DE102020131271A1 - hydroelectric turbine - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Wasserkraftturbine zur Wandlung der kinetischen Energie strömenden Wassers in mechanische Rotationsenergie. Die Wasserkraftturbine weist einen drehbar in einem durchströmbaren Gehäuse (2) gelagerten Rotor auf, der ein helixartig gewundenes, bandförmiges Rotorblatt (1) besitzt. Die Wasserkraftturbine eignet sich insbesondere zur Stromerzeugung oder zum Direktantrieb von Arbeitsmaschinen bei Betrieb in flachen Flussläufen oder im Ausströmbereich von Auslaufbecken.The invention relates to a water power turbine for converting the kinetic energy of flowing water into mechanical rotational energy. The hydroelectric turbine has a rotor which is rotatably mounted in a housing (2) through which air can flow and which has a helically wound, strip-shaped rotor blade (1). The hydroelectric turbine is particularly suitable for power generation or for the direct drive of working machines when operating in shallow rivers or in the outflow area of outflow basins.

Description

Die Erfindung betrifft eine Wasserkraftturbine mit einem drehbar in einem durchströmbaren Gehäuse gelagerten Rotor zur Wandlung der kinetischen Energie strömenden Wassers in mechanische Rotationsenergie. Die Wasserkraftturbine eignet sich insbesondere zur Stromerzeugung oder zum Direktantrieb von Arbeitsmaschinen bei Betrieb in flachen Flussläufen oder im Ausströmbereich von Auslaufbecken.The invention relates to a water power turbine with a rotor, which is rotatably mounted in a housing through which flow can occur, for converting the kinetic energy of flowing water into mechanical rotational energy. The hydroelectric turbine is particularly suitable for power generation or for the direct drive of working machines when operating in shallow rivers or in the outflow area of outflow basins.

Zu den bekannten Bauarten von Wasserkraftmaschinen zählen unter anderem die Wasserkraftschnecken. Diese besitzen als zentrale Baueinheit einen Rotor mit einer zylinderförmigen Rotorwelle, an deren Mantel eine oder mehrere helixförmige Schneckenwendel angebracht sind. Dieser Rotor befindet sich innerhalb eines rohrförmigen Gehäuses, wobei die Welle des Rotors mit beiden Wellenendbereichen an jeweils einer entsprechenden Lagerposition im Gehäuse drehbar gelagert ist.Well-known types of hydropower machines include hydrodynamic screws. As a central structural unit, these have a rotor with a cylindrical rotor shaft, on the casing of which one or more helical screw threads are attached. This rotor is located within a tubular housing, with the shaft of the rotor being rotatably mounted with both shaft end regions at a respective corresponding bearing position in the housing.

Wasserkraftschnecken werden üblicherweise mit einem Neigungswinkel von 20° bis 30° zwischen einem Ober- und einem Unterwasser installiert. Die Rotationsenergie wird - als energetische Umkehr zur Archimedischen Schraube - aus dem Energieunterschied zwischen Ober- und Unterwasser gewonnen: Das Wassers bewegt sich in den Kammern des Wendelgangs abwärts, wobei es den Rotor durch die auf die Schneckenwendel ausgeübte Gewichtskraft in Rotation versetzt. Mittels Wasserkraftschnecken wird demgemäß die potentielle Energie des Wassers in kinetische Rotationsenergie gewandelt.Hydrodynamic screws are usually installed with an inclination angle of 20° to 30° between an upstream and a downstream. The rotational energy is obtained - as an energetic reversal of the Archimedean screw - from the energy difference between the upper and lower water: The water moves downwards in the chambers of the helix, causing the rotor to rotate due to the weight exerted on the helix. Accordingly, the potential energy of the water is converted into kinetic rotational energy by means of hydrodynamic screws.

Eine solche Wasserkraftschnecke offenbart unter anderem DE 41 39 134 A1 . Eine alternative Bauweise einer Wasserkraftschnecke, bei der die Schneckenwendel nicht an einer zentralen Vollwelle, sondern im Inneren einer Hohlwelle angeordnet sind, ist in EP 2 369 168 A2 beschrieben.Such a hydrodynamic screw reveals, among other things DE 41 39 134 A1 . In EP 2 369 168 A2 described.

Im Unterschied zur Wasserkraftschnecke wird bei Wasserturbinen - je nach Bauart in unterschiedlichem Maße - neben der potentiellen Energie aus dem Höhenunterschied zwischen Ober- und Unterwasser auch die Strömungsenergie des Wassers nutzbar gemacht. So können Wasserturbinen in strömenden Gewässern eingesetzt werden, die kein nennenswertes Gefälle aufweisen, wie zum Beispiel in Flussläufen des Tieflandes oder in Meeresgewässern mit Gezeitenströmung.In contrast to the hydrodynamic screw, water turbines - to a varying extent depending on the type of construction - make use of the flow energy of the water in addition to the potential energy from the difference in height between the upper and lower water. For example, water turbines can be used in flowing waters that do not have a significant gradient, such as in rivers in the lowlands or in sea waters with tidal currents.

