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Die
Erfindung betrifft eine bidirektional anströmbare, tauchende
Energieerzeugungsanlage, insbesondere in Form eines in einer Meeresströmung
freistehenden Kraftwerks, wobei die vorliegende Anmeldung insbesondere
eine Vorrichtung zur Anpassung an den durch die Tide bedingten Wechsel der
Anströmungsrichtung behandelt, die ferner zum Anfahren
einer Wartungsposition dient.
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Freistehende,
tauchende Energieerzeugungsanlagen können derzeit ab Strömungsgeschwindigkeiten
von 2–2,5 m/s wirtschaftlich genutzt werden. Hierzu werden
Wasserturbinen, beispielsweise mit propellerförmiger Struktur,
zur Aufnahme kinetischer Energie aus der Umgebungsströmung
an Haltestrukturen befestigt. Je nach Wassertiefe und abhängig
von der Beschaffenheit des Gewässergrunds können
die Haltestrukturen beispielsweise als fest stehende, auf einem
Bodenfundament aufgesetzte Pfeiler ausgebildet sein. Alternativ
sind die Stützstrukturen beispielsweise über Seil-
oder Kettensysteme lediglich am Meeresboden verankert und bilden
in einer bestimmten Wassertiefe treibende schwimmfähige
Einheiten.
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Charakteristisch
für Gezeitenströmungen ist der regelmäßige
Wechsel der Strömungsrichtung mit Ebbe und Flut. Demnach
ist es zur effizienten Energieausnutzung notwendig, ein gattungsgemäß freistehendes
Unterwasserkraftwerk, das über Gezeitenströmungen
angetrieben wird, so auszubilden, dass eine Energieentnahme der
Wasserturbine aus der Strömung mit unterschiedlichen Anströmungsrichtungen
möglich ist. Zur Leistungserzeugung sind in der Hauptsache
zwei entgegengesetzt zueinander gerichtete Strömungsrichtungen
bei Ebbe und Flut relevant.
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Im
einfachsten Fall kann zur Anpassung an unterschiedliche Strömungsrichtungen
ein verankertes System verwendet werden, das um einen Ankerpunkt
frei rotiert. Nachteilig ist jedoch, dass ein großer Bewegungskreis
in den meisten Fällen nicht zu vermeiden ist und somit
solche Systeme nicht effizient zu einem Energiepark mit mehreren
Unterwasserkraftwerken kombiniert werden können. Werden stattdessen
ortsfeste Anlagen und insbesondere auf einem Fundament stehende
Anlagen verwendet, so gestaltet sich eine Anpassung an veränderliche
Anströmungsrichtungen dann einfach, wenn die Turbine als
Leeläufer ausgebildet ist. Für diesen Fall wird eine
Gelenkverbindung zum Anlenken eines Abstandselements an der Stützstruktur
verwendet, wobei am abstromseitigen Ende des Abstandselements die
Turbine befestigt ist. Typischerweise ist dies eine propellerförmige
Turbine mit zwei oder mehr Turbinenblättern, die rotorblätterförmig
ausgebildet sind.
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Nachteilig
an einem Leeläufer ist jedoch, dass ein gewisser Abschattungseffekt
durch die Stützstruktur (Turmschatten) nicht zu vermeiden
ist. Vorteilhaft ist aus Effizienzgründen daher die Verwendung
eines Luvläufers, d. h. eine Anordnung der Turbine stromaufwärts
und mit einem gewissen Abstand zur Stützstruktur, an der
diese wenigstens mittelbar befestigt ist. Allerdings besteht für
einen Luvläufer keine Möglichkeit zur passiven
Nachführung mit einer veränderlichen Anströmungsrichtung,
sodass die Stellung der Turbine zur Strömungsrichtung aktiv
geführt werden muss. Die hierfür bekannt gewordenen
Antriebe umfassen typischerweise aufwendige Drehkonzepte im Bereich
des Turms. Diese sind im Hinblick auf den Wunsch, möglichst
wartungsarme Unterwasserkraftwerke aufzubauen, nachteilig, da die
zusätzlich verwendeten Getriebe- und Motorkomponenten zu
einer erhöhten Ausfallwahrscheinlichkeit führen.
