DE3740821C2 - Wasserkraftanlage mittels querstromturbine, integriertem rotationsrechen und staueinrichtung - Google Patents

Description

Die Anmeldung betrifft eine Wasserkraftanlage gemäß Oberbegriff des Patent­ anspruchs 1.

Wasserkraftwerke sind grundsätzlich bekannt. Dabei wird Flußwasser angestaut, um dann durch Wasserturbinen verschiedenster Bauart dem Unterwasser zugeführt zu werden. Auch Wasserkraftwerke, die anstelle der Turbinen Wasserräder zur Energieentnahme verwenden sind von alters her als festinstallierte oder schwimmende Einheiten gebräuchlich, die in der Regel einen schlechten Wirkungsgrad haben.

Obwohl die Wasserturbinen wie auch oberschlächtige Wasserräder Wirkungsgrade zwischen 80-90% aufweisen, sind Wasserkraftwerke bei Anwendung bisheriger Systeme mit hohen Nebenkosten, d. h.: Aufwendungen für eine separate Stauanlage, Aus- und Einleitungsbauwerke, separates Krafthaus usw. belastet, so daß sich schlechte Investitionskosten/Nutzen-Verhältnisse ergeben.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Wasser­ kraftanlage zu erstellen, die wirtschaftlich und umweltfreundlich arbeitet.

Diese Aufgabe wird mit den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 an­ gegebenen Merkmalen gelöst.

Die Kombination von Turbinenlaufrad, Staueinrichtung mit integrierter Turbinen­ regelklappe und Rotationsrechen zum Querstromturbinenmodul gestattet die ent­ scheidende Systemvereinfachung.

Hierbei ist das Querstromturbinenrad als Trommelläufer mit horizontaler Achse ausgebildet und wird von der Staueinrichtung (Turbinenregelklappe), die ko­ axial um das Laufrad geschwenkt werden kann, als Zylinderhalbschale dicht hin­ ter dem Laufrad angeordnet, umgeben. Die einzelnen Rechenringe des Rotations­ rechens sind fest mit dem Querstromturbinenrad verbunden und bewegen sich gleichsinnig gegen eine unterhalb des Trommelläufers angeordnete, feststehende Rechenharke. Hier kann das Schwemmgut von der Rechentrommel (Laufrad) leicht getrennt werden, da im Strömungsumkehrpunkt die Radialkomponente gegen null tendiert, also der Staudruck aufgehoben ist. Die Entsorgung des Schwemmgutes erfolgt überwiegend durch eine über dem Turbinenmodul angeordnete Bypassklappe aber auch durch terminiertes Anheben des Schützes.

Ein oder mehrere Querstromturbinenmodule bilden mit den zugeordneten Generatoren die Energieentnahmeeinrichtung, die in einem Fachwerkgerüst gelagert ist und als ganzes ein Schütz bildet, welches mittels Hebevorrichtung an den Gerinneseiten geführt heb- und senkbar ist. Diese Einrichtung erlaubt es, jederzeit den durch das Wasserkraftwerk erzeugten Stau aufzuheben, also die bisherigen Probleme fester Stauanlagen treten nich mehr auf. Dadurch kann direkt in das Flußbett gebaut werden und die gesamte Wassermenge zur Energieerzeugung genutzt werden. Das häufig zu Streit mit Umweltschützern führende Problem um Restwassermengen entfällt. Die wirtschaftlichen Vorteile, die dieses System bietet, sind klar erkennbar.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 2 bis 11 angegeben.

Da Querstrommaschinen nach dem Durchströmprinzip arbeiten, d. h., daß das Wirkmedium quer zur Laufradachse das Schaufelringgitter zweimal passiert und zwar einmal von außen nach innen und einmal von innen nach außen, ist vorteilhafterweise die Schaufelkrümmung optimal ausgebildet, wie in Anspruch 2 und 3 beschrieben. Gleichzeitig wird auf ein spezielles Turbinengehäuse verzichtet; denn die Staueinrichtung, die zugleich mit ihrem beweglichen Klappensegment die Funktion als Turbinenregelklappe über­ nimmt schließt dicht zur Rechenharke und erfüllt so ohne Laufrad das Krite­ rium eines funktionstüchtigen Schwenkwehres.

Der Unterschied gegenüber der Querstromturbine von Ossberger besteht im wesent­ lichen darin, daß die vor oder im Laufrad angeordneten Drosselklappen durch eine koaxial zum Turbinenrad schwenkbare ersetzt wurde. Letztere besteht je nach Anwendung auch aus zwei oder mehreren Zylinderteilschalen, die in Umfangsrichtung gegeneinander schwenkbar sind, wobei eine Zylinderteilschale fest stehen kann. Bezogen auf die Ossbergerturbine wird hier also die Leistungsregelung durch eine verstellbare Leitzunge, die gegen das Gehäuse dicht schließen kann, verwirklicht, denn die Regelklappe kann sowohl vor wie auch hinter das Laufrad geschwenkt werden (in Strömungsrichtung gesehen).

