DE7905487U1 - Abtriebsturbine als leistungsfaehiger drehmomentwandler - Google Patents

Description

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¹¹ Abtriebsturbine als leistungsfähiger Drehmomentwandler

Die Erfindung bezieht sich auf eine Wasserkraftmaschine nach demAbtriebsprinzip, bestehend, aus mehreren, einseitig offenen, durch das Wasser bewegbaren Kammern, deren Öffnungen auf einem Teil des Weges nach unten gerichtet sind und deren Bewegung auf eine Welle übertragen wird, wobei unterhalb der Öffnungen eine G&szuführungsvorrichtung in der Weise angeordnet ist, daß das austretende Gas unter Verdrängung des Wassers durch ventilgesteuerte öffnungen an die Oberfläche getrieben wird und durch die Erleichterung der Auftriebsseite der Abtrieb stattfindet.

Wasserkraftrnaschinen der unterschiedlichsten Bauweisen sind seit langem bekannt. Die Bauarten unterscheiden sich dabei nach der Höhe des Gefälles und nach der zur Verfugung stehenden Wassermenge. So kommen beispielsweise bei hohem Druck und geringen Wassermengen in der Regel Pelton-Turbinen zum Einsatz.

Bei mittleren bis großen Wassermengen und mittlerem bis geringem Gefälle kommen u.a. Kaplan- u. iranzisturbinen zürn Einsatz. Sämtliche der vorstehend genannten Wasserkraftmaschinen bedingen jedoch 'strömendes Wasser mit einem entsprechenden, mehr oder weniger großen Gefälle bzw. hydrostatischen Druck, so daß mit dem Betrieb der Maschinen ein ständiger Wasserverbrauch verbunden ist. Zwar ist es möglich, das verbrauchte Wasser zu einem anderen Zeitpunkt wieder auf ein höheres Hiveau zu pumpen, jedoch sind hiermit zusätzliche Aggregate und Antriebsmotor en mit einer entsprechenden Leistungsaufnahme verbunden.

Dieses Prinzip ist wirtschaftlich nur bei sogenannten Pumpspeicherwerken vertretbar, in denen billiger Nachtstrom zur Rückführung des Wassers verwendet wird.

Bei stehenden Gewässern sind Wasserkraftmaschinen bekannt, die nach dem Auftriebsy..oder ,Überlaufprinzip arbeiten (s.

DT-PS Io93o6, DT-OS 24o8682, DT-OS 245o866, FR-PS 73 3o3^9(2241998J

Durch die DT-OS 24 3o 866Vist eine Wasserkraftmaschine nach dem Überlaufprinzip bekannt, die gleichfalls im stehenden Wasser betrieben werden kann. Zu diesem. Zweck ist ein nach | Art eines Wasserrades ausgebildetes Laufrad in einem Behälter f angeordnet, der durch eine Trennwand in zv.ei Kammern unter- §

• teilt ist. Diese Unterteilung setzt voraus, daß die Trennwand I das Wasserrad sehr eng umscnließt. Eine der beiden Kammern | ist bis zum Rand mit Wasser gefüllt; die andere ist im wesent- ^r

) Io liehen leer und dient als Auffangbecken für das im unteren Bereich aus den Schaufeln austretende Wasser. In V.'irklichkeit ^;, handelt es sich somit auch um eine Wasserkraftinaschine, die nach dem Gefälleprinzip arbeitet und einen ständigen Wasserverbrauch mit sich bringt. Durch eine besondere Linrichtung ',;, wird allerdings dafür Sorge getragen, daß das überlaufende ^: Wasser sofort wieder auf das ursprüngliche Niveau zurückge- ;■ fördert wird. Hierzu dient eine Druckluftquelle, die an den .'· unteren Quadranten der "leeren" Kammer angeschlossen ist und ' das in diesem Quadranten austretende Wasser zurückdrängt. Um '..

diese Kammer gegen das Wasserrad abzudichten, ist eine elastische' Dichtlippe erforderlich, die dauernd an den einzelnen Schaufeln des Wasserrades anliegt. Hiermit ist nicht nur eine entsprechende Reibung unter dem Druck der Druckgasquelle, sondern ; auch ein erheblicher Verschleiß verbunden. Abgesehen hiervon, \; bedingt die laufend« Rückförderung des Wassers auf das Ursprung- $ liehe Niveau einen erheblichen Leistungsbedarf der Mn- !,, richtung. Diese ist infolge dessen auch primär nur für eine | Schaustellung vorgesehen, während die Möglichkeit eines An- ^ triebs eines Generatora oder einer Arbeitsmaschine nur am |

Rande erwähnt ist. $

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— C. a—·

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wasserkraftmaschine der eingangs beschriebenen Gattung anzugeben, mixtels welcher in stehendem Wasser, d.h. ohne die Notwendigkeit eines Rücktransports des Wassers, durch das Abtriebsprinzip große Drehmomente bei geringstmöglicher Reibung und Störanfälligkeit sowie bei kleinstmöglichen Konstruktions- und. Wartungsaufwand erzeugt werden können.

Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß dadurch, daß die ventilgesteuerten Schaufeln auf dem Umfang eines sich in Luft drehenden Wasserrades angeordnet und fest mit diesem verbunden sind. Es handelt sich im Grunde genommen um die Umkehrung des Auftriebsprinzips, jedoch ohne Inkaufnahme der Nachteile, die in großen Reibungsverlusten durch das sich in Wasser drehende had und kleinerem Drehmoment der Auftriebsräder gegenüber den Abtriebsrädern in gleich groß dimensionierten Anlagen liegt, u.zw. wegen der begrenzten Luftaufnahme. Durch die unbegrenzt hohe Luftaufnahme kommt der Abtrieb bei der Abtriebsturbine voll zum Tragen.

Mit der erfindungsgemäßen Lösung sind die Vorteile eines äußerst einfachen und robusten Aufbaus verbunden, wobei gleichzeitig hohe Drehmomente bei niedrigen bis mittleren Drehzahlen erzeugbar sind, ohne daß hierbei ein Verschleiß auftreten könnte. Instabilitäten durch in Wasser aufwärts strömende Luftblasen können gleichfalls nicht auftreten. Durch den relativ geringen Tiefgang können auch sehr flache, stehende Gewässer zur Energieerzeugung verwandt werden. Liese Überlegungen betreffen die Ausführung einer Abtriebsturbine mit einer Wasser-Einfluß-Öffnung, um den Tiefgang eines Schwimmkörpers auszunützen.

Bei Anlagen ohne Wasser-Einfluß-Öffnung genügt es, das Gehäuse mit Flüssigkeit zu füllen bis zu dem am oberen Gehäuse angebrachten Trichter. Die Flüssigkeit wird dauernd umgewälzt u. braucht nur selten erneuert zu werden. Das Drehmoment bzw..die Leistung können durch Vergrößerung der axialen und radialen Abmessungen des Rades nahezu beliebig gesteigert werden.Wasserkraftraaschinen der

erfindungsgemäßen Art können beispielsweise auch als Schiffsantrieb oder wegen der hohen Drehmomente für den Betrieb von Lasthebemaschinen verwendet werden.

Der Erfindungsgegenstand kann mit besonderem Vorteil auch zur Stromerzeugung verwendet werden, insbesondere dann, wenn eine Lruckgasquelle zur Verfügung steht", die von anderweitig nicht verwertbaren Abgasen gespeist wird. So können beispielsweise Abgase, die unter einem Druck stehen, der größer ist als der hydrostatische Druck des Wassers, zum Antrieb verwendet werden. In Frage kommen Abgase von Verbrennungsmotoren, Keizungsanlagen, chemischen Reaktoren, metallurgischen Öfen etc. Abgase ausreichend hohen Drucks stehen häufig dann zur Verfügung, wenn ein Prozeß unter einem entsprechenden Gasdruck betrieben werden muß.

Der Erfindun^sgegenstand ist aber auch dann noch mit Erfolg einsetzbar, wenn ein besonderer Luftkompressor mit Antriebsmotor bereitgestellt werden muß. In diesem Falle hat die Wasserkraftmaschine die Wirkung eines außerordentlich leistungsfähigen Drehmomentwandlers zur Erzeugung niedriger Drehzahlen bei hohen Drehmomenten. Durch die erforderlichen relativ großen Massen ergibt sich außerdem eine beträchtliche Drehzahlkonstanz, da das Rad zusätzlich als Schwungrad wirkt.

IJicht zuletzt ist aber auch die erfindungsgemäße Wasserkraftmaschine in besonders einfacher Weise hinsichtlich Drehzahl und Drehmoment regelbar. Dies geschieht durch Veränderung der zugeführten Gasmenge: Dabei muß beachtet werden, daß die Schsufelventile auf der Abtriebsseite so eingestellt werden, dsß sie die Flüssigkeit beim Abtrieb nicht durchlassen, beim cateintritt auf der nach oben gehenden Seite aber öffnen. Durch Bohrungen,

3ο die sich entlang des Kreisscheibenumfanges erstrecken und Luft von der Gaszuführungsvorrichtung bis zur Nute abzweigen, kann ein Gegendruck zum hydrostatischen Druck erzeugt werden, der als Nutenabdichtung für das Laufrad dient. Dieser Gegendruck wird von der äußeren Hute ausgehend in den Zwischenraum von Kreisscheiben-Außenseite und Deckelinnenseite erzeugt.

