-
Die Erfindung betrifft eine Horizontalläufer-Turbine mit passiver Gierwinkel-Einstellvorrichtung, insbesondere für ein Unterwasserkraftwerk zur Gewinnung von Gezeitenenergie mit den oberbegrifflichen Merkmalen von Anspruch 1.
-
Ohne Dammstrukturen frei in einer Gewässerströmung stehende Horizontalläufer Turbinen sind bekannt und entsprechen der aus der Windkraft bekannten Konzeption. Um eine gattungsgemäße Horizontalläufer-Turbine für die Ausnutzung von Gezeiten verwenden zu können, ist eine Anpassung an den durch Ebbe und Flut entstehenden Wechsel zwischen zwei Hauptströmungsrichtungen notwendig. Im einfachsten Fall wird zu diesem Zweck der Rotor mit bidirektional anströmbaren Turbinenblättern versehen. Diese können ellipsenförmige Profile aufweisen, wie sie beispielsweise durch die
WO 2006/125959 A1 offenbart werden.
-
Alternativ wurden für eine beidseitige Anströmbarkeit punktsymmetrische Profile mit einem S-Schlag durch die
US 2007/0231148 A1 vorgeschlagen. Ein solcher bidirektional anströmbarer Rotor mit einer drehstarren Befestigung der Turbinenblätter an der Nabe erlaubt ein vereinfachtes und damit robustes Anlagenkonzept. Allerdings ist der Wirkungsgrad gegenüber einem an nur eine Anströmungsrichtung angepassten Tragflächenprofil verringert. Darüber hinaus entstehen insbesondere für die genannten punktsymmetrischen Profile mit S-Schlag große Torsionskräfte auf die Turbinenblätter, sodass diese mit hoher Strukturfestigkeit ausgebildet werden müssen.
-
Eine alternative Anlagengestaltung zur Anpassung an einen Wechsel der Anströmungsrichtung sieht eine Drehbewegung der einzelnen Turbinenblätter um 180° an der Nabe der umlaufenden Einheit vor. Für einen solchen Pitchwinkel Verstellmechanismus wird exemplarisch auf die
EP 1366287 B1 verwiesen. Die Pitchwinkel-Verstellung erlaubt neben einer Anpassung an eine sich verändernde Anströmungsrichtung eine vereinfachte Leistungsregelung sowie das sichere Stillsetzen der Anlage im Überlastfall durch das Eindrehen der Turbinenblätter in die Fahnenstellung. Nachteilig ist jedoch der hohe konstruktive Aufwand zur Realisierung des Drehmechanismuses im Bereich des Fußpunkts der Turbinenblätter. Ferner führt der Ausfall einer Pitchwinkel-Verstellvorrichtung zu einer unkontrollierten Betriebssituation, die bis zum Verlust einzelner Turbinenblätter führen kann. Dieser Umstand ist insbesondere aufgrund der eine Wartung erschwerenden, schlechten Zugänglichkeit von Unterwasserkraftwerken für einen Anlagenstandort im Meer von Nachteil.
-
Ein wiederum anderer Weg zur Anpassung einer gattungsgemäßen Horizontalläufer-Turbine an eine richtungsveränderliche Anströmung besteht in der Ausführung einer Gesamtbewegung der Maschinengondel mit der umlaufenden Einheit, sodass ein Rotor mit drehstarren Turbinenblättern und einem optimierten Tragflächenprofil verwendet werden kann. Wird lediglich ein Richtungswechsel zwischen zwei Hauptorientierungen vorgesehen, besteht die Möglichkeit, die Maschinengondel an der Stützstruktur um eine horizontal verlaufende Drehachse zu schwenken. Hierzu wird beispielhaft auf die
GB 2431207 A verwiesen. Bevorzugt wird jedoch eine Strömungsnachführung, die eine Drehbewegung um eine Vertikalachse in einem Winkelbereich von wenigstens 180° erlaubt. Hierdurch kann die ellipsenförmige Anströmungscharakteristik einer typischen Gezeitenströmung in vollem Umfang genutzt werden.
-
Zur Einstellung eines bestimmten Gierwinkels wird die Maschinengondel mittels eines Azimut-Drehgelenks, dem eine vertikal verlaufende Drehachse zugeordnet ist, an der Stützstruktur befestigt. Wird eine aktive Nachführung gewählt, besteht die Notwendigkeit, einen Antrieb in das Azimut-Drehgelenk zu integrieren. Allerdings muss dann eine Regelungs- und Steuerungsvorrichtung vorgesehen sein, die in Abhängigkeit der Anströmung die Gierwinkel-Einstellung optimiert. Hierzu kann beispielsweise eine MPP-Regelung verwendet werden.
