CH705941A2

CH705941A2 - Kleinkraftwerk mit Zentripetalturbine.

Info

Publication number: CH705941A2
Application number: CH02053/11A
Authority: CH
Inventors: Reto Arnet
Original assignee: Ingbuero Arnet Gmbh
Priority date: 2011-12-23
Filing date: 2011-12-23
Publication date: 2013-06-28

Abstract

Die Erfindung betrifft ein vollständiges Kleinkraftwerk mit Zentripetalturbine (1) zur Erzeugung von Strom aus Flusswasserkraft bis etwa 5 m 3 /s Wasserdurchfluss. Die Anlage ist dadurch gekennzeichnet, dass sie zumindest eine erfindungsgemässe, horizontal liegende Zentripetalturbine (1) beinhaltet, integriert in die Konzeption einer kompakten, robusten Wasserkraftanlage mit sämtlichen baulichen Komponenten, die für einen wirtschaftlichen Betrieb erforderlich sind und die ökologischen Bedingungen, wie zum Beispiel Fischfreundlichkeit, erfüllt. Die Anlage ist so konstruiert, dass das Laufrad (2) in allen massgebenden Betriebszuständen an oder nur knapp unter dem Wasserstand in der Turbinenkammer (12) liegt. Ein vertikaler Saugstutzen (11) reicht stets ins Unterwasser hinab und erzeugt einen kontinuierlichen, starken Sog und Geschwindigkeitsdruck auf die Laufblätter (3) in allen Betriebszuständen. Zur Stromerzeugung wird das Kleinkraftwerk vorzugsweise mit einem konventionellen Generator und Getriebe (18) betrieben.

Description

Aufgabe/Konzept der Erfindung

[0001] Im erfindungsgemässen Kleinkraftwerk wird das zufliessende Wasser direkt genutzt, vorzugsweise ohne Stauraum. Das Kleinkraftwerk kann neben einer Flussschwelle erstellt werden, auch in einer Ausführung mit mehreren Turbinenkammern oder es besteht die Möglichkeit, diese abseits des Flusses zu erstellen, versehen mit Zulauf- und Auslaufkanal. Es ist auch möglich, mehrere Kleinkraftwerke hintereinander zu reihen, sofern der Flussabschnitt sich dafür eignet. Vorzugsweise wird die Struktur des Kleinkraftwerks aus Stahlbeton erstellt. Bei kleinen Anlagen ist eine Ausführung optional ganz in Stahl möglich.

[0002] Die Anlage ist dadurch gekennzeichnet, dass sie zumindest eine erfindungsgemässe, horizontal liegende Zentripetalturbine beinhaltet, integriert in die Konzeption einer kompakten, robusten Wasserkraftanlage mit sämtlichen baulichen Komponenten, die für einen wirtschaftlichen Betrieb erforderlich sind und die ökologischen Bedingungen, wie zum Beispiel Fischfreundlichkeit erfüllt. Der Ausleger eines Drehkrans ist so ausgelegt, dass er den für den normalen Unterhalt wichtigen Bereich abdeckt und alle austauschbaren Teile erreicht werden.

[0003] Die Oberkante des Laufrads der erfindungsgemässen Zentripetalturbine liegt in den massgebenden Betriebszuständen an oder knapp unter dem Wasserstand in der Turbinenkammer und ein vertikaler Saugstutzen unterseitig der Zentripetalturbine reicht stets ins Unterwasser des Grundablasskanals hinab und erzeugt einen kontinuierlichen, starken Sog und Geschwindigkeitsdruck auf die Laufblätter der Zentripetalturbine. Um bei abnehmendem Volumenstrom einen fallenden Oberwasserspiegel zu begrenzen, kann am Ende des Auslaufbeckens bei Bedarf eine regulierbare Klappe angeordnet werden.

[0004] Die über dem Unterwasserspiegel liegende Zentripetalturbine mit Saugstutzen ermöglicht ausserdem, erfindungsgemäss Raum für einen Grundablasskanal unterhalb der Turbinenkammer zu gewinnen. Der Grundablasskanal dient auch zur periodischen Reinigung eines erfindungsgemässen, leicht überhängend konstruierten Grobrechens, ohne zusätzlichen Arbeitsaufwand, wenn eine automatisch gesteuerte Schütze den Einlaufkanal in die Turbinenkammer verschliesst, gleichzeitig den Weg in den Grundablasskanal freigibt und das Wasser durch den Grundablasskanal schiesst.

