DE3244816A1

DE3244816A1 - Anlage zur gewinnung von mechanischer energie aus wasserkraft

Info

Publication number: DE3244816A1
Application number: DE19823244816
Authority: DE
Inventors: Isamu Hitachi Ibaragi Kihata
Original assignee: KAWAGUCHI SPRING Manufacturing CO Ltd
Current assignee: KAWAGUCHI SPRING Manufacturing CO Ltd
Priority date: 1981-12-03
Filing date: 1982-12-03
Publication date: 1983-06-16
Also published as: US4472937A; GB2110764B; PH19335A; DE3244816C2; JPS5896180A; CA1185876A; GB2110764A

Description

Anmelder: Kawaguchi Spring Manufacturing Company Ltd, 10-19 Aoki 3-chome, Kawaguchi-shi, Saitama-ken
Japan

Bezeichnung: Anlage zur Gewinnung von mechanischer Energie aus Wasserkraft

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Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Anlage zur Erzeugung von mechanischer Energie aus Wasserkraft, und zwar insbesondere für den Einsatz in Flußläuten.

Aus bekannten Gründen wird neuerdings verstärkt versucht, Wasserkraft zur Energiegewinnung heranzuziehen» Die ver~ breiteteste Form der Energiegewinnung aus Wasserkraft ist heute die Erzeugung von elektrischer Energie mittels von von einem höheren Niveau zur einem niedrigeren Niveau strömenden Wasser gespeisten, Generatoren treibenden Turbinen. Hierbei handelt es sich in aller Regel um größere und dann auch aufwendigere Anlagen. An solchen Anlagen betriebene Weiterentwicklungen befassen sich dami^ bei geringen Niveauunterschieden zwischen Ober- und Unterwasser die zur Verfügung stehende potentielle Energie zu bündeln, zu verstärken usw. ■

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung das Bedürfnis nach einer Anlage zur Gewinnung in erster Linie von mechanischer Energie bei geringem Niveauunterschied zwischen Ober- und Unterwasser, also insbesondere in Flußläufen, zugrunde, die bei vergleichsweise einfachem

Aufbau, insbesondere unter Verzicht auf Turbinen, die Ausnutzung der dem Wasser innewohnende Energie auch bei vergleichsweise geringem Niveauunterschied zwischen Ober- und Unterwasser gestattet.

Dem Bedürfnis wird mit einer Anlage zur Gewinnung von mechanischer Energie aus von einem höheren Niveau zu einem niedrigeren Niveau fließendem Wasser, insbesondere in Flußläufen, bestehend aus einem im Wasser stehenden zylindrischen Behälter mit darin angeordnetem, bei zufließendem Wasser aufschwimmendem und bei abfließendem Wasser absinkendem Schwimmkörper Rechnung getragen, bei der erfindungsgemäß der zylindrische Behälter im Bodenbereich mit einer Zulauföffnung und mit einer Ablauföffnung versehen ist, die gegenläufig öffnen und schließen, und auf dem zylindrischen Behälter ein in Wirkverbindung mit dem Schwimmkörper stehendes, die translatorische Bewegung des Schwimmkörpers in eine Rotationsbewegung wandelndes mechanisches Getriebe, vorzugsweise ein Zahnstangentrieb, angeordnet ist, dem unter Einschaltung einer nur die vom aufschwimmenden Schwimmkörper herrührende Rotationsbewegung übertragenden Einwegkupplung _; eine Abtriebswelle nachgeordnet ist.

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Die Anlage nach der Erfindung stellt bei vergleichsweise einfachem und damit dann auch kostengünstigem Aufbau aus Wasserkraft gewonnene mechanische Energie zur Verfügung und das dann insbesondere auch bei geringem Niveauunterschied zwischen Ober- und Unterwasser« Sie bietet sich somit insbesondere für die Installation in Flußläufen an.

Zwei ein und dieselbe Abtriebswelle im Wechsel beaufschlagende Energie·» bzw. Bewegungswandler nach der Erfindung stellen die kontinuierliche Bereitstellung der mechanischen Energie sicher«

Vorteilhafte konstruktive Ausgestaltungen des Eneraie- bzw« Bewegungswandlers ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen und aus der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnungsbeschreibung.

