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Die Erfindung betrifft eine Turbine zum Umwandeln von Energie in einem Fluid in mechanische Leistung mit einer Vielzahl von voneinander beabstandeten, gemeinsam drehbar auf eine Drehwelle angeordneten, einen Scheibenstapel bildenden Scheiben in einem Gehäuse mit einem Fluideinlass und einem Fluidauslass.
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Die Erfindung betrifft somit eine Turbine, die aus strömenden Medien, Luft, Dampf oder flüssigen Stoffen Energie rückgewinnen kann, die sonst nutzlos verloren ginge. Die durch die strömenden Medien angetriebene Turbine überträgt die Rotation auf einen Generator, der daraus Strom generiert. Einerseits soll möglichst viel Energie aus der Strömung gewonnen werden, andererseits darf die Strömung aber nicht blockiert werden. Ziel bei der Turbine ist es deshalb sie so zu gestalten, dass ihre Effektivität optimiert wird.
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Eine derartige Turbine ist schon lange aus den
U.S.Patenten 1,061,206 und
1,061,142 von 1913 von Nikola Tesla bekannt. Er hat damit versucht, durch die bisher nicht bekannte Anordnung der Turbinenschaufeln die Effektivität der Turbine zu erhöhen. Die gering beabstandeten Scheiben sind in einem Gehäuse montiert und werden über eine Einlassdüse tangential am größten Durchmesser der Scheiben angeblasen. Aufgrund der Einhausung wickelt sich z.B. die Luft spiralförmig auf bis sie kurz vor der Rotationsachse rechtwinklig durch Austrittslöcher das Gehäuse in axialer Richtung verlässt. Bis heute streiten sich die Fachleute über die Höhe des Wirkungsgrades dieser Turbine.
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Das Problem bei vielen Turbinen besteht darin, dass je mehr sie sich dem strömenden Medium in den Weg stellen, um mehr Energie generieren zu können, umso stärker wird die Strömung abgebremst, was direkt zur Verringerung der erzielbaren Energie führt. Es muss demnach genau der Punkt gefunden werden, der das optimale Gegeneinander ist.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die vorstehend beschriebene Turbine hinsichtlich Wirkungsgrad zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Turbine mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind den rückbezogenen Unteransprüchen zu entnehmen.
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Danach ist bei der erfindungsgemäßen Turbine der Fluideinlass tangential zum Umfang der Scheiben und der Fluidauslass an mindestens eine Stirnseite der Welle angeordnet. Die Scheiben werden somit von der Seite angeströmt und verlassen die Scheiben und das Gehäuse durch das Innere der Drehwelle.
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Eine deutliche Steigerung der Effizienz der Turbine wird gemäß einer bevorzugten Ausbildung der Erfindung durch sinusförmige Wellen aufweisende Scheiben erreicht, wobei die Wellen vorzugsweise Richtung der Rotationsachse in ihrer Amplitude linear abnehmen. Jede Scheibe enthält somit auf der Oberseite und Unterseite Wellentäler und Wellenberge, wobei ein Wellenberg auf der Oberseite ein Wellental auf der Unterseite darstellt und umgekehrt. Durch die Wellen wird das antreibende Medium abgelenkt und überträgt dabei Energie auf die Scheiben. Der Wellenberg der einen Scheibe lenkt das Medium in das Wellental der benachbarten Scheibe. Der anschließende Wellenberg der benachbarten Scheibe lenkt das Medium zurück zur ersten Scheibe usw.. Das Medium wird also nicht durch querstehende Flächen blockiert sondern nur in seiner Strömungsrichtung mehrmals leicht umgelenkt und spiralförmig um die Rotationsachse zum Mittelpunkt der Scheibe geführt, bis es durch das Innere der Drehwelle die Turbine verlässt.
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Vorzugsweise sind in der Drehwelle in axialer Richtung verlaufende Rinnen angeordnet, wodurch die Drehachse durch zwangsläufig dazwischen befindliche Stege einen eckigen Querschnitt erhält, der mit seinen Ecken in eine angepasste zentrische Öffnung der jeweiligen Scheibe eingreift und dadurch die Drehkraft optimal überträgt. Besonders bevorzugt ist eine Drehwelle mit fünf Rinnen, wodurch sich ein optimales Verhältnis und eine optimale Anordnung von Rinnen, Stegen und Querschnitt ergibt. Die Rinnen können in Längsachse geradlinig oder auch verdrillt verlaufen.
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Vorteilhafterweise sind in den Scheiben spiegelbildlich zu den Rinnen halbkreisförmige Flächen ausgeschnitten, die zusammen mit den Rinnen, von der lichten Weite her gesehen, runde Durchgangsöffnungen bilden. Der Strömungsfluss insgesamt wird dadurch erheblich gleichmäßiger und laminarer.
