专利摘要:

公开号:WO1985004452A1
申请号:PCT/HU1985/000023
申请日:1985-04-02
公开日:1985-10-10
发明作者:Tibor Kenderi
申请人:Tibor Kenderi;
IPC主号:F03B13-00
专利说明:
[0001] Hydropneumatische Wasserkraftmaschine
[0002] Technisches Gebiet der Erfindung
[0003] Die Erfindung betrifft eine hydropneumatische Wasserkraftmaschine, in welcher ein durch sich in ständig langsamer Bewegung befindliche große Wassermengen betätigter, als doppelwirkende Kolbenpumpe für eine hydraulische Druckflüssigkeit ausgelegter Arbeitszylinder diese Druckflüssigkeit in einem an sich bekannten Zweiphasen-Hydropneumatischen Druckspeicher auf einen voreingestellten hohen Druck bringt, und die Energie dieser Druckflüssigkeit im Entspannungsraum einer bekannten Strömungsmaschine in mechanische Arbeit bzw. in einem gekoppelten Generator in elektrische Energie umgewandelt wird.
[0004] Beschreibung des Standes der Technik Bereits seit Jahrtausenden sind Wasserkraftmaschinen bekannt, welche die Energie von strömenden oder aus Höhenlagen herabfallenden Oberflächengewässern zum Antreiben von verschiedenen Arbeitsmaschinen, insbesondere von Mühlen, Wasserhebemaschinen usw. verwerten. Es sind ferner auch Einrichtungen und Anlagen bekannt, in welchen der Seegang, d.h. die durch Ebbe und Elut bewirkte periodische Wasserpegelschwankung oder die kinetische Energie des ständigen Wellenganges der Weltmeere nutzbar gemacht wird.
[0005] Mit Schaufelrädern angetriebene Wassermühlen sind auch heutzutage noch vielerorts in Betrieb, obwohl derartige technische Lösungen immer mehr nur noch als Űberbleibsel und Baudenkmäler veralteter Technik einer älteren Zeit angesehen werden.
[0006] Die bekanntesten Typen zeitgenössischer Wasserkraftmaschinen verkörpern die verschiedenen Ausführungen von Wasserturbinen. Zum Betrieb von Turbinen sind jedoch ein hoher Druck bzw. dementsprechend hohe Wasser-Strömungsgeschwindigkeiten erforderlich. Es sind beispielsweise Wasserkraftwerke bekannt, bei welchen die Fallhöhe, d.h. der Pegelunterschied zwischen der Oberwasserweite und der Dhterwasserseite mehr als 200 m beträgt. Zwecks Erreichung der erforderlichen Fallhöhe bzw. einer hinreichenden Speisewasser-Vorratsmenge werden Stauwehre, nicht selten Talsperren als große Bauvorhaben errichtet. Dadurch ist meistens ein hinreichend gutes technisches Resultat gewährleistet. Nachteile zeigen sich jedoch im allgemein äußerst hohen Investkostenaufwand und in den heutzutage bereits betont erkannten und häufig wirklich katastrophalen umweltschädigenden Auswirkungen derartiger Bauvorhaben.
[0007] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wasserkraftmaschine zu schaffen, welche die Nutzbarmachung der Energie von sich langsam bewegenden großen Wassermengen in einer den modernen Anforderungen entsprechenden Form ermöglicht.
[0008] Beschreibung der Erfindung
[0009] Die gestellte Aufgabe wird durch eine hydropneumatische Wasserkraftmaschine der eingangs erwähnter Art gelöst, bei welcher in einem an einer geeignet gewählten Stelle eines Oberflächenwassers in der entsprechend verfestigten Wassersohle verankerten Wehr erfindungsgemäß mindestens ein jeweils über in Wassersohlennähe ausgebildete, mittels Sperrorgane steuerbar verschließbare Durchlaßoffnungen von hinreichend großem Querschnitt sowohl oberwasserseitig wie auch unterwasserseitig verbindbarer, in wesentlichen vertikaler innerer Schacht vorhanden ist. In oder in jeden Schacht ist ein genügend schwer dimensionierter Schwimmkörper in vertikaler Schachtrichtung freibeweglich geführt. Der Schwimmkörper ist über ein vorzugsweise längenverstellbares Gestänge nit einer Flüaaigkeitspumpe, zwäcknässig nit den Kolben eines druck aeitig auf den Flüssigkeitarauπ eines vorzugsweise hydropneumatischen Druckspeichers arbeitenden, als doppeltwirkende Kolbenpumpe für eine hydraulische Druckflüssigkeit ausgelegten Arbeitszylinders in beiden Hubrichtungen kraft- und bewegungsübertragend verbunden. (Der Druckspeicher enthält allgemein oberhalb des Druckflüsaigkeitspegels stets in Abhängigkeit von letzteren konprinierte Luft.) Der Flüasigkeitaraun des hydropneumatiachen Druckspeichers ist weiters über eine Druckleitung nit den Entapannungsraum einer an sich bekannten Strönunganaachine, vorzugaweiae einer Turbine oder eines Hydromotors, zwecks arbeitsverrichtender Entspannung der hydraulischen Druckflüsaigkeit verbunden.
