WO2012034616A1 - Strömungswandler - Google Patents

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WO2012034616A1
WO2012034616A1 PCT/EP2011/003752 EP2011003752W WO2012034616A1 WO 2012034616 A1 WO2012034616 A1 WO 2012034616A1 EP 2011003752 W EP2011003752 W EP 2011003752W WO 2012034616 A1 WO2012034616 A1 WO 2012034616A1
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cone
turbine cone
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English (en)
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Ralf Korngiebel
Gerold Seyfarth
Artur Henneberg
Nico Braune
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P.E.A.C.E.-Power Water And Wastewater Gmbh
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    • F05B2250/20—Geometry three-dimensional
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    • 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

  • Flow converters consist of a through the flow medium
  • Screw blades wherein the flow converter is supported in a conventional manner, for example by a fixed housing.
  • DE 41 39 134 C2 discloses a hydrodynamic screw for energy conversion, which in appearance and execution equal to a well-known from the sewage water conveyor screw with open top, non-rotating trough is.
  • the trough, in which the worm rotates, is supplied with water at the upper end, which is moved downward by the action of gravity and is converted by the worm into kinetic energy. The kinetic energy gained by the screw can be supplied to a power or working machine.
  • the object of the present invention is to overcome the disadvantages of the prior art and to provide a flow transducer, which in particular has a higher performance and works with higher energy efficiency.
  • a rotatable hydrodynamic screw 3 is arranged between the housing 2 and the turbine cone 1.
  • FIG. 1 shows a diagrammatic side view of the flow converter 4 according to the invention in a first embodiment variant
  • FIG. 2 is a schematic side view of the flow converter 4 according to the invention in a second embodiment
  • FIG. 3 is a schematic side view of the flow converter 4 according to the invention in a third embodiment
  • Fig. 5 is a schematic side view of an alternative embodiment of the
  • Fig. 6 is a side view of the flow converter 4 according to the invention in a sixth Design variant.
  • FIG. 1 shows a schematic side view of the flow converter 4 according to the invention in a first embodiment variant.
  • a flow transducer 4 is designed such that a turbine cone 1, in particular consisting of a conical surface 13 and a conical tip 12, on which a plurality of evenly offset arranged in the direction of the apex 12 tapered helical screw blades 11 are located.
  • a rotatable hydrodynamic screw 3 is arranged, wherein the turbine cone 1 and the hydrodynamic screw 3 are connected gap-free.
  • the hydrodynamic screw 3 and this turbine cone 1 are thus rotatably mounted relative to a stationary housing 2.
  • the screw bottom 31 of the hydrodynamic screw 3 has a cylindrical shape.
  • a plurality of connecting flanges 21 are arranged.
  • a base plate 22 has been firmly connected to the housing 2 for attachment to the ground.
  • turbine cone lund housing 2 formed and sealed against the flow medium cavity 41 are one of the hydrodynamic screw 3 rotatably receiving main bearing, housed in the conical surface 13 unit for energy conversion 6, consisting of a customary in type and design magnetic ring 61, which is arranged in a magnetic bell 62 and fixedly connected to the turbine cone 1, a coil core 63 and a power cable 8, which is led from the spool core 63 through the sealed housing 2 to the outside.
  • the diameter of the one end 312 of the screw bottom 31, which is arranged near the turbine cone 1, does not exceed the diameter of the turbine cone 1.
  • the screw blades 11 widen from the apex 12 of the turbine cone 1 starting, wherein the initial width of the screw blades 11 has a value of zero; alternatively has a larger value.
  • the core diameter of the hydrodynamic screw 3 does not exceed the base diameter of the turbine cone 1.
  • Screw blades 11 of the hydrodynamic screw 3 the maximum outer diameter of the screw blades 11 of the turbine cone 1.
  • the turbine cone 1 is characterized in this embodiment by a concave cone wall 13, which allows for increased absorption capacity and higher power output from.
  • FIG. 2 shows a schematic side view of the flow converter according to the invention
  • the turbine cone 1 in contrast to the solution according to FIG. 1, is mechanically separated from the hydrodynamic screw 3.
  • the gap 5 between the turbine cone 1 and hydrodynamic screw 3 has been sealed by several seals 9 against penetrating water.
  • a rotational movement of the turbine cone 1 receiving generator was housed.
  • the hydropower check 3 was provided with a second, also inside, generator.
  • FIG. 3 shows a schematic side view of the flow converter 4 according to the invention in a third embodiment variant, which is in particular an alternative solution to the second embodiment variant.
  • the turbine cone 1 in contrast to the solution according to FIG. 1, is mechanically separated from the hydrodynamic screw 3.
