DE19707168A1 - Turbine mit verstellbaren Schaufeln - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Wasserturbine, insbesondere eine Kaplanturbine, das ist eine Turbine mit verstellbaren Schaufeln. Das Verstellen der Schaufeln um die Achse der Turbine dient dazu, den Wirkungsgrad der Turbine zu optimieren, und zwar über den gesamten Arbeitsbereich der Turbine hinweg. Dabei sind nicht nur die Rotorschaufeln der Turbine verstellbar, sondern auch die Schaufeln des Einlaufgitters.

Obwohl Wasserkraft noch zu den umweltfreundlichen Energieerzeugern gehört, ist sie dennoch ins Gerede gekommen. Die Kritik richtet sich gegen die vermutete oder tatsächliche Beeinträchtigung oder Vernichtung von Fischpopulationen, die in die Strömung der Turbine gelangen. Dabei um jene baulichen Merkmale von Kaplanturbinen, die für deren Wirkungsgrad besonders wichtig sind. Die Hauptachse einer Kaplanturbine verläuft vertikal. Die Neigung der Rotorschaufeln läßt sich einstellen von einer maximalen Öffnung, bei deren die Schaufeln fast parallel zur Hauptachse der Turbine verlaufen, während die minimale Öffnung zu einer im wesentlichen senkrechten Position der Turbinenachse stehen, und damit im wesentlichen horizontal, und sogleich senkrecht zur Haupt-Strömungsrichtung des die Turbine durchströmenden Wassers. Es gibt Kaplanturbinen, die einen nicht voll-sphärische, stromaufwärtige Nabe haben. Sind die Schaufeln bei einer solchen Turbine nur sehr wenig geöffnet, so entsteht zwischen der Nabe und der angeströmten Kante der einzelnen Schaufel ein Spalt, das heißt stromaufwärts der Drehachse der Schaufel relativ zur Nabe. Dies ist beispielsweise in Fig. 26 dargestellt.

Es gibt zahlreiche Studien, die zu dem Ergebnis geführt haben, daß diese Spalte mehrere nachteilige Auswirkungen haben. So kann ein solcher Spalt zwischen Nabe und Schaufel aufgrund einer Wasserleckage im Spalt zu Kavitation führen. Weiterhin nimmt man an, daß der Spalt (insbesondere stromaufwärts der Drehachse der Schaufel) als Falle für die Fische wirkt, die sich in dem die Turbine durchströmenden Wasser befinden. Es wird angenommen, daß die in den Spalt gelangenden Fische in höherem Maße der Gefahr ausgesetzt werden, verletzt oder getötet zu werden, als Fische, die an anderen Stellen durch die Turbine hindurchtreten.

Es wurden daher Anstrengungen unternommen, um die Neigung von Kaplanturbinen bezüglich der Verletzung von Fischen zu verringern oder zu verhindern. So wurden beispielsweise Systeme entwickelt, um die Fische von Kaplanturbinen abzulenken. Diese Systeme weisen Siebe auf, die den Fisch vom Einlaufbereich der Turbine fernhalten, oder die ihn hinweg lenken. Diese Konstruktionen haben jedoch zahlreiche Nachteile. Zunächst wird hierdurch ein Teil jener Wassermenge, der normalerweise durch die Turbine strömen würde, nicht mehr für die Erzeugung elektrischer Energie nutzbar. Die durch die Turbine erzeugbare Energie wird somit verringert. Weiterhin hat sich gezeigt, daß diese Systeme ihre eigentliche Aufgabe, nämlich die gesamte Fischpopulation von der Turbine wegzulenken, nicht vollständig erfüllen. Weiterhin stören die Siebe die Wasserströmung und führen zu Wirkungsgradverlusten der Turbine. Schließlich ist es klar, daß alle diese Systeme die Herstellungskosten von Wasserturbinen vergrößern.

Es wurden zahlreiche Anstrengungen unternommen, um den Wirkungsgrad von Verstellpropellern und Turbinen mit verstellbaren Laufschaufeln dadurch zu verringern, daß der hierbei vorhandene Spalt verringert wird, beispielsweise gemäß US 2 498 072. Um die Luftturbulenz und den Sog im Bereich des Spaltes am Fuß einer jeden Schaufel zu verringern, wurde beispielsweise eine Dichtung aus Formgummi an der Nabe angeordnet; diese Dichtung umgibt die Schaufel. US 2 378 958 ist ein weiteres Beispiel der Bemühungen, die Betriebscharakteristika von Luftpropellern zu verbessern. Gemäß dieser Patentschrift sollen Geräusch und Luftturbulenz verringert werden. Der Umfang des Propellers weist zu diesem Zwecke eine zylindrische Außenfläche auf, mit Aussparungen zur Aufnahme eines Basisteiles der Schaufel. Die engen Toleranzen zwischen der Basis der Schaufel und der Aussparung verbessern im allgemeinen den Betrieb des Propellers. Auch gab es in den zwanziger Jahren Versuche ähnlicher Art, um den Wirkungsgrad von Kaplanturbinen zu steigern.

Durch sämtliche, bisher bekannten Maßnahmen gelang es nicht, die Überlebenschancen von Fischen bei deren Durchgang durch Turbinen zu steigern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wasserturbine, insbesondere eine Kaplanturbine anzugeben, bei welcher die Überlebenschancen von Fischen beim Hindurchtreten durch die Turbine verbessert werden, und zwar ohne daß der Wirkungsgrad der Turbine nennenswert beeinträchtigt wird, bei voller Ausnutzung der vorhandenen Wassermenge sowie bei geringem Kostenaufwand.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.

Die Erfindung ist anhand der Zeichnungen näher erläutert. Darin ist im einzelnen folgendes dargestellt:

Fig. 1 zeigt eine Wasserturbine mit Verstellschaufeln im Aufriß und teilweise im Schnitt.

Fig. 2 ist eine perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform deren Nabe mit einer Schaufel bei maximalem Öffnungswinkel.

