DE3542096A1 - Generatoranlage - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Generatoranlage mit den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten, gattungs­ bestimmenden Merkmalen.

Eine Generatoranlage dieser Art ist durch die DE-OS 29 33 907 bekannt.

Die bekannte Anlage ist als ein schwimmfähiges, in einem Flußbett in der Art eines Treibankers verankerbares Aggregat ausgebildet, das einen sich von der Eintritts­ seite zur Austrittsseite hin verjüngenden, abschnitts­ weise konischen Strömungs-Leitmantel hat, innerhalb dessen im zentralen Bereich ein leichtes Turbinenaggregat mit Generator angeordnet ist.

Nachteilig an dieser bekannten Generatoranlage ist die mit der zentralen Anordnung des Generator notwendiger­ weise verknüpfte große radiale Ausdehnung des Strömungs- Leitgehäuses, mit der Folge, daß diese bekannte Genera­ toranlage nur bei relativ großen Wassertiefen überhaupt benutzbar ist. Es kommt hinzu, daß die bekannte Gene­ ratoranlage als schwimmende Einheit z. B. durch Wasser­ wirbel, die durch Schiffsverkehr entstehen können, leicht aus der günstigsten Orientierung bezüglich der Wasserströmung gebracht werden kann, mit der Folge, daß der Wirkungsgrad mindestens zeitweise drastischen Schwankungen unterworfen ist.

Eine Auslegung der bekannten Generatoranlage auf ver­ schiedene elektrische Nutzleistungen erfordert darüberhinaus gravierende Veränderungen hinsichtlich der Dimensionierung des die Schwimmfähigkeit vermittelnden Strömungs-Leitgehäuses. Die bekannte Anlage ist außer­ dem aufwendig hinsichtlich ihrer Herstellung, da die Dimensionierung des Schwimmkörpers eine Fertigungs­ genauigkeit desselben mit engen Toleranzen erfordert.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Generator­ anlage der eingangs genannten Art zu schaffen, die bei vorgegebener Querschnitts-Dimensionierung des Strömungs-Leitgehäuses eine erhöhte elektrische Nutz­ leistung ergibt, mit wesentlich geringerem technischem Aufwand herstellbar ist und hinsichtlich der elek­ trischen Nutzleistung geringeren Schwankungen unter­ worfen ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kenn­ zeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 genannten Merk­ male gelöst.

Hieraus resultierende technische Vorteile sind zu­ mindest die folgenden:

Sowohl das Strömungs-Leitgehäuse als auch ein zur Um­ setzung der kinetischen Energie des strömenden Fluß­ wassers vorgesehener Schneckenrotor sind als Funktions­ elemente, die eine kreiszylindrische Grundform haben, einfach aus kommerziell erhältlichen Bauelementen herstellbar.

Ein zur Antriebskopplung des Generators mit dem Schneckenrotor vorgesehener, an dem letzteren ange­ ordneter Außenzahnkranz, der mit einem Antriebszahn­ rad eines Übersetzungsgetriebes kämmt, ist aus Segmenten, die sich über beschränkte Umfangsbereiche des Schnecken­ rotormantels erstrecken können, hinreichend einfach und preisgünstig herstellbar. Durch den solchermaßen ge­ stalteten Generator-Antrieb kann dieser seitlich außer­ halb des Strömungs-Leitgehäuses angeordnet sein, das aus diesem Grunde mit wesentlich geringeren Querschnitts­ dimensionen realisierbar ist als das Strömungs-Leitge­ häuse der bekannten Anlage. Die erfindungsgemäße Generatoranlage ist, als eine ortsfest verankerbare Funktionseinheit ausgebildet, auch weitgehend unempfind­ lich gegen kurzzeitige Änderungen der Strömungsverhält­ nisse der Umgebung.

Durch die Merkmale des Anspruchs 2 wird ein günstig hoher Wirkungsgrad der Umsetzung der kinetischen Energie des strömenden Flußwassers in Antriebsenergie für den Generator erzielt.

