DE4139633A1 - Antriebsvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung mit einer auf einer dreh­ baren Welle fest angeordneten Turbine, die durch eine Flüssigkeit, insbe­ sondere Wasser beaufschlagbar und dadurch zusammen mit der Welle in eine Drehbewegung versetzbar ist.

Derartige Antriebsvorrichtungen, bei denen eine drehbar gelagerte Welle eine Turbine trägt, sind bekannt. Dabei wird die Turbine mit Wasser be­ aufschlagt und dadurch zusammen mit der Welle in eine Drehbewegung versetzt. Die sich drehende Welle kann dann ein Aggregat antreiben, bei­ spielsweise einen Generator zur Stromerzeugung.

Nachteilig bei dieser bekannten Antriebsvorrichtung ist, daß deren Wir­ kungsgrad vergleichsweise gering ist, da beispielsweise aufgrund von La­ gerreibung und Luftreibung relativ große Verluste auftreten. Darüber hin­ aus wird die Restenergie des Wassers nach Verlassen der Turbine nicht weiter genutzt.

Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Antriebsvorrichtung mit einem verbesserten Wirkungsgrad zu schaffen.

Als technische Lösung wird mit der Erfindung vorgeschlagen, daß die Welle senkrecht stehend angeordnet ist, daß auf der Welle diese kon­ zentrisch umgebend eine nach oben hin sich konisch erweiternde Röhre fest angeordnet ist, in deren Bodenbereich die Turbine angeordnet ist und die im oberen Randbereich einen Überlauf mit einem darunter angeordne­ ten, feststehenden Sammelbehälter für überlaufende Flüssigkeit aufweist, und daß die Turbine über wenigstens ein, vom Sammelbehälter ausgehendes Fallrohr von unten mit der Flüssigkeit beaufschlagbar ist.

Eine nach dieser technischen Lehre ausgebildete Antriebsvorrichtung zeichnet sich durch einen sehr hohen Wirkungsgrad aus, da durch die be­ sondere konstruktive Ausbildung der Antriebsvorrichtung die für den An­ trieb der Turbine verantwortliche Flüssigkeit, bei der es sich vorzugsweise um Wasser handelt, einen geschlossenen Kreislauf durchläuft, so daß die Energie des Wassers sehr gut ausgenutzt und in eine Drehbewegung der Welle umgesetzt wird. Die Grundidee der Antriebsvorrichtung besteht dabei darin, daß - nachdem zur Inbetriebnahme der Antriebsvorrichtung nach deren Stillstand zunächst beispielsweise durch einen Elektromotor die Welle und damit die Röhre auf eine bestimmte Umdrehungsgeschwindigkeit ge­ bracht worden ist - das Wasser vom oberen Sammelbehälter durch die vor­ zugsweise zwei bis drei Fallrohre derart nach unten geleitet wird, daß die Schaufeln der Turbine von unten angestrahlt werden und dadurch ein An­ trieb der Turbine erfolgt. Dadurch wird ein Drehmoment auf die Bauteilein­ heit bestehend aus der Welle, der Turbine sowie der umgebenden Röhre als Antriebsenergie ausgeübt. Aufgrund der auf das Wasser wirkenden Zentri­ fugalkraft, nachdem das Wasser die Schaufeln der Turbine beaufschlagt hat, wird das Abwasser der Turbine an das Innere der Röhre gepreßt und schießt aufgrund deren konischen Ausgestaltung in Abhängigkeit vom Durchmesser der Röhre und der Umdrehung schnell nach oben, um nach Passieren des Überlaufs in dem Sammelbehälter wieder aufgefangen zu werden, so daß der Kreislauf von neuem beginnen kann. Voraussetzung ist dabei, daß das Wasser über die Fallrohre eine minimale Fallhöhe durchläuft, welche 8 bis 10 m beträgt, so daß die erforderliche Drehzahl der Röhre ge­ währleistet ist und so die nötige Zentrifugalkraft auf das Abwasser der Turbine erbracht wird. Da die Umdrehung der Röhre sowie die Umdrehung des in ihr mitrotierenden Wassers nahezu identisch sind, sind die Rei­ bungsverluste des Wassers beim Hochschießen in der Röhre minimal und somit der Wirkungsgrad entsprechend hoch. Statt der Verwendung einer Turbine mit ihrer vertikalen Achse können auch dazu äquivalente Aggrega­ te verwendet werden, welche durch Wasserbeaufschlagung antreibbar sind.

