DE102021123766A1

DE102021123766A1 - Vorrichtung zur Erzeugung nutzbarer Energie

Info

Publication number: DE102021123766A1
Application number: DE102021123766.1A
Authority: DE
Inventors: gleich Anmelder Erfinder
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2021-09-14
Filing date: 2021-09-14
Publication date: 2023-03-16

Abstract

Bei vollständig in strömenden Gewässern eingetauchten Vorrichtungen zur Erzeugung nutzbarer Energie aus der Energie des strömenden Wassers werden umlaufende Schaufeln (24) nur über einen Teil ihres Umlaufs vom strömenden Wasser angeströmt. Während des übrigen Teils des Umlaufs müssen die Schaufeln (24) gegen die Strömungsrichtung des Wassers zurückbewegt werden. Das verringert die Effizienz solcher Vorrichtungen.Die Erfindung sieht es vor, die Schaufeln (24) während eines Umlaufs um eine von den Schaufeln (24) antreibbare zentrale Welle (25) um mittige Achsen (29) zu verdrehen und/oder Schaufelblätter (28) der Schaufeln (24) an ihren gegenüberliegenden Enden mit Klappen (32) zu versehen, die während des Umlaufs der Schaufeln (24) um die Welle (25) so verstellbar sind, dass sie die Kraft, die das strömende Wasser auf die Schaufeln (24) ausübt größer ist als die Kraft zum Zurückbewegen der Schaufeln (24) gegen das strömende Wasser. Eine solche Vorrichtung arbeitet effizienter, indem sie mehr nutzbare Energie erzeugt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von nutzbarer Energie gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. 4.
Vorrichtungen der hier angesprochenen Art dienen dazu, nutzbare Energie zu erzeugen, indem sie aus der Energie strömenden Wassers in elektrische Energie oder Energie zum Antrieb von Maschinen erzeugen. Solche vollständig im strömenden Wasser eingetauchte Vorrichtungen werden auch als Wasserräder oder Wasserturbinen bezeichnet.
Bekannte Vorrichtungen der genannten Art sind als vorzugsweise um eine zentrale Welle drehbare Rotoren ausgebildet. Von der drehenden Welle wird die aus der Wasserkraft gewonnene Energie übertragen auf anzutreibende Maschinen oder zum Beispiel Generatoren zur Erzeugung elektrischer Energie. Mit der zentralen Welle sind mindestens zwei Schaufeln verbunden. Die Schaufeln laufen getrieben vom strömenden Wasser, also der Wasserkraft, kreisförmig um die mittige Welle herum, wodurch sie die zentrale Welle drehend antreiben. Während eines Teils dieses Umlaufs werden die Schaufeln vom strömenden Wasser beaufschlagt und von diesem mitgenommen. Während eines anderen Teils des Umlaufs bewegen sich die Schaufeln gegen die Strömungsrichtung des Wassers zurück. Bei diesen bekannten Vorrichtungen sind aufwendige Mittel vorgesehen, um die Kraft, die das strömende Wasser auf die zurückbewegten Schaufeln ausübt geringer zu halten als die Kraft, die das strömende Wasser auf die in Drehrichtung der zentralen Welle angeströmten Schaufeln ausübt. Es hat sich jedoch gezeigt, dass solche bekannten Vorrichtungen nicht effektiv arbeiten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Vorrichtungen zur Erzeugung nutzbarer Energie zu schaffen, die eine verbesserte Effektivität aufweisen.
Eine Vorrichtung zur Lösung dieser Aufgabe weist die Merkmale des Anspruchs 1 auf. Bei dieser Vorrichtung ist es vorgesehen, dass die mittigen Achsen der Schaufeln verdrehbar sind, aber gezielt verdreht werden und nicht unkontrolliert frei drehbar sind. Dadurch ist eine Verstellung der Schaufeln möglich. Diese Verstellung erfolgt insbesondere so, dass die Kraft der vom Wasser angeströmten Schaufeln größer ist als der Strömungswiderstand der gegen die Strömungsrichtung des Wassers zurücklaufenden Schaufeln. Das Wasser wirkt dadurch auf die zurücklaufenden Schaufeln eine Kraft aus, die wesentlich geringer ist als die Kraft, die das strömende Wasser auf die in Strömungsrichtung angetriebenen Schaufeln ausübt. Die Vorrichtung arbeitet dadurch effektiver und erlaubt es so, wirtschaftlich nutzbare Energie aus Wasserkraft zu erzeugen.
Bevorzugt ist die Vorrichtung so ausgebildet, dass die Schaufeln verdrehbar sind durch einen gezielt drehenden Antrieb ihrer zentralen, mittigen Achse. Dadurch sind die Schaufeln verdrehbar. Bevorzugt ist es vorgesehen, dass die Verstellung jeder Schaufel durch eine entsprechende Verdrehung ihrer Achse in Abhängigkeit vom Drehwinkel der mittigen Welle der Vorrichtung erfolgt. Es können so die Schaufeln individuell gezielt gesteuert durch entsprechende Verdrehung ihrer mittigen Achsen derart verstellt werden, dass von der strömenden Flüssigkeit mindestens eine Schaufel über die gesamte Fläche angeströmt wird, indem das strömende Wasser größtenteils senkrecht oder nahezu senkrecht auf die betreffende Schaufel einwirkt, während wenigstens eine zurückbewegte Schaufel so verdreht wird, dass ihre Fläche in Strömungsrichtung oder nahezu in Strömungsrichtung ausgerichtet ist. Dadurch erzeugt die jeweils zurückbewegte Schaufel im strömenden Wasser einen geringstmöglichen Widerstand und wird bei ihrer Rückbewegung gegen die Strömungsrichtung des Wassers kaum abgebremst.
