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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Scheibenläufer für eine Turbine, sowie eine Turbine, die den Scheibenläufer verwendet.
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Eine Turbine stellt eine Fluidenergiemaschine dar, bei der die in einem zugeführten Fluid (Flüssigkeiten und Gase) enthaltene Energie in eine Rotationsenergie umgewandelt wird. Mit dem Durchströmen des Fluids durch die Turbine wird die Energie an die Turbine abgegeben und es wird die Rotationsenergie der sich drehenden Turbine an eine Arbeitsmaschine, und insbesondere beispielsweise an einen Generator zur Erzeugung einer elektrischen Leistung abgegeben. Im Allgemeinen sind die Turbine und die Arbeitsmaschine (z. B. der Generator) über ihre jeweiligen drehbar gelagerten Wellen miteinander verbunden.
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Bekannte Ausführungsformen von Turbinen umfassen eine Vielzahl von Turbinenschaufeln, die an einem Läufer der Turbine angeordnet sind. Ein im Wesentlichen kontinuierlich strömendes Fluid wird auf die Schaufeln des Läufers geleitet, um eine möglichst wirbelfreie laminare Umströmung der Schaufeln des Läufers zu erreichen, wobei die in dem strömenden Fluid enthaltene Energie auf die Turbinenschaufeln und damit auf den Läufer der Turbine übertragen wird. Bei dem Durchströmen des Fluids durch die Turbine und insbesondere durch das Umströmen der Schaufeln des Läufers der Turbine ergibt sich eine resultierende Kraft auf die Schaufeln, und im Ergebnis erfolgt eine große Beeinflussung der Strömung des Fluids und im Einzelnen eine Umlenkung der Strömungsrichtungen.
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Mit der starken Beeinträchtigung der Strömung des Fluids müssen bei Strömungsmaschinen mit einem mit Schaufeln bestückten Läufer Verluste in Kauf genommen werden.
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Die klassische Turbine mit einem mit Schaufeln bestückten Läufer besteht somit aus einer Vielzahl von präzise zu bearbeitenden Teilen, sodass eine aufwendige Fertigung erforderlich ist. Ferner stellt die klassische Turbine in Verbindung mit der Bereitstellung und Zuführung des Fluids ein thermodynamisches System dar, das eine gewisse Trägheit aufweist. Es ist daher problematisch, beispielsweise mehrmals an einem Tag die Turbine von einem Stillstand zu einem Betriebszustand mit annähernd voller Leistungsabgabe hoch- und herunterzufahren.
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Aus der Druckschrift
US 1 061 142 ist eine Scheibenläuferturbine bekannt, die auch als Tesla-Turbine bezeichnet wird, bei der ein Läufer verwendet wird, an welchem eine Vielzahl von Scheiben angeordnet ist, wodurch ein schaufelloser Läufer gebildet wird.
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Eine Seitenansicht eines derartigen Scheibenläufers ist in 7 gezeigt. Auf einer drehbar gelagerten Welle W ist eine Vielzahl von gleichartigen ebenen und im Wesentlichen kreisförmigen Scheiben S angeordnet, wobei mittels eines Abstandselements A, das jeweils zwischen zwei benachbarten Scheiben S angeordnet ist, die Scheiben S in vorbestimmter Weise voneinander beabstandet sind und somit Zwischenräume zwischen den Scheiben S gebildet werden.
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8 zeigt in der Draufsicht eine der Scheiben S, die auf der Welle W befestigt sind. Die Befestigung ist derart, dass bei einer Kraftausübung auf die Scheibe S diese Kraft als Drehmoment auf die Welle W übertragen werden kann.
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Die Scheibe S umfasst ferner in der Nähe der Befestigung an der Welle W und damit an der Drehachse des Scheibenläufers einen Bereich mit Öffnungen C und einen Speichenbereich SP, sodass zwischen dem Speichenbereich SP die Öffnungen C angeordnet sind. Die Scheibe S ist daher mittels des zugehörigen Speichenbereichs SP an der Welle W befestigt.
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9 zeigt in der Seitenansicht die Anordnung der Scheiben S, die auf der Welle W angeordnet sind. Die Erstreckung der Welle W und der Drehachse verlaufen senkrecht zur Darstellungsebene. Der vorstehend beschriebene Scheibenläufer der bekannten Scheibenläuferturbine ist in einem Gehäuse G angeordnet, dass einen Einlassbereich EB und einen Auslassbereich AB aufweist. Der Einlassbereich EB liegt gemäß 9 in der Nähe des äußeren Kreisumfangs der jeweiligen Scheiben S, und der Auslassbereich AB steht in Verbindung mit den Öffnungen C in den Scheiben S in der Nähe der Welle W des Läufers.
