DE102013008859A1

DE102013008859A1 - Strömungskraftmaschine

Info

Publication number: DE102013008859A1
Application number: DE201310008859
Authority: DE
Inventors: Karl-Heinz Göhre
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-05-24
Filing date: 2013-05-24
Publication date: 2014-11-27

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Strömungskraftmaschine mit einem Turbinenrad, das in einem mit Flüssigkeit gefluteten Behältnis drehbar aufgenommen ist, in das zum Antreiben des Turbinenrads über einen Druckgaseinlass von einem Druckerzeuger her Druckgas einleitbar ist, das in der Flüssigkeit aufsteigt, die Turbinenschaufeln des Turbinenrads beaufschlagt und das Behältnis an einem oberhalb des Druckgaseinlasses befindlichen Gasauslass wieder verlässt. Erfindungsgemäß ist an dem Druckgaseinlass in dem Behältnis zumindest ein beweglich und/oder einstellbar ausgebildetes Strömungsleitorgan vorgesehen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Strömungskraftmaschine mit einem Turbinenrad, das in einem mit Flüssigkeit gefluteten Behältnis drehbar aufgenommen ist, in das zum Antreiben des Turbinenrads über einen Druckgaseinlass von einem Druckerzeuger her Druckgas einleitbar ist, das in der Flüssigkeit aufsteigt, die Turbinenschaufeln des Turbinenrads beaufschlagt und das Behältnis an einem oberhalb des Druckgaseinlasses befindlichen Gasauslass wieder verlässt.
Eine ähnliche Kraftmaschine ist aus der Schrift DE 101 09 870 A1 bekannt, die in einer Ausführungsform ein in einem Tank angeordnetes Wasserrad bzw. Zellenrad zeigt, das in dem mit Wasser befüllten Tank um eine liegende Drehachse drehbar ist. in den Tank wird einseitig unter dem Wasserrad Druckluft eingeleitet, so dass die aufsteigenden Luftblasen von den Schaufeln des Wasserrads auf einer Seite des Wasserrades eingefangen werden und die Auftriebskräfte der eingeleiteten Druckluft das Zellenrad antreiben. Diese vorbekannte Kraftmaschine besitzt jedoch nur einen geringen Wirkungsgrad. Die an der Oberseite aus dem Wasser auftauchenden Schaufeln des Wasserrades werden beim Wiedereintauchen auf der nicht mit Druckluft beaufschlagten Seite stark abgebremst, wodurch ein Teil der Antriebskräfte wieder kompensiert wird. Zum anderen ergeben sich entlang der Bahn der Schaufeln durch das Wasser starke Verwirbelungen, die sich an den Schaufeln des Wasserrads verfangen und dieses bremsen. Letztlich können auch mit großen Luftmengen nur relativ kleine Antriebsleistungen erreicht werden. Aus der DE 121814 ist eine nach dem Auftriebsprinzip arbeitende Strömungskraftmaschine bekannt, bei der das Turbinenrad vollständig geflutet in einem Behälter läuft, der zylindrisch an das Turbinenrad angepasst ist und oberseitig eine Flutungsverlängerung besitzt. Eine ähnliche Strömungskraftmaschine zeigt die DE 7905487 , deren Turbinenbehälter in einen Schiffsrumpf integriert sein soll, wobei die Abgase des Dieselmotors des Schiffes als Druckgas zum Antreiben des Turbinenrads verwendet werden sollen. Die Turbinenschaufeln dieser Strömungskraftmaschinen sind in Umlaufrichtung gekrümmt ausgebildet, so dass sich das innere Ende der Turbinenschaufel näherungsweise senkrecht zur Umlaufrichtung erstreckt, während sich das äußere Ende nahezu parallel zur Umfangsrichtung erstreckt.
Der vorliegenden Erfindung liegt hiervon ausgehend die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Kraftmaschine der eingangs genannten Art zu schaffen, die Nachteile des Standes der Technik vermeidet und letzteren in vorteilhafterweise weiterbildet. insbesondere soll ein hoher Wirkungsgrad erreicht werden, so dass mit geringen Luftmengen hohe Antriebsleistungen erzielbar sind.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Kraftmaschine nach Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Es wird also vorgeschlagen, die Einströmrichtung des Druckgases in das Turbinenradbehältnis so zu steuern, dass das Druckgas möglichst effizient und vollständig auf die Turbinenschaufeln trifft bzw. von den Turbinenschaufeln eingefangen wird und nicht im Bereich eines Spaltmaßes zwischen Turbinenschaufeln und Behältniswandung an den Turbinenschaufeln vorbei nach oben strömt. Insbesondere wird das Druckgas beim Eintritt in das Turbinenradbehältnis so gesteuert bzw. abgelenkt, dass es zumindest mit einem signifikanten Druckgasanteil im Bereich der Schaufelmitte bzw. eher einem mittleren Bereich der Turbinenschaufeln eingefangen wird, um ein Überströmen der Turbinenschaufeln an den Schaufelrändern zu vermeiden. Erfindungsgemäß ist an dem Druckgaseinlass in dem Behältnis zumindest ein beweglich und/oder einstellbar ausgebildetes Strömungsleitorgan vorgesehen. Durch ein solches beweglich bzw. einstellbares Strömungsleitorgan kann der Druckgaseintritt und dessen Eintrittsrichtung variabel an verschiedene Betriebsparameter der Anlage angepasst werden, beispielsweise an verschieden hohe Drücke des zugeführten Druckgases, an verschiedene Drehzahlen des Turbinenrads oder an andere das Einfangen des Druckgases durch die Turbinenschaufeln beeinflussende Betriebsgrößen.
Das genannte Strömungsleitorgan kann hierbei grundsätzlich verschieden ausgebildet sein, insbesondere in Form eines Strömungsleitblechs, das die Strömungsrichtung und/oder den Strömungsquerschnitt des in den Behälter einströmenden Druckgases beeinflusst.
In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung kann das Strömungsleitorgan derart beschaffen sein, dass durch Verstellung des Strömungsleitorgans die Zuströmrichtung des Druckgases zumindest hinsichtlich ihres Winkels zur Tangente an die Umlaufrichtung des Turbinenrads veränderbar bzw. einstellbar ist, insbesondere dahingehend, ob das Druckgas mehr radial bzw. senkrecht zur Umlaufrichtung oder mehr tangential bzw. flacher zur Umlaufrichtung angestellt zugeführt wird. Das Strömungsleitorgan kann hierzu eine schwenkbare, im Anstellwinkel veränderbare Stellklappe umfassen, wobei die Schwenkbarkeit vorteilhafterweise um zumindest eine Schwenkachse erfolgen kann, die etwa parallel zur Turbinenraddrehachse ausgerichtet sein kann.
Alternativ oder zusätzlich zu einer Veränderbarkeit des Anstellwinkels kann das Strömungsleitorgan auch hinsichtlich der Tiefe seiner Erstreckung in den Turbinenradbehälter hinein einstellbar sein. Insbesondere kann das Maß eingestellt werden, mit welchem das Strömungsleitorgan von einer Behälterinnenumfangswandung zum Turbinenrad hinein vorspringt. In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung kann das Strömungsleitorgan einen verschieblich gelagerten Abschnitt umfassen, der hinsichtlich seines Vorsprungmaßes von der Innenumfangsseite des Behälters zum Turbinenrad hin verstellbar ausgebildet ist. Beispielsweise kann das gesamte Strömungsleitorgan tiefer oder weniger tief verstellt werden. Alternativ oder zusätzlich kann das Strömungsleitorgan auch hinsichtlich seiner Länge bzw. Tiefe verstellbar ausgebildet sein, wobei eine solche Längenverstellbarkeit des Strömungsleitorgans beispielsweise durch eine verschiebliche Leitorganverlängerung erreicht werden kann.
