DE102012008161A1

DE102012008161A1 - Strömungskraftmaschine

Info

Publication number: DE102012008161A1
Application number: DE201210008161
Authority: DE
Inventors: Karl-Heinz Göhre; Christian Elbert
Original assignee: Christian Elbert; Karl-Heinz Göhre
Current assignee: STP AG, CH
Priority date: 2012-04-24
Filing date: 2012-04-24
Publication date: 2013-10-24
Anticipated expiration: 2032-04-25
Also published as: DE102012008161B4

Abstract

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, die Turbinenschaufeln des Turbinenrads beaufschlagt und das Behältnis an einem oberhalb des Druckgaseinlasses befindlichen Gasauslass wieder verlässt. Erfindungsgemäß besitzen die Turbinenschaufeln beweglich und/oder einstellbar ausgebildete Schaufelendverlängerungen, die im Wesentlichen spaltfrei zu Behälterumfangsfläche dichten. Das Abdichten der Turbinenschaufeln zum Behälterumfang hin mittels beweglicher bzw. einstellbarer Schaufelenden erlaubt eine effizientere Formgebung der Turbinenschaufeln, bei der sich das eingeblasene Antriebsgas weniger an einem Innenbereich der Schaufeln sammelt, sondern gezielt auch die äußeren Bereiche beaufschlagt, an denen das Antriebsgas einen größeren Hebelarm besitzt.

Description

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, die Turbinenschaufeln des Turbinenrads beaufschlagt und das Behältnis an einem oberhalb des Druckgaseinlasses befindlichen Gasauslass wieder verlässt.
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. Aus der DE 121814 ist eine nach dem Auftriebsprinzip arbeitende Strömungskraftmaschine bekannt, bei der das Turbinenrad vollständig geflutet in einem Behälter läuft, der zylindrisch an das Turbinenrad angepasst ist und oberseitig eine Flutungsverlängerung besitzt. Eine ähnliche Strömungskraftmaschine zeigt die DE 7905487 , deren Turbinenbehälter in einen Schiffsrumpf integriert sein soll, wobei die Abgase des Dieselmotors des Schiffes als Druckgas zum Antreiben des Turbinenrads verwendet werden sollen. Die Turbinenschaufeln dieser Strömungskraftmaschinen sind in Umlaufrichtung gekrümmt ausgebildet, so dass sich das innere Ende der Turbinenschaufel näherungsweise senkrecht zur Umlaufrichtung erstreckt, während sich das äußere Ende nahezu parallel zur Umfangsrichtung erstreckt.
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.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Kraftmaschine nach Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Es wird also vorgeschlagen, die Turbinenschaufeln durch bewegliche und/oder elastische Schaufelenden gegenüber der Umfangswandung des Turbinengehäuses abzudichten, um ein Vorbeiströmen des Gases an den Turbinenschaufeln durch einen zu großen Spalt zwischen Turbinenschaufeln und Turbinengehäuse zu vermeiden. Erfindungsgemäß besitzen die Turbinenschaufeln beweglich und/oder einstellbar ausgebildete Schaufelendverlängerungen, die im Wesentlichen spaltfrei zu der Behälterumfangsfläche dichten. Das Abdichten der Turbinenschaufeln zum Behälterumfang hin mittels beweglicher bzw. einstellbarer Schaufelenden erlaubt eine effizientere Formgebung der Turbinenschaufeln, bei der sich das eingeblasene Antriebsgas weniger an einem Innenbereich der Schaufeln sammelt, sondern gezielt auch die äußeren Bereiche beaufschlagt, an denen das Antriebsgas einen größeren Hebelarm besitzt.
In Weiterbildung der Erfindung können die Schaufelendverlängerungen aus elastischen, insbesondere gummielastischen Endlippen bestehen, die sich elastisch an die Innenumfangsfläche des Turbinengehäuses anschmiegen können und hierbei auch Formtoleranzen und Unrundheiten bzw. Lagetoleranzen der Turbinenachse ausgleichen können. In Weiterbildung der Erfindung können an den äußeren Enden der Turbinenschaufeln Gummiklappen bzw. Gummilippen vorgesehen sein, die die Turbinenschaufeln nach außen hin verlängern und ggf. unter leichter Verformung an der Behälterwandung entlanglaufen und dabei die Turbinenschaufel gegen den Behälter abdichten.