[0010] Zur betriebsmäsaigen Steuerung der erfindungsgemäasen Wasserkraftmaschine dient eine Einrichtung, welche vorzugsweise mindenstens Pegelstandfühler für den Ober- und den Unterwasaeratand nit beinhaltet und in ainngemäaaer Abhängigkeit von der Änderung der beideraeit dea Wehrea jeweils vorhandenen Waaaeratandshöhen die Sperrorgane steuert.
[0011] In vorteilhaften Weiterbildungen der erfindungsgemässen Waaaerkraftmaachine ist für die hydraulische Druckflüaaigkeit ein geachloasener Kreislauf vorgeaehen. Hierbei kann der ala doppeltwirkende Kolbenpumpe ausgelegte Arbeitazylinder über eine Saugleitung aaugaeitig mit einen den Entapannungaraum der Strömungamaachine zugeordneten Vorratabecken zur Sammlung der entapannten Druckflüaaigkeit verbunden sein. Die erfindungsgemäße Wasserkraftmaschine ist in der Lage, die Energie von sich langsam bewegenden bzw. in langsamer Bewegung befindlichen hohen Wassermengenin mechanische Arbeit (in Rotationsbewegung einer Antriebswelle mit entsprechendem Drehmoment) umsetzen. Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, falls die Strömungsmaschine, die wie erwähnt sowohl eine Turbine wie auch ein Hydromotor sein kann, mit einem Generator zur elektrischen Energieerzeugung antriebsverbunden ist. Als hydraulische Druckflüssigkeit können die an sich bekannten Hydrauliköle oder aber auch Wasser, das durch Zugabe von geeigneten Additiven hinreichend schmierfähig gemacht und schaumgebremst ist, verwendet werden. Auch für die Verhinderung von Korrosionsschäden soll dabei naturgemäß Sorge getragen werden.
[0012] Bereits aus den obigen wesentlichen Merkmalen der erfindungsgemäßen neuen Wasserkraftmaschine dürfte klar ersichtlich sein, daß sie bereits bei geringen Pegelstandunterschieden von 1-2 Metern zwischen Ober- und Unterwasser voll betriebsfähig ist, und der Druck der zur
[0013] Arbeitsübertragung verwendeten hydraulischen Druckflüssigkeit kann ohne jegliche Schwierigkeit auf einen zwischen 6 bis 10 kp/cm2 liegenden konstanten Wert, der bei Wasserkraftmaschinen bereits als ideell bezeichnet werden kann, gebracht werden.
[0014] Aus der erfindungsgernäßen Lösung resultiert ferner, daß mit der gut schraierfähigen und von Verschleiß verursachenden Verunreinigungen völlig freien hydraulischen Druckflüssigkeit auch Hydromotore zum Antrieb von stromerzeugenden Generatoren direkt angetrieben werden können, wobei der Wirkungsgrad derartiger Hydromotore denjenigen von Turbinen bekanntlich mehrfach übersteigt. Die besonders vorteilhaften Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung können in erster Linie auf die folgenden karakteristischen Merkmale zurückgeführt werden:
[0015] Die erfindungsgemäße Wasserkraftmaschine kann bei Stauwerten, die unterhalb der Hochwasser-Pegelhöhe der Oberflächengewässer, insbesondere Flüsse liegen, betrieben werden. Demzufolge kann auf die Errichtung von speziellen Schutzdammsystemen verzichtet werden und somit wird die gegebene, naturbedingste Umgebung der Flüsse unberührt belassen. Es besteht daher keine Gefahr von Umweltbeschädigung.
[0016] Die Erfindung ermöglicht die Ausnutzung und Nutzbarmachung der Energie von Flüssen, welche hohe Wassermengen mit geringem Gefälle führen. Ebenfalls ist es gut möglich, die kinetische Energie eines geringen periodischen Seeganges mit Pegelstandsunterschieden von nur 1-2 m zwischen Ebbe und Flut zur Energiegewinnung zu verwerten.
