DE3735841A1 - Einrichtung zum erzeugen elektrischer energie an staustufen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Bei einer bekannten Einrichtung dieser Art (GB-PS 1 96 874) wird ein relativ schweres, mit vielen Schaufeln ausgebildetes, teures Wasserrad eingesetzt. Das Wasserrad ist in aufwendiger Weise durch eine Mechanik verstellbar und nutzt nur einen Teil des Überlauf­ wassers.

Bei anderen bekannten Einrichtungen kommen aufwendige Unterwasser­ turbinen herkömmlicher Bauart zur Anwendung, denen zumeist nur ein Teil des Überlaufwassers zugeführt wird, so daß ein Teil der zur Verfügung stehenden Energie verlorengeht. Die Unterwasserturbinen müssen unmittelbar bei Errichtung einer Staustufe eingebaut werden und lassen keine nachträgliche Installation zu. Eine solche Turbi­ nenanordnung ist teuer, schwer, hinsichtlich der Wartung problema­ tisch und bezüglich ihres Einsatzes wenig flexibel.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Ein­ richtung der im Oberbegriff genannten Art so auszubilden, daß sie bei einfachem sowie preiswertem Aufbau eine optimale Energieaus­ beute ermöglicht und sehr kostengünstig sowie leicht auch nachträg­ lich an Staustufen installiert werden kann.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe zeichnet sich eine Einrichtung der im Oberbegriff von Anspruch 1 genannten Art erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen dieses Anspruchs aufgeführten Merkmale aus. Das leichte Wasserrad nimmt mit seinen Schaufeln das gesamte Überlaufwasser auf, so daß dessen Energie weitgehend vollständig verlustfrei umgesetzt werden kann. Die nachträgliche Installation an Staustufen ist völlig unproblematisch und schnell durchführbar, wobei an der Staustufe im wesentlichen keine Änderungen vorzuneh­ men sind. Da keine komplizierten Aufhängungen vorhanden sind und wegen des leichten Anbaues läßt sich das Wasserrad jederzeit ohne Schwierigkeiten wieder abnehmen, beispielsweise für Austausch- oder Wartungszwecke. Die verstellbaren Mittel an der Staustufe er­ möglichen es in einfacher Weise, das gesamte Überlaufwasser dem Wasserrad in optimaler Weise zuzuführen. Zur vollständigen Ausnut­ zung des Überlaufwassers an breiten Flüssen, und damit des gesam­ ten Energievorrats, können mehrere Wasserräder hintereinander, beispielsweise zwischen den Pfeilern einer Staustufe, angeordnet und miteinander gekoppelt werden.

Um das Wasserrad möglichst leicht und einfach zu gestalten, kann es gemäß den Ansprüchen 2 und 3 vorzugsweise mindestens zwei und maximal fünf Schaufeln aufweisen. Diese ermöglichen bei entspre­ chender Formgebung die erwünschte Energieausbeute des abströmenden Überlaufwassers.

Gemäß den Ansprüchen 4 und 5 ist es bevorzugt, den Rinnenquer­ schnitt kontinuierlich gewölbt oder abgewinkelt auszubilden. Wäh­ rend die erste Ausführungsform zu strömungstechnischen Vorteilen führen kann, ist die zweite Ausführungsform besonders einfach. In beiden Fällen erhält das Wasserrad langgestreckte Auffangrinnen für das Ablaufwasser, so daß sich das Wasserrad frei drehen kann.

Gemäß Anspruch 6 kann es zweckmäßig sein, die einzelnen Schaufeln mit endseitigen Rinnenbegrenzungen zu versehen. Dadurch wird ins­ besondere bei relativ kurzen Wasserrädern vermieden, daß das in die Schaufeln einströmende Überlaufwasser aus diesen in maßgebli­ chem Umfang seitlich abströmt, wodurch der Wirkungsgrad vermindert würde. Der Einfluß der endseitigen Rinnenbegrenzungen fällt jedoch mit zunehmender Rinnenlänge.

Das Wasserrad sollte eine möglichst große Länge haben, damit es bei kleinem bautechnischem Aufwand eine möglichst große Strecke des Überlaufwassers überdecken kann. Deshalb sollte gemäß Anspruch 7 ein möglichst großes Längen/Radius-Verhältnis des Wasserrades von mindestens 1, vorzugsweise mindestens 5, vorgesehen werden. Hierdurch entsteht eine Art walzenförmiges Wasserrad.

Die Weiterbildung von Anspruch 8 ermöglicht einen festen und gleichzeitig leichten Aufbau.

Eine Stahlblechverstärkung gemäß Anspruch 9 verhindert eine zu starke Abnutzung der wasserbeaufschlagten Schaufelinnenflächen.

