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Die
Erfindung betrifft ein Wasserrad zur Gewinnung der potentiellen
Energie zwischen Oberwasser und Unterwasser eines Stauwehrs nach
dem Oberbegriff des Anspruch 1. Ein solches Wasserrad ist bekannt
durch
AT501575A1 .
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Die
Besonderheit des bekannten Wasserrades besteht darin, dass es in
das Oberwasser eintaucht, und zwar im wesentlichen nicht höher
als bis zur Oberkante seiner Nabe. Durch die auf seinem Umfang zwischen
jeweils zwei einander folgenden Schaufeln gebildeten geschlossenen
Kammern, welche seitlich durch ortsfeste Seitenwände wird
der Durchlass zwischen Oberwasser und Unterwasser vollständig
gesperrt.
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Dabei
weist das bekannte Wasserrad zwei mit Schaufeln besetzte Umfangsspuren
auf. Die Schaufeln sind zwar pfeilförmig angeordnet, in
der mittleren Radialebene des Wasserrades jedoch durch eine Leitscheibe
hydraulisch getrennt und öffnen sich durch entsprechende
Ausbildung der gegenüber der Leitscheibe gelegenen Seitenwand
nur zu einer Seite hin.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein derartiges Wasserrad so auszubilden, dass
es bei einfacher Bauart über seine gesamte Breite vollkommen
ausgeglichene Druckverhältnisse und insbesondere ein ungehindertes
Einströmen des Wassers in die jeweils in das Oberwasser
eintauchende Kammer, einen ungehinderten Druckaufbau beim Weiterdrehen
der jeweiligen Kammer in den Bereich des Unterwassers sowie eines
ungehindertes Ausströmen des Wassers aus und einen ungehinderten
Druckabbau in der jeweils an der tiefsten Stelle (unterster Scheitelpunkt) des
Wasserrades sich befindenden Kammer gewährleistet.
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Die
Lösung ergibt sich aus Anspruch 1 und den Weiterbildungen
nach Anspruch 2 und 3.
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Der
Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die gesamte Breite des
Wasserrades zur Bildung der Kammern genutzt werden kann und dass
ein vollständiger Druckausgleich in den beiden Teilkammern und
ein identisches Ausströmverhalten bei geringem Strömungswiderstand
erzielt werden. Hierdurch wird die Energienutzung des Wasserrades
zwischen dem Pegel des Oberwassers und dem Pegel des Unterwassers
begünstigt und der schlagfreie Lauf ohne Seitenschlag des
Wasserrades auch bei großem Durchmesser und großer
Breite gewährleistet.
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Die
Ausbildungen nach Anspruch 2 und Anspruch 3 gestatten dabei die
Nutzung des gesamten Energiepotentials zwischen dem Pegel des Oberwassers
und dem Pegel des Unterwassers, weil die im unteren Scheitelpunkt
angelangten Kammern im günstigsten Zeitpunkt, dann aber
schlagartig geöffnet werden. Dabei ist unvermeidbar, dass
die sich öffnenden Spalte zwischen dem Sperrschuh und den Schaufeln
bzw. zwischen den Seitenkanten der Schaufeln und der Seitenwand
zeitgleich nicht überall gleich groß sind und
hierdurch ungleiche Ausströmverhältnisse entstehen.
Daher kommt in diesen Ausgestaltungen nach Anspruch 2, 3 der geschilderte
Vorteil von Anspruch 1, nämlich die Vermeidung ungleicher
Druckverhältnisse über die Breite des Wasserrades,
besonders zur Auswirkung. Die Ausgestaltung eines Wasserrades mit
pfeilförmigen Schaufeln nach den Ansprüchen 2
und/oder 3 ist aber auch dann von Vorteil wegen der Nutzung des gesamten
Energiepotentials zwischen dem Pegel des Oberwassers und dem Pegel
des Unterwassers, wenn zwischen den Teilkammern keine hydraulische Verbindung
besteht. in diesem Falle müssen gegen das Auftreten von
Druckunterschieden über die Breite des Wasserrades andere
Maßnahmen ergriffen werden, z. B. stabilere Auslegung des
Wasserrades und schlagfreie Lagerung.
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Im
folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels,
das in den 1–3 dargestellt
ist, erläutert.
