-
Die vorliegende Beschreibung bezieht sich auf Wasserkraftwerke, insbesondere auf Wasserwirbelkraftwerke oder Gravitationswasserwirbelkraftwerke, welche Wasserwirbel zur Erzeugung einer Rotationsbewegung nutzen.
-
Wasserkraftwerke sind heute meist aufwändige Bauwerke, mit denen Wasser fließender Gewässer mit aufwändigen baulichen Maßnahmen aufgestaut und dann durch ein Kanal- und Rohrsystem über eine Turbine geleitet wird, welche dadurch in eine Drehbewegung versetzt wird. In den meisten Fällen wird die Drehbewegung der Turbine zur Erzeugung elektrischer Energie verwendet. Andere Wasserkraftwerke nutzen eine Höhendifferenz wie eine Stufe oder ein Gefälle aus, um den für den Betrieb herkömmlicher Wasserkraftwerk nötigen Druck zu erzeugen.
-
Solche Wasserkraftwerke werden müssen meist in die Staustufe integriert werden.
-
Es besteht daher ein Bedarf an verbesserten Wasserkraftwerken.
-
Zusammenfassung der Erfindung
-
Die vorliegende Beschreibung schlägt verbesserte Wasserkraftwerke und verbesserte Vorrichtungen für solche Wasserkraftwerke gemäß einem der unabhängigen Ansprüche vor.
-
Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
-
In einem Aspekt schlägt die Erfindung eine Vorrichtung zur Übertragung von Strömungsenergie einer fließenden Flüssigkeit vor. Die Vorrichtung umfasst ein Gehäuse mit einem Zulauf und einem Ablauf, wobei das Gehäuse einen Raum umschließt, der zur Erzeugung eines Wirbels der fließenden Flüssigkeit ausgelegt ist, und einen Rotor, welcher um eine im Wesentlichen vertikal ausgerichtete Rotationsachse drehbar in dem Gehäuse angeordnet ist. Das Gehäuse schließt den Rotor mit Ausnahme des Zulaufs und des Ablaufs luft- und wasserdicht ab.
-
In einem weiteren Aspekt schlägt die Erfindung ein Wasserwirbelkraftwerk vor. Das Wasserwirbelkraftwerk umfasst ein Gehäuse mit einem in dem Gehäuse angeordneten Rotor, welcher um eine im Wesentlichen vertikal stehende Rotationsachse in dem Gehäuse drehbar angeordnet ist. Das Gehäuse weist einen Rotorabschnitt auf, welcher im Wesentlichen rotationssymmetrisch um die Rotationssachse angeordnet ist, und einen Einströmabschnitt vertikal oberhalb des Rotorabschnitts. Der Einströmabschnitt weist eine Volutenform auf.
-
Die Erfindung schlägt auch einen Rotor für ein Wasserwirbelkraftwerk vor, wobei der Rotor einen Eintrittsabschnitt und einen Spiralabschnitt umfasst, wobei der Spiralabschnitt eine um eine Welle gewickelte Spirale umfasst.
-
Figurenbeschreibung
-
Die Erfindung wird deutlicher beim Lesen der folgenden Beschreibung, welche unter Bezugnahme der Figuren erfolgt, welche zeigen:
-
1 ein Beispiel einer Wasserwirbelkraftwerksanordnung;
-
die 2 ein erstes Beispiel eines Wasserwirbelkraftwerks;
-
die 3 das Wasserwirbelkraftwerk der 2 in der Draufsicht;
-
4 schematisch das Funktionsprinzip des Wasserwirbelkraftwerks der 2 und 3; und
-
5 ein Beispiel eines Rotors und dessen Anordnung in dem Wasserwirbelkraftwerk die 4;
-
6 ein zweites Beispiel eines Wasserwirbelkraftwerk;
-
7 zeigt einen Aufschnitt des Wasserwirbelkraftwerks der 6; und
-
8a bis c zeigen den Rotor der 7 im Detail.
-
Detaillierte Beschreibung
-
In der folgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung werden Beispiele angegeben, die Aspekte und Implementierungen der Erfindung lediglich beispielhaft darstellen und die nicht einschränkend sind. Es ist zur Umsetzung der Erfindung nicht erforderlich alle mit Bezug zu einem oder mehreren Beispielen dargestellte Merkmale einzusetzen. Vielmehr wird ein Fachmann erkennen, dass verschiedene Merkmale weggelassen oder durch andere ersetzt werden können ohne von der Erfindung abzuweichen.
