DE4325402A1 - Wasserkraft-Antriebsaggregat - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Wasserkraft-Antriebsaggre­ gat mit einem durch eine Wasserströmung zu einer Drehbewegung um eine horizontale Welle antreibbaren, mit Schaufeln versehenen Antriebselement.

Derartige Wasserkraft-Antriebsaggregate sind für Müh­ len, Generatoren, Hammerwerke u. dgl. seit vielen Jahrzehnten bekannt und besitzen als mit Schaufeln versehenes Antriebselement ein Mühlrad bzw. ein Was­ serrad, welches als oberschlächtiges Rad ausgeführt sein kann, dem das Wasser von oben zugeführt wird, oder als unterschlächtiges Rad, bei dem die Schaufeln direkt von der vorbei strömenden Wasserströmung ange­ trieben werden.

Bei den bekannten Wasserkraft-Antriebsaggregaten hat es sich als nachteilig erwiesen, daß für einen einigermaßen regelmäßigen und vom Wasserstand des die Antriebsenergie liefernden Fließgewässers unabhängigen Betrieb Staubecken, Wehre, Kanäle u. dgl. gebaut wer­ den müssen, aus denen das Wasser in die gewünschte Position bezüglich des Antriebselements gebracht wird.

Ähnlich ist die Situation bei Antriebsaggregaten mit turbinenförmigen Antriebselementen, bei denen je nach Art der eingesetzten Turbine an dem betreffenden Fließgewässer oder Stausee entsprechende Bauwerke errichtet werden müssen, über die das Wasser der anzutreibenden Turbine in geeigneter Form zugeführt wird.

Ausgehend vom Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Wasserkraft- Antriebsaggregat anzugeben, bei dessen Verwendung die erforderlichen Baumaßnahmen an bzw. in einem die Wasserkraft liefernden Fließgewässer auf ein Minimum reduziert werden können.

Diese Aufgabe wird bei einem Wasserkraft-Antriebs­ aggregat gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß das Antriebselement einen walzenförmigen Grundkörper auf­ weist, der auf einer geschlossenen zylindrischen Außenfläche mit radial nach außen abstehenden Schaufeln versehen ist, daß das Antriebselement drehbar in einem dazu konzentrischen, feststehenden, trommelförmigen Gehäuse angeordnet ist, dessen Innen­ durchmesser im wesentlichen gleich dem Durchmesser eines Kreises ist, längs welchem sich die äußeren Enden der Schaufeln bei der Drehung des Antriebs­ elementes bewegen, und daß das Gehäuse stromaufwärts in seinem oberen Teil mit einer Einlaßöffnung und stromabwärts in seinem unteren Teil mit einer Auslaß­ öffnung versehen ist.

Es ist ein besonderer Vorteil des Wasserkraft- Antriebsaggregats gemäß der Erfindung, daß dessen trommelförmiges Gehäuse, wenn es fest am Boden des die Wasserkraft liefernden Fließgewässers montiert wird, bereits selbst ein Stauelement bildet, durch welches das Wasser hindurchfließt und dabei das Antriebsele­ ment zu einer Drehbewegung antreibt, wobei das Gehäuse je nach Größe des Antriebsaggregats und in Abhängig­ keit von der Breite und Tiefe des Fließgewässers gegebenenfalls durch Stauelemente ergänzt werden kann, die sich seitlich und/oder nach oben an das trommel­ förmige Gehäuse anschließen.

Auf jeden Fall ist mit dem erfindungsgemäßen Wasser­ kraft-Antriebsaggregat eine kostengünstige und um­ weltschonende Energiegewinnung möglich, wobei im Hinblick auf die Möglichkeit, auf zusätzliche Baumaß­ nahmen in der Umgebung des Aggregats ganz oder zumin­ dest weitgehend zu verzichten, auch eine optische Störung des Landschaftsbildes in einem bisher nicht möglichen Ausmaß verhindert wird.

