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Die Erfindung betrifft eine Freistrahlturbine (Flachfreistrahlturbine), die vorzugsweise an einem Wasserfall eines Querbauwerks auch geringer Höhe ohne bauliche Veränderung der vorhandenen, meist zum Schutz vor Naturgefahren errichteten Verbauungsformen, die kinetische und potentielle Energie des Fließgewässers nutzt, indem diese in mechanische und anschließend vorzugsweise in elektrische Energie umgewandelt wird.
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Die gegenständliche Flachfreistrahlturbine besteht aus einer drehbar um eine Achse gelagerten und als zylindrischer Hohlkörper ausgebildeten Nabe mit einer Anzahl von am Umfang angebrachten Schaufeln mit einem äußeren Durchmesser von vorzugsweise 0,4 bis 1 m. Die Achse zeigt dabei quer über das Fließgewässer, die Länge der Nabe und der Turbinenschaufeln entspricht etwa der Gewässerbreite. Der Einbauort der Turbine ist so gewählt, dass der über die Abströmkante schießende flache Wasserstrahl die Turbinenblätter in der etwa parallel zur Achsrichtung verlaufenden halbrundförmigen Rinne im oberen Bereich nahe dem äußeren Umfang trifft und die Turbine in Rotation versetzt.
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Die Nabe schließt an beiden Enden mit einer Scheibe ab, an der jeweils ein in einem Wälz- oder Gleitlager gelagerter Lagerzapfen befestigt ist. Auf der Seite des Fließgewässers, das sich zur Energieweiterleitung anbietet, ist der Lagerzapfen wirkverbunden mit einem Energiewandler.
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In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführung erfolgt die Verbindung des Lagerzapfens der Turbine mit dem Energiewandler über eine elastische Kupplung, die sowohl das Drehmoment überträgt als auch die achssymmetrische Zentrierung übernimmt. Die Lagerung auf dieser Seite wird deshalb vom Energiewandler beziehungsweise bei einem vorgeschalteten Getriebe von diesem übernommen.
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Die Turbinenschaufeln sind im Auftreffbereich des flachen Triebstrahls rinnenförmig so gestaltet, dass der flache Wasserstrahl annähernd rechtwinklig auftrifft und etwa gegen die Fließrichtung umgelenkt wird. Durch die additive Wirkung der an sich über einen gedachten schmalen Streifen nur geringen Stoßkraft wird über die ganze Breite der Turbinenschaufel hinweg insgesamt eine hohe Strahlstoßkraft und daraus resultierend ein entsprechend hohes Drehmoment generiert.
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Damit eine sehr gute Umsetzung der kinetischen Energie des flachen Strahls in mechanische Energie auch tatsächlich erreicht wird und das abfließende Wasser nach dem Aufprall den ankommenden Strahl nicht stört, wird das abfließende Spritzwasser je nach Auftreffwinkel zum einen Teil in radialer Richtung nach außen und in weiterer Folge wieder in Fließrichtung nach unten umgelenkt und zu anderem Teil nach innen zwischen benachbarten Turbinenschaufeln aufgefangen, fließt seitlich ab und bei Weiterdrehung der Turbine fällt das Restwasser dann nach unten.
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Insbesondere bei geringeren Fließgeschwindigkeiten oder auch bei starkem Gefälle würde der Wasserstrahlbogen zu nahe an der Wand des Querbauwerks geführt. In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführung wird die Mauerkrone mit Blechen beplankt, die in Fließrichtung über die Mauerkrone ragen und eine gleichmäßige Wasserzuführung zur Turbine ermöglichen.
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Stand der Technik
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Wasserräder bzw. Wasserturbinen sind in den verschiedenen Bauformen für unterschiedlichste Anwendungen bekannt.
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Im Wesentlichen werden Wasserräder nach dem Zulauf des Wassers unterschieden. Man spricht bei Zulauf von unten von einem unterschlächtigen, bei Zulauf von oben von einem oberschlächtigen und bei mittlerem Zulauf von einem mittelschlächtigen Wasserrad.
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Mittel- und oberschlächtige Wasserräder nutzen hauptsächlich nur die potentielle Energie des Wassers, unterschlächtige Wasserräder manchmal die kinetische Energie in der Form, dass sie mit der Strömung mitdrehen.