  • the gap 5 between the turbine cone 1 and hydrodynamic screw 3 has been sealed by several seals 9 against penetrating water.
  • a rotary motion of the turbine cone 1 and / or the hydropower check 3 receiving generator was housed.
  • FIG. 4 shows a schematic side view of the turbine cone 1.
  • the screw blades 11 mounted on the turbine cone 1 have a concave curvature.
  • an enlargement of the screw blade surface is achieved with the same outer diameter.
  • the screw blades are not perpendicular to the symmetry axis of the turbine cone, but have a pitch angle.
  • the screw blades widen linearly from the apex 12 towards the cone base, with the initial width of the screw blades at the apex 12 corresponding to a predefined value greater than zero.
  • the screw blade start 111 is made rectangular.
  • FIG. 5 shows a schematic side view of an alternative embodiment of the turbine cone 1.
  • This embodiment is characterized in that the screw blades 11 only begin at a certain distance from the apex 12, which corresponds to a length of one third of the cone height.
  • the bare cone tip 12 serves as a guide of the water on the screw blades 11.
  • the initial width of the screw blades in this case also corresponds to a predefined value greater than zero. To ensure a more hydrodynamic shape of the blade start is rounded off here.
  • FIG. 6 shows a schematic side view of an alternative embodiment of the turbine cone 1.
  • the turbine cone 1 three helical, ranging from the apex 12 to the cone base, widening screw blades 11. They are arranged offset by 120 degrees on the cone shell 13. Between the continuous screw blades 11 a total of three shortened screw blades, which are located in the rear cone area arranged. They have the same width, curvature and the same angle of elevation as the screws extending from the apex 12 to the cone base. The initial width of the shortened screw blades 11 corresponds to a predefined value greater than zero

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Strömungswandler, zumindest bestehend aus einem drehbaren Turbinenkegel (1) mit Schraubenblättern (11), einem Gehäuse (2), zumindest einer Einheit zur Drehzahlumwandlung (7) und zumindest einer Einheit Energieumwandlung (6), welche in einem Hohlraum (41) des Strömungswandlers (4) angeordnet sind.

Description

BESCHREIBUNG
Strömungswandler
Strömungswandler bestehen aus einem sich durch das Strömungsmedium
drehenden Turbinenkegel mit am Umfang angeordneten, spiralförmigen
Schraubenblättern, wobei der Strömungswandler sich in üblicher Art und Weise abstützt, beispielsweise durch ein feststehendes Gehäuse.
Aus der DE 10 2008 032 411 AI ist ein solcher Strömungswandler bekannt, dessen Turbinenkegel gegenüber einem Gehäuse drehbar gelagert und abgedichtet ist. Eine integrierte Einheit zur effizienten Drehzahlum Wandlung und Energieumwandlung in dem integrierten Hohlraum untergebracht und wirksam vor Eindringen des Strömungsmediums geschützt. Durch diese gewählte Bauform wird Treibgut vom Strömungswandler weggeleitet. Durch den Strömungswandler können große Leistungen übertragen werden. Die DE 41 39 134 C2 offenbart eine Wasserkraftschnecke zur Energieumwandlung, welche im Aussehen und Ausführung gleich einer aus der Abwassertechnikbekannten Wasserförderschnecke mit oben offenen, nicht drehenden Trog, ist. Dem Trog, in dem sich die Schnecke dreht, wird am oberen Ende Wasser zugeführt, welches sich durch Einwirkung der Schwerkraft abwärts bewegt und durch die Schnecke in Bewegungsenergie umgewandelt wird. Die durch die Schnecke gewonnene Bewegungsenergie kann einer Kraft- oder Arbeitsmaschine zugeführt werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und einen Strömungswandler bereit zu stellen, welcher insbesondere eine höhere Leistung besitzt und mit höherer Energieeffizienz arbeitet.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch einen Strömungswandler gelöst, welcher die Merkmale des Anspruchs 1 besitzt.
BESTÄTIGUNGSKOPIE Erfindungswesentlich ist, dass zwischen dem Gehäuse 2 und dem Turbinenkegel 1 eine drehbare Wasserkraftschnecke 3 angeordnet ist.
Damit wird eine Vergrößerung des Schluckvermögens der Turbine erreicht. Mit der Wasserkraftschnecke als Erweiterung oder Verlängerung des Turbinenkegels wird die Schraubenblattfläche der Turbine, damit die Angriffsfläche des Wassers und demzufolge eine Steigerung der Leistungsausbeute erreicht. Die besondere, angepasste Form des Kegels verbessert die Leitung des Wassers auf die Schraubenblätter und minimiert den Energieverlust, welcher durch das Umlenken des Wassers in Richtung Schraubenblätter auftritt. Die verfeinerte Schaufelgeometrie ermöglicht eine verbesserte Energieaufnahme zur effizienteren Nutzung des Wasserstroms und verringert die Möglichkeit des Festsetzens von Geschiebe und Geschwemmsei.
