DE69713168T2 - Rotierende maschine mit schaufellosem rotor - Google Patents

Rotierende maschine mit schaufellosem rotor

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Description

    Technisches Gebiet
  • Die Erfindung betrifft eine Fluidmaschine, die aus einem Fluidspeichertank besteht, der mit einem Einlass und wenigstens einer Auslassdüse versehen ist.
    • Stand der Technik
  • Aus dem Urheberschein Nr. 941665 der ehemaligen UdSSR ist ein hydraulischer Motor bekannt, der aus einem Richtkanal besteht, in dem ein sich verengender Auslass hergestellt ist. In der Achse des sich verengenden Auslasses ist ein sphärischer Rotor auf einer Welle angebracht. Der Rotor ist mit einem Startmotor verbunden.
  • Zum Inbetriebsetzen wird als erstes die Welle zum Drehen gebracht und auf diese Weise auch der sphärische Rotor. Der in dem sich verengenden Auslass um die Sphäre herum strömende Fluidstrom wird auf diese Weise in Drehung versetzt. Der sich drehende Fluidstrom hält dann sphärischen Rotor aufgrund der Reibung zwischen dem Fluid und der Fläche des sphärischen Rotors in Drehung. Es ist notwendig, hervorzuheben, dass der sphärische Rotor in keinem Betriebszustand über die Wand des sich verengenden Auslasses wälzt.
  • Ein Nachteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass der hydraulische Motor nicht ohne einen Hilfsstartmotor in Betrieb gesetzt werden kann.
  • Aus einem anderen Urheberschein Nr. 1701971 der ehemaligen UdSSR ist ein analoger Hydraulikmotor bekannt, bei dem der Startmotor durch Spiralschaufeln ersetzt ist, die in dem sich verengenden Auslass angeordnet sind.
  • Auch bei dieser Ausführungsform wird nicht vorausgesetzt, dass der Motor über die Wand des sich verengenden Auslasses wälzt.
  • In der Praxis hat sich herausgestellt, dass die Strömung um den beschriebenen Rotortyp nicht notwendige Verluste verursacht. Deshalb wurde eine geeignetere Ausführungsform einer Fluidmaschine mit einer höheren Wirksamkeit gesucht.
    • Offenbarung der Erfindung
  • Das erwähnte Ziel wurde durch eine erfindungsgemäße Fluidmaschine mit einem Fluidtank erreicht, der mit einem Einlass und wenigstens einer Auslassdüse versehen ist, wobei das Prinzip der Erfindung darin liegt, dass in dem Strömungsbereich der Auslassdüse eine Haltevorrichtung so angebracht ist, dass sie sich frei entlang der inneren Wand der Auslassdüse drehen kann, wobei wenigstens ein Wälzmotor durch einen rotationsförmigen Körper gebildet wird.
  • Die erfindungsgemäße Fluidmaschine ermöglicht es, die Kraft des strömenden Fluids wirksam zu nutzen, das nicht nur durch eine Flüssigkeit, sondern auch durch ein Gas oder durch Mischungen von Flüssigkeiten und Gasen gebildet werden kann. Eine höhere Wirksamkeit kann insbesondere durch Verringerung des Widerstands erreicht werden, der bei einem Wälzen des Rotors in einem Fluid auftritt. Die Maschine kann auch mit Flüssigkeiten arbeiten, die sehr mit mechanischen Partikeln verunreinigt sind. Darüber hinaus ist ein eventueller Austausch von abgenutzten Teilen sehr einfach.
  • Um die Wirksamkeit zu erhöhen, ist es von Vorteil, wenn der Rotor durch eine Ebene des größten Durchmessers in zwei Teile unterschiedlichen Rauminhalts getrennt ist, wobei der erste Teil des Rotors angrenzend an die Auslassdüse größer ist als der zweite Teil des Rotors, der der Auslassdüse abgewandt ist.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform kann das Volumen des zweiten Teils des Rotors null sein und wenigstens ein Teil der Fläche des ersten Teils des Rotors kann eine sphärische Form aufweisen.
  • Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausführungsform kann der ganze Rotor eine sphärische Form haben.
