WO2011051421A2 - Wasserkraftanlage - Google Patents

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WO2011051421A2
WO2011051421A2 PCT/EP2010/066422 EP2010066422W WO2011051421A2 WO 2011051421 A2 WO2011051421 A2 WO 2011051421A2 EP 2010066422 W EP2010066422 W EP 2010066422W WO 2011051421 A2 WO2011051421 A2 WO 2011051421A2
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hydropower plant
blades
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Franz ZOTLÖTERER
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Zotloeterer Franz
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03B—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS
    • F03B3/00—Machines or engines of reaction type; Parts or details peculiar thereto
    • F03B3/02—Machines or engines of reaction type; Parts or details peculiar thereto with radial flow at high-pressure side and axial flow at low-pressure side of rotors, e.g. Francis turbines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03B—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS
    • F03B11/00—Parts or details not provided for in, or of interest apart from, the preceding groups, e.g. wear-protection couplings, between turbine and generator
    • F03B11/002—Injecting air or other fluid
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03B—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS
    • F03B13/00—Adaptations of machines or engines for special use; Combinations of machines or engines with driving or driven apparatus; Power stations or aggregates
    • F03B13/08—Machine or engine aggregates in dams or the like; Conduits therefor, e.g. diffusors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2250/00—Geometry
    • F05B2250/20—Geometry three-dimensional
    • F05B2250/23—Geometry three-dimensional prismatic
    • F05B2250/231—Geometry three-dimensional prismatic cylindrical
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/20—Hydro energy

Definitions

  • the invention relates to a hydropower plant having at least one turbine, with a particular cylindrical impeller with a plurality of evenly distributed over the circumference blades, wherein the axis of rotation of the impeller is arranged substantially vertically, and wherein the impeller of flowing between a rotary pool of an inflow channel to a drainage channel water is flowed through, wherein the impeller has a, preferably with a turbine shaft rotatably connected, end-side cover plate, wherein the blades are attached only on one side in the axial direction of the cover plate.
  • Kaplan, Francis and congestiveturbinen (Ossberg turbine) are used in run-of-the-mill power plants in a known manner.
  • fish ladders are usually built in the form of small meandering brooks for the ecological continuity.
  • the angle of attack of the blades, the angle of attack of the blades of the distributor and the turbine speed can be changed in order to obtain a high efficiency in part-load operation.
  • the angle of attack of the blade of the distributor and the speed of the turbine can be adapted for an optimal part-load operation.
  • a throughflow turbine with turbine cells is known, for example, from EP 0 133 306 B1.
  • WO 2004/061295 A2 describes a hydroelectric power plant with a centrally located in the center in the region of the outlet opening of the rotation basin of a gravitational water vortex turbine.
  • the impeller of this turbine dives very deeply into different speed ranges of the gravitational water vortex and is not well suited to handle varying flow rates without significant fluctuations in the headwater level.
  • WO 2009/009350 A describes a roller-shaped impeller of a hydropower plant with several blades distributed uniformly over the circumference and a vertical axis of rotation.
  • the impeller has a frictionally connected to a turbine shaft deflection pulley, wherein the blades of the impeller extend on one side in the axial direction of the deflection plate and are fixed thereto.
  • the baffle is concave curved and arranged in an exit region of the impeller.
  • an impeller with a vertical axis of rotation of a hydropower plant which has a plurality of uniformly distributed over the circumference blades.
  • a disc connected to the turbine shaft is arranged, wherein the blades extend only on one side in the axial direction of the disc and are fixed thereto.
  • a water turbine with an impeller which is driven by a generated water vortex.
  • the impeller has a cover plate connected to the rotor blades, wherein the cover disk designed as a floating body is arranged at least partially below the water level.
  • the object of the invention is to work in the simplest possible way different amounts of water with uniformly good efficiency for energy production, without using expensive control devices.
  • the cover plate is arranged substantially above the highest water level in the area of the turbine inlet during operation of the hydropower plant and / or has at least one air supply opening.
  • the hydropower plant according to the invention makes it possible to achieve a similar flow characteristic as in controlled turbines without the use of flow control systems for the turbine. In addition, the maintenance and downtime over the life of the hydropower plant can be minimized.
  • the turbine runner has a substantially cylindrical geometry. In order to enable a simple production, the blades may have only a two-dimensionally curved shape.
  • a particularly good efficiency at different upper water levels is achieved when the blades extend substantially at least over the entire depth of the upper water, preferably directly to the bottom of the rotary tank.
  • the height of the impeller extends substantially between the minimum underwater level and the maximum surface water level allows optimal use of different drop heights and flow rates, and even operation at high tide.
  • a particularly simple production is made possible when the blades are inserted into end-side recesses, wherein preferably the recesses are shaped according to the blade profile.
  • the blades - viewed in plan view - are arranged annularly and the inner edges of the blades open a downwardly open and closed up through the cover plate cavity. This allows an unobstructed water drainage to the spillway.
  • a particularly low-loss outflow into the drainage channel can be achieved if a flow element with concavely curved Strömungsumsch lake is arranged at least in the region of the bottom of the drainage channel below the cavity, which are shaped to divert horizontally from the impeller axially exiting water.
  • the rotor blades are exposed to the extended axis of rotation.
