DE102010017649B4

DE102010017649B4 - ball turbine

Info

Publication number: DE102010017649B4
Application number: DE102010017649A
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-06-29
Filing date: 2010-06-29
Publication date: 2012-03-08
Anticipated expiration: 2030-06-30
Also published as: DE102010017649A1

Abstract

Offenbart ist eine Kugelturbine bestehend aus einem Gehäuse (200) mit zumindest semisphärischem Lagerraum, in dem ein Kugelrotor (100) um eine zentrale Achse (110) drehbar gelagert ist, wobei der Kugelrotor (100) eine Mehrzahl von längs der Äquatorlinie einer Kugel (120) des Kugelrotors (100) beabstandeten Taschen oder Sacklöchern (140) hat, deren Mittelachse sich jeweils in einem Winkel bezüglich der jeweiligen Radialen in die Kugel (120) erstrecken.A spherical turbine is disclosed, consisting of a housing (200) with at least a semispherical storage space in which a spherical rotor (100) is rotatably mounted about a central axis (110), the spherical rotor (100) having a plurality of spheres along the equatorial line of a sphere (120 ) of the spherical rotor (100) has spaced-apart pockets or blind holes (140), the central axes of which extend into the sphere (120) at an angle with respect to the respective radial lines.

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 AT 402,221 B ist eine Kugelturbine dieser Gattung bekannt. Diese besteht aus einem im Prinzip sphärischen Flügelrad, das drehbar in einem Turbinengehäuse gelagert ist. Das Turbinengehäuse bildet hierbei eine Art Einsatz einer Wasserzuführleitung mit einem im Wesentlichen (voll-) sphärischen Innenraum, an den die Flügelräder derart angepasst sind, dass zwischen der Innenwand des Turbinengehäuses und den Flügelrädern ein ringförmiger Zwischenspalt verbleibt. Ferner ist in Strömungsrichtung vor dem Flügelrad eine Leitblende angeordnet, die das Flügelrad teilweise abdeckt und mit einer Durchlassöffnung zum Antrieb des Flügelrads versehen ist.From the prior art, for example, according to the AT 402,221 B is known a ball turbine of this genus. This consists of a basically spherical impeller, which is rotatably mounted in a turbine housing. The turbine housing in this case forms a kind of use of a water supply line with a substantially (fully) spherical interior, to which the impellers are adapted such that an annular intermediate gap remains between the inner wall of the turbine housing and the impellers. Further, in the flow direction in front of the impeller, a guide orifice is arranged, which partially covers the impeller and is provided with a passage opening for driving the impeller.

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 DE 103 17 680 A1 ein sogenannter hydraulischer Widder zur alternativen Gewinnung nutzbarer Energie bekannt. Dieser hydraulische Widder besteht aus einer Triebleitung, deren Einlass vorzugsweise an einen Wasserspeicher mit vorbestimmtem Höhenniveau angeschlossen ist. Die Triebleitung mündet an ihrem Auslass (in Verlängerung der Triebleitung) in ein Stoßventil, bestehend aus einem Ventilsitz, auf das ein Ventilstößel in Anlage bringbar ist (bzw. gebracht wird), der mittels einer Feder in Offenrichtung vorgespannt ist. Stromauf zu dem Stoßventil ist ein Druckventil, vorzugsweise in Form eines Rückschlagventils an die Triebleitung angeschlossen, über das ein Druckspeicher mit Hydraulikdruck befüllbar ist. An dem Druckspeicher ist wiederum eine Steigleitung angeschlossen, die in einen Hochspeicher mündet, dessen Niveau über dem Wasserreservoir liegt. Von diesem Hochspeicher führen Fallrohre in eine Turbine zur Erzeugung eines nutzbaren Drehmoments.Furthermore, from the prior art, for example, according to the DE 103 17 680 A1 a so-called hydraulic ram known for the alternative recovery of usable energy. This hydraulic ram consists of a power line, the inlet is preferably connected to a water reservoir with a predetermined height level. The transmission line opens at its outlet (in extension of the transmission line) in a shock valve, consisting of a valve seat, on which a valve stem is brought into contact (or is brought), which is biased by a spring in the open direction. Upstream of the shock valve is a pressure valve, preferably connected in the form of a check valve to the drive line, via which a pressure accumulator with hydraulic pressure can be filled. At the accumulator turn a riser is connected, which opens into a high accumulator whose level is above the water reservoir. From this accumulator down pipes lead into a turbine to generate a usable torque.

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.

Aus dem Stand der Technik sind nunmehr Wasserturbinen der sogenannten Peleton-Turbinenbauart bekann, wie sie beispielsweise in der DE 39 38 356 A1 offenbart ist. Diese Turbinenart lässt sich konzipieren für vergleichsweise kleine Wassermengen und große Gefälle bis hin zu niedrigen Gefällen und großen Wassermengen. Sie hat daher über einen weiten Anwendungsbereich einen sehr guten Wirkungsgrad.From the prior art now water turbines of the so-called Peleton turbine type are known, as for example in the DE 39 38 356 A1 is disclosed. This type of turbine can be designed for comparatively small amounts of water and large slopes, down to low slopes and large volumes of water. She has over a wide range of applications a very good efficiency.

Es hat sich jedoch gezeigt, dass ein hydraulischer Widder bekannter Bauart, Wasser nicht stetig sondern pulsartig fördert, wobei die Wasserstöße trotz Zwischenschaltung des Druckspeichers in die Nutzleitung weitergegeben wird. Die Peletonturbine bekannter Bauart erweist sich hier als nicht geeignet.However, it has been shown that a hydraulic ram of known design, water not steadily but pulsating promotes, the water surges is passed despite the interposition of the accumulator in the utility line. The Peletonturbine known design proves to be unsuitable here.

Des weiteren existieren allgemein bekannte Schaufelräder, wie u. a. auch in der US 233,682 gezeigt, mit einer Anzahl von im Umfangsrichtung gleichmäßig beabstandeten Auffangbehältern oder Taschen, die seriell beispielsweise mit Wasser befüllt werden und so das Schaufelrad in Drehung versetzen. Derartige Schaufelräder sind im Wesentlichen für niedrige Strömungsgeschwindigkeiten und dafür große Wassermengen geeignet. Ihr Einsatzbereich ist daher eher klein und ihr Wirkungsgrad vergleichsweise niedrig zu bewerten.Furthermore, there are well-known paddle wheels, as well as in the US 233,682 shown with a number of circumferentially equally spaced collecting containers or pockets, which are filled in series with, for example, water and thus set the impeller in rotation. Such paddle wheels are essentially suitable for low flow velocities and large amounts of water. Their field of application is therefore rather small and their efficiency comparatively low.

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 also develops an increased efficiency in interaction 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 claim 1 and by a hydropower plant consisting of the ram according to the invention and the ball turbine according to the invention according to the patent claim 10. Advantageous embodiments of the invention are the subject of the remaining dependent claims.

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 is achieved in the operation of the ram in the area of the branches in turn to a pressure drop in the 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 the Branch to the shock valve at an angle greater than 0 °, preferably 45 ° to order.

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 poppet valve whose opening force is weight dependent exhibits consistent orifice characteristics throughout its life, which can be predetermined once for optimum hydraulic ram efficiency. 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 known in the art of downpipes), whereby the efficiency of the entire system can be increased in the energy production here. Experiments have shown that the efficiency of a turbine directly connected to a hydraulic ram with respect to a turbine with Intermediate accumulator can be increased up to 30 times.

