DE102008037896A1

DE102008037896A1 - Energierückgewinnungseinrichtung und Verfahren zur Auslegung

Info

Publication number: DE102008037896A1
Application number: DE102008037896A
Authority: DE
Inventors: Peer Springer
Original assignee: KSB AG
Current assignee: KSB SE and Co KGaA
Priority date: 2008-08-15
Filing date: 2008-08-15
Publication date: 2010-02-18
Also published as: WO2010017869A4; WO2010017869A2; EP2318692A2; WO2010017869A3

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Energierückgewinnungseinrichtung, die als eine in frei fließenden Gewässern angeordnete Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie ausgebildet ist. Dabei ist in einem Gehäuse ein axialer Durchströmungskanal nach Art einer Venturidüse mit an deren Querschnittsverengung angeordneten, mit einem Generator verbundene Propeller-Turbine ausgebildet, dem Propeller ist ein düsenförmiges Zulaufgehäuse vorangestellt und einen diffusionsartigen Auslauf aufweisendes Saugrohr nachgeordnet, wobei der Durchmesser einer Eintrittsfläche des Zulaufgehäuses größer ist als ein Durchmesser des Propellers. DAs Saugrohr weist über seine Länge eine ablösungsfrei gestaltete Innenkontur auf, wobei eine Austrittsfläche des Saugrohres in horizontaler Ebene eine Breite aufweist, die größer ist als eine in vertikaler Richtung messbare Höhe und die Austrittsfläche entspricht dem 3 bis 5 fachen der Fläche der Propellerfläche (AP = 3 bis 5) (Fig.2).

Description

Die Erfindung betrifft eine Energierückgewinnungseinrichtung, ausgebildet als eine in frei fließenden Gewässern untergetaucht angeordnete Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie, in deren Gehäuse ein axialer Durchströmkanal nach Art einer Venturidüse ausgebildet ist, wobei an deren Querschnittsverengung ein Propeller von einer einen Generator antreibenden Propeller-Turbine angeordnet ist, der Einlaufteil der Venturidüse ist als ein dem Propeller in Strömungsrichtung vorangestelltes, düsenförmiges Zulaufgehäuse und deren nachgeordnetes Auslaufteil ist als ein diffusorartiges Saugrohr ausgebildet, wobei der Durchmesser einer Eintrittsfläche in das Zulaufgehäuse größer ist als ein Durchmesser des Propellers, und ein Verfahren zur Auslegung einer solchen Energierückgewinnungseinrichtung.
Eine solche Einrichtung ist durch die WO 2005/078276 A1 oder die daraus resultierende AT 413868 B bekannt. Diese als Strom-Boje bezeichnete Freistromturbinenanlage besitzt ein als Auftriebskörper ausgebildetes Gehäuse, welches mit Hilfe von Wasser- oder Druckluft unterhalb einer Wasseroberfläche stabilisierbar ist. Am Gewässergrund verankerte Zugmittel halten diese Freistromturbinenanlage in ihrer Position. Ein Durchströmgehäuse weist einen quadratischen Zulauf, einen daran anschließenden runden Turbinenrohrzylinder und einen größeren rechteckigen Auslauf als leistungssteigerndes Saugrohr auf. Gemäß der figürlichen Darstellung entspricht die Länge des Zulaufes in etwa der Länge des als Saugrohr gestalteten Auslaufes.
Eine gattungsgemäße Energierückgewinnungseinrichtung, ebenfalls in Form einer mit einem Auftriebskörper ausgestatteten Stromboje, ist als Freistromturbinenanlage durch die US 4 868 408 bekannt. Mit Hilfe einer Kontrolleinrichtung wird die Stromboje in der operativen Tiefe des Flusses positioniert und dazu die Auftriebskörper entsprechend mit Luft oder Wasser gefüllt. Der Durchströmquerschnitt ist nach Art eines Venturirohres gestaltet, wobei der Einlassquerschnitt 2 bis 5 mal größer ist als die Venturiverengung, an deren Ort gleichzeitig der Propeller der Turbine angeordnet ist. Die Wassergeschwindigkeit durch den Propellerbereich soll mit Hilfe der Venturiverengung beschleunigt werden. Weiter ist die Auslassöffnung der Einrichtung 1,1 bis 1,5 mal größer als die Einlassöffnung ausgebildet. Dies soll dem Zweck dienen, dass ein geringfügig schnellerer Wasserstrom außerhalb der Stromboje sich vermischt mit dem aus der Austrittsöffnung der Stromboje austretenden Wasser, um letzteres zu beschleunigen.
Eine andere Ausbildung ist durch die in Meeresströmungen angeordnete US 4 219 303 bekannt. In deren überproportional großen Gehäuse rotiert ein Propeller, der mit seinem Außenumfang eine Vielzahl von in einem umgebenden Ringgehäuse angeordneten Generatoren antreibt. Der Propeller ist innerhalb einer Düse angeordnet, um deren Auslass herum eine zweite Düse mit Abstand angeordnet ist, wodurch zwischen diesen beiden Düsen ein Spaltstrom hindurch strömt. Die zweite Düse wird gebildet aus einer Vielzahl von Klappen.
