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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anlage mit einer Turbinenanordnung zur Umwandlung von mechanischer Energie oder kinetischer Energie aus Wasserkraft in elektrische Energie, umfassend mindestens ein um seine Mittelachse rotierend antreibbares Turbinenrad, dessen Schaufeln von einem strömenden Fluid, insbesondere Wasser beaufschlagt werden, wobei das Turbinenrad als Hohlrad ausgebildet ist und Schaufeln des Turbinenrads von radial innenseitig her von mindestens einem Wasserstrom beaufschlagt werden und wobei das Turbinenrad in einem Behälter angeordnet ist, welcher ein Wasservolumen aufnimmt, wobei der Behälter einen oberseitigen Zulauf für einlaufendes Wasser aufweist.
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Pelton-Turbinen sind Freistrahlturbinen mit hohem Wirkungsgrad und als solche aus dem Stand der Technik seit langem bekannt. Beispielsweise werden in der
EP 2 035 690 B 1 Pelton-Turbinen beschrieben und es wird dargestellt, wie ein von einer Düse erzeugter Wasserstrahl die Becher des Laufrads einer Pelton-Turbine beaufschlagt. Grundsätzlich werden jedoch diese Pelton-Turbinen von einem Strom zuströmenden Wassers immer von radial außen her beaufschlagt. Das heißt, das Wasser fließt mit einer tangentialen Komponente dem Turbinenrad zu, trifft dabei auf die meist becherförmig geformten Schaufeln und veranlasst dadurch das Turbinenrad, sich um seine Achse zu drehen. Der radial innenseitige Bereich der herkömmlichen Pelton-Turbine konzentrisch innen zu den Schaufeln liegend, ist hingegen bis zur Achse hin massiv. Dadurch hat das kompakte Turbinenrad ein vergleichsweise hohes Eigengewicht und damit verbunden eine entsprechende Massenträgheit.
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In der
DE 10 2015 108 556 A1 wird eine Turbinenanordnung mit einem als Hohlrad ausgebildeten, von Wasserkraft rotierend antreibbaren Turbinenrad beschrieben, dessen Schaufein von radial innenseitig mit einem Fluid wie insbesondere Wasser beaufschlagt werden. Konzentrisch innerhalb des Turbinenrads ist bei dieser bekannten Anordnung ein Hohlrad angeordnet, welches über einen sich nach unten hin erstreckenden Hohlschaft Wasser aus einem Wasservorrat in einem großen Behälter ansaugt. Dieses angesaugte Wasser wird dann durch Rotation aufgrund der Zentrifugalkraft nach radial außen geschleudert und trifft auf die Schaufeln des Turbinenrads, so dass dieses angetrieben wird. Über einen im oberen Bereich der Vorrichtung angeordneten Antriebsriemen, der über ein Zahnrad läuft, kann das Antriebsrad eines Generators angetrieben werden, um so elektrische Energie zu gewinnen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine alternative Anlage mit einer Turbinenanordnung der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, welche im Hinblick auf ihren Wirkungsgrad weiter verbessert wurde sowie einen technisch zuverlässigen Dauerbetrieb bei möglichst geringem Wartungsaufwand ermöglicht.
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Die Lösung dieser Aufgabe liefert eine Anlage mit einer Turbinenanordnung der eingangs genannten Gattung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Die vorliegende Erfindung schlägt zur Lösung der vorgenannten Aufgabe vor, dass im zulaufseitigen Bereich des Behälters eine motorisch angetriebene Pumpvorrichtung angeordnet ist, die das einlaufende Wasser einer konzentrisch innerhalb des Turbinenrads angeordneten Hohlkammer zuführt. Durch die im Rahmen der Erfindung eingesetzte Pumpvorrichtung wird es möglich, der Anlage pro Zeiteinheit ein größeres Volumen an zulaufendem Wasser zuzuführen. Damit ist es nicht unbedingt erforderlich, den Zulauf in einem fließenden Gewässer mit ausreichend hoher Fließgeschwindigkeit anzuordnen, sondern es kommt grundsätzlich auch ein stehendes Gewässer in Betracht. Die Pumpvorrichtung saugt das Wasser an und lässt es dann mit einer definierten möglichst hohen Fließgeschwindigkeit in den Zulauf der Anlage, das heißt in den Zulauf des Behälters einströmen, so dass das Wasser auch bei Verwendung eines stehenden oder langsam fließenden Gewässers als Wasserquelle mit einer ausreichend hohen Geschwindigkeit in die Hohlkammer der Anlage einströmt.
