DE3917974A1 - Hydroelektrische anlage - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine hydroelektrische Anlage, die bei langsamen, kleinen und großen Wassermengen, oder bei schnellen, kleinen und großen Wassermengen - je nach An­ ordnung - von der waagerechten bis zur senkrechten Posi­ tion eingesetzt werden kann.

Die Turbinentypen werden dadurch gekennzeichnet, daß die Laufräder oder Propellerflügel innerhalb eines Turbinen­ gehäuses mit gewissen Spaltunterschieden verdrehbar sind. Die Wassermenge durchfließt die Flügel in Dreieckform, und zwar so, daß die zwei Schenkel des Dreieckes von den beiden Flügeln, und die dritte Seite von der Wandung des Statorgehäuses gebildet wird.

Das Wasser kann nicht direkt durchfließen, nur wenn es eine Wirkung auf die Propellerflügel ausübt oder diese be­ rührt, so daß die durchfließende Wassersäule nicht mit der Durchflußrichtung übereinstimmt. Wegen dieser Abwei­ chung entsteht zwischen dem Statorgehäuse und der Rotation eine Turbulenz, die den Wirkungsgrad vermindert.

Die radial-axiale Turbine wird so aufgebaut, daß von der Achse ausgehend die Kanäle von strahlengerichteten spiral­ förmigen Rippenflügeln gebildet werden, die beim Erreichen des größten Durchmessers am Zylindermantel in einer Spi­ rallinie fortgesetzt werden, und in je einer Düse enden.

Die verzweigten Rippenflügel gehen von der Achse in Strah­ lenrichtung aus. Beim höchsten Durchmesser werden die Flü­ gel bemantelt, dadurch entstehen Kanäle, mit düsenartigen Gebilden am Ausgang.

In den Kanälen gibt die Flüssigkeit auf Grund des Druck­ ausgleiches seine ganze Kraft ab, da sie keine stehenden Flächen antrifft.

Die vom Mantel geschlossene Spirallinie trägt dazu bei, daß die strömende Flüssigkeit ihre kynetische Energie in potentielle Energie mit voller Impulskraft umsetzt, und mit der Schleuderbewegung schwungerhaltend ist, da die Durch­ flußrichtung nicht identisch mit der Achsenrichtung ist.

Die radial-axiale Turbine besteht aus drei Hauptkomponen­ ten:

• 1. aus dem ringförmigen Gehäuse,
• 2. aus dem Radax Tur­ ×binenkopf, und
• 3. aus dem Dynamo zur Stromerzeugung inner­ halb des Ringkreises.

Bei der Eintrittsöffnung bildet der Ringkreis einen Konfu­ sor mit verengtem Querschnitt. Nach der Verjüngung weitet sich der Durchmesser stufenweise bis zum Durchmesser der ur­ sprünglichen Eintrittsöffnung aus. Eine Diffusorwirkung kann nicht zustande kommen, da die Kernkegligkeit des Turbinenkop­ fes beinahe parallel zum Konus des Konfusors ist. Die Flächen­ verhältnisse der Verjüngung verteilen sich zwischen den Rip­ penflügeln, die die Kanäle bilden. Sämtliche Spiralkanäle auf dem Kegel sind verjüngt bis zur Austrittsöffnung.

Der Ringkreis ist stufenmäßig gestaltet, die Profile der Rippenflügel des Turbinenkopfes können sich mit einem Spalt verdrehen.

Die abgestufte Formgebung kann bei einer Anlage im Fluß­ bett die Ablagerungen besser auswerfen, und dient zugleich als Dichtung der Spalt zwischen dem Ringkreis und dem Tur­ binenkopf.

Die aus dem Turbinenkopf durch die Düsen strömende Flüssig­ keit verläßt die Axialrippen des Ringkreises in Ringform, wobei die Rippen eine zylindrische Kabine in zentrierter Po­ sition aufnehmen.