Wasserturbinen nach der Bauart einer Durchström-, Francis-, Kaplan- oder Propellerturbine besitzen einen Rotor mit mehreren Rotorblättern, die bei Anströmung durch das Wasser den Rotor in Drehbewegung versetzen. Diese Rotorblätter sind üblicherweise als Rotorschaufeln mit einer stromaufwärts gerichteten Eintrittskante und einer stromabwärts gerichteten Austrittskante ausgeführt. Bei Betrieb schneidet die Eintrittskante des Rotorblatts in das strömende Wasser ein; dieses strömt dann entlang der Konturen des Rotorblattprofils und fließt schließlich an der Austrittskante vom Rotorblatt ab.Water turbines of the cross-flow, Francis, Kaplan or propeller type have a rotor with several rotor blades, which cause the rotor to rotate when the water flows against it. These rotor blades are usually designed as rotor blades with an upstream leading edge and a downstream trailing edge. During operation, the leading edge of the rotor blade cuts into the flowing water; This then flows along the contours of the rotor blade profile and finally flows off the rotor blade at the trailing edge.

Neben den klassischen Bauarten, d. h. der Durchström-, Francis-, Kaplan- oder Propellerturbine, sind gleichfalls turbinenbasierte Wasserkraftmaschinen bekannt, die die Strömungsenergie von Wasserwirbeln zur Energieerzeugung nutzen. Solche Wasserwirbelkraftwerke beschreiben beispielsweise US 3 372 905 A oder WO 2011/051421 A2 .In addition to the classic designs, ie the flow-through, Francis, Kaplan or propeller turbine, turbine-based water power machines are also known which use the flow energy of water eddies to generate energy. Such water vortex power plants describe, for example U.S. 3,372,905 A or WO 2011/051421 A2 .

Die Auswahl der Bauart einer Wasserkraftmaschine erfolgt anwendungsfallbezogen, wobei insbesondere Durchflussmenge, Fallhöhe und Teillastverhalten zu den ausschlagegebenden Auswahlfaktoren zählen. Örtlichkeit und Betriebsweise bestimmen demnach maßgeblich, ob eine Wasserkraftschnecke, eine bestimmte Wasserturbinenbauart oder eine andere Wasserkraftmaschine für eine spezifische Anwendung geeignet ist.The design of a hydroelectric machine is selected based on the application, with the flow rate, drop height and partial load behavior being among the decisive selection factors. The location and mode of operation therefore determine whether a hydrodynamic screw, a certain type of hydroturbine or another hydroelectric machine is suitable for a specific application.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine alternative Wasserkraftmaschine in Form einer Wasserkraftturbine bereitzustellen, mittels der die Strömungsenergie von Wasser in kinetische Rotationsenergie gewandelt wird. Insbesondere soll mittels der Wasserkraftturbine die natürliche Strömung flacher Flussläufe oder die Restströmung aus Auslaufbecken nutzbar gemacht werden.The object of the present invention is to provide an alternative water power machine in the form of a water power turbine, by means of which the flow energy of water is converted into kinetic rotational energy. In particular, the natural flow of shallow rivers or the residual flow from outflow basins should be made usable by means of the hydroelectric turbine.

Diese Aufgabe wird durch eine Wasserkraftturbine mit den kennzeichnenden Merkmalen nach dem Anspruch 1 gelöst; zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 10 aufgeführt.This object is achieved by a hydroelectric turbine having the characterizing features of claim 1; Expedient developments of the invention are listed in claims 2 to 10.

Die Wasserkraftturbine umfasst ein Gehäuse und mindestens einen um eine Rotationsachse drehbar im Gehäuse gelagerten Rotor. Das Gehäuse ist in einer entlang der Rotationsachse von einer Einströmöffnung des Gehäuses zu einer Ausströmöffnung des Gehäuses gerichteten Strömungsrichtung mit Wasser durchströmbar.The hydroelectric turbine comprises a housing and at least one rotor mounted in the housing so that it can rotate about an axis of rotation. Water can flow through the housing in a flow direction directed along the axis of rotation from an inflow opening of the housing to an outflow opening of the housing.

