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Die Erfindung betrifft ein Wasserkraftwerk, insbesondere zur Anordnung in einem Fluss oder in einem aufgelassenen Grubenschacht, mit einer Hohlwelle, zumindest einer Hohlwellenturbine zum Antreiben der Hohlwelle, einer Zuleitung zum Zuleiten von Wasser zu der zumindest einen Hohlwellenturbine und zumindest einer Umwandlungseinrichtung zum Umwandeln von Rotationsenergie der zumindest einen Hohlwellenturbine in elektrische Energie.
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Ein solches Wasserkraftwerk ist beispielsweise aus der
DE 10 2015 109 675 B3 bekannt. Das darin beschriebene Grubenschacht-Pumpspeicherwerk ist für den Einsatz in aufgelassenen Grubenschächten unter Ausnutzung der üblicherweise vorhandenen Fallhöhen von mehreren hundert Metern bis zu über einem Kilometer konzipiert. Damit ein solches Pumpspeicherwerk möglichst effizient betrieben werden kann, ist es notwendig, große Wassermengen bereitzustellen, um die Turbinen in Bewegung zu setzen und zu betreiben. Es wird vorgeschlagen, das Grubenschacht-Pumpspeicherwerk in der Nähe von natürlichen Wasservorkommen wie beispielsweise Flüssen oder Seen anzuordnen, was jedoch natürliche Schwankungen in den Pegelständen und damit der Wasserverfügbarkeit mit sich bringt.
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Es ist weiterhin bekannt, zur Steigerung der Effizienz eines derartigen Grubenschacht-Pumpspeicherwerkes Turbinen vorzusehen, deren Laufschaufeln in ihrer Neigung verstellbar sind. Zusätzlich können den Laufschaufeln in Durchströmungsrichtung der Turbine vorgeordnete Leitschaufeln vorgesehen sein, mittels denen das Wasser in einem für den Betrieb der jeweiligen Turbine günstigeren Anströmwinkel umgelenkt werden kann. Durch diese Maßnahmen kann jedoch kein effizienter Betrieb des Pumpspeicherwerks bei nur geringfügig zur Verfügung stehenden Wassermengen gewährleistet werden, da die Turbine in einem nicht optimalen Betriebspunkt betrieben werden können. Dieser Umstand ist für einen Betreiber eines derartigen Pumpspeicherwerks unbefriedigend, da in Zeiträumen, in denen das Stromnetz unterversorgt ist, nur sehr eingeschränkt elektrische Energie erzeugt und eingespeist werden kann.
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Aus der
CH 316900 A ist eine hydroelektrische Maschinenanlage bekannt, die zwei im gleichen, das Arbeitsmittel führenden Kanal hintereinander angeordnete, axial durchflossene Laufräder aufweist, die einen gegenläufigen Drehsinn haben. Die Schaufeln zumindest eines der Laufräder sind verstellbar. Die Schaufelprofile der beiden Laufräder sind in koaxial zu der Maschine verlaufenden zylindrischen Schnitten bezüglich einer zur Skelettlinie senkrechten Achse symmetrisch ausgebildet.
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Die
US 25,521 A betrifft ein Wasserrad mit einer horizontal ausgerichteten Achse. In einer Hohlwelle ist eine Innenwelle geführt, sowohl an der Hohlwelle als auch an der Innenwelle sind an der Außenseite Schaufelräder angeordnet, die innerhalb eines Rohrstranges angeordnet sind. Die Wellen sind gegenläufig angetrieben.
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Die
US 2,685,652 A betrifft eine Turbine mit axial zueinander ausgerichteten, zylindrischen Rotoren mit einem korrespondierenden Durchmesser, die innerhalb eines Strömungskanals geführt sind. An der Außenseite der Rotoren sind Schaufelräder angeordnet, die die Rotoren in unterschiedlichen Drehrichtungen antreiben.
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Die
US 2,949,540 A betrifft eine Kombination aus einer hydraulischen Turbine und einem elektrischen Generator mit verstellbaren Schaufelrädern, die axial zueinander beabstandet einmal an einer Zentralwelle und einer die Zentralwelle umgebenden Hohlwelle angeordnet sind.
