EP2535558B1 - Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung von Antriebskraft durch Herbeiführung von Druckunterschieden in einem geschlossenen Gas-/Flüssigkeitssystem - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung von Antriebskraft durch Herbeiführung von Druckunterschieden in einem geschlossenen Gas-/Flüssigkeitssystem Download PDF

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EP2535558B1
EP2535558B1 EP11004923.6A EP11004923A EP2535558B1 EP 2535558 B1 EP2535558 B1 EP 2535558B1 EP 11004923 A EP11004923 A EP 11004923A EP 2535558 B1 EP2535558 B1 EP 2535558B1
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EP
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hollow body
insert
rotor
vessel
pressure
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03B—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS
    • F03B3/00—Machines or engines of reaction type; Parts or details peculiar thereto
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03B—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS
    • F03B17/00—Other machines or engines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03B—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS
    • F03B17/00—Other machines or engines
    • F03B17/005—Installations wherein the liquid circulates in a closed loop ; Alleged perpetua mobilia of this or similar kind

Definitions

  • the invention relates to a method for generating a continuous driving force by providing kinetic energy of a liquid by inducing pressure differences in a closed gas / liquid system, in particular in an air / water system, as well as an apparatus for implementing the method.
  • Machines which can convert an available kinetic energy of a fluid into power in the form of a rotating shaft. They are commonly referred to as turbocharged engines. Very high power yields with good efficiency can reach such machines with water as the working fluid, in particular Pelton turbines (eg DE 10133547A1 ) for water under high pressure and rather low volume flow. This type of turbine is also referred to as a constant pressure turbine, since the conversion of energy in the impeller takes place at a constant ambient pressure. In technical application, these turbines are commonly used in hydroelectric power plants with large available fall heights. The applicability of this type of turbine is therefore limited to geographical areas which offer very large height differences at close range. In addition, water from the natural cycle, preferably from high-altitude reservoirs, is usually used as the working medium. Energy production is therefore not unlimited and permanently possible.
  • turbomachinery In principle, such machines generate a pressure or enthalpy increase of the working fluid by introducing mechanical power in the form of a rotating shaft.
  • pumps or reciprocating compressors are used in the art. In both types, the energy transfer takes place directly to the working medium water.
  • the turbo machine pump and the turbo engine radial turbine which are both operated in a closed circuit with the working fluid water, so you have the technical application of the hydrodynamic converter (eg DE 102006023017A1 ). This translates torque and speed of the two shafts and provides lower output than input power due to friction losses and entropy increase in the system.
  • the object of the invention is to provide a method for providing continuous kinetic energy by suitable combination of various described above and other technical principles of action and their targeted application with compressible and incompressible medium and to provide a device for implementing and applying the method for the purpose of continuous power output.
  • the invention is both and primarily the method which generates two continuous forms of water, namely pressure increase and power in the form of a rotating shaft, a continuous water cycle and thus kinetic energy within the machine, as well as the device for implementation and application this method for the purpose of using the permanently available form of energy and its conversion into mechanical energy in the form of a rotating shaft.
  • the gaseous medium is in an open on the bottom, preferably bell-shaped insert, within an at least partially arranged above the insert and connected with him firmly and sealed connected hollow body and before commissioning of the system in one or more risers, at least partially, preferably completely, within the enclosed container, but outside of the insert and preferably perpendicular and at its bottom End open and connected with its upper end to the hollow body.
  • the hollow body is in a preferred embodiment, but not indispensable, completely within the enclosed container.
  • the liquid medium enters when filling the container from below in the bell-shaped insert and the risers and rises in this and the risers until the onset of pressure equalization. Thereafter, the container is first closed pressure-tight and then the potential energy of the two media within the device by applying compressed air additionally increased.
  • a specially designed, horizontally arranged and provided with a vertical axis of rotation rotor is motorized in rotary motion.
  • the level of the liquid medium is within the bell-shaped insert between the lower end and below the bottom of the rotating rotor.
  • This rotor in the form of a disc with a lateral surface of special shape generates at this a negative pressure relative to the pressure of the enclosed gas.
  • This negative pressure leads via tubular open channels within the rotor disk in the hollow body to a corresponding negative pressure. Due to the negative pressure in the hollow body in conjunction with the gas pressure in use, liquid medium is conveyed out of the container into the hollow body by the riser (s) and a kinetic energy is generated and made available in the form of the liquid medium entering the hollow body ,
  • a liquid level of low height is formed within the hollow body, whereby the gas pressure in the hollow body relative to the negative pressure generated by the rotor increases, but even lower than the gas pressure remains in use.
  • the flowing into the hollow body liquid medium is made of it aspirated through channels within the rotor disc due to the effective pressure differences and travels back to the liquid level in use, so that during the rotation of the rotor there is a cycle with continuous provision of kinetic energy.
  • the applied gas pressure and the rotational speed of the rotor in use determine the flow rate and rate of the liquid medium and thus the kinetic energy generated.
  • the ratio between flow rate and speed can also be controlled via nozzles at the outlet of the riser pipes.
  • the generated and available in this form kinetic energy of the liquid medium can be removed via suitable devices, such as. B. a constant pressure turbine, the turbine wheel is offset from the jet of impinging water or other liquid medium in motion, generate drive power for stationary or mobile use.
  • the device according to the invention consists in the illustrated embodiment of a container closed on all sides (1) in the form of a barrel, a ball, a cube or a cuboid or in another form, in this container (1) on its underside open, preferably bell-shaped insert (2) is used.
  • a preferably spherical hollow body (3) is arranged on the upper side of the insert (2).
  • the hollow body (3) extends with part of its height into the insert (2), wherein in the region of the connection of insert (2) and hollow body (3) sealing against the container (1).
  • the hollow body (3) does not have to reach into the insert (2).
  • the hollow body (3) has an outlet opening (4) and an extension piece (5).