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Der in 9 dargestellte Aufbau ermöglicht eine im Wesentlichen tangentiale auf den äußeren Rand der Scheiben S gerichtete Zuführung eines Fluids (Fluidstrom F), sodass das Fluid in die Zwischenräume zwischen den Scheiben strömt. Der bei dem im Wesentlichen tangentialen Einbringen des Fluids entstehende Fluidstrom F bewirkt eine Drehung der Scheibe S mit der Welle W, wobei sich der Fluidstrom F spiralförmig in dem Zwischenraum zwischen den Scheiben in Richtung der Drehachse bewegt und nach Erreichen der Öffnungen C in den Scheiben S in der Nähe der Welle W das Gehäuse G der Scheibenläuferturbine über den Auslassbereich AB verlässt. Im Einzelnen gelangt der vom äußeren Rand der jeweiligen Scheibe S in seiner Strömungsgeschwindigkeit leicht verminderte Fluidstrom F spiralförmig auf innere Bahnen in Richtung der Welle W oder Drehachse und erbringt auf den inneren spiralförmigen Strömungswegen weitere Antriebsleistung oder Beschleunigungsarbeit auf die jeweils benachbarten Scheiben auf.
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Die Öffnungen C der Scheiben in der Nähe der Welle W oder Drehachse des Scheibenläufers bilden somit für das Fluid bzw. den Fluidstrom F eine Vielzahl von Austrittsöffnungen, wobei die aus den jeweiligen Austrittsöffnungen C zwischen den Speichenbereichen SP austretenden Teile des Fluidstroms F im Auslassbereich AB gebündelt und gemeinsam ausgeleitet werden. Der aus den Austrittsöffnungen C der Scheiben S austretende gesamte Fluidstrom F gelangt in einen Ausströmweg AW des Gehäuses G der Scheibenläuferturbine und verlässt die Scheibenläuferturbine über den Auslassbereich AB.
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Bei dem Durchströmen der Zwischenräume zwischen den einzelnen Scheiben S erfährt der Fluidstrom F etwa nach der ersten Umdrehung einen Impuls auf eine nächste innere Kreisbahn, wobei an diesen Stellen in der Nähe des Eintrittsbereichs EB des Fluids auf die Scheibe S Wirbel entstehen. Dieser Vorgang wiederholt sich mehrmals mit zunehmender Intensität, wodurch die Intensität der Wirbelbildung sowohl an den Umlenkstellen als auch an den Grenzen der umlaufenden Fluidschichten erhöht und die Kopplung zwischen dem Fluid (Fluidstrom F) und der Oberfläche jeder Scheibe S zur erhöhten Kraftübertragung verbessert wird.
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Bei der bekannten Turbine mit einem Scheibenläufer gemäß der vorstehenden Beschreibung ist das Drehmoment im Stillstand des Läufers am größten und wird mit zunehmender Drehzahl linear kleiner, bis es bei der Leerlauf Drehzahl des Läufers zu Null wird. Die höchste Leistung der Gesamtanordnung wird etwa bei halber Leerlauf Drehzahl erreicht.
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Die Druckschrift
US 2006/0216149 A1 zeigt verschiedene Anordnungen von Scheiben mit Öffnungen der Scheiben in der Nähe der Befestigungswelle oder Drehachse mit den entsprechenden Strömungswegen, die ein Fluid durch die Anordnung des Scheibenläufers nimmt.
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Die Druckschrift
WO 2008/070369 A2 zeigt im Wesentlichen die Anordnung eines Scheibenläufers mit einer Vielzahl von Scheiben, die in Verbindung mit Speichen und entsprechenden Öffnungen in der Nähe ihrer Drehachse an einer drehbar gelagerten Welle befestigt sind. Die im Übrigen kreisförmigen und ebenen Scheiben weisen an ihrem äußeren Rand Schaufelelemente auf, mit denen die Fluidströmung im Zwischenraum zwischen den Scheiben beeinflusst wird.
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Die vorstehend angegebenen Ausgestaltungen der Scheibenläufer führen jedoch im Austrittsbereich zu Verwirbelungen und günstigen Strömungsverhältnissen, die in ihrer Gesamtheit den Wirkungsgrad der gesamten Anordnung des Scheibenläufers in dem Gehäuse G verschlechtern.
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Der vorliegenden Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zu Grunde, einen Scheibenläufer für eine Turbine sowie eine den Scheibenläufer verwendende Turbine derart auszugestalten, dass die mechanische Ausgestaltung des Scheibenläufers vereinfacht und die Strömungsverhältnisse in dem Scheibenläufer verbessert werden.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch einen Scheibenläufer für eine Turbine gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1, und durch eine den Scheibenläufer verwendende Turbine gemäß dem Patentanspruch 13.
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Der Scheibenläufer gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst eine Vielzahl von ebenen kreisförmigen Scheiben, die mit jeweils vorbestimmten Abständen parallel zueinander angeordnet sind, und eine Welle, auf der in einem vorbestimmten Bereich die Vielzahl der Scheiben befestigt ist, wobei die Welle einen hohlen Abschnitt aufweist, der sich von zumindest einen Wellenende bis zu dem vorbestimmten Bereich erstreckt, und in dem vorbestimmten Bereich zumindest zwei Ausnehmungen angeordnet sind, die zur Bildung eines Strömungswegs mit dem hohlen Abschnitt der Welle verbunden sind.