-
Nachteilig an der voranstehend genannten aktiv nachgeführten Gierwinkel-Einstellung ist der apparative Aufwand für die hierfür notwendige Aktorik und Sensorik sowie die Steuerungs- und Regelungsvorrichtungen. Wünschenswert ist daher eine passiv arbeitende Vorrichtung zur Gierwinkel-Einstellung. Im einfachsten Fall wird dies durch die Verwendung eines Lee-Läufers bewirkt, der jedoch aufgrund der nachteiligen Strömungsbeeinflussung durch die stromaufwärts angeordnete Stützstruktur gegenüber einem Luv-Läufer nachteilig ist. Wird der Gedanke einer passiven Gierwinkel-Verstellung für einen Luv-Läufer angewandt, besteht eine bekannte Möglichkeit darin, im stromabwärtigen Teil der Maschinengondel, der zur Drehachse des Azimut-Drehgelenks stromabwärts liegt, eine querstabilisierende Komponente, wie eine starre Flosse, zu verwenden. Dieses Konzept ist allerdings dann konstruktiv aufwendig, wenn die Maschinengondel langgestreckt ausgebildet ist, um den Rotor stromaufwärts von der Stützstruktur mit dem Ziel zu beabstanden, diesen aus dem Turmvorstau möglichst weitgehend herauszuführen. Diese in stromaufwärtiger Richtung erwünschte Verlängerung muss durch die querstabilisierende, abstromseitige Einrichtung ausbalanciert werden, sodass entsprechend groß dimensionierte Flossen und die hierfür notwendigen Haltestrukturen notwendig sind.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die voranstehend genannten Nachteile des Stands der Technik zu überwinden und einen Luv-Läufer mit horizontaler Drehachse mit einer konstruktiv vereinfachten Vorrichtung zur passiven Gierwinkel-Einstellung zu versehen. Eine solche Horizontalläufer-Turbine mit einer Selbstnachführung für den Gierwinkel soll neben Unterwasserkraftwerken, insbesondere Gezeitenkraftwerken, auch für Windkraftanlagen anwendbar sein.
-
Für eine Weitergestaltung soll die Horizontalläufer-Turbine unabhängig von der Ausgangslage selbsttätig in die optimale Gierwinkelstellung drehen und bevorzugt eine Vor- und Zurückbewegung im Winkelbereich von etwa 180° anstatt einer Vollkreisbewegung vollziehen, um durch den Ausschluss einer wiederholten Vollkreisdrehung eine Verdrillung des Leistungskabels zwischen dem elektrischen Generator in der Maschinengondel und der Stützstruktur zu verhindern. Ausgehend von einem gattungsgemäßen Strömungskraftwerk mit einem als Luv-Läufer ausgebildeten Rotor mit einer horizontalen Drehachse hat der Erfinder erkannt, dass eine passive Gierwinkel-Einstellung dann bewirkt wird, wenn der Rotor Turbinenblätter mit wenigstens einem rückwärts gepfeilten Abschnitt umfasst. Bevorzugt wird ein Rotor mit einer Vielzahl von rückwärts gepfeilten Turbinenblättern mit geradlinig verlaufender Längsachse verwendet. Dabei wird für den vorliegend betrachteten Luv-Läufer unter einer Rückwärtspfeilung eine Abweichung des Verlaufs der Längsachse eines Turbinenblatts vom Radialstrahl verstanden, die eine Beabstandung von der Rotorebene in Richtung auf eine hierzu parallele Ebene bewirkt, die die Drehachse des Azimut-Drehgelenks umfasst.
-
Durch die Rückwärtspfeilung der Turbinenblätter des Rotors ergibt sich bei einer Winkelstellung zwischen der Rotationsachse des Rotors und der Anströmungsrichtung, nachfolgend als Winkelabweichung bezeichnet, eine Asymmetrie der Schubkräfte auf die beiden seitlichen Teilhälften des Rotors und ein Ortsversatz der zugeordneten Schubzentren. Hierdurch resultiert ein Giermoment um die Achse des Azimut-Drehgelenks der Anlage, das die Maschinengondel mit dem Rotor wieder bis zur Parallelorientierung der Rotationsachse und der Anströmungsrichtung, d. h. in die zentrierte Stellung, zurückführt.