In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung kann stromab des genannten Strömungsleitorgans am Innenumfang des Behältnisses zumindest ein sich quer zur Umlaufrichtung des Turbinenrads erstreckender Dichtvorsprung vorgesehen sein. Mittels eines solchen Dichtvorsprungs lässt sich vermeiden, dass eingeblasenes Druckgas an der Innenumfangswandung entlang wandert, ohne die Turbinenschaufeln zu beaufschlagen. Der genannte Dichtvorsprung, der sich quer zur Turbinenumlaufrichtung über die Innenumfangswandung erstrecken kann, stellt eine Barriere für Druckgasbläschen dar, die beim Überwinden des Dichtvorsprungs nicht mehr tangential zur Innenumfangswandung, sondern zumindest leicht schräg radial nach innen strömen und dort von einer der Turbinenschaufeln eingefangen werden.
Der genannte Dichtvorsprung kann grundsätzlich verschieden ausgebildet sein, beispielsweise in Form einer wallartigen Erhebung, wobei vorteilhafterweise ein Quersteg und/oder eine Dichtlippe als Dichtvorsprung vorgesehen sein kann, der/die etwa radial von der Innenumfangswandung zum Turbinenrad hin vorspringt und eine Höhe besitzt, die im Wesentlichen dem Spaltmaß zwischen den Turbinenschaufeln und der Behältnisinnenumfangswandung entspricht. Durch die stegförmige Konturierung des Dichtvorsprungs mit einer näherungsweise radialen Ausrichtung bzw. einer radialen oder steil angestellten Flanke werden Druckgasbläschen zuverlässig eingefangen und relativ stark umgelenkt, so dass sie zum Inneren des Turbinenrads hin abströmen und in den Eingriffsbereich der Turbinenschaufeln gelangen.
Die Anordnung des genannten Dichtvorsprungs kann relativ nahe beim Druckgaseinlass liegen, ist von diesem aber in Turbinenumlaufrichtung ein Stück weit stromab beabstandet. Vorteilhafterweise kann der genannte Dichtvorsprung in einem der unteren Quadranten des Turbinenradgehäuses an dessen Innenumfangswandung liegen, vorteilhafterweise in einem Bereich zwischen etwa 5:30 Uhr bis 3:30 Uhr – bzw. bei umgekehrter Drehrichtung zwischen 6:30 Uhr und 8:30 Uhr –, wobei in Weiterbildung der Erfindung auch mehrere solcher Dichtvorsprünge – vorzugsweise im genannten Bereich – hintereinander und voneinander beabstandet angeordnet sein können.
In Weiterbildung der Erfindung kann der genannte zumindest eine Dichtvorsprung hinsichtlich seiner zum Turbinenrad hin vorspringenden Höhe einstellbar ausgebildet sein, so dass durch Verstellen des Dichtvorsprungs das Spaltmaß zwischen dem äußeren Ende der Turbinenschaufeln und dem inneren Rand des Dichtvorsprungs einstellbar ist, insbesondere etwa derart, dass das Turbinenrad mit den äußeren Enden der Turbinenschaufeln die Dichtlippe bzw. den Dichtvorsprung näherungsweise spaltfrei überstreichen.
Um das Spaltmaß zwischen Turbinenschaufeln und Dichtvorsprung in der genannten Weise einstellen zu können, kann der Dichtvorsprung, beispielsweise durch einen Schlitz im Turbinengehäuse, insgesamt radial verstellt werden bzw. mit einer radialen Komponente verschoben werden. Alternativ oder zusätzlich kann der Dichtvorsprung auch selbst höhenverstellbar ausgebildet sein, beispielsweise ein verstellbares, beispielsweise radial verschiebliches Dichtlippenende umfassen.
Um die vom Druckgaseinlass her eingeleitete Druckgasströmung möglichst zu einer Schaufelmitte der Turbinenschaufel hin zu leiten, kann das Strömungsleitorgan und/oder der zumindest eine Dichtvorsprung einen gekrümmten und/oder geknickten Verlauf besitzen, so dass sich das Strömungsleitorgan bzw. der Dichtvorsprung nicht exakt quer zur Umlaufrichtung erstreckt bzw. sich nicht über die gesamte Breite exakt quer zur Umlaufrichtung erstreckt. Insbesondere kann das Strömungsleitorgan und/oder der Dichtvorsprung eine in Umlaufrichtung des Turbinenrads zur Mitte hin zusammenlaufende Konturierung besitzen, beispielsweise einen V-förmigen oder leicht U-förmigen oder parabelförmigen Verlauf, bei dem die Randabschnitte des Dichtvorsprungs bzw. des Strömungsleitorgans stromauf des Mittelabschnitts liegen und demzufolge die Druckgasströmung trichterartig zu einem Mittelabschnitt hin geleitet wird.
In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung können die Turbinenschaufeln in Richtung der Turbinenraddrehachse betrachtet einen im Wesentlichen geraden Verlauf besitzen und gegenüber der Radialrichtung spitzwinklig geneigt angestellt sein, vorzugsweise derart, dass die äußeren Schaufelenden den inneren Schaufelenden nachlaufen. Die Turbinenschaufeln sind also vorteilhafterweise nicht exakt radial, sondern spitzwinklig geneigt nach hinten angestellt, wodurch der Wirkungsgrad optimiert wird. Im Gegensatz zu gebogenen Turbinenschaufeln vermeidet eine geradlinige Ausbildung der Turbinenschaufeln die Problematik, dass das Druckgas an den Rand des Gehäuses gedrückt wird, wo der Weg für das Druckgas länger ist und insofern eine schlechtere Wirkung eintritt, was auf den ersten Blick widersprüchlich erscheint, da man vermuten könnte, dass aufgrund des längeren Hebelarms eine bessere Wirkung erzielt wird. In der Praxis hat sich allerdings gezeigt, dass durch den längeren Weg an den äußeren Enden des Turbinenrads die Luft nicht schnell genug aufsteigen kann, um das Turbinenrad kräftig anzutreiben bzw. ein Teil des Druckgases über das Spaltmaß zwischen Turbinenschaufeln und Innenumfangswandung wirkungslos bleibt. Insofern kann durch eine gerade Schaufelausbildung ein erhöhter Wirkungsgrad erzielt werden.
Alternativ oder zusätzlich zu der zuvor erläuterten Verstellbarkeit des Dichtvorsprungs an der Behältnisinnenwandung kann es auch vorteilhaft sein, die Turbinenschaufeln durch bewegliche und/oder elastische Schaufelenden gegenüber dem Dichtungsvorsprung an der Umfangswandung des Turbinengehäuses und/oder gegenüber dem genannten Strömungsleitorgan abzudichten, um ein Vorbeiströmen des Gases an den Turbinenschaufeln durch einen zu großen Spalt zwischen Turbinenschaufeln und Turbinengehäuse zu vermeiden. Dabei können die Turbinenschaufeln beweglich und/oder einstellbar ausgebildete Schaufelendverlängerungen besitzen, die im Wesentlichen spaltfrei zu dem Dichtungsvorsprung dichten.
In Weiterbildung der Erfindung können die Schaufelendverlängerungen aus elastischen, insbesondere gummielastischen Endlippen bestehen, die sich elastisch an die Innenumfangsfläche des Turbinengehäuses anschmiegen bzw. spaltfrei über die dort vorgesehenen Dichtleisten und das Eintrittsleitblech streifen können und hierbei auch Formtoleranzen und Unrundheiten bzw. Lagetoleranzen der Turbinenachse ausgleichen können. In Weiterbildung der Erfindung können an den äußeren Enden der Turbinenschaufeln Gummiklappen bzw. Gummilippen vorgesehen sein, die die Turbinenschaufeln nach außen hin verlängern und ggf. unter leichter Verformung an der Behälterwandung entlanglaufen und dabei die Turbinenschaufel gegen den Behälter abdichten.
