DE102013016085A1 - Slit turbine for generating energy at waterfalls in the small power range - Google Patents
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Abstract
Die Wassergeschwindigkeit aus der Fallhöhe und die Wassermenge ergeben nach Bernoulli eine definierte Flächengröße für den Durchfluß (6). Die Wassergeschwindigkeit und die Geschwindigkeit eines Propellerblattes (15) bilden den tangentialen Anströmwinkel. Zu diesem Anströmwinkel muß das Propellerblatt (15) angestellt werden. Die Anstellung von Propellerblättern (15) ändert sich durch die vorgegebene Bauform entlang des Radius von sehr steil bis flach. Wenn man die Fläche für den Durchfluß (6) als ringförmige Öffnung, also als Schlitz (2), ausbildet, kann man diesen Schlitz (2) so anordnen, daß der mechanische Anstellwinkel des Propellerblattes (15) und der tangentiale Anströmwinkel aus der Geschwindigkeit des durchströmenden Wassers und der Geschwindigkeit des Propellerblattes unter dem Schlitz den besten Arbeitswinkel zur Leistugsgewinnung bilden.The water velocity from the drop height and the amount of water according to Bernoulli give a defined area size for the flow (6). The water velocity and the speed of a propeller blade (15) form the tangential angle of attack. For this angle of attack, the propeller blade (15) must be turned on. The employment of propeller blades (15) changes by the given design along the radius of very steep to flat. If one forms the surface for the flow (6) as an annular opening, ie as a slot (2), this slot (2) can be arranged so that the mechanical angle of attack of the propeller blade (15) and the tangential angle of attack from the speed of the flowing through water and the speed of the propeller blade under the slot form the best working angle for power extraction.
Description
Stand der TechnikState of the art
Turbinen zur Ausnutzung der Wasserkräfte gibt es in sehr unterschiedlichen Bauformen. Eine gute Übersicht zeigt Bild 1 aus Regenerative Energiesysteme, Quaschning, Volker.There are turbines for the utilization of hydropower in very different designs. A good overview is shown in Figure 1 from Regenerative Energy Systems, Quaschning, Volker.
Der weiße Fleck im Bereich kleiner Leistung ist der Bereich, der von den Turbinen üblicherweise nicht abgedeckt wird.The white spot in the low power area is the area that is not usually covered by the turbines.
Dies war früher der Bereich des Wasserrades. Als Mühlenantrieb genutzt, war die Anforderung: langsam laufen mit hohem Drehmoment.This used to be the area of the waterwheel. Used as a mill drive, the requirement was: slow running with high torque.
Diese Voraussetzungen erfordern sehr aufwendige Bauweisen.These requirements require very expensive construction methods.
Mit der Einführung elektrischer Antriebe wurden Wasserräder unrentabel.With the introduction of electric drives, water wheels became unprofitable.
Der Versuch, die Großturbinen in kleinen Dimensionen zu bauen, ist an den Kosten gescheitert. Man kann allerdings in alten Mühlen sogar Peltonräder bei ca. 2 m Fallhöhe besichtigen.The attempt to build the large turbines in small dimensions, has failed the cost. However, you can even visit pelton wheels in old mills at about 2 m drop height.
Bei einer speziellen Turbine für den kleinen Leistungsbereich hat man das Problem, daß Höhe und Wassermenge jeweils unterschiedlich sind.In a special turbine for the small power range has the problem that height and amount of water are each different.
Dazu bedeutet kleine Leistung wenig Ertrag und damit geringe Investitionsmöglichkeiten. Dabei ist praktisch jede Turbine von den Abmessungen ein Einzelstück.In addition, small power means little return and thus low investment opportunities. Virtually every turbine of the dimensions is a unique piece.
Als betriebswirtschaftliche Lösung bleibt nur ein Baukastensystem, variabel anpaßbar an Fallhöhe, Wassermenge und die räumlichen Vorauesstzungen.As a business solution remains only a modular system, variably adaptable to fall height, amount of water and the spatial Vorauesstzungen.
Aufgabetask
Mit der vorliegenden Erfindung wird das Ziel angestrebt, das Wasser an einer Staustufe oder an einem Mühlenwehr zur Energiegewinnung zu nutzen.With the present invention, the aim is to use the water at a barrage or at a mill weir for energy.
