CH713197B1 - Strömungsturbine. - Google Patents

Abstract

Die erfindungsgemässe Strömungsturbine dient zur Erzeugung von Energie aus der Fliesskraft eines flüssigen Mediums. Sie weist eine Mehrzahl von mit Abstand um eine gemeinsame Drehachse (1) entlang einer Umlaufbahn positionierten Laufschaufeln auf. Diese Drehachse (1) ist an mindestens einem Schwenkarm (6) angeordnet, mit dem sie, einschliesslich der Laufschaufeln, zwischen mindestens zwei Ebenen (7, 8) schwenkbar ist. Nämlich mindestens eine Betriebsebene (7) und mindestens eine Stillstandsebene (8). In letzterer lässt sich zum Beispiel Schwemmholz entfernen oder auf bequeme Weise Wartungsarbeiten ausführen. Der mindestens eine Schwenkarm (6) kann zudem durch eine Feder (12) gegen eine Strömung (2) gehalten werden, so dass beispielsweise die Wucht auftreffender Fremdkörper abfederbar ist. Diese Strömungsturbine ist in beliebigen Strömungen oder Fliessgewässern einsetzbar, wobei eine verringerte Störungsanfälligkeit und allenfalls eine raschere Störungsbehebung sowie eine einfachere Wartung gegeben sind.

Description

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Strömungsturbine zur Erzeugung von elektrischer oder mechanischer Energie aus einer Fliesskraft eines flüssigen Mediums, mit einer Vorrichtung Erzeugung von elektrischer Energie oder einer Vorrichtung zur Nutzung der mechanischen Energie, aufweisend eine Mehrzahl von mit Abstand um eine gemeinsame Drehachse entlang einer Umlaufbahn positionierten Laufschaufeln.

[0002] Als flüssiges Medium ist in erster Linie an das strömende Wasser eines Fliessgewässers, eines Kanals, einer Leitung oder dergleichen gedacht. Das kann beispielsweise ein Zuflusskanal eines bereits bestehenden Wasserkraftwerkes sein, wo damit zusätzliche Energie gewinnbar ist. Selbst langsam fliessende Flüssigkeiten in einer Abwasserreinigungsanlage lassen sich energietechnisch nutzen. Eine Strömungsturbine kann grundsätzlich überall dort eingesetzt werden, wo nutzbare Strömungsverhältnisse gegeben sind.

[0003] Die Nutzung der Wasserkraft zur Energiegewinnung, beziehungsweise zur Erzeugung elektrischen Stroms, mittels Wasserrädern mit einer Mehrzahl von mit Abstand um eine gemeinsame, waagerechte Drehachse herum positionierten Laufschaufeln, beispielsweise in Form von Flügelprofilen, ist bekannt. Derartige Wasserräder sind als kleinere, dezentrale Anlagen realisierbar. Der Vorteil liegt in einem vergleichsweise kleinen Eingriff in die Umgebung, was sich positiv auf das Bewihigungsverfahren und die öffentlich Akzeptanz der Anlagen auswirkt. Im praktischen Betrieb einer Strom erzeugenden Strömungsturbine können sich jedoch verschiedene Probleme ergeben. Einerseits ist es bei getaucht angeordneten Stromgeneratoren technisch schwierig, eine genügende Dichtigkeit zu gewährleisten. Andererseits sind das Beheben von Betriebsstörungen und die Wartung einer in einem Kanal montierten Strömungsturbine sehr aufwendig und zeitraubend. Das kann nicht zuletzt zu längeren Stillstandszeiten führen. Insbesondere bei kanalisierten Wasserläufen ist zudem mit dem Auftauchen von Fremdkörpern zu rechnen, sei es Schwemmholz oder Zivilisationsmüll. Grössere Fremdkörper können zu Beschädigungen der Strömungsturbine führen und auch kleinere können die Rotation und die Energiegewinnung beeinträchtigen.

[0004] Auf der Grundlage dieser Erkenntnisse setzt sich die Erfindung die Aufgabe, eine Strömungsturbine zu schaffen, die in beliebigen Strömungen oder Fliessgewässern einsetzbar ist, wobei eine verringerte Störungsanfälligkeit und allenfalls eine raschere Störungsbehebung sowie eine einfachere Wartung gegeben sind.

