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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Strömungskraftmaschine mit einem Turbinenrad, das in einem mit Flüssigkeit gefluteten Behältnis drehbar aufgenommen ist, in das zum Antreiben des Turbinenrads über einen Druckgaseinlass Druckgas einleitbar ist, das in der Flüssigkeit aufsteigt, das Turbinenrad beaufschlagt und das Behältnis an einem oberhalb des Druckgaseinlasses befindlichen Gasauslass wieder verlässt.
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Eine ähnliche Kraftmaschine ist aus der Schrift
DE 101 09 870 A1 bekannt, die in einer Ausführungsform ein in einem Tank angeordnetes Wasserrad bzw. Zellenrad zeigt, das in dem mit Wasser befüllten Tank um eine liegende Drehachse drehbar ist. In den Tank wird einseitig unter dem Wasserrad Druckluft eingeleitet, so dass die aufsteigenden Luftblasen von den Schaufeln des Wasserrads auf einer Seite des Wasserrades eingefangen werden und die Auftriebskräfte der eingeleiteten Druckluft das Zellenrad antreiben. Diese vorbekannte Kraftmaschine besitzt jedoch nur einen geringen Wirkungsgrad. Die an der Oberseite aus dem Wasser auftauchenden Schaufeln des Wasserrades werden beim Wiedereintauchen auf der nicht mit Druckluft beaufschlagten Seite stark abgebremst, wodurch ein Teil der Antriebskräfte wieder kompensiert wird. Zum anderen ergeben sich entlang der Bahn der Schaufeln durch das Wasser starke Verwirbelungen, die sich an den Schaufeln des Wasserrads verfangen und dieses bremsen. Letztlich können auch mit großen Luftmengen nur relativ kleine Antriebsleistungen erreicht werden.
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Der vorliegenden Erfindung liegt hiervon ausgehend die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Kraftmaschine der eingangs genannten Art zu schaffen, die Nachteile des Standes der Technik vermeidet und letzteren in vorteilhafterweise weiterbildet. Insbesondere soll ein hoher Wirkungsgrad erreicht werden, so dass mit geringen Luftmengen hohe Antriebsleistungen erzielbar sind.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Kraftmaschine nach Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Es wird vorgeschlagen, die Kraftmaschine so auszubilden, dass sich die gespeicherte Flüssigkeit, in der das Turbinenrad läuft, im Kreis entsprechend der Umlaufbahn des Turbinenrads mitdreht, und im genannten Flüssigkeitsbad eine Dichtedifferenz zu schaffen, so dass nicht nur die Auftriebskraft der in der Flüssigkeit aufsteigenden Gasbläschen, sondern auch die Gewichtskraft der Flüssigkeitsmenge im „schwereren” Abschnitt des Flüssigkeitsbads, in dem die Dichte höher ist, die Schaufeln des Turbinenrads antreibt. Erfindungsgemäß bildet das mit Flüssigkeit geflutete Behältnis ein an die Umfangsseite des Turbinenrads formangepasstes, das Turbinenrad umlaufend passgenau umschließendes Turbinengehäuse, das vollständig mit Flüssigkeit befüllt ist, so dass das Turbinenrad ohne Aus- und Wiedereintauchen umläuft und die im Turbinengehäuse eingeschlossene Flüssigkeit mit dem Turbinenrad im Kreis umläuft. Hierdurch wird das Turbinenrad zusammen mit der umlaufenden Wassermenge zu einem Schwungrad, das von der Dichtedifferenz im Turbinengehäuse, die durch das Einleiten der Druckluft erzeugt wird, angetrieben wird.
