DE60204707T2

DE60204707T2 - Unterwassermantel-turbine

Info

Publication number: DE60204707T2
Application number: DE60204707T
Authority: DE
Inventors: V. Barry DAVIS; Emmanuel Grillos; Stephen Allison
Original assignee: Clean Current Power Systems Inc
Current assignee: Clean Current LP
Priority date: 2001-09-17
Filing date: 2002-09-16
Publication date: 2006-05-18
Anticipated expiration: 2022-09-17
Also published as: JP4024208B2; NO328222B1; CA2460479C; US20050285407A1; AU2002328217A2; CN1636111B; DE60204707D1; WO2003025385A3; NO335484B1; US7471009B2; EP1430220A2; WO2003025385A2; US20100007148A1; ATE298042T1; US20090243300A1; EP1430220B1; AU2002328217B2; NO20080819L; KR101033544B1; US8022567B2

Description

1. TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein hydrokinetische elektrische Kraftwerksturbinen und Methoden zu deren Einsatz und Verwendung. Insbesondere wird ein Generator mit ummanteltem Scheibenrad und Zweiwegturbine vorgestellt. Die Anordnung soll in verschiedenen Verwendungsszenarien Strom aus Gezeitenströmungen erzeugen.
2. HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Gezeitenkraft wird seit Jahrhunderten zur Energiegewinnung ausgenutzt. An Buchten in Küstennähe wurden durch die Gezeiten getriebene Getreidemühlen errichtet. Bei Flut ließ sich das Seewasser hinter niedrigen Deichen durch Schleusen zurückhalten und bei Ebbe durch die Mühle fließend ins Meer zurückleiten. Solche Mühlräder sind Beispiele für rudimentäre hydraulische Turbinen.
Zunehmende Energieknappheit hat der Forschung Auftrieb gegeben, insbesondere dem Bau bedeutender Pilotprojekte auf dem Gebiet der Gezeitenenergieerzeugung mit modernen Turbinentypen in der französischen Normandie und im kanadischen Nova Scotia. Die Projekte in der Normandie und in Nova Scotia erforderten erhebliche Infrastrukturmaßnahmen und die Abdämmung von Flussmündungen, die den Gezeiten ausgesetzt sind. Solche Projekte an Flussmündungen und Meereszuflüssen haben zwangsläufig Auswirkungen auf die Gezeitendynamik und beeinträchtigen die maritimen biologischen Ökosysteme in den von Meeresspiegelschwankungen betroffenen Gebieten hinter den Deichen.
Die weiterhin laufenden Pilotprojekte in der Normandie und Nova Scotia haben sich als unwirtschaftlich herausgestellt. Im Zuge des weltweit zunehmenden Umweltbewusstseins sind diese Ansätze in Misskredit geraten. Aktuellere Forschungen konzentrieren sich auf 'Freistrom'-Anlagen, die weniger kostspielig sind und erheblich weniger schädlichen Einfluss auf die Gezeitendynamik und die betroffenen maritimen Ökosysteme haben. Mögliche Ausführungen könnten aus einzelnen oder mehreren, quer oder längs angeordneten Reihen von 'Freistrom'-Generatoren in einem Meereszufluss oder einer Meerenge bestehen, ähnlich einem Windpark. Für solche Anlagen wurde bereits der Begriff'Turbinenpark' geprägt.
In den 1920er Jahren beschrieb das US-Patent 1 498 154 (Harza) bereits eine Wasserturbine mit im Wesentlichen horizontaler Achse im Strömungskanal eines niedrigen Deiches, deren Statorspulen den Laufkranz für die Turbinenblätter umringten. Harza schlug damals Wasserdichtungen zwischen Laufkranz und Stator vor. Die Unversehrtheit von Wasserdichtungen in hydraulischen Turbinen lässt sich jedoch nur schwierig aufrechterhalten, da Unterwasserturbinen aufgrund der Dichte und Geschwindigkeit des Wassers starker Vibration, Erosion und Torsion ausgesetzt sind.
Das US-Patent 3 986 787 (Mouton) beschrieb eine in eine Richtung wirkende hydraulische Turbine mit angewinkelten Blättern und einer Längsverdrehung. Das Mouton-Patent führte eine neue Einsatzmethode ein, bei der die Turbinen unter einem Lastkahn im Fluss montiert waren und der Generator oben auf dem Lastkahn angebracht war. Das Mouton-Patent offenbarte auch erstmals ein vor der Turbine angebrachtes Abfallsieb aus konisch zulaufenden Drähten. Das Mouton-Patent verwendet, wie die meisten herkömmlichen hydraulischen Turbinen, ein nabengelagertes Generatorsystem mit Impulsblättern, die in einem bestimmten Winkel zum anströmenden Wasser angeordnet sind. Das im Mouton-Patent genannte Abfallsieb schützte nur eine Turbinenseite und war nicht selbstreinigend ausgelegt und musste also regelmäßig gewartet werden.
Das US-Patent 4 163 904 (Skendrovic) beschrieb eine Unterstromturbine, die aus einer einzelnen, in eine Richtung wirkenden Turbine mit nabengelagertem Generator bestand und erhebliche Infrastrukturmaßnahmen und Dichtungstechnik verlangte.
Die Bemühungen um eine Ausnutzung von Wellenbewegungen mündeten in das US-Patent 4 221 538 (Wells). Es beschrieb eine in eine Richtung wirkende Turbine mit aerodynamischem Blattprofil, die durch Luft angetrieben wurde, welche ihrerseits vom durch Wellenbewegung wechselnden Wasserspiegel in einer Schwimmkammer durch die Turbine gepresst wurde. Das Wells-Patent offenbarte einen einzelnen Rotor mit einem nabengelagerten Generator.
In den 1980er Jahren beschrieben Heuss und Miller im US-Patent 4 421 990 ein Gezeitenkraftwerk aus einem feststehenden Betondamm mit in eine Richtung wirkenden Impulsturbinen mit angewinkelten Blättern und einem Kranzgenerator. Auch das Heuss-Patent erforderte erhebliche Infrastrukturmaßnahmen, darunter einen Damm, einen Strömungskanal und ein Generatorgehäuse. Der Stator wurde im Damm oder im Fundament des äußeren Laufkranzes für das Laufrad untergebracht, welches die Turbinenblätter aufnahm und wasserdicht versiegelt werden musste.
Das US-Patent 4 313 711 (Lee) offenbarte feststehende Leitschaufeln, die den Luft- bzw. Wasserstrom auf mehrere (ähnlich wie bei Wells) aerodynamisch geformten, quer angeordneten Blätter leiteten, um einen höheren Wirkungsgrad zu erzielen. Das Lee-Patent erzeugt die Energie direkt aus Wellenbewegungen des Wassers bzw. davon angetriebener Luft. Die Leitschaufeln stehen fest, während die Rotoren sich mit gleicher Geschwindigkeit und in die gleiche Richtung drehen.