[0017] Die erfindungsgemäße Wasserkraftmaschine kann auch bei alternativ wechselnden Wasserständen, d.h. bei ständigern Wechsel von Ober- und Unterwasserseite beiderseits des errichteten Wehres betrieben werden. Hierdurch werden grundsätzlich neue Nutzungsmöglichkeiten des periodischen Seeganges, d.h. der periodischen Schwankung des Seewasserspiegels zwischen Ebbe und Flut eröffnet. Zur technischen Verwirklichung, Realisierung der erfindungsgemäßen Wasserkraftmaschine sind neue oder speziell zweckgerichtet zu entwickelnde Werkstoffe und/oder Technologien nicht erforderlich. Sämtliche Bestandteile und Baugruppen können aus industriell bereits jahrzentelang in breitem Umfang hergestellten und erprobten Elementen aufgebaut sein. Erfindungsgemäße Wasserkraftmaschinen und Energieerzeugungssysteme, die solche Maschinen als Einheiten oder Baugruppen beinhalten, können schließlich - insbesondere als Folge des nur geringen Stauhöhenbedarfes - mit geringem Investkostenaufwand und risikofrei errichtet werden.
[0018] Kurze Beschreibung der Zeichnungsfiguren
[0019] Das Wesen der Erfindung sowie die Wirkungsweise und weitere Merkmale der erfindungsgemäßen Wasserkraftmaschine werden nachstehend an einem Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher beschrieben. In der Zeichnung sind Fig. 1 ein stark vereinfachtes Funktions- und
[0020] Blockschaltbild einer beispielsweisen Ausfuhrung einer erfindungsgemäßen Wasserkraftmaschine, und
[0021] Fig. 2 eine auszugsweise Teildraufsicht eines Wehres, in welchem nebeneinander in Reihe angeordnet mehrere Schächte und Schwimmkörper erfindungsgemäß vorhanden sind.
[0022] Beschreibung eines Ausführungsbeisnieles der Erfindung
[0023] Fig. 1 zeigt in stark vereinfachtem Schnittbild eine beispielsweise Anordnung von Funktionseinheiten einer erfindungsgemäßen Wasserkraftmaschine. An einer geeignet vorgesehenen Stelle eines Oberflächenwassers, beispielsweise Flusses ist in einer hinreichend verfestigten Wassersohle 33 ein Wehr verankert, in welchem erfindungsgemäß mindestens ein im wesentlichen vertikaler innerer Schacht 1 vorhanden ist. Fig. 2 zeigt in auszugsweiser Draufsieht, daß im Wehr nebeneinander mehrere derartige Schächte 1 ausgebildet sein können, wodurch aus erfindungsgemäßen Wasserkraftmaschinen komplette Anlagen zusammengesetzt werden können. Das Wehr selbst kann aus vorgefertigten, am Schauplatz aneinander gereihten Schachtelementen in voller Flußbreite bestehen. Im Schacht 1 ist ein hinreichend gewichtiger Schwimmkörper 4 mittels Rollen 29 in vertikaler Richtung freibeweglich geführt. In Wassersohlennähe ist der Innenraum des Schachtes 1 jeweils über mittels Sperrorgane 2, 3 steuerbar verschließbare Durchlaßöffnungen sowohl oberwasserseitig wie auch unterwasserseitig mit der umgebenden Wassermenge verbindbar. Der Schwimmkörper 4 ist über ein mit Hilfe von einem Nachstellzylinder 6 und Zahnradpumpen 27, 28 längenverstellbares Gestänge mit einer Kolbenstange 7 eines Kolbens 9 eines druckseitig auf den Flüssigkeitsraum eines hydropneumatischen Druckspeichers 13 arbeitenden, als doppeltwirkende Kolbenpumpe für eine hydraulische Druckflüssigkeit 10 ausgelegten Arbeitszylinders 8 in beiden Richtungen kraft- und bewegungsübertragend verbunden. Das Gestänge zwischen Schwimmkörper 4 und Kolben 9 beinhaltet auch zwei Kugelgelenke 5/a und 5/b zur klemmfreien Bewegungsübertragung. Der Flüssigkeitsraum des auf Stützbeinen 32 stehenden Druckspeichers ist einerseits über eine ein Druckregelventil 12 beinhaltende Pumpleitung 11 mit den beiden Zylinderräumen des Arbeitszylinders 9, andererseits über ein Auslaßventil 14 und eine anschließende Druckleitung 18 mit einem Entspannungsraum 19 einer Strömungsmaschine, die hier durch das Laufrad einer Turbine 20 versinnbildlicht ist, verbunden. Der Druckspeicher 13 ist ein an sich bekanntes Druckgefäß, welches oberhalb des jeweils vorherrschenden Flüssigkeitspegels komprimierte Druckluft vom jeweiliger Pegelhöhe abhängigen Druck enthält, und unten mit einem Ablaßventil 30 zur Entleerung und Füllung sowie Reinigung, oben mit einer Druckanzeige 15, ferner mit einer Niveauanzeige 16 sowie einem eingebauten Pegelstandgeber 17 für Fernsteuerungszwecke versehen ist. Um einen geschlossenen Kreislauf für die hydraulische Druckflüssigkeit 10 zu verwirklichen, ist ein dem Entspannungsraum 19 der Turbine 20 zugeordneter Vorratsbecken 21, in welchem die entspannte Druckflüssigkeit 10 aufgefangen und gesammelt wird, über ein Ventil 22 und eine Saugleitung 23 mit den Saugseiten des (durch eingebaute druckgesteuerte Rückschlagventile auf an sich bekannte Weise) als doppelwirkende Kolbenpumpe ausgelegten Arbeitszylinders 8 verbunden.
