DE102005040805A1

DE102005040805A1 - Durchström-Wasserturbine für den Einsatz in freier Strömung

Info

Publication number: DE102005040805A1
Application number: DE102005040805A
Authority: DE
Inventors: Walter Schopf
Original assignee: Schopf Walter Dipl-Ing
Current assignee: Schopf Walter Dipl-Ing
Priority date: 2005-08-29
Filing date: 2005-08-29
Publication date: 2007-03-08

Abstract

Der Erfindungsgegenstand ist folgenden zukunftsorientierten Einsatzfeldern und Aufgaben zugedacht: DOLLAR A a) Unterwassereinsatz zur Gewinnung von Strom aus der Meeresströmung, DOLLAR A b) in Kombination mit a) als mittragende Komponente schwimmender Offshore-, Wind- und Wasserkraftanlagen mit regelbarem Auftrieb zur Nutzung bei Schwingungsdämpfungsprozessen, DOLLAR A c) mit integriertem elektrischen Generator oder einer Wasserpumpe als in Fließgewässern betreibbares schwimmendes Kompakt-Kleinkraftwerk oder bzw. und als Bewässerungseinrichtung für unterentwickelte Regionen. DOLLAR A Die Funktion der für geringe Strömungsgeschwindigkeit und niedrigen Druck prädestinierten Durchströmturbine mit der ihr eigenem Erfordernis "wasserlose nicht aktive Schaufelpartien", wird bei den vorliegenden gesetzten Einsatzbedingungen mit der fehlenden Fallhöhe für das Saugrohr erfindungsgemäß dadurch bewirkt, dass ihr Gehäuse Außenkonturen, Kanalführungen und Zusatzeinrichtungen derart aufweist, dass die Strömungsenergie der äußeren Umströmung auf den Ausgang ihrer Schaufelradkammer eine Injektorwirkung und auf die nicht aktive Schaufelradkammerpartie einen entleerenden Sog ausübt. DOLLAR A Weitere erfindungsgemäße Gehäuseausgestaltungen wie Auftrieb bewirkende Hohlräume, tragflächenhafte Oberflächenausbildung, ein im Schaufelrad integrierter Generator und Turbinenmehrfachanordnungen ermöglichen oben genannte Einsätze.

Description

Die Erfindung betrifft eine Durchströmturbine für den Einsatz in freien Wasserströmungen bei allseitiger Umströmung und ohne nutzbare Saugrohr-Fallhöhe, mit den in dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 und einigen in Patentschrift DE 3327457 angegebenen Konstruktionsmerkmalen.

Die dem Erfindungsgegenstand zugedachten zukunftsorientierten Einsatzfelder und Aufgaben sind:

a) Unterwassereinsatz bevorzugt in Formationen und schwimmend angeordnet auf hoher See zur Gewinnung von Strom aus der Energie der Meeresströmung, zur Nutzung stetiger oder bzw. und Gezeitenströmungen;
b) Unterwassereinsatz – vorzugsweise schwimmend – in Fließgewässern zur Gewinnung von Strom aus der Energie der Strömung, in Kombinations- und Kompaktausführung mit einem el. Generator als leicht zu installierendes Kleinkraftwerk für unterentwickelte Regionen in Entwicklungs- und Schwellenländern;
c) als Zusatzeinrichtungen an Offshore-Windenergieanlagen zur zusätzlichen Gewinnung von Strom aus der Meeresströmung, insbesondere an Anlagen mit autark ablaufendem Inselbetrieb, mindestens zur Stromversorgung der Betriebseinrichtungen an Bord von autarken Offshore Windkraftanlagen,
d) in Kombination mit a) und c) als (mit) tragender Unterwasser-Schwimmkörper für schwimmende Offshore-Wind- und Wasserkraftanlagen,
e) in Kombination mit a), c) und d) als Einrichtung zur Bewirkung eines variierbaren Auftriebes zur Nutzung als Korrekturgröße bei Stabilisierungs- und Schwingungsdämpfungsmaßnahmen an schwimmenden Offshore-Wind- und Wasserkraftanlagen.

Aspekte zur Energiegewinnung, insbesondere mittels Durchströmturbinen: Eine intensive Erschließung regenerativer, nachhaltiger Energien ist in Anbetracht der Endlichkeit fossiler Energieträger ein global erkanntes und anerkanntes Gebot unserer Epoche, auch wegen des zwingenden Handlungsbedarfes zur Verminderung der CO₂-Belastung unserer Atmosphäre, aber auch zum Erhalt eines (Rest-) Bestandes an für die Menschheit und Wirtschaft lebenswichtiger in den fossilen Energieträgern enthaltenen Grundstoffen und Substanzen.

Unter den zur Verfügung stehenden regenerativen Energieressourcen hat sich bereits die Windenergie – zumindest mit einem wichtigen Anteil – als zukünftiger Energielieferant favorisiert.

Für die Versorgung mit nachhaltigen, schadstoffarmen Energien sind bereits umfangreiche Windkraftanlagen-Projekte an Land entwickelt und realisiert, eine Steigerung (außer einigen Repowering-Aktionen) ist nach technischen und ökonomischen Aspekten kaum noch möglich. Auch sprechen Landschaftsschutz- und Öko-Strömungen in der Bevölkerung dagegen.

Eine intensive und lukrative Erschließung der Windkraft bietet sich auf See an, wo Stärke und Kontinuität des Windes wesentlich intensiver und günstiger sind. Darüber hinaus kommen für die Akzeptanz und Realisierbarkeit einer Windkraftanlage oder eines -Parks noch weitere Aspekte wie Geräuschimmission, Schattenwurf, optische Verträglichkeit und vor allem auch Natur- und Landschaftsschutzaspekte eher zum Tragen. Aber auch hier stehen letztgenannte Aspekte häufig der Realisierung küstennaher Offshore-Windenergieanlagen entgegen.

