DE202010004056U1

DE202010004056U1 - Schneckenkörper für eine Wasserkraftanlage

Info

Publication number: DE202010004056U1
Application number: DE202010004056U
Authority: DE
Original assignee: RITZ ATRO GmbH; RITZ-ATRO GmbH
Current assignee: RITZ ATRO GmbH; RITZ-ATRO GmbH
Priority date: 2010-03-23
Filing date: 2010-03-23
Publication date: 2010-06-10
Anticipated expiration: 2020-03-24

Abstract

Schneckenkörper für eine Wasserkraftanlage mit
einem Zentralrohr (15) und
Schneckenflügeln (9), die auf dem Zentralrohr (15) spiralförmig angeordnet sind, so dass mindestens ein Schneckengang ausgebildet ist,
gekennzeichnet durch ein über die Längserstreckung des Schneckenkörpers (2) verändertes Kammervolumen der Schneckengänge.

Description

Die Erfindung betrifft einen Schneckenkörper für eine Wasserkraftanlage mit einem Zentralrohr und Schneckenflügeln, die auf dem Zentralrohr spiralförmig angeordnet sind, so dass mindestens ein Schneckengang ausgebildet ist.
Eine derartige Wasserkraftanlage ist beispielsweise aus der DE 4139134 A1 bekannt. Bei der dort gezeigten Wasserkraftanlage fließt Wasser von einem Oberwasserspiegel in einen Schneckenkörper, der in einem diesen teilweise umschließenden Trog läuft. Dabei werden die einzelnen Schneckengänge mit Wasser gefüllt. In Folge der auf die Schneckenflügel wirkenden Schwerkraft des Wassers wird der Schneckenkörper in Rotation versetzt und transportiert dadurch das Wasser zu einem Unterwasserspiegel hin. Die Rotationsenergie des Schneckenkörpers wird von einem Generator in elektrische Energie umgewandelt. Aufgrund der offenen Bauweise kommt es zu verhältnismäßig starken Geräuschemissionen, was oftmals als störend empfunden wird und teilweise zu Problemen führt, wenn eine derartige Wasserkraftanlage in der Nähe von Wohngebieten positioniert wird.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, die Geräuschemissionen einer Wasserkraftanlage mit einem Schneckenkörper zu verringern.
Diese Aufgabe wird durch einen Schneckenkörper der eingangs genannten Art gelöst, der durch ein über die Längserstreckung des Schneckenkörpers verändertes Kammervolumen der Schneckengänge gekennzeichnet ist.
Die Erfindung zielt darauf ab, die Wasserbewegung so zu beeinflussen, dass die Schallemissionen verringert werden. Gleichzeitig kann erreicht werden, dass der Wirkungsgrad einer Wasserkraftanlage gesteigert wird.
Eine bevorzugte Möglichkeit zur Veränderung des Kammervolumens über der Längserstreckung des Schneckenkörpers besteht darin, den Außendurchmesser der Schnecke im Wasseraustrittsbereich zu vergrößern oder Zwischenflügel im Schneckengang anzuordnen. Durch die erstgenannte Maßnahme verringert sich die Fließgeschwindigkeit des Wassers beim Wasseraustritt. Durch die letztere Maßnahme wird die Menge des bei einer bestimmten Stellung des Schneckenkörpers austretenden Wassers verringert. Beide Maßnahmen verringern die Geräuschentstehung.
Die Wasserbewegung kann weiterhin dadurch verändert werden, dass der Durchmesser des Zentralrohres an dem unteren und/oder oberen Enden außerhalb bzw. auch innerhalb des mit Schneckenflügeln versehenen Bereich konisch reduziert ist.
Eine weitere erfindungsgemäße Möglichkeit der Geräuschreduzierung besteht darin, das untere Lager strömungsgünstig auszugestalten, indem beispielsweise genau eine senkrechte Stütze ausgebildet ist, welche das untere Lager des Schneckenkörpers gegenüber einem horizontalen Träger unterhalb des Wasserdurchflussbereichs abstützt. Alternativ kann eine einseitige seitliche Befestigung des Lagers vorgesehen werden. Dadurch wird erreicht, dass möglichst wenig Wasser die Befestigungsvorrichtung für das untere Lager umspült, was sonst zur Geräuschemission beiträgt.
