DE19806507A1

DE19806507A1 - Konstruktive Elemente zur Verbesserung von Arbeits- und Kraftmaschinen

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Publication number: DE19806507A1
Application number: DE19806507A
Authority: DE
Inventors: Evert
Original assignee: Individual
Current assignee: WOBBEN, ALOYS, DIPL.-ING., 26607 AURICH, DE
Priority date: 1998-02-17
Filing date: 1998-02-17
Publication date: 1999-08-19
Anticipated expiration: 2018-02-18
Also published as: DE19806507B4

Description

1. Einführung 1.1. Problematik

Die bekannte Technik der Strömungsmaschinen weist z. T. außerordentlich hohen Wirkungsgrad auf, welche kaum als verbesserungsfähig erachtet wird. Dieses betrifft jedoch in erster Linie die Maschinenkomponenten, welche der unmittelbaren Umsetzung der kinetischen Energie des Fluid in kinetische Energie mechanischer Art, also der Bewegung eines Rotors bzw. umgekehrt, betreffen. Verlustreich dagegen sind meist die Maschinenkomponenten, welche der Zuführung des Fluids zur Strömungsmaschine, der Umlenkung des Fluidstromes innerhalb der Maschine bzw. Abführung des Fluids von der Strömungsmaschine betreffen. Gleiches gilt für Hubkolbenmaschinen, wobei dort zusätzlich die bekannte Mechanik der Hubbewegungen nur eine unzureichende Lösung darstellt. Insofern bieten Strömungs- wie Hubkolbenmaschinen durchaus Potential zur Verbesserung des Wirkungsgrades hinsichtlich des Fluidstromes wie der Mechanik.

1.2. Basis

Basis dieser Patentanmeldung hier ist die Erfindung "Konstruktive Elemente zur Verbesserung des Fluidstroms in Rohren", welche nachfolgend "Rohrerfindung" genannt wird. Dort wurden anhand eines neuen Modells potentieller Molekularbewegung eine ideale Strömungsform der Fluidströme in Rohren entwickelt. Diese be stehend aus Rollschicht, Haupt- sowie Kernstrom und wurde "Potentialdrallströmung" bezeichnet. Dort wurden diverse, neue Konstruktionselemente konzipiert, welche diesen Potentialdrallstrom zu erzeugen, zu erhalten und zu nutzen geeignet sind. Die dortigen Konstruktionselemente sind ausschließlich feststehenden Teile.

1.3. Zielsetzung

Zielsetzung dieser Patentanmeldung hier ist die Steigerung des Wirkungsgrades von Arbeits- und Kraft maschinen durch eine systematische, neuartige Konzeption dieser Maschinen bzw. zugehöriger Komponenten. Die in der Rohrerfindung erörterten physikalischen Grundlagen werden hier dieser Aufgabenstellung ent sprechend weiter geführt. Aus den dabei gewonnenen Erkenntnissen werden prinzipielle Konstruktions grundsätze für Strömungsmaschinen wie für Hubkolbenmaschinen bzw. deren Komponenten abgeleitet. Diese werden hier umgesetzt in zweckentsprechende Konstruktionen neuer Art. Im Gegensatz zur Rohrerfindung stehen damit bei dieser Patentanmeldung hier die bewegten Teile von Strömungsmaschinen im Vordergrund.

Weiterführende Konsequenzen dieser Erkenntnisse und Erfindungen in anderen Anwendungsbereichen werden in weiteren Patentanmeldungen dargestellt werden, beispielsweise hinsichtlich des Auf- und Vortriebes von Luft- und Wasserfahrzeugen.

2. Physikalische Grundlagen 2.1. Potentialdrallströmung

In der Rohrerfindung wurde ein Modell potentieller Molekularbewegungen entwickelt. Grundlage dabei waren die in alle Raumrichtungen gleichermaßen weisenden Bewegungen der Moleküle eines Fluids. Beispielsweise lassen sich in der Zeichnungsebene acht dieser potentiellen Bewegungen für ein Molekül (A in Bild 1; wird im folgenden als "A-1" zitiert) darstellen. Stellvertretend für diese Bewegungsrichtungen könnten die zwei senk recht weisenden betrachtet werden (B-1). Diesen potentiellen Bewegungsrichtungen kann eine Bewegungs komponente in der generellen Richtung eine Stromlinie (SL) aufgeprägt sein (C-1). Von den daraus resultierenden Bewegungsrichtungen (D-1) können wiederum zwei dieser potentiellen Bewegungen (E-1) als stellvertretend gelten. Je größer die Geschwindigkeit in Stromrichtung, desto weiter nach vorn (F-1) werden diese potentiellen, stellvertretenden Bewegungsrichtungen eines Moleküls weisen.

In der Rohrerfindung wurde dargelegt, daß diesen potentiellen Bewegungen durch Reibung an der Rohr wandung eine zusätzliche Bewegung in Richtung Rohrmitte (G-1) aufgeprägt wird, welche als senkrecht zur Rohrwandung wirkend betrachtet werden kann. Aufgrund dieser, in der Rohrerfindung "Querströmung" (QS) genannten, Komponente ergibt sich zwangsläufig turbulente Strömung mit ihren Nachteilen hinsichtlich des Fluiddurchsatzes herkömmlicher Art. Positiv dagegen wirkt diese Querströmung, wenn als generelle Richtung der Stromlinien eine Kreisbahn (H-1) gewünscht wird. Die Kreisbahn darf allerdings nicht nur in radiale Richtung zur generellen Stromrichtung weisen, sondern muß zusätzlich in axiale Stromrichtung weisen.

In der Rohrerfindung wurde dargelegt, daß Moleküle benachbarter, paralleler Stromlinien stets in die Richtung des schnelleren Flusses abgelenkt werden. Abgeleitet wurde daraus, daß die Rotationsbewegung nicht im Rahmen eines Starren Wirbels, sondern eines Potentialwirbels erfolgen sollten. Als Idealform der Fluid strömung in Rohren wurde daraus in der Rohrerfindung die "Potentialdrallströmung" entwickelt. Auch bei Arbeits- und Kraftmaschinen wird sinnvoll sein, diese zu erzeugen bzw. zu nutzen. Im folgenden wird hier ein Potentialwirbel mit zusätzlicher Bewegung in axialer Richtung als "Potentialdrallstrom" bezeichnet (also die "Rollschicht" der Rohrerfindung außer Acht gelassen).

2.2. Wirbelstürme

Die stärkste Potentialdrallströmung ist in Form von Tornados gegeben. Ihre Entstehung wird im allgemeinen aus dem Zusammentreffen von Luftmassen unterschiedlicher Temperatur erklärt, welche dann bis zum Boden reichende Wirbel ausbilden.

Bei kleineren Windhosen kann man jedoch erkennen, daß sie vom Boden ausgehend sich ausbilden können. Ausreichend ist eine etwas stärkere Luftströmung (gegenüber der allgemeinen Luftströmung bzw. gegenüber relativ ruhender Luft) auf der Erdoberfläche, einsichtiger ist es, wenn zwei entgegen gesetzte Luftströmungen versetzt aufeinander treffen, wie in Bild 1 schematisch dargestellt (I-1). Dieses bewirkt zunächst ein Einrollen der Strömungen zu einem Wirbel in einer Ebene (J-1). Der dabei entstehende lokalen Überdruck führt anschließend zu einem Ausweichen dieser Strömung nach oben (K-1). Die sich so bewegenden Luftteile grenzen an ruhende oder langsamer fließende Luftteile. Es ergibt sich eine Beugung der Stromlinien hin zu den schneller fließenden Teilen, oben beschriebene Querströmung in Richtung Wirbelachse wie parallel zu dieser, also eine Potentialdrallströmung.

Anstelle dieses anfänglichen lokalen Überdrucks kann auch ein lokaler Unterdruck angenommen werden, wobei dieser mit einer aufwärts gerichteten Strömung verbunden sein muß. Auch dann wird die umgebende Luft nicht fortgesetzt konzentrisch zum Zentrum des Unterdrucks fließen, sondern sich (ausgehend von zufälliger Unsymmetrie) sehr rasch zu einem einrollenden und aufwärts gerichteten Wirbel ausbilden. Aufgrund der Querströmung entwickelt sich daraus wiederum ein Potentialdrallstrom.

Obige große Luftmassen unterschiedlicher genereller Bewegungsrichtung und unterschiedlicher Wärme weisen große kinetische Energie auf. Die (zufällig) entgegengesetzt und etwas versetzt sich begegnenden Luft strömungen lokaler Windhosen dagegen haben nur unwesentlich höhere kinetische Energie als die der allgemeinen Luftbewegung in ihrer Umgebung. Als auslösendes Moment kann aber auch ein relativ geringer Unterdruck angesehen werden, z. B. aus einer Aufwärtsbewegung einer relativ geringen Luftmasse aufgrund lokaler, aber überdurchschnittlicher Erwärmung. Die Energie der daraus resultierenden Potentialdrallströmung erscheint in jedem Fall ein Vielfaches dieser ursprunglich vorhandenen kinetischen Energie zu sein bzw. der relativ geringen Energie des auslösenden Moments.

2.3. Wasserwirbel

Ein analoger Bewegungsablauf ist in Wasserwirbeln gegeben. Eine Strömung verursacht (oder zwei versetzt gegenläufige Strömungen verursachen) einen einrollenden, zunächst ebenen Wirbel, dessen Strömung dann nach unten ausweicht. Ebenso kann eine Strömung in der Tiefe (bzw. wiederum können zwei Strömungen) einen sich bis zur Wasseroberfläche auswirkenden Potentialwirbel ergeben. Oder eine aus der Tiefe auf steigende Strömung kann solches verursachen. Oder ein Abfluß nach unten erzeugt diesen Bewegungsablauf (wie in jeder Badewanne).

Das auslösende Moment kann wiederum ein geringes sein. Gespeist wird die Ausbildung der Potentialdrall strömung durch den Druck des umgebenden, relative ruhigen Mediums, oder auch aufgrund der Reibung an einer Wandung (wie in der Rohrerfindung dargestellt). Es besteht ein Druckgefalle von außen nach innen.

Die Ursache dessen ist in Bild 1 schematisch dargestellt anhand obigen Modells potentieller Molekular bewegungen. Ein relativ ruhendes Molekül (L-I) weist potentielle Bewegungen in alle Raumrichtungen auf, welche in Summe als radial zur Rotationsachse (RA, rechts im Bild) betrachtet werden können. Ein um die Rotationsachse (RA) auf einer kreisförmigen Stromlinie (SL) sich bewegendes Molekül (M-1) weist ebenso Molekularbewegungen in beliebige Richtungen auf entsprechend der allgemeinen Fluidtemperatur. Diesen ist zusätzlich diese tangentiale Bewegungsrichtung aufgeprägt (entsprechend D-1). Nach einer Kollision mit einem relativ ruhenden Molekül (L-1) wird es in tangentialer Richtung abgebremst, gewinnt dafür an Beweg ung in radialer Richtung (analog G-1), also in Richtung Rotationsachse. Ein Molekül auf benachbarter innerer Stromlinie eines Potentialwirbels (N-1) weist noch immer diese Eigenschaften auf, nur besitzt es eine größere Geschwindigkeit in tangentiale Richtung.

In radialer Richtung weisen alle diese Moleküle (L-1, M-1 und N-1) die gleiche Energiekomponente der allgemeinen Molekularbewegung auf. In einem Potentialwirbel herrscht bekanntermaßen außen ein höherer Druck als innen. Diese Erscheinung resultiert aus der relativ größeren Häufigkeit jeweils außen befindlicher Moleküle (L-1 gegenüber M-1, M-1 gegenüber N-1), Bewegungen in Richtung Rotationsachse auszurühren. Die größere Menge potentieller Bewegungen innen befindlicher Moleküle (N-1 gegenüber M-1, M-1 gegenüber L-1) dagegen weisen nach vorwärts in Drehsinn bzw. in Richtung nach innen, werden also auch relativ selten sich nach außen bewegen.

Ein Molekül auf der innersten Stromlinie (N-1) weist nicht nur nach außen, sondern auch nach innen relativ wenig potentielle Molekularbewegungen auf. Es erzeugt also nach außen wie nach innen einen relativ geringen Druck. In einem Wasser-Potentialdrallstrom ausreichender Stärke wird mittig dieser Druck so gering sein, daß er nurmehr dem Luftdruck (O-1, als Beispiel eines Moleküls der Luft) entspricht. Darum kann in Wasser wirbeln selbst in einigen Metern Tiefe noch immer eine Luftsäule als Rotationsachse erkannt werden. Dieser Wirbelkern wird von außen nach innen abnehmende Geschwindigkeit aufweisen, also ein Starrer Wirbel sein.

Die Druckdifferenz des Potentialwirbels kann auch gleichgesetzt werden mit oben genannte Querströmung. Besonders deutlich zu erkennen ist diese in den bekannten Versuchen mit Wasserwirbelrohren, in welche Schwebstoffe (auch schwerer als Wasser) eingebracht werden. Die Querströmung treibt sie in Richtung Rotationsachse. Wenn dieser "Auftrieb" die Schwebstoffe auf die innerste Stromlinie gebracht hat, ragen diese (im Vergleich zu den Molekülen des Fluids relativ großen Teile) in den Wirbelkern. Innerhalb diesem werden sie aufgrund der innen geringeren Geschwindigkeit abgebremst, "fallen" auf eine Umlaufbahn mit entsprechend kleinerem Radius bzw. sammeln sich letztlich auf der Rotationsachse.

2.4. Wirbelenergie

Zu oben beschriebenen Bewegungen, Drücken bzw. Strömungen kommen einige wesentliche Eigenschaft hinzu. Die potentiellen Bewegungsrichtungen eines Moleküls im Potentialdrallstrom (M-1 und N-1) weisen vorwiegend nach vorn, in viel schwächerem Maße nach hinten. Auch diese Moleküle bewegen sich nicht gleich schnell, weil "Wärme" nur Mittelwert einer glockenförmigen Verteilung unterschiedlicher Geschwindigkeit der entsprechende Molekularbewegung ist. Insofern können auch Moleküle einer Stromlinie kollidieren. In jedem Fall werden diese Kollisionen innerhalb einer relativ gleichgerichteten Strömung den generellen Fluidstrom weniger gravierend beeinträchtigen als bei turbulenter Strömung. Der "Durchsatz" in einer Potentialdrall strömung wird im Sinne der (gekrümmten) Stromlinien also weit höher sein.

Eine weitere wichtige Eigenschaft der Potentialdrallströmung ist, daß auch die Kollisionen quer zur jeweiligen Stromlinie desto geringer bzw. weniger nachteilig ausfallen, je schneller die Geschwindigkeit in Richtung Stromlinie in Relation zur Geschwindigkeit der allgemeinen Molekularbewegung ist. Die Bewegungen auf den Stromlinien eines Potentialdrallwirbels sind maximal frei von Kollisionen oder diese zumindest minimal negativ im Sinne der generellen Stromrichtung. Es können sich auf gleichem Raum damit mehr Moleküle relativ kollisionsfrei bewegen als bei turbulenten Molekularbewegungen bzw. turbulenter Strömung.

Oben wurde unterstellt, daß als stellvertretend für alle potentiellen Bewegungen eines relativ ruhenden Moleküls (L-1) die Bewegungen radial zur Rotationsachse betrachtet werden können. Diese ergibt den postiven Effekt einer Beugung der Stromlinie zur Kreisform. Wenn man nun die arideren potentiellen Bewegungen dieses Moleküls betrachtet, ergeben sich folgende Effekte:

Wenn ein relativ ruhendes Molekül (L-1) (zufällig) auf eine Bahn parallel oder zumindest in Richtung der Stromlinie eines Moleküls einer äußeren Stromlinie des Potentialdrallwirbels (M-1) kommt, wird es sich dort relativ lang ohne Kollision bewegen können bzw. kann vollkommen als Bestandteil dieser Stromlinie integriert werden. Wenn dieses Molekül (L-1) (zufällig) entgegen die Richtung der äußeren Stromlinie gestoßen wird, so bremst es zunächst bei einer Kollision das entsprechende Molekül (M-1), allerdings erfolgt die negative Beschleunigung des Moleküls (M-1) nur mit der Energie der allgemeinen Molekularbewegung. Das Molekül (L-1) übernimmt die Energie (einschließlich der Rotationsenergie) des abgebremsten Moleküls (M-1) in etwa tangentiale Richtung. Es wird bei einer nachfolgenden Kollision (nun in Summe wieder senkrecht zur Rotationsachse) dann ebenfalls auf eine Kreisbahn abgelenkt. Letztlich wird ein sehr schnelles (gegenüber der allgemeinen Wärme) Molekül (L-1) sich (zufällig) auf einer Bahn befinden, auf welcher es von hinten mit einem Molekül (M-1) des Potentialdrallwirbels kollidiert. In diesem Fall bringt es seine Energie und Richtung in positivem Drehsinne ein, während es selbst nur geringfügiger in negativem Sinne reflektiert wird.

Auf diese Weise ergibt sich, daß die Grenzschicht der Potentialdrallströmung sich immer weiter nach außen verlagert, praktisch immer größere Fluidmengen in diesen Wirbel integriert werden. Die Potentialdrall strömung scheint mehr Energie aufzuweisen als ursprünglich zur Verfügung steht. Gängige Interpretation ist, daß dem Fluid dabei Wärme entzogen wird. Oder es wird eine spezielle "Wirbelkraft" postuliert. Dieses wird besonders für Wirbelringe angenommen. Dieser ist jedoch nur eine spezielle Form der Potentialdrallströmung. Anstelle obigen Ausweichens der Strömung eines Luftwirbels nach oben bzw. eines Wasserwirbels nach unten erfolgt dieses Ausweichen im Wirbelring in Kreisform. Die Rotationsachse bildet einen Kreis. Es ist kein zusätzlicher Raum für obiges Ausweichen der Strömung erforderlich. Ein Wirbelring ist damit eine besonders stabile Form der Potentialdrallströmung.

Aus den in der Rohrerfindung angestellten Überlegungen und vorstehenden Erläuterungen ergibt sich, daß alle Erscheinungen der Potentialwirbel mit einem einfachen Modell potentieller Molekularbewegungen zu erklären sind. In einer Potentialdrallströmung ist keine größere Menge kinetischer Energie enthalten als ursprünglich zur Verfügung steht. Es findet in der Potentialdrallströmung keinerlei Energieumwandlung statt. Es findet auch keine Energieaufnahme durch das umgebende, relativ ruhende Fluid statt. Es findet lediglich eine geordnetere Ausrichtung der Bewegungsrichtungen statt.

Jedes Fluid verfügt per Molekularbewegung über weit mehr kinetischer Energie als in makroskopischer Betrachtung sichtbar bzw. nutzbar ist. Die aufgeprägte Bewegung durch eine allgemeine Stromrichtung beträgt nur ein Bruchteil der allgemeinen Molekularbewegung. Dieses gilt z. B. auch für alle auslösenden Strömungen eines Wirbelsturmes, einer Windhose wie eines Wasserwirbels. Sobald jedoch die Voraussetzungen zur Aus bildung dieser Potentialdrallströmen gegeben sind, werden durch oben beschriebene Struktur der Bewegungen diesen relativ geringen Ausgangsströmen beständige Richtung aufgeprägt und in diese gerichtete Strömung andere Fluidmengen integriert. Diese bringen ihre Energie der Molekularbewegung ein. In diesem Sinne kann man sagen, daß der ursprünglich vorhandenen Strömung nun zusätzlich die Geschwindigkeitskomponente einer gerichteten Molekularbewegung aufgeprägt wird (anstelle des Aufprägens der Strömung auf eine unge richtete Molekularbewegung).

Die scheinbar höhere Energie einer Potentialdrallströmung besteht nicht in einer Umformung oder Einbring ung einer anderen Energieform, sondern ausschließlich in der größeren Ordnung der Richtungen der Beweg ungen. Aufgabe dieser Erfindung hier ist, diese größere Ordnung der Strömungen in Maschinen zu organisieren. Zuvor sind jedoch einige weitere theoretische Gesichtspunkte zu klären.

2.5. Druck zwischen Fluidströmen

Die Übertragung von Kräften von einem festen Körper auf einen anderen festen Körper per Druck ist problemlos. Die Masse fester Körper kann gedanklich sogar in einem Punkt als vereinigt angesehen werden. Bei einem Fluid dagegen müssen Teilchen bzw. jedes Molekül als eigenständige Körper betrachtet werden.

Wenn der Druck eines Fluids auf ein anderes übertragen werden soll, erfolgt ein Ausgleich des Druckgefälles. Wenn dabei turbulente Strömung bzw. turbulente Molekularbewegung ein ausreichendes Ergebnis ist, macht dieses Sinn. Wenn allerdings eine gerichtete Bewegung und Geschwindigkeit erzielt werden sollen, dann muß der Druck des einen Fluidstroms so eingesetzt werden, daß die Potentialdrallströmung des anderen verstärkt wird. Die technische Realisierung hierzu ist in der Rohrerfindung beim Konstruktionselement "Einleitung bzw. Ausleitung" beschrieben. Diese tangentiale Einbringung von Fluidteilchen erfolgt andrerseits auch bei oben beschriebener Ausweitung des Radius eines Potentialdrallstroms. Diese Art Zusammenführung von Fluid strömen wird sinnvoll sein, auch bei Strömungsmaschinen eingesetzt zu werden.

2.6. Sog zwischen Fluidströmen

Sogwirkung zwischen festen Körpern ist praktisch nicht relevant bzw. nicht gegeben (weil die Mitwirkung relativ geringer Menge eines Fluids erforderlich ist). Der Sogwirkung zwischen Fluidströmen dagegen ist bedeutend, z. B. bei einer einfachen Wasserstrahlpumpe.

Die einzelnen Moleküle eines Fluids besitzen insofern keine "Trägheit" als unterstellt werden kann, daß bei einer Kollision jedes Molekül augenblicklich die Bewegungsenergie und -richtung des anderen Moleküls übernimmt. Jedes Molekül ist also jederzeit bereit, sich in jede Raumrichtung stoßen zu lassen. Wie weit es auf dieser Bahn vorwärts kommt, hängt allein davon ab, wann es zu einer nächsten Kollision kommt. Mehrheitlich fließen die Moleküle eines Fluids darum stets in Bereiche lokalen Unterdrucks, d. h. geringerer Dichte. Kollisionen sind aber andrerseits auch relativ selten, wenn sich die Moleküle eines Fluids mehrheitlich in gleiche Richtung bewegen. Insofern stellt eine Potentialdrallströmung ebenfalls einen "Sog" dar. Moleküle können in die Drehrichtung dieser Strömung sich auf relativ langem Weg ohne (oder mit nur gering negativ wirkender) Kollision bewegen. Diese Bewegung kann dann sogar hinführen zu einem Bereich größerer Dichte. Die Auslösung dieser Bewegung ist durch normale Molekularbewegung gegeben, erfordert also keine zusätz liche Energie von außen. Diese Art von "Sogwirkung" wird darum auch sinnvoller Weise bei Strömungs maschinen einzusetzen und zu nutzen sein.

2.7. Sogwirkung von Fluid auf feste Körper

Fluid kann in Richtung eines Sogs (in obigem umfassenden Sinne) fließen, niemals jedoch ein fester Körper. Ein Sog bzw. Unterdruck wird z. B. an der Oberseite einer Tragfläche erzeugt. Dieser allein jedoch ist vollkommen unwirksam. Wirksam hinsichtlich des Auftriebs ist vielmehr der Druck auf der Unterseite. Die Fluidströmung auf der Oberseite bewirkt lediglich, daß von oben ein geringerer Druck auf die Tragfläche ausgeübt wird.

In Bild 2 ist dargestellt, was Ursache dieses "Sogs" ist. Relativ zur ruhend betrachteten Tragfläche (A-2) ist aufgrund der Profilierung die Fluidströmung auf der Oberseite schneller als auf der Unterseite. Bei einem Molekül (B-2) der Unterseite ist der normalen Molekularbewegung eine relativ geringe Bewegung nach hinten aufgeprägt, einem Molekül (C-2 und D-2) der Oberseite eine größere. Das Molekül (B-2) übt durch Aufprall gegen die Tragflächen-Unterseite einen Druck aus. Mit geringerer Häufigkeit bzw. mit flacherem Winkel nur erfolgt der Aufprall eines Moleküls (C-2) auf der Tragflächen-Oberseite. Durch das Zurückweichen der hinteren Tragflächenoberseite gegenüber einem Molekül (D-2) werden die Häufigkeit nochmals seltener bzw. die Winkel nochmals flacher ausfallen. Der resultierende "Druckunterschied" ergibt den Auftrieb.

In Strömungsmaschinen darf also niemals versucht werden, einen festen Körper per Fluid-Sog-Wirkung allein bewegen zu wollen. Der Sogseite muß immer eine Druckseite gegenüber stehen, wobei der restliche Druck der Sogseite so gering als möglich zu gestalten ist, im Idealfall auf null reduziert wird.

Anders zu sehen ist die Situation, wenn ein aufgrund anderer Ursache bewegter fester Körper mit geringst möglichem Widerstand durch ein Fluid bewegen werden soll. Dann ist zweckmäßig, das in Bewegungsrichtung vor dem festen Körper sich befindliche Fluid durch Sog zu beseitigen. Dieser Aspekt wird jedoch in einem anderen Zusammenhang bzw. einer anderen Patentanmeldung zu betrachten sein.

2.8. Sogwirkung fester Körper auf Fluid

Sogwirkung fester Körper in Flüssigkeiten ist problematisch hinsichtlich der Kavitationsgefahr. Auch in kompressiblen Fluiden wird die Sogwirkung fester Körper oftmals als ungeeignet betrachtet. Das Zurück weichen eines festen Körpers schafft einen lokalen Bereich geringerer Fluiddichte. In diesen hinein fließen die Moleküle eines Fluids mit normaler Molekulargeschwindigkeit. Dabei ist allerdings darauf zu achten, daß keine turbulente Strömung entstehen sondern eine gerichtete, kontinuierliche Strömung sich ausbilden kann. Darum darf z. B. dieses Zurückweichen des festen Körpers nicht zu schnell erfolgen. Dazu ist z. B. ein relativ großer Raum zur Ausbildung einer Potentialdrallströmung erforderlich. Unter diesen Voraussetzungen wird die Sogwirkung fester Körper auf ein Fluid durchaus sinnvoll in Strömungsmaschinen einzusetzen sein.

2.9. Druck fester Körper auf Fluid

Die Erzeugung von Druck in Fluiden durch Bewegung fester Körper ist durch den Kompressionstakt in Kolbenmaschinen bestmöglich gelöst. Auch in Strömungsmaschinen kann durch die Bewegung fester Körper gegenüber einem Fluid Druck ausgeübt werden. Die Erzeugung von Druck im Fluid sollte dabei aber nicht im Vordergrund stehen. Zielsetzung sollte vielmehr (nahezu ausschließlich) die Erzeugung von gerichteter Bewegung möglichst hoher Geschwindigkeit sein, d. h. eine möglichst starke Potentialdrallströmung. Der Wirkungsgrad bei der Umsetzung mechanischer Energie in Fluidbewegung ist abhängig von der Bauform des Rotors. Genauso wichtig jedoch ist die Art der Zuführung des Fluids zu dieser Maschinenkomponente wie die Abführung von diesem Maschinenteil bzw. seiner Weiterleitung.

Unter diesen Gegebenheiten ist es wenig sinnvoll, einer Pumpe relativ ruhendes Fluid zuzuführen oder gar unmittelbar danach jeglichen Drall durch Leitwerke wieder aufzustellen. Es macht weit mehr Sinn, zunächst nur Rotationsgeschwindigkeit mit Drall erzeugen zu wollen und erst kurz vor Nutzung der kinetischen Energie des Fluidstroms diesen in die zweckentsprechende Bewegungsform zu bringen. Konstruktionselemente hierzu sind in der Rohrerfindung genannt. In dieser Patentanmeldung hier werden Strömungsmaschinen vorgestellt, welche ein optimale Strömung durch die gesamte Maschine realisieren.

2.10. Druckwirkung von Fluid auf feste Körper

In der Rohrerfindung wurden die Strömungsverhältnisse in Rohren behandelt. In einem Rohr konnte die Reflektion von Bewegungen hin zur Rohrwandung als im Prinzip senkrecht zur Rohrwandung betrachtet werden. Die Schubkräfte (SK) in der feststehenden Rohrwandung konnten dabei vernachlässigt werden. Hinsichtlich der bewegten festen Teile hier sind diese jedoch von wesentlicher Bedeutung.

Ein bewegliches Maschinenteil wird im folgenden generell als "Rotor" (RO) bezeichnet (in späteren Kapiteln wird dabei auch die jeweilige Bauform dieses Maschinenteils definiert). Diese Kraft parallel zur Oberfläche des Rotors wird im folgenden "Schubkraft" (SK) genannt.

Diese Schubkraft ist abhängig vom Winkel des Aufpralls: bei einem steilen Winkel (E-2) ist sie geringer als bei einem flacheren Winkel (F-2). Bei einem sehr flachen Winkel (G-2) jedoch kann praktisch eine "Total reflektion" eintreten, d. h. die Schubkraft bei einer sehr glatten Oberfläche des Rotors sehr gering ausfallen. Bei einer rauhen bzw. entsprechend geformten Oberfläche (H-2) dagegen kann sie wiederum vergrößert werden. Nicht zuletzt ist die Schubkraft abhängig von der Geschwindigkeit des auftreffenden Moleküls in Bezug auf die Geschwindigkeit des Rotors (I-2). Wenn die Geschwindigkeitsdifferenz null ist, ist auch die Schubkraft null.

Wenn die kinetische Energie eines Fluidstroms in einer Strömungsmaschine durch Druck auf einen Rotor in mechanische Energie umgewandelt werden soll, kommt also einerseits dem Aufprallwinkel wie der Form gebung, aber auch der Oberflächengestaltung des Rotors große Bedeutung zu. Allgemein wird unterstellt, daß die umsetzbare Energiemenge lediglich abhängig ist davon, welche Masse mit welcher Geschwindigkeit dieser Maschinenkomponente zugeführt wird. Diese Anschauung bedarf jedoch einer detaillierteren Betrachtung.

Ein Molekül (I-2) übt durch seinen Aufprall auf die Rotoroberfläche einen Impuls auf den Rotor (RO) aus (vereinfachend werden alle Bewegungen senkrecht zur Rotoroberfläche betrachtet). Der Rotor weicht daraufhin entsprechend (im Bild 2 nach rechts) aus. Das Molekül wird reflektiert (im Bild 2 nach links) und bewegt sich nach erneuter Kollision in Richtung Rotor zurück. Der zweite Aufprall des Moleküls (nun als K-2 dargestellt) auf der Rotoroberfläche wird wiederum einen Impuls auf den Rotor bewirken. Dieser wird jedoch geringer sein als der vorige Impuls aufgrund der nun gleichsinnigen Bewegung des Rotors. Mit entsprechend verringerter Energie erfolgt auch die Reflektion des Moleküls. Wenn dieser Prozeß sich fortsetzt, werden jeweils geringere Impulse abgegeben.

Ein Molekül des Fluids wird also seine Bewegungsenergie auf die Druckseite eines Rotors durch mehrmaliges Aufprallen abgeben, wobei allerdings der erste Aufprall der wirksamste ist, während die nachfolgenden geringere Wirkung aufweisen. Nachteilig wäre dabei, wenn die Reflektion des Moleküls (nun L-2 genannt) durch andere Moleküle (z. B. M-2) mittelbar durch eine Sogseite eines (anderen) Rotors erfolgen würde (was normalerweise durch eine entsprechend geringe Anzahl von Rotorblättern berücksichtigt wird).

Nachdem das Fluid seine Energie an den Rotor abgegeben hat, muß es abfließen können. Das hier dargestellte, ausschließlich senkrechte Aufprallen der Fluidmoleküle auf die Rotoroberfläche ist darum nicht realisierbar. Ein Molekül (N-2) wird darum in einem flacheren Winkel auf die Rotoroberfläche (RO) aufprallen, während dieser schon in einer zurückweichenden Bewegung (im Bild nach rechts) ist. Nach diesem Aufprall wird das Molekül mit entsprechend geringerer Energie reflektiert. Ein Molekül (O-2) wurde zuvor in entsprechender Weise an der Rotoroberfläche reflektiert. Das nachfolgende Molekül (N-2) wird also vom vorigen Molekül (O-2) kaum mehr so reflektiert werden können, daß es zu weiterem, wirkungsvollen Aufprall auf der Rotor oberfläche kommen könnte. Natürlich wird auch das Molekül (O-2) irgendwann wieder von einem Molekül (P-2) reflektiert. Letztlich wird dieses Molekül (P-2) jedoch nur die normale Energie der Umgebung aufweisen und damit kann kein weiterer Impuls auf den Rotor ausgeübt werden.

Die Geschwindigkeit der Molekularbewegung ist in der Regel ein Vielfaches höher als die eines Rotors. Vorige theoretische Aussagen sind darum aber keinesfalls bedeutungslos. Als logische Konsequenz ergibt sich vielmehr, daß möglichst jedes Fluidmolekül seine Energie direkt an den Rotor abgeben sollte, d. h. ein möglichst dünner Strahl des Fluids sollte auf eine möglichst große Oberfläche des Rotors aufprallen können.

Ein weiteres Aufprallen eines Moleküls (Q-2) auf die zurückweichende Oberfläche es Rotors (RO) erzielt nur wesentliche Wirkung, wenn die Reflektion an einem Gehäuseteil erfolgt, welcher allgemein als Strator (ST) bezeichnet wird. Der Abstand zwischen Rotor und Strator sollte dabei möglichst gering sein, so daß in einem relativ dünnen Fluidstrahl möglichst wenig unproduktive Fluidströmungen aufkommen können. Wichtig ist dabei, daß diese zielgerichteten und fortgesetzten Kollisionen im Rahmen einer weiterhin harmonisch geführten Strömung erfolgen, im Idealfall wiederum in Form von Potentialdrall.

2.11. Essentielle Ansatzpunkte

In der Natur gibt es nahezu keine gerade Linie. Ausnahme davon sind Kristalle, die zugleich auch die Körper größter Festigkeit sind. Fluide dagegen bewegen sich in vielfältigen Drehbewegungen. Das ist nicht willkürlich so, sondern offensichtlich der Weg des geringsten Widerstandes. Es ist Zielsetzung dieser Patentanmeldung, diese harmonischen Bewegungsabläufe, so gut als technisch machbar, in Maschinen zu realisieren.

Strömungsmaschinen müssen prinzipiell so ausgelegt werden, daß ein Durchsatz möglichst großer Masse mit möglichst großer Geschwindigkeit erfolgt. Die Erzeugung bzw. Nutzung von Druck darf nur Folge davon sein.

Dieses bedeutet, daß Strömungsmaschinen das Fluid in einer optimalen Strömungsform, der Potentialdrall strömung, zuzuführen ist. Bei der Umsetzung der Energieform muß diese gerichtete Strömung so lang und so gut als möglich erhalten, bei Pumpen wesentlich gestärkt, werden.

Diese Energieumsetzung kann nicht ohne Umlenkung von Fluidströmen erfolgen. Dabei ist wiederum wertvoll, daß relativ gerichtete Strömungen um eine Rotationsachse sich mit relativ geringem Widerstand um eine weitere Achse schwenken lassen. Allerdings muß bei der Umlenkung auch beachtet werden, welche Form von Kraftübertragung sinnvoll ist, Sog oder Druck, zwischen Fluidströmen bzw. zwischen Fluid und festem Körper.

Nach diesen Gesichtspunkten und oben dargestellten Prinzipien sind nachfolgende Konstruktionen entwickelt.

3. Konstruktionselemente 3.1. Vordrallerzeuger Funktion

Dieses Konstruktionselement dient der Erzeugung eines Fluidstroms mit Drall, bestehend aus einem Hauptstrom (inklusive Kernstrom) sowie einem Nebenstrom.

Konstruktionsprinzip

Dieses Konstruktionselement entspricht dem in der Rohrerfindung dargestellten Konstruktionselement "Behälterauslauf bzw. Rohreinlauf". Das dortige Konstruktionselement besteht ausschließlich aus festen Teilen, während hier ein Rotor wesentlicher Bestandteil ist.

In einem relativ großen Einlaufbereich mit sich verjüngendem Durchmesser dreht sich ein Rotor. Dieser stellt prinzipiell ein Rohr dar, dessen Durchmesser sich von hinten nach vorn vergrößert, jedoch mit stets kleinerem Durchmesser als der des Einlaufbereiches. (Als "hinten" wird hier stets die Richtung bzw. Maschinenseite bezeichnet, aus der die Strömung kommt, als "vorn" wird stets die Richtung bzw. Maschinenseite bezeichnet, in welche die Strömung fließt). Durch Öffnungen im Rotor wird Fluid in den Rotor gesaugt bzw. gedrückt, welches als Hauptstrom durch den Rotor abfließt. Durch die Sogwirkung des Rotors wie durch Reibung an seiner Außenfläche wird das Fluid im gesamten Einlaufbereich in Bewegung radial wie parallel zur Achse versetzt. Zwischen Einlaufwandung und Rotorwandung fließen die äußeren Bereiche dieser Strömung als Nebenstrom ab. Vom Einlauf bis zum Auslauf stellen die Bewegungen aller Fluidteile insgesamt eine Potentialdrallströmung dar.

Konstruktive Ausführung

In Bild 3, links, ist schematisch und beispielhaft dieses Konstruktionselement im Längsschnitt dargestellt. Im Gehäuse (GE) der Maschine ist das Einlaufrohr (A-3) feststehend. Die Wandungen des Einlaufrohres weisen runden Querschnitt auf, welcher sich von hinten nach vom verringert. Die Dimensionierung dieses Einlauf bereiches in Relation zum Rotor (RO) kann bzw. sollte größer gewählt werden als in der Zeichnung dargestellt Wenn das Fluid einem Behälter entnommen wird, sollte die in oben genanntem Konstruktionselement der Rohr erfindung dargestellte hyperbelförmige Ausbildung des Einlaufbereiches verwendet werden.

Auf gleicher Achse wie der des Einlaufrohres ist der Rotor (RO) um seine Rotationsachse (RA) drehbar gelagert. Der Rotor wird durch ein Rohr dargestellt, dessen Durchmesser stets geringer ist als der des Einlaufrohres. Der Durchmesser des Rotors erweitert sich von hinten nach vorn. Er ist im hinteren Bereich nicht vollflächig als Rohr ausgebildet, sonders wird aus einer oder vorzugsweise mehreren Schaufeln gebildet Die Längsachse dieser Schaufeln verlaufen vom kleinsten bis zum größten Durchmesser des Rotors parallel zur Rohrachse, können alternativ dazu zur Rohrachse auch einen Winkel aufweisen, können geraden oder gebogenen Verlauf aufweisen.

In Bild 3, rechts, ist beispielhaft ein Querschnitt dieses Bereiches dargestellt (in vergrößertem Maßstab gegenüber der linken Darstellung). Der Rotor dreht sich (hier im Uhrzeigersinn) um die Rotationsachse (RA). In Bild 3, rechts oben, ist ein Rotor mit zwei Schaufeln dargestellt. Die Schaufeln (I-3) sind im Prinzip analog zur Darstellung oben genannten Konstruktionselementes der Rohrerfindung geformt. Ausgehend von einem äußeren Radius sind sie nach innen gekrümmt bis zu einem inneren Radius. Zur Stabilisierung dieser Form wie zur Steuerung des Fluidstromes sollten zwischen diesen Raben und zwischen den Schaufeln (I-3) Leitbleche (H-3) angebracht sein. In Bild 3, mittig, ist schematisch dargestellt, wie diese Leitbleche (H-3) gegenüber der Rotationsachse (RA) angestellt sein sollten: von hinten nach vorn mit sich vergrößerndem Anstellwinkel. Es könnte somit im Prinzip ein Leitblech installiert sein, das von hinten nach vorn spiralförmig gewunden ist, dabei kontinuierlich größere Radien aufweist und kontinuierlich größere Anstellwinkel. Etwa senkrecht zu seinen Flächen stehen dann die Schaufeln mit ihrer jeweiligen Krümmung von der Außenkante bis zur Innenkante des Leitbleches. In Bild 3, rechts unten, ist als weiteres Beispiel ein Rotor bestehend aus vier profilierten Schaufeln (I-3) dargestellt, zwischen den Schaufeln sind wiederum Leitbleche (H-3) angeordnet.

