DE2422855A1 - Hydrostatische maschine - Google Patents

Description

• Hydrostatische Maschine Die Erfindung bezieht sich auf eine hydrostatische Maschine, umfassend einen Flüssigkeitsbehälter mit untenliegendem, absperrbarem Ablaß und obenliegendem, absperrbarem, mit einer Flüssigkeitsquelle, insbesondere einem offenen Gewasser verbundenen Einlaß sowie eine mit dom oberen Ende des Behälters in Verbindung stehende Zylinder-Kolben-Anordnung.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine derartige Maschine so auszubilden, daß sie in einfacher Weise herstellbar und vielseitig verwendbar ist und insbesondere zur Energiegewinnung in solchen Fällen dienen kann denen die zur Verfügung stehende Fallhöhe eine Gewässers nur wenig größer als die Hbhe der dem Umgebungsdruck entsprechenden Wassersäule ist oder die je Zeiteinheit zur Verfugung stehende Wassermenge gering ist.
• Die Aufgabe wird gemaß der Erfindung bei einer Maschine der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß der Behälter bei gesperrtem Ablaß und geöffnetem Einlaß bis zu einer Höhe über dem Ablaß befüllbar ist, die größer ist als die Höhe der dem Umgebungsdruck entsprechenden FlUssigkeitssäule, und daß der Kolben bei geöffnetem. Ablaß und geschlossenem Einlaß unter der Saugwirkung der durch den Ablaß abfließenden Flüssigkeit antreibbar ist.
• Bei der Maschine gemäß der Erfindung werden zunächst der Behälter und zweckmäßigerweise auch der Zylinder der Zylinder-Kolben-Anordnung befüllt, bis beispielsweise die Wassersäule die Unterseite des sich in seinem oberen Totpunkt befindenden Kolbens benetzt. Wird nun das im Einlaß angeordnete Ventil geschlossen und das im Auslaß angeordnete Ventil geöffnet, so fließt das Wasser aus dem Auslaß jedenfalls so lange ab, bis die Höhe der Wassersäule im Behälter über dem Auslaß dem Umgebungsdruck entspricht. Dabei bildet sich oberhalb der Wassersäule ein Vakuum, und auf die Unterseite des Kolbens wird eine Saugwirkung ausgeübt, wodurch dieser angetrieben wird.Zweckmäßig ist sein ilubweg dabei so bemessen, daß er in seinem unteren Totpunkt wieder die Wassersäule berührt. Die Rückführung des Kolbens in aeine ursprEngliche Lage kann dann bei abgesperrtem Auslaß und geöffnetem Einlaß unter Mitwirkung des statischen Drucks der Flüssigkeitsquelle gegenüber dem Einlaß erfolgen. Vorzugsweise weist die - Maschine jedoch mehrere Behälter und eine entsprechende Anzahl von Zylinder-Kolben-Anordnun gen auf, die phas enverschoben auf eine gemeinsame Kurbelwelle arbeiten, wodurch das Anheben eines Kolbens jeweils beim Arbeitsspiel des anderen Kolbens bzw. der anderen Kolben erfolgt.
• Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert, in denen ein Ausführungsbeispiel schematisch dargestellt ist. Es zeigen: Fig. 1 eine hydrostatische Maschine gemäß der Erfindung, Fig. 2 und 3 Zeitdiagramme zur Erläuterung der Wirkungsweise der Maschine gemäß Fig. 1; Fig. 4 einen Teil einer abgewandelten Ausführung der Maschine gemäß Fig. 1.
• Die Maschine gemäß Fig. 1 umfaßt einen Flüssigkeitsbehälter 10, der nahe seinem unteren Ende ein Auslaßrohr 12 aufweist, in das ein von einem Stellantrieb 14 verstellbares Ventil 16 eingeschaltet ist. Der Behalter 10 weist eine öhe auf* die größer ist als die Höhe der dem Umgebungsdruck entsprechenden Wassersäule. Beispielsweise kann bei einem Luftdck von annähernd 10 m die Höhe des Behälters 10 über den Ablaß 13 m betragen. Der Behälter 10 ist aus einem offenen Gewisser 18, dessen Flüssigkeitsstand mindestens der libhe des Behälters 10 entspricht, über ein Einlaßrohr 20 befüllbar, in das ein van dem Stellantrieb 22 verstellbares Ventil 24 eingeschaltet ist. Der oliere Teil der Behälter 10 dient gleichzeitig als