DE2635529A1

DE2635529A1 - Kraftmaschine zur gewinnung von energie aus einer flusstroemung

Info

Publication number: DE2635529A1
Application number: DE19762635529
Authority: DE
Inventors: Jun William J Mouton
Original assignee: MOUTON JUN
Current assignee: MOUTON JUN
Priority date: 1975-10-15
Filing date: 1976-08-06
Publication date: 1977-04-28
Also published as: BE844971A; NL7608634A; AU1668176A; GB1563337A; FR2360768B3; FR2360768A1

Description

Patentanwälte . Dipl.-Ing. H.Weickmann, Dipl^Phys. Dr. K. Fincke

Dipl.-Ing. EAA^eickmann, Dipl.-Chem. B. Huber

8 MÜNCHEN 86, DEN'

POSTFACH 860 820

MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 98 39 21/22

DXV

1) William J. Mouton, Jr.
P.O.B. 1075

New Orleans, La.70181/V.St.A.

2) David F. Thompson
721 I4th Avenue

Prospect Park, Pa. 19070/V.St.A.

Kraftmaschine zur Gewinnung von Energie aus einer Flußströmung

Die Erfindung betrifft eine Kraftmaschine zur Gewinnung von Energie aus einer Flußströmung, mit einer ersten Düse (Hauptdüse), deren Längsachse horizontal und parallel zur Richtung der Strömungsrichtung des Flusses verläuft, die ferner aus dem Hauptstrom der Flußströmung einen Teil sammelt, außerdem entlang ihrer Längsachse hintereinander ein Einlaßende, ein Halsteil, ein Endstück und ein Auslaßende hat, wobei das Einlaßende mit einem zu dem Hals teil und dann durch das Endstück zu dem Auslaßteil führenden, durchgehenden Wassergang verbunden ist, und die in ihrem Halsteil i η koaxialer Lage ein Laufrad mit axialem Eintritt trägt, mit dem ein mechanische Rotationsenergie zu einem äußeren Nutzorgan führendes Übertragerteil verbunden ist.

Wasserkraftwerke, bei denen Staudämme verwendet werden und Wasser durch Wasserräder (und später durch Turbinen) geleitet wird, befinden sich bereits seit Jahrhunderten in der Entwicklung. Diese Anstrengungen haben dazu geführt, daß solche Kraftwerke dort, wo man Dämme errichten kann und ein starkes Gefälle vor-

709817/0267

handen ist, einen hohen Wirkungsgrad- erreichen können und weltweit zur Stromerzeugung verwendet werden.

Es gibt allerdings viele Situationen, in denen das Dämmen von fließendem Wasser unvertretbar hohe Kosten verursacht, sich wegen der Bodenbeschaffenheit als unmöglich erweist, wegen der geographischen Verhältnisse nicht möglich ist oder nicht durchgeführt werden kann, weil das fließende Wasser für die Schifffahrt freigehalten werden muß« Folgende Situationen verhindern beispielsweise eine erfolgreiche Wasseranstauung zu hydroelektrischen Zwecken:

Tiefe Schichten von angeschwemmtem Boden, der zu tief liegendes Flußbettgestein überlagert; dadurch wird die Konstruktion von Dammfundamenten vollkommen undurchführbar.

Breite, flache Täler, in denen kleine Erhöhungen des Wasserstandes große Flächen wertvollen Landes überschwemmen wurden und geringe Absenkungen des Wasserstandes große Flächen flachen Schlamms freilegen würden.

Im Zusammenhang mit dem oben Gesagten, das Fehlen nahe gelegener Gebirgszüge, zwischen denen Dämme gebaut werden könnten.

Der Mississippi ist insofern ein hervorragendes Beispiel, als er alle genannten dammfeindlichen Bedingungen erfüllt und zugleich den Verlust riesiger Mengen von Sonnenenergie repräsentiert« Diese Sonnenenergie wurde von der Natur aufgebracht, um das Wasser aus dem Ozean zu heben, Wolken zu bilden und in den Luftraum oberhalb der Wasserscheide des Mississippi zu befördern. Befindet sich das Wasser im Fluß, so stellt sich die Flußenergie in zwei Formen dar, nämlich 1. im Gefälle des von seinen Quellen zur Mündung nach unten fließenden Wassers und 2. in der kinetischen Energie der sich bewegenden Wassermassen.

709817/0267

Das Wassergefälle des naturbelassenen Mississippi ist sehr gering, es liegt zum großen Teil unter 3,2 cm pro Kilometer.

Betrachtet man eine Maschine, die Energie aus der potentiellen Energie im Ruhedruckabfall eines mit etwa 8 km/h fließenden und auf eine Maschinenlänge von etwa 30,5 m um 0,06 cm fallenden Wasserstroms entnehmen kann, so läßt sich ausrechnen, daß der Strom nur eine Leistung von etwa 8,3 cm.kg/s (0,60 ft.

Ib./sec.) pro 929 cm liefert. Diese Leistung entspricht etwa 1/1000 PS.

Andererseits ist die kinetische Energie dieses Stroms sehr viel größer. Eine Rechnung ergibt, daß dieselbe Flächeneinheit des Stroms (929 cm ) in die Maschine eine kinetische Energie mit einer Rate von etwa 5650 cm«kg/s (380 ft. Ib./sec.) bringt. Diese Leistung entspricht etwa 0,7 PS, sie ist 700-mal größer.

Man hat gegen Ende des 19. und zu Anfang des 20 „ Jahrhunderts viele Versuche unternommen, die fließenden Flußströme ohne Verwendung von Dämmen zu nutzen. Diese Flußstrommaschinen sollten nach Meinung ihrer Erfinder Energie aus der Geschwindigkeit der sich bewegenden Wasserströme zurückgewinnen und diese Energie in eine brauchbarere andere Form verwandeln. Gewöhnlich hatte man den Antrieb eines Generators für elektrischen Strom vor Augen.

Beim Studium dieser alten Flußstrommaschinen stellt man fest, daß alle diese Ausführungen auf der Grundlage eines schlechten Verständnisses der Hydrodynamik und demzufolge einer falschen Voraussetzung erfunden worden waren. Die frühere Technik scheint darauf hinzudeuten, daß eine Flußstrommaschine, eingesetzt in einen Flußstrom, dem Wasser einen Teil der kinetischen Energie entziehen kann und dabei das Wasser durch die Maschine ohne einen Geschwindigkeitsverlust fließen läßt.

709817/0267

Eine solche Situation ist genau so unmöglich wie die Konstruktion eines Perpetuum Mobile. Was tatsächlich nach Einführung einer der üblichen Flußstrommaschinen in eine Strömung geschah, war dies, daß sich die Maschine wie ein Hindernis im Fluß der Strömung verhielt und daß dieses Hindernis zu einer Druckerhöhung oberhalb der Maschine führte, und zwar durch eine lokale Anhebung des Wasserspiegels„ Als Folge davon floß ein Teil des Flusses, der zuvor das Gebiet der Maschine durchsetzt hatte, stattdessen um die Maschine herum. Da für das Wasser der Weg um die Maschine herum weder langer noch beschwerlicher war als der Weg durch die Maschine, wurde nur ein kleiner Teil des erwünschten Wasserstroms durch die Maschine geleitet; und dieser Stromanteil bewegte sich langsamer als der Hauptstrom,, Demzufolge wurde nur ein geringer Anteil der Flußenergie entnommen, und die zum Stand der Technik zu zählenden Flußstrommaschinen waren außerordentlich ineffektiv.

Bei diesen herkömmlichen Anlagen hat man wenig darauf geachtet, einen glatten Fluß mit geringstmöglicher Reibung und Turbulenz vom Hauptstrom in das Wasserrad und zurück in den Hauptstrom zu gewinnen. Die dargestellten Turbinen waren in hohem Maße ineffektiv, bei vielen Versionen verwendete man ineffektive Schrauben oder mehrere, dicht aufeinanderfolgende Räder. Man achtete wenig darauf, den Wiedereintritt des Strömungsanteils, von dem nach Meinung der Erbauer Energie entnommen worden war, durch eine Verbesserung der stromabwärts gelegenen Umgebung zu erleichternc

Ausgehend von den geschilderten Überlegungen stellt sich die vorliegende Erfindung die Aufgabe, denjenigen Anteil der Sonnenenergie, der durch den in den fließenden Wasserströmen der Flüsse gesammelten Niederschlag repräsentiert wird, auf folgende Weise nutzbar zu machen: Die Energie soll aus den Flußströmen ohne Konstruktion teurer Dämme entnommen werden; die

709 817/0267

Energieentnahme soll an Orten möglich sein, an denen die Beschaffenheit und/oder geographische Verhältnisse den Bau eines Dammes unmöglich machen, sie sollte in Bereichen der Flüsse erfolgen können, bei denen die Verwendung des Flusses für die Schiffahrt nicht ausgeschlossen ist; speziell sollte die Anlage zur Energiegewinnung zu solchen Flußbereichen verschoben werden können, in denen optimale Strömungsverhältnisse herrschen« Ein weiterer Aspekt der Aufgabe liegt darin, große, fahrbare Leistungsanlagen mit hoher Wirksamkeit und relativ geringen Herstellungskosten durch Anwendung einer modernen Technologie und neuartiger Baustoffe zu errichten. Schließlich soll die Erzeugung elektrischer Leistung in großen Mengen ermöglicht werden, wobei die Frequenz und die Synchronisation genau gesteuert werden können, so daß die Leistung, ungeachtet der Schwankungen im Flußstrom, mit herkömmlichen Stromgeneratoren zusammengeschaltet werden kann,

bei
Zur Lösung dieser Aufgabe ist/einer Kraftmaschine der eingangs genannten Art erfindungsgemäße vorgesehen, daß sich der Wassergang vom Halsteil zum Auslaßteil erweitert, derart, daß sich bei dem in der Hauptdüse gesammelten Anteil der Flußströmung ab dessen Durchgang durch das Laufrad der Querschnitt fortschreitend vergrößert„ und daß die Außenseite der Hauptdüse derart erweitert und ausgeformt ist, daß sich bei Austritt des gesammelten Strömungsanteils aus dem Düsenauslaßende eine diesen Anteil umgebende, divergent konisch verlaufende Hauptströmungsschicht ausbildet.

