[0001] Die Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung mit einer auf einer drehbaren Welle
fest angeordneten Turbine, die durch eine Flüssigkeit, insbesondere Wasser beaufschlagbar
und dadurch zusammen mit der Welle in eine Drehbewegung versetzbar ist.
[0002] Derartige Antriebsvorrichtungen, bei denen eine drehbar gelagerte Welle eine Turbine
trägt, sind bekannt. Dabei wird die Turbine mit Wasser beaufschlagt und dadurch zusammen
mit der Welle in eine Drehbewegung versetzt. Die sich drehende Welle kann dann ein
Aggregat antreiben, beispielsweise einen Generator zur Stromerzeugung.
[0003] Nachteilig bei dieser bekannten Antriebsvorrichtung ist, daß deren Wirkungsgrad vergleichsweise
gering ist, da beispielsweise aufgrund von Lagerreibung und Luftrelbung relativ große
Verluste auftreten. Darüber hinaus wird die Restenergie des Wassers nach Verlassen
der Turbine nicht weiter genutzt.
[0004] Der Erfindung liegt die
Aufgabe zugrunde, eine konstruktiv neuartige Antriebsvorrichtung unter Verwendung einer durch
eine Flüssigkeit, insbesondere Wasser beaufschlagten Turbine zu schaffen.
[0005] Als technische
Lösung wird mit der Erfindung vorgeschlagen, daß die Welle senkrecht stehend angeordnet
ist, daß auf der Welle diese konzentrisch umgebend eine nach oben hin sich konisch
erweiternde Röhre fest angeordnet ist, in deren Bodenbereich die Turbine angeordnet
ist und die im oberen Randbereich einen Überlauf mit einem darunter angeordneten,
feststehenden Sammelbehälter für überlaufende Flüssigkeit aufweist, und daß die Turbine
über wenigstens ein, vom Sammelbehälter ausgehendes Fallrohr von unten mit der Flüssigkeit
beaufschlagbar ist.
[0006] Eine nach dieser technischen Lehre ausgebildete Antriebsvorrichtung zeichnet sich
durch einen sehr hohen Wirkungsgrad aus, da durch die besondere konstruktive Ausbildung
der Antriebsvorrichtung die für den Antrieb der Turbine verantwortliche Flüssigkeit,
bei der es sich vorzugsweise um Wasser handelt, einen geschlossenen Kreislauf durchläuft,
so daß die Energie des Wassers sehr gut ausgenutzt und in eine Drehbewegung der Welle
umgesetzt wird. Die Grundidee der Antriebsvorrichtung besteht dabei darin, daß - nachdem
zur Inbetriebnahme der Antriebsvorrichtung nach deren Stillstand zunächst beispielsweise
durch einen Elektromotor die Welle und damit die Röhre auf eine bestimmte Umdrehungsgeschwindigkeit
gebracht worden ist - das Wasser vom oberen Sammelbehälter durch die vorzugsweise
zwei bis drei Fallrohre derart nach unten geleitet wird, daß die Schaufeln der Turbine
von unten angestrahlt werden und dadurch ein Antrieb der Turbine erfolgt. Dadurch
wird ein Drehmoment auf die Bauteileinheit bestehend aus der Welle, der Turbine sowie
der umgebenden Röhre als Antriebsenergie ausgeübt. Aufgrund der auf das Wasser wirkenden
Zentrifugalkraft, nachdem das Wasser die Schaufeln der Turbine beaufschlagt hat, wird
das Abwasser der Turbine an das Innere der Röhre gepreßt und schießt aufgrund deren
konischen Ausgestaltung in Abhängigkeit vom Durchmesser der Röhre und der Umdrehung
schnell nach oben, um nach Passieren des Überlaufs in dem Sammelbehälter wieder aufgefangen
zu werden, so daß der Kreislauf von neuem beginnen kann. Voraussetzung ist dabei,
daß das Wasser über die Fallrohre eine minimale Fallhöhe durchläuft, welche 8 bis
10 m beträgt, so daß die erforderliche Drehzahl der Röhre gewährleistet ist und so
die nötige Zentrifugalkraft auf das Abwasser der Turbine erbracht wird. Da die Umdrehung
der Röhre sowie die Umdrehung des in ihr mitrotierenden Wassers nahezu identisch sind,
sind die Reibungsverluste des Wassers beim Hochschießen in der Röhre minimal und somit
der Wirkungsgrad entsprechend hoch. Statt der Verwendung einer Turbine mit ihrer vertikalen
Achse könnett auch dazu äquivalente Aggregate verwendet werden, welche durch Wasserbeaufschlagung
antreibbar sind.
