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Dokumentenidentifikation DE10162516B4 12.10.2006
Titel Vorrichtung zur Nutzung von Wasserkraft in Fließgewässern
Anmelder Naschke, Rolf-Dieter, Dipl.-Masch.-Ing., 69514 Laudenbach, DE
Erfinder Naschke, Rolf-Dieter, Dipl.-Masch.-Ing., 69514 Laudenbach, DE
DE-Anmeldedatum 19.12.2001
DE-Aktenzeichen 10162516
Offenlegungstag 10.10.2002
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 12.10.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 12.10.2006
IPC-Hauptklasse E02B 9/00(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse E02B 7/20(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   F03B 9/00(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   B63B 35/44(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   

Beschreibung[de]

Wasserwehre dienten schon immer zur Wasserstandsregelung in Fließgewässern und zur meist damit verbundenen Energiegewinnung durch Wasserräder oder Turbinen. Mit den Dämmen und Staustufen entstanden zugleich Hindernisse für die Schiffahrt. Heutige z.B. Pelton- und Francis-Turbinen nutzen die Wasserenergie derart effizient, daß zur Zeit hierzulande die Möglichkeiten der Nutzung der Energie aus aufgestautem Wasser als nahezu erschlossen gelten.

Anders verhält es sich mit der Nutzung von Wasserkraft in Fließgewässern.

Es wurde angestrebt, die vergleichsweise geringe Leistung herkömmlicher Wasserräder infolge deren geringen Beaufschlagungsgrades dadurch zu erhöhen, daß das Wasserrad ersetzt wurde durch Vorrichtungen mit horizontal in Stromrichtung verlaufenden schaufeltragenden Ketten.

Fast die Hälfte aller Schaufeln solcher Vorrichtungen laufen gleichzeitig senkrecht eintauchend in Stromrichtung hintereinander her, während die übrigen Schaufeln teils mit einigem Widerstand gegen die Stromrichtung in die Ausgangsposition für das Eintauchen zurück transportiert werden müssen. (z.B. DE 30 21 591 A1 sowie CH 313 850).

Da jedoch die voranlaufenden Schaufeln wegen ihrer auf Null absinkenden Relativgeschwindigkeit zum Wasser zwischen den Schaufeln (abgesehen von Randwirbeln und geringem Schwerkrafteinfluß) kaum noch Vortrieb erzeugen, erfüllten sich die Leistungserwartungen an solche Vorrichtungen nicht in gewünschtem Maße.

Bislang wird die kinetische Energie strömender Gewässer kaum energietechnisch verwertet.

Hier setzt die der Anmeldung zugrunde liegende Vorstellung an.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, für bestehende Fließgewässer eine weitere Möglichkeit für den Energieaustausch zu eröffnen ohne Staustufen und/oder herkömmliche Turbinen/Wasserräder.

Diese Aufgabe wird mit einer Vorrichtung nach dem Anspruch 1 gelöst.

Deutliche Verbesserungen gegenüber herkömmlichen Vorrichtungen mit verketteten Schaufeln zur Nutzung der Strömungsenergie des Wassers ergeben sich dadurch, daß alle quer zur Hauptströmung des Wassers umlaufenden Schaufeln, bis auf die gerade wendenden Schaufeln, wirksam beaufschlagt werden und die Leistung der gesamten Vorrichtung mit der Anzahl und Größe der Schaufeln tatsächlich ansteigen kann.

Durch Energieentnahme oder Energiezufuhr erscheint auch eine energetische Regulierung des Wasserspiegels von Fließgewässern in Bezug auf Hochwasser oder Dürre in gewissem Umfang möglich, da solche Vorrichtungen die Strömung nicht unerheblich beeinflussen können.

Es wird nun ein Beispiel einer Ausführung des erfindungsgemäßen Wendeschaufelwehrs beschrieben (in Verbindung mit der Bezugszeichenliste zu den Zeichnungen).

