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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Anordnung, die einen mit einem rotierenden elektrischen Generator verbundenen fluidgetriebenen Gyromotor aufweist, und bezieht sich im Besonderen auf eine Anordnung, bei der als wassergetriebener Gyromotor eine Schraubenspindelpumpe verwendet wird, die innerhalb einer mittels einer Antriebskraft in Rotation versetzten Wasserleitung angeordnet ist.
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Hydroelektrische Arten der Stromerzeugung verwenden üblicherweise die potenzielle Energie aufgestauten Wassers oder die kinetische Energie von fließendem Wasser, um einen mit einem Generator mechanisch verbundenen wassergetriebenen Gyromotor wie beispielsweise eine Wasserturbine anzutreiben. Unter einem fluidgetriebenen Gyromotor ist allgemein eine rotierende mechanische Vorrichtung zu verstehen, die zum Umwandeln der inneren Energie eines antreibenden Fluids in eine mechanische Rotationsenergie ausgebildet ist. Der Terminus Generator bezeichnet, so wie er hier verwendet wird, eine zum Umwandeln einer mechanischen Rotationsenergie in elektrische Energie ausgebildete Vorrichtung.
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Für die Umwandlung eines Wasserdrucks in mechanische Rotationsenergie ist ein sehr einfacher, von einer Wasserleitungsanordnung gebildeter, hydrodynamischer Fliehkraftkonverter bekannt, bei dem mehrere radial angeordnete Leitungen an ihrem Zentrum mit einer oder mit mehreren Zentralleitungen verbunden sind, die um eine zu den radial angeordneten Leitungen senkrechte Drehachse drehbar gelagert ist bzw. sind, und bei dem die äußeren Enden der radial angeordneten Leitungen in einer zu den radial angeordneten Leitungen tangentialen Richtung gebogen sind. In die Zentralleitung(en) eingespeistes, unter Druck stehendes Wasser fließt durch die radial angeordneten Leitungen und versetzt die Anordnung, indem es diese schließlich über die gebogenen Enden verlässt, in eine Rotation um die Drehachse.
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Dieser bekannte hydrodynamische Fliehkraftkonverter benötigt als primäre Energiequelle unter Druck stehendes Wasser und kann daher nicht in Fließgewässern eingesetzt werden. Bei Verwendung einer anderen Primärenergieform, beispielsweise Windenergie, ist eine mit dieser Primärenergieform betriebene zusätzliche Pumpe erforderlich, um das Wasser mit dem erforderlichen Druck zu beaufschlagen.
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Es besteht daher ein Bedarf an einem hydrodynamischen Konverter von Fliehkraft in elektrische Energie, der nicht auf unter Druck stehendes Wasser als Antriebsmedium angewiesen ist.
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Ein entsprechender hydrodynamischer Konverter von Fliehkraft in elektrische Energie umfasst eine Halterung, zumindest eine als Gyromotor verwendete Schraubenspindelpumpe, die von der Halterung gehaltert wird, wobei der zumindest eine Gyromotor einen Fluideinlass, einen Fluidauslass und zumindest eine Schraubenspindel sowie wahlweise zumindest zwei ineinandergreifende Schraubenspindeln aufweist, eine Fluidzuleitung, die mit dem Fluideinlass des zumindest einen Gyromotors in fluider Verbindung steht, einen elektrischen Generator, der mit der zumindest einen Schraubenspindel des zumindest einen Gyromotors mechanisch verbunden ist, und einen Primärenergieantrieb, der ausgebildet ist, die Halterung und den zumindest einen Gyromotor bei Antrieb durch Einsatz einer Primärenergie gemeinsam um eine Drehachse zu drehen. Der zumindest eine Gyromotor ist hierbei so angeordnet, dass sein Fluideinlass näher an der Drehachse liegt als sein Fluidauslass.
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Ein entsprechender hydrodynamischer Konverter von Fliehkraft in elektrische Energie ist ausgebildet, sein Arbeitsfluid, wenn erforderlich, selbst anzusaugen, kann aber auch mit unter Druck stehendem Wasser betrieben werden. Die von dem Primärenergieantrieb aufgebotene Rotationsenergie wird zum Beschleunigen des Wassers verwendet, das in mechanische Rotationsenergie zum Antrieb von zumindest einem Generator umgesetzt wird. Durch die Verwendung von Schraubenspindelpumpen als Gyromotoren zum Umwandeln der Energie des beschleunigten Fluids, das bei einigen Ausgestaltungen vorzugsweise Wasser ist, in mechanische Rotationsenergie, wird eine hohe Laufruhe und geringe Unwucht des Systems erzielt.
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In diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, dass die in dieser Beschreibung bzw. den Ansprüchen verwendeten Begriffe ”enthalten”, ”umfassen”, ”aufweisen” und ”mit”, sowie deren grammatikalischen Abwandlungen, generell das Vorhandensein von technischen Merkmalen, beispielsweise angegebene Komponenten, Werten, Zahlen, Schritten oder dergleichen anzeigt, und in keiner Weise das Vorhandensein oder Hinzufügen von einem oder mehreren anderen Merkmalen, insbesondere von anderen Komponenten, Zahlen, Schritten oder Gruppierungen hiervon ausschließt.