In den 1990ern führten Curran und Gato Versuche an verschiedenen Luftturbinen vom Typ Wells durch und veröffentlichten ihrer Ergebnisse im Artikel: "The energy conversion performance of several types of Wells turbine designs", Proc. Inst. Mech. Engrs., Bd. 211, Teil A (1997). Die Versuche fanden mit Einzelrotor-Turbinen mit und ohne Leitschaufeln sowie Doppelrotor-Turbinen statt; bei letzteren fanden sich sowohl gleichlaufende als auch gegenläufige Rotoren. Curran und Gato untersuchten zwar nicht die Wirkung doppelter gegenläufiger Rotoren mit Leitschaufeln, sie kamen jedoch zu dem Schluss, dass zwei Rotoren effizienter seien als ein Einzelner, und dass gegenläufige Rotoren einen höheren Dämpfungsfaktor sowie bessere Leistung nach Strömungsabriss boten, als in eine Richtung wirkende Rotorpaare. Zudem sollten vor- bzw. nachgelagerte Leitschaufeln weniger Verluste an kinetischer Energie in tangentialer Richtung ermöglichen, als Vorrichtungen ohne solche Schaufeln.
Folgende Arbeiten sind ebenfalls interessant zur Betrachtung vertikal rotierender Turbinen und umfassen auch eine Machbarkeitsstudie zur Gezeitenenergieerzeugung unter Wasser:
Davis, Barry V. (1997) Nova Energy Ltd. "A Major Source of Energy From the Worlds Oceans" IECEC-97 Conference, 31. Juli 1997, Honolulu. Davis, Barry V. (1980). Nova Energy Ltd. "Hydraulic Turbine Trials", Bericht-Nr. NEL 002. DSS Contract No. OSX-00043.
In den US-Patenten 6 168 373B1, 6 406 251 und 2002/0088222A1 offenbarte Vauthier eine schwimmende, in eine und in beide Richtungen wirkende Leichtbauturbine mit zwei Strömungskanälen und nabengelagertem Generator für den wahlweisen Einsatz an Küsten oder in Flussläufen. Die parallel angeordnete Doppelturbine mit gleichlaufenden Rotoren ist frei schwingend im Wasserstrom aufgehängt. Die Turbine muss sich an der Strömungsrichtung des Wassers ausrichten, da sie nur Strömung aus einer Richtung aufnimmt. Die in beide Richtungen wirkende Ausführung ist an beiden Seiten verankert und wird so in der Strömungsrichtung gehalten, unabhängig von der Fließrichtung des Wassers. Zusatzmerkmale sind Stabilisierflossen am Gehäuse und ein Vergrößerungsring am stromabwärts gelegenen Gehäuseende zum Ablenken des umgebenden Wasserstroms. Auf diese Weise soll am Gehäuseausgang ein Venturi-Effekt erzeugt werden, der die Geschwindigkeit des durch die Turbine strömenden Wassers steigern kann. Die Turbinenblätter sind angewinkelt und von konventioneller Bauart, Leitschaufeln gibt es nicht.
Im US-Patent 4 219 303 (D1) offenbarten Mouton et. al. eine in eine Richtung wirkende hydrokinetische Turbine mit Düse zur Elektrizitätserzeugung. Im deutschen Patent 1028 948 (D2) offenbarte Fischer eine Wasserturbine mit Zwangsströmung in einem Kanal mit zwei Rotoren, deren stromaufwärts gerichtete Rotoren als Leitschaufelsatz dienen, und einem im Kanal gelegenen abgedichteten Generator. Im Herbst 2001 veröffentlichte Vortec Energy Limited aus Neuseeland ein "Information Memorandum" (Informationsblatt) über eine Windturbine, die mit Hilfe eines Diffusorrings hinter dem Turbinenrotor eine Unterdruckzone erzeugt. Die bevorzugte Bauform der Vortec-Anlage ist eine riesige Windturbine von 50 oder mehr Metern Durchmesser für den Einsatz an Land oder auf See. An Lastkähnen oder Pfählen montierte Unterwasseranlagen wurden ebenfalls in Erwägung gezogen, jedoch nicht weiter entwickelt. Das Vortec-Memorandum schlägt auch die Möglichkeit eines Kranzgenerators vor, um große Bauteile und eine Nabenmechanik in der Mitte der Anlage zu vermeiden. In der PCT-Veröffentlichung WO 01/06122 A1 (Fox et. al., Patentinhaberin: Vortec) werden die Vorzüge geschlitzter, im Querschnitt aerodynamisch geformter Blätter in einer Turbine beschrieben.
Die gegenwärtige Technologie der Wasserturbine ist aufgrund der großen Anzahl bewegter Teile und der komplizierten Fertigung, Montage und Wartung der Turbinen im stark korrosiven Salzwasser unbefriedigend.
Nach wie vor besteht Bedarf an einer effizienten hydraulischen Turbineneinheit, welche die Gezeitenenergie bei minimalen Einflüssen auf die Umwelt optimal ausnutzen kann. Notwendig ist eine Turbine mit möglichst geringer Anzahl bewegter Teile, die durch Verringerung von Reibungs- und Strömungsverlusten eine optimale Energieausbeute garantiert und sich ohne nennenswerte Infrastrukturmaßnahmen installieren und warten lässt. Dazu gehört ein unkomplizierter Generator ohne bewegliche Teile, um minimalen Wartungsaufwand zu gewährleisten. Die vorliegende Erfindung stellt einen ummantelten, umströmten Kranzgenerator, eine in beide Richtungen wirkende Turbine mit zwei oder mehr koaxial gegenläufigen Rotoren und einer vergrößernden Ummantelung, welche die Nachteile bekannter Konstruktionen überwindet, bereit.
3. DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung für einen Wasserturbinengenerator zu schaffen, die einige der Nachteile bekannter Bauformen überwindet.
Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung mit einer parallel zur Strömungsrichtung gelegenen Nabe, mehreren Blättern, einem zylindrischen Gehäuse und mehreren gebogenen, rechteckigen Leitschaufeln, die den Wasserstrom in optimalem Winkel auf die Blätter lenken. Die Blätter können im Querschnitt symmetrische Tragflächen darstellen.
Die Schaufeln können fest angeordnet sein oder zwischen zwei Stellungen wechseln, wobei die erste Stellung einströmendes Wasser und die zweite Stellung ausströmendes Wasser so lenkt, dass die Energieverluste stromabwärts auf ein Minimum reduziert werden.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist eine in beide Richtungen wirkende Turbine mit zwei gegenläufigen Rotorscheiben bereitzustellen, die für Laufruhe und maximalen Wirkungsgrad der Turbinengeneratoreinheit bei minimalen Verwirbelungsverlusten sorgt.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung betrifft die Anbringung eines Schirmes, um das Eindringen von Meerestieren und -pflanzen sowie Verunreinigungen in die Turbinenanlage zu verhindern.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein in Längsrichtung weisendes Loch in der Nabe für den Wasserdurchfluss.
Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung eine vergrößernde Einfassung zur Abmilderung des Betz-Effekts, welche außerdem die Leitschaufeln bei geänderter Strömungsrichtung des Wassers nach dem Gezeitenumschwung entsprechend umklappt.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist eine Wasserturbine mit Kranzgenerator bereitzustellen, der mit Umgebungswasser geflutet wird.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein Turbinengenerator mit einem abnehmbaren Modul einschließlich der Rotorscheiben bereitzustellen, um die Wartung zu erleichtern.
Eine weitere Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung betrifft einen Wasserturbinengenerator, der sich einzeln verwenden oder in beliebiger Anzahl kombinieren lässt. Die Vorrichtung kann auf Masten oder unter Flößen angebracht werden, am Meeresgrund vertäut schweben (durch ihre schwimmfähige Konstruktion) und in Dämmen, Flüssen oder in einer unterseeischen Senke als Flutwehr verankert werden.