Alternativ oder zusätzlich zu einer solchen gummielastischen Ausbildung können die Schaufelendverlängerungen durch ein Schiebelager in Schaufellängsrichtung verschiebbar am jeweiligen Turbinenschaufelblatt und/oder durch Schwenklager um Schwenkachsen, die sich parallel zur Turbinendrehachse erstrecken, schwenkbar am jeweiligen Schaufelblatt gelagert sein, so dass sich die Schaufelendverlängerungen radial bzw. in Schaufelblattlängsrichtung ausfahren lassen bzw. nach außen verkippen können, um möglichst spaltfrei über die Dichtlippen am Innenumfang des Behälters hinwegstreichen zu können. Durch die Verschiebbarkeit und/oder Kippbarkeit lässt sich die effektive, d. h. in radialer Richtung wirksame Schaufelblattlänge bzw. der Turbinendurchmesser verändern und exakt an den Durchmesser des Behälters anpassen. Dabei kann eine feste Einstellbarkeit vorgesehen sein, beispielsweise durch lösbare Klemmschrauben, um die exakte Stellung und Ausrichtung der Schaufelendverlängerung justieren und dann fixieren zu können.
Vorteilhafterweise ist dabei die Kraftmaschine so ausgebildet, dass sich die gespeicherte Flüssigkeit, in der das Turbinenrad läuft, im Kreis entsprechend der Umlaufbahn des Turbinenrads mitdreht, und im genannten Flüssigkeitsbad eine Dichtedifferenz zu schaffen, so dass nicht nur die Auftriebskraft der in der Flüssigkeit aufsteigenden Gasbläschen, sondern auch die Gewichtskraft der Flüssigkeitsmenge im „schwereren” Abschnitt des Flüssigkeitsbads, in dem die Dichte höher ist, die Schaufeln des Turbinenrads antreibt. Insbesondere bildet das mit Flüssigkeit geflutete Behältnis ein an die Umfangsseite des Turbinenrads formangepasstes, das Turbinenrad umlaufend passgenau umschließendes Turbinengehäuse, das näherungsweise vollständig mit Flüssigkeit befüllt ist, zumindest im eingeschwungenen Zustand nach Einleitung des Druckgases, so dass das Turbinenrad ohne Aus- und Wiedereintauchen umläuft und die im Turbinengehäuse eingeschlossene Flüssigkeit mit dem Turbinenrad im Kreis umläuft. Hierdurch wird das Turbinenrad zusammen mit der umlaufenden Wassermenge zu einem Schwungrad, das von der Dichtedifferenz im Turbinengehäuse, die durch das Einleiten der Druckluft erzeugt wird, angetrieben wird. Dabei kann das Turbinenradgehäuse an seinem oberen Ende einen Ausdehnungsbereich umfassen, beispielsweise durch weiter vom Umfangskreis des Turbinenrads beabstandete Ecken, um die Ausdehnung bzw. Erhöhung des Flüssigkeitspegels nach Einleitung des Druckgases zuzulassen. Zudem kann ein solcher Ausdehnungsbereich am oberen Endbereich des Turbinengehäuses, insbesondere im Bereich des Druckgasauslasses den Druckgasaustritt bei niedrigem Druck erleichtern.
In Weiterbildung der Erfindung kann dabei die Druckluft im Kreislauf, ggf. in einem halboffenen Kreis, geführt werden, so dass sich zwei umlaufende Kreisläufe bilden, die einander im Bereich des Turbinengehäuses zwischen dessen Druckgaseinlass und Gasauslass überlappen. Einerseits läuft die im Turbinengehäuse gespeicherte Flüssigkeit im Kreis, während andererseits das in das Turbinengehäuse eingeleitete Druckgas nach seinem Wiederaustritt aus dem Turbinengehäuse rückgeführt und erneut in die Turbine eingeführt wird, so dass auch das die Dichtedifferenz in der Turbine bewirkende Druckgas im Kreislauf geführt wird. Durch die Rückführung des Antriebgases kann die darin enthaltene Restenergiemenge genutzt werden, da der Druckerzeuger lediglich noch die Differenz zwischen dem Restdruck des rückgeführten Gases und dem Solldruck auf der Einlassseite der Turbine erzeugen muss, so dass der Druckerzeuger mit weniger zugeführter Energie auskommt.
In Weiterbildung der Erfindung kann hierbei auch mit Unterdruck und/oder Vakuum gearbeitet werden, vorteilhafterweise dergestalt, dass im Bereich des Gasauslasses aus dem Behälter, der vorteilhafterweise in einem oberen Behälterbereich angeordnet ist, Unterdruck erzeugt bzw. daran angelegt wird, um das Antriebsgas sozusagen aus dem Turbinenbehälter abzusaugen.
Alternativ zu einem solchen Druckluftkreislauf kann allerdings auch in einem offenen System gearbeitet werden, bei dem die austretende Druckluft bzw. das Druckgas nicht mehr eingefangen wird. Dies kann je nach Ausbildung des Druckerzeugers vorteilhaft sein, insbesondere dann, wenn der Druckerzeuger auch ohne Rückspeisung ausreichend Druckgas erzeugen kann, wodurch insgesamt das System vereinfacht wird.
Das Turbinengehäuse kann zumindest abschnitts- bzw. segmentweise insbesondere rotationssymmetrisch bezüglich der Drehachse des Turbinenrads ausgebildet sein, insbesondere in einer unteren Behältnishälfte. Bei zylindrischer Hüllfläche des Turbinenrads kann das Turbinengehäuse zumindest in einer unteren Hälfte eine im Wesentlichen kreisrunde Konturierung bzw. eine zylindrische Umfangsfläche besitzen, deren Durchmesser an den Durchmesser des Turbinenrads angepasst ist.
Das Turbinenrad kann als Zellenrad ausgebildet sein, das eine Vielzahl von von der Drehachse nach außen laufende Schaufeln besitzt.
Das Turbinengehäuse ist im Bereich, der die Turbinenschaufeln überdeckt, vorteilhafterweise mit Ausnahme des Druckgaseinlasses und des Gasauslasses geschlossen ausgebildet, so dass die im Turbinengehäuse gespeicherte Flüssigkeitsmenge vollständig abgeschlossen ist und lediglich das zum Antreiben des Turbinenrads eingeleitete Druckgas in das Turbinengehäuse eintritt und aus diesem austritt.
In Weiterbildung der Erfindung kann das Turbinengehäuse in einem Bereich, der das Turbinenrad innerhalb dessen Turbinenschaufeln überdeckt, mit Belüftungs-/Entlüftungsöffnungen versehen sein, die ggf. durch ein Ventil verschließbar ausgebildet sein können. Hierdurch kann der Turbineninnenraum innerhalb der Turbinenschaufeln entlüftet und belüftet werden. Die Turbinenschaufeln sitzen vorteilhafterweise an einem Turbinenkranz, der die Zwischenräume zwischen den Turbinenschaufeln zur Innenseite hin abdichtet, so dass das Turbinenrad einen innerhalb der Turbinenschaufeln liegenden Zentralbereich besitzt. Dieser Zentralbereich des Turbinenrads kommuniziert mit den genannten Belüftungs-/Entlüftungsöffnungen in der Behälterwandung.
In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung erreicht der Flüssigkeitspegel im Turbinengehäuse im gasfreien Zustand, d. h. ohne Einblasen von Druckluft mindestens den höchsten Punkt des Turbinenrads, während bei eingeblasenem Druckgas im Betriebszustand der genannte Flüssigkeitspegel über die genannte höchste Stelle des Turbinenrads hinaus reicht. Der Druckgaseinlass ist vorteilhafterweise am Boden des Turbinengehäuses vorgesehen. Der Gasauslass ist vorteilhafterweise an der Oberseite des Turbinengehäuses an einem Scheitelpunkt des Turbinengehäuses vorgesehen. Hierdurch kann eine maximale hydraulische Arbeitshöhe erreicht werden, d. h. die Dichtedifferenz zwischen den beiden Abschnitten des Turbineninnenraums mit unterschiedlicher Dichte des darin gespeicherten Mediums erreicht eine maximale Höhe, wodurch sich maximale Antriebskräfte ergeben.
