DE102012100669A1

DE102012100669A1 - Impulsturbinenanorndung

Info

Publication number: DE102012100669A1
Application number: DE201210100669
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-01-26
Filing date: 2012-01-26
Publication date: 2013-08-01

Abstract

Ein Aspekt der Erfindung betrifft eine Turbinenanordnung für ein Wasserkraftwerk. Gemäß einem Beispiel der vorliegenden Erfindung umfasst die Turbinenanordnung eine erste von einem Wasserstrahl antreibbare Turbine und zumindest eine zweite von dem Wasserstrahl antreibbare Turbine, die gegenläufig zu der ersten Turbine angeordnet ist. Die Turbinen weisen jeweils eine Vielzahl von Turbinenschaufeln auf. Die Turbinenschaufeln der ersten Turbine sind jeweils in der Form von Rinnen ausgebildet. Diese Rinnen sind derart gekrümmt, dass der Wasserstrahl, der in eine Turbinenschaufel der ersten Turbine trifft, so umgelenkt wird, dass er in eine korrespondierende Turbinenschaufel der zweiten Turbine trifft. Die beiden Turbinen sind im Hinblick auf den Wasserstrahl sozusagen in Serie geschaltet. Der selbe Wasserstrahl treibt also mehrere Turbinen an. Lediglich die letzte Turbine in der Kette muss den Strahl nicht mehr derart umlenken, dass er eine weitere Turbine antrieben kann.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Anordnung aus Impulsturbinen, insbesondere eine Anordnung von Freistrahlturbinen für Wasserkraftwerke.
Hintergrund
Es sind unterschiedlichste Typen von Freistrahlturbinen bekannt. Eine der mit Abstand am meisten verbreiteten Typen ist die Pelton-Turbine, die häufig in Speicherkraftwerken eingesetzt wird. Bei der Pelton-Turbine trifft der Wasserstrahl von einer Düse, aus der das Wasser mit hoher Geschwindigkeit austritt, auf die Turbinenschaufeln. Eine Turbinenschaufel hat dabei die Form von zwei Schalen, die den Strahl teilen und (um rund 180°) umlenken. Der Strahl wird dabei aufgefächert. Die Restenergie des Wasserstrahls wird nicht genutzt, das Wasser fließt ab.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, eine alternatives Konzept für eine Turbinenanordnung zur Verfügung zu stellen.
Zusammenfassung der Erfindung
Dieses Problem wird durch einen Linearantrieb gemäß Anspruch 1 gelöst. Diese Aufgabe wird durch die Turbinenanordnung gemäß Anspruch 1 gelöst, unterschiedliche Ausführungsbeispiele und Weiterentwicklungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Ein Aspekt der Erfindung betrifft eine Turbinenanordnung für ein Wasserkraftwerk. Gemäß einem Beispiel der vorliegenden Erfindung umfasst die Turbinenanordnung eine erste von einem Wasserstrahl antreibbare Turbine und zumindest eine zweite von dem Wasserstrahl antreibbare Turbine, die gegenläufig zu der ersten Turbine angeordnet ist. Die Turbinen weisen jeweils eine Vielzahl von Turbinenschaufeln auf. Die Turbinenschaufeln der ersten Turbine sind jeweils in der Form von Rinnen ausgebildet. Diese Rinnen sind derart gekrümmt, dass der Wasserstrahl, der in eine Turbinenschaufel der ersten Turbine trifft, so umgelenkt wird, dass er in eine korrespondierende Turbinenschaufel der zweiten Turbine trifft. Die beiden Turbinen sind im Hinblick auf den Wasserstrahl sozusagen in Serie geschaltet. Der selbe Wasserstrahl treibt also mehrere Turbinen an. Lediglich die letzte Turbine in der Kette muss den Strahl nicht mehr derart umlenken, dass er eine weitere Turbine antrieben kann.
Die Turbinen können koaxial angeordnet sein. Die Turbinen können in radialer Richtung ineinander und die Turbinenschaufeln derart angeordnet sein, dass der Wasserstrahl mehrfach umgelenkt (d. h. zick-zack) in radialer Richtung von außen nach innen verläuft. Alternativ können Turbinen nebeneinander und die Turbinenschaufeln derart angeordnet sein, dass der Wasserstrahl mehrfach umgelenkt (d. h. zick-zack) in axialer Richtung verläuft.