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Die
EP 2 896 819 A1 betrifft eine Wasserturbine mit einem angeschlossenen Generator und einer Zentralwelle, die von einer Hohlwelle umgeben ist. Sowohl an der Zentralwelle als auch an der Hohlwelle sind Schaufelblätter angeordnet, die die Wellen in unterschiedliche Richtungen antreiben.
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Wünschenswert wäre daher ein Wasserkraftwerk, das über einen möglichst großen Bereich an zur Verfügung stehenden Wasser möglichst effizient arbeiten kann.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Wasserkraftwerk bereitzustellen, das die bekannten Nachteile vermindert.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Wasserkraftwerk mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst. Das erfindungsgemäße Wasserkraftwerk, insbesondere zur Anordnung in einem Fluss oder in einem aufgelassenen Grubenschacht, mit einer Hohlwelle, zumindest einer Hohlwellenturbine zum Antreiben der Hohlwelle, einer Zuleitung zum Zuleiten von Wasser zu der zumindest einen Hohlwellenturbine und zumindest einer Umwandlungseinrichtung zum Umwandeln von Rotationsenergie der zumindest einen Hohlwellenturbine in elektrische Energie sieht eine Zentralwelle, die innerhalb der Hohlwelle angeordnet ist, und zumindest eine Zentralwellenturbine zum Antreiben der Zentralwelle vor, die mit der Zuleitung strömungstechnisch verbunden und der zumindest einen Umwandlungseinrichtung zugeordnet ist.
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Die Zentralwelle kann dadurch wesentlich leichter als die Hohlwelle ausgebildet werden, sodass ein Anlaufen der Zentralwelle und der zumindest einen Zentralwellenturbine bereits durch geringere durchzuleitende Wassermengen und schneller erfolgen kann. Darüber hinaus kann einerseits über die zumindest eine Zentralwellenturbine und andererseits über die zumindest eine Hohlwellenturbine Energie erzeugt werden. Vorzugsweise weist die zumindest eine Zentralwelle eine Vielzahl an Zentralwellenturbinen auf, die der zumindest einen Hohlwellenturbine vorgeordnet sind. Weiterhin bevorzugt weist das Wasserkraftwerk eine Vielzahl von Hohlwellenturbinen auf, wobei jeder Hohlwellenturbine zumindest eine Zentralwellenturbine in Durchströmungsrichtung vorgeordnet und/oder nachgeordnet ist. Dadurch kann bei nur geringfügig zur Verfügung stehenden Wassermengen das Wasser primär zum Antreiben der zumindest einen Zentralwellenturbine genutzt werden, wodurch diese effizienter als die zumindest eine Hohlwellenturbine betrieben werden kann.
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Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung wird unter einem Wasserkraftwerk auch ein Pumpspeicherwerk, insbesondere zum Einsatz in aufgelassenen Grubenschächten, verstanden.
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Im Rahmen der nachfolgenden Beschreibung werden die Begriffe „Hohlwellenturbine“ und „Zentralwellenturbine“ in der Einzahl verwendet. Dies ist nicht als Einschränkung zu verstehen, sondern impliziert, dass auch eine Vielzahl der jeweiligen Turbine vorliegen kann.
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Das Wasserkraftwerk zeichnet sich dadurch aus, dass an einer Außenwand der Hohlwelle ein koaxial zu der Hohlwelle angeordneter Trichter form- und/oder stoffschlüssig befestigt ist, wobei die Zuleitung strömungstechnisch mit dem Trichter verbunden ist und exzentrisch zu dem Trichter hinführt, dass die Hohlwelle Durchleitöffnungen zum Durchleiten des zugeleiteten Wassers aus dem Trichter in die Hohlwelle aufweist und dass an einer Innenseite des Trichters Widerstandsstrukturen, insbesondere Flügelbleche, angeordnet sind, mittels denen die Hohlwelle über das zugeleitete Wasser antreibbar ist. Dadurch wird vorteilhafterweise erreicht, dass bereits vor Ausnutzung von beispielsweise einer Fallhöhe in einem Grubenschacht das zum Antreiben der Turbinen vorgesehene Wasser zum Antreiben der Hohlwelle genutzt werden kann. Der Trichter ermöglicht dadurch vorteilhafterweise, dass die Zuleitung einfach, flach und geradlinig ausgebildet sein kann. Eine aufwendig zu fertigende und strömungsoptimierte Bahn, um das Wasser mit einer möglichst hohen Geschwindigkeit zu den Turbinen leiten zu können, wird nicht benötigt. Es ist dadurch möglich und gemäß einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, dass eine Zuströmungsrichtung des Wassers in der Zuleitung relativ zu einer Durchströmungsrichtung des Wassers durch die Turbinen in einen Winkel zwischen 45° und 90°, bevorzugt zwischen 70° und 90°, besonders bevorzugt zwischen 80° bis 90° relativ zueinander verlaufen. Die Konstruktion des Wasserkraftwerks im Bereich der Zuleitung sowie des Trichters baut dadurch flach.