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 therefrom (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 axis of rotation in a corresponding central through-hole inserted in the ball and is 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 1 zeigt den schematischen Aufbau eines erfindungsgemäßen Widders gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung,The 1 shows the schematic structure of a ram according to the invention according to a preferred embodiment of the invention,

2 den Verzweigungsstutzen des hydraulischen Widders gemäß der 1 mit daran angeschlossenen Ventilen in Vergrößerung, 2 the branch pipe of the hydraulic ram according to the 1 with connected valves in magnification,

3 zweigt den Verzweigungsstutzen ohne Hydraulikventile in unterschiedlichen Ansichten, 3 branches the branch pipe without hydraulic valves in different views,

4 zeigt ein Rückstoßventil gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung, 4 shows a check valve according to the preferred embodiment of the invention,

5 zeigt den Energiegewinnungsabschnitt des hydraulischen Widders gemäß der 1 in Vergrößerung, 5 shows the power generation section of the hydraulic ram according to the 1 in magnification,

6 zeigt den hydraulischen Widder gemäß der 1 mit einem unterschiedlich gestalteten Druckspeicher, 6 shows the hydraulic ram according to the 1 with a differently designed accumulator,

7 bis 9 zeigen alternative Anordnungen des Druckspeichers an einem erfindungsgemäßen Verzweigungsstutzen zur Erhöhung der Leistung des hydraulischen Widders gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung, 7 to 9 show alternative arrangements of the pressure accumulator to a branch pipe according to the invention for increasing the performance of the hydraulic ram according to the preferred embodiment of the invention,

10 zeigt den Kugelrotor einer (Voll-) Kugelturbine gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung in mehreren Ansichten, 10 shows the ball rotor of a (full) ball turbine according to a preferred embodiment of the invention in several views,

11 zeigt eine Hälfte eines Turbinengehäuses gemäß der Erfindung samt Ein- und Auslass, 11 shows one half of a turbine housing according to the invention, including inlet and outlet,

12 zeigt den Kugelrotor gemäß der 10 in einer Gehäusehälfte eingesetzt, 12 shows the ball rotor according to the 10 used in a housing half,

13 zeigt eine alternative Ausgestaltung der Kugelrotors gemäß der Erfindung 13 shows an alternative embodiment of the ball rotor according to the invention

14 zeigt einen Lagerbock zur Halterung der Kugelturbine an der Gehäusehälfte (Gehäuseblock), 14 shows a bearing block for mounting the ball turbine to the housing half (housing block),

15 zeigt den prinzipiellen Aufbau der Kugelturbine gemäß der Erfindung, 15 shows the basic structure of the ball turbine according to the invention,

16 zeigt Kraftwerk mit hydraulischem Widder und Kugelturbine gemäß der Erfindung, 16 shows power plant with hydraulic ram and ball turbine according to the invention,

17 zeigt eine erste Abwandlung der Kugelturbine gemäß der Erfindung im Längsschnitt, 17 shows a first modification of the centrifugal turbine according to the invention in longitudinal section,

18 zeigt einen Einlassstutzen der Kugelturbine gemäß der 17, 18 shows an inlet nozzle of the ball turbine according to the 17 .

19 zeigt eine zweite Abwandlung der Kugelturbine gemäß der Erfindung im Längsschnitt und 19 shows a second modification of the ball turbine according to the invention in longitudinal section and

20 zeigt einen Einlassstutzen der Kugelturbine gemäß der 19.0 20 shows an inlet nozzle of the ball turbine according to the 19 .0

Gemäß der 1 hat der hydraulische Widder des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung eine Triebleitung 1, die an ihrem einen Ende an einen Energiespeicher in Form eines Wasserreservoirs 2 in vorbestimmter Höhe angeschlossen ist. Alternativ hierzu kann der Einlass der Triebleitung 1 auch in einem fließenden Gewässer gelegt sein, wofür der Einlass vorzugsweise trichterförmig ausgebildet ist. Zusätzlich kann der Einlass in beiden Fällen mit einer Vorrichtung versehen sein, die das Einströmen von Verschmutzung verhindert oder reduziert.According to the 1 For example, the hydraulic ram of the preferred embodiment of the invention has a power line 1 , which at one end to an energy storage in the form of a water reservoir 2 connected at a predetermined height. Alternatively, the inlet of the transmission line 1 be placed in a flowing water, for which the inlet is preferably funnel-shaped. In addition, in both cases, the inlet may be provided with a device which prevents or reduces the inflow of fouling.

Die Triebleitung 1 endet an einem Anschlussflansch 3, an dem ein im Wesentlichen V-förmiger Verzweigungsstutzen 4 angeflanscht ist. The transmission line 1 ends at a connection flange 3 to which a substantially V-shaped branch neck 4 is flanged.

Hierfür hat der Verzweigungsstutzen 4 ein Haupt-Einlassrohr 5, das mit der Triebleitung 1 verflanscht ist und welches stromabwärts in zwei diametral sich gegenüberliegende Zweiganschlüsse 6, 12 mündet, wodurch die vorstehend beschriebene Y-Form des Verzweigungsstutzens 4 ausgebildet wird (Hierzu wird insbesondere auf die 2 und 3 verwiesen). Einer der Zweiganschlüsse 6 endet in einem Flansch 7, an den ein Zwischenrohr (Pfeife) 8 vorbestimmter Rohrlänge angeflanscht ist. Die Länge des Zwischenrohrstücks 8 richtet sich dabei nach der Strömungsgeschwindigkeit sowie den Strömungsquerschnitt des Rohrs 1 und kann mehrere Meter betragen. Das Zwischenrohr 8 endet in einem weiteren Flansch 9 (oder Schweißstelle), an den ein Rohrkrümmer 10 vorzugsweise ein 90°-Krümmer 10 angesetzt ist. An den Rohrkrümmer 10 ist ein Stoßventil 11 ebenfalls angeflanscht, wie es nachfolgend noch anhand der 4 näher beschrieben wird. Der 90°-Krümmer 10 ist dabei vertikal ausgerichtet, derart, dass das Stoßventil 11 (dessen Ventilsitz) unter einem Winkel von im Wesentlichen 45° vertikal ausgerichtet wird.For this purpose has the branch pipe 4 a main inlet pipe 5 that with the power train 1 flanged and which downstream in two diametrically opposed branch connections 6 . 12 resulting in the above-described Y-shape of the branch neck 4 is formed (this is particularly on the 2 and 3 referenced). One of the branch connections 6 ends in a flange 7 to which an intermediate pipe (whistle) 8th flanged to predetermined pipe length. The length of the intermediate pipe piece 8th depends on the flow velocity and the flow cross section of the pipe 1 and can be several meters. The intermediate pipe 8th ends in another flange 9 (or weld) to which a pipe bend 10 preferably a 90 ° elbow 10 is scheduled. To the elbow 10 is a shock valve 11 also flanged, as it still below based on the 4 will be described in more detail. The 90 ° elbow 10 is aligned vertically, such that the shock valve 11 (its valve seat) is oriented vertically at an angle of substantially 45 °.

An dem anderen Zweiganschluss 12 des Verzweigungsstutzens 4 ist ein Rückschlagventil 13 an- bzw. zwischengeflanscht (siehe 2). Dieses Rückschlagventil 13 ist beispielsweise ein Klappenventil oder ein Tellerventil, dessen Öffnungsrichtung in Strömungsrichtung des Verzweigungsstutzens 4 (vorherrschend im Hauptrohr 5 des Verzweigungsstutzens 4) ausgerichtet ist.At the other branch connection 12 of the branch neck 4 is a check valve 13 on or flanked (see 2 ). This check valve 13 For example, is a flap valve or a poppet valve whose opening direction in the flow direction of the branch neck 4 (predominantly in the main pipe 5 of the branch neck 4 ) is aligned.