  • the generator is arranged above the cover plate.
  • a particularly compact design can be achieved if a permanent magnet-excited disc generator integrated in the cover plate or with this directly is bound, preferably being rotatably connected to the impeller with rotating permanent magnets with the cover plate and at least one stationary bobbin is arranged between axially spaced apart permanent magnets.
  • a generator is arranged, wherein the blades of the impeller are exposed to the generator to provide a sufficiently large flow area for the exiting the turbine water.
  • the Strömungsumschelement can be arranged.
  • At least one riser channel with an underwater-side opening and an upper-water-side opening is arranged between the rotary basin and the outflow channel, preferably the upstream-side opening of the riser channel at a point remote from the flow and / or the underwater-side opening at a flow-facing one Place in the arranged.
  • each ascending channel is guided against the direction of rotation of the gravitational water vortex through the bottom of the rotation basin into the underwater, there is only a small outflow of water with relatively low flow velocities in the ascent channel, whereby microorganisms and fish can easily migrate from the underwater into the upper water and vice versa.
  • Fig. 1 shows a turbine of a hydropower plant according to the invention in one
  • FIG. 2 shows this turbine at a low upper water level
  • Fig. 3 shows this turbine at high water level
  • Fig. 5 is a partial view of the hydropower plant according to the invention in one
  • Tilt shows the hydropower plant according to the invention in a first embodiment in a longitudinal section along the line VI-VI in FIG. 7;
  • Fig. 7 shows the hydropower plant according to the invention in a section along the line VII-VII in FIG. 6;
  • Fig. 8 shows a hydroelectric plant according to the invention in longitudinal section in a second embodiment.
  • FIG. 1 shows a turbine 41 of the hydropower plant 40 with a substantially cylindrical impeller 42 with blades 4 made, for example, of rolled or bent sheet steel, whose blade height 1 extends from the low low water level in the outflow channel 26 to the highest high water level 3 in the inflow channel 25.
  • the blades 4 are at their upper ends on the underside of a cover plate 5, which is connected in the middle non-positively connected to a vertical turbine shaft 6, wherein they can be inserted and fixed in example formed by slots or grooves recesses 7 of the cover plate 5.
  • the cover plate 5 may be made of laminated wood, metal or plastic.
  • the impeller 42 of the turbine 41 is arranged in the center of the gravitational water vortex 8 above the outflow opening 9.
  • rising upper water level increases in Fig. 2 drawn height 11 of the water-wetted shell surface of the cylindrical turbine 41, which engages in the central spiral flow region of the gravitational water vortex 8, to the height 12 in FIG. 3.
  • more water is passed from the turbine 41 through the drain opening 9 into the drainage channel 26, which counteracts a further rise of the upper water level 3 with increasing water flow rate.
  • the surface water level will decrease only slightly.
  • FIG. 5 shows a turbine 41 with a cylindrical impeller 42 together with the bottom 18 of the rotating bowl 24 of the hydropower plant 40 forming an inlet spiral for the turbine 41.
  • Rising passages 21 emerge from the edge region of the rotary bowl 24, the riser passages 21 being opposite to the direction of rotation 20 of the gravitational vortex 8 Floor 18 of the rotary tank 20 are passed.
  • the ascent channels 21 lead to the drainage channel 26, wherein the underwater side openings 39 may be arranged in the region of the bottom 34 of the drainage channel 26.
  • the upper-water-side openings 38 are preferably arranged on a side facing away from the flow and the underwater-side openings 39 preferably on a flow-facing of the ascent channel 21, as shown in FIG. 7 is shown.
  • the water power plant 40 is introduced tangentially into the rotary tank 24 through the inflow channel 25 flowing water 30 after flowing through a Gro réelles 35.
  • a gravitational water vortex 8 forms with the direction of rotation 20.
  • the water of the gravitational vortex 8 hits when entering the turbine 41 on the blades 4.
  • the blades 4 have a blade height 1, at least from the highest flood level 3 in the inflow channel 25 in the turbine 41 adjusting, vortex reduced, water level 43 directly before the turbine inlet 46 extends to or below the lowest low-water level 2 in the drainage channel 26.
  • the lower edges 4a of the blades 4 are thus in the region of or below the lowest low water level 2 in the drainage channel 26.
  • At the highest high water level 3 in the inlet channel 25 and lowest low water level 2 in the drainage channel 26 may be, for example, 5-year-old, 10-year-old, 20- year-old, 50-year-old or similar events act.
  • the rotor blades 4 extend to just above the bottom 18 of the rotary tank 24, wherein the bottom 18 of the rotary tank 24 and thus the lower edges 4a of the blades 4 below the lowest low water level 2 in the drainage channel 26 is arranged.
  • the blade height 1 is substantially greater than the blade depth measured in the radial direction 28.
  • the blades 4 are not guided to the axis of rotation 44, whereby between the inner edges 4b of opposite blades 4 under the cover plate 5, on which the blades 4 are fixed, one with air fulfilled hollow Spaces 45 formed, in which the water can flow freely through the blades 4 through.
  • the cover disk 5 In order to allow unimpeded inflow, the cover disk 5 should be arranged above the water level 43 which adjusts itself in the region of the turbine inlet 46 at the highest high water level 3. In order to prevent the gravitational water vortex 8 from being torn off, at least one air supply opening 48 can optionally also be arranged in the cover disk 5 in order to allow ventilation of the cavity 45.
