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Die
Erfindung betrifft ein Unterwasserkraftwerk mit passiver Leistungsregelung,
insbesondere ein Gezeitenströmungskraftwerk,
das eine propellerförmige
Wasserturbine in Horizontalläuferbauweise aufweist.
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Unterwasserkraftwerke,
die ohne Dammstruktur freistehend aus einer Gewässerströmung kinetische Energie aufnehmen,
sind insbesondere zur Energiegewinnung aus einer Ozeanströmung, vorzugsweise
einer Gezeitenströmung,
geeignet. Eine vorteilhafte Ausgestaltung für Unterwasserkraftwerke umfasst
propellerförmige
Wasserturbinen mit einer Vielzahl von Rotorblättern, die an einer umlaufenden Einheit
befestigt sind.
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Eine
solche Wasserturbine kann über
eine Maschinengondel, in der typischerweise ein elektrischer Generator
aufgenommen ist, an einer Tragstruktur befestigt sein, die als auf
dem Gewässergrund
fundamentiert oder schwimmfähig
ausgebildet wird. Zur wirtschaftlichen Auslegung gattungsgemäßer Unterwasserkraftwerke,
insbesondere für die
Gewinnung von Energie aus einer Gezeitenströmung, werden typischerweise
die mittleren im Jahresverlauf auftretenden Strömungsgeschwindigkeiten zugrundegelegt.
Allerdings können
bei einem Anlagenstandort im Meer in bestimmten Fällen wenigstens
kurzzeitig Anströmungsgeschwindigkeiten
vorliegen, die oberhalb der gewählten
Anlagenauslegung liegen. Derartige Extremsituationen treten insbesondere
unter stürmischen
Bedingungen auf, für die
die Wind und Wellen in Richtung der Gezeitenströmung verlaufen. Für derartige
Belastungsfälle
ist die von der Wasserturbine aus der Strömung aufgenommene mechanische
Leistung zu begrenzen.
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Eine
bekannte Form der Leistungsbegrenzung sieht die Verwendung einer
aktiven Blattwinkelverstelleinrichtung vor. Diese ermöglicht,
den Anstellwinkel der Rotorblätter
gegenüber
der antreibenden Strömung
so zu wählen,
dass eine gewünschte
Leistungskennlinie vorliegt. In Extremsituationen werden die Rotorblätter in
Richtung der Fahnenstellung geführt
und als Folge der Leistungseintrag begrenzt. Entsprechend sind die
der Wasserturbine nachfolgenden Komponenten im Antriebsstrang gegen Überlastung
geschützt.
Nachteilig an diesem Lösungsansatz
ist der konstruktive Aufwand zur Ausgestaltung einer solchen Blattwinkelverstelleinrichtung. Darüber hinaus
sind zusätzliche
bewegliche Komponenten in der umlaufenden Einheit notwendig, die
zu einem erhöhten
Ausfallrisiko führen
und als Folge einer regelmäßigen Wartung
bedürfen.
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Um
zu einer robusten und möglichst
wartungsarmen Anlagengestaltung zu gelangen, kann als alternative
Maßnahme
zur Leistungsbegrenzung eine Drehzahlführung mittels der Stützwirkung
durch den elektrischen Generator im Antriebsstrang bewirkt werden.
Durch den Generator und eventuell durch weitere Bremsvorrichtungen
ist es möglich,
im Überlastfall
den Rotor zu verlangsamen, um ihn vom Leistungsoptimum wegzuführen. Diese
Verlangsamung kann so weit gehen, dass ein Strömungsabriss am Profil der Rotorblätter eintritt,
so dass der Leistungseintrag effizient verringert wird. Nachteilig
an diesem Lösungsansatz
ist jedoch, dass die unter der Bedingung eines Strömungsabrisses
auftretenden mechanischen Belastungen aufgrund der auftretenden Blattanregungen
hoch sind und eine entsprechende Auslegung der Struktursteifigkeit
der Rotorblätter
voraussetzen. Aus dieser Anforderung an die Festigkeit resultiert
ein hoher konstruktiver Aufwand und zusätzliches Gewicht für die Wasserturbine.
