DE102012112929A1

DE102012112929A1 - Trommelstaudruckmaschine

Info

Publication number: DE102012112929A1
Application number: DE201210112929
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-12-21
Filing date: 2012-12-21
Publication date: 2014-06-26

Abstract

Eine Trommelstaudruckmaschine (1) mit einem Wasserrad (4), das eine Nabe (3), über den Umfang der Nabe (3) verteilt angeordnete Schaufeln (5) und beidseits der Nabe (3) hervorragende Lagerwellenabschnitte (6) hat, wird beschrieben. Die Lagerwellenabschnitte (6) sind auf jeweils einem Auflager (8) höhenveränderbar gelagert. Die Nabe (3) hat einen geschlossenen Hohlkörper. Mindestens ein Generator (15a, 15b) ist in den Hohlkörper eingebracht, der jeweils mit einem Generatorteil mit der Nabe (3) und mit einem relativ hierzu beweglichen anderen Generatorteil mit mindestens einem der Lagerwellenabschnitte (6) direkt oder indirekt verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Trommelstaudruckmaschine mit einem Wasserrad, die eine Nabe, über den Umfang der Nabe verteilt angeordnete Schaufeln und beidseits der Nabe hervorragende Lagerwellenabschnitte hat, wobei die Lagerwellenabschnitte auf jeweils einem Auflager höhenveränderbar gelagert sind.
Derartige Trommelstaudruckmaschinen haben im Unterschied zu Turbinen den Vorteil bei Staustufen mit einer kleineren Höhendifferenz als 2,5 m noch wirtschaftlich Strom erzeugen zu können. Bei einer Trommelstaudruckmaschine wird sowohl der an den Staustufen auftretende statische Wasserdruck zwischen Ober- und Unterwasserspiegel, als auch die im fließenden Wasser enthaltene kinetische Energie zum Antrieb des Wasserrades und zur Gewinnung elektrischer Energie ausgenutzt. AT 404 973 B offenbart eine Wasserkraft-Staudruckmaschine, die als Stahlblechkonstruktion ausgeführt ist und aus einer Nabe, deren Durchmesser der Fallhöhe entspricht, sowie darauf befestigter Schaufeln, die in Breite und Höhe dem normalen Wasserpegelquerschnitt entsprechen, besteht. Im Leerlauf kann die komplette Wassermenge ohne Aufstau ähnlich einem unterschlächtigen Wasserrad durchfließen. Durch Abbremsen des Laufrades kann ein Staupegel vor der Maschine hochgefahren werden, so dass die Trommelstaudruckmaschine als sich drehende Staumauer wirkt. Der Pegel des Oberwassers kann durch ein parallel angeordnetes Streichwehr in konstanter Höhe gehalten werden.
Der Pegel des Unterwassers ist jedoch vom Vorfluter abhängig, d. h. von der Möglichkeit eines ungehinderten Wasserabflusses. Bei Anstieg des Unterwasserpegels wird die Leistung des Trommelrades immer geringer und tendiert gegen Null, wenn die Schaufeln auf der abfließenden Seite das Wasser wieder versuchen anzuheben.
DE 202 09 427 U1 offenbart eine Hebeanlage für Wasserräder, bei der die Achsen des Wasserrades sich in einem Achsaufnahmepfeiler befindlichen Führung höhenverstellbar bewegt werden kann. Dies ermöglicht eine Anpassung des Wasserrades an unterschiedliche Wasserstände und eine optimale Nutzung der zur Verfügung stehenden Wassermenge. Ein solches höhenverstellbares Wasserrad kann auch als Staustufe zur Regulierung der Fließgeschwindigkeit eingesetzt werden. Hierzu wird die Bremswirkung des Wasserrades ausgenutzt.
DE 85 027 , veröffentlicht am 14. Januar 1896, beschreibt eine für Tidengewässer einsetzbare Wasserkraftmaschine, die Ebbe und Flut nutzt. Je nach Wasserstand lässt sich das Wasserrad höher oder tiefer einstellen.
Unterschlächtige, höhenverstellbare Wasserräder sind auch aus DE 20 2010 003 601 U1 , DE 20 2010 010 649 U1 und DE 196 32 793 A1 bekannt.
Auch ausgehend hiervon stellt sich nun die Aufgabe, eine verbesserte Trommelstaudruckmaschine zu schaffen, die bei einem einfachen und zuverlässigen Aufbau eine Anpassung an die unterschiedlichen Pegel des Ober- und Unterwassers an der Staustufe erlaubt.