  • the water flows in the cavity 45 down and on through the drain opening 9 of the bottom 18 of the rotary tank 24 and is passed through the concave flow guide surfaces 27 a having flow element 27 with only slight deflection losses in the drainage channel 26, in which it as the outflowing water 31, the hydropower plant 40 leaves.
  • the turbine 41 can easily be operated at fluctuating water levels, ie both at the highest high water level 3 or lowest low water level 32 in the inflow channel 25, and at the highest flood level 33 or lowest low water level 2 in the outflow channel 26.
  • rise channels 21 which are guided in opposite direction to the direction of rotation 20 of the gravitational water vortex 8 from the rotary tank 24 through the bottom 18 through to the bottom 47 of the drainage channel 26, fish and microorganisms can the hydropower plant 40 at only a relatively low flow rate 19 in the ascent channels 21 in both directions on the outlined path 29 safely pass.
  • Fig. 8 shows another embodiment of the hydropower plant 40 in which the generator 22 is mounted on the flow element 27 in the cavity 45 between opposing rotor blades 4, the generator 22 being driven from above via the turbine shaft 6 rotatably connected to the cover disk 5. Again, the blades 4 are rigidly attached to the cover plate 5.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Wasserkraftanlage (40) mit zumindest einer Turbine (41), mit einem insbesondere walzenförmigen Laufrad (42) mit mehreren gleichmäßig über den Umfang verteilten Laufschaufeln (4), wobei die Drehachse (44) des Laufrades (42) im Wesentlichen vertikal angeordnet ist, und wobei das Laufrad (42) von zwischen einem Rotationsbecken (24) eines Zuflusskanals (25) zu einem Abflusskanal (26) fließendem Wasser durchströmt wird, wobei das Laufrad (42) eine, vorzugsweise mit einer Turbinenwelle (6) drehverbundene, stirnseitige Deckscheibe (5) aufweist, wobei die Laufschaufeln (4) nur einseitig in axialer Richtung an der Deckscheibe (5) befestigt sind. Um auf möglichst einfache Weise unterschiedliche Wassermengen mit gleichmäßig gutem Wirkungsgrad zur Energieerzeugung abarbeiten zu können, ohne aufwändige Regelvorrichtungen einsetzen zu müssen, ist vorgesehen, dass die Deckscheibe (5) im Wesentlichen über einem sich im Betrieb der Wasserkraftanlage (40) im Bereich eines Turbineneinlaufes (46) einstellenden höchsten Wasserspiegel (43) angeordnet ist und/oder zumindest eine Luftzufuhröffnung (48) aufweist.

Description

Wasserkraftanlage
Die Erfindung betrifft eine Wasserkraftanlage mit zumindest einer Turbine, mit einem insbesondere walzenförmigen Laufrad mit mehreren gleichmäßig über den Umfang verteilten Laufschaufeln, wobei die Drehachse des Laufrades im Wesentlichen vertikal angeordnet ist, und wobei das Laufrad von zwischen einem Rotationsbecken eines Zuflusskanals zu einem Abflusskanal fließendem Wasser durchströmt wird, wobei das Laufrad eine, vorzugsweise mit einer Turbinenwelle drehverbundene, stirnseitige Deckscheibe aufweist, wobei die Laufschaufeln nur einseitig in axialer Richtung an der Deckscheibe befestigt sind.
In bekannter Weise werden bei Laufwasserkraftwerken Kaplan-, Francis- und Durchströmturbinen (Ossbergerturbine) verwendet. Für die ökologische Durchgängigkeit werden zusätzlich parallel zum Wasserkraftwerk Fischaufstiegshilfen meist in Form von kleinen mäanderförmig verlaufenden Bächen errichtet.
Für den Teillastbetrieb von Wasserkraftwerken, also für den Betrieb einer Turbine bei geringer Durchflussmenge bezogen auf die Nenndurchflussmenge der Turbine, wurden verschiedene meist mechanisch aufwendige Durchflussregelungssysteme entwickelt.
Beispielsweise können bei einer dreifach geregelten Kaplanturbine der Anstellwinkel der Laufschaufeln, der Anstellwinkel der Schaufeln des Leitapparats und die Turbinendrehzahl verändert werden, um auch einen hohen Wirkungsgrad im Teillastbetrieb zu erhalten.
Bei einer Francisturbine können für einen optimalen Teillastbetrieb die Anstellwinkel der Schaufel des Leitapparats und die Drehzahl der Turbine angepasst werden.
Bei einer Durchströmturbine (Ossbergerturbine) besteht die Möglichkeit je nach Wasserangebot durch ein Regelsystem mehr oder weniger Turbinenzellen (bevorzugte Ausführungsform mit einer 1/3 und einer 2/3 Zelle) zu beaufschlagen. Eine Durchströmturbine mit Turbinenzellen ist beispielsweise aus der EP 0 133 306 Bl bekannt.