Die vorgeschlagene Kraftmaschine basiert auf der Hauptpremisse, daß es zur Entnahme kinetischer Energie aus bewegten Wassermassen, wenn dadurch die Flußrate dieser Massen nicht verringert werden soll, erforderlich ist, unmittelbar stromabwärts von der Energieentnahmeanordnung einen Bereich zu schaffen, in den die behandelten Wassermassen fließen müssen. Zugleich ist dafür

709817/0267

zu sorgen, daß die Hauptströmung des Wassers dazu veranlaßt wird, sich von diesem Bereich weg zu bewegen. Zusätzlich zu dieser HauptvorausSetzung enthält die erfindungsgemäße Lehre neuartige Formgebungen, die anerkannte hydrodynamische Prinzipien nutzen, damit aus der vorbeigleitenden Flußströmung der größtmögliche Vorteil gezogen werden kann_o Dabei wird nicht nur ein Teil der Energie aus demjenigen Flußstromanteil gezogen, der mit dem Laufrad in Wechselwirkung tritt, sondern auch ein Teil aus der Energie der Hauptströmung dazu verwendet, stromabwärts einen für den Austritt des abgefangenen Anteils günstigen Bereich vorzubereiten.

In einer bevorzugten Ausführung trägt das Laufrad an seinem Außenumfang einen Abschlußring, hat das Halsstück des Wassergangs eine mit dem Abschlußring zusammenwirkende, umlaufende Ausnehmung, die den Abschlußring aufnimmt, und stellt die Innenfläche des Abschlußringes eine Fortführung der Innenfläche des Wassergang-Halsteils dar_o

In einer weiteren bevorzugten Ausführung bildet der Außenrand des Abschlußringes eine Blockrolle, die wenigstens einen endlosen Gurt trägt, welcher durch Kanäle in der Hauptdüse zu dem Nutzorgan führt.

In einer anderen bevorzugten Ausführung ist ein Abfall-Schutzgitter vorgesehen, das sich im Fluß oberhalb des Einlaßendes der Hauptdüse befindet und eine konisch geformte Anordnung aus Seilen mit einer horizontalen Längsachse enthält. Die Spitze des Konus ist an einem stromaufwärts befindlichen Ankerseil befestigt, während die Konusbasis, die ein offenes Ende bildet und einen wenigstens genau so großen Querschnitt wie das Einlaßende der Hauptdüse hat, an das Düseneinlaßende angrenzt und mit diesem befestigt ist. Für einen besonders kleinen Flußwiderstand beträgt der vom Konus eingeschlossene Winkel

709817/0267

vorzugsweise etwa 30°.

Vorzugsweise konvergiert der Wasserstand innerhalb der Hauptdüse allmählich von einem anfänglichen Abfangquerschnitt an der Mündung bzw. am Einlaßende zu einem kleineren Querschnitt am Halsende«, Dadurch wird die Geschwindigkeit des von der Düse abgefangenen Stromanteils vor dem Auftreffen auf die Laufradschaufeln beschleunigt und dadurch die Wirksamkeit des Energietransfers erhöht« Das Flächenverhältnis der genannten Querschnitte könnte im Bereich zwischen 1:1 bis 4:1 liegen.

In einer anderen Ausführung der Erfindung ist das Laufrad vom Typ mit reinem Axialfluß. Dabei erweitert sich das Endstück des Wassergangs hinter dem Laufrad mit einem Einschlußwinkel bis zu 15°, vorzugsweise um 7°. Mit dieser Form kann das Endstück eine axiale Länge haben, die wenigstens halb so groß ist wie der Durchmesser des Wassergang-Halsteils.

Für das erfolgreiche Arbeiten der vorgeschlagenen Kraftmaschine ist es wichtig, daß nicht nur der Wassergang der Hauptdüse die aufgezählten Merkmale enthält. Es ist von genau so großer Wichtigkeit, daß die Außenseite der Hauptdüse erweitert und mit mechanischen Elementen strukturiert wird, um den Fluß einer divergierenden, konisch geformten Hauptströmungss chicht zu fördern, die dem gesammelten Anteil bei seinem Verlassen des Auslaßendes der Hauptdüse nahe ist und diesen umgibte Dadurch tritt der gesammelte Anteil in die Hauptströmung unter Verhältnissen, bei denen der gesammelte Anteil unter Einfluß seines verbliebenen Ruhedruck- und Geschwindigkeitsgefälles wegfließen kann. Vorzugsweise ist die Hauptströmungsschicht derart gebildet und geleitet und ihr gesamter Energieinhalt derart reorganisiert, daß sie das Wegfließen des gesammelten Anteils unterstützt. Zur Ausbildung, Leitung und Reorganisation können eines oder mehrere der nachfolgend ge-

709817/0267

nannten Merkmale der Düsenaußenseite beitragen:

1) Wie bereits erwähnt, kann die Düsenaußenseite mit einer Ausweitung in Richtung des Wasserflusses einsetzen, deren Winkel so groß sein kann, wie dies der Umstand zuläßt, daß die Außenfläche mit dem Auslaßende des Wassergangs zusammentreffen soll und dabei das Endstück ein hydrodynamisch günstiges, schlankes Profil hat.

2) Die Außenfläche der Hauptdüse kann zusätzlich strukturbildende Elemente enthalten, die die angestrebte Schichtbildung unterstützen.

3) Eines dieser strukturbildenden Elemente ist ein Flügel, oder eine Anzahl von Flügeln, der sich, ausgehend von der Oberfläche der Hauptdüse, radial nach außen erstreckt. Jeder dieser Flügel hat eine schraubenförmig verwundene oder verdrillte Endkante_β Die verwundene oder verdrillte Endkante hat den Zweck, einen Drehimpuls in der Schicht, wodurch die Schicht in Bewegung gerät, und einen entsprechenden, radial nach außen gerichteten Druckgradienten entstehen zu lassen,, Die Bewegung ist die einer schraubenartig geformten Schicht. Der Druckgradient ist besonders nützlich bei der Unterstützung des Austritts des gesammelten Stromanteils.

4) Ein weiteres strukturbildendes Element, das zweckmäßigerweise auf den äußeren Enden der erwähnten Flügel gehaltert werden sollte, ist eine koaxial zur Hauptdüse angeordnete zweite Düse (Hilfsdüse). Die inneren Abmessungen dieser Hilfsdüse sind so gewählt, daß sie über die Außenfläche der Hauptdüse paßt, wobei beide Düsen voneinander distanziert sind und dadurch einen ringförmigen Wassergang bilden, durch den die Hauptströmung längs der Außenfläche der

709817/0267

Hauptdüse fließen kann_o Der Abstand zwischen beiden Düsen ist am Beginn bzw. am Eintritt des ringförmigen Wassergangs größer als am Ende bzw. am Austrittsende, so daß das eingangs aufgenommene Wasser beschleunigt wird und mit einer höheren Geschwindigkeit sowie einem geringeren Druck wieder austritt. In diesem Zustand ist das Mitreißvermögen der gebildeten Schicht besonders groß, so daß der Austritt des gesammelten Strömungsanteils eine besondere Unterstützung erfährt.

5) Ein weiteres Strukturmerkmal ist die Aufweitung der Innen- und der Außenfläche der Hilfsdüse im Bereich nahe der Endkante dieser Düse_o Diese Maßnahme trägt zur Bildung der divergierenden, konisch geformten Hauptströmungsschicht bei.

6) Ein anderes Strukturmerkmal besteht darin, die Außenseite der Hilfsdüse nahe ihrer Vorderkante mit einer Anzahl von DreiecksflugeIn zu versehen. Diese Flügel ragen, ausgehend von der Oberfläche, nach außen und sind als Teile einer Wendel oder von mehreren Wendeln ausgebildet. Diese Formgebung führt zu einer kreisenden Bewegung der Hauptströmung auf der Außenseite der Hilfsdüse, und zwar in der gleichen Weise und aus den gleichen Gründen wie die unter Punkt 3) genannten Maßnahmen.

Die wirbelbildenden Flügel können auch so geformt oder positioniert werden, daß sie nicht eine einzige große Kreisbewegung um die Hilfsdüse hervorrufen, sondern stattdessen viele kleine Wirbel oder Strudel längs der Oberfläche dieser Düse erzeugen» Diese Strudel tragen dadurch, daß sie sich von der Hinterkante der Düse ablösen, dazu bei, daß die divergierende Hauptströmungsschicht bestehen bleibt. Eine Möglichkeit, diese Wirbelbildung zu sichern, besteht

709817/0267

einfach darin, benachbarte Flügel in entgegengesetzte Richtungen zu verkanten oder gegensinnig zu verwinden, also beispielsweise alle geradzahligen Flügel entgegen dem Uhrzeigersinn und alle ungeradzahligen Flügel im Uhrzeigersinn zu verdrillen.

7) Ein weiteres Strukturmerkmal wäre eine Anzahl blumenblattförmiger Klappen, die sich, ausgehend von der Hinterkante der Hilfsdüse, nach hinten erstrecken, an der Hilfsdüse drehbar befestigt sind und Steuerorgane enthalten, mit denen sie nach innen geschwungen werden können« Eine solche Bewegung würde die Divergenz der Hauptströmungsschicht verringern. Entsprechend würde eine Klappenbewegung nach außen die Aufweitung erhöhen. Eine solche Steuerung des Anstellwinkels der Schicht ermöglicht eine Regelung des Kraftmaschinenausgangsc Ist keine Hilfsdüse vorhanden, so könnten die Klappen Teil der Hinterkante der Hauptdüse sein.

8) Neben der erwähnten Steuerung der äußeren Schicht kann man auch die Stärke der Drehbewegung dieser Schicht beeinflussen. Hierzu empfiehlt es sich, verstellbare Hinterkanten nach Art eines Querruders auf den von der Außenfläche der Hauptdüse ausgehenden Flügeln anzubringen.

Abweichend von der bisher geschilderten Form des Laufrades und den darauf abgestimmten Verlauf des divergierenden Wassergangs vom Halsteil zum Auslaßende der Hauptdüse könnte das Laufrad, statt mit einem reinen Axialfluß zu arbeiten, Schaufeln einer Form enthalten, die den axial in die Turbine eintretenden Stromanteil mit einer erheblichen Radialkomponente austreten lassen,, Bei einer solchen Formgebung divergiert der Wassergang zugleich im Turbinenaustrittsbereich des Halsteils. Er hat dabei an diesem Austrittsort ein glockenförmiges Profil, wodurch der Abschnitt, in den das energieärmere Wasser aus-

7098 17/0267

tritt, einen großen Querschnitt haben kann. In diesem Querschnitt kann das Wasser mit geringer Geschwindigkeit fließen. Stromabwärts von diesem Abschnitt setzt sich die Aufweitung des Wassergangs in der bereits beschriebenen Weise fort.