-
Angaben zur Orientierung wie oben, oberhalb bzw. unten oder unterhalb beiziehen sich auf die vorgesehene Ausrichtung der Vorrichtung. Die vorgesehene Ausrichtung wird im Normalfall eine vertikal ausgerichtete Rotationsachse sein, welche entlang der Gravitationskraft ausgerichtet ist, um die sich im Betrieb ein Wasserwirbel ausbildet, der einem Gravitationswasserwirbel ähnlich ist und auch als solcher bezeichnet werden kann. Die Rotationsachse ist jedoch von der Rotation des erzeugten Wasserwirbels abhängig und kann prinzipiell bezüglich der Gravitationskraft auch anders ausgerichtet sein.
-
Die vorliegende Beschreibung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Übertragung von Strömungsenergie einer fließenden Flüssigkeit mittels eines Wirbels. Ein Beispiel für solche Vorrichtungen stellen Wasserwirbelkraftwerke dar. Bei Wasserwirbelkraftwerken wird in einem Becken oder einem Gehäuse ein Wasserwirbel erzeugt, der meist um eine vertikal stehende bzw. entlang der Gravitationsrichtung ausgerichtete Achse über einem Ablauf dreht. In diesem Wirbel ist ein Rotor bzw. eine Turbine drehbar angeordnet. Dieser Rotor bzw. die Turbine hat meist mehrere Schaufeln oder Blätter, welche die Rotationsbewegung des Wirbels aufnehmen und den Rotor in eine Drehbewegung versetzen. Die Drehbewegung kann entweder direkt oder, beispielsweise zur Erzeugung elektrischer Energie, mittels eines Generators genutzt werden. Der Generator oder ein anderer Verbraucher kann direkt mit dem Rotor verbunden sein, oder über eine Welle oder mittels anderer bekannter Mittel zur mechanischen Kraftübertragung angetrieben werden.
-
Das Wasserwirbelkraftwerk umfasst ein Gehäuse und einen Rotor, welcher in dem Gehäuse angeordnet ist. Das Gehäuse weist einem Zulauf und einem Ablauf auf, wobei das Gehäuse einen Raum umschließt, der zur Erzeugung eines Wirbels der fließenden Flüssigkeit ausgelegt ist. Der Rotor ist um eine im Wesentlichen vertikal, entlang der Gravitationskraft ausgerichtete Rotationsachse drehbar in dem Gehäuse angeordnet.
-
Das Gehäuse schließt den Raum und den Rotor mit Ausnahme des Zulaufs und des Ablaufs luft- und wasserdicht ab. Das Gehäuse kann als geschlossenes Gehäuse bezeichnet werden. Durch das abgedichtete bzw. geschlossene Gehäuse wird der Überdruck auf der Druckseite und/oder der Unterdruck auf der Sogseite des Rotors deutlich erhöht, was den Wirkungsgrad des Kraftwerks deutlich anhebt. Es ist selbstverständlich möglich, dass neben genannten Öffnungen weitere Öffnungen im Gehäuse vorgesehen sind, beispielsweise für Zu- und oder Ableitungen, Sensoren. Die Abdichtung muss gerade ausreichend sein, damit eine deutliche Druckerhöhung auf der Druckseite und/oder eine Absenkung des Druckes auf der Sogseite erreicht wird. Eine hermetische Abdichtung ist nicht erforderlich. Es hat sich gezeigt, dass solche geschlossenen Systeme gegenüber offenen Systemen, die beispielsweise oberhalb des Wirbels offen sind oder lediglich eine nicht abgedichtete Abdeckung aufweisen, einen wesentlich höheren Wirkungsgrad aufweisen.
-
Das Wasserwirbelkraftwerk kann an als geschlossenes System an bereits bestehende natürliche oder künstlich geschaffene Wasserstufen angeordnet werden. Eine Integration in eine Staustufe, oder größere wasserbauliche Maßnahmen sind nicht erforderlich.
-
Der Einlass bzw. Zulauf kann über eine geschlossene Zuleitung oder eine Druckleitung, beispielsweise ein geschlossenes Rohrsystem, mit dem Oberwasser verbunden sein. Damit wird der Druck auf der Druckseite, verglichen mit einem offenen Gerinne, weiter erhöht.
-
Der Ablauf kann vertikal unter dem Rotor angeordnet sein. An dem Ablauf kann eine Sogleitung angeordnet sein, die dazu ausgelegt ist in das Unterwasser eingetaucht zu werden. Durch die Sogleitung, insbesondere wenn diese in das Unterwasser eingetaucht ist, kann der Unterdruck auf der Sogseite des Wasserwirbelkraftwerks bzw. am Auslass des Gehäuses erhöht werden, wodurch die Effizienz und Leistung des Kraftwerks erhöht wird.
