DE102014212729A1

DE102014212729A1 - Wasserkraftanlage mit bi-direktionaler Betriebsweise

Info

Publication number: DE102014212729A1
Application number: DE102014212729.7A
Authority: DE
Inventors: Roland Meyer; Thomas Kächele; Jörg Necker; Ulli Stoltz
Original assignee: Voith Patent GmbH
Current assignee: Voith Patent GmbH
Priority date: 2014-07-01
Filing date: 2014-07-01
Publication date: 2015-06-11

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Wasserkraftanlage, die vorwiegend horizontal angeordnet und in Bulb- bzw. Pit-Bauweise ausgeführt ist, umfassend die folgenden Merkmale: – eine Energieeinheit, umfassend eine Axialturbine und einen Generator, die koaxial zueinander angeordnet sind und die in Triebverbindung miteinander stehen; – die Axialturbine ist derart gestaltet, dass sie in zwei zueinander entgegengesetzten Durchström- und Drehrichtung betreibbar ist; – die Axialturbine weist ein Laufrad mit Laufradschaufeln sowie einen axialen bzw. halbaxialen Leitapparat mit Leitradschaufeln auf; – die Leitradschaufeln sind um eine Drehachse verschwenkbar; – der Schwenkwinkel der Leitschaufeln beträgt mehr als 95°, vorzugsweise 125°; – jede Leitschaufel weist in einer zu ihrer Drehachse normal gelegenen Schnittebene ein wenigstens annähernd symmetrisches Profil auf; – jede Leitschaufel weist in einer zu ihrer Drehachse normal gelegenen Schnittebene konvexe Umfangslinien auf Druck- und Saugseite auf.