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Ausführungsformen des hydrodynamischer Konverters von Fliehkraft in elektrische Energie weisen eine Fluidzuleitung auf, die eine ein Zentralrohr und zumindest ein Flügelrohr umfassende Rohrleitungsanordnung aufweist, wobei das erste Ende des Flügelrohrs an dem Zentralrohr angebracht ist und mit diesem in fluider Verbindung steht, und wobei das zweite Ende des zumindest einen Flügelrohrs weiter von dem Zentralrohr entfernt angeordnet ist als das erste Ende. Der Fluideinlass des zumindest einen Gyromotors ist hierbei an dem zweiten Ende des zumindest einen Flügelrohrs so angebracht, dass von einer Öffnung des Zentralrohrs zum Einlass des zumindest einen Gyromotors eine geschlossene Fluidpassage ausgebildet ist. Bei dieser Ausführungsform ist die Halterung Teil der Rohrleitungsanordnung, so dass ein sehr einfacher Konstruktionsaufbau erreicht werden kann. Wahlweise ist an der Öffnung des Zentralrohrs ein Rückschlagventil vorgesehen.
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Spezielle Ausgestaltungen solcher Ausführungsformen eines hydrodynamischen Konverters von Fliehkraft in elektrische Energie weisen ferner zwei oder mehr Flügelrohre und an jedem der Flügelrohre angebracht einen Gyromotor mit zumindest einer Schraubenspindel auf, wobei alle Flügelrohre die selbe Form besitzen und an dem Zentralrohr so befestigt sind, dass der Winkelabstand zwischen allen Flügelrohren konstant und die räumliche Ausrichtung von einem ersten der Flügelrohre identisch zu der eines zweiten der Flügelrohre ist, wenn dieses um die Längsachse des Zentralrohrs in Richtung des ersten der Rohre um den das erste von dem zweiten Flügelrohr trennenden Winkel gedreht wird. Entsprechende Ausgestaltungen eines hydrodynamischen Konverters von Fliehkraft in elektrische Energie ermöglichen eine ausgezeichnet ausgeglichene Massenverteilung, wodurch hohe Umdrehungsgeschwindigkeiten erreicht werden können, die zu hohen Beschleunigungen des Fluids führen.
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Ausführungsformen, die insbesondere für Verwendung mit von Wasserkraft verschiedenen Primärenergien geeignet sind, weisen ein in fluider Verbindung mit der Fluidzuleitung stehendes Fluidreservoir auf, um eine entsprechende Zufuhr eines Arbeitsfluids zu ermöglichen. Bei bevorzugten Ausführungsformen handelt es sich bei dem Fluidreservoir um ein Wasserreservoir. Bei anderen Ausführungsformen wird z. B. Öl als Arbeitsfluid des Systems verwendet.
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Bei speziellen Ausführungsformen ist der Primärenergieantrieb mit einem Primärenergiekonverter ausgestattet, der zum Umwandeln einer Primärenergie in eine mechanische Energie ausgebildet ist, sowie mit einem Übertragungsmechanismus, der zum Umwandeln der mechanischen Energie in eine Rotation der Halterung und des zumindest einen Gyromotors ausgebildet ist. Bei einer solchen Ausführungsform befindet sich der Primärenergiekonverter abseits von der Halterung und dem zumindest einen Gyromotor, um den Bedingungen bei Installation vor Ort bzw. am Aufstellungsort entsprechend optimal eingesetzt werden zu können.
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Bevorzugte Ausführungsformen weisen zumindest eine Prallvorrichtung zum Umlenken eines aus dem Fluidauslass des zumindest einen Gyromotors austretenden Fluids auf, um negative Auswirkungen auf das, das hydrodynamische System zur Konvertierung von Fliehkraft in elektrische Energie umgebende Gebiet zu minimieren. Bei besonders bevorzugten Ausgestaltungen hiervon ist die Prallvorrichtung als Prallwand ausgebildet, die den durch Rotation des Auslasses des zumindest einen Gyromotors definierten geometrischen Ort in einem Abstand umgibt. Die Prallvorrichtung oder Prallwand kann an der Fluidzuleitung, wie zum Beispiel der Rohrleitungsanordnung, und/oder an dem bzw. den Gyromotor(en) angebracht sein. Sie können auch mit dem oben erwähnten Fluidreservoir kombiniert werden, um innerhalb des hydrodynamischen Systems zur Konvertierung von Fliehkraft in elektrische Energie eine geschlossene Wasserzirkulation zu bilden.
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Weitere Ausführungsformen des hydrodynamischer Konverters von Fliehkraft in elektrische Energie weisen einen Gyromotor mit drei um eine zentralen Spindelschraube angeordneten Satellitenspindelschrauben auf, wobei die Rotationsachsen der Satellitenspindelschrauben parallel zur Rotationsachse der zentralen Spindelschraube angeordnet sind, das Gewinde einer jeden Satellitenspindelschraube in das Gewinde der zentralen Spindelschraube eingreift und der Winkelabstand zwischen den Rotationsachsen von jeweils zwei zueinander benachbarten Satellitenspindelschrauben in Bezug auf die Rotationsachse der zentralen Spindelschraube gleich ist. Entsprechende Gyromotoren mit drei Satellitenspindelschrauben ermöglichen einen hohen Fluiddurchsatz und eine gut ausgeglichene Verteilung der rotierenden Massen, die zu einer hohen Laufruhe des Systems insgesamt beitragen.
