DE102014004462B4

DE102014004462B4 - Water crank drive

Info

Publication number: DE102014004462B4
Application number: DE102014004462.9A
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-12-31
Filing date: 2014-03-28
Publication date: 2016-01-14
Anticipated expiration: 2034-03-29
Also published as: DE102014004462A1

Abstract

Wasserkurbelantrieb zur Umwandlung von Fließwasser in elektrische oder sonstige Energie bestehend aus mindestens drei Schaufelkästen, welche durch zwei miteinander verbundenen, in gleiche Richtung laufenden Kurbelwellen gekoppelt sind, wobei die Schaufelräder so angeordnet sind, dass sie nacheinander in das zum Antrieb vorgesehene Strömungsmedium eintauchen.Water crank drive for converting flow water into electrical or other energy consisting of at least three blade boxes, which are coupled by two interconnected, running in the same direction crankshafts, wherein the paddle wheels are arranged so that they submerge successively in the flow medium provided for driving.

Description

Die Erfindung ist ein System aus Wasserrädern, welches Fließenergie in elektrische Energie umwandelt.The invention is a system of water wheels that converts flow energy into electrical energy.

Seit langer Zeit verwenden die Menschen die Fließkraft von Wasser, um deren Energie zu nutzen und zu speichern.For a long time, people have been using the flow of water to harness and store their energy.

So kennt jeder die Verwendung von Wasserrädern an Flüssen und Bächen, die zum Antrieb eines Getreidemahlwerkes benutzt werden.So everyone knows the use of water wheels on rivers and streams, which are used to drive a flour mills.

In einem größeren Maßstab wird in Wasserkraftwerken durch eine Stauanlage Wasser im Stauraum auf hohem potentiellen Niveau zurückgehalten. Die Bewegungsenergie des abfließenden Wassers wird auf eine Wasserturbine oder ein Wasserrad übertragen, welches wiederum direkt oder über ein Getriebe einen elektrischen Generator antreibt, der die mechanische Energie in elektrische Energie umwandelt. Zur Einspeisung in ein Mittel- oder Hochspannungsnetz ist vielen Wasserkraftwerken auch ein Umspannwerkwerk angegliedert.On a larger scale, water in hydroelectric power plants is retained in the reservoir at a high potential level by a dam. The kinetic energy of the effluent water is transferred to a water turbine or a water wheel, which in turn drives an electric generator directly or via a transmission, which converts the mechanical energy into electrical energy. For feeding into a medium or high voltage network, many hydropower plants also have a substation attached.

Der Aufwand zur Gewinnung der Energie auf einem solchen Weg ist groß und bedarf landschaftsbedingter Vorraussetzungen sowie enorme bautechnische Anstrengungen.The effort required to extract the energy in such a way is large and requires landscape-related prerequisites and enormous engineering efforts.

Das Wasserrad selbst in seiner ursprünglich bekannten Form hat in den derzeitigen industrialisierten Regionen kaum noch wirtschaftliche Bedeutung. Die meisten stehen in den zahlreichen zu Museen umgebauten Mühlen, einige treiben kleinere Generatoren an und dienen der Stromerzeugung. Teilweise laufen Wasserräder sogar nur zu dekorativen Zwecken ohne Energienutzung. Ein wichtiger Unterschied zwischen Wasserrädern und den Turbinen ist allerdings, dass die Wasserräder ohne Regelung und mit stark schwankenden Wassermengen ohne nennenswerte Einbußen beim Wirkungsgrad laufen können.The water wheel itself, in its original form, has little economic significance in the current industrialized regions. Most of them are in the many mills converted into museums, some of them power smaller generators and generate electricity. Partial water wheels even run only for decorative purposes without energy use. An important difference between water wheels and the turbines, however, is that the water wheels can run without regulation and with highly fluctuating amounts of water without significant loss of efficiency.

