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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einem tiefschlächtigen Wasserrad für Wasserkraftmaschinen, das ortsfest schwimmend auf einem fließenden Gewässer oder fest am Rand eines fließenden Gewässers, jedoch in das Gewässer eintauchend, angeordnet ist, nach der Gattung des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Aufgrund der mit der Erschließung fossiler Energieträger und des Einsatzes der Kernenergie derzeit noch verhältnismäßig kostengünstig zur Verfügung stehenden Energie hat die Ausnutzung der Wasserkraft in hochindustrialisierten Ländern lediglich in hocheffizienten Wasserturbinenanlagen eine nennenswerte wirtschaftliche Bedeutung. Es ist sicher unbestritten, dass die Wasserkraft ebenso wie die Sonnen- und Windenergie eine alternativ zu den fossilen Brennstoffen und der Atomenergie zur Verfügung stehende Energieform ist. Allerdings ist ihre Ausnutzung immer an fließende Gewässer, also potenzielle Höhenunterschiede gebunden. Während effiziente Wasserturbinenanlagen auf verhältnismäßig große Höhenunterschiede von mehr als 30 m angewiesen und zudem technisch sehr aufwändig sind, ist der Einsatz von oberschlächtigen Wasserrädern je nach Durchmesser des Wasserrades bereits bei Stauhöhen von 2 bis 4 m und von mittel- und unterschlächtigen Wasserrädern ab ca. 0,5 m möglich. Ohne eine Stauhöhe kommen tiefschlächtige Wasserräder aus. Sie stellen eine Sonderform der unterschlächtigen Wasserräder dar und nutzen ausschließlich die natürliche Fließgeschwindigkeit von Flüssen und Bächen bzw. Kanälen aus. Ihre Schaufeln tauchen in das nicht angestaute Gewässer ein. Nach diesem Prinzip arbeiten beispielsweise Schiffsmühlen oder auf Schwimmkörpern montierte Wasserkraftwerke. Dem Vorteil des verhältnismäßig geringen Investitionsaufwandes für ein derartiges Wasserkraftwerk steht jedoch der verhältnismäßig geringe Wirkungsgrad tiefschlächtiger Wasserräder, der bei etwa 30% liegt, entgegen. Deshalb und weil der Einsatz solcher Wasserkraftwerke auch an Flüssen mit niedriger Fließgeschwindigkeit und bei niedrigen Eintauchtiefen der Schaufeln und somit außerhalb der Fahrrinne von Flüssen möglich ist, wurde in der Vergangenheit immer wieder versucht, durch konstruktive Maßnahmen den Wirkungsgrad unter- und tiefschlächtiger Wasserräder zu verbessern.
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So ist beispielsweise eine Wasserkraftmaschine mit mindestens einem unterschlächtigen Wasserrad bekannt, das einen Generator antreibt. Wasserrad und Generator sind auf einer Schwimmplattform angeordnet, die mindestens einen Strömungskanal für jedes Wasserrad aufweist bzw. der mindestens ein Strömungskanal je Wasserrad vorgelagert ist. Der Strömungskanal besteht aus einem sich in Fließrichtung des Gewässers verengenden Strömungstrichter, der aus zwei Seiten-Leitblechen sowie einem oberen und einem unteren Leitblech gebildet ist. Mindestens eines der Leitbleche ist zur Variierung des Strömungsquerschnitts schwenkbar angeordnet (
DE 10 2009 029 920 A1 ). Durch diesen Strömungstrichter kann zwar das seitliche Abströmen des Wassers an den Schaufeln reduziert und dadurch der Staudruck an der Schaufel erhöht werden, jedoch besteht bei diesen unterschlächtigen Wasserrädern das Problem des erhöhten Ein- und Austauchwiderstandes beim Ein- und Austauchen der Schaufeln aus dem Wasser, wodurch der Wirkungsgrad der Wasserkraftmaschine verringert wird.
