DE10036307A1 - Vorrichtung zur Ausnutzung der kinetischen Energie einer strömenden Flüssigkeit zur Stromerzeugung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Unterwasserkraftwerk zur Umwandlung der kinetischen Energie einer strömenden Flüssigkeit in elektrischen Strom. DOLLAR A Zur Vermeidung der Nachteile der gattungsgemäßen Lösungen, insbesondere zur Erhöhung des Wirkungsgrades der Ausnutzung der kinetischen Energie der strömenden Flüssigkeit, wird erfindungsgemäß ein Unterwasserkraftwerk vorgeschlagen, bestehend aus einem Generator, der zusammen mit einem Getriebe wasserdicht in einem Gehäuse untergebracht ist, einer zumindest annähernd horizontal aus dem Gehäuse ragenden Getriebewelle sowie einem axial angeströmten Turbinenrad, das ein Drehmoment auf die Getriebewelle überträgt, das sich dadurch auszeichnet, dass das Turbinenrad konzentrisch innerhalb eines axial offenen Mantelgehäuses angeordnet ist, welches Gehäuse zumindest überwiegend eine konkav gekrümmte Innenmantellinie mit einer in Strömungsrichtung sich verengenden Einlaufpartie stromauf des Turbinenrads und einer sich diffusorartig erweiternden Auslaufpartie stromab des Turbinenrads aufweist, wobei der Mantel des sich diffusorartig erweiternden Gehäuseabschnitts von zumindest einem konzentrischen Ringspalt durchbrochen ist und der Austrittsquerschnitt des Gehäuses dessen Eintrittsquerschnitt übersteigt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Umwandlung der kinetischen Energie einer strömenden Flüssigkeit in elektrischen Strom. Insbesondere bezieht sich die Erfin­ dung auf eine Vorrichtung zur Energiegewinnung aus Unterwasserströmungen, wie sie in den Meeren, in Meerengen und Fjorden, vorzugsweise solchen mit hoher Ge­ zeitenströmung, aber auch in grossen langsam fliessenden Flüssen mit Strömungs­ geschwindigkeiten ab 1,5 m/s, anzutreffen sind.

Meeresströmungen bilden sich hauptsächlich aufgrund von Erdrotations- und Gravi­ tationskräften sowie Temperatur- und Konzentrationspotentialen heraus, die in mächtigen interkontinentalen Strömen nach dem Prinzip der kommunizierenden Röhren die Weltmeere durchziehen. Allein die wohl bekannteste Meeresströmung - der Golfstrom - transportiert Wassermassen von mehr als 10⁸ m³/s mit Geschwin­ digkeiten von teilweise über 2 m/s.

In küstennahen Bereichen sind insbesondere die Auswirkungen des Einflusses der Gravitationskräfte von Sonne und Mond auf die Meere in Form der Gezeiten zu spü­ ren, die regional unterschiedlich erhebliche Wassermassen auf die Küste zu- und von ihr wegfördern.

Diese enormen Ressourcen zur regenerativen Energiegewinnung werden bislang nur in einem sehr geringen Umfang genutzt.

Sie beschränkt sich im wesentlichen auf die Ausnutzung der Tidewasserkraft in Ge­ zeitenkraftwerken an Küsten mit starken Gezeiten.

Diese Kraftwerke beruhen im wesentlichen darauf, dass die bei Flut auflaufenden Wassermassen in ein Staubecken geleitet und dort zurückgehalten werden, um an­ schliessend bei fallendem Wasserstand bis zum Eintritt der Ebbe arbeitsleistend über Turbinen wieder abgelassen zu werden. Nach der einfachsten Bauart ist das Becken eine abgeriegelte Bucht oder eine Flussmündung.

Ein Nachteil dieser Betriebsweise ist die stark schwankende, vom zeitlichen Verlauf der Tide abhängige Leistung. Dieser Nachteil wird etwas gemildert durch doppelt wirkende Kraftwerke, die sowohl die einströmenden als auch die ausströmenden Wassermassen zur Energiegewinnung ausnutzen.

Der gravierende Nachteil der Gezeitenkraftwerke sind jedoch deren hohe Investiti­ ons- und Betriebskosten für zu errichtende Dämme und Stauwerke. Darüber hinaus gehen mit einigen dieser Projekte vielfältige Eingriffe in die Natur einher, so dass eine Reihe an sich geeigneter Küstenlandschaften aus Gründen des Naturschutzes von vornherein als Standort ausscheidet.