Bauartbedingt sind die Wasserräder auch zu unterschiedlichen Leistung fähig, wobei sie natürlich den jeweiligen landschaftlichen Gegebenheiten angepasst werden können. Grob unterscheidet man zwischen Zellen und Schaufelrädern.Due to the design of the water wheels are also capable of different performance, and they can of course be adapted to the particular landscape conditions. Roughly one distinguishes between cells and paddle wheels.

Zellenräder bestehen aus seitlich und nach unten abgeschlossenen Behältern (Zellen), die das Wasser maximal eine halbe Umdrehung festhalten. Diese Bauform wird auch als Staber- oder Kranzrad bezeichnet. Eine Sonderform stellt das Pansterrad dar, das nach demselben Prinzip aufgebaut, jedoch wesentlich größer und breiter und daher für den Einsatz in Flüssen geeignet ist.Cell wheels consist of side and bottom sealed containers (cells), which hold the water a maximum of half a turn. This design is also referred to as Staber- or Kranzrad. A special form is the Pansterrad, which is based on the same principle, but much larger and wider and therefore suitable for use in rivers.

Schaufelräder dagegen besitzen keine Zellen, sondern nur radial angeordnete Bleche oder Bretter (Schaufeln), die zu allen Seiten offen sind. Um das Wasser in den Schaufeln zu halten, laufen die meisten Schaufelräder in einem Kropfgerinne. Um einen hohen Wirkungsgrad zu erzielen, muss das Kropfgerinne möglichst eng an der Schaufel anliegen Diese Bauform wird auch als Strauber- oder Stelzenrad bezeichnet.Paddle wheels, however, have no cells, but only radially arranged sheets or boards (blades), which are open on all sides. To keep the water in the blades, most paddle wheels run in a cropping gutter. In order to achieve a high degree of efficiency, the crop furrow must rest as closely as possible on the blade. This type of construction is also known as a stiffener or stilt wheel.

Je nachdem, wo das Wasser von den Kästen oder Schaufeln aufgenommen wird, unterscheidet man noch das „oberschlächtige Wasserrad”, das „mittelschlächtige Wasserrad” und das „unterschlächtige Wasserrad”.Depending on where the water is taken from the boxes or shovels, there is still a difference between the "superficial waterwheel", the "mediocre waterwheel" and the "undershot waterwheel".

Es gibt aber kaum Wasserräder, die aus niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten Energie gewinnen können.But there are hardly any water wheels that can gain energy from low flow velocities.

Bekannt sind weiterhin auch Wasserkraftmaschinen mit mehreren, an Kurbelstangen hintereinander angeordneten, blattförmigen Schaufeln. Solche gehen beispielsweise aus der DE 10 2012 001 334 A1 und der DE 13 862 A hervor.Also known are hydraulic machines with several, arranged on crank rods in a row, leaf-shaped blades. Such go for example from the DE 10 2012 001 334 A1 and the DE 13 862 A out.

Hiervon ausgehend war es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Wasserradsystem bereitzustellen, welches auch niedrige Strömungsgeschwindigkeiten zur Energiegewinnung ausnutzt.On this basis, it was an object of the present invention to provide a water wheel system, which also exploits low flow rates for energy.

Diese Aufgabe wird durch den erfindungsgemäßen Wasserkurbelantrieb zur Umwandlung von Fließwasser in elektrische oder sonstige Energie, bestehend aus mindestens drei Schaufelkästen, welche durch zwei miteinander verbundene, in gleiche Richtung laufende Kurbelwellen gekoppelt sind, gelöst, wobei die Schaufelkästen so angeordnet sind, dass sie nacheinander in das zum Antrieb vorgesehene Strömungsmedium eintauchen und wobei ein Umwandlungsmodul, vorzugsweise ein Generator, so an den Wasserkurbelantrieb angebracht ist, dass dieser die durch die Strömung und den damit erzeugten Schub entstandene kinetische Energie in elektrische Energie umwandelt.This object is achieved by the water crank drive according to the invention for converting running water into electrical or other energy, consisting of at least three bucket boxes, which are coupled by two interconnected, running in the same direction crankshaft, the bucket boxes are arranged so that they successively in immerse the flow medium provided for the drive, and wherein a conversion module, preferably a generator, is attached to the water crank drive such that it converts the kinetic energy produced by the flow and the thrust generated thereby into electrical energy.

