DE102018001776A1 - Water column machine with two-sided circular piston - Google Patents
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- F01C21/08—Rotary pistons
Abstract
Wassersäulenmaschine mit zweieckigem Kreiskolben (ZKK), bei der ein scheibenförmiger ZKK in seinem Symmetriepunkt um eine Exzenterachse rotiert, die gleichzeitig in einer Kreisbewegung um eine fixierte Achse ist. Die Kreisbewegung der Exzenterachse wird mittels einer Exzenterwelle erzeugt, die im Gehäuse gelagert ist. Der ZKK bildet innerhalb des Gehäuses zwei separate abgedichtete Kammern, deren Volumen während der Rotation des ZKK abwechselnd zwischen einem minimalen und maximalen Wert harmonisch oszilliert. Die zwei separaten Kammern werden jeweils durch die Öffnungen im Gehäuse abwechselnd mit Druckwasser gefüllt bzw. in eine Abwasserleitung entleert. Im Vorteil zu einer Hubkolben Wassersäulenmaschine rotiert der ZKK stets in dieselbe Richtung wodurch ein höhere Wasserdurchfluss und somit eine höhere Leistung erzielt werden kann. A water column machine with a two-cornered circular piston (ZKK), in which a disc-shaped ZKK rotates in its point of symmetry about an eccentric axis, which is simultaneously in a circular motion about a fixed axis. The circular movement of the eccentric axis is generated by means of an eccentric shaft, which is mounted in the housing. The ZKK forms within the housing two separate sealed chambers whose volume oscillates alternately between a minimum and maximum value during rotation of the ZKK. The two separate chambers are alternately filled with pressurized water through the openings in the housing or emptied into a sewer line. With the advantage of a reciprocating water column machine, the ZKK always rotates in the same direction so that a higher water flow and thus a higher performance can be achieved.
Description
Unter Wasserkraft versteht man die Umsetzung potenzieller oder kinetischer Energie des Wassers mittels einer Wasserkraftmaschine in mechanische Arbeit, öftermals auch mit anschließender Umwandlung in elektrische Energie. Seit jeher wurde das Wasserrad als eine Wasserkraftmaschine genutzt. In den Bergregionen, in denen nur kleine Mengen an Aufschlagwasser, jedoch eine genügend große Fallhöhe vorhanden war, wurde die Wassersäulenmaschine entwickelt, die im Wesentlichen eine vom Wasserdruck getriebene Hubkolbenmaschine ist. Es gibt einfachwirkende und doppelwirkende Wassersäulenmaschinen; bei der letzten wirkt der Wasserdruck abwechselnd auf die beiden Seiten des Kolbens. Eine Wassersäulenmaschine nimmt erheblich weniger Platz ein als die vorher verwendeten Wasserradkaskaden und hat gleichzeitig einen besseren Wirkungsgrad. Die erste Wassersäulenmaschine wurde vom Ingenieur Fähnrich Winterschmidt in den 1740er Jahren in einem Bergwerk in Clausthal gebaut, die eine Kolbenpumpe bewegte womit das Grubenwasser abgepumpt worden war. In den 1880er Jahren verknüpfte Gottlieb Lambach eine doppelwirkende Wassersäulenmaschine mit einer Hubkolbenpumpe, die das Wasser in einen Wasserturm förderte. Die letzte dieser Lambachpumpen wurde 1961 gebaut.Hydropower is the conversion of potential or kinetic energy of water into mechanical work by means of a hydroelectric power plant, often with subsequent conversion into electrical energy. Since time immemorial, the waterwheel has been used as a water engine. In the mountainous regions, where only small amounts of impact water were present, but a sufficiently high drop height, the water column machine was developed, which is essentially a reciprocating engine driven by water pressure. There are single-acting and double-acting water column machines; at the last time, the water pressure acts alternately on the two sides of the piston. A water column machine takes up considerably less space than the previously used water wheel cascades and at the same time has better efficiency. The first water column machine was built by the engineer Ensign Winterschmidt in the 1740s in a mine in Clausthal, which moved a piston pump with which the mine water had been pumped out. In the 1880s, Gottlieb Lambach linked a double-acting water column machine with a reciprocating pump, which pumped the water into a water tower. The last of these Lambach pumps was built in 1961.
