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Die Erfindung betrifft eine Wasserkraftanlage zur Erzeugung elektrischer Energie durch Umwandlung von aus dem Höhenunterschied zwischen Gewässern resultierender potenzieller Energie mit einem Schneckenkörper, einem den Schneckenkörper ganz oder teilweise umschließenden Schneckentrog und einem von dem Schneckenkörper angetriebenen Generator, wobei der Schneckenkörper mittels einer Welle mit dem Generator verbunden ist.
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Derartige Wasserkraftanlagen sind beispielsweise aus der
DE 20 2010 001 741 U1 bekannt. Wasserkraftanlagen dieses Typs werden üblicherweise in Gewässern eingesetzt, bei denen eine verhältnismäßig geringe Fallhöhe zur Verfügung steht und das Wasserdargebot begrenzt ist. Wasser fließt bei solchen Wasserkraftanlagen von einem Oberwasserspiegel in einen Schneckenkörper, der in einem diesen teilweise umschließenden Trog läuft. Dabei werden die einzelnen Schneckengänge mit Wasser gefüllt. In Folge 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.
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Der obere Wasserspiegel ist normalerweise relativ konstant, so dass eine derartige Wasserkraftanlage in einer kompakten modularen Bauweise direkt im Gewässer installiert werden kann. Problematisch sind jedoch solche Gewässer, in denen es zu saisonalen Hochwassern kommt, beispielsweise in einer Klamm. An derartigen Standorten kann nicht ausgeschlossen werden, dass aufgrund der Menge des dargebotenen Wassers die Anlage überschwemmt wird. Durch solche Hochwasser können insbesondere an elektrischen Komponenten einer solchen Wasserkraftanlage wie beispielsweise dem Generator oder einem Frequenzumrichter oder Transformator Schäden entstehen. Bei der Auswahl geeigneter Standorte für Wasserkraftanlagen des eingangs genannten Typs werden daher solche Standorte festgelegt, bei denen das Auftreten eines Hochwassers ausgeschlossen werden kann. Die Auswahl möglicher Standorte ist dadurch begrenzt. Eine Wasserkraftanlage, bei der u.a. zur Vermeidung von Hochwasserschäden der Generator eingehaust ist und zwischen der durch das Gehäuse hindurchtretende Welle zwischen Generator und Wasserturbine eine Dichtung angeordnet ist, geht beispielsweise aus der
DE 33 24 326 A1 hervor.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Wasserkraftanlage mit einem Schneckenkörper und einem von dem Schneckenkörper angetriebenen Generator anzugeben, die auch in überflutungsgefährdeten Umgebungen eingesetzt werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch eine Wasserkraftanlage der eingangs genannten Art gelöst, die dadurch gekennzeichnet ist, dass der Generator von einem Gehäuse umgeben ist und eine lösbare Dichtung vorgesehen ist, wobei in einem ersten Betriebszustand die Welle gegenüber dem Gehäuse unbeweglich und abgedichtet ist und in einem zweiten Betriebszustand die Dichtung gelöst und die Welle gegenüber dem Gehäuse beweglich ist.
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Die erfindungsgemäße Wasserkraftanlage hat den Vorteil, dass aufgrund der lösbaren Dichtung eine gute Wasserdichtigkeit des Gehäuses gewährleistet werden kann, ohne dass eine aufwändige und damit teure Abdichtung der Welle gegenüber dem Gehäuse erforderlich ist. Die erfindungsgemäß eingesetzte lösbare Dichtungsanordnung ist kostengünstig, da sie nicht eine sich drehende Welle gegenüber einem feststehenden Gehäuse abdichten muss, sondern die Dichtfunktion auf einen Betriebszustand begrenzt ist, in dem die Welle steht. Die erfindungsgemäße Lösung ist somit besonders kostengünstig. Da Hochwasser verhältnismäßig selten vorkommen, ist die Tatsache, dass bei Hochwasser kein produktiver Betrieb der Wasserkraftanlage möglich ist, wirtschaftlich unproblematisch.