Kurze Beschreibung der Abbildungen
Die Erfindung wird in der Folge unter Bezugnahme auf die folgenden Abbildungen näher erläutert. Die in den Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispiele sind dabei nicht als Einschränkung in Bezug auf die vorliegende Erfindung zu verstehen, vielmehr wird Wert darauf gelegt, das der Erfindung zugrunde liegende Prinzip zu erläutern. In den Abbildungen zeigt:
1 eine einzelne Turbinenschaufel gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung;
2 in einem Längsschnitt zweier Turbinenschaufeln gemäß 1 die Kaskadierung mehrerer Turbinen;
3 als ein Beispiel der Erfindung einen Anordnung von drei kaskadierten Turbinen; und
4 einen Querschnitt durch die Anordnung gemäß 3.
In den in den Abbildung dargestellten Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Komponenten bzw. Signale mit gleicher oder ähnlicher Bedeutung.
Detaillierte Beschreibung
1 zeigt ein Beispiel einer Turbinenschaufel 10, wie sie bei unterschiedlichen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden kann. Die Turbinenschaufel 10 hat die Form einer schmalen Rinne, wobei ”schmal” in diesem Zusammenhang bedeutet, dass die Schaufel in Fließrichtung des Wassers länger ist als in Querrichtung. Die Turbinenschaufel 10 weist beispielsweise zwei parallel zueinander angeordnete Wandungen 101 auf sowie einen näherungsweise U-förmig ausgebildeten Schaufelboden 102. U-förmig bedeutet in diesem Zusammenhang, dass das Wasserstrahlbündel 15 umgelenkt wird, sodass die Geschwindigkeitskomponenten des Freistrahls in Umfangsrichtung (bezogen auf die Turbine) beim Eintritt in die Schaufel und beim Austritt aus der Schaufel in entgegen gesetzte Richtungen weisen. Dabei ist der Begriff U-förmig nicht wörtlich zu nehmen, der Schaufelboden 102 kann beispielsweise die Form eines Kreissegments, eines Parabel oder Hyperbelsegments oder dergleichen aufweisen.
Ein Wasserstrahlbündel 15 tritt als Freistrahl aus einer Düse 20 aus und tritt annähernd tangential zum Schaufelboden 102 an einem Ende der Turbinenschaufel 10 in die Schaufel ein. Das Wasserstrahlbündel 15 wird in der Schaufel durch die Form des Schaufelbodens 102 umgelenkt und tritt am anderen Ende der Turbinenschaufel 10 wieder aus. Der Eintrittswinkel α kann dabei kleiner oder größer als, insbesondere aber gleich groß sein wie der Austrittswinkel (siehe 2). Eine ”Serienschaltung” einer ersten Turbinenschaufel 10a einer ersten Turbine und einer gleichartigen weiteren Turbinenschaufel 10b einer zweiten Turbine B ist in 2 dargestellt. Bei dieser Anordnung sind zwei gleichartige, benachbarte Turbinen A und B gegenläufig angeordnet, sodass das unter einem Austrittswinkel α aus einer ersten Turbinenschaufel 10a (der ersten Turbine A) austretende Wasserstrahlbündel 15 unter demselben Winkel α (Eintrittswinkel) wieder in eine zweite Turbinenschaufel 10b, die an einer benachbarten Turbine B angeordnet ist, eintritt. Auf diese Weise wird das Wasserstrahlbündel 15 mehrfach durch die Turbinenschaufeln umgelenkt und sozusagen im ”Zickzack-Kurs” durch die Turbinenschaufeln 10a, 10b mehrerer Turbinen geleitet und kann auf diese Weise mehrere Turbinen A, B antreiben. Die Turbinen A, B können dabei koaxial angeordnet sein.
In den 3 und 4 ist eine Anordnung aus drei Impulsturbinen A, B, C dargestellt. Die Turbinen A, B und C weisen unterschiedliche Durchmesser auf und sind dabei koaxial ineinander angeordnet. Das Wasserstrahlbündel fließt dabei durch die Turbinenschaufeln mehrfach umgelenkt (d. h. zick-zack) von der äußeren Turbine A über die mittlere Turbine B zur inneren Turbine C. Im vorliegenden Beispiel sind die Turbinen A, B, C horizontal (mit vertikaler Drehachse 18) angeordnet (3: Draufsicht, 4: Ansicht, Schnittdarstellung). Es sind jedoch auch vertikale Anordnungen (mit waagrechter Drehachse) möglich.