Die WO 2004/061295 A2 beschreibt ein Wasserkraftwerk mit einer im Zentrum im Bereich der Abflussöffnung des Rotationsbeckens eines Gravitationswasserwirbels zentral angeordneten Turbine. Das Laufrad dieser Turbine taucht sehr tief in unterschiedliche Geschwindigkeitsbereiche des Gravitationswasserwirbels ein und ist nicht im nötigen Ausmaß dazu geeignet, unterschiedliche Durchflussmengen ohne beträchtliche Schwankungen des Oberwasserspiegels abzuarbeiten.
Weiters ist aus der AT 505.243 AI ein Wasserkraftwerk mit einer Turbine mit einer vertikal angeordneten Drehachse bekannt, bei der mit Hilfe eines Strömungskeils am Eintritt in das Rotationsbecken eine gleichmäßige Beaufschlagung der Turbine über den ganzen Umfang erreicht wird .
Die WO 2009/009350 A beschreibt ein walzenförmiges Laufrad einer Wasserkraftanlage mit mehreren gleichmäßig über dem Umfang verteilten Laufschaufeln und einer vertikalen Drehachse. Das Laufrad weist eine mit einer Turbinenwelle kraftschlüssig verbundene Umlenkscheibe auf, wobei die Laufschaufeln des Laufrades sich einseitig in axialer Richtung der Umlenkscheibe erstrecken und an dieser befestigt sind . Die Umlenkplatte ist konkav gekrümmt ausgeführt und in einem Austrittsbereich des Laufrades angeordnet.
Aus der US 6,565,321 B ist ein Laufrad mit vertikaler Drehachse einer Wasserkraftanlage bekannt, welches mehrere gleichmäßig über den Umfang verteilte Laufschaufeln aufweist. An der Unterseite des Laufrades ist dabei eine mit der Turbinenwelle verbundene Scheibe angeordnet, wobei sich die Laufschaufeln nur einseitig in axialer Richtung der Scheibe erstrecken und auf dieser befestigt sind.
Aus der DE 43 14 820 A ist eine Wasserturbine mit einem Laufrad bekannt, welches durch einen erzeugten Wasserwirbel angetrieben wird . Das Laufrad weist eine mit den Laufschaufeln verbundene Deckscheibe auf, wobei die als Schwimmkörper ausgebildete Deckscheibe zumindest teilweise unterhalb des Wasserspiegels angeordnet ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, auf möglichst einfache Weise unterschiedliche Wassermengen mit gleichmäßig gutem Wirkungsgrad zur Energieerzeugung abzuarbeiten, ohne aufwändige Regelvorrichtungen einzusetzen.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass die Deckscheibe im Wesentlichen über dem sich im Betrieb der Wasserkraftanlage im Bereich des Turbineneinlaufes einstellenden höchsten Wasserspiegel angeordnet ist und/oder zumindest eine Luftzufuhröffnung aufweist.
Die erfindungsgemäße Wasserkraftanlage ermöglicht es, ohne den Einsatz von Durchflussregelungssystemen für die Turbine eine ähnliche Durchflusscharakteristik wie bei geregelten Turbinen zu erzielen. Darüber hinaus kann der Wartungsaufwand und die Ausfallzeiten über die Lebensdauer des Wasserkraftanlage minimiert werden. Das Turbinenlaufrad weist eine im Wesentlichen zylindrische Geometrie auf. Um eine einfache Fertigung zu ermöglichen, können die Laufschaufel eine nur zweidimensional gekrümmte Form aufweisen.
Ein besonders guter Wirkungsgrad bei unterschiedlichen Oberwasserniveaus wird erreicht, wenn sich die Laufschaufeln im Wesentlichen mindestens über die gesamte Tiefe des Oberwassers, vorzugsweise unmittelbar bis zum Boden des Rotationsbeckens, erstrecken.
Dadurch, dass sich die Bauhöhe des Laufrades im Wesentlichen zwischen minimalem Unterwasserspiegel und maximalem Oberwasserspiegel erstreckt, ist eine optimale Nutzung unterschiedlicher Fallhöhen und Durchflussmengen und sogar einen Betrieb bei Hochwasser möglich.
Die Funktionsweise erklärt sich dadurch, dass sich bei zunehmend zuströmender Wassermenge die Höhe der Mantelfläche der zylinderförmigen Turbine, die in den Gravitationswasserwirbel eingreift, vergrößert und sich damit das Turbinendrehmoment erheblich steigert, weil mehr Wasser von der Turbine durch die Abflussöffnung in das Unterwasser abgelenkt wird, wodurch einerseits der Oberwasserspiegel kaum ansteigt und andererseits mehr Turbinenleistung an den Generator übertragen wird . Umgekehrt verringert sich die Höhe der Mantelfläche der erfindungsgemäß zylinderförmigen Turbine, die in den Gravitationswasserwirbel eingreift, wenn die zuströmende Wassermenge abnimmt und es wird weniger Wasser durch die Turbine in das Unterwasser abgelenkt, wodurch der Oberwasserspiegel nur geringfügig absinkt.
Damit ist aufgrund der zylinderförmigen Geometrie der erfindungsgemäßen Turbine innerhalb eines Gravitationswasserwirbels eine kontinuierlich steigende bzw. fallende Beaufschlagung der Turbine von 0% bis 100% ohne Durchflussregelungssystem möglich, während eine Beaufschlagung beispielsweise bei einer ebenfalls zylinderförmigen Ossbergerturbine nur in diskreten Volumenströmen - meist im Verhältnis 33% , 66% oder 100% - möglich ist und bei der Ossbergerturbine zusätzlich noch ein Regelsystem für die Dotierung unterschiedlich vieler Turbinenzellen benötigt wird .
