DE102019008194A1

DE102019008194A1 - Wassermotor zur Verwendung in einer geschlossenen Druckleitung

Info

Publication number: DE102019008194A1
Application number: DE102019008194.3A
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: Vonney Eng Ug Haftungsbeschraenkt; Vonney Engineerung Ug Haftungsbeschraenkt
Current assignee: Vonney Engineerung Ug Haftungsbeschraenkt De
Priority date: 2019-11-26
Filing date: 2019-11-26
Publication date: 2021-05-27

Abstract

Bei der Erfindung handelt es sich im Wesentlichen um ein Wasserrad zur Umwandlung von potenzieller Energie, die als Druck in einer Rohrleitung gespeichert ist, in nutzbare kinetische Energie. Bei herkömmlichen Turbinen wie Pelton- Franzis- oder Kapplanturbinen bedarf es einer gewissen Geschwindigkeit des Fluids, um als Produkt aus Masse und Geschwindigkeit eine Kraft auf die Turbinenschaufeln auszuüben. Bei der der Erfindung zugrunde liegenden Technik genügt allein die Druckdifferenz zwischen Zu- und Ablaufleitung zur Erzeugung eines Drehmomentes, das auf einen Rotor und der damit verbundenen Abtriebswelle wirkt. Das System ermöglicht es, selbst bei geringen Entnahmemengen nutzbare kinetische Energie zur Verfügung zu stellen.

Description

Will man durch Wasserkraft Energie erzeugen, so werden in der Regel Kaplan-, Francis- oder Peltonturbinen eingesetzt. Sie sind mit Schaufeln ausgerüstet, auf die in einer Zeiteinheit eine bestimmte Menge Wasser mit einer definierten Geschwindigkeit auftrifft. Die dabei erzeugte Kraft an einer Schaufel ergibt sich aus dem Produkt aus Masse und Geschwindigkeit. Das heißt, das auf die Schaufeln auftreffende Wasser muss eine bestimmte Mindestgeschwindigkeit aufweisen, um überhaupt eine relevante Kraft auf die Schaufeln auszuüben, die dann über das erzeugte Drehmoment an der Rotorwelle in Form einer Drehbewegung genutzt werden kann. Die in einer unter Druck stehenden Rohrleitung vorhandene potentielle Energie wird dabei über zwei Stufen in eine nutzbare kinetische Energie transferiert.
Diese Art von Turbinen werden zumeist in Systemen mit einem offenen und drucklosen Ablauf konzipiert.
Der in den Patentansprüchen 1-6 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, dass die oben genannten Turbinen aufgrund eines geringen Wirkungsgrades bei geringem Wasserdurchfluss nicht für den Einsatz in einer Rohrleitung geeignet sind, wenn aus einer solchen nur kleine Wassermengen entnommen werden.
Kleine Wassermengen, wie sie z. B. in Hausinstallationen entnommen werden, reichen nicht aus, um diese Turbinen aus ihrer Ruhelage zu beschleunigen. Insbesondere wenn sie mit Folgeaggregaten wie z. B. einem Stromerzeuger verbunden sind, bedarf es einer gewissen Zeit bis sie die erforderliche Drehzahl erreicht haben.
Das Wasser trifft zwar auch die Schaufel der Turbine, diese benötigt jedoch eine gewisse Zeit um aus ihrer Ruhelage in eine Drehbewegung beschleunigt zu werden. D. h., in den ersten Zeitintervallen fließt das Wasser einfach an den Schaufeln vorbei, ohne eine nutzbare Wirkung zu erzielen.
Dieses Problem wird durch die in den Patentansprüchen 1-6 beschriebenen Merkmale gelöst.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile liegen darin, dass die Flüssigkeit nicht erst noch auf eine gewisse Geschwindigkeit gebracht werden, um eine Kraft auf eine Turbinenschaufel ausüben zu können. Potenzielle Energie wird direkt in nutzbare kinetische Energie umgewandelt und steht damit auch bei Entnahme kleiner Flüssigkeitsmengen aus einer Rohrleitung direkt zur Verfügung.
Das nachfolgend beschriebene Wasserrad arbeitet nach einem Prinzip, bei dem ausschließlich der in einer Leitung vorhandene Druck genutzt wird, um Kräfte auf eine Rotorwelle zu übertragen.
Ein Ausführungsbeispiel ist in den folgenden Zeichnungen dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.
Es zeigen

1 Wasserrad komplett mit Zu- und Ablauf
2 Wasserrad im Schnitt: Ringleitungen mit ein- und Auslassöffnungen
3 Wasserrad im Schnitt: Anordnung der Bauteile
4 Wasserrad Detail: Druckkammer
5 Wasserrad Detail: Kurvenbahn