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Einige der oben angeführten Ausführungsformen verwenden einen oder mehrere elektrische Generatoren, die an der durch die Rotation der Halterung und der Gyromotoranordnung um deren Rotationsachse definierten Drehachse angeordnet sind, wobei dieser bzw. diese zentralen Generatoren mit dem einen oder (einem jeden der gegebenenfalls) mehreren Gyromotoren über einen Rotationsübertragungsmechanismus verbunden sind. Eine Solche Anordnung minimiert die Trägheitskräfte des Generatorsystems und ermöglicht so eine kurze Anlaufphase.
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Andere der oben angeführten Ausführungsformen verwenden für jeden der Gyromotoren einen oder mehrere elektrische Generatoren, wobei jeder der elektrischen Generatoren über einen Rotationsübertragungsmechanismus mit dem ihm zugeordneten Gyromotor verbunden ist. Durch Ankoppeln von zumindest einem elektrischen Generator an jeden der Gyromotoren reduziert sich die Komplexität des Rotationsübertragungsmechanismus im Vergleich zu den Ausführungsformen, die lediglich einen einzelnen elektrischen Generator verwenden, der an alle Gyromotoren angekoppelt ist. Durch die Verwendung von mehr als einem elektrischen Generator kann ferner elektrische Energie mit unterschiedlichen Spannungen und/oder unterschiedlichen Formen, wie z. B. Dreiphasenwechselstrom und Einphasenwechselstrom, in einem Vorgang erzeugt werden.
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Zur Anpassung des Abtriebs der Gyromotoren an die Antriebserfordernisse des Generators bzw. der Generatoren ist bzw. sind bei speziellen Ausführungsformen ein Übertragungsmechanismus bzw. Übertragungsmechanismen vorgesehen, die einen Gyromotor über ein Untersetzungs- oder ein Übersetzungsgetriebe mit einem Generator verbinden.
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Zum Erzielen einer schwingungsfreien Anordnung, sind das Zentralrohr und/oder das eine oder die mehreren Flügelrohre bei speziellen Ausführungsformen von mehreren Rohren oder einem Teil mit mehreren Fluidpassagen gebildet.
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Kosteneffiziente Multiflügelrohre weisen eine Rohrleitungsanordnung mit zwei oder mehr L-förmigen Rohren auf, die an einem ihrer jeweiligen Schenkel zur Ausbildung des Zentralrohrs zusammengefügt sind, wobei die jeweils anderen Schenkel die Flügelrohre bilden.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von bestimmten Ausführungsbeispielen, den Ansprüchen sowie den beigefügten Figuren. In den Figuren werden gleich bzw. ähnlich wirkende Elemente mit gleichen bzw. ähnlichen Bezugszeichen bezeichnet. Es wird darauf hingewiesen, dass die Erfindung lediglich durch den Umfang der beigefügten Ansprüche und nicht auf eine der unten beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist. Insbesondere können die einzelnen Merkmale bei Ausführungsformen in unterschiedlicher Anzahl oder Kombination als bei den untenstehend angeführten Ausführungsformen verwirklicht sein. Bei der nachfolgenden Erläuterung von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird auf die beigefügten Figuren Bezug genommen, von denen
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1 eine schematische Ansicht eines Aufbaus einer Ausführungsform eines hydrodynamischen Konverters von Fliehkraft in elektrische Energie zeigt,
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2 eine Querschnittsansicht einer als Gyromotor verwendeten Schraubenspindelpumpe zeigt, wobei die Schraubenspindelpumpe drei Satellitenschraubenspindeln aufweist, und
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3 eine Längsschnittansicht der Schraubenspindelpumpe von 2 entlang der Linie A-A zeigt.
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1 zeigt den Aufbau einer speziellen Ausführungsform eines hydrodynamischen Konverters 100 von Fliehkraft in elektrische Energie in einer schematischen Darstellung. Ein entsprechender Konverter 100 von Fliehkraft in elektrische Energie kann auch als hydrodynamischer Fliehkraftkonverter 100 oder einfach Konverter 100 bezeichnet werden. Der in 1 gezeigte Konverter 100 weist ein Zentralrohr 30 auf, von dem sich ein Ende in einer fluiden Verbindung mit einem Reservoir 10 für ein Arbeitsfluid befindet, und dessen anderes Ende an einem oder an mehreren Flügelrohren 40 befestigt ist und sich mit diesem bzw. diesen in fluider Verbindung befindet. Das Zentralrohr 30 ist an einen Primärenergieantrieb 20 angekoppelt, der zum Drehen des Zentralrohrs 30 um dessen Längsachse ausgebildet ist. Das bzw. jedes der Flügelrohre erstreckt sich in radialer Richtung weg von dem Zentralrohr, d. h. die Richtung eines jeden Rohres weist eine zur Längsachse des Zentralrohrs senkrechte Komponente auf. Bei Verwendung von mehr als einem Flügelrohr ist der Winkelabstand zwischen jeweils zwei einander benachbarten Flügelrohren vorzugsweise gleich. Bei Ausführungsformen handelt es sich bei dem Reservoir 10 für das Arbeitsfluid um einen Wassertank und als Arbeitsfluid für den hydrodynamischen Fliehkraftgenerator 100 wird Wasser verwendet. Bei anderen Ausführungsformen handelt es sich bei dem Arbeitsfluidreservoir um ein Gewässer, beispielsweise ein Fließgewässer, einen See, einen Ozean oder dergleichen.
