WO2018146289A1 - Wasserkraftwerk - Google Patents

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WO2018146289A1
WO2018146289A1 PCT/EP2018/053369 EP2018053369W WO2018146289A1 WO 2018146289 A1 WO2018146289 A1 WO 2018146289A1 EP 2018053369 W EP2018053369 W EP 2018053369W WO 2018146289 A1 WO2018146289 A1 WO 2018146289A1
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WO
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turbine
hydroelectric power
power plant
water
underwater
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PCT/EP2018/053369
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English (en)
French (fr)
Inventor
Günter FELLA
Christian Winkler
Original Assignee
Fella Maschinenbau Gmbh
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Publication date
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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
    • F03B3/16—Stators
    • F03B3/18—Stator blades; Guide conduits or vanes, e.g. adjustable
    • F03B3/186—Spiral or volute casings
    • 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
    • F03B13/10—Submerged units incorporating electric generators or motors
    • F03B13/105—Bulb groups
    • 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
    • F05B2250/30—Arrangement of components
    • F05B2250/31—Arrangement of components according to the direction of their main axis or their axis of rotation
    • F05B2250/315—Arrangement of components according to the direction of their main axis or their axis of rotation the main axis being substantially vertical
    • 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 hydroelectric power plant.
  • the invention relates to a hydroelectric power plant with a generator-turbine unit, which can be arranged completely under water and surrounded by water.
  • Underwater turbine is a unit arranged with a vertical axis of a turbine and a generator, wherein above a bottom surface in a radial ring, an inflow of the water takes place, which is deflected downward in a turbine which projects into an already vertical pipe section, in particular a pipe section a subsequent suction pipe.
  • the underwater turbine is mounted and fixed in this embodiment with this subsequent suction tube.
  • Such an underwater turbine allows arrangements of hydroelectric power plants, which unobtrusively fit into the water landscape and where, for example, above the water surface no components of the hydroelectric power plant can be seen.
  • Hydroelectric power plants are known in the prior art, for example Kaplan turbines, in which a turbine is supplied by a spiral-shaped tube, in particular a tapered tube water, which is possibly still guided by vanes in a horizontal plane and then fed to a turbine. Above the turbine in a nacelle then generators are arranged, which are connected via a vertical shaft with the turbine.
  • a disadvantage of this prior art is that the machine house can not be avoided. For ecological or nature conservation reasons, however, the changes in the landscape, in particular also optical changes, are often to be minimized. Regardless of the previously described state of the art, a residual gradient is available for many outlets of (large) water power plants, but also for outlets of thermal power plants. It is desirable here to be able to use this gap for energy production with minimal construction effort.
  • the present invention has for its object, on the one hand cost-effective and on the other hand ecological claims appropriate, especially with minimal optical changes usable hydropower plant available, with the particular fall heights of several meters can be used.
  • a hydroelectric plant is achieved by a hydroelectric plant according to claim 1.
  • the object is achieved in that in a hydropower plant with an inlet from an upper water and a drain into an underwater and a turbine chamber in which a turbine is flown, in the turbine chamber an underwater turbine is used as a unit of a generator and a turbine, which is disposed on a wall surface of the turbine chamber at the location of the drain and wherein the housing of the underwater turbine is surrounded by water in the turbine chamber.
  • the turbine chamber for example, a closed cylindrical
  • Generator for example, a permanent magnet generator, directly, without mechanical translation, sits above the turbine.
  • the entire system of generator and turbine is thus permanently over-rinsed and water-cooled.
  • closed Construction it is also not required compared to the prior art, such as in a classic Kaplan turbine to lead a wave out of the actual chamber of the turbine out up to a generator, the
  • the optical changes in the environment by the hydroelectric power plant can remain as low as possible in the hydropower plant according to the invention.
  • the turbine chamber and the inlet pipes can advantageously be arranged underground for reasons of nature conservation and thus not visible.
  • a fine screen can be installed in the water inlet.
  • the underwater turbine is particularly fish friendly and, as such a particularly fish friendly turbine, can be specially designed in terms of speed and free space between the blades of the turbine as well as the shape of their shape.
  • the inlet of the hydroelectric power plant for example, be designed so that the existing course of water, such as a waterfall whose slope is used for energy production, never dries.
  • the water can be removed without Wehrbauwerk, which can be used as an alternative, of course.
  • the ascent and descent of living things and especially fish is then still possible over the waterfall and / or for example a ramp-like structure on the edge of the water / waterfall.
  • the wall surface is a bottom surface and the underwater turbine is arranged vertically standing with a vertical axis of rotation.
  • the underwater turbine has a wear-free sealing system, as is the case for example in open systems, where without sliding seal by an internal overpressure the
  • the drain is a suction tube.
  • the underwater turbine may have a water inlet ring-shaped directly on the wall surface or parallel at a distance to the wall surface.
  • the turbine chamber has a cylinder cross-section and is the
  • Rotary axis of the underwater turbine in the longitudinal direction of the cylinder oriented, in particular perpendicular.
  • the underwater turbine may be arranged eccentrically to the central axis of the cylinder.
  • the inlet is arranged in the turbine chamber tangential to the central axis of the cylinder. It can be arranged in the turbine chamber, a flow baffle, in particular on the side of the inlet, which faces the side of the central axis of the cylinder.
  • Turbine chamber to be optimized for inlet of the underwater turbine.