Der gezielte Antrieb zur individuellen Verstellung der Schaufeln erfolgt gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Vorrichtung derart, dass bei einem Umlauf der zentralen Welle die dazu parallel verlaufende mittige Achse jeder Schaufel um 180° von ihrem Antrieb verdreht wird. Vorzugsweise ist dabei die Drehrichtung der jeweiligen Achse entgegengesetzt zur Drehrichtung der angetriebenen mittigen Welle. Auf diese Weise wird erreicht, dass die angeströmte Schaufel bei jedem Drehwinkel der Welle etwa radial zur Welle verläuft, während die zurücklaufende Schaufel quergestellt ist, also etwa tangential zu ihrer kreisförmigen Umlaufbewegung um die Welle verläuft.
Eine alternative Vorrichtung zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe, wobei es sich auch um eine bevorzugte Weiterbildung der zuvor beschriebenen Vorrichtung handeln kann, weist die Merkmale des Anspruchs 4 auf. Bei dieser Vorrichtung ist es vorgesehen, dass die Schaufeln an ihren parallelen zu ihrer mittigen Achse, worum sie verstellbar und/oder verdrehbar sind, verlaufenden Enden verstellbare Klappen aufweisen. Dadurch ist die Form der Schaufeln veränderbar. Das geschieht vorzugsweise derart, dass die vom strömenden Wasser in Drehrichtung der zentralen Welle angeströmten Schaufeln dem Wasser einen größeren Strömungswiderstand bieten als die gegen die Strömungsrichtung des Wassers zurückbewegten Schaufeln.
Beispielsweise können die Klappen der Schaufeln so gestellt sein, dass die angeströmte Fläche der vom strömenden Wasser mitgenommenen Schaufel eine Gestalt aufweist, die der Innenseite eines Napfes entspricht und dadurch bildlich bzw. vereinfacht ausgedrückt eine nach innen gewölbte (konkave) Fläche bildet. Eine solche Fläche weist einen großen bzw. vergrößerten Strömungswiderstand auf. Hiergegen sind die zurücklaufenden Schaufeln in ihrer vom strömenden Wasser angeströmten Fläche durch entsprechende Verstellung der Klappen nach außen gewölbt (konvex), wodurch sie dem strömenden Wasser einen geringeren Strömungswiderstand entgegensetzen. Im Ergebnis ist die Kraft, die die zurückbewegten Schaufeln dem strömenden Wasser entgegensetzen bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung deutlich geringer als die Kraft, die das strömende Wasser auf die angeströmte konkave Fläche der in Strömungsrichtung angeströmten Fläche der jeweiligen Schaufel in Drehrichtung der zentralen Welle erzeugen. Das führt zu einer hohen Wirksamkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Bevorzugt ist es vorgesehen, jede Schaufel mehrteilig auszubilden. Dazu verfügt jede Schaufel über ein festes, vorzugsweise ebenes, Blatt, nämlich Schaufelblatt, und an gegenüberliegenden parallel zur zentralen, von der Schaufel antreibbaren Welle verlaufenden Rändern gezielt verschwenkbare Klappen. Die Achse zur Verstellung der jeweiligen Schaufel erstreckt sich dabei durch die Mitte des jeweiligen Blattes. Durch die verschwenkbaren Klappen an den Enden des Blattes können die Schaufeln ihre Gestalt so verändern, dass sie in Anströmrichtung des Wassers einen größeren Widerstand bilden, also bildlich gesprochen konkav sind, aber beim Zurücklaufen gegen die Strömungsrichtung des Wassers diesem einen geringen Widerstand entgegensetzen, indem die Klappen so verschwenkt sind, dass die Schaufeln quasi stromlinienförmiger werden, insbesondere eine konvexe Gestalt aufweisen. Die so gestaltsveränderlichen Schaufeln bilden dadurch beim Zurücklaufen einen verringerten Widerstand, während sie bei der direkten Anströmung vom Wasser einen größeren Widerstand bilden.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung ist es vorgesehen, jede Klappe einer jeweiligen Schaufel über eine Scharnierachse mit den beiden äußeren Rändern des Blattes schwenkbar zu verbinden. Um die Schwenkachse können die Klappen durch Antriebe aus der Ebene des Blattes herausgeschwenkt werden, um so die Gestalt der Schaufeln beim Anströmen durch das Wasser gegenüber der Gestalt beim Zurücklaufen gegen die Strömung des Wassers zu verändern. Vorzugsweise wird während des gesamten Umlaufs jeder Schaufel um die zentrale Welle kontinuierlich die Gestalt der jeweiligen Schaufel verändert.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Vorrichtung sind die beiden Klappen jeder Schaufel unabhängig voneinander verschwenkbar. Je nach Stellung der Schaufeln bzw. der Schwenkwinkel der zentralen Welle können die beiden Klappen der jeweiligen Schaufel individuell in unterschiedliche Richtungen verschwenkt werden.
Alternativ oder zusätzlich ist es vorgesehen, während eines Umlaufs der zentralen Welle die gegenüberliegenden Klappen jeder Schaufel zeitweise gleichsinnig bzw. gleichgerichtet und/oder gegensinnig bzw. in unterschiedliche Richtungen zu verschwenken. Dann ist es möglich, die Schaufeln während des jeweiligen Umlaufs der zentralen Welle kontinuierlich oder diskontinuierlich in ihrer Gestalt so zu verändern, dass sie bei ihrer Bewegung durch das strömende Wasser in Strömungsrichtung einen größeren Widerstand dem Wasser entgegensetzen als bei ihrer Zurückbewegung.
Die unabhängige individuelle Verstellung der Klappen jeder Schaufel wird bevorzugt dadurch herbeigeführt, dass die Klappen durch eigene Antriebe verschwenkbar sind, und zwar vorzugsweise ausgehend von einer Stellung, in der sie sich in einer Ebene mit dem Blatt befinden in entgegengesetzte Richtungen gegenüber dem Blatt. Das führt zu einer optimalen Anpassung der Schaufeln während jedes kreisförmigen Umlaufs um die zentrale Welle und jeweils optimale Anströmbedingungen.
