DE102010017649A1 - Ball turbine for energy power plant, has ball rotor comprising recesses or tapped blind holes that are arranged at distance from each other, where middle axis of recesses or holes is extended in angle with respect to radial in ball of rotor - Google Patents
Ball turbine for energy power plant, has ball rotor comprising recesses or tapped blind holes that are arranged at distance from each other, where middle axis of recesses or holes is extended in angle with respect to radial in ball of rotor Download PDFInfo
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine flüssigkeitsangetriebene Kugel oder Vollkugelturbine und insbesondere eine Energieumwandlungsanlage bestehend aus einem hydraulischen Widder und der unmittelbar daran angeschlossenen (Voll-)Kugelturbine.The present invention relates to a liquid driven ball or full ball turbine and more particularly to an energy conversion plant consisting of a hydraulic ram and the (full) ball turbine directly connected thereto.
Aus dem Stand der Technik beispielsweise gemäß der
Grundsätzlich gibt beispielsweise Wasser bei Auftreffen auf die Schaufel eines Schaufelrads einen Teil seiner kinetischen Energie an die Schaufel ab, wodurch das Schaufelrad in eine Rotation versetzt wird. Das hierbei abgebbare Drehmoment wird zum Antrieb beispielsweise eines Generators genutzt, um nutzbaren elektrischen Strom zu erzeugen. Der Wirkungsgrad einer solchen Turbine wird unter anderem durch die Form der Radschaufeln erheblich beeinflusst. Entscheidend hierbei ist es, einen möglichst großen Anteil der kinetischen Energie im anströmenden Wasser zum Antrieb der Turbine zu nutzen.In principle, for example, when water impinges on the blade of a paddle wheel, it releases some of its kinetic energy to the blade, causing the paddle wheel to rotate. The case releasable torque is used to drive, for example, a generator to generate usable electric power. The efficiency of such a turbine is significantly influenced, inter alia, by the shape of the paddles. The key here is to use the largest possible share of the kinetic energy in the incoming water to drive the turbine.
Betrachtet man den Auftreffvorgang des Wassers auf eine Turbinenschaufel wird deutlich, dass ein Teil des auftreffenden Wassers zurückspritzt, also seine enthaltene kinetische Energie nicht vollständig auf die Turbinenschaufel abgibt. Prinzipiell gilt, dass je geringer dieser zurückspritzende Wasseranteil ist, desto höher ist der Wirkungsgrad der Turbine.Considering the impingement of the water on a turbine blade, it becomes clear that a portion of the impinging water is squirting back, thus not completely releasing its contained kinetic energy to the turbine blade. In principle, the lower the amount of water that recoils, the higher the efficiency of the turbine.
Des Weiteren ist aus dem Stand der Technik beispielsweise gemäß der
Die prinzipielle Funktionsweise eines solchen hydraulischen Widders lässt sich wie folgt beschreiben:
Wasser wird von dem Wasserreservoir durch die Triebleitung in Richtung Stoßventil gefördert. Bei einer bestimmten Strömungsgeschwindigkeit und Strömungsmenge wird das Stoßventil schlagartig entgegen der Federvorspannung geschlossen, wodurch sich in der Triebleitung schlagartig ein hoher Druck aufbaut, der einen Teil des in der Triebleitung sich befindlichen Wassers über das Rückschlagventil in den Druckspeicher drückt, in welchem ein dort eingeschlossenes Luftpolster entsprechend komprimiert wird. Hierdurch vermindert sich der Druck in der Triebleitung, wodurch bei Unterschreiten eines bestimmten Triebleitungsdrucks das Stoßventil durch die Federvorspannung öffnet und somit erneut eine Strömungsgeschwindigkeit in der Triebleitung aufgebaut wird. Dieser Vorgang wiederholt sich kontinuierlich, wodurch allmählich (schrittweise) der Druck in dem Druckspeicher angehoben wird.The basic mode of operation of such a hydraulic ram can be described as follows:
Water is pumped from the water reservoir through the power line towards the shock valve. At a certain flow rate and flow rate, the shock valve is suddenly closed against the spring bias, which suddenly builds up a high pressure in the power line, which presses a portion of the water in the power line via the check valve in the pressure accumulator, in which a trapped air cushion is compressed accordingly. This reduces the pressure in the transmission line, whereby when falling below a certain power line pressure, the shock valve opens by the spring preload and thus again a flow velocity is established in the transmission line. This process is repeated continuously, gradually increasing (gradually) the pressure in the pressure accumulator.
Der Druck im Druckspeicher führt nunmehr dazu, dass darin befindliches Wasser durch die Steigleitung in den Hochspeicher gedrückt wird. An den Hochspeicher ist das Fallrohr angeschlossen, das in die Turbine mündet. Wasser wird demzufolge aus dem Hochspeicher über das Fallrohr auf die Turbine geleitet, die entsprechend der im Fallrohr erreichten Strömungsgeschwindigkeit des Wassers in Drehung versetzt wird und eine mechanische Energie abgibt. Diese mechanische Energie kann beispielsweise zur Gewinnung von elektrischem Strom genutzt werden.The pressure in the accumulator now causes water therein is pressed through the riser into the accumulator. At the high accumulator downpipe is connected, which opens into the turbine. Water is therefore passed from the accumulator via the downpipe on the turbine, which is rotated in accordance with the achieved in the downpipe flow velocity of the water and emits a mechanical energy. This mechanical energy can be used, for example, to generate electricity.