  • the turbine chamber is a steel housing or comprises such
  • Steel housing in particular a steel housing open on one side.
  • the turbine chamber can be made for example of a carbon steel. At separation points, for example, in an upper opening for introducing the underwater turbine as well as any inserted even smaller opening as a maintenance opening or manhole opening, but also in a possible division of the turbine chamber can
  • Fittings are used. It is particularly advantageous to use non-corrosive bonding agent, such as stainless steel screws. Alternatively, it is also possible to design the turbine chamber made of reinforced concrete.
  • the underwater turbine is mechanically attached only to a wall surface.
  • the turbine / generator unit or the underwater turbine can be used via this mounting opening and, since it is only attached to a wall surface, in the presently described example of the bottom surface, are mounted easily.
  • the turbine chamber for example, as the top closed from
  • Bottom outlet or flushing holes can be arranged.
  • any ingress of debris or bedding can be removed.
  • the turbine chamber can be completely drained by a bottom outlet.
  • the problem is solved in that at a hydroelectric power plant with an inlet from an upper water and a drain into an underwater and a Turbine chamber, in which a turbine is flown, the inlet via a
  • Saugheberabites engages in a primary cycle of a technical system, the primary process with a gradient in a body of water passes water, the primary flow the upper water, the water forms the underwater and the technical system in particular a hydroelectric power plant, a cooling water drain or receiving water from
  • Outlets for example, large power plants, but also, for example, cooling and process water processes of industrial plants or processes of wastewater treatment plants are used. It is only a very small construction effort necessary because a water supply for the complementary use of this
  • Residual differences can be made by closed pipes on the siphon principle.
  • pipelines can often be retrofitted without requiring major modifications.
  • any system is suitable in which a sufficient amount of water is fed over a gradient to a body of water.
  • Vacuum blower to be vented.
  • the siphon section can be vented via the turbine operating as a pump.
  • Hydroelectric power plant with a siphon section can also all before
  • hydropower plant with a siphon section as described above, can be used independently and without the features described above
  • Hydroelectric power plant can be used with an underwater turbine, but alternatively have all the features of this. Particularly advantageous are only small or no structural changes to a gradient of a primary course in a body of water are required and the residual gradient can be used.
  • Underwater turbine allows a very cost-effective solution of an airtight or closed system, as it is for a hydroelectric power station with a
  • Siphon section g is required.
  • FIG. 1 schematically, laterally a turbine chamber, FIG. 2, the turbine chamber of FIG. 1 from above,
  • FIG. 3 shows the turbine chamber of FIG. 1 in side view
  • FIG. 4 shows the turbine chamber of FIG. 1 in a sectional view on the side
  • FIG. 5 shows the turbine chamber of FIG. 1 in perspective view
  • FIG. 6 shows the turbine chamber of FIG. 1 with a suction pipe
  • Fig. 7 is a schematic overall view of an inventive
  • Fig. 8 shows schematically a further embodiment of the invention
  • Fig. 9 shows the detail I of the figure. 8, the detail II of the figure. 8 and
  • FIG. 1 the hydroelectric power plant of FIG. 8 in supervision, Fig. 1 shows schematically at the side a turbine chamber 1 and a downwardly open steel housing 2, which can be placed on a concrete floor, not shown here. On the top there is a mounting hole 3 in turn a manhole 4 is inserted to allow access through a small opening for maintenance purposes.
  • the water is supplied to the turbine chamber 1 via an inlet cone 5, which is connected via a pressure pipe connection 6 with a pressure pipe 7, which is only partially shown here, which serves as inlet 8 of the
  • FIG. 2 shows the turbine chamber 1 of FIG. 1 from above at open
  • an underwater turbine 9 is arranged, which consists of a unit of turbine and generator and is completely surrounded by water. Laterally on the underwater turbine 9, a connection housing 10 is provided for power and control lines.
  • the underwater turbine 9 is arranged by the dimension e eccentric to the central axis of the steel housing 2 of the turbine chamber 1. This eccentricity e is chosen so that, together with the tangential arrangement to be recognized in the figure, the inlet cone 5 and a
  • Flow baffle 1 1 the incoming water in a vortex optimally an annular, not visible here water inlet of the underwater turbine 9 is supplied.
  • the flow baffle 1 1 is arranged on the wall of the turbine chamber 2 on the side of the inlet 8 and inlet cone 5, which faces the side of the central axis of the cylinder of the turbine chamber 2.
  • FIG. 3 shows the turbine chamber of FIG. 1 in a side view of the pressure tube 7 with the steel housing 2 and the mounting opening 3. Inside the turbine chamber 1, the underwater turbine 9 is visible only to a small extent due to the eccentricity e. A water inlet 12 is slightly above a bottom surface of the
  • Turbine chamber 1 is arranged and extends in a circle around the entire circumference of the underwater turbine.
  • the water is supplied laterally through the inlet cone 5 and the previously described eccentricity e and the flow baffle 1 1 the entire circumference of the water inlet 12 is supplied evenly.
  • the water inlet 12 of the Submersible turbine 9 has guide vanes 13 with which the operation of
  • Submersible turbine 9 can be adapted to the amount of water.
