DE102016000693A1

DE102016000693A1 - Strömungsmaschine zur Gewinnung von Druckluft und Druckwasser

Info

Publication number: DE102016000693A1
Application number: DE102016000693.5A
Authority: DE
Inventors: Karl-Heinz Göhre
Original assignee: APA ENERGIE GmbH
Current assignee: APA ENERGIE GmbH
Priority date: 2016-01-22
Filing date: 2016-01-22
Publication date: 2017-07-27
Also published as: WO2017125115A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine zur Gewinnung von Druckluft und Druckwasser, mit einem Pumpenrad, das zumindest einen spiralförmig verlaufenden Förderkanal umfasst, der an einem äußeren Randabschnitt des Pumpenrads einen Einlass und an einem Innenabschnitt des Pumpenrads einen Druckauslass besitzt. Es wird vorgeschlagen, das Pumpenrad derart anzuordnen, dass der spiralförmige Förderkanal mit seinem Einlauf zyklisch in ein Flüssigkeitsreservoir eintaucht und daraus auftaucht und demzufolge zyklisch bzw. abwechselnd Flüssigkeit und Umgebungsgas, insbesondere Luft in den Förderkanal gelangt, sodass ein Gas-/Flüssigkeits-Gemisch und/oder pulsierender Flüssigkeitsstrom und Gasstrom erzeugt wird und aus dem Druckauslass pulsierend Flüssigkeit und Gas herausgepresst wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine zur Gewinnung von Druckluft und Druckwasser, mit einem Pumpenrad, das zumindest einen spiralförmig verlaufenden Förderkanal umfasst, der an einem äußeren Randabschnitt des Pumpenrads einen Einlass und an einem Innenabschnitt des Pumpenrads einen Druckauslass besitzt.
In Wasseranlagen gibt es diverse Anwendungen, die neben Druckwasser auch Druckluft benötigen, beispielsweise in Form eines Druck-Luft-Wasser-Gemischs. Beispielsweise sind Strömungskraftmaschinen mit einem aufrecht stehenden Turbinenrad bekannt, dessen Turbinenschaufeln in einem mit Wasser befüllten Gehäuse laufen, wobei in das Wasser eingeleitetes Druckgas bzw. das entstehende, unter Druck stehende Luft-Wasser-Gemisch durch das Aufsteigen des Druckgases das Turbinenrad antreibt, vgl. beispielsweise die Schrift DE 10 2013 008 859 A1 . Andererseits kann ein solches Druck-Luft-Wasser-Gemisch auch in der Wasserbehandlung eingesetzt werden, beispielsweise um sauerstoffarme Gewässer wie Teiche oder Tümpel zu belüften.
Herkömmliche Pumpen mit spiralförmig verlaufenden Förderkanälen, wie sie beispielsweise aus der Schrift EP 05 79 888 B1 bekannt sind, versuchen zumeist einen möglichst pulsationsfreien, gleichmäßigen Förderstrom zu erzeugen und hierbei in das Druckwasser möglichst wenig Luft zu ziehen, was für eine Anwendungszwecke, die einen höheren Druckluftanteil benötigen, wenig geeignet ist.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Strömungsmaschine der genannten Art zu schaffen, die Nachteile des Standes der Technik vermeidet und letzteren in vorteilhafter Weise weiterbildet. Insbesondere soll eine effiziente Gewinnung von Druckluft und Druckwasser ermöglicht werden, bei der sich der Druckluftanteil in einfacher Weise steuern lässt und auch höhere Druckluftanteile erzeugt werden können.
Erfindungsgemäß wird die genannte Aufgabe durch eine Strömungsmaschine gemäß Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Es wird also vorgeschlagen, das Pumpenrad derart anzuordnen, dass der spiralförmige Förderkanal mit seinem Einlauf zyklisch in ein Flüssigkeitsreservoir eintaucht und daraus auftaucht und demzufolge zyklisch bzw. abwechselnd Flüssigkeit und Umgebungsgas, insbesondere Luft in den Förderkanal gelangt, sodass ein pulsierender Flüssigkeitsstrom und Gasstrom erzeugt wird und aus dem Druckauslass ein Gas-Flüssigkeits-Gemisch und/oder pulsierend Flüssigkeit und Gas herausgepresst wird. Erfindungsgemäß ist das Pumpenrad teilweise unterhalb und teilweise oberhalb des Pegels eines Flüssigkeitsreservoirs angeordnet, sodass der Einlass des Förderkanals bei umlaufendem Pumpenrad zyklisch in das Reservoir eintaucht und daraus auftaucht. Der Dreh- bzw. Förderkanal nimmt je nach Lage der Einlassöffnung des Kanals entsprechend Luft- und Wasseranteile bzw. Gas- und Flüssigkeitsanteile auf. Der Druck entsteht dabei im Förderkanal durch die Schwerkraft der Flüssigkeit in den einzelnen Windungen bei Drehbetrieb des Pumpenrads.