In seiner einfachsten Ausführungsform besteht ein Wasserkraft-Antriebsaggregat gemäß der Erfindung einfach aus einem trommelförmigen Gehäuse mit einem stromaufwärts angeordneten Einlaß in seinem oberen Teil und einem stromabwärts angeordneten Auslaß in seinem unteren Teil sowie aus einem im Inneren dieses Gehäuses angeordneten Antriebselement, mit dessen Welle beispielsweise ein Generator oder auch eine mechanische Antriebseinrichtung verbunden werden kann. Bei dieser Ausgestaltung fließt das Wasser aus dem Fließgewässer aufgrund seines natürlichen Gefälles von der Einlaßöffnung zu der Auslaßöffnung des trommelför­ migen Gehäuses, wobei das Antriebselement über seine Schaufeln, die von der Wasserströmung mitgenommen werden, zu einer Drehbewegung angetrieben wird.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist oberhalb des Antriebselementes ein trommelförmiges Verschlußelement angeordnet, welches um eine zu der Welle des Antriebselementes parallele Achse drehbar ist, welches mit seiner zylindrischen Außenfläche tangential an der zylindrischen Außenfläche des Antriebselementes anliegt und welches mit mindestens einer Tasche zur Aufnahme einer Schaufel des Antriebs­ elementes bei einer synchronen Relativdrehung des Antriebselementes und des Verschlußelementes mit entgegengesetztem Drehsinn versehen ist.

Diese Ausgestaltung eines Antriebsaggregates gemäß der Erfindung hat den Vorteil, daß das trommelförmige Verschlußelement eine Erhöhung des durch das trommel­ förmige Gehäuse gebildeten Stauelements bewirkt und damit die nutzbare Höhendifferenz bzw. Druckdifferenz zwischen der stromaufwärts gelegenen Seite und der stromabwärts gelegenen Seite des Antriebsaggregates vergrößert. Dabei kann das Verschlußelement dichtend in einem hohlzylindrischen Ansatz des Gehäuses für das Antriebselement angeordnet sein und wird vorzugsweise über ein Zahnradgetriebe zu einer synchronen gegensin­ nigen Drehbewegung mit dem Antriebselement gekoppelt.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden nachstehend anhand von Zeichnungen noch näher erläu­ tert. Es zeigen:

Fig. 1 bis 3 schematische Querschnittsdarstellungen dreier verschiedener Wasserkraft- Antriebsaggregate gemäß der Erfindung.

Im einzelnen zeigt Fig. 1 ein Wasserkraft-Antriebs­ aggregat mit einem Antriebselement 10, welches in einem trommelförmigen Gehäuse 12 angeordnet ist. Das Antriebselement 10 besitzt einen zylinderförmigen Grundkörper 11, der drehfest auf einer Welle 14 sitzt, deren freie Enden in geeigneten reibungsarmen Lagern (nicht gezeigt), beispielsweise in Gleit- oder Wälzlagern, drehbar gelagert sind, die in scheibenför­ migen Stirnwänden des trommelförmigen Gehäuses 12 angeordnet sein können.

Am äußeren Umfang des Grundkörpers 11 des Antriebsele­ mentes 10 sind beim Ausführungsbeispiel drei radial nach außen abstehende Schaufeln 16 angebracht, welche gerade sein können, wie dies in Fig. 1 gezeigt ist, welche aber auch mehr oder weniger schräg von dem Grundkörper 11 abstehen und gegebenenfalls in sich gekrümmt sein können, um entsprechend den jeweiligen Betriebsbedingungen optimale Strömungsverhältnisse bzw. eine optimale Krafteinleitung zu erreichen.

Die in radialer Richtung am weitesten außen liegenden Spitzen der Schaufeln 16 sollten zumindest im wesent­ lichen bis zu der zylindrischen Innenwand des trommel­ förmigen Gehäuses 12 reichen und im übrigen so ausge­ bildet sein, daß ein guter Kompromiß zwischen der Reibung der Schaufeln an der Innenwand des trommelför­ migen Gehäuses 12 einerseits und den Wasser- bzw. Energieverlusten andererseits erreicht wird, die sich bei Vorhandensein eines Spalts zwischen dem äußeren Schaufelende und der Innenwand des trommelförmigen Gehäuses 12 ergeben.