In anderen Ausführungen eines Laufrades mit Axialfluß erstrecken sich die Schaufeln nicht direkt von der Nabe zum Abschlußring, sondern sind zu in Flußrichtung gebogenen Elementen vorgeformt, die unter Belastung jeweils einen Bogen bilden, so daß die auf die Schaufeln ausgeübten Kräfte im wesentlichen Druckkräfte sind. In einer Bogenform-Variante ist jede Schaufel zu einer offenen U-Form gebogen, wobei die Symmetrieachse des Bogens zwischen den beiden Enden der U-Form und parallel zur Laufradachse liegt. In einer anderen Bogenform-Modifikation stellt jede Schaufel nahezu eine Hälfte des Bogens dar, die Symmetrieachse liegt dabei konzentrisch zur Turbinenachse. Die Schaufeln könnten auch in ihrer Rotationsrichtung durchgebogen werden; auf solche Formvarianten wird weiter unten noch näher eingegangen werden.

Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand weiterer Unteransprüche·

Die Erfindung soll nun anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Figuren der Zeichnung näher erläutert werden. In den Figuren sind dabei einander entsprechende Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen, auch wenn ihre Formen etwas voneinander abweichen. Wo die Formunterschied derart groß sind, daß Unklarheiten entstehen könnten, sind verschiedene Bezugszeichen verwendet. Es zeigen:

Fig. 1 in perspektivischer Ansicht zwei Flußturbinen gemäß der vorliegenden Erfindung, die unterhalb eines gemeinsamen Floßes befestigt sind;

709817/0267

Figo 2 in einem Längsschnitt eine einzelne Turbine aus der Anordnung der Fig. 1;

Fig. 3 die obere Hälfte einer Hauptdüse in einem Seitenschnitt; diese Ausführung hat kein konisch zulaufendes Vorderteil und besteht im wesentlichen aus dem Endstück;

Fig. 4 eine weitere Ausführung der Hauptdüse, mit konvergentem Vorderteil und ausgeprägtem Endstück;

Fig» 5 eine Hauptdüse mit konvergentem Vorderteil und kurzem Endstück;

Fig. 6 eine Anordnung mit Haupt- und Hilfsdüse;

Fig. 7 eine Anordnung mit einem geraden Flügel im ringförmigen Wassergang zwischen Haupt- und Hilfsdüse;

Fig. 8 eine Anordnung mit einem gekrümmten bzw. verkanteten Flügel im ringförmigen Wassergang;

Fig. 9 eine Anordnung mit einem drehbar gelagerten "Querruder" und einem Dreiecksflügel auf der Hilfsdüse;

Fig.10 eine Einzelheit aus Fig_e 9, aus der zu ersehen ist, daß der Dreiecksflügel gebogen oder verkantet ist;

Figo 11 eine drehbar gelagerte Klappe an der Rückseite der Hilfsdüse;

Fig«, 12 den Rand des Laufrades, mit seiner Blockrollenausnehmung, einem Gurt und einem Wasserlager;

Fig. 13 eine Einzelheit von einem Mechanismus, mit dem ein stromaufwärts des Laufrades gelegener Stützflügel gesteuert oder verkantet werden kann;

709817/0267

Figo 14 eine Einzelheit des Wasserlagers für die Laufradwelle;

Fig. 15 ein Laufrad mit Schaufeln, die zu Bögen geformt sind und bei denen die Symmetrieachse parallel zur Laufradachse liegt;

Fig. 16 ein Laufrad mit Schaujeln, die zu Bogenhälften gebogen sind und deren Symmetrieachsen mit der Laufradachse zusammenfallen; bei dieser Ausführung entfällt die zentrale Lagerung;

Fig. 16b eine andere Bogenvariante für die Laufradschaufeln; und

Fig. 17 den Außenrand eines Laufrades, bei dem das Wasser mit einer Radialkomponente austritt, und den sich daran anschließenden glockenförmigen Wassergang.

Fig. 1 zeigt in einer maßstabsgetreuen perspektivischen Ansicht zwei der Düsen- und Laufradanordnungen gemäß der vorliegenden Erfindung, die beide seitlich nebeneinander liegen. In Figo 2 ist in einem Längsschnitt eine Düse aus der Fig. 1 dargestellt. Diese Düse ist unterhalb eines Pontons und eines Maschinendecks befestigt, und zwar in einer Lage im Fluß, in der der Flußstrom von links auftrifft und nach rechts wegfließt.

In den Fig. 1 und 2 ist mit 1 das Deck eines bootartigen Gebildes bezeichnet, das auf einem Rahmenwerk 3 ruht, oberhalb von zwei oder mehreren Pontons 2 nach Art eines Katamarans und mit Raum zwischen und unterhalb eines jeden Pontonpaars. In diesem Raum befindet sich eine Hauptdüse 5, die durch Elemente des Rahmenwerks 3 mit den Pontons 2 und dem Deck 1 verbunden ist. Auf dem Deck 1 steht eine Kabine 25 und ein Stütz-

709817/0267

ίο

turm 24 für die Übertragungsleitung,,, Auf dem Deck sind elektrische Generatoren 4a und 4b montiert, ferner deren Antriebsblockrollen 19a, eine Leerlaufblockrolle 19b, eine elektrische Steueranordnung 26 und Wasserpumpen, die allgemein mit dem Bezugszeichen 23 versehen sind.

Die in Fig_o 1 und 2 dargestellte Hauptdüse 5 besteht aus einer Außenhaut 6 und einem Führungsteil 7. Das linke Ende (Vorderende) der Außenhaut 6 ist glatt mit dem Einlaßende 9 des Führungsteils 7 verbunden, damit sowohl beim Eintritt eines Teils der Flußströmung in den ¥assergang durch das Führungsteil 7 als auch für die Hauptströmung des Flusses, die die Außenhaut 6 umströmt, ein geringer Strömungswiderstand herrscht. Das Führungsteil 7 setzt sich von seinem Einlaßende 9 zu einem Halsteil 8 fort, bei dem der Wassergang durch das Führungsteil den kleinsten Querschnitt hat. Am Halsteil 8 befindet sich eine umlaufende Ausnehmung 30, die von einem Abschlußring 17 eingenommen wird. Die Verbindung zwischen diesen beiden Elementen wird weiter unten in Verbindung mit Fig_o 12 noch näher erläutert werden. Stromabwärts vom Halsteil, also hinter diesem Teil, setzt sich das Führungsteil 7 bis zu einem Auslaßabschnitt 10 fort, bei dem der Querschnitt des Wassergangs durch die Düse aufgrund der Ausweitung des Führungsteils zugenommen hat. Wie aus der Praxis bei Venturirohren bekannt ist, sollte sich das Führungsteil mit einem Einschlußwinkel erweitern, der kleiner ist als etwa 15 und vorzugsweise bei etwa 7° liegen sollte, damit die Flußströmung durch den Wassergang nicht abreißt und aus diesen Wassermassen ein divergierender Konus entsteht.

In einer anderen Ausführung der vorgeschlagenen Kraftmaschine kann sich, worauf noch weiter unten näher eingegangen wird, das Führungsteil hinter dem Halsteil sogleich zu einer Glockenform vergrößern; nach dieser Vergrößerung nimmt dann das Maß

709817/0267

der Aufweitung, wie soeben beschrieben, auf einen Einschlußwinkel ve
gestellt,

winkel von etwa 7° ab. Ein solches Profil ist in Fig. 17 dar-

Das Führungsteil 7 hat an seinem Halsteil einen runden Querschnitt, ein solcher Querschnitt ist aber an anderen Orten längs der Führungsteilachse nicht erforderlich«, So können beispielsweise das Einlaßende 9 und das Auslaßende 10 rechteckig, quadratisch, polygonal oder sogar trapezförmig im Querschnitt sein· Es ist allerdings wichtig, daß alle Übergänge von einer Form zur anderen und von einem Abschnitt zum anderen glatt und nicht sprungartig verlaufen, damit der Strömungswiderstand so klein wie möglich ist.

Von ihrem mit dem Einlaßende verbundenen Kopfende bis zu ihrem mit dem Auslaßende 10 des Wassergangs verbundenen Auslaßende 12 besitzt die Außenhaut 6 eine langgezogene allmähliche Veränderung. Die allmähliche Veränderung ist so gewählt, daß die Oberfläche der Außenhaut kurz vor ihrer Verbindung, also nahe ihrem Austrittsende 12, wenigstens damit begonnen hat, von der Düsenachse wegzustreben. Dadurch wird die Hauptströmungsschicht, die längs dieser Oberfläche strömt, von der Achse weg gelenkt in den Beginn einer im allgemeinen konisch geformten, divergierenden Hauptströmungsschicht, die den ähnlich divergierenden, den Wassergang verlassenden Stromanteil umgibt,,

Im Beispiel der Figo 1 und 2 ist die Divergenz der Außenhaut 6 an ihrem Auslaßende 12 nur schwach ausgeprägt und in der Zeichnung kaum zu erkennen. In diesem speziellen Fall reicht eine leichte Divergenz oder Aufweitung aus, weil die anderen Strukturen, die die Hauptdüse umgeben, die Hauptursache für die Ausbildung der nach außen strebenden Hauptströmungsschicht sind. Diese Strukturen werden später noch beschrieben werden.

709817/0267

In anderen Ausführungen ist die Aufweitung der Hauptdüse sehr viel größer, wie man aus den Fig. 3, 4 und 5 entnehmen kann.