-
Das zur Selbstnachführung führende, bei einer Winkelabweichung resultierende Drehmoment wird immer dann vorliegen, wenn der Auslenkungswinkel zur zentrierten Stellung einen gewissen Grenzwinkel nicht überschreitet, der einen Fangbereich festlegt. Dabei ist die Ausdehnung des Fangbereichs zum einen von der jeweils herrschenden Anströmung und zum anderen von der Dimensionierung der Anläge abhängig. Relevant ist die Festlegung der Auskraglänge, d. h. des Abstands zwischen der Rotorebene und der Achse des Azimut-Drehgelenks, des Pfeilungswinkels der Turbinenblätter, des Außendurchmessers des Rotors und des Turbinenblattprofils.
-
Durch die Selbstzentrierung des erfindungsgemäßen Luv-Läufers besteht die Möglichkeit, das Azimut-Drehgelenk zur Realisierung der Verbindung zwischen der Maschinengondel und der Stützstruktur freidrehend als Großlager mit einem Drehfreiheitsgrad um die vertikale Lagerachse auszubilden. Soweit sich der gepfeilte Rotor im Fangbereich befindet und sich automatisch mit einer Rotationsachse parallel zur Strömung ausrichtet, ist kein Antrieb für das Azimut-Drehgelenk notwendig. Allerdings besteht die Notwendigkeit, die Maschinengondel initial so zu orientieren, dass die Rotationsachse des Rotors in den. Fangbereich eintritt. Für eine erste Ausgestaltung wird hierzu dem Azimut-Drehgelenk ein aktivierbarer Antrieb zugeordnet, der zu Betriebsbeginn die Anlage in die gewünschte Grundorientierung führt. Nachfolgend kann der Antrieb das Azimut-Drehgelenk freigeben und die Maschinengondel mit dem umlaufenden Rotor wird durch die Wirkung der Selbstzentrierung mit der Strömung mitgeführt. Im Falle einer Gezeitenströmung kann damit sowohl einem grundlegenden Anströmungsrichtungswechsel als auch einer graduellen Anströmungswinkelveränderung bei einer Tidenströmung gefolgt werden.
-
Um auf einen konstruktiv aufwändigen, zeitweise zuschaltbaren Antrieb für das Azimut-Drehgelenk zu verzichten, kann die Grundorientierung der Maschinengondel zur Führung der Rotationsachse des Rotors im Fangbereich durch einen Zusatzantrieb außerhalb des Azimut-Drehgelenks bewirkt werden, beispielsweise in Form eines Querstrahlruders. Dabei ist der Zusatzantrieb gegenüber der Drehachse des Azimut-Drehgelenks zu beabstanden und muss einen Querschub auf die Maschinengondel erzeugen, der zu einem hinreichend großen Giermoment führt.
-
Für eine Weitergestaltung der Erfindung wird eine Vorrichtung vorgesehen, die die Gierwinkel-Nachführung bis zum Fangbereich ebenfalls passiv bewirkt. Hierzu wird eine an der Maschinengondel an einem dem Rotor relativ zur Drehachse des Azimut-Drehgelenks gegenüberliegenden Bereich angelenkten Flosse vorgesehen. Die Flosse kann eine Schwenkbewegung um eine vertikale Achse in einem durch Anschläge auf der Maschinengondel begrenzten Schwenkbereich ausführen. Im Falle eines entgegen der Betriebsrichtung angeströmten, in Fahnenstellung befindlichen Rotors wird die Flosse auf eine Seite umklappen und gegen den dort vorgesehenen Anschlag an der Maschinengondel gedrückt. Bei entsprechender Dimensionierung resultiert aufgrund des Staudrucks auf die Flosse eine Drehbewegung der Maschinengondel um das Azimut-Drehgelenk bis der Rotor seine Luv-Läufer-Stellung erreicht und der erfindungsgemäße Selbstzentrierungseffekt zur Parallelausrichtung gegenüber der Anströmung führt.
-
Die voranstehend erläuterte Vorrichtung zur Führung der Anlage in den Fangbereich, in dem die Selbstzentrierung erfolgt, die ausschließlich mit Hilfe der auf die Anlage wirkenden Strömungskräfte arbeitet, kann weiter mit dem Ziel verbessert werden, eine kontrollierte, auf einen Halbkreis beschränkte Drehung auszuführen. Hierunter wird verstanden, dass die Drehbewegung der Maschinengondel um das Azimut-Drehgelenk an der Stützstruktur auf eine Vor- und Zurückbewegung zwischen den entgegengesetzt gerichteten Hauptanströmungsrichtungen bei Ebbe und Flut einer Gezeitenströmung und einen daran angrenzenden, standortangepassten Winkelvariationsbereich beschränkt ist. Dies ist vorteilhaft, da ein Leistungskabel, das von einem Generator in der Maschinengondel bis zur Stützstruktur führt, nicht unkontrolliert verdrillt wird. Dabei wird die erwünschte Vor- und Zurückbewegung durch zusätzliche Anschläge an der Stützstruktur erzwungen, die zu einer Winkelvorgabe für die Flosse relativ zur Rotationsachse führen und die Gierbewegung der Maschinengondel beschränken.