Alternativ oder zusätzlich zu einer solchen gummielastischen Ausbildung können die Schaufelendverlängerungen durch ein Schiebelager in Schaufellängsrichtung verschiebbar am jeweiligen Turbinenschaufelblatt und/oder durch Schwenklager um Schwenkachsen, die sich parallel zur Turbinendrehachse erstrecken, schwenkbar am jeweiligen Schaufelblatt gelagert sein, so dass sich die Schaufelendverlängerungen radial bzw. in Schaufelblattlängsrichtung ausfahren lassen bzw. nach außen verkippen können, um sich möglichst spaltfrei an die Umfangswandung des Behälters anschmiegen zu können bzw. daran entlanglaufen zu können. Durch die Verschiebbarkeit und/oder Kippbarkeit lässt sich die effektive, d. h. in radialer Richtung wirksame Schaufelblattlänge bzw. der Turbinendurchmesser verändern und exakt an den Durchmesser des Behälters anpassen. In Weiterbildung der Erfindung kann hierbei eine Vorspannvorrichtung beispielsweise in Form einer Federeinrichtung der jeweiligen Bewegungsachse zugeordnet sein, so dass sich die Schaufelendverlängerungen unter Vorspannung an die Innenwandung des Behältnisses anlegen. Alternativ kann jedoch auch eine feste Einstellbarkeit vorgesehen sein, beispielsweise durch lösbare Klemmschrauben, um die exakte Stellung und Ausrichtung der Schaufelendverlängerung justieren und dann fixieren zu können.
Vorteilhafterweise erstrecken sich die Schaufelendverlängerungen und/oder die Schaufelblattenden, die von den Schaufelendverlängerungen verlängert werden, zur Radialrichtung spitzwinklig geneigt, so dass die Schaufelendverlängerungen nicht senkrecht zur Umfangswandung des Behälters stehen, sondern hierzu spitzwinklig angeordnet sind, wobei die Schaufelendverlängerungen hierbei vorteilhafterweise in Umlaufrichtung betrachtet schräg nach hinten verlaufen. Im Gegensatz zum Stand der Technik erstrecken sich die Schaufelendverlängerungen und/oder die Schaufelblattenden, an denen die Schaufelendverlängerungen befestigt sind, hierbei aber nicht näherungsweise tangential zur Umfangsrichtung, sondern sind gegenüber der Umfangsrichtung noch substantiell geneigt. In Weiterbildung der Erfindung können die Schaufelendverlängerungen zur Umfangswandung des Behälters einen Winkel im Bereich von 30° bis 60°, vorteilhafterweise etwa 40° bis 50° einschließen. Hierdurch kann auch am äußeren Endabschnitt angreifendes Antriebsgas noch einen substantiellen Hebelarm entfalten.
Vorteilhafterweise ist dabei die Kraftmaschine so ausgebildet, 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. Insbesondere 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.
In Weiterbildung der Erfindung kann dabei die Druckluft im Kreislauf, ggf. in einem halboffenen Kreis, geführt werden, 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.
In Weiterbildung der Erfindung kann hierbei auch mit Unterdruck und/oder Vakuum gearbeitet werden, vorteilhafterweise dergestalt, dass im Bereich des Gasauslasses aus dem Behälter, der vorteilhafterweise in einem oberen Behälterbereich angeordnet ist, Unterdruck erzeugt bzw. daran angelegt wird, um das Antriebsgas sozusagen aus dem Turbinenbehälter abzusaugen.
Das Turbinengehäuse kann 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 an den Durchmesser des Turbinenrads angepasst ist. Das Turbinengehäuse ist insbesondere vollständig frei von Totvolumina und Verwirbelungsquellen ausgebildet und vollständig geflutet.
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 leicht schalenförmig gekrümmt ausgebildet sind derart, dass die Schaufeln auf der Druckluft-Einlassseite nach unten konkave Schaufelschalen bilden.
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.
Das Turbinengehäuse ist im Bereich, der die Turbinenschaufeln überdeckt, 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.