Hydraulische Widder dieser Gattung sind demzufolge Maschinen, welche die Schwerkraft ausnutzen, um nutzbare Energie zu erzeugen. Obgleich es im Stand der Technik Bestrebungen gibt, durch entsprechende Dimensionierung der einzelnen Komponenten wie Durchmesser, Oberflächenqualitäten und dergleichen, den Wirkungsgrad zu erhöhen, ist der hydraulische Widder aufgrund seines relativ schlechten Wirkungsgrades bei der Energiegewinnung in den letzten Jahren in Vergessenheit geraten.Hydraulic rams of this genus are therefore machines that exploit gravity to produce usable energy. Although efforts have been made in the prior art to increase the efficiency by appropriate dimensioning of the individual components such as diameter, surface qualities and the like, the hydraulic ram has been forgotten in recent years due to its relatively poor efficiency in power generation.
Angesichts dieser Situation ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Turbine bereit zu stellen, die insbesondere im Zusammenwirken mit einem hydraulischen Widder einen hohen Wirkungsgrad erreicht. Des Weiteren ist es ein Ziel der Erfindung, einen gattungsgemäßen hydraulischen Widder so weiter zu entwickeln, dass er im Zusammenspiel mit der erfindungsgemäßen Turbine ebenfalls einen erhöhten Wirkungsgrad entfaltet.In view of this situation, it is an object of the present invention to provide a turbine that achieves high efficiency in particular in cooperation with a hydraulic ram. Furthermore, it is an object of the invention to further develop a generic hydraulic ram so that it interacts likewise develops an increased efficiency with the turbine according to the invention.
Dieser Aufgabe wird durch eine (Voll-)Kugelturbine gemäß dem Patentanspruch 1 sowie durch eine Wasserkraftanlage bestehend aus dem erfindungsgemäßen Widder und der erfindungsgemäßen Kugelturbine gemäß dem Patentanspruch 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der übrigen Unteransprüche.This object is achieved by a (full) ball turbine according to
Ein Grundprinzip der Erfindung besteht demzufolge darin, die Anordnung der Hydraulikelemente sowie die Gestaltung der einzelnen Rohrteile des hydraulischen Widders hinsichtlich ihrer strömungsmechanischen Eigenschaften zu optimieren, um so in Kombination sämtlicher Hydraulikelemente und Rohrteile einen gegenüber dem Stand der Technik deutlich erhöhten Wirkungsgrad zu erhalten. Die Anmelderin hat hierbei herausgefunden, dass ein entscheidender Einfluss auf den Wirkungsgrad des Widders durch die Ausrichtung bzw. Anordnung des Rückschlag- und Rückstoßventils, die Ausrichtung des Druckspeichers sowie die Art und Weise der Strömungsabzweigungen in den Druckspeicher bzw. in Richtung zum Stoßventil genommen werden kann. Insbesondere der Verzweigungsabschnitt (Verzweigungsstutzen), in welchem eine von der vorzugsweise in Form einer Asymptote gezogenen Triebleitung zugeführte Hauptströmung in eine Zweigströmung zum Stoßventil sowie in eine Zweigströmung zum Rückschlagventil aufgetrennt wird, ist maßgeblich an einer Verschlechterung und somit einer Verbesserung des Wirkungsgrads eines hydraulischen Widders dieser Gattung beteiligt. Demzufolge hat die Anmelderin im Rahmen einer Vielzahl von Versuchen diese Zweigstelle strömungsmechanisch so optimieren können, dass sich der Wirkungsgrad des hydraulischen Widders überproportional steigern ließ, indem im Betrieb des Widders im Bereich der Verzeigungen eine erhebliche Beschleunigung der Fluidströmung erzielbar ist die wiederum zu einem Druckabfall im Rohr unmittelbar vor den Verzweigungen führt. Entscheidend hierbei ist es, den Druckspeicher sowie das vorgeschaltete Rückschlagventil in Richtung zur Hauptströmrichtung zu bewegen bzw. hineinzudrehen, um so eine höhere Energieausbeute für den Druckspeicher zu erwirken. In anderen Worten ausgedrückt, hat der Stand der Technik prinzipiell die Hauptströmung aus der Triebleitung im Wesentlichen senkrecht gegen das Stoßventil angestellt, wohingegen das Rückschlagventil im Wesentlichen rechtwinklig zur Hauptströmrichtung an die Triebleitung angeschlossen ist. Im Gegensatz hierzu wird die Hauptströmrichtung zumindest teilweise auch gegen das Rückschlagventil gerichtet und eine Ableitung zum Stoßventil geschaffen. Es hat sich dabei gezeigt, dass bei schlagartigem Schließen des Rückstoßventils die in den Druckspeicher eingeleitete Energie in Form eines Fluiddrucks bei vergleichbaren Randbedingungen deutlich höher ist als bei bekannten hydraulischen Widdern.A basic principle of the invention is therefore to optimize the arrangement of the hydraulic elements and the design of the individual pipe parts of the hydraulic ram with regard to their fluidic properties, so as to obtain in combination of all hydraulic elements and pipe parts over the prior art significantly increased efficiency. The Applicant has found that a decisive influence on the efficiency of the ram can be taken by the orientation or arrangement of the check and recoil valve, the orientation of the pressure accumulator and the manner of the flow branches in the pressure accumulator or in the direction of the shock valve , In