Durch eine solche teilweise oberhalb und teilweise unterhalb des Pegels des Flüssigkeitsreservoirs liegende Anordnung des Pumpenrads kann in einfacher Weise der Luft- bzw. Gasanteil bzw. das Verhältnis von Druckwasser zu Druckluft gesteuert werden. In Weiterbildung der Erfindung können Einstellmittel zum Einstellen der Eintauchtiefe des Pumpenrads vorgesehen sein. Wird eine größere Eintauchtiefe eingestellt, sodass das Pumpenrad bzw. der Förderkanal tiefer in das Flüssigkeitsreservoir eintaucht bzw. der Einlass des Förderkanals eine größere Strecke unter Wasser umläuft, wird ein größerer Druckwasseranteil und weniger Druckluft erreicht. Wird umgekehrt die Eintauchtiefe verkleinert, wird das Segment der Umlaufbahn des Förderkanaleinlasses, in dem der Förderkanaleinlass unter Wasser läuft kleiner, sodass ein höherer Druckluftanteil und ein kleinerer Druckwasseranteil erzielt wird.
Die genannten Einstellmittel können hierbei grundsätzlich verschieden ausgebildet sein. Ist der Wasser- bzw. Flüssigkeitspegel des Reservoirs nicht oder nicht schnell genug veränderbar, können die Einstellmittel eine Höheneinstellvorrichtung aufweisen, mittels derer das Pumpenrad in seiner Höhe eingestellt werden kann. Eine solche Höhenveränderbarkeit des Pumpenrads kann insbesondere für natürliche Gewässer wie Teiche, Seen oder Flüsse vorteilhaft sein, deren Pegel sich nicht ohne weiteres verändern lässt. Die Höheneinstellvorrichtung kann hierbei je nach Lagerung und Fundamentaufbau verschieden ausgebildet sein. Ist eine feste Gründung für die Lagerung des Pumpenrads vorgesehen, kann eine höheneinstellbare Pumpenradachse bzw. eine höhenverstellbare Achslagerung vorgesehen sein. Ist eine schwimmende Gründung für das Pumpenrad nach Art eines Floßes oder eines Pontons vorgesehen, um die Strömungsmaschine schwimmend auf dem Wasser zu lagern, können Schwimmtanks mit veränderbarem Auftriebsvolumen vorgesehen sein, um die Eintauchtiefe variieren zu können. Alternativ oder zusätzlich können jedoch auch bei einer solchen schwimmenden Ponton-Lagerung höhenverstellbare Achslager für das Pumpenrad vorgesehen sein.
Hinsichtlich des Förderkanals kann das Pumpenrad grundsätzlich verschieden ausgebildet sein. In Weiterbildung der Erfindung ist der genannte Förderkanal durchgängig und unterbrechungsfrei ausgebildet. Insbesondere kann der genannte Förderkanal einspurig bzw. eingängig und gabelungsfrei vom Einlass bis zum Druckauslass führen.
In Weiterbildung der Erfindung kann der Förderkanal einen im Wesentlichen gleichbleibenden Querschnitt bzw. eine im Wesentlichen gleichbleibende Querschnittsfläche besitzen, wobei der Förderkanal über zumindest den überwiegenden Hauptteil seiner Längserstreckung einen solchermaßen gleichbleibenden Querschnitt bzw. eine gleichbleibende Querschnittsfläche besitzen kann und ggfs. nur im Einlass- und/oder Auslassbereich eine Querschnittsveränderung bzw. Querschnittsflächenveränderung vorgesehen sein kann. Der genannte Querschnitt wird dabei senkrecht zur Längserstreckungsachse – also jeweils senkrecht zu den Spiralabschnitten – betrachtet. Insbesondere kann die Querschnittsfläche des Förderkanals über dessen gesamte Längserstreckung vom Einlass bis zum Druckauslass gleich bleiben.
Alternativ ist es jedoch auch möglich, dass sich der Querschnitt bzw. die Querschnittsfläche des Förderkanals über dessen Längserstreckung ändert. Insbesondere kann in Weiterbildung der Erfindung vorgesehen sein, dass sich die Querschnittsfläche des Förderkanals vom Einlass zum Druckauslass hin kontinuierlich verkleinert, insbesondere stetig abnimmt.
Um ein möglichst effizientes Durchfließen der Windungen des Förderkanals zu ermöglichen, kann der Förderkanal in Weiterbildung der Erfindung einen kontinuierlich gekrümmten Verlauf besitzen, wobei die Krümmung des spiralförmigen Förderkanals von dessen Einlass zu dessen Druckauslass hin kontinuierlich stärker werden kann, das heißt der Krümmungsradius kontinuierlich kleiner werden kann.
Anstelle einer solchen kontinuierlichen Spiralkrümmung kann der Förderkanal auch einen polygonzugartigen und/oder mehreckigen Verlauf besitzen, die die vorgenannte kontinuierliche, harmonische Spiralkrümmung nur annähert bzw. näherungsweise nachbildet. Insbesondere kann der Förderkanal einen polygonzugartigen, mehreckigen Verlauf besitzen und in Segmentbauweise aus mehreren, miteinander verbundenen Kanalsegmenten zusammengesetzt sein. Eine solche Segmentbauweise mit abschnittsweise gerade Förderkanalverlauf erleichtert die Herstellung des Pumpenrads signifikant. Insbesondere können die umfangsseitigen Kanalwandungen durch gerade Blechstreifen oder gerade, plattenförmige Materialabschnitte gebildet werden, die zwischen plattenförmigen Stirnseitenwandungen des Pumpenrads aufgenommen werden können.
Die Übergänge zwischen den geraden Abschnitten eines solchen Polygonzug-Kanals können eckig im Sinne von aneinandergesetzten Wandungssegmenten bleiben. Alternativ kann jedoch auch ein abgerundeter Übergangsbereich zwischen den geraden Wandungsabschnitten vorgesehen sein, um Strömungsverluste zu minimieren.