Die Aufgabe wird mit der Trommelstaudruckmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Es wird vorgeschlagen, das Wasserrad einer Trommelstaudruckmaschine höhenveränderbar zu lagern und hierbei die Nabe als geschlossenen Hohlkörper auszuführen. Mindestens ein Generator ist dann in diesem geschlossenen Hohlkörper eingebracht. Der Generator ist jeweils mit einem Generatorteil mit der Nabe und einem relativ hierzu beweglichen anderen Generatorteil mit mindestens einem der Lagerwellenabschnitte direkt oder indirekt verbunden.
Während die herkömmlichen Lösungen immer einen außerhalb des Wasserrades angeordneten Generator vorsehen, wird vorgeschlagen, den Generator in die ohnehin vorhandene und recht geräumige Nabe des Wasserrades einzubauen. Dies hat den Vorteil, dass das Wasserrad mitsamt Generator auf einfache Weise höhenveränderbar gelagert werden kann, ohne dass eine Anpassung zwischen Lagerwelle und Generator bei Höhenänderung vorgenommen werden muss.
Die ohnehin vorhandene Nabe einer Trommelstaudruckmaschine wird dazu genutzt, den Generator in der Nabe des Wasserrades zu positionieren. Die Nabe einer Trommelstaudruckmaschine muss ohnehin umfangsseitig geschlossen ausgeführt werden, damit sie als Staustufe wirkt. Durch das Einbringen des Generators in die Nabe muss die Nabe zusätzlich seitlich wasserdicht abgeschlossen werden, um ein Eindringen von Wasser zu verhindern. Dies ist auch für den Betrieb einer Trommelstaudruckmaschine an sich sinnvoll, da ein Eindringen von Wasser in die Nabe den Wirkungsgrad verringern würde.
Durch die höhenveränderbare Lagerung des Wasserrades der Trommelstaudruckmaschine kann eine Anpassung an die unterschiedlichen Pegel des Ober- und Unterwassers an der Staustufe auf einfache Weise erfolgen.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Auflager auf einer gegenüber dem Wasserpegel schiefen Ebene in oder angrenzend an ein Wasserbett, in dem das Wasserrad angeordnet ist, in Erstreckung des Wasserbetts beweglich gelagert sind. Durch Verschieben der Auflager auf der schiefen Ebene lässt sich das Wasserrad dann relativ zu den Wasserpegeln des Ober- und/oder Unterwassers in der Höhe verändern.
Das trommelförmige Wasserrad mit den beidseits herausragenden seitlichen Lagerwellenabschnitten (Getriebezapfen) ist somit in einem schräg ansteigendem Kanal mit ebenfalls parallel zum Boden des Kanals ansteigenden schrägen Seitenwänden angeordnet. Die herausragenden Lagerwellenabschnitte sind dann mit einem z. B. als Rollenwagen ausgeführtem Auflager über eine elastische Kupplung üblicher Bauart oder auf sonstige geeignete Weise verbunden. Dieser auf den schräg hochlaufenden Seitenwänden ruhende Rollenwagen dient nun dazu, die hieran angebrachte Trommelstaudruckmaschine z. B. mit zwei parallel laufenden Seilzügen in Erstreckungsrichtung des Kanals zu bewegen. Hierdurch wird eine Höhenverstellung bewirkt, bei der der Abstand des Wasserrades vom Boden des schräg ansteigenden Kanals immer gleich bleibt.
Hierzu können die Auflager z. B. mit einer Seilzuganordnung entlang der schiefen Ebene verschoben werden. Diese Seilzuganordnung kann dann mit einer einfachen Trommelwinde angetrieben werden.
Denkbar ist aber auch, dass die Auflager mit einer hydraulisch oder pneumatisch angetriebenen Teleskopanordnung höhenverstellbar sind.
Diese Art der Höhenverstellung wird insoweit vereinfacht, dass der Generator nunmehr im Inneren der Nabe angeordnet ist und die nach außen ragenden Lagerwellenabschnitte der Nabe nur noch der Auflagerung an dem Auflager dienen. Eine Anpassung der Verbindung zwischen Lagerwelle und Generator bei einer Höhenverstellung ist im Gegensatz zu einem außerhalb des Wasserrades angeordneten Generators nicht mehr erforderlich.
Eine vorteilhafte Führung des Auflagers wird erreicht, wenn die Auflager jeweils in einer Führungsschiene gelagert sind.