[0007] In einer Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß die Rohre unten durch
einen feststehenden Boden abgeschlossen ist, in dem ausgerichtete Düsen der Fallrohre
münden. Dadurch ist eine technisch einfache Möglichkeit zum Beaufschlagen des Wassers
ausgehend von den feststehenden Fallrohren auf die rotierende Turbine gegeben, wobei
die Mündungsdüsen der Fallrohre derart schräg ausgerichtet sind, daß eine optimale
Beaufschlagung der Schaufeln der Turbine mit einem hohen Wirkungsgrad realisiert ist.
Bei dem feststehenden Boden kann es sich dabei beispielsweise um ein Blech handeln,
welches die Funktion eines Tropfbleches erfüllt, welches das Spritzwasser der Turbinenschaufeln
auffängt. In diesem Blech sind die Mündungsdüsen der Fallrohre eingebaut und ausgerichtet.
[0008] Eine bevorzugte Weiterbildung hiervon schlägt vor, daß der Boden in radialer Richtung
nach unten geneigt ist. Dadurch wird zusätzlich zur auf das Wasser wirkenden Zentrifugalkraft,
welche das Spritzwasser in Richtung Innenwand der Röhre schleudert, ein zusätzlicher
Ablauf radial nach außen gewährleistet und das Wasser sammelt sich im äußeren Übergangsbereich
zwischen dem runden, feststehenden Boden und der rotierenden Röhre. Das sich in diesem
Bereich ansammelnde Wasser wird aufgrund der Rotationsbewegung der Röhre sofort beschleunigt
und schießt gleichermaßen wie das direkt auf die Innenwand der Röhre auftreffende
Abwasser der Turbine nach oben.
[0009] Eine weitere Weiterbildung schlägt vor, daß sich die Röhre unten im Bereich der Turbine
stärker nach oben hin konisch erweitert als im Bereich darüber. Dies bringt den Vorteil
mit sich, daß das in diesem Bereich der Turbine auf die Innenwand der Röhre auftreffende
Abwasser besser nach oben geleitet wird.
[0010] Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung schlägt vor, daß die Fallrohre die Flüssigkeit
derart auf die Schaufeln der Turbine leiten und dabei die Schaufeln der Turbine derart
angestellt sind, daß die Flüssigkeit durch die Schaufeln größtenteils mit einer Radialkomponente
reflektierbar ist. Diese Weiterbildung bringt den Vorteil mit sich, daß das Abwasser
der Turbine direkt auf die Innenwand der Röhre trifft und somit unmittelbar nach oben
transportiert wird, ohne daß es beispielsweise als Spritzwasser auf den feststehenden
Boden auftrifft. Dadurch werden die Verluste noch weiter vermindert.
[0011] Vorzugsweise ist die Turbine eine Pelton-ähnliche Turbine. Diese eignet sich besonders
gut für die Antriebsvorrichtung.
[0012] Vorzugsweise beträgt die Höhe der Röhre ungefähr 10 bis 12 m und die Höhe des Fallrohres
ungefähr 8 bis 10 m. Somit liegt die Höhe der Röhre ungefähr 2 m über der Fallhöhe.