  • FIG. 5 shows the turbine chamber 1 of FIG. 1 in perspective view with the
  • FIG. 6 shows the turbine chamber of FIG. 1 with a suction pipe 14
  • Turbine chamber 1 can be placed on a concrete floor slab and let into the earth above the concrete floor slab into an excavation, as represented by the rectangle 15.
  • the mounting hole 3 remains just above the earth's surface.
  • the water is then supplied through the pressure tube 7 and the inlet cone 5 and discharged via the suction pipe 14 with a suction effect.
  • FIG. 7 shows a schematic overall view of a device according to the invention
  • the pressure tube 7 serves as an inlet 8 and passes via the inlet cone 5, the water of the turbine chamber 1 to.
  • the turbine chamber 1 consists of a steel housing 2 which is placed on a concrete floor surface 18. Under the concrete floor surface 18, the suction pipe 14 is arranged as a drain 19 and on this concrete floor surface 18 as a wall surface 20, the underwater turbine 9 is mounted with the water inlet 12 and attached to this alone.
  • the complete arrangement shown here of the hydroelectric power plant 16 can be arranged as far as possible underground, but also on the surface.
  • the pressure tube 7 as an inlet 8
  • FIG. 8 shows schematically another embodiment of the inventive hydroelectric power plant 16 in perspective view.
  • the hydroelectric power plant 16 has an additional Saugheberabites 21 in the inlet 8, with the water from a water outlet 22 of a technical system 23, for example, the
  • Water drain 22 a sewage treatment plant, an industrial plant, but also a larger hydroelectric power plant can be removed. This process 22 becomes the Distinction hereinafter referred to as primary run 24.
  • the pressure tube 7 the water is fed to the turbine chambers 1, passed from these via the drain 19 in the form of the suction pipe not shown here in a body of water 25, in which otherwise the primary flow 24 would derive the water.
  • the Saugheberabites 21, the inlet 8, the turbine chambers 1 and the drain 19 are each performed twice to accommodate the amount of water can.
  • the hydroelectric power plant 16 according to the invention allows such a modular construction.
  • FIG. 9 shows the detail I of FIG. 8 in the area of the siphon section 21.
  • the water is withdrawn from the primary effluent 24 in an area of sufficient water depth, for example by damaging by means of weir valves 26 of the normal runoff in the primary drain 24 and prevented. If the air is displaced from the Saugheberabites 21 by a not shown here in more detail vacuum blower or by pumping the turbines, the water from the
  • the hydroelectric power plant 16 can be installed without much additional construction work, as shown here, the lines of the siphon section 21 can also be arranged well subsequently. Shown are two more
  • Container 27 in which compact the control or aggregates of the hydroelectric power plant 16 can be accommodated.
  • FIG. 10 shows detail II of FIG. 8. Via the pressure tube 7, the water is fed to the turbine chambers 1, in each of which an underwater turbine 9 is arranged. About the poured into a concrete foundation 28 suction pipe 14, which serves as a drain 19, the water is passed into the water 25.
  • Fig. 1 1 shows the hydroelectric power plant of Fig. 8 in plan view.
  • the hydroelectric power plant 16 is arranged laterally next to the primary flow 24, from which the water is removed via the siphon section 21. It is therefore very little or none Interventions in the existing structure of the primary course 24 and the technical annex 23 are required.

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Abstract

Bei einem Wasserkraftwerk mit einem Zulauf (8) aus einem Oberwasser und einem Ablauf (19) in ein Unterwasser sowie einer Turbinenkammer (1), in der eine Turbine (9) angeströmt wird, kommt in der Turbinenkammer (1) eine Unterwasserturbine (9) als Einheit aus einem Generator und einer Turbine zum Einsatz, die an einer Wandfläche (20) der Turbinenkammer (1) an der Stelle des Ablaufs angeordnet ist und wobei das Gehäuse der Unterwasserturbine (9) von Wasser in der Turbinenkammer (1) umspült ist.

Description

Beschreibung
Wasserkraftwerk
Die Erfindung betrifft ein Wasserkraftwerk. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Wasserkraftwerk mit einer Generator-Turbineneinheit, die vollständig unter Wasser und von Wasser umspült angeordnet werden kann.
Im Stand der Technik sind sogenannte Unterwasserturbinen bekannt, bei denen eine Einheit aus einem Generator und einer Turbine in einem Gehäuse vollständig unter Wasser angeordnet und von Wasser umspült wird. Ein Beispiel einer solchen
Unterwasserturbine ist eine mit einer senkrechten Achse angeordnete Einheit aus einer Turbine und einem Generator, wobei oberhalb einer Bodenfläche in einem radialen Ring eine Anströmung des Wassers erfolgt, das nach unten umgelenkt wird in eine Turbine, die in einen bereits senkrechten Rohrabschnitt ragt, insbesondere einen Rohrabschnitt eines nachfolgenden Saugrohrs. Die Unterwasserturbine ist bei diesem Ausführungsbeispiel auf dieser Fläche mit nachfolgendem Saugrohr montiert und befestigt.
Eine solche Unterwasserturbine ermöglicht Anordnungen von Wasserkraftwerken, die sich unauffällig in die Gewässerlandschaft einfügen und bei denen beispielsweise oberhalb der Wasseroberfläche keine Bauelemente des Wasserkraftwerks zu sehen sind.