Die DE 10 2005 040 807 A1 offenbart eine Stromboje, die für den Einsatz in Fließgewässern als schwimmendes Kompaktkleinkraftwerk bei allseitiger Umströmung und ohne nutzbare Saugrohr-Fallhöhe am Eintritt gestaltet ist. Bei dieser in freier Strömung ohne Saugrohrfallhöhe angeordneten Axialturbine weist das Gehäuse Ausgestaltungen der Außenkontur und Zusatzeinrichtungen auf. Damit soll eine äußere Strömung auf den Ausgang eines horizontal angeordneten, der Turbine in Strömungsrichtung nachgeordneten Saugrohres eine Injektoreffekt und somit einen Sog ausüben. Der Sog soll zusätzlich das nutzbare Druckgefälle in der Turbinenstufe und somit deren Leistung steigern. Die Turbine weist einen Einlauftrichter auf, dessen Erfassungsfläche F1 etwa dem Dreifachen der eigentlichen Turbineneintrittsfläche F2 entspricht. Und bei horizontaler Durchströmebene liegt die Erfassungsfläche F1 konzentrisch zu dem der Turbine nachgeordnetem Saugrohr. Die Durchströmfläche dieses Saugrohres ist so bemessen, dass eine Turbinenaustrittsfläche F3 gleichzeitig die Turbinensaugrohr-Eintrittsfläche bildet. Bei optimaler Ausnutzung der Geschwindigkeitsenergie in der Turbine soll diese Turbinensaugrohr-Eintrittsfläche F3 bei etwa dem Doppelten der Turbineneintrittsfläche F2 liegen. Innerhalb der Turbine findet also in Durchströmrichtung eine Querschnittsvergrößerung statt, wobei aufgrund der Darstellung in 1 die Flächen F2 und F3 im mathematischen Sinne als Kreisringflächen zu betrachten sind. Die Größe der Saugrohr-Austrittsfläche F4 soll eine etwas unterhalb der Geschwindigkeit der äußeren Umströmung liegenden Geschwindigkeit verursachen, damit die höhere äußere Strömung auf die aus dem Saugrohr austretende Strömung einen Sog ausübt. Dieser soll noch gesteigert werden durch eine bei konvexer und nach der Austrittsseite hin zunehmenden Gehäusestärke- bzw. -höhe infolge einer erhöhten Randschichtenströmung. Mit Hilfe äußerer Leitelemente soll die Umströmung des Gehäuses verbessert werden.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, den Wirkungsgrad bekannter, in fließenden Gewässern angeordneten, axial durchströmten Energierückgewinnungseinrichtungen zu steigern und die Strömungsverhältnisse innerhalb der Turbine in Abhängigkeit von einem auszuwählenden Propeller zu optimieren.
Die Lösung dieses Problems sieht vor, dass in Abhängigkeit von einer minimal nutzbaren Wassertiefe (T_n) am Einsatzort und in Abhängigkeit von einer durch den Gehäuse- und Venturidüsenaufbau bedingten Durchmesserreduzierungen ein maximaler Propeller-Durchmesser (D_{max Pro}) auswahlbar ist, dass das Saugrohr (über seine Länge = 3 – 5·D_Pro) eine ablösungsfrei gestaltete Innenkontur aufweist, dass die Austrittsfläche (A_D) des Saugrohres () dem 3- bis 5-fachen der Propellerfläche (A_P) entspricht (A_D = (3 bis 5) mal A_P) und dass die Saugrohr-Austrittsfläche (A_D) in horizontaler Ebene eine Breite (B) aufweist, die größer ist als eine in vertikaler Richtung messbare Höhe (H). Bei einem Ausführungsbeispiel war eine messbare Breite mindestens doppelt so groß wie die Höhe. Die Breite kann auch ein Mehrfaches der Höhe sein.
Mit dieser Lösung ergibt sich der Vorteil, dass in Abhängigkeit von den unterschiedlichen räumlichen Bedingungen an einem Einsatzort einer solchen Energierückgewinnungseinrichtung für die Turbinendurchströmfläche ein Propeller mit dem maximal möglichen Durchmesser auswahlbar ist. Ein solcher Propellerdurchmesser ist auswahlbar aus einer am jeweiligen Einsatzort anzutreffenden minimalen Wassertiefe, die aufgrund statistischer Unterlagen über Pegelmessungen oder sonstigen Aufzeichnungen bekannt ist. Weiterhin ist ein solcher Propellerdurchmesser abhängig von einem eventuell notwendigen, die Einrichtung überdeckenden Mindestwasserstand oder von deren Mindestabstand gegenüber dem Grund. Diese Vorgaben bedingen die Bauhöhe eines untergetaucht zu betreibenden Energierückgewinnungseinrichtung. Dazu ist ein darin anzuordnender maximaler Propellerdurchmesser aufgrund der baulichen Abmessungen um bis zu einem Faktor 1,3 kleiner als deren Bauhöhe ausgebildet. Trotzdem ist gewährleistet, dass das zum Propeller gehörige und nachgeordnete Saugrohr, insbesondere in flachen Gewässern, ständig vollständig umströmt ist. Diese Gewährleistung einer vollständigen bei allen jahreszeitlichen Bedingungen vermeidet einen eventuellen Strömungsabriss innerhalb des Saugrohres und gewährleistet somit eine permanente optimale Leistungsausbeute aus der Innenströmung. Infolge der horizontalen, flachen oder ovalförmigen Saugrohrausbildung ist gerade in flachen Gewässern und im Gegensatz zu konzentrischen Saugrohrausbildungen eine permanente Saugrohrumströmung gewährleistet. Strömungsablösungen innerhalb des Saugrohres werden verhindert und eine maximale Energieumsetzung erreicht.