Verstärkt wird in letzter Zeit die Planung und Realisierung von Offshore-Windenergieanlagen auf hoher See betrieben. Nachteilig sind dabei die höheren Aufwendungen für Gründungen besonders in tiefen Gewässern und Aufwendungen für die Netzanbindung.

Als Ausweg gegen erforderliche tiefreichende aufwendige Gründungen bieten sich „Schwimmende Offshore-Windenergieanlagen" an, wie sie beispielsweise bereits im in Planung befindlichen Offshore-Windenergiepark Ventotec Ost 2 vorgesehen, oder in den Patentanmeldungen DE 10219062 , EP 1366209 , EP 1269018 , EP 1169670 DE 10 205w 040 803.6, DE 10 2005 040 797.8 beschrieben sind. Besonders effizient arbeiten solche Anlagen, wenn an Bord – wie in erstgenannter Patentanmeldung beschrieben und beansprucht – der gewonnene Strom ohne Übertragungsverluste und aufwendiger und somit teurer Übertragungseinrichtungen zur Gewinnung des für die bevorstehende „Wasserstoffwirtschaft" so wichtigen Energieträgers Wasserstoff eingesetzt wird.

Bei solchen schwimmenden Anlagen auf offener See stellen aber zwangsläufig die Rauheiten der Wasseroberfläche, die Schwingungen an der Anlage verursachen können, ein nach Möglichkeit zu begegnendes Problem dar.

Eine Zielsetzung und Aufgabe vorliegenden Erfindungsgedankens besteht daher in der Perfektionierung der Möglichkeiten und Einrichtungen für Einsatz und Betrieb schwimmender, insbesondere autark arbeitender Offshore-Windenergieanlagen gemäß den vorgenannten Einsatzfällen d) und e).

Weitere riesige alles andere übertreffende Energieressourcen, bisher weniger erschlossene Energiepotentiale, liegen in der Meeresströmung.

Deren Nutzung ist – wie die relativ geringe bisherige Realisierung auch unter Beweis stellt – durch Energiegewinnungsanlagen mit im Meer gegründeten Bauwerken aufwendig und wegen ihrer Gefährdung durch die Rauheiten des Meeres sehr problematisch.

Vorliegender Erfindungsgegenstand ist besonders auf die Nutzung der zwar mäßigen, aber stetigen Unterwasser-Strömungen der Meere abgestimmt. Neben einer weitgehenden Beständigkeit dieses Energieangebotes birgt ein Unterwassereinsatz auch den Vorteil, dass unter solchen Einsatzbedingungen arbeitende Einrichtungen nicht oder zumindest nur in geringerem Maße den zerstörerischen rauhen Oberflächenwellengängen ausgesetzt sind. Außerdem setzt – vorwegnehmend den Haupt-Nutzeffekt des Erfindungsgedankens – die Erwirkung eines erforderlichen Soges auf den Turbinenausgang eine ausschließlich luftfreie Durchflutung der Turbine und der erfindungsgemäßen noch zu beschreibenden Zusatzeinrichtungen voraus.

Ein für einen solchen Einsatz herkömmlicher Wasserkraftmaschinen abträglicher Tatbestand ist, dass bei den zugedachten Einsatzbedingungen ein nur geringes (staudruckbedingtes) Druckgefälle zur Nutzung in der Wasserkraftmaschine zur Verfügung steht. Auch liegt keine nutzbare Fallhöhe für das wichtige, für die meisten Turbinen obligatorische Saugrohr zur Bewirkung einer sicheren Abführung des Arbeitsmediums aus dem aktiven Arbeitsbereich vor. Dies ist besonders bei vorliegender modifizierter Turbinengattung, der Durchströmturbine nach Art der bekannten Ossbergerturbine mit doppelt durchströmtem Laufrad besonders relevant, da sie sonst zur Wasserwirbelbremse mutiert. Zumal unter den genannten Einsatzbedingungen der Energiegewinn weitgehend nur aus der Strömungsenergie bei zudem noch geringer Fließgeschwindigkeit gezogen wird, sind dafür keine oder nur in sehr eingeschränktem Maße herkömmliche Wasserkraftmaschinen geeignet und einsetzbar.

Die primäre Zielsetzung für den Erfindungsgegenstand besteht daher in der Schaffung einer Wasserturbinenkonzeption, die für den Einsatz in fließenden Gewässern ohne geodätische Fallhöhe für ein Saugrohr geeignet ist.

Die Lösungen der genannten Zielsetzungen bestehen im wesentlichen darin, dass die bekannte und bewährte Ossberger-Turbine (mit Ausführungsmerkmalen gemäß DE 3327457 und den darin in Bezug genommenen Patentschriften) die für niedrige Differenzdrücke und Fallhöhen besonders geeignet ist, erfindungsgemäß modifiziert wird. Diese Modifikation besteht im wesentlichen darin, dass sie zur Erfüllung ihrer Funktion ohne Saugrohr-Fallhöhe bei den ihr zugedachten Einsatzfeldern a), b) und c) mit in den Ausführungsbeispielen und Ansprüchen näher beschriebenen erfindungsgemäßen Ausgestaltung und Ergänzungen versehen ist, in einer Weise, dass die sie umgebende Strömung einen Injektoreffekt auf den Turbinenausgang und somit einen Sog ausübt, der eine verlustfreie – oder zumindest -arme – partielle radiale Laufraddurchströmung ermöglicht, wobei des weiteren für Einsatzfall

d) das Turbinengehäuse mit einer Ummantelung mit Auftrieb bildende Hohlräume ausgestattet ist;
e) das Turbinengehäuse und seine Ummantelung außen leitflächenhafte Konturen aufweist, die anstellwinkelabhängig zur äußeren freien Strömung, für Schwingungs-Dämpfungsprozesse nutzbar, variierbare Auftriebs- oder Senkkräfte bewirken.

Details der erfindungsgemäßen Ausgestaltungen gehen aus den Ansprüchen und Beschreibungen der Ausführungsbeispiele hervor.