Unter anderem verdeutlicht der Leerlauffall der Turbine in der erfindungsgemäßen Wasserkraftanlage in Kombination mit dem Gravitationswasserwirbel den Unterschied zur Funktionsweise herkömmlich geregelter Turbinensysteme. Während bei herkömmlich geregelten Turbinen bei einem plötzlichen Lastabwurf - beispielsweise durch automatische Trennung des Generators vom Stromnetz bei einer Netzstörung - die Turbinennenndrehzahl bei Ausfall des Durchflussregelungssystem auf die Durchgangsdrehzahl steigt und der Oberwasserspiegel sinkt, weil eine rascher rotierende herkömmliche Turbine (Kaplan-, Francis-, und Oss- bergerturbine) höhere Wassermengen passieren lässt, verringert sich bei der erfindungsgemäßen Wasserkraftanlage bei Lastabwurf die Höhe der beaufschlagten Mantelfläche der zylinderförmigen Turbine, die in das Zentrum des Gravitationswasserwirbels eingreift, wodurch die Turbine trotz hoher Leerlaufdrehzahl nur mehr einen geringen Wasserdurchfluss erfährt und der Oberwasserspiegel deutlich ansteigt. Das heißt, dass die im Gravitationswasserwirbel angeordnete Turbine der erfindungsgemäßen Wasserkraftanlage bei Lastabwurf schlagartig durch einen geringeren Wasserdurchfluss entlastet wird, während herkömmliche Turbinen mit einer plötzlich steigenden und meist turbulent fließenden Wasserdurchflussmenge schlecht zurecht kommen und vor allem bei einem längeren Ausfall des Durchflussregelungssystems Schaden nehmen.
Durch die entsprechend großzügig ausgelegte Bauhöhe der Turbine der erfindungsgemäßen Wasserkraftanlage, die vom minimalen Unterwasserspiegel bis zum maximalen Oberwasserspiegel reicht, ergibt sich ein stufenlos variabler Beaufschlagungsbereich.
Dadurch, dass die Deckscheibe über dem Wasserspiegel angeordnet ist, ist gewährleistet, dass ausreichend Luft in das Zentrum des Wirbels strömt, um den Gravitationswasserwirbel aufrecht zu halten. Die gleiche Wirkung kann durch separate Luftzufuhr durch die Deckscheibe erzielt werden.
Eine besonders einfache Herstellung wird ermöglicht, wenn die Laufschaufeln in stirnseitige Ausnehmungen eingeschoben sind, wobei vorzugsweise die Ausnehmungen entsprechend dem Laufschaufelprofil geformt sind .
Vorzugsweise ist vorgesehen, die Laufschaufeln - im Grundriss betrachtet - ringförmig angeordnet sind und die Innenkanten der Laufschaufeln einen nach unten offenen und nach oben durch die Deckscheibe abgeschlossenen Hohlraum aufspannen. Dies ermöglicht einen unbehinderten Wasserabfluss zum Abflusskanal. Ein besonders verlustarmer Abfluss in den Abflusskanal kann erzielt werden, wenn zumindest im Bereich des Bodens des Abflusskanals unterhalb des Hohlraumes ein Strömungselement mit konkav gekrümmten Strömungsumlenkflächen angeordnet ist, welches geformt sind, um aus dem Laufrad axial austretendes Wasser horizontal umzulenken.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsvariante der Erfindung ist vorgesehen, dass die Laufschaufeln zur verlängerten Drehachse hin freigestellt sind . Der Generator ist dabei oberhalb der Deckscheibe angeordnet. Eine besonders kompakte Bauweise lässt sich hierbei erzielen, wenn ein permanentmagneterregter Scheibengenerator in die Deckscheibe integriert oder mit dieser unmittelbar ver- bunden ist, wobei vorzugsweise mit dem Laufrad mit rotierende Permanentmagnete mit der Deckscheibe drehverbunden sind und zwischen axial voneinander beabstandeten Permanentmagneten zumindest ein stillstehender Spulenkörper angeordnet ist.
Alternativ dazu kann auch vorgesehen sein, dass innerhalb des Hohlraumes ein Generator angeordnet ist, wobei die Laufschaufeln des Laufrades zum Generator hin freigestellt sind, um einen ausreichend großen Abflussquerschnitt für das aus der Turbine austretende Wasser zu schaffen. Direkt anschließend an den Generator kann das Strömungsumlenkelement angeordnet sein.
