DE69825405T2

DE69825405T2 - Unterwasser angeordnete Laufkraftturbine

Info

Publication number: DE69825405T2
Application number: DE69825405T
Authority: DE
Inventors: Santos Costa Antonio Jose Dos
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-12-11
Filing date: 1998-12-04
Publication date: 2005-08-11
Anticipated expiration: 2018-12-05
Also published as: DE69825405D1; EP0924426A2; DK0924426T3; EP0924426B1; HU223940B1; PT102088B; HUP9802848A2; EP0924426A3; BR9805181A; HU9802848D0; PT102088A; US6013955A; HUP9802848A3; ATE272791T1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine wassergetriebene Axialturbine, im Folgenden kurz Wasserturbine genannt, die dafür vorgesehen ist, die kinetische Energie von Wasser zu nutzen, das in Flüssen oder an den Gezeiten ausgesetzten Flussmündungen und Meeresarmen eine gewisse Tiefe aufweist und in dem die Strömungen zur Erzeugung von elektrischem Strom hinreichend stark sind.
Stand der Technik
Unter den bekannten Systemen zur Nutzung von Wasserkraft unter Verwendung von Turbinen, stehen als dem Stand der Technik entsprechende Systeme die in den PCT-Patentanmeldungen PCT/HU90/00072 (WO 91/07587) und PCT/CA91/00066 (WO 92/15782) sowie in US 4379236 offenbarten der vorliegenden Erfindung am nächsten.
PCT/HU90/00072 (WO 91/07587) offenbart einen „Wandler für Wasserströmungsenergie", der für die Umwandlung der Strömungsenergie eines bewegten Wasserkörpers in elektrische Energie vorgesehen und dazu geeignet ist und wenigstens eine durch fließendes Wasser angetriebene Maschine, insbesondere eine wassergetriebene Turbine, einen Stromgenerator und ein zwischen der (den) Wasserturbine(n) und dem Stromgenerator angeordnetes Energieübertragungssystem umfasst. Gemäß der Erfindung ist in wenigstens einem Durchflusskanal eines Schwimmkörpers wenigstens eine Pumpeinheit vorgesehen, die eine hydraulische Drehkolbenpumpe umfasst, die an eine Welle der wassergetriebenen Turbine gekoppelt ist. Der Schwimmkörper wird durch ein Verankerungsmittel in einer vorgegebenen Orientierung und in einer im Wesentlichen stationären Lage in einem Oberflächenwasser gehalten. Die hydraulischen Drehkolbenpumpen sind Bestandteile und dienen im hydraulischen Energieübertragungssystem als hydraulische Druckquellen.
PCT/CA91/00066 (WO 92/15782) offenbart eine „Vorrichtung zur Nutzung kinetischer Energie in einem Strom frei fließenden Wassers", das zur Umwandlung der Strömungsenergie des Wassers in verwendbare Energie bestimmt ist. Die Vorrichtung umfasst einen in einen Strom eingetauchten Körper, der einen Kanal mit einer Eintrittsseite und einer Austrittsseite definiert. Die Austrittsseite ist mit einer Ablenkvorrichtung versehen, die sich nach außen aufweitet, um den Fluss des Wassers um den Kanal zu hindern und dadurch einen negativen Druckwiderstand auf das Wasser zu erzeugen, das beim Austritt aus dem Kanal angetrieben wird. Die Ablenkvorrichtungen weiten sich nach außen unter einem Winkel, der, bezüglich der Längsachse des Kanals gemessen, zwischen 75° und 160° variiert.
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Wasserturbine verfügbar zu machen, die für die Stromerzeugung vorgesehen ist, und zwar nicht nur in Flüssen, sondern auch in Meeresarmen und Flussmündungen, wo die Strömung ihre Richtung entsprechend dem Gang der Gezeiten ändert. Die Wasserturbine besteht aus einem sich drehenden System in einer ständig untergetauchten Rohrleitung, um die Strömungen des Wassers auszunutzen.
Die Rohrleitung weist eine besondere Form auf, die eine Saugwirkung bewirkt, was den Fluss durch ihr Inneres erleichtert, in dem sich die Turbinenschraube befindet, durch die das Wasser mit einer Geschwindigkeit fließt, die in einem bestimmten Verhältnis schneller ist als die Geschwindigkeit der Strömung außerhalb vor dem Eintritt in die Rohrleitung. Der Gegenstand der Erfindung ist so konstruiert, dass er eine hydrodynamische Form aufweist, die es erlaubt, das Brechen des Wassers zu erleichtern und unerwünschte Turbulenzen zu minimieren. Die Stelle, an der die Wasserturbine installiert wird, sollte tief genug sein, damit das Eintauchen der Struktur gewährleistet ist.
Der Gegenstand der Erfindung unterscheidet sich von demjenigen der vorstehend erwähnten Patentanmeldung mit der Nummer WO 91/07587 dadurch, dass:

i) es sich bei ihm um eine gut angepasste, ständig eingetauchte Rohrleitung handelt, die eine besondere (im Folgenden beschriebene) Form aufweist;
ii) die Tragevorrichtung eine stabile Befestigung der Rohrleitung am tiefen Grund erlaubt;
iii) es sich um ein System mit autonomer Drehung handelt, das nicht nur in Flüssen, sondern auch in Meeresarmen und Flussmündungen, wo die Strömung ihre Richtung ändert, zur Ausnutzung der Wasserströmung geeignet ist.

Der Gegenstand der Erfindung unterscheidet sich von demjenigen der vorstehend erwähnten Patentanmeldung mit der Nummer WO 92/15782 dadurch, dass:

i) das Format der Rohrleitung so beschaffen ist, dass der Fluss axial von den Eintrittszu den Austrittsabschnitten erfolgt, wobei die Geschwindigkeit durch die Turbinenschraube in einem bestimmten Verhältnis höher ist als die die Strömungsgeschwindigkeit außerhalb der Leitung;
ii) es sich um ein System mit autonomer Drehung handelt, das nicht nur in Flüssen, sondern auch in Meeresarmen und Flussmündungen, wo die Strömung ihre Richtung ändert, zur Ausnutzung der Wasserströmung geeignet ist.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung lässt sich besser verstehen, wenn auf die folgende Beschreibung zusammen mit den beigefügten Zeichnungen Bezug genommen wird, wobei:
1: eine allgemeine Übersicht über den Aufbau der Wasserturbine gibt durch einen Längsschnitt A, der symmetrisch bezüglich der durch die Achse der Rohrleitung und die Achse des Tragesockels definierten Ebene ist;
2 bis 6: verschiedene Schnittdarstellungen der Rohrleitung zeigen;
7 bis 9: verschiedene Schnittdarstellungen des Hauptkörpers des beweglichen Teils der Tragevorrichtung zeigen;
10 bis 12: verschiedene Schnittdarstellungen des Ruders zeigen;
13 bis 15: verschiedene Schnittdarstellungen des Ausgleichsgewichts zeigen;
16 bis 18: verschiedene Schnittdarstellungen des festen Teils der Tragevorrichtung zeigen;
19 bis 21: verschiedene Schnittdarstellungen zylindrischer Metallverkleidungen zum Zwecke des Schutzes und der Einpassung der Rohre der hydraulischen Hebevorrichtungen zeigen;
22 bis 24: verschiedene Schnittdarstellungen der Turbinenschraube 2 zeigen;
25 ein Diagramm zeigt, in dem die ideale Drehfrequenz der Turbinenschraube im Verhältnis zu Strömungsgeschwindigkeit aufgetragen ist;
26 ein Diagramm zeigt, in dem die Idealerweise auf die Generatorwelle übertragene mechanische Leistung über der Strömungsgeschwindigkeit aufgetragen ist; und
27 ein Diagramm zeigt, in dem die Idealerweise in Netz eingespeiste elektrische Leistung über der Strömungsgeschwindigkeit aufgetragen ist.