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Wird
die voranstehend genannte Geschwindigkeitsführung der Wasserturbine zur
Leistungsbegrenzung derart ausgeführt, dass im Überlastfall
eine Drehzahlzunahme auf eine Umlaufgeschwindigkeit oberhalb des
Bestpunkts ermöglicht
wird, kann zwar ein Strömungsabriss
sicher verhindert werden, allerdings werden auch im Bereich hoher
Umlaufgeschwindigkeiten große
Kräfte
auf die Wasserturbine wirken, wobei insbesondere im Schnelllaufbereich die
zunehmenden Zentrifugalmomente für
die Anlagenauslegung zu beachten sind.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Leistungsbegrenzung im Überlastfall
anzugeben, die konstruktiv einfach ist und für die auf eine zugeordnete
Steuerungs- und Regelungseinrichtung verzichtet werden kann. Darüber hinaus
soll die Leistungsbegrenzung so ausgeführt sein, dass die Einwirkung übermäßig hoher
Lasten auf den Rotor konstruktionsbedingt ausgeschlossen werden
kann.
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Zur
Lösung
der voranstehend genannten Aufgabe haben die Erfinder erkannt, dass
mittels einer Selbstverstellung der Rotorblätter für eine Wasserturbine in Horizontalläuferbauweise
eine robuste und effiziente Leistungsbegrenzung gegeben ist. Hierzu
wird von einer propellerförmig
gestalteten Wasserturbine mit einer Vielzahl an einer umlaufenden
Einheit befestigten Rotorblättern
ausgegangen. Jedem der Rotorblätter
ist eine Schwenkachse zugeordnet, die sich im Wesentlichen längs der
Rotorblätter
erstreckt. Dabei liegt die Schwenkachse gegenüber dem hydrodynamischen Zentrum
zur angeströmten
Profilnase hin verschoben.
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Um
die Schwenkachse kann sich das jeweilige Rotorblatt entweder am
Fußpunkt,
das heißt
der Befestigung an der umlaufenden Einheit, drehen und/oder das
Rotorblatt führt
aufgrund der durch hydrodynamische Kräfte bewirkten Belastung eine
Torsion um die Schwenkachse aus. Dabei kann die Torsion über das
ganze Blatt verlaufen oder auf einen Teil der Längserstreckung, das heißt über einen
Abschnitt der Schwenkachse, beschränkt sein.
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Die
Ausgestaltungsalternativen einer drehbar ausgeführten Befestigung zum einen
und einer gegenüber
einer Torsion elastischen Ausbildung des Rotorblatts zum anderen
führen
bei einer entsprechenden Wahl der Schwenkachse relativ zur Auffädellinie
der hydrodynamischen Zentren der Profilschnitte mit der Schwenkachse
als Flächennormale zu
einem aufschwenkenden Moment. Hierunter wird ein Moment verstanden,
dass das Rotorblatt in Richtung der Fahnenstellung verdreht beziehungsweise eine
in diese Richtung weisende Torsion bewirkt.
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Der
Bewegung zur Fahnenstellung entgegen wirken die beim Umlauf des
Rotorblatts auftretenden Fliehkräfte,
so dass zu jeder Betriebssituation ein Momentengleichgewicht zwischen
den Zentrifugalmomenten, die ein das Blatt zurückführendes Moment erzeugen, sowie
den aufschwenkenden, hydrodynamischen Momenten besteht. Im Fall
einer elastischen Verformung der Rotorblätter oder daran angeschlossener
Komponenten sind zusätzlich
elastische Rückstellkräfte zu beachten.
Diese können
bei einer Torsion im Blatt selbst entstehen oder es wird zusätzlich in
die Befestigung des Rotorblatts an der umlaufenden Einheit eine
Einrichtung zur Erzeugung einer Rückstellkraft aufgenommen.
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Für den Fall,
dass eine Einrichtung zur Erzeugung einer Rückstellkraft in die Befestigung
des Rotorblatts in der umlaufenden Einheit integriert ist, die gegen
eine Drehung des Rotorblatts um die Schwenkachse in Richtung der
Fahnenstellung elastisch entgegenwirkt, werden die Rotorblätter nach dem
Abklingen des Überlastfalls
automatisch in die Rotorebene zurückgeführt. Entsprechendes gilt, wenn
die aufschwenkende Bewegung in Richtung der Fahnenstellung weitgehend
auf einer Torsion der Rotorblätter
beruht.
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Fehlen
derart elastische Rückstellkräfte für eine Ausgestaltung
mit drehbar an der umlaufenden Einheit befestigten Rotorblättern, so
muss das Zurückholen
aus der Fahnenstellung durch die Wirkung der Zentrifugalmomente
bewirkt werden. Hierzu wird die Wasserturbine entweder mittels eines
motorischen Betriebs des elektrischen Generators des Unterwasserkraftwerks
soweit beschleunigt bis ein Zurückschwenken
erfolgt oder es liegt auch in der Fahnenstellung ein minimales antreibendes
Moment bei einer für
den Anlagenbetrieb hinreichenden Anströmung vor, so dass ein selbständiges Hochlaufen
bis zur einer Drehzahlschwelle erfolgt, für die die Zentrifugalmomente
die hydrodynamischen Momente mit aufschwenkender Wirkung übersteigen
und ein Rückführen in
die Stellung für
den Normalbetrieb eintritt.