Eine solche Abrundung kann ggfs. wieder durch zwei Abkantungen angenähert werden, mit denen der Ecken- bzw. Kantenwinkel zwischen zwei geraden Kanalabschnitten sozusagen halbiert bzw. gebrochen wird.
Beispielsweise kann der Förderkanal eine sechseckige, achteckige oder zehneckige Konfiguration besitzen, bei der eine Förderkanalwindung neben den genannten geradlinigen Abschnitten 6, 8 oder 10 Ecken umfasst, wobei mit einer Windung ein 360°-Gang gemeint ist.
Der Förderkanal kann eine ebene Spirale bilden, bei der der Einlass, die Förderkanalwindungen und der Förderkanalauslass in einer Ebene liegen, wobei der genannte Druckauslass selbstverständlich durch eine Druckleitung fortgeführt sein kann, die sich beispielsweise senkrecht zu der Ebene des Pumpenrads bzw. dessen Förderkanalwindungen erstrecken kann. Eine solche ebene Ausbildung des Förderkanals ohne Axialversatz zwischen Einlass und Druckauslass bzw. ohne Steigung der Förderkanalwindungen kann eine axial sehr kompakte Bauweise des Pumpenrads erzielt werden. Das Pumpenrad kann eine ebene Scheibe bilden, bei der der Förderkanal sandwichartig zwischen zwei Stirnwandungen aufgenommen ist.
Alternativ hierzu kann der Förderkanal jedoch auch eine axiale Steigung besitzen und/oder nach Art einer sich verschraubenden Spirale ausgebildet sein, wobei der Einlass des Förderkanals gegenüber dem Druckauslass einen Axialversatz aufweisen kann. Die Windungen eines solchen Förderkanals werden vom Einlass her betrachtet immer enger und verschrauben sich dabei gleichzeitig mit einer festen oder variierenden Steigung in Axialrichtung.
Das Pumpenrad kann nur den genannten einen Förderkanal umfassen. Alternativ können jedoch auch zwei, drei oder mehrere Förderkanäle vorgesehen sein, die jeweils einen spiralförmigen Verlauf besitzen können und ineinander geschachtelt von jeweils einem am äußeren Randbereich liegenden Einlass zu einem gemeinsamen Druckauslass oder auch separaten Druckauslässen im Zentrum des Pumpenrads führen können. Die am Randabschnitt des Pumpenrads angeordneten Einlässe können hierbei zueinander in Umfangsrichtung versetzt angeordnet sein, bei zwei Förderkanälen beispielsweise zueinander um 180°.
Eine Antriebseinrichtung zum Antreiben des Pumpenrads kann grundsätzlich verschieden ausgebildet sein, wobei beispielsweise ein Elektromotor Verwendung finden kann, der beispielsweise mittels eines Solarpaneels betrieben werden kann. Alternativ oder zusätzlich kann auch eine mechanische Antriebseinrichtung zum Antreiben des Pumpenrads vorgesehen sein, wobei beispielsweise eine Wasserkraftturbine oder eine Windkraftanlage die Antriebsenergie bereitstellen kann.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele und zugehöriger Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
1: eine schematische Darstellung einer Strömungsmaschine mit einem Pumpenrad, das einen spiralförmigen Förderkanal aufweist und mit dem erzeugten Druckwasser und der erzeugten Druckluft ein Turbinenrad antreibt,
2: eine schematische Darstellung einer Strömungsmaschine ähnlich 1, die mit dem erzeugten Druckwasser und der erzeugten Druckluft ein Turbinenrad antreibt, wobei in dem angetriebenen Turbinenrad die auf der rechten Hälfte des Turbinenrads aufsteigende Druckluft dargestellt ist, die die Turbinenschaufeln antreibt,
3: eine schematische Darstellung einer Strömungsmaschine ähnlich den vorhergehenden Figuren, wobei zwischen dem die Druckluft und das Druckwasser erzeugenden Pumpenrad und dem von der Druckluft angetriebenen Turbinenrad, das ähnlich der Ausführung der 2 ausgebildet sein kann, ein Hydrokompressor zur Trennung von Druckluft und Druckwasser vorgesehen ist,
4: eine schematische Darstellung einer Strömungsmaschine nach einer weiteren Ausführung, dessen Pumpenrad mit dem hiervon erzeugten Druckwasser und der erzeugten Druckluft ein Wasserrad oder eine Druckturbine antreibt, wobei verschiedene Varianten einer Antriebseinrichtung zum Antreiben des Pumpenrads umfassend eine Windkraftanlage, eine Photovoltaikanlage und eine Wasserkraftturbine dargestellt sind,
5: eine schematische Darstellung der Strömungsmaschine aus 4 mit einer geänderten Führung des die Druckturbine antreibenden Druckwassers und der Druckluft,
6: eine schematische Darstellung des Pumpenrads einer Strömungsmaschine ähnlich den vorhergehenden Figuren, wobei das Pumpenrad mit dessen spiralförmigem Förderkanal in einem das Pumpenrad einfassenden Pumpenradgehäuse aufgenommen ist,