Ausführungsformen
In den 1 bis 21 ist der Schnitt B durch eine Ebene definiert, die senkrecht zum Schnitt A liegt und diesen Schnitt bei der Achse der Rohrleitung 1 schneidet, ist der Schnitt C durch eine Ebene definiert, die parallel zum Schnitt B liegt und sich mit den Verbindungsstäben 12 und 13, die die Rohrleitung 1 mit dem Hauptkörper 16' des beweglichen Teils der Tragevorrichtung 16 verbindet, auf deren halber Länge überschneidet, schneidet der Schnitt D das Ruder 17 in einer Linie, die am Rand des Hauptkörpers 16' des beweglichen Teils der Tragevorrichtung 16 liegt und ihm folgt, schneidet der Schnitt E das Ausgleichsgewicht 18 quer bei der abgerundeten Vorderkante des Hauptkörpers 16' des beweglichen Teils der Tragevorrichtung 16, und der Schnitt F folgt einer Ebene, die senkrecht auf den Ebenen A, B und C steht und sich durch die Mitte zwischen dem Verbindungsstab 12, der näher am Eintrittsbereich der Rohleitung liegt, und dem Verbindungsstab 13, der näher am Austrittsbereich der Rohrleitung liegt, erstreckt.
Wie insbesondere in 1 gezeigt, umfasst die Wasserturbine eine Rohrleitung 1, innerhalb derer das Wasser strömt, wo sich die Turbinenschraube befindet, eine Tragevorrichtung für die Rohrleitung 1, umfassend einen festen Teil 15, der gut eingepasst über dem Tragesockel 22 verläuft und mit mindestens vier in gleichen Abständen angeordneten hydraulischen Hebevorrichtungen 20 eine Einheit bildet, um die Konstruktion zum Zwecke der Instandhaltung und Kontrolle der Tiefe anzuheben, sowie einen beweglichen Teil 16, aufweisend einen Hauptkörper 16'', der die Rohrleitung 1 unmittelbar trägt, ein Ruder 17, um die Konstruktion entsprechend der Strömungsrichtung zu führen, und ein Ausgleichsgewicht 18, dessen Aufgabe es ist, das Massezentrum des beweglichen Teils der Konstruktion 16 in Übereinstimmung mit der Achse des Tragesockels 22 zu bringen.
Wie insbesondere in den 2 bis 6 gezeigt, ist die äußere Oberfläche der Rohrleitung 1 entlang der Leitung durch kreisförmige Querschnitte definiert, und der Außendurchmesser der Rohrleitung verändert sich leicht von der Stelle des größten Querschnitts, wo sich die Turbinenschraube 2 befindet, hin zum Austrittsabschnitt entsprechend dem Winkel ε zwischen der Achse der Rohrleitung 1 und der Linie, die sich in diesem Bereich durch lineare Progression an ihre äußere Oberfläche annähert. Dieser Winkel sollte 10 Grad nicht überschreiten, damit im Bereich dieser Oberfläche Turbulenzen, die aufgrund der Wirkung der Wasserströmung durch die Kavitationserscheinung verursacht werden, so gut wie möglich vermieden werden. Die innere Form der Rohrleitung 1 wird durch einen Bereich definiert, die dem Eintritt der Rohrleitung 1 entspricht, wo ihr Innendurchmesser vom Eintritt bis zur Stelle, an der sich die Turbinenschraube 2 befindet, kleiner wird; dieser Bereich wird Eintrittskammer 10 genannt; es folgt ein innerer Bereich mit konstantem Durchmesser, in dem sich die Turbinenschraube 2 und ihre Tragevorrichtung 3 befinden und ein Bereich, der dem Austritt der Rohrleitung 1 entspricht, dessen Innendurchmesser zum Austrittsabschnitt hin größer wird und Vakuumkammer 11 genannt wird. Die Vakuumkammer 11 ist unmittelbar nach dem inneren Bereich mit konstantem Durchmesser durch einen Bereich von kleinerem Durchmesser definiert, wo sich der Innendurchmesser der Rohrleitung 1 nur schwach ändert, weiter durch einen Zwischenbereich, in dem die Änderung maximal wird, und schließlich durch einen Bereich nahe dem Austrittsabschnitt, in dem die Änderung beinahe null beträgt.
Der Außendurchmesser der Rohrleitung 1 nimmt im Bereich der Eintrittskammer 10 mit einer Steigung zu, die symmetrisch zur Abnahme des Innendurchmessers zur Position der Turbinenschraube 2 hin ist, wodurch in diesem Bereich Kanten definiert werden, die in den Schnitten A bzw. B eine symmetrische Geometrie von halbelliptischer Form aufweisen, damit das Wasser glatter und ungehinderter gebrochen werden kann. Das Verhältnis des Durchmessers im Eintrittsbereich zum Innendurchmesser der Rohrleitung 1 an der Position der Turbinenschraube 2 beträgt zwischen 2 und 3, damit ein merklicher Unterschied zwischen der Geschwindigkeit des Stroms und der Geschwindigkeit des Wassers, das durch die Turbinenschraube fließt, entsteht und damit andererseits vermieden wird, dass Wasser den Rohreintritt wegen eines plötzlichen Druckanstiegs blockiert, der durch eine zu starke Trichterwirkung der Eintrittskammer 10 der Rohrleitung entsteht. Der Außendurchmesser nimmt von der Position der Turbinenschraube 2 zum Austrittsabschnitt leicht ab, um zu vermeiden, dass sich in diesem Bereich aufgrund der durch die Wirkung der Strömung verursachten Kavitationserscheinung nahe der äußeren Oberfläche Turbulenzen bilden. Wie weiter unten in der Beschreibung dargelegt wird, ist der Winkel ε zwischen der Achse der Rohrleitung 1 und der Linie, die sich der Änderung ihrer Außenfläche durch lineare Progression annähert, in diesem Bereich nicht größer als 10 Grad.
Die Tragevorrichtung 3 für die Turbinenschraube sollte eine umgekehrte L-Form aufweisen und so dünn wie möglich sein, doch groß genug, um die Welle, die zugehörigen Lager, die Rollen 5 und 6 und die Transmissionskette mit einem Glied (vertikaler Teil des umgekehrten L), das nach hinten in eine scharfe Kante ausläuft, zu umschließen und abzuschirmen, so dass die Turbulenzen minimiert werden und zum Brechen des Wasser eine Vorderseite von der Form einer Halbellipse ausgebildet ist. Das Übersetzungsverhältnis zwischen den beiden ersten Rollen 5 und 6 beträgt 1, um den Durchmesser der Antriebsrolle 5 und dementsprechend die Dicke der Tragevorrichtung 3 für die Turbinenschraube an ihrer Position zu minimieren, wobei die Übersetzung zwischen der Rolle 6 und dem asynchronen Generator 8 durch das Getriebe 7 und die Fliehkraftkupplung erfolgt. Der Abstand zwischen der scharfen Kante der Tragevorrichtung 3 der Turbinenschraube und der Vakuumkammer 11 im Bereich konstanten Durchmessers ist ungefähr gleich wie oder etwas größer als die Gesamtlänge der Turbinenschraube 2 mit ihrer Tragevorrichtung 3, um die in der Vakuumkammer 11 entstehenden Turbulenzen vollständig zu unterdrücken, wodurch vermieden wird, dass sie sich zum Ende der Tragevorrichtung 3 für die Turbinenschraube ausbreiten, und um andererseits ein Vakuum zu erzeugen, dass die Ladungsverluste im betreffenden Bereich ausgleicht.
An der Kante der Rohrleitung 1 unter der Tragevorrichtung 3 für die Turbinenschraube befindet sich ein Raum zur Unterbringung eines asynchronen Generators 8, einer Fliehkraftkupplung und eines Getriebes 7, zu dem durch eine versteckte Tür Zugang bestehen sollte, die, wenn sie geschlossen ist, nach außen hin eine sichere Isolierung garantiert.