Fig. 3 zeigt den Gegenstand von Fig. 2 bei minimalem Öffnungswinkel.

Fig. 4 ist eine perspektivische Ansicht einer Nabe und einer Schaufel gemäß einem weiteren Gedanken der Erfindung bei maximalem Öffnungswinkel.

Fig. 5 zeigt den Gegenstand von Fig. 4 bei minimalem Öffnungswinkel.

Fig. 6 ist eine Draufsicht auf die in Fig. 4 dargestellte Nabe; hierbei ist der Bereich einer Schaufeltasche in einem besonderen Schnitt gezeigt.

Fig. 7 zeigt den Gegenstand von Fig. 6 in einem Längsschnitt.

Fig. 8 zeigt eine Nabe mit einer Schaufel gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung in Draufsicht, mit einer Mehrzahl von federbeaufschlagten Fingern.

Fig. 9 zeigt einen Teil der Innenkante der Schaufel gemäß Fig. 8 in vergrößerter perspektivischer Darstellung.

Fig. 10 zeigt den Gegenstand von Fig. 8 in einer vergrößerten Teilschnittansicht.

Fig. 11 zeigt eine Nabe und eine Schaufel einer weiteren Ausführungsform der Erfindung in Draufsicht; man erkennt eine Mehrzahl von Schaufelwasserstrahlen.

Fig. 12 zeigt in einer vergrößerten perspektivischen Ansicht einen Teil der Innenkante der Schaufel von Fig. 11.

Fig. 13 zeigt Schaufel und Nabe gemäß Fig. 11 in einer vergrößerten Teilschnittansicht.

Fig. 14 zeigt eine Nabe mit einer Schaufel gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung in Draufsicht; man erkennt eine Mehrzahl von Nabenwasserstrahlen.

Fig. 15 ist eine Aufrißansicht der in Fig. 14 gezeigten Nabe mit Schaufel.

Fig. 16 zeigt die Nabe mit Schaufel gemäß Fig. 14 in einer vergrößerten Teilschnittansicht.

Fig. 17 zeigt Nabe und Schaufel gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung in Draufsicht; man erkennt einen Schuh, der auf einen Teil der Innenkante der Schaufel aufgezogen ist.

Fig. 18 zeigt in einer Aufrißansicht Nabe, Schaufel und Schuh gemäß Fig. 17.

Fig. 19 zeigt in einer vergrößerten Teilschnittansicht eine erste Ausführungsform des Schuhs gemäß Fig. 17.

Fig. 20 zeigt in einer vergrößerten Teilschnittansicht eine zweite Ausführungsform des Schuhs gemäß Fig. 17.

Fig. 21 zeigt Nabe und Schaufel gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung; man erkennt erhabene Bereiche, die der äußeren Nabenfläche angeformt sind.

Fig. 22 ist eine Aufrißansicht der Nabe gemäß Fig. 21.

Fig. 23 ist eine perspektivische Ansicht von Nabe und Schaufel gemäß Fig. 21; man erkennt, daß der Nabe eine Tasche angeformt ist.

Fig. 24 ist eine Aufrißansicht der Nabe gemäß Fig. 23.

Fig. 25 ist eine Aufrißansicht einer weiteren Ausführungsform der Erfindung mit einem aufblasbaren Schirm in nicht aufgeblasenem Zustand.

Fig. 26 ist eine Aufrißansicht des Schirms gemäß Fig. 25 in aufgeblasenem Zustand.

Fig. 27 ist eine Teil-Aufrißansicht von Nabe und Schaufel gemäß der Erfindung mit einem sphärischen Abgabering.

Fig. 28 ist eine Aufrißansicht von Nabe und Schaufeln gemäß der Erfindung mit einer stromabwärts kugeligen Nabe und mit Schaufeln mit gerundeten Außenkanten.

Fig. 29 ist eine Draufsicht auf eine typische Verstellschaufel gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 30 ist eine Teilschnittansicht eines Teiles der Innenkante der Schaufel gemäß Fig. 29 entlang der Linie 30-30 in Fig. 29.

Fig. 31 ist eine Teilschnittansicht eines Teiles der Innenkante der Schaufel gemäß Fig. 29 entlang der Linie 31-31 in Fig. 29.

Fig. 32 ist eine Aufrißansicht der in Fig. 29 gezeigten Schaufel.

Fig. 33 ist eine Teilschnittansicht eines Teiles der angeströmten Kante der Schaufel gemäß Fig. 32 entlang der Linie 33-33 in Fig. 32.

Fig. 34 ist eine Teilschnittansicht eines Teiles der angeströmten Kante der Schaufel gemäß Fig. 32 entlang der Linie 34-34 in Fig. 32.

Fig. 35 ist ein Blockschaltbild des geschlossenen Regelsystems einer Turbine gemäß der Erfindung.

Die Zeichnungen stellen zwar eine Turbine oder einen Propeller mit verstellbaren Schaufeln dar. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die Anwendung bei dieser Art von Strömungsmaschine beschränkt.

Die in Fig. 1 dargestellte hydraulische Anlage 10 umfaßt einen Strömungskanal 12, in dem Wasser von einem oberen Niveau zum stromaufwärtigen Ende der Anlage 10 fließt und zu einem stromabwärtigen Abgabebereich 16 gelangt. Die Anlage 10 umfaßt eine Turbine 18 mit einer Nabe 20, die eine Längsachse 22 aufweist, ferner eine Mehrzahl von Laufschaufeln 24, die verstellbar an der Nabe 20 angeordnet sind. Jede Schaufel 24 ist um eine Drehachse 26 verdrehbar, die sich im wesentlichen senkrecht zur Längsachse 22 erstreckt. Die Turbine 18 ist im vorliegenden Falle vertikal dargestellt. Die Erfindung ist jedoch auch anwendbar auf Turbinen, deren Längsachse und einem Winkel gegen die Vertikale geneigt ist, beispielsweise mit einer horizontalen Längsachse, je nach Gestaltung des Strömungskanales 12. Außerdem können die Drehachsen 26 relativ zur Längsachse 22 auch geneigt sein, somit nicht unbedingt senkrecht zur Längsachse verlaufen.