  • Für eine geeignete Verwendung des Strömungsmediums ist es von Vorteil, wenn die Haltevorrichtung aus wenigsten einem Lagerbereich besteht, der in der Auslassdüse hinter dem Rotor angeordnet ist, oder wenn die Haltevorrichtung aus einer Welle besteht, die in einem Rahmen schwenkbar gelagert ist und den Rotor in der Achse der Auslassdüse hält, und die Welle wenigstens in einem definierten Abstand flexibel ist.
  • Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausführungsform besteht die Haltevorrichtung aus einer Kurbelwelle, die in einem Rahmen schwenkbar gelagert ist und den Rotor außerhalb der Achse der Auslassdüse hält.
  • Für eine einfache Übertragung der gewonnenen Leistung ist es vorteilhaft, wenn der Rotor mit Magneten versehen ist, gegenüber denen Magnetspulen in der Auslassdüse angebracht sind, oder umgekehrt der Rotor mit Magnetspulen versehen ist, gegenüber denen in der Auslassdüse Magneten angebracht sind, wobei der Rotor eventuell von einer stromaufwärtigen Turbine mit rohrförmigen Kolben gebildet wird, die einen Generator umfasst.
  • Bei einigen Ausführungsformen kann es aus kinematischen Gesichtspunkten von Vorteil sein, die Funktion der Maschine so zu verändern, dass der Rotor so angebracht ist, dass er nicht dreht, und die Auslassdüse so angebracht ist, dass sie in der Ebene gleitet, die senkrecht zur Strömungsrichtung verläuft.
  • Um eine Pumpe zu bilden, ist es von Vorteil, wenn der Rotor und eine Antriebseinheit miteinander verbunden sind.
    • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • Die erfindungsgemäße Fluidmaschine wird an Hand der Zeichnungen detailliert beschrieben, in denen die einzelnen Figuren zeigen:
  • Fig. 1 ein Beispiel einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Fluidmaschine
  • Fig. 2 ein Beispiel einer Ausführungsform des Rotors
  • Fig. 3 ein anderes Beispiel der Ausführungsform des Rotors
  • Fig. 4 ein anderes Beispiel der Ausführungsform der erfindungsgemäßen Fluidmaschine
  • Fig. 5 ein anderes Beispiel der Ausführungsform der erfindungsgemäßen Fluidmaschine
  • Fig. 6 ein anderes Beispiel der Ausführungsform der erfindungsgemäßen Fluidmaschine
  • Fig. 7 ein anderes Beispiel der Ausführungsform der erfindungsgemäßen Fluidmaschine, das zur Gewinnung elektrischer Leistung angepasst ist
  • Fig. 8 ein anderes Beispiel der Ausführungsform der Fluidmaschine zur Erzielung von elektrischer Leistung
  • Fig. 9 ein anderes Beispiel der Ausführungsform der Fluidmaschine zur Erzielung elektrischer Leistung
  • Fig. 10 die in einem freien Strom angeordnete Fluidmaschine
  • Fig. 11 die in einer Leitung angeordnete Fluidmaschine
  • Fig. 12 die als Pumpe funktionierende Fluidmaschine
  • Fig. 13 ein Beispiel einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Fluidmaschine mit einem sphärischen Rotor.
    • Ausführungsarten der Erfindung
  • Die Fluidmaschine von Fig. 1 besteht aus einem Metallspeichertank 1 für Wasser, der in seinem oberen Teil mit einem Einlass 2 und in seinem unteren Teil mit einer Auslassdüse 3 in Form eines sich verengenden Auslasses versehen ist. Auf dem oberen Rand des Speichertanks 1 ist ein Rahmen 14 befestigt, in dem eine Welle 11 schwenkbar gelagert ist, deren unterer Abschnitt elastisch ist. Auf Höhe der Auslassdüse 3 ist auf der Welle 11 ein aus Kunststoff hergestellter Rotor 5 angebracht. Der Rotor 5 wird von einem Drehkörper gebildet, dessen Rauminhalt durch die Ebene 6 größten Durchmessers in zwei Teile getrennt wird. Der erste Teil 9 des Rotors 5, der unter der Ebene 6 angeordnet ist, hat einen größeren Rauminhalt als der zweite Teil 10 des Rotors 5. Fig. 13 zeigt eine analoge Ausführungsform, die sich nur in der Form des Rotors 5 unterscheidet, die in diesem Fall sphärisch ist.