Weitere Vorteile des erfindungsgemäßen Gegenstands ergeben sich aus den Zeichnungen in Verbindung mit der detaillierten Erläuterung.
4. KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Vorrichtung und Methode gemäß der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine perspektivische Schnittansicht von zwei in Reihe geschalteten, gegenläufig rotierenden Rotorscheiben mit einem Gehäuse und Leitflügeln gemäß der Erfindung,
2 eine isometrische Ansicht der einen Hälfte der Turbine mit einer einzigen Rotorscheibe und mit Generator, Kanal und Leitschaufeln gemäß der Erfindung,
3 eine Seitenansicht einer Vorrichtung aus Turbinenrotor, Blättern und Rotorkranz, wobei die Blätter bis zu deren Spitze gebogen sind,
4 eine Seitenansicht einer Vorrichtung aus Turbinenrotor, Blättern und Rotorkranz, wobei die Blätter erfindungsgemäß breite Spitzen aufweisen,
5 eine Seitenansicht einer Vorrichtung aus Turbinenrotor, Blättern und Rotorkranz, wobei die Blätter erfindungsgemäß senkrecht abgesetzt sind,
6 eine Seitenansicht einer Vorrichtung aus Turbinenrotor, Blättern und Rotorkranz, wobei die Blätter erfindungsgemäß senkrecht angeordnet sind,
7 eine Seitenansicht einer Vorrichtung aus Turbinenrotor, Blättern und Rotorkranz, wobei die Blätter erfindungsgemäß senkrecht abgesetzt sind und ein Schutzkanal für Meerestiere vorgesehen ist,
8 eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Turbinenblattanordnung im Schnitt,
9 eine isometrische Ansicht einer Wasserturbinengeneratoreinheit gemäß der Erfindung,
10 eine isometrische Ansicht einer flexiblen vergrößernden Einfassung am Kanal eines Turbinengenerators gemäß der Erfindung,
11 eine isometrische Ansicht einer angelenkten vergrößernden Einfassung am Kanal eines Turbinengenerators gemäß der Erfindung,
12 ein Vektordiagramm der Fluidströmung entlang eines herkömmlichen symmetrischen Tragflügels,
13 ein Strömungsdiagramm an zwei gegenläufigen Blättern, wie sie bei einem bekannten Turbinengenerator mit zwei koaxial angeordneten Rotorscheiben vorhanden sind,
14 ein Strömungsdiagramm entlang vierer gegenläufiger Blätter, wie sie bei einem hintereinander geschalteten, koaxial angeordneten Rotorpaar gemäß der Erfindung vorhanden sind,
15 ein Strömungsdiagramm entlang einer einzelnen Rotorscheibe mit einem Tragflügelblatt bei wechselnden Stellungen der Leitschaufeln an Ein- und Auslass, wie es bei einer Turbine gemäß der Erfindung vorhanden ist,
16 ein Strömungsdiagramm entlang zweier hydraulischer gegenläufiger Blätter und durch die Einlass- und Auslassleitschaufeln, wie sei bei einer Turbine mit in Reihe geschaltetem Doppelrotor gemäß der Erfindung vorhanden sind,
17 eine isometrische Ansicht einer auf einem Teleskopmast montierten hydraulischen Turbinengeneratoreinheit gemäß der Erfindung,
18 eine Seitenansicht eines hydraulischen auf Teleskopmasten montierten Turbinengenerators gemäß der Erfindung,
19 eine Seitenansicht einer an äußeren Ösen und Seilen an zwei oder mehr Ankern im Meer oder Flussbett vertäuten Turbinengeneratoreinheit,
20 ein Querschnitt durch einen Turbinengenerator mit einem einzigen Rotor entlang der Linie I-I in 19,
21 ein Querschnitt durch einen Turbinengenerator mit einem einzigen Rotor entlang der Linie II-II in 19,
22 ein Querschnitt durch einen Turbinengenerator mit zwei Rotorscheiben gemäß der Erfindung gemäß 19 entlang der Linie I-I,
23 ein Querschnitt durch einen Turbinengenerator mit zwei Rotorscheiben gemäß der Erfindung gemäß 19 entlang der Linie II-II,
24 eine Seitenansicht einer unter einem Lastkahn montierten Turbinengeneratoreinheit gemäß der Erfindung,
25 eine Draufsicht auf eine in einem kleinen Deich eingebaute Turbinengeneratoreinheit 10 gemäß der Erfindung,
26 eine Seitenansicht eines Flutwehrs gemäß der Erfindung,
27 eine Seitenansicht eines Flutwehrs gemäß der Erfindung,
28 eine Seitenansicht eines einzelnen Turbinengenerators in einem Flutwehr gemäß der Erfindung,
29 ein Ausschnitt aus einem Flutwehr mit drei aufeinander geordneten Turbinengeneratoren und
30 ein Querschnitt durch eine Wartungsanordnung zur Demontage einer Turbinengeneratoreinheit in Kassettenbauweise mit Hilfe eines Portalkrans, der auf den Schienen rollt, die oben auf dem Flutwehr verlaufen.
5. AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
In 1 ist eine Schnittansicht der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zu sehen. Das ummantelte Turbinengeneratormodul 10 lässt sich als eigenständiger Turbinengenerator 10 oder gemeinsam mit mehreren Turbinengeneratoren 10 in einem Turbinenpark einsetzen, wie dies in unterseeischen Gezeitenzonen üblich ist. Diese Konstruktion kann auch in anderen Umgebungen verwendet werden, etwa Flüssen, Unterwasserkanälen oder Windkraftanlagen. Zweck des Turbinengenerators 10 ist es, aus der Gezeitenbewegung maximale elektrische Energie bei minimaler Umweltbeeinträchtigung zu gewinnen. Die bevorzugte Ausführungsform ist für den unterseeischen Einsatz vorgesehen. Es wird sich erweisen, dass die vorliegende Erfindung ein Kraftwerk mit hohem Wirkungsgrad und möglichst geringer Anzahl bewegter Teile bereitstellt.
Die Turbinengeneratoreinheit 10 verfügt über zwei gegenüber der Mittellinie symmetrische Enden. Eine Nabe 20 mit im Wesentlichen parallel zur Wasserfließrichtung 100 verlaufender Achse erstreckt sich entlang der Mittelachse des Turbinengenerators 10. Die Nabe 20 verfügt an jedem Ende über einen Zapfen 21, dem man eine beliebige, hydrodynamisch günstige Form geben kann. Der Nabenzapfen 21 kann selbst spitz geformt sein oder spitze Kappen besitzen, um den Strömungswiderstand in den Kanal 40 und von diesem heraus zu verringern.
Mehrere Tragflächen 30 mit symmetrischem Querschnitt sind mit einem Ende an einer Zentralnabe 26 und mit der äußeren Spitze an einem als Dauermagneten ausgeführten Laufkranz befestigt, dem so genannten Rotorkranz 54. Zusammen bildet diese Baugruppe eine Rotorscheibe 50. In der bevorzugten Ausführungsform sind eine erste Rotorscheibe 50 und eine zweite Rotorscheibe 52 koaxial und einander entgegengesetzt angeordnet. Die Rotorscheiben 50 und 52 rotieren auf Grund der Tragflügelform der Blätter 30 jeweils nur in einer Richtung. Zwischen der Zentralnabe 26 für die Rotorscheiben 50 bzw. 52 und dem Nabenzapfen 21 sind frei rotierende, an die Zentralnabe 26 anliegende Drucklager 29 eingesetzt. Die Lager sind vorzugsweise als mit Wasser geschmierte, reibungsarme Drucklager 29 ausgeführt. Auf der Zentralnabe 26 sitzt ein drehbares Nabendistanzstück 28, das die beiden Rotorscheiben 50 und 52 kontaktfrei voneinander trennt. Die Rotorscheiben 50 und 52 sind gegenüber dem Distanzstück 28 frei drehbar.