Die Rohrleitung 1 ist mit dem Hauptkörper 16' des beweglichen Teils 16 über drei Verbindungsstäbe verbunden, von denen sich zwei Verbindungsstäbe 12 näher am Eintrittsbereich in gleichen Abständen vom diesem Bereich und von der Ebene des Schnitts A befinden, und ein Verbindungsstab 13 befindet sich näher am Austrittsbereich symmetrisch zum Schnitt A, definiert durch eine halbelliptische Vorderkante zum Brechen des Wassers und in eine scharfe Kante auslaufend, um die Turbulenzen zu minimieren, hinreichend lang, um das freie Fließen von Wasser zwischen diesen beiden Teilen zu ermöglichen. Die Wahl dreier Verbindungsstäbe anstatt nur eines entsprechend der Achse des Tragesockels oder zweier entsprechend der Ebene des Schnitts A, von denen sich einer näher dem Eintrittsbereich und der andere näher dem Austrittsbereich befindet, stellt eine höhere Stabilität sicher.
Das in den 10 bis 12 dargestellte Ruder 17 ist bezüglich des Schnitts A symmetrisch und es ist mit dem Hauptkörper 16' des beweglichen Teils 16 der Tragevorrichtung verbunden, wobei es genügend Fläche aufweist, um das Trägheitsmoment des beweglichen Teils der Konstruktion zu wandeln, diese Fläche jedoch nicht zu groß ist, und wobei es hinreichend weit vom Austrittsbereich der Rohrleitung 1 entfernt ist, um den Einfluss der Turbulenzen am Austritt der Rohrleitung 1 auf die Stabilität des beweglichen Teils der Konstruktion zu minimieren.
Das in den 13 bis 15 dargestellte Ausgleichsgewicht 18 ist bezüglich der Ebene des Schnitts A symmetrisch. Es ist über einen Verbindungsstab mit dem Hauptkörper 16' des beweglichen Teils 16 verbunden, bildet einen Halbbogen, der durch einen nicht zu großen Ellipsenabschnitt definiert ist, damit er gegen die Wirkung von Wellen unempfindlich ist, es ist von geringer Dicke, damit das Wasser relativ leicht gebrochen wird, und es weist eine Masse auf, die bewirkt, dass das Massezentrum der beweglichen Konstruktion auf der Achse des Tragesockels 22 liegt.
Wie in den 7 bis 9 gezeigt, ist die Außenfläche des Hauptkörpers 16' des beweglichen Teil 16 der Tragevorrichtung symmetrisch bezüglich der Richtung des Ruders 17, definiert auf der dem Ruder 17 gegenüber liegenden Seite eine runde Kante, damit das Wasser leichter gebrochen wird, und läuft auf der Seite des Ruders 17 in eine scharte Kante aus, um Turbulenzen zu minimieren. Sie bildet einen Hohlraum, der zwischen zwei zylindrischen Oberflächen unterschiedlicher Durchmesser mit Zentrum auf der Achse des Tragesockels 22 definiert ist und in den der feste Teil 15 der Tragevorrichtung eingepasst ist, und sie bildet einen inneren Hohlraum von zylindrischer Form mit Zentrum auf der Achse des Tragesockels 22, und dieser Hohlraum ist gut gegen den Außenraum isoliert, damit keine Feuchtigkeit eindringen kann.
Der in den 16 bis 18 dargestellte feste Teil 15 der Tragevorrichtung weist eine kreisförmige Kante auf, die durch den Raum zwischen zwei zylindrischen Oberflächen unterschiedlicher Durchmesser mit Zentrum auf der Achse des Tragesockels 22 definiert ist und die in den äußeren Hohlraum des beweglichen Teils 16 der Tragevorrichtung eingepasst ist. Oben auf der Kante befindet sich ein Großkugellager 14 zur Minimierung der Reibung zwischen dem festen Teil 15 der Tragevorrichtung und dem beweglichen Teil 16. Oben auf der Kante befinden sich rund geformte Ecken. Im Bereich innerhalb der Kante befindet sich auf dem Boden eine Anzahl kreisförmiger Schienen (entsprechend der Anzahl elektrischer Phasen), die mit einem hoch isolierenden Material ausgekleidet sind, wo der Kontakt zwischen den leitenden Metallbürsten 24, die die Enden der Kabel 9 im beweglichen Teil bilden, und den leitenden Metallringen, die die Enden der Kabel 9 im festen Teil bilden, hergestellt wird. Mehrere drehbare Gummidichtungen 26 sollten auf der Kontaktfläche zwischen dem festen und dem beweglichen Teil der Tragevorrichtung vorhanden sein, um eine höchst zuverlässige Isolierung sicherzustellen, die das Eindringen von Feuchtigkeit in den Bereich, wo die elektrischen Kontakte hergestellt werden, unmöglich macht. Die untere Oberfläche des festen Teils 15 der Tragevorrichtung, der auf dem Tragesockel 22 aufliegt, sollte eine konisch geformte schräge Fläche aufweisen, die in den Hohlraum des Tragesockels 22 eingepasst ist. Der feste Teil 15 der Tragevorrichtung ist fest mit vier oder mehr hydraulischen Hebevorrichtungen 21 verbunden, die in gleichen Abständen angeordnet sind und deren Funktion darin besteht, die Konstruktion aus dem Wasser heraus anzuheben, um Instandsetzungsarbeiten oder eine Tiefenkontrolle durchzuführen. Die Innenseite der Kanten des Hohlraums des Tragesockels 22, definiert einen stumpfen Winkel von 120° bis 135°, um eine größere Festigkeit zu erreichen und die Anfälligkeit für durch den Zug der Strömung verursachte Brüche zu verringern, wie sie auftreten könnten, wenn die Oberfläche eine rechtwinklige Ecke aufweisen würde. Die Hohlraumoberfläche des Tragesockels 22 ist mit einem Metallfilm ausgekleidet, um einen direkten Kontakt zwischen dem festen Teil 15 der Tragevorrichtung und dem Zement des Tragesockels 22 zu vermeiden. In dem Tragesockel 22 befinden sich Löcher, die dort mit zylindrischen Metallverkleidungen 19 zum Zwecke des Schutzes und der Einpassung versehen sind, wo die Rohre 20 der hydraulischen Hebevorrichtungen eingepasst werden.
In den 22 bis 24 ist die Turbinenschraube 2 dargestellt, wobei jeweils nur zwei von allen Schaufeln 25 gezeigt sind, um die Abbildungen zu vereinfachen und somit ihr Verständnis zu erleichtern. Die Schraubenschaufeln 25 sollten sich nicht überlappen, sondern so umrissen sein, dass zwischen den Projektionen der Umrisslinien benachbarter Schaufeln auf eine senkrecht zur Schraubenachse liegende Ebene ein kleiner Zwischenraum bleibt, um den Stromfluss dadurch zu erleichtern, wobei der Zwischenraum nicht zu groß sein sollte, um einen erheblichen Verlust an Leistung zu vermeiden. Die Turbinenschraube 2 sollte zwischen 6 und 8 Schaufeln 25 aufweisen, damit die Schaufeln 25 nicht sehr breit sind und dem Wasserstrom einen großen Widerstand entgegensetzen und damit die Schaufeln 25 nicht sehr schmal sind und einen erheblichen Verlust an Leistung verursachen. Dementsprechend sollte der Winkel θ zwischen den Projektionen der Kanten einer jeden Schaufel 25 auf eine senkrecht zur Schraubenachse stehenden Ebene etwas kleiner als der Quotient aus 360° und der Anzahl der Schaufeln sein. Die Projektionen der Schraubenschaufeln 25 auf die winkelhalbierende Ebene von θ sollte durch eine konstante Länge L unabhängig vom betrachteten Abstand r von der Achse der Turbinenschraube 2 definiert sein. Die lineare Geschwindigkeit eines bestimmten Punkts der Schaufel hängt von dessen Abstand r von der Achse ab und nimmt mit r ab, und der Einfallswinkel der Schaufeln im Wasser ist eine Funktion von r, die die folgende Form besitzen sollte:
Der Einfallswinkel der Schaufeln 25 im Wasser an den Punkten des äußeren Rands α(R), wo R der Radius der Turbinenschraube 2 ist, ist nicht kleiner als 45°, damit eine bestimmte Drehfrequenz F_HT sichergestellt ist und dem hindurchfließenden Wasserstrom kein großer Widerstand entgegengesetzt wird. Die Einfallskante der Schaufeln im Wasser ist durch ein Halbrund 24 von Kreisform definiert, um den Einfall und damit ihre Reaktion auf die Strömung zu erleichtern. Die Nabe 23 der Turbinenschraube ist vorne rund geformt, um das Brechen des Wassers zu erleichtern. Die Schaufeln 25 sind mit der Nabe 23 nur über einen dünnen Stab an der Grenze des Halbrunds 24 der Einfallskante verbunden, was zu einer Öffnung um die Schraubennabe 23 führt, in deren Nähe die Schaufeln 25 einen höheren Einfallswinkel aufweisen, wodurch die Reaktion der Turbinenschraube 2 auf die Strömung des Wassers erleichtert wird. Die untere Kante der Schaufeln 25, wo sie einen größeren Einfallswinkel aufweisen, ist annähernd geradlinig, um den Strömungswiderstand und die Reaktion der Turbinenschraube 2 auf die Strömungsgeschwindigkeit des Wassers zu optimieren, und sie läuft im Bereich der Freisetzung und des äußeren Rands (Bereich, der am weitesten von der Achse der Turbinenschraube 2 entfernt ist) entlang einer gekrümmten Linie aus, um Turbulenzen zu minimieren und die Reaktion auf die Wasserströmung zu erleichtern. Der Durchmesser der Nabe 23 ist gleich dem Durchmesser des horizontalen Glieds der Tragevorrichtung 3 für die Turbinenschraube, so dass die beiden Elemente aneinandergrenzende Oberflächen aufweisen, um Unregelmäßigkeiten in Wasserfluss zu minimieren.
