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MIT EINER FLUESSIGKEIT ANTREIBBARE TURBINE
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MIT EINER FLUESSIGKEIT ANTREIBBARE TURBINE Die Erfindung betrifft
eine Turbine gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
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In der deutschen Offenlegungsschrift-Nr. 25 29 183 ist eine fahrbare
Maschine zum Reinigen eines Schwimmbeckens beschrieben, welche Maschine durch eine
Turbine angetrieben wird. Diese Turbine weist ein Gehäuse mit einer zylindrischen
Innenfläche auf. In diesem Gehäuse ist ein Rotor mit radial gerichteten und beweglichen
Schiebern exzentrisch gelagert. Je zwei benachbarte Schiebe~ ein Teil der Rotoroberfläche
und ein Teil der genannten Innenfläche begrenzen eine Kammer, deren Volumen von
der Drehstellung des Rotors abhängig ist.
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An zueinander gegenüberliegenden Stellen des Gehäuses befindet sich
ein Einlass zum Zuführen und ein Auslass zum Abführen von Wasser in bzw. aus der
Turbine. Diese bekannte Turbine arbeitet zufriedenstellend, jedoch ist die Herstellung
relativ teuer, weil die einzelnen Schieber im Rotor genau geführt werden müssen,
damit die Schieber nicht klemmen.
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Es sind auch schon Pumpen mit einem eine zylindrische Innenwand aufweisenden
Gehäuse und einem exzentrisch gelagerten Rotor vorgeschlagen. Am Rotor sind anstelle
von radial nach aussen abstehenden Schiebern elastische Flügel befestigt, die sich
je nach Stellung
des Rotors mehr oder weniger durchbiegen. Derartige
Pumpen sind als Zubehörteile zu Handbohrmaschinen im Handel erhältlich. Um in allen
Stellagen eine ausreichende Ahdichtwirkung zwischen den elastischen Flügeln und
der Gehäuse innenfläche zu erhalten, ist es notwendig, dass die elastischen Flügel
eine relativ grosse Federkonstante aufweisen, wodurch die Reibung zwischen den Flügeln
und dem Gehäuse gross und der Wirkungsgrad klein wird.
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Es ist Aufgabe der Erfindung eine Turbine der eingangs genannten
Art zu schaffen, welche wie die bekannte Pumpe elastische Flügel aufweist, aber
bei welcher die Reibung zwischen den Flügeln und der Gehäuseinnenfläche stark reduziert
ist.
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Die erfindungsgemässe Turbine ist durch die im kennzeichnenden Teil
des Patentanspruches 1 angeführten Merkmale gekennzeichnet.
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Der Erfindungsgegenstand ist nachstehend mit Bezugnahme auf die Zeichnung
beispielsweise näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 einen Schnitt durch ein erstes
Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Turbine, wobei nur die wesentlichsten
Teile dargestellt sind, Fig. 2 einen elastischen Flügel des Rotors in drei verschiedenen
Stellungen und in einem grösseren Massstab als in der Fig. 1 gezeichnet, Fig. 3
eine graphische Darstellung der zum Biegen des elastischen Flügels gemäss der Fig.
2 notwendigen Kraft in Abhängigkeit des Abstandes zwischen dem freien Ende des Flügels
und der Drehachse, Fig. 4 einen Schnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel der
erfindungsgemässen Turbine, wobei nur die wesentlichen Teile dargestellt sind, Fig.
5 einen elastischen Flügel des Rotors in drei verschiedenen Biegestellungen und
in einem grösseren Massstab als in der Fig. 4 gezeichnet und
Fig.
6 eine graphische Darstellung der zum Biegen des elastischen Flügels gemäss der
Fig. 5 notwendigen Kraft in Abhängigkeit des Abstandes zwischen dem freien Ende
des Flügels und der Drehachse.
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Das in der Fig. 1 dargestellte erste Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen
Turbine besitzt ein Gehäuse 1 mit einer zylindrischen Innenfläche 2, eine Einlassöffnung
3 und eine Auslassöffnung 4. Die beiden Oeffnungen sind zueinander gegenüberliegend
angeordnet und erstrecken sich nur über einen Teil der Ausdehnung des Gehäuses in
Richtung der Drehachse eines Rotors 5.
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Der Rotor 5 ist exzentrisch bezüglich der zylindrischen Innenfläche
2 angeordnet und auf einer Welle 6 befestigt, die ihrerseits in zwei ebenen Seitenwänden
gelagert ist, von welchen Seitenwänden nur die eine Seitenwand 7 in der Fig. 1 sichtbar
ist.
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Aus der Fig. 1 und insbesondere aus der Fig. 2 ist ersichtlich, dass
sich vom Rotor 5 aus radial gerichtete Tragplatten 8 erstrecken, die starr mit dem
Rotor 5 verbunden sind. In achsialer Richtung des Rotors 5 erstrecken sich die Tragplatten
8 nicht ganz von einer der Seitenwände 7 bis zur anderen. An jeder Tragplatte ist
ein parallel und benachbart zum Rotor 5 verlaufender Rand eines elastischen Flügels
aus einem synthetischen Elastomer, z.B. "Neopren", befestigt. Die elastischen Flügel
können auch aus Federstahl oder Federbronze hergestellt sein. Der genannte Randbereich
des Flügels 9 ist zwischen einer Stützplatte 10 und der Tragplatte 8 eingeklemmt,
wobei die Klemmwirkung von einer Klemmleiste 11 ausgeht, die mit wenigstens einer
Niete 12 oder Schraube an der Tragplatte 8 befestigt ist.