  • In den Speichertank 1 durch den Einlass 2 zugeführtes Wasser strömt aus dem Speichertank 1 durch die Auslassdüse 3, und der Strom des wegströmenden Wassers verursacht, dass der Rotor 5 damit beginnt, sich in einer Kreisbewegung entlang der Wände der Auslassdüse 3 zu wälzen. Das Wälzen des Rotors 5 entlang der Innenwand der Auslassdüse 3 wird durch den flexiblen Abschnitt der Welle 1 ermöglicht. Die Drehbewegung des Rotors 5 kann zum Antrieb verschiedene Werkzeuge verwendet werden, oder sie kann mittels der Welle 11 beispielsweise auf einen nicht gezeigten Generator für elektrische Leistung übertragen werden.
  • Die Haltevorrichtung 4 kann natürlich auch unter dem Rotor 5 angebracht sein, wie es in Fig. 5 gezeigt ist. Die Funktion dieser Ausführungsform ist die gleiche wie die Funktion der oben erwähnten Ausführungsform.
  • Die höchste Wirksamkeit wird erreicht, wenn der Rauminhalt des zweiten Teils 10 des Rotors 5 oberhalb der Ebene 6 größten Durchmessers annähernd null ist. Das ideale Beispiel der Ausführungsform ist in Fig. 2 gezeigt, gemäß der der Rotor 5 durch eine Hemisphäre gebildet wird, so dass der Rauminhalt des zweiten Teils 10 über der Ebene größten Durchmessers null ist.
  • Der erste Teil 9 des Rotors 5, der an die Auslassdüse 3 angrenzt, muss natürlich nicht die Form einer Hemisphäre haben. In Fig. 3 ist die Form eines sphärischen Segments gezeigt. Im allgemeinen wäre es ausreichend, wenn er einen Drehkörper, zum Beispiel ein Ellipsoid betrifft. Der zweite Teil 10 des Rotors 5 wird gemäß Fig. 3 durch einen Teil des Ellipsoids gebildet. Der Rauminhalt des zweiten Teils 10 des Rotors ist beträchtlich kleiner als der Rauminhalt des ersten Teils 9. Der Rotor 5 kann natürlich hohl sein.
  • In Fig. 4 ist ein Beispiel der Ausführungsform der Fluidmaschine gezeigt, deren Haltevorrichtung einen Lagerbereich 8 umfasst, der in der Auslassdüse 3 bezüglich der Strömungsrichtung hinter dem Rotor 5 angeordnet ist. Der erste Teil 9 des aus Kunststoff hergestellten Rotors 5 hat eine hemisphärische Form und der zweite Teil 10 hat die Form eines Teils des Ellipsoids.
  • Der Rotor 5 ist frei auf dem Lagerbereich 8 so angebracht, so dass er über die Wände der Auslassdüse 3 wälzt, wenn das Fluid durch die Auslassdüse 3 hindurchgeht. Die oben beschriebene Form des Rotors 5 garantiert, dass der Rotor 5 durch seinen ersten Teil 9 größeren Volumens permanent in Richtung der Auslassdüse 3 orientiert wird.
  • Der Lagerbereich 8 kann bezüglich seiner Höhe durch eine nicht in der Figur gezeigte Nachstellvorrichtung nachgestellt werden.
  • Eine der Möglichkeiten, wie die auf diese Weise erhaltene Leistung verwendet werden kann besteht in der Anbringung eines Systems von Magneten in den Rotor 5, woraufhin auf deren Höhe ein System von Magnetspulen 13 in der Wand der Auslassdüse 3 angebracht wird.
  • Das Wälzen des Rotors 5 erzeugt eine relative Bewegung zwischen den Magneten 12 und den Spulen 13, wodurch ein elektrischer Strom induziert wird.
