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Die
Erfindung betrifft ein Wasserrad und dessen Verwendung.
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Wasserräder werden
verwendet, um die Strömungsenergie
von fließenden
Gewässern
in mechanische Drehbewegungen umzuwandeln. Die Drehbewegungen können beispielsweise
für mechanische
Arbeitsprozesse oder zum Erzeugen von elektrischem Strom genutzt
werden.
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Die
bekannten Wasserräder
sind meist als senkrecht angeordnete Schaufelräder ausgebildet, deren Schaufelelemente
sich in radialer Richtung erstrecken. Üblicherweise liegt deren Drehachse
quer zur Strömungsrichtung
des fließenden
Gewässers. Bei
den bekannten Wasserrädern
wird zwischen oberschlächtigen,
mittelschlächtigen
und unterschlächtigen
Wasserrädern
unterschieden, je nach dem, in welcher Höhe das fließende Wasser dem Wasserrad
zugeführt
wird. Bei diesen Wasserrädern kommt
stets nur ein geringer Teil der Schaufelelemente gleichzeitig mit
dem fließenden
Wasser wirksam in Berührung.
Die Querschnittsfläche
der Strömung,
die auf die Schaufelelemente wirkt, ist verhältnismäßig gering.
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Diese
bekannten Wasserräder
haben daher den Nachteil, dass deren Wirkungsgrad verhältnismäßig gering
ist.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Wasserrad bereit zu stellen,
bei dem der Wirkungsgrad verbessert ist und dessen konstruktiver Aufwand
sich in einem vernünftigen
Rahmen bewegt.
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Diese
Aufgabe wird durch den Gegenstand gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß ist ein
Wasserrad mit wenigstens zwei Schaufelrädern vorgesehen, die entlang
einer gemeinsamen Drehachse hintereinander und um diese drehbar
angeordnet sind und jeweils eine Vielzahl Schaufelelemente aufweisen,
die in einem äußeren Bereich
der Schaufelräder
angebracht und gegenüber
der Drehachse geneigt angeordnet sind, wobei die Schaufelelemente
von benachbarten Schaufelrädern
entlang der Umfangsrichtung der Schaufelräder versetzt angeordnet sind.
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Der
Kern der Erfindung liegt darin, dass einerseits durch die Hintereinanderschaltung
mehrerer solcher Schaufelräder
und andererseits durch die in Umfangsrichtung versetzte Anordnung
der Schaufelelemente ein möglichst
großer
Querschnitt der Strömung
von den Schaufelelementen erfasst werden kann. Wenn das Wasserrad
vollständig
in einem fließenden
Gewässer
eingetaucht ist, sind alle Schaufelelemente der Strömung ausgesetzt
und tragen zum Antrieb des Wasserrades bei.
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Vorzugsweise
ist vorgesehen, dass die wenigstens zwei Schaufelräder synchron
drehbar sind. Dadurch wird die in der Umfangsrichtung versetzte Anordnung
der Schaufelelemente stets beibehalten.
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Insbesondere
sind die wenigstens zwei Schaufelräder als ein starrer Körper ausgebildet. Dies
vereinfacht den konstruktiven Aufwand und ermöglicht eine stabile Bauweise
des Wasserrades.
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Bei
der bevorzugten Ausführungsform
ist vorgesehen, dass die benachbarten Schaufelelemente eines Schaufelrades
entlang der Umfangsrichtung der Schaufelräder gleichmäßig voneinander beabstandet
sind. Dadurch wird die Kraft der Strömung möglichst gleichmäßig auf
das Schaufelrad verteilt.
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Die
Schaufelelemente können
als ebene und/oder gekrümmte
Flächenstücke ausgebildet sein.
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Beispielsweise
können
die Schaufelelemente dauerhaft am Schaufelrad befestigt oder befestigbar
sind. Dies ermöglicht
eine besonders stabile Bauweise des Schaufelrades.
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Alternativ
dazu kann vorgesehen sein, dass die Schaufelelemente lösbar am
Schaufelrad befestigt oder befestigbar sind. Die Schaufelelemente
können
auf einfache Weise ausgewechselt werden und das Wasserrad kann ohne
großen
Aufwand an die Erfordernisse angepasst werden.
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Eine
weitere Möglichkeit
besteht darin, dass die Schaufelelemente verstellbar am Schaufelrad
befestigt oder befestigbar sind. Auch auf diese Weise kann das Wasserrad
ohne großen
Aufwand an die Anforderungen angepasst werden.
