DE102014100999A1

DE102014100999A1 - Wasserkraftanlage zur Erzeugung elektrischer Energie, Schneckenkörper sowie Schneckentrog

Info

Publication number: DE102014100999A1
Application number: DE102014100999.1A
Authority: DE
Inventors: Ludger Glosemeyer
Original assignee: Andritz Atro GmbH
Current assignee: Andritz Atro GmbH
Priority date: 2014-01-28
Filing date: 2014-01-28
Publication date: 2015-07-30

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Wasserkraftanlage (1) zur Erzeugung elektrischer Energie durch Umwandlung aus dem Höhenunterschied von Gewässern resultierender potentieller Energie mit einem Schneckenkörper (2), einem den Schneckenkörper (2) zumindest teilweise umschließenden Schneckentrog (7) und einem von dem Schneckenkörper (2) angetriebenen Generator (5), wobei der Schneckenkörper (2) an einem oberen Lager (6) und in dem Schneckentrog (7) gelagert ist. Die Erfindung betrifft des Weiteren einen Schneckenkörper (2) sowie einen Schneckentrog (7).

Description

Die Erfindung betrifft eine Wasserkraftanlage zur Erzeugung elektrischer Energie durch Umwandlung aus dem Höhenunterschied von Gewässern resultierender potentieller Energie mit einem Schneckenkörper. Die Erfindung betrifft des Weiteren einen Schneckenkörper sowie einen Schneckentrog für eine solche Wasserkraftanlage.
Eine derartige Wasserkraftanlage ist beispielsweise aus der DE 4139134 A1 bekannt. Bei der dort gezeigten Wasserkraftanlage fließt Wasser von einem Oberwasserspiegel in einen Schneckenkörper, der in einem diesen teilweise umschließenden Schneckentrog um seine Längsachse rotiert. Der Schneckenkörper weist eine Mehrzahl von Schneckenflügeln auf, welche zusammen mit dem Schneckentrog eine Mehrzahl von Schneckengangkammern ausbilden, die mit Wasser gefüllt werden. Infolge der auf die Schneckenflügel wirkenden Schwerkraft des Wassers wird der Schneckenkörper in Rotation versetzt und transportiert dadurch das Wasser zu einem Unterwasserspiegel hin. Die Rotationsenergie des Schneckenkörpers wird von einem Generator in elektrische Energie umgewandelt.
Eine Aufgabe, welche der Erfindung zugrunde liegt, ist es, eine Wasserkraftanlage sowie einen Schneckenkörper und einen Schneckentrog zu beschreiben, welche sich durch einen geringen Verschleiß auszeichnen und/oder bei welchen ein Gesamtwirkungsgrad der Wasserkraftanlage erhöht ist.
Die Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt durch eine Wasserkraftanlage der eingangs genannten Art gelöst, bei welcher der Schneckenkörper an einem oberen Lager und in dem Schneckentrog gelagert ist.
Somit ist der Schneckenkörper an dem oberen Lager drehbar um seine Längsachse gelagert und liegt innerhalb des Schneckentrogs lagernd auf. Der Schneckenkörper ist nicht an einem unteren Lager gelagert. Das obere Lager bezeichnet dabei ein Lager, welches im Bereich eines Oberwassers angeordnet ist, während das untere Lager ein Lager definiert, welches im Bereich eines Unterwassers an einem unteren Ende des Schneckenkörpers angeordnet würde.
Das obere Lager steht trocken und kann sowohl Radial- als auch Axialkräfte aufnehmen. Das untere Lager, das erfindungsgemäß durch eine Lagerung in dem Schneckentrog ersetzt wird, würde im Unterwasser stehen und nur Radialkräfte aufnehmen können. Untere Lager werden typischerweise als Loslager konstruiert, um eine Längendehnung des Schneckenkörpers, beispielsweise aufgrund von Temperaturunterschieden, aufzunehmen.
Nachteilig an einem unteren Lager ist, das dieses im Wasser steht und damit ständig gegen das Eindringen von Wasser gedichtet sein muss. Auch die Längenänderung des Schneckenkörpers würde die Anforderungen an die Dichtigkeit erschweren. Ein zusätzliches Problem ist der Einsatz von Ölen und Fetten zur Schmierung dieses Lagers.
Bei der erfindungsgemäßen Wasserkraftanlage wird auf das untere Lager des Schneckenkörpers gänzlich verzichtet, wobei der Schneckenkörper im Schneckentrog liegt und in diesem gelagert ist.
Damit der Schneckenkörper ohne unteres Lager frei im Schneckentrog drehen kann und es zu keinem Verschleiß oder einer Lebensdauerverkürzung von anderen Bauteile oder Komponenten der Wasserkraftanlage kommt, ist der Schneckenkörper zumindest im Bereich eines Außendurchmessers so ausgestaltet, dass die Reibungskräfte des Schneckenkörpers im Schneckentrog möglichst gering sind. Im Bereich des Außendurchmessers bedeutet dies, dass der Schneckenkörper zumindest an Flächen, welche bei Rotation des Schneckenkörpers den geringsten Abstand zu dem Schneckentrog haben und/oder mit dem Schneckentrog in Kontakt stehen, mit verbesserten Reibeigenschaften ausgestattet sind. Wie eingangs erwähnt weist der Schneckenkörper Schneckenflügel auf, welche spiralförmig an einem Zentralrohr des Schneckenkörpers angeordnet sind. Daher sind erfindungsgemäß Maßnahmen vorgesehen, um radial von dem Zentralrohr beabstandete Enden der Schneckenflügel, welche auch als Flügelkronen bezeichnet werden, mit verbesserten Reibeigenschaften auszustatten.