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Beim Drehen der, von dem Zentralrohr und dem bzw. den daran befestigten Flügelrohren gebildeten, Rohrleitungsanordnung um die Längsachse des Zentralrohres 30 wird auf das in einem Flügelrohr 40 sowie innerhalb der als Gyromotor 50 verwendeten Schraubenspindelpumpe vorhandene Fluid eine Zentrifugalkraft ausgeübt. Der Absolutwert der auf ein Fluidmolekül der Masse m in einem radialen Abstand R von der Rotationsachse 101 des Zentralrohrs 30 (d. h. dessen Längsachse) ausgeübten Zentrifugalkraft FC ist durch die Gleichung Fc = mω2R = mv² / R gegeben, worin ω die Winkelgeschwindigkeit und v die Tangentialgeschwindigkeit der Rotation in einem Abstand R von der Rotationsachse darstellen. Die Zentrifugalkraft drängt ein in einem Flügelrohr befindliches Fluid weg von dem Zentralrohr, wodurch der Druck in dem Zentralrohr erniedrigt und Fluid aus dem Reservoir 10 angesaugt wird. Anders ausgedrückt funktioniert die rotierende Rohrleitungsanordnung wie eine selbstansaugende Pumpe, die aus dem Reservoir 10 ein Fluid ansaugt und das Fluid an den von der rotierenden Längsachse wegweisenden Enden der Flügel ausstößt. In den Fallgestaltungen, bei denen das Arbeitsfluid bereits unter Druckbeaufschlagung in das Zentralrohr eintritt, addiert sich dieser Druck zu dem durch die Zentrifugalkraft in der oder den Flügelrohren erzeugten Druck, so dass keine Selbstansaugung bewirkt wird.
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Auch wenn die Rohrleitungsanordnung so beschrieben wurde, dass sie von einem an einem oder mehreren Flügelrohren befestigten Zentralrohr gebildet wird, kann der Fachmann jedoch ohne weiteres erkennen, dass auch andere Gestaltungen des Aufbaus möglich sind.
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Beispielsweise können sowohl das Zentralrohr als auch die Flügelrohre von mehreren Rohren oder von einem Teil mit mehreren darin ausgebildeten Fluidpassagen gebildet sein. Bei speziellen Ausführungsformen, die in 1 nicht gezeigt sind, wird eine Rohrleitungsanordnung verwendet, die von mehreren L-förmigen Rohren gebildet ist, die an einem ihrer Schenkel aneinander befestigt sind und deren jeweils anderer Schenkel in einer radialen Richtung angeordnet ist. Vorzugsweise, wenn auch für die Grundfunktion des, falls erforderlich selbstansaugenden, hydrodynamischen Konverters 100 von Fliehkraft in elektrische Energie nicht erforderlich, unterscheidet sich die radiale Richtung eines jeden der Schenkel von den jeweils anderen, wobei diese insbesondere so ausgerichtet sind, das die Winkelabstände zwischen diesen gleich sind.
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Andere Ausführungsformen verwenden lediglich einen zentralen Wassereinlass anstatt eines zentralen Zentralrohres 30 bzw. einer Zentralrohranordnung 30. Bei bestimmten Ausgestaltungen ist der Wassereinlass drehbar mit einem Zufuhrschlauch oder Rohr zum Einspeisen von Fluid aus dem Reservoir 10 in das Flügelrohr 40 oder die Flügelrohre 40 verbunden. Bei noch anderen Ausführungsformen werden keine Flügelrohre 40 verwendet. Stattdessen sind die nachstehend ausführlicher beschriebenen Gyromotoren 50 direkt mit dem Zentralrohr bzw. der Zentralrohranordnung 30 oder einem zentralen Wassereinlass verbunden.