In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung wird das Turbinenrad in aufrechter Stellung betrieben. Insbesondere kann die Drehachse des Turbinenrads horizontal ausgerichtet sein. Gegebenenfalls könnte auch mit Schrägstellungen der Drehachse gearbeitet werden, wobei jedoch die genannte horizontale Ausrichtung bevorzugt ist.
Die Druckerzeugung des Druckgases kann grundsätzlich auf verschiedene Art und Weise erfolgen. Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung kann der Druckerzeuger zumindest einen Druckgasverdrängungsbehälter umfassen, der über einen Flüssigkeitszulauf mit Flüssigkeit flutbar ist und einen Druckgasauslass zum Abgeben des von der Flüssigkeit verdrängten Druckgases aufweist. Vorteilhafterweise arbeitet der Druckerzeuger dabei nach dem Verdrängerprinzip im Niederdruckbereich, für den keine großen Wasserfall- bzw. -stauhöhen notwendig sind. Es können schon 1 m bis 2 m Wasserhöhe ausreichend sein, um in dem Druckgasverdrängungsbehälter ausreichend Druckgas bereitstellen zu können.
Um kontinuierlich oder quasi kontinuierlich arbeiten und Druckgas bereitstellen zu können, umfasst der Druckerzeuger in vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung zumindest zwei solcher Druckgasverdrängungsbehälter, deren Flüssigkeitszulauf und – ablauf von einer Steuervorrichtung zyklisch im Wechsel miteinander gesteuert wird derart, dass während des Flutens eines ersten Druckgasverdrängungsbehälters aus einem zweiten Druckgasverdrängungsbehälter die Flüssigkeit abgelassen wird. Die mehreren Druckgasverdrängungsbehälter produzieren im Wechsel miteinander und damit kontinuierlich Druckgas. Insbesondere wird jeweils zumindest einer der mehreren Druckgasbehälter geflutet, wodurch entsprechend Druckgas bereitgestellt wird.
Die Druckgasverdrängungsbehälter können grundsätzlich verschieden ausgebildet sein, beispielsweise in Form länglicher, im Querschnitt zylindrischer Behälter, die an einem Ende einen Flüssigkeitszulauf und am anderen Ende einen Flüssigkeitsablauf besitzen, die jeweils durch eine Ventileinrichtung gesperrt und geöffnet werden können. An einem oberen Wandungsabschnitt des Behälters kann ein Druckgasauslass vorgesehen sein, über den das beim Fluten entstehende, verdrängte Druckgas abgelassen werden kann. Über ein Belüftungsventil bzw. einen Belüftungseinlass kann der Behälter wieder mit Luft bzw. Gas befüllt werden, wenn der geflutete Behälter wieder geleert wird.
Ein solcher nach dem Verdrängerprinzip arbeitender Druckerzeuger besitzt große Vorteile. Zum einen kann mit relativ niedrigen Wasserhöhen gearbeitet werden, wodurch die Anlage praktisch an jeder kleineren Staustufe, beispielsweise bereits im Flussregulierungsbereich eingesetzt werden kann. Im Vergleich zu direkt von fließendem Wasser angetriebenen Wasserturbinen ist es dabei aber nicht erforderlich, das Turbinenrad unmittelbar im Wasser oder zumindest auf Wasserhöhe anzuordnen. Vielmehr ist eine größere Freiheit bezüglich der Anordnung des Turbinenrads gegeben, da durch den Antrieb über das Druckgas das Turbinenrad auch neben oder auch oberhalb des Wasserpegels angeordnet werden kann. Die erzeugte Druckluft kann problemlos zum Aufstellort des Turbinenrads geleitet werden.
Zum anderen arbeitet die Anlage fischfreundlich bzw. wassertierfreundlich, da in dem Druckgasverdrängungsbehälter schwimmende Fische oder andere Tiere beim Ablassen ohne Probleme wieder freigegeben werden, ohne dass es zu Verletzungen wie beispielsweise an Turbinenschaufeln kommt.
Alternativ oder zusätzlich zu einem solchen nach dem Verdrängerprinzip arbeitenden Druckerzeuger kann der Druckerzeuger auch einen ausreichend großen Windtrichter mit einem Druckgasanschluss am Trichterausgang umfassen. Ein solcher Windtrichter kann beispielsweise in Form eines feststehenden oder auch beweglichen, unterschiedlich anstellbaren Windenergiesegels ausgebildet sein, welches beispielsweise ein biegeschlaffes oder flexibles Segeltuch umfassen kann, das von einem Mast und/oder einem Baum und/oder Segellatten aufgespannt wird und einen vorzugsweise zentral angeordenten Druckanschluss umfasst.
Alternativ oder zusätzlich zu einem solchen Windtrichter kann der Druckerzeuger auch eine Geothermieanlage umfassen bzw. Teil einer Geothermieanlage sein bzw. die Abluft einer Geothermieanlage nutzen.
Alternativ oder zusätzlich kann die Druckgasgewinnung auch über die Restausnutzung von Industriedruckanlagen erfolgen, beispielsweise an die Abluft eines Kühlturms angeschlossen sein.
Alternativ oder zusätzlich kann der Druckerzeuger ein Aufwindkraftwerk umfassen und/oder an den Auslass eines solches Aufwindkraftwerks angeschlossen sein.
Alternativ oder zusätzlich kann der Druckerzeuger einen Dampfkessel umfassen und/oder eine Druckkammer in einer Abwasseranlage umfassen.
Alternativ oder zusätzlich kann als Druckerzeuger ein Wellen- und/oder Gewässerpegel-Druckerzeuger Verwendung finden, der durch steigende und/oder fallende Wasserpegel bzw. -oberflächen angetrieben wird. Dies kann beispielsweise ein Wellendruckerzeuger sein, der ein von Gewässerwellen auf und ab bewegtes Antriebselement umfasst. Um den Wirkungsgrad des Wellenschlags zu erhöhen, kann der Wellendruckerzeuger hierbei eine Wellenbarriere beispielsweise in Form einer quer zur Wellenlaufrichtung angeordneten, aufrechten Anlaufwand umfassen, wobei vorteilhafterweise vor der Wellenbarriere ein Antriebselement beispielsweise in Form einer liegend angeordneten Platte oder Schwimmkörpers vorgesehen sein kann. Der vor der Barriere auflaufende, auf und nieder gehende Wellenschlag treibt das Antriebselement in aufrechter Richtung hin und her gehend an, so dass zyklisch Druckluft bereitgestellt werden kann.
Alternativ oder zusätzlich kann auch ein zyklisch steigender und fallender Wasserpegel, beispielsweise in Staugewässern oder bei Tidenhub in entsprechende Weise ausgenutzt werden.
Alternativ oder zusätzlich zu einem solchen Wellen- bzw. Gewässerpegel-Druckaufnehmer kann die Druckerzeugung auch mittels eines Hydrokompressors erfolgen, der nach dem Prinzip einer kommunizierenden Röhre arbeiten und das Druckgefälle zwischen zwei Wasserpegeln ausnutzen kann. Insbesondere kann ein solcher Hydrokompressor ein Flüssigkeitsfallrohr, ein Flüssigkeitssteigrohr und einen Drucktank umfassen, der als Luftabscheider dient und vorteilhafterweise am tiefsten Punkt der Verrohrung angeordnet sein kann. Die Fallleitung kann vorteilhafterweise mit einem offenen Saugkopf zum Ansaugen von Luft ausgestattet sein, um durch den beim Herabfallen der Flüssigkeit entstehenden Unterdruck in der Fallleitung Luft anzusaugen und mit in die Tiefe zu reißen. Durch einen vorteilhafterweise am tiefsten Punkt angeordneten Luftabscheider kann die mitgenommene Luft abgeschieden und als Druckluft bereitgestellt werden.