Bevorzugt ist es vorgesehen, dass die Klappen und/oder Schaufeln während eines jeweiligen Umlaufs der zentralen Welle kontinuierlich oder in gewissen Zeitabständen verstellt, vorzugsweise verschwenkt bzw. verdreht werden. Dabei ist es vorzugsweise vorgesehen, dass in Drehrichtung der zentralen Welle angeströmte Schaufeln und/oder wenigstens eine Klappe derselben radial zur zentralen Welle verlaufen, während beim Zurückbewegen der Schaufeln und/oder Klappen gegen die Anströmrichtung die Schaufeln und wenigstens eine Klappe derselben senkrecht zur Radialrichtung bzw. tangential eingestellt und/oder verdreht bzw. verschwenkt sind. Dadurch bilden die Schaufeln und ihre Klappen beim Anströmen durch das Wasser in Drehrichtung der zentralen Welle einen maximalen Widerstand im Wasser, während beim Zurückbewegen gegen die Strömungsrichtung des Wassers die Schaufeln und/oder Klappen einen geringeren, vorzugsweise geringstmöglichen, Widerstand gegen die Drehrichtung der zentralen Welle erzeugen.
Die Antriebe zum Verstellen der Schaufeln, insbesondere zum Verdrehen der Schaufelblätter um ihre zentralen Achsen und/oder zum Verschwenken der Klappen an den gegenüberliegenden Enden oder Endbereichen der Schaufelblätter sind gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Vorrichtung von elektrischen, pneumatischen, hydraulischen, und/oder mechanischen Antrieben gebildet. Dabei können die hydraulischen Antriebe mittels Druckluft oder Wasser betrieben werden. Es ist aber auch möglich, Kombinationen der vorstehend genannten Antriebe, beispielsweise elektrohydraulische Antriebe, elektro-mechanische Antriebe und elektro-hydrostatische Antriebe zum Verdrehen der Schaufeln und/oder Verschwenken ihrer Klappen einzusetzen. Denkbar ist es auch, zur Betätigung der Klappen andere der vorstehend genannten Antriebe zu verwenden als zur Verdrehung der Schaufeln um ihre Längsmittelachsen. Alle Antriebe zum Verdrehen der Schaufelblätter und zum Verschwenken der Klappen sind selbsthemmend ausgebildet, indem sie die Schaufelblätter und die Klappen in der jeweiligen Stellung momentan unverdrehbar halten und/oder fixieren.
Eine vorteilhafte Ausgestaltungsmöglichkeit der Vorrichtung sieht es vor, die zentrale Welle zwischen den dazu parallelen Achsen der Schaufeln als eine Abtriebswelle auszubilden. Von einer solchen als Abtriebswelle ausgebildeten Welle wird dann die Energie der vom strömenden Wasser angetriebenen Welle übertragen auf beispielsweise mindestens einen Generator zur Erzeugung elektrischer Energie oder zum Antrieb von Arbeitsmaschinen, beispielsweise Pumpen. Dabei entspricht die an einer zentralen Welle abgegebene Leistung dem Drehmoment der zentralen Welle multipliziert mit der Drehzahl derselben.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden anhand der Zeichnung erläutert. In dieser zeigen:

1 eine Seitenansicht der vollständig unter Wasser angeordneten Vorrichtung mit zwei gegenüberliegenden Schaufeln,
2 eine Seitenansicht analog zur 1 bei sich in Ruhestellung befindender Vorrichtung,
3 eine Vorderansicht auf eine angeströmte Seite der Vorrichtung der 1,
4 eine Seitenansicht der Vorrichtung mit verschiedenen Stellungen einer Schaufel und ihrer Klappen während eines kompletten Umlaufs einer Schaufel um eine zentrale Welle,
5 ein alternatives Ausführungsbeispiel der Vorrichtung mit drei Schaufeln,
6 eine Vorderansicht eines Endbereichs einer angeströmten, hochstehenden Schaufel,
7 eine Seitenansicht der 6,
8 eine Vorderansicht einer hochstehenden angeströmten Schaufel gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel,
9 eine Seitenansicht gemäß der 8,
10 eine Vorderansicht eines Endbereichs einer hochstehenden Schaufel gemäß einem weiteren alternativen Ausführungsbeispiel,
11 eine Seitenansicht der Schaufel gemäß der 10,
12 eine Vorderansicht eines Endbereichs einer hochstehenden, angeströmten Schaufel, dessen Klappe hydraulisch verstellbar ist,
13 eine Seitenansicht der Schaufel der 12,
14 ein alternatives Ausführungsbeispiel eines Antriebs zur Verstellung einer Klappe der Schaufeln in einer Vorderansicht,
15 eine Seitenansicht der 14,
16 ein weiteres alternatives Ausführungsbeispiel eines Antriebs zur Verstellung einer Klappe der Schaufeln in einer Vorderansicht, und
17 eine Seitenansicht der 16.

Die Figuren zeigen verschiedene Ausführungsbeispiele von Vorrichtungen zur Erzeugung nutzbarer Energie aus Wasserkraft, insbesondere strömendem Wasser. Solche Vorrichtungen können in strömenden Gewässern, beispielsweise Flüssen, insbesondere auch Tidengewässern, angeordnet sein.
Die Vorrichtungen sind horizontal gerichtet vollständig eingetaucht im Gewässer angeordnet, und zwar quer gerichtet zur Strömungsrichtung 20. Dabei befinden sich die Vorrichtungen mit Abstand unterhalb des Wassersspiegels 21 und zwar vorzugsweise soweit, dass sie keine Behinderung für auf dem Gewässer passierende Wasserfahrzeuge 22 darstellen. Die Vorrichtungen sind fest auf dem Gewässerboden 23 angeordnet, vorzugsweise im Gewässerboden 23 befestigt, vorzugsweise fest hiermit bzw. hierin verankert.
