DE3813958A1 - Wasserkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Wasserkraftmaschine mit einem unter­ schlächtigen Wasserrad.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wasserkraftmaschi­ ne zu schaffen, die sich bei einfachem Aufbau in fließenden Ge­ wässern einsetzen läßt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein in ein fließendes Gewässer absenkbares, unterhalb der Gewässeroberfläche verankerbares Maschinengehäuse, das zumindest ein auf einer hori­ zontalen Kraftwelle sitzendes Wasserrad umschließt, in seinem unteren Bereich einen rechtwinklig zur Kraftwelle verlaufenden, in der Strömungsrichtung des Gewässers liegenden Wasserdurch­ strömkanal aufweist und in dem darüber befindlichen Innenraum bei abgesenkter Arbeitsstellung mit Luft, vorzugsweise Druckluft gefüllt ist.

Diese Wasserkraftmaschine läßt sich einsetzen in fließenden Bin­ nengewässern oder aber in Gezeitenströmungen unterworfenen Meeresteilen. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn die Was­ serkraftmaschine als einzelnes Modul ausgebildet ist, wobei meh­ rere Module unmittelbar nebeneinander in einer sich quer zum fließenden Gewässer erstreckenden Reihe zu einem Verbund mitein­ ander kuppelbar sind. Das einzelne Modul wird mit geschlossenem Maschinengehäuse vollständig auf den Gewässergrund abgesenkt und hier verankert bzw. in den Gewässergrund hineingesenkt. Je nach Querschnittsform und -größe sowie Fließgeschwindigkeit des Gewäs­ sers lassen sich mehrere Module neben- und übereinander anordnen. Dabei kann das Maschinengehäuse Pontonkörper zum Fluten für un­ terschiedliche Eintauchtiefen aufweisen. In flacheren fließenden Gewässern wird das Modul in der erforderlichen Tiefe unterhalb des Gewässergrundes installiert und dann als Düker betrieben.

Die im Innenraum des Maschinengehäuses befindliche Luft steht im oberen Bereich des Maschinengehäuses unter konstantem Druck, so daß sie das durch das Maschinengehäuse hindurchfließende Wasser im unteren Bereich zum Antrieb des Wasserrades bzw. der Wasser­ räder hält.

Die den genannten Wasserdurchströmkanal definierende Gehäuseein­ ström- und -ausströmöffnung ist in ihrem Durchströmquerschnitt jeweils veränderbar, z.B. durch ein höhenverstellbares Schott, durch das der Wasserdurchlauf durch das Maschinengehäuse regu­ liert werden kann. Der Wasserdurchsatz im Wasserdurchströmkanal sollte maximal die dreifache Fließgeschwindigkeit des Gewässers erreichen. Da die gesamte Flußbreite gleichmäßig durch Module ge­ nutzt werden kann, bleibt die natürliche Flußströmung auf der ganzen Breite erhalten. Vor oder hinter der Anlage ist eine Ver­ schlammung praktisch ausgeschlossen. Dabei ist es für die Füh­ rung der Strömung vorteilhaft, wenn das Maschinengehäuse einen Boden aufweist, der sich über die Gehäuseeinströmöffnung hinaus erstreckt, wobei der sich über die Gehäuseeinströmöffnung hinaus erstreckende Bodenabschnitt von seinem freien, quer zur Strö­ mungsrichtung liegenden Stirnrand zur Gehäuseeinströmöffnung hin etwas abfällt.

Für die Wasserführung ist es ebenfalls zweckmäßig, wenn der den Wasserdurchströmkanal definierende Boden eine dem Durchmesser des Wasserrades angepaßte kreissegmentförmige Ausnehmung aufweist, in die das Wasserrad eintaucht. Insbesondere für diese Ausbildung ist es vorteilhaft, wenn der Boden des Maschinengehäuses aus Be­ ton besteht. In bestimmten Fällen kann auf die Anordnung eines Bodens für das Maschinengehäuse verzichtet werden, z.B. wenn die Module übereinander gesetzt werden.

Um den Druck des durch das Maschinengehäuse hindurchströmenden Wassers regulieren zu können, ist es vorteilhaft, wenn an der Eintrittsseite des Maschinengehäuses ein Stauwehr höhenverstell­ bar angeordnet ist, das bei Schiffsverkehr oder etwaigen Eisgang abgesenkt werden kann. Dieses Stauwehr kann ein am Maschinenge­ häuse schwenkbar angelenkter Schwimmer sein, der als Hohlkörper ausgebildet sein kann und bei Vereisungsgefahr mit Warmluft durchströmt werden kann, die das Hinübergleiten des Treibeises über den Schwimmer ermöglicht und ein Anfrieren zwischen Eis­ decke und Maschinengehäuse verhindert.