[0005] Falls grosse Fische den erfindungsgemässen, überhängenden Grobrechen nicht passieren können und ein zurückschwimmen nicht möglich ist, so ist es ihnen aber doch möglich, sich nach unten zu bewegen, in den ruhigen Raum des Einlaufkanals vor der normalerweise geschlossenen Schütze. Die Fische können von dort aus wieder zurück schwimmen oder beim gelegentlichen Öffnen der Schütze das Kraftwerk passieren. Fische, die klein genug sind um den Grobrechen zu passieren, gelangen in die Turbinenkammer. Während die tangentiale Wassergeschwindigkeit in der Turbinenkammer hoch ist, ist die radiale Fliessgeschwindigkeit durch das Laufrad der Turbine gering. Auch ist der Querschnitt zwischen den Laufblättern der Turbine gross genug, um Fische gefahrlos passieren zu lassen. Fische können auch stromaufwärts passieren, in der im Kleinkraftwerk erfindungsgemäss integrierten, innovativen Fischschleuse. Diese wird individuell nach dem Stand der Technik dimensioniert und gesteuert.

Recherchen/Hintergrund

[0006] Folgende Typen von Wasserturbinen unterscheiden sich im Wirkungsprinzip und dem Konzept von der erfindungsgemässen Zentripetalturbine, die zudem in ein umfassendes, integrales Konzept eines Kleinkraftwerks für Flüsse integriert ist.

[0007] Francis-Turbinen: Bei der Francisturbine wird das Wasser durch ein schneckenförmiges Einlaufrohr in zusätzlichen Drall versetzt und anschliessend durch ein feststehendes Leitrad mit meist verstellbaren Schaufeln auf die gegenläufig gekrümmten Schaufeln des Laufrads gelenkt, ausser bei der als Schachtturbine ausgebildeten Konstruktion. Mit Hilfe der Leitschaufeln wird die Drehzahl und damit die Leistung der Turbine bei Lastwechseln des angeschlossenen Generators und bei wechselnden Wasserständen konstant gehalten.

[0008] Ossberger-Turbinen: z.B. die Patente DE 3 327 456, 14.02.1985 und EP 0 133 306, 20.02.1985: Durchströmturbine mit horizontaler Achse, walzenförmig. Der aus dem Leitapparat kommende Freistrahl durchströmt das Laufrad zuerst von aussen nach innen und nach Durchquerung des Radinnern nochmals von innen nach aussen, gute Anpassungsfähigkeit an wechselnde Wasserströme und gutes Teillastverhalten. Die Turbine hat in der Regel ein Saugrohr/Saugstutzen.

[0009] Schachtturbine mit vertikaler Achse für Kleinkraftwerke in Flüssen: Patent DE 10 2009 037 196, 21.10.2010: Durchflussturbine, die primär auf dem statischen Wasserdruck und dem Unterdruck des gekrümmten Saugrohrs funktioniert. Turbine und Generator sind im Schacht unter Wasser angeordnet.

[0010] Turbinen mit vertikaler Achse, basierend auf dem Wirkungsprinzip eines stabilen Gravitations-Wasserwirbels für Kleinkraftwerke in Flüssen: - Patent Nr. WO 2011 051 421, 05.05.2011: Walzenförmige Turbine. Laufschaufeln die sich bis zum durchgängigen, tiefliegenden Boden des Rotationsbeckens erstrecken, einseitig mit einer stirnseitigen Deckscheibe verbunden, unten offen. - Patent Nr. AT 412 363, 15.02.2004: Turbine, die im Gegensatz zu herkömmlichen Anlagen die Ausbildung eines stabilen Gravitations-Wasserwirbels unterstützt. Eine koaxial im Gravitations-Wasserwirbel rotierende Turbine entzieht dem Wasserwirbel Rotationsenergie, die in elektrische Energie umgewandelt wird.

Funktionsweise

[0011] Zwischen Oberwasser (19) und Unterwasser (20) umfasst das erfindungsgemässe Kleinkraftwerk (31) folgende funktionsmässig, hauptsächlichen Teile: Einlaufkanal (21), runde Turbinenkammer (12), Zentripetalturbine (1), Saugstutzen (11), Auslaufbecken (26), Überfallbecken (23), Fischschleuse (25) und Grundablasskanal (24).