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Der Behälter der Anlage weist einen oberseitigen Zulauf für einlaufendes Wasser auf, das heißt einen Zulauf direkt oberhalb des Behälters oder zumindest im oberen Bereich des Behälters. Man kann somit Wasser, welches aus einem stehenden oder fließenden Gewässer in die erfindungsgemäße Anordnung einfließt, so in den Behälter einströmen lassen, dass dieses direkt in die um ihre Achse rotierbar angeordnete Hohlkammer fließt, von der aus es dann weiter nach radial außen strömt. Dies ist besser, als das Wasser von unten her in die Hohlkammer einzusaugen, wie dies bei einer zuvor beschriebenen bekannten Anordnung der Fall ist. Bei der erfindungsgemäßen Lösung kann die kinetische Energie des von oben her in die Anordnung einströmenden Wassers optimal genutzt werden.
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Bevorzugt ist es so, dass der Zulauf einen etwa mittig im Bereich der Behälterachse angeordneten Kanal oder Stutzen umfasst, in den das einlaufende Wasser von oberhalb des Behälters her in diesen einströmt. Das einströmende Wasser gelangt somit von oben her in einem mittigen Bereich in Nähe der Behälterachse und in Nähe der Achse der rotierbaren Hohlkammer in den Behälter, so dass ein sehr kurzer Strömungsweg gegeben ist und das frische Wasser direkt in die Hohlkammer einströmt. Das Wasser strömt dann in der Hohlkammer mit hoher Fließgeschwindigkeit radial nach außen, wobei diese hohe Fließgeschwindigkeit zunächst von der Pumpvorrichtung erzeugt wird, die das Wasser mit entsprechend hohem Druck in den Zulauf der Anlage pumpt.
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Eine bevorzugte Weiterbildung er Erfindung sieht vor, dass das rotierende Turbinenrad die Hohlkammer um ihre Mittelachse rotierend antreibt, wobei dem Turbinenrad zugeordnete und zwischen Turbinenrad und Hohlkammer geschaltete Getriebemittel vorgesehen sind, mittels derer Antriebskräfte von dem Turbinenrad auf die Hohlkammer übertragen werden. Bei dieser vorteilhaften Variante wird somit die Strömungsgeschwindigkeit des zulaufenden Wassers in der Hohlkammer dadurch weiter erhöht wird, dass die Hohlkammer um ihre mittige Achse rotiert. In der Hohlkammer wird das Wasser dann radial nach außen geschleudert und kann über radial äußere Kanäle die Hohlkammer verlassen, wobei bevorzugt radial außenseitig und somit an der stromabwärts gelegenen Seite der Hohlkammer Einwegventile vorgesehen sind, die diese Kanäle entgegen der Strömungsrichtung verschließen und ein etwaiges Rückströmen von Wasser in die Hohlkammer verhindern.
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Die Arbeitsweise der Anlage ist gemäß der vorstehenden Variante so, dass die Pumpvorrichtung das Wasser in den Zulauf und somit in die Hohlkammer pumpt. Das aus der Hohlkammer ausströmende Wasser versetzt das Turbinenrad in Rotation. Das rotierend angetriebene Turbinenrad wiederum steht über die Getriebemittel mit einer Antriebswelle der Hohlkammer in Verbindung, wodurch auch die Hohlkammer in Rotation versetzt wird und somit die Austrittsgeschwindigkeit des nach außen hin aus der Hohlkammer ausströmenden Wassers aufgrund der Zentrifugalkraft weiter erhöht wird und das Wasser in eine radiale Strömung mit tangentialer Komponente gebracht wird, die so ausgerichtet ist, dass die Schaufeln des Turbinenrads von ihrer Innenseite her in einer optimierten Richtung beaufschlagt werden.