Die Leistungsübertragung vom Turbinenrad zum Generator erfolgt zweckmäßigerweise über Ketten­ trieb und/oder Zahnradgetriebe. Wenn mehrere Turbinenmodule auf einen Gene­ rator arbeiten, sind diese durch Freilaufkupplungen voneinander trennbar.

Anstelle dieser konventionellen Leistungsübertragung zwischen Turbinenrad und Generator kann auch jedem Turbinenrad ein Ringgenerator zu­ geordnet sein, der elastisch und koaxial mit diesem geflanscht ist. Bei großen Leistungseinheiten werden Turbinenräder mit einem mittig angeordneten Ringgenerator geflanscht. Für kleine Leistungseinheiten ist der Stator des Ringgenerators nur als Teilsegment ausgebildet.

Ebenfalls kann für Wasserkraftwerke nach diesem System für Kleinstausführung auf das Fachwerkgerüst verzichtet werden.

Die Hilfsaggregate (Schalteinrichtungen, Hydraulikaggregate usw.) sind zweckmäßiger Weise am Ufer in einem hochwassersicheren, wetterfesten Raum untergebracht.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnun­ gen näher erläutert. Es zeigt

Blatt 1 Fig. 1 in Draufsicht die Energieentnahmeeinrichtung des Wasserkraft­ werkes,

Fig. 2 die gleiche Einrichtung als Schnitt C-D gemäß Eintragung in Fig. 1,

Fig. 3 die gleiche Einrichtung als Schnitt A-B gemäß Eintragung in Fig. 2,

Blatt 2 Fig. 6 in Draufsicht eine Energieentnahmeeinrichtung gemäß Fig. 1 jedoch mit Ringgenerator,

Fig. 5 die gleiche Einrichtung wie Fig. 6 als Schnitt C-D gemäß Eintragung in Fig. 6,

Fig. 4 die gleiche Einrichtung als Schnitt A-B gemäß Eintragung in Fig. 5,

Blatt 3 Fig. 7 Turbinenlaufräder mit Ringgenerator als Schnitt C-D gemäß Eintragung in Fig. 8 als Einzelteil von Fig. 5,

Fig. 8 Turbinenrad mit Ringgenerator als Schnitt A-B gemäß Eintra­ gung in Fig. 7,

Blatt 4 Fig. 9 Querstromturbinenregelklappe mit unten angeordneter Rotations­ rechenharke als Schnitt A-B gemäß Eintragung in Fig. 10,

Fig. 10 Querstromturbinenrad mit koaxial schwenkbarer Regelklappe als Schnitt C-D gemäß Eintragung in Fig. 9.

Auf Blatt 1 mit den Fig. 1, 2 und 3 wird die Energiegewinnungseinrichtung des Wasserkraftwerkes mit konventioneller Leistungsübertragung vom Turbinen­ laufrad zum Generator dargestellt.

Zwei Querstromturbinenräder mit integriertem Rotationsrechen 8 sind auf ge­ meinsamer Welle mit dem Kettentrieb 10 verbunden. Diese Einheit ist im Fach­ werkgerüst 4 und dem Kettentriebkasten 10′ gelagert. Kettentrieb 10 und 11 verbindet Turbinenlaufrad 8 und Generator 12.

Die Leistungsregelung der Querstromturbine erfolgt durch die koaxial schwenk­ bare Regelklappe 6, die dicht zur unter dem Laufrad angeordneten Rechen­ harke 9 dicht schließen kann. Der feststehende Klappenteil 7 und die Regel­ klappe 6 bilden als Halbschale mit der Bypassklappe 5 die Staueinrichtung, also ohne Laufrad ein Schwenkwehr.

Die Bypassklappe 5 dient der Schwemmgutentsorgung einschließlich Eisgangab­ führung.

Die Rechenharke 9 als Teil des Fachwerkgerüstes 4 schließt zur Sohle des Ge­ rinnes 1 dicht. So wirkt die Energieentnahmeeinrichtung einschließlich Fach­ werkgerüst wie ein Schütz, das in den seitlichen Führungen 3 über eine Hebe­ vorrichtung 2 heb- und senkbar ist. Dadurch kann jederzeit der durch das Wasserkraftwerk erzeugte Stau aufgehoben werden und eine terminierte Ent­ sorgung von Geröll und schwerem Schwemmgut ist gegeben.