In der Praxis schwankt die Strömungsgeschwindigkeit V_C und somit die Drehfrequenz F_HT der Turbinenschraube 2. Aus diesem Grund wird vorgeschlagen, zur Stromerzeugung einen asynchronen Generator 8 zu verwenden, bei dem die Rotorspulen kurzgeschlossen sind (es kann ein Rotor vom Käfigtyp verwendet werden) und im Betriebszustand eines selbsterregten Generators arbeiten (das bedeutet, mit Kompensation der Wirk- und der Blindkomponente des erzeugten Stroms). Dieser Betriebszustand wird erreicht, wenn die Drehfrequenz der Welle höher als die Frequenz des elektrischen Drehfelds des Ständers ist, die sich aus der Phasenverschiebung der elektrischen Felder der einzelnen Ständerspulen ergibt (was der Schwingungsfrequenz F_E = 50 Hz oder 60 Hz elektrischer Felder in Stromnetzen entspricht). Dies gilt für den Fall von Maschinen mit einem Pol je Spule. Im allgemeinen Fall von Maschinen mit N_P Polen je Spule muss die Drehfrequenz der Welle höher als F_E/N_P sein. Gewöhnlich findet man Maschinen mit 2, 3 oder auch 4 Polen je Spule.
Dem Diagramm in 25 ist zu entnehmen, dass die Drehfrequenz F_HT der Turbinenschraube 2 erheblich niedriger als der Quotient F_E/N_P ist. Dann wird ein Getriebe 7 erforderlich, das ein bestimmtes Übersetzungsverhältnis zwischen der Welle der Turbinenschraube 2 und der Welle des asynchronen Generators 8 herstellt. Es ist ein elektromechanisches System vorhanden, dass die Ständerspulen mit dem Stromnetz nur dann verbindet, wenn das Produkt F_HTN_CV (wo N_CV der Multiplikationsfaktor des Getriebes 7 ist) höher als der Quotient F_E/N_P ist, und die Verbindung trennt, wenn F_HTN_CV ≤ F_E/N_P (Betriebszustand als Motor). Die Verbindung der Welle der Turbinenschraube 2 mit der Welle des asynchronen Generators 8 mittels einer Fliehkraftkupplung sollte unmittelbar, nachdem die Welle des asynchronen Generators die Gleichlaufwinkelgeschwindigkeit Ω_S = F_E/N_P erreicht hat, erfolgen, damit mit Hilfe des Netzstroms ein weicher Widerstand der Zugwirkung möglich wird, wobei die Turbinenschraube 2 stets ausgekuppelt wird, wenn die Strömungsgeschwindigkeit nicht hinreicht, um Strom in das Netz einzuspeisen. Zu diesem Zweck erfolgt die Verbindung der Ständerspulen mit dem Netz so, dass die Drehrichtung des Rotors der Drehrichtung der Turbinenschraube 2 entspricht.
Im Fall eines Dreiphasensystems kann die Kompensation des Blindanteils des erzeugten Stroms über eine Anordnung von Kondensatoren in Sternschaltung erfolgen, wobei die Kapazität gegeben ist durch:
wo L_EE der Selbstinduktionskoeffizient der Ständerspulen ist. Die Kompensation des Wirkanteils des erzeugten Stroms kann über eine Anordnung variabler Widerstände (Potentiometer) in Sternschaltung erfolgen, wobei der Wert sich entsprechend dem Effektivwert des erzeugten Stroms [/_E]_eff. gemäß
ändert, wobei [U_E]_eff. der Effektivwert der Spannung zwischen benachbarten Phasen im Verteilungsnetz ist. Da die Werte [/_E]_eff. vom Gleitfaktor S und somit von der Winkelgeschwindigkeit Ω der Welle des asynchronen Generators 8 abhängen, werden die Widerstandswerte als Funktion von Ω geregelt.
Die Überwachung des Zustands der Ausrüstungsteile (drehbare Gummidichtungen usw.) und die Erfassung von Betriebsdaten können aus der Ferne auf dem Land mittels eines Fernüberwachungssystems erfolgen.
Alle Kabel 9 müssen durch unterirdische Kanäle unter dem Bett des Flusses, der Flussmündung bzw. des Meeresarms geführt werden.
Leistungsanalyse
Wasser weist eine sehr geringe kinematische Viskosität v auf (von der Größenordnung 10^–6 m².s^–1), was eine sehr hohe Reynolds-Zahl bedingt (Verhältnis zwischen der kinetischen Kraft, die mit der Bewegung von Wasser einhergeht, und der Viskositätskraft, die durch den intermolekularen Verbindungen von Wasser bedingt ist), was eine fast nicht existierende Oberflächengrenzschicht (per definitionem der Film, der nahe einer ebenen Oberfläche in einer darüber gleitenden realen Flüssigkeit entsteht, wobei die Wassergeschwindigkeiten wegen der durch Reibung an der Oberfläche verursachten molekularen Diffusion ungleichmäßig verteilt sind) bedeutet, wenn Wasser über eine polierte ebene Fläche fließt, und aus diesem Grund kann Wasser als beinahe ideale Flüssigkeit gelten.
Da die Kanten der Rohrleitung und die Turbinenschraube 2 durch polierte Oberflächen gekennzeichnet sind (beispielsweise mit einer Kunstfaserbeschichtung) und da der Durchfluss durch die Turbinenschraube 2 im Wesentlichen gleich dem Durchfluss am Eintritt der Rohrleitung ist, ist das Verhältnis zwischen der Geschwindigkeit V_HT, mit der das Wasser durch die Turbinenschraube fließt, und der Strömungsgeschwindigkeit V_C umgekehrt proportional dem Verhältnis zwischen dem Eintrittsquerschnitt S_E und dem inneren Querschnitt S_HT der Rohrleitung am Ort der Turbinenschraube 2.
