DD232527A5 - Hydropneumatische wasserkraftmaschine - Google Patents

Abstract

In einem Oberflaechenwasser errichteten ortsfesten Wehr ist mindestens ein innerer Schacht (1), der in Wassersohlennaehe durch mittels Sperrorgane (2, 3) verschliessbar Durchlassoeffnungen sowohl mit dem Oberwasser wie auch mit dem Unterwasser verbindbar ist. Im Schacht (1) bewegt sich ein hinreichend schwerer Schwimmkoerper (4), der durch seine Auf- und Abbewegung einen Arbeitszylinder (8), der als doppeltwirkende Kolbenpumpe auf den Fluessigkeitsraum eines hydropneumatischen Druckspeichers (13) arbeitet, betaetigt. Die auf diese Weise auf hohen Druck gebrachte Druckfluessigkeit (10) wird einer Stroemungsmaschine, vorzugsweise Turbine (20) zugefuehrt und entspannt. Die Stroemungsmaschine kann vorzugsweise einen elektrischen Generator antreiben. Fuer die Druckfluessigkeit (10) ist zweckmaessig ein geschlossener Kreislauf vorgesehen, indem sie aus der Stroemungsmaschine unmittelbar der Saugseite des als Kolbenpumpe wirkenden Arbeitszylinders (8) zugefuehrt wird. Fig. 1

Description

Zur betriebsmäßigen Steuerung der erfindungsgemäßen Wasserkraftmaschine dient eine Einrichtung, welche vorzugsweise mindestens Pegelstandfühler für den Ober- und den Unterwasserstand mit beinhaltet und in sinngemäßer Abhängigkeit von der Änderung der beiderseits des Wehres jeweils vorhandenen Wasserstandshöhen die Sperrorgane steuert.

In vorteilhaften Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Wasserkraftmaschine ist für die hydraulische Druckflüssigkeit ein geschlossener Kreislauf vorgesehen. Hierbei kann der als doppeltwirkende Kolbenpumpe ausgelegte Arbeitszylinder über eine Saugleitung saugseitig mit einem dem Entspannungsraum der Strömungsmaschine zugeordneten Vorratsbecken zur Sammlung der entspannten Druckflüssigkeit verbunden sein.

Die erfindungsgemäße Wasserkraftmaschine ist in der Lage, die Energie von sich langsam bewegenden bzw. in langsamer Bewegung befindlichen hohen Wassermengen in mechanische Arbeit (in Rotationsbewegung einer Antriebswelle mit entsprechendem Drehmoment) umsetzen. Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, falls die Strömungsmaschine, die wie erwähnt sowohl eine Turbine wie auch ein Hydromotor sein kann, mit einem Generator zur elektrischen Energieerzeugung antriebsverbunden ist.

Als hydraulische Druckflüssigkeit können die an sich bekannten Hydauliköle oder aber auch Wasser, das durch Zugabe von geeigneten Additiven hinreichend schmierfähig gemacht und schaumgebremst ist, verwendet werden. Auch für die Verhinderung von Korrosionsschäden soll dabei naturgemäß Sorge getragen werden.

Bereits aus den obigen wesentlichen Merkmalen der erfindungsgemäßen neuen Wasserkraftmaschine dürfte klar ersichtlich sein, daß die bereits bei geringen Pegeistandunterschieden von 1-2 Metern zwischen Ober- und Unterwasser voll betriebsfähig ist, und der Druck der zur Arbeitsübertragung verwendeten hydraulischen Druckflüssigkeit kann ohne jegliche Schwierigkeit auf einen zwischen 6 bis 10kp/cm² liegenden konstanten Wert, der bei Wasserkraftmaschinen bereits als ideell bezeichnet werden kann, gebracht werden.