Wie aus der 1 und 2 zu entnehmen ist, ist der Ventilsitz des Rückschlagventils 13 in einem Winkel von 45° zur Hauptströmrichtung geneigt ausgerichtet. An das Rückschlagventil 13 ist ein Druckspeicher 14 angeflanscht, derart, dass sich der Druckspeicher 14 im Wesentlichen in Form eines Kegels vertikal ausrichtet. An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass die Form des Druckspeichers 14 unterschiedlich dimensioniert sein kann, wie dies in den 1 und 6 verdeutlicht ist, wobei sich jedoch die auf die Spitze gestellte Kegelform (Pyramidenform) als die vorteilhafteste Form erwiesen hat. In Abhängigkeit von Volumenstrom und Rohrquerschnitt kann ein langhubiger Druckspeicher 14 (gemäß 1 enger Kegelquerschnitt/große Speicherlänge) oder ein kurzhubiger Druckspeicher 14 (Gemäß 6 weiter Kegelquerschnitt/kleine Speicherlänge) vorgesehen sein.Like from the 1 and 2 it can be seen, is the valve seat of the check valve 13 oriented inclined at an angle of 45 ° to the main flow direction. To the check valve 13 is a pressure accumulator 14 flanged so that the accumulator 14 aligns substantially in the form of a cone vertically. At this point it should be noted that the shape of the pressure accumulator 14 can be dimensioned differently, as in the 1 and 6 is clarified, but the pointed to the top cone shape (pyramid shape) has proved to be the most advantageous form. Depending on the volume flow and pipe cross-section, a long-stroke pressure accumulator 14 (according to 1 narrow tapered cross section / large storage length) or a short-stroke pressure accumulator 14 (According to 6 further cone cross section / small memory length) may be provided.

Im Fall eines Klappenventils als Rückschlagventil 13, ist dieses derart an den Zweiganschluss 12 angeflanscht, dass sich die Klappe in Richtung zum Druckspeicher 14 hin öffnet. In anderen Worten ausgedrückt, ist die Ausströmrichtung des Klappenventils 13 im Wesentlichen vertikal unmittelbar in Richtung zum Druckspeicher 14.In the case of a flapper valve as a check valve 13 , this is so at the branch connection 12 Flanged, that the flap towards the pressure accumulator 14 opens. In other words, the outflow direction of the flapper valve 13 essentially vertically immediately towards the pressure accumulator 14 ,

Der Druckspeicher 14 hat ferner einen Auslassanschluss 15 (siehe 2), der vorzugsweise unmittelbar stromab zum Rückschlagventil 13 am Druckspeicher 14 angeordnet ist und der unmittelbar, das heißt über eine Nutzleitung 16, an eine Turbine angeschlossen ist oder angeschlossen werden kann.The accumulator 14 also has an outlet port 15 (please refer 2 ), preferably immediately downstream of the check valve 13 at the accumulator 14 is arranged and the immediate, that is via a utility line 16 , connected to a turbine or can be connected.

An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass in der Triebleitung 1 und/oder dem Hauptrohr 5 des Verzweigungsstutzens 4 sowie am Auslass 15 des Druckspeichers 14 jeweils ein Ventilschieber (manuell betätigbar) angeordnet sein kann, um die entsprechenden Leitungen (teil-) zu verschließen bzw. einen Strömungswiderstand für ein Einstellen des hydraulischen Widders zu erzeugen. Alternativ kann beispielsweise der Verzweigungsstutzen in Strömungsrichtung konisch sich verjüngend ausgeformt sein, wie die in der 3 dargestellt ist. Auch die Nutzleitung 16 kann eine in Strömungsrichtung sich konisch verjüngende Form ausweisen (siehe hierzu insbesondere die 5).At this point it should be noted that in the power line 1 and / or the main pipe 5 of the branch neck 4 as well as at the outlet 15 of the accumulator 14 in each case a valve slide (manually operable) can be arranged to (partially) close the respective lines or to generate a flow resistance for adjusting the hydraulic ram. Alternatively, for example, the branch pipe can be tapered conically in the flow direction, as in the flow direction 3 is shown. Also the utility line 16 may be a conically tapered shape in the flow direction (see in particular the 5 ).

Das Stoßventil 11 gemäß der 4 ist ebenfalls in Form eines Sitzventils vorzugsweise der Ventilstößelbauart ausgebildet. Es hat demzufolge einen Ventilsitz 17, auf dem eine Ventilplatte oder Stößel 18 dichtend in Anlage bringbar ist. An der Ventilplatte 18 ist ein Ventilschaft 19 montiert, der durch eine im Ventilsitz 17 sich ausbildende Öffnung geführt ist. Der Schaft 19 wird dabei durch einen Ventilführungsarm 20 gehalten, der an den Schaft 19 angeschraubt ist und der wiederum an einem Scharnier 21 schwenkbar gelagert ist. Eine Axialbewegung des Schafts 19 wird somit in eine Schwenkbewegung des Ventilführungsarms 20 konvertiert. Am Schaft 19 und/oder am Ventilführungsarm 20 sind Gewichte 22 angeordnet, die zusammen ein vorbestimmtes Gesamtgewicht ergeben, welches auf den Ventilschaft 19 in Öffnungsrichtung des Stoßventils 11 zumindest teilweise wirkt. Über die Höhe des Gewichts lässt sich somit die Schließcharakteristik des Stoßventils 11 einstellen.The shock valve 11 according to the 4 is also formed in the form of a poppet valve preferably the tappet type. It therefore has a valve seat 17 on which a valve plate or plunger 18 sealing in conditioning can be brought. At the valve plate 18 is a valve stem 19 mounted by one in the valve seat 17 a forming opening is guided. The shaft 19 is doing by a Ventilführungsarm 20 held to the shaft 19 screwed on and in turn on a hinge 21 is pivotally mounted. An axial movement of the shaft 19 is thus in a pivoting movement of the Ventilführungsarms 20 converted. On the shaft 19 and / or on the valve guide arm 20 are weights 22 arranged together, which together give a predetermined total weight, which on the valve stem 19 in the opening direction of the shock valve 11 at least partially works. About the height of the weight can thus be the closing characteristic of the shock valve 11 to adjust.

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 4 Strömungswiderstände in diesem Bereich deutlich reduziert werden können, wodurch sich der Gesamtwirkungsgrad des erfindungsgemäßen hydraulischen Widders steigern lässt. D. h. zwischen Wasserreservoir 2 und Rückstoßventil 11 baut sich eine Strömungsgeschwindigkeit auf, die zu einem Druckabfall innerhalb des Verzweigungsstutzens 4 führt. Das Rückschlagventil 13 ist bezüglich der Hauptströmungsrichtung im Verzweigungsstutzen 4 zumindest schräggestellt (kleiner 90° zur Hauptstromrichtung). Vorzugsweise entsteht so eine (visuelle) Überlappung der Verzweigungsöffnungen 6, 12 am Verzweigungsstutzen 4. Im Fall eines schlagartigen Schließens des Stoßventils 11 wird so der Überdruckimpuls) unter geringeren Verlusten in den Druckspeicher 14 eingeleitet.The basic mode of operation of the ram according to the invention essentially corresponds to those known from the prior art hydraulic rams, so that reference may be made at this point to the above description introduction. Crucial, however, is that through the approximated Y-shape of the branch neck 4 Flow resistance in this area can be significantly reduced, which can increase the overall efficiency of the hydraulic ram according to the invention. Ie. between water reservoir 2 and recoil valve 11 A flow rate builds up resulting in a pressure drop within the branch neck 4 leads. The check valve 13 is relative to the main flow direction in the branch pipe 4 at least inclined (less than 90 ° to the main flow direction). Preferably, this results in a (visual) overlap of the branching openings 6 . 12 at the branch neck 4 , In the case of a sudden closing of the shock valve 11 becomes so the pressure pulse) with lower losses in the pressure accumulator 14 initiated.