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Die Drehung der Rohranordnung oder entsprechenden alternativen Anordnung wird mittels eines Primärenergieantriebs 20 bewirkt, der zum Umwandeln einer Primärenergie in eine Rotation ausgebildet ist. Wird als Primärenergie beispielsweise Windenergie verwendet, so können Schaufeln oder Blätter als Primärenergieantrieb verwendet werden, falls erforderlich zusammen mit einem Getriebe. Bei Nutzung der Energie eines Strudels, Mahlstroms oder fließenden Gewässers, können zum Beispiel radähnliche Vorrichtungen mit an derem Umfang angebrachten Schaufeln oder schraubenförmige Vorrichtungen als Primärenergieantrieb 20 verwendet werden, falls erforderlich zusammen mit einem Getriebe. Auch ein elektrischer Motor kann als Primärenergieantrieb 20 verwendet werden, beispielsweise in Fällen, bei denen die elektrischen Verbraucher von der primären Stromversorgungsleitung isoliert betrieben werden müssen, oder in Fällen, bei denen eine Form der elektrischen Energie in eine andere überführt werden muss. Es sei angemerkt, dass die in der Darstellung von 1 gezeigte Lage des Primärenergieantriebs 20 ausschließlich einer klaren Darstellung dient, und nicht als technische Spezifikation misszuverstehen ist. Bei Verwendung eines Zentralrohrs bzw. einer Zentralrohranordnung 30, kann der Primärenergieantrieb 20 in einem Fluidreservoir, beispielsweise in einem Wasserbecken, einem natürlichen oder künstlichen Gewässer eingetaucht sein, kann aber auch in die Nähe der Flügelrohre 40 oder entsprechenden alternativen Anordnung auf der Seite des Wassereinlasses oder der dazu gegenüberliegenden Seite angeordnet sein. Ferner weist der Primärenergieantrieb bei einigen Ausführungsformen einen Primärenergiekonverter auf, der abseits, d. h. in einigem Abstand, von dem hydrodynamischen Fliehkraftkonverter 100 angeordnet ist, die durch den Primärenergieantrieb 20 in Drehung versetzt werden sollen. Der Primärenergiekonverter ist hierbei dazu ausgebildet, eine Primärenergie in eine mechanische Energie umzuwandeln, die dann in eine Rotation der oben angegebenen Teile des hydrodynamischen Konverters 100 von Fliehkraft in elektrische Energie mittels eines Transmissionsmechanismus umgewandelt wird, der einen weiteren Teil des Primärenergieantriebs 20 bildet.
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Um die kinetische Energie eines Fluids, das in einem um eine Rotationsachse, z. B. eine von der Längsachse eines Zentralrohrs gebildeten Rotationsachse, rotierenden Flügelrohr 40 beschleunigt wird, in eine mechanische Rotationsenergie zu konvertieren, ist an dem von der Rotationsachse weg weisenden Ende des Flügelrohrs 40 ein Gyromotor 50 befestigt. Der Gyromotor 50 befindet sich mit dem Flügelrohr 40 in fluider Verbindung, damit ein in dem Flügelrohr 40 beschleunigtes Fluid durch den Gyromotor 50 strömen kann. Die Rotationsachsen der rotierenden Teile eines Gyromotors 50 sind vorzugsweise parallel zur Orientierung der Längsrichtung des Flügelrohrs ausgerichtet, an dem dieser befestigt ist, und bei bevorzugten Ausführungsformen in einer in Bezug auf die Rotation radialen Richtung.
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Bei der einfachsten Ausführungsform enthält der Gyromotor 50 lediglich eine Schraubenspindel, die in einem Gehäuse aufgenommen ist, das nicht-drehbar an dem einen Flügelrohr oder einem der Flügelrohre angebracht ist. Die Innenwand des Gehäuses berührt die Schraubenspindel vorzugsweise entlang der gesamten Länge von deren äußerer Gewindekante, so dass Wasser nur entlang des Volumens durch den Gyromotor fließen kann, das zwischen der Gewindeoberfläche und der das Gewinde an seinem Umfang abschließenden Innenwand des Gehäuses gebildet wird. Ein in dieses Volumen in Richtung der Achse der Schraubenspindel eintretendes Wasser wird an den Gewindeoberflächen der Schraubenspindel fortlaufend umgelenkt, wodurch die Schraubenspindel in Drehung versetzt wird.
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Bei besonders bevorzugten Ausführungsformen handelt es sich bei dem Gyromotor 50 um eine mehrachsige Spindelpumpenbauart, d. h., das diese zumindest aus zwei geraden oder konischen Spindelschrauben mit ineinander greifenden Gewinden gebildet ist. Die Schraubenspindeln sind in einem die Spindeln aufnehmenden Gehäuse angeordnet. Die inneren Wände des Gehäuses berühren die äußeren Kanten der Gewinderippen so, dass zwischen den Gewinderillen und dem Gehäuse ein geschlossenes Volumen ausgebildet wird. Ein entsprechender Gyromotor wird in diesem Dokument als eine als Gyromotor eingesetzte Schraubenspindelpumpe oder einfacher lediglich als Gyromotor bezeichnet. Beim Drehen der Schrauben, die auch als Spindeln oder Schraubenspindeln bekannt sind, bewegen sich zwischen den Schraubengewinden und dem Gehäuse ausgebildete Hohlräume in axialer Richtung der Spindel. Beim Einspeisen eines Fluids durch den Einlass eines Multischraubenspindelgyromotors 50, das durch die bei der Rotation um die Rotationsachse 101 erzeugten Zentrifugalkraft unter Druck gesetzt wurde, wird der Fluiddruck auf die Oberflächen der Schraubenspindeln übertragen, wodurch die Schraubenspindeln in Rotation versetzt werden und das Fluid zum Auslass des Multischraubenspindelgyromotors transportieren. Dadurch bewegt sich das Fluid in der axialen Richtung des Gyromotors ohne dass Turbulenzen erzeugt werden, die ansonsten die Effizienz der Energieumwandlung verringern würden. Da das Fluid ferner in einer kontinuierlichen Bewegung transportiert wird, treten anders als bei sich von einem Multispindelgyromotor unterscheidenden Bauarten von Gyromotoren oder Turbinen keine signifikanten Druckstöße oder Flussschwankungen auf. Letztendlich ist auch der Gesamtdrehimpuls eines Schraubenspindelgyromotors sehr gering, so dass dieser die Rotation der Rohrleitungsanordnung nicht beeinträchtigt.