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Die Scheibenläuferturbine gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst ein mehrteiliges Gehäuse sowie den vorstehenden Scheibenläufer, wobei das mehrteilige Gehäuse einen Einströmbereich umfasst, über den das Fluid in die Zwischenräume zwischen den Scheiben eingebracht wird.
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Mit der erfindungsgemäßen Anordnung des Scheibenläufers sowie der den Scheibenläufer verwendenden Turbine (Scheibenläuferturbine) wird eine gleichmäßige Strömung des Fluids im Bereich der Scheiben erhalten. Die Fluidströmung erfährt lediglich die Strömungsbeeinflussung, die in Verbindung mit den spiralförmigen Strömungswegen in den Zwischenräumen zwischen den Scheiben gebildet werden. Turbinenschaufeln und Leitschaufeln sind nicht erforderlich. Es werden die erstrebten sanften Änderungen der Strömung des Fluids auf dem Weg durch die Turbine gewährleistet. Insbesondere ist die Streckenlänge der Einwirkung des Fluids auf seinem Strömungsweg von dem Eintreten in die Zwischenräume zwischen den Scheiben und dem Austreten aus diesen Zwischenräumen in die Ausnehmungen der Welle größer im Vergleich zu dem bekannten Scheibenläufer, bei dem ein Austrittsbereich durch die Öffnungen innerhalb der Fläche der an der Welle befestigten Scheiben ausgebildet ist. Mit der längeren Strecke, auf der das Fluid zur Beschleunigung der Scheiben auf die Scheiben einwirken kann, ist eine Steigerung des Wirkungsgrades und eine gleichmäßigere Ausbildung der Strömung verbunden.
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Des Weiteren tritt in gleichmäßiger Weise das Fluid aus den Zwischenräumen zwischen den Scheiben in die Ausnehmungen der Welle ein, wobei die Einströmung des Fluids in die Ausnehmungen lediglich durch die Befestigung der Scheiben an der Welle beeinflusst wird. Das Fluid kann aus den Ausnehmungen der Welle im Bereich der Befestigung der Vielzahl der Scheiben an der Welle in den hohlen Abschnitt der Welle eintreten, wobei im Bereich der Ausnehmungen der Welle die Strömungsrichtung des Fluids von der radialen Richtung in den Zwischenräumen der Scheiben zur axialen Strömungsrichtung (entlang der Drehachse des Scheibenläufers) umgelenkt wird. Das in dem hohlen Abschnitt der Welle strömende Fluid wird an der Mündung des hohlen Abschnitts an zumindest einem Wellenende ausgegeben.
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Des Weiteren kann die mechanische Ausgestaltung des Scheibenläufers vereinfacht werden, da Ausströmungsöffnungen in den Scheiben in Verbindung mit entsprechenden Speichen nicht ausgebildet werden müssen. Vielmehr werden die Scheiben im Bereich der Ausnehmungen an der Welle befestigt.
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In den Unteransprüchen sind weitere Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung angegeben.
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Zwischen den in dem vorbestimmten Bereich der Welle angeordneten Scheiben können Abstandselemente vorgesehen sein zur Bestimmung des vorbestimmten Abstands. Auf diese Weise kann der vorbestimmte Abstand eindeutig definiert und bei der Fertigung eingehalten werden.
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Die Welle weist zwischen den Ausnehmungen Stege auf, die die benachbarten Wellenteile verbinden, und es ist insbesondere die Vielzahl der Scheiben in dem vorbestimmten Bereich mit den Stegen verbunden. Somit kann das Fluid nahezu ungehindert aus einem Bereich zwischen den Scheiben in die Ausnehmungen der Welle strömen.
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Des Weiteren kann der hohle Abschnitt der Welle in der axialen Ausdehnung der Welle zumindest auf einer Seite des vorbestimmten Bereichs angeordnet sein. Ferner kann die Welle zwischen den Stegen ein Strömungsführungselement zur Führung einer Strömung des Fluids in den Ausnehmungen aufweisen, so dass eine gleichmäßige Strömung des Fluids gewährleistet ist. Hierbei kann das Strömungsführungselement kegelförmig ausgebildet sein, und es kann die Spitze des Kegels in Richtung des hohlen Abschnitts der Welle zeigen. Die bewirkt eine sanfte Umlenkung der Strömungsrichtung des Fluids. Das Strömungsführungselement kann auch in eine Wellenöffnung der Welle eingepasst werden. Das Strömungsführungselement weist hierzu einen speziellen Endbereich auf, der in die Wellenöffnung eingesetzt wird.
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Es kenn ferner der hohle Abschnitt der Welle in der axialen Ausdehnung der Welle auf beiden Seite des vorbestimmten Bereichs angeordnet sein, so dass das Fluid zu beiden Seiten, d. h. bei beiden Wellenenden austreten, so dass Strömungswiderstände vermindert werden.
