用于通过在封闭的气体/液体系统中造成压差产生驱动力的方法和装置

摘要

本发明涉及一种用于通过借助于在封闭的、填充有液态介质尤其水和气态介质尤其空气的系统中造成压差来提供液态介质的动能而产生连续的驱动力的方法以及一种用于实现该方法的装置，其中，该装置包括全面包围的容器(1)，在其中插入在它的下侧上敞开的插入物(2)而在插入物(2)的上侧处布置有带有排出口(4)的空心体(3)。在插入体(2)之内在竖直的轴(7)处布置有转子(8)，其通过马达(9)来驱动。在容器(1)中在插入物(2)之外安装有一个或多个立管(10)，其在其下端处敞开并且以其上端在插入物(2)之上密封地引入空心体(3)中。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于通过借助于在封闭的气体/液体系统中、尤其在空气/水系统中造成压差来提供液体的动能而产生连续的驱动力的方法以及一种用于实现该方法的装置。

背景技术

已知可将流体的供使用的动能转换成以旋转的轴的形式的功率的机器。其通常被称为涡轮动力机械。这样的机器可利用水作为工作流体实现在良好的效率下非常高的功率，尤其用于在高压而较小的体积流量下的水的Pelton涡轮机(例如专利文件DE 10133547A1)。也将该涡轮机结构类型称为等压式涡轮机(Gleichdruckturbine)，因为在工作轮(Laufrad)中在稳定的环境压力下实现能量的转换。在该技术应用中这些涡轮机通常被用在较大的可用的落差下的水电站中。该涡轮机结构类型的可应用性因此限于在较小的距离上提供非常大的高度差的地理区域。此外通常使用来自自然循环、尤其来自高位的水库的水作为工作介质。能量产生因此受限制并且不是永久可能的。

此外已知涡轮工作机械。这样的机器原理上在以旋转的轴的形式引入机械功率的情况下产生工作流体的压力或焓升高。对于水作为工作流体的压力升高在技术上使用泵或者往复式活塞压缩机。在两个结构类型中实现能量直接传递到工作介质水处。如果将涡轮工作机械泵和涡轮动力机械径流式涡轮(它们两个在闭合的循环中以工作流体水来运行)相结合，则在技术上应用动液的转换器(例如专利文件DE 102006023017A1)。其使两个轴的转矩和转速变速并且由于在系统中的摩擦损失和熵升高提供小于输入功率的输出功率。

此外在各种各样的技术应用中已知用于产生压差的环流的轮廓。在大多数轴流式涡轮机械中其被用作工作轮的部分或在航空应用中用作机翼轮廓(Tragfluegelprofil)。在此这些轮廓的任务总是产生应垂直于大多可压缩的流体的在轮廓处沿着行进的流动的主方向起作用的力。由此例如在航空应用中来产生升力而在轴流式燃气涡轮机工作轮的叶片处在轴处产生转矩。

发明内容

本发明的目的是通过上面所说明的以及另外的不同技术作用原理的合适的组合及其利用可压缩的和不可压缩的介质的针对性的应用为了连续的功率输出提供一种用于提供连续的动能的方法以及一种用于实现和应用该方法的装置。

该目的主要通过带有权利要求1的特征的方法和通过带有权利要求4的特征的用于实现该方法的装置来实现。该装置的有利的变型和补充方案是另外的权利要求的内容。

附图说明

接下来根据附图来说明在优选的实施例中的根据本发明的方法和用于实现其的装置。其中：

图1以正视图显示用于产生驱动力的装置，其中容器(1)的侧壁剖开；

图2显示根据图1的装置，然而其中附加地剖开带有位于其中的转子(8)的钟形插入物(Einsatz)(2)的壁且逐段地剖开空心体(3)；

图3显示在图2的剖切部位A-A处如在图2中的装置，然而不带容器(1)的侧壁和上壁/盖子。

图4以从前上方的透视性的俯视图显示如在图3中的装置；

图5以从前下方的透视性的视图显示在根据图2的剖切部位A-A处根据图1的装置，不带容器(1)的侧壁和盖子，带有涡轮(12)及其轴承套(Lagerschale)(11)；

