DE3938748C2

DE3938748C2 - Wasserkraftmaschine

Info

Publication number: DE3938748C2
Application number: DE3938748A
Authority: DE
Inventors: Peter Georg Lahne
Original assignee: Individual
Current assignee: Lahne Peter Georg O-3080 Magdeburg De
Priority date: 1989-11-23
Filing date: 1989-11-23
Publication date: 1994-06-23
Anticipated expiration: 2009-11-24
Also published as: DE3938748A1

Description

Wasserkraftmaschine

Die Erfindung betrifft eine Wasserkraftmaschine für die praktische Anwendung in fließenden aufgestauten Gewässern mit nachgeschaltetem Getriebe und Generator und ist auch als Primärglied zur Verrichtung mechanischer Arbeit geeignet. Zur Anwendung kommt die Erfindung vor allem bei nichtschiffbaren Flußläufen mit relativ geringen Volumenströmen in Laufkraftwerken für Nieder- und Mitteldruckanlagen entsprechend der jeweiligen vorhandenen Wasserführung.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Die z. Zt. zum Einsatz kommenden Durchströmungsturbinen in Form von Oßberger-Turbinen und Banki-Turbinen sind jetziger Stand der Technik. Sie erreichen eine derzeitige Grenzleistung von P_max=0,7 MW.

Aber auch schon im Jahr 1918 wurde mit dem Patent US 1255510 eine interessante Lösungsvariante vorgestellt. Die Zuführung des Oberwassers erfolgte hier jedoch oberschlächtig, eine pneumatische Abdichtung, wie in der hier erfindungsgemäßen Abhandlung war nicht vorhanden und der Wasserraddurchmesser war von der geringen Stauhöhe langsam fließender Gewässer abhängig. Die Anordnung der starren Kammersegmente des Wasserrades und die optimale Ausnutzung der Wassermassen bis zum Unterwasser muß jedoch als gut gelöst bezeichnet werden. Der Wirkungsgrad einer Wasserkraftmaschine ist jedoch letztlich von der Beaufschlagungsart, dem Volumenstrom, der Fallhöhe und den verschiedenen Energieumwandlungsarten abhängig.

Aufgabe der Erfindung ist es demzufolge, eine gattungsgemäße Wasserkraftmaschine so zu verändern, daß Kleinwasserreserven mit kleinem Volumenstrom und kleinem Gefälle besser benutzt werden können. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Hinsichlich der Art und Weise, wie das Wasser seine Arbeitskraft auf die Schaufeln eines Wasserrades überträgt, sind vorallem zwei Fälle zu unterscheiden:

a) Wirkung durch die Kraft, beider das Wasser außerhalb des Wasserrades zum Fall gelangt und die dabei gewonnene Kraft entweder durch plötzlichen Stoß oder allmähli chen stetigen Druck an die Radschaufeln abgibt. Die sogenannte Stoßwirkung auf eine senkrechte Schaufelfläche ergibt jedoch einen geringen Wirkungsgrad, weil durch den Stoß ein großer Teil der Kraft "vernichtet" wird.
b) Wirkung durch das Gewicht des Wassers, welche durch Einwirkung der Schwerkraft einen wesentlichen höheren Wirkungsgrad errei chen läßt.

Gemäß dieser Tatsache kann ein wirkungsvolles und ökonomisches als auch ein ökologisch vertretbares Antriebsaggre gat geschaffen werden, das die Schwerkraft des Wassers optimal nutzen kann. Erfindungsgemäß geschieht dies im wesentlichen dadurch, daß

a) das Wasserrad nicht in Strömungsrichtung läuft, sondern 90° quer zur Strömung mit horizontaler Wasserradwelle angeordnet ist und
b) Wasserrad und Einlaufzylinder zwei unabhängige Systeme darstellen und somit das Wasserrad konstruktiv universelle Größe annehmen kann, was aufgrund längerer Hebelwirkung zu we sentlich größerer Energieausbeute führt.
c) Die einströmenden Wassermassen des Oberwassers durch das erfin dungsgemäße pneumatische Abdichtsystem ohne Verlust zur Kraftaus beute genutzt werden können und
d) mithin die Rotation des Wasserrades durch die Schlitzführung des Wassereinlaufs- bzw. Arbeitszylinders erfolgt und die Entleerung der einzelnen Kolbenblättersektoren durch die tangential angeord nete Zylinderaussparung vor Erreichen des Unterwassers bzw. des Tropfraumes abgeschlossen ist und somit bei Erreichen der Senkrecht stellung des Kolbenblattes, das Wasserrad unter dem Niveau der Un terwassersohle rotiert, da durch ständig nachströmendes Wasser im Einlaufschacht der Schweredruck dauernd wirkt bzw. aufrechterhalten bleibt.