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In besonders vorteilhafter Weise ist die Dichtungsanordnung durch eine längenverstellbare Rohranordnung wie beispielsweise einen balgartigen Kompensator realisiert, wobei durch eine Hydraulikanordnung ein Flansch der Rohranordnung mit einer auf der Welle angebrachten Dichtscheibe in Kontakt bringbar ist. Somit kann an dieser Stelle eine dichte Verbindung zwischen der Rohranordnung und der Welle hergestellt werden. Auf der anderen Seite der Rohranordnung ist diese dicht mit dem Gehäuse verbunden. In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird eine Dichtungsanordnung eingesetzt, die direkt zwischen der Welle und einer mit dem Gehäuse wasserdicht verbundenen Hülse oder einer Aussparung im Gehäuse wirkt. Geeignete Dichtungsanordnungen weisen beispielsweise eine Stopfbuchse oder ein hydraulisch betätigbares Dichtprofil auf.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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Es zeigt:
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1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Wasserkraftanlage,
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2 ein Detail der Darstellung von 1,
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3 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Abdichtung mit einem Kompensator,
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4 eine Dichtplatte der Darstellung von 3,
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5 ein Schnitt durch die Anordnung von 3,
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6 eine Modifikation des Ausführungsbeispiels von 3 mit einer Bremszange,
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7 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Wasserkraftanlage mit einem hydraulischen Dichtprofil,
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8 einen Schnitt durch ein hydraulisch betätigbares Dichtprofil und
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9 eine dreidimensionale Darstellung einer Dichtungsanordnung von der Generatorseite betrachtet.
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In der 1 ist eine Wasserkraftanlage dargestellt, die im Bereich einer Staustufe mit einem Oberwasserspiegel 22 und einem Unterwasserspiegel 23 zum Einsatz kommt. Aufgrund des Höhenunterschiedes zwischen dem Ober- und Unterwasserspiegel besitzt das Wasser oberhalb der Staustufe eine höhere potenzielle Energie als unterhalb der Staustufe. Durch die erfindungsgemäße Wasserkraftanlage mit einem Schneckenkörper 2 wird die potenzielle Energie in eine Drehbewegung des Schneckenkörpers 2 umgesetzt und mit einem mit dem Schneckenkörper verbundenen Generator 4 ausgangsseitig elektrische Energie erzeugt.
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Im Ausführungsbeispiel von 1 fließt das Wasser des Oberwasserspiegels 22 in einen den Schneckenkörper 2 ganz oder teilweise umschließenden Trog 3, wobei die einzelnen Schneckengänge mit Wasser gefüllt werden.
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Infolge der durch die Schwerkraft auf die Schneckenflügel wirkenden Kraft wird der Schneckenkörper 2 in Rotation versetzt und transportiert dadurch das Wasser zum Unterwasserspiegel 23 hin. Diese Rotationsenergie des Schneckenkörpers 2 wird vom Generator 4 in elektrische Energie umgewandelt. Dazu ist der Schneckenkörper 2 mit dem Rotor des Generators 4 über eine Welle 5 gekoppelt.
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Ein Bereich der Wasserkraftanlage 1 umfassend ein oberes Lager 6 des Schneckenkörpers und den Generator 4 ist in der 2 vergrößert dargestellt. Dort ist zu erkennen, dass der Schneckenkörper 2 an eine Welle 5 angeflanscht ist. Das obere Lager 6 ist mit einer Bodenplatte 8 verbunden, so dass der Schneckenkörper 2 an dieser Stelle gelagert ist. Oberhalb des Lagers 6 ist eine Kupplung 7 vorgesehen, über die eine Generatorwelle mit der Welle 5 des Schneckenkörpers verbunden ist.
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Die vom Generator 4 gelieferte Ausgangsspannung wird zum Beispiel über einen Frequenzumrichter 25 auf die gewünschte Netzfrequenz von beispielsweise 50 Hertz gebracht und anschließend über einen Transformator 26, falls erforderlich, auf eine Netzspannung hochtransformiert, so dass die erzeugte Leistung über ein Hoch- oder Mittelspannungsnetz 27 weiter transportiert werden kann.