Die Höhenverstellung der Auflager kann z. B. mittels Zahntrieb, Seiltrieb oder Spindeltrieb erfolgen.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn ein in Fließrichtung des Wasserstroms, der die Trommelstaudruckmaschine antreibt, vor dem Wasserrad ein Sperrelement angeordnet ist. Das Sperrelement kann dabei als ein zur Änderung des Volumens des mit Fluid oder Luft befüllbarer flexibler Hohlkörper sein. Ein solches im Einlaufkanal vorgesehenes Schlauchwehr bietet die Möglichkeit, den Wasserzufluss in die Trommelstaudruckmaschine zu regulieren. So kann z. B. bei geringerer Stromnachfrage und wenig Wasser das Oberwasser aufgestaut werden, um dann später bei höherer Stromnachfrage mit erhöhtem Durchfluss mehr Strom zu erzeugen. Bei großem Wasseranfall kann eine Überlastung der Trommelstaudruckmaschine durch weiteres Füllen des Schlauchwehres mit Wasser verhindert werden. Hierdurch hebt sich nämlich der Oberwasserpegel an. Eine Möglichkeit der Vollsperrung des Wasserzuflusses mit Hilfe des Sperrelementes ermöglicht eine Reparatur und Wartung der Trommelstaudruckmaschine.
Größeres Treibgut kann durch einen relativ weiten Grobrechen vor dem Schlauchwehr bzw. vor der Trommelstaudruckmaschine ausgeschieden werden.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn unterhalb des Wasserrades eine sich in Fließrichtung im hinteren Bereich des Wasserrades erstreckende Unterschale mit in Fließrichtung zunehmender Höhe angeordnet ist. Diese Unterschale ist dann separat zu dem Wasserrad in Fließrichtung relativ zu dem Wasserrad beweglich angeordnet. Mit Hilfe dieser Unterschale wird die Rundung unterhalb des Wasserrades der Trommelstaudruckmaschine ausgefüllt, um ein unkontrolliertes Durchschießen des Wassers zu verhindern. Eine solche Unterschale ist auch als Kropf bekannt. Dieser Kropf wird nun gemäß der Lehre der vorliegenden Erfindung zusammen mit dem Wasserrad beweglich angeordnet.
Diese Unterschale oder Kropf kann z. B. mit einem Zahntrieb, Seiltrieb oder Spindeltrieb beweglich angetrieben sein. Die Unterschale kann auch fest mit dem Auflager gekoppelt und zusammen mit dem Auflager bewegt werden.
Besonders vorteilhaft ist es jedoch, wenn die Unterschale separat relativ zum Wasserrad beweglich angeordnet ist. Damit lässt sich die Leistung der Trommelstaudruckmaschine regulieren. Durch Ablassen der Unterschale lässt sich bei klemmendem, größerem Treibgut eine Entfernung desselben erreichen, indem das Oberwasser unterhalb des Wasserrades durchschießt.
Die Unterschale kann optional auch in Fließrichtung gesehen am vorderen Bereich des Wasserrades angeordnet sein. Sie hat dann eine an den kreisförmigen Außenumfang des Wasserrades angepasste Kontur mit in Fließrichtung abnehmender Höhe. Die Unterschale wird dann in Fließrichtung gesehen von oben der Trommel nachgeführt. Damit lässt sich ein höherer Staudruck und damit eine höhere Leistung erzielen.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Einlaufbreite durch Zwischenwände aufgeteilt und die Schaufel an dem Außenumfang der trommelförmigen Nabe und an den Zwischenwänden derart befestigt sind, dass die Einlaufkanten der durch die Zwischenwände und Schaufeln gebildeten einzelnen Segmente über die Breite des Wasserrades zeitlich versetzt mit Wasser beaufschlagt werden. Die Schaufeln sind somit nicht längs durchgehend angeordnet, sondern die Einlaufbreite des Wasserrades wird durch Zwischenwände aufgeteilt. Auf dem Außenumfang der trommelförmigen Nabe und an den Zwischenwänden werden die Schaufeln so befestigt, dass die Einlaufkanten der einzelnen Segmente zeitlich versetzt in das Wasser eintauchen. Auf diese Weise wird verhindert, dass auf die gesamte Breite des trommelförmigen Wasserrades das Wasser gleichzeitig einströmt und einen Wasserschlag verursacht.