Die Anordnung des Zwischenrohres 8 zwischen dem Stoßventil 11 und dem einen Abzweiganschluss 6 des Verzweigungsstutzens 4 schafft ein zusätzliches Gefälle in Richtung Stoßventil 11, wodurch der Druck im Verzweigungsstutzen 4 bei schlagartigem Schließen des Stoßventils 11 weiter erhöht werden kann. Demzufolge ist der im Druckspeicher 14 aufbaubare Fülldruck ebenfalls höher als im Stand der Technik.The arrangement of the intermediate pipe 8th between the shock valve 11 and the one branch connection 6 of the branch neck 4 creates an additional slope towards the shock valve 11 , reducing the pressure in the branch pipe 4 with sudden closing of the shock valve 11 can be further increased. Consequently, the pressure in the accumulator 14 buildable filling pressure also higher than in the prior art.

Durch den konischen Aufbau des Druckspeichers 14 kann eine Vergleichmäßigung des pulsartigen Druckaufbaus erreicht werden, sodass eine quasi kontinuierliche Fluidströmung in der Nutzleitung 16 erzielbar ist. Dies ist wiederum die Voraussetzung dafür, die Nutzleitung 16 unmittelbar an eine Turbine anzuschließen.Due to the conical structure of the pressure accumulator 14 an equalization of the pulse-like pressure build-up can be achieved, so that a quasi-continuous fluid flow in the utility line 16 is achievable. This, in turn, is the prerequisite for the utility line 16 directly to a turbine.

In den 7–9 sind einige alternative Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen hydraulischen Widders gezeigt. Demzufolge kann, wie dies vorstehend bereits angedeutet wurde, der Druckspeicher 14 ebenfalls in einer vorzugsweise 45°-Neigungsposition an den entsprechenden Abzweigungsanschluss 12 angeflanscht sein. Auch ist es möglich, den Druckspeicher 14 gegenüber dem Anschlussflansch 12 in Richtung zur Hauptströmrichtung zu neigen bis dieser (seine Längsachse) etwa einen Winkel von 22,5° zur Hauptströmrichtung erhält.In the 7 - 9 some alternative embodiments of the hydraulic ram according to the invention are shown. Accordingly, as already indicated above, the pressure accumulator 14 also in a preferably 45 ° -Neigungsposition to the corresponding branch connection 12 be flanged. It is also possible the pressure accumulator 14 opposite the connection flange 12 to tilt in the direction of the main flow direction until this (its longitudinal axis) is approximately at an angle of 22.5 ° to the main flow direction.

Es sei hier darauf hingewiesen, dass beide Anschlüsse 6, 12 unter dem gleichen Abzweigungswinkel zur Hauptströmungsrichtung ausgerichtet sind. Indessen ist es jedoch auch möglich, die Abzweigwinkel beider Abzweiganschlüsse 6, 12 am Verzweigungsstutzen 4 unterschiedlich zu gestalten. Im extremsten Fall kann der Abzweigwinkel der mit dem Rückschlagventil 13 bestückten Abzweigung gegenüber der Hauptströmung 0° sein und der Abzweigwinkel der mit dem Rückstoßventil 11 ausgerüsteten Abzweigung 6 größer 0°, jedoch kleiner 90° zur Hauptströmrichtung sein.It should be noted here that both connections 6 . 12 are aligned at the same branch angle to the main flow direction. However, it is also possible to have the branch angles of both branch connections 6 . 12 at the branch neck 4 different shape. In the most extreme case, the branch angle may be the one with the check valve 13 equipped branch with respect to the main flow 0 ° and the branch angle of the with the recoil valve 11 equipped branch 6 greater than 0 °, but less than 90 ° to the main flow direction.

Grundsätzlich besteht für alle bisher genannten Varianten die Möglichkeit, die Zuordnung von Ventilen (Rückstossventil, Rückschlagventil) und Abzweigungen zu vertauschen, wie dies in der 9 demonstriert ist. D. h. das Rückstoßventil 11 könnte auf die Abzweigung 12 montiert sein, wohingegen das Rückschlagventil 13 mit sich daran anschließendem Druckspeicher 14 an das Zwischenrohrstück 8 bzw. an den daran sich anschließenden Krümmer 10 angeschlossen ist. Auch ist es beispielsweise möglich, anstelle nur eines Druckbehälters 14 mit entsprechendem Nutzleitungsanschluss 15 zwei Druckbehälter mit jeweils einem Nutzleitungsanschluss am Verzweigungsstutzen 4 vorzusehen, wobei in diesem Fall entweder drei Zweiganschlüsse in jeweils 120°-Winkelabstand am Verzweigungsstutzen 4 ausgebildet sind oder am Krümmer 10 eine weiterführende Abzweigung vorgesehen ist, an die dann das Rückstoßventil in vorstehend beschriebener Weise angeflanscht ist (sihe hierzu insbesondere die 8). Auch können die Flanschanschlüsse strömungstechnisch optimiert sein, indem beispielsweise Hülsen in die zu verbindenden Rohrteile gesteckt sind, die den jeweiligen Flanschabschnitt überbrücken (hierzu wird beispielsweise auf den Flansch 3 zwischen Triebleitung 1 und Verzweigungsstutzen 4 verwiesen).Basically, there is the possibility for all variants mentioned so far, the assignment of valves (recoil valve, check valve) and to interchange branches, as shown in the 9 is demonstrated. Ie. the recoil valve 11 could be on the turnoff 12 be mounted, whereas the check valve 13 with adjoining pressure accumulator 14 to the intermediate pipe section 8th or on the adjoining manifold 10 connected. It is also possible, for example, instead of just a pressure vessel 14 with corresponding utility connection 15 two pressure vessels, each with a utility line connection on the branch pipe 4 provide, in this case, either three branch connections in each 120 ° -Winkelabstand the branch pipe 4 are formed or on the manifold 10 a further branch is provided, to which then the return valve is flanged in the manner described above (see this in particular the 8th ). The flange connections can also be optimized in terms of flow, for example by inserting sleeves into the pipe parts to be connected which bridge the respective flange section (for this purpose, for example, the flange is used 3 between transmission line 1 and branch pipe 4 referenced).

Gemäß der 10 bis 16 wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel für eine Kugelturbine vorzugsweise der Vollkugelbauart dargestellt, wie sie insbesondere in Verbindung mit dem vorstehend beschriebenen hydraulischen Widder unter Ausbildung einer Energiekraftanlage eingesetzt wird.According to the 10 to 16 a preferred embodiment of a ball turbine is preferably shown the full ball design, as used in particular in conjunction with the hydraulic ram described above to form a power plant.

Demzufolge hat die Kugelturbine gemäß der Erfindung einen Kugelrotor 100, der in einem Turbinengehäuse oder Gehäuseblock 200 um eine zentrale Lager- bzw. Rotationsachse 110 drehbar gelagert ist.Consequently, the ball turbine according to the invention has a ball rotor 100 in a turbine housing or housing block 200 around a central bearing or rotation axis 110 is rotatably mounted.

Der Kugelrotor 100 besteht aus einer (Voll-) Kugel 120, an der vorzugsweise einstückig die zentrale Rotationsachse 110 angeordnet (angeformt) ist, die als zwei Lagerzapfen oder Wellen aus der Kugel 120 diametral (180° winkelversetzt) sowie axial zueinander fluchtend vorstehen. Die Rotationsachse 110 kann alternativ auch als ein von der Kugel 120 getrenntes Bauteil ausgebildet sein, wobei in diesem Fall die Kugel 120 mit einer zentralen Durchgangsbohrung versehen ist, in welche die Rotationsachse 110 drehfest eingesetzt (eingepresst und/oder geklebt und/oder gelötet) ist. Des Weiteren ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel die Kugel 120 als Vollkugel vorzugsweise aus Stahl ausgeformt, um ein möglichst hohes Gewicht zu erreichen. Sie kann aber auch aus einer (Stahl-) Kugelschale bestehen, die mit einem Material hohen spezifischen Gewichts, beispielsweise Blei, gefüllt ist.The ball rotor 100 consists of a (full) ball 120 at the preferably integrally the central axis of rotation 110 arranged (molded) is that as two journals or shafts from the ball 120 diametrically (180 ° angularly offset) and projecting axially aligned with each other. The rotation axis 110 Alternatively, as one of the ball 120 be formed separate component, in which case the ball 120 is provided with a central through hole into which the axis of rotation 110 rotatably inserted (pressed and / or glued and / or soldered) is. Furthermore, in the present embodiment, the ball 120 formed as a solid ball, preferably made of steel, in order to achieve the highest possible weight. But it can also consist of a (steel) spherical shell, which is filled with a material of high specific gravity, such as lead.