Aus der erfindungsgemäßen Lösung resultiert ferner, daß mit der gut schmierfähigen und von Verschleiß verursachenden Verunreinigungen völlig freien hydraulischen Druckflüssigkeit auch Hydromotore zum Antrieb von stromerzeugenden Generatoren direkt angetrieben werden können, wobei der Wirkungsgrad derartiger Hydromotore denjenigen von Turbinen bekanntlich mehrfach übersteigt.

Die besonders vorteilhaften Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung können in erster Linie auf die folgenden ckarakeristischen Merkmale zu rückgeführt werden:

Die erfindungsgemäße Wasserkraftmaschine kann bei Stauwerten, die unterhalb der Hochwasser-Pegelhöhe der Oberflächengewässer, insbesondere Flüsse liegen, betrieben werden. Demzufolge kann auf die Errichtung von speziellen Schutzdammsystemen verzichtet werden und somit wird die gegebene, naturbedingste Umgebung der Flüsse unberührt belassen. Es besteht daher keine Gefahr von Umweltbeschädigung.

Die Erfindung ermöglicht die Ausnutzung und Nutzbarmachung der Energie von Flüssen, welche hohe Wassermengen mit geringem Gefälle führen. Ebenfalls ist es gut möglich, die kinetische Energie eines geringen periodischen Seeganges mit Pegelstandsuhterschieden von nur 1-2 m zwischen Ebbe und Flut zur Energiegewinnung zu verwerten.

Die erfindungsgemäße Wasserkraftmaschine kann auch bei alternativ wechselnden Wasserständen, d.h. bei ständigem Wechsel· von Ober- und Unterwasserseite beiderseits des errichteten Wehres betrieben werden. Hierdurch werden grundsätzlich neue Nutzungsmöglichkeiten des periodischen Seeganges, d. h. der periodischen Schwankung des Seewasserspiegels zwischen Ebbe und Flut eröffnet. Zurtechnischen Verwirklichung, Realisierung der erfindungsgemäßen Wasserkraftmaschine sind neue oder speziell zweckgerichtet zu entwickelnde Werkstoffe und/oder Technologien nicht erforderlich. Sämtliche Bestandteile und Baugruppen können aus industriell bereits jahrzehntelang in breitem Umfang hergestellten und erprobten Elementen aufgebaut

Erfindungsgemäße Wasse.rkraftmaschinen und Energieerzeugungssysteme, die solche Maschinen als Einheiten oder Baugruppen beinhalten, können schließlich — insbesondere als Folge des nur geringen Stauhöhenbedarfes — mit geringem Investkostenaufwand und risikofrei errichtet werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungsfiguren

Das Wesen der Erfindung sowie die Wirkungsweise und weitere Merkmale der erfindungsgemäßen Wasserkraftmaschine werden nachstehend an einem Ausführungsbeispiel unter Bezugsnahme auf die beiliegende Zeichnung näher beschrieben. In der Zeichnung sind Fig. 1 ein stark vereinfachtes Funktions-und Blockschaltbild einer beispielsweisen Ausführung einer erfindungsgemäßen

Wasserkraftmaschine, und Fig. 2 eine'auszugsweise Teildraufsicht eines Wehres, in welchem nebeneinander in Reihe angeordnet mehrere Schächte und Schwimmkörper erfindungsgemäß vorhanden sind.