Auf Blatt 2 mit den Fig. 4, 5 und 6 wird die Energiegewinnungseinrichtung des Wasserkraftwerkes in Ausführung mit Ringgenerator 13 dargestellt.

Blatt 3 mit den Fig. 7 und 8 zeigt die für große Leistungen vorgesehene Anordnung von Ringgenerator zu den Querstromturbinenteilrädern 8 und 8′. Der Ringgenerator ist mit seinem Fuß 14 auf dem Fachwerkgerüst befestigt. Die Teillaufräder mit ihren Lagerzapfen 15 werden im Fachwerkgerüst gelagert. Ebenfalls ist der elastisch mit den Teilrädern geflanschte Anker 16 des Gene­ rators in Dreipunktlagerung im Stator 13′ abgestützt. Der Ringgenerator kann auch als Scheibenankergenerator ausgebildet sein.

Blatt 4 mit den Fig. 9 und 10 zeigt ein Querstromturbinenrad 8 mit fest verbundenen Rotationsrechenringen 17 und die als ungeteilte Halbschale aus­ gebildete Turbinenregelklappe 6, die gegen die unten angeordnete Rechen­ harke 9 dicht geschlossen werden kann. Die Rechenharke ist mit dem Fachwerk­ gerüst 4 fest verbunden. Die Turbinenradlagerzapfen 15, um die die Regelklappe 6 koaxial schwenkbar ist, sind ebenfalls im Fachwerkgerüst 4 gelagert.

Claims (11)

1. Wasserkraftanlage mit einem oder mehreren nebeneinander angeordneten Quer­ stromturbinenmodulen, die jeweils aus einer Staueinrichtung und einem Quer­ stromturbinenlaufrad bestehen, wobei die gewonnene mechanische Energie mittels eines Generators in elektrische Energie umgewandelt wird, dadurch gekennzeichnet,
daß jedes Querstromturbinenlaufrad als Trommelläufer mit horizontaler Achse ausgebildet ist,
daß die Staueinrichtung als integrierte Turbinenregelklappe ausgebildet ist, welche als Zylinderhalbschale koaxial zum Turbinenlaufrad schwenkbar, dicht hinter diesem angeordnet ist,
daß zwischen der Turbinenregelklappe und dem Turbinenlaufrad ein mit dem Lauf­ rad fest verbundener Rotationsrechen vorgesehen ist, zwischen dessen Rechen­ ringen eine unterhalb des Turbinenlaufrades angeordnete, feststehende Re­ chenharke eingreift,
daß zur Schwemmgutentsorgung oberhalb eines jeden Turbinenmoduls eine Bypass­ klappe vorgesehen ist und
daß die aus den Turbinenmodulen und den zugeordneten Generatoren bestehen­ de Energieentnahmeeinrichtung in einem Fachwerkgerüst gelagert ist, welches als Schütz mittels Hebevorrichtung längs an den Gerinnewandungen angebrachten Führungen heb- und senkbar ist.

2. Wasserkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die am Umfang des Turbinenlaufrades in Form eines Ringgitters angeordneten, gekrümm­ ten Schaufeln an der Innenseite des Ringgitters radial zum Mittelpunkt gerich­ tet sind, am äußeren Umfang tangential auslaufen und dazwischen einen Kreis­ bogen beschreiben.

3. Wasserkraftanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ra­ dius des Kreisbogens der Differenz zwischen Außen- und Innenradius des Ring­ gitters entspricht.

4. Wasserkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbinenregelklappe in Schließstellung zur Rechenharke dicht schließt.

5. Wasserkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeich­ net, daß die Turbinenregelklappe aus zwei oder mehreren Zylinderteilschalen besteht, die in Umfangsrichtung gegeneinander schwenkbar sind.

6. Wasserkraftanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zylinderteilschale fest mit dem Fachwerkgerüst verbunden ist.

7. Wasserkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Antrieb vom Turbinenlaufrad zum Generator über Ketten­ trieb und/oder Zahnradgetriebe erfolgt und bei Einsatz mehrerer Turbinen­ module, diese durch Freilaufkupplungen voneinander trennbar sind.

8. Wasserkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß an jedem Turbinenlaufrad koaxial ein Ringgenerator ange­ flanscht ist.

9. Wasserkraftanlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator des Ringgenerators nur als Teilsegment ausgebildet ist.

10. Wasserkraftanlage nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Turbinenlaufrad aus zwei Teilrädern besteht, zwischen denen der Ringgenerator angeflanscht ist.

11. Wasserkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Hilfsaggregate (Schalteinrichtungen, Hydraulikaggregat usw) in einem am Ufer hochwassersicherem, wetterfesten Raum angeordnet sind.