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Beispielsweise
ist der Neigungswinkel der Schaufelelemente gegenüber der
Drehachse verstellbar. Dies ermöglicht
die Anpassung an die Wassermenge und an die Strömungsgeschwindigkeit des fließenden Gewässers.
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Weiterhin
können
die Schaufelräder
eine Vielzahl Speichenelemente aufweisen, die sich bezüglich der
Drehachse in radialer Richtung erstrecken. Die Speichenelemente
haben einen geringen Strömungswiderstand,
was zu einem günstigen
Wirkungsgrad beiträgt.
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Dazu
kann vorgesehen sein, dass jedem der Schaufelelemente jeweils ein
Speichenelement zugeordnet ist. Dies trägt zu einer konstruktiv einfachen Bauweise
bei und die einzelnen Schaufelelemente sind unabhängig voneinander
am Schaufelrad montierbar.
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Vorzugsweise
ist dem Wasserrad wenigstens ein Drehmomentwandler nachgeschaltet
oder nachschaltbar. Dadurch lässt
sich das erforderliche und/oder gewünschte Drehmoment bereitstellen.
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Beispielsweise
ist dem Wasserrad wenigstens ein Getriebe nachgeschaltet oder nachschaltbar.
Dazu kann insbesondere ein Zahnradgetriebe vorgese hen sein. Dabei
handelt es sich um besonders zuverlässige und verschleißarme Komponenten,
die einen dauerhaften Betrieb ermöglichen.
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Zur
effizienten Nutzung der Wasserenergie kann vorgesehen sein, dass
dem Wasserrad wenigstens ein Generator nachgeschaltet oder nachschaltbar
ist. Vorzugsweise ist der Generator dem Drehmomentwandler, dem Getriebe
bzw. dem Zahnradgetriebe nachgeschaltet oder nachschaltbar. Damit lässt sich
die gewünschte
Drehzahl und das erforderliche Drehmoment für den oder die Generatoren
bereitstellen.
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Es
kann vorgesehen sein, dass der Winkel zwischen der Ebene der Schaufelelemente
und der Drehachse vorzugsweise zwischen 30° und 40° beträgt. Es können jedoch auch andere Neigungswinkel vorgesehen
und/oder einstellbar sein. Der optimale Neigungswinkel hängt von
der Strömungsgeschwindigkeit
des fließenden
Gewässers
ab.
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Je
nach der Tiefe des fließenden
Gewässers und
der gewünschten
Energieausbeute beträgt
der Durchmesser der Schaufelräder
zwischen 1 m und 3 m, vorzugsweise zwischen 1,2 m und 1,8 m.
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Der
Durchmesser der Schaufelelemente kann zwischen 20 cm und 50 cm,
vorzugsweise zwischen 30 cm und 40 cm, betragen.
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Materialtechnisch
kann vorgesehen sein, dass das Wasserrad oder zumindest Teile davon
aus Aluminium hergestellt sind. Dabei handelt es sich um ein leichtes
und beständiges
Material.
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Die
wenigstens zwei Schaufelräder
können eine
gemeinsame Welle aufweisen. Vorzugsweise ist die Welle drehbar gelagert.
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Um
einen optimalen Wirkungsgrad zu erzielen, ist das Wasserrad in einem
fließenden
Gewässer derart
angebracht oder anbringbar, dass die Drehachse parallel zur Strömungsrichtung
des Gewässers
angeordnet ist.
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Weiterhin
kann dem Wasserrad wenigstens ein Kanal oder Kanalabschnitt zugeordnet
sein, dessen Querschnittsfläche
sich entlang der Strömungsrichtung
verjüngt,
wobei das Wasserrad zumindest teilweise in dem Kanal angeordnet
ist. Durch den Kanal kann der Strömungsverlauf des Gewässers so beeinflusst
werden, dass das Wasser gezielt dem Wasserrad zugeführt wird.
Durch die sich verjüngende
Querschnittsfläche
wird die Strömungsgeschwindigkeit
erhöht.
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Vorzugsweise
ist das Wasserrad an einer solchen Stelle im Kanal bzw. Kanalabschnitt
angeordnet, an der die Querschnittsfläche des Kanals bzw. Kanalabschnitts
am kleinsten ist. Dadurch befindet sich das Wasserrad an derjenigen
Stelle, bei der die Strömungsgeschwindigkeit
des Gewässers
am größten ist.