Beschreibung eines Ausführungsbeispieles der Erfindung

Fig. 1 zeigt in stark vereinfachtem Schnittbild eine beispielsweise Anordnung von Funktionseinheiten einer erfindungsgemäßen Wasserkraftmaschine. An einer geeignet vorgesehenen Stelle eines Oberflächenwassers, beispielsweise Flusses ist in einer hinreichend verfestigten Wassei sohle 33 ein Wehr verankert, in welchem erfindungsgemäß mindestens ein im wesentlichen vertikaler innerer Schacht 1 vorhanden ist. Fig. 2 zeigt in auszugsweiser Draufsicht, daß im Wehr nebeneinander mehrere derartige Schächte 1 ausgebildet sein können, wodurch aus erfindungsgemäßen Wasserkraftmaschinen komplette Anlagen zusammengesetzt werden können. Das Wehr selbst kann aus vorgefertigten, am Schauplatz aneinander gereihten Schachtelementen in voller Flußbreite bestehen. Im Schacht 1 ist ein hinreichend gewichtiger Schwimmkörper 4 mittels Rollen 29 in vertikaler Richtung freibeweglich geführt. In Wassersohlennähe ist der Innenraum des Schachtes 1 jeweils über mittels Sperrorgahe 2,3 steuerbar verschließbare Durchlaßöffnungen sowohl oberwasserseitig wie auch unterwasserseitlg mit der umgebenden Wassermenge verbindbar. Der Schwimmkörper 4 ist über ein mit Hilfe von einem Nachstellzylinder 6 und Zahnradpumpen 27,28 längenverstellbares Gestänge mit einer Kolbenstange 7 eines Kolbens 9 eines druckseitig auf den Flüssigkeitsraum eines hydropneumatischen Druckspeichers 13 arbeitenden, als doppeltwirkende Kolbenpumpe für eine hydraulische Druckflüssigkeit 10 ausgelegten Arbeitszylinders 8 in beiden Richtungen kraft- und bewegungsübertragend verbunden. Das Gestänge zwischen Schwimmkörper 4 und Kolben 9 beinhaltet auch zwei Kugelgelenke 5/a und 5/b zur klemmfreien Bewegungsübertragung. Der Flüssigkeitsraum des auf Stützbeinen 32 stehenden Druckspeichers ist einerseits über eine ein Druckregelventil 12 beinhaltende Pumpleitung 11 mit den beiden Zylinderräumen des Arbeitszylinders 9,

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andererseits über ein Auslaßventil 14 und eine anschließende Druckleitung 18 mit einem Entspannungsraum 19 einer Strömungsmaschine, die hier durch das Laufrad einer Turbine 20 versinnbildlicht ist, verbunden. Der Druckspeicher 13 ist ein an sich bekanntes Druckgefäß, welches oberhalb des jeweils vorherrschenden Flüssigkeitspegels komprimierte Druckluft vom jeweiliger Pegelhöhe abhängigen Druck enthält, und unten mit einem Ablaßventil 30 zur Entleerung und Füllung sowie Reinigung, oben mit einer Druckanzeige 15, ferner mit einer Niveauanzeige 16 sowie einem eingebauten Pegelstandgeber 17 für Fernsteuerungszwecke versehen ist. Um einen geschlossenen Kreislauf für die hydraulische Druckflüssigkeit 10 zu verwirklichen, istein dem Entspannungsraum 19 der Turbine 20 zugeordneter Vorratsbecken 21, in welchem die entspannte Druckflüssigkeit 10 aufgefangen und gesammelt wird, über ein Ventil 22 und eine Saugleitung 23 mit den Saugseiten des (durch eingebaute druckgesteuerte Rückschlagventile auf an sich bekannte Weise) als doppeltwirkende Kolbenpumpe ausgelegten Arbeitszylinders 8 verbunden.

Zur (nicht ausführlich dargestellten) Einrichtung zur selbsttätigen Steuerung der Maschine gehören ferner beiderseits des Wehres jeweils in der Oberwasserseite bzw. Unterwasserseite angeordnete Pegelstandfühler 25,24. Bezugszeichen 26 verdeutlicht den Höchstwasserpegel, den der Wasserstand an der Oberwasserseite erreichen darf. Die auf obige Weise aufgebaute,in der Fig. 1 in außerbetrieblichem Ruhezustand dargestellte erfindungsgemäße Wasserkraftmaschine arbeitet auf folgende Weise:

Beim Öffnen des Sperrorgans 3 strömt Wasser von der Oberwasserseite in den Schacht 1 hinein, und der Schwimmkörper 4 wird angehoben. Über das Gestänge wird nun der Kolben 9 des Arbeitszylinders 8 nach oben bewegt, und es wird Druckflüssigkeit 10 über die Pumpleitung 11 aus dem oberen Zylinderraum in den Druckspeicher 13 gepumpt. Die Druckluft im Speicher wird weiter komprimiert, es entsteht ein Druckanstieg. Der konstante Sollwert des im Druckspeicher 13 herrschenden Druckes wird durch das Druckregelventil nach oben begrenzt. Wird nun das Auslaßventil 14 geöffnet, so strömt die Druckflüssigkeit 10 über die Druckleitung 18 dem Entspannungsraum 19derTurbine20zu, und sie wird bei gleichzeitiger arbeitsverrichtender Beaufschlagung des Laufrades, wodurch es in Drehung versetzt wird, entspannt. Die Turbine 20, oder ein anstelle einer Turbine auch verwendbarer Hydromotor kann beispielsweise mit einem Generator zur Erzeugung von elektrischer Energie antriebsverbunden sein. Aus dem Vorratsbecken 21 wird beim Öffnen des Ventils 22 über die Saugleitung 23 die entspannte Druckflüssigkeit in den Arbeitszylinder 8 (je nach Hubrichtung in den unteren oder oberen Zylinderraum) zurückgesaugt. Nachdem der Schwimmkörper 4 seine obere Endlage erreicht hat, wird durch ein Signal der Einrichtung zur selbsttätigen Steuerung der Maschine das Sperrorgan 3 geschlossen, und es wird das Sperrorgan 2 geöffnet. Das Wasser strömt aus dem Schacht 1 aus, der Schwimmkörper beginnt unter Wirkung der Schwerkraft nach unten zu sinken, wodurch der als Pumpe wirkende Arbeitszylinder 8 zwar in entgegengesetzter Richtung, aber ebenfalls auf den Druckspeicher 13 arbeitet. Wird nun die untere Endlage des Schwimmkörpers 4 erreicht, so wird das Sperrorgan 2 geschlossen, das Sperrorgan 3 geöffnet, und der obenbeschriebene Vorgang kann zyklisch von neuem wiederholt werden. Dadurch ist ein stationärer Betrieb gewährleistet. Wasserstandsänderungen infolge Ertragsschwankungen wie Hochwasser oder Trockenheitsperioden werden durch die beiden Pegelstandfühler 24,25 ständig überwacht. Ihre Signale dienen dazu, die Länge des kraft- und bewegungsübertragenden Gestänges durch Betätigung des Nachstellzylinders 6 mit Hilfe der Zahnradpumpen 27,28 an die jeweiligen Wasserstandshöhen der Oberwasserseite und der Unterwasserseite anzupassen. Die Zahnradpumpen 27,28 können beispielsweise Hochdruckpumpen von geringer Förderleistung sein. Die zur Führung des Schwimmkörpers 4 dienende Rollen 29 sind zweckmäßig freilaufend gelagerte Räder oder Rollen, die mit einem elastischen, vorzugsweise aus Gummi bestehenden Laufbelag versehen sind. Von Zeit zu Zeit kann erforderlich sein, für die Druckluftverluste im Druckspeicher 13 über ein Nachfüllventil 31 durch Einpressen von Preßluft aufzukommen.

Um einen weitgehend pulsierungsfreien Betrieb zu gewährleisten ist es angebracht und von Vorteil, auf einen einzigen ' hydropneumatischen Druckspeicher 13 gleichzeitig mehrere, von mehreren Schwimmkörpern 4 aus möglichst phasenverschoben betätigte Arbeitszylinder 8 als doppeltwirkende Kolbenpumpen arbeiten zu lassen. Aus derartig zusammengesetzten Baugruppen der erfindungsgemäßen Wasserkraftmaschine können ganze Kraftwerksanlagen aufgebaut werden.