Die damit erzielbaren Funktionen und Vorteile ergeben sich aus der erfindungsgemäßen Erfüllung der Zielsetzungen. Details über Funktionen der erfindungsgemäßen Ausgestaltungen mit ihren bewirkten Vorteilen gehen ebenfalls aus den Ansprüchen und den Beschreibungen der Ausführungsbeispiele hervor.

Der Anmeldungsgegenstand wird nachstehend unter Verweis auf Zeichnungen erläutert.

1 zeigt eine Schemadarstellung einer erfindungsgemäß modifizierten Durchströmturbine (nach Art der Ossbergerturbine) mit weitgehend horizontalem Durchfluss,
mit Ausgestaltungen und Einrichtungen zur Nutzung der Energie der äußeren Strömung zur Bewirkung eines Soges auf ein horizontal angeordnetes Saugrohr,
mit leitflächenhafter Ausbildung der Gehäuseoberflächen und mit Gehäusehohlräumen zur Bewirkung eines Auftriebes.
2 beinhaltet eine schematische Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Durchströmturbine mit horizontalem Zu- und Abfluss, wobei die weitgehend horizontal angeströmte Laufradkammer in einen kurzen vertikalen Fallschacht übergeht, den von der Zuströmseite herkommende Strömungskanäle durchlaufen mit einer derartigen Ausbildung, dass sie einen Injektoreffekt bewirken und das Turbinenabwasser über ein horizontal angeordnetes, als Diffusor wirkendes Saugrohr wieder der offenen Strömung zuführen.
3 zeigt eine Draufsicht-Schnittdarstellungen von 3,
in der Schnittebene A-B mit einem in das Schaufelrad integrierten Generator,
in Schnittebene C-D den Fallschacht mit den ihn durchziehenden, als Injektor ausgebildeten Kanalgebilden.
Beschreibung zu den Darstellungen
Zu 1
Das auf der Turbinenwelle 1 sitzende Laufrad 2 mit einer für diese Turbinengattung bekannten Beschaufelung 3 wird von dem über den Einlauftrichter 4 fokussierten Fließwasser radial beaufschlagt. Die durch den weitgehend horizontal in Strömungsrichtung angeordneten Einlauftrichter 4 bedingte radiale Zuströmung wird durch die gekrümmten Einlauftrichterrandpartien 4d und 4e und mittels eines Umlenk- und Leitstückes 5 zur (leicht-) tangentialen Einströmung in das Laufrad umgelenkt. Die anschließende, dicht am Laufradumfang verlaufende untere Radkammerumwandung 6a geht in einen erweiterten Freiraum 6c und dann in das anschließende Saugrohr 8 über. Auf der oberen Seite schließt sich kurz nach dem Einlaufkrümmer 4d ein Luftdom 7 an, der ebenfalls in das Saugrohr 8 übergeht.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Ausführungsweisen von Durchströmturbinen, wo eine Fallhöhe für ein Saugrohr zur Verfügung steht und genutzt werden kann, so, dass ein Abfließen des Wassers sichergestellt ist, womit Planschverluste in den nicht aktiven Laufradpartien vermieden werden, wird hier mangels Fallhöhe erfindungsgemäß Strömungsenergie aus außen das Turbinengehäuse umstreichende, vom Einlauftrichter 4 nicht erfasste Strömungen zur Ausbildung eines intensiven Soges im Saugrohr genutzt.
Zunächst sei zur Verdeutlichung einer weiteren einsatzweisebedingten Schwierigkeit vorausgesetzt, dass das Saugrohr 8 seine Aufgabe erfüllt. Bei einer geschlossenen Laufradkammer wird sie bei vollem Zufluss zwangsläufig mit Wasser gefüllt. Zur Vermeidung einer leistungsschädlichen Überflutung ist daher die inaktive Partie des Laufrades durch den Luftdom 7 erfasst und überdeckt. Da ein darin ausgebildetes Luftpolster – z. B. von der Inbetriebnahme her – wegen der Sogwirkung des Saugrohres und der Vermischungsneigung nicht erhalten bleibt, ist eine stetige Belüftungsmöglichkeit für diesen Raum 7 erforderlich.
Vergleichsweise ist bei herkömmlichen Durchströmturbinen mit weitgehend senkrechtem Saugrohr bei gleichbleibender Saughöhe ein auf einen definierten Unterdruck, der einer vorbestimmten Wassersäulenhöhe im Saugrohr entspricht, eingestelltes Belüftungsventil angeordnet. Bei der vorliegenden Einsatzweise ohne Fallhöhe mit den noch näher beschriebenen erfindungsgemäßen Ausgestaltungen zur Bewirkung einer Saugwirkung hängt die Saugintensität von den unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten des Fließwassers ab, die auf See auch noch vom Oberflächenwellengang beeinflusst wird. Außerdem sind strikte Vorkehrungen zu treffen, dass nicht Luft in das als Diffuser wirkende Saugrohr 8 gelangt, wodurch wegen ihrer Expansionsfähigkeit die unterdruckbildenden physikalischen Voraussetzungen für eine Diffusorwirkung gestört würden.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist daher ein wasserspiegelabhängiges, mit der freien Atmosphäre über Leitung 9 verbundenes Belüftungsventil 10 mit an einem über der Saugrohreingans-Oberkante (8a) liegenden Niveau angeordnet. Der Linienverlauf 10a entspricht etwa der Oberflächenkontur des das Laufrad durchströmenden Wassers in Fortsetzung einer vom Umfangsdrall verursachten Anschwellung 10b. Bei den durch mehrere Einflussgrößen möglichen Unterdruckschwankungen im Saugrohr kann bei abnehmender Saugintensität oder bzw. und spontan gesteigerter Wasserzufuhr der Wasserstand im Bereich der nicht aktiven Laufradpartie zunehmen, was leistungsschädliche Verwirbelungen zur Folge hat. Um diesem Effekt zu begegnen, zumindest einzuschränken, ist zur Vermeidung einer diesenfalls schädlich sich auswirkenden Entlüftung des Luftdomes 7 das Ventil 10 auch für ansteigende Wasserstandspegel mit einer Schließfunktion versehen.
Ventil 9 besteht beispielsweise aus folgenden Komponenten:
einem vertikal im Turbinengehäuse angeordneten Ventilschacht 11; mit einem darin beweglichen Schwimmer 12; einem damit verbundenen Ventilkörper 13 mit gegensinnig angeordneten Ventilkegeln 12a und 12b; zwei den Ventilkegeln zugeordnete Ventilsitze 14a und 14b; einem aus dem Ventilkörper hervorgehenden, in einen Dämpfungszylinder 17 ragenden Dämpfungskolben 16. Der obere Ventilraum steht über Kanal 14 und einer weiterführenden Schlauchverbindung mit der freien Atmosphäre in Verbindung. Zweckmäßigerweise ist dieser Luftschlauch mit einem ohnehin obligatorischen Strom-Verbindungskabel gebündelt und endet über dem Wasserspiegel auf einer Sammel- oder Umrichterstation, oder, je nach Einsatzfall, auf einer Windenergieanlage-Plattform.
Zur Erfüllung der Zielsetzungen, die Bewirkung eines „Saugrohreffektes ohne Fallhöhe", sowie die Modifikation einer Wasserkraftmaschine zum tragfähigen Schwimmkörper mit steuerbar veränderlichen Tragfähigkeiten, weist das Gehäuse der erfindungsgemäßen Durchlaufturbine folgende Oberflächengestaltungen und Zusatzeinrichtungen auf
Die Innenwandungen 4a, 7a, 8a und 4b, 6b, 8b der Turbine bilden mit einer vom Anfang 4c bis zum Ende 8d sich erstreckenden stromlinieförmigen äußeren Verkleidung 20 und 21 die Außenkonturen des Turbinengehäuses. Die Zwischenräume 22 und 23 stellen die Auftrieb bewirkenden Volumina. Den Aussenwandungen 22 und 23 sind, vorzugsweise ab Einlauftrichterende, Wandungen 23 und 24 zugeordnet, in einer Weise derart, dass sie an ihren, der Strömung zugerichteten Anfängen 24a, 24b Fließwasser erfassen und die Zwischenräume, die Kanäle 26, 27 die geometrische Formgebung einer Düse mit geschwindigkeitsbeschleunigender Wirkung auf das eingeströmte Wasser aufweisen, wobei die engsten Stellen der Kanäle 25a, 25b sich im Bereich des Saugrohrendes 8d befinden. Die Querschnitte und ihre Verläufe der als Düse wirkenden Kanäle 26, 27, des als Diffusor wirkenden Saugrohres 8, der wirksame Durchflussquerschnitt des Laufrades 2/3 und des Einlauftrichters 4 sind aufeinander so abgestimmt, dass das aus den Kanälen 26, 27 ausströmende Medium auf das aus dem Saugrohr 8 ausströmende Medium eine Injektorwirkung ausübt. Damit keine Strömungstrennung zwischen den Wasserschichten aus den Kanälen 25, 25 und dem Saugrohr 8 verbleibt, – zumal bei der rechteckigen Querschnittsform der Durchlaufturbine und ihrer bevorzugten Mehrfach-Nebeneinanderanordung die Seitenpartien diesbezüglich benachteiligt sind – ist im Ausströmbereich aus dem Saugrohr eine drallgebende Leiteinrichtung 28 angeordnet.
Zur Intensivierung der Saugwirkung des Saugrohres 8 und zur impulsfreien geschwindigkeitsmäßigen Anpassung des Flüssigkeitsgemisches aus den Kanälen 25, 26 und dem Saugrohr 8 sind die Wandungen 24, 25 in der nachfolgenden Erstreckung 24b-24c und 25b-25c so weitergeführt, dass der Innenraum 29 eine Diffusorfunktion ausübt. Die Innenwandung 24, 25 ist wiederum mit einer stromlinienförmigen Außenwandung 30, 31 versehen, wobei beide wiederum Auftrieb bildende Hohlräume 32, 33 schaffen. Bei günstigen Konstellationen der Innen- und Außen-Wandverläufe und der Strömungsgeschwindigkeitsunterschiede zwischen der inneren Durchströmung und äußeren Randströmung kann am Diffusorende 24c, 25c abermals eine Injektorwirkung auf das aus dem zweiten Diffusor 29 ausströmende Medium ermöglicht werden. Damit kann über eine erhöhte Sogwirkung im Saugrohr 8 die Effizienz der Turbine nochmals günstig beeinflusst werden.
Die leitwerkhafte äußere Ausbildung des Turbinengehäuses ermöglicht durch Schrägstellung die Bewirkung der angestrebten, für Stabilitätsregelungen von schwimmenden Kraftmaschinenträgern nützlichen vertikalen Kraftaktionen. Diese basieren wegen der niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten auf den Krafteinwirkungen, die sich „durch Strahlablenkung an einer Platte" ergeben.
Für den Einsatz der erfindungsgemäßen Wasserkraftmaschine zur Nutzung der Meeresströmung werden vorteilhafterweise mehrere solcher erfindungsgemäßen Durchströmturbinen nebeneinander zu einer Baueinheit vereinigt. Hierbei ist es des weiteren vorteilhaft, die Laufräder 2 auf einer durchgehenden Welle anzuordnen, an der an einer Stirnseite ein Generator sitzt.
Für solche Einsatzfälle, bei denen die Turbine in ganzen Formationen angeordnet und „unter Wasser" positioniert ist, ist ihr mindestens ein über Verstrebungen mit ihr verbundener auf dem Wasserspiegel schwimmender Schwimmkörper zugeordnet. Dieser weist vorzugsweise eine strömungsgerechte, widerstandsarme Formgebung und -Zuordnung auf. Die Auftriebsvermögen beider Schwimmkörper sind so aufeinander abgestimmt, dass nur ein kleiner Anteil des erforderlichen Tragvermögens beider vom Oberwasserschwimmkörper gestellt wird. Dadurch kann dieser volumenmäßig klein gehalten werden, wodurch der Oberflächenwellengang des Meeres sich auf die Schwimm-Stabilität bzw. -Ruhe der „schwimmenden Turbine" nicht so störend auswirkt. Ferner erfordert und bietet er dadurch keine großen durch Meeresrauheiten gefährdete Angriffsflächen, was auch einer ruhigeren horizontalen Positionierung – was besonders bei Verbänden mehrerer schwimmender Wasserkraftmaschinen aktuell ist – dienlich ist.
Zu 2 und 3.
Das auf seiner Welle 41 sitzende Schaufelrad 42 mit seinen Laufschaufeln 42a und den radialen Durchströmkanälen 42b ist im Turbinengehäuse 43 drehbar gelagert. Das Gehäuse 43 bildet mit seinen Innenkonturen 43a und 43b den Einlauftrichter 44, mit seiner Innenkontur 43c die Laufradkammer 45 und mit der weiteren Innenpartie einen Fallschacht 46 für das aus dem Schaufelrad ausströmende Wasser. Am Einlauftrichterende ist eine Leitschaufel 47 angeordnet, die den fokussierten Zustrom des Wassers in zwei das Schaufelrad 42 weitgehend tangential anströmende Kanäle 44b und 44c teilt.