-
Das Gehäuse kann einen Einströmabschnitt und einen Rotorabschnitt aufweisen
-
In einem anderen Aspekt umfasst das Wasserwirbelkraftwerk ein Gehäuse mit einem in dem Gehäuse angeordneten Rotor, wobei der Rotor um eine im Wesentlichen vertikal stehende Rotationsachse in dem Gehäuse drehbar angeordnet ist und wobei das Gehäuse einen Rotorabschnitt aufweist, welcher im Wesentlichen rotationssymmetrisch um die Rotationssachse angeordnet ist. Das Gehäuse weist zudem einen Einströmabschnitt vertikal oberhalb des Rotorabschnitts auf, welcher eine Volutenform hat. Durch die Volutenform wird das tangential einströmende Wasser in eine Rotation und damit in einer Wasserwirbel gebracht, da der einzige mögliche Abfluss nach unten ist. Die Gehäuseform begünstigt einen optimierten Wasserwirbel, welche die Effizienz des Wasserwirbelkraftwerks erhöht.
-
Die Gehäuseform kann offen sein oder das für den Wirbel optimierte Gehäuse kann vorteilhaft mit dem geschlossenen bzw. abgedichteten Gehäuse kombiniert werden.
-
Alternativ oder ergänzend zur Volutenform kann der Einströmabschnitt eine obere Abdeckung oder Begrenzung aufweisen. Die obere Abdeckung oder Begrenzung ist dazu ausgelegt im Betrieb eine räumliche Begrenzung in vertikaler Richtung nach oben für den Wasserwirbel auszubilden. Die obere Begrenzung kann so angeordnet sein, dass ein sich ausbildender Wasserwirbel, bei welchem der Wasserspiegel radial nach außen hin ansteigt, in diesem Anstieg nach oben begrenzt wird. Durch diese Begrenzung wird der Wasserwirbel zusätzlich beschleunigt. Die obere Begrenzung kann als ringförmige Abdeckung ausgeführt sein, da es hauptsächlich auf den radial äußeren Bereich ankommt. Beispielsweise kann in der Mitte um die Achse eine Öffnung vorgesehen sein.
-
Zwischen Einströmabschnitt und Rotorabschnitt kann optional ein Beschleunigungsabschnitt vorgesehen sein, wobei sich eine Gehäuseinnenwand des Beschleunigungsabschnitts in vertikaler Richtung nach unten verjüngt. In anderen Worten nimmt der Innendurchmesser der Gehäuseinnenwand nach unten hin ab. Dadurch wird der Wasserwirbel zusätzlich beschleunigt. Ein Eintrittsabschnitt des Rotors kann genau in dem Bereich der größten Beschleunigung angeordnet sein.
-
Der Rotorabschnitt kann eine dem Rotor zugewandte Innenwand aufweisen, welche im Wesentlichen der Form des Rotors entspricht. Damit bleibt der Abstand zwischen der Rotorblättern und er Innenwand so gering wie möglich. Was die Kraft des Wasserwirbels bestmöglich umsetzt.
-
Der Rotorabschnitt kann einen sich in vertikaler Richtung nach unten aufweitenden Innendurchmesser aufweisen. Damit wird auf der Sogseiten der Unterdruck erhöht, was den Wirkungsgrade abermals erhöht.
-
Ein Rotor für das Wirbelwasserkraftwerk umfasst einen Eintrittsabschnitt und einen Spiralabschnitt, wobei der Spiralabschnitt eine um eine Welle gewickelte Spirale umfasst. Es hat sich gezeigt, dass ein derartiger Rotor den Wirkungsgrad eines Wirbelwasserkraftwerks erhöht. Der Rotor ist besonders wirkungsvoll zusammen mit den oben beschriebenen Wasserwirbelkraftwerken, kann jedoch auch mit anderen Kraftwerken angewendet werden.
-
Die Vorrichtung der vorliegenden Offenbarung wird im Folgenden beispielhaft anhand einer Wasserwirbelkraftwerksanordnung 2 mit Bezug auf die beiliegenden Figuren beschrieben. Beispiele und Merkmale, die bezüglich einer Figur beschrieben sind, können auch mit Beispielen anderer Figuren kombiniert werden, soweit dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen ist.