Zylinder 2G einer Zylinder-Kolben-Anordnung, die einen im Zylinder 26 abgedichtet geführten Kolben 28 umfaßt. Dieser arbeitet über seine Kolbenstange 30, eine GeradfUhrung 32 und ein Pleuel 34 auf eine Kurbelwelle 36. Sind weitere, nicht gezeigte Flüssigkeitsbehälter und Kolben-Zylinder-Anordnungen vorgesehen, so arbeiten deren Kolben gemeinsam auf die Kurbelwelle 36, wobei die Kolben einen gegeneinander phasenvorschobenen Bewegungsablauf haben. Die jeweilige Stellung der Kurbelwelle 36 und damit des Kolbens 28 ist mittels eines Stellung gebers 38 als elektrisches Signal erfaßbar.
• 2 Bei der beschriebenen Anordnung hat der Kolben 18 in seinem oberen Totpunkt eine Hohe von 13 m über der blasrohr 12.
• DerHuIweg des Kolbens 28 ist so bemessen, daß er mindestens der Differenz zwischen derjenigen iiohe von 13 m, bis zu der der Behälter 10 befüllbar ist, und der klöhe von 10 m der den Umgebungsdruck entsprechenden Flüssigkeitssäule über dem Ablaßrohr 12 entspricht* also mindestens 3 m beträgt.
• Der unter, in Fig. 1 gestrichelt eingezeichnete Totpunkt des Kolbens 28 liegt also in einer Höhe von 10 n über dem Ablaßrohr 12 oder tiefer, worauf noch einzugehen sein wird.
• Das Einlaßrohr 20 mündet in den Behälter 10 in einer Höhe, die in jedem Falle bei im unteren Totpunkt befindliches Kolben 28 noch eine Befüllung des Behälters 10 zuläßt. Beispielsweise kann das Einlaßrohr 20 in einer Höhe von 8,80 m über dem Auslaßrohr 12 münden Grundsätzlich könnte der Kolben 28 als Tauchkolben ausgeführt sein. Beim Ausführungsbeispiel ist er jedoch, Wie bereits erwähnt, abgedichtet im Zylinder 26 gefUhrtt und die Kolbenstange 30 ist abgedichtet durch die obere Stirn seite des Zylinders 26 hindurchgeführt, so daß der ZyLinder 26 auf der der Saugseite des Kolbens 28 abgewandten Seite abgedichtet ist. Dieser abgedichtete Raum steht über ein von einem Stellantrieb 40 verstellbares Ventil 42 mit der Umgebung in Verbindung.
• Die zyklische Steuerung der Ventile 16, 24 der Maschine und beim Ausführungsbeispiel zusätzlich auch des Ventils 42 erfolgt mittels einer Steuervorrichtung 44 über Leitungen 46, 48 * 50r Die Steuervorrichtung 44 erzeugt hierzu elektrische Stellsignale, die den Stellantrieben 14, 22, 40 zugeführt werden. Diese Stellsignale werden in Abhängigkeit vom Ausgangesignal des Stellungsgebers 38 erzeugt. Zusätzlich kann die Erzeugung der Stellsignale auch in AbhAngigkeit vom Ausgangssignal einer Sonde 52 erfolgen, die dieses Ausgangssignal dann erzeugt, wenn die Flüssigkeitssäule im Behälter 10 ihren niedrigsten zulässigen Stand erreicht.
• Der Ablauf eines Steuerzyklus sei zunächst anhand von Fig.1 in Verbindung mit Fig. 2 erläutert. In Fig. 2 zeigt die Kurve V24 die Stellung des Ventils 24, die Kurve V16 die Stellung des Ventils 16, die Kurve V42 die Stellung des Ventils 42, die Kurve N den Stand der Flüssigkeitssäule im Behälter 10 und die Kurve Z die Stellung des Kolbens 28, jeweils in Abhängigkeit von der Zeit t. Zunächst ist das Einlaßventil 24 geöffnet, das Auslaßventil 16 abgesperrt und das Ventil 42 geöffnet. Dadurch wird der Behälter 10 bis zum maximalen Stand der Flüssigkeitssäule befüllt, wenn sich der-Kolben 28 gemäß Kurve Z in seiner oberen Totpunktlage befindet. Wird nun das Einlaßventil 24 geschlossen und das Auslaßventil 16 geöffnet, so fließt Wasser aus dem Auslaßventil 16 ab, und die Flüssigkeitssa'ule im Behälter 10 sinkt gemäß Kurve N ab. Dabei bildet sich über ihr ein Vakuum, durch dessen Saugwirkung der Kolben 28 gemäß Kurve Z nach unten gezogen wird und dem Spiegel der Flüssigkeitssäule folgt, bis zur Zeit t1 die untere Totpunktlage erreicht ist. Diese Bewegung erfolgt zeitlich annähernd linear, da sich die Gesanithöhe der Flüssigkeitsäule nicht sehr stark ändert.