Zwischen dem stromaufwärtigen Ende 14 und der Drehachse 26 befindet sich ein Abgabering 27 der den Wasserstrom vom stromaufwärtigen Ende 14 zur Turbine 18 lenkt. Die Anlage 10 umfaßt zahlreiche Einlaufschaufeln 28, die verdrehbar sind, um die zum Strömungskanal 12 geleitete Wasserströmung zu richten, ferner feststehende Schaufeln 30, die dazu dienen, den oberhalb von Turbine 18 befindlichen Teil der Anlage 10 zu tragen, nämlich ein Drucklager 32, ein Generator 34, ein zugeordnetes Steuersystem sowie Bauteile, die üblicherweise im Kraftwerk angeordnet sind und von denen einige ganz allgemein als Regler bezeichnet werden.

Aus den Fig. 2 und 3 erkennt man, daß die Nabe 20 einen stromaufwärtigen Bereich 36 sowie einen stromabwärtigen Bereich 38 aufweist, die sich stromaufwärts beziehungsweise stromabwärts der Drehachse 26 befinden. Die Turbine 18 umfaßt zwischen zwei und neun Laufschaufeln 24. Bei den einzelnen Figuren ist jedoch zum Erleichtern der Beschreibung der Erfindung jeweils nur eine einzige Schaufel dargestellt.

Jede Schaufel 24 weist ein Schaufelblatt 40 auf. Das Schaufelblatt 40 weist eine Innenkante 42 und eine Außenkante 44 auf, eine angeströmte Kante 46 und eine Abströmkante 48, die von der angeströmten Kante 46 durch eine wasserleitende Fläche 50 getrennt ist. Die Schaufel 24 ist relativ zur Nabe 20 verdrehbar. Ihre Innenkante 42 befindet sich nahe der Mantelfläche 52 der Nabe 20. Die Nabe 20 ist normalerweise leer. Der Hohlraum 54 weist eine Innenfläche 56 auf, die einen Abstand zur Außenfläche 52 einnimmt. Der Hohlraum 54 enthält üblicherweise verschiedene Mechanismen, Lenker sowie andere Systeme, die notwendig sind zum Verdrehen der Schaufeln 24 um die Achsen 26. In Fig. 2 erkennt man folgendes: nimmt die Schaufel 24 eine maximal offene Position ein, so weist die wasserleitende Fläche 50 in einer Richtung, die im wesentlichen parallel zur Längsachse 22 verläuft. Bei einer minimalen Neigung (siehe Fig. 3) liegt die wasserleitende Fläche 50 im wesentlichen senkrecht zur Längsachse 22.

Bei einer ersten Ausführungsform der Erfindung umfaßt die Nabe ein geschweißter Schirm 58, die um die äußere Mantelfläche 52 herumgelegt ist. Der Schirm befindet sich im stromaufwärtigen Bereich 36 der Nabe 20. Der Schirm 58 weist eine Mehrzahl von Aussparungen 60 auf. Er ist derart gestaltet, daß er der Mantelfläche 52 der Nabe im wesentlichen entspricht. Deshalb bilden die Aussparungen 60 mit der Mantelfläche 52 Taschen 62. Diese dienen zur Aufnahme des Bereiches 64 der angeströmten Kante 46 in der Nähe der Innenkante 42, wenn sich die Schaufel 24 der maximalen Offenstellung nähert, so wie in Fig. 2 gezeigt. Weist die Schaufel 24 hingegen eine minimale Winkelstellung auf, so wie in Fig. 3 dargestellt, so gelangt Bereich 64 aus der Tasche 62 heraus. Gleichwohl entsteht jedoch an der sphärisch gestalteten Mantelfläche 52 kein Spalt. Dies bedeutet, daß bei minimalem Öffnungswinkel zwischen der Innenkante 42 und der Mantelfläche 52 der Nabe 20 kein offener Bereich verbleibt, der für Fische zugänglich wäre. Demgemäß werden Fische bei ihrem Durchgang durch den Strömungskanal 12 und damit durch die Turbine 18 nicht verletzt.

Der Schirm 58 kann auch der Nabe 20 angeformt und somit mit dieser einteilig sein - siehe die Fig. 4 bis 7. Aus Fig. 7 ist erkennbar, daß bei maximalem Öffnungswinkel der Bereich 64 der Schaufel 24 von der Tasche 62 aufgenommen wird. Auch hierbei wird wiederum jeglicher Spalt zwischen der Mantelfläche 52 von Nabe 20 und der Innenkante 42 vermieden.

Aus mehreren Gründen kann es bei manchen Strömungsmaschinen nachteilig sein, einen Schirm 58 zu verwenden. In solchen Fällen lassen sich andere Ausführungsformen der Erfindung einsetzen, um den Spalt zwischen der Innenkante der Schaufel und der Nabe der Turbine abzuschirmen oder dessen Größe zu verringern. Ausführungsbeispiele solcher Ausführungsformen sollen im folgenden unter Bezugnahme auf die Fig. 8 bis 16 diskutiert werden.

Aus den Fig. 8 bis 10 erkennt man, daß ein Spalt, der an der Stelle 66 zwischen der Innenkante 42 und der Mantelfläche 52 der Nabe 20 entsteht, wesentlich verringert oder abgeschirmt werden kann durch eine Mehrzahl von Stiften oder Fingern 68, die in entsprechend gestalteten Bohrungen 70 in Bereich 64 der Schaufel 24 vorgesehen sind. Jeder Stift 68 wird mittels einer Feder 72 gegen die Mantelfläche 52 gedrückt. Die Feder 72 wirkt dabei auf das Ende 74 von Stift 68 gegenüberliegend dem Ende 76, das sodann mit der Mantelfläche 52 in Berührung gelangt. Wird die Schaufel 24 um ihre Drehachse 26 verdreht, so verbleiben die Enden 76 der Stifte 68 mit der Mantelfläche 52 in Berührung und schließen damit den Spalt 66 ab, so daß ein Fisch nicht darin eingefangen werden kann. Es versteht sich, daß die Stifte 68 verschiedene Konfigurationen haben können. Sie brauchen nicht unbedingt von kreisförmigem Querschnitt zu sein. Die Enden 76 können unterschiedliche Gestalten haben. Sie müssen nicht unbedingt gerundet sein. Es kann auch ein einziger Stift statt einer Mehrzahl von Stiften verwendet werden.