Des weiteren sind aus überwiegend theoretischen Untersuchungen Unterwasser­ kraftwerke zur Energiegewinnung aus Meeresströmungen bekannt. Derartige Kraft­ werke, die keinerlei Dämme oder kanalisierender Massnahmen bedürfen, umfassen im wesentlichen eine Einrichtung zur Umwandlung der Strömungsenergie in eine Rotationsbewegung und einen daran gekoppelten Generator, um aus der Rotations­ bewegung Strom zu erzeugen. Das Energieumwandlungsaggragat ist in geeigneter Weise mit einem ortsfesten Träger, beispielsweise einem Fundament oder einem am Meeresgrund verankerten Gestell, verbunden.

Auf Grundlage der Daten existierender Meeresströmungen gehen Studien allein für Europa von einem technischen Potential für Unterwasserkraftwerke von mindestens 12 GW aus.

Im Vergleich zu Gezeitenkraftwerken haben Unterwasserkraftwerke eine Reihe von Vorteilen. Sie erfordern geringere Investitionskosten, ihre Leistung unterliegt weit weniger starken Schwankungen und schädliche Auswirkungen auf natürliche ökolo­ gische Systeme sind kaum zu erwarten.

Unter dem Titel "Underwater turbine operated by ocean currents" ist in US 4026587 ein solches Unterwasserkraftwerk beschrieben. An der Spitze eines am Meeres­ grund verankerten turmartigen Trägers ruht auf einem Drehkranz ähnlich einer Windkraftanlage ein um die vertikale Achse frei bewegliches Gehäuse, in dessen Inneren ein Generator angeordnet ist. Auf der annähernd horizontal aus dem Ge­ häuse ragenden Generatorwelle sitzt ein Turbinenrad mit verstellbaren Blättern. Die Meeresströmung versetzt das Rad in eine Rotationsbewegung, die über ein Getriebe auf den Generator übertragen wird. Der erzeugte Strom wird über Grundkabel in eine ufernahe Station an Land übertragen, die die notwendigen peripheren Einrichtungen beherbergt.

Mit einer einfachen Propelleranordnung ähnlich einer Windkraftanlage, wie in dieser Patentschrift wiedergegeben, gelingt es nicht, die kinetische Energie langsamer Meersströmungen mit einem befriedigenden Wirkungsgrad umzusetzen.

In Greenpeace-Magazin 6/98 wird von einem Pilotprojekt eines Unterwasserkraft­ werks im küstennahen Bereich berichtet. Eine Anlage mit einem Raddurchmesser von knapp 20 Metern soll 300 kW Strom erzeugen soll. Auch dieses Projekt sieht ein axial angeströmtes Turbinenrad vor, wie es an sich von Windkraftanlagen her be­ kannt ist.

Ein im Zusammenhang mit der Ausnutzung der Meeresströmungen zu lösendes technisches Problem stellen die relativ geringen Strömungsgeschwindigkeiten dar, die besonderer Turbinenausführungen bedürfen.

Trotz teilweise aufwendiger konstruktiver Massnahmen zugunsten eines möglichst hohen Ausnutzungsgrades der kinetischen Energie der Strömung ist der Wirkungs­ grad dieser Kraftwerke noch zu gering, um eine wirtschaftlich attraktive Alternative zu konventionellen Verfahren der Stromerzeugung darstellen zu können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Umwandlung der kinetischen Energie einer strömenden Flüssigkeit in elektrischen Strom bereitzustel­ len, die mit einem vergleichsweise geringen apparativen Aufwand einen wartungs­ armen Betrieb ermöglicht und sich durch einen hohen Wirkungsgrad auszeichnet.

Erfindungsgemäss wird die Aufgabe gelöst durch eine Vorrichtung der in Anspruch 1 genannten Art.

Vorteilhafte Ausführungsformen geben die Unteransprüche wieder.