  • the insert (2) and the hollow body (3) are arranged in the illustrated embodiment completely within the container (1), so that in In this case, the top of the container (1) is formed according to the executed geometric shape.
  • the top of the container (1) from an annular cover, the upper part of the insert (2) and the upwardly projecting part of the hollow body (3) is formed.
  • the upper side it is possible according to the invention for the upper side to be formed from an annular cover and the upper part of the hollow body (3).
  • a rotor (8) On a vertical shaft (7), which is arranged within the container (1) in a shaft housing rotatably and pressure-tight against gaseous and liquid media and preferably from outside the container (1) is driven by a motor, a rotor (8) is attached in turn, within the insert (2) with a certain distance from the inner wall of the insert (2) is arranged.
  • the rotor (8) has an extension piece (23) by which it is in operative connection with the outlet opening (4) of the hollow body (3) by the extension piece (23) of the rotor (8) rotatably and sealed, but without a fixed connection, into the outlet opening (4) of the hollow body (3) protrudes and over this over a part of its height.
  • the rotor (8) is designed as a cylindrical disc, preferably flat or even with slightly bent at the edge lateral surface.
  • the outer surface of this disc is similar to one or more wing profiles (16) DE patent 10 2005 049 938 educated.
  • the on the circumference of the lateral surface of the rotor (8) in preferably periodic pitch arranged airfoils (16) each consist in the direction of rotation of the rotor (8) from a convex elevation (17), followed by a flat outlet region (18). In this outlet region (18) at the location of the circumferential in the circumferential direction of the rotor shell surface with rotation at nominal operating speed minimally effective static pressure are the outlet openings (21) of the rotor (8).
  • the endpiece (23) of the rotor (8) has one or more, preferably three, tubular open channels (6) extending from the upper end of the endpiece (23) through the inner portion (20) of the rotor (8) to the outer surface thereof run and end in the outlet openings (21).
  • a liquid or gaseous medium introduced from the hollow body (3) through the outlet opening (4) can run into the channels (6) of the rotor (8) and can be introduced into the insert (2) via the channels (6) and the outlet openings (21) ) reach.
  • one or more - in the illustrated embodiment two - risers (10) are mounted, which are open at its lower end and preferably perpendicular and down at least to the Lower edge of the insert (2) are enough. With their upper ends, they are inserted via arc above the insert (2) sealed in the hollow body (3).
  • the risers (10), as shown in the figures, at their ends within the hollow body (3) horizontally extending, via inner nozzle needles adjustable nozzles (22).
  • a fixed ring (25) is arranged in an advantageous embodiment, but not indispensable, which carries a slightly away from the inner wall grid plate (26) on which the the outlet openings (21) of the rotor (8) emerging water impinges.
  • the grid plate (26) amplified by suitable choice of the distance to the convex projections (17) of the airfoils (16) on the one hand, the generation of negative pressure and on the other hand allows the discharge of the outlet openings (21) leaking water away from the rotor towards the inner wall of the insert (2) while minimizing friction loss. The water then drains down the inner wall of the insert (2) down to the liquid level.
  • cover plates (27) which project radially beyond the rotor (8) and extend to near the inner wall of the insert (2) and when attaching a ring (25) with grid plate (26) project beyond this, but without touching them.
  • the rotor (8) is rotated via the shaft (7) either by means of an outside of the container (1) arranged motor (9) in rotation, wherein the shaft (7) is guided under sealing through the bottom of the container (1), or the shaft (7) is part of an enclosed inside the container (1) arranged encapsulated electric motor.
  • a supply pipe (14) is provided for compressed air, which is guided from the outside of the container (1) in the insert (2) and opens into this above the lower boundary, preferably at about half height between the bottom of the rotor (8). and the lower edge of the insert (2).
  • the lid of the container (1) has a closable opening (15) for filling a liquid medium attached.
  • the kinetic energy of a liquid medium provided by the device described above can be used to generate drive energy by, as shown in the illustrated embodiment, within the hollow body (3) at the level of entry of the riser tubes (10) on a vertical shaft (13) a turbine wheel (12) of a constant pressure turbine with blades arranged thereon (19) is mounted.
  • the turbine wheel (12) is mounted in a shell (11) located below.
  • the nozzles (22) are directed to the blade inner sides of the turbine wheel (12), and the blades (19) adjoin the inner wall of the hollow body (3), without touching them.
  • the vertical shaft (13) of the turbine wheel (12) is extended upward and penetrates the wall of the hollow body (3) and the upper wall (the lid) of the container (1) for connection to driven devices and devices (24), in particular generators , Machinery or vehicles.
  • the shaft (13) is in the container (1) tightly mounted relative to the gaseous medium in the hollow body (3) and the liquid medium in the container (1).
  • an incompressible, liquid medium preferably water
  • the liquid medium also penetrates into the bell-shaped insert (2) and the riser tubes (10) from their lower openings until the air enclosed in them and the hollow body (3) which is in communication with them is trapped by the penetrating liquid medium is compressed, that a pressure equalization occurs. Thereafter, the opening (15) of the container (1) is closed.
  • the hollow body (3) instead of the spherical shape in the illustrated embodiment, the shape of a cube, a cuboid, a barrel or any other form.
  • liquid medium preferably water
  • the supply of external compressed air is required only for initial adjustment of the working internal pressure.
  • the provision of the power to drive the shaft (7) is required, and there are no emissions that affect the environment. If the operation of the system should be interrupted or terminated, then only the drive power of the shaft (7) is switched off. The initial state of the system then restarts automatically.

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Description

  • Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung von Antriebskraft durch Herbeiführung von Druckunterschieden in einem geschlossenen Gas-/Flüssigkeitssystem.
    • BESCHREIBUNG
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung einer kontinuierlichen Antriebskraft durch Bereitstellung kinetischer Energie einer Flüssigkeit mittels Herbeiführung von Druckunterschieden in einem geschlossenen Gas-/Flüssigkeits-System, insbesondere in einem Luft-/Wasser-System, sowie eine Vorrichtung zur Umsetzung des Verfahrens.