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Ein Teil der Stützplatte 10 ragt über die Klemmleiste 11 hinaus und
dieser Teil ist von der Tragplatte 8 weggebogen. Die Funktion der Stützplatte 10
ist aus den Fig. 2 und 3 erkennbar. In der Fig. 2 ist aus Platzgründen der elastische
Flügel verkürzt und im noch nicht in das Gehäuse 1 eingesetzten Zustand dar-
gestellt.
Weiter sind in der Fig. 2 zwei weitere mögliche Stellungen des Flügels 9' und 9"
strichpunktiert gezeigt. Die graphische Darstellung in der Fig. 3 zeigt die zum
Biegen des Flügels 9 notwendige Kraft P in Funktion eines Abstandes W. Der Abstand
W ist in der Fig. 1 eingetragen und ist der Abstand zwischen einem gestrichelt gezeichneten
Umkreis 13 und dem freien Ende des umgebogenen Flügels 9. Längs des Umkreises 13
würden sich alle Enden der Flügel 9 bewegen, wenn sie nicht durch die Innenfläche
2 des Gehäuses 1 gebogen würden und die strichpunktiert bezeichnete Stellung 14
in der Fig. 1 einnähmen.
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Auf den in der Fig. 2 dargestellten Flügel 9 wirkt keine Kraft ein,
deshalb ist er nicht gebogen. Auf den Flügel 9' wirkt eine Kraft P1 ein und der
Flügel wird leicht gebogen, wobei aber der gebogene Teil des Flügels noch nicht
an den gebogenen Teil der Stützplatte anstösst. Wird die auf den Flügel einwirkende
Kraft vergrössert, so nimmt auch der oben beschriebene Abstand W zu. Erhöht sich
die einwirkende Kraft auf den Wert P2 so liegt das gekrümmte Teilstück des Flügels
9'' an dem abgebogenen Teil der Stützplatte 10 an. Danach nimmt die wirksame Federkonstante
des Flügels 9'' sprunghaft zu, wie dies aus der Fig. 3 ersichtlich ist.
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Die Länge der Flügel 9 in radialer Richtung, die Biegung der Stützplatte
10 und die Exzentrität der Drehachse der Welle 6 bezüglich der zylindrischen Innenfläche
2 des Gehäuses 1 sind so gewählt, -dass, wenn die Flügel 9 am unteren Teil der zylindrischen
Innenfläche 2, bezogen auf die Fig. 1, anliegen, dass dann ebenfalls die Flügel
9 an der Stützplatte 10 anliegen.
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Dies bedeutet, dass die Flügel 9 bedeutend stärker an den unteren
Teil der Innenfiäche 2 des Gehäuses 1 gepresst werden, als an den oberen Teil der
Innenfläche 2.
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D.h. mit anderen Worten, die Flügel 9 werden bei der oben beschriebenen
Turbine mit der gleichen Kraft
an den unteren Teil der Innenfläche
2 gepresst, wie bei den bekannten Turbinen, jedoch mit bedeutend weniger Kraft an
den oberen Teil der Innenfläche 2 angepresst als bei bekannten Turbinen. Dadurch
verringert sich die Reibung zwischen den Flügeln 9 und dem oberen Teil der Innenfläche
2, was zu einer Verbesserung des Wirkungsgrades führt.
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Zum Betrieb der in der Fig. 1 dargestellten Turbine wird die Auslassöffnung
4 mit einer nicht dargestellten Saugpumpe verbunden, welche durch die Turbine hindurch
und durch die Einlassöffnung 3 Wasser ansaugt.
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Dadurch entsteht im Bereich der Austrittsöffnung 4 ein Unterdruck
gegenüber dem Bereich der Einlassöffnung 3.
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Durch diesen Druckunterschied werden zwei in entgegengesetztem Drehsinn
wirkende Drehmomente auf den Rotor 5 ausgeübt, wobei die Differenz zwischen diesen
beiden Drehmomenten eine Drehung des Rotors 5 im Uhrzeigersinn bewirkt. Diese Differenz
der Drehmomente ist umso grösser, je grösser der Unterschied zwischen dem minimalen
Abstand zwischen dem Rotor 5 und der Innenfläche 2 und dem maximalen Abstand zwischen
den Rotor 5 und der Innenfläche 2 ist.
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Es ist sehr wesentlich, dass die Abdichtwirkung zwischen den Flügeln
9 und dem unteren Teil der Innenfläche 2 gut ist, damit möglichst alles die Turbine
durchströmendes Wasser zwischen dem Rotor 5 und dem oberen Teil der Innenfläche
2 hindurchfliesst. Durch den starken Anpressdruck der Flügel 9 an den unteren Teil
der Innenfläche 2 ist diese Bedingung erfüllt.