Die Breite des Wasserrades ist vorzugsweise durch Zwischenwände in drei oder mehr nebeneinander liegende Segmente aufgeteilt. Die Segmente sollten dann höhenversetzt derart zueinander angeordnet sein, dass keine direkt nebeneinander liegenden Segmente zeitlich direkt nacheinander bei einer Drehung des Wasserrades mit Wasser beaufschlagt werden. So kann erreicht werden, dass das in die einzelnen Segmente des Wasserrades einströmende Wasser etwa in der Zündfolge eines Motors erstes Segment, drittes Segment, zweites Segment und viertes Segment erfolgt, wobei in Breitenrichtung gesehen das erste, zweite, dritte und vierte Segment nebeneinander angeordnet sind.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit den beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 – Skizze einer Trommelstaudruckmaschine in einem schräg geneigten Wasserkanal in zwei gegenüber dem Wasserspiegel höhenveränderbaren Positionen;
2 – Skizze einer Frontansicht der Trommelstaudruckmaschine aus 1;
3 – Querschnittsansicht der Trommelstaudruckmaschine aus 2 mit in der Nabe angeordnetem Generator;
4 – Skizze einer perspektivischen Ansicht auf das Wasserrad einer Trommelstaudruckmaschine mit nebeneinander liegenden Segmenten;
5 – Skizze einer Trommelstaudruckmaschine in einem schräg geneigten Wasserkanal mit in Fließrichtung vor dem Wasserrad angeordneter Unterschale.
1 lässt eine Skizze einer Trommelstaudruckmaschine 1 erkennen, die in der gestrichelten Darstellung in der Höhe nach oben in Richtung Wassereinlauf eines geneigten Wasserbetts 2 angeordnet ist. Die Fließrichtung F des Wassers in dem geneigten Wasserbett 2 erfolgt wie durch den Pfeil auf der linken Seite der 1 angedeutet von links nach rechts. Im Wassereinlauf ist gestrichelt der Oberwasserpegel OW auf der linken Seite und auf der rechten Seite im Auslauf des Wasser der Unterwasserpegel UW skizziert. In der dargestellten rechten Position der Trommelstaudruckmaschine 1 ist der Oberwasserpegel derart, dass ein Staudruck durch die geschlossene Nabe 3 des Wasserrades 4 der Trommelstaudruckmaschine aufgebaut wird. Das Wasserrad 4 wird somit nicht einfach nur unterschlächtig so betrieben, dass das Wasser unterhalb der Nabe 3 entlangströmt und durch die Schaufeln 5 an der Nabe 3 das Wasserrad 4 antreibt.
Es ist erkennbar, dass die Trommelstaudruckmaschine 1 eine geschlossene Nabe 3 hat, die trommelförmig bzw. zylinderförmig mit geschlossenen Stirnseiten aufweist. An dem Außenumfang der Nabe 3 sind die Schaufeln 5 angeordnet, die sich vom Außenumfang der Nabe 3 zum Außenumfang des Wasserrades 4 erstrecken. Die Schaufeln erstrecken sich weiterhin in Blickrichtung entlang der Breite des Wasserrades 4 und nehmen entweder einen Teil oder die vollständige Breite des Wasserrades 4 ein.
Beidseits der Nabe 3 ragen Lagerwellenabschnitte 6 hervor. Diese sind in einem z. B. über Rollen 7 beweglich gelagerten Auflager 8 fest gelagert. Die Lagerwellenabschnitte 6 sind nicht relativ zum Auflager 8 rotierbar, sondern mit diesem Auflager 8 fest verbunden. Die Nabe 3 mit den Schaufeln 5 des Wasserrades 4 ist hingegen gegenüber den Lagerwellenabschnitten 6 drehbar gelagert.
Das Auflager 8 ist mit Hilfe der Rollen 7 auf einer gegenüber dem Wasserpegel des Oberwassers OW und Unterwassers UW schiefen Ebene angeordnet. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Auflager 8 in Fließrichtung F beweglich auf einem das Wasserbett 2 seitlich begrenzenden Betonkanal 9 aufgelagert. Die lineare Bewegung der Auflager 8 auf dem Betonkanal 9 kann mit Hilfe eines Seilzugantriebs erfolgen, bei dem die Auflager 8 mit einem über eine Trommelwinde angetriebenen Seilzug bewegt werden. Der Trommelantrieb ist dann auf der linken Seite oberhalb der Auflager 8 in der maximal nach links oben verschobenen Position z. B. auf dem Betonkanal 9 montiert.