7: eine schematische Darstellung des Pumpenrads und dessen spiralförmigen Förderkanals einer Strömungsmaschine ähnlich den vorhergehenden Figuren, wobei die sich in den Windungen des Förderkanals ergebenden Druckwasser- und Druckluftchargen dargestellt sind,
8: eine schematische Darstellung einer Strömungsmaschine mit einem einen spiralförmigen Förderkanal aufweisenden Pumpenrad ähnlich den vorhergehenden Ausführungen, wobei das Pumpenrad zum schwimmenden Einsatz auf Gewässern auf einem floßartigen Ponton mit Auftriebskörpern gelagert ist und eine Photovoltaikanlage zum Antreiben des Pumpenrads vorgesehen ist,
9: eine schematische Darstellung der Anordnung eines einkanaligen Pumpenrads, dessen Förderkanal in einer Ebene angeordnet ist,
10: eine schematische Darstellung eines Pumpenrads mit mehreren spiralförmigen Förderkanälen, die in verschiedenen Pumpenkammern mit abgestuftem Durchmesser axial nebeneinander angeordnet sind,
11: eine schematische Darstellung einer Strömungsmaschine mit mehreren Pumpenrädern mit jeweils einem spiralförmigen Förderkanal, wobei die Pumpenräder axial beabstandet nebeneinander auf einer gemeinsamen Achse angeordnet sind, wobei in die genannte Achse ein gemeinsamer Druckauslasskanal integriert ist,
12: eine schematische Darstellung einer Strömungsmaschine ähnlich den vorhergehenden Figuren, wobei dem Pumpenrad und dessen spiralförmigem Förderkanal eine Einstelleinrichtung zum Einstellen der Eintauchtiefe des Förderkanals in ein Reservoir zugeordnet ist, wobei die genannte Einstelleinrichtung eine Staueinrichtung zum Aufstauen des Wasserpegels im Reservoir aufweist,
13: eine schematische Darstellung einer Strömungsmaschine, die ähnlich den vorherigen Ausführungsformen ein Rad mit einem spiralförmigen Förderkanal aufweist, wobei das Rad und damit die Winkelstellung des spiralförmigen Förderkanals durch eine Steuereinrichtung einstellbar ist und der Förderkanal als Spüleinrichtung für ein Wasserbecken eingesetzt ist,
14: eine schematische Darstellung einer Strömungsmaschine ähnlich den vorhergehenden Ausführungen, wobei der spiralförmige Förderkanal des Pumpenrads keinen kontinuierlich gekrümmten Verlauf, sondern eine polygonzugartige, mehreckige Konturierung besitzt und in Segmentbauweise aus einer Vielzahl von Kanalsegmenten zusammengesetzt ist,
15: eine schematische Darstellung einer Strömungsmaschine ähnlich den vorhergehenden Figuren, die ein Pumpenrad mit einem spiralförmigen Förderkanal aufweist, wobei das Pumpenrad in einem Pumpenradgehäuse mit oben liegender Luftzufuhr aufgenommen ist und der Antrieb des Pumpenrads höherliegend ausgeführt ist, und
16: eine schematische Darstellung einer Strömungsmaschine ähnlich den vorhergehenden Figuren, die ein Pumpenrad mit einem spiralförmigen Förderkanal aufweist, wobei das Pumpenrad in einem geschlossenen Pumpenradgehäuse aufgenommen ist, das über eine Saugleitung mit einem Reservoir verbunden ist und die Druckleitung des Pumpenrads als Druckabfluss besitzt.
Wie 1 zeigt, kann die Strömungsmaschine 1 ein im Wesentlichen aufrecht stehendes Pumpenrad 2 umfassen, das von einer geeigneten Antriebseinrichtung 3, die beispielsweise einen Elektromotor 4 aufweisen kann um eine liegende Pumpenradachse 5 rotatorisch angetrieben werden kann.
Das genannte Pumpenrad 2 kann einen spiralförmigen Förderkanal 6 aufweisen, der einen randseitig, beispielsweise am Außenumfang des Pumpenrads 2 angeordneten Einlass und einen vorzugsweise zentral, im Wesentlichen mittig liegenden Druckauslass 8 umfassen kann. Der genannte Einlass 7 kann insbesondere vom äußeren Ende dem äußeren Öffnungsquerschnitt des genannten Förderkanals 6 gebildet sein. Der Druckauslass 8 kann vorteilhafter Weise koaxial zur Pumpenradachse 5 angeordnet sein und/oder mittig zentral aus einer Stirnseite des Pumpenrads 2 herausgeführt sein.
Wie 1 zeigt, kann das Pumpenrad 2 zwei parallele Seiten- bzw. Stirnwandungen 9 und 10 umfassen, die beispielsweise von geschlossenen Platten gebildet sein können. Zwischen den genannten Stirnwandungen 9 und 10 erstreckt sich der genannte Förderkanal 6, wobei hier zwischen den Stirnwandungen 9 und 10 eine umfangsseitige Förderkanalwandung 11 spiralförmig gewunden sein kann, um vom randseitigen Einlass 7 nach innen zum zentralen Auslass 8 zu führen.
Der Förderkanal erstreckt sich also vorteilhafter Weise in mehreren Windungen, die um die Pumpenradachse 5 herum verlaufen und ineinander geschachtelt sind. Bei der in 1 gezeigten Ausführung erstreckt sich der spiralförmige Förderkanal 6 in der Ebene des Pumpenrads 2, wobei alle Windungen des genannten Förderkanals 6 in einer Ebene senkrecht zur Pumpenradachse 5 liegen können.