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Gemäß einer
Weitergestaltung der Erfindung wird die erfindungsgemäße passive
Leistungsregelung für
ein bidirektional anströmbares
Unterwasserkraftwerk verwendet. Insbesondere für Gezeitenkraftwerke sind bidirektional
anströmbare
Profile für die
Rotorblätter
von Vorteil, da bei einer solchen Konstruktion ein zyklischer Wechsel
der Anströmungsrichtung
keine Drehung der Rotorblätter
um deren Längsachse
beziehungsweise eine Drehung der gesamten Anlage um die Hochachse
notwendig macht. Hierzu können
hydrodynamisch symmetrisch gestaltete Profile mit linsenförmiger Gestalt
oder punktsymmetrische Profile mit einem S-Schlag verwendet werden.
Wird die passive Rotorblattverstellung mit einer beidseitigen Anströmbarkeit
kombiniert, resultiert ein Anlagendesign, das insbesondere im Hinblick
auf die Steuerung und Regelung konstruktiv wesentlich vereinfacht
ist. Entsprechend verringert ist die Anforderung an die für die Überwachung
der Anlage notwendige Steuerungselektronik, so dass ein Unterwasserkraftwerk
mit hoher Robustheit resultiert. Nachfolgend wird die Erfindung
anhand von Ausführungsbeispielen
in Verbindung mit Figurendarstellungen genauer erläutert. In
diesen ist im Einzelnen Folgendes dargestellt:
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1 zeigt
eine erfindungsgemäße Rotorblattverstelleinrichtung.
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2 erläutert die
Anströmungsverhältnisse und
die hieraus resultierende Kraftwirkung für ein unidirektionales Rotorblattprofil.
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3 verdeutlicht
das Aufschwenken eines Rotorblatts in Richtung der Fahnenstellung.
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4 zeigt
die elastische Torsion eines Rotorblatts in Richtung der Fahnenstellung.
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5 zeigt
eine Weitergestaltung der Ausführung
gemäß 1 mit
Zusatzgewichten und einer eine Rückstellkraft
erzeugenden Einrichtung.
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6 zeigt
die Ausführung
nach 5 in Querschnittansicht.
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7, 8 zeigen
für ein
bidirektionales Profil die hydrodynamischen Kräft für eine Anströmung aus
unterschiedlichen Richtungen.
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9 zeigt
eine Querschnittsansicht der Führungsnuten
einer erfindungsgemäßen Rotorblattverstelleinrichtung
für ein
bidirektionales Rotorblattprofil.
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10 zeigt
den Schnitt B-B aus 9.
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11 zeigt
für den
Schnitt aus 9 mit einem überlagerten Rotorblattprofil
den Normalbetriebszustand für
eine Anströmung
aus einer ersten Richtung.
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12 zeigt
für den
Schnitt aus 9 mit einem überlagerten Rotorblattprofil
den Überlastfall
mit einem in die Fahnenstellung aufgeschwenkten Rotorblatt.
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13, 14 zeigen
für den
Schnitt aus 9 mit einem überlagerten Rotorblattprofileinen Wechsel
der Schwenkachse als Folge einer Umkehr der Anströmungsrichtung.
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1 zeigt
einen Längsschnitt
eines Teilabschnitts eines Rotorblatts 1 mit einer passiven
Rotorblattverstellung. Dabei ist das Rotorblatt 1 an einer umlaufenden
Einheit 2, die vorliegend nabenförmig gestattet ist, um eine
Schwenkachse 3 drehbar angelenkt. Hierzu ist ein Achsstutzen 5 vorgesehen,
der in eine Aufnahme 6 in der umlaufenden Einheit 2 eingeführt ist.
Der Aufnahme 6 ist eine Lagerung 7 zugeordnet,
die beispielsweise als wassergeschmiertes Gleitlager ausgeführt sein kann
und die dem Achsstutzen 5 eine Drehbewegung ermöglicht.
Dabei muss die Lagerung 7 die vom Rotorblatt in die umlaufende
Einheit 2 eingeleiteten Kräfte aufnehmen. Zusätzlich ist
eine Radialsicherung 8 am Achsstutzen 5 vorgesehen,
die ein Widerlager an der umlaufenden Einheit 2 hintergreift,
um das Rotorblatt 1 in radialer Richtung zu sichern.