Aus den Fig. 11 bis 16 erkennt man eine Mehrzahl von Wasserstrahlen 78 im Spaltbereich 66. Die Strahlen 78 strömen durch Kanäle 80 in jeder Schaufel 24 von der angeströmten Kante 46 zur Innenkante 42. Auch dann, wenn die Schaufel einen maximalen Öffnungswinkel einnimmt, wird ein zwischen der Mantelfläche 52 und der Innenkante 42 gebildeter Spalt 66 durch die Wasserstrahlen 78 abgesperrt. Die Wasserstrahlen werden in den Spalt 66 dadurch injiziert, daß Wasser durch die Kanäle 80 strömt. Hierdurch werden Fische daran gehindert, in den Spaltbereich 66 zu gelangen. Alternativ hierzu kann das Wasser in den Spalt 66 von der Nabe her injiziert werden, so wie in den Fig. 14 bis 16 gezeigt. In diesem Falle sind in der Nabe 20 Kanäle 80 vorgesehen, aus denen die Wasserstrahlen 78 austreten und auf der Mantelfläche 52 der Nabe auftreffen.

Im folgenden soll eine weitere Ausführungsform der Erfindung diskutiert werden. Auf die Fig. 17 bis 20 wird verwiesen. In diesem Falle ist Spalt 66 abgeschirmt durch eine Schuh 82. Der Schuh 82 ist am besten aus verformbaren Material wie Gummi hergestellt. Er ist mit der angeströmten Kante 46 der Schaufel 24 verbunden. Schuh 82 weist eine Schürze 84 auf, die mit der Mantelfläche 52 von Nabe 20 während des Verdrehens der Schaufel 24 um ihre Drehachse 26 in Kontakt steht. Die Schürze 84 kann auch als eine Mehrzahl flexibler Elemente gestaltet sein, die mit der Mantelfläche 52 im wesentlichen in Kontakt bleiben. Falls diese Elemente genügend dünn sind, können sie die Gestalt von Borsten aufweisen, die an der Außenfläche 52 dann bürstend schleifen, wenn die Schaufel 24 um die Achse 26 verdreht wird. Alternativ können die Borsten oder flexiblen Elemente an der Nabe 20 im Bereich der Mantelfläche 52 dann befestigt sein, wenn die Schaufel 24 eine minimalen Verstellwinkel hat. Gemäß Fig. 20 weist der Schuh 82 eine Membran 86 auf, die mit einem fließfähigen Medium 88 gefüllt ist. Hierdurch verbleibt der Schuh 82 mit der Mantelfläche 52 während des Verdrehens der Schaufel 24 in Kontakt.

Wie zuvor erwähnt, verkörpern die Taschen 62 eine wirksame Möglichkeit, den Spalt 66 zwischen der Innenkante 42 und der Mantelfläche 52 der Nabe 20 abzuschirmen. In manchen Fällen muß die Aussparung 54 jedoch so groß wie möglich sein, um die verschiedenen Schaufelverdrehungsmechanismen aufzunehmen. Dies bedeutet, daß der Abstand zwischen der Mantelfläche 52 und der Innenfläche 56 (das heißt der Stärke der Nabenwand) nicht ausreicht, um eine Bildung von Taschen zu ermöglichen, die tief genug sind, um den Bereich 64 aufzunehmen und den Spalt 66 abzuschirmen. In manchen Fällen kann die Wand derart dünn sein daß eine Taschenbildung überhaupt nicht möglich ist. Eine weitere Ausführungsform der Erfindung beschreibt Situationen, wo die Stärke der Nabenwand ganz entscheidend ist.

Im folgenden soll auf die Fig. 21 bis 24 eingegangen werden. Die Nabe 20 weist dort zahlreiche erhabene Bereiche 90 auf, die örtlich der Mantelfläche 52 in Bereichen der Nabe stromaufwärts der Drehachse 26 angeformt sind. Die Bereiche 90 befinden sich in der Nähe der angeströmten Kante 46 der Schaufel 24 bei minimalem Öffnungswinkel - siehe Fig. 21. Demgemäß schirmen die Bereiche 90 den Spalt 66 zwischen der Innenkante 42 und der Mantelfläche 52 ab. Wie in den Fig. 21 und 22 gezeigt, können die Bereiche 90 auch stromabwärts der Drehachse angeformt sein, falls die Konstruktion von Schaufel und Nabe derart ist, daß ein Spalt 66 auch in diesem Bereich der Turbine 18 gebildet ist. In jenen Fällen, in welchen die Wandstärke der Nabe ausreicht, um Taschen zu bilden, so wie in den Fig. 23 und 24, können auch zahlreiche Bereiche 90 kombiniert werden mit einer Mehrzahl von Taschen 62, die der Mantelfläche 52 in gewissen Intervallen angeformt sind. Die Anzahl der Taschen 62 entspricht nicht unbedingt der Anzahl der erhabenen Flächen 90, da andere Überlegungen wie beispielsweise Wirkungsgrad und Kosten andere Lösungen nahelegen. Derartige Überlegungen können auch dazu führen, eine Kombination von Taschen 62 und Bereichen 90 lediglich stromaufwärts oder stromabwärts vorzusehen, oder sowohl stromabwärts und stromaufwärts der Drehachse 26. Die Erfinder haben jedoch folgendes festgestellt: um die Überlebenschancen von Fischen zu steigern, die durch die Turbine 18 hindurchgelangen, und gleichzeitig die Wasserturbulenz durch derartige "fischfreundlichen" Merkmale zu begrenzen, ist es im allgemeinen zu bevorzugen, Taschen 62 stromaufwärts zur Drehachse 26, und erhabene Fläche 90 stromabwärts zur Drehachse 26 vorzusehen.