Gemäß Anspruch 10 können die Schaufeln auswechselbar sein, was beispielsweise durch Schrauben einfach erreicht werden kann. Durch die Auswechselbarkeit können defekte Schaufeln schnell ersetzt werden, ferner unter Berücksichtigung der jeweiligen Betriebsver­ hältnisse unterschiedlich gestaltete Schaufeln eingesetzt werden und je nach Anwendungsfall unterschiedlich viele Schaufeln zur Anwendung kommen. Das Wasserrad wird dadurch sehr vielseitig ein­ setzbar, weil es jederzeit eine schnelle Modifikation und Anpas­ sung ermöglicht.

Gemäß Anspruch 11 sollte der Durchmesser des Wasserrades minde­ stens so groß wie das Staustufengefälle sein. Eine wesentlich kleinere Ausbildung hat den Nachteil, daß die Energie des Über­ laufwassers nur sehr schwer vollständig ausgenutzt werden kann, während eine wesentlich größere Ausbildung einerseits zu drasti­ schen Gewichts- sowie Kostensteigerungen führt und andererseits ebenfalls Probleme bei der Energieumsetzung aufwirft, weil sich ungünstige Strömungsverhältnisse ergeben. Der das Staustufenge­ fälle berücksichtigende Durchmesser des Wasserrades sollte somit nicht zu klein und auch nicht zu groß sein. Bei einer bevorzugten Auswechselbarkeit der Schaufeln kann der Durchmesser jederzeit entsprechend gewählt werden.

Weitere bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den Ansprü­ chen 12 bis 14. Demnach kann das Wasserrad für bestimmte Anwen­ dungsfälle eine Länge von bis etwa 20 m und einen Durchmesser von bis etwa 3 m haben. Außerdem können mehrere Wasserräder mit einer gemeinsamen Drehachse vorgesehen sein. Und überdies läßt sich eine übliche Freistrahlturbine so modifizieren, daß sie ein gro­ ßes Längen/Durchmesser-Verhältnis aufweist und dann als Wasserrad verwendbar ist.

Die bevorzugten Weiterbildungen gemäß den Ansprüchen 15 bis 18 er­ lauben es auf einfache Weise und mit preiswerten Mitteln, den Was­ serstrom entsprechend zu verändern und dadurch das gesamte Über­ laufwasser dem Wasserrad zuzuleiten.

Die Weiterbildung von Anspruch 19 hat den Vorteil, insbesondere in Verbindung mit allen oder einzelnen Maßnahmen gemäß den Ansprüchen 15 bis 18, daß keine komplizierte Aufhängung des Wasserrades wie bei der vorbekannten Einrichtung (GB-PS 1 96 874) erforderlich ist und somit wesentliche Kosten und Arbeitsgänge entfallen.

Die Weiterbildung gemäß Anspruch 20 ermöglicht einen besonders gleichmäßigen Lauf des schwungradartigen Wasserrades selbst dann, wenn dieses sehr wenige Schaufeln aufweist bzw. wenn im Wasser­ strom Ungleichmäßigkeiten auftreten.

Die Erfindung wird nachfolgend an zeichnerisch dargestellten Aus­ führungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 in einem schematischen Querschnitt eine an einer Stau­ stufe installierte Einrichtung nach der vorliegenden Erfindung,

Fig. 2 die Gesamtanordnung aus Fig. 1 in einer schematischen Draufsicht und

Fig. 3 ein Wasserrad der Einrichtung in einer schematischen Vorderansicht sowie einer teilweise geschnittenen Sei­ tenansicht.

Gemäß Fig. 1 erstreckt sich die Drehachse eines unterschlächtig betriebenen, freidrehenden Wasserrades 1 parallel zu einer Stau­ stufe 2. Das Wasserrad 1 enthält eine zentrale Welle 3, beispiels­ weise eine Hohlwelle, an der bei der vorliegenden Ausführungsform drei rinnenförmige Schaufeln 4 lösbar gehalten sind. Im vorliegen­ den Fall haben die Schaufeln 4 einen kontinuierlich gewölbten Rin­ nenquerschnitt. An der vom Wasser abgekehrten Seite weist das Was­ serrad 1 eine Schutzabdeckung 5 auf, die ein Eindringen von Fremd­ gegenständen sowie ein Wegspritzen von Wasser verhindert und die gesamte Anordnung optisch günstig gestaltet.