An den sich diametral gegenüberliegenden Lagerzapfen sind jeweils Montageabschnitte 130 für ein nicht weiter dargestelltes Kugellager ausgeformt. Im Konkreten sind Kugellager auf die Achsen 110 aufgepresst und mittels Wellenringe axial gesichert, die in entsprechende Wellennuten 115 eingesetzt sind. Alternativ hierzu können aber auch Gleitlagerabschnitte an den Rotationsachsen 110 ausgebildet sein.At the diametrically opposite journals are each mounting sections 130 formed for a ball bearing not shown. Specifically, ball bearings are on the axles 110 pressed and axially secured by means of wave rings, which in corresponding shaft grooves 115 are used. Alternatively, but also Slide bearing sections on the axes of rotation 110 be educated.

In der Kugel 120 sind eine Vielzahl von vorzugsweise gleichmäßig winkelbeabstandeten Sacklöchern oder Taschen 140 ausgebildet, die sich längs der Äquatorlinie der Kugel 120 aneinanderreihen und die Turbinenschaufeln darstellen. Gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die Sacklöcher 140 Bohrungen mit einem zylindrischen Abschnitt und einer Kegelspitze als Bohrungsgrund (vorzugsweise 120° Kegelwinkel), wobei die Bohrungsachse jedes Sacklochs 140 bezüglich der Kugelradialen geneigt bzw. in einem Winkel größer 0° (vorzugsweise 45°) bezüglich der Radialen entgegen der vorgesehenen Rotationsrichtung der Kugel 120 ausgerichtet ist. Hierdurch erstreckt sich jede Bohrung 140 zumindest anteilig in Umfangsrichtung (d. h. zwischen Radiale und Tangente) der Kugel 120. Alternativ kann es aber auch vorgesehen sein, die Taschen als im Querschnitt halbkreisförmige Vertiefungen auszubilden (auszufräsen). Auch andere Querschnittsformen wie Dreiecks- oder Rechtecksformen sind prinzipiell denkbar. In the ball 120 are a variety of preferably uniformly angularly spaced blind holes or pockets 140 formed along the equatorial line of the ball 120 string together and represent the turbine blades. According to the preferred embodiment of the invention, the blind holes 140 Holes with a cylindrical portion and a conical tip as the bottom of the hole (preferably 120 ° cone angle), wherein the bore axis of each blind hole 140 with respect to the spherical radials inclined or at an angle greater than 0 ° (preferably 45 °) with respect to the radials against the intended direction of rotation of the ball 120 is aligned. This extends each hole 140 at least proportionally in the circumferential direction (ie between radial and tangent) of the ball 120 , Alternatively, however, it may also be provided to form (mill out) the pockets as recesses which are semicircular in cross-section. Other cross-sectional shapes such as triangular or rectangular shapes are conceivable in principle.

Gemäß der 11 ist das Turbinengehäuse 200 in Form eines (vorzugsweise einstückigen) Gehäuseblocks 210 ausgebildet, der jeweils eine Aufnahme- oder Lagerfläche aufweist, in der ein semisphärischer (halbkugelförmiger) Aufnahmeraum oder Vertiefung 220 für die Turbinenkugel 120 sowie zwei halbzylindrische (rinnenförmige) Lagerabschnitte 230 für die zentrale Rotationsachse 110 ausgebildet sind.According to the 11 is the turbine housing 200 in the form of a (preferably one-piece) housing block 210 formed, each having a receiving or bearing surface in which a semispherical (hemispherical) receiving space or depression 220 for the turbine ball 120 and two semi-cylindrical (trough-shaped) bearing sections 230 for the central axis of rotation 110 are formed.

Im Konkreten ist in dem Gehäuseblock 210 eine Halb-Kugelkalotte 220 an einer Flachseite des Gehäuseblocks 210 zentral ausgeformt, in die an zwei diametral sich gegenüberliegenden Stellen jeweils eine im Querschnitt halbkreisförmige Rinne 230 mündet. In jeder Rinne 230 ist in einem axialen Mittenabschnitt eine radiale Ausdrehung 240 ausgenommen, in die nicht weiter dargestellte Schmierkanäle münden, über die ein Schmierstoff zuführbar ist. An den axialen Endabschnitten jeder Rinne 230 sind diese radial ausgedreht, um zusammen mit zwei externen Lagerböcken oder Brücken 300 gemäß der 14 jeweils einen geschlossenen Kreisring zu bilden, der zur Aufnahme jeweils eines der Kugellager (nicht dargestellt) dient. Wie hierbei insbesondere aus der 14 zu sehen ist, besteht jeder Lagerbock Brücke 300 aus einem Metallklotz, an dessen eine Stirnseite eine rinnenförmige, d. h. im Querschnitt halbkreisförmige Ausnehmung 310 mit unterschiedlichen Radien zur Aufnahme der Rotationsachse 110 sowie der Kugellager ausgebildet ist. Des Weiteren sind zumindest zwei Durchgangsbohrungen 320 zur Aufnahme von Schrauben beidseits der Rinne 310 angeordnet. Schließlich ist eine mittig der Rinne 310 eine Ausdrehung 315 als Schmiermittelzuführung ausgeformt. Der Rinnenquerschnitt ist dabei der Rinne 230 auf Seiten des Gehäuseblocks 210 angeglichen, um nach Montage des betreffenden Lagerbocks 300 am Gehäuseblock 210 einen achssymmetrischen Kanal zu formen. Die äußere Form jedes Lagerbocks 300 ist so gestaltet, dass er die Halbkugelkalotte 220 nicht über- bzw. abgedeckt, wie dies insbesondere in der 15 dargestellt ist.In the concrete is in the housing block 210 a half-spherical calotte 220 on a flat side of the housing block 210 centrally formed, in the two diametrically opposite points in each case a semicircular in cross-section groove 230 empties. In every gutter 230 is a radial recess in an axial center section 240 except in the non-illustrated lubrication channels open, via which a lubricant can be supplied. At the axial end portions of each groove 230 These are radially turned to work together with two external bearing blocks or bridges 300 according to the 14 in each case to form a closed circular ring, which serves for receiving in each case one of the ball bearings (not shown). As here in particular from the 14 As can be seen, every pedestal bridge exists 300 of a metal block, on whose one end face a channel-shaped, ie semi-circular in cross section recess 310 with different radii for receiving the axis of rotation 110 and the ball bearing is formed. Furthermore, at least two through holes 320 for holding screws on both sides of the gutter 310 arranged. Finally, one is in the middle of the gutter 310 a turn 315 formed as a lubricant supply. The channel cross section is the gutter 230 on the side of the housing block 210 adjusted after assembly of the respective bearing block 300 on the housing block 210 to form an axisymmetric channel. The outer shape of each bearing block 300 is designed to be the hemisphere calotte 220 not over- or covered, as this particular in the 15 is shown.