In gewissen anderen Fällen kann es günstig sein, die Überlebenschancen von Fischen dadurch zu steigern, daß die oben genannten erfindungsgemäßen Merkmale kombiniert werden mit anderen konstruktiven Maßnahmen, oder durch Abwandlungen von anderen Turbinenkomponenten als der Nabe. Hierzu wird auf die Fig. 25 bis 32 verwiesen. In den Fig. 25 und 26 erkennt man wiederum einen Spalt 66. Dieser ist durch einen aufblasbare Abschirmvorrichtung 92 abgeschirmt. Die Abschirmvorrichtung 92 ist an einen Deckel 94 (head cover) angeschlossen, der üblicherweise stromaufwärts der Nabe 20 angeordnet ist, und damit stromaufwärts der Schaufeldrehachse 26. Die Abschirmvorrichtung 92 ist ein aufblasbarer Schlauch, der den gesamten Umfang des Deckels 94 umgibt. Statt dessen wäre es auch denkbar, die Abschirmvorrichtung aus einer Mehrzahl von Einzelstücken zusammenzufügen, die um die Umfang des Deckels 94 herumgelegt sind. Die Abschirmvorrichtung 92 kann auch an anderen Bauteilen der Turbine befestigt werden, die sich stromaufwärts des Spaltes 26 um die Achse 22 herum befinden. In jedem Falle dämpft das gummiartige Material der Abschirmvorrichtung 92 den Aufprall eines Fisches, der vom Spalt 66 abgelenkt wird.

Sobald die Schaufeln 24 von einem maximalen zu einem minimalen Öffnungswinkel verstellt werden, wird die Abschirmvorrichtung 92 aufgeblasen. Das Maß des Aufblasens kann dabei abhängig gemacht werden von der Winkelposition der einzelnen Schaufeln 24, so daß bei maximaler Öffnung - siehe Fig. 25 - ein minimales Aufblasen erfolgt, bis zu einem maximalen Aufblasen bei minimaler Öffnung - siehe Fig. 26.

Die in Fig. 27 dargestellte Turbine 18 befindet sich in einem Strömungskanal 12, der sich vom stromaufwärtigen Ende 14 der Anlage 10 zu einem unteren Abgabebereich 16 erstreckt. Der Kanal 12 umfaßt einen Abgabering 27 stromaufwärts der Schaufeln 24. Der Abgabering 27 ist sphärisch gestaltet, um mit der Außenkante 44 der Schaufeln 24 dann zusammenzuarbeiten, wenn die Schaufeln um die Drehachsen 26 verdreht werden. Die sphärische Gestaltung des Abgaberinges 27 schirmt die Außenkante 44 einer jeden Schaufel 24 gegen den Weg eines Fisches ab, der durch die Turbine hindurchgeschwemmt wird. Hierdurch wird die Überlebenschance des Fisches gesteigert. Weiterhin erkennt man, daß Kanal 12 eine Mehrzahl von Einlaßschaufeln 28 umfaßt (wicket gates). Die Schaufeln 28 sind üblicherweise verdrehbar, um die vom stromaufwärtigen Ende 14 herkommende Strömung zu richten. Jede Einlaßschaufel 28 weist eine angeströmte Kante 96 und eine Abströmkante 98 auf. Die sphärische Gestalt des Abgaberinges 27 arbeitet auch in vorteilhafter Weise mit der Abströmkante 98 dahingehend zusammen, einen Abgabespalt 100 zwischen dem Abgabering 27 und der Abströmkante 98 zu minimieren. Der sphärisch gestaltete Abgabering 27 verringert somit die Größe von Spalten, die normalerweise zwischen den Ringen 27, der Außenkante 44 der Schaufel und der Abströmkante 98 der Einlaßschaufel vorliegt. Auch hierdurch wird die Überlebenschance von Fischen verbessert.

Fig. 28 zeigt eine Turbine 18 mit einer Nabe 20 und mit Schaufeln 24, die wiederum um Drehachsen 26 verschwenkbar sind. Auch hierbei ist wiederum zur Steigerung der Überlebenschance von Fischen die Nabe mit einem Schirm 58 versehen. Schirm 58 weist eine Mehrzahl von Taschen 62 auf, die wiederum um den Umfang des Schirmes 58 angeordnet sind. Um die Verletzungsgefahr von Fischen stromabwärts der Drehachse 26 zu verringern, ist der stromabwärtige Bereich 102 der Nabe 20 kugelig gestaltet. Werden die Schaufeln 24 um die Achsen 26 verdreht, so bildet sich demgemäß zwischen der Innenkante 42 und dem Bereich 102 kein Spalt, da sich die Innenkante 42 an die Mantelfläche 52 der Nabe 20 eng anschließt.