Der Vorteil eines hohen Wirkungsgrads bei einer Vorrichtung zur Umwandlung der kinetischen Energie einer strömenden Flüssigkeit, insbesondere einer Meeresströ­ mung, in elektrische Energie, bestehend aus einem Generator, der zusammen mit einem Getriebe wasserdicht in einem Gehäuse untergebracht ist, einer zumindest annähernd horizontal aus dem Gehäuse ragenden Getriebewelle sowie einem axial angeströmten Turbinenrad, das ein Drehmoment auf die Getriebewelle überträgt, wird dadurch erreicht, dass das Turbinenrad konzentrisch innerhalb eines axial offe­ nen Mantelgehäuses angeordnet ist, welches Gehäuse zumindest überwiegend eine konkav gekrümmte Innenmantellinie mit einer in Strömungsrichtung sich verengen­ den Einlaufpartie stromauf des Turbinenrads und einer sich diffusorartig erweitern­ den Auslaufpartie stromab des Turbinenrads aufweist, wobei der Mantel des sich diffusorartig erweiternden Gehäuseabschnitts von zumindest einem konzentrischen Ringspalt durchbrochen ist, und der Austrittsquerschnitt des Gehäuses dessen Ein­ trittsquerschnitt übersteigt.

Nach einer günstigen Ausführungsform der Erfindung ist das Turbinenrad innerhalb eines zumindest annähernd zylindrischen Abschnitts des offenen Mantelgehäuses angeordnet

In zweckmässiger Ausgestaltung der Erfindung übersteigt der Austrittsquerschnitt den Eintrittsquerschnitt um den Faktor 1,2 bis 2,5, vorzugsweise 1,5 bis 2,0.

Nach einer alternativen Ausführungsform weist der sich erweiternde Gehäuseab­ schnitt anstelle einer konkav verlaufenden Innenmantellinie konisch ausgerundete Abschnitte mit in Strömungsrichtung steigendem Öffnungswinkel auf.

Zweckmässigerweise beträgt die Länge des sich erweiternden Abschnitts ein Mehr­ faches, vorzugsweise das 2- bis 4-fache, der Länge des zylindrischen Abschnitts.

In vorteilhafter Ergänzung ist die Länge des Mantelgehäuses auf das 0,8-fache des Turbinenraddurchmessers festgelegt.

Durch die stetige Querschnittsverengung der Eintrittspartie des Mantelgehäuses wird die Strömung bis zum Turbinenrad zunehmend beschleunigt. Das im engsten Ge­ häusequerschnitt angeordnete Turbinenrad wird damit von einer Strömung mit er­ höhter Geschwindigkeit beaufschlagt. In dem sich anschliessenden diffusorartig er­ weiternden Bereich erfolgt die verlustarme Verzögerung der Strömung. Durch den mindestens einen Ringspalt tritt das Mantelgehäuse aussen umströmendes schnelle­ res Wasser in den Diffusor ein und bildet im Zusammenwirken mit der gekrümmten Mantellinie unter Vermeidung der Grenzschichtablösung und Wirbelbildung eine be­ schleunigte Randströmung aus, die die Diffusorströmung verstärkt nach aussen zieht und so den nachgeschalteten Strömungswiderstand verringert.

Eine im Vergleich zu den Lösungen des Standes der Technik signifikant erhöhte Ausnutzung der kinetischen Energie der anströmenden Flüssigkeit ist die Folge. Gegenüber den bekannten Turbinenausführungen des Standes der Technik werden Wirkungsgradverbesserungen auf das 1,5- bis 2,5-fache erreicht. Dies erhöht die Wirtschaftlichkeit und gestattet es darüber hinaus, vergleichbare Leistungen mit ge­ ringerem Turbinendurchmesser zu erreichen.

Aufgrund dieser vorteilhaften Wirkungen eignet sich diese Vorrichtung damit in vor­ teilhafter Weise als Modul zur Errichtung eines Unterwasserkraftwerks von hoher Wirtschaftlichkeit.

Ein entsprechendes Kraftwerk kann dabei auf einem oder einer Mehrzahl der erfin­ dungsgemässen Vorrichtungen basieren.

Im einfachsten Falle eines Unterwasserkraftwerks ist die erfindungsgemässe Vor­ richtung, zur Anpassung an die Strömungsrichtung eine Schwenkbewegung um die vertikale Achse zulassend, auf einem Gründungskörper, beispielsweise einem Fun­ dament oder einem Mast, fixiert.