wo d_HT der Durchmesser des inneren Abschnitts der Rohrleitung 1 am Ort der Turbinenschraube 2 und d_E der Durchmesser der Rohrleitung 1 im Eintrittsabschnitt ist. Gemäß Anspruch 10 ist die Kante der Rohrleitung 1 im Bereich der Eintrittskammer symmetrisch, und der maximale Durchmesser d_Max der Außenfläche der Rohrleitung lässt sich als Funktion von d_E und d_HT mittels der folgenden Gleichung ausdrücken:
Die einer Fläche A einer sich mit konstanter Geschwindigkeit V_C bewegenden Flüssigkeit (wobei die Ebene, in der die Fläche A liegt, senkrecht zur Bewegungsrichtung der Flüssigkeit steht) entsprechende Trägheitskraft F_A ist durch den folgenden Ausdruck gegeben:
wo ρ die Dichte der Flüssigkeit ist (ungefähr 1000 kg.m^–3 für Wasser). Dementsprechend ist der ausgeübte Druck bzw. die lineare Spannung T gegeben durch:
Wendet man dies auf den maximalen äußeren Durchmesser der Rohrleitung 1 an, lässt sich T in zwei Komponenten zerlegen, von denen eine die Projektion auf die Außenfläche der Rohrleitung 1 zwischen dem Abschnitt maximalen Durchmessers und dem Austrittabschnitt mit der Amplitude T.cos(ε) ist (wobei ε der Winkel zwischen der Achse der Rohrleitung 1 und der Linie, die sich der Veränderung der Außenfläche der Rohrleitung 1 im betrachteten Bereich in linearer Progression annähert) und dieselbe Orientierung wie die Strömung besitzt, und von denen die andere die Amplitude T.sin(ε) besitzt, senkrecht zur betrachteten Oberfläche steht und bezüglich der Rohrleitung von innen nach außen orientiert ist. Damit in der Nähe des oberen Teils der Außenfläche der Rohrleitung 1 keine Kavitationserscheinung auftritt, muss die Projektion der zweiten Komponente auf die vertikale Richtung kleiner sein als der relative Druck P_Rel des Wassers bei der Tiefe, in der sich der obere Teil der Außenfläche der Rohrleitung 1 befindet (der relative Druck von Wasser in einer Tiefe von N × 1 m beträgt ungefähr N × 1000 kgf.m^–2). Der absolute Druck P_Abs in einer bestimmten Tiefe ist durch die Summe des Luftdrucks P_Atm an der Wasseroberfläche und des relativen Druckes des Wassers in dieser bestimmten Tiefe gegeben. Wenn die Projektion der zweiten Komponente in der vertikalen Richtung größer ist als der relative Druck des Wassers, wird der Druck im Bereich des oberen Teils der Außenfläche der Rohrleitung 1 ungefähr gleich dem Luftdruck (1 atm = 10330 kgf.m^–2), was normalerweise durch die Kavitationserscheinung bedingt ist. Um also diese Erscheinung zu vermeiden, ist die folgende Bedingung zu erfüllen:
Es ist anzumerken, dass wegen des Druckanstiegs mit zunehmender Tiefe und wegen der Reibung des Gewässerbetts die festgestellte Strömungsintensität und somit die Spannung mit zunehmender Tiefe abnimmt. Daher wird der obere Teil der Außenfläche der Rohrleitung 1 (bei geringerer Tiefe) in Tiefen nahe der Wasseroberfläche (ungefähr 0,5 m bis 1,5 m Tiefe unterhalb der Wasseroberfläche) gehalten, und daher muss ist die Höhe der Konstruktion mittels eines automatischen Systems reguliert werden können, das die hydraulischen Hebevorrichtungen entsprechend der Entwicklung des Stands der Wasseroberfläche steuert.
Aufgrund der Gleichungen 7 und 8 und unter der Annahme, dass sich die obere Außenfläche der Rohrleitung in einer Tiefe von 1 m befindet, ergeben sich maximale Winkel ε von ungefähr 6° bis 9°, oberhalb derer die Kavitationserscheinung festzustellen ist, wobei für die Strömungsgeschwindigkeit maximale Werte von 3 m.s^–1 bzw. 2,5 m.s^–1 angenommen wurden. Es ist anzumerken, dass mit zunehmender Tiefe der maximale zulässige Wert für ε zunimmt, wenn man als Bezugsgröße denselben Grenzwert für die maximale Strömungsgeschwindigkeit annimmt, oberhalb dessen die Kavitationserscheinung eintreten würde. Gemäß diesen Ergebnissen und unter der Annahme einer Obergrenze der Strömungsgeschwindigkeit von ungefähr 2,5 m.s^–1 in 1 m Tiefe, ohne dass die Kavitationserscheinung im Bereich des oberen Teils der Außenfläche der Rohrleitung 1 eintritt, ist in Anspruch 3 eine Obergrenze für ε von 10° festgelegt.
Die lineare Drehgeschwindigkeit V_Rot(r) eines bestimmten Punkts einer Schaufel 25 ist eine Funktion vom Abstand r von der Symmetrieachse der Turbinenschraube 2. Wie vorstehend angemerkt muss die Projektion jeder Schaufel 25 auf eine Ebene in Längsrichtung, die den Winkel θ halbiert, unabhängig vom Abstand r von der Symmetrieachse der Turbinenschraube durch eine konstante Länge L definiert sein. Die Schnittpunkte jeder Schraubenschaufel 25 mit einer zylindrischen Oberfläche vom Radius r mit Mittelpunkt auf ihrer Symmetrieachse werden auf einen Kreisbogen der Länge θ.r auf einer quer liegenden Ebene projiziert. Somit gilt die folgende Beziehung zwischen V_Rot(r) und V_HT:
Die lineare Drehgeschwindigkeit V_Rot(r) der Turbinenschraube 2 in einem Abstand r von ihrer Achse lässt sich als Funktion von der Drehfrequenz F_HT der Turbinenschraube 2 definieren durch:
Gemäß den beiden vorangehenden Ausdrücken lässt sich die Drehfrequenz F_HT der Turbinenschraube 2 als Funktion von der Geschwindigkeit V_HT erhalten, mit der das Wasser die Turbinenschraube 2 durchströmt und, gemäß Ausdruck 4, implizit als Funktion von der Strömungsgeschwindigkeit V_C durch den folgenden Ausdruck:
Es lässt sich zeigen, dass die Drehfrequenz der Turbinenschraube 2 im Idealfall direkt proportional zur Geschwindigkeit V_HT ist, mit der das Wasser durch die Turbinenschraube 2 fließt, (und somit implizit zur Geschwindigkeit V_C) und mit der Anzahl der Schaufeln und mit deren Länge L sinkt. L und θ müssen also Werte besitzen, die einen leichten Widerstand der Turbinenschraube 2 und eine bestimmte Drehfrequenz F_HT der Turbinenschraube 2 ermöglichen, ohne das der Wasserströmung durch sie großer Widerstand entgegengesetzt wird.
Eine Turbinenschraube 2 mit Schaufeln, für die B = 40°, R = 0,5 m und L = 0,35 m, woraus sich nach Ausdruck 1α(R) = 45,66° ergibt, erfüllt alle Anforderungen, die in den Ansprüchen an die Eigenschaften der Turbinenschraube 2 zu stellen sind. Solche Werte werden in den folgenden Rechnungen als Referenzwerte verwendet. Das Diagramm in 25 zeigt die idealen charakteristischen Kurven F_HT(V_C) für die Fälle, in denen K_D die Werte 2, 2,5 und 3 annimmt.
Die Leistung, die sich aus der kinetischen Energie der Masse des Wassers, das durch die Turbinenschraube 2 strömt, ergibt, lässt sich als Momentanwert, für den angenommen wird, dass das Wasser mit einer konstanten Geschwindigkeit (V_HT = C^te) durch die Turbinenschraube 2 strömt, ausdrücken durch
wo μ die die Masse des Wassers ist, die im Mittel pro Zeiteinheit durch die Turbinenschraube 2 strömt. Berücksichtigt man, dass die Dichte von Wasser ungefähr ρ = 1 kg/dm³ = 1 kg/l beträgt, ergibt sich
gegebene Fluss des Wassers durch die Turbinenschraube 2 ist. Aus den Ausdrücken 4, 13 und 14 ergibt sich dann:
wobei zu berücksichtigen ist, dass
Dabei wird vom Idealfall ausgegangen, in dem Energieverluste wegen Reibung an den Kanten der Eintrittskammer unberücksichtigt bleiben. Wenn γ_m die Summe mechanischer Verluste ist, die durch Energiedispersion wegen Reibung an den Kanten der Eintrittskammer, an der Turbinenschraube 2 und an Transmissionsvorrichtungen entsteht, ist die auf die Generatorwelle übertragene mechanische Leistung P_m gegeben durch:
Das Diagramm in 26 zeigt die charakteristischen Kurven P_HT(V_C) für die Fälle, in denen K_D die Werte 2, 2,5 und 3 annimmt.