  • Bekannt sind Maschinen, welche eine zur Verfügung stehende kinetische Energie eines Fluids in Leistung in Form einer sich drehenden Welle umwandeln können. Sie werden allgemein als Turbokraftmaschinen bezeichnet. Sehr hohe Leistungsausbeuten bei gutem Wirkungsgrad können solche Maschinen mit Wasser als Arbeitsfluid erreichen, insbesondere Peltonturbinen (z. B. Patent DE 10133547A1 ) für Wasser unter hohem Druck und eher geringem Volumenstrom. Diese Turbinenbauart bezeichnet man auch als Gleichdruckturbine, da die Umsetzung der Energie im Laufrad bei konstantem Umgebungsdruck erfolgt. In der technischen Anwendung werden diese Turbinen üblicherweise in Wasserkraftwerken bei großen verfügbaren Fallhöhen eingesetzt. Die Anwendbarkeit dieser Turbinenbauart ist daher beschränkt auf geographische Gebiete, welche auf geringer Entfernung sehr große Höhendifferenzen bieten. Außerdem wird üblicherweise Wasser aus dem natürlichen Kreislauf, vorzugsweise aus hoch gelegenen Stauseen, als Arbeitsmedium verwendet. Die Energieerzeugung ist daher nicht unbegrenzt und permanent möglich.
  • Bekannt sind ferner Turboarbeitsmaschinen. Solche Maschinen erzeugen grundsätzlich unter Einbringung mechanischer Leistung in Form einer sich drehenden Welle eine Druck- oder Enthalpieerhöhung des Arbeitsfluids. Für die Erhöhung des Drucks von Wasser als Arbeitsfluid werden in der Technik Pumpen oder Hubkolbenkompressoren eingesetzt. Bei beiden Bauarten erfolgt die Energieübertragung direkt an das Arbeitsmedium Wasser. Kombiniert man die Turboarbeitsmaschine Pumpe und die Turbokraftmaschine Radialturbine, welche beide in einem geschlossenen Kreislauf mit dem Arbeitsfluid Wasser betrieben werden, so hat man die technische Anwendung des hydrodynamischen Wandlers (z. B. Patent DE 102006023017A1 ). Dieser übersetzt Drehmoment und Drehzahl der beiden Wellen und liefert aufgrund der Reibungsverluste und der Entropieerhöhung im System eine geringere Ausgangs- als Eingangsleistung.
  • Bekannt sind ferner in vielerlei technischen Anwendungen umströmte Profile zur Erzeugung von Druckunterschieden. In meist axial durchströmten Turbomaschinen werden diese als Teil des Laufrades eingesetzt oder bei Luftfahrtanwendungen als Tragflügelprofil. Hierbei ist die Aufgabe dieser Profile immer die Erzeugung einer Kraft, welche senkrecht zur Hauptrichtung der am Profil entlanglaufenden Strömung eines meist kompressiblen Fluides wirken soll. Dadurch wird beispielsweise bei Luftfahrtanwendungen Auftrieb und an den Schaufeln axialer Gasturbinenlaufräder ein Drehmoment an der Welle erzeugt.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, durch geeignete Kombination verschiedener oben beschriebener sowie weiterer technischer Wirkprinzipien und deren zielgerichtete Anwendung mit kompressiblem und inkompressiblem Medium ein Verfahren zur Bereitstellung kontinuierlicher kinetischer Energie zu schaffen sowie eine Vorrichtung zur Umsetzung und Anwendung des Verfahrens zum Zweck der kontinuierlichen Leistungsabgabe bereitzustellen.
  • Diese Aufgabe wird im wesentlichen durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch eine Vorrichtung zur Umsetzung des Verfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 4 gelöst. Vorteilhafte Abwandlungen bzw. Ergänzungen der Vorrichtung sind Gegenstand der weiteren Patentansprüche.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren und eine Vorrichtung zu dessen Umsetzung in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel werden nachfolgend anhand von Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
    • Fig. 1 :
    die Vorrichtung zur Erzeugung einer Antriebskraft in der Frontalansicht mit aufgeschnittener Seitenwand des Behältnisses (1);
    Fig. 2 :
    die Vorrichtung gemäß Fig. 1, jedoch mit zusätzlich aufgeschnittener Wand des glockenförmigen Einsatzes (2) mit darin befindlichem Rotor (8) und mit abschnittsweise aufgeschnittenem Hohlkörper (3);
    Fig. 3:
    die Vorrichtung wie in Fig. 2, jedoch ohne Seitenwand und obere Wand/Deckel des Behältnisses (1), an der Schnittstelle A-A der Fig. 2;
    Fig. 4 :
    die Vorrichtung wie in Fig. 3 in perspektivischer Aufsicht von vom oben;
    Fig. 5 :
    die Vorrichtung gemäß Fig. 1 ohne Seitenwand und Boden des Behältnisses (1) an der Schnittstelle A-A nach Fig. 2, mit Turbinenrad (12) und dessen Lagerschale (11), in perspektivischer Ansicht von vorn unten;
    Fig. 6 :
    als Details der Vorrichtung den Rotor (8) nebst Welle (7) sowie das Turbinenrad (12) mit Welle (13) und einem schematisch dargestellten angetriebenen Rad (24);
    Fig. 7 :
    als Details der Vorrichtung die in Fig. 6 dargestellten sowie zusätzlich zwei Steigrohre (10) und Düsen (22);
    Fig. 8 :
    einen Längsschnitt durch die Vorrichtung am Mittelpunkt des oberen und unteren Bodens;
    Fig. 9 :
    als weiteres Detail der Vorrichtung den Rotor (8), ohne Welle (7), mit in Durchsicht dargestellten Kanälen (6);
    Fig. 10 :
    eine schematische Darstellung des Verfahrens in Form eines Längsschnitts wie bei Fig. 8;
    Fig. 11 :
    als Detail einen fest an der Innenwand des Einsatzes (2) angebrachten Ring (25) mit Gitterblech (26) und den darin laufenden Rotor (8) ohne Welle (7), in perspektivischer Ansicht von vorn unten;
    Fig. 12 :
    den Ring (25) mit Gitterblech (26) und den Rotor (8) gemäß Fig. 11, jedoch in perspektivischer Ansicht von vorn oben;
    Fig. 13 :
    als Details den Ring (25) mit Gitterblech (26), angesetzt an der Innenwand des Einsatzes (2), sowie den Rotor (8) bei aufgeschnittenem Einsatz (2) und aufgeschnittenem Ring (25) mit Gitterblech (26), in perspektivischer Ansicht von vorn oben.