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Durch
die in 1 dargestellte, drehbare Anlenkung des Rotorblatts 1 an
der umlaufenden Einheit 2 wird sich beim Anlagenbetrieb
der Blattwinkel des Rotorblatts 1 relativ zur Rotationsebene 39 gemäß dem Gleichgewicht
der angreifenden Momente einstellen. Eines der wirkenden Momente
entsteht durch die am Rotorblatt 1 angreifenden hydrodynamischen
Kräfte.
Dies ist in 2 dargestellt, wobei ein unidirektionales
Profil eines Rotorblatts 1 gemäß des Schnitts A-A aus 1 skizziert
ist. Das gezeigte Profil ist schematisch vereinfacht, wobei im Allgemeinen
für gattungsgemäße Unterwasserkraftwerke Profile ähnlich jenen
von Tragflügeln
verwendet werden.
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In 2 sind
die antreibende Strömung
c und die negative Umfangsgeschwindigkeit u des Rotorblatts skizziert,
die sich vektoriell zur effektiven Anströmung w summieren. Diese trifft
auf die Profilnase 10 und erzeugt auf das Profil eine Kraftwirkung,
die am hydrodynamischen Zentrum 11 angreift. Diese setzt
sich aus der Auftriebskraft Fa und dem Strömungswiderstand
Fd zusammen, die vektoriell addiert die
resultierende hydrodynamische Kraft Fr ergeben.
Vorliegend liegt das hydrodynamische Zentrum 11 bei etwa
einem Viertel der Länge
der Profilsehne 9. Dabei kann die am hydrodynamischen Zentrum 11 angreifende
resultierende hydrodynamische Kraft Fr in
zwei Komponenten aufgeteilt werden. Zum einen ist dies die Tangentialkraft
Ft, die parallel zur Profilsehne 9 verläuft. Zum
anderen ergibt sich eine Querkraft Fq mit
einer Orientierung senkrecht zur Profilsehne 9.
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Erfindungsgemäß wird die
Schwenkachse 3 so gewählt,
dass die hydrodynamischen Kräfte
ein Moment erzeugen, das in Richtung der Fahnenstellung gerichtet
ist. Hierzu wird die Schwenkachse 3 beabstandet vom hydrodynamischen
Zentrum stromaufwärts
verlagert angeordnet. Aufgrund des hieraus resultierenden Hebels
erzeugt die Querkraft Fq ein Moment, das
für die
vorliegende Darstellung gegen die Uhrzeigerrichtung gerichtet ist.
Dieses Moment wirkt aufschwenkend und versucht das Profil in Fahnenstellung
zu drehen, das heißt
der Winkel zwischen der Profilsehne 9 und der Rotationsebene 39 wird
vergrößert, um
den Anstellwinkel des Profils 40 gegenüber der effektiven Anströmung w zu
verringern. Ein Profil 40 in Ausgangsstellung sowie gestrichelt
dargestellt für
die aufgeschwenkte Stellung 12 in Richtung der Fahnenstellung
ist für
eine vorgegebene antreibende Strömung
c in 3 skizziert.
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Für eine alternative
Ausgestaltung der Erfindung ist das Rotorblatt 1 nicht
drehbar an der umlaufenden Einheit 2 angelenkt. Stattdessen
wird das Aufschwenken durch ein elastisches Verhalten des Rotorblatts 1 bewirkt.
Dies wird in 4 dargestellt. Dabei ist die
Lage einer Aussteifung 4 für ein als Hohlprofil ausgebildetes
Rotorblatt 1 so gewählt, dass
der Bereich erhöhter
Strukturfestigkeit stromaufwärts
zum hydrodynamischen Zentrum 11 liegt. Durch diese Maßnahme führt die
Querkraft Fq zu einer Verdrillung um eine
Torsionsachse 13, die nachfolgend entsprechend zur voranstehend
gewählten Terminologie
als Schwenkachse 3 bezeichnet wird, wobei diese Achse für das dargestellte
Ausführungsbeispiel
entlang der Aussteifung 4 verläuft. Dabei resultiert, wie
in 4 angedeutet, für das dem Schnitt A-A zugeordnete
Profil 40 eine begrenzte Verdrillung des Rotorblatts 1 um
die Schwenkachse 3, so dass das Profil 40 erst
ab einem bestimmten radialen Abstand von der umlaufenden Einheit 2 in
den Bereich der Fahnenstellung geführt ist. Durch die Anpassung der
Aussteifung 4 und eine hieraus resultierende örtliche
Festlegung der elastischen Gegenkräfte gegenüber einer Torsion besteht die
Möglichkeit,
die Aufschwenkcharakteristik und das hierfür notwendige Moment einzustellen.