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In Weiterbildung der Erfindung wird dabei die Druckluft im Kreislauf geführt, so dass sich zwei umlaufende Kreisläufe bilden, die einander im Bereich des Turbinengehäuses zwischen dessen Druckgaseinlass und Gasauslass überlappen. Einerseits läuft die im Turbinengehäuse gespeicherte Flüssigkeit im Kreis, während andererseits das in das Turbinengehäuse eingeleitete Druckgas nach seinem Wiederaustritt aus dem Turbinengehäuse rückgeführt und erneut in die Turbine eingeführt wird, so dass auch das die Dichtedifferenz in der Turbine bewirkende Druckgas im Kreislauf geführt wird. Durch die Rückführung des Antriebgases kann die darin enthaltene Restenergiemenge genutzt werden, da der Druckerzeuger lediglich noch die Differenz zwischen dem Restdruck des rückgeführten Gases und dem Solldruck auf der Einlassseite der Turbine erzeugen muss, so dass der Druckerzeuger mit weniger zugeführter Energie auskommt.
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Das vorgenannte Turbinengehäuse umschließt das Turbinenrad vorteilhafterweise derart, dass umfangsseitig lediglich ein geringfügiges, im Wesentlichen entlang des Umfangs gleichbleibendes Spaltmaß zwischen dem Turbinengehäuse und der Hüllfläche des Turbinenrads verbleibt. Das Turbinengehäuse kann hierbei insbesondere rotationssymmetrisch bezüglich der Drehachse des Turbinenrads ausgebildet sein. Bei zylindrischer Hüllfläche des Turbinenrads kann das Turbinengehäuse eine im Wesentlichen kreisrunde Konturierung bzw. eine zylindrische Umfangsfläche besitzen, deren Durchmesser geringfügig größer ist als der Durchmesser des Turbinenrads. Das Turbinengehäuse ist insbesondere vollständig frei von Totvolumina und Verwirbelungsquellen ausgebildet und vollständig geflutet.
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Das Turbinenrad kann als Zellenrad ausgebildet sein, das eine Vielzahl von – grob gesprochen – radial von der Drehachse nach außen laufende Schaufeln besitzt, die vorteilhafterweise jeweils schalenförmig gekrümmt ausgebildet sind derart, dass die Schaufeln auf der Druckluft-Einlassseite nach unten konkave Schaufelschalen bilden. Stirnseitig kann das Turbinenrad mit Abdeckscheiben versehen sein, die die Stirnseiten des Schaufelrades verschließen und mit den genannten Schaufeln verbunden sind, so dass sich zwischen den Stirnscheiben des Turbinenrads von Schaufeln unterteilte Zellen bilden. Alternativ hierzu könnten derartige Stirnscheiben am Turbinenrad auch fehlen, wobei dann in diesem Fall die Stirnseiten des Turbinengehäuses möglichst nahe und passgenau die Stirnseiten des Turbinenrads abdecken. Bevorzugt ist jedoch die zuvor genannte Ausbildung mit Stirnscheiben am Turbinenrad.
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Vorteilhafterweise sind die Schaufeln mit ihren äußeren Enden entgegen der Drehrichtung des Turbinenrads abgeknickt oder bogenförmig zurück gekrümmt, so dass von unten ausströmendes Gas immer auf eine Seite des Turbinenrads gelangt.
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Das Turbinengehäuse ist vorteilhafterweise mit Ausnahme des Druckgaseinlasses und des Gasauslasses geschlossen ausgebildet, so dass die im Turbinengehäuse gespeicherte Flüssigkeitsmenge vollständig abgeschlossen ist und lediglich das zum Antreiben des Turbinenrads eingeleitete Druckgas in das Turbinengehäuse eintritt und aus diesem austritt.