Die Anforderung besteht darin, eine Turbinengrundform zu finden, die an Fallhöhe und Wassermenge angepaßt werden kann.The requirement is to find a basic turbine shape that can be adapted to the height of fall and the amount of water.
Der Herstellungsaufwand muß in einem vernünftigen Verhältnis zum Ertrag stehen.The production cost must be in reasonable proportion to the yield.
Die Turbine muß bei sehr unterschiedlichen örtlichen Verhältnissen leicht und kostengünstig eingebaut bzw. aufgestellt werden können.The turbine must be easily and inexpensively installed or installed at very different local conditions.
Die Fallhöhe ist von den örtlichen Verhältnissen fest vorgegeben.The drop height is fixed by the local conditions.
Die Wassermenge unterliegt im Jahresverlauf natürlichen Schwankungen.The amount of water is subject to natural fluctuations over the course of the year.
Lösungsolution
Zum Erreichen des vorstehenden Zieles wird die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches angegebene Erfindung vorgeschlagen.To achieve the above object, the invention specified in the characterizing part of claim invention is proposed.
Erläuterung der ErfindungExplanation of the invention
Eine Wassermenge durchströmt eine Fläche in Abhängigkeit von der Fließgeschwindigkeit.An amount of water flows through an area depending on the flow rate.
Eine frei fallende Wassermenge wird durch die Anziehungskraft beschleunigt und die Geschwindigkeit steigt mit der Fallhöhe. Damit sinkt die Größe der durchströmten Fläche.A free falling amount of water is accelerated by the attraction and the speed increases with the fall height. This reduces the size of the area through which it flows.
Die Abhängigkeit zwischen Geschwindigkeit und durchströmter Fläche ist als physikalisches Gesetz formuliert von Bernoulli.The dependence between velocity and surface area is formulated as a physical law by Bernoulli.
Mit diesem Zusammenhang kann man für jede Wassermenge und Fallhöhe die Flache berechnen, die für die Durchströmung in der Turbine erforderlich ist.With this relationship, you can calculate the area required for the flow in the turbine for each amount of water and drop height.
Diese Fläche kann man als ringförmige Öffnung, also als Schlitz, ausbilden.This surface can be formed as an annular opening, ie as a slot.
Bei vorgegebener Flache bestimmt der Radius die Schlitzbreite.For a given area, the radius determines the slot width.
Der Radius des Schlitzes bestimmt die Geschwindigkeit des Propellerblattes unter dem Schlitz.The radius of the slot determines the speed of the propeller blade under the slot.
Aus der Geschwindigkeit des Wassers und der Geshwindigkeit des Propellerblattes unter dem Schlitz errechnet sich die örtliche Schnelllaufzahl und der tangentiale Anströmwinkel unter dem Schlitz.From the speed of the water and the speed of the propeller blade below the slot, the local speed of operation and the tangential angle of attack under the slot are calculated.
Jedes Blatt eines Propellers braucht gewisse Grundformen für die Festigkeit.Each blade of a propeller needs certain basic forms of strength.
Damit ergibt sich aus der Bauform eine sich ändernde Winkelanstellung des Propellerblattes zur Tangente entlang des Radius.This results in the design of a changing angular position of the propeller blade to the tangent along the radius.
Bei kleinem Radius ist die Anstellung stark, bei einem größeren Radius wird der Anstellwinkel des Propellerblattes flacher.With a small radius, the employment is strong, with a larger radius, the angle of attack of the propeller blade becomes flatter.
Die Drehzahl des Propellers ergibt das Grundmaß für die Blattgeschwindigkeit.The speed of the propeller gives the basic measure of the blade speed.
Aus Drehzahl und Radius ergibt sich dann die örtliche Blattgeschwindigkeit. Sie hat ihr Minimum an der Achse und das Maximum an den Blattspitzen. From speed and radius then results in the local blade speed. It has its minimum at the axle and the maximum at the blade tips.
Die Geschwindigkeit des Wassers und die Geschwindigkeit des Propellerblattes an einer definierten Stelle ergeben den tangentialen Anströmwinkel.The speed of the water and the speed of the propeller blade at a defined point give the tangential angle of attack.
Zu diesem Anströmwinkel muß das Propellerblatt in der passenden Anstellung sein, um gute Leistungswerte zu erreichen.At this angle of attack, the propeller blade must be in the proper position for good performance.