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Ferner
können
die beiden voranstehend beschriebenen Maßnahmen einer Drehung um die Schwenkachse 3 durch
eine drehbare Anlenkung des Rotorblatts 1 an der umlaufenden
Einheit 2 und einer Torsion um eine zum hydrodynamischen
Zentrum 11 stromaufwärts
angeordneten Schwenkachse 3 miteinander kombiniert werden.
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Entgegen
der vorausgehend beschriebenen, aufschwenkenden Momente aufgrund
der hydrodynamischen Kraftwirkung auf das Profil 40 der
Rotorblätter 1 wirken
die beim Umlauf entstehenden Fliehkräfte am Rotorblatt 1.
Diese haben das Bestreben, das Rotorblatt 1 in die Rotationsebene 39 zurückzuführen, so
dass sich für
eine vorgegebene Anströmungsgeschwindigkeit
am Rotorblatt 1 ein Momentengleichgewicht einstellen wird.
Dabei kann durch die Profilgestaltung und die Lagefestlegung der Schwenkachse 3 in
Verbindung mit der durch den direkt angekoppelten elektrischen Generator
bewirkten Geschwindigkeitsführung,
eine solche Auslegung gewählt
werden, dass erst im Fall einer extremen Belastung die Gleichgewichtsstellung
im Bereich der Fahnenstellung liegt und für den Normalbetrieb das Rotorblatt 1 einen
für den
Vortrieb günstigen
Winkel gegenüber
der effektiven Anströmung
w einnimmt.
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Dabei
lässt sich
durch zusätzliche
Maßnahmen
die resultierende Gleichgewichtsstellung beeinflussen. Hierzu sind
in der in 5 gezeigten Weitergestaltung
der Ausführungsform
gemäß 1 paarweise
angeordnete Zusatzgewichte 14.1, 14.2 vorgesehen.
Dabei ist aus der Querschnittansicht von 6 ersichtlich,
dass die Zusatzgewichte 14.1, 14.2 parallel zur
Rotationsebene 39 von der Schwenkachse 3 beabstandet
sind. Hierdurch erhöht
sich das Flächenzentrifugalmoment
des Rotorblatts 1, so dass beim Umlauf die rückstellenden
Momente, die das Rotorblatt 1 zur Angriffsstellung entgegen
der Fahnenstellung führen,
vergrößert sind.
Zusätzlich
oder alternativ kann eine Einrichtung zur Erzeugung einer Rückstellkraft 15 vorgesehen
sein. In 5 ist hierzu eine in die umlaufende
Einheit 2 integrierte Vorrichtung skizziert, die auf eine
Verlängerung
am Achsstutzen 5 wirkt. Dabei werden insbesondere passive Systeme
bevorzugt, die bei einer Drehbewegung des Rotorblatts 1 in
Richtung der Fahnenstellung eine Gegenkraft erzeugen. Hierzu sind
Federanordnungen geeignet.
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Des
Weiteren verbessern die in den 5 und 6 gezeigten
Maßnahmen
die Inbetriebnahme eines erfindungsgemäßen Unterwasserkraftwerks mit
passiver Rotorblattverstellung. Dabei wird davon ausgegangen, dass
sich die Rotorblätter 1 in Fahnenstellung
befinden und bezüglich
der Anströmung
kein Überlastungsfall
gegeben ist. Für
den Fall, dass keine Einrichtung zur Erzeugung einer Rückstellkraft 15 vorgesehen
ist, ist es nötig,
die Wasserturbine zunächst
auf eine bestimmte Umlaufgeschwindigkeit zu bringen. Dies gelingt
durch einen motorischen Betrieb des elektrischen Generators. Ab einer
bestimmten Umlaufgeschwindigkeit führen die Fliehkräfte das
Rotorblatt 1 zur Rotationsebene 39, so dass für den Normalbetrieb
die von den einzelnen Rotorblättern 1 erzeugte
Vortriebskraft beim generatorischen Betrieb des elektrischen Generators
die Wasserturbine mit einer solchen Drehzahl umläuft, dass die Fliehkräfte entgegen
der aufschwenkenden hydrodynamischen Momente die Rotorblätter bis
zu einer vorbestimmten Geschwindigkeit der antreibenden Strömung c in
Angriffsstellung halten.