particular, the branching portion (branching nozzle) in which a main flow supplied by the preferably in the form of an asymptote main flow is split into a branch flow to the shock valve and a branch flow to the check valve, is crucial to a deterioration and thus an improvement in the efficiency of a hydraulic ram this Genus involved. Consequently, the Applicant has been able to optimize this branch in terms of fluid dynamics so that the efficiency of the hydraulic ram can be disproportionately increased by a significant acceleration of the fluid flow can be achieved in the operation of the ram in the area of the branching which in turn leads to a drop in pressure Pipe immediately before the branches. The decisive factor here is to move the accumulator and the upstream check valve in the direction of the main flow direction or turn it in, so as to obtain a higher energy yield for the pressure accumulator. In other words, in principle, the prior art has made the main flow from the drive line substantially perpendicular to the shock valve, whereas the check valve is connected to the drive line substantially perpendicular to the main flow direction. In contrast, the main flow direction is at least partially directed against the check valve and created a derivative of the shock valve. It has been found that when the recoil valve is suddenly closed, the energy introduced into the pressure accumulator in the form of a fluid pressure at comparable boundary conditions is significantly higher than in the case of known hydraulic rams.
Konstruktiv ist es hierfür vorgesehen, die Abzweigrichtungen der beiden Abzweigungen zum Stoßventil und zum Rückschlagventil jeweils in einem Winkel vorzunehmen, der kleiner als 90° zur Hauptströmrichtung liegt, die unmittelbar stromauf zu den Abzweigstellen vorherrscht. Die Winkel können dabei auch unterschiedlich zueinander sein, wie dies nachstehend noch erläutert wird. Entscheidend hierbei ist es, dass insbesondere die zum Rückschlagventil führende Abzweigung aus der 90°-Stellung gemäß dem Stand der Technik weggeschwenkt wird, so dass zumindest ein Teil der Hauptströmung direkt auf das Rückschlagventil gerichtet ist.Structurally, it is intended for this purpose to make the branching directions of the two branches to the shock valve and the check valve in each case at an angle which is less than 90 ° to the main flow direction, which prevails immediately upstream of the branch points. The angles can also be different from each other, as will be explained below. The decisive factor here is that in particular the branch leading to the check valve is pivoted away from the 90 ° position according to the prior art, so that at least part of the main flow is directed directly to the check valve.
Vorzugsweise sind die beiden Abzweigungen diametral zueinander angeordnet und bilden so einen im Wesentlichen Y-förmigen Verzweigungsstutzen. Die Abzweigungen sind dabei jeweils vorzugsweise in einem Winkel von 45° zur Hauptströmrichtung ausgerichtet. Der Endübergang zwischen den beiden Abzweigungen des Y-förmigen Verzweigungsstutzens wird durch einen im Wesentlichen 90°-gekrümmten Bogen oder einen scharfkantigen Keil gebildet. Alternativ kann es sogar vorgesehen sein, die Abzweigung zum Rückschlagventil (das sich in den Druckspeicher öffnet) in Hauptströmrichtung auszurichten (0°-Winkel zur Hauptströmrichtung) und die Abzweigung zum Stoßventil in einem Winkel größer 0°, vorzugsweise 45° anzuordnen.Preferably, the two branches are arranged diametrically opposite one another and thus form a substantially Y-shaped branch neck. The branches are in each case preferably aligned at an angle of 45 ° to the main flow direction. The end transition between the two branches of the Y-shaped branch neck is formed by a substantially 90 ° curved arc or a sharp-edged wedge. Alternatively, it may even be provided to align the branch to the check valve (which opens into the pressure accumulator) in the main flow direction (0 ° angle to the main flow direction) and to arrange the branch to the shock valve at an angle greater than 0 °, preferably 45 °.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung besteht darin, dass das Stoßventil nicht unmittelbar an den einen Abzweiganschluss des Verzweigungsstutzens angeschlossen ist, sondern, dass zwischen dem Stoßventil und dem Verzweigungsstutzen ein Verlängerungsrohrstück, die sogenannte Pfeife, zwischen gefügt ist, um hierdurch die Fallstrecke zwischen der Abzweigung und dem Stoßventil zu verlängern. Durch diese Maßnahme lässt sich der Druck innerhalb des Verzweigungsstutzens anheben und damit der Wirkungsgrad des erfindungsgemäßen hydraulischen Widders steigern.Another aspect of the invention is that the shock valve is not directly connected to the one branch connection of the branch neck, but that between the shock valve and the branch neck an extension pipe piece, the so-called whistle, is joined, thereby the fall distance between the branch and to extend the shock valve. By this measure, the pressure within the branch neck can be raised and thus increase the efficiency of the hydraulic ram according to the invention.