Die innere Leistung P_i eines asynchronen Generators im Betriebszustand als Generator (Leistung wird vom Rotor auf den Ständer übertragen, wobei elektrische Verluste, die durch den Joule-Effekt an den Rotorspulen entstehen, abzuziehen sind) ist als Funktion von der mechanischen Leistung P_m, die auf die Generatorwelle übertragen wird, gegeben durch:
den Gleitfaktor zur Winkelgeschwindigkeit Ω = 2 π N_CV F_HT (N_CV ist der Multiplikationsfaktor des Getriebes) bezüglich der Kreisfrequenz ω_E = 2 π F_E des elektrischen Drehfelds des Ständers (die der Frequenz des elektrischen Felds im Verteilungsnetz entspricht) definiert. Der Betriebszustand als Generator besteht für negative Werte des Gleitfaktors.
Aus den Ausdrücken 4, 11 und 17 erhält man:
Die in das Stromnetz eingespeiste elektrische Leistung lässt sich abschätzen, indem man von P_i die elektrischen Verluste aufgrund des Joule-Effekts an den Ständerleitern abzieht. Das Diagramm in 27 zeigt die charakteristischen Kurven P_i(V_C) für die Fälle, in denen Kp die Werte 2, 2,5 und 3 annimmt; beispielsweise ist das Produkt des Multiplikationsfaktors des Getriebes und der Anzahl der Pole pro Spule N_CV.N_P = 30. Es lässt sich zeigen, dass die in das Stromnetz eingespeiste elektrische Leistung bei einer bestimmten Strömungsgeschwindigkeit abhängt von: der Form und den Abmessungen der Turbinenschraube 2 (wobei die in den Ansprüchen bezüglich ihrer Merkmale vorgegebenen Anforderungen nicht zu vergessen sind), den Abmessungen der Rohrleitung im Verhältnis zu der Turbinenschraube 2 und dem Produkt des Multiplikationsfaktors des Getriebes 7 und der Anzahl der Pole pro Spule. Je höher der Multiplikationsfaktor des Getriebes 7 und die Anzahl der Pole pro Spule sind, desto niedriger ist die erzeugte Leistung, doch andererseits erhöht sich damit der Anteil der Zeit, während derer Strom erzeugt wird. Auch die Schwierigkeit, das Trägheitsmoment des Rotors zu überwinden, wird größer. Je höher die Anzahl der Pole pro Spule ist, desto niedriger muss der Multiplikationsfaktor des Getriebes 7 sein, um dieselbe Wirkung hinsichtlich der erzeugten elektrischen Leistung zu erzielen, wobei sich hierdurch die Schwierigkeit, das Trägheitsmoment des Rotors zu überwinden, verringert.
Um eine genauere Interpretation der Diagramme in den 25, 26 und 27 zu ermöglichen, sind unten in einer Tabelle die für F_HT, P_HT und P_i berechneten Werte als Funktionen von V_C aufgeführt.
Tabelle 1: Zahlenwerte von F_HT, P_HT und P_i als Funktionen von V_C
Es lässt sich mit Hilfe der erhaltenen Ergebnisse für Strömungsgeschwindigkeiten unterhalb eines gewissen Werts zeigen, dass die elektrische Leistung höher als die mechanische Leistung ist, was bedeutet, dass elektrische Leistung aus dem Stromnetz verbraucht wird (Betriebszustand als Motor), und für Strömungsgeschwindigkeiten oberhalb dieses Werts lässt sich zeigen, dass die elektrische Leistung dann kleiner ist als die mechanische Leistung, was bedeutet, dass elektrische Leistung in das Stromnetz eingespeist wird (Betriebszustand als Generator). Der erhaltene Schwellenwert der Strömungsgeschwindigkeit V_C in den Fällen, in denen K_D 2, 2,5 und 3 ist, betrug 1,3125 ms^–1, 0,84 ms^–1 bzw. 0,583(3) ms^–1, was in Einklang mit der Entwicklung der in Tabelle 1 aufgeführten Werten für die mechanische und die elektrische Leistung ist.
Wie vorstehend erwähnt, müssen die Fliehkraftkupplung und die Ständerspulen für Strömungsgeschwindigkeiten unterhalb dieses Grenzwerts ausgekuppelt bleiben. Das Diagramm in 27 zur erzeugten elektrischen Leistung umfasst dann einen inaktiven Bereich „AUS" für Strömungsgeschwindigkeiten unterhalb der genannten Schwelle und einen aktiven Bereich „EIN" für Strömungsgeschwindigkeiten oberhalb dieser Schwelle.

Claims

Wasserturbine, zur Ausnutzung hydraulischer Mittel, der eine Rohrleitung (1) einschließt, durch die Wasser fließt, eine Turbinenschraube (2), eine Tragvorrichtung für die besagte Rohrleitung (1), ein Steuer (17), ein Ausgleichsgewicht (18), ein Tragesockel (22) und einen Generator (8), der an das besagte Laufrad der Turbine mittels einer Transmissionsvorrichtung (5, 6) gekoppelt ist, weiterhin ein Getriebegehäuse (7), und eine Zentrifugalkupplung, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbinenschraube (2) innerhalb der besagten Rohrleitung (1) angeordnet ist, in der das Wasser fließt, wobei die Tragevorrichtung des Wasserrohrs zusammengesetzt ist aus einem festen Teil (15), der gut eingefügt durch den besagten Tragesockel (22) verläuft und der mit vier oder mehr hydraulischen Hebevorrichtungen (20) eine Einheit bildet, um die Konstruktion zum Zwecke der Instandhaltung und Kontrolle der Tiefe anzuheben, und der weiterhin zusammengesetzt ist aus einem beweglichen Teil (16), der einen Hauptkörper (16'') aufweist, welcher die Rohrleitung (1) unmittelbar trägt, wobei das besagte Ruder (17), das dem Zweck dient, den beweglichen Teil (16) zu führen, und zwar in Übereinstimmung mit der Strömungsrichtung, und der dazu noch aus einem Ausgleichsgewicht (18) zusammengesetzt ist, dessen Aufgabe es ist, das Massezentrum der beweglichen Konstruktion in Übereinstimmung mit der Achse des Tragesockels (22) zu bringen, welcher in seiner Gänze ein System einer getragenen Rohrleitung darstellt, die in Wasser eingetaucht ist, um die Strömung auszunützen, und die mit einer speziellen Form ausgestattet ist, die den Druck auf der Eintrittsseite und einen Saugeffekt, der auf der Austrittsseite durch Unterdruck entsteht, weitergeben soll, wobei der Wasserfluss durch die besagte Rohrleitung (1) erleichtert wird, indem die Geschwindigkeit durch die Turbinenschraube (2) im Verhältnis zur Geschwindigkeit der äußeren Strömung vor dem Rohreintritt (10) höher ist, was die Drehung autonom macht, sodass der Reaktor nicht nur in Flüssen eingesetzt werden kann sondern auch in Gezeitenmündungen oder in Zuleitungsgräben, wo die Strömungsrichtung aufgrund der Gezeiten wechselt.
Wasserturbine, gemäß dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Oberfläche der Rohrleitung (1) auf der ganzen Länge durch ringförmige Querschnitte definiert wird.
Wasserturbine, gemäß dem Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der äußere Durchmesser der Rohrleitung (1) sich vom seinem Abschnitt mit dem größten Durchmesser leicht verändert, nämlich dort, wo die Turbinenschraube (2) ihren Platz hat, bis hin zum Austritt, und zwar derart, dass der Winkel ε, der definiert wird zwischen der Achse der Rohrleitung (1) und der Linie, die ihre Veränderung der äußeren Oberfläche in diesem Bereich durch lineare Progression annähert, nicht größer als 10 Grad sein soll, um so die Existenz einer möglichen Turbulenz neben dieser Oberfläche so weit wie möglich zu vermeiden, und zwar durch den Effekt der Hohlraumbildung infolge des Strömungsverhaltens.
Wasserturbine, gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Bereich der Rohrleitung (1) in ihrer ganzen Länge durch ringförmige Querschnitte definiert wird, mit Ausnahme in der Zone, in der die Tragevorrichtung (3) der Turbinenschraube (2) ihren Platz hat.