Beispielsweise können die Flächen der Schneckenflügel, welche in Kontakt mit dem Schneckentrog bei Rotation stehen, eine vergrößerte Auflagefläche besitzen, um eine Flächenpressung auf den Schneckentrog zu reduzieren.
Bevorzugt weist der Schneckenkörper im Bereich eines Außendurchmessers einen Kunststoffwerkstoff auf. Dadurch werden die Reib- und Gleiteigenschaften des Schneckenkörpers in dem Schneckentrog besonders verbessert. Dadurch kann auch ein Verschleiß des Schneckenkörpers und/oder des Schneckentrogs reduziert werden. Die Schneckenflügel weisen demnach im Bereich ihres Außendurchmessers den Kunststoffwerkstoff auf. Beispielsweise können die Enden der Schneckenflügel ein Kunststoffprofil aufweisen oder in ein Kunststoffprofil eingefasst sein, welches an den in der Regel aus Metall hergestellten Schneckenflügeln angebracht ist.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Schneckenkörper aus einem Kunststoffwerkstoff hergestellt, das heißt sowohl das Zentralrohr als auch die auf diesem angebrachten Schneckenflügel sind aus dem Kunststoffwerkstoff hergestellt.
Durch das Verwenden eines solchen Schneckenkörpers, welcher aus einem Kunststoffwerkstoff hergestellt ist, kann ein Gewicht des Schneckenkörpers und somit der gesamten Wasserkraftanlage reduziert werden. Durch die Reduzierung des Gewichts des Schneckenkörpers werden insbesondere Reib- und Gleiteigenschaften zwischen dem Schneckenkörper und dem den Schneckenkörper umgebenden Schneckentrog erheblich verbessert. Dabei kann zusätzlich ein Verschleiß des Schneckenkörpers und/oder des Schneckentrogs vermieden oder reduziert werden. Durch das geringere Gewicht des Schneckenkörpers reduziert sich auch zudem die Belastung von Komponenten der Wasserkraftanlage, welche mechanisch in einer Wirkverbindung mit dem Schneckenkörper stehen. So wirken beispielsweise weniger Gewichtskräfte auf das obere Lager. Zudem weist ein leichterer Schneckenkörper verbesserte Trägheitseigenschaften auf, wodurch dieser durch das Wasser leichter in Rotation zum Gewinnen von elektrischer Energie gebracht werden kann. Des Weiteren kann die Herstellung des Schneckenkörpers im Vergleich zu einem Schneckenkörper aus Metall kostengünstiger erfolgen.
In einer weiteren Ausgestaltung ist der Schneckentrog ebenfalls aus einem Kunststoffwerkstoff, beispielsweise aus einem der unten genannten Werkstoffe, hergestellt. Dabei ergeben sich im Wesentlichen die vorgenannten Vorteile, wobei insbesondere die Reduzierung des Gewichts des Schneckentrogs Kostenvorteile mit sich bringt. Zudem werden die Gleitund/oder Reibeigenschaften weiter verbessert.
Bevorzugt umfasst der Kunststoffwerkstoff für eine der oben genannten Varianten einen der folgenden Kunststoffwerkstoffe, welche auch als Lagerwerkstoffe Verwendung finden können:

– Polyethylen (PE);
– Ultrahochmolekulares Polyethylen (UHMW-PE);
– Polyamid (PA);
– Polyoximethylen (POM);
– Polyetheretherketon (PEEK); oder
– deren modifizierte Varianten.

Insbesondere die unpolaren Kunststoffwerkstoffe der oben genannten Kunststoffe sind für den Einsatz besonders geeignet, da sie keine Volumenzunahme durch Quellung zeigen. Besonders prädestiniert für die Fertigung der kompletten Einheit aus Schneckenkörper und Schneckentrog ist hochmolekulares Polyethylen (UHMW-PE). Dieser Kunststoff lässt sich weder durch Wasser angreifen noch quellen und ist gegen eine Vielzahl von chemischen Angriffen resistent. Durch seine fettartige Oberfläche gewährleistet er die geforderten Gleitund/oder Reibeigenschaften.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Schneckenkörper ein Beschwerelement auf. Ein Schneckenkörper aus Kunststoff ist deutlich leichter als ein entsprechender Schneckenkörper aus Stahl, da der Kunststoff eine Dichte kleiner als 1000 kg/m³ besitzt. Das hat zur Folge, dass der Schneckenkörper im Wasser aufschwimmen würde, also eine Auftriebskraft erfährt. Mittels des Beschwerelements kann der Schneckenkörper derart beschwert werden, dass der Schneckenkörpers im Schneckentrog im Wesentlichen keinen Auftrieb erfährt, insbesondere bei einer maximalen Wasserfüllung des Schneckentrogs. Dadurch wird die Reibung zwischen Schneckenkörper und Schneckentrog verringert, beispielsweise bis hin zu fast keiner Reibung. Das Beschweren des Schneckenkörpers kann durch viele Maßnahmen erfolgen.