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Im Unterschied zu dem oben Beschriebenen kann der Gyromotor 50 bzw. die Gyromotoren 50 auch mit ihrem Fluideinlass am oder sehr nahe am Zentrum der Rotation angeordnet sein. Da die Zentrifugalkraft eine Funktion des Abstands vom Drehzentrum darstellt, ist auch innerhalb eines Gyromotors befindliches Wasser den Zentrifugalkräften ausgesetzt und wird daher von dem Drehzentrum weg beschleunigt. Die Zentrifugalkräfte übertragen auf das in einem Gyromotor befindliche Wasser Energie, die wiederum die Energie auf die Schraubenspindeln des Gyromotors überträgt. Durch Verwendung von Schraubenspindelgewinden mit sich verändernder Steigung kann die Gewindegeometrie an die sich örtlich verändernde Energie des Arbeitsfluids innerhalb eines Gyromotors angepasst werden.
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Bei einigen Ausführungsformen sind die Gyromotoren schwenkbar mit einem zentral rotierenden Element so verbunden, dass deren Längsachsen mehr oder weniger parallel zur Rotationsachse ausgerichtet sind, wenn sich der Konverter 100 nicht dreht, bei Drehung jedoch eine in etwa radiale Anordnung einnehmen. Entsprechende Anordnungen eignen sich insbesondere für tragbare hydrodynamische Fliehkraftkonverter 100, um einen einfachen Transport von einem Einsatzgebiet zu einem anderen zu ermöglichen.
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Der Auslass eines in einer wie in 1 veranschaulichten Bauform 100 verwendeten Schraubenspindelgyromotors ist offen, damit ein Fluid das rotierende System verlassen kann, nachdem es den Gyromotor durchströmt hat. Bei bevorzugten hydrodynamischen Fliehkraftkonvertern 100 wird eine die rotierenden Auslässe umgebende Prallwand 80 verwendet, um das austretende Arbeitsfluid innerhalb des Generatorsystems 100 zu halten und falls erforderlich zum Reservoir 10 zurückzuführen. Bei anderen Ausführungsformen kann an jedem der Gyromotoren jeweils eine einzelne Prallplatte angebracht werden, wobei die Platte mit einem kleinen Abstand zum Fluidauslass des Gyromotors angeordnet ist. Durch Schrägstellung der Prallplatte in Bezug auf die tangentiale Richtung der Drehung kann der Rückstoss des umgelenkten austretenden Fluids die Drehung des Systems weiter unterstützen.
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Zum Übertragen der in einem Schraubenspindelgyromotor 50 erzeugten mechanischen Rotationsenergie auf zumindest einen elektrischen Generator 60 für die Umwandlung in elektrische Energie ist das Schraubenspindelsystem des Gyromotors mechanisch mit einer Antriebswelle 70 oder einem anderen geeigneten Übertragungsmechanismus zum Antreiben des zumindest einen elektrischen Generators 60 verbunden. In 1 ist der elektrische Generator 60 auf der Rotationsachse der Rohrleitungsanordnung angeordnet gezeigt, wodurch die Trägheitskräfte des (zum Beispiel selbst ansaugenden) hydrodynamischen Konverters 100 von Fliehkraft in elektrische Energie minimiert werden. Die Antriebswelle des elektrischen Generators 60 ist bei dem gezeigten Beispiel direkt mit den Spindelsystemen der zwei, an aneinander gegenüberliegenden Seiten des elektrischen Generators 60 angeordneten, Schraubenspindelgyromotoren verbunden. Bei speziellen Ausführungsformen wird jedoch ein Untersetzungsgetriebe zum Herabsetzen der Drehgeschwindigkeit der Abtriebswelle des Gyromotors auf eine geringere Drehgeschwindigkeit für die Antriebswelle des Generators 60 verwendet. Bei anderen speziellen Ausführungsformen wird ein Übersetzungsgetriebe zum Erhöhen der Rotationsgeschwindigkeit der Abtriebswellen des Gyromotors in eine höhere Rotationsgeschwindigkeit für die Antriebswelle des Generators 60 verwendet. Das Untersetzungs-/Übersetzungsgetriebe kann bereits innerhalb des Gyromotors 50 angeordnet sein, kann aber auch an den Generator 60 angefügt sein. Ein entsprechendes Untersetzungsgetriebe ermöglicht z. B. ein Verringern einer Drehung einer Abtriebswelle eines Gyromotors 50 von etwa 10.000 Umdrehungen pro Minute auf etwa 3.000 Umdrehungen pro Minute bevor diese an die Antriebswelle eines Generators 60 übertragen wird. Üblicherweise und insbesondere, wenn mehr als zwei Schraubenspindelgyromotoren, beispielsweise eine beliebig gerad- oder ungeradzahlige Anzahl von drei bis sieben oder sogar mehr, verwendet werden, ist die Antriebswelle des elektrischen Generators 60 mit einem Getriebe verbunden, das wiederum jeweils mittels einer Welle 70 mit einer Abtriebwelle eines jeden der Schraubenspindelgyromotors verbunden ist. Die