Denkbar ist aber auch, dass die Auflager 8 mit einer hydraulisch oder pneumatisch angetriebenen Teleskopanordnung, einem Zahntrieb oder Spindeltrieb höhenverstellbar sind.
Die Gewinnung elektrischer Energie erfolgt mit einem im Innenraum der Nabe 3 angeordneten mindestens einem Generators (nicht sichtbar). Dieser ist z. B. mit seinem Stator als erstes Generatorteil mit der Nabe 3 fest verbunden. Der Läufer des Generators hingegen ist als anders Generatorteil damit an den Lagerwellenabschnitten 6 direkt oder indirekt verbunden. Auf diese Weise ist der Lagerwellenabschnitt 6 relativ zur Nabe 3 beweglich gelagert. Dabei ist denkbar, dass der Generator ein integriertes Getriebe hat oder ein separates Getriebe zwischen Generator und Lagerwellenabschnitt 6 oder zwischen dem Generator und der Nabe 3 vorhanden ist.
Unterhalb des Wasserrades 4 befindet sich eine in Fließrichtung F in den hinteren Bereich des Wasserrades 4 erstreckende Unterschale 10, die auch Kropf genannt wird. Diese Unterschale 10 hat in Fließrichtung F eine zunehmende Höhe, um die Rundung des Wasserrades 4 auszufüllen. Die Unterschale 10 erstreckt sich über die ganze Breite der Trommelstaudruckmaschine 1 und ist vorzugsweise länger als der maximale Abstand zwischen zwei über den Umfang aufeinander folgende Schaufelkanten. Mit Hilfe dieser Unterschale 10 bzw. Kropfes wird ein unkontrolliertes Durchschießen des Wassers unterhalb des Wasserrades 4 verhindert. Diese Unterschale 10 ist nunmehr ebenfalls relativ zum geneigten Wasserbett 2 in Fließrichtung F verschiebbar angeordnet. Sie kann entweder direkt mit dem Auflager 8 verbunden und zusammen mit dem Auflager 8 bewegt werden. Vorteilhaft ist es jedoch, wenn die Unterschale 10 separat in Fließrichtung und relativ zu dem Wasserrad 4 bewegbar ist. Hierzu hat die Unterschale, wie dargestellt, beispielsweise Rollen, mit denen die Unterschale 10 auf dem Wasserbett 2 fahren kann. Die Unterschale 10 kann dann ebenfalls mit einem Seiltrieb verlagert werden.
Denkbar ist aber auch, dass die Unterschale 10 mit einem Zahntrieb, einem Spindeltrieb oder mit einer Teleskopanordnung entlang der Erstreckungsrichtung des Wasserbetts in Fließrichtung F und entgegengesetzt hierzu beweglich angetrieben ist.
Im Einlaufkanal im Bereich des Oberwasserpegels OW oberhalb der Trommelstaudruckmaschine 1 ist zusätzlich ein Sperrelement 12 vorgesehen, das z. B. als Schlauchwehr ausgeführt sein kann. Mit diesem Sperrelement 12 lässt sich der Zufluss in die Trommelstaudruckmaschine 1 regulieren. So kann z. B. bei geringerer Stromnachfrage und zu wenig Wasser das Oberwasser OW aufgestaut werden, um dann später bei höherer Stromnachfrage mit erhöhtem Durchfluss mehr Strom zu erzeugen. Zudem kann eine Überlastung der Trommelstaudruckmaschine 1 bei großem Wasseranfall durch weiteres Füllen des Schlauchwehres 12 mit Wasser verhindert werden. Durch Auffüllen des Schlauchwehrs 12 mit Wasser wird der Oberwasserpegel OW angehoben. Mit einem solchen Sperrelement ist es auch möglich, den Wasserzufluss vollständig zu sperren. Damit wird eine Reparatur und Wartung der Trommelstaudruckmaschine 1 ermöglicht.
Durch einen nicht dargestellten relativ weiten Grobrechen vor dem Sperrelement 12 sollten nach Möglichkeit größeres Treibgut ausgeschieden werden. Kleineres Treibgut und Fische können hingegen die Trommelstaudruckmaschine 1 stromabwärts problemlos passieren.