Im einzelnen laufen folgende Wirkmechanismen erfindungsgemäß ab:
Das durch Grob- und Feinrechen gereinigte schützgesteuerte Wasser strömt dem Wassereinlaufschacht 1 der Wasserkraftmaschine mit normaler Fließgeschwindigkeit von etwa 0,8 m/sec. bei sich verjüngender Einleitung des Betongerinnes zu.

Durch den Schweredruck des Oberwassers werden die jeweils in Achsenhöhe des Wasserrades stehenden nacheinander mittelschlächtig beaufschlagten Kolbenblätter durch den Wassereinlaufzylinder 2 gedrückt.

Durch die beidseitige pneumatische Dichtungsbahn 16 mit den Funktionsglie dern 23 und 24 sowie dem pneumatischen Dichtungsring des Kolbenblattes 30 wird dabei ein Abfließen des Wassers innerhalb des Wassereinlaufzylinders 2 bis zum Erreichen der Wasserauslauf-Aussparung 3, verhindert.

Somit ist die gesamte Wassersäule ab Wassereinlaufhöhe des Oberwassers bis Wasserauslauf-Aussparung 3 des Wasserzylinders 2 als Druckkraft nutz bar.

Der Anpreßdruck bei den pneumatischen Effekten 24 und 30 wird durch eine herkömmliche Luftverdichteranlage mit Windkessel erzeugt, die möglichst den Aufbau einer Stromteilerschaltung hat.

Hierbei ist der Gesamtdurchfluß gleich der Summe der Einzeldurchflüsse; das Druckpotential ist demzufolge auch an allen Widerständen, hier an allen Dichtungsringen der Kolbenringe 30 und der beidseitigen pneumati schen Dichtungsbahn 16 mit seinen Wirkungsgliedern 23 und 24, gleich. Die Luftzuführung erfolgt erfindungsgemäß bei rotierendem Wasserrad durch die Wasserradwelle.

Der Druckluftanschluß von der Luftverdichteranlage zur Wasserradwelle 20 wird durch Wellendichtungen realisiert und zwar durch beispielsweise die Variante AC mit zwei Membranmanschetten, mit einer Dichtkante, Stützring und Stützscheibe bis 12 m/sec. Drehgeschwindigkeit oder auch der Variante BC mit zwei Membranmanschetten mit je einer Dichtkante, Stützring und Stützscheibe für schwierige Abdichtfälle und Anwendungs temperaturen -30°C bis +110°C für Wellendurchmesser von 5 mm bis 400 mm (lt. DDR-Standard, TGL 16 454). Die Fortleitung der Druckluft erfolgt innerhalb der Wasserradwelle 20 über ein Luftstromteiler in sämtliche Stützarme 18 mittels Strömungsleitungen, die flexibel durch Rohrverschraubungen verbunden sind.

Diese Strömungsleitungen sind an einem im Haltering für Kolbenblattkrag arm 17 integrierten Strömungsrohrring gekoppelt, der wiederum Rohrver schraubungsanschlüsse zu jeden einzelnen pneumatischen Dichtring der Kol benblätter 14 hat.

Vorgenannte flexible Anschlußart wurde vorallem wegen eventuell zu er wartender Reparaturen bzw. Erneuerungen der Druckelemente gewählt.

Die infolge von Außentemperaturschwankungen Sommer/Winter entstehenden unterschiedlichen Dichtringinnendrücke sind vorzugsweise durch pneumati sche RC-Elemente oder Kaskadensteuerelemente zu regeln.

Zur Erreichung möglichst reibungsfreier Gleiteigenschaften bzw. optimaler Abdichtung ist die Innenwandung des Wassereinlaufzylinders 2 möglichst polierglatt sowie aus nicht rostendem Material, vorzugsweise aus Werkstoff Niro X 8 Cr NiTi 18-10, auszubilden.

Schweißstöße infolge eventueller Segmentmontage des Wassereinlaufzylin ders 2 sind polierglatt abzuschleifen auf Planhöhe.