Entsprechend resultiert ein erhöhter Aufwand für
regelmäßige Inspektionen, was im Hinblick auf
die erschwerte Zugänglichkeit von Unterwasserkraftwerken
nachteilig ist.
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Daher
wurde nach Möglichkeiten gesucht, eine möglichst
vereinfachte Anpassung eines freistehenden Gezeitenkraftwerks an
eine Anströmung aus unterschiedlichen Richtungen vornehmen
zu können. Ein Vorschlag besteht darin, eine rotorförmige Turbine
zu verwenden und über eine Blattwinkelverstellung eine
Anströmung aus entgegengesetzten Richtungen zu ermöglichen.
Durch diese Maßnahme kann zwar auf eine Drehung der gesamten
Turbine in die Strömung verzichtet werden, allerdings verlagert sich
die Problematik eines erhöhten Wartungsaufwands, aufgrund
zusätzlicher beweglicher Komponenten und der diesen zugeordneten
Stellantrieben, auf eine ebenso fehleranfällige turbinenseitige
Vorrichtung.
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Ferner
ist es wünschenswert, zusätzlich zur Anpassung
an die Strömungsrichtung die Turbine und vorzugsweise eine
hiermit verbundene generatorische Einheit in eine Wartungs- oder
Montagestellung verfahren zu können. Dies erfordert zum
einen ein Herausdrehen aus der Strömung und zum anderen
in den meisten Fällen ein Anheben der Turbine-Generator-Einheit
an die Wasseroberfläche. Demnach wird zum Einleiten einer
Inspektion die Turbine eine bestimmte Relativstellung zur Umgebungsströmung
annehmen, sodass auch für diesen Fall die voranstehend
genannte Problematik auftritt.
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Aus
der
KR 20 2006 0011746 ist
eine gattungsgemäße, tauchende Energieerzeugungsanlage bekannt
geworden, deren Stützstruktur zwei auf dem Meeresboden
gründende Vertikalpfeiler umfasst, zwischen denen sich
ein Querbalken erstreckt. Der Querbalken trägt eine Mehrzahl
von als Luvläufer ausgebildeten Turbine-Generator-Einheiten.
Durch eine Drehung um die Längsachse des Querbalkens kann
die Turbine-Generator-Einheit um 180° verschwenkt werden.
Zusätzlich besteht die Möglichkeit des Anhebens
des Querbalkens geführt durch die seitlichen Vertikalpfeiler.
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Zur
Ausführung der voranstehend genannten Bewegungsmöglichkeiten
des Querbalkens wird ein mit den Vertikalpfeilern verbundener Kettenantrieb
vorgeschlagen. Hierzu ist an beiden Enden des Quertragwerks ein
Kettenrad angebracht, der zur Umlenkung einer Kette dient, die entlang
der Vertikalpfeiler geführt ist. Angetrieben werden die
Ketten zu beiden Seiten des Querbalkens jeweils durch zwei unabhängige
motorische Einheiten, die sich oberhalb des Wasserspiegels befinden
und die von den Vertikalpfeilern getragen werden. Je nach Drehsinn
dieser Kettenantriebe erfolgt eine Drehbewegung der Kettenräder und
damit ein Schwenk der Turbine-Generator-Einheiten durch die Drehung
des Querbalkens oder eine Vertikalbewegung des Kettenrades ohne
gleichzeitige Drehung, sodass der Querbalken und die darauf aufsitzenden
Turbine-Generator-Einheiten angehoben oder abgesenkt werden können.
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Nachteilig
an der genannten kombinierten Hub- und Schwenkvorrichtung ist das
hohe Gesamtgewicht der zu bewegenden Anordnung. Dies führt zu
einem entsprechend groß dimensionierten Kettenantrieb.