In Weiterbildung der Erfindung kann das Turbinengehäuse in einem Bereich, der das Turbinenrad innerhalb dessen Turbinenschaufeln überdeckt, mit Belüftungs-/Entlüftungsöffnungen versehen sein, die ggf. durch ein Ventil verschließbar ausgebildet sein können. Hierdurch kann der Turbineninnenraum innerhalb der Turbinenschaufeln entlüftet und belüftet werden. Die Turbinenschaufeln sitzen vorteilhafterweise an einem Turbinenkranz, der die Zwischenräume zwischen den Turbinenschaufeln zur Innenseite hin abdichtet, so dass das Turbinenrad einen innerhalb der Turbinenschaufeln liegenden Zentralbereich besitzt. Dieser Zentralbereich des Turbinenrads kommuniziert mit den genannten Belüftungs-/Entlüftungsöffnungen in der Behälterwandung.
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.
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.
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.
Die Druckerzeugung des Druckgases kann grundsätzlich auf verschiedene Art und Weise erfolgen. Vorteilhafterweise kann als Druckerzeuger ein Wellen- und/oder Gewässerpegel-Druckerzeuger Verwendung finden, der durch steigende und/oder fallende Wasserpegel bzw. -oberflächen angetrieben wird. Dies kann beispielsweise ein Wellendruckerzeuger sein, der ein von Gewässerwellen auf und ab bewegtes Antriebselement umfasst. Um den Wirkungsgrad des Wellenschlags zu erhöhen, kann der Wellendruckerzeuger hierbei eine Wellenbarriere beispielsweise in Form einer quer zur Wellenlaufrichtung angeordneten, aufrechten Anlaufwand umfassen, wobei vorteilhafterweise vor der Wellenbarriere ein Antriebselement beispielsweise in Form einer liegend angeordneten Platte oder Schwimmkörpers vorgesehen sein kann. Der vor der Barriere auflaufende, auf und nieder gehende Wellenschlag treibt das Antriebselement in aufrechter Richtung hin und her gehend an, so dass zyklisch Druckluft bereitgestellt werden kann.
Alternativ oder zusätzlich kann auch ein zyklisch steigender und fallender Wasserpegel, beispielsweise in Staugewässern oder bei Tidenhub in entsprechende Weise ausgenutzt werden.
Alternativ oder zusätzlich zu einem solchen Wellen- bzw. Gewässerpegel-Druckaufnehmer kann die Druckerzeugung auch mittels eines Hydrokompressors erfolgen, der nach dem Prinzip einer kommunizierenden Röhre arbeiten und das Druckgefälle zwischen zwei Wasserpegeln ausnutzen kann. Insbesondere kann ein solcher Hydrokompressor ein Flüssigkeitsfallrohr, ein Flüssigkeitssteigrohr und einen Drucktank umfassen, der als Luftabscheider dient und vorteilhafterweise am tiefsten Punkt der Verrohrung angeordnet sein kann. Die Fallleitung kann vorteilhafterweise mit einem offenen Saugkopf zum Ansaugen von Luft ausgestattet sein, um durch den beim Herabfallen der Flüssigkeit entstehenden Unterdruck in der Fallleitung Luft anzusaugen und mit in die Tiefe zu reißen. Durch einen vorteilhafterweise am tiefsten Punkt angeordneten Luftabscheider kann die mitgenommene Luft abgeschieden und als Druckluft bereitgestellt werden.
Durch einen derartigen Hydrokompressor können große Druckluftmengen gewonnen werden, die vorteilhafterweise zum Antrieb des Turbinenrads der Anlage genutzt werden können.
Alternativ oder zusätzlich kann in Weiterbildung der Erfindung zur Erzeugung der Druckluft eine vorzugsweise schnell laufende Turbopumpe Verwendung finden.
Alternativ oder zusätzlich kann die Druckerzeugung mittels eines Windradverdichters erfolgen. Vorteilhafterweise kann hierbei ein Windrad über ein geeignetes Getriebe, beispielsweise ein Kurbelwellengetriebe, einen Verdichter antreiben.
Alternativ oder zusätzlich kann die Druckluft auch aus einem Druckluftdepot gewonnen werden, beispielsweise einem bergmännischen Druckluftdepot in Form einer unter Tage liegenden Druckluftkammer. Alternativ oder zusätzlich können hier auch natürlich Druckluftvorkommen als Druckerzeuger genutzt werden, beispielsweise Vulkangaskammern.
Alternativ oder zusätzlich können auch strömende Gewässer zur Druckluftzeugung genutzt werden, vorteilhafterweise mittels einer Wasserrad- und/oder Turbinenradpumpe, bei der ein Wasserrad oder ein Turbinenrad eine Luftpumpe antreibt.