Der direkte Anschluß wird wiederum über ein Ventil im Druckschlauch und mittels Rohrverschraubung am unteren Auslauf der Dichtungsbahnen 16 re alisiert.

Die beidseitige Dichtschleiffläche 15 sowie der beidseitige umlaufende Haltering für den Kolbenblattkragarm 17 erfüllen durch ihr Einspannmo ment gleichzeitig statische Aufgaben zur Stabilisierung des Kolbenblat tes 14.

Zum Erreichen von Flächen- und Seitenstabilität des Kolbenblattes 14 wird die Unterkonstruktion durch einen Stützrahmen des Kolbenblattes 29, aus gesteift.

Um ein ungehindertes Einströmen des Oberwassers 5 in den Wassereinlaufzy linder 2 zu ermöglichen, wird die gesamte Stützrahmenkonstruktion unter halb der Kolbenblätter 14 strömungsgünstig verkleidet. Dies wird durch beidseitig der Kastenprofile angeschweißte Wasserabweiserbleche erreicht, die von den unteren Außenkanten der Kastenprofile 45°C nach schräg oben geführt werden und mit der Kolbenblattgrundplatte 32 schweißdicht abschlie ßen. Kolbenblattkragarm 17 und dessen Stützrahmen 29 sind wasserdicht zu verschweißen und bestehen vorzugsweise aus verschweißtem Kastenprofil der TGL 10 370 oder aus Stahlleichtprofil, rechteckig, der TGL 18 803 bei ent sprechenden statischen Nachweisen.

Das Kragarmende des Kolbenblattes 14 ist ebenfalls wasserdicht mittels Stahlblechplatte, mind. 6 mm dick zu verschweißen.

Dadurch wird der Wassereintritt in die Wasserradwelle durch die Stützarme 18 verhindert.

Die gedachte Wassereintrittsfläche im Oberwassergerinne der Fig. 1 des Wassereinlaufschachtes 1 sollte generell der gedachten Austrittswasser fläche der Wasserauslauf-Aussparung entsprechen.

Die speziellen Flächenverhältnisse sind jedoch von Anlage zu Anlage ver schieden, entsprechend anstehender Fließgeschwindigkeiten, Volumenströme, Drehzahl und Durchmesser des Wasserrades, sowie der vorhandenen Steuer technik.

Hier sind exakte Berechnungen bei der Konstruktion nötig.

Es empfiehlt sich aber ganz allgemein, die einströmende Wassermenge in Abhängigkeit vorgenannter Parameter einschließlich der Reibungsverluste mit Hand und den elektromaschinellen Antrieb automatisch zu regeln, die beim Überschreiten der Wasserdifferenz von etwa 30 cm zwischen Ober- und Unterwasser oder beim Erreichen eines vorgegebenen Höchstwasserstandes in Funktion treten.

Darüber hinaus ist auch der nachgeschaltete Abtropfraum 19 in der Gesamt funktion von Bedeutung. Er hat die Aufgabe, Rest- bzw. Tropfwasser der Kolbenblätter 14, nach Durchlaufen des Wassereinlaufzylinders 2, aufzu nehmen.

Der drucklose Abtropfraum 19 erhält erfindungsgemäß eine Gefällesohle, an deren Tiefseite zum einen das Wasser gesammelt wird und zum Anderen die Installation eines Füllstandsschalters, vorzugsweise der Kennbezeichnung LS 20-C-444C102R-2380 - nichtrostend - des VEB Steremat Berlin, sowie einer Kreiselpumpe der Baugrößen 32/125 bis 50/160 auf einer in Fig. 1 darge stellten Montagebrücke, möglich ist. Die Aussteuerung des Schwimmers 9 erfolgt über Wischkontaktsystem des Füllstandsschalters ab untersten Tropfwasserstand 7 bis oberen Tropfwasserstand 8 der Ansicht der Fig. 1. Der Antrieb der Kreiselpumpe 12 erfolgt am zweckmäßigsten durch direkte Kupplung mit dem Elektromotor 13.

Das Tropfwasser wird bei Ansteuerung über Saugkorb 10 und Saugleitung 11 durch die Kreiselpumpe 12 und die Druckleitung gefördert und dem abflie ßenden Unterwasser außerhalb des Einflußbereiches der Wasserkraft maschinenanlage zugeleitet.

Die Pumpeneinheit mit Saugkorb 12, Motor 13 und der Füllstandsschalter mit Schwimmer 9 sind durch den aufnehmbaren Laufsteg als auch über Steig eisen in der Umfassungswand des Abtropfraumes 19 unkompliziert zu errei chen.