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Unter einer Widerstandsstruktur wird im Rahmen der vorliegenden Beschreibung insbesondere jede Struktur verstanden, die einen Wasserdurchfluss zumindest teilweise hemmt. Vorzugsweise sind die Widerstandsstrukturen so ausgebildet, dass das auf die Widerstandsstrukturen auftreffende Wasser gezielt in Richtung auf die Durchleitöffnungen geleitet wird. Vorzugsweise sind die Widerstandsstrukturen dazu als gebogene Flügelbleche ausgebildet. Es ist weiterhin möglich und gemäß einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, dass die Widerstandsstrukturen jeweils ausgehend von dem Trichter durch die Durchleitöffnungen der Hohlwelle in das Innere der Hohlwelle hineinragen. Die Widerstandsstrukturen sind dabei weiter bevorzugt so geformt, dass das zugeleitete Wasser, nachdem es über die Widerstandsstruktur durch die Durchleitöffnung in die Hohlwelle gelangt ist, bereits möglichst nahe an, besonders bevorzugt in der späteren Durchströmungsrichtung durch die Turbinen strömt.
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Vorzugsweise ist die Zentralwelle koaxial zu der Hohlwelle angeordnet. Dadurch ergibt sich eine konstruktiv vorteilhafte Eingliederung der Zentralwelle in die Hohlwelle. Die Hohlwelle erfüllt dadurch die Funktion einer Zuleitung des Wassers zu der Zentralwellenturbine.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die eine Hohlwellenturbine und die eine Zentralwellenturbine so ausgebildet, dass die Zentralwelle und die Hohlwelle relativ zueinander in entgegengesetzte Richtungen rotieren. Das Wasserkraftwerk ist dadurch im Betrieb schwingungsstabil und laufruhig. Ein sicherer Betrieb von Wasserkraftwerken mit insbesondere sehr langen Hohlwellen, wie sie in aufgelassenen Grubenschächten eingesetzt werden, ist dadurch gewährleistet.
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Vorzugsweise sind die Hohlwelle und die Zentralwelle voneinander entkoppelt antreibbar, wobei eine Rotation der Hohlwelle und/oder der Zentralwelle sperrbar ist. Dadurch können die Turbinen der Hohlwelle und der Zentralwelle beliebig zu- und wieder abgeschaltet werden. Dies ermöglicht vorteilhafterweise einen effizienten Betrieb des Wasserkraftwerks unter den jeweils vorhandenen Rahmenbedingungen wie verfügbare Wassermenge und/oder Einspeisebedarf in das Stromnetz.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Hohlwellenturbine und/oder Zentralwellenturbine in ihrer Neigung verstellbare Laufschaufeln aufweisen und die Laufschaufel einer gesperrten Turbine dadurch zum gezielten Leiten von Wasser auf die Laufschaufeln der nachfolgenden Turbine eingerichtet sind. Dadurch erfüllen die Laufschaufeln einer gesperrten Turbine einerseits eine Leitfunktion, indem das Wasser möglichst so auf die Laufschaufeln der nachfolgenden Turbine geleitet wird, dass die nachfolgende Turbine möglichst effizient angetrieben wird. Andererseits kann eine gesperrte Turbine wieder entsperrt werden, sodass die Laufschaufeln wieder die Turbine antreiben und damit zur Erzeugung elektrischer Energie beitragen. Um die Neigung der Laufschaufeln zu verstellen, kann ein aus dem Stand der Technik bekanntes Gestänge eingesetzt werden.