Im Fallschacht 46 befinden sich unten einen Injektoreffekt bewirkende ineinander übergehende Kanalsysteme:
Ein von der Anströmseite ausgehender rechteckförmiger oberer Kanal 48 als Einlauftrichter fungierend, geht mit einem – funktionell eine Düse bildenden – reduzierenden Querschnittsverlauf in die Engstelle 49 über. Ein in Fortsetzung dazu konzentrisch zugeordneter, die Funktion eines Diffusors ausübender Kanal mit seinem Anfangsquerschnitt 50 und seinem Endquerschnitt 51 übernimmt die Strömung aus dem vorderen Kanal 48/49). Ihre Übergangspartien sind so ausgebildet und im Fallschacht positioniert und die Kanalverläufe von Einlauftrichter 48/49 und Saugrohr 50/51 so aufeinander abgestimmt, dass durch eine Injektorwirkung am Übergangsbereich 49-50 im Fallschacht befindliches Wasser in den als Saugrohr wirkenden Diffusor 50/51 eingesogen und über das Diffusorende 51 der freien Meeresströmung wieder zugeführt wird. Mit einer zweckentsprechenden Abstimmung einer unterhalb der Meeresströmung liegenden Austrittsgeschwindigkeit kann der Sogeffekt noch gesteigert werden.
Damit sich die Injektorwirkung sicher ausbildet (zwischen unterschiedlich schnellen Strömungen kein Grenzschichtabriss erfolgt), werden zur Begrenzung der Querschnitte und sicheren Vermischung diese Kanalgebilde in mehrfacher Anordnung auszuführen vorgeschlagen. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind diese in zwei Ebenen angeordnet, parallel zu den oberen Kanälen 48/49, 50/51 die unteren Kanäle 52/53, 54/55.
Zwecks einer strömungsgünstigen allseitigen Zugänglichkeit des Wassers aus dem Fallschacht zu den Einströmkanälen 57 bis 59, vor allem zu den unteren 58, 59, sind diese Kanäle taillienhaft ausgeführt, so, dass ein reichlich breiter vertikaler Zuflussbereich für das abzuführende „ausgenutzte" Wasser verbleibt.
Der zur Stromgewinnung anzutreibende Generator ist im Inneren des Schaufelrades 42 mit einem vorgeschalteten, ins Schnelle übersetzenden Planetengetriebe untergebracht. Hierfür ist im Bereich seiner Längserstreckung in Abänderung des bei Durchlaufturbinen radial offenen Schaufelrades innen mit einer Trommelwandung 60 versehen. In diesem Bereich wird die Turbine eine Verdrängermaschine, in dem zweckmäßigerweise die Laufschaufeln 61 becherförmiger und steiler ausgebildet und angeordnet sind. Laufradwelle 41 ist aus dieser gekürzt in einer Wandung eines gehäusefesten Getriebe- und Generatorflansches 62 gelagert, der das Gehäuse eines Getriebes und des elektrischen Generators bildet. Das auf der Generatorwelle 65 sitzende innere Planetenrad 66 wird von den auf dem laufradfesten Steg 69 gelagerten Planetenrädern 67 angetrieben, die des weiteren mit einem gehäusefesten äußeren innenverzahnten Planetenrad 68 in Einriff stehen.
Eine Beibehaltung des Schaufelrades als Durchströmturbine über seine gesamte Länge kann erreicht werden, wenn der Generatoraußendurchmesser wesentlich kleiner ist als der Schaufelradinnendurchmesser. Dies ist in Anbetracht der großvolumigen Durchsätze und daher relativ großen Gestaltung des Schaufelrades bei dem relativ kleinen Energieinhalt der freien Strömung durch eine rohrmotorähnliche Ausführung des Generators sicherlich leicht möglich.
Außerhalb der äußeren Generatorlagerbasis 70 trägt die durchgehende Generatorwelle eine Kupplung 71 zum Anflanschen weiterer solcher Durchström-Turbinen ohne Generator auf. Der Einsatz zusammengekoppelter Turbinen verspricht kostenmäßig Vorteile, auch dürfte es wegen der vorstehend schon erwähnten strömungstechnischen Aspekte bezüglich der Injektorwirkung günstig sein, keine allzu großen Turbinen dieser Art zu konzipieren..
Bei der Zuammenfassung mehrerer Turbinen zu einer Baueinheit besteht eine vorteilhafte Ausgestaltungs-Kupplungsvariante darin, dass die Generatorwelle 65 eines nur einmal angeordneten Generators als Hohlwelle ausgebildet ist, durch die eine mit den Laufrädern benachbarter Turbinen verbundene Welle geführt ist, die wiederum mit der eigenen Laufradwelle 41 drehfest verbunden ist. Dadurch bleibt nicht nur die mehrfache Anordnung von Generatoren, sondern auch die der Getriebe erspart. Auf der generatorlosen Seite können die Laufradwellen benachbarter Turbinen natürlich direkt gekoppelt sein.
Zu einem sicheren Schutz gegen das Eindringen von Wasser und als Unterstützung für die Abdichtungsmaßnahmen erscheint es vorteilhaft, den Generatorinnenraum mit einer Pressluftversorgung geringen Druckniveaus zu versehen, als Gegenpart gegen den von außen einwirkenden Wasserdruck. Auch hier kann eine Schlauchleitungsbündelung mit dem Stromkabel wie in der Anmeldeschrift zu DE 10 205 040 804.4 vorgeschlagen wird, vorteilhaft sein.
Die zu Erfüllung der essentiellen, bekannten, unter 1 näher beschriebenen Bedingung bei Durchströmturbinen, die Wasserfreiheit nicht aktiver Laufradpartien, wird auch in vorliegendem Ausführungsbeispiel durch ein doppelt wirkendes Be- und Entlüftungsventil 72 erfüllt, das mit der freien Atmosphäre über ein Zirkulationsrohr 73 in Verbindung steht. Seine Elemente und Funktionsweisen entsprechen im wesentlichen dem zu Pos 9 unter 1 Vermerkten. Zweckmäßigerweise ist bei Unterwassereinsatz die Verbindungsleitung zur freien Atmosphäre auch wieder mit der obligaten Stromleitung gepaart.
Für den Einsatz der Turbine als tragende Komponente bei schwimmenden Offshore-Energieanlagen ist das Turbinengehäuse 43 mit mehreren Auftrieb bewirkenden Luftkammern 30a, b, c, d 70a-70d ausgestattet. Diese können auch bei einem ausgewogenen Verhältnis zum Gewicht der Turbine ihrer Handhabung beim Transport, Montage und Reparatur erleichtern