1842 entwickelte der französische Ingenieur Benoit Fourneyron den Vorläufer einer Francis-Wasserturbine, die heute der meist verbreitete Turbinentyp ist. Durch diese Technik konnten größere Wassermengen und höhere Gefälle im Vergleich zu Wasserrädern ausgenutzt werden. Die Leistung einer Wasserkraftmaschine (in kW) - auch insbesondere einer Turbine - errechnet sich aus dem Produkt der Fallbeschleunigung (9,81 m/s2) mit der Fallhöhe des Wassers (in m), der Wasserdurchflussmenge (in m3/s) und dem Wirkungsgrad. Um einen optimalen Wirkungsgrad zu erzielen, muss die Turbine den unterschiedlichen Fallhöhen und Wasserdurchflussmengen angepasst sein. Nach der Fallhöhe überschneidet sich der Einsatzbereich der Francis-Turbine nach oben mit dem der Pelton-Turbine und nach unten mit dem der Kaplan-Turbine. Eine Wassersäulenmaschine ist für alle Fallhöhen geeignet.In 1842, the French engineer Benoit Fourneyron developed the forerunner of a Francis water turbine, which today is the most common turbine type. This technique has helped to exploit larger volumes of water and higher gradients compared to water wheels. The power of a hydroelectric power plant (in kW) - in particular a turbine - is calculated from the product of gravity acceleration (9.81 m / s 2 ) with the height of fall of the water (in m), the water flow rate (in m 3 / s) and the efficiency. In order to achieve optimum efficiency, the turbine must be adapted to the different head heights and water flow rates. After the height of the fall, the area of application of the Francis turbine overlaps upwards with that of the Pelton turbine and downwards with that of the Kaplan turbine. A water column machine is suitable for all fall heights.
Bei einer Turbine wird das Wasser durch ein feststehendes Leitwerk (auch „Leitrad“ genannt) mit verstellbaren Schaufeln auf die gegenläufig gekrümmten Schaufeln des Laufrades gelenkt. Die potenzielle Energie des Wassers wird im Leitwerk zunächst in die kinetische Energie des Wasserstroms umgewandelt, die anschließend im Laufrad in mechanische Energie umgewandelt wird. Diese zweistufige Energieumwandlung verursacht Reibungsverluste im Wasserstrom und an den Schaufeln der Wasserturbine. Bei einer Wassersäulenmaschine wird die potenzielle Energie des Wassers direkt in mechanische Energie umgewandelt.In a turbine, the water is directed by a fixed tail (also called "stator") with adjustable blades on the counter-curved blades of the impeller. The potential energy of the water is first converted in the tail unit into the kinetic energy of the water flow, which is then converted in the impeller into mechanical energy. This two-stage energy conversion causes friction losses in the water flow and on the blades of the water turbine. A water column machine converts the potential energy of the water directly into mechanical energy.
Für die Stabilität des elektrischen Netzes sind Wasserspeicherkraftwerke von Bedeutung, die vor allem der Deckung von Spitzenleistung dienen. Beim Pumpenspeicherkraftwerk wird das Wasser aus dem Unterbecken in das Oberbecken mit Hilfe von Pumpen gefördert. Eine Wasserturbine funktioniert unumkehrbar; eine Wassersäulenmaschine ist reversibel: Man lässt sie rückwärts laufen um das Wasser in Oberbecken zu pumpen. Bei den Wasserkraftwerken werden in Gegenwart verschiedener Art Wasserturbinen eingesetzt. Angesichts den Vorteilen der Wassersäulenmaschine und unter Anwendung von modernen Technologien könnte sie ihren Anteil auf dem Energiemarkt besetzen. Dies beschreibt im Kurzen den Stand der Technik.For the stability of the electrical network water storage power plants are of importance, which serve primarily to cover peak power. At the pumped storage power plant, the water from the lower reservoir is pumped into the upper reservoir by means of pumps. A water turbine works irreversibly; A water column machine is reversible: it is allowed to run backwards to pump the water into upper basins. The hydroelectric power plants are used in the presence of various types of water turbines. Given the advantages of the water column machine and using modern technologies, it could fill its share in the energy market. This briefly describes the state of the art.
