DE4139134A1 - Wasserkraftschnecke zur energieumwandlung - Google Patents

Description

Die Erfindung ist in der Energietechnik anzuwenden, insbesondere zur Wasserkraftnutzung in kleinen Anlagen. Kleine Wasserkräfte mit niedriger Fallhöhe und geringer Wasserführung eignen sich nicht zum Betrieb von Turbinen. In diesem Bereich werden nach wie vor Wasserräder eingesetzt, die eine Jahrtausende lange Tradition haben und auch heute nicht als Repräsentanten einer veralteten Technologie anzusehen sind. Nachteilig sind die individuellen Einzelfertigung zur optimalen Ausnutzung der vorgefundenen Fallhöhe und Abflußverhältnisse sowie die fehlende Anpassungsmöglichkeit an wechselnde Wasserstände im Ober- und Unterwasser. Die abzugebende Leistung kann nicht geregelt werden. Eine Speicherung überschüssiger Energie aus anderen Quellen, die zeitweilig zur Verfügung steht (z. B. Nachtstrom oder Windkraft) ist nicht möglich.

Diese Nachteile lassen sich vermeiden, wenn man an Stelle der Wasserräder Wasserkraftschnecken verwendet, denen am oberen Ende Wasser zugeführt wird, das sich unter Einwirkung der Schwerkraft in der Schnecke abwärts bewegt, diese dadurch in Bewegung versetzt und so die Energie der Lage in Bewegungsenergie umwandelt. Dieser Vorschlag ist in der Praxis noch niemals ausgeführt worden. In seiner "Allgemeinen Maschinenlehre" (C. A. Schwetschke und Sohn, Braunschweig, 1875) schreibt jedoch Professor Dr. Moritz Christian Rühlmann in Fußnote 2) auf Seite 316: "Navier erwähnt (in Blidors Arch. hydraul., P. 454) die sogenannte Archimedische Schraube als Wasserrad, wobei deren Achse (gerade so, wie man sie gewöhnlich als Schöpfmaschine verwendet) geneigt ist, indessen wird dabei von einer wirklichen Verwendung nichts berichtet. Eine solche Schraube als Recepteur für bewegtes Wasser ist zwar nicht schlecht zu nennen, dürfte jedoch ziemlich unter allen Umständen vorteilhafter durch Wasserräder zu ersetzen sein. Dagegen schreibt Navier a. a. O.: "et il est vraisemblable, abstraction faite de difficults de disposition et de construction, qu′on en obtiendrait dans la pratique un rsultat aussi avantageux pour le moins que de toute autre roue hydraulique." (und es ist wahrscheinlich, daß man, von Schwierigkeiten der Anlage und der Konstruktion abgesehen, in der Praxis ein mindestens ebenso vorteilhaftes Resultat erhalten würde, wie mit jedem anderen Wasserrad.)

Anzumerken ist, daß Navier die ursprüngliche Form der Schnecke des Archimedes im Auge hatte, wie sie von Vitruvius in seinen 10 Büchern über Architektur beschrieben worden ist. Diese Schnecke ist von einem mit ihr umlaufenden Mantel (enveloppe) umgeben. Dessen ungeachtet ist die theoretische Möglichkeit zur Anwendung der Schnecke als Wasserrad als Stand der Technik anzusehen.

Aufgabe der Erfindung ist es, die beschriebenen Nachteile bei herkömmlichen Wasserrädern zu vermeiden und die Schwierigkeiten in Konstruktion und Anlage nach dem Vorschlag von Navier zu überwinden. Diese Schwierigkeiten werden dadurch vermieden, daß die von Navier gedachte, geschlossene Schnecke durch eine Wasserkraftschnecke ersetzt wird, die in Aussehen und Ausführung gleich den aus der Abwassertechnik bekannten Wasserförderschnecken mit feststehendem, oben offenem Trog, in dem sich die Schnecke dreht, gestaltet wird. Der Anlagenbau und die Konstruktion dieser Schnecken werden von den Herstellern beherrscht und z. B. in DIN 1184, Teil 4 (verabschiedet Oktober 90, z. Zt. im Druck) sowie in dem Buch "Wasserförderschnecken" von Nagel/Radlik (Bauverlag Wiesbaden, 1988) ausführlich beschrieben.