Die stromaufwärts gerichtete Rotorscheibe 50 dreht sich in Strömungsrichtung 100 gesehen immer in einer Richtung (entweder im Urzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn) und die stromabwärts gerichtete Rotorscheibe 52 dreht sich stets in der entgegengesetzten Richtung. Bei Gezeitenumkehr kommt es auch zu einer Umkehr der Wasserfließrichtung 100. Der zweite Rotor 52 ist nun stromaufwärts gerichtet und dreht sich wegen seines Tragflügelprofils weiter in derselben Richtung wie zuvor. Der Turbinengenerator 10 arbeitet also gegenüber der Wasserfließrichtung 100 in beiden Richtungen und die beiden Rotorscheiben 50 und 52 behalten stets ihre Drehrichtung bei. Wenn der Turbinengenerator 10 nur über eine einzelne Rotorscheibe 50 verfügt, dreht diese sich ebenfalls nur in einer Richtung.
Die Blätter 30 sind symmetrische Tragflügel, die radial im Wesentlichen 90° von der Nabe 26 abstehen. Die Blätter 30 verfügen über eine Ober- und Unterseite sowie eine Vorder- und Hinterkante. Die Ober- und Unterseite der Blätter 30 steht im Allgemeinen senkrecht zur Wasserfließrichtung 100. Die Blätter 30 können in schrägem Winkel angeordnet sein, wie bei einer pfeilförmigen Ausführung. Die Anzahl der Blätter 30 hängt von der Baugröße der Turbine ab. Jede bekannte Tragflügelform, die zu einer unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeit entlang der jeweiligen Blattseiten 30 führt und somit für optimalen Auftrieb und Zug sorgt, kann verwendet werden.
Der Kanal 40 ist ein rund um die Achse des Rotors 50 angeordneter und diesen ummantelnder Hohlzylinder. Der Kanal 40 kann entweder als Zylinder mit gleich bleibendem Innendurchmesser ausgeführt sein oder sich verengende Innenwände aufweisen, um die Strömungsgeschwindigkeit des Wassers durch den Kanal 40 zu beschleunigen. In der bevorzugten Ausführungsform verengen sich die Innenwände des Kanals 40 im mittleren Bereich, um beim Wasserdurchfluss 100 durch den Kanal 40 einen Venturi-Effekt auszulösen. Der Rotorkranz 54 ermöglicht die Anordnung mehrerer hermetisch abgedichteter Permanentmagneten 56 am Außenkranz der Rotorscheiben 50 und 52. Die als Permanentmagnet ausgeführte Lauffläche des Rotorscheibenkranzes verläuft in einer Nut im äußeren Kanal 40, der die hermetisch abgedichteten Statorspulen 60 aufnimmt. Der zweite Rotor 52 dreht sich in einer dem ersten Rotor 50 gegenläufigen Richtung. Auf diese Weise werden Energieverluste durch Wasserverwirbelung vermindert, was den Wirkungsgrad der Turbinengeneratoreinheit 10 erhöht. Im Kanal 40 sind im Bereich der Außenkanten der Rotorscheiben 50, wo die Magneten 56 sitzen, feste Statorspulen 60 angebracht.
Bei Bedarf kann für optimalen konzentrischen Lauf und zur Aufnahme von Lateralkräften am Rotorkranz 54 ein in der Fachwelt bekanntes magnetisches Lagersystem eingesetzt werden. Der Rotorkranz 54 sitzt drehbar in einer magnetischen Lauffläche bzw. Rotorkranznut 55 im Kanal 40. An den Außenseiten des Rotorkranzes 54 können für Wasserschmierung geeignete, reibungsarme, in der Figur nicht dargestellte Schutzschilde zum Schutz der Statorspulen 60 gegen übermäßige Durchbiegung durch die Rotorscheiben 50 und 52 angebracht werden.
Mehrere gebogene, im Wesentlichen rechteckige Leitschaufeln 24, die auch zur Befestigung der Nabe dienen, erstrecken sich von der Nabe 20 bis zum Rotorgehäuse bzw. zum Kanal 40 und bilden einen stabilen Schaft, auf dem sich die Rotorscheiben 50 und 52 drehen. Die Leitschaufeln 24 weisen eine weit gehend scharfe Vorder- und Hinterkante und zwei Seitenflächen auf. Die Leitschaufeln 24 verleihen dem Wasser einen ersten Anströmwinkel auf die stromaufwärts gerichtete Rotorscheibe 50. Die Leitschaufeln 24 hinter der stromabwärts gerichteten Rotorscheibe 52 wiederum verringern die durch hydrodynamische Verwirbelung des weiterströmenden Wassers auftretenden Verluste an kinetischer Energie. In der bevorzugten Ausführungsform ist die dem Wasser zugewandte Fläche der Leitschaufeln 24 auf eine Weise geformt, dass auftreffendes Wasser in einem vorgegebenen Anströmwinkel auf die Blätter 30 trifft. Die Blätter 30 haben gegenüber der Rotorscheibe 50 einen Anströmwinkel von Null und einen symmetrischen Querschnitt.
Die Turbinengeneratoreinheit 10 bleibt fest verankert. Wenn sich bei Gezeitenumkehr die Wasserfließrichtung 100 umkehrt, beginnen sich die Rotoren in ihren jeweiligen Richtungen zu drehen. Die Anordnung der gegenläufigen Rotorscheiben 50 und 52 sowie der Leitschaufeln 24 sorgt für hohe Energieausbeute. Der Wasserstrom 100 kann aus beiden Richtungen entlang der Rotorscheibenachse in den Kanal (bzw. mehrere Kanäle) 40 strömen. Die geringe Anzahl bewegter mechanischer Teile vermindert zudem den erheblichen Wartungsaufwand vor Ort.
In 2 ist die Hälfte der Turbine entnommen, und die Zeichnung zeigt einen detaillierten Blick auf die Nabe 26 mit den Blättern 30 der Rotorscheibe, den als Permanentmagnet ausgeführten Rotorkranz 54, die Permanentmagneten 56, die Statorspulen 60; die Leitschaufeln 24 und den Kanal 40.
