DD202334A5

DD202334A5 - Wasserkraftmaschine

Info

Publication number: DD202334A5
Application number: DD82238477A
Authority: DD
Inventors: Eric M Wilson; Geoffrey N Bullrock
Original assignee: Aur Hydropower Ltd
Priority date: 1981-03-26
Filing date: 1982-03-26
Publication date: 1983-09-07
Also published as: EP0061916A3; IN157548B; ZM2282A1; MX155478A; ZA821784B; DE3276712D1; IE52629B1; GR76484B; GB2096706B; PH19516A; ATE28230T1; EP0061916A2; TR21394A; OA07049A; BR8201704A; US4465941A; KR830009368A; AR227232A1; EP0061916B1; IE820521L

Abstract

Waehrend das Ziel der Erfindung in einer Erweiterung des Anwendungsbereiches und in einer Verbesserung des Wirkungsgrades derartiger Maschinen zu sehen ist, besteht die Aufgabe darin, eine Wasserkraftmaschine zu schaffen, die bereits bei Druckhoehen der Groessenordnung von ca. 1 m eingesetzt werden kann und die zugleich eine alternative Moeglichkeit zur noch wirksameren Energiegewinnung aus einer Wasserhoehendifferenz bietet. Eine Wasserkraftmaschine hat eine Stauwand zur Erzeugung eines Druckhoehenunterschiedes zwischen ihrer Anstroem- und Abstroemseite. Die Maschine hat mindestens eine Arbeitskammer (3) und ein darin angeordnetes, doppelt wirkendes Kolbenelement (6). Ventile steuern die Wasserzufuhr von der Abstroemseite der Stauwand in die Arbeitskammer (3) abwechselnd auf die beiden Arbeitsflaechen des Kolbenelementes (6), um dieses zu horizontaler Hin- und Herbewegung anzutreiben, und die Ventile steuern ferner den Wasserabfluss aus der Arbeitskammer von der jeweils nicht beaufschlagten Kolbenseite zur Abstroemseite der Stauwand hin.

Description

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Wasserkraftmaschine

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Wasserkraftmaschine zur Energiegev/innung aus einer Wasserdruckhöhe und ist insbesondere anwendbar bei einem Gezeitenstauwe.hr oder einem Flußstauwehr,

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Durch die GB-PS 1 517 643 ist eine Wasserkraftmaschine zur Energiegewinnung aus einem Wasserniveauunterschied mit einer Stauwand zur Erzeugung eines Druckhöhenunterschiedes des Wassers zwischen der Anström-* und der Abströmseite bekannt geworden.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht darin, eine Wasserkraftmaschine so auszubilden, daß ihr Anwendungsgebiet zur Energiegewinnung erweitert und darüber hinaus eine Verbesserung des Wirkungsgrades erreicht γ/erden.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wasserkraftmaschine der gattungsgemäßen Art zu schaffen, die sich bereits dadurch auszeichnet, daß sie bei Druckhöhen der Größenordnung von 1 m mit einem günstigen Wirkungsgrad eingesetzt werden kann, und die zugleich eine alternative Möglichkeit zur noch wirksameren Energiegewirmung aus einer ?/asserhöhendifferenz bietet.

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Die erfindungsgemäße Wasserkraftmaschine "umfaßt eine Stauwand zur Erzeugung eines Wasserniveauunterschiedes zwischen der stromauf gelegenen und der stromab gelegenen Seite, mindestens eine Arbeitskammer mit einem darin horizontal hin— und herbeweglich gelagerten, doppelt wirkenden, vom Wasser beaufschlagbaren Arbeitskolben, und Mittel zur Steuerung der Zuführung des Wassers von der stromauf gelegenen Seite des Stauwehrs in die Arbeitskammer abwechselnd auf die beiden Seiten des Arbeitskolbens und sum Ableiten des Wassers aus der Arbeitskammer zur stromabwärts gelegenen Seite der Stauwand von der jeweils nicht beaufschlagten Seite des Arbeitskolbens derart > daß der Arbeitskolben in der Arbeitskammer durch den Wasserdruck hin- und herbewegt wird.

