CH718342A2 - Turbine. - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Turbine, insbesondere zur Energiegewinnung in strömender Luft oder in Fliessgewässern, die an unterschiedliche Einsatzbedingungen in einfacher Weise anpassungsfähig ist und die einen vergleichsweise hohen Wirkungsgrad bei fischfreundlicher Gestaltung ermöglicht. Dies ist dadurch gelöst, dass die Turbine in ihrer Grundform zylinderförmig ist und mit mindestens zwei Schaufeln versehen ist, die entsprechend der Umfangslinie & eines Turbinenmantels gebogen sind. Die Schaufeln (4) sind so angeordnet und dazu geeignet, dass bei Drehung der Turbine in Drehrichtung (7) immer nur eine Schaufel (4) zur Wasserlinie (9) hin ausgeschwenkt ist, während die anderen Schaufeln (4) geschlossen entlang der oder parallel zur Umfangslinie gelegen sind.

Description

[0001] Die Erfindung betrifft eine Turbine, insbesondere eine Wasserturbine zur Energiegewinnung in Fliessgewässern oder eine Windturbine.

[0002] Turbinen zur Energiegewinnung, insbesondere auch Turbinen in Wasserkraftwerken sind bekannt. Sie weisen zumeist einen senkrecht zur Fliessrichtung des Gewässers angeordneten Rotor mit daran befindlichen, rotierbaren Turbinenschaufeln auf. Der Anstellwinkel der Turbinenschaufeln ist ggf. in Grenzen einstellbar und ist während des Betriebes unverändert. Bekannt sind ebenfalls Antriebsräder für Mahlwerke, Hammerwerke und Antriebsräder für Flussschiffe mit jeweils festen Schaufeln. Windmühlen mit schwenk- oder verstellbaren Schaufelelementen sind aus den US 3938907 und US 4468169 bekannt. Die WO-A-2010063131 zeigt eine Wasserturbine, die in ihrer Grundform zylinderförmig und mit Schaufeln versehen ist, die parallel zu einer Achse der Turbine angeordnet sind. Diese Schaufeln sind schwenkbar in Gelenken zwischen Turbinenrädern an deren Aussenumfang angeordnet. Bei einer weiteren Turbine gemäss EP 2370691 B1 sind die Aussenkanten von Schaufeln mit einem auftriebsfördernden, insbesondere aufblasbaren Element versehen und gemäss CH 707729 A2 oder CH 706300 A2 können die Schaufeln an ihrer Innenseite auch mit einem Gegengewicht versehen sein. Aus der CH 704066 A2 ist weiterhin bekannt, bei einer solchen Turbine die Turbinenschaufeln mit einer zusätzlichen mechanischen Wirkverbindung zu koppeln. Die mechanische Wirkverbindung wird mittels einer verschieblich über die Längsachse der Turbine geführten Stange erreicht, die entsprechend ein Schaufelpaar miteinander gekoppelt führt. Ein Schaufelpaar ist jeweils durch die sich auf einer Durchmesserlinie gegenüberliegenden Schaufeln gebildet. Die Stangen sollen die Öffnungs- und Schliessbewegung der Schaufeln unterstützen. In der WO 002019119163 A1 ist eine weitere gattungsgemässe Turbine offenbart, bei der die Schaufeln L-förmig gestaltet sind. Ein langer Schenkel der Schaufel ist entsprechend des Radius des Turbinenmantels gebogen und an Aussenkanten ist ein auftriebsförderndes Element angeordnet. Ein kurzer Schenkel ist innerhalb des Mantels gelegen und weist entgegen der Drehrichtung der Turbine. Er ist so angeordnet, dass er bei Drehung der Turbine mit mindestens einer ortsfesten, innerhalb des Mantels angeordneten Klinke korrespondiert. Das Aufrichten/Ausklappen der Schaufeln wird bei Berührung der Klinke durch den kurzen Schenkel unterstützt.

[0003] Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine solche Turbine, insbesondere eine Turbine zur Energiegewinnung in Fliessgewässern oder strömender Luft gegenüber dem Stand der Technik zu verbessern und um mit einfachen Mitteln eine fischfreundliche Gestaltung einer Turbine zu ermöglichen. Die Aufgabe ist mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

[0004] Eine erfindungsgemässe Turbine ist in ihrer Grundform zylinderförmig und mit mindestens zwei Schaufeln versehen, die entsprechend der Umfangslinie eines Turbinenmantels gebogen sind. Die Schaufeln sind so angeordnet und dazu geeignet, dass bei Drehung der Turbine in Drehrichtung immer nur eine Schaufel zur Wasserlinie hin ausgeschwenkt ist, während die anderen Schaufeln geschlossen entlang der oder parallel zur Umfangslinie gelegen sind.

[0005] Der Anstellwinkel der Schaufeln beträgt 0° bis ca. 90° zur Mantellinientangente. Entsprechend der wesentlichen Fliessrichtung oder Wasserlinie können die Schaufeln im oberen Teil der Turbine ausschwenken, wobei (gleichzeitig) immer nur eine Schaufel ausschwenkt.