Darüber hinaus ist der gegenüber der Seewasserumgebung
ungekapselte Antrieb korrosionsanfällig. Ferner stellt
die Bewuchsproblematik eine zusätzliche Schwierigkeit dieser
vielgliedrigen Konstruktion dar.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine tauchende Energieerzeugungsanlage
anzugeben, die bidirektional anströmbar ist. Darüber
hinaus ist es wünschenswert, eine zusätzliche
Stellung mit reduzierter Anströmung, beispielsweise zum
Einleiten von Servicemaßnahmen, anfahren zu können. Die
voranstehend genannte Aufgabe soll mit Hilfe einer robusten, an
lange Serviceintervalle angepassten Vorrichtung ausgeführt
werden. Besonders bevorzugt ist diese im Wesentlichen wartungsfrei.
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Die
voranstehend genannte Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen
Anspruchs gelöst.
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Ausgangspunkt
der Erfindung ist eine tauchende Energieerzeugungsanlage, die ein
Quertragwerk zum Tragen wenigstens einer Turbine-Generator-Einheit
umfasst. Bevorzugt wird eine Vielzahl von Turbine-Generator-Einheiten
am Quertragwerk befestigt. Das Quertragwerk ist an einer schwimmfähigen
oder tauchenden oder auf dem Meeresgrund fundamentierten Tragstruktur
befestigt. Besonders bevorzugt wird die Verwendung von wenigstens
zwei Vertikalpfeilern, insbesondere eine Doppelanordnung dieser
Vertikalpfeiler, die zu beiden Seiten des Quertragwerks angeordnet
sind.
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Erfindungsgemäß beschränkt
sich der Bewegungsumfang des Quertragwerks auf eine Vertikalbewegung,
sodass hierdurch die am Quertragwerk befestigte Turbine-Generator-Einheit
angehoben und abgesenkt werden kann. Bevorzugt sind die Vertikalpfeiler
so ausgebildet, dass die Vertikalbewegung des Quertragwerks bis
zum völligen Anheben der Turbine-Generator-Einheit über
den Wasserspiegel hinaus erfolgen kann.
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Zur
Ausführung einer Schwenkbewegung um die Längsachse
des Quertragwerks ist der Befestigungspunkt jeder Turbine-Generator-Einheit
am Quertragwerk als Gelenkverbindung ausgebildet, die im Sinne eines
Scharniergelenks eine Drehung der Turbine-Generator-Einheit in einer
Ebene erlaubt, deren Flächennormale parallel zur Längsachse
des Quertragwerks verläuft. Die Turbine-Generator-Einheit
führt demnach einen Schwenk um die Achse des Quertragwerks
aus. Bevorzugt wird beim Schwenken eine Bewegung um 180° ausgeführt,
sodass für die sich ergebenden beiden Endstellungen vorteilhafterweise
jeweils Anschläge und Verriegelungseinrichtungen der Gelenkverbindung
zugeordnet sind.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung erlaubt das unabhängige
Schwenken einer einzelnen Turbine-Generator-Einheit, sodass im Falle
einer Vielzahl an einem Quertragwerk befestigten Turbine-Generator-Einheiten
eine Einstellung auf einen Anströmungswechsel in einzelne
Teilbewegungen umgesetzt werden kann. Dies führt zum Vorteil,
dass für jede einzelne Schwenkbewegung eine geringere Masse
zu bewegen ist.
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Ein
weiterer Vorteil, der sich aus der individuellen Schwenkfähigkeit
jeder einzelnen Turbine-Generator-Einheit ergibt, ist darin zu sehen,
dass jeweils separat eine Turbine-Generator-Einheit in eine Service-Stellung
gefahren werden kann, die im Wesentlichen senkrecht zu den beiden
entgegengesetzt gerichteten Hauptanströmungsrichtungen
verläuft. Demnach kann eine Wartungsarbeit an einer Turbine-Generator-Einheit
vorgenommen werden, während gleichzeitig die weiteren am
Quertragwerk vorgesehenen Turbine-Generator-Einheiten in ihrer normalen
Betriebsstellung verbleiben können.