Im folgenden soll auf die Fig. 29 bis 34 eingegangen werden. Die Erfinder haben erkannt, daß es möglich ist, die Überlebenschancen von Fischen auch dadurch zu steigern daß die übliche Konfiguration von Schaufeln 24 verändert wird, und zwar ungeachtet dessen, ob die Turbine 18 bereits mit den oben beschriebenen Merkmalen ausgestattet ist, die das Abschirmen von Spalten zwischen der Innenkante 42 und der Mantelfläche 52 betreffen, und ungeachtet dessen, ob die Spaltweiten von Spalten verringert werden, die zwischen der Außenkante der Schaufel oder der Einlaßschaufel herrschen. Wenigstens im Bereich der Innenkante 42 in der Nähe der angeströmten Kante 46 (das heißt der Schaufelkante im Bereich 64) ist es vorteilhaft, gerundete Konfigurationen vorzusehen, um die Verletzungsgefahr von Fischen zu verringern, die von der Schaufel 24 während des Umlaufs der Nabe 20 erfaßt werden können - siehe Fig. 30. Außerdem kann die Innenkante 42 auch in einem Bereich 104 gerundet werden, der sich stromabwärts der Achse 26 zur Abströmkante 48 erstreckt. Wie in Fig. 31 gezeigt, braucht die Innenkante 42 von Bereich 104 nicht im selben Maße gerundet zu sein, wie die Innenkante 42 von Bereich 64, da der Fisch von jener Wassermenge mitgenommen wird, die auf die wasserleitende Fläche 50 von der angeströmten Kante 48 zur Abströmkante 48 fließt. Die Gefahr, daß der Fisch von der Innenkante 42 im Bereich 104 erfaßt wird, ist daher viel geringer, als jene, daß er von der Innenkante 42 im Bereich 64 erfaßt wird. Wie außerdem in Fig. 33 veranschaulicht, kann auch ein Bereich der Außenkante 44 in der Nähe der angeströmten Kante 46 gerundet sein, um Verletzungen des Fischen bei Umlauf der Schaufel 24 und der Nabe 20 zu verringern. Die Außenkante 44 braucht jedoch nicht im selben Maße auf ihrer gesamten Länge gerundet zu sein; siehe Fig. 34. Dies geht darauf zurück, daß der Fisch eher durch denjenigen Bereich der Außenkante 44 verletzt wird, der sich von der angeströmten Kante 46 aus erstreckt.

Die genannten Merkmale steigern die Überlebenschancen von Fischen bei deren Durchlauf durch Turbinen mit Verstellflügeln und Einlaufgittern oder Einlaufschaufeln. Sie sind in vorteilhafter Weise Steuersystemen zugeordnet, die herkömmliche Reglerfunktionen ausführen um den optimalen Betrieb der Anlage 10 sicherzustellen.

Das Blockschaltbild gemäß Fig. 35 veranschaulicht ein Steuersystem 108, das in Verbindung mit der Erfindung verwendet werden kann. Das Steuersystem 108 umfaßt eine Mehrzahl von Sensoren 110 bis 118 zum Messen der Betriebsparameter der Turbine sowie weiterer Parameter. Die von den Sensoren erfaßten elektrischen Signal werden dem Regler 120 eingespeist. Das elektrische Signal, das die Drehzahl der Turbine 18 wiedergibt, wird beispielsweise durch eine gezahnte Scheibe erfaßt, die auf der Turbinenwelle montiert ist. Der Scheibe sind zwei induktive Sensoren vorgesehen, die zwei von einander unabhängige Signale dem Regler 120 einspeisen. Regler 120 erhält ferner ein elektrisches Signal, das von Sensor 112 erzeugt wurde und die Position des Einlaufgitters 28 wiedergibt (Drehwinkel). Der Regler 120 umfaßt einen digital arbeitenden Prozessor, ferner eine Analog-Digital-Umwandlung sowie Signalschaltungen.

Die von den verschiedenen Sensoren bereitgestellten Informationen werden in Regelalgorythmen verwendet, die es dem Regler 120 ermöglichen, verschiedene Regelsignale zu berechnen und zu erzeugen, je nach Bedarf, um den Betrieb der Anlage 10 optimal zu gestalten, ohne daß dadurch die erfindungsgemäßen Verbesserungen der Überlebenschancen von Fischen beeinträchtigt werden. Die von Regler 120 erzeugten Regelsignale werden sodann einer Mehrzahl von Signalumwandlern 122 eingespeist. Signal aus jedem Signalumwandler wird einem Aktuator eingespeist.

In Fig. 35 ist ein Aktuator 124 angegeben, der die Winkelposition der Schaufeln 24 justiert. Ein Aktuator 126 dient zum Justieren der Öffnung des Einlaufgitters 28, so wie durch Regler 120 ermittelt zwecks Optimierung des Betriebes der Anlage. Um die Überlebenschance von Fischen zu steigern, kann es zweckmäßig sein, einen Signalumwandler 122/Aktuator 126 jeder einzelnen Einlaufschaufel 28 zuzuordnen, oder alternativ einer Gruppe von Einlaufschaufeln 28. Diese zusätzlichen Justiermöglichkeiten erlauben es dem Regler 120, die Position einer jeden Einlaufschaufel 28 getrennt zu justieren, oder alternativ eine Gruppe von Einlaufschaufeln 28 gemeinsam zu justieren, wobei als zusätzlicher Parameter die Dichte der in einer Wasserströmung durch die Turbine vorhandenen Fische herangezogen werden kann. Diese zusätzliche Information erlaubt es dem Regler 120, die Position der Schaufeln 24 und die absolute oder relative Position einer jeden Einlaufschaufel 28 zu verändern, um die Überlebenschance von Fischen zu steigern, ohne daß dadurch der Wirkungsgrad der Anlage verringert wird. Das Regelsystem 108 bietet somit eine weitere Möglichkeit zur Steigerung der Überlebenschance von Fischen, ungeachtet dessen, ob das Regelsystem für sich alleine oder in Kombination mit anderen Merkmalen der Erfindung angewandt wird.

Die beschriebenen Merkmale können in gleicher Weise bei einem Spalt angewandt werden, der sich zwischen der Mantelfläche 52 der Nabe 20 und demjenigen Teil der Innenkante 42 bildet, wenn er sich stromabwärts der Schaufeldrehachse 26 erstreckt. Für den Fachmann versteht es sich, daß es noch weitere Möglichkeiten gibt, um einen Fisch von Spalt 26 hinwegzuführen, oder um den Spalt 66 abzuschirmen, oder um die Weite des Spaltes 66 zu verringern.

Claims (40)

1. Wasserturbine, insbesondere Kaplanturbine, mit den folgenden Merkmalen:

• 1. 1 einer hohlen Nabe mit einer inneren und einer äußeren Mantelfläche sowie mit einer Längsachse;
• 1.2 eine Mehrzahl von Rotorschaufeln, deren jede ein Schaufelblatt aufweist;
• 1.3 jedes Schaufelblatt weist eine Innenkante und eine Außenkante auf, eine angeströmte Kante und eine Abströmkante, die durch eine wasserleitende Fläche voneinander getrennt sind;
• 1.4 jede Schaufel ist an der Nabe angelenkt und um eine Drehachse verschwenkbar, die sich im wesentlichen senkrecht zur Längsachse der Nabe erstreckt;
• 1.5 es sind Mittel vorgesehen, um einen zwischen der Nabe und der Innenkante der Schaufel sich bildenden Spalt abzuschirmen.

2. Turbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spaltabschirmmittel einen Schirm umfassen, der die Mantelfläche der Nabe stromaufwärts der Drehachsen umgibt, und daß der Schirm die angeströmte Kante einer jeden Schaufel im Bereich der inneren Schaufelkante abschirmt.

3. Turbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spaltabschirmmittel wenigstens einen federbeaufschlagten Stift umfassen, der sich von der Innenkante einer jeden Schaufel im Bereich des Spaltes gegen die Mantelfläche der Nabe erstreckt und mit dieser in Berührung gehalten ist.

4. Turbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spaltabschirmmittel eine Mehrzahl von Düsen aufweisen, die Wasserstrahlen im den Bereich des Spaltes richten.

5. Turbine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wanddüsen Kanäle aufweisen, die jeder der Schaufeln angeformt sind und sich von der angeströmten Kante zur Innenkante erstrecken.

6. Turbine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsen Kanäle aufweisen, die der Nabe angeformt sind und sich von der Mantelfläche der Nabe im Bereich des Spaltes aus nach außen erstrecken.

7. Turbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spaltabschirmmittel eine Mehrzahl von Schuhen aufweisen, die aus verformbarem Material bestehen und an die angeströmte Kante einer jeden Schaufel im Bereich der Innenkante der Schaufel angeschlossen sind.

8. Turbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spaltabschirmmittel eine Mehrzahl von Schuhen aus verformbaren Material umfassen, die an einen Bereich der Innenkante einer jeden Schaufel in der Nähe der angeströmten Kante angeschlossen sind.

9. Turbine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Schuh eine Schürze umfaßt, die mit der Mantelfläche der Nabe während des Umlaufs der Schaufeln in Berührung steht.

10. Turbine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schuhe eine Membrane umfassen, die mit einem nachgiebigen Medium gefüllt ist, um die Schuhe mit der Mantelfläche der Nabe während des Umlaufs der Schaufeln in Kontakt zu halten.

11. Turbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spaltabschirmmittel eine Mehrzahl von flexiblen Elementen aufweisen die an der angeströmten Kante einer jeden Schaufel im Bereich der Innenkante angeschlossen sind und die mit der Mantelfläche der Nabe dann in Kontakt bleiben, wenn die Schaufeln um ihre Achsen verdreht werden.

12. Turbine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die flexiblen Elemente Borsten sind.

13. Turbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spaltabschirmmittel eine Mehrzahl flexibler Elemente aufweisen, die in Bereichen der Nabe in der Nähe der angeströmten Kanten der Schaufeln angeschlossen sind.

14. Turbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die spaltabschirmenden Mittel einen aufblasbaren Schlauch umfassen, der einen Bereich der Turbine stromaufwärts der Nabe umgibt.

15. Turbine nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Schlauch mit dem Verstellen der Schaufeln von einer maximalen zu einer minimalen Öffnung zunehmend aufgeblasen wird.

16. Turbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die spaltabschirmenden Mittel eine Mehrzahl von Schläuchen umfassen, die aus verformbaren Material bestehen, an bestimmten Stellen und um den Bereich der Turbine angeordnet sind, der sich stromaufwärts der Nabe erstreckt, und zunehmend aufblasbar sind zwischen einer maximalen und einer minimalen Öffnung der Schaufeln.

17. Turbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die spaltabschirmenden Mittel eine Mehrzahl angehobener Bereiche umfassen, die der Mantelfläche der Nabe im Bereich der angeströmten Kante angeformt sind.

18. Turbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die spaltabschirmenden Mittel einer Mehrzahl erhabener Bereiche umfassen, die der Mantelfläche in Bereichen der Nabe in der Nähe der Abströmkanten angeformt sind.

19. Turbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die spaltabschirmenden Mittel eine erste Anzahl von Taschen aufweisen, daß die Taschen in gegenseitigen Abständen der Mantelfläche der Nabe stromaufwärts der Drehachsen angeformt sind, und daß eine zweite Mehrzahl erhabener Bereiche der Mantelfläche der Nabe in der Nähe der angeströmten Kanten der Schaufeln angeformt sind.

20. Turbine nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Mehrzahl dieselbe Anzahl sind.

21. Turbine nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die spaltabschirmenden Mittel eine dritte Mehrzahl von Taschen umfassen, daß die dritte Mehrzahl von Taschen in gegenseitigen Abständen an der Mantelfläche stromabwärts der Drehachsen angeformt sind, und daß eine vierte Mehrzahl erhabener Bereiche der Mantelfläche angeformt ist in Bereichen der Nabe in der Nähe der Abströmkanten der Schaufeln.

22. Turbine nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte und die vierte Mehrzahl eine gleiche Anzahl sind.

23. Turbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diese in einem Strömungskanal angeordnet ist, der sich von einem oberen Wasserniveau zu einem unteren Wasserniveau erstreckt, daß der Kanal einen Abgabering umfaßt, der stromaufwärts der Schaufel angeordnet ist, daß der Ring eine sphärische Gestalt aufweist, die mit der Außenkante einer jeden Schaufel dann zusammenarbeitet, wenn die Schaufeln um ihre Achsen verschwenkt werden, um einen Spalt zwischen der Außenkante einer jeden Schaufel und dem Kanal abzuschirmen und um damit die Überlebenschancen von Fischen zu steigern.

24. Turbine nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal eine Mehrzahl von Einlaufschaufeln zum Steuern der Wasserströmung von dem oberen Niveau umfaßt, daß jede Einlaufschaufel eine stromaufwärtige und eine stromabwärtige Kante hat, und daß der sphärische Abgabering mit der Unterkante einer jeden Einlaufschaufel zusammenarbeitet, um einen Abgabespalt zu verringern.

25. Turbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Schaufel eine gerundete Innenkante wenigstens im Bereich der angeströmten Kante aufweist.

26. Turbine nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß jede Schaufel eine gerundete Innenkante in einem Bereich zwischen der Schaufeldrehachse und der Abströmkante der Schaufel aufweist.

27. Turbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Schaufel eine gerundete Außenkante wenigstens im Bereich der angeströmten Kante aufweist.

28. Turbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nabe stromabwärts der Schaufeldrehachsen kugelig gestaltet ist, und daß die Innenkante einer jeden Schaufel im Bereich der Abströmkante der Mantelfläche der Nabe beim Verdrehen der Schaufel um ihre Drehachse entspricht.

29. Turbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schaufel mit einem spaltabschirmenden Mittel versehen ist.

30. Turbinenanlage, umfassend:

• 30.1 einen Strömungskanal, der eine Turbine umschließt, sie von einem oberen Wasserniveau zu einem unteren Wasserniveau erstreckt, und eine Mehrzahl von Einlaufschaufeln aufweist, die zum Leiten des hindurchtretenden Wasserstromes justierbar sind;
• 30.2 eine hohle Nabe mit einer Längsachse und mit einer inneren und einer äußeren Mantelfläche;
• 30.3 eine entsprechende Anzahl von Schaufeln, die schwenkbar an der Nabe gelagert sind, und zwar um Drehachsen, die sich in einer im wesentlichen zur Längsachse der Nabe senkrechten Richtung erstrecken, mit einem Schaufelblatt, das eine Innenkante im Bereich der Nabe und eine Außenkante aufweist, ferner eine angeströmte Kante und eine Abströmkante, die durch eine wasserleitende Fläche voneinander getrennt sind;
• 30.4 mit einem elektrischen Steuersystem zum Justieren einer jeden Schaufel zwischen einer maximal offenen und einer minimal offenen Position;
• 30.5 Mittel zum Abschirmen eines Spaltes, der zwischen der Nabe und der Innenkante einer jeden Schaufel bei deren Verdrehen von einer maximalen zu einer minimalen Öffnung gebildet wird.

31. Wasserturbinenanlage nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von Taschen in gegenseitigen Abständen stromaufwärts der Drehachsen der Nabe angeformt ist, und daß ein Bereich einer angeströmten Kante einer jeden Schaufel zunehmend in einer entsprechenden Tasche beim Verdrehen der Schaufel durch das Regelsystem von einer minimalen zu einer maximalen Schaufelöffnung aufgenommen wird.

32. Wasserturbinenanlage nach Anspruch 30, umfassend:
eine Mehrzahl von Sensoren, die selektiv elektrische Signale bezüglich der Turbinendrehzahl, des Schaufelwinkels, des Einlaßgitterwinkels sowie des verfügbaren Gefälles liefern;
einen elektrischen Regler zum Aufnehmen und Verarbeiten der genannten Signale und zum Erzeugen von Signalen, mit denen die Position der Rotorschaufeln und der Schaufeln des Einlaufgitters justiert werden.

33. Wasserturbinenanlage nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler ein digitaler Prozessor ist.

34. Wasserturbinenanlage nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sensor vorgesehen ist, der ein elektrisches Signal erzeugt, das die Dichte der im Wasser vorhandenen Fische anzeigt.

35. Wasserturbinenanlage nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß das Reglersystem einen digitalen Prozessor aufweist, der Sensoren zugeordnet ist, die selektiv elektrische Signale bezüglich der geringsten Turbinendrehzahl- und schaufelneigung abgeben.

36. Wasserturbinenanlage nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, daß eines der elektrischen Signale die Dichte der im Wasser vorhandenen Fische anzeigt.

37. Wasserturbinenanlage nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß die Nabe eine Mehrzahl von Taschen aufweist, die in gegenseitigen Abständen an der Mantelfläche der Nabe stromabwärts der Drehachsen angeordnet sind, und daß ein Bereich der Abströmkante einer jeden Schaufel beim Verdrehen der Schaufel mittels des Steuersystems von einer minimalen zu einer maximalen Öffnung in einer entsprechenden stromabwärtigen Schaufel zunehmend aufgenommen wird.

38. Verfahren zum Steigern der Überlebenschancen von Fischen, die durch eine Turbine hindurchgeschwemmt werden, die ihrerseits eine hohle Nabe aufweist, mit einer Längsachse und einer inneren und einer äußeren Mantelfläche, mit einer entsprechenden Anzahl von Schaufeln, die verschwenkbar an der Nabe angeordnet sind, und die jeweils um eine Drehachse verdrehbar sind, die im wesentlichen senkrecht zur Längsachse der Nabe verläuft, mit jeweils einem Schaufelblatt, das eine Außenkante, eine Innenkante, eine angeströmte Kante und eine Abströmkante aufweist, die von einer wasserleitenden Fläche voneinander getrennt sind, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:

• 38.1 die Nabe wird derart im Strömungskanal angeordnet, daß das Wasser auf die angeströmten Kanten aufprallt und entlang der wasserleitenden Flächen zu den Abströmkanten strömt;
• 38.2 es werden Mittel vorgesehen, um einen Spalt abzuschirmen, der zwischen der Innenkante einer jeden Schaufel und der Mantelfläche der Nabe beim Verdrehen der Schaufeln von einer maximalen zu einer minimalen Öffnung entsteht.

39. Verfahren nach Anspruch 38, weiterhin umfassend den Verfahrensschritt, daß Mittel vorgesehen werden, um die Abgabespalte zwischen den Einlaufgittern zu verringern, um die Wasserströmung zu regeln sowie einen Abgabering, der stromaufwärts der Schaufeldrehachsen angeordnet wird.

40. Verfahren nach Anspruch 38, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen werden, die einen zwischen der Außenkante einer jeden Schaufel und dem Strömungskanal gebildeten Spalt abschirmen.