Dazu sieht eine Ausgestaltung vor, dass ausgehend von einer kreisförmigen Propellerfläche (A_P) als Größe einer Saugrohr-Eintrittsfläche, sich nachfolgende Saugrohr-Querschnitte in eine elliptische oder durch Kreisbögen- oder/und eckige Flächenabschnitte zusammengesetzte, schmalflächige Saugrohr-Austrittsfläche (A_D) entwickeln. Im Gegensatz zu den bekannten und bisher verwendeten Saugrohrausbildungen wird damit auch bei schwankenden Gewässerständen eine vollständige Durchströmung des Saugrohres gewährleistet.
Ausgestaltungen sehen vor, dass die Saugrohr-Austrittsfläche (A_D) mindestens dem Dreifachen der Propellerfläche (A_P) entspricht, oder dass die Saugrohr-Austrittsfläche (A_D) dem Vier- oder Fünffachen der Propellerfläche (A_P) entsprechen. Als Propellerfläche wird die freie Durchströmfläche unter Vernachlässigung einer Nabenquerschnittsfläche bezeichnet. Eine mit Propellerflügeln ausgestattete Nabe ist in Bezug auf den Propellerdurchmesser so klein wie festigkeitsbedingt notwendig ausgeführt. Das Verhältnis vom Nabendurchmesser zum Propellerdurchmesser ist gleich oder kleiner 0,2 und entspricht der Gleichung 1. DNabe ≤ 0.2 × DPropeller (1)
Somit entspricht die Propellerfläche, also die Durchströmfläche vom Propeller, mehr als 90% von der freien Durchtrittsfläche am Ort des Propellers. Der Einfluss der Nabe auf eine Querschnittsminimierung (für die Strömung?) ist deshalb vernachlässigbar. Gleiches gilt für einen vom Propeller anzutreibenden Generator, Arbeitsmaschine, Getriebe, oder solchen Maschinen, deren Außendurchmesser dem Außendurchmesser der Nabe entspricht, oder zumindest in deren Größenordnung liegt.
Zur Ausbildung eines ablösungsfreien Saugrohres für eine solche Freistromturbinenanlage ist weiter vorgesehen, einen in Abhängigkeit von einem für einen Einsatzort ausgewählten Propellerdurchmesser mit einer für die Energierückgewinnungseinrichtung am Propeller bezogenen Durchströmgeschwindigkeit v_p auszulegen. Die Durchströmgeschwindigkeit v_p ist ableitbar aus der Betrachtung einer Verlustbilanz mit den Gleichungen für
einen Eintrittsverlust ζE = ΔpE/(ρ/2vρ2) (2)und
einen Diffusor/Saugrohrverlust ζD = ΔpD/(ρ/2vp 2) (3)und einem gewählten Flächenverhältnis zwischen Saugrohraustritt und Propellerfläche A_D/A_P, sowie einer Annahme eines gewählten Propellerdruckbeiwertes
Mit der bekannten Außenströmung v_A ergibt sich eine Durchströmgeschwindigkeit v_P am Propeller gemäß der Gleichung
Ein sich innerhalb der Energierückgewinnungseinrichtung am Propeller einstellender Drucksprung, der über einen Druckbeiwert dargestellt und durch die Gleichung (4) bestimmt ist, wird bei der hydraulischen Auslegung von Propeller und Energierückgewinnungseinrichtung vorgegeben. Dieser Drucksprung ergibt sich aus dem in der Propellerfläche mit der bekannten Gewässer-Fließgeschwindigkeit durchtretenden Volumenstrom und stellt einen Wert für die vom Propeller abnehmbare Leistung dar. Mit dem bei einer Turbinenauslegung zu verwendende Leistungsbeiwert Cp kann die Leistung eines Turbinenaggregates aus Propellerfläche und Außenströmung berechnet werden. Dieser Leistungsbeiwert stellt eine Form von Wirkungsgrad, bezogen auf den Energieinhalt der Außenströmung, dar. Für eine maximale Leistungsausbeute gilt es diesen Wert zu maximieren.
Zwischen dem Leitungsbeiwert C_P und dem Propellerdruckbeiwert c ~_P besteht nach Gleichung (6) der folgende Zusammenhang
Mit diesem erreichbaren Leistungsbeiwert wird auf der Basis einer Verlust- oder Energiebilanz und aus den Parametern der Energierückgewinnungseinrichtung berechnet
Diese Funktion ergibt für die gewählten Werte A_D/A_P, ζ_E, ζ_D, eine in 1 dargestellten Kurvenverlauf. Im Maximum eines solchen Kurvenverlaufes befindet sich der Wert c_Pmax, dessen Realisierung im Rahmen einer nachfolgenden genauen Propellerauslegung die maximale Leistungsausbeute für die vorhandenen und gewählten Randbedingungen der Energierückgewinnungseinrichtung garantiert.
Die Baulänge des Diffusors wird durch dessen Verlustbeiwert ζ_D vorgegeben. Geometrische Variationen der Baulänge unter Berücksichtigung der Vorgabe eines ablösungsfreien Saugrohres sind möglich. Dazu werden gemäß einer Ausgestaltung(-en) an der Außenseite des Saugrohres Unterdruck erzeugende Körper angeordnet. In deren Strömungsschatten bildet sich ein Unterdruck, dessen Sogwirkung durch Öffnungen in der Saugrohrwand auf die Strömung im Saugrohr einwirkt. Somit ist eine Winkelvergrößerung des Saugrohres bei einer gleichzeitigen Baulängenreduzierung und trotzdem ohne örtliche Strömungsablösung innerhalb des Saugrohres möglich.