Die Hauptdüse 5 hat zivischen ihrer Außenhaut 6 und ihrem innen gelegenen Führungsteil 7 einen Raum bzw« eine Kammer, in der Stützelemente für die genannten Flächen untergebracht sind. In einer bevorzugten Bauform besteht die Hauptdüse aus acht Abschnitts-Moduln, Jeder dieser Moduln ist das Segment eines Oktagons und trägt nicht nur ein Achtel der Außenhaut 6 und ein Achtel des Führungsteils 7, sondern auch Seitenwände, mit denen die Moduln nach ihrem Zusammenbau aufeinander treffen_e Vor allem bei sehr großen Flußturbinen, bei denen der Laufraddurchmesser beispielsweise größer als 18 m sein kann, erleich« tert die Modul-Bauweise die Düsenkonstruktion in erheblichem Maße. Die einzelnen Moduln können in einer Bootswerft hergestellt werden, und zwar unter Verwendung der bei der Lastkahnherstellung wohlbekannten Fabrikationstechnik mit Stahlplatten. Nach seiner Herstellung kann jeder Modul zum Ort des Leistungsgenerators transportiert und dort mit den übrigen Moduln zusammengesetzt werden.

Die Kammern der Hauptdüse tragen wesentlich dazu bei, daß der Auftrieb der Flußturbine geregelt v/erden kann. Durch vollständiges Auspumpen der oberen Kammern und mehr oder weniger starkes Auspumpen der unteren Kammern kann für den Auftriebsschwerpunkt ein Variationsbereich geschaffen werden, was man ihn für verschiedene FlußVerhältnisse braucht.

Im Wassergang der Hauptdüse 5 befindet sich ein Laufrad 14 mit einer koaxial zum Halsteil 8 liegenden zentralen Welle 13, Schaufeln 29 und einem Abschlußring 17, der an den äußeren Enden der Schaufeln 29 befestigt ist. Das Laufrad ist besser in Fig. 14 zu erkennen. In der dort dargestellten Ausführung

709817/0267

ist die Turbine so gestaltet, daß der Fluß sie in gerader Richtung axial durchsetzt. In einer anderen, in Fig. 17 dargestellten Form sind die Turbinenschaufeln und der Abschlußring so geformt, daß der Fluß axial eintritt, aber dann eine andere Richtung nimmt und schräg nach außen tritt, mit einer beträchtlichen radialen Komponente, Dies ist die Laufradform, die zusammen mit dem bereits erwähnten Endabschnitt im Viassergang in Form einer Glocke verwendet wird.

In jedem Fall ist die Laufradwelle, wie der Fig_e 14 zu entnehmen, auf Lagern montiert. Diese Lager werden in einem Lagerblock 15 getragen, der seinerseits in der Mitte des Wassergangs mittels Stützen 16a und Stützflügeln 16b gehaltert ist. Die Stützflügel 16b (Fig. 13) sind, wie schon ihr Name sagt, sowohl Stützen, die den Lagerblock 15 haltern, als auch Flügel, die das in axiale Richtung fließende Wasser auf eine gewundene Bahn leiten, damit es auf die Laufradschaufeln aus einer günstigeren Richtung auftrifft und somit den Wirkungsgrad der Energieentnahme weiter erhöht. Zu Steuerzwecken können diese Stützflügel um ihre eigenen Achsen gedreht werden. Eine solche Bewegung erhöht oder verringert ihre effektive Ganghöhe. Für die Steuermittel kann man verschiedene Arten wählen, beispielsweise hydraulische Kolben-Zylinder-Betätigungsorgane, die mit Hilfe mechanischer Verbindungen arbeiten, oder hydraulische Motoren I6f, die auf Schrauben I6e arbeiten, welche mit Zahnrädern I6d auf den Stutzflügelwellen 16c in Eingriff stehen (Fig. 13).

Bekannt-lich können Flußströmungen im Wasser befindliche Logs und andere massive Objekte mit sich führen. Derartige Objekte können, wenn sie in die Schaufeln der Turbine getragen werden, zu ernsthaften Schädigungen führen. Um dies zu verhindern, ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung stromaufwärts vom Einlaß des Hauptdüsenwassergangs ein Abfall-Schutzschirm

709817/0267

42 in Form eines aus Kabeln 43 und 44 gebildeten Konus (Kegel) vorgesehen. Das offene Ende des Kabelkegels ist dem offenen Ende des Wassergangeinlasses 9 benachbart, während die Kegelspitze an einem von einem stromaufwärts gelegenen Anker 40 wegführenden Ankerseil 41 befestigt ist„ Am offenen Ende des Konus ist Jedes Kabel einzeln mittels Haken an (nicht dargestellten) Kabelhalterungen angeschäkelt, die um den Außenumfang des Wassergangeintritts 9 herum verteilt sind_e Einige der mit 43 bezeichneten Kabel haben volle Länge und erstrecken sich über die gesamte Distanz zwischen dem Ankerseil 41 bis zu den Haken am Eingang. V/ürden sich alle Kabel über die volle Länge erstrecken und derart eng nebeneinander liegen, daß am großen Kegelende kein Abfall eintreten kann, so wäre die Kabeldichte in der Nähe des kleineren Kegelendes zu groß. Dementsprechend erstrecken sich einige der Kabel (Kabel 44) nur über einen Teil des Weges und sind an Orten 46 an den Kabeln mit voller Länge klemmend befestigt. Obwohl nur zwei Kabellängen dargestellt sind (die Kabel mit voller Länge sind mit dem Bezugszeichen 43 versehen), liegt es im Rahmen der Erfindung, je nach den Umständen des Einzelfalles mehrere Kabellängen mit zusätzlichen Ausläufern zu verwenden. Selbstverständlich könnte auch das offene Ende des Abfallschutzschirmes dann, wenn die Schirmgröße dies verlangt, an der Hilfsdüse statt an der Hauptdüse festgemacht werden«

Der als Kabelkegel ausgebildete Abfall-Schutzschirm setzt dem Wasserfluß durch den Wassergang und die Turbine unvermeidlich einen gewissen Widerstand entgegen. Um diesen unerwünschten Widerstand so klein wie möglich zu halten, beträgt der vom Schutzschirm in seinem Inneren eingeschlossene Winkel etwa 30°. Bei etwa diesem Anstellwinkel der Kabelachse gegenüber der Richtung der Flußströmung bietet nämlich das tatsächlich runde Kabel dem Fluß einen elliptischen Querschnitt, bei dem der Strömungswiderstand sein Minimum hat.

709817/0267

Es wurde bereits erwähnt, daß der Abschlußring 17 des Laufrades 14 in einer umlaufenden Ausnehmung 30 im Halsteil 8 des Wassergangs eingelassen ist. Diese und andere damit verbundene Einzelheiten sind in Fig. 12 dargestellte Für einen minimalen Strömungswiderstand ist es wichtig, daß die Innenfläche des Abschlußringes 17 eine glatte Fortsetzung der bena dibarten Wassergangoberfläche im Bereich des Halsteils 8 darstellte

Ein Merkmal der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung des Abschlußringes nicht nur als Stütze für die äußeren Enden der Turbinenschaufeln 29, sondern auch zur Übertragung der Axialbelastung von den Schaufeln zur umgebenden Düse. Zu diesem Zweck ist die Sstromabwärts gelegene Seite der umlaufenden Ausnehmung 30 mit einer als Wasserlager dienenden porösen Struktur 27b und einer unter einem geeigneten Druck stehenden Wasserversorgung 27a durch Düsen 27 versehen. Dadurch wird die Durchbiegung des Abschlußrings unter dem Druck, den die Flußströmung auf die Turbinenschaufeln ausübt, von einer Wasserschicht abgefedert, die in dem Raum zwischen der Kante des Abschlußringes und der benachbarten Wandung der umlaufenden Ausnehmung aufrechterhalten wird.

Alternativ oder zusätzlich hierzu könnte eine Anzahl mechanischer Rollenlager in diesem Raum vorgesehen sein« Ein Vorzug der mechanischen Lagerung besteht darin, daß im Falle eines Zusammenbrauchs der Wasserversorgung für die Wasserlager keine Zerstörung der Flußturbine mit katastrophalen Folgen eintreten könnte.

Fig. 12 zeigt ferner, daß die Außenfläche des Abschlußringes 17 eine Ausnehmung 21 enthält, in der ein Gurt oder Gurte 18 laufen. Zweckmäßigerweise ist der Gurt 18 rund, sehr lang, etwa 1 2/3-mal um den Abschlußring geschlungen und nach oben durch zwei Kanäle 20 zu der Antriebsblockrolle 19a und der Leerlauf-

709817/0267

blockrolle 19b, wie in Fig. 2 dargestellt, geführt. Selbstverständlich braucht die Last nicht stets in einem einzigen endlosen Gurt aufgenommen zu werden, beispielsweise könnte man auch mehrere Gurte verwenden,,

Die auf die beiden Teile des Gurts 18 ausgeübten Kräfte haben größere Vektorkomponenten in vertikaler als in horizontaler Richtung und tragen somit wenigstens einen Teil des Laufradgewichtes. Dementsprechend ist die vom axialen Laufradlager getragene Last kleiner,und es können kostengünstigere Lagerausführungen gewählt werden.

Das in Fig. 14 dargestellte Axiallager für das Laufrad kann eine bekannte Konstruktion haben und beispielsweise die in Wellen für Schiffsschrauben verwendeten Wasserlager 71, 72 und 73 enthalten.

Das Wasserlager 71 ist ein poröser Block, der mit einer Kammer und einem Wassergang 71a und einer Druckwasserversorgung durch e ine Leitung 74 versehen ist. Das Wasserlager 71 ist an der Frontfläche des stationären Lagerblocks 15 angeordnet, der seinerseits durch innerhalb des Halsteils befindliche Stützen 16a -und Stützflügel 16b getragen wird_o Gegen das Wasserlager 71 schlägt die Rückfläche eines von der Welle 13 getragenen Nasenstücks an, wodurch der axial gerichtete Druck des Laufrades aufgefangen wird. Ständig wird V/asser durch den porösen Block nachgeliefert, so daß ein polsternder Film aufrechterhalten wird, der einen direkten Metall-Metall-Kontakt in der Anordnung verhindert.

Ähnliche poröse Blocks 72 und 73 werden mit V/asser versorgt und wirken als radiale Wasserlager. Die Lagerung soll natürlich in einer stromlinienförmigen Vorderhülle, wie in Fig. 2 dargestellt, eingeschlossen sein. Genau so ist dem nach hinten ragenden Wellenende des Laufrades eine hydrodynamisch günstige Form zu geben.