In einem Mittenabschnitt der Kugel-Kalotte 220 (im Bereich der Äquatorlinie der Kalotte 220) weist der Gehäuseblock 210 gemäß der 11 eine Bohrung 250 auf, welche die Kalotte 220 in einem schrägen Winkel (unterschiedlich zur Radialen) schneidet. Vorzugsweise entspricht der Neigungswinkel jeder Bohrung 250 bezüglich der Kugelkalotteoberfläche (Tangente) dem Neigungswinkel einer Sackbohrung 140 bezüglich der Kugeloberfläche (Tangente), sodass jede Bohrung 250 quasi eine axiale Verlängerung zu einer aktuell ihr gegenüber liegenden Sacklochbohrung 140 bildet. Die Bohrung 250 in dem einen Gehäuseblock 210 stellt dabei den Einlass der Kugelturbine dar, wohingegen der Auslass der Kugelturbine an der betreffenden Flachseite (Oberfläche) des Gehäuseblocks 210 in Richtung zur Atmosphäre (quasi zwangsläufig) entsteht.In a center section of the ball-dome 220 (in the area of the equatorial line of the calotte 220 ) has the housing block 210 according to the 11 a hole 250 on which the calotte 220 at an oblique angle (different from the radial). Preferably, the angle of inclination corresponds to each hole 250 with respect to the spherical cap surface (tangent) the inclination angle of a blind hole 140 with respect to the spherical surface (tangent), so that each bore 250 almost an axial extension to a currently opposite blind hole 140 forms. The hole 250 in the one housing block 210 represents the inlet of the ball turbine, whereas the outlet of the centrifugal turbine on the relevant flat side (surface) of the housing block 210 in the direction of the atmosphere (almost inevitably) arises.

Die in der 11 dargestellte (Einlass-) Bohrung 250 im Gehäuseblock 210 ist zylinderförmig ausgebildet und zwar mit einem Durchmesser, der im Wesentlichen einer der Sacklochbohrungen 140 entspricht oder kleiner ist. Alternativ kann die Bohrung 250 aber auch eine Einengung (Verjüngung) zur Ausbildung einer Düsenform aufweisen, um das Ausströmverhalten der Flüssigkeit (Wasser) in Richtung zur Turbinenkugel 120 zu optimieren. Der Auslass 255 der Turbine wird quasi durch die Flachseite des Gehäuseblocks 210 selbst gebildet, in der die semisphärische Kalotte 220 und die Lagerachsen-Aufnahmen 230 ausgeformt sind, wobei an die Flachseite in dem Bereich, in welchem die Taschen 140 an die Oberfläche austreten, ein Aufsatzblock 256 (siehe 15) aufgeschraubt ist. Dieser Aufsatzblock 256 bildet eine speziell geformte Austrittskante für ein strömungsgünstiges Ausstoßen von Flüssigkeit aus der jeweils an die Oberfläche tretenden Tasche 140.The in the 11 illustrated (inlet) bore 250 in the housing block 210 is cylindrical in shape and that with a diameter substantially one of the blind holes 140 is equal to or less. Alternatively, the hole 250 but also a constriction (taper) to form a nozzle shape to the outflow behavior of the liquid (water) in the direction of the turbine ball 120 to optimize. The outlet 255 the turbine is quasi through the flat side of the housing block 210 itself formed, in which the semispherical calotte 220 and the bearing axis shots 230 are formed, wherein the flat side in the area in which the pockets 140 emerge to the surface, an attachment block 256 (please refer 15 ) is screwed on. This attachment block 256 forms a specially shaped trailing edge for a streamlined ejection of liquid from each passing to the surface pocket 140 ,

Der Durchmesser der Kugelkalotte 220 des insbesondere in 11 gezeigten Gehäuseblocks 210 entspricht im Wesentlichen dem Außendurchmesser der Kugel 120 mit einem geringfügigen Übermaß, sodass sich zwischen Kugel 120 und Kalotte 220 ein Ringspalt in Form einer Spielpassung ausbildet. Das Spaltmaß ist dabei so gewählt, dass der Ringspalt als eine (hydrostatische) Dichtung wirkt. D. h. über die Kugeloberfläche hinweg ausgehend von der Äquatorlinie nimmt die Strömungsgeschwindigkeit im Ringspalt in Richtung seiner Pole ab und ist im Bereich der beiden Pole (Drehachsmittellinien) nahe null. Dadurch entsteht innerhalb des Ringspalts ein Überdruck, der ein Austreten von Flüssigkeit aus den Taschen 140 verhindert. Unterstützt wird dieser Effekt optional durch die Anordnung/Ausbildung von Rillen (nicht weiter dargestellt) an der Kugel- und/oder Kalottenoberfläche, die sich parallel zur Äquatorlinie erstrecken.The diameter of the spherical cap 220 in particular in 11 shown housing block 210 corresponds essentially to the outer diameter of the ball 120 with a slight oversize, so that between ball 120 and dome 220 forms an annular gap in the form of a clearance. The gap is chosen so that the annular gap acts as a (hydrostatic) seal. Ie. across the surface of the sphere, starting from the equatorial line, the flow velocity in the annular gap decreases in the direction of its poles and is close to zero in the region of the two poles (rotational axis center lines). This creates within the annular gap an overpressure that causes leakage of fluid from the pockets 140 prevented. Optionally, this effect is assisted by the formation of grooves (not shown) on the ball and / or dome surfaces which extend parallel to the equatorial line.

Schließlich sind an dem Gehäuseblock 210 um den semisphärischen Aufnahmeraum 220 herum eine Anzahl von Bohrlöchern (bzw. Gewindebohrungen) 260 ausgebildet, in die Schraubenbolzen 265 (siehe 17) eingesteckt werden, um die beiden Lagerböcke 300 auf dem Gehäuseblock 210 zu verschrauben.Finally, on the housing block 210 around the semispherical recording room 220 around a number of holes (or tapped holes) 260 trained, in the bolt 265 (please refer 17 ) are plugged in to the two bearing blocks 300 on the housing block 210 to screw.

In den 15 und 16 ist eine gesamte Widder-Turbinen-Anlage dargestellt.In the 15 and 16 an entire Aries Turbine Plant is shown.

Demzufolge ruht die Turbine, bzw. der Gehäuseblock 210 über eine Dichtung 330 auf einem Auslasstrichter (Nutze) 340, der wiederum über einem Flüssigkeitsreservoir montiert (montierbar) ist. Auf diese Weise kann verbrauchte Flüssigkeit in das Reservoir zurückgefördert werden. Eine Lagerachse 110 der Turbinenkugel 120 ist dabei an eine Antriebswelle eines Stromgenerators 350 gekoppelt (siehe 16), wofür die Lagerachse 110 an ihren beiden Endabschnitten Kopplungselemente aufweist. Wie ferner aus der 15 zu entnehmen ist, orientiert sich der Gehäuseblock 210 unter einem Winkel zur Horizontalen, derart, dass die Nutzleitung des vorstehend beschriebenen hydraulischen Widders im Wesentlichen horizontal an die Turbine geführt wird und die Ausströmrichtung der Einlassöffnung 250 ebenfalls im Wesentlichen horizontal ist. Es ist aber auch möglich, die Ausströmrichtung der Einlassöffnung mit einer (Gefälle-) Neigung zur Horizontalen auszulegen.As a result, the turbine, or the housing block, rests 210 about a seal 330 on a discharge funnel (use) 340 which in turn is mounted (mountable) over a liquid reservoir. In this way, used liquid can be returned to the reservoir. A bearing axis 110 the turbine ball 120 is doing to a drive shaft of a power generator 350 coupled (see 16 ), for which the bearing axis 110 Has coupling elements at its two end portions. As further from the 15 can be seen, the housing block oriented 210 at an angle to the horizontal, such that the utility line of the hydraulic ram described above is guided substantially horizontally to the turbine and the outflow direction of the inlet opening 250 is also substantially horizontal. But it is also possible to design the outflow direction of the inlet opening with a (gradient) inclination to the horizontal.

