Die Erfindung betrifft ein Strömungskraftwerk gemäß den oberbegrifflichen Merkmalen der unabhängigen Ansprüche, das insbesondere als Gezeitenkraftwerk eingesetzt wird, sowie ein Verfahren für dessen Betrieb.

Strömungskraftwerke mit propellerförmigen, als Auftriebsläufer ausgebildeten Wasserturbinen in Verbindung mit einem elektrischen Generator, die als freistehende Einheiten von einer Gewässerströmung angetrieben werden, sind bekannt. Vorliegend wird ein Axialturbinen-Design mit einer horizontalen

Drehachse bevorzugt. Dabei bietet sich der Einsatz solcher Strömungskraftwerke zur Energiegewinnung aus einem Fließgewässer oder einer Meeresströmung an Orten an, an denen keine umfangreichen Sperrwerke errichtet werden können. Zur Energiegewinnung aus Gezeiten kann eine Wasserturbine mit einem bidirektional anströmbaren Profil verwendet werden oder das Strömungskraftwerk lässt sich als Ganzes bei einem Strömungsrichtungswechsel nachführen.

Ohne die typischerweise in Dammstrukturen vorgesehenen

Verschlussmechanismen in den zur Wasserturbine führenden Strömungskanälen, besteht bei Überlast für gattungsgemäße Strömungskraftwerke keine Möglichkeit zur Abkopplung von der Umgebungsströmung. Entsprechend müssen Maßnahmen ergriffen werden, um die Anlagen im Fall einer Starkanströmung zu schützen.

Eine Möglichkeit zur Leistungs- und Lastabregelung besteht darin, die

Wasserturbine mit drehbar an einem Nabenteil befestigten Rotorblättern auszustatten. Zur Abregelung werden bei dieser Bauform die Rotorblätter in die Fahnenstellung geführt. Die hierfür notwendige, drehbare Rotorblatthalterung ist jedoch insbesondere für die zur effizienten Energiegewinnung aus langsam fließenden Strömungen notwendigen, großbauenden Anlagen konstruktiv aufwendig. Des Weiteren stellen die für die Blattwinkeleinstellung verwendeten

BESTÄTIGUNGSKOPIE Lagerungskomponenten und Aktoren sowie die zugehörige Steuerung ein erhöhtes Ausfallrisiko dar. Da gattungsgemäße Anlagen typischerweise vollständig tauchen, kann eine Anlagenwartung nur erschwert ausgeführt werden, sodass ein vereinfachtes Anlagenkonzept mit drehstarr angelenkten Rotorblättern zu einer Anlage mit einer höheren Lebensdauer führt.

Eine alternative Maßnahme zur Abregelung, die insbesondere für Wasserturbinen mit drehstarr befestigten Rotorblättern verwendet wird, besteht darin, das

Strömungskraftwerk beim Erreichen einer vorgegebenen Leistungs- oder

Lastschwelle mit einer Schnelllaufzahl oberhalb der leistungsoptimalen

Schnelllaufzahl zu betreiben/ Exemplarisch wird auf die DE 10 2008 053 732 B3 verwiesen. Dabei stellt die Schnelllaufzahl das Verhältnis zwischen der

Blattspitzengeschwindigkeit und der über den Rotorkreis gemittelten

AnStrömungsgeschwindigkeit dar.

Der für die Abregelung verwendete Überdrehzahlbereich reicht von der

leistungsoptimalen Schnelllaufzahl bis zu einer der Durchgangsdrehzahl

zugeordneten Schnelllaufzahl, für die das bremsende Generatormoment wegfällt. Dabei können die zur Abregelung bei einer Starkanströmung verwendeten

Schnelllaufzahlen zu Fliehkräften führen, die die Anlage stark belasten. Für hohe Schnelllaufzahlen wird die von der Wasserturbine aufgenommene Leistung effektiv reduziert, allerdings nehmen die von der Wasserturbine aufgenommenen

Schubkräfte nicht in gleichem Maße ab. So liegt bei der Durchgangsdrehzahl ein . Schubbeiwert vor, für den bei einer weiter zunehmenden mittleren

AnStrömungsgeschwindigkeit kritische Schublasten auf die Anlage einwirken können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Strömungskraftwerk und ein