1

1: Turbinenwelle
2: Laufrad
3: Beschaufelung
4: Einlauftrichter
4d: Einlautkrümmer
4d, 4e: Randpartien in 4
5: Leitstück
6: Laufradkammer
6a: Umwandung von 6
6c: Freiraum in 6
7: Luftdom in 6
8: Saugrohr
8a: Oberkante in 8
9: Belüftungsleitung
10: Belüftungsventil
10a: Wasseroberkante in 2
10b: Wasseroberkante
: außerhalb des Laufrades
11: Ventilschacht
12: Schwimmer
13: Ventilkörper
14: Ventilsitz
15: Verbindungsleitung zu 7
16: Dämpfungskolben
17: Dämpfungszylinder- in 11
20, 21: äußere Gehäusewandung
22, 23: Hohlraum
24, 25: Wandung
26, 27: Kanal
28: Leiteinrichtung
29: Diffusor
30, 31: Außenwandung
32, 33: Hohlraum

2 und 3

41: Schaufelradwelle
42: Schaufelrad
42a: Laufschaufel
42b: Laufschaufeldurchströmkanal
43: Turbinengehäuse
43a, 43b, 43c, 43d: Wandungen von 43
43e, 43f, 43g, 43h: Hohlraum in 43
44: Einlauftrichter
44a,: Erfassungsfläche von 44
45: Laufradkammer
46: Fallschacht
47: Wasserstand in 46
48: Einlauftrichteranfang in mittlerer Ebene C-D
48a, 48b: Mehrfachanordnung von 48a auf Ebene C-D
49: Einlauftrichterende in mittlerer Ebene C-D
49a, 49b: Mehrfachanordnung von 49 auf Ebene C-D
50: Saugrohranfang in mittleren Ebene C-D
50a, 50b: Mehrfachanordnung von 50 in Ebene C-D
51: Saugrohrende in mittleren Ebene C-D
51a, 51b: Mehrfachanordnung von 51 in Ebene C-D
52: Saugrohranfang in unterer Ebene E-F
52a, 55b: Mehrfachanordnung von 52 in Ebene E-F
56-59: Injkektor-Zuströmkanäle aus 46
60: partielle Laufradtrommelwandung
61: Laufschaufelausführung zu 60
62: Gehäuseflansch (Gehäuse von 62-69)
63: Generator-Stator
64: Generator-Rotor
65: Generator-Welle
66: inneres Sonnenrad
67: Planetenrad
68: äußeres Sonnenrad
69: Steg
70: äußeres Generatorlager
71: Kupplung
72: Be- und Entlüftungsventil
73: Verbindungsleitung zur freien Atmosphäre