-
Die Wasserwirbelkraftwerksanordnung 2 kann an einem fließenden Gewässer, wie einem Fluss oder einem Bach angeordnet werden, mit einer Höhendifferenz zwischen einem als Oberwasser bezeichneten höher gelegenen Bereich und einem als Unterwasser bezeichneten, tiefer liegenden Bereich. Die Höhendifferenz kann durch eine natürliche oder künstliche Geländestufe gegeben sein oder kann durch einen Wall, eine Staustufe oder eine andere bauliche Maßnahme erzeugt sein. Ein Oberwasser bzw. ein Unterwasser ist jedoch nicht erforderlich, Wasserwirbelkraftwerksanordnung 2 kann auch in einem Rohrsystem mit einem ausreichenden Druck oder Gefälle der Flüssigkeit verwendet werden.
-
Die 1 zeigt schematisch ein Beispiel einer Wasserkraftwerksanordnung 2, in welcher ein Wasserwirbelkraftwerk 4 an einer Stufe 1 eines Wasserlaufs angeordnet ist. Dabei spielt es keine Rolle, ob es sich um einen natürliche Stufe oder eine künstlich aufgestaute Stufe 1 handelt. In ähnlicher Weise kann das Wasserwirbelkraftwerk an einem natürlichen Wasserlauf angeordnet werden, soweit eine ausreichende Höhendifferenz gegeben ist.
-
Das Wasserwirbelkraftwerk 4 ist zwischen dem Oberwasser 16 und dem Unterwasser 19 der Stufe 1 des Wasserlaufs angeordnet. Ein Zulauf 6 verbindet das Oberwasser 16 mit dem Wasserwirbelkraftwerk 4. Der Zulauf umfasst eine Wasserleitung, welche als offenes Gerinne ausgeführt sein kann. Bei der Wasserleitung kann es sich, wie im dargestellten Beispiel, auch um eine geschlossene Druckleitung, beispielsweise um ein Rohr oder ein Rohrsystem handeln, welches dicht mit dem Wasserwirbelkraftwerk 4 verbunden ist. Neben Rohren kann der Zulauf 6 auch Verzweigungen, Schieber, Ventile und/oder Puffer umfassen um beispielsweise die Wassermenge des Zulaufs zu steuern und zu regeln. Eine geschlossene Auslegung des Zulaufs 6 erhöht den Druck auf der Druckseite des Wasserwirbelkraftwerks und steigert die Effizienz der gesamten Anordnung 2. Diese Seite des Wasserwirbelkraftwerks 4 wird auch als Druckseite bezeichnet.
-
Ein Ablauf 8 verbindet das Wasserwirbelkraftwerk 4 mit dem Unterwasser 18. Der Ablauf 8 ist auf der Sogseite der Wasserwirbelkraftwerksanordnung 2 unterhalb des Wasserwirbelkraftwerks 4 angeordnet. Der Ablauf kann als einfache Öffnung ausgeführt sein. Ein Sogrohr 80 erhöht den Unterdruck in dem Wasserkraftwerk. Im dargestellten Beispiel ist das Sogrohr 80 in das Unterwasser 18 eingetaucht. Somit ist auch der Ablauf 8 und die gesamte Sogseite vollständig geschlossen und der Unterdruck auf der Sogseite wird erhöht, was den Wirkungsgrad des Wasserkraftwerks weiter erhöht.
-
2 zeigt das Wasserwirbelkraftwerk 4 der 1 detaillierter, wobei jedoch die Rotationsrichtung umgekehrt ist. Die Vorrichtung kann sowohl linksdrehend, als auch rechtsdrehend ausgelegt werden und damit an die jeweiligen Einsatzbedingungen angepasst sein. Während der Wasserwirbel im Beispiel der 1 von oben gesehen gegen den Uhrzeigersinn drehen wird, dreht er sich im Beispiel der 2 im Uhrzeigersinn. Die Vorrichtung kann jedoch für eine entgegen gesetzte Drehrichtung einfach spiegelbildlich ausgelegt werden.
-
Das Wasserwirbelkraftwerk 40 umfasst ein Gehäuse 41 und ein in dem Gehäuse 41 um eine Rotationsachse drehbar angeordneten Rotor 5. Im Beispiel der 2 ist eine obere Rotorabdeckung weggelassen, um den Blick auf ins Innere des Gehäuses 41 und auf den Rotor 5 freizugeben. An dem Rotor 5 kann auf der Oberseite und/oder an der Unterseite eine Welle (hier nicht dargestellt) angeordnet sein. Die Welle kann dabei integriert als Teil des Rotor ausgeführt sein oder der Rotor ist an der Welle befestigt. An dieser Welle kann direkt oder über ein Getriebe oder eine andere Kraftübertragungseinrichtung, wie z.B, einen. Riemen- oder Kettentrieb oder Ähnlichem ein Generator (nicht gezeigt) angeordnet werden. Vorzugsweise wir der Generator oberhalb der Welle angeordnet, da besser zugänglich ist. Der Generator kann ein handelsüblicher Generator sein, dessen Spezifikation und Auslegung, z.B. bezüglich Drehgeschwindigkeit, Leistung auf das Wasserwirbelkraftwerk abgestimmt ist.