-
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit Figuren darstellungen genauer erläutert, in denen im Einzelnen Folgendes dargestellt ist:
-
1 zeigt eine erfindungsgemäße Horizontalläufer-Turbine in Seitenansicht.
-
2a zeigt die Horizontalläufer-Turbine aus 1 in Draufsicht in einer zur Anströmungsrichtung zentrierten Stellung.
-
2b zeigt die effektive Anströmung und die daraus resultierenden Strömungskräfte auf ein Blattelement.
-
3a zeigt eine Ansicht in Entsprechung zu 2a für den Fall eines Winkelversatzes zwischen der Rotationsachse und der Anströmungsrichtung.
-
3b zeigt die Festlegung eines Blattelements für die Betriebssituation gemäß 3a.
-
4a zeigt ein erfindungsgemäßes Wasserkraftwerk mit einer an der Maschinengondel schwenkbar befestigten Flosse zur Führung der Anlage in den Fangbereich der Selbstzentrierung in Seitenansicht.
-
4b zeigt die Ausgestaltung gemäß 4a in Draufsicht mit dem Bewegungsumfang der Anlage.
-
5–10 zeigen für eine den 4a und 4b entsprechende Anlage in Draufsicht die Funktionsweise einer vollständig passiven Gierwinkeleinstellung mit einer Gierbewegungs-Beschränkung auf einen Halbkreis mit einem zusätzlichen standortbedingten Winkelvariationsbereich.
-
1 zeigt schematisch vereinfacht eine gattungsgemäße, ohne Dammstrukturen freistehend ausgebildete Horizontalläufer-Turbine, insbesondere zur Ausnutzung einer Gezeitenströmung. Vorliegend steht die Anlage mittels des Fundaments 4, das als Schwerkraftfundament ausgebildet ist, auf dem Gewässergrund 5. Von diesem geht eine turmähnliche Stützstruktur 2 aus, auf die eine Maschinengondel 1 gesetzt ist. Die Verbindung zwischen der Stützstruktur 2 und der Maschinengondel 1 wird über ein Azimut-Drehgelenk 3 bewirkt, das eine Drehbewegung der Maschinengondel 1 um eine Vertikalachse, nachfolgend als Gierachse 27 bezeichnet, ermöglicht.
-
In einer Maschinengondel 1 sind die Lager für die Welle 9 der umlaufenden Einheit 6 sowie Komponenten des elektrischen Generators, der von der Welle 9 angetrieben wird, untergebracht (im Einzelnen nicht gezeigt). Der wesentliche Teil der umlaufenden Einheit 6 ist der Rotor 7, der vorliegend vierblättrig ausgebildet ist. Weitere Ausgestaltungen mit einer ungeraden Turbinenblattanzahl, insbesondere die Verwendung eines Dreiblattrotors, ist denkbar, wobei auch für eine solche Rotorgestaltung die nachfolgend erläuterte selbsttätige Gierwinkel-Einstellung realisiert werden kann. Erfindungsgemäß umfasst der Rotor 7 wenigstens abschnittsweise rückwärts gepfeilte Turbinenblätter 8.1, 8.2, 8.3. Für die in 1 gezeigte Ausgestaltung liegen die Turbinenblätter 8.1, 8.2, 8.3 mit einer geradlinig orientierten Auffädellinie vor, die über ihre gesamte Längserstreckung die geforderte Rückwärtspfeilung aufweist. Dabei verbindet die Auffädellinie die Profilschnittpunkte auf den Profilsehnen bei einem Viertel der Profiltiefe. Als Resultat liegt die Rotorebene 12, die durch die Mittelpunkte der Fußpunkte der Rotorblätter 8.1, 8.2, 8.3 aufgespannt wird, für die dargestellte Luv-Läufer-Anordnung stromaufwärts der Blattspitzenebene 28 am radial äußersten Ende der Turbinenblätter 8.1, 8.2, 8.3. Der sich hieraus ergebende Effekt zur passiven Gierwinkel-Einstellung wird nachfolgend anhand der 2a–3b dargestellt.