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Ein lotrechtes Austauchen aus dem Unterwasser wird durch die Anordnung von sog. Pendelschaufeln an einem tiefschlächtigen Wasserrad erreicht. Hierzu ist die herkömmliche starre Speiche des Wasserrades in eine innere Starrspeiche und eine über ein Gleitlagergelenk gelenkig mit dieser verbundene Pendelspeiche aufgeteilt. Die gelenkige Verbindung erfolgt etwa in der Mitte des Radius des Wasserrades. Die von der Strömung beaufschlagte Schaufel kann somit um 90° frei pendeln. Zur Belastung des Drehpunktes müssen die Starrspeichen mit einem Zugstangenkranz versehen sein. Bei Holzkonstruktionen müssen zudem zur Gegenwirkung gegen den Auftrieb die Schaufelplatten mit Stahlplatten versehen sein. Die beim Austauchen sich abwinkelnden Pendelspeichen werden jeweils von dem durch die Abwinkelung frei werdenden Ende der nachfolgenden Starrspeiche aufgenommen (
DE 10 2010 023 889 A1 ).
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Abgesehen von dem verhältnismäßig hohen Aufwand der Teilung der Speichen und der zusätzlich erforderlichen Mittel zur Kraftübertragung von den Schaufeln auf die Welle des Wasserrades, hat dieses tiefschlächtige Wasserrad immer noch den Nachteil, dass die Schaufeln nach Überwindung des Scheitelpunktes des Wasserrades zum Oberwasser hin lediglich um 90° umklappen, sich also wieder radial ausrichten, so dass sie im Winkel auf die Wasseroberfläche des Oberlaufs auftreffen. Dadurch müssen die Schaufeln des Wasserrades von ihrem Auftreffen auf die Wasseroberfläche bis zum Erreichen seines unteren Scheitelpunktes Verdrängungsarbeit leisten. Die damit verbundenen Energieverluste führen immer noch zu einer Verringerung des Wirkungsgrades des Wasserrades.
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So verhält es sich auch bei dem durch ein tiefschlächtiges Wasserrad angetriebenen Strommotor aus dem Jahr 1922, bei dem an die freien Enden der Speichen des Wasserrades in das Wasser tauchende Paddel entgegen der Drehrichtung des Wasserrades schwenkbar angeordnet sind. Beim Auftauchen der Paddel aus dem Wasser knicken sie von der Speiche ab, so dass sie das Wasser senkrecht verlassen, legen sich am Umfang des Wasserrades an und klappen, nachdem die Speiche, an der sie befestigt sind, ihre waagerechte Position verlassen hat, wieder in ihre ursprüngliche Lage, in der sie die radiale Verlängerung der Speiche bildet, zurück (
US 1 406 031 A ). In der Position schlagen sie allerdings in einem bestimmten Winkel mit einem großen Teil ihrer Fläche auf das Wasser auf und erzeugen so, wie oben beschrieben, kurzzeitig einen Abbremsimpuls auf das Wasserrad. Abgesehen von einem ggf. geringeren konstruktiven Aufwand, weist diese technische Lösung die gleichen energetischen Nachteile auf wie das zuvor beschriebene tiefschlächtige Wasserrad
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Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, die Energieverluste bei tiefschlächtigen Wasserrädern weiter zu verringern, ihre Konstruktion, insbesondere das Umklappen ihrer Schaufeln, zu vereinfachen und dadurch den Aufwand ihrer Herstellung zu verringern.
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Die Erfindung und ihre Vorteile
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Das erfindungsgemäße tiefschlächtige Wasserrad mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat gegenüber dem oben beschriebenen Stand der Technik den Vorteil, dass die schwenkbare Anordnung der Schaufeln am Wasserrad technisch wesentlich vereinfacht gelöst ist, so dass auch kein Umklappen der Schaufeln mehr notwendig ist. Zudem wurde erreicht, dass die Schaufeln auch beim Eintauchen in das Wasser eine senkrechte Position haben, wodurch sich auch die beim Eintauchen in das Wasser auftretende Verdrängungsarbeit der Schaufeln auf ein Minimum reduziert und dadurch die Energieverluste tiefschlächtiger Wasserräder weiter reduziert werden. Bei einem dreifachen Hebelarm zur Drehachse ist theoretisch ein dreifaches Drehmoment an der Welle des Wasserrades abgreifbar. Somit steht im Vergleich mit herkömmlichen unterschlächtigen Wasserrädern die dreifache Energie zur Verfügung, wodurch der deutlich höhere Wirkungsgrad von oberschlächtigen Wasserrädern erreicht wird.