Insbesondere die Unteransprüche geben weitere Merkmale der Erfindung an, ohne diese abschließend zu benennen.
Im Folgenden soll die Erfindung an Hand von Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen jeweils in schematischer Darstellung: Fig. 1 eine schematische Seitenansicht des erfindungsgemäßen Strömungswandlers 4 in einer ersten Ausführungsvariante,
Fig. 2 eine schematische Seitenansicht des erfindungsgemäßen Strömungswandlers 4 in einer zweiten Ausführungsvariante,
Fig. 3 eine schematische Seitenansicht des erfindungsgemäßen Strömungswandlers 4 in einer dritten Ausführungsvariante,
Fig. 4 eine schematische Seitenansicht des Turbinenkegels 1 ,
Fig. 5 eine schematische Seitenansicht einer alternativen Ausführungsform des
Turbinenkegels 1,
und
Fig. 6 eine Seitenansicht des erfindungsgemäßen Strömungswandlers 4 in einer sechsten Ausfuhrungsvariante.
Figur 1 zeigt eine schematische Seitenansicht des erfindungsgemäßen Strömungswandlers 4 in einer ersten Ausführungsvariante. Bei dieser Variante ist ein Strömungswandler 4 derart gestaltet, dass ein Turbinenkegel 1 , insbesondere bestehend aus einem Kegelmantel 13 und einer Kegelspitze 12, auf welchen mehrere gleichmäßig versetzt angeordnete sich in Richtung Kegelspitze 12 verjüngende spiralförmige Schraubenblätter 11 befinden. Zwischen dem Gehäuse 2 und dem Turbinenkegel 1 ist eine drehbare Wasserkraftschnecke 3 angeordnet, wobei der Turbinenkegel 1 und die Wasserkraftschnecke 3 spaltfrei verbunden sind. Die Wasserkraftschnecke 3 und dieser Turbinenkegel 1 sind somit gegenüber einem feststehenden Gehäuse 2 drehbar gelagert. Der Schneckenboden 31 der Wasserkraftschnecke 3 besitzt eine zylinderförmige Form.
Zwischen der vorzugsweise aus Stahl hergestellten Wasserkraftschnecke 3 und dem ebenfalls aus Stahl bestehenden Gehäuses 2 sind mehrere Verbindungsflansche 21 angeordnet. Unten am Gehäuse 2 wurde zur Befestigung mit dem Untergrund eine Grundplatte 22 mit dem Gehäuse 2 fest verbunden. Im Inneren des Strömungswandlers 4, d. h. hier des von Wasserkraftschnecke 3, Turbinenkegel lund Gehäuse 2 gebildeten und gegenüber dem Strömungsmedium abgedichteten Hohlraums 41 befinden sich ein, der Wasserkraftschnecke 3 drehbar aufnehmendes Hauptlager, eine im Kegelmantel 13 untergebrachte Einheit zur Energieumwandlung 6, bestehend aus einem in Art und Ausführung üblichen Magnetring 61, welcher in einer Magnetglocke 62 angeordnet und fest mit dem Turbinenkegel 1 verbunden ist, einem Spulenkern 63 und ein Stromkabel 8, welches ausgehend vom Spulenkern 63 durch das abgedichtete Gehäuse 2 nach außen geführt wird. Der Durchmesser des einen Endes 312 des Schneckenbodens 31, welches nahe des Turbinenkegels 1 angeordnet ist, überschreitet nicht den Durchmesser des Turbinenkegels 1.
Die Schraubenblätter 11 verbreitern sich von der Kegelspitze 12 des Turbinenkegels 1 beginnend, wobei die Anfangsbreite der Schraubenblätter 11 einen Wert von Null besitzt; alternativ einen größeren Wert besitzt.
Der Kerndurchmesser der Wasserkraftschnecke 3 überschreitet nicht den Basisdurchmesser des Turbinenkegels 1. Die Schraubenblätter 11 der Wasserkraftschnecke
3 sind rechtsläufig, sie schließen sich bündig an die eingängigen, ebenfalls rechtsläufigen Schraubenblätter 11 des Turbinenkegels 1 an. Dabei entspricht der Außendurchmesser der
Schraubenblätter 11 der Wasserkraftschnecke 3 dem maximalen Außendurchmesser der Schraubenblätter 11 des Turbinenkegels 1. Der Turbinenkegel 1 zeichnet sich in diesem Ausfuhrungsbeispiel durch eine konkave Kegelwandung 13, welche ein vergrößertes Schluckvermögen und eine höhere Leistungsausbeute ermöglicht, aus.