Durch die Merkmale des Anspruchs 3 wird mit einfachen technischen Mitteln eine leichtgängige Dreh-Lagerung des Rotors in dem Strömungs-Leitgehäuse erzielt.

Durch die Merkmale des Anspruchs 4 ergeben sich günstige Strömungsverhältnisse im Ein- und Austrittsbereich des Strömungs-Leitgehäuses bzw. des Schneckenrotors.

Die Anordnung des Generators gemäß Anspruch 5, seit­ lich außerhalb des Strömungsbereiches, ist insbesondere unter Gesichtspunkten der bequemen Wartung von Vorteil.

Durch die Merkmale des Anspruchs 6 ist eine spezielle Dimensionierung der erfindungsgemäßen Generatoranlage angegeben, bei der diese bei einer Strömungsgeschwin­ digkeit des Flußwassers um 3 m/s eine elektrische Nutz­ leistung um 10 kW erbringt. In fachmännischer Abwand­ lung der als Auslegungsbeispiel angegebenen Dimensionie­ rungen kann die erfindungsgemäße Generatoranlage natür­ lich auf größere oder kleinere elektrische Nutz­ leistungen ausgelegt werden.

Die erfindungsgemäße Generatoranlage ist sowohl als eine ortsfeste wie auch als eine mobile, auf einem Lastwagen transportierbare Funktionseinheit realisierbar.

Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung er­ geben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines speziellen Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung. Es zeigt

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Generatoranlage in vereinfachter, schematischer Schnittdar­ stellung längs einer die zentrale Längs­ achse enthaltenden Ebene,

Fig. 2 die Generatoranlage gemäß Fig. 1 im Schnitt längs der Ebene II-II der Fig. 1,

Fig. 3 eine erste Art der Anordnung der Generator­ anlage auf einem im Flußbett verankerten Gestell mit anhebbarer und absenkbarer Abstützung und

Fig. 4 eine spezielle Art der Anordnung einer Gene­ ratoranlage gemäß Fig. 1 im Uferbereich eines Flusses.

Zweck der in der Fig. 1, auf deren Einzelheiten ausdrücklich verwiesen sei, dargestellten, erfindungsge­ mäßen Generatoranlage 10 ist es, elektrische Energie aus vergleichsweise langsam, das heißt mit Strömungsge­ schwindigkeiten um 3 m/s strömenden Flüssen zu gewinnen.

Zur Umsetzung der kinetischen Energie des strömenden Flußwassers, dessen Bewegungsrichtung durch die Pfeile 11 und 12 angedeutet ist, in Antriebsenergie für einen Generator 13 dient ein in Richtung seiner Drehachse geströmter, insgesamt mit 16 bezeichneter Schnecken­ rotor, der in einem langgestreckten, rohrförmigen Gehäuse 17, das in der Art eines Gehäuses eines Axialventilators ausgebildet ist, drehbar gelagert ist. Der Schneckenrotor 16 besteht seinerseits aus einem rohrförmig-zylindrischen Mantel 18 und den in diesen eingearbeiteten Schneckenwendeln 19 und 21, deren Stirnansicht am besten aus der Fig. 2, auf deren Einzelheiten ebenfalls ausdrücklich verwiesen sei, ersichtlich ist. Der Schneckenrotor 16, dessen Mantel-Außendurchmesser nur geringfügig kleiner ist als der Innendurchmesser des Generator-Gehäuses 17, ist in diesem mittels axialsymmetrisch bezüglich der zen­ tralen Längsachse 14 - der Drehachse - angeordneter Rollen 22 bzw. 23 leichtgängig drehbar gelagert. Diese Rollen 22 und 23, die sich an der inneren Mantel­ fläche 24 des Generatorgehäuses 17 abwälzen, sind an Achsbolzen 26 bzw. 27 gelagert, die an radial nach außen weisenden Endflanschen 28 und 29 des Mantels 18 des Schneckenrotors 16, jeweils an deren aufeinander zuweisenden Innenseiten dieser Endflansche 28 und 29, angeordnet sind.

