DE4423278A1 - Unterwasserkraftwerk - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Unterwasserkraftwerk mit einem um eine senkrechte Laufradachse rotierenden, horizontal angeströmten, Schaufeln aufweisenden Laufrad, welches in einer Turbinenkammer angeordnet ist, die zumindest einen Wassereinlaß und einen Wasserauslaß hat.

Die Strömung des Wassers flacher Flüsse aufgrund ihres Gefälles und die Gezeitenströmungen der Meere liegt meist in einem Bereich bis zu 1 m/s. Deshalb ergeben sich nur sehr kleine Leistungen von bis zu 500 Watt/m², und eine rationelle Möglichkeit, solche geringen Strömungen zu nutzen, besteht derzeit nicht. Erst bei Strömungsge­ schwindigkeiten über 2 m/s wird gegenwärtig die Erzeugung von Elektroenergie wirtschaftlich. Es ergibt sich bei einer Strömung von 1 m/s eine Leistung von 0,5 kW/m², bei 2 m/s 4 kW/m², bei 3 m/s 13,5 kW/m² und bei 4 m/s 32 kW/m². Will man bei geringen Strömungsgeschwindigkeiten hohe Leistungen erreichen, dann hat man bislang für das Betreiben der Turbinen eines Wasserkraftwerkes einen Staudamm errichtet, was jedoch sehr aufwendig ist.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein Unterwas­ serkraftwerk der eingangs genannten Art so zu gestalten, daß es auch bei geringen Strömungsgeschwindigkeiten von unter 2 m/s wirtschaftlich zu arbeiten vermag.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Schaufeln um parallel zur Laufradachse ausgerichtete Drehachsen schwenkbar angeordnet sind und diese Drehach­ sen sich auf einem gemeinsamen Teilkreis befinden, der außenseitig mit Abstand koaxial zu einer Glocke des Lauf­ rades verläuft, daß die Schaufeln mit ihrem radial inneren Ende gegen diese Glocke anliegen und in dieser Position von der Strömung gehalten sind und daß in der Turbinenkammer in Strömungsrichtung gesehen hinter dem Wasserauslaß und vor dem Wassereinlaß ein aus zwei Torflügeln gebildetes Schleusentor angeordnet ist, wel­ ches vom Wassereinlaß in Richtung Wasserauslaß sperrt und in Schließrichtung vorgespannt ist.

Durch diese erfindungsgemäße schwenkbare Anordnung der Schaufeln und des Schleusentors zwischen dem Wassereinlaß und dem Wasserauslaß wird auf einfache Weise eine Kurz­ schlußströmung des einströmenden Wassers unmittelbar vom Wassereinlaß zum Wasserauslaß und damit eine abbremsende Wirkung auf das Laufrad verhindert. Dadurch erhöht sich der Wirkungsgrad des erfindungsgemäßen Wasserkraftwerks gegenüber bekannten Wasserkraftwerken wesentlich. Zu­ gleich werden bei jedem Durchgang der Schaufeln durch das Schleusentor von seinen Torblättern Ablagerungen und son­ stige Verunreinigungen auf den Schaufeln abgekratzt, so daß die Schaufeln auch nach längerem Betrieb sauber blei­ ben und dadurch der hohe Wirkungsgrad des Wasser­ kraftwerks erhalten bleibt.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Durch die dort beschriebenen Merkmale lassen sich zahlreiche weitere Vorteile erreichen.

Durch die Anwendung von düsenartigen Einlässen, welche dem Einfangen des strömenden Wassers dienen und die Form von Schnecken haben, läßt sich die Geschwindigkeit des strömenden Wassers bis zum Laufrad hin wirkungsvoll erhö­ hen. Durch den Einsatz einer Mammutpumpe in einem mit dem Wasserauslaß verbundenen Steigrohr läßt sich die Leistung des Laufrades zusätzlich steigern. Diese Steigrohre sind teleskopisch ausgebildet und mit den Wellengeneratoren von R. Galiew ausgestattet. Diese Wellengeneratoren schaffen eine homogene Mischung aus Luft und Wasser und sorgen für eine starke Aufwärtsströmung in den Steigroh­ ren. In der Glocke des Laufrades ist eine automatische Regulierung des Luftdruckes vorgesehen, wodurch der Was­ serspiegel in der Glocke stabilisiert wird. Wenn das Un­ terwasserkraftwerk aus dem Wasser herausgelangen soll, dann braucht man lediglich Pontons, welche beim Arbeiten des Unterwasserkraftwerks geflutet sind, mit Luft aufzu­ füllen. Der Wassereinlauf des Unterwasserkraftwerks ist mit selbstreinigenden Rechen versehen. Die teleskopische Ausbildung der Steigrohre ermöglicht es, das Unterwasser­ kraftwerk in verschiedenen Tiefen anzuordnen. Vom Unter­ wasserkraftwerk kann ein Luftschlauch hoch zu einer Boje mit Signallampe führen, so daß man über diesen Luft­ schlauch im Falle einer Störung Luft in die Pontons pum­ pen kann, um ein Auftauchen des Unterwasserkraftwerks herbeizuführen. Für das Arbeiten der Mammutpumpen kann der erforderliche Kompressor am Ufer des Meeres oder Flusses aufgestellt werden, wenn man die Druckluft der Mammutpumpe über Schläuche zuführt.