Zum Anströmwinkel muß also der passende Anstellwinkel durch die Wahl des Schlitzradius zugeordnet werden.For the angle of attack so the appropriate angle must be assigned by the choice of the slot radius.
Diese Auswahl bestimmt die Anordnung, d. h. den mittleren Radius des Schlitzes.This selection determines the arrangement, i. H. the mean radius of the slot.
Die Wassergeschwindigkeit ist nur von der Fallhöhe abhängig und in der Turbine immer gleich.The water speed depends only on the height of the fall and is always the same in the turbine.
Die Schlitzfläche in der Turbine ist zwar nur für eine Wassermenge genau passend, aber kleinere Wassermengen haben praktisch die gleiche Geschwindigkeit und damit passen die Winkel in der Auslegung.Although the slit surface in the turbine is just right for one volume of water, smaller amounts of water are practically the same speed, and so the angles fit in the design.
Wenn die Wassermenge z. B. im Sommer über einen längeren Zeitraum wesentlich weniger ist, kann eine Anpassung notwendig sein.If the amount of water z. B. is significantly less in the summer over a longer period, an adjustment may be necessary.
Sobald das Wasser im Schlitz sich überwiegend in Tropfen verteilt, bildet sich keine echte Strömung am Propellerblatt und der Wirkungsgrad fallt sehr stark ab.As soon as the water in the slit is mainly distributed in drops, there is no real flow on the propeller blade and the efficiency drops very sharply.
Bei einer so eigesetzten Anlage kann es zweckmäßig sein, die Schlitzverengungen austauschbar vorzusehen um die Schlitzbreite an die Wassermenge anzupassen.In such an egesetztetzten system, it may be appropriate to provide the slot narrowings interchangeable to adjust the slot width to the amount of water.
Aus vorstehenden Überlegungen folgt, daß die Strömung in der Turbine in einen Schlitz zwischen einem Innen- und einem Außenrohr genau auf den optimalen Arbeitspunkt der Propellerblätter gelenkt werden muß.From the above considerations, it follows that the flow in the turbine must be directed into a slot between an inner and an outer tube exactly to the optimum operating point of the propeller blades.
Die nicht beaufschlagten Teile der Propellerblätter drehen sich theoretisch im freien Raum.The unaffected parts of the propeller blades theoretically rotate in free space.
Ideal ist es, wenn Rohrweiten nach DIN genau als Innen- und Außenrohr passen.It is ideal if pipe widths to DIN fit exactly as inner and outer pipe.
In der Praxis hat man allerdings zwei Möglichkeiten zur Korrektur.In practice, however, you have two options for correction.
Man kann am Innen- und, oder Außenrohr keilförmige Elemente als Schlitzverengung zur Verkleinerung des Schlitzes anbringen, die die Durchströmung nur unwesentlich behindern.It can be attached to the inner and outer tube or wedge-shaped elements as a slot narrowing to reduce the slot, which impede the flow only insignificantly.
Daneben gibt es Propeller, bei denen die Blätter einzeln befestigt sind.There are also propellers, where the leaves are attached individually.
Die Befestigung macht dann die Blattverstellung um einige Grad möglich.The attachment then makes the blade adjustment by a few degrees possible.
Dies ist dann eine feste Voranstellung, passend zur Fallhöhe und wird im Betrib nicht geändert.This is then a fixed position, matching the case height and is not changed in the Betrib.
Damit kann eine Turbine über den Anströmschlitz in einer großen Bandbreite genau ausgelegt werden.This allows a turbine over the Anströmschlitz be designed in a wide range exactly.
Um einen Generator zu integrieren, bleibt bei dieser Turbinenform kein Raum.To integrate a generator, there is no room for this type of turbine.
Aus der Turbine muß also eine Achse zum Generator geführt werden. Das ergibt die Möglichkeit zur einfachen Anpassung des Generators in Baustufen nach Drehzahl und Leistung.From the turbine so an axis must be guided to the generator. This gives the possibility for easy adaptation of the generator in stages of construction according to speed and power.
Ideal als Generator ist eine netzgeführte Asynchronmaschine, denn sie hat eine sehr weiche Kennlinie im Synchronbereich und je nach Polzahl vorgegebene Drehzahlen.Ideal as a generator is a mains-driven asynchronous machine, because it has a very soft characteristic in the synchronous range and depending on the number of poles predetermined speeds.