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Zur
Ausführung einer Schwenkbewegung wird der Gelenkverbindung
der Turbine-Generator-Einheit am Quertragwerk eine motorische Einheit zugeordnet,
wobei gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung hierfür
ein hydraulischer Antrieb verwendet wird. Die Versorgung des hydraulischen
Antriebs kann mittels einer entlang oder im Quertragwerk sowie in
einem der Vertikalpfeiler geführten Hydraulikleitung realisiert
werden. Die weiteren Komponenten des hydraulischen Systems sind
vorzugsweise oberhalb des Wasserspiegels angeordnet, beispielsweise in
jenen Teilen der Vertikalpfeiler, die über den Wasserspiegel
hinausragen.
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Ein
hydraulischer Antrieb führt zu einem hohen Anfahrmoment,
das für eine Schwenkbewegung ausgenutzt werden kann, zusätzlich
kann zur Untersetzung und zur Momenteinleitung auf die Gelenkverbindung
eine Getriebeeinheit und insbesondere ein Schneckengetriebe vorgesehen
sein. Ferner ermöglicht die Verwendung eines hydraulischen
Antriebs im Fall mehrerer am Quertragwerk befestigter Turbine-Generator-Einheiten
die Verwendung eines einzigen Hydraulikkreises, aus dem die den
einzelnen Gelenkverbindungen zugeordneten hydraulischen Antriebe
gespeist werden, wobei die jeweils individuelle Ansteuerung über
Ventilvorrichtungen erfolgt. Alternativ kann als motorische Einheit
an den Gelenkverbindungen eine elektrische Antriebsmaschine vorgesehen
sein, wobei wiederum die Verwendung eines Zwischengetriebes bevorzugt
wird.
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Die
Zuordnung der Schwenkbewegung zu den einzelnen Turbine-Generator-Einheiten
ermöglicht eine Ausgestaltung der Hubvorrichtung für
das Quertragwerk, die konstruktiv einfach ist. Im einfachsten Fall
wird eine kranähnliche, seilbasierte Hubvorrichtung verwendet.
Alternativ kann das Anheben durch eine hydraulische Vorrichtung
oder mittels eines Zahngestänges erfolgen. Ferner ist es möglich,
die Hubvorrichtung für das Quertragwerk robust auszubilden,
sodass das in diesem Fall anzuhebende Gesamtgewicht aus Quertragwerk
und der Turbine-Generator- Einheit, beziehungsweise einer Vielzahl
dieser Einheiten, ausfallsicher ausgebildet werden kann.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand von Figurendarstellungen genauer erläutert,
diese zeigen im Einzelnen Folgendes:
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1 zeigt
eine perspektivische Ansicht eines an zwei seitlichen Vertikalpfeilern
vertikal verfahrbaren Quertragwerks mit drei Turbine-Generator-Einheiten,
die individuell schwenkbar sind.
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2 zeigt
eine Draufsicht auf eine einzelne Turbine-Generator-Einheit in Richtung
der Längsachse des Quertragwerks.
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1 zeigt
schematisch vereinfacht in einer Perspektivansicht ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung. Dargestellt ist eine erste, eine zweite und eine dritte
Turbine-Generator-Einheit 4, 5, 6, die
jeweils eine Propellerturbine 8, 9, 10 umfasst,
die an einer Gondel befestigt ist. Jede der Turbine-Generator-Einheiten 4, 5, 6 ist
an einem Quertragwerk 3 gehaltert, das für die
dargestellte Ausführung als Querbalken ausgebildet ist.
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Weitere
im Einzelnen nicht dargestellte Ausgestaltungen des Quertragwerks 3 bestehen
nicht aus einem einzigen querlaufenden Element, sondern aus mehreren
miteinander verbundenen Stützelementen, beispielsweise
können dies mehrere waagerechte, diagonal verstrebte Verbindungen
oder eine gitter- oder matrixförmige Verstrebung sein.