-
2a zeigt als Draufsicht die erfindungsgemäße Anlage aus 1. Skizziert eine erste seitliche Schubkraft D1 und eine zweite seitliche Schubkraft D2 auf den umlaufenden Rotor 7, die am ersten seitlichen Schubzentrum 30 und am zweiten seitlichen Schubzentrum 31 angreifen. Für deren Bestimmung wird die vom umlaufenden Rotor 7 überstrichene Fläche durch eine Vertikalschnittebene 29 geteilt, die von der Rotationsachse 14 und der Gierachse 27 aufgespannt wird, und alle Schubkräfte zu beiden Seiten der Vertikalschnittebene 29 getrennt vektoriell addiert. Zur näherungsweisen Bestimmung der Schubkräfte auf die als Auftriebsläufer ausgestalteten Turbinenblätter 8.1, 8.2, 8.3 kann die Blattelementtheorie herangezogen werden. Hierzu sind exemplarisch in 2a in Anströmungsrichtung 13 orientierte Blattelemente 15.1, 15.2, 15.3 mit einem übereinstimmenden Radialabstand zur Rotationsachse 14 dargestellt.
-
2b zeigt die Anströmung gegen den mittleren Profilschnitt 16 des Blattelements 15.2 des Turbinenblatts 8.2, dessen Profilpolare zur Bestimmung der Kraftwirkung auf das Blattelement 15.2 herangezogen wird. Zur Verdeutlichung ist in 2b Folgendes dargestellt: Die Profilsehne 17 nimmt zur Drehrichtung 50 den Blatteinstellwinkel Wb ein. Der Anströmungswinkel Wa der effektiven Anströmungsgeschwindigkeit Vr ergibt sich aus der vektoriellen Addition der Umlaufgeschwindigkeit U und der Anströmungsgeschwindigkeit Va. Hieraus resultiert am hydrodynamischen Zentrum 51 des Profilschnitts 18 die Gesamtströmungskraft Fg, die sich vektoriell in die zur Drehrichtung 50 parallele Tangentialkraft Ft und die hierzu senkrecht stehende Schubkraft Fs zerlegen lässt.
-
3a zeigt den Rotor 7 mit einer Rotationsachse 14, die in einem Winkelversatz zur Anströmungsrichtung 13 steht. Dabei werden das erste Schubzentrum 30 und das zweite erste Schubzentrum gegenüber der Gierachse 27 verlagert, sodass eine veränderte Hebelwirkung zu berücksichtigen ist. Skizziert sind hierzu für eine betragsmäßige Betrachtung ein erster Querabstand Q1 und ein zweiter Querabstand Q2 der Schubzentren 30, 31 zur Ebene, die durch die Gierachse 27 und die Anströmungsrichtung 13 aufgespannt wird. Für die in 3a gezeigte Situation einer Winkelabweichung innerhalb des Fangbereichs entsteht das resultierende Giermoment 18, das entgegen der Winkelabweichung wirkt und somit den Rotor 7 auf die in 2a gezeigte, zentrierte Stellung zurückführt.
-
Wird wiederum die Blattelementtheorie zur Bestimmung der hydrodynamischen Rotorkräfte angewandt, ergeben sich zu beiden Seiten der Vertikalschnittebene 29 unterschiedliche Blattelemente. Dies wird exemplarisch anhand des Blattelements 15.4 am Turbinenblatt 8.1 erläutert, das aufgrund des Winkelversatzes der Anlage nunmehr einen verringerten effektiven Pfeilungswinkel aufweist, d. h. es ist gegenüber der zentrierten Stellung steiler gegen die Anströmungsrichtung gestellt, sodass auf dieser Seite der Projektionsradius des Rotorflugkreises senkrecht zur Anströmung zunimmt.
-
3b zeigt eine Vergrößerung des kreisförmigen, gestrichelten Bereiches A aus 3a mit dem Blattelement 15.4 am Turbinenblatt 8.1. Das dargestellte Blattelement 15.4 weist eine Profilschnittrichtung 52 auf, die parallel zur Anströmungsrichtung 13 orientiert ist. Deren Verlauf weicht von der ursprünglichen Profilschnittrichtung 53 ab (gestrichelt dargestellt), die dem korrespondierenden Blattelement 15.1 im Falle einer Parallelausrichtung der Rotationsachse 14 zur Strömungsrichtung gemäß 2a entspricht. Hieraus folgt, dass die zur Ausführung der Blattelementtheorie verwendeten Profilschnittrichtungen abhängig von der Winkeleinstellung zwischen der Rotationsachse 14 und der Anströmungsrichtung 13 sind, sodass aufgrund der Verwindung und der Zuspitzung der Turbinenblätter 8.1, 8.2, 8.3 winkelabhängige Profilquerschnitte 16 mit unterschiedlichen Profilpolaren zu berücksichtigen sind.
