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Beschreibung:
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Die Erfindung betrifft eine hydroelektrische Anlage oder ein Gezeitenkraftwerk
mit sehr geringer Gefällhöhe.
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Sehr geringe Gefällhöhen können nur von Flügelradturbinen genutzt
werden, und bei üblichen Auslegungen sind die Turbinen mit aufwendiger und teurer
Ingenieurarbeit verbunden. Man kann sie durch eine als Heber bzw. Syphon dienende
Einrichtung vereinfachen, jedoch handelt es sich hierbei um Leitungen, die teuer
sind und sich drüberhinaus noch schlecht für eine Leistungsregelung durch Neigungsveränderung
der Wassereinlaßschaufeln eignen.
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Die Erfindung zielt darauf ab, diese Schwierigkeiten zu überwinden
und eine speziell einfach konstruierte Anlage zu schaffen, die mit geringen Gestehungskosten
verbunden ist und dennoch betriebszuverlässig arbeitet.
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Erfindungsgemäß zeichnet sich eine hydroelektrische Anlage oder ein
Gezeitenkraftwerk mit sehr niedriger Gefällhöhe, die wenigstens eine Flügelradturbine
aufweist, die einen festen Teil hat, der an seinem Umfang einen Schaufelkranz für
den Wassereinlauf und unmittelbar darunterliegend das Flügelrad trägt, dadurch aus,
daß der den Schaufelkranz für den Wassereinlaß tragende feste Teil direkt in die
höher gelegene Kammer ohne Wirbelbildung eintaucht, und daß dieser Teil derart hoch
angeordnet ist, daß der obere Teil des Generators oder der Anordnung, bestehend
aus Generator und Übersetzungsgetriebe, frei von Wasser ist, das mit der Turbine
gekoppelt ist, indem ein dichter Mangel bzw. ein Schutzmantel mit ausreichender
Höhe
diese Anordnung umgibt.
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Die Achse der von der Turbine und dem Generator gebildeten Baugruppe
ist vertikal oder in Richtung des höher gelegenen Teils stark geneigt.
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Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist die Turbine mit einem
Wasseraustrittskonus verbunden, der derart gekrümmt ist, daß eine Wasserverschiebung
bzw. -verdrängung zu dem tiefer gelegenen Teil frei möglich ist, ohne daß das Wasser
auf den Boden des tiefer gelegenen Schleusenteils trifft.
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Jede Turbine ist in einem kurzen Kanal angeordnet. an dessen Eingang
ein Schutzgitter angebracht ist, und dessen Ausgang mittels einer Flächensektion
versperrt ist. Dieser Kanal befindet sich auf einem Wehr bzw. einem Staudamm oder
auf einer Wand, die zur Teilung der Ableitungsumleitung des Wasserlaufs dient, und
der Wasseraustrittskonus der Turbine durchsetzt den Teil, der tiefer als der Boden
des Kanals ist. Die Kanäle, die auch die Turbinen aufnehmen, sind mittels Flächensektionen
getrennt, die sich plötzlich in ihre aufgerichtete Lage oder in ihre abgesenkte
Lage bei Hochwasser schwenken können. Die Flächensektionen, die die Kanäle an der
stromabwärtigen Seite verschließen, können sich auch in die aufgerichtete Lage oder
in eine zurückgesetzte Lage gleichfalls verschwenken. Der der Wasserströmung bzw.
dem Hochwasser ausgesetzte Abschnitt wird durch die Turbinen nur geringfügig verengt,
so daß dieselben ohne größeren konstruktiven Aufwand eingebaut werden können.
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Der Boden der Kanäle neigt sich zur tiefer liegenden Seite, während
ihre Seiten breiter werden, wodurch erreicht wird, daß der der Wasserströmung ausgesetzte
Querschnitt praktisch nahezu nicht verengt wird.
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Bei einem großen Staudamm, beispielsweise einem Gezeitenkraftwerk,
befinden
sich die Kränze der Wassereintrittsschaufeln unmittelbar unter der oberen Zwischenwand,
unter der der Druck des höher liegenden Teils herrscht, und der Wasseraustrittskonus
durchsetzt schräg eine untere Zwischenwand,die dieunteren Kammern begrenzt, die
in Verbindung mit dem tiefer liegenden Teil stehen. Die Verbindung mit dem höher
liegenden Teil wird mittels Schützen gesperrt, deren Öffnung bei dem Durchgang von
Hochwasser oder bei einem Gezeitenkraftwerk die Wasserstandhöhen ausgleicht.