Die Maschine umfaßt vorzugsweise zwei oder mehr Arbeitskammern mit je einem doppelt wirkenden Arbeitskolben, wobei die Kolben vorzugsweise an einem gemeinsamen Schlitten befestigt sind. Dies vereinfacht die Kraftabnahme, da eine einzige Kraftabnahmevorrichtung mit dem Schlitten verbunden werden kann, um die Kraft von allen Arbeitskammern abzuleiten.

Die 7/asserzuführung zu der Arbeitskammer oder zu einer Gruppe von Arbeitskammern kann mittels eines Ventils oder Absperrgliedes, z, B, einer Ventilklappe, geschehen, das eine erste Stellung zur Zuführung von Wasser von der stromauf gelegenen Seite der Stauwand in die Arbeitskammer und eine zweite Stellung zum Abführen von Wasser aus der Arbeitskammer zur stromabwärts gelegenen Seite der Stauwand aufweist. Eine dritte Stellung oder Zwischenstellung kann vorgesehen sein, die den direkten Durchfluß des Wassers durch die Stauwand ohne wesentliche Behinderung durch das Absperrglied ermöglicht.

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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist eine Anzahl von Ventilen oder Absperrgliedern über die Länge der Stauwand verteilt angeordnet und werden im wesentlichen im Gleichtakt gesteuert, wobei sie das Wasser in die zwischen ihnen gelegenen Arbeitskammern bzw« aus ihnen heraus lenken. Die Bewegung der Ventile im Gleichtakt oder nahezu im Gleichtakt können durch ein gemeinsames Gestänge gesteuert werden oder auch durch einzelne pneumatische oder hydraulische Betätigung über geeignete Steuerventile.

Das oder jedes Ventil kann ein nicht ebenes Profil aufweisen derart, daß die Drehung des oder jedes Ventils mindestens teilweise durch das durch die Maschine strömende Wasser bewirkt wird.

Das oder jedes Ventil kann asymmetrisch in bezug auf die Berg- und Talseite der Stauwand angeordnet sein. Stattdessen kann die Maschine auch so ausgebildet sein, daß sie auch bei wechselndem Vorzeichen des Druckunterschiedes an der Stauwand arbeitet.

Die Kraftabnahme von der Maschine kann durch eine Hydraulikpumpe erfolgen, die bei der Bewegung der wassergetriebenen Kolben ein Hydraulikmedium unter Druck setzt. Beispielsweise kann eine hydraulische Kolbenpumpe an dem beweglichen Schlitten und an einem Fixpunkt der Stauwand befestigt sein, so daß eine Bewegung des Schlittens längs der Stauwand ein abwechselndes Ausziehen und Zusammendrücken der Kolbenpumpe bewirkt, um ö.en Hydraulikdruck zu erzeugen. Palis mehr als eine derartige Hj/draulikpumpe oder Hydraulikzylinder in Parallelanordnung verwendet wird, kann jeweils ein Teil dieser Pumpen zu- oder abgeschaltet werden je nachdem, wie sich die auf den Schlitten wirkende Kraft bei Veränderung der verfügbaren Wasserdruckhöhe

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ändert. Dies kann besonders nützlich sein bei Anwendung in einem Gezeitenkraftwerk, wo die Wasserdruckhöhe stark schwanken kann.

Ausführung sb e i s pi e1

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigen:

1: eine schematische perspektivische Darstellung der erfindungsgemäßen Maschine,

Pig- 2 schematische Draufsichten der Maschine nach Pig. 1

bis 4: in verschiedenen Betriebsstellungen, wobei Teile der Maschine der Deutlichkeit halber weggelassen sind,

Pig. 5a,

5b, 5c: eine Einzelheit der Maschine mit einer profilierten Ventilklappe in drei Betriebsstellungen,

Pig. 6a

und 6b: zwei Betriebsstellungen einer asymmetrischen Ventilklappe,

Pig«, 1 ist nur als schematische Darstellung zu verstehen zur Verdeutlichung des Mechanismus, der zur Kraftgewinnung aus einer Gezeitenströmung,verwendet werden kann. Ein Stauwehr hat eine stromaufwärts gelegene Wand 1 und eine,stromabwärts gelegene Wand 2, die zwischen sich eine Arbeitskammer 3 einschließen.

