DE19849975A1 - Wind- und Wasserkraftanlagen - Google Patents

Abstract

Bei der Umsetzung der Energie in Wind- und Wasserkraftanlagen muß die Druckdifferenz zwischen den beiden Seiten der Schaufeln bzw. Flügel maximiert werden. Drei Lösungen dazu bietet diese Erfindung: durch Einsatz einer Drehhubkolbenmaschine oder von Düsenflügeln oder von Druckschaufeln. Bei der Drehkolbenturbine läßt sich der Zu- und Abfluß in räumlich getrennten Bereichen optimieren. Beim Düsenflügel wird Fluid mittig angesaugt und fließt mit hoher Geschwindigkeit durch längliche Düsen an der Sogseite der Flügel ab, womit entsprechend hoher Auftrieb erreicht wird. Die Druckschaufel weist keinerlei Sogweite auf, die Energie wird also ausschließlich per Druck übertragen, ein Rückstrom in Form eines Ringwirbels wird zusätzlich eingesetzt. Bei allen Maschinen wird der Zu- und Abfluß in Form von Potentialdrallwirbeln organisiert, in welchen die normale Molekularbewegung nicht chaotisch in alle Richtungen weist wie in der ursprünglich anstehenden Wind- bzw. Wasserströmung, sondern deren Energie in wohl geordneten Strömungen zur Verfügung steht.

Description

1. Grundlagen 1.1. Basis

Erfindungen des Anmelders zur Fluid-Technologie wurden in drei Patentanmeldungen vom 17. 02. 1998 dargestellt:

• 1. "Konstruktive Elemente zur Verbesserung des Fluidstroms in Rohren" (Aktenzeichen 198 06 513.2, im folgenden "Rohrerfindung" genannt),
• 2. "Konstruktive Elemente zur Verbesserung von Arbeits- und Kraftmaschinen (Aktenzeichen 198 06 507.8, im folgenden "Maschinenerfindung" genannt) und
• 3. "Konstruktive Elemente zur Verbesserung des Auf- und Vortriebs von Luft- und Wasserfahr­ zeugen" (Aktenzeichen 198 06 462.4, im folgenden "Fahrzeugerfindung" genannt").

Die Beschreibung dieser Erfindungen wurde vom Anmelder auch in Buchform in 1998 veröffentlicht ("Evert-Fluid-Technologie", Verlag Evert-Fluid-Tech, Marbach, ISBN 3-00-002499-9).

Diese Patentanmeldung hier basiert auf dort ausführlich dargestellten generellen Gesichtspunkten zur Fluid-Technologie. In der Rohrerfindung wurden unter anderem ein "Behälterauslauf bzw. Rohrein­ lauf", in der Maschinenerfindung unter anderem eine "Druckpumpe" und "Drehhubkolbenmaschine", in der Fahrzeugerfindung unter anderem ein "Impulsumsetzer", eine "Rohrschraube", eine "Düsentrag­ fläche" sowie ein "Auftriebskörper" vorgestellt. Diese konstruktive Elemente werden hier in neuartiger Kombination zum Zwecke einer Turbine verwendet bzw. deren Konstruktionsprinzipien neuartig aus­ gelegt entsprechend den Erfordernissen von Wind- und Wasserkraftanlagen.

1.2. Zielsetzungen

In obigen Patentanmeldungen wurde unter anderem ausführlich dargestellt, warum zu welchem Zweck sinnvollerweise die Nutzung von Druck oder Sog eingesetzt werden sollte. Generelle Zielsetzung der Erfindung hier ist, die Druck- bzw. Sogwirkung eines Fluids bei Turbinen bzw. Wind- und Wasser­ kraftanlagen optimal zu nutzen.

Als eines der Ergebnisse obiger Patentanmeldungen wurde festgestellt, daß für die Umsetzung der Druck- bzw. kinetischen Energie einer Fluidströmung in mechanische Drehbewegung ausschließlich die Übertragung von Druck anzuwenden ist. Eine Zielsetzung dieser Patentanmeldung hier ist dem­ entsprechend die Konzeption einer Turbine, bei welcher die Umformung von Energie eines Fluid­ stroms in mechanische Drehbewegung ausschließlich durch Druckwirkung bewerkstelligt wird. Dazu sind entsprechende Turbinenschaufeln zu konzipieren analog zu obiger Druckpumpe. Schaufeln dieser Art werden hier "Druckschaufeln" bzw. die Maschine dieser Zielsetzung "Druckturbine" genannt.

Als ein weiteres Ergebnis obiger Patentanmeldungen wurde festgestellt, daß an den Oberseiten von Tragflächen zweckmäßigerweise beschleunigte Luft ausströmen sollte. Als Anwendung dieser Erkenntnis wurde dort obige Düsentragfläche zum Einsatz in Flugzeugen vorgestellt. Dieses konstruktive Prinzip soll hier in analoger Weise bei den Flügeln von Wind- und Wasserkraftwerken eingesetzt werden. Die Maschine dieser Zielsetzung wird hier "Düsenturbine" genannt.

Als ein weiteres Ergebnis obiger Patentanmeldungen wurde der harmonische Bewegungsablauf einer Drehhubkolbenmaschine dargelegt. Bei dieser sind Ein- und Auslaß getrennte Bereiche, ist also eine räumliche Trennung von Druck- und Sogbereichen gegeben. Diese Drehhubkolbenmaschine ist bei entsprechender Auslegung bestens geeignet bei Wind- und Wasserkraftanlagen. Die entsprechende Maschine wird hier "Drehkolbenturbine" genannt.

Bei allen Turbinen kommt auch der Gestaltung des Ein- wie des Auslaß der Fluidströmung besondere Bedeutung zu, gleichgültig wie die eigentliche Energieumsetzung organisiert wird. Gemeinsames Kennzeichen der obigen Maschinen ist darum die Gestaltung dieser Bereiche. Dazu werden hier die obigen konstruktive Elemente des Behälterauslaufs- bzw. Rohreinlaufs, Auftriebskörpers und des Impulsumsetzers in analoger Weise eingesetzt. Zielsetzung dieser Patentanmeldung ist also auch, für die Druck-, Düsen- wie Drehkolbenturbine die Ein- und Auslaßbereiche nach gleichen Kriterien in optimaler Weise zu konzipieren.

1.3. Begriffsvereinbarungen

Zunächst sollen einige Begriffe definiert werden, welche in dieser Patentanmeldung im folgenden stets in diesem Sinne verwendet werden.

Alle feststehenden Körper werden als Bestandteile des "Gehäuses" bezeichnet, welche in den Zeich­ nungen als "GE" gekennzeichnet sind. Drehbare feste Körper werden im folgenden stets "Rotor" ge­ nannt, welche in den Zeichnungen als "RO" gekennzeichnet sind. Die Drehung erfolgt um eine Achse, welche hier stets "Mittelachse" genannt wird und in den Zeichnungen als "MA" gekennzeichnet sind. Eine Richtungsänderung eines Fluidstroms wird hier stets als "Umlenkung" bezeichnet. Wenn eine Umlenkung durch einen feststehenden Körper erfolgen soll, so wird die dazu verwendete Einrichtung stets "Leitblech" genannt. Wenn eine Umlenkung durch einen Rotor erfolgen soll, so wird die dazu verwendete Einrichtung stets "Schaufel" genannt. Wenn die Umsetzung von Energie durch einen Körper ähnlich einer Flugzeugtragfläche statt findet, so wird dieser Körper hier stets "Flügel" genannt.

In Bild 1 oben ist beispielsweise und rein schematisch die Schaufel A eines Rotors dargestellt. Auf diese Schaufel soll ein Fluidstrom B bzw. C anstehen. Die Richtung einer Strömung wird hier stets durch solche gestrichelten Pfeile dargestellt. Der Rotor wurde sich dann hier nach oben bewegen, auch die Bewegungsrichtung von Körpern wird hier durch solche Pfeile dargestellt. Die Strömung B trifft hier beispielsweise auf die hier untere Seite der Schaufel. Diese Seite einer Schaufel wird hier stets als "Vorderseite" oder "Druckseite" bezeichnet. Die Strömung C fließt hier beispielsweise oben über die Schaufel hinweg. Diese Seite einer Schaufel wird hier stets als "Rückseite" oder "Sogseite" bezeichnet.

In Bild 1 mittig ist beispielsweise und rein schematisch ein Längsschnitt durch eine Turbine darge­ stellt. Durch ein Rohr des Gehäuses soll ein Fluidstrom D in die Turbine einfließen. Dieser Bereich des Zuflusses wird hier stets als "Einlaß" bzw. "Einlaßbereich" bezeichnet. Der Bereich des Abfluß aus der Turbine (hier nicht dargestellt) wird analog dazu als "Auslaß" bzw. "Auslaßbereich" bezeichnet.

Der Einlaßstrom bzw. die Fluidströmung E kann durch die Formgebung des Rotors bzw. durch eine Schaufel F eine Umlenkung in Richtung G erfahren. Prinzipiell wird hier die Richtung H einer Strö­ mung entsprechend des ursprünglichen Einlaßstromes als "vorlich" bezeichnet, die entgegen gesetzte Richtung J wird als "achterlich" bezeichnet. Eine Strömung in Richtung 1, also prinzipiell von der Mittelachse weg und hin zum Rand der Maschine, wird als "auswärts" bezeichnet. Die umgekehrte Richtung K, also prinzipiell vom Rand hin zur Mittelachse, wird als "einwärts" bezeichnet. Bereiche näher zur Mittelachse werden als "innen" bezeichnet, Bereiche näher zum Rand der Maschine ent­ sprechend als "außen".

In Bild 1 unten ist beispielsweise und rein schematisch ein Querschnitt bzw. eine Draufsicht ent­ sprechend obiger Abbildung dargestellt. Der Einlaßstrom L durch das Rohr des Gehäuse könnte hier durch Schaufeln M des Rotors eine Umlenkung in Richtung N erfahren. Die Drehung des Rotors wird hier prinzipiell gegen den Uhrzeigersinn dargestellt bzw. unterstellt (Ausnahmen davon sind speziell gekennzeichnet). Die Richtung P im Drehsinn des Rotors wird hier stets als "vorwärts" bezeichnet (im Gegensatz zu obigem "vorlich"). Die entgegen gesetzte Richtung R wird hier stets als "rückwärts" bezeichnet (im Gegensatz zu obigem "achterlich"). Auch in dieser Sicht könnte die Strömung in Richtung O, also nach "außen" fließen, oder in entgegen gesetzte Richtung Q, also nach "innen". Bei diesen Strömungsverhältnissen ist oftmals eine Drehbewegung S des Fluids in prinzipieller Richtung um die Mittelachse sinnvoll. Diese Bewegung wird hier stets als "Drall" bezeichnet.

Auch wenn auf einem Rotor Flügeln (hier nicht dargestellt) montiert sind, werden entsprechend die Begriffe Vorder- bzw. Druckseite und Rück- bzw. Sogseite, vorlich und achterlich, vorwärts und rückwärts, innen und außen verwendet, um sowohl die Formgebung als auch die Bewegungsabläufe zu beschreiben.

1.4. Lösungsansätze

Die in Bild 1 dargestellte Schaufel A soll stellvertretend für herkömmliche Schaufeln unterschied­ licher Profilierung angesehen werden, welche stets eine Vorder- und eine Rückseite aufweisen.

Solche Schaufeln werden im Prinzip schräg angeströmt und die Energie des Fluids wird durch Druck auf der Druckseite bzw. durch Sog an der Sogseite auf den Rotor übertragen. Nur bei Freistrahl­ turbinen wird die Rückseite vom Fluid praktisch gar nicht bestrichen und durch eine Umlenkung um nahezu 180 Grad wird dort die Energie praktisch nur per Druck übertragen.

Bei praktisch allen andern Turbinen werden beide Schaufelseiten vom Fluid bestrichen. Auf den Rotor wirksam ist dabei die Druckdifferenz zwischen Vorder- und Rückseite der Schaufeln. Durch ent­ sprechende Profilierung wird diese Differenz möglichst groß gestaltet. Dabei ist jedoch die Anstellung der Schaufel in Relation zur anliegenden Strömung von entscheidender Bedeutung. Bei Strömungs­ abriß ist praktisch keine Kraftumsetzung mehr gegeben. Aber auch die normal üblichen Bewegungs­ abläufe im Raum zwischen den Schaufeln ergeben turbulente Strömungen und damit verminderte Kraftumsetzung.

Eine optimale Umsetzung der Energie des Fluidstroms in mechanische Drehbewegung ist nur gewähr­ leistet, wenn eine möglichst anliegende bzw. gerichtete bzw. geordnete Strömung ansteht und die er­ forderliche Umlenkung ausschließlich per Druckwirkung zwischen Schaufel und Fluid erfolgt. Es darf also in diesem Prozeß keine Umlenkung von Fluid durch Sog möglich sein. Es darf also logischer­ weise keine Sogbereiche in dieser Umlenkungsphase geben. Die Schaufeln dürfen darum logischer­ weise keine Sogseite aufweisen. Dieses ist machbar, wenn die Rückseite der Schaufeln im Prinzip nicht parallel zur Vorderseite ausgerichtet sind, sondern beide Seiten in etwa einen rechten Winkel zu einander bilden. Die Konzeption einer solchen Schaufel der Druckturbine wird unten ausführlich dar­ gestellt.

Diese Konzeption ist allerdings nur einsetzbar, wenn die Fluidströmung aus einer vorlichen in eine radiale bzw. achterliche Richtung umgelenkt wird. Wenn dagegen die prinzipiell vorliche Richtung des Fluidstromes beibehalten werden soll, können nur Schaufeln ähnlich wie Tragflächen eingesetzt werden. Bei solchen Flügeln wird es stets eine Vorder- und eine Rückseite geben, welche in diesem Sinne relativ parallel zueinander stehen. Dann kann nur versucht werden, die Druckdifferenz zwischen Druck- und Sogseite möglichst groß zu gestalten. Diese Zielsetzung erfüllen obige Düsentragflächen. Auch die Konzeption solcher Düsenflügel wird unten ausführlich dargestellt.

Bei Hubkolbenmaschinen wird im Arbeitstakt der anstehende Druck in mechanische Bewegung umge­ setzt. Eine Sogseite gibt es dort nicht, bzw. es liegt an der Kolbenrückseite der normale Luftdruck innerhalb des Kurbelgehauses an. Bei beidseitig genutzten Hubkolben könnte im Prinzip der Druck­ seite eine Sogseite gegenüber stehen. Wenn dieser Hubkolben während eines Taktes gedreht wird, dann sind die Ein- und Auslaßbereiche durch den Kolben getrennte Räume. Dieses Prinzip wird in obiger Drehhubkolbenmaschine realisiert. Diese Konzeption einer Drehkolbenturbine ist damit auch für den Einsatz in Wind- und Wasserkraftanlagen geeignet wie unten ausführlich dargestellt.

Es kommt also immer darauf an, die Druckdifferenz zwischen Vorder- und Rückseite zu maximieren. Bei der Druckturbine kann das durch die Formgebung der Schaufeln erreicht werden, indem es prak­ tisch keine saugende Rückseite an den Schaufeln gibt. Bei der Düsenturbine kann das durch stark erhöhte Strömungsgeschwindigkeit auf der Rückseite der Flügel erreicht werden, indem dort zusätz­ liche und beschleunigte Fluidströme austreten. Bei der Drehkolbenturbine sind Druck- und Sogseite automatisch getrennte Bereiche, so daß im Einlaß die gegebene Druckenergie ansteht und im Auslaß bestmöglich Sog zu organisieren ist.