[0006] Bevorzugte Ausführungsformen der Turbine sind in den abhängigen Ansprüchen offenbart.

[0007] Die Schaufeln sind vorteilhaft schwenkbar in Drehgelenken nahe der Umfangslinie der Turbine angeordnet, und/oder parallel zu einer Drehachse der Turbine. Seitliche Turbinenräder der Turbine weisen fischfreundliche Öffnungen zwischen der Drehachse und der Umfangslinie auf, so dass Fische den Innenraum der Turbine auch bei deren Betrieb schadensfrei verlassen können.

[0008] Vorteilhaft können bis zu 30 oder bis zu 100 Schaufeln angeordnet sein. Die Anzahl der Schaufeln, wie auch der Durchmesser der Turbine, richtet sich nach der verfügbaren Wasserhöhe. In Bächen oder kleineren Flüssen werden es zum Beispiel bis zu acht oder sechzehn Schaufeln sein, im Meer dagegen bis zu dreissig oder gar einhundert Schaufeln. Die Schaufeln können auch gerade gestreckt ausgebildet sein.

[0009] Im Bedarfsfall kann mindestens eine Schaufel entlang ihrer Aussenkante parallel zur Achse ein aufblasbares Element im Bereich des freien Schaufelendes aufweisen.

[0010] Ebenfalls bevorzugt ist mindestens eine Klinke auf ca. 12.00 Uhr angeordnet, die so angeordnet ist, dass sie bei Drehung der Turbine die Schwenkbewegung der ausschwenkenden Schaufel begrenzt.

[0011] Die Turbine kann auch vertikal, mit vertikaler Drehachse angewendet werden, ebenso als Windturbine.

[0012] Die Turbine weist vorteilhaft ein feststehendes, äusseres Leitsegment auf, das beabstandet vom Turbinenmantel und ausserhalb desselben zwischen ca. 03.00 Uhr und 05.00 Uhr angeordnet ist. Ebenso kann sie ein feststehendes, inneres Leitsegment aufweisen, das beabstandet vom Turbinenmantel innerhalb desselben zwischen ca. 10.00 Uhr und 12.00 Uhr angeordnet ist. Das innere Leitsegment kann auch um die Drehachse der Turbine drehbeweglich, insbesondere für Montagezwecke. Diese Leitsegmente fördern bzw. führen das Ein- oder Ausschwenken der Schaufeln, wobei das innere und/oder das äussere Leitsegment mindestens eine reibungsmindernde Gleitfläche aufweisen, die von der Schaufel beim Ein- oder Ausschwenken berührt wird. Die Gleitfläche kann dazu mit einem reibungsmindernden Belag versehen sein und/oder reibungsmindernde erhabene Teilflächen, zum Beispiel Halbkugeln aufweisen.

[0013] Die Gleitflächen können durchgehend ausgebildet sein oder auch Durchbrüche bzw. Öffnungen aufweisen.

[0014] Es ist ebenfalls denkbar, mehrere Turbinen nebeneinander und/oder übereinander anzuordnen, z. B. in grösseren Fliessgewässern oder im Meer. Die Erfindung ist, bevorzugt unter Einbeziehung von Hilfsaggregaten auch als Pumpe, Wasserpumpe o. a. verwendbar.

[0015] Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel anhand einer Zeichnung näher beschrieben. In der Zeichnung zeigen die Fig. 1: eine erfindungsgemässe Turbine in Seitenansicht und Fig. 2: die Turbine nach Fig. 1 mit einem äusseren Leitsegment und Fig. 3: die Turbine nach Fig. 1 mit einem inneren und einem äusseren Leitsegment.

[0016] In einer nicht näher dargestellten Lagerung 1 ist eine erfindungsgemässe Turbine, ausgebildet als Wasserturbine, um ihre Drehachse 2 in Drehrichtung 7 drehbar und gelagert aufgenommen (Fig. 1). Die Richtung der Drehachse 2 liegt dabei im Wesentlichen parallel zur Wasserlinie 9 eines Fliessgewässers (und quer zur Strömungsrichtung 8 des Fliessgewässers), wobei die Turbine, bezogen auf die Drehachse 2, horizontal und vollständig unter Wasser angeordnet ist.

[0017] Die Turbine ist in ihrer Grundform zylindrisch, mit je einem Turbinenrad 3 an den Stirnflächen des Zylinders. Der Mantel der Turbine ist durch vier Schaufeln 4, bei deren eingeklappter Lage, gebildet. Die Schaufeln 4 sind schwenkbar in Drehgelenken 6 der Turbine angeordnet. Die Drehgelenke 6 sind nahe an der Umfangslinie 5 von Turbinenrädern 3 angebracht.

[0018] Innerhalb des Turbinenmantels ist mindestens eine Klinke 14 auf ca. 12.00 Uhr angeordnet (Fig. 3), die bei Drehung der Turbine die Schwenkbewegung der ausschwenkenden Schaufel 4 begrenzt.