Zwischen der Wandung des Einlaufbereiches (A-3) und dem Rotor können Leitbleche hinten (E-3) und vorn (G-3) installiert sein. Diese können einerseits der Lagerung des Rotors dienen oder auch den Antrieb des Rotors vermitteln. Lagerung wie Antrieb können mit bekannter Technik erfolgen und sind darum nicht dargestellt. Die Anstellwinkel dieser Leitbleche sollte wiederum der jeweils gewünschten Stromrichtung entsprechen. Hintere Leitbleche (E-3) sollte in sich gewunden sein, um innen einen stärkeren Drall und außen nur einen geringeren Drall zu erzeugen. Vordere Leitbleche (G-3) sollten den relativ größten Anstellwinkel aller Leitbleche aufweisen.

Das hintere Ende (F-3) des Rotors kann massiv ausgeführt sein oder aber ein Rohr relativ geringen Durch messers darstellen. In diesem Rohr könnte der Kernstrom als Starrer Wirbel ausgelöst werden, wenn im Rohr entsprechende Leitbleche angebracht werden. Diese dürften nur an der Innenwandung dieses Rohrabschnitts angebracht sein und sollten nur geringe Höhe aufweisen.

Besondere Eigenschaften

Alle oben theoretisch dargestellten Voraussetzungen zur Auslösung einer Potentialdrallströmung wie oben aufgestellte Kriterien zum sinnvollen Einsatz von Sog bzw. Druck zwischen Fluid und festen Körpern werden mit dieser Konstruktion erfüllt:
Das am Einlauf anstehende Fluid (B-3) erfährt durch die Leitbleche (E-3) bereits Drall, allerdings die Masse des Fluids im (größeren) äußeren Bereich nur sehr geringen Drall, dagegen im (kleineren) inneren Bereich einen stärkeren Drall. Mittig kann bereits eine Grenzfläche des Kernstroms mit Starrem Winkel eingeleitet werden.

Die hinten noch relativ turbulente Strömung (sofern nicht das oben genannte Konstruktionselement der Rohr erfindung eingesetzt werden kann) parallel zur Rohrachse wird dort bereits durch das Leitblech (H-3) in radiale Bewegung gelenkt. Dieses Leitblech erfaßt zunächst wiederum nur einen relativ kleinen inneren Bereich mit relativ flachem Anstellwinkel, bildet jedoch bis vorn eine durchgängige Fläche mit zuletzt relativ starker Anstellung, erfaßt also sukzessiv alle Teilströme mit kontinuierlichem Verlauf.

Die äußeren Wandungen der Schaufeln weichen durch den von hinten nach vorn anwachsenden Durchmessers des Rotors nur sehr sanft zurück. Sie erzeugen damit einen gleichförmigen Sog, welcher Fluid in Richtung Rohrachse (RA) zu fließen bewirkt. Fluid fließt damit auch ins Innere des Rotors, wo dessen zurückweichende innere Wandungen (von innen nach vorn gesehen) diesen Sog fortsetzten. Dieser Sog im Innern begünstigt das Einwirbeln der Fluidströmung. Weniger Sog und zugleich mehr Druck wird dort ausgeübt, wenn die Schaufeln (I-3) profiliert sind, ohne dadurch Widerstand wie bei tragflächenförmigen Schaufeln zu erzeugen. Das Fluid im Innern des Rotors wird durch Reibung an der Innenwandung radial beschleunigt und erfahrt damit auch Zentrifugalkraft, welche an den schrägen inneren Rotorwandungen eine axiale Kraftkomponente aufweist. Durch Sog, Druck und Fliehkraft kommt damit eine Bewegung parallel zur Rotationsache zustande.

Innen besteht damit stets ein Sog, während der Einlaufbereich sich verengt, so daß von dessen Wandungen (A-3) stets ein Druck von außen gegeben ist, die gewünschte Druckdifferenz also gegeben ist. Dieser Druck von außen bewirkt, wie oben theoretisch dargestellt, eine Stärkung des Einrollens der Potentialdrallströmung.

Außerdem wird durch die Drehung des Rotors und die damit verbundene Reibung an der Rotoraußenseite ein Potentialwirbel erzeugt (analog z. B. wie ein Potentialwirbel im Wasserglas erzeugt wird, wenn mittig ein Holzstab gedreht wird). Indem nach vorn immer mehr Fluid ins Innere des Rotors strömt, bekommt dieser äußere Potentialwirbel auch Bewegung parallel zur Rotationsache (analog z. B. wie durch Gravitation der Abfluß des Wassers aus der Badewanne dieses bewirkt).

Der Anstellwinkel der Leitbleche (H-3) wie die Krümmung der Schaufeln (I-3) bewirken Druck auf das Fluid zur Erzeugung von Bewegung in radialer wie axialer Richtung. Diese Kräfte setzen jedoch niemals abrupt ein, sondern ausschließlich in sanfter und kontinuierlicher Weise. In Relation zum Querschnitt des abfließenden Hauptstroms (C-3) sind diese Wirkflächen außerordentlich groß. Der Nachteil großer Flächen in Form von Reibung wird hier jedoch zum Vorteil: er bewirkt wesentlich die Ausbildung der Potentialdrallströmung im gesamten Fluidbereich. Ohne besonderen Aufwand kommt so auch der Nebenstrom (D-3) zustande.

Obige Druckseiten wirken ohne nachteilige Sogseiten. Aller Sog von festen Körpern auf das Fluid wie von Fluidströmungen eines Bereiches auf andere Bereiche erfolgt sanft und kontinuierlich. Sämtliche Strömungen in dieser Maschine können so absolut laminar verlaufen, aber niemals linear, sondern sich stets eindrehend.

Der Energieaufwand dieser Maschine wird zum Teil lediglich darauf verwandt, die Voraussetzungen zur Ausbildung einer umfangreichen Potentialdrallströmung zu schaffen. Die dieser Bewegungsform inne wohnende Dynamik kann damit genutzt werden. Aufgrund der fluidgerechten Bewegungsabläufe in der gesamten Maschine wird der Energiebedarf relativ gering, der Wirkungsgrad entsprechend groß sein.

Dieses Konstruktionselement erzeugt eine Potentialdrallströmung mit Haupt- und Nebenstrom. Dieser kann noch verstärkt werden, wenn diesem Vordrallerzeuger auf gleicher Achse eine Pumpe nachgeschaltet wird.

3.2. Rohrpumpe Funktion

Dieses Konstruktionselement dient der Erzeugung einer Potentialdrallströmung.

Konstruktionsprinzip

Das Konstruktionsprinzip ist analog zu oben dargestellten Vordrallerzeuger. Im Unterschied zu diesem wird hier jedoch kein Haupt- und Nebenstrom erzeugt, sondern der gesamte Fluidstrom in ein Rohr abgegeben.

Konstruktive Ausführung

In Bild 4 ist schematisch und beispielhaft diese Rohrpumpe dargestellt mit einem Längsschnitt. Die Strömung ist dabei von links nach rechts dargestellt. Alle Ausführung bezüglich Rotor, Leitbleche und Schaufel aus vorig dargestelltem Vordrallerzeuger gelten analog. Anders als dort ist folgendes:
Die Wandungen des Einlaufbereiches (A-4) verjüngen sich nach hinten bis auf den Durchmesser des den Fluidstrom aufnehmenden Rohres. Durch die Öffnungen des Rotors zwischen den Schaufeln fließt die gesamte einlaufende Fluidmenge (B-4) in den Rotor (RO), d. h. der Hauptstrom (C-4) wie auch obiger Nebenstrom (D-3 bzw. D-4) fließen gemeinsam ab. Es sind hinten darum auch keine Leitbleche zwischen der Wandung des Einlaufbereiches und dem Rotor erforderlich. Anstelle dessen ist hinten die Lagerung (G-4) im Gehäuse (GE) schematisch dargestellt. Dort könnte z. B. auch der Antrieb des Rotors erfolgen, beispielsweise durch am Rotor außen angebrachte Komponenten eines Elektromotors.

Besondere Eigenschaften und Anwendung

Diese Maschine weist alle positiven Eigenschaften vorig dargestellten Vordrallerzeugers in entsprechender Weise auf. Es wird hier jedoch sofort eine Potentialdrallströmung in einem Rohr erzeugt. Dieses bedeutet geringes Bauvolumen und eine sehr kompakte Bauweise.

Damit ist diese Rohrpumpe für viele Zwecke direkt einsetzbar, könnte andrerseits jedoch auch mit nachfolgender Zentrifugalpumpe gekoppelt werden.

3.3. Zentrifugalpumpe Funktion

Dieses Konstruktionselement dient der Erzeugung einer Potentialdrallströmung.

Konstruktionsprinzip

In dieser Pumpe wird in einem großflächigen Einlaufbereich in axialer Richtung Fluid angesaugt. Ein Rotor ist mit Leitblechen in radialer Richtung bestückt, deren Anstellwinkel gegenüber der Rotationsachse hinten groß ist, vorn jedoch nahezu null ist. Das Fluid wird parallel zur Rotationsachse beschleunigt und zugleich in radialer Richtung. Das Fluid fließt in radialer Richtung, zugleich mit größter Bahngeschwindigkeit, tangential aus dem Rotor ab und tangential in ein Schneckengehäuse ein. Dort wird eine außerordentlich starke Potential drallströmung erzeugt.

Konstruktive Ausführung

In Bild 5, links oben, ist schematisch und beispielhaft eine Zentrifugalpumpe dargestellt im Längsschnitt. In einem Gehause (GE) ist eine Rotor (RO) mit seiner Rotationsachse (RA) drehbar gelagert. Der Rotor besitzt eine Außenwand (A-5), deren Durchmesser hinten möglichst groß ist, mittig geringer ist, vorn wieder größer wird. Der Rotor besitzt eine Innenwand (B-5), welche bis etwa geringstem Durchmesser der Außenwandung des Rotors identisch ist mit der Rotorachse, nach vom jedoch größer wird. Ganz vorn ist zwischen Außenwand und Innenwand der Auslauf (C-5) des Rotors. Zwischen Außenwand und Innenwand des Rotors sind Leit bleche (D-5) angebracht in vorzugsweise radialer Richtung. Der Anstellwinkel in Bezug auf die Rotationsachse (RA) ist hinten steil, wird zunehmend flacher und ist vorn nahezu null, d. h. fast parallel zur Rotationsachse.

In Bild 5, rechts, sind schematisch diese Anstellwinkel der Leitbleche (D-5) in Bezug auf die Rotationsachse (RA) dargestellt. Vorzugsweise werden mehrere solcher Leitbleche installiert, welche spiralförmig um die Rotorachse gewunden sind mit kontinuierlich ansteigender Anstellung in Bezug auf die Rotorachse.

Zwei Querschnitte solcher Kammern sind in Bild 5, unten, schematisch dargestellt. Hinten (im Bild nach links weisend) ist der Querschnitt nahezu ein Kreisausschnitt (6-5), welcher gebildet wird durch die Rotor-Außen wandung (A-5), die Leitbleche (D-5) und die Rotationsachse (RA). Vorn ist der Querschnitt einer solchen Kammer kleiner (im Bild nach rechts weisend), weil nun anstelle der Rotorachse diese Kammer innen durch die Rotor-Innenwandung (B-5) dargestellt wird. Die Fläche dieser Querschnitte sollten von hinten nach vorn durch entsprechende Formgebung der Rotor-Außen- und Innenwandung so gestaltet werden, daß sie der im jeweiligen Bereich gewünschten Fluidgeschwindigkeit in den Kammern entsprechen.

Der Auslauf (C-5) des Rotors mündet in einen Überleitkanal (E-5) des Gehäuses und dieser mündet tangential in eine Gehäuseschnecke (F-5). Diese Schnecke hat an ihrem Beginn einen minimalen Durchmesser (z. B. wie im Bild links), in Rotationsrichtung wird dieser größer (z. B. wie im Bild rechts), nach einer vollen Umdrehung hat sie ihren maximalen Durchmesser (z. B. wie im Bild links gestrichelt gezeichnet). Der Überleitkanal (E-5) sollte vorzugsweise den Fluidstrom in das Schneckengehäuse (F-5) so einbringen, daß die stärkere Fluid strömung (im Rotor an der Außenwand) in das Schneckengehäuse (F-5) innen einfließt, die schwächere Fluidströmung (im Rotor an der Innenwand) außen. Der Fluidstrom im Schneckengehäuse kann letztlich tangential in ein Auslaufrohr abgegeben werden (im Bild nicht dargestellt).

Besondere Eigenschaften und Anwendung

Konventionelle Zentrifugalpumpen weisen in der Regel folgende Nachteile hinsichtlich der Fluidströmung auf: der Einlaufbereich nahe der Rotorachse stellt eine Kreis- oder Kreisringfläche relativ geringen Querschnitts dar. Der Auslaufbereich am äußeren Rand des Rotors dagegen stellt einen Rohrmantelabschnitt relativ großen Umfangs dar. Die Geometrie der Kammern verändert sich von innen nach außen. Der Einlauf des Fluids erfolgt meist in axialer Richtung ohne Drall. Das Fluid wird abrupt per Druck durch die Schaufeln in tangentialer Richtung beschleunigt. Durch die von innen nach außen größer werdende tangentiale Distanz zwischen den Schaufeln entsteht ein starker Sog. Damit kommt es innerhalb der Kammern schon zu turbulenten, d. h. unproduktiven Strömungen. Durch weitgehend tangentiale Anstellung der Schaufeln am äußeren Rand des Rotors fließt das Fluid weitgehend in radiale Richtung ab. Die hohe Bahngeschwindigkeit außen am Rotor kann damit nicht auf das Fluid übertragen werden.

Demgegenüber weist die hier dargestellte Zentrifugalpumpe folgende prinzipielle Vorteile auf: es steht ein großflächiger Einlaufbereich zur Verfügung. Das Fluid wird durch die Anstellung der Leitschaufeln sanft und zunächst vorwiegend in axiale Richtung beschleunigt. Der dem Fluid zur Verfügung stehende Querschnitt wird kontinuierlich verringert entsprechend der Beschleunigung, zunächst von außen her (solange die Zentrifugal kraft noch nicht zu groß ist), dann von innen her. Die Beschleunigung geht kontinuierlich über in zunehmende Beschleunigung in Rotationsrichtung. Der Querschnitt der Kammern verringert sich dabei nurmehr von innen her, während die äußere Begrenzung der Kammern nahezu konstant bleibt. Es ist damit kaum Druckgefalle in den Kammern in tangentialer Richtung gegeben. Der Druck ist vielmehr stets von innen nach außen anwachsend. Durch den wieder größer werdenden Durchmesser der Rotor-Außenwandung wirkt die Zentrifugalkraft beschleunigend auf den generellen Fluidstrom. Vom Einlauf bis zum Auslauf bewegen sich alle Fluidteile in spiraligen Bahnen, also bestmöglich in stationärer bzw. laminarer Strömung. Die Leitbleche weisen stets in radiale Richtung. Das Fluid tritt vorn mit der dort größten Bahngeschwindigkeit aus dem Rotor aus. Im Rotor wird praktisch nur ein Starrer Wirbel erzeugt, wobei allerdings die Fluidströmung bestmöglich geordnet ist und in zweckentsprechende Richtung weist. Durch das tangentiale Einfließen in das Schnecken gehäuse entsteht dort erst die Potentialdrallströmung, allerdings von außerordentlichen Stärke.

Eine Zentrifugalpumpe vorstehend beschriebener Art wird höchsten Wirkungsgrad aufweisen und für viele Zwecke eingesetzt werden.

3.4. Drucksperre Funktion

Dieses Konstruktionselement dient dazu, ein Fluid von einem ersten Bereich in einen zweiten Bereich fließen zu lassen, wobei vom zweiten Bereich keine Rückwirkung auf den ersten Bereich erfolgt, selbst wenn im zweiten Bereich ein höherer statischer Druck als im ersten Bereich herrscht.

Konstruktionsprinzip

Bei diesem Konstruktionselement wird Fluid tangential einer Gehäuseschnecke zugeführt analog zu oben dargestellter Zentrifugalpumpe. Der Fluidstrom wird jedoch nicht einem Abflußrohr übergeben. Die Gehäuse schnecke wird vielmehr weiter geführt auf in etwa kreisförmiger Bahn mit nahezu gleichbleibendem Radius. Der Querschnitt bleibt dabei beispielsweise ein Drittel eines Kreisbogen lang gleich groß. Danach verjüngt sich der Querschnitt auf null binnen eines vollen Kreisbogens und weist in diesem Bereich Öffnungen auf, durch welche das Fluid tangential in einen zweiten Bereich abfließen kann, analog zum Zufluß, in der Regel auch in gleiche Richtung wie dieser weisend.

Konstruktive Ausführung

In Bild 6, links, ist schematisch und beispielhaft eine Drucksperre in einem Querschnitt zur Achse (RA) dar gestellt. Anstelle einer über einen vollen Kreisbogen verlaufenden Gehäuseschnecke sind hier beispielsweise drei solcher Gehäuseschnecken eingezeichnet. Eine Gehäuseschnecke beschreibt ein Drittel eines Kreisbogens, wobei ihr Durchmesser vom ihrem kleinsten zu ihrem größten Durchmesser anwächst. In diesem Bereich (A-6) wird der Gehäuseschnecke Fluid tangential zugeführt analog zu obiger Gehäuseschnecke (F-5) durch einen Überleitkanal analog zu obigem (E-5, in Bild 6 links nicht dargestellt). Die Gehäuseschnecke wird in gleichem Drehsinn auf etwa gleichem Radius mit etwa gleichem Querschnitt ein zweites Drittel des Kreis bogens lang fortgeführt. In diesem Bereich (B-6) weist die Gehäuseschnecke keine Öffnungen auf. Danach verjüngt sich der Querschnitt während eines letzten Drittels eines Kreisbogens auf null. In diesem Bereich (C-6) ist tangential wiederum ein Überlaufkanal analog obigem angebracht (in Bild 6 links nicht dargestellt).

In Bild 6, rechts, ist schematisch ein Querschnitt längs der Achse dargestellt. Innen angeordnet ist der Einlauf bereich (A-6) dieser Gehäuseschnecke, außen der Auslaufbereich (C-6). Die Anordnung aller Bereiche der Gehäuseschnecke ist hier beispielhaft in einer Ebene dargestellt, diese könnten auch versetzt zu einander sein. Schematisch dargestellt sind hier die Überleitungskanäle, welchen den Fluidstrom (D-6) in das Schnecken gehäuse einbringen. Die Überleitkanäle zum kleinsten und größten Durchmesser der Schnecke liegen räumlich eng beisammen. Sie sind hier nur schematisch dargestellt als zwei Überleitkanäle, praktisch wird man eine strömungsgünstigere Anordnung wählen. Im Bild 6, links, sind die entsprechenden Positionen durch Kreise gekennzeichnet. Der Auslaufbereich (C-6) dieser Gehäuseschnecke ist im Prinzip analog zum Einlaufbereich angelegt mit entsprechendem Überleitungskanal für den Abfluß (E-6) des Fluids. Anstelle dieser drei Gehäuseschnecken könnten auch ein andere Anzahl einen vollen Kreisbogen abdecken.

Besondere Eigenschaften und Anwendung

Wie schon bei obiger Zentrifugalpumpe dargestellt, wird mit einer tangentialen Zuführung eines Fluids in eine Gehäuseschnecke ein Potentialdrallstrom außerordentlicher Stärke erzeugt. Dessen Weiterführung im gleichen Drehsinn bewirkt nur einen minimalen Widerstand. Durch die gleichgerichteten Bewegungen im gesamten Strom läßt sich das Fluid mit ebenso unbedeutendem Verlust wieder tangential aus der Gehäuseschnecke ausleiten. Normalerweise ergibt sich bei der Überleitung eines Fluids von einem Behälter in einen anderen Behälter sofortiger Druckausgleich. Der Druck in diesem System besteht jedoch vorwiegend aus Staudruck aufgrund der hohen Geschwindigkeiten radial wie axial im Rohr. Der Auslaufbereich bildet praktisch eine Düse länglichen Querschnitts über einen vollen Kreisbogen hinweg. Die Geschwindigkeit des Fluids in dieser Düse ist so hoch, daß selbst ein höherer statischer Druck im das Fluid aufnehmenden Behälter keine Rück wirkung auf die Strömungs- und Druckverhältnisse des Behälters entstehen können, welcher das Fluid abgibt.

Mit diesem Konstruktionselement wird bei optimalen Strömungsverhältnissen eine nahezu absolute Sperrung eines Drucks gegen die Stromrichtung gewährleistet. Ein Anwendungsbeispiel wird weiter unten dargestellt.

3.5. Potentialdrallpumpe Funktion

Dieses Konstruktionselement dient dazu, ein Bündel starker Potentialdrallströmungen herzustellen.

Konstruktionsprinzip

Dieses Konstruktionselement stellt einerseits eine Zentrifugalpumpe dar. Die Kammern zwischen den Schaufeln weist von innen nach außen konstante oder kleiner werdende Querschnittsfläche auf. Die Wand ungen der Kammern werden nicht vollständig durch den Rotor abgebildet, sondern teilweise vom Gehäuse oder auch von einem schneller als der Rotor drehenden Körper. Dieser wird im folgenden "Beschleunigungsrotor" genannt. Die Strömung in den Kammern erfolgt wie bei einer Zentrifugalpumpe von innen nach außen. Außerdem jedoch wird das Fluid in den Kammern in von innen nach außen zunehmend stärkere Rotation versetzt um die Langsachse der Kammern. Dadurch wird Fluid aus dem Einlaufbereich mit starkem Sog eingesaugt. Andrerseits entstehen dadurch auf der Auslaufseite außerordentlich starke Potentialdrallströme aus jeder Kammer, wobei dieses gesamte Bündel von Wirbelzöpfen zusätzlich eine starke Rotation aufweist.

Diese Konstruktionsprinzipien sind in Bild 7, oben, schematisch dargestellt. Links ist ein Ausschnitt eines Rotors (RO) einer Zentrifugalpumpe gezeigt, welcher auf seiner Rotationsachse (RA) als im Uhrzeigersinn drehend zu betrachten ist. Innen erfolgt der Einlauf bei relativ kleinem Radius. Der Fluidstrom (A-7) fließt durch eine Kammer (B-7) von innen nach außen zum Auslauf bei relativ großem Radius. Anstelle von gekrümmten Schaufeln sind hier Segmente eingezeichnet, welche die Wandungen der Kammern bilden. Die Kammer (B-7) weist damit von innen nach außen gleichen Querschnitt auf.

Im Bild 7, oben mittig, ist ein Längsschnitt dargestellt (nur eine Hälfte der symmetrischen Maschine). Die Wandungen des Gehäuses (GE) bilden den Einlaufbereich ab, in welcher der Fluidstrom (A-7) eintritt. Der hintere Teil des Rotor (RO) ist im Bereich der Rotationsachse (RA) konusförmig dargestellt, so daß der Fluid strom in radiale Richtung umgelenkt wird. Er fließt durch die Kammer (B-7), welche Bestandteil des Rotors ist. Aber lediglich drei Wandungsseiten der Kammer werden durch den Rotor abgebildet, die vierte Wandungs seite wird durch das Gehäuse (GE) dargestellt. In Bild 7, oben rechts, ist eine Draufsicht dargestellt, welche dieses verdeutlicht: Der Rotor (RO) bewegt sich relativ zum Gehäuse (GE). Das Fluid in der Kammer (B-7) dreht sich mit der Geschwindigkeit des Rotors um die Rotationsachse. Es wird dabei jedoch an der Gehäuse wandung abgebremst und erfährt damit zusätzlich eine Rotation um die Längsachse der Kammer (B-7). Die Differenz der relativen Geschwindigkeiten zwischen Rotor und Gehäuse wächst proportional zum Radius. Innen ist die Rotation des Fluids um die Längsachse der Kammer also relativ gering und wird nach außen zunehmend stärker.

In Bild 7, mittlere Darstellungszeile links, ist nochmals ein Ausschnitt einer Draufsicht dargestellt. Das Gehäuse (GE) ist feststehend, der Rotor (RO) dreht sich (hier im Bild von unten nach oben). Im Rotor ist nun eine Kammer (C-7) dargestellt mit runden Wandungen des Rotors. Ein Teil der Kammerwandung wird wiederum durch das Gehäuse gebildet. Ein Beschleunigungsrotor (D-7) rotiert ebenfalls um die Rotationsachse, jedoch mit höherer Drehzahl, vorzugsweise doppelt so schnell wie der Rotor. Auch er bildet einen Teil der Kammerwandung. Durch seine größere Geschwindigkeit beschleunigt er die Rotation des Fluids in der Kammer um deren Längsachse. Dieser Körper wird darum "Beschleunigungsrotor" genannt.

Mit dieser Konzeption wird praktisch erreicht, daß die Wandungen (bzw. Teile davon) eines Rohres (bzw. der länglichen Kammer mit prinzipiell rundem Querschnitt) sich zunehmend schneller verdrehen, analog zur Bewegung der Potentialdrallströmung. Diese Konzeption ist damit Abbildung eines Tornados durch feste Teile.

In einer axialen Ebene zur Kammerlängsachse kann Fluid sich beliebig schnell drehen ohne Konsequenzen nach außen. Ganz anders verhält es sich, wenn das Fluid zusätzlich eine Bewegung in Richtung der Kammer längsachse ausführt. Diese Bewegung radial zur Rotationsachse (RO) ist allein schon gegeben aufgrund der Zentrifugalkraft. Außerdem könnten auf die durch den Rotor gebildete Wandung der Kammer (B-7) Leitbleche angebracht werden oder Nuten eingearbeitet sein, praktisch ein Gewinde eingeschnitten sein, allerdings mit von innen nach außen größerer Steigung. Andrerseits sollten die Wandungsteile des Rotors möglichst glatt sein, um die Rotation in der Kammer nicht zu bremsen. Besonders die Druckseite der Rotorwandungen sollten möglichst glatt sein. Nur auf der Sogseite der Rotorwandung (G-7) sollten also Leitbleche oder Nuten angebracht sein. Die Wandungen des Gehäuses und besonders des Beschleunigungsrotors können relativ raus sein, um die Rotation in der Kammer zu fördern. Durch Gehäuse wie Beschleunigungsrotor werden aufgrund deren flacher Wandungen Druck auf den Fluidwirbel ausgeübt. Damit sind alle Voraussetzungen zur Ausbildung einer Potentialdrallströmung in den Kammern des Rotors um die Kammernlängsachse gegeben.

Anstelle der durch Druck und Sog verursachten turbulente Strömungen herkömmlicher Zentrifugalpumpen treten gerichtete Bewegungsabläufe ein. Dieses hat enorme Konsequenzen. Wenn sich eine Potentialdrall strömung ausbilden kann und dabei die Querschnittsfläche der Kammern von innen nach außen in entsprech endem Maße verringert wird, ergibt dieses eine große Geschwindigkeit des Fluids beim Austritt aus der Kammer. Wenn diese Querschnittsfläche relativ gleich gehalten wird, dann ergibt dieses einen sehr starken Sog im Einlaufbereich. In jedem Fall wird der Durchsatz dieser Maschine sehr viel höher sein als bei konventionellen Zentrifugalpumpen.

Als nachteilig mag erscheinen, daß das Fluid nicht am gesamten, äußeren Umfang des Rotors gleichmäßig austritt, sondern in Form einzelner Wirbelzöpfe. Zwischen diesen entsteht ein relativer Unterdruck. Dieser könnte genutzt werden, um eine starke Einrollung des Fluidstromes insgesamt zu erreichen. Oder dessen Sogwirkung kann benutzt werden, wie weiter unten dargelegt wird.

Konstruktive Ausführung

In Bild 7, mittlere Darstellungszeile rechts, ist ein Längsschnitt beispielhaft für diese Potentialdrallpumpe dargestellt. Im Einlaufbereich (im Bild links) steht eine Strömung an, welche zweckmäßigerweise schon entsprechenden Drall aufweist. Die Außenwandung des Fluidstroms wird stets durch das Gehäuse (GE) dargestellt. Der Rotor (RO) weist zunächst eine konusförmige Gestalt im Bereich der Rotationsachse (FA) auf, um den Fluidstrom in radiale Richtung umzulenken. Im Rotor befinden sich die Kanäle (C-7), wobei nur zwei Wandungsseiten durch den Rotor abgebildet werden. Die innere bzw. vordere Wandung der Kammern wird durch den Beschleunigungskörper (D-7) dargestellt. Der Fluidstrom verläßt die Maschine (im Bild nach rechts) hier in axiale Richtung und durch die Drehung des Rotors zugleich drehend um die Rotationsachse. Zusätzlich bildet jeder Fluidstrom aus jeder Kammer in sich eine Potentialdrallströmung um ihre Kammerlängsachse.

In Bild 7, untere Darstellungszeile, ist ein weiteres Beispiel dieser Potentialdrallpumpe dargestellt, rechts ein schematischer Längsschnitt analog vorigem. Im Einlaufbereich steht hier eine Strömung mit Haupt- und Nebenstrom an, wie sie z. B. durch oben dargestellten Vordrallerzeuger abgegeben wird. Die äußere Wandung des Fluidstromes insgesamt wird weiterhin durch das Gehäuse (GE) abgebildet. Innerhalb dieser befindet sich das Hauptstromrohr (F-7). Im Rotor (RO) wird weiterhin der Haupt- vom Nebenstrom getrennt. Darum ist dort eine runde Wandung installiert, welche hinten dem Hauptrohr entsprechenden Durchmesser aufweist, der nach vom sich erweitert. Der Hauptstrom wird durch Kammern (C-7) geleitet, wobei drei Wandungsseiten vom Rotor abgebildet werden und eine vom Beschleunigungsrotor (D-7). Der Nebenstrom wird durch Kammern (E-7) geleitet, wobei drei Wandungsseiten vom Rotor und eine durch das Gehäuse abgebildet werden. Bild 7, untere Darstellungszeile links, zeigt einen entsprechenden Querschnitt des Auslaufbereiches. Die Kammern des Hauptstroms (C-7) sind gegenüber den Kammern des Nebenstroms (E-7) versetzt angeordnet, beide sind durch die Hauptrohrwandung (F-7) des Rotors getrennt. In allen Kammern wird sich Potentialdrallströmung in gleichem Drehsinn ausbilden. Viele andere Ausführungen entsprechend obiger Prinzipien sind machbar.

Besondere Eigenschaften und Anwendung

Diese Potentialdrallpumpe vereinigt in sich die Vorteile einer Zentrifugalpumpe herkömmlicher Art mit den Vorteilen der Potentialdrallströmung. Auf das Fluid wird der durch den Rotor erzeugte Druck in den Rotor kammern optimal in Rotationsbewegung des Fluids übertragen. Durch die von hinten nach vorn größer werdenden Radien des Rotors erfährt das Fluid Zentrifugalkraft und fließt entsprechend tangential ab. Durch die Rotation des Fluids um die Längsachse der Kammern bildet sich Potentialdrallströmung aus mit deren Eigendynamik. Diese Potentialdrallpumpe weist darum hohen Wirkungsgrad auf. Sie ist geeignet für Anwendungen vielfältiger Art. Sie könnte z. B. auch in Form des später beschriebenen Wirbelbehälters eingesetzt werden.

3.6. Sogpumpe Funktion

Dieses Konstruktionselement dient dazu, ein Bündel von Potentialdrallströmungen allein aufgrund von Sogwirkung und damit geringem Energieaufwand zu erzeugen.

Konstruktionsprinzip

Wesentliches Merkmal dieser Sogpumpe ist, daß auf der Innenwandung des Gehäuses Kanäle angebracht sind, welche von hinten bis vorn spiralförmigen Verlauf aufweisen. Die Kanäle haben asymmetrischen Querschnitt mit einer Abrißkante. Der Rotor dagegen hat stets runden Querschnitt und seine Oberfläche sollte relativ rauh sein, damit das Fluid "anhaftet". Durch die Drehung des Rotors wird damit das Fluid in ebenfalls drehende Bewegung versetzt. Die Radien des Rotors sind von hinten nach vorn ansteigend, womit durch die "Haftung" des Fluids dessen Drehung von hinten nach vom zunehmende Geschwindigkeit erreicht. Das Fluid streicht über die Abrißkanten obiger Kanäle und bewirkt eine zusätzliche Drehung des Fluids in den Kanälen, wobei sich Potentialdrallströmung ausbilden wird. Die Kanäle weisen hinten einen relativ steilen Winkel zur Rotationsachse auf, im mittleren Teil einen wesentlich flacheren Winkel und nach vorn wieder etwas steileren Winkel auf. Die Potentialdrallwirbelzöpfe verlassen die Maschine damit in axialer wie tangentialer Richtung.

Konstruktive Ausführung

In Bild 8, oben, ist schematisch und beispielhaft ein Längsschnitt durch diese Sogpumpe dargestellt. Der Fluidstrom verläuft von links nach rechts. Der Rotor (RO) dreht sich um die Rotationssachse (RA). Der Rotor hat stets runden Querschnitt mit von hinten nach vorn anwachsendem Radius. Bestandteil des Gehäuse (GE) ist die Innenwandung (A-8) mit prinzipiell ebenfalls rundem Querschnitt. Dessen Radius ist im Einlaufbereich relativ groß, verringert sich zur Mitte hin und ist nach vorn wieder ansteigend. Von hinten nach vorn sind auf der Innenwandung (A-8) Kanäle (B-8) ausgebildet. Sie verlaufen in Spiralform, wobei hinten die Anstellung gegenüber der Rotationsachse relativ steil ist, dann flacher wird zur Mitte hin und hinten wieder steiler wird. Die Kanäle weisen hinten gegenüber der Innenwandung eine geringe Höhe aus, welche zur Mitte hin größer wird und nach vorn die gesamte Höhe des für das Fluid zur Verfügung stehenden Querschnitts einnehmen.

In Bild 8 sind in der unteren Darstellungszeile schematisch einige Abschnitte des Querschnitts des Rotors (RO), der Innenwandung (A-8) wie der Kanäle (B-8) dargestellt. Die Drehung des Rotors wird dabei im Uhrzeigersinn unterstellt. Die Abrißkanten der Kanäle weisen in diese Drehrichtung. Die Kanäle haben einerseits die Funktion von Leitblechen, insofern könnten sie auch von hinten nach vorn die gesamte Höhe des dem Fluid jeweils zur Verfügung stehenden Querschnitts einnehmen. Andrerseits soll in den Kanälen sich eine zusätzliche Potentialdrallströmung ausbilden können. Insofern ist sinnvoll, daß diese Kanäle im Einlaufbereich (im Bild 8 links) zunächst praktisch nur eine Nut bilden, dann zunehmend größere Höhe in Bezug auf den dem Fluid zur Verfügung stehenden Querschnitt einnehmen. Durch die Rotation des Fluid (hier rechtsdrehend unterstellt) streicht dieses über die Abrißkanten und erzeugt im Kanal einen Sog, weicher eine Drehbewegung des Fluids innerhalb des Kanals ausbilden wird (hier dann gegen den Uhrzeigersinn gerichtet). Indem immer mehr Fluidanteile bei immer größerer Rotationsgeschwindigkeit darin einfließen (in Bild 8 mittig bzw. rechts), bildet sich die gewünschte Potentialdrallströmung mit der ihr innewohnenden Charakteristik aus.

Besondere Eigenschaften und Anwendung

Diese Sogpumpe kann mit minimalem Energieaufwand betrieben werden. Es entstehen lediglich Reibungs verluste in den Lagern des Rotors sowie durch die Reibung des Fluids an den Oberflächen des Rotors. Die Wirkung dieser Sogpumpe wird dadurch erzielt, daß lediglich die Voraussetzungen zur Ausbildung des Potentialdrallstroms geschaffen werden und dessen Eigendynamik genutzt wird. Dem Fluid muß zur Ausbildung dieser Strömungsform genügend Zeit und Raum gegeben werden. Darum wird diese Maschine relativ großvolumig bauen. Der Wirkungsgrad jedoch wird entsprechend hoch sein. Diese Sogpumpe wird keinen großen Druck aufbauen können, dafür eine sehr sanfte Förderung des Fluids ergeben.

3.7. Wirbelbehälter Funktion

Mit diesem Konstruktionselement wird eine schonende Verwirbelung zur Mischung verschiedener Bestandteile in einem Fluid bzw. eine intensive Verwirbelung eines Fluids bei geringem Energieaufwand erreicht.

Konstruktionsprinzip

Dieser Wirbelbehälter basiert auf dem oben beschriebenen Konstruktionsprinzip der Sogpumpe, wobei hier die Fluidförderung in einem geschlossenen Kreislauf statt findet. Alternativ dazu kann das Konstruktionsprinzip oben beschriebener Potentialdrallpumpe eingesetzt werden, wobei dann ebenfalls die Fluidförderung in einem geschlossenen Kreislauf statt findet.

Konstruktive Ausführung

In Bild 9, rechts, ist schematisch und beispielhaft ein Längsschnitt durch diesen Wirbelbehälter dargestellt. Darin eingezeichnet ist schematisch der gewünschte Strömungskreislauf. In einem hyperbelförmigen Mittelteil ist eine Potentialdrallströmung ausgebildet mit enger werdenden Stromlinien. Unten fließt die Strömung spiralförmig auf größer werdenden Radien auseinander und kehrt so zurück zum oben angeordneten Einlauf bereich. Diese fortwährende Rotationsbewegung besteht ihrerseits aus Wirbelzöpfen, bildet somit eine Idealform der Wirbelströmung ab.

In Bild 9, links, ist schematisch ein Längsschnitt durch ein Wirbelbehälter dargestellt, nur ein Hälfte dieser symmetrischen Maschine. Auf der Rotationsachse (RA) dreht sich der Rotor (RO). Der Rotor ist mittig durch eine relativ dünne Achse dargestellt, sein Radius wird unten größer und seine Wandung läuft außen zurück nach oben. Oben wird die Behälteraußenwandung dargestellt durch das Gehäuse (GE). Bestandteil des Gehäuses sind dort Leitbleche (D-9), über welche ein Körper (E-9) mit dem Gehäuse fest verbunden ist. Die Außenwandungen dieses Körpers stellen die innere Wandungen (A-9) des Behälters dar. Die Formgebung der Rotorwandungen, der Gehäusewandungen wie der Wandungen (A-9) des inneren Körpers (E-9) sind so gestaltet, daß sich ein hyperbelförmiger Einlaufbereich ergibt, welcher übergeht in einen Rücklaufbereich geringer werdenden Querschnitts. Auf den Wandungen (A-9) sind Kanäle (B-9) angebracht, deren Querschnitte prinzipiell analog zu denen der oben beschriebenen Sogpumpe angelegt sind. Die Anstellung dieser Kanäle in Bezug auf die Rotationsachse ist entsprechend der gewünschten, prinzipiellen Stromrichtungen (z. B. wie in Bild 9 rechts dargestellt) auszurichten. Entsprechenden Verlauf weisen auch die Leitbleche (D-9) auf.

Ein optionales Konstruktionselement sind Leitbleche bzw. Kanäle (C-9), welche im Außenbereich des Rotors angebracht sein können. Diese Leitbleche könnten als Turbinen-Schaufeln dienen, um Teile der für den Antrieb des Rotors aufgewandten Energie an einem großen Hebel zurück zu gewinnen. Sie könnten auch auf einem besonderen Rotor mit anderer Übersetzung montiert sein. Wenn anstelle der Leitbleche jedoch Kanäle (C-9) installiert werden, sollten diese analog zu den Kanälen (B-9) angelegt sein, jedoch mit ihren Abrißkanten gegen die Rotationsbewegung des Fluids gerichtet. Auch solche Kanäle könnten der Rückgewinnung von Energie dienen (gegebenenfalls wiederum auf einem separaten Rotor montiert) oder sie könnten der weiteren Verwirbelung des Fluids dienen.

Alternativ zum Prinzip obiger Sogpumpe könnte auch die früher beschriebene Potentialdrallpumpe Basis dieses Konstruktionselements Wirbelbehälter sein. Auch dort entstehen in den Kanälen zwischen Rotor und Haupt stromrohr bzw. diesem und den Gehäusewandungen Potentialdrallströmungen, welche in oben beschriebener Weise zu einem Kreislauf des Fluids durch entsprechende Formgebung gelenkt werden können.

