DD297685A5 - Mehrstufige wasserkraftanlage - Google Patents

Abstract

In Fluessen mit groszer Wasserfuehrung und Stroemungsgeschwindigkeit (ab etwa 1 m/sek) sind auf einer Welle, die in Stroemungsrichtung angeordnet ist, mehrere teilbeaufschlagte und axial durchstroemte Schaufelraeder befestigt. Die Leistung, die von der Welle an eine andere Maschine abgegeben werden kann, ist die Summe der Leistungen aller einzelner Schaufelraeder.

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

In der mehrstufigen Wasserkraftanlage wird die Strömungsenergie von natürlich fließenden Flüssen, Strömen oder anderen Freispiegelgerinnen in mechanische Rotationsenergie umgewandelt. Diese kann zum Betreiben unterschiedlicher Arbeitsmaschinen, unter anderem auch von elektrischen Generatoren, genutzt werden.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Bei strenger Abstraktion sind Strömungsmaschinen, die durch einen Strömungsdruck des Wassers bewegt werden, in Wasserturbinen und Stromräder, die auch untersch! achtige Wasserräder oder Schiffmühlräder genannt werden, einzuteilen. In der Gegenwart wird die Energie von Wasser durch die Anlage von Staustufen in Flußläufen genutzt. Die vorhandene potentielle Energie wird dabei durch Turbinen in mechanische Rotationsenergie und in nachgeschalteten Generatoren in elektrische Energie umgewandelt. Die absolute Ausgangsenergie wird durch die Stauhöhe Hund dem sekundlichen Strömungsvolumen Q bestimmt.

Stauhöhe und Strömungsvolumen sind auch für die Entscheidung bestimmend, ob Pelton-, Francis-, Kaplan- oder Kaplan-Rohrturbinen für die Energieumwandlung verwendet werden.

Zwischen der mehrstufigen Wasserkraftanlage und diesen Turbinen bestehen im konstruktiven Aufbau und im Wirkungsprinzip keine Ähnlichkeiten oder Zusammenhänge.

Die historische Beobachtung und die Analyse des Wirkungsprinzips der unterschlächtig arbeitenden Stromräder führten zu dieser erfinderischen Idee.

Vom Altertum bis Ende des 19. Jahrhunderts wurden in Europa Stromräder zur Gewinnung von mechanischer Energie, besonders zum Betreiben von Mühlen und Wasserhebeanlagen genutzt. In Vorderasien arbeiten noch heute an Euphrat und Tigris, in China an Huang Ho und Jangtsekiang zum Teil Jahrhunderte alte Stromräder als Schöpfwerke. Eine Schiffmühle ist ein in der günstigsten Strömung eines Flusses verankertes, außerdem durch Taue am Ufer befestigtes Fahrzeug, das aus zwei pramartig gebauten Schiffen, dem Hausschiff und dem Wellschiff und dem dazwischen liegendem unterschlächtigen Stromrad besteht. Das Stromrad liegt rechtwinklig zur Fließrichtung des Wassers, so daß es von dem freien Wasserstrom radial durchströmt und betrieben wird.

Wegen hydraulischer Ursachen und hohen Reibungsverlusten sollen die Schaufeln nicht tiefer als 0,35m bis 0,50m tief eintauchen. An kleineren Flußläufen, wo die Stromräder nicht auf Schiffen arbeiteten, sondern die Wellen von Ufer zu Ufer reichten, wurden Vorrichtungen, sogenannte Pansterwerke, installiert, um bei größerer Wasserführung die Stromräder anheben zu können.

Bei einer Fließgeschwindigkeit von 1 m/sek und einer Eintauchtiefe von 0,35 m kann bei einer Schaufelbreite von 3 m eine Leistung von 1 kW erreicht werden. Die Leistungen schwankten, da sie von der Strömungsgeschwindigkeit des Wassers abhängig waren, und diese richtet sich nach der Wasserführung.

Die Stromräder auf Elbe, Rhein und Donau hatten bei normaler Wasserführung Leistungen von 1 bis 6PS bei Raddurchmessern bis zu 5m. Der Nachteil der geringen Einzelleistungen je Stiomrad konnte durch einen großen Vorteil ausgeglichen werden, der darin bestand, daß beliebig viele Stromräder hintereinander und nebeneinander arbeiten konnten. Somit konnten sie den gesellschaftlichen Bedürfnissen und den Produktionsmethoden bis ins vorige Jahrhundert gerecht werden. Mit der Einführung der Dampfmaschinen und der technischen Revolution des 19. Jahrhunderts verschwanden die Stromräder. Sie wurden auch zu Hindernissen für die Dampfschiffahrt.

Kurze Charakteristik der Stromräder

Vorteile: Es konnten beliebig viele Stromräder in einem Fluß betrieben werden.