709817/0267

Das Laufrad 14 besteht aus einer auf der Welle 13 sitzenden Nabe, einem Abschlußring 17 und einer Anzahl von Schaufeln 29, die mit ihrem einen Ende an der Nabe und mit anderen Ende an der Innenseite des Abschlußringes befestigt sind. Entsprechend den herkömmlichen hydrodynamischen Prinzipien ist jede Schaufel an der Nabe um einen Winkel gegen die Achse versetzt ^r _f weil die Schaufel längs ihrer Längserstreckung verdrillt ist, ändert sich dieser Winkel entlang der Schaufellänge„ Diese Verhältnisse gehen aus den Schnitten a - a, b - b und c - c in Fig. 14 hervor»

Soll die Turbine einen sehr hohen Wirkungsgrad haben, so muß der Formgebung der Schaufel eine besondere Aufmerksamkeit gewidmet werden. Dabei ist vor allem auf das jeweils wirksamste Profil in jedem Radialabschnitt und auf die Profilveränderung von der Achse zum Abschlußring zu achten. Ein wichtiges Kriterium ist die Vermeidung von Ablösungen (Kavitationen), weil eine Kavitation nicht nur den Reibungswiderstand erhöht und dadurch mechanische Energie in nutzlose Wärme überführt, sondern auch eine zerstörende Erosion der Schaufeloberfläche bewirken kann.

Bei der hier vorgeschlagenen Kraftmaschine ist von Vorteil, daß das Laufrad ziemlich tief in das Wasser versenkt werden kann und somit die Wasserdruckdifferenz zwischen Oberflächenbereichen und der Oberkante der Turbine einen erheblichen Wert haben kann. Je größer diese Druckdifferenz ist, um so größer ist der absolute Druck im Wasser und um so stärker muß der Wasserdruck reduziert werden, ehe eine !Cavitation eintritt.

Allerdings kann sogar dieser Vorteil allein noch nicht ausreichen. Dann müssen die Schaufelprofile unter Verwendung bekannter hydrodynamischer Regeln so gewählt werden, daß die Drücke auf den Rückseiten der Schaufeln (wo die geringsten

709817/0267

Drücke herrschen) keine derart niedrigen Werte annehmen, daß sie das Auftreten von Kavitationen gestatten. Diejenigen Schaufeln, die durch ihre Form die Bildung negativer Druckspitzen verzögern, sind die besten. Demzufolge sind die Abschnitte jeder Schaufel zu ihrem äußeren Ende hin dünner und verdrillt, so daß sie in das ¥asser mit einem spitzeren Winkel einschneidenο

Zum inneren Schaufelende hin ist die Relativgeschwindigkeit bei einer vorgegebenen Anzahl von Raddrehungen pro Minute kleiner. So können die Schaufelabschnitte zu diesem Ende hin dikker werden und stärker gegen die Drehrichtung geneigt sein.

Bei dem in Fig. 14 dargestellten Laufrad, bei dem die Schaufeln mit ihren zentralen Enden in der Nabe und die radial nach außen weisenden Enden im Abschlußring 17, der seinerseits mittels Wasserlagern 27b in der Ausnehmung 30 abgestützt ist, gehaltert werden, kann jede Schaufel als ein komplexer, beidseitig abgestützter Profilträger angesehen v/erden und ist dementsprechend zu gestalten.

Damit die Schaufel eine erwünschte hydrodynamische Form erhalten kann und zugleich hoch belastbar ist und keine hohen Fertigungskosten verlangt, ist es nahezu unabdingbar, daß man die moderne Technologie der faserverstärkten Kunststoffe anwendete Vorzugsweise werden die Schaufeln mit einer Fiberglas/-Epoxy-Konstruktion hergestellt, mit einem festen Schaumkern in den dickeren Abschnitten. Durchgehende Glasfäden erstrecken sich längs der Schaufellänge und sorgen für eine Biegesteifigkeit; für eine Torsionsbelastbarkeit sind aus Fäden bestehende Bänder vorgesehen, die sich diagonal über die Schaufelbreiteseiten erstrecken. Die verwendeten Kerne können aus festem Polyurethan bestehen, das vorgeformt ist und die Form der Schaufel vorgibt.

709817/0267

2535529

Bei sehr großen Laufrädern, bei denen die Kraft der Flußströmung ein großes Biegemoment auf die Schaufeln ausübt, kann es schwierig sein, einen hinreichend hohen Biegewiderstand zu erzielen und zugleich die angestrebten Schaufelabschnitte beizubehalten. Dieses Problem kann so gelöst werden, daß man den Schaufeln eine- Bogenform gibt (Fig. 15, 16", 16b). In der Ausführung der Fig. 15 hat die Schaufel bewußt eine gekrümmte, U-förmige Gestalt erhalten, durchgebogen in der Richtung, in die sie,auch die Strömung varfonnthätte. Die Vorformung reicht aus, ai& Schaufel unter Belastung zrxeinem Bogen werden zu las sen, dessen Symmetrie achs.e zwischen.- seinen beiden Enden liegt, Die in 4i&Siem Bogen^ herrschenden Kräfte sind dann im wesentlichen reine Druckkräfte; jede Tendenz, die Schaufel noch weiter in eine Richtung parallel· zur Achse zu biegen, ist eliminiert, Eine solche Konstruktion zieht vollen Nutzen aus deii. hervorragenden Belastbarkeitsdaten moderner Verbundwerkstoffe*: . ;:^-.-,_v.s ■.:·■:■ --.HVVL- -.r-.-■■·'. ■■■:■'-''■ -'..■ : " "- ■ - - -

Die vorstehend beschriebene Bogenkönstruktion für die Schaufeln kann noch einen Schritt weiter geführt werden, wie in Fig. 16 dargestellt. In dieser Version ist jede Schaufel so geformt, daß sie^:(unter Belastung)'"-etwa eine Hälfte eines symmetrischen Bögens:darstellt, desseniSymmetrieachsö·mit der Mittenachse -des I Rades zusammenfällt und-der sich über den ganzen Durchmesser.;&es -Laufrades _©Bstre:ekt_o- -Bei- einer solchen ~ ^; Forragebung werden -die aäeösiparällel- gerichte'te-S'-Ksäf te in »Brückkräf te. ist -.Bo_;gea iumgewaaa^telt-Oinid ,dleezeiftralie 'MeWM Ψίΐ'd-^; mehr belasteit'*-^.feigessmfeeLsVOii .deir ,FlM&ätv&Sim^^lmi^M^fe Belastung -w&g& iäifcEetetßatK&_!^ie.ast Atosch^iaßlrliiig: --xma: '■über-¹ äe&äs serlager: 27h auf· die. ihn: suirigefea-isBäfe" riMuj55tdiis:e? -'üb

lichkelt, -auch" üierjzeiitara?ie?r
dieSÄTl Aiiätü.tz.ungj.fw&ndsi]s^cä
Abschlußringes herum angeordnet, die das

T'JiJa;M'; i^;öfif

wie auch in axialer Richtung' tragen; Die"se Eager sind vSrizugs-⁸ weise Wasserlager wie die Mt 27b bezelchne'tön Wasserläger, °-' können aber auch in Lagerblöcken gestützte "Rollen s
üblicherweise' zum Abstützen'großer, um öine* nori
rotierender Gebiläe^wie^KügeÜnühlön lind 'Örenöi!en^ in¹ SeSrMuBh^;in sind. Wenn das ftad weder äxialö' nc-cbY radiale Stützen"enthalten⁵ muß, entfäiit^;iö£r^;psamte fiittenMte^^mi^ ihren' Lagern* f²^ ^£1 72 und 73 sowie 4Ii^In Sttitzert'^öä'und ii ¹Μ^

dies in Fig; ϊ 6 angedeutet "ist; "'^:' ^-

Ein weiterer-Schritt ^er'Böge'nkön^eptlbn^fllf^dil S

steht darin; die Öohaüfel nich%^:nWin^::äMilir^aRiontMg^üs8ndirri äuüh^:-in* Umf angsribhtung^z'u^'e'ine'r·' Seite niälurBizükrümmint^^{0 iJS} zu di ^äuih'di^äiffeöf

Eine solche^; ~ΤθΓώ⁰ϊέΐ Ik

we i s ö ^we ggebrBShlnöii¹" "Öi^äüfs ibni '-'£ iii^u£äu

strichelte"finii^anpde'ütÖt^^äe SdhäufeM

vornö als' ^::aüeh

Daduröh'sxnd i

und^eI'Herrs chenⁱⁱM

Wie bef^d^r-'vlräiöii^der^tgo¹ 16^i:L

die Habe''ϊ ^:l^agfi^I

sind ^r"d£e-

sprechend ist kein zentrales Lager

kein solches Lager eingezeichnet.

-fin! cionxs tiis saüfcd-qosH 9±ώ siw rioilmis iai 03 eaüiialliK sIQ

Im fo^ienWeVl^M^

2 d^rtllM^fäBf^^^gi^Mt«^aa&^ifg

uß^

Ö8?

ORIGINAL INSPECTED

strömung längs des Düsenäußeren, sondern dienen in dieser Form erfindungsgemäß auch als Stützelemente für die ringförmige Hilfsdüse 60, die koaxial zur Hauptdüse 5 liegt und diese teilweise überlappt. Das derart abgestützte Einlaßteil 61 der Hilfsdüse bildet mit dem Äußeren der Hauptdüse 5 den Anfang eines ringförmigen Wassergangs längs der übrigen Hauptdüsenflache. Die Flügel 63 erstrecken sich längsachsenparallel durch diesen ringförmigen Wassergang. Die Flügel 63 können gerade sein, wie im Schnitt E-E der Fig. 7 dargestellt, sind aber vorzugsweise alle schraubenförmig verbogen, wie im Schnitt E-E der Fig, 8 zu erkennen_c Durch diese Verdrillung beginnt die vorbeigleitande Hauptströmung, in ihrem Fluß einen Wirbel zu bilden. Die gebogene hintere Kante des Flügels ist in Fig. und in Fig. 9 angedeutet und mit 64 bezeichnet. Unter Umständen ist es wünschensvrert, die Intensität dieser Schraubenbewegung ändern zu können. Eine solche Änderung kann erfolgen, wenn man die Hinterkante 64 nicht einfach als eine gebogene fixierte Kante ausbildet, sondern als ein verstellbares "Querruder" (Fig. 9) mit üblichen (nicht dargestellten) Verstellmitteln. Derartige Mittel könnten beispielsweise einige der folgenden möglichen Alternativen enthalten: 1) Kabel, die von Hebeln auf der Drehwelle der Querruder ausgehen; 2) Zug-Druck-Läufer auf gebogenen Schienen, mit hydraulischen Kolbenantrieben; oder 3) Schneckentriebe auf den Drehachsen, mit hydraulischen Motoren, die, ähnlich wie bei den Fig. 13 und 11, die Spindeln antreiben.