[0024] Zur (nicht ausführlich dargestellten) Einrichtung zur selbsttätigen Steuerung der Maschine gehören ferner beiderseits des Wehres jeweils in der Oberwasserseite bzw. Unterwasserseite angeordnete Pegelstandfühler 25, 24. Bezugszeichen 26 verdeutlicht den Hochstwasserpegel, den der Wasserstand an der Oberwasserseite erreichen darf.
[0025] Die auf obige Weise aufgebaute, in der Fig. 1 in außerbetrieblichem Ruhezustand dargestellte erfindungsgemäße Wasserkraftmaschine arbeitet auf folgende Weise:
[0026] Beim öffnen des Sperrorgans 3 strömt Wasser von der Oberwasserseite in den Schacht 1 hinein, und der
[0027] Schwimmkörper k- wird angehoben. Űber das Gestänge wird nun der Kolben 9 des Arbeitszylinders 8 nach oben bewegt, und es wird Druckflüssigkeit 10 über die Pumpleitung 11 aus dem oberen Zylinderraum in den Druckspeicher 13 gepumpt. Die Druckluft im Speicher wird weiter komprimiert, es entsteht ein Druckanstieg. Der konstante Sollwert des im Druckspeicher 13 herrschenden Druckes wird durch das Druckregelventil nach oben begrenzt. Wird nun das Aus laßventil 14 geöffnet, so strömt die Druckflüssigkeit 10 über die Druckleitung 18 dem Entspannungsraum 19 der Turbine 20 zu, und sie wird bei gleichzeitiger arbeitsverrichtender Beaufschlagung des Laufrades, wodurch es in Drehung versetzt wird, entspannt. Die Turbine 20, oder ein anstelle einer Turbine auch verwendbarer Hydromotor kann beispielsweise mit einem Generator zur Erzeugung von elektrischen Energie antriebsverbunden sein. Aus dem Vorratsbecken 21 wird beim öffnen des Ventils 22 über die Saugleitung 23 die entspannte Druckflüssigkeit in den Arbeitszylinder 8 (je nach Hubrichtung in den unteren oder oberen Zylinderraum) zurückgesaugt.
[0028] Nachdem der Schwimmkörper 4 seine obere Endlage erreicht hat, wird durch ein Signal der Einrichtung zur selbsttätigen Steuerung der Maschine das Sperrorgan 3 geschlossen, und es wird das Sperrorgan 2 geöffnet. Das Wasser strömt aus dem Schacht 1 aus, der Schwimmkörper beginnt unter Wirkung der Schwerkraft nach unten zu sinken, wodurch der als Pumpe wirkende Arbeitszylinder 8 zwar in entgegengesetzter Richtung, aber ebenfalls auf den Druckspeicher 13 arbeitet. Wird nun die untere Endlage des Schwimmkörpers 4 erreicht, so wird das Sperrorgan 2 geschlossen, das Sperrorgan 3 geöffnet, und der obenbeschriebene Vorgang kann zyklisch von neuem wiederholt werden. Dadurch ist ein stationärer Betrieb gewährleistet.
