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Die Erfindung betrifft eine Rotationsvorrichtung zur Verwendung in einem Fluid zum Zweck der Energiegewinnung aus der Strömungsbewegung eines Fluids oder zum Zweck der Umwandlung von Energie in eine Bewegung eines Fluids.
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Mittels der Rotationsvorrichtung der Erfindung oder ähnlichen Vorrichtungen kann Energie aus einem strömenden Fluid, das ein Gas oder eine Flüssigkeit sein kann, z. B. Wind oder Wasser, durch Anordnen der Rotationsvorrichtung in dem Fluid gewonnen werden, wie es z. B. auch bei einer Turbine der Fall ist.
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Die
WO2009/024127A2 beschreibt eine Rotationsvorrichtung oder einen Rotor mit mehreren ineinander verschachtelten Stellhülsen, die mit gleichvielen Drehflügeln gekoppelt sind und wiederum von gleichvielen Hebelantrieben zur individuellen Einstellung der Drehflächen gedreht werden. Es hat sich nun herausgestellt, dass mit den Hebelantrieben trotz eines großen, konstruktiven Aufwands die Stellung der einzelnen Rotorflügel nur ungenau eingestellt werden kann.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, eine Rotationsvorrichtung mit einer erhöhten Genauigkeit für die Einstellung der Stellung der Drehflächen anzugeben.
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Diese Aufgabe wird durch die Rotationsvorrichtung der Erfindung gemäß Anspruch 1 gelöst. Demnach hat die Rotationsvorrichtung der Erfindung zur Verwendung in einem Fluid, um Energie aus der Strömungsbewegung eines Fluids zu gewinnen oder um das Fluid in Strömung zu versetzen, eine Hauptdreheinrichtung, die mit einer zentralen Drehachse der Rotationsvorrichtung fest verbunden ist, mehrere Drehflächen, die drehbar um ihre Drehflächenachsen mit Abstand zu der zentralen Drehachse derart an der Hauptdreheinrichtung angebracht sind, dass die Hauptdreheinrichtung durch die Drehflächen eine Drehbewegung um die zentrale Drehachse ausführen kann, wobei sich die Drehflächenachsen parallel zu der zentralen Drehachse erstrecken, gleichviele Stellhülsen wie Drehflächen, wobei die Stellhülsen koaxial verschachtelt ineinander und um die zentrale Drehachse herum frei drehbar angeordnet sind und mit jeweils einer zugeordneten Drehfläche gekoppelt sind, und gleichviele Stellräder wie Drehflächen, wobei die Stellräder jeweils mit einer zugeordneten Stellhülse koaxial und fest verbunden sind und über diese Stellhülse mit jeweils einer Drehfläche zum Einstellen der Stellung dieser Drehfläche zur Strömungsrichtung des Fluids gekoppelt sind.
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Gemäß der Erfindung ist also jede Stellhülse mit jeweils einem Stellrad fest verbunden, um den Vorteil erreichen zu können, dass die jeweils mit der Stellhülse gekoppelte Drehfläche bei ihrer Bewegung auf einer Kreisbahn um die zentrale Drehachse der Rotationsvorrichtung bezüglich ihrer Stellung zur Fluidrichtung genauer als bisher möglich eingestellt werden kann. Der Vorteil der erhöhten Stellungsgenauigkeit der Drehflächen ist hauptsächlich auf die systemgleiche, lineare Bewegungskopplung zwischen Stellrad und damit verbundener Stellhülse zurückzuführen, während Verstellungen der Stellhülse über die bekannte Kopplung aus Stellhebel und Stellhülse des Stands der Technik nichtlinear sind.
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Bevorzugt sind die Stellräder nicht als Hebel sondern als ganze Räder derart ausgelegt, dass sie jeweils in einem Drehwinkelbereich von 0° bis 360° und darüber hinaus drehbar sind, also eine volle Drehung und darüber hinaus ausführen können. Dies ermöglicht eine beliebige Stellung der Drehflügel bzw. Drehflächen innerhalb des vollen Drehbereichs und hat auch den Vorteil, dass die Drehfläche schneller auf einen bestimmten Anstellungswinkel bezüglich der Strömungsrichtung des Fluids positioniert werden kann, was mit dem bekannten Hebelsteller des Stands der Technik aufgrund seiner Stellhubbeschränkung nicht möglich ist.
