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Einrichtung zur Gewinnung von mechanischer Arbeit
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aus der Potentialenergie einer Flüssigkeit Die Erfindung betrifft
eine Einrichtung zur Gewinnung von mechanischer Arbeit aus der Potentialenergie
einer Flüssigkeit, d.h. sie gehört allgemein in das Gebiet der Energetik, wobei
Antriebsenergie gewonnen werden soll.
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Durch diese Einrichtung sollen die geradlinigen Bewegungen einer fallenden
Last ausgenutzt werden, um eine Drehachse in Rotationsbewegungen zu versetzen, und
zwar in Rotationsbewegungen mit gleichmäßiger Geschwindigkeit.
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Es konnte bisher kein mit dieser Einrichtung vergleichbarer Stand
der Technik festgestellt werden. Allerdings besteht eine entfernte Ähnlichkeit mit
Wasserturbinen, bei denen das Wasser die Turbinenräder mit maximaler Energie angreift,
wobei die kinetische Energie des Wassers von der Geschwindigkeit und Masse des Wassers
abhängt. Für eine vorbestimmte Geschwindigkeit der Wasserturbine sind daher eine
relativ große Wassermasse und -geschwindigkeit erforderlich, wodurch jedoch eine
ganz erhebliche Wassermenge ungenutzt verlorengeht (auf diese Weise können bisher
etwa 78 bis 82% der Potentialenergie des Wassers ausgenutzt werden). Außerdem ist
es im allgemeinen erforderlich, den Wasserzufluß beispielsweise mit Hilfe eines
Dammes ausreichend hoch aufzustauen.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung der
eingangs vorausgesetzten Art zu schaffen, die mit verhältnismäßig einfachen Mitteln
die Gewinnung von mechanischer Arbeit aus der Potentialenergie einer Flüssigkeit
und die Umsetzung dieser Arbeit zum zuverlässigen, gleichmäßigen Antrieb einer Drehachse
gestattet.
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Erfindungsgemäß wird dies durch die im Kennzeichen des Anspruches
1 angegebenen Merkmale erreicht.
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Bei dieser erfindungsgemäßen Einrichtung greift die Masse des Wassers
- im Gegensatz zur Funktion einer Wasserturbine - die entsprechenden Elemente (an
Seilen befestigte Gefäße) in deren jeweiligem Ruhezustand (nämlich in deren oberer
Stellung) an. Die freigegebenen Antriebselemente entwickeln über die geradlinige
Bewegung der fallenden Gefäße eine kinetische Energie, die in mechanische Energie
umgewandelt wird und über Seil und Seiltrommel sowie deren Verbindung mit der Drehachse
diese Drehachse in Rotationsbewegung versetzt. Bei dieser Einrichtung dienen also
die genannten Gefäße dazu, die Trommeln über die Seile rotierend anzutreiben, wobei
die Seile eine für den jeweiligen Einsatzfall der Einrichtung vorbestimmte Länge
aufweisen.
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Betrachtet man nochmals bekannte Wasserturbinen, dann muß beachtet
werden, daß dort die Schaufeln, auf die das Wasser auftrifft, eine durch die maximale
Wassergeschwindigkeit bestimmte Ausbildung und Position besitzen müssen, da sie
sonst unter Umständen zu einem Abbremsen der Turbinen beitragen können. Demgegenüber
wird bei der erfindungsgemäßen Einrichtung ein solches Abbremsen vermieden, weil
die Masse der Flüssigkeit hier keinen Einfluß auf die Funktion der Einrichtung hat.
