NO20111173A1 - Vannhjul - Google Patents

Abstract

Oppfinnelsen angår et vannhjul, fortrinnsvis et vannhjul med horisontalt hjulnav (21) og med vanninntak til undersiden eller til midten, hvor skovlanordninger (15) er anordnet langs hjulomkretsen (22) for omsetning av vannstrømmens bevegelsesenergi og eventuelt også dens potensielle energi, til en dreiebevegelse av vannhjulet, idetskovlanordningene (15) omfatter minst to skovllameller og skovllamellene har ulike størrelser, karakterisert ved at den ytterste skovllamellen (13) har en større skovldybde (23) enn skovlanordningens andre, indre skovllameller (14,16,17). Videre angår oppfinnelsen et vannkraftverk med ett eller flere slike vannhjul.

Description

Oppfinnelsen angår et vannhjul, fortrinnsvis et vannhjul med horisontalt nav og med mating til undersiden eller til midten, hvor skovlanordninger er anordnet langs hjulets omkrets for omforming av vannstrømmens bevegelses- og eventuelt også potensiell energi til en dreiebevegelse av vannhjulet, idet skovlanordningene omfatter minst to skovllameller og skovllamellene har ulike størrelser.

Vannhjul har vært i bruk i lang tid. Slike vannhjul ble især benyttet for kraft-tilførsel til møller og hammerverk. Vannhjul både med mating til undersiden og til oversiden var innrettet for et relativt lavt turtall og utnyttelsen av vannstrømmens energi var mangelfull. Slike vannhjuls teknologiske utvikling tok derfor i stor grad slutt da utviklingen av turbiner i ulike utførelser kunne oppnå høy effektivitet og høye turtall, noe som også medførte fordelaktig kommersiell produksjon av elektrisk strøm.

Imidlertid foreligger et vedvarende og økende behov for småkraftverk, som med kun begrenset inngrep i de naturlige vannløp, muliggjør en strømproduksjon, slik at en videreutvikling av vannhjul igjen er blitt hensiktsmessig.

Kjente vannhjul med mating oppe og mating i midten har i stor grad gjennomgående skovler i ett stykke, som imidlertid er ugunstig ut fra strømningsfor-holdene. Når skovlen dypper ned i vannstrømmen og også når skovlen løftes ut av vannstrømmen, oppstår energitap, idet vannvolumer fortrenges eller løftes uten å bli nyttiggjort. Dermed senkes virkningsgraden vesentlig og også er de turtall som kan oppnås, små. Når de gjennomgående skovlene er lukket mot navet, oppstår i tillegg en sugevirkning når vannet frigjøres fra skovlen, noe som hemmer vannhjulet ytterligere.

For å overvinne denne ulempen foreslås i AT 503 184 A1 at hver skovlanordning har en ytre og minst en indre skovllamell, hvor de indre skovllamellene er forsatt innover fra hjulomkretsen og mot vannstrømmens strømningsretning.

Praksis har vist at det foran nevnte vannhjulets virkningsgrad til tross for de anførte fordelene ikke er optimalt. Den vannstrømmen som treffer skovlanordningene, overfører ifølge teknikkens stand kun en del av dens kinetiske energi til vannhjulet og en del av vannstrømmen strømmer mellom skovlanordningenes lameller uten å avgi sin kinetiske energi.

Det er således forliggende oppfinnelses oppgave å frembringe et vannhjul med en høyere virkningsgrad enn kjente vannhjul.

Ifølge oppfinnelsen løses denne oppgaven ved at de ytre skovllamellene har en større skovldybde enn skovlanordningens indre skovllameller. Ytterligere trekk er angitt i patentkravene, beskrivelsen og tegningene.

Ytterligere fordelaktige trekk er at en skovlanordnings indre skovllameller har en økende skovldybde innover fra hjulomkretsen, at en skovlanordnings skovllameller er forsatt innover fra hjulomkretsen og mot vannstrømmens strømnings-retning og at skovlanordningene er utformet avsmalnende innover. Fordelaktig kan de enkelte skovllamellene være anordnet med innover stadig mindre avstander til hverandre. Fortrinnsvis er hver skovllamell bøyd idet den konvekse hvelving er rettet i vannhjulets dreieretning.

Ytterligere trekk er at den ytterste skovllamellen som har den største skovldybde har en skovldybde på minst to ganger vannstrømmens dybde. Den ytterste skovllamellens indre ender kan være anordnet i retning mot vannhjulets hjulnav. Alternativt kan de indre endene av de ytterste skovllamellenes ytre ender være skråstilt mot vannets tilstrømningsretning og således være bøyd bort fra den radiale retningen. Tangentene til skovllamellenes ytre ender danner en vinkel med tangenten til hjulomkretsen på fortrinnsvis 45° ± 5°. Vannhjulet kjennetegnes videre ved at de i det indre liggende skovllamellene og eventuelt også de ytre skovllamellene, har en flyvingeformet tverrsnittsprofil og er slik anordnet at det fremkommer avsmalnende strømningskanaler for vannet mellom de ved siden av hverandre liggende skovllamellene.