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Um das Turbinengehäuse tatsächlich vollständig mit Flüssigkeit befüllen zu können bzw. dafür zu sorgen, dass das Turbinenrad trotz passgenauem Umschlossensein durch das Turbinengehäuse tatsächlich vollständig im Flüssigkeitsbad läuft und nicht am oberen Rand mit den Schaufeln aus dem Flüssigkeitsbad austritt, kann in Weiterbildung der Erfindung zusätzlich zu den genannten Gasein- und -auslässen ein Ausgleichsbehältnis vorgesehen sein, das mit dem Innenraum des Turbinengehäuses kommuniziert. Hierdurch kann das Turbinengehäuse vollständig bis zu seiner Decke bzw. seinem Scheitelpunkt mit Flüssigkeit befüllt werden. Die durch das Einleiten des Druckgases verdrängte Flüssigkeitsmenge kann im Betrieb der Turbine in das genannte Ausgleichsbehältnis entweichen bzw. überlaufen, während umgekehrt bei Betriebspausen, in denen kein Druckgas in das Turbinengehäuse eingeleitet wird, die im Ausgleichsbehältnis zwischengespeicherte Flüssigkeitsmenge in das Turbinengehäuse zurücklaufen kann. Vorteilhafterweise ist das Ausgleichsbehältnis oberhalb der Oberseite bzw. oberhalb des höchsten Punktes des Innenraums des Turbinengehäuses angeordnet. Das Ausgleichsbehältnis kann mittels eines Überlaufs mit dem Innenraum des Turbinengehäuses verbunden sein, der von einer Oberseite des Turbinengehäuses abgehen kann.
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In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung erreicht der Flüssigkeitspegel im Turbinengehäuse im gasfreien Zustand, d. h. ohne Einblasen von Druckluft mindestens die Oberseite des Turbinengehäuses bzw. mindestens den höchsten Punkt des Turbinenrads, während bei eingeblasenem Druckgas im Betriebszustand der genannte Flüssigkeitspegel über die genannte Oberseite des Turbinengehäuses hinaus und/oder über die höchste Stelle des Turbinenrads hinaus reicht. Der Druckgaseinlass ist vorteilhafterweise am Boden des Turbinengehäuses vorgesehen. Der Gasauslass ist vorteilhafterweise an der Oberseite des Turbinengehäuses an einem Scheitelpunkt des Turbinengehäuses vorgesehen. Hierdurch kann eine maximale hydraulische Arbeitshöhe erreicht werden, d. h. die Dichtedifferenz zwischen den beiden Abschnitten des Turbineninnenraums mit unterschiedlicher Dichte des darin gespeicherten Mediums erreicht eine maximale Höhe, wodurch sich maximale Antriebskräfte ergeben.
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In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung wird das Turbinenrad in aufrechter Stellung betrieben. Insbesondere kann die Drehachse des Turbinenrads horizontal ausgerichtet sein. Gegebenenfalls könnte auch mit Schrägstellungen der Drehachse gearbeitet werden, wobei jedoch die genannte horizontale Ausrichtung bevorzugt ist.
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Die Druckerzeugung des Druckgases kann grundsätzlich auf verschiedene Art und Weise erfolgen. Vorteilhafterweise wird hier eine Kolbenpumpe als Druckerzeuger verwendet, wodurch ein hoher Wirkungsgrad bei der Druckerzeugung erreicht wird. An der Einlassseite der Kolbenpumpe ist eine mit dem Gasauslass des Turbinengehäuses verbundene Gasleitung verbunden, so dass die aus dem Turbinengehäuse kommende und rückgeführte Gasmenge einlassseitig an der genannten Kolbenpumpe ansteht. Der Druckgaskreis kann als Niederdruck-Kreis ausgebildet sein und beispielsweise bei Drücken von weniger als 1 bar, vorzugsweise weniger als 0,5 bar über dem Wasserdruck arbeiten.
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Vorteilhafterweise kann die genannte Kolbenpumpe doppeltwirkend ausgebildet sein, so dass jeder der beiden hin- und hergehenden Kolbenhübe eine Druckluftmenge bereitstellt.
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Die erzeugte Antriebsbewegung des Turbinenrads kann in verschiedener Art und Weise abgegriffen werden. In Weiterbildung der Erfindung kann mit der Turbinenwelle gegebenenfalls über ein geeignetes Getriebe ein Generator gekoppelt, der die Antriebsbewegung des Turbinenrads in elektrischen Strom umwandelt.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels und zugehöriger Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
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1: eine schematische Darstellung der Kraftmaschine nach einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung, die als Kreis 1 den Druckluftkreis und als Kreis 2 die umlaufende Wassermenge zeigt,
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2: eine detailliertere Seitenansicht der Kraftmaschine aus 1, die den Anschluss des Druckluftkreises an das Turbinengehäuse und die Anbindung des Generators an das Turbinenrad über mehrere Getriebestufen zeigt, und
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3: eine Schnittansicht durch die Kolbenpumpe zur Erzeugung der Druckluft.