In dem Moment, in dem die Flüssigkeitsmasse ihre Nominalgeschwindigkeit und Energie
entwickelt, übernimmt sie die Arbeit aus kinetischer Energie unter Überwindung der
vorhandenen Widerstände aus der Biegsamkeit der Seile und der Luft. Auf diese Weise
kann die Einrichtung einen erheblichen Wirkungsgrad erreichen. Es wird in diesem
Falle das natürliche Potential aus dem geradlinigen Fall ausgenutzt, um es für die
Rorationsbewegungen der Drehachse umzuwandeln. Wenn bei dieser erfindungsgemäßen
Ausführung eine Antriebseinheit (mit Gefäß, Seil und Seiltrommel) ihre Arbeit getan
und an die Drehachse abgegeben hat, setzt eine andere Antriebseinheit unmittelbar
anschließend die Arbeit fort, so daß eine kontinuierliche Drehbewegung und damit
eine kontinuierliche Antriebsleistung für die Drehachse geschaffen wird. Während
der Arbeitsleistung einer Antriebseinheit kann dann das Gefäß einer anderen Antriebseinheit,
die gerade ihre Arbeit beendet hat, entleert und wieder nach oben gezogen werden
(durch
Seil, Seiltrommel und wahlweise zuschaltbare Antriebseinrichtung),
während gleichzeitig das Gefäß einer weiteren Antriebseinheit üaer den Verteiler
und ein entsprechendes Verteilrohr mit Flüssigkeit gefüllt wird.
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Als Flüssigkeit kommt vor allem Wasser in Frage, wobei jedoch mit
anderen Flüssigkeiten gleichartige Arbeit geleistet werden kann.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen
sowie aus der folgenden Beschreibung eines in der Zeichnung veranschaulichten Ausführungsbeispieles.
In dieser Zeichnung zeigen Fig.1 eine Perspektivansicht mit den wesentlichen Teilen
der erfindungsgemäßen Einrichtung; Fig.2 und 3 Vertikalschnittansichten insbesondere
durch eine Seiltrommel zur Erläuterung ihres Gesamtaufbaues, wobei die Seiltrommel
in zwei verschiedenen Betriebszuständen veranschaulicht ist; Fig.4 und 5 Z,m, geschnittene
Seitenansicten der in den Fig.2 und 3 gezeigten Seiltrommeln, ebenfalls in verschiedenen
Betriebszuständen der letzteren;
Fig.6 eine Perspektivansicht (mit
teilweise herausgebrochenen Teilen) des Flüssigkeitsverteilers; Fig.7 eine Vertikalschnittansicht
eines Gefäßes.
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Die in der Zeichnung veranschaulichte Einrichtung sei zunächst anhand
Fig.1 in ihrem allgemeinen Aufbau beschrieben. Diese Einrichtung enthält eine Drehachse
1, die im Bereich ihrer Enden in Lagern 2 drehbar abgestützt ist, wobei das eine
Achsende 70 mit einem Generator 7 verbunden ist.
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Im veranschaulichten Ausführungsbeispiel sind drei Seilantriebsvorrichtungen
als identische Baugruppen mit Abständen voneinander angeordnet.
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Jede Seilantriebsvorrichtung enthält eine Seiltrommel 4 mit beidseitig
zugeordneten Bremsen 3 und kapselartigen Deckeln 5. Auf jeder Seiltrommel 4 ist
ein Seil 8 angeordnet, das in geeigneter Länge ausgeführt ist und in noch zu erläuternder
Weise auf die Seiltrommel 4 aufgewickelt bzw. von dieser Seiltrommel 4 abgewickelt
werden kann, um dadurch die Drehachse 1 in Drehung zu versetzen.
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Am freien Ende jedes Seiles 8 ist ein Gefäß 9 befestigt, das in seiner
obersten Stellung (bei aufgewickeltem Seil 8) durch ein zugeordnetes Rohr 10 und
einen Verteiler mit Flüssigkeit, insbesondere Wasser, gefüllt werden kann. Der Verteiler
D ist in geeigneter Weise im Bereich unter-
halb der Drehachse
1 ortsfest angeordnet.
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Da die die Seilantriebsvorrichtungen bildenden Baugruppen alle gleichartig
ausgeführt sind, genügt im folgenden die Erläuterung einer dieser Seilantriebsvorrichtungen
unter Hinzuziehung der Fig.2 bis 5.