Im Stand der Technik sind Wasserkraftwerke bekannt, beispielsweise Kaplanturbinen, bei denen eine Turbine durch ein schneckenförmig angeordnetes Rohr, insbesondere auch ein sich verjüngendes Rohr Wasser zugeführt wird, das in einer horizontalen Ebene eventuell noch durch Leitschaufeln geleitet wird und dann einer Turbine zugeführt wird. Oberhalb der Turbine in einem Maschinenhaus sind dann Generatoren angeordnet, die über eine senkrechte Welle mit der Turbine verbunden sind. Nachteilig an diesem Stand der Technik ist, dass sich das Maschinenhaus nicht vermeiden lässt. Aus ökologischen oder Naturschutzgründen sollen jedoch oftmals die Veränderungen der Landschaft, insbesondere auch optische Veränderungen minimiert werden. Unabhängig von dem zuvor geschilderten Stand der Technik steht bei vielen Ausläufen von (Wasser-)Großkraftwerken, aber auch bei Ausläufen von thermischen Kraftwerken ein Restgefälle zur Verfügung. Wünschenswert ist es hier, mit minimalem baulichem Aufwand dieses Gefälle zu Energieerzeugung nutzen zu können.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einerseits kostengünstiges und andererseits ökologischen Ansprüchen entsprechendes, insbesondere mit minimal optischen Veränderungen einsetzbares Wasserkraftwerk zur Verfügung zu stellen, mit dem insbesondere auch Fallhöhen von mehreren Metern genutzt werden können.
Diese Aufgabe wird durch ein Wasserkraftwerk entsprechend dem Patentanspruch 1 gelöst. Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass bei einem Wasserkraftwerk mit einem Zulauf aus einem Oberwasser und einem Ablauf in ein Unterwasser sowie einer Turbinenkammer, in der eine Turbine angeströmt wird, in der Turbinenkammer eine Unterwasserturbine als Einheit aus einem Generator und einer Turbine zum Einsatz kommt, die an einer Wandfläche der Turbinenkammer an der Stelle des Ablaufs angeordnet ist und wobei das Gehäuse der Unterwasserturbine von Wasser in der Turbinenkammer umspült ist.
Die Turbinenkammer kann beispielsweise ein geschlossenes zylindrisches
Stahlgehäuse sein, das auf einem Betonfundament im Boden verankert ist. Durch die in einer Turbinenkammer angeordnete Unterwasserturbine ist es möglich, Wasser unter Überdruck über ein Zulaufrohr der Turbinenkammer zuzuleiten. Dadurch kann eine zusätzliche Fallhöhe genutzt werden gegenüber einer Unterwasserturbine, die nur einen Ablauf über einen Saugrohr aufweist und ansonsten in dem Staubereich eines Gewässers angeordnet ist. Es treten auch bei der überspülten und getriebefreien Unterwasserturbine keine störenden Vibrationen und Lärm auf.
Diese Bauweise ist möglich, da bei der eingebauten Unterwasserturbine der
Generator, beispielsweise ein Permanentmagnet-Generator, direkt, ohne mechanische Übersetzung, oberhalb der Turbine sitzt. Das Gesamtsystem aus Generator und Turbine ist damit dauerhaft überspült und wassergekühlt. Durch die geschlossene Bauweise ist es auch gegenüber dem Stand der Technik nicht erforderlich, wie beispielsweise bei einer klassischen Kaplan-Turbine, eine Welle aus der eigentlichen Kammer der Turbine hinaus nach oben zu einem Generator zu führen, die
entsprechend gegenüber der Turbinenkammer abgedichtet werden muss.
Besonders vorteilhaft und dem Naturschutz entgegenkommend, können bei dem erfindungsgemäßen Wasserkraftwerk die optischen Veränderungen der Umgebung durch das Wasserkraftwerk möglichst gering bleiben. Die Turbinenkammer und die Zulaufrohre können vorteilhaft aus Gründen des Naturschutzes unterirdisch und somit nicht sichtbar angeordnet werden. Zum Schutz der Lebewesen rund um das Kraftwerk, insbesondere der Fische in dem Gewässer, kann ein Feinrechen im Wasserzulauf installiert werden. Die Unterwasserturbine ist besonders fischfreundlich und kann als solche besonders fischfreundliche Turbine speziell gestaltet werden in Bezug auf Drehzahl und freien Raum zwischen den Schaufelblättern der Turbine sowie die Gestaltung ihrer Form.
Der bauwerkseitige Aufwand für ein entsprechendes Kraftwerk ist daher minimal. Neben der Turbinenkammer ist lediglich ein Raum für die Elektrotechnik und
Nebenaggregate notwendig. Diese können problemlos in einem Bürocontainer größenmäßig untergebracht werden und daher sehr unauffällig bereits in kleinen
Bauwerken. So nimmt beispielsweise das gesamte Kraftwerk -Turbine, Container mit E-Technik und Nebenaggregaten, sowie ein Rechenreiniger- nur wenig Platz ein und kann auf einem Lkw verladen werden. Am Einbauort muss dann nur die Turbine eingebaut und mit dem Container verkabelt werden. Natürlich ist auch eine Anordnung der Elektrotechnik in anderen Bauwerken und nicht zusammengefasst in einem Container oder Gehäuse denkbar.