Die oben erwähnten Schaufelkästen bestehen aus unterseitig offenen Gehäusen, welche an einem Konstruktionsrahmen befestigt sind. Die Gehäuse selber können ebenfalls schon den Konstruktionsrahmen darstellen. Die Schaufelkästen tauchen in das zum Antrieb vorgesehen Strömungsmedium ein. Hierbei handelt es sich meist um fließendes Wasser aus einem Flusslauf oder einem Bach oder um Meeresströmung. Beim Eintauchvorgang wird der Schaufelkasten durch das fließende Wasser in Flussrichtung gedrückt. Der durch die Fließströmung auf den Schaufelkasten ausgeübte Strömungsdruck wird somit zur Bewegung der Schaufelkästen und somit der Kurbelwellen genutzt. Diese Kurbelwellenbewegung kann über einen Generator in eine andere Energieform, vorzugsweise elektrische Energie, umgewandelt werden.The above-mentioned bucket cases consist of lower-side open casings, which are fastened to a construction frame. The housings themselves can also already represent the construction frame. The bucket cases dip into the flow medium provided for the drive. These are usually running water from a river or a stream or ocean current. During the immersion process, the bucket is pushed by the flowing water in the direction of flow. The flow pressure exerted on the blade box by the flow flow is thus used to move the blade boxes and thus the crankshafts. This crankshaft movement can be converted via a generator into another form of energy, preferably electrical energy.

Eine solches unterschlächtiges Wasserrad kann bei leicht strömenden Gewässern mit nur einem geringen Gefälle zum Einsatz kommen.Such unterschlächtiges waterwheel can be used in slightly flowing waters with only a slight slope.

Grundsätzlich fließt das Wasser bei unterschlächtigen Wasserrädern unter dem Rad in einem Kropf durch. Der Kropf ist eine Führung, welche dem Rad angepasst ist. Sie verhindert, dass Wasser unterhalb und seitlich der Schaufeln abfließt, ohne es anzutreiben. Aufgrund der eher simplen Bauweise sind unterschlächtige Wasserräder die älteste Form der Wasserräder. In diesem Fall kann die Wirkungsweise des Kropfes durch die Schaufelkästen ersetzt sein. Auch hier kann das in den Schaufelkästen eingefangene Wasser diese kaum mehr verlassen und überträgt folglich den größten Teil seiner Bewegungsenergie auf den Kasten.Basically, the water flows in undershot water wheels under the wheel in a goiter. The crop is a guide that is adapted to the wheel. It prevents water from draining below and to the side of the blades without propelling it. Due to the rather simple design unterschlächtige water wheels are the oldest form of water wheels. In this case, the action of the crop may be replaced by the bucket boxes. Again, the trapped in the shovel water these can hardly leave and therefore transfers most of its kinetic energy to the box.