In einer Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß die Röhre unten durch einen feststehenden Boden abgeschlossen ist, in dem ausge­ richtete Düsen der Fallrohre münden. Dadurch ist eine technisch einfache Möglichkeit zum Beaufschlagen des Wassers ausgehend von den feststehen­ den Fallrohren auf die rotierende Turbine gegeben, wobei die Mündungs­ düsen der Fallrohre derart schräg ausgerichtet sind, daß eine optimale Be­ aufschlagung der Schaufeln der Turbine mit einem hohen Wirkungsgrad realisiert ist. Bei dem feststehenden Boden kann es sich dabei beispielswei­ se um ein Blech handeln, welches die Funktion eines Tropfbleches erfüllt, welches das Spritzwasser der Turbinenschaufeln auffängt. In diesem Blech sind die Mündungsdüsen der Fallrohre eingebaut und ausgerichtet.

Eine bevorzugte Weiterbildung hiervon schlägt vor, daß der Boden in ra­ dialer Richtung nach unten geneigt ist. Dadurch wird zusätzlich zur auf das Wasser wirkenden Zentrifugalkraft, welche das Spritzwasser in Rich­ tung Innenwand der Röhre schleudert, ein zusätzlicher Ablauf radial nach außen gewährleistet und das Wasser sammelt sich im äußeren Übergangsbe­ reich zwischen dem runden, feststehenden Boden und der rotierenden Röh­ re. Das sich in diesem Bereich ansammelnde Wasser wird aufgrund der Rotationsbewegung der Röhre sofort beschleunigt und schießt gleicherma­ ßen wie das direkt auf die Innenwand der Röhre auftreffende Abwasser der Turbine nach oben.

Eine weitere Weiterbildung schlägt vor daß sich die Röhre unten im Be­ reich der Turbine stärker nach oben hin konisch erweitert als im Bereich darüber. Dies bringt den Vorteil mit sich, daß das in diesem Bereich der Turbine auf die Innenwand der Röhre auftreffende Abwasser besser nach oben geleitet wird.

Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung schlägt vor, daß die Fallroh­ re die Flüssigkeit derart auf die Schaufeln der Turbine leiten und dabei die Schaufeln der Turbine derart angestellt sind, daß die Flüssigkeit durch die Schaufeln größtenteils mit einer Radialkomponente reflektierbar ist. Die­ se Weiterbildung bringt den Vorteil mit sich, daß das Abwasser der Turbi­ ne direkt auf die Innenwand der Röhre trifft und somit unmittelbar nach oben transportiert wird, ohne daß es beispielsweise als Spritzwasser auf den feststehenden Boden auftrifft. Dadurch werden die Verluste noch wei­ ter vermindert.

Vorzugsweise ist die Turbine eine Pelton-ähnliche Turbine. Diese eignet sich besonders gut für die Antriebsvorrichtung.

Vorzugsweise beträgt die Höhe der Röhre ungefähr 10 bis 12 m und die Höhe des Fallrohres ungefähr 8 bis 10 m. Somit liegt die Höhe der Röhre ungefähr 2 m über der Fallhöhe. Diese minimale Fallhöhe von ungefähr 8 bis 10 m stellt sicher, daß die Turbine und damit die Röhre mit der erfor­ derlichen Drehzahl angetrieben wird, um die notwendige Zentrifugalkraft auf das Abwasser der Turbine auszuüben und das Abwasser entlang der Innenwand der Röhre nach oben hin zum Überlauf schießen zu lassen.