Die zum Befüllen bzw. Entleeren des Behälters erforderlichen Einrichtungen sind hier nicht dargestellt, weil problemlos mit bekannter Technik machbar.

Besondere Eisenschaften und Anwendung

Dieser Wirbelbehälter erfordert wie obige Sogpumpe aufgrund der geringen Reibungsverluste nur geringen Energieeinsatz, welcher eventuell sogar wieder teilweise zurück zu gewinnen ist bei entsprechender Auslegung.

Die besondere Eigenschaft dieser Maschine ist, daß mit ihr eine Idealform der Wirbelbildung realisiert wird. Ausschließlich per Sogwirkung kann diese Verwirbelung erfolgen, wobei keinerlei "Wirbler" eingesetzt werden. Diese Maschine wird damit Anforderungen gerecht, wie sie z. B. beim Mischen diverser Bestandteile in einem Fluid erforderlich sind oder zur Herstellung kolloider Mischungen. Mit dieser Maschine wird auch die Zielsetzung einer schonenden, aber intensiven Verwirbelung eines Fluids in optimaler Weise erreicht, wie es z. B. zur Herstellung "Levitierten Wassers" bzw. "energetischem Wasser" oder anderem gewünscht ist.

3.8. Ringwirbelbehalter Funktion

Mit diesem Konstruktionselement wird eine schonende Verwirbelung zur Mischung verschiedener Bestandteile in einem Fluid bzw. eine intensive Verwirbelung eines Fluids bei geringem Energieaufwand erreicht. Die Teile des Fluids werden dabei prinzipiell auf den Bahnen eines Ringwirbels bewegt.

Konstruktionsprinzip

In Bild 10, oben links, ist der Querschnitt eines Behälters dargestellt. Der Behälter (A-10) wird gebildet zwischen einer äußeren Wandung und einer inneren Wandung. Beide Wandungen weisen fast ähnliche Form auf, die innere Wandung hat jedoch jeweils kleinere Durchmesser. Der Behälter ist unten U- bzw. V-förmig, er ist symmetrisch zu seiner Symmetrieachse (B-10). Oben laufen die äußere und innere Wandung jeweils zusammen. Dieser Behälter ist zum Teil mit Fluid gefüllt, z. B. mit Wasser bis zu einer Höhe C-10. Wenn dieser Behälter in Rotation um seine Symmetrieachse versetzt wird, weist die Oberfläche des Fluids eine konvexe Form auf.

In Bild 10, oben rechts, ist der gleiche Behälter mit geneigter Symmetrieachse dargestellt. Wenn dieser Behälter in Rotation um seine Symmetrieachse versetzt wird, so weist die Oberfläche des Fluids eine unter schiedliche Form auf in Abhängigkeit von der Drehzahl bzw. der jeweiligen Relation von Zentrifugal- und Gravitationskraft. Wenn dieser Behälter relativ langsam gedreht wird, schwankt die Oberfläche des Fluids während einer Umdrehung zwischen den Wandungen hin und her. Maximal kann die Bewegung des Fluids in Bezug auf die Symmetrieachse beispielsweise die Strecke E-10 aufweisen.

Diese Bewegung kann verstärkt werden, wenn der Behälter zusätzlich zu seiner Dre 99999 00070 552 001000280000000200012000285919988800040 0002019806507 00004 99880hung um seine Symmetrie achse um eine Rotationsachse gedreht wird. Dann überlagern sich beide Drehbewegungen. Zwischen der Außen- und Innenwandung des Behälters können Leitbleche installiert sein in gekrümmter Form. Dann überlagert auch noch diese Bewegungsrichtung die vorigen Bewegungen. Die Querschnitte der zwischen den Wandungen und den Leitblechen des Behälters gebildeten Kanäle können oben einen Querschnitt in Form eines Ringsegmentes aufweisen mit größerer Länge als Breite, unter aber einen rechteckigen Querschnitt mit größerer Höhe als Breite. Die Bewegung des Fluid ist dann zusätzlich gewendelt. Aus der Überlagerung aller Bewegungen ergibt sich für jedes Fluidteil in Annäherung ein Bahnverlauf analog dem in einem Ringwirbel.

Konstruktive Ausführung

In Bild 10, mittlere Darstellungszeile, ist schematisch und beispielhaft ein Längsschnitt durch einen Ring wirbelbehälter dargestellt. In einem Gehäuse (GE) ist eine Rotationsachse (RA) gelagert, so daß sich ein Rotor (RO) um diese Rotationsachse drehen kann. Ein Behälter (A-10) entsprechend oben beschriebener, prinzip iellen Form ist im Rotor drehbar gelagert, wobei die Symmetrieachse (B-10) des Behälters zur Rotationsachse (RA) einen Winkel aufweist Rotor und Behälter drehen gleichsinnig. Die Synchronisation dieser Bewegungen kann über ein Getriebe in bekannter Weise realisiert werden. Hier ist schematisch und beispielsweise dieses Getriebe bestehend aus einem Zahnkranz (F-10) des Gehäuses und einem Zahnrad (G-10) des Behälters darge stellt. Unten ist der Behälter in einem Lager (H-10) des Rotors drehbar gelagert. Dieses Lager (H-10) ragt in den Behälter hinein. In diesem Lager ist ein Kanal (I-10) eingearbeitet, welcher den Durchfluß des Fluids von einer Seite des Behälters zur anderen zuläßt bzw. steuert.

Zwischen den Wandungen des Behälters sind Leitbleche installiert. In Bild 10, unten links, ist schematisch eine Draufsicht auf einen Ringwirbelbehälter in Richtung seiner Symmetrieachse (B-10) dargestellt. Der Behälter (A-10) soll sich dabei im Uhrzeigersinn drehen. Die Leitbleche (J-10) sind prinzipiell so geformt, daß sie von außen nach innen im Drehsinn des Behälters gekrümmt sind. Die Leitbleche sind zwischen den Wandungen des Behälters mindestens in dem Bereich zu installieren, in welchem die Oberflächen des Fluids sich bewegen. Unten im Behälter reichen die Leitbleche bis nahe an das Lager (H-10). Der obere Teil des Behälters dient lediglich zum Ausgleich des Drucks, z. B. der Luft über dem Wasser. Leitbleche sind dort insofern nicht erforderlich. Andrerseits könnten die Leitbleche auch oben zusammen geführt sein. Jeder zwischen den Wandungen und Leitblechen gebildeten Kanal könnte oben aber auch geschlossen sein. Wenn das Fluid in einen solchen Kanal einfließt, bildet sich dann oben in diesem Kanal ein relativer Überdruck. Wenn das Fluid aus einem solchen Kanal ausfließt, wird diese Strömung durch den Abbau dieses relativen Überdrucks unterstützt.

In Bild 10, unten mittig, ist schematisch und beispielhaft nochmals eine Draufsicht auf einen Ringwirbel behälter in etwas vergrößertem Maßstab, jedoch nur ausschnittsweise dargestellt. Um die Rotationsachse (RA) dreht sich der Rotor (RO) im Uhrzeigersinn. Der Behälter (A-10) dreht sich zusätzlich um seine Symmetrie achse (B-10) ebenfalls im Uhrzeigersinn. Von außen nach innen verlaufen die Leitbleche (J-10) des Behälters spiralförmig. Unten mittig auf der Symmetrieachse ist der Behälter durch das Lager (H-10) des Rotors gelagert. In diesem Lager ist ein Kanal (I-10) eingearbeitet, welcher die Bewegung des Fluids von einer Seite des Behälters zur anderen ermöglicht. Hier ist dieser Kanal beispielsweise so angelegt, daß eine Strömung aus der Richtung K-10 durch den Lagerkanal (I-10) in Richtung L-10 fließen kann.

Um einen kontrollierten Bewegungsablauf unten im Behälter zu erreichen, ist also zweckmäßig, daß zu einer Zeiteinheit nur eine Strömung aus einem oder mehreren bestimmten Kanälen des Behälters in einen oder mehrere andere, bestimmte Kanäle gegeben ist.

Anstelle eines runden Behälters mit vielen Kanälen könnte ein Behälter auch nur aus der einem Kanal entsprechenden Form bestehen. In Bild 10, unten rechts, ist schematisch und beispielhaft eine Draufsicht auf einen solchen Kanal (M-10) in Richtung seiner Symmetrieachse (B-10) dargestellt. Eine Steuerung des Bewegungsflusses unten im Behälter durch obigen Kanal (I-10) kann dann entfallen. Dieser Behälterkanal weist dann einen durchgängigen Verlauf von oben-außen über unten-mittig nach oben-außen auf. Sein Querschnitt könnte auch rund sein. Wenn jedoch der Querschnitt im Prinzip rechteckiger Form ist und gewendelt ist, bewirkt dieses eine zusätzliche Drehung des Fluids. Mehrere solcher Kanäle könnten auf einer Symmetrieachse in unterschiedlicher axialer Ebene angeordnet werden.

In Bild 10, mittlere Darstellungszeile, sind zwei Behälter dargestellt. Selbstverständlich könnten auch drei oder mehr Behälter auf dem Rotor montiert sein. In den Behältern sind die Oberflächen des Fluids als dicke Linien eingezeichnet. Die des linken Behälters könnten beispielsweise einen Fluidstand anzeigen, wie er kurz vor Ein setzen der Strömung in diesem Sektor gegeben sein könnte. Die Oberflächen des Fluids im rechten Behälter da gegen könnten beispielsweise den Fluidstand anzeigen kurz nach Beendigung der Strömung in diesem Sektor.

Die zum Befüllen und Leeren des Behälters erforderlichen Einrichtungen sind hier nicht dargestellt, weil mit konventionellen Mitteln problemlos machbar.

Besondere Eigenschaften und Anwendung

In diesem Ringwirbelbehälter wird Fluid in Drehbewegung versetzt, wird beschleunigt und abgebremst, wird angehoben gegen die Gravitationskraft und fließt abwärts aufgrund der Gravitationskraft. Alle diese Kraft wirkungen heben sich gegenseitig auf. Zum Betreiben dieses Ringwirbelbehälters ist also nur in der Startphase besonderer Energieaufwand erforderlich, danach nurmehr zur Überwindung der Reibung. Dieser Ringwirbel behälter kann darum auch nur für manuellen Antrieb durch eine Handkurbel ausgelegt sein.

Durch die prinzipielle Formgebung des Behälters und die Überlagerung der Drehbewegungen des Behälters mit der des Rotors kann erreicht werden, daß im jeweils nach oben weisenden Sektor eines Behälters nur eine geringe Zentrifugalkraft gegeben ist, während die Gravitationskraft einen der Höhe der Fluidsäule entsprechen den Druck unten in diesem Sektor erzeugt. Im jeweils nach außen weisenden Sektor eines Behälters wird das Fluid stark beschleunigt, womit das darin befindliche Fluid einer entsprechenden Zentrifugalkraft ausgesetzt ist. Das Fluid im Behälter wird darum in den Kanälen hin und her fließen. Dieses ständige Beschleunigen und Abbremsen ist an sich keine harmonische Bewegung im Sinne eines kontinuierlichen Fließens. Durch die Überlagerung dieser Bewegung durch die Drehung des Behälters wie der Drehung des Rotors bewegen sich jedoch die Teile des Fluids sehr harmonisch, nahezu auf dem prinzipiellen Bahnverlauf der Bewegungen eines Ringwirbels. Mit diesem Konstruktionselement Ringwirbelbehälter wird also eine Idealform der Fluid bewegung technisch darstellbar.

Dieses Konstruktionselement wird beispielsweise zum Mischen verschiedener Bestandteile oder zur Erzeugung "levitierten Wassers" und ähnlichem ein ideales Instrument sein. Darüber hinaus wird dieser intensive Beweg ungsablauf in der prinzipiellen Form eines Ringwirbels weitere Anwendungsmöglichkeiten eröffnen.

3.9. Druckpumpe Funktion

Dieses Steuerelement überträgt mechanische Energie auf ein Fluid, indem nahezu ausschließlich Druck ausge übt wird. Diese Druckpumpe ist besonders geeignet, hoben Druck in kompressiblen Fluiden zu erzeugen.

Konstruktionsprinzipien

Bei konventionellen Schaufeln ist stets eine Druck- und eine Sogseite gegeben. Wenn in erster Linie Druck in einem Fluid erzeugt werden soll, ist die Sogseite relativ unproduktiv. Bei dieser Druckpumpe hier sind darum die Schaufeln anders geformt. Im hinteren Bereich der Druckpumpe weisen die beiden Seiten der Schaufeln in etwa einen rechten Winkel zueinander auf. Die eine Seite ist im Prinzip radial angeordnet, die andere Seite der Schaufel ist im Prinzip tangential angeordnet. Die Schaufeln weisen hinten eine steile Anstellung gegenüber der Rotationsachse auf, nach vorn eine zunehmend flachere Anstellung. Die Seiten der Schaufeln erzeugen damit zunächst eine axiale Bewegung, zunehmend jedoch eine zentrifugale und tangentiale Bewegung. Im Einlaufbereich bilden diese Schaufeln offene Kanäle, im vorderen Bereich dagegen sind diese Kanäle allseits durch Wandungen des Rotors geschlossen. Die gesamte eingesetzte Rotationsenergie wie auch die Zentrifugal kraft werden damit auf das Fluid übertragen. Das Fluid verläßt die Maschine mit einer starken Rotations bewegung und geringerer Bewegung in axialer Richtung.

Konstruktive Ausführung

In Bild 11, oben, ist schematisch ein Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel eine Druckpumpe dargestellt, nur eine Hälfte der symmetrischen Maschine, darunter schematische und ausschnittsweise drei Querschnitte. Der Einlaufbereich (links im Bild 11) ist trichterförmig dargestellt durch die Wandungen (A-11) des Gehäuses (GE). Auf diesen Wandungen könnten Leitbleche (B-11) montiert sein, um das angesaugte Fluid in die ge wünschte Drehbewegung zu lenken. Auf der Rotationsachse (RA) dreht sich der Rotor (RO). Im Einlaufbereich weist der Rotor einen geringen Radius auf. Die Schaufeln haben dort geringe Höhe, wie in Bild 11, mittlere Darstellungsreihe links, dargestellt. Diese Schaufeln haben praktisch die Form von Zähnen eines Zahnrades, welche in die Drehrichtung weisen (hier im Uhrzeigersinn unterstellt). Durch ihre Anstellung gegenüber der Rotationsachse weisen die Zähne zunächst nach vorn, danach zunehmend in tangentiale Richtung.

Weiter nach vorn hin wächst der Radius des Rotors an und ebenso der Querschnitt der Kanäle (C-11), welche durch die Schaufeln gebildet werden, wie in Bild 11, mittlere Darstellungsreihe, mittig, beispielhaft gezeigt. In diesem Bereich wächst auch der Radius der Innenwandungen (A-11) des Gehäuses wieder an. Weiter nach vorn gehen die bislang offenen Kanäle (C-11) über in geschlossene Kammern (D-11) des Rotors.

In Bild 11, mittlere Darstellungsreihe rechts, ist schematisch dargestellt, wie dabei der dreieckige Querschnitt der Kanäle in einen ringbogenförmigen Querschnitt der Kammern übergeht. Die Innenseite wird dabei stärker angehoben als die Außenseite, das Fluid also in Zentrifugalrichtung komprimiert.

Die Strömung innerhalb der Kammern ist dabei natürlich turbulent. Es bietet sich an, die Strömung nach Austritt aus dem Rotor in spiraligen Bahnen weiter zu führen oder in Gehäuseschnecken oder in oben beschriebenem Konstruktionselement der Drucksperre. In Bild 11, unten, ist schematisch dargestellt, wie das Fluid durch einen Überleitkanal (E-11) einer Gehäuseschnecke (F-11) tangential zugeführt werden kann, diese übergeht in eine zweite Schnecke (G-11), aus welcher dann wiederum tangential der Fluidstrom (H-11) abge führt werden kann. All dieses stellt zusätzliche, "benetzte" Flächen dar. Wenn jedoch der erzeugte Fluid-Druck dieser Maschine nicht Endzweck ist, sondern letztlich Geschwindigkeit erzielt werden soll, wird dieser Fluid- Druck erst durch diese Maßnahmen wertvoll, wobei gerade die Reibung an gekrümmten Flächen positiv wirkt.

Besondere Eigenschaften und Anwendung

Diese Druckpumpe erzeugt turbulente Strömung wie herkömmliche Pumpen. Die mechanische Energie wird hier jedoch konsequent in Fluid-Druck umgesetzt. Durch die spezielle Formgebung der Schaufeln entsteht bereits im Einlaufbereich ein hoher Staudruck in den Kanälen bzw. wird eine starke Rotation des Fluids vorbereitet. In den geschlossenen Kammern vorn wird zusätzlich die Zentrifugalkraft umgesetzt. Diese Maschine nutzt nicht die Vorteile bei der Ausbildung von Potentialdrallströmung, sie stellt lediglich eine Verbesserung konventioneller Pumpen dar. Das Fluid wird während des Durchsatzes kontinuierlich einem höheren Druck ausgesetzt. Diese Druckpumpe wird darum insbesonders einzusetzen sein, wenn durch hohe Drehzahl ein kompressibles Fluid komprimiert werden soll.

3.10. Brennkammer Funktion

Dieses Konstruktionselement ist geeignet, durch Zuführung von Wärmeenergie eine wesentlichen Steigerung der Geschwindigkeit von Potentialdrallströmen zu erreichen.

Konstruktionsprinzipien

Wenn im Rahmen von Strömungsmaschinen einem Fluid Wärme zugeführt wird, so ist die Zielsetzung nicht die Wärmeentwicklung und auch nicht die damit gegebene Druckerhöhung sondern letztlich ein möglichst großer Massedurchsatz bei möglichst hoher Geschwindigkeit. Bereits in der Rohrerfindung wurde dargelegt, daß dieses Ziel bestmöglich per Potentialdrallströmung zu erreichen ist. Alle vorstehend dargestellten Pumpen produzieren diese Potentialdrallströmung bzw. selbst bei voriger Druckpumpe kann eine solche hergestellt werden durch entsprechende Konstruktionselemente der Rohrerfindung bzw. dieser Erfindung hier. Wie dort bzw. hier dargestellt, läßt sich eine Potentialdrallströmung verstärken, wenn von außen Druck ausgeübt wird.

Entscheidendes Kennzeichen dieses Konstruktionselements Brennkammer ist darum, den durch die Wärmeentwicklung entstehenden Druck von außen nach innen auf eine bereits vorhandene Potentialdrall strömung einwirken zu lassen.

Alle vorstehend dargestellten Pumpen entlassen eine Potentialdrallströmung im Prinzip durch einen ring förmigen Querschnitt, wobei die Rotationsbewegung in Relation zur axialen Bewegung stets großen Anteil hat. In aller Regel besitzen Brennkammern Drallbleche, um eine rotierende Bewegung des Fluids zu erzeugen. Diese Voraussetzung ist also durch die Pumpen dieser Erfindung optimal erfüllt. Der ringförmige austretende Fluidstrahl dieser Pumpen mußte also lediglich von außen durch eine Wärmequelle beaufschlagt werden und könnte dann auf einen geringeren Radius reduziert werden entsprechend der sich beschleunigenden Geschwindigkeit des Fluidstromes insgesamt. Vorteilhafter jedoch wird sein, den Fluidstrom der Pumpen zunächst in einer Gehäuseschnecke zu sammeln und darin die Brennkammer anzulegen.

Konstruktive Ausführung

Diese Gehäuseschnecke ist prinzipiell anzuordnen wie bei oben besprochener Drucksperre bzw. in Bild 6 dargestellt. Dort ist beispielsweise die Gehäuseschnecke bestehend aus drei Segmenten dargestellt und in einer spiraligen Anordnung, im wesentlichen auf einer axialen Ebene. In Bild 11 unten rechts ist die Drucksperre schematisch dargestellt in einer Anordnung im wesentlichen auf einer radialen Ebene. Kombinationen dieser prinzipiellen Anordnungsmöglichkeiten sind vielfältig vorhanden.

In Bild 12 ist die Gehäuseschnecke inklusive der darin installierten Brennkammer nicht im Querschnitt dargestellt, sondern die Gehäuseschnecke wird als abgerollt auf eine Zeichnungsebene gesehen und davon ein prinzipieller Längsschnitt dargestellt. Diese Darstellung ist rein schematisch zu sehen, z. B. auch was die Maße anlangt. Bild 12, Darstellungsspalte links, zeigt diesen prinzipiellen Aufbau der Gestaltung der Brennkammer und ihre Anordnung in dieser (abgerollten) Gehäuseschnecke insgesamt. Die Gehäuseschnecke ist prinzipiell aus diversen Abschnitten (A-12 bis F-12, durch Hilfslinien markiert) unterschiedlicher Funktion aufgebaut.

Der Einlaufbereich (A-12) ist dargestellt durch ein Rohr mit von hinten nach vorn zunehmendem Querschnitt (G-12), in welches tangential der Auslaß-Fluidstrom (H-12, nur schematisch angezeigt) einer Pumpe eintritt.

Der Drucksperrebereich (B-12) ist ein Stück der Gehäuseschnecke ohne seitliche Öffnungen und mit im Prinzip konstantem Querschnitt. In diesem Bereich bewegt sich der gesamte Fluidstrom mit starker Potential drallströmung, welche praktisch als Rückschlagventil wirkt.

In Brennkammern erfolgt in aller Regel zunächst eine Ausweitung des dem Fluid zur Verfügung stehenden Querschnitts. Dieser Zielsetzung entspricht hier der Querschittserweiterungsbereich (C-12).

In der Rohrerfindung wurde ein Konstruktionselement "Rohrquerschnittserweiterung" vorgestellt, das dieser Aufgabe bestmöglich gerecht wird. Mit der Erweiterung des Rohrdurchmessers wird durch einen mittig ein gebauten, runden, nach hinten und vorn zugespitzten Körper, Insel (I-12) genannt, zunächst nur eine geringe Erweiterung der dem Fluid zur Verfügung stehenden Querschnittsfläche erreicht. Leitbleche (J-12) dienen der Halterung der Insel und verstärken zugleich durch ihre Formgebung die Drallbewegung des Fluids.

Am Ende dieses Querschnittserweiterungsbereiches (C-12) ist eine Situation analog zum Auslaß der hier vorgestellten Pumpen gegeben: das Fluid befindet sich in einer rotierenden wie axialen Bewegung in einem ringförmigen Kanal. Die nachfolgenden Kriterien des Brennkammerbereiches (D-12) gelten also auch analog für oben angesprochenen Alternative, bei welcher die Brennkammer direkt an den Auslaß der hier vorgestellten Pumpen angefügt wurde.

Der Brennkammerbereich (D-12) beginnt mit einer Vergrößerung der Querschnittsfläche, welche bei gleich bleibendem Durchmesser des Rohres durch die nach vorn geringer werdenden Radien der Insel (I-12) erreicht werden kann. In diesem Abschnitt wird Brennstoff zugeführt (K-12, nur schematisch dargestellt) bzw. Wärme energie durch seine Verbrennung. Es wird zweckmäßig sein, die zur Verbrennung erforderliche Luftmenge durch Leitbleche (L-12) abzugrenzen bzw. durch solche die Flamme zu schützen. Der rapide Druckanstieg durch die Wärmezuführung erzeugt natürlich zunächst ein turbulente Molekularbewegungen, obwohl diesen noch immer die prinzipielle Richtung der Potentialdrallströmung aufgeprägt ist. Diese Turbulenzen wie dieser Druck dürfen nicht schlagartig nach innen bzw. nur in axiale Richtung wirksam werden. Darum sollten die Leitbleche (L-12) zunächst abgegrenzte Bereiche bilden, praktisch in Form eines Rohrabschnitts mit von hinten nach vorn geringerem Radius. Zwischen diesen Leitblechen und der Rohraußenwandung sollten Leitbleche in radialer Richtung und mit spiraligem die Drallbewegung fördern. Damit wir eine optimale Beschleunigung der Potentialdrallströmung insgesamt erreicht.

Im nachfolgenden Stabilisierungsbereich (E-12) kann einerseits eine Nachverbrennung stattfinden, andrerseits kann sich dort die Potentialdrallströmung weiter stabilisieren. Obwohl im Brennkammerbereich die Quer schnittsfläche größer wird und in diesem Stabilisierungsbereich im Prinzip gleich groß bleibt, besteht keine Gefahr, daß eine Stauwirkung nach hinten gegeben ist. Durch die wesentlich gesteigerte Geschwindigkeit der Fluidströme, insbesonders der Drehbewegung, ergibt sich ein vielfach höherer Massedurchsatz, also ein Sog auf das nachströmende Fluid.

Der Auslaßbereich (F-12) ist prinzipiell zu gestalten wie oben beim Konstruktionselement Drucksperre bereits besprochen: die Querschnittsfläche (M-12) verringert sich sukzessiv, während das Fluid tangential (N-12) abfließt. Dabei werden stets nur die äußeren Teile, d. h. die relativ langsamsten, der Fluidströmung abgegriffen, so daß die Potentialdrallströmung über weite Strecken erhalten bleibt.

In Bild 12, mittig und rechts, ist ein anderes Beispiel dieses Konstruktionselementes schematisch und beispiel haft dargestellt, wobei die Beschleunigung von Potentialdrallströmungen in zweifacher Weise erfolgt.

In Bild 12, mittig, ist eine Gehäuseschnecke inklusive Brennkammer analog obiger Beschreibung gezeichnet. In dieser wird jedoch nur eine Teilmenge des Fluids durch Wärmezufuhr beschleunigt, z. B. nur der Neben strom aus oben beschriebener Potentialdrallpumpe. In Bild 12, rechts, ist die Gehauseschnecke des Haupt stromes dargestellt. Sie besteht zunächst nur aus dem Einlaufbereich (A-12) sowie einem Drucksperrebereich (B-12), der sehr kurz sein kann (Bild 12 zeigt nur den schematischen Aufbau). Das beschleunigte Fluid des Nebenstroms wird aus dessen Auslaßbereich tangential in einen Überleitkanal (O-12), von dort wiederum tangential einem Einmischungsbereich (P-12) des Hauptstroms zugeführt. Dabei führt der erhöhte, von außen nach innen gerichtete Druck zu einer Beschleunigung der Potentialdrallströmung des Hauptstroms.

Diese Technik ist bereits in der Rohrerfindung als Konstruktionselement "Einleitung bzw. Ausleitung" detailliert beschrieben. Es ist dort auch ausgeführt, daß prinzipiell die schwächere Potentialdrallströmung der stärkeren zugemischt werden sollte. Alternativ zu voriger Lösung könnte darum auch der Hauptstrom dem durch Wärmezufuhr stärkeren Nebenstrom zugemischt werden.

Der gesamte Fluidstrom kann sich in einem Stabilisierungsbereich (F-12) stabilisieren und wird über den Auslaßbereich (F-12) abgegeben.

Besondere Eigenschaften und Anwendung

Der Aufbau dieser Gehäuseschnecke inklusive Brennkammer mit den diversen Abschnitten und Funktionen mag aufwendig erscheinen, stellt jedoch die logische Lösung der letztlichen Zielsetzung der Wärmezuführung in Strömungsmaschinen dar: in Relation zum Energieeinsatz einen maximalen Massedurchsatz bei maximaler Geschwindigkeit zu erreichen.

Schädlich mag erscheinen, daß viel "benetzte Fläche" vorhanden ist. Diese erzeugt jedoch keine schädliche Reibung, sondern fördert die Potentialdrallströmung. Beginnend vom Einlauf einer Pumpe (der hier vorge stellten Bauarten) bis zum Auslauf dieser Maschine hier erfährt das Fluid eine fortgesetzte und harmonische Beschleunigung in stets gleichgerichteter Rotationsbewegung wie in axiale Richtung. Die hier abgerollt dargestellte Gehäuseschnecke wird real in Kreis- bzw. Spiralform angeordnet sein, also relativ klein bauen. Jeder der hier aufgeführten Abschnitte kann entsprechend den Erfordernissen dimensioniert werden. Durch die kreisförmige Anordnung kann z. B. der Brennkammer- bzw. Stabilisierungsbereich so dimensioniert werden wie für eine optimale Verbrennung erforderlich. Selbst bei der aufwendigen Konzeption einer Trennung des Fluidstroms in Neben- und Hauptstrom ist der Bauaufwand vertretbar. Denn diesem steht der wesentliche Vorteil gegenüber, nur eine Teilmenge des Fluids per Wärme zu beschleunigen und dennoch eine gravierende Beschleunigung der gesamten Fluidmasse zu erreichen.

3.11. Einlaufbereich von Turbinen Funktion

Dieses Konstruktionselement ist geeignet, einer Turbine den Fluidstrom in optimaler Weise zuzuführen.

Konstruktionsprinzipien

Im Einlaufbereich von Turbinen sind z. T. Leitwerke angebracht, welche einen Drall erzeugen sollen. Wenn das anströmende Fluid lediglich aus turbulenter Strömung besteht, ist dieses unproblemtatisch. Wenn das anström ende Fluid bereits Drall aufweist, ist der Anstellwinkel des Leitwerkes problematisch. Manche dieser Leit werke sind verstellbar, so daß damit die Durchflußmenge reguliert werden kann. Auch in diesem Fall ist der Anstellwinkel problematisch bzw. sind Turbulenzen die unausweichliche Folge. Ferner ist der Anstellwinkel der Schaufeln herkömmlicher Turbinen stets problematisch. Je nach Relation der Geschwindigkeiten des Fluid gegenüber der des Rotors ändert sich die Richtung der relativen Bewegungen. Es gibt theoretisch nur eine einzige Richtung, bei welcher die Richtung der Rotorbewegung wie die Richtung der Fluidbewegung identisch ist unter allen Bedingungen: die tangentiale Richtung.

Theoretisch dürfen darum bei Fluidströmung mit Drall die Leitbleche nur tangential angeströmt werden und insbesonders darf die Überleitung des Fluids von Teilen des Gehäuses auf Teile des Rotors darum nur in tangentialer Richtung erfolgen.

Die Umsetzung der kinetischen Energie in Drehbewegung des Rotors erfolgt durch Umlenkung des Fluid stroms. Es macht keinen Sinn, diese Umlenkung im Rotor bereits bei kleinem Hebelarm und geringer wirk samer Kraftkomponente statt finden zu lassen. Durch die Gestaltung des Einlaufsbereichs einer Turbine muß vielmehr gewährleistet werden, daß die entscheidende Umlenkung des Fluidstroms durch den Rotor an einem großen Hebelarm stattfindet.

Wesentliches Konstruktionsprinzip bei der Gestaltung des Einlaufbereiches einer Turbine muß darum sein, den Fluidstrom nahezu tangential einem Rotor bei relativ großem Radius zuzuführen. Dabei ist ein möglichst harmonischen Strömungsverlauf zu organisieren. Der Einlaufbereich von Turbinen kann dieser Zielsetzung entsprechend und den Gegebenheiten entsprechend in diverse konstruktiven Ausführungen realisiert werden.

Konstruktive Ausführung am Beispiel einer Flußturbine

Bei einem Flußkraftwerk z. B. steht in aller Regel nur eine geringe Fließgeschwindigkeit des Wasser bzw. nur eine begrenzte Fallhöhe zur Verfügung. Um so wichtiger ist, das Wasser in einem harmonischen Bewegungs ablauf der Turbine zuzuführen. Bei einem Flußkraftwerk steht dafür in aller Regel eine große Fläche zur Ver fügung. Diese sollte genutzt werden, um einen weiträumigen Wasserwirbel zu organisieren. Das Wasser muß in einem Einlaufbereich großen Durchmessers auf parabelförmiger Bahn, horizontal wie vertikal, der Turbine zugeführt werden. Die Reibung an der Außenwandung dieses Einlaufbereiches bewirkt einen zentripedalen Druck. Die Innenwandung weicht entsprechend zurück. Alle Wasserteile bewegen sich damit auf einer einrollenden Bahn. Zwischen der Außen- und Innenwandung des Einlaufbereiches sind Leitbleche entsprech end spiralförmigen Verlaufes anzubringen, wodurch der Einlaufbereich in Kanäle unterteilt wird. Diese Kanäle weisen hinten einen ringsegmentförmigen Querschnitt auf, dessen Länge größer ist als seine Breite. Diese Kanäle weisen vorn einen rechteckigen Querschnitt auf, dessen Höhe größer ist als seine Breite. Das Wasser des Einlaufbereiches bewegt sich damit zusätzlich auf einer gewendelten Bahn. Es trifft in der Turbine mit einem relativ dünnen Strahl auf eine relativ große Druckfläche der Schaufeln. Das Wasser wird damit noch mals stärker eingerollt. Im Auslaufbereich bildet sich eine intensiver Potentialwirbelstrom. Dieser bewirkt einerseits einen Sog auf nachfließendes Wasser, gewährleistet andrerseits einen raschen Abfluß.

In Bild 13, oben, ist schematisch und beispielhaft ein Längsschnitt durch eine Flußturbine dargestellt. Es steht eine Fallhöhe zwischen den Oberflächen des Oberwassers (OW) und des Unterwassers (UW) zur Verfügung. Der Einlauf (A-13) hinten stellt einen großen, kreisförmigen Bereich dar. Das Wasser wird von dort durch Kanäle (B-13) des Einlaufbereiches parabelförmig dem Rotor (RO) zugeführt. Der Rotor ist auf der Rotations achse (RA) im Gehäuse (GE) drehbar gelagert. Im Rotor sind zwischen Schaufeln Rotorkanäle (C-13) gebildet. Das Wasser fließt durch den Auslaufbereich (D-13) in einen Auslaufkanal (E-13) ins Unterwasser.

In Bild 13, unten, ist schematisch ein Ausschnitt einer Draufsicht in Richtung Rotationsachse dargestellt. Der Rotor (RO) dreht sich hier im Uhrzeigersinn um die Rotationsachse (RA). Im Gehäuse (GE) sind Kanäle (B-13) angebracht, welche durch die Außen- und Innenwandung des Einlaufbereiches sowie durch Leitbleche begrenzt werden. Die Leitbleche weisen von außen nach innen eine zunehmende Krümmung im Drehsinn des Rotors auf. Die Schaufeln des Rotors dagegen weisen von innen nach außen zunehmende Krümmung gegen den Drehsinn des Rotors auf.

Besondere Eigenschaften des Einlaufbereiches einer Flußturbine

In bekannten Flußkraftwerken wird in erster Linie versucht, den Druck der Wassersäule in mechanische Drehbewegung umzusetzen. Die Zuleitung des Wassers zur Turbine erfolgt z. T. in linearer Richtung. Die bevorzugte Bewegungsrichtung aller Fluide ist jedoch die einrollende Bewegung.

Bei einer Flußturbine obiger Konstruktionsprinzipien wird im Einlaufbereich die Bahnbewegung eines großen Wasserwirbels nachgebildet. Das Wasser bewegt sich dabei auf einrollender Bahn in horizontaler wie vertikaler Richtung. Es trifft nahezu tangential auf den Rotor in einem flächigen Strahl. Es steht dort der normale Druck der entsprechenden Wassersäule zur Verfügung. Zusätzlich jedoch hat die Reibung bewirkt, daß eine gerichtete Strömung entsteht, bei welcher sich die Wassermoleküle mehrheitlich in gleiche Richtung bewegen. Das Wasser hat beim Auftreffen auf die Turbinenschaufeln eine höhere Ordnung aller Bewegungsrichtungen, es weist in diesem Sinne auch eine höhere Dichte auf. Die Abgabe von Bewegungsenergie an die Schaufeln der Turbinen führt nicht zu turbulenter Strömung.

In Bild 13, unten, ist als dicke, gestrichelten Linie eingezeichnet, daß auch innerhalb der Turbine die prinzipiell einrollende Bewegung anhält, wobei deren Bewegungskomponente in axialer Richtung sich nun verstärkt. Auch im Auslaufbereich ist damit eine geordnete Bewegung gegeben. Diese Flußturbine weist eine relativ große benetzte Fläche auf. Die Reibung an dieser ist nicht nachteilig, sondern bewirkt einen höheren Massedurchsatz und machte einen größeren Anteil des gesamten Geschwindigkeitspotentials nutzbar durch die höhere Ordnung aller Bewegungen.

Konstruktive Ausführung bei axialem Zufluß aus einem Rohr

Wenn eine Turbine ausschließlich unter konstanten Bedingungen arbeiten soll, ist die resultierende, relative Bewegungsrichtung des Fluids bekannt und kann der Anstellwinkel der Schaufeln entsprechend ausgebildet werden. Nur unter dieser Voraussetzung ist sinnvoll, das anströmende Fluid unmittelbar dem Rotor zuzu führen. In diesem Fall wird durch den Rotor praktisch ein Drall gebildet. Die Umlenkung des Fluidstromes durch den Rotor sollte jedoch an einem relativ großen Radius statt finden. Darum ist in praktisch allen Fällen sinnvoll, durch Leitwerke des Gehäuses die Fluidströmung so zu lenken, daß das Fluid dem Rotor nahezu tangential zugeführt wird an einem relativ großen Hebelarm.

Wenn im Einlaufrohr lediglich turbulente Strömung ansteht, muß deren axiale Bewegung um nahezu 90 Grad in radiale Richtung und nochmals um nahezu 90 Grad in tangentiale Richtung umgelenkt werden. Entsprech ende Reibungsverluste sind gegeben und die turbulente Strömung ist dabei nur schwer in eine laminare Strömung zu bringen.

In Bild 14, oben links, ist schematisch und beispielhaft eine Sicht von hinten nach vorn in Richtung Rotations achse dargestellt. Der Fluidstrom (A-14) des Zuflußrohres ist durch Leitbleche in Kanälen (B-14) zu lenken und damit in tangentiale Richtung zu lenken. In Bild 14, oben rechts, ist vergrößert dargestellt, wie der Fluid strom aus Kanälen (F-14, entsprechend B-14) des Gehäuses (GE) nahezu tangential austritt und ebenso nahezu tangential in Kanäle (G-14) des Rotors (RO) eintritt. Die prinzipielle Richtung dieser Überleitung des Fluid stroms ist als dicke, gestrichelte Linie eingezeichnet. Die Differenz zwischen Geschwindigkeit des Fluid im Kanal (F-14) und Umlaufgeschwindigkeit des Rotors ist die wirksame, relative Geschwindigkeit. In jedem Fall ist deren Richtung nahezu tangential.

In Bild 14, unten, ist schematisch und beispielhaft ein Längsschnitt durch eine entsprechende Turbine darge stellt. Die Außen- und Innenwandung der Gehäusekanäle ist so zu gestalten, daß prinzipiell die dem Fluid insgesamt zur Verfügung stehende Querschnittsfläche von hinten nach vorn konstant ist, damit die Geschwind igkeit im Zuflußrohr auch in den Kanälen erhalten bleibt. Diese Querschnittsfläche könnte auch von hinten nach vorn sauft verringert werden, damit ein Düseneffekt entsteht, d. h. die Geschwindigkeit des Fluidstroms bei der Übergabe an den Rotor möglichst hoch ist.

Wenn im Einlaufrohr eine Drallbewegung gegeben ist, muß wie oben die axiale Bewegungskomponente umge lenkt werden. Die Drehbewegung des Dralls dagegen muß lediglich auf einen größeren Radius angehoben werden. Die Zentrifugalkraft eines Starren Wirbels unterstützt dieses. Dennoch ergeben sich Turbulenzen bei einer Drallbewegung in Form eines Starren Wirbels. Dessen äußere Schichten besitzen relativ hohe Beweg ungsenergie, müssen jedoch bei der Umlenkung aus axialer in radiale Richtung nur den relativ kurzen Weg Zurücklegen. Den relativ langen Weg dieser Umlenkung müssen die inneren Schichten zurücklegen, doch diese besitzen relativ wenig Bewegungsenergie.

Nur wenn im Einlaufrohr eine Potentialdrallströmung gegeben ist, kann die Umlenkung problemlos erfolgen. Denn dort sind die Verhältnisse umgekehrt: die inneren Fluidschichten des Zuflußrohres besitzen höhere Bewegungsenergie und können darum den äußeren, langen Weg dieser Umlenkung gehen, die äußeren Fluid schichten des Zuflußrohres besitzen geringere Bewegungsenergie und müssen entsprechend nur den inneren, kürzeren Weg dieser Umlenkung gehen.