图6作为该装置的细节显示转子(8)连同轴(7)以及带有轴(13)和示意性地示出的所驱动的轮(24)的涡轮(12)；

图7作为该装置的细节显示在图6中示出的以及附加的两个立管(Steigrohr)(10)和喷嘴(22)；

图8显示在上下底部的中点处通过该装置的纵剖面；

图9作为该装置的另外的细节显示转子(8)，不带轴(7)、带有以透视图示出的通道(6)；

图10以如在图8中的纵剖面的形式显示该方法的示意性的图示；

图11以从前下方的透视性的视图作为细节显示固定地安装在插入物(2)的内壁处的带有格栅板(26)的环(25)和在其中运转的不带轴(7)的转子(8)；

图12然而以从前上方的透视性的视图显示根据图11的带有格栅板(26)的环(25)和转子(8)；

图13在插入物(2)剖开且带有格栅板(26)的环(25)剖开的情况中以从前上方的透视性的视图作为细节显示带有格栅板(26)的环(25)(安置在插入物(2)的内壁处)以及转子(8)。

具体实施方式

为了利用持续供使用的能量形式及其以旋转的轴的形式转换成机械能，本发明的内容不仅且首先是该方法(其在引入两个不同的能量形式、即压力升高和以旋转的轴的形式的功率的情况下产生连续的水循环并且因此在机器内产生动能)而且是用于执行和应用该方法的装置。

根据该方法在全面包围的容器中(其一部分以液态介质且一部分以气态介质、优选地以水和空气来填充)引起液态介质的循环并且由此产生动能。在此，气态介质在至少部分地布置在插入物之上的且与其固定地以及密封地连接的空心体内位于在下侧上敞开的、优选地钟形的插入物中并且在设备开动之前还位于一个或多个立管(其至少部分地、优选地完全地在包围的容器之内、然而在插入物之外并且优选地竖直地延伸并且其在其下端处敞开且以其上端联接到空心体处)中。空心体在优选的实施形式中(然而不绝对地)完全位于包围的容器之内。液态的介质在填充容器时从下面进入钟形的插入物和立管中并且在该和这些立管中上升直至出现压力平衡。之后首先将容器压力密封地封闭并且然后通过以压缩空气加载附加地来提高在装置内两个介质的势能。在气态介质中然后将特别设计的、水平布置的且设有竖直的旋转轴线的转子机动地置于旋转运动中。在该设备的之前建立的、准备就绪的状态中液态介质在钟形插入物内的液位高度(Pegelstand)位于其下端与旋转的转子的下侧下之间。带有特别造型的侧表面(Mantelflaeche)的以盘的形式的该转子在其处产生相对于包围的气体的压力的低压(Unterdruck)。该低压通过在转子盘内的管状的敞开的通道在空心体中导致相应的低压。由于在空心体中的低压与在插入物中的气压相连，通过一个/多个立管将液态介质从容器输送到空心体中并且以流入空心体中的液态介质的形式来产生动能且供使用。

由于输送过程在空心体内形成较低高度的液体水平(Fluessigkeitsniveau)，由此在空心体内的气压相对于由转子所产生的低压升高，但是还保持低于在插入物中的气压。流入空心体中的液态介质从其中通过在转子盘内的通道由于有效的压差被抽吸出并且回到在插入物中的液体水平，使得在转子旋转期间存在带有动能的连续提供的循环。

输出的气压和在插入物中转子的旋转速度在此确定液态介质的输送量和速度以及由此产生的动能。在输送量与速度之间的比例此外可经由在立管的出口处的喷嘴来调节。

液态介质的以该形式产生的且可供使用的动能可经由合适的装置、例如等压式涡轮机(其涡轮被冲击的水或者其它液态介质的射束置于运动中)产生驱动能用于静止的或移动的利用。

根据本发明的装置在所示的实施例中包括以桶、球体、立方体、直六面体(Quader)的形式或还以其它形式的全面包围的容器，其中，在该容器(1)中插入在其下侧上敞开的、优选地钟形的插入物(2)。优选地球形的空心体(3)布置在插入物(2)的上侧处。在优选的实施形式中空心体(3)以其高度的一部分伸入插入物(2)中，其中，在插入物(2)与空心体(3)的连接的区域中实现相对于容器(1)的密封。但是空心体(3)在此不必伸入插入物(2)中。