Triebwellen 70 können wie bei dem in 1 gezeigten schematischen Aufbau zu sehen innerhalb der Flügelrohre angeordnet sein, aber auch außerhalb der Rohrleitungsanordnung oder bei alternativen Ausführungsformen außerhalb der Wasserzufuhranordnung. Spezielle Ausgestaltungen dieser Ausführungsarten verwenden auch ein wie oben erläutertes Untersetzungsgetriebe. Anders als in 1 angedeutet müssen bei bestimmten Ausführungsformen weder Rohre 30 noch 40 oder irgendeine andere Wasserzufuhranordnung durch die elektrische Generatorvorrichtung 60 hindurch geführt werden. Statt dessen ist der Generator 60 außerhalb der Rohrleitungsanordnung oder anderweitig gestalteten Fluidzufuhranordnung angeordnet, zum Minimieren der Trägheitskräfte des Systems jedoch immer auf der Rotationsachse des Systems. Bei einigen Ausführungsformen ist der Generator in einem Abstand außerhalb der rotierenden Anordnung aus Fluidzufuhr und Gyromotor angeordnet, wobei zum Verbinden der Abtriebswelle(n) des bzw. der Gyromotoren 50 mit der Antriebswelle des elektrischen Generators 60 ein Getriebemechanismus verwendet wird.
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Bei anderen Ausführungsformen werden mehrere aber vergleichsweise kleinere elektrische Generatoren 60 verwendet, wobei jedem der Schraubenspindelgyromotoren 50 zumindest ein Generator 60 zugeordnet ist. Bei einer solchen Anordnung ist jeder Generator 60 vorzugsweise an dem ihm zugeordneten Schraubenspindelgyromotor 50 befestigt und mit dem jeweiligen Spindelmechanismus des Gyromotors mittels eines geeigneten Getriebes verbunden. Von dem bzw. den Generatoren erzeugte elektrische Energie kann zum Beispiel unter Verwendung von Bürstenkontakten oder anderen geeigneten Einrichtungen abgegriffen werden.
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Um eine Überlastung des Systems zu vermeiden, können in den Flügelrohren Sicherheitsventile vorgesehen sein. Alternativ oder zusätzlich hierzu kann ein im Zentralrohr angebrachter Durchflussbegrenzer als Sicherheitsmassnahme verwendet werden. Bei anderen Ausführungsformen eines hydrodynamischen Konverters 100 von Fliehkraft in elektrische Energie wird zum Beschränken der maximalen Drehzahl von dessen rotierenden Teilen ein Drehzahlbegrenzer verwendet.
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Bevorzugte Ausführungsformen eines hydrodynamischen Konverters 100 von Fliehkraft in elektrische Energie sind für den Betrieb mit flüssigen Arbeitsfluiden und insbesondere mit Wasser als flüssigem Arbeitsfluid ausgelegt. Zum Sicherstellen eines zuverlässigen Anfahrens eines solchen Konvertersystems 100 ist die Fluidzufuhrleitung vorzugsweise im Voraus mit Wasser befüllt, wobei ein Rückschlagventil 90, das bei besonders bevorzugten Ausführungsformen nahe dem Wassereinlass der Fluidzufuhrleitung angeordnet ist, jeglichen Rückfluss des Wassers unterbindet, der die Fluidzufuhrleitung zumindest zum Teil entleeren könnte. Zum Befüllen vor der Inbetriebnahme kann ein separater Fluideinlass vorgesehen sein.
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2 zeigt eine Querschnittsansicht einer beispielhaften Ausführungsform eines Schraubenspindelgyromotors mit drei Satellitenschrauben. Diese Bauart eines Schraubenspindelgyromotors wird besonders bevorzugt, da sie einen hohen Fluiddurchsatz mit einem guten Massenausgleich verbindet und gleichwohl im Handel günstig erworben werden kann. Selbstverständlich kann die vorliegende Erfindung jedoch auch unter Verwendung eines Gyromotors mit einer einzigen Schraubenspindel, zwei Schraubenspindeln oder mit einem Gyromotor, der eine zentrale Schraubenspindel mit zwei, drei, vier und mehr Satellitenschraubenspindeln kombiniert, ausgeführt werden.
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Der in 2 veranschaulichte Schraubenspindelgyromotor weist eine zentrale Schraubenspindel 51 auf, die um eine zentrale Drehachse 54 rotiert, die in der Zeichnung mit einem Kreuzsymbol angedeutet ist. Um die zentrale Schraubenspindel 51 sind drei Satellitenschraubenspindeln 52 angeordnet, die sich um ihre jeweiligen individuellen Rotationsachsen 55 drehen. Alle Rotationsachsen sind parallel zueinander und bei der vorliegenden Darstellung senkrecht zur Projektionsebene angeordnet. Die Schraubenspindeln sind so ausgebildet und angeordnet, dass das Gewinde einer jeden Satellitenschraubenspindel 52 in das Gewinde der zentralen Schraubenspindel 51 eingreift. Der Drehsinn der Gewinde der Satellitenschraubenspindeln ist dem der zentralen Schraubenspindel entgegengesetzt.