Die gezeigten Vorrichtungen sind als sogenannte Wasserräder ausgebildet, indem sie vom strömenden Wasser drehend angetrieben werden und von dieser Drehbewegung elektrischer Strom erzeugt wird oder direkt Maschinen, insbesondere Arbeitsmaschinen, angetrieben werden.
Die 1 bis 4 zeigen eine als Wasserrad ausgebildete Vorrichtung mit zwei gegenüberliegenden und vorzugsweise identischen Schaufeln 24. Hingegen zeigt die 5 eine an das Wasserrad ausgebildete Vorrichtung mit drei auch vorzugsweise gleichen Schaufeln, die den Schaufeln 24 der 1 bis 4 entsprechen, aber auch anders ausgebildet sein können. Außerdem sind im Rahmen der Erfindung als Wasserräder ausgebildete Vorrichtungen mit mehr als drei Schaufeln, insbesondere Schaufeln 24, denkbar.
Die Figuren zeigen Vorrichtungen mit nur einem Wasserrad. Gemäß der Erfindung können auch mehrere Wasserräder nebeneinander angeordnet sein, um so eine Vorrichtung größerer Leistung zu bilden.
Die zwei gleiche Schaufeln 24 aufweisende Vorrichtung verfügt über eine zentrale, drehbare Welle 25, an jedem Ende der Welle 25 zwei gegenüberliegende radial abstehende Arme 26, die gegebenenfalls auch jeweils von einem Doppelarm gebildet sein können, oder eine kreisförmige Scheibe und die beiden an gegenüberliegenden Seiten der Welle 25 angeordneten Schaufeln 24.
Die Welle 25 kann massiv aus einer Stange oder auch einem Rohr gebildet sein. Im letztgenannten Fall ist die Welle 25 innen hohl. Die Welle 25 ist mit ihren gegenüberliegenden Enden frei drehbar an jeweils einen vorzugsweise gleichen Lagerbock oder Sockel 50 gelagert, der fest mit dem Gewässerboden 23 verbunden ist.
Die Arme 26 sind fest mit oder an gegenüberliegenden Enden der Welle 25 befestigt. Die beiden Arme 26 auf jeder Seite der Welle 25 liegen auf einer gemeinsamen Linie, die eine Drehachse 27 der Welle 25 rechtwinklig schneidet. Bei Vorrichtungen mit zwei Schaufeln 24 sind die Arme 26 um 180° zueinander versetzt. Bei der in 5 gezeigten Vorrichtung mit drei Schaufeln 24 sind mit jedem Ende der Welle 25 drei Arme 26 fest verbunden, die jeweils um 120° zueinander versetzt sind. Analog sind Vorrichtungen mit vier Schaufeln oder mehr als vier Schaufeln denkbar.
Am Ende jeweils eines Paars zweier gleichgerichteter Arme 26 an gegenüberliegenden Enden der Welle 25 ist gezielt verstellbar, insbesondere verdrehbar, jeweils eine der Schaufeln 24 gelagert. Jede Schaufel 24 befindet sich dadurch zwischen zwei gleich gerichteten Armen 26 an gegenüberliegenden Enden der Welle 25.
Jede der gleich ausgebildeten Schaufeln 24 verfügt über ein im gezeigten Ausführungsbeispiel ebenflächiges Schaufelblatt 28, in deren Mitte sich eine Achse 29 befindet. Die Achse 29 verläuft parallel zur Drehachse 27 der Welle 25. In Folge der gleich ausgebildeten Schaufeln 24 verlaufen die Achsen 29 aller Schaufelblätter 28 parallel zur Drehachse 27 der Welle 25, und zwar mit gleichem Abstand zur Drehachse 27. Dadurch bewegen sich bei einem Umlauf der Welle 25 die Drehachsen 27 der Schaufeln 24 auf einer Kreisbahn, insbesondere einer Bahn, die einem gedachten Zylindermantel entspricht. Das gilt auch für Vorrichtungen mit mehr als zwei vorzugsweise gleichen Schaufeln 24.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Achse 29 jeder Schaufel 24 von einer Stange oder einem Rohr gebildet, das an gegenüberliegenden Seiten radial gerichtet mit jeweils einem Teil, insbesondere etwa einer Hälfte des Schaufelblatts 28 fest verbunden ist. Damit wird jedes Schaufelblatt 28 aus zwei gleich großen Schaufelradteilen gebildet, die durch die zwischen denselben angeordnete Stange oder das Rohr, deren Längsmittelachse die jeweilige Achse 29 bildet, miteinander fest verbunden sind. Es ist auch denkbar, das Schaufelblatt 28 einstückig als ebene Platte auszubilden, durch deren Mitte die Achse 29 verläuft.
Die Schaufelblätter 28 der Schaufeln 24 sind um die Achse 29 nicht unkontrolliert und beliebig frei drehbar sondern durch entsprechende Antriebe gezielt verdrehbar. Die Schaufelblätter sind so von ihrem Antrieb in ihrer jeweils vorgesehenen Stellung temporär fixiert und/oder gehalten. Die Verdrehung erfolgt beispielsweise derart, dass bei einer vollen Umdrehung der Welle 25 um die Drehachse 27 die mittige Achse 29 jedes Schaufelblatts 28 um 180° gezielt verdreht wird, also das Schaufelblatt 28 eine Halbkreisdrehung vollführt. Dadurch ist bei jeder Umdrehung der Welle 25 eine andere Seite des Schaufelblatts 28 der Strömungsrichtung 20 zugewandt.
