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Die Erfindung betrifft einen mit einer Beschaufelung versehenen Rotor für Strömungsmaschinen, wobei die Stellung der Beschaufelung drehwinkelabhängig ist und zur Steuerung eine, mit einer sich in die Strömungsrichtung einstellenden Strömungsfahne versehene Stelleinrichtung vorgesehen ist.
Bei den bisherigen, in Wasser- oder Windkraftwerken verwendeten Rotoren dieser Strömungsmaschinen ist der Aufwand sehr gross im Vergleich zum Wirkungsgrad. Kraftwerksturbinen für hohe Strömungsgeschwindigkeiten machen hohe Staudämme bzw. Dammschüttungen mit entsprechenden Umweltauflagen erforderlich. Andererseits stehen Windlaufräder herkömmlicher Bauart senkrecht zum Boden, was sowohl physikalisch als auch im Sinne der Umweltverträglichkeit Grenzen setzt.
In der US 4, 260, 328 A ist eine axiale Strömungsarbeitsmaschine beschrieben, deren Rotorblätter über einen Feder-Nockenwellen-Mechanismus unabhängig voneinander in einem bestimmten Winkel zur Strömung gehalten werden. Bei starker Strömung kann sich dieser Winkel durch Abheben der Führungselemente von der Nockenwelle verringern, so dass eine obere Grenze für die Strömungsgeschwindigkeit vorgegeben ist. Überdies steht keines der Rotorblätter jemals normal auf die Strömung, so dass deren Energie nicht optimal ausgenutzt wird, was speziell die Anwendung bei niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten unwirtschaftlich macht.
Die GB 2 281 761 Aist eine Wind- oder Wasserturbine beschrieben, deren Rotorblätter asymmetrisch auf ihren Achsen sitzen und deren Drehung in eine vertikale, den Strömungsdruck in Bewegung umwandelnde Stellung durch das Gewicht ihres grösseren Flächenteiles eingeleitet wird. Auf der gegenüberliegenden Seite, wo die Rotorblätter gegen die Strömung bewegt werden müssen, hält sie die Strömung selbst im wesentlichen waagerecht. Bei erweiterten Ausführungsformen wird die Drehbewegung der Rotorblätter sowohl vorne als auch hinten mechanisch unterstützt und zusätzlich kann noch eine federunterstützte Fixierung in der vertikalen bzw. horizontalen Position vorgesehen sein.
Durch die lediglich mittels einer Feder fixierten Stellung der Rotorblätter können Strömungsturbulenzen oder andere Einflüsse dazu führen, dass sich die Rotorblätter ungewollt drehen und somit den Betrieb der Turbine negativ beeinflussen.
Überdies sind keine Massnahmen getroffen, um in einfacher Weise Richtungsänderungen der Strömung und damit andere Positionen für die Drehhilfseinrichtungen der Rotorblätter berücksichtigen zu können.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung war daher ein Rotor, der in einfacher Art und Weise bei waagrecht liegender Orientierung die optimale und sichere Einstellung der Schaufeln in Strömungsrichtung erlaubt, deren Verbleib in dieser Stellung sichert und auch eine einfache Anpassung an Änderungen der Strömungsrichtung gestattet und auch für einen weiten Bereich von Strömungsgeschwindigkeiten, insbesonders auch sehr niedrige Strömungsgeschwindigkeiten, geeignet ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die Stelleinrichtung als um eine Achse schwenkbare Scheibe mit einer Exzenterbahn ausgebildet ist, dass an der Exzenterbahn insbesondere vier Paare von Rollen anliegen, wobei ein Rollenpaar jeweils an einer radial bezüglich der Achse der Scheibe im Rotor bewegbar geführten Mutter befestigt ist, in welche der mit einem insbesondere mehrgängigen Gewinde versehene Achsstummel, der insbesondere mittels einer am Achsstummel fixierten, an Drucklagern abgestützten Scheibe drehbar, jedoch unverschiebbar im Rotor gelagerten Beschaufelung eingreift.