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Weiterhin kann gemäß einer vorteilhaften konstruktiven Lösung im Rahmen der vorliegenden Erfindung der für den Zulauf des einlaufenden Wassers vorgesehene Stutzen oder die Leitung etwa mittig in der Anlage in axialer Ausrichtung und von der Unterseite der Pumpvorrichtung direkt in den mittigen Bereich der Hohlkammer führen und dieser von der Oberseite her das einlaufende Wasser zuführen, wodurch sich eine sehr kompakte Bauweise ergibt. Es kann beispielsweise eine Pumpe verwendet werde, die radial von außen her Wasser ansaugt und dieses etwa axial, im vorliegenden Fall nach unten hin ausstößt.
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Die Antriebsachse der Hohlkammer kann beispielsweise mittig von deren Unterseite her ausgehen und sich konzentrisch innerhalb einer Anordnung von Bauelementen der Getriebemittel befinden.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass der Behälter ein von einem Bereich unterhalb des Turbinenrads ausgehendes, vorzugsweise von einem unteren Bereich des Behälters ausgehendes Ablaufrohr für aus dem Behälter ablaufendes Wasser aufweist. Der Einlauf des zulaufenden frischen Wassers erfolgt somit von oben her, während das Wasser bevorzugt im unteren Bereich aus dem Behälter wieder abläuft. Bei dieser Konzeption kann im Betrieb in einem Zeitintervall ein großes Wasservolumen die erfindungsgemäße Anordnung durchströmen. Das Ablaufen des Wassers erfolgt in einem Bereich der Anordnung, welcher sich unterhalb der mechanischen Einbauten und der rotierenden Bauelementen befindet.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung sind innerhalb desjenigen Teils des Behälters, welcher das Wasservolumen aufnimmt, dem Turbinenrad zugeordnete Getriebemittel angeordnet, um Antriebskräfte von dem rotierenden Turbinenrad auf die rotierende Hohlkammer zu übertragen. Dabei ist festzuhalten, dass das aus der Hohlkammer radial nach außen hin ausströmende Wasser das Turbinenrad antreibt und in Rotation versetzt. Diese durch Rotation des Turbinenrads erzeugte mechanische Energie kann über die noch im Detail näher erläuterten Getriebemittel auch zum rotierenden Antrieb der Hohlkammer genutzt werden. Außerdem dient natürlich die Rotation des Turbinenrads wie bei einer herkömmlichen Turbine dazu, mechanische Energie in elektrische Energie umzuwandeln.
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Eine bevorzugte Weiterbildung der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass die Getriebemittel wenigstens ein von dem Turbinenrad angetriebenes Zahnrad umfassen sowie einen mit diesem Zahnrad im Eingriff stehenden Zahnriemen, welcher mit einem weiteren Zahnrad in Kontakt steht, welches kleiner ist als das angetriebene Zahnrad so dass eine Übersetzung von der Rotationsbewegung des Turbinenrads zu derjenigen der Hohlkammer entsteht.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist das weitere Zahnrad auf einer ersten Antriebswelle angeordnet, welche parallel zu einer zweiten Antriebswelle verläuft, durch die die rotierende Hohlkammer angetrieben wird. Diese zweite Antriebswelle dreht sich dann mit einer höheren Drehzahl als das über das Wasser angetriebene Turbinenrad selbst. Die so auf die genannten Getriebemittel einwirkenden Rotationskräfte kann man über weitere Getriebeelemente auf eine Antriebsachse der Hohlkammer übertragen.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung sind weitere Getriebemittel vorgesehen, um bei der Übertragung von Antriebskräften von dem rotierenden Turbinenrad auf die rotierende Hohlkammer eine Übersetzung zu schaffen. Hier kann man beispielsweise über eine weitere Kombination aus Zahnrädern und einem Zahnriemen eine zusätzliche Übersetzung schaffen, um so bei gegebener Drehzahl des rotierenden Turbinenrads eine wesentlich höhere Drehzahl der rotierenden Hohlkammer zu erzielen.