Zum Schutz der Oberfläche vor Beschädigung und Korrosion werden alle, mit dem Strömungsmedium in Kontakt kommenden Flächen des Turbinenkegels 1, der Wasserkraftschnecke 3 und des Gehäuses 2 mit einer Beschichtung versehen. Eine wahlweise Ausgestaltung des Ausführungsbeispiels in einem korrosionsfreien Stahl ist möglich.
Figur 2 zeigt eine schematische Seitenansicht des erfindungsgemäßen Strömungswandlers
4 in einer zweiten Ausfuhrungsvariante.
Bei diesem Ausfuhrungsbeispiel ist der Turbinenkegel 1, im Unterschied zur Lösung gemäß Fig. 1 , mechanisch von der Wasserkraftschnecke 3 getrennt. Der Spalt 5 zwischen Turbinenkegel 1 und Wasserkraftschnecke 3 wurde hierbei durch mehrere Dichtungen 9 gegen eindringendes Wasser abgedichtet. Im Hohlraum 41 des Turbinenkegels 1 wurde ein die Drehbewegung des Turbinenkegels 1 aufnehmender Generator untergebracht. Die Wasserkraftschecke 3 wurde mit einem zweiten, ebenfalls innen liegenden, Generator versehen.
Figur 3 zeigt eine schematische Seitenansicht des erfindungsgemäßen Strömungswandlers 4 in einer dritten Ausfuhrungsvariante, welche insbesondere eine alternative Lösung zur zweiten Ausführungsvariante ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Turbinenkegel 1, im Unterschied zur Lösung gemäß Fig. 1 , mechanisch von der Wasserkraftschnecke 3 getrennt. Der Spalt 5 zwischen Turbinenkegel 1 und Wasserkraftschnecke 3 wurde hierbei durch mehrere Dichtungen 9 gegen eindringendes Wasser abgedichtet. Im Hohlraum 41 des Strömungswandlers 4, hier im Hohlraum 41 der Wasserkraftschecke 3, wurde ein die Drehbewegung des Turbinenkegels 1 und/oder der Wasserkraftschecke 3 aufnehmender Generator untergebracht.
Figur 4 zeigt eine schematische Seitenansicht des Turbinenkegels 1. Dabei weisen die auf dem Turbinenkegel 1 angebrachten Schraubenblätter 11 eine konkave Wölbung auf. So wird bei gleichbleibendem Außendurchmesser eine Vergrößerung der Schraubenblätterfläche erreicht. Um eine günstigere Anströmung zu gewährleisten stehen die Schraubenblätter nicht lotrecht auf der Symmetrieachse des Turbinenkegels, sondern besitzen einen Anstellwinkel. Die Schraubenblätter verbreitern sich von der Kegelspitze 12 zur Kegelbasis hin linear, wobei die Anfangsbreite der Schraubenblätter an der Kegelspitze 12 einem vordefinierten Wert größer Null entspricht. Der Schraubenblattanfang 111 wird rechteckig ausgeführt.
Figur 5 zeigt eine schematische Seitenansicht einer alternativen Ausführungsform des Turbinenkegels 1.
Diese Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass die Schraubenblätter 11 erst in einem bestimmten Abstand zur Kegelspitze 12, welcher einer Länge von einem Drittel der Kegelhöhe entspricht, beginnen. Damit dient die blanke Kegelspitze 12 als Leiteinrichtung des Wassers auf die Schraubenblätter 11. Die Anfangsbreite der Schraubenblätter entspricht in diesem Fall ebenfalls einem vordefinierten Wert größer Null. Um eine hydrodynamischere Form zu gewährleisten wird der Schaufelbeginn hierbei abgerundet.
Figur 6 zeigt eine schematische Seitenansicht einer alternativen Ausführungsform des Turbinenkegels 1. In diesem Ausfuhrungsbeispiel weist der Turbinenkegel 1 drei spiralförmige, von der Kegelspitze 12 bis zur Kegelbasis reichende, sich verbreiternde Schraubenblätter 11 auf. Sie sind um jeweils 120 Grad versetzt auf dem Kegelmantel 13 angeordnet. Zwischen den durchgängigen Schraubenblättern 11 sind insgesamt drei verkürzte Schraubenblätter, die sich im hinteren Kegelbereich befinden, angeordnet. Sie haben die gleiche Breite, Wölbung und den gleichen Anstiegswinkel wie die von der Kegelspitze 12 bis zur Kegelbasis reichenden Schraubenblätter. Die Anfangsbreite der verkürzten Schraubenblätter 11 entspricht dabei einem vordefinierten Wert größer Null
Damit werden eine Vergrößerung der Schraubenblattfläche bei gleichbleibenden Außenmaßen und eine Steigerung der Leistungsausbeute erreicht.