Vorteilhafterweise kann die genannte Kolbenpumpe doppeltwirkend ausgebildet sein, so dass jeder der beiden hin- und hergehenden Kolbenhübe eine Druckluftmenge bereitstellt.
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.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels und zugehöriger Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
1: eine schematische Darstellung der Kraftmaschine nach einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung, die den Druckluftkreis mit einem schematisch dargestellten Druckerzeuger und die umlaufende Wassermenge zeigt,
2: eine schematische Darstellung eines Druckerzeugers zur Bereitstellung der Antriebsdruckluft, der nach einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung als Wellendruckaufnehmer ausgebildet ist,
3: eine schematische Darstellung eines Druckerzeugers zur Bereitstellung der Antriebsdruckluft, der nach einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung als Hydrokompressor ausgebildet ist,
4: eine schematische Darstellung eines Druckerzeugers zur Bereitstellung der Antriebsdruckluft, der nach einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung eine Turbopumpe umfasst,
5: eine schematische Darstellung eines Druckerzeugers zur Bereitstellung der Antriebsdruckluft, der nach einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung einen Windradverdichter umfasst,
6: eine schematische Darstellung eines Druckerzeugers zur Bereitstellung der Antriebsdruckluft, der nach einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung ein Druckluftdepot umfasst,
7: eine schematische Darstellung eines Druckerzeugers zur Bereitstellung der Antriebsdruckluft, der nach einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung ein Naturdruckluftvorkommen umfasst,
8: eine schematische Darstellung eines Druckerzeugers zur Bereitstellung der Antriebsdruckluft, der nach einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung ein Wasserrad, das eine Luftpumpe antreibt, umfasst, und
9: eine schematische Darstellung eines Druckerzeugers zur Bereitstellung der Antriebsdruckluft, der nach einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung einen mit Fremdenergie antreibbaren Verdichter umfasst.
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 Paneelen 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.
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 im Wesentlichen dem Durchmesser des Turbinenrads 2 entspricht. 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.
Wie 1 zeigt, umfassen die Turbinenschaufeln an ihren äußeren Enden vorteilhafterweise elastisch und/oder biegsam und/oder einstellbar ausgebildete Schaufelendverlängerungen 14, die die Schaufelblätter endseitig ein Stück weit verlängern bzw. den Schaufelblattkorpus kontinuierlich nach außen hin fortsetzen. Die genannten Schaufelendverlängerungen 14 können in Weiterbildung der Erfindung als Gummilippen bzw. -klappen ausgebildet sein, die sich gummielastisch an die Innenumfangskontur des Turbinengehäuses 4 anschmiegen können. Alternativ können auch dünne Stahlbleche Verwendung finden, ggf. auch Kunststoffpaneele oder ähnliche plattenförmige Endverlängerungen, die vorteilhafterweise einstellbar am Schaufelkorpus der Turbinenschaufeln 5 befestigt sind. Insbesondere kann hier eine Schiebelagerung 15 vorgesehen sein, die es erlaubt, die jeweilige Schaufelendverlängerung 14 relativ zum Schaufelblatt mehr oder weniger weit nach außen zu verschieben bzw. nach innen zu verschieben, um die Lage der Außenkante der Endverlängerung 14 exakt an die Kontur des Turbinengehäuses 4 bzw. deren Lage anzupassen. Die genannte Schiebelagerung 15 kann beispielsweise eine Langlochführung und eine dieser zugeordnete Klemmverschraubung umfassen, die es erlaubt, die Endverlängerung 14 in Längsrichtung des Schaufelblatts nach außen bzw. innen zu verschieben.
Alternativ oder zusätzlich kann eine Schwenklagerung vorgesehen sein, die es erlaubt, die jeweilige Schaufelendverlängerung 14 weiter nach außen oder weiter nach innen zu verschwenken, so dass sich die effektive Länge der Turbinenschaufeln 5 bzw. deren Radius zur Außenkante der jeweiligen Schaufelendverlängerung 14 einstellen lässt.
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.
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.
Der genannte Druckgaskreis 6, der geschlossen oder halbgeschlossen ausgebildet sein kann, 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.