-
Die Rotorabdeckung kann ein oder mehrere Lager für den Rotor bzw. die Welle aufweisen. Vorteilhaft können aller Lager oberhalb des Rotors angeordnet sein, so dass sie nicht dem Wasserstrom ausgesetzt sind. Damit kann der Aufwand für die Abdichtung der Lager reduziert werden. Eine Lagerung der Welle unterhalb des Rotors könnte über einen Steg in dem Sogrohr oder in dem Auslass erfolgen..
-
Das Gehäuse 41 weist einen unteren Abschnitt und einen oberen Abschnitt auf. Der untere Abschnitt ist symmetrisch um die Rotationsachse angeordnet und kann als Rotorabschnitt 47 bezeichnet werden. Der Rotorabschnitt 47 ist im in den 2 bis 5 dargestellten Beispiel im Wesentlichen zylinderförmig und rotationssymmetrisch um die Drehachse angeordnet. In Verbindung mit der weiter unten beschriebenen Geometrie des Rotors führt dies zu einem gleichmäßigen Wirbel, der durch die Mantelfläche der Zylinderform begrenzt ist. Neben einer Zylinderform sind auch andere Formen möglich. Ein alternatives Beispiel für andere vorteilhafte Ausführungen ist weiter unten mit Bezug ab der 6 beschrieben.
-
Der obere Abschnitt des Gehäuses 41 ist oberhalb des Rotorabschnitts 47 angeordnet und kann als Einströmabschnitt 43 bezeichnet werden. Der Einströmabschnitt 43 weist im dargestellten Beispiel in der Draufsicht die Form einer Volute, also eine Schneckenform auf. Die Volute des Einströmabschnitts hat eine Eintrittsöffnung 46, welche beispielsweise rohrförmig ist und mit einem Zulaufrohr des Zulaufs 6 verbunden sein kann. Die Eintrittsöffnung 46 ist so angeordnet, dass das Wasser tangential zur Rotationsachse bzw. tangential zum Rotor in den Einströmabschnitt eingebracht wird. Wasser, welches durch die Eintrittsöffnung 46 in den Einströmabschnitt 43 einströmt wird durch die Volutenform in eine Drehbewegung bzw. eine Wirbelbewegung um die Drehachse herum gebracht und dann in den Rotor eingeleitet. Der Rotor kann dazu angepasst sein, wie weiter unten beschrieben.
-
Im dargestellten Beispiel sind der Einströmabschnitt 43 und der Rotorabschnitt 47 als deutlich voneinander getrennte Abschnitte und direkt aneinander angrenzend gezeigt. Dies dient hier zur Verdeutlichung des Konzepts und ist zudem auch einfacher und damit kostengünstiger in der Herstellung. Es ist jedoch auch möglich komplexere Formen zu verwenden und Übergänge zwischen dem Rotorabschnitt 47 und dem Einströmabschnitt 43 zu bilden, wie beispielsweise ab 6 dargestellt.
-
Der Einströmabschnitt 43 weist eine Seitenwand 433, welche die Volutenform bildet, und eine obere Abdeckung 432 auf. Die Seitenwand 433 beschleunigt den Wasserwirbel radial um die Rotationsachse, wobei der Abstand der Seitenwand zu der Drehachse von der Eintrittsöffnung an im Umlauf um die Drehachse kontinuierlich abnimmt. Dadurch wird das Wasser in den Wirbel und in den Rotor beschleunigt.
-
Die obere Abdeckung 432 schafft eine vertikale Begrenzung für den Einströmabschnitt, in dem das Wasser in den Wirbel beschleunigt wird. Bei einem Wasserwirbel ist üblicherweise die Wasserlinie am lateralen bzw. radialen Rand des Wirbels durch die Zentrifugalkraft erhöht, während er zum Zentrum des Wirbels hin abnimmt. Diese Erhöhung der Wasserlinie am radialen Rand ist bei dem Wasserwirbelkraftwerk durch die obere Abdeckung 432 begrenzt. Die Erfinder haben festgestellt, dass dies zu einer Beschleunigung des Wasserwirbels und zu einer beträchtlichen Erhöhung des Wirkungsgrades des Wasserwirbelkraftwerks führt.