Die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Kugelturbine lässt sich hierbei auch anhand der 16 wie Folgt beschreiben:
Ein über einen Anschlussflansch 217 am Gehäuseblock 210 eingeführte Wasserstrom wird durch die Einlassbohrung 250 gepresst und auf die Kugel 120 des Turbinenrotors 100 geleitet. Der aus der Einlassbohrung 250 austretende Wasserstrahl ist hierbei im Wesentlichen axial in eine aktuell der Einlassbohrung 250 gegenüberliegende Sacklochbohrung 140 gerichtet und prallt folglich zentral in die betreffende Sacklochbohrung 140, sodass die darin befindliche Luft nicht mehr an dem Umfangsrand der Bohrung 140 (vollständig) entweichen kann. Es bildet sich somit eine Art Luftpolster im Bodenbereich der jeweiligen Sacklochbohrung 140 aus, welches durch das einschießende Wasser komprimiert wird.The mode of operation of the spherical turbine according to the invention can also be described here on the basis of 16 as follows:
One via a connecting flange 217 on the housing block 210 introduced water flow is through the inlet hole 250 pressed and on the ball 120 of the turbine rotor 100 directed. The from the inlet hole 250 escaping water jet is in this case substantially axially into a currently the inlet bore 250 opposite blind hole drilling 140 directed and therefore bounces centrally in the blind hole concerned 140 so that the air therein is no longer at the peripheral edge of the bore 140 (completely) can escape. It thus forms a kind of air cushion in the bottom region of the respective blind hole 140 out, which is compressed by the einschießende water.

Aus der Beschreibungseinleitung ist es bereits bekannt, dass die kinetische Energie des einschießenden Wassers möglichst vollständig an den Kugelrotor 100 abgegeben werden sollte, um einen möglichst hohen Wirkungsgrad zu erreichen. Aufgrund der Abpralltendenz des Wassers, wenn dieses beispielsweise senkrecht gegen eine Fläche auftrifft, wird in der Regel nur ein Teil der kinetischen Energie an den Rotor abgegeben. Bei der vorliegenden Erfindung jedoch wird die Auftreffdauer des Wassers quasi verlängert, d. h. das auftreffende Wasser gibt einen Energieanteil unmittelbar an den Kugelrotor 100 für dessen Rotation ab, wobei ein anderer Energieanteil in Form von Ladedruck (Luftdruck) in der jeweiligen Sacklockbohrung 140 gespeichert wird, welcher ansonsten durch zurückprallendes Wasser ungenutzt bliebe.From the introduction to the description, it is already known that the kinetic energy of the einschießenden water as completely as possible to the ball rotor 100 should be delivered in order to achieve the highest possible efficiency. Due to the rebounding tendency of the water, for example, when it impinges perpendicularly to a surface, only a portion of the kinetic energy is usually released to the rotor. In the present invention, however, the impact duration of the water is quasi prolonged, ie the impinging water gives an energy portion directly to the ball rotor 100 for its rotation, with another part of energy in the form of boost pressure (air pressure) in the respective blind hole 140 is stored, which would otherwise be unused by rebounding water.

Durch die Rotationsbewegung der Kugelrotors 100 bewegen sich die Sacklochbohrungen 140 auf einer Kreisbahn längs der Äquatorlinie der Kugel 120, wobei das Wasser in einer Sacklochbohrung 140 bei Verlassen des Einlassbohrungsbereichs durch das Turbinengehäuse 200 bzw. den Gehäuseblock 210 dichtend eingespannt wird. D. h. bei der Fortbewegung einer mit Wasser gefüllten Sacklochbohrung 140 von der Einlassbohrung 250 in Richtung zum Auslass 255, kann nahezu kein Wasser aus der Sacklochbohrung 140 entweichen. Sobald die betreffende Sacklochbohrung 140 den Turbinenauslaß 255 erreicht hat, wird das gespeicherte Wasser durch das komprimierte Luftposter impulsartig verdrängt (explosionsartig ausgestoßen) und gibt somit durch den hierdurch erzeugten Rückstoß einen gewissen Anteil der Energie an den Kugelrotor 100 für dessen weitere Rotation ab.By the rotational movement of the ball rotor 100 the blind holes are moving 140 on a circular path along the equatorial line of the ball 120 , with the water in a blind hole 140 upon exiting the inlet bore area through the turbine housing 200 or the housing block 210 is clamped sealing. Ie. in the movement of a water-filled blind hole 140 from the inlet hole 250 towards the outlet 255 , almost no water from the blind hole 140 escape. Once the blind hole in question 140 the turbine outlet 255 has reached, the stored water is impulsively displaced by the compressed air poster (expelled explosively) and thus gives by the recoil thus generated a certain amount of energy to the ball rotor 100 for its further rotation.

Die Tiefe sowie der Durchmesser der Sacklochbohrungen 140 sind an den Volumenstrom und den Druck des eingespritzten Wassers angepasst und für das Erreichen eines maximalen Wirkungsgrads abgestimmt. Der Winkelabstand der Sacklochbohrungen 140 ist ferner so gewählt, dass immer mindestens eine Sacklochbohrung 140 zumindest eine teilweise Überschneidung mit der Einlassbohrung 250 hat, sodass die Turbine aus jeder Rotationslage selbständig anfahren kann.The depth and the diameter of the blind holes 140 are adapted to the volume flow and the pressure of the injected water and tuned to achieve maximum efficiency. The angular distance of the blind holes 140 is also chosen so that always at least one blind hole 140 at least a partial overlap with the inlet bore 250 has, so that the turbine can start independently from each rotational position.

Die 13 zeigt eine alternative Ausgestaltung der Sacklochbohrungen 140, wonach jede Sacklochbohrung 140 ausschließlich kegelförmig ausgebildet ist. Bei dieser Ausführungsform ist jedoch die Bildung eines komprimierten Luftpolsters deutlich weniger ausgeprägt, und damit der erzielbare Wirkungsgrad geringer als bei der zuerst beschriebenen Sacklochform.The 13 shows an alternative embodiment of the blind holes 140 after which each blind hole 140 is designed exclusively conical. In this embodiment, however, the formation of a compressed air cushion is significantly less pronounced, and thus the achievable efficiency lower than in the first-described blind hole shape.

Im Anschluss wird eine Anzahl von Abwandlungen der erfindungsgemäßen Kugelturbine anhand der 17 bis 20 beschrieben, um die Variationsmöglichkeiten bei der Abstimmung der Kugelturbine auf unterschiedliche Randbedingungen wie Fleißgeschwindigkeit und/oder Stromvolumen des Fluids (Wasser), das Nenn-Abgabedrehmoment, Kugelgewicht/-durchmesser, etc. anzugeben.In the following, a number of modifications of the ball turbine according to the invention based on 17 to 20 in order to specify the possible variations in the tuning of the centrifugal turbine to different boundary conditions such as dilution speed and / or flow volume of the fluid (water), the rated output torque, ball weight / diameter, etc.