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Die Abmessungen und somit die Kosten der Schütze lassen sich dank
der in Längsrichtung verlaufenden, profilierten Senkkästen senken, die mit schwerem
Material gefüllt sind und auch zur Stabilität des Staudamms bzw. des Wehrs beitragen.
Diese Senkkästen sind derart angeordnet, daß sich der Kanal im Bereich des Schützes
verengt und dann anschließend wieder erweitert, wobei die Verengung und die Erweiterung
so progressiv gewählt sind, daß keine Druckverluste auftreten, so daß bei einem
stark verengten Querschnitt etwa der gleiche Durchsatz wie bei einem Schütz vorhanden
ist, der den gesamten Eintritts- oder Austrittsquerschnitt des Senkkastens einnimmt.
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Zweckmäßigerweise ist jede Turbine mit einer Geschwindigkeitsregeleinrichtung
ausgerüstet, die eine Überlastung bei einer Netzunterbrechung verhindert und die
von einem Kranz mit schwenkbaren Flügeln, die zwischen der sich drehenden Nabe der
Turbine angeordnet sind,und einem festen Abschnitt gebildet wird, der sich unmittelbar
über dieser Nabe befindet. Im Normalbetrieb sind die Flügel in Bewegungsrichtung
ausgerichtet, d.h.
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sie stoßen mit ihren Enden aneinander, so daß sie der Drehbewegung
keinen Widerstand entgegensetzen. Wenn hingegen die Geschwindigkeit einen vorbestimmten
Grenzwert überschreitet, bewirkt die auf die als Fliehgewicht dienendenGießaufsätze
ausgeübte Zentrifugalkraft eine Verdrehung der Flügel, so daß sich dieselben radial
ausrichten, wobei die Flügel in dieser
Stellung die Drehbewegung
bremsen. Der feste Teil, der sich unmittelbar über der Nabe befindet, trägt einen
Kranz mit radialen festen Rippen bzw Flügeln, die sich in unmittelbarer Nähe der
zuvor genannten schwenkbaren Schaufeln bzw. Flügel befinden. Wenn die letztgenannten
radial ausgerichtet sind, bildet die Anordnung eine wirksame FROUDE-Bremse 2 die
eine Leistung mit minimalem Volumen aufnimmt.
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Ein bevorzugter Gedanke der Erfindung liegt in einer hydroelektrischen
Anlage oder in einem Gezeitenkraftwertk mit einer sehr geringen Gefållhöhe, die
wenigstens eine Flügelradturbine aufweist, die ein festes Teil hat, das an seinem
Umfang einen Schaufelkranz für den Wassereinlauf und unmittelbar unterhalb des spiralförmigen
Turbinenlaufrads trägt.
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Der feste Teil, der den Schaufelkranz am Wassereinlauf trägt, ist
direkt in die höher gelegene Kammer ohne Wirbelbildung eingetaucht. Dieser Teil
ist so ausreichend hoch angeordnet, daß der obere Teil des Generators oder der Anordnung,
bestehend aus Generator und Übersetzungsgetriebe, das mit der Turbine gekoppelt
ist, aus dem Wasser austritt, indem ein zur Abdichtung dienender Mantel mit ausreichender
Höhe die. Anordnung umgibt.
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Vorzugsweise ist der Wasseraustrittskonus, der mit der Turbine verbunden
ist, unter einem Winkel gekrümmt, der ausreicht, daß der Wasseraustritt nicht auf
den Boden der tiefer liegenden Wasserhaltung trifft.
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Die Erfindung wird nachstehend an Beispielen unter Bezugnahme auf
die beigefügte Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt: Fig. 1 eine Vertikalschnittansicht
einer hydroelektrischen Anlage nach der Erfindung mit einem Wehr bzw. Staudamm
an
einem Wasserlauf, Fig. 2 eine Draufsicht auf die hydroelektrische Anlage nach Fig.
1, Fig. 3 eine perspektivische Ansicht einer hydroelektrischen Anlage gemäß Fig.
1, die mit einer Schleuse bzw.
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Ableitungsumleitung versehen ist, Fig. 4 eine Vertikalschnittansicht
einer hydroelektrischen Anlage nach der Erfindung mit einem Gezeitenkraftwerk, Fig.