Die 4 zeigt die verschiedenen Stellungen des Schaufelblattes 28 einer Schaufel 24 während einer Vollkreisdrehung der mittigen, zentralen Welle 25. Insgesamt sind in der 4 acht Stellungen eines Schaufelblatts 28 dargestellt, und zwar eine obere und untere extreme Stellung sowie sechs Zwischenstellungen. Daraus wird ersichtlich, dass während einer Halbkreisdrehung der Welle 25 jedes Schaufelblatt 28 vorzugsweise kontinuierlich um 90° verdreht wird. Diese Verdrehung erfolgt proportional zum Drehwinkel der Welle 25, aber mit einer Untersetzung von 1:2, bei der während einer Halbkreisdrehung der Welle 25 das jeweilige Schaufelblatt 28 um 90° verdreht wird. Das kann beispielsweise herbeigeführt werden durch einen eigenen Drehantrieb des Schaufelblatts 28 um seine mittige Achse 29, die gesteuert wird von einem Drehwinkelaufnehmer der Welle 25, wobei die Steuerung so ausgebildet ist, dass bei einem bestimmten Drehwinkel der Welle 25 das Schaufelblatt 28 nur um einen halben Winkel um seine mittige Achse 29 verdreht wird.
Aus dem Vorstehenden ergibt sich, dass die Schaufelblätter 28 nicht frei um ihre mittigen Achsen 29 verschwenkbar bzw. verdrehbar sind sondern zwangsgeführt, indem die Verstellwinkel der Schaufelblätter 28 an den Drehwinkel der zentralen Welle 25 gekoppelt sind, und zwar so, dass sie jeweils die Hälfte des Drehwinkels der Welle 25 ausführen.
Bei den gezeigten Vorrichtungen sind die Schaufeln 24 nicht nur aus einem Schaufelblatt 28 mit einer mittigen Achse 29 gebildet. Sie weisen vielmehr an ihren gegenüberliegenden parallel zur Achse 29 und zur Welle 25 verlaufenden Rändern 30 oder in ihren Randabschnitten 31 jeweils eine einzige Klappe 32 oder mehrere nebeneinanderliegende kleinere Klappen 33 auf. Die Klappen 32, 33 können gegenüber der Ebene des jeweiligen Schaufelblatts 28 von eigenen Antrieben gezielt gesteuert verstellt werden, und zwar vorzugsweise verdreht oder verschwenkt werden. Dadurch lässt sich der Widerstand der mit den Klappen 32 beziehungsweise 33 versehenen Schaufeln 24 während eines Umlaufs der zentralen Welle 25 verändern, um bedarfsweise der Strömung des Wassers einen größeren Widerstand oder kleineren Widerstand entgegenzusetzen.
Die 6 und 7 zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel mit an jedem der gegenüberliegenden Rändern 30 des Schaufelblatts 28 einer Schaufel 24 um eine Scharnierachse 34 schwenkbare Klappe 32. Diese sich über die gesamte Breite der Schaufel 24 erstreckende Klappe 32 ist über die Scharnierachse 34 mit dem Rand 30 des Schaufelblatts 28 verbunden, und zwar so, dass gegenüber der Ebene des Schaufelblatts 28 die Klappe 32 an jedem der gegenüberliegenden Ränder 30 des Schaufelblatts 28 in entgegengesetzte Richtungen verschwenkt werden kann, vorzugsweise um gleiche Schwenkwinkel, die bis zu 80° betragen können.
Beim Ausführungsbeispiel der 8 und 9 ist jedem der gegenüberliegenden Endbereiche des Schaufelblatts 28 eine Klappe 32 zugeordnet, die sich auch über die gesamte Breite des Schaufelblatts 28 erstreckt. Jedoch ist diese Klappe 32 nicht mit dem jeweiligen Rand 30 des Schaufelblatts 28 durch ein Scharnier verbunden, sondern um eine mittige, parallel zur Drehachse 27 und zur Achse 29 verlaufende, Verstellachse 35. Dazu ist jedem Endbereich eines Schaufelblatts 28 an den gegenüberliegenden Enden des jeweiligen Rands 30 desselben ein Paar Haltearme 36 zugeordnet. Die Haltearme 36 sind fest mit dem Endbereich des jeweiligen Schaufelblatts 28 verbunden und stehen gegenüber dem Rand 30 um die halbe Höhe der Klappe 32 vor, sodass sie Lagerungen für die sich mittig durch die jeweilige Klappe 32 erstreckende Verstellachse 35 an Endbereichen des Schaufelblatts 28 bilden. Dadurch ist im Ausführungsbeispiel der 8 und 9 die jeweilige Klappe 32 in entgegengesetzte Richtungen um die Verstellachse 35 pendelnd verstellbar und/oder verdrehbar, ähnlich wie die Schaufelblätter 28 um ihre Achsen 29.
Die 10 und 11 zeigen ein drittes Ausführungsbeispiel von Schaufeln 24, bei denen sich in gegenüberliegenden Randabschnitten 31 des jeweiligen Schaufelblatts 28 mehrere viereckige Durchbrüche 37 befinden. Dabei sind alle nebeneinanderliegenden Klappen 33 eines jeden Randabschnitts 31 um eine gemeinsame Verstellachse 38 verschwenkbar. Auch diese Verstellachse 38 verläuft - wie die Verstellachse 35 - parallel zur Welle 25 bzw. Drehachse 27. Die Durchbrüche 37 und die darin angeordneten Klappen 33 erstrecken sich mit Abständen nebeneinander längs der Verstellachse 38, sodass die Klappen 33 verteilt über die Breite des Schaufelblatts 28 der Schaufeln 24 angeordnet sind. Es ist auch denkbar, dass beim Ausführungsbeispiel der 10 und 11 nur zwei oder mehr als drei gleiche oder auch unterschiedlich große kleine Klappen 33 in jedem der gegenüberliegenden Randabschnitte 31 des jeweiligen Schaufelblatts 28 angeordnet sind. Die kleineren nebeneinanderliegenden Klappen 33 sind um die Verstellachse 38 genauso verschwenkbar und verstellbar wie die durchgehende Klappe 32 gemäß dem Ausführungsbeispiel der 8 und 9 um ihre Verstellachse 35 verschwenkbar bzw. verstellbar ist.