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Die Stellräder können jeweils als Kettenrad, Zahnrad, Seilrad, Riemenrad, Zahnriemenrad oder Schneckenrad ausgebildet sein. Insbesondere können die Stellräder jedoch als vollständige Zahnräder aufgebaut sein, um ein kraftschlüssiges Stellen der Drehflächen auch bei größeren Strömungsbelastungen schnell und genau ausführen zu können.
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Bevorzugt sind gleichviele Elektromotoren, elektromotorische Antriebe oder andere Drehantriebe, z. B. Druckluftmotoren oder hydraulische Motoren, wie Drehflächen vorgesehen, wobei die Elektromotoren oder motorischen Drehantriebe jeweils mit einem zugeordneten Stellrad gekoppelt sind, um die unterschiedlichen Stellungen der einzelnen Drehfläche bewerkstelligen zu können. Die Drehantriebe oder Elektromotoren können umschaltbar bezüglich ihrer Drehrichtung ausgelegt sein, um eine vorgegebene Drehflächenstellung schneller erreichen zu können, was insbesondere bei der Verwendung von Drehflächen mit einem unsymmetrischen Querschnitt oder einer unsymmetrischen Form ein schnelleres Ausrichten der Drehflächen zu der Fluidströmung ermöglicht.
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Die erfindungsgemäße Rotationsvorrichtung kann Antriebe für die Stellräder haben, die jeweils als Kettenantrieb, Zahnradantrieb, Zahnriemenantrieb, Riemenantrieb, Seilantrieb, Kardanwellenantrieb, Schneckengetriebeantrieb oder Spindelschneckenantrieb ausgebildet sind.
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Bei der Erfindung können Kraftübertragungen zwischen den Pendelrädern und korrespondierenden Drehflächenachsenrädern auf den Drehflächenachsen der Drehflächen jeweils als Kettenantrieb, Zahnradantrieb, Zahnriemenantrieb, Riemenantrieb, Seilantrieb, Kardanwellenantrieb, Schneckengetriebeantrieb oder Spindelschneckenantrieb ausgebildet sein.
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Die Rotationsvorrichtung der Erfindung kann gleichviele Pendelräder oder Reaktionsräder wie Drehflächen bzw. Flügel haben, wobei jedes Pendelrad über das korrespondierende Drehflächenachsenrad mit einer Drehfläche gekoppelt ist und mit einer Stellhülse koaxial fest verbunden ist, um die Drehbewegung der Stellhülse auf die gekoppelte Drehfläche übertragen zu können.
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Bevorzugt ist die gesamte Steuereinrichtung einschließlich des in der Nachbarschaft befindlichen Antriebsrads der Hauptdreheinrichtung außerhalb flüssiger, strömender Medien angeordnet.
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Bevorzugt sind sowohl die Stellräder und die Stellhülsen als auch die Pendelräder und Drehflächenachsenräder bei Betrieb außerhalb des flüssigen Fluids angeordnet, um die Lebensdauer der Rotationsvorrichtung der Erfindung zu erhöhen.
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Die Rotationsvorrichtung der Erfindung kann ein Antriebsrad haben, das koaxial auf der zentralen Drehachse befestigt ist und mit einem elektrischen Generator zur Stromerzeugung ausgangsseitig gekoppelt ist, um ihn anzutreiben. Das Antriebsrad ist bevorzugt außerhalb des Fluids bzw. Wassers bei laufender Rotationsvorrichtung angeordnet, um auch damit die Lebensdauer der Rotationsvorrichtung zu verbessern.
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Die Rotationsvorrichtung der vorliegenden Erfindung kann z. B. als Windkraftrad, Turbine, Propeller oder Gezeitenkraftwerk verwendet werden.
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Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Weitere Vorteile, vorteilhafte Weiterbildungen und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung sind der nachfolgenden, detaillierten Beschreibung einer beispielhaften und bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in Verbindung mit den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
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1 eine seitliche Teilschnittansicht einer bevorzugten und beispielhaften Ausführungsform der Rotationsvorrichtung der Erfindung;
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2 eine Teilansicht von 1;
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3 eine Ansicht der Ausführungsform von 1 in Richtung des Pfeiles III von 1 bzw. 2 gesehen; und
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4 eine schematische Teilansicht mit geschachtelten Stellhülsen und gleichvielen Stellrädern in einer bevorzugten Ausführungsform der Rotationsvorrichtung der Erfindung gemäß 1.
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Nachfolgend wird eine bevorzugte und beispielhafte Ausführungsform der Erfindung anhand von 1, 2, 3 und 4 beschrieben.