Beispielsweise kann ein Stahlrohr eingebracht werden, welches das Zentralrohr aus Kunststoff versteift und eine Kraft auf eine Antriebswelle des oberen Lagers überträgt. Zusätzlich können andere Metallelemente in das Zentralrohr des Schneckenkörpers eingebracht werden und/oder weitere Elemente wie Beton, Steine oder anderer Ballast.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen dem Schneckenkörper und dem Schneckentrog kein Spalt ausgebildet, insbesondere zwischen auf dem Schneckenkörper spiralförmig angeordneten Schneckenflügeln und dem Schneckentrog.
Im Betriebsfall fließt Wasser in den Schneckentrog und den Schneckenkörper und übt eine Kraft auf den Schneckenkörper aus, die den Schneckenkörper in Rotation versetzt. Dabei bildet sich ein Wasserfilm zwischen den Schneckenflügeln und dem Schneckentrog aus, wodurch der Schneckenkörper fast verlustfrei an dem Schneckentrog gleitet. Hierbei wirkt das Wasser als Schmiermedium. Insbesondere bei Verwenden eines Schneckenkörpers und/oder eines Schneckentroges aus Kunststoff kann wie oben beschrieben der Verschleiß oder ein Abrieb verhindert werden, da im Wesentlichen kein Gewicht des Schneckenkörpers auf den Schneckentrog wirkt und somit eine Flächenpressung des Schneckenkörpers auf den Schneckentrog vernachlässigbar ist. Zusätzlich können unpolare Eigenschaften des Werkstoffes und/oder oder dessen fettige Oberfläche zu dem verschleißarmen Gleiten beitragen.
Dabei entsteht bis auf den Wasserfilm zwischen den Schneckenflügeln und dem Schneckentrog kein weiterer Spalt. An herkömmlichen Wasserkraftanlagen würde ein Spalt zwischen Schneckenkörper und Schneckentrog notwendig sein, damit der Schneckenkörper nicht am Schneckentrog schleift. Dieser Spalt würde in der Regel je nach Schneckenkörpergröße 4 bis 10 mm groß sein und zu Leckströmungen führen, den sogenannten Spaltverlusten.
Bei dem in dem Schneckentrog gleitenden Schneckenkörper ist ein solcher Spalt nicht vorhanden. Somit wird der Wirkungsgrad der Wasserkraftanlage um die nicht mehr existenten Spaltverluste verbessert.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird eine Wasserkraftanlage der eingangs genannten Art offenbart, bei welcher der Schneckenkörper zumindest in einem Bereich eines Außendurchmessers einen Kunststoffwerkstoff aufweist. Die vorgenannten Ausgestaltungen sowie die beschriebenen Vorteile gelten im Folgenden gleichermaßen, auch wenn diese nicht explizit wiederholt erwähnt werden.
Mittels eines solchen Schneckenkörpers wird erreicht, dass die Reibungskräfte des Schneckenkörpers im Schneckentrog möglichst gering sind und somit die Gleit- und/oder Reibeigenschaften verbessert sind.
Im Bereich des Außendurchmessers bedeutet dies, dass der Schneckenkörper zumindest an Flächen, welche bei Rotation des Schneckenkörpers den geringsten Abstand zu dem Schneckentrog haben und/oder mit dem Schneckentrog in Kontakt stehen, mit verbesserten Reibeigenschaften ausgestattet sind. Wie eingangs erwähnt weist der Schneckenkörper Schneckenflügel auf, welche spiralförmig an einem Zentralrohr des Schneckenkörpers angeordnet sind. Daher weisen beispielsweise radial von dem Zentralrohr beabstandete Enden der Schneckenflügel, welche auch als Flügelkronen bezeichnet werden, den Kunststoffwerkstoff auf. Beispielsweise können die Enden der Schneckenflügel ein Kunststoffprofil aufweisen oder in ein Kunststoffprofil eingefasst sein, welches an den in der Regel aus Metall hergestellten Schneckenflügeln angebracht ist.
Zusätzlich oder alternativ können die Flächen der Schneckenflügel, welche in Kontakt mit dem Schneckentrog bei Rotation stehen, eine vergrößerte Auflagefläche besitzen, um eine Flächenpressung auf den Schneckentrog zu reduzieren.
Gemäß einer Ausgestaltung ist der Schneckenkörper an einem oberen Lager und in dem Schneckentrog gelagert.
Das obere Lager steht trocken und kann sowohl Radial- als auch Axialkräfte aufnehmen. Das untere Lager, das erfindungsgemäß durch eine Lagerung in dem Schneckentrog ersetzt wird, würde im Unterwasser stehen und nur Radialkräfte aufnehmen können. Untere Lager werden typischerweise als Loslager konstruiert, um eine Längendehnung des Schneckenkörpers, beispielsweise aufgrund von Temperaturunterschieden, aufzunehmen.
Nachteilig an einem unteren Lager ist, das dieses im Wasser steht und damit ständig gegen das Eindringen von Wasser gedichtet sein muss. Auch die Längenänderung des Schneckenkörpers würde die Anforderungen an die Dichtigkeit erschweren. Ein zusätzliches Problem ist der Einsatz von Ölen und Fetten zur Schmierung dieses Lagers.