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Eine bevorzugte Variante der Erfindung sieht vor, dass die weiteren Getriebemittel wenigstens ein auf der Abtriebsseite der Antriebswelle angeordnetes größeres Zahnrad umfassen, über welches ein Zahnriemen läuft, der Antriebskräfte auf die Antriebswelle der rotierenden Hohlkammer überträgt. Durch eine zuvor geschilderte einfache oder auch eine doppelte Übersetzung kann man auf diese Weise ausgehend von einer langsameren Rotation des Turbinenrads eine gegebenenfalls erheblich schnellere Rotation der Hohlkammer erzielen.
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Gemäß einer bevorzugten Variante der Erfindung kann es beispielsweise so sein, dass die weiteren Getriebemittel ein auf der Antriebswelle der rotierenden Hohlkammer angeordnetes weiteres Zahnrad umfassen, welches kleiner ist als das Zahnrad, so dass zwischen der Antriebswelle des Turbinenrads und der Antriebswelle des Hohlkammer eine Übersetzung geschaffen wird.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist die Hohlkammer so geformt, dass über einen Rohrstutzen axial in die Hohlkammer einströmendes Wasser in der Hohlkammer umgelenkt wird, dann über mehrere radial nach außen gerichtete Arme in der Hohlkammer radial nach außen hin strömt und radial außenseitig aus der Hohlkammer ausströmt.
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Vorzugsweise sind weiterhin radial außenseitig an den Armen der Hohlkammer Einwegventile vorgesehen, die nur einen Wasserstrom aus der Hohlkammer nach außen hin zulassen.
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Die in den Unteransprüchen genannten Merkmale betreffen bevorzugte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Aufgabenlösung. Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Detailbeschreibung.
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Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei zeigen:
- 1 eine Seitenansicht der Pumpvorrichtung der erfindungsgemäßen Anlage im teilweisen Längsschnitt;
- 2a einen schematisch vereinfachten Längsschnitt durch die Hohlkammer einer erfindungsgemäßen Anlage;
- 2b eine Draufsicht auf die Hohlkammer gemäß der Darstellung von 2a;
- 3 eine schematisch vereinfachte Draufsicht auf das Turbinenrad einer beispielhaften erfindungsgemäßen Anlage;
- 4 eine schematisch vereinfachte Ansicht einer beispielhaften Anordnung der Antriebsachsen und der Getriebemittel einer erfindungsgemäßen Anlage;
- 5 eine schematisch vereinfachte Seitenansicht der gesamten Anlage gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung im teilweisen Längsschnitt.
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Zunächst wird unter Bezugnahme auf die 5 der grundsätzliche Aufbau einer beispielhaften erfindungsgemäßen Anlage zur Umwandlung mechanischer Energie aus Wasserkraft näher beschrieben. Die Anlage umfasst einen größeren beispielsweise etwa zylindrischen Behälter 51, der ein Wasservolumen aufnimmt und auf einem Untergrund 55 steht. Im oberen Bereich des Behälters 51 ist ein Zulauf 14 für einlaufendes Wasser vorgesehen, welches beispielsweise aus einem stehenden Gewässer oder auch aus einem fließenden Gewässer zuläuft. Um den Zulauf des Wassers in den Behälter 51 zu unterstützen ist auf der Oberseite des Behälters ein Pumpvorrichtung 11 vorgesehen, die beispielsweise über einen Elektromotor angetrieben wird. Durch die Pumpvorrichtung 11 wird das Wasser von radial außen her angesaugt, wobei sich oberhalb des eigentlichen Einlaufs in den Behälter in einem schalenförmigen Behältnis 13 das aus dem Zulauf 14 kommende Wasser gegebenenfalls zunächst sammeln kann, wo es dann von der Pumpvorrichtung 11 angesaugt wird. Die Pumpvorrichtung kann beispielsweise so arbeiten, dass sie das von radial außen angesaugt Wasser axial und etwa zentrisch nach unten hin ausstößt, so dass es über einen axialen Stutzen in den Behälter gelangt. Das Wasser gelangt so von der Pumpvorrichtung über einen axialen Strömungskanal 52 oder einen Rohrstutzen direkt von oberhalb in eine Hohlkammer 2, deren Funktion im Einzelnen später noch anhand der Detaildarstellung von 2 näher erläutert wird.