Et vannkraftverk kan være utformet ved å omfatte minst ett vannhjul med i det minste noen av disse trekkene.

Plasseringen av vannhjulet med horisontalt nav betyr at også de enkelte skovllamellene mellom de vertikalt stående hjulvangene ligger i det vesentlige horisontalt, selv om skovllamellene innenfor oppfinnelsens ramme også kan stå på skrå i forhold til hjulvangene eller kan en form som avviker fra den rette linje. De enkelte ytre skovllamellene er de som er anordnet nærmest hjulomkretsen eller er anordnet direkte på hjulomkretsen. De indre skovllamellene er de som har en mindre eller den minste radiale avstanden fra navet.

Den til enhver tid nevnte vanndybde er den dybde av vannstrømmen som tillater et optimalt arbeid av vannhjulet og som vannhjulet er dimensjonert for.

De av oppfinnelsen resulterende høye dreiehastighet for vannhjulet tillater en større neddykkingsdybde av vannhjulet i vannet bak vannhjulet. I samme grad som hjulet dykkes dypere, økes vannets fallhøyde til hjulets vanninntak.

Et rolig driftsforløp kan oppnås ved at mellomrommet mellom hjulvangene er oppdelt og at de tilsvarende forkortede lamellene er anordnet forsatt på om-kretsen. På denne måte kan vannhjulet også fremvise det trekk at det av to vannhjul fremkommer et eneste vannhjul med tre hjulvanger og at de to vannhjulhalv-delenes skovlanordninger er forsatt i forhold til hverandre i deres dreieposisjoner.

Bruk av vannhjulet ifølge oppfinnelsen kan selvfølgelig også være hensiktsmessig når det ikke foreligger den optimale vannstrømdybde, men en for liten eller en noe for stor vanndybde.

I det følgende beskrives oppfinnelsen nærmere på grunnlag av utførelses-eksempler. Figur 1 viser et snitt gjennom et vannkraftverk og figur 2 viser et snitt langs linjen ll-ll på figur 1. Figur 3 viser et grunnriss av dette vannkraftverket. Figur 4 viser skjematisk strømningsforholdene ved vannhjulet og figur 5 viser prinsippet for anordningen av skovllamellene mellom vannhjulets hjulvanger. Figurene 6 og 7 viser i detalj to eksempler på anordningen av en skovlanordnings skovllameller. Figurene 1 til 3 viser skjematisk et kraftverk. Vannstrømmen strømmer i strømningsretningl retning inn i vanninntakskanalen 2 som omfatter et avsetnings-basseng 3. En overstrømningskanal 4 tar opp overskytende vann eller leder hele vannstrømmen forbi vannhjulene 5 ved hjelp av en oppdemning (8, 9). I dette eksempel er to vannhjul anordnet ved siden av hverandre. Det kan også benyttes kun ett vannhjul eller flere vannhjul ved siden av hverandre.

Skovlanordningene 15 mellom de enkelte hjulvangene 12 er vist kun skjematisk med stiplede rette linjer.

Vannkanalen omfatter på kjent måte en akselerasjonsstrekning 6 med en foranstilt forhøyning av bunnen ved vanninntaket og en derpå følgende fallende strekning for vannforløpet og som tjener til å øke strømningshastigheten og frembringe en definert vannstrømning. Figur 3 viser det skjematiske grunnrisset av dette kraftverket, idet de til-hørende oppdemningene 8, 9 kun er vist skjematisk. Figur 4 viser vannforløpet skjematisk, idet strømningsstrekningens høyde-forhold og stigninger ikke er inntegnet i målestokk.

Vannstrømmen har i vanninntakskanalen en inntaksvanndybde på he som avtar langs akselerasjonsstrekningen 6 og gir en vannstrømdybde h som utgjør virksomme vannstrømmen som utøver sin kraft mot vannhjulet. Ved hvert vannhjul finnes en vannstrømdybde som er optimal for vannhjulets arbeid og som er av-hengig av vannhjulets dimensjoner.

Etter strømningen gjennom vannhjulet strømmer vannet ut over vannut-løpet 10, idet det er fordelaktig at utløpsvannets dybde ha ikke er mindre enn vannstrømmens dybde h. På grunn av vannhjulets dreiebevegelse i dreieretningen 11 omkring dreieaksen 18 og hjulnavet 21 oppstår imidlertid vanligvis en oppdemning av det utstrømmende vannet slik at utløpsvannets dybde ha også kan være større enn vannstrømmens dybde h som inntegnet stiplet med ha'.