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Bei einer Ausgestaltung der Erfindung sind die Laufschaufeln der Zentralwellenturbine und/oder der Hohlwellenturbine über Befestigungselemente an einem Zwischenelement ihrer Welle lösbar befestigt. Dies ermöglicht einen modularen Aufbau der Zentralwelle und/oder der Hohlwelle. Weiterhin vorteilhaft wird dadurch ein Austausch von verschlissenen Laufschaufeln vereinfacht, indem die Laufschaufeln einzeln oder das gesamte Zwischenelement von der jeweiligen Welle gelöst werden können. Durch den modularen Aufbau kann das Wasserkraftwerk an einen beliebigen Standort und für die gewünschte Energieerzeugung angepasst und vor Ort zusammengesetzt werden.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Zentralwelle axial verschiebbar gelagert ist. Wenn die Zentralwellenturbine gesperrt ist und eine Leitfunktion ausübt, kann eine strömungstechnisch optimale Annäherung der Zentralwellenturbine an die nachfolgende Hohlwellenturbine erfolgen. Die Effizienz der Hohlwellenturbine wird dadurch gesteigert.
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Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen der Hohlwelle und der Zentralwelle ein Durchleitkanal ausgebildet, durch den das Wasser zum Antreiben der Hohlwellenturbine und/oder der Zentralwellenturbine leitbar ist. Dadurch wird die konstruktive Integrität erhöht, indem die Hohlwelle gleichzeitig als Zuleitung für das zu der Zentralwellenturbine zuzuleitende Wasser ausgestaltet ist. Das Wasserkraftwerk wird dadurch insgesamt kompakter.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht eine Zentriereinrichtung vor, die zum Zentrieren der Zentralwelle innerhalb der Hohlwelle eingerichtet ist. Dadurch wird die Zentralwelle sicher innerhalb der Hohlwelle geführt, sodass ein Annähern der Laufschaufel der Zentralwelle zu der Hohlwelle weitestgehend ausgeschlossen ist.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Zentriereinrichtung gebildet wird durch Leitschaufeln, die einer Turbine in einer Durchströmungsrichtung vorgeordnet sind und/oder Laufschaufeln der Hohlwellenturbine, wobei diese Schaufeln Gleitelemente aufweisen, die an einer der Zentralwelle zugewandten Seite der Schaufeln angeordnet sind und an der Zentralwelle anliegen. Dadurch wird die konstruktive Integrität weiter erhöht, indem die Komponenten zum Leiten von Wasser und/oder zum Erzeugen von Energie zusätzlich die Funktion übernehmen, die Zentralwelle innerhalb der Hohlwelle zu zentrieren. Dadurch, dass die der Zentralwelle zugewandten Seiten der Schaufeln an der Zentralwelle anliegen, erfolgt eine Kopplung der Zentralwelle an die Hohlwelle. Es entsteht ein schwerer Schwingungskörper, der vorzugsweise so ausgelegt ist, dass kritische Schwingungen in betriebsferne Frequenzbereiche verlagert werden. Ein stabiler und laufruhiger Betrieb ist damit gewährleistet.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Zuleitung einen rechteckigen Querschnitt auf. Weiter bevorzugt beträgt ein Verhältnis zwischen einer Höhe und einer Breite des rechteckigen Querschnitts zwischen 9:10 und 1:10, besonders bevorzugt zwischen 1:2 und 1:5. Bei großen Verhältnissen zwischen Höhe und Breite baut die Zuleitung in der Höhe sehr gering auf, wodurch die Gesamtkonstruktion des Wasserkraftwerks insbesondere im Bereich des Trichters kompakter wird, ohne relevante Einbußen bei der Zuleitung des Wassers zu erhalten.
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Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist an einem Endabschnitt der Hohlwelle eine Ablassleitung zum Ableiten des zugeleiteten Wassers angeordnet, wobei die Ablassleitung zum Zentrieren der Hohlwelle eingerichtet ist. Vorzugsweise ist die Ablassleitung dazu in einem künstlichen Fundament oder beispielsweise im Erdboden eingebettet.
