. 8. Wasserkraft-Staudruckmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Tragteil (22) und der Naben-Stirnseite Dichtungen (41, 42), z.B. Lippendichtungen, gegen Wassereintritt einerseits und Ölaustritt andererseits angeordnet sind.
9. 9. Wasserkraft-Staudruckmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Tragteil (22) und einer Laufrad-Welle (36) Dichtungen (4T, 42') gegen Wassereintritt einerseits und Ölaustritt andererseits angeordnet sind.
10. 10. Wasserkraft-Staudruckmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalter (PWR1, PWR2 ... PWRn) an eine Steuereinheit (58), z.B. mit SPS-Modul (59), angeschlossen sind, die ihrerseits mit einem Pegelsensor (60), vorzugsweise einem Oberwasserpegelsensor, verbunden ist, um bei einer vergleichsweise niedrigen Wasserstandshöhe einzelne Schalter (PWR1, PWR2 ... PWRn) zum Abschalten einzelner Maschinen-Getriebe-Module (20) anzusteuern.