5 eine Horizontalschnittansicht des Gezeitenkraftwerks längs der Linie V-V in Fig.
4, Fig. 6 eine Axialschnittansicht einer Schützeinrichtung als Überlastungsschutz
für eine Turbine, und Fig. 7 eine Ausschnittsansicht zur Verdeutlichung der Arbeitsweise
der in Fig. 6 gezeigten Einrichtung.
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Die in den Fig. 1 und 2 gezeigte hydroelektrische Anlage nach der
Erfindung hat ein Wehr bzw. einen Staudamm 1, der einen Wasserlauf derart aufstaut,
daß sich eine geringe Gefällhöhe ergibt. Auf diesem Wehr befinden sich ein oder
mehrere benachbarte Kanäle 2, die mit dem höher gelegenen Teil über ein oder mehrere
Gitter 3 verbunden sind und an der stromabwärtigen Seite auf Pfosten 4 aufliegen.
Jeder Kanal 2 ist an
seiner stromabwärtigen Seite mittels einer
vertikalen Flächensektion 5 verschlossen, die um eine horizontale und transversale
Achse 6 schwenkbeweglich angeordnet ist, die so tief liegt, daß bei dem geringsten
Niveauanstieg des Wassers in dem Kanal 3 diese Flächensektion aus ihrem Gleichgewichtszustand
kommt, um eine Öffnung zu bewirken, so daß sichergestellt wird, daß selbst die Strömung
bei steigendem Wasser ohne Niveauüberhöhung am höher gelegenen Teil aufgenommen
werden kann. Weitere ähnliche Flächensektionen 7, die um horizontale und transversale
Achsen 8 gelenkig gelagert sind, verschließen die Zwischenräume zwischen den Kanälen
3 und stellen dieselbe Arbeitsweise sicher. Der Schwerpunkt der Flächensektion 5
und 7 liegt unter den Schwenkachsen 6,8 um sicherzustellen, daß ein automatisches
Heben bzw. Aufrichten dieser Flächensektionen erreicht wird, wenn die Niveauüberhöhung
an dem höher gelegenen Teil wieder zurückgeht.
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Die zuvor beschriebene hydroelektrische Anlage hat in jedem Kanal
2 eine Turbine 9, die in das in dem Kanal vorhandene Wasser eintaucht, der die höher
gelegene Kammer bildet. Die Turbine 9 betreibt unter Zwischenschaltung eines ubersetzungsgetriebes
10 einen Generator 11, der über der Turbine 9 angeordnet ist. Das Übersetzungsgetriebe
-10 und der Generator 11 sind von einer zylindrischen Hülle bzw. Mantel 12 umgeben,
der an dem Gehäuse 13 der Turbine befestigt ist und einen Schaufelkranz 14 für den
Wassereinlauf trägt, dessen Schaufeln fest oder beweglich sind. Der Mantel 12 isoliert
die so von dem Übersetzungsgetriebe 10 und dem Generator II gebildete Anordnung
von dem umgebenden Wasser, und der obere Abschnitt des Mantels 12 und des Generators
11 steht über den Wasserstand in der höher gelegenen Kammer hervor.
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Die Achse der Turbine 9 und des Generators 11 kann vertikal oder stark
in Richtung auf den höher gelegenen Teil geneigt
sein, wie dies
in den Fig. 1 und 2 gezeigt ist. Die geneigte Anordnung gestattet, daß der Strömung
zu Beginn eine Richtung zu dem tiefer gelegenen Teil erteilt wird. Auch gestattet
diese Anordnung, daß man von einem seitlichen Laufsteg 13 einen leichten Zugang
hat, der sich transversal über alle Kanäle 3 der höher gelegenen Seite zu einem
Handrad 15 erstreckt, mit dem der Durchsatz durch die Turbine 9 mit Hilfe einer
entsprechenden Verstellung der Eintrittsschaufeln oder der Leitschaufeln bzw. Leiteinrichtungen
14 regelbar ist.