Verfahren für den Betrieb einer Wasserturbine im Überdrehzahlbereich anzugeben, das eine effektive Abregelung bezüglich der Leistung und der Lasten, insbesondere der axialen Schublast, bereits bei kleinen Schnelllaufzahlen bewirkt. Insbesondere soll eine Abregelung für eine Schnelllaufzahl erfolgen, die

hinreichend unterhalb der der Durchgangsdrehzahl zugeordneten Schnelllaufzahl liegt.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Dabei geht die Erfindung von einem gattungsgemäßen Strömungskraftwerk, insbesondere einem Gezeitenkraftwerk, aus. Dies betrifft ein Strömungskraftwerk, das eine Wasserturbine mit mehreren Rotorblättern umfasst, die als

Auftriebsläufer ausgeführt sind. Besonders bevorzugt wird eine

Horizontalläuferturbine. Die Wasserturbine treibt wenigstens mittelbar einen elektrischen Generator an, wobei ein Direktantrieb, das heißt eine drehstarre Kopplung des elektrischen Generators mit der Wasserturbine über eine

Antriebswelle, bevorzugt wird. Alternativ kann die Kopplung zwischen dem elektrischen Generator und der Wasserturbine mittelbar, beispielsweise über eine zwischengeschaltete hydrodynamische Kupplung, erfolgen.

Demgemäß wird eine Ausgestaltung bevorzugt, für die das vom elektrischen Generator erzeugte Generatormoment bremsend auf die Wasserturbine wirkt, wobei durch eine Steuerung oder Regelung der Laststrom zur Anpassung der Statorspannungskomponenten (d, q) des elektrischen Generators und damit zur Vorgabe eines bestimmten Generatormoments eingestellt werden kann. Diese Steuervorrichtung für den elektrischen Generator wird beispielsweise mittels eines Frequenzumrichters realisiert, der einen Gleichspannungszwischenkreis, einen generatorseitigen Gleichrichter und einen netzseitigen Wechselrichter zur

Netzaufschaltung des elektrischen Generators aufweist. Dabei gibt der

generatorseitige Gleichrichter den Laststrom am Generatorstator vor. Zur Begrenzung der aus der Strömung aufgenommenen Leistung wird die

Wasserturbine ab einer vorgegebenen Nominalleistung durch die Führung in den Überdrehzahlbereich abgeregelt. Hierzu wird die Schnelllaufzahl λ der

Wasserturbine gegenüber der leistungsoptimalen Schnelllaufzahl Xo _P t zu größeren Werten verschoben. Dabei kann der Schnelllauf der Wasserturbine bis zur

Durchgangsdrehzahl ausgeführt werden, für die lediglich die Reibungsverluste als Bremsmomente auf die Wasserturbine wirken, das heißt das Generatormoment fällt vollständig weg. Dabei hängt die Durchgangsdrehzahl von der mittleren Anströmungsgeschwindigkeit ab, wobei eine der Durchgangsdrehzahl zugeordnete Schnelllaufzahl d im Wesentlichen konstant bleibt.

Erfindungsgemäß wird die Abregelung eines gattungsgemäßen

Strömungskraftwerks in einem Bereich ausgeführt, der von der der

Durchgangsdrehzahl zugeordneten Schnelllaufzahl λα hinreichend in Richtung zu niedrigeren Schnelllaufzahlen λ beabstandet ist. Dabei resultiert eine

Sicherheitsreserve bis die Wasserturbine durch eine vollständige Wegnahme des Generatormoments freigegeben wird. Zu diesem Zweck wird erfindungsgemäß die Charakteristik der Wasserturbine für den Betrieb bei Kavitation angepasst, da beim Eintritt der Kavitation die Leistungsbeiwert- und des Schubbeiwertkurven mit zunehmender Schnelllaufzahl λ steil abfallen.

Die Wasserturbine wird so auf die Tauchtiefe des Strömungskraftwerks

abgestimmt, dass im Überdrehzahlbereich, das heißt oberhalb einer

leistungsoptimalen Schnelllaufzahl λο _Ρ ι, eine Kavitations-Schnelllaufzahlschwelle λ* festgelegt wird, die hinreichend deutlich unterhalb der der Durchgangsdrehzahl zugeordneten Schneillaufzahl λα liegt. Dabei sind in einer Steuervorrichtung Lastbegrenzungsmittel vorgesehen, die die Schnelllaufzahl λ für die Wasserturbine derart einstellen, dass bei einer starken Anströmung ein Wert für λ oberhalb der Kavitatiöns-Schnelllaufzahlschwelle λι< folgt. Dabei wird Folgendes bewirkt: Durch den abrupten Abfall des Leistungsbeiwerts der Wasserturbine beim Eintritt der Kavitation erfolgt eine Abregelung bereits bei verhältnismäßig kleinen