In der zylindrischen Kabine wird die Achse des Turbinen­ kopfes gelagert. Die Achse treibt den Stromerzeuger mittels eines Getriebes an. Die Anlage wird durch ein Kegel ergänzt, der sich an dem Kabinendurchmesser anschließt.

Wenn die Anlage in ein Flußbett installiert wird, sorgen Verbindungselemente für ihre Befestigung. Die Ringkreis­ elemente werden durch Dichtungsringe abgedichtet, und die Betonelemente werden in die Achsrichtung durch Verbindungs­ elemente befestigt.

Bei einer schrägen oder senkrechten Anordnung reicht das Turbinengehäuse vom abgestuften Konfusorring um den Turbi­ nenkopf bis zum Zwischenring des Turbinenkopfes. Die Achse des Turbinenkopfes ist in diesem Fall in einer Führung un­ terstützt, oder an die Turbinenachse angehängt, so daß der Antrieb des Dynamos außerhalb dem Turbinengehäuse un­ tergebracht ist.

Innerhalb des Rohrsystemes mit der Turbine und der zylin­ derförmigen Kabine - in der der Stromerzeuger untergebracht ist - stellt die Anordnung ein in sich geschlossenes System auch konstruktiv dar, so daß es als ein selbständiges Wasserkraftwerk angesehen werden kann. Die erzeugte Strom­ menge kann direkt zum Verbraucher geführt werden.

Die Anlage hat den Vorteil, daß sie je Einheit aus wasser­ festem Beton vorgefertigt werden kann. Sie läßt sich auf dem Fundament, das zuvor im Flußbett bereitgestellt worden ist, befestigen, und sie ist dann sofort betriebsbe­ reit. Die Öffnungen der aus wasserfesten Beton hergestell­ ten Konstruktion lassen sich auf der üblichen Art und Wei­ se abdichten.

Die Größe und die Anordnung der Anlage wird von der jähr­ lichen mittleren Wassermenge der speisenden Naturquelle wie Bach, Fluß, Ebbe und Flut bestimmt. Prinzipiell ist es mög­ lich, die Anlagen an größeren Flüssen entlang linear, in gegebenen Entfernungen zu installieren, zum Beispiel

• 1. direkt am Ufer;
• 2. an einem separaten Wasserkanal am Ufer;
• 3. an einem von der Hauptströmung abgeleiteten Nebenzweig der Wasserstraße;
• 4. bei der Flut/Ebbe-Applikation verdrehbar, je nach der Strömungsrichtung des Wassers;
• 5. in einem schrägen Winkel mit Unterstützung;
• 6. mit senkrechter Anordnung, mit hängender Achse oder mit Unterstützung.

Werden die angegebenen Leistungen in die Reihe geschaltet, kann eine Zentralanlage Wasserkraftwerk errichtet werden. Sie ist preisgünstiger, als kleinere oder mittlere Was­ serkraftwerke für die selben Bestimmungen.

Wenn sie entlang der Flüsse in die Reihe angeordnet werden, erübrigt sich das Erstellen riesiger Dammanlagen, die die Gefahr einer Umweltbelastung mit sich bringen, wobei eine Applikation auch bei Dammsystemen möglich ist.

Es müssen auch keine Schleusensysteme errichtet werden, und der Schiffsverkehr wird nicht beeinträchtigt. Diese Eigen­ schaft ergibt sich daraus, daß die in Anspruch genommene Fläche entlang der Flüsse nur sehr gering ist.