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Die bevorzugte Rotationsvorrichtung 71 der Erfindung ist beispielhaft für die unabhängige Einstellung von drei Drehflächen 1, 2 und 3 bzw. Flügeln relativ zur Strömungsrichtung des Fluids ausgelegt.
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1 zeigt eine seitliche, teilweise geschnittene Gesamtansicht einer bevorzugten Rotationsvorrichtung 71 der Erfindung, während 4 zur Verdeutlichung schematisch heraus gezeichnet den Abschnitt der Rotationsvorrichtung 71 zeigt, der insbesondere drei ineinander geschachtelte, koaxial zueinander um die zentrale Drehachse M herum frei drehbar angeordnete Stellhülsen 51, 52, 53 oder Hohlwellen enthält.
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Die Rotationsvorrichtung 71 hat eine Hauptdreheinrichtung 9, die zwischen zwei, stationär miteinander durch Stege 6 verbundene Stützwangen 4 und 5 drehbar um eine zentrale Drehachse M der Rotationsvorrichtung 71 gelagert ist, wobei sich die zentrale Drehachse M zwischen den Stützwangen 4, 5 durchgehend erstreckt. Die Hauptdreheinrichtung 9 wird auch hier seitlich durch eine oder mehrere, bevorzugt zwei, flachprofilige zueinander beabstandete Rotationskörper 7, 8, z. B. in Speichenform, begrenzt, die mit der zentralen Drehachse M starr verbunden sind. An den Rotationskörpern 7, 8 der Rotationsvorrichtung 71 der Erfindung sind jedoch äquidistant zueinander auf einer fiktiven Kreisbahn drei Drehflächenachsen 1.1, 2.1, 3.1 bzw. Drehflächenwellen drehbar gelagert, die jeweils starr mit einer zugeordneten Drehfläche 1, 2, 3 verbunden sind. Die drei Drehflächenachsen 1.1, 2.1 und 3.1 sind parallel und mit Abstand zu der zentralen Drehachse M angeordnet und befinden sich eher an den Rändern des Paares von flachprofilförmigen Rotationskörpern 7, 8. Die Rotationsvorrichtung 71 ist derart angeordnet, dass ihre zentrale Drehachse M senkrecht zu einer Wasseroberfläche 83 oder Oberfläche eines flüssigen Fluids 84, z. B. Wasser, steht.
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An den drei Drehflächenachsen 1.1, 2.1, 3.1 sitzt jeweils ein Drehflächenachsenrad oder Drehflächenachsenzahnrad 1.2, 2.2 bzw. 3.2, wobei die drei Drehflächenachsenräder oder Drehflächenachsenzahnräder 1.2, 2.2, 3.2 jeweils starr oder fest mit der zugeordneten Drehflächenachse 1.1, 2.1 bzw. 3.1 verbunden sind.
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Das erste Drehflächenachsenzahnrad 1.2 der ersten Drehachse 1.1 entsprechend der ersten Drehfläche 1 ist über ein Zwischenzahnrad 1.3 mit einem ersten Pendelrad 41 oder Zahnrad gekoppelt, das wiederum fest mit der ersten, relativ langgestreckten Stellhülse 51 endständig und koaxial verbunden ist. Diese innenliegende Stellhülse 51 ist um die zentrale Drehachse M herum frei drehbar angeordnet und somit nicht mit dieser fest verbunden. Genauer hat die ersten Stellhülse 51 einen an ihrem Außenumfang sich erstreckenden, ringförmigen, endständigen Flansch 51.1, der mit dem ersten Pendelrad 41 fest verbunden ist, das wiederum frei drehbar um die zentrale Drehachse M an der zentralen Drehachse M z. B. mit einem Wälzlager 41.1 bzw. Kugellager gelagert ist. Das erste Pendelrad 41 und die erste Stellhülse 51 sind somit nicht mit der zentralen Drehachse M in radialer Richtung starr verbunden und können sich deshalb unabhängig von der zentralen Drehachse M drehen.
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An ihrem anderen, flanschlosen Ende ist die erste Stellhülse 51 mit einem ersten koaxialen Stellrad 61, z. B. einem vollständig ausgebildeten Zahnrad, radial starr verbunden. Das Stellrad 61 ist mit einem ersten motorischen oder elektromotorischen Drehantrieb 10.1 oder mit einer anderen Drehkraftübertragung, z. B. einem pneumatischen oder hydraulischen Antrieb, gekoppelt, der im allgemeinen ein Getriebe und einen daran angekoppelten Motor oder Elektromotor aufweist, wobei das Getriebe die Drehbewegung des Motors auf das Stellrad 61 überträgt. Der Motor bzw. Elektromotor kann bezüglich seiner Drehrichtung umschaltbar ausgelegt sein.