An der Staustufe 2 befindet sich eine höckerförmige Staustufener­ höhung 6, über die das Oberwasser 7 in Pfeilrichtung A zum Unter­ wasser 8 strömt. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist an der Oberseite der Staustufenerhöhung 6 eine schwenkbare Fischbauch­ klappe 9 angelenkt, mittels derer das Überlaufwasser 10 gezielt in die Schaufeln 4 des Wasserrades 1 unterschlächtig eingeleitet wird. Es ist jedoch darauf hinzuweisen, daß eine derartige Fisch­ bauchklappe 9 nicht unbedingt vorhanden sein muß und das Überlauf­ wasser 10 von der Staustufenerhöhung 6 direkt in die Schaufeln 4 gelangen kann, wenn andere Wasserstrom-Verstellmittel vorliegen.

Aus Fig. 1 ist ersichtlich, daß der Durchmesser des Wasserrades 1 größer als das Staustufengefälle ist, damit ein günstiges Ein­ leiten des Überlaufwassers 10 in die Schaufeln 4 gewährleistet ist. Insbesondere dann, wenn keine verstellbare Fischbauchklappe 9 vorhanden ist, kann es zweckmäßig sein, den Abstand zwischen dem Wasserrad 1 bzw. seinen Schaufeln 4 und der Staustufe 2 in irgendeiner geeigneten Weise ein­ stellbar auszubilden. Desgleichen kann auch die Anzahl und die Form sowie Größe der Schaufeln 4 variabel gestaltet werden, damit das Wasserrad 1 betriebsoptimal eingesetzt werden kann.

Aus Fig. 2 ist ersichtlich, daß bei breiteren Staustufen mit ein­ zelnen Pfeilern 11 und sich daran stromauf anschließenden Wasser­ leitvorrichtungen 12 zwischen den Pfeilern 11 einzelne Wasserrä­ der 1 mit einer gemeinsamen Drehachse angeordnet werden können. Die Wellen 3 der einzelnen Wasserräder 1 können miteinander gekop­ pelt und an einen gemeinsamen, nicht dargestellten Stromgenerator angeschlossen werden. Auf diese Weise lassen sich sehr breite Staustufen 2 mit einer Mehrzahl von einzelnen, walzenförmigen Was­ serrädern 1 erfindungsgemäß ausgestalten. Die Leitvorrichtungen 12 begünstigen dabei die Strömungsverhältnisse, da Wirbel und Tur­ bulenzen im Oberwasserbereich an den Pfeilerkanten vermieden wer­ den.

Die Staustufe 2 kann auch längs eines Flusses, zum Beispiel an Flußkrümmungen, verlaufen. In diesem Fall müßte ein sich parallel zum Fluß erstreckender Kanal angelegt werden, in den das Überlauf­ wasser fällt und aus dem es nach einer gewissen Strecke wieder in den Fluß eingeleitet wird.

Aus der kombinierten Vorder-/Seitenansicht gemäß Fig. 3 ist es ersichtlich, daß im vorliegenden Fall zwei diametral gegenüberlie­ gende Schaufeln 4 an der als Hohlwelle ausgebildeten Welle 3 fest­ gelegt sind. Im vorliegenden Fall werden hierzu Paßfedern 13 be­ nutzt, die in longitudinal verlaufenden, diametral gegenüberlie­ genden und nicht näher dargestellten Nuten gehalten sind.

Die Schaufeln 4 können in beliebiger Weise und vorzugsweise lös­ bar an der Welle 3 befestigt sein. Beispielsweise können hierzu Schraubverbindungen benutzt werden. Günstig ist auch eine derar­ tige Gestaltung, bei der die Schaufeln 4 in unterschiedlicher An­ zahl an unterschiedlichen Stellen der Welle 3 festgelegt werden können, um so Wasserräder verschiedener Konfiguration bilden zu können.

Die Schaufeln 4 können verschieden geformt sein. Vor allem eignen sich hierfür konkav gewölbte Rinnenquerschnitte, die beispiels­ weise halbkreisförmig sein können. Die Schaufelinnenflächen kön­ nen aus Stabilitätsgründen eine Stahlblechverstärkung tragen.

Gemäß Fig. 1 befindet sich an der Fischbauchklappe 9, die um eine zum Wasserstrom querverlaufende Achse schwenkbar ist, eine Blechleiste 14, die in Bezug auf die Fischbauchklappe verstellbar ist, und zwar so, daß der Schwenkradius bzw. die radiale Länge veränderbar ist. Damit können der Abstand des Gefälleanfangs von dem Wasserrad und/oder die Gefällehöhe durch die Winkelstel­ lung der Fischbauchklappe 9 und/oder die Verschiebestellung der Blechleiste 14 eingestellt werden, damit das Überlaufwasser opti­ mal in die Schaufeln 4 gelangt. Stattdessen können allerdings auch andere Verstellmittel vorhanden sein, wie vertikal und/oder horizontal verstellbare Leisten an der Staustufe 2.