Bei allen Schaufeln und Flügeln, aber auch Leitblechen, muß auf den Winkel der Anströmung geachtet werden. Nur innerhalb eines schmalen Bandes von Winkeln wird er beste Wirkungsgrad erreicht, außerhalb dessen tritt Turbulenz und Abriß auf und der Wirkungsgrad geht gegen null.

In obigen Erfindungen wurde darum festgestellt, daß eine Übergabe von Fluid zwischen festen und beweglichen Körpern stets möglichst tangential erfolgen sollte. Bei von außen nach innen ange­ strömten Turbinen ist das leicht machbar, bei Anströmung in axialer oder radialer Richtung nur schwer zu realisieren. Dieses Problem kann wesentlich reduziert werden durch den Einsatz von Schaufeln obiger Druckturbine wie durch die Flügel der Düsenturbine, weil diese erst bei extremen Anströmwinkeln Turbulenz oder Strömungsabriß aufweisen. Aber auch zur Drehkolbenturbine sollte der Einlaß in tangentialer Richtung erfolgen und ebenso der Auslaß tangential in einen entsprechende Auslaßkanal abgegeben werden.

Die Strömung im Einlaß stellt eine Energie bereit, deren Betrag abhängig ist von der Masse und deren durchschnittlicher Geschwindigkeit. Dieser statische bzw. dynamische Druck kann durch die Turbine umgesetzt werden in Drehenergie. Eine Fluidströmung gleichen Durchsatzes kann jedoch weit höhere kinetische Energie besitzen, wenn diese Strömung zusätzlich zur axialen bzw. generellen Strömungs­ richtung eine Drallströmung aufweist. Dieser Drall wird teilweise auch durch Leitwerke herkömm­ licher Turbinen erzeugt und im Rotor genutzt, wiederum mit obiger Problematik der Anstellwinkel.

Als genereller Lösungsansatz hier wird dieser Drall stets in Form von Potentialdrallwirbeln oder von Ringwirbeln organisiert. Diese Wirbelformen weisen die bekannten Effekte der Selbst-Stabilisierung auf. Potentialdrallwirbel können zusätzlich den Effekt der Selbst-Beschleunigung aufweisen, wie durch Tornados eindrucksvoll aufgezeigt wird. Wie in obigen Erfindungen dargelegt bzw. allgemein bekannt ist, zeichnen diese Wirbel ein hoher Grad von Ordnung aus, die Bewegungen aller Fluidteile sind dort gleichgerichteter als in normalen Strömungen, die Fluide können innerhalb dieser Strömung größere Dichte aufweisen.

Damit wird ein höherer Massedurchsatz erreicht oder zumindest weist die anstehende Strömung insge­ samt ein weit höhere kinetische Energie aus. Diese Art Drallbildung wird darum bei diesen Turbinen hier innerhalb der Maschine, aber auch im Einlaß- wie im Auslaßbereich eingesetzt.

Anstelle der Auslösung der Drallbewegung durch Leitbleche und die Formgebung anderer Gehäuse­ teile kann diese Drallbewegung auch durch bewegliche Teile ausgelöst bzw. forciert werden. Dieses kann durch beliebige Formen von Pumpen geschehen, beispielsweise Zentrifugalpumpen. Besonders geeignet jedoch ist ein Rotor analog zur Rohrschraube aus obiger Fahrzeugerfindung, welcher hier im folgenden als "Rohrpumpe" bezeichnet wird. Durch einen Rotor dieser Bauart wird mechanische Be­ wegung optimal in Drallbewegung des Fluids übersetzt. Es kann außerordentlich zweckmäßig sein, am Ende des Einlaßbereiches bzw. unmittelbar vor dem Rotor einer Turbine eine solche Pumpe einzu­ setzen, speziell in der Bauart einer Rohrpumpe. Auch diese Konzeption ist unten ausführlich darge­ stellt.

1.5. Wirkung des Soges

Bevor die prinzipielle Konzeption der diversen konstruktiven Elemente dieser Druck-, Düsen- sowie Drehkolbenturbinen, der Gestaltung der Ein- und Auslaßbereiche wie des Einsatzes einer Rohrpumpe dargestellt werden, sollen hier nochmals die wesentlichen Vorgänge in einem Sogbereich dargestellt werden, welche in obigen Erfindungen ausführlich beschrieben sind.

Im Fluid bewegen sich die Moleküle bekanntermaßen in chaotischer Weise in alle Richtungen des Raumes. Die mittlere Geschwindigkeit dieser Bewegung liegt bei Luft in einer Größenordnung von 400 bis 500 m/s und ist entsprechend auch bei Wasser vielfach höher als die in technischen Anwen­ dungen erreichten Fließgeschwindigkeiten. Die einzelnen Moleküle sind unterschiedlich schnell und auch der Zeitraum zwischen zwei Kollisionen und damit die zurückgelegten Wegstrecken sind unter­ schiedlich groß. Wenn nun jedoch ein Molekül zufällig in Richtung einer relativen Leere gestoßen wird, so kann es in diese Richtung relativ weite Strecken ohne erneute Kollision zurück legen. Es fehlt damit in seinem Herkunftsbereich als potentieller Kollisionspartner. Zufällig in ähnliche Richtung gestoßene andere Moleküle können hinter dem ersten ähnlich weit fliegen, wobei die Wahrschein­ lichkeit von gegen diese Richtung erfolgenden Kollisionen relativ gering ist. Diese Moleküle können vielmehr in einen Sogbereich relativ dicht beisammen relativ weit fliegen in einer relativ gut ge­ ordneten Strömung mit relativ wenig schädlichen Kollisionen im Sinne dieser Strömung.

Auch Moleküle einer großräumigen Strömung werden also aus dieser generellen Strömungsrichtung "ausbrechen" bzw. "herausfallen" durch die normale Molekularbewegung, wenn beispielsweise seitlich zu dieser Strömung eine relativ geringe Dichte gegeben ist. Dieses ist beispielsweise an der Rückseite normaler Schaufeln gegeben. Ein wesentlicher Anteil der Fluidmasse vollzieht dort einen Richtungs­ wechsel in den Sogbereich hinter der Schaufel hinein, ohne daß diese Umlenkung durch Druck an einer Schaufelvorderseite erfolgt wäre. Diese durch Sog erfolgte Umlenkung reduziert die Dichte der Fluidmasse in der ursprünglichen Richtung. In Bild 1 wird darum vom ursprünglichen Fluidstrom C nur eine Restmenge zum Aufprall auf der nachfolgenden Druckseite der nächsten Schaufel zur Ver­ fügung stehen.

Dieses sind die nachteiligen Erscheinungen bzw. Konsequenzen aus dem Bewegungsablauf bei den allermeisten der herkömmlichen Turbinenschaufeln. Darum ist es so entscheidend wichtig, daß Schaufeln keine Rückseite bzw. Sogbereiche bei der Umlenkung zum Zwecke der Energieüber­ tragung aufweisen. Ganz anders verhält es sich im Bereich des Einlaß wie des Auslaß, wo durch Sog die oben beschriebene Qualität von Strömungen erreicht und zum Vorteil genutzt werden kann.

Die Energieumsetzung zwischen Fluid und Schaufel kann letztlich nur durch Kollision von Fluid­ molekülen an der Schaufelwandung erfolgen. Diese Umsetzung wird um so effektiver, je mehr Moleküle im Fluid in Richtung zur Schaufelwand geführt werden, d. h. je dichter und geordneter bzw. gerichteter die Fluidströmung kurz vor dem Auftreffen auf die Schaufelwandung ist. Eine solche Ordnung in einer Strömung kann niemals durch Druck erzeugt werden, sondern lediglich durch Anwendung von Sog. Im Einlaßbereich muß darum Sog organisiert werden, so daß eine Strömung mit möglichst hohem Anteil in gleiche Richtung fliegender Moleküle, also mit hoher kinetischer Energie unmittelbar auf die Schaufelwandungen treffen kann. In einer solchen geordneten Strömung fließen alle Moleküle schneller in die gewünschte Richtung, also auch weg von einem Turbinenrad. Also muß auch im Auslaß Sog organisiert werden, welche einen raschen Abfluß des Fluids garantiert. Nur so kann die Umsetzung von Energie durch Umlenkung an der Schaufel insgesamt maximiert werden.

In obigen Erfindungen wurde auch ausführlich dargelegt, wodurch Auftrieb an Tragflächen entsteht. Auf die Vorderseite druckt der normale Druck des Fluids. Auf der Rückseite fallen in den durch die Profilierung geschaffen Sogbereich Moleküle mit ihrer normalen Molekülargeschwindigkeit wie oben ausgeführt. Diese schnelle Bewegung über Schallgeschwindigkeit führt zu einer wesentlich erhöhten Geschwindigkeit an der Rückseite der Tragfläche. Die Moleküle fliegen dort relativ dicht beisammen relativ weite Wege zwischen den Kollisionen, welche wiederum zu relativ wenigen Bewegungen in seitliche Richtungen führen. Dieser Sachverhalt ist bekannt als relativ geringer statischer Druck schneller Strömungen. Die Moleküle treffen dabei sehr viel seltener auf der Sogseite auf als durch den normalen statischen Druck auf der Druckseite einer Tragfläche.

Bei obiger Düsentragfläche resultiert diese Druckdifferenz nicht nur aus der Profilierung, sondern durch nochmals erhöhte Strömungsgeschwindigkeit an der Sogseite. Dazu wird Luft durch die Trag­ flächen geführt und durch längliche Düsen etwa mittig auf der Sogseite mit hoher Geschwindigkeit ausgeleitet. Der statische Druck wird damit wesentlich verringert, sowohl vorlich von diesen Düsen als auch achterlich durch die Sogwirkung dieser schnellen Strömung (s. u.). Analog dazu kann dieser Effekt natürlich auch an den Flügeln von Turbinen genutzt werden, in Luft wie in Wasser.

Eine schnelle Strömung wirkt auf eine langsamere Strömung oder auf relativ ruhendes Fluid der Umgebung ebenfalls wie ein Sogbereich. Diese Erscheinung ist bekannt durch die Tatsache, daß benachbarte Strömungen stets in Richtung der schnelleren Strömung abgelenkt werden. Der relativ geringe statische Druck der schnelleren Strömung kann dem höheren statischen Druck der lang­ sameren Strömung oder gar dem des relativ ruhenden Fluids nicht widerstehen. In obigen Erfindungen wurde dieser Vorgang damit erklärt, daß in die schnellere Strömung Moleküle aus dem Randbereich zufällig in Richtung dieser Strömung gestoßen werden und darin eingehen. Diese Moleküle fehlen damit im Randbereich als Kollisionspartner, so daß weitere zufällig dorthin gestoßene Moleküle ebenfalls relativ weit ohne erneute Kollision bzw. im Sinne dieser Strömung wenig negativen Kollision in diese Richtung folgen können.

Die aufnehmende Strömung wird dadurch keinesfalls abgebremst, weil in dieser gerichteten Strömung viele Moleküle relativ dicht zusammen fließen können. Im Randbereich setzt dadurch eine Strömung in Richtung auf die Hauptströmung ein. Die schnelle Strömung "saugt" insofern zusätzliche Fluidteile in seine Richtung.

Ein solcher "Sog" durch schnelle Strömungen wird durch diesen zusätzlichen Zufluß nicht aufgefüllt wie ein temporärer Bereich relativ geringer Dichte. Diese Sogwirkung ist vielmehr seitlich im Rand­ bereich der Strömung fortwährend gegeben. Diese Sogwirkung pflanzt sich darum auch in entfernte Bereiche fort. Schon bei einer normalen Tragfläche kann beobachtet werden, daß Luft von vorn-unterhalb der Nase über die Tragfläche gelenkt wird, obwohl dort eigentlich aufgrund des Profils erhöhter Druck herrschen müßte. Um so mehr erzeugt obige Düsentragfläche "Sog" weit vor der Nase, damit auch dort erhöhte Geschwindigkeit auf der Sogseite und damit natürlich erhöhten Auftrieb. An den entsprechend gebauten Flügeln der Düsenturbine werden diese Effekte in analoger Weise nutzbar.

Die Organisation von beständig sich erhaltenden Sogbereichen bzw. -wirkungen ist also das wesent­ liche Instrument zur Erzeugung hoher Fließgeschwindigkeiten. Diese Strömungen zeichnen sich zusätzlich durch ein hohes Maß von Ordnung aller Bewegungen aus wie durch relativ hohe Dichte. Die hohe kinetische Energie solcher Strömungen kann niemals mittels Druck erzeugt werden. Die enorme kinetische Energie der normalen, jedoch chaotischen Fluidbewegungen erfährt vielmehr allein durch Sog eine nutzbare Struktur.

Diese Erkenntnisse sind bei der Formgebung der konstruktiven Elemente wie der Bewegungsabläufe im Bereich des Einlaß wie des Auslaß und ebenso bei der Energieumsetzung in diesen Druck-, Düsen- und Drehkolbenturbinen berücksichtigt.

2. Konzeption der Einlaßbereiche 2.1. Lateraler Einlaß

Die einer Turbine zur Verfügung stehende Energie kann vorwiegend aus kinetischer Energie bestehen, beispielsweise bei einem Windkraftwerk oder auch einem Wasserkraftwerk in fließendem Gewässer. Umgekehrt kann zunächst vorwiegend Druckenergie vorliegen, beispielsweise in einem Dampfkraft­ werk oder auch bei einem Wasserspeicherkraftwerk. Im letzteren Fall wird das Fluid in einem Be­ hälter bevorratet. Die hierbei zweckmäßige Gestaltung des Einlaß wird nachfolgend dargestellt. Ein solcher Einlaß ist in Bild 2 schematisch und beispielhaft dargestellt in einem Längsschnitt durch die Mittelachse, wobei die linke Hälfte des symmetrischen Einlaßbereiches nur teilweise ausgeführt ist.

Dieser Einlaß hier basiert auf Elementen des Behälterauslauf bzw. Rohreinlauf der Rohrerfindung. Hier soll das Fluid allerdings nicht in lange Rohre eingeleitet werden, sondern aus dem Einlaßbereich unmittelbar dem Rotor der Turbine zugeführt werden. Darum wird hier auf die Ausbildung einer Rollschicht verzichtet. Dieser Einlaß hier ist insofern eine vereinfachte Version obiger Erfindung.

Der Einlaß ist Bestandteil des Gehäuses, alle Teile sind also feststehend. In einem Rohr A soll eine Strömung B parallel zur Mittelachse erzeugt werden, wobei diese Strömung einen möglichst starken Drall C aufweisen soll. Unten bei Rohr A soll also der Zufluß zum Rotor (hier nicht dargestellt) der Turbine in Form einer Potentialdrallströmung vorliegen. Das Fluid soll in einem Behälter (hier nicht dargestellt) verfügbar sein und von dort in den Einlaßbereich mit einer Strömung D einfließen können. Die axiale Strömung darf keinesfalls vorherrschend sein. Dieser Einlaß sollte darum in Richtung der Mittelachse durch einen feststehenden Deckel E abgedeckt sein. Eine Potentialdrallströmung kann sich am besten innerhalb eines kelchförmigen Raumes ausbilden. Der Einlaßbereich sollte darum außen prinzipiell durch eine hyperbelförmige Wandung begrenzt werden. Diese Form wird hier stets als "Kelch" G bezeichnet.

Das Fluid sollte aus dem Behälter auch nicht in radialer Richtung in den Einlaßbereich einfließen. Zwischen Deckel und Kelch sollten darum Leitbleche F installiert sein, welche das Fluid in etwa tangentiale Richtung einfließen lassen. Die Anstellung und Krümmung dieser Leitbleche ist bei­ spielhaft und schematisch und in einem Ausschnitt eines Querschnitts in Bild 2 unten rechts darge­ stellt. Diese Leitbleche könnten auch drehbar angelegt sein, so daß durch unterschiedliche Stellung die Zuflußmenge regulierbar ist. Dieser Drehmechanismus und die Leitbleche könnten auch so gestaltet werden, daß sie in extremer Stellung die Funktion eines Absperrventils erfüllen.

