DE3220833C2 - Als Energiewandler ausgebildete Wasserturbine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Wasserturbine nach den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruchs 1.

In der heute angewendeten Technik der Energieerzeugung durch Wasserkraft existiert technologisch von einfachen Anlagen wie Wasserrädern zu Turbinenanlagen mit komplexen Regel-, Steuer- und Schalteinrichtungen zur Stromerzeugung ein ungeheurer technologischer Sprung, der aus Sicht der Investitionskosten wie der maschinentechnischen Ausrüstung, Betreuung, Betrieb und Wartung aus zweierlei Gründen schwere Probleme aufwirft:

Zum einen sind kleine Ressourcen nicht nutzbar wie z. B. kleine Bachgefälle, weil die Investitionskosten zu hoch sind, zum anderen bedeuten die komplizierten Maschinenanlagen insbesondere für unterentwickelte Regionen eine kaum zu beherrschende Komplexität wobei sich beim Umsetzen in elektrische Energie zusätzliche Wirkungsgradverluste in der Erzeugung, Übertragung und Wiederverwendung ergeben.

Wenn unter Verzicht auf Stromerzeugung eine Wasserturbine eine Arbeitsmaschine direkt treibt, gestaltet sich der Betrieb in der Regel auch unwirtschaftlich, da die Anlage nur während der Betriebszeit der Arbeitsmaschine genutzt werden kann.

Es wird heute eine Lösung gemäß DE-OS 30 45 099 angeboten, dort wo Arbeitsmaschinen stillgelegt werden oder sind, den Turbinenabtrieb über zusätzliche Getriebe oder Vorgelege mit Kupplungen oder Gelenkwellen für den Antrieb eines separaten Heizaggregates zu nutzen. Dieses Aggregat besteht aus einem separaten Energiewandler, mit Rotor und Stator einen Arbeissraum bildend, der mit Öl als Arbeitsmittel gefüllt ist. Dieser Wandler ist in einen Wärmetauscher eingebaut und gibt über Außenrippen die im Wandler erzeugte Wärme an einen separaten Heizkreislauf mit Wasser ab. Dieser bedarf einer separaten Umwälzpumpe.

Die Anlage mit ihren vielen Komponenten ist sehr aufwendig, voluminös und daher schwierig zu transportieren und zu installieren. Die vielen Komponenten in Einzelinstallation erhöhen die Störanfälligkeit. Die individuelle Gestaltung jeder Antriebsanlage erlaubt keine optimale Ersatzteilhaltung und erschwert den Bezug der Schmieröle, Austauschöle etc.

to Die Heizanlage wird als Ersatz für stillgelegte Arbeitsmaschinen angeboten und sieht den alternativen Betrieb als Arbeitsmaschine nicht vor, erlaubt auch kernen direkten Arbeitsabtrieb.
Durch die gravierenden Nachteile des aufwendigen

u und damit teuren Gerätes konnte keine Markteinführung stattfinden, die auch nur annähernd in Relation zu dem großen Potential stünde.

Es ist weiterhin ein Gerät bekannt, das gemäß AT-PS 3 59 158 überschüssige Energie von Wasserturbinen in Hilfsflüssigkeiten auf hydraulischem Weg absorbiert Die aufwendigen Prozesse über Hydraulikmotoren und Pumpen eignen sich jedoch nicht, wenn es sich um wirtschaftliche Wärmegewinnung und Leistungsverzweigung für direkte Abtriebe handelt.

Der Erfinder hat es sich zur Aufgabe gemacht bei einer Anlage gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 die technologische Lücke zu schließen, indem er eine robuste und wegen ihrer Kompaktbauweise wartungsfreie und einfach zu installierende Anlage konzipiert.

Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst

Die Wasserturbine bildet den Arbeitsraum für die Wärmeerzeugung durch die Ausbildung des rückseitigen Laufrades als Rotor {\a) und durch den gerippten Druckdeckel (2) als Stator {2a), in dem zugleich Vor- und Rückiaufstutzen (4a, 4ö/ für die Zirkulation der Arbeitsflüssigkeit angeordnet sind. (Darstellung in F i g. 1 ). Bei voller Beschickung des Arbeitsraumes wird die gesamte Drehenergie an der Turbinenwelle (7) in Wärme verwandelt Bei entleertem Arbeitsraum steht die gesamte Energie der Wasserturbine an dem Wellenabtrieb als mechanische Energie zur Verfügung. Bei Teilfüllung wird die Energie in Wärme- und mechanische Leistung verzweigt.

Durch diese Anordnung ist es gelungen, unter Einsparung von Kupplung, Getrieben, Zwischenkreisläufen und Wärmeaustauscher die dreifache Energienutzung für Wärmeerzeugung, mechanischen Abtrieb sowie Leistungsverzweigung in einem Kompaktaggregat zu vereinen.

Durch diese Kombination wird eine vollständige Nutzung des Energie-Potentials ermöglicht, das die Wirtschaftlichkeit von Turbinenanlagen erheblich verbessert.

Weiterhin ist es das Anliegen der vorliegenden Erfindung, weitgehend auf die in der Pumpen- und Wandlertechnik ausgereiften Prinzipien zurückzugreifen und durch weitgehende Verwendung von Serienteilen bzw. Serienaggregaten die Anlage zuverlässig, wartungsfreundlich und preisgünstig zu gestalten. So dienen z. B. als Grundaggregat der Turbine, die nach DIN 24 255 gefertigten Normpumpen mit ihren flächendeckenden Programmen. Dies ermöglicht die Wahl einer geeigneten Maschine für die jweils vorliegenden Betriebsbedingungen.