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Innerhalb jeder seilscheibenartigen Seileromm ist ein Freilauf angeordnet,
durch den die Antriebsverbindung zwischen Seiltrommel 4 und Drehachse 1 hergestellt
oder gelöst werden kann. Dieser Freilauf enthält eine drehfest auf der Drehachse
1 angeordnete Büchse 60 mit einer Querschnittsform gemäß Fig.4 und 5, ferner Walzenrollen
61, die entsprechenden Umfangsausnehmungen der inneren Büchse 60 zugeordnet sind,
sowie eine über diese Walzenrollen 61 geschobene Außenbüchse 62, die in einer Innenbohrung
der Seiltrommel 4 drehfest aufgenommen ist. Diese Außenbüchse 62 weist an ihren
beiden Enden Verlängerungen zur Aufnahme je eines Kugellagers 63 auf. Die Kugellager
63 sind durch die Deckel 5 sowie damit verbundene Simmerringe 64 abgedichtet.
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Durch die Kugellager 63 wird die Außenbüchse 62 des Freilaufs frei
drehbar auf der Drechachse 1 abgestützt.
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Zu beiden Stirnseiten der Seiltrommel 4 ist eine damit fest verbundene
Hilfstrommel 12 vorgesehen, mit deren oberen und unteren Umfangsbereichen
klotz-
oder backenartige Bremselemente 3 zusammenwirken (in Fig.4 ist der Bremseingriff
zwischen den Hilfstrommeln 12 und den Bremselementen 3 gelöst, während in der Darstellung
gemäß Fig.5 die Bremselemente 3 auf die Außenumfangsseiten der Hilfstrommeln 12
gedrückt sind).
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Jeweils eine der Hilfstrommeln 12 jeder Seiltrommel 4 ist ferner mit
einer ringförmigen Innenverzahnung 121 versehen, mit der - wie noch näher erläutert
wird - das Zahnritzel 111 einer Antriebswelle 11 in Eingriff gebracht werden kann,
die zu einem Elektromotor 6 gehört, wobei jeder Seiltrommel 4 ein solcher Elektromotor
6 zugeordnet ist, wie Fig.1 erkennen läßt.
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Zum Aufbau der Bremsen sei noch erwähnt, daß zumindest den unteren
Bremselementen 3 ein Exzenterbolzen 65 zugeordnet ist (vgl. Fig.4 und 5), durch
dessen Drehbewegung die Bremselemente 3 in der einen Stellung (Fig.5) in Richtung
auf die Drehachse 1 und damit gegen die Hilfstrommeln 12 gedrückt werden, während
in der um 1800 weitergedrehten Stellung (Fig.4) die Bremselemente 3 von den Hilfstrommeln
12 entfernt sind und dadurch der Bremseingriff gelöst ist.
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Einen wesentlichen Teil dieser Einrichtung stellt auch der Verteiler
D dar, der in Fig.1 im Gesamtaufbau und -anordnung zu erkennen und in Fig.6 in teilweise
aufgeschnittener Perspektivdarstellung
näher veranschaulicht ist.
Dieser Verteiler D weist eine rohrförmige Zylinderkammer 14 auf, deren eines Ende
einen Boden 140 mit einer Zulauföffnung 20 besitzt, an die ein Zuflußrohr 21 angeschlossen
ist Cz.B. durch Anschweißen an den Boden 140). Am entgegengesetzten Ende weist die
Zylinderkammer 14 eine mit drei etwa gleich großen, sektorartigen Öffnungen 18 versehene
Platte 16 auf, an deren Innenseite eine weitere Platte 17 anliegt, die eine einzige
zu den ffnungen 18 identische Öffnung 19 in der Weise besitzt, daß jeweils eine
der Öffnungen 18 in der Platte 16 durch die Öffnung 19 in der Platte 17 freigegeben
bzw. geöffnet ist, während jeweils die beiden anderen Öffnungen 18 der Platte 16
durch den übrigen Teil der Platte 17 verschlossen sind. Diese Anordnung ist so getroffen,
daß die gegeneinander weisenden Seiten der Platten 16 und 17 außerhalb der Öffnungen
18 und 19 abgedichtet sind. An jede Öffnung 18 der Platte 16 schließt sich ferner
nach außen hin ein entsprechend geformtes Abflußrohr 15 an, das die Verbindung zum
zugehörigen Rohr 10 herstellt, das zum entsprechenden Gefäß 9 führt.