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 2 zeigt, kann der Druckerzeuger 7 einen Wellendruckaufnehmer 17 umfassen, der vom Wellenschlag eines Gewässers auf und ab gehend angetrieben werden kann. Um die Wirkung des Wellenschlages zu erhöhen, kann der Wellendruckaufnehmer 17 eine Wellenbarriere 18 beispielsweise in Form einer Mauer oder einer Wand umfassen, die sich vorteilhafterweise aufrecht quer zur Wellenlaufrichtung erstreckt, so dass die gegen die Wellenbarriere 18 laufenden Wellen nach oben schlagen und ein Antriebselement 19 des Wellendruckaufnehmers 17 nach oben drücken. Das genannten Antriebselement 17 kann beispielsweise eine Platte oder ein Kolben sein, welcher in einem Druckbehälter aufrecht beweglich geführt ist, wobei der Druckbehälter mit einem Zuluftanschluss und einem Druckluftanschluss versehen ist, die mit Ventilen beschaltet sein können, so dass die auf und nieder gehende Bewegung des Antriebselements 19, erzwungen durch den Wellenschlag, Druckluft bereitstellt, welche über die Druckleitung 8 der Kraftmaschine 1 bereitgestellt werden kann.
Wie 3 zeigt, kann der Druckerzeuger 7 auch einen Hydrokompressor 20 umfassen, der durch bereitgestellten, hydraulischen Wasserdruck Druckluft bereitstellen kann. Der Hydrokompressor 20 umfasst hierbei eine Fallleitung 22 und eine Steigleitung 23, die am tiefsten Punkt des Leitungssystems durch eine Druckkammer miteinander verbunden sind, die als Luftabscheider 21 ausgebildet ist. Wie 3 zeigt, wird die Fallleitung 22 aus einem Gewässer gespeist, dessen Pegel über dem Pegel des Gewässers liegt, in welches die Steigleitung 23 mündet. Durch die Pegeldifferenz stürzt durch die Fallleitung 22 Wasser und damit herabgerissene Luft in den Luftabscheider 21, in welchem die mitgerissene Luft abgeschieden und als Druckluft in die Druckleitung 8 bereitgestellt wird.
Wie 4 zeigt, kann die Druckluft jedoch auch mittels einer Turbopumpe 24 bereitgestellt werden, die mit hoher Drehzahl laufen kann und Druckluft in die Druckleitung 8 bereitstellt.
5 zeigt die Drucklufterzeugung mittels eines Windradverdichters 25, der ein Windrad 26 umfasst, dessen Flügel über ein Windradgetriebe 27 einen Verdichter 28 antreiben. Der Verdichter 28 erzeugt Druckluft, die über die Druckleitung 8 in die Kraftmaschine 1 geführt wird.
Wie 6 zeigt, kann die Druckluft auch aus einem beispielsweise bergmännischen Druckluftdepot bereitgestellt werden, an das die Druckleitung 8 angeschlossen wird.
Wie 7 zeigt, können hierbei auch natürliche Druckluftvorkommen genutzt werden, beispielsweise Vulkangaskammern, die aus vulkanischer Tätigkeit gespeist und mit Druckgas befüllt werden. Eine solche natürliche Druckluftkammer 29 kann über eine geeignete Bohrung angezapt werden, um das Druckgas über die Druckleitung 8 der Kraftmaschine 1 zuzuführen.
8 zeigt als Druckerzeuger 7 ein in einem laufenden Gewässer 30, beispielsweise einem Fluss, einem Kanal oder einem anderen Wasserleitungssystem, angeordnetes Wasserrad 31, welches über ein Wasserradgetriebe 32 eine Luftpumpe 33 antreibt, die über die Druckleitung 8 Druckluft an die Kraftmaschine 1 bereitstellt.
9 zeigt die Möglichkeit, Druckluft mittels eines Verdichters, beispielsweise in Form eines Gebläses oder eines Seitenkanalverdichters, bereitzustellen und über die Druckleitung 8 in die Kraftmaschine 1 einzuleiten.
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.