-
Die vertikale Abdeckung 432 kann die Form eines Rings haben oder wie in der 2 und 3 dargestellt nur im Rand ausgeführt sein. Es ist jedoch vorteilhaft, das gesamte Gehäuse 41 abgedichtet auszuführen, so dass es wasser- und luftdicht ist, so dass das Volumen innerhalb des Wasserkraftwerks nur über den Zulauf 6 mit dem Oberwasser und mit dem Ablauf 8 mit dem Unterwasser verbunden ist. Durch diese Abdichtung kann der Wirkungsgrad des Wasserkraftwerks 4 weiter erhöht werden.
-
Während die vertikale Begrenzung im dargestellten Beispiel durch die Abdeckung 432 erreicht wird, was eine kostengünstige und einfach zu fertigende Variante darstellt, sind andere geometrischen Formen denkbar. Beispielsweise kann der Innenraum nicht kastenförmig ausgebildet sein, sondern beispielsweise halbrund oder elliptisch, um Verwirbelungen an den Kanten zu minimieren.
-
Es ist darüber hinaus strömungstechnisch vorteilhaft anstatt Kanten, Winkel und Ecken innerhalb des Volumens des Wasserkraftwerks Rundungen zu verwenden, oder Kanten und Ecken abzurunden. Dies ist an Stellen möglich, soweit nicht ausdrücklich anders angegeben. Damit können Verwirbelungen vermieden werden und der Strömungswiderstand kann reduziert werden.
-
Die 3 zeigt eine Draufsicht des Wasserwirbelkraftwerks der 2, wobei die Volutenform der Abdeckung 432 gut sichtbar ist.
-
Die 4 zeigt schematisch, wie ein Wasserwirbel in dem Wasserwirbelkraftwerk 4 der vorangehenden Figuren erzeugt wird und wir der Wasserwirbel durch den Rotor nach unten zum dem Ablauf 8 abgeleitet wird. Aus der Figur wird ersichtlich, wie der Wasserstrom im Einströmabschnitt durch die Volutenform in den Wirbel beschleunigt wird und dann der Radius so verringert wird, dass der Rotor effektiv angetrieben wird. Der Rotor und die Welle 52 sind hier nur schematisch dargestellt und entsprechen einem einfachen Beispiel, welches mit dem Wasserwirbelkraftwerk verwenden werden kann.
-
Die 5 zeigt einen Rotor 5, welcher gegenüber dem in der 4 gezeigten Rotor zu einer Erhöhung der Effizienz und des Wirkungsgrades führt. Der Rotor kann auch als Turbine bezeichnet werden. Der Rotor ist hier an einer oben angeordneten Welle 52 befestigt, welche an dem Gehäuse 41 gelagert ist. Der Rotor 5 ist im Wesentlichen im Bereich des Rotorabschnitts 47 des Gehäuses 41 angeordnet und dort von der Innenwand des Rotorabschnitts 47 umgeben. Die Innenwand des Rotorabschnitts 47 kann im Wesentlichen der Form des Rotors in diesem Bereich entsprechen. In der gezeigten Ausführungsform ist Beides zylindrisch und weist einen konstanten Radius auf. Am Auslass bzw. Sogende kann der Durchmesser aufgeweitet sein, um den Sog bzw. Unterdruck zu erhöhen.
-
Der Rotor 5 weist im oberen Bereiche einen Eintrittsabschnitt 53 auf, der über den Rotorabschnitt 47 herausragt. Im dargestellten Beispiel ragt der Eintrittsabschnitt 53 in den Einströmabschnitt 43 des Gehäuses hinein, so dass das in der Volute im Einströmabschnitt beschleunigte Wasser direkt in den Eintrittsabschnitt des Rotors 5 eintritt. Dies ist jedoch nur ein Beispiel für eine kompakte Ausführungsform. Beispielsweise kann zwischen Einströmabschnitt und dem Rotorabschnitt 47 einer zusätzlicher Beschleunigungs- oder Wirbelabschnitt vorgesehen sein. In diesem Fall kann der Eintrittsabschnitt des Rotors 5 in dem Beschleunigungs- oder Wirbelabschnitt vorgesehen sein.