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Um diese laminare Strömung nicht zu stören ist eine weitere Verbesserung im Weg des Medienstromes vorgesehen. Wie beschrieben wickelt sich der Medienstrom aufgrund der Einhausung immer mehr ein bis er in der Drehwelle rechtwinklig zur Aufwickelung umgelenkt wird, um in den dafür vorgesehenen Rinnen die Turbine zu verlassen. Bei den mittleren Turbinenscheiben würde das Medium sich entscheiden müssen, ob es nach links und/oder nach rechts in die Rinne abbiegen will. Das bedeutet, dass gerade die mittleren Turbinenscheiben für reichlich Verwirbelungen sorgen und einen Stau im Inneren der Drehwelle verursachen würden, der die Strömung behindert. Um dies zu verhindern, ist gemäß einer weiter bevorzugten Ausbildung der Erfindung eine spezielle mittlere Turbinenscheibe vorgesehen. Sie hat die gleiche Grundform wie ihre Nachbarscheiben aber zusätzliche Erweiterungen (halbkreisförmige Separatoren) die in die gefrästen Rinnen der Rotationsachse vollständig eingreifen und im gesamten somit eine Art Trennwand bilden. Das Medium der linken Turbinenseite muss deshalb die Turbine zwingend über den linkseitigen Auslass verlassen. Entsprechend ebenso auf der rechten Seite. Es kommt durch diese Trennwand zu keinen aufstauenden Verwirbelungen mehr sondern zu zwei zielgerichteten Ausströmungen. Eine andere Art eine Trennwand zu bilden besteht darin, die halbrunde Fräsung der Rinnen in der Welle von der Mitte weg auszuführen. Dann hätte man sogar noch eine Schräge am Kanalanfang, die dem gleichmäßigen Medienfluss förderlich wäre. Die spezielle mittlere Turbinenscheibe wäre dann nicht erforderlich.
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Damit die Turbinenscheiben durch das hin und her schwingende Medium nicht ins Flattern kommen ist eine gradzahlige Anzahl von Wellen auf den Scheiben von Vorteil. Die Druckbelastung von einem Wellenberg wäre dann synchron zu dem Wellenberg, der auf der anderen Seite der Rotationsachse liegt. Je nach Blechstärke der Scheiben, ist es zweckmäßig diese untereinander durch quer eingebrachte dünne Drähte zwecks Stabilisierung zu verbinden. In diesem Bereich können beispielsweise hülsenförmigen Abstandshalter vorgesehen werden, mit denen der Abstand zwischen den Scheiben sichergestellt wird. Zur Herstellung des Abstandes ist es auch möglich alle Scheiben mit den durchgeführten Drähten zu verschweißen.
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Auf den Enden der Rotationsachse außerhalb des Gehäuses können von der Ausgangsöffnung etwas beabstandet ein- oder beidseitig Dynamos angebracht werden, die die Rotationsenergie in Strom wandeln. Je nach Bedarf des Stromes kann die Turbine in der Größe problemlos skaliert werden. Wird die Turbine „rückwärts“ eingesetzt, also angetrieben, kann sie als Pumpe verwendet werden.
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Naturgemäß würden sich zwischen den welligen Endscheiben und den ebenen Gehäuseinnenwänden bei Rotation starke Luftwirbel bilden, die eine bremsende Wirkung auf den Läufer hätten. Um dies zu verhindern, wird gemäß einer weiteren Ausbildung der Erfindung auf den Außenseiten der beiden äußeren Scheiben Ausgleichsmasse aufgebracht, die die Welligkeit der Scheibe einebnet und parallel zur Innenwand des Gehäuses verläuft. Der Abstand der beiden Flächen kann durch die Ausgleichsmasse optimal klein gehalten werden und starke Wirbelbildung effektiv unterbinden.
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Die relative dicke Ausgleichsmasse kann zu einem weiteren Vorteil genutzt werden. Das in die Turbine einströmende Medium wird durch den Scheibenstapel gestaut. Es versucht nun über alle mögliche Wege zu entweichen. Auch der kleine Raum zwischen Scheibenstapel und Gehäuse bietet eine Möglichkeit dazu. Um diesen Schleichweg zu unterbinden, wird eine Labyrinthdichtung eingebaut. In die Ausgleichsmasse werden ringförmige Kreise gefräst und an den Innenseiten des Gehäuses die entsprechenden ringförmigen Erhebungen montiert. Diese reibungsfreie Labyrinthdichtung verhindert wirkungsvoll das Abfließen des Mediums, insbesondere eines gasförmigen Mediums, und erhöht dadurch den Wirkungsgrad der Turbine.
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Ebenso begünstigen gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung konische Luftverteiler auf der Rotationsachse außerhalb des Gehäuses das Abfließen des Mediums, wenn es aus dem Inneren der Drehwelle kommt. Diese sind in axialer Richtung der Drehwelle beidseitig zentrisch direkt an die Auslassöffnung anschließend axial rotationssymmetrisch im Durchmesser von der Auslassöffnung weg größer werdend ausgebildet. Die Luftverteiler verhindern einen Stau vor den Lagern der Welle.
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Die erfindungsgemäße Turbine, kann aus strömenden Medien, Luft, Dampf oder flüssigen Stoffen Energie rückgewinnen, die sonst nutzlos verloren ginge. Die durch die strömenden Medien angetriebene Turbine überträgt die Rotation auf einen Generator, der daraus Strom generiert. Einerseits soll möglichst viel Energie aus der Strömung gewonnen werden, andererseits darf die Strömung aber nicht blockiert werden. Ziel bei der Turbine ist es deshalb sie so zu gestalten, dass ihre Effektivität optimiert wird.