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Wasserräder mit einem guten Wirkungsgrad benötigen einen großen Raddurchmesser, das Gewicht des Wassers in den einzelnen Kammern erzeugt ein Drehmoment.
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Ein solcher Raddurchmesser wäre bei der bevorzugten Anwendung an niederen Querbauten dimensionsgemäß nur als unterschlächtige oder mittelschlächtige Ausführung möglich. Bei immer möglichen Starkregenereignissen wäre die Angriffsfläche für ein reißendes Gewässer viel zu hoch, Schwimmstoffe würden das Wasserrad im besten Fall blockieren, wahrscheinlich sogar schwer beschädigen oder sogar mitreißen.
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Für größere Zulaufhöhen, auch bei kleineren Wassermengen, werden Peltonturbinen eingesetzt.
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Dabei enden ein oder mehrere Zulaufrohre in einer oder mehreren Düsen zur Beschleunigung des Triebwassers, der aus der Mündung austretende Strahl trifft mit hoher Geschwindigkeit auf becherförmige Schaufeln am Umfang eines Rades. Die Schaufeln werden über auf der mittleren Radialebene liegende Schneiden zweigeteilt, wodurch eine gleichmäßige Aufteilung des Triebstrahls bewirkt wird, anschließend wird das abprallende Wasser auf annähernd 180° umgelenkt. Mit der dabei entstehenden höchstmöglichen Strahlstoßkraft wird mit sehr gutem Wirkungsgrad die kinetische in mechanische Energie umgesetzt.
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Bei der vorliegenden Erfindung ist jedoch die Geschwindigkeit durch die vorhandene Fließgeschwindigkeit des Gewässers limitiert, für eine Peltonturbine müssten darüber hinaus aufwändige Zu- und Abflussbauwerke geschaffen werden, die sich in die bestehenden Verbauungsformen kaum integrieren ließen.
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Letzteres gilt für Turbinen, deren Propeller wie Francis- oder Kaplanturbinen nach dem Auftriebsprinzip arbeiten, noch viel mehr.
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AT 503 184 B1 beschreibt ein unterschlächtiges Wasserrad mit horizontaler Nabe und Schaufeln, die zwischen Seitenflächen nach innen angeordnet sind, wobei die Schaufeln und Schaufelelemente zum Innern hin offen sind, um wassergefüllte Kammern zu vermeiden. Eine derartige Ausführung ist für die gegenständliche Anwendung nachteilig und würde nach kurzem Betrieb durch Schwemmstoffe blockieren.
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DE 20 2018 000 353 U1 beschreibt eine Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischer Energie mittels Wasserkraft aus einem strömenden Gewässer durch Erhöhung der Fließgeschwindigkeit ohne zusätzliche Stauwerke, dabei wird das Gewässer durch zwei langgezogene seitliche Begrenzungen in Fließrichtung beschleunigt. Nachteilig dabei ist, dass die ersatzweise vorgesehenen seitlichen Einbauten aufwändig sind und eine erhebliche Veränderung der vorhandenen Verbauungsform erfordern.
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EP 1811 170 B1 beschreibt eine Einrichtung zur Nutzung von Wasserkraft. Dabei wird im Hauptanspruch die Welle als Hohlwelle ausgebildet und die Abnahme der kinetischen Energie erfolgt zwischen den Lagern. Diese Ausführungsform für unterschlächtige Schaufelräder mit entsprechendem Durchmesser wäre bei der vorgesehenen Anwendung für die gegenständlichen Freistrahlturbine viel zu aufwändig und ließe sich schon vom Platzbedarf her nicht realisieren.
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DE 10 2021 116 672 A1 betrifft einen im Flussbett angeordneten Tangential-Rotor zur Stromerzeugung unter Ausnutzung der Fließgeschwindigkeit und der daraus resultierenden Kraft des Wassers, wobei im Wesentlichen der Grundkörper ein schwimmfähiger und geschlossener Hohlzylinder ist. Diese Lösung ist für Flüsse praktikabel, für den gegenständlichen Anwendungsfall wäre diese unterschlächtige Wasserradausführung aber nicht anwendbar.