Wie 1 zeigt, taucht das Pumpenrad 2 teilweise in ein Flüssigkeits-, insbesondere Wasserreservoir 12 ein, sodass ein unteres Segment des Pumpenrads 2 und damit ein Teil des Förderkanals 6 unter den Pegel 13 des Reservoirs 12 untergetaucht ist, während ein restlicher, oberer Teil des Pumpenrads 2 oberhalb des genannten Pegels 13 liegt. Die Eintauchtiefe kann verschieden festgelegt werden, wobei es vorteilhaft sein kann, wenn die Eintauchtiefe weniger als zwei Drittel, vorzugsweise weniger als die Hälfte des Pumpenrad-Durchmessers beträgt. Insbesondere kann die Eintauchtiefe etwa ein Fünftel bis ein Drittel, beispielsweise etwa ein Viertel des Pumpenrad-Durchmessers betragen, wie dies 1 zeigt.
Vorteilhafter Weise ist eine Einstelleinrichtung 14 zum Einstellen der genannten Eintauchtiefe vorgesehen, um die Eintauchtiefe variieren und hierdurch das Verhältnis von Druckluft zu Druckwasser steuern zu können, wie dies eingangs bereits erläutert wurde. Die genannte Einstelleinrichtung 14 kann eine Höheneinstellvorrichtung 15 zum variablen Einstellen der Höhenlage des Pumpenrads 2 beispielsweise durch Verschieben des Drehlagers in Höhenrichtung umfassen. Alternativ oder zusätzlich kann eine Staueinrichtung 16 auch den Pegel 13 des Reservoirs 12 variabel einstellen, vgl. 12, um hierdurch die Eintauchtiefe zu variieren. Alternativ oder zusätzlich kann auch eine Schwimmvorrichtung 17 mit volumenmäßig variablen bzw. einstellbaren Auftriebskörpern 18 vorgesehen sein, wenn das Pumpenrad 2 beispielsweise auf einer floßförmigen Schwimmvorrichtung 17 auf einem Gewässer schwimmend positioniert wird. Durch Variieren des Volumens der Auftriebskörper 18 kann das Pumpenrad tiefer oder weniger tief in das Reservoir 12 eintauchen.
Wie 1 zeigt, kann der spiralförmige Förderkanal 6 einen entlang seiner spiralförmigen Längserstreckung im Wesentlichen gleichbleibenden Querschnitt bzw. eine gleichbleibende Querschnittsfläche umfassen. Die Druckwirkung entsteht im spiralförmigen Förderkanal 6 durch die Schwerkraft des Wassers in den einzelnen Windungen bei einem rotatorischen Antreiben des Pumpenrads 2. Wie 7 verdeutlicht, nimmt der Förderkanal 6, wenn sich sein Einlass 7 unter dem Pegel 13 befindet, Flüssigkeit bzw. Wasser auf, das sich dann bei einem weiteren Verdrehen des Pumpenrads 2 in den Windungen des Förderkanals 6 nach innen schiebt. Während sich der Einlass 7 über dem Pegel 13 befindet und das Pumpenrad weitergedreht wird, gelangt Luft in den Förderkanal 6, bis dessen Einlass 7 wieder auf den Pegel 13 trifft und in das Reservoir 12 eintaucht. Hierdurch entstehen abwechselnd Wasser- und Luftpakete im Förderkanal 6, die sich dann durch die Drehung des Pumpenrads 2 nach innen zum Druckauslass 8 hin schrauben. Hierdurch entsteht ein pulsierendes Druck-Luft-Wasser-Gemisch, das über den zentralen Druckauslass 8 herausgepresst wird.
Wie 1 zeigt, kann die Pumpenachse 5 als Hohlwelle ausgebildet sein, die axial aus dem Pumpenrad 2 herausführt und mittels eines Drehgelenks 19 mit einer stehenden, das heißt nicht mitdrehenden Druckleitung 20 verbunden sein kann.
Wie 1 ferner zeigt, kann das von dem Pumpenrad 2 erzeugte Druckluft-/Druckwasser-Gemisch in eine Strömungskraftmaschine 21 mit einem Turbinenrad 22 eingeleitet werden, um das genannte Turbinenrad 22 anzutreiben, wobei dessen hierdurch erzeugte rotatorische Energie über einen Generator 23 beispielsweise in elektrische Energie umgewandelt werden kann. Die genannte Strömungskraftmaschine 21 kann hierbei beispielsweise entsprechend der Schrift DE 10 2012 008 161 A1 oder der Schrift DE 10 2013 008 859 ausgebildet sein, sodass bezüglich der Ausbildungsdetails der Strömungskraftmaschine 21 auf die beiden vorgenannten Schriften verwiesen werden darf.
Wie 1 zeigt, kann vorteilhafter Weise das aus der Strömungskraftmaschine 21 herausgedrückte Druckwasser, ggfs. auch mit dem darin enthaltenen Druckluftanteil zurückgeführt werden, um eine Druckturbine oder ein Wasserrad 24 anzutreiben, die bzw. das mit der Pumpenradachse 5 gekoppelt sein kann, um einen Teil der Energie rückzugewinnen.
Wie 2 zeigt, kann das Turbinenrad 22 der Strömungskraftmaschine 21 auch nur durch den Druckluftanteil angetrieben werden, welcher von dem Pumpenrad 2 erzeugt wird. Die genannte Druckluft kann hierbei auf das Turbinenrad 22 geleitet werden, wie dies beispielsweise die Schrift DE 10 2012 008 161 näher erläutert.