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Die Turbine 9 ist in dem Eintrittsorgan eines Austrittskonus 16 angeordnet,
der aus zwei Abschnitten sich zusammensetzt, die zueinander einen stumpfen Winkel
einschließen, so daß sich ein oberer kegelstumpfförmiger Abschnitt 16a bildet, der
den Boden 2a des Kanals 2 an seiner stromabwärtigen Seite durchsetzt und sich ein
unterer kegelstumpfförmiger Abschnitt 16b bildet. Die oberen und unteren kegelstumpfförmigen
Abschnitte 16a und 16b sind über ein Kniestück bzw.
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ein Krümmungsstück 16c miteinander verbunden.
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Der kegelstumpfförmige Austrittsabschnitt 16b ist derart ausgerichtet,
daß die Wasservorlage frei in Richtung zu dem tiefer liegenden Teil gebündelt wird,
ohne daß sie auf den Boden 17 des tiefer liegenden Schleusenteils trifft.
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Fig. 3 zeigt eine hydroelektrische Anlage nach der Erfindung, die
mit einer Ableitungsumleitung 18 zur Wasserhaltung gekoppelt ist. Auf der Seite
des Endes dieser Ableitungsumleitung befindet sich eine Wand, in der Einschnitte
bzw.
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Kerbungen 19 ausgebildet sind, zwischen denen kurze Kanäle 20 gebildet
werden, die über Gitter 21 mit der Ableitungsumleitung 28 verbunden und an ihren
stromabwärtigen Enden verschlossen sind. Der Boden 22 jedes Kanals 20 ist von dem
Austrittskonus 16 jeder Turbine 9 durchsetzt, dessen Achse
wie
bei der Zu.führungsform nach den Fig. 1 und 2 geneigt ist. Der von der jeweiligen
Turbine 9 betriebene Generator 11 ist ebenfalls von einem Isoliermantel 12 umgeben
und springt am Ende die Decke 23 jedes Kanals 20 durchsetzend vor. Laufstege 24
verbinden die Einschnitte 19 untereinander, damit eine Reinigung möglich ist.
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Nachstehend wird unter Bezugnahme auf die Fig. 4 und 5 eine Anwendungsform
der hydroelektrischen Anlage nach der Erfindung für ein Gezeitenkraftwerk näher
erläutert. Bei dieser Anwendungsform ist der verfügbare Platz wichtig,und darüberhinaus
handelt es sich um Baugruppen mit relativ großen Abmessungen. Zur Vereinfachung
der Handhabung und Wartung sind die Baugruppen mit vertikalen Achsen angeordnet.
Jede Gruppe bzw. Baugruppe 31 ist mit einer vertikalen Achse auf einem oberen Zwischenbogen
32 angebracht. Unmittelbar unter diesem Zwischenboden 32 befindet sich ein Schaufelkranz
33 für den Wassereintritt, der die Turbine, d.h. deren vertikale Achse 34, umgibt.
Das Gezeitenkraftwerk hat auch einen unteren Zwischenboden 35, der in Verbindung
mit dem oberen Zwischenboden 32 eine Kammer 36 bildet, in der der Druck des höher
gelegenen Teils herrscht. Jede Baugruppe 31 ist auf einem aus Beton bestehenden,
knieförmig gekrümmten Konus 37 installiert, dessen unterer Abschnitt die untere
Zwischenwand 35, und zwar schräg in Richtung auf den tiefer gelegenen Teil, durchsetzt.
Unter der unteren Zwischenwand 35 sind untere Kammern 38 gebildet, die zur Uferseite
offen sind.
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In Längserstreckung sind längs verlaufende, profilierte Senkkästen
39 angeordnet, die auf der Achse der Viezahl von Kammern 38 liegen, und es sind
Schütze 40 zwischen den in Längsrichtung verlaufenden, profilierten Senkkästen 39
und den Querwänden der Kammern 38 angeordnet, die um eine vertikale Achse schwenkbar
sind. Die Schütze 40 sind auch über einer profilierten Schwelle 41 angeordnet. Die
Schütze 40
gestatten, daß der Wasserstand am Ende der Betriebsperioden
der Turbinenanlage vor der Durchströmungsumkehr egalisiert wird. Die maximalen,
mittleren und minimalen Wasserstände sind in der Zeichnung jeweils mit 42,43 und
44 bezeichnet.
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Die in Längsrichtung verlaufenden profilierten Senkkästen 39 sind
zweckmäßigerweise mit schwerem Material gefüllt und dienen auch zur Gewährleistung
der Stabilität des Wehrs.
