DE911598C

DE911598C - Fluessigkeitsturbine

Info

Publication number: DE911598C
Application number: DESCH2930D
Authority: DE
Inventors: Fritz Schupp
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1939-07-08
Filing date: 1939-07-08
Publication date: 1954-05-17

Description

Flüssigkeitsturbine Die Erfindung betrifft Flüssigkeitsturbinen und bezweckt die Ersparnis von Werkstoff, Raum, Fundamenten und Bauwerk. Sie bezweckt ferner eine Ausbildung der Arbeitsräume der Turbine derart, daß auf der Hochdruckseite keine besonderen Dichtungen erforderlich sind.
Sie bezweckt weiter eine vermehrte Anwendungsmöglichkeit der Flüssigkeitsturbine auch für kleine und kleinste Leistungen und die Möglichkeit der Parallel- oder Hintereinandersohaltung von mehreren Rädern entsprechend der zur Verfügung stehenden Antriebsleistung.
Sie bezweckt außerdem die Möglichkeit der hydraulischen Kraftübertragung in Land-, Wasser-und Luftfahrzeugen bzw. die unmittelbare Kombination mit deren An- bzw. Forttriebselementen. Sie bezweckt schließlich eine Dezentralisierung hydraulischer Kraftanlagen in Abhängigkeit von einer zentralen Druckflüssigkeitsanlage bei Vermeidung von Übertragungsgestängen, Wellen, Übersetzungs-, Wechsel- und Differentialgetrieben.
Schließlich soll noch eine unmittelbare Kühlung des Läufers erreicht werden. Diese vielfachen Vorteile sollen vorschlagsgemäß durch die Anwendung des Hohlläuferprinzips bei hydraulischen Turbinen erzielt werden, bei dem der Läufer durch einen mit der anzutreibenden Arbeitsmaschine verbundenen Hohlkörper gebildet wird, in dessen Inneres das Arbeitsmittel in Achsrichtung eingeführt wird. Erfindungsgemäß bildet dieser Hohlkörper bzw. Hohlläufer zur Vermeidung von Dichtungen auf der Hochdruckseite die druckfeste Begrenzung des mit feststehenden Leitschaufeln versehenen Leitapparates und ist nur auf der Abströmseite nach außen abgedichtet.
Die Erfindung wird an Hand der Fig. I bis 7 erläutert. Durch Vereinigung von Läufer I und Hohlkörper 2 gemäß Fig. I, wobei der Hohlkörper mit dem Laufrad rotiert und von diesem angetrieben wird, kann, da die Beaufschlagung auf das Schaufelrad von innen erfolgt und das Spiralgehäuse fortfällt, an Maschinengewicht und Raum erheblich gespart werden.
Der umlaufende Hohlkörper 2 umschließt die feststehenden Einbauten, das Leitrad 3 usw., dem die Betriebsflüssigkeit durch seinen Träger, das Druckrohr 4, axial durch die Läuferbohrung 5 zugeführt wird. Als Auslaß aus dem Hohlkörperinnern 6 dienen die Schaufelkanäle 7, die in das Saugrohr 8 münden.
Da der Hohlkörper 2 mit der Drehzahl des Läufers I umläuft, kann er an seinem Außenumfang die Antriebsleistung unmittelbar abgeben. Diese kann jedoch auch an dem seitlichen Wellenfortsatz 9, der zur Lagerung dient, abgegeben werden (Fig. I). Der Hohlkörper 2 kann infolgedessen als Radkranz, Trommel oder als Nabe irgendeines Läufers oder Rades, z. B. eines Generators, Zahnrades, einer Riemenscheibe oder Bandbremse, eines Motor-, Automobil-, Eisenbahn- oder irgendeines oder mehrerer Wagenräder, eines Propellers für Schiffe, Flugzeuge, Luftschiffe, Hubschrauber usw., dienen (s. Fig. 2 bis 7).
Da der Raum innerhalb eines Radkranzes einer Arbeitsmaschine oder eines Arbeitselementes ohnehin vorhanden, aber meist nicht voll ausgenutzt ist und bei der vorgeschlagenen Ausbildung auch die Lagerung der Arbeitsmaschine mit derjenigen der Turbine zusammenfallen kann und die Abmessungen der Arbeitsmaschine durch den Einbau der Turbine auch im Durchmesser kaum vergrößert werden (s. Fig. 2 bis 7), ist die Ersparnis an Maschinengewicht und Raum und damit auch an Fundamenten und Bauwerk beträchtlich.