Das Wasserrad besteht aus einem Rotor (1), der mit einer bestimmten Anzahl von beweglichen Schaufeln (2) ausgerüstet ist und einem Stator (3), der aus einem Ring besteht, der Abschnittsweise, nach innen hin, verschiedene Durchmesser aufweist. Es wechseln sich immer eine Fluidzone (4) und eine Materialzone (5) ab. Die theoretische Mittenachse des Rotors ist identisch mit der des Stators.
Die einzelnen Schaufeln (2) sind im Bereich der Materialzone (5) eingeklappt du liegen am Rotor (1) an.
Im Bereich der Fluidzone sind die Schaufeln (2) ausgeklappt und bilden zusammen mit den Innenflächen des Stators (3), des Rotors (1), der Seitenwand Zulaufseite(6) und der Seitenwand Ablaufseite (7) eine Druckkammer (8).
Wenn sich nun diese Druckkammer mit einem Gas oder Fluid unter einem erhöhten Druck füllt, entsteht eine Kraft, die auf die gesamten die Druckkammer bestimmenden Wände wirkt. Da die Schaufeln (2) ihre Position rund um die Mittenachse des Rotors (1) verändern können, also basierend auf die Rotormittelachse jede einen Freiheitsgrad besitzt, sind diese Kräfte nun bestrebt, die Schaufeln (2) von der Materialzone (5) weg zu drücken und dadurch den Rotor (1) in eine Drehbewegung zu versetzten. Die Druckkammer (8) wird dabei zu einer variablen Druckkammer. Die auf die Schaufel wirkende Kraft entspricht dann dem Produkt aus dem in der Druckkammer herrschenden Druck und der von diesem Druck beaufschlagten Fläche der Schaufel.
Die Seitenwände weisen Einlassöffnungen (9) und Auslassöffnungen (10) vor, die gegeneinander versetzt angeordnet sind. Die Einlassöffnung befindet sich in Drehrichtung des Rotors (1) direkt hinter der Materialzone (5) und die Auslauföffnung auf der gegenüberliegenden Seite unmittelbar vor der Materialzone (5).
Der Abstand der beiden Öffnungen ist so groß, dass sich in Drehrichtung des Rotors (1) zwischen Beginn der Einlassöffnung (9) und Beginn der Auslassöffnung (10) immer zwei Schaufeln (2) in ausgeklapptem Zustand befinden. Mindestens eine der beiden Schaufeln befindet sich in ihrer Endlage, so dass sie zusammen mit den Innenflächen des Rotor, des Stators und den Seitenwänden (6, 7) ein bis auf die Einlassöffnung (9) ein in sich geschlossenes Raumvolumen bilden, in das die jeweils nachfolgende Schaufel eintaucht.
Dadurch wird verhindert, dass ein Fluid auf direktem Wege von der Einlassöffnung zur Auslassöffnung fließen kann.
Wir nun eine verschlossene Rohrleitung, in die das Wasserrad eingebaut ist, an der Ablaufseite (12) geöffnet, erfolgt bei einem Fluid aufgrund dessen Inkompressibilität sofort ein Druckabfall auf dieser Seite des Systems. Der im Zulauf (11) herrschende Druck bewirkt sofort eine Bewegung der Schaufel in Drehrichtung wodurch der Rotor und die mit diesem verbundene Abtriebswelle (13) in eine Drehbewegung versetzt wird.
Die Schaufel (2) ist mit einem exzentrisch angeordneten Zylinder (14) ausgestattet, der in einer Kurvenbahn (15) läuft, die in der Seitenwand Ablaufseite (7) eingelassen ist. Diese Kurvenbahn bewirkt eine Zwangsführung der Schaufeln. Diese führt dazu, dass das Ende und die Rückseite der Schaufel immer einen Mindestabstand zur Wand des Stators einhalten und es so an diesen Stellen zu keinen Reibungsverlusten und keinen auf Abrieb basierenden Verschleißerscheinungen zwischen Schaufel und Stator kommt. Dieser Mindestabstand ist so bemessen, dass lediglich ein kleiner Spalt entsteht, der von einem dünnen der Schmierung dienenden Fluidfilm gefüllt wird.
Der Bereich vom der Einlassöffnung (9) bis zum Auslassöffnung (10) bildet eine Sektion (16). Der Wassermotor ist in mehrere Sektionen aufgeteilt. Jeweils an der Einlauf- und an der Auslaufseite sind die Sektionen über eine Ringleitung (17;18) miteinander verbunden. Die Anzahl der Sektionen ist von der Baugröße des Wassermotors abhängig, Je größer die Durchmesser von Rotor und Stator, umso mehr Sektionen können untergebracht werden, was zur Folge hat, dass mehr Schaufeln mit Druck beaufschlagt werden und sich somit das verfügbare Drehmoment an der Rotorachse erhöht.
Bezugszeichenliste

1: Rotor
2: Schaufel
3: Stator
4: Fluidzone
5: Materialzone
6: Seitenwand Zulaufseite
7: Seitenwand Ablaufseite
8: Druckkammer
9: Einlassöffnung
10: Auslassöffnung
11: Zulauf
12: Ablauf
13: Abtriebswelle
14: Exzenter
15: Kurvenbahn
16: Sektion
17: Ringleitung Einlaufseite
18: Ringleitung Auslaufseite

Claims

Wasserrad zur Nutzung von in Druckleitungen vorhandener potentieller Energie bestehend aus Rotor (1), Stator (3), Schaufeln (2), Ringleitung für Einlaufseite (17), Ringleitung für Ablaufseite (18, Abtriebswelle (13) sowie Kurvenbahn (15) an der Seitenwand der Ablaufseite, dadurch gekennzeichnet, dass ein Fluid seitlich in den Druckraum eintritt und diesen auch seitlich wieder verlässt.
Wasserrad nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufeln (2) mit einem Exzenter (14) ausgestattet sind.
Wasserrad nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Exzenter (14) in einer Kurvenbahn (15) laufen, die eine zwangsweise Öffnung oder Schließung der Schaufeln (2) bewirkt.
Wasserrad nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich immer zwei Schaufeln (2) im Druckraum (8) befinden, von denen sich mindestens eine im aufgeklappten Zustand befindet.
Wasserrad nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasserrad entsprechend des gewählten Durchmessers in mehrere Sektionen (16) aufgeteilt werden kann.
Wasserrad nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das auf die Antriebswelle (13)wirkende Drehmoment entsprechend der Anzahl der Sektion (16) erhöht oder vermindert wird.