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Zwei Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes und deren Wirkungsweise seien nachfolgend anhand der Figuren 1-5 beschrieben.

Es zeigen:

Figur 1 einen Vertikalschnitt durch eine vollständige

Wasserkraftmaschine rechtwinklig zur Drehachse des Rades ohne Einflußöffnung,

Figur 2 dito mit Einflußöffnung,

Figur 3 dito parallel zur Drehachse des Rades ohne >'·*·"ΐ-flußöffnung,

Figur 4 dito in einem Schwimmkörper mit Einflußöffnung,

Figur 5 einen horizontalen Schnitt entlang der Linie A-B durch den Gegenstand gemäß Figur 4.

In Figur 1 ist mit 9 eine Flüssigkeitsfüllung einer stationären Wasserkraftmaschine bezeichnet, die bis in den Trichter Io reicht. Unterhalb des Wasserspiegels ist eine horizontale Welle 32 angeordnet, auf der mindestens zwei Kreisscheiben 6 konzentrisch befestigt sind. Auf dem Umfang dieser Kreisscheiben sind gleichmäßig verteilt, mehrere Kammern 11 angeordnet, die von schaufelförmigen Blechen 1 mit Ventilen 2 gebildet werden, welche beispielsweise in der durch den Pfeil 5 gekennzeichneten Drehrichtung gewölbt sind. Für die Bleche 1 sind auch andere Formgebungen möglich, solange Kammern 11 gebildet werden, in denen sich auf einem Teil des Umfangs aufsteigendes Gas fangen kann. Die dargestellte, abgerundete Form ist hingegen besonders ströaungsgünstig. Die Kreisscheiben 6 des Laufrades 4 laufen in Nuten 7, die sich im Gehäuseblock 7a befinden. An der Geszuführungsvorrichtung 3 sind Abzweigungen 3a angebracht, die einen Druckausgleich zwischen Nuten 7 und Kreisscheiben 6 herbeiführen, da der abgezweigte Gasdruck sicn gleichmäßig verteilt. Zweckmäßig wird man Löcher in ein Rohr 7b bohren, das in der Länge dem äußeren Nutenumfang entspricht. Dieses

Kohr wird aladann nach dem Kreisscheibenumfang gebogen und nem Nutenverlauf entsprechend ins Gehäuse mit eingegossen.

Die Lage der Welle 32 und der Durchmesser der Kreisscheiben ό sind dabei so gewählt, daß die Kreisscheiben auf ihrem gesamten Umfang in die Flüssigkeit 9 eingetaucht sind. Die Kreisscheiben bilden gleichzeitig die jeweilige Stirnwand der Kammern 11, indem nämlich die Bleche 1 an ihren Enden mit den Kreissciieiben verschweißt sind.

Die Kreissciieiben 6 mit den Kammern 11, Blechen 1 bilden zusammen J

ein Rad 4, welches die nachstehend näher erläuterte Funktion auf- |

weist. An diesem Rad sind die Bleche 1 in der Weise befestigt, |

daß die öffnungen der Kammern 11 genau nach unten weisen, wenn ί

sich die betreffende Kammer 11 in etwa auf der Höhe der Welle 32 ■■

befindet. ;

Unterhalb des Rades 4 ist eine Gaszuführungsvorrichtung 3 an- _; geordnet, die aus einer oder mehreren Gasaustrittsdüsen oder aus einer schlitzförmigen Gasaustrittsöffnung bestehen kann, die sich über einen wesentlichen Teil der Breite des Rades 4 erstreckt. Die Ausrichtung der Gaszuführungsvorrichtung auf das Rad 4 ist in Übereinstimmung mit Figur 1 und 2 so getroffen, daß die sich in der Flüssigkeit bildenden und nach oben aufsteigenden Gasbläschen mit dem eingestellten Druck auf das Blech 1 mit den Ventilen 2 prallen und in die darüber befindlichen Kammern 11 gelangen, bis sie die Oberfläche erreichen. Das Gas durchströmt die Wasserkraftmascnine auf der aufsteigenden Seite und bewirkt neben der Schubkraft εη den Blechen eine Gewichtserleichterung in den Kammern, die je nach Gaszuführung einen geringen bis großen Abtrieb hervorruft. Die Ventile 2 werden dabei so eingestellt, daß sie beim Abtrieb mindestens den hydrostatischen Druck aushalten bzw. geschlossen bleiben und beim Passieren der Gaszuführungsvorrichtung 3 sich öffnen. Die Gaszuführungsvorrichtung ist über eine Rohrleitung mit einem Kompressor verbunden, der so ausgelegt ist, daß er die erforderliche Gasmenge unter Überwindung aes hydrostatischen Drucks zu liefern im Stande ist.