Die 12 bis 17 zeigen unterschiedliche Schwenkantriebe für die Klappen 32 an gegenüberliegenden Rändern 30 des Schaufelblatts 28 ihrer Schaufel 24. Diese Antriebe sind auch selbsthemmend ausgebildet, wodurch sie die Klappen 32 und auch die Klappen 33 in der jeweiligen Stellung halten und/oder momentan unbeweglich fixieren.
Beim Ausführungsbeispiel der 12 und 13 ist ein pneumatisch oder mit Wasser betätigter Druckmittelzylinder 39 vorgesehen, um die jeweilige Klappe 32 individuell gegenüber dem jeweiligen Rand 30 des Schaufelblatts 28 um die Scharnierachse 34 zu verschwenken. Durch eine entsprechende Ausbildung des Rands 30 des Schaufelsblatts 28 und/oder der Klappe 32 kann durch den an einer von der Scharnierachse 34 wegweisenden Kante der Klappe 32 angreifenden Druckmittelzylinder 39 die Klappe 32 nicht nur in die in der 13 gezeigte Stellung verschwenkt werden, sondern auch in eine entgegengesetzte Schwenkstellung.
Die 14 und 15 zeigen einen als Kettentrieb 40 ausgebildeten Antrieb zum Verschwenken der Klappe 32 um die Scharnierachse 34. Hier sitzt ein Kettenrad 41 auf der Scharnierachse 34. Das Kettenrad 41 ist über eine Kette 42 von einem Ritzel 43 eines Motors, beispielsweise eines Elektromotors 44, verschwenkbar. Bei dem Elektromotor 44 handelt es sich vorzugsweise um einen Servomotor, der von einer Steuerung erzeugte Signale in disktrete Schwenkwege bzw. Schwenkwinkel umwandelt.
Die 16 und 17 zeigen einen als Schneckentrieb 45 ausgebildeten Antrieb zum Verstellen bzw. Verschwenken der Klappe 32 um die Scharnierachse 34. Hier ist auf der Scharnierachse 34 ein Ritzel 46 vorgesehen, das mit einer Schnecke 47 eines Elektromotors 48 korrespondiert. Auch dieser Elektromotor 48 kann ggf. als Servomotor ausgebildet sein.
Die vorstehend genannten unterschiedlichen Antriebe für die Klappe 32 können auch verwendet werden, um Klappen 32 um mittige Verstellachsen 35 zu verstellen, insbesondere zu verschwenken. Gleiches gilt für Schaufeln 24 mit mehreren in nebeneinander angeordneten Durchbrüchen 37 im Endbereich des jeweiligen Schaufelblatts 28 angeordneten kleineren Klappen 33. Diese sind vorzugsweise durch die gemeinsame über die gesamte Breite des Schaufelblatts 28 sich erstreckende Verstellachse 38 miteinander verbunden, sodass alle Klappen 33 von einem Antrieb, der gemäß den Antrieben der 12 bis 17 ausgebildet sein kann, verstellbar sind.
Die 2 zeigt eine Ruhestellung der Vorrichtung, bei der die Welle 25 gezielt gesteuert in eine Stellung gebracht und/oder arretiert ist, und zumindest die Schaufelblätter 28 der Schaufeln 24 durch entsprechendes Verdrehen um die Achsen 29 horizontal ausgerichtet sind. Dadurch nimmt die Vorrichtung eine Stellung ein, bei der der Wasserspiegel 21 sich mit einem größtmöglichen Abstand über der sich in der Ruhestellung befindlichen Vorrichtung erstreckt, sodass Wasserfahrzeuge 22, und zwar auch solche mit einem relativ großen Tiefgang, gefahrlos die sich in der Ruhestellung befindliche Vorrichtung passieren können.
Die 3 zeigt exemplarisch den Antrieb eines Generators 49 von der durch die Schaufeln 24 der Vorrichtung drehend angetriebenen Welle 25. Beim hier gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Generator 49 in bzw. an einem der gegenüberliegenden Sockel 50 der Vorrichtung untergebracht, und zwar vorzugsweise wasserdicht. Der Generator 49 wird über einen zentralen Abtriebsstummel 51 entweder direkt oder (wie in der 3 gezeigt) über ein Winkelgetriebe 52 angetrieben. Die vom Generator 49 erzeugte elektrische Energie wird dann zu den entsprechenden Verbrauchern, insbesondere an Land, durch elektrische Kabel transportiert. Denkbar wäre es auch, Abtriebswellen von der Welle 25 aus dem Bereich des Gewässers herauszuführen, um direkt Maschinen oder ggf. auch einen zentralen Generator anzutreiben.
Die Abstände der Achsen 29 der Schaufeln 24 an der zentralen Welle 25 sowie die Schaufelblätter 28 und Klappen 32 bzw. 33 sind so bemessen, dass bei in der Ebene der Schaufelblätter 28 sich befindenden Klappen 32 und 33 freie Spitzen 53 der Klappen 32 bzw. 33 einerseits dicht am Außenumfang der zentralen Welle 25 ohne diese zu berühren entlangbewegbar sind, andererseits die in der Ebene des betreffenden Schaufelblatts 28 liegenden bzw. in diese Ebene geschwenkten Klappen 32 einen geringstmöglichen Abstand bzw. Spalt zum Außenumfang der zentralen Welle 25 aufweisen, wenn die Schaufeln 24 und Klappen 32 so eingestellt sind, dass sie radial zur Drehachse 27 der Welle 25 verlaufen (vgl. 1).