Erfindungsgemäß weist der Rotor mindestens ein bandförmiges Rotorblatt auf, das in Form einer um die Rotationsachse gewundenen Helix verläuft. Das bandförmige Rotorblatt ist an einem Helixendbereich mit einer im Gehäuse drehbar gelagerten Rotorwelle des Rotors verbunden und an seinem anderen Helixendbereich frei beweglich. Der zwischen den beiden Helixendbereichen liegende Bereich wird als Arbeitsbereich bezeichnet. Die Rotorwelle ist lediglich an einem der Helixendbereiche, nämlich am wellenseitigen Helixendbereich (auch Wellenende genannt), mit dem Rotorblatt verbunden. Im Arbeitsbereich und am freibeweglichen Helixendbereich (auch Freiende genannt) besteht keine Verbindung zwischen Rotorwelle und Rotorblatt. Die Rotorwelle ist vorzugsweise als einseitig gelagerter Wellenstummel ausgeführt.According to the invention, the rotor has at least one band-shaped rotor blade, which runs in the form of a helix wound around the axis of rotation. The band-shaped rotor blade is connected at one helix end area to a rotor shaft of the rotor, which is rotatably mounted in the housing, and is freely movable at its other helix end area. The area between the two helix end areas is referred to as the working area. The rotor shaft is only at one of the helix end areas, namely at the shaft-side helix end area (also called shaft end), connected to the rotor blade. There is no connection between the rotor shaft and the rotor blade in the working area and at the freely movable helix end area (also known as the free end). The rotor shaft is preferably designed as a shaft stub supported on one side.

Das Rotorblatt weist erfindungsgemäß im Arbeitsbereich ein bogenförmig gekrümmtes Rotorblattprofil auf, wobei das Rotorblatt an jeder Position des Arbeitsbereichs eine stromaufwärts gerichtete Eintrittskante und eine stromabwärts gerichtete Austrittskante besitzt. D. h., in jeder beliebigen axial durch die Rotationsachse verlaufenden Schnittebene schließen die Sehne des Rotorblattprofils (die die Eintrittskante mit der Austrittskante in gerader Linie verbindet) und die Strömungsrichtung einen Winkel von weniger als 90° ein, wobei die Eintrittskante stets der Strömung entgegen gerichtet ist. Vorzugsweise ist das Rotorblatt hierbei so ausgerichtet, dass die Konkavseite des bogenförmig gekrümmten Rotorblattprofils angeströmt wird.According to the invention, the rotor blade has an arcuately curved rotor blade profile in the working area, with the rotor blade having an upstream leading edge and a downstream trailing edge at each position in the working area. That is, in any section plane running axially through the axis of rotation, the chord of the airfoil (connecting the leading edge to the trailing edge in a straight line) and the flow direction enclose an angle of less than 90°, with the leading edge always counter to the flow is directed. In this case, the rotor blade is preferably aligned in such a way that the concave side of the arc-shaped curved rotor blade profile is flown against.

Die Konkavseite des Rotorblattprofils ist in der bevorzugten Ausführung des Rotors im Arbeitsbereich der Rotationsachse zugewandt.In the preferred embodiment of the rotor, the concave side of the rotor blade profile faces the axis of rotation in the working area.

Zum Betrieb der Wasserkraftturbine wird (zum Beispiel aus einem Flusslauf abgezweigtes) Wasser über die Einströmöffnung in das Gehäuse eingeleitet; es durchströmt anschließend den Gehäuseinnenraum und tritt schließlich wieder aus der Ausströmöffnung aus. Während des Durchströmens versetzt das Wasser das helixförmig gewundene Rotorblatt in Rotation, wobei sich dieses ähnlich einem Wasserwirbel im strömenden Wasser bewegt.To operate the hydroelectric turbine, water (for example branched off from a river) is fed into the housing via the inflow opening; it then flows through the interior of the housing and finally exits the outflow opening again. As it flows through, the water causes the helically wound rotor blade to rotate, which moves like a whirlpool in the flowing water.

Zur Elektroenergiegewinnung kann der Rotor über seine Rotorwelle mit einem Generator verbunden werden.To generate electrical energy, the rotor can be connected to a generator via its rotor shaft.

Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Wasserkraftturbine besteht darin, dass Fische aufgrund der wasserwirbelartigen Bewegung des Rotorblatts die Nähe der Wasserkraftturbine - wie auch sonst natürliche Wasserverwirbelungen - meiden. Damit wird das Risiko gemindert, dass Fische in die Wasserkraftturbine gelangen und dabei verletzt werden. Als zusätzlicher Schutz kann an der Einströmöffnung ein Schutzgitter angebracht sein. Das Schutzgitter dient zudem zum Schutz der Wasserkraftturbine selbst, insbesondere um zu verhindern, dass im Wasser mitgeführte Gegenstände in das Gehäuse gelangen und den Rotor verklemmen oder beschädigen.A particular advantage of the hydroelectric turbine according to the invention is that due to the water vortex-like movement of the rotor blade, fish avoid the vicinity of the hydroelectric turbine—as well as other natural water turbulence. This reduces the risk of fish getting into the hydroelectric turbine and being injured. A protective grille can be attached to the inflow opening as additional protection. The protective grid also serves to protect the hydroelectric turbine itself, in particular to prevent objects carried in the water from getting into the housing and jamming or damaging the rotor.