Der Nachteil der Einzelfertigung zur Anpassung an von Ort zu Ort verschiedene Bedingungen entfällt dadurch, daß im Gegensatz zu herkömmlichen Wasserrädern bei Wasserkraftschnecken kein Zusammenhang zwischen Fallhöhe und Durchmesser besteht, obwohl die Schnecke keine Strömungsmaschine ist. Der Schneckendurchmesser hängt nur vom Wasserdargebot ab. Die Übereinstimmung mit Wasserförderschnecken ermöglicht die Auswahl unter Normteilen der Hersteller. Zur optimalen Nutzung der Fallhöhe kann die Schneckenlänge bis zur Festigkeitsgrenze stufenlos gewählt werden. Beide Größen können außerdem durch die Wahl des Aufstellungswinkels beeinflußt werden. Gegenüber der geschlossenen Schnecke bei Navier ist die Wasserkraftschnecke mit offenem Trog mindestens ebenso unempfindlich gegen Verstopfungen durch vom Wasser mitgeführte Feststoffe wie ein herkömmliches Wasserad.

Fig. 1 zeigt eine derartige Wasserkraftschnecke. Der Schneckenkörper 1 wird von dem unteren Lager 4 und dem oberen Lager 5 getragen und von dem Trog 2 umschlossen. Vom Oberwasserspiegel 8 fließt Wasser durch den Trog 2 zum Unterwasserspiegel 9. Es wird durch die Schneckengänge in einzelne Gangfüllungen unterteilt, die vom Trog und je 2 Gänge begrenzt werden, unter Einwirkung der Schwerkraft im Trog abwärts gleiten und dabei eine Schubkraft auf die Gänge ausüben, welche die Schnecke in Drehung versetzt. Da das entstehende Drehmoment vom Gewicht der Gangfüllungen abhängt, wird zur Regelung des Drehmoments und der Leistung der Inhalt der Gangfüllung mit dem Regler 3 verändert. Das Übersetzungsgetriebe 6 wandelt die niedrige Drehzahl der Schnecke in eine für den Generator 7 geeignete, höhere Drehzahl.

Wenn der Oberwasserspiegel 9 soweit gesunken ist, daß das Gefälle nicht mehr ausreicht, um der Schnecke genügend Wasser zuzuleiten, z. B. beim Absenken eines Speichers (Mühlteichs), kann das Treibwasser durch absperrbare Leitungen oder Kanäle der Schnecke unterhalb des oberen Trogendes zugeführt werden. Fig. 2 zeigt die Leitung 10 und die Absperrvorrichtung 11. Auch Veränderungen auf der Unterwasserseite sind zu beachten.

Wenn der Unterwasserspiegel über die Auslaufhöhe am unteren Trogende ansteigt, z. B. durch Rückstau im Ablauf, so ensteht ein Leistungsverlust durch das Herumwirbeln der in das Unterwasser eingetauchten Schneckengänge. Zur Abhilfe schlägt die Erfindung vor, die mit Trog, Lagern, Getriebe und Kraftmaschine zu einer kompakten Einheit zusammengebaute Schnecke durch Schwenkung, Hebung, Senkung und Verschiebung an wechselnde Unter- und Oberwasserstände anzupassen. Ein Beispiel ist in Fig. 3 und Fig. 4 dargestellt. Fig. 3 zeigt eine Schnecke, die einer großen Höhendifferenz H zwischen Ober- und Unterwasserspiegel durch einen großen Aufstellwinkel mit den Höhenmaßen h1 und h2 angepaßt ist. Ein Gelenkanschluß 12 läßt eine Veränderung des Winkels gegen die Zulaufleitung 10 und das Abschlußwehr 13 zu. Wird die Höhendifferenz H kleiner, so wird das Höhenmaß h1 um den Betrag x kleiner und das Maß h2 um den Betrag y größer, wie in Fig. 4 zu erkennen ist. Der Verlust an Fallhöhe bei Verringerung der Höhendifferenz H wird zum Teil durch die Erhöhung des Schluckvermögens bei flacherem Aufstellwinkel ausgeglichen.

Vorteilhaft ist die Anpassung an wechselnde Ober- und Unterwasserstände auch, wenn die Schnecke zur Speicherung und Rückgewinnung von Energie mit wechselnder Drehrichtung abwechselnd als Wasserförderschnecke und als Wasserkraftschnecke arbeitet. Wie bei einem Pumpspeicherwerk kann die Schnecke z. B. mit überschüssigem Nachtstrom Wasser in einen Speicherbehälter fördern, das zur Spitzenlastzeit über die Schnecke zurückläuft und zusätzlichen Strom erzeugt.