Bei der Ausgestaltung wird auf das untere Lager des Schneckenkörpers gänzlich verzichtet, wobei der Schneckenkörper im Schneckentrog liegt und in diesem gelagert ist.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Schneckenkörper aus einem Kunststoffwerkstoff hergestellt, das heißt sowohl das Zentralrohr als auch die auf diesem angebrachten Schneckenflügel sind aus dem Kunststoffwerkstoff hergestellt.
Durch das Verwenden eines solchen Schneckenkörpers, welcher aus einem Kunststoffwerkstoff hergestellt ist, kann ein Gewicht des Schneckenkörpers und somit der gesamten Wasserkraftanlage reduziert werden. Durch die Reduzierung des Gewichts des Schneckenkörpers werden insbesondere Reib- und Gleiteigenschaften zwischen dem Schneckenkörper und dem den Schneckenkörper umgebenden Schneckentrog erheblich verbessert. Dabei kann zusätzlich ein Verschleiß des Schneckenkörpers und/oder des Schneckentrogs vermieden oder reduziert werden. Durch das geringere Gewicht des Schneckenkörpers reduziert sich auch zudem die Belastung von Komponenten der Wasserkraftanlage, welche mechanisch in einer Wirkverbindung mit dem Schneckenkörper stehen. So wirken beispielsweise weniger Gewichtskräfte auf das obere Lager. Zudem weist ein leichterer Schneckenkörper verbesserte Trägheitseigenschaften auf, wodurch dieser durch das Wasser leichter in Rotation zum Gewinnen von elektrischer Energie gebracht werden kann. Des Weiteren kann die Herstellung des Schneckenkörpers im Vergleich zu einem Schneckenkörper aus Metall kostengünstiger erfolgen.
In einer weiteren Ausgestaltung ist der Schneckentrog ebenfalls aus einem Kunststoffwerkstoff, beispielsweise aus einem der unten genannten Werkstoffe, hergestellt. Dabei ergeben sich im Wesentlichen die vorgenannten Vorteile, wobei insbesondere die Reduzierung des Gewichts des Schneckentrogs Kostenvorteile mit sich bringt. Zudem werden die Gleitund/oder Reibeigenschaften weiter verbessert.
Bevorzugt umfasst der Kunststoffwerkstoff für eine der oben genannten Varianten einen der folgenden Kunststoffwerkstoffe, welche auch als Lagerwerkstoffe Verwendung finden können:

Insbesondere die unpolaren Kunststoffwerkstoffe der oben genannten Kunststoffe sind für den Einsatz besonders geeignet, da sie keine Volumenzunahme durch Quellung zeigen. Besonders prädestiniert für die Fertigung der kompletten Einheit aus Schneckenkörper und Schneckentrog ist hochmolekulares Polyethylen (UHMW-PE). Dieser Kunststoff lässt sich weder durch Wasser angreifen noch quellen und ist gegen eine Vielzahl von chemischen Angriffen resistent. Durch seine fettartige Oberfläche gewährleistet er die geforderten Gleitund/oder Reibeigenschaften.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Schneckenkörper ein Beschwerelement auf. Ein Schneckenkörper aus Kunststoff ist deutlich leichter als ein entsprechender Schneckenkörper aus Stahl, da der Kunststoff eine Dichte kleiner als 1000 kg/m³ besitzt. Das hat zur Folge, dass der Schneckenkörper im Wasser aufschwimmen würde, also eine Auftriebskraft erfährt. Mittels des Beschwerelements kann der Schneckenkörper derart beschwert werden, dass der Schneckenkörpers im Schneckentrog im Wesentlichen keinen Auftrieb erfährt, insbesondere bei einer maximalen Wasserfüllung des Schneckentrogs. Dadurch wird die Reibung zwischen Schneckenkörper und Schneckentrog verringert, beispielsweise bis hin zu fast keiner Reibung. Das Beschweren des Schneckenkörpers kann durch viele Maßnahmen erfolgen. Beispielsweise kann ein Stahlrohr eingebracht werden, welches das Zentralrohr aus Kunststoff versteift und eine Kraft auf eine Antriebswelle des oberen Lagers überträgt. Zusätzlich können andere Metallelemente in das Zentralrohr des Schneckenkörpers und/oder weitere Elemente wie Beton, Steine oder anderer Ballast eingebracht werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen dem Schneckenkörper und dem Schneckentrog kein Spalt ausgebildet, insbesondere zwischen auf dem Schneckenkörper spiralförmig angeordneten Schneckenflügeln und dem Schneckentrog.
Im Betriebsfall fließt Wasser in den Schneckentrog und den Schneckenkörper und übt eine Kraft auf den Schneckenkörper aus, die den Schneckenkörper in Rotation versetzt. Dabei bildet sich ein Wasserfilm zwischen den Schneckenflügeln und dem Schneckentrog aus, wodurch der Schneckenkörper fast verlustfrei an dem Schneckentrog gleitet. Hierbei wirkt das Wasser als Schmiermedium. Insbesondere bei Verwenden eines Schneckenkörpers und/oder eines Schneckentroges aus Kunststoff kann wie oben beschrieben der Verschleiß oder ein Abrieb verhindert werden, da im Wesentlichen kein Gewicht des Schneckenkörpers auf den Schneckentrog wirkt und somit eine Flächenpressung des Schneckenkörpers auf den Schneckentrog vernachlässigbar ist. Zusätzlich können unpolare Eigenschaften des Werkstoffes und/oder oder dessen fettige Oberfläche zu dem verschleißarmen Gleiten beitragen.