• In Abänderung des beschriebenen Verlaufs könnte auch beim Uffnen des Abschlußventils 16 zunächst das Ventil 42 geschlossen bleiben, wodurch der Kolben 28 an einer Abwärtsbewegung gehindert würde. Diese Bewegung würde somit erst dann erfolgen, wenn das Ventil 42 geöffnet wird. Die sich hierbei ergebende absatzweise Betriebsweise ist jedoch nur für Sonderfälle geeignet, insbesondere für den Fall, daß nur eine einzige Zylinder-Kolben-Anordnung auf die Kurbelwelle 36 arbeitet und diese nicht kontinuierlich umläuft.
• Nach Erreichen des unteren Totpunkts zur Zeit tl wird das Ablaßventil 16 geschlossen, während gleichzeitig das ein laßventil 24, geöffnet wird. Der Behälter wird nun wieder bis zu seinem ursprünglichen Stand gefüllt, während gleichzeitig der Kolben 28 unter dem hydrostatischen Drud; des Wassers im Gewässer 18 angehoben und ggf. durch weitere auf die Kurbelwelle 36 wirkende Kolben mitgenommen wird, bis er wieder seinen oberen Totpunkt erreicht. Diese Bewegung ist nicht in allen Fällen linear, da die vom llydrostatischen Druck des Gewässers 18 auf die Unterseite des Kolbens 28 ausgeübte Kraft mit dessen Bewegung nach oben abnimmt. Diese Wirkung ist jedoch vorteilhaft, da sich hierdurch der zeitliche Verlauf der Bewegung des Kolbens 28 einer Cosinus-Funktion nähert, die gegenüber einem aus linearen Abschnitten zusammengesetzten Dreieckverlauf der Kurve Z einen ruhigeren, gleichmäßigen Lauf der Kurbelwelle 36 bedeutet.
• Der genannte cosinusförmige Verlauf der Bewegung des Kolbens 28 kann durch geeignete Steuerung der Ventile 16, 24, 42 weiter unterstützt werden. Dies sei im folgenden anhand von Fig. 1 in Verbindung mit Fig. 3 erläutert. Herbei ist wieder von der gleichen Ausgangsstellung wie in Fig. 2 ausgeangen.
• Das Ablaßventil 16 wird jedoch nicht plötzlich voll geöffnet und ebenso plötzlich geschlossen, sondern sein Öffnungsquerschnitt vird annähernd entsprechend einer Sinus-Funktion verstellt. Hierdurch ergibt sich für das Absinken der FlUssigkeitssäule gemäß Kurve N und fUr die Bewegung des Kolbens 28 gemäß Kurve Z ein cosinusförmiger Verlauf, bis zu einer Zeit t1' der untere Totpunkt erreicht ist. Die Zeit t1' ist röer als t1', wenn der gleiche maximale Durchflußquerschnitt des Ablaßventils 16 be halten wird. Durch sachgemäße Wahl dieses Querschnitts können jedoch sowohl t1 als auch t1' weitgehend beliebig gewählt werden.
• Alternativ zum Verlauf der Kurve N in Fig. 3 ist es auch möglich, bei entsprechend großem Durchflußquerschnitt des Ablaßventils 16 ein sehr schnelles Absinken der Flüssigkeitssäule im Behälter 10 zu erreichen, eine ebenso schnelle Abwärtsbewegung des Kolbens 28 jedoch dadurch zu vermeiden, daß während dieser Abwärtsbewegung in Saugrichtung das Ventil 42 mehr oder weniger geschlossen wird0 Das Ablaßventil 16 muß in diesem. Fall früher als zu denjenigen Zeitpunkt t1 geschlossen werden, zu dem. der Kolben 28 den unteren Totpunkt erreicht.
• Aus Fig. 3 geht weiter hervor, wie eine Cosinus-Funktion der anschließenden Aufwärtabewegung des Kolbens 28 gefördert werden kann. So kann das Einlaßventil 24 gemäß Kurve V24 langsam und kontinuierlich bis zu seinem vollen Durchtrittsquerschnitt geöffnet werden* und/oder das Ventil 42 kann zu Beginn der I3ewegung des Kolbens 28 entgegen der Saugrichtung zunächst geschlossen und anschließend langsam geöffnet werden, so daß der Kolben 28 gegen einen gewissen Staudruck anlaufen muß.
• Die zweite Maßnahme ist allerdings wegen der mit der Drosselung des Luftstroms im Ventil 42 verbundenen Verluste nur für Sonderfalle geeignet.