Im Stand der Technik werden als Stoßventil federvorgespannte Sitzventile verwendet, wobei die Federvorspannung das Sitzventil in Offenposition vorspannt. Federn besitzen über deren Lebensdauer hinweg keine gleichbleibenden Federeigenschaften, sodass sich das Schließverhalten eines derartigen Stoßventils mit der Zeit verändert und damit der Wirkungsgrad des hydraulischen Widders sich verschlechtert. Erfindungsgemäß ist es daher vorgesehen, das Stoßventil so anzuordnen, dass sich der Ventilkörper aufgrund der Schwerkraft in Offenrichtung bewegt, wobei das Gewicht des Ventilkörpers durch Zusatzgewichte in vorbestimmbarer Weise erhöht werden kann. Ein solches Sitzventil, dessen Öffnungskraft gewichtsabhängig ist, zeigt über dessen gesamte Lebensdauer hinweg gleichbleibende Öffnungscharakteristiken, die für eine optimale Einstellung des Wirkungsgrads des hydraulischen Widders einmalig vorbestimmt werden können. Vorteilhaft ist es hierbei, den Ventilkörper mit einem Ventilschaft zu versehen, an den Gewichte fixierbar sind, wobei der Schaft über einen Scharniermechanismus geführt ist. Der Scharniermechanismus kann dabei oberhalb oder unterhalb des Ventilsitzes angeordnet sein.In the prior art spring-loaded poppet valves are used as a shock valve, wherein the spring bias biases the poppet valve in the open position. Springs do not have consistent spring characteristics over their life, so that the closing behavior of such a shock valve changes with time and thus the efficiency of the hydraulic ram deteriorates. According to the invention it is therefore intended to arrange the shock valve so that the valve body moves in the open direction due to gravity, wherein the weight of the valve body can be increased by additional weights in a predeterminable manner. Such a seat valve whose Opening force is weight-dependent, shows consistent opening characteristics over its entire life, which can be predetermined for optimal adjustment of the efficiency of the hydraulic ram once. It is advantageous in this case to provide the valve body with a valve stem, can be fixed to the weights, wherein the shaft is guided via a hinge mechanism. The hinge mechanism can be arranged above or below the valve seat.
Um das Stoßventil in eine entsprechende Ausrichtung zu bringen, ist an das Verlängerungsrohrstück einseitig ein Rohrkrümmer angeschlossen, dessen Ausgangsanschluss zumindest teilweise in vertikaler Richtung ausgerichtet ist, sodass die auf den Ventilkörper einwirkende Schwerkraft ebenfalls zumindest teilweise in Öffnungsrichtung wirkt.In order to bring the shock valve in a corresponding orientation, a pipe bend is connected to the extension pipe piece on one side, whose output port is at least partially aligned in the vertical direction, so that the force acting on the valve body gravity also acts at least partially in the opening direction.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist das Rückschlagventil an dem anderen Abzweiganschluss des Verzweigungsstutzens so angeordnet, dass dessen Ventilsitz ebenfalls vorzugsweise in einer 45°-Neigungsposition bezüglich der Hauptströmungsrichtung des Verzweigungsstutzens ausgerichtet ist. An diesem Rückschlagventil ist der Druckspeicher angeschlossen, der sich vorzugsweise vertikal oder alternativ hierzu in Verlängerung zu dem entsprechenden Abzweigungsanschluss, das heißt in einem Winkel von ca. 45° zur Hauptströmungsrichtung, am Verzweigungsstutzen ausrichtet. Auch ist es möglich, den Druckspeicher bezüglich der Öffnungsrichtung des Rückschlagventils weiter in Richtung zur Horizontalen zu verschwenken, sodass es letztlich einen Winkel von 22,5° bezüglich der Hauptströmrichtung annimmt.According to a further aspect of the invention, the check valve is arranged at the other branch port of the branch neck so that its valve seat is also preferably oriented at a 45 ° pitch position with respect to the main flow direction of the branch neck. At this check valve, the pressure accumulator is connected, which preferably vertically or alternatively in alignment with the corresponding branch connection, that is aligned at an angle of approximately 45 ° to the main flow direction, the branch pipe. It is also possible to further pivot the pressure accumulator with respect to the opening direction of the check valve in the direction of the horizontal, so that it ultimately assumes an angle of 22.5 ° with respect to the main flow direction.
In allen Fällen kann die stoßweise Einströmung von Wasser in den Druckspeicher vergleichmäßigt werden, sodass bei einer entsprechenden Größendimensionierung des Druckspeichers dieser als ein hydraulischer Druckstoßdämpfer dient, um so eine quasi kontinuierliche Druckerhöhung innerhalb der aus dem Druckspeicher führenden Nutzleitung zu erzeugen. (Vorteilhaft hierfür ist die Anordnung einer (verstellbaren) Drossel am Auslassanschluss des Druckspeichers, an den die Nutzleitung angeschlossen ist oder die Gestaltung der Nutzleitung zur Erzeugung einer bestimmten Drosselwirkung).In all cases, the intermittent flow of water into the pressure accumulator can be made uniform, so that with a corresponding size of the pressure accumulator this serves as a hydraulic pressure shock absorber, so as to produce a quasi-continuous pressure increase within the leading from the pressure accumulator Nutzleitung. (Advantageous for this is the arrangement of an (adjustable) throttle at the outlet port of the accumulator to which the utility line is connected or the design of the utility line to produce a specific throttle effect).