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Erfindungsgemäß sind die Schaufeln des tiefschlächtigen Wasserrades mittels einer drehrichtungsgeschalteten Kupplung an dem Wasserrad befestigt, die ihre Schwenkbewegung in Strömungsrichtung des Wassers blockiert, jedoch von dem Augenblick an, da sie sich nach dem Auftauchen durch die Drehung des Wasserrades entgegen der Strömung bewegen können, die Drehbewegung freigibt. Durch ihr Eigengewicht bleiben sie demzufolge wie Gondeln eines Riesenrades an dem Wasserrad senkrecht hängen, tauchen auf der stromaufwärts gelegenen Seite wieder senkrecht in das Wasser ein und nach Passieren des unteren Scheitelpunktes auch senkrecht wieder aus dem Wasser auf. Die Schaufeln behalten somit während einer Umdrehung des Wasserrades immer ihre senkrechte Stellung bei und werden daher auch als hängende Schaufeln bezeichnet.
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Die zur Lagerung der Wasserräder verwendeten drehrichtungsgeschalteten Kupplungen sind beispielsweise als Freiläufe bekannt, wie sie beispielweise auch bei Hinterrädern von Fahrrädern eingesetzt werden.
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Ein zusätzlicher Vorteil der Erfindung ist durch den deutlich ruhigeren Lauf des Wasserades gegeben, da die Schaufeln nach Passieren des oberen Scheitelpunktes nicht mehr umklappen und dadurch ein damit verbundener Stoß vermieden wird. Die stoßfreie Anordnung der Schaufeln reduziert auch die Belastung der Kupplungen sowie ihrer Lagerung.
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Ein weiter Vorteil der Freilauflagerung der Schaufeln besteht darin, dass sie problemlos Hindernissen, wie z. B. vom Wasser mitgeführtem Treibgut ausweichen können, wodurch sich die Havariegefahr dieser Wasserräder verringert.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die drehrichtungsgeschalteten Kupplungen am Umfang des Radkörpers angeordnet. Das ist dann von Vorteil, wenn das Wasserrad in traditioneller Bauweise auf von der Nabe radial nach außen strebenden Speichen besteht, die an ihren äußeren freien Enden über einem Radreifen miteinander verbunden sind.
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Nach einer anderweitigen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die drehrichtungsgeschalteten Kupplungen an den Speichen des Radkörpers angeordnet. Das ist dann sinnvoll, wenn der Radkörper lediglich Speichen aufweist.
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Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen entnehmbar.
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Zeichnung
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Der Gegenstand der Erfindung ist in der Zeichnung am Beispiel eines schwimmenden Wasserrades dargestellt und wird im Folgenden näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine Seitenansicht des Wasserrades und
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2 eine Vorderansicht des Wasserrades.
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Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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1 und 2 zeigen den prinzipiellen Aufbau eines erfindungsgemäßen tiefschlächtigen Wasserrades, das aus einem Radkörper 1 besteht, der aus zwei quer zur Strömungsrichtung beabstandeten Radscheiben 2 mit jeweils einer Radnabe 3 gebildet ist. Jede Radscheibe 2 wird aus von der Radnabe 3 ausgehenden und radial nach außen strebenden Speichen 4 gebildet, die an ihren äußeren Enden über einen Radkranz 5 miteinander verbunden sind. Die beiden Radscheiben 2 sind im Bereich ihrer Radkränze 5 über parallel zur Drehachse des Wasserrades angeordnete Querstreben 6 in einem bestimmten Abstand zueinander, der die Breite des Radkörpers 1 bestimmt, gehalten und starr miteinander verbunden. Jede Radscheibe 2 ist über ihre Radnabe 3 drehfest mit einer Welle 7 verbunden, die jeweils außenseitig der Radnaben 3 in einem Achslager 8 drehbar gelagert ist und über die das Drehmoment des Wasserrades zum Antrieb einer hier nicht dargestellten Wasserkraftmaschine übertragen wird.
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Die Achslager 8 sind jeweils auf einem Schwimmkörper 9 befestigt, wobei die beiden Schwimmkörper 9 quer zur Strömung einen Abstand zueinander aufweisen, der größer als die Breite des Wasserrades ist. Die Richtung der Strömung ist in 1 mit drei Pfeilen, die Höhe des Wasserspiegels 10 in beiden Fig. mit einer Wellenlinie und die Drehrichtung des Wasserrades mit einem links des Wasserrades im Urzeigersinn weisenden Pfeil gekennzeichnet.