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Bei einer Weiterbildung der Erfindung weist der Endabschnitt Ausnehmungen auf, durch die das abgeleitete Wasser durchleitbar ist, sodass der Endabschnitt und die Ablassleitung hydrodynamisch zueinander gelagert sind. Dadurch entfällt eine aufwendige Lagerung der Hohlwelle und es kann auf das verfügbare Wasser als Gleitmedium zurückgegriffen werden. Die Ausnehmungen sind vorzugsweise als schmale Schlitze ausgebildet.
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Bei einer Ausgestaltung der Erfindung sind eine erste Umwandlungseinrichtung der Hohlwelle und eine zweite Umwandlungseinrichtung der Zentralwelle zugeordnet. Dadurch kann vorteilhafterweise unabhängig davon, ob die Hohlwelle und/oder die Zentralwelle angetrieben wird, elektrische Energie erzeugt werden. Bei notwendigen Wartungsarbeiten an einer der Umwandlungseinrichtungen, kann mittels der anderen Umwandlungseinrichtung weiterhin elektrische Energie erzeugt werden.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
- 1a eine seitliche Schnittansicht eines Wasserkraftwerks gemäß einer ersten Ausführungsform;
- 1b eine Detail-Schnittansicht der hydrodynamischen Lagerung zwischen Hohlwelle und Ablassleitung;
- 2a eine schematische Draufsicht auf das Ausführungsbeispiel gemäß 1a ab Höhe der Zuleitung;
- 2b eine Querschnittansicht der Zuleitung gemäß 2a;
- 3 eine schematische Schnittansicht eines Hohlwellenabschnitts des Wasserkraftwerks gemäß einer zweiten Ausführungsform;
- 4 eine Detail-Schnittansicht eines Zwischenstücks mit schematisch daran befestigten Laufschaufeln;
- 5 eine schematische Darstellung der Anordnung der Laufschaufeln der Zentralwelle innerhalb der Hohlwelle.
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In 1a ist ein Wasserkraftwerk 10 dargestellt, wie es beispielsweise in einem Fluss oder in einem aufgelassenen Grubenschacht angeordnet werden kann. Das Wasserkraftwerk 10 weist eine Hohlwelle 20 und eine Hohlwellenturbine 22 zum Antreiben der Hohlwelle 20 auf. Eine Zuleitung 14 ist mit einem nicht dargestellten Wasserreservoir wie beispielsweise einem Fluss verbunden und zum Zuleiten von Wasser zu der Hohlwellenturbine 22 ausgebildet. Der Hohlwelle 20 ist eine Umwandlungseinrichtung 60 zum Umwandeln von Rotationsenergie der Hohlwellenturbine 22 in elektrische Energie zugeordnet. Innerhalb der Hohlwelle 20 ist eine Zentralwelle 30 angeordnet, die eine Zentralwellenturbine 32 zum Antreiben der Zentralwelle 30 aufweist. Die Zentralwellenturbine 32 ist mit der Zuleitung 14 strömungstechnisch verbunden und einer zweiten Umwandlungseinrichtung 62 zum Umwandeln von Rotationsenergie der Zentralwellenturbine 32 in elektrische Energie zugeordnet. Die erste Umwandlungseinrichtung 60 und die zweite Umwandlungseinrichtung 62 sind aus dem Stand der Technik bekannte Generatoren, die oberhalb der Zuleitung 14 angeordnet sind, um eine räumliche Trennung zwischen den wasserempfindlichen Generatoren 60, 62 und dem Wasser innerhalb der Zuleitung 14 zu erhalten. Die Zuleitung 14 mündet in einen Trichter 50, der koaxial zu der Hohlwelle 20 angeordnet ist und an einer Außenwand der Hohlwelle 20 stoffschlüssig befestigt, beispielsweise angeschweißt ist. An einer Innenseite des Trichters 50 sind Widerstandsstrukturen 52 angeordnet, die als Flügelbleche ausgebildet sind. Das über die Zuleitung 14 zugeleitete Wasser trifft auf die Widerstandsstrukturen 52, wodurch die Hohlwelle 20 angetrieben wird. Die Hohlwelle 20 weist drei Reihen von über den Umfang verteilten Durchleitöffnungen 28 zum Durchleiten des über die Zuleitung 14 zugeleiteten Wassers aus dem Trichter 50 in die Hohlwelle 20 auf. Nachdem das Wasser durch die Durchleitöffnungen 28 in die Hohlwelle 20 gelangt ist, fällt es auf