  • Gegenstand der Erfindung ist sowohl und in erster Linie das Verfahren, welches unter Einbringung zweier unterschiedlicher Energieformen, nämlich Druckerhöhung und Leistung in Form einer sich drehenden Welle, einen kontinuierlichen Wasserkreislauf und somit kinetische Energie innerhalb der Maschine erzeugt, als auch die Vorrichtung zur Durchführung und Anwendung dieses Verfahrens zwecks Nutzung der permanent zur Verfügung stehenden Energieform und deren Umwandlung in mechanische Energie in Form einer sich drehenden Welle.
  • Nach dem Verfahren wird in einem allseitig umschlossenen Behältnis, das zum Teil mit flüssigem Medium und zum Teil mit gasförmigem Medium, vorzugsweise mit Wasser und Luft, gefüllt ist, ein Kreislauf des flüssigen Mediums bewirkt und dadurch kinetische Energie erzeugt. Dabei befindet sich das gasförmige Medium in einem auf der Unterseite offenen, vorzugsweise glockenförmigen Einsatz, innerhalb eines zumindest teilweise oberhalb des Einsatzes angeordneten und mit ihm fest sowie abgedichtet verbundenen Hohlkörpers und vor Inbetriebnahme der Anlage auch in einem oder mehreren Steigrohren, die zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig, innerhalb des umschlossenen Behältnisses, jedoch außerhalb des Einsatzes und vorzugsweise senkrecht verlaufen und die an ihrem unteren Ende offen und mit ihrem oberen Ende an den Hohlkörper angeschlossen sind. Der Hohlkörper befindet sich in bevorzugter Ausführungsform, jedoch nicht unabdingbar, vollständig innerhalb des umschlossenen Behältnisses. Das flüssige Medium tritt bei Befüllen des Behältnisses von unten in den glockenförmigen Einsatz und die Steigrohre ein und steigt in diesem und den Steigrohren bis zum Eintreten des Druckausgleichs an. Danach wird zunächst das Behältnis druckdicht verschlossen und sodann die potenzielle Energie der beiden Medien innerhalb der Vorrichtung durch Beaufschlagung mit Druckluft zusätzlich erhöht. Im gasförmigen Medium wird sodann ein speziell gestalteter, horizontal angeordneter und mit vertikaler Drehachse versehener Rotor motorisch in Drehbewegung versetzt. Im zuvor eingestellten, betriebsbereiten Zustand der Anlage befindet sich der Pegelstand des flüssigen Mediums innerhalb des glockenförmigen Einsatzes zwischen dessen unterem Ende und unter der Unterseite des sich drehenden Rotors. Dieser Rotor in Form einer Scheibe mit Mantelfläche besonderer Formgebung erzeugt an dieser einen Unterdruck relativ zum Druck des eingeschlossenen Gases. Dieser Unterdruck führt über röhrenförmige offene Kanäle innerhalb der Rotorscheibe im Hohlkörper zu entsprechendem Unterdruck. Durch den Unterdruck im Hohlkörper in Verbindung mit dem Gasdruck im Einsatz wird durch das/die Steigrohr(e) flüssiges Medium aus dem Behältnis in den Hohlkörper gefördert und in Form des in den Hohlkörper eintretenden flüssigen Mediums eine kinetische Energie er-zeugt und zur Verfügung gestellt.
  • Infolge des Fördervorgangs bildet sich innerhalb des Hohlkörpers ein Flüssigkeitsniveau geringer Höhe, wodurch der Gasdruck im Hohlkörper gegenüber dem vom Rotor erzeugten Unterdruck ansteigt, aber noch niedriger als der Gasdruck im Einsatz bleibt. Das in den Hohlkörper eingeströmte flüssige Medium wird aus ihm über Kanäle innerhalb der Rotorscheibe infolge der wirksamen Druckunterschiede abgesaugt und läuft zum Flüssigkeitsniveau im Einsatz zurück, so daß während der Rotation des Rotors ein Kreislauf mit kontinuierlicher Bereitstellung kinetischer Energie besteht.
  • Der aufgegebene Gasdruck und die Drehgeschwindigkeit des Rotors im Einsatz bestimmen dabei die Fördermenge und -geschwindigkeit des flüssigen Mediums und damit die erzeugte kinetische Energie. Das Verhältnis zwischen Fördermenge und Geschwindigkeit kann zudem über Düsen am Austritt der Steigrohre geregelt werden.
  • Die in dieser Form erzeugte und zur Verfügung stehende kinetische Energie des flüssigen Mediums kann über geeignete Vorrichtungen, wie z. B. eine Gleichdruckturbine, deren Turbinenrad vom Strahl des auftreffenden Wassers oder sonstigen flüssigen Mediums in Bewegung versetzt wird, Antriebsenergie erzeugen zur stationären oder mobilen Nutzung.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung besteht im dargestellten Ausführungsbeispiel aus einem allseitig geschlossenen Behältnis (1) in Form einer Tonne, einer Kugel, eines Würfels oder eines Quaders oder auch in anderer Form, wobei in diesem Behältnis (1) ein auf seiner Unterseite offener, vorzugsweise glockenförmiger Einsatz (2) eingesetzt ist. Ein vorzugsweise kugelförmiger Hohlkörper (3) ist an der Oberseite des Einsatzes (2) angeordnet. In bevorzugter Ausführungsform reicht der Hohlkörper (3) mit einem Teil seiner Höhe in den Einsatz (2) hinein, wobei im Bereich der Verbindung von Einsatz (2) und Hohlkörper (3) eine Abdichtung gegenüber dem Behältnis (1) erfolgt. Der Hohlkörper (3) muß dabei aber nicht in den Einsatz (2) hineinreichen.