Das trommelförmige Gehäuse 12 ist an seinem in Fig. 1 und im Betrieb unteren Ende mit einem Fuß 18 versehen, der beim Einsatz des erfindungsgemäßen Antriebsaggre­ gats am Grunde des die Wasserkraft liefernden Fließge­ wässers fest montiert wird, beispielsweise mittels Schraubbolzen, die in entsprechende Gegengewinde eines ein- oder mehrteiligen Fundaments im Boden des Fließ­ gewässers eingreifen.

Das trommelförmige Gehäuse 12 ist in seinem oberen Teil mit einer im Betrieb stromaufwärts angeordneten Einlaßöffnung 20 versehen und auf seiner stromabwärts gelegenen Seite - in Fig. 1 rechts - mit einer Auslaß­ öffnung 22, die im unteren Teil des Gehäuses 12 mög­ lichst weit unten angebracht wird.

Für den Betrieb wird die Wasserkraftmaschine bzw. das Wasserkraft-Antriebsaggregat gemäß der Erfindung so dimensioniert und eingebaut, daß der Wasserpegel P_O auf der stromaufwärts gelegenen Seite mindestens auf der Höhe der Einlaßöffnung 20 liegt, die vorzugsweise durch ein Schutzgitter 24 abgedeckt ist, welches das Eindringen von groben Verschmutzungen wie Äste o. dgl. in das Innere des Aggregates verhindert. Der Wasserpe­ gel P_U auf der stromabwärts gelegenen Seite liegt da­ gegen vorzugsweise im Bereich der Unterkante der Aus­ laßöffnung 22. Bei dieser Installation strömt das Was­ ser von der Einlaßöffnung 20 zu der Auslaßöffnung 22, wobei das Antriebselement 10 zu einer Drehbewegung an­ getrieben wird, und zwar bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 zu einer Drehbewegung im Gegenuhrzeiger­ sinn, wie dies durch einen Pfeil P angedeutet ist. Die erforderliche Stauwirkung wird dabei einfach durch die Montage des Aggregats am Grunde des Flußbetts er­ reicht, wobei das trommelförmige Gehäuse 12 selbst ein Stauelement bildet und wobei eine überschüssige Was­ sermenge gegebenenfalls oben über das Gehäuse 12 hin­ wegströmen oder auch seitlich an diesem vorbeiströmen kann. Dabei sind die von außen sichtbaren Eingriffe in die Natur minimal, da außer dem Antriebsaggregat selbst abgesehen von gegebenenfalls erforderlichen seitlichen Stauelementen keine weiteren Baumaßnahmen erforderlich sind. Außerdem lassen sich bei einem Gehäusedurchmesser, der in der Praxis zwischen etwa 0,5 und 5 m beträgt, längs eines Flüßchens zur Ausnut­ zung der Wasserkraft in Abständen immer wieder weitere Wasserkraft-Antriebsaggregate einbauen, so daß sich speziell bei ganzjährig wasserführenden Gewässern über die Jahre hinweg bei vergleichsweise geringem Aufwand erhebliche Energiemengen gewinnen lassen.

Das Antriebsaggregat gemäß Fig. 1 wird vorzugsweise in großen Flußbetten eingesetzt, wo lediglich ein Durch­ strömen der Anlage erzwungen wird, im allgemeinen jedoch keine Überflutung derselben auftritt, bei der das Wasser über die Oberseite des Gehäuses hinweg­ strömt.

Bei kleineren oder mittleren Flüssen, bei denen es sich anbietet, einen geringen Rückstau zur Leistungs­ erhöhung auszunutzen, wird dagegen vorzugsweise ein Wasserkraft-Antriebsaggregat eingesetzt, wie es in Fig. 2 der Zeichnung dargestellt ist. Bei diesem An­ triebsaggregat ist oberhalb des Antriebselementes 10 ein trommelförmiges Stau- bzw. Verschlußelement 26 angeordnet, welches vorzugsweise, jedoch nicht not­ wendigerweise dichtend in einem hohlzylindrischen Ansatz 12a des Gehäuses 12 angeordnet und drehfest mit einer Welle 28 verbunden ist, die an den stirnseitigen Enden des hohlzylindrischen Ansatzes wieder mittels geeigneter Lager (nicht gezeigt) drehbar gelagert sein kann.