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In der 3 ist eine konkretere Ausführung einer Abdichtung dargestellt. Das Gehäuse um den Generator wird auf der Unterseite durch eine Bodenplatte 8 gebildet, auf die Gehäusewände 9 aufgesetzt sind. Die dem Schneckenkörper 2 zugwandte Seite weist eine gegenüber dem Durchmesser der Welle 5 große Öffnung 28 auf. Diese ist dafür vorgesehen, bei der Montage die Welle 5 samt des oberen Lagers hindurchzuführen. Aufgrund der Größe einer solchen Wasserkraftanlage und den typischerweise nicht zu vernachlässigenden Toleranzen bei der Bauwerkserstellung ist eine große Öffnung von Vorteil. Problematisch ist allerdings, dass an dieser Stelle schnell viel Wasser eindringen kann, was zu großen Schäden an der Anlage führen kann, wenn es zu einem Hochwasser kommt und die Anlage überflutet wird. Eine erste Abdichtungsmaßnahme besteht darin, die große Öffnung 28 durch Dichtungsplatten 10 zu verschließen, die von oben und unten gegen die Welle 5 geschoben werden. Die Befestigungsplatten 10 bestehen, wie in der 4 dargestellt ist, aus zwei Hälften. Für die Welle 5 ist jeweils eine halbkreisförmige Aussparung vorgesehen. Nach der Montage des Schneckenkörpers 2 und des oberen Lagers 6 werden die Dichtungsplatten 10 so auf die Öffnung 28 montiert, dass nur ein geringer Spalt zur Welle 5 bleibt. Der Öffnungsquerschnitt, durch den Wasser eintreten kann, ist somit bereits stark reduziert.
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Auf der generatorseitigen Seite der Dichtungsplatten 10 ist in diesem Ausführungsbeispiel ein Kompensator 11 montiert. Die Dichtungsplatten 10 und ein schneckenkörperseitiger Flansch des Kompensators 11 werden vorzugsweise auf der Baustelle verschweißt, um eine dichte Verbindung herzustellen. Am anderen Ende des Kompensators 11 ist ein zweiter, generatorseitiger Flansch 16 vorgesehen. Das dazwischen liegende Stück besteht aus einem balgartig geformten Metall, vorzugsweise Edelstahl. Es könnte aber auch ein Kompensator aus Kunststoff eingesetzt werden. Ein metallischer Kompensator kann in seiner axialen Länge geringfügig verändert werden. Dies genügt jedoch, um eine formschlüssige Verbindung mit einer Dichtungsscheibe 12 herzustellen oder zu lösen. Die Dichtungsscheibe 12 ist dazu mit der Welle 5 verbunden, vorzugsweise ist sie aufgeschrumpft. In dem Zwischenraum zwischen generatorseitigem Flansch des Kompensators 11 und Dichtungsscheibe 12 ist eine Dichtung 15 vorgesehen, entweder auf dem Flansch 16 oder auf der Dichtungsscheibe 12. Der Flansch wird durch eine Hydraulikanordnung 13 betätigt. Im Ausführungsbeispiel von 3 presst ein Hydraulikzylinder über einen Bolzen 14 gegen den schneckenkörperseitigen Flansch des Kompensators 11 und drückt damit den generatorseitigen Flansch 16 gegen die Dichtungsscheibe 12. Vorzugsweise sind zwei Hydraulikzylinder 13 vorgesehen, jeweils einer auf zwei Seiten der Welle 5. Dadurch wird der Kompensator gleichmäßiger belastet.
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Die 5 zeigt einen Längsschnitt durch die Welle 5 und die Dichtungsanordnung. Es ist zu erkennen, dass es zwischen der Welle 5 und dem Kompensator 11 nur einen sehr schmalen Spalt gibt, über den überhaupt Wasser eindringen könnte. Wenn nun der generatorseitige Flansch 16 des Kompensators 11 gegen die Dichtungsscheibe 12 gepresst wird, wird auch dieser Schlitz zuverlässig verschlossen.