In Bild 14, mittlere Darstellungszeile, links, ist schematisch und beispielhaft eine Sicht von hinten nach vorn in Richtung Rotationsachse dargestellt. Der Fluidstrom (A-14) des Zuflußrohres weist hier eine Potentialdrall strömung auf mit einer Drallrichtung im Uhrzeigersinn. Dieser Fluidstrom kann reibungsfrei in tangentialer Richtung durch Leitbleche abgegriffen werden und in die Kanäle (C-14 bzw. D-14) des Gehäuses gelenkt werden. Durch die nach außen zurückweichenden Leitbleche ist weniger Druck von außen nach innen gegeben, das Fluid kann nun aufgrund Trägheit in tangentiale Richtung größerer Radien gleiten. Die bislang gerichtete Strömung bleibt dabei erhalten. Es sind nur wenige Leitbleche erforderlich. Lediglich außen sollte die tangentiale Strömung durch zusätzliche Leitbleche sicher geführt werden.

Die Kanäle (D-14) entsprechen damit obigen Kanälen (B-14 bzw. auch F-14), so daß auch der in Bild 14, unten, dargestellte Längsschnitt entsprechend für einen Zufluß durch Potentialdrallströmung als Beispiel dienen kann.

Die Zielsetzung einer nahezu tangentialen Übergabe des Fluids vom Gehäuse an den Rotor ist nicht darauf beschränkt, das Fluid von innen nach außen zu übergeben. Stets gleiche Richtung der relativen Geschwindig keit ist auch gegeben, wenn das Fluid nahezu tangential in einer zur Rotationsachse parallelen Richtung oder in einer diagonalen Richtung übergeben wird. In Bild 14, mittlere Darstellungszeile, rechts, sind zwei Möglich keiten schematisch dargestellt. Bei H-14 wird das Fluid parallel zur Rotationsachse übergeben. Bei I-14 ist die Schnittfläche zwischen Gehäuse und Rotor diagonal angeordnet.

Besondere Eigenschaften bei axialem Zufluß aus einem Rohr

Im Einlaufbereich einer Turbine muß Fluid umgelenkt werden. Eine Potentialdrallströmung läßt sich mit geringstem Aufwand und geringstem Widerstand umlenken. Eine Potentialdrallströmung hat in einem Rohr gleichen Durchmessers einen höheren Durchsatz in axialer Richtung und zusätzlich besitzt sie die Bewegungs komponenten in Drehrichtung. Durch eine Turbine wird kinetische Energie eines Fluids in Drehbewegung umgesetzt. Es ist logisch, daß die Potentialdrallströmung hierfür die ideale Voraussetzung ist. Mit einem nach vorstehenden Kriterien gebauten Einlaufbereich einer Turbine wird das gesamte Bewegungpotential der Potentialdrallströmung an großem Hebelarm bei bestmöglichem Massedurchsatz und bestmöglicher Geschwindigkeit dem Rotor zur Verfügung gestellt.

Konstruktive Ausführung bei tangentialem Zufluß aus einem Rohr

Eine tangentiale Strömung im Einlaufbereich einer Turbine ist ohne Umlenkung durch Leitbleche möglich, wenn das Zuflußrohr nahezu rechtwinklig zum einem Einlaufbereich führt und um diesen in tangentialer Richtung herum gekrümmt wird. Das Fluid wird dann durch die äußere Wandung in eine Kreis- bzw. Spiral bahn umgelenkt. Die Reibung an der äußeren Wandung hat dann positive Wirkung in diesem Drehsinne. Selbst eine turbulente Strömung bekommt damit eine besser ausgerichtete Bewegungsform. Besonders wertvoll jedoch ist, wenn im Zuflußrohr eine Potentialdrallströmung gegeben ist. Der Fluidstrom sollte dann, wie oben mehr fach beschrieben, tangential abgegriffen und in einen Überleitkanal fließen. Dieser wiederum sollte nahezu senkrecht auf die Wandung des Einlaufbereiches weisen. Damit wird die axiale Bewegungskomponenten wie die Drallkomponente der Potentialdrallströmung vollkommen in eine tangentiale Strömung im Einlaufbereich überführt. Es ist prinzipiell eine Zuführung des Zuflußrohres außen am Einlaufbereich oder alternativ dazu auch innen im Einlaufbereich machbar.

In Bild 15, linke Darstellungsspalte, sind die verschiedenen Möglichkeiten jeweils in einer schematischen und beispielhaften Darstellung eines Längsschnitts des Einlaufbereiches dargestellt. In Bild 15, rechte Darstellungs spalte, sind jeweils entsprechend die Querschnitte dargestellt.

In Bild 15, obere Darstellungszeile, ist die Zuführung eines Zuflußrohres (A-15) nahezu senkrecht zur Achse des Einlaufbereiches dargestellt. Das Zuflußrohr ist um den Einlaufbereich gekrümmt, bildet damit eine Zuflußkanal (B-15), dessen Querschnittsfläche sich kontinuierlich verringert. Der Zuflußkanal ist nach innen offen, wodurch das Fluid in den Einlaufbereich (C-15) einströmt. Der Einlaufbereich weist die Form eines doppelwandigen Rohres auf, in welchem eine kreisende Strömung gegeben ist auf einer Bahn nahezu senkrecht zur Achse dieses Einlaufbereiches. Das Fluid kann von dort aus einem Rotor nahezu tangential zugeführt werden (hier nicht dargestellt).

In Bild 15, zweite Darstellungszeile, ist eine entsprechende Konzeption dargestellt. Hier wird das Zuflußrohr (D-15) jedoch innen in den Einlaufbereich zugeführt, d. h. der Zuflußkanal (E-15) gibt nach außen den Fluid strom in den Einlaufbereich (F-15) ab.

Diese tangentiale Zuführung ist für jede Form von Bewegung im Zuflußrohr anwendbar. Bei einer Drall- bzw. Potentialdrallströmung im Zuflußrohr kann darüber hinaus deren Drallkomponente zusätzlich genutzt werden. In Bild 15, dritte Darstellungszeile, ist die äußere Zuführung eines solchen Zuflußes prinzipiell dargestellt.

Das Fluid des Zuflußrohres (G-15) sollte, wie mehrfach beschrieben, tangential abgegriffen werden und in einen Überleitkanal gelenkt werden. Der Drall wird damit aufgestellt. Hier wird nun diese Überleitkanal (H-15) nahezu senkrecht zur Wandung des Einlaufbereiches ausgerichtet. Durch die Krümmung des Zuflußrohres um den Einlaufbereich tritt das Fluid aus dem Überleitanal aus und in nahezu tangentialer Richtung in den Einlaufbereich (I-15) ein. Die Drall- wie axiale Bewegungskomponente werden in eine tangentiale Strömung überführt. Wenn im Zuflußrohr ein Drall im Uhrzeigersinn gegeben ist, sollte das Zuflußrohr auch im Uhr zeigersinn um den Einlaufbereich gekrümmt sein. Beide Bewegungen addieren sich damit und ergeben auch im Einlaufbereich eine Drehbewegung im Uhrzeigersinn.

In Bild 15, untere Darstellungszeile, ist eine entsprechende Konzeption dargestellt. Hier wird das Zuflußrohr (J-15) jedoch innen in den Einlaufbereich zugeführt, d. h. der Zuflußkanal (K-15) gibt nach außen den Fluid strom in den Einlaufbereich (L-15) ab.

Diese Konzeption zur Nutzung einer Potentialdrallströmung ist ebenso anwendbar, wenn lediglich eine Drall strömung vorliegt.

Besondere Eigenschaften bei tangentialem Zufluß aus einem Rohr

Eine tangentiale Zuführung des Fluids im Einlaufbereich einer Turbine ist mit vorstehenden Prinzipien ohne Leitbleche, d. h. mit geringen Reibungsverlusten, möglich. Selbst turbulente Strömung wird durch die einrol lende Bewegung in eine besser ausgerichtete Strömung überführt. Besonders wertvoll ist diese Konzeption bei Zuführung einer (Potential-)drallströmung, weil auch deren zusätzliche Drallkomponenten ohne Umlenkung an Leitblechen der gewünschten Bewegungsrichtung zugeführt wird.

3.12. Abgasturbolader Funktion

Dieses Konstruktionselement ist geeignet, die kinetische Energie der Abgase eines Motors zu nutzen, indem Verbrennungsluft mit erhöhtem Druck den Zylindern zugeführt wird.

Konstruktionsprinzipien

Das Abgas sollte aus den Zylindern so abgeführt werden, daß im Abgasrohr eine Drallbewegung gegeben ist. Diese ist wie vorstehend beschrieben einer Turbine zuzuführen. Die Pumpe sollte entsprechend oben beschrieb ener Druckpumpe konzipiert sein und die Verbrennungsluft über eine Gehäuseschnecke in eine Potentialdrall strömung überführen. Eine teilweise Rückführung ist jeweils sinnvoll hinsichtlich des Bewegungsablaufes.

Konstruktive Ausführung

In Bild 16 ist schematisch und beispielhaft ein Längsschnitt durch einen Abgasturbolader dargestellt. Im Gehäuse (GE) ist eine Rotor (RO) drehbar um seine Rotationsachse (RA) gelagert. Auf gleicher Achse befindet sich die Pumpe (links) wie die Turbine (rechts). Die Pumpe ist prinzipiell entsprechend oben beschriebener Druckpumpe angelegt. Der Einlaufbereich zur Turbine ist prinzipiell entsprechend zuvor beschriebenem tangentialem Zufluß aus einem Rohr mit (Potential-)drallströmung angelegt, Details zu diesen Konstruktions elementen sind jeweils dort beschrieben.

Die Verbrennungsluft wird im Einlaufbereich (A-16) der Turbine angesaugt. Sie wird durch die zahnförmigen Kanäle (B-16) bzw. geschlossenen Kanäle (C-16) des Rotors der Druckpumpe erfaßt und in Drehbewegung versetzt. Wesentlich ist hier, daß die Druckpumpe die Verbrennungsluft tangential in eine Gehäuseschnecke (D-16) überleitet, in welcher damit eine intensive Potentialdrallströmung entsteht. In dieser Bewegungsform ist die Verbrennungsluft den Zylindern zuzuführen, z. B. in Form nachfolgenden Drehventilrohres.

Es ist sinnvoll, mehr Verbrennungsluft als erforderlich zu fördern. Die nicht gebrauchte Menge Luft sollte zurückgeführt werden. Sie sollte in axialer Richtung (E-16) der Druckpumpe zugeführt werden. Ihre kinetische Energie geht damit keinesfalls verloren, sondern bewirkt im Gegenteil eine Intensivierung der gewünschten Fluidbewegung im Einlaufbereich der Druckpumpe.

Die Bewegung im Abgasrohr (F-16) sollte eine Drallbewegung sein. Das Abgasrohr sollte nahezu senkrecht zum Einlaufbereich der Turbine geführt werden. Die Abgase sollten durch Überleitkanäle aus dem Abgasrohr in den Einlaufbereich gelenkt werden. Die Überleitkanäle sollten nahezu senkrecht zur Wandung des Einlauf bereiches weisen. Die Abgase werden damit nahezu tangential in den Einlaufbereich gelenkt. Diese Strömung kann durch entsprechend geformte Schaufeln (G-16) des Rotors in axiale Richtung (H-16) umgelenkt werden.

Eine Teilmenge des Abgases (I-16) sollte dort abgegriffen und zurück zum Anfang des Abgasrohres geleitet werden, so daß darin ein Kreislauf gegeben ist.

Besondere Eigenschaften

Die hier vorgestellte Druckpumpe ist besonders geeignet, erhöhten Luftdruck zu erzeugen. Die tangentiale Zuleitung in eine Gehäuseschnecke ergibt eine starke Potentialdrallströmung. Durch die teilweise Rückführung dieser Strömung wird diese in der Druckpumpe nicht zerstört, sondern noch gefördert.

Es ist relativ einfach, im Abgasrohr eine Drallbewegung zu organisieren. Diese kann wesentlich leichter umge lenkt werden, ist besser nutzbar in der Turbine und ergibt auch hinter der Turbine eine weniger turbulente Strömung für die weitere Ableitung der Abgase. Auch hier werden alle Bewegungsabläufe durch eine teilweise Rückführung der Abgase stabilisiert.

3.13. Drehventilrohr Funktion

Dieses Konstruktionselement ist geeignet, den Fluiddurchsatz in Hubkolbenmaschinen zu steuern.

Konstruktionsprinzipien

Im Zylinderkopf herkömmlicher Hubkolbenmaschinen sind Ein- und Auslaßventile installiert und wird durch Rohre jedem Zylinder einzeln die Verbrennungsluft zugeführt bzw. dessen Abgas abgeführt. Anstelle dessen sollte nur ein Rohr parallel zur Motorlängsachse installiert werden für die Zuleitung der Verbrennungsluft aller Zylinder. Dieses Drehventilrohr wird im folgenden "Luftrohr" genannt. Entsprechend sollte nur ein Rohr für die Ableitung der Abgase aller Zylinder installiert sein. Dieses Drehventilrohr wird im folgenden "Abgasrohr" genannt. Durch Öffnungen am Mantel dieser Rohre fließt das Fluid in den Zylinder bzw. aus dem Zylinder. Diese Rohre müssen drehbar gelagert sein und eine halbe Umdrehung je einer Umdrehung der Kurbelwelle ausführen. Die Verbrennungsluft sollte sich in Form einer Potentialdrallströmung im Luftrohr bewegen, die Abgase sollten sich in Form einer Drallströmung im Abgasrohr bewegen. Es sollte mehr Fluid gefördert werden als erforderlich, so daß Teilmengen des Fluids zurückgeführt werden, um einen Bewegungskreislauf zu bilden mit stabiler Drallbewegung bzw. Potentialdrallbewegung.

In Bild 17 ist schematisch eine Draufsicht auf einen Hubkolbenmotor dargestellt. Die mittigen drei Kreise stellen drei Zylinder dar. Die Drehventilrohre sind durch dicke Linien hervorgehoben. Oben befindet sich das Luftrohr, unten das Abgasrohr. Die Druckpumpe oben beschriebenen Abgasturboladers könnte das Fluid zum Luftrohr anliefern. Der Turbine dieses Abgasturboladers könnte der Fluidstrom des Abgasrohres zugeführt werden.

Alternativ dazu ist hier dem Luftrohr ein Vordrallerzeuger vorgeschaltet. Dieses Konstruktionselement Vor drallerzeuger ist oben detailliert beschrieben. Alternativ zum obigen Abgasturbolader ist hier dem Abgasrohr unmittelbar eine Turbine nachgeschaltet.

Konstruktive Ausführung

In Bild 17 sind die diversen Funktionselemente nur schematisch dargestellt. Folgende Bestandteile des Ge häuses (GE) bzw. der Drehventilrohre dienen prinzipiell dem Fluidkreislauf: In einem Einlaufbereich (A-17) wird Verbrennungsluft angesaugt. Durch die lamellenförmigen Schaufeln eines Vordrallerzeugers (B-17) wird Fluid beschleunigt und in Form einer Potentialdrallströmung dem Luftrohr (C-17) zugeführt. Das Luftrohr dreht mit halber Drehzahl der Motorkurbelwelle. Dieses ist leicht zu bewerkstelligen, ein entsprechendes Getriebe ist darum hier nicht dargestellt. Wenn der Vordrallerzeuger mit dem Luftrohr starr verbunden ist, wie hier schematisch dargestellt, wird eine entsprechende Luftmenge gefördert. Wenn eine zusätzliche Aufladung gewünscht ist, dürften zwischen Luftrohr und Vordrallerzeuger keine starre Verbindung sein, sondern müßte der Vordrallerzeuger durch ein Übersetzung höhere Drehzahl aufweisen.

Durch Öffnungen am Mantel des Luftrohres fließt Verbrennungsluft durch Einlaßöffnungen (D-17) des Zylinders in diesen ein im Einsaugtakt. Im Auslaßtakt verlassen die Abgase durch Auslaßöffnungen (E-17) den Zylinder und fließen durch Öffnungen am Mantel des Abgasrohres (F-17) in dieses ein. Diese Überleitung ist so angelegt, daß im Abgasrohr eine Drallbewegung gegeben ist. Dieser Drall kann durch Schaufeln (G-17) einer Turbine aufgestellt werden. Diese Turbine kann, wie hier schematisch dargestellt, fest verbunden sein mit dem Abgasrohr. Das Abgasrohr dreht mit halber Drehzahl der Kurbelwelle des Motors. Dieses ist wiederum leicht zu bewerkstelligen, ein entsprechendes Getriebe ist darum hier nicht dargestellt. Die Turbine könnte wiederum anders gestaltet bzw. übersetzt sein. Das Abgas wird im Auslaufbereich (H-17) weiteren Funktions elementen zugeleitet.

Es sollte mehr Fluid gefördert werden als in vorigem Prozeß erforderlich ist. Damm ist hier schematisch dargestellt, daß am Ende des Luftrohres (C-17) überschüssige Verbrennungsluft durch Bogen (L-17) bzw. Rohre wieder zurück geführt wird zum Einlaßbereich (A-17). Die Zuleitung dort (M-17) sollte tangential erfolgen, so daß im Einlaufbereich bereits die gewünschte Drehbewegung initiiert wird. Die kinetische Energie der zurück geleiteten Luftmenge geht also keinesfalls verloren, sondern fördert im Gegenteil die gewünschten Bewegungsabläufe. Entsprechend sollte auch am Ende des Abgasrohres (F-17) entsprechende Teilmengen der Abgase ausgeleitet und zurückgeführt werden (I-17, J-17 und K-17). Die Ausleitung sollte nach den Kriterien der Ausleitung von Teilfluidströmen der Rohrerfindung angelegt sein. Diese Ausleitung ist hier am Ende des Abgasrohres und vor der Turbine dargestellt. Die zurückgeführte Abgasteilmenge könnte auch nach der Turbine abgegriffen werden. Eine dritte Form der Rückführung ist hier nur schematisch angezeigt (N-17): Teilmengen des Abgases könnten auch zurück geleitet werden in den Kreislauf der Verbrennungsluft.

In Bild 18, oben links, ist schematisch und beispielhaft ein Querschnitt durch den Zylinderkopf eines Motors dargestellt. Im Gehäuse (GE) befindet sich die Aussparung des Zylinders (A-18), in diesem ist ein Kolben (B-18) im oberen Totpunkt eingezeichnet. Im Gehäuse sind runde Aussparungen zur Aufnahme des Luftrohres (E-18) wie des Abgasrohres (G-18) angebracht. Die Zylinder-Aussparung weist gegenüber der Luftrohr-Aus sparungs eine Öffnung (C-18) und gegenüber der Abgas-Aussparung eine entsprechende Öffnung (D-18) auf.

In ihren Aussparungen drehen sich das Luftrohr wie das Abgasrohr gleichsinnig mit halber Drehzahl der Kurbelwelle des Motors. Innerhalb des Luftrohres wie des Abgasrohres bewegt sich Fluid mit gleichsinnigem Drall (F-18 und H-18). Diese Rohre weisen Öffnungen am Mantel auf, durch welche Fluid in den Zylinder fließen kann bzw. aus diesem entgegen genommen wird. Hier ist beispielsweise eine Situation am Ende des Auslaßtaktes dargestellt. Die Auslaßöffnung (D-17) wurde gerade wieder geschlossen durch die Außen wandung des Abgasrohres, die Einlaßöffnung (C-17) wird durch die Drehung des Luftrohres nächstens geöffnet. Luftrohr wie Abgasrohr werden gebildet durch eine Innenwandung und eine Außenwandung. Die dem Fluid zur Verfügung stehende Querschnittsfläche wird im Abgasrohr generell größer sein als im Luftrohr.

Prinzipiell wird diese Fläche im Luftrohr von hinten nach vorn abnehmend und im Abgasrohr zunehmend sein. Die Öffnungen am Mantel eines Rohres müssen entsprechend der Taktfolge je Zylinder entsprechend versetzt sein. In Bild 18, oben rechts, ist schematisch und beispielhaft ein Querschnitt durch ein Luftrohr vorigen Drei zylindermotors dargestellt. Die drei Öffnungen am Mantel (I-18, J-18, K-18) müssen dann um jeweils 120 Grad versetzt angeordnet sein. Die jeweiligen drei Querschnittsflächen sind durch unterschiedlich starke Linien hervorgehoben.

In Bild 18, mittlere Darstellungszeile, sind zunächst fünf Zylinder (L-18) eines Fünfzylindermotors im Quer schnitt schematisch dargestellt. Eingezeichnet ist deren Einlaßöffnung (N-18, entsprechend C-18). Darunter ist schematisch die Mantelabwicklung des Luftrohres dargestellt, je ein Viertel des Mantels entspricht einem der vier Takte (O-18, P-18, Q-18, R-18 des linken Zylinders). Die prinzipielle Richtung der Drallbewegung ist durch schräge Hilfslinien eingezeichnet. Die Öffnungen am Mantel (M-18) sind so anzuordnen, wie es der gewünschten Folge entspricht. Wenn der Mantel sich in Bezug auf die Zylinderöffnung von unten nach oben bewegt, wird hier z. B. eine Zündfolge der Zylinder 1-3-5-2-4 erreicht.

In Bild 18, unten, ist schematisch und beispielhaft der Verlauf einer Innenwandung (S-18) gegenüber der Außenwandung (T-18) des Luftrohres dargestellt. Im Prinzip wird der Abstand zwischen Innen- und Außen wandung von hinten nach vorn größer. Dieser Raum kann z. B. auch für Kühlzwecke genutzt werden. Die Innenwandung weist eine wellenförmige Kontur auf, welche von hinten nach vorn spiralig verläuft. Das Fluid bewegt sich in diesen gerundeten Nuten in axialer Richtung wie in Drehrichtung. Die Strömung schwingt zu gleich im Rohr, nach einer Mantelöffnung in Richtung Rohrmitte, vor einer Mantelöffnung nach außen. Die Verbrennungsluft wird damit optimal der Zylinderöffnung zugeführt. Analoges gilt für das Abgasrohr.

Besondere Eigenschaften

Diese Drehventilrohre ersetzten viele herkömmliche Rohrkrümmer und Bauteile der Ein- und Auslaßventile. Die Öffnung der Zylinder ist groß und frei zu gestalten. Die Luft befindet sich schon vor dem Öffnen des Einlaß-Ventils in entsprechender Bewegungsrichtung und kann nach dessen Öffnen nahezu reibungslos ein fließen. Es kommt nach Schließen eines Einlaß-Ventils zu keinem abrupten Abbremen der Fluidströme. Das Fluid erfährt dabei lediglich einen erneuten Druck von außen nach innen, d. h. eine Beschleunigung im Sinne der Potentialdrallströmung. Analog dazu ist auch im Abgasrohr ein kontinuierlicher Fluidstrom mit Drall bewegung gegeben. In diesen Drall kann das Abgas nach Öffnen des Auslaß-Ventiles tangential eintreten, bewirkt damit eine Intensivierung des Dralls, welcher umgekehrt nach Abbau des hohen Drucks eine Sog wirkung auf das restliche Abgas bewirkt. Ein relativ reibungsfreier und kompletter Ladungswechsel im Zylinder ist damit gewährleistet. Diese Funktion wird mit einem Minimum an Bauteilen realisierbar, welche zudem ausschließlich rotierende Bewegungen aufweisen. Diese Drehventilrohre können bei Kraft- wie bei Arbeitsmaschinen eingesetzt werden.

3.14. Ein- und Auslaßdrehventilrohr Funktion

Dieses Konstruktionselement ist geeignet, den Fluiddurchsatz durch Hubkolbenmaschinen zu steuern.

Konstruktionsprinzipien

Dieses Konstruktionselement basiert auf den Prinzipien oben dargestellter Drehventilrohre. Insofern gelten obige Ausführungen hier analog. Hier wird nun zusätzlich die Funktion der Zuführung des Fluids zum Zylinder kombiniert mit der Funktion der Abführung des Fluids aus den Zylindern. In einem Rohr erfolgt sowohl die Zuführung wie die Abführung.

Konstruktive Ausführung

In Bild 19, oben links, ist schematisch und stark vereinfacht ein Ausschnitt eines Querschnitts durch eine Hubkolbenmaschine dargestellt. Im Gehäuse (GE) ist die Aussparung eines Zylinders (A-19) angebracht, in welcher ein Kolben (B-19) in seinem oberen Totpunkt eingezeichnet ist. Im Gehäuse ist über dem Zylinder eine runde Aussparung angebracht, in welcher sich das Drehventilrohr (C-19) dreht. Das Drehventilrohr weist die halbe Drehzahl der Maschine auf. Im folgenden wird unterstellt, daß sich das Drehventilrohr im Uhrzeigersinn dreht. Der Querschnitt des Drehventilrohres ist durch eine Wandung in zwei Bereiche geteilt. Diese wird im folgenden "Trennwand" genannt. Ein Bereich dient der Zuführung von Fluid zum Zylinder, er wird im folgen den "Luftkanal" (E-19) genannt. Der andere Bereich dient der Abführung von Fluids aus dem Zylinder, er wird im folgenden "Abgaskanal" (D-19) genannt.

In Bild 19, oben links, ist die prinzipielle Situation am Ende des Auslaßtaktes dargestellt. Die Öffnung des Abgaskanals (D-19) gegenüber der Öffnung des Zylinders wurde durch die Drehung des Drehventilrohres im Uhrzeigersinn gerade geschlossen, die Öffnung des Luftkanales (E-19) erreicht nun die Öffnung des Zylinders. Die dicke Linie durch den Durchmesser des Drehventilrohres stellt schematisch die Trennwand beider Bereiche dar. Die dünne Hilfslinie markiert die jeweils 90 Grad, welche einem Takt zur Verfügung stehen. Den beiden Bereichen steht prinzipiell der gesamte Querschnitt des Drehventilrohres zur Verfügung. Die Öffnungen des Ein- bzw. Auslaß sind dagegen auf maximal diese 90 Grad eines Kreisbogen beschränkt. Diese Darstellung zeigt nur diese prinzipielle Anordnung. Dennoch ist schon hier zu erkennen, daß relative große Öffnungen für den Ladungswechsel zur Verfügung stehen.

In Bild 19, mittlere und untere Darstellungszeile, sind analoge Darstellungen zu Bild 18 dargestellt. In Bild 19, mittlere Darstellungszeile, stellen die fünf Kreise eine Draufsicht auf die Zylinder (F-19) eines Fünfzylinder motors dar. Der Querschnitt der Zylinder-Öffnungen (G-19) könnte beispielsweise rechteckig Form aufweisen. In Bild 19, unten, ist eine Mantelabwicklung eines Drehventilrohres schematisch dargestellt. Die Trennwand verläuft spiralförmig im Drehventilrohr. Am Mantel wird dieses durch die diagonalen Linien dargestellt. Jeweils links und rechts von der Trennwand befindet sich der Luftkanal (I-19) bzw. der Abgaskanal (H-19).

Jeweils unter den fünf Zylindern sind die entsprechenden Öffnungen des Abgaskanales (H-19) dargestellt, danach jeweils die des Luftkanales (I-19). Bei dieser Darstellung wird also unterstellt, daß sich der Mantel des Drehventilrohres in Bezug auf den Zylinder von unten nach oben bewegt. Wer ergibt sich aufgrund dieser Anordnung dann eine Zündfolge 1-3-5-2-4.

Der Querschnitt des Drehventilrohres sollte nicht, wie bislang unterstellt, durch eine gerade Trennwand in Form eines Durchmessers in die beiden Kanäle getrennt werden. Der Luftkanal muß hinten eine größere Querschnittsfläche aufweisen als vorn. Umgekehrt erfordert der Abgaskanal vorn eine größere Querschnitts fläche als hinten. Entsprechend sollte die Trennwand angelegt sein und zudem sollten strömungsgünstigere Formen eingesetzt werden.

In Bild 19, oben rechts, sind beispielhaft dazu diverse Querschnitte eines Drehventilrohres dargestellt. Wenn der Schnitt senkrecht zur Drallbahn der Kanäle gelegt ist, also diagonal zur Rohrachse, erscheint der runde Rohrquerschnitt als Ellipse. Die vier Querschnitte (I-19, K-19, L-19 und M-19) zeigen beispielhaft die Situation der vier Takte, jeweils beim ersten bis vierten Zylinder eines Vierzylindermotors.

Bei J-19 ist der Ansaugtakt eines ersten Zylinders dargestellt. Der Luftkanal (N-19) weist seine größte Quer schnittsfläche auf, durch die große Öffnung kann Fluid tangential und reibungsfrei ausfließen. Eine Drehung des Drehventilrohres im Uhrzeigersinn ist unterstellt, aber auch das Fluid im Luftkanal weist starken Drall im Uhrzeigersinn auf. Beide gleichsinnige Bewegungen führen zu einer optimalen Füllung des Zylinders. Der Abgaskanal (R-19) erfordert im Bereich dieses ersten Zylinders nur eine relativ geringe Querschnittsfläche. Er muß bis hier nur die eventuelle Teilmenge von Abgas eine Rückführung aufnehmen sowie die Abgase dieses ersten Zylinders.

Bei K-19 ist der Kompressionstakt eines zweiten Zylinders dargestellt. Das Drehventilrohr hat also gegenüber der Situation J-19 eine Drehung um 90 Grad ausgeführt. Bei diesem zweiten Zylinder kann die Querschnitts fläche des Luftkanals (O-19) um die in den ersten Zylinder abgegebene Teilmenge an Fluid verringert sein. Dagegen muß der Abgaskanal (S-19) nur so dimensioniert sein, daß er das Abgas des zweiten Zylinders auf nehmen kann. Die Trennwand wird dazu in Richtung Rohrmitte verlagert, die gerundeten Formen der Kanäle ermöglichen bzw. ergeben weiterhin eine gut ausgerichtete Drallbewegung.

Bei L-19 ist der Expansionstakt eines dritten Zylinders dargestellt. Das Drehventilrohr hat wiederum eine Drehung um 90 Grad gegenüber K-19 ausgeführt. Die Querschnittsfläche des Luftkanals (P-19) ist nun wiederum reduziert (gegenüber vorigem 0-19). Die Querschnittsfläche des Abgaskanals (T-19) ist nun wesentlich erweitert (gegenüber vorigem S-19) wie auch größer als die des Luftkanals P-19.

Bei M-19 ist der Auslaßtakt eines vierten Zylinders dargestellt, wobei das Drehventilrohr sich wiederum um 90 Grad gegenüber L-19 gedreht hat. In die weite Öffnung des Abgaskanals (U-19) kann das Abgas reibungsfrei einströmen, wobei es die Drallbewegung im Abgaskanal verstärkt. Die Querschnittsfläche des Luftkanals muß hier nurmehr so dimensioniert sein, daß die anschließende Füllung dieses vierten Zylinders erfolgen kann. Außerdem wird sehr zweckmäßig sein, diesen Luftkanal danach nicht enden zu lassen. Es sollten vielmehr überschießende Teilmengen an Verbrennungsluft in diesem Kanal weiter geführt und zurück geführt werden zur Ladeluftpumpe. Die Vorteile dieser Maßnahme hinsichtlich eines optimalen Bewegungsablaufes sind mehrfach angesprochen und bzw. offenbar.

Diese vier Darstellungen von Querschnitten (J-19 bis M-19) zeigen also einerseits die prinzipiellen Positionen des Luft- und des Abgaskanals während einer vollen Umdrehung des Drehventilrohres, welche den vier Takten und damit zwei Umdrehungen der Kurbelwelle eines Viertaktmotors entspricht. Andrerseits zeigen diese vier Darstellungen von Querschnitten (J-19 bis M-19) die prinzipiellen Größenverhältnisse des Luft- bzw. Abgas kanals von hinten nach vorn in dieser Maschine. Als hinten wurde dabei der erste Zylinder, als vorn der vierte Zylinder bezeichnet. Die Prinzipien dieser Konzeption für einen Motor können analog angewandt werden bei der Gestaltung einer Pumpe.

Besondere Eigenschaften

Die Vorteile dieses Drehventilrohres entsprechen denen der zuvor beschriebenen Version. Gegenüber dieser wurden hier die Zuführung und die Abführung von Fluid zu bzw. von Zylindern in einem Rohr vereinigt. Damit ergibt sich ein nochmals reduzierter Bauaufwand, weniger Bauteile, weniger Aufwand an Getriebe, weniger mechanische Reibung und beispielsweise auch vereinfachte Dichtung. Auf einer einzigen Achse lassen sich damit die Funktionselemente einer Ladepumpe, des Transports von Fluids zum bzw. vom Zylinder, die Einlaß- und Auslaßsteuerung sowie eine Abgasturbine installieren. Von hinten nach vorn ist dabei eine gerichtete Fluidbewegung in Form von Potentialdrallströmung oder zumindest Drallströmung gegeben.

3.15. Hubkolbengetriebe Funktion

Diese Konstruktion ist geeignet, eine lineare Hubbewegung eines Kolben zu erzeugen.

Konstruktionsprinzip

Auf einer drehbar im Gehäuse gelagerten Rotationsachse ist exzentrisch eine runde Scheibe befestigt. Diese Scheibe wird im folgenden "Exzenterscheibe" genannt. Diese Exzenterscheibe ist drehbar in einer weiteren, runden Scheibe gelagert, welche im folgenden "Pleuelscheibe" genannt wird. Die Exzenterscheibe ist in der Pleuelscheibe exzentrisch gelagert. Die Exzentrität ist jeweils gleich groß, d. h. der Abstand zwischen den Achsen der Rotationsachse und der Exzenterscheibe ist gleich groß wie der Abstand zwischen den Achsen der Exzenterscheibe und der Pleuelscheibe. Die Drehzahl der Rotationsachse, damit auch der Exzenterscheibe, und der Pleuelscheibe ist gleich groß, jedoch in gegenläufigem Drehsinn. Die Pleuelscheibe ist drehbar gelagert im Kolben. Bei einer halben Umdrehung der Rotationsachse, damit auch der Exzenterscheibe, und einer gegenläufigen, halben Umdrehung der Pleuelscheibe führt der Kolben eine Hubbewegung des vierfachen Weges der Exzentrität aus.

In Bild 20, in den oberen beide Darstellungszeilen, ist dieser Sachverhalt schematisch dargestellt. Mit der Rotationsachse (RA) fest verbunden ist die Exzenterscheibe (A-20). Diese dreht sich um die Achse der Rotationsachse, hier im Uhrzeigersinn. Von Abbildung zu Abbildung ist jeweils die Situation nach einer Dreh ung um jeweils 30 Grad dargestellt. Die Exzenterscheibe (A-20) ist andrerseits drehbar gelagert in der Pleuelscheibe (B-20), wiederum mit gleicher Exzentrität Die Pleuelscheibe (B-20) dreht sich gleich schnell, jedoch gegensinnig, hier also gegen den Uhrzeigersinn, von Abbildung zu Abbildung ist jeweils die Situation nach einer Drehung um jeweils 30 Grad dargestellt. Die jeweilige Oberkante der Pleuelscheibe ist von Abbild ung zu Abbildung durch eine gekrümmte Linie verbunden. Ihr Abstand (C-20) zur Rotationsachse (RA) stellt die Hubbewegung dar. Zu beachten ist, daß dieser Kurvenverlauf im mittleren Bereich eine Gerade darstellt.

Konstruktive Ausführung

In Bild 20, untere Darstellungszeile, ist schematisch und beispielhaft ein Querschnitt durch einen Motor dargestellt. Im Gehäuse (GE) ist drehbar gelagert die Rotationsachse (RA). Mit dieser fest verbunden ist die Exzenterscheibe (D-20, analog A-20). Auf dieser drehbar gelagert ist die Pleuelscheibe (E-20, analog B-20). Auf dieser drehbar gelagert ist der Kolben (F-20). Dieser ist andrerseits beweglich gelagert im Gehäuse (GE), kann also in entsprechenden Aussparungen des Gehäuses lineare Hubbewegungen ausführen.

Als Funktionselement des Ein- und Auslasses ist hier beispielsweise oben beschriebenes Ein- und Auslaß drehventilrohr eingezeichnet mit den beiden Bereichen des Abgaskanales (H-20) bzw. des Luftkanales (I-20). Die Drehung des Ein- und Auslaßdrehventilrohres ist hier im Uhrzeigersinn unterstellt.

In Bild 20, unten links, ist die Situation zum Ende des Auslaßtaktes dargestellt. Der Kolben (F-20) befindet sich in seinem oberen Totpunkt, die Öffnung des Zylinders gegenüber dem Abgaskanal (H-20) hat sich eben geschlossen, während die Öffnung gegenüber dem Luftkanal (I-20) nächstens geöffnet wird durch die weitere Drehung des Ein- und Auslaßdrehventilrohres im Uhrzeigersinn. Der oberer Totpunkt des Kolbens (F-20) ist erreicht, wenn sowohl die Achse der Exzenterscheibe wie der Pleuelscheibe senkrecht über der Achse der Rotationsachse sich befinden.

In Bild 20, unten mittig, ist die Situation nach einer halben Umdrehung der Rotationsachse, damit auch der Exzenterscheibe, wie einer halben, gegensinnigen Umdrehung der Pleuelscheibe dargestellt. Der Kolben wurde dabei um den Hub nach unten geführt. Diese Situation stellt das Ende des Einlaßtaktes dar. Die Öffnung zum Luftkanal muß dabei noch nicht vollkommen geschlossen sein, um einen "Nachlade-Effekt" zu erreichen.

Es ist deutlich erkennbar, wie die Drallströmung im Luftkanal optimal in den Zylinder fließen kann.

In Bild 20, unten rechts, ist schematisch und beispielhaft dargestellt, wie die Positionen von Rotationsachse (RA), Exzenterscheibe (D-20), Pleuelscheibe (E-20) und Kolben (F-20) zueinander sind in einer oberen, mittleren und unteren Stellung des Hubkolbens.

Die Pleuelscheibe (E-20) hat praktisch die Funktion einer Pleuelstange. Wie diese weist sie zwei Gelenke aus. Ein Gelenk einer Pleuelstange ist drehbar gelagert auf der Kurbelwelle, hier entsprechend ist die Lagerung der Pleuelscheibe auf der Exzenterscheibe. Das andere Gelenk einer Pleuelstange ist drehbar gelagert im Kolben, hier entsprechend ist die Lagerung der Pleuelscheibe im Kolben. Der Radius dieser Lagerung im Kolben ist jedoch wesentlich größer gewählt als bei einer Pleuelstange. Dieser Radius ist hier so groß angelegt, daß er das Lager der Pleuelscheibe auf der Exzenterscheibe einschließt. Im Gegensatz zu einer Pleuelstange kann sich damit die Pleuelscheibe auf einer kontinuierlichen Bahn rund um die Exzenterscheibe bewegen. Damit ergibt sich auch ein Hub in Höhe der vierfachen Exzentrität.

Dieses Hubkolbengetriebe kann sowohl bei Hubkolbenmotoren wie -pumpen eingesetzt werden. Bei diesem Getriebe könnten auch beide Seiten des Kolbens genutzt werden im Sinne eines Boxer-Motors.

Besondere Eigenschaften

Dieses Hubkolbengetriebe weist exzentrische Drehbewegungen auf, die Massemomente egalisieren sich jedoch aufgrund gegenläufiger Bewegungen. Es gibt hier keine Pleuelstange mit diversen Massemomenten, sondern lediglich eine lineare Hubbewegung. Diese Maschine läuft also außerordentlich ruhig und entsprechend hohe Drehzahlen sind machbar, besonders in Verbindung mit obigen Drehventilrohren. Die relative Drehbewe gungen zwischen Exzenterscheibe, Pleuelscheibe und Kolben weisen konstant in gleiche Richtung. Gegenüber herkömmlichen Kurbelgetrieben ist eine doppelte Hubhöhe gegeben. Das Drehmoment wirkt an der Exzenter scheibe. Der Druck wird über die Pleuelscheibe vermittelt. Die Druckrichtung ist keinesfalls nur in senkrechter Richtung, sondern über lange Drehphasen in tangentialer Richtung zur Exzenterscheibe gegeben.