Dadurch ist eine ständige Überwachung der Funktionsglieder und Wartung der Aggregate möglich.

Durch die Überbauung der Wasserschwerkraftmaschine entsprechend Fig. 2 durch den Maschinenraum 21 und 22 und weiterer baulicher Anlagen können während eisreicher Wasserführung bei negativen Außentempe raturen im gesamten Innenbereich des Krafthauses Störungen durch Eis und Schnee fast ausgeschlossen werden.

Eventuell vorhandene Frostgefährdungsbereiche sollten durch beheizbare Geberrohre ausgestattet sein.

Der Abstand der Abdeckplatte 31 des Kolbenblattes 14 zur Innenwandung des Wassereinlaufzylinders 2 sollte = 30 mm betragen.

Der Abstand des aufgelegten pneumatischen Dichtrings 30 sollte in ent spanntem Zustand umlaufend nicht größer als 20 mm sein, um bei entspre chendem pneumatischen Betriebsdruck bessere Flankenstabilität und gerin gen Verschleiß des Dichtrings des Kolbenblattes 30 zu bewährleisten.

Grundsätzlich ist nach Auflegen des pneumatischen Dichtrings 30 dessen nach unten gerichtetes Drucklaufanschlußventil zur Druckleitung 33 durch die Kolbenblattgrundplatte 32 zu führen und auf faltenfreien Sitz des entspannten Dichtrings 30 zu achten.

Empfehlenswert ist es, die Abdeckplatte 31 bei größerem Kolbenblattdurch messer in mehrere Abschnitte zum Erreichen der Kreisform aufzuteilen. Der Verschraubabstand mit der Kolbenblattgrundplatte ist je nach Kolbenblatt durchmesser zu bestimmen bzw. festzulegen.

Es ist weiterhin vorteilhaft, zur Vermeidung von Zugkräften am Anschlußven til des pneumatischen Dichtrings 30 die Durchsteckbohrung durch die Kol benblattgrundplatte 32 als Langloch mit je 2 mm Seitenspiel auszubilden. Die Ventilverschraubung des Dichtrings 30 ist demzufolge nur mäßig fest mit einer Konterverschraubung anzuziehen, um den eventuellen Ventillauf im Langloch zu gewährleisten.

Die beidseitige dreiflankige Gleittasche 28 ist in der gesamten Krümmungs linie und -länge des Wassereinlaufzylinders 2 polierglatt aus nichtrosten dem Stahl, vorzugsweise Werkstoff Niro X 8 Cr NiTi 18-10, auszubilden.

Der beidseitige zweilippige stahlarmierte schleifende Dichtungsstreifen 23 sowie der beidseitige pneumatische Druckschlauch 24, haben die gleiche Krümmung und die gleiche Einbaulänge wie die Gleittasche 28.

Der konstante Anpreß- bzw. Betriebsdruck des pneumatischen beidseitigen Druckschlauches 24 ist so zu halten bzw. zu regeln, daß geringste Reibung und Verschleiß an der beidseitigen Dichtfläche 15 und optimale Abdichtung zum Wassereinlaufzylinderinnenraum erreicht wird.

Die Drucklaufzuführung beider Dichtungsbahnen 16 zum pneumatischen beid seitigen Druckschlauch 24 innerhalb der Gleittaschen 28, erfolgt über einen Luftstromteiler für jede Seite des Wasserzylinderschlitzes, jedoch mit gleichem Betriebsdruck wie der, der pneumatischen Dichtungsringe 14 der Kolbenblätter.

Bezüglich der Wasserradwelle 20 ist folgendes ergänzend darzulegen:

Die Wasserradwelle 20 wird vorzugsweise mit Gleitlager ausgestattet, die den Aufbau geteilter Querlager haben und aus Nichteisenmetallen, wie Bronze, Rotguß, Weißmetalle (Blei-, Zinn-Antimon-Legierungen) bestehen sollten.

Eine Druckumlaufschmierung sollte zum Einsatz kommen, um ein Festlaufen bzw. vorzeitigen Verschleiß der Welle zu verhindern. Die Wasserradwelle 20 ist weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß sie beiderseits der Gleitlager in die Maschinenräume 21 und 22 entsprechend der Fig. 2, geführt wird. Dadurch ist es möglich, problemlos auf der einen Wellenseite die bereits erläuterte Pneumatik anschlußseitig zu realisieren, und die andere Wellen seite zur Kraftübertragung zu nutzen.