Diese Maschine steht in den passenden Leistungsbereichen zu Verfügung, und es gibt Kondensatoren zur Blindstromversorgung, wenn es für das Netz notwendig ist.This machine is available in the appropriate power ranges, and there are capacitors for reactive power when it is necessary for the grid.
Für einen Inselbetrieb müßten andere Belastungsregeln definiert werden, denn unbelastet steigt die Drehzahl der Turbine an, bis die Arbeitswinkel nicht mehr passen.For an island operation other load rules would have to be defined, because unloaded increases the speed of the turbine until the working angle no longer fit.
Bild 1
- zeigt ein Diagramm aus dem Buch Regenerative Energiesysteme (L1).shows a diagram from the book Regenerative Energiesysteme (L1).
Zu erkennen sind die Arbeitsbereiche der derzeit üblichen Turbinen und als weiße Spitze der Bereich, in dem die Schlitzturbine arbeiten kann.You can see the working areas of the turbines currently used and, as a white tip, the area in which the slitting turbine can work.
Bild 2
-
zeigt einen Propeller (
1 ) aus einem Katalog für Schiffsantriebe (L2).shows a propeller (1 ) from a catalog for marine propulsion (L2).
Eingezeichnet sind die Schlitze (
Die Drehzahl des Generators (
Werden diese Grenzen überschritten, dann muß eine andere Generatordrehzahl gewählt werden.If these limits are exceeded, then another generator speed must be selected.
Jeder Schlitz (
Als Alternative bleibt in einem engen Bereich ein Propeller (
Bild 3
- zeigt im Schnitt die wesentlichen Elemente der Turbine.shows in section the essential elements of the turbine.
Der Turbinenzulauf (
Eine kurze gerade Einströmstrecke (
Der Schlitz (
Im Propellergehäuse (
Der Turbinenauslauf (
Eine Achse (
Da der Generator (
Durch diesen modularen Ausbau und mit einer entsprechenden Montageplattform kann die Turbine auch in einem engen Raum und ohne örtliche Bauarbeiten aufgestellt werden.Due to this modular construction and with an appropriate assembly platform, the turbine can also be installed in a narrow space and without any local construction work.
An einem längeren, freistehenden Traggerüst, z. B. einer Leiter, können dann Wassereinlauf, Fallrohre als Zufluß (
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Propellerpropeller
- 22
- Schlitzslot
- 33
- Schlitz größter Fallhöhe, achsferner SchlitzSlot largest drop height, off-axis slot
- 44
- Schlitz kleinster Fallhöhe, achsnaher SchlitzSlot smallest drop height, near-axis slot
- 55
- Achseaxis
- 66
- ZuflußInflow
- 77
- Auslaufoutlet
- 88th
- Außenrohrouter tube
- 99
- Innenrohrinner tube
- 1010
- Schlitzverengungslit throat
- 1111
- EinströmstreckeEinströmstrecke
- 1212
- Propellergehäusepropeller housing
- 1313
- Drehrichtungdirection of rotation
- 1414
- Generatorgenerator
- 1515
- Propellerblattpropeller blade
Literaturverzeichnisbibliography
- L1 Regenerative Energiesysteme, Quaschning, Volker, 978.3.446-43526.1L1 Regenerative Energy Systems, Quaschning, Volker, 978.3.446-43526.1
- L2 allpa marine equipment Katalog 2012L2 allpa marine equipment catalog 2012
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE201310016085 DE102013016085A1 (en) | 2013-09-27 | 2013-09-27 | Slit turbine for generating energy at waterfalls in the small power range |
Applications Claiming Priority (1)
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---|---|---|---|
DE201310016085 DE102013016085A1 (en) | 2013-09-27 | 2013-09-27 | Slit turbine for generating energy at waterfalls in the small power range |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE102013016085A1 true DE102013016085A1 (en) | 2015-04-02 |
Family
ID=52672770
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE201310016085 Withdrawn DE102013016085A1 (en) | 2013-09-27 | 2013-09-27 | Slit turbine for generating energy at waterfalls in the small power range |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE102013016085A1 (en) |
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- 2013-09-27 DE DE201310016085 patent/DE102013016085A1/en not_active Withdrawn
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Legal Events
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