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Die Fig. 4 zeigt die wesentlichsten Teile eines zweiten Ausführungsbeispieles
der erfindungsgemässen Turbine. Ein Gehäuse 15 weist eine zentrale Innenfläche 16
auf, gegenüber welcher ein exzentrisch angeordneter Rotor auf einer Welle 18 befestigt
ist.
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Die Welle ist in Seitenwänden, von denen nur die Seitenwand 19 sichtbar
ist, drehbar gelagert. Das Gehäuse weist an gegenüberliegenden Stellen eine Einlassöffnung
20
und eine Auslassöffnung 21 auf. Vom Rotor 17 aus erstrecken sich elastische Flügel
22 zur Innenwand 16 des Gehäuses 15.
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Die Fig. 5 zeigt einen Teil des Rotors 17 und einen der Flügel 22
in einem grösseren Massstab als in der Fig. 4 gezeichnet. Auf den Flügel 22 wirkt
keine Kraft ein, so dass sich derselbe radial vom Rotor 17 wegerstreckt. Am Rotor
17 ist eine radial abstehende Tragplatte 23 starr befestigt. Der dem Rotor 17 benachbarte
Randbereich des Flügels 22 ist zwischen einer Klemmleiste 24 und der Tragplatte
23 eingeklemmt. Die Klemmleiste 24 ist mit wenigstens einer Niete 25 an der Tragplatte
23 befestigt.
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Am vom Rotor 17 entfernten Ende jedes Flügels 22 ist eine Gleitplatte
26 mittels Nieten 27 befestigt.
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Wenn der Rotor 17 mit den Flügeln 22 in das Gehäuse 15 eingesetzt
ist, liegen nicht die Flügel 22 sondern eine oder zwei Kanten 28 bzw. 29 der Gleitplatten
26 an der Innenfläche 16 des Gehäuses 15 an.
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Die Fig. 6 zeigt die graphische Darstellung der Abhängigkeit eines
Abstandes W von den auf die Gleitplatte 26 radial einwirkenden Kräften. Der Abstand
W ist der Abstand zwischen einem in der Fig. 4 gestrichelt gezeichneten Umkreis
30 und der äusseren Kante 28 bzw. inneren Kante 29 der Gleitplatte 26. Aus der Fig.
6 ist ersichtlich, dass, solange die äussere Kante 28 der Gleitplatte 26 allein
an der Innenfläche 16 des Gehäuses 15 anliegt, die Beziehung zwischen der auf die
Gleitplatte 26 einwirkenden Kraft P und des Abstandes W linear und die wirksame
Federkonstante des elastischen Flügels 22 relativ klein ist. Wenn der Abstand W
grösser als Wx wird und beide Kanten 28 und 29 der Gleitplatte 26 an der genannten
Innenfläche 16 anliegen, nimmt die Federkonstante progressiv zu, weil der als Feder
wirkende Teil des elastischen Flügels immer kürzer wird, wie dies in der Fig. 5
anhand
der gekrümmten Flügel 22' und 22'' dargestellt ist.
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Längs des genannten Umkreises 30 würden sich die äusseren Enden der
Gleitplatten 26 bewegen, wenn sie sich nicht im Gehäuse 15 befinden würden, wie
dies in der Fig. 4 strichpunktiert dargestellt ist.
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Die Gleitplatten 26 können aus Metall oder aus hartem Kunststoff
hergestellt sein, dementsprechend ist die Reibung zwischen den Gleitplatten 26 und
der Innenfläche 16 des Gehäuses 15 klein.
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Die Funktionsweise der oben mit Bezug auf die Fig.
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4 bis 6 beschriebenen Turbine ist ähnlich wie jene der weiter oben
mit Bezug auf die Fig. 1 bis 3 beschriebenen Turbine. Das in die Einlassöffnung
20 einströmende Wasser soll möglichst vollständig zwischen dem oberen Teil der Innenfläche
16 und dem Rotor 17 durch die Turbine hindurch und durch die Auslassöffnung 21 fliessen.
Die gute Abdichtwirkunq zwischen den Gleitplatten 26 und dem unteren Teil der Innenfläche
16 wird durch die progressiv ansteigende Kraft erzielt, mit der die Gleitplatten
26 an den unteren Teil der Innenfläche 16 angepresst werden.
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Weil die Reibung zwischen den Gleitplatten 26 und der Innenfläche
16 des Gehäuses klein ist, sind die in der Turbine gemäss der Fig. 4 auftretenden
Verluste relativ klein und der Wirkungsgrad entsprechend grösser.
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Darüberhinaus ist ein drittes Ausführungsbeispiel möglich, bei welchem
jeder Flügel mit der Gleitplatte 26 und zusätzlich mit der Stützplatte 10 ausgerüstet
ist. Bei einer derartigen Ausführungsform wird die Kraft, mit welcher die Gleitplatte
26 an den unteren Bereich der Innenfläche angepresst wird, nochmals vergrössert.
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