Vorteilhafterweise weist die Helix des bandförmigen Rotorblatts im Arbeitsbereich vom wellenseitigen Helixendbereich hin zum freibeweglichen Helixendbereich eine radiale Aufweitung auf, d. h., der Durchmesser der Helix vergrößert sich vom Wellenende zum Freiende. Die sich aufweitenden Helices erfassen einen größeren Strömungsquerschnitt als gerade verlaufende Helices.Advantageously, the helix of the strip-shaped rotor blade has a radial widening in the working area from the shaft-side helix end area to the freely movable helix end area, i. i.e. the diameter of the helix increases from the shaft end to the free end. The expanding helices cover a larger flow cross-section than straight helices.

Insbesondere kann das Rotorblatt gemäß dieser Ausgestaltung so ausgeführt sein, dass die Helix des bandförmigen Rotorblatts radial nach außen an einer Hüllfläche in Form der Mantelfläche eines geraden, koaxial zur Rotationsachse liegenden Kreiskegels anliegt. Der Öffnungswinkel dieses Kreiskegels liegt vorzugsweise im Bereich von 40° bis 70°.In particular, the rotor blade can be designed according to this configuration such that the helix of the strip-shaped rotor blade rests radially outwards on an enveloping surface in the form of the lateral surface of a straight circular cone lying coaxially to the axis of rotation. The opening angle of this circular cone is preferably in the range from 40° to 70°.

Die Helix des Rotorblatts weist einen Gangwinkel im Vorzugsbereich von 10° bis 50° auf.The helix of the rotor blade has a pitch angle in the preferred range of 10° to 50°.

Vorteilhafterweise besitzt die Helix des Rotorblatts des Weiteren mindestens eine vollständig umlaufende Windung und/oder maximal drei vollständig umlaufende Windungen.Advantageously, the helix of the rotor blade also has at least one fully circumferential turn and/or a maximum of three fully circumferential turns.

Gemäß einer Ausgestaltung des bandförmigen Rotorblatts nimmt dessen Steifigkeit vom wellenseitigen Helixendbereich hin zum freibeweglichen Helixendbereich stetig oder stufenweise ab. Die Änderung der Steifigkeit kann beispielsweise durch Änderung der inneren oder äußeren Rotorblattgeometrie und/oder durch Modifikationen des Rotorblattwerkstoffes realisiert werden. Bei Rotation des Rotorblatts im strömenden Wasser ändert sich die Ganghöhe bzw. Steigung der Helix durch Dehnung bzw. Stauchung in der Strömung. Die Abnahme der Rotorblattsteifigkeit vom Wellenende zum Freiende bewirkt, dass die Helix wellenseitig geometriestabil bleibt und sich zum Freiende hin durch Verformung an Strömungsänderungen anpassen kann.According to one embodiment of the strip-shaped rotor blade, its rigidity decreases continuously or in stages from the helix end area on the shaft side towards the freely movable helix end area. The change in stiffness can be implemented, for example, by changing the inner or outer rotor blade geometry and/or by modifying the rotor blade material. When the rotor blade rotates in the flowing water, the pitch or pitch of the helix changes due to stretching or compression in the flow. The decrease in rotor blade stiffness from the shaft end to the free end means that the helix remains geometrically stable on the shaft side and can adapt to changes in flow through deformation towards the free end.

Das Rotorblatt kann - unter anderem zur bedarfsgerechten Abstimmung der Steifigkeit - in Leichtbauweise als Hohlprofil mit einer tragwerkartig ausgebildeten Kernstützstruktur ausgeführt sein.The rotor blade can be designed in a lightweight construction as a hollow profile with a core support structure designed like a truss, among other things for the need-based tuning of the rigidity.

Die Innenkontur des Gehäuses ist vorzugsweise rotationssymmetrisch zur Rotationsachse ausgebildet. Im Bereich der Axialposition des freibeweglichen Helixendbereichs des Rotorblatts ist gemäß einer Ausgestaltung dieser Gehäuseausführung in die Gehäusewandung ein vollumfänglich verlaufender, zur Rotationsachse hin halboffener Umleitkanal eingebracht. Mittels des Umleitkanals kann die Wirbelbildung am Freiende des Rotorblatts reduziert werden.The inner contour of the housing is preferably designed to be rotationally symmetrical to the axis of rotation. In the area of the axial position of the freely movable helical end area of the rotor blade, according to one embodiment of this housing design, a diversion channel that runs over the full circumference and is half-open towards the axis of rotation is introduced into the housing wall. The formation of vortices at the free end of the rotor blade can be reduced by means of the diversion channel.