Eine weitere Quelle von Geräuschemissionen ist Eis, welches sich bei Frost an verschiedenen Stellen einer Wasserkraftan lage bildet. Die Schneckenflügel schaben im Betrieb an dem gebildeten Eis entlang, was ebenfalls zu erheblichen Geräuschbelästigungen führt. Diese Geräuschemission wird verhindert, indem einzelne Komponenten der Wasserkraftanlage beheizt werden. Insbesondere ist günstig, eine Impulsheizung vorzusehen, die im Betrieb zum Abplatzen von gebildetem Eis führt.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Es zeigt:
1 eine Seitenansicht einer Wasserkraftanlage mit einem Schneckenkörper,
2 eine dreidimensionale Ansicht eines Schneckenkörpers mit einem Zwischenflügel im Wasseraustrittsbereich,
3A eine Draufsicht und 3B dreidimensionale Ansicht eines Schneckenkörpers mit vergrößertem Außendurchmesser im Wasseraustrittsbereich,
4A und 4B ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Schneckenkörpers mit vergrößertem Querschnitt im Wasseraustrittsbereich in einer Draufsicht und in einer dreidimensionalen Ansicht,
5A, 5B, 5C und 5D eine dreidimensionale Ansicht sowie Draufsichten in axialer Richtung auf einen Schneckenkörper mit optimierter Geometrie der Schneckenflügel.
6A, 6B und 6C dreidimensionale Ansichten auf eine Wasserkraftanlage mit beheizbaren Komponenten und verbesserter Befestigung des unteren Lagers und
7A und 7B zwei dreidimensionale Ansichten von alternativen Befestigungen des unteren Lagers.
Die 1 zeigt eine Wasserkraftanlage 1 mit einem Schneckenkörper 2, der über ein Getriebe 4 mit einem Generator 5 gekoppelt ist. Der Schneckenkörper 2 ist an einem oberen Lager 6 und einem unteren Lager, welches in der 1 nicht sichtbar ist, drehbar gelagert. Über eine Wasserzuführung wird dem Schneckenkörper 2 Wasser zugeführt, welches von oben in die durch Schneckenflügel 9 gebildeten Schneckengänge des Schneckenkörpers 2 eintritt. Der Schneckenkörper 2 ist im unteren Bereich von einem Trog 11 umgeben, welcher die Schneckengänge nach unten hin abschließt. Durch die Schwerkraft des Wassers wird der Schneckenkörper 2 in Rotation versetzt, wodurch gleichzeitig das Wasser nach unten transportiert wird und dort in einem Wasseraustrittsbereich 10 ausströmt. Die Bewegung des Schneckenkörpers 2 wird über das bereits erwähnte Getriebe 4 auf den Generator 5 übertragen, wo dann elektrische Energie erzeugt wird. Diese wird vorzugsweise über einen Wechselrichter 12 auf die erforderliche Netzfrequenz gewandelt und gegebenenfalls über einen Transformator 13 auf eine höhere Spannung transformiert, um sie direkt in ein Mittel- oder Hochspannungsnetz einspeisen zu können.
Bei dem in der 2 dargestellten Schneckenkörper sind auf einem Zentralrohr 15 drei Schneckenflügel 9 vorgesehen, welche spiralförmig um das Zentralrohr 15 herum verlaufen. Im Wasseraustrittsbereich des Schneckenkörpers 2 sind durch die Schneckenflügel 9 drei Kammern gebildet, so dass normalerweise bei einer Umdrehung des Schneckenkörpers Wasser in drei Schüben aus dem Schneckenkörper 2 ausfließen würde. Bei dem Ausführungsbeispiel von 2 sind im Wasseraustrittsbereich 10 drei Zwischenflügel 21 angeordnet, so dass in diesem Bereich statt der üblicherweise drei Kammern sechs Kammern gebildet sind. Daher tritt bei einer Umdrehung des Schneckenkörpers 2 das Wasser in sechs Schüben aus dem Schneckenkörper 2 zum Unterwasser aus. Die Wassermenge bei jedem Schub ist entsprechend geringer, wodurch die Geräuschemission verringert wird. Des Weiteren kann die Anzahl der Zwischenflügel 21 noch gesteigert werden.