Damit werden die vertikal ausgerichteten und damit von der Strömung bewegten Schaufeln durch die Steuerfahne immer in die Strömungsrichtung gestellt, während die Scheibe mit der Exzenterbahn für die optimale Stellung der Schaufeln sorgt. Durch die Zwangsführung der die Verdrehung bewirkenden Muttern wird ein unbeabsichtigtes Verdrehen der Schaufeln aus der Strömung bzw. der horizontal liegenden Schaufeln in die Strömung verhindert, so dass auch bei,. höheren Strömungsgeschwindigkeiten ein sicherer Betrieb möglich ist, während durch die Arbeitsstellung normal zur Strömung deren Energie selbst bei geringsten Geschwindigkeiten bestmöglich genutzt werden kann.
Dazu trägt auch bei, dass der Rotor waagrecht liegend angeordnet und die Schaufeln durch eine Zwangsführung verdreht werden, wodurch diese Schaufeln für niedrige Strömungsgeschwindigkeiten sehr gross gemacht werden können, ohne an die bei senkrechter Bauweise rasch erreichten physikalischen und ökologischen Grenzen zu stossen.
In der nachfolgenden Beschreibung soll die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert werden.
Fig. 1 zeigt eine Draufsicht auf die erfindungsgemässe Vorrichtung und Fig. 2 ist ein Querschnitt durch deren zentralen Teil in vergrössertem Massstab.
In Fig. 1 ist ein Rotor der Vorrichtung mit vier Schaufeln 1 bis 1 d dargestellt. Die in der Zeichnung rechts befindliche Schaufel 1 a ist mit ihrer Fläche senkrecht zur Zeichnungsebene und auch senkrecht auf die durch den Pfeil symbolisiert Strömung ausgerichtet, so dass eine in Richtung des Pfeils wirkende Kraft an dieser Schaufel 1 a angreift und den Rotor im Uhrzeigersinn (symbolisiert durch den gebogenen Pfeil) dreht. Die anderen Schaufeln 1 b bis 1 d sind parallel zur Zeichenebene ausgerichtet und stellen der Strömung einen nur geringen Widerstand entgegen.
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Die beschriebene Ausrichtung der Schaufeln 1 bis 1 d wird durch ein auf der Drehachse des Rotors sitzendes Exzenterelement 2 bewirkt, das-wie in Fig. 2 deutlicher dargestellt ist-mit einem mit den Achsen der Schaufeln 1a bis 1d verbundenen, im folgenden näher beschriebenen Verstellmechnismus 4 zusammenwirkt. Das Exzenterelement 2 ist in seiner Orientierung einstellbar, beispielsweise durch eine Strömungsfahne 3, welche sich in Richtung der Strömung einstellt und das Exzenterelement 2 so ausrichtet, dass dessen exzentrischer Abschnitt an die Stelle gelangt, an der die Schaufeln mit ihren Achsen senkrecht auf die Strömungsrichtung orientiert sind und durch Verdrehen gegen die Strömung angestellt werden sollen.
Die Fig. 2 zeigt den zentralen Teil des Rotors 14 im vergrösserten Querschnitt. Die auf einer schwenkbaren Scheibe vorgesehene Exzenterbahn 12 des durch die Strömungsfahne 3 in einer bestimmten, strömungsabhängigen Stellung fixierten Exzenterelementes 2 verläuft um die Drehachse 10 des Rotors 14 und weist an der Stelle, an der die Schaufeln gegen die Strömung gedreht werden sollen, ihren exzentrischen Verlauf auf. Die im zentralen Teil des Rotors gelagerten Achsen 17 der Flügel 1a bis 1d weisen einen insbesondere mehr-gängigen Gewindeabschnitt 16 auf, auf dem sich axial verschiebbar, jedoch gegen Verdrehen gesichert jeweils eine Mutter 15 befindet. Diese Muttern 17 weisen jeweils zwei Führungsrollen 13 auf, weiche an beiden Seiten der Exzenterbahn 12 anliegen und die Muttern 15 entsprechend von deren Verlauf radial positionieren.
Wenn eine Mutter 15 während der Drehung des Rotors 14 den exzentrischen Abschnitt der Exzenterbahn 12 passiert, wird sie zuerst radial