[0012] Die erfindungsgemässe Zentripetalturbine (1) ist breit, flach und läuft mit kleiner Drehzahl. In dem sich verengenden Einlaufkanals (21) wird das Wasser noch beschleunigt. Es strömt in die runde Turbinenkammer (12), wo es abgelenkt und weiter beschleunigt wird. Das Laufrad der Turbine (2) wird deshalb mit grosser Tangentialgeschwindigkeit angesteuert.

[0013] Die Konstruktion der Zentripetalturbine (1) ist vorzugsweise, eine in der Metallwerkstatt kostengünstig herzustellende, geschweisste Stahlkonstruktion. Die Laufblätter (3) sind nur in der radialen Richtung gekrümmt. Die Zentripetalturbine (1) erfährt grosse, nach unten gerichtete Sogkräfte. Erfindungsgemäss mit der Deckscheibe des Laufrads (5) verbundene Stahlstreben (17) ermöglichen erst die dünne und leichte Konstruktion des Laufrads (2). Das auf der Unterseite des Laufrads (2) mitrotierende, kegelförmige Strömungsumlenkelement (6) lenkt das abfliessende Wasser in einen vertikalen Saugstutzen (11), der mit seinem unteren Ende im Auslaufbecken (26) mündet. Augenmerk gilt der Minimierung des Spalts zwischen der Zentripetalturbine (1) und dem Turbinenkammerboden (13). Dieser kann mittels höhenregulierbarer Stahlträger (10) exakt eingestellt werden.

[0014] In bekannter Weise wurden bei Laufwasserkraftwerken mit Kaplan-, Francis- oder Durchströmturbinen für den Teillastbetrieb mehr oder wenige aufwendige Durchflussregelungssysteme entwickelt. Bei der erfindungsgemässen Zentripetalturbine (1) entfallen diese. Zugleich wird auf einen eigentlichen Leitapparat verzichtet. Hingegen sind ein oder mehrere, gekrümmte Leitbleche (14) eingangs der Turbinenkammer (12) vorgesehen.

[0015] Die erfindungsgemässe Zentripetalturbine (1) wird vorzugsweise mit einem konventionellen Generator und Getriebe betrieben (18). Falls ein starkes Hochwasser die Anlage überfluten könnte, wird vorzugsweise eine auf dem Markt erhältliche, wasserdichte Ausführung benutzt. Vorzugsweise ist die Turbinenwelle (7) zweifach gelagert». Unten mittels eines speziellen Unterwasserlagers (8), oben mittels eines konventionellen Lagers (9). Das obere Lager (9) übernimmt auch die vertikalen Lasten der Turbinenwelle und trägt diese auf die Tragkonstruktion ab.

Zeichnungen

[0016] Es folgen schematische Zeichnungen der erfindungsgemässen Zentripetalturbine (1) und des Konzepts des erfindungsgemässen Kleinkraftwerks (31): <tb>Fig. 1:<sep>Ansicht Kleinkraftwerk <tb>Fig. 2:<sep>Schnitt Turbinengehäuse (Stahlbeton), Zentripetalturbine, Saugstutzen <tb>Fig. 3<sep>Grundriss Kleinkraftwerk <tb>Fig. 4:<sep>Längsschnitt Kleinkraftwerk B-B

[0017] <tb>Bezeichnungen<sep>Nr. <tb>Zentripetalturbine (gesamt)<sep>1 <tb>Laufrad der Turbine<sep>2 <tb>Laufblätter der Turbine<sep>3 <tb>Fussscheibe des Laufrads der Turbine<sep>4 <tb>Deckscheibe des Laufrads der Turbine<sep>5 <tb>Strömungsumlenkelement der Turbine<sep>6 <tb>Turbinenwelle<sep>7 <tb>Unterwasserlager der Turbinenwelle<sep>8 <tb>Oberes Lager der Turbinenwelle<sep>9 <tb>Stahlstützkonstruktion für Generator<sep>10 <tb>Saugstutzen, mitrotierend oder am Turbinenkammerboden fixiert<sep>11 <tb>Turbinenkammer<sep>12 <tb>Turbinenkammerboden<sep>13 <tb>Leitblech(e) in der Turbinenkammer<sep>14 <tb>Schütze vor der Turbinenkammer<sep>15 <tb>Schütze zur Reinigung der Turbinenkammer<sep>16 <tb>Stahlstreben (Sog- und Druckkräfte)<sep>17 <tb>Generator (konventionell oder Permanentsynchron)<sep>18 <tb>Oberwasserstand<sep>19 <tb>Unterwasserstand<sep>20 <tb>Einlaufkanal<sep>21 <tb>Grobrechen im Einlaufkanal<sep>22 <tb>Überfallbecken<sep>23 <tb>Grundablasskanal<sep>24 <tb>Im Bauwerk integrierte Fischschleuse<sep>25 <tb>Auslaufbecken<sep>26 <tb>Klappe (vertikal beweglich an Ende Auslaufbecken)<sep>27 <tb>Auslaufkanal<sep>28 <tb>Drehkran<sep>29 <tb>Überfallkante<sep>30 <tb>Erfindungsgemässes Kleinkraftwerk<sep>31