In Weiterführung der Erfindung kann weiters vorgesehen sein, dass zwischen Rotationsbecken und Abflusskanal zumindest ein Aufstiegskanal mit einer unter- wasserseitigen Öffnung und einer oberwasserseitigen Öffnung angeordnet ist, wobei vorzugsweise die oberwasserseitige Öffnung des Aufstiegskanals an einer strömungsabgewandten Stelle und/oder die unterwasserseitige Öffnung an einer strömungszugewandten Stelle im angeordnet ist. Dadurch können Fische und Kleinlebewesen ungehindert und gefahrlos die Wasserkraftanlage in beiden Richtungen passieren. Ein besonders einfaches Überwinden der Kraftwerksanlage wir ermöglicht, wenn die unterwasserseitige Öffnung im Bereich des Bodens des Abflusskanals angeordnet und/oder die oberwasserseitige Öffnung des Aufstiegskanals im Bereich des Bodens des Rotationsbeckens angeordnet ist. Dadurch, dass der jeder Aufstiegskanal entgegen der Rotationsrichtung des Gravitationswasserwirbels durch den Boden des Rotationsbeckens in das Unterwasser geführt wird, ergibt sich ein nur geringer Wasserabfluss mit relativ niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten im Aufstiegskanal, wodurch Kleinlebewesen und Fische problemlos vom Unterwasser ins Oberwasser und umgekehrt wandern können.
Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Figuren näher erläutert. Es zeigen :
Fig. 1 eine Turbine einer erfindungsgemäßen Wasserkraftanlage in einer
Schrägansicht;
Fig. 2 diese Turbine bei geringem Oberwasserniveau;
Fig. 3 diese Turbine bei hohem Oberwasserniveau;
Fig. 4 die Turbine in einer teilweise geschnittenen Schrägansicht;
Fig. 5 eine Teilansicht der erfindungsgemäßen Wasserkraftanlage in einer
Schrägansicht; Fig. 6 die erfindungsgemäße Wasserkraftanlage in einer ersten Ausführungsvariante in einem Längsschnitt gemäß der Linie VI-VI in Fig . 7;
Fig. 7 die erfindungsgemäße Wasserkraftanlage in einem Schnitt gemäß der Linie VII-VII in Fig . 6; und
Fig. 8 eine erfindungsgemäße Wasserkraftanlage im Längsschnitt in einer zweiten Ausführungsvariante.
Die Fig. 1 zeigt eine Turbine 41 der Wasserkraftanlage 40 mit einem im Wesentlichen zylinderförmigen Laufrad 42 mit beispielsweise aus gerolltem oder gebogenem Stahlblech gefertigten Laufschaufeln 4, deren Laufschaufelhöhe 1 vom niedrigen Niedrigwasserspiegel im Abflusskanal 26 zum höchsten Hochwasserspiegel 3 im Zuflusskanal 25 reicht. Die Laufschaufeln 4 sind an ihren oberen Enden an der Unterseite einer Deckscheibe 5, die mittig kraftschlüssig mit einer senkrechten Turbinenwelle 6 verbunden ist, befestigt, wobei sie in beispielsweise durch Schlitze oder Nuten gebildete Ausnehmungen 7 der Deckscheibe 5 eingeschoben und fixiert sein können. Die Deckscheibe 5 kann aus Brettschichtholz, Metall oder Kunststoff bestehen.
Wie aus Fig. 2 und Fig. 3 ersichtlich ist, ist das Laufrad 42 der Turbine 41 im Zentrum des Gravitationswasserwirbels 8 über der Abflussöffnung 9 angeordnet. Bei nur leicht um die geringe Höhendifferenz 10 steigendem Oberwasserspiegel erhöht sich die in Fig . 2 eingezeichnete Höhe 11 der vom Wasser benetzten Manteloberfläche der zylinderförmigen Turbine 41, die in den zentralen spiralförmigen Strömungsbereich des Gravitationswasserwirbels 8 eingreift, auf die Höhe 12 in Fig . 3. Dadurch wird von der Turbine 41 vermehrt Wasser durch die Abflussöffnung 9 in den Abflusskanal 26 geleitet, was einem weiteren Steigen des Oberwasserspiegels 3 bei zunehmender Wasserdurchflussmenge entgegenwirkt. Umgekehrt wird bei abnehmender Wasserdurchflussmenge der Oberwasserspiegel nur geringfügig sinken.
In Fig. 4 ist eine Ausführungsform der Turbine 41 mit einem integrierten Generator 22 dargestellt, wobei der Generator 22 als Scheibengenerator ausgebildet ist. Dabei ist in die Deckscheibe 5 der Turbine 41 die Turbinenlagerung 13 samt Scheibengenerator den mit rotierenden Permanentmagneten 14 und dem gehäusefesten ruhenden scheibenförmigen Spulenkörper 15 integriert, wobei der Spulenkörper 15 kraftschlüssig mit der stillstehenden Hohlwelle 17 verbunden ist. Die Windungsenden 16 des Generators 22 werden im Inneren der Hohlwelle 17 nach außen geführt. Im Ausführungsbeispiel dient die Hohlwelle 17 zur mechanischen Befestigung der gesamten Turbinen-Generator-Einheit 43. Fig . 5 zeigt eine Turbine 41 mit zylinderförmigem Laufrad 42 samt dem Boden 18 des eine Einlaufspirale für die Turbine 41 ausbildenden Rotationsbeckens 24 der Wasserkraftanlage 40. Vom Randbereich des Rotationsbeckens 24 gehen Aufstiegskanäle 21 aus, wobei die Aufstiegskanäle 21 entgegen der Rotationsrichtung 20 des Gravitationswirbels 8 durch den Boden 18 des Rotationsbeckens 20 hindurch geführt sind . Die Aufstiegskanäle 21 führen zum Abflusskanal 26, wobei die unterwasserseitigen Öffnungen 39 im Bereich des Bodens 34 des Abflusskanals 26 angeordnet sein können. Die oberwasserseitigen Öffnungen 38 sind bevorzugt an einer strömungsabgewandten Seite und die unterwasserseitigen Öffnungen 39 bevorzugt an einer strömungszugewandten des Aufstiegskanals 21 angeordnet, wie in Fig . 7 dargestellt ist. Durch die Ausrichtung der Aufstiegskanäle 21 und/oder der oberwasserseitigen Öffnungen 38 und/oder der unterwasserseitigen Öffnungen 39 wird eine relativ geringe Strömungsgeschwindigkeit 19 und ein reduzierter Wasserabfluss in den Aufstiegskanälen 21 erreicht, wodurch auch Kleinlebewesen und Fische durch diese Aufstiegskanäle 21 vom Abflusskanal 26 in den Zuflusskanal 25 und umgekehrt wandern können.