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Es
zeigen:
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1 das
Wasserrad in der Seitenansicht
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2 Aufsicht
auf den Sperrschuh
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3 das
Wasserrad in perspektivischer Ansicht mit Sperrschuh
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Das
Wasserrad 1 besteht aus der Welle/Achse 2, die
in Lagern 3 beidseits des Wasserrades frei drehbar gelagert
ist, der auf der Welle befestigten Nabe 4 sowie den am
Umfang der Nabe auskragend befestigten Schaufel 5 mit Teilschaufeln 5.1 und 5.2. Die
Welle oder Nabe ist mit einer nicht dargestellten Arbeitsmaschine,
z. B. einer elektrischen Dynamomaschine verbunden. Das Wasserrad
sperrt den rechteckigen Durchlaß (nicht gezeigt) zwischen
einem Oberwasser 6 und einem Unterwasser 7 ab.
Die das Oberwasser begrenzenden Seitenkanten 8 des Durchlasses
sind durch strichpunktierte Linie angedeutet. Auf der Seite des
Oberwassers steht der Pegel 6.1 des Oberwassers bis an
die Oberkante der Nabe 4.
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Der
Pegel wird dort oder etwas tiefer möglichst konstant gehalten,
z. B. durch entsprechende Einstellung eines Stauwehrs. Der Energieausnutzung
wegen sollte der Pegel 6.1 nicht unterhalb der Unterkante
der Nabe stehen. Anders als bei dem bekannten Wasserrad ist es jedoch
nach der Erfindung nicht notwendig, dass der Pegel des Oberwassers nicht
höher als die Oberkante des Nabe stehen sollte. Da das
Wasserrad nach der Erfindung den Durchlaß auf jeder Höhe
und insbesondere im unteren Scheitelpunkt vollständig sperrt,
kann der Pegel des Oberwassers bis zum oberen Scheitel des Wasserrades stehen.
Es hat sich herausgestellt, dass in diesem Falle der Wirkungsgrad
nicht proportional zu der größeren Fallhöhe
zunimmt, jedoch erst im Extremfalle unwirtschaftlich wird. Dass
der Pegel des Unterwassers tiefer als der untere Scheitelpunkt des
Wasserrades liegt, hat sich wegen der Sperrfunktion des Wasserrades
als unschädlich herausgestellt.
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Die
Lager 3 des Wasserrades 1 können unmittelbar
auf den seitlichen Wanden des Durchlasses angebracht sein. Sie können
auch an einem nicht dargestellten Gestell angebracht sein, das in
den Durchlaß eingesetzt wird und das gegenüber
den Begrenzungswänden und dem Boden des Durchlasses – wie
später noch beschrieben – abgedichtet ist.
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Das
Wasserrad 1 ist über einen Teil seiner Stirnflächen
durch Seitenwände 9 begrenzt. Diese Seitenwände
sind an den seitlichen Wänden des Durchlasses oder an dem
Gestell 8 in nicht dargestellter Weise derart angebracht,
dass sie die im tiefsten Bereich (unterer Scheitelpunkt, unterer
Scheitelbereich) des Wasserrades befindlichen Kammern 10, welche
zwischen einander folgenden Schaufeln seitlich abdichten und selbst
gegenüber den seitlichen Wänden des Durchlasses
abgedichtet sind.
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Die
Einzelheiten werden weiter unten beschrieben.
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An
dem Boden des Durchlasses ist ein Sperrschuh 11 angebracht,
welcher die Breite des Durchlasses und den senkrechten Abstand zwischen Umfang
des Wasserrades im tiefsten Bereich (unterer Scheitelpunkt, unterer
Scheitelbereich) und dem Boden des Durchlasses über einen
Teilbereich des Umfangs des Wasserrades dichtend ausfüllt
und sperrt. Die Einzelheiten werden weiter unten beschrieben.
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Wie 3 anschaulich
macht, bestehen die Schaufeln 5 aus zwei Teilschaufeln 5.1, 5.2.
Diese sind pflugförmig oder – im folgenden – pfeilförmig
zusammengesetzt, z. B. geschweißt, und bilden dadurch eine
Durchdringungslinie oder – so genannte – Stoßlinie 12.
(In 1 sind die Kanten einer Schaufel durch dickere
Linien hervorgehoben und deutlich gemacht.)
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In
dem Ausführungsbeispiel sind die Teilschaufeln 5.1, 5.2 als
viereckige Blechtafeln so dimensioniert und so wie eine Pflugschar
zusammengesetzt und so an der Nabe mit einer dichten Naht befestigt,
z. B. angeschweißt oder mittels Winkel angeschraubt,
- • dass ihre von der Nabe auskragende
Stoßlinie 12 in der radialen Mittelebene des Rades
liegt und im wesentlichen radial gerichtet ist,
- • dass die Seitenkanten 14 im wesentlichen
tangential auf die Nabe zulaufen und in den seitlichen Ebenen 13 der
Stirnflächen der Nabe liegen, und
- • dass die freien Vorderkanten 15 der Teilschaufeln 5.1, 5.2 auf
einem einhüllenden Kreiszylinder (Hüllzylinder 16)
konzentrisch zur Lagerung des Wasserrades liegen.
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Dadurch
wird erreicht, dass die Stoßlinien auf die Oberfläche 6.1 des
Oberwassers auf ihrer ganzen Länge auftreffen, so dass
das Wasser von der Spitze der Stoßlinie her hinter die
Schaufel strömen kann und sich hinter der Schaufel kein
in das Oberwasser tauchender Hohlraum entsteht Zu diesem erfindungsgemäßen
Zweck sind auch andere Lagen relativ zu der Nabe als die radiale
Lage der Stoßlinie und andere Lagen der Seitenkante als
die tangentiale Lage möglich, abhängig auch davon,
bis wohin der Pegel des Oberwassers reicht bzw. reichen soll, abhängig
aber auch von Durchmesser und Breite der Nabe sowie der erforderlichen
Stabilität der Schaufeln.
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Die
einander folgende Schaufeln 5, und zwar jeweils eine vorlaufende
und eine nachlaufende Schaufel, bilden auf dem Umfang des Wasserrades Kammern 10.
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Diese
sind aus zwei Teilkammern 10.1 und 10.2 pfeilförmig
beidseits der Mittelebene des Wasserrades zusammengesetzt. Diese
beiden Teilkammern können im wesentlichen ungehindert und
ungedrosselt mit einander kommunizieren, so dass innerhalb über
die gesamte Breite jeder Kammer derselbe Druck besteht.
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Das
schließt nicht aus, dass in der Mittelebene des Wasserrades
ein Antriebsrad an der Nabe befestigt ist, welches die Abnahme des
Drehmoments gestattet und entsprechend große Aussparungen
für eine ungehinderte hydraulische Kommunikation zwischen
den beiden Teilkammern besitzt. Andererseits kann die Abnahme des
Drehmoments auch von der Welle 2 erfolgen.
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Die
Kammern 10 werden seitlich und unten, d. h. allseits geschlossen,
wenn sie in den unteren Scheitelbereich gelangen.
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Dazu
dient zum einen der Sperrschuh. Dieser ist – wie 2 zeigt,
pfeilförmig mit den Auslaufkanten 18 und den Einlaufkanten 19 ausgebildet.
Er ist hier kongruent der auf dem Hüllzylinder 16 des Wasserrades
liegenden Umfangsfläche einer Kammer ausgebildet sein.
Er sollte nicht länger als die Umfangsfläche von
höchstens zwei einander folgenden Kammern 10 sein.
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Dazu
dienen zum anderen die Seitenwände 9. Es handelt
sich um jeweils ebene Platten, die bündig mit der Seitenecke
des Sperrschuhs enden, und zwar derart, dass ihre Vorderkanten 17 gleichgerichtet
sind mit der Seitenkante 14 der Schaufel 5, welche
diese Seitenecke gerade überstreicht.
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Die
Seitenwände 9 erstrecken sich gegen die Drehrichtung
des Wasserrades nach unten so, dass sie an den Sperrschuh 11 seitlich
anschlagen und eine Dichtung mit einem geringen Spalt bilden.
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Auf
der Einlaufseite reichen die Seitenwände bis in das Oberwasser
hinein, enden nach oben aber vorzugsweise unterhalb des Pegels 6.1 des
Oberwassers, damit sie das Einströmen des Wassers in die
in das Oberwasser eintauchenden Kammern nicht behindern.
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Bei
dieser Ausbildung lässt sich mit dem Wasserrad die potentielle
Energie des Oberwassers gegenüber dem Unterwasser mit großer
Effizienz zur Energieerzeugung nutzen. Die Schaufeln dienen hier vor
allem dazu Kammern zu bilden, die im unteren Scheitelbereich des
Wasserrades die Abdichtung des Oberwassers gegenüber dem
Unterwasser übernehmen. In diesem Zustand wirkt auf die
in Drehrichtung hintere Schaufel die Druckkraft, welche sich aus der
Druckdifferenz der Pegel von Oberwasser und Unterwasser ergibt.
Bevor aber die im unteren Scheitelbereich des Wasserrades befindliche
Kammer und das darin eingeschlossene Wasser sich wieder anhebt und
dadurch einen Energieverlust bewirkt, öffnet sich diese
Kammer durch Bildung von Spalten zwischen der vorlaufenden Schaufel
gegenüber den Vorderkanten von Sperrschuh und Seitenwänden. Dass
diese Spalte zu identischen Zeitpunkten gleich weit sind, ist wegen
der Größe des Wasserrades und den ungünstigen
Einsatzbedingungen kaum zu bewerkstelligen, nach der Erfindung jedoch – wie
ausgeführt – auch nicht notwendig für
den gleichmäßigen Druckabbau über die
gesamte Breite der jeweiligen Kammer. Durch die Ausbildung des Sperrschuhs
und der Seitenwände auf der Einlaufseite wird bewirkt, dass
bei der Bildung der ersten Spalte auf der Auslaufseite die nachlaufenden
Schaufels bereits wieder die Dichtung des Oberwassers gegenüber
dem Unterwasser übernommen haben, so dass an dem Wasserrad
keine Strömungen eintreten.
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Es
wird betont, dass sich durch diese Ausbildung des Sperrschuhs und
der Seitenwände eine neuartige Funktion für jedes
Wasserrad ergibt, welches Auf seinem Umfang mit Schaufeln besetzt
ist und mit seinen Schaufeln und seiner Nabe das Oberwasser gegenüber
dem Unterwasser sperrt. Die potentielle Energie des Oberwassers
gegenüber dem Unterwasser wird statisch ausgenutzt, auch
wenn die Schaufeln in das Unterwasser eintauchen, d. h.: die Druckdifferenz
wird nicht zunächst in eine Strömung umgesetzt,
deren Energie dann genutzt wird. Es entsteht auch weder im Oberwasser,
noch im Wasserrad, noch im Unterwasser eine energiereiche Strömung,
die für die Trübung des Gewässers oder Fisch-
und Pflanzenbesatz schädlich sein könnte. Vielmehr
ist die Strömung begrenzt auf die für den Wasserdurchsatz
erforderlichen fast drucklosen Zulauf des Wassers in die Kammern,
der jedoch in unschädlicher Weise an der Oberfläche
des Oberwassers stattfindet und den entsprechenden fast drucklosen
Ablauf ins Unterwasser aus der im unteren Scheitelbereich sich befindenden
Kammer unter der relativ geringen Druckdifferenz zwischen der radialen Höhe
der auslaufenden Kammer und dem Pegel des Unterwassers.
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- 1
- Wasserrad 1
- 2
- Welle 2
- 3
- Lagern 3
- 4
- Nabe 4
- 5
- Schaufel 5 mit
Teilschaufeln 5.1 und 5.2
- 6
- Oberwasser 6 mit
Pegel 6.1 Oberfläche 6.1
- 7
- Unterwasser 7 mit
Pegel 7.1
- 8
- Gestell 8 (nicht
dargestellt)
- 9
- Seitenwände 9
- 10
- Kammern 10 Teilkammern
- 11
- Sperrschuh 11
- 12
- Stoßlinie
Durchdringungslinie 12
- 13
- Ebenen 13
- 14
- Seitenkanten 14
- 15
- Vorderkanten 15
- 16
- Hüllzylinder 16
- 17
- Vorderkante 17 der
Seitenwände
- 18
- Auslaufkanten 18 des
Sperrschuhs
- 19
- Einlaufkanten 19 des
Sperrschuhs
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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