Alternativ kann ein oder eine Mehrzahl der erfindungsgemässen Energieumwand­ lungsmodule in ein beispielsweise mastartiges Traggerüst integriert sein. Dieses Traggerüst kann alternativ entweder an einem Gründungskörper auf dem Meeresgrund fixiert sein oder - nach einem ergänzenden Vorschlag der Anmelderin und Gegenstand einer korrespondierenden Anmeldung - durch Auftriebskörper und am Grund des Gewässers verankerte Zugseile schwebend in der Strömung gehalten werden.

Die nach der Erfindung ausgeführten Unterwasserkraftwerke bieten gegenüber den Lösungen des Standes der Technik zahlreiche Vorteile.

Das Mantelgehäuse bildet einen Strömungskanal mit annähernd homogenen Strö­ mungsverhältnissen aus. Diese vergleichmässigte Strömung hat geringere Wechsel­ biegungs- und Torsionsbeanspruchungen der Blätter und der Wellenlagerung des Turbinenrads zur Folge. In Verbindung mit der Beschleunigung, die die Strömung im Strömungskanal erfährt, erreicht die Turbine einen gleichmässigeren Lauf bei grö­ sserem Moment und höherer Drehzahl. Daraus resultieren gegenüber dem bekann­ ten Stand der Technik bei vergleichbarer Leistung Anlagen mit geringeren Abmes­ sungen bzw. bei vergleichbaren Abmessungen eine um den Faktor 2 bis 2,5 höhere Leistungsabgabe. Dies erhöht die Attraktivität dieser Kraftwerksgattung und er­ schliesst ihr weitere Einsatzgebiete, sowohl im Hinblick auf das Spektrum wirtschaft­ lich nutzbarer Strömungsgeschwindigkeiten als auch hinsichtlich der geografischen Voraussetzungen.

Die äussere Form des Mantelgehäuses bedingt zwangsläufig eine Ausrichtung der Turbine in Strömungsrichtung. Zu diesem Zweck ist lediglich dafür Sorge zu tragen, dass das eine Rotationsbewegung um die Vertikale zulassende Drehlager sich an­ nähernd lotrecht im Masseschwerpunkt der Anlage und vor dem Angriffspunkt der Staukräfte befindet. Diese Massnahmen gewährleisten eine selbsttätige Ausrichtung des Kraftwerks nach den jeweils herrschenden Strömungsrichtungen in stabilem Gleichgewicht. Dies erspart aufwendige zusätzliche Massnahmen, um die Turbine in der Strömung zu halten.

Nicht zuletzt sind auch die Aufwendungen für Schutzmassnahmen, wie Schutzgitter um das Turbinenrad, geringer.

Ausgehend von den genannten Vorteilen bieten sich solche Anlagen als variable, lautlose und umweltfreundliche Alternative zur Stromerzeugung mittels dieselelektri­ scher Aggregate in weit abgelegenen Küstenorten oder dünn besiedelten Küstenre­ gionen, aber auch auf Bohrinseln oder Baustellen in Meeresnähe an. Mit der zuneh­ menden Verknappung fossiler Energieträger werden sie langfristig auch als Einspei­ ser in die Netze von Interesse sein.

Weitere Merkmale und Einzelheiten der Erfindung sind der nachfolgenden Erläute­ rung mehrerer Ausführungsformen anhand der Zeichnungen zu entnehmen. Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Merkmale wiedergegeben. Gleiche oder einander entsprechende Elemente figurieren unter demselben Bezugs­ zeichen.

Es zeigen

Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein Unterwasserkraftwerk nach der Erfindung

Fig. 2 Längsschnitt durch ein Mantelgehäuse

Fig. 3 Vorderansicht der Vorrichtung gem. Fig. 1 in Strömungsrichtung

Fig. 4 Leistungsvergleich zwischen einer Vorrichtung gemäss der Erfindung und ei­ ner solchen nach dem Stand der Technik

Fig. 1 zeigt in schematischer Weise die wesentlichen Elemente der erfindungsgemä­ ssen Vorrichtung zur Umwandlung der kinetischen Energie einer Meeresströmung in elektrischen Strom, bestehend aus einem wasserdichten Gehäuse (3), in dem ein Generator zusammen mit einem Getriebe untergebracht ist, einer im wesentlichen horizontal, parallel zur Strömungsrichtung aus dem Gehäuse (3) ragenden Getrie­ bewelle und einem axial angeströmten Turbinenrad (2), das ein Drehmoment auf die Getriebewelle überträgt.