Der Einlauf des Wasserkraftwerks kann beispielsweise so gestaltet sein, dass der vorhandene Gewässerverlauf, beispielsweise ein Wasserfall dessen Gefälle für die Energieerzeugung genutzt wird, nie trockenfällt. Außerdem kann die Wasserentnahme ohne Wehrbauwerk erfolgen, das alternativ selbstverständlich eingesetzt werden kann. Der Auf- und Abstieg der Lebewesen und insbesondere Fische ist dann weiterhin über den Wasserfall und/oder beispielsweise eine rampenartige Struktur am Rande des Gewässers/Wasserfalls möglich. In Kombination mit einem Feinrechen und der fischfreundlichen Unterwasserturbine können so ökologische Vorgaben erfüllt werden. In einer günstigen Ausführungsform ist die Wandfläche eine Bodenfläche und die Unterwasserturbine senkrecht stehend mit einer senkrechten Drehachse angeordnet. Insbesondere erweist sich hier als vorteilhaft, wenn die Unterwasserturbine ein verschleißfreies Dichtsystem aufweist, wie es beispielsweise bei offenen Systemen der Fall ist, bei denen ohne gleitende Dichtung durch einen inneren Überdruck das
Eindringen von Wasser in das Gehäuse der Generator-Turbineneinheit verhindert wird. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Ablauf ein Saugrohr.
Die Unterwasserturbine kann einen Wassereinlauf ringförmig unmittelbar an der Wandfläche oder parallel in einem Abstand zu der Wandfläche aufweisen. Vorteilhaft weist die Turbinenkammer einen Zylinderquerschnitt auf und ist die
Drehachse der Unterwasserturbine in Längsrichtung des Zylinders orientiert, insbesondere senkrecht.
Die Unterwasserturbine kann exzentrisch zur Mittelachse des Zylinders angeordnet sein.
In einer günstigen Ausgestaltung der Erfindung ist der Zulauf in die Turbinenkammer tangential zur Mittelachse des Zylinders angeordnet. Es kann ein Strömungsleitblech in der Turbinenkammer angeordnet sein, insbesondere auf der Seite des Zulaufs, die der Seite der Mittelachse des Zylinders zugewandt ist.
Durch die zuvor beschriebenen Maßnahmen kann die Durchströmung der
Turbinenkammer zum Einlauf der Unterwasserturbine hin optimiert werden.
Vorteilhaft ist die Turbinenkammer ein Stahlgehäuse bzw. umfasst ein solches
Stahlgehäuse, insbesondere ein an einer Seite offenes Stahlgehäuse.
Dieses offene Stahlgehäuse kann dann beispielsweise auf eine Betonbodenplatte gesetzt werden, in der sich der Ablauf über das Saugrohr befindet. Es ergibt sich insgesamt eine sehr einfache und kostengünstige Möglichkeit der Herstellung eines gesamten Kraftwerks ohne äußere Kraftwerkgebäude bzw. nur mit minimal sichtbaren äußeren Installationen. Die Turbinenkammer kann dabei beispielsweise aus einem Kohlenstoffstahl gefertigt sein. Bei Trennstellen, beispielsweise auch bei einer oben angeordneten Öffnung zum Einführen der Unterwasserturbine wie auch einer eventuell eingefügten nochmals kleineren Öffnung als Wartungsöffnung oder Mannlochöffnung, aber auch bei einer eventuellen Teilung der Turbinenkammer, können
Verschraubungen zum Einsatz kommen. Besonders vorteilhaft ist es dabei, nicht korrosionsgefährdete Verbindungsmittel einzusetzen, etwa Edelstahlschrauben. Es ist alternativ auch möglich, die Turbinenkammer aus Stahlbeton auszuführen.
Vorteilhaft ist die Unterwasserturbine mechanisch nur an einer Wandfläche befestigt.
Dies erleichtert die Herstellung des Wasserkraftwerks, indem beispielsweise die zuvor beschriebene Betonbodenplatte mit einem Saugrohr erstellt wird, danach die
Turbinenkammer mit einer verbleibenden Montageöffnung auf diese gesetzt wird.
Anschließend kann die Turbinen-/Generatoreinheit bzw. die Unterwasserturbine über diese Montageöffnung eingesetzt werden und, da sie nur an einer Wandfläche, im vorliegenden beschriebenen Beispiel der Bodenfläche, befestigt ist, leicht montiert werden. Alternativ ist es auch denkbar, die Unterwasserturbine zunächst zu montieren und sodann die Turbinenkammer, beispielsweise als oben geschlossenen, aus
Stahlblech gefertigten Zylinder über diese zu setzen.
Es können in der Bodenfläche der Turbinenkammer zusätzliche Öffnungen als
Grundablass oder Spülöffnungen angeordnet sein.
Durch Spülöffnungen in der Bodenfläche kann eingedrungenes Geröll oder Geschiebe entfernt werden. Ebenso kann durch einen Grundablass die Turbinenkammer vollständig entwässert werden.
Ein weiterer Gesichtspunkt der Aufgabe wird gelöst durch ein Wasserkraftwerk nach Anspruch 12.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass bei einem Wasserkraftwerk mit einem Zulauf aus einem Oberwasser und einem Ablauf in ein Unterwasser sowie einer Turbinenkammer, in der eine Turbine angeströmt wird, der Zulauf über einen
Saugheberabschnitt in einen Primärablauf einer technischen Anlage greift, wobei der Primärablauf mit einem Gefälle in ein Gewässer Wasser leitet, der Primärablauf das Oberwasser, das Gewässer das Unterwasser bildet und die technische Anlage insbesondere ein Wasserkraftwerk, ein Kühlwasserablauf oder Vorfluter von
Industrieanlagen oder Kläranlagen sein kann.