Die Störkörper (oder: Unterdruck erzeugende Körper) sind an den schmalen, sich in die Höhenrichtung erstreckenden, in Strömungsrichtung seitlich erweiternden Wandflächen des Saugrohres angeordnet.
Ein maximaler Leistungsbeiwert C_Pmax wird erzielt, wenn bei vorgegebenen Parametern des Gehäuses die Ableitung dC_P/dc ~_p = 0 gesetzt wird und damit der für die Maximalleistung notwendige optimale c ~_popt-Wert eines Propellers gemäß Gleichung (8) ermittelt wird.
Wird dieser c ~_popt-Wert in Gleichung (6) eingesetzt, ergibt sich bei den aufgrund der minimalen Wassertiefe vorgegebenen Gehäuseparametern ein maximal erreichbaren C_Pmax-Wert
Der durch die Turbine hindurch tretende Volumenstrom ergibt sich aus dem Verhältnis vom maximalen Leistungsbeiwert C_Pmax und dem Druckbeiwert des Propellers c ~_popt in Verbindung mit der Geschwindigkeit der Außenströmung. Dies ergibt sich nach Gleichung (8) als
Aus v_P wird der Volumenstrom bestimmt und daraus die für einen stoßfreien Eintritt der Strömung in die Einrichtung notwendige Eintrittsfläche A_E abgeleitet: Q = vp·Ap (10)
Um also den Eintrittsverlust in die Energierückgewinnungseinrichtung zu minimieren, nimmt dessen Eintrittsfläche A_E den für die Energiegewinnung notwendigen Volumenstrom stoßfrei auf:
A_E ist die Größe der Eintrittsfläche für einen am Eintritt gegen Null gehenden Widerstandsbeiwert ζ_E. Die Propelleroptimierung erfolgt für die Kombination (c ~_Popt, v_P). Die Auslegung wird für eine konkrete Fließgeschwindigkeit der Außenströmung v_A vorgenom men. Eine Anpassung der Einrichtung an andere Fließgeschwindigkeiten kann über die Propellerdrehzahl und damit ohne Änderung der Propellerauslegung erfolgen. Diesbezügliche Grenzen liegen durch die begrenzte Propellerbelastung hinsichtlich Kavitation und Festigkeit vor.
Ein zusätzlicher Vorteil eines solchen ablösungsfreien Saugrohres besteht darin, dass die Verankerung einer solchen Freistromturbinenanlage nur noch diejenigen Kräfte aufzunehmen hat, die der Schubkraft des Propellers entspricht und die durch die Strömungsverluste innerhalb von dem Saugrohr bedingt sind. Dagegen würde bei einem nicht ablösefrei gestalteten Saugrohr ein sich von der Saugrohrwand ablösender Wirbel innerhalb des Saugrohres eine Reaktionskraft in der Strömung erzeugen. Solche Reaktionskräfte können Größenordnungen bis zum Doppelten derjenigen eines ablösungsfreien Saugrohres aufweisen und sind abhängig von dem Flächenverhältnis A_D zu A_P.
Diese Lösung steht im Gegensatz zu den bekannten, nach dem Sogprinzip der Außenströmung ausgelegten Saugrohren, die mit einer Diffusorablösung arbeiten. Die Außenströmung erzeugt hierbei nach dem Injektorprinzip einen Unterdruck, der bei einer Diffusorablösung die fehlende Verzögerung im Saugrohr durch die Erzeugung eines Unterdruckes ersetzt. Bei der bekannten Verwendung einer Sogwirkung unter Ausnutzung eines Unterdruckes an einer Saugrohraustrittsöffnung sind negative Querströmungen innerhalb des diffusorförmigen Saugrohres nur durch eine symmetrische Saugrohrgestaltung zu vermeiden. Andernfalls kommt es im Saugrohr zu Ablösungen und deren Nachteilen. Und bedingt durch die schwankenden Wasserstände und sowie die unterschiedlichen und nur begrenzt zur Verfügung stehenden nutzbaren Wassertiefen ist eine Diffusorvergrößerung nur in geringen Umfang möglich. Andernfalls würde bei einer solchen Einrichtung das Saugrohr Luft ziehen und Ablösungen innerhalb desselben auftreten.
Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass durch die Zunahme der Saugrohrbreite eine Diffusorvergrößung und damit ohne Ablösungserscheinungen eine Vergrößerung der Saugrohrlänge möglich ist. Und bei einem ablösungsfreien Diffusor ist der erreichbare maximale Leistungsbeiwert unter Verwendung eines Propellers mit dem optimalen Druckbeiwert nur vom Flächenverhältnis des Saugrohres und dessen Verlustbeiwert ζ_D abhängig.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen die
1 ein graphische Darstellung des Leistungsbeiwertes als Funktion des Druckbeiwertes, Cp = f(c ~_popt), die
2 eine perspektivische Ansicht auf eine in einem fließenden Gewässer angeordnete Freistromturbinenanlage, die
3 Drauf-, Seiten- und Vorderansicht einer Saugrohrvariante ellipsenförmige Austrittsfläche, die
4 Drauf-, Seiten- und Vorderansicht einer Saugrohrvariante rechteckförmige Austrittsfläche, die
5 Rücken-, Drauf-, Seiten- und Vorderansicht einer Saugrohrvariante ablösungsfreier Diffusor mit Unterdruckerzeugung an der Austrittsfläche und die