Eine weitere Weiterbildung der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung schlägt vor, daß drei Fallrohre vorgesehen sind. Diese sind gleichmäßig um den Umfang der Welle anzuordnen. Selbstverständlich können auch weniger oder aber auch mehr als die drei Fallrohre verwendet werden.

Eine bevorzugte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung schlägt vor, daß innerhalb der Röhre radial schräg nach oben angestellte, wendelförmige Leitbleche mit der Welle als Achse angeordnet sind. Durch diese Leitbleche erfährt die Röhre ein zusätzliches Drehmoment, da das Wasser auf seinem Weg nach oben unablässig gegen diese Leitbleche drückt und somit das zusätzliche Drehmoment erzeugt. Dabei sind die Leitbleche fest mit der Welle und damit fest mit der Röhre verbunden.

Vorzugsweise beträgt der Winkel der Leitbleche bezüglich zur Vertikalen ungefähr 45°.

Schließlich wird in einer Weiterbildung dieser bevorzugten Ausführungs­ form vorgeschlagen, daß die Röhre und/oder die Leitbleche mit einem luft­ reibungsmindernden Material verkleidet sind. Dadurch werden Reibungsver­ luste auf ein Minimum reduziert.

Eine zweite bevorzugte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Antriebsvor­ richtung schlägt vor, daß der Überlauf der Röhre derart gerichtete Düsen, insbesondere entgegengesetzt zur Drehrichtung der Welle gebogene Düsen aufweist, durch welche die überlaufende Flüssigkeit hindurchströmt, daß die Röhre ein zusätzliches Drehmoment erfährt. Dadurch wird das in Rota­ tion befindliche Wasser am oberen Ende der Röhre im Bereich des Über­ laufs noch einmal für ein zusätzliches Drehmoment genutzt. Dabei wird das durch die Zentrifugalkraft nach außen drückende Wasser unter Bildung eines Staudruckes durch die entsprechend ausgerichteten Düsen gepreßt, so daß ein weiterer Schub entsteht.

Dabei weist der Überlauf vorzugsweise ein Ringbecken auf, in dem die Flüssigkeit staubar ist und in dem die Düsen eingelassen sind. Dieses Ringbecken ist dabei fest mit der Röhre verbunden und rotiert mit diesem mit.

Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung wird nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Diese zeigt einen rein schematischen Längsschnitt durch die Antriebsvorrichtung.

Die Antriebsvorrichtung weist zunächst eine senkrecht ausgerichtete Welle 1 auf, die in schematisch angedeuteten Lagern 2 drehbar gelagert ist.

Die Welle 1 ist von einer Röhre 3 umgeben, in deren Mittelachse die Welle 1 liegt und die fest mit der Welle 1 verbunden ist, so daß bei einer Drehbe­ wegung der Welle 1 die Röhre 3 mitrotiert. In der Zeichnung ist erkennbar, daß sich die Röhre 3 nach oben hin konisch erweitert, wobei diese koni­ sche Erweiterung ganz unten im Bodenbereich für eine kurze Strecke grö­ ßer ist als im Bereich darüber. Der obere Rand der Röhre 3 ist im wesent­ lichen horizontal radial nach außen gebogen und definiert einen Überlauf 4 mit einem Ringbecken 5, welches fest mit der Röhre 3 verbunden ist und den oberen Randbereich dieser Röhre 3 definiert. In dem Ringbecken 5 sind gebogene Düsen 6 eingelassen.

Im unteren Bereich der Röhre 3 befindet sich eine Pelton-ähnliche Turbine 7 mit Schaufeln 8. Diese Turbine 7 ist ebenfalls fest auf der Welle 1 an­ geordnet.