Ein weiterer Aspekt betrifft die Gestaltung des Druckspeichers selbst, der vorzugsweise in einer Kegel- oder Trichterform ausgebildet ist, wobei der Speichereinlass und Speicherauslass im Bereich der Kegel-/Trichterspitze angeordnet ist.Another aspect relates to the design of the pressure accumulator itself, which is preferably formed in a conical or funnel shape, wherein the storage inlet and storage outlet is arranged in the region of the cone / funnel tip.
Ferner ist ein weiterer Aspekt der Erfindung auf die Anordnung einer Turbine gerichtet. Erfindungsgemäß ist nämlich die Turbine unmittelbar an die Nutzleitung des erfindungsgemäßen hydraulischen Widders (ohne Zwischenschaltung eines Hochspeichers) angeschlossen, um diese mit dem Ausgangsdruck des hydraulischen Widders zu beaufschlagen. An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass im Stand der Technik ein Hochspeicher quasi als Druckstoßdämpfer oder Puffer dient, um eine vom Hochspeicher gleichmäßige Fallströmung zur Turbine zu gewährleisten. Da jedoch erfindungsgemäß der hydraulische Widder beziehungsweise der daran angeschlossene Druckspeicher aufgrund dessen Größe und Form sowie aufgrund der (vorzugsweise 45°) Neigung des Rückschlagventils bezüglich der Hauptströmungsrichtung im Verzweigungsstutzen bereits eine quasi kontinuierliche Ausgangsströmung erzeugt (vorzugsweise in Verbindung mit einer düsenförmig gestalteten Nutzleitung des hydraulischen Widders), ist ein Anschluss einer Turbine unmittelbar an die Nutzleitung des hydraulischen Widders möglich. Auf diese Weise kann die Turbine mit einem hohen Druck (bzw. einer hohen Strömungsgeschwindigkeit) beaufschlagt werden (ohne Zwischenschaltung des Hochspeichers und der im Stand der Technik bekannten Fallrohre), wodurch auch hier der Wirkungsgrad der gesamten Anlage bei der Energieerzeugung gesteigert werden kann. Versuche haben gezeigt, dass der Wirkungsgrad einer an einem hydraulischen Widder unmittelbar angeschlossenen Turbine gegenüber einer Turbine mit zwischengeschaltetem Hochspeicher bis auf das 30-Fache gesteigert werden kann.Further, another aspect of the invention is directed to the arrangement of a turbine. According to the invention, namely, the turbine is directly connected to the power line of the hydraulic ram according to the invention (without the interposition of a high-level memory), to pressurize them with the output pressure of the hydraulic ram. At this point it should be noted that in the prior art, a high-level memory serves as a kind of pressure shock absorber or buffer, in order to ensure a uniform from the accumulator downflow to the turbine. However, according to the invention, because of its size and shape and due to the (preferably 45 °) inclination of the check valve with respect to the main flow direction in the branch pipe, the hydraulic ram already produces a quasi-continuous output flow (preferably in conjunction with a nozzle-shaped utility pipe of the hydraulic ram ), a connection of a turbine directly to the power line of the hydraulic ram is possible. In this way, the turbine with a high pressure (or a high flow velocity) can be applied (without the interposition of high storage and the known in the art of downpipes), which also here the efficiency of the entire system can be increased in the energy production. Experiments have shown that the efficiency of a turbine connected directly to a hydraulic ram can be increased up to a factor of 30 compared to a turbine with an intermediate high-pressure accumulator.
Hierfür hat sich als Turbine insbesondere eine sogenannte (Voll-)Kugelturbine bewährt, wie sie ebenfalls (ggf. isolierter) Gegenstand dieser Erfindung ist. Dabei zeichnet sich die Kugelturbine und insbesondere die Vollkugelturbine durch ein hohes Gewicht aus, so dass die Turbine auch bei getaktet auftreffendem Wasser im Wesentlichen (Drehzahl-)schwankungsfrei läuft.For this purpose, in particular a so-called (full) ball turbine has proven itself as a turbine, as it is also (possibly isolated) subject of this invention. In this case, the ball turbine and in particular the full-ball turbine is characterized by a high weight, so that the turbine, even with clocked impinging water essentially (speed) runs without fluctuation.