Ist zwischen den in einer Reihe nebeneinander angeordneten Modu­ len ein lichter Abstand vorgesehen, dann kann das genannte Stau­ wehr auch zwischen zwei Modulen angeordnet werden, um so z.B. eine für die Schiffahrt vorgesehene Durchfahrtsöffnung ver­ schließen zu können. In diesem Fall ist es zweckmäßig, das Stau­ wehr im unteren hinteren Bereich der Maschinengehäuse anzulenken, so daß es in abgesenktem Zustand flach z.B. auf dem Flußbettbo­ den aufliegt. Wird ein derartiges Stauwehr hohl ausgebildet und z.B. durch seine hohl ausgebildete Schwenkwelle mit Druckluft ge­ füllt, so schwimmt es selbsttätig in seine Staustellung auf und kann durch Fluten, also durch Öffnen von Wassereinlaufventilen wieder abgesenkt werden.

Die Umsetzung der Bewegungsenergie des Wassers erfolgt über zu­ mindest ein Wasserrad, das gekrümmte Schaufeln aufweisen kann, wenn es ausschließlich im Einwegbetrieb, also bei immer gleicher Strömungsrichtung arbeiten soll. Soll die Wasserkraftmaschine je­ doch in Gezeitenströmungen unterworfenen Meeresteilen eingesetzt werden, dann weist das Wasserrad vorzugsweise eben ausgebildete Schaufeln auf, die an ihrem radial innenliegenden Ende frei schwenkbar um eine parallel zur Radachse liegende Schwenkachse verschwenkbar gelagert sind und bei Beaufschlagung durch die Gewässerströmung gegen einen die optimale Schaufelposition defi­ nierenden Anschlag anliegen.

Das Wasserrad kann über seine Kraftwelle unmittelbar ein Aggre­ gat antreiben oder aber über ein zwischengeschaltetes Getriebe auf einer Hauptwelle arbeiten. Dabei kann eine Ausbildung als Wasserkraftwerk vorgesehen sein, wobei die Kraft- bzw. Hauptwelle auf einem Generator arbeitet. Es kann aber auch zur Abnahme von Wärmeenergie ein System von Metallscheiben angeschlossen werden, das nach dem Prinzip der Wirbelbremse arbeitet, wobei die in den rotierenden Scheiben entstehende Erwärmung an einen Wärmeträger zur Weiterleitung abgegeben wird. Es kann aber auch mechanische Energie zum Antreiben von z.B. Bewässerungspumpen abgenommen wer­ den. Dabei kann die Energie in die gewünschte Form entweder im Modul selbst oder aber in einem zusätzlichen Maschinenhaus trans­ formiert werden.

Die Module lassen sich am Einsatzort verhältnismäßig einfach mon­ tieren. Möglich ist auch eine Fertigmontage im Dock, von dem das Kraftwerk mit Schleppern zum Bestimmungsort gebracht, dort abge­ senkt und in kürzester Zeit in Betrieb genommen werden kann.

Bei der Installation der Module in sehr flachen Fließgewässern mit einem Wasserstand unter 2 m werden auf beiden Seiten Schwemm­ sandsammelrinnen für erforderlich gehalten, da die Wassermenge in Verbindung mit der Fließgeschwindigkeit im Wasserdurchströmkanal zum Abtransport der Ablagerungen unter Umständen nicht ausreicht. So ist aber der Betrieb auch noch in extrem flachen Gewässern bei einem Wasserstand unter 50 cm mit ausreichender Breite möglich. Bei einer Einbaustelle mit einem Wasserstand von mehr als 2 m ist eine Schwemmsandsammelrinne auf der Eintrittsseite der Module nicht unbedingt erforderlich.

Ein aus mehreren Modulen bestehendes Unterwasserkraftwerk kann außerdem bedarfsgemäß als Brücke, Schleuse oder Verladerampe ge­ nutzt werden.