Vom Wasser beaufschlagbare, doppelt wirkende Kolben 6 sind an einem mit Rädern versehenen Schlitten 7 befestigt, der sich auf seinen Rädern zwischen den in Pig. 2 und 3 gezeigten Stellungen bewegen kann. Drehbare Ventilklappen des Absperrorganes 4 steuern die Wasserströmung in die

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Arbeitskammer]! 3 und aus ihnen heraus. Me Ventilklappen sind drehbar mittels Wellen 5 gelagert und über Kurbelarme 8 mit einer Verbindungsstange 9 verbunden» so daß die Ventilklappen im Gleichtakt bewegt werden können.

Sine als Arbeitszylinder ausgebildete hydraulische Kolbenpumpe 10 ist mit ihrem einen Ende an dem Schlitten 7 und mit ihrem anderen Ende an einem Festpunkt befestigt, so daß bei der Hin- und Herbewegung des Schlittens 7 auf der Oberkante der Wände 1 und 2 das Druckmittel in der Kolbenpumpe 10 unter Druck gesetzt wird. Zahlreiche andere Möglichkeiten sind denkbar,uia die Bewegung des Schlittens in Hydraulikenergie umzuwandeln. Beispiels-Y/eise kann eine Hebelanordnung vorgesehen sein, um bei gegebener Bewegungsstrecke des Schlittens den Kolbenhub zu verkürzen und den erzeugten Druck zu erhöhen, Auch kann eine profilierte Schiene an dem Schlitten nichtparallel zu seiner Bewegungsrichtung angeordnet werden derart, daß die Schiene auf einen Hydraulikkolben wirkt, um eine langsame Komprimierung des Kolbens bei der Bewegung des Schlittens zu bewirken. Die komprimierte Hydraulikflüssigkeit kann zum Antrieb eines Hydraulikmotors oder einer Hydraulikturbine zur Elektrizitätserzeugung dienen. Die komprimierte Hydraulikflüssigkeit wird auch vorzugsweise als Antriebsmittel zur Bewegung der Absperrorgane 4, z. B. als Ventil ausgebildet, zur Steuerung des Wassers in die Arbeitskammern 3 und aus ihnen heraus verwendet.

Der Betriebszyklus der Maschine läßt sich am besten anhand der Fig. 2, 3 und 4 beschreiben. In Fig. 2 befindet sich der Schlitten 7 in der rechten Endstellung seiner Querfahrt, und die Ventile sind soeben in die dargestellte Stellung bewegt worden. Das Wasser strömt von der strom-

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auf gelegenen Seite 11 der Stauwand und füllt den jeweils rechts von jedem Kolben 6 gelegenen Teil der Arbeitskammern 3> wodurch die Kolben 6 und mit ihnen der Schlitten 7 nach links bewegt werden, wobei sie das Wasser aus der jeweils anderen Seite der Arbeitskammer zur stromab gelegenen Seite 10 der Stauwand hin verdrängen. Bei der Bewegung des Schlittens wird Hydraulikmedium durch die in Pig. 1 gezeigte doppelt wirkende Kolbenpumpe 10 komprimiert.

Wenn die Ventile in die in Pig. 3 gezeigte Stellung bewegt werden, kann das ?/asser aus den Arbeitskammern von der jeweils rechten Seite jedes Kolbens 6 zur stromab gelegenen Seite 10 der Stauwand hin austreten, wobei die Kolben von dem von der stromauf gelegenen Seite 11 der Stauwand her eintretenden Wasser angetrieben werden.

In dar Ventilstellung nach Pig. 4 kann das Wasser direkt durch die Stauwand strömen, wodurch eine leichte und bequeme Möglichkeit geschaffen wird, die Maschine stillzusetzen.

Wenn die Anordnung so getroffen wird, daß die Bewegung des Schlittens die Öffnungs- und Schließbewegung der Ventile nicht bis in die in Pig. 2 und 3 gezeigten Sndstellungen dieser Ventile, sondern in Zwischenstellungen zwischen-deh, in,Pig. 2, ,3 und 4 gezeigten Estremstellungen steuert, dann können auf diese Weise unterschiedliche Anteile des durch die Stauwand strömenden Wassers für die Kraftgewinnung ausgenutzt werden. Die Anordnung kann z. B. so getroffen werden, daß in Abhängigkeit von der Bewegung des Schlittens 7 nur kleine Schwenkungen der Ventile um ihre Mittellage herum stattfinden, wobei diese schmale Schwenkung ausreichend ist, um eine gewünschte Teilkraft auf die Kolben zu erzeugen.