Durch einen derartigen Hydrokompressor können große Druckluftmengen gewonnen werden, die vorteilhafterweise zum Antrieb des Turbinenrads der Anlage genutzt werden können.
Alternativ oder zusätzlich kann in Weiterbildung der Erfindung zur Erzeugung der Druckluft eine vorzugsweise schnell laufende Turbopumpe Verwendung finden.
Alternativ oder zusätzlich kann die Druckerzeugung mittels eines Windradverdichters erfolgen. Vorteilhafterweise kann hierbei ein Windrad über ein geeignetes Getriebe, beispielsweise ein Kurbelwellengetriebe, einen Verdichter antreiben.
Alternativ oder zusätzlich kann die Druckluft auch aus einem Druckluftdepot gewonnen werden, beispielsweise einem bergmännischen Druckluftdepot in Form einer unter Tage liegenden Druckluftkammer. Alternativ oder zusätzlich können hier auch natürlich Druckluftvorkommen als Druckerzeuger genutzt werden, beispielsweise Vulkangaskammern.
Alternativ oder zusätzlich können auch strömende Gewässer zur Druckluftzeugung genutzt werden, vorteilhafterweise mittels einer Wasserrad- und/oder Turbinenradpumpe, bei der ein Wasserrad oder ein Turbinenrad eine Luftpumpe antreibt.
Vorteilhafterweise kann die genannte Kolbenpumpe doppeltwirkend ausgebildet sein, so dass jeder der beiden hin- und hergehenden Kolbenhübe eine Druckluftmenge bereitstellt.
Die erzeugte Antriebsbewegung des Turbinenrads kann in verschiedener Art und Weise abgegriffen werden. In Weiterbildung der Erfindung kann mit der Turbinenwelle gegebenenfalls über ein geeignetes Getriebe ein Generator gekoppelt, der die Antriebsbewegung des Turbinenrads in elektrischen Strom umwandelt.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels und zugehöriger Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
1: eine schematische Darstellung der Kraftmaschine nach einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung, die die Druckluftspeisung aus einem Druckerzeuger in Form von Verdrängerkammern zeigt, wobei die Teilansicht (a) die Anlage im Aufriss und die Teilansicht (b) die Anlage in Draufsicht zeigt,
2: eine schematische Darstellung der Kraftmaschine ohne Druckerzeuger, die den Druckluftkreis und die Anordnung des Turbinenrads im Inneren des Behältnisses zeigt und die Strömungsleitorgane im Druckgaseintrittsbereich zeigt,
3: eine schematische Darstellung der Kraftmaschine ähnlich 2, wobei ein im Gasaustrittsbereich angeordneter Kondensator zum Kondensieren von Abluftdampf dargestellt ist,
4: eine vergrößerte, ausschnittsweise Darstellung der Anbindung der Kraftmaschine aus 1 an den Druckerzeuger und dessen Verdrängerkammer,
5: eine schematische Darstellung eines Druckerzeugers zur Bereitstellung der Antriebsdruckluft, der nach einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung als Windtrichter bzw. Energiesegel ausgebildet ist,
6: eine schematische Darstellung eines Druckerzeugers zur Bereitstellung der Antriebsdruckluft, der nach einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung ein Geothermiekraftwerk umfasst bzw. daran angeschlossen ist,
7: eine schematische Darstellung eines Druckerzeugers zur Bereitstellung der Antriebsdruckluft, der nach einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung eine Industriedruckanlage beispielsweise in Form eines Kühlturms umfasst bzw. daran angeschlossen ist und deren Druckluftreste ausnutzt,
8: eine schematische Darstellung eines Druckerzeugers zur Bereitstellung der Antriebsdruckluft, der nach einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung als Aufwindkraftwerk ausgebildet ist bzw. an den Auslass eines solchen Aufwindkraftwerks angeschlossen ist,
9: eine schematische Darstellung eines Druckerzeugers zur Bereitstellung der Antriebsdruckluft, der nach einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung ein Druckspeicherbauwerk wie ein Bergwerk umfasst bzw. daran angeschlossen ist,
10: eine schematische Darstellung eines Druckerzeugers zur Bereitstellung der Antriebsdruckluft, der nach einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung einen Dampfkessel umfasst,
11: eine schematische Darstellung eines Druckerzeugers zur Bereitstellung der Antriebsdruckluft, der nach einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung eine Druckkammer in eine Abwassersystem umfasst,
12: eine schematische Darstellung eines Druckerzeugers zur Bereitstellung der Antriebsdruckluft, der nach einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung als Wellendruckaufnehmer ausgebildet ist,
13: eine schematische Darstellung eines Druckerzeugers zur Bereitstellung der Antriebsdruckluft, der nach einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung als Hydrokompressor ausgebildet ist,
14: eine schematische Darstellung eines Druckerzeugers zur Bereitstellung der Antriebsdruckluft, der nach einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung eine Turbopumpe umfasst,
15: eine schematische Darstellung eines Druckerzeugers zur Bereitstellung der Antriebsdruckluft, der nach einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung einen Windradverdichter umfasst,
16: eine schematische Darstellung eines Druckerzeugers zur Bereitstellung der Antriebsdruckluft, der nach einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung ein Druckluftdepot umfasst,
17: eine schematische Darstellung eines Druckerzeugers zur Bereitstellung der Antriebsdruckluft, der nach einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung ein Naturdruckluftvorkommen umfasst,
18: eine schematische Darstellung eines Druckerzeugers zur Bereitstellung der Antriebsdruckluft, der nach einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung ein Wasserrad, das eine Luftpumpe antreibt, umfasst,
19: eine schematische Darstellung eines Druckerzeugers zur Bereitstellung der Antriebsdruckluft, der nach einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung einen mit Fremdenergie antreibbaren Verdichter umfasst, und
20: eine schematische, ausschnittsweise vergrößerte Darstellung der Kraftmaschine ohne Druckerzeuger, die den Druckluftkreis und die Anordnung des Turbinenrads im Inneren des Behältnisses zeigt und die Strömungsleitorgane im Druckgaseintrittsbereich zeigt.
Die in den Figuren gezeigte Kraftmaschine 1 umfasst ein Turbinenrad 2, das um eine liegende, insbesondere horizontale Turbinenachse 3 drehbar in einem Turbinengehäuse 4 angeordnet ist. Das Turbinenrad 2 umfasst eine Vielzahl von der Turbinenachse 3 nach außen weggehende Turbinenschaufeln 5, die entgegen der Drehrichtung nach hinten geneigt angestellt und mit geradem, insbesondere ebenem Verlauf ausgebildet sind. Die genannten Turbinenschaufeln 5 können hierbei aus plattenförmigen, ebenen Paneelen gefertigt sein und eine gleichbleibende Breite besitzen. Vorteilhafterweise sind die Stirnseiten des Turbinenrads 2 von Stirnscheiben verschlossen, die auf den seitlichen Flanken der genannten Turbinenschaufeln 5 sitzen, so dass zwischen den Turbinenschaufeln 5 zur Seite hin geschlossene und nur zur Umfangsseite hin offene Zellen gebildet sind.
Das Turbinengehäuse 4 ist an die Kontur des Turbinenrads 2 formangepasst, insbesondere derart, dass das Turbinenrad 2 entlang seiner unteren Hälfte umfangsseitig umlaufend passgenau mit einem Umfangsspalt umschlossen ist. Insbesondere kann das Turbinengehäuse 4 im Bereich seiner unteren Hälfte eine rotationssymmetrische Konturierung besitzen, wobei in der gezeichneten Ausführungsform das Turbinengehäuse 4 im Wesentlichen die Form eines Zylinders besitzt, dessen Kontur aus einem Halbkreis und einem daran anschließenden Rechteck zusammengesetzt ist, wobei der Durchmesser des Halbkreises im Wesentlichen dem Durchmesser des Turbinenrads 2 entspricht bzw. gerinfügig größer ist. Von der Größe her sind selbstverständlich verschiedene Bauformen möglich, die an die zu erzeugende Energiemenge und/oder an die zur Verfügung stehende Druckluftmenge angepasst sein kann. Beispielsweise können Turbinengehäuse mit einigen Tausend Litern Füllvermögen vorgesehen sein.