Dabei entsteht bis auf den Wasserfilm zwischen den Schneckenflügeln und dem Schneckentrog kein weiterer Spalt. An herkömmlichen Wasserkraftanlagen würde ein Spalt zwischen Schneckenkörper und Schneckentrog notwendig sein, damit der Schneckenkörper nicht am Schneckentrog schleift. Dieser Spalt würde in der Regel je nach Schneckenkörpergröße 4 bis 10 mm groß sein und zu Leckströmungen führen, den sogenannten Spaltverlusten.
Bei dem in dem Schneckentrog gleitenden Schneckenkörper ist ein solcher Spalt nicht vorhanden. Somit wird der Wirkungsgrad der Wasserkraftanlage um die nicht mehr existenten Spaltverluste verbessert.
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird ein Schneckenkörper für eine Wasserkraftanlage gemäß dem ersten Aspekt oder dem zweiten Aspekt offenbart.
Gemäß einem vierten Aspekt der Erfindung wird ein Schneckentrog für eine Wasserkraftanlage gemäß dem ersten Aspekt oder dem zweiten Aspekt offenbart.
Der Schneckenkörper beziehungsweise der Schneckentrog gemäß dem dritten beziehungsweise vierten Aspekt ermöglichen im Wesentlichen die vorgenannten Vorteile.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen und in der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Zuhilfenahme der angehängten Figuren offenbart.
In den Figuren zeigen:
1 eine schematische Seitenansicht einer Wasserkraftanlage mit einem Schneckenkörper gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
2 eine schematische Vorderansicht des Schneckenkörpers mit einem umgebenden Schneckentrog,
3 eine weitere schematische Seitenansicht eines Teils der Wasserkraftanlage mit dem Schneckenkörper und
4 eine schematische Schnittansicht eines Schneckenkörpers gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
1 zeigt schematisch eine Seitenansicht einer Wasserkraftanlage 1, welche einen Schneckenkörper 2 mit einer Längsachse 3 aufweist, der über ein Getriebe 4 mit einem Generator 5 mechanisch gekoppelt ist. Der Schneckenkörper 2 ist an einem oberen Lager 6 drehbar gelagert. Der Schneckenkörper 2, welcher auf einem Zentralrohr 9 des Schneckenkörpers 2 spiralförmig angeordnete Schneckenflügel 8 aufweist, ist des Weiteren in einem Schneckentrog 7 gelagert, welcher den Schneckenkörper 2 und dessen Schneckenflügel 8 zumindest teilweise umgibt. Dabei schließt der Schneckentrog 7 die Schneckenflügel 8 seitlich und nach unten hin ab. Über eine Wasserzuführung eines Oberwassers mit einem Oberwasserspiegel 10 wird dem Schneckenkörper 2 Wasser zugeführt, welches von oben in Schneckenkörper 2 eintritt. Durch die Schwerkraft des Wassers übt dieses auf die Schneckenflügel 8 eine Schubkraft aus, sodass der Schneckenkörper 2 in Rotation versetzt wird, wodurch gleichzeitig das Wasser nach unten transportiert wird und dort in einem Wasseraustrittsbereich 11 in ein Unterwasser mit einem Unterwasserspiegel 12 ausströmt. Die Bewegung des Schneckenkörpers 2 wird über das bereits erwähnte Getriebe 4 auf den Generator 5 übertragen, welcher elektrische Energie erzeugt. Die elektrische Energie wird gegebenenfalls über einen Frequenzumrichter 13 auf eine erforderliche Netzfrequenz gewandelt und gegebenenfalls über einen Transformator 14 auf eine höhere Spannung transformiert, um diese direkt in ein öffentliches Netz, ein Inselnetz oder ein Mittel- oder Hochspannungsnetz einspeisen zu können.
Das Zentralrohr 9 und die Schneckenflügel 8 des Schneckenkörpers 2 sind aus ultrahochmolekularem Polyethylen (UHMW-PE) hergestellt. Andere Werkstoffe, wie die eingangs genannten Kunststoffwerkstoffe, sind ebenfalls denkbar. Der Schneckentrog 7 ist ebenfalls aus ultrahochmolekularem Polyethylen (UHMW-PE) in analoger Weise zu dem Schneckenkörper 2 hergestellt. Ein derartiger Schneckenkörper 2 beziehungsweise ein derartiger Schneckentrog 7 ermöglichen die eingangs erwähnten Vorteile. Dadurch ist beispielsweise das Gewicht der Wasserkraftanlage 1 insgesamt sowie des Schneckentrogs 7 erheblich reduziert. Des Weiteren können auch die Herstellungs- und Fertigungskosten reduziert werden.