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Die vorgenannte Hohlkammer 2 liegt konzentrisch innerhalb eines um seine mittige Achse rotierend angetriebenen Turbinenrads 3, welches in der 3 im Detail dargestellt ist und anhand dieser Zeichnung weiter unten noch näher erläutert wird. In axialer Richtung unterhalb des Turbinenrads 3 ist ein Getriebe angeordnet, mittels dessen Rotationskräfte von dem Turbinenrad 3 auf die Hohlkammer 2 übertragen werden können. Das Wasser verlässt, nachdem es die Turbine angetrieben und von innen nach außen durchströmt hat, die Turbinenanordnung an deren Außenseite und gelangt so in den Behälter 51, wo es nach unten hin strömt. An der Unterseite weist der Behälter 51 einen vorzugsweise vom unteren Bereich ausgehenden Ablauf 53 in Form eines Ablaufrohrs oder einer Ablaufleitung auf, so dass das oben über den Zulauf 14 einströmende Wasser den Behälter 51 wieder verlassen kann. Diese Ablaufleitung 53 ist in 5 nur schematisch dargestellt und kann beispielsweise sich nach unten hin erstrecken, so dass ein Ablaufen des Wassers aus dem Behälter mit Freigefälle erfolgt. Das ablaufende Wasser kann aber gegebenenfalls auch aus dem Behälter 51 abgepumpt werden. Wichtig ist nur, dass das pro Zeiteinheit in den Behälter 51 einlaufende Wasservolumen bei stationärem Betrieb der Turbinenanordnung im gleichen Zeitraum den Behälter 51 wieder verlässt. Hier ist natürlich zu berücksichtigen, dass der Behälter 51 gegebenenfalls ein sehr großes Fassungsvermögen haben kann und je nach Strömungsgeschwindigkeit des Gewässers bzw. Gefälle auf der Zulaufseite sowie der Leistung der Pumpvorrichtung 11, die das Einströmen des Wassers unterstützt und beschleunigt, ein gro-ßes Wasservolumen mit hoher Geschwindigkeit in den Behälter 51 einlaufen kann.
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In dem in Höhenrichtung gesehen etwa mittleren Bereich 60 des Behälterinneren, in dem sich das rotierende Turbinenrad 3 und das Getriebe befinden, welches über eine Halterung 59 an der Innenseite der Behälterwandung gelagert ist, kann sich ein Luftvolumen befinden, so dass das mit hoher Geschwindigkeit radial außen aus dem Turbinenrad 3 ausströmende Wasser mit Freigefälle aus dem Turbinenrad ablaufen kann und in Richtung der Pfeile im Behälter nach unten strömt, wo sich ein Wasserpegel 62 von stehendem Wasser im Behälter ausbildet.
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Nachfolgend wird auf die 1 Bezug genommen und anhand dieser werden der Aufbau und die Funktion der Pumpvorrichtung 11 näher erläutert. Es ist der Elektromotor auf der Oberseite der Pumpvorrichtung dargestellt, der die Pumpvorrichtung antreibt. Das Wasser wird über den zeitlichen Zulauf 14 der Pumpvorrichtung zugeführt, sammelt sich dann in dem Becken oder Behältnis 13 und wird von der Pumpvorrichtung radial angesaugt, so dass es zunächst unterhalb eines plattenförmigen Bauteils 12 der Pumpvorrichtung 11 von außen nach innen strömt und danach über einen axial mittig unterhalb der Pumpvorrichtung verlaufenden Kanal in Richtung der Pfeile 17 nach unten hin ausgestoßen wird, so dass das Wasser über eine untere Öffnung 16 des Kanals in die Hohlkammer 2 einströmt. Es handelt sich somit in dem Ausführungsbeispiel um eine radial/axial arbeitende Pumpvorrichtung 11 oder Zentrifugalpumpe. Es ist jedoch darauf hinzuweisen, dass grundsätzlich auch andere Typen von Pumpvorrichtungen für den erfindungsgemäßen Zweck verwendet werden können.