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Im Betrieb der Wasserkraftanlage ist normalerweise die Verbindung zwischen Flansch 16 und Dichtungsscheibe 12 gelöst, so dass die Welle 5 frei rotieren kann. Dies entspricht einem zweiten Betriebszustand. Im ersten Betriebszustand steht die Welle 5 und das Gehäuse 9 soll gegenüber der Umgebung abgedichtet sein. In diesem ersten Betriebszustand liegen der Flansch 16 und die Dichtungsscheibe 12 über die Dichtung 15 aneinander an. Somit besteht aber eine Verbindung zwischen der drehbar gelagerten Welle 5 und dem feststehenden Kompensator 11. Die Wasserkraftanlage 1 darf deshalb erst dann wieder in Betrieb genommen werden, wenn die Dichtung gelöst ist und die Welle 5 wieder gegenüber dem Gehäuse beweglich ist.
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In einer Abwandlung dieser Ausführungsbeispiele kann eine Feder vorgesehen werden, die den generatorseitigen Flansch 16 gegen die Dichtungsscheibe 12 presst, so dass eine selbstabdichtende Dichtungsanordnung gegeben ist. Durch eine Hydraulikanordnung würde in einer derartigen Ausführung der Flansch 16 von der Dichtungsscheibe 12 weggedrückt werden, um so die Welle freizugeben. Der Vorteil einer derartigen Anordnung ist, dass, wenn eine Hydraulikpumpe der Hydraulikanordnung mit dem Schneckenkörper 2 gekoppelt ist, bei Stillstand der Anlage der Hydraulikdruck automatisch nachlässt und die Dichtung geschlossen wird. Dieses Konzept lässt sich analog auch auf die nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele anwenden.
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Die 6 zeigt ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel, bei dem eine Hydraulikzange vorgesehen ist, um den Flansch 16 gegen die Dichtungsscheibe 12 zu pressen. Ein Hydraulikzylinder 24 ist dabei über eine Halterung 17 mit einer Halterung des Lagers 6 verbunden. Wenn die Dichtungsanordnung geschlossen werden soll, werden der Flansch 16 und die Dichtungsscheibe 12 ähnlich wie bei einer Scheibenbremsanlage aneinander gepresst und somit eine sichere Abdichtung gewährleistet.
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Die 7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Wasserkraftanlage. Bei dieser wird eine Abdichtung direkt gegenüber der Welle 5 vorgenommen. Um den Umfang der Welle 5 erstreckt sich eine Hülse 29, die in einer innenliegenden Nut ein hydraulisch betätigbares Dichtprofil 21 aufnimmt. Wenn die Dichtungsanordnung „geschlossen“ werden soll, wird eine Hydraulikflüssigkeit in einen Hohlraum des Dichtungsprofils 21 gepresst, wie in 8 dargestellt ist. Dadurch wird das Dichtungsprofil gegen die Welle 5 gepresst, so dass der in zweiten Betriebszustand vorhandene Spalt zwischen dem Dichtungsprofil 21 und der Welle 5 geschlossen wird.
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Eine Alternative zu einem hydraulisch betätigbaren Dichtprofil ist eine Stopfbuchse, bei der eine sogenannte Packung durch eine Stopfbuchsbrille axial verpresst wird, wenn der Spalt zur Welle abgedichtet werden soll. Durch die axiale Verpressung entsteht auch eine radiale Pressung, die gegen die Welle wirkt. Die Stopfbuchsbrille kann hydraulich betätigt werden.
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Eine mögliche Abwandlung gegenüber den vorherigen Ausführungsbeispielen besteht in der Form der Dichtplatte, die im Ausführungsbeispiel von 7 gekröpft ausgeführt sein kann, so dass sie sich in die Öffnung 28 hinein erstreckt. Dadurch wird der Bauraum, der zwischen dem oberen Ende des Schneckenkörpers und dem Generator erforderlich ist, weiter verkürzt.
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Die 9 zeigt eine dreidimensionale Ansicht des oberen Lagers 6 des Schneckenkörpers gemäß dem Ausführungsbeispiel von 7. Es ist zu erkennen, dass unterhalb des Lagers 6 eine Auffangwanne 30 ausgebildet ist, so dass eventuell trotz aller Dichtungsmaßnahmen eintretendes Wasser aufgefangen wird. Allerdings kann es sich aufgrund der erfindungsgemäßen Abdichtung nur noch um sehr kleine Mengen handeln, die problemlos durch eine kleine Pumpe entfernt werden können.
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Weitere Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Wasserkraftanlage sind möglich und von der Erfindung umfasst.