Überdies ist es ferner möglich, an den außenliegenden äuße­ ren Rändern der Schaufeln 4 Schwung- bzw. Trägheitsmassen 15, beispielsweise in Form von Stahl- oder Bleielementen, vorzusehen, die dem leicht gebauten Wasserrad 1 ein Schwungradverhalten geben. Dadurch kann sich dieses trotz nur weniger Schaufeln und auch bei gewissen Wasserstromschwankungen bzw. -impulsen gleichmäßig drehen. Dieses Verhalten wird dadurch begünstigt, daß die Zusatzmassen ra­ dial weit außen angeordnet sind.

Claims (20)

1. Einrichtung zum Erzeugen elektrischer Energie unter Ausnutzung des an Staustufen (2) vom Oberwasser (7) zum Unterwasser (8) fließenden Überlaufwassers mittels einer stromab der Staustufe befindlichen elektrischen Turbinenanordnung mit einer sich quer zur Fließrichtung erstreckenden Drehachse und mit wenig­ stens einem durch Überlaufwasser unterschlächtig betriebenen, freidrehenden Wasserrad (1), das vollständig über dem Unterwas­ ser (8) angeordnet ist und rinnenförmige Schaufeln (4) auf­ weist, deren Längsabmessungen groß gegenüber den Radialabmes­ sungen sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Wasserrad (1) einen gewichtsleichten Aufbau hat, aus leichten sowie festen Materialien besteht sowie eine die Schau­ feln (4) tragende Hohlwelle (3) aufweist und daß der Abstand des Gefälleanfangs der Staustufe (2) von dem Wasserrad (1) bzw. seinen Schaufeln (4) und/oder die Gefällehöhe der Staustufe (2) durch verstellbare Mittel (9) an der Staustufe (2) so ein­ stellbar ist, daß das gesamte über die Länge des Wasserrades in breitem Strahl von der Staustufe abfließende Überlaufwasser auf seinem Gefälle direkt in die hiervon mitgenommenen Schau­ feln (4) fällt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Wasserrad (1) mindestens zwei Schaufeln (4) aufweist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Wasserrad (1) maximal fünf Schaufeln (4) aufweist.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Schaufeln (4) einen kontinuierlich gewölbten Rinnenquerschnitt haben.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Schaufeln (4) einen abgewinkelten Rinnenquer­ schnitt haben.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Schaufeln (4) endseitige Rinnenbegrenzungen aufweisen.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Verhältnis zwischen Länge und Radius des Was­ serrades (1) mindestens 1, vorzugsweise mindestens 5, beträgt.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch eine Ausbildung des Wasserrades (1) aus glasfaserverstärk­ tem Kunststoff und/oder aus Aluminium und/oder aus Aluminiumle­ gierungen und/oder aus Stahlblech.

9. Einrichtung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch eine stabili­ sierende Stahlblechverstärkung an den wasserbeaufschlagten Schaufelinnenflächen.

10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Schaufeln (4) auswechselbar ausgebildet sind.

11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Durchmesser des Wasserrades (1) mindestens so groß wie das Gefälle der Staustufe (2) ist.

12. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Wasserrad (1) eine Länge von bis zu etwa 20 m und einen Durchmesser von bis zu etwa 3 m hat.

13. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, gekennzeichnet durch mehrere hintereinander angeordnete Wasserräder (1) mit einer gemeinsamen Drehachse.

14. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Wasserrad (1) als Freistrahlturbine mit gro­ ßem Längen/Durchmesser-Verhältnis ausgebildet ist.

15. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, gekennzeichnet durch wenigstens ein an der Staustufe (2) angeordnetes, hori­ zontal und/oder vertikal verstellbares Wasserstau- bzw. -leit­ element (9) als verstellbares Mittel zum Verändern des Staustu­ fengefälles und/oder des Abstandes des Gefälleanfangs der Stau­ stufe von dem Wasserrad (1) bzw. seiner Schaufel (4).

16. Einrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Wasserstau- bzw. -leitelement (9), wie eine Fischbauchklappe, um eine etwa quer zum Wasserstrom verlaufende Achse schwenkbar ist.

17. Einrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Wasserstau- bzw.-leitelement (9) in seiner wirksamen radialen Länge einstellbar ist.

18. Einrichtung nach Anspruch 17, gekennzeichnet durch eine an dem Wasserstau- bzw. -leitelement (9) verschiebbar angebrachte Blechleiste (14).

19. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Wasserrad (1) in fest mit dem Flußbett ver­ ankerten Lagerböcken drehbar gelagert ist.

20. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, gekennzeichnet durch an oder in dem äußeren Bereich der Schaufeln (4) ausge­ bildete oder angeordnete Schwung- bzw. Trägheitsmassen (15), wie Stahl- oder Bleielemente.