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Die Hohlkammer 2 ist in den 1 a und 2 b für sich genommen dargestellt und wird nachfolgend näher erläutert. 2 a zeigt eine Seitenansicht der Hohlkammer im teilweisen Längsschnitt. Man erkennt, dass der Zulauf des Wassers, welches von der in 1 dargestellten Pumpvorrichtung 11 kommt, axial in Richtung des Pfeils 28 durch einen Rohrstutzen 24 oder dergleichen von oben her in das Innere der Hohlkammer 2 hinein erfolgt. Wie die Pfeile 29 zeigen erfolgt dann in dem sich an seiner Unterseite trichterartig etwas erweiternden Rohrstutzen eine Umlenkung der Strömungsrichtung von einer axialen Strömung in eine radiale Strömung in der eigentlichen Hohlkammer von innen nach außen hin, wo das Wasser dann nach radial außenseitig aus der Hohlkammer 2 ausströmt. Dabei sind im radial äußeren Bereich der Hohlkammer 2 jeweils Einwegventile 23 angeordnet, die eine Strömung aus der Hohlkammer 2 nach außen hin nur in einer Richtung zulassen, ein Rückströmen in Gegenrichtung hinein in die Hohlkammer jedoch verhindern.
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Die Hohlkammer 2 wird nicht unmittelbar über einen eigenen Antrieb angetrieben, kann aber um ihre in 2a dargestellte Antriebsachse 41 rotierend angetrieben werden und zwar mittelbar über Getriebemittel, über die das rotierende Turbinenrad 3 mit der Achse 41 der Hohlkammer 2 verbunden ist, was später noch näher erläutert wird. Die Antriebsachse 41 erstreckt sich mittig in axialer Richtung von der Hohlkammer 2 ausgehend nach unten. Auf der Antriebsachse 41 befindet sich im unteren Bereich ein Zahnrad 50, über das ein Drehmoment von dem Turbinenrad 3 übertragen werden kann.
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Aus der Draufsicht der Hohlkammer 2 gemäß 2 b ergibt sich, dass die eigentliche Hohlkammer eine zylindrische äußere Wandung 21 aufweist und von dem mittigen axialen Rohrstutzen 24 ausgehend sich mehrere Arme 22 radial nach außen hin erstrecken, die über den Umfang verteilt und jeweils mit Abstand zueinander angeordnet sind, wobei sich diese Arme 22 jeweils nach außen hin im Querschnitt verjüngen, so dass sich eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit nach außen hin ergibt. Das Wasser strömt dann mit erhöhter Geschwindigkeit nach außen hin durch die Einwegventile 23 aus dem Hohlraum der Arme 22 der Hohlkammer 2 aus. Der radiale Abstand von der Achsmitte der Hohlkammer 2 bis zum Austrittspunkt aus der Hohlkammer an den Einwegventilen 23 ist mit dem Bezugszeichen 25 bezeichnet.
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Die Hohlkammer hat eine flachzylindrische Form und ähnelt einer hohlen Scheibe, die oberseitig und unterseitig sowie an ihrem Umfang allseitig geschlossen ist bis auf mehrere über den Umfang verteilt angeordnete Kanäle in den Armen 22, die nach außen hin über die Einwegventile 23 offen sind. Wenn angetrieben über die mit dem Turbinenrad in Wirkverbindung stehenden Getriebemittel eine Rotation der Hohlkammer um ihre Achse erzeugt wird, dann wird durch diese die Beschleunigung der Strömungsgeschwindigkeit noch verstärkt und das Wasser tritt mit hoher Geschwindigkeit aus der Hohlkammer 2 aus und wird auf die Innenseite der Schaufeln 33 des Turbinenrads 3 geschleudert, welches in gleicher Höhe in dem Behälter 51 angeordnet ist, wobei das Turbinenrad 3 die Hohlkammer 2 außenseitig mit etwas Abstand zu dem äußeren Ende der Kanäle in den Armen 22 ringförmig konzentrisch umgibt.
