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Die Erfindung betrifft ein Wasserströmungskraftwerk mit einer von einer Wasserströmung anströmbaren Turbine, welche mehrere an einem rotierenden Läufer befestigte Flügel umfasst, wobei die Flügel unter Einwirkung der aus der Wasserströmung resultierenden hydrodynamischen Kräfte zumindest bereichsweise elastisch verformbar ausgebildet sind, dergestalt, dass die Steigung vergrößerbar ist. Auf diese Weise können die auftretenden Kräfte und Momente an der Turbine begrenzt und die Leistung geregelt werden, da mit der Erhöhung der Steigung eine Verringerung des Anströmwinkels korreliert.
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Ferner betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum Betreiben einer von einer Wasserströmung angeströmten Turbine eines Wasserströmungskraftwerks, wobei die Turbine mehrere an einem rotierenden Läufer befestigte Flügel umfasst, die durch die aus der Wasserströmung resultierenden hydrodynamischen Kräfte zumindest bereichsweise derart elastisch verformt werden, dass die Steigung vergrößert und der Anströmwinkel verkleinert wird.
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Derartige Wasserströmungskraftwerke mit infolge der angreifenden hydrodynamischen Kräfte selbsttätig wirksamer Leistungsbegrenzung sind beispielsweise aus der
DE 10 2008 051 370 A1 bekannt. Unter weitgehendem Verzicht auf mechanisch wirksame Verstellelemente soll durch die selbsttätig infolge der angreifenden hydrodynamischen Kräfte erfolgende Veränderung der Flügelsteigung hin zur so genannten Fahnenstellung eine Leistungsbegrenzung der Turbine bewirkt werden, etwa wenn diese im Rahmen eines Gezeitenkraftwerks in einer starken Wasserströmung eingesetzt wird und die typischerweise zu erwartende mittlere Strömungsgeschwindigkeit z. B. witterungsbedingt überschritten wird. In diesen Fällen ist es nötig, die Leistung der Turbine zu begrenzen, da ansonsten strukturelle Schäden und/oder mechanische Ausfälle am Wasserströmungskraftwerk zu befürchten sind.
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Bei der bekannten Ausführungsform erfolgt die selbsttätige Regelung mittels eines Kräftegleichgewichts zwischen den angreifenden hydrodynamischen Kräften aus der Wasserströmung und den entgegengesetzt wirkenden Zentrifugalkräften infolge der Flügelrotation.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Wasserströmungskraftwerk der eingangs genannten Art vorzuschlagen, welches sich ohne zusätzliche Verstellmechanik von selbst vor Überlast schützt.
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Zur Lösung der gestellten Aufgabe wird erfindungsgemäß die Ausgestaltung eines Wasserströmungskraftwerkes mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 vorgeschlagen. Ein erfindungsgemäßes Verfahren ist Gegenstand des Patentanspruchs 11.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der jeweils abhängigen Ansprüche.
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Die Erfindung sieht vor, dass die Flügel derart ausgebildet sind, dass nicht nur die aus der Wasserströmung resultierenden hydrodynamischen Kräfte eine elastische Verformung der Flügel unter Erhöhung der Steigung derselben hervorrufen, sondern auch die bei Rotation um den Läufer wirkenden Zentrifugalkräfte diese elastische Verformung unterstützen.
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Erfindungsgemäß wird somit bei Betrieb des Wasserströmungskraftwerkes sowohl durch die hydrodynamischen Kräfte als auch durch die Zentrifugalkräfte eine elastische Verformung der Flügel bewirkt, die die Belastungen durch eben diese Kräfte reduziert. Durch die sich einstellende Erhöhung der Steigung wird der hydrodynamische Anstellwinkel der Flügel verkleinert, was zu deutlich reduzierten Auftriebskräften führt, so dass sich das erfindungsgemäße Wasserströmungskraftwerk sowohl hinsichtlich der anliegenden und aus der Wasserströmung resultierenden hydrodynamischen Kräfte als auch hinsichtlich der Rotationsgeschwindigkeit der Flügel und der daraus resultierenden Zentrifugalkräfte selbsttätig regelt und vor Überlast schützt.
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Wird ein Flügelprofil von einem Fluid umströmt, so ergibt sich ein Kraftverlauf, der sich vereinfachend zu einer resultierenden Kraft (zerlegbar in Auftriebs- und Widerstandskraft) zusammenfassen lässt. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die resultierende Auftriebskraft der Flügel nicht den Flächenschwerpunkt des Flügelprofils schneidet. Somit ergibt sich bei Aneinanderreihung aller resultierenden Kräfte jedes Flügelabschnittes für den gesamten Flügel als Biegebalken und Torsionsstab eine Linienlast.
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Nach einem Vorschlag der Erfindung ist dazu vorgesehen, dass die so genannte neutrale Faser des Flügels, d. h. die theoretische Linie, die keiner Stauchung, Dehnung oder Torsionsschubspannung ausgesetzt ist, relativ zur Belastung des Flügels derart angeordnet ist, dass sich eine dreidimensionale Verformung aus Biegung und Torsion einstellt. Die Dehnung des Flügels in seiner Längsrichtung durch Normalkräfte wird hingegen minimal gehalten.
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Die Flügel des erfindungsgemäßen Wasserströmungskraftwerkes können nach einem Vorschlag der Erfindung sichelförmig oder auch S-förmig ausgebildet sein und/oder einen entgegen der Wasserströmung gerichteten Hang aufweisen.
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Die erfindungsgemäße sichelförmige oder auch S-förmige Ausgestaltung der Flügel bewirkt eine elastische Verformung unter Erhöhung der Steigung und entsprechende Verringerung des Anströmwinkels durch den Angriff der hydrodynamischen Kräfte aus der Wasserströmung. Beispielsweise bewirken bei einer solchen Ausgestaltung die Schubkräfte am Flügelende ein Torsionsmoment auf den Flügel nahe der Befestigung am Läufer. Weicht der Flügel dieser Belastung elastisch aus, wird der Flügel unter Vergrößerung der Steigung tordiert.
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Darüber hinaus können die Flügel einen so genannten Hang aufweisen, d. h. ihre Hauptachse ist aus der Vertikalen um einen bestimmten Winkel entgegen der Wasserströmungsrichtung geneigt. Die infolge der Rotation der Flügel um den Läufer entstehenden Zentrifugalkräfte sind radial nach außen gerichtet, führen aber im Gegensatz zu Flügeln, die senkrecht zur Rotationsachse angeordnet sind, nicht nur zu Normalkräften in Flügellängsrichtung, sondern auch zu einer Kraftkomponente senkrecht zum Flügelprofil. Diese Kraftkomponente erzeugt ein Biegemoment und resultiert ebenfalls in einer elastischen Erhöhung der Flügelsteigung. insofern wirken bei den erfindungsgemäßen Flügeln die Zentrifugalkräfte ebenfalls zur Erzeugung von elastischen Flügelverformungen, die die Steigung erhöhen und den Anströmwinkel verringern.
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Je stärker die Wasserströmung ausfällt, umso stärker sind auch die die elastischen Verformungen hervorrufenden hydrodynamischen und Zentrifugalkräfte, so dass entsprechende Steigungs- und Anströmwinkelveränderungen bewirkt werden und sich die erfindungsgemäße Turbine selbsttätig regelt. Die auftretenden Kräfte und Momente werden ebenso selbsttätig auf ein vertretbares Maß begrenzt.
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Nach einem Vorschlag der Erfindung sind die Flügel in ihrem am rotierenden Läufer befestigten Fußbereich elastisch verformbar ausgebildet und ermöglichen beispielsweise eine Verschwenkung der Profilkontur um eine Schwenkachse, so dass es möglich ist, die Profilkontur in Richtung der Fahnenstellung elastisch zu verformen.
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Ebenfalls ist es möglich, die Flügel in einem vom rotierenden Läufer beabstandeten Bereich elastisch verformbar auszubilden, um für die gewünschte Verringerung der Leistungsaufnahme geeignete mehrachsige bzw. dreidimensionale Verformungen, Biegungen und/oder Torsion der Flügel hervorzurufen. Es ist offensichtlich, dass verschiedene, auch in Kombination anwendbare Veränderungen der Flügelsteigung bei Überlast erfolgen können, um die gewünschte Schutzwirkung zu erreichen. Die gewünschte elastische Verformung kann beispielsweise durch spezielle Ausbildung der Flügel beeinflusst werden, um den Flügeln bereichsweise unterschiedliche Flächenträgheitsmomente zu verleihen.
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Ebenso kann durch Verwendung von im Hinblick auf die Steifigkeit anisotropen Materialien für die Flügel eine gezielte Beeinflussung der Steifigkeit bzw. des Verformungswiderstandes erfolgen. Zum Beispiel kann durch eine Kombination eines weicheren Materials mit gezielt platzierten Elementen hoher Steifigkeit die neutrale Faser der Flügel außerhalb des Flächenschwerpunktes verlegt werden. Auch durch Verwendung von Verbundmaterialien sowie die gezielte Anordnung der Kraftangriffspunkte für hydrodynamische Lasten in Relation zur neutralen Faser des Flügels kann eine solche Beeinflussung im Sinne der Erfindung vorgenommen werden.
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Die Flügel können ferner mit Verstärkungseinlagen zur Begrenzung der möglichen elastischen Verformung ausgebildet sein, um einer übermäßigen Verringerung der Leistungsaufnahme entgegenzuwirken.
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Um die unterstützende Wirkung der bei Rotation um den Läufer wirkenden Zentrifugalkräfte in Richtung der hydrodynamischen Kräfte gezielt zu beeinflussen, können die Flügel ferner zumindest bereichsweise mit Ballastgewichten bzw. zusätzlichen Massen ausgebildet sein, die entsprechend erhöhte Zentrifugalkräfte in Abhängigkeit von der Drehzahl hervorrufen.
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Mit dem erfindungsgemäßen Wasserströmungskraftwerk und dem entsprechenden Verfahren zur Leistungsbegrenzung ist es nicht nur möglich, das Wasserströmungskraftwerk zuverlässig vor einer Überlast zu schützen, sondern es kann auch die Kavitation an den Flügeln reduziert werden sowie die Schwingungsanregung im Zusammenspiel mit der Tragstruktur und auch die Geräuschemissionen können wirksam begrenzt werden.
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Weitere Ausgestaltungen und Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein erfindungsgemäßes Wasserströmungskraftwerk in der Seitenansicht;
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2 das Wasserströmungskraftwerk gemäß 1 in axialer Anströmrichtung betrachtet;
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3 das Wasserströmungskraftwerk gemäß 1 in perspektivischer Darstellung;
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4 die Seitenansicht gemäß 1 mit bei Überlast elastisch verformten Hügeln;
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5 die Ansicht gemäß 2 mit bei Überlast elastisch verformten Flügeln;
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6 in schematischer Darstellung die angreifenden Kräfte und Momente in 5;
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7 in schematischer Darstellung die angreifenden Kräfte und Momente in 4;
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8 einen Schnitt durch eine weitere Ausführungsform eines Flügels;
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9a und 9b Ansichten des Flügels gemäß 8.
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Aus den 1 bis 3 ist ein Wasserströmungskraftwerk 1 mit einer Tragstruktur bestehend aus einer sich entlang einer vertikalen Achse V erstreckenden Säule 13 und einem Gründungsfundament 14 ersichtlich, wobei am dem Gründungsfundament 14 abgewandten oberen Ende eine Turbine 12 mit einem rotierenden Läufer 10 und hier drei am Läufer 10 befestigten Flügel 11 vorgesehen sind. Die Turbine 12 des dargestellten Wasserströmungskraftwerks 1 ist in Richtung der Achse A von einer Wasserströmung, z. B. einer Gezeitenströmung durchströmbar. Je nach Ausgestaltung des Wasserströmungskraftwerke 1 kann dieses um die Achse V gemäß 1 verschwenkt werden, um unterschiedlichen Anströmrichtungen zu folgen.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Flügel 11 etwa sichelförmig ausgebildet, wobei die neutrale Faser der Flügel 11 in der 2 mit einer strichpunktierten Linie angedeutet ist.
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Aufgrund der hier im einzelnen nicht dargestellten, an sich aber bekannten Profilkontur kommt es bei anliegender Wasserströmung an den Flügeln 11 zu einer Leistungsaufnahme dahingehend, dass die Flügel mit dem ihrer Befestigung dienenden Läufer 10 um die Achse A rotieren und die Turbine 12 zur Energieerzeugung antreiben.
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Wird die bei der Auslegung des Wasserströmungskraftwerkes 1 zugrunde gelegte Wasserströmung zu stark, etwa bei einem schweren Sturm, so kann dies zu einer Überlast führen, für die das Wasserströmungskraftwerk 1 nicht dauerhaft ausgelegt ist, so dass eine Begrenzung der Kräfte in diesen Betriebszuständen erforderlich ist.
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Zu diesem Zweck sind die Flügel 11 elastisch verformbar ausgebildet, z. B. in entsprechend geeigneten Bereichen Ihrer Längserstreckung, so dass sie mittels der aus der Wasserströmung resultierenden hydrodynamischen Kräfte und der infolge der Rotation der Flügel 11 um den Läufer 10 wirkenden Zentrifugalkräfte elastisch verformt werden können und dabei die Steigung unter Begrenzung der angreifenden Kräfte und Momente erhöht wird
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Eine solche elastische Verformung ist in den 4 und 5 anhand eines Vergleichs der mit ausgezogenen Linien dargestellten Ursprungsgeometrie der Flügel 11 im Vergleich zu der mit strichpunktierten Linien dargestellten verformten Ausdehnung gemäß Bezugszeichen 11a ersichtlich Ist. Man erkennt, dass die Flügel 11 in entlastetem Zustand einen sichelförmigen Verlauf aufweisen (5) und darüber hinaus entgegen der Anströmrichtung A1 aus der Vertikalen geneigt sind, was als Hang bezeichnet wird, siehe 4.
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Bei Anströmung derartig ausgerichteter Flügel 11 durch eine Wasserströmung in Anströmrichtung A1 erzeugen, wie es im Detail in 6 dargestellt ist, die Schubkräfte am freien, sichelförmigen und um r von der Normalachse beabstandeten Ende des Flügels ein Torsionsmoment am Flügelfuß 110, dem der Flügel 11 wie mit 11a angedeutet elastisch ausweicht. Im Ergebnis wird dadurch die Steigung des Flügels abhängig von den aus der Wasserströmung resultierenden hydrodynamischen Kräften erhöht und entsprechend der Anströmwinkel verringert, so dass es zu einer selbsttätigen Begrenzung der an den Flügeln anliegenden Kräfte und Momente kommt.
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Die in der 4 zur Verdeutlichung übertrieben dargestellte maximale Verformung der Flügel 11 kann dabei durch innerhalb der Flügel angeordnete Verstärkungseinlagen, beispielsweise zugfeste Faserlagen begrenzt werden, um die mögliche elastische Verformung wirksam zu begrenzen.
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Neben der aus der 5 ersichtlichen primär erfolgenden Torsion der Flügel 11 kann auch eine Biegung und/oder eine mehrachsige oder dreidimensionale Verformung der Flügel 11 zur gewünschten Erhöhung der Steigung hervorgerufen werden.
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So ist aus der 4 in Verbindung mit 7 ersichtlich, dass bei Rotation der Flügel 11 um den Läufer 10 mit einer Drehzahl w eine Zentrifugalkraft FZ auftritt, die sich infolge des bereits erläuterten Hangs der Flügel 11 in eine Normalkraft FN und eine Biege-Querkraft FQ zerlegen lässt. Die Biege-Querkraft FQ biegt den Flügel, wie aus 4 anhand der strichlierten Linien 11a ersichtlich, in Anströmrichtung A1 zurück, wodurch ebenfalls die Steigung der Flügel 11 erhöht und die Anströmwinkel verringert wird, so dass es zu einer selbsttätigen Begrenzung der Kräfte und Momente an den Flügeln 11 kommt.
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Alternativ zu der vorangehend erläuterten Formgebung der Flügel 11 können auch anisotrope Materialien, d. h. bereichsweise weichere und demgegenüber höhere Steifigkeit aufweisende Materialien, z. B. entsprechende Fasern zur Anwendung kommen.
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Die Darstellungen gemäß 8, 9a und 9b zeigen einen Flügel 11, der bereichsweise durch Fasern hoher Steifigkeit 7 verstärkt ist. Bei einem solchen Flügel 11 wird somit die neutrale Faser außerhalb des Flächenschwerpunktes angeordnet, um in Abhängigkeit von den anliegenden Kräften und Momenten eine Steigungserhöhung und Verringerung des Anströmwinkels zu bewirken.
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Es ist somit im Rahmen der Erfindung nicht nur vorgesehen, die hydrodynamischen Kräfte für die elastische Verformung der Flügel 11 zu nutzen, sondern es können auch die bei dem rotierenden Umlauf der Flügel 11 am rotierenden Läufer 10 auftretenden Zentrifugalkräfte genutzt werden, um zumindest teilweise in Richtung der hydrodynamischen Kräfte der Wasserströmung zu wirken und insofern ebenfalls eine Verformung der Flügel 11 zu bedingen. Diese durch den Umlauf der Flügel 11 hervorgerufenen Zentrifugalkräfte können überdies durch gezieltes Anbringen von Ballastgewichten bzw. zusätzlichen Massen an den Flügeln 11 beeinflusst bzw. erhöht werden, wobei es z. B. auch möglich ist, die Flügel aus einem für die gewünschte elastische Verformbarkeit geeigneten Kunststoffverbundmaterial herzustellen, und die Flügelenden, d. h. die dem Rotor 10 abgewandten Bereiche derselben durch ein kavitationsresistentes Material bzw. einen entsprechenden Überzug auszubilden, wodurch aufgrund der erhöhten Masse auch die Zentrifugalkräfte gezielt beeinflusst bzw. gefördert werden können.
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Da die gewünschte Verformung der Flügel 11 unter Erhöhung der Steigung und Verringerung des Anströmwinkels elastisch erfolgt, stellen sich die verformten Flügel bei einem Rückgang der anliegenden Kräfte und Momente selbsttätig wieder in ihre Ursprungskonfiguration zurück, ohne das es zusätzlicher Mittel hierfür bedarf. Insoweit ist das erfindungsgemäße Wasserströmungskraftwerk vollständig selbsttätig gegen auftretende Kräfte geschützt.
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Selbstverständlich kann im Rahmen der Erfindung auch vorgesehen sein, motorische Elemente zur Unterstützung der Rückstellung noch vorzusehen, insbesondere wenn die elastische Verformung der Flügel in ihrem am rotierenden Läufer 10 befestigen Fußbereich 110 gemäß 5 erfolgt und z. B. eine Verschwenkung der Flügel in Richtung der Fahnenstellung bewirkt wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008051370 A1 [0003]