Von der Anlage wird das Flora und Fauna der Gewässer weder zerstört, noch beeinträchtigt. Die Erfindung wird im folgen­ den an Hand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungs­ beispielen noch näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

Abb. 1 Betonfundament in Draufsicht,

Abb. 2 Konfusor und Diffusor Stufenring

Abb. 3 Radax Turbinenkopf in Seitenansicht

Abb. 4 Radax Turbinenkopf, Schnitt A-A

Abb. 5 Ausflußregler Sperrelement

Abb. 6 Block aus der Rückansicht

Abb. 7 Schnitt durch Kabine und Kegel

Abb. 8 Zusammenstellungszeichnung, Seitenansicht

Abb. 9 Senkrechte Anordnung

Abb. 10 Schräge Anordnung

Die Abb. 1 stellt das Fundament der aus mehreren Blöc­ ken bestehenden 3, 3a, 12 Anlage dar. Die Blocks werden von dem Flansch des Fundamentes positioniert. Die Position der Befestigungselemente 2 sind an dem gerippten Beton­ fundament 1 angegeben.

Die Abb. 2 stellt den ersten Glied 3 des Blockkreis­ ringes, die abgestufte Turbinengehäuse dar. Durch die Verjün­ gung der Eintrittsöffnung wird die Wasserströmung beschleu­ nigt. Die Fläche des verjüngten Durchlaßringes ist größer, als die Gesamtfläche aus gerippten Teilflügel des Turbinen­ kopfes, der abgedeckten Kanäle, oder der Düsenflächen am En­ de der Kanäle. Darum kommt die Diffusor-Wirkung innerhalb der abgestuften Kreisringform des Turbinengehäuses nicht mehr zur Wirkung.

Die Abb. 3 stellt den radial-axialen Turbinenkopf dar, mit den Flügelrippen 5 um den kegelförmigen inneren Kern 4, am größten Durchmesser mit Mantelabdeckung 6. Die Flügelberippung entsteht aus den radialen Flügelkanten des Turbinenkopfes Abb. 3, die die Kanäle so bilden, daß sie unter der Bemantelung 6 in V-Form abzweigen, und mit ver­ jüngtem Querschnitt Kanalgebilde formen. Am Ende der Kanä­ le befinden sich Düsen 7. Die Bogenstrecke in der Abzwei­ gung nimmt die Regeleinrichtung Abb. 5, 8, 9, 10. Die Achse des Turbinenkopfes 14 wird in der Kabine 12 gelagert 15.

Die Abb. 4 stellt einen Schnitt A-A durch den Turbi­ nenkopf dar. Die Berippung um die Hauptachse 14 und die ke­ gelförmige Bemantelung um die Berippung bilden den Kegelkern 4 des Turbinenkopfes Fig. 3. Die Rippenflügel 5 um den Kegelkern 4 spiralförmig angeordnet sind bis zur Bemante­ lung 6 abgestuft. An den verjüngten Endungen des Kanals 6 befinden sich Düsen 7.

Die Abb. 5 stellt die Absperrelemente 8 zwischen der Vergabelung der Kanäle 6 und den Düsen 7, die sich mit dem Reglerarm 10 um die Achse 9 verstellen lassen, dar.

Das Sperrelement verrichtet die Funktion eines Ventiles, der die Durchflußmenge der Düsen regelt. Der Reglerarm 10 wird mit einem Stimulator verbunden, mit dessen Hilfe der Gleichklang zur Drehzahl des Turbinenkopfes 4 die durch die Düsen strömende Wassermenge 7 erreicht wird.

Die Abb. 6 stellt den Kabinenbefestigungsring 12 mit der ableitenden Kegelform 19 dar. Innerhalb des Kreis­ ringes 12 wird die Kabine 12 durch in Strahlenrichtung gerichteten Rippen 11 konzentrisch positioniert. Die Was­ sermenge aus den Düsen 7 kann zwischen der Kreisringbeman­ telung 12, der Berippung 11 und der Kabine 12 frei hin­ durchfließen. In der Rückenansicht ist die Position der Be­ festigungselemente 2, 13 angegeben.

Die Abb. 7 stellt einen Schnitt durch Kreisring 12, Kabine, Turbinenkopf 4 mit Achse 14, Lagerung 15 und Stromerzeuger 16, Getriebe 16 und Getrieberäder 17 dar. Der Ausströmungskegel wird 19 an dem Kabinenschließdeckel mit Befestigungselementen 20 befestigt und positioniert.