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Zwischen den Scheiben können mittels der Abstandselemente Zwischenräume gebildet sein, und es kann sich der Strömungsweg von den Zwischenräumen über die Ausnehmungen zu dem hohlen Abschnitt der Welle erstrecken. Der Strömungsweg des Fluids durch den Scheibenläufer kann an einem dem hohlen Abschnitt der Welle benachbarten Wellenende enden. Somit kann bei der Scheibenläuferturbine das Wellendende benachbart zu dem hohlen Abschnitt der Welle einen Auslassbereich für das Fluid bilden. Auf diese Weise kann das Gehäuse der Turbine vereinfacht werden, da ein gesonderter Auslaufbereich im Gehäuse nicht erforderlich ist und der Austritt des die Turbine durchströmenden Fluids über die Welle erfolgt.
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Die Abstände zwischen den Scheiben können auch ungleich sein, indem die Abstandselemente, die zwischen den Scheiben angeordnet sind, eine ungleiche Größe ausweisen. Dies ermöglicht eine Anpassung an die Eigenschaften des verwendeten Fluids oder die speziellen Betriebsbedingungen der Scheibenläuferturbine.
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Die vorliegende Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben. Es zeigen:
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1 eine Gesamtdarstellung (Schnittdarstellung) des Scheibenläufers gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
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2 eine Schnittdarstellung gemäß einem Schnitt entlang der Linie A-A des in 1 gezeigten Scheibenläufers,
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3 eine grafische Darstellung der Strömung eines Fluids durch eine Turbine, die den Scheibenläufer gemäß 1 aufweist,
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4 eine Schnittdarstellung gemäß einem Schnitt entlang der Linie A-A des in 1 gezeigten Scheibenläufers gemäß einer alternativen Anordnung der Scheiben auf der Welle,
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5 eine Gesamtdarstellung (Schnittdarstellung) des Scheibenläufers gemäß einer alternativen Ausführung der vorliegenden Erfindung,
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6 eine Gesamtdarstellung (Schnittdarstellung) des Scheibenläufers gemäß einer weiteren alternativen Ausführung der vorliegenden Erfindung,
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7 eine grafische Darstellung eines bekannten Scheibenläufers,
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8 eine Draufsicht auf eine der Scheiben des bekannten Scheibenläufers gemäß 7, und
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9 eine grafische Darstellung der Strömung eines Fluids durch eine Turbine mit dem bekannten Scheibenläufer.
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Nachstehend wird die vorliegende Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Darstellung in den 1 bis 3 beschrieben.
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1 zeigt eine Gesamtdarstellung mit einer teilweisen Schnittansicht des Scheibenläufers 10 gemäß der vorliegenden Erfindung.
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Der Scheibenläufer 10 umfasst eine Welle 1, auf der in einem vorbestimmten Bereich B eine Vielzahl von Scheiben 2 angeordnet ist. Die Scheiben 2 sind als kreisförmige ebene Scheiben 2 ausgebildet, und sind in Form eines Stapels auf der Welle 1 in dem vorbestimmten Bereich B und parallel zueinander derart angeordnet, dass in Verbindung mit Abstandselementen 3, die jeweils zwischen benachbarten Scheiben angeordnet sind, die Scheiben 2 einen vorbestimmten Abstand zueinander aufweisen. Der vorbestimmte Abstand zwischen den jeweiligen Scheiben 2 wird somit im Wesentlichen durch die Dimensionen des jeweiligen Abstandselements 3 gebildet.
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Auf der Welle 1 sind die Scheiben 2 in der Weise befestigt, dass zwischen den Scheiben und der Welle eine Kraft übertragen werden kann.
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In dem vorbestimmten Bereich B der Welle 1 sind zumindest zwei Ausnehmungen 4 vorgesehen, wobei zwischen den Ausnehmungen 4 zumindest zwei Stege 5 vorgesehen sind. An den Stegen 5 als Teil der Welle 1 sind in dem vorbestimmten Bereich B die Scheiben 2 in Verbindung mit den jeweils zugehörigen Abstandselementen 3 befestigt. In diesem Zusammenhang zeigt 2 eine Schnittdarstellung der Welle entlang der Linie A-A, wobei der Blick auf den Schnitt in axialer Richtung erfolgt.
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2 zeigt somit die Welle 1 mit den darin angeordneten zumindest zwei Ausnehmungen 4, sowie die die Ausnehmungen 4 jeweils begrenzenden zumindest zwei Stege 5.