• Sobald sich der Kolben 28 wieder in der oberen Totpunktlage befindet, wird ggf. unter ihm angesamneltes Gas durch eine Ventilanordnung 60 entfernt, die aus einem das Eindringen von Umgebungsluft verhindernden Rückschlagentil und einem den Austritt von Wasser verhindernden Entgasungsventil besteht.
• Bei der seitherigen Beschreibung des Ausführungsbeispiels anhand von Fig. 2 und 3 wurde davon ausgegangen, daß der Stand der Flüssigkeitssäule und damit der Kolben 28 nur soweit abgesenkt werden, daß die verbleibende Höhe der Flüssigkeitssäule de:j Umgebungsluftdruck entspricht, also beispielsweise 10 m beträgt. Beim Erreichen dieser Höhe befindet sich jedoch die Flüssigkeitssäule in einer Bewegung, und die kinetische Energie, die die Flüssigkeits säule hierdurch hat, kann zu einer weiteren Verringerung der Höhe der Flüssigkeitssäule und einer entsprechenden Vergrößerung des Hubweges des Kolbens 28 ausgenutzt werden.
• So kann beispielsweise bei den für die Maschine gemäß Fig. 1 gegebenen Zahlenbeispielen der untere Totpunkt des Kolbens 9 in über deo unteren Auslaßrohr 9 liegen. In dieser Fall ist es allerdings erforderlich, unbedingt das Ablaßventil 16 lann zu schließen, wenn die Flüssigkeitssäule zur Ruhe kommt, da unmittelbar darauf Luft aus der Umgebung durch das Ablaßventil 16 hindurch in den Behalter 10 einströmen würde.
• Ein mit Sicherheit rechtzeitiges Absperren wird durch di.
• Ausgestaltung gemäß Fig. 4 erreicht, wobei dann der Sensor 52 in Fig. 1 wegfallen kann.
• Bei der Abwandlung gemäß Fig. 4 ist zunächst ein Flüssigkeitsbehälter 10' gezeigt, dar die Fomp eines gegenüber dem Flüssigkeitsbehälter 10 in Fig. 1 dünneren Rohres hat. Für den Querschnitt des Behälters genügt es nämlich, wenn dieser dem Abfließen des Wassers keinen größeren Strömungswiderstand als der Ablaß entgegensetzt. Der Zylinder 26 der Kolben-Zylinder-Anordnung am oberen Ende des Behälters kann demgegenüber einen größeren Querschnitt aufweisen, um eine Kolbenfläche von gewünschter Größe zuzulassen.
• Das AbfluBrohr 12 gemäß Fig. 4 schließt an das untere Ende des rohrförmigen Behälters 10 an und ist derart gebogen, daß es eine im Behälter 10' liegende Abflußöffnung 54 und einen dieser gegenüber höher liegenden überlauf 56 aufweist, zwischen denen das zum Absperren dienende Ventil 16 liegt.
• Weiter ist zwischen Abflußöffnung 54 und Überlauf 56 ein Sensor 58 angeordnet, der beim Absinken des Flüssigkeitsstands im Ablaßrohr 12' unter die Höhe des überlaufs 56 ein Ausgangssxgnal erzeugt, das anzeigt, daß die Flüssigkeitssaule nach ihrer Abwärtsbewegung ihren tiefsten Stand erreicht hat und dabei ist, ihre Bewegungsrichtung umzukehren und Luft einzusaugen. Daher kann nun in Abhängigkeit von diesem Ausgangssignal, das anstelle des Ausgangssignals des Sensors 52 der Steuervorrichtung 44 zugeführt wird, ein Stellsignal erzeugt werden, das die Betätigung des Stellantriebs 14 und das Absperren des Ventils 16 bewirkt.
• Eine Maschine gemäß der Erfindung ist nufgrund ihrer einfachen Bauart zu vielseitiger Verwendung geeignet. In Flüsse mit relativ geringem Gefälle und großer pro Zeiteinheit zur Verftgung stehender Wassermenge kann bei entsprechender Kanalisierung oder Stauung eine Maschine mit einer Vielzahl von Flüssigkeitsbehältern und Zylinder-Kolben-Einheiten eingebaut werden, sofern nur die zur Verfügung stehende Fallhöhe etwas größer als die Höhe der dem Luftdruck entsprechenden Wassersäule ist. Die einfache Bauart erlaubt auch einen Betrieb mit Abwässern. So kann eine Maschine gemäß der Erfindung beispielsweise in ein Hochhaus eingebaut werden, um aus den abfließenden Abwässern Energie zurückzugewinnen. In entsprechend größerem Maßstab ist es gleichfalls möglich, aus den ir. der Kanalichtion von Großstädten fließenden Abwasserströmen Energie zu gewinnen.