Wenn nun z. B. der Unterwasserpegel UW etwa auf die Höhe des Oberwasserpegels OW ansteigt, wie das durch den Hochwasserpegel HW angedeutet ist, würde die Trommelstaudruckmaschine 1 in der unteren Position nicht mehr angetrieben werden. In diesem Falle erfolgt eine Anpassung der Trommelstaudruckmaschine 1 an den geänderten Wasserpegel durch Verfahren auf dem geneigten Wasserbett 2 entgegen der Fließrichtung F nach oben. Die Trommelstaudruckmaschine 1 befindet sich dann z. B. in der gestrichelt dargestellten Position und wird als unterschlächtiges Wasserrad betrieben.
Ebenso ist denkbar, die Position der Trommelstaudruckmaschine 1 an einen veränderten Oberwasserpegel OW und/oder Unterwasserpegel UW so anzupassen, dass ein hinsichtlich der geforderten elektrischen Energie bestmöglicher Wirkungsgrad erzielt wird.
2 lässt eine Skizze einer Frontansicht der Trommelstaudruckmaschine 1 aus 1 erkennen. Deutlich wird, dass aus der Nabe 3 seitlich Lagerwellenabschnitte 6 hervorragen. Diese sind fest an einem Auflager 8 fixiert. Das Auflager 8 ist z. B. über Rollen 7 auf einer Lauffläche 13 eines Betonkanals 9 in Erstreckungsrichtung des Betonkanals 9 aufgelagert. Der Betonkanal 9 kann beispielsweise die seitliche Begrenzungswand eines ebenfalls geneigten, d. h. gegenüber der Ebene des Wasserpegels des Oberwassers und Unterwassers schräg verlaufenden Wasserbetts 2 sein.
An den Außenumfang der geschlossenen, trommelförmigen Nabe 3 sind durch Zwischenwände 14 voneinander getrennte Schaufeln 5 in mehreren in Breitenrichtung B angeordneten Segmenten angeordnet. Im Winkel zu den Schaufeln 5 einer Folge von in Breitenrichtung B nebeneinander angeordneten Segmenten erstrecken sich dann die weiteren Schaufeln 5 der über den Umfang gesehen nachfolgenden Segmente. Auf diese Weise werden mehrere Einlaufsegmente einerseits in Breitenrichtung B nebeneinander und über den Umfang verteilt hintereinander geschaffen. Die in Breitenrichtung B gesehen nebeneinander angeordneten Einlaufsegmente, die durch die Zwischenwände 14 geschaffen werden, sind in Umfangsrichtung gesehen in der Höhe unterschiedlich angeordnet. So tauchen die nebeneinander angeordneten Schaufeln 5 nicht gleichzeitig in das Wasser ein. Durch die Variation der Höhe tauchen die in Breitenrichtung B nebeneinander liegenden Schaufeln 5 zeitlich nacheinander in das Wasser ein, wenn sich das Wasserrad 4 um die Drehachse dreht. Hierbei ist es vorteilhaft, dass direkt nebeneinander liegende Segmente S_n (n = 1 bis 4) nicht zeitlich direkt hintereinander in das Wasser eintauchen. So sollte der Höhenversatz derart sein, dass beispielsweise zuerst das Segment S₂, dann das Segment S₄, dann das Segment S₁ und dann das Segment S₃ mit Wasser beaufschlagt wird. Dies entspricht einem Viertakt-Zylinder-Motor, der auch mit einer entsprechenden Zündfolge betrieben wird. Durch diesen Versatz der Schaufeln 5 der Segmente S₁ bis S_n, die über die Breite B gesehen direkt nebeneinander angeordnet sind, wird verhindert, dass auf der gesamten Breite des Wasserrades 4 das Wasser gleichzeitig einströmt und einen Wasserschlag verursacht.
3 lässt eine Skizze einer Schnittdarstellung der Trommelstaudruckmaschine mit geöffneter Nabe 3 erkennen. Es wird deutlich, dass in der Nabe 3 im dargestellten Ausführungsbeispiel zwei Generatoren 15a, 15b nebeneinander angeordnet sind. Denkbar ist aber auch, dass nur ein einziger Generator oder mehr als zwei Generatoren in die Nabe 3 eingebaut werden. Der Stator des Generators 15a, 15b ist jeweils fest mit der Nabe 3 verbunden und dreht sich bei Rotation des Wasserrades 4 mit der Nabe 3 mit. Der andere Generatorteil, d. h. der Läufer, ist z. B. über ein zwischengeschaltetes Getriebe 16a, 16b indirekt über eine jeweilige Lagerwelle 17a, 17b mit den Lagerwellenabschnitten 6 verbunden. Die Lagerwellenabschnitte 6 können aber auch integraler Teil der Lagerwellen 17a, 17b sein.