Diese minimale Fallhöhe von ungefähr 8 bis 10 m stellt sicher, daß die Turbine und
damit die Röhre mit der erforderlichen Drehzahl angetrieben wird, um die notwendige
Zentrifugalkraft auf das Abwasser der Turbine auszuüben und das Abwasser entlang der
Innenwand der Röhre nach oben hin zum Überlauf schießen zu lassen.
[0013] Eine weitere Weiterbildung der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung schlägt vor,
daß drei Fallrohre vorgesehen sind. Diese sind gleichmäßig um den Umfang der Welle
anzuordnen. Selbstverständlich können auch weniger oder aber auch mehr als die drei
Fallrohre verwendet werden.
[0014] Eine bevorzugte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung schlägt vor,
daß innerhalb der Röhre radial schräg nach oben angestellte, wendelförmige Leitbleche
mit der Welle als Achse angeordnet sind. Durch diese Leitbleche erfährt die Röhre
ein zusätzliches Drehmoment, da das Wasser auf seinem Weg nach oben unablässig gegen
diese Leitbleche drückt und somit das zusätzliche Drehmoment erzeugt. Dabei sind die
Leitbleche fest mit der Welle und damit fest mit der Röhre verbunden.
[0015] Vorzugsweise beträgt der Winkel der Leitbleche bezüglich zur Vertikalen ungefähr
45°.
[0016] Schließlich wird in einer Weiterbildung dieser bevorzugten Ausführungsform vorgeschlagen,
daß die Röhre und/oder die Leitbleche mit einem luftreibungsmindernden Material verkleidet
sind. Dadurch werden Reibungsverluste auf ein Minimum reduziert.
[0017] Eine zweite bevorzugte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung schlägt
vor, daß der Überlauf der Röhre derart gerichtete Düsen, insbesondere entgegengesetzt
zur Drehrichtung der Welle gebogene Düsen aufweist, durch welche die überlaufende
Flüssigkeit hindurchströmt, daß die Röhre ein zusätzliches Drehmoment erfährt. Dadurch
wird das in Rotation befindliche Wasser am oberen Ende der Röhre im Bereich des Überlaufs
noch einmal für ein zusätzliches Drehmoment genutzt. Dabei wird das durch die Zentrifugalkraft
nach außen drückende Wasser unter Bildung eines Staudruckes durch die entsprechend
ausgerichteten Düsen gepreßt, so daß ein weiterer Schub entsteht.
[0018] Dabei weist der Überlauf vorzugsweise ein Ringbecken auf, in dem die Flüssigkeit
staubar ist und in dem die Düsen eingelassen sind. Dieses Ringbecken ist dabei fest
mit der Röhre verbunden und rotiert mit diesem mit.
[0019] Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung wird nachfolgend
anhand der Zeichnung beschrieben. Diese zeigt einen rein schematischen Längsschnitt
durch die Antriebsvorrichtung.
[0020] Die Antriebsvorrichtung weist zunächst eine senkrecht ausgerichtete Welle 1 auf,
die in schematisch angedeuteten Lagern 2 drehbar gelagert ist.
[0021] Die Welle 1 ist von einer Röhre 3 umgeben, in deren Mittelachse die Welle 1 liegt
und die fest mit der Welle 1 verbunden ist, so daß bei einer Drehbewegung der Welle
1 die Röhre 3 mitrotiert. In der Zeichnung ist erkennbar, daß sich die Röhre 3 nach
oben hin konisch erweitert, wobei diese konische Erweiterung ganz unten im Bodenbereich
für eine kurze Strecke größer ist als im Bereich darüber. Der obere Rand der Röhre
3 ist im wesentlichen horizontal radial nach außen gebogen und definiert einen Überlauf
4 mit einem Ringbecken 5, welches fest mit der Röhre 3 verbunden ist und den oberen
Randbereich dieser Röhre 3 definiert. In dem Ringbecken 5 sind gebogende Düsen 6 eingelassen.