So kann beispielsweise das Einsatzgebiet bei Gefällen von 0,25 bis 2 m liegen und Wassermengen über 0,3 m³/s, beziehungsweise 50 Litern pro Sekunde. Daraus ergibt sich eine Leistung im ein- bis zweistelligen kW-Bereich. Unter optimalen Bedingungen, insbesondere, wenn der Spalt zwischen Kropf und Rad klein ist, werden Wirkungsgrade von über 70% erzielt. Unterschlächtige Wasserräder werden bei Umfangsgeschwindigkeiten von 1,6–2,2 m/s betrieben, wobei diese Größe einen Erfahrungswert darstellt. Eine Ausführungsform der hier vorliegenden Erfindung hat schon bei einer Fließwassergeschwindigkeit von 5–6 m/s gute Ergebnisse erzielt. Wegen des geringen Gefälles steht das Wasserrad normalerweise direkt beim Wehr. Das vorliegende erfindungsgemäße Wasserrad bzw. der erfindungsgemäße Wasserkurbelantrieb kann aber aufgrund der symmetrischen Konstruktion auch das Fließwasser von Ebbe und Flut einfangen und zu Energie umwandeln. Ebenso sind wasserdurchspülte Engstellen zwischen Landausbuchtungen und kleinere umspülte Inseln ein Gebiet, auf welchen dieses Wasserrad verwendet werden kann, da es keinerlei Größenbeschränkungen unterliegt.Thus, for example, the area of application can be at slopes of 0.25 to 2 m and water volumes over 0.3 m ³ / s, or 50 liters per second. This results in a performance in the one- to two-digit kW range. Under optimal conditions, especially when the gap between crop and wheel is small, efficiencies of over 70% are achieved. Submissive water wheels are operated at peripheral speeds of 1.6-2.2 m / s, this size is an empirical value. An embodiment of the present invention has achieved good results even at a flow rate of 5-6 m / s. Because of the low gradient, the water wheel is usually directly at the weir. Due to the symmetrical design, however, the present invention water wheel or the water-crank drive according to the invention can also capture the flow of ebb and flow and convert it into energy. Likewise, water-flushed bottlenecks between land recesses and smaller, lapped islands are an area on which this waterwheel can be used, as it is not subject to any size restrictions.

Es wird zusätzlich auch die Schubenergie, die in dem sich als Gesamtheit bewegenden Wasser vorliegt, ausgenutzt und in Energie umgewandelt, also nicht nur der Wasserdruck auf die Stirnflächen der Kästen, sondern die Mitnahmeenergie durch das Wasser, welches sich unter anderem in den Kästen gefangen hat, wird zum Antrieb des Rades verwendet und in Energie umgewandelt. Die Größe einer angeströmten Fläche ist hierbei nicht der alleinige Faktor, der zum Antrieb des Rades beiträgt, sondern auch die von den Wasserkästen beim Eintauchen in das Fließwasser abzubremsende Wassermenge und deren kinetische Energie treiben das Rad ebenfalls an. Denn beim Eintauchen werden die Kästen mit dem Wasser gefüllt, welches sich nun im Kasteninneren befindet. Die Bewegung dieses Wasser ist noch nicht gebremst und schiebt die Kästen zusätzlich weiter an. Dies ist durch Versuche getestet und belegt worden, bei welchen man die Energieausbeute von Wasserrädern mit Schaufelkästen gegenüber Wasserrädern, welche nur über Schaufeln verfügen, verglichen hat. Hier waren die Schaufelkästen durchweg ergiebiger. Vorzugsweise sollen die Wasserkästen senkrecht in das Wasser eintauchen.It is also the Schubenergie, which is present in the water as a whole, exploited and converted into energy, so not only the water pressure on the faces of the boxes, but the entrainment of energy through the water, which has caught, inter alia, in the boxes , is used to drive the wheel and converted into energy. The size of a streamlined surface is not the sole factor that contributes to the drive of the wheel, but also the amount of water to be braked by the water tanks when immersed in the flowing water and their kinetic energy also drive the wheel. Because when dipping the boxes are filled with water, which is now inside the box. The movement of this water is not yet slowed down and pushes the boxes further on. This has been tested and proven by experiments comparing the energy yield of water wheels with bucket boxes to water wheels with only blades. Here the bucket boxes were consistently more productive. Preferably, the water boxes are immersed vertically in the water.