Während herkömmliche Wasserkraftwerke weitgehend im Oberflächen­ bereich des genutzten Gewässers arbeiten und so den Schiffsver­ kehr behindern, arbeitet die erfindungsgemäße Wasserkraftmaschine unter Wasser, so daß sich keine Beeinträchtigung des Schiffsver­ kehrs, der Landschaft oder der natürlichen Beschaffenheit des Ge­ wässers ergibt. Die einzelnen Module innerhalb eines Kraftwerks, die einzelnen Aggregate innerhalb eines Moduls und/oder jedes Wasserrad sowie Teile hiervon lassen sich in einfacher Weise ein­ zeln abschalten bzw. im Bedarfsfall austauschen, ohne dadurch die Funktion des gesamten Kraftwerkes unterbrechen zu müssen. Die erfindungsgemäße Anlage ist einfach im Aufbau, unkompliziert in der Montage und daher wenig störanfällig. Die Modulbauweise ermöglicht eine leichte Anpassung an die örtlichen Gegeben­ heiten sowie die gewünschten Leistungen. Die neue Wasserkraft­ maschine erweist sich als besonders umweltfreundlich.

Weitere Merkmale der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche und werden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

In der Zeichnung sind einige als Beispiele dienende Ausführungs­ formen der Erfindung dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 in schematischer Darstellung in Seitenansicht eine Wasserkraftmaschine in abgesenkter Stellung;

Fig. 2 eine abgewandelte Ausführungsform in einer Dar­ stellung gemäß Fig. 1;

Fig. 3 in vergrößertem Maßstab ein Wasserrad in einer gegenüber Fig. 2 abgewandelten Ausführungsform;

Fig. 4 in Draufsicht eine Wasserkraftmaschine mit drei Wasserrädern;

Fig. 5 die Ausführungsform gemäß Fig. 4 in Vorderan­ sicht;

Fig. 6 in Vorderansicht eine Reihe miteinander verbunde­ ner Wasserkraftmaschinen als schwimmendes Kraftwerk;

Fig. 7 in Vorderansicht zwei übereinander angeordnete, jeweils in Arbeitsstellung abgesenkte Reihen von Wasserkraftmaschinen;

Fig. 8 in Draufsicht in flachem Wasser angeordnete Was­ serkraftmaschinen und

Fig. 9 einen Querschnitt durch die Anlage gemäß Fig. 8.

Fig. 1 zeigt eine Wasserkraftmaschine bestehend aus einem Ma­ schinengehäuse 1, das ein unterschlächtiges Wasserrad 2 um­ schließt, das auf einer horizontalen Kraftwelle 3 sitzt und mit seiner Unterseite in eine dem Durchmesser des Wasserrades 2 an­ gepaßte kreissegmentförmige Ausnehmung 4 des Bodens 5 des Ma­ schinengehäuses 1 eintaucht. Dieser Boden 5 definiert zugleich einen Wasserdurchströmkanal 6, der sich im Maschinengehäuse 1 von einer Gehäuseeinströmöffnung 7 zu einer Gehäuseausströmöffnung 8 erstreckt. Die freien Durchströmquerschnitte der beiden genannten Öffnungen 7, 8 sind veränderbar, beispielsweise durch je ein in seiner Höhe verstellbares Schott 9.

Die dargestellte Wasserkraftmaschine ist in einem fließenden Ge­ wässer 10 abgesenkt, dessen Oberfläche mit 11 und dessen Strö­ mungsrichtung mit 12 gekennzeichnet sind. Die Anordnung der Was­ serkraftmaschine erfolgt derart, daß ihr Wasserdurchströmkanal 6 in Strömungsrichtung 12 liegt.

Fig. 1 läßt erkennen, daß sich der Boden 5 des Maschinengehäu­ ses 1 über die Gehäuseeinströmöffnung 7 hinaus erstreckt, wobei der sich über die genannte Öffnung 7 hinaus erstreckende Bodenab­ schnitt 5 a von seinem freien, quer zur Strömungsrichtung 12 lie­ genden Stirnrand 5 b zur Gehäuseeinströmöffnung 7 hin etwas ab­ fällt. Der Boden 5 kann aus Beton bestehen.