Auch wenn der neue Energie- bzw. Bewegungswandler in erster Linie für die unmittelbare Bereitstellung von Arbeitsmaschinen treibender mechanischer Energie, mit anderen Worten, eines an der Abtriebswelle abgreifbaren Drehmoments vorgesehen ist, ist sein Einsatz in Zusammenhang mit dem Antrieb von Generatoren natürlich nicht ausgeschlossen.

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In der Zeichnung ist die Erfindung weitergehend erläutert Es zeigen:

Figur 1 den Energiewandler nach der Erfindung in einem Vertikalschnitt,

j Figur 2 das Bestandteil des Energiewandlers

bildende Getriebe in Draufsicht,

Figur 3 die Bestandteil des Energiewandlers bildende Steuerung für den Zu- und Ablauf des Wassers,

Figur 4 eine Einzelheit der Steuerung in Figur 3,

Figur 5 eine Zusammenstellung der verschiedenen

Arbeitsstufen des Energiewandlers, dargestellt an den entsprechenden Stellungen der Steuerung und des Betätigungsgestänges,

Figur 6 die Doppelanordnung des Energiewandlers in Ansicht,

Figur 7 einen Schnitt nach Linie VII-VII in Figur 6,

Figur 8 Prinzipdarstellungen verschiedener Arbeitspositionen des Energiewandlers,

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Figur 9 eine Einbaudarstellung des Energiewandlers,

Figur 10 eine Draufsicht auf die Darstellung in Figur 9.

Der Energiewandler besteht im wesentlichen aus dem etwa auf dem Grund eines Flußes aufgestellten zylindrischen Behälter 1, der im Bodenbereich mit einem verschließbaren Zulauf 3 und mit einem verschließbaren Ablauf 5 versehen ist, In dem Behälter 1 befindet sich ein Schwimmkörper 8, der unter der Einwirkung von bei geschlossenem Ablauf 5 und geöffnetem Zulauf 3 zufließendem Wasser aufschwimmt (Pfeil A in den Figuren 1 und 8) sowie bei geschlossenem Zulauf und geöffnetem Ablauf 5 abfließendem Wasser absinkt· (Pfeil A¹ in Figur 8). Eine Ringschulter 9 im unteren Teil des Behälters 1 begrenzt die Absenkbewegung des Schwimmkörpers 8, der Hub des Schwimmkörpers 8 bemißt sich nach dem Niveau, des Oberwassers, ggf. wird er begrenzt durch die Abdeckung 13 des Behälters 1,

Oberhalb der Abdeckung 13 befindet sich ein mechanisches Getriebe, das die Translationsbewegung des Schwimmkörpers 8 in Rotationsbewegung umsetzt und dann auch mittelbar das gegenläufige Öffnen und Schließen des Zulaufs 3 und

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des Ablaufs 5 im Bodenberoich des Behälters 1 bewirkt.

Die Umsetzung der Translationsbewegungen (Pfeile A, A') in Rotationsbewegungen (Doppelpfeil B) erfolgt durch einen von einer vom Schwimmkörper 8 ausgehenden, sich durch die Behälterabdeckung 13 erstreckenden und an einer von der Abdeckung 13 ausgehenden Führung 14 führenden Zahnstange 11 sowie von einem auf einer Welle 15 sitzenden Zahnrad 12 gebildeten Zahnstangentrieb 10 (insbesondere Figur 1).

Die an der Welle 15 anfallende, aus der Translationsbewegung im Sinne des Pfeiles Ä resultierende Rotationsbewegung wird beispielsweise einer Riemenscheibe 27 vermittelt, wobei die aus dem Absinken des Schwimmkörpers 8 (Pfeil A¹) resultierende gegenläufige Drehbewegung durch eine der Welle 15 zugeordnete Einwegkupplung 16 eliminiert wird. Ein zwischen der Welle 15 und der Riemenscheibe 2 7 vorgesehenes Übersetzungsgetriebe 17, das nach Figur 2 gebildet wird von den Zahnradsätzen 21/22 und 23/24, von denen das Zahnrad 21 auf der antriebsseitigen Welle 19, die Zahnräder 22 und 23 auf der Zwischenwelle 25 und das Zahnrad 24 auf der die Riemenscheibe 27 tragenden abtriebsseitigen Welle 26 sitzt, der dann auch noch eine Schwungscheibe 28 zugeordnet ist, erhöht die Drehzahl an der Riemenscheibe 27.