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In dem äußeren Bereich 6 der Stege 5 sind die jeweiligen Scheiben 2 mit den zugehörigen Abstandselementen 3 angeordnet und an der Welle 1 befestigt. Diese Befestigung kann derart erfolgen, dass im äußeren Bereich 6 der Stege 5 axiale Rillen oder Nuten 5a angeordnet sind, die in Verbindung mit der an den Stegen angeordneten Scheiben 2 einen formschlüssigen Sitz und damit eine Befestigung der Scheiben 2 auf der Welle 1 bildet, die Drehmomente sicher übertragen kann. Zu diesem Zweck ist an der Scheibe 2 in dem Bereich der Nuten 5a der Stege 5 ein Vorsprung 2a ausgebildet, der hinsichtlich seiner Größe derart ausgebildet ist, dass er in die Nuten 5a der Stege 5 formschlüssig eingreift und den festen Sitz der Scheiben 2 auf der Welle 1 zur Drehmomentübertragung gewährleistet.
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Innerhalb des äußeren Umfangs der Welle 1 bilden die Ausnehmungen 4 einen Hohlraum, der in Verbindung steht mit durch die parallele Anordnung der Scheiben 2 mit den zugehörigen Abstandselementen 3 gebildeten Zwischenräumen 7 zwischen den Scheiben 2. Jeder Zwischenraum 7 stellt ein scheibenförmiges Volumen dar.
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In dem linken Bereich der Welle 1 gemäß der Darstellung in 1 weist die Welle 1 einen hohlen Abschnitt 8 auf, der in Verbindung mit den Ausnehmungen 4 in den vorbestimmten Bereich B steht. Der hohle Abschnitt 8 erstreckt sich von dem Bereich der Ausnehmungen 4 bis zu einem linksseitigen Wellenende 9.
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Die Gesamtanordnung gemäß beispielsweise der Darstellung in 1 ermöglicht somit die Bildung eines Strömungswegs von den Zwischenräumen 7 zwischen den einzelnen Scheiben 2 über die Ausnehmungen 4 der Welle 1 und dem anschließenden hohlen Abschnitt 8 der Welle 1 bis zum linksseitigen Wellende 9.
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3 zeigt die Anordnung des Scheibenläufers 10 in einem Gehäuse 11 einer Scheibenläuferturbine 20, d. h. einer Scheibenläuferturbine 20, die den Scheibenläufer 10 verwendet. Die Scheibenläuferturbine 20 wird nachstehend vereinfacht als Turbine 20 bezeichnet. Der Scheibenläufer 10 kann in dem Gehäuse 11 der Turbine 20 oder in Bereichen außerhalb des Gehäuses 11 mittels entsprechender (nicht gezeigter) Lagereinrichtungen drehbar gelagert sein.
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Das Gehäuse 11 umfasst einen Einlassbereich 12, über den ein Fluid 13 in die Turbine 20 einströmt. Innerhalb des Gehäuses 11 wird das einströmende Fluid 13 tangential in Richtung der Vielzahl der Scheiben 2 geleitet und strömt auf einem Wesentlichen spiralförmigen Strömungsweg vom äußeren Rand der Scheiben 2 in dem Zwischenraum 7 zwischen den Scheiben 2 in Richtung der Ausnehmungen 4 in der Welle 1. Das Fluid 13 tritt somit nach dem Durchströmen der Scheiben 2 aus dem Zwischenraum 7 zwischen den Scheiben 2 mit einer verringerten Strömungsenergie in den Raum der Ausnehmungen 4 ein, wobei eine Umlenkung der Strömungsrichtung des Fluids 13 bewirkt wird. Das in den Zwischenräumen 7 zwischen den Scheiben 2 strömende Fluid 13 strömt in radialer Richtung (und spiralförmig) zu den Ausnehmungen 4 der Welle 1 und gelangt dann nach der Änderung der Strömungsrichtung in die axiale Richtung (Richtung entlang einer Drehachse 14) in den hohlen Abschnitt 8 der Welle 1, und kann am Wellenende 9 aus dem hohlen Abschnitt 8 und damit aus der Welle 1 austreten.
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Das Einströmen des Fluids 13 in die Ausnehmungen 4 der Welle 1 führt somit zu der Änderung der Strömungsrichtung des Fluids 13, wobei die Änderung der Strömungsrichtung des Fluids 13 durch eine Führungseinrichtung 15 (Strömungsführungselement) unterstützt und gesteuert wird. Die Führungseinrichtung 15 kann beispielsweise in Form eines Kegels, eines Rotationsparaboloids oder einer ähnlichen Ausgestaltung vorgesehen sein. Mittels dieser Führungseinrichtung 15 wird eine Führung der Strömung (und insbesondere eine Änderung der Richtung) des in die Ausnehmungen 4 der Welle 1 einströmenden Fluids 13 in Richtung des hohlen Abschnitts 8 der Welle 1 bewirkt. Bei der Führungseinrichtung 15 zeigt die Kegelspitze oder das abgerundete Ende eines Rotationsparaboloids in der Richtung des hohlen Abschnitts 8 und somit in Richtung des Wellenendes 9 der Welle 1.
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Bei dem Einströmen des Fluids 13 in den Raum der Ausnehmungen 4 wird ein Teil der Restenergie des Fluids 13 in dem vorbestimmten Bereich B und somit in den Ausnehmungen 4 (in Verbindung mit den Stegen 5) genutzt.