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Koaxial in der Zylinderkammer 14 des Verteilers D ist eine Achse 22
angeordnet, die durch den Boden 140 und die beiden Platten 16, 17 hindurchgeht,
außerhalb dieser beiden Platten in einem Lager 24 gelagert ist, ferner drehfest
mit der Platte 17 verbunden ist und an einen Elektromotor 23 angeschlossen ist.
Durch eine Drehbewegung
dieser Achse 22 (durch eine entsprechende
Steuerung des Motors 23) kann somit jeweils eine der drei Öffnungen 18 der Platte
16 über die Öffnung 19 in der Verteilerplatte 17 mit der Zulauföffnung 20 und dem
Zuflußrohr 21 in Verbindung gebracht werden, wobei die Ausführung so ist, daß kein
Wasser im Verteiler D gestaut wird, sondern daß das Wasser möglichst widerstandsfrei
vom Zuflußrohr 21 in das jeweils geöffnete Abflußrohr 15 und Verbindungsrohr 10
gelangt.
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Die bisher beschriebene Einrichtung besitzt zwei Steuereinrichtungen,
nämlich eine für die Geschwindigkeitssteuerung und eine zur Steuerung eines synchronen
Arbeitsablaufes.
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Für die Geschwindigkeitssteuerung ist die Drehachse 1 mit dem Elektrogenerator
7 in der Weise verbunden, daß die Drehgeschwindigkeit der Drehachse 1 und die Generatorerregung
gesteuert werden. Falls die Drehachse eine größere Drehgeschwindigkeit als die normal
vorgegebene erreicht (z.B. durch zu große Belastung am Seil 8 oder durch Entlastung
des Generators), dann wird die Geschwindigkeitssteuereinrichtung die Generatorerregung
erhöhen, so daß der Generator 7 die Drehachse 1 stärker belastet und sie dadurch
verlangsamt. Wenn demgegenüber die Drehachse 1 zu langsam laufen würde, dann kann
die Steuereinrichtung die Generatorerregung verringern und dadurch die Drehachse
1 entlasten,
so daß ihre normale Drehgeschwindigkeit wieder erreicht
werden würde. Die Drehachse 1 gibt an den Generator 7 mechanische Energie ab, aber
nur so viel, wie durch ein abwärts bewegtes Gefäß 9 - wie noch näher erläutert wird
- an kinetischer Energie freigegeben wird (verringett um den Widerstand der Lager,
der Seilbiegung und der Luft).
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Die Steuereinrichtung für einen synchronen Arbeitsablauf (für die
verschiedenen Seilantriebsvorrichtungen) hat die Aufgabe, die Funktion der Gefäße
9, der Bremsen 3 und des Füllens der Gefäße 9 zu steuern.
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Für den Betrieb der bisher beschriebenen Einrichtung sei zunächst
vorausgesetzt, daß das Zuflußrohr 21 des Verteilers D an eine entsprechende Wasserleitung
angeschlossen ist, daß ferner die Drehachse 1 mit den darauf vorgesehenen Seilantriebsverbindungen
über einem Wasserbecken oder dergleichen angeordnet ist und daß die Seile 8 jeder
Seilantriebsvorrichtung ausreichend lang sind, damit die daran befestigten Gefäße
9 in ihrer untersten Position jeweils in das Wasser des Beckens eintauchen und entleeren
können.