Es zeigen:

1 Gesamtansicht der Anlage mit Schnitt B–B

2 Wendeschaufel

3 hinteres Lager der Schaufelunterkante

4 Vorderkantenlager im Kettenglied

5 unteres Kettenrad Vorlaufwendekammer, Schnitt A–A

6 Stegquerschnitt zur Rücklaufwendekammer, Schnitt C–C

Die auf flut- und belüftbaren Auftriebskörpern (7, 8) schwimmenden Wendekammern (3, 6) tragen außer einem Generatorhäuschen (1) den mehrholmigen Verbindungssteg (2, 21), der die Rollenbahnen (11, 20, 13,19) mit den Ketten für die Schaufellager (36, 3) und (37, 4) hält und die srömungsbedingten Kräfte und Momente aufnimmt sowie Wartung und Transport der Anlage erleichtert. Die Wendekammern bergen die Kettenräder (14, 16) mit ihren Achsen und sind zum Steg hin offen

Eine Wendeschaufel (26, 2) aus steifem, elastischem, blechartigem Material ist so gelagert, daß ihre Halterungen nahe der Vorderkante oben und unten in den rollengelagerten Kettengliedern (37, 4) enden. Ein in der hinteren Rollenbahn unverkettet nachlaufendes Rollenlager (36, 3) führt die hintere untere Halterung (29) der Schaufel. Der Abstand der unteren Rollenbahnen (11, 13) und (19, 20) ist so einzustellen, daß zwischen den beiden Lagern der Vorderkante und dem dritten rückwärtigen Lager die Schaufel ihre Anstellung zur Strömung einnimmt und sich wölbt und verwindet, wie es für den Energieaustausch mit der Strömung vorgesehen ist.

Wegen der Schaufelwölbung und der konkaven Schaufelunterkante (27) schließt die Schaufel mit den zwischen ihr und den unteren Lagern angebrachten Leitflächen (12, 18) bündig ab, wodurch eine Umströmung der Unterkante nach vorne weitgehend vermieden wird. Eine Umströmung der Schaufeloberkante tritt normalerweise nicht auf. Die Schaufelwölbung wird erreicht durch den Abstand der Unterkantenlager und begrenzt durch die Elastizität des Schaufelmaterials.

Die vorderen Rollenbahnen (11, 20) führen die Ketten nur zwischen den Kettenrädern. Die hintere Rollenbahn (19) des Vorlaufs reicht über das untere Vorlaufkettenrad (14) in der Vorlaufwendekammer (3) hinüber bis zu dessen äußerem Rand, wo sie das hintere Schaufelunterkantenlager (36, 3) frei gibt, so daß die Wendeschaufel sich ungewölbt und unverwunden in der Vorlaufwendekammer frei von den Kräften der Gewässerhauptströmung bewegen kann.

In den Wendekammern schwenkt das hintere Lager mitsamt der Schaufelhinterkante um die virtuelle Achse durch die Lager der Vorderkante auf die andere Seite, bevor es in die Gegenbahn gleitet und so selbsttätig die geeignete Schaufelanstellung zur Strömung gewährleistet.

In der Nachlaufwendekammer (6) schwenkt die Hinterkante der Schaufel in Drehrichtung der Kettenräder um die virtuelle Achse durch die vorderen Lager der Wendeschaufel auf die andere Seite. Dabei wird das hintere Unterkantenlager (36) in der Rollenbahn um das Kettenrad (16) herumgeführt.

Dieses Teilstück der Rollenbahn um das Kettenrad beschreibt wegen der konkaven Form der Schaufelunterkante eine räumliche Kurve, die sich aus der Geometrie der nicht gewölbten Schaufel und dem Bewegungsablauf ergibt.

Dieses Teilstück der Rollenbahn (13) endet vor dem Kreuzungspunkt (23) mit der Rollenbahn (11) der unteren Vorderkantenlager. An dieser Stelle ist die Rollenbahn für den Durchlaß der Halterung (28, 2)der vorderen Unterkantenlager unterbrochen. Wegen der Formen und Abmessungen von nachlaufendem Rollenlager und Rollenbahn sowie der Elastizität der Schaufel stellt sich die Schaufelwölbung für den Vorlauf nach der Wende selbsttätig ein.

In der Vorlaufwendekammer (3) schwenkt die Schaufelhinterkante gegen die Drehung des Kettenrades (14) auf die andere Schaufelseite. Dazu werden die Rollenbahnen (13, 19) des hinteren Lagers auf der Anlage höher angebracht als die unteren Rollenbahnen (11, 18) für die Kette, die sich in Höhe der unteren Kettenräder befinden. In dieser höher gelegten Rollenbahn wird das hintere Lager (36) bis an den äußeren Rand des unteren Kettenrades geführt.