Nachteile: 1. Geringer hydraulischer Druck, da sich die Schaufeln in Strömungsrichtung bewegten, wodurch die absolute Strömungsgeschwindigkeit V| durch die Umlaufgeschwindigkeit der Schaufeln V₃ in eine relative Strömungsgeschwindigkeit V₂ reduziert wurde. Das wird in der von Leonard Euler aufgestellten Leistungsformel für Stromräder ausgedrückt.

P = k · — · (V₁ - V₃)

2. Die geringe Eintauchtiefe der Schaufeln, begründet durch die Energieverluste bei der Rotation an den Rückseiten der Schaufeln durch Reibung und Schöpfbarkeit beim Austauchen aus dem Wasser.

Der Wirkungsgrad betrug 0,33%.

3. Jedes Stromrad hatte nur eine geringe Einzelleistung.

Es gab viele Überlegungen die Strömungsenergie der natürlich fließenden Flüsse und Ströme zu nutzen. Von der Pitentliteratur

sind folgende Anmeldungen zu nennen:

Deutsches Reichspatent Klasse 88b/4 Nr.38414, Nr. 119352, Nr.341890 Bundesrepublik Deutschland-Internationale Patentklassifikation F 03 B 13/10 Nr. DE 2635529, Nr. DE 2842746 A1, Nr.

DE 2933907 A1

Sie konnten alle nicht erfolgreich angewendet werden, da sie in ihren Funktionsweisen beschränkt sind, eine wirtschaftliche Anwendung durch zu geringe Energieumwandlung nicht begründet ist. In der Sowjetunion sind Girlandenwasserkraftwerke im Gebrauch. Sie bestehen aus leichten Wasserflügelrotoren, die

girlandenförmig auf einem von einem zum anderen Flußufer gespannten Stahlseil aufgezogen sind. Sie können nur inschnellfließenden Gewässern ohne Schiffahrt, benutzt werden.

Ziel der Erfindung Die Suche nach alternativen Energiequellen und ihre Nutzbarkeit hat eine große Bedeutung. Für die ganze Menschheit ist sie zur lebenswichtigen Aufgabe geworden. Die Verwendung der erschöpfbaren fossilen Brennstoffe und der Atomenergie dienen dazu, Strömungen zu erzeugen, die in elektrische Energie umgewandelt werden. Dabei

werden bedeutende Naturreichtümer verbraucht, und in der Folge entstehen große Umweltbelastungen und fast unlösbare

Entsorgungsprobleme. Am wirtschaftlichsten ist deshalb die Ausnutzung natürlicher und unerschöpflicher Strömungsreserven. Das sind vor allem die Winde, die Flüsse und die Gezeiten der Meere. Während es weltweit viele Bemühungen gibt, den Wind, der leider nicht immer bläst, nach dem Vorbild dar Windmühlen wieder

nutzbar zu machen, wird allgemein angenommen, daß die Entwicklungsarbeit für die Nutzung des Wassers als Energiequellewissenschaftlich und technisch endgültig abgeschlossen ist.

Das Ziel der Erfindung besteht darin, eine vergessene Energiequelle nutzbar zu machen. Diese Energiequelle, bei der nichts verbraucht und nichts entsorgt werden muß, können die Ströme sein, die aufgrund des von

ihnen durchflossenen flachen Landes nicht gestaut werden können, weil sie weite Teile eines Staatsterritoriums, Kulturland oderdichte Siedlungsgebiete überfluten würden.

Es ist nicht bekannt, daß irgendwo auf der Welt die natürliche Strömungsenergie der immer fließenden Ströme bedeutend

genutzt wird.

Das Ziel der Erfindung besteht auch darin, nicht nur für die hochentwickelten Industriestaaten Energiereserven zu erschließen,

sondern auch für die Länder der dritten Welt. Zum Beispiel können auf Ganges, Bramaputra, Indus, Huang Ho, Jangtsekiang,

Mekong, Nil, Sambesi, Kongo, Niger oder Amazonas und all ihren Nebenflüssen viele Kleinkraftwerke arbbiten oder viele

leistungsstarke mechanische Weikstätten ohne elektrische Maschinen arbeiten.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, eine Wasserkraftmaschine zu entwickeln, um die Energiereserven der Flüsse und Ströme der Erde mit einem wirtschaftlich vertretbaren Verfahren nutzbar zu machen. Dabei galt es, die vorteilhaften Eigenarten der Stromräder zu nutzen und die negativen zu verändern.