Leitschaufeln 26 der Hohlwelle 20. Die Leitschaufeln 26 sind in ihrer Neigung verstellbar, was durch den Doppelpfeil angedeutet ist. An den der Zentralwelle 30 zugewandten Seiten der Leitschaufeln 26 sind Gleitelemente 42 angeordnet, die an der Zentralwelle 30 anliegen und dadurch die Zentralwelle 30 innerhalb der Hohlwelle 20 zentrieren. Die Gleitelemente 42 sind aus einem im Vergleich zu den Leitschaufeln 26 weicheren Material, beispielsweise aus einem verschleißfesten Kunststoff, ausgebildet. Die Gleitelemente 42 sind austauschbar an den Leitschaufeln 26 befestigt und können schnell ausgetauscht werden, wenn diese verschlissen sind. Die Gleitelemente 42 sind dazu beispielsweise über nicht dargestellte, eingesenkte Schrauben an den Leitschaufeln 26 befestigt. Die Leitschaufeln 26 sind dadurch einerseits zum gezielten Leiten des durchströmenden Wassers auf die nachfolgenden Laufschaufeln 34 der Zentralwellenturbine 32 ausgebildet. Andererseits bilden die Leitschaufeln 26 eine Zentriereinrichtung 40 zum Zentrieren der Zentralwelle 30 innerhalb der Hohlwelle 20. Die Zentralwellenturbine 32 kann über die Umwandlungseinrichtung 62 in einer Rotation gesperrt werden, sodass nach Bedarf die Laufschaufeln 34 der Zentralwellenturbine 32 die Funktion von Leitschaufeln 26 übernehmen können.
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Nachdem das Wasser die Zentralwellenturbine 32 passiert hat, trifft es auf die Laufschaufeln 24 der Hohlwellenturbine 22 und treibt dadurch die Hohlwelle 20 zusätzlich an. Die Laufschaufeln 24 der Hohlwellenturbine 22 sind in ihrer Neigung verstellbar, was durch den Doppelpfeil angedeutet ist. Nachdem das zugeleitete Wasser die Hohlwellenturbine 22 passiert hat, gelangt es über die Ablassleitung 16 aus dem Wasserkraftwerk 10 hinaus. An die Ablassleitung 16 kann sich beispielsweise ein unterirdischer Wasserspeicher anschließen, dem eine Pumpeinrichtung zugeordnet ist, um das Wasser im Bedarfsfall wieder in das der Zuleitung 14 zugeordnete Wasserreservoir zu befördern, wie es bei einem Pumpspeicherwerk praktiziert wird.
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In 1b ist eine Detailschnittansicht eines Endabschnitts der Hohlwelle 20 dargestellt, der in die Ablassleitung 16 mündet. Der Endabschnitt der Hohlwelle 20 weist Ausnehmungen 29 auf, durch die das abgeleitete Wasser in einen Zwischenraum zwischen der Hohlwelle 20 und der Ablassleitung 16 gelangt. Dadurch wird der Endabschnitt der Hohlwelle 20 und damit die Hohlwelle 20 selbst und die Ablassleitung 16 hydrodynamisch und damit reibungsarm zueinander gelagert. Das natürlich vorkommende Antriebsmedium Wasser wird gleichzeitig auch als Schmiermedium verwendet, wodurch künstliche und/oder umweltbelastende Schmiermedien vermieden werden können.
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In 2a ist eine schematische Draufsicht auf das Wasserkraftwerk 10 gemäß 1a dargestellt. Die Darstellung beginnt ab Höhe der Zuleitung 14, die darüber liegende erste Umwandlungseinrichtung und zweite Umwandlungseinrichtung sind nicht dargestellt. Die Zuleitung 14 führt exzentrisch zu dem Trichter 50 hin, wodurch das zugeleitete Wasser unmittelbar auf die Widerstandsstrukturen 52 des Trichters 50 prallt und dadurch die Hohlwelle 20 antreibt. Innerhalb der Hohlwelle 20 ist koaxial die Zentralwelle 30 angeordnet, die einen im Vergleich zur Hohlwelle wesentlich geringeren Durchmesser aufweist. Die Zuleitung 14 weist einen rechteckigen Querschnitt auf mit einer im Verhältnis zur Breite geringeren Höhe auf, wie in 2b dargestellt ist. In einem Übergangsbereich der Zuleitung 14 zu dem Trichter 50 verläuft die Zuleitung 14 sichelförmig und ist so mit dem Trichter 50 verbunden, dass das Wasser leckagefrei dem Trichter 50 zugeleitet werden kann.