Im Rahmen des durch die nachstehenden Patentansprüche definierten Schutzumfanges sind natürlich auch andere, von der oben beschriebenen abweichende Ausführungen der Erfindung zu verwirklichen. *

Claims (4)

1. Patentansprüche: ·

   1. Hydropneumatische Wasserkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß in einem an einer geeignet gewählten Stelle in der entsprechend verfestigten Wassersohle (33) eines Oberflächenwassers verankerten Wehr mindestens ein jeweils über in Wassersohlennähe ausgebildete, mittels Sperrorgane (2,3) steuerbar verschließbare Durchlaßöffnungen sowohl oberwasserseitig wie auch ueterwasserseitig mit der Umgebung verbindbarer, im wesentlichen vertikaler innerer Schacht (1) vorhanden und in jedem Schacht (1) ein Schwimmkörper (4) von hinreichend hohem Eigengewicht in vertikaler Schachtrichtung freibeweglich geführt ist, der (die) Schwimmkörper (4) über (ein) vorzugsweise längenverstellbare (s) Gestänge mit einer Flüssigkeitspumpe, zweckmäßig mit dem Kolben (9) eines druckseitig auf den Flüssigkeitsraum eines vorzugsweise hydropneumatischen Druckspeichers (13) arbeitenden, als doppeltwirkende Kolbenpumpe für eine hydraulische Druckflüssigkeit (10) ausgelegten Arbeitszylinders (8) in beiden Hubrichtungen kraft- und bewegungsübertragend verbunden ist, und weiters der Flüssigkeitsraum des Druckspeichers (13) zwecks arbeitsverrichtender Entspannung der hydraulischen Druckflüssigkeit (10) über eine Druckleitung (18) mit dem Entspannungsraum (19) einer an sich bekannten Strömungsmaschine, vorzugsweise einer Turbine (20) oder eines Hydromotors verbunden ist.
2. 2. Hydropneumatische Wasserkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie auch mit einer vorzugsweise Pegelstandfühler (24,25) für Ober- und Unterwasserstand mit beinhaltenden Einrichtung zur selbsttätigen Steuerung der Sperrorgane (2,3) in sinngemäßer Abhängigkeit von der Änderung der beiderseits des Wehres jeweils vorhandenen Wasserstandshöhen ausgerüstet ist.
3. 3. Hydropneumatische Wasserkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß für die hydraulische Druckflüssigkeit (10) ein geschlossener Kreislauf vorhanden ist, indem der (die) alsdoppeltwirkende(n) Kolbenpumpe(n) ausgelegte(n) Arbeitszylinder (8) saugseitig über eine Saugleitung (23) mit einem dem Entspannungsraum (19) der Strömungsmaschine zugeordneten Vorratsbecken (21) zur Sammlung der entspannten Druckflüssigkeit (10) verbunden ist (sind).
4. 4. Hydropneumatische Wasserkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsmaschine, vorzugsweise Turbine (20) oder Hydromotor mit einem elektrischen Generator zur elektrischen Energieerzeugung antriebsverbunden ist.

   Hierzu 1 Seite Zeichnungen

   Technisches Gebiet der Erfindung

   Die Erfindung betrifft eine hydropneumatische Wasserkraftmaschine, in welcher ein durch sich in ständig langsamer Bewegung befindliche große Wassermengen betätigter, als doppelwirkende Kolbenpumpe für eine hydraulische Druckflüssigkeit ausgelegter Arbeitszylinder diese Druckflüssigkeit in einem an sich bekannten Zweiphasen-Hydropneumatischen Druckspeicher auf einen voreingestellten hohen Druck bringt, und die Energie dieser Druckflüssigkeit im Entspannungsraum einer bekannten Strömungsmaschine in mechanische Arbeit bzw. in einem gekoppelten Generator in elektrische Energie umgewandelt wird.