Insbesondere durch das Zusammenspiel des aus Kunststoff gefertigten Schneckentrogs 7 mit dem aus Kunststoff gefertigten Schneckenkörpers 2 ergeben sich besonders gute Gleit- und Reibeigenschaften, insbesondere aufgrund unpolarer Eigenschaften des Werkstoffes sowie deren fettartiger, wasserabweisender Oberfläche. Zusätzlich kann wie 1 gezeigt und nachfolgend beschrieben auf ein unteres Lager für den Schneckenkörper 2 verzichtet werden.
Insbesondere wenn Wasser in den Schneckentrog 7 beziehungsweise den Schneckenkörper 2 eingeflossen ist, gleitet der Schneckenkörper 2 im Wesentlichen reibungsfrei auf dem Schneckentrog 7. Der Schneckenkörper 2 erfährt aufgrund der im Vergleich zu Wasser geringeren Dichte des Kunststoffwerkstoffes eine Auftriebskraft, welche beispielsweise höher ist als eine entgegengerichtete Gewichtskraft des Schneckenkörpers 2. Dabei würde der Schneckenkörper 2 aufschwimmen. Dadurch wirkt im Wesentlichen keine Gewichtskraft des Schneckenkörpers 2 auf den Schneckentrog 7 und ein unteres Lager wird nicht benötigt.
Optional kann der Schneckenkörper 2 mittels eines Beschwerelements beschwert werden, um das Aufschwimmen zu verhindern. Dies kann durch Einbringen von einem oder mehreren Metallelementen, beispielsweise einem Metallrohr, oder anderen Elementen, beispielsweise aus Beton, in das Zentralrohr 9 geschehen. Dadurch kann erreicht werden, dass sich die Auftriebskraft und die Gewichtskraft im Wesentlichen neutralisieren oder die Gewichtskraft etwas größer ist als die Auftriebskraft. Somit liegt der Schneckenkörper 2 in dem Schneckentrog 7 und übt im Wesentlich keine oder nur eine geringe Auflagekraft auf den Schneckentrog 7 aus.
Des Weiteren bildet sich zwischen dem Schneckentrog 7 und den Schneckenflügeln 8 mittels des Wassers ein Schmier- oder Gleitfilm, insbesondere im Bereich eines Außendurchmessers der Schneckenflügel 8 und dem Schneckentrog 7. Die Ausbildung des Gleitfilms wird durch die unpolaren Eigenschaften des hochmolekularen Polyethylens begünstigt. Dadurch wird im Wesentlichen kein oder nur ein geringer Verschleiß des Schneckentrogs 7 und/oder des Schneckenkörpers 2 erreicht. Zudem tritt kein sogenannter Stick-Slip-Effekt auf, welcher ein Ruckgleiten zweier Festkörper wie dem Schneckenkörper 2 und dem Schneckentrog 7 beschreibt, wobei eine Haftreibung wesentlich größer als eine Gleitreibung ist.
Ein weiterer Vorteil ergibt sich dadurch, dass im Wesentlichen keine Spaltverluste auftreten, wie nachfolgend mit Hilfe von 2 beschrieben.
2 zeigt eine schematische Vorderansicht des Schneckenkörpers 2 und des Schneckentrogs 7. Insbesondere dadurch, dass der Schneckenkörper 2 in dem Schneckentrog 7 liegt beziehungsweise gelagert ist, ergibt sich kein Spalt 15 zwischen einem Außendurchmesser der Schneckenflügel 8 und dem Schneckentrog 7. Dadurch kommt es wie erwähnt im Wesentlichen zu keinen Spaltverlusten durch Leckströmungen zwischen dem Schneckenkörper 2 und dem Schneckentrog 7. Dadurch, dass im Wesentlichen kein Spalt 15 vorhanden ist, kann also ein Gesamtwirkungsgrad der Wasserkraftanlage 1 erhöht werden. Ein weiter Vorteil ergibt sich dadurch, dass sich Fische nicht oder nicht mehr so einfach zwischen dem Schneckentrog 7 und den Schneckenflügeln 8 einklemmen oder verhaken können, wodurch Verletzungen an diesen reduziert werden.
Der Schneckenkörper 2 und/oder der Schneckentrog 7 können Leitbleche 20 aufweisen, welche aus einem Metallwerkstoff oder aus einem Kunststoffwerkstoff wie oben beschrieben gefertigt sein.
Alternativ oder zusätzlich können bauliche Maßnahmen vorgesehen sein, um eine Formstabilität des Schneckentrogs 7 einstellen und/oder erhalten zu können. Dadurch, dass der Schneckentrog 7 aus dem Kunststoffwerkstoff hergestellt ist, lässt sich dieser verhältnismäßig leicht elastisch und/oder plastisch verformen, beispielsweise leicht verbiegen. Dabei können verschiedene Einstellmöglichkeiten, beispielsweise betätigbare mechanische Spannvorrichtungen vorgesehen sein. Mittels dieser Einstellmöglichkeiten wird erreicht, dass in allen Bereichen des von dem Schneckentrog 7 umgegebenen Schneckenkörpers 2 im Wesentlichen kein Spalt 15 vorhanden ist. Zusätzlich oder alternativ können eine oder mehrere Manschetten aus einem Metallwerkstoff vorgesehen sein, welche an eine Außenseite des Schneckentrogs 7 in Umfangsrichtung angebracht sind. Die Manschetten bewirken, dass der Schneckentrog 7 in Form gehalten wird und sich nicht plastisch oder elastisch verformt, beispielsweise aufgrund eines Gewichts des Schneckenkörpers 2, insbesondere wenn sich kein Wasser in dem Schneckentrog 7 befindet. In anderen Worten ausgedrückt bewirken die Manschetten eine Versteifung des Schneckentrogs 7.