Ein axial offenes Mantelgehäuse (4) mit einer zumindest überwiegend konkav ver­ laufenden Innenkontur (6) umschliesst konzentrisch das Turbinenrad (2). Dabei ist der Austrittsquerschnitt (8) erheblich grösser als der Eintrittsquerschnitt (7). Vor­ zugsweise ist er etwa doppelt so gross.

Nach einer in Fig. 2 dargestellten, insbesondere fertigungstechnisch günstigen Aus­ führungsform weist das Mantelgehäuse (4) in seiner geometrischen Struktur im we­ sentlichen drei deutlich voneinander zu unterscheidende Bereiche auf, einen ersten sich verengenden Eintrittsabschnitt (4.1), einen zumindest annähernd zylindrischen zweiten Abschnitt (4.2) und einen dritten sich diffusorartig erweiternden Abschnitt (4.3). Der sich erweiternde Gehäuseabschnitt (4.3) ist mit einem oder mehreren Ringspalten (5) ausgerüstet, durch die das Mantelgehäuse (4) aussen umströmen­ des Wasser in den vom Gehäuse (4) umschlossenen Strömungskanal (15) ein­ strömt. Die sich verengende Einlasspartie (4.1) weist eine konisch ausgerundete oder konkav gekrümmte Mantellinie (6) auf, die in einen zylindrischen Abschnitt (4.2) übergeht. In diesem Bereich des engsten Strömungsquerschnitts ist das umlaufende Turbinenrad (2) angeordnet. Die mit der Verengung einhergehende Querschnittsre­ duzierung um 20%-30% bewirkt nach dem Kontinuitätsgesetz eine dementspre­ chende Erhöhung der Durchtrittsgeschwindigkeit der Strömung, die aufgrund des höheren Druckverlusts gegenüber der ungestörten Meeresströmung zu etwa 70% - 75% realisiert wird. Aus praktischen Versuchen wurde beispielsweise eine Be­ schleunigung der Wasserströmung von 2,2 m/s auf 3,1 m/s vor dem Turbinenrad (2) festgestellt.

In dem stromab des Turbinenrades (2) sich erweiternden Abschnitt des Strömungs­ kanals (15) erfolgt die verlustarme Verzögerung der Strömung.

Gegenüber dem an sich bekannten Diffusor zeichnet sich der erfindungsgemässe Gehäuseauslauf 4.3 durch ein weit grösseres Öffnungsverhältnis und eine konkave Innenkontur (6) oder eine stufenweise konische Innenkontur (6) mit steigendem Öff­ nungswinkel aus.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist der sich erweiternde Gehäuseabschnitt (4.3) mit drei Ringspalten (5.1), (5.2) und (5.3) ausgerüstet, angeordnet in den Berei­ chen mit einer Querschnittsfläche von 110%, 135% und 170% gegenüber der Fläche des zylindrischen Abschnitts (4.2). Die Breite der Ringspalte (5) ist so konzipiert, dass sie den Strömungsquerschnitt jeweils um etwa 3%-4% erweitern.

Die Öffnungswinkel steigen von 20°-25° vor dem ersten, 30-35° vor dem zweiten und 55°-60° vor dem dritten Spalt auf bis zu 130° am Gehäuseaustritt (8).