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Das Turbinenrad 3 ist für sich genommen in der Draufsicht in 3 dargestellt und wird nachfolgend näher beschrieben. Das Turbinenrad 3 umfasst eine untere Basisscheibe 32, auf der die Schaufeln 33 montiert sind. In 3 erkennt man, dass das Turbinenrad 3 mehrere über den Umfang verteilt angeordnete und jeweils mit Abstand zueinander angeordnete Schaufeln 33 aufweist, die von dem mit hoher Geschwindigkeit aus der Hohlkammer 2 ausströmenden Wasser von ihrer Innenseite her beaufschlagt werden, da ja die Hohlkammer 2 konzentrisch innerhalb des Turbinenrads 3 liegt. Diese Schaufeln 33 können innenseitig im Grundriss etwa trapezförmige oder auch in sich gewölbte Flächen aufweisen, auf die das aus der Hohlkammer austretende Wasser auftrifft. Aufgrund der teilweise tangentialen Ausrichtung der Schaufeln 33 führen die mit hoher Geschwindigkeit auftreffenden Wasserstrahlen aus der Hohlkammer 2 zu einem rotierenden Antrieb des Turbinenrads 3 um seine Mittelachse. Die Energie dieser Rotationsbewegung wird auf ein erstes oberes Zahnrad 34 übertragen, welches auf der Achse des Turbinenrads 3 befestigt ist und mit diesem rotiert.
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Der genauere Aufbau der Getriebemittel, über die Antriebsenergie von dem rotierenden Turbinenrad 3 auf die nicht über einen eigenen Antrieb verfügende Hohlkammer 2 übertragen werden kann, wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die 4 näher erläutert, in der im Wesentlichen nur das Getriebe in einer Seitenansicht dargestellt ist.
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In 4 erkennt man das zuvor erwähnte erste Zahnrad 34 auf der Antriebsachse des Turbinenrads 3, welches auch in 3 dargestellt ist. Über dieses erste Zahnrad 34 läuft ein erster Zahnriemen 44, welcher von dem Zahnrad 34 angetrieben wird und welcher seinerseits ein radial weiter außen angeordnetes zweites Zahnrad 45 antreibt, welches einen geringeren Durchmesser und weniger Zähne aufweist als das erste Zahnrad 34. Somit dreht sich das zweite Zahnrad 45 schneller als das erste Zahnrad 34. Dieses zweite Zahnrad 45 ist auf einer Welle 46 angeordnet, die über Lager 47 rotierbar gelagert ist und die sich parallel und radial weiter außen zu der nach unten hin verlängerten Antriebsachse 31 des Turbinenrads 3 erstreckt. Diese Welle 46 erstreckt sich von dem zweiten Zahnrad 45 aus nach unten hin und auf dieser Welle 46 ist im unteren Bereich ein drittes Zahnrad 48 angeordnet, welches einen größeren Durchmesser und somit mehr Zähne aufweist als das oben auf der Welle 46 angeordnete zweite Zahnrad 45. Über dieses dritte Zahnrad 48 läuft wiederum ein zweiter Zahnriemen 49, der radial weiter innen über ein viertes Zahnrad 50 läuft, welches im Durchmesser kleiner ist als das dritte Zahnrad 48, so dass die Rotation des dritten Zahnrads 48 bei Übertragung der Kraft des zweiten Zahnriemens 49 zu einer demgegenüber schnelleren Rotation des vierten Zahnrads 50 führt und somit eine Übersetzung von dem dritten Zahnrad 48 und der Welle 46 auf das vierte Zahnrad 50 gegeben ist.
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Dieses vierte Zahnrad 50 steht in Verbindung mit dem unteren Ende der verlängerten Rotationsachse 41 der Hohlkammer 2, so dass über den Zahnriemen 49 und das Zahnrad 50 eine Antriebskraft auf die Antriebsachse 41 der Hohlkammer übertragen wird. Diese Antriebsachse 41 ist über Lager 61 drehbar gelagert und verläuft konzentrisch innerhalb der hohl ausgeführten Turbinenachse 31, welche wiederum über eigene Lager 42 rotierbar gelagert ist. Das gesamte Getriebe, die Wellen und die beiden Achse sind über eine Halterung 43 im Behälter 51, beispielsweise an dessen Innenwandung oder an anderen tragenden Teilen des Behälters 51 verankert.