Der Hohlläufer I bis 2 hast als Einlaßöffnung die Laufradbohrung 5 und als Auslaßöffnung die Schaufelkanäle 7. Die Laufradhohrung 5 dient als Lagerstelle und Spaltdichtung zum Saugrohr 8. Die Schaufelkanäle 7, in denen die Energieumsetzung erfolgt, münden ebenfalls in das Saugrohr 8, in dem Unterdruck herrscht. Es ist möglich, das Aggregat unter den Oberwasserspiegel zu setzen, ohne irgendwelche Abdichtungs- oder Schutzmaß- , nahmen treffen zu müssen. Es sind lediglich die Flansche Io und II (Fug. I, 2 und 3) gegen den Zu- bzw. Abflußkanal zu dichten. Da die Baulänge gegenüber üblichen Anlagen erheblich verkürzt werden kann, ist die Unterwasseranordnung wesentlich erleichtert und auch bei kleineren Niveauunterschieden ermöglicht (s. Fig. I, 2 und 3).
Durch das Fehlen, einer Abdichtungsstelle an der Druckseite und die einfache Abdichtungsmöglichkeit der Saugseite gegen eine Flüssigkeit von gleichem Druck oder gegen einen Unterdruck ist auch die Führung der Betriebsflüssigkeit im Kreislauf möglich. Dadurch wird die Anwendung der Flüssigkeitsturbine im Fahr- und Flugzeugbau ermöglicht. Wenn als Betriebsflüssigkeit eine schmierende oder eine auch noch mit anderen zweckentsprechenden Eigenschaftenbehaftete Flüssigkeit gewählt wird, kann die Schmierung von Turbinen und Fahrzeug vereinigt werden.
Fig. 4 zeigt den Einbau einer Doppelturbine, d. h. zweier parallel, bezüglich des Achsenhubes jedoch gegeneinandergeschalteter Einzelturbinen in der Radnabe I8 eines Fahrzeugrades, z. B. eines Motorfahrzeuges. Die Betriebsflüssigkeit wird durch die Stutzen I2 und I3 ein- und durch die Stutzen I4 und I5, nachdem die Flüssigkeit die Laufräder durchströmt hat, abgeführt. Die Lagerstellen I6 und I7 sind sowohl die Lagerstellen des Turbinenläufers als diejenigen des Rades. Die Läuferbohrungen 5 dienen als Radiallager. Sie umlaufen die Druckrohre und dienen gleichzeitig als Dichtungsstellen des Laufrades. Die Betriebsflüssigkeit durchströmt die Turbine im Kreislauf und wird von einer je nach den Betriebsverhältnissen bemessenen, mit dem Antriebsmotor verbundenen Kreiselpumpe, die an irgendeiner Stelle des Fahrzeuges eingebaut werden kann, zugeführt. Der Rahmen des Fahrzeuges kann dabei zur Zu- und Ableitung der Flüssigkeit bzw. als Behälter benutzt werden. Während die Druckseiten der Turbine vollkommen geschlossen sind, sind die Saugseiten mit einer Dichtung I9 zu versehen, um den Verlust von Betriebsflüssigkeit zu verhindern. Der Verschluß ist sehr einfach, da die Flüssigkeit nach Verlassen des Laufrades drucklos ist.
Während Fig. 4 ein Einzelrad zeigt, stellt Fig. 5 eine Ausführung dar, die in einem mehrrädrigen Fahrzeug vorteilhaft gebraucht werden kann. Auch hier ist ein Turbinenrad mit Hohlkörper, also ein Hohlläufer in der Nabe eines bzw. mehrerer Fahrzeugräder, angeordnet, z. B. in der hinteren Achse eines Automobils oder eines sonstigen motorgetriebenen Wagens. Beide Räder sind in ihrer Wirkungsweise auch hier parallel geschaltet, während sie bezüglich des Achsschubs gegeneinandergeschaltet sind. Die Lagerung des Turbinenhohlläufers sowohl als auch der Fahrzeugräder ist in den Lagern 2o und 2I sowie in den Lagerstellen 22 und 23 vereinigt. Die Schubkräfte werden durch die Axiallager 24 und 25 aufgenommen. Die Abdichtungsstellen 26 und 27 verhindern den Verlust von Betriebsflüssigkeit, die den Turbinen durch das Druckrohr 28 zu- und von ihnen durch das Saugrohr 29 abgeführt wird. Ebenso wie der umlaufende Teil als Antriebsläufer und Fahrzeugrad dient, dient der feststehende Teil, das Rohrsystem, gleichzeitig als Wagenachse. Er kann sogar als Fahrzeugrahmen ausgebildet werden. In einem Fahrzeug können beliebig viele Radpaare mit eingebauter Flüssigkeitsturbine kombiniert werden, während die Betriebsflüssigkeit durch eine Kreiselpumpe, die mit irgendeinem Antriebsmotor ausgerüstet ist, an irgendeiner Stelle des Fahrzeuges, eventuell in einem toten. Raum angeordnet werden kann. Auf diese Weise können sämtliche mechanischen Übertragungselemente vermieden werden.