Zwischen Deckel, Leitblechen und Kelch kann damit Fluid aus dem Behälter seitlich in den Einlaß­ bereich einfließen und wird dabei bereits Drall aufweisen. Zunächst wird damit die Drehbewegung außen stärker als innen sein, das Fluid sich also in Form eines starren Wirbels bewegen. Damit sich ein Potentialdrallwirbel ausbilden kann, muß also nun die Drehbewegung innen forciert werden. Diese Funktion wird durch die Gestaltung des oberen Teiles des Rohres A erfüllt.

Das Rohr ragt hoch bis zum Deckel. Es besteht dort jedoch aus länglichen Lamellen, welche spiralig im Drehsinn nach innen gekrümmt sind, oben mehr als unten. Drei Querschnitte in Bild 2 links zeigen die Kontur dieser Leitbleche schematisch und beispielhaft auf drei axialen Ebenen. Diese Formgebung der Leitbleche entsteht beispielsweise, indem die Rohrwandung dort zwei- oder mehrmals aufge­ schnitten wird, parallel zur Rohrachse oder auch mit spiraligem Verlauf. Das jeweils in Drehrichtung weisende Ende dieser Wandungsteile wird nach innen gekrümmt und damit ein Leitblech gebildet. Vorlich (J) am Rohr ist diese Krümmung relativ gering, mittig (I) weisen die Leitbleche weiter nach innen, achterlich (H) laufen sie mittig fest zusammen.

Achterlich ist damit die verfügbare Querschnittsfläche zum Eintritt von Fluid ins Rohrinnere am größten. Dort steht damit die größte Druckkraft an bzw. wird die größte Menge dieser obigen Drall­ strömung durch die Lamellen erfaßt. Der Fluidstrom wird achterlich auf eine relativ kleine Quer­ schnittsfläche reduziert. Im Innern des Rohres wird damit bereits achterlich ein intensiver Drall aus­ gebildet. Dieser Kernwirbel wandert nach vorlich und wird dabei stets durch den seitlichen Zustrom beaufschlagt bzw. die mittige, schnelle Drehbewegung "saugt" bereits automatisch Fluid von außen an.

Die Sog- und Druckverhältnisse innerhalb dieses lateralen Einlaß sind ausführlich in der Rohr­ erfindung dargestellt. Es steht außer Frage, daß ein Einlaß nach diesen Konstruktionsprinzipien am Rohrende eine außerordentlich starke Potentialdrallströmung erzeugt. Diese geordnete Strömung ergibt bei vergleichbarem Rohrdurchmesser einen außerordentlich hohen Durchsatz. Es steht damit relativ hohe kinetische Energie in konzentrierter Form zur Verfügung.

2.2. Axialer Einlaß

Die zweite Version des Einlaßbereiches ist konzipiert für Turbinen, bei denen die verfügbare Energie vorwiegend in Form von kinetischer Energie einer Strömung ansteht. Das ist beispielsweise gegeben bei Windkraftanlagen. Aber auch Wasserkraftanlagen in relativ starker Strömung könnten so gebaut werden, d. h. ohne das komplette Aufstauen wie bei herkömmlichen Flußkraftwerken. In Bild 3 ist diese Konzeption schematisch und beispielhaft als Längsschnitt durch eine solche symmetrische Ein­ richtung dargestellt.

Aus dem Rohr A soll wiederum eine Strömung B parallel zur Mittelachse austreten, wobei diese Strömung wiederum Drall C aufweisen, insgesamt also einen Potentialdrallströmung darstellen soll. Der Zufluß D in den Einlaßbereich soll nun jedoch ebenfalls parallel zur Mittelachse erfolgen. An­ stelle des obigen Deckels wird hier beim axialen Einlaß oben mittig ein runder Körper eingesetzt, welcher achterlich ebenfalls gerundet ist. In vorliche Richtung ist dieser Körper zugespitzt, sein Durchmesser soll vorlich also langsamer abnehmen. Ein Körper dieser Formgebung wird im folgen­ den "Insel" genannt.

Anstelle der obigen Kelchform G mit den seitlichen Öffnungen weist nun der Kelch H in achterliche Richtung eine gegenläufige Krümmung auf, so daß die Kelchwandung im Bereich des Zuflusses nahe­ zu parallel zur Mittelachse weist. Zwischen dem Kelch und der Insel sind Leitbleche F montiert, mittels welchen die Insel gehaltert wird. Diese Leitbleche und die Insel wie auch diese Kelchform erfüllen die Funktion, aus der anstehende, möglicherweise turbulenten Strömung eine geordnete Potentialdrallströmung zu bilden.

Durch die Insel wird zunächst Fluid verdrängt. Daraus resultiert eine Druckwelle nach vorlich-außen. Diese Druckwelle wird an der Innenwandung des Kelches reflektiert nach vorlich-innen. Die Energie der Druckwelle geht dem System also nicht verloren. Wenn diese Druckwelle jedoch rein radial sich ausbreitet und reflektiert wird, resultiert daraus Turbulenz und ein selbstsperrendes Bewegungssystem, wie dieses ausführlich in der Rohrerfindung erläutert ist.

Die Ausbreitung der Druckwelle muß also aus der rein radialen Richtung in eine Drallrichtung gelenkt werden. Dazu sollten diese Leitbleche von innen nach außen im Drehsinn des Systems gekrümmt sein. Diese Leitbleche sollten also spiralig angelegt sein und von innen nach außen zunehmend nach vorn weisen. In Bild 3 unten rechts ist diese Krümmung der Leitbleche beispielhaft und schematisch als Ausschnitt eines Querschnitts dargestellt in etwas kleinerem Maßstab. Die Druckwelle wird sich zwischen solchen Leitblechen F in Richtung vorlich-vorn-außen ausbreiten. Die Reflexion an der Kelch-Innenwandung H erfolgt dann ebenso nicht mehr nur in radiale Richtung, sondern nach vorlich-vorn-innen. Vorlich vom größten Durchmesser der Insel E ergibt sich damit die gewünschte Drall­ bewegung in vorliche Richtung.

Hier sind diese Leitbleche beispielsweise als senkrecht zur Mittelachse nach außen weisend einge­ zeichnet. Die Leitbleche könnten durchaus auch schräg zur Mittelachse angestellt sein, d. h. beispiels­ weise die Insel etwas weiter achterlich als der Kelchrand angeordnet sein. Die Leitbleche würden dann besser in Richtung der nach außen-vorlich sich ausbreitenden Druckwelle weisen.

Der vorliche Bereich der Insel bildet durch seine nach innen zurück weichende Wandung einen Sog­ bereich. In diesen hinein fallen Fluidteile wie oben ausgeführt. Damit diese Bewegung nun wiederum nicht nur in radialer Richtung erfolgt, sollte auch dort bereits eine Drallströmung initiiert sein. Dieses wird erreicht, wenn die Leitbleche entsprechende Krümmung aufweisen. Innen sollten darum diese Leitbleche eine relativ starke Anstellung I gegenüber der Mittelachse bzw. eine relativ starke Krüm­ mung von achterlich nach vorlich im Drehsinn aufweisen. Mittig J bzw. außen K sollte diese Anstel­ lung wie die Krümmung schwächer sein. Damit wird erreicht, daß innen eine relativ starke Drall­ bewegung gegeben ist, welche in obigen Sog im vorlichen Bereich der Insel einströmen und sich dort intensivieren kann. Dieser Kernwirbel wird weiter in vorliche Richtung wandern.

Mittig und außen wird zunächst nur eine relativ geringe Drallbewegung gegeben sein. Die Strömung außen wird zunächst auch in axialer Richtung verlangsamt durch die nach innen weisende Kelch­ wandung. Dort wird also erhöhter statischer Druck entstehen, welcher nach innen-vorn drückt und damit weiter innen strömende Fluidteile in vermehrte Drallbewegung versetzt. Innerhalb des weiteren Verlaufes des Kelches wird sich die Potentialdrallströmung in bekannter Weise weiter intensivieren.

Bei dieser Gestaltung des axialen Einlaß wird also zunächst durch die Insel und die Leitbleche wie auch den sich verjüngenden Kelch die anstehende Strömung durchaus in ihrer ursprünglichen Rich­ tung etwas abgebremst. Die kinetische Energie dieser Umlenkungen geht dem System jedoch nicht verloren. Diese Umlenkungen sind erforderlich, um die Ausbildung eines Potentialdrallwirbels aus­ lösen zu können. Dessen Intensivierung wird durch die Formgebung der Teile und den sich daraus ergebenden Sog- und Druckverhältnissen automatisch forciert. Darum steht vorlich am Rohr eine wesentlich schnellere, dichtere und besser ausgerichtete Strömung an als achterlich ursprünglich zur Verfügung stand. Die hohe kinetische Energie dieser Potentialdrallströmung ist damit zur Nutzung verfügbar.

2.3. Einlaß mit Rohrpumpe

Zielsetzung der Gestaltung des Einlaß ist die Ausbildung einer Potententialdrallströmung, um durch deren bekannte Selbststabilisierung und -beschleunigung eine optimal ausgerichtete Strömung hoher kinetischer Energie als Zulauf zum Rotor einer Turbine zu erreichen. Diese Zielsetzung kann auch erreicht werden, indem unten mittig im Einlaßbereich eine Pumpe eingesetzt wird. Durch diese Pumpe soll dort die Bewegung beschleunigt werden, insbesondere die Drallbewegung. Dieser Zweck könnte durch eine Pumpe beliebiger Bauarten erfüllt werden, besonders geeignet ist jedoch obige Rohrpumpe.

Es mag unsinnig erscheinen, in einer Turbine als Hilfsaggregat eine Pumpe einzusetzen, denn deren Antrieb geht ja zu Lasten der Leistung der Turbine. Es sei aber daran erinnert, daß beispielsweise bei allen Viertakt-Verbrennungskraftmaschinen drei Takte "unproduktiv" sind und dabei Energie aufzu­ bringen ist z. B. für ständige Beschleunigungen und Verzögerungen der Kolben und Pleuelstangen. Solcher Aufwand ist also sinnvoll, wenn damit ein verbessertes Ergebnis insgesamt erreicht wird.

Mit dem Einsatz einer Pumpe unten mittig im Einlaßbereich soll erreicht werden, daß dort Fluid über die gegebene Strömungsgeschwindigkeit hinaus beschleunigt wird, in axialer Richtung aber auch in Drallrichtung. Diese Beschleunigung wirkt einerseits als "Sog" auf Bereiche achterlich dieser Pumpe. Zum andern ist damit vorlich von der Pumpe eine schnelle Strömung gegeben, welche ebenso "saugend" auf benachbarte Fluidteile wirkt. Zum dritten geht die durch die Pumpe investierte Energie dem System nicht verloren, wenn diese beschleunigten Strömungen anschließend durch Schaufeln bzw. Flügel wieder in Drehbewegung zurück verwandelt wird.

Die Rohrpumpe wird hier als bevorzugte Bauart vorgeschlagen, weil sie mechanische Energie in optimaler Weise in Bewegungsenergie des Fluids umsetzen kann. Die hier eingesetzte Version dieser Pumpe besteht im wesentlichen aus einem Rohr, in welchem Schaufeln radial angeordnet sind. Dadurch kann das Fluid nicht seitliche entweichen und das Fluid erfährt die der Pumpendrehzahl entsprechende Drallbewegung. Die Schaufeln müssen nur eine geringe Krümmung bzw. Anstellung aufweisen, damit auch eine Förderung in axialer Richtung erreicht wird. Details dieser Rohrpumpe sind ausführlich in der Fahrzeugerfindung dargestellt, dort als Rohrschraube bezeichnet.

In Bild 4 ist dieser Einlaß schematisch und beispielhaft als Längsschnitt dargestellt. Im Bereich des Ausfluß aus dem Rohr A soll wiederum die axiale Strömung B inklusive Drall C gegeben sein, also insgesamt die gewünschte Potentialdrallströmung. Der achterliche Bereich des Einlaß ist hier nur teilweise skizziert mit den beiden Kelchformen des lateralen Einlaß G wie des axialen Einlaß H ent­ sprechend der obigen Darstellungen. Der Zufluß D kann also seitlich oder alternativ dazu auch in axialer Richtung anstehen. Das Rohr A ist hier vorlich mit vergleichsweise größerem Durchmesser gezeichnet, weil hier die Pumpe zu installieren ist.

Dargestellt ist hier eine Rohrpumpe E, welche durch eine Welle F angetrieben wird. Diese Welle könnte von oben her geführt werden, hier ist sie beispielsweise von unten durch den Rotor geführt. Diese Pumpe muß schneller drehen als der Rotor, aber gleichsinnig zu diesem. Diese Rohrpumpe besteht aus einem Stück Rohr I und zwischen diesem Rohr und der Welle sind Schaufeln I installiert. Diese Schaufeln können radial angeordnet sein und müssen nicht profiliert sein. In Bild 4 links unten ist schematisch eine Mantelabwicklung des Pumpenrohres 1 dargestellt und darin beispielsweise die Kontur der Schaufeln J auf diesem Mantel eingezeichnet. Die Krümmung der Pumpenschaufeln muß achterlich nach vorn weisen und die Anstellung vorlich etwas nach hinten. Damit wird zunächst eine axiale Beschleunigung des Fluids in die Pumpe hinein und dann in Drallrichtung erreicht.

In Bild 4 rechts unten ist eine alternative Version dieser Rohrpumpe schematisch und beispielhaft dargestellt. Die Welle wie das Rohr der Pumpe sind dabei unten etwas ausgestellt. Diese Pumpe wirkt also im Sinne einer Zentrifugalpumpe.

In Teilen angedeutet ist in Bild 4 unten auch der Rotor der Turbine, der hier die Form eines runden Kegels aufweist. Die Wandungen des Kegels weisen zunächst nahezu parallel zur Mittelachse, gehen dann hyperbelförmig über in eine Richtung nahezu senkrechte zur Mittelachse. Die aus dem Einlaß austretende Strömung wird also entlang dieses mittigen Teiles des Rotors nach außen gelenkt, über Grund in tangentiale Richtung und bezogen auf den drehenden Rotor in etwa radiale Richtung.

Die Wirkung dieser Rohrpumpe ist folgende: in diese Pumpe hinein "verschwindet" ständig Fluid, in vorliche Richtung wie in Drallrichtung. Achterlich dieser Pumpe wird also im Einlaßbereich ein ständig bestehender Bereich von Sog produziert. In diesen mittigen Bereich fallen Moleküle wie oben besprochen. Wenn bereits im achterlichen Einlaßbereich ein Drall vorbereitet ist, wie beim vorstehen­ den lateralen bzw. axialen Einlaß, wirkt dieser Sog nicht nur in axialer Richtung sondern auch in Drallrichtung. Damit sind alle Voraussetzung innerhalb des kelchförmigen Einlaßbereiches gegeben, daß eine außerordentlich intensive Potentialdrallströmung schon achterlich der Rohrpumpe sich bildet.

Aktiv beschleunigt wird lediglich der Hauptstrom K durch die Rohrpumpe. Alle davon nicht erfaßten Fluidteile fließen als Nebenstrom L zwischen der Außenwandung der Rohrpumpe und der Innen­ wandung des Kelches. Es wird ausreichend sein, wenn die Querschnittsfläche der Rohrpumpe etwa ein Viertel der gesamten Querschnittsfläche des Kelches im vorlichen Bereich ausmacht. Aktiv be­ schleunigt wird damit nur ein Bruchteil des gesamten Fluiddurchsatzes.