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Die in den Figuren gezeigte Kraftmaschine 1 umfasst ein Turbinenrad 2, das um eine liegende, insbesondere horizontale Turbinenachse 3 drehbar in einem Turbinengehäuse 4 angeordnet ist. Das Turbinenrad 2 umfasst eine Vielzahl von der Turbinenachse 3 nach außen weggehende Turbinenschaufeln 5, die entgegen der Drehrichtung gewölbt bzw. abgeknickt ausgebildet sind, so dass sich konkave Mulden bilden, die auf der Druckluftseite der Turbine nach unten weisen, vgl. 1. Die genannten Turbinenschaufeln 5 können hierbei aus plattenförmigen Panellen gefertigt sein und eine gleichbleibende Breite besitzen. Vorteilhafterweise sind die Stirnseiten des Turbinenrads 2 von Stirnscheiben verschlossen, die auf den seitlichen Flanken der genannten Turbinenschaufeln 5 sitzen, so dass zwischen den Turbinenschaufeln 5 zur Seite hin geschlossene und nur zur Umfangsseite hin offene Zellen gebildet sind.
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Das Turbinengehäuse 4 ist an die Kontur des Turbinenrads 2 formangepasst, insbesondere derart, dass das Turbinenrad 2 auch umfangsseitig umlaufend passgenau umschlossen ist. Insbesondere kann das Turbinengehäuse 4 eine rotationssymmetrische Konturierung besitzen, wobei in der gezeichneten Ausführungsform das Turbinengehäuse 4 im Wesentlichen die Form eines Kreiszylinders besitzt, dessen Durchmesser nur geringfügig größer ist als der Durchmesser des Turbinenrads 2, so dass umlaufend ein gleichmäßiges Spaltmaß von höchstens einigen wenigen Zentimetern zwischen der Hüllkontur des Turbinenrads 2 und der Innenwandung des Turbinengehäuses 4 vorgesehen ist. Von der Größe her sind selbstverständlich verschiedene Bauformen möglich, die an die zu erzeugende Energiemenge und/oder an die zur Verfügung stehende Druckluftmenge angepasst sein kann. Beispielsweise können Turbinengehäuse mit einigen Tausend Litern Füllvermögen vorgesehen sein.
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Der Innenraum des Turbinengehäuses 4 ist in der gezeichneten Ausführung vollständig mit Wasser befüllt, wobei auch andere Flüssigkeiten Verwendung finden können. Um ein vollständiges Befüllen des Turbinengehäuses 4 zu ermöglichen bzw. das beim Einblasen der Druckluft verdrängte Flüssigkeitsvolumen entweichen zu lassen, kann an der Oberseite des Turbinengehäuses 4 ein in der Zeichnung nicht eigens dargestelltes Ausgleichsbehältnis über einen an der Oberseite des Turbinengehäuses abgehenden Überlauf angeschlossen sein.
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An das Turbinengehäuse 4 ist ein Druckgaskreis 6 angeschlossen, der vorteilhafterweise mit Luft arbeiten kann, wobei jedoch auch andere Gase oder Gasgemische Verwendung finden können.
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Der genannte Druckgaskreis 6 umfasst einen Druckerzeuger 7, der in verschiedene Art und Weise angetrieben sein kann. Die Druckseite des Druckerzeugers 7 ist über eine Druckleitung 8 mit einem Druckgaseinlass 9 verbunden, der mit dem Innenraum des Turbinengehäuses 4 kommuniziert und in der gezeichneten Ausführungsform an der Unterseite bzw. dem Boden 10 des Turbinengehäuses 4 an dessen tiefster Stelle verbunden ist.