Beim Eintritt der Wendeschaufel in den Bereich der Vorlaufwendekammer (3) erfolgt mittels des Wendenockens (17) die Einleitung des Wendens der Schaufel dadurch, daß der vordere Teil der Wendeschaufel vor der virtuellen Drehachse durch ihre vorderen Lager verzögert wird und gleichzeitig infolge der beginnenden Schaufeldrehung die Elastizität des Schaufelmaterials mit dazu beiträgt, daß das hintere Rollenlager den vorderen Lagern vorauszueilen beginnt bis am Ende der hinteren Rollenbahn das hintere Lager freikommt.

Die nunmehr ungewölbte Wendeschaufel schwenkt mit der Drehung der Kettenräder (14) in die Nachlaufbahn ein. Dabei wird in der Eingleiteinheit (10) für das hintere Rollenlager (36) sichergestellt, daß sich auch auf der Nachlaufbahn selbsttätig die erforderliche Anstellung, Wölbung und Verwindung der Wendeschaufel einstellt.

Die Kettenräder sitzen paarweise auf den senkrechten Achsen (30) in den Wendekammern und werden von den Wendeschaufeln angetrieben.

Die unteren Lager (32) der Achsen sind verbunden mit dem unteren Teil des Stegs und die oberen Lager (31) befinden sich am Boden eines Generatorhäuschens, wo sie mit dem Generator zu verbinden sind.

Die mehrholmige Stegkonstruktion (2, 21) ist nach den Erfordernissen der Belastung durch die Schaufelreihen und deren Lagerführungen ausgelegt sowie nach den Erfordernissen hinsichtlich Schwimmfähigkeit und Stabilität bei Transport und bei möglicher Verankerung oder, falls es die Umstände erlauben, Absetzung am Grund des Arbeitsortes..

Die Schwimmkörper (7, 8) weisen mehrere getrennte Kammern auf. Die oberen Kammern (33) sind immer wasserdicht und leer. Sie sorgen für den Mindestauftrieb der gesamten Vorrichtung. Die unteren Kammern (34) können teilweise oder ganz geflutet oder entleert werden, wie es die gewünschte Eintauchtiefe (39) der Wendeschaufeln sowie eine waagerechte Arbeitsposition erfordert.

1
Generatorhäuschen im Vorlauf
2
oberer mehrholmiger Steg
3
Wendekammer im Vorlauf
4
Wendeschaufel im Vorlauf
5
Wendeschaufel im Nachlauf
6
Wendekammer im Nachlauf
7
Schwimmkörper der Nachlaufwendekammer
8
Schwimmkörper der Vorlaufwendekammer
9
Gewässergrund für Verankerung
10
Eingleiteinheit für Hinterkantenlager
11
vordere Rollenbahn im Nachlauf
12
Leitfläche im Nachlauf
13
hintere Rollenbahn im Nachlauf
14
Kettenrad in Vorlaufwendekammer
15
Umlaufrichtung des Vorlaufs
16
Kettenrad in Nachlaufwendekammer
17
Wendenocken
18
Leitfläche im Vorlauf
19
hintere Rollenbahn im Vorlauf
20
vordere Rollenbahn im Vorlauf
21
untere mehrholmige Stegkonstruktion
22
Hauptströmungsrichtung des Fließgewässers
23
Kreuzungspunkt der hinteren Rollenbahn
24
Auslauf für hinteres Rollenlager im Vorlauf
25
obere Schaufelhalterung
26
Wendeschaufel
27
konkave Unterkante
28
vordere Halterung Unterkante
29
hintere Halterung Unterkante
30
Achsen der Kettenräder
31
obere Lager der Achsen
32
untere Lager der Achsen
33
obere Schwimmkörperkammern
34
flutbare Schwimmkörperkammern
35
frei
36
Rollenlager Schaufelunterkante hinten
37
Schaufeltragendes Kettenglied
38
Transportglied der Kette
39
Wasserlinie, Eintauchtiefe


