DE19514322A1 - Wasserkraftanlage für Staukraftwerke, insbesondere mit schwankendem Laufwasser und/oder an Sperrwerken großer Beckenoberfläche mit niedrigen Tidehüben - Google Patents

Description

Der Stand der Technik bezüglich der Wasserkraftanlagen ist beispielsweise in dem Buch "Stauanlagen Wasserkraftanlagen", J. Kaczynski, Werner-Verlag 1994, dargestellt. In Abb. 2.89 auf S. 157 sind die Anwendungsbereiche der verschiedenen Bauarten von Wasserturbinen für Kleinwasserkraftanlagen - auch bei geringen Nettofallhöhen mit Leistungen bis 10 MW - dargestellt.

Anlagen mit mehreren Ossberger-Turbinen können stark schwankende Lauf­ wasser besonders effizient nutzen. - Weiterhin ist in der Patentschrift DE 33 27 457 eine Ossberger-Durchströmturbine beschrieben, auf die weiter unten noch Bezug genommen wird.

In der Offenlegungsschrift DE 29 08 689 ist eine Durchströmturbine mit durchlaufenden Kanälen mit einem dreiteiligen Leitsystem für etwa waage­ rechte Durchströmung beschrieben.

Der im Patentanspruch angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Wirkungsgrad von Wasserkraftanlagen bei schwankendem Durchsatz und/oder unterschiedlichen Fallhöhen zu verbessern.

Dieses Problem wird durch die im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmale gelöst.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß die Energie des Wassers bei wechselnden Durchflußmengen und/oder Niveau­ unterschieden besser genutzt werden kann, da herkömmliche Turbinen i. a. auf konstante Betriebsbedingungen ausgelegt sind.

Dadurch läßt sich insbesondere bei Flußspeicherwerken mit großen Speicherkapazitäten, die am Meer mit Gezeitenwirkung gelegen sind, der Wasserdurchsatz bei Niedrigwasser, und damit der Wirkungsgrad, erhöhen. Die stoßweise anfallende Energie läßt sich ggf. mittels Pumpspeicher­ werk oder durch elektrolytisch erzeugten Wasserstoff speichern und später nutzen.

Insbesondere bei der Nachrüstung bereits erstellter Sperrwerke kann, beson­ ders in sturmflutgefährdeten Bereichen, die Flüssigkeitsheber-Wirkung genutzt werden, um das Wasser mittels Rohren über den - wegen des Luft­ drucks bis zu etwa 10 Meter hohen - Sperrdamm zu heben. Zur Landseite hin sind Rückschlagventile vorzusehen. Wenn zusätzlich zur Abfluß-Seite Sperrventile eingebaut werden, so können die Rohre zum Anlaufen der Anlage z. B. durch eine im Scheitelpunkt gelegene, absperrbare Öffnung mit Wasser gefüllt werden und anschließend die turbinenseitigen Sperrventile geöffnet werden.

Eine weitere Möglichkeit, die Saugwirkung des fließenden Wassers zu nutzen, besteht darin, überschüssiges Wasser durch ein sich verengendes Rohr zu leiten und den an der Verengungsstelle entstehenden Unterdruck bzw. die hohe Strömungsgeschwindigkeit ebenfalls zu nutzen, um Wasser aus dem Saugrohr abzusaugen, so daß der Druck dort verringert bzw. die Durchflußmenge vergrößert wird.

Die Saugwirkung des ausströmenden Wassers kann störend wirken; bei der Ossberger-Durchströmturbine - s. o. a. Patentschrift - kann das Wasser im Saugrohr so hoch steigen, daß die Drehung der Turbine beeinträchtigt werden kann. Durch ein Belüftungsventil wird erreicht, daß der Unterdruck nicht unter einen vorgegebenen Wert absinken kann.

Diese bisher störende Saugwirkung wird erfindungsgemäß genutzt, um den Wirkungsgrad der Wasserkraftanlage zu verbessern; die Saugwirkung kann dadurch vergrößert werden, daß die wirksame Austauschoberfläche zwischen dem strömenden Wasser und dem im Innern befindlichen Restgas vergrößert wird, indem beispielsweise Perlatoren eingesetzt werden. Bei großen Fallhöhen - z. B. bei Ebbe - wird dadurch eine größere Saugwirkung erreicht, der Druck im Innenraum weiter verringert, so daß das einströmende Wasser schneller in die Turbine einfließt und das abfließende Wasser im Saugrohr - bzgl. der Unterwasserlinie - höher steigt.

Die Saugwirkung könnte - wenn die Anlage bei konstantem Innendruck am besten arbeiten sollte - dazu verwendet werden, außerhalb der Turbine Arbeit zu verrichten. Eine Möglichkeit ist diejenige, insbesondere wenn mehrere Turbinen innerhalb einer größeren Anlage betrieben werden, atmosphärische Luft durch eine Niederdruck-Gasturbine anzusaugen. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, aus dem Oberwasser mittels Saugrohren, die mit Ventilen ausgerüstet sind, Wasser nach und nach in ein höher gelegenes Reservoir zu saugen und von dort zu geeigneten Zeitpunkten durch eine Turbine zu niedrigeren Wasserständen laufen zu lassen.