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In 3a ist eine schematische Schnittansicht eines Abschnitts der Hohlwelle 20 und ihrem Innenleben gemäß einer zweiten Ausführungsform dargestellt. Die Zentriereinrichtung 40 wird im vorliegenden Fall über eine Stabkonstruktion realisiert, die auf der einen Seite an der Hohlwelle 20 befestigt ist und auf einer der Zentralwelle 30 zugewandten Seite Gleitelemente 42 zum Zentrieren der Zentralwelle 30 innerhalb der Hohlwelle 20 aufweist. Die Hohlwelle 20 weist Leitschaufeln 26 auf, die das zugeleitete Wasser auf die darauffolgende Zentralwellenturbine 32 hinleiten. Die Zentralwellenturbine 32 wird vorliegend durch ein Zwischenelement 38 gebildet, dass über eine Gewindeverbindung mit Anschlusselementen der Zentralwelle 30 verbunden ist. Die Laufschaufeln 34 der Zentralwellenturbine 32 sind über Befestigungsmittel 39, wie beispielsweise Schrauben, an dem Zwischenelement 38 befestigt. Im Anschluss an die Zentralwellenturbine 32 ist die Hohlwellenturbine 22 mit ihren Laufschaufeln 24 angeordnet, die in einer Wand der Hohlwelle 20 in ihrer Neigung verstellbar gelagert sind. Die Zentralwelle 30 ist als Rohrwelle ausgebildet, was zum einen die Gewindeverbindung zwischen dem Zwischenelement 38 und den Elementen der Zentralwelle 30 ermöglicht und andererseits zu einer erheblichen Gewichtsersparnis der Zentralwelle 30 führt.
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In 4 ist eine Detail-Schnittansicht des Zwischenelementes 38 gemäß 3 dargestellt. Die Laufschaufel 34 der Zentralwellenturbine 32 werden über die Befestigungsmittel 39, beispielsweise Schrauben, an dem Zwischenelement 38 befestigt. Das Zwischenelement 38 weist zur Aufnahme einer Laufschaufel 34 eine Durchgangsbohrung und einen Absatz auf, die korrespondierend zu den Laufschaufeln 34 ausgebildet sind.
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In 5 ist eine schematische Anordnung der Laufschaufeln 34 der Zentralwellenturbine 30 innerhalb der Hohlwelle 20 dargestellt. Die Hohlwelle 20 und die Zentralwelle 30 sind so ausgebildet, dass sie relativ zueinander in entgegengesetzte Richtungen rotieren, was durch die entgegengesetzt verlaufenden Pfeile angedeutet ist. Die Laufschaufeln 34 der Zentralwellenturbine 32 liegen in radialer Richtung dicht an der Hohlwelle 20 an, sodass eine sichere Zentrierung der Zentralwelle 30 innerhalb der Hohlwelle 20 notwendig ist und durch die beschriebene Zentriervorrichtung realisiert wird.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Wasserkraftwerk
- 12
- Durchleitkanal
- 14
- Zuleitung
- 16
- Ablassleitung
- 20
- Hohlwelle
- 22
- Hohlwellenturbine
- 24
- Laufschaufel
- 26
- Leitschaufel
- 28
- Durchleitöffnung
- 29
- Ausnehmung
- 30
- Zentralwelle
- 32
- Zentralwellenturbine
- 34
- Laufschaufel
- 36
- Leitschaufel
- 38
- Zwischenelement
- 39
- Befestigungselement
- 40
- Zentriereinrichtung
- 42
- Gleitelement
- 50
- Trichter
- 52
- Widerstandsstruktur/Flügelblech
- 60
- erste Umwandlungseinrichtung
- 62
- zweite Umwandlungseinrichtung