Nach Figur 2 wird das Übersetzungsgetriebe 17 von zwei Energiewandlern beaufschlagt, was in der Weise gelost ist, daß die von den Energiewandlern ausgehenden Wellen 15 über Kegelradgetriebe 18, 20 auf die sich zwischen ihnen erstreckenden Welle 19 einwirken, auf der das - Bestandteil" des Übersetzungsgetriebes 17 bildende eingangsseitige Zahnrad 21 sitzt» Die Energiewandler arbeiten um einen Hub des Schwimmkörpers versetzt zueinander, dergestalt, daß der Arbeitshub (Pfeil A), also der durch das Aufschwimmen des Schwimmkörpers bewirkte Hub, des einen Energiewandlers sich an den Arbeitshub des anderen Energiewandlers anschließt, woraus ein kontinuierlicher Betrieb resultiert.

Das wechselseitige Öffnen und Schließen der Zulauföffnung 3 und der Ablauföffnung 5 im Behälter 1 wird bewirkt durch der Zulauföffnung 3 und der Ablauföffnung 5 zugeordnete Verschlüsse 2/6 und 4/7, an deren Schließorganen β und 7 ein Betätigungsgestänge 32 über Gelenkhebel 30,31 angreift, das im Sinne des Doppelpfeiles C in Figur 3 nach oben bzw. nach unten verlagerbar und in der jeweiligen Endlage fixierbar ist (37, 38). Die Überführung des Betätigungsgestänges 32 in die jeweilige Endlage wird bewirkt durch den Druck von im oberen und im unteren Teil des Gestänges 32 vorgesehenen, spannbaren Federn 33, 34. Die Fixierung des Betätigungsgestänges 32 in der jeweiligen Endlage erfolgt durch in der Endlage in Rasten 39 bzw. 40 des Betätigungsgestänges

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32 unter Federdruck einrastende Klinken 40 bzw. 41.

Zur Steuerung, des Betätigungsgestänges 32 ist ein in Wirkverbindung mit dem Bestandteil des Energiewandlers bildenden mechanischen Getriebe stehendes Steuergestänge 43 vorgesehen, das einerseits mit Anschlägen 44, 45, die bei entsprechendem Hub (Doppelpfeil D in Figur 3) des Steuergestänges 43 gegen die Federn 33 bzw. 34 auflaufen und die sich gegen ein Widerlager 35 bzw. 36 abstützenden Federn bzw. 34 spannen, versehen ist und andererseits mit einem auf dem Steuergestänge 43 sitzenden Entriegelungselement 46, das bei Ende des jeweiligen Hubs des Steuergestänges 43 die Blockierung des Betätigungsgestänges 32 durch die Klinken 40, 41 aufhebt, so daß die gespannte Feder 33 bzw. 34 das Betätigungsgestänge 32 in die entgegengesetzte Endlage zu überführen vermag, in der es dann wiederum fixiert wird.

Betätigt wird das Steuergestänqe 43 durch den Schwimmkörper 8 über das Bestandteil des Energiewandlers bildende mechanische Getriebe. Hierzu wird von der Welle 15 über.die Untersetzung 48, 49 eine hin- und hergehende Drehbewegung, mit reduzierter Drehzahl auf eine Welle 50 übertragen, auf der ein Hebel 47 sitzt, dessen freies Ende durch einen sich in einem Langloch 5.·! am ireien Ende des Steuergestänges 43 führenden Bolzen 5L mit dem Steuergestänge 43 verbunden ist.