-
Der untere Abschnitt des Rotors 5, welcher im Rotorabschnitt angeordnet ist, wir hier als Spiralabschnitt 57 bezeichnet. Der Spiralabschnitt 57 ist im dargestellten Beispiel als schraubenförmig gewickelte Spirale Schraube oder als Helix ausgeführt, welche eine im Wesentlichen konstante Steigung aufweist. Die schraubenförmig gewickelte Spirale bzw. Helix ist im dargestellten Beispiel als viergängige Schraube oder als Vierfach-Helix ausgebildet. Während sich die vierfache Auslegung einen guten Wirkungsgrat bereit stellt, können mehr oder weniger Gänge oder Blätter vorgesehen sein.
-
Der Eintrittsabschnitt 53 unterscheidet sich von dem Spiralabschnitt 57 durch eine unterschiedliche Anordnung der Flügel bzw. Turbinenblätter. Im Eintrittsabschnitt weisen die Blätter eine Pfannenform oder Topfform, auf, wodurch ein Vertiefung bzw. ein Hohlraum ausgebildet wird, in welchen das wirbelnde Wasser aus dem Einströmabschnitt einströmt und den Rotor in eine Drehbewegung versetzt. Die Blätter können zumindest einen Bereich aufweisen, in dem die Blätter senkrecht stehen, d.h. entlang der Gravitationsrichtung ausgerichtet sind.
-
6 und 7 zeigen eine Variante des oben gezeigten Wasserkraftwerks, welches ebenfalls in der Wasserkraftwerksanordnung 2 wie oben beschrieben verwendet werden kann. In der 6 ist das Wasserkraftwerk geschlossen dargestellt, in der 7 zu Darstellungswecken aufgeschnitten, um den Rotor und die innere Struktur zu zeigen. Das in den 6 und 7 gezeigte Wasserkraftwerk 104 unterscheidet sich von dem vor allem durch die Form und Anordnung des Rotors 105 sowie durch Formgebung des Gehäuses 141. Soweit nicht explizit ausgeschlossen ist es möglich Aspekte und Merkmale die in dieser Variante gezeigt sind mit dem oben gezeigten Beispiel zu kombinieren. Zur Vermeidung von Wiederholungen werden um Folgen nur die unterschiedlichen Merkmale angeführt. Für die übrigen Beschreibungen kann auf das oben angegebene zurückgegriffen werden.
-
An den Gehäuse 141 ist oben ein Generator 9 angeordnet, wobei der Generator gleichermaßen mit dem oben gezeigten Kraftwerk verwendet und verbunden werden kann.
-
Das Gehäuse 141 weist einen Einströmabschnitt 143 und einen Rotorabschnitt 147 auf. Der Einströmabschnitt kann in wesentlichen Punkten dem oben beschriebenen Einströmabschnitt entsprechen und weist beispielsweise auch einen Einlass 146 zum tangentialen Einströmen des Wassers und eine Volutenform auf, mit welcher das Wasser in eine Wirbelbewegung gebracht wird.
-
Zusätzlich zu dem Einströmabschnitt 143 weist das Wasserkraftwerk 104 der 6 einen zusätzlichen Wirbel- oder Beschleunigungsbereiche 145 auf. Im einfachsten Falle kann dieser Wirbel- oder Beschleunigungsbereich 145 einen Übergang zwischen Einströmabschnitt 143 und Rotorabschnitt 147 darstellen, um Kanten zur vermeiden. Es ist jedoch vorteilhaft, wenn die Innenwand des Wirbel- oder Beschleunigungsbereichs 145 die Form des Wasserwirbels aufnimmt und begünstigt. Der Umfang bzw. der Querschnitt der Innenwand des Wirbel- oder Beschleunigungsbereichs 145 nimmt in vertikaler Richtung nach unten kontinuierlich ab. Dabei kann die Steigung der Abnahme des Querschnitts im oberen Bereich größer sein als weiter unten, wo diese auch gegen 0 gehen kann. In einem Übergangsbereich zu dem Rotorabschnitt 147 wird ein minimaler Innendurchmesser erreicht. Es kann auch ein Bericht mit konstantem Innendurchmesser vorgesehen sein.
-
Der oben dargestellte Wirbel- oder Beschleunigungsbereichs 145 kann mit einem zylindrischen Rotorbereich verbunden sein. Es ist jedoch für die Leistungsausbeute und den Wirkungsgrad vorteilhaft, wenn sich der Innendurchmesser im Rotorbereich 147 entlang der Vertikalen wieder erhöht. Das Volumen innerhalb des Rotorbereichs weist dann eine Kegelform auf. Damit werden der Unterdruck und die Sogwirkung verstärkt. In diesem Zusammenhang kann der Rotorbereich 147 auch als Diffusor bezeichnet werden.