Demzufolge besteht die erfindungsgemäße Kugelturbine aus einem Gehäuse oder Gehäusebock mit halbsphärischem Lagerraum (Ausnehmung) an einer freien (äußeren) Seitenfläche des Blocks, in dem eine Kugel um eine zentrale Achse drehbar gelagert ist. Die Kugel hat eine Mehrzahl von längs der Horizontallinie (Äquatorlinie) beabstandeten Taschen oder Sacklochbohrungen, deren Mittelachse sich jeweils bezüglich der jeweiligen Radialen in einem Winkel (schräg angestellt) in die Kugel erstrecken (vorzugsweise in einem Winkel von 45° zur jeweiligen Radialen/Tangente). Schließlich ist in dem Gehäuse oder Gehäuseblock ein Fluideinlass sowie vorzugsweise ein hierzu winkelbeabstandeter (vorzugsweise in einem im Wesentlichen 45° Winkelabstand) Fluidauslass ausgebildet, die weiter vorzugsweise im Wesentlichen co-axial zu der aktuell dem Ein- oder Auslass zugewandten Tasche ausgerichtet sind.Accordingly, the spherical turbine according to the invention consists of a housing or housing block with hemispherical storage space (recess) on a free (outer) side surface of the block in which a ball is rotatably mounted about a central axis. The ball has a plurality of pockets or blind bores spaced apart along the horizontal line (equatorial line), the central axes of each of which extend at an angle (inclined) with respect to the respective radials (preferably at an angle of 45 ° to the respective radial / tangent). , Finally, in the housing or housing block, a fluid inlet and preferably an angularly spaced apart (preferably at a substantially 45 ° angular distance) fluid outlet are formed, which are further preferably aligned substantially co-axially to the currently facing the inlet or outlet pocket.
Diese Turbine macht sich das nachfolgend beschriebene Grundprinzip zunutze: Wasser oder eine entsprechende Flüssigkeit wird unter Druck (ergibt hohe Strömungsgeschwindigkeit) über den vorzugsweise düsenförmigen Einlass in eine aktuell dem Einlass gegenüberliegende Tasche eingespritzt. Dabei gibt das Wasser seine kinetische Energie an die Kugel ab und treibt diese in Umfangsrichtung an. Die Tasche ist so bemessen, dass die zunächst darin sich befindende Luft beim Einströmen des Wassers nicht entweichen kann. Im Ergebnis wird die Luft am (geschlossenen) Boden der Tasche (Sackloch) durch das einströmende Wasser komprimiert. Dieser Komprimiervorgang entzieht dem einspritzenden Wasser weiter Energie, die ansonsten in Form von abprallendem, zurückspritzendem Wasser verloren gegangen wäre. This turbine makes use of the basic principle described below: Water or a corresponding liquid is injected under pressure (results in high flow velocity) via the preferably nozzle-shaped inlet into a pocket currently opposite the inlet. The water releases its kinetic energy to the ball and drives it in the circumferential direction. The bag is dimensioned so that the first air therein can not escape when the water flows. As a result, the air at the (closed) bottom of the bag (blind hole) is compressed by the incoming water. This compression process further deprives the injecting water of energy that would otherwise have been lost in the form of rebounding, back splashed water.
Die Kugel dreht sich um deren Rotationsachse, wobei die aktuell betrachtete Tasche zum winkelbeabstandeten Auslass wandert und dabei durch die halbsphärische Kugel-Kalotte im Gehäuseblock abgedichtet wird. Mit Erreichen des Auslasses entspannt sich die „Luftfeder” bzw. die komprimierte Luft (explosionsartig) und verdrängt das Wasser impulsartig aus der Tasche in den Auslass bzw. die Atmosphäre. Der hierbei entstehende Rückstoß wird auf die Turbinenkugel für deren weiteren (Rotations-)Antrieb übertragen.The ball rotates about its axis of rotation, with the currently considered pocket traveling to the angularly spaced outlet while being sealed by the hemispheric ball dome in the housing block. Upon reaching the outlet, the "air spring" or the compressed air expands (explosively) and displaces the water like a pulse out of the bag into the outlet or the atmosphere. The resulting recoil is transmitted to the turbine ball for their further (rotary) drive.
Insgesamt hat die Anmelderin analytisch festgestellt, dass diese besondere Turbinenform mit dem erfindungsgemäßen Widder eine überproportionale Wirkungsgradzunahme gegenüber dem Stand der Technik (Hochdruckspeicher mit nachgeschaltetem Fallrohr auf konventionelle Turbine) erbringt und daher die Wirtschaftlichkeit des hydraulischen Widders bzw. der gesamten Anlage deutlich erhöht.Overall, the applicant has analytically found that this particular turbine shape with the ram according to the invention provides a disproportionate increase in efficiency over the prior art (high-pressure accumulator with downstream downpipe on conventional turbine) and therefore significantly increases the efficiency of the hydraulic ram or the entire system.
Als besonders vorteilhaft hat sich eine Zylinderform der Taschen herausgestellt, die beispielsweise durch eine Bohrung schräg zur jeweiligen Radialen ausgebildet werden kann. Hierdurch wird ein Entweichen der Luft beim Einspritzen von Wasser verhindert bzw. reduziert. Vorzugsweise hat der Bohrer eine 120° Bohrerspitze, wodurch jede Tasche am Bohrgrund unter einem Winkel von 120° trichterförmig zuläuft.As a particularly advantageous, a cylindrical shape of the pockets has been found that can be formed for example by a bore obliquely to the respective radial. As a result, the escape of air during the injection of water is prevented or reduced. Preferably, the drill has a 120 ° drill bit, whereby each pocket tapers at the bottom of the hole at an angle of 120 °.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung hat die Kugel einen Durchmesser, der bezüglich des Innendurchmessers des halbsphärischen Gehäuses so bemessen ist, dass sich zwischen Kugel und Gehäusewand ein Spalt zur Definition einer (hydrostatischen) Spaltdichtung ausbildet, die ein Entweichen des Wassers während der Rotation der Kugel verhindert. Vorteilhaft ist es hierbei, die Oberfläche der halbsphärischen Lagerschale und/oder der Kugel mit parallel zur Kugeläquatorlinie verlaufenden Rillen oder Riefen zu versehen. Dadurch wird die Dichtwirkung der Spaltdichtung weiter erhöht, die sich prinzipiell durch die Geschwindigkeitsdifferenz über die Kugeloberfläche hinweg ergibt.According to one aspect of the invention, the ball has a diameter which is dimensioned with respect to the inner diameter of the hemispherical housing so that a gap between the ball and the housing wall for defining a (hydrostatic) gap seal prevents the escape of water during the rotation of the ball , It is advantageous in this case to provide the surface of the hemispherical bearing shell and / or the ball with parallel to the Kugeläquatorlinie running grooves or grooves. As a result, the sealing effect of the gap seal is further increased, which in principle results from the difference in velocity over the sphere surface.