Anstelle eines in den Generator 15a, 15b integrierten Getriebes 16a, 16b ist aber auch denkbar, dass ein Getriebe zwischen der Nabe 3 und dem mit der Nabe 3 verbundenen Generatorteil angeordnet ist. Alternativ hierzu kann aber auch ein Getriebe zwischen dem aus der Nabe 3 herausragenden Lagerwellenabschnitten 6 und dem relativ zur Nabe 3 festgestehenden Generatorteil angeordnet sein.
Der Generator 15a, 15b kann dann in an sich bekannter Weise mit dem Stromnetz z. B. über einen Frequenzumrichter und Zwischenkreis verbunden werden. Dabei ist es vorteilhaft, elektrische und/oder mechanische Bremseinrichtungen vorzusehen, mit denen die Umdrehungsgeschwindigkeit der Nabe 3 an den Strombedarf und den verfügbaren Staudruck des Wasser angepasst werden kann. Bei der vorgeschlagenen Trommelstaudruckmaschine 1 wird der mindestens eine Generator 15a, 15b in der geschlossenen Nabe 3 aufgenommen. Der Durchmesser dieser Nabe 3 sollte möglichst größer als 20 % der Differenz der Normalwasserstände von Unterwasserpegel und Oberwasserpegel sein, um einen hinreichenden Staudruck aufbauen zu können. Der hieraus resultierende Bauraum kann dann zur Aufnahme der Generatoren 15a, 15b genutzt werden. Als Generator 15a, 15b sind insbesondere Bauformen nach dem Prinzip eines Trommelgenerators bzw. Trommelmotors geeignet, bei denen Getriebe und Generator in einer Einheit miteinander kombiniert sind.
4 lässt einer Skizze in perspektivischer Ansicht auf das Wasserrad 4 einer Trommelstaudruckmaschine 1 erkennen. Das sich in Pfeilrichtung drehende Wasserrad hat auf drei Ebenen a, b, c jeweils vier durch Zwischenwände 14 nebeneinander liegende Segmente S₁, S₂, S₃ und S₄.
Deutlich wird, dass die Segmente S_nm mit n = 1 bis 4 und m = a bis c der einzelnen Ebenen a, b, c jeweils höhenversetzt zueinander sind, um damit bei einer Drehung des Wasserrades 4 zeitlich nacheinander in das Wasser einzutauchen.
So ist das Segment S_2,a am höchsten gelegen. Anschließend folgt das Segment S_4,a, das Segment S_1,a und das Segment S_3,a.
Nachdem die vier nebeneinander liegenden Segmente S_1,a, S_2,a, S_3,a, S_4,a auf diese Weise bei kontinuierlicher Drehung des Wasserrades 4 das Wasser erreicht haben, folgt die nächste Ebene b mit den Segmenten S_1,b, S_2,b, S_3,b und S_4,b. Auch hier taucht zunächst das höchstgelegene Segment S_2,b als erstes, danach das Segment S_4,b, das Segment S_1,b und das Segment S_3,b zeitlich nacheinander in das Wasser ein.
Entsprechendes gilt dann für die darauf folgende Ebene c mit den Segmenten S_1,c, S_2,c, S_3,c und S_4,c, die in der Reihenfolge S_2,c, S_4,c, S_1,c und S_3,c in das Wasser eintauchen.
Auf diese Weise wird Wasserschlag vermieden und eine gleichmäßige Drehung des Wasserrades 4 unter Reduzierung von Stoß- und Querkräften erreicht.