在其下端处空心体(3)具有排出口(4)和附件(Ansatzstueck)(5)。插入物(2)和空心体(3)在所示出的实施例中完全布置在容器(1)内，使得在该情况中容器(1)的上侧相应于所实施的几何形状来形成。然而也处在本发明的范围中的是，容器(1)的上侧由环形的盖子、插入物(2)的上部和空心体(3)的从其中向上伸出的部分形成。此外根据本发明可能的是，上侧由环形的盖子和空心体(3)的上部形成。

在竖直的轴(7)(其在容器(1)内可旋转运动地且相对气态的和液态的介质压力密封地布置在轴壳体中并且优选地从容器(1)之外机动地来驱动)处固定有转子(8)，其在其方面在插入物(2)内与插入物(2)的内壁以一定的间距来布置。转子(8)具有附件(23)，通过使转子(8)的附件(23)可旋转运动且密封地、然而无固定连接地伸入空心体(3)的排出口(4)中并且在其高度的一部分上覆盖(ueberfangen)它，转子通过附件(23)与空心体(3)的排出口(4)处于有效连接中。

转子(8)作为柱状盘、优选地平地或者也带有在边缘处轻微向下弯折的侧表面地来实施。该盘的外部的侧表面类似德国专利文件10 2005 049 938构造有一个或多个承载面轮廓(Tragflaechenprofil)(16)。以优选地周期性的分度(Teilung)布置在转子(8)的侧表面的周缘处的承载面轮廓(16)在转子(8)的旋转方向上分别包括凸状的突起部(17)，跟随有平的排出区域(Auslaufbereich)(18)。在该排出区域(18)中，转子(8)的排出口(21)位于在以额定运行转速旋转时在转子侧表面的周向上最小有效静压力的地点处。

转子(8)的附件(23)具有一个或多个、优选地3个管形的敞开的通道(6)，其从附件(23)的上端通过转子(8)的内部区域(20)延伸至其外部的侧表面并且在排出口(21)中终止。从空心体(3)引导通过排出口(4)的液态的或气态的介质由此可进入转子(8)的通道(6)中并且经由通道(6)和排出口(21)到达插入物(2)中。

此外在容器(1)之内、然而在插入物(2)之外安装有一个或多个(在所示出的实施例中两个)立管(10)，其在其下端处敞开以及优选地竖直延伸并且向下至少伸至到插入物(2)的下棱边处。其以其上端经由弧部在插入物(2)之上密封地引入空心体(3)中。在有利的实施形式中立管(10)如在附图中所示在其端部处具有在空心体(3)内水平延伸的、经由内部的喷嘴针可调节的喷嘴(22)。

在插入物(2)的内壁处面对转子(8)的侧表面在有利的实施形式中、然而不是绝对必要地布置有固定的环(25)，其承载略微远离内壁的格栅板(26)，从转子(8)的排出口(21)流出的水冲击到格栅板上。格栅板(26)通过合适地选择与承载面轮廓(16)的凸状的突起部(17)的间距一方面加强低压的产生而另一方面使能够在摩擦损失最小的情况下将从排出口(21)流出的水远离转子地朝向插入物(2)的内壁导出。水然后沿着插入物(2)的内壁向下流出至该液体水平。

同样在有利的实施形式中、然而不是绝对必要地，在承载面轮廓(16)的区域中不仅在转子(8)的侧表面的上侧而且在其下侧存在盖板(27)，其径向向外伸出超过转子并且伸到插入物(2)的内壁附近以及在安装有带有格栅板(26)的环(25)时伸出超过它们、但是不接触它们。

转子(8)经由轴(7)借助于布置在容器(1)之外的马达(9)被置于旋转运动中，其中，轴(7)在密封的情况下被引导通过容器(1)的底部，或者轴(7)是布置在容器(1)之内的封装的电动机的组成部分。

此外设置有用于压缩空气的输送管(14)，其从容器(1)的外侧引导到插入物(2)中并且在其下界限之上通到其中，优选地在转子(8)的下侧与插入物(2)的下棱边之间的大约一半高度上。