Um die von dem Pumpenrad 2 erzeugte Druckluft von dem ebenfalls erzeugten Druckwasser zu trennen, kann dem Pumpenrad 2 ein Luft-Wasser-Abscheider 25 beispielsweise in Form eines Hydrokompressors nachgeordnet sein, wie dies 3 zeigt. Über die Druckleitung 20 wird das Druckluft-/Druckwasser-Gemisch in ein Druckbehältnis 26 gegeben, das an seiner Oberseite am oben liegenden Abschnitt einen Druckluftauslass 27 besitzt, der oberhalb des sich in dem Druckbehältnis 26 einstellenden Pegels befindet. Das eingeleitete Druckwasser kann über einen unterhalb des sich einstellenden Pegels und unterhalb des Druckluftauslasses 27 liegenden Druckwasserauslass 28 aus dem Abscheider 25 austreten, wobei die Druckwasserableitung vorzugsweise auf eine Höhe geführt ist, die zumindest der Pegelhöhe in der nachgeschalteten Strömungskraftmaschine 21 entspricht. Auch hier kann das Druckwasser zurück auf eine Druckturbine 24 geführt sein, um einen Teil der Energie zurückzugewinnen, wobei die genannte Druckturbine 24 mit der Pumpenradachse 5 rotatorisch gekoppelt sein kann.
Wie 4 zeigt, kann die Antriebsvorrichtung 3 zum Antreiben des Pumpenrads 2 grundsätzlich verschieden ausgebildet sein. Beispielsweise kann ein Elektromotor 4 vorgesehen sein, der die Pumpenradachse 5 antreibt und aus einer Batterie 29 gespeist werden kann, die wiederum aus einer Photovoltaikanlage 30 und/oder einer Windkraftanlage 31 oder auch von einer anderen Stromerzeugungsanlage her mit elektrischem Strom gespeist werden kann. Wie 4 zeigt, kann auch eine Wasserkraftvorrichtung 32 über einen Generator die genannte Batterie 29 speisen. Je nach Verfügbarkeitsanforderungen kann der Elektromotor 4 ggfs. auch direkt, das heißt unter Weglassen der genannten Batterie 29, von den genannten Stromerzeugungsanlagen her gespeist werden.
An Stelle des gezeigten Elektromotors 4 kann ggfs. auch ein direkter mechanischer Antrieb des Pumpenrads 2 vorgesehen sein, beispielsweise durch eine mechanische Kopplung mit einem Windrad oder einem Wasserkraftrad oder in ähnlicher Weise mit einem mechanischen Energieerzeuger.
Bei der Ausführung nach 4 treibt das vom Pumpenrad 2 erzeugte Druckluft-Druckwasser-Gemisch eine Druckturbine 33 bzw. ein Wasserrad an, welches mit einem Generator 23 gekoppelt sein kann. 5 zeigt eine Alternative, bei der das Druckluft-Druckwasser-Gemisch in anderer Weise durch die Druckturbine 33 geführt ist und dort auslassseitig bis auf die Höhe des Reservoirpegels 13 geführt ist.
Wie 6 zeigt, kann das Pumpenrad 2 in einem Pumpenradgehäuse 34 aufgenommen sein. Vorteilhafter Weise kann eine an einem Bodenbereich des Pumpenradgehäuses 34 vorgesehene Einlassöffnung 35 vorgesehen sein, deren oberer Rand sich im Wesentlichen auf Höhe des Pegels 13 des Reservoirs 12 erstreckt, sodass der volle Querschnitt bzw. die volle Eintauchtiefe des Pumpenrads 2 zur Verfügung steht bzw. erhalten bleibt. Wie die linke Teilansicht der 6 zeigt, kann die Druckleitung 20 von der als Hohlwelle ausgeführten Pumpenachse 5 und damit dem Druckauslass 8 nach oben weggeführt sein, um das erzeugte Druckwasser-Druckluft-Gemisch oberhalb des Pegels 13 bereitzustellen bzw. dorthin abzufördern.
Wie 7 zeigt, kann alternativ jedoch auch eine nach unten gehende, wegführende Druckleitung 20 vorgesehen sein, um das erzeugte Druckwasser-Druckluft-Gemisch unterhalb der Pumpenradachse 5 und ggfs. auch unterhalb des Pegels 13 des Reservoirs 12 bereitzustellen und abzufördern, beispielsweise um ein sauerstoffarmes Gewässer durch die enthaltene Druckluft mit Sauerstoff zu versorgen und das Wasser im Reservoir 12 umzuwälzen.
Wie 8 zeigt, kann die Strömungsmaschine 1 hierbei auf einer Schwimmvorrichtung 17 angeordnet bzw. gelagert bzw. positioniert werden. Die genannte Schwimmvorrichtung 17 kann beispielsweise nach Art eines Floßes bzw. eines Pontons ausgebildet sein und Schwimmkörper bzw. Auftriebskörper 18 umfassen, die eine Plattform 36 bzw. eine Trägerbasis tragen können, auf der das Pumpenrad 2 gelagert wird.
Vorteilhafter Weise können die genannten Auftriebskörper 18 hinsichtlich ihres wirksamen Auftriebsvolumens variabel ausgebildet sein, um die Schwimmhöhe der Plattform 36 und damit die Eintauchtiefe des Pumpenrads 2 variieren zu können.