Es sind alternativ ausgebildete Vorrichtungen denkbar, die abweichend von den in den Figuren gezeigten Vorrichtungen nur aus einem Schaufelblatt mit einer mittigen Achse 29 gebildet sind, also keine Klappen 32, 33 aufweisen. Ebenso sind Vorrichtungen denkbar, bei denen die Schaufelblätter 28 nicht um Achsen 29 drehbar sind, also starr mit der Achse der Welle 25 und/oder den Armen 26 oder Scheiben verbunden sind und nur über verstellbare Klappen 32 bzw. 33 verfügen. Bei solchen Vorrichtungen sind die Klappen vorzugsweise größer als die in den Figuren gezeigten Klappen 32, 33, insbesondere länger. Dementsprechend sind die Schaufelblätter 28 kürzer ausgebildet.
Nachfolgend wird die Funktionsweise der in den Figuren gezeigten Vorrichtungen unter Bezugnahme auf insbesondere die 1 und 4 beschrieben:

Damit die erfindungsgemäßen Vorrichtungen bei vollständig im strömenden Wasser eingetauchten Zustand nutzbare Energie aus dem strömenden Wasser erzeugen können, müssen ihre Schaufeln 24 verstellbar sein. Aufgrund der vollständig im strömenden Wasser angeordneten Vorrichtung befinden sich auch die Schaufeln 24 immer vollständig unterhalb des Wasserspiegels 21.

Die nachfolgenden Erläuterungen beziehen sich auf die Darstellung der 1 und 4 mit von rechts nach links verlaufender Strömungsrichtung 20 und von den Schaufeln 24 gegen den Uhrzeigersinn um die Drehachse 27 drehend angetriebene Welle 25. Dabei ist die momentan jeweils über der Achse 29 sich befindende Schaufel 24 im Wirkbereich 54, indem sie vom strömenden Wasser angeströmt und mitgenommen wird.
In der 1 ist dargestellt, dass die sich senkrecht über der Welle 25 liegende obere Schaufel 24 so um ihre Achse 29 verstellt, nämlich gedreht, ist und die gegenüberliegenden Klappen 32 so verschwenkt sind, dass das strömende Wasser quer auf die in den Figuren rechte Vorderseite der oberen Schaufel 24 trifft. Dabei kann (gemäß der 1 und 4) die radial äußere obere Klappe 32 gegen die Strömungsrichtung 20 verschwenkt sein, also bezogen auf die Darstellung der 1 und 4 nach rechts. Es kann aber auch die obere Klappe 32 wie die untere Klappe gegenüber dem Schaufelblatt 28 unverschwenkt sein, sodass beide Klappen 32 an gegenüberliegenden Rändern 30 des Schaufelblatts 28 in einer Ebene liegen, die durch die Drehachse 27 der Welle 25 verläuft.
Die untere Schaufel 24, die bei gegen den Uhrzeigersinn drehenden Welle 25 gegen die Strömungsrichtung 20 zurückläuft, ist gegenüber der oberen Schaufel 24 um 90° verstellt und verdreht, sodass sie etwa tangential zu einer gedachten Kreisbahn verläuft, auf der die Achsen 29 der gegenüberliegenden Schaufeln 24 liegen. Dadurch bildet die untere Schaufel 24 einen minimalen Widerstand beim Zurücklaufen gegen die Strömungsrichtung 20.
Im Ausführungsbeispiel der 1 und 4 sind bei der zurücklaufenden unteren Schaufel 24 in ihrer in 1 gezeigten unteren Stellung beide Klappen 32 in die gleiche Richtung hochgeschwenkt. Es ist auch denkbar, dass die vordere Klappe heruntergeschwenkt ist und nur die hintere Klappe 32 hochgeschwenkt ist. Auch ist es denkbar, dass in der in der 1 gezeigten unteren Querstellung der zurückgelaufenen Schaufel 24 beide Klappen 32 in der horizontalen Ebene des Schaufelblatts 28 der unteren Schaufel 24 liegen.
Die 4 zeigt eine Zwischenstellung der in der 1 gezeigten Vorrichtung der zwei gegenüberliegenden Schaufeln 24. In diesen Zwischenstellungen sind die Schaufeln 24 um ihre Achsen 29 auf der linken Seite von oben nach unten zunehmend verschwenkt und auf der rechten Seite von unten nach oben allmählich zurückgeschwenkt. Gleichzeitig werden dabei die Klappen 32 an gegenüberliegenden Rändern 30 der Schaufelblätter 28 unabhängig voneinander verschwenkt, sodass sie zeitweise gegensinnig verschwenkt und vor allem in der unteren Umkehrstellung gleichermaßen hochgeschwenkt sind.
Durch eine entsprechende Steuerung werden abhängig vom jeweiligen durch einen Drehwinkelaufnehmer ermittelten Drehwinkel der Welle 25 um ihre Drehachse 27 die Antriebe zum Verdrehen der Schaufelblätter 28 Schaufeln 24 um ihre Achsen 29 derart vorzugsweise kontinuierlich gesteuert, dass beim vollem Umlauf der Welle 25 jede Schaufel 24 um eine halbe Vollkreisdrehung, also um 180°, um ihre jeweilige Achse 29 verdreht wird. Zusammen mit der Verdrehung der Schaufelblätter 28 um ihre Achsen 29 erfolgt auch eine gezielt gesteuerte Verschwenkung der Klappen 32 an gegenüberliegenden Enden der Schaufelblätter 28. Diese Verstellung erfolgt so, dass in den jeweiligen Stellungen der Klappen 32 die Bremswirkung beim Zurückbewegen der unteren Schaufel 24 gegen die Strömungsrichtung 20 des Wassers verringert und der Widerstand der momentan angeströmten oberen Schaufel 24 im strömenden Wasser erhöht wird. Dadurch ist auch bei von der in der 1 gezeigten Stellung abweichenden Zwischenstellungen (4) die Kraft, die das strömende Wasser auf die obere Schaufel 24 ausübt noch größer als die Kraft, die zum Zurückbewegen der unteren Schaufel 24 gegen die Strömungsrichtung 20 erforderlich ist.