Liste der Bezugszeichen
Turbinenkegel 1
Schraubenblätter 11
Schaufelfläche 111
Kegelspitze 12
Kegelmantel 13
Gehäuse 2
Verbindungsflansche 21
Wasserkraftschnecke 3
Schneckenboden 31
Strömungswandler 4
Hohlraum 41
Spalt 5
Einheit zur Energieumwandlung 6 Magnetring 61
Magnetglocke 62
Spulenkern 63
Einheit zur Drehzahlumwandlung 7 Stromkabel 8
Dichtung 9

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Strömungswandler, zumindest bestehend aus einem drehbaren Turbinenkegel 1 mit Schraubenblättern 11 , einem Gehäuse 2, zumindest einer Einheit zur Drehzahlumwandlung 7 und zumindest einer Einheit Energieumwandlung 6, welche in einem Hohlraum 41 des Strömungswandlers 4 angeordnet sind,
dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Gehäuse 2 und dem Turbinenkegel 1 eine drehbare Wasserkraftschnecke 3 angeordnet ist.
2. Strömungswandler nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass der Schneckenboden 31 der Wasserkraftschnecke 3 eine zylinderförmige Form besitzt.
3. Strömungswandler nach Ansprüchen 1 und 2,
dadurch gekennzeichnet, dass der Turbinenkegel 1 und die Wasserkraftschnecke 3 spaltfrei verbunden sind.
4. Strömungswandler nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des einen Endes 312 des Schneckenbodens 31 , welches nahe des Turbinenkegels 1 angeordnet ist, den Durchmesser des Turbinenkegels 1 nicht überschreitet.
5. Strömungswandler nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserkraftschnecke 3 und der Turbinenkegel 1 jeweils ein- oder mehrgängig ist.
6. Strömungswandler nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Turbinenkegel 1 und die Wasserkraftschnecke 3 nicht mechanisch miteinander verbunden sind.
7. Strömungswandler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Spalt 5 zwischen dem Turbinenkegel 1 und der Wasserkraftschnecke 3 wasserdicht abgedichtet ist.
8. Strömungswandler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Turbinenkegel 1 mechanisch mit einer ersten Einheit zur Energieumwandlung
6, insbesondere einem Generator, und die Wasserkraftschnecke 3 mit einer zweiten, Einheit zur Energieumwandlung 6, insbesondere einem Generator, gekoppelt sind.
9. Strömungswandler nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der links- oder rechtsläufig drehende Turbinenkegel 1 einen konkav oder konvex geformten Kegelmantel 13 besitzt.
10. Strömungswandler nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die spiralförmigen Schraubenblätter 1 1 am Turbinenkegel 1 lotrecht und/oder in einem positiven oder negativen Anstellwinkel zur Symmetrieachse des Turbinenkegels 1 angeordnet sind.
1 1 . Strömungswandler nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufelfläche 1 1 1 der Schraubenblätter 1 1 eine gerade, konvex oder konkav gewölbte Form besitzen.
12. Strömungswandler nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass sich die Schraubenblätter 1 1 von der Kegelspitze 12 des Turbinenkegels 1 beginnend verbreitern, wobei die Anfangsbreite der Schraubenblätter 1 1 einen Wert von Null oder einen größeren Wert besitzt.
13. Strömungswandler nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das erste Schraubenblatt 1 1 .1 der Schraubenblätter 1 1 in einem Abstand von der Kegelspitze 12 des Turbinenkegels 1 angeordnet ist und sich die Schraubenblätter 1 1 beginnend mit dem ersten Schraubenblatt 1 1.1 verbreitern, wobei die Anfangsbreite der Schraubenblätter 1 1 einen Wert von Null oder einen größeren Wert besitzt.
14. Strömungswandler nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des einen Endes 311 des Schneckenbodens 31 , welches nahe dem Gehäuse 2 angeordnet ist, den Durchmesser des Gehäuses 2 überschreitet.
15. Strömungswandler nach Anspruch 1 und 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Schraubenblätter 11 , wobei das erste Schraubenblatt 111 eine Anfangsbreite größer als Null besitzt, einen rechteckigen oder abgerundeten Schaufelbeginn besitzen.
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