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Das erläuterte Ausführungsbeispiel dieser Einrichtung funktioniert
dann folgendermaßen: Bei der Inbetriebsetzung wird zunächst eines der Ge-
fäße
9 über den Verteiler D und das zugehörige Verteilerrohr 10 mit Wasser gefüllt (bei
angezogenen Bremsen der Seiltrommel 4). Nachdem dieses Gefäß 9 voll ist, werden
(durch entsprechende Steuerung) die Bremselemente 3 der zugehörigen Seiltrommel
4 gelöst, wodurch das Gefäß 9 beginnt, nach unten zu fallen, so daß über das zugehörige
Seil 8 die zugehörige, freigegebene Seiltrommel 4 - im Gegenuhrzeigersinn -in Drehung
versetzt wird. Dabei wird über den Freilauf mit Außenbüchse 62, Walzenrollen 61
und Innenbüchse 60 die Drehachse 1 gleichsinnig mitgedreht (vgl. hierzu auch Fig.3
und 4). Während das eine, gefüllte Gefäß 9 sich unter seiner Last nach unten bewegt
und dadurch die Seiltrommel 4 und die Drehachse 1 antreibt, befinden sich die Freiläufe
der beiden anderen Seiltrommeln 4 in ihrer Freilaufstellung gemäß Fig.2 und 3. Durch
dieses gefüllte Gefäß 9 kann die zugehörige Seiltrommel 4 und die Drehachse 1 so
lange angetrieben werden, bis das Gefäß unten im Wasserbecken angekommen ist und
dort eintaucht; in diesem Moment verliert dieses Gefäß 9 seine Antriebskraft für
die zugehörige Seiltrommel 4 und somit für die Drehachse 1. Während dann der Freilauf
in der zugehörigen Seiltrommel 4 in seine Freilaufstellung gemäß Fig.2 gebracht
wird, beginnt das inzwischen gefüllte zweite Gefäß 9 seine Abwärtsbewegung (nach
Lösen der entsprechenden Bremselemente 3), so daß die zum zweiten Gefäß 9 gehörige
Seiltrommel 4 dann den Drehantrieb für die Drehachse 1 bildet.
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Während nun das zweite Gefäß 9 bei seiner Abwärtsbewegung mechanische
Arbeit leistet, wird gleichzeitig das dritte Gefäß 9 (bei gebremster Seiltrommel
4 und noch gelöstem Freilauf) mit Wasser gefüllt, und gleichzeitig wird auch das
erste Gefäß 9 von seinem Wasser entleert und am Seil 8 leer nach oben gezogen, indem
das Zahnritzel 111 der Antriebswelle 11 mit der Innenverzahnung 121 der einen Hilfstrommel
12 in Eingriff gebracht und der Motor 6 entsprechend eingeschaltet wird.
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Die Arbeitsynchronsteuerung der drei Gefäße ist dann jeweils derart,
daß eines der Gefäß Arbeit leistet, eines gefüllt und in Bereitstellung gebracht
wird und gleichzeitig das zuvor aktive Gefäß entleert und wieder in seine obere
Ausgangsstellung gezogen wird. Durch ein sinnvolles Ineinandergreifen dieser Arbeitsphasen
kann die Drehachse 1 in kontinuierlicher Drehbewegung gehalten werden und somit
durch den Generator 7 Energie erzeugen.
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Damit die mechanische Arbeit mit vertretbarem Wirkungsgrad geleistet
werden kann, ist es nun zweckmäßig, daß die Gefäße so konstruiert sind, daß sie
beim Wiederhochziehen auch vollkommen entleert sind, d.h. das Gefäß muß eine entsprechende
Ventilöffnung besitzen oder umgekippt werden.
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Eine bevorzugte Ausführungsform des Gefäßes sei daher im folgenden
anhand Fig. 7 erläutert.