-
In dem Rotorbereich 147 ist der Rotor 105 angeordnet, welcher eine dem Volumen innerhalb des Rotorbereichs entsprechenden Form aufweist. Im dargestellten Beispiels also ein Kegelform, welche aus der umlaufenden Spirale mit kontinuierlich größer werdendem Radius gebildet wird. Im dargestellten Beispiel füllt der Spiralabschnitt 157 des Rotor 105 den gesamten Rotorbereich 147. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, den Spiralabschnitt 157 etwas weiter oben enden zu lassen.
-
Auf der anderen Seite ragt der Rotor 105 mit seinem Eintrittsabschnitt 153 in den Wirbel- oder Beschleunigungsbereich 145 hinein. Der Eintrittsabschnitt 15 kann dabei mehr oder weniger weit in den Wirbel- oder Beschleunigungsbereich 145 hineinragen und kann sogar bis in den Einströmbereich 143 hinaufgeführt werden.
-
Eine Welle 152, an welcher der Rotor 105 angeordnet ist, kann nach oben, durch den Einströmabschnitt hindurch geführt werden, dort am Gehäuse gelagert und mit dem Generator 9 verbunden werden. Während eine einfache Welle verwendet werden kann, ist es vorteilhaft, die Welle an ihrem oberen Ende aufzuweiten, wie durch die Aufweitung 159 dargestellt. Die Aufweitung kann massiv sein und in der Welle 152 integriert ausgebildet sein. Dadurch kann eine zusätzliche Schwungmasse erreicht werden. Die Aufweitung 159 kann jedoch auch nur als Blende oder Leitblech für den Wasserstrom ausgebildet und sein. Die Hauptfunktion dieser Aufweitung 159 ist, die Form des Wasserwirbels abzubilden bzw. den Wasserwirbel bestmöglich zu formen. Damit kann der Wasserwirbel stabiler und schneller aufgebaut werden und ein möglicher Unterdruck in dem sonst geschlossenen System wird vermieden.
-
Die 8a, b, c zeigen den Rotor 105 aus der 7 im Detail. Das Gehäuse und die Welle 152 sind zur besseren Darstellung weggelassen. Aus der Schrägansicht der 8a ist ersichtlich, dass der verwendete Rotor vier-blättrig ist. Jedes Blatt hat einen Prall- oder Eintrittsbereich 153 und einen Spiralabschnitt 157, wie auch aus der Seitenansicht der 8b ersichtlich. Der Spiralabschnitt 157 ist als viergängige Spirale ausgelegt, bei welcher die Blätter eine Rinnenform aufweisen. Dabei kann jede Rinne einen Umlauf um den inneren Kegel aufweisen. Längere oder kürzere Rinnen sind jedoch auch denkbar.
-
Die Rinnenform ist im Querschnitt der 8c ersichtlich. Im dargestellten Beispiel läuft die Spirale um einen Kegelmantel, so dass der Radius der Rinnen nach unten hin zunimmt. Damit ist die Außenumfang der Rinnen und des Spiralabschnitts 157 an die Innenwand des Rotorbereichs 147 angepasst und folgt dessen Aufweitung. Andere Formen sind jedoch auch möglich, wie beispielsweise mit Bezug zu 5 und eine zylindrischen Form dargestellt.
-
Die Rinnen selbst können eine konstante Form, beispielsweise eine konstante Weite haben. Die weiter der Rinnen kann jedoch auch nach unten hin zunehmen.
-
Die Rinnen und damit die Blätter weisen im Spiralabschnitt eine erste Steigung bezüglich der Rotationsache auf. Die erste Steigung ist über den Spiralbereich im Wesentlichen konstant. Im Eintrittsbereich nimmt die Steigung zu und mündet in eine Topf- bzw. Pfannenform, bei der zumindest ein Teil des Blattes parallel zur Rotationsachse ausgerichtet ist. Der Übergang von diesem Prallbereich des Blattes zu der Spiralform verläuft kontinuierlich.
-
Während die Wasserkraftwerke 4, 104 und die Wasserkraftwerksanordnung 2 hier mit Bezug auf ein Wasserkraftwerk beschrieben sind, welche an einem fließenden Gewässer angeordnet sind, ist die Beschreibung nicht darauf beschränkt. Das Kraftwerk kann auch mit Grauwasser, Schmutzwasser oder mit anderen Flüssigkeiten verwendet werden. Die Anwendung ist auch nicht auf Wasser als Flüssigkeit eingeschränkt. Andere Flüssigkeiten oder Fluide (Dampf oder Gase) können ebenfalls in Betracht gezogen werden.