Ferner kann vorgesehen sein, dass der freibewegliche Helixendbereich des Rotorblatts schwanzflossenartig ausgebildet ist. Das als Schwanzflosse eines Fisches geformte Freiende bewirkt ebenfalls eine Reduzierung der Wirbel am Freiende des Rotorblatts. Vorteilhafterweise ist diese Ausgestaltung mit dem Umleitkanal im Gehäuse kombiniert; durch die Schwanzflossenform des Freiendes werden Wasserwirbel gezielt in den Umleitkanal gelenkt.Furthermore, it can be provided that the freely movable helix end area of the rotor blade is designed in the manner of a tail fin. The free end, shaped like a fish's tail fin, also reduces the vortices at the free end of the rotor blade. Advantageously this configuration combined with the bypass channel in the housing; Due to the shape of the tail fins of the free end, water vortices are directed into the diversion channel.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Wasserkraftturbine umfasst diese zwei der Rotoren, die um die gleiche Rotationsachse drehbar im Gehäuse gelagert sind. Das Rotorblatt des ersten Rotors wird hierbei als das erste Rotorblatt und das Rotorblatt des zweiten Rotors als das zweite Rotorblatt bezeichnet. Der zweite Rotor ist in Strömungsrichtung axial in Reihe hinter dem ersten Rotor angeordnet, wobei der wellenseitige Helixendbereich des ersten Rotorblatts der Einströmöffnung des Gehäuses und der wellenseitige Helixendbereich des zweiten Rotorblatts der Ausströmöffnung des Gehäuses zugewandt sind. Vorzugsweise weitet sich die Helix beider Rotorblätter vom wellenseitigen Helixendbereich zum freibeweglichen Helixendbereich hin radial auf. Der Vorteil des zweiten, in Reihe hinter dem ersten Rotor angeordneten Rotors besteht darin, dass Verwirbelungen reduziert werden; zudem wird zusätzlich Rotationsenergie aus der Restströmung generiert.According to a further embodiment of the hydroelectric turbine, it comprises two of the rotors, which are mounted in the housing so as to be rotatable about the same axis of rotation. The rotor blade of the first rotor is referred to here as the first rotor blade and the rotor blade of the second rotor is referred to as the second rotor blade. The second rotor is arranged axially in series behind the first rotor in the flow direction, with the shaft-side helical end region of the first rotor blade facing the inflow opening of the housing and the shaft-side helical end region of the second rotor blade facing the outflow opening of the housing. The helix of both rotor blades preferably widens radially from the shaft-side helix end area to the freely movable helix end area. The advantage of the second rotor arranged in series behind the first rotor is that turbulence is reduced; in addition, additional rotational energy is generated from the residual flow.

Zur Erzeugung elektrischer Energie kann die Rotorwelle - wie bereits ausgeführt - an einen elektrischen Generator angeschlossen werden. Eine Alternative hierzu besteht darin, dass das Rotorblatt zumindest in Teilbereichen aus einem permanentmagnetischen Material auszuführen, wobei gleichzeitig am Umfang des Gehäuses eine oder mehrere Induktionsspulen angebracht sind. Der bei Rotorbewegung durch Induktion erzeugte elektrische Strom ist direkt an den Induktionsspulen als elektrische Energie abgreifbar; der Anschluss eines separaten elektrischen Generators zur Energieerzeugung kann bei dieser Ausgestaltung der Wasserkraftturbine entfallen.As already explained, the rotor shaft can be connected to an electrical generator to generate electrical energy. An alternative to this is for the rotor blade to be made of a permanent-magnetic material, at least in partial areas, with one or more induction coils being attached at the same time to the circumference of the housing. The electrical current generated by induction when the rotor moves can be tapped directly as electrical energy from the induction coils; the connection of a separate electrical generator for power generation can be omitted in this embodiment of the hydroelectric turbine.

Die Helix des bandförmigen Rotorblatts ist sowohl linksgängig als auch rechtsgängig ausführbar. Bei mehreren in Reihe hintereinander angeordneten Rotoren sind die Helices der Rotorblätter vorzugsweise entweder alle linksgängig oder alle rechtsgängig.The helix of the strip-shaped rotor blade can be implemented both left-handed and right-handed. In the case of several rotors arranged one behind the other in a row, the helices of the rotor blades are preferably either all left-handed or all right-handed.

Die Wasserkraftturbine ist grundsätzlich auch mit anderen Flüssigkeiten betreibbar. Im Kontext der vorliegenden Erfindung ist Wasser demgemäß als Synonym für anderen flüssige Medien zu verstehen.In principle, the hydroelectric turbine can also be operated with other liquids. Accordingly, in the context of the present invention, water is to be understood as a synonym for other liquid media.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und mit Bezug auf die schematischen Zeichnungen näher erläutert, wobei gleiche oder ähnliche Merkmale mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Dazu veranschaulichen:

  • 1: eine der Wasserkraftturbinen mit zwei Rotoren im Längsschnitt,
  • 2: den Rotor einer der Wasserkraftturbinen in Perspektivansicht, und
  • 3: das Rotorblatt in Leichtbauweise im Querschnitt.
The invention is explained in more detail below using exemplary embodiments and with reference to the schematic drawings, with identical or similar features being provided with the same reference symbols. To illustrate:
  • 1 : one of the hydroelectric turbines with two rotors in longitudinal section,
  • 2 : perspective view of the rotor of one of the hydroelectric turbines, and
  • 3 : the lightweight rotor blade in cross section.