Wie 1 zeigt, kann die Rotationsenergie des Turbinenrads 2 über eine oder mehrere Getriebestufen 34 abgegriffen und auf einen Generator 35 übertragen werden, der die mechanische Energie des Turbinenrads beispielsweise in elektrische Energie umwandelt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10109870 A1 [0002]
DE 121814 [0002]
DE 7905487 [0002]

Claims

Strömungskraftmaschine mit einem Turbinenrad (2), das in einem mit Flüssigkeit gefluteten Behältnis drehbar aufgenommen ist, in das zum Antreiben des Turbinenrads (2) über einen Druckgaseinlass (9) Druckgas einleitbar ist, das in der Flüssigkeit aufsteigt, die Turbinenschaufeln (5) des Turbinenrads (2) beaufschlagt und das Behältnis an einem oberhalb des Druckgaseinlasses befindlichen Gasauslass (12) wieder verlässt, wobei das Behältnis ein an die Umfangsseite des Turbinenrads (2) formangepasstes, das Turbinenrad (2) umlaufend passgenau umschließendes Turbinengehäuse (4) bildet, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbinenschaufeln (5) beweglich und/oder einstellbar ausgebildete Schaufelendverlängerungen (14) besitzen, die im Wesentlichen spaltfrei zur Turbinengehäuseumfangswandung dichten.
Strömungskraftmaschine nach dem vorherigen Anspruch, wobei die Schaufelendverlängerungen (4) aus elastischen, insbesondere gummielastischen, Endlippen bestehen.
Strömungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schaufelendverlängerungen (14) durch Schiebelager (15) in Schaufelblattlängsrichtung verschiebbar am jeweiligen Schaufelblatt und/oder durch Schwenklager (16) um Schwenkachsen, die sich parallel zur Turbinendrehachse (3) erstrecken, schwenkbar am jeweiligen Schaufelblatt gelagert sind.
Strömungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Turbinengehäuse (4) vollständig mit Flüssigkeit befüllt ist, so dass das Turbinenrad (2) ohne Auf- und Wiedereintauchen umläuft und die im Turbinengehäuse (4) eingeschlossene Flüssigkeit mit dem Turbinenrad (2) im Kreis umläuft.
Strömungskraftmaschine nach dem vorherigen Anspruch, wobei das Druckgas im Kreislauf geführt ist und das aus dem Turbinengehäuse (2) austretende Druckgas einlassseitig einem Druckerzeuger (7) zugeführt ist, der ausgangsseitig mit dem Druckgaseinlass (9) des Turbinengehäuses (4) verbunden ist.
Strömungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Turbinengehäuse (4) in einem Gehäusebereich (4i), der einen radial innerhalb der Turbinenschaufeln (5) liegenden Abschnitt des Turbinenrads (2) überdeckt, zumindest eine Entlüftungs- und/oder Belüftungsöffnung (36) besitzt, die mit dem innerhalb der Turbinenschaufeln (5) liegenden Bereich des Turbinenrads (2) kommuniziert.
Strömungskraftmaschine nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die zumindest eine Belüftungs- und/oder Entlüftungsöffnung (36) durch ein Belüftungsventil verschließbar ist.
Strömungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei als Druckerzeuger zur Bereitstellung von Antriebsdruckgas ein Wellendruckaufnehmer (17), der Wellenschlag in Druckgasenergie wandelt, vorgesehen ist.
Strömungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei als Druckerzeuger zur Bereitstellung von Antriebsdruckgas ein Tidenhubaufnehmer, der den Tidenhub eines Gewässers in Druckgasenergie wandelt, vorgesehen ist.
Strömungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei als Druckerzeuger zur Bereitstellung von Antriebsdruckgas ein Hydrokompressor (20) vorgesehen ist.
Strömungskraftmaschine nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Hydrokompressor (20) einen Luftabscheider (21) umfasst, der zumindest eine Fallleitung (22) und zumindest eine Steigleitung (23) miteinander verbindet und/oder am tiefsten Punkt des Leitungssystems angeordnet ist.
Strömungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei als Druckerzeuger zur Bereitstellung von Antriebsdruckgas ein Windradverdichter (25) vorgesehen ist, der zumindest einen von einem Windrad (26) antreibbaren Verdichter (28) umfasst.
Strömungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei als Druckerzeuger zur Bereitstellung von Antriebsdruckgas ein unter Tage liegendes Druckgasdepot und/oder ein natürliches, vorzugsweise vulkanisches, Druckluftvorkommen anschließbar ist.
Strömungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei als Druckerzeuger zur Bereitstellung von Antriebsdruckgas ein Wasserrad (21) mit einer davon angetriebenen Luftpumpe (33) und/oder einem davon angetriebenen Verdichter vorgesehen ist.
Strömungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein halbgeschlossener Druckgaskreis (6) zum Anlegen von Druckgas- und Unterdruck an das Turbinengehäuse (4) vorgesehen ist.