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Die hin- und hergehende Drehbewegung der Welle 50 vermittelt dem Hebel 4 7 eine dementsprechende Pendelbewegung (Doppelpfeil B¹ in Figur 3) aus der das Heben und Senken (Doppelpfeil D in Figur 3) des Steuergestänges 43 resultiert« Das Steuergestänge seinerseits bewirkt einerseits das Spannen der das Betätigungsgestänge 32 von der einen in die andere Endlage (Doppelpfeil C) verlagernden Federn 33/ 34 und andererseits die Aufhebung der Verriegelung des Betatigungs— gestänges 32 in der jeweiligen Endlage, an die sich die von den Federn 33, 34 bewirkte Verlagerung des Gestänges 32 anschließt.

Die Wirkungsweise des Energiewandlers ergibt sich aus der in Figur 5 dargestellten Abfolge.

(A) in Figur 5 entspricht dem Aufschwimmen des Schwimmkörpers. Das Schließorgan 6 des Behälterzulaufs ist geöffnet und das Schließorgan 7 des Behälterablaufs ist geschlossen. Das auf die Schließorgane 6 und 7 einwirkende, ihre jeweilige Stellung bestimmende Betätigungsgestänge 32 befindet sich in der unteren, die Öffnung des Zulaufs und die Schließung des Ablaufs bewirkenden Endlage und ist in dieser Endlage durch die Verriegelung 3 7 blockiert. Der aufschwimmende Schwimmkörper - hier erkennbar durch die Zahnstange 11 - vermittelt dem Bestandteil des Energiewandlers bildenden mechanischen Getriebe eine Drehbewegung, die an eine Riemen-

scheibe oder dergleichen weiter gegeben wird. Einher geht mit dem Aufschwimmen des Schwimmkörpers das Heben des Steuergestänges 43, das bei fortschreitendem Heben mit seinem Anschlag 44 die obere Rückstellfeder 33 des Betätigungsgestänges 32 spannt (B) und am Ende des Hubs, der mit der oberen Endlage des Schwimmkörpers zusammenfällt, mit seiner Entriegelungsvorrichtung 46 die Verriegelung 37 des Betätigungsgestänges 32 authebt, so daß die gespannte Feder 33 das Betätigungsgestänge 32 in die hierzu (A) entgegengesetzte obere Lage zu überführen vermag, wie das bei (C) dargestellt ist.

(C) stellt die Situation dar, in der der Arbeitshub des Schwimmkörpers beendet ist. Die Verlagerung des Betätigungsgestänges 32 in die obere Endlage, in der es dann durch die Verriegelung 38 blockiert ist, hat das Schließen des Behälterzulaufs und das Öffnen des Behälterablaufs bewirkt und das in dem Behälter befindliche Wasser fließt durch den Behälterablauf ab. Dementsprechend sinkt dann auch der Schwimmkörper ab. Die translatorische Bewegung des absinkenden Schwimmkörpers hat zwar auch eine zur vom Aufschwimmen des Schwimmkörpers herrührende Drehbewegung gegenläufige Drehbewegung zur Folge, diese steht jedoch nicht zur Energieversorgung zur Verfügung, sondern wird lediglich zur Be-

tätigung des Steuergestänges 43 in dieser Phase des Arbeitszyklus des Energiewandlers ausgenutzt. Durch diese gegen-r läufige Drehbewegung wird das Steuergestänge 43 abgesenkt« Mit fortschreitendem Absenken des Steuergestänges 43 kommt der Anschlag 45 des Steuergestänges 43 in Eingriff mit der unteren Rückstellfeder 34 des Betätigungsgestänges 32, die unter der Wirkung des Anschlags 45 bzw. des Steuergestänges 43 gespannt wird (D). Am Ende dieses Hubs des Steuergestänges, das mit der unteren Endlage des Schwimmkörpers zusammenfällt, wird die Verriegelung 38 durch die Bestandteil des Steuergestänges 43 bildende Entriegelungsvorrichtung aufgehoben, so daß die gespannte Feder 34 das Betätigungsgestänge 32 in die hierzu (C) entgegengesetzte untere Lage zu überführen vermag, wie das bei (E) dargestellt ist. Aus der Situation (E) ergibt sich durch den aus dem einsetzenden Aufschwimmen des Schwimmkörpers resultierenden Wechsel der Richtung der Translationsbewegung und dementsprechendem Wechsel der Rotationsbewegung wiederum die Situation (A), womit ein neuer Arbeitszyklus einsetzt.