Den på figurene 1 og 4 inntegnede oppdemning 9 begrenser vannstrøm-mens dybde og er for denne bruk foretrukket å være innstillbar i høyden. Ved helt nedsenket oppdemning 9 sperres vanninntaket, hvoretter eksempelvis vannhjulet er tørrlagt og vedlikehold kan foretas.

Figur 5 viser med et skjematisk delsnitt gjennom vannhjulet ifølge oppfinnelsen hvordan det samvirker med den innstrømmende vannstrømmen 7. Hjulet er vist kun over en liten del av hjulomkretsen 22 og av de langs vannhjulets hele omkrets anordnede skovlanordninger 15 er kun de fem skovlanordningene inntegnet, som på tegningen er i berøring med vannet.

Hver skovlanordning 15 omfatter en ytterste skovllamell 13 som har en større skovldybde 23 (se figur 6) enn de andre skovllamellene 14, 16 og 17. Antallet indre skovllameller 14, 16, 17 kan tilpasses de gitte forutsetninger, idet det kan foreligge minst én eller flere indre skovllameller. De linjene 19 som viser mot hjulnavet 21 er kun konstruktive hjelpelinjer og tydeliggjør ved dette utførelses-eksempel de ytterste skovllamellenes 13 orientering i retning mot vannhjulets nav 21.

Alternativt kan det også være fordelaktig å utforme den ytterste skovllamellen 13 skråstilt mot strømningsretningen 1 (antydet stiplet på figur 6) slik at avstandene fra de indre skovllamellenes 14, 16,17 indre kanter til de ytterste skovllamellene 13 kan tilpasses strømningsforholdene. Innad er alle skovlanordningene åpne for å unngå lukkede kamre, noe som på ugunstig måte ville samle opp vann og hindre utstrømning av vannet.

Hjulvangene 12 kan være utformet som hele flater hvor skovlanordningene ligger mellom flatene. Det kan også utformes andre vangekonstruksjoner, som for eksempel stagkonstruksjoner som ikke er fullstendig lukket i sideretningen. En ytterligere utførelsesform kan også være å anordne kun en midtre hjulvange på hjulnavet 22, hvor skovlanordningene strekker seg utad til begge sider fra hjul-vangen.

Figurene 6 og 7 viser forstørret plasseringen av skovllamellene i en skovlanordning i to varianter.

Ifølge figur 6 er alle skovllamellene 13, 14,16, 17 bøyd av materialemner med samme tykkelse, idet de konvekse hvelvingene er rettet i dreieretningen 1. På figur 6 er også det tilstrømmende vannets strømningsforløp antydet med strøm-ningslinjer 20. På grunn av den bøyde utformingen av de ved siden av hverandre liggende lamellene og den derved gitte avsmalning oppstår virvler i det innstrøm-mende vannet etter gjennomstrømming gjennom lamellanordningen, noe som hindrer en oppstrømming av vannet over hele den ytterste skovllamellens 13 skovldybde. Derved sikres hele det tilstrømmende vannets kinetiske energi blir omsatt til vannhjulets dreiebevegelse. Videre sikres det at det innstrømmende vannet kan strømme ut av skovlanordningen på kortest mulig vei og således ikke hindrer dreiebevegelsen.

For å oppnå effekten ifølge oppfinnelsen er prinsipielt kun den første indre liggende skovllamell 14 nødvendig. De ytterligere indre liggende skovllamellene 16 og 17 kan imidlertid forsterke virkningen.

Figur 7 viser en ytterligere utførelsesform i et riss tilsvarende figur 6 hvor de indre liggende skovllamellene 14, 16 og 17 er profilert tilsvarende en flyvinge. Også her fremkommer mellom lameller anordnet ved siden av hverandre en avsmalnende strømningskanal med den ønskede virvelvirkning etter gjennom-strømmingen av vannet og effekten med den hurtige bortstrømningen av vannet når skovlanordningen heves opp fra vannstrømmen.

Også den ytterste skovllamellen 13 kan ha en slik flyvingelignende profile-ring som de indre skovllamellene 14,16,17 på figur 7. På hver av de utad liggende kantene 24 står lamellene i en vinkel a på omkring 45° til tangenten til hjulomkretsen 22 slik det er inntegnet med hjelpelinjer på figur 6. Fordelaktig er et vinkel-område 45°± 5°.

Virkningen av skovlanordningen ifølge oppfinnelsen er især derfor spesiell fordi vannets strømningshastighet omsettes nesten uten tap til vannhjulets om-kretshastighet og dermed til en høy omdreiningshastighet. Slike vannhjul er således energieffektive og kan i tillegg fremstilles til lave kostnader.