Die Fig. 1, 2, 3 und 4 zeigen den Gesamtaufbau des er­ findungsgemäßen Unterwasserkraftwerks. Fig. 5 zeigt einen Schnitt C-C gemäß Fig. 1. Fig. 6 ist ein Schnitt F-F gemäß Fig. 5. Fig. 7 ist ein Schnitt E-E gemäß Fig. 5. Fig. 8 ist ein Schnitt K-K gemäß Fig. 5. Fig. 9 zeigt das System der Luftversorgung des Unterwasserkraft­ werks. Fig. 10 zeigt einen Schnitt D-D gemäß Fig. 9. Fig. 11 zeigt einen Schnitt M-M gemäß Fig. 9.

Das erfindungsgemäße Unterwasserkraftwerk besteht aus ei­ nem Gehäuse 1 (Fig. 1, 2, 3, 4), welches auf Pontons 2 befestigt ist. Das Gehäuse 1 hat Wassereinlässe 3, welche zu einem Laufrad 5 führen, welches eine sich nicht dre­ hende, hohle Achse 4 (Fig. 5) hat. Diese dreht sich in Zapflagern 6 und 7, welche in Fig. 7 gezeigt sind. Das Zapflager 6 wird mit Öl aus einem Öltank 8 (Fig. 7) be­ füllt.

Wie insbesondere die Fig. 7 zeigt, hat das Laufrad 5 eine zylindrische Glocke 9 (Caisson), in der ein langsam­ drehender, kontaktloser Generator 10 von einem Planeten­ getriebe angetrieben wird. Dieses hat einen Planetenkäfig 11 und ein Hohlrad 12, welches mit der Glocke 9 starr verbunden ist. Ein Meereskabel 14 verbindet den Generator 10 mit einer Apparatur am Ufer und führt durch die Achse 4 hindurch. Weiterhin führt mit dem Meereskabel 14 ein Schlauch 15 durch die Achse 4, der über eine Verschluß­ klappe 16 der Glocke 9 Luft zuführt. Die Verschlußklappe 16 ist mit einem Sensor 17 verbunden, welcher den Wasser­ stand in der Glocke 9 überwacht. Auf dem Grund der Glocke 9 sind Löcher 18 für den Eintritt und Ablauf des Wassers vorgesehen.

Im oberen Bereich der Glocke 9 sind stehende Drehachsen 19 mit Lagern 20 befestigt. Diese Drehachsen 19 lagern Schaufeln 21 schwenkbar. Wie die Fig. 8 am besten zeigt, ist jeweils neben der Glocke 9 in der Turbinenkammer zwi­ schen den Wassereinlässen 3 und Wasserauslässen 30 ein Schleusentor angeordnet, welches jeweils zwei Torflügel 23 hat, die aus elastischem Material bestehen und von einen Träger 22 gehalten sind. Diese Torflügel 23 sind so schräg gestellt, daß sie durch den Wasserdruck die unmit­ telbare Verbindung zwischen dem jeweiligen Einlaß und Auslaß nach Art eines Rückschlagventils sperren, jedoch ein Passieren der Schaufeln 21 ermöglichen, indem diese sich um ihre vertikalen Drehachsen 19 verschwenken. Rol­ len 24, welche ebenfalls an den Trägern 22 befestigt sind, leiten die erforderliche Schwenkbewegung der Schau­ feln 21 ein.

Das Unterwasserkraftwerk hat desweiteren hermetisch ver­ schlossene, mit Luft gefüllte Auftriebskammern 25 (Fig. 5).

Vor den Wassereinlässen 3 (Fig. 1, 3, 4, 5) sind Rechen angeordnet, welche aus Metallstangen 26 (Fig. 1, 3, 4, 5) und Kämmen 27 bestehen. Diese Kämme 27 sind auf mittels Druckluftzylinder 29 verschwenkbaren Achsen 28 angeord­ net.