Das Mantelgehäuse (4) ist vorzugsweise mehrteilig ausgebildet, wobei eine schmale strömungsgünstige Formgebung den Strömungswiderstand niedrig hält. Es umfasst ein erstes zentrales Gehäusesegment (9), das über strömungsgünstig ausgebildete Rippen (14) mit dem Generatorgehäuse (3) starr verbunden ist und im wesentlichen die Einlaufpartie (4.1), den vom Turbinenrad (2) beaufschlagten zylindrischen Be­ reich (4.2) und die beginnende diffusorartige Erweiterung (4.3) bis hin zum ersten Ringspalt (5.1) bildet, sowie in Abhängigkeit von der Anzahl der Ringspalte (5) eine Reihe von ringförmigen Diffusorelementen (10), (11), (12) mit steigendem Querschnitt. Der erste Ringspalt (5.1) wird realisiert, indem das ringförmige Diffusorelement (10), dessen Innendurchmesser entsprechend der doppelten Spaltbreite den Aussen­ durchmesser des zentralen Gehäusesegments (9) übersteigt, konzentrisch und überlappend zum ersten Gehäusesegment (9) angeordnet wird. In analoger Weise werden die folgenden Ringspalte (5.2) und (5.3) durch überlappende Anordnung der Diffusorelemente (10), (11) und (11), (12) gebildet, wie dies Fig. 2 deutlich wieder­ gibt. Die Diffusorelemente (10), (11), (12) sind mittels parallel zur Anlagenachse (16) angeordneter Streben (13) untereinander oder mit dem zentralen Gehäuseteil (9) verbunden. Die Innenflächen (6) dieser Diffusorelemente (10), (11), (12) sind konkav oder konisch ausgerundet ausgebildet.

Durch die Ringspalte (5) strömt schnelleres, am Mantelgehäuse (4) aussen vor­ beifliessendes Wasser in den sich erweiternden Strömungskanal (15) ein und lehnt sich an den konkaven oder konisch ausgerundeten Innenmantel (6) der Diffusorele­ mente (10), (11) und (12) an. Die aus der Beschleunigung der Randströmung resul­ tierende Druckabsenkung bewirkt insgesamt einen radialen Druckgradienten mit der Folge, dass die Strömung innerhalb des sich diffusorartig erweiternden Mantelge­ häuses (4.3) nach aussen gezogen wird und auf diese Weise dem vergrösserten Öffnungswinkel ohne Abriss folgen kann.

Die grundlegenden Grössenverhältnisse des Mantelgehäuses (4) gehorchen in etwa den folgenden Beziehungen. Bezogen auf den Gehäusequerschnitt im Abschnitt (4.2) mit dem umlaufenden Turbinenrad (2) beträgt der Einlassquerschnitt (4.1) an der Gehäusevorderkante (7) etwa das 1,2- bis 1,3-fache und der Austrittsquerschnitt (4.3) an der Gehäusehinterkante (8) etwa das 2- bis 2,5-fache dieses Querschnitts. Die Gehäuselänge beträgt etwa das 0,8-fache des engsten Querschnitts, die Breite der Ringspalte (5) etwa 3-4% dieses Wertes.

Eine für eine Strömungsgeschwindigkeit von 2 m/s und eine Leistungsabgabe von 500 kW ausgelegte Vorrichtung gemäss der Erfindung kann beispielsweise folgen­ dermassen dimensioniert sein:
Durchmesser des Turbinenrades: 11,0 m
Gehäusedurchmesser am Eintritt: 12,7 m
Gehäusedurchmesser am Austritt: 16,6 m
Länge des Mantelgehäuses: 8,8 m
Anzahl der Ringspalte: 3
Ringspaltbreite: 15 cm

Vorzugsweise wird das Turbinenrad (2) mit drei bis fünf Blättern ausgeführt. Dies gewährleistet, dass der Läufer schon bei der relativ niedrigen Strömungsgeschwin­ digkeit von weniger als 1,5 m/s in Drehung versetzt wird und eine relativ niedrige Durchgangszahl besitzt.

Über vorzugsweise zwei strömungsgünstig ausgeführte Rippen (14) sind Generator­ gehäuse (3) und Mantelgehäuse (4) starr miteinander verbunden.

Sämtliche Versorgungskabel zum und vom Generatorgehäuse (3), wie Versor­ gungsleitungen für Mess-Steuer- und Regeleinrichtungen sowie die Generatorablei­ tung sind durch eine der Rippen (14) in das Mantelgehäuse (4) geführt, um an ge­ eigneter Stelle aus dem Gehäuse (4) auszutreten und in einem oder mehreren Strängen (17) zunächst zum Grund hinabgeführt und von dort als Grundkabel bis zu einer stationären oder mobilen die Schaltungstechnik, Umrichtereinheit und Netzein­ speisungseinrichtung aufnehmenden Station an Land geführt.