Ein weiteres Anwendungsgebiet, nämlich die Vereinigung des Hohlläufers mit der Radnabe eines Propellers in Wasserfahrzeugen, zeigt Fig. 6. Hier wird ebenfalls eine Betriebsflüssigkeit im Kreislauf verwendet. Die Lagerung des Propellers bzw. Hohlläufers der Antriebsturbine erfolgt genau wie in Fig. 5, ebenso die Abdichtung, die Zuführung und Abführung der Flüssigkeit. Das Saug- und Druckrohr dient als Schubübertragungselement auf das Wasserfahrzeug. Die Achsschubrichtung der Turbine wirkt der Schubrichtung des Propellers entgegen.
Ebenso wie im Wasserfahrzeug läßt sich die Flüssigkeitsturbine in derselben vorteilhaften Weise in den Propeller eines Luftfahrzeuges einbauen. In Fig.7 ist der Antrieb des Propellers eines Hubschraubers gezeigt. Die Flüssigkeitszuführung erfolgt senkrecht von unten durch das Rohr 35 und der Rückfluß durch das Rohr 36, die beide als gleichzeitiges Kraftübertragungselement an dem Flugzeug befestigt sind. Um die Hubkraft der Propellerflügel möglichst günstig auf das Flugzeug zu übertragen, können Gestänge 37 angeordnet werden, die mit umlaufen und durch das Kugellager 38 die Hubkraft auf die Rohrleitung der Flüssigkeitsturbine übertragen. Auch hier können beliebig viele Propeller angeordnet werden, die von einer Zentralstelle oder auch von mehreren Stellen aus gespeist werden. Die Lagerung des Propellers fällt, wie in allen Fällen, mit derjenigen des Hohlläufers zusammen, und die Schmierung dieser Lagerung erfolgt durch die Betriebsflüssigkeit.
Vielfach sind die Drehzahl und die zu übertragende Leistung eines Antriebselementes bestimmt. Diesem Gegebenen sind Druck und sekundliche Menge der Betriebsflüssigkeit anzupassen. Um möglichst günstige hydraulische Verhältnisse und Abmessungen zu erhalten, kann die Parallel- oder Hintereinanderschaltung mehrerer Laufräder ein geeignetes Mittel bieten. Sowohl die Parallelschaltung als auch die Hintereinanderschaltung von Flüssigkeitsturbinen mit Hohlläufer gestaltet sich sehr einfach. Hierdurch ist auch erst die Anwendungsmöglichkeit in Fahrzeugen gegeben, und außerdem wird hierdurch die Möglichkeit der Verwendung von Flüssigkeitsturbinen für kleine und kleinste Antriebsleistung im unmittelbaren Zusammenbau mit der Arbeitsmaschine erzielt.
Fig. 3 zeigt z. B. die Hintereinanderschaltung von zwei Turbinenrädern nach der Bauart mit Hohlläufer, während Fig. 4 und 5 die Parallelschaltung zweier Turbinenläufer auf verschiedene Art darstellen.