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Aufgabenstellung
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eine Turbine zu entwickeln, die mit hoher Effizienz die kinetische und potentielle Energie eines Fließgewässers nutzt, kostengünstig herstellbar ist und ohne
- • bei Starkregenereignissen beschädigt, blockiert oder gar weggerissen zu werden
- • die zum Schutz vor Naturgewalten gewählten vorhandenen Bauformen zu verändern
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Das Wasser strömt bei bestehenden Verbauungen mit Querbauten, die häufig beispielsweise bei Wildbächen in vielen Stufen zur Reduzierung der zerstörerischen kinetischen Energie nacheinander angeordnet sind, mit einer Fließgeschwindigkeit, die überwiegend vom Gefälle des Fließgewässers vor der Sperre bestimmt wird, über die Krone des Bauwerks, verlässt an der talseitigen Kante den festen Grund und trifft nach einer parabelförmigen Bahn in einem freien, flachen und im unteren Bereich durch den Luftwiderstand aufgefächerten Strahl auf den Wasserspiegel des unteren Bachbettes.
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Der Abstand der parabelförmigen Bahn von der Mauerkrone in Fließrichtung gesehen wird geometrisch durch das Gefälle der Mauerkrone und variabel und in quadratischer Abhängigkeit von der Fließgeschwindigkeit bestimmt. Der Wasserstand und die Fließgeschwindigkeit kann sich z.B. bei Starkregen erheblich vergrößern.
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Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, unabhängig von den unterschiedlichen Fließgeschwindigkeiten weitestgehend konstant Energie zu liefern.
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Geschiebe, Schweb- und Schwimmstoffe sind besonders nach Starkregen zu erwarten. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es deshalb wie schon eingangs erwähnt, das solche Ereignisse nicht zur Blockierung oder sogar zum Totalausfall der Turbine führen dürfen und es auch am Aufstellort der Turbine zu keinen sogenannten Verklausungen kommen kann.
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Erfindungsgemäß erfolgt deshalb die Anordnung unterhalb der Abströmkante, so dass der flache Triebstrahl vorzugsweise im oberen Bereich der Strahlparabel, der sich auch bei stark unterschiedlichen Fließgeschwindigkeiten kaum ändert, auf die Aufprallfläche der Turbine trifft und sogenanntes Wildholz oder dergleichen durch den höheren Wasserstand einfach darüber hinweg schießen kann.
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In einer erfindungsgemäßen Ausführung insbesondere für höhere Querbauten ist die Flachstrahlturbine zur Wand des Querbauwerks so beabstandet, dass anfallendes Geschiebe über die Kante der Mauerkrone zwischen der Turbine und Mauer in den sogenannten Kolkraum fallen kann.
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Bei niederen Fließgeschwindigkeiten wäre der geforderte Platz für die Turbine durch den viel zu nahe am Querbauwerk geführten Wasserstrahlbogen nicht vorhanden. Deshalb wird in einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführung die Mauerkrone mit Blechen beplankt, die in Fließrichtung über die Mauerkrone ragen und sowohl die unterhalb der Abströmkante vorgesehene Anordnung als auch eine gleichmäßige Wasserzuführung zur Turbine ermöglichen.
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Weiters soll dem Fließgewässer durch die erfindungsgemäße Flachfreistrahlturbine kinetische Energie entzogen werden, wodurch die Fallgeschwindigkeit und damit die Wasserfallgeräusche reduziert und die Auswaschung im Aufprallbereich, dem sogenannten Kolkbereich, verringert wird.
Über das natürliche Rauschen des Wildbachs hinaus sind keinerlei störende Maschinengeräusche zu erwarten, damit wird der Betrieb der Freistrahlturbine auch im Nahbereich von Wohnhäusern ermöglicht.
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Weiters soll dem Fließgewässer durch die erfindungsgemäße Flachfreistrahlturbine kinetische Energie entzogen werden, wodurch die Fallgeschwindigkeit und damit die Wasserfallgeräusche reduziert und die Auswaschung im Aufprallbereich, dem sogenannten Kolkbereich, verringert wird.
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Über das natürliche Rauschen des Wildbachs hinaus sind keinerlei störende Maschinengeräusche zu erwarten, damit wird der Betrieb der Freistrahlturbine auch im Nahbereich von Wohnhäusern ermöglicht.