3.16. Viertaktdrehhubkolbenmotor Funktion

Diese Konstruktion ist geeignet, einen Viertaktmotor besonderer Qualität darzustellen. Dieser Motor weist einerseits Kolben und Zylinder entsprechend konventioneller Hubkolben auf und damit deren Vorteile z. B. hinsichtlich einfacher und sicherer Dichtung. Andrerseits weist dieser Motor die Merkmale einer Rotations maschine auf und damit deren Vorteile z. B. hinsichtlich eines ruhigen Laufes durch kontinuierliche Dreh bewegungen oder die relativ einfache Gestaltung der Funktionselemente für den Ladungswechsel, die Brenn stoffzufuhr und Zündung.

Konstruktionsprinzip

Im Gehäuse ist ein Rotor drehbar um seine Rotationsachse gelagert. Dieser Rotor wird im folgenden "Zylinder rotor" genannt. Im Zylinderrotor sind in Richtung eines Durchmessers Zylinderaussparungen angebracht. In diesen Zylindern kann ein Kolben eine lineare Hubbewegung ausführen von einer Seite des Zylinderrotors bis zur anderen Seite des Zylinderrotors und zurück. Mittig im Kolben ist drehbar eine runde Scheibe gelagert, welche im folgenden "Pleuelscheibe" genannt wird. Exzentrisch in dieser Pleuelscheibe ist drehbar eine Welle gelagert, welche im folgenden "Exzenterwelle" genannt wird. Diese Exzenterwelle ist Bestandteil einer Kurbel welle, welche im Gehäuse gelagert und drehbar um die Rotationsachse ist. Der Abstand zwischen der Rotationsachse und der Achse der Exzenterwelle wird im folgenden "Exzentrität" genannt. Der Abstand zwischen der Achse der Exzenterwelle und der Achse der Pleuelscheibe ist gleich groß wie diese Exzentrität Der Zylinderrotor und die Kurbelwelle drehen gleich schnell, jedoch gegensinnig. Während einer Drehung um 90 Grad führt der Kolben eine Hubbewegung aus.

In Bild 21, linke Darstellungsspalte, ist dieser Sachverhalt schematisch dargestellt. Bild 21, oben links, stellt einen Querschnitt dar mit der prinzipiellen Anordnung der beweglichen Teile. Im Gehäuse ist eine Kurbelwelle (A-21) gelagert, welche um die Rotationsachse (RA) drehbar ist. Fester Bestandteil dieser Kurbelwelle ist eine Exzenterwelle (B-21), wobei zwischen der Rotationsachse und der Achse der Exzenterwelle ein Abstand gegeben ist, entsprechend obiger Exzentrität. Die Exzenterwelle ist drehbar gelagert in der runden Pleuel scheibe (C-21), wobei dieses Lager wiederum mit gleicher Exzentrität gegenüber der Achse der Pleuelscheibe angelegt ist. Die Pleuelscheibe (C-21) ist mittig im Kolben (D-21) drehbar gelagert. Der Kolben ist beweglich gelagert im Zylinderrotor (E-21), so daß der Kolben (D-21) eine lineare Bewegung von einer Seite des Zylinderrotors zur anderen Seite des Zylinderrotors ausführen kann. Beidseits des Kolbens werden die Zylindervolumen abgebildet.

In Bild 21, links oben, ist beispielsweise die Situation dargestellt, bei welcher der Kolben sich in einem Tot punkt (links) befindet. Das Zylindervolumen zwischen dieser linken Kolbenseite und dem Mantel des Zylinder rotors ist minimal. An der gegenüberliegenden Kolbenseite (rechts) ist das Zylindervolumen (F-21) dagegen maximal.

In Bild 21, links in der zweiten Darstellung, ist die Situation dargestellt nach einer Drehung des Zylinderrotors (E-21) um die Rotationsachse um 45 Grad im Uhrzeigersinn. Gleichzeitig hat sich die Kurbelwelle (A-21) um die Rotationsachse um 45 Grad gedreht gegen den Uhrzeigersinn. Dadurch weist die Exzenterwelle (B-21) in Bezug auf die Rotationsachse nun nach unten links. Die Pleuelscheibe (C-21) ist drehbar gelagert im Kolben (D-21) und unterliegt damit mittelbar der Drehbewegung des Zylinderrotor (E-21). Durch ihre mittige Lagerung im Kolben liegt die Achse der Pleuelscheibe damit stets auf der Längsachse der Zylinderaussparung. Die Pleuelscheibe dreht sich um ihre Achse darum stets gleichsinnig zum Zylinderrotor. Die Pleuelscheibe ist andrerseits gelagert auf der Exzenterwelle und unterliegt damit mittelbar der Drehbewegung der Kurbelwelle. Gegenüber der vorigen Situation hat sich die Pleuelscheibe darum um 90 Grad um ihre Achse gedreht.

Der Kolben (D-21) befindet sich nun in seiner mittigen Lage. Das Volumen des rechten Zylinders (F-21) hat sich gegenüber oben halbiert, der linke Zylinder (G-21) weist nun ein entsprechendes Volumen auf.

In Bild 21, links in der dritten Darstellung, ist beispielsweise die Situation nach einer weiteren Drehung des Zylinderrotors (E-21) um 45 Grad im Uhrzeigersinn dargestellt. Die Längsachse der Zylinder weist nun in senkrechte Richtung. Entsprechend hat sich die Kurbelwelle (A-21) um weitere 45 Grad gegen den Uhrzeiger sinn gedreht. Die Exzenterwelle (B-21) weist nun ebenfalls senkrecht nach unten. Auch die Pleuelscheibe (C-21) hat sich entsprechend weiter gedreht und weist senkrecht nach unten. Der Kolben (D-21) befindet sich nun wiederum in einen (unteren) Totpunkt. Das Volumen des bislang rechten (nun unteren) Zylinders (F-21) ist nun minimal, das Volumen des bislang linken (nun oberen) Zylinders (G-21) ist nun maximal.

In Bild 21, unten links, ist schematisch die Geometrie dieser Bewegungsabläufe dargestellt. Feststehend im Gehäuse befindet sich die Rotationsachse (RA). Um sie dreht sich einerseits der Zylinderrotor, hier im Uhr zeigersinn unterstellt. Die Zylinderlangsachse (ZA-21) dreht sich damit im Uhrzeigersinn, hier um 90 Grad. Gleichzeitig dreht sich die Kurbelwelle gegensinnig, damit auch die Exzenterwelle, hier also die Exzenter wellenachse (EA-21) um 90 Grad gegen den Uhrzeigersinn. Die Pleuelscheibe dreht sich mit doppelter Geschwindigkeit gleichsinnig zum Zylinderrotor. Ihre Achse bewegt sich einerseits im Drehsinn des Zylinder rotors, andrerseits auf der Zylinderlängsachse in linearer Richtung. Die Achse der Pleuelscheibe (PA-21) führt insgesamt ein- und ausdrehende Spiralbewegungen aus. Es ist aus der in Bild 21, unten links, dargestellten entsprechenden Kurve deutlich zu erkennen, weich harmonischen Bahnverlauf damit auch die Kolben dieser Maschinen aufweisen.

Ein anfänglich linker Zylinder weist dabei links ein minimales, oben ein maximales, rechts wieder ein minimales und unten wieder ein maximales Volumen aus, d. h. während einer Drehung des Zylinderrotors werden die vier Takte eines Viertaktmotors abgebildet. Die Pleuelscheibe erfüllt die Funktion einer Pleuel stange, ist gelagert bzw. wird geführt einerseits durch die Kurbelwelle, andrerseits durch den Kolben. Hier allerdings unterliegt auch der Kolben einer Drehbewegung entsprechend der Bewegung des Zylinderrotors. Anders als bei einer Pleuelstange sind hier allerdings die Lager ineinander gelagert. Auf engstem Raum erfolgen damit die Bewegungsabläufe und zugleich in stets fortwährend gleicher Drehbewegung bzw. auf daraus resultierender, außerordentlich harmonischer Bahn.

Konstruktive Ausführung

In Bild 21, rechte Darstellungsspalte, ist schematisch und beispielhaft ein Motor dieser Konzeption dargestellt. In Bild 21, oben rechts, ist das Prinzip dieser Konzeption in einem Querschnitt dargestellt. Im Gehäuse (GE) gelagert ist die Kurbelwelle (A-21), drehbar gelagert um die Rotationsachse. Fester Bestandteil der Kurbelwelle ist die Exzenterwelle (B-21). Sie ist exzentrisch zur Rotationsachse angebracht. Hier liegt die Achse der Exzenterwelle z. B. in Bezug auf die Rotationsachse links unten in einem Winkel von etwa 22,5 Grad.

Ebenfalls im Gehäuse gelagert ist der Zylinderrotor (E-21), ebenfalls drehbar um die Rotationsachse. Im Zylinderrotor befinden sich die Aussparungen für den Kolben (D-21) bzw. die Zylinder (F-21 bzw. G-21). Die Längsachse dieser Zylinderaussparung weist in dieser Darstellung einen Winkel von etwa 22,5 Grad zur Waagrechten auf, korrespondierend zur Exzenterwelle, jedoch in gegensinniger Richtung. Mittig im Kolben (D-21) ist die Pleuelscheibe (C-21) drehbar gelagert. Die Pleuelseheibe ist andrerseits drehbar gelagert auf der Exzenterwelle mit entsprechender Exzentrität zwischen der Achse der Pleuelscheibe, der Achse der Exzenter welle wie zwischen dieser und der Rotationsachse.

Wenn eine Drehung des Zylinderrotors (E-21) im Uhrzeigersinn unterstellt wird, so hat der Kolben (D-21) gerade seinen linken Totpunkt verlassen. Der linke Zylinder (G-21) befindet sich beispielsweise im Einlaßtakt. Die Verbrennungsluft kann durch den Einlaßkanal (H-21) in den Zylinder einströmen. Es steht dazu eine groß flächige Öffnung zur Verfügung. Der Einlaßkanal ist hier beispielsweise als ein runder Kanal dargestellt, welcher diagonal zur axialen Ebene verläuft, sein Querschnitt hier also ellipsenförmig erscheint. In einem solchen Einlaßkanal wird sinnvoll sein, die Verbrennungsluft mit einer Drallströmung heran zu führen, womit eine möglichst reibungsfreie und optimale Ladung des Zylinders erreicht werden kann.

Im weiteren Verlauf der Drehung des Zylinderrotors (E-21) wird der Zylinder G-21 in seiner senkrechten Stellung das maximale Volumen erreicht haben, den Einlaßtakt also abgeschlossen haben. Eine weitere Drehung um 90 Grad stellt dann den Kompressionstakt dieses Zylinders dar, welcher nach rechts weisend dann sein kleinstes Volumen erreichen wird. Dort kann die Zuführung und Zündung des Brennstoffes erfolgen, was hier nur schematisch dargestellt ist (I-21). Eine weitere Drehung um 90 Grad stellt den Expansionstakt dar, bei welchem der Zylinder senkrecht nach unten weisend sein größtes Volumen erreicht haben wird. Die restlichen 90 Grad Drehung stellen den Auslaßtakt dar, bei welchem die Abgase in den Abgaskanal (I-21) entweichen können, wiederum durch eine großflächige Öffnung und wiederum möglichst in eine Drallströmung mündend.

Aus dieser Beschreibung wird offensichtlich, daß der gegenüberliegende Zylinder (F-21) einen um 90 Grad versetzten Ablauf der Takte durchführen wird. Wenn der Zylinder G-21 sein minimales Volumen aufweist, weist der Zylinder F-21 sein maximales auf und umgekehrt sein minimales, wenn der Zylinder G-21 sein maximales Volumen aufweist. Die Zylinder können sehr wohl auf einer axialen Ebene in Bezug auf die Rotationsachse angeordnet sein, die Öffnungen der Zylinder an der Mantelfläche des Zylinderrotors müssen jedoch auf unterschiedlicher axialer Ebene angeordnet sein. Ebenso müssen die Funktionselemente des Ein- und Auslasses wie der Zuführung und Zündung des Brennstoffs für die beiden Zylinder im Gehäuse auf unterschiedlicher axialer Ebene angeordnet sein und zudem jeweils um 90 Grad versetzt.

Bild 21, rechts, mittlere Darstellung, zeigt schematisch einen Längsschnitt durch einen Motor dieser Konzeption. Im Gehäuse (GE) ist die Kurbelwelle (A-21) gelagert, drehbar um die Rotationsachse (RA). Bestandteil dieser Kurbelwelle ist die Exzenterwelle (B-21), welche exzentrisch zur Rotationsachse angeordnet ist. Dargestellt sind zwei solcher Exzenterwellen (B-21), oben nach links weisend in der Zeichnungsebene, unten mittig zur Rotationsachse stehend, also nach unten bzw. oben weisend in Bezug zur Zeichnungsebene.

Im Gehäuse (GE) ist ebenfalls der Zylinderrotor (E-21) gelagert, ebenfalls drehbar um die Rotationsachse (RA). Dargestellt sind zwei Aussparungen im Zylinderrotor zur Aufnahme des Kolbens (D-21), oben waagrecht zur Zeichnungsebene weisend, unten senkrecht zur Zeichnungsebene weisend. Im Kolben (D-21) wie auf der Exzenterwelle (B-21) drehbar gelagert ist die Pleuelscheibe (C-21). Oben befindet sich der Kolben (D-21) in einem Totpunkt (links), so daß der Zylinder (F-21) sein maximales Volumen aufweist.

In dieser Darstellung ist auch schematisch und beispielhaft dargestellt ein Getriebe zur Steuerung der gegen sinnigen Drehung des Zylinderrotors und der Kurbelwelle. Der Zylinderrotor (E-21) weist dazu einen Zahn kranz (K-21) auf. Ein Zahnkranz (M-21) entsprechenden Radius ist fest verbunden mit der Kurbelwelle (A-21) Beide stehen in Eingriff mit einem Zahnrad (L-21), welches im Gehäuse (GE) drehbar gelagert ist. Damit wird gleiche Drehzahl bei gegensinniger Drehrichtung der Rotationsachse gegenüber dem Zylinderrotor erreicht. Diese Einrichtung kann mehrfach angelegt werden, hier z. B. ist sie rechts und links dargestellt. Die Funktion dieses Getriebes kann auch mit anderer bekannter Technik realisiert werden. Die Leistung des Motors kann an der Rotationsachse abgegriffen werden.

Bereits mit zwei Zylinderaussparungen, welche senkrecht zueinander angeordnet sind, kann ein nahezu vollkommen ausgewuchteter Motor gebaut werden. Im Bild 21, unten rechts, ist schematisch die Mantel abwicklung eines solchen Zylinderrotors dargestellt. Die senkrechte, dünne Hilfslinien kennzeichnen die vier Takte (von links nach rechts). Es sind vier Zylinder (N-21 bis Q-21, von oben nach unten) dargestellt. Je zwei der vier Zylinder (N-21 und 0-21 sowie P-21 und Q-21) befinden sich auf einer axialen Ebene, was durch die dick gezeichneten, gestrichelten Linien dargestellt ist. Die Öffnungen (R-21) der beiden gegenständigen Zylinder einer axialen Ebene sind um jeweils 180 Grad versetzt anzuordnen und müssen auf unterschiedlicher axialer Ebene angelegt werden. Hier sind diese Zylinderöffnungen (R-21) durch Rechtecke schematisch dargestellt, jeweils links und rechts der gestrichelten dünnen Linien. Die Öffnungen (S-21) der zwei Zylinder der zweiten Zylinderaussparung sollten bei insgesamt vier Zylindern so angelegt sein, daß alle Zylinder öffnungen um jeweils 90 Grad versetzt angeordnet sind.

Entsprechend müssen die Funktionselemente des Ein- und Auslasses wie der Brennstoffzufuhr und der Zünd ung im Gehäuse angelegt sein jeweils versetzt angeordnet sein. Hier sind beispielsweise nur die Öffnungen des Gehäuses für den Einlaß als Ovale (I-21) dargestellt. Diese Einlaßöffnungen könnten durch einen Einlaßkanal verbunden sein, welcher dann um den Rotormantel in Spiralform verlaufen wurde. Analog dazu sind die Aus laßöffnungen bzw. ein Auslaßkanal anzulegen. Und analog dazu sind die Funktionselemente der Brennstoff zufuhr bzw. der Zündung anzuordnen.

Besondere Eigenschaften

Dieser Viertaktdrehhubkolbenmotor stellt ein Motor dar, bei welchem der Prozeß in vier Takten abläuft, also die Vorteile eines Viertaktmotors gegeben sind. Dieser Motor arbeitet mit Hubkolben herkömmlicher Technik, wobei allerdings ein rechteckiger Querschnitt zu bevorzugen ist wegen der besseren Raumnutzung. Die Vor teile der Hubkolben hinsichtlich relativ einfacher und sicherer Dichtung sind in jedem Fall gegeben. Dieser Motor basiert auf einem Getriebe, welches auf engstem Raum alle erforderlichen Bewegungsabläufe steuert. Es gibt ausschließlich kontinuierliche Drehbewegungen in stets gleicher Richtung. Nur aus der Kombination dieser Drehbewegungen ergibt sich die Hubbewegung des Kolbens. Aber auch dieser führt im Raum keine lineare Bewegung mit abrupten Beschleunigungen aus, sondern bewegt sich kontinuierlich auf einer außer ordentlich harmonischen Bahn. Dieser Motor ist eine Rotationsmaschine, anstelle herkömmlicher Ventile sind die Funktionselemente viel einfacher und sicherer zu bauen. Je Umdrehung der Kurbelwelle weist dieser Motor die doppelte Anzahl Arbeitstakte auf. Dieser Motor kann mit vielfach höherer Drehzahl normaler Hubkolben motoren gefahren werden. Ein Motor dieser Bauart mit vier Zylindern weist nur acht bewegliche Teile auf. Wenn ein solcher Motor mit einem Durchmesser von 20 cm und ebensolcher Länge gebaut wird, entspricht er hinsichtlich Laufruhe wie Leistung einem heutigen Achtzylindermotor von drei bis vier Litern Hubraum.

Auf eine Eigenschaft sei besonders hingewiesen: bei einer Pleuelstange wird der Druck im Zylinder nur auf einer begrenzten Strecke auf das Kurbelgetriebe bei einen langen Hebelarm und in tangentialer Richtung übertragen. Zugleich ist stets ein unproduktiver Druck des Kolbens auf seine Führung im Zylinder gegeben. Anstelle einer Pleuelstange wird hier die Kraft durch die Pleuelscheibe übertragen und damit auf die Kurbelwelle und zugleich auf die Zylinderwandung und damit den Zylinderrotor. Durch die gegensinnige Bewegung von Kurbelwelle und Zylinderrotor werden beide Kraftkomponente damit produktiv genutzt. Bereits in der Anfangsphase des Expansionstaktes, also bei relativ hohem Druck, z. B. in einer Position ent sprechend Bild 21, oben rechts, weist die Kurbelwellen-Kraftkomponente schon in tangentiale Richtung in Bezug auf die Rotationsachse. Die Zylinderwand-Kraftkomponente wirkt stets in tangentiale Richtung und über weite Strecken an einem relativ langen Hebelarm. Der Arbeitstakt dieses Motors wird also selbst bei relativ geringer Exzentrität ein vergleichsweise außerordentlich hohes Drehmoment abgeben.

3.17. Drehhubkolbengetriebe Funktion

Diese Konstruktion ist geeignet, eine lineare Hubbewegung eines Kolbens zu erzeugen, wobei sich der Kolben um eine Rotationsachse dreht.

Konstruktionsprinzip

Im Gehäuse ist ein Rotor drehbar um seine Rotationsachse gelagert. Dieser Rotor wird im folgenden "Zylinder rotor" genannt. Im Zylinderrotor sind in Richtung eines Durchmessers Zylinderaussparungen angebracht, in welchen ein Kolben eine lineare Hubbewegung ausführen kann von einer Seite des Zylinderrotors bis zur anderen Seite des Zylinderrotors und zurück. Mittig im Kolben ist eine runde Scheibe gelagert, welche im folgenden "Exzenterscheibe" genannt wird. Diese Exzenterscheibe ist fest verbunden mit einer Welle, welche im folgenden "Exzenterwelle" genannt wird. Die Exzenterscheibe ist exzentrisch auf der Exzenterwelle montiert. Der Abstand zwischen der Achse der Exzenterscheibe und der Achse der Exzenterwelle wird im folgenden "Exzentrität" genannt. Die Exzenterwelle ist drehbar im Gehäuse gelagert. Zwischen der Achse der Exzenterwelle und der Rotationsachse ist ein Abstand entsprechend voriger Exzentrität gegeben.

Der Zylinderrotor und die Exzenterwelle, damit auch die Exzenterscheibe, drehen gleichsinnig. Die Exzenter welle dreht jedoch mit der doppelten Drehzahl des Zylinderrotors. Ein Getriebe synchronisiert diesen Beweg ungsablauf. Bei einer halben Umdrehung des Zylinderrotors führt der Kolben eine Hubbewegung aus von einer Seite des Zylinderrotors zur anderen. Vorzugsweise wird der Kolben beidseitig genutzt, d. h. innerhalb einer Zylinderaussparung werden zwei Zylindervolumen abgebildet.

In Bild 22, oben links, sind schematisch und beispielhaft Querschnitte durch ein solches Getriebe dargestellt. Eine Exzenterwelle (A-22) ist im Gehäuse drehbar gelagert. Auf dieser Exzenterwelle ist eine Exzenterscheibe (B-22) exzentrisch montiert. Diese Exzenterscheibe ist drehbar und mittig in einem Kolben (C-22) gelagert. Dieser Kolben ist in Aussparungen des Zylinderrotors (E-22) so gelagert, daß er eine lineare Bewegung auf einem Durchmesser des Zylinderrotors (D-22) ausführen kann. Der Zylinderrotor ist im Gehäuse drehbar um seine Rotationsachse (RA) gelagert. Zwischen dieser Rotationsachse und der Achse der Exzenterwelle (A-22) sowie zwischen den Achsen der Exzenterwelle und der Exzenterscheibe ist gleiche Exzentrität gegeben.

In Bild 22, oben links, sind vier Situationen (G-22 bis J-22) dargestellt. Der Zylinderrotor führt von Abbildung zu Abbildung jeweils eine Drehung im Uhrzeigersinn um jeweils 45 Grad aus. Zugleich führt die Exzenter welle von Abbildung zu Abbildung jeweils eine Drehung im Uhrzeigersinn um jeweils 90 Grad aus. Der Zylinder E-22 weist bei G-22 seine größtes Volumen aus. Im Verlauf einer halben Drehung des Zylinderrotors (über H-22, I-22, J-22 zurück zu G-22) verringert sich dieses Volumen bis zum kleinsten Volumen. Zugleich weist umgekehrt auf der anderen Seite des Kolbens ein Zylinder F-22 anwachsendes Volumen auf.

In Bild 22, dritte Darstellungszeile links, ist die Geometrie dieses Getriebes dargestellt. Zwischen Rotations achse (RA) und Exzenterwellenachse (EA-22) ist ein gleich großer Abstand gegeben wie zwischen der Exzenterwellenachse (EA-22) und der Exzenterscheibenachse (BA-22). Die Exzenterwelle dreht sich im Uhr zeigersinn, so daß die Exzenterscheibenachse z. B. in die Position von BB-22 kommt, also eine Drehung um EA ausgeführt hat im Winkel von BA-EA-BB. Die Längsachse des Kolben weist dann von RA-22 in Richtung BB-22, d. h. der Zylinderrotor muß eine Drehung im Winkel von BA-RA-BB ausgeführt haben. Es ist offen sichtlich, daß dieser Drehwinkel des Zylinderrotors stets halb so groß ist wie der Drehwinkel der Exzenter welle. Wenn beide Elemente durch ein entsprechendes Getriebe untersetzt sind, gleitet der Kolben problemlos in der Zylinderaussparung des Zylinderrotors.

In Bild 22, rechte Darstellungsspalte, sind schematisch und ausschnittsweise Längsschnitte durch dieses Drehhubkolbengetriebe dargestellt. In Bild 22, rechts oben, ist zunächst die Exzenterwelle (A-22) dargestellt und die Exzenterscheibe (B-22), welche im Kolben (C-22) drehbar gelagert ist. Oben weist die Exzenterscheibe (B-22) nach rechts, der Kolben (C-22) befindet sich in einer mittigen Hubposition, so wie z. B. bei I-22 darge stellt. Darunter ist die Situation entsprechend G-22 dargestellt. Die Exzenterscheibe weist dabei nach links, auch der Kolben befindet sich links in einem Totpunkt.

In Bild 22, rechts mittig, ist beispielsweise der Zylinderrotor (D-22) in entsprechenden Positionen dargestellt. Oben kann sich der Kolben in den Zylinderaussparungen senkrecht zur Zeichnungsebene bewegen, unten kann sich der Kolben in der Zeichnungsebene bewegen. Außerdem ist hier dargestellt, daß der Zylinderrotor mittig eine runde Aussparung besitzen muß, damit sich die Exzenterwelle relativ zum Zylinderrotor drehen kann.

In Bild 22, rechts unten, sind diese beiden Konstruktionselemente zusammengefügt dargestellt, schematisch und beispielsweise auch ihre Lagerung im Gehäuse sowie ein Getriebe zur Koordinierung der Bewegungen. Im Gehäuse (GE) ist der Zylinderrotor (D-22) drehbar gelagert, ebenso die Exzenterwelle (A-22). Fest verbunden mit dem Zylinderrotor (D-22) ist ein nach innen weisender Zahnkranz (K-22). Fest verbunden mit der Exzenterwelle (A-22) ist ein Zahnrad (L-22) bzw. diese Exzenterwelle ist dort als Zahnrad ausgeformt. Das Zahnrad (L-22) steht in Eingriff mit dem Zahnkranz (K-22). Der Zahnkranz weist doppelt so großen Radius wie das Zahnrad auf. Die Exzenterwelle weist damit doppelt so große Drehzahl wie der Zylinderrotor auf. Der Antrieb bzw. Abtrieb der Maschine kann beispielsweise an der Exzenterwelle erfolgen. Dieses Getriebe ist nur schematisch und beispielhaft dargestellt und kann in vielfältiger Weise mit bekannter Technik realisiert werden. Die erforderlichen Öffnungen im Gehäuse sind hier nicht dargestellt.

In Bild 22, unten links, ist ein schematischer Querschnitt durch eine solches Drehhubkolbengetriebe darge stellt. Der Zylinderrotor (D-22) befindet sich dabei in einer Position analog I-22. Eine Drehung im Uhrzeiger sinn ist unterstellt, ebenso Druck bzw. eine Fluidströmung im Einlaufbereich (M-22). Es wird dadurch Druck auf den Kolben (C-22) ausgeübt und damit ein Drehmoment auf die Exzenterscheibe (B-22) bzw. die Exzenter welle (A-22) bewirkt. Klar zu erkennen ist dabei jedoch auch, daß bevorzugt ein Druck ausgeübt wird auf die (in der Abbildung rechte) Innenwandung des Zylinderrotors (D-22). Dieses Drehmoment wirkt an einen großen Hebelarm, maximal der vierfachen Exzentrität.

Besondere Eigenschaften

Die Arbeitsweise dieser Maschine ist am besten vergleichbar mit der eines Impellers. Die Kraftübertragung bzw. Kraftwirkung wird keinesfalls allein durch die Kolben vermittelt, sondern zu einem beachtlichen Teil wirken die Innenwandungen des Zylinderrotors wie Schaufeln. Obwohl diese vollkommen plan sind, ergibt sich eine harmonische Fluidströmung. Die dicken, gestrichelten Linien in Bild 22, unten links, stellen beispiels weise eine äußere und eine innere Stromlinie dar. Das Fluid strömt entweder in einer parabolischen Bahn durch die Maschine oder in einer ein- und ausrollenden Bahn. Zu beachten ist ferner, daß die Ein- bzw. Aus laßöffnungen der Zylinder außerordentlich groß angelegt werden können. Beachtlich ist auch, daß nahezu die Hälfte der Querschnittsfläche des Zylinderrotors als wirksame Zylinderfläche zur Verfügung steht. Mit diesem Drehhubkolbengetriebe werden die Vorteile konventioneller Hubkolben kombiniert mit den Vorteilen von Rotationsmaschinen. Es befinden sich sowohl der Zylinderrotor wie die Exzenterwelle inklusive der Exzenter scheibe und ebenso der Kolben in kontinuierlichen, konzentrischen Drehbewegungungen. Nur ein einziger Zahnradeingriff ist als Getriebe erforderlich. Dieses Drehhubkolbengetriebe wird darum bei unterschiedlichen Maschinen außerordentlich vorteilhaft eingesetzt werden, als Pumpe wie als Turbine.

3.18. Drehhubkolbenmaschine Funktion

Dieses Konstruktionselement ist geeignet, die Funktion einer Pumpe bzw. einer Turbine zu erfüllen.

Konstruktionsprinzip

Diese Maschine basiert auf obigem Drehhubkolbengetriebe. Die dortige Beschreibungen gelten hier analog. Bereits die in Bild 22, unten links, dargestellte Funktionsskizze stellt eine Förderpumpe für ein nicht kompres sibles Fluid dar. Wenn mit kompressiblem Fluid gearbeitet werden soll, sind gegenüber dieser Prinzipskizze lediglich die Öffnungen am Zylinder bzw. am Gehäuse in geeigneter Weise zu gestalten. Bei einer Pumpe muß der Einlaß relativ groß und der Auslaß relativ klein dimensioniert werden, bei einer Turbine umgekehrt. Zudem ist bei einer Turbine die Schaufelwirkung zu nutzen, indem die Kolbenoberfläche schaufelartig geformt wird.

Konstruktive Ausführung

In Bild 23, obere Darstellungszeile, ist zunächst schematisch und beispielhaft der Querschnitt einer Pumpe dargestellt. In Bild 23, oben links, sind zunächst die diversen Funktionselemente dargestellt und bezeichnet. Im Gehäuse (GE) ist die Exzenterwelle (A-23) drehbar gelagert. Mit dieser fest verbunden ist die Exzenterscheibe (B-21). Diese Exzenterscheibe ist mittig im Kolben (C-23) drehbar gelagert. Dieser Kolben ist in einem Zylinderrotor (D-23) so gelagert, daß er lineare Bewegungen von einer Seite des Zylinderrotors zur anderen und zurück ausführen kann. Dieser Zylinderrotor weist entsprechende Aussparungen auf einem Durchmesser auf, in welchem sich der Kolben bewegen kann bzw. in welchen das Volumen der Zylinder abgebildet wird. Dieser Zylinderrotor ist im Gehäuse gelagert und um die Rotationsachse (RA) drehbar. Zwischen der Rotationsachse und der Achse der Exzenterwelle ist ein Abstand gegeben, welcher im folgenden als "Exzentrität" bezeichnet wird. Zwischen der Achse der Exzenterwelle und der Achse der Exzenterscheibe ist ein Abstand entsprechend dieser Exzentrität gegeben.

Die Zylinder (E-23 bzw. F-23) sind gegenüber dem Gehäuse nicht mit ihrer gesamten Zylinderquerschnitts fläche geöffnet. Hier sind die Öffnungen beispielsweise auf etwa ein Sechstel dieser Fläche begrenzt.

In Bild 23, oben links, ist eine Situation dargestellt, in welcher der Zylinder F-23 nahezu sein minimales Volumen erreicht hat Eine Drehung des Zylinderrotors (D-23) im Uhrzeigersinn wird hier unterstellt. Das komprimierte Fluid kann durch die Öffnung im Zylinder und durch die Öffnung im Gehäuse in einen Kanal (G-23) abgegeben werden. Dieser Kanal wird im folgenden als "Auslaßkanal" bezeichnet. Vorzugsweise wird das komprimierte Fluid in tangentialer Richtung in diesen Auslaßkanal eingeleitet, so daß sich im Auslaßkanal eine Potentialdrallströmung oder zumindest eine starke Drallströmung ausbilden wird.

In dieser Situation des Bildes 23, oben links, hat der gegenüberliegende Zylinder (E-23) nahezu sein maximales Volumen erreicht. Das Fluid konnte in diesen Zylinder über eine weite Strecke der Drehung des Zylinderrotors durch einen relativ groß dimensionierten Kanal I-23) einfließen. Dieser Kanal wird im folgenden "Einlaßkanal" genannt.

In Bild 23, oben rechts, ist eine Situation dargestellt, bei welcher sich der Zylinderrotor um etwa 15 Grad im Uhrzeigersinn weiter gedreht hat. In dieser waagrechten Stellung des Kolbens in seinem Totpunkt (links) hat der Zylinder F-23 sein minimales Volumen und der Zylinder E-23 sein maximales Volumen erreicht. Die Öffnungen der Zylinder decken sich nun nicht mehr mit den Öffnungen des Gehäuses. Der Kompressionstakt des linken Zylinders ist damit abgeschlossen, er wird nächstens den Einlaßtakt ausführen. Umgekehrt ist der Einlaßtakt des rechten Zylinders damit abgeschlossen, er wird nächstens den Kompressionstakt ausführen.

In Bild 23, mittlere Darstellungszeile, sind entsprechende Querschnitte schematisch und beispielhaft dargestellt für eine Turbine. Bei einer Turbine sollte das unter Druck befindliche Fluid in einer Potentialdrallströmung bzw. zumindest in einer Drallströmung angeliefert werden in einem relativ gering dimensionierten Einlaßkanal (J-23 bzw. L-23). Das Fluid sollte aus diesem Einlaßkanal in tangentialer Richtung ausströmen und durch die Öffnung des Zylinders in diesen einfließen. Der Druck dieses Fluids wird über den Kolben an die Exzenter welle abgegeben. Die Geschwindigkeit dieser Strömung ist zudem nutzbar, indem sie während des Einfließens in den Zylinder auf die Zylinderinnenwandung trifft und dort ein Drehmoment auf den Zylinderrotors bewirkt. Vorteilhaft ist, wenn das Einfließen auch tangential zum Zylinderrotor erfolgt und zudem die Oberfläche des Kolbens (K-23) schaufelförmig geformt ist, z. B. wie durch die gestrichelte Linien gekennzeichnet.

In Bild 23, mittlere Darstellungszeile, rechts, ist die Situation nach einer Drehung um etwa 15 Grad dargestellt. Die Einlaßöffnung des Gehäuses gegenüber der Öffnung des Zylinders (M-23) sollten nur während einer kurzen Phase sich decken, wie hier beispielsweise dargestellt. Nur in dieser relativ kurzen Phase wird damit die Geschwindigkeit der Fluidströmung genutzt. Über eine relativ lange Phase dagegen wird dann der Druck in der Expansionsphase genutzt. Nach Abschluß dieser Expansionsphase erreicht die Öffnung des Zylinders (O-23) eine relativ groß dimensionierte Öffnung des Gehauses (P-23), in welchen der Auslaß des Fluids reibungsfrei erfolgen kann. Der Druck eines Fluids wird damit in jeweils begrenzten Masse- bzw. Volumeneinheiten abge baut, jeweils zwei mal je einer Umdrehung des Zylinderrotors.

In Bild 23, unten, ist schematisch und beispielhaft ein Längsschnitt durch eine Drehhubkolbenmasch 88462 00070 552 001000280000000200012000285918835100040 0002019806507 00004 88343ine darge stellt. Im Gehäuse (GE) ist die Exzenterwelle (A-23) drehbar gelagert, um obige Exzentrität gegenüber der Rotationsachse (RA)versetzt. Fest verbunden mit der Exzenterwelle ist die Exzenterscheibe (B-23). Diese wiederum ist mittig und drehbar gelagert im Kolben (C-23). Der Kolben ist im Zylinderrotor (D-23) so gelagert, daß er eine lineare Bewegung ausführen kann. In Bild 23, unten, links, ist die Zylinderaussparung so dargestellt, daß sich der Kolben in der Zeichnungsebene bewegen kann. Der Kolben befindet sich oben in seinem Totpunkt, der Zylinder E-23 hat sein größtes Volumen erreicht. Der Zylinderrotor (D-23) ist im Gehäuse gelagert, so daß er sich um die Rotationsachse drehen kann. Die Exzenterwelle ist in einem Teil bereich als Zahnrad (S-23) ausgebildet, welches im Eingriff steht mit einem Zahnkranz (T-23) des Zylinder rotors. Der Zahnkranz hat einen doppelt so großen Radius wie der des Zahnrades. Die Exzenterwelle dreht sich damit doppelt so schnell, jedoch gleichsinnig wie der Zylinderrotor.

In den Zeichnungen wurden bislang die Kolben stets mit rechteckigem Querschnitt dargestellt. Selbstver ständlich kann die Querschnittsfläche der Zylinder auch rund sein wie bei herkömmlichen Hubzylindern. Ent sprechend ist in der Abbildung rechts ein Kolben (R-23) mit runder Querschnittsfläche dargestellt. Die Raum nutzung ist jedoch günstiger bei einem rechteckigen Querschnitt. Es wird vorteilhafter sein, anstelle weniger runder Zylinder mehrere rechteckige Zylinder anzulegen.

Die Öffnungen der Zylinder sollten nicht mittig angelegt sein. Es ist vorteilhafter, diese Öffnungen asym metrisch anzulegen und zwar in Richtung des Drehsinns des Zylinderrotors. In den Abbildungen oben in Bild 23 sind die Öffnungen z. B. so weit in Richtung des Drehsinns des Zylinderrotors verlagert, daß nurmehr eine ausreichend große Distanz zwischen Ein- und Auslaßöffnung des Gehäuses gegeben ist. Durch diese Anord nung wird bei einer Pumpe (z. B. Bild 23, oben links) erreicht, daß in der letzten Phase der Kompression das Fluid mehrheitlich in Richtung des Drehsinns des Zylinderrotors aus dem Zylinder in das Gehäuse gepreßt wird. Dieses intensiviert die im Auslaßkanal (G-23) gewünschte Drallströmung. Umgekehrt bewirkt diese Anordnung der Zylinderöffnung bei einer Turbine (z. B. Bild 23, Mitte, links), daß die tangential einfließende Strömung auf die Zylinderinnenwandung trifft und dort den gewünschten Effekt einer Schaufel bewirkt.

Besondere Eigenschaften

Mit dem Konstruktionsprinzip diese Drehhubkolbenmaschine ist gleichermaßen eine Pumpe wie eine Turbine zu bauen. Es sind nur wenige Bauteile erforderlich, die Maschine ist leicht und vollständig auswuchtbar. Auf engstem Raum lassen sich viele Zylinder anordnen. Dadurch wird möglich, daß Fluiddruck in einem kon tinuierlichen Strom ab- bzw. aufgebaut wird. Diese Drehhubkolbenmaschine ist mit Drehzahlen zu fahren, welche bislang Strömungsmaschinen vorbehalten waren. Diese Drehhubkolbenmaschine hat gegenüber diesen den Vorteil, daß z. B. ein Fluiddruck in abgegrenzten Masse- bzw. Volumenseinheiten und in ganz bestimmtem Umfang abgebaut bzw. in mechanische Energie überführt werden kann. Außer den hier vorgestellten Bei spielen sind diverse Variationen dieses Konstruktionsprinzips für unterschiedliche Zwecke nutzbar.

3.19. Drehhubkolhenmotor Funktion

Dieses Konstruktionselement ist ein Motor mit rotierenden Hubkolben und kontinuierlicher Verbrennung.

Konstruktionsprinzip

Dieser Motor basiert auf obigem Drehhubkolbengetriebe bzw. obiger Drehhubkolbenmaschine sowie oben beschriebener Brennkammer. Dieser Motor weist drei Funktionselemente auf: ein Pumpe liefert durch eine Vielzahl von Zylindern einen kontinuierlichen Strom komprimierter Verbrennungsluft, in einer Brennkammer wird kontinuierlich Brennstoff zugeführt und verbrannt, in einer Turbine wird der hohe Druck sowie die Geschwindigkeit der Abgase wiederum durch eine Vielzahl von Zylindern in mechanische Energie überführt.