Description

Die Erfindung betrifft eine Wasserkraftanlage mit einer Bi-direktionalen Energieeinheit, umfassend eine Axialturbine oder Axialpumpturbine mit einem elektrischen Generator oder Motor-Generator, die beide koaxial zueinander angeordnet sind und in Triebverbindung stehen, und mit einem axialen oder halbaxialen Leitapparat. Die Erfindung betrifft Wasserkraftanlagen der genannten Art, die vorwiegend horizontal angeordnet und in Bulb- bzw. Pit-Bauweise ausgeführt sind. Solche Wasserkraftanlagen werden beispielsweise eingesetzt in Flüssen und Gezeitenkraftwerken zum Ausnutzen der Pegeldifferenz zwischen Ein- und Austritt der Wasserkraftanlage. Axialpumpturbinen werden in Flüsse zur Bewässerung eingesetzt und auch in Gezeitenkraftwerken.
Ein weltweit bekanntes Gezeitenkraftwerk befindet sich in Nordwestfrankreich an der Mündung des Flusses Rance. Dort wird der außerordentlich große Tidenhub von 12 bis 18 m ausgenutzt. Hierbei ist ein Staubecken durch einen Staudamm vom Meer abgetrennt. Bei hohem Meeresspiegel werden die Schleusentore/Turbinenleitschaufeln geöffnet und hierbei Wasser durch Wasserführungen hindurchgeführt, in denen sich das Turbinenlaufrad befindet. Nach einigen Stunden stellt sich im Staubecken derselbe Spiegel ein, wie im freien Meer. Nun werden die Schleusen/Leitschaufeln geschlossen. Nach Eintreten der Ebbe werden die Schleusen/Leitschaufeln geöffnet, sodass Wasser in umgekehrter Richtung vom Staubecken durch die Turbinen zum Meer hindurchströmt, wobei erneut Energie erzeugt wird. Entsprechend Ebbe und Flut gibt es somit zwei Betriebsphasen der Energieerzeugung. Bei der einen Betriebsphase läuft die Energieeinheit, umfassend Turbine und Generator, in einer Durchström- und Drehrichtung, und bei der anderen Betriebsphase in einer entgegengesetzten Durchström- und Drehrichtung. Eine Gezeitenturbine mit hohem Gesamtwirkungsgrad und optimaler Energieausbeute muss daher bi-direktional gestaltet sein.
Zur weiteren Steigerung der erzeugten Energie kann die Turbine als Pumpturbine gestaltet sein. Damit lässt sich das Staubecken bei Ebbe noch weiter entleeren, und bei Flut noch weiter befüllen. Damit sind das nutzbare Volumen und die Pegeldifferenz in den Staubecken nochmals vergrößert. Es wird zusätzlich Energie gewonnen, da der Energieaufwand für das genannte Pumpen geringer sein kann, als der Energiegewinn im Turbinenbetrieb. Dies ist auf den schwankenden Meeresspiegel zurückzuführen, der mit fortschreitender Zeit die Fallhöhe vergrößert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine bi-direktionale Wasserkraftanlage gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 derart zu gestalten, dass die Ausbeute an elektrischer Energie gegenüber konventionellen bi-direktonalen Wasserkraftanlagen vergrößert wird, das heißt dass der Wirkungsgrad gesteigert wird.
Diese Aufgabe wird mittels der kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Lösung finden sich in den abhängigen Unteransprüchen.
Die Erfindung ist anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin ist im Einzelnen folgendes dargestellt, und zwar anhand eines Gezeitenkraftwerkes. Die Erfindung lässt sich aber wohlgemerkt auch bei jedem anderen Bi-direktionalen Kraftwerk anwenden.
1 zeigt schematisch in einem Vertikalschnitt ein Gezeitenkraftwerk.
2 zeigt einen Ausschnitt aus dem Gezeitenkraftwerk gemäß 1, und zwar eine Wasserführung, die das Meer mit einem Staubecken leitend verbindet, und die u.a. eine Energieeinheit enthält.
3 zeigt in perspektivischer Darstellung den Leitapparat einer Axialturbine mit mehreren Leitradschaufeln.
4 zeigt eine Leitschaufel in einem Schnitt normal zur Drehachse der Leitschaufel
Das in 1 schematisch veranschaulichte Gezeitenkraftwerk zeigt einen Staudamm 1, mit dem ein Staubecken 2 vom Meer 3 abgetrennt ist. Die Darstellung zeigt den Zustand der Flut. Siehe den Wasserspiegel 3.1 des Meers und den Wasserspiegel 2.1 des Staubeckens.
Der Staudamm 1 weist eine Anzahl von Wasserführungen 4 auf. Die Wasserführungen 4 sind entlang dem Staudamm 1 parallel zueinander angeordnet. Jede Wasserführung enthält als wichtigstes Element eine Energieeinheit – hier nicht dargestellt. Jede Energieeinheit umfasst eine Turbine bzw. Pumpturbine sowie einen Generator bzw. einen Motor-Generator.
2 zeigt wiederum die Wasserführung 4. Sie umfasst einen meerseitigen Abschnitt 4.1, einen staubeckenseitigen Abschnitt 4.2 sowie einen Zwischenabschnitt 4.3, der eine Einschnürung bildet. Im Zwischenabschnitt 4.3 befindet sich die Turbine 5. Diese ist eine Wasserturbine mit einem Laufrad 5.1, verstellbaren Laufradschaufeln 5.2 und einer Nabe 5.3. Die Turbine ist eine Axialturbine. Die Laufradschaufeln 5.2 sind schwenkbar an der Nabe 5.3 gelagert und können um eine Schwenkachse, die senkrecht zur Richtung der Strömung verläuft, geschwenkt werden. Zur Optimierung des Wirkungsgrades für den bi-direktionalen Betrieb können die Laufschaufeln um mindestens 180° schwenkbar ausgeführt sein. Axialturbinen mit feststehenden Laufradschaufeln sind aus Kostengründen ebenfalls realisierbar. Die Richtung der Strömung ist durch einen Doppelpfeil angedeutet.
Dem Laufrad 5.1 ist ein Leitrad 6 vorgeschaltet.
3 zeigt in perspektivischer Darstellung den Leitapparat einer Axialturbine mit mehreren Leitradschaufeln 6.1.
Die Erfinder haben erkannt, dass die Geometrie der Leitradschaufeln 6.1 von sehr hoher Wichtigkeit für die Lösung der gestellten Aufgabe ist. Die Einzelheiten der erfindungsgemäßen Gestaltung der Leitschaufeln 6.1 der erfindungsgemäßen Wasserkraftanlage werden im Folgenden anhand der Figuren erläutert.
Zur Erzielung eines hohen Wirkungsgrades in beiden Strömungsrichtungen sind die Schaufeln 6.1 des Leitrades 6 im einen Bereich von mindestens 95° vorzugsweise 125° verschwenkbar.
Eine der erfindungsgemäßen Leitradschaufeln 6.1 ist in 4 in einem Profilschnitt veranschaulicht. Die Schnittfläche verläuft dabei normal zur Drehachse der Leitschaufel. Die 4 zeigt ferner die Kontur einer Leitschaufel 6.1' (gestrichelt-punktiert dargestellt) gemäß des Standes der Technik. Die erfindungsgemäße Leitschaufel besitzt die Länge L und eine maximale Schaufeldicke B. Bei der erfindungsgemäßen Leitradschaufel 6.1 weisen die beiden Seitenflächen der Leitradschaufel 6.1 eine bi-konvexe Kontur auf. Sowohl die Druckseite als auch die Saugseite sind nach außen gewölbt (sogenanntes Haifischprofil) Die Leitschaufel 6.1' gemäß dem Stande der Technik ist sichelförmig, d.h. die Kontur auf einer Seite ist konvex, während die Kontur auf der anderen Seite konkav ist.
Die Erfinder haben ferner erkannt, dass die Winkel, unter denen das Profil der Leitschaufeln an den beiden Kanten ausläuft, von großer Wichtigkeit für die Lösung der gestellten Aufgabe sind.
In 4 ist die Anströmkante 6.1.1 und die Abströmkante 6.1.2 dargestellt. Zur Definition der Eintritts- und Austrittsprofilwinkel wird nun eine Reihe von Hilfsgrößen definiert. Zur besseren Kenntlichkeit sind die Längenverhältnisse nicht maßstäblich gezeichnet. An der Anströmkante 6.1.1 ist eine Länge L1 und an der Abströmkante 6.1.2 ist eine Länge L2 dargestellt. Dabei handelt es sich um Teilstrecken der Strecke L, welche eine geradlinige Verbindung der beiden Punkte des Leitschaufelprofils ist, die den größten Abstand voneinander haben (P1 und P2). In der Regel fällt P1 mit der Anströmkante 6.1.1 und P2 mit der Abströmkante 6.1.2 zusammen. Die Längen von L1 und L2 werden dabei als Bruchteil von L definiert. Es ist L1 = 0,065·L und L2 = 0,12·L. Es gibt nun zwei Lotlinien auf L, die jeweils durch die innen liegenden Endpunkte der Strecken L1 und L2 verlaufen. Jede dieser Lotlinien hat jeweils zwei Schnittpunkte mit dem Profil der Leitschaufel 6.1: P1.1 und P1.2 in Bezug auf L1 und P2.1 und P2.2 in Bezug auf L2. Durch diese Punkte (P1.1, P1.2, P2.1, P2.2) wird jeweils eine Tangente an das Profil der Leitschaufel 6.1 gezeichnet. Die beiden Tangenten durch die Punkte P1.1 und P1.2 schneiden sich außerhalb des Leitschaufelprofils auf der Seite der Anströmkante 6.1.1 unter dem Winkel a1. Die beiden Tangenten durch die Punkte P2.1 und P2.2 schneiden sich außerhalb des Leitschaufelprofils auf der Seite der Abströmkante 6.1.2 unter dem Winkel a2. Für eine erfindungsgemäße Leitradschaufel 6.1 ist a1 > 30° und a2 > 20°.
Der Krümmungsradius R an den beiden Kanten (in 4 ist nur ein Krümmungsradius eingezeichnet) sollte möglichst klein sein. Die Kanten können auch angespitzt sein. Das Verhältnis des Krümmungsradius R an der Anströmkante 6.1.1 bzw. an der Abströmkante 6.1.2 zur maximalen Schaufeldicke B sollte < 0,1 sein.
Die erfindungsgemäße Leitschaufel 6.1 besitzt ein größeres B/L Verhältnis als eine Laufschaufel gemäß dem Stande der Technik. Das Verhältnis B/L ist größer als 0,12.
Bezugszeichenliste