Vorteilhaft kann hier ein oft noch zur Verfügung stehendes Restgefälle in den
Ausläufen, hier bezeichnet als Primärablauf, von beispielsweise Großkraftwerken, aber auch beispielsweise Kühl- und Prozesswasserabläufen von Industrieanlagen oder Abläufen von Kläranlagen genutzt werden. Es ist nur ein sehr geringer baulicher Aufwand nötig, da eine Wasserführung für die ergänzende Nutzung dieses
Restgefälles durch geschlossene Rohrleitungen nach dem Saugheberprinzip erfolgen kann. Rohrleitungen hierfür können jedoch oftmals nachträglich angebracht werden, ohne dass größere Umbauten erforderlich sind. Grundsätzlich ist hier jede Anlage geeignet, bei der eine ausreichende Wassermenge über ein Gefälle einem Gewässer zugeleitet wird.
In einer günstigen Ausgestaltung kann der Saugheberabschnitt über ein
Vakuumgebläse entlüftet werden.
Der Saugheberabschnitt kann über die als Pumpe arbeitende Turbine entlüftet werden.
Dies ermöglicht ein zuverlässiges und sicheres Anlaufen des Wasserkraftwerkes ohne großen Aufwand.
Die zuvor beschriebenen Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen
Wasserkraftwerkes mit einem Saugheberabschnitt können auch alle davor
beschriebenen Merkmale eines Wasserkraftwerks mit einer Unterwasserturbine in der Turbinenkammer aufweisen.
Das Wasserkraftwerk mit einem Saugheberabschnitt, wie es zuvor beschrieben wird kann unabhängig und auch ohne die zuvor beschriebenen Merkmale eines
Wasserkraftwerks mit einer Unterwasserturbine eingesetzt werden, aber auch alternativ alle Merkmale von diesem aufweisen. Besonders vorteilhaft sind nur geringe oder keine baulichen Veränderungen eines ein Gefälle aufweisenden Primärablaufs in ein Gewässer erforderlich und kann das Restgefälle genutzt werden. Der Aufbau mit einer Turbinenkammer, insbesondere mit einer in dieser eingeschlossenen
Unterwasserturbine, ermöglicht eine sehr kostengünstige Lösung eines luftdichten bzw. geschlossenen Systems, wie es für ein Wasserkraftwerk mit einem
Saugheberabschnitt g erforderlich ist.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand der in den
schematischen Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Hierbei zeigt
Fig. 1 schematisch, seitlich eine Turbinenkammer, Fig. 2 die Turbinenkammer der Fig. 1 von oben,
Fig. 3 die Turbinenkammer der Fig. 1 in Seitenansicht,
Fig. 4 die Turbinenkammer der Fig. 1 in einer Schnittansicht seitlich, Fig. 5 die Turbinenkammer der Fig. 1 in Perspektivansicht,
Fig. 6 die Turbinenkammer der Fig. 1 mit einem Saugrohr,
Fig. 7 eine schematische Gesamtansicht eines erfindungsgemäßen
Wasserkraftwerks,
Fig. 8 schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Wasserkraftwerks in Perspektivansicht, Fig. 9 das Detail I der Figur. 8, das Detail II der Figur. 8 und
Fig. 1 1 das Wasserkraftwerk der Fig. 8 in Aufsicht, Die Fig. 1 zeigt schematisch seitlich eine Turbinenkammer 1 bzw. ein nach unten offenes Stahlgehäuse 2, das auf einen hier nicht dargestellten Betonboden gestellt werden kann. Auf der Oberseite befindet sich eine Montageöffnung 3 in der wiederum ein Mannloch 4 eingelassen ist, um durch eine kleine Öffnung einen Zugang zu Wartungszwecken zu ermöglichen. Das Wasser wird der Turbinenkammer 1 über einen Einlaufkonus 5 zugeführt, der über einen Druckrohranschluss 6 mit einem hier nur teilweise dargestellten Druckrohr 7 verbunden ist, das als Zulauf 8 des
Wasserkraftwerkes dient. Die Fig. 2 zeigt die Turbinenkammer 1 der Fig. 1 von oben bei geöffneter
Montageöffnung 3. Im Inneren der Turbinenkammer 1 ist eine Unterwasserturbine 9 angeordnet, die aus einer Einheit aus Turbine und Generator besteht und vollständig von Wasser umspült ist. Seitlich an der Unterwasserturbine 9 ist ein Anschlussgehäuse 10 für Energie- und Steuerungsleitungen vorgesehen. Die Unterwasserturbine 9 ist um das Maß e exzentrisch zu der Mittelachse des Stahlgehäuses 2 der Turbinenkammer 1 angeordnet. Diese Exzentrizität e ist so gewählt, dass zusammen mit der in der Figur zu erkennenden tangentialen Anordnung des Einlaufkonus 5 sowie einem
Strömungsleitblech 1 1 das hereinströmende Wasser in einem Wirbel optimal einem ringförmigen, hier nicht sichtbaren Wassereinlauf der Unterwasserturbine 9 zugeführt wird. Das Strömungsleitblech 1 1 ist dabei an der Wand der Turbinenkammer 2 an der Seite des Zulaufs 8 bzw. Einlaufkonus 5 angeordnet, die der Seite der Mittelachse des Zylinders der Turbinenkammer 2 zugewandt ist.