Im Bereich oberhalb der Turbine 7 sowie unterhalb des Überlaufs 4 der Röhre 3 befinden sich wendelförmige Leitbleche 9, die ebenfalls fest mit der Welle 1 sowie mit der Röhre 3 verbunden sind und daher ebenfalls bei einer Drehbewegung der Welle 1 zusammen mit der Röhre 3 und der Turbi­ ne 7 mitrotieren. Diese Leitbleche 9 sind mit einem Winkel zur Vertikalen von ungefähr 45° angestellt. In der Zeichnung sind die wendelförmigen Leitbleche 9 nur ausschnittsweise dargestellt. Sie reichen aber vorzugswei­ se unten von der Turbine 7 bis oben hin zum Überlauf 4.

Die Röhre 3 ist unterseitig unterhalb der Turbine 7 von einem feststehen­ den Boden 11 abgeschlossen, der nicht mit der Welle 1 mitrotiert. Dieser Boden 11 ist beispielsweise durch ein Blech gebildet und ist in radialer Richtung nach unten geneigt. In diesem Boden 11 münden Düsen 12 von drei Fallrohren 13. Diese Fallrohre 13 sind nach oben in Richtung Überlauf 4 der Röhre 3 geführt und an einen ringförmigen Sammelbehälter 14 ange­ schlossen, der ebenso wie die Fallrohre 13 und der Boden 11 zusammen mit den Düsen 12 feststehend ist. In dem Sammelbehälter 14 befindet sich eine Flüssigkeit 15, insbesondere Wasser.

Die Höhe der Fallrohre 13 beträgt ungefähr 8 bis 10 m, während die Höhe der Röhre 3 ungefähr 10 bis 12 m beträgt.

Die Antriebsvorrichtung funktioniert wie folgt:

Wie bereits erwähnt, befindet sich in dem oberen, feststehenden Sammelbe­ hälter 14 Flüssigkeit 15, insbesondere Wasser. Die Zuleitung zu den ange­ schlossenen Fallrohren 13 ist dabei vor Inbetriebnahme der Antriebsvor­ richtung durch nicht dargestellte Ventile geschlossen. Zur Inbetriebnahme der Antriebsvorrichtung wird zunächst die Welle 1 beispielsweise mittels eines Elektromotors in eine bestimmte Umdrehungsgeschwindigkeit ge­ bracht. Dadurch rotieren die Turbine 4 sowie die Röhre 3 zusammen mit den Leitblechen 9 identisch mit, da nur der Sammelbehälter 14, die Fallroh­ re 13 sowie der Boden 11 als einzige Teile feststehend sind.

Nachdem die Welle 1 auf die erforderliche Umdrehungsgeschwindigkeit ge­ bracht worden ist, werden die Ventile in den Fallrohren 13 geöffnet und die Flüssigkeit 15 fällt ausgehend vom Sammelbehälter 14 durch die Fall­ rohre 13 nach unten und tritt durch die im Boden 11 eingelassenen Düsen 12 derart hindurch, daß die Schaufeln 8 der Turbine 7 mit der Flüssigkeit 15 beaufschlagt werden und somit die Turbine 7 angetrieben wird. Da sich die Einheit außer den feststehenden Teilen in einer Drehbewegung befin­ det, erfährt die Flüssigkeit 15, welche die Schaufeln 8 der Turbine 7 be­ aufschlagt hat, eine Zentrifugalkraft und wird daher radial nach außen in Richtung Innenwand 16 der Röhre 3 geschleudert. Aufgrund der Drehbewe­ gung der Röhre 3 sowie aufgrund der konischen Ausbildung erfährt die Flüssigkeit 15 eine Kraftkomponente nach oben und schießt daher in Rich­ tung Überlauf 4 in vertikaler Richtung nach oben entlang der Innenwand 16 der Röhre 3. Eventuelles Spritzwasser der Schaufeln 8 der Turbine 7 wird durch den Boden 11 aufgefangen. Durch die Neigung dieses Bodens 11 nach unten wird das Spritzwasser radial abgeführt und gelangt in den Wirkungsbereich der Röhre 3. Es wird sofort beschleunigt und schießt gleichermaßen nach oben.