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Durch die Konzeption des zuvor beschriebenen Getriebes mit einer in dem Ausführungsbeispiel doppelten Übersetzung führt die Rotation des Turbinenrads 3 zu einer höheren Drehgeschwindigkeit der Antriebsachse 41, über die die Hohlkammer 2 angetrieben werden kann. Die Antriebskraft für die Rotation des Turbinenrads 3 selbst und auch diejenige, die dazu dient, zusätzlich die Hohlkammer 2 in Rotation zu versetzen, wird somit von der Energie des einströmenden Wassers aufgebracht.
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In 4 ist weiterhin erkennbar, dass die Rotationsachse 41 der Hohlkammer 2 über diverse Lager 61 in einer statischen Struktur gelagert ist, die sich bei Rotation der Achse 41 nicht mitdreht. Diese statische Struktur ist beispielsweise über sich radial nach außen hin erstreckende Arme der Halterung 43 an der Innenseite der Wandung des Behälters 51 abgestützt und befestigt, so dass die durch die Rotation von Hohlkammer 2 und Turbinenrad 3 auftretenden Kräfte und Schwingungen aufgefangen und in tragende Teile der Turbinenanordnung eingeleitet werden. Die Turbinenachse 31, die die Rotationsachse 41 der Hohlkammer 2 konzentrisch umgibt und etwas kürzer ist als diese, ist über die Lager 42 gelagert und diese Lager befinden sich ebenfalls in statischen Teilen der Halterung 43, so dass auch hier die Schwingungen aus der Rotationsbewegung aufgenommen werden.
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Der Behälter 51 weist wie man aus der Gesamtansicht der Anlage gemäß 5 erkennen kann in seiner axialen Ausdehnung (Ausdehnung in Höhenrichtung) eine Teilung auf, so dass sich mehrere zylindrische Abschnitte des Behälters 51 ergeben, die über Flansche lösbar miteinander verbunden sind, so dass man in einem Bereich, in dem sich die Einbauten befinden, den Behälter 51 öffnen kann, wenn man zu Zwecken der Wartung oder Reparatur Einbauten wie Zahnräder, Lager und dergleichen erreichen will.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Hohlkammer
- 3
- Turbinenrad
- 11
- Pumpvorrichtung
- 12
- plattenförmiges Bauteil der Pumpe
- 13
- Behältnis, Becken
- 14
- Zulauf für Wasser
- 15
- Pfeil für Strömungsrichtung
- 16
- Öffnung
- 17
- Pfeile für Wasserströmung
- 21
- äußere zylindrische Wandung
- 22
- Kanäle der Hohlkammer
- 23
- Einwegventil
- 24
- Rohrstutzen, Kanal
- 25
- radialer Abstand von der Achsmitte bis zum Austritt
- 28
- Pfeil für Strömungsrichtung
- 29
- Pfeil, Strömungsrichtung des einlaufenden Wassers
- 31
- Turbinenachse
- 32
- Basisplatte der Turbine
- 33
- Schaufeln des Turbinenrads
- 34
- Zahnrad auf der Achse des Turbinenrads
- 41
- Antriebsachse der Hohlkammer
- 42
- Lager der Turbinenachse
- 43
- Halterung des Getriebes
- 44
- Zahnriemen
- 45
- zweites kleineres Zahnrad
- 46
- Welle
- 47
- Lager
- 48
- drittes größeres Zahnrad
- 49
- Zahnriemen
- 50
- viertes kleineres Zahnrad
- 51
- Behälter
- 52
- axialer Strömungskanal
- 53
- Ablauf
- 55
- Untergrund
- 59
- Halterung
- 60
- mittlerer Bereich des Behälterinneren
- 61
- Lager der Antriebsachse der Hohlkammer
- 62
- Wasserpegel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2035690 [0002]
- DE 102015108556 A1 [0003]