Weiterhin ist der Einlass und ggf. der Auslass strömungstechnisch optimiert, d. h. der Einlass und ggf. der Auslass sind so gestaltet, vorzugsweise düsenförmig, dass das aus dem Ein- und/oder Auslass ausgestoßene Wasser einen möglichst hohen Antriebseffekt auf die Kugel in Rotationsrichtung ausübt. Hierfür kann am Ein- und/oder Auslass der Turbine ein Aufsatz montiert sein, der eine bestimmte Ein- bzw. Auslassform/Querschnitt erhält, die auf die zu erwartende Strömungsgeschwindigkeit und Menge optimiert ist. Dieser Aufsatz kann dabei gegen einen anderen, unterschiedlich gestalteten Aufsatz ausgetauscht werden, um dieselbe Turbine an unterschiedliche Randbedingungen und Einsatzorte anzupassen.Furthermore, the inlet and possibly the outlet is aerodynamically optimized, d. H. the inlet and optionally the outlet are designed, preferably nozzle-shaped, that the water ejected from the inlet and / or outlet exerts the highest possible driving effect on the ball in the direction of rotation. For this purpose, an attachment can be mounted at the inlet and / or outlet of the turbine, which receives a certain inlet or outlet shape / cross section, which is optimized for the expected flow rate and quantity. This essay can be exchanged for another, differently designed essay to adapt the same turbine to different conditions and locations.
Die Lager- bzw. Rotationsachse und die Kugel sind vorzugsweise einstückig ausgebildet und weiter vorzugsweise aus einem Vollmaterialblock wie nichtrostendem Stahl gedreht. Alternativ hierzu können jedoch Kugel und Rotationsachse getrennt voneinander sowie ggf. aus unterschiedlichen Materialien gefertigt sein, wobei die Rotationsachse in eine entsprechende zentrale Durchgangsbohrung in der Kugel eingesteckt und darin beispielsweise durch einen Schrumpf- oder Schweißprozess fixiert ist. Auch ist es möglich, die Kugel samt Rotationsachsen aus einem Sintermaterial zu fertigen. Schließlich kann die Kugel aus einer Schale bestehen, die mit einem besonders schweren Material, wie beispielsweise Blei oder Kupfer gefüllt ist.The bearing or rotation axis and the ball are preferably formed in one piece and further preferably rotated from a solid block of material such as stainless steel. Alternatively, however, ball and rotation axis can be made separately from each other and possibly made of different materials, wherein the rotation axis is inserted into a corresponding central through-hole in the ball and fixed therein, for example, by a shrinking or welding process. It is also possible to manufacture the ball including rotation axes of a sintered material. Finally, the ball may consist of a shell filled with a particularly heavy material such as lead or copper.
Als Lager sind Kugellager vorgesehen, wobei alternativ auch Gleitlagerungen ausgebildet sein können. Das Gehäuse ist hierfür vorzugsweise aus einem Metallblock (vorzugsweise nicht rostendem Stahl) unter Ausbildung einer halbkugeligen Kalotte an einer Flachseite des Metallblocks gefertigt, in die zwei diametral gegenüberliegende, sowie fluchtende, rinnenförmige Ausnehmungen zur drehbaren Aufnahme der Rotations- bzw. Lagerachsen ausgearbeitet sind. Weiter vorzugsweise sind Schmierkanäle in dem Gehäuseblock integriert, die zu den Achslagern führen. Zur Halterung der Lagerachsen sind zwei Lagerböcke vorgesehen, die beidseits der Kugel auf die betreffende Flachseite des Metallblocks aufschraubbar sind und somit die Turbinenkugel bzw. deren Achsen drehbar halten.As a bearing ball bearings are provided, with alternative sliding bearings can be formed. The housing is preferably made of a metal block (preferably stainless steel) to form a hemispherical dome on a flat side of the metal block, in the two diametrically opposed, and aligned, channel-shaped recesses for rotatably receiving the rotation or bearing axes are worked out. Further preferably, lubrication channels are integrated in the housing block, which lead to the axle bearings. To support the bearing axes two bearing blocks are provided, which are screwed on both sides of the ball on the relevant flat side of the metal block and thus keep the turbine ball or its axes rotatable.