Vor allem die Fig. 5 läßt erkennen, daß das die Turbi­ nenkammer über die Auslässe 30 verlassende Wasser über teleskopisch ineinandergreifende Steigrohre 31, 32 nach oben geführt wird. Auf dem oberen Steigrohr 32 ist ein Schwimmer 33 (Fig. 5) angeordnet. Im unteren Steigrohr 31 befindet sich ein Lufteingabedüse 35 und darüber ein Wel­ lengenerator 36 von R. Ganiew. Die Steigrohre 31, 32 bilden somit zusammen mit dem Lufteingabedüse 35 und dem Wellengenerator 36 eine Mammutpumpe. Die Luft, welche vom Ufer über einen Schlauch 37 (Fig. 9) dem Lufteingabedüse 35 zugeführt wird, wird von einem Verteiler 38 den Mam­ mutpumpen über Schläuche 34 und über die Schläuche 15 den Verschlußklappen 16 und weiterhin über Schläuche 39 zu vom Ufer steuerbaren Klappen 40 verteilt, welche den Ein­ tritt und Austritt des Wassers und der Luft in den Pon­ tons 2 (Fig. 9) bestimmen.

Auf dem Dach des Unterwasserkraftwerks ist ein Unfall­ schlauch 41 (Fig. 9) mit einer Boje 42 und einer Signal­ lampe 43 angeordnet. Dadurch wird es im Störfall möglich, von einem Schiff aus Luft in das Unterwasserkraftwerk zu pressen, so daß das Unterwasserkraftwerk dann auftaucht.

Die Fig. 9 zeigt eine Variante des unteren Zapfenlagers 6 des Laufrades 5.

Das erfindungsgemäße Unterwasserkraftwerk wird auf dem Flußbett oder dem Meeresgrund im Bereich von Gezeiten­ strömungen verankert. Elektrische Energie gelangt über Meereskabel zum Ufer. Über dieses Meereskabel steuert man auch das Unterwasserkraftwerk. Auch die erforderliche Luft wird über die Schläuche entlang des Meereskabels zu­ geführt.

Das erfindungsgemäße Unterwasserkraftwerk arbeitet wie folgt: Strömendes Wasser gelangt in die Wassereinlässe 3 (Fig. 1, 3, 5, 8), wo es durch die düsenförmige Ausbildung bis zum Erreichen des Laufrads 5 beschleunigt wird. Der Wasserstrom, welcher zum Laufrad 5 gelangt, wird zusätz­ lich durch die kräftige Ansaugung mittels der Mammutpum­ pen an den Wasserauslässen 30 auf über 2 m/s beschleu­ nigt. Eine Rückströmung in der Pumpenkammer wird durch die Schleusentore verhindert, durch welche die Schaufeln 21 sich hindurchbewegen müssen. Hierbei werden die Schau­ feln 21 zugleich von Schlamm, Algen, Miesmuscheln und dergleichen gereinigt. Auch die äußere Oberfläche der Glocke 9 wird von einem Abstreifer gereinigt, der am Trä­ ger 22 befestigt ist.

Der Wasserspiegel in der Glocke 9 wird in Abhängigkeit vom mittels des Sensors 17 bestimmten Wasserdrucks auf­ grund der Position des Unterwasserkraftwerkes im Wasser geregelt (Fig. 5, 7). Der Sensor 17 steuert die Verschluß­ klappe 16, über die die nötige Menge Luft für die Ver­ drängung des unnötigen Wassers aus der Glocke 9 strömt.

Die Lufteingabedüsen 35 in den Mammutpumpen lassen kleine Luftblasen austreten, welche die Bewegung des Wassers nach oben durch Auftrieb hervorrufen. Die Wellenge­ neratoren 36 von R. Ganiew bewirken eine Zerkleinerung der Luftblasen und eine Homogenisierung des Wasser-Luft­ gemisches. Weiterhin kommt es dadurch, daß die Wellen zum Ausgang der Steigrohre hin gerichtet sind, zu einer Be­ schleunigung der Strömung des Wassers nach oben. Die Lei­ stungsfähigkeit der Mammutpumpen hängt von der Länge der Steigrohre 31, 32 und der Tiefe der Aufstellung des Unterwasserkraftwerkes ab. Im Wasser sollen die Schwimmer 33 einen Auftrieb aufweisen, der größer ist als das Ge­ wicht des oberen Steigrohres 32 (Fig. 5). Dadurch schiebt sich das Steigrohr 32 im Wasser selbst aus dem Steigrohr 31 heraus. Läßt man das Unterwasserkraftwerk vom Grund auftauchen, dann schiebt sich umgekehrt das Steigrohr 32 in das Steigrohr 31 hinein (Fig. 7).

Die Metallstangen 26 (Fig. 5) werden mit Hilfe der Kämme 27 gereinigt, deren Zinken zwischen die Metallstangen 26 greifen. Der Druckluftzylinder 29 (Fig. 3) dreht den Kamm 27 um seine Achse 28, um die Metallstangen 26 und damit den Rechen von Algen und anderen Dingen zu befreien.