1: Staudamm
2: Staubecken
2.1: Spiegel des Staubeckens
3: Meer
3.1: Spiegel des Meers
4: Wasserführung
4.1: Meeresseitiger Abschnitt
4.2: staubeckenseitiger Abschnitt
4.3: Zwischenabschnitt
5: Turbine bzw. Pumpturbine
5.1: Laufrad
5.2: Laufradschaufel
5.3: Nabe
6: Leitrad
6.1: Leitradschaufel
6.1.1: Anströmkante
6.1.2: Abströmkante

Claims

Wasserkraftanlage, vorwiegend horizontal angeordnet, in Bulb- bzw. Pit-Bauweise, umfassend die folgenden Merkmale: 1.1 eine Energieeinheit, umfassend eine Axialturbine (5) und einen Generator, die koaxial zueinander angeordnet sind und die in Triebverbindung miteinander stehen; 1.2 die Axialturbine (5) ist derart gestaltet, dass sie in zwei zueinander entgegengesetzten Durchström- und Drehrichtung betreibbar ist; 1.3 die Axialturbine weist ein Laufrad (5.1) mit Laufradschaufeln (5.2) sowie einen axialen bzw. halbaxialen Leitapparat (6) mit Leitradschaufeln (6.1) auf; 1.4 die Leitradschaufeln (6.1) sind um eine Drehachse verschwenkbar; 1.5 der Schwenkwinkel der Leitschaufeln (6.1) beträgt mehr als 95°, vorzugsweise 125°; 1.6 jede Leitschaufel (6.1) weist in einer zu ihrer Drehachse normal gelegenen Schnittebene ein wenigstens annähernd symmetrisches Profil auf; 1.7 jede Leitschaufel (6.1) weist in einer zu ihrer Drehachse normal gelegenen Schnittebene konvexe Umfangslinien auf Druck- und Saugseite auf.
Wasserkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Eintrittsprofilwinkel a1 größer als 30° ist.
Wasserkraftanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Austrittsprofilwinkel a2 größer als 20° ist.
Wasserkraftanlage nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass Anströmkante (6.1.1) und Abströmkante (6.1.2) mit kleinen Radien oderscharfkantig ausgeführt sind. Das Verhältnis zwischen dem Krümmungsradius an den Kanten und der maximalen Schaufeldicke ist kleiner als 0,1.
Wasserkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis (B/L) der maximalen Schaufeldicke B zur Profillänge L größer als 0,12 ist.