-
Des Weiteren ist für die Integration der hydrodynamischen Kräfte an den Turbinenblättern 8.1, 8.2, 8.3 mittels der Blattelementtheorie eine von der Winkelabweichung der Rotationsachse 14 abhängige radiale Blattelementerstreckung zu berücksichtigen, wenn eine ursprünglich gewählte Anzahl der Blattelemente 15, 15.1, 15.2, 15.3, 15.4 beibehalten wird. Dies ergibt sich aus der Veränderung der Projektionsfläche der Turbinenblätter 8.1, 8.2, 8.3 senkrecht zur Anströmungsrichtung 13.
-
Für eine Ausgestaltungsalternative der Erfindung sind Turbinenblätter denkbar, die nicht über ihre gesamte Längserstreckung eine Rückwärtspfeilung aufweisen. Dabei wird bevorzugt wenigstens der hydrodynamisch besonders effektive radial äußere Bereich mit der gewünschten Pfeilung versehen. Ferner ist eine Weitergestaltung denkbar, für die ein erster Turbinenblattabschnitt mit Radialstrahlgeometrie und ein zweiter Turbinenblattabschnitt mit Rückwärtspfeilung vorliegen, wobei der Übergang zwischen diesen beiden Abschnitten eine gewisse Nachgiebigkeit aufweist. Hierdurch wird erreicht, dass im Überlastfall der Pfeilungswinkel des zweiten Turbinenblattabschnitts zunimmt und sich damit der effektive Durchmesser des Rotors 7 zur Abregelung der von der Anlage aufgenommenen Leistung verringert. Weitere, im Einzelnen nicht dargestellte Ausgestaltungen der Erfindung sind denkbar, etwa gesichelte Turbinenblätter 8.1, 8.2, 8.3, die zu einer Rückwärtspfeilung führen, und die besonders vorteilhaft im Hinblick auf das vereinfachte Abgleiten von Fremdköpern am Rotor 7 sind.
-
4a zeigt eine Weitergestaltung der Erfindung mit einer zusätzlichen, passiv wirkenden Vorrichtung zur Führung des gepfeilten Rotors 7 in den Fangbereich, in dem die Selbstzentrierung eintritt. Zu diesem Zweck ist am rückwärtigen Ende 33 der Maschinengondel 1, das dem Rotor 7 bezüglich der Gierachse 27 gegenüberliegt, eine Flosse 21 angelenkt. Die Flosse 21 kann um eine vertikal verlaufende Schwenkachse 22 eine begrenzte Drehbewegung ausführen, wobei, wie in der Draufsicht aus 4b dargestellt, die Bewegung durch eine paarweise symmetrische Anordnung eines ersten mitdrehenden Flossenanschlags 23 und eines zweiten mitdrehenden Flossenanschlags 24 beschränkt ist.
-
Eine derartige Flosse 21 wird bei einer Falschanströmung in Richtung auf das rückwärtige Ende 33 der Maschinengondel 1 gegen den ersten mitdrehenden Flossenanschlag 23 oder den zweiten mitdrehenden Flossenanschlag 24 gedrückt. Die in der Folge entstehenden Staudruckkräfte auf die Flosse 21 drehen die Maschinengondel 1 mit dem Rotor 7 um die Gierachse 27.
-
Hiervon ausgehend ist für eine Weitergestaltung gemäß der 4a und 4b ein erstes zusätzliches Anschlagspaar vorgesehen, nämlich der erste ortsfeste Flossenanschlag 25 und der zweite ortsfeste Flossenanschlag 26, die mit der Stützstruktur 2 verbunden sind. Ein drittes Anschlagspaar, der erste Gondelanschlag 34 und der zweite Gondelanschlag 35, betrifft die Bewegungsbeschränkung der Maschinengondel 1. Das Zusammenspiel aller Anschläge dient dazu, die Ausschlagsrichtung der Flosse 21 so einzustellen, dass die Maschinengondel 1 Bewegungen um die Gierachse 27 in einem begrenzten Winkelbereich ausführt, sodass bei wechselnder Anströmungsrichtung im Wesentlichen eine Vor- und Zurückbewegung vollzogen wird. Dadurch wird sichergestellt, dass das über das Azimut-Drehgelenk 3 verlaufende Leistungskabel nicht verdrillt wird.