Schnelllaufzahlen λ, sodass an der umlaufenden Einheit des Strömungskraftwerks geringere Fliehkräfte abzufangen sind. Damit können für den Normalbetrieb, das heißt im leistungsoptimalen Betrieb mit der leistungsoptimalen Schnelllaufzahl A _pt/ relativ hohe Schnelllaufzahlen λ verwendet werden, sodass eine vereinfachte Lagerung resultiert. Es können insbesondere Gleitlager eingesetzt werden. Des Weiteren ermöglichen hinreichend hohe Drehzahlen im leistungsoptimalen Betrieb einen kleinbauenden elektrischen Generator.

Unter Starkanströmungsbedingungen, für die die Wasserturbine im

Kavitationsbereich umläuft, resultieren hohe Blattspitzengeschwindigkeiten. Dabei entsteht beim Platzen der Kavitationsblasen Schall, der Meeresbewohner von den in diesem Fall schnell umlaufenden Rotorblättern fernhält. Des Weiteren reinigt die Kavitation maritimen Bewuchs auf den Rotorblättern.

Dabei bezieht sich eine Abregelung des Strömungskraftwerks neben der

Begrenzung der von der Wasserturbine aufgenommenen Leistung bevorzugt auf eine Limitierung der Schubkraft der Wasserturbine in Rotationsrichtung. Die Schubkraft am Rotor kann oberhalb einer vorgegebenen Lastschwelle durch eine Verlagerung zu höheren Schnelllaufzahlen λ reduziert werden. Dabei wird erfindungsgemäß der sich aus der erfindungsgemäßen Rotorcharakteristik ergebende scharfe Abfall des Schubbeiwerts CF beim Eintritt der Kavitation genutzt. Andernfalls sind für die Abregelung wesentlich höhere Drehzahlen notwendig, sodass die Gefahr besteht, dass die Durchgangsdrehzahl erreicht wird, wobei in diesem Fall eine weiter zunehmende mittlere

AnStrömungsgeschwindigkeit die von der Wasserturbine eingetragene Schublast sukzessiv erhöht. Zur kavitationsbeständigen Auslegung des Rotors werden bevorzugt die von der Kavitation betroffenen Teile der Rotorblätter mit einer Schutzbeschichtung versehen. Zu diesem Zweck kann ein Elastomer aufgetragen werden. Als

Alternative werden an den Stellen der Rotorblattoberfläche, an denen Kavitation zu erwarten ist, kavitationsbeständige Abdeckungen, zum Beispiel

Kunststoffelemente, auf den lasttragenden Strukturen verankert. Dabei ist die Rotorcharakteristik so auf die Tauchtiefe abgestimmt, dass die Kavitation lokal auf den Blattspitzen bereich beschränkt ist. Bevorzugt ist der Bereich des Rotorblatts, auf dem bei einer Stellung am Scheitelpunkt des Rotorkreises Kavitation auftreten kann, auf das radial äußere Drittel der Längserstreckung des Blatts beschränkt.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und im

Zusammenhang mit Figurendarstellungen detaillierter erläutert, in denen im Einzelnen Folgendes dargestellt ist:

Figur 1 zeigt einen exemplarischen Verlauf des Leistungsbeiwerts für die

Wasserturbine eines erfindungsgemäßen Strömungskraftwerks im Vergleich zu einer Ausführung gemäß dem Stand der Technik. Figur 2 zeigt ein erfindungsgemäßes Strömungskraftwerk.

Figur 3 zeigt den leistungs- und lastabgeregelten Betrieb für ein

erfindungsgemäßes Strömungskraftwerk. Figur 2 zeigt in schematisch vereinfachter Darstellung ein erfindungsgemäßes