Die keine Nutzenergie abgebenden Phasen (C) - (E) werden abgedeckt durch einen parallelgeschalteten Energiewandler, dessen Arbeitshub, also der aus dem aufschwimmenden Schwimm^ körper resultierende Hub, dementsprechend versetzt zum Arbeitshub des ersten Energiewandlers abläuft.

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Wie aus den Figuren 9 und 10 ersichtlich ist, kann an den Ablauf 5 (4) des Behälters 1 eine Ablaufleitung 54 angeschlossen sein, durch die ein größerer Niveauunterschied zwischen Oberwasser und Unterwasser hervorgerufen werden kann, aber auch der Ablauf des Wassers erfolgt, wenn aus dem Behälter 1 eine Art Staumauer gebildet wird.

Mit 53 ist eine Verkleidung des am Umfang des Behälters 1 installierten Betätigungsgestänges 32 und des Steuergestänges 43 bezeichnet.

Claims

K 2 39

Patentansprüche
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1,- Anlage zur Gewinnung von mechanischer Energie aus von einem höheren Niveau zu einem niedrigeren Niveau fließendem Wasser, insbesondere in Flußläufen, bestehend aus einem im Wasser stehenden zylindrischen Behälter mit darin angeordnetem, bei zufließendem Wasser aufschwimmendem und bei abfließendem Wasser absinkendem Schwimmkörper, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (1) im Bodenbereich mit einer ZulaufÖffnung (3) und mit einer Ablauföffnung (5) versehen ist, die gegenläufig öffnen und schließen, und auf dem Behälter (1) ein in Wirkverbindung mit dem Schwimmkörper (8) stehendes, die translatorische Bewegung des Schwimmkörpers (8) in eine Rotationsbewegung wandelndes mechanischen Getriebe (10) angeordnet ist, dem unter Einschaltung einer nur die vom aufschwimmenden Schwimmkörper (8) herrührende Rotationsbewegung übertragenden Einwegkupplung (16) eine Abtriebswelle (19) nachgeordnet ist.
2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das mechanische Getriebe ein Zahnstangentrieb ist.
3. Anlage nach den Ansprüchen 1 und 2, gekennzeichnet durch zwei ein und dieselbe Abtriebswelle (19) im Wechsel beaufschlagende Energie- bzw. Bewegungswandler.
4. Anlage nach den Ansprüchen 1 bis 3, gekennzeichnet durch ein der Abtriebswelle (19) zugeordnetes Übersetzungsgetriebe (17).
5. Anlage nach den Ansprüchen 1 bis 4, gekennzeichnet durch ein das gegenläufige Öffnen und Schließen der Zu- und der Ablauföffnung (3,5) bewirkendes, vom Schwimmkörper (8) gesteuertes Betätigungsgestänge (32).
6. Anlage nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch ein vom Schwimmkörper betätigtes, einerseits das Betätigungsgestänge (8) verLagernde Federn (33, 34) spannendes und andererseits die jeweilige Endlage des Betätigungsgestänges (32) fixierende Verriegelungen (37, 38) in der jeweiligen Endlage des Schwimmkörpers (8) aufhebendes Steuergestänge (43).
7. Anlage nach den Ansprüchen 5 und 6, gekennzeichnet durch eine dem Steuergestänge (43) die aus dem Aufschwimmen und aus dem Absinken des Schwimmkörpers (8) am mecha-

NACHGEKEICHT

nischen Getriebe (10) resultierende hin- und hergehende Drehbewegung als ein das Heben und Senken des Steuergestänges (43) bewirkendes Pendeln vermittelnde Schwenkhebelverbindung (47) zwischen dem mechanischen Getriebe (10) und dem Steuergestänge (43).
8. Anlage nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch ein der

Schwenkhebelverbindung (47) vorgelagerten Untersetzungsgetriebe (48, 49).