Die Fähigkeit der Schnecke, durch Wasserförderung Energie zu speichern und sie bei Bedarf durch Rücklauf zurückzugewinnen, soll nach der Erfindung auch in Zusammenarbeit mit anderen Kraftmaschinen, die zeitweise und unregelmäßig dargebotene Energie umwandeln, ermöglichen, daß diese zum Antrieb von Arbeitsmaschinen verwendet werden, die eine annähernd konstante Leistungszuführung bei konstanter Drehzahl brauchen.

Ein Beispiel für diese Vorgänge zeigen Fig. 5 und Fig. 6. In Fig. 5 erzeugt ein Windkonverter die Energiemenge E+x. Zum Antrieb der Kreiselpumpe 16 wird aber nur die Menge E benötigt. Die Überschußmenge x wird vom Verzweigungsgetriebe 15 über das Untersetzungsgetriebe 6 der Schnecke 1 zugeführt, die als Wasserförderschnecke Wasser vom Unterwasserspiegel 9 zum Oberwasserspiegel 8 in einen Speicher fördert. In Fig. 6 reicht die vom Windkonverter 14 erzeugte Energiemenge E-y nicht zum Antrieb der Kreiselpumpe 16 aus. Aus dem Speicher wird Wasser durch die Absperrvorrichtung 11 und die Leitung 10 der Schnecke 1 zugeführt, die als Wasserkraftschnecke die Energiemenge y erzeugt, die über das Getriebe 6 dem Verzweigungsgetriebe 15 zugeführt und mit der vom Windkraftkonverter 14 abgegebenen Energie E-y zu der erforderlichen Menge E zusammengesetzt wird.

Claims (5)

1. Wasserkraftschnecke zur Energieumwandlung, in Aussehen und Ausführung gleich einer aus der Abwassertechnik bekannten Wasserförderschnecke mit oben offenem, nicht drehendem Trog, in dem sich die ein- oder mehrgängige Schnecke dreht, der am oberen Ende Wasser zugeführt wird, das sich unter Einwirkung der Schwerkraft in der Schnecke abwärts bewegt, diese dadurch in Drehung versetzt und so die im Wasser enthaltene Energie der Lage in Bewegungsenergie umwandelt, dadurch gekennzeichnet, daß die abzugebende Leistung sowohl bei gleichbleibender als auch bei veränderlicher Drehzahl durch Änderung der Gangfüllung geregelt wird.

2. Schnecke nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ihr zur Anpassung an wechselnde Oberwasserstände auch unterhalb ihres oberen Trogendes Wasser durch eine oder mehrere einzeln absperrbare Leitungen oder Kanäle zugeführt wird.

3. Schnecke nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mit Trog, Lagern, Getriebe und Kraft- oder Arbeitsmaschine kompakt zusammengebaute Schnecke durch Schwenkung oder Hebung oder Senkung oder Verschiebung in der vertikalen Ebene an wechselnde Ober- und/oder Unterwasserstände angepaßt wird.

4. Schnecke nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie zur Nutzung und Speicherung von nur zeitweilig (z. B. Nachstrom) oder zeitweilig und unregelmäßig (z. B. Windkraft) dargebotener Energie durch Umkehrung der Drehrichtung abwechselnd als Wasserkraftschnecke und als Wasserförderschnecke betrieben wird.

5. Schnecke nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie in Zusammenarbeit mit einer anderen Kraftmaschine, der unregelmäßig dargebotene Energie (z. B. Windkraft) zugeführt wird, einerseits überschüssige Bewegungsenergie als Wasserförderschnecke aufnimmt und diese durch Wasserförderung in einen Speicher in Energie der Lage umwandelt, andererseits als Wasserkraftschnecke fehlende Energie durch Entnahme aus dem Speicher und Rückwandlung in Bewegungsenergie ergänzt, um die gemeinsame Leistungsabgabe und die zugehörige Drehzahl in bestimmten Grenzen konstant zu halten, wie es zum Antrieb einer Arbeitsmaschine erforderlich ist, die annähernd konstante Drehzahl und Leistungszuführung braucht (z. B. Kreiselpumpe).