DE102012012925A1

DE102012012925A1 - Wasserkraftschnecke mit integriertem Ringgenerator

Info

Publication number: DE102012012925A1
Application number: DE201210012925
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-06-28
Filing date: 2012-06-28
Publication date: 2014-01-02

Abstract

Kennzeichnend für die Erfindung ist die integrierte Anordnung eines Ringgenerators (1, 2) an eine Wasserkraftschnecke (3) mit sich drehendem Mantelrohr (4), wobei auf das rotierende Mantelrohr (4) der Wasserkraftschnecke ein Rotorring mit Permanentmagneten (1) fest aufgebracht ist, der an Stator-Segmenten (2) vorbeiläuft. Der Rotorring (1) und die Stator-Segmente (2) werden an das hydraulisch mechanische Potenzial des jeweiligen Wasserkraft-Standortes angepasst. Der wirtschaftliche Nutzen der Erfindung liegt in der direkten Erzeugung von elektrischer Energie durch eine Wasserkraftschnecke mit sich drehendem Mantelrohr (4) ohne eines zwischengeschalteten Getriebes. Ein weiterer wesentlicher wirtschaftlicher Vorteil liegt in der Einsparung von mechanischen Transmissionsverlusten/Getriebeverlusten, wie sie bei herkömmlichen Wasserkraftschnecken bei der Energiewandlung auftreten.