Die Abb. 8 stellt die Seitenansicht der Zusammenstel­ lung dar. Dabei werden die Positionen der Befestigungs- und Abschlußelemente 2, 13 auf dem Betonfundament 1 angege­ ben. Dabei werden die Glieder des kreisförmigen Gehäuses 3, 3 a, 12, Block, sowie der Strömungsableitkegel 19 befe­ stigt. Zur Abdichtung dienen Dichtungsringe 21. In achsia­ ler Richtung werden die Gehäuseblöcke 3, 3 a, 12 durch Be­ festigungselemente festgehalten 22.

Die Abb. 9 stellt die senkrechte Anordnung der Anlage dar.

Die Abb. 10 stellt die schräge Anordnung der Anlage dar.

Claims (7)

1. Hydroelektrische Anlage als kompaktes Wasserkraftwerk in einem Ringsystem, zu dem in dem verjüngenden und ab­ gestuften Ringsystem (3) ein kegliger und zentrisch ro­ tierender Radial-axialer Turbinenkopf (4) angeschlossen ist, und bei dem die aus den keglig-spiralförmigen Rip­ pen (5) gebildeten Kanäle (6) in ihrer Endung wie Düsen (7) ausgebildet sind.

2. Hydroelektrische Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in dem Konfusorkonus (3) im verjüngten Durchmesser der Turbinenkopf (4) verdrehbar angeordnet ist, mit radialen Rippenflügelkanten in Strahlenrich­ tung (5), die entlang des Ringes (3) auseinandergehen, nach der abgestuften Kontur, mit der Einhaltung einer minimalen Spaltbreite zum Ringprofil (3).

3. Hydroelektrische Anlage nach Anspruch 1-2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das durch die Düsen (7) strömende Wasser die Turbinenachse (14) verdreht, die innerhalb der Kabine (12) mit einem Lager (15) zylindrisch und mit einem Getriebe (16) den Stromerzeuger z. B. Dynamo (18) antreibt und damit ein Wasserkraftwerk ohne wei­ teren Aufbauten bildet, damit der erzeugte Strom ganz direkt zum Anwender gelangen kann.

4. Hydroelektrische Anlage nach Anspruch 1-3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß auf dem kegligen Turbinenkopf Abb. 3 keglig vorgeführte Spiralflügelgerippen (5) Kanä­ le Abb. 4 am Höchstdurchmesser des Mantels (6) ein ge­ schlossenes Rohrsystem bildet, wobei von der Drehrich­ tung im Bogen und in "V"-Form Düsen (7) sind und in dem V-förmigen Räumen Düsenverstelleinrichtungen eingebaut sind.

5. Hydroelektrische Anlage nach Anspruch 1-4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Fläche des durch die Düsen strö­ menden Wasserstrahles (7) identisch mit der Innenfläche des Außenringes (12) ist, abzüglich der Fläche des zy­ lindrischen Kabinendurchmessers (12) nach außen hin.

6. Hydroelektrische Anlage nach Anspruch 1-5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Drehzahlregelung mit einem Sperr­ element (8) erfolgt, das sich zwischen den Düsen (7) be­ findet, und auf der Achse (9) mittels des Regulierarmes (10) so verdrehbar ist, daß mit einem angeschlosssenen Stimulator die durch die Düsen strömende Wassermenge mit der Drehzahl des Turbinenkopfes (4) verglichen wird.

7. Hydroelektrische Anlage nach Anspruch 1-6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Anlage auf ein Betonfundament (1) befestigt ist, und das durch die verengte Eingangs­ öffnung (3) eingeleitete Wasser über den Radax Turbinen­ kopf (4) und durch die Spiralflügel (5) hindurch zu den Düsen (7) gelangt, danach durch die zylindrische Kabine (12) fließt und als Fortsetzung des Kabinendurchmes­ sers (12) durch einen Kegel (19) abgeleitet wird.