Claims

1. Die Erfindung betrifft ein vollständiges Kleinkraftwerk (31) mit Zentripetalturbine (1) zur Erzeugung von Strom aus Flusswasserkraft. Das Kleinkraftwerk (31) ist dadurch gekennzeichnet, dass es zumindest eine horizontal liegende Zentripetalturbine (1) beinhaltet, integriert in die Konzeption eines Bauwerks mit sämtlichen baulichen Komponenten, die für einen wirtschaftlichen Betrieb der Wasserkraftanlage erforderlich sind. Die Erfindung erfüllt die ökologischen Bedingungen, wie zum Beispiel Fischfreundlichkeit.

2. Kleinkraftwerk (31) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckscheibe (5) des Laufrads (2) in den massgebenden Betriebszuständen an oder knapp unter dem Wasserstand in der Turbinenkammer (12) liegt.

3. Kleinkraftwerk (31) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zentripetalturbine (1) einlaufseitig keinen Leitapparat aufweist.

4. Kleinkraftwerk (31) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zentripetalturbine (1) kein Durchflussregelungssystem aufweist.

5. Kleinkraftwerk (31) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zentripetalturbine (1) aus einem horizontal liegenden, flachen Laufrad (2) mit dem Verhältnis Durchmesser zu Höhe der Laufblätter (3) grösser als 8:1 besteht.

6. Kleinkraftwerk (31) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufblätter (3) der Zentripetalturbine (1) nur in radialer Richtung gekrümmt sind.

7. Kleinkraftwerk (31) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens 12 gleichmässig über den Umfang verteilte Laufblätter (3) vorliegen, die mit einer Deckscheibe (5) und einer im zentralen Bereich wasserdurchgängigen Fussscheibe (4) versehen sind.

8. Kleinkraftwerk (31) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Wasserausfluss der Zentripetalturbine (1) ein vertikaler Saugstutzen (11) angebracht ist. Dieser kann so befestigt sein, dass er mit dem Laufrad (2) mitrotiert oder unterseitig fix am Turbinenkammerbodens (13) befestigt ist.

9. Kleinkraftwerk (31) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Deckscheibe des Laufrads der Turbine (5) zum Flansch laufende Stahlstreben (17) vertikale Sog- und Druckkräfte im Betrieb aufnehmen können und damit die leichte Konstruktion des Laufrads (2) erst ermöglichen.

10. Kleinkraftwerk (31) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass unterseitig der Deckscheibe (5) des Laufrads (2) ein Strömungsumlenkelement (6) befestigt ist.

11. Kleinkraftwerk (31) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch die hoch über dem Unterwasserspiegel (20) angeordnete Zentripetalturbine (1) Raum vorhanden ist für einen Grundablasskanal (24).

12. Kleinkraftwerk (31) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Einlaufkanal (21) ein leicht überhängend konstruierter Grobrechen (22) integriert ist.

13. Kleinkraftwerk (31) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundablasskanal (24) des Kleinkraftwerks (31) auch zur Reinigung des überhängenden Grobrechens (22) dient, wenn eine automatisch gesteuerte Schütze (15) den Einlaufkanal in die Turbinenkammer (12) verschliesst, gleichzeitig den Weg in den Grundablasskanal (24) freigibt und das Wasser durch den Grundablasskanal (24) schiesst.

14. Kleinkraftwerk (31) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Fische auch stromaufwärts passieren können, in der vorzugsweise im Kleinkraftwerk (31) selbst integrierten Fischschleuse (25).