Die Wasserkraftturbine gemäß der 1 umfasst zwei hintereinander in Reihe angeordnete Rotoren, die um die gemeinsame Rotationsachse 7 rotieren. Das Gehäuse 2 dieser Ausführung der Wasserkraftturbine besitzt eine rotationssymmetrische, tonnenförmige Gestalt mit der durch das Schutzgitter 23 abgedeckten Einströmöffnung 20 und der offenen Ausströmöffnung 21.The hydroelectric turbine according to the 1 comprises two rotors arranged one behind the other in a row, which rotate around the common axis of rotation 7 . The housing 2 of this embodiment of the hydroelectric turbine has a rotationally symmetrical, barrel-shaped shape with the inflow opening 20 covered by the protective grille 23 and the open outflow opening 21.

Der erste Rotor weist das erste bandförmige Rotorblatt 1, 1.1 und der zweite Rotor das zweite bandförmige Rotorblatt 1, 1.2 auf. Beide bandförmigen Rotorblätter 1, 1.1, 1.2 sind helixartig mit mehreren Windungen um die Rotationsachse 7 gewunden. Der erste Rotor ist am wellenseitige Helixendbereich 6 des ersten Rotorblatts 1, 1.1 im Bereich der Einströmöffnung 20 im Gehäuse 2 drehbar gelagert; der zweite Rotor ist am wellenseitige Helixendbereich 6 des zweitens Rotorblatts 1, 1.2 im Bereich der Ausströmöffnung 21 im Gehäuse 2 drehbar gelagert.The first rotor has the first strip-shaped rotor blade 1, 1.1 and the second rotor has the second strip-shaped rotor blade 1, 1.2. Both band-shaped rotor blades 1, 1.1, 1.2 are wound helically around the axis of rotation 7 with several turns. The first rotor is rotatably mounted on the shaft-side helix end area 6 of the first rotor blade 1, 1.1 in the area of the inflow opening 20 in the housing 2; the second rotor is rotatably mounted on the shaft-side helix end area 6 of the second rotor blade 1, 1.2 in the area of the outflow opening 21 in the housing 2.

Bei Betrieb wird das Gehäuse 2 mit Wasser in der Strömungsrichtung 9, d. h. von der Einströmöffnung 20 hin zur Ausströmöffnung 21, durchströmt. Die beiden Rotoren werden hierdurch in Rotation versetzt und rotieren in der Rotationsrichtung 8 um die Rotationsachse 7.In operation, the housing 2 is filled with water in the direction of flow 9, i. H. from the inflow opening 20 towards the outflow opening 21, flows through. The two rotors are thereby set in rotation and rotate in the direction of rotation 8 about the axis of rotation 7.

Die Freienden 5 beider Rotorblätter 1, 1.1, 1.2 sind jeweils in Form der Schwanzflosse eines Fischs ausgebildet. Während der Rotation des Rotorblatts 1 leiten die Freienden 5 die Strömung in den Umleitkanal 22 und vermindern hierdurch die Wirbelbildung im Zentralbereich des Gehäuses 2.The free ends 5 of both rotor blades 1, 1.1, 1.2 are each designed in the shape of the tail fin of a fish. During the rotation of the rotor blade 1, the free ends 5 direct the flow into the diversion channel 22 and thereby reduce the formation of turbulence in the central area of the housing 2.

Die Detaildarstellung des Rotors gemäß der 2 zeigt das bandförmige Rotorblatt 1, das in Form einer linksgängigen Helix um die Rotationsachse 7 gewunden ist. Der Gangwinkel der Helix beträgt 30° ± 5°. Am Wellenende 6 ist das Rotorblatt 1 mit der Rotorwelle 3 verbunden, die wiederum im Lager 4 drehbar gelagert ist.The detailed representation of the rotor according to the 2 shows the strip-shaped rotor blade 1, which is wound around the axis of rotation 7 in the form of a left-handed helix. The pitch angle of the helix is 30° ± 5°. At the shaft end 6, the rotor blade 1 is connected to the rotor shaft 3, which in turn is rotatably mounted in the bearing 4.