Die Drallbewegung dieses Nebenstroms wird durch Haften von Fluidteilen an der Außenwandung der Pumpe nochmals gesteigert. Wesentlich größere Beschleunigung wird jedoch erreicht durch den Sog der schnellen Hauptströmung nach außen entlang des mittigen Rotorkegels. Die Strömung verteilt sich auf eine zunehmend größere Fläche und strebt dabei fächerförmig auseinander. Da diese Strömung nicht zwischen Wandungen geführt wird, ist keine Reibung und keine Verzögerung gegeben.

Wenn die Fluidteile der Hauptströmung fächerförmig auseinander streben, dann entsteht "Leere". In diese können alle zufällig in diese Richtung gestoßenen Moleküle des Nebenstromes fallen, mit der normalen Molekulargeschwindigkeit, viele in relativ gleiche Richtung, also insgesamt relativ dicht. Dieser Sog wirkt in achterliche Richtung im Nebenstrom zurück bis in den Einlaßbereich. Dieser Hauptstrom führt also mittelbar zu einer ganz wesentlichen Intensivierung der Potentialdrallströmung im Einlaßbereich. Als Ergebnis steht nun über dem Rotor eine Strömung tangential nach außen an, wobei alle Bewegungen innerhalb der Strömung in außerordentlich hohem Maße gleich gerichtet sind. Durch den Einsatz der Rohrpumpe ist also die resultierende Strömung sehr viel dichter und geordneter als die ursprünglich am Einlaß anstehende Strömung. Darum wird der Energieaufwand zum Antrieb dieser Pumpe insgesamt sehr lohnend sein.

2.4. Offener Einlaß

In der Fahrzeugerfindung wurde unter anderem ein Auftriebskörper vorgestellt. Dessen prinzipielle Konzeption kann in analoger Weise dazu eingesetzt werden, bei Wind- und Wasserkraftwerken eine verstärkte Strömung durch Sogwirkung zu erzeugen. Diese Art Zuführung einer Strömung zu einer Turbine wird in Bild 5 schematisch und beispielhaft anhand eines Längsschnitts dargestellt.

Ein symmetrischer und runder Körper A ist hier dargestellt, dessen Formgebung im Prinzip obiger Insel entspricht. Dieser Körper wird darum auch hier "Insel" genannt. Diese Insel ist achterlich ge­ rundet oder könnte auch zugespitzt sein wie hier dargestellt. Diese Insel ist in vorlicher Richtung ebenfalls zugespitzt, wobei sein Durchmesser vom größten Durchmesser langsamer abnimmt.

Im Gegensatz zu obiger Insel befindet sich diese Insel hier nicht vollkommen eingebettet in einem Kelch, der Einlaßbereich ist vielmehr zur Seite hin offen. Der obige Kelch ist hier nur teilweise ausge­ bildet im achterlichen Bereich und reicht in vorliche Richtung nur bis etwas über den größten Durch­ messer der Insel hinaus. Dieser Kelchteil B hat also eine ringförmige Kontur und wird im folgenden darum "Ring" genannt. Dieser Ring könnte aus einem einfachen Blech bestehen, er wird vorzugsweise einen tragflächenförmigen Querschnitt aufweisen, auch um eine höhere Stabilität zu gewährleisten.

Zwischen Insel und Ring sind Leitbleche C installiert. Diese Leitbleche können schon an der achter­ lichen Spitze der Insel ansetzen und zunehmende Höhe aufweisen bis etwa hin zum achterlichen Ende des Ringes. In vorliche Richtung reichen diese Leitbleche etwa bis zum vorlichen Ende des Ringes. Diese Leitbleche können einfache Bleche sein oder könnten auch profiliert sein, auch um eine höhere Stabilität in der Verbindungen von Insel und Ring zu gewährleisten.

Die anstehende Strömung D wird durch die Insel nach außen umgelenkt. Die daraus entstehende Druckwelle wird durch die Innenwandung des Ringes reflektiert und geht somit dem System nicht verloren. Wie oben ausgeführt sollte die anstehende Strömung bei dieser Umlenkung bereits in eine Drallbewegung überführt werden. Dieses wird erreicht, wenn die Leitbleche gegenüber der Richtung der Mittelachse angestellt sind. Die Anstellung im achterlichen Bereich E sollte gering sein und zu­ nehmend im vorlichen Bereich F. Diese Leitbleche sind also spiralig um die Insel gewunden, wobei die zunehmende Anstellung eine zunehmende Krümmung ergibt.

Durch diese Krümmung der Leitbleche entsteht an deren Rückseite ein Sogbereich. Die anstehende Strömung wird also durch diese Umlenkung mit Drall keineswegs gebremst, vielmehr fallen die Fluidteile in diese Sogbereiche mit Molekulargeschwindigkeit. Zwischen Insel und Ring ergibt sich also nicht nur durch die dort verringerte Querschnittsfläche die bekannte Steigerung der Strömungs­ geschwindigkeit, diese wird vielmehr aufgrund des Dralls und Soges nochmals gesteigert.

Entlang des vorlichen Bereiches der Insel mit ihrer zurückweichenden Wandung steht also eine Strömung I an, welche der ursprünglichen kinetischen Strömungsenergie aus der Querschnittsfläche des Ringes entspricht. Dazu kommt die kinetische Energie aus der Drallbewegung. Durch die Profilierung des Rings ist auch außenhalb des Rings ein Sog gegeben. In diesen fließt Fluid aus weiter außen befindlichen Bereichen nach innen nach. Die Strömung außerhalb des Ringes ist jedoch geringer als die zwischen Ring und Insel, d. h. außen ist relativ hoher statischer Druck gegeben. Dieser drückt auf die Strömung entlang der Wandung und beschleunigt diese. In diesem Bereich ergibt sich also außen um die Insel ein Potentialdrallwirbel mit dessen bekannter Selbstbeschleunigung. Die schnelle Strömung innen wirkt saugend, so daß auch aus den äußeren Randbereichen ein Zufluß K und L nach innen-vorlich erfolgend wird.

Wie oben dargestellt können diese Strömungsverhältnisse intensiviert werden, indem innen-mittig eine nochmals schnellere Strömung erzeugt wird, beispielsweise durch eine Rohrpumpe G bzw. deren Schaufeln H. Diese ist prinzipiell wie oben zu gestalten, hier also nur schematisch ausgeführt. Mittels dieser Pumpe ergibt sich dann ein Hauptstrom I, welcher starke Sogwirkung in achterliche Richtung ausübt und damit mittelbar auch nach außen. Die Energie dieses Hauptstroms steht anschließend in der Turbine (hier nicht dargestellt) zur Verfügung, aber auch die Energie der damit ausgelösten bzw. be­ schleunigten Nebenströme K und L.

Diese Version eines Einlaß ist also seitlich nur teilweise durch feste Teile begrenzt und wird darum hier als "offener Einlaß" bezeichnet. Alternativ dazu könnte der Ring auch mit etwa gleichem Durch­ messer weiter in vorliche Richtung geführt werden (hier nicht dargestellt), wenn dabei von außen Fluid durch entsprechende Schlitze in etwa tangentialer Richtung nachströmen kann.

Dieser offene Einlaß ist besonders geeignet, um bei Windkraftanlagen schwache Winde "künstlich" zu beschleunigen. Dieses erfolgt einerseits durch die Bildung eines Engpasses zwischen Insel und Ring, zweitens durch den bereits achterlich durch die Leitbleche ausgelösten Drall, ganz wesentlich aber durch die Selbstbeschleunigung des damit gegebenen Potentialdrallwirbels, auch durch dessen Aus­ weitung in äußere Randbereiche, nicht zuletzt durch den Einsatz einer Pumpe zur Beschleunigung aller Abläufe bzw. zur nochmaligen Steigerung der Druckdifferenzen in den verschiedenen Bereichen. Dieser offene Einlaß könnte jedoch auch die anstehende Strömung eines Wasserlaufes konzentrieren ohne dessen komplette Aufstauung. Es wäre durchaus ausreichend, den Wasserlauf in ein engeres Bett zu führen und in diesem einen offenen Einlaß nach diesen Kriterien zu installieren.

2.5. Tangentialer Einlaß

Bei der Drehkolbenturbine ist der Einlaß in die Turbine auf einen bestimmten Sektor beschränkt. Aber auch bei dieser Maschine sollte der Zustrom tangential aus einer Drallbewegung heraus erfolgen. In Bild 6 sind schematisch und beispielhaft zwei Einlaßbereich zweckentsprechender Form dargestellt.

In Bild 6 links oben ist zunächst ein kelchförmiger Einlaßbereich entsprechend obigem axialen Einlaß in einem Längsschnitt dargestellt. In Bild 6 links unten ist ein Querschnitt des vorlichen Teiles dieses Einlaß dargestellt. Die anstehende Strömung D erfolgt parallel zur Mittelachse der Drehkolbenturbine A. Aus dem vorlichen Bereich C des Einlaß sollte das Fluid im Prinzip tangential ausgeleitet werden in einen Überleitungskanal B und aus diesem wiederum im Prinzip tangential der Turbine A zugeführt werden. Die Querschnittsfläche des Einlaßbereiches ist entsprechend diesem Abfluß zu reduzieren.

Die Mittelachse einer Drehkolbenturbine kann auch quer zur anstehenden Strömung installiert sein. In Bild 6 rechts oben ist ein Längsschnitt und in Bild 6 rechts unten ein Querschnitt schematisch und beispielhaft dargestellt. Die anstehende Strömung E fließt also im Prinzip in radiale Richtung zur Turbine G. Diese Strömung wird aus einem weiträumigen Einlaß zunächst in einen im Prinzip runden Einlaßbereich F tangential eingeleitet, aus diesem wiederum tangential in einen Überleitkanal H und von dort wiederum tangential in die Turbine eingeleitet.

Der Bereich prinzipiell runden Querschnitts unmittelbar vor dem Zufluß zur Turbine stellt praktisch einen Puffer für Schwankungen in den Strömungen dar. Die ursprünglich anstehende Strömung kann kurzfristig sich ändernde Geschwindigkeit aufweisen und ebenso kann die Drehkolbenturbine je Zylinder nur in periodischer Abfolge Fluid entgegen nehmen. Dadurch kommt es zu sich ständig ändernden Verhältnissen hinsichtlich Druck und Geschwindigkeit im Einlaßbereich und es könnte somit zu turbulenten Strömungen im Einlaßbereich kommen. In diesen runden Einlaßbereichen herrscht jedoch eine starke Drallströmung, welche auch erhalten bleibt bei wechselnden Druckver­ hältnissen, besonders wenn die Strömung dabei in axiale Richtung ausweichen kann. Unterschiedliche Druckverhältnisse führen dann nur zu unterschiedlich schnellen Bewegungen in axialer Richtung und Drallrichtung, die kinetische Energie des Fluids insgesamt bleibt jedoch prinzipiell erhalten.

3. Konzeption der Energieumsetzung 3.1. Düsenflügel

Die Umsetzung der kinetischen Energie der Strömungen kann durch einen Düsenflügel erfolgen. Als Einlaß hierzu eignet sich besonders obiger axialer Einlaß oder obiger offener Einlaß. In Bild 7 ist die Konzeption der Düsenflügel schematisch und beispielhaft dargestellt am Beispiel eines offenen Einlaß mit Rohrpumpe.

Eine Düsentragfläche entsprechend der Fahrzeugerfindung ist in Bild 7 unten rechts dargestellt. In einem Profil analog herkömmlicher Tragflächen ist dort ein Kanal A eingefügt, in welchem eine Drallströmung besteht. Aus einer länglichen Düse etwa mittig auf der Oberseite der Tragfläche tritt das Fluid aus und erzeugt von der Düse bis zum Ende der Tragfläche eine höhere Strömungs­ geschwindigkeit als an der Unterseite dieser Tragfläche gegeben ist.

Diese relativ schnelle Strömung wirkt auch als Sog zwischen Düse und der Nase der Tragfläche. Auf der gesamten Oberseite lastet damit weit weniger statischer Druck als auf der Unterseite, woraus er­ höhter Auftrieb erfolgt. Details zu dieser Düsentragfläche sind in der Fahrzeugerfindung ausführlich dargestellt. Dieses Prinzip kann auf die Flügel von Turbinen übertragen werden.

In Bild 7 unten mittig ist ein normaler Flügel B dargestellt in relativ senkrechter Stellung. Dieser Flügel wäre damit in dieser Zeichnung von oben anzuströmen. Die Richtung der Strömung wird hier also von oben nach unten unterstellt, parallel zu der Mittelachse des darüber skizzierten Ausschnitts obigen offenen Einlaß. Dieser Flügel dürfte gegen diese Richtung nur leicht angestellt sein. Dieser Flügel würde sich damit von links nach rechts bewegen. Bezogen auf einen Rotor um obige Mittel­ achse würde dieser Flügel in dieser Position also aus der Zeichnungsebene heraus ragen.

In Bild 7 unten links ist ein entsprechender Düsenflügel C dargestellt. Wenn ein Einlaß obiger Bau­ arten verwendet wird, liegt an diesem Flügel keine Strömung parallel zur Mittelachse an, sondern eine Drallströmung D. Dieser Düsenflügel ist hier relativ stark gegen diese Strömung angestellt. Damit wirkt auf die Druckseite nicht nur der normale statische Druck des Fluids, sondern zusätzlich auch der dynamische Druck dieser Drallströmung. Eine solch relativ große Anstellung wurde bei normalen Flügeln zu Strömungsabriß auf der Sogseite führen, damit zu Turbulenzen und starkem Abfall des Auftriebs. Aus dem Kanal J tritt hier jedoch die relativ schnelle Strömung E aus und bewirkt ent­ sprechend schnelle und anliegende Strömung entlang der gesamten Sogseite. Diese Strömung E weist zudem durch Rückstoß eine Kraftkomponenten im Drehsinn des Rotors auf.

Hier sind die Innenwandungen des Kanals zugleich als Außenwandung des Flügels gezeichnet. Es wird jedoch sinnvoll sein, die Querschnittskontur des Kanals getrennt von der des Flügelprofils zu optimieren. Durch entsprechende Formgebung muß innerhalb des Kanals eine Drallströmung ge­ währleistet sein, sollten die letzte Umlenkung vor Austritt des Fluids durch die Düse obige Rück­ stoßwirkung bestmöglich bewirken und sollte das Fluid durch die Düsen mit möglichst hoher Ge­ schwindigkeit parallel zur dortigen Sogseite austreten. Die Nase des Flügels könnte dagegen weiter in Richtung der Anströmung weisen, d. h. die Druckseite des Flügels könnte stärker konkav ausgebildet sein als hier gezeichnet.

Eine normale Tragfläche kann nur die Differenz zwischen normalem statischen Druck des Fluids und des aufgrund höherer Geschwindigkeit an der Oberseite geringeren statischen Drucks nutzen. Bei einem Düsenflügel liegt an der Druckseite normaler statischer Druck an und zusätzlich der kinetische Druck der Drallströmung. An der Sogseite liegt dagegen eine viel schnellere Strömung vor und damit nochmals geringerer statischer Druck auf die Sogseite. Die Differenz dieser Drücke ist damit wesent­ lich höher als die normaler Tragflächen. Entsprechend höher ist der Auftrieb dieses Düsenflügels.

Am Beispiel obigen offenen Einlaß soll nun zunächst dargestellt werden, wie diese Drallbewegung im Kanal des Düsenflügels organisiert werden kann. In Bild 7 links mittig ist dazu in einem Ausschnitt ein Längsschnitt durch obigen offenen Einlaß schematisch und beispielhaft dargestellt.