Den ytterste skovllamellens 13 skovldybde 23 avhenger av det innstrøm-mende vannets dybde. Dybden utgjør fortrinnsvis minst det dobbelte av vannhøy-den he og må i alle fall være så stor at det tilstrømmende vannet ikke kan strøm-me over den ytterste skovllamellens indre kanter.

Skovlanordningen ifølge oppfinnelsen har også den fordel at det sikres en effektiv utnyttelse av vannet og en konstant virkningsgrad også når den virkelige vannstanden ligger over eller under linjen som angir den optimale vannstanden. Gjennom de ytterste skovllamellene 13 med den stor skovldybden 23 sikres at vannet ikke kan strømme gjennom vannhjulet uten å bli utnyttet. Det innstrøm-mende vannet fyller først den ytterste skovllamellen da denne også dykkes ned i vannet først. Det innstrømmende vannet stiger mellom skovllamellene og i om-rådet med skovllamellenes indre ender virvles vannet opp og omledes mot strøm-ningsretningen. Derved bremses det vannet som deretter strømmer mellom lamellene slik at strømningsenergien overføres til vannhjulet. En ytterligere effekt oppnås ved at luft som er innelukket mellom skovllamellenes høytstrømmende vann-strømmer og det innenfra og utad strømmende vannet, blir komprimert. Dette bi-drar til å øke vannhjulets levetid og på fordelaktig måte bringes luftens oksygen inn i vannet under trykk.

For mindre utforminger av skovlanordningen kan det være nødvendig med en stabilisering av skovllamellene. Dette kan eksempelvis oppnås med her ikke viste stag mellom skovllamellene, idet antallet stag må velges i henhold til de krav som foreligger.

Foretrukket materiale for vannhjulet er stål. Deler av vannhjulet kan imidlertid også bestå av aluminiumlegeringer, tre og plast.

Henvisningstallene

Claims (12)

1. Vannhjul, fortrinnsvis et vannhjul med horisontalt hjulnav (21) og med vanninntak til undersiden eller til midten, hvor skovlanordninger (15) er anordnet langs hjulomkretsen (22) for omsetning av vannstrømmens bevegelsesenergi og eventuelt også dens potensielle energi, til en dreiebevegelse av vannhjulet, idet skovlanordningene (15) omfatter minst to skovllameller og skovllamellene har ulike størrelser,karakterisert vedat den ytterste skovllamellen (13) har en større skovldybde (23) enn skovlanordningens andre, indre skovllameller (14, 16, 17).

2. Vannhjul ifølge krav 1,karakterisert vedat en skovlanordnings (15) indre skovllameller har en innover fra hjulomkretsen (22) økende skovldybde (23).

3. Vannhjul ifølge ett av kravene 1 eller 2,karakterisert vedat en skovlanordnings (15) skovllameller (13, 14, 16, 17) er forsatt innover fra hjulomkretsen (22) og mot vannstrømmens strømningsretning.

4. Vannhjul ifølge ett av kravene 1-3,karakterisert vedat skovlanordningene (15) er utformet avsmalnende innover.

5. Vannhjul ifølge ett av kravene 1-4,karakterisert vedat de enkelte skovllamellene (13, 14, 16, 17) er anordnet med innover stadig mindre avstand til hverandre.

6. Vannhjul ifølge ett av kravene 1-5,karakterisert vedat hver skovllamell (13, 14, 16, 17) er bøyd slik at den konvekse hvelving er innrettet i vannhjulets dreieretning (11).

7. Vannhjul ifølge ett av kravene 1-6,karakterisert vedat den ytterste skovllamellen (13) med den største skovldybden (23) har en skovldybde som er minst det dobbelte av vannstrømmens dybde (h).

8. Vannhjul ifølge ett av kravene 1-7,karakterisert vedat de ytterste skovllamellenes (13) indre ender er anordnet i retning mot vannhjulets hjulnav (21).

9. Vannhjul ifølge ett av kravene 1-8,karakterisert vedat de indre ender av de ytterste skovllamellenes (13) ytre ender er skråstilt mot vannets strømnings-retning (1) og således er bøyd bort fra den radiale retningen.

10. Vannhjul ifølge ett av kravene 1-9,karakterisert vedat tangentene til skovllamellenes ytre ender (24) danner en vinkel (a) på 45° ± 5° til tangenten til hjulomkretsen (22).

11. Vannhjul ifølge ett av kravene 1-10,karakterisert vedat de indre liggende skovllamellene (14, 16,17) og eventuelt også den ytterste skovllamellen (13) har en flyvingelignende tverrsnittsprofil og er slik anordnet at det mellom de ved siden av hverandre liggende skovllamellene (13, 14, 16, 17) dannes avsmalnende strømningskanaler for vannet.

12. Vannkraftverk,karakterisert vedat det omfatter ett eller flere vannhjul ifølge kravene 1-11.