Um die Turbinen besser an die unterschiedlichen Betriebsbedingungen an­ passen zu können, wird der Einbau von - gemeinsam oder einzeln verstellbaren - Turbinenschaufeln und im Innern anzubringenden verstellbaren Leitvorrichtungen für das mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten einströmende Wasser vorgeschlagen. Diese mit Gefälle im Bereich der zweiten Einströmung verstellbaren, Leitvorrichtungen bewirken, daß das Wasser optimal zur zweiten Durchströmung, die jedoch wenig zur Gesamtleistung beiträgt, gelangt.

Die Darstellung erfolgt beispielhaft für eine Wasserkraft-Anlage mit Ossber­ ger-Durchström-Turbine. Bei der in DE 33 27 457 dargestellte Durchströmturbine wird das Saugrohr vergrößert und in ihm werden in mehreren Ebenen Leitbleche zur Aufteilung und unterschiedlichen Ablenkung des ablaufenden Wasserstromes angebracht. Das ablaufende Wasser wird in sehr viele Teilvolumina unterteilt, um - ähnlich wie bei einer Wasser­ strahlpumpe - möglichst viel Luft mit sich zu reißen. Bei Flut sind diese Perlatoren überflutet, das aus der Turbine austretende Wasser kommt auf kürzestem Weg zur Oberfläche, die wegen des Unterdrucks etwas über dem äußeren Flut-Niveau liegt. - Erst bei sinkendem Wasserstand fällt das aus der Turbine austretende Wasser auf die angebrachten Vorrichtungen. Je größer der Weg von der Turbinenunterkante zur Oberfläche im Saugrohr ist, desto stärker wird die mitreißende Wirkung auf die das Wasser umgebende Luft. Im einfachsten Fall kann auch bei dieser Ausführung der Turbine atmosphärische Luft durch ein Belüftungsventil in den Innenraum gelangen. - Die übliche Drucksteuerung kann nicht eingesetzt werden, da der Turbinen- Innendruck bei Ebbe niedriger ist als bei Flut. Daher wird der Einsatz einer Schwimmersteuerung des Belüftungsventils vorgeschlagen, die bei hohem Wasserstand im Saugrohr das Ventil öffnet.

Claims (1)

1. Wasserkraftanlage für Staukraftwerke, insbesondere mit schwankendem Laufwasser und/oder an Sperrwerken großer Beckenoberfläche mit niedrigen Tidehüben, dadurch gekennzeichnet, daß

• 1.1. das Wasser mittels Flüssigkeitsheber-Wirkung insbesondere bei nach­ träglichen Kraftwerks-Installationen an sturmflutgefährdeten Sperrwerken, durch - absperrbare Rohre - über das Absperrwerk gehoben wird.
• 1.2 ein mit den Turbinenkanälen verbundener turbinenloser Bypass, der - insbesondere zur Abnahme überschüssigen Wassers - zur Unterdruck­ erzeugung eingesetzt wird.
• 1.3 daß die Turbine der Anlage eine Durchströmturbine ist, in der
  • 1.3.1 eine verstärkte Saugwirkung ausgeübt wird, indem ruhende und/oder bewegte Vorrichtungen eingesetzt werden, die das aus der Turbine austretende Wasser bei der weiteren Bewegung zum Unterwasser­ spiegel in Teilvolumina zerteilen und dadurch mehr Luft mit sich reißen, eingesetzt werden.
  • 1.3.2 die Saugwirkung des abfließenden Wasser genutzt wird, um
    • 1.3.2.1 eine mit durch Saugrohre verbundene Niederdruck-Gasturbine zu betreiben.
    • 1.3.2.2 Wasser mit weiteren Vorrichtungen auf höheres Niveau zu heben.
  • 1.3.3 das Belüftungsventil mittels einer Schwimmersteuerung im Saugrohr betätigt wird.
  • 1.3.4 die Turbinenschaufeln für längere Betriebszeit oder während des Um­ laufs
    • 1.3.4.1 gemeinsam durch Verdrehung der Schaufeln, die außen in ring­ förmigen Halterungen einzeln drehbar gelagert sind und auf der Innen­ seite in ebenfalls ringförmigen Halterungen einzeln dreh- und verschiebbar gelagert sind, durch ein Getriebe verstellt werden,
      • 1.3.4.1.1 das auf alle Schaufeln gleichartig wirkt.
      • 1.3.4.1.2 das auf die Schaufeln verschiedenartig wirkt, indem beispiels­ weise die Achse für die innenseitige Führung der Schaufeln gegenüber der Achse des Systems verlagert wird.
    • 1.3.4.2 einzeln durch Stellvorrichtungen verstellt werden kann.
• 1.3.5 innerhalb der Turbine, die wellenlos sein kann, verstellbare Leitvorrich­ tungen eingesetzt werden.