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Der Einlassbereich (Einströmbereich) 12 für das Fluid 13 befindet sich somit bei der in 3 teilweise abgebildeten Turbine 20 am Gehäuse 11, während sich der Auslassbereich für das Fluid 13 am Wellendende 9, d. h. am Ende des hohlen Abschnitts 8 der Welle 1 befindet. Die Welle 1 und insbesondere die Ausnehmungen 4 und der hohle Abschnitt 8 sind hinsichtlich ihres Durchmessers derart dimensioniert, dass die über den Einlassbereich 12 einströmende Menge des Fluids 13 an dem Wellenende 9 ausströmen kann.
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In der Welle 1 sind zumindest zwei Ausnehmungen 4 und somit zwei Stege 5 vorgesehen, wobei vorzugsweise jedoch drei oder vier Ausnehmungen 4 und Stege 5 vorgesehen sind. Die Welle 1 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst beispielsweise gemäß 2 drei Ausnehmungen 4 und drei Stege 5. Bei einer Mehrzahl der Stege 5 können sämtliche Stege 5 oder nur einige der Stege 5 eine entsprechende Nut 5a gemäß 2 für eine formschlüssige Verbindung der Scheibe 2 mit der Welle 1 aufweisen.
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Die axiale Ausdehnung der Ausnehmungen 4 und der Stege 5 entspricht im Wesentlichen dem vorbestimmten Bereich B (siehe 1), in welchem die Scheiben 2 in Verbindung mit den Abstandselementen 3 auf der Welle 1 und insbesondere im äußeren Bereich 6 der Stege 5 befestigt sind.
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Wie es aus den 1 bis 3 erkennbar ist, strömt das Fluid 13 von dem Einlassbereich 12 der Turbine 20 (und speziell des Gehäuses 11) in die Zwischenräume 7 zwischen den Scheiben 2, und strömt im Wesentlichen in radialer und tangentialer Richtung und spiralförmig zu den Ausnehmungen 4 der Welle 1. Die Strömung des Fluids 13 berührt somit auf nahezu der gesamten radialen Ausdehnung der Scheibe 2 die jeweilige Scheibenoberfläche und übt somit im Vergleich zu der Scheibenanordnung gemäß dem Stand der Technik (5) auch in einem Bereich in der Nähe der Welle 1 eine Kraft auf die Oberfläche der Scheiben 2 aus. Auf diese Weise kann die in dem Fluid 13 enthaltene kinetische Energie in größerem Maße durch die Anordnung der Scheiben 2 mit einer Ausströmung des Fluids 13 im Bereich der Welle 1 ausgenutzt werden. Der Scheibenläufer 10 gemäß der vorliegenden Erfindung weist somit einen Strömungsweg des Fluids 13 in den Zwischenräumen 7 zwischen den Scheiben 2 auf, der eine längere Berührung des Fluids 13 mit den jeweils benachbarten Scheiben 2 und damit eine Verbesserung des gesamten Wirkungsgrades aufweist.
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Neben der Verbesserung des Wirkungsgrades wird durch den Austrittsbereich des Fluids 13 am Wellenende 9 das Gehäuse 11 der Turbine 20 vereinfacht, da am Gehäuse 11 selbst weder ein Strömungsweg für die Ausströmung noch ein gesonderter Auslassbereich für das Fluid 13 bereitgestellt werden muss. Auf diese Weise wird auch die Fertigung der gesamten Turbine vereinfacht, so dass damit die Kosten vermindert werden können.
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Die Abstandselemente 3, die auf der Welle 1 in dem vorbestimmten Bereich B und insbesondere im Bereich der Stege 5 zwischen den Scheiben angeordnet sind, weisen jeweils eine entsprechende Dicke auf, sodass ein gleicher vorbestimmter Abstand zwischen den Scheiben 2 gebildet wird und eine parallele Anordnung der Scheiben 2 gewährleistet ist.
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Die Abstandselemente 3 können ebenfalls gemäß einer alternativen Anordnung unterschiedliche Größen aufweisen, sodass zwischen jeweils benachbarten Scheiben 2 unterschiedliche Abstände (Zwischenräume 7) gebildet werden können. Die unterschiedlichen Abstände der jeweiligen Scheiben 2 zueinander sind abhängig von der Strömungssituation des Fluids 13 durch die Turbine 20 und insbesondere durch den Scheibenläufer 10, von der Art des Fluids und von weiteren Betriebsbedingungen der Turbine 20.
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Als ein Fluid (Betriebsmedium) für die den Scheibenläufer 10 verwendende Turbine 20 Kann Wasserdampf verwendet werden. Als weitere Betriebsmedien kommen des Weiteren beispielsweise Kohlenstoffdioxid CO2, Stickstoff, sowie aus dem ORC-Bereich (ORC: organic rankine cycle) beispielsweise Butan und R12 (Dichlordifluormethan) in Betracht.
