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Wasserkraft ist eine der verbreitetesten Energiequellen aus dem Bereich der Erneuerbaren Energien. Die Nutzung dieser Energiequelle zur Erzeugung elektrischer Energie beschränkt sich jedoch dennoch bislang vorwiegend auf offene Gewässer wie Fließgewässer oder Stauseen. Eine Nutzung der Lage- und Bewegungsenergien der in Abwasserkanälen fließenden Abwässer erfolgt bislang in nur sehr eingeschränktem Maße – und dies, obwohl diese Energieformen nahezu kostenlos, zu allen Tages- und Jahreszeiten und ohne erkennbare Beeinträchtigungen von Natur und Umwelt nutzbar wären.
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Eines der Hauptprobleme bei der Nutzung dieser Energieformen in Abwässern ergibt sich jedoch durch besondere Gegebenheiten in Abwässern, insbesondere durch in der Regel mitgeführtes Geschiebe wie Sand, Laub, Steine oder auch größeren Störobjekten. Für einen störungsfreien Langzeitbetrieb eines Abwasserkanals ist es daher wesentlich, dass sich derartige Geschiebe und Störobjekte nirgendwo in größerem Umfange anlagern können oder gar einen Kanal blockieren. Weitere Besonderheiten ergeben sich aus oftmals stark schwankenden Wasserständen sowie in der Regel geringen verfügbaren Fallhöhen.
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Stand der Technik
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Aus dem Stand der Technik sind daher derzeit im Wesentlichen nur Anlagen zur Erzeugung elektrischer Energie aus Lage- oder kinetischer Energie im Einsatz, die spezielle Sondersituationen, z. B. sehr hohe Fallhöhen, vorgereinigte Abwässer oder das Vorhandensein spezifischer baulicher Situationen, nutzen.
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So ist aus der
DE 29 709 863 U1 eine Anordnung zur Energieerzeugung aus Abwasser bekannt, die im Kern ein Wasserrad mit einer als Mantel ausgestalteten, verstellbaren Teilumhüllung darstellt.
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Nachteilig bei dieser und ähnlichen Anordnungen ist jedoch, dass eine sehr hohe Wahrscheinlichkeit besteht, dass Störobjekte, wie sie in Abwasserkanälen regelmäßig zu erwarten sind, beispielsweise Äste oder weggeworfene Metallgegenstände, sich entweder vor, in oder in Nähe der Schaufeln des Schaufelrades verkeilen, wodurch Störungen im Betrieb des Wasserrades bis hin zu einem Verstopfen des Kanals die Folge sein können.
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Durch Verwendung eines Rechens zur Aussiebung derartiger Störobjekte, bevor diese an das Wasserrad gelangen können, kann zwar zumindest bei größeren Störobjekten dieses Risiko des Verkeilens gesenkt werden. Jedoch müssen in diesem Falle derartige Rechen regelmäßig kontrolliert und gegebenenfalls gereinigt werden. Daher kann ein solcher Rechen nur in wenigen, sehr gut zugänglichen Abschnitten eines Abwasserkanals angebracht werden. Durch diesen zusätzlichen Wartungsaufwand entstehen zudem dauerhaft über die gesamte Nutzungsdauer der Anlage hinweg zusätzliche, für einen wirtschaftlich sinnvollen Betrieb besonders nachteilige Wartungskosten.
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Auch können aus wirtschaftlichen Gründen heraus derartige Wasserräder in der Regel nur eingesetzt werden, wenn bereits der Verlauf des Abwasserkanals eine Stufung aufweist. Anderenfalls sind für einen nachträglichen Einbau eines derartigen Wasserrades beziehungsweise die Schaffung eines gestuften Verlaufs deutlich erhöhte Umbaukosten einzukalkulieren.
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Ähnliche Nachteile ergeben sich auch aus der aus
DE 10 2008 004 583 A1 ergebenden Anordnung einer Abwasserkraftwerk-Turbine, insbesondere der Nachteil, dass zwar kleinere Feststoffe des Abwassers erfindungsgemäß über eine Transportschnecke an dem Wasserrad vorbei geleitet werden können. Größere Störobjekte führen jedoch auch bei dieser Anordnung mit hoher Wahrscheinlichkeit zu einem Verstopfen oder Verklemmen. Auch ist davon auszugehen, dass das in einem geschlossen vorgefertigten System befindliche Wasserrad beziehungsweise dessen Schaufeln bei dauerhaftem Betrieb verzopft und daher gewartet werden muss, was durch das erfindungsgemäß gegebene geschlossene System deutlich erschwert und dadurch in besonders nachteiliger Weise mit höheren Kosten verbunden ist.
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Aus der
DE 21 28 178 A ist ferner eine wellenlose Strömungsmaschine bekannt, die auch für einen Einsatz als Turbine bei viskosen oder breiigen Flüssigkeiten geeignet sein soll. Da in dieser Anordnung jedoch vorgesehen ist, innerhalb des flüssigkeitsdurchströmten Raumes Schaufeln sowie einen zentral angeordneten Strömungskörper zu verbauen, ist besonders nachteilig, dass auch hier Störobjekte ab einer Mindestgröße nicht durch die Turbine hindurch gelangen können, wodurch es zu Behinderungen der Strömung, zu unerwünschtem Aufstauen oder gar zu einer besonders nachteiligen und mit hohen Kosten verbundenen Verstopfung des Kanals kommen kann.
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Vorteile der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Turbine mit den Merkmalen des ersten Anspruches, die ein Schaufelrad mit wenigstens einem Schaufelblatt aufweist, hat demgegenüber den Vorteil, dass höchstens die Hälfte der inneren Querschnittsfläche des erfindungsgemäßen Schaufelrades der Turbine von dem wenigstens einen Schaufelblatt überdeckt ist. Besonders vorteilhaft ist dabei, dass bei dieser erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Turbine wenigstens die Hälfte der Querschnittsfläche frei bleibt und so auch für größere anströmende Störobjekte genügend Freiraum zur Verfügung steht. Dadurch können auch derartige größere Störobjekte nahezu ungehindert durch die Turbine hindurch gelangen.
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Wird daher eine derartige Turbine in einem von einem Fluid, beispielsweise von Abwasser, durchströmten Kanal verwendet, kann mechanische Energie diesem Abwasser ohne die genannten Risiken einer Strömungsbehinderung oder gar einer Verstopfung des Kanals entzogen werden. Sofern gewünscht, kann diese entzogene mechanische Energie in andere Energieformen, beispielsweise in elektrische Energie, umgewandelt werden, wodurch sich auf sehr einfache Weise dezentrale, umweltfreundliche Energieversorgungssysteme aufbauen lassen.
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Vorteilhaft ist dabei auch, dass es die erfindungsgemäße Anordnung ermöglicht, sowohl bei niedrigen als auch hohen Wasserständen betrieben zu werden. Darüber hinaus ermöglicht es diese Turbine sowohl lage- als auch kinetische Energie des Fluidstroms auszunutzen.
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Weitere vorteilhafte Einsatzgebiete der erfindungsgemäßen Turbine ergeben sich darüber hinaus dadurch, dass diese Turbine eine sehr gute Fischgängigkeit aufweist, da Fische und andere Lebewesen analog wie zuvor für den Fall von Störobjekten beschrieben einfach und unbeschadet durch die Turbine hindurch gelangen können. Fischtreppen oder ähnliche Einrichtungen sind daher nicht notwendig, wodurch sich sowohl Kostenreduzierungen als auch zusätzliche Einsatzgebiete auch in sonstigen Fließgewässern wie Bächen oder Flüssen ergeben.
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Aufgrund der kompakten Bauform kann zur weiteren Erhöhung des Gesamtwirkungsgrades auf einfache und besonders vorteilhafte Weise eine Anordnung mehrerer nacheinander gelegener erfindungsgemäßer Turbinen vorgesehen werden.
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Ferner ist es vorteilhaft, dass das Schaufelrad fliegend oder Schmiermittel-frei gelagert wird, da hierdurch insbesondere der Einsatz von zumeist umweltunverträglichen Schmierstoffen vermieden wird, wodurch sichergestellt werden kann, dass es zu keinen unerwünschten Verunreinigungen des Fluids, speziell von Abwasser, durch den Betrieb der Turbine kommen kann.
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Besondere Vorteile ergeben sich darüber hinaus, wenn das Schaufelrad aus mehreren Einzelkomponenten gebildet ist. Dadurch wird es möglich, die Turbine auch nachträglich in Kanäle unterschiedlichster Größe, insbesondere auch in enge Kanalabschnitte, einzubauen, indem in einem ersten Schritt erst die Einzelkomponenten in den Kanalabschnitt einzeln eingebracht und positioniert werden können und in einem zweiten Schritt erst miteinander dauerhaft, z. B. mittels Verschraubungen, verbunden werden.
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Wird eine Turbine mit einem Generator ausgebildet, der ein konstantes oder wechselndes Drehmoment mittelbar oder unmittelbar auf das Schaufelrad ausübt, beispielsweise in dem er mit Hilfe einer externen elektrischen Stromquelle als Motor betrieben wird, so ermöglicht dies, eventuell angestautes Geschiebe, Schwebstoffe oder kleinere, möglicherweise an Teilen der Turbine verklemmte, Störobjekte in Bewegung zu setzen und dadurch von der Turbine durch eine Rüttelbewegung loszulösen. Auf diese Weise und durch ähnliche aktive Bewegungen des Schaufelrades kann daher in besonders vorteilhafter Weise eine wirksame Selbstreinigungswirkung entfaltet werden.
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Ist das wenigstens eine Schaufelblatt in Länge, Höhe oder Breite veränderbar ausgestaltet, so ermöglicht dies in vorteilhafter Weise, beispielsweise in Abhängigkeit von Strömungsbedingungen oder der Abwasserhöhe, die Form und Ausrichtung des Schaufelblattes zur Verbesserung der Energieausnutzung an die jeweilige Situation anzupassen.
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Ebenso kann das Strömungsverhalten und damit die Energieausnutzung verbessert werden, in dem das Schaufelblatt ein Gelenk aufweist. Ist zudem die Dichte des Schaufelblattes geringer als die des umgebenden Fluids, so wird das Schaufelblatt im Fluid, beispielsweise im Abwasser, aufgetrieben, so dass es sich in besonders vorteilhafter Weise selbsttätig der jeweiligen Wasserhöhe anpasst.
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Ist das wenigstens eine Schaufelblatt an der dem Schaufelrad abgewandten Seite im Wesentlichen in tangentialer Richtung auslaufend ausgebildet, so kann dadurch das Risiko eines Einklemmens von Störobjekte in der Turbine weiter vermindert werden.
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Wird das Schaufelblatt spiralförmig ausgebildet, so kann hierdurch ein besonders langer Kontakt des Fluids mit dem wenigstens einen Schaufelblatt ermöglicht werden, so dass hierdurch der Impulsübertrag vom Fluid auf das Schaufelblatt und damit der Gesamtwirkungsgrad der Turbine weiter verbessert werden kann.
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Ferner ist vorgesehen, dass die erfindungsgemäße Turbine wenigstens zwei Schaufelräder aufweist, da hierdurch insbesondere bei längeren Schaufelblättern eine gute Lagerung und damit ein verkantungsfreier, reibungsarmer Lauf der Schaufelblätter und somit der Schaufelräder innerhalb des Kanals ermöglicht wird.
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Aufgabe der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Turbine zum Einsatz in einem Fluid-durchströmten Kanal, beispielsweise einen Abwasserkanal, zur Verfügung zu stellen, die kostengünstig hergestellt werden kann, die eine einfache und kostengünstige Installation sowohl bei einer Ersterrichtung eines Kanals als auch bei einem nachträglichen Einbau ermöglicht und die einen Weitertransport möglicherweise im Fluid enthaltener Störobjekte in möglichst geringem Ausmaß beeinträchtigt.
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Die Erfindung löst die oben genannten und weiteren Aufgaben durch die Merkmale des ersten Anspruchs.
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Kurzbeschreibung der Figuren
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In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung angegeben. Die Ausführungsbeispiele werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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1 zeigt an einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung einen Kanalabschnitt im Querschnitt mit einer erfindungsgemäßen Turbine,
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2 zeigt an einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung ein Schaufelrad einer erfindungsgemäßen Turbine mit 18 Schaufelblättern von vorne betrachtet,
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3 zeigt an einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung einen Teilausschnitt einer Turbine im Querschnitt mit einem Schaufelblatt, das ein Gelenk aufweist und
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4 stellt an einem Ausführungsbeispiel einen Kanalabschnitt im Querschnitt mit einer erfindungsgemäßen Turbine mit zwei Schaufelrädern dar.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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Ein wesentlicher Grundgedanke der Erfindung ist es, für einen Fluid-durchströmten Kanal eine Turbine darzustellen, die entlang der Fließrichtung des Fluids angeordnet ist und die möglichst großflächig im Bereich der Längsachse des Kanals offen gestaltet ist, so dass auch größere, im Fluid transportierte Störobjekte, mittransportierte Fische oder dergleichen diese Turbine nahezu ungehindert durch die Turbine durchströmen können, wobei insbesondere durch die Anordnung der Turbine auch keine zusätzlichen, in der Regel strömungsbehindernden Kurven im Strömungsverlauf erforderlich sind. Gleichzeitig ist Teil dieses Grundgedankens, dass durch eine geeignete Anordnung von wenigstens einem Schaufelblatt sowie durch eine geeignete Gesamtgeometrie der Turbine ein Geschwindigkeitsprofil von der Längsachse an den unteren Rand des Kanals hin oder – je nach Füllungsgrad des Kanals – Kanalumfassend radial nach außen bis zum inneren Kanalrand hin auch in diesem inneren Bereich im Fluidstrom erzeugt werden kann, der einen Energieübertrag aus diesem Bereich um die Längsachse des Kanals herum zum äußeren Rand und dadurch zu Schaufelblättern der Turbine hin ermöglicht.
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Die erfindungsgemäße Turbine zeichnet sich dabei dadurch aus, dass sie grundsätzlich in jeder Art Kanal, Rohrsystem oder Fließgewässer einsetzbar ist, in dem ein Fluid transportiert wird, so zum Beispiel in Kanälen beziehungsweise Rohrsystemen zum Frisch- oder Abwassertransport als auch in Kanälen beziehungsweise Rohrsystemen zum Transport von sonstigen wasserhaltigen als auch nicht-wasserhaltigen Fluiden.
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Ebenso ist es vorgesehen, die erfindungsgemäße Turbine in Kanälen beliebigen Querschnitts, beispielsweise runden, rechteckigen oder ovalen Querschnitts oder veränderlichen Querschnitts, beliebiger Form, insbesondere in Kanalabschnitten mit geradlinigem oder kurvigen Verlauf, und beliebigen Materials, beispielsweise gefertigt aus Beton, Stahl, Kupfer oder Kunststoff oder Kombinationen hieraus, einzusetzen.
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In den folgenden Ausführungsbeispielen wird beispielhaft von einem unterirdisch verlaufenden, Abwasser-führenden Kanal mit kreisförmigem Querschnitt ausgegangen, in den eine erfindungsgemäße Turbine integriert ist.
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In 1 ist bei einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung ein Kanal 2 dargestellt, durch den Abwasser 3 in der durch Pfeile markierten Fließrichtung fließt. In diesem Beispiel ist der Kanal 2 zur Hälfte mit Abwasser 3 befüllt. Je nach Zeitpunkt und äußeren Umständen schwankt in diesem Beispiel dieser Wasserstand zwischen völliger Leere beziehungsweise Trockenlegung des Kanals und Vollbefüllung. Ferner treten Störobjekte in diesem Abwasser 3 auf, von denen ein Störobjekt 11 in der Figur dargestellt ist. übliche in Abwasserkanälen oftmals enthaltene Störobjekte sind dabei zum Beispiel von der Oberfläche mitgerissene Hölzer, in das Abwasser von nicht weiter dargestellten Kanalnutzern eingebrachte größere oder kleinere Abfälle bis hin zu größeren Gegenständen, beispielsweise alte Fahrradteilen oder dergleichen.
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In der Figur ist ferner eine in Fließrichtung des Abwassers 3 angeordnete erfindungsgemäße Turbine 1 dargestellt. Diese weist entlang der Fließrichtung gesehen vor und hinter der Turbine 1 an der Wand des Kanals angeordnete Leitbleche 13 auf, die ausgestaltet sind, den Abwasserstrom strömungsoptimiert auf Schaufelblätter 4 zu leiten. In diesem Ausführungsbeispiel sind dabei vier Schaufelblätter 4 vorgesehen, die jeweils um 90 Grad versetzt auf einem Schaufelrad 5 angeordnet sind. In weiteren Ausführungsbeispielen ist vorgesehen, je nach strömungs- und kostentechnisch gewünschter Gestaltung ein, zwei oder eine Vielzahl Schaufelblätter 4 auszubilden.
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Die Schaufelblätter 4 weisen in diesem Ausführungsbeispiel eine solche Höhe auf, dass ihre zur Längsachse des Kanals 2 gelegenen Ränder einen Abstand vom Rand des Kanals 2 aufweisen, der etwa 10 Prozent des Durchmessers des Kanals 2 beträgt. Dadurch sind etwa 80 Prozent der Querschnittsflächenhöhe nicht durch Schaufelblätter 4 überdeckt, dadurch entspricht die Gesamtfläche der von den Schaufelblättern 4 überdeckten Querschnittsfläche weniger als der Hälfte der inneren Querschnittsfläche des Schaufelrades 5. In diesem nicht überdeckten, inneren Bereich kann daher das Abwasser 3 nahezu ungehindert durch das Schaufelrad 5 beziehungsweise die Turbine 1 hindurch strömen.
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Das Schaufelrad 5 erstreckt sich im Wesentlichen über die gesamte Höhe des Kanals 2 und ist in diesem fliegend gelagert. Diese fliegende Lagerung wird dabei in diesem Ausführungsbeispiel mittels mehrerer entlang der Kanalwand angeordneter, an der entlang der Fließrichtung gesehen vorderen Seite des Schaufelrades 5 befindlicher Lager 7 sowie einem an der hinteren Seite des Schaufelrades 5 angreifenden, an einer Antriebswelle 8 befindlichen Kegelzahnrad hergestellt. Dazu weisen die Lager 7 jeweils eine Kugel auf, die wiederum in eine entsprechend am Schaufelrad 5 vorgesehene, das Schaufelrad 5 umlaufende Profilierung greifen. Auf der hinteren Seite des Schaufelrades 5 ist außenseitig eine Außenverzahnung 6 eingearbeitet, in die das Kegelzahnrad eingreift und dadurch einerseits die Position des Schaufelrades 5 als fliegende Lagerung zusätzlich fixiert als auch Drehbewegungen des Schaufelrades 5 abgreifen und über die Antriebswelle 8 übertragen kann. Dabei sind Zahnabstände, -anzahlen und -größen der Außenverzahnung so gewählt, dass sich eine Übersetzung der Rotationsgeschwindigkeiten des Schaufelrades 5 zu der Rotationsgeschwindigkeit der Achse 8 ergeben, so dass die Rotation der Achse 8 einen Betrieb eines Stromgenerators auch schon bei geringen Rotationsgeschwindigkeiten des Schaufelrades 5, beispielsweise eine Übersetzung von 1:500, ermöglicht.
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In der 1 ist ferner ein als Dynamomaschine ausgestalteter elektrischer Generator 9 dargestellt, der mit der Antriebswelle 8 mechanisch verbunden und von dieser angetrieben wird. Der Generator 9 ist ferner elektrisch mit einer Steuereinheit 10 verbunden. Die Steuereinheit 10 ist ferner mit einem nicht näher dargestellten Anschluss an ein örtliches elektrisches Stromnetz verbunden.
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In dieser erfindungsgemäßen Ausgestaltung erzeugt der Strom des Abwassers 4 quer zur Fließrichtung gerichtete Kräfte auf die Schaufelblätter 4, so dass das Schaufelrad 5 in Rotation versetzt wird. Diese Rotationsenergie wird mittels des Generators 9 in pulsierenden elektrischen Gleichstrom umgewandelt. Dieser pulsierende Gleichstrom wird in die Steuereinheit 10 übertragen und dort mittels an sich bekannter Vorrichtungen stabilisiert und in an das örtliche Stromnetz frequenz-, spannungs- und phasenangepassten Wechselstrom umgewandelt und in das örtliche elektrische Stromnetz eingespeist.
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In einer alternativen Ausgestaltung ist vorgesehen, anstelle einer Einspeisung von Wechselstrom in das örtliche Stromnetz eine Anschlussmöglichkeit einzurichten, an die oberirdisch ein elektrisch betriebenes Fahrzeug angeschlossen werden kann und durch die auf an sich bekannte Weise eine in diesem Fahrzeug enthaltener Stromspeicher wieder aufgeladen werden kann.
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Erfindungsgemäß löst der Generator 5 in zeitlicher Regelmäßigkeit oder in Abhängigkeit von externen Parametern, wie beispielsweise Höhe des Abwassers 3, Geschwindigkeit des Abwassers 3, Umlaufgeschwindigkeit des Schaufelrades 5 oder Nähe wenigstens eines Störobjekts 11 zur Turbine 1, eine Rüttelbewegung der Turbine 1 aus. In einer vorteilhaften Ausgestaltung entzieht in regelmäßigen zeitlichen Abständen, beispielsweise einmal pro Tag, die Steuereinheit 10 dem örtlichen elektrischen Stromnetz Energie und überträgt diese in Form eines elektrischen Impulses auf den Generator 9, so dass dieser in diesem Falle als Motor fungiert und kurzzeitig auf das Schaufelrad 5 ein Drehmoment ausübt und dadurch die Schaufelblätter 4 antreibt. Dabei wechselt die Steuereinheit die Polarität des Impulses in rascher Abfolge, so dass sich ein wechselndes Drehmoment und damit eine Rüttelbewegung des Schaufelrades 5 ergeben. Eventuell am Schaufelrad 5 oder den Schaufelblättern 4 befindliche Störobjekte können durch diese Rüttelbewegung losgelöst und vom Abwasser 3 fortgeschwemmt werden, wodurch eine automatische Selbstreinigung und ein weitgehend wartungsfreier Betrieb ermöglicht wird.
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In weiteren alternativen Ausgestaltungen ist vorgesehen, den elektrischen Impuls so zu gestalten, so dass sich ein oder mehrere längere konstante Drehmomente und damit entsprechende längere Drehbewegungen des Schaufelrades 5 anstelle der Rüttelbewegung ergeben, so dass eventuell am Schaufelrad 5 oder den Schaufelblättern 4 befindliche Störobjekte 11 aus der ursprünglichen Position herausgebracht werden und sich loslösen beziehungsweise abfallen und durch den Abwasserstrom weggeschwemmt werden.
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In weiteren alternativen Ausgestaltungen ist vorgesehen, dass anstelle einer zeitlichen bedingten Auslösung dieser Selbstreinigungswirkung ein oder mehrere zusätzliche, nicht weiter dargestellte Sensoren in die Steuereinheit 10 integriert sind, die einen oder mehrere externe Parameter, wie beispielsweise Höhe des Abwassers 3, Geschwindigkeit des Abwassers 3, Umlaufgeschwindigkeit des Schaufelrades 5 oder Nähe wenigstens eines Störobjekts 11 zur Turbine 1 als Signal erfassen, so dass die Steuereinheit bei Überschreiten eines vorab definierten Grenzwertes in Bezug auf diesen oder diese externen Parameter wie oben beschrieben eine Ausübung von Drehmomenten auf das Schaufelrad 5 auslöst.
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Erfindungsgemäß ist eine weitere alternative Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, bei der das Schaufelrad 5 aus zwei jeweils halbkreisförmigen Einzelkomponenten gebildet ist, die sich an zwei Kontaktflächen berühren und die an diesen beiden Kontaktflächen dauerhaft miteinander verbunden sind. Alternative Ausgestaltungen sehen dabei vor, dass diese Verbindungen entweder lösbar, beispielsweise durch Schraubverbindungen, oder unlösbar, beispielsweise durch Verschweißungen, ausgebildet sind. Diese alternativen Ausgestaltungen ermöglichen einen besonders einfachen, auch nachträglichen Einbau der erfindungsgemäßen Turbine 1 selbst in engere Kanäle 2, in dem zuerst alle äußeren Teile wie die Leitbleche 13, die Lagerungen 7, der Generator 9 sowie die Steuereinheit 10 im Kanal 2 montiert werden. Anschließend werden nacheinander beide Einzelkomponenten positioniert und miteinander verbunden. Durch die Zerlegung des Schaufelrades 5 in zwei oder mehrere Einzelkomponenten ist dieser schrittweise Zusammenbau an der endgültigen Position der Turbine 1 aufgrund der kleineren Baugröße jeder einzelnen Einzelkomponente gegenüber einem monolithisch gebildeten Schaufelrad 5 weiter vereinfacht.
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Eine alternative Nutzung der erfindungsgemäßen Turbine mit dem Einsatzzweck als Pumpe stellt eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dar und erschließt sich dem Fachmann durch einfache Umkehrnutzung des Generators als Elektromotor oder durch Ersatz des Generators durch ein elektrisches, mechanisches oder durch ein sonstiges, durch übliche Energieformen wie Öl oder Gas betriebenes Motorelement. Dies ermöglicht einen Pumpbetrieb auch für Fluide, bei denen davon auszugehen ist, dass lebende oder nicht-lebende Störobjekte im Fluidstrom mittransportiert werden.
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In 2 ist für eine weitere alternative Ausgestaltung der Erfindung ein Schaufelrad 5 mit insgesamt 18 Schaufelblättern 4 dargestellt. Dabei sind die Schaufelblätter 4 an der dem Schaufelrad 5 abgewandten, im Inneren gelegenen Seite im Wesentlichen in tangentialer Richtung auslaufend ausgebildet.
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Diese im Wesentlichen tangentiale Richtung ist dabei zur Verdeutlichung durch eine gestrichelte Kreislinie hervorgehoben.
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In diesem Ausführungsbeispiel berühren sich die Schaufelblätter 4 an ihren inneren Seite nicht.
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Diese Ausgestaltung der Schaufelblätter 4 verringert die Wahrscheinlichkeit eines Festklemmens von Störobjekten 11 und ermöglicht auch eine Verringerung der Verletzungsgefahr beispielsweise für durch das Schaufelrad 5 hindurch schwimmende Fische.
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In diesem Ausführungsbeispiel weisen die Vorder- und Rückseiten der Schaufelblätter 4 entlang der Fließrichtung unterschiedlich starke Krümmungen auf, so dass sich durch die Strömung des Abwassers 3 an zumindest einigen Schaufelblättern 4 zumindest teilweise Bernoulli-Kräfte entwickeln, durch die das Schaufelrad 5 angetrieben wird.
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In weiteren alternativen Ausgestaltungen ist vorgesehen, zur Optimierung des Wirkungsgrades der Turbine 1 andere, auf die Strömungsverhältnisse im Kanal 2 angepasste Schaufelblattgeometrien vorzusehen. Insbesondere ist auch vorgesehen, längliche Schaufelblätter 4 zu verwenden, die in Fließrichtung über die Gesamtlänge der Schaufelblätter 4 hinweg gekrümmt sind und dadurch den Abwasserstrom quer zur Fließrichtung ablenken, so dass in diesem Falle auf die Schaufelblätter 4 anstelle von Bernoullikräften vorrangig Antriebskräfte aufgrund des ausgelösten Gegenimpulses des in Querrichtung beschleunigten Abwassers 3 einwirken.
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In 3 ist noch eine weitere Ausgestaltung einer Turbine dargestellt. Dabei ist vorgesehen, dass die Schaufelblätter 4 mittels eines quer zur Fließrichtung des Abwassers 3 drehbaren Gelenkes 12 am Schaufelrad 5 drehbar befestigt sind. In besonders vorteilhaften Ausgestaltungen der Erfindung ist dabei zusätzlich vorgesehen, dass die Schaufelblätter 4 eine Dichte aufweisen, die geringer als die Dichte des umgebenden Abwassers 3 ist. Dies wird in unterschiedlichen alternativen Ausführung erreicht, in dem ein Material geringer Massendichte verwendet wird, die Schaufelblätter 4 hinreichend große, wasser- und gasdicht versiegelte, luftgefüllte Hohlräume aufweisen oder zusätzliche, nicht weiter dargestellte Schwimmer aus Material geringer Massendichte an den Schaufelblättern 4 angebracht sind. Dadurch wird erreicht, dass die Schaufelblätter 4 in Abhängigkeit vom Füllungsgrad des Kanals 2 selbsttätig in den ansonsten freien Innenbereich des Schaufelrades 5 ausgelenkt werden, wodurch die Nutzung der kinetischen Energie des Abwassers 3 weiter optimiert wird. Gleichzeitig kann ein größeres Störobjekt 11 aufgrund seiner höheren Masse und Trägheit ein Schaufelblatt 4 bei Bedarf entlang der Drehrichtung des Gelenks zur Seite schieben beziehungsweise drücken, wodurch ein solches Störobjekt noch weniger Behinderungen beim Durchströmen der Turbine 1 ausgesetzt ist.
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Es ist für weitere alternative Ausgestaltungen vorgesehen, dass auf die Schaufelblätter 4 ein strömungsgünstig geformtes hülsenförmiges Gehäuse übergestreift ist, das ebenfalls eine Dichte aufweist, die geringer ist als die des umgebenden Abwassers 3. Auf diese Weise wird erzielt, dass sich die Länge des Schaufelblattes 4 je nach Füllungsgrad des Kanals 2 selbsttätig verlängert beziehungsweise verkürzt, wodurch bei gleichzeitiger Minimierung der Behinderung möglicher Störobjekte 11 die Ausnutzung der in dem Abwasserstrom enthaltenen kinetischen Energie und damit der Leistung der Turbine 1 weiter verbessert wird.
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In alternativen Ausführungen der Erfindung ist ferner vorgesehen, die Position von Schaufelblättern 4 und/oder von Leitblechen 13 mittels eines oder mehrerer Steuerungselements, beispielsweise mittels elektrischer Stellmotoren, und durch Messung und Auswertung externer Parameter wie beispielsweise Strömungsgeschwindigkeit oder Füllungsgrad des Kanals 2, den jeweiligen Strömungsverhältnissen anzupassen und dadurch den Wirkungsgrad des Gesamtsystems zusätzlich zu verbessern.
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4 zeigt eine weitere alternative Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Turbine 1. Diese Ausgestaltung weist dabei zwei wesentlich von einander beabstandete Schaufelräder 5, beispielsweise im Abstand von mehreren Metern, auf. Diese sind auf im Wesentlichen zu den vorangehenden Darstellungen analoge Weise fliegend gelagert, wobei an einem der beiden Schaufelräder 5, in diesem Beispiel an dem in Fließrichtung hinteren Schaufelrad 5, der Generator 8 angreift, der mit der Steuereinheit 10 verbunden ist. Ebenso sind in dieser Ausgestaltung analog zu den vorangehenden Darstellungen Leitbleche 13 vorgesehen. Diese sind jedoch zur Vereinfachung der Darstellung nicht weiter in der Figur abgebildet.
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In dieser Ausgestaltung weisen die Schaufelräder 5 zwei gemeinsame Schaufelblätter 4 auf, über die sie miteinander lösbar – oder gemäß einer alternativen Ausgestaltung unlösbar fest verbunden sind. Diese Schaufelblätter 4 sind auf jedem der beiden Schaufelbläter 5 an jeweils gegenüberliegenden Bereichen des jeweiligen Schaufelrades 5 befestigt. Aus Darstellungsgründen ist dabei die Verbindung der Schaufelräder 5 durch diese Schaufelblätter 4 nur für eines der beiden Schaufelblätter 4 dargestellt.
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Diese Schaufelblätter 4 sind spiralförmig mit jeweils einer halben Windung in gleicher Richtung gewunden, so dass weitgehend unabhängig vom Füllungsgrad des Kanals 2 zu jedem Zeitpunkt wenigstens ein Teilstück wenigstens eines dieser beiden Schaufelblätter 4 das Abwasser 3 kontaktiert, so dass ein Einsatz dieser Turbine 1 auch bei unterschiedlichen oder zeitlich schwankenden Wasserständen ermöglicht wird.
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Wird diese erfindungsgemäße Turbine 1 nun von Abwasser 3 durchströmt, so ergibt sich über die Dauer der Durchströmung einer betrachteten Teilmenge des Abwasser 3 eine vorteilhafte, wesentlich verlängerte Kontaktdauer dieses Abwasseranteils mit dem jeweiligen Schaufelblatt 4. Dadurch kann der Gesamtimpulsübertrag des Abwasseranteils auf die Schaufelblätter 4 wesentlich erhöht werden. Ebenso wird durch die längere Kontaktdauer der Impulsübertrag von nahe der Längsachse des Kanals 2 fließenden Abwassers nach unten beziehungsweise auf weiter außen befindliche Wasserschichten verbessert, was zusätzlich zu einer Steigerung der dem Abwasser entnommenen mechanischen Leistung beiträgt. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung, insbesondere der Schaufelblätter 4, wird dieser Nutzen bei gleichzeitig geringem Materialbedarf und somit geringen Kostenaufwänden erzielt.
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In weiteren alternativen Ausführungen ist es ferner vorgesehen, anstelle dieser zwei Schaufelblätter 4 ein einziges oder mehr als zwei derartiger Schaufelblätter 4 zu verwenden, wobei diese Schaufelblätter 4 an unterschiedliche Positionen entlang der Schaufelräder 5 angreifen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Turbine
- 2
- Kanal
- 3
- Fluid/Abwasser
- 4
- Schaufelblatt
- 5
- Schaufelrad
- 6
- Außenverzahnung
- 7
- Lagerung
- 8
- Antriebswelle
- 9
- Generator
- 10
- Steuereinheit
- 11
- Störobjekt
- 12
- Gelenk
- 13
- Leitblech