[0022] Im unteren Bereich der Röhre 3 befindet sich eine Pelton-ähnliche Turbine 7 mit Schaufeln
8. Diese Turbine 7 ist ebenfalls fest auf der Welle 1 angeordnet.
[0023] Im Bereich oberhalb der Turbine 7 sowie unterhalb des Überlaufs 4 der Röhre 3 befinden
sich wendelförmige Leitbleche 9, die ebenfalls fest mit der Welle 1 sowie mit der
Röhre 3 verbunden sind und daher ebenfalls bei einer Drehbewegung der Welle 1 zusammen
mit der Röhre 3 und der Turbine 7 mitrotieren. Diese Leitbleche 9 sind mit einem Winkel
zur Vertikalen von ungefähr 45° angestellt. In der Zeichnung sind die wendelförmigen
Leitbleche 9 nur ausschnittsweise dargestellt. Sie reichen aber vorzugsweise unten
von der Turbine 7 bis oben hin zum Überlauf 4.
[0024] Die Röhre 3 ist unterseitig unterhalb der Turbine 7 von einem feststehenden Boden
11 abgeschlossen, der nicht mit der Welle 1 mitrotiert. Dieser Boden 11 ist beispielsweise
durch ein Blech gebildet und ist in radialer Richtung nach unten geneigt. In diesem
Boden 11 münden Düsen 12 von drei Fallrohren 13. Diese Fallrohre 13 sind nach oben
in Richtung Überlauf 4 der Röhre 3 geführt und an einen ringförmigen Sammelbehälter
14 angeschlossen, der ebenso wie die Fallrohre 13 und der Boden 11 zusammen mit den
Düsen 12 feststehend ist. In dem Sammelbehälter 14 befindet sich eine Flüssigkeit
15, insbesondere Wasser.
[0025] Die Höhe der Fallrohre 13 beträgt ungefähr 8 bis 10 m, während die Höhe der Röhre
3 ungefähr 10 bis 12 m beträgt.
[0026] Die Antriebsvorrichtung funktioniert wie folgt:
Wie bereits erwähnt, befindet sich in dem oberen, feststehenden Sammelbehälter 14
Flüssigkeit 15, insbesondere Wasser. Die Zuleitung zu den angeschlossenen Fallrohren
13 ist dabei vor Inbetriebnahme der Antriebsvorrichtung durch nicht dargestellte Ventile
geschlossen. Zur Inbetriebnahme der Antriebsvorrichtung wird zunächst die Welle 1
beispielsweise mittels eines Elektromotors in eine bestimmte Umdrehungsgeschwindigkeit
gebracht. Dadurch rotieren die Turbine 4 sowie die Röhre 3 zusammen mit den Leitblechen
9 identisch mit, da nur der Sammelbehälter 14, die Fallrohre 13 sowie der Boden 11
als einzige Teile feststehend sind.
[0027] Nachdem die Welle 1 auf die erforderliche Umdrehungsgeschwindigkeit gebracht worden
ist, werden die Ventile in den Fallrohren 13 geöffnet und die Flüssigkeit 15 fällt
ausgehend vom Sammelbehälter 14 durch die Fallrohre 13 nach unten und tritt durch
die im Boden 11 eingelassenen Düsen 12 derart hindurch, daß die Schaufeln 8 der Turbine
7 mit der Flüssigkeit 15 beaufschlagt werden und somit die Turbine 7 angetrieben wird.
Da sich die Einheit außer den feststehenden Teilen in einer Drehbewegung befindet,
erfährt die Flüssigkeit 15, welche die Schaufeln 8 der Turbine 7 beaufschlagt hat,
eine Zentrifugalkraft und wird daher radial nach außen in Richtung Innenwand 16 der
Röhre 3 geschleudert. Aufgrund der Drehbewegung der Röhre 3 sowie aufgrund der konischen
Ausbildung erfährt die Flüssigkeit 15 eine Kraftkomponente nach oben und schießt daher
in Richtung Überlauf 4 in vertikaler Richtung nach oben entlang der Innenwand 16 der
Röhre 3 Eventuelles Spritzwasser der Schaufeln 8 der Turbine 7 wird durch den Boden
11 aufgefangen. Durch die Neigung dieses Bodens 11 nach unten wird das Spritzwasser
radial abgeführt und gelangt in den Wirkungsbereich der Röhre 3. Es wird sofort beschleunigt
und schießt gleichermaßen nach oben.