Dies trägt
zu einer Erhöhung
des Wirkungsgrades bei.
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Außerdem kann
vorgesehen sein, dass die Querschnittsfläche des Kanals bzw. Kanalabschnitts an
der Stelle, an der das Wasserrad angeordnet ist, geringfügig größer als
die Querschnittsfläche
des Wasserrades ist. Auch dies trägt zur Optimierung des Wirkungsgrades
bei.
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Beispielsweise
ist der Kanal bzw. Kanalabschnitt als offene Rinne ausgebildet,
die in das Bett des Gewässers
eingesetzt oder einsetzbar ist. Die offene Rinne lässt sich
mit geringem konstruktiven Aufwand und somit kostengünstig bereitstellen.
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Weiterhin
kann dem Wasserrad wenigstens eine Hebevorrichtung zugeordnet sein,
an der das Wasserrad angebracht oder anbringbar ist. Durch die Hebevorrichtung
lässt sich
das Wasserrad vollständig
aus dem Wasser entfernen. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft,
wenn das Wasserrad vor Eis oder Frost geschützt werden soll. Auch für Wartungs-
oder Reparaturarbeiten kann das Wasserrad auf diese Weise aus dem
Wasser genommen werden.
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Vorzugweise
ist die Hebevorrichtung im Bett des Gewässers verankert oder verankerbar.
Dies lässt
sich beispielsweise mit einem schweren Gewicht er reichen. Die Hebevorrichtung
kann als ein mobiles oder stationäres Gerüst ausgebildet sein.
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Weiterhin
kann vorgesehen sein, dass die Hebevorrichtung einen Flaschenzug
und/oder eine Seilwinde zum Heben des Wasserrades aufweist.
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Außerdem kann
die Hebevorrichtung eine Antriebseinrichtung, insbesondere einen
Elektromotor zum Heben des Wasserrades aufweisen.
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Schließlich ist
gemäß der Erfindung
eine Verwendung des oben beschriebenen Wasserrades in einem fließenden Gewässer vorgesehen,
wobei die Drehachse parallel zur Strömungsrichtung des Gewässers angeordnet
ist.
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Weitere
Merkmale, Vorteile und besondere Ausführungsformen der Erfindung
sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Nachstehend
wird eine bevorzugte Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Wasserrades
unter Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
schematische Vorderansicht einer bevorzugten Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Wasserrades,
und
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2 eine
schematische Seitenansicht der bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wasserrades.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Wasserrades
ist in 1 als schematische Vorderansicht dargestellt.
Das Wasserrad umfasst ein erstes Schaufelrad 10 und ein
zweites Schaufelrad 12. Zur Verdeutlichung ist in 1 das erste
Schaufelrad 10 mit durchgezogenen Linien und das zweite
Schaufelrad 12 mit gestrichelten Linien dargestellt. Die
beiden Schaufelräder 10 und 12 haben
eine gemeinsame Drehachse 20, die sich senkrecht zur Zeichnungsebene
von 1 erstreckt. Die Schaufelräder 10 und 12 sind
entlang der Drehachse hintereinander angeordnet und weisen eine
gemeinsame Welle 18 auf. Die Schaufelräder 10 und 12 und die
Welle 18 bilden zusammen einen starren Körper, so
dass die beiden Schaufelräder 10 und 12 um
die Drehachse 20 stets synchron drehbar sind.
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Das
erste Schaufelrad 10 weist eine Vielzahl Schaufelelemente 14 auf,
die in einem äußeren Bereich
des ersten Schaufelrades 10 angeordnet sind. Die Schaufelelemente 14 sind
als ebene Flächenstücke ausgebildet.
Die Schaufelelemente 14 sind entlang der Umfangsrichtung
des ersten Schaufelrades 10 gleichmäßig voneinander beabstandet.
Das erste Schaufelrad 10 umfasst weiterhin eine Vielzahl
Speichenelemente 22, die an der Welle 18 angebracht sind
und sich in radialer Richtung erstrecken. An den äußeren Endbereichen
der Speichenelemente 22 befinden sich die Schaufelelemente 14.
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Auch
das zweite Schaufelrad 12 weist eine Vielzahl Schaufelelemente 16 auf,
die in einem äußeren Bereich
des zweiten Schaufelrades 12 angeordnet sind. Die Schaufelelemente 16 sind
ebenfalls als ebene Flächenstücke ausgebildet.