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Das über den genannten Druckgaseinlass eingeleitete Druckgas steigt in der im Turbinengehäuse 4 gespeicherten Flüssigkeit auf und verlässt das Turbinengehäuse 4 über einen an der Oberseite bzw. der Decke 11 des Turbinengehäuses 4 an deren höchster Stelle vorgesehenen Gasauslass 12. Mit genannten Gasauslass 12 ist eine Rückführleitung 13 verbunden, die mit der Eingangsseite des Druckerzeugers 7 kommuniziert. Wie 3 zeigt, kann der genannte Druckerzeuger 7 als doppelt wirkende Kolbenpumpe 14 ausgebildet sein, deren Ansaugöffnung 15 mit der genannten Rückführleitung 13 verbunden ist und deren Ausblasöffnung 16 mit der Druckleitung 8 verbunden ist. Die auf beiden Seiten des Kolbens 17 vorgesehenen Druckkammern 18 und 19 kommunizieren über Ventile 20, 21, 22 und 23 in Form von Rückschlagventilen, die als Ventilklappen ausgebildet sein können, je nach Bewegungsrichtung des Kolbens 17 mit der Ansaugöffnung 15 oder der Ausblasöffnung 16 kommunizieren.
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Damit ergibt sich folgende Wirkungsweise: Die vom Druckerzeuger 7 bereitgestellte Druckluft tritt bodenseitig in das Turbinengehäuse 4 ein, wobei die Druckluft durch die Anordnung des Druckgaseinlasses 9 und/oder die entgegen der Drehrichtung gekrümmte Ausbildung der Turbinenschaufeln 5 auf einer Seite des Volumens des Turbinengehäuses 4 gehalten wird bzw. nur die Turbinenschaufeln 5 auf einer Seite – gemäß 1 der linken Seite – des Turbinenrads 2 beaufschlagt. Durch die aufsteigenden Druckluftbläschen ergeben sich zunächst entsprechende Auftriebskräfte auf der linken Seite des Turbinenrads. Im eingeschwungenen Zustand stellt sich insgesamt eine Dichtedifferenz im Turbinengehäuse 4 ein, d. h. auf der linken Seite der Turbine, die auf der die gespeicherte Flüssigkeit von den Gasblasen durchsetzt ist, herrscht eine geringere Dichte als auf der rechten Seite der Turbine, so dass die resultierenden Gewichtskräfte im Ungleichgewicht sind und insbesondere die schwerere Flüssigkeit auf der rechten Seite der Turbine das Turbinenrad 2 nach unten drückt. Im eingeschwungenen Zustand bildet das Turbinenvolumen einen Schwungradspeicher, wobei das Turbinenrad 2 durch die Dichtedifferenz angetrieben wird. Hierbei läuft die im Turbinengehäuse 4 befindliche Wassermenge im Kreis gemäß dem in 1 eingetragenen Pfeil 24 mit dem Turbinenrad 2 um, ohne dass sich im Turbinengehäuse 4 Totvolumina mit Gegenwirbeln bilden würden, die das Turbinenrad bremsen würden. Das Mitumlaufen der Wassermenge zeigt sich auch an der Geschwindigkeit, mit der die Gasblasen aufsteigen. Während die normale Blasengeschwindigkeit, mit der Luft im stehenden Wasser aufsteigt, 0,15–0,35 m/s beträgt, sind bei der dargestellten Kraftmaschine Blasengeschwindigkeiten von über 1 m/s, insbesondere im Bereich von 1,5–2,5 m/s zu beobachten, so dass ein beträchtlicher Teil der Geschwindigkeit der Gasblasen durch Überlagerung der Wassergeschwindigkeit erzeugt wird.
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Wie 1 und 2 zeigen, kann die Rotationsenergie des Turbinenrads 2 über eine oder mehrere Getriebestufen 25 abgegriffen und auf einen Generator 26 übertragen werden, der die mechanische Energie des Turbinenrads. beispielsweise in elektrische Energie umwandelt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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