  • An seinem unteren Ende hat der Hohlkörper (3) eine Austrittsöffnung (4) und ein Ansatzstück (5). Der Einsatz (2) und der Hohlkörper (3) sind im dargestellten Ausführungsbeispiel vollständig innerhalb des Behältnisses (1) angeordnet, so daß in diesem Fall die Oberseite des Behältnisses (1) entsprechend der ausgeführten geometrischen Form gebildet wird. Es liegt jedoch auch im Rahmen der Erfindung, daß die Oberseite des Behältnisses (1) aus einem ringförmigen Deckel, dem oberen Teil des Einsatzes (2) und dem aus ihm nach oben herausragenden Teil des Hohlkörpers (3) gebildet wird. Zudem ist es erfindungsgemäß möglich, daß die Oberseite aus einem ringförmigen Deckel und dem oberen Teil des Hohlkörpers (3) gebildet wird.
  • An einer vertikalen Welle (7), die innerhalb des Behältnisses (1) in einem Wellengehäuse drehbeweglich und druckdicht gegen gasförmige und flüssige Medien angeordnet ist und vorzugsweise von außerhalb des Behältnisses (1) motorisch angetrieben wird, ist ein Rotor (8) befestigt, der seinerseits innerhalb des Einsatzes (2) mit gewissem Abstand zur Innenwand des Einsatzes (2) angeordnet ist. Der Rotor (8) hat ein Ansatzstück (23), durch das er mit der Austrittsöffnung (4) des Hohlköpers (3) in Wirkverbindung steht, indem das Ansatzstück (23) des Rotors (8) drehbeweglich und abgedichtet, jedoch ohne feste Verbindung, in die Austrittsöffnung (4) des Hohlkörpers (3) hineinragt und diese über einen Teil ihrer Höhe überfängt.
  • Der Rotor (8) ist als zylindrische Scheibe, vorzugsweise eben oder auch mit am Rand leicht nach unten abknickender Mantelfläche ausgeführt. Die äußere Mantelfläche dieser Scheibe ist mit einem oder mehreren Tragflächenprofilen (16) ähnlich dem DE-Patent 10 2005 049 938 ausgebildet. Die am Umfang der Mantelfläche des Rotors (8) in vorzugsweise periodischer Teilung angeordneten Tragflächenprofile (16) bestehen jeweils in Drehrichtung des Rotors (8) aus einer konvexen Erhebung (17), gefolgt von einem flachen Auslaufbereich (18). In diesem Auslaufbereich (18) am Ort des in Umfangsrichtung der Rotormantelfläche bei Rotation mit Betriebsnenndrehzahl minimal wirksamen statischen Drucks befinden sich die Austrittsöffnungen (21) des Rotors (8).
  • Das Ansatzstück (23) des Rotors (8) hat einen oder mehrere, vorzugsweise drei röhrenförmige offene Kanäle (6), die von dem oberen Ende des Ansatzstücks (23) durch den inneren Bereich (20) des Rotors (8) zu dessen äußerer Mantelfläche verlaufen und in den Austrittöffnungen (21) enden. Dadurch kann ein aus dem Hohlkörper (3) durch die Austrittsöffnung (4) herangeführtes flüssiges oder gasförmiges Medium in die Kanäle (6) des Rotors (8) einlaufen und über die Kanäle (6) und die Austrittsöffnungen (21) in den Einsatz (2) gelangen.
  • Ferner sind innerhalb des Behältnisses (1), jedoch außerhalb des Einsatzes (2), ein oder mehrere - im dargestellten Ausführungsbeispiel zwei - Steigrohre (10) angebracht, die an ihrem unteren Ende offen sind sowie vorzugsweise senkrecht verlaufen und nach unten mindestens bis an die Unterkante des Einsatzes (2) reichen. Mit ihren oberen Enden sind sie über Bogen oberhalb des Einsatzes (2) in den Hohlkörper (3) abgedichtet eingeführt. In vorteilhafter Ausführungsform haben die Steigrohre (10), wie in den Figuren dargestellt, an ihren Enden innerhalb des Hohlkörpers (3) horizontal verlaufende, über innere Düsennadeln regelbare Düsen (22).
  • An der Innenwand des Einsatzes (2) gegenüber der Mantelfläche des Rotors (8) ist in vorteilhafter Ausführungsform, jedoch nicht unabdingbar, ein feststehender Ring (25) angeordnet, der ein von der Innenwand geringfügig entferntes Gitterblech (26) trägt, auf das das aus den Austrittsöffnungen (21) des Rotors (8) austretende Wasser auftrifft. Das Gitterblech (26) verstärkt durch geeignete Wahl des Abstandes zu den konvexen Erhebungen (17) der Tragflächenprofile (16) zum einen die Erzeugung des Unterdrucks und ermöglicht zum anderen die Ableitung des aus den Austrittsöffnungen (21) austretenden Wassers weg vom Rotor hin zur Innenwand des Einsatzes (2) unter Minimierung des Reibungsverlusts. Das Wasser läuft sodann entlang der Innenwand des Einsatzes (2) nach unten zum Flüssigkeitsniveau ab.