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Wie aus 2 erkennbar ist, sind die den Abstand der beiden Radscheiben 2 bestimmenden Querstreben 6 in sich am Radkranz 5 in axialer Richtung gegenüberliegend angeordneten Lagerböcken 11 befestigt. Diese Lagerböcke 11 nehmen jeweils eine drehrichtungsabhängige Freilaufkupplung 12 auf, deren lediglich entgegen der Strömungsrichtung drehbares Teil jeweils im Bereich ihrer Oberkante mit einer Schaufel 13 fest verbunden ist. Die Drehrichtung der Freilaufkupplung ist in 1 an dem sich in oberster Position befindlichen Lagerbock 11 durch einen entgegen dem Uhrzeigersinn weisenden Pfeil angezeigt. Die Schaufeln 13 sind somit hängend zwischen den beiden Radscheiben 2 befestigt. Durch die einseitig sperrende Drehrichtung der Freilaufkupplungen 12 können die Schaufeln 13 nur in eine Richtung pendeln, nämlich entgegen der Strömungsrichtung des Wassers.
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Aus 2 ist erkennbar, dass jede Schaufel 13 aus einem rechteckigen Strömungsblech besteht, dessen Breite etwas kleiner ist als der Abstand der beiden Radscheiben 2. Die Höhe jeder Schaufel 13 muss kleiner sein als der Radius des Radkörpers 1, so dass sie beim Passieren ihrer obersten Position mit ihrer Unterkante nicht an der Welle 7 anstößt und ihre senkrechte Lage beibehalten kann.
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Nachfolgend wird die Funktionsweise des tiefschlächtigen Wasserrades näher beschrieben: Das tiefschlächtige Wasserrad wird in bekannter Weise oberhalb eines Fließgewässers, im vorliegenden Beispiel auf zwei auf dem Gewässergrund oder an dem Ufer verankerten Schwimmkörpern 9 so angeordnet, dass ihre Schaufeln 13 beim Durchfahren der tiefsten Position zumindest überwiegend, vorteilhafterweise jedoch in ihrer gesamten Höhe, in das Wasser eintauchen, ohne dass sie den Gewässergrund berühren. Ihre Eintauchtiefe kann über das Gewicht der Schwimmkörper 9 variiert und somit an den Wasserstand angepasst werden. Da die Freilaufkupplungen 12 eine Schwenkbewegung der Schaufeln 13 in Strömungsrichtung des Wassers sperren, bietet die vom Wasser berührte Fläche der Schaufeln 13 einen Strömungswiderstand, wodurch ein Drehmoment auf den Radkörper 1 ausgeübt wird, infolgedessen dieser in Rotation versetzt wird. Durch die einseitige Sperrung der Drehrichtung der Schaufeln 13 ändern diese während der Drehung des Radkörpers nicht ihre Winkelposition gegenüber der Strömungsrichtung des Wassers, so dass die Strömung, solange die Schaufeln eingetaucht sind, immer senkrecht auf die eingetauchte Fläche der Schaufeln 13 auftrifft, d. h., dass die Schaufeln 13 senkrecht in das Wasser eintauchen und auch senkrecht aus dem Wasser auftauchen. Lediglich die Größe der vom Wasser berührten Fläche verändert sich dabei. Dadurch werden die Energieverluste beim Ein- und Auftauchen der Schaufeln 13 minimiert. Unabhängig von ihrer Position am Umfang des Radkörpers 1 und vom Betriebszustand des Wasserrades befinden sich die Schaufeln 13 aufgrund ihres Eigengewichts immer in einer hängenden Position, so dass sie zu keinem Zeitpunkt umklappen müssen, wodurch weitere Energieverluste und Belastungen des Wasserrades vermieden werden.
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Alle hier dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Radkörper
- 2
- Radscheibe
- 3
- Radnabe
- 4
- Speichen
- 5
- Radkranz
- 6
- Querstrebe
- 7
- Welle
- 8
- Achslager
- 9
- Schwimmkörper
- 10
- Wasserspiegel
- 11
- Lagerbock
- 12
- Freilaufkupplung
- 13
- Schaufel