最后，在容器(1)的上壁/盖子中安装有用于充填液态介质的可封闭的开口(15)。

通过如在所示出的实施例中所示在空心体(3)内在立管(10)的入口的平面上在竖直的轴(13)处安装有等压式涡轮机的涡轮(12)(带有布置在其处的叶片(19))，液态介质的通过前述装置所提供的动能可被用于产生驱动能。涡轮(12)支承在位于下方的外壳(11)中。喷嘴(22)对准涡轮(12)的叶片内侧，并且叶片(19)邻接到空心体(3)的内壁处、但是不接触它。涡轮(12)的竖直的轴(13)向上延长并且穿过空心体(3)的壁和容器(1)的上壁(盖子)以联接到待驱动的装置和设备(24)、尤其发电机、机器或车辆处。轴(13)在容器(1)中相对于在空心体(3)中的气态介质和在容器(1)中的液态介质密封地来支承。

为了执行该方法和开始运行该装置，在标准环境大气中将不可压缩的液态介质、优选地水经由其开口充填到容器(1)中，直到它到达容器(1)的最上面的点。在此，液态介质也从其下部的开口这里进入钟形的插入物(2)以及立管(10)中，直到在其和与其相连接的空心体(3)中存在的、被挤入的液态介质包围的空气被压缩成使得出现压力平衡。之后封闭容器(1)的开口(15)。

然后经由输送管(14)将压缩空气从容器(1)之外引入插入物(2)中，由此在整个容器(1)中的压力相应地升高直到达到所期望的运行状态。在所包围的介质的提高的势能的该状态中经由轴(7)通过马达(9)将转子(8)置于旋转中，亦即在旋转方向上(在利用附图示出的实施例中左旋)，根据德国专利文件10 2005 049 938在承载面轮廓(16)处紧接其凸状的突起部(17)在其下降的伸长的排出区域(18)中产生低压效果。低压在其大小上取决于所选择的转子转速和在插入物(2)内的气压。为了改变运行状态在运行期间随时不仅可改变气压而且可改变转子(8)的转速。

在承载面轮廓(16)的排出区域(18)中的低压经由通道(6)在空心体(3)中延续并且从空心体延续到立管(10)中。然后在空心体(3)中起作用的低压和同时存在于插入物(2)中的气压引起，水或其它液态介质从容器(1)和插入物(2)经由立管(10)和喷嘴(22)作为高动能的射束流入空心体(3)中。

同样由于由运转的转子(8)引起的在其排出口处(21)的低压以及在空心体(3)内起作用的气压，水或其它液态介质从空心体(3)通过转子(8)的通道(6)和通过在承载面轮廓(16)的排出区域(18)中的排出口(21)到插入物(2)中回到该液体水平。

在本发明的意义中代替球形，空心体(3)在所示出的实施例中也可具有立方体、直六面体、桶的形状或者还有其它形状。

通过所说明的方法和用于其实施的装置经由转子(8)的旋转运动一方面将机械能引入系统中而另一方面借助于外部的压力加载提高位于系统中的介质的势能。因此在承载面轮廓(16)处沿着转子侧表面起作用的低压产生水或其它液态介质的连续的循环并且因此产生持续可用的动能。如在所示出的实施例中所说明的那样，该能量形式可被用于在时间上恒定的功率输出并且因此与技术上已知的涡轮动力机械的常见的应用条件相对独立于地理情况或自然条件。

在此，在设备的相同重量情况中所产生的动能大于从带有恒定转速的驱动轴(7)的旋转运动和通过经由输送管(14)的压力加载所包围的介质的势能的一次提高中以机械能的形式待引入该系统中的功率的总和。这根据新的技术原理来实现，通过使在根据本发明的方法和用于其实施的装置中不直接通过传统结构类型的工作轮、而是间接通过在可压缩的介质中产生相对的低压来实现从转子(8)到不可压缩的介质的能量传输(机械能至动能)。为了提高该过程的效率，事先将可压缩的介质的压力相对于环境状态提高。有效的低压的产生在转子(8)的侧表面(其以上面所说明的并且基于德国专利文件10 2005 049 938的轮廓形状来实施)处产生。根据本发明的方法的转子(8)然而尤其在非常小密度的可压缩的介质中运转并且由此可相对较小的摩擦阻力被驱动。

设备对液态介质、优选地水的需求限于在第一次开始运行之前的一次填充过程。同样，外部压缩空气的输送仅对于工作内部压力的第一次调节必需。在设备的整个运行期间仅需要提供用于轴(7)的驱动的功率，并且绝不产生损害环境的排放。如果应中断或结束设备的运行，则仅需切断轴(7)的驱动功率。该设备的输出状态然后又独立调节。