Die Fig. 3 zeigt die Turbinenkammer der Fig. 1 in Seitenansicht auf das Druckrohr 7 mit dem Stahlgehäuse 2 und der Montageöffnung 3. Im Inneren der Turbinenkammer 1 ist die Unterwasserturbine 9 aufgrund der Exzentrizität e nur zu einem kleinen Teil sichtbar. Ein Wassereinlauf 12 ist etwas oberhalb einer Bodenfläche der
Turbinenkammer 1 angeordnet und erstreckt sich kreisförmig um den gesamten Umfang der Unterwasserturbine 9.
Die Fig. 4 zeigt die Turbinenkammer der Fig. 1 in einer Schnittansicht seitlich mit dem Stahlgehäuse 2 und der Unterwasserturbine 9 sowie deren Wassereinlauf 12. Das Wasser wird seitlich durch den Einlaufkonus 5 zugeführt und durch die zuvor beschriebene Exzentrizität e sowie das Strömungsleitblech 1 1 dem gesamten Umfang des Wassereinlaufs 12 gleichmäßig zugeführt. Der Wassereinlauf 12 der Unterwasserturbine 9 weist Leitschaufeln 13 auf, mit denen der Betrieb der
Unterwasserturbine 9 an die Wassermenge angepasst werden kann.
Die Fig. 5 zeigt die Turbinenkammer 1 der Fig. 1 in Perspektivansicht mit dem
Einlaufkonus 5 und der Montageöffnung 3 sowie dem Mannloch 4.
Die Fig. 6 zeigt die Turbinenkammer der Fig. 1 mit einem Saugrohr 14. Die
Turbinenkammer 1 kann auf eine Betonbodenplatte gesetzt werden und oberhalb der Betonbodenplatte in das Erdreich eingelassen werden in eine Ausschachtung, wie sie durch das Rechteck 15 dargestellt ist. Die Montageöffnung 3 verbleibt dabei gerade über der Erdoberfläche. Das Wasser wird dann durch das Druckrohr 7 und den Einlaufkonus 5 zugeführt und über das Saugrohr 14 mit einer Saugwirkung abgeleitet.
Die Fig. 7 zeigt eine schematische Gesamtansicht eines erfindungsgemäßen
Wasserkraftwerks 16. Den Elementen des bisher beschriebenen Ausführungsbeispiels entsprechende Elemente sind hier und im Folgenden mit denselben Bezugszeichen wie in den bisherigen Figuren versehen. Das Druckrohr 7 dient als Zulauf 8 und leitet über den Einlaufkonus 5 das Wasser der Turbinenkammer 1 zu. Die Turbinenkammer 1 besteht aus einem Stahlgehäuse 2 das auf eine Betonbodenfläche 18 gesetzt ist. Unter der Betonbodenfläche 18 ist das Saugrohr 14 als Ablauf 19 angeordnet und auf diese Betonbodenfläche 18 als Wandfläche 20 ist die Unterwasserturbine 9 mit dem Wassereinlauf 12 montiert und allein an dieser befestigt.
Die vollständige hier dargestellte Anordnung des Wasserkraftwerks 16 kann weitestgehend unterirdisch angeordnet werden, aber auch an der Oberfläche. Durch das Druckrohr 7 als Zulauf 8 ist es möglich, ein größeres Gefälle mit der hier beschriebenen Unterwasserturbine 9 nutzbar zu verwenden, als wenn die
Unterwasserturbine 9 direkt in einem Staugewässer angeordnet ist. Die Fig. 8 zeigt schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Wasserkraftwerks 16 in Perspektivansicht. Das Wasserkraftwerks 16 weist einen zusätzlichen Saugheberabschnitt 21 in dem Zulauf 8 auf, mit dem das Wasser aus einem Wasserablauf 22 einer technischen Anlage 23, die beispielsweise der
Wasserablauf 22 einer Kläranlage, einer Industrieanlage, aber auch eines größeren Wasserkraftwerkes sein kann, entnommen wird. Dieser Ablauf 22 wird zur Unterscheidung im Folgenden als Primärablauf 24 bezeichnet. Über das Druckrohr 7 wird das Wasser den Turbinenkammern 1 zugeführt, von diesen über den Ablauf 19 in Form des hier nicht näher dargestellten Saugrohrs in ein Gewässer 25 geleitet, in das ansonsten der Primärablauf 24 das Wasser ableiten würde.
In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel sind der Saugheberabschnitt 21 , der Zulauf 8, die Turbinenkammern 1 und der Ablauf 19 jeweils doppelt ausgeführt, um die Wassermenge aufnehmen zu können. Vorteilhaft ermöglicht das erfindungsgemäße Wasserkraftwerks 16 eine solche modulartige Aufbauweise.
Die Fig. 9 zeigt das Detail I der Fig. 8 im Bereich des Saugheberabschnitts 21 . Das Wasser wird dem Primärablauf 24 in einem Bereich mit ausreichender Wassertiefe entnommen, beispielsweise indem durch Wehrklappen 26 der normale Wasserabfluss im Primärablauf 24 gestaut und verhindert wird. Wenn durch ein hier nicht näher dargestelltes Vakuumgebläse oder durch Pumpbetrieb der Turbinen die Luft aus dem Saugheberabschnitt 21 verdrängt wird, kann nachfolgend das Wasser aus dem
Primärablauf 24 durch die Sogwirkung des größeren Gefälles des Druckrohrs 7 über den Saugheberabschnitt 21 angesaugt und das Wasserkraftwerk 16 in Betrieb genommen werden.