  • Gleichfalls in vorteilhafter Ausführungsform, jedoch nicht unabdingbar, befinden sich sowohl an der Ober- als auch an der Unterseite der Mantelfläche des Rotors (8) im Bereich der Tragflächenprofile (16) Abdeckbleche (27), die den Rotor (8) radial nach außen überragen und bis nahe der Innenwand des Einsatzes (2) reichen sowie bei Anbringung eines Rings (25) mit Gitterblech (26) diese überragen, ohne sie aber zu berühren.
  • Der Rotor (8) wird über die Welle (7) entweder mittels eines außerhalb des Behältnisses (1) angeordneten Motors (9) in Drehbewegung versetzt, wobei die Welle (7) unter Abdichtung durch den Boden des Behältnisses (1) geführt wird, oder die Welle (7) ist Bestandteil eines innerhalb des Behältnisses (1) angeordneten gekapselten Elektromotors.
  • Ferner ist ein Zuführungsrohr (14) für Druckluft vorgesehen, das von der Außenseite des Behältnisses (1) in den Einsatz (2) geführt ist und in diesen oberhalb dessen unterer Begrenzung mündet, vorzugsweise in etwa halber Höhe zwischen der Unterseite des Rotors (8) und der Unterkante des Einsatzes (2).
  • Schließlich ist in der oberen Wand/dem Deckel des Behältnisses (1) eine verschließbare Öffnung (15) zum Einfüllen eines flüssigen Mediums angebracht.
  • Die durch die vorstehend beschriebene Vorrichtung zur Verfügung gestellte kinetische Energie eines flüssigen Mediums kann zur Erzeugung von Antriebsenergie genutzt werden, indem, wie im dargestellten Ausführungsbeispiel gezeigt, innerhalb des Hohlkörpers (3) auf der Ebene des Eintritts der Steigrohre (10) an einer vertikalen Welle (13) ein Turbinenrad (12) einer Gleichdruckturbine mit daran angeordneten Schaufeln (19) angebracht ist. Das Turbinenrad (12) ist in einer unterhalb befindlichen Schale (11) gelagert. Die Düsen (22) sind auf die Schaufelinnenseiten des Turbinenrads (12) gerichtet, und die Schaufeln (19) grenzen an die Innenwand des Hohlkörpers (3), ohne diese zu berühren. Die vertikale Welle (13) des Turbinenrads (12) ist nach oben verlängert und durchdringt die Wand des Hohlkörpers (3) und die obere Wand (den Deckel) des Behältnisses (1) zum Anschluß an anzutreibende Vorrichtungen und Geräte (24), insbesondere Generatoren, Maschinen oder Fahrzeuge. Die Welle (13) ist im Behältnis (1) dicht gegenüber dem gasförmigen Medium im Hohlkörper (3) und dem flüssigen Medium im Behältnis (1) gelagert.
  • Zur Durchführung des Verfahrens und Inbetriebnahme der Vorrichtung wird in normaler Umgebungsatmosphäre in das Behältnis (1) über dessen Öffnung (15) ein inkompressibles, flüssiges Medium, vorzugsweise Wasser, eingefüllt, bis dieses den obersten Punkt des Behältnisses (1) erreicht. Dabei dringt das flüssige Medium auch in den glockenförmigen Einsatz (2) sowie die Steigrohre (10) von ihren unteren Öffnungen her ein, bis die in diesen und dem mit ihnen in Verbindung stehenden Hohlkörper (3) vorhandene, vom eindringenden flüssigen Medium eingeschlossene Luft soweit komprimiert ist, daß ein Druckausgleich eintritt. Danach wird die Öffnung (15) des Behältnisses (1) verschlossen.
  • Sodann wird über das Zuführungsrohr (14) Druckluft von außerhalb des Behältnisses (1) in den Einsatz (2) eingeführt, wodurch sich der Druck im gesamten Behältnis (1) solange entsprechend erhöht, bis der gewünschte Betriebszustand erreicht ist. In diesem Zustand erhöhter potenzieller Energie der eingeschlossenen Medien wird der Rotor (8) über die Welle (7) durch den Motor (9) in Drehung versetzt, und zwar in der Drehrichtung (im mit den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiel in Linksdrehung), daß gemäß dem DE-Patent 10 2005 049 938 an den Tragflächenprofilen (16) im Anschluß an deren konvexe Erhebungen (17) in ihren abfallenden langgestreckten Auslaufbereichen (18) eine Unterdruckwirkung entsteht. Der Unterdruck ist in seiner Größe von der gewählten Drehzahl des Rotors und dem Gasdruck innerhalb des Einsatzes (2) abhängig. Zur Änderung des Betriebszustands können jederzeit während des Betriebs sowohl der Gasdruck als auch die Drehzahl des Rotors (8) verändert werden.
  • Der Unterdruck im Auslaufbereich (18) des Tragflächenprofils (16) setzt sich über die Kanäle (6) im Hohlkörper (3) und von diesem in den Steigrohren (10) fort. Der dann im Hohlkörper (3) wirksame Unterdruck und der gleichzeitig im Einsatz (2) bestehende Gasdruck bewirken, daß das Wasser oder sonstige flüssige Medium aus dem Behältnis (1) und dem Einsatz (2) über die Steigrohre (10) und die Düsen (22) in den Hohlkörper (3) als Strahl hoher kinetischer Energie einströmt.
  • Ebenfalls infolge des vom laufenden Rotor (8) bewirkten Unterdrucks an dessen Austrittsöffnungen (21) sowie des innerhalb des Hohlkörpers (3) wirksamen Gasdrucks läuft das Wasser oder sonstige flüssige Medium aus dem Hohlkörper (3) durch die Kanäle (6) des Rotors (8) und durch die Austrittsöffnungen (21) im Auslaufbereich (18) der Tragflächenprofile (16) in den Einsatz (2) zum Flüssigkeitsniveau zurück. Im laufenden Betrieb liegt das Flüssigkeitsniveau immer oberhalb der Unterkante des Einsatzes (2).