Konstruktive Ausführung

In Bild 24, linke Darstellungsspalte, sind schematisch und beispielhaft drei Querschnitte durch einen Motor dieser Konstruktionsprinzipien dargestellt. In Bild 24, oben links, ist zunächst der Pumpenteil dieses Motors schematisch und beispielhaft dargestellt. Der Aufbau dieser Pumpe ist analog zu der Drehhubkolbenmaschine, welche oben detailliert beschrieben ist. Im Gehäuse (GE) ist eine Exzenterwelle (A-24) drehbar gelagert. Fest verbunden mit dieser Exzenterwelle ist eine Exzenterscheibe (B-24). Zwischen den Achsen der Exzenterwelle und der Exzenterscheibe ist ein Abstand gegeben, welcher im folgenden "Exzentrität" genannt wird. Die Exzenterscheibe ist ihrerseits mittig in einem Kolben (C-24) drehbar gelagert. Der Kolben ist in einem Zylinderrotor (D-24) so gelagert, daß er lineare Bewegungen von einer Seite des Zylinderrotors zur anderen ausführen kann. Im Zylinderrotor sind entsprechende Aussparungen in der Richtung eines Durchmessers angelegt, in welchen der Kolben sich bewegen kann bzw. durch welche das Volumen der Zylinder (E-24 und F-24) abgebildet wird. Der Kolben wird beidseitig genutzt. Der Zylinderrotor ist im Gehäuse gelagert und ist drehbar um die Rotationsachse (RA). Der Zylinderrotor und die Exzenterwelle drehen gleichsinnig, die Exzenterwelle jedoch mit der doppelten Drehzahl des Zylinderrotors. In den Abbildungen ist eine Drehung im Uhrzeigersinn unterstellt.

In Bild 24, oben links, ist eine Situation dargestellt, in welcher sich der Kolben (C-24) in seinem oberen Totpunkt befindet. Der Zylinder F-24 hat sein minimales Volumen erreicht und seinen Kompressionstakt abgeschlossen. Kurz zuvor hat dieser Zylinder F-24 zum Ende seines Kompressionstakt die komprimierte Verbrennungsluft an einen Kanal (G-24) abgegeben, welcher im folgenden "Druckluftkanal" genannt wird. Vorteilhaft ist, wenn das Fluid aus dem Zylinder in tangentiale Richtung in den Druckluftkanal einströmt, damit sich dort eine starke Drallströmung oder gar Potentialdrallströmung ausbilden wird. Der Zylinder F-24 wird durch weitere Drehung im Uhrzeigersinn nun ein Einlaßtakt durchführen. Dazu wird Verbrennungsluft angesaugt bzw. bereitgestellt in einem Kanal (H-24), welcher im folgenden "Luftkanal" genannt wird. Es wird wiederum vorteilhaft sein, wenn in diesem Luftkanal eine Drallströmung ansteht, damit diese möglichst reibungsfrei in den großflächigen Einlaßbereich (I-24) einströmen kann. Dieser Einlaßbereich umfaßt nahezu 180 Grad.

Der Zylinder E-24 hat diesen Einlaßtakt gerade abgeschlossen und geht nun in den Kompressionstakt über. Durch einen Kolben (C-24) wird damit je Umdrehung des Zylinderrotors zwei mal komprimiertes Fluid in den Druckluftkanal abgegeben. Es wird vorteilhaft sein, mehrere Kolben einzusetzen, jeweils entsprechend zueinander versetzt, so daß ein nahezu kontinuierlicher Fluidstrom mit starkem Drall und hohem Druck im Druckluftkanal gegeben ist.

In Bild 24, unten links, ist eine entsprechende Turbine dargestellt, welche prinzipiell analog zur vorigen Pumpe angelegt ist bzw. oben detailliert beschriebener Drehhubkolbenmaschine entspricht. Hier wird in einem Kanal (J-24) Abgas hohen Drucks, hoher Geschwindigkeit und in einer Drallströmung angeliefert. Dieser Kanal wird im folgenden "Druckabgaskanal" genannt. Durch die Öffnungen im Gehäuse wie im Zylinder fließt dieses Fluid in den Zylinder. Der Druck wird über den Kolben an die Exzenterwelle weiter gegeben. Das Einströmen des Fluids mit hoher Geschwindigkeit übt darüber hinaus einen Drehimpuls auf die Zylinder innenwandung aus. Vorzugsweise wird auch durch eine entsprechende, schaufelförmige Formgebung der Kolbenoberfläche diese Funktion einer Turbinenschaufel zusätzlich genutzt werden. Die Öffnungen des Gehäuses und des Zylinders sind nur eine kurze Zeit deckend, die restliche Phase dient der Expansion des Fluids, so daß der Druck des Fluids abgebaut und in mechanische Bewegungsenergie umgewandelt wird.

In Bild 24, unten links, hat der Zylinder E-24 seinen Expansionstakt abgeschlossen, das Abgas kann danach über den großflächigen Auslaßbereich (L-24) in einen Kanal (K-24) fließen. Dieser Kanal wird im folgenden "Abgaskanal" genannt. Auch hier wird wieder vorteilhaft sein, die Abgase tangential in diesen Abgaskanal einzuleiten. Es ist damit eine Drallströmung im Abgaskanal gegeben, die einer weiteren Verwendung zuge führt werden kann.

Zwischen den Funktionselementen der Pumpe und der Turbine ist die Brennkammer angeordnet. Diese Brenn kammer kann unterschiedlich gestaltet werden. Vorteilhaft ist jedoch eine Brennkammer der oben detailliert dargestellten Bauart. Einzelheiten zu dieser sind oben ersichtlich. In Bild 24, Mitte links, ist schematisch und beispielhaft ein Querschnitt durch eine Brennkammer oben beschriebener Bauart dargestellt. Der Druckluft kanal (G-24) erfährt hierbei eine Erweiterung des Rohrdurchmessers, wobei allerdings die Querschnittsfläche zunächst in etwa gleich groß bleibt. Dieses wird erreicht, indem mittig im Druckluftkanal ein runder, vorn und hinten zugespitzter Körper eingebaut wird, welcher hier "Insel" (N-24) genannt wurde. Der Querschnitt des Druckluftkanals hat hier also die Form eines Ringes (M-24). In diesem herrscht eine starke Drallströmung, welche als Drucksperre wirkt. Eventuell können Leitbleche diese Funktion unterstützen.

In diesem mittleren Funktionsbereich kann außerdem der Zylinderrotor nochmals im Gehäuse gelagert sein oder auch die Exzenterwelle. Alle weiteren Details sind im Längsschnitt bzw. der Draufsicht besser darstellbar bzw. zu beschreiben.

In Bild 24, rechts, ist schematisch und beispielhaft ein Draufsicht auf einen Drehhubkolbenmotor dargestellt. Oben ist das Funktionselement der Pumpe dargestellt, mittig das der Brennkammer, unten das der Turbine. Im Gehäuse (GE) ist der Zylinderrotor (D-24) gelagert und drehbar um die Rotationsachse (RA). Im Gehäuse ist die Exzenterwelle (A-24) gelagert und ebenso drehbar um die Rotationsachse. Mit dem Zylinderrotor fest ver bunden ist ein Innenzahnkranz (P-24). Mit der Exzenterwelle fest verbunden ist ein Zahnrad (Q-24) bzw. diese ist dort als Zahnrad ausgeformt. Das Zahnrad steht in Eingriff mit dem Zahnkranz. Das Zahnrad weist einen halb so großen Radius auf gegenüber dem des Zahnkranzes. Die Exzenterwelle dreht damit gleichsinnig wie der Zylinderrotor, jedoch mit doppelter Drehzahl gegenüber diesem.

Auf der Exzenterwelle sind Exzenterscheiben fest montiert, diese in Kolben mittig und drehbar gelagert, diese beweglich gelagert in Aussparungen des Zylinderrotors, in diesen Aussparungen werden die Zylinder abge bildet. Diese Konstruktionselemente sind hier nicht dargestellt. Die gestrichelten Querlinien sollen lediglich anzeigen, daß diverse Zylinder (R-24) hier angelegt sind, hier beispielsweise sieben jeweils beidseitig wirkende Kolben, also insgesamt vierzehn Zylinder in der Pumpe und entsprechend dazu auch in der Turbine.

Durch dicke Linien sind in dieser Draufsicht vielmehr die Funktionselemente des Gehäuses hervorgehoben, um ihre prinzipielle Lage bzw. Anordnung schematisch und beispielsweise zu kennzeichnen. Der Luftkanal (H-24) erstreckt sich über alle Zylinder der Pumpe. Seine Einlaßbereiche umfassen nahezu 180 Grad. Aus diesen fließt Luft im Einlaßtakt in die Zylinder. Die Exzenterscheiben müssen dabei natürlich gegeneinander versetzt ange ordnet werden, damit die Takte des Einlaß und der Komprimierung der diversen Zylinder in entsprechender zeitlicher Abfolge ausgeführt werden. Das Ergebnis der Kompressionstakte in Form von komprimiertem Fluid wird in den Druckluftkanal (G-24) abgegeben.

Durch die tangentiale Einleitung des Fluids in diesen Druckluftkanal wird in diesem eine außerordentlich starke Bewegungskomponente in Drallrichtung gegeben sein. Es wird hier darauf hingewiesen, daß in diesem Druckluftkanal damit das Phänomen eines "Wirbelrohres" auftreten wird. In diesem Druckluftkanal wird das Fluid entsprechend des Drucks größere Wärme aufweisen als das Fluid im Luftkanal, also vor der Komprimierung. Die meßbare Temperatur eines Fluids stellt jedoch nur einen Mittelwert dar, welcher sich aus Molekularbewegungen höchst unterschiedlicher Geschwindigkeit und Energie ergibt. Die Masse des Fluids wird (hier nach unten) in Richtung Brennkammer abfließen. Am anderen Ende des Druckluftkanals (hier nach oben) könnte mittig eine Öffnung angebracht werden und das Wirbelrohr-Phänomen zu beobachten bzw. zu nutzen sein: dort wird Fluid mit relativ geringem Druck und außerordentlich geringer Wärme austreten. Die Temperatur dieses Fluids wird weit unterhalb der des Fluids im Luftkanal sein, sogar unter dem Gefrierpunkt. Diese Fluidmenge könnte zurück geführt werden in den Luftkanal, um den Effekt einer Ladeluftkühlung zu erreichen. Diese Fluidmenge könnte andrerseits einem Kondensator zugeführt werden, wenn z. B. diesem Motor eine Dampfturbine nachgeschaltet wird. Dieses Phänomen ist bekannt, Wirbelrohre sind in praktischem Einsatz, die Gründe dieser Erscheinung sind nicht abschließend geklärt, auch hier nicht näher untersucht.

Der Druckluftkanal (G-24) ist hier oben mit gleichbleibendem Radius dargestellt) um auf das angesprochene Phänomen hinzuweisen. Der Druckluftkanal könnte auch von Anfang an zunehmenden Radius aufweisen.

In Bild 24, rechts mittig, sind die Funktionselemente der Brennkammer schematisch und beispielhaft darge stellt. Wesentliches Kennzeichen dieser Brennkammer ist zunächst, daß der Rohrdurchmesser des Druckluft kanals hier eine Erweiterung erfährt, wobei in diesem Bereich mittig ein runder, vorn und hinten zugespitzter Körper (N-24) eingebaut ist, welcher hier "Insel" genannt wird. Die dem Fluid zur Verfügung stehende Quer schnittsfläche bleibt damit im Prinzip zunächst gleich. Der Querschnitt des Druckluftkanals (M-24) ist in diesem Bereich ringförmig. Die flächige Strömung mit starkem Drall in diesem Bereich wirkt als Drucksperre. Die Zeichnungen sind nur schematisch und keinesfalls maßstabsgerecht. Die obere Spitze der Insel könnte z. B. viel weiter in den Druckluftkanal nach oben reichen.

Etwa im Bereich des größten Rohrdurchmessers sind die Funktionselemente der Brennstoffzufuhr sowie der Zündung (O-24) anzuordnen. Diese sind hier nicht detailliert dargestellt und nach bekannter Technik zu gestalten. Wesentlich jedoch ist, daß im weiteren Verlauf zunächst die dem Fluid zur Verfügung stehende Querschnittsfläche größer wird, insbesonders durch die geringer werdenden Radien der Insel. Auch der Rohr querschnitt ist dann zu verringern. Details dieser Brennkammer, z. B. der Einsatz von Leitblechen, sind oben dargestellt. Durch diese Maßnahmen ergibt sich eine vorwärts gerichtete Strömung mit starker Drallkom ponente und es wird sich eine Potentialdrallströmung im anschließenden Druckabgaskanal (I-24) bilden. Aus diesem Kanal fließt das Fluid in die Zylinder der Turbine, von dort in den Abgaskanal (K-24). Die dort anstehende Drallströmung kann anderweitig verwertet werden, z. B. in einem Abgasturbolader.

Besondere Eigenschaften

Dieser Drehhubkolbenmotor weist alle Vorteile auf, welche aufgrund obigen Drehhubkolbengetriebes bzw. obiger Drehhubkolbenmaschine gegeben und dort aufgeführt sind. Darüber hinaus ergibt sich aus der klaren Trennung der Funktionen Kompression, Verbrennung und Expansion die Möglichkeit, diese jeweils optimal gestalten, z. B. die Pumpe und Turbine unterschiedlich dimensionieren zu können. Durch diese Trennung bleiben beispielsweise die Zylinder der Kompression relativ kalt und wird andrerseits im Expansionstakt durch die heißen Zylindenwandungen dem Prozeß nicht frühzeitig Energie entzogen. Die kontinuierliche Verbren nung bringt andrerseits Vorteile, welche sonst nur in Strömungsmaschinen verfügbar sind. Durch die aus schließlich rund drehenden Bauteile reicht dieser Motor auch in Drehzahlbereiche, die ansonsten Strömungs maschinen vorbehalten sind. Dieser Motor gibt jedoch auch schon im unteren Drehzahlbereich Leistung ab, weil hier alt-bewährte Hubkolbentechnik eingesetzt wird. Und all dieses ist mit einem außerordentlich geringem Bauaufwand und bei vergleichsweise extrem kleinen Dimensionen machbar. Dieser Drehhubkolben motor stellt damit ein Motor völlig neuer Qualität und Dimension dar.

3.20. Tangentialturbine Funktion

Dieses Konstruktionselement ist geeignet, die kinetische Energie bzw. die Druckenergie eines Fluids in mechanische Energie zu überführen.

Konstruktionsprinzipien

Hier wird zunächst die prinzipielle Gestaltung der Schaufeln eines Rotors diskutiert. Vorweg sind prinzipielle Probleme der Energieumsetzung durch Schaufeln zu klären. Dazu dienen einige schematische Darstellungen in Bild 25.

In Bild 25, oben links, ist schematisch ein Längsschnitt durch einen Rotor (RO) dargestellt, welcher um eine Rotationsachse (RA) drehbar ist. Bei Gast- oder Dampfturbinen, teilweise auch bei Wasserturbinen, wird ein Fluidstrom (A-25) seitlich auf eine solche Rotorscheibe gelenkt, der Fluidstrom durch Schaufeln unterschied licher Bauart (beispielsweise der prinzipiellen Formen wie bei B-25 und C-25 dargestellt) umgelenkt, wonach der Fluidstrom den Rotor wieder auf gleichem Radius verläßt. Schon oben in der Diskussion der physiltalischen Grundlagen wurde die Problematik dieser Art Umlenkung dargestellt. Solche Schaufeln weisen stets eine Druck- und eine Sogseite auf. Nur die Umlenkung des Fluids an der Druckseite ist produktiv. Jegliche Umlenk ung durch Sog ist vollkommen wertlos. Zudem ergibt sich zwischen diesen Schaufeln automatisch turbulente Strömung. Besonders bei Wasserturbinen werden darum nur relativ wenige Schaufeln eingesetzt. Der Fluid strahl zwischen den Schaufeln weist damit jedoch eine relativ große Querschnittsfläche auf. Dadurch wird ein großer Teil der Energie des Fluids nur mittelbar auf den Rotor übertragen und ein beachtlicher Teil fließt durch den Rotor ohne Abgabe von Energie an diesen. Der Fluidstrom (D-25) wird bei dieser Art von Schaufeln im Prinzip um etwa 90 Grad umgelenkt. Vorteilhaft bei dieser Art Umlenkung ist, daß diese Umlenkung senkrecht zum Radius erfolgt, die Druckseite prinzipiell zur Rotationsachse parallel verläuft (durch die dünne Hilfslinie dargestellt).

In Bild 25, Mitte links, ist eine andere prinzipielle Bauart von Rotor bzw. Schaufeln dargestellt. Beispielsweise bei Wasserturbinen wird bevorzugt der Fluidstrom (E-25) in radialer Richtung auf den Rotor gelenkt, durch Schaufeln umgelenkt, so daß der Fluidstrom den Rotor in axialer Richtung verläßt. Diese Art Umlenkung besteht im Prinzip aus zwei Umlenkungen. In Bild 25, mittig, ist schematisch ein Querschnitt durch einen Rotor (RO) dargestellt, welcher sich um die Rotationsachse (RA) dreht. In dieser Darstellung ist die eine Umlenkung dargestellt. Der von außen anströmende Fluidstrom (F-25) weist vorwiegend in tangentiale Richtung und wird in radiale Richtung umgelenkt. Dieser prinzipiell in radiale Richtung weisende Fluidstrom (G-25) wird zum andern dann in axiale Richtung umgelenkt. Damit wird erreicht, daß der Fluidstrom zwei mal um rund 90 Grad umgelenkt wird. Prinzipiell ist damit ein höherer Anteil der Energie des Fluids umsetzbar. Vorteilhaft ist auch, daß bei dieser Art Umlenkung die Schaufeln nur wenig Profil aufweisen müssen. Die dem Fluid zur Verfügung stehende Querschnittsfläche ist damit relativ konstant. Die Strömung zwischen den Schaufeln ist damit weniger turbulent, auch weil die Stromlinien einen gewendelten Bahnverlauf aufweisen. Nachteilig dagegen ist, daß aus dieser Art Umlenkung Kraftkomponenten sowohl in radialer wie axialer Richtung resultieren, welche hinsichtlich der gewünschten Energieumsetzung unproduktiv sind.

Die besten Wirkungsgrade werden mit Freistrahlturbinen erreicht. In Bild 25, unten links, ist deren prinzipielle Arbeitsweise schematisch dargestellt anhand eines Längsschnitts bzw. einer Draufsicht. Der Fluidstrom (H-25) wird in tangentialer Richtung auf den Mantel des Rotors gelenkt. Aus Symmetriegründen wird er geteilt in zwei Ströme. Beide werden um nahezu 180 Grad umgelenkt. Die Umlenkung der Ströme (I-25) erfolgt in Summe nahezu vollkommen senkrecht zur radialen Richtung. Es wird praktisch nur eine Kraftkomponente in der gewünschten tangentialen Richtung erzeugt. Vorteilhaft an dieser Art Umlenkung ist zudem, daß die Schaufeln keine Sogseite aufweisen, d. h. die Umlenkung ausschließlich per Druckwirkung erfolgt. Damm erreichen die Freistrahlturbinen die besten Wirkungsgrade. Nachteilig an bekannten Bauformen dieser Turbinen ist lediglich, daß nur relativ wenige Schaufeln und ebenso nur relativ wenige Düsen einsetzbar sind. Dadurch ist in den Schaufeln kein kontinuierlicher Kraftschluß gegeben, sind die Strömungsverhältnisse nicht konstant. Jeweils zu Beginn und am Ende des auf die Schaufeln treffenden Teilstrahles geht Energie verloren. Dennoch ist diese Art der Umlenkung prinzipiell die vorteilhafteste und sollte generell eingesetzt werden.

Diese Art Umlenkung ist beispielsweise keinesfalls auf eine Anordnung der Schaufeln am Mantel des Rotors beschränkt. In Bild 25, unten mittig, ist schematisch dargestellt, daß ein Fluidstrom (I-25) auf eine Rotor scheibe in tangentialer Richtung gelenkt werden kann, und zwar seitlich in Richtung auf die Rotorscheibe. Innerhalb des Rotors kann dann eine Umlenkung in radiale Richtung erfolgen, hier nach innen dargestellt, prinzipiell ebenso in einen nach außen gerichteten Strahl. Dieser dann in radiale Richtung weisende Fluid strom kann zum andern nochmals umgelenkt werden zurück in tangentiale Richtung. Auch hierbei wird also eine Umlenkung von insgesamt etwa 180 Grad erreicht und erfolgt die Umlenkung in Summe senkrecht zum Radius, ergibt sich also nur die gewünschte Kraftkomponente in tangentialer Richtung.

Ein prinzipielles Kennzeichen der Gestaltung von Schaufeln bzw. des Rotors nach dieser Erfindung ist also, daß generell eine Umlenkung des Fluidstromes um 180 Grad erreicht werden soll. Prinzipiell ist das nur zu erreichen durch zwei Umlenkungen von etwa 90 Grad.

Wenn der Fluidstrom im Prinzip tangential auf den Mantel eines Rotors gerichtet ist, müssen die Umlenkungen prinzipiell zunächst in axiale Richtung erfolgen und anschließend wieder in tangentiale Richtung, analog zur prinzipiellen Bauweise der Freistrahlturbinen. Wesentlich bei dieser tangentialen Anströmung auf den Mantel eines Rotors ist also, daß das Anströmen und Abfließen des Fluids auf unterschiedlicher axialer Ebene erfolgen.

Wenn der Fluidstrom im Prinzip tangential und seitlich auf eine Rotorscheibe gerichtet ist, müssen die Um lenkungen prinzipiell zunächst in radiale Richtung erfolgen und anschließend wieder in tangentiale Richtung.

Wesentlich bei dieser tangentialen Anströmung auf die Seitenwand einer Rotorscheibe ist also, daß das Anströmen und Abfließen des Fluids auf unterschiedlicher radialer Ebene erfolgen. Dieses Prinzip ist teilweise z. B. bei Francisturbinen realisiert.

Beide Bauprinzipien sind in aller Regel auf Wasserturbinen beschränkt. Wesentliches Kennzeichen dieser Erfindung ist, diese Bauprinzipien auch auf Gas- und Dampfturbinen anwendbar zu machen. Dazu sind jedoch noch einige bereits in den physikalischen Grundlagen dargestellten Prinzipien anzuwenden. Diese sind im wesentlichen: das Fluid muß in nahezu tangentialer Richtung vom Gehäuse an den Rotor übergeben werden. Dieses gilt prinzipiell auch für Fluidströme aus dem Rotor zurück in das Gehäuse. Das Fluid muß in einem relativ dünnen Strahl auf Teile des Rotors aufprallen, damit die kinetische Energie aller Fluidteile möglichst unmittelbar an den Rotor abgegeben werden kann. Es muß eine kontinuierliche Fluidströmung auch innerhalb der Schaufeln organisiert werden, wobei vorzugsweise Drallströmungen zu erzeugen bzw. zu erhalten sind. Die Umsetzung der Energie des Fluids in mechanische Energie muß ausschließlich durch Druckwirkung erfolgen. Die Schaufel dürfen darum keine Sogseite aufweisen. Diesen Kriterien entsprechen die nachfolgend vorge stellten Konstruktionsprinzipien und dementsprechende Konstruktionselemente.

In Bild 25, oben rechts, ist schematisch der äußere Bereich eines Rotormantels dargestellt (L-25 und M-25), lediglich ein Ausschnitt eines Querschnitts. Die Lage der Rotationsachse dieses Rotors ist links außerhalb der Zeichnung unterstellt. Gegenüber gängigen Turbinen ist eine vielfach höhere Anzahl Schaufeln zu installieren. Die Schaufeln bestehen aus einer Innenwandung, welche einen möglichst spitzen Winkel zur tangentialen Richtung aufweist. Diese Innenwandungen überlappen sich und sind mit einem Boden verbunden. Bei L-25 ist diese Schaufelform mit geraden Wandungen nur schematisch dargestellt. Bei M-25 ist beispielsweise darge stellt, daß dieser Boden auch gerundet sein kann.

In Bild 25, unten rechts, ist die prinzipielle Schaufelform schematisch aus drei Blickrichtungen nochmals dargestellt in größerem Maßstab. N-25 kennzeichnet zunächst den äußeren Bereich eines Rotormantels. Vereinfachend ist dieser Mantel hier ohne Wölbung dargestellt. Eine Innenwandung (0-25) weist einen möglichst spitzen Winkel zum Mantel auf. Eine zweite Innenwandung (P-25) ist dargestellt, welche mit der ersten Innenwandung überlappend ist. Beide Innenwandungen sind verbunden durch einen Boden (Q-25). Die Schaufel besteht also aus einem offenen Bereich (R-25), welcher im folgenden "Schaufelöffnung" genannt wird. Im Bereich der Überlappung der Innenwandungen besteht die Schaufel aus einem nach außen geschlossenen Bereich (S-25), welcher im folgenden "Schaufeltasche" genannt wird. Diese Schaufeltasche (5-25) wird also im Querschnitt gebildet durch eine Innenwandung (hier O-25), den Schaufelboden (hier Q-25) sowie eine nach folgende Innenwandung (hier P-25), welche die Außenseite der Schaufeltasche darstellt. In Bild 25, ganz unten rechts, ist schematisch die Sicht in tangentialer Richtung auf den Rotormantel dargestellt. Die Schaufelöffnung (R-25) befindet sich stets am Mantel, die Schaufeltasche (S-25) mit dem Schaufelboden befindet sich etwas innerhalb des Rotors. Darüber ist schematisch die Sicht in Richtung Rotationsachse dargestellt.

Oben ist die Schaufelöffnung (R-25), darunter die Schaufeltasche (5-25). Der Boden dieser Schaufeltasche ist rund, was hier durch den gestrichelten Kreisbogen dargestellt wird. Ein links in die Schaufelöffnung ein tretender Fluidstrom wird am Boden umgelenkt um rund 180 Grad und verläßt rechts die Schaufelöffnung. Die dicke gestrichelte Linie zeigt diesen prinzipiellen Bahnverlauf des Fluids in dieser Art von Schaufeln.

In Bild 25, unten rechts, wurde zuvor der Bereich N-25 als äußerer Bereich eines Rotormantels bezeichnet. Die Schaufelöffnung (R-25) weist damit an diesem Mantel nach außen. Der Bereich N-25 kann jedoch auch als Draufsicht auf eine Rotorscheibe betrachtet werden. An der rechten Seite dieser Rotorscheibe wären damit entsprechende Schaufelöffnungen angebracht. Die Umlenkung des Fluids entspricht dann der in Bild 25, unten mittig, dargestellten Form. Das dort tangential anfließende Fluid (J-25) ist seitlich auf die Rotorscheibe gerichtet. Dessen Umlenkung um rund 180 Grad (K-25) kann in entsprechender Weise durch obige Schaufel erfolgen. Diese Schaufelform kann prinzipiell also am Mantel eines zylinderförmigen Rotors oder an der Seitenfläche eines scheibenförmigen Rotors eingesetzt werden, selbstverständlich auch in Kombinationen daraus bzw. diagonaler Anordnung.

In Bild 26 sind nun einige weitere Details dieser Schaufel dargestellt sowie einige Bauvarianten. In Bild 26, oben links, ist zunächst der äußere Bereich eines Rotors (RO) dargestellt mit einer Schaufelöffnungen (A-26) und einer Schaufeltasche (B-26). Der Boden dieser Schaufeltasche ist hier beispielsweise gerundet ausgeführt. In Bild 26, oben mittig, ist die Sicht auf den Mantel dieses Rotors schematisch dargestellt. Der Boden der Schaufeltasche (B-26) ist auch in dieser Richtung gerundet. Darunter ist die Sicht aus tangentialer Richtung auf diesen Bereich des Rotormantels dargestellt. Die Schaufelöffnung befindet sich außen am Rotormantel, die Schaufeltasche reicht in den Rotor hinein, wobei der Boden (B-25) der Schaufeltasche einen prinzipiell nach innen geschwungenen Verlauf aufweist.

In Bild 26, oben rechts, ist schematisch und beispielsweise ein Querschnitt durch den Mantel eines Rotors dargestellt. Dieser Ausschnitt entspricht prinzipiell einer Freistrahlturbine. Aus Symmetriegründen sind hier zwei Schaufeln (C-26) oben beschriebener Bauart neben einander im Rotor (RO) installiert. Die Rotationsachse ist hier nicht eingezeichnet, sie ist als waagrecht oberhalb der Zeichnung liegend unterstellt. Im Gehäuse (GE) befindet sich der Einlaßbereich, in welchem der Fluidstrom (D-26) in tangentialer Richtung auf den Mantel des Rotors gerichtet ist. Darstellbar hier ist in der Zeichnungsebene nur die radiale Komponente dieser Bewegungs richtung. Die tangentiale Bewegungskomponente ist von oben auf die Zeichnungsebene gerichtet. Der Fluid strom (D-26) ist mittig auf die beiden Schaufeln (C-26) gerichtet, wird in deren Schaufeltaschen umgelenkt und der Fluidstrom (E-26) tritt aus dem Rotor aus, wiederum in tangentialer Richtung (wobei in dieser Sicht wiederum nur die radiale Richtungskomponenten darstellbar ist).

Gegenüber bekannten Freistrahlturbinen weist dieses Konstruktionsprinzip wesentliche Vorteile auf: der Zufluß, die Umlenkung und der Abfluß stellen einen kontinuierlichen Fluidstrom dar mit konstanten Strömungsbedingungen. Es ist also stets ein Kraftschluß gegeben. Es sind vergleichsweise viele Schaufeln zu installieren, so daß in einem relativ dünnen Fluidstrahl möglichst viele Fluidteile ihre Energie unmittelbar an den Rotor abgeben können. Die Schaufeln dieses Konstruktionsprinzips weisen wie die bekannter Freistrahl turbinen keine Sogseiten auf. Bei bekannten Freistrahlturbinen geht Energie durch ein Ausweichen des Strahls bzw. durch "Spritzwasser" dem Prozeß verloren, insbesonders zu Beginn und am Ende jeden Teilstrahles. Bei Schaufeln dieses Konstruktionsprinzips hier erfolgt die Umlenkung dagegen in Schaufeltaschen. Das Fluid kann darin während der Umlenkung seitlich nicht ausweichen. Die gesamte Fluidenergie kann also umgesetzt werden.

Bei flüssigem Fluid bzw. Fluid hoher Dichte kann die Energie dieses Fluids in einem einzigen Prozeßschritt umgewandelt werden, beispielsweise bei Wasserturbinen durch diese einmalige Umlenkung um etwa 180 Grad. Bei Gas- oder Dampfturbinen dagegen kann die Druckenergie dieser Fluide in aller Regel nur durch mehrere Prozeßabschnitte ausreichend genutzt werden. Vorstehendes Konstruktionsprinzip ist geeignet, solche Prozesse der Energieumwandlung wiederholt auszuführen. Diese wesentliche Variante dieses Konstruktionsprinzips wird in Bild 26, mittlere Darstellungszeile, schematisch dargestellt.

In Bild 26, mittlere Darstellungszeile, links, ist zunächst der Mantelbereich entsprechend obiger Darstellung nochmals gezeichnet. Er zeigt eine Schaufelöffnung (A-26) sowie eine Schaufeltasche (B-26). Das Fluid strömt vorwiegend tangential in die Schaufelöffnung ein (hier also von oben rechts nach unten links), wird in der Schaufeltasche umgelenkt und fließt in umgekehrter Richtung wieder durch die Schaufelöffnung aus (auf unterschiedlicher axialer Ebene, hier also von unten links nach oben rechts). Links davon ist nun ein Bereich des Gehäuses (GE) dargestellt mit entsprechenden Schaufeln, welche jedoch in entgegen gesetzte Richtung weisen. In den Schaufelöffnungen (F-26) des Gehäuses wird der Fluidstrom entgegen genommen (hier also von unten links nach oben rechts), in den Schaufeltaschen (G-26) des Gehäuses umgelenkt, so daß der Fluidstrom die Schaufelöffnung (F-26) des Gehäuses wieder in umgekehrter Richtung verläßt (hier also von oben rechts nach unten links). Der Fluidstrom wird damit wieder in seiner ursprünglichen Richtung gegen den Rotormantel gelenkt. Der Prozeß der Umlenkung und damit der Energieumsetzung kann damit wiederholt werden.

In Bild 26, mittlere Darstellungszeile, mittig, sind schematische Darstellungen analog obiger dargestellt. In der Sicht auf den Rotormantel weist diese Schaufel im Prinzip einen U-förmigen Querschnitt auf. Unten ist die Schaufeltasche (B-26), oben die Schaufelöffnung. Hier nun ist zweckmäßig zu unterscheiden zwischen einem Teil der Schaufelöffnung, in welchem das Fluid in die Schaufel einströmt. Dieser Teil wird im folgenden "Schaufeleinlaß" (I-26) genannt. Entsprechend gibt es einen Teil der Schaufelöffnung, aus welchem das Fluid die Schaufel verläßt und entsprechend wird dieser Teil im folgenden "Schaufelauslaß" (J-26) genannt. Zwischen beiden Teilen ist hier ein Steg (H-26) eingezeichnet, welcher am Mantel durchgängig angebracht ist. Darunter ist entsprechend zu obiger Darstellung wiederum die Sicht tangential zum Rotormantel dargestellt. Anstelle der obigen Schaufelöffnung (A-26) zeigt sich dann hier der Schaufeleinlaß (I-26) und Schaufelauslaß (J-26), zwischen beiden der Steg (H-26). Solche Stege (H-26) weisen sowohl die Schaufeln des Rotors wie die des Gehäuses auf, sie verlaufen entlang der Außenfläche des Rotormantels und entlang der gegenüberliegenden Gehäusefläche. In bzw. mittels dieser Stege erfolgt die erforderliche Dichtung zwischen den Prozeßabschnitten.

In Bild 26, mittlere Darstellungszeile, rechts, zeigt ein schematischer Querschnitt in Ausschnitten die prinzipielle Anordnung dieser Konstruktionselemente zueinander. Im Gehäuse (GE) befindet sich ein Kanal, welcher der Zuführung des Fluidstromes (K-26) dient. Dieser Fluidstrom ist nahezu tangential auf den Mantel des Rotors (RO) gerichtet. Durch den Schaufeleinlaß (I-26) strömt das Fluid in die Schaufel des Rotors, wird in der Schaufeltasche (B-26) umgelenkt und verläßt den Rotor durch den Schaufelauslaß (J-26). Der Fluidstrom fließt nun in nahezu tangentialer Richtung in eine entsprechende Schaufel des Gehäuses ein und wird in deren Schaufeltasche (G-26) umgelenkt um nahezu 180 Grad. Dieser Prozeß kann wiederholt ausgeführt werden.

In der Zeichnung ist schematisch aufgezeigt, daß die Stege des Rotors (H-26) wie entsprechende Stege des Gehäuses zur Dichtung zwischen den Prozeßabschnitten dienen können. Die Schaufeln des Gehäuses sind gegenüber den Schaufeln des Rotors jeweils um die halbe Schaufelbreite versetzt anzuordnen. Mittig und seitlich an den Schaufeln sind jeweils solche Stege anzuordnen. Diese Dichtungen verlaufen also um den gesamten Rotormantel und müssen mehrmals angelegt sein. Es wird jedoch eine berührungslose Dichtung vollkommen ausreichend sein. Die Manteloberfläche wurde hier prinzipiell als Gerade gezeichnet. Es ist aber beispielsweise durchaus möglich, daß diese Fläche gewellt ist so daß die gesamte Schaufel bogenförmig gekrümmt ist. Die Schaufelöffnungen sind dann nicht gerade und verlaufen dann nicht parallel zur Rotations achse, sondern sind gekrümmt und diagonal zur Rotationsachse angestellt, jeweils der Schaufeleinlaß in anderer Richtung als der Schaufelauslaß. Es wird damit praktisch eine Labyrinthdichtung in großem Maßstab erreicht, welche an den Stegen durch eine Labyrinthdichtung in kleinem Maßstab ergänzt werden kann. Eine solche Ausführung dieses Konstruktionsprinzips ist später ausgeführt.

Ein wesentlicher Vorteil dieser Anordnung dieser Art Schaufeln im Rotor wie im Gehäuse besteht gegenüber bekannten Schaufelrädern und Leitwerken aufgrund des prinzipiellen Bahnverlaufes des Fluidstromes. Die meisten der bekannten Schaufelformen und praktisch alle Leitwerke erzeugen turbulente Strömungen, welche absolut schädlich sind hinsichtlich der Energieumsetzung. Hier dagegen ist der Fluidstrom gleichsinnig und konstant, wird eine fortgesetzte Drallströmung erhalten. Das Fluid strömt von hinten nach vorn durch diese Maschine im Prinzip entlang der Mantellinie. Dabei durchläuft es zugleich eine schraubenförmige Bahn, teilweise im Rotor, teilweise im Gehäuse. In Bild 26, mittlere Darstellungszeile, links im Querschnitt bzw. rechts im Längsschnitt ist diese Bahn leicht zu verfolgen. In dieser Darstellung ist der Bewegungsablauf folgende: das Fluid fließt im Rotor hinten-abwärts und vorn-aufwärts, dann im Gehäuse hinten-aufwärts und vom-abwärts. Es bewegt sich also auf einer Kreisbahn, die allerdings durch die relative Bewegung zwischen Rotor und Gehäuse eine elliptische Bahn darstellt. Diese Strömung ist mit Sicherheit effektiver als turbulente Strömungen oder gar abrupte Richtungswechsel bekannter Konstruktionen.

Eine zweite wesentliche Variante ist in Bild 26 in der unteren Darstellungszeile dargestellt, wiederum in analoger Darstellungsweise zur oberen und mittleren Darstellungszeile. Im vorigen wurde die Anordnung solcher Schaufeln am Mantel eines Rotors behandelt, wobei das Fluid von außen in den Rotor einströmt und auch wieder nach außen abfließt. Alternativ dazu können solche Schaufeln prinzipiell auch so angelegt werden, daß der Fluidstrom prinzipiell von außen nach innen bzw. auch umgekehrt von innen nach außen im Rotor fließt. Der Rotor hat in diesem Fall nicht die prinzipielle Form eines massiven Zylinders, sondern eines Ringzylinders. Diese Alternative ist nachfolgend dargestellt.

In Bild 26, unten links, ist zunächst eine Draufsicht auf den äußeren Bereich eines Rotormantels dargestellt. Dieser Rotor weist eine Außenseite auf, wie bislang rechts unterstellt, sowie eine Innenseite, nun links unter stellt in dieser Darstellung. In diesen Rotor sind Schaufeln eingezeichnet. In die Schaufelöffnung (L-26, analog zu obigen A-26) fließt Fluid von außen ein, in dieser Darstellung also von rechts. Am Boden der Schaufel tasche (M-26, analog zu obigen B-26) wird das Fluid um etwa 180 Grad umgelenkt. Das Fluid tritt nun aber nicht auf der gleichen Rotorseite wieder aus, wie bislang stets unterstellt, sondern auf der anderen Seite, in dieser Darstellung also nach innen bzw. nach links (N-26). Die Innenwandung der Schaufel wird hier also nicht durch eine prinzipiell ebene Fläche dargestellt, sondern weist im Schaufelauslaß in andere Richtung als im Schaufeleinlaß. Die gestrichelten dicken Linien kennzeichnen diese Variante gegenüber den obigen entsprechenden Darstellungen.

In Bild 26, unten, zweite Darstellung von links, ist eine Draufsicht auf diesen Rotormantel schematisch darge stellt. Die Schaufel weist den prinzipiell U-förmigen Querschnitt auf. Unten befindet sich hier die Schaufel tasche (M-26, analog zu obigen B-26). Die Schaufelöffnung darüber weist nun jedoch nurmehr den Schaufel einlaß (L-26, analog zu obigen I-26) auf. Die gestrichtelten Rechtecke zeigen diese Bereiche schematisch an. Der entsprechende Schaufelauslaß (N-26) ist in dieser Darstellung nicht eingezeichnet. Er befindet sich hier rechts vom Schaufeleinlaß (L-26), jedoch auf der anderen, inneren Rotorseite.

In Bild 26, unten, dritte Darstellung von links, ist eine Sicht in tangentialer Richtung auf diese Rotormantel schematisch dargestellt. Der Schaufelauslaß (N-26) weist nun in entgegen gesetzte Richtung zum Schaufel einlaß (L-26). Der runde Boden der Schaufeltasche (M-26) weist nun eine geschwungenen Verlauf auf. Die oben dargestellten Schaufeln hatten im Schaufeleinlauf bislang nur an beiden Seiten Wandungen, welche unten in den Boden der Schaufeltaschen übergehen. Diese Variante von Schaufeln weist zusätzlich eine Mittelwand auf im Bereich der Schaufelöffnungen. Sie ist in dieser Darstellung oben als senkrechte Linie eingezeichnet. Darunter ist sie als geschwungen Linie eingezeichnet, wodurch sich ein strömungsgünstiger Verlauf im Schaufeleinlaß (0-26) wie Schaufelauslaß (P-26) ergibt. Ebenso wurden bislang die Seitenwände der Schaufel öffnungen als Gerade gezeichnet. Selbstverständlich können diese gerundet sein, ebenso wie der Boden der Schaufeltaschen. Die Seitenwände wie diese Mittelwand müssen nur direkt am Rotormantel eine Gerade darstellen.