[0005] Die erfindungsgemässe Strömungsturbine entspricht den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind aus den abhängigen Patentansprüchen ersichtlich.

[0006] Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher beschrieben. Fig. 1 zeigt eine Frontansicht der Strömungsturbine; Fig. 2 zeigt eine Seitenansicht derselben Strömungsturbine und Fig. 3 zeigt eine Perspektive dieser Strömungsturbine.

[0007] Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Strömungsturbine als Querstromturbine ausgebildet, deren Drehachse 1 waagerecht ausgerichtet ist und quer zur Strömung 2 steht. Soweit entspricht dies der traditionellen Anordnung eines Wasserrades.

[0008] Die Strömungsturbine weist eine Mehrzahl von Laufschaufeln 3 auf, die mit Abstand um die zentrale Drehachse 1 angeordnet und rotorartig mit dieser verbunden sind. Letzteres kann mittels zweier Scheiben 4 oder mittels entsprechender Träger erfolgen. Es versteht sich von selbst, dass die dargestellten Laufschaufeln 3 nur als Beispiel zu verstehen sind. Es könnte auch eine andere Anzahl von anders geformten Laufschaufeln 3 gewählt werden. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel sind sie jedoch als Flügelprofil mit einem einer Tragfläche entsprechenden Querschnitt ausgebildet, wodurch die Strömungsturbine, im Gegensatz zu einem herkömmlichen Wasserrad, auch vollständig getaucht betrieben werden kann. Möglich ist aber auch ein nur teilweises Eintauchen der Strömungsturbine während des Betriebs. Die Laufschaufeln 3 rotieren dabei jedenfalls mit Abstand um die Drehachse 1 herum.

[0009] Erfindungsgemäss ist die Drehachse 1 der Strömungsturbine an mindestens einem Schwenkarm 5 und 6 angeordnet, mit dem die Drehachse 1 und die im rotorartigen Bereich liegenden Bauteile der Strömungsturbine, also auch die Laufschaufeln 3, zwischen mindestens zwei Ebenen 7 und 8 schwenkbar ist, nämlich in mindestens eine Betriebsebene 7 und in mindestens eine Stillstandsebene 8. Siehe hierzu Fig. 2. Dadurch lässt sich die Strömungsturbine während des Betriebs in ein flüssiges Medium eintauchen, aber bei Bedarf auch wieder heraus heben, sei es zu einem beabsichtigten Stillstand der Strömungsturbine oder zum Zweck der Störungsbehebung und Wartung. Die beiden Ebenen 7 und 8 sind in Fig. 2 nur symbolisch angedeutet. Die Stillstandsebene 8 kann aber erheblich weiter oben liegen, bis hin zum waagerecht liegenden Schwenkarm 6 oder darüber hinaus.

[0010] In der vorliegenden, bevorzugten Ausführung der Strömungsturbine liegt die Schwenkachse 9, das heisst, die Achse, um die der mindestens eine Schwenkarm 5 und 6 schwenkbar ist, mit Abstand oberhalb der gemeinsamen Drehachse 1 der Laufschaufeln 3. Die Schwenkachse 9 und die Drehachse 1 liegen somit annähernd parallel.

[0011] Der mindestens eine Schwenkarm 5 und 6 ist vorteilhaft so angeordnet und gelagert, dass die Schwenkbewegung 10 zwischen den mindestens zwei Ebenen 7 und 8 in Richtung der Strömung 2 erfolgt. Das hat zwei Vorteile. Nämlich erstens, dass die Schwenkbewegung 10 in einem allfälligen Störungsfall nicht gegen die Kraft der Strömung 2 zu erfolgen hat. Und zweitens, kann in diesem Fall die Schwenkbewegung 10 durch eine in Richtung der Strömung 2 wirkende Kraft ausgelöst werden. Sei es durch einen überstarken Strömungsdruck oder durch einen Fremdkörper, zum Beispiel grösseres Schwemmholz.