[0028] Auf diesem Weg nach oben beaufschlagt das Wasser die wendelförmigen Leitbleche 9,
so daß die Röhre 3 ein zusätzliches Drehmoment erhält, da die Flüssigkeit 15 unablässig
gegen die Leitbleche 9 drückt.
[0029] Schließlich sammelt sich die Flüssigkeit 15 im Bereich des Überlaufs 4 im Ringbecken
5 und staut sich dort unter Bildung eines Staudruckes. Da in dem Ringbecken 5 schräg
verlaufende Düsen 6 eingelassen sind, wird die Flüssigkeit 15 durch diese Düsen 6
hindurchgepreßt, so daß ein dritter und letzter Schub entsteht.
[0030] Nach dem Austritt aus diesen gebogenen Düsen 6 wird die Flüssigkeit 15 in dem ringförmigen,
feststehenden Sammelbehälter 14 aufgefangen. Nach Vollendung dieses ersten Kreislaufes
wird der Elekromotor zum Antreiben der Welle 1 abgeschaltet. Gleichzeitig wird die
Flüssigkeit 15 erneut über die Fallrohre 13 der Turbine 7 zu deren Beaufschlagung
zugeführt, so daß der ganze Vorgang in Form eines geschlossenen Kreislaufes von neuem
beginnt.
[0031] Insgesamt werden also durch die im Umlauf befindliche Flüssigkeit 15 drei Antriebselemente
bedient, nämlich die untere Turbine 7, die Leitbleche 9 sowie schließlich die oberen,
gebogenen Düsen 6. Da die Umdrehung der Röhre 3 sowie die in ihr mitrotierende Flüssigkeit
15 nahezu identisch sind und somit nur ein vertikaler Reibungsweg besteht, ist die
Reibung der Flüssigkeit 15 an der Innenwand 16 der Röhre 3 nur minimal und geht nicht
zu Lasten der Funktion, nämlich der Umdrehung der drehbaren Einheit. Verluste wie
Lagerreibung, Luftreibung, Radiuserweiterung (konische Röhre 3) sowie Turbinenspritzwasserbeschleunigung
spielen eine unbedeutende Rolle, so daß die Antriebsvorrichtung einen sehr hohen Wirkungsgrad
besitzt.
[0032] In einer alternativen Ausführungsform wird auf die Röhre 3 gänzlich verzichtet. Dabei
ist ebenfalls auf einer drehbaren Welle 1 eine Turbine 7 mit Schaufeln 8 fest angeordnet.
Diese Schaufeln 8 der Turbine 7 werden entweder von der einen Seite her oder von der
anderen, insbesondere von unten oder von oben mit einer Flüssigkeit 15 insbesondere
in Form von Wasser beaufschlagt und in eine Drehbewegung versetzt.
[0033] Im Radialbereich zu den Schaufeln 8 der Turbine 7 befindet sich ein Ringbecken 5,
in dem schräg verlaufende Düsen 6 eingelassen sind, wobei die Einheit bestehend aus
dem Ringbecken 5 und den Düsen 6 ebenfalls fest auf der Welle 1 angeordnet ist. Die
Düsen 6 des Ringbeckens 5 weisen dabei ebenfalls einen schrägen Verlauf auf, wie dies
bei der ersten Ausführungsform der Fall war.