Wie in Fig. 6 und Fig . 7 gezeigt, wird das der Wasserkraftanlage 40 durch den Zuflusskanal 25 zufließende Wasser 30 nach Durchströmen eines Grobrechens 35 tangential in das Rotationsbecken 24 eingeleitet. Dort bildet sich ein Gravitationswasserwirbel 8 mit der Rotationsrichtung 20 aus. Das Wasser des Gravitationswirbels 8 trifft beim Eintritt in die Turbine 41 auf die Laufschaufeln 4. Die Laufschaufeln 4 weisen eine Laufschaufelhöhe 1 auf, die mindestens vom sich beim höchsten Hochwasserspiegel 3 im Zuflusskanal 25 im Bereich der Turbine 41 einstellenden, wirbelbedingt verminderten, Wasserspiegel 43 unmittelbar vor dem Turbineneinlauf 46 bis zum oder unterhalb des niedrigsten Niedrigwasserspiegel 2 im Abflusskanal 26 reicht. Die Unterkanten 4a der Laufschaufeln 4 liegen somit im Bereich des oder unterhalb des niedrigsten Niedrigwasserspiegels 2 im Abflusskanal 26. Bei höchstem Hochwasserspiegel 3 im Zuflusskanal 25 und niedrigstem Niedrigwasserspiegel 2 im Abflusskanal 26 kann es sich beispielsweise um 5-jährige, 10-jährige, 20-jährige, 50-jährige oder ähnliche Ereignisse handeln.
Im Ausführungsbeispiel reichen die Laufschaufeln 4 bis unmittelbar über den Boden 18 des Rotationsbeckens 24, wobei der Boden 18 des Rotationsbeckens 24 und somit die Unterkanten 4a der Laufschaufeln 4 unterhalb des niedrigsten Niedrigwasserspiegels 2 im Abflusskanal 26 angeordnet ist. Die Laufschaufelhöhe 1 ist wesentlich größer als die in radialer Richtung gemessene Laufschaufeltiefe 28. Die Laufschaufeln 4 sind nicht bis zur Drehachse 44 geführt, wodurch zwischen den Innenkanten 4b gegenüberliegender Laufschaufeln 4 unter der Deckscheibe 5, an der die Laufschaufeln 4 befestigt sind, ein mit Luft erfüllter Hohl- räum 45 entsteht, in den das Wasser durch die Laufschaufeln 4 hindurch frei einströmen kann. Um ein ungehindertes Einströmen zu ermöglichen, sollte die Deckscheibe 5 über dem sich im Bereich des Turbineneinlaufes 46 beim höchsten Hochwasserspiegel 3 einstellenden Wasserspiegel 43 angeordnet sein. Um ein Abreißen des Gravitationswasserwirbels 8 zu vermeiden, kann auch gegebenenfalls in der Deckscheibe 5 zumindest eine Luftzufuhröffnung 48 angeordnet sein, um eine Belüftung des Hohlraumes 45 zu ermöglichen.
Das Wasser strömt im Hohlraum 45 nach unten und weiter durch die Abflussöffnung 9 des Bodens 18 des Rotationsbeckens 24 und wird durch das konkav gekrümmte Strömungsleitflächen 27a aufweisende Strömungselement 27 mit nur geringen Umlenkverlusten in den Abflusskanal 26 geleitet, in welchem es als abfließendes Wasser 31 die Wasserkraftanlage 40 verlässt. Die Turbine 41 kann problemlos bei schwankenden Wasserpegeln, also sowohl bei höchstem Hochwasserspiegel 3 oder niedrigstem Niedrigwasserspiegel 32 im Zuflusskanal 25, als auch bei höchstem Hochwasserspiegel 33 oder niedrigstem Niedrigwasserspiegel 2 im Abflusskanal 26, betrieben werden. Durch einen oder mehrere Aufstiegskanäle 21, die in entgegengesetzter Richtung zur Rotationsrichtung 20 des Gravitationswasserwirbels 8 vom Rotationsbecken 24 durch den Boden 18 hindurch bis auf den Boden 47 des Abflusskanals 26 geführt sind, können Fische und Kleinlebewesen die Wasserkraftanlage 40 bei nur relativ geringer Strömungsgeschwindigkeit 19 in den Aufstiegskanälen 21 in beiden Richtung auf dem skizzierten Weg 29 gefahrlos passieren.