Vorteilhaft kann das Wasserkraftwerk 16 ohne großen zusätzlichen Bauaufwand installiert werden, da wie hier dargestellt die Leitungen des Saugheberabschnitts 21 auch gut nachträglich angeordnet werden können. Dargestellt sind noch zwei
Container 27, in denen kompakt die Steuerung bzw. Aggregate des Wasserkraftwerks 16 untergebracht werden können.
Die Fig. 10 zeigt das Detail II der Fig. 8. Über das Druckrohr 7 wird das Wasser den Turbinenkammern 1 zugeleitet, in denen jeweils eine Unterwasserturbine 9 angeordnet ist. Über das in ein Betonfundament 28 eingegossene Saugrohr 14, das als Ablauf 19 dient, wird das Wasser in das Gewässer 25 geleitet.
Die Fig. 1 1 zeigt das Wasserkraftwerk der Fig. 8 in Aufsicht. Das Wasserkraftwerk 16 ist seitlich neben dem Primärablauf 24 angeordnet, aus dem über den Saugheberabschnitt 21 das Wasser entnommen wird. Es sind daher nur sehr geringe oder keine Eingriffe in das bestehende Bauwerk des Primärablaufs 24 und der technischen Anlage 23 erforderlich.

Claims

Patentansprüche
1 . Wasserkraftwerk mit einem Zulauf (8) aus einem Oberwasser und einem Ablauf (19) in ein Unterwasser sowie einer Turbinenkammer (1 ), in der eine Turbine (9) angeströmt wird,
dadurch gekennzeichnet,
dass in der Turbinenkammer (1 ) eine Unterwasserturbine (9) als Einheit aus einem Generator und einer Turbine zum Einsatz kommt, die an einer Wandfläche (20) der Turbinenkammer (1 ) an der Stelle des Ablaufs angeordnet ist und wobei das Gehäuse der Unterwasserturbine (9) von Wasser in der Turbinenkammer (1 ) umspült ist.
2. Wasserkraftwerk nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Wandfläche (20) eine Bodenfläche (18) ist und die Unterwasserturbine senkrecht stehend mit einer senkrechten Drehachse angeordnet ist.
3. Wasserkraftwerk nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Ablauf (19) ein Saugrohr (14) ist.
4. Wasserkraftwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Unterwasserturbine (1 ) einen Wassereinlauf (12) ringförmig unmittelbar an der Wandfläche (20) oder parallel in einem Abstand zu der Wandfläche (20) aufweist.
5. Wasserkraftwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Turbinenkammer (1 ) einen Zylinderquerschnitt aufweist und die
Drehachse der Unterwasserturbine (1 ) in Längsrichtung des Zylinders orientiert ist, insbesondere senkrecht.
6. Wasserkraftwerk nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass die Unterwasserturbine (1 ) exzentrisch zur Mittelachse des Zylinders angeordnet ist.
7. Wasserkraftwerk nach Anspruch 5 oder 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Zulauf (8) in die Turbinenkammer (1 ) tangential zur Mittelachse des Zylinders angeordnet ist.
Wasserkraftwerk nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass ein Strömungsleitblech(1 1 ) in der Turbinenkammer (1 ) angeordnet ist, insbesondere auf der Seite des Zulauf (5), die der Seite der Mittelachse des Zylinders zugewandt ist.
Wasserkraftwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Turbinenkammer (1 ) ein Stahlgehäuse umfasst, insbesondere ein an einer Seite offenes Stahlgehäuse. 10. Wasserkraftwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Unterwasserturbine (9) mechanisch nur an einer Wandfläche(20) befestigt ist. 1 1 . Wasserkraftwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass in der Bodenfläche (18) der Turbinenkammer (1 ) zusätzliche Öffnungen als Grundablass oder Spülöffnungen angeordnet sind. 12. Wasserkraftwerk mit einem Zulauf (8) aus einem Oberwasser und einem Ablauf (19) in ein Unterwasser sowie einer Turbinenkammer (1 ), in der eine Turbine angeströmt wird,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Zulauf über einen Saugheberabschnitt (21 ) in einen Primärablauf (24) einer technischen Anlage (23) greift, wobei der Primärablauf mit einem Gefälle in ein Gewässer (25) Wasser leitet, der Primärablauf (24) das Oberwasser, das Gewässer (25) das Unterwasser bildet und die technische Anlage (23)
insbesondere ein Wasserkraftwerk, ein Kühlwasserablauf oder Vorfluter von Industrieanlagen oder Kläranlagen sein kann.
Wasserkraftwerk nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Saugheberabschnitt (21 ) über ein Vakuumgebläse entlüftet werden kann.
Wasserkraftwerk nach Anspruch 12 oder 13,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Saugheberabschnitt (21 ) über die als Pumpe arbeitende Turbine entlüftet werden kann. 15. Wasserkraftwerk nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei es sich zugleich um ein Wasserkraftwerk mit den Merkmalen nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 handelt.
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