Wassersäulenmaschinen sind sogenannte Langsamläufer, sie haben nur eine Taktzahl von vier bis acht Takten pro Minute. Eine niedrige Taktzahl bedeutet einen geringen Wasserdurchfluss und dementsprechend eine geringe Leistung (siehe Absatz [0002]). Dieser Nachteil der Wassersäulenmaschine lässt sich beheben. Dafür wird hier vorgeschlagen anstatt der Hubkolbenmaschine eine wasserdruckgetriebene Kreiskolbenmaschine einsetzen. Die Wassersäulenmaschine mit zweieckigem Kreiskolben ist in Anlehnung an das Deutsche Patent
Auf den
α = 2π/3 = 120° gezeigt. Folgenden Bezeichnungen sind eingeführt:
K - Kreiskolben, dessen Rotationsrichtung ist gegen den Uhrzeigersinn gewählt und mit einem Pfeil gezeigt;
K1, K2 - zwei Ecken des Kreiskolbens (K);
O - Drehachse der Exzenterwelle;
OK - Exzenterachse, bzw. Drehachse des Kreiskolbens (K);
e - Exzentrizität, bzw. Abstand der Exzenterachse (OK) zur Drehachse (O);
α - Drehwinkel der Exzenterachse (OK) um die Drehachse (O);
φ - Drehwinkel des Kreiskolbens (K);
r - Radius des Teilkreises von Zahnrad (Ritzel), das an der Vorderwand des Gehäuses befestigt ist;
RH - Radius des Teilkreises von Zahnrad (Hohlrad), das in der Vorderfläche des scheibenförmigen Kreiskolbens (K) eingebaut ist; für ZKK steht fest: RH = 2r, folglich e = RH - r = r; aus dem Übersetzungsverhältnis (RH : r) = (2 : 1) folgt α = 2φ;
E - Einlass-Öffnung in der Rückwand des Gehäuses für das Druckwasser, die mit punktierten bogenförmigen Linien schraffiert ist;
F - Auslass-Öffnung in der Rückwand des Gehäuses für das Abwasser, die mit punktierten bogenförmigen Linien schraffiert ist;
UT - Untere Totpunkt - ein Punkt am Umfangsprofil des Gehäuses, der in Nachahmung an Hubkolbenmotoren benannt ist, bei dem die Querschnittfläche
OT - Obere Totpunkt - ein Punkt am Umfangsprofil des Gehäuses, der in Nachahmung an Hubkolbenmotoren benannt ist, bei dem die Querschnittfläche
α = 2π / 3 = 120 °. The following terms are introduced:
K - rotary piston whose direction of rotation is selected counterclockwise and shown by an arrow;
K 1 , K 2 - two corners of the rotary piston (K);
O - rotation axis of the eccentric shaft;
O K - eccentric axis, or axis of rotation of the rotary piston (K);
e - eccentricity, or distance of the eccentric axis (O K ) to the axis of rotation (O);
α - angle of rotation of the eccentric axis (O K ) about the axis of rotation (O);
φ - rotation angle of the rotary piston (K);
r - radius of the pitch of gear (pinion) fixed to the front wall of the housing;
R H - radius of the pitch of gear (ring gear) installed in the front surface of the disk-shaped rotary piston (K); for ZKK it is clear: R H = 2r, hence e = R H - r = r; from the gear ratio (R H : r) = (2: 1), α = 2φ;
E - inlet opening in the rear wall of the housing for the pressurized water hatched with dotted arcuate lines;
F - outlet opening in the back wall of the wastewater housing hatched with dotted arcuate lines;
Bottom dead center - a point on the circumferential profile of the housing, which is named in imitation of reciprocating engines, in which the cross-sectional area
OT - top dead center - a point on the circumferential profile of the housing, which is named in imitation of reciprocating engines, where the cross-sectional area
Die Exzenterachse (
Der ZKK stellt ein scheibenförmigen Körper dar, dessen Querschnitt (senkrecht zur Exzenterachse (
Während der Rotation des Kreiskolbens (
Auf der
Die
die Differenz beträgt: AK1(0) - AK2(0) = 1,116 m2.
Für einen Kreiskolben (
the difference is: A K1 (0) - A K2 (0) = 1,116 m 2 .
For a rotary piston (
Auf der
Auf der
Auf der
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 102014010704 [0005]DE 102014010704 [0005]
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DE102018001776.2A DE102018001776A1 (en) | 2018-03-06 | 2018-03-06 | Water column machine with two-sided circular piston |
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DE102018001776A1 true DE102018001776A1 (en) | 2019-09-12 |
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ID=67701237
Family Applications (1)
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DE102018001776.2A Pending DE102018001776A1 (en) | 2018-03-06 | 2018-03-06 | Water column machine with two-sided circular piston |
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Country | Link |
---|---|
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Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
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DE102008009896A1 (en) * | 2008-02-19 | 2009-08-20 | Eggert, Günther | Control of a rotary piston engine |
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-
2018
- 2018-03-06 DE DE102018001776.2A patent/DE102018001776A1/en active Pending
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