Das Verschlußelement 26 ist mit einem Zahnkranz 30 versehen, der mit einem Zahnkranz 32 des Antriebsele­ mentes 10 kämmt, so daß das Antriebselement 10 und das Verschlußelement 26 zu einer synchronen gegensinnigen Drehbewegung angetrieben werden. In dem Verschlußele­ ment 26 ist dabei eine Tasche 26a vorgesehen, welche dazu dient, die "vorbeilaufenden" Schaufeln 16 des Antriebselementes 10 aufzunehmen. Man erkennt, daß das Vorhandensein des Verschlußelementes 26 ein höheres Aufstauen des oberen Wasserpegels P_O ermöglicht, so daß sich eine Leistungserhöhung des Antriebsaggregates erreichen läßt, wobei das Verschlußelement 26 gleich­ zeitig dadurch, daß es mit seiner Mantelfläche tangen­ tial an der Mantelfläche des Grundkörpers 11 des Antriebselements 10 anliegt, als Ventilelement dient, welches verhindert, daß das aufgestaute Wasser einfach über die Oberseite des Antriebselementes 10 hinweg­ strömt.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 besitzt das Verschlußelement 26 einen relativ geringen Durchmesser und nur eine einzige Tasche 26a, von der die vorbei­ laufenden Schaufeln 16 nacheinander aufgenommen wer­ den.

Bei der in Fig. 3 gezeigten Variante eines Antriebs­ aggregates gemäß der Erfindung besitzt das Verschluß­ element 26 einen größeren Durchmesser und insgesamt drei Taschen 26a zur Aufnahme der vorbeilaufenden Schaufeln des Antriebselementes 10. Aufgrund des ver­ größerten Durchmessers des Verschlußelementes 26 und des entsprechend vergrößerten hohlzylindrischen An­ satzes 12a des Gehäuses 12 läßt sich bezüglich der Einlaßöffnung 20 eine weiter vergrößerte Stauhöhe erreichen, wobei diese Stauhöhe dadurch noch weiter vergrößert werden kann, daß am oberen Ende des Gehäu­ ses 12 bzw. des hohlzylindrischen Ansatzes 12a des­ selben ein Stauelement 34 montiert wird, welches bei dem Ausführungsbeispiel als in der Höhe verstellbarer Stauschieber 34 ausgebildet ist. Während bei den Aus­ führungsbeispielen gemäß Fig. 2 und 3 die Höhe des Stauschiebers 34 mittels einer einfachen Stellschraube 36 eingestellt wird, besteht in Ausgestaltung der Erfindung die Möglichkeit, die Position des Stau­ schiebers 34 automatisch, beispielsweise in Abhängig­ keit von der Drehzahl der Welle 14 des Antriebsele­ mentes 10 zu regeln.

Zusammenfassend wird aus der vorstehenden Beschreibung deutlich, daß gemäß der Erfindung ein verbessertes Wasserkraft-Antriebsaggregat geschaffen wird, welches mit geringem technischen und finanziellen Aufwand um­ weltschonend die Gewinnung von Antriebsenergie, insbe­ sondere elektrischer Energie aus Wasserkraft ermög­ licht und dabei so konzipiert ist, daß an dem betref­ fenden Fließgewässer keine oder nur geringe Baumaßnah­ men erforderlich sind, wobei längs des Flusses o. dgl. in Abhängigkeit von dem natürlichen Gefälle desselben zahlreiche derartige Wasserkraft-Antriebsaggregate hintereinander angeordnet werden können. Außerdem besteht bei einem erfindungsgemäßen Antriebsaggregat die Möglichkeit, die Länge von Gehäuse und Antriebs­ element an die Breite des Fließgewässers anzupassen oder gegebenenfalls mehrere Antriebsaggregate in einer Reihe anzuordnen und deren Wellen zu einem durchgehen­ den Wellenstrang miteinander zu verbinden, so daß gegebenenfalls über ein geeignetes Getriebe ein stär­ kerer Generator oder ein entsprechender mechanischer Antrieb angetrieben werden kann. Weiterhin ist darauf hinzuweisen, daß Antriebsaggregate gemäß der Erfindung dann, wenn die Durchflußmenge des betreffenden Fließ­ gewässers wesentlich höher ist als die maximal mögli­ che Durchflußmenge des Aggregates, mehr oder weniger stark zur Strömungsrichtung angeordnet werden können.