Unter einem Quertragwerk 3 wird in der vorliegenden Anmeldung
demnach eine Tragstruktur verstanden, welche im Wesentlichen eine
tragende Querverbindung zu einer Stützstruktur (schwimmend
oder fundamentiert) bewirkt. Sie wird sich demnach von der Stützstruktur
aus bevorzugt waagerecht erstrecken und damit eine im Wesentlichen
horizontale Längsachse aufweisen. Die Stützstruktur
umfasst vorteilhafterweise zwei seitlich zum Quertragwerk 3 angebrachte Träger – in 1 sind
dies der erste Vertikalpfeiler 1 und der zweite Vertikalpfeiler 2.
Eine Weitergestaltung sieht eine Reihenanordnung von Vertikalpfeilern vor,
wobei jeweils zwei benachbarte Vertikalpfeiler durch ein Quertragwerk 3 verbunden
sind und so mehrere aufeinander folgende erfindungsgemäße Energieerzeugungsanlagen
entstehen.
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Das
Quertragwerk 3 kann bevorzugt zusammen mit den Turbine-Generator-Einheiten 5, 6 vertikal
verfahren werden. Hierzu wird ein Vertikalhubsystem 15 verwendet,
das vorteilhafterweise zu beiden Seiten im ersten und im zweiten
Vertikalpfeiler 1, 2 ausgebildet ist. Neben Seilzugsystemen
kommen Zahnstangen oder hydraulische Hubsysteme zur Realisierung
des Vertikalhubsystems 15 in Betracht.
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Erfindungsgemäß ist
jede der Turbine-Generator-Einheiten gegenüber dem Tragwerk
schwenkbar, sodass eine Anpassung an einen Richtungswechsel in der
Anströmung vollzogen werden kann. Dabei kann jede Turbine-Generator-Einheit
separat geschwenkt werden, sodass das für jeden Schwenkvorgang
zu bewegende Gewicht reduziert ist. Ein typisches Gewicht einer
Turbine-Generator-Einheit beträgt ca. 100 Tonnen, wobei
sich diese Gewichtskraft aufgrund von Auftriebskräften
bei einer entsprechenden Gestaltung der Gondel im getauchten Zustand auf
50 Tonnen reduziert. Ferner ist es zusätzlich möglich,
das Schwenken durch das Anbringen von Gegengewichten auf der Leeseite
des Verbindungsgelenks zu erleichtern.
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In 2 ist
eine Draufsicht auf die erste Turbine-Generator-Einheit in Richtung
der Längsachse des Quertragwerks 3 gezeigt. Dargestellt
ist die Ausbildung der ersten Turbine-Generator-Einheit 4 als Luvläufer,
wobei exemplarisch eine dreiblättrige erste Propellerturbine 7 verwendet
wird. Diese läuft mittels einer Nabe 14 am Gehäuse
der Gondel 13 um, wobei diese Nabe 14 Teile des
elektrischen Generators umfassen kann, insbesondere eine direkt
angetriebene Läufereinheit des im Einzelnen nicht dargestellten elektrischen
Generators, die Statorkomponenten desselben werden dann innerhalb
der Gondel 13 gekapselt sein. Ferner ist die Anströmungsrichtung
der ersten Turbine-Generator-Einheit 7 durch einen Pfeil skizziert.
Des Weiteren wird die Anströmhaube 10 bevorzugt ausgeschäumt,
um mittels des so erzeugten Auftriebs die Gewichtskraft der getauchten
ersten Turbine-Generator-Einheit 4 zu reduzieren.