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Eine Verstellung, Drehung oder radiale Lage des ersten Pendelrads 41 wird durch den ersten motorischen Drehantrieb 10.1 oder durch eine Steuereinrichtung der Rotationsvorrichtung 71 bestimmt. Der erste Drehantrieb 10.1 ist über das erste Stellrad 61, die erste Stellhülse 51, das erste Pendelrad 41, ein Zwischenzahnrad 1.3, das Drehflächenachsenzahnrad 1.2 und die Drehflächenachse 1.1 mit der ersten, starren Drehfläche 1 gekoppelt, um deren Winkelstellung bezüglich der Strömungsrichtung des Fluids 84 individuell einstellen zu können. Diese Verstellbewegung der Drehfläche 1 kann durch ein Drehen des ersten Stellrads 61 mittels Getriebe und Motor bzw. Elektromotor um einen Winkel in einem Drehbereich von 0° bis 360° Winkelgrad und auch über 360° hinaus ausgeführt werden.
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Das zweite Drehachsenzahnrad 2.2 der zweiten Drehachse 2.1 entsprechend der zweiten Drehfläche 2 ist über ein Zwischenzahnrad 2.3 (vergleiche insbesondere auch 2 und 3) mit einem zweiten Pendelrad 42 gekoppelt, das wiederum fest und koaxial mit der zweiten, langgestreckten Stellhülse 52 endständig über einen an ihrem Außenumfang senkrecht abstehenden, ringförmigen Flansch 52.1 fest verbunden ist. Die Stellhülse 52 ist zusammen mit dem Pendelrad 42 frei drehbar um die erste Stellhülse 51 an der ersten Stellhülse 51 z. B. wieder mit einem Wälzlager 42.1 bzw. Kugellager gelagert. Das zweite Pendelrad 42 und die Stellhülse 52 sind somit gegenüber der Stellhülse 51 frei drehbar angeordnet. Die zweite Stellhülse 52 ist gegenüber der ersten Stellhülse 51 entsprechend verkürzt, um Raum für das erste Stellrad 61 und das erste Pendelrad 41 auf der ersten Stellhülse 51 zu schaffen. Am anderen, flanschlosen Ende ist die zweite Stellhülse 52 mit einem zweiten Stellrad 62 starr verbunden, das wiederum koaxial zu zweiten Stellhülse 52 angeordnet ist.
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Eine Verstellung, Drehung oder radiale Lage des zweiten Pendelrads 42 und damit auch der zweiten Drehfläche 2 wird durch einen zweiten motorischen Drehantrieb 10.2, z. B. einen Elektromotor, oder eine Steuereinrichtung der Rotationsvorrichtung 71 bestimmt. Der zweite motorische Drehantrieb 10.2, der den gleichen Aufbau und die gleiche analoge Funktion mit Getriebe und Motor wie der erste Drehantrieb 10.1 hat, ist über das zweite Stellrad 62, die zweite Stellhülse 52, das zweite Pendelrad 42, das Zwischenzahnrad 2.3, das Drehflächenachsenzahnrad 2.2 und die Drehachse 2.1 mit der zweiten Drehfläche 2 gekoppelt, um deren Winkelstellung bezüglich der Strömungsrichtung des Fluids über einen Winkel von 0° bis 360° und darüber hinaus individuell einstellen zu können.
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Das dritte Drehflächenachsenzahnrad 3.2 der dritten Drehachse 3.1 entsprechend der dritten Drehfläche 3 ist über ein drittes Zwischenzahnrad 3.3 mit einem dritten Pendelrad 43 gekoppelt, das wiederum fest mit einem endständigen Flansch 53.1 der dritten Stellhülse 53 starr und koaxial verbunden ist. Auch die dritte, außenliegende Stellhülse 53 ist um den Außenumfang der zweiten Stellhülse 52 herum frei drehbar angeordnet und somit nicht mit dieser fest verbunden. Das dritte Pendelrad 43 ist zusammen mit der dritten Stellhülse 53 frei drehbar auf der zweite Stellhülse 52 z. B. wieder mit einem Wälzlager 43.1 bzw. Kugellager gelagert. Das dritte Pendelrad 43 ist somit nicht mit der zweiten Stellhülse 52 in radialer Richtung starr verbunden. Die dritte Stellhülse 53 ist wiederum gegenüber der zweiten Stellhülse 52 kürzer ausgelegt, um ausreichend Raum für das zweite Stellrad 62 und das zweite Pendelrad 42 der zweiten Stellhülse bereitstellen zu können. Die dritte, außenliegende Stellhülse 53 ist an ihrem flanschlosen, anderen Ende zudem mit einem Stellrad 63 koaxial und starr verbunden. Das Stellrad 63 kann wieder ein Zahnrad sein.