In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wasserkurbelantrieb ist dieser dadurch gekennzeichnet, dass dieser genau drei Schaufelkästen aufweist, welche in einem Winkel von 120° beabstandet angeordnet sind. In einer besonders gelungenen und bevorzugten Ausführungsform sind die Schaufelkästen so angeordnet, dass zu jedem Zeitpunkt mindestens ein oder genau ein Schaufelkasten in das Fließwasser eintaucht und somit der Wasserkurbelantrieb dauernd mit Bewegungsenergie aus dem fließenden Wasser versorgt wird. Es gibt also keinen konstruktionsbedingten Stillstand. Nut das Fehlen des fließenden Wasser kann zu einem Stillstand des Wasserkurbelantriebs führen.In a further embodiment of the water crank drive according to the invention this is characterized in that it has exactly three blade boxes, which are arranged at an angle of 120 ° apart. In a particularly successful and preferred embodiment, the bucket boxes are arranged so that at any time at least one or exactly a bucket box is immersed in the flow water and thus the water crank drive is constantly supplied with kinetic energy from the flowing water. So there is no construction-related standstill. Nut the lack of running water can lead to a stoppage of the water crank drive.

In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Wasserkurbelantrieb so ausgestaltet, dass die Schaufelkästen in einzelne Segmente unterteilt sind. In diesen einzelnen Segmenten wird das Fließwasser gefangen und kann, während des Eintauchvorganges nicht an den Schaufelkästen vorbeiströmen.In another embodiment of the present invention, the water crank drive is configured so that the blade boxes are divided into individual segments. In these individual segments, the flowing water is caught and can not flow past the bucket boxes during the immersion process.

In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind Ventile in die Schaufelkästen eingebracht, welche einem zu starken Druck innerhalb der Kästen durch das einströmende Wasser entgegenwirken. Des Weiteren können diese Ventile auch bei zu starken Beschleunigungen des Wasserrades beim Eintauchvorgang durch das Fließwassers dem möglicherweise zerstörerischen Druck entgegenwirken.In another embodiment of the present invention, valves are introduced into the bucket boxes, which counteract excessive pressure within the boxes by the inflowing water. Furthermore, these valves can counteract the possibly destructive pressure even when accelerating the waterwheel during the immersion process by the running water.

In einer anderen Ausführungsform des Wasserrades ist dieses so aufgebaut, dass die Kästen aus unterschiedlich langen Einfassungsbrettern bestehen. So kann beim Eintauchen der Kästen in das Fließwasser schon teilweise der Wasserdruck des Fließwassers aufgenommen und in Energie umgesetzt werden, ohne dass das Wasserrad zu stark und abrupt belastet wird.In another embodiment of the waterwheel this is constructed so that the boxes consist of different length edging boards. Thus, when dipping the boxes into the running water, the water pressure of the running water can be partially absorbed and converted into energy without the water wheel being subjected too much and abruptly.

1 zeigt einen möglichen schematischen Aufbau des erfindungsgemäßen Wasserkurbelantriebs aus 2 Ansichten 1 shows a possible schematic structure of the water-crank drive according to the invention from 2 views

2 zeigt einen möglichen schematischen Aufbau des erfindungsgemäßen Wasserkurbelantrieb 2 shows a possible schematic structure of the water crank drive according to the invention

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Schaufelkästenscoop boxes
22: Kurbelradiuscrank radius
33: Fließwasserrunning water
44: Stirnfläche eines SchaufelkastensFace of a bucket
55: einzelne Segmente, Kammernindividual segments, chambers
66: Anschlußflansch für den Generator an der KurbelwelleConnection flange for the generator on the crankshaft
77: Kurbelwelle u. KurbelwellenradiusCrankshaft u. crankshaft radius