Der Innenraum des Turbinengehäuses 4 ist in der gezeichneten Ausführung nahezu vollständig mit Wasser befüllt, wobei auch andere Flüssigkeiten Verwendung finden können. Um ein vollständiges Befüllen des Turbinengehäuses 4 zu ermöglichen bzw. das beim Einblasen der Druckluft verdrängte Flüssigkeitsvolumen entweichen zu lassen, kann an der Oberseite des Turbinengehäuses 4 ein in der Zeichnung dargestelltes Ausgleichsvolumen in Form eines Übermaßes des Behältnisses vorgegeben sein, in das sich nach Einblasen der Druckluft ausdehnende Flüssigkeit ausdehnen kann.
An das Turbinengehäuse 4 ist ein Druckgaskreis 6 angeschlossen, der vorteilhafterweise mit Luft arbeiten kann, wobei jedoch auch andere Gase oder Gasgemische Verwendung finden können.
Der genannte Druckgaskreis 6, der geschlossen oder halbgeschlossen ausgebildet sein kann, umfasst einen Druckerzeuger 7, der in verschiedene Art und Weise angetrieben sein kann. Die Druckseite des Druckerzeugers 7 ist über eine Druckleitung 8 mit einem Druckgaseinlass 9 verbunden, der mit dem Innenraum des Turbinengehäuses 4 kommuniziert und in der gezeichneten Ausführungsform an der Unterseite bzw. dem Boden 10 des Turbinengehäuses 4 an dessen tiefster Stelle verbunden ist.
Das über den genannten Druckgaseinlass eingeleitete Druckgas steigt in der im Turbinengehäuse 4 gespeicherten Flüssigkeit auf und verlässt das Turbinengehäuse 4 über einen an der Oberseite bzw. der Decke 11 des Turbinengehäuses 4 an deren höchster Stelle vorgesehenen Gasauslass 12. Mit genannten Gasauslass 12 ist eine Rückführleitung 13 verbunden, die mit der Eingangsseite des Druckerzeugers 7 kommuniziert.
Wie 1 zeigt, kann der Druckerzeuger 7 vorteilhafterweise nach dem Verdrängerprinzip arbeiten und mehrere Druckgasverdrängungsbehälter 50 umfassen, die mit Flüssigkeit geflutet werden können, um hierdurch zuvor im Druckgasverdrängungsbehälter befindliches Druckgas zu verdrängen und als Antrieb für die Kraftmaschine zu nutzen.
Die genannten Druckgasverdrängungsbehälter 50 können beispielsweise in Form liegender, länglicher Behältnisse ausgebildet sein, beispielsweise in Form von Röhren oder Zylindern, die von ihrem einen Ende her jeweils über einen Flüssigkeitszulauf 51 her befüllt und am gegenüberliegenden Ende über jeweils einen Flüssigkeitsablauf 52 entleert werden können. Das abgelassene Wasser bzw. Fluid kann über einen Ablauf abgeleitet werden. Das durch das Fluten des jeweiligen Behälters 50 verdrängte Gas – insbesondere in Form von Luft – kann über einen Druckgasauslass 53, der an einer Oberseite des jeweiligen Behälters angebracht sein kann, in die genannte Druckgasleitung 8 gespeist werden.
Die Flüssigkeitszuläufe und -abläufe 51 und 52 können mit Ventilen beschaltet sein und hierdurch geöffnet und abgesperrt werden, wobei das Öffnen und Schließen der Zuläufe und Abläufe 51 und 52 vorteilhafterweise von einer Steuervorrichtung 54 her gesteuert werden kann, insbesondere derart im Wechsel zueinander, dass jeweils zumindest einer der Behälter geflutet wird, so dass faktisch kontinuierlich Druckluft bereitgestellt wird.
Wie 1 zeigt, kann das Fluten der Druckgasbehälter 50 von einer Staustufe her erfolgen. Wird einer der Behälter wieder entleert, d. h. die Flüssigkeit abgelassen, kann neues Druckgas über eine Belüftung 55 in die Behälter strömen.
Wie 2 und 20 zeigen, führt das über die Druckleitung 8 und den Druckgaseinlass 9 in das Innere des Turbinengehäuses 4 geleitete Druckgas am Druckgaseinlass mittels eines Strömungsleitorgans 40 hinsichtlich seiner Eintrittsrichtung und seiner Auftreffposition auf die Turbinenschaufeln 5 gesteuert und an die jeweiligen Betriebsbedingungen angepasst. Das genannte Strömungsleitorgan 40 umfasst hierzu eine im Anstellwinkel veränderbare Stellklappe 41, die um eine Schwenkachse 42 verschwenkbar ist, die sich im Wesentlichen parallel zur Turbinenradachse 3 erstreckt. Alternativ oder zusätzlich zu der genannten Verschwenkbarkeit kann die genannte Stellklappe 41 tiefer und weniger tief zugestellt werden, d. h. in das Turbinengehäuse hinein bzw. weniger weit hinein verstellt werden, beispielsweise durch eine verschiebliche Lagerung an der Schwenkachse 42 oder eine Längenveränderbarkeit der Klappe selbst.
Insbesondere kann die genannte Stellklappe 41 in etwa so weit zugestellt werden, dass die Turbinenschaufeln 5 mit ihren äußeren Enden näherungsweise spaltfrei über das Strömungsleitorgan 40 hinwegstreichen.
Stromab des genannten Strömungsleitorgans 40 ist am Innenumfang des Behältnisses ferner ein sich quer zur Umlaufrichtung erstreckender Dichtvorsprung 43 vorgesehen, der etwa in Form eines Querstegs bzw. einer Dichtlippe ausgebildet sein kann, die radial von der Innenumfangswandung zum Turbinenrad 2 hin vorspringt und eine Höhe H besitzt, die im Wesentlichen dem Spaltmaß zwischen den Turbinenschaufeln 5 und der Behältnisumfangswandung entspricht.
Auch der genannte Dichtvorsprung 43 ist vorteilhafterweise einstellbar ausgebildet, und zwar hinsichtlich seines Vorsprungsmaßes und/oder seines Anstellwinkels.
Wie 4 zeigt, kann alternativ oder zusätzlich zu den Druckgasverdrängungsbehältern, die in den 1 und 4 dargestellt sind, der Druckerzeuger 7 auch einen Windtrichter 56 umfassen, beispielsweise in Form eines feststehenden oder auch beweglichen, unterschiedlich anstellbaren Windenergiesegels 57, das beispielsweise aus einem biegeschlaffen oder flexiblen Segeltuch bestehen kann, das von einem Mast und/oder einem Baum und/oder Segellatten aufgespannt sein kann. Der über einen querschnittsflächenmäßig relativ großen Einlass eingefangene Wind wird zu einem immer enger werdenden Trichterauslass 58 hin verdichtet und von dort in die Druckleitung 8 gespeist, über die das Druckgas dann der Kraftmaschine 1 zugeführt wird.
Alternativ oder zusätzlich kann der Druckerzeuger 7, wie 6 zeigt, auch ein Geothermiesystem umfassen bzw. Teil einer Geothermieanlage 59 sein, mittels derer Erdwärme dazu verwendet wird, um Gas zu erhitzen und somit auch im Druck zu erhöhen, vgl. 6.
Alternativ oder zusätzlich kann der Druckerzeuger 7 auch eine Druckrestausnutzung an Industrieanlagen umfassen, beispielsweise an die Abluft eines Kühlturms 60 angeschlossen sein.