Die Umrichtereinheit dient der Erhöhung der Flexibilität der Anlage. Sie ermöglicht es, einen grossen Bereich unterschiedlicher Strömungsgeschwindigkeiten zur Stromerzeugung nutzen zu können. Zwangsstillsetzungen der Anlage bei einen Ma­ ximalwert übersteigender Strömungsgeschwindigkeit, wie bei Windkraftanlagen üb­ lich, sind damit nicht erforderlich.

Mantelgehäuse (4) ist bis zu Turbinenraddurchmessern von etwa sieben Metern einteilig ausgeführt, darüber herstellungs- und transportbedingt vorzugsweise zwei­ teilig. In letzterem Falle treffen die Halbschalen vorzugsweise im Bereich der beiden Rippen (14) aufeinander und sind dort in geeigneter Weise unter Einschaltung dieser Rippen (14) miteinander verbunden.

Die Wellenabdichtung am Gehäuse (3) für die Generator-/Getriebeeinheit ist als wartungsarme Fettkammerdichtung mit automatischer Nachschmierung bzw. als Schleifringdichtung ausgeführt.

Zur Verhinderung von Beschädigungen der Anlagenbauteile, insbesondere des Tur­ binenrads (2) durch Treibgut, aber auch als Unfallschutz für grössere Lebewesen ist der Strömungskanal (15) einlassseitig durch ein Schutzgitter (19) abgesperrt. Das Schutzgitter (19) ist dabei so gestaltet, dass die Wasserströmung nicht beeinträchtigt wird und auftreffendes Gut nach aussen abgleitet und damit nicht den Einlass bloc­ kieren kann. Die in Fig. 1 dargestellte Ausführungsform zeigt ein sich kegelförmig öffnendes Gitter (19) vor dem Gehäuseeinlass (7).

Fig. 4 gibt einen Vergleich der Leistungsabgabe eines erfindungsgemäss ausgerü­ steten Unterwasserkraftwerks mit einem solchen nach dem Stand der Technik, also ohne Mantelgehäuse, wieder.

Die Werte basieren auf dem Vergleich von Anlagen mit einem Turbinenraddurch­ messer von etwa 20 m. In dem Diagramm ist die Leistungsabgabe [kW] in Abhän­ gigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit [m/s] wiedergegeben.

Der strichliert dargestellt Kurvenverlauf gibt die Verhältnisse bei einer konventionel­ len Turbine ohne Mantelgehäuse wieder, die durchgehende Kurve die Verhältnisse bei einer erfindungsgemäss ausgestatteten Turbine.

Aus dem Diagrammm ist der durch die Erfindung erzielte erhebliche Leistungssteige­ rungsfaktor um das 2 bis 2,5-fache gegenüber einem Turbinenrad ohne erfindungs­ gemässes Mantelgehäuse zu erkennen.

Bezugszeichenliste

1

Energieumwandlungsmodul

2

Turbinenrad

3

Gehäuse mit Generator/Getriebeeinheit

4

Mantelgehäuse

4.1

Einlaufpartie

4.2

zylindrischer Abschnitt

4.3

diffusorartiger Abschnitt

5

Ringspalt

5.1

erster Ringspalt

5.2

zweiter Ringspalt

5.3

dritter Ringspalt

6

Innenmantel

7

Gehäuseeintritt

8

Gehäuseaustritt

9

zentrales Gehäusesegment

10

Diffusorsegment

11

Diffusorsegment

12

Diffusorsegment

13

Streben

14

Rippen

15

Strömungskanal

16

Längsachse

17

Kabelstrang

18

Wasseroberfläche

19

Schutzgitter

Claims (19)

1. Vorrichtung zur Umwandlung der kinetischen Energie einer strömenden Flüssig­ keit, insbesondere einer Meeresströmung, in elektrische Energie, umfassend ei­ nen Generator, der zusammen mit einem Getriebe wasserdicht in einem Gehäu­ se (3) untergebracht ist, eine im wesentlichen horizontal aus dem Gehäuse (3) ragende Getriebewelle sowie ein axial angeströmtes Turbinenrad (2), das ein Drehmoment auf die Getriebewelle überträgt, dadurch gekennzeichnet, dass das Turbinenrad (2) konzentrisch innerhalb eines axial offenen Mantelgehäuses (4) angeordnet ist, welches Mantelgehäuse (4) zumindest überwiegend eine konkav gekrümmte Innenmantellinie (6) mit einer in Strömungsrichtung sich verengenden Einlaufpartie (4.1) stromauf des Turbinenrads (2) und einem sich diffusorartig er­ weiternden Abschnitt (4.3) stromab des Turbinenrads (2) aufweist, und das Mantelgehäuse (4) in dem sich erweiternden Abschnitt (4.3) von mindestens ei­ nem konzentrischen Ringspalt (5) durchbrochen ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Mantelgehäuse (4) in Strömungsrichtung eine sich verengende Einlaufpartie (4.1), einen zumin­ dest annähernd zylindrischen Abschnitt (4.2) mit dem umlaufenden Turbinenrad (2) und einen sich diffusorartig erweiternden Abschnitt (4.3) aufweist,