[0029] Wasserstandsänderungen infolge Ertragsschwankungen wie Hochwasser oder Trockenheitsperioden werden durch die beiden Pegelstandfühler 24, 25 ständig überwacht. Ihre Signale dienen dazu, die Länge des kraft- und bewegungsübertragenden Gestänges durch Betätigung des Nachstellzylinders 6 mit Hilfe der Zahnradpumpen 27, 28 an die jeweiligen Wasserstandshöhen der Oberwasserseite und der Unterwasserseite anzupassen. Die Zahnradpumpen 27, 28 können beispielsweise Hochdruckpumpen von geringer Förderleistung sein. Die zur Führung des Schwimmkörpers 4 dienende Rollen 29 sind zweckmäßig freilaufend gelagerte Räder oder Rollen, die mit einem elastischen, vorzugsweise aus Gummi bestehenden Laufbelag versehen sind. Von Zeit zu Zeit kann erforderlich sein, für die Druckluftverluste im Druckspeicher 13 über ein Nachfüllventil 31 durch Einpressen von Preßluft aufzukommen. Um einen weitgehend pulsierungsfreien Betrieb zu gewährleisten ist es angebracht und von Vorteil, auf einen einzigen hydropneumatischen Druckspeicher 13 gleichzeitig mehrere, von mehreren Schwimmkörpern 4 aus möglichst phasenverschoben betätigte Arbeitszylinder 8 als doppeltwirkende Kolbenpumpen arbeiten zu lassen. Aus derartig zusammengesetzten Baugruppen der erfindungsgemäßen Wasserkraftmaschine können ganze Kraftwerksanlagen aufgebaut werden.
[0030] Im Rahmen des durch die nachstehenden Patentansprüche definierten Schutzumfanges sind natürlich auch andere, von der obenbeschriebenen abweichende Ausführungen der Erfindung zu verwirklichen.
权利要求:
ClaimsPatentansprüche
1. Hydropneumatische Waaaerkraftmaachine, dadurch g e k e nn z e i c hn e t , daas in einen an einer geeignet gewählten Stelle in der entaprechend verfeatigten Waaaeraohle (33) einea Oberflächenwaaaers verankerten Wehr mindeatena ein jeweila über in Waaaeraohlennähe ausgebildete, mittels Sperrorgane (2, 3) ateuerbar verschliessbare Durchlassöffnungen sowohl oberwasserseitig wie auch unterwaaaerseitig mit der Umgebung verbindbarer, in wesentlichen vertikaler innerer Schacht (1) vorhanden und in jedem Schacht (1) ein Schwimmkörper (4) von hinreichend hohen Eigengewicht in vertikaler Schachtrichtung freibeweglich geführt iat, der (die) Schwimmkörper (4) über(ein) vorzugsweiae längenverstellbare(s) Gestänge mit einer Flüasigkeitapumpe, zwäckmäasig mit den Kolben (9) eines druckaeitig auf den Flüssigkeitaraum eines vorzugaweiae hydropneumatiachen Druckapeichers (13) arbeitenden, ala doppeltwirkende Kolbenpumpe für eine hydrauliache Druckflüaaigkeit (10) auagelegten Arbeitszylindera (8) in beiden Hubrichtungen kraft- und bewegungsübertragend verbunden ist, und weiters der Flüsaigkeitsraum des Druckspeichera (13) zwecka arbeitaverrichtender Entapannung der hydrauliachen Druckflüaaigkeit (10) über eine Druckleitung (18) mit den Entapannungaraum (19) einer an aich bekannten Strömungamaachine, vorzugaweiae einer Turbine (20) oder einea Hydromotora verbunden iat.
2. Hydropneumatische Waaaerkraftmaachine nach Anapruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daas aie auch mit einer vorzugaweiae Pegelatandfühler (24, 25) für Ober- und Unterwaaaeratand mit beinhaltenden Einrichtung zur aelbattätigen Steuerung der Sperrorgane (2, 3) in sinngemäsaer Abhängigkeit von der Änderung der beiderseits des Wehres jeweils vorhandenen Waaaeratandahöhen auage rüstet ist.
3. Hydropneumatische Wasserkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch ge k e nn z e i c hn e t , daß für die hydraulische Druckflüssigkeit (10) ein geschlossener Kreislauf vorhanden ist, indem der (die) als doppeltwirkende(n) Kolbenpumpe(n) ausgelegte(n) Arbeitszylinder (8) saugseitig über eine Saugleitung (23) mit einem dem Entspannungsraum (19) der Strömungsmaschine zugeordneten Vorratsbecken (21) zur Sammlung der entspannten Druckflüssugkeit (10) verbunden ist(sind).
4. Hydropneumatische Wasserkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch g e k e nnz e i c hn e t , daß die Strömungsmaschine, vorzugsweise Turbine (20) oder Hydromotor mit einem elektrischen Generator zur elektrischen Energieerzeugung antriebsverbunden ist.
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