Description

Die Gattung der Wasserkraftschnecken beruht auf dem bekannten Arbeitsprinzip der Umkehr der archimedischen Schraube.
Die vorliegende Erfindung betrifft die Verwendung von einem oder mehreren Ringgeneratoren (1, 2) zur Stromerzeugung im getriebelosen Niedrigdrehzahlbetrieb für Wasserkraftschnecken.
Kennzeichnend für Wasserkraftschnecken ist die funktionsbedingt niedrige Drehzahl von 20 bis 80 1/min und ein daraus resultierend hohes Drehmoment. Zur Transmission auf die Drehzahl des angeschlossenen Elektro-Generators wurden bisher ein- oder mehrstufige Getriebe verwendet.
Durch die Anwendung von einem oder mehreren mehrpoligen Ringgeneratoren (1, 2) mit einem, an dem sich drehenden Mantelrohr (4) der Wasserkraftschnecke (3), befestigten Rotorring (1) und sich gegenüberstehenden mehrpoligen Statorsegmenten (2), welche über den gesamten Außenring oder nur über einen Teil des Außenringes angeordnet sind, ist es möglich auf ein Getriebe ganz zu verzichten.
Die mechanischen Kräfte aus den Stator-Segmenten (2) werden direkt oder indirekt (über Aufständerungen) in die Fundamente (6) eingeleitet.
Vorteil: Auf ein Getriebe zur Transmission der niedrigen Drehzahl der Wasserkraftschnecke auf die erforderlich hohe Drehzahl des Generators kann verzichtet werden.
Vorteil: Gegenüber herkömmlichen Wasserkraftschnecken verfügt die Wasserkraftschnecke (3) mit integrietem Ringgenerator (1, 2) über deutlich weniger bewegliche Bauteile (Verschleißteile), was sich in den Wartungskosten positiv bemerkbar macht.
Vorteil: Durch den Einsatz von mehreren Ringgeneratoren (1, 2), welche sich über die Länge der Wasserkraftschnecke (3) gleichmäßig verteilen, wird das Torsionsmoment im Mantelrohr (4) reduziert, wodurch das Mantelrohr (4) im Durchmesser als auch der Wandstärke optimiert werden kann.
Kennzeichnend für Wasserkraftschnecken ist ein zentrales Versteifungselement, welches die Rotationsbewegung auf den Antriebsstrang (Getriebe) überträgt und an der Zulaufseite zur Weiterleitung der Rotationsbewegung an das Getriebe und den Generator über das Mantelrohr bzw. den Trog übersteht.
Durch die Anwendung von einem oder mehreren mehrpoligen Ringgeneratoren (1, 2), in Kombination mit der Lagerung (5) des sich drehenden Mantelrohres (4) an deren Außenseite an mindestens 2 oder mehr Stellen in der Längsausrichtung der Wasserkraftschnecke (3), wird das zentrale Versteifungselement nicht mehr zur Kraftübertragung und Lagerung benötigt.
Vorteil: Das zentrale Versteifungselement einschl. des zulaufseitigen Überstandes kann entfallen bzw. dient nur noch konstruktiven Zwecken.
Vorteil: Es werden deutlich längere Wasserkraftschnecken (3) möglich. Durch den Einsatz der Erfindung werden insbesondere Wasserkraftstandorte mit großen Fallhöhen > 5 m aber geringen Wasserdargebot < 100 l/s wirtschaftlich Interessant. Ehemalige Wasserkraftstandorte mit einer Leistung unter 10 kW an kleinen Bächen können besser erschlossen werden.
Die Lagerung (5) des sich drehenden Mantelrohres (4) erfolgt vorzugsweise über Wälzlager oder alternativ fettgeschmierte Kunststoffgleitlager (PTFE o. ä.), welche das Mantelrohr (4) an der Außenseite stützen. Die Lager (5) hat die Aufgabe, die auftretenden Vertikal- und Horizontalkräfte in die Fundamente (6) abzutragen.
Kennzeichnend für herkömmliche Wasserkraftschnecken ist der Einsatz von Stahl für das zentrale Versteifungsrohr und die Schneckenflügel.
Durch die Anwendung von einem oder mehreren Ringgeneratoren (1, 2), in Kombination mit der Lagerung (5) der Wasserkraftschnecke (3) an der Außenseite an mindestens 2 oder mehr Stellen in der Längsausrichtung der Wasserkraftschnecke (3), werden die Schneckengänge aus ein oder mehreren in Schneckenlängsrichtung hintereinander liegenden Segmenten (7) aus Metall (Stahlblech, Gusseisen) und/oder vorzugsweise Kunststoff und/oder Leichtmetall sowie Legierungen aus Leichtmetall gebildet, welche untereinander in Längsrichtung form- und kraftschlüssig verbunden sind, sowie mit dem umgebenden Mantelrohr form- und kraftschlüssig verbunden werden. Zur Formstabilität der Schneckensegmente (7) sind 2 oder mehr Schneckengänge erforderlich.
Vorteil: Die einzelnen Schneckensegmente (7) können serienmäßig vorgefertigt werden, was eine kostengünstigere Herstellung der Wasserkraftschnecke gewährleistet.
Vorteil: Durch den Einsatz von Segmenten (7) aus Kunststoffen oder Leichtmetall oder Leichtmetalllegierungen wird das Gewicht der Wasserkraftschnecke reduziert, was zu einer deutlichen Reduzierung der Transport- und Montagegewichte und somit zu einer Reduzierung der Transport- und Montagekosten führt.
Vorteil: Durch den Einsatz von form- und kraftschlüssig mit dem Mantelrohr (4) verbundenen Segmenten (7) werden Spaltverluste vermieden und somit der Wirkungsgrad der Wasserkraftschnecke (3) erhöht.
Vorteil: Durch den Einsatz von form- und kraftschlüssig mit dem Mantelrohr (4) verbundenen Segmenten (7) werden Spalte und somit die Quetschgefahr für Fische oder andere Wasserlebewesen vermieden.
Die einzelnen Schneckensegmente (7) werden in axialer Richtung aus einem oder mehreren formschlüssig miteinander verbundenen Segmenten mit (8) oder ohne (9) äußerem Versteifungsring gebildet.
Vorteil: Durch die axiale Teilung der einzelnen Schneckensegmente (8, 9) werden kleinere Bauteile und dadurch in größerer Stückzahlen herzustellende gleiche Bauteile erreicht, was nochmals zu Kostenreduzierungen führt.
Kennzeichnend für herkömmliche Wasserkraftschnecken ist das die Sohle des Zulaufkanales im Oberwasser die Eintrittskante für das zulaufende Wasser darstellt. Hierdurch tritt bei einem rotierendem Mantelrohr zwangsläufig ein Spalt auf, welcher zu Spaltverlusten führt und das Mantelrohr über seinem vollen Umfang benetzt, welches wiederum dazu führt, dass das gesamte Mantelrohr zumindest im oberen Teil dauerhaft naß ist und zu Spritzwasserschäden an der umgebenden baulichen Hülle führen kann.
Durch eine trichterförmige Aufweitung (10) des dem Oberwasser zugewandten Mantelrohres (4) und einem kreisrunden Zulaufrohr (11) oder eines halbrunden offenen Gerinnes (11) im Oberwasser wird das Wasser von oben in den Zulauftrichter (10) zugeführt.
Vorteil: Spaltverluste am Einlauf werden vermieden. Es wird das gesamte zur Verfügung stehende Wasser der Wasserkraftschnecke (3) zugeführt.
Vorteil: Die Außenfläche des Mantelrohres (4) wird nicht dauerhaft mit Wasser benetzt. Das rotierende Mantelrohr (4) bleibt, abgesehen von gelegentlicher Kondenswasserbildung, trocken.
Vorteil: Durch den entfallenen Spalt wird eine Quetschgefahr für Fische oder andere Wasserlebewesen vermieden. In Verbindung mit dem Einsatz von form- und kraftschlüssig mit dem Mantelrohr (4) verbundenen Segmenten (7, 8, 9) ist für die gesamte Wasserkraftschnecke (3) ein völlig gefahrloses passieren für Fische und andere Wasserlebewesen gegeben.
Der Zulauftrichter (10) ist so weit geöffnet, dass das optimale Schluckvermögen erreicht wird. Hierzu ist es erforderlich, in Abhängigkeit vom Aufstellwinkel und dem vorgesehenen Schluckvermögen, die Aufweitung so groß zu wählen, dass sich im Zulauftrichter (10) an der Unterseite maximal eine Horizontale ergeben kann, welche einen winklig angeordneten Abschlußring (12) von mindestens 1/20 des größten Durchmesser des Zulauftrichters (10) erfordert. Die Schneckengänge (13) der Wasserkraftschnecke (3) werden aus dem Mantelrohr (4) kommend im Zulauftrichter (10 bis zum Abschlußring (12) mit der gleichen Steigung fortgeführt, wobei sich die Schneckengänge (13) derart verjüngen, dass die Höhe der Schneckenflügel identisch mit der Höhe des Abschlußringes (12) ist.
Einige Wasserkraftstandorte sind gekennzeichnet durch stark schwankendes Unterwasser, was zu einem vollständigen Einstau des unterwasserseitigen Auslaufes der Wasserkraftschnecke (3) führen kann. Hierdurch ergeben sich Wirkungsgradverluste.
Durch die Anordnung von zwei oder mehreren, parallel zur Längsachse ober- oder unterhalb der Rotationsachse, angeordneten Längsträgern oder Längsfachwerken (14), in welche die Lagerkonstruktionen (5) der Wasserkraftschnecke (3) und die Statorsegmente (2) der Ringgeneratoren (1, 2) angeordnet sind, und an deren unteren Abschluß sich ein Schwimmkörper (15) befindet, wird eine kontinuierliche Anpassung der Anlage an den Wasserstand im Unterwasser erreicht. Die Längsträger oder Längsfachwerke (14) sind hierzu am oberen Ende im Bereich des Zulauftrichters und am unteren Ende auf dem Schwimmkörper durch ein Gelenk (16) gelagert.
Die auftretenden Lagerkräfte aus den Lagern (5) und die mechanischen Kräfte aus den Statorsegmenten (2) werden direkt oder indirekt (über Querträger, welche die Längsträger (14) miteinander verbinden) in die Längsträger (14) eingeleitet. Über die Längsträger (14) und die Lagerung der Längsträger (16) erfolgt die Weiterleitung der Kräfte aus Lagerung (5) und den Statorsegmenten (2) in die Fundamente und den Schwimmkörper.
Vorteil: Die Wasserkraftschnecke (3) passt sich automatisch dem Wasserstand des Unterwassers an. Hierdurch werden Wirkungsgradverluste durch den Einstau des unterwasserseitigen Auslaufes der Wasserkraftschnecke (3) vermieden.
Vorteil: Durch den im Unterwasser angeordneten Schwimmkörper (15) wird nur ein Fundament (17) als Festhaltung der Wasserkraftschnecke (3) erforderlich. Aufwendige Tiefbauarbeiten im Unterwasser können hierdurch vermieden werden.
Aus Arbeits- und Gesundheitsschutzgründen muß die Berührung rotierender Teile vermieden werden.
Hierzu wird auf den Längsträgern oder Längsfachwerken (14) ein Schutzdach/Berührungsschutz (18) angeordnet und/oder in die Längsträger oder Längsfachwerke (14) integriert.
Vorteil: Durch das integrieren des Schutzdaches bzw. des Berührungsschutzes (18) in die Längsträger (14) müssen keine zusätzlichen baulichen Anlagen (Fundamente etc.) vorgesehen werden und der Berührungsschutz ist unmittelbar nach Fertigstellung der Montagearbeiten gewährleistet.
An Wasserkraftstandorten mit sehr hohem Risiko von sehr hohen Wasserständen bei Hochwasser im Unterwasser besteht die Gefahr, das der Ringgenerator (1, 2) der Wasserkraftschnecke (3) überschwemmt und dadurch beschädigt wird.
Als Alternative zum Ringgenerator (1, 2) wird anstelle des Rotorringes ein fest mit dem Mantelrohr verbundener außenliegender Zahnkranz angeordnet, welcher über ein weiteres Zahnrad, welches in den Zahnkranz eingreift, direkt einen permanenterregten Generator nach dem Torque-Prinzip, welcher für niedrige Drehzahlen ausgelegt ist, antreibt. Der Generator wird vorzugsweise oberhalb der Rotationsachse angeordnet.
Erläuterung zu den Zeichnungen
1 zeigt die Wasserkraftschnecke (3) mit integriertem Ringgenerator (1, 2) bestehend aus Rotorring (1) mit Permanentmagneten, welcher auf der Außenfläche des Mantelrohres (4) aufgebracht ist und Stator-Segmenten (2) vorbeiläuft, den Zulauftrichter (10) einschl. dem äußeren Abschlußring (12) des Zulauftrichters und den Schneckengang (13) welcher bis zum Abschlußring führt, das Zulaufrohr (11) für das Betriebswasser aus dem Oberwasser sowie der Lagerung (5) der Wasserkraftschnecke an 2 Stellen
2 zeigt eine Einteilung von Schneckensegmenten (7) innerhalb des Mantelrohres (4) der Wasserkraftschnecke (3)
3 zeigt einen Querschnitt der Wasserkraftschnecke (3) mit seitlich angeordneten Längsträgern (14) und einem darauf befindlichen Schutzdach (18) sowie in axialer Richtung zweiteilig angeordneten Schneckensegmenten mit äußerem Versteifungsring (8) und einer kraftschlüßigen Verbindung durch z. B. Verschraubung mit dem Mantelrohr (4)
4 zeigt einen Querschnitt der Wasserkraftschnecke (3) mit in axialer Richtung zweiteilig angeordneten Schneckensegmenten ohne äußerem Versteifungsring (9) und einer kraftschlüßigen Verbindung durch z. B. Verschraubung mit dem Mantelrohr (4)
5 zeigt die Wasserkraftschnecke (3) mit integriertem Ringgenerator (1, 2) bestehend aus Rotorring (1) mit Permanentmagneten, welcher auf der Außenfläche des Mantelrohres (4) aufgebracht ist und Stator-Segmenten (2) vorbeiläuft, den Zulauftrichter (10) einschl. dem äußeren Abschlußring (12) des Zulauftrichters und den Schneckengang (13) welcher bis zum Abschlußring führt, das Zulaufrohr (11) für das Betriebswasser aus dem Oberwasser, die Lagerung (5) der Wasserkraftschnecke an 2 Stellen, seitlich angeordnete Längsträger (14), welche am oberen Ende gelenkig (16) auf einem Fundament (17) gelagert und am unteren Ende auf einem Schwimmkörper gelenkig gelagert (16) sind