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Das Rad 4 gemäß Figuren 1-4 ist in der Weise gestaltet, daß die beiden parallelen Kreisscheiben 6 lediglich hohrungen aufweisen, die dem .Durchmesser der Welle 32 entsprechen. Dabei sind die Kreisscheiben 6 nicht nur drehsicher sondern auch 5 wasserdicht mit der Walle verbunden. Zwischen den ICreisscheiben befindet sich ein Zylindermantel 22, an,den die Innenkanten der Bleche 1, welche die Kammern 11 bilden, anstoßen. Auf diese Weise bildet der Zylindermantel einen Teil des Rades und dient zur Erhöhung von dessen Festigkeit. Durch Abdichten des Raumes Io zv.'ischen Zylindermantel und Welle befindet sich dort keine Flüssigkeit, auf welche sich etwaige Turbulenzen ausdehnen , könnten. Dabei soll nicht ausgeschlossen w^:erden, daß auch Kader

IT-. J

\ ohne Zylindermantel 22 möglich sind.

!'■ Von dem sich in den Kammern 11 langenden Gas wird die Flüssig-

|- 15 keit in Laufrichtung 5 verdrängt. Aufgrund der starren Leitein-I) richtung 19, die den Gehäuseabschluß von links und rechts in

Ii Iiichtung liad 4 bildet, kann die Flüssigkeit 9 nur durch die auf

ι- den Blechen 1 befindlichen νentile 2 gepreßt werden. Ohne Ventile

v.äre die Viasserkraftmaschine nicht arbeitsfähig, weilauf der }' 2o nach oben gehenden Seite kein Gas-Flüssigkeit-Gemisch entweichen und daher kein Abtrieb stattfinden könnte. Lurch die Ventile gelangt das Gemisch in die höher gelegenen Kammern 11 in Lauf- ! richtung gesehen, welches teilweise auf die Bleche 1 und die

;;> .' Leiteinrichtung 19 prallt. Durch das öffnen der Ventile 2 werden i: ²5 die sich nach oben bewegenden Kammern 11 erleichtert, wodurcn ;;- die mit Flüssigkeit gefüllten Kammern 11 auf der Abtriebsseite

j; 'je nach Gaszuführung einen kleinen bis großen Abtrieb bewirken.

!■■■ Las üad 4 bewegt sich in Laufrichtung 5, wobei die verhältnis-

: mäßig großen Flüssigkeitsmassen die Grundlage für einen lei-

3o stungsfähigen Drehmomentwandler darstellen. Bis zum Öffnen der

Ventile 2 entsteht durch das Aufprallen des Gas-Flüssigkeit-■' Gemisches auf die Bleche 1 lediglich ein Druckausgleich zwischen Auf- und Abtrieb. Die Leistung der Wasserkraftmaschine erfolgt erst nach dem öffnen der Ventile. Die Leiteinrichtung 35 besitzt an ihrem oberen Ende eine Kante 2o, hinter welcher - in

• Laufrichtung 5 gesehen - das Gas aus den Kammern 11 restlos austritt. Auf der gegenüberliegenden Abtriebseite sind die Kammern 11 aufgrund ihrer Formgebung restlos mit Flüssigkeit gefüllt, so daß auf dieser Seite des I.ades 4 kein störender Auftrieb entsteht, der den Abtrieb der mit Flüssigkeit gefüllten Kammern entgegenwirken würde. Es ist deshalb erforderlich, den Gasaustrittsschlitz 21 so breit zu gestalten, daß eine Entmischung des Gas-Flüssigkeit-Gemisches stattfinden kann.