  • Fig. 6 zeigt die erfindungsgemäße Ausführungsform der Fluidmaschine, deren Rotor 5 durch eine Kurbelwelle 15 getragen wird. Die Kurbelwelle 15 ist in einem Rahmen 14 schwenkbar gelagert, dessen Zentrum mit der Achse der Auslassdüse 3 identisch ist. Der Rahmen 14 kann entweder unter der Auslassdüse 3 (wie es in Fig. 6 gezeigt ist), oder über der Auslassdüse 3 (analog wie bei der Ausführungsform in Fig. 1) angeordnet werden. Auf der Kurbelwelle 15 ist der Rotor 5 schwenkbar angebracht. Die Kurbellänge der Kurbelwelle 15 wird so gewählt, dass der Rotor 5 in Kontakt mit der Wand der Auslassdüse 3 stehen kann, entlang der er durch den durch die Auslassdüse 3 strömenden Fluidstrom angetrieben wälzt. Das Drehmoment, das auf die Kurbelwelle 15 wirkt, kann beispielsweise zum Antrieb eines Generators für elektrischen Strom verwendet werden.
  • Die gewonnene Leistung kann außerdem gemäß der in Fig. 7 gezeigten Ausführungsform (analog zu der Ausführungsform, die in Fig. 4 gezeigt ist) so verwendet werden, dass der Rotor 5 mit einem System von Magneten 12 versehen ist, auf dessen Höhe in der Wand der Auslassdüse 3 magnetische Spulen 13 angebracht sind, in denen elektrischer Strom aufgrund des Wälzen des Rotors 5 induziert wird.
  • Fig. 8 zeigt die zu der Ausführungsform von Fig. 7 analoge Ausführungsform, jedoch mit dem Unterschied, dass die Positionen der Magneten 12 und der Spulen 13 gegenseitig ausgetauscht sind, so dass der induzierte elektrische Strom von dem Rotor 5 abgenommen wird.
  • Fig. 9 zeigt die Ausführungsform der Fluidmaschine, die analog zu der Ausführungsform von Fig. 6 ist. Der Rotor 5 der Ausführungsform von Fig. 9 wird durch einen sogenannten Umströmungsgenerator 16 gebildet, dessen Magnetspulen 13 sowie die Magneten 12 in dem Rotor 5 angebracht sind. Eine schnellere relative Bewegung zwischen den Spulen 13 und den Magneten 12 kann beispielsweise durch ein nicht gezeigtes epizyklisches Getriebe erreicht werden.
  • Der Speichertank 1 aller oben beschriebenen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Fluidmaschine muss nicht nur von einem Tank gebildet werden. Der Speichertank 1 kann beispielsweise wie es in Fig. 10 gezeigt ist, durch Stauen eines Flusses oder eines Baches gebildet werden.
  • Der Speichertank 1 kann außerdem beispielsweise durch einen Teil einer Wasserleitung 17 gebildet werden, wie es in Fig. 11 gezeigt ist. Die Wasserströmrichtung in der Leitung 17 wird durch einen Pfeil angezeigt. Die Wasserströmung in der Leitung 17 dreht den Rotor 5 auf die gleiche Weise, wie bei den oben beschriebenen Ausführungsformen. Gleichzeitig drückt der Wasserstrom den Rotor 5 zu dem Lagerbereich 8. Ein elektrischer Strom wird in den magnetischen Spulen 13 auf die gleiche Weise induziert, wie bei den oben beschriebenen Beispielen der Ausführungsform.
  • Was das Beispiel der in Fig. 11 gezeigten Ausführungsform betrifft, ist es klar, dass die erfindungsgemäße Fluidmaschine nicht nur in einer annähernd vertikalen Position der Achse der Auslassdüse 3 arbeiten kann, wie es bei einer Flüssigkeitsschwerkraftausströmung der Fall ist, sondern die Achse der Auslassdüse 3 kann beliebig ausgerichtet werden, wenn die der Auslassdüse 3 zugeführte Flüssigkeit unter einem ausreichenden Druck steht.
  • Das Fluid muss nicht nur eine Flüssigkeit sein, sondern die Maschine funktioniert auch dann, wenn das Medium von einem Gas gebildet wird, eventuell durch eine Mischung aus Gasen und Flüssigkeiten. Die beschriebenen Beispiele zeigen, dass die erfindungsgemäße Maschine als Drehmomentwelle und als Generator für elektrischen Strom arbeiten kann.