  • Im Sinne der Erfindung kann der Hohlkörper (3) statt der Kugelform im dargestellten Ausführungsbeispiel auch die Form eines Würfels, eines Quaders, einer Tonne oder auch eine sonstige Form haben.
  • Durch das beschriebene Verfahren und die Vorrichtung zu seiner Ausführung wird über die Drehbewegung des Rotors (8) zum einen mechanische Energie in das System eingebracht und zum anderen mittels externer Druckbeaufschlagung die potenzielle Energie der im System befindlichen Medien erhöht. Der infolgedessen an den Tragflächenprofilen (16) entlang der Rotormantelfläche wirksame Unterdruck erzeugt einen kontinuierlichen Kreislauf des Wassers oder anderen flüssigen Mediums und somit stetig verfügbare kinetische Energie. Diese Energieform kann, wie bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel beschrieben, zur zeitlich konstanten Leistungsabgabe genutzt werden und ist somit im Gegensatz zu den üblichen Einsatzbedingungen der technisch bekannten Turbokraftmaschinen unabhängig von geographischen Verhältnissen bzw. natürlichen Gegebenheiten.
  • Dabei wird für die erforderliche mechanische Energie aus der Drehbewegung der Antriebswelle (7)nur eine relativ geringe Antriebsleistung des Motors (9) für den Antrieb des Rotors (8) benötigt, weil der Rotor (8) im stationären Betrieb ausschließlich, jedenfalls vorrangig, im gasförmigen kompressiblen Medium sehr geringer Dichte und reibungsarm läuft. Deshalb kann auch eine hohe Drehzahl des Rotors (8) gewählt werden. Dies wird nach einem technisch neuen Prinzip erreicht, indem bei dem erfindungsgemäßen Verfahren und der Vorrichtung zu seiner Ausführung die Energieübertragung vom Rotor (8) auf das inkompressible Medium - mechanisch zu kinetisch - nicht direkt durch ein Laufrad herkömmlicher Bauart, sondern indirekt durch die Erzeugung eines relativen Unterdrucks im kompressiblen Medium erfolgt. Zur Steigerung der Effizienz dieses Vorgangs wird der Druck des kompressiblen Mediums zuvor gegenüber dem Umgebungszustand erhöht. Die Erzeugung des wirksamen Unterdrucks erfolgt an der Mantelfläche des Rotors (8), welche in oben beschriebener und auf dem Wirkprinzip des DE-Patents 10 2005 049 938 basierenden Profilform ausgeführt ist.
  • Der Bedarf der Anlage an flüssigem Medium, vorzugsweise Wasser, beschränkt sich auf den einmaligen Befüllvorgang vor der ersten Inbetriebnahme. Ebenso ist die Zufuhr externer Druckluft nur zur erstmaligen Einstellung des Arbeitsinnendrucks erforderlich. Während des gesamten Betriebs der Anlage wird nur die Bereitstellung der Leistung zum Antrieb der Welle (7) benötigt, und es entstehen keinerlei die Umgebung beeinträchtigende Emissionen. Soll der Betrieb der Anlage unterbrochen oder beendet werden, so ist lediglich die Antriebsleistung der Welle (7) abzuschalten. Der Ausgangszustand der Anlage stellt sich sodann selbständig wieder ein.

Claims (12)

  1. Verfahren zur Erzeugung einer kontinuierlichen Antriebskraft durch Bereitstellung kinetischer Energie eines flüssigen Mediums mittels Herbeiführung von Druckunterschieden in einem geschlossenen, mit flüssigem Medium, insbesondere Wasser, und gasförmigem Medium, insbesondere Luft, gefüllten System, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Vorrichtung nach Anspruch 4 oder nach Anspruch 4 in Verbindung mit einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 11 ein Kreislauf des flüssigen Mediums bewirkt wird, wobei das allseitig umschlossene Behältnis mit dem flüssigen Medium gefüllt wird und dieses dabei das vor der Befüllung vorhandene, unter Umgebungsdruck stehende gasförmige Medium in dem auf der Unterseite offenen Einsatz, dem mit ihm verbundenen Hohlkörper und den am Hohlkörper angeschlossenen, unten offenen Steigrohren einschließt und darin bis zum Druckausgleich ansteigt und danach die potenzielle Energie der beiden Medien durch externe Druckbeaufschlagung weiter erhöht wird, daß ferner durch den sodann motorisch in Drehbewegung versetzten Rotor innerhalb des Einsatzes im gasförmigen Medium an der Rotormantelfläche ein Unterdruck relativ zum Druck des eingeschlossenen Gases erzeugt wird, der im Hohlkörper zu entsprechendem Unterdruck führt, und wobei durch den Unterdruck im Hohlkörper in Verbindung mit dem Gasdruck im Einsatz durch die Steigrohre flüssiges Medium aus dem Behältnis in den Hohlkörper gefördert wird und eine kinetische Energie erzeugt und zur Verfügung stellt, daß schließlich das in den Hohlkörper eingeströmte flüssige Medium aus ihm abgesaugt wird und zum Flüssigkeitsniveau im Einsatz zurückläuft infolge eines Anstiegs des Gasdrucks im Hohlkörper gegenüber dem vom Rotor erzeugten Unterdruck, bewirkt durch ein beim Fördervorgang innerhalb des Hohlkörpers gebildetes Flüssigkeitsniveau geringer Höhe, wobei der Gasdruck im Hohlkörper jedoch niedriger als der Gasdruck im Einsatz bleibt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge der erzeugten kinetischen Energie durch die Fördermenge und -geschwindigkeit des flüssigen Mediums bestimmt wird, die ihrerseits von der externen Druckbeaufschlagung und der Drehgeschwindigkeit des Rotors im Einsatz abhängen.
  3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis zwischen Fördermenge und -geschwindigkeit des flüssigen Mediums zusätzlich über Düsen am Austritt der Steigrohre in den Hohlkörper geregelt wird.