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Die Schraubenspindeln 51 und 52 sind in ein Gehäuse 23 eingefasst, dass einen profilierten Innenraum zur Aufnahme der Schraubenspindeln umgrenzt und die Schraubenspindeln am äußeren Umfang abdichtet. Die äußere Form des Gehäuses kann im Wesentlichen und unter der Ausnahme, dass es den Innenraum umschließen muss, unabhängig vom Innenraum gestaltet sein. Wie bei der veranschaulichten Ausführungsform weist das Gehäuse üblicherweise eine zylindrische äußere Form auf, d. h. einen runden Querschnitt, der sich längs entlang des Gehäuses nicht verändert.
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3 veranschaulicht den Schraubenspindelgyromotor von 2 in einer Längsschnittansicht, die entlang der in 2 gezeigten Linie A-A vorgenommen wurde. In der Darstellung von 3 sind nur die zentrale Schraubenspindel 51 und eine der Satellitenschraubenspindeln 52 zu erkennen. Außer durch die ineinander greifenden Schraubengewinde, wird die einander entgegengesetzte Rotation der Schraubenspindeln 51 und 52 in der Regel weiter durch Verwendung von ineinander greifenden (in den Figuren nicht gezeigten) Zahnrädern synchronisiert, die an den Spindeln an einem von deren vorderen Seiten befestigt sind. Lager 58 ermöglichen eine Rotation der Schraubenspindeln 51 und 52 innerhalb des Innenraums des Gehäuses 53 mit niedriger Reibung. Das Gehäuse 53 weist ferner einen Einlass 56 auf, der von einer oder mehreren im Gehäuse ausgebildeten Öffnung gebildet wird, und ein Einspeisen eines Fluids in die zwischen dem Gehäuse 53 und den ineinandergreifenden Gewinden der Schraubenspindeln 51 und 52 gebildeten Hohlräume 59 ermöglicht. Ein in den Schraubenspindelgyromotor 50 über den Einlass 56 eingespeistes Fluid tritt in den ersten, zwischen den Gewinden der Schraubenspindeln 51 und 52 und den Innenwänden des Gehäuses 53 gebildeten, Hohlraum ein, wobei die kinetische Energie des Fluids die Schraubenspindeln in Rotation versetzt. Die Rotation der Schraubenspindeln bewirkt eine Verschiebung des Hohlraums längs der Schraubenspindeln bis der Hohlraum schließlich am anderen Ende der Schrauben durch Ausstoßen des darin enthaltenen Fluids durch den Auslass 57 geleert wird. Bei bevorzugten Ausführungsformen ist der Auslass in die bezüglich der Drehung tangential rückwärts gerichtete Richtung gerichtet, so dass das Ausstoßen des Fluids die Rotation der Rohrleitungsanordnung bzw. einer alternativen Anordnung unterstützt. Um eine Übertragung der solcherart erzeugten mechanischen Rotationsenergie zu ermöglichen, ist eine der Schraubenspindeln 51 oder 52 mit einer Abtriebswelle ausgestattet, die zur Verbindung mit einer Antriebswelle einer elektrischen Generatorvorrichtung 60 oder eines dazwischen angeordneten Mechanismus ausgebildet ist. Die Abtriebswelle kann z. B. mit einem Keilwellenprofil zum Eingriff in ein komplementär ausgebildetes Keilwellenprofil an einer damit zu verbindenden Triebwelle ausgebildet sein.
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Die Ausführungsformen eines wie oben beschriebenen (falls erforderlich selbst ansaugenden) hydrodynamischen Konverters 100 von Fliehkraft in elektrische Energie ermöglichen eine Umwandlung einer primären Rotationsenergie in eine Fluidenergie, die wiederum in eine sekundäre mechanische Rotationsenergie umgewandelt wird, die zum Erzeugen von elektrischer Energie verwendet wird. Die intermediäre Umwandlung der Primärenergie in Fluidenergie ermöglicht eine Transformation der Drehgeschwindigkeit mit hoher Effizienz und die Verwendungen von einfachen und kostengünstigen Sicherheitsvorrichtungen, wie zum Beispiel Sicherheitsventile (Druckentlastungsventile) in den Flügelrohren. Ein (selbst ansaugender) hydrodynamischer Fliehkraftkonverter 100 gemäß einer der oben erläuterten Beispiele kann auch dazu verwendet werden, um eine Form von elektrischer Energie in eine andere Form, zum Beispiel Gleichstrom oder Dreiphasenstrom in einen Einphasenstrom von gleicher oder unterschiedlicher Spannung bzw. Frequenz zu konvertieren. Die beschriebenen Systeme können auch verwendet werden, um elektrische Verbraucher von einer primären Stromversorgungsleitung zu isolieren.