Anspruch[de]
Vorrichtung zur Nutzung von Wasserkraft in Fließgewässern, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den an den Enden eines mehrholmigen Verbindungssteges auf Schwimmkörpern befindlichen Wendekammern mit in Rollenbahnen geführten Ketten verbundene, senkrecht eintauchende Wendeschaufeln quer zur Hauptströmung des Gewässers umlaufen und dadurch gewonnene translatorische Bewegungsenergie über Achsen von Kettenrädern für den Antrieb von Elektrogeneratoren bereitstellen, wobei die Schaufeln selbsttätig wenden. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die umlaufende Wendeschaufel aus steifem, elastischem, blechartigem Material besteht und im Bereich der Vorderkante mit ihren Halterungen mit rollengeführten Kettengliedern schwenkbar verbunden ist und eine hintere dritte Halterung einer konkaven Unterkante von einem nachlaufenden unverketteten Rollenlager so geführt ist, daß sich dadurch die gewünschte Anstellung und Wölbung und Verwindung der Schaufel selbsttätig einstellt. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zum Steg hin offenen Wendekammern (3, 6) oben und unten angeordnete Kettenräder (14, 16) mit den Achsen enthalten und in der Nachlaufwendekammer (6) Wendeschaufeln in Drehrichtung der Kettenräder wenden und in der Vorlaufwendekammer (3) von einem Wendenocken (17) gegen diese Drehrichtung die Schaufeldrehung eingeleitet und unterstützt wird, wobei der Wendenocken (17) den vorderen Teil der sich dabei elastisch entwölbenden Wendeschaufel verzögert. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß Halterungen der Wendeschaufeln schwenkbar an Rollenlagern befestigt sind, die ihrerseits in Rollenbahnen geführt sind, wobei die zur Schaufelvorderkante gehörenden Rollenlager Glieder der oben bzw. unten in am Steg befestigten Rollenbahnen (11, 20) verlaufenden Ketten bilden mit je einer doppelten vertikalen tragenden Rolle (37) und die Kettenglieder (38), in welche die Kettenräder eingreifen, nur horizontale Rollen aufweisen, wohingegen die nachlaufenden unverketteten Rollenlager (36) der Schaufelunterkanten sowohl horizontale als auch vertikale Rollen aufweisen. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die am Steg befestigten Rollenbahnen der Ketten für die Schaufelvorderlager nur zwischen den Kettenrädern verlaufen, hingegen die Rollenbahn für die nachlaufenden unverketteten Hinterkantenlager (36) sich in der Nachlaufwendekammer fortsetzt, wo sie gemäß der Schwenkbewegung der hinteren Ecke der Schaufelunterkante einen räumlich gekrümmten Verlauf aufweist und für den Durchlaß der Halterungen der unteren Schaufelvorderlager durchbrochen ist sowie in der Vorlaufwendekammer über dem unteren Kettenrad bis zu dessen äußerem Rand kragend mit sich erweiternder oben offener Bahn (24) hinaus reicht und insgesamt oberhalb der Ebene der unteren Kettenräder am Steg befestigt ist und für das Einschwenken des in der Vorlaufwendekammer zeitweilig frei hängenden Lagers der Unterkante in die Rollenbahn (13) des Nachlaufs eine etwa trichterförmige oben offene Eingleiteinheit (10) aufweist. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der eben gekrümmten Wendeschaufelunterkante und den unteren Rollenbahnen Leitflächen (12, 18) aus blechartigem Material so angebracht sind, daß die Unterkanten bündig darüber gleiten und so eine Umströmung der Unterkanten nach vorne weitgehend unterbleibt. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ketten der Vorderkantenlager der Wendeschaufeln abwechselnd Transport- und Halteglieder aufweisen und die Kettenräder nur in die Transportglieder eingreifbar ausgebildet sind. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die verankerbaren Schwimmkörper (7, 8) unter den Wendekammern und gegebenenfalls an weiteren Stellen unter dem Steg über mehrere getrennte Kammern (33, 34) verfügen, deren obere Kammern (33) ständig wasserdicht und mit Luft befüllt sind und deren untere Kammern (34) flutbar sowie mit Luft befüllbar gestaltet sind, so daß damit die Schwimmlage und Position der gesamten Vorrichtung als auch die Eintauchtiefe (39) der Wendeschaufeln eingestellt werden können.






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