Das Absenken des Unterwasserkraftwerkes erfolgt durch Fluten der Pontons 2 mit Wasser. Zum Aufsteigen des Un­ terwasserkraftwerkes pumpt man Luft in diese Pontons 2. Die Luft, welche sich in der Glocke 9 und der Auftriebs­ kammer 25 befindet, gibt dem Unterwasserkraftwerk die nö­ tige Schwimmkraft und stabilisiert die senkrechte Stel­ lung.

Bezugszeichenliste

1 Gehäuse
2 Ponton
3 Wassereinlaß
4 Achse
5 Laufrad
6 Zapflager
7 Zapflager
8 Öltank
9 Glocke
10 Generator
11 Planetenkäfig
12 Hohlrad
13 Material
14 Meereskabel
15 Schlauch
16 Verschlußklappe
17 Sensor
18 Loch
19 Drehachse
20 Lager
21 Schaufel
22 Träger
23 Torflügel
24 Rolle
25 Auftriebskammer
26 Metallstange
27 Kamm
28 Achse
29 Druckluftzylinder
30 Wasserauslaß
31 Steigrohr
32 Steigrohr
33 Schwimmer
34 Schlauch
35 Lufteingabedüse
36 Wellengenerator
37 Schlauch
38 Verteiler
39 Schlauch
40 Klappe
41 Unfallschlauch
42 Boje
43 Signallampe

Claims (10)

1. Unterwasserkraftwerk mit einem um eine senkrechte Laufradachse rotierenden, horizontal angeströmten, Schau­ feln aufweisenden Laufrad, welches in einer Turbinenkam­ mer angeordnet ist, die zumindest einen Wassereinlaß und einen Wasserauslaß hat, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufeln (21) um parallel zur Laufradachse ausgerichtete Drehachsen (19) schwenkbar angeordnet sind und diese Drehachsen (19) sich auf einem gemeinsamen Teilkreis be­ finden, der außenseitig mit Abstand koaxial zu einer Glocke (9) des Laufrades verläuft, daß die Schaufeln (21) mit ihrem radial inneren Ende gegen diese Glocke (9) an­ liegen und in dieser Position von der Strömung gehalten sind und daß in der Turbinenkammer in Strömungsrichtung gesehen hinter dem Wasserauslaß (30) und vor dem Wassereinlaß (3) ein aus zwei Torflügeln (23) gebildetes Schleusentor angeordnet ist, welches vom Wassereinlaß (3) in Richtung Wasserauslaß (30) sperrt und in Schließrich­ tung vorgespannt ist.

2. Unterwasserkraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in der Turbinenkammer zumindest ein, zur Außenmantelfläche der Glocke (9) gerichteter Abstreifer angeordnet ist.

3. Unterwasserkraftwerk nach den Ansprüchen 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß der radial innere Torflügel (23) an einem nahe der Außenmantelfläche der Glocke (9) angeordneten, parallel zu der Achse (4) des Laufrades (5) ausgerichteten Träger (22) befestigt ist.

4. Unterwasserkraftwerk nach zumindest einem der vorange­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (22) zugleich den radial inneren Torflügel (23) und den Abstreifer haltert.

5. Unterwasserkraftwerk nach zumindest einem der vorange­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbi­ nenkammer in einem Gehäuse (1) angeordnet ist, welches an einer Seite nebeneinander zwei im Querschnitt düsenartig in Richtung der Turbinenkammer abnehmende Wassereinlässe (3) hat, von denen einer unmittelbar an der Seite des Wassereinlasses (3) in die Turbinenkammer und der andere eine 180°-Umlenkung zur Rückseite der Turbinenkammer führt.

6. Unterwasserkraftwerk nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß jeweils neben einem Wassereinlaß (3) in die Turbinenkammer ein Wasserauslaß (30) für die entgegenge­ setzt gerichtete Strömung vorgesehen ist und jeweils zwi­ schen einem Wassereinlaß (3) und Wasserauslaß (30) ein Schleusentor angeordnet ist.

7. Unterwasserkraftwerk nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Wasserauslaß (30) jeweils mit einem senkrecht nach oben führenden Steigrohr (31, 32) verbun­ den ist und im unteren Bereich des Steigrohres (31, 32) Lufteingabedüsen (35) vorgesehen sind.

8. Unterwasserkraftwerk nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß im Steigrohr (31, 32) zusätzlich zu den Lufteingabedüsen (35) ein Wellengenerator (36) angeordnet ist.

9. Wasserkraftwerk nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Glocke (9) nach oben hin geschlossen und mit einer Druckluftzuführ­ leitung verbunden ist und daß sich in der Glocke ein elektrischer Generator (10) befindet.

10. Wasserkraftwerk nach zumindest einem der vorangehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator (10) über ein Planetengetriebe von der Glocke (9) ange­ trieben ist und diese Glocke (9) das Hohlrad des Plane­ tengetriebes bildet.