An dem Maschinengehäuse 1 ist ein Stauwehr 13 höhenverstellbar angeordnet, das bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbei­ spiel ein am Maschinengehäuse 1 schwenkbar angelenkter Schwimmer ist, der hohl ausgebildet ist und beheizbar sein kann. In der dargestellten Position befindet sich das Stauwehr 13 in seiner höchsten Position und staut dadurch die Gewässeroberfläche 11 etwas an, um so den Wasserdruck und dadurch die Durchströmge­ schwindigkeit durch den Wasserdurchströmkanal 6 zu erhöhen. Bei Schiffsverkehr oder etwaigem Eisgang kann das Stauwehr 13 über den angedeuteten Seilzug 14 in die gestrichelte Position abge­ senkt bzw. verschwenkt werden.

In der in Fig. 1 dargestellten abgesenkten Position des Ma­ schinengehäuses 1 ist der über dem Wasserdurchströmkanal 6 be­ findliche Maschinenraum 15 mit Luft, vorzugsweise Druckluft ge­ füllt, für die im Maschinengehäuse 1 eine nicht näher darge­ stellte Druckluftanlage vorgesehen ist.

Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform ist vor der Ge­ häuseeinströmöffnung 7 ein Abfangrost 16 vorgesehen. Das Wasser­ rad 2 weist gekrümmte Schaufeln 17 auf. Die Wasserkraftmaschine ist als einzelnes Modul 18 ausgebildet, durch dessen Maschinenge­ häuse 1 eine Hauptwelle 19 geführt ist, auf die das Wasserrad 2 über eine nicht näher dargestellte Übersetzung arbeitet. Inner­ halb des Moduls können mehrere Wasserräder 2 in Reihe nebenein­ ander vorgesehen sein, die alle auf die gemeinsame Hauptwelle 19 arbeiten und stirnseitig jeweils durch Trennwände 20 abgedeckt sind. Innerhalb des Moduls 18 ist ein Durchgang 21 vorgesehen, bestehend aus begehbaren Rosten 22 und einem Sicherheitsgitter 23.

Während das in Fig. 2 dargestellte, mit gekrümmten Schaufeln 17 ausgerüstete Wasserrad 2 nur für Einwegbetrieb geeignet ist, zeigt Fig. 3 ein für Zweiwegbetrieb geeignetes Wasserrad 2 mit eben ausgebildeten Schaufeln 24, die an ihrem radial innenlie­ genden Ende frei schwenkbar um eine parallel zur Radachse 25 liegende Schwenkachse 26 verschwenkbar gelagert sind und bei Be­ aufschlagung durch die Gewässerströmung 10, 12 gegen einen die optimale Schaufelposition definierenden Anschlag 27 anliegen. Derartige Wasserräder lassen sich in Gezeitenströmungen unter­ worfenen Meeresteilen einsetzen.

Fig. 4 zeigt die Draufsicht auf ein Modul 18 mit drei Wasser­ rädern 2, für die jeweils ein Schott 9 zur Regulierung der Ge­ häuseein- bzw. -ausströmöffnung vorgesehen ist. Jedes Wasser­ rad 2 ist zwischen Trennwänden 20 angeordnet, während die Getrie­ be zwischen Kraftwelle 3 und Hauptwelle 19 jeweils in einem Ge­ triebegehäuse 28 vorgesehen sind.

Fig. 5 zeigt einen Querschnitt durch das Modul gemäß Fig. 4 mit einer Darstellung der Getriebe 29 zwischen Kraftwelle 3 und Hauptwelle 19.

In Fig. 6 ist stark schematisch die Vorderansicht einer aus mehreren Modulen 18 bestehenden Modulkette 30 dargestellt. Mit 31 ist ein Maschinenhaus angedeutet. Es handelt sich um ein schwimmendes, also nicht standortgebundenes Kraftwerk, für das nur seitliche Verankerungen vorgesehen sind. Diese Ausführungs­ form ermöglicht eine schnelle Veränderung des Standortes.

Die in Fig. 7 dargestellte Anlage ist als Wasserkraftwerk ausge­ bildet, das aus einer oberen Reihe bestehend aus vier Modulen 18 und einer unteren Reihe bestehend aus zwei Modulen 18 besteht. Die untere Modulreihe ist auf bzw. in das Flußbett 32 eingebet­ tet und mit einem Fundament 33 versehen. Der Zugang zu dieser un­ teren Reihe wird durch einen Gang 34 gewährleistet, wobei ein­ zelne Etagen erreicht werden durch einen Aufzug 35 in einem Schacht 36, der gemeinsam mit den seitlichen Modulen 18 in eine Böschung 37 eingelassen ist. Neben dem Schacht 36 steht das Ma­ schinenhaus 31.