Die bogenförmige Krümmung des Rotorblattprofils wird in der 2 durch die dünnen, bogenförmigen Linien auf der Oberfläche des Rotorblatts 1 veranschaulicht; die Eintrittskante 10 des Rotorblatts 1 ist stets gegen die Strömung und die Austrittskante 11 des Rotorblatts 1 stets in die Strömung gerichtet. Die Strömungsrichtung 9 wird durch den Pfeil verdeutlicht.The arcuate curvature of the airfoil is in the 2 illustrated by the thin arcuate lines on the surface of the rotor blade 1; the leading edge 10 of the rotor blade 1 is always directed against the flow and the trailing edge 11 of the rotor blade 1 is always directed into the flow. The direction of flow 9 is illustrated by the arrow.

Die Helix des bandförmigen Rotorblatts 1 weitet sich vom Wellende 6 zum Freiende 8 hin radial auf; sie liegt hierbei an einer Hüllfläche in Form der Mantelfläche eines geraden, koaxial zur Rotationsachse 7 liegenden Kreiskegels mit einem Öffnungswinkel α von 60° ± 5°an. Dieser Hüllkegel wird durch die gepunkteten Linien veranschaulicht.The helix of the strip-shaped rotor blade 1 widens radially from the shaft end 6 to the free end 8; it lies against an enveloping surface in the form of the lateral surface of a straight circular cone lying coaxially to the axis of rotation 7 and having an opening angle α of 60°±5°. This envelope cone is illustrated by the dotted lines.

Die Rotationsrichtung 8 des in 2 gezeigten Rotorblatts 1 verläuft bei Blick in Strömungsrichtung 9 im Uhrzeigersinn.The direction of rotation 8 of the in 2 The rotor blade 1 shown runs clockwise when viewed in the direction of flow 9 .

Das Rotorblatt 1 gemäß der 3 ist als Hohlprofil ausgebildet. Konkav- und konvexseitig umschließen die Rotorblattwandungen 12 die innenliegende, tragwerkartig ausgeführte Kernstützstruktur 13. Die Eintrittskante 10 und die Austrittskante 11 sind mit einer Kupferlegierung zur Minderung von Korrosion und Kavitationsverschleiß überzogen.The rotor blade 1 according to 3 is designed as a hollow profile. On the concave and convex sides, the rotor blade walls 12 enclose the inner core support structure 13, which is designed like a supporting structure. The leading edge 10 and the trailing edge 11 are coated with a copper alloy to reduce corrosion and cavitation wear.

Der Querschnitt durch das Rotorblatts 1 gemäß 3 entspricht einem axialen Längsschnitt des Rotorblatts 1 in der 2. Die Anströmung der Eintrittskante 10 des Rotorblatts 1 verdeutlicht der Pfeil der Strömungsrichtung 9.The cross section through the rotor blade 1 according to FIG 3 corresponds to an axial longitudinal section of the rotor blade 1 in the 2 . The flow towards the leading edge 10 of the rotor blade 1 is illustrated by the arrow of the direction of flow 9.

BezugszeichenlisteReference List

11
Rotorblattrotor blade
1.11.1
erstes Rotorblattfirst rotor blade
1.21.2
zweites Rotorblattsecond rotor blade
22
GehäuseHousing
33
Rotorwellerotor shaft
44
Lagerwarehouse
55
freibeweglicher Helixendbereich des Rotorblatts; Freiendefreely movable helix end area of the rotor blade; free end
66
mit der Rotorwelle verbundener Helixendbereich des Rotorblatts; Wellenendehelical end portion of the rotor blade connected to the rotor shaft; shaft end
77
Rotationsachseaxis of rotation
88th
Rotationsrichtungdirection of rotation
99
Strömungsrichtungflow direction
1010
Eintrittskanteleading edge
1111
Austrittskantetrailing edge
1212
Rotorblattwandungblade wall
1313
Kernstützstrukturcore support structure
2020
Einströmöffnunginflow opening
2121
Ausströmöffnungoutflow opening
2222
Umleitkanaldiversion channel
2323
Schutzgitterprotective grid
αa
Öffnungswinkelopening angle

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION

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  • WO 2011/051421 A2 [0007]WO 2011/051421 A2 [0007]

Claims (10)