Wie 8 zeigt, kann eine Photovoltaikanlage 30 an der Schwimmvorrichtung 17 angeordnet werden, um die Antriebsvorrichtung 3 zum Antreiben des Pumpenrads 2 autark auch auf einem größeren Gewässer mit Energie versorgen zu können.
Wie ein Vergleich der 9 und 10 zeigt, kann das Pumpenrad 2 einkanalig ausgebildet sein und nur einen Förderkanal in nur einer Pumpkammer umfassen, vgl. 9. Alternativ können mehrere Pumpkammern 37 unmittelbar nebeneinander angeordnet und hinsichtlich ihres Durchmessers abgestuft ausgebildet sein, sodass je nach Eintauchtiefe eine, zwei, drei oder mehrere Pumpkammern aktiv werden. Vorteilhafter Weise können die mehreren Pumpkammern 37 bzw. die Druckauslässe 8 der darin vorgesehenen spiralförmigen Förderkanäle 6 in einem gemeinsamen Druckauslass bzw. einer gemeinsamen als Hohlwelle ausgebildeten Pumpenradachse 5 münden, um über ein Drehgelenk 19 in eine gemeinsame Druckleitung 20 zu fördern.
Wie 11 zeigt, können auch mehrere Pumpenräder 2 voneinander beabstandet und auf einer gemeinsamen Pumpenradachse 5 angeordnet sein. Die in den genannten Pumpenrädern 2 gebildeten Pumpkammern 37 können jeweils einen spiralförmigen Förderkanal 6 umfassen, der in die gemeinsame, als Hohlwelle ausgebildete Pumpenradachse 5 mündet, um über ein Drehgelenk 19 in eine gemeinsame Druckleitung 20 zu fördern.
12 zeigt die Einstellung der Eintauchtiefe eines Pumpenrads 2 über eine Staueinrichtung 16, die ein höhenverstellbares Stauschild 38 umfassen kann.
Wie 13 zeigt, kann die Strömungsmaschine 1 bzw. das zuvor als Pumprad beschriebene Rad 2 nicht nur als Druckerzeuger eingesetzt werden, sondern auch – sozusagen in strömungstechnischer Umkehr – als Spül- und/oder Reinigungsvorrichtung und/oder Wasserverteiler.
Insbesondere kann Druckwasser auch in umgekehrter Richtung durch den zuvor beschriebenen Förderkanal 6 geleitet werden, also durch den zentralen Druckauslass 8 eingeleitet und durch den randseitigen Einlass 7 abgegeben werden.
Vorteilhafter Weise kann hierbei dem Rad 2 bzw. dem Förderkanal 6 eine rotatorische Steuervorrichtung zugeordnet sein, mittels derer die Winkelstellung des Einlasses 7 (der hier als Auslass fungiert) eingestellt werden kann, um die Position und/oder Richtung des abgegebenen Druckwassers steuern zu können.
Wie 13 zeigt, kann das Rad 2 mit dem spiralförmigen Förderkanal 6 in einem Wasserbecken 39 vorgesehen sein und/oder das genannte Wasserbecken 39 spülen und reinige. Beispielsweise kann das genannte Wasserbecken 39 im befüllten Zustand das Reservoir 12 bilden, in dem die Strömungsmaschine 1 im zuvor beschriebenen Pumpbetrieb arbeitet, um Druckwasser und Druckluft zu gewinnen. Ist das Wasserbecken 39 abgelassen, kann dieselbe Strömungsmaschine 1 als Reinigungs- bzw. Spülvorrichtung Verwendung finden.
Wie 14 zeigt, kann der Förderkanal 6 auch eine polygonzugartige, mehreckige Konturierung bzw. Konfiguration besitzen. Der Förderkanal 6 erstreckt sich auch hier spiralförmig, jedoch nicht mit einer harmonischen, kontinuierlichen Krümmung, sondern in Form eines Polygonzugs mit geraden Abschnitten, die über ggfs. abgerundete Ecken miteinander verbunden sind bzw. aneinander anschließen. Beispielsweise kann die in 14 gezeigte achteckige, insgesamt spiralförmige Ausbildung des Förderkanals 6 vorgesehen sein, bei der sich die umfangsseitigen Kanalwandungen gerade erstrecken und von ebenen Blechstreifen gebildet sein können.
Insbesondere kann das Pumpenrad 2 und/oder der Förderkanal 6 in Segmentbauweise aus mehreren Segmenten zusammengesetzt sein, welche sich durch die polygonzugartige und/oder mehreckige Ausbildung des Förderkanals 6 in einfacher Weise herstellen lassen.
Die genannten zueinander abgewinkelten Polygonsegmente, die die umfangsseitige Wandung des Förderkanals 6 bilden, können ähnlich den zuvor beschriebenen Ausführungen zwischen zwei Stirnwandungen 9 und 10 des Pumpenrads 2 sitzen bzw. dazwischen aufgenommen sein.
Wie 15 zeigt, kann das Pumpenrad 2 in einem Pumpenradgehäuse 34 aufgenommen sein, welches an einer Oberseite eine Luftzufuhr 40 aufweisen kann. Der Antrieb des Pumpenrads 2 kann gegenüber der Pumpenradachse 5 beispielsweise durch eine Riemenstufe nach oben verlegt sein, sodass die Antriebseinrichtung 3 und/oder deren Elektromotor 4 deutlich oberhalb der Oberseite des Pumpenrades 2 angeordnet ist, vgl. 15.