Wie 8 zeigt, kann der Druckerzeuger 7 auch ein Aufwindkraftwerk 61 umfassen. Über einen talseitig bzw. unten liegenden Einlauf 62 wird Luft zugeführt, die in sich durch Sonnenstrahlung oder anderweitig erhitzten Steige- bzw. Aufwindleitungen erwärmt und dadurch beschleunigt wird, so dass sie über die Druckleitung 8 der Kraftmaschine 1 zugeführt werden kann.
Wie 9 zeigt, kann der Druckerzeuger 7 auch Druckspeicherbauwerke wie beispielsweise ein Bergwerk 63 umfassen. Aus den Druckspeichern des Bergwerks 63 wird Druckluft in die Druckleitung 8 gespeist, um sie der Kraftmaschine 1 zuzuführen, vgl. 9.
Wie 10 zeigt, kann der Druckerzeuger 7 auch einen beheizbaren Dampfkessel 64 umfassen, in dem Druckdampf erzeugt wird, der über die Druckleitung 8 in die Kraftmaschine 1 gespeist wird.
Ein weiteres Bespiel für die Ausbildung des Druckerzeugers 7 zeigt 11, wonach auch aus den Druckkammern 65 in Abwasseranlagen 66 Druckgas generiert bzw. abgegriffen werden kann, welches dann über die genannte Druckleitung 8 in die Kraftmaschine 1 gespeist wird, wie zuvor erläutert.
Wie 12 zeigt, kann der Druckerzeuger 7 auch einen Wellendruckaufnehmer 17 umfassen, der vom Wellenschlag eines Gewässers auf und ab gehend angetrieben werden kann. Um die Wirkung des Wellenschlages zu erhöhen, kann der Wellendruckaufnehmer 17 eine Wellenbarriere 18 beispielsweise in Form einer Mauer oder einer Wand umfassen, die sich vorteilhafterweise aufrecht quer zur Wellenlaufrichtung erstreckt, so dass die gegen die Wellenbarriere 18 laufenden Wellen nach oben schlagen und ein Antriebselement 19 des Wellendruckaufnehmers 17 nach oben drücken. Das genannten Antriebselement 17 kann beispielsweise eine Platte oder ein Kolben sein, welcher in einem Druckbehälter aufrecht beweglich geführt ist, wobei der Druckbehälter mit einem Zuluftanschluss und einem Druckluftanschluss versehen ist, die mit Ventilen beschaltet sein können, so dass die auf und nieder gehende Bewegung des Antriebselements 19, erzwungen durch den Wellenschlag, Druckluft bereitstellt, welche über die Druckleitung 8 der Kraftmaschine 1 bereitgestellt werden kann.
Wie 13 zeigt, kann der Druckerzeuger 7 auch einen Hydrokompressor 20 umfassen, der durch bereitgestellten, hydraulischen Wasserdruck Druckluft bereitstellen kann. Der Hydrokompressor 20 umfasst hierbei eine Fallleitung 22 und eine Steigleitung 23, die am tiefsten Punkt des Leitungssystems durch eine Druckkammer miteinander verbunden sind, die als Luftabscheider 21 ausgebildet ist. Wie 13 zeigt, wird die Fallleitung 22 aus einem Gewässer gespeist, dessen Pegel über dem Pegel des Gewässers liegt, in welches die Steigleitung 23 mündet. Durch die Pegeldifferenz stürzt durch die Fallleitung 22 Wasser und damit herabgerissene Luft in den Luftabscheider 21, in welchem die mitgerissene Luft abgeschieden und als Druckluft in die Druckleitung 8 bereitgestellt wird.
Wie 14 zeigt, kann die Druckluft jedoch auch mittels einer Turbopumpe 24 bereitgestellt werden, die mit hoher Drehzahl laufen kann und Druckluft in die Druckleitung 8 bereitstellt.
15 zeigt die Drucklufterzeugung mittels eines Windradverdichters 25, der ein Windrad 26 umfasst, dessen Flügel über ein Windradgetriebe 27 einen Verdichter 28 antreiben. Der Verdichter 28 erzeugt Druckluft, die über die Druckleitung 8 in die Kraftmaschine 1 geführt wird.
Wie 16 zeigt, kann die Druckluft auch aus einem beispielsweise bergmännischen Druckluftdepot bereitgestellt werden, an das die Druckleitung 8 angeschlossen wird.
Wie 17 zeigt, können hierbei auch natürliche Druckluftvorkommen genutzt werden, beispielsweise Vulkangaskammern, die aus vulkanischer Tätigkeit gespeist und mit Druckgas befüllt werden. Eine solche natürliche Druckluftkammer 29 kann über eine geeignete Bohrung angezapt werden, um das Druckgas über die Druckleitung 8 der Kraftmaschine 1 zuzuführen.
18 zeigt als Druckerzeuger 7 ein in einem laufenden Gewässer 30, beispielsweise einem Fluss, einem Kanal oder einem anderen Wasserleitungssystem, angeordnetes Wasserrad 31, welches über ein Wasserradgetriebe 32 eine Luftpumpe 33 antreibt, die über die Druckleitung 8 Druckluft an die Kraftmaschine 1 bereitstellt.
19 zeigt die Möglichkeit, Druckluft mittels eines Verdichters, beispielsweise in Form eines Gebläses oder eines Seitenkanalverdichters, bereitzustellen und über die Druckleitung 8 in die Kraftmaschine 1 einzuleiten.
Damit ergibt sich folgende Wirkungsweise: Die vom Druckerzeuger 7 bereitgestellte Druckluft tritt bodenseitig in das Turbinengehäuse 4 ein, wobei die Druckluft durch die Anordnung des Druckgaseinlasses 9 und/oder die entgegen der Drehrichtung gekrümmte Ausbildung der Turbinenschaufeln 5 auf einer Seite des Volumens des Turbinengehäuses 4 gehalten wird bzw. nur die Turbinenschaufeln 5 auf einer Seite – gemäß 2 der linken Seite – des Turbinenrads 2 beaufschlagt. Durch die aufsteigenden Druckluftbläschen ergeben sich zunächst entsprechende Auftriebskräfte auf der linken Seite des Turbinenrads. Im eingeschwungenen Zustand stellt sich insgesamt eine Dichtedifferenz im Turbinengehäuse 4 ein, d. h. auf der linken Seite der Turbine, die auf der die gespeicherte Flüssigkeit von den Gasblasen durchsetzt ist, herrscht eine geringere Dichte als auf der rechten Seite der Turbine, so dass die resultierenden Gewichtskräfte im Ungleichgewicht sind und insbesondere die schwerere Flüssigkeit auf der rechten Seite der Turbine das Turbinenrad 2 nach unten drückt. Im eingeschwungenen Zustand bildet das Turbinenvolumen einen Schwungradspeicher, wobei das Turbinenrad 2 durch die Dichtedifferenz angetrieben wird. Hierbei läuft die im Turbinengehäuse 4 befindliche Wassermenge im Kreis gemäß dem in 2 eingetragenen Pfeil 24 mit dem Turbinenrad 2 um. Das Mitumlaufen der Wassermenge zeigt sich auch an der Geschwindigkeit, mit der die Gasblasen aufsteigen. Während die normale Blasengeschwindigkeit, mit der Luft im stehenden Wasser aufsteigt, 0,15–0,35 m/s beträgt, sind bei der dargestellten Kraftmaschine Blasengeschwindigkeiten von über 1 m/s, insbesondere im Bereich von 1,5–2,5 m/s zu beobachten, so dass ein beträchtlicher Teil der Geschwindigkeit der Gasblasen durch Überlagerung der Wassergeschwindigkeit erzeugt wird.