Schließlich hat es sich in Ausgestaltung der Erfindung als günstig erwiesen, bei Aggregaten mit einem Verschlußelement (vgl. Fig. 2 und 3) auf der stromab­ wärts gelegenen Rückseite des Gehäuses 12 oberhalb der Auslaßöffnung 22 Entlüftungseinrichtungen, bei­ spielsweise in Form eines oder mehrerer Entlüftungs­ schlitze vorzusehen, um insbesondere beim Anlaufen des Antriebsaggregats unnötige Kompressionsverluste zu vermeiden.

Claims (8)

1. Wasserkraft-Antriebsaggregat mit einem, durch eine Wasserströmung zu einer Drehbewegung um eine hori­ zontale Welle antreibbaren, mit Schaufeln versehe­ nen Antriebselement, dadurch gekennzeichnet, daß das Antriebselement (10) einen walzenförmigen Grundkörper (11) aufweist, der auf einer geschlos­ senen zylindrischen Außenfläche mit radial nach außen abstehenden Schaufeln (16) versehen ist, daß das Antriebselement (10) drehbar in einem dazu konzentrischen, feststehenden, trommelförmigen Gehäuse (12) angeordnet ist, dessen Innendurchmes­ ser im wesentlichen gleich dem Durchmesser eines Kreises ist, längs welchem sich die äußeren Enden der Schaufeln (16) bei der Drehung des Antriebsele­ mentes (10) bewegen, und daß das Gehäuse (12) stromaufwärts in seinem oberen Teil mit einer Einlaßöffnung (20) und stromabwärts in seinem unteren Teil mit einer Auslaßöffnung (22) versehen ist.

2. Antriebsaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß oberhalb des Antriebselementes (12) ein trommelförmiges Verschlußelement (26) angeord­ net ist, welches um eine zu der Welle (14) des Antriebselementes (10) parallele Achse drehbar ist, welches mit seiner zylindrischen Außenfläche tangential an der zylindrischen Außenfläche des Antriebselementes (10) anliegt und welches mit mindestens einer Tasche (26a) zur Aufnahme einer Schaufel (16) des Antriebselementes (10) bei einer synchronen Relativdrehung des Antriebselementes (10) und des Verschlußelementes (26) mit entgegen­ gesetztem Drehsinn versehen ist.

3. Antriebsaggregat nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Verschlußelement (26) dichtend in einem hohlzylindrischen Ansatz (12a) des Gehäuses (12) für das Antriebselement (10) angeordnet ist.

4. Antriebsaggregat nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verschlußelement (26) und das Antriebselement (10) über ein Zahnradgetriebe (30, 32) zum Herbeiführen einer synchronen gegensinnigen Drehbewegung der beiden Elemente gekoppelt sind.

5. Antriebsaggregat nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (14) des Antriebselementes (10) und die Drehachse des Verschlußelementes (26) in einer gemeinsamen vertikalen Ebene angeordnet sind.

6. Antriebsaggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß am oberen Ende des Ge­ häuses (12) für das Antriebselement (10) ein Stauelement (34) vorgesehen ist.

7. Antriebsaggregat nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Stauelement als in vertikaler Richtung verstellbarer Stauschieber (34) ausgebildet ist.

8. Antriebsaggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (12) auf seiner im Betrieb stromabwärts angeordneten Seite oberhalb der Auslaßöffnung (22) mit Entlüftungsein­ richtungen versehen ist.