Strömungskraftwerk 1, das sich über einen Turm 5 und ein Schwerkraftfundament 8 gegen einen Gewässergrund 9 abstützt. Dabei liegt das Strömungskraftwerk 1 vollständig unter der Wasseroberfläche 10. Die umlaufende Einheit 2 des Strömungskraftwerks 1 umfasst eine propellerförmige Wasserturbine 3 mit drei Rotorblättern 4.1, 4.2, 4.3. Jedes Rotorblatt 4.1, 4.2, 4.3 weist auf der radial äußeren Hälfte eine

kavitationsbeständige Beschichtung 6.1, 6.2, 6.3 auf, die als

Elastomerbeschichtung ausgebildet ist. Des Weiteren ist ein elektrischer Generator 11 bevorzugt drehstarr mit der Wasserturbine 3 verbunden. Diesem ist eine Steuereinrichtung 12 zugeordnet, die zur Einstellung des Generatormoments dient, wobei die Drehzahlführung der Wasserturbine 3 anhand einer vorgegebenen Schnelllaufzahl λ erfolgt. Dabei umfasst die Steuervorrichtung 12

Lastbegrenzungsmittel 13 zur Einstellung von Schnelllaufzahlen λ bis oberhalb einer Kavitations-Schnelllaufzahlschwelle λι<.

Ferner zeigt Figur 2 das erfindungsgemäße Strömungskraftwerk beim Betrieb im Überdrehzahlbereich, das heißt für eine Schnelllaufzahl λ oberhalb der

leistungsoptimalen Schnelllaufzahl A<j _P t im Fall einer Starkanströmung. An den Spitzen der Rotorblätter 4.1, 4.2, 4.3 bilden sich an den Rotorblattteilbereichen 7.1, 7.2, 7.3 Kavitationsblasen, wobei die Kavitation beim Durchlaufen des

Scheitelpunkts S am deutlichsten ausgeprägt ist und die maximale räumliche Ausdehnung auf dem jeweiligen Rotorblatt 4.1, 4.2, 4.3 aufweist. Dabei ist die Rotorcharakteristik in Abhängigkeit der Tauchtiefe T des Strömungskraftwerks 1 so ausgebildet, dass die Kavitation auf den Bereich der kavitationsbeständigen Beschichtung 6.1, 6.2, 6.3 beschränkt ist.

Figur 1 zeigt die Wirkung der für den Kavitationsbetrieb ausgelegten

Wasserturbine 3. Dargestellt ist der Verlauf des Leistungsbeiwerts Cp sowie des Schubbeiwerts CF gegen die Schnell laufzahl λ. Dabei berechnet sich der

Leistungsbeiwert c _p aus der von der Wasserturbine 3 aufgenommenen Leistung P, der Dichte p des Strömungsmediums, der gemittelten

AnStrömungsgeschwindigkeit v sowie dem Rotorradius r wie folgt:

Der Leistungsbeiwert c _P weist ein Maximum für eine leistungsoptimale

Schnelllaufzahl o _Pt auf.

Ferner bestimmt sich der Schubbeiwert CF aus der Schubkraft F in Richtung der Rotationsachse der Wasserturbine 3, der Dichte p des Strömungsmediums, der gemittelten AnStrömungsgeschwindigkeit v sowie dem Rotorradius r wie folgt:

F

CF = i 2 2

--p-v^ -n-r ⁴

2

Die durchgezogenen Kurven in Figur 1 stellen die Charakteristik der Wasserturbine 3 gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführung dar. Dabei liegt eine Kavitations- Schnelllaufzahlschwelle vor, oberhalb der Kavitation auftritt. Ersichtlich ist ein starker Abfall des Leistungsbeiwerts cp und des Schubbeiwerts CF für

Schnelllaufzahlen λ oberhalb der Kavitations-Schnelllaufzahlschwelle λ*. Ein entsprechender Abfall liegt nicht für eine Wasserturbine 3 ohne den Eintritt der Kavitation vor. Dies ist anhand strichpunktiert dargestellten Kurven I und II für eine nicht für den Kavitationsbetrieb ausgelegte Wasserturbine dargestellt. Diese zeigen deutlich höhere Leistungsbeiwerte c _p und Schubbeiwerte CF, sodass die Abregelung eines nicht kavitierenden Gezeitenkraftwerks gegenüber der erfindungsgemäßen Ausführung zu deutlich höheren Schnelllaufzahlen λ im Bereich der der Durchgangsdrehzahl n<i zugeordneten Schnelllaufzahl A<j führt. Besonders bevorzugt wird eine Wasserturbine deren Rotordesign, insbesondere das gewählte Rotorprofil, im Verhältnis zur Tauchtiefe so angelegt ist, dass für die Kavitations-Schnelllaufzahlschwelle λ* Folgendes gilt: λκ < 0,9 λ0 und besonderes bevorzugt λ* < 0,8 Durch die erfindungsgemäß genutzten Kavitationseffekte erfolgt eine Abregelung bereits bei relativ niedrigen Schnellläufzahlen λ, sodass mit einer hinreichend hohen leistungsoptimalen Schnelllaufzahl X _Pt gearbeitet werden kann. Dies ermöglicht einen Anlagennormal betrieb mit einer schnell laufenden Wasserturbine 3, sodass sich die Lagerauslegung vereinfacht und eine kleinere Baugröße für den elektrischen Generator ausreicht.