Im Gehäuse ist auf der Mittelachse die obige Rohrpumpe F gelagert, wobei deren Welle als Hohlwelle ausgeführt ist. Innerhalb dieser Pumpenwelle läuft die Welle des Rotors. Der Rotor bildet mittig zunächst die Kontur eines mittigen Kegels wie bereits in Bild 4 oben angesprochen. Die Wandung verläuft dann in einer Krümmung nach außen, dann nach außen-achterlich, zuletzt wieder nach innen.

Dieser Bereich wird im folgenden "Rotor-Einlaß" genannt. Dieser Rotor-Einlaß ist also schüsselförmig mit einem nach innen weisenden Rand bzw. stellt einen ovalen, in achterliche Richtung offenen Bereich dar. In den Rotor-Einlaß strömen sowohl die durch die Rohrpumpe beschleunigte Haupt­ strömung G als auch die Nebenströmung H ein und bilden darin eine walzenförmige Strömung I aus. Diese Strömung muß nun ausgeleitet werden in die Kanäle J der Düsenflügel. Der Rotorboden wird dazu zweckmäßigerweise nicht gleichförmig gestaltet, die prinzipiell ovale Form wird vielmehr gewendelt sein. Im Rotor rechts ergibt sich damit beispielsweise eine mehr waagrecht liegende Wirbelströmung K. Die Ausleitung aus dem Rotor-Einlaß in den Kanal der Düsenflügel ist schematisch und beispielhaft in einem Ausschnitt eines Querschnitts in Bild 7 oben rechts dargestellt.

Auf der Mittelachse sind sowohl die Pumpenwelle wie Rotorwelle drehbar gelagert. Aus dem Bereich der Rohrpumpe F strömt der Hauptstrom G in tangentiale Richtung auseinander und es wird in diesen hinein der Nebenstrom gesaugt wie oben dargelegt. Beide zusammen bilden im ovalen Bereich des Rotor-Einlaß die walzenförmige Strömung I. Die Wandungen des Rotors sind nach außen nun keines­ falls stets geschlossen, sondern gehen über in die Kanäle J der Düsenflügel. Der im Prinzip ovale Querschnitt des zunächst offenen Rotor-Einlaß geht damit von einer relativ waagrechten Lage K über in eine schräge Lage I und diese Wendelung setzt sich fort im allseits geschlossenen Kanal J. Der Drall im offenen Einlaß wird damit umgeleitet in eine Drallbewegung im Kanal des Düsenflügels.

Zur Erzeugung bzw. Auslösung des starken Dralls kann also obige Rohrpumpe eingesetzt werden. Die dazu erforderliche Energie sollte zurück gewonnen werden. Dieses wird erreicht, wenn die Düsen­ flügel nicht nur in radiale Richtung weisen, sondern gegen den Drehsinn des Rotors nach rückwärts gekrümmt sind. Schematisch und beispielhaft ist dieses anhand der Kontur des Kanals des Düsen­ flügels in Bild 7 rechts mittig dargestellt.

In den Kanälen wird die Strömung damit umgelenkt und es ergibt sich daraus eine Kraftwirkung im Drehsinn des Rotors. Die dortige Umlenkung betrifft nicht nur den Hauptstrom sondern auch den Drall des Nebenstromes. Es wird damit die kinetische Energie einer Strömung in mechanische Drehbewegung umsetzbar, welche höher ist als zur Erzeugung des Hauptstromes erforderlich war.

In Bild 8 ist eine weitere Einsatzmöglichkeit des Düsenflügels dargestellt, hier nun in Kombination mit obigem axialen Einlaß analog Bild 3. In einem Ausschnitt ist wiederum schematisch und beispiel­ haft eine solche Maschine im Längsschnitt dargestellt.

Als Bestandteile des Gehäuses wurden bei obigem axialen Einlaß eine kelchförmige Wandung A ein­ gesetzt, eine runde Insel C und zwischen Kelch und Insel die Leitbleche B. Zwischen diesen fließt die anstehende Strömung D ein und bildet innerhalb des Einlaßbereichen die Potentialdrallströmung.

Mit dieser Konzeption hier soll auch die kinetische Energie der anstehenden Strömung außerhalb des Einlaßbereiches genutzt werden. Auch diese Strömung wird besser geordnet, wenn sie Drall aufweist. Es wird darum zweckmäßig sein, außen am Gehäuse mittels Leitblechen E einen Ring F anzubringen analog zu entsprechenden Einrichtung bei obigem offenen Einlaß. Die Anstellung und Profilierung kann nach den dort genannten Kriterien erfolgen. Diese Einrichtung soll bewirken, daß entlang des sich verjüngenden Querschnitts der Gehäuse-Außenwandung K eine Drallströmung sich ausbildet mit den bekannten Effekten an solch zurückweichenden Wandungen.

Im vorlichen Ende des Gehäuse ist der Rotor drehbar zu lagern. Es ist dort auch genügend Raum vorhanden zur Abnahme der mechanischen Drehenergie beispielsweise durch einen Generator (hier nicht dargestellt). Eine Rotorwelle G ist hier durchgehend bis zur Insel eingezeichnet. An ihr wird Fluid haften und durch ihre Drehung wird damit im Einlaßbereich die mittige Drallbewegung ausge­ löst bzw. gestärkt. Es könnte sogar die Insel oder Teile der Insel Bestandteil der Rotorwelle sein.

Der Rotor-Einlaß H ist hier zunächst in Form einer Kreisfläche gegeben und diese Fläche muß nun unterteilt werden in Fluidmengen für beispielsweise vier Düsenflügel. Die Kreisfläche wäre dann durch Leitbleche zunächst in vier Kreis- bzw. Ringsegmente zu unterteilen. Wie oben ausgeführt sollten auch hier diese Querschnittsflächen in eine ovale Form überführt und diese darin gewendelt werden.

In Bild 8 ist rechts durch Querschnitte schematisch skizziert, wie die Form der Querschnittsflächen vom Rotor-Einlaß H bis zum Kanal I des Düsenflügels im Prinzip sich ändern sollte. Durch die Wendelung wird die gewünschte Drallströmung in den Kanälen erreicht. Der Querschnitt des Kanals beim Eintritt in den Flügel könnte dann durchaus rund sein. Dann könnte dort der Flügel um den Kanal drehbar gelagert sein, um die Anstellung auf die akutell gegebenen Strömungsverhältnisse anpassen zu können (hier nicht dargestellt).

Die Düsenflügel verlaufen dann zunehmend radial nach außen und aus den Kanälen I tritt das Fluid durch langliche Düsen aus wie durch die gestrichelte Linie skizziert. Der restliche Teil J des Düsen­ flügels ist hier nur schematisch angedeutet. Der Düsenflügel insgesamt wird weit über den Radius des Gehäuses hinaus reichen.

Die Krümmung des Rotor-Einlaß nach außen wie auch der Verlauf der Kanäle in den Düsenflügeln in prinzipiell radiale Richtung stellt praktisch eine Zentrifugalpumpe dar. Es ist also keinesfalls so, daß das Fluid in diese Kanäle gedrückt werden müßte, in den Kanälen fließt vielmehr das Fluid allein schon aufgrund Zentrifugalkraft nach außen. Damit ergibt sich ein Sog bis in den Kanal-Einlaß, der bis in den gesamten Einlaßbereich Wirkung ausübt. In diesem Sinne hat die Gestaltung dieses Rotor-Einlaß und der Düsenflügel eine Wirkung analog obiger Rohrpumpe.

Dieser Bewegungsablauf bzw. dieses System hat selbstbeschleunigende Wirkung. Die Insel und die Leitbleche lösen innerhalb des kelchförmigen Einlaßbereiches eine Potentialdrallströmung aus mit deren bekannten Effekten hinsichtlich Beschleunigung und Ordnung der Strömungen. Diese drückt zunächst in die Kanale der Düsenflügel und diese erfahren damit den oben beschriebenen wesentlich erhöhten Auftrieb. Die gesteigerte Rotordrehung erzeugt im Rotor-Einlaß wie in den Kanälen er­ höhte Zentrifugalkräfte. Durch deren Sog ergibt sich stärkere Strömung im Einlaßbereich und ein erhöhter Massedurchsatz mit wiederum gesteigerter Rotordrehung.

Dieser Sog wirkt auch noch achterlich des gesamten Einlaßbereiches, so daß dort eine Strömung hin zum Einlaßbereich entsteht. Der verstärkten Abfluß andrerseits wirkt auch im vorlichen Bereich als Sog. Entlang der äußeren Gehäusewandung entsteht damit eine erhöhte Strömung. Durch die äußeren Leitbleche wie den Ring wird diese Strömung einen Drall aufweisen. Durch den geringeren statischen Druck dieser Drallströmung um das Gehäuse werden Fluidteile aus seitlicher Richtung angezogen. An den Düsenflügeln ergibt sich damit eine Strömung weit schneller als die ursprünglich anstehende.

Diese Maschine zieht praktisch die gegebene Strömung auf sich zu, wobei diese Strömung geordnet wird und in diese gerichtete Strömung die Geschwindigkeit bzw. kinetische Energie der normalen Molekularbewegung mit wesentlichem Anteil eingeht.

Wie oben angesprochen erfüllt dieser Düsenflügel auch die Funktion einer Zentrifugalpumpe. Anstelle des äußeren Einlaß inklusive Rohrpumpe wie in Bild 7 dargestellt, kann dieser äußere Einlaß auch ohne Rohrpumpe mit diesen Düsenflügeln kombiniert werden. Der Rotoreinlaß stellt dann zunächst einen ringförmigen Bereich dar, welche wie oben beschrieben in diverse Kanäle aufgeteilt wird und durch welche das Fluid in die Flügel gelenkt wird. Diese Konzeption ist technisch wesentlich einfacher zu realisieren als die in Bild 7 dargestellte.

Diese Variante einer Kombination von äußerem Einlaß und Düsenflügel ist außerordentlich vorteil­ haft, weil hierbei der gesamte Raum innerhalb der Insel zur Lagerung des Rotors wie eines Generators zur Verfügung steht. Diese wichtige Variante ist in einem Ausführungsbeispiel unten dargestellt.

3.2. Drehhubkolben

Bei normalen Tragflächen wie auch vorigem Düsenflügel wird die Druckdifferenz direkt an diesem der Energieumsetzung dienenden Körper erzeugt. Vorteilhaft könnte sein, unterschiedlich hohen Druck in getrennten Räumen jeweils separat organisieren zu können, um durch bewegliche Wände zwischen diesen Räumen die Energieumsetzung wiederum separat durchführen zu können. Diese Funktion wird in hervorragender Weise durch die Drehhubkolbenmaschine erfüllt, welche in der Maschinenerfindung ausführlich dargestellt ist. Hier werden dann nur das Wesentliche dieser Kon­ zeption nochmals ausgeführt sowie die im Hinblick auf Wind- und Wasserkraftanlagen interessanten Details dargestellt. In Bild 9 ist dieses schematisch und beispielhaft dargestellt.

In Bild 9 oben rechts ist eine Welle A dargestellt. Mit dieser fest verbunden sind runde Scheiben B, deren Achsen gegenüber der Achse der Welle versetzt sind, also Exzentrität aufweisen. Die Achse dieser Welle wird im folgenden "Exzenterachse", diese Welle inklusive der Scheiben "Exzenterwelle" genannt. Auf den Scheiben ist jeweils ein Kolben C in seinem Mittelpunkt drehbar gelagert. In Bild 9 rechts mittig ist ein runder Rotor dargestellt, welcher Aussparungen aufweist, in welchen sich die Exzenterwelle wie die Kolben bewegen können.

In Bild 9 rechts unten sind die Exzenterwelle, die Kolben und der Rotor in einem Gehäuse dargestellt in einem Längsschnitt. Die Exzenterwelle ist im Gehäuse gelagert und ebenso der Rotor. Die Mittel­ achse des Rotors ist um obige Exzentrität versetzt gegenüber der Exzenterachse. Die Exzenterwelle dreht gleichsinnig zum Rotor, jedoch doppelt so schnell, was durch einfaches Getriebe zu bewerkstel­ ligen ist. Hier steht beispielsweise ein Innenzahnkranz K des Rotors in Eingriff mit einem Zahnrad L der Exzenterwelle, wobei der Durchmesser des Zahnkranz doppelt so groß ist wie der des Zahnrades.

Mittels dieser Konstruktion ist ein Bewegungsablauf gegeben, welcher in Bild 9 links oben in vier Phasen G, H, I und J dargestellt ist. Um die Exzenterachse EA führt die Scheibe B eine Umdrehung im Uhrzeigersinn aus, von der Position bei G über die Positionen H, I und J zurück nach Position G. Der Kolben C ist um die Scheibe drehbar und innerhalb den Aussparungen des Rotors in linearer Richtung beweglich gelagert. Während der einen Umdrehung der Exzenterwelle führt der Kolben und damit der Rotor eine halbe Umdrehung aus. Der Rotor dreht dabei gleichförmig um seine Mittelachse. Der Schwerpunkt des Kolben bewegt sich ebenfalls gleichförmig auf einer Kreisbahn, hier entlang des Umfangs der Welle. Alle beweglichen Massen bewegen sich also auf harmonischen Bahnen.

Zwischen dem Umfang des Rotors und den beiden Oberflächen jeden Kolbens werden zwei Zylinder abgebildet. Der Kolbenhub entspricht dem Vierfachen obiger Exzentrität. Die Breite der Kolben ist hier so angelegt, daß die Zylinderöffnung ein Viertel des Rotorumfangs einnimmt. Etwa die Hälfte der Kreisfläche des Rotors ist damit wirksame Hubfläche. Die Kolben könnten durchaus noch breiter an­ gelegt werden. Als Querschnitt der Zylinder bietet sich rechteckige Form an. Die Höhe der Zylinder kann beliebig festgelegt werden. Zwischen den Zylindern sind nur relativ dünne Wände erforderlich. In Relation zum Bauvolumen bietet diese Drehkolbenmaschinen einen extrem großen Hubraum.

Es werden hier also im Prinzip herkömmliche Hubkolben eingesetzt. Damit ist deren problemlose Dichtung an relativ großen und absolut planen Flächen gegeben. Bei herkömmlichen Pleuelgetrieben sind zwischen den Wandungen der Zylinder und Kolben stets unterschiedliche Druckkomponenten gegeben. Hier wird die Drehung des Rotors und der Exzenterwelle durch das Getriebe synchronisiert, womit die Kolben ohne Reibung in den Zylindern geführt werden. Nur in den Gehäuselagern für den Rotor und die Exzenterwelle sowie zwischen Kolben und Scheiben ist Reibung gegeben. Diese Dreh­ hubkolbenmaschine weist extrem geringe Anforderungen hinsichtlich Dichtung wie Schmierung auf.

In Bild 9 oben links weisen die Darstellungen der vier Phasen das veränderliche Volumen der Zylinder aus. Der bei G nach links weisende Zylinder F hat dort sein minimales Volumen. Es wächst in den Phasen H, I und J an, bis bei G das maximale Volumen erreicht wird, nun als Zylinder E bezeichnet. Die Volumenänderung erfolgt also während einer halbem Umdrehung des Rotors.

Die Kolbenoberflächen sind hier durch gestrichelte Kreisbogen dargestellt, wobei deren Radius dem des Rotors entspricht. Die Kolbenoberflächen könnten jedoch Aussparungen aufweisen, beispiels­ weise wie hier durch die geschwungene Linien dargestellt. Die Kolbenoberflächen erhalten damit annähernd die Kontur konkaver Schaufeln. Diese Kolbenform wird darum im folgenden "Kolben­ schaufel" genannt. Deren Zweckmäßigkeit wird aus der Darstellung in Bild 9 links unten ersichtlich.