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Mit der vorstehend beschriebenen Anordnung kann der Wirkungsgrad der Scheibenläuferturbine 20 (wie beispielsweise einer Tesla-Turbine) verbessert werden, und es ist möglich, die Anzahl der Bauelemente und insbesondere den Aufbau des Gehäuses der Turbine 20 zu vereinfachen.
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Die Scheibenläuferturbine 20 kann auch in einem kleinen Leistungsbereich ab etwa 5 kW eingesetzt werden. Als Fluid kann Öl, Wasser oder Dampf bereitgestellt werden, wobei im Falle des Zuführens von Dampf als Fluid 13 an die Dampfglüte keine hohen Anforderungen zu stellen sind. Es treten keine Probleme auf, wenn ungetrockneter Dampf in die Turbine 20 eintritt, und der Speisewasserkreislauf benötigt lediglich eine Entsalzung.
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Bei der Verwendung von Dampf als Fluid 13 kann bereits in der Turbine 20 und auch in den Ausnehmungen 4 und dem anschließenden hohlen Abschnitt 8 der Welle 1 eine Kondensation auftreten. Insbesondere kann ein dampfförmig in die Turbine 20 eintretendes Fluid 13 in Form einer Flüssigkeit nach einer Kondensation im Bereich der Welle 1 austreten.
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Die erfindungsgemäße Anordnung führt somit zu einer Steigerung der Leistung und des Wirkungsgrads der Scheibenläuferturbine 20 in Verbindung mit dem vorstehend beschriebenen Scheibenläufer 10, wobei für einen verbesserten Austritt des Fluids 13 aus dem hohlen Abschnitt 8 der Welle 1 die Welle 1 insgesamt verlängert werden kann. Durch die Leistungssteigerung wird in jedem Fall erreicht, dass sich das Materialgewicht der Scheibenläuferturbine 20 pro Leistungseinheit im Vergleich zu der bekannten Ausführung einer Scheibenläuferturbine verringert.
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Die zumindest zwei Ausnehmungen 4 bilden zusammen eine Einströmkammer zur Einströmung des Fluids 13 aus den Zwischenräumen 7 zwischen den Scheiben 2 zu dem hohlen Abschnitt 8 der Welle 1. Eine günstige Strömung des Fluids 13 und speziell die Änderung der Haupt-Strömungsrichtung des Fluids 13 von einer im Wesentlichen spiralförmigen Strömung zu einer Strömung in den hohlen Abschnitt 8 der Welle 1 wird durch die Anordnung der Führungseinrichtung 15 unterstützt.
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Gemäß der Darstellung in 1 ist das Führungselement 15 einstückig mit der Welle 1 gebildet. Die Darstellung in 4 zeigt eine alternative Form der Ausbildung eines Führungselements 16, das in der Funktion dem Führungselement 15 gemäß den 1 und 2 entspricht.
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Die 4 zeigt eine alternative Ausführung der Befestigung der Scheiben 2 auf der Welle 1 und insbesondere auf den äußeren Bereichen der Stege 5. Gemäß 2 kann in den äußeren Bereichen 6 der Stege 5 eine Nut 5a ausgebildet werden. Der in den Scheiben 2 gebildete Vorsprung 2a steht dabei in Eingriff mit der Nut 5a des Stegs.
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Im Vergleich dazu ist gemäß der in 4 gezeigten alternativen Anordnung in der Scheibe 2 ebenfalls eine Nut 2b vorgesehen, die in der Umfangsrichtung der inneren Öffnung der Scheibe 2 gegenüber den in den Stegen 5 ausgebildeten Nuten angeordnet sind. Der gewünschte feste und zur Drehmomentübertragung geeignete Sitz jeder Scheibe 2 auf der Welle 1 wird durch ein in den Nuten 5a und 2b angeordnetes Stabelement 16 bewirkt, das nach dem Einsetzen in Eingriff mit einer jeweiligen Nut 5a des Stegs 5 und der entsprechenden Nut 2b der Scheibe 2 steht. Die Anordnung des Stabelements 16 in den jeweiligen Nuten 5a und 2b der Stege 5 und der Scheiben 2 bewirkt die formschlüssige Verbindung. Das Stabelement ist in 4 als ein zylindrisches Bauteil gezeigt. Die Erfindung ist jedoch auf eine Ausführung des Stabelements mit einer Kreisquerschnittsfläche nicht beschränkt, vielmehr können davon abweichende geeignete Formen, wie eine mehreckige oder ovale Querschnittsfläche in Abhängigkeit von der Form der jeweiligen Nuten verwendet werden.
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Entsprechend einer Abwandlung der Ausgestaltung der Welle 1 im Vergleich zu der Anordnung gemäß 1 kann der hohle Abschnitt 8 zu beiden Seiten des vorbestimmten Bereichs B und damit der Ausnehmungen 4 ausgebildet sein, sodass ein Auslassbereich für das Fluid 13 an beiden Wellenenden 9 gebildet wird. Diese alternative Anordnung ist in 5 gezeigt.