[0034] Auch bei der zweiten Ausführungsform der Antriebsvorrichtung werden die Schaufeln
8 der Turbine 7 mit der Flüssigkeit 15 in Form von Wasser beaufschlagt. Die Flüssigkeit
15 wird nach dieser Beaufschlagung radial weggeschleudert und sammelt sich im radial
angeordneten Ringbecken 5 und erzeugt dort einen Staudruck. Durch die schräg verlaufenden
Düsen 6, durch die die Flüssigkeit 15 aufgrund des Staudrucks austritt, wird auf die
Welle 1 ein zusätzliches Drehmoment ausgeübt, welches die durch die Turbine 7 bewirkte
Drehmomentausübung unterstützt, so daß ein zweiter, zusätzlicher Schub entsteht, welcher
den Wirkungsgrad der Turbine 7 erhöht. Diese alternative, zweite Ausführungsform stellt
unabhängig von der ersten Ausführungsform eine selbständige Erfindung dar.
Bezugszeichenliste
[0035]
- 1
- Welle
- 2
- Lager
- 3
- Röhre
- 4
- Überlauf
- 5
- Ringbecken
- 6
- Düse
- 7
- Turbine
- 8
- Schaufel
- 9
- Leitblech
- 11
- Boden
- 12
- Düse
- 13
- Fallrohr
- 14
- Sammelbehälter
- 15
- Flüssigkeit
- 16
- Innenwand
1. Antriebsvorrichtung
mit einer auf einer drehbaren Welle (1) fest angeordeten Turbine (7), die durch eine
Flüssigkeit (15), insbesondere Wasser beaufschlagbar und dadurch zusammen mit der
Welle (1) in eine Drehbewegung versetzbar ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Welle (1) senkrecht stehend angeordnet ist,
daß auf der Welle (1) diese konzentrisch umgebend eine nach oben hin sich konisch
erweiternde Röhre (3) fest angeordnet ist, in deren Bodenbereich die Turbine (7) angeordnet
ist und die im oberen Randbereich einen Überlauf (4) mit einem darunter angeordneten,
feststehenden Sammelbehälter (14) für überlaufende Flüssigkeit (15) aufweist, und
daß die Turbine (7) über wenigstens ein, vom Sammelbehälter (14) ausgehendes Fallrohr
(13) von unten mit der Flüssigkeit (15) beaufschlagbar ist.
2. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Röhre (3) unten
durch einen feststehenden Boden (11) abgeschlossen ist, in dem ausgerichtete Düsen
(12) der Fallrohre (13) münden.
3. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Boden (11) in
radialer Richtung nach unten geneigt ist.
4. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß
sich die Röhre (3) unten im Bereich der Turbine (7) stärker nach oben hin konisch
erweitert als im Bereich darüber.
5. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß
die Fallrohre (13) die Flüssigkeit (15) derart auf die Schaufeln (8) der Turbine (7)
leiten und dabei die Schaufeln (8) der Turbine (7) derart angestellt sind, daß die
Flüssigkeit (15) durch die Schaufeln (8) größtenteils mit einer Radialkomponente reflektierbar
ist.
6. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß
die Turbine (7) eine Pelton-ähnliche Turbine (7) ist.
7. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß
die Höhe der Röhre (3) ungefähr 10 bis 12 m beträgt.
8. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß
die Höhe des Fallrohres (13) ungefähr 8 bis 10 m beträgt.
9. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß
drei Fallrohre (13) vorgesehen sind.
10. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß
innerhalb der Röhre (3) radial schräg nach oben angestellte, wendelförmige Leitbleche
(9) mit der Welle (1) als Achse angeordnet sind.
11. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel der Leitbleche
(9) bezüglich zur Vertikalen ungefähr 45° beträgt.
12. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß
die Röhre (3) und/oder die Leitbleche (9) mit einem luftreibungsmindernden Material
verkleidet sind.
13. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß
der überlauf (4) der Röhre (3) derart gerichtete Düsen (6), insbesondere entgegengesetzt
zur Drehrichtung der Welle (1) gebogene Düsen (6) aufweist, durch welche die überlaufende
Flüssigkeit (15) hindurchströmt, daß die Röhre (3) ein zusätzliches Drehmoment erfährt.
14. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Überlauf (4)
ein Ringbecken (5) aufweist, in dem die Flüssigkeit (15) staubar ist und in dem die
Düsen (6) eingelassen sind.