In den 3A und 3B ist ein Schneckenkörper 2 gezeigt, bei dem das Kammervolumen der Schneckengänge über der Längserstreckung dadurch verändert ist, dass der Außendurchmesser der Schnecke in einem oberen Bereich 22 kleiner ist als in einem unteren Bereich 23. Durch den vergrößerten Durchmesser vergrößert sich das Kammervolumen der Schneckengänge, was zu einer verringerten Strömungsgeschwindigkeit im unteren Bereich des Schneckenkörpers 2 führt. Das Wasser tritt daher mit einer geringeren Strömungsgeschwindigkeit aus dem Schneckenkörper aus, was wiederum die Geräuschemission verringert. Dieses Ausführungsbeispiel kann auch mit den Zwischenflügeln 21 des Ausführungsbeispiels von 2 kombiniert werden, so dass sowohl der Durchmesser des Schneckenkörpers vergrößert ist als auch Zwischenflügel im Wasseraustrittsbereich 10 vorgesehen sind. In diesem Ausführungsbeispiel ist zusätzlich zur Vergrößerung des Außendurchmessers der Schnecke auch der Zentralrohrdurchmesser vergrößert, so dass das Kammervolumen der Schneckengänge sowohl durch das veränderte Zentralrohr als auch durch die größere Höhe der Schneckengänge und damit den größeren Schneckengangsquerschnitt verändert wird.
Im Ausführungsbeispiel der 4A und 4B ist ebenfalls der Außendurchmesser des Schneckenkörpers im unteren Bereich 23 ein anderer als im oberen Bereich 22. Während beim Ausführungsbeispiel der 3A und 3B der Übergang des Zentralrohres 15 stufenförmig verläuft, ist dieser Bereich im Ausführungsbeispiel der 4A und 4B konisch ausgestaltet.
Die 5A zeigt eine in dreierlei Hinsicht verbesserte Wasserkraftanlage. Bei dem Schneckenkörper 2 ist zum einen das Zentralrohr 15 im Wasseraustrittsbereich 10 konisch verjüngt. Dadurch ergibt sich ein verbessertes Strömungsverhalten mit weniger Verwirbelungen. Zum Zweiten ist in diesem Bereich das untere Lager 7 auf einer zentralen Stütze 16 befestigt, was zu nur geringem Kontakt des ausströmenden Wassers mit der Befestigung 16 führt, so dass eine weitere Quelle von Geräuschemissionen eliminiert ist. Zum dritten sind die Schneckenflügel 9 an ihren Enden nicht rechtwinklig ausgebildet, wie dies üblicherweise gemacht wird, sondern sind an der Innenseite, an der sie am Zentralrohr 15 befestigt sind, kürzer als im äußeren Bereich. Dazu sind in den 5B, 5C und 5D drei Varianten in einer axialen Draufsicht gezeigt. Im Ausführungsbeispiel von 5B verlaufen die stirnseitigen Kanten der Schneckenflügel gradlinig, jedoch in einem Winkel α größer als 90 Grad bezogen auf die innere Kante der Schneckenflügel. Im Ausführungsbeispiel der 5C und 5D sind die Kanten der Schneckenflügel 9 zudem schlangenförmig ausgestaltet. Durch die Form der Kanten nach den 5B, 5C und 5D treffen die Kanten nicht schlagartig auf das Oberwasser auf, sondern in einer kontinuierlichen Bewegung. Dadurch wird die Geräuschemission weiter reduziert. Gleichzeitig weist diese Form den Vorteil auf, dass sie fischfreundlich ist, das heißt die Verletzungsgefahr für durchschwimmende Fische ist stark verringert. Im Unterwasserbereich sorgt die Flügelform zu einem beruhigteren Ausfließen des Wassers aus der Schnecke was wiederum die Schallemission an dieser Stelle reduziert.
In den Ausführungsbeispielen der 6A, 6B und 6C ist der Schneckenkörper im Austrittsbereich 10 konisch verjüngt, was die Strömung des Wassers günstig beeinflusst, so dass ein ruhigerer Wasseraustritt erreicht wird. Das untere Lager 7 ist über eine zentrale Stütze 16 auf einem Bodenblech (und/oder Fundament) 18 befestigt, wobei diese Stütze 16 strömungsgünstig gestaltet ist. Gegenüber den üblicherweise verwendeten Quertraversen, die auf Höhe des unteren Lagers 7 seitlich befestigt sind, zeigt sich eine deutliche Geräuschreduzierung. Die erfindungsgemäß gestaltete Befestigung 16 des unteren Lagers 7 setzt dem Wasser wenig Widerstand entgegen und führt nicht zu einer starken Verwirbelung der Wasserströmung. Das Bodenblech und/oder Fundament liegt unterhalb des Wasserdurchflussbereichs und ist bezüglich der Geräuschemissionen unkritisch.