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Um eine möglichst reibungslose Entlastung des Gefäßes zu erzielen,
ist es zu einem wesentlichen Teil zylindrisch ausgebildet, mit kegelförmigem unteren
Ende, wodurch es mühelos und mit relativ geringer Lärmentwicklung ins Wasser des
Wasserbeckens eintauchen kann. Auf der Innenseite des kegelförmigen Bodens ist eine
schwere Masse (Gewicht 35) angebracht, um den Schwerpunkt möglichst tief nach unten
zu verlegen, wodurch das Gefäß normalerweise in der Vertikalen gehalten wird. Am
Gefäß 9 ist durch ein Gelenk 29 ein gestängeartiger Halter 30 befestigt, der ein
Auflager 31 aufweist und an dem über ein Gelenk 32 ein Schließelement in Form eines
Schließhebels 33 befestigt ist, der mit einem Schwimmer 34 und einem Schließhaken
37 ausgestattet ist, während am Gefäß 9 mit waagerechter Achse zum Gelenk 32 ein
Stift 36 angebracht ist.
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Auf der Außenseite besitzt das Gefäß 9 im Bereich über dem Gelenk
29 (vorzugsweise am oberen Ende) ein Hilfsgefäß 25 mit einem Deckel 26, der aus
einem Material hergestellt ist, das spezifisch leichter ist als Wasser, oder der
mit einem Schwimmer 27 versehen ist. In der Wandung dieses Hilfsgefäßes 25 sind
Öffnungen 28 vorgesehen.
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Durch das Zusammenwirken des Schließhebels 33 mit dem Halter 30 (und
den entsprechenden Schließelementen) kann das Gefäß 9 in seiner vertikalen Stellung
verriegelt und zum Schwenken (Entleeren) entriegelt werden. Das Entriegeln kann
mit Hilfe des am
freien Ende des Schließhebels 33 angebrachten
Schwimmers 34 geschehen, der aus dem Gefäß 9 herausragt und beim Eintauchen des
gefüllten Gefäßes 9 in das Wasser des Wasserbeckens entsprechend geschwenkt wird.
Durch dieses Entriegeln des Halters 30
und des Gefäßes 9 über den
Schließhebel 33 gelangt das Gefäß 9 in einen labilen Zustand, so daß es zumindest
teilweise kippt und einen Teil des enthaltenen Wassers ausgießt. Damit das für die
vertikale Stellung des Gefäßes 9 sorgende Gewicht 35 den Behälter 9 nicht vor dem
vollkommenen Entleeren wieder in die vertikale Lage bringt, ist das Hilfsgefäß 25
vorgesehen. Dieses Hilfsgefäß 25 wird nämlich beim Eintauchen des Gefäßes 9 in das
Wasserbecken durch die Wandöffnungen 28 mit Wasser gefüllt, wobei der Deckel 26
in seine offene Stellung geschwenkt wird, so daß das Hilfsgefäß vollkommen mit Wasser
gefüllt werden kann. Wenn dann beim Aufwinden des zugehörigen Seiles 8 (durch Einschalten
des Motors 6) das in das Wasserbecken eingetauchte Gefäß 9 hochgezogen wird, dann
wird es durch das gefüllte Hilfsgefäß 25 ganz umgekippt, so daß auch der Rest seiner
Wasserfüllung ausfließen kann.
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Beim weiteren Herausziehen des Gefäßes 9 aus dem Wasserbecken fließt
dann auch das Wasser aus dem Hilfsgefäß 25 durch die Öffnungen 28 ab, und das Gefäß
9 gelangt aufgrund des durch das Gewicht 35 ausgeübten Schwenkmoments um das gelenk
29 wieder in seine vertikale Stellung, in der es durch den Schließhebel 33 verriegelt
wird. Das so vollkommen geleerte Gefäß 9 kann dann mit relativ geringem Kraftaufwand
in seine obere Ausgangsstellung gezogen werden, in der es erneut durch den Verteiler
D und das Verteilerrohr 10 gefüllt werden kann.
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Es versteht sich von selbst, daß auch eine größere Anzahl als drei
Seilantriebsvorrichtungen auf der Drehachse vorgesehen werden können und daß im
Bedarfsfalle auch eine andere Flüssigkeit als Wasser Verwendung finden kann.