Das Gehäuse 17 der Generatoranlage 10 ist mit einer gehäusefesten Einströmdüse 31 versehen, die sich zur Eintrittsöffnung 32 des Schneckenrotors 16 hin konisch verjüngt, wobei der rotorseitige Stirnrand 33 einige Zentimer in den Rotormantel 18 hineinragt. Weiter ist das Gehäuse 17 mit einer feststehenden Abströmdüse 34 versehen, die sich in der aus der Fig. 1 am besten ersichtlichen Anordnung zwischen dem Schneckenrotor 16 und der Austrittsöffnung 36 des Gehäuses 17 erstreckt und sich zu dieser Austrittsöffnung 36 hin konisch er­ weitert. Der Rotormantel 18 ragt mit einem kurzen End­ abschnitt 37 von einigen Zentimetern Länge in die Ab­ strömdüse 34 hinein. Es versteht sich, daß zwischen dem inneren Rand 33 der Einströmdüse 31 und dem Rotormantel 18 bzw. zwischen dessen austrittsseitigem Endabschnitt 37 und der Abströmdüse 34 jeweils ein freier Ringspalt verbleiben muß, damit der Schneckenrotor 16 sich un­ gehindert drehen kann.

Die Schneckenwendeln 19 und 21 sind so ausgebildet, daß sie sich, in Längsrichtung des Rotos 18 gesehen, über einen Winkelbereich von mindestens 180° erstrecken. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel erstrecken sich die Schneckenwendeln 19 und 21 über einen Winkelbe­ reich von 270°, das heißt, jede Schneckenwendel 19 bzw. 21 hat 0,75 Windungen. Die radiale Ausdehnung der Schnecken­ wendeln 19 und 21, das heißt die radiale Länge ihrer in der Projektion der Fig. 2 sichtbaren horizontalen, freien Stirnkanten 35 und 38 ist vorzugsweise gleich dem lichten Krümmungsradius des Rotormantels 18 gewählt. Zweckmäßig kann es jedoch sein, die vom Rotormantel 18 aus gemessene radiale Ausdehnung der Schneckenwendeln 19 und 21 etwas geringer zu wählen, so daß entlang der Längsachse 14, in der Projektion der Fig. 2 gesehen, ein kreisförmiger innerer Querschnittsbereich 39 frei bleibt, der zur Aufnahme einer nicht dargestellten Welle ausgenutzt werden kann, an welcher der Schnecken­ rotor 18 alternativ zu der dargestellten Lagerungs­ möglichkeit gelagert oder ausgesteift werden könnte.

Auch aus herstellungstechnischen Gründen kann es zweckmäßig sein, wenn die radiale Ausdehnung der Schneckenwendeln 19 und 21 etwas geringer ist als der lichte Innenradius des Rotormantels 18, damit die Schneckenwendeln einfacher in den Rotormantel 18 eingefügt werden können.

Der Schneckenrotor 16 ist vorzugsweise in der Mitte zwischen den Endflanschen 28 und 29 mit einem Außen­ zahnkranz 41 versehen, mit dem ein Antriebszahnrad 42 kämmt, das in der Darstellung der Fig. 1 als ein auf der Antriebswelle 43 des Spannungsgenerators 13 sitzendes Zahnrad dargestellt ist, das in praxi je­ doch als Eingangs-Zahnrad eines der Einfachheit halber nicht eigens dargestellten Übersetzungsgetriebes aus­ gebildet ist, mittels dessen der Rotor des Gene­ rators 13 mit einer hinreichend hohen Winkelge­ schwindigkeit antreibbar ist. In der Fig. 1 ist lediglich durch die deutlich unterschiedlichen Durch­ messerwerte des Zahnkranzes 41 und des Antriebszahn­ rades 42 diese Übersetzungs-Getriebefunktion veran­ schaulicht.