Bei einer Vorrichtung mit drei Schaufeln 24 gemäß der 5 oder auch mehr als drei Schaufeln 24 wird durch die größere Anzahl von Schaufeln 24 eine Vergleichmäßigung der Kraft, die das Wasser auf die hiervon angeströmten Schaufeln 24 ausübt, hervorgerufen. Gleiches gilt für diejenige Kraft, die das strömende Wasser auf die zurückbewegten Schaufeln 24 ausübt, die auch bei Vorrichtungen mit drei oder mehr Schaufeln 24 jeweils geringer ist als die vom strömenden Wasser in Drehrichtung der Welle 25 erzeugte Kraft.
Bezugszeichenliste

20: Strömungsrichtung
21: Wasserspiegel
22: Wasserfahrzeug
23: Gewässerboden
24: Schaufel
25: Welle
26: Arm
27: Drehachse
28: Schaufelblatt
29: Achse
30: Rand
31: Randabschnitt
32: Klappe
33: Klappe
34: Scharnierachse
35: Verstellachse
36: Haltearm
37: Durchbruch
38: Verstellachse
39: Druckmittelzylinder
40: Kettentrieb
41: Kettenrad
42: Kette
43: Ritzel
44: Elektromotor
45: Schneckentrieb
46: Ritzel
47: Schnecke
48: Elektromotor
49: Generator
50: Sockel
51: Abtriebsstummel
52: Winkelgetriebe
53: Spitze
54: Wirkbereich

Claims

Vorrichtung zur Erzeugung nutzbarer Energie aus Wasserkraft, mit einer drehend antreibbaren zentralen Welle (25) und mindestens zwei von mit der Welle (25) verbundenen Armen (26) oder Scheiben getragenen Schaufeln (24), dadurch gekennzeichnet, dass jede Schaufel (24) eine mittige Achse (29) aufweist oder damit verbunden ist, womit die jeweilige Schaufel (24) an den Armen (26) oder den Scheiben drehbar gelagert ist und zur gezielten Verstellung der Schaufeln (24) jede Schaufel (24) um ihre mittige Achse (29) verdrehbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Achse (29) jeder Schaufel (24) individuell drehend antreibbar ist, vorzugsweise durch einen gezielt drehbaren Antrieb jeder Achse (29), wobei der Antrieb jeder Achse (29) in Abhängigkeit vom Drehwinkel der mittigen Welle (25) steuerbar ist und/oder die jeweilige Schaufel (24) in der vom Antrieb erzeugten Stellung gehalten bzw. fixiert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem vollständigen Umlauf der zentralen Welle (25) um 360° die mittige Achse (29) um eine halbe Drehung, 180°, verdrehbar ist, vorzugsweise in eine Drehrichtung entgegengesetzt zur Drehrichtung der Welle (25).
Vorrichtung zur Erzeugung nutzbarer Energie aus Wasserkraft, mit einer zentralen Welle (25) und mit mindestens zwei von mit der Welle (25) verbundenen Armen (26) oder Scheiben getragenen Schaufeln (24) zum drehenden Antrieb der Welle (25), insbesondere nach einem der übrigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede Schaufel (24) eine mittige Achse (29) aufweist, womit die Schaufeln (24) an den Armen (26) oder den Scheiben gelagert sind, und jede Schaufel (24) an ihren parallel zur Achse (29) verlaufenden Enden bzw. Endbereichen verstellbare Klappen (32, 33) aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede Schaufel (24) ein festes, vorzugsweise ebenes Schaufelblatt (28) aufweist, durch dessen Mitte sich die Achse (29) zur Verstellung der betreffenden Schaufel (24) erstreckt, und an gegenüberliegenden parallel zur Achse (29) verlaufenden Rändern (30) oder Endbereichen die Klappen (32, 33) gezielt verstellbar, insbesondere verschwenkbar oder verdrehbar, angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede Klappe (32 bzw. 33) über eine Scharnierachse (34) mit einem der beiden Ränder (30) des Schaufelblatts (28) der jeweiligen Schaufeln (24) schwenkbar verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Klappen (32, 33) an gegenüberliegenden Rändern (30) bzw. Endbereichen jeder Schaufel (24) unabhängig voneinander verstellbar, insbesondere verschwenkbar oder verdrehbar, sind und/oder während des Umlaufs der zentralen Welle (25) die gegenüberliegenden Klappen (32, 33) jeder Schaufel (24) zeitweise gleichartig bzw. gleichsinnig oder ungleichartig bzw. gegensinnig verschwenkbar sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Klappen (32, 33) durch eigene Antriebe individuell gesteuert verschwenkbar sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Klappen (32, 33) und/oder Schaufeln (24) während eines jeweiligen Umlaufs der zentralen Welle (25) verstellt, vorzugsweise verschwenkt und/oder verdreht werden, wobei in Drehrichtung der zentralen Welle (25) angeströmte Schaufeln (24) und/oder wenigstens eine Klappe (32, 33) in einer radialen Ebene zur zentralen Welle (25) verlaufen und beim Zurücklaufen gegen die Anströmrichtung senkrecht zur Radialrichtung verstellbar bzw. verschwenkbar sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebe zur Verdrehung der Schaufeln (24) und/oder zur Verstellung der Klappen (32, 33) als elektrisch, pneumatische, hydraulische und/oder mechanische Antriebe oder eine Kombination der genannten Antriebe ausgebildet sind, wobei die Schaufeln (24) und/oder Klappen (32, 33) mit gleichen oder unterschiedlichen Antrieben gezielt gesteuert und individuell verstellbar bzw. verdrehbar sind.