Alternativ oder zusätzlich kann die Formstabilität des Schneckentroges 7 durch Spanten und/oder Anker hergestellt werden, die von außen um den Schneckentrog 7 und gegebenenfalls auch um die Leitbleche 20 angebracht werden. Mit Hilfe dieser Spanten und/oder außen angebrachten Ankern kann der Schneckentrog 7 auch mit Beton hintergossen werden. Durch die beschriebenen Maßnahmen können zudem auch Fertigungstoleranzen ausgeglichen werden.
Ebenso ist es möglich, den Schneckentrog 7 als freitragenden Schneckentrog zu konstruieren oder ihn in eine Kompaktanlage einzusetzen.
Die Wasserkraftanlage 1 ermöglicht somit eine kostengünstige Herstellung, welche sich durch einen hohen Gesamtwirkungsgrad auszeichnet. Des Weiteren kann ein Verschleißteil, nämlich das untere Lager, verzichtet werden. Die Wasserkraftanlage 1 ist des Weiteren sehr verschleißarm, insbesondere ist ein Verschleiß des Schneckentrogs 7 und des Schneckenkörpers 2 gering oder vermieden.
In 3 ist weitere Ansicht der Wasserkraftanlage 1 gezeigt, wobei im Vergleich zu 1 nicht alle Elemente erneut dargestellt und/oder mit Bezugszeichen versehen sind. In 3 ist insbesondere dargestellt, dass die Schneckenflügel 8 eine im Vergleich zu metallischen Schneckenflügeln 8 große Wandstärke 19 aufweisen. Die Wandstärke 19 sorgt unter anderem dafür, dass an den radial von dem Zentralrohr 9 abstehenden Enden der Schneckenflügel 8 eine große Auflagefläche vorhanden ist, über welche der Schneckenkörper 2 in dem Schneckentrog 7 gelagert ist und an diesem gleiten kann. Aufgrund der großen Auflagefläche wird eine Flächenpressung auf den Schneckentrog 7 reduziert.
In 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Schneckenkörpers 2 gezeigt, welcher aus einem Metallwerkstoff wie beispielsweise Stahl hergestellt ist. Dabei ist ein Ausschnitt eines Schneckenflügels 8 schematisch entlang einer in 2 gezeigten Schnittachse 16 dargestellt. Die Schneckenflügel 8 weisen im Bereich eines Außendurchmessers 17 einen Kunststoffwerkstoff in Form eines Kunststoffprofils 18 auf. Dabei ist das Kunststoffprofil 18 an Flügelkronen, also radialen Enden der Schneckenflügel 8 angebracht. Das Kunststoffprofil 18, welches als eine Art T-Profil ausgeführt ist, ist aus ultrahochmolekularem Polyethylen hergestellt, wobei andere Kunststoffwerkstoffe, wie die eingangs genannten Kunststoffwerkstoffe, ebenfalls denkbar sind. Das Kunststoffprofil 18 stellt eine Art „Kunststoffschuh“ dar und ist umlaufend an sämtlichen Schneckenflügeln 8 angebracht. Das Kunststoffprofil 18 ist mechanisch, beispielsweise mittels Niet- oder Schraubverbindungen, an den Schneckenflügeln 8 angebracht. Mittels des Kunststoffprofils 18 wird eine Auflagefläche der Enden der Schneckenflügel 8, also der Flügelkronen, vergrößert, so dass eine Flächenpressung auf den Schneckentrog 7 wie oben erwähnt reduziert wird.
Das Kunststoffprofil 18 verbessert die Gleit- und Reibeigenschaften des Schneckenkörpers 2 in dem Schneckentrog 7, da der Schneckenkörper 2 mittels des Kunststoffprofils 18 in dem Schneckentrog 7 liegt, also gelagert ist, und darin gleitend rotieren kann. Zudem wird ein Verschleiß des Schneckentrogs 7 und/oder des Schneckenkörpers 2 beziehungsweise dessen Schneckenflügeln 8 vermieden. Der Schneckentrog 7 kann dabei sowohl aus einem der genannten Kunststoffe als auch aus einem Metallwerkstoff hergestellt sein.
Anstelle des Kunststoffprofils 18 können auch andere Kunststoffelemente und/oder -profile vorgesehen sein, wobei darauf zu achten ist, dass der Schneckenkörper 2 über den Kunststoff an dem Schneckentrog 7 gleitet.