Wasserturbine, gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt der für den Fluss des Wassers zwischen Eintrittskammer (10) und der Vakuumkammer (11) brauchbar ist, konstant sein soll, damit die Bewegung des Wassers in seinem Innern so regelmäßig wie möglich sei.
Wasserturbine, gemäß einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Fließen des Wassers von dem spitzen Rand des Endes der Tragevorrichtung der Schraube (3) bis zur Vakuumkammer (11) im inneren Bereich der Rohrleitung (1), bei konstantem Durchmesser, annähernd gleich oder leicht größer ist als die Gesamtlänge der Turbinenschraube (2) in ihrer Gänze, zusammen mit ihrer Tragevorrichtung (3), damit die Turbulenzen, die in der Vakuumkammer (11) erzeugt werden, vollkommen zu entkräften, indem ihre Verbreitung zum Rand der Tragevorrichtung der Schraube (3) hin zu vermeiden, und andererseits, um den Verlust der Last im genannten Bereich auszugleichen.
Wasserturbine, gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vakuumkammer (11) eine höhere Kapazität hat als die Eintrittskammer (10), sodass mit Leichtigkeit ein Saugeffekt im Austritt der Rohrleitung (1) durch das Strömungsverhalten erzeugt werden kann, indem man das Wasser zwingt, durch das Innere der Rohrleitung (1) zu fließen.
Wasserturbine, gemäß einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Durchmesser der Rohrleitung (1) sich in der Zone der Vakuumkammer (11) bis hin zum Abschnitt des Austritts der Rohrleitung (1) leicht vergrößert, wobei er sich zunächst dort um den Bereich eines geringen Durchmessers verlängert, wo diese Änderung weniger hervorgehoben wird, danach um einen Zwischenbereich, in dem die Variation des Durchmessers sehr groß ist, und schließlich um den nächsten Bereich des Austrittsabschnitts der Rohrleitung, in dem diese Änderung praktisch gleich Null ist.
Wasserturbine, gemäß einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis zwischen dem Durchmesser des Abschnitt des Eintritts der Rohrleitung (1) und dem inneren Durchmesser der Rohrleitung (1), und zwar in der Zone in der die Turbinenschraube (2) ihren Platz hat, liegt zwischen 2 und 3, damit sich der Unterschied zwischen der Strömungsgeschwindigkeit und der Geschwindigkeit des Wassers, das durch die Turbinenschraube (2) fließt, und zum andern, um zu vermeiden, dass das Wasser den Eintritt der Rohrleitung infolge der abrupten Zunahme des Drucks blockiert und zwar aufgrund einer übertriebenen Verengung der Eintrittskammer (10).
Wasserturbine, gemäß einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Ränder der Rohrleitung (1) im Bereich der Eintrittskammer (10), das heißt von seinem Eintrittsabschnitt bis zum Abschnitt im dem die Turbinenschraube (2) lokalisiert ist, eine symmetrische Geometrie in Form einer Halbellipse aufweisen.
Wasserturbine, gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragevorrichtung für die Schraube, die die Form eines umgekehrten L aufweist, so schmal wie möglich ist, jedoch breit genug, um zu schließen und eine Abschirmung der Welle, der zugehörigen Lager und Rollen (5 und 6) und einer Transmissionskette mit einem Glied (vertikaler Teil des umgekehrten L)zu erlauben, das in einer spitzen Kante endet, zum Zweck die Turbulenz zu vermindern und um eine Fläche des vorderen Randes in Form einer Halbellipse aufzuweisen, die das Wasser bricht.
Wasserturbine, gemäß dem Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Transmission zwischen den beiden ersten Rollen (5 und 6) 1 beträgt, um den Durchmesser des Antriebsrädchen (5) zu vermindern, und dementsprechend auch die Dicke der Tragevorrichtung für die Schraube (3) im Bereich ihrer Platzierung.
Wasserturbine, gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem seitlichen Rand des Leitungsrohrs (1) sich unterhalb des Turbinentrageeinrichtung (3) ein Raum zur Unterbringung eines asynkronen Generators (8), einer Zentrifugalkupplung und eines Getriebegehäuses (7) befindet.
Wasserturbine, gemäß dem Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass sich am seitlichen Rand des Leitungsrohrs (1) eine versteckte Tür befindet, die, wenn sie geschlossen ist, nach außen hin eine sichere Isolation garantiert und die immer dann den Zugang zum Generatorenraum ermöglicht, wenn Instandsetzungsarbeiten notwendig sind.
Wasserturbine, gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsstäbe (12 und 13), die das Leitungsrohr (1) mit dem Hauptkörper (16'') des bewegbaren Teils der Tragevorrichtung (16) verbinden, und einen vorderen Rand in Form einer Halbellipse aufweisen, zum Zweck der Wasserbrechung, um dann in einem spitzen Rand zu enden, damit die Turbulenz verringert werden.
Wasserturbine, gemäß dem Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsstäbe (12 und 13) die das Leitungsrohr (1) mit dem Hauptkörper des bewegbaren Teils der Tragevorrichtung (16) verbinden, genügend Länge aufweisen, um den freien Fluss zwischen den zwei Teilen zu erlauben
Wasserturbine, gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Oberfläche des bewegbaren Teils der Tragevorrichtung (16) symmetrisch ist in Hinsicht auf die Ebene, die durch die Achse des Tragesockels (22) und der Achse des Leitungsrohrs (1) definiert ist.
Wasserturbine, gemäß dem Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Oberfläche des Hauptkörpers (16'') des bewegbaren Teils der Tragevorrichtung (16) symmetrisch ist hinsichtlich der Richtung des Steuers (17) und dass sie einen abgerundeten Rand auf der Seite definiert, die dem Steuer (17) gegenüber liegt, um das Wasser zu brechen, und dass die Oberfläche schließlich auf der Seite des Steuers (17) in einem spitzen Rand ausläuft, um die Turbulenz zu vermeiden.
Wasserturbine, gemäß den Ansprüchen 17 und 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptkörper (16'') des bewegbaren Teils der Tragevorrichtung (16) eine Höhlung enthält, die durch eine Aussparung zwischen den zylindrischen Oberflächen verschiedenen Durchmessers definiert wird, wobei ihre Achse in einer Linie mit der Achse des Tragesockels (22) liegt, der sich in den festen Teils der Leitungsrohrstragevorrichtung (15) einpasst.
Wasserturbine, gemäß einem der vorherigen Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptkörper des bewegbaren Teils der Stützbasis (16) eine innere Höhlung von zylindrischer Form enthält, wobei seine Achse in einer Linie steht mit der Achse des Tragesockels (22), und dass die Höhlung nach außen gegen Feuchtigkeit angemessen isoliert ist.
Wasserturbine, gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er ein Steuer (17) umfasst, das sich in einer Linie mit der Achse der Rohrleitung, wobei es einen genügend großen Bereich besitzt, um mit Leichtigkeit das Trägheitsmoment des bewegbaren Teils der Konstruktion zu überwinden, und dass es diesen Teil in Übereinstimmung mit der Strömungsrichtung orientiert hält.
Wasserturbine, gemäß dem Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass er ein Steuer (17) einschießt, dass genügend weit vom Austritt des Leitungsrohrs (1) angeordnet ist, um den Turbulenzeffekt in der Nähe des Austrittsabschnitt der Rohrleitung (1) zu vermindern, bei Stabilität des bewegbaren Teils der Konstruktion.
Wasserturbine, gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Masse des Ausgleichgewichtes (18) von solcher Art ist, dass das Massezentrum der Konstruktion mit der Achse des Tragesockels (22) in eins fällt.
Wasserturbine, gemäß dem Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Masse des Ausgleichgewichtes (18) einen Halbbogen bildet, der durch einen nicht zu großen elliptischen Abschnitt definiert ist, damit dieser den besagten Abschnitt den Effekte der Wellenbewegung und denjenigen, die von der dünnen Stärke herrühren gegenüber, träge macht, sodass sie das Wasser mit relativer Leichtigkeit bricht.