Das Drehmoment der Rotorscheibe wird durch den Wasserstrom 100 in den Kanal 40 ausgelöst, dem die Leitschaufeln 24 einen ersten Anströmwinkel verleihen, was wiederum Auftrieb entlang der Blätter 30 erzeugt und damit den ersten Rotor 50 in Drehung versetzt. Der Wasserstrom 100 wird nach Verlassen des ersten Rotors 50 mit einem vorteilhaften Anströmwinkel verwirbelt und trifft auf den zweiten Rotor 52, den er in entgegen gesetzte Drehung zum Rotor 50 versetzt (siehe 1). Sobald die Magneten 56 im Rotorkranz 54 am feststehenden Stator 60 im Kanal 40 vorbeilaufen, wird nach den allgemein bekannten Faradayschen Gesetzen eine Spannung induziert, die der Anzahl der Umdrehungen der Statorspulen multipliziert mit der Änderungsgeschwindigkeit des magnetischen Flusses entspricht. Der elektrische Strom kann dann auf bekannte Weise über nicht abgebildete elektrische Leitungen abgeführt werden. Der Generator, bestehend aus Rotor 50, Magneten 56 und Stator 60 kann so verdrahtet werden, dass er nach bekannten technischen Methoden Gleichstrom oder Drehstrom liefert. Der Zwischenraum zwischen den Magneten 56 und Statoren 60 wird mit dem umgebenden Arbeitsflüssigkeit geflutet, was eine kostspielige und schwer ausführbare luftdichte Ausführung überflüssig macht, die auf Grund der hohen hydrodynamischen Last auf dem Turbinengenerator im Allgemeinen bei Anwendungen unter Wasser sehr störanfällig und/oder wartungsintensiv wäre.
3 ist eine Seitenansicht der Rotorscheibe 50 mit geraden Blättern 30 von konstantem Sehnenmaß (Länge vom Ansatz bis zur Spitze). Die Blätter 30 sind mit an der Nabenachse 20 ausgerichteter Viertelsehne angeordnet. Alle Blätter 30 sind Tragflügel mit symmetrischem Querschnitt. Es können zwischen zwei und einer Mehrzahl von n Blättern 30 verwendet werden.
4 ist eine Seitenansicht einer Rotorscheibe 50 mit gebogenen Blättern 30, die an der Nabe schmal und an den Spitzen breit ausgeführt sind. Wahlweise können auch gebogene Blätter 30, die an der Nabe 20 breit und an der Spitze schmal sind, verwendet werden (nicht abgebildet). Alle Blätter 30 sind Tragflügel mit symmetrischem Querschnitt. Die Ablenkungsrichtung der Blätter 30 ist nach rückwärts oder zur Mitte der Nabe 20 der Turbinengeneratoreinheit hin gerichtet. Nach vorn gerichtete Blätter sind auch möglich. Es können zwischen zwei und einer Mehrzahl von n Blättern 30 verwendet werden.
5 ist eine Seitenansicht einer Turbinenrotorscheibe 50 mit den Blättern 30 und dem Rotorkranz 54. Die geraden Blätter 30 haben ein konstantes Sehnenmaß, wobei die Mittellinie mit der Nabenachse 20 fluchtet. Es können zwischen zwei und einer Mehrzahl von n Blättern 30 Verwendung finden.
6 ist eine Seitenansicht einer Rotorscheibe 50 mit geraden Blättern 30, die an der Nabe 20 schmal und an den Spitzen breit ausgeführt sind. Wahlweise können auch gerade Blätter 30, die an der Nabe 20 breit und an der Spitze schmal sind, verwendet werden (nicht abgebildet). Alle Blätter 30 sind Tragflügel mit symmetrischem Querschnitt. Es können zwischen zwei und einer Mehrzahl von n Blättern 30 Verwendung finden.
7 ist eine Seitenansicht einer Rotorscheibe 50 mit den Blättern 30 und dem Rotorkranz 54 (s. 1) mit senkrecht abgesetzten Blättern und einem Meerestierabscheider 32. Der Meerestierabscheider 32 ist eine in Längsrichtung weisende Öffnung in der Mittelachse der Nabe 20, durch die in den Turbinengenerator 10 geratene Meerestiere, wie z. B. Fische und Säugetiere, hinausgelangen können. Diese Ausführung des Abscheiders 32 ist durch die Kranzkonstruktion des Turbinengenerators 10 möglich, wobei die Nabe 20 lediglich als Welle für die Rotorscheibe 50 und nicht als Gehäuse für den Generator 90 dient, wodurch sie nur geringen strukturellen Belastungen ausgesetzt ist.
8 ist ein Querschnitt durch eine Rotorscheibe, wobei die gezeigte Rotorscheibe 50 anstelle einer planen Fläche eine gebogene Oberfläche aufweist. Diese Anordnung kann mit Blättern 30 konstanter oder variabler Dicke verwendet werden. Diese Anordnung kann auch mit einzelnen oder mehreren Rotorscheiben und beliebiger Anordnung der Rotorblätter 30 aus der vorhergehenden Figur verwendet werden.
9 ist eine isometrische Darstellung der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Zum Schutz des Turbinengenerators 10 können an den Öffnungen des Kanals 40 elliptisch geformte Schirme 70 angebracht werden. Die Schirme 70 können mehrere Stäbe aufweisen, die in der Längsrichtung aus dem Kanal 40 heraus ragen und jeweils an einer Stelle vor, über, neben oder unter den zwei Enden der Nabe 20 zusammenlaufen. Ein Schirm 70 verhindert weitgehend das Eindringen von Meerestieren in die Turbinengeneratoreinheit 10 und dient als Schutzschild gegen Seetang, Debris und Meerestiere, welche andernfalls die Turbinenschaufeln 30 und Leitschaufeln 24 verstopfen oder beschädigen könnten. Aufgrund ihrer speziellen Formgebung und der wechselnden Wasserfließrichtung 100 (durch den Gezeitenwechsel) sind die Schirme 70 selbstreinigend. Eine vergrößernde Einfassung 74 kann vorgesehen werden, die aus beweglichen Platten 36 mit nicht abgebildeten Scharnieren 27 besteht, die um die in Längsrichtung gesehen zentrale Ebene der Ummantelung des Turbinengenerators 10 gelagert sind.
Nach 7 beginnt der zusammen mit einem Meerestierabscheider 32 angebrachte Schirm 70 am äußeren Kranz der Abscheidermündung 32 und erstreckt sich bis zur Vorderkante des Kanals 40. Auf diese Weise werden Schmutzpartikel im Schirm 70 aufgefangen, während Meerestiere durch den Turbinengenerator schwimmen können, was die durch die Stromerzeugung verursachten Umweltschäden verringert.
Aus 9 geht hervor, dass die Turbinenbaugruppe, bestehend aus Rotorscheibe 50 und ggf. der hier nicht gezeigten Rotorscheibe 52 sowie Generator, zu Wartungszwecken einfach als eine Einheit ein- und ausgebaut werden kann, ohne den Kanal 40 und die übrigen Gerätschaften anzutasten. Die Rotorscheibe 50 und der hier nicht gezeigte Generator 90 können als eigenständige Baugruppe mit einer Aufhängung oder einem Haken an der Oberseite ausgeführt werden. Ein Kanalkranz-Distanzstück 44 als flexibler zentraler Teil des Kanals 40 ermöglicht den einfachen Ein- und Ausbau der Turbinenbaugruppe. Nach Ausbau des Kanalkranz-Distanzstücks 44 kann die Turbinenbaugruppe 48 zu Wartungs- und Austauschzwecken an die Oberfläche gehoben werden.