6 Drauf- und Seitenansicht einer Saugrohrvariante mit Grenzschichtabsaugung.
1 zeigt eine graphische Darstellung, in der der Leistungsbeiwertes des Propellers als eine Funktion des Druckbeiwertes des Propellers aufgetragen ist, Cp = f(c ~_popt). Dazu sind auf der Abszisse die Druckbeiwerte c ~_P des Propellers und auf der Ordinate der die Turbinenleistung bestimmende Leistungsbeiwert c_P des Propellers aufgetragen. Oberhalb der Tabelle sind als eine Art Kopfzeile die für eine beispielhafte Auslegung einer Freistromturbinenanlage zugrunde gelegten Aggregatkonstanten eingetragen. Dies ist das Verhältnis der Saugrohr-Austrittsfläche A_D zur Saugrohrlänge A_L, wobei die Saugrohrlänge einen Wert von 3,4 aufweist. Der Eintrittsverlust ζ_E (zeta) in die Freistromturbinenanlage wurde mit 0,06 angenommen. Die bei der Auslegung ermittelten Werte ergeben in ihrer Gesamt heit den dargestellten Kurvenzug mit einem Maximum beim Leistungsbeiwert des Propellers c_P annähernd 1.
2. zeigt eine perspektivische Ansicht auf eine solche Energierückgewinnungseinrichtung 1 in Form einer Freistromturbinenanlage. Zur Gewährleistung eines ganzjährigen und von jahreszeitlich schwankenden Umwelteinflüssen unabhängigen Dauerbetriebes, erfolgt die Festlegung einer maximalen Bauhöhe in Abhängigkeit von den am Einsatzort bekannten Pegelständen und Fließgeschwindigkeiten eines Gewässers. Der Durchmesser und damit die Höhe der Eintrittsfläche A_E ist gleichzeitig eine Vorgabe für eine dementsprechend gleiche Höhe des Saugrohres 2. Diese Höhe wird in Abhängigkeit von einem jeweiligen Einsatzort, den dort vorherrschenden Randbedingungen und dem Durchmesser des zu verwendenden Propellers 3 gewählt. In Strömungsrichtung ist vor dem Propeller 3 ein düsenförmiges Zulaufgehäuse 4 angeordnet, an dessen Ende sich die Propellerfläche A_P befindet. Der hier 2-flügelig dargestellte Propeller 3 besitzt eine Nabe 5, deren Querschnittsfläche im Verhältnis zur Propellerfläche A_P sehr klein und damit insgesamt vernachlässigbar ist. Aus Gründen einer besseren Übersichtlichkeit ist in dieser Darstellung ein vom Propeller angetriebener Generator nicht eingezeichnet. Dieser kann in Strömungsrichtung vor oder hinter dem Propeller 3 angeordnet sein. Im nachgeordneten Saugrohr erfolgt die kontinuierliche Verzögerung der Wassergeschwindigkeit. Zur Vermeidung von größeren Verlusten ist die Geometrie des Saugrohres von Bedeutung. Und das Saugrohr sowie das Zulaufgehäuse müssen beim Betrieb ständig unter Wasser sein. Andernfalls entstehen Ablösungen, die zu Schäden am Propeller führen. Diese Randbedingungen erfordern bei den bekannten Lösungen eine die Tiefenlage der Energierückgewinnungseinrichtung am Einsatzort.
Zur Erlangung einer vollständigen und ablösungsfreien Durchströmung entwickelt sich hier das Saugrohr 3 in die Breite, um am Saugrohraustritt 5 eine maximale Breite B zu erreichen. Somit wird Bauhöhe eingespart und gleichzeitig der Wirkungsgrad verbessert.
Der Eintrittsfläche A_E ist ein konisch verlaufendes Zulaufgehäuse 4 nachgeordnet, das vor dem Propeller 2 in die Propellerfläche A_P übergeht. In Abhängigkeit von der bekannten Fließgeschwindigkeit des Gewässers wurde für den konischen Verlauf der Wandfläche ein Winkelverlauf gewählt, aufgrund dessen immer ein stoßfreier Eintritt in das düsenförmige Zulaufgehäuse erfolgt. Bereits damit werden Strömungsverluste innerhalb der Energierückgewinnungseinrichtung 1 vermieden. Der Propeller 3 weist einen minimierten Nabenaufbau auf, um ein Maximum an Durchströmfläche im Bereich der Propellerfläche A_P zu erhalten. Die mit zwei Propellerflügeln ausgestattete Nabe 5 ist so klein wie festigkeitsbedingt notwendig ausgeführt. Dies gilt analog auch für ein nicht dargestelltes Generator- oder Arbeitsmaschinengehäuse, dessen Außendurchmesser minimiert wird, um die Strömung durch die Energierückgewinnungseinrichtung zu optimieren. Als vorteilhaft hat sich deren Anordnung in Strömungsrichtung vor einem Propeller erwiesen, dann dadurch kaum eine störende Beeinflussung der Saugrohrströmung erfolgt.