Figur 4, in der gleiche Teile wie in Figur 2 mit gleichen Bezugszeichen versehen sind, zeigt die Möglichkeit eines Einbaus des Erfindungsgegenstandes in einen schwimmenden Körper, wie beispielsweise in ein Schiff. In einem Schiffskörper 12 befindet sich ein Schacht 13 mit ebenen Schachtwänden 14, die bis unmittelbar an die Kreisscheiben 6 des Rades 4 heranreicnen. Die Welle 32 ist wasserdicht durch die Schachtwände 14 hindurchgeführt und auf jeder Seite des Rades 4 in einen Lagerbock gelagert. Das eine Ende der Welle 32 steht unmittelbar mit einem Generator 16 in Verbindung, der ein sogenannter Langsamläufer ist, wie dies von Francis-Turbinen her bekannt ist.

Im unteren Bereich des Schachtes 13 befindet sich an einer der Figur 2 entsprechenden Stelle die Gaszuführungsvorrichtung 3, welche die Kammern 11 des Hades 4 in völlig analoger Weise mit Gas füllt. Das Rad 4 gemäß Figur 4 besitzt lediglich eine weitaus höhere Anzahl von Kammern 11 als die Räder in den Figuren 1-3. Hierdurch wird die Leistung entsprechend dem vergrößerten Luftvolumen aller Kammern verbessert. Wasser und Gas entmischen sich am oberen Ende des Schachtes 13, wobei mitgerissenes Wasser, welches durch die Gasblasen eine Förderwirkung erfahren hat, nach beiden Seiten über schiefe Ebenen abläuft. Auch die Nutenabdichtung entspricht der in Figur 2.

Gemäß Figur 5 ist das untere Ende des im Querschnitt etwa rechteckigen Schachtes 13 bis auf eine kreisförmige Einflußöffnung 8 im Schiffsboden verschlossen, in deren Mitte sich die Gaszuführungsvorrichtung 3 befindet. Die Einflußöffnung kann durch ein Schütz oder dergleichen verschlossen werden.

Claims (7)

1. ' Ansprüche:

   H 1. Abtriebsturbine als leistungsfähiger Drehmomentwandler, ij bestehend aus mehreren einseitig offenen, durch die

   tu: Flüssigkeit (9) bewegbaren Kammern (11), deren Öffnungen

   auf einem Teil des Weges nach unten gerichtet sind und

   L 5 deren Bewegung auf eine Welle (32) übertragen wird, wobei

   unterhalb der Öffnungen eine Gaszuführungsvorrichtung (3) in der Weise angebracht ist, daß das austretende Gas unter Verdrängung der Flüssigkeit durch die Rückschlagventile (2) !.·· auf den Blechen (1) aus den Kammern (11) gepreßt wird,

   ;i; Io dadurch gekennzeichnet, daß die Kammern auf dem Umfang ' eines vollständig mit Flüssigkeit gefüllten Rades (4),

   ;■ welches sich außerhalb der Kammern (11) in Luft/Gas dreht,

   [■ angeordnet und fest mit diesem verbunden sind.
2. 2. Abtriebsturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, ; i5 daß den Kammern (11) dem Radumfang entsprechend ein Leitblech (19) zugeordnet ist, durch welches ein vorzeitiger Gasaustritt verhindert wird.
3. 3. Abtriebsturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet _t daß das Rad (4) aus zwei parallelen Kreisscheiben (6) mit dazwischen angeordneten, Kammern (11) bildenden Blechen (1) besteht und daß der Zwischenraum zwischen den Kreisscheiben durch einen Zylindermantel (22) mit Innenradius ausgefüllt ist, an dem die Innenkanten der Bleche (1) anstoßen.
4. 4. Abtriebsturbine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Rad (4) aus mindestens zwei parallelen Kreisscheiben (6) gebildet wird, die mit der Welle (32) verbunden sind und daß der Raum zwischen dem Zylindermantel (22) mit dem Innenradius und der Welle (32) abgedichtet ist.

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5. 5. Abtriebsturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die selbsttätigen Rückschlagventile (2) in die Bleche (1) eingeschraubt Bind, und die Rückschlagventile (2) tellerförmige Deckel haben, die sich in Käfigen durch Federn, Flüssigkeitsgewicht sowie Luft/Gasdruck öffnen und schließen.
6. 6. Abtriebsturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kreisscheiben (6) des Rades (4) in Nuten (7) laufen, um eine Nutenabdichtung zwischen den sich drehenden Kreisscheiben (6) und dem starren leitblech (19) zu ermöglichen.
7. 7. Abtriebsturbine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Abzweigungen (3a) in Form von Rohren (7b) ausgestattet sind, bei der Gaszuführungsvorrichtung (3) beginnen und in den Nuten (7) der Leitbleche (19) enden.

   Obertshausen, den 13. 3. 1981