10 zeigt einen Kanal 40 mit einer flexiblen vergrößernden Einfassung 74, die am Mittelpunkt des Turbinengenerators 10 angebracht ist. Die Einfassung 74 besteht aus einem widerstandsfähigen und flexiblen Material, wie z. B. Spectra TM-Fasergewebe, und ist so ausgestaltet, dass der Strömungsdruck des Wassers 100 die Einfassung 74 in die richtige Position drückt, so dass das verbreiterte Ende der Einfassung 74 dem Ausgang des Kanals 40 zugewandt ist. Die Einfassung 74 kann mit nicht gezeigten integrierten Versteifungsringen ausgerüstet sein. Ein steifer Einfassungsring 75 an ihrem größten und entferntesten Umfang ist jedoch unerlässlich, um bei dem hohen dynamischen Druck der Gezeitenströmung 100 ihre Form zu behalten. Die Einfassung 74 kann aus einem hochfesten Verbundwerkstoff, wie z. B. 'Spectra Weave' oder angelenkten beweglichen Metallkomponenten bestehen. Der Umfang der Einfassung 74 ist auf deren abgewandter Seite größer, so dass sie sich um den Kanal 40 verbreitert. Die Einfassung 74 erzeugt am Auslass des Turbinengenerators 10 eine Unterdruckzone, die unter Ausnutzung des Betz-Effekts Energieverluste der Turbine verringert. Feststehende Vergrößerer dieses Typs verstärken die Strömung durch die Turbine und sind dem Fachmann bekannt. Sowohl Einfassungen aus flexiblen Verbundwerkstoffen als auch solche aus angelenkten beweglichen Metallteilen 74 werden von den dynamischen Kräften des Gezeitenstroms beim Gezeitenwechsel vor und zurück bewegt, so dass die Einfassung 74 stets stromabwärts bis zum Ende des Kanals 40 oder darüber hinausragt. Diese vergrößernde Einfassung 74 wirkt in zwei Richtungen und ist an einer Stelle mittels Scharnier oder fest um die Mitte der Ummantelung des Turbinenkanals 40 befestigt. Die Einfassung kann um den ganzen Umfang herum reichen oder nur einzelne Bereiche abdecken, je nach spezifischen Einsatzanforderungen bzw. Anzahl der Turbinen.
11 zeigt einen Kanal 40 mit einer vergrößernden Einfassung 74 aus beweglichen Teilen, die mit Scharnieren 37 am Mittelpunkt der Turbinenanlage 10 befestigt sind. Die Einfassung 74 besteht aus widerstandsfähigen und steifen Platten und wird durch den dynamischen Druck der Strömung 100 in die richtige Stellung geschwenkt, wobei die breiteren Enden der Segmente zur Ausströmöffnung des Kanals 40 weisen. Die Turbinengeneratoreinheiten 10 bestehen aus dem Kanal 40 und Werkstoffen, die das Gerät schwimmfähig machen und somit die Installations- und Wartungsarbeiten erleichtern.
Der Turbinengenerator ist aus dauerhaften, korrosionsbeständigen Werkstoffen konstruiert. In der bevorzugten Ausführungsform wird der Kanal 40 aus wasserbeständigem Beton mit ausreichendem Anteil innen verstärkter Leichtbauarmierungen, um die ganze Anordnung schwimmfähig zu machen, gefertigt. Rotoren 50 und Welle 19 für die Turbine 10 und andere wesentliche Bauteile werden aus hochfestem und korrosionsbeständigem Material gefertigt. Hierzu können spezielle Verbundwerkstoffe, Beton oder Stahl verwendet werden. Die Turbinengeneratoreinheit 10 ist mit einer Silikonverglasung ausgestattet, die als Mittel zur Reduzierung hydraulischer Verluste und zur Vermeidung von Fäulnis durch haftende Meerestiere bekannt ist.
Der Kanal 40 ist mit einer neuartigen Silikonverglasung überzogen und wird bevorzugt aus schwimmfähigem Leichtbeton gefertigt, damit der Turbinengenerator 10 schwimmend an seinen Einsatzort geschleppt und in bestimmter Tiefe unter der Wasseroberfläche 16 verankert werden kann. Die Turbinengeneratoreinheit 10 wird am Einsatzort im Fluss bzw. in einem Meeresteil herabgelassen. In der bevorzugten Ausführungsform erzeugt der Turbinengenerator Energie aus der Gezeitenbewegung.
12 ist ein Vektordiagramm der Luftströmung entlang eines herkömmlichen symmetrischen Tragflügels. Wells stellt in US-Patent 4 221 538 den Antriebsvektor über den Tragflügelbereich des Blattes 30 dar. V steht für die relative Geschwindigkeit der Strömung entgegen der Blattbewegung 30. I1 und I2 sind die resultierenden Anströmgeschwindigkeiten des Flüssigkeitsvektors. U1 und U2 stellen die zwei Wasserfließrichtungen 100 und L1 und L2 die Normalkomponenten des Auftriebs dar. Der Auftrieb entlang dem Tragflügel 30 resultiert in einer effizienten Beschleunigung des Rotors 50 bei hoher Energieausbeute.
13 ist ein Strömungsdiagramm an zwei hydraulischen gegenläufigen Blättern 30, wie sie bei einem Turbinengenerator mit zwei koaxial angeordneten Rotorscheiben 50 vorhanden sind. Dieses bekannte System dient effizient der Verringerung von Energieverlusten wegen Verwirbelungen hinter dem Rotor und der Optimierung der Wirtschaftlichkeit über einen breiten Geschwindigkeitsbereich hinweg.
14 ist ein Strömungsdiagramm entlang eines hintereinander geschalteten, koaxial angeordneten Rotorpaares 50. Die Verwendung mehrerer Kaskaden verringert den Druckabfall zwischen den einzelnen Rotoren und eignet sich für sehr hohe Drehzahlen. Die Anzahl kaskadenartig angeordneter Paare von gegenläufigen Rotorscheiben kann zwischen zwei und einer Mehrzahl von n betragen.
15 ist ein Strömungsdiagramm entlang einer einzelnen Rotorscheibe 50 mit einem Tragflügelblatt 30 bei wechselnden Stellungen der Leitschaufeln 24 an Ein- und Auslass. Die Schaufeln 24 sind flexibel und werden von einem zur beweglichen Einfassung führenden Verbindungsglied angesteuert. Der dynamische Druck der Strömung 100 bewegt die Einfassung, die wiederum die Leitschaufeln in die entsprechende Position bewegt. Die stromaufwärts gerichteten Leitschaufeln sorgen für einen positiven Anströmwinkel und die stromabwärts gerichteten Leitschaufeln verringern die Verwirbelungsverluste. Kehrt sich die Wasserfließrichtung 100 um, so dreht sich der Rotor 50 zwar weiter in derselben Richtung, die Schaufeln 24 werden jedoch umgeklappt und nehmen die von den gepunkteten Linien 25 veranschaulichten Positionen ein. Bei dieser Variante sind die Vorderkanten 28 der Schaufeln 24 fest an der Nabe 20 und der Innenwand des Kanals 40 angebracht.
16 ist ein Strömungsdiagramm entlang zweier hydraulischer gegenläufiger Blätter 30 und durch die Leitschaufeln 24 vor und hinter dem Rotor, die zu einem in Reihe geschalteten Doppelrotor 50 einer Turbinengeneratoreinheit gehören. In der bevorzugten Ausführungsform sind die Leitschaufeln 24 in der gezeigten Konfiguration dauerhaft fixiert.
17 ist eine isometrische Ansicht eines hydraulischen Turbinengenerators 10, der auf einem Teleskopmast 80 montiert ist. In der bevorzugten Ausführungsform ist die Turbinengeneratoreinheit 10 auf dem Mast 80 montiert, der über Fernbedienung höhenverstellbar ausgeführt sein kann. So lässt sich die Turbinengeneratoreinheit 10 unter Umständen auch zu Wartungszwecken bis über die Wasseroberfläche 16 anheben.