Mit der mehrstufigen Wasserkraftanlage wurde eine Maschine entwickelt, die sich grundlegend von den Stromrädern unterscheidet und die Strömungsenergie der Flüsse ökonomischer nutzt. Folgende Wesensmerkmale zeichnen die mehrstufige Wasserkraftmaschine aus:

1. Vielfache Anordnung von Schaufelrädern hintereinander in Strömungsrichtung und Konzentration aller Einzelleistungen auf eine Welle;

2. Beibehaltung der absoluten Strömungsgeschwindigkeit und Ausgangsenergie;

3. höhere Umlaufgeschwindigkeiten;

4. unbegrenzte Eintauchtiefen;

5. Reduzierung des Leistungsverlustes innerhalb des Energieumwandlungsprozesses und Erhöhung des Wirkungsgrades;

6. geringerer Raumbedarf;

7. hohe Wirtschaftlichkeit, da keine Wasserbauten notwendig sind;

8. Ausnutzung des ganzen Strömungsquerschnittes.

Die Wirtschaftlichkeit der mehrstufigen Wasserkraftanlage kann erhöht werden, wenn in Flüssen wie r. B. der Elbe niedrige Dämme von 2-3 m Höhe mit Schleusen errichtet werden und das Wasser dadurch auf einer bestimmten Strecke schneller fließen kann, indem es in Rinnen geleitet wird. Mit der mehrstufigen Wasserkraftanlage können ebenfalls bei Anlage von Dämmen und Deichen in zahlreichen Teilen der Erde die geringen Tidenhübe von 1-2 m im Wechsel von Ebbe und Flut genutzt werden.

Ausfuhrungsbeispiel Die Wesensmerkmale der Erfindung werden durch folgende konstruktive Anordnung begründet:

In einem Fluß wird eine lange Welle (A), in Fließrichtung des Wassers, über dem Wasserspiegel (B) installiert. Auf ihr werden beliebig viele Schaufelräder (C) befestigt. Diese bestehen aus mehreren Radschenkeln (D), die den am äußeren Umfang sich bildenden Schaufelradkranz (E), auch Schaufelgitter genannt, halten.

Die Schaufeln haben nur die Länge eines Bruchteiles des Radius des Schaufelrades, um die Arbeitsverluste bei der Energieumwandlung im Schaufelradkranz bzw. Schaufelgitter, bedingt durch die abnehmende Winkelgeschwindigkeit in Richtung Welle, gering zu halten. Der Einstellwinkel der Schaufeln soll möglichst flach sein, um dem Wasser genügend Widerstand entgegenzusetzen, damit ein

großer Strömungsdruck entsteht. Andererseits muß das Schaufelrad auch die wirtschaftlichste Rotationsgeschwindigkeit

erhalten. Ebenso muß die Rückseite der Schaufel den geringsten Widerstand bei der Arbeit in Rotationsrichtung bilden, um die

Reibungsverluste im Wasser möglichst gering zu halten. Das Schaufelrad befindet sich zum größten Teil ständig außerhalb des Wassers. Das Schaufelgitter wird teilbeaufschlagt, axial

durchströmt.

Die Strömungsenergie des Wassers wird somit in mehreren hintereinander angeordneten Schaufelgittern in Rotationsenergie

umgewandelt. Die Leistung, die von der Welle an eine andere Arbeitsmaschine abgegeben werden kann, ist die Summe der

Leistung aller einzelnen Schaufelräder. Hat ein Schaufelrad eine Leistung von 1OkW, so werden bei 10 Schaufelrädern auf eine Welle 10OkW erraicht. Eine konkrete Ausführung der mehrstufigen Wasserkraftanlage wurde bereits in der Elbe installiert. Die absolute Länge der Welle betrug 13 m. Auf ihr waren 3 Schaufelräder im Abstand von 4 m befestigt. Sie hatten einen äußeren Durchmesser von 3,2m. Jedes Schaufelrad hatte 10 Schaufeln mit einer radialen Tiefe von 0,5m und einer Fläche von 0,25qm; 4 Schaufeln waren immer

getaucht. Alles arbeitete planmäßig. Auch bei Stillstand des 1. und 2. Schaufelrades drehte es sich mit der gleichen

Geschwindigkeit wie zusammen mit den beiden anderen.

Claims (1)

1. Durch die mehrstufige Wasserkraftanlage wird die Strömungsenergie natürlich fließender Flüsse und Ströme oder anderen Freispielgerinnen in mechanische Rotationsenergie umgewandelt; gekennzeichnet dadurch, daß oberhalb des Wasserspiegels eine Welle in Strömungsrichtung installiert ist und auf ihr mehrere Schaufelräder mit Schaufelradkränzen hintereinander, in bestimmten wirtschaftlichen Abständen befestigt sind, so daß sie alle gleichzeitig teilbeaufschlagt durchströmt werden und die gesamte Rotationsenergie aller Schaufelräder auf die Welle übertragen wird, so daß Arbeitsmaschinen angetrieben werden können.

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