  4. Vorrichtung zur Umsetzung des Verfahrens gemäß Anspruch 1, bestehend aus einem allseitig umschlossenen Behältnis (1) in Form einer Tonne, einer Kugel, eines Würfels, eines Quaders oder in anderer Form, dadurch gekennzeichnet, daß in diesem Behältnis (1) ein auf seiner Unterseite offener, vorzugweise glockenförmiger, Einsatz (2) eingesetzt ist und an dessen Oberseite sich ein vorzugsweise kugelförmiger Hohlkörper (3) mit Austrittsöffnung (4) und Ansatzstück (5) befindet, der selbst vollständig oder teilweise innerhalb des Behältnisses (1) angeordnet ist und vorzugsweise mit einem Teil seiner Höhe in den Einsatz (2) hineinreicht und sowohl gegenüber dem Behältnis (1) als auch mit Ausnahme der Austrittsöffnung (4) gegenüber dem Einsatz (2) druckdicht ist, ferner dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des Einsatzes (2) mit gewissem Abstand zu dessen Innenwand ein Rotor (8) als zylindrische Scheibe an einer vertikalen Welle (7) in einem Wellengehäuse drehbeweglich und druckdicht angeordnet ist, der an seiner Oberseite ein Ansatzstück (23) hat, mit dem er drehbeweglich und abgedichtet, jedoch ohne feste Verbindung, in die Austrittsöffnung (4) mit dem Ansatzstück (5) des Hohlkörpers (3) hineinragt und diese über einen Teil deren Höhe überfängt, wobei der Rotor (8) mit dem Ansatzstück (23) einen oder mehrere, vorzugsweise 3, röhrenförmige und an ihren Enden offene Kanäle (6) aufweist, die vom oberen Ende des Ansatzstücks (23) durch den inneren Bereich (20) des Rotors (8) zu dessen äußerem Umfang verlaufen und dort in den Austrittsöffnungen (21) enden, ferner daß die Mantelfläche des Rotors (8) mit einem oder mehreren Tragflächenprofilen (16) versehen ist, die in vorzugsweise periodischer Teilung angeordnet sind und jeweils in Drehrichtung des Rotors (8) aus einer konvexen Erhebung (17) mit anschließendem flachen Auslaufbereich (18) und den in diesem Auslaufbereich angeordneten Austrittsöffnungen (21) der Kanäle (6) bestehen, daß der Rotor (8), vorzugsweise von außerhalb des Behältnisses (1), durch einen Motor (9) angetrieben wird, und daß im Behältnis (1), jedoch außerhalb des Einsatzes (2), ein oder mehrere Steigrohre (10) angebracht sind, die an ihren unteren Enden offen sind sowie vorzugsweise senkrecht verlaufen, nach unten mindestens bis an die Unterkante des Einsatzes (2) reichen sowie mit ihren oberen Enden über Bogen oberhalb des Einsatzes (2) in den Hohlkörper (3) abgedichtet eingeführt sind und innerhalb des Hohlkörpers (3) horizontal enden, ferner daß in der oberen Wand (dem Deckel) des Behältnisses (1) eine verschließbare Öffnung (15) zur Füllung mit flüssigem Medium angebracht ist und daß ein Zuführungsrohr (14) für Druckluft von außerhalb der Außenseite des Behältnisses (1) in den Einsatz (2) geführt ist und in diesen oberhalb seiner Unterkante mündet.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der obere Abschluß des Behältnisses (1) aus einem ringförmigen Deckel, dem oberen Teil des Einsatzes (2) und dem aus ihm nach oben herausragenden Teil des Hohlkörpers (3) gebildet wird.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet daß der obere Abschluß des Behältnisses (1) aus einem ringförmigen Deckel und dem oberen Teil des Hohlkörpers (3) gebildet wird.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (8) als zylindrische Scheibe eben oder mit am Rand leicht nach unten abknickender Mantelfläche ausgeführt ist.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß an der Innenwand des Einsatzes (2) und gegenüberliegend der Mantelfläche des Rotors (8) ein Ring (25), fest angeordnet ist, der ein von der Innenwand geringfügig entferntes Gitterblech (26) trägt, auf den das aus den Austrittsöffnungen (21) des Rotors (8) austretende Wasser auftrifft.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 4 und Anspruch 7 oder nach den Ansprüchen 4, 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Tragflächenprofile (16) an der Oberseite und an der Unterseite des Rotors (8) Abdeckbleche (27) haben, die radial nach außen überstehen und bis nahe der Innenwand des Einsatzes (2) reichen und, soweit an dieser ein Ring (25) mit Gitterblech (26) angebracht sind, diese überragen, ohne sie zu berühren.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet daß die Steigrohre (10) an ihren horizontal verlaufenden Enden im Hohlkörper (3) regelbare Düsen (22) haben.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (7) des Rotors (8) Bestandteil eines innerhalb des Behältnisses (1) angeordneten gekapselten Elektromotors ist.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des Hohlkörpers (3) auf der Ebene des Eintritts der Steigrohre (10) an einer vertikalen Welle (13) ein Turbinenrad (12) einer Gleichdruckturbine mit daran angeordneten Schaufeln (19) angebracht und in einer unterhalb des Turbinenrads (12) liegenden Schale (11) gelagert ist, wobei die Schaufeln (19) an die Innenwand des Hohlkörpers (3) grenzen, ohne diese zu berühren, und daß die Düsen (22) an den Enden der Steigrohre (10) auf die Innenseiten der Schaufeln (19) gerichtet sind, ferner daß die Welle (13) des Turbinenrads (12) die Wand des Hohlkörpers (3) und die obere Wand des Behältnisses (1), dicht gegenüber dem gasförmigen Medium im Hohlkörper (3) und dem flüssigen Medium im Behältnis (1) gelagert, durchdringt zum Anschluß an anzutreibende Vorrichtungen und Geräte (24).
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