1 zeigt einen möglichen schematischen Aufbau des erfindungsgemäßen Wasserkurbelantriebs. In dieser Figur kann man deutlich die Schaufelkästen 1 erkennen, die in diesem Fall an mindestens 2, vorzugsweise aber 3 (drei-fach gekröpften) gegenüberliegenden Kurbelwellen um 120° versetzt angebracht sind. Entsprechend ihrer Anbringung an den Kurbelwellen und dem Kurbelradius 2 tauchen die Kästen zeitversetzt in das Fließwasser 3 ein. (Der Pfeil markiert die Fließrichtung) Die Stirnfläche 4 wird von dem fließenden Wasser angeströmt, der Kasten bewegt sich kreisförmig in gleicher Richtung. Gleichzeitig füllt sich der Wasserkasten sehr schnell mit dem mit größerer Geschwindigkeit fließenden Wasser und sorgt für zusätzlichen Schub in Drehrichtung. Ventile bewirken einen Druckausgleich in den Behältern. Der Anschlussflansch für einen Generator befindet sich an der Kurbelwelle 6. Es hat sich bei Versuchen ergeben, dass bei einer Anordnung von einem Abstand von jeweils 120° der Schaufelkästen zueinander, ein mindestens ein Schaufelkasten durch das Fließwasser angetrieben wird, während die anderen Schaufel so mitangetrieben den jeweiligen Totpunkt des Wasserkurbelantriebs überwinden können. Dieser Wasserkurbelantrieb kann als Baukastensystem ausgelegt und produziert werden. Er kann so an jegliches fließende Gewässer in seiner Länge und Breite angepasst werden. Entweder indem man mehrere Wasserkurbelantriebe nebeneinander aufbaut oder durch Anpassung der Länge der Schaufelräder durch Weglassen oder Hinzufügen eines Segmentes. Oder anderenfalls indem weitere Schaufelkästen nebeneinander vorhanden sind. 1 shows a possible schematic structure of the water crank drive according to the invention. In this figure you can clearly see the bucket boxes 1 recognize that in this case at least 2 but preferably 3 (three times cranked) opposite crankshafts are mounted offset by 120 °. According to their attachment to the crankshaft and the crank radius 2 dive the boxes with a time delay in the running water 3 one. (The arrow marks the direction of flow) The face 4 is flowed by the flowing water, the box moves in a circular direction in the same direction. At the same time, the water box fills very quickly with the water flowing at greater speed and provides additional thrust in the direction of rotation. Valves cause pressure equalization in the tanks. The connection flange for a generator is located on the crankshaft 6 , It has been found in experiments that in an arrangement of a distance of 120 ° of the bucket boxes to each other, at least one bucket is driven by the flow of water, while the other bucket so co-driven can overcome the respective dead center of the water crank drive. This water crank drive can be designed and produced as a modular system. It can be adapted to any flowing water in its length and width. Either by building several water crank drives side by side or by adjusting the length of the paddle wheels by omitting or adding a segment. Or else by having additional bucket boxes next to each other.

2 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung. In dieser Figur ist die 3-fach gekröpfte Kurbelwelle deutlich zu erkennen 2 shows a further embodiment of the invention. In this figure, the 3-times cranked crankshaft is clearly visible

Claims

Water crank drive for the conversion of flowing water ( 3 ) in electrical or other energy, consisting of at least three bucket boxes ( 1 ), which are coupled by at least two connected, in the same direction running crankshafts, wherein the bucket boxes are arranged so that the bucket boxes ( 1 ) immerse successively in the flow medium provided for the drive.

Water crank drive according to one of the preceding claims, characterized in that the crankshafts are at least 3-fold crooked.

Water crank drive according to one of the preceding claims, characterized in that this exactly three bucket boxes ( 1 ), which are arranged at an angle of 120 °.

Water crank drive according to the preceding claim, characterized in that the blade boxes ( 1 ) are arranged so that at any time at least one of the bucket boxes ( 1 ) in the flowing water ( 3 immersed).

Water crank drive according to claim 3 to 4, characterized in that the bucket boxes are arranged so that at any time exactly one of the bucket boxes ( 1 ) in the flowing water ( 3 immersed).

Water crank drive according to one of the preceding claims, characterized in that the blade boxes ( 1 ) into individual segments ( 5 ) are divided.

Water crank drive according to one of the preceding claims, characterized in that in the bucket boxes ( 1 ) valves provide for pressure equalization.

Water crank drive according to one of the preceding claims, characterized in that the blade boxes ( 1 ) forming enclosures, in particular boards or the like can be extended.