Bautechnisch werden Wasserradeigengewicht und Wassergewicht der Arbeitsseite des Wassereinlaufzylinders 2 über die beidseitig angeordneten bereits be nannten Gleitlager und über Lastverteilungsgrundplatten in die Fundamente geleitet.

Dabei ist darauf zu achten, daß die Lagerfundamente im Komplex des aufge henden Krafthausmauerwerkes 4 mittels Dehnfugen eigenständige Baukörper bleiben müssen.

Der Grund liegt in der Vermeidung der Übertragung eventuell auftretender dynamischer Schwingungen auf den übrigen Baukörper und der damit verbunde nen Bauschäden.

Der Baukörper ist bis Oberkante-Gelände vorzugsweise aus Ortbeton B 225 bzw. MBK 20-II/W 0,2 - F 100 und über Oberkante-Gelände mindestens aus Hohlblocksteinen oder HZ 250-Mauerwerk traditionell zu errichten.

Sämtliche rostende Stahlteile sind gegen Korrosion mit Anstrichsystem 203 nach TGL 18 738/2 zu behandeln.

Vor Aufbringen des Systems sind die Stahlteile mindestens nach Säuberungs grad 2 lt. TGL 18 730/2, zu entrosten.

Für die Errichtung der Wasserkraftmaschine einschl. aller baulichen Anlagen gelten die Maßtoleranzen im Wasserbau mit den speziellen Durch führungsbestimmungen.

Claims

1. Wasserkraftmaschine mit einem Wasserrad, dessen Schaufeln auf dem Weg vom Oberwasser Richtung Unterwasser mit einem Wassereinlauf abgedichtete Räume bilden, dadurch gekennzeichnet, daß

a) die Schaufeln als ebene achsparallele und radial ausgerichtete Kolbenblätter (14) ausgebildet sind,
b) die Kolbenblätter (14) in einem ihrem Kreisumfang angepaßten Wassereinlaufzylinder (2) dichtend schlitzgeführt sind,
c) die Zuströmrichtung des Wassers parallel zur Welle des Wasserrades vorgesehen ist,
d) der Wassereinlauf etwa in Höhe der Achse des Wasserrades über einen Einlaufschacht (1) erfolgt,
e) die Wasserabgabe über eine Wasserauslauf-Aussparung (3) im Wassereinlaufzylinder (2) erfolgt, die oberehalb der tiefsten Stelle des Wasserrades und oberhalb des Unterwassers liegt.

2. Wasserkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Wasserrad mit am Außenkranz sitzenden Kolbenblättern (14) ausgestattet ist, die pneumatische Dichtringe (30) haben.

3. Wasserkraftmaschine nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitzführung zur Vermeidung von unerwünschtem Wasseraustritt - ergänzend zu den pneumatischen Dichtungen der Kolbenblätter - durch eine beidseitige pneumatische Dichtungsbahn innerhalb der Wassereinlaufzylinderwandungen ergänzt ist.

4. Wasserkraftmaschine nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Wassereinlaufzylinder (2) stets in den oberen Arbeitssektor und den unteren Auslaufsektor aufgeteilt ist, wobei die Auslaufaussparung in der äußeren Krümmungslinie des Wassereinlaufzylinders liegt und die Oberwassereintrittsfläche stets annähernd der Aussparungsfläche des Wasserauslaufs entspricht.

5. Wasserkraftmaschine nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch die hohle Wasserradwelle (20), die Stützarme (18), des Wasserrades und den Innensektor der beidseitigen Dichtungsbahn sowie die Kolbenblattkragarme ein pneumatisches Leitungssystem fest und flexibel geführt ist, das beide unabhängigen Systeme

a) Wasserrad und
b) Wassereinlaufzylinder

erfindungsgemäß abdichtet.

6. Wasserkraftmaschine nach Anspruch 1 bis 5, dadurch ge kennzeichnet, daß zur Ableitung von Tropfwasser hinter der Entleerungszone des Wassereinlaufzylinders (2) ein Abtropfraum (19) unterhalb des Wasserrades angeordnet ist, durch den die entleerten Kolbenblättersektoren streichen bzw. rotieren und dessen Entleerung über eine Kreiselpumpeneinheit (12) in Abhängigkeit einer Ansteuerung eines Füllstandsschalters mit Schwimmer (9) erfolgt.