-
Nachfolgend wird die vollständig passive Gierwinkel-Zentrierung anhand der Figurenfolge 5–10 erläutert. Zugrunde gelegt wird ein erfindungsgemäßes Gezeitenkraftwerk mit den in 4b dargestellten Bewegungsmöglichkeiten. Dabei liegt die Hauptanströmungsrichtung bei Ebbe bei 0° und bei Flut für das Geschwindigkeitsmaximum gegenüberliegend bei 180°. Gegenüber diesen beiden Hauptanströmungsrichtungen ist der Bewegungsbereich für den Gierwinkel der Anlage, der durch das gestrichelt dargestellte Rotorkreissegment 19 in 4b gezeigt wird, im Bereich der beiden Hauptanströmungsrichtungen um 30° erweitert. Dieser Winkelvariationsbereich ist standortbedingt und berücksichtigt Winkelvariationen und das Durchlaufen einer Tidenellipse und kann an die örtlichen Gegebenheiten angepasst werden. Der Gierbewegungsbereich wird durch das Rotorkreissegment 19 festgelegt, wobei eine Bewegung im Wesentlichen im dritten und vierten Quadranten, konkret im Winkelbereich von 150° bis 30° möglich ist. Diese beiden Winkelstellungen markieren zwei Endlagen, für die der an der Maschinengondel 1 befestigte Stift 37 am ersten Gondelanschlag 34 oder am zweiten Gondelanschlag 35 anliegt. Diese sind in 4b gestrichelt angedeutet.
-
Die Bewegungsmöglichkeit der Flosse 21 ist auf das Flossenkreissegment 20 beschränkt, wobei die zugeordneten Anschläge, der erste ortsfeste Flossenanschlag 25 und der zweite ortsfeste Flossenanschlag 26, für das dargestellte Ausführungsbeispiel die Winkelstellungen 190° und 350° einnehmen. Dabei sind standortangepasste Auslegungen möglich, für die die ortsfesten Flossenanschläge 25, 26 näher bei 180° und 360° liegen. Dabei liegt das Flossenkreissegment 20 im Wesentlichen im ersten und zweiten Quadranten. Des Weiteren ist für die Flosse 21 der Wippwinkelbereich 36 angegeben, der Bewegungsbeschränkungen zwischen dem ersten mitdrehenden Flossenanschlag 23 und dem zweiten mitdrehenden Flossenanschlag 24 beschreibt.
-
5 zeigt die Anströmung des Rotors 7 für eine Anströmungsrichtung 13.1, die gemäß der Festlegung aus 4b auf 0° liegt und eine erste Hauptanströmungsrichtung bei Ebbe darstellt. 6 stellt die Endphase der Ebbe dar, wobei die Anströmungsrichtung 13.2 bei etwa 30° liegt, sodass vorliegend eine in Uhrzeigerrichtung drehende Tidenellipse angenommen wird. Zur Verdeutlichung wird den Figuren eine Tidenellipse mit einer stark ausgeprägten Anströmungsrichtungsvariationen zugrundegelegt, wobei für eine reale Tidenströmung die Tidenellipse in der Regel wesentlich flacher ausgebildet ist. Ferner kann aufgrund der Lagesymmetrie der ortsfesten Anschläge bezüglich einer Achse, die für die Festlegung gemäß 4b durch die Winkel 90° und 270° verläuft, eine erfindungsgemäße Anlage auch einer Tidenellipse mit einem entgegen des Uhrzeigersinns wandernden Anströmungswinkel folgen.
-
Für die deutlich verringerte Anströmungsgeschwindigkeit für die Anströmung gemäß 6 können die Bremsmomente der Anlagen nicht überwunden werden und der Rotor bleibt stehen. Bezüglich der Gierwinkel-Einstellung verbleibt die Anlage aufgrund der Lagerreibung im Azimut-Drehgelenk 3 in der Endlage, für die jeweils ein Anschlag aller Anschlagspaare auf Kontakt ist. Demnach liegt die Flosse 21 am ersten mitdrehenden Flossenanschlag 23 und zusätzlich am ersten ortsfesten Flossenanschlag 25 an. Zusätzlich ist die Maschinengondel 1 gegen den zweiten Gondelanschlag 35 geführt, was in 6 im Einzelnen nicht gezeigt wird. Ersichtlich ist die Endlage jedoch durch das dargestellte Rotorkreissegment 19.