Auf diesem Weg nach oben beaufschlagt das Wasser die wendelförmigen Leitbleche 9, so daß die Röhre 3 ein zusätzliches Drehmoment erhält, da die Flüssigkeit 15 unablässig gegen die Leitbleche 9 drückt.

Schließlich sammelt sich die Flüssigkeit 15 im Bereich des Überlaufs 4 im Ringbecken 5 und staut sich dort unter Bildung eines Staudruckes. Da in dem Ringbecken 5 schräg verlaufende Düsen 6 eingelassen sind, wird die Flüssigkeit 15 durch diese Düsen 6 hindurchgepreßt, so daß ein dritter und letzter Schub entsteht.

Nach dem Austritt aus diesen gebogenen Düsen 6 wird die Flüssigkeit 15 in dem ringförmigen, feststehenden Sammelbehälter 14 aufgefangen. Nach Vollendung dieses ersten Kreislaufes wird der Elektromotor zum Antreiben der Welle 1 abgeschaltet. Gleichzeitig wird die Flüssigkeit 15 erneut über die Fallrohre 13 der Turbine 7 zu deren Beaufschlagung zugeführt, so daß der ganze Vorgang in Form eines geschlossenen Kreislaufes von neuem be­ ginnt.

Insgesamt werden also durch die im Umlauf befindliche Flüssigkeit 15 drei Antriebselemente bedient, nämlich die untere Turbine 7, die Leitbleche 9 sowie schließlich die oberen, gebogenen Düsen 6. Da die Umdrehung der Röhre 3 sowie die in ihr mitrotierende Flüssigkeit 15 nahezu identisch sind und somit nur ein vertikaler Reibungsweg besteht, ist die Reibung der Flüssigkeit 15 an der Innenwand 16 der Röhre 3 nur minimal und geht nicht zu Lasten der Funktion, nämlich der Umdrehung der drehbaren Ein­ heit. Verluste wie Lagerreibung, Luftreibung, Radiuserweiterung (konische Röhre 3) sowie Turbinenspritzwasserbeschleunigung spielen eine unbedeu­ tende Rolle, so daß die Antriebsvorrichtung einen sehr hohen Wirkungs­ grad besitzt.

In einer alternativen Ausführungsform wird auf die Röhre 3 gänzlich ver­ zichtet. Dabei ist ebenfalls auf einer drehbaren Welle 1 eine Turbine 7 mit Schaufeln 8 fest angeordnet. Diese Schaufeln 8 der Turbine 7 werden ent­ weder von der einen Seite her oder von der anderen, insbesondere von unten oder von oben mit einer Flüssigkeit 15 insbesondere in Form von Wasser beaufschlagt und in eine Drehbewegung versetzt.

Im Radialbereich zu den Schaufeln 8 der Turbine 7 befindet sich ein Ring­ becken 5, in dem schräg verlaufende Düsen 6 eingelassen sind, wobei die Einheit bestehend aus dem Ringbecken 5 und den Düsen 6 ebenfalls fest auf der Welle 1 angeordnet ist. Die Düsen 6 des Ringbeckens 5 weisen da­ bei ebenfalls einen schrägen Verlauf auf, wie dies bei der ersten Ausfüh­ rungsform der Fall war.