18 ist eine Seitenansicht einer Turbinengeneratoreinheit, die unter Wasser in einem Fluss oder einer Gezeitenströmung auf mehreren Teleskopmasten 80 angebracht ist. Installation, Ausbau und Wartung werden durch einfaches Anheben der Teleskopmasten 80, um Arbeiten an der Turbinengeneratoreinheit auszuführen, wesentlich erleichtert. Auf einem Mast 80 können zwei koaxiale Rotorscheiben 50 und 52 oder auch mehrere Turbinengeneratoren 10 montiert sein. Die erzeugte Energie kann mit jeder üblichen Kabelanordnung abgeführt werden, die auch zur Steuerung der Turbinengeneratoreinheit 10 dienen kann.
19 ist eine Seitenansicht einer an äußeren Ösen 12 und Seilen 13 an zwei oder mehr Ankern 14 im Meer oder Flussbett 15 vertäuten Turbinengeneratoreinheit 10. Es können beliebige Anker verwendet werden, wie z. B. Schiffsanker aus galvanisiertem Stahl oder Betonblöcke. Die Seile 13 sind an jedem Ende der Turbinengeneratoreinheit 10 befestigt. Da die Rotoren 50 und 52 in zwei Richtungen wirken, kann der Turbinengenerator ortsfest bleiben.
20 ist ein Querschnitt durch einen Turbinengenerator mit einem einzigen Rotor 50 entlang der Linie I-I in 19.
21 ist ein Querschnitt durch einen Turbinengenerator mit einem einzigen Rotor entlang der Linie II-II in 19.
Die Turbinengeneratoreinheit 10 kann entweder einzeln oder in Gruppen von zwei oder mehr Turbinengeneratoreinheiten 10 eingesetzt werden.
22 ist ein Querschnitt gemäß 19 entlang der Linie I-I, diesmal für zwei nebeneinander angeordnete Turbinengeneratoreinheiten 10.
23 ist eine Ansicht auf das Ende der zwei nebeneinander angeordneten Turbinengeneratoren 10 gemäß 19. Die Kanäle 40 der beiden Turbinengeneratoreinheiten 10 können verschweißt, verschraubt oder auf jede beliebige andere Weise verbunden werden, die den hydrodynamischen Kräften standhält.
Für die Turbinengeneratoreinheit 10 gibt es mindestens fünf mögliche Einsatz methoden:

• montiert auf einem oder mehreren Teleskopmasten 80 gemäß den 17 und 18,
• treibend unter einem Lastkahn 120 befestigt,
• gestützt neben einem demontierbaren Gummidamm 130 am Flussufer,
• schwebend vertäut unterhalb der Wasseroberfläche gemäß 19 sowie
• angeordnet in einem Flutwehr entlang einer Bucht oder Meerenge gemäß den 26–30.

24 ist die Seitenansicht eines unter einem Lastkahn 120 montierten Turbinengenerators 10 gemäß der Erfindung.
25 ist eine Draufsicht auf eine in einem kleinen Deich 130 eingebaute erfindungsgemäße Turbinengeneratoreinheit 10.
26 ist die Seitenansicht eines vollständigen Flutwehrs 140 mit mehreren Reihen von erfindungsgemäßen Turbinengeneratoreinheiten 10.
27 ist ein vergrößerter Seitenausschnitt von einem Teil des Flutwehrs 140 mit neun neben- und übereinander angeordneten erfindungsgemäßen Turbinengeneratoreinheiten 10.
28 ist die Seitenansicht einer einzelnen erfindungsgemäßen Turbinengeneratoreinheit 10 in einem Flutwehr 140.
29 ist ein Ausschnitt aus einem Flutwehr 140 mit drei Turbinengeneratoren 10. Der Flutwehr 140 gemäß der Erfindung verfügt über eine T-Träger-Struktur 141 und einen Kanal für Strom- und Überwachungskabel entlang dem zugehörigen Schienenbett 142. Der Säulenplattform besteht aus T-Trägern 143, Schachtdeckel 144 und den Gleisen 145 und 146, die durch vertikale Stützsäulen 147 getragen werden. Zusätzlich besitzt der Flutwehr einen Wellenbrecher 148 und eine herausnehmbare Antikavitations-Plattform 149, eine Schwerkraftgründungsstruktur 150 mit zugehöriger Trägerplatte 151 sowie die Masten 152 und 153. Diese Struktur kann eine ganze Reihe von Turbinengeneratoreinheiten 10 aufnehmen.
30 zeigt in Schnittansicht die Demontage eines Turbinengenerators 10 in Kassettenbauweise mit Hilfe eines Portalkrans, der auf den Schienen rollt, die oben auf dem Flutwehr 140 verlaufen. Die hier beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen erheben keinen Anspruch auf Vollständigkeit und schränken die Erfindung auch nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen ein. Sie wurden ausgewählt und hier vorgestellt, um das Prinzip der Erfindung und ihrer praktischen Anwendung zu erläutern und fachkundigen Personen die Möglichkeit zu geben, die Lehre der Erfindung zu verstehen.

Claims

Wasserturbinengenerator (10) zur Erzeugung von elektrischem Strom aus einer Wasserströmung (100), umfassend eine Nabe (20), die im Wesentlichen parallel zu einer Wasserströmung (100) angeordnet ist, mindestens eine Rotorscheibe (50) und mindestens einen Generator (90), dadurch gekennzeichnet, (a) dass mindestens eine Rotorscheibe (50) mehrere Tragflügelblätter (30) umfasst, die drehbar an der Nabe (20) angebracht sind und sich radial von der Nabe (20) erstrecken, und (b) dass ein im Allgemeinen zylindrisches Gehäuse einen Kanal (40) begrenzt, wobei der Kanal (40) in der Nähe der Spitzen der Blatter (30) angeordnet und mit Hilfe mehrerer sich radial von der Nabe (20) erstreckender Leitflügel (24) an der Nabe (20) befestigt ist.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Blätter (30) im Querschnitt symmetrisch ausgeführt sind.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Blätter (30) zwei flache Flächen aufweisen, die senkrecht zu der Wasserströmung (100) angeordnet sind.
Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Rotorscheibe (50) und eine zweite Rotorscheibe (52) vorgesehen sind, wobei die erste Rotorscheibe (50) stromaufwärts gerichtet ist und sich in einer ersten Richtung relativ zur Wasserströmung (100) dreht und die zweite Rotorscheibe (52) stromabwärts gerichtet ist und sich in einer zweiten Richtung relativ zur Wasserströmung (100) in einer gegenüber der ersten Rotorscheibe (50) entgegengesetzten Richtung dreht.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Richtung in Richtung der Wasserströmung (100) gesehen gegen den Uhrzeigersinn verläuft und die zweite Richtung in Richtung der Wasserströmung (100) gesehen im Uhrzeigersinn verläuft.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Richtung in Richtung der Wasserströmung (100) gesehen im Uhrzeigersinn verläuft und die zweite Richtung in Richtung der Wasserströmung (100) gesehen gegen den Uhrzeigersinn verläuft.
Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei Richtungswechsel der Wasserströmung (100) die zweite Rotorscheibe (52) zur stromaufwärts gerichteten Rotorscheibe (52) wird und sich weiterhin in derselben Richtung dreht, während die erste Rotorscheibe (50) zur stromabwärts gerichteten Scheibe (50) wird und sich weiterhin relativ zu der sich in derselben Richtung drehenden stromaufwärts gerichteten Scheibe (52) in der entgegengesetzten Richtung dreht.
Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitflügel (24) an einem oder an beiden Enden der Nabe (20) angeordnet sind.
Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitflügel (24) gebogen und im Wesentlichen rechteckig sind und sich radial von der Nabe (20) zwischen der Nabe (20) und der Innenwand des Kanals (40) erstrecken, so dass die Biegung die Richtung der Wasserströmung (100) so ändert, dass sie in einem spitzen Winkel auf die Tragflügelblätter (30) auftrifft, um einen Auftrieb und dadurch eine Drehung der Rotorscheiben (50) zu bewirken.
Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Flügel (24) fest angeordnet sind.
Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Flügel (24) einstellbar sind.
Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitflügel (24) relativ zur Nabe (20) und zum Kanal (40) drehbar angeordnet sind.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich bei Richtungswechsel der Wasserströmung (100) die Leitflügel (24) so drehen, dass die Biegung der Leitflügel (24) umgekehrt wird, wodurch die Wasserströmung (100) in einem bevorzugten Winkel geführt wird.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich bei Richtungswechsel der Wasserströmung (100) die gebogenen Leitflügel (24) so drehen, dass die Flügel, die die Wasserströmung auf die stromaufwärts gerichtete Rotorscheibe (52) leiten, umgelenkt werden, wodurch die Wasserströmung (100) aus der nunmehr stromabwärts gerichteten Rotorscheibe (50) parallel zur Achse der Nabe heraus geleitet wird und die Flügel (24), die am stromabwärts gerichteten Ende der Nabe (20) angeordnet sind und die Wasserströmung (100) aus dem Turbinengenerator (10) heraus leiten, nun in eine Position umgelenkt werden, in der die Wasserströmung (100) in einem spitzen Winkel auf die bisherige stromabwärts gerichtete Rotorscheibe (52) geleitet wird.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 12, 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Flügel (24) mit Hilfe einer mechanischen Kopplung an eine Einfassung (74) gedreht werden, die von einem Ende des Kanals (20) zum anderen Ende umklappt, wenn die Wasserströmung (100) ihre Richtung ändert.
Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (90) als Kranzgenerator (90) ausgelegt ist.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (90) aus an den Spitzen der Blätter (30) angeordneten Magneten (56) und in der Innenwand des Kanals (20) angeordneten Solenoiden besteht.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (90) aus in einem Kranz der Rotorscheibe (50) angeordneten Dauermagneten (56) und in der Innenwand des Kanals (20) angeordneten Statorspulen besteht.
Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (90) entweder ein Doppel- oder Einfachaxialflussgenerator (90) oder ein Doppel- oder Einfachradialflussgenerator (90) ist.
Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (90) mit Umgebungswasser geflutet wird.
Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorscheiben (50) und die Generatoren (90) so ausgelegt sind, dass sie als modulare Einheit herausgenommen werden können, um Wartung und Austausch auf einfache Weise zu ermöglichen.
Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie des Weiteren eine umkehrbare Einfassung (74) umfasst, die um die Mittellinie der äußeren Oberfläche des Kanals (20) herum angeordnet ist und sich über ein offenes Ende des Kanals (20) in Richtung der Wasserströmung (100) hinaus erstreckt.
Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Einfassung (74) so ausgelegt ist, dass sie sich anhebt und umklappt, wenn die Wasserströmung (100) ihre Richtung ändert, so dass sich die Einfassung (74) stets von der Mittellinie des Kanals (40) in Richtung des stromabwärts gerichteten Endes der Wasserturbine (48) erstreckt.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Einfassung (74) aus einem elastischen Material besteht.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 22 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Einfassung (74) aus angelenkten Platten besteht.
Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie des Weiteren einen Schirm (70) umfasst, der an den offenen Enden des Kanals (40) angebracht ist, so dass Schmutz und Lebewesen durch den Schirm (70) abgelenkt werden.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass der Schirm (70) aus Metallstangen besteht.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 26 oder 27, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Stangen von den Enden des Kanals (40) aus vorwärts zu einem Punkt vor der Mitte der Enden des Kanals (40) erstrecken.
Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 26 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass der Schirm (70) aus Stäben besteht, die tangential zu der Wasserströmung (100) abgewinkelt sind, so dass Schmutz und Lebewesen um die Turbine (48) herum abgelenkt werden.
Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie des Weiteren ein Umgehungsloch (32) umfasst, das von der Nabe (20) begrenzt wird, so dass die Wasserströmung (100) in Längsrichtung durch die Nabe (20) strömt.
Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Turbinengenerator (10) an mindestens einem Untersee-Teleskopmast (152) befestigt ist, der dafür ausgelegt ist, den Turbinengenerator (10) in ausgewählte Unterseetiefen selektiv abzusenken oder ihn über eine Wasseroberfläche anzuheben, so dass die Stromerzeugung optimiert wird.
Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserturbinengenerator (10) bidirektional ist und die Wasserströmung (100) aus einem von zwei offenen Enden aufnehmen und dadurch Strom erzeugen kann.
Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (40) eine konvergierende Innenfläche aufweist, so dass eine Venturi-Wirkung erzeugt wird.
Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorscheiben (50) koaxial angeordnet sind und sich gegenläufig drehen.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 33 oder 34, dadurch gekennzeichnet, dass 2 bis 10 in Reihe geschaltete Paare von koaxial angeordneten und sich gegenläufig drehenden Turbinengeneratoren (10) vorhanden sind.
Vorrichtung (10) für eine Fluidturbine, die eine Welle (20) und mehrere drehbare Blätter (30) umfasst, dadurch gekennzeichnet, (a) dass sich die drehbaren Blätter (30) radial von der Welle (20) erstrecken, und (b) dass sich mehrere einstellbare Leitflügel (24) sowohl am stromaufwärts als auch am stromabwärts gerichteten Ende der Turbine (10) radial von der Welle (20) erstrecken.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 36, dadurch gekennzeichnet, dass sie des Weiteren einen Kanal (40) umfasst, der um die Blätter (30) herum angeordnet ist, so dass die Spitzen der Blätter (30) proximal zum Kanal (40) angeordnet sind.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 35 oder 36, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Kranzgeneratorsystem (90) umfasst.
Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 36 bis 38, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (20) hohl ist, wodurch Meereslebewesen die Fluidturbine umgehen können.
Verbesserung einer Wasserturbine (10) mit einer Nabe (20) und einem Gehäuse (40) zur Erzeugung elektrischer Energie aus Gezeitenstrom, dadurch gekennzeichnet, (a) dass mehrere symmetrische Tragflügelblätter (30) radial und drehbar um die Nabe (20) herum angeordnet sind, und (b) dass das Gehäuse (40) um die Blätter (30) herum angeordnet und an der Nabe (20) mit Hilfe mindestens einer Nabenstütze (22) befestigt sind, wobei das Gehäuse (40) ein Auftriebsmittel umfasst, das einstückig mit der Nabe (20) geformt ist, so dass der Turbinengenerator (10) in einer vorgebbaren Unterseetiefe schwimmt.
Wasserturbine (10) nach Anspruch 40, dadurch gekennzeichnet, dass die Nabe (20) ein Loch (32) aufweist, das sich durch die Nabe (20) erstreckt.