  • Diese Maschine kann jedoch auch als Pumpe arbeiten. Ein Beispiel einer solchen Ausführungsform ist in Fig. 12 gezeigt. Mir der Welle 11 ist eine Antriebseinheit 18 verbunden, die ein elektrischer Motor sein kann, der mittels der Welle 11 den Rotor 5 antreibt. Ein Teil der Welle 11 ist flexibel, so dass sie bei Drehung des Rotors 5 damit beginnt, über die Wand der Auslassdüse 3 zu wälzen und auf diese Weise wird das Fluid aus dem Speichertank in einen Raum 19 gepumpt. Die Antriebseinheit 18 kann durch einen beliebigen Motor gebildet werden, eventuell durch einen Handantrieb mit einem geeigneten Getriebemechanismus.
  • Ein Experte könnte die erfindungsgemäße Fluidmaschine natürlich auch so anpassen, dass der Rotor 5 fest ist und die Auslassdüse 3 wälzt. Bei einer solchen Ausführungsform muss die Düse so angebracht werden, dass sie in der Ebene gleitet, die senkrecht zu der Strömungsrichtung ist.

Claims (13)

1. Fluidmaschine mit einem Fluidspeichertank (1), der mit einem Einlass (2) und wenigstens einer Auslassdüse (3) versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Strömungsbereich der Auslassdüse (3) wenigstens ein von einem rotationsförmigem Körper gebildeter Wälzrotor (5) an einer Haltevorrichtung (4) so angebracht ist, dass er frei entlang der Auslassdüse (3) wälzen kann.
2. Fluidmaschine nach Anspruch 1, bei der das Volumen des Rotors (5) durch die Ebene (6) größten Durchmessers in zwei Teile (9, 10) unterschiedlichen Rauminhalts getrennt ist, wobei der erste Teil (9) des Rotors (5), der an die Auslassdüse (3) angrenzt, größer ist als der zweite Teil (10) des Rotors (5), der der Auslassdüse (3) abgewandt ist.
3. Fluidmaschine nach Anspruch 1 oder 2, bei der das Volumen des zweiten Teils (10) des Rotors (5), der von der Auslassdüse (3) abgewandt ist, 0 beträgt.
4. Fluidmaschine nach einem der oben stehenden Ansprüche, bei der wenigstens ein Teil der Oberfläche des an die Auslassdüse (3) angrenzenden ersten Teils (9) des Rotors (5) eine sphärische Form aufweist.
5. Fluidmaschine nach Anspruch 1, bei der der Rotor (5) eine sphärische Form aufweist.
6. Fluidmaschine nach einem der oben stehenden Ansprüche, bei der die Haltevorrichtung (4) einen Lagerbereich (8) aufweist, der in der Auslassdüse (3) hinter dem Rotor angeordnet ist.
7. Fluidmaschine nach einem der oben stehenden Ansprüche, bei der die Haltevorrichtung (4) eine Welle (11) umfasst, die in einem Rahmen (14) schwenkbar gelagert ist und den Rotor (5) in der Achse der Auslassdüse (3) hält, und die Welle (11) wenigstens in einem definierten Abschnitt flexibel ist.
8. Fluidmaschine nach einem der oben stehenden Ansprüche 1 bis 6, bei der die Haltevorrichtung (4) eine Kurbelwelle (15) umfasst, die in dem Rahmen (14) schwenkbar angebracht ist und den Rotor (5) außerhalb der Achse der Auslassdüse (3) hält.
9. Fluidmaschine nach einem der oben stehenden Ansprüche 1 bis 8, bei der der Rotor (5) mit Magneten (12) versehen ist, gegenüber denen Magnetspulen (13) in der Auslassdüse (3) angebracht sind.
10. Fluidmaschine nach einem der oben stehenden Ansprüche 1 bis 8, bei der der Rotor (5) mit den Magnetspulen (13) versehen ist, gegenüber denen in der Auslassdüse (3) die Magneten (12) angebracht sind.
11. Fluidmaschine nach einem der oben stehenden Ansprüche 1 bis 8, bei der der Rotor (5) von einer stromaufwärtigen Turbine mit rohrförmigen Kolben gebildet wird, die einen Generator (16) umfasst.
12. Fluidmaschine nach einem der oben stehenden Ansprüche, bei der der Rotor (5) so angebracht ist, dass er nicht dreht, und die Auslassdüse (3) so angebracht ist, dass sie in der Ebene dreht, die senkrecht zur Durchlaufrichtung verläuft.
13. Fluidmaschine nach einem der oben stehenden Ansprüche, bei der der Rotor (5) mit einer Antriebseinheit (18) verbunden ist.
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