Das Verhältnis vom Nabendurchmesser beziehungsweise vom Generatordurchmesser zum Propellerdurchmesser ist gleich oder kleiner 0,2. Die Durchströmfläche am Propeller 3 entspricht ungefähr 90–96% von der freien Durchtrittsfläche am Ort des Propellers. Der Einfluss der Nabengröße auf eine Querschnittsminimierung ist deshalb vernachlässigbar. Dem Propeller 3 und seiner Propellerfläche A_P nachgeordnet ist ein ablösungsfrei ausgelegtes Saugrohr 2 dessen Eintrittsfläche der Propellerfläche A_P entspricht und dessen Austrittsfläche A_D über eine Breite B verfügt, die ein Mehrfaches der Höhe am Saugrohraustritt ausmacht. Ebenso beträgt eine Länge L des Saugrohres einem Mehrfachen des Durchmessers der Propellerfläche A_P. Praktische Beispiele ergaben eine Länge von L gleich 3 bis 5 mal Propellerdurchmesser D_Pro.
Infolge dieser Saugrohrausbildung ist dessen vollständige Durchströmung auch bei niedrigsten Wasserständen eines fließenden Gewässers sichergestellt, ohne dass dabei innerhalb desselben irgendwelche Strömungsablösungen auftreten. Somit wird ein Optimum an Energieumwandlung zwischen Propeller 3 und dem nachgeordneten Saugrohr 2 erreicht.
Die perspektivische Ansicht der 2 verdeutlich, dass bei dem vorgegebenen Verhältnis von Saugrohraustrittsfläche A_D zur Propellerfläche A_P gleich oder größer 3 sich in der Draufsicht eine quasi trapezförmige oder flache Saugrohrausbildung ergibt. Eine solche flächige Ausbildung, die im Gegensatz zu den bekannten, sich kegelstumpfförmig entwi ckelnden Saugrohren steht, ermöglicht eine ständige Umspülung des Außengehäuses von der freien Strömung, wodurch am Saugrohraustritt eine störungsfreie und ablösungsfreie Vermischung von Außenströmung und einer das Saugrohr verlassenden Innenströmung stattfindet. Die sich in die Breite entwickelnde Saugrohraustrittsfläche kann eine elliptische, rechteckige oder einer ähnlichen Mischform entsprechen.
3 zeigt eine Dreiseitenansicht einer Energierückgewinnungsanlage gemäß 2, wobei aber im Gegensatz dazu die als Pfeil gekennzeichnete Durchströmrichtung von rechts nach links verläuft. Dem düsenförmigen Zulaufgehäuse 4 mit seiner Eintrittsfläche A_E ist das den Propeller 3 beinhaltende Turbinengehäuse 6 und das in der Draufsicht im Querschnitt trapezförmig erscheinende Saugrohr 2 gezeigt. Die rechtsseitig davon dargestellte Vorderansicht zeigt einen mindestens zweiflügeligen Propeller 3 innerhalb des Turbinengehäuses 6. Ausgehend vom Propellerbereich erstreckt sich in Strömungsrichtung das Saugrohr 2, dessen senkrecht auf der Durchströmrichtung stehende Querschnittsflächen einen ellipsenförmigen Verlauf aufweisen. Aus der unterhalb der Draufsicht dargestellten Seitenansicht ist die venturiartige Einschnürung im Bereich des Turbinengehäuses 6 erkennbar. Hinter der Turbine mit dem darin angeordneten Propeller erweitert sich das Saugrohr 2 bis zu einer maximalen Bauhöhe H, die in diesem Beispiel größer ist als der Durchmesser der Eintrittsfläche A_E in das Zulaufgehäuse 4. Das Saugrohr 2 behält seine konstante Bauhöhe H bis zur Saugrohraustrittsfläche A_D bei. Bei diesem Saugrohr erfolgt eine Querschnittsflächenvergrößerung und damit eine Breitenzunahme nur in horizontaler Ebene.
4 zeigt eine zur 3 ähnliche Darstellung, wobei hier die senkrecht auf der Durchströmrichtung des Saugrohres 2 stehenden Querschnittsflächen einen überwiegend rechteckigen Querschnitt aufweisen, aber mit dem Unterschied, dass im Bereich der Schmalseiten keine geraden, sondern kreisförmig oder bogenförmig gestaltete Wandflächen Verwendung finden.
5 zeigt in einer 4-Seitenansicht mit Rücken-, Drauf-, Seiten- und Vorderansicht eine Variation des Saugrohres 2, welches quasi aus einer Kombination verschiedener Diffusoren besteht. Im Bereich des Turbinengehäuses 6 mit dem darin angeordneten Propeller 3 befindet sich ein kreiszylindrischer Querschnitt mit der Propellerfläche A_P die gleichzeitig der Saugrohreintrittsfläche A_S entspricht. Von diesem Ort werden die nachfolgenden Saugrohrlängen bestimmt. Bis zur Länge L₁ findet eine kegelstumpfförmige Erweiterung des Saugrohres 2 bis zu einer Höhe von H_max statt. Hiervon ausgehend erfolgt im Längenbereich zwischen L₁ und L₂ die diffusorförmige Erweiterung des Saugrohres 2 nur noch in horizontaler Ebene, wobei die Höhe H des Saugrohres 2 in diesem Längenabschnitt bis zu einem kleineren H-Wert bei L₂ abnimmt. Die Diffusor-Oberseite verläuft quasi parallel zur Wasseroberfläche des freifliessenden Gewässers. Für besondere Anwendungsfälle, bei denen eine Injektorwirkung der Außenströmung zur Druckabsenkung am Saugrohraustritt 7 gewünscht wird, erfolgt ab der Länge L₂ bis zur Länge L₃ eine in radialer Richtung symmetrische, sprunghafte Querschnittsflächenzunahme bis zur Austrittsfläche A_D mit der maximalen Saugrohrhöhe von H_max. Durch die so erzwungene symmetrische Strömungsablösung kann die Injektionswirkung der Außenströmung über den gesamten Umfang gleichmäßig ausgenutzt werden. Querströmungen in der Austrittsfläche A_D werden dadurch vermieden. In dieser Darstellung entspricht die Länge L₃ der Saugrohrlänge L.