Ein derartiges Übersetzungsgetriebe ist zweckmäßiger­ weise als ein stufenlos regelbares Getriebe ausgebildet, mittels dessen eine konstante Drehzahl des Spannungs­ generators 13 erzielbar ist, unabhängig davon, mit welcher Winkelgeschwindigkeit der Schneckenrotor 18 sich unter dem Einfluß des ihn durchströmenden Fluß­ wassers dreht.

Eine Gehäuseöffnung, durch die das Antriebszahnrad 42 hindurch in den kämmenden Eingriff mit dem Zahnkranz 41 durchtreten kann, ist mit 44 bezeichnet.

Der Generator 13 und das Zahnrad 42 bzw. ein über dieses mit dem Generator 13 gekoppeltes Übersetzungs­ getriebe sind in einem bezüglich des Gehäuses 17 seit­ lich angeordneten Schutzgehäuseteil 46 untergebracht.

Die Schneckenwendeln 19 und 21 haben beim dargestellten, speziellen Ausführungsbeispiel eine Steigung von 30°. Je nach der mittleren Strömungsgeschwindigkeit eines Flusses, in dem eine Generatoranlage 10 zur Stromer­ zeugung eingesetzt werden soll, können auch größere oder kleinere Steigungen für die Schneckenwendeln 19 und 21 vorgesehen werden.

Entsprechend der gewählten Steigung der Schnecken­ wendeln 19 und 21 von 30° beträgt die im wesentlichen der Rotorlänge entsprechende axiale Ausdehnung der Schneckenwendeln, wenn der Rotormantel 18 einen Durch­ messer von 1,2 m hat, 3,6 m. Die ebenfalls in Längs­ richtung gemessene Ausdehnung der Einströmdüse 31 und der Abströmdüse 34 beträgt zweckmäßigerweise zwischen 1 m und 1,5 m. Der lichte Innendurchmesser des Gehäuse­ rohres 17 beträgt in typischer Auslegung 1,4 m, der Außendurchmesser der Flansche 28 und 29 des Mantels 18 des Rotors 16 1,35 m. Der Rotormantel 18 ist aus Stahl­ blech gefertigt, das eine Dicke zwischen 2 und 3 mm hat. Die radialen Flansche 28 und 29 des Rotormantels 18 sind zweckmäßigerweise durch angeschweißte, nicht eigens dargestellte Flanschringe verstärkt, um den im Bereich der Lagerrollen auftretenden Kräften Stand halten zu können.

Um den Schneckenrotor 16 innerhalb des Gehäuses 17 der Generatoranlage 10 gegen axiale Verrückungen zu sichern, sind außer dem Gehäuse fest angeordnete Rollen 47 und 48 vorgesehen, die sich an den einander abgewandten Außenseiten der Flansche 28 und 29 des Trommelmantels 18 abwälzen und um radiale, gehäuse­ feste Achsbolzen 49 bzw. 51 frei drehbar gelagert sind.

Eine Generatoranlage 10 mit den vorstehend erläuterten Auslegungen liefert bei einer Strömungsgeschwindigkeit des Flußwassers, das den Rotor 18 in axialer Richtung durchströmt, von etwa 3 bis 4 m/s eine elektrische Ausgangsleistung von ca. 10 kW. Diese elektrische Aus­ gangsleistung ist ausreichend für die komplette Energie­ versorgung eines Zwei-Familienhauses, jedenfalls dann, wenn in diesem ein Brauchwasserspeicher üblicher Größe und eine elektrische Speicherheizung vorhanden sind.

Eine Generatoranlage 10, wie vorstehend anhand der Fig. 1 und 2 erläutert, kann z. B., wie der Fig. 3 entnehmbar, auf ein im Flußbett verankertes, insge­ samt mit 52 bezeichnetes Gestell montiert sein, das ein Anheben der Generatoranlage 10 über den Wasser­ spiegel ermöglicht, um von Zeit zu Zeit erforderliche Wartungsarbeiten bequem durchführen zu können.