-
7 zeigt eine Anströmungsrichtung 13.3 aus etwa 175° für die rückseitig auf die Anlage auftreffende Flut. Demnach wird zu Beginn der Betriebssituation in 7 der Rotor 7 falsch angeströmt. Aufgrund der etwas gegenüber der Horizontalen gewinkelten Anstellung der Flosse 21 entsteht bei der in 8 dargestellten Anströmungsrichtung 13.4 aus 180°, die die zweite Hauptanströmungsrichtung im Falle der Flut darstellt, ein Staudruck auf die Flosse 21, der ausreicht, die Anlage um die Gierachse 27 zu drehen. Dabei wird die durch die Flosse 21 verursachte Drehbewegung bis in den Fangbereich für die vorliegende Anströmungsrichtung 13.4 geführt, sodass der Selbstzentrierungseffekt auf den rückwärts gepfeilten Rotor 7 die Anlage endgültig zur Anströmungsrichtung 13.4 ausrichtet. Diese Betriebssituation mit drehendem Rotor ist in 9 dargestellt.
-
Für den weiteren zeitlichen Verlauf der Tidenströmung erfolgt wiederum eine Verlagerung der Anströmungsrichtung im Uhrzeigersinn. Dabei endet der nutzbare Winkelbereich bei Flut und damit die Rotationsbewegung des Rotors 7 bei einer Anströmung von etwa 210° entsprechend der in 10 gezeigten Anströmungsrichtung 13.5. Für diesen Fall liegt weder die Flosse 21 noch die Maschinengondel 1 an einem der voranstehend genannten Anschläge an. Für den weiteren, im Folgenden nicht im Einzelnen dargestellten zeitlichen Verlauf der Tide erfolgt bei aufkommender Ebbe eine Queranströmung auf die Flosse 21, die diese gegen den zweiten mitdrehenden Flossenanschlag 24 führt und bei einer weiter zunehmenden Anströmungsstärke die Anlage im Bereich des Rotorkreissegments 19 auf die Betriebsstellung zurückdreht, bis wiederum die in 5 gezeigte Ausgangssituation im Falle der Anströmungsrichtung 13.1 bei 0° erreicht ist.
-
Die zur Erläuterung der Erfindung diskutierten Ausführungsbeispiele behandeln Gezeitenkraftwerke. Gleichwohl soll die erfindungsgemäße Verwendung eines gepfeilten Rotors zur selbsttätigen Gierwinkel-Einstellung für einen Luv-Läufer in Horizontalbauweise nicht ausschließlich auf diese Anwendung beschränkt sein. Vorteilhafte Anwendungen ergeben sich auch für Flusswasserkraftwerke oder zur Ausbildung wartungsfreier Windkraftanlagen. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den anschließenden Schutzansprüchen.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Maschinengondel
- 2
- Stützstruktur
- 3
- Azimut-Drehgelenk
- 4
- Fundament
- 5
- Gewässergrund
- 6
- umlaufende Einheit
- 7
- Rotor
- 8.1, 8.2, 8.3
- Turbinenblatt
- 9
- Welle
- 10
- Nabe
- 11
- Haube
- 12
- Rotorebene
- 13, 13.1,
-
- 13.2, 13.3,
-
- 13.4
- Anströmungsrichtung
- 14
- Rotationsachse
- 15.1, 15.2,
-
- 15.3
- Blattelement
- 16
- Profilschnitt
- 17
- Profilsehne
- 18
- resultierendes Giermoment
- 19
- Rotorkreissegment
- 20
- Flossenkreissegment
- 21
- Flosse
- 22
- Schwenkachse
- 23
- erster mitdrehender Flossenanschlag
- 24
- zweiter mitdrehender Flossenanschlag
- 25
- erster ortsfester Flossenanschlag
- 26
- zweiter ortsfester Flossenanschlag
- 27
- Gierachse
- 28
- Blattspitzenebene
- 29
- Vertikalschnittebene
- 30
- erstes seitliches Schubzentrum
- 31
- zweites seitliches Schubzentrum
- 32
- Strömungsquerschnittsebene
- 33
- rückwärtiges Ende
- 34
- erster Gondelanschlag
- 35
- zweiter Gondelanschlag
- 36
- Wippwinkelbereich
- 37
- Stift
- 50
- Drehrichtung
- 51
- hydrodynamisches Zentrum
- 52
- Profilschnittrichtung
- 53
- ursprüngliche Profilschnittrichtung
- d
- radiale Blattelementerstreckung
- D1
- erste seitliche Schubkraft
- D2
- zweite seitliche Schubkraft
- Fg
- Gesamtströmungskraft
- Fs
- Schubkraft
- Ft
- Tangentialkraft
- Q1
- erster Querabstand
- Q2
- zweiter Querabstand
- U
- Umlaufgeschwindigkeit
- Va
- Anströmungsgeschwindigkeit
- Vr
- effektive Anströmungsgeschwindigkeit
- Wa
- Anströmungswinkel
- Wb
- Blatteinstellwinkel