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Eine Verstellung, Drehung oder radiale Lage des dritten Pendelrads 43 wird durch den dritten motorischen Drehantrieb 10.3, z. B. einen Elektromotor, oder eine Steuereinrichtung der Rotationsvorrichtung 71 bestimmt. Der dritte motorische Drehantrieb 10.3, der den gleichen, analogen Aufbau und Funktion wie der erste und zweite Drehantrieb 10.1, 10.2 hat, ist über das Stellrad 63, die Stellhülse 53, das dritte Pendelrad 43, das dritte Zwischenrad 3.3, das dritte Drehflächenachsenzahnrad 3.2 und die Drehachse 3.1 mit der dritten Drehfläche 3 gekoppelt, um deren Winkelstellung bezüglich der Strömungsrichtung des Fluids im Bereich von 0° bis 360° und darüber hinaus individuell einstellen zu können.
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Mit den drei soeben beschriebenen, geschachtelten und gestaffelten Pendeleinrichtungen können somit die Stellungen der drei Drehflächen 1, 2 und 3 zur Strömungsrichtung unabhängig voneinander eingestellt werden, um einen optimalen Wirkungsgrad der Rotationsvorrichtung erreichen zu können. Die Stellhülsen 51, 52 und 53 sind dabei in verschachtelter und gestaffelter Weise frei drehbar um die Zentralachse M der Rotationsvorrichtung 71 herum angeordnet, wodurch ein kompakter und aufwandsgarender Aufbau der Rotationsvorrichtung 71 zusammen mit den Stellrädern 61, 62, 63 erreicht wird.
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Aus der 3 ist insbesondere ersichtlich, dass ein Winkel zwischen der Mittenlinie der Drehflächenachse 1.1 der Mittenlinie der zentralen Drehachse M und der Mittenlinie der Drehflächenachse 2.1 in der horizontalen Ebene 120° beträgt. Zudem beträgt auch der Winkel zwischen der Mittenlinie der Drehflächenachse 1.1, der Mittenlinie der zentralen Drehachse M und der Mittenlinie der Drehflächenachse 3.1 120°. Ein Winkel zwischen der Mittenlinie der Drehflächenachse 3.1, der Mittenlinie der zentralen Drehachse M und der Mittenlinie der Drehflächenachse 2.1 beträgt ebenfalls 120°.
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Die Pendelräder 41, 42, 43 und die Stellräder 61, 62, 63 haben bevorzugt den gleichen Außendurchmesser, um eine gleichmäßige Kraftweiterleitung zu ermöglichen. Die Drehflächenachsenzahnräder 1.3, 2.3, 3.3 sind bevorzugt entweder gleichgroß im Außendurchmesser oder doppelt so groß wie ihre korrespondierenden Pendelräder 41, 42 bzw. 43 und bewirken so eine sinusartige Grunddrehung der Drehflächen auf ihrem Weg um die zentrale Drehachse M. Dieser Grunddrehung wird dann eine weitere Verstellung oder Drehung der Drehflächen 1, 2, 3 durch die motorischen Drehantriebe 10.1, 10.2 bzw. 10.3 überlagert. Die motorischen Drehantriebe 10.1, 10.2, 10.3 können beispielhaft jeweils als drehende Elektromotoren ausgelegt sein, auf deren Motordrehachse ein Zahnrad sitzt, das über eine Kette mit dem jeweils korrespondierenden Stellrad 61, 62, 63 gekoppelt ist.
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Die Rotationsvorrichtung 71 hat noch ein Antriebsrad 81, das koaxial auf der zentralen Drehachse (M) befestigt ist und mit einem elektrischen Generator 82 zur Stromerzeugung ausgangsseitig gekoppelt ist, um ihn anzutreiben. Das Antriebsrad 81 ist außerhalb des flüssigen Fluids 84, z. B. über der Wasseroberfläche 83, bei laufender Rotationsvorrichtung 71 angeordnet.