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Die 7 bis 14 behandeln
ein Ausgestaltungsbeispiel einer passiven Rotorblattverstellung
für ein
gattungsgemäßes Unterwasserkraftwerk mit
einem bidirektional anströmbaren
Profil 16. Ein solches ist schematisch vereinfacht in den 7 und 8 gezeigt,
wobei ein linsenförmiges
Profil angenommen wird, das gegenüber der Profilsehne 9 und der
Mittenlinie 34 symmetrisch angelegt ist. Alternativ kann
das Profil einen S-Schlag ausführen.
Für diesen Fall
ist die Skelettlinie punktsymmetrisch und folgt einer S-förmigen Kontur.
Eine solche Profilgestaltung ist im Einzelnen nicht in den Figuren
dargestellt.
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Ferner
zeigt 7 für
einen exemplarischen Profilschnitt die antreibende Strömung c aus
einer ersten Richtung, die negative Umlaufgeschwindigkeit u sowie
die effektive Anströmung
w, wobei die am ersten hydrodynamischen Zentrum 19 angreifende resultierende
hydrodynamische Kraft Fr erzeugt wird. Für eine zweite,
entgegengesetzte Anströmungsrichtung
mit der antreibenden Strömung
c', die in 8 dargestellt
ist, entsteht die resultierende hydrodynamische Kraft Fr', die am symmetrisch
gelegenen, zweiten hydrodynamischen Zentrum 20 angreift.
Zur Realisierung einer passiven Rotorblattverstellung ist die Schwenkachse
jeweils stromaufwärts
des hydrodynamischen Zentrums anzuordnen, um gegenüber der
Querkraft Fq, Fq' einen Hebelarm zur
Erzeugung eines aufschwenkenden Moments bereitzustellen. Demnach
besteht die Notwendigkeit, je nach Anströmungsrichtung einen Wechsel
von einer ersten Schwenkachse 3.1 auf eine zweite Schwenkachse 3.2 auszuführen. Hierzu
können
aktive Systeme verwendet werden, dabei würde jedoch ein unerwünschter
steuerungstechnischer Aufwand entstehen. Daher wird bevorzugt, den Übergang
von der ersten Schwenkachse 3.1 zur zweiten Schwenkachse 3.2 in Abhängigkeit
der Anströmungsrichtung
ebenfalls passiv auszuführen,
so dass der Wechsel ausschließlich
durch die Strömungskräfte selbst
bewirkt wird.
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Für die in
den 7 und 8 gewählte Zerlegung der resultierenden
hydrodynamischen Kraft Fr, Fr' in eine zur Profilsehne 9 senkrechte
Querkraft Fq, Fq' und eine zur Profilsehne 9 parallele
Tangentialkraft Ft, Ft' ergibt sich für das dargestellte
Ausführungsbeispiel
eine Tangentialkraft Ft, Ft', die von der jeweils
angeströmten
Profilnase zur abstromseitigen Profilnase weist. Diese Richtung
lässt sich durch
die Wahl des Profils und dessen Einbauwinkel für einen vorgegeben Anströmungsgeschwindigkeitsbereich
durch eine Festlegung des Verhältnisses
zwischen der Auftriebskraft und dem Strömungswiderstand am Profil einstellen.
Das nachfolgende Ausführungsbeispiel
einer passiven Rotorblattverstellung für ein bidirektional anströmbares Profil 16 geht
von einer solchermaßen
gewählten
Richtung für die
Tangentialkraft Ft, Ft' aus. Allerdings
lässt sich
das dargelegte Prinzip auch für
eine entgegengesetzt gerichtete Tangentialkraft Ft,
Ft' anwenden.
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9 und 10 zeigen
eine mögliche
Ausgestaltung einer passiven Rotorblattverstellung für ein Rotorblatt 1 mit
einem bidirektionalen Profil. Hierzu ist in der umlaufenden Einheit 2 ein
ebener Führungsbereich 29 vorgesehen,
an dem eine mit dem Rotorblatt 1 starr verbundene Gleitvorrichtung 30 eine
geführte
Gleitbewegung ausführt
und zugleich die Rotorblattkräfte überträgt. Für die vorliegende Gestaltung
weist die Gleitvorrichtung 30 eine obere Abstützplatte 27 und
eine untere Abstützplatte 28 auf,
die planparallel angelegt sind und bezüglich ihres Abstands so gewählt sind,
dass bei einer Relativbewegung zum ebenen Führungsbereich 29 ein
Abgleiten auf der Ober- und Unterseite desselben erfolgt. Vorteilhafterweise
sind die wirkenden Ablaufflächen
dieser Komponenten mit einem Gleitwerkstoff, beispielsweise PTFE,
belegt oder als Gleitlager angelegt, wobei für diesen Fall eine Komponente
bevorzugt aus einem harten Werkstoff, typischerweise Edelstahl,
besteht und die Gegenlauffläche
aus einem weichen Werkstoff, beispielsweise einem Elastomer insbesondere
Orkot®,
ausgebildet wird.