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Austrittsquer­ schnitt des Mantelgehäuses (4) den Eintrittsquerschnitt um den Faktor 1,2 bis 2,5, vorzugsweise 1,5 bis 2,0 übersteigt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der sich erweitern­ de Gehäuseabschnitt (4.3) eine konkav gekrümmte Innenmantellinie (6) aufweist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Krümmungsra­ dius in Strömungsrichtung zunimmt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der sich erweitern­ de Gehäuseabschnitt (4.3) konisch ausgerundete Abschnitte mit in Strömungs­ richtung steigendem Öffnungswinkel aufweist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge des Mantelgehäuses (4) dem 0,8-fachen des Turbinenraddurchmessers (2) ent­ spricht.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge des sich erweiternden Abschnitts (4.3) ein Mehrfaches, vorzugsweise das 2- bis 4-fache der Länge der sich verengenden Einlaufpartie (4.1) beträgt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Öffnungswinkel am Eintritt (7) des Mantelgehäuses (4) 90° bis 120° beträgt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Öffnungswinkel 105° beträgt.

11. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Mantelgehäuse (4) drei Ringspalte (5.1), (5.2), (5.3) aufweist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Ring­ spalte (5) jeweils eine Erweiterung des Strömungsquerschnitts um 3-4%, vor­ zugsweise 3,5%, erfolgt.

13. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Erweiterungs­ winkel des Mantelgehäuses (4) vor dem ersten Ringspalt 22°, vor dem zweiten Ringspalt 34°, vor dem dritten Ringspalt 56° und an der Austrittskante (8) 130° beträgt.

14. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Mantelgehäuse (4) mehrteilig ausgebildet ist, umfassend ein erstes zentrales Gehäusesegment (9), das über strömungsgünstig ausgebildete Rippen (14) mit dem Generatorge­ häuse (3) starr verbunden ist und im wesentlichen die Einlaufpartie (4.1), den vom Turbinenrad (2) beaufschlagten zylindrischen Abschnitt (4.2) und die begin­ nende diffusorartige Erweiterung (4.3) bis hin zum ersten Ringspalt (5.1) auf­ nimmt, sowie in Abhängigkeit von der Anzahl der Ringspalte (5) eine Reihe von ringförmigen Diffusorelementen (10), (11), (12) mit steigendem Querschnitt, wobei der Innendurchmesser am Einlass jedes Diffusorelements (10), (11) oder (12) dem Aussendurchmesser am Auslass des vorgelagerten Gehäussegements (9) oder Diffusorlements (10) oder (11) plus der doppelten Spaltbreite des einge­ schlossenen Ringspalts (5) entspricht und diese Gehäusesegmente (9), (10), (11) und (12) mit steigendem Querschnitt jeweils zueinander konzentrisch und sich überlappend angeordnet werden.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenflächen (6) dieser Diffusorelemente (10), (11), (12) konkav oder konisch ausgerundet aus­ gebildet sind.

16. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die durch die Ringspalte (5) getrennten Gehäusesegmente (9), (10), (11) und (12) mittels paral­ lel zur Anlagenachse (16) angeordneter strömungsgünstig gestalteter Streben (13) verbunden sind.

17. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Generatorgehäuse (3) und Mantelgehäuse (4) über mindestens zwei strömungsgünstig geformte Tragrippen (14) starr miteinander verbunden sind.

18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Rippen (14) die Versorgungsleitungen und die Generatorableitung geführt sind.

19. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Turbinenrad (2) drei bis fünf Blätter aufweist.