Wasserturbine, gemäß den vorherigen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass der feste Teil (15) der Tragevorrichtung des Leitungsrohrs einen ringförmigen Rand bildet, der durch den Raum zwischen zwei zylindrischen Oberflächen verschiedenen Durchmessers definiert ist, deren Achsen mit der Achse des Tragesockels (22) eine Linie bilden, wobei sich die besagten Oberflächen genau in die erwähnte Höhlung des mehrfach genannten bewegbaren Teils der Tragevorrichtung (16) einpassen.
Wasserturbine, gemäß dem Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass sich auf der Spitze des Randes des festen Teils der Tragevorrichtung (15) eine Vertiefung befindet, die, mit Kugeln ausgestattet, ein riesiges Kugellager (14) bildet, um die Reibung zwischen dem festen Teil der Tragevorrichtung (15) und dem beweglichen Teil der Tragevorrichtung (16) zu verringern.
Wasserturbine, gemäß einem der vorherigen Ansprüche 25 und 26, dadurch gekennzeichnet, dass die äußeren Ränder auf der Spitze des festen Teils der Tragevorrichtung (15) abgerundet sind.
Wasserturbine, gemäß einem der Ansprüchen 25 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass dem festen Teil der Tragevorrichtung (15) auf dem inneren Boden eine bestimmte Anzahl von ringförmigen Vertiefungen zugeordnet sind (in Übereinstimmung mit der Anzahl der elektrischen Phasen) die dort mit einem stark isolierendem Material verkleidet sind, wo Kontakt zwischen den leitenden Metallbürsten (24) hergestellt wird, welche die Enden der Kabel (9) auf dem bewegbaren Teil bilden und leitenden Metallringen (23), welche die Enden der Kabel (9) auf dem festen Teil bilden.
Wasserturbine, gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere drehbare Gummidichtungen (26) auf der Berührungsebene wischen dem festen Teil der Tragevorrichtung (15) und dem bewegbaren Teil der Tragevorrichtung (16), die eine Isolierung von extremer Verlässlichkeit garantieren, welche das Eindringen jedweder Feuchtigkeit in die besagte Zone des festen Teils der Tragevorrichtung (15) unmöglich machen, in der die elektrischen Kontakte hergestellt werden.
Wasserturbine, gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Seite des Randes der Höhlung des Tragesockels (22) mit der Horizontalen einen stumpfen Winkel zwischen ungefähr 120° und 135° definiert, wodurch sie eine größere Stärke aufweist, damit sie dem Zugeffekt der Strömung zu widerstehen kann.
Wasserturbine, gemäß dem Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass der feste Teil der Tragevorrichtung (15) weist auf seiner unteren Oberfläche, die auf dem Tragesockel (22) aufliegt, eine konisch geformte Schrägfläche auf, die genau in die Höhlung des Tragesockels (22) hineinpassen soll.
Wasserturbine, gemäß einem der Ansprüche 30 und 31, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der Höhlung des Tragesockels (22) mit einer dünnen Metallschicht versehen ist, damit auf diese Weise der feste Teil (15) des Trageteil der Rohrleitung nicht unmittelbar auf dem Beton des Tragesockels (22) aufliegt.
Wasserturbine, gemäß einem der Ansprüche 25 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass der feste Teil der Tragevorrichtung (15) mit vier oder mehr hydraulischen Hebevorrichtungen (21), die in regelmäßigen Abständen zueinander verteilt sind, um die Konstruktion anzuheben, mit dem Zweck, Instandsetzungsarbeiten und Tiefenkontrolle der Rohrleitung durchzuführen.
Wasserturbine, gemäß einem der Ansprüche 30 bis 33, dadurch gekennzeichnet, dass der Tragesockel (22) mit Löchern versehen ist, die dort mit zylindrischen Metallverkleidungen (19) zum Zwecke des Schutzes und der Einpassung versehen sind, wo die Rohre der hydraulischen Hebevorrichtungen eingepasst werden.
Wasserturbine, gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Projektionen der Schraubenschaufeln (25) durch ihre halbierende Ebene hindurch, von einer konstanten Länge L definiert wird, unabhängig von der als r bezeichneten Entfernung von der Achse der Turbinenschraube (2) aus.
Wasserturbine, gemäß dem Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, dass die Schraubenschaufeln (2) die den Einfallswinkel α(r) im Wasser definieren, in Funktion der Entfernung r zur Achse der Turbinenschraube (2) angegeben werden durch zwar durch folgende Formel:
wobei L die Länge der Projektion der Schaufeln (25) repräsentiert gemäß ihrer halbierenden Ebene, und θ den Winkel zwischen den Projektionen der Enden aller Schaufeln auf einer Ebene, die lotrecht zur Achse der Turbinenschraube (2) liegt.
Wasserturbine, gemäß den Ansprüchen 35 und 36, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbinenschaufelschrauben (25) in allen Punkten des vorderen Randes einen Einfallswinkel definieren, der nicht unter 45° liegt, um den Widerstand des Wasserflusses zu vermindern.
Wasserturbine, gemäß einem der Ansprüche 35 bis 37, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufeln (25) der Turbinenschraube (2) nicht überlagert sind, indem ein kleiner Zwischenraum zwischen den Projektionen der Begrenzungslinien der angrenzenden Schaufeln (25) auf eine Ebene, die lotrecht zur Achse der Schraube liegt, definiert wird, um den Wasserfluss durch diese Ebene zu erleichtern, wobei der besagte Zwischenraum nicht zu groß ist, damit es nicht zu einem bedeutenden Leistungsverlust kommt.
Wasserturbine, gemäß einem der Ansprüche 35 bis 38, dadurch gekennzeichnet, dass eine Turbinenschaufel (2) mit einer Anzahl zwischen 6 und 8 Schaufeln ausgerüstet ist, damit sie weder sehr breite Schaufeln hat, die dem Wasserfluss einen größeren Widerstand bieten, noch sehr schale Schaufeln, die zu einen bedeutenden Verlust an Leistung führen würden.
Wasserturbine, gemäß einem der Ansprüche 35 bis 39, dadurch gekennzeichnet, dass die Einfallskanten der Schraubenschaufeln (25) an ihren vorderen Rändern ein halbrundes Profil (24) aufweisen, um den Einfall ins Wasser zu erleichtern.
Wasserturbine, gemäß einem der Ansprüche 35 bis 40, dadurch gekennzeichnet, dass die Schraubennabe (23) eine runde Form aufweist, um die Wasserbrechung zu erleichtern.
Wasserturbine, gemäß einem der Ansprüche 35 bis 41, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufeln (25) der Turbinenschraube (2) mit der Narbe (23) der Turbinenschraube (2) verbunden sind, und zwar nur durch eine Komponente in Fortsetzung der halbrunden Einfallskanten (24), was zu einer Öffnung um die Narbe (23) herum führt, neben der die Schaufeln (25) einen größeren Einfallswinkel aufweisen, der die Reaktion der Turbinenschraube (2) hinsichtlich des Wasserflusses erleichtert.
Wasserturbine, gemäß einem der Ansprüche 35 bis 42, dadurch gekennzeichnet, dass der untere Rand der Schraubenschaufeln (25), an dem diese einen größeren Einfallswinkel aufweisen, fast rechtlinig sein soll, um den Anfangsimpuls und die Reaktion der Turbinenschraube (2) bezüglich des Wasserflusses zu optimieren, wobei dieser, in Übereinstimmung mit der gekrümmten Linie, im Bereich der Freisetzung und im Bereich der Peripherie (in dem Bereich, der am meisten von der Schraubenachse (2), entfernt ist, und in dem der Einfallswinkel geringer ist), endet, um die Turbulenz zu vermindern und die Reaktion bezüglich des Wasserflusses zu erleichtern.
Wasserturbine, gemäß einem der Ansprüche 11, 41 und 42, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Schraubennarbe (23) mit dem Durchmesser des wagerechten Segmentes der Tragevorrichtung der Schraube (3), damit diese beiden Elemente aneinander grenzende Oberflächen haben, um so die Unregelmäßigkeiten beim Wasserfluss zu verringern.