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Eine derartige Ausbildung der Welle 1 ist bei der Verbindung der Scheibenläuferturbine 20 gemäß der vorliegenden Erfindung mit einer Arbeitsmaschine, wie beispielsweise einem Generator zur Erzeugung einer elektrischen Leistung, zu berücksichtigen.
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In diesem Fall entfällt die Anordnung einer Führungseinrichtung 15, und das aus den Zwischenräumen 7 zwischen den Scheiben 2 in Richtung der Ausnehmungen 4 strömende Fluid 13 kann somit nach beiden Seiten durch den jeweiligen hohlen Abschnitt 8 der Welle 1 strömen. Die vermindert Strömungswiderstände des Fluids 13 auf seinem Strömungsweg durch die Turbine 20.
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Alternativ kann vorzugsweise etwa in der Mitte des vorbestimmten Bereichs B in den Ausnehmungen 4 symmetrisch die Führungseinrichtung 15 (Strömungsführungselement) angeordnet sein (in 5 nicht gezeigt), die jeweils den Strömungsweg eines Teils des aus den Zwischenräumen 7 zwischen den Scheiben 2 in die Ausnehmungen 4 einströmenden Fluids 13 in die verschiedenen Richtungen zu den hohlen Abschnitten 8 der Welle 1 unterstützt, so dass ein Ausströmen des Fluids 13 an beiden Wellenenden begünstigt wird.
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6 zeigt eine weitere alternative Ausgestaltung des Welle 1 der Turbine 20, wobei sich diese Ausgestaltung auf die Anordnung der Führungseinrichtung zur Beeinflussung der Strömung des Fluids 13 bezieht. Gemäß der vorstehend in Verbindung mit 1 beschriebenen Ausgestaltung ist die Führungseinrichtung zur Beeinflussung der Strömung mit der Welle 1 ausgebildet.
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Gemäß der Darstellung in 6 ist kann eine der Führungseinrichtung 15 (1) in ihrer Wirkung gleichartige Führungseinrichtung 16 zwischen den Stegen 5 in den Ausnehmungen 4 vorgesehen sein. Die in 6 beispielshaft mit einer Kegelform gezeigte Führungseinrichtung 16 weist einen Endbereich 17 auf, mittels dessen die Führungseinrichtung 16 in eine entsprechende Wellenöffnung 1a in der Welle 1 ausgebildet ist. Die Wellenöffnung 1a verläuft im Wesentlichen entlang der Drehachse 14 der Welle 1 und entspricht in den Abmessungen denjenigen des Endbereichs 17 der Führungseinrichtung 16.
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Die Führungseinrichtung 17 gemäß der in 6 gezeigten alternativen Ausgestaltung wird in die Wellenöffnung 1a beispielsweise formschlüssig, stoffschlüssig (mittels eines Klebers) oder mittels einer Einschraubmöglichkeit mit der Welle 1 fest verbunden.
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Die Führungswirkung der Führungseinrichtung 17 auf die Strömung des Fluid 13 ist die gleiche, wie sie mit der Führungseinrichtung 15 von 1 erreicht wird. Die alternative Führungseinrichtung 17 kann unter Berücksichtigung verschiedener, von der in 6 gezeigten Kegelform abweichender Formen, nachträglich in die entsprechend vorbereitete Welle 1 eingesetzt oder ausgetauscht werden.
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Mit der Anordnung der vorstehend beschriebenen Scheibenläuferturbine 20 besteht eine Eignung insbesondere für solarthermische Kraftwerke, bei welchen mittels Parabolrinnen ein Wärmeträger, vorzugsweise in Form von Wasser oder Thermoöl, durch die eingestrahlte Sonneneinstrahlung erhitzt und in Verbindung mit einer entsprechenden Regelung oder Steuerung der Scheibenläuferturbine 20 zugeführt wird. Mit einem relativ hohen Turbinenwirkungsgrad mit 20 Prozent bis zu 35 Prozent und mehr können die Scheibenläuferturbinen bevorzugt in einem derartigen solarthermischen Kraftwerk mit Parabolrinnen eingesetzt werden.
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Die vorliegende Erfindung wurde vorstehend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den zugehörigen Figuren beschrieben.
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Es ist jedoch für den auf diesem Gebiet tätigen Fachmann selbstverständlich, dass die Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung gemäß den vorstehend beschriebenen Figuren und die für die jeweiligen Bauteile und Komponenten verwendeten Bezugszeichen in den Figuren und der Beschreibung sowie die beispielhaften Angaben nicht einschränkend auszulegen sind. Auch sind die in den einzelnen Figuren angegebenen Proportionen für ein besseres Verständnis schematisch dargestellt. Somit ist die Erfindung auf die angegebenen Darstellungen nicht beschränkt. Vielmehr werden als zur Erfindung gehörig sämtliche Ausführungsformen und Varianten angesehen, die unter die beigefügten Patentansprüche fallen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 1061142 [0006]
- US 2006/0216149 A1 [0015]
- WO 2008/070369 A2 [0016]