Der Rotor ist hier in einem Gehäuse eingezeichnet, wobei die Kolbenschaufel sich in einer mittleren Position befindet. Entsprechend zu den Zylinderöffnungen des Rotors umfassen hier die Ein- und Aus­ laßöffnungen des Gehäuses ein Viertel des Rotorumfangs. Aus einem weiten Einlaß M kann Fluid in den Zylinder F fließen. Diese Strömung trifft auf die Kolbenschaufel und ebenso auf die benachbarte Rotorwandung. Die Energie des Fluids wird also einerseits wie bei herkömmlichen Hubkolben per Druck auf die Kolbenoberfläche abgegeben, hier jedoch zusätzlich im Drehsinn des Systems sowohl auf die Kolbenschaufel wie auf die Rotorwandung.

Diese Kolbenschaufel weist gegenüber allen sonstigen Schaufeln eine ganz entscheidende Eigenschaft auf: sie dreht sich nicht um ihren Mittelpunkt, sondern um die Exzenterachse. Diese Kolbenschaufel schwingt praktisch stets an langem Hebel um eine exzentrisch angeordnete Achse.

Der Hebelarm der Exzenterwelle beträgt nur ein Viertel der Hubhöhe. Während der Druckwirkung vom kleinsten bis zum größten Volumen über eine halbe Umdrehung weicht die Scheibe jedoch um eine ganze Umdrehung zurück. Schon damit wirkt der Druck über eine lange Phase in sehr günstigem Winkel. Dazu kommt nun jedoch als wesentlicher Faktor der Druck auf die Kolbenschaufel, welcher in tangentialer Richtung am mehrfach längeren Hebelarm wirkt. Und ergänzt wird dieses durch die Druckwirkung auf die benachbarte Rotorwandung, ebenfalls im Drehsinn des Systems.

Entsprechend ungehindert kann das Fluid aus dem Zylinder E im Auslaß N abfließen. Wenn jedoch in diesem Auslaßbereich ein Sog organisiert wird, dann gelten obige Überlegungen analog. Dieser Sog verstärkt die Druckdifferenz zwischen der Druck- und Sogseite dieser Kolbenschaufel.

Wie oben bereits angesprochen sollten der Einlaß, und entsprechend auch der Auslaß zu Turbinen so gestaltet werden, daß die Strömung jeweils tangential zur Turbine erfolgen. In Bild 10 ist dieses schematisch und beispielhaft für diese Kolbenschaufel dargestellt. Der Zufluß erfolgt hier aus einem im Prinzip runden Einlaßbereich M, tangential durch einen Überleitkanal hier in den Zylinder F. Entsprechend sollte der Abfluß aus dem Zylinder E in tangentialer Richtung durch einen Überleitkanal in den Auslaßbereich N erfolgen. Im Ein- wie Auslaßbereich ist damit starke Drallströmung gegeben. Im Einlaß steht damit eine relativ hohe kinetische Energie der Einlaßströmung zur Verfügung, im hier größer dimensionierten Auslaß erzeugt die Drallströmung entsprechende Sogwirkung. In Bild 10 oben ist ein Viertel des Ein- bzw. Auslaßtaktes abgelaufen, in Bild 10 mittig sind drei Viertel dieser Takte absolviert. Aus beiden Phasen ist die Druck- wie Sogwirkung leicht zu erkennen.

In Bild 10 unten ist schematisch und beispielhaft die Lösung einer weiteren Problemstellung darge­ stellt. Bei Wind- und Wasserkraftanlagen kann einerseits eine wechselnde Energiemenge in Form der anstehenden Strömung gegeben sein, andrerseits sollte beispielsweise zum Betrieb eines Elektro­ generators eine konstante Drehgeschwindigkeit eingehalten werden. Der Durchsatz durch die Turbine müßte also variabel gestaltet werden, um konstante Drehzahl fahren zu können. Beispielsweise könnte also bei Starkwind das anstehende Volumen an Strömung durch alle Zylinder abgearbeitet werden, bei schwachem Wind dagegen dürfte die Strömung nur durch wenige Zylinder geleitet werden. Es müßten also Zylinder "abschaltbar" sein.

In Bild 10 unten wird dieses beispielsweise dadurch erreicht, daß der Zufluß durch eine Klappe O unterbunden und ebenso durch eine Klappe Q der Abfluß geschlossen ist. Die gestrichelten Linien zeigen die Stellung der Klappen in geöffneter Stellung an. In dieser geschlossenen Stellung jedoch fließt das Fluid durch den Seitenkanal P aus dem Fluid abgebenden Zylinder E in den aufnehmenden Zylinder F. Bei entsprechender Dimensionierung des Seitenkanals arbeiten diese Zylinder also im nahezu reibungsfreien Leerlauf. Die im Einlaß anstehende Strömung steht so nur den anderen, geöffneten Zylindern zur Verfügung. Wenn die Zylinder unterschiedliche Höhe aufweisen, kann durch Öffnen bzw. Schließen entsprechender Zylinder eine feinfühlige Steuerung erreicht werden.

Diese Drehhubkolbenmaschine stellt im Prinzip eine Förderpumpe dar, welche hier als Turbine ver­ wendet wird. Diese Maschine könnte in analoger Weise als hydraulische Kupplung zwischen einer Wind- oder Wasserturbine und beispielsweise einem Elektrogenerator zu dienen. Durch die Achse einer Wind- oder Wasserturbinen wird eine Komponenten mit fester Anzahl von Zylindern ange­ trieben. Sie fördert als Pumpe einen der anstehenden Strömung entsprechenden Durchsatz eines Mediums. Dieses wird zu einer anderen Komponenten obiger Bauart geleitet, vorzugsweise mittels Drallrohren entsprechend der Rohrerfindung. Diese zweite Komponenten arbeitet als Turbine und treibt über ihre Welle den Elektrogenerator an. Dabei wird der anstehende Durchsatz an Medium durch eine jeweils entsprechende Anzahl Zylinder abgearbeitet.

In den natürlichen Wasserströmungen wird nicht immer möglich sein, alle Verunreinigungen vor der Turbine auszufiltern. Als Wasserturbine ist diese Drehkolbenturbine also nur bedingt einsetzbar. Ausgezeichnet geeignet wäre sie jedoch als Dampfturbine, weil hier stets ein bestimmtes Volumen entspannt wird. Obige Seitenkanäle müßten hierzu so angelegt werden, daß sie das Fluid aus einem Zylinder zum Zylinder auf der benachbarten radialen Ebene leiten. Die Querschnitte der Seitenkanäle wie die Höhe der Zylinder müßten vom Einlaß zum Auslaß zunehmend sein, so daß eine fortgesetzte Entspannung erfolgt. Der Druck im Seitenkanal steht damit an einer jeweils kleineren Kolbenober­ fläche der Sogseite wie an einer jeweils größeren Kolbenoberfläche der Druckseite an.

Diese Drehkolbenmaschinen wird bevorzugt bei Windkraftanlagen eingesetzt werden. Mindestens zwei axiale Ebenen von Zylindern sind anzulegen. Je mehr Zylinder angelegt werden, desto kontinuierlicher wird der Durchsatz und desto feinfühliger könnte obige Steuerung erfolgen. Die Kolben könnten breiter angelegt werden und die Schaufelkontur noch ausgeprägter sein als hier dar­ gestellt. In jedem Fall kann mittels dieser Drehkolben das gesamte Druckgefälle zwischen Ein- und Auslaß in mechanische Energie umgesetzt werden.

3.3. Druckschaufel

Durch verschiedene Maßnahmen kann also unterschiedlicher Druck an der Druck- und Sogseite von Turbinen gesteigert bzw. genutzt werden. Maximal ist die Druckdifferenz, wenn es keine Rück- bzw. Sogseite gibt, also der anstehende Fluiddruck vollkommen genutzt werden kann. Diese Maßnahme ist das entscheidende Kennzeichen der im folgenden dargestellten "Druckschaufel".

In Bild 11 ist oben schematisch und beispielhaft ein Ausschnitt eines Längsschnitts durch diese Komponente dargestellt. Skizziert ist hier ein Einlaß obiger lateralen oder axialen Bauart mit kelch­ förmigen Innenwandungen A. Auf der Mittelachse ist hier eine Rohrpumpe B eingezeichnet, welche durch die Pumpenwelle C angetrieben wird. Diese ist in der Rotorwelle D gelagert, welche hier als Hohlwelle ausgeführt ist. Beide Wellen sind im Gehäuse gelagert, das hier nicht dargestellt ist.

Der Rotor weist mittig kegelförmige Gestalt auf wie oben bereits angesprochen. Die Innenwandungen des Rotors sind gekrümmt und weisen innen nach außen-vorlich, dann nach außen-waagrecht, schließ­ lich in achterliche Richtung. Entlang dieser Rotor-Innenwandung sind Schaufeln E angebracht. Die Schaufeln weisen innen geringe Höhe auf welche nach außen zunehmend größer wird, entlang des achterlich gerichteten Bereiches nahezu gleich bleibt, um dann relativ rasch wieder abzunehmen.

In Bild 11 mittig links zeigt ein Querschnitt die prinzipielle Kontur dieser Schaufeln in vergrößertem Maßstab. Die Druckseite der Schaufel steht im Prinzip stets senkrecht zur jeweiligen Rotor-Innen­ wandung. Die Druckseite könnte eine gerade Linie darstellen und die Rückseite bildet zu dieser im Prinzip nahezu einen rechten Winkel. Zweckmäßigerweise wird die Druckseite eine gegen den Dreh­ sinn offen Rundung darstellen, wie beispielsweise hier gezeichnet. Die Rückseite kann ebenfalls eine leichte Krümmung aufweisen. Am Übergang von Druck- zu Rückseite wird zweckmäßiger weise eine relativ scharfe Kante ausgebildet sein. Die wesentliche Fläche der Rotorinnenwandung wird also durch diese Schaufeln gebildet.

In Bild 11 unten ist schematisch und beispielhaft der Ausschnitt eines Querschnitts bzw. einer Drauf­ sicht dargestellt. Darin ist der prinzipielle Verlauf F der Druckseite dieser Schaufeln entlang der Rotor-Innenwandung dargestellt. Diese Druckseite weist innen zunächst in radiale Richtung, ist dann relativ stark gegen den Drehsinn des Rotors gekrümmt, verläuft dann relativ gerade nach außen, wo letztlich die Schaufeln in die Rotor-Innenwandung zurück weicht.

Diese Schaufeln weisen also in drei Dimensionen gekrümmte Konturen auf: einerseits verlaufen sie entlang der schüsselförmige Rotor-Innenseite. Sie könnten dort direkt an der Spitze des mittigen Kegels ansetzen. Da die Umlenkungen jedoch wirkungsvoller an längerem Hebel sind, sollten sie Schaufeln erst weiter außen ansetzen bzw. Höhe erreichen. Zum andern weisen die Schaufeln zweck­ mäßiger weise eine gerundete Druckseite auf in welcher sich Wirbelzöpfe ausbilden werden, welche mit zunehmender Höhe zusätzlich Fluid einsaugen. Zum dritten sind die Druckseiten der Schaufeln gegen den Drehsinn gekrümmt, um eine Umlenkung nach rückwärts zu bewirken.

Aufgrund dieser Gestaltung der Konstruktionselemente ergibt sich nun folgender Bewegungsablauf des Fluids: durch obige Bauarten von Einlaßbereichen und insbesondere der Rohrpumpe ergibt sich eine außerordentlich starte Drallströmung des Hauptstromes G wie auch mittelbar des Nebenstromes H. Beide fließen ineinander am mittigen Kegel des Rotors und über Grund in tangentiale Richtung fächerförmig auseinander bzw. nach außen-vorlich. Sie treffen dabei entweder auf die Druckseite einer Schaufel und werden dort ausschließlich per Druck umgelenkt gegen den Drehsinn des Rotors. Oder aber gleiten die Strömungen entlang der Rückseite einer Schaufel weiter in tangentialen Richtung. Sie werden dabei keinesfalls durch Sog umgelenkt, sondern lediglich nach außen bzw. achterlich. Sie treffen dann wiederum auf eine Druckseite, spätestens wenn sie vollkommen in achterliche Richtung strömen, um in jedem Fall an dieser Druckseite gegen den Drehsinn des Rotors umgelenkt zu werden. In dieser Phase der Energieumsetzung erfolgt also keinerlei Umlenkung durch Sog. Es wird damit die gesamte kinetische Energie ausschließlich durch Druck in mechanische Drehbewegung umgesetzt.

3.4. Rückstrom durch Ringwirbel

Nur bei der Freistrahlturbine wird praktisch nur eine Schaufelseite durch das Fluid benetzt. Bei allen andern werden zwischen feststehenden oder beweglichen Teilen Kanäle gebildet, ist das Fluid also im Prinzip von vier Seitenwänden umschlossen. Bei obigen Druckschaufeln konnte erreicht werden, daß die beiden Druck- und Rückseiten in etwa rechtwinklig zueinander stehen. Diese Seiten stellen im Sinne der Umlenkungen Außenseiten dar. Dennoch muß es auch hier korrespondierende Innenseiten geben, an welchen Reibung und damit unerwünschte Strömungskomponenten sich ergeben könnten.

Wie bei obigen Schaufel-Sogseiten ist auch hier die beste Lösung, wenn die Schaufeln keine Innen­ seiten aufweisen. Sehr viel effektiver ist, die innere Begrenzung der Strömung durch eine weitere Fluidströmung zu organisieren. Es entstehen an den Grenzflächen dann keine unerwünschte Reibung und damit keine Turbulenz. Besonders vorteilhaft ist, wenn diese zusätzliche Fluidströmung eine der stabilsten Formen von Wirbeln darstellt, den Ringwirbel.

In Bild 12 sind die wesentlichen Merkmale des Längsschnitts aus Bild 11 nochmals in einem Aus­ schnitt der prinzipiell symmetrischen und runden Maschine dargestellt. In einem kelchförmigen Einlaß A ist mittig eine Rohrpumpe B mit der Pumpenwelle C installiert. Die Pumpenwelle läuft in der als Hohlwelle ausgeführten Rotorwelle D. Beide sind im Gehäuse gelagert, das hier nur ausschnittsweise skizziert ist. Die Innenwandung des Rotors ist wie oben dargelegt mit Druckschaufeln E angelegt. Der Hauptstrom G wie der Nebenstrom H werden durch diese Schaufeln in eine achterlich gerichtete Strömung K umgelenkt. Als dicke Linien sind nun die zusätzlichen Funktionselemente eingezeichnet.

Im achterlichen Bereich des Gehäuses sind außen am kelchförmigen Einlaß zwei gerundete Wandungen installiert, welche im folgenden "Rückstromdeckel" F und "Auslaßdeckel" O genannt werden. Die in achterliche Richtung fließende Strömung K trifft auf den mittigen Rand zwischen Rückstrom- und Auslaßdeckel. Diese Strömung wird dort geteilt in die Auslaßströmung L und in die Rückströmung J. Die Auslaßströmung tritt zwischen Rotor und Auslaßdeckel aus, wird in vorliche Richtung umgelenkt und fließt durch das Gehäuse ab. Die Rückströmung wird durch die Krümmung des Rückstromdeckels nach innen gelenkt und fließt dann entlang der Außenwandung des Einlaß­ kelches zurück in vorliche Richtung.