Die Wasserkraftanlage der 6A, 6B und 6C ist zudem auf eine Geräuschreduzierung insbesondere bei Frost ausgerichtet. Dazu sind verschiedene Komponenten mit einer Heizvorrichtung 24 versehen. Bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunktes bildet sich insbesondere an den Kanten des Troges 11 Eis, an dem später die Schneckenflügel 9 des Schneckenkörpers 2 entlang schaben. Dies führt zu einer beträchtlichen Geräuschent wicklung. Eine besonders kritische Stelle sind die Leitbleche 17, welche auf einer Seite des Troges 11 angeordnet sind. Diese sind im Ausführungsbeispiel der 6A und 6B mit Heizschlangen 24 versehen. Dadurch können die Leitbleche 17 soweit erhitzt werden, dass sich angesetztes Eis löst. Insbesondere ist dafür eine Impulsheizung geeignet, da eine permanente Heizung sehr viel Energie verbrauchen würde. Bei einer Impulsheizung werden die Leichtbleche 17 verhältnismäßig schnell soweit erwärmt, dass das Eis nicht mehr fest haftet und durch die entlang schabenden Schneckenflügel 9 entfernt wird. Besonders günstig ist, wenn die zu beheizenden Komponenten thermisch isoliert sind. Dadurch wird die in die beheizten Komponenten eingebrachte Wärme nicht abgeleitet, so dass mit verhältnismäßig geringem Energieeinsatz die beabsichtigte Entfernung des angesetzten Eises erreicht werden kann, bzw. Eis gar nicht erst anhaftet.
Auch andere Komponenten können in Weiterbildungen der Erfindung beheizt werden, insbesondere Lager, Lageraufnahmen, Öl- und Fettleitungen sowie Traversen. Ein für die Geräuschentwicklung wichtiger Punkt ist so zum Beispiel auch die den Leitblechen gegenüberliegende Kante des Troges 11.
In dem Ausführungsbeispiel der 6B ist eine weitere Besonderheit vorgesehen, nämlich die Schneckenflügel 9 erstrecken sich bis in den konischen Abschnitt im Wasseraustrittsbereich 10. Eine derartige Ausführung kann natürlich auch unabhängig von der Beheizung einzelner Komponentenrealisiert werden.
Eine weitere erfindungsgemäße Möglichkeit ist die Beheizung des Mantelrohres einer Rohrschnecke, wie sie in 6C ge zeigt ist, sowie die thermische Isolierung aller luftberührten Teile zum Verhindern von Wärmeabstrahlung.
Die 7A und 7B zeigen Ausführungsbeispiele, bei denen das untere Lager 7 so befestigt ist, dass es die Strömung des austretenden Wassers möglichst wenig behindert. Das untere Lager 7 ist üblicherweise ein einfach gestaltetes Lager, welches auch eine axiale Gleitbewegung ermöglicht. Von der Seite des unteren Lagers 7 her betrachtet dreht sich der Schneckenkörper, in diesem Beispiel, gegen den Uhrzeigersinn. Das meiste Wasser tritt dadurch auf der aus Sicht des Lagers gesehenen linken Seite aus. Die Befestigung des unteren Lagers 7 erfolgt über eine auf der gegenüberliegenden Seite, das heißt rechts angeordneten Vorrichtung 24, welche an einer seitlichen Wand gehalten werden kann. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel besteht die Befestigungsvorrichtung aus zwei aus Rohren gebildeten Dreiecken, welche rechtwinklig zueinander stehen. Dadurch ist ein Abfangen der Lagerkräfte sowohl in horizontaler als auch in vertikaler Richtung möglich.
Bei der Abwandlung von 7B besteht die Befestigungsvorrichtung ebenfalls aus zwei Dreiecken, wobei das in vertikaler Richtung wirkende Dreieck oberhalb des Lagers ausgebildet ist.
Sinngemäß wird die Lagerbefestigung spiegelbildlich ausgeführt, sollte die Schnecke im entgegengesetzten Drehsinn gefertigt sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 4139134 A1 [0002]