Die Hilfsdüse 60 ist ähnlich wie die Hauptdüse mit einem Führungsteil ausgestattet, das eine Innenfläche bildet und den genannten ringförmigen Wassergang außerhalb der Hauptdüse definiert. Die Hilfsdüse hat auch eine Außenfläche und einen Raum zwischen dem Führungsteil und der Außenfläche. Dieser Raum enthält Stützen und Streben und stellt ein wasserdichtes Abteil oder eine Anzahl von Abteilen dar, die zur Schaffung

709817/0267

der erwünschten Auftiebsverhältnisse der gesamten Turbine herangezogen werden können. Wie die Hauptdüse ist die Hilfsdüse aus Abschnitten gefertigt, die neben dem Führungsteil und der Außenfläche auch Abschnittswandungen aufweisen. Jeder Abschnitt v/ird vorgefertigt, zum gewünschten Ort wie einzelne lastkahnartige Segmente befördert und an Ort und Stelle in die Düse eingebaut.

Die Innenfläche des Führungsteils konvergiert von seinem Einlaßende 61 zur benachbarten Außenfläche der Hauptdüse hin, so daß der Querschnitt des ringförmigen Wassergangs, wenn er sich demjAuslaßende der Hauptdüse nähert, abnimmt. Dadurch wird die diesen Wassergang durchsetzende Hauptströmung in dem mit 62 bezeichneten Bereich beschleunigt.

Hinter dem benachbarten Auslaßende der Hauptdüse wird der Querschnitt des Hilfsdüsen-Führungsteils wieder größer. Mit anderen Worten: Die mit hoher Geschwindigkeit fließende Hauptströmungsschicht wird nun durch die Aufweitung des Führungsteils in eine divergente, konisch geformte Schicht überführt, die den die Hauptdüse verlassenden Stromanteil umgibt.

Aus der Hydrodynamik ist bekannt, daß die Energie eines fließenden Wassers im wesentlichen zwei Anteile hat; die kinetische Energie, die proportional zum Quadrat der Translationsgeschwindigkeit ist und die potentielle Energie, die mit der statischen Druckdifferenz relativ zu einem vorgegebenen Bezugspunkt gemessen wird,. Dadurch, daß man der Stromlinienform und Verkleidung von Führungsflächen besondere Aufmerksamkeit widmet und ein Abreißen des Flusses durch Einhalten der bereits erwähnten 7°-Aufweitung vermeidet, ist es möglich, mit nur geringen WärmeVerlusten infolge von Turbulenzen und Reibungen kinetische Energie in potentielle Energie und umgekehrt zu überführen. Diese Transformation ist Inhalt der wohlbekannten Bernoullischen Gleichung, die einfach eine Form des im fließenden Wasser herrschenden Energiegleichgewichts ausdrückt.

709817/0267

Der Wasseranteil, der zunächst auf hohe Geschwindigkeit beschleunigt wurde, dann durch die Turbinenschaufeln floß und Energie in mechanischer Form über die Turbinengurte 18 abgab, verläßt die Turbinenschaufeln mit geringerer Energie. In Abhängigkeit von der Form der Turbine und des Wassergangs können die Geschwindigkeit, der statische Druck oder beide Größen verringert sein. In einer Turbine mit achsparallelem geradem Durchfluß und dem gleichen Flußquerschnitt unmittelbar davor und unmittelbar danach kann sich die Geschwindigkeit, die durch die Beschleunigung infolge des konvergierenden Vorderabschnittes der Hauptdüse angenommen wurde, nicht ändern, weil der gesamte volumetrische Fluß konstant bleibt_o Dementsprechend wird der statische Druck, der bereits aufgrund der Umwandlung in dem konvergierenden Abschnitt in zusätzliche Energie der höheren Geschwindigkeit abgenommen hat, beim Durchgang durch die Turbine noch weiter verringert, wenn man dem Wasser Energie entzieht und sie in mechanische Energie am Turbinenausgang lfüberführt«, Da der Stromanteil hinter der Turbine in dem divergierenden Abschnitt einen größeren Querschnitt annimmt, wird seine verbliebene kinetische Energie teilweise zurück in potentielle Energie verwandelt und erhöht den statischen Druck. Hat der Druck in dem stromabwärts gelegenen, auseinander laufenden Wasserkonus eine ausreichende Höhe erreicht, so kann dieses Wasser wieder mit dem es umgebenden Wasser der Hauptströmung gemis-cht werden.

Mit einem Laufrad mit radialem Wasseraustritt (Fig. 17) kann wenigstens ein Teil der kinetischen Energie mit einem geringeren Druckverlust direkt in mechanische Energie umgewandelt werden. Dies liegt daran, daß der radiale Austritt und das glockenförmige Endstück des Wassergangs/dem mit hoher Translationsgeschwindigkeit durch die Turbine strömenden Wasser ermöglichen, zu einer geringeren Translationsgeschwindigkeit überzugehen, weil es von einem kleineren zu einem größeren Querschnitt fließt. Der Massenfluß bleibt natürlich längs des

709817/0267

gesamten Wassergangs konstant. In dem Ausmaß, in dem die Translationsgeschwindigkeit verringert werden kann, kann die äquivalente mechanische Energie ohne Druckänderung entnommen v/erden. Diese Analyse vernachlässigt für den Augenblick, daß jegliche Einzelheit, die in der fließenden Flüssigkeit Turbulenzen erzeugt, durch Überführung von kinetischer und potentieller Energie in Wärme die Reibungsverluste erhöht« Will man eine Turbine mit radialem Austritt und einen glockenförmigen Wassergang effektiv verwenden, so muß man, um die Reibungsverluste möglichst klein zu halten, ein besonderes Augenmerk auf die Formgebung richten.

Es kann allerdings Schwierigkeiten bereiten, den sich ausweitenden Wasserkonus genügend getrennt von der umgebenden Hauptströmung zu halten, wenn man nicht spezielle Schritte unternimmt. Diese Schritte ergeben sich aus der Formgebung und den Strukturen auf der Außenseite der Hauptdüse. Die Bildung der schützenden Hauptströmungsschicht ermöglicht in dem die Turbine durchsetzenden Anteil eine ständige Umwandlung von kine-

im
tischer Druckenergie.

Die mit hoher Geschwindigkeit strömende Schicht, die durch Beschleunigung der Hauptströmung durch den ringförmigen Viassergang zwischen der Haupt- und der Hilfsdüse entstanden ist, hat als Ergebnis ihrer Beschleunigung einen verringerten statischen Druck. Dadurch ist das Bestreben der Hauptströmung, in den axialen Bereich hinter der Düse einzuströmen, verringert, und sind somit für eine ständige Querschnittsvergrößerung in dem sich erweiternden konischen Anteil günstige Umgebungsbedingungen geschaffen,,

Die Außenfläche der Hilfsdüse 60 ist ebenfalls so strukturiert, daß die Ausbildung und der Schutz der divergierenden, konischen Hauptströmungsschicht begünstigt sind. Hinter dem Einlaßende 61 ist die Außenfläche allmählich und ohne Sprünge radial

709817/0267

nach innen geführt, in Richtung auf·die Turbinenachse. Beim Endstück 67 kehrt sich die Krümmung um und beginnt die Außenseite, weiterhin allmählich, sich nach außenhin zu erweitern, weg von der Turbinenachse, so daß die an dieser Fläche entlangfließende Hauptströmung nach außen gerichtet wird und einen in etwa gleichen Verlauf wie die Außenseite der konischen Schicht nimmt, die aus dem Innern der Hilfsdüse tritt.

Zum gleichen Zweck können nahe dem Vorderteil der Hilfsdüsen-Außenfläche einige radial nach außen v/eisende Dreiecksflügel 65 angebracht sein. Die Rückseiten dieser Flügel sind dabei verbogen, um der vorbeifließenden Hauptströmung eine Wirbelbewegung zu erteilen, vorzugsweise in der Drehrichtung, die auch die auf die Flügel 63 auftreffende Schicht empfängt.

Die in Fig. 2 dargestellte Hilfsdüse hat eine Außenfläche, deren Durchmesser in Flußrichtung über eine relativ große Länge abnimmt, ehe er dann wieder in der bereits beschriebenen Weise erweitert wird. Es ist wichtig, daß die Hauptströmung, die längs des Bereichs mit abnehmendem Durchmesser fließt, dort nicht, wie es in der Sprache der Hydrodynamiker heißt, "abreißt". Obwohl für das Maß der Konvergenz in diesem Düsenteil ein Grenzwinkel von etwa 7 genannt worden ist, kann es Umstände geben, unter denen dieser kleine Winkel nicht erreicht werden kann. Sollte dies der Fall sein, können die Dreiecksflügel 65 stärker "verkantet" werden, also einen größeren Anstellwinkel erhalten, wodurch sie jeweils einen kleinen Wirbel unmittelbar hinter sich erzeugen. Diese kleinen Wirbel erschweren ein Abreißen der Hauptströmung, weil sie die Grenzschichtenergie zu dem Punkt, an dem die DüsenaufWeitung beginnt, oder sogar zum Endstück der Düse verschieben.

In der vorangehenden Beschreibung ist hervorgehoben worden, daß die vorliegende Erfindung mit einer einfachen Hauptdüse

709817/0267

realisiert werden kann, die vom Halsteil zum Auslaßende hin aufgeweitet ist. Es ist ebenfalls darauf hingewiesen worden, daß man bei Verwendung äußerer Flügel, einer Hilfsdüse und anderen Strukturen wie auch durch die Aufweitung der Hauptdüsen-Außenfläche zu größeren Wirkungsgraden kommen kann. Abgesehen davon kam/die Form der Hauptdüse im Rahmen der Erfindung variiert werden.