Wie 2 zeigt, kann die Rotationsenergie des Turbinenrads 2 über eine oder mehrere Getriebestufen 34 abgegriffen und auf einen Generator 35 übertragen werden, der die mechanische Energie des Turbinenrads beispielsweise in elektrische Energie umwandelt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 10109870 A1 [0002]
DE 121814 [0002]
DE 7905487 [0002]

Claims

Strömungskraftmaschine mit einem Turbinenrad (2), das in einem mit Flüssigkeit gefluteten Behältnis drehbar aufgenommen ist, in das zum Antreiben des Turbinenrads (2) über einen Druckgaseinlass (9) Druckgas einleitbar ist, das in der Flüssigkeit aufsteigt, die Turbinenschaufeln (5) des Turbinenrads (2) beaufschlagt und das Behältnis an einem oberhalb des Druckgaseinlasses befindlichen Gasauslass (12) wieder verlässt, wobei das Behältnis ein zumindest abschnittsweise an die Umfangsseite des Turbinenrads (2) formangepasstes, das Turbinenrad (2) umlaufend passgenau umschließendes Turbinengehäuse (4) bildet, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Druckgaseinlass im Behältnis ein beweglich und/oder einstellbar ausgebildetes Strömungsleitorgan (40) vorgesehen ist.
Strömungskraftmaschine nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Strömungsleitorgan (40) eine schwenkbar gelagerte, im Anstellwinkel veränderbare Stellklappe (41) umfasst, wobei die Schwenkachse (42) der Stellklappe (41) vorzugsweise etwa parallel zur Turbinenraddrehachse ausgerichtet ist.
Strömungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Strömungsleitorgan (40) einen verschieblich gelagerten Abschnitt umfasst, der hinsichtlich seiner Vorsprungshöhe von der Innenumfangsseite des Behältnisses zum Turbinenrad (2) hin verstellbar ausgebildet ist.
Strömungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei stromab des genannten Strömungsleitorgans (40) am Innenumfang des Behältnisses zumindest ein sich quer zur Umlaufrichtung erstreckender Dichtvorsprung (43) vorgesehen ist.
Strömungskraftmaschine nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der zumindest eine Dichtvorsprung (43) in Form eines Querstegs und/oder einer Dichtlippe ausgebildet ist, der/die etwa radial von der Innenumfangswandung zum Turbinenrad (2) hin vorspringt und eine Höhe (H) besitzt, die im Wesentlichen dem Spaltmaß zwischen den Turbinenschaufeln (5) und der Behältnisumfangswandung entspricht.
Strömungskraftmaschine nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei der zumindest eine Dichtvorsprung (43) hinsichtlich seines Vorsprungsmaßes und/oder seines Anstellwinkels einstellbar ausgebildet ist.
Strömungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Strömungsleitorgan (40) und/oder der Dichtvorsprung (43) eine gebogene und/oder geknickte, insbesondere V-förmige oder U-förmige, in Turbinenumlaufrichtung betrachet zur Mitte hin zusammenlaufende Kontur besitzt, gemäß der ein Mittelabschnitt des Strömungsleitorgangs (40) und/oder Dichtvorsprungs (43) weiter stromab liegt als Seitenrandabschnitte.
Strömungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Turbinenschaufeln (5) in Richtung der Turbinenraddrehachse betrachtet einen im Wesentlichen geraden Verlauf besitzen und gegenüber der Radialrichtung spitzwinklig geneigt angestellt sind derart, dass äußere Schaufelenden inneren Schaufelenden nachlaufen.
Strömungskraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 oder einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Druckerzeuger (7) zumindest einen Druckgasverdrängungsbehälter (50) umfasst, der über einen Flüssigkeitszulauf (51) mit Flüssigkeit flutbar ist und einen Druckgasauslass (53) zum Abgeben des von der Flüssigkeit verdrängten Druckgas aufweist.
Strömungskraftmaschine nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Druckerzeuger (7) zumindest zwei der genannten Druckgasverdrängungsbehälter (50) umfasst, deren Flüssigkeitszuläufe und -abläufe (51; 52) von einer Steuervorrichtung (54) zyklisch im Wechsel miteinander steuerbar sind derart, dass während des Flutens eines ersten Druckgasverdrängungsbehälters (50) aus einem zweiten Druckgasverdrängungsbehälter (50) die Flüssigkeit abgelassen wird.
Strömungskraftmaschine nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Steuervorrichtung (54) derart beschaffen ist, dass im stationären Betrieb permanent zumindest einer der Druckgasverdrängungsbehälter (50) geflutet wird.
Strömungskraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 oder einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Druckerzeuger (7) einen Windtrichter (56) umfasst, dessen Trichterauslass (58) über eine Druckleitung (8) mit dem Druckgaseinlass (9) des Turbinenradbehältnisses verbunden ist.
Strömungskraftmaschine nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Windtrichter (56) ein feststehend angeordnetes oder verschieden anstellbares, in Abhängigkeit der Windrichtung ausrichtbares Energiesegel (57) umfasst.
Strömungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Turbinenschaufeln (5) beweglich und/oder einstellbar ausgebildete Schaufelendverlängerungen (14) besitzen, die im Wesentlichen spaltfrei zur Turbinengehäuseumfangswandung dichten.
Strömungskraftmaschine nach dem vorherigen Anspruch, wobei die Schaufelendverlängerungen (4) aus elastischen, insbesondere gummielastischen, Endlippen bestehen.
Strömungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schaufelendverlängerungen (14) durch Schiebelager (15) in Schaufelblattlängsrichtung verschiebbar am jeweiligen Schaufelblatt und/oder durch Schwenklager (16) um Schwenkachsen, die sich parallel zur Turbinendrehachse (3) erstrecken, schwenkbar am jeweiligen Schaufelblatt gelagert sind.
Strömungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Turbinengehäuse (4) zumindest während der Druckgaseinleitung im Wesentlichen vollständig mit Flüssigkeit befüllt ist, so dass das Turbinenrad (2) ohne Auf- und Wiedereintauchen umläuft und die im Turbinengehäuse (4) eingeschlossene Flüssigkeit mit dem Turbinenrad (2) im Kreis umläuft.
Strömungskraftmaschine nach dem vorherigen Anspruch, wobei das Druckgas im Kreislauf geführt ist und das aus dem Turbinengehäuse (2) austretende Druckgas einlassseitig einem Druckerzeuger (7) zugeführt ist, der ausgangsseitig mit dem Druckgaseinlass (9) des Turbinengehäuses (4) verbunden ist.
Strömungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Druckerzeuger (7) zur Bereitstellung von Antriebsdruckgas einen Wellendruckaufnehmer (17), der Wellenschlag in Druckgasenergie wandelt, umfasst.
Strömungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Druckerzeuger (7) zur Bereitstellung von Antriebsdruckgas einen Tidenhubaufnehmer, der den Tidenhub eines Gewässers in Druckgasenergie wandelt, umfasst.
Strömungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Druckerzeuger (7) zur Bereitstellung von Antriebsdruckgas einen Hydrokompressor (20) umfasst.
Strömungskraftmaschine nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Hydrokompressor (20) einen Luftabscheider (21) umfasst, der zumindest eine Fallleitung (22) und zumindest eine Steigleitung (23) miteinander verbindet und/oder am tiefsten Punkt des Leitungssystems angeordnet ist.
Strömungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Druckerzeuger (7) zur Bereitstellung von Antriebsdruckgas einen Windradverdichter (25) umfasst, der zumindest einen von einem Windrad (26) antreibbaren Verdichter (28) umfasst.
Strömungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Druckerzeuger zur Bereitstellung von Antriebsdruckgas an ein unter Tage liegendes Druckgasdepot und/oder ein natürliches, vorzugsweise vulkanisches, Druckluftvorkommen anschließbar ist.
Strömungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Druckerzeuger (7) zur Bereitstellung von Antriebsdruckgas ein Wasserrad (21) mit einer davon angetriebenen Luftpumpe (33) und/oder einem davon angetriebenen Verdichter umfasst.
Strömungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein halbgeschlossener Druckgaskreis (6) zum Anlegen von Druckgas- und Unterdruck an das Turbinengehäuse (4) vorgesehen ist.