Auch bei der zweiten Ausführungsform der Antriebsvorrichtung werden die Schaufeln 8 der Turbine 7 mit der Flüssigkeit 15 in Form von Wasser be­ aufschlagt. Die Flüssigkeit 15 wird nach dieser Beaufschlagung radial weg­ geschleudert und sammelt sich im radial angeordneten Ringbecken 5 und erzeugt dort einen Staudruck. Durch die schräg verlaufenden Düsen 6, durch die die Flüssigkeit 15 aufgrund des Staudrucks austritt, wird auf die Welle 1 ein zusätzliches Drehmoment ausgeübt, welches die durch die Turbine 7 bewirkte Drehmomentausübung unterstützt, so daß ein zweiter, zusätzlicher Schub entsteht, welcher den Wirkungsgrad der Turbine 7 erhöht. Diese alternative, zweite Ausführungsform stellt unabhängig von der ersten Ausführungsform eine selbständige Erfindung dar.

Bezugszeichenliste

 1 Welle
 2 Lager
 3 Röhre
 4 Überlauf
 5 Ringbecken
 6 Düse
 7 Turbine
 8 Schaufel
 9 Leitblech
11 Boden
12 Düse
13 Fallrohr
14 Sammelbehälter
15 Flüssigkeit
16 Innenwand

Claims (14)

1. Antriebsvorrichtung mit einer auf einer drehbaren Welle (1) fest angeordneten Turbine (7), die durch eine Flüssigkeit (15), insbesondere Wasser beaufschlagbar und dadurch zusammen mit der Welle (1) in eine Drehbewegung ver­ setzbar ist, dadurch gekennzeichnet,
daß die Welle (1) senkrecht stehend angeordnet ist,
daß auf der Welle (1) diese konzentrisch umgebend eine nach oben hin sich konisch erweiternde Röhre (3) fest angeordnet ist, in deren Bo­ denbereich die Turbine (7) angeordnet ist und die im oberen Randbe­ reich einen Überlauf (4) mit einem darunter angeordneten, feststehen­ den Sammelbehälter (14) für überlaufende Flüssigkeit (15) aufweist, und
daß die Turbine (7) über wenigstens ein, vom Sammelbehälter (14) ausgehendes Fallrohr (13) von unten mit der Flüssigkeit (15) beauf­ schlagbar ist.

2. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Röhre (3) unten durch einen feststehenden Boden (11) abgeschlos­ sen ist, in dem ausgerichtete Düsen (12) der Fallrohre (13) münden.

3. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Boden (11) in radialer Richtung nach unten geneigt ist.

4. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß sich die Röhre (3) unten im Bereich der Turbine (7) stärker nach oben hin konisch erweitert als im Bereich darüber.

5. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Fallrohre (13) die Flüssigkeit (15) derart auf die Schaufeln (8) der Turbine (7) leiten und dabei die Schaufeln (8) der Turbine (7) derart angestellt sind, daß die Flüssigkeit (15) durch die Schaufeln (8) größtenteils mit einer Radialkomponente reflektierbar ist.

6. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Turbine (7) eine Pelton-ähnliche Turbine (7) ist.

7. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Höhe der Röhre (3) ungefähr 10 bis 12 m be­ trägt.

8. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Höhe des Fallrohres (13) ungefähr 8 bis 10 m beträgt.

9. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß drei Fallrohre (13) vorgesehen sind.

10. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß innerhalb der Röhre (3) radial schräg nach oben angestellte, wendelförmige Leitbleche (9) mit der Welle (1) als Achse angeordnet sind.

11. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel der Leitbleche (9) bezüglich zur Vertikalen ungefähr 45° beträgt.

12. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Röhre (3) und/oder die Leitbleche (9) mit einem luftreibungsmindernden Material verkleidet sind.

13. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Überlauf (4) der Röhre (3) derart gerichtete Düsen (6), insbesondere entgegengesetzt zur Drehrichtung der Welle (1) gebogene Düsen (6) aufweist, durch welche die überlaufende Flüs­ sigkeit (15) hindurchströmt, daß die Röhre (3) ein zusätzliches Dreh­ moment erfährt.

14. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Überlauf (4) ein Ringbecken (5) aufweist, in dem die Flüssigkeit (15) staubar ist und in dem die Düsen (6) eingelassen sind.