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Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar. Zur Ausführung der Erfindung müssen nicht alle Merkmale des Anspruchs 1 verwirklicht sein. Auch können einzelne Merkmale der unabhängigen oder nebengeordneten Ansprüche durch andere offenbarte Merkmale oder Merkmalskombinationen ersetzt werden. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder der Zeichnung hervorgehenden Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten, räumliche Anordnung und Verfahrensschritte können sowohl für sich als auch in den verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich sein.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand der begleitenden Zeichnungen näher erläutert. Es stellen dar:
- 1 schematische Seitenansicht Turbine
- 2 wellige Turbinenscheibe dreidimensional
- 3 Querschnitt durch eine Drehachse mit halbrunden Rinnen
- 4 Turbine im Querschnitt;
- 5 mittlere Scheibe mit Separatoren;
- 6a Normalscheibe; und
- 6b Normalscheibe auf Drehwelle
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1 zeigt den tangentialen Einlass 1 in den Innenraum eines Gehäuses 2, in dem sich auf einer Drehwelle 3 mit Abstand voneinander angeordnete Scheiben 6 befinden. Die Scheiben 6 weisen eine 5-eckige zentrische Öffnung 7 auf mit der sie auf einer Drehwelle 3 aufsitzen. Die Drehwelle 3 weist in Längsrichtung verlaufende Rinnen 4 auf, zwischen denen Stege 4' angeordnet sind. Die Scheiben 6 weisen zu dem Gehäuse 2 einen Zwischenraum 10 auf, der möglichst klein ausgebildet ist, um gerade die Rotation nicht zu behindern. Mit der gestrichelten Linie 11 ist der Weg beispielsweise eines Luftstromes um die Öffnung 7 spiralförmig zu den Rinnen 4 verlaufend dargestellt.
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2 zeigt eine Scheiben 6 mit sinusförmigen Wellen 5, deren Amplitude linear zur Öffnung 7 hin abnimmt.
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Aus 3 ist der Querschnitt der Drehwelle 3 mit den Rinnen 4 und den Stegen 4' ersichtlich.
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In der 4 ist das Gehäuse 2 mit den darin befindlichen auf der Drehwelle 3 geordneten, einen Scheibenstapel 19 bildendende wellenförmigen Scheiben 6 gezeigt, die um die Rotationsachse 9 drehbar sind. Die Drehwelle 3 weist im Inneren die in den 1 und 3 dargestellten Rinnen 4 mit stirnseitigen Auslassöffnungen 18 auf. An den Stirnseiten der Drehwelle 3 befinden sich konische Luftverteiler 16 mit Kugellager 17. In der Mitte des Scheibenstapels 19 befindet sich eine gestrichelt dargestellte Mittelscheibe 14, die die Rinnen 4 in der Drehwelle 3 in Längsrichtung unterbricht, um das Medium zu den zugeordneten stirnseitigen Auslassöffnungen 18 zu leiten. Stabilisatoren 8 in Form von dünnen Stangen verhindern ein Flattern der Scheiben 6 und nicht dargestellten in diesem Bereich angeordneten hülsenförmigen ausgebildeten Abstandshalter um die Stabilisatoren 8 sorgen für den gewünschten Abstand. Die Labyrinthdichtungen 13 dichten den Zwischenraum 10 zwischen der auf den äußeren Scheiben 6' befindlichen Ausgleichsmasse 15 und dem Gehäuse 2 ab.
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5 zeigt die Mittelscheibe 14 mit in der Öffnung 7 angeordneten Trennwänden 12, die in die in 3 gezeigten Rinnen 4 eingreifen und diese in axialer Richtung verschließen, so dass das Medium gezwungen wird durch die jeweilige Auslassöffnung 18 zu entweichen.
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In 6a ist eine Scheibe 6 mit der Öffnung 7 dargestellt, die zusätzlich ausgeschnittene Flächen 20 aufweist, um zusammen mit den in der Drehwelle 3 angeordneten Rinnen 4 den in 6b dargestellten runden Strömungsquerschnitt für das durch die jeweilige Auslassöffnung 18 entweichende Medium zu bilden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Einlass
- 2
- Gehäuse
- 3
- Drehwelle
- 4
- Rinne, 4' Stege
- 5
- sinusförmige Erhebung
- 6
- Scheibe
- 7
- 5-eckige Öffnung /Aufnahme
- 8
- Stabilisatoren
- 9
- Rotationsachse
- 10
- Zwischenraum
- 11
- schematischer Strömungsverlauf
- 12
- Trennwand
- 13
- Labyrinthdichtung
- 14
- Mittelscheibe mit Separatoren
- 15
- Ausgleichsmasse
- 16
- Konische Umlenkrollen
- 17
- Kugellager
- 18
- Auslass
- 19
- Scheibenstapel
- 20
- Ausgeschnittene Flächen
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 1061206 [0003]
- US 1061142 [0003]