Wie 16 zeigt, kann das genannte Pumpenradgehäuse 34 auch geschlossen ausgebildet sein, wobei ein Innenraum des Pumpenradgehäuses 34 mit dem Reservoir 12 nur über eine Ansaugleitung 41 in Verbindung steht. Die vom Pumpenrad 2 erzeugte Druckluft und das ebenfalls erzeugte Druckwasser wird, wie zuvor beschrieben, über eine durch ein Drehgelenk 19 angebundene Druckleitung 20 abgefördert, wobei die Abförderung hier nach oben erfolgen kann, vgl. 16.
Auch bei der in 16 gezeigten Ausführung taucht das Pumpenrad 2 nur teilweise in das im Pumpenradgehäuse 34 vorhandene Flüssigkeitsreservoir ein, vgl. den im Gehäuseinneren eingetragenen Pegel 13a.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102013008859 A1 [0002]
EP 0579888 B1 [0003]
DE 102012008161 A1 [0046]
DE 102013008859 [0046]
DE 102012008161 [0048]

Claims

Strömungsmaschine zur Gewinnung von Druckluft und Druckwasser, mit einem Pumpenrad (2), das zumindest einen spiralförmig verlaufenden Förderkanal (6) umfasst, der an einem äußeren Randabschnitt des Pumpenrads (2) einen Einlass (7) und in einem inneren Abschnitt des Pumpenrads (2) einen Druckauslass (8) besitzt, wobei das Pumpenrad (2) teilweise unterhalb und teilweise oberhalb des Pegels (13) eines Reservoirs (12) angeordnet ist, sodass der Einlass (7) des Förderkanals (6) beim Umlaufen des Pumpenrads (2) zyklisch in das Reservoir (12) eintaucht und daraus auftaucht.
Strömungsmaschine nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Förderkanal (6) durchgängig und unterbrechungsfrei ausgebildet ist.
Strömungsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Förderkanal (6) eingängig und gabelfrei vom Einlass (7) zum Druckauslass (8) führt.
Strömungsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Förderkanal (6) eine vom Einlauf (7) zum Druckauslass (8) gleichbleibende Querschnittsfläche besitzt.
Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Förderkanal (6) eine Querschnittsfläche besitzt, die vom Einlass (7) zum Druckauslass (8) hin kontinuierlich, insbesondere stetig abnimmt.
Strömungsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Förderkanal (6) einen kontinuierlich gekrümmten Verlauf besitzt.
Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Förderkanal (6) einen polygonzugartigen, mehreckigen Verlauf besitzt und in Segmentbauweise aus mehreren, miteinander verbundenen Kanalsegmenten zusammengesetzt ist.
Strömungsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Förderkanal (6) in einer Ebene liegend ausgebildet ist und mehrere, sich ineinander schmiegende Windungsabschnitte besitzt.
Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Förderkanal eine Steigung nach Art eines Schneckengangs besitzt und der Einlass (7) und der Druckauslass (8) zueinander axial in Richtung der Pumpenradachse (5) beabstandet sind.
Strömungsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Pumpenrad (2) nur einen Förderkanal (6) aufweist.
Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Pumpenrad (2) mehrere Förderkanäle (6) aufweist.
Strömungsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mehrere Pumpenräder (2) und/oder mehrere Pumpkammern (37) vorgesehen und auf einer gemeinsamen Pumpenradachse (5) angeordnet sind.
Strömungsmaschine nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die mehreren Pumpenräder (2) und/oder mehreren Pumpkammern (37) verschiedene Durchmesser besitzen, insbesondere hinsichtlich ihres Durchmessers zueinander abgestuft sind.
Strömungsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Einstelleinrichtung (14) zum Einstellen der Eintauchtiefe des Pumpenrads (2) in das Reservoir (12) vorgesehen ist.
Strömungsmaschine nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Einstelleinrichtung (14) eine Höhenverstellvorrichtung (15) zum Höhenverstellen des Pumpenrads (2) gegenüber einer Trägerbasis aufweist.
Strömungsmaschine nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei die Einstelleinrichtung (14) eine Staueinrichtung (16) zum Aufstauen des Reservoirs (12) und/oder Einstellen des Pegels (13) aufweist.
Strömungsmaschine nach einem der drei vorhergehenden Ansprüche, wobei die Einstelleinrichtung (14) eine Schwimmvorrichtung (17) mit Auftriebskörpern (18) aufweist, deren auftriebswirksames Volumen veränderbar ist, wobei das Pumpenrad (2) auf der genannten Schwimmvorrichtung (17) gelagert ist.
Strömungsmaschine nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei auf der Schwimmvorrichtung (17) eine Photovoltaikanlage und/oder eine Windkraftanlage zum Energie versorgen der Antriebseinrichtung des Pumpenrads (2) vorgesehen ist.
Strömungsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Druckauslass (8) des Pumpenrads (2) koaxial zur Pumpenradachse (5) aus dem Pumpenrad (2) herausgeführt ist und von der als Hohlwelle gebildeten Pumpenradachse (5) gebildet ist.
Strömungsmaschine nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei ein Drehgelenk (20) zum Verbinden des Druckauslasses (8) mit einer Druckleitung (20) vorgesehen ist.