6 zeigt eine Saugrohrvariante, bei der eine Absaugung der inneren Grenzschichten im Bereich der eine geringe Bauhöhe aufweisenden Schmalseiten erfolgt, um die innere Diffusorströmung des Saugrohres ablösungsfrei zu halten. Der für eine solche Absaugung notwendige Unterdruck wird durch Widerstandskörper 8 an der Außenkontur erzeugt. In Strömungsrichtung dahinter sind in der Saugrohrwand schlitzförmige Öffnungen 9 angeordnet, durch die hindurch eine Einwirkung auf die innere Saugrohrströmung erfolgt. Die äußere Umströmung der Widerstandskörper 8 erzeugt einen Unterdruck, wodurch die Außenströmung die energiearme Grenzschicht partiell aus den inneren Bereich des Saugrohres 2 heraus saugt. Die Lage der Widerstandskörper 8 wird durch den Grenzschichtaufbau der Innenströmung festgelegt. Mit dieser Lösung ist eine Verringerung der Saugrohrbaulänge L bei einem vorgegebenen Saugrohr-Flächenverhältnis A_D/A_P möglich.

A_D: Austrittsfläche vom Diffusor/Saugrohr
A_E: Eintrittsfläche in die Energierückgewinnungseinrichtung
A_P: Propellerfläche
A_S: Eintrittsfläche des Diffusors/Saugrohres entspricht A_P
C_P: Leistungsbeiwert vom Propeller
C_Pmax: maximaler Leistungsbeiwert vom Propeller
D_P: Durchmesser vom Propeller
D_{max P}: maximaler Durchmesser vom Propeller
D_E: Durchmesser am Eintritt in die Energierückgewinnungseinrichtung
B: Breite am Austritt vom Diffusor/Saugrohrbreite
H: Höhe am Austritt vom Diffusor/Saugrohrhöhe
L: Länge vom Diffusor/Saugrohrlänge
L₁ – L_x: Längenabschnitte vom Diffusor/Saugrohr
T_n: nutzbare Wassertiefe
v_A: Gewässergeschwindigkeit außen am Gehäuse, Außenströmung
v_P: Durchströmgeschwindigkeit im Bereich vom Propeller
ρ: Dichte
c ~_P: Druckbeiwert des Propellers/der Turbine
c ~_popt: optimaler Druckbeiwert des Propellers/der Turbine
ζ_E: Eintrittsverlust an Eintrittsfläche A_E der Energierückgewinnungseinrichtung
ζ_D: Eintrittsverlust zeta an Eintrittsfläche A_S des Diffusors/Saugrohres
Δp_P: Druckabfall am Propeller
Δp_D: Druckverlust im Diffusor
Δp_E: Druckverlust an Eintrittsfläche A_E der Energierückgewinnungseinrichtung
1: Energierückgewinnungseinrichtung
2: Saugrohr
3: Propeller
4: Zulaufgehäuse
5: Nabe
6: Turbinengehäuse
7: Saugrohraustritt
8: Widerstandskörper
9: Öffnungen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- WO 2005/078276 A1 [0002]
- AT 413868 B [0002]
- US 4868408 [0003]
- US 4219303 [0004]
- DE 102005040807 A1 [0005]

Claims

Energierückgewinnungseinrichtung, ausgebildet als eine in frei fließenden Gewässern untergetaucht angeordnete Vorrichtung zur Energieerzeugung, in deren Gehäuse ein axialer Durchströmkanal nach Art einer Venturidüse ausgebildet ist, wobei an deren Querschnittsverengung ein Propeller von einer einen Generator antreibenden Propeller-Turbine angeordnet ist, der Einlaufteil der Venturidüse als ein dem Propeller in Strömungsrichtung vorangestelltes, düsenförmiges Zulaufgehäuse und deren nachgeordnetes Auslaufteil als ein diffusorartiges Saugrohr ausgebildet ist, wobei der Durchmesser einer Eintrittsfläche in das Zulaufgehäuse größer ist als ein Durchmesser des Propellers, dadurch gekennzeichnet, dass ein maximaler Propeller-Durchmesser (D_max
P) in Abhängigkeit von einer minimal nutzbaren Wassertiefe (T_n) am Einsatzort und in Abhängigkeit von einer durch den Gehäuse- und Durchströmkanalaufbau bedingten Durchmesserreduzierung auswählbar ist, dass das Saugrohr (2) eine ablösungsfrei gestaltete Innenkontur aufweist, dass die Austrittsfläche (A_D) des Saugrohres (2) dem 3- bis 5-fachen der Propellerfläche (A_P) entspricht [A_D = (3 bis 5) mal A_P] und dass die Saugrohr-Austrittsfläche (A_D) in horizontaler Ebene eine Breite (B) aufweist, die größer ist als eine in vertikaler Richtung messbare Höhe (H).
Energierückgewinnungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein darin anzuordnender maximaler Propellerdurchmesser (D_{max P}) um bis zu einem Faktor 1,3 kleiner als deren Bauhöhe ausgebildet ist.
Energierückgewinnungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend von einer kreisförmigen Propellerfläche (A_P) als Größe einer Saugrohr-Eintrittsfläche (A_E), sich nachfolgende Saugrohr-Querschnitte in eine elliptische oder durch Kreisbögen- oder/und eckige Flächenabschnitte zusammengesetzte, schmalflächige Saugrohr-Austrittsfläche (A_D) entwickeln.
Energierückgewinnungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Saugrohr-Austrittsfläche (A_D) mindestens dem Dreifachen der Propellerfläche (A_P) entspricht.
Energierückgewinnungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Saugrohr-Austrittsfläche (A_D) dem Vier- oder Fünffachen der Propellerfläche (A_P).
Energierückgewinnungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer mit Propellerflügeln ausgestatteten Nabe (5) das Verhältnis vom Nabendurchmesser (D_Nabe) zum Propellerdurchmesser (D_P) gleich oder kleiner 0,2 ist.
Energierückgewinnungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Saugrohr (2) eine Länge (L, L₃) von dem drei- bis fünffachen des Propeller-Durchmessers (L = 3 – 5·D_P) aufweist.
Energierückgewinnungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine vom Propeller (3) angetriebene Maschine in Strömungsrichtung vor dem Propeller (3) angeordnet ist.
Energierückgewinnungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Propeller (3) mit einer Kraft- und/oder Arbeitsmaschine verbunden ist.
Energierückgewinnungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Saugrohr (2) mit äußeren Widerstandkörpern (8) und damit in Wirkverbindung stehenden Absaugöffnungen (9) versehen ist.
Verfahren zur Auslegung einer Energierückgewinnungseinrichtung, ausgebildet als eine in frei fließenden Gewässern untergetaucht angeordnete Vorrichtung zur Energieerzeugung, in deren Gehäuse ein axialer Durchströmkanal nach Art einer Venturidüse ausgebildet ist, wobei an deren Querschnittsverengung ein Propeller von einer einen Generator antreibenden Propeller-Turbine angeordnet ist, der Einlaufteil der Venturidüse als ein dem Propeller in Strömungsrichtung vorangestelltes, düsenförmiges Zulaufgehäuse und deren nachgeordnetes Auslaufteil als ein diffusorartiges Saugrohr ausgebildet ist, wobei der Durchmesser einer Eintrittsfläche in das Zulaufgehäuse größer als ein Durchmesser des Propellers ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein maximaler Propeller-Durchmesser (D_max
Pro) in Abhängigkeit von einer minimal nutzbaren Wassertiefe (T_n) am Einsatzort und in Abhängigkeit von einer durch den Gehäuse- und Durchströmkanalaufbau bedingten Durchmesserreduzierung ausgewählt wird, dass das Saugrohr (2) hinsichtlich seiner Innenkontur ablösungsfrei gestaltet wird, dass die Austrittsfläche (A_D) des Saugrohres (2) als ein 3- bis 5-facher Wert der Propellerfläche (A_P) ausgewählt wird [A_D = (3 bis 5) mal A_P] und dass die Saugrohr-Austrittsfläche (A_D) auf eine Höhe H analog zum maximalen Propeller-Durchmessers (D_{max Pro}) ausgelegt wird und in horizontaler Ebene auf eine Breite (B) ausgelegt wird, die größer ist als die in vertikaler Richtung messbare Höhe (H).
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Eintrittsfläche (A_E) des Zulaufgehäuse (4) für einen stoßfreien Strömungseintritt und einen gegen Null gehenden Eintrittsverlust (ζ_E) ausgelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein gewählter Propeller (3) mit dem Kennwert c ~_Popt nach der Formel
und für eine Geschwindigkeit v_P nach der Formel
ausgelegt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Anwendung der Gleichungen (8) bis (10) sich die Eintrittsfäche (A_E) ergibt zu
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass durch äußere Widerstandskörper (8) und damit in Wirkverbindung stehende Absaugöffnungen (9) die Strömung im Saugrohr (2) ablösungsfrei gehalten wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass ein ablösungsfreies, in die Breite (B) entwickeltes Saugrohr (2) im Endbereich eine abrupte symmetrische Erweiterung aufweist und eine Sogwirkung durch die Injektorwirkung der Außenströmung nutzt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass für einen maximalen Propellerdurchmesser (D_{max P}) an einem Einsatzort mit einem nutzbaren, bekannten Wasserstand (T_n) und einer bekannten Außenströmung (v_A) eine auf einen Propeller (5) bezogene Durchströmgeschwindigkeit v_P mit einem gewählten Propellerdurchmesser (D_P) angenommen wird, dass unter einer Annahme eines gewählten Propellerdruckbeiwertes die Propeller-Durchströmgeschwindigkeit v_p abgeleitet wird aus der Betrachtung einer Verlustbilanz für einen Eintrittsverlust in die Energierückgewinnungseinrichtung und einem dem Propeller (3) nachgeordneten Saugrohrverlust gemäß der Formel
und dass in einem Iterationsverfahren ein Kurvenverlauf für den Leistungsbeiwert des Propellers (3) ermittelt wird, wobei im Kurven-Maximum die Propellerwerte einer maximalen Leistungsausbeute der Energierückgewinnungseinrichtung entnommen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend von einer Propellerfläche (A_P) als Größe einer Saugrohr-Eintrittsfläche (A_E), die nachfolgenden Saugrohr-Querschnitte derart dimensioniert werden, dass sich diese in eine elliptische oder durch Kreisbögen- oder/und eckige Flächenabschnitte zusammengesetzte, schmalflächig angeordnete Saugrohr-Austrittsfläche (A_D) entwickeln.