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Bei Wildbächen, die zwischen einzelnen Querbauten den Fischen als Lebensraum dienen, ist bei Normalwasser nur selten damit zu rechnen, dass diese über den Wasserfall in die nächste untere Stufe geraten. Um Verletzungen in diesem Fall zu verhindern, ist in einer erfindungsgemässen Ausführung die Spitze zwischen der Rinne und der Auftriebsfläche gerundet und letztere ist zur Wirkungsgradverbesserung nicht eben, sondern als gewölbtes Tragflächenprofil ausgeführt.
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Alle in der Beschreibung,, in den Zeichnungen und in den Ansprüchen genannten Sachverhalte können sowohl einzeln als auch in unterschiedlicher Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.
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Ausführungsbeispiele
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Nachfolgenden anhand der Figuren erläutert:
- 1 zeigt die Flachfreistrahlturbine in der Vorderansicht und 2 zeigt den achssenkrechten Schnitt A-A dazu.
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Die in den 1 und 2 gezeigte Flachfreistrahlturbine (01) ist an einem Querbauwerk (02) angeordnet.
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Das Fließgewässer (08) verlässt den festen Grund an der Abströmkante (04) der Mauerkrone (03), und prallt nach einem Flachstrahlbogen (07) auf die in diesem Bereich halbrundförmige Rinne (21) der Turbinenschaufel (11).
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Der flache Wasserstrahl wird entsprechend dem Auftreffwinkel zweigeteilt und annähernd in die Zuströmrichtung umgelenkt. Der nach außen abgelenkte Strahlteil (46) und fließt dann anschließend ins Unterwasser (05), der innere Strahlteil (47) wird gegen die Drehrichtung nach innen zwischen die benachbarten Turbinenschaufeln abgelenkt und fließt dann an den beiden Außenseiten ebenfalls ins Unterwasser ab.
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Die Lagerung der Turbine erfolgt in diesem Beispiel über ein auf einer Konsole (18) montiertes Lagergehäuse (14), auf der anderen Seite übernimmt dies über die wirkverbundene elastische Kupplung (15) die Antriebswellenlagerung des ebenfalls auf einer Konsole (18) montierten Getriebes (17) des Energiewandlers (16).
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3 zeigt eine erfindungsgemäße Verschiebung der Abströmkante (4) in Fließrichtung.
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Die Beplankung (30) der Mauerkrone erfolgt in diesem erfindungsgemäßen Beispiel mit Blech, quer zur Fließrichtung horizontal ausgerichtet und ein eventuell vorhandenes Gefälle in Fließrichtung beibehaltend, mit dem in Fließrichtung über die Mauerkrone ragenden Blech, der sogenannten Zunge (31). Auch bei geringerer Fließgeschwindigkeit ist der Zulauf zur Turbine dadurch sichergestellt.
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4 zeigt eine erfindungsgemäße Ausführung mit einer durchgehenden Welle, in etwas vergrößertem Maßstab und von der Umgebung freigestellt.
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Die hier als Vierkantrohr ausgebildete Welle (50), ist drehfest mit der Nabe (10) und den daran befestigten Turbinenschaufeln (11) verbunden. Die drehfeste Verbindung wird in diesem Beispiel über jeweils axial verspannte Gummipakete (52) an beiden Wellenenden hergestellt. Die Wellenzapfen (51) sind im Lagergehäuse (14) und über die Elastische Kupplung (15) im Getriebe (17) des Energiewandlers (16) gelagert.
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5 zeigt Turbinenschaufeln, die nicht durchgehend über die ganze Breite des Fließgewässers ausgeführt sind, in etwas vergrößertem Maßstab und von der Umgebung freigestellt
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Zwischen den einzelnen Abschnitten (45) ergibt sich jeweils ein ringförmiger Zwischenraum (44), der zum Abfluß des Spritzwassers nach dem Aufprall auf die Rinne dient. Die Spitzen (43) zwischen Rinne (21) und Auftriebsfläche (22) liegen dabei vorzugsweise nicht auf einer gemeinsamen Mantellinie, sondern sind zueinander drehwinkelversetzt angebracht.