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Jeder
der Turbine-Generator-Einheiten ist eine Gelenkverbindung 11 und
eine separate motorische Einheit 12 zugeordnet. Die Gelenkverbindung 11 wird
bevorzugt so gestaltet, dass eine Drehbewegung der Turbine-Generator-Einheit
auf eine Bewegung in einer Ebene beschränkt ist, deren
Flächennormale durch die Richtung der Längsachse
des Quertragwerks 3 vorgegeben wird. Demnach erlaubt die
Gelenkverbindung 11 lediglich eine Schwenkbewegung, um
den für das vorliegende Ausführungsbeispiel als
Quertragwerk 3 verwendeten Querbalken.
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Besonders
bevorzugt wird zum Antrieb der Schwenkbewegung eine der jeweiligen
Gelenkverbindungen 11 zugeordnete motorische Einheit 12 verwendet,
die als hydraulischer Antrieb ausgebildet ist. Das durch den hydraulischen
Antrieb erzeugte Moment wird mittels eines Schneckengetriebes untersetzt.
Ferner ist das hydraulische Versorgungssystem oberhalb des Wasserspiegels,
beispielsweise in dem in 1 skizzierten oberen Pfeilerteil 25,
und somit in einem trockenen und für Servicezwecke einfach
zu erreichenden Anlagenteil angeordnet. Die hydraulische Versorgung
wird dann mittels einer Hydraulikleitung an die einzelnen motorischen
Einheiten 12 für die jeweiligen Gelenkverbindungen 11 zugeführt.
Diese Hydraulikleitung kann in wenigstens einem der Vertikalpfeiler
und im Innern des Quertragwerks 3 verlegt sein und einen
gemeinsamen Hydraulikkreis bildend alle motorischen Einheiten 12 beschicken,
denen dann jeweils Hydraulikventile für eine individuelle
Ansteuerung zugeordnet sind.
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In 2 ist
die dargestellte erste Turbine-Generator-Einheit in einer ersten
Stellung A gezeigt, die für die durch den Pfeil markierten
Anströmungsrichtung angefahren wird. Beim Wechsel der Anströmungsrichtung
kann ein Schwenk um 180° in eine zweite Stellung B ausgeführt
werden, die eine Anströmung aus der Gegenrichtung erlaubt.
Eine dritte Stellung C, die im Wesentlichen im 90° Winkel zur
ersten Stellung A beziehungsweise zur zweiten Stellung B steht und
damit in Vertikalrichtung orientiert ist, kann dann angefahren werden,
wenn die Turbine-Generator-Einheit aus der Strömung zu
Servicezwecken herausgedreht und zur Wasseroberfläche gebracht
werden soll. Zum Anheben dient dann wiederum das Vertikalhubsystem 15,
das die gesamte Anordnung aus Quertragwerk 3 und den darauf aufsitzenden
Turbine-Generator-Einheiten bewegt. Den mittels des Gondelschwenks
anzufahrenden Stellungen A, B, C können jeweils Anschlagsvorrichtungen
zugewiesen sein. Ferner ist es möglich, für jede
dieser Stellungen eine Arretierungsvorrichtung zu verwenden, alternativ
wird das notwendige Haltemoment in einer bestimmten Stellung durch
das Festsetzen der der Gelenkverbindung 11 zugeordneten motorischen
Einheit 12 bewirkt.
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- 1
- erster
Vertikalpfeiler
- 2
- zweiter
Vertikalpfeiler
- 3
- Quertragwerk
- 4
- erste
Turbine-Generator-Einheit
- 5
- zweite
Turbine-Generator-Einheit
- 6
- dritte
Turbine-Generator-Einheit
- 7
- erste
Propellerturbine
- 8
- zweite
Propellerturbine
- 9
- dritte
Propellerturbine
- 10
- Anströmungshaube
- 11
- Gelenkverbindung
- 12
- motorische
Einheit
- 13
- Gondel
- 14
- Nabe
- 15
- Vertikalhubsystem
- 20
- Wasserspiegel
- 25
- oberer
Pfeilerteil
- 30
- Meeresgrund
- A
- erste
Stellung
- B
- zweite
Stellung
- C
- dritte
Stellung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - KR 2020060011746 [0008]