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Diese Senkkästen ermöglichen eine Abmessungsverringerung, die eine
kostengünstigere Auslegung der Schütze 40 mit sich bringt.
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An dem stromauf des Gebäudes des Gezeitenkraftwerks liegenden oberen
Abschnitt ist eine schräge Wand 15 vorgesehen, die den Maschinenraum 46 abschließt.
Dank der Schräge der Wand 45 trägt die Weiterbildung der Wellen in Breitenrichtung
nicht zu einem Umstürzen bzw. Umkippen des Wehrs bei.
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Unter Bezugnahme auf die Fig. 6 und 7 soll die Geschwindigkeitsregeleinrichtung
erläutert werden, die gestattet, daß eine Überbelastung der Turbine 9 bei einer
Netzunterbrechung vermieden wird. Diese Regeleinrichtung weist einen Kranz von radialen,
festen Rippen bzw. Flügeln 51 auf, die an der unteren Seite an einer festen, transversalen
Seitenwand 52 abgestützt sind. Diese transversale Seitenwand wird in axialer Richtung
von einem fest mit der Nabe 54 der Turbine verbundenen Mantel 53 durchsetzt, der
unter der festen transversalen Seitenwand 52 liegt. Der axiale Mantel 53 ist fest
mit einer Eingangswelle 55 des Übersetzungsgetriebes 10 verbunden.
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Dem Kranz von festen radialen Schaufeln 51 liegt ein zweiter Kranz
von beweglichen Schaufeln 56 gegenüber, wobei die beiden Kränze den gleichen Durchmesser
besitzen. Jede bewegliche Schaufel 56 ist um eine Achse 57 schwenkbar an einer beweglichen,
transversalen
Seitenwand 58 angeordnet, die von einem axialen und mittig liegenden Mantel 53 durchsetzt
wird und an der Nabe 54 des Turbinenlaufrads der Turbine 9 befestigt ist. Jede Achse
57 einer schwenkbaren Schaufel 56 durchsetzt die bewegliche Seitenwand 58, und an
ihrem unteren Ende ist diese Achse fest mit einem radialen Arm 59 verbunden, der
an seinem Ende einen Gießaufsatz 60 als Fliehgewicht trägt. An diesem Arm ist ein
Ende einer Stellfeder 61 angehängt, deren anderes Ende an einem festen Punkt der
Seitenwand 58 angebracht ist.
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Im Normalbetrieb, d.h. solange die Turbine 9 sich mit einer niedrígeren
Xschwindigkeit als einer vorgegebenen Grenzgeschwindigkeit bewegt, sind die schwenkbaren
Schaufeln 56 in Richtung ihrer Drehbewegungsrichtung ausgerichtet, d.h., ihre Enden
stoßen unter Bildung eines Kreises aneinander, wie dies in Fig. 7 mit durchgezogenen
Linien gezeigt ist. Somit wirken die Schaufeln 56 der Drehbewegung des Rotor der
Turbine nicht entgegen. Wenn jedoch die Geschwindigkeit größer als der gewünschte
Grenzwert wird, überwindet die nunmehr auf die als Fliehgewicht dienenden Gießaufsätze
60 einwirkende Zentrifugalkraft, die von der Feder 61 aufgebrachte Reaktionskraft,
so daß sich die als Fliehgewichte dienenden Gießaufästze 60 und demzufolge die Schaufeln
56 in Richtung der Pfeilspitze verschwenken, die in Fig. 7 eingetragen sind. Diese
Schaufeln 56 nehmen nunmehr radiale Lagen ein, wie in gebrochenen Linien in Fig.
7 gezeigt.
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In dieser Lage bilden die beweglichen Schaufeln 56 und die festen
Schaufeln 51, die ebenfalls radial ausgerichtet sind, eine wirksame FROUDE-Bremse,
die von dem minimalen Volumen eine Leistung aufnimmt.
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Wie sich aus den Fig. 1 und 2 ergibt, vergrößert sich jeder Kanal
3, in den eine Turbine 9 eintaucht, in vertikaler und horizontaler Richtung von
dem höher zu dem tiefer gelegenen
Teil, oder anders ausgedrückt,
der Boden 2a jedes Kanals nimmt ab und die Breite nimmt im Bereich der Turbine 9
derart zu, daß der Strömungsquerschnitt bei steigendem Wasser bzw.
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Hochwasser nicht durch diese Turbine 9 verengt wird.