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Diese Betriebsweise ist besonders nützlich bei der Verwendung der Maschine in Gezeitenströmungen, bei denen große 7/asservolumina verfügbar sind, die Druckhöhe aber während des gezeigten Zyklus stark schwankt. Wenn eine große Druckhöhe zur "Verfügung steht, brauchen die Ventile nur um kleine Beträge verschwenkt zu werden, wodurch eine große Wassermenge durch die Stauwand durchfließen kann, während bei nur geringer Druckhöhe die Ventile zwischen den Stellungen nach Pig, 2 und 3 verschwenkt werden, so daß ein größerer Teil der Energie des durch die Stauwand strömenden Wassers gewonnen wird,

Bei Anwendungen, in denen mit dem Wasser sparsam umgegangen werden muß, beispielsweise in Flüssen, können die Ventile so angeordnet sein, daß ihre Bewegung zwischen den beiden Estremsteilungen nach Fig. 2 und 3 über eine Zwischenstellung erfolgt, die quer zur Wasserströmung steht. Durch diese Betriebsweise sind die Wasserverluste während eines Arbeitszyklus niedriger. Bei einer anderen Ausführungsform können die Flügel der Ventilklappen während des Arbeitszyklus kontinuierlich rotieren und können ganz oder teilweise von der Wasserströmung durch die Stauwand angetrieben werden. Fig, 5 zeigt schematisch eine Ventilanordnung zur Ausnutzung der Wasserströmung durch die Stauwand zum Drehen der Ventile, Ein Ventil 14 ist zentrisch in einem Drehpunkt 15 gelagert und hat auf jeder Seite dieser Mittelachse eine gekrümmte Fläche 16, 16' und eine ebene Fläche 17, 17'* In einer Mittelstellung (Fig. 5a) wirkt die Wasserströmung so, daß sie das Ventil 14 im Uhrzeigersinn dreht. Hierdurch wird der Arbeitshub der Maschine umgeschaltet, da die rechts liegende Kammer 18 von Füllen auf Entleeren und die linke Kammer 19 von Entleeren auf Rillen geschaltet wird (Fig. 5b).

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Ventil 14 dreht sich weiter, bis der Arbeitshub der Maschine erneut umgeschaltet -wird (Fig, 5c). Die-genaue Form des Ventils ist nicht kritisch, und jede bekannte Ventilform, die zur gewünschten Steuerung der Wasserströmung geeignet ist, kann verwendet werden. Die dargestellte Ausführ-ungsform hat natürlich den Vorteil, daß jeweils nur ein einziges Ventil zwei Arbeitskammern zugeordnet ist.

Ein besonderer Vorteil der gezeigten Ausführungsform besteht darin, daß die am Schlitten erzeugte Kraft über den ganzen Arbeitszyklus im wesentlichen linear verläuft.

Man erkennt, daß die beschriebene Maschine reversibel ist, d. h* die Wand 1 oder die Wand 2 kann jeweils stromaufwärts liegen. Hierdurch ist die Maschine besonders geeignet für Anwendung in der Gezeitenströmung. Da man einen hohen Wirkungsgrad erhält bereits bei Druckhöhen in der Größenordnung von ca. 1 m oder wenig mehr, eröffnen sich für eine Maschine dieser Art zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten in Flußmündungen oder dergleichen, wo der Gezeitenhub relativ niedrig ist.

Bei Anwendungen, in denen die Anströmseite immer auf der gleichen Seite der Stauwand liegt, können gewisse Asymmetrien in die allgemeine Anordnung eingeführt werden, um di-e Maschinenleistung zu verbessern. Fig. 6 veranschaulicht eine außermittige Schwenklagerung. Eine Ventilklappe 24 ist in einem Drehpunkt 25 derart schwenkbar gelagert, daß die Breite des Ventils auf der Abströmseite des Dreh-punktes 25, welcher zugleich als Lagerung dient, größer als die Breite des Ventils auf der Anströmseite des Schwenklagers ist. Durch diese Anordnung wird erreicht, daß eine geringere Energie erforderlich ist, um das Ventil zwischen den beiden in Fig. 6a und Fig. 6b gezeigten Stellungen umzuschalten.