Claims

Durchström-Wasserturbine für den Einsatz in freien Strömungen, bestehend aus einem partiell angeströmten Schaufelrad mit doppelter Durchströmung, einem anschließenden Saugohr, einer Radkammerausbildung derart und unter Einbeziehung eines Belüftungsventils so, dass die nicht aktiven Schaufelradpartien durch einen sich ausbildenden Luftdom weitgehend wasserfrei gehalten werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserzuführstrecke als ein die freie Strömung erfassender Einlauf- und Fokussiertrichter (4) mit einer weitgehend horizontalen Strömungsachse ausgebildet ist, am Ende der Wasserzuführstrecke eine Teil- und Umlenkeinrichtung (5) angeordnet ist, wobei diese und die Gehäusewandungen (4d, 4e) so ausgebildet sind, dass sie das einströmende Wasser geteilt umlenken und nach unten gerichtet dem Schaufelrad (2/3) zuführen, sich der Schaufelradkammer (7) ein weitgehend horizontal verlaufendes Saugrohr (8) anschließt, die Radkammer (7) auf der Wasseraustrittseite einen nach oben sich erstreckenden Freiraum aufweist in dem ein Belüftungsventil (10) angeordnet ist, die äußeren Wandungen des Turbinengehäuses (20, 21) eine zur freien Strömung weitgehend strömungskonforme, tragflächenhafte Struktur aufweisen, um die hintere Partie des Turbinengehäuses (20, 21) eine Ummantelung (24, 25) angeordnet ist, die mit der Turbinenaußenwandung (20, 21) einen Kanal (26, 27) bildet, wobei dieser mit einer der freien Strömung zugerichteten weiten Distanz (26a, 27a) beginnt und sich bis zum Ende (8d) des Turbinensaugrohres (8) derart verjüngt, dass die Kanäle (26, 27) die Funktion einer die Durchströmgeschwindigkeit steigernden Düse aufweisen und deren Austrittspartie schräg auf die Mittelachse des Turbinensaugrohres (8) gerichtet ist, eine beidseitige Turbinenummantelung (26, 27) ab der Kanalengstelle (26b, 27b) und äußeren Turbinengehäusewandung (24b, 25b) sich so erweitert, dass es bis Strukturende (24c, 25c) für die zusammengeführten Ströme aus den Kanälen (26, 27) und dem Turbinensaugrohr (8) ein weiteres Saugrohr (29) bildet, die äußeren Wandungen (30, 31) der Ummantelung (26, 27) auf die äußere Umströmung bezogen eine tragflächenhafte Struktur aufweisen, Ummantelung und Turbinengehäuse Auftrieb bewirkende Hohlräume (22, 23, 32, 33) aufweisen.
Durchström-Wasserturbine für den Einsatz in freien Strömungen, bestehend aus einem partiell angeströmten Schaufelrad mit doppelter Durchströmung seiner Beschaufelung, einem anschließenden Saugrohr, mit einer Radkammerausbildung derart unter Einbeziehung eines Belüftungsventils so, dass die nicht aktiven Schaufelradpartien durch einen sich ausbildenden Luftdom weitgehend wasserfrei gehalten werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserzuführstrecke als ein die freie Strömung erfassender Einlauf- und Fokussiertrichter (44) mit einer weitgehend horizontalen Strömungsachse ausgebildet ist, am Ende der Wasserzuführstrecke eine Leiteinrichtung (47) die Strömung in zwei Teilströme (44b, 44c) teilt, wovon der untere das Schaufelrad (42) weitgehend horizontal und der obere das Schaufelrad (42) weitgehend vertikal nach unten gerichtet anströmt, der Schaufelradkammer sich ein nach unten erstreckender Fallschacht (46) anschließt, im vertikalen Übergangsbereich zwischen Schaufelradkammer und Fallschacht ein Be- und Entlüftungsventil (72) angeordnet ist, im unteren Niveau des Fallschachtes ein weiterer, die freie Strömung erfassender Einlauftrichter (48) angeordnet ist, der mit einer weitgehend horizontalen, sich verengenden Strömungsführung die Funktion einer die Durchströmgeschwindigkeit beschleunigenden Düse aufweist, deren Ende (49) in den Fallschacht ragt, sich dem Düsenende (49) des ersten Kanals ein dazu im Querschnitt weiterer Kanal anschließt mit einem die Kanalwandungen (49) des ersten umschließenden größeren Anfangsquerschnitt (50), wobei dieser sich zur äußeren Strömungsrichtung parallel verlaufend bis zu seinem Ende (51) so erweitert, dass er einen Diffusor bildet, wobei die Querschnittsverläufe beider Kanäle (48-49), (50-51) und die Differenzquerschnittsflächen (56, 57) bei ihrer axialen Überschneidung so aufeinander abgestimmt sind, dass auf die von den Differenzflächen gebildeten Zuflusskanäle (56-59) ein Injektoreffekt und somit auf das Medium im Fallschacht ein Sog ausgeübt wird, diese Kanäle (48-49), (50-51) in mehreren Ebenen (A-B und C-D) vertikal übereinander angeordnet sind, diese Kanäle (48-49), (50-51) in den einzelnen horizontalen Ebenen (A-B), (C-D) mehrfach (48a-49a), (48b-49b) nebeneinander angeordnet sind, diese Kanäle in den horizontalen Ebenen taillienhaft strukturiert sind, ihre engste Breitenerstreckung im Bereich der Zuströmpartien (56, 57, 58, 59) im Fallschacht liegt, wobei diese engste Partie der Kanäle in der oberen Ebene (A-B) schmäler ausgeführt ist als die der unteren Ebene (C-D), die Außenwandungen (43a, 43c, 43f) der Turbine so ausgebildet sind, dass das die Turbine umströmende Wasser auf den Saugrohrausgang (51, 55) einen Sog ausübt, das Turbinengehäuse Auftrieb bewirkende Hohlräume (30a, 30b, 30c, 30d) beinhaltet.
Durchström-Wasserturbine nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die die freie Strömung erfassende Eintrittsfläche (4c, 44a) des Einlauftrichters (4, 44) mindestens das Dreifache der Turbinenzuflussfläche (4f + 4g, 44b + 44c) beträgt.
Durchström-Wasserturbine nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass das Be- und Entlüftungsventil (10, 72) eine den Wasserstand (10, 47) in der Laufradkammer (7) oder im Fallschacht (46) erfassende Einrichtung (12) aufweist mit einen damit verbundenen Ventilkörper (13) mit wasserstandsabhängigen Schließfähigkeiten zum Verbinden der oberen Schaufelrad-Kammer-Partie (7, 47) mit einer Verbindungsleitung (11, 73) zur freien Atmosphäre.
Durchström-Wasserturbine nach Anspruch 1, 2 und 4 dadurch gekennzeichnet, dass Be- und Entlüftungsventil mit seinem Ventilkörper (13) und Ventilsitz (14) zwei Schließstellungen aufweist, eine für einem vorbestimmten unteren, und eine für einem vorbestimmten oberen Wasserstand.