In Bild 26, unten rechts, ist analog zu oben wiederum ein Ausschnitt eines Querschnitts schematisch darge stellt. Im Gehäuse (GE) ist ein Kanal, in welchem der Fluidstrom (Q-26) tangential von außen zum Mantel des Rotors gelenkt wird. Durch den Schaufeleinlaß (O-26) fließt er in den Rotor und wird am Boden der Schaufel tasche (M-26) umgelenkt. Der Fluidstrom (R-26) verläßt den Rotor durch den Schaufelauslaß (P-26) nach innen. Der Rotor bildet in diesem Bereich also einen ringförmigen Zylinder. Die Rotationsachse ist hier nicht eingezeichnet, ihre Lage ist als Waagrechte weiter oben in der Zeichnung unterstellt.

Diese Konzeption weist alle Vorteile der Freistrahlturbine auf, wie sie oben beschrieben wurde und anhand der Darstellungen ganz oben in Bild 26 schematisch dargestellt ist. Ein zusätzlicher Vorteil hier ist, daß die Zu führung und Abführung des Fluids räumlich getrennt sind. Theoretisch ist auch bei dieser Konzeption der Prozeß wiederholbar, analog zu den in der mittleren Darstellungszeile in Bild 26 dargestellten Lösungen. Wichtiger jedoch ist die oben ebenfalls schon angesprochene Variante, diese Art Schaufeln auf einer Rotor scheibe entsprechend einzusetzen. Der in Bild 26, unten links, dargestellte Bereich eines Rotors könnte in diesem Sinne auch als Draufsicht auf eine Rotorscheibe betrachtet werden. Diese Variante ist in Bild 27 detailliert dargestellt.

Bild 27, oben links, zeigt den Ausschnitt einer Draufsicht auf den Mantel eines scheibenförmigen Rotors (RO). Eingezeichnet sind darin Schaufeln der oben vorgestellten Bauart. Das Fluid wird tangential auf eine Seite dieses Rotors gelenkt. Es fließt durch den Schaufeleinlaß (A-27) in den Rotor, wird in der Schaufeltasche (B-27) um etwa 180 Grad umgelenkt und verläßt den Rotor durch den Schaufelauslaß (C-27) auf der anderen Seite der Rotorscheibe. In Bild 27, oben mittig, ist schematisch ein Querschnitt durch eine Turbine mit dieser Art Schaufeln dargestellt. Der Rotor (RO) dreht sich um die Rotationsachse (RA). Im Gehäuse (GE) ist ein Kanal, durch welchen der Fluidstrom (D-27) in den Schaufeleinlaß (A-27) gelangt und durch den Boden (B-27) der Schaufeltasche umgelenkt wird. Der Fluidstrom verläßt den Rotor durch den Schaufelauslaß (C-27). In Bild 27, oben rechts, zeigt diese Turbine schematisch aus einer dritten Sicht, als Draufsicht auf eine Seite der Rotorscheibe. Dieser Rotor (RO) dreht sich um seine Rotationsachse (RA), hier im Uhrzeigersinn. Am Rand dieser Rotorscheibe sind die Schaufeln angeordnet. Ihr im Prinzip U-förmige Querschnitt ist durch gestrichelte Linien angezeigt. Die Schaufeln sind überlappend angeordnet. Sichtbar in dieser Draufsicht sind der Schaufeleinlaß (A-27). In Deckung mit diesem Bereich befindet sich der Einlaßkanal (D-27) des Gehäuses, welcher durch dicke gestrichelte Linien gekennzeichnet ist. Auf der anderen Seite des Rotors befindet sich der entsprechende Schaufelauslaß bzw. Auslaßkanal des Gehäuses. Die Umlenkung im Rotor ist hier von innen nach außen dargestellt, sie könnte ebenso von außen nach innen erfolgen.

Auch für diese Bauform gelten die oben angeführten besonderen Vorteile. Diese Turbine kann damit als Wasserturbine eingesetzt werden. Besonders vorteilhaft ist diese Konzeption jedoch, wenn der Prozeß der Energieumwandlung wiederholbar sein soll, wie es in Gas- und Dampfturbinen erforderlich ist. Denn damit wird die effektive Umlenkung von jeweils etwa 180 Grad auch in diesem Bereich nutzbar gemacht.

In Bild 27, links, mittig, ist zunächst die Draufsicht auf den Mantel der Rotorscheibe nochmals dargestellt, entsprechend zur Darstellung in Bild 27, oben links. In Bild 26, mittlere Darstellungszeile wurden im Gehäuse analog gebaute Schaufeln angeordnet, welche jedoch in entgegen gesetzte Richtung weisen. Dieses Prinzip ist auch hier anwendbar. Wenn der Fluidstrom durch den Schaufelauslaß (C-27) den Rotor verläßt, fließt er anschließend in den Schaufeleinlaß (F-27) des Gehäuses, wird am Boden (G-27) der Schaufeltasche des Gehäuses umgelenkt und verläßt durch den Schaufelauslaß (H-27) des Gehäuses die Schaufel des Gehäuses. Der Fluidstrom weist nun wieder in die ursprüngliche Richtung und kann erneut den Schaufeln eines Rotors zugeführt werden.

Konstruktive Ausführung

In Bild 27, unten rechts, ist eine Turbine dieser Bauart schematisch und beispielhaft dargestellt. Um die Rotationsachse (RA) ist ein Rotor (RO) im Gehäuse (GE) drehbar gelagert. Im äußeren Bereich des Rotors sind Schaufeln der zuvor beschriebenen Art angeordnet. An drei scheibenförmigen Rotorteilen sind hier sind drei solcher Rotor-Schaufelkränze dargestellt. Auf gleicher radialer Ebene sind entsprechende Schaufeln des Gehäuses angeordnet. Hier sind zwei solcher Strator-Schaufelkränze dargestellt. Das Fluid strömt durch einen Einlaßkanal (D-27) des Gehäuses in tangentialer Richtung auf die erste Seitenwand des Rotors. Das Fluid wird mehrfach umgelenkt wie oben beschrieben. Das Fluid verläßt das Gehäuse durch einen Auslaßkanal (E-27).

Die Ein- und Auslaßbereiche des Gehäuses sind hier nicht näher beschrieben. Ihre Gestaltung ist jedoch von außerordentlicher Bedeutung. Sie sollten nach den oben beschriebenen Prinzipien der Gestaltung des Einlaß bereiches von Turbinen gestaltet sein. Alle hier vorgestellten Bauvarianten dieser Tangentialturbine erfordern eine ringförmige Zuführung des Fluids mit starkem Drall in tangentialer Richtung zum Rotor. Bereits in der Rohrerfindung wie auch hier sind vielfältige Konstruktionselemente dargestellt, welche diese Strömungsform in optimaler Weise gewährleisten.

Schematisch dargestellt ist hier nochmals die prinzipielle Bahn des Fluids durch eine solche Tangentialturbine. Das Fluid fließt durch diese Maschine mit einer axialen Bewegungskomponenten. Diese Bewegungsrichtung wird durch die Innenwandungen der Schaufeln bewirkt, welche in Bezug auf die radiale Ebene einen Winkel aufweisen. Das Fluid fließt zum andern in einer Kreisbahn bzw. elliptischen Bahn. Diese Bewegung wird durch die Umlenkungen am jeweiligen Schaufelboden bewirkt. Die Fläche aller Schaufelböden zeigen im Prinzip ein spiralig gewundenes Band. In Bild 27, links, zweite Darstellung von unten, ist dieses schematisch dargestellt. In einer tangentialen Sicht ist der Schaufelboden von innen (I-27) zu sehen, dann von außen (J-27), wiederum die Innenseite (K-27) und nachfolgend dessen Außenseite (L-27), insgesamt also zeigen die Schaufelböden also den Bahnverlauf eines spiralig gewundenen Bandes. Ein voller Kreisbogen dieses Bandes ist jedoch unterteilt in zwei Hälften, in die Schaufel des Rotor und die Schaufel des Rotors. Dazwischen befinden sich die Schaufel öffnungen, so daß anstelle des Kreises sich annähernd eine elliptische Form des Bahnverlaufes aller Schaufel böden ergibt. In Bild 27, unten links, ist dieses nochmals schematisch dargestellt.

Im schräg angestellten Schaufeleinlaß (M-27) wird das Fluid entgegen genommen und durch den Schaufel boden (N-27) umgelenkt, hier z. B. erfolgt die Umlenkung in die Zeichnungsebene hinein. Im Übergabebereich (0-27) erfolgt vorwiegend die Bewegung in axiale Richtung. Danach kann die erneute Umlenkung durch einen Schaufelboden (P-27) erfolgen, hier z. B. aus der Zeichnungsebene heraus. Die Fluidströmung durch diese Maschine stellt also kreisende Bewegungen dar, welche entlang des Mantels gedehnt sind und zusätzlich eine axiale Komponente aufweisen. Im Gegensatz zu nahezu allen bekannten Turbinenformen ist diese Bewegung eine fortgesetzt gleichsinnige Bewegung harmonischen Verlaufes. Dieses ist Voraussetzung dafür, daß auch innerhalb der Schaufeln wie zwischen Rotor und Gehäuse konstante Strömungsverhältnisse gegeben sind.

In Bild 28 sind andere Beispiele von konstruktiven Ausführungen dieser Tangentialturbine dargestellt, oben zunächst die einer Flußturbine. Es wird dabei ein Turbineneinlauf entsprechend Bild 10 unterstellt.

In Bild 28, oben links, ist schematisch und beispielhaft ein Längsschnitt durch eine Flußturbine dargestellt. Wie oben ausgeführt sollte dabei das Wasser in parabolisch gekrümmten Kanälen (A-28) des Gehäuses (GE) dem Rotor (RO) zugeführt werden, welcher um seine Rotationsachse (RA) drehbar im Gehäuse gelagert ist. Entsprechend oben aufgestellten Kriterien, sollten bei einer im Prinzip tangentialen Anströmung zum Mantel des Rotors in den Schaufeln (B-28) das Wasser zunächst in axiale Richtung umgelenkt werden, danach in radiale Richtung. Wenn entsprechende Freifallhöhe gegeben ist, kann diese Umlenkung insgesamt rund 180 Grad betragen. Wenn diese Freifallhöhe nicht gegeben ist, muß das Wasser am Rotorauslaß noch eine Bewegung aufweisen, d. h. die Umlenkung wird dann beispielsweise insgesamt nur 135 Grad aufweisen.

In Bild 28, oben rechts, ist schematisch und ausschnittsweise ein Querschnitt bzw. eine Draufsicht auf diese Flußturbine dargestellt. Wie oben dargestellt sollten im Gehäuse (GE) die Einlaßkanäle (D-28) auch aus dieser Sicht einen parabolischen Bahnverlauf aufweisen und das Wasser in nahezu tangentialer Richtung an den Mantel des Rotors heran führen. Das Wasser fließt durch einen Schaufeleinlaß (E-28) in den Rotor ein und wird in der Schaufeltasche (F-28) umgelenkt, jedoch um weniger als 180 Grad. Das Wasser fließt durch den Schaufelauslaß (G-28) nach innen aus dem Rotor ab. Die Geschwindigkeit des Wassers ist hier wesentlich reduziert gegenüber der Geschwindigkeit in tangentialer Richtung im Schaufeleinlaß, jedoch nicht auf null.

Es sei hervorgehoben, daß diese Tangentialturbine in Verbindung mit diesem Turbineneinlaufbereich ohne jegliches Leitwerk oder Leitbleche arbeitet. Alle bekannten Leitwerke richten mehr Schaden an als Nutzen. Es ist beispielsweise wesentlich sinnvoller, den Volumendurchsatz einer Wasserturbine ganz hinten zu regulieren.

Eine Regulierung in den Einlaufkanälen durch herkömmliche Schieber und Leitwerke darf keinesfalls erfolgen. In der Rohrerfindung dagegen wurden Leitwerke bzw. Drosselklappen vorgestellt, welche die Aufrecht erhaltung einer Drall- bzw. Potentialdrallströmung gewährleisten ohne schädliche Wirkung.

Diese Gesichtspunkte gelten für den Bau eines Flußkraftwerkes, in verstärktem Maße noch für Speicher kraftwerke. Sobald Wasser in Rohren an einen Rotor heran geführt wird, muß die Strömung Drall aufweisen bzw. sollte Potentialdrallströmung darstellen. Die Steuerung des Volumendurchsatzes muß dabei wiederum ganz hinten erfolgen, dort wo das Wasser erstmals in den Bereich der Rohre einfließt. In der Rohrerfindung wurde ein Konstruktionselement Behälterauslauf bzw. Rohreinlauf detailliert beschrieben. Durch verstellbare Leitbleche am Gehäuse dieses Behälterauslaufes bzw. Rohreinlaufes kann der Volumendurchsatz ohne jeglichen Widerstand und ohne jeden schädlichen Einfluß optimal gesteuert werden.

In Bild 28, unten, ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dieser Tangentialturbine dargestellt. Das Fluid wird hier beispielsweise durch Gehäuseschnecken (H-28 bzw. I-28) des Gehäuses (GE) an den Mantel des Rotors (RO) herangeführt, bzw. durch entsprechende Gehäuseschnecken (J-28 bzw. K-28) wieder abgeleitet. Der Einlauf bereich der Turbine ist nach oben detailliert dargestellten Prinzipien zu realisieren. Die Darstellung hier ist keinesfalls maßstabsgerecht. In den Gehäuseschnecken muß prinzipiell eine Strömung mit starkem Drall gegeben sein, welche praktisch durch eine Düse extrem länglichen Querschnitts tangential an den Rotor heran geführt wird. Ebenso wird zweckmäßig sein, im Auslauf der Maschine eine Drallbewegung zu organisieren.

Der Rotor ist im Gehäuse um seine Rotationsachse (RA) drehbar gelagert. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Schaufel am Mantel eines zylinderförmigen Rotors angeordnet. Das Fluid fließt durch den Schaufeleinlaß (L-28) in den Rotor ein und wird in der Schaufeltasche (M-28) um nahezu 180 umgelenkt. Das Fluid tritt durch den Schaufelauslaß (N-28) wiederum nahezu tangential aus dem Rotor aus. Hier ist schematisch dargestellt, daß dieser Prozeß wiederholt werden kann durch entsprechende Schaufeln des Gehäuses mit in entgegen gesetzter Richtung angeordnetem Schaufeleinlaß (0-28), Schaufeltasche (P-28) wie Schaufelauslaß (Q-28). Im Gegensatz zur entsprechenden Darstellung in Bild 26, rechts, mittig, sind hier die Schaufelöffnungen nicht parallel zur Rotationsachse ausgeführt. Das Fluid erfahrt damit eine stärkere Umlenkung zur axialen Richtung. Es wird damit praktisch eine Labyrinthdichtung zwischen Rotor und Gehäuse bzw. zwischen den einzelnen Prozeßabschnitten erreicht. Eine zusätzliche, berührungslose Dichtung an den Stegen mittig und seitlich an den Schaufeln könnte dennoch sinnvoll sein. Denn damit wird dieses Prinzip der wiederholten Umlenkung des Fluids um nahezu 180 Grad auch für den Einsatz als Gas- bzw. Dampfturbinen anwendbar.

Die Schaufeln sind hier wiederum nur schematisch dargestellt und keinesfalls maßstabsgerecht. Real sind eine Vielzahl von Schaufeln am Umfang des Rotors anzubringen, z. B. entsprechend der Anzahl Schaufeln bekannter Gas- bzw. Dampfturbinen. Anstatt der im Prinzip zylinderförmigen Gestaltung des Rotors kann dieser auch eine im Prinzip konische Gestaltung aufweisen. Wie üblich kann diese Turbine einen Hochdruck- und einen Niederdruckteil aufweisen. Im jeweils nachfolgenden Prozeßabschnitt kann das Volumen der Schaufeln jeweils größer angelegt werden, so daß eine kontinuierliche Entsprannung des Gases bzw. Dampfes beim Durchlauf durch diese Turbine gegeben ist.

Besondere Vorteile

Aufgrund theoretischer Überlegungen wurden hier prinzipielle Anforderungen zur optimalen Umsetzung der Energie eines Fluids in mechanische Energie aufgestellt. Durch die Gestaltung und Anordnung von Schaufeln nach den Konstruktionsprinzipien dieser Tangentialturbine werden diese Anforderungen vollkommen erfüllt.

Das Fluid wird zwischen Rotor und Gehäuse stets nur nahezu in tangentialer Richtung übergeben. Durch relativ kleine Querschnittsflächen der einzelnen Fluidstrahle wird die Energie eines Großteils aller Fluidteile möglichst unmittelbar an Teile des Rotors abgeben. Die Schaufeln weisen keinerlei Sogseite auf. Die Kraft wird ausschließlich per Druck übertragen. Auf der Innenseite der Umlenkung fließt stets Fluid nach bzw. ab. Es sind stets kontinuierliche Strömungen gegeben. Es ist damit ein ständiger Kraftschluß gegeben. Die Umlenkung erfolgt stets mit etwa 180 Grad. Die Kraftkomponente weist ausschließlich in tangentiale Richtung. Das Fluid kann während der Umlenkung in den Schaufeltaschen niemals seitlich ausweichen. Die besonders effektive Technik bekannter Freistrahlturbinen wird dadurch nochmals verbessert. Der Prozeß der Energieumsetzung kann durch einmalige Umlenkung erfolgen. Ein solcher Prozeßabschnitt ist jedoch auch wiederholbar. Damit wird diese effektive Technik der Umlenkung um nahezu 180 Grad auch bei Gas- und Dampfturbinen einsetz bar. Das Fluid weist während des Durchsatzes durch die Turbine stets gleichsinnige Bewegungsabläufe auf Damit sind konstante Strömungsverhältnisse durch die gesamte Turbine gegeben, selbst bei unterschiedlichem Volumendurchsatz. Die Gestaltung von Turbinenschaufeln erfordert enormen Aufwand bei der Konstruktion, beim Bau und durch die erforderlichen praktischen Versuche. Trotz aller Theorie sind Erfahrungswerte oftmals entscheidend. Mit vorstehenden theoretischen Überlegungen wie den daraus abgeleiteten Konstruktions prinzipien sind neue Gesichtspunkte für Turbinen großen Wirkungsgrades und großer Einsatzbreite gegeben.

3.21. Axialturbine Funktion

Dieses Konstruktionselement ist geeignet, die kinetische Energie bzw. die Druckenergie eines Fluids in mechanische Drehbewegung zu überführen, wobei die Fluidströmung prinzipiell axial ist.

Konstruktionsprinzipien

Die in diese Axialturbine einfließende Fluidströmung sollte vorzugsweise Drall aufweisen. Das Fluid sollte die Axialturbine in einem ringförmigen Kanal des Gehäuses vorzugsweise in tangentialer Richtung anströmen. Hinten ist zunächst durch entsprechende Umlenkung der Drall aufzurichten, so daß in Kanälen des Rotors nurmehr eine Fluidströmung parallel zur Rotationsachse, also in axiale Richtung gegeben ist. Diese Rotor kanäle sind so geformt, daß ein Drall gebildet wird, wodurch ein Drehimpuls im Drehsinn des Rotors sich ergibt. Dieser Drall wird dann wieder aufgestellt, wobei Druck lediglich in radialer Richtung entsteht, also nur auf die Rotationsachse gegeben ist. Nach Aufstellen des Dralls ist die prinzipielle Richtung des Fluidstroms wieder parallel zur Rotationsachse. Dieser Prozeß kann also wiederholt werden.

Die Fluidmasse wird dabei von hinten nach vorn schrittweise gegen den Drehsinn des Rotors verlagert. Entsprechend ist ein Impuls im Drehsinn des Rotors gegeben. Vorn in der Axialturbine kann der Fluidstrom an der Vorderwand des Rotors parallel zur Rotationsachse nach außen abgeführt werden oder der Fluidstrom kann vorn vollkommen gegen den Drehsinn umgelenkt werden und nach außen tangential abgeführt werden.

Konstruktive Ausführung

In Bild 29, oben links, sind schematisch drei prinzipielle Möglichkeiten zur Umlenkung eines Fluidstroms in einem Rotor dargestellt. In einer Freistrahlturbine wird z. B. der Fluidstrom (A-29) im Rotor durch ent sprechend geformte Schaufeln (B-29) um nahezu 180 Grad umgelenkt. Der Rotor (RO) erreicht dabei nahezu die Hälfte der Geschwindigkeit des einströmenden Fluidstrahls. Nach hinten tritt der Fluidstrahl (C-29) mit etwa noch halb so großer Geschwindigkeit aus. Rotorgeschwindigkeit und restliche Fluidgeschindigkeit heben sich auf, der "Freistrahl" fällt nurmehr von der Maschine. Nicht bei allen Fluiden kann deren Energie in einem einzigen Umsetzungsprozeß ausreichend genutzt werden. Oder es wird z. B. bei Strahltriebwerken vorn eine verbleibende Strömung parallel zur Rotationsachse gewünscht. Dann kann hinten in der Turbine nur eine Umlenkung von maximal 90 Grad erfolgen.

In Bild 29, obere Darstellungszeile, mittig, ist schematisch ein Ausschnitt eines Querschnitts dargestellt. Um die Rotationsachse (RA) dreht sich ein Rotor (RO) im Uhrzeigersinn. Durch das Gehäuse (GE) wird ein Fluidstrom (D-29) tangential zum Rotor geführt. In Kanälen (E-29) des Rotors wird diese Strömung parallel zur Rotationsachse umgelenkt. In Bild 29, obere Darstellungszeile, rechts, ist schematisch dargestellt, daß diese Umlenkung bei gleicher Querschnittsfläche, also nur per Druck, erfolgen sollte.

Wenn die Fluidströmung an der hinteren Stirnseite des Rotors schräg anströmt, kann nur eine entsprechend geringe Umlenkung erfolgen, die Abstände zwischen den Rotorkanälen sind relativ gering. Wenn die Fluid strömung am Mantel des Rotors tangential anströmt, kann eine Umlenkung um 90 Grad erfolgen, die Abstände zwischen den Rotorkanälen sind dann relativ groß. Die Fluidströmung kann den Rotor in diesen beiden Möglichkeiten anströmen oder in einer Kombination beider Möglichkeiten. In jedem Fall sollte bei dieser Axialturbine nach entsprechender Umlenkung des Fluidstroms eine restliche Strömung in Rotorkanälen parallel zur Rotationsachse gegeben sein.

In Bild 29, mittlere Darstellungszeile, links, sind wesentliche Prinzipien dieser Axialturbine schematisch dargestellt. Auf einer Rotationsachse (RA) soll ein Rotor (RO) sich im Uhrzeigersinn drehen. Als gedankliche Basis dient folgendes: in einem Rohr (F-29) des Rotors soll eine Fluidströmung parallel zur Rotationsachse geführt werden. In diesem Rohr sollen Leitbleche so angebracht sein, daß sie einen Drall gegen den Uhrzeigersinn bewirken. Das Fluid erfährt dadurch ein Anwachsen seiner kinetischen Energie, während auf die Leitbleche ein entsprechender Druck ausgeübt wird. Dieser Druck auf die Teile der Leitbleche außerhalb der Rohrlängsachse ergeben einen Drehimpuls auf den Rotor in dessen Drehsinn. Dieser Bereich ist durch die dicke gestrichelte Bogenlinie gekennzeichnet. Dieser Druck auf die Teile der Leitbleche innerhalb der Rohr längsachse bewirken dagegen einen Drehimpuls auf den Rotor gegen dessen Drehsinn. Dieser Bereich ist durch die dünne gestrichelte Bogenlinie gekennzeichnet. Es macht also Sinn, in einem Rohr des Rotors einen Drall zu erzeugen, allerdings nur außerhalb der Drall-Drehachse.

Wenn der Drall wieder aufgestellt werden soll, so sind die Kraftwirkungen umgekehrt. Die Kraftwirkung ist nur neutral, wenn der Drall durch ein Leitblech mit tangentialer Ausrichtung aufgestellt wird. Nur dann wirkt der Druck des Fluids in radiale Richtung, also ohne Auswirkung auf den Drehsinn des Rotors. Es macht also nur Sinn, einen Drall im äußeren Bereich obigen Rohres (F-29) zu bilden und diesen wieder aufzustellen, wenn seine Bewegungsrichtung zur Rotationsachse weist. Diese Drallbewegung darf sich damit auch nur auf Teil flächen dieses äußeren Bereiches obigen Rohres beziehen. Diese ist also die gedankliche Ausgangsbasis.

Aus einem prinzipiell ringförmigen Einlaufbereich des Gehäuses wird das Fluid an den Rotor übergeben und fließt dort in Rotorkanäle ein, deren Querschnittsfläche zunächst im Prinzip die Form von Ringsegmenten (G-29) aufweist. Dieser Querschnitt könnte in einen quadratischen Querschnitt überführt werden. Wenn ein Rotorkanal quadratischen Querschnitts um obige Drall-Drehachse (H-29) gewendelt wird, bildet er für diese Teilfläche eine entsprechende Drallbahn ab. Der Rotorkanal wird also nicht um seine Mittelachse gewendelt, die Drall-Drehachse befindet sich vielmehr an der zunächst gegen den Drehsinn des Rotors weisenden Ecke des quadratischen Querschnitts. Eine Wendelung mit einer Drehachse außerhalb der Mitte der jeweiligen Querschnittsfläche wird im folgenden "asymmetrische Wendelung" genannt. Der Rotorkanal kann obigen quadratischen Querschnitt aufweisen oder beispielsweise auch einen Querschnitt in rechteckiger Form (I-29) oder einen runden Querschnitt (J-29) oder anderer Form aufweisen. Der Querschnitt aber stets eine Teilfläche des äußeren Bereiches obigen Rohres (F-29) darstellen.

Bei J-29 ist ein Rotorkanal runden Querschnitts in verschiedenen Situationen von hinten nach vorn schematisch dargestellt. Der Rotorkanal ist gewendelt um eine Drehachse gegen den Drehsinn des Rotors um etwas mehr als 180 Grad. Diese Bewegung wird im folgenden eine "Wendelphase" genannt. Am Anfang wie am Ende einer Wendelphase ist die Fluidströmung im Prinzip parallel zur Rotationsachse.

Nach jeder Wendelphase kann darum eine neue Wendelphase angefügt werden. Dabei verlagert sich der Dreh punkt der asymmetrischen Wendelung gegen den Drehsinn des Rotors (von I-29 nach K-29). Die Fluidmasse wird damit in etwa halbkreisförmigen, jeweils nach außen gerichteten Bahnabschnitten gegen den Drehsinn des Rotors verlagert. Entsprechend erfährt der Rotor einen Impuls in seinem Drehsinn.

In Bild 29, mittlere Darstellungszeile, rechts, ist schematisch dargestellt, in welche Richtungen die Kräfte wirksam werden. Um die Rotationsachse (RO) dreht sich der Rotor (RO) im Uhrzeigersinn. Ein Rotorkanal (L-29) weist hier beispielsweise quadratischen Querschnitt auf. Nach einer asymmetrische Wendelung (M-29) stellen alle Wandungen dieses Rotorkanals gekrümmte Flächen dar. Die Fluidströmung von hinten nach vorn ist prinzipiell parallel zur Rotationsachse, fließt hier also von der Situation L-29 zur Situation M-29.

Das Fluid wird dabei durch die nach unten weisende Wandungsfläche und die nach innen weisende Wandungs fläche nach oben und außen abgelenkt durch Sogwirkung. Entsprechend gibt es eine Gegenkraft, indem das Fluid diese Wandungsflächen dabei nach unten und innen saugt. Damit ergibt sich eine Kraftkomponente im Drehsinn des Rotors.

Wesentlicher sind die Druckwirkungen aus dieser Umlenkung des Fluidstromes. Das Fluid wird durch die nach unten weisende Wandungsfläche und die nach außen weisende Wandungsfläche nach oben und weiter außen abgelenkt. Der entsprechende Gegendruck des Fluids auf diese Flächen weist nach unten und innen, womit sich ebenfalls eine Kraftkomponente im Drehsinn des Rotors ergibt.

Die Wirkung der Sogseiten ist wesentlich geringer als die der Druckseiten, da die Querschnittsfläche im Prinzip konstant bleibt. Die Umlenkung des Fluids erfolgt an der Druckseite der Rotorkanäle, die entsprechend zurückweichenden Sogseiten geben diesem Richtungswechsel lediglich Raum.

In Bild 29, unten, rechts, ist schematisch dargestellt, in welche Richtung die Kraftkomponenten während einer Wendelphase wirken. Anstelle obiger Querschnittsflächen sind hier einige Radien um die Drall-Drehachse (N-29) eingezeichnet, auf welchen sich die Mittelpunkte eines Rotorkanals während der asymmetrischen Wendelung befinden. Die Pfeile weisen jeweils in Richtung des Gegendrucks des Fluids aufgrund dessen Umlenkung durch die gekrümmten Wandungen des Rotorkanales. Bei jedem Kraftwirkungspfeil ist der zugehörige, wirksame Radius zur Rotationsachse (RA) des Rotors (RO) eingezeichnet. Während der gesamten Wendelphase ist stets eine Kraftkomponente im Drehsinn des Rotors gegeben. Lediglich ganz zum Ende der Wendelphase (0-29, analog zum Aufstellen obigen Dralls im Rohr F-29) wechselt die Richtung des Fluid drucks abrupt um 180 Grad und weist nun in radiale Richtung.

Der Rotorkanal bildet also eine Bahn des Bildens und Aufstellens einer Drallströmung ab. Das Fluid wird darin ständig umgelenkt. Diese Umlenkungen bewirken stets ein positives Drehmoment in Bezug auf den Drehsinn des Rotors. Die Umlenkung am Ende der Wendelphase dagegen bewirkt einen Druck senkrecht auf die Rotationsachse, ist also in Bezug auf den Drehsinn des Rotors neutral. Nach diesem abrupten Aufstellen des Dralls kann eine neue Wendelphase eingeleitet werden.

Zur Wiederholung eines Prozeßabschnittes ist hier also kein Umlenkung durch einen Strator bzw. Gehäuseteil erforderlich. Die Umlenkung des Fluidstroms zurück in die ursprüngliche Bewegungsrichtung erfolgt hier per Druck gegen die Rotationsachse. Das Fluid muß dabei auch nicht vom Rotor in das Gehäuse überführt werden, sondern verbleibt bei dieser Umlenkung im Rotor.

In Bild 29, unten, links, ist schematisch dargestellt, wie sich während der asymmetrischen Wendelung der Masse-Mittelpunkt (P-29) nach außen (Q-29) verlagert. Die außen höhere Bahngeschwindigkeit wird dabei durch die Wendelung gegen den Drehsinn des Rotors mehr als kompensiert. In der ersten Hälfte der Wendel ung verliert das Fluid an Geschwindigkeit im Drehsinn des Rotors, in der zweiten Hälfte der Wendelung kehrt das Fluid zurück zu seiner ursprünglichen Geschwindigkeit im Drehsinn des Rotors wie parallel zur Rotations achse. Der Gesichtspunkt unterschiedlicher Bahngeschwindigkeiten muß bei der Gestaltung der Wendelung berücksichtigt werden, ist aber hinsichtlich des Drehmomentes insgesamt ohne Bedeutung.

Die radiale Komponente dieser Bewegung von innen nach außen ergibt ein Abbremsen der Rotordrehung, die von außen nach innen eine entsprechende Beschleunigung. Allein wirksam ist die tangentiale Komponente des Bewegungsablaufes. Bei dieser wird das Fluid gegen den Drehsinn des Rotors verlagert. Dies erfolgt z. B. auch bei obigen angeführten Freistrahlturbine. Dort allerdings ist die restliche Strömung nicht weiter verwertbar. Die asymmetrische Wendelung dagegen verbindet diese tangentiale Bewegungskomponente mit einer Bewegung parallel zur Rotationsachse. Dadurch ergibt sich stets erneut die Ausgangssituation, kann der Prozeß in kontrollierter Weise wiederholt werden. Der Bewegungsablauf besteht aus einer harmonischen Ausbildung einer Drallbahnbewegung, gefolgt von einer abrupten Richtungsänderung bei Beendigung der Wendelphase. Diese abrupte Richtungsänderung kann jedoch durch diverse Maßnahmen harmonischer gestalten werden.

In Bild 30, oben, links, ist dazu beispielsweise ein Rotorkanal mit prinzipiell rechteckigem Querschnitt darge stellt, allerdings mit gerundeten Enden und mit einer im Verlauf der Wendelphase sich krümmenden Längs achse. In dieser Zeichnung soll sich der Rotor von oben nach unten bewegen, der Rotormantel ist vereinfacht als Gerade gezeichnet, die Fluidströmung verläuft von hinten nach vorn, hier in die Zeichnungsebene hinein, der Rotorkanal (B-30) ist von unten nach oben gewendelt um eine Drehachse im Bereich von A-30. Die Fluid strömung wird am unteren Ende des Rotorkanals nach außen (hier also nach rechts) umgelenkt, die entsprech ende Seite des Gegendrucks ist als dicke Linie gezeichnet. Mit der weiteren Wendelung wird diese Druckseite breiter und damit effektiver. In der Mitte der Wendelphase ist die Rotorkanal-Längsachse eine Gerade, um dort ein größtmögliches Drehmoment zu erreichen. Bei weiterer Wendelung eilt der innere Teil des Rotorkanals der Drehung voraus, während der äußere, am längeren Hebel wirksame Teil langsamer dreht. Während dieses äußere Ende des Rotorkanals noch eine wirksame Druckseite aufweist, ist das innere Ende bereits in tangentiale Richtung eingeschwenkt. Damit verbunden ist der Beginn einer neuen Wendelphase, wobei die Drehachse sich von A-30 in den Bereich von C-30 verlagert und der Rotorkanal (nun als D-30 bezeichnet) erneut oben beschriebenen Verlauf aufweist. Damit ist ein gleitendes Beginnen und Enden der einzelnen Wendelphasen gegeben.

In Bild 30, oben, mittig, ist eine entsprechende Darstellung, hier beispielsweise ein Rotorkanal runden Querschnitts dargestellt. Die eingezeichnete Kurve zeigt die Masse-Mittelpunkte, welche durchaus harmonischen Verlauf aufweisen. Als dicke Linien ist die Druckseite der jeweiligen Situation gezeichnet, welche von innen nach außen und wieder zurück schwenkt. Trotz relativ rundem Übergang vom Ende zum Anfang einer Wendelphase, springt die Druckseite dort sehr rasch in die neutrale, radiale Richtung.

Das Fließen von Fluid in einem Rohr bzw. Kanal ist mit Reibung verbunden. Diese ist erforderlich, um hier z. B. auf den Druckseiten der Kanäle ein Drehmoment zu bewirken. Unproduktive Reibung kann reduziert werden, indem das Fluid nicht nur in Richtung der Längsachse sondern auch mit Drall fließt. In Bild 30, oben, rechts bei E-30, ist schematisch dargestellt, wie sich die Strömung z. B. innerhalb eines runden Rotorkanal dieser Axialturbine ausbilden wird. Innen, im Bild links, ist die Bahngeschwindigkeit, im Bild nach unten, geringer als außen. Außen jedoch erfolgt die Wendelbewegung gegen den Drehsinn des Rotors. Fluidteile innen haben also insgesamt eine höhere Geschwindigkeit im Drehsinn des Rotors als Fluidteile außen. Innerhalb eines Rotorkanals runden Querschnitts (aber auch anderer Querschnitte) wird sich also ein Drall gegen den Drehsinn des Rotors ausbilden. Die Strömung des Fluids in diesen Rotorkanälen wird also keinesfalls eine optimale Potentialdrallströmung sein können. Aber es wird stets eine Strömung mit Drall gegeben sein. Diese reduziert die Reibung im Rotorkanal wesentlich und eine Strömung mit Drall reduziert die Verluste bei Umlenkung eines Fluidstroms entscheidend.

In Bild 30, mittlere Darstellungszeile, ist schematisch ein Ausschnitt eines Rotormantels bzw. der Blick in Richtung auf die Rotationsachse und es sind in verschiedenen Abschnitten unterschiedliche Sachverhalte dargestellt. Der Rotor (RO) bewegt sich dabei von oben nach unten. Im Abschnitt (F-30) links, dem hinteren Bereich dieser Axialturbine mit dem Einlaufbereich, steht entweder eine Fluidströmung (J-30) in tangentialer Richtung an oder die Fluidströmung (K-30) weist bereits eine Bewegungskomponente parallel zur Rotations achse auf. In jedem Fall wird zunächst der Drall dieser Bewegung aufgestellt, so daß nurmehr Bewegung (L-30) parallel zur Rotationsachse gegeben ist. Danach folgen Abschnitte verschiedener Wendelphasen.

Bei G-30 ist zunächst beispielhafte eine Kurve dargestellt, welche den Bahnverlauf des Querschnittsmittel punktes eines Rotorkanals aufzeigt. Der erste Teil der Wendelphase (M-30) mit der Bildung des Drallbahn verlaufes wird dabei länger ausgeprägt sein, während der zweite Teil der Wendelphase (N-30) mit dem Aufstellen dieses Dralls auf kürzerer Distanz statt findet. Eine anschließende zweite Wendelphase ist hier eingezeichnet.

In einem weiteren Abschnitt (H-30) ist die Abwicklung eines länglichen Rotorkanals wie beispielsweise in Bild 30, oben links, schematisch dargestellt. Das zunächst gegen den Drehsinn des Rotors weisende Ende (O-30) des Rotorkanals stellt die Drall-Drehachse dar und bleibt darum zunächst im Prinzip parallel zur Rotations achse. Das zunächst in Richtung des Drehsinns des Rotors weisende Ende (P-30) des Rotorkanals schwenkt nach außen (hier aus der Zeichnungsebene heraus) und bildet damit eine Drallbahn ab. Noch bevor dieser Drall wieder aufgestellt ist, beginnt das nun in Richtung des Drehsinns des Rotors weisende Ende seine Wendel phase. Die schrägen Hilfslinien zeigen an, daß sich damit beide Wendelphasen überlappen.

Im rechten Abschnitt (I-30) ist dargestellt, wie der Auslaufbereich gestaltet sein kann. Entweder wird eine Wendelphase so weit geführt, daß der Fluidstrom (Q-30) tangential gegen den Drehsinn des Rotors austritt. Gegenüber einem anfänglich tangential eintretender Fluidstrom (J-30) bedeutete das eine Umlenkung um etwa 180 Grad. Oder der Fluidstrom (R-30) wird an der hinteren Stirnseite der Axialturbine ausgeleitet, so daß der Fluidstrom noch immer eine Geschwindigkeitskomponenten in axialer wie in radialer Richtung aufweist. Kombinationen beider Möglichkeiten sind natürlich machbar.

In Bild 30, unten, ist schematisch und beispielhaft ein Längsschnitt durch eine Axialturbine dargestellt. Der Rotor (RO) dreht sich um die Rotationsachse (RA), welche im Gehäuse (GE) gelagert ist. Das Fluid tritt im Einlaufbereich (links) in Rotorkanäle (S-30) ein, welche hier beispielsweise runden Querschnitt aufweisen. In der Zeichnung sind vereinfachend Kreis als Querschnitte gezeichnet, aufgrund der Krümmung müßten diese teilweise elliptisch gezeichnet werden. Aufgrund der asymmetrischen Wendelung weisen die Rotorkanäle (S-30) von hinten nach vorn zunächst zunehmende, dann abnehmende Radien auf. Es sind zwei solcher Wendelphasen schematisch dargestellt. Vorn wird hier beispielsweise der Fluidstrom (T-30) tangential in einen runden Kanal des Gehäuses entlassen.