Wie anhand des vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiels erwähnt wurde, ist der Ausströmwinkel des Wassers an der Einlassbohrung 250 bezüglich der Radialen der Turbinenkugel 120 vorzugsweise auf ca. 45° gesetzt um so im Wesentlichen senkrecht in die jeweiligen Sackbohrungen 140 einströmen zu können. Es hat sich nunmehr jedoch herausgestellt, dass je nach vorstehenden Randbedingungen die Anzahl der Sackbohrungen 140 und damit ihr jeweiliger Umfangsabstand verändert werden muss. Dies kann beispielsweise dazu führen, dass bei vorstehender Geometrie in einer bestimmten Winkelposition keine Überdeckung zwischen einer Sackbohrung 140 und dem Einlass 250 der Turbine vorliegt, d. h. die Turbine in einigen Positionen keine Antriebskraft erfährt. Dies gilt es in jedem Fall zu vermeiden.As mentioned with reference to the embodiment described above, the outflow angle of the water at the inlet bore is 250 concerning the radials of the turbine sphere 120 preferably set to about 45 ° so as to be substantially perpendicular to the respective blind holes 140 to be able to flow. However, it has now been found that, depending on the above boundary conditions, the number of blind holes 140 and that their respective circumferential distance must be changed. This can, for example, lead to no overlap between a blind bore in the case of the above-mentioned geometry in a specific angular position 140 and the inlet 250 the turbine is present, ie the turbine experiences no driving force in some positions. This should be avoided in any case.

Gemäß der 17 und 18 ist es daher vorgesehen, den Einlasswinkel (Ausströmwinkel des eingeleiteten sowie auf die Kugel 120 auftreffenden Wassers am Einlass 250) der Kugelturbine bezüglich des relevanten Kugelradius zu verändern und ggf. gleichzeitig den Einlass 250 bezüglich des Kugelmittelpunkts zu verlagern. Hierdurch wird der aktive Einlassquerschnitt (parabel- oder tropfenförmig) vergrößert/verkleinert (siehe hierzu beispielsweise die 11), sodass größere Umfangsabstände zwischen zwei benachbarten Sackbohrungen 140 überbrückt werden können.According to the 17 and 18 It is therefore intended, the inlet angle (discharge angle of the introduced as well as on the ball 120 impinging water at the inlet 250 ) of the ball turbine with respect to the relevant spherical radius to change and possibly the same time the inlet 250 relocate with respect to the center of the sphere. As a result, the active inlet cross-section (parabolic or drop-shaped) is increased / decreased (see, for example, the 11 ), so that larger circumferential distances between two adjacent blind holes 140 can be bridged.

In der 17 ist daher der Ausströmwinkel des am Einlass 250 eingeführten Wasser kleiner 45° und gemäß der 19 sogar 0° bezüglich des Flansches 217, wobei in diesem Fall die Einlassbohrung 250 bezüglich des Kugelmittelpunkts radial versetzt angeordnet ist.In the 17 is therefore the outflow angle of the inlet 250 introduced water less than 45 ° and according to the 19 even 0 ° with respect to the flange 217 , in which case the inlet bore 250 is arranged offset radially with respect to the ball center.

Um für diese Justiermöglichkeit den konstruktiven Aufwand möglichst klein zu halten, kann an der Turbine eine Gehäusewand, vorzugsweise der Gehäuseblock 210 frei an der Dichtung 330 oder an der Hutze 340 anschraubbar und damit auswechselbar sein, in welcher die Einlassbohrung 250 ausgebildet ist und an welcher der Einlassstutzen 16 der Turbine angeordnet ist, wie die insbesondere in den 18 und 20 dargestellt wird.To keep the design effort as small as possible for this adjustment possibility, a housing wall, preferably the housing block, can be attached to the turbine 210 free at the seal 330 or on the scoop 340 screwed and thus be interchangeable, in which the inlet bore 250 is formed and at which the inlet nozzle 16 the turbine is arranged as the particular in the 18 and 20 is pictured.

Entscheidend hierbei ist es, dass das auf die Turbinenkugel 120 auftreffende Wasser eine Kraftkomponente in Umfangsrichtung der Kugel hat und der Öffnungsquerschnitt der Einlassöffnung 250 hin zu Kugel 120 eine solche Ausdehnung in Kugelumfangsrichtung erhält, dass der Umfangsabstand zwischen zwei benachbarten Sacklochbohrungen 140 gebrückt wird, d. h. kein Totpunkt entsteht, an welchem keine zumindest teilweise Überlappung zwischen Einlassöffnung 250 und Sackloch 140 vorliegt.Crucial here is that on the turbine ball 120 impinging water has a force component in the circumferential direction of the ball and the opening cross-section of the inlet opening 250 towards ball 120 such an expansion in the ball circumferential direction obtains that the circumferential distance between two adjacent blind holes 140 is bridged, ie no dead center is formed at which no at least partial overlap between the inlet opening 250 and blind hole 140 is present.

Abschließend sei noch auf die 16 eingegangen, die eine gesamte Energieumwandlungsanlage beispielhaft zeigt. Demzufolge hat der hydraulische Widder zwei Druckbehälter mit jeweils einer Nutzleitung, von denen die Eine in einen Hochbehälter führt zum Betrieb des Widders und die Andere unmittelbar an eine Turbine gemäß vorstehender Beschreibung angeschlossen ist. Diese Turbine ist dabei wiederum über dem Hochbehälter montiert, um das „verbrauchte Wasser” wieder zu verwerten. An die Turbine ist der Generator 350 angeschlossen.Finally, it is still on the 16 which exemplifies an entire energy conversion plant. Accordingly, the hydraulic ram has two pressure vessels each having a utility line, one of which leads into a high tank for operation of the ram and the other is directly connected to a turbine as described above. This turbine is in turn mounted above the elevated tank to recycle the "spent water". To the turbine is the generator 350 connected.

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.

Claims

Ball turbine consisting of a housing ( 200 ) with at least a semi-spherical storage space in which a spherical rotor ( 100 ) about a central axis ( 110 ) is rotatably mounted, wherein the ball rotor ( 100 ) a plurality of along the equatorial line of a sphere ( 120 ) of the ball rotor ( 100 ) spaced pockets or blind holes ( 140 ), whose central axis in each case at an angle with respect to the respective radial into the ball ( 120 ).

Ball turbine according to claim 1, characterized in that in the housing ( 200 a fluid inlet and a fluid outlet which is angularly spaced therefrom are formed, wherein at least the inlet is substantially axial to the pocket currently facing the inlet (FIG. 140 ) is aligned.

Ball turbine according to one of the preceding claims 1 or 2, characterized in that the pockets ( 140 ) have a cylindrical shape, which are preferably formed by a respective bore obliquely, preferably at 45 ° to the respective radial.

Ball turbine according to claim 3, characterized in that the ball ( 120 ) has an outer diameter with respect to the inner diameter of the at least semi-spherical housing so is measured that between ball ( 120 ) and housing wall forms a gap seal which prevents the water from escaping during the rotation of the ball rotor (US Pat. 100 ) prevented or reduced.

Ball turbine according to one of the preceding claims 2 or 4, characterized in that at least the fluid inlet is aerodynamically optimized, preferably designed nozzle-shaped.

Ball turbine according to one of the preceding claims 1 to 5, characterized in that the ball ( 120 ) and the central axis ( 110 ) are integrally formed

Ball turbine according to one of the preceding claims 1 to 5, characterized in that the ball ( 120 ) and the central axis ( 110 ) are made separately from each other and preferably made of different materials, wherein the central axis ( 110 ) in a corresponding central through-hole in the ball ( 120 ) and is preferably fixed therein by a shrinking process.

Ball turbine according to one of the preceding claims 1 to 7, characterized in that as bearing for the central axis ( 110 ) Ball bearings are provided, or that the bearings for the central axis ( 110 ) are designed as sliding bearings.

Ball turbine according to one of the preceding claims 1 to 8, characterized in that the housing ( 200 ) forms a housing block, on one flat side of which the semi-spherical dome ( 220 ) and female members for the bearing axis are formed, preferably bearing blocks are screwed to the flat side, which hold the bearing axis rotatably mounted on the housing block.

Alternative energy plant with a hydraulic ram essentially consisting of a drive line, an attached shock valve and a check valve which is connected obliquely to the flow direction in the drive line to this and opens into a pressure accumulator, from which a utility line branches off, characterized in that a spherical turbine is connected according to one of claims 1 to 9 directly to the utility line.