Die Schaufelelemente 16 sind entlang der Umfangsrichtung
des zweiten Schaufelrades 12 gleichmäßig voneinander beabstandet.
Weiterhin umfasst auch das zweite Schaufelrad 10 eine Vielzahl
Speichenelemente 24, die an der Welle 18 angebracht
sind und sich in radialer Richtung erstrecken. An den äußeren Endbereichen
der Speichenelemente 24 befinden sich die Schaufelelemente 16.
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Somit
sind die beiden Schaufelräder 10 und 12 baugleich
ausgebildet. Bezüglich
der Drehachse 20 sind die Schaufelräder 10 und 12 derart
gegeneinander verdreht, so dass die Schaufelelemente 14 und 16 der
beiden Schaufelräder 10 bzw. 12 zueinander entlang
der Umfangsrichtung versetzt angeordnet sind. Jedem Zwischenraum
zwischen zwei benachbarten Schaufelelementen 14 oder 16 ist
ein Schaufelelement 16 bzw. 14 des jeweils anderen
Schaufelrades 12 bzw. 10 zugeordnet.
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Bei
dieser konkreten Ausführungsform
weist jedes Schaufelrad 10 und 12 jeweils acht
Schaufelelemente 14 bzw. 16 auf, die gleichmäßig beabstandet sind.
Somit beträgt
bei jedem Schaufelrad 10 und 12 der Winkel zwischen zwei
benachbarten Speichenelementen 22 bzw. 24 stets
45°. Die
beiden Schaufelräder 10 und 12 sind
bezüglich
der Drehachse 20 gegeneinander um einen Winkel von 22,5° verdreht.
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Die
Schaufelelemente 14 bzw. 16 sind geneigt angeordnet.
Zwischen der Drehachse 20 und der Ebene der Schaufelelemente 14 bzw. 16 beträgt bei diesem
konkreten Beispiel der Winkel 30°.
Zwischen der Zeichnungsebene in 1 und der
Ebene der Schaufelelemente 14 bzw. 16 beträgt der Winkel somit
60°.
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In 2 ist
eine schematische Seitenansicht der bevorzugten Ausführungsform
gemäß 1 dargestellt.
Die beiden Schaufelräder 10 und 12 sind entlang
der Drehachse 20 hintereinander angeordnet und bilden mit
der Welle 18 einen starren Körper. Beide Schaufelräder 10 und 12 drehen
sich somit stets mit der selben Geschwindigkeit. 2 verdeutlicht insbesondere
die Neigung der Schaufelelemente 14 und 16. Die
Strömungsrichtung
verläuft
parallel zur Drehachse 20 in der Zeichnung von links nach rechts.
Weiterhin wird in 2 deutlich, dass derjenige Teil
der Strömung,
der die Zwischenräume
zwischen den Schaufelelementen 14 des ersten Schaufelrades 10 passiert,
anschließend
auf die Schaufelelemente 16 des zweiten Schaufelrades 12 trifft.
Auf diese Weise wird ein relativ großer Querschnitt des Wasserrades
von der Strömung
erfasst.
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Das
Wasserrad gemäß der Erfindung
ist für eine
Verwendung in einem fließenden
Gewässer
vorgesehen, wobei die Drehachse 20 des Wasserrades im wesentlichen
parallel zur Strömungsrichtung
des fließenden
Gewässers
ausgerichtet ist. Somit erstreckt sich in 1 die Strömungsrichtung
senkrecht zur Zeichnungsebene. Das Wasserrad kann ganz oder teilweise
in dem fließenden
Gewässer
eingetaucht sein.
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Das
Wasserrad gemäß der Erfindung
liefert für
die strömende
Flüssigkeit
wesentlich mehr Angriffsfläche
als ein herkömmliches
Wasserrad. Im vollständig
eingetauchten Zustand ist bei der bevorzugten Ausführungsform stets
jedes Schaufelelement 14 und 16 der Strömung ausgesetzt.
Dies bedeutet eine Verbesserung des Wirkungsgrades.
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Dem
erfindungsgemäßen Wasserrad
sind vorzugsweise wenigstens ein Getriebe und wenigstens ein Generator
zum Erzeugen von elektrischem Strom nachgeschaltet, die in den Zeichnungen
nicht dargestellt sind. Dazu kann ein großer Zahnkranz am Wasserrad,
beispielsweise an der Welle 18, angebracht sein, um die
erforderliche Übersetzung
für die benötigte Drehzahl
des Generators zu erhalten.