[0019] Die Schaufeln 4 können mit schwenkbaren Fenstern 10 versehen sein, die bei eingeklappter Schaufel 4 den Durchgang von Fischen o. a. ermöglichen.

[0020] Die Turbine weist ein feststehendes, äusseres Leitsegment 11 auf, das beabstandet vom Turbinenmantel und ausserhalb desselben zwischen ca. 03.00 Uhr und 05.00 Uhr angeordnet ist (Fig. 1, 2). Sie weist weiterhin ein ebenfalls feststehendes und zur Montage lösbares bzw. drehbewegliches, inneres Leitsegment 12 auf (Fig. 3), das beabstandet vom Turbinenmantel innerhalb desselben zwischen ca. 10.00 Uhr und 12.00 Uhr angeordnet ist. Diese Leitsegmente 11, 12 fördern bzw. führen das Ein- oder Ausschwenken der Schaufeln 4, wobei das innere und das äussere Leitsegment 11, 12 mindestens eine reibungsmindernde Gleitfläche 13 aufweisen, die von der jeweiligen Schaufel 4 beim Ein- oder Ausschwenken berührt wird. Die Gleitfläche 13 kann dazu mit einem reibungsmindernden Belag aus Teflon versehen sein und/oder reibungsmindernde erhabene Teilflächen, zum Beispiel Halbkugeln aus Teflon aufweisen. Beim äusseren Leitsegment 11 ist die Gleitfläche 13 der Aussenseite des Turbinenmantels und beim inneren Leitsegment 12 der Innenseite des Turbinenmantels zugewandt.

[0021] Im Betriebszustand dreht sich die Turbine in Drehrichtung 7 und eine Schaufel 4 schwenkt aus, bis sie bei ca. 12.00 Uhr die maximale Ausschwenkposition erreicht hat und die Schwenkbewegung von der Klinke 14 begrenzt wird. Die Ausschwenkbewegung wird von der Gleitfläche 13 des inneren Leitsegments 12 gefördert.

[0022] Nach einer Drehung auf ca. 15.00 Uhr gelangt die ausgeschwenkte Schaufel 4 in den Bereich des äusseren Leitelements 11 und die Schaufel 4 wird wieder vollständig eingeklappt.

[0023] Die Wasserhöhe kann beliebig sein und die jeweils obere Schaufel kann sich bei Drehung der Turbine auch knapp oberhalb des Wasserspiegels befinden.

Bezugszeichen

[0024] 1 Lagerung 2 Drehachse 3 Turbinenrad 4 Schaufel 5 Umfangslinie 6 Drehgelenk 7 Drehrichtung 8 Strömungsrichtung 9 Wasserlinie 10 Fenster 11 äusseres Leitsegment 12 inneres Leitsegment 13 Gleitfläche 14 Klinke

Claims (9)

1. Turbine, insbesondere zur Energiegewinnung in strömender Luft oder in Fliessgewässern, die in ihrer Grundform zylinderförmig ist und die mit mindestens zwei Schaufeln versehen ist, die entsprechend der Umfangslinie (5) eines Turbinenmantels gebogen sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufeln (4) so angeordnet und dazu geeignet sind, dass bei Drehung der Turbine in Drehrichtung (7) immer nur eine Schaufel (4) zur Wasserlinie (9) hin ausgeschwenkt ist, während die anderen Schaufeln (4) geschlossen entlang der oder parallel zur Umfangslinie (5) gelegen sind.

2. Turbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufeln (4) schwenkbar in Drehgelenken (6) und/oder parallel zu einer Drehachse (2) der Turbine angeordnet sind.

3. Turbine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass seitliche Turbinenräder (3) der Turbine Öffnungen zwischen der Drehachse (2) und der Umfangslinie (5) aufweisen.

4. Turbine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sie bis zu 30 oder bis zu 100 Schaufeln (4) umfasst.

5. Turbine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Schaufel (4) entlang ihrer Aussenkante parallel zur Achse (2) ein aufblasbares Element im Bereich des freien Schaufelendes aufweist.

6. Turbine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens eine Klinke (14) auf ca. 12.00 Uhr aufweist, die so angeordnet ist, dass sie bei Drehung der Turbine die Schwenkbewegung der ausschwenkenden Schaufel (4) begrenzt.

7. Turbine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein feststehendes, äusseres Leitsegment (11) aufweist, das beabstandet vom Turbinenmantel und ausserhalb desselben zwischen ca. 03.00 Uhr und 05.00 Uhr angeordnet ist.

8. Turbine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein feststehendes, inneres Leitsegment (12) aufweist, das beabstandet vom Turbinenmantel innerhalb desselben zwischen ca. 10.00 Uhr und 12.00 Uhr angeordnet ist.

9. Turbine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das innere Leitsegment (12) und/oder das äussere Leitsegment (11) mindestens eine reibungsmindernde Gleitfläche (13) aufweisen.