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6 zeigt ein erfindungsgemäßes Beispiel einer vorzugsweise aus Blech gefertigten Freistrahlturbine, dargestellt in vergrößertem Maßstab, im rechtwinkligen Achsschnitt
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Die Turbinenschaufel (11) setzt sich aus einzelnen Blechen zusammen, der erste Abschnitt parallel zur Drehachse ist das an das Nabenrohr geschweißte Radialblech (40), dann folgt als zweiter Abschnitt eine etwa halbrundförmigen Rinne (21). Beide Abschnitte sind in diesem Beispiel aus einem Stück hergestellt und unter der Biegepresse angeformt. Die ebenfalls aus Blech gefertigte Auftriebsfläche (22) schließt im spitzen Winkel an die Rinne an und ist mit dieser verschweißt Ein dünnwandiges Deckblech (42) verhindert das Eindringen von Steinen etc. in die Innenseite der Spitze. Seitenbleche (48) und einzelne Rippen sind in Radialebenen senkrecht zur Drehachse ausgerichtet und dienen der Verstärkung von Mantelblech und Radialblech.
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7 zeigt einen aus beispielsweise verschleißfestem Polymere Werkstoff einstückig hergestellten Turbinenabschnitt in vergrößertem Maßstab, im rechtwinkligen Achsschnitt
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Die Vielkantwelle, in diesem Beispiel als Vierkant-Hohlprofil (50) ausgeführt, wird von dem einstückig aus Nabe und Turbinenschaufel hergestellten Turbinenabschnitt (55) mit kongruentem Innenprofil (56) umfasst.
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Die Länge der Turbinenabschnitte kann abhängig vom Herstellprozess gewählt werden, kostengünstig bietet sich beispielsweise ein verschleißfester Polymerwerkstoff an, der im 3D-Druckverfahren oder auch im Gießverfahren verarbeitet werden kann.
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Die einzelnen Turbinenabschnitte werden auf der Welle (50) aufgereiht und ermöglichen so eine praktisch beliebige, nur von der Biegefestigkeit der Welle abhängige Turbinenlänge.
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8 zeigt eine erfindungsgemäße Ausbildung der nach außen auslaufenden Rinne (21) mit der im spitzen Winkel anschließenden Auftriebsfläche (22), in stark vergrößertem Maßstab gezeichnet.
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Die Spitze wird ersetzt durch eine Rundung (58), die in eine profilierte Auftriebsfläche (57) übergeht. Diese Form ist bei Bächen, die Fischen als Lebensraum dienen und die eventuell nach StarkregenEreignissen in die tieferliegende Stufe abgeschwemmt werden, vorteilhaft. Der schlechtere Wirkungsgrad beim Eintauchen der Rundung in den Triebstrahl wird durch die Profilierung der anschließenden Auftriebsfläche (57) wieder verbessert.
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Bezugszeichenliste
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- 01
- Flachfreistrahlturbine
- 02
- Querbauwerk eines Fließgewässers
- 03
- Mauerkrone
- 04
- Abströmkante
- 05
- Unterwasserspiegel
- 06
- Kolkraum
- 07
- Flachstrahlbogen
- 08
- Fließgewässer
- 09
- Bachbett der unteren Stufe
- 10
- Nabe
- 11
- Turbinenschaufel
- 12
- Endscheibe
- 13
- Lagerzapfen
- 14
- Lagergehäuse
- 15
- Kupplung
- 16
- Energiewandler
- 17
- Getriebe
- 18
- Lagerkonsole
- 21
- Aufprallrinne
- 22
- Auftriebsfläche
- 23
- Wasser-Abflusskammer
- 30
- Beplankungsblech
- 31
- Überstand zur Mauerkrone (Zunge)
- 40
- Radialblech
- 42
- Deckblech
- 43
- Spitze zwischen Rinne und Auftriebsfläche
- 44
- Ringraum zur Wasserabfuhr
- 45
- Turbinenabschnitt
- 46
- Abgelenkter äußerer Wasserstrahlteil
- 47
- Abgelenkter innerer Wasserstrahlteil
- 48
- Seitenblech
- 50
- Vierkant-Hohlwelle
- 51
- Wellenzapfen
- 52
- Gummipaket
- 55
- Polymere-Ausführung
- 56
- Kongruente Innenkontur
- 57
- Profilierte Auftriebsfläche
- 58
- Gerundete Spitze
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- AT 503184 B1 [0017]
- DE 202018000353 U1 [0018]
- EP 1811170 B1 [0019]
- DE 102021116672 A1 [0020]