Fig . 8 zeigt eine weitere Ausführungsform der Wasserkraftanlage 40, bei der im Hohlraum 45 zwischen gegenüberliegenden Laufschaufeln 4 der Generator 22 auf dem Strömungselement 27 montiert ist, wobei der Generator 22 von oben über die mit der Deckscheibe 5 drehverbundene Turbinenwelle 6 angetrieben wird. Auch hier sind die Laufschaufeln 4 an der Deckscheibe 5 starr befestigt.

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E
1. Wasserkraftanlage (40) mit zumindest einer Turbine (41), mit einem insbesondere walzenförmigen Laufrad (42) mit mehreren gleichmäßig über den Umfang verteilten Laufschaufeln (4), wobei die Drehachse (44) des Laufrades (42) im Wesentlichen vertikal angeordnet ist, und wobei das Laufrad (42) von zwischen einem Rotationsbecken (24) eines Zuflusskanals (25) zu einem Abflusskanal (26) fließendem Wasser durchströmt wird, wobei das Laufrad (42) eine, vorzugsweise mit einer Turbinenwelle (6) drehverbundene, stirnseitige Deckscheibe (5) aufweist, wobei die Laufschaufeln (4) nur einseitig in axialer Richtung an der Deckscheibe (5) befestigt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckscheibe (5) im Wesentlichen über einem sich im Betrieb der Wasserkraftanlage (40) im Bereich eines Turbineneinlaufes (46) einstellenden höchsten Wasserspiegel (43) angeordnet ist und/ oder zumindest eine Luftzufuhröffnung (48) aufweist.
2. Wasserkraftanlage (40) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Laufschaufeln (4) im Wesentlichen mindestens über die gesamte Tiefe des Wassers im Rotationsbecken (25) im Bereich des Turbineneinlaufes (46), vorzugsweise unmittelbar bis zum Boden (18) des Rotationsbeckens (24), erstrecken.
3. Wasserkraftanlage (40) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Unterkante (4a) der Laufschaufeln (4) im Bereich oder unterhalb eines niedrigsten Niedrigwasserspiegels (2) im Abflusskanal (26) angeordnet ist.
4. Wasserkraftanlage (40) nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufschaufeln (4) in stirnseitige Ausnehmungen der Deckscheibe (5) eingeschoben sind, wobei vorzugsweise die Ausnehmungen entsprechend dem Laufschaufelprofil geformt sind .
5. Wasserkraftanlage (40) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufschaufeln (4) - im Grundriss betrachtet - ringförmig angeordnet sind und die Innenkanten (4b) der Laufschaufeln (4) einen nach unten offenen und nach oben durch die Deckscheibe (5) abgeschlossenen Hohlraum (45) aufspannen.
6. Wasserkraftanlage (40) nach Ansprüche 5, dadurch gekennzeichnet, dass unterhalb des Hohlraumes (45), vorzugsweise zumindest im Bereich des Bodens (47) des Abflusskanals (26), ein Strömungselement (27) mit konkav gekrümmten Strömungsumlenkflächen (27a) angeordnet ist, wel- ches geformt sind, um aus dem Laufrad (42) axial austretendes Wasser horizontal umzulenken.
7. Wasserkraftanlage (40) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufschaufeln (4) zur Drehachse (44) hin freigestellt sind.
8. Wasserkraftanlage (40) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Hohlraumes (45) ein Generator (22) angeordnet ist, wobei die Laufschaufeln (4) zum Generator (22) hin freigestellt sind, und wobei vorzugsweise direkt anschließend an den Generator (22) das Strömungsumlenkelement (27) angeordnet ist.
9. Wasserkraftanlage (40) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (22) und das Strömungsumlenkelement (27) integral ausgebildet sind.
10. Wasserkraftanlage (40) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein vorzugsweise als permanentmagneterregter Scheibengenerator ausgebildeter Generator (22) in die Deckscheibe (5) integriert oder mit dieser unmittelbar verbunden ist, wobei vorzugsweise mit dem Laufrad (42) mitrotierende Permanentmagnete (14) mit der Deckscheibe (5) drehverbunden sind und zwischen axial voneinander beabstandeten Permanentmagneten (14) zumindest ein stillstehender Spulenkörper (15) angeordnet ist.
11. Wasserkraftanlage (40) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Rotationsbecken (24) und Abflusskanal (26) zumindest ein Aufstiegskanal (21) mit einer unterwasserseitigen Öffnung (39) und einer oberwasserseitigen Öffnung (38) angeordnet ist, wobei vorzugsweise die oberwasserseitige Öffnung (38) des Aufstiegskanals (26) an einer strömungsabgewandten Stelle und die unterwasserseitige Öffnung (39) an einer strömungszugewandten Stelle angeordnet ist.
12. Wasserkraftanlage (40) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die unterwasserseitige Öffnung (39) im Bereich des Bodens (47) des Abflusskanals (26) angeordnet und/oder die oberwasserseitige Öffnung (38) des Aufstiegskanals (21) im Bereich des Bodens (18) des Rotationsbeckens (24) angeordnet ist.
2010 10 28
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