Figur 3 zeigt den Lastverlauf anhand der axialen Schublast F gegen eine gemittelte Anströmungsgeschwindigkeit v für ein erfindungsgemäßes Strömungskraftwerk 1. In einem ersten leistungsoptimalen Betriebsbereich Bi arbeitet die Wasserturbine 3 mit einer leistungsoptimalen Schnelllaufzahl λο#. Beim Erreichen der

Nennleistung bei der gemittelten Anströmungsgeschwindigkeit vo erfolgt ein Übergang zu einem leistungsbeschränkten Betriebsbereich B2, wobei eine leistungsbegrenzte Schnelllaufzahl λ _Γ verwendet wird. Ein weiterer Wechsel des Betriebszustands wird bei einer vorgegebenen Schublastschwelle FL ausgeführt, wobei die Wasserturbine anhand eines vorgegeben Verlaufs für eine

lastbeschränkte Schnelllaufzahl λ und damit in einem schublastbegrenzten

Betriebsbereich B3 geführt wird. Hierdurch erfolgt bezüglich der Schublast F eine Abregelung der Anlage für eine Starkanströmung mit einer gemittelten

Anströmungsgeschwindigkeit v oberhalb vi.

Eine gemittelte Anströmungsgeschwindigkeit v oberhalb v ₂ stellt einen Bereich dar, für den die Durchgangsdrehzahl n _d erreicht ist. Entsprechend bleibt die

Schnelllaufzahl λ auf einer gleichbleibenden, der Durchgangsdrehzahl n _d

zugeordneten Schnelllaufzahl X _d . Demnach führt eine Erhöhung der gemittelten Anströmungsgeschwindigkeit v im Überlastbereich B ₄ zu einer erneuten Zunahme der Schublast F, die über die Anlagenauslegung hinausgehen kann. Daher sollte im vorausgehenden lastbegrenzten Betriebsbereich B3 bereits für hinreichend kleine Schnelllaufzahlen λ eine effektive Abregelung erreicht werden. Eine solche folgt aus dem erfindungsgemäßen Kavitationsbetrieb entlang der durchgezogenen Kurve im lastbegrenzten Betriebsbereich B3 für die eingestellte lastbegrenzte Schnelllaufzahl _F . Im Vergleich hierzu verdeutlicht die strichpunktierte Kurve III den Verlauf ohne den Eintritt der Kavitation.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind im Rahmen der nachfolgenden Schutzansprüche denkbar, wobei die Erfindung neben den voranstehend dargestellten als Horizontalläufer ausgebildeten Anlagen auch auf

Vertikalachsrotoren übertragen werden kann. Ferner sind Ausführungen mit einer Mantelturbine denkbar.

Bezugszeichenliste

1 Strömungskraftwerk

2 umlaufende Einheit

3 Wasserturbine

4.1, 4.2, 4.3 Rotorblatt

5 Turm

6.1, 6.2, 6.3 kavitationsbeständige Beschichtung

7.1, 7.2, 7.3 Rotorblatt

8 Schwerkraftfundament

9 Gewässergrund

10 Wasseroberfläche

11 elektrischen Generator

12 Steuervorrichtung

13 Lastbegrenzungsmittel c _P Leistungsbeiwert

c _F Schubbeiwert

n _k Durchgangsdrehzahl

λ Schnelllaufzahl

Xopt leistungsoptimale Schnelllaufzahl

λ|ς Kavitations-Schnelllaufzahlschwelle

<j der Durchgangsdrehzahl zugeordnete Schnelllaufzahl λ _Ρ lastbegrenzte Schnelllaufzahl

λ _Γ leistungsbegrenzte Schnelllaufzahl

Bi leistungsoptimalen Betriebsbereich

B ₂ leistungsbeschränkten Betriebsbereich

B ₃ lastbegrenzten Betriebsbereich

B-j Überlastbereich