Wasserkraftturbine, umfassend ein Gehäuse (2) und mindestens einen um eine Rotationsachse (7) drehbar im Gehäuse (2) gelagerten Rotor, wobei das Gehäuse (2) in einer entlang der Rotationsachse (7) von einer Einströmöffnung (20) des Gehäuses (2) zu einer Ausströmöffnung (21) des Gehäuses (2) gerichteten Strömungsrichtung (9) mit Wasser durchströmbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor mindestens ein bandförmiges Rotorblatt (1) aufweist, das in Form einer um die Rotationsachse (7) gewundenen Helix verläuft, wobei das bandförmige Rotorblatt (1) an einem Helixendbereich (6) mit einer im Gehäuse (2) drehbar gelagerten Rotorwelle (3) des Rotors verbunden und an seinem anderen Helixendbereich (5) frei beweglich ist, und wobei das bandförmige Rotorblatt (1) in einem zwischen den beiden Helixendbereichen (5, 6) liegenden Arbeitsbereich ein bogenförmig gekrümmtes Rotorblattprofil besitzt, wobei das Rotorblatt (1) an jeder Position des Arbeitsbereichs eine stromaufwärts gerichtete Eintrittskante (10) und eine stromabwärts gerichtete Austrittskante (11) aufweist.Hydroelectric power turbine, comprising a housing (2) and at least one rotor mounted in the housing (2) so that it can rotate about an axis of rotation (7), the housing (2) being located in a direction along the axis of rotation (7) from an inflow opening (20) of the housing (2 ) to an outflow opening (21) of the housing (2) through which water can flow, characterized in that the rotor has at least one strip-shaped rotor blade (1) which runs in the form of a helix wound around the axis of rotation (7). , wherein the band-shaped rotor blade (1) is connected at one helical end area (6) to a rotor shaft (3) of the rotor which is rotatably mounted in the housing (2) and is freely movable at its other helical end area (5), and wherein the band-shaped rotor blade (1) has an arcuately curved rotor blade profile in a working area between the two helix end areas (5, 6), the rotor blade (1) having an upstream entry point at each position in the working area having a trailing edge (10) and a trailing edge (11) directed downstream. Wasserkraftturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Konkavseite des Rotorblattprofils im Arbeitsbereich der Rotationsachse (7) zugewandt ist.hydroelectric turbine after claim 1 , characterized in that the concave side of the rotor blade profile faces the axis of rotation (7) in the working area. Wasserkraftturbine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Helix des bandförmigen Rotorblatts (1) im Arbeitsbereich vom wellenseitigen Helixendbereich (6) hin zum freibeweglichen Helixendbereich (5) radial aufweitet.hydroelectric turbine after claim 1 or 2 , characterized in that the helix of the strip-shaped rotor blade (1) widens radially in the working area from the shaft-side helix end area (6) towards the freely movable helix end area (5). Wasserkraftturbine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Helix des bandförmigen Rotorblatts (1) radial nach außen an einer Hüllfläche in Form der Mantelfläche eines geraden, koaxial zur Rotationsachse (7) liegenden Kreiskegels anliegt.hydroelectric turbine after claim 3 , characterized in that the helix of the strip-shaped rotor blade (1) rests radially outwards on an enveloping surface in the form of the lateral surface of a straight circular cone lying coaxially to the axis of rotation (7). Wasserkraftturbine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Öffnungswinkel (α) des die Hüllfläche definierenden Kreiskegels im Bereich von 40° bis 70° liegt.hydroelectric turbine after claim 4 , characterized in that the opening angle (α) of the circular cone defining the enveloping surface is in the range from 40° to 70°. Wasserkraftturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Helix des Rotorblatts (1) einen Gangwinkel im Bereich von 10° bis 50° aufweist.Hydroelectric turbine according to one of Claims 1 until 5 , characterized in that the helix of the rotor blade (1) has a lead angle in the range from 10° to 50°. Wasserkraftturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Helix des Rotorblatts (1) mindestens eine vollständig umlaufende Windung und maximal drei vollständig umlaufende Windungen aufweist.Hydroelectric turbine according to one of Claims 1 until 6 , characterized in that the helix of the rotor blade (1) has at least one fully circumferential turn and a maximum of three fully circumferential turns. Wasserkraftturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Steifigkeit des bandförmigen Rotorblatts (1) vom wellenseitigen Helixendbereich (6) hin zum freibeweglichen Helixendbereich (5) stetig oder stufenweise abnimmt.Hydroelectric turbine according to one of Claims 1 until 7 , characterized in that the rigidity of the strip-shaped rotor blade (1) from the shaft-side helix end area (6) towards the freely movable helix end area (5) decreases continuously or in stages. Wasserkraftturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der freibewegliche Helixendbereich (5) des Rotorblatts (1) schwanzflossenartig ausgebildet ist.Hydroelectric turbine according to one of Claims 1 until 8th , characterized in that the freely movable helix end region (5) of the rotor blade (1) is designed like a tail fin. Wasserkraftturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenkontur des Gehäuses (2) rotationssymmetrisch zur Rotationachse (7) ausgebildet ist, wobei in die Gehäusewandung im Bereich der Axialposition des freibeweglichen Helixendbereichs (5) des Rotorblatts (1) ein vollumfänglich verlaufender, zur Rotationsachse (7) hin halboffener Umleitkanal (22) eingebracht ist.Hydroelectric turbine according to one of Claims 1 until 9 , characterized in that the inner contour of the housing (2) is designed to be rotationally symmetrical to the axis of rotation (7), with a full-circumference running towards the axis of rotation (7) in the housing wall in the area of the axial position of the freely movable helix end area (5) of the rotor blade (1). semi-open diversion channel (22) is introduced.
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