In einem weiteren, nicht gezeigten Ausführungsbeispiel weist der Schneckenkörper 2 ein oder mehrere Führungselemente zum Führen des Schneckenkörpers 2 an einem unteren Ende auf. Das untere Ende bedeutet dabei ein Ende, welches dem Unterwasser zugewandt ist. Beispielsweise kann der Schneckenkörper 2 ähnlich wie bei einem unteren Lager mit einer Welle versehen sein, die in einer Buchse läuft. Die Welle und die Buchse können beispielsweise jeweils aus Kunststoff oder Metall gefertigt sein. Zwischen der Buchse und Welle bildet sich ebenfalls ein Wasserfilm als Schmierfilm aus, was einer wassergeschmierten Lagerung entspricht. Mittels der Führungselemente ist der Schneckenkörper 2 besonders gut geführt und ein Aufschwimmen des Schneckenkörpers 2 kann verhindert werden. Eine derartige Führung kann in weiteren Fällen nötig werden. Beispielsweise, wenn das Gewässer Geschiebe mit sich bringt und dieses durch den Schneckenkörper 2 transportiert wird, kann durch die Führungselemente verhindert werden, dass der Schneckenkörper 2 aus dem Schneckentrog 7 springt. Gelagert ist der Schneckenkörper 2 aber weiterhin im Schneckentrog 7, wobei wie in 2 gezeigt kein Spalt 15 zwischen Schneckentrog 7 und dem Schneckenkörper 2 ausbildet. Wie beschrieben ist der Schneckenkörper 2 nicht über ein unteres Lager gelagert.
In alternativen, nicht dargestellten Ausführungsbeispielen ist es auch denkbar, dass der Schneckentrog 7 aus einem Metallwerkstoff hergestellt ist. Auch dabei ergeben sich gute Reib- und Gleiteigenschaften, wenn für den Schneckenkörper 2 ein Kunststoffwerkstoff verwendet wird beziehungsweise der Schneckenkörper 2 im Bereich eines Außendurchmessers einen Kunststoffwerkstoff aufweist.
Bezugszeichenliste

1: Wasserkraftanlage
2: Schneckenkörper
3: Längsachse
4: Getriebe
5: Generator
6: oberes Lager
7: Schneckentrog
8: Schneckenflügel
9: Zentralrohr
10: Oberwasserspiegel
11: Wasseraustrittsbereich
12: Unterwasserspiegel
13: Frequenzumrichter
14: Transformator
15: Spalt
16: Schnittachse
17: Außendurchmesser
18: Kunststoffprofil
19: Wandstärke
20: Leitblech

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 4139134 A1 [0002]

Claims

Wasserkraftanlage (1) zur Erzeugung elektrischer Energie durch Umwandlung aus dem Höhenunterschied von Gewässern resultierender potentieller Energie mit einem Schneckenkörper (2), einem den Schneckenkörper (2) zumindest teilweise umschließenden Schneckentrog (7) und einem von dem Schneckenkörper (2) angetriebenen Generator (5), wobei der Schneckenkörper (2) an einem oberen Lager (6) und in dem Schneckentrog (7) gelagert ist.
Wasserkraftanlage (1) nach Anspruch 1, wobei der Schneckenkörper (2) zumindest in einem Bereich eines Außendurchmessers (17) einen Kunststoffwerkstoff aufweist.
Wasserkraftanlage (1) zur Erzeugung elektrischer Energie durch Umwandlung aus dem Höhenunterschied von Gewässern resultierender potentieller Energie mit einem Schneckenkörper (2), einem den Schneckenkörper (2) zumindest teilweise umschließenden Schneckentrog (7) und einem von dem Schneckenkörper (2) angetriebenen Generator (5), wobei der Schneckenkörper (2) zumindest in einem Bereich eines Außendurchmessers (17) einen Kunststoffwerkstoff aufweist.
Wasserkraftanlage (1) nach Anspruch 3, wobei der Schneckenkörper (2) an einem oberen Lager (6) und in dem Schneckentrog (7) gelagert ist.
Wasserkraftanlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schneckenkörper (2) aus einem Kunststoffwerkstoff hergestellt ist.
Wasserkraftanlage (1) nach Anspruch 5, wobei der Schneckenkörper (2) ein Beschwerelement aufweist.
Wasserkraftanlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei wenigstens ein Leitblech (20) des Schneckentrogs (7) aus Kunststoff hergestellt ist.
Wasserkraftanlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schneckentrog (7) aus einem Kunststoffwerkstoff hergestellt ist.
Wasserkraftanlage (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 8, wobei der Kunststoffwerkstoff wenigstens einen der folgenden Kunststoffwerkstoffe umfasst: – Polyethylen; – Ultrahochmolekulares Polyethylen; – Polyamid; – Polyoximethylen; oder – Polyetheretherketon.
Wasserkraftanlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwischen dem Schneckenkörper (2) und dem Schneckentrog (7), insbesondere zwischen auf dem Schneckenkörper (2) spiralförmig angeordneten Schneckenflügeln (8) und dem Schneckentrog (7) kein Spalt (15) ausgebildet ist.
Wasserkraftanlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter aufweisend Führungselemente zum Führen des Schneckenkörpers (2) an einem unteren Ende des Schneckenkörpers (2).
Schneckenkörper (2) für eine Wasserkraftanlage (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei der Schneckenkörper (2) zumindest in einem Bereich eines Außendurchmessers (17) einen Kunststoffwerkstoff aufweist.
Schneckentrog (7) für eine Wasserkraftanlage (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei der Schneckentrog (7) aus einem Kunststoffwerkstoff hergestellt ist.