Fig. 8 zeigt eine als Kraftwerk ausgebildete, in sehr flachem Wasser angeordnete Anlage, für die ein Einlaufgraben 38 vor den Gehäuseeinströmöffnungen 7 der einzelnen Module, ein Schwemmsand­ sammler 39 hinter den Gehäuseausströmöffnungen 8 und hieran an­ schließend ein Verteilergraben 40 vorgesehen sind. Zwischen den beiden Modulen 18 ist das Maschinenhaus 31 angeordnet. Auch hier ist für die Module 18 ein Fundament 33 vorgesehen.

Fig. 9 zeigt einen Querschnitt durch die Anlage gemäß Fig. 8.

Claims (17)

1. Wasserkraftmaschine mit einem unterschlächtigen Wasser­ rad (2), gekennzeichnet durch ein in ein fließendes Gewäs­ ser (10) absenkbares, unterhalb der Gewässeroberfläche (11) verankerbares Maschinengehäuse (1), das zumindest ein auf einer horizontalen Kraftwelle (3) sitzendes Wasserrad (2) umschließt, in seinem unteren Bereich einen rechtwinklig zur Kraftwelle (3) verlaufenden, in der Strömungsrichtung (12) des Gewässers (10) liegenden Wasserdurchströmkanal (6) auf­ weist und in dem darüber befindlichen Innenraum (15) bei ab­ gesenkter Arbeitsstellung mit Luft, vorzugsweise Druckluft gefüllt ist.

2. Wasserkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die den genannten Wasserdurchströmkanal (6) definierende Gehäuseeinström- (7) und -ausströmöffnung (8) die einzigen Öffnungen des im übrigen allseitig geschlossenen Maschinen­ gehäuses (1) darstellen.

3. Wasserkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die freien Durchströmquerschnitte der Gehäuseeinström- (7) und -ausströmöffnung (8) veränderbar sind.

4. Wasserkraftmaschine nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der den Wasserdurchströmkanal (6) defi­ nierende Boden (5) eine dem Durchmesser des Wasserrades (2) angepaßte kreissegmentförmige Ausnehmung (4) aufweist, in die das Wasserrad (2) eintaucht.

5. Wasserkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Maschinengehäuse (1) einen Boden (5) aufweist, der sich über die Gehäuseeinströmöffnung (7) hinaus erstreckt.

6. Wasserkraftmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der sich über die Gehäuseeinströmöffnung (7) hinaus er­ streckende Bodenabschnitt (5 a) von seinem freien, quer zur Strömungsrichtung (12) liegenden Stirnrand (5 b) zur Gehäuse­ einströmöffnung (7) hin etwas abfällt.

7. Wasserkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Boden (5) des Maschinenge­ häuses (1) aus Beton besteht.

8. Wasserkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Maschinengehäuse (1) Ponton­ körper zum Fluten für unterschiedliche Eintauchtiefen auf­ weist.

9. Wasserkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Maschinengehäuse (1) ein Stauwehr (13) höhenverstellbar angeordnet ist.

10. Wasserkraftmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Stauwehr (13) ein am Maschinengehäuse (1) schwenkbar angelenkter Schwimmer ist.

11. Wasserkraftmaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeich­ net, daß der genannte Schwimmer hohl ausgebildet ist.

12. Wasserkraftmaschine nach Anspruch 9, 10 oder 11, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Stauwehr (13) beheizbar ist.

13. Wasserkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des Maschinengehäuses (1) eine Druckluftanlage angeordnet ist.

14. Wasserkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Wasserrad (1) gekrümmte Schaufeln (17) aufweist (Fig. 2).

15. Wasserkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 13, da­ durch gekennzeichnet, daß das Wasserrad (2) eben ausgebilde­ te Schaufeln (24) aufweist, die an ihrem radial innenliegen­ den Ende frei schwenkbar um eine parallel zur Radachse (25) liegende Schwenkachse (26) verschwenkbar gelagert sind und bei Beaufschlagung durch die Gewässerströmung (10, 12) gegen einen die optimale Schaufelposition definierenden Anschlag (27) anliegen (Fig. 3).

16. Wasserkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Ausbildung als einzelnes Modul (18), wobei mehrere Module (18) unmittelbar nebeneinander in einer sich quer zum fließenden Gewässer (10) erstreckenden Reihe zu einem Verbund miteinander kuppelbar sind.

17. Wasserkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Ausbildung als Wasserkraftwerk.