   Beschreibung des Standes der Technik

   Bereits seit Jahrtausenden sind Wasserkraftmaschinen bekannt, weiche die Energie von strömenden oder aus Höhenlagen herabfallenden Oberflächengewässern zum Antreiben von verschiedenen Arbeitsmaschinen, insbesondere von Mühlen, Wasserhebemaschinen usw. verwerten. Es sind ferner auch Einrichtungen und Anlagen bekannt, in welchen der Seegang, d.h. die durch Ebbe und Flut bewirkte periodische Wasserpegeischwankung oder die kinetische Energie des ständigen Wellenganges der Weltmeere nutzbar gemacht wird.

   Mit Schaufelrädern angetriebene Wassermühlen sind auch heutzutage noch vielerorts in Betrieb, obwohl derartige technische Lösungen immer mehr nur noch als Überbleibsel und Baudenkmäler veralterter Technik einer älteren Zeit angesehen werden. Die bekanntesten Typen zeitgenössischer Wasserkraftmaschinen verkörpern die verschiedenen Ausführungen von Wasserturbinen. Zum Betrieb von Turbinen sind jedoch ein hoher Druck bzw. dementsprechend hohe Wasser-Strömungsgeschwindigkeiten erforderlich. Es sind beispielsweise Wasserkraftwerke bekannt, bei welchen die Fallhöhe, d. h. der Pegelunterschied zwischen der Oberwasserweite und der Unterwasserseite mehr als 200 m beträgt. Zwecks Erreichung der erforderlichen Fallhöhe bzw. einer hinreichenden Speisewasser-Vorratsmenge werden Stauwehre, nicht selten Talsperr.en als große Bauvorhaben errichtet. Dadurch ist meistens ein hinreichend gutes technisches Resultat gewährleistet. Nachteile zeigen sich jedoch im allgemein äußerst hohen Investkostenaufwand und in den heutzutage bereits betont erkannten und häufig wirklich katastrophalen umweltschädigenden Auswirkungen derartiger Bauvorhaben. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wasserkraftmaschine zu schaffen, welche die Nutzbarmachung der Energie von sich langsam bewegenden großen Wassermengen in einer den modernen Anforderungen entsprechenden Form ermöglicht.

   Beschreibung der Erfindung

   Die gestellte Aufgabe wird durch eine hydropneumatische Wasserkraftmaschine der eingangs erwähnten Art gelöst, bei welcher in einem an einer geeignet gewählten Stelle eines Oberflächenwassers in der entsprechend verfestigten Wassersohle verankerten Wehr erfindungsgemäß mindestens ein jeweils über in Wassersohlennähe ausgebildete, mittels Sperrorgane steuerbar verschließbare Durchlaßöffnungen von hinreichend großem Querschnitt sowohl oberwasserseitig wie auch unterwasserseitig verbindbarer, im wesentlichen vertikaler innerer Schacht vorhanden ist. Im oder in jedem Schacht ist ein genügend schwer dimensionierter Schwimmkörper in vertikaler Schacitrichtung freibeweglich geführt. Der Schwimmkörper ist über ein vorzugsweise längenverstellbares Gestänge mit einer Flüssigkeitspumpe, zweckmäßig mit dem Kolben eines druckseitig auf den Flüssigkeitsraum eines vorzugsweise hydropneumatischen Druckspeichers arbeitenden, als doppeltwirkende Kolbenpumpe für eine hydraulische Druckflüssigkeit ausgelegten Arbeitszylinders in beiden Hubrichtungen kraft- und bewegungsübertragend verbunden. (Der Druckspeicher enthält allgemein oberhalb des Druckflüssigkeitspegels stets in Abhängigkeit von letzteren komprimierte Luft.) Der Flüssigkeitsraum des hydropneumatischen Druckspeichers ist weiters über eine Druckleitung mit dem Entspannungsraum einer an sich bekannten Strömungsmaschine, vorzugsweise einer Turbine oder eines Hydromotors, zwecks arbeitsverrichtender Entspannung der hydraulischen Druckflüssigkeit verbunden.