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Die
Verbindung zwischen der oberen Abstützplatte 27 und der
unteren Abstützplatte 28 erfolgt
durch ein erstes Kopplungselement 23 und ein zweites Kopplungselement 24 mit
bevorzugt zylindrischer Form. Die Kopplungselemente 23, 24 sind
bezüglich
des bidirektionalen Profils des Rotorblatts 1 so angeordnet,
dass deren Längsachsen
die erste und zweite Schwenkachse 3.1, 3.2 definieren.
Dabei bewegt sich das erste Kopplungselement 23 in einer ersten
Führungsnut 21,
die durch den ebenen Führungsbereich 29 hindurchreicht.
Entsprechend ist dem zweiten Kopplungselement 24 eine zweite
Führungsnut 22 zugeordnet.
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Die
Wirksamkeit jeweils einer der beiden Schwenkachsen 3.1, 3.2 wird
durch die Bewegungsmöglichkeit
der Kopplungselemente 23, 24 in den zugeordneten
Führungsnuten 21, 22 bestimmt.
Dies ist aus der in 9 gezeigten Schnittansicht C-C
ersichtlich. Die beiden Führungsnuten 21, 22 sind
zueinander spiegelbildlich ausgebildet und weisen jeweils einen
kurzen Schenkel auf, der wenigstens in den Endbereichen parallel
zur Profilsehne 9 des Rotorblatts 1 in Normalbetriebsstellung
verläuft.
Die kurzen Schenkel werden nachfolgend als tangentiale Führungen 25.1, 25.2 bezeichnet.
Diesen kann eine übereinstimmende
Längsachse
der tangentialen Führungen 33 zugeordnet
werden. Ferner sind für
die beiden Führungsnuten 21, 22 jeweils
Aufschwenkbereiche 26.1 und 26.2 vorgesehen, die
sich an die tangentiale Führungen 25.1, 25.2 anschließen. Bevorzugt
folgt die Gleitfläche
eines Aufschwenkbereichs 26.1, 26.2 für das jeweils
zugeordnete Kopplungselement 23, 24 im Wesentlichen
einem Kreisbogen, dessen Mittelpunkt im Endbereich der tangentiale
Führung 25.1, 25.2 der
gegenüberliegenden
Führungsnut 21, 22 für das nicht
zugeordnete Kopplungselement 23, 24 liegt. Der
Radius des Kreisbogens entspricht im Wesentlichen dem Mittelpunktsabstand der
beiden Kopplungselemente 23, 24.
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Die
Funktion der Führungsnuten 21, 22 ist aus
den 11–14 ersichtlich.
Skizziert dargestellt ist die Projektion des bidirektional anströmbaren Profils 31 auf
die Schnittdarstellung von 9 für unterschiedliche
Betriebssituationen. 11 zeigt für eine antreibende Strömung c die
Umlaufgeschwindigkeit v für
den Normalbetrieb. Das erste Kopplungselement 23 ist im
Endbereich der ersten tangentialen Führung 25.1 positioniert
und das zweite Kopplungselement 24 befindet sich so in
der zweiten Führungsnut 22,
dass eine aufschwenkende Bewegung entlang des zweiten Aufschwenkbereichs 26.2 möglich ist.
Als Folge wird durch das erste Kopplungselement 23 die
erste Schwenkachse 3.1 festgelegt. Ferner werden die hydrodynamischen
Kräfte
durch die Wandung der ersten Führungsnut 21 aufgenommen. Zusätzlich wirkt
die vorzugsweise flächige
Ausbildung der oberen und unteren Abstützplatten 27, 28 lastaufnehmend.
Ausgehend von diesem Normalbetriebszustand erfolgt im Überlastfall
das Aufschwenken des Rotorblatts 1. Dies ist in 12 dargestellt.
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Bei
einem Wechsel der Richtung der antreibenden Strömung c' erfolgt der in den 13 und 14 dargestellte
Wechsel von der ersten Schwenkachse 3.1 auf die zweite
Schwenkachse 3.2. Dabei führen der Strömungsdruck
auf das Rotorblatt 1 und die sich aufbauende Tangentialkraft
Ft zu einer Gleitbewegung der Kopplungselemente 23, 24 in
den tangentialen Führungen 25.1, 25.2.