Dieser Rückstrom J wird durch den fächerförmig in tangentiale Richtungen auseinander fließenden Hauptstrom G wie den Nebenstrom H eingesaugt, praktisch als zweite Nebenströmung. Die Fluid­ masse dieses Rückstromes wird in die Wirbelzöpfe innerhalb der Rundungen der Druckschaufeln aufgenommen und steht damit für die nachfolgende Umlenkung als zusätzliche Masse in einer geordneten Strömung zur Verfügung. Die nach innen bzw. vorlich fließende Rückströmung entlang des Rückstromdeckels und der Kelch-Außenwandung sowie die nach außen bzw. achterlich fließende Strömung bilden damit zusammen einen Ringwirbel.

Ringwirbel sind eine außerordentlich stabile Wirbelform. Hier wird der Rückstrom beispielsweise durch Reibung am feststehenden Rückstromdeckel und der Kelch-Außenwandung in diese kreis­ förmige bzw. ovale Bahn stets wieder zurück gelenkt, wirkt diese Reibung also positiv im Sinne dieser Bewegungsform. Andrerseits wird diese Bewegung bei der Strömung in achterliche Richtung durch die Strömung entlang der drehenden Rotor-Innenwandung nicht durch Reibung beeinträchtigt. Je nach Geschwindigkeit drückt der jeweils höhere statische Druck entweder den Ringwirbel zusammen und intensiviert damit diesen oder aber der Ringwirbel drückt die Strömung gegen die Rotor-Innen­ wandung und intensiviert damit die Umsetzung der kinetischen Energie in mechanische Dreh­ bewegung. Beide Strömungen könnten auch gleich schnell sein und eine Grenzfläche ohne Druck­ differenz bilden. Die Geschwindigkeitsverhältnisse werden nicht konstant sein und dennoch keinerlei negative Momente hinsichtlich der Fluidbewegungen aufweisen.

Außen an der Rotor-Innenwandung wird diese Ringströmung im Drehsinn des Rotors verzögert. Damit keine Bewegung nur in einer radialen Ebene entsteht, sollte der Rückstrom innen wieder im Drehsinn des Rotors stärkeren Drall aufweisen. Diese Funktion sollte durch Leitbleche 1 am Rück­ stromdeckel bzw. an der Kelch-Außenwandung erfüllt werden. Diese Leitbleche könnten entlang der gesamten Flächen geführt werden, außen am Rückstromdeckel sind sie jedoch entbehrlich, dagegen am vorlichen Ende der Kelch-Außenwandung in jedem Fall zweckmäßig. Auch sollten die Leitbleche von achterlich nach vorlich zunehmende Höhe aufweisen.

In Bild 12 ganz rechts ist als gestrichelte Linie die Richtung der Mittelachse angezeigt und durch schräge Linien beispielhaft die Anstellung der Leitbleche gegenüber der Mittelachse. Achterlich wird der Rückstrom nahezu in radialer Richtung verlaufen, dürften diese Leitbleche also nur geringe Anstellung M aufweisen. Diese Anstellung muß in vorliche Richtung zunehmend sein und am vorlichen Ende eine relativ starke Anstellung N aufweisen. Die Leitbleche können einfache Bleche sein, d. h. Vorder- und Rückseite können durchaus parallel zueinander stehen.

Da hier keine Energieumsetzung statt findet, ist sogar die Umlenkung durch Sogwirkung zu bevor­ zugen. Die Leitbleche könnten also durchaus profiliert sein. Im achterlichen Bereich wäre dabei die Vorder- bzw. Druckseite stärker zu krümmen, im vorlichen Bereich die Rück- bzw. Sogseite. Im da­ durch erzeugten Sogbereich wird die Strömung besser geordnet und tritt mit erhöhter Geschwindigkeit zwischen den Leitblechen aus. Durch ihre dortige starke Drallbewegung wird sie ohne jegliche Turbulenz in den Haupt- und Nebenstrom aufgenommen.

Der Ringwirbel wird durch die Strömung entlang des Rückstromdeckels wie der Kelch-Außenwand also keinesfalls abgebremst, sondern intensiviert. Auch durch die Leitbleche erfolgt keine Reduzierung der Geschwindigkeit, sondern lediglich eine Umlenkung. Sofern diese im entscheidenden Bereich vor­ wiegend durch Sog bewerkstelligt wird, ergibt sich sogar eine geordnetere und schnellere Bewegung.

Der Rückstrom in Form eines Ringwirbels stellt also die ideale Ergänzung obiger Druckschraube dar. Beide zusammen setzen Druck und Sog, Reibung und Strömung in den jeweiligen Bereichen bzw. Bewegungsphasen in optimaler Form ein. Dieser Ringwirbel stellt praktisch ein elastisches Element dar, welches damit auch Schwankungen in der ursprünglich anstehenden Strömung ausgleicht.

Es kommt insofern niemals zu einem Strömungsabriß. Diese Druckschaufel mit Rückstrom wird darum herkömmlichen Schaufeln weit überlegen sein in vielen Belangen. Diese Konzeption kann sowohl als Wind- wie Wasserkraftanlage eingesetzt werden.

4. Konstruktive Ausführungsbeispiele 4.1. Druckschaufel und Rückstrom

In Bild 13 ist schematisch und beispielhaft eine Wasserkraftanlage im Längsschnitt dargestellt. Als Einlaß ist hier beispielsweise obiger laterale Einlaß gewählt. Aus dem Behälter fließt das Fluid zwischen dem Gehäusedeckel A, den Leitblechen B und dem oberen Rand des Kelches C nahezu tangential in den Einlaßbereich ein. Am vorlichen Ende des Einlaß ist eine Rohrpumpe D installiert. Das Getriebe bzw. der Generator E sind hier nur skizziert.

Der Haupt- und Nebenstrom aus dem Einlaß fließt entlang der Rotor-Innenwandung und wird durch die Druckschaufeln F in achterliche Richtung umgelenkt. Der Rückstrom entlang des Rückstrom­ deckels H wird durch die Leitbleche I an der Kelch-Außenwandung wieder zurück in eine Drall­ strömung gelenkt. Diese ringförmige Rückströmung geht ein in den Haupt- und Nebenstrom und steht damit nochmals als umzulenkende Masse an den Druckschaufeln zur Verfügung. Durch den Auslauf­ deckel O fließt das Fluid im Auslaß J ab. Zwischen obigem Einlaß und diesem Auslaß wird außen am Gehäuse der Behälterboden K anliegen. Details zu dieser Konzeption sind oben ausführlich erläutert.

Aus dieser schematischen Darstellung wird deutlich, daß mittels Druckschrauben und Rückströmung bereits geringe Fallhöhe ausreichend ist für eine solche Wasserkraftanlage. Es entwickeln sich be­ sonders geordnete und energiereiche Strömungen, wenn dabei eine Rohrpumpe eingesetzt wird. Es wird damit mehr Strömung mit höheren Geschwindigkeiten erzeugt, als durch die ursprüngliche Strömung verfügbar ist. Die Fluidmasse wird damit mehrfach durchgesetzt. Im Extremfall könnte sogar Fluid auch noch in den Einlaufbereich durch entsprechende Kanäle zurück geführt werden (hier nicht dargestellt). Aus dieser Darstellung wird ersichtlich, daß anstelle dieses lateralen auch ein axialer Einlaß einsetzbar wäre, beispielsweise in fließenden Gewässern analog folgender Windkraftanlage.

Diese Konzeption ist ebenso wirksam als Windkraftanlage. Eine solche ist in Bild 14 schematisch und beispielhaft dargestellt. Hier ist obiger axialer Einlaß gewählt, bei welchem das Fluid zwischen einer mittigen Insel A, Leitblechen B und den kelchförmigen Wandungen C in den Einlaßbereich einfließt. Hier ist eine Rohrpumpe D eingezeichnet, deren Welle in einer Hohlwelle des Rotors sich dreht. Das Getriebe E bzw. der Generator sind hier wiederum nur skizziert.

Auch hier wird der Haupt- und Nebenstrom durch die Druckschaufeln F in achterliche Richtung umgelenkt, eine Teilmenge davon durch den Rückstromdeckel G und die Leitbleche H an der Kelch-Außenwandung wieder zurück gelenkt in vorliche Richtung inklusive starkem Drall im Drehsinn des Rotors. Durch den Auslaufdeckel I fließt das Fluid im Auslaß J ab. Leitbleche verbinden dort die achterlichen und vorlichen Gehäuseteile.

Außerhalb des Einlaß liegt Strömung an entlang den Außenwandungen des Gehäuses. Die achter­ lichen Gehäusewandung K sollte bereits eine Krümmung nach innen aufweisen, die vorlichen Gehäusewandung L wird stark abnehmenden Durchmesser aufweisen. Damit ist rund um den gesamten Körper ein starker Sog gegeben, durch welchen das Fluid aus dem Auslaß abgesaugt wird.

Die Leitbleche im Auslaß J sollten nahezu radial zur Mittelachse angeordnet sein. Der Sog zieht damit aus dem Ringwirbel zwischen den Druckschaufeln und dem Rückstrombereich ebenfalls in radiale Richtung Fluid ab. Die Druckschaufeln sollten am achterlichen Rand des Rotors in einem sehr flachen Winkel auslaufen, wobei hier die Rückseite an die Druckseite heran geführt sein kann, so daß die Schaufeln hier mit einem sehr dünnen Querschnitt auslaufend sind. Auf der Druckseite lastet dort weiterhin der Druck aus der Umlenkung der Strömung entlang der Rotorinnenwandung. Auf der Sogseite herrscht hier dann außerordentlich geringer Druck aufgrund des Soges außerhalb der Gehäusewandung. Selbst im Bereich des achterlichen Randes des Rotor ergibt sich damit ein positives Moment im Drehsinn des Rotors.

Besonders vorteilhaft ist dabei, daß durch diesen seitlichen Auslaß nur die Fluidteile in den Sog fallen, welche momentan eine nach außen gerichtete Bewegung aufweisen. Die momentan in achterliche Richtung sich bewegenden Fluidteile fließen dagegen weiter auf den Rückstromdeckel zu. Aus der Rückströmung werden damit praktisch die "Querschläger" heraus gefiltert, d. h. die verbleibende Rück­ strömung weist eine noch besser geordnete Struktur auf.

Die Halterung dieser Konstruktion kann durch einen Schaft M erfolgen. Dieser Schaft kann die achter­ lichen wie vorlichen Gehäuseteile haltern. Sein Querschnitt sollte relativ schmal sein. Wenn dieser Schaft beispielsweise auf einem Mast drehbar gelagert ist um einen Drehpunkt im achterlichen Bereich, dreht sich diese Konstruktion automatisch in die anstehende Windrichtung.

Eine solche Anlage ist relativ kompakt zu bauen. Ein Windrotor mit drei herkömmlichen Flügeln von 20 m Radius weist lediglich eine genutzte Fläche von rund 20 qm auf. Ebensoviel Windkraft wird mit einem axialen Einlaß von nur 2.50 m Radius nutzbar. Bei herkömmlichen Windrotoren wird nur die Druckdifferenz an normalen Flügeln genutzt, bei dieser Konzeption jedoch wird der gesamte Wind­ druck an den Druckschaufeln umgesetzt, zuzüglich des Soges am Auslaß, zuzüglich der Rück­ strömung, wobei die kinetische Energie stets aus wohl geordneten Strömungen verfügbar ist.

Einen möglicherweise entscheidenden Vorteil weist dieser Konzeption bei der Baugenehmigung neuer Windkraftanlagen dar. Es ist nicht zu bestreiten, daß herkömmliche Windkraftanlagen ein unruhiges Bild abgeben und damit störend in der Landschaft sein können. Dieses ist besonders gegeben, wenn mehrere Anlagen dicht beisammen stehen und die Flügel sich in unterschiedlicher Stellung drehen. Bei dieser Maschine hier jedoch sind nach außen keine drehenden Rotoren sichtbar, steht die Anlage ruhig in den Wind gerichtet. Zudem ergibt die "stromlinienförmige" Kontur ein sehr harmonisches Bild ab, selbst wenn mehrere solcher Anlagen relativ dicht beisammen aufgestellt werden. Die Wind­ energie kann darum mit solchen Windkraftanlagen sehr viel starker genutzt werden. Diese Konzeption ist einsetzbar in kleinem Maßstab, beispielsweise zur Aufladung der Batterien von Segelyachten, aber auch als große Windparks.

4.2. Drehkolbenturbine

Das äußere Erscheinungsbild einer Windkraftanlage könnte auch aus obigen Gesichtspunkten der Umweltverträglichkeit ähnlich der altbekannten Windmühlen gestaltet werden oder Ähnlichkeit mit vom Winde gebeugten Bäumen aufweisen. In Bild 15 ist dazu schematisch und beispielhaft ein Quer­ schnitt durch einen derartigen Windturm dargestellt.

Anstelle obiger Windanlage mit dem im Prinzip runden Einlaß bildet bei diesem Windturm praktisch die gesamte dem Wind zugewandte Seite A einen hohen Einlaßbereich von prinzipiell rechteckiger Form. Beide Seitenwände H dieses Windturmes weichen zurück, so daß die dem Wind abgewandte Seite nurmehr relativ geringe Breite für den Auslaß G aufweist. Als Turbine wird hier beispielsweise die Drehkolbenturbine E eingesetzt, wobei deren Mittel- bzw. Exzenterachse senkrecht steht. Wenn der gesamte Windturm um eine Achse I im achterlichen Bereich drehbar ist, stellt er sich automatisch in den Wind.

Der besondere Vorteil der Drehkolbenturbine ist, daß der Einlaß bzw. Druckbereich durch die Kolbenschaufeln vollkommen getrennt ist vom Auslaß bzw. Sogbereich. In diesen separaten Bereichen kann also sowohl der Druck wie auch der Sog unabhängig voneinander organisiert werden.

In Bild 15 wird der Einlaßbereich B beispielsweise durch gekrümmte Wandungen C gebildet, welche allerdings nicht symmetrisch angelegt sind. Das Fluid wird vielmehr in den runden Einlaßbereich D in tangentialer Richtung eingeleitet, von dort wiederum tangential in die Turbine E. Da ein Zylinder der Turbine nur taktweise Fluid entgegen nehmen kann, könnte es damit zu Turbulenzen kommen. Dieses wird durch den Wirbel im runden Einlaßbereich weitgehend unterbunden, insbesondere wenn dort auch eine axiale Bewegung gegeben ist. Darum wird zweckmäßig sein, bereits achterlich am Einlaß Leitbleche B zu installieren, um diese axiale Bewegungskomponente auszulösen. Da oben die Wind­ geschwindigkeit in aller Regel stärker ist als unten, wird die Strömung also zweckmäßigerweise durch die Krümmung dieser Leitbleche nach unten zu lenken sein. Im runden Einlaßbereich wird damit der Winddruck der anstehenden Strömung anliegen wie auch die kinetische Energie der dortigen Drall­ bewegung. Dieser Druck wie Drall wirkt auf die Druckseite der Kolbenschaufeln, der Drall auch zusätzlich auf die Wandung des Rotors.

Entsprechend obigen Ausführungen sollte auch der Abfluß aus der Turbine zunächst tangential in einen runden Auslaßbereich F erfolgen und von dort wiederum tangential durch einen Auslaßkanal G aus dem Gehäuse abfließen. Durch die zurückweichende Außenwandungen H des Gehäuses ist in diesem vorlichen Bereich starker Sog gegeben. In diesen fallen Fluidteile von der Seite her mit ihrer Molekulargeschwindigkeit. Entlang der äußeren Gehäusewandungen wird also eine Strömung mit relativ hoher Geschwindigkeit bestehen. In diese könnte das Fluid an den Seitenwänden analog zu Bild 14 ausgeleitet werden oder wie in Bild 15 dargestellt an der vorlichen Schmalseite dieses Wind­ turmes. In jedem Fall stellt diese starken Seitenströmung einen starken Sog dar, welcher zurück wirkt auf den runden Auslaßbereich und über diesen bis hin zur Sogseite der Schaufelkolben. Damit die Strömung innerhalb des runden Auslaßbereiches wiederum nicht nur ein Wirbel darstellt sondern auch eine axiale Bewegungskomponente aufweist, sollten auch im Auslaßbereich G Leitbleche installiert sein. Diese sollten nun aber so angestellt bzw. gekrümmt sein, daß das Fluid nach oben gelenkt wird.