Die Generatoranlage 10 kann auch, wie der Fig. 4 ent­ nehmbar, im Bereich eines steil abfallenden Ufers in Schienen 53 auf- und abverfahrbar angeordnet sein, z. B. mit Hilfe eines Seilzuges 53.

Eine Generatoranlage 10 eignet sich für die ver­ schiedensten Zwecke einer individuellen - dezentralen - Versorgung mit elektrischer Energie, sowohl als stationäre Anlage wie auch als mobile Anlage, die, von ihren geometrischen Abmessungen her gesehen, ohne weiteres auf einem Lastkraftwagen üblicher Größe transportierbar und z. B. mittels eines Schwenkkrans,in einen Fluß einsetzbar ist.

Claims (6)

1. Generatoranlage für die Gewinnung elektrischer Energie unter Ausnutzung der kinetischen Energie von verhältnismäßig langsam, das heißt mit Strömungsgeschwindigkeiten um 3 m/s strömendem Flußwasser, mit einem als Strömungsleitkanal dienenden, rotationssymmetrischen Gehäuse, in welchem ein durch das strömende Wasser in Rotation versetzbarer Rotor gelagert ist, dessen Rotation mittels eines Übersetzungsgetriebes zum Antrieb eines elektrischen Generators ausgenutzt wird dadurch gekennzeichnet, daß im zentralen Bereich des Strömungs-Leitgehäuses (17) ein Schnecken­ rotor (16) mit zylindrisch-rohrförmigem Rotor­ mantel (18) vorgesehen ist, der in dem Leitge­ häuse (17) um dessen zentrale Achse (14) drehbar gelagert ist und in einem mittleren Abschnitt seines Mantels (18) mit einem Außenzahnkranz (41) versehen ist, mit dem ein Antriebs-Zahnrad (42) eines Übersetzungsgetriebes kämmt, über das der Generator (13) antreibbar ist.

2. Generatoranlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schnecken­ rotor (16) zwei einander gegenüberliegend angeordnete Schneckenwendeln (19 und 21) be­ sitzt, deren Windungen sich über mindestens 180° und vorzugsweise über 270° erstrecken, und deren radiale Ausdehnung mindestens an­ nähernd dem lichten Innenradius des Rotor­ mantels entspricht.

3. Generatoranlage nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur drehbaren Lage­ rung des Schneckenrotors (16) in dem Strömungs- Leitgehäuse (17) bezüglich dessen zentraler Achse (14) axial-symmetrisch gruppierte Rollen (22 und 23 bzw. 47 und 48) vorgesehen sind, die um parallel bzw. radial zur Längsachse (14) ver­ laufende Gelenkbolzen frei drehbar sind, wobei die Rollen (22 und 23) einerseits die radiale Abstützung des Schneckenrotors (16) im Strömungs- Leitgehäuse (17) und die Rollen (47 und 48) die axiale Abstützung des Schneckenrotors (16) in dem Strömungs-Leitgehäuse (17) vermitteln.

4. Generatoranlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Strömungs- Leitgehäuse (17) mit einer sich konisch zum Schneckenrotor (16) hin verjüngenden Einström­ düse (31) und mit einer sich von der Austritts­ seite des Schneckenrotors (16) zum Gehäuseende hin konisch erweiternden Abströmdüse (34) versehen ist.

5. Generatoranlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator (13) in einem seitlichen Schutzgehäuseteil (46) ange­ ordnet ist.

6. Generatoranlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schneckenrotor (16) einen Innendurchmesser zwischen 1 und 1,5 m auf­ weist und die Gesamtlänge des Strömungs-Leitge­ häuses (17) zwischen 4,5 und 6,5 m beträgt.