Im weiteren Verlauf dieser Bewegung folgt das erste Kopplungselement 23 der
gekrümmten
Gleitbahn 32 auf der Innenseite der ersten Führungsnut 21 und
das zweite Kopplungselement 24 wird bis zum Endbereich
der zweiten tangentialen Führung 25.2 bewegt. Als
Resultat wird die zweite Schwenkachse 3.2 durch das zweite
Kopplungselement 24 festgelegt. Durch eine nachfolgende
Zunahme der Umlaufgeschwindigkeit v erfolgt wiederum ein Momentengleichgewicht,
das zu einer parallelen Ausrichtung der Profilsehne 9 relativ
zur Achse der tangentialen Führungen 33 führt. Diese
zu 9 spiegelbildliche Stellung ist im Einzelnen nicht
in den Figuren dargestellt.
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Weitere
Ausgestaltungen der Erfindung sind denkbar. Dabei ist es insbesondere
möglich,
dass die Schwenkachse 3 einen gekrümmten Verlauf einnimmt, insbesondere
im Falle sichelförmiger
Rotorblätter.
Entsprechendes gilt für
den Fall einer Schwenkachse 3 bei einer Verdrillung des
Rotorblatts aufgrund der hydrodynamischen Kräfte, wenn die aussteifenden
Komponenten, die die Schwenkachse 3 festlegen, nicht geradlinig
verlaufen. Eine nicht geradlinig verlaufende Schwenkachse stellt demnach
eine mögliche
Ausführungsform
der Erfindung dar. Ferner kann ein erfindungsgemäß gestaltetes Unterwasserkraftwerk
insbesondere im Bereich der Rotorblattverstelleinrichtung ein Bewuchsschutzsystem
aufweisen. Ein solches kann Einrichtungen zum Aufheizen von Anlagenteilen
umfassen, um einen Bewuchs abzulösen
und insbesondere die Führungsbahnen
und Ablaufelemente der Rotorblattverstellung in einem funktionsfähigen Zustand
zu halten. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus
dem Umfang der nachfolgenden Schutzansprüche.
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- 1
- Rotorblatt
- 2
- umlaufende
Einheit
- 3
- Schwenkachse
- 3.1
- erste
Schwenkachse
- 3.2
- zweite
Schwenkachse
- 4
- Aussteifung
- 5
- Achsstutzen
- 6
- Aufnahme
- 7
- Lagerung
- 8
- Radialsicherung
- 9
- Profilsehne
- 10
- Profilnase
- 11
- hydrodynamisches
Zentrum
- 11.1
- Auffädellinie
der hydrodynamischen Zentren
- 12
- aufgeschwenkte
Stellung
- 13
- Torsionsachse
- 14
- Zusatzgewicht
- 15
- Rückstellkraft
erzeugende Einrichtung
- 16
- bidirektional
anströmbares
Profil
- 17
- erste
Profilnase
- 18
- zweite
Profilnase
- 19
- erstes
hydrodynamisches Zentrum
- 20
- zweites
hydrodynamisches Zentrum
- 21
- erste
Führungsnut
- 22
- zweite
Führungsnut
- 23
- erstes
Kopplungselement
- 24
- zweites
Kopplungselement
- 25.1
- erste
tangentiale Führung
- 25.2
- zweite
tangentiale Führung
- 26.1
- erster
Aufschwenkbereich
- 26.2
- zweiter
Aufschwenkbereich
- 27
- obere
Abstützplatte
- 28
- untere
Abstützplatte
- 29
- ebener
Führungsbereich
- 30
- Gleitvorrichtung
- 31
- Projektion
des bidirektional anströmbaren Profils
- 32
- gekrümmte Gleitbahn
- 33
- Längsachse
der tangentialen Führungen
- 34
- Mittenlinie
- 39
- Rotationsebene
- 40
- Profil
- c,
c'
- antreibende
Strömung
- d
- Anstellwinkel
- u,
u'
- negative
Umfangsgeschwindigkeit
- v,
v'
- Umlaufgeschwindigkeit
- w,
w'
- effektive
Anströmung
- Fa, Fa'
- Auftriebskraft
- Fd, Fd'
- Strömungswiderstand
- Fr, Fr'
- resultierende hydrodynamische Kraft
- Fq, Fq'
- Querkraft
- Ft, Ft'
- Tangentialkraft