Claims (14)

ANSPRÜCHE

1. Hydrostatische Maschine, umfassend einen Flüssigkeitsbehälter mit untenliegendem, absperrbaren Ablaß und obenliegendem, absperrbarem, mit einer Flüssigkeitsquelle, insbesondere iit einem offenen Gewässer verbundenen Einlaß sowie eine mit dem oberen Ende des Behälters in Verbindung stehende Zylindern-Kolben-Anordnung, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (10) bei gesperrtem Ablaß (12) und geöffnetem Einlaß (20) bis zu einer Höhe über dem Ablaß (12) befüllbar ist, die größer ist als die Ildhe der dem Umgebungsdruck entsprechenden Flüssigkeitssäule, und daß der Kolben (28) beigeöffnetem Ablaß (12) und geschlossenem Einlaß (20) unter der Saugwirkung der durch den Ablaß (12) abfließenden Flüssigkeit antreibbar ist.

2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der ilubweg des Kolbens (28) mindestens so groß ist wie die Differenz zwischen derjenigen ohe, bis zu der der Behälter (Z0) befüllbar ist, und der höhe der der Umgebungsdruck entsprechenden Flüssigkeitssäule über der Ablaß (12).

3. Maschine nach Anspruch i oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolben-Zylinder-Anordnung (26, 28) so angcordnet ist, daß der Kolben (28) bei befülltem Behälter (10) benetzt wird.

4. Maschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinder (26) der Kolben-Zylinder-Anordnung (26, 28) vom oberen Ende des Behälters (10) gebildet ist.

5. Maschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine die im Einlaß (20) und im Auslaß (12) angeordneten Ventile (24 16) zyklisch steuernde Steuervorrichtung (44).

6. Maschine nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, daß die Steuervorrichtung (44) das im Ablaß (12) angeordnete Ventil (16) zeitlich derart steuert, daß das Absinken der Flüssigkeit im Behalter (10) einer zeitlichen Cosinus-Funktion entspricht.

7. Maschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (28) im Zylinder (26) der Kolben-Zylinder-Anordnung (26,28) abgedichtet geführt ist und daß der Zylinder (26) auf der der Saugseite des Kolbens (28) abgewandten Seite abgedichtet ist und fiber einverstellbares Ventil (42) mit der Umgebung in Verbidung steht.

8. Maschine nach Anspruch 5 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuervorrichtung (44) das verstellbare Ventil (42) zeitlich derart steuert daß die angetriebene Bewegung des Kolbens in Saugrichtung einer zeitlichen Cosinus-Funktion entspricht.

9. Maschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mehrere Flüssigkeitsbehälter (10) und eine entsprechende Anzahl von phasenverschoben auf eine gemeinsame Kurbelwelle (36) arbeitende Zylinder-Kolben-Anordnungen (26, 28).

10. Maschine nach einem der vorangehenden Ansprüche* dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (28) durch das Befüllen entgegen der Saugrichtung antreibbar ist.

11. Maschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuervorrichtung (44) das im Einlaß (20) angeordnete Ventil (24) zeitlich derart steuert, daß die Bewegung des Kolbens (28) entgegen der Saugrichtung einer zeitlichen Cosinus-Funktion entspricht.

12. Maschine nach Anspruch 5 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuervorrichtung (44) das verstellbare Ventil (42) zeitlich derart steuert, daß die Bewegung des Kolbens (28) entgegen der Saugrichtung einer zeitlichen Cosinus-Funktion entspricht.

13. Maschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ablaß (12') eine im Behalter (10') liegend Abflußöffnung (S4) und einen dieser gegenüber höher liegenden Überlauf (56) aufweist, zwischen denen das zum Absperren dienende Ventil (16) liegt (Fig. 4).

14. Maschine nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Abflußöffnung (54) und Oberlauf (56) ein Sensor (58) angeordnet ist, der beim Absinken des Flüssigkeitsstands im Ablaß (12') unter die Höhe des Oberlaufs (56) ein Ausgangssignal erzeugt, in Abhängigkeit von dem das im Ablaß (12') angeordnete Ventil (16) absperrbar ist.