Fig. 3 zeigt in einem Halbschnitt eine Ausführung, in der kein konvergentes Vorderteil zum Einsatz kommt. Bei dieser Version beginnt das Halsteil der Düse direkt hinter dem Einlaßende. Dabei empfängt das Laufrad einen Stromanteil, der praktisch die im Fluß vorherrschende Geschwindigkeit hat, entzieht diesem Anteil Energie und diffundiert dann den Anteil, wie bereits beschrieben, in einen divergierenden, konisch geformten Strom mit abnehmender Geschwindigkeit und wachsendem Druck, bevor sie ihn mit der Hauptströmung mischt. In der in Fig. 4 dargestellten Hauptdüse findet ein konvergierendes Vorderteil Anwendung, die Ausführung unterscheidet sich dadurch von der der Fig. 3. Beide Düsen haben jedoch ein langgestrecktes, sich erweiterndes Endstück, dessen Vorzug darin besteht, daß der divergierende Strom sich so lange glatt ausbreitet, bis ein ungefähres Druckgleichgewicht hergestellt ist.

Fig. 5 zeigt eine Hauptdüse mit einem relativ großen konvergierenden Vorderabschnitt und einem relativ kurzen Endstück. Bei dieser Version ist die Außenfläche im Prinzip wie bei der Hauptdüse der Fig. 2 geformt.

In den Fig. 3, 4 und 5 sind nur Ausführungen mit einer Hauptdüse dargestellt. In den Fig_e 6, 7 und 8 wird gezeigt, wie im Rahmen der vorliegenden Erfindung schrittweise zusätzliche Elemente angefügt werden können, mit denen sich die Steuerung des Flusses der Hauptströmung und die Schichtbildung auf der Außenseite verbessern läßt. Die Strukturen sind in jedem Aspekt

709817/0267

bereits diskutiert worden. Die Zusätze können jeder der bereits beschriebenen Hauptdüsenformen angefügt werden_e

Es wurde bereits darauf hingewiesen, daß das Deck 1 einige Hilfsaggregate trägt, die nun_mehr im einzelnen geschildert werden sollen. Oberhalb der von der Plattform getragenen Kabine steht ein Übertragungsturm 24. Dieser Turm trägt die elektrischen Übertragungskabel, mit denen die in der Kraftmaschine erzeugte Leistung abgeleitet wird_o Stehen Unterwasserkabel mit geeigneten Spannungs- und Leistungsspezifikationen zur Verfügung, so kann man mit ihnen die Überlandkabel ganz oder teilweise ersetzen,.

Der Generator 4a dient dem Hauptzweck der vorliegenden Erfindung, nämlich, große Mengen an elektrischer Leistung für den Gebrauch an Land zu liefern. Da die meisten Leistungsnetzsysteme mit 60 Hz arbeiten, ist der Generator vorzugsweise von einem Typ, dessen Ausgangsspannung und Phasenzahl zu dem speziellen Verwendungszweck passen. Damit die erzeugte Leistung in bestehende Netze eingespeist werden kann, in die auch andere Generatoren einspeisen, ist es wesentlich, daß nicht nur die erzeugte Spannung sondern auch die Synchronisation und die Frequenz sehr genaue Werte haben. Hierzu ist ein herkömmliches elektrisches Steuergerät 26 vorgesehen. Zeigt der Gen^atorausgang irgendwelche unerwünschten Abweichungen, so sorgt dieses Steuergerät durch Beeinflussung der Generatorgeschwindigkeit und des Steuersystems für die Erregung dafür, daß der Generator mit dem Leistungsnetz Schritt hält.

Der Generator 4a ist als eine einzige Einheit dargestellt, aber es ist natürlich selbstverständlich, daß auch weitere Generatoren wie beispielsweise der Generator 4d vorgesehen sein können. Diese Zusatzgeneratoren sind dann mit geeigneten (nicht dargestellten) Kupplungen und elektrischen Eontroll-

709817/0267

Organen zu versehen; sie werden von der gleichen Energiequelle angetrieben und hinzugeschaltet, wenn eine entsprechende Ausgangsleistung angefordert wird. Auf diese Weise erzeugt jeder eingeschaltete Generator Leistung unter Betriebsbedingungen, die in der Nähe seiner optimalen Wirksamkeit liegen.

Auf der Plattform 1 ist ebenfalls der im allgemeinen kleinere Generator 4b dargestellt, der dazu verwendet v/erden kann, Leistung mit einer geringeren Spannung zum sofortigen Gebrauch in Verbindung mit Wasserpumpen 23, (nicht dargestellten) Luftkompressoren, Steuersystemen einschließlich des Systems 26 und anderen Stromverbrauchern auf und nahe der Plattform zu liefern. Für den Leerlauf und zu Startzwecken wird man im allgemeinen einen zusätzlichen, motorgetriebenen Generator und geeignete Kraftstofftanks haben müssen. Diese Teile sind herkömmlicher Art und in der Zeichnung nicht dargestellt.

Eine der Möglichkeiten, die Geschwindigkeit des Generators 4a zu steuern, besteht d.arin, eine Blockrolle (Blockrolle 19a) vorzusehen, deren Durchmesser während des Laufens auf Signale des Kontrollsystems 26 hin verändert wird. Andere Steuermittel werden später diskutiert werden. Mit 19b ist eine Leerlaufblockrolle bezeichnet, mit der die Spannung des Gurts 18 konstant gehalten wird, ungeachtet der Durchmesserveränderungen bei der Blockrolle 19a und der Dehnung des Gurts. Die Leerlaufblockrolle 19b kann ständig und automatisch durch herkömmliche Antriebs- und Steuermittel, die nicht dargestellt sind, nachgestellt werden.

Die Wasserpumpen 23 sind als Block dargestellt und mit einem einzigen Bezugszeichen versehen, in der Praxis können sie jedoch aus mehreren Einzelpumpen bestehen. Beispielsweise sind einige Pumpen dazu da, die Düsenkammern auszupumpen, und eignen sich andere dazu, Wasser in Wasser führende Anordnungen

709817/0267

wie beispielsweise Block 15 und Wasserkanäle wie beispielsweise die Leitungen 27 zu pumpen.

Wenn in Fig. 1 zwei Flußturbineneinheiten gemä'ß der vorliegenden Erfindung seitlich nebeneinander dargestellt sind, können im Rahmen der Erfindung natürlich auch einzelne Einheiten oder Gruppennaus mehr als zwei Turbinen Verwendung finden. Sind zv/ei oder mehr Einheiten Seite an Seite miteinander verkoppelt, so ist es in der Tat möglich, die Pontons 2 vollständig zu eliminieren, oder zumindest ihre Anzahl zu verringern, da man durch die Parzellierung der Düsen eine angemessen anpassungsfähige Auftriebssteuerung zur Verfügung hat.

Beispiel

Um das Leistungsvermögen der vorgeschlagenen Kraftmaschine anhand eines Beispiels zu illustrieren, werden nachstehend einige typische Abmessungen aufgelistet, die eine Einzelturbine bei Verwendung in einem Fluß von mindestens 30 m Tiefe und Breite haben würde. Der Mississippi hat in vielen Abschnitten eine solche Tiefe und ein Vielfaches dieser Breite.

Hauptdüse:

Einlaßdurchmesser	20 m	m
Halsteildurchmesser	12,2	m
Auslaßdurchmesser	14,6	m
Gesamtlänge	18.3 ₇ό
Aufweitung des Endstücks
Länge des Endstücks, Hals	8,5	m
teil bis Auslaß
Aufweitung der Außenfläche	2,5	m
höchstens

Hilfsdüse: Einlaßdurchmesser 27,5 m

Halsteildurchmesser

(am Hauptauslaß) 20,8 m Auslaßdurchmesser 23,2 m Strudelflügel 65 - Höhe 1,5 m Gesamtlänge 21 Λ m Aufweitung des Endstücks 7° Länge des Endstücks, Halsteil bis Auslaß 12,2 m

709817/0267

HO

Außenseite, konvergierender

Abschnitt
Außenseite, aufgeweiteter

Abschnitt
Überlappungsbereich zwischen

der Haupt- und Hilfsdüse Schichtdicke beim Verlassen

der Hauptdüse

Hat der Fluß stromaufwärts eine Geschwindigkeit von 13 km/h, dann ist zu erwarten, daß den elektrischen Generatoren eine mechanische Leistung geliefert wird, die 7500 KVA äquivalent ist.

2635529	,3 m
18	m
3	,2 m
9	,7 m
2

709817/0267

Claims

PATENTANSPRÜCHE

C1.)Kraftmaschine zur Gewinnung von Energie aus einer Flußströmung, mit einer ersten Düse (Hauptdüse), deren Längsachse horizontal und parallel zur Richtung der Strömungsrichtung des Flusses verläuft, die ferner aus dem Hauptstrom der Flußströmung einen Teil sammelt, außerdem entlang ihrer Längsachse hintereinander ein Einlaßende, ein Halsteil, ein Endstück und ein Auslaßende hat, wobei das Einlaßende mit einem zu dem Halsteil und dann durch das Endstück zu dem Auslaßende führenden, durchgehenden Wassergang verbunden ist, und die in ihrem Halsteil in koaxialer Lage ein Laufrad mit axialem Eintritt trägt, mit dem ein mechanische Rotationsenergie zu einem äußeren Nutzorgan führendes Übertragerteil verbunden ist, dadurch gekennzeichnet , daß sich der Wassergang vom Halsteil (8) zum Auslaßteil (10) erweitert, derart, daß sich bei dem in der Hauptdüse (5) gesammelten Anteil der Flußströmung ab dessen Durchgang durch das Laufrad (14) der Querschnitt fortschreitend vergrößert, und daß die Außenseite (6) der Hauptdüse (5) derart erweitert und ausgeformt ist, daß sich bei Austritt des gesammelten Strömungsanteils aus dem Düsenauslaßende (10) eine diesen Anteil umgebende, divergent konisch verlaufende Hauptströmungsschicht ausbildet.

2. Kraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptdüse (5) auf ihrer Außenseite (6) eine Anzahl von sich in radialer Richtung erstreckenden Flügeln (63) trägt, die jeweils eine schraubenförmig gewundene Endkante (64) aufweisen, wobei der Drehsinn bei allen Flügelendkanten der gleiche ist.

3. Kraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Abfall-Schutzschirm (42) im Fluß oberhalb des Einlaßendes (9) der Hauptdüse (5) vorgesehen ist, daß der Abfall-Schutzschirm (42) eine konische Kabelanordnung mit

709817/0267

ORJGiNAL INSPfCTED

horizontaler Längsachse enthält, wobei die Konusspitze an einem stromaufwärts gelegenen Ankerkabel (41) befestigt ist und die Konusbasis ein offenes Ende bildet, dessen Querschnitt mindestens so groß wie der des Einlaßendes der Plauptdüse ist und das an das Einlaßende angrenzt und an diesem befestigt ist«

4. Kraftmaschine nach Anspruch 3> dadurch gekennzeichnet, daß der Konus des Abfall-Schutzschirms (42) einen Winkel von etwa 30° einschließt.

5. Kraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Hilfsdüse (60) vorgesehen ist, die einen Wassergang mit einem Einlaß, einem Halsteil und einem Auslaß hat, in koaxialer Lage zur Hauptdüse gehaltert ist und das Endstück der Hauptdüse (f?) teilweise überlappt und umgibt, wobei die Innenfläche der Hilfsdüse (Führungsteil des Wassergangs) von der Außenfläche der Hauptdüse distanziert ist und dadurch ein ringförmiger Wassergang für den Fluß der Hauptströmung längs der überlappten Außenfläche der Hauptdüse entsteht,

6. Kraftmaschine nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Außenfläche der Hilfsdüse (60) mit einer Anzahl von DreiecksflugeIn (65) versehen ist, die von der Oberfläche aus nach außen weisen und als Teile wenigstens einer Schraube ausgebildet sind, wobei der Drehsinn aller Flügelschrauben der gleiche ist.

7. Kraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in ihrer Betriebslage in einem Fluß

1) die Maschine an einem stromaufwärts gelegenen Anker über ein Ankerkabel (41) und einen Abfall-Schutzschirm (42) festgebunden ist, daß der Abfall-Schutzschirm die Form einer konischen Anordnung von Kabeln (43, 44) mit horizontaler Längsachse hat, daß die Kabel (43» 44) sich wenig-

709817/0287

stens über einen Teil der schrägen Länge der Anordnung von der Konusspitze zu einem die Basis der Anordnung bildenden offenen Ende erstrecken und daß das Ankerkabel den Anker mit der Spitze des Abfall-Schutzschirms verbin-

Halterunq

det und die Schirmkabel jeweils zu einer längs des Umfangs des Hauptdüsen-Einlaßteils (9) führen; daß

2) die Hauptdüse (5) einen Wassergang aufweist, der von dem Einlaßteil (9) zu einem Halsteil (8) mit geringerem Querschnitt konvergiert, daß das Halsteil (8) eine umlaufende Ausnehmung (30) enthält, daß sich der Wassergang vom Hals-, teil zu einem Auslaßende (10) hin aufweitet, dessen Abstand zum Halsteil mindestens halb so groß wie der Halsteildurchmesser ist, und daß der Aufweitungswinkel kleiner ist als 15°» vorzugsweise etwa 7°; daß

3) die Maschine ein Laufrad (14) mit axialem Fluß enthält, das in koaxialer Lage in einer Wasserlagerung (Wasserlager 71, 72, 73) gehaltert ist, wobei die Wasserlagerung ihrer-

' seits von Stützen (i6a) und Stützflügeln (i6b) im Wassergang des Halsteils (8) abgestützt ist, daß das Laufrad (14) mit Schrauben (29) versehen ist, die sich von einer Nabe (15) zu einem Abschlußring (17) erstrecken, welcher in der umlaufenden Ausnehmung (30) des Halsteils (8) angeordnet ist und gegen Wasserlager (27, 27a, 27b), die sich in Stromrichtung hinter dem Abschlußring befinden und Anschlag an ihm finden, gedreht werden kann, daß der Abschlußring (17) wenigstens eine Blockrollenausnehmung (21) an seiner Außenfläche hat und daß ein endloser Gurt (18) in dieser Ausnehmung läuft und durch nach oben gerichtete Kanäle (20) zu Blockrollen (I9a, 19b) mit variablem Durchmesser führt, die elektrische Generatoren (4a, 4b) antreiben; daß

4) die Außenfläche (Außenhaut 6) der Hauptdüse (5) koaxial zum Viassergang liegt, ein wasserdicht mit dem Einlaßende (9) des Wassergangs verbundenes Mundstück (Einlaßende) hat

709817/0267

263552? V

und ein Auslaßende (12) aufweist,- das in ähnlicher Weise wasserdicht mit dem Auslaßende (10) des Wassergangs verbunden ist, wodurch zwischen dem Wassergang und der Außenhaut (6) eine wasserdichte Kammer gebildet ist; daß

5) mit dem Abteil eine Pumpe (23) verbunden ist, mit der der Wasserinhalt der Kammer gesteuert werden kann, daß die Außenhaut (6) der Hauptdüse (5) eine glatt gekrümmte Oberfläche hat, die sich nahe dem Auslaßende (12) in einem Winkel erweitert, der dem Aufv/eitungs winkel des Wassergangs ähnlich ist, daß von der Außenhaut (6) eine Anzahl von Stützflügeln (63) radial nach außen erstreckt sind, daß jeder dieser Stützflügel (63) mit einer an der Hinterkante drehbar befestigten Klappe nach Art eines Querruders versehen ist und ein Steuerorgan zum Verstellen des Anstellwinkels dieser Klappe vorgesehen ist; daß

6) eine Hilfsdüse (60) außen auf die Stützflügel (63) montiert ist, und zwar in koaxialer Lage zur Hauptdüse (5) und in teilweiser Überlappung mit dem Auslaßende (12) der Außenhaut (6) der Hauptdüse (5), daß die Hilfsdüse (60) ein Einlaßende, ein Halsteil und ein Auslaßende hat und zusammen mit dem von ihr überlappten Abschnitt der Hauptdüse (5) einen ringförmigen Wassergang zwischen sich und der Hauptdüse bildet, daß der Querschnitt des ringförmigen Wassergangs am Einlaßende größer ist als am Halsteil, wobei das Verhältnis der beiden Querschnitte zwischen 1:1 und 3i1 liegt, und daß sich' der Wassergang vom Halsteil zum Entladungsende hin nach außen mit einem Winkel erweitert, der dem Ausweitungswinkel des Wassergangs in der Hauptdüse (5) entspricht; daß

7) die Außenhaut (6) der Hilfsdüse (60) wasserdicht mit dem Einlaßende und dem Auslaßende der Hilfsdüse verbunden ist und dazwischen eine wasserdichte Kammer bildet, daß mit dieser Kammer eine Pumpe (23) verbunden ist, die ihren Wasserinhalt steuert, daß die Außenhaut der Hilfsdüse (60) vom Einlaßende zum Auslaßende hin glatt verläuft und sich wenigstens in der Nähe des Auslaßendes aufweitet, und zwar

701817/0267

if

mit einem Aufweitungs winkel, der'dem Auf we itungs winkel des benachbarten Wassergangs ähnlich ist; und daß 8) die Hilfsdüse (60) an ihrem Auslaßende eine Anzahl von blumenblattförmigen Klappen (66) enthält, die an dem Auslaßende drehbar befestigt sind und ein Steuerorgan (70a, 70b) zur Einstellung eines erwünschten Aufweitungsgrades enthalten, und daß die Hilfsdüse (60) nahe ihrem Einlaßende auf ihrer Außenhaut eine Anzahl von Dreiecksflügeln (65) trägt, die radial nach außen weisen und verkantet sind und/oder derart verdrillt sind, daß sie einen Teil wenigstens einer Schraubenwindung längs der Außenhaut bilden.

8_e Kraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Laufrad (14) an seinem Außenumfang einen Abschlußring (17) trägt, daß das Halsteil (8) des Wassergangs eine den Abschlußring (17) aufnehmende, umlaufende Ausnehmung (30) enthält und daß der Abschlußring (17) in der Ausnehmung drehbar auf Radialdruck- und Axialdrucklagern, die sich ebenfalls in der Ausnehmung befinden, abgestützt ist.

9. Kraftmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Lager Wasserlager (27, 27a, 27b) sind und während des Betriebes mit einem Druckwasserschmiermittel versorgt werden.

10. Kraftmaschine nach den Ansprüchen 3, 5 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis des von dem Abfall-Schutzschirm (42) gebildeten Konus ein offenes Ende bildet, das einen mindestens so großen Querschnitt wie das Eingangsende der Hilfsdüse (60) hat, dem Einlaßende benachbart ist und an diesem befestigt ist.

11. Kraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß bei vorhandenem Abfall-Schutzschirm (42) sich einige der Schirmkabel (43) über die volle Länge der Anordnung von der Konusspitze bis zur Konusbasis erstrekken, während sich andere Kabel (44), ausgehend von der Konus-

709817/0267

basis, nur über einen Teil dieser Länge erstrecken und an ihren stromaufvmrtigen Enden an den benachbarten Kabeln (43) klemmend befestigt sind.

12. Laufrad für eine Kraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet , daß das Rad so befestigt werden kann, daß es sich um eine im wesentlichen horizontale Achse konzentrisch innerhalb des-Halsteils (8) der Düse (5) drehen kann, daß das Halsteil (8) eine konzentrische, umlaufende Ausnehmung (30) enthält, daß das Rad (14) einen Abschlußring (17) und eine Anzahl von Turbinenschaufeln (29) aufweist, die sich von der Achse zum Abschlußring (17) hin erstrecken, daß der Abschlußring (17) innerhalb der Ausnehmung (30) angeordnet ist und hierin drehbar auf Radialdruck- und Axialdrucklagern gelagert ist, daß jede Turbinenschaufel (29) in einer Ebene durch das Blatt und die Radachse ein Profil hat, das in Richtung der Strömungsbewegung in einer Form durchgebogen ist, die wenigstens einen Teil eines Bogens annähert, wobei die Symmetrieachse dieses Bogens parallel zur Radachse und innerhalb des Durchmessers des Abschlußringes (17) liegt.

13· Laufrad nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Symmetrieachse der Bogenform zwischen der Radachse und dem Abschlußring (17) am Befestigungspunkt der Schaufel (19) liegt.

14. Laufrad nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Symmetrieachse der Bogenform mit der Radachse zusammenfällt,

15. Laufrad nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß jede Turbinenschaufel (29) nicht nur in Richtung des Wasserflusses sondern auch in Drehrichtung des Laufrades (14) in eine Bogenform gekrümmt ist.

709817/0267