Die Kühlung von umlaufenden Teilen erfordert stets besondere Maßnahmen. Bei Verwendung eines Hohlläufers in der Antriebsturbine und deren Anordnung im Radkranz, z. B. eines elektrischen Generators oder eines Motors, oder in der Nabe eines Rades mit außenliegender Bandbremse, z. B. im Fahrzeugbau, gemäß Fig.5 ist die Frage der Kühlung ganz von selbst gelöst. Dias Rad wird seitlich versetzt und die frei werdende zylindrische Fläche 38 zum Anbau einer Bandbremse benutzt. Diese zylindrische Fläche ist von innen durch die mit großer Geschwindigkeit zirkulierende Betriebsflüssigkeit intensiv gekühlt. Bei außen angeordnetem Generator oder Motor nach Fig. 2 und 3 kann die Kühlung unmittelbar an die Kühlstelle gelegt werden, indem die Flüssigkeitsturbine in ihrem Durchmesser entsprechend dem Generatorläufer gestaltet wird. Andererseits kann jedoch auf einfache Art den Räumen 39 Betriebsflüssigkeit zugeführt werden, die nach dem Raum 40 zu wieder abgeführt wird.
Die Anwendung des Hohlläuferprinzips bzw. die Vereinigung von Läufer und Hohlkörper bei Flüssigkeitsturbinen bringt daher eine Menge von neuartigen Möglichkeiten, die das Anwendungsgebiet erheblich steigern dürften und Vorteile bringen können.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: 1. Flüssigkeitsturbine, bei der der Läufer durch einem mit der anzutreibenden Arbeitsmaschine verbundenen Hohlkörper gebildet wird, wobei der Hohlkörper axial einseitig geschlossen ist, den feststehenden Leitapparat umschließt und wobei das Betriebsmittel gegenüber der geschlossenen Seite des Hohlkörpers zentrisch und in axialer Richtung in dessen Inneres zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlkörper bzw. Hohlläufer die äußere druckfeste Begrenzung des mit feststehenden Leitschaufeln versehenen ringscheibenförmigen Leitapparates bildet und diesen, in axialer Richtung gesehen, beidseitig derart umschließt, daß die Beaufschlagung der Laufschaufeln in radialer Richtung von außen nach innen erfolgt.
2. Flüssigkeitsturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Antriebsleistung unmittelbar am Außenumfang des Hohlläufers (2) und/oder an einem seitlichen Wellenfortsatz (9) abgegeben wird (Fig. 1).
3. Flüssigkeitsturbine nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlläufer (2) als Nabe, Trommel oder Radkranz einer Arbeitsmaschine, z. B. eines Generators oder eines Vortriebsmittels, dient (Fig. 2, 3, 4, 5, 6 und 7).
4. Flüssigkeitsturbine nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Betriebsflüssigkeit von einer zentralen Versorgungsanlage aus im Kreislauf durch eine oder mehrere Turbinen geführt wird (Fig. 4, 5, 6 und 7).
5. Flüssigkeitsturbine nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerung des Hohlläufers im Innern des Hohlläufers liegt und die Schmierung durch die zirkulierende Betriebsflüssigkeit erfolgt, so daß sie gegen Verschmutzung von außen geschützt ist (Fig. q:, 5, 6 und 7).
6. Flüssigkeitsturbine nach Anspruch i bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Hohlläufer parallel geschaltet sind (Fig. i, 4 und 5).
7. Flüssigkeitsturbine nach Anspruch i bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Parallelschältung in bezüglich des Achsschubs gegeneinandergeschalteter Anordnung erfolgt (Fig. 1, 4 und 5).
8. Flüssigkeitsturbine nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Hohlläufermehrere Laufräder hintereinandergeschaltet sind (Fig.3).
9. Flüssigkeitsturbine nach Anspruch 1i bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Zu- und Ableitungskanäle einzeln oder gemeinsam so ausgebildet sind, daß sie als Achse oder Lagerzapfen sowohl für die An- bzw. Forttriebselemente als auch für die Turbinenläufer dienen (Fig. 4 und 5).
10. Flüssigkeitsturbine nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Zu- und Abführungsleitung einzeln oder gemeinsam als Zug- oder Druckelement für ein fortzubewegendes Land-, Wasser- oder Luftfahrzeug dienen (Fig. 6 und 7).
11. Flüssigkeitsturbine nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine Band- oder Klotzbremse derart um den Hohlläufer gelegt wird, daß die Betriebsflüssigkeit der Turbine wärmeabführend die Bremse kühlt (Fig. 4 und 5). Angezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 614935, 621 840; britische Patentschriften Nr. 321 541, 428 343; USA.-Patentschriften Nr. 685 967, 1 100632, 1 362 304, 1 485 186, 1 566 872, 2 060 414.