5 lässt eine Skizze einer Trommelstaudruckmaschine 1 in einem schräg geneigtem Wasserkanal erkennen. Im Unterschied zu der in 1 dargestellten Variante ist die Unterschale 10 nunmehr nicht von unten, das heißt in Fließrichtung F hinter dem Wasserrad angeordnet, sondern erstreckt sich in Fließrichtung F gesehen vor dem Wasserrad 4. Die Unterschale 10 hat wiederum eine an die kreisförmige Außenkontur des Wasserrades 4 angepasste Kontur mit in Fließrichtung F gesehen abnehmender Höhe. Die Unterschale 10 ist relativ zu dem Wasserrad 4 in Fließrichtung F bewegbar angeordnet, so dass der durch die Unterschale 10 aufgebaute Staudruck durch Veränderung des Abstands zwischen Unterschale 10 und Wasserrad 4 variiert werden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

AT 404973 B [0002]
DE 20209427 U1 [0004]
DE 85027 [0005]
DE 202010003601 U1 [0006]
DE 202010010649 U1 [0006]
DE 19632793 A1 [0006]

Claims

Trommelstaudruckmaschine (1) mit einem Wasserrad (4), das eine Nabe (3), über den Umfang der Nabe (3) verteilt angeordnete Schaufeln (5) und beidseits der Nabe (3) hervorragende Lagerwellenabschnitte (6) hat, wobei die Lagerwellenabschnitte (6) auf jeweils einem Auflager (8) höhenveränderbar gelagert sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Nabe (3) einen geschlossenen Hohlkörper hat und mindestens ein Generator (15a, 15b) in den Hohlkörper eingebracht ist, der jeweils mit einem Generatorteil mit der Nabe (3) und mit einem relativ hierzu beweglichen anderen Generatorteil mit mindestens einem der Lagerwellenabschnitte (6) direkt oder indirekt verbunden ist.
Trommelstaudruckmaschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auflager (8) auf einer gegenüber dem Wasserpegel (OW, UW) schiefen Ebene in oder angrenzend an ein Wasserbett (2), in dem das Wasserrad (4) angeordnet ist, in Erstreckungsrichtung des Wasserbetts (2) beweglich gelagert sind.
Trommelstaudruckmaschine (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Auflager (8) mit einer Seilzuganordnung verschiebbar sind.
Trommelstaudruckmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auflager (8) mit einer hydraulisch oder pneumatisch angetriebenen Teleskopanordnung höhenverstellbar sind.
Trommelstaudruckmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Auflager (8) jeweils in einer Führungsschiene gelagert sind.
Trommelstaudruckmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auflager (8) mittels Zahntrieb, Seiltrieb oder Spindeltrieb höhenverstellbar sind.
Trommelstaudruckmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, kennzeichnet durch ein Sperrelement (12), das in Fließrichtung (F) des das die Trommelstaudruckmaschine (1) antreibenden Wasserstroms vor dem Wasserrad (4) angeordnet ist, wobei das Sperrelement (12) ein zur Änderung des Volumens mit Fluid oder Luft befüllbarer flexibler Hohlkörper ist.
Trommelstaudruckmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass unterhalb des Wasserrades (4) eine sich in Fließrichtung (F) in den hinteren Bereich des Wasserrades (4) erstreckende Unterschale (10) mit in Fließrichtung (F) zunehmender Höhe angeordnet ist, wobei die Unterschale (10) separat zu dem Wasserrad (4) in Fließrichtung (F) relativ zu dem Wasserrad (4) beweglich angeordnet ist.
Trommelstaudruckmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in Fließrichtung (F) gesehen im vorderen Bereich des Wasserrades (4) eine sich unterhalb des Wasserrades (4) erstreckende Unterschale (10) mit in Fließrichtung (F) abnehmender Höhe angeordnet ist, wobei die Unterschale (10) separat zu dem Wasserrad (4) in Fließrichtung (F) relativ zu dem Wasserrad (4) beweglich angeordnet ist.
Trommelstaudruckmaschine (1) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterschale (10) mit einem Zahntrieb, Seiltrieb oder Spindeltrieb beweglich angetrieben ist.
Trommelstaudruckmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlaufbreite (B) des Wasserrades (4) durch Zwischenwände (14) aufgeteilt und die Schaufeln (5) an dem Außenumfang der trommelförmigen Nabe (3) und an den Zwischenwänden (14) derart befestigt sind, dass die Einlaufkanten der durch die Zwischenwände (14) und Schaufeln (5) gebildeten einzelnen Segmente (S₁, S₂, S₃, S₄) über die Breite (B) des Wasserrades (4) zeitlich versetzt mit Wasser beaufschlagt werden.
Trommelstaudruckmaschine (1) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass über die Breite (B) des Wasserrades (4) durch Zwischenwände (14) drei oder mehr nebeneinander liegende Segmente (S₁, S₂, S₃, S₄) gebildet werden, wobei die Segmente (S₁, S₂, S₃, S₄) höhenversetzt derart zueinander sind, dass keine direkt nebeneinander liegenden Segmente (S₁, S₂, S₃, S₄) zeitlich direkt nacheinander bei einer Drehung des Wasserrades (4) mit Wasser beaufschlagt werden.