In dieser Darstellung ist der Rotor (RO) nur hinten und vom massiv ausgeführt, während mittig nur die Rotationsachse eingezeichnet ist. Rotorkanäle könnten als Hohlräume in einem massiven Rotor ausgebildet werden, oder aber wie ein normales Rohr nur bestehend aus einer relativ dünnen Außenwandung. Lediglich ein Bündel einzelner Rohre, alle identisch in asymmetrischer Wendelung gebogen, stellt dann praktisch den wesentlichen Teil dieser Axialturbine dar. Die einzelnen Rotorkanäle werden aus Gründen der Stabilität zum Teil miteinander verbunden sein. Zwischen den einzelnen Rotorkanälen ergeben sich Zwischenräume, welche z. B. zur Kühlung genutzt werden können. Das Gehäuse dient hinten und vorn zur Lagerung der Rotations achse. Durch Öffnungen der Gehäusewandung kann Kühlmedium an die Rotorkanäle heran geführt werden.

Ein wesentlicher Gesichtspunkt ist auch, daß nur im Einlaufbereich das Problem der Dichtung zwischen Gehäuse und Rotor gegeben ist. Die Problematik der Passgenauigkeit hinsichtlich der Spalten zwischen Rotorschaufeln und Gehäuse wie bei herkömmlichen Axialturbinen ist hier nicht gegeben.

Besondere Eigenschaften

Bei herkömmlichen Axialturbinen muß der Fluidstrom durch Leitwerke stets wieder in die ursprüngliche, axiale Richtung umgelenkt werden. Eine laminare Strömung ist dabei nur schwer zu erreichen bzw. geht früher oder später vollkommen verloren. Bei dieser Axialturbine rotiert das Fluid mit der Umdrehung des Rotors, es dreht sich innerhalb der Wendelung und es weist Drall auf innerhalb der Rotorkanäle. Eine solche dreifach geschachtelte Drehung wird als eine Idealform von Fluidbewegungen angesehen. Im Vergleich dazu erscheinen die Bewegungsabläufe herkömmlicher Axialturbine geradezu chaotisch. Entsprechend verhält sich der Wirkungsgrad bei der Umsetzung der Energie des Fluids in mechanische Drehbewegung.

Durch den Wegfall aller Leitwerke des Gehäuses ergibt sich eine wesentliche einfachere Bauweise und die Problematik der Passgenauigkeit zwischen Rotorschaufeln und Gehäuse entfällt vollkommen. Das Problem der Dichtung zwischen Rotor und Gehäuse ist nur am Einlaufbereich gegeben wie auch die Kühlung leicht zu bewerkstelligen ist. Insgesamt ergeben sich damit wesentlich geringere Herstellkosten wie auch geringeres Gewicht und kompaktere Baumaße. Das Konstruktionsprinzip dieser Axialturbine ist herkömmlichen in vielen Belangen überlegen, wird sich darum in einer Vielzahl von Anwendungen als bestes erweisen.

3.22. Strahltriebwerk Funktion

Diese Konstruktion ist geeignet, Vortrieb für Luftfahrzeuge zu erzeugen.

Konstruktionsprinzip

Ein Strahltriebwerk kann konstruiert werden anhand diverser, oben beschriebener Konstruktionselemente.

Konstruktive Ausführung

Ein Beispiel eines solchen Strahltriebwerkes ist nachfolgend beschrieben anhand des Längsschnitts in Bild 19. Diese Darstellung zeigt diverse Konstruktionselemente in den Abschnitten A-19 bis F-19. Diese Darstellung ist lediglich schematisch und beispielhaft, aber keinesfalls maßstabsgerecht. Die Funktionen sind hier nur knapp beschrieben, Details zu den einzelnen Konstruktionselementen sind oben beschrieben. Prinzipiell dreht sich ein Rotor (RO) um seine Rotationsachse (RA), gelagert in einem Gehäuse (GE).

Der Abschnitt A-19 stellt einen Vordrallerzeuger dar. Das einströmende Fluid (G-19) wird in einem Haupt strom (H-19) mit Drallströmung überführt, während ein Nebenstrom (I-19) durch Sogwirkung ebenfalls eine Drallströmung aufweist, beide zusammen bilden bereits hier eine Potentialdrallströmung.

Der Abschnitt B-19 stellt eine Potentialdrallpumpe dar. In den Kanälen des Rotors werden sowohl der Hauptstrom wie auch der Nebenstrom erfaßt und erfahren dabei eine wesentliche Beschleunigung ihrer Drehbewegung. Die äußere Wandung der Nebenstromkanäle wird durch das Gehäuse abgebildet. Durch Reibung an dieser erfahrt der Nebenstroms zusätzliche eine Drallbewegung innerhalb des Rotorkanals. Die innere Wandung der Hauptstromkanäle wird durch einen Beschleunigungsrotor (K-19) abgebildet. Dieser rotiert aufgrund des Getriebes (L-19) mit höherer Geschwindigkeit als der Rotor, vorzugsweise mit doppelter Drehzahl. Der Hauptstrom erfährt damit zusätzlich eine Drallbewegung innerhalb des Rotorkanals. Die Strömungen innerhalb der Rotorkanäle stellen damit außerordentlich starke Potentialdrallströmungen dar in zweierlei Hinsicht. Zum ersten drehen die Strömungen um die Rotationsachse. Zum andern stellen sie maschinell erzeugte Tornados dar, welche sich um die Längsachse der Rotorkanäle drehen.

Der Abschnitt C-19 stellt eine Drucksperre sowie die Brennkammer dar. Das aus voriger Potentialdrallpumpe ausfließende Fluid wird in Gehäuseschnecken (M-19) entgegen genommen, hier beispielsweise der Hauptstrom und der Nebenstrom getrennt in zwei Gehäuseschnecken. Das Fluid strömt tangential ein, womit in den Gehäuseschnecken die Potentialdrallströmung erhalten bleibt bzw. noch verstärkt wird, weil die prinzipielle Bewegungsrichtung des Fluids nur noch eine geringe axiale Komponente aufweist. Vorn kann diese Gehäuse schnecke zugleich die Brennkammer darstellen, wobei Brennstoff zugeführt und gezündet wird (hier nur schematisch angezeigt bei N-19). Hier wird beispielsweise der Brennstoff auch nur in die Nebenstrom- Gehäuseschnecke zugeführt. Durch die Zufuhr von Wärme wird die Strömung beschleunigt, wiederum praktisch nur im Drehsinn des Rotors.

Der Abschnitt D-19 stellt einen Bereich einer Nachbrennkammer dar. Im den Haupt- wie in den Nebenstrom- Gehäuseschnecken herrscht Potentialdrallströmung, beide im Drehsinn des Rotors, jedoch gegenläufiger Drallrichtung um die Längsachse der Gehäuseschnecken. Beide Strömungen treten tangential aus, vermischen sich bzw. beschleunigen sich dabei nochmals. Die Auslaßöffnungen (O-19) dieser Gehäuseschnecken ist dabei nahezu senkrecht auf die Außenwandung der Nachbrennkammer gerichtet. Dadurch wird der Drall der Strömung in den Gehäuseschnecken vollkommen aufgestellt und zwar ohne jegliches Leitwerk. Im Nachbrenn bereich (P-19) herrscht damit eine außerordentlich starke Drehbewegung des Fluids im Drehsinn des Rotors. Dieser Bereich kann bereits Bestandteil des Rotors sein, so daß an den mitdrehenden Wandungen nur geringe Reibung gegeben ist, bzw. diese Reibung schon produktiv im Sinne der nachgeschalteten Turbine ist.

Der Abschnitt E-19 stellt den Bereich der Turbine dar, hier beispielsweise und nur schematisch dargestellt im Form voriger Axialturbien. Das Fluid der Nachbrennkammer wird dabei tangential in vielen Rotorkanälen (Q-19) entgegen genommen. In einer ersten Phase wird die Bewegungskomponente im Drehsinn des Rotors aufgestellt, so daß im Prinzip nurmehr eine Bewegungskomponente in axialer Richtung gegeben ist. Diese kann in weiteren Phasen asymmetrischer Wendelung kontrolliert Drehmoment auf den Rotor abgeben, um ausreich ende Leistung für die Pumpenfunktion zu erhalten. Die Rotorkanäle dieser Axialpumpe sind hier lediglich schematisch als Kreis dargestellt. Die prinzipielle Form des Rotorzylinders ist hier konisch dargestellt. Das Fluid wird vorn in tangentialer Richtung abgegeben. Die Strömungsgeschwindigkeit ist dort noch wesentlich höher als die dortige Umlaufgeschwindigkeit des Rotor. Das Fluid besitzt also noch immer eine große restliche Energie.

Der Abschnitt F-19 stellt den Bereich der Impulsumsetzung dar. Er ist Bestandteil des Gehäuses und dient dazu, einen bestmöglichen Vortrieb zu erreichen. Durch diesen Impulsumsetzers wird jeglicher Drall aus der Fluidströmung genommen, so daß ausschließlich eine Bewegung in axiale Richtung daraus resultiert. Dabei wird diese Energie dazu verwendet, eine größtmögliche Masse in axiale Richtung zu beschleunigen. Als be schleunigte Gesamtmasse (R-19) stehen dazu nicht nur die Fluidmasse des Einlaufbereiches (G-19) zur Verfügung, sondern auch Fluidmassen (J-19) des äußeren Bereich des Strahltriebwerkes.

Dieser Nebenstrom (J-19) kann durch äußere Gehäusewandungen geleitet werden. Zwischen diesen äußeren und den inneren Teilen des Strahltriebwerkes werden Leitbleche (S-19) angebracht sein, zumindest insoweit als sie zur Halterung des Strahltriebwerkes an anderen Teilen des Luftfahrzeuges erforderlich sind. Die Funktion und Konstruktion des Impulsumsetzers ist detailliert beschrieben in der Erfindung "Konstruktive Elemente zur Verbesserung des Auf- und Vortriebs von Luft- und Wasserfahrzeugen".

Besondere Eigenschaften

Vorstehend beschriebene Konzeption eines Strahltriebwerkes stellt nur ein Beispiel dar, wie durch Kombination diverser konstruktiver Elemente dieser Erfindung besonders wirksame Konstruktionen möglich werden. Dieses Strahltriebwerk macht beispielsweise deutlich, wie das Fluid zunehmend in Rotationsbewegung versetzt wird, nicht nur innerhalb eines Konstruktionselementes, sondern auch von einem Prozeßabschnitt zum nächsten. Es wird bereits im Einlaufbereich eine Drehbewegung aufgebaut, welche dann sukzessiv verstärkt wird. Das Fluid wird nur insoweit in axiale Richtung gelenkt, wie es die Abfolge von Funktionen erfordert. Dagegen werden mehrfach die Drallbewegungen in stets gleichem Drehsinn gefördert. Es gibt keinerlei abrupte Richtungswechsel, sondern nur eine stetige Beschleunigung der Fluids, vorwiegend seiner Drallbewegungen. Erst ganz am Ende des Funktionsablaufes wird die so aufgebaute Energie der außerordentlich starken Dreh bewegung des Fluids insoweit in vorwiegend axiale Richtung umgelenkt, als es für die Pumpfunktion erford erlich ist. Die restlich verfügbare Energie wird danach jedoch nicht einfach in axiale Richtung entlassen wie bei konventionellen Strahltriebwerken, sondern nochmals ganz gezielt zu einer maximalen Umsetzung der Energie im Sinne des Vortriebes verwendet durch den Impulsumsetzer (siehe oben genannte Erfindung).

4. Zusammenfassung

In konventionellen Pumpen und Turbinen erfährt das Fluids immer wieder eine Umlenkung in axiale Richtung, meist in abrupter Weise. Voriges Beispiel eines Strahltriebwerkes dagegen macht die durchgängige Logik aller hier dargestellten konstruktiven Elemente deutlich. Es zeigt auf, wie eine Bewegung eingeleitet und in stets gleichem Drehsinn verstärkt werden kann und erst am Ende des Prozesses die Bewegung in die Richtung und Form gebracht wird, wie es der letztlichen Zielsetzung entspricht. Wesentlicher Gesichtspunkt ist dabei stets, daß die speziellen Vorteile eines Bewegungsablaufes im Sinne einer Potentialdrallströmung genutzt werden.

In vielen Konstruktionselementen wurde erreicht, daß die Fluidströmungen insgesamt den Idealformen einer optimalen Strömung. So wird hier die Bewegungsform einrollenden und dann ausrollender Wirbel in einem geschlossenen Kreislauf maschinell dargestellt. In einem anderen Konstruktionselement wird der Bahnverlauf eines Ringwirbels erreicht. In mehreren Konstrukten wird eine mehrfach in sich geschachtelte Drehbewegung realisiert. Die bekannte Strömungstechnik versucht, Wirbelbildungen bestmöglich zu vermeiden, hier werden ganz bewußt die Drallbewegungen in vielfältiger Weise ausgelöst, gefördert und genutzt.

Ein von der bekannten Strömungslehre völlig abgegrenztes Thema stellen die Kolbenmaschinen dar. Hier wurde aufgezeigt, daß auch bei den Kolbenmaschinen der Fluidströmung eine wesentliche Bedeutung zukommt. Aus den Überlegungen zu den in sich drehenden Wirbeln ergab sich in Analogie die entsprechende Mechanik neuartiger Kurbelgetriebe. Der obige Drehhubkolbenmotor stellt geradezu eine Symbiose von Hubkolbenmaschine und Strömungsmaschine dar.

Die Wirkung der Tornados ist bekannt, allerdings ist theoretisch umstritten, welches die auslösenden Momente sind und was ihre Dynamik aufrecht erhält. In der Basiserfindung wurde eine brauchbare Theorie dargelegt. Mit einigen Konstruktionselementen hier wurde dargelegt, wie die typische Bewegungsform eines Tornados maschinell nachgebildet werden kann und wie damit die Effekte technisch nutzbar zu machen sind.

Claims

1. Der Patentanspruch bezieht sich auf die Erfindung eines Konstruktionselementes "Vordrallerzeuger", welches dadurch gekennzeichnet ist, daß

- in einem trichterförmigen Einlaufbereich ein Rotor installiert ist, welcher prinzipiell die Form eines Rohres aufweist,
- der Durchmesser dieses Rotorrohres von hinten nach vom zunehmend ist, aber stets geringer als der Durchmesser des Einlaufbereiches ist,
- der Mantel dieses Rotorrohres ein- oder mehrmals in gerader oder gekrümmter Linie unterteilt ist und jeweils die gegen den Drehsinns des Rotors weisende Kante nach innen spiralig gekrümmt ist, so daß Fluid zwischen diesen Schaufeln des Rotors in prinzipiell tangentialer Richtung in das Rotorrohr einfließen kann,
- zwischen diesen Schaufeln Leitbleche angebracht sein können mit prinzipiell spiralförmigem Verlauf, so daß Fluid zwischen den Schaufeln in axialer Richtung beschleunigt wird,
- damit durch die Drehung des Rotors im Rotorrohr die Drallbewegung des Hauptstroms des Fluides erzeugt wird,
- an den Wandungen des Einlaufbereiches ebenfalls Leitbleche mit prinzipiell spiralförmigem Verlauf angebracht sein können,
- damit zwischen den Wandungen und dem Rotorrohr die Drallbewegung des Nebenstromes des Fluids erzeugt wird,
- der Haupt- und der Nebenstrom des Fluids getrennt voneinander verwertet werden können oder in einem Auslaufrohr gemeinsam zur Verfügung stehen.

2. Der Patentanspruch bezieht sich auf die Erfindung eines Konstruktionselementes "Rohrpumpe", welches dadurch gekennzeichnet ist, daß

- es den Merkmalen des Konstruktionselementes nach Patentanspruch 1 entspricht,
- jedoch der Durchmesser der Wandungen des Einlaufbereiches am Auslauf sich auf den Durchmesser des Rotorrohres verjüngt, also kein Nebenstrom gebildet wird.

3. Der Patentanspruch bezieht sich auf die Erfindung eines Konstruktionselementes "Zentrifugalpumpe", welches dadurch gekennzeichnet ist, daß

- ein Rotor eine runde Innenwandung und eine runde Außenwandung aufweist, wobei deren Durchmesser so angelegt sind, daß vom Einlauf zum Auslauf die dem Fluid zur Verfügung stehende Querschnittsfläche abnimmt,
- zwischen dieser Innen- und Außenwandung Leitbleche angebracht sind in prinzipiell radialer Richtung, welche beim Einlauf einen großen Winkel zur Rotationsachse bilden und beim Auslauf nahezu parallel zur Rotationsachse verlaufen,
- am Auslauf der Fluidstrom des Rotors in einen Überleitkanal des Gehäuses geleitet wird, aus welchem der Fluidstrom tangential in eine Gehäuseschnecke eingeleitet wird,
- diese Gehäuseschnecke von ihrem Einlauf bis zum Auslauf zunehmenden Querschnitt aufweist,
- wobei die Gehäuseschnecke den Fluidstrom des vollen Kreisbogen entgegen nehmen kann oder mehrere Gehäuseschnecken jeweils nur den Fluidstrom entsprechender Kreisbogenabschnitte.

4. Der Patentanspruch bezieht sich auf die Erfindung eines Konstruktionselementes "Drucksperre", welches dadurch gekennzeichnet ist, daß

- eine Gehäuseschnecke prinzipiell die Merkmale der Gehäuseschnecke laut Patentanspruch 3 aufweist,
- jedoch nach ihrem Einlaufbereich einen Abschnitt ohne Öffnungen an ihrem Mantel aufweist,
- danach die Gehäuseschnecke in ihrem Auslaufbereich wiederum Öffnungen am Mantel aufweist dergestalt, daß Fluid in tangentialer Richtung ausfließen kann und sich dabei der Durchmesser der Gehäuseschnecke entsprechend verjüngt.

5. Der Patentanspruch bezieht sich auf die Erfindung eines Konstruktionselementes "Potentialdrallpumpe", welches dadurch gekennzeichnet ist, daß

- in einem Rotor Kammern angeordnet sind in prinzipiell radialer Richtung und von innen nach außen die Querschnittsfläche nicht größer wird,
- wobei drei Wandungsseiten dieser Kammern durch den Rotor abgebildet werden und eine Wandungsseite dieser Kammern durch das Gehäuse abgebildet wird,
- oder alternativ dazu zwei Wandungseiten dieser Kammern durch den Rotor abgebildet werden und eine Wandungsseite dieser Kammern durch das Gehäuse abgebildet wird und eine Wandungsseite dieser Kammern durch einen Beschleunigungskörper abgebildet wird, welcher sich um die Rotationsachse dreht mit höherer Geschwindigkeit als der des Rotors,
- wobei im Rotor eine oder mehrere Ebenen solcher Kammern angelegt sein können.

6. Der Patentanspruch bezieht sich auf die Erfindung eines Konstruktionselementes "Sogpumpe", welches dadurch gekennzeichnet ist, daß

- ein Rotor ausschließlich runden Querschnitt aufweist und dessen Durchmesser vom Einlauf zum Auslauf zunehmend ist,
- die Gehäusewandung so geformt ist, daß dem Fluid vom Einlauf zum Auslauf eine zunehmend kleinere Querschnittsfläche zur Verfügung steht,
- auf der Gehäusewandung Nuten angebracht sind, welche vom Einlauf zum Auslauf hin spiraligen Verlauf aufweisen entsprechend dem Drehsinn des Rotors,
- die Nuten im Prinzip einen runden oder gerundeten Querschnitt aufweisen, jedoch ihre beiden Kanten in Richtung des Drehsinns des Rotors weisen, also eine Abrißkante bilden.

7. Der Patentanspruch bezieht sich auf die Erfindung eines Konstruktionselementes "Wirbelbehälter", welches dadurch gekennzeichnet ist, daß

- es dem prinzipiellen Aufbau einer Sogpumpe entsprechend Patentanspruch 6 entspricht,
- jedoch das Fluid am Auslauf zum Einlauf zurück geführt wird, so daß ein Kreislauf mit einer intensiven Verwirbelung des Fluids gegeben ist,
- alternativ dazu dieser Wirbelbehälter dem prinzipiellen Aufbau einer Potentialdrallpumpe entsprechend Patentanspruch 5 entspricht,
- wobei auch hierbei das Fluid am Auslauf zum Einlauf zurück geführt wird.

8. Der Patentanspruch bezieht sich auf die Erfindung eines Konstruktionselementes "Ringwirbelbehälter", welches dadurch gekennzeichnet ist, daß

- ein runder und symmetrischer Behälter zwischen einer Außenwandung und einer Innenwandung gebildet wird,
- der Querschnitt eines solchen Behälters insgesamt unten U-förmig bzw. V-förmig geformt ist, während der Behälter oben gerundet und abgeflacht sein kann,
- zwischen Außenwandung und Innenwandung Leitbleche angebracht sind mit gekrümmtem Verlauf, so daß im Behälter Kanäle gebildet werden,
- bzw. alternativ dazu der Behälter die Form nur eines solchen Kanales aufweist,
- diese Behälter um ihre Symmetrieachse drehbar gelagert sind und mehrere solcher Behälter auf einem Rotor gelagert sind, wobei diese Symmetrieachse zur Rotorachse einen Winkel aufweist,
- über ein Getriebe erreicht wird, daß die Drehung des Rotors zu einer gleichsinnigen Drehung der Behälter führt.

9. Der Patentanspruch bezieht sich auf die Erfindung eines Konstruktionselementes "Druckpumpe", welches dadurch gekennzeichnet ist, daß

- ein Rotor vom Einlauf zum Auslauf zunehmenden Durchmesser aufweist und an seiner Oberfläche zahnförmige Schaufeln angeordnet sind,
- wobei diese Schaufeln so geformt sind, daß eine Seite prinzipiell in radiale Richtung weist, die andere Seite prinzipiell in tangentiale Richtung weist,
- zwischen den Schaufeln also Kanäle gebildet sind mit im Prinzip dreieckigem Querschnitt, wobei zwei Seiten durch die Schaufeln gebildet werden, eine offen ist,
- diese Kanäle jedoch im weiteren Verlauf nach vorn geschlossene Kammern bilden, wobei alle vier Wandungsseiten durch den Rotor dargestellt werden und die Form des Querschnitts übergeleitet wird in die Form eines Ringsegmentes.

10. Der Patentanspruch bezieht sich auf die Erfindung eines Konstruktionselementes "Brennkammer", welches dadurch gekennzeichnet ist, daß

- in einem Rohr eine Erweiterung der Querschnittsfläche erfolgt, indem zunächst der Durchmesser des Rohres vergrößert wird, andrerseits auf der Rohrachse ein runder Körper eingebaut ist, welcher vom und hinten zugespitzt ist (im folgenden "Insel" genannt),
- nach Erreichen des größten Rohrdurchmessers Brennstoff in das Rohr eingebracht wird und gezündet wird,
- im Rohr im Bereich der Brennstoffzufuhr Leitbleche angebracht sind, welche die Form von Rohrabschnitten geringeren Durchmessers als der des Rohres aufweisen und deren Durchmesser von hinten nach vom zunehmend ist,
- zwischen dem Rohr und vorigen Leitblechen Leitbleche in radialer Richtung angebracht sind, welche spiraligen Verlauf aufweisen,
- nur eine Teilmenge des gesamten Fluidstroms einer Brennkammer zugeführt sein kann zu dem Zwecke, diesen beschleunigten Teilstrom einem anderen Teilstrom in tangentialer Richtung beizumischen.

11. Der Patentanspruch bezieht sich auf die Erfindung eines Konstruktionselementes "Einlaufbereich von Turbinen", welches dadurch gekennzeichnet ist, daß

- bei einem Flußkraftwerk einem Rotor Wasser tangential zugeführt wird, wobei durch die Innen- und Außenwandung des Einlaufbereiches sowie durch Leitbleche zwischen diesen Wandungen Kanäle gebildet werden, welche horizontal wie vertikal parabelförmigen Verlauf aufweisen, außen einen ringsegmentförmigen Querschnitt aufweisen mit größerer Länge als Breite, innen einen im Prinzip rechteckigen Querschnitt aufweisen mit größerer Höhe als Breite.
- oder der Einlaufbereich einer Turbine einen ringförmigen Querschnitt aufweist und diesem Einlaufbereich ein Fluid zugeführt wird durch ein Zuflußrohr mit Potentialdrallströmung oder Drallströmung, dieses Zuflußrohr spiralförmig außen um den Einlaufbereich bzw. innen im Einlaufbereich gewunden ist, aus dem Zuflußrohr das Fluid tangential ausgeleitet wird und nahezu senkrecht zur Wandung des Einlaufbereiches in diesen eingeleitet wird.

12. Der Patentanspruch bezieht sich auf die Erfindung eines Konstruktionselementes "Abgasturbolader", welches dadurch gekennzeichnet ist, daß

- der Einlaufbereich der Turbine entsprechend Patentanspruch 11 angelegt ist,
- die Pumpe entsprechend Patentanspruch 9 angelegt ist,
- die Verbrennungsluft dem Einlaßbereich der Motorzylinder in Rohren mit Potentialdrallströmung zugeleitet wird.

13. Der Patentanspruch bezieht sich auf die Erfindung eines Konstruktionselementes "Drehventilrohr", welches dadurch gekennzeichnet ist, daß

- im Zylinderkopf eines Hubkolbenmotors eine runde Aussparung parallel zur Längsachse des Motors angebracht ist, in welcher ein Rohr drehbar gelagert ist und dieses Rohr sich mit halber Drehzahl des Motors dreht,
- im Zylinderkopf die Aussparung der Zylinder eine Öffnungen in Richtung der Aussparung des Rohres aufweist,
- das Rohr an seinem Mantel Öffnungen aufweist, welche so angeordnet sind,
- daß im Zeitraum des Ansaugtaktes aus dem Rohr durch die Öffnungen an seinem Mantel und durch die Öffnungen der Zylinderaussparung die Verbrennungsluft in den Zylinder einfließen kann, bzw. im Zeitraum des Auslaßtaktes aus dem Zylinder durch die Öffnungen der Zylinder aussparung und durch die Öffnungen am Mantel des Rohres Abgase in das Rohr einfließen können,
- daß im Rohr der Verbrennungsluft die Verbrennungsluft vorzugsweise in Potentialdrall strömung sich bewegt, welche z. B. mittels einer Druckpumpe laut Patentanspruch 9 erzeugt wird oder z. B. mittels eines Vordrallerzeugers laut Patentanspruch 1 erzeugt wird,
- daß im Rohr der Abgase die Abgase sich in Drallbewegung befinden und deren kinetische Energie durch eine Turbine genutzt werden kann,
- daß Teilmengen der Verbrennungsluft wie der Abgase zurück geführt werden wie auch Teilmengen des Abgases zurück geführt werden können in den Kreislauf der Verbrennungsluft,
- dieses Drehventilrohr in analoger Weise bei einer Pumpe eingesetzt wird.

14. Der Patentanspruch bezieht sich auf die Erfindung eines Konstruktionselementes "Ein- und Auslaßdrehventilrohr", welches dadurch gekennzeichnet ist, daß

- es den Kriterien des Patentanspruches 13 entspricht, jedoch
- die Funktionen der Zuführung von Fluid zu einem Zylinder mit der Funktion der Abführung von Fluid aus einem Zylinder in einem Rohr kombiniert sind,
- wozu die Querschnittsfläche des Rohres durch eine gewendelte Trennwand in zwei Bereiche unterteilt ist, so daß damit zwei Kanäle gebildet werden,
- wobei der Kanal der Fluidzuführung von hinten nach vorn geringer werdende Querschnitts fläche aufweist und der Kanal der Fluidabführung von hinten nach vorn größere werdende Querschnittsfläche aufweist.

15. Der Patentanspruch bezieht sich auf die Erfindung eines Konstruktionselementes "Hubkolbengetriebe", welches dadurch gekennzeichnet ist, daß

- eine runde Scheibe, im folgenden "Exzenterscheibe" genannt, mit einer Rotationsachse fest verbunden ist, wobei zwischen der Achse der Rotationsachse und der Achse der Exzenter scheibe ein Abstand besteht, welcher im folgenden "Exzentrität" genannt wird, die Exzenter scheibe also exzentrisch zur Rotationsachse mit dieser fest verbunden ist,
- die Exzenterscheibe andrerseits in einer weiteren Scheibe, welche im folgenden "Pleuelscheibe" genannt wird, drehbar gelagert ist, wobei zwischen der Achse der Exzenterscheibe und der Achse der Pleuelscheibe ein Abstand gegeben ist entsprechend obiger Exzentrität,
- die Pleuelscheibe drehbar mittig in einem Kolben gelagert ist,
- dieser Kolben im Gehäuse so gelagert ist, daß er eine lineare Hubbewegung ausführen kann, wobei die Mittelachse dieser Hubbewegung die Rotationsachse schneidet.

16. Der Patentanspruch bezieht sich auf die Erfindung eines Konstruktionselementes "Viertaktdrehhubkolbenmotor", welches dadurch gekennzeichnet ist, daß

- im Gehäuse eine Kurbelwelle gelagert ist, welche drehbar um ihre Achse ist, wobei diese Achse im folgenden "Rotationsachse" genannt wird,
- fester Bestandteil dieser Kurbelwelle eine Exzenterwelle ist und die Achse dieser Exzenterwelle parallel zur Rotationsachse verläuft, jedoch ein Abstand zwischen der Rotationsachse und der Achse der Exzenterwelle gegeben ist, wobei dieser Abstand im folgenden "Exzentrität" genannt wird,
- im Gehäuse ein Rotor gelagert ist, welcher um die Rotationsachse drehbar ist und welcher im folgenden "Zylinderrotor" genannt wird,
- im Zylinderrotor auf einem Durchmesser Aussparungen angebracht sind von einer Seite des Zylinderrotors zur anderen Seite des Zylinderrotors,
- so daß sich in diesen Aussparungen ein Kolben bewegen kann,
- in diesem Kolben mittig eine runde Scheibe drehbar gelagert ist, welche im folgenden "Pleuel scheibe" genannt wird,
- exzentrisch in dieser Pleuelscheibe die Exzenterwelle drehbar gelagert ist, wobei der Abstand zwischen den Achsen der Pleuelscheibe und der Exzenterwelle obiger Exzentrität entspricht,
- durch ein Getriebe gesteuert wird, daß sich die Kurbelwelle und der Zylinderrotor gleich schnell, jedoch gegensinnig um die Rotationsachse drehen,
- in einem Motor mehrere Zylinderaussparungen angelegt sein können, d. h. auch entsprechend mehrere Kolben, Pleuelscheiben und Exzenterwellen.

17. Der Patentanspruch bezieht sich auf die Erfindung eines Konstruktionselementes "Drehhubkolbengetriebe", welches dadurch gekennzeichnet ist, daß

- eine Welle im Gehäuse drehbar gelagert ist, welche nachfolgend "Exzenterwelle" genannt wird,
- mit dieser Exzenterwelle eine Scheibe fest verbunden ist, welche nachfolgend "Exzenterscheibe" genannt wird,
- die Exzenterwelle und Exzenterscheibe so angeordnet sind, daß zwischen der Achse der Exzenterwelle und der Achse der Exzenterscheibe ein Abstand gegeben wird, welcher im folgenden "Exzentrität" genannt wird,
- ein Kolben mittig auf der Exzenterscheibe drehbar gelagert ist,
- dieser Kolben in Aussparungen in einem Rotor sich linear bewegen kann, so daß die Längsachse der Kolbenbewegung durch die Achse des Rotors geht,
- dieser Rotor im Gehäuse um seine Rotationsachse drehbar gelagert ist,
- zwischen der Achse des Rotors und der Achse der Exzenterwelle ein Abstand gegeben ist, welcher gleich groß wie obige Exzentrität ist,
- ein Getriebe die Bewegungen des Rotors und der Exzenterwelle dergestalt synchronisiert, daß beide sich gleichsinnig drehen, die Exzenterwelle jedoch mit doppelter Drehzahl des Rotors,
- dieses Getriebe so angelegt sein kann, daß ein Zahnrad mit der Exzenterwelle fest verbunden ist bzw. die Exzenterwelle in einem Teilbereich als Zahnrad ausgeformt ist und dieses Zahnrad in Eingriff steht mit einem Innenzahnkranz, welcher fest verbunden ist mit dem Rotor und der Radius des Zahnrades halb so groß ist wie der Radius des Innenzahnkranzes.

18. Der Patentanspruch bezieht sich auf die Erfindung eines Konstruktionselementes "Drehhubkolbenmaschine", welches dadurch gekennzeichnet ist, daß

- diese Maschine basiert auf einem Drehhubkolbengetriebe gemäß Patentanspruch 16,
- wobei die Öffnungen der Zylinder kleiner als die Querschnittsfläche der Zylinderquerschnitts fläche sind, jedoch in Richtung Rotationsachse nahezu über die gesamte Breite des Zylinders reichen können, nicht mittig zum Zylinderquerschnitt angelegt sein müssen, sondern davon in Richtung des Drehsinns angeordnet sind,
- bei einer Pumpe die Gehäuseöffnungen des Einlasses relativ gering sind und die Gehäuse öffnungen des Auslasses relativ groß dimensioniert sind, bei einer Turbine umgekehrt dazu,
- in einer Maschine mehrere Zylinder angeordnet sein können,
- bei einer Turbine die Oberflächen der Kolben ganz oder teilweise schaufelförmig ausgeformt sein können.

19. Der Patentanspruch bezieht sich auf die Erfindung eines Konstruktionselementes "Drehhubkolbenmotor", welches dadurch gekennzeichnet ist, daß

- dieser Motor aus einem Funktionselement einer Pumpe entsprechend einer Drehhubkolben maschine entsprechend Patentanspruch 18 besteht,
- dieser Motor aus einem Funktionselement einer Turbine entsprechend einer Drehhubkolben maschine entsprechend Patentanspruch 18 besteht sowie
- zwischen beiden eine Brennkammer entsprechend Patentanspruch 10 angeordnet sein kann.

20. Der Patentanspruch bezieht sich auf die Erfindung eines Konstruktionselementes "Tangentialturbine", welches dadurch gekennzeichnet ist, daß

- Schaufeln am Mantel eines prinzipiell zylinderförmigen Rotors angeordnet sind,
- die Schaufeln durch prinzipiell ebene Innenwandungen gebildet werden, welche von der Manteloberfläche aus in zur tangentialen Richtung spitzem Winkel nach innen weisen,
- diese Innenwandungen am Mantel sich teilweise überlappen, wobei der nicht-überlappende Bereich im folgenden "Schaufelöffnung" genannt wird, der überlappende Bereich im folgenden "Schaufeltasche" genannt wird,
- der Bereich der Schaufelöffnungen also durch eine zur Manteloberfläche schräg stehende Innenwandung gebildet wird sowie durch Seitenwandungen, welche im Prinzip senkrecht zur Manteloberfläche weisen und stets von der Innenwandung bis zur Manteloberfläche reichen,
- diese Schaufelöffnungen in axialer Richtung in einen Bereich des Zuflusses von Fluid unterteilt sind, welcher im folgenden "Schaufeleinlaß" genannt wird, und einen Bereich des Abflusses von Fluid, welcher im folgenden "Schaufelauslaß" genannt wird,
- wobei der Bereich des Schaufeleinlaß und der Bereich des Schaufelauslaß durch einen am Mantel verlaufenden Steg getrennt sein können,
- im Bereich der Schaufeltasche die Innenwandung der einen Schaufel zugleich die Außen wandung der im Drehsinn des Rotors benachbarten Schaufel darstellt,
- diese Innenwandung und Außenwandung im Bereich der Schaufeltasche durch eine Wandung miteinander verbunden ist, welche im folgenden "Schaufelboden" genannt wird,
- dieser Schaufelboden einen im Prinzip halbkreisförmigen Querschnitt aufweist, d. h. obige Seitenwandungen in den Schaufelboden übergehen bzw. mit diesem verbunden sind, die Schaufel insgesamt damit einen prinzipiell u-förmigen Querschnitt aufweist,
- womit das durch den Schaufeleinlaß einfließende Fluid in der Schaufeltasche durch den Schaufelboden um etwa 180 Grad umgelenkt wird und durch den Schaufelauslaß den Rotor wieder verläßt,
- wobei der Schaufeleinlaß wie der Schaufelauslaß außen am Mantel eines prinzipiell zylinder förmigen Rotors angeordnet sein kann oder alternativ dazu ein prinzipiell ringförmiger Zylinder als Rotor eingesetzt wird und der Schaufeleinlaß außen am Rotor und der Schaufelauslaß innen am Rotor angeordnet werden kann bzw. umgekehrt,
- wobei stets der Schaufeleinlaß auf einer anderen axialen Ebene des Rotormantels als der Schaufelauslaß sich befindet,
- diese Schaufeln nicht am Mantel eines Rotors angeordnet sind sondern alternativ dazu und in analoger Weise im äußeren Bereich eines prinzipiell scheibenförmigen Rotors,
- wobei wiederum der Schaufeleinlaß und der Schaufelauslaß auf einer Seite dieser Rotorscheibe angeordnet sein können oder vorzugsweise der Schaufeleinlaß auf einer Seite dieser Rotor scheibe und der Schaufelauslaß auf der anderen Seite dieser Rotorscheibe angeordnet ist,
- wobei stets der Schaufeleinlaß auf einer anderen radialen Ebene der Rotorscheibe als der Schaufelauslaß sich befindet,
- bei jeder der obigen Varianten entsprechende Schaufeln im Gehäuse angeordnet sein können, deren prinzipiell u-förmiger Querschnitt in die entgegen gesetzte Richtung zu den Schaufeln des Rotors weist,
- bei einer Anordnung der Schaufeln auf einer im Prinzip zylinderförmigen Manteloberfläche diese Gehäuseschaufeln im Prinzip um eine halbe Schaufelbreite gegenüber den Rotorschaufeln in axialer Richtung versetzt angeordnet sind, wobei im Rotor wie im Gehäuse mehrere Schaufel kränze des Rotors und entsprechende Schaufelkränze des Gehäuses in axialer Richtung jeweils neben einander angeordnet sein können,
- bei einer Anordnung der Schaufeln auf einem im Prinzip scheibenförmigen Rotor in entsprech ender Weise mehrere Rotorscheiben und entsprechende Gehäusescheiben in axialer Richtung neben einander angeordnet sein können.

21. Der Patentanspruch bezieht sich auf die Erfindung eines Konstruktionselementes "Axialturbine", welches dadurch gekennzeichnet ist, daß

- im Einlaßbereich der Turbine das Fluid zunächst in eine prinzipiell parallel zur Rotationsachsen weisenden Richtung umgelenkt wird,
- dabei in Rotorkanälen geführt wird, welche eine beliebige Form von Querschnitt aufweisen können, vorzugsweise jedoch runden Querschnitt oder rechteckigen Querschnitt mit gerundeten Ecken aufweisen werden,
- diese Rotorkanäle feste Bestandteile des Rotors darstellen und prinzipiell am Mantel eines Rotors von hinten nach vorn verlaufen und dabei derart gewendelt sind, daß sie die Bahn einer Drallbewegung abbilden,
- indem die Rotorkanäle um eine Dralldrehachse nach außen und gegen den Drehsinn des Rotors und wieder zurück nach innen bis zum Radius der Dralldrehachse geführt werden, also in axialer Blickrichtung im Prinzip einen Kreisbogen von etwas mehr als 180 Grad beschreiben, welcher im folgenden als eine "Wendelphase" bezeichnet wird,
- am Ende dieser Wendelphase der Rotorkanal erneut eine Wendelphase beschreiben kann, wobei die erneute Wendelung um eine neue Dralldrehachse erfolgt, welche gegenüber der vorigen Dralldrehachse etwa um den Durchmesser vorigen Kreisbogens gegen den Drehsinn des Rotors verlagert ist.

22. Der Patentanspruch bezieht sich auf die Erfindung eines Konstruktionselementes "Strahltriebwerk", welches dadurch gekennzeichnet ist, daß

- es durch diverse Konstruktionselemente entsprechend vorstehender Patentansprüche zusammen gesetzt ist, beispielsweise einem Vordrallerzeuger, einer Potentialdrallpumpe, einer Brenn kammer, einer Tangentialturbine oder einer Axialturbine.

23. Der Patentanspruch bezieht sich auf eine Kombination zweier oder mehrerer Konstruktions elemente entsprechend vorstehenden Patentansprüchen, welche eine andere Zielsetzung erfüllen als in Patentanspruch 22 genannt.