Es ist charakteristisch für Pumpen, daß auf der Rückseite der Laufräder zwischen Nabe und dem äußeren Durchmessser angegossenen, weit vorspringenden

Dichlring ein freier Raum vorhanden ist, in dem die Rotorschaufeln des Energiewandlers ohne zusätzlichen Raumbedarf untergebracht werden können. Ebenso ergibt sich ein Freiraum auf der Innenseite des Druckdekkels wenn statt Packungsstopfbüchsen eine raumsparende Gleitringdichtung vorgesehen wird.

Diese Raumvorteile ausnutzend, konnte der komplette Energiewandler ohne zusätzliche Teile in die Pumpe integriert werden, die sogar im Lagerstuhl (6) in ihrer ursprünglichen Form erhalten bleibt

Es wird also ein neues Aggregat, der Energiewandler als Wärmeerzeuger, oh«e zusätzliche Komponenten in der Turbine (Kraftmaschine) integriert.

Aus dem dichten Raster des Normpumpenangebotes kann eine geeignete Pumpenhydraulik für die vorliegenden Betriebsbedingungen der Turbine ausgewählt werden. Die Drehzahl ist dabei so auszuwählen, daß der Wärmewandler ohne Zwischengetriebe mit gleicher Drehzahl betrieben wird.

Vorteilhaft ist weiterhin, daß eine Regelung der Türbine zur Leistungsanpassung nicht erforderlich ist, da man Wärme mit dem ganzen Energiedargeboi.-erzeugen kann und sogar bei Betrieb einer Arbeitsmaschine die Restenergie in Wärme abgeben kann.

Diese Verhältnisse schaffen optimale Bedingungen für den Einsatz von Pumpen als Turbinen.

Die gemäß der Erfindung ausgebildete Turbine für Verbundbetrieb eröffnet ideale Möglichkeiten für gewerbliche Betriebe, die den Direktantrieb tagsüber für die gewerbliche Nutzung wie Mahlen, Sägen zur Verfügung haben und außerhalb dieser Nutzungszeiten eine Heizung betreiben könnten.

In entlegenen Regionen, die von der Elektrifizierung noch nicht erreicht sind, — in Entwicklungsländern vielfach auch in naher Zukunft auch noch nicht erreicht werden können, — bietet sich bei der Treibstoffverknappung die Erfindung an, um zum einen Kraft zu erzeugen und zum andern zu heizen mit erneuerbaren Energiequellen.

In verkarsteten Gebirgsregionen gewinnt bei der alarmierenden Holzverknappung die Heizungskomponente bedeutende Dimensionen. Der Bedarf der Arbeitsmaschine für Sägen, Mahlen, Dreschen im Sommer und Herbst wird ergänzt durch die Heizung im kalten Winter, in dem kaum Bedarf für eine Arbeitsmaschine besieht.

Mit der Erfindung wird eine Lösung angeboten, einen Teil der stillgelegten Kleinanlagen, die in Deutschland allein auf über 10 000 beziffert sind, wieder wirtschaftlich zu nutzen. Mit vorhandenen Bachableitungen, Maschinenräumen, eingetragenen Wasserrechten sind Voraussetzungen für die Wiedernutzung gegeben und die Investitionen primär auf die Renovierung des baulichen Teils und Ersatz von Maschineneinrichtung beschränkt. Die Nutzung der regenerativen Energiequellen führt zur direkten Einsparung von fossilen Brennmaterialien (Holz, öl, Kohle), was erklärtes Ziel der gegenwärtigen Energiepolitik ist.

Weltweit lassen sich in den energiearmen gebirgigen Regionen der Schwellen- und Entwicklungsländer mit dem Einsatz dieser Erfindung in einer angepaßten Technologie Energiepotentiale großer Dimension erschließen. Nicht zuletzt sei der Entwicklungseffekt in den rückständigen Regionen aufgeführt, der durch Bereitstellung von Arbeitsmaschinen ausgelöst wird.

Hierzu I Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Wasserturbine mit einem Francislaufrad als Energiewandler ausgebildet, mit einer Leistungsverzweigung für den Antrieb einer Welle und/oder einer Vorrichtung zur Erzeugung von Wärme, dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeitsraum für den Energiewandler durch die als Rotor ausgebildete Rückseite des Laufrades {ta) einerseits und durch einen als Stator {2b) ausgebildeten Druckdeckel (2) andererseits gebildet wird, der mit Dichtungen (3a, 3b) abgeschlossen ist und über Vor- und Rücklaufstutzen (4a, Ab) mit einer Flüssigkeit beschickbar ist, wobei der Füllungsgrad zur Leistungsverzweigung zusätzlich veränderbar sein kann.

Z Wasserturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorschaufeln {ta) der Vorrichtung zur Erzeugung von Wärme an der Rückseite des Lauirades angeordnet sind.

3. Wasserturbine nach Anspruch i und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckdeckel (2) einen durch Dichtungen verschließbaren Arbeitsraum bildet, wobei der Stator der Vorrichtung zur Erzeugung von Wärme durch Innenrippen am Druckdekkel gebildet wird.

4. Wasserturbine nach den Ansprüchen 1,2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Verwendung der aufgeheizten Flüssigkeit als Wärmeträger für eine Heizung die Umwälzung der Flüssigkeit durch die Vorrichtung zur Erzeugung von Wärme selbst erfolgt