Einzelheiten zu dieser Drehkolbenturbine sind oben ausführlich dargestellt. Hier wurde darum nur einige wesentlichen Merkmale wiederholt. Bei diesem Windturm könnten also auch der Zu- und Ab­ fluß zu einzelnen Zylindern durch entsprechende Mechanismen unterbunden werden, das Fluid also in einem Seitenkanal fließen. Auch diese Steuerungsmög 10437 00070 552 001000280000000200012000285911032600040 0002019849975 00004 10318lichkeit ist hier nicht nochmals dargestellt.

In Bild 16 ist ein solcher Windturm schematisch und beispielhaft dargestellt, links eine Längsschnitt durch die schmale Seite bzw. eine Ansicht der dem Wind zugewandten Wandung, rechts ein Längs­ schnitt durch die breite Seite bzw. eine Seitenansicht.

Als gestricheltes Rechteck ist die Lage der Drehkolbenturbine D skizziert mit ihrer senkrecht stehen­ den Mittel- bzw. Exzenterachse. Der untere Teil der dem Wind zugewandten Seite stellt den relativ großen Einlaßbereich B dar. Leitbleche A lenken dabei die Strömung etwas nach unten. In der Seiten­ ansicht ist auch die Lage des runden Auslaßbereiches F eingezeichnet, welcher ganz unten in vorliche Richtung geschlossen ist. Die Auslaßkanäle setzen erst etwas höher an und die Leitbleche G darin lenken das Fluid etwas nach oben.

Der gesamte Auslaßbereich ragt über den Bereich der Drehkolbenturbine hinaus in einem Fortsatz J. Dessen Querschnitt entspricht der Profilierung einer Tragfläche, allerdings symmetrisch. Am vor­ lichen Ende ist dieser Fortsatz offen und bildet eine längliche Düse. Analog zur Düsentragfläche könnte das Fluid auch beidseits seitlich ausgeleitet werden. Dort oben wird der Wind die schnellste Geschwindigkeit aufweisen, so daß entsprechend starke Sogwirkung entsteht. Damit wird Fluid aus dem Auslaßbereich gesaugt, d. h. an den Sogseiten der Kolbenschaufeln wird damit nur ein außer­ ordentlich geringer Druck anstehen.

In der Fahrzeugerfindung wurde ein Impulsumsetzer vorgestellt, mittels dessen das vom Motor beschleunigte Fluid mit möglichst großer Oberfläche gegenüber ruhendem Fluid der Umgebung austreten sollte. Diese Prinzip könnte hier umgekehrt eingesetzt werden, indem nicht nur ein Auslaß-Fort­ satz eingesetzt wird wie hier dargestellt. Der runde Auslaßbereich könnte vielmehr sich nach oben in mehrere "Äste" verzweigen, so daß vielfach größere Oberflächen entlang aller länglichen Düsen sich ergeben. Diesen Ästen bewirken eine Verengung der dem Wind zur Verfügung stehenden Quer­ schnittsfläche. Zwischen den Ästen wird der Wind wesentlich erhöhte Geschwindigkeit aufweisen. Entsprechend wird die Sogwirkung mehrfach höher sein.

Ein solcher Windturm von beispielsweise 3 m Breite und 7 m Länge wird bei nur 25 m Höhe weit mehr Energie liefern als die größten realisierten Windkraftanlagen herkömmlicher Bauart. Wenn eine Steuerung entsprechend obiger Zylinderabschaltung eingesetzt wird, können solche Windtürme schon bei relativ schwachem Wind gefahren werden und es kann die gesamte Energie sehr starker Winde umgesetzt werden.

Eine solch interessante und schöne "Windfahne" könnte jedes Hochhaus zieren. Ein ganzer Park solcher Windtürme könnte an jeder Küste stehen. Aber auch im Binnenland würden solcher Art Windtürme gut in die Landschaft passen. Mit vielfach verzweigten Auslaßarmen wurden sie geradezu wie vom Winde gebeugte Bäume anzusehen sein - natürlich wirken und effektiv wie die Natur wirken.

4.3. Düsenflügel

In Bild 17 oben rechts ist eine Windanlage entsprechend Bild 7 bzw. 8 nochmals schematisch und beispielhaft in einem Längsschnitt dargestellt. Hier allerdings ist ein offener Einlaß mit dem Düsen­ flügel kombiniert. Um die Insel A fließt das Fluid und wird durch die Leitbleche B in Drall versetzt. Der Ring C lenkt die Druckwelle entlang der sich in vorliche Richtung zurücktretenden Wandung. Durch die Profilierung des Rings wird Fluid von außen angesaugt und es bildet sich rund um den vorlichen Teil der Insel die intensive Potentialdrallströmung aus wie oben beschrieben.

Der Rotor setzt am vorlichen Ende der Insel an. Durch einen ringförmigen Einlaßbereich D wird das Fluid in die Kanäle E der Flügel F gelenkt. Diese Strömung stellt den schnellsten Hauptstrom dar, welche auch durch die Wendelung in den Kanälen eine Drallströmung darstellt entsprechend obigen Erläuterungen. Durch die Drehung der Flügel wirken die Kanäle wie Zentrifugalpumpen, womit sowohl der Sog am Einlaß wie die Geschwindigkeit des Fluids beim Auslaß durch die länglichen Düsen erhöht wird. Dieses selbstbeschleunigende Bewegungssystem macht selbst schwache Winde nutzbar.

Im Gehäuse kann die Rotorwelle G gut gelagert werden und es ist innerhalb der Insel ausreichend Raum beispielsweise für einen Generator H, was hier nur schematisch skizziert ist. Diese Windanlage kann mit einem Schaft I gehaltert werden, welcher in ein Rohr J übergeht. Wenn dieses drehbar gelagert ist, stellt sich dieses Windrad automatisch in den Wind. Es können relativ viele Flügel eingesetzt sein. Diese könnten auch außen in einen Ring gefaßt sein, um weniger Geräusch zu entwickeln. Es ist augenscheinlich, daß diese Konzeption weit effektiver ist als herkömmlich Wind­ kraftanlagen.

In Bild 17 links und unten ist als Beispiel eine weitere wichtige Einsatzmöglichkeit dieser Düsenflügel dargestellt. Im Prinzip stellt dieser Längsschnitt schematisch und als Ausschnitt ein Aufwindkraftwerk dar. Bei diesen wird auf einer weiten Fläche unter Glas oder schwarzem Material Luft durch Sonnen­ wärme erhitzt. Aufgrund deren relativ geringeren Dichte steigt sie in kanninartigen Türmen hoch, wobei durch diese Strömung eine Turbine angetrieben wird.

Hier nun ist diese Turbine in Form eines Düsenflügels K dargestellt. Die Flügel könnten dabei außen durch einen Ring verbunden sein, welcher im Gehäuse umläuft. Durch diese Dichtung wird erreicht, daß die gesamte Strömung durch dieses Flügelrad strömen muß. Wichtig ist dabei, daß der Auslaß­ bereich zunächst einen größeren Durchmesser aufweist und erst nach oben hin wesentlich enger wird.

Durch den Engpaß erreichen die Strömungen mehrfach höhere Geschwindigkeit, so wie an jedem Kap der Wind mit mindestens einer Windstärke stärker bläst. In dieser Engstelle muß der Düsenflügel montiert sein. In der Zeichnung ist die Welle in einen Bereich L geführt, wo beispielsweise durch einen Generator die mechanische Drehenergie verwertet wird.

Der Einlaß ist hier in zwei Bereiche unterteilt. Mittig wird durch Leitbleche M das Fluid in den Einlaß tangential eingeleitet. Oberhalb der hyperbelförmigen Wandungen wird sich damit ein Potentialdrall­ wirbel ausbilden, welcher über die Kanäle durch die Düsen der Düsenflügel geleitet wird wie oben beschrieben. Durch den Sog dieses Hauptstromes wird Fluid aus allen Richtungen nach innen gesaugt. Dieser Sog reicht bis zum Rand P des Einlaßbereiches. Schon dort sollte das zufließende Fluid durch Leitbleche in Drall versetzt werden. Dieser Drall sollte später durch Leitbleche N nochmals stabilisiert bzw. verstärkt werden, damit sich auch in diesem Nebenstrom ein starker Drall ausbildet.

Wann immer Fluid von außen zur Mitte fließt hat es die Tendenz zur Wirbelbildung. Wenn diese rechtzeitig ausgelöst wird, intensiviert sich ein solcher Wirbel automatisch zu einem Potentialwirbel. Wichtig ist allerdings, daß auch eine axiale Bewegungsrichtung gegeben ist. Darum darf das "Dach" dieses Einlaßbereiches nicht flach sein, sondern muß stets hyperbelförmig nach oben führen. Am Düsenflügel steht damit nicht nur die ursprüngliche Strömung zur Verfügung, sondern zusätzlich starker Drall. Die kinetisch verwertbare Energie ist mit dieser Konzeption sehr viel höher als sich allein aus der Druckdifferenz der relativ kalten Luft außerhalb des Einlaß und der relativ warmen Luft im Ein- und Auslaßbereich ergibt.

Normalerweise wird davon ausgegangen, daß sich solche Aufwindkraftanlagen nur in heißen Ländern und mit sehr großflächigen Anlagen rentieren. Aufwindkraftlagen mit Düsenflügeln nach dieser Konzeption sind jedoch vielfach einsetzbar, praktisch auf jedem Hochhaus oder größerem Gebäude.

Wie aus dieser Zeichnung in Bild 17 ersichtlich, muß die Höhe dieser Anlage nicht wesentlich größer sein als ihr Durchmesser. Allein die Formgebung des Auslaßbereiches O bewirkt eine Potentialdrall­ strömung, wenn Fluid unten mit Drall eingeführt wird. Gegebenenfalls können auch Leitbleche im unteren Bereich dieses Auslaß installiert werden. Die Wandungen müssen so gestaltet sein, daß eine Aufheizung durch Sonnenenergie statt finden kann. Es könnte aber auch mit einem einfachen Brenner dort geheizt werden. Im wesentlichen sollte dort hinein jedoch alle Abwärme des Gebäudes geleitet werden, also die Abgase von Kaminen ebenso wie die Abluft aus Bädern oder von Wärmetauschern.

Auf jedem größeren Gebäude gibt es vielfältige Einrichtungen, welche Wärme in die Umwelt abgeben. Außerdem sind dort in aller Regel Gebläse installiert, deren Abluft irgendwie in die Umgebung geblasen wird. Diese Strömungen sind so zu organisieren, daß damit Drall entweder im Einlaß- oder Auslaßbereich entsteht. An allen größeren Gebäuden ist auf irgendeiner Seite praktisch stets Aufwind gegeben. Wenn der Einlaßdeckel beispielsweise etwas über die Gebäudewände hinaus ragt, können diese Aufwinde erfaßt werden. Irgendwelche Strömung können also dazu verwendet wird, Drall oder Sog zu erzeugen.

Die einzelnen Strömungen werden in aller Regel so gering oder unbeständig sein, daß eine Ver­ wertung nicht lohnt. Wenn sie jedoch zur Auslösung eines Potentialdrallwirbels eingesetzt werden, ergibt dessen Eigendynamik eine sehr viel beständigere und stärkere Strömung. Es steht darum außer Frage, daß auch in gemäßigten Zonen Windkraftanlagen dieser Konzeption rentabel sind. Auf praktisch jedem größeren Gebäudekomplex wäre lohnend, solche Anlagen zu installieren.

4.4. Varianten

Obige Beispiele des Einsatzes der Düsenflügel, Druckschaufeln und Rückstromes sowie der Dreh­ kolbenturbine, kombiniert mit dem lateralen, axialen oder offenen Einlaß, mit oder ohne zusätzliche Rohrpumpe sollen nur einige Anwendungen und Kombinationsmöglichkeiten der Merkmale der Konstrukte dieser Erfindung aufzeigen. Darüber hinaus sind vielfältige andere Anwendungsmöglich­ keiten gegeben, können Druck und Sog von Fluid in der aufgezeigten Weise optimal eingesetzt und genutzt werden. Mit Maschinen entsprechend dieser Erfindung kann ein Vielfaches der heutigen Nutzung von Wind- und Wasserkraft erreicht werden.

Claims (8)

1. Die Patentansprüche dieser Erfindung basieren auf Elementen aus den drei Patentanmeldungen vom 17. 02. 1998 "Konstruktive Elemente zur Verbesserung des Fluidstroms in Rohren" (Aktenzeichen 198 06 513.2, im folgenden "Rohrerfindung" genannt) " Konstruktive Elemente zur Verbesserung von Arbeits- und Kraftmaschinen" (Aktenzeichen 198 06 507.8, im folgenden "Maschinenerfindung" genannt) und "Konstruktive Elemente zur Verbesserung des Auf- und Vortriebs von Luft- und Wasserfahrzeugen" (Aktenzeichen 198 06 462.4, im folgenden "Fahrzeugerfindung" genannt), welche vom Anmelder in 1998 auch in Buchform ("Evert-Fluid-Technologie", Verlag Evert-Fluid-Tech, ISBN 3-00-002499-9) veröffentlicht wurden. Diese Elemente werden hier unverändert oder in analoger Weise oder um neuartige Merkmale ergänzt sowie in neuartiger Kombination zum Zwecke von Wind- und Wasserkraftanlagen eingesetzt. Diese Erfindung hier ist aber auch durch vollkommen neuartige konstruktive Elemente gekennzeichnet.
2. Die Patentansprüche dieser Erfindung "Wind- und Wasserkraftanlagen" sind gekennzeichnet dadurch, daß
3. 1. der Einlaßbereich dieser Anlagen analog zu dem "Behälterauslauf bzw. Rohreinlauf" der Rohrerfindung oder analog zu denk "Auftriebskörper" der Fahrzeugerfindung oder anderer Art gestaltet sein kann,
4. 2. im Bereich des vorlichen Endes dieses Einlaßbereiches, also unmittelbar vor dem Zufluß zum Rotor, eine Pumpe eingesetzt wird, welche mit höherer Drehzahl als der Rotor dreht, wobei diese Pumpe beliebiger Bauart sein kann, vorzugsweise jedoch analog zum Rotor der "Rohrschraube" der Fahrzeugerfindung konzipiert ist,
5. 3. als Bestandteil des Rotors Flügel eingesetzt werden können, welche prinzipiell analog zu der "Düsentragfläche" der Fahrzeugerfindung konzipiert sind,
6. 4. als Rotor eine Konstruktion eingesetzt werden kann analog zur "Drehhubkolbenmaschine" der Maschinenerfindung,
7. 5. Schaufeln eingesetzt werden können, welche analog zu den Schaufeln der "Druckpumpe" der Maschinenerfindung konzipiert sind, bei welchen also die Druck- und Sogseite der Schaufel im Prinzip in einem rechten Winkel zueinander stehen,
8. 6. im Bereich des Auslaufes aus der Turbine ein Teil des Fluids zurück geführt wird in einem Bewegungsablauf welcher prinzipiell dem eines Ringwirbels entspricht, um damit Reibung zu vermeiden und damit diese Fluidmasse erneut bei der Umlenkung an Schaufeln, insbesondere voriger Bauart, zur Verfügung stehen kann.