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Das
Wasserrad gemäß der Erfindung
ist an jeder beliebigen Stelle eines Flusses einsetzbar. Dazu ist
lediglich eine geeignete Vorrichtung zum Verankern des Wasserrades
erforderlich. Wesentliche baulichen Änderungen am Flussufer oder
im Flussbett sind nicht notwendig. Der konstruktive Aufwand und
somit die Herstellungskosten sind relativ gering.
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Weiterhin
kann das Wasserrad zumindest teilweise in einem Kanal oder Kanalabschnitt
angeordnet sein, dessen Querschnittsfläche sich entlang der Strömungsrichtung
verjüngt.
Dadurch wird der Strömungsverlauf
des Gewässers
so beeinflusst, dass das Wasser gezielt dem Wasserrad zugeführt wird.
Die sich verjüngende
Querschnittsfläche
bewirkt, dass sich die Strömungsgeschwindigkeit
erhöht.
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Vorzugsweise
ist das Wasserrad an der Stelle im Kanal bzw. Kanalabschnitt angeordnet,
bei der die Querschnittsfläche
des Kanals bzw. Kanalabschnitts am kleinsten und somit die Strömungsgeschwindigkeit
des Gewässers
am größten ist.
Dabei kann die Querschnittsfläche
des Kanals bzw. Kanalabschnitts an der Stelle, an der das Wasserrad
angeordnet ist, geringfügig
größer als
die Querschnittsfläche
des Wasserrades sein. Um den konstruktiven Aufwand gering zu halten,
ist der Kanal bzw. Kanalabschnitt beispielsweise als offene Rinne
ausgebildet, die in das Bett des Gewässers eingesetzt oder einsetzbar
ist.
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Dem
Wasserrad kann auch eine Hebevorrichtung zugeordnet: sein, an der
das Wasserrad angebracht oder anbringbar ist. Durch die Hebevorrichtung
lässt sich
das Wasserrad vollständig
aus dem Wasser entfernen, wenn das Wasserrad vor Eis oder Frost
geschützt
werden soll oder wenn Wartungs- oder Reparaturarbeiten notwendig
sind. Die Hebevorrichtung ist beispielsweise mit einem schweren Gewicht
im Bett des Gewässers
verankert oder verankerbar. Die Hebevorrichtung kann als ein mobiles oder
stationäres
Gerüst
ausgebildet sein.
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Die
Hebevorrichtung kann einen Flaschenzug und/oder eine Seilwinde sowie
eine geeignete Antriebseinrichtung zum Heben des Wasserrades aufweisen.
Als Antriebseinrichtung kann insbesondere ein Elektromotor verwendet
werden.
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Die
oben beschriebene bevorzugte Ausführungsform stellt lediglich
ein konkretes Beispiel des erfindungsgemäßen Wasserrades dar. Im Rahmen der
Erfindung sind zahlreiche Variationen möglich. Beispielsweise können die
Schaufelelemente 14 und 16 auch als gekrümmte Flächenstücke ausgebildet sein.
Neben den dargestellten rechteckförmigen Schaufelelementen 14 und 16 sind
auch andere Konturen möglich.
Zum Beispiel können
die Schaufelelemente 14 und 16 als kreis- oder
ellipsenförmige Scheiben
ausgebildet sein.
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An
Stelle der Vielzahl Speichenelemente 22 und 24 kann
beispielsweise auch ein kreisförmiger Rahmen
vorgesehen sein, der mittels einiger weniger Speichenelemente an
der Welle befestigt ist und an dem die Schaufelelemente 14 und 16 befestigt
sind.
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Die
Anzahl der Schaufelräder
und der Schaufelelemente pro Schaufelrad kann variiert werden. Es
können
auch mehrere Wasserräder
gemäß der Erfindung
nebeneinander in einem fließenden Gewässer angeordnet
werden. Weiterhin besteht die Möglichkeit,
das erfindungsgemäße Wasserrad
in einem Meer zu installieren, um die Meeresströmung oder die Gezeitenströmung zu
nutzen.
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- 10
- erstes
Schaufelrad
- 12
- zweites
Schaufelrad
- 14
- Schaufelelement
am ersten Schaufelrad
- 16
- Schaufelelement
am zweiten Schaufelrad
- 18
- Welle
- 20
- Drehachse
- 22
- Speichenelement
am ersten Schaufelrad
- 24
- Speichenelement
am zweiten Schaufelrad