Durchströmturbine nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass seitlich seines Schaufelrades ein elektrischer Generator angeordnet ist.
Durchströmturbine nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass im inneren seines Schaufelrades (42) ein von ihm angetriebener elektrischer Generator (64/64) angeordnet ist.
Durchströmturbine nach Anspruch 1, 2 und 7 dadurch gekennzeichnet, dass dem Generator ein ins Schnelle übersetzendes Getriebe vorgeschaltet ist, vorzugsweise ausgeführt als ein Planetengetriebe (66-69)
Durchströmturbine nach Anspruch 1, 2 und 7 dadurch gekennzeichnet, dass der Generator nach Art eines Rohrmotors schlank ausgeführt ist, einen gegenüber dem inneren Schaufelraddurchmesser (2, 42) wesentlich dünneren Außendurchmesser aufweist.
Durchströmturbine nach Anspruch 1, 2 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass Gehäuse (62) des Generators (63/64) mit seinem vorgeschalteten Getriebe (66-69) in seiner radialen Erstreckung über eine Teillänge des Schaufelrades (42) weitgehend den ganzen Raum innerhalb des Schaufelrades (42) einnimmt, das Schaufelrad (42) in dieser Längsstrecke innerhalb seiner Beschaufelung eine trommelförmige Wandung (60) aufweist, wobei über dieser Wandung (60) die Schaufeln (61) eine einer Radialturbine gerechtwerdenden Schaufelform aufweisen.
Durchström-Wasserturbine nach Anspruch 1, 2 und beliebiger weiterer vorstehender Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere dieser Durchströmturbinen zu einer Baugruppe zusammengefasst sind, wobei sie vorzugsweise in einer Ebene nebeneinander positioniert sind.
Durchström-Wasserturbine nach Anspruch 1, 2, und 11, dadurch gekennzeichnet, dass zu einer Baugruppe zusammengefasste Durchström-Wasserturbinen eine durchgehende Schaufelradwelle (1, 41) und eine von ihr angetriebene Elektromaschine aufweisen.
Durchström-Wasserturbine nach Anspruch 1, 2 und beliebiger weiterer vorstehender Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gesamte Turbinenkonstruktion eine in horizontaler Ebene schwenkbare Befestigungseinrichtung aufweist.
Durchström-Wasserturbine nach Anspruch 1, 2 und beliebig weiterer vorstehender Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der schwenkbaren Befestigungseinrichtung ein die Schwenkung bewirkender Verstellantrieb integriert ist, oder ihr ein solcher zugeordnet ist.
Durchström-Wasserturbine nach Anspruch 1, 2 und beliebig weiterer vorstehender Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, das sie mit einem darüber angeordneten Schwimmkörper verbunden ist, so dass beide ein einheitliches schwimmfähiges System bilden, ihre räumlichen Zuordnungen derart sind, dass die obere Wassereintrittsbasis am Einlauftrichter (4, 44) unterhalb der Wasseroberfläche liegt.
Durchström-Wasserturbine nach Anspruch 1, 2 und beliebig weiterer vorstehender Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, das sie zusätzlich zu einem elektrischen Generator, oder alternativ an Stelle dessen eine vom Schaufelrad angetriebene Wasserpumpe aufweist.
Durchström-Wasserturbine nach Anspruch 1, 2 und beliebig weiterer vorstehender Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, das die Wasserpumpe eine Schlauchpumpe ist, wobei diese vorzugsweise außen und seitlich vom Schaufelrad angeordnet ist und eine verlängerte, nach außen geführte Schaufelradwelle die Arme der Quetsch- und Rollkörper einer Schlauchpumpe trägt.
Durchström-Wasserturbine nach Anspruch 1, 2 und beliebig weiterer vorstehender Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie schwimmfähig, Konstruktions- und Funktionsmerkmale eines autarken und automatisch arbeitenden Kleinkraftwerkes aufweist, mit elektrischen und elektronischen Komponenten zur Wandlung des erzeugten Stromes auf eine vorbestimmte Frequenz und Spannung ausgestattet ist, mechanische, elektrische und elektronische Komponenten und Messgeräte und eine Regeleinrichtung aufweist, die so geartet sind, dass die der Turbine abverlangte elektrische Leistung – z. B. durch Bevorrechtungsschaltungen und Abschaltung einzelner Verbraucherkreise-, die ihm abverlangte Pumpenleistung – z. B., durch Begrenzung des Fördervolumens der Pumpe so eingeregelt wird, dass das bekannte, das Leistungsmaxima einer Strömungsmaschine bestimmende Strömungsgeschwindigkeitsverhältnis v_zuström/v_ausström = 2 im wesentlichen eingehalten wird.
Durchström-Wasserturbine nach Anspruch 1, 2 und beliebig weiterer vorstehender Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, das an Bord ihres darüber angeordneten, mit ihr verbundenen Schwimmkörpers eine Wasseraufbereitungsanlage installiert ist, die mit dem von ihr angetriebenen Generator erzeugten Strom betrieben wird.
Durchström-Wasserturbine nach Anspruch 1, 2 und beliebiger weiterer vorstehender Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ihre vom Wasser abgedichtete Innenräume wie z. B. Getriebe- oder Generatorgehäuse oder Gehäuse elektronischer-elektrischer Komponenten mit einer Druckluftatmosphäre beaufschlagt werden, wobei der aufzubauende Innendruck über dem äußeren auf ihn einwirkenden Wasserdruck liegt, der sich aus der geodätischen darüber liegenden Wasserhöhe und aus durch Strömungen und Verwirbelungen verursachten Staudruckbeaufschlagungen ergibt.
Durchström-Wasserturbine nach Anspruch 1, 2 und beliebiger weiterer vorstehender Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in ihrem Wasserzuflussbereich ein Schutzgitter oder eine Sendeeinrichtung mit Meeresgetier vertreibenden bzw. fernhaltenden Ausstrahlungen wie Magnetfelder, elektrische Spannungsfelder, Schall oder Licht angeordnet ist.
Durchström-Wasserturbine nach Anspruch 1, 2 und beliebiger weiterer vorstehender dadurch gekennzeichnet, dass ihre aktiven Partien mit einem Bewuchs und Meeres-Kleintierbesatz verhindernden Belag überzogen sind.