Claims

Schneckenkörper für eine Wasserkraftanlage mit einem Zentralrohr (15) und Schneckenflügeln (9), die auf dem Zentralrohr (15) spiralförmig angeordnet sind, so dass mindestens ein Schneckengang ausgebildet ist, gekennzeichnet durch ein über die Längserstreckung des Schneckenkörpers (2) verändertes Kammervolumen der Schneckengänge.
Schneckenkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schneckenkörper (2) einen Wassereintrittsbereich aufweist zum Zuführen von Wasser und einen Wasseraustrittsbereich (10) zum Abführen von Wasser, wobei das Zentralrohr (15) im Wasseraustrittsbereich (10) einen veränderten Durchmesser aufweist als in einem oberen Bereich und/oder die Schneckenflügel (9) im Austrittsbereich (10) eine veränderte radiale Höhe haben als im oberen Bereich.
Schneckenkörper nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Zentralrohr (15) einen konischen Abschnitt zwischen dem oberen Bereich und dem Wasseraustrittsbereich (10) aufweist.
Schneckenkörper nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Zentralrohr (15) eine oder mehrere Stufen zwischen dem oberen Bereich und dem Wasseraustrittsbereich (10) aufweist.
Schneckenkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Wasseraustrittsbereich im Schneckengang Zwischenflügel (21) angeordnet sind.
Schneckenkörper nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenflügel eine geringere radiale Höhe haben als die Schneckenflügel (9).
Schneckenkörper für eine Wasserkraftanlage mit einem Zentralrohr (15) und Schneckenflügeln (9), die auf dem Zentralrohr (15) spiralförmig angeordnet sind, wobei der Schneckenkörper (15) einen Wassereintrittsbereich aufweist zum Zuführen von Wasser und einen Wasseraustrittsbereich (10) zum Abführen von Wasser, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des Zentralrohrs (15) am Wassereintrittsbereich und/oder am Wasseraustrittsbereich konisch reduziert ist.
Schneckenkörper nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Schneckenflügel (9) bis in den oder die Bereiche mit konisch reduziertem Durchmesser erstrecken.
Wasserkraftanlage zur Erzeugung elektrischer Energie durch Umwandlung aus dem Höhenunterschied von Gewässern resultierender potenzieller Energie mit einem Schneckenkörper (2), einem, den Schneckenkörper ganz oder teilweise umschließenden Schneckentrog (11) und einem von dem Schneckenkörper (2) angetriebenen Generator (5), gekennzeichnet durch einen Schneckenkörper (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
Wasserkraftanlage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Form des Schneckentrogs (11) dem Schneckenkörper (2) derart angepasst ist, dass der Abstand zwischen dem Schneckentrog (11) und dem Schneckenkörper (2) im Wesentlichen gleich ist.
Wasserkraftanlage mit einem Schneckenkörper, einem Schneckentrog (11) und einem Generator (5), wobei der Schneckenkörper (2) ein unteres und ein oberes Lager (7, 6) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Befestigung (16; 24) des unteren Lagers (7) strömungsgünstig ausgestaltet ist.
Wasserkraftanlage nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das untere Lager (7) mindestens eine Stütze (16) aufweist, welche das Lager auf einem Boden unter dem Wasseraustrittsbereich abstützt.
Wasserkraftanlage nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das untere Lager (7) durch eine einseitige seitliche Befestigungsvorrichtung an einer Wand befestigt ist.
Wasserkraftanlage mit einem Schneckenkörper (2) und einem Schneckentrog (11), dadurch gekennzeichnet, dass für zumindest eine der folgenden Komponenten eine Vorrichtung zur Beheizung vorgesehen ist: – Leitbleche (17), – Lager (6, 7), – Lageraufnahmen, – Öl- oder Fettleitungen, – Traversen, – Rohrkörper.
Wasserkraftanlage nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Beheizung für eine Impulsbeheizung eingerichtet ist.
Wasserkraftanlage nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der folgenden Komponenten thermisch isoliert ist. – Leitbleche (17), – Lager (6, 7), – Lageraufnahmen, – Öl- oder Fettleitungen, – Traversen, – Rohrkörper.