Claims

Erfindungsanspruch

1» Wasserkraftmaschine zur Energiegewinnung aus einem Wasserniveauunterschied mit einer Stauwand zur Erzeugung eines Druckhöhenunterschiedes des Wassers zwischen der Anström- und der Abströmseite, gekennzeichnet durch eine Arbeitskammer (3), ein darin horizontal hin- und herbeweglich.es, rom Wasser beaufschlagbares, doppelt wirkendes Kolbenelement (6) und Mittel zur Steuerung der Wasserzufuhr von der Anströmseite der Stauwand in die Arbeitskammer abwechselnd auf die beiden Arbeitsflächen des Kolbenelements sowie zur Steuerung des Wasserabflusses aus der Arbeitskammer von der jeweils anderen Seite des Kolbenelementes zur Abströmseite der Stauwand hin, um eine Hin- und Herbewegung des wasserbeaufschlagten Kolbenelementes in der Arbeitskammer zu erzeugen.
2. Wasserkraftmaschine nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Mittel zur Steuerung der Wasserzuführung zur Arbeitskammer (3) ein Ventil oder Absperrorgan (4) umfassen, das eine erste Stellung, in der Wasser von der Anströmseite der Stauwand in die Arbeitskammer strömen kann, und eine zweite Stellung, in der Wasser aus der Arbeitskammer-zur Abströmseite der Stauwand fließen kann, einnehmen kann.

3« Wasserkraftmaschine nach Punkt 2, gekennzeichnet dadurch, daß das Absperrorgan (4) eine dritte Stellung einnehmen kann, die den direkten Durchfluß von Wasser von der Anströmseite zur Abströmseite der Stauwand ermöglicht.

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4. Wasserkraftmaschine nach Punkt 2 oder 3> gekennzeichnet dadurch, daß das Absperrorgan (4) eine drehbar gelagerte Ventilklappe aufweist,
5. Wasserkraftmaschine nach einem der Punkte 2 bis 4, gekennzeichnet dadurch, daß eine Vielzahl von Absperrorganen vorgesehen ist.
6. Wasserkraftmaschine nach einem der Punkte 1 bis 5, gekennzeichnet dadurch, daß eine Mehrzahl von Arbeitskammern (3) vorgesehen ist, von denen jede ein vom Wasser beaufschlagbares, doppelt wirkendes Kolbenelement (6) enthält, und daß alle Kolbenelemente an einem gemeinsamen Schlitten (7) befestigt sind*
7. Wasserkraftmaschine nach einem der Punkte 2 bis 6, gekennzeichnet dadurch, daß das oder jedes Absperrorgan (4) ein nicht-ebenes Profil aufweist· derart, daß die Drehung des oder jedes Absperrorgans, z. B. Ventils, von der Wasserströmung durch die Maschine bewirkt oder unterstützt wird.
8. Wasserkraftmaschine nach einem der Punkte 2 bis 7, gekennzeichnet dadurch, daß das oder jedes Absperrorgan (4) asymmetrisch bezüglich der An- und Abströmseite der Stauwand ausgebildet ist,
9. Wasserkraftmaschine nach einem der Punkte 2 bis 7, gekennzeichnet dadurch, daß sie für einen Betrieb mit" beliebig vertauschbarer An- Lind Abströmseite der Stauwand ausgebildet ist,

10, Wasserkraftmaschine nach einem der Punkte 1 bis 9, gekennzeichnet dadurch, daß eine Kolbenpumpe (10) zur

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Druckerzeugung in einem Hydraulikmedium bei der Bewegung des oder jedes v/asserbeaufsc.hlagten Kolbenelementes (6) vorgesehen ist.

Wasserkraftmaschine nach Punkt 5 und 6, gekennzeichnet dadurch, daß die Kolbenpumpe (10) als KoIben-Zylindereinheit ausgebildet ist, die mit ihrem einen Ende am
beweglichen Schlitten und mit ihrem anderen Ende an
einem Fixpunkt befestigt ist.

Hierzu 3 Seiten Zeichnungen