An dieser Stelle sei angemerkt, dass die Kugel und deren Lagerachsen grundsätzlich auch in einer vollkugeligen Kalotte (bestehend aus zwei zusammenschließbaren Gehäusehälften) gelagert werden kann. Indessen hat sich jedoch herausgestellt, dass die Halbkalottenform der Lagerschale wirkungsgradtechnische Vorteile hat, da diese einen geringeren (Strömungs-)Widerstand auf die Kugel ausübt.At this point it should be noted that the ball and its bearing axes can in principle be stored in a full-spherical calotte (consisting of two zusammenschließbaren housing halves). However, it has been found that the Halbkalottenform the bearing shell has efficiency advantages, since this has a lower (flow) resistance to the ball.
Schließlich ist es vorteilhaft, das Zuführrohr zur Turbinen trichterförmig zu gestalten, sodass der auf die Kugel gerichtete Wasserstahl mit erhöhter Strömungsgeschwindigkeit bei niedrigem Energieverlust auftrifft.Finally, it is advantageous to make the feed tube to the turbine funnel-shaped, so that the directed on the ball water-jet hits with increased flow velocity with low energy loss.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren näher erläutert.The invention will be explained below with reference to a preferred embodiment with reference to the accompanying figures.
Die
Gemäß der
Die Triebleitung
Hierfür hat der Verzweigungsstutzen
An dem anderen Zweiganschluss
Wie aus der
Im Fall eines Klappenventils als Rückschlagventil
Der Druckspeicher
An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass in der Triebleitung
Das Stoßventil
Die prinzipielle Funktionsweise des erfindungsgemäßen Widders entspricht im Wesentlichen denen aus dem Stand der Technik bekannten hydraulischen Widdern, sodass an dieser Stelle auf die vorstehende Beschreibungseinleitung verwiesen werden kann. Entscheidend jedoch ist, dass durch die angenäherte Y-Form des Verzweigungsstutzens
Die Anordnung des Zwischenrohres
Durch den konischen Aufbau des Druckspeichers
In den
Es sei hier darauf hingewiesen, dass beide Anschlüsse
Grundsätzlich besteht für alle bisher genannten Varianten die Möglichkeit, die Zuordnung von Ventilen (Rückstossventil, Rückschlagventil) und Abzweigungen zu vertauschen, wie dies in der
Gemäß der
Demzufolge hat die Kugelturbine gemäß der Erfindung einen Kugelrotor
Der Kugelrotor
An den sich diametral gegenüberliegenden Lagerzapfen sind jeweils Montageabschnitte
In der Kugel
Gemäß der
Im Konkreten ist in dem Gehäuseblock
In einem Mittenabschnitt der Kugel-Kalotte
Die in der
Der Durchmesser der Kugelkalotte
Schließlich sind an dem Gehäuseblock
In den
Demzufolge ruht die Turbine, bzw. der Gehäuseblock
Die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Kugelturbine lässt sich hierbei auch anhand der
Ein über einen Anschlussflansch
One via a connecting
Aus der Beschreibungseinleitung ist es bereits bekannt, dass die kinetische Energie des einschießenden Wassers möglichst vollständig an den Kugelrotor
Durch die Rotationsbewegung der Kugelrotors
Die Tiefe sowie der Durchmesser der Sacklochbohrungen
Die
Im Anschluss wird eine Anzahl von Abwandlungen der erfindungsgemäßen Kugelturbine anhand der
Wie anhand des vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiels erwähnt wurde, ist der Ausströmwinkel des Wassers an der Einlassbohrung
Gemäß der
In der
Um für diese Justiermöglichkeit den konstruktiven Aufwand möglichst klein zu halten, kann an der Turbine eine Gehäusewand, vorzugsweise der Gehäuseblock
Entscheidend hierbei ist es, dass das auf die Turbinenkugel
Abschließend sei noch auf die
Mit einer solchen Anlage ist es möglich bei relativ geringem Wasserverlust (zum Betrieb des Widders) eine hohe nutzbare Energie bereitzustellen, um beispielsweise ein Wohnkomplex mit elektrischem Strom zu versorgen. Aufgrund der geringen baulichen Abmessungen sowie der geringen Änderungen und damit Eingriffe in den natürlichen Verlauf eines fließenden Gewässers kann diese Anlage ohne großen Aufwand installiert werden. Verunreinigungen des Wassers sind im Übrigen nicht zu befürchten, da das Wasser mit keinerlei Schmiermittel oder anderen Substanzen in Kontakt kommt und ggf. kontaminiert werden würde und darüber hinaus vollständig in den Wasserlauf zurückgeführt wird.With such a system, it is possible with relatively little loss of water (to operate the ram) to provide a high usable energy, for example, to provide a residential complex with electricity. Due to the small structural dimensions and the small changes and thus interference with the natural course of a flowing water body, this system can be installed easily. Incidentally, impurities in the water are not to be feared, since the water does not come into contact with any lubricant or other substances and would possibly be contaminated and moreover is completely returned to the watercourse.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- AT 402221 B [0002] AT 402221 B [0002]
- DE 10317680 A1 [0005] DE 10317680 A1 [0005]
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R016 | Response to examination communication | ||
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