[0012] Da die Strömungsturbine während des Betriebs in der Betriebsebene 7 zu halten ist, so dass sie nicht unerwünscht wegschwenkt, kann eine Feststelleinrichtung oder Sicherung 11 eingebaut werden. Die Schwenkbewegung 10 kann in diesem Fall nur gegen die Kraft der Sicherung 11 erfolgen. Diese Sicherung 11 kann ein Einrastmechanismus aufweisen, der den mindestens einem Schwenkarm 5 und 6 erst nach Auftreten einer vorgegebenen Kraft freigibt. Ebenso muss der mindestens eine Schwenkarm 5 und 6 durch eine entsprechende Feststelleinrichtung oder Sicherung in der Stillstandsebene 8 gehalten werden.

[0013] Was die Betriebsebene 7 betrifft, so weist im vorliegenden Ausführungsbeispiel die Sicherung 11 mindestens eine Feder 12 auf, die den mindestens einem Schwenkarm 5 und 6 gegen die Strömung 2 hält. Zur Befestigung der Feder 12 kann am mindestens einen Schwenkarm 5 und/oder 6 eine entsprechende Befestigungsvorrichtung vorhanden sein. In bevorzugter Ausführung handelt es sich bei der mindestens einen Feder 12 um eine Zugfeder. Es sind aber auch andere Federarten denkbar. Feder heisst im Übrigen nicht nur metallische Wendelfeder, sondern es kann sich auch um eine gummielastische Feder oder dergleichen handeln. In der Ausführung nach Fig. 2 ist die Feder 12 über ein Zugelement 13, zum Beispiel einem Zugseil, mit einem ausserhalb des mindestens einen Schwenkarms 5 und/oder 6 liegenden Punkt verbunden. Dabei können, wie hier andedeutet, eine oder mehrere Umlenkrollen vorhanden sein.

[0014] Zur Erzeugung von elektrischer oder zur Nutzung der mechanischen Energie muss die Rotationsenergie der Drehachse 1 der Strömungsturbine in jedem Fall entweder mit einem Stromgenerator oder mit einer sonstigen Rotationsachse verbunden sein. Hierzu kann an mindestens einem Schwenkarm 5 und 6 ein Getriebe 14 angeordnet sein. Durch dieses wird die Rotation der Drehachse 1 umgelenkt und entlang des Schwenkarmes 5 und/oder 6 nach oben geführt, wo sie über eine weitere Vorrichtung 15 nutzbar gemacht werden kann. Zum Beispiel kann im Bereich des oberen Endes des Schwenkarmes 5 und/oder 6 ein Stromgenerator angeordnet werden. Es sind aber beliebige andere Lösungen denkbar, so könnte hier stattdessen ein Antriebsrad vorhanden sein, an das ein Antriebsriemen oder eine Antriebskette ansetzbar ist.

[0015] Es liegt im Rahmen der Erfindung nach Patentanspruch 1 die Strömungsturbine und insbesondere deren die Drehachse 1 und die Laufschaufeln 3 auch anders als gezeichnet auszubilden, zumal die Zeichnung vorwiegend schematisch ist. Der oder die Schwenkarme 5 und 6 können, solange sie den ihnen zugeordneten technischen Zweck erfüllen, auch anders gestaltet werden. Wie bereits erwähnt, sind bezüglich der Positionierung der Drehachse 1 und ihr zugeordneten Bauteile mehr als zwei Ebenen 7 und 8 möglich, die allenfalls mittels mindestens einer Feststelleinrichtung oder Sicherung 11 festlegbar sind. Es können also zwischen der untersten Betriebsebene 7 und der obersten Stillstandsebene 8 weitere Ebenen vorgesehen sein, sei es stufenlos oder über vorgegebene Schritte wählbar. Beispielsweise können mehrere Betriebsebenen 7 vorhanden sein, bei denen der rotorartige Bereich der Strömungsturbine ganz oder nur teilweise in das Strömungsmedium eingetaucht sein wird. Auch Stillstandsebenen 8 kann es mehr als eine geben, falls dies zur Störungsbehebung und/oder zu Wartungszwecke sinnvoll erscheint. Nicht zuletzt liesse sich die vorliegende Strömungsturbine dadurch, ohne Änderungen der Grundkonstruktion, flexibel dem jeweiligen Einsatzort oder wechselnden Wasserständen anpassen.

[0016] Die Drehachse 1 der Strömungsturbine wird vorzugsweise liegend, also annähernd waagerecht angeordnet, so wie gezeichnet und beschrieben. In dieser Ausführung entfaltet die Erfindung die meisten Vorteile. Theoretisch wäre aber auch eine stehende, annähernd senkrechte Ausrichtung denkbar, insbesondere bei vollständig getauchtem Einsatz. Weiter wäre auch jede andere Ausrichtung zwischen waagerecht und senkrecht möglich, soweit das der vorgesehene Einsatzort sinnvoll erscheinen lässt. Desgleichen ist es rein theoretisch auch möglich, die Schwenkachse 9 unterhalb der Drehachse 1 anzuordnen. Das vorliegende Ausführungsbeispiel ist aber aus mehreren Gründen vorzuziehen.

Claims (12)

1. Strömungsturbine zur Erzeugung von elektrischer oder mechanischer Energie aus einer Fliesskraft eines flüssigen Mediums, mit einer Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischer Energie oder einer Vorrichtung zur Nutzung der mechanischen Energie, aufweisend eine Mehrzahl von mit Abstand um eine gemeinsame Drehachse (1) entlang einer Umlaufbahn positionierten Laufschaufeln (3), dadurch gekennzeichnet, dass die Drehachse (1) der Strömungsturbine an mindestens einem Schwenkarm (5, 6) angeordnet ist, mit dem die Drehachse (1), einschliesslich der Laufschaufeln (3), zwischen mindestens zwei Ebenen (7, 8) schwenkbar ist, nämlich mindestens eine Betriebsebene (7) und mindestens eine Stillstandsebene (8).

2. Strömungsturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Schwenkarm (5, 6) um eine Schwenkachse (9) schwenkbar ist, die mit Abstand oberhalb der besagten Drehachse (1) liegt.

3. Strömungsturbine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Schwenkarm (5, 6) so ausgelegt und gelagert ist, dass eine Schwenkbewegung (10) zwischen den mindestens zwei Ebenen (7, 8) in Richtung der Fliesskraft einer Strömung (2) erfolgt.

4. Strömungsturbine nach einem der Ansprüche 1-3, gekennzeichnet durch mindestens eine Feststelleinrichtung oder eine Sicherung (11), die den mindestens einen Schwenkarm (5, 6) in einer der jeweiligen Ebenen (7, 8) hält.

5. Strömungsturbine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet dass die Sicherung mindestens eine Feder (12) aufweist, die den mindestens einen Schwenkarm (5, 6) gegen die Richtung der Fliesskraft einer Strömung (2) hält.

6. Strömungsturbine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Feder (12) eine Zugfeder ist.

7. Strömungsturbine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Feder (12) über ein entsprechend ausgebildetes Zugelement (13), insbesondere einem Zugseil, mit einem ausserhalb des mindestens einen Schwenkarms (5, 6) liegenden Punkt verbindbar ist.

8. Strömungsturbine nach einem der Ansprüche 5-7, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Feder (12) eine gummielastische Feder ist.

9. Strömungsturbine nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, dass an mindestens einem der Schwenkarme (5, 6) ein Getriebe (14) angeordnet ist, das das Drehmoment der Rotationsenergie der Drehachse (1) entlang dieses mindestens einen Schwenkarmes (5, 6) nach oben umlenkt.

10. Strömungsturbine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des oberen Endes des Schwenkarmes (5, 6) die Vorrichtung (15) zur Erzeugung von elektrischer Energie oder zur Nutzung mechanischer Energie angeordnet ist.

11. Strömungsturbine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die besagte Vorrichtung (15) ein Stromgenerator ist.

12. Strömungsturbine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die besagte Vorrichtung (15) ein Antriebsrad ist, an das ein Antriebsriemen oder eine Antriebskette ansetzbar ist.