Claims

Wasserkraftschnecke nach 1 (3) mit integriertem Ringenerator (1, 2) umfassend von einem umschlossenen Mantelelement (4) mit einem fest verbundenem Generator, wobei das Schneckenelement mindestens einen Schneckengang ausbildet, welcher von einem der Schwerkraft folgendem Oberwasser in Richtung eines Unterwassers durchströmbar und dadurch das Schneckenelement in Rotation versetzbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Mantelelement (4) fest mit dem Schneckenelement verbunden ist und gleichsinnig rotiert, einen oder mehrere mit der Außenfläche des Mantelrohres (4) fest verbundenen Rotorring mit Permanentmagneten (1), welcher je Rotorring (1) an mindestens einem gegenüberliegenden Statorsegment (2) vorbeiläuft, aufweist, einen dem Oberwasser zugerichteten Zulauftrichter (10) aufweist und das Mantelelement (4) an seiner Außenfläche an mindestens zwei oder mehr Stellen durch vorzugsweise Wälzlager und/oder Kunststoffgleitlager (5) gestützt bzw. gelagert ist.
Wasserkraftschnecke (3) mit integriertem Ringenerator (1, 2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Zentrum der Rotationsachse kein zentrales Versteifungselement zur Lagerung und Übertragung der Rotationsbewegung auf einen Antriebsstrang benötigt wird.
Wasserkraftschnecke (3) mit integriertem Ringenerator (1, 2) nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Betriebswasser aus dem Oberwasser durch ein vorzugsweise kreisrundes Zulaufrohr (11) oder halbrundes oben offenes Zulaufgerinne oder trapezförmig Zulaufgerinne von oben in einen Zulauftrichter (10) einströmt.
Wasserkraftschnecke (3) mit integriertem Ringenerator (1, 2) nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Zulauftrichter (10) in einen dem Aufstellwinkel und dem vorgesehenen Schluckvermögen speziell angepassten Zulauftrichter (10), an welchem ein winklig dazu angeordneter Abschlußring (12) von mindestens 1/20 des größten Durchmesser des Zulauftrichters (10) in Richtung dem Oberwasser abschließt.
Wasserkraftschnecke (3) mit integriertem Ringenerator (1, 2) nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Schneckenelement aus mehreren in Längsrichtung hintereinander liegenden Segmenten (7) aus Metall (Stahl/Gusseisen) und/oder vorzugsweise Kunststoff und/oder Leichtmetall sowie Legierungen aus Leichtmetall zusammengesetzt ist, welche untereinander in Längsrichtung form- und kraftschlüssig verbunden sind, sowie mit dem umgebenden Mantelrohr (4) form- und kraftschlüssig verbunden sind und zwei oder mehr Schneckengänge bilden.
Wasserkraftschnecke (3) mit integriertem Ringenerator (1, 2) nach Anspruch 1 bis 3 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schneckensegmente (7) in axialer Richtung aus ein oder mehreren Segmenten zusammengesetzt und mindestens formschlüssig, jedoch vorzugsweise form und kraftschlüssig, untereinander verbunden sind.
Wasserkraftschnecke (3) mit integriertem Ringenerator (1, 2) nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder mehrere parallel zur Längsachse ober- oder unterhalb der Rotationsachse angeordnete Längsträger oder Längsfachwerke (14), in welche die Lagerkonstruktionen (5) der Wasserkraftschnecke und die Statorsegmente (2) der Ringgeneratoren (1, 2) angeordnet sind.
Wasserkraftschnecke (3) mit integriertem Ringenerator (1, 2) nach Anspruch 1 bis 3 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich am unteren Abschluß der Längsträger oder Längsfachwerke (14) ein Schwimmkörper (16) befindet und am oberen Ende der Längsträger oder Längsfachwerke im Bereich des Zulauftrichters (10) und am unteren Ende auf dem Schwimmkörper (16) durch ein Gelenk (16) gelagert ist.
Wasserkraftschnecke (3) mit integriertem Ringenerator (1, 2) nach Anspruch 1 bis 3 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass auf den Längsträger oder Längsfachwerken (14), über die gesamte Länge oder eine Teillänge der Wasserkraftschnecke (3), ein Schutzdach/Berührungsschutz (18) angeordnet ist und/oder das Schutzdach/Berührungsschutz (18) in die Längsträger oder Längsfachwerke (14) integriert ist.
Wasserkraftschnecke nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotorring (1) durch einen fest mit dem Mantelrohr verbundenen außenliegenden Zahnkranz ersetzt wird, welcher über ein weiteres Zahnrad, welches in den Zahnkranz eingreift, direkt einen permanenterregten Generator nach dem Torque-Prinzip, welcher für niedrige Drehzahlen ausgelegt ist, antreibt.