Wie bereits erwähnt sind die Turbinen A, B und C gegenläufig und im vorliegenden Beispiel koaxial angeordnet. Das heißt, die äußere und die innere Turbine A und C drehen sich in die gleiche Richtung und die mittlere Turbine B in die entgegen gesetzte Richtung. Alle Turbinen A, B, C haben gleichartige Turbinenschaufeln 10a, 10b, 10c, wobei die Schaufeln 10c der letzten Turbine in der Kette auch anders geformt sein können, da das Wasser an keine weitere Turbine mehr abgegeben werden muss und abfließen kann. Im vorliegenden Fall fließt das Wasser durch ein in der Drehachse 18 angeordnetes Rohr ab (siehe 4). Die Turbinen A, B und C weisen entlang ihres Umfangs jeweils eine Vielzahl von Turbinenschaufeln 10a, 10b, bzw. 10c auf. Die Turbinenschaufeln 10a, 10b bzw. 10c sind jeweils in der Form von Rinnen ausgebildet, die – wie in 2 dargestellt – derart gekrümmt sind, dass der Wasserstrahl 15, der in eine Turbinenschaufel der äußeren Turbine A trifft, so umgelenkt wird, dass er in eine korrespondierende Turbinenschaufel 10b der mittleren Turbine B trifft. Die Turbinenschaufeln 10b der mittleren Turbine B sind ebenso gekrümmt wie die der äußeren Turbine A, sodass der Wasserstrahl 15 in analoger Weise in eine korrespondierende Turbinenschaufel 10c der inneren Turbine C weitergegeben wird. Der Wasserstrahl 15 wird schließlich von einer der Turbinenschaufeln 10c der inneren Turbine C aufgefangen und/oder umgelenkt, um auch die innere Turbine C anzutreiben.
Bei der in den 3 und 4 dargestellten Turbinenanordnung ist gut zu erkennen, dass das Wasserstrahlbündel 15 unter einem Austrittswinkel α (vgl. auch 2) aus der Turbinenschaufel 10a austritt und unter dem gleichen Winkel α wieder in eine Turbinenschaufel 10b der benachbarten Turbine B, tangential zu deren Schaufelboden eintritt.
In dem in den 3 und 4 gezeigten Beispiel sind drei Turbinen (Turbinen A, B und C) kaskadiert. Es können jedoch auch nur zwei Turbinen in Serie geschaltet werden. In gleicher weise können auch vier oder mehr Turbinen kaskadiert werden. Die Turbinenschaufeln aller Turbinen sind dabei beispielsweise gleich oder ähnlich geformt, um das notwendige Umlenken des Wasserstrahlbündels 15 zu bewerkstelligen. Lediglich die Schaufeln der Turbine der letzten Stufe muss nicht mehr zwangsläufig eine Umlenkung des Wasserstrahlbündels 15 bewirken, da das Wasser dann ohnehin abfließt (siehe 4: Abfluss 30). Die Hintereinanderschaltung mehrerer Turbinen muss nicht zwangsläufig auf die in 3 und 4 gezeigte Weise geschehen. Die Turbinenschaufeln können auch (im Vergleich zu dem Beispiel aus 3 und 4) um 90° gedreht sein, sodass mehrere nebeneinander angeordnete Turbinen gleichen Durchmessers in Bezug auf das Wasserstrahlbündel 15 in Serie geschaltet werden können.
Als Turbine im Sinne des hier beschriebenen Konzepts ist nicht nur ein rundes Turbinenrad zu verstehen, an dessen Umfang die Turbinenschaufeln angeordnet sind. Alternativ kann eine ”Turbine” auch als ein um zwei Rollen umlaufendes Band (z. B. ein Riementrieb) ausgebildet sein, entlang dem (außenseitig) die Turbinenschaufeln angeordnet sind. In diesem Fall werden die Rollen in gleicher Weise durch die auf die Turbinenschaufeln wirkenden Kräfte angetrieben wie die in den Abbildungen dargestellten Turbinenräder. Ganz allgemein können die Turbinen einer erfindungsgemäßen Turbinenanordnung über ein Getriebe abtriebsseitig mit einer Welle verbunden sein, über die die erzeugte mechanische Leistung an einen Verbraucher abgegeben werden kann.

Claims

Turbinenanordnung für ein Wasserkraftwerk, die folgendes aufweist: eine erste von einem Wasserstrahl antreibbare Turbine (A) und eine zweite von dem Wasserstrahl antreibbare Turbine (B), die gegenläufig zu der ersten Turbine angeordnet ist, wobei die Turbinen (A, B) jeweils eine Vielzahl von Turbinenschaufeln (10a, 10b) aufweisen und zumindest die Turbinenschaufeln (10a) der ersten Turbine jeweils in der Form von Rinnen ausgebildet sind, die derart gekrümmt sind, dass der Wasserstrahl, der in eine Turbinenschaufel (10a) der ersten Turbine (A) trifft so umgelenkt wird, dass er in eine korrespondierende Turbinenschaufel (10a) der zweiten Turbine (B) trifft.
Turbinenanordnung gemäß Anspruch 1, die eine zumindest eine weitere Turbine (C) umfasst, die gegenläufig einer benachbarten Turbine (B) angeordnet ist, wobei die weitere Turbine (C) jeweils eine Vielzahl von Turbinenschaufeln (10c) aufweist und die Turbinenschaufeln (10c) jeweils in der Form von Rinnen ausgebildet sind, die derart gekrümmt sind, dass der von einer Turbinenschaufel (10b) der benachbarten Turbine (B) umgelenkte Wasserstrahl aufgefangen wird, um die weitere Turbine (C) anzutreiben.
Turbinenanordnung gemäß einem der Ansprüche 1 und 2, bei der die Turbinenschaufeln (10a, 10b) zwei parallel angeordnete Wandungen aufweisen und einen in Fließrichtung des Wassers ungefähr U-förmigen Schaufelboden, sodass der Wasserstrahl umgelenkt wird, ohne ihn aufzufächern.
Turbinenanordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die Turbinen (A, B, C) koaxial angeordnet sind und unterschiedliche Durchmesser aufweisen.
Turbinenanordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die Turbinenschaufeln (10a, 10b) einen in Fließrichtung des Wassers ungefähr U-förmigen Schaufelboden aufweisen, der so geformt ist, dass das Wasser unter einem Austrittswinkel (α) aus der Turbinenschaufel (10a) austritt und unter dem gleichen Winkel (α) in eine Turbinenschaufel (10b) der benachbarten Turbine (B), tangential zu deren Schaufelboden eintritt.
Turbinenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei denen die Turbinen in radialer Richtung ineinander angeordnet und in Serie geschaltet sind.
Turbinenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei denen die Turbinen in axialer Richtung nebeneinander angeordnet und in Serie geschaltet sind.
Turbinenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der die einzelnen Turbinen (A, B, C) über Umlenkrollen oder Getriebe mit einer abtriebsseitigen Welle verbunden sind.
Turbinenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei denen die Turbinen mehrfach mit Wasserstrahlen beaufschlagt sind.
Turbinenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei denen die Turbinen als um eine oder mehrere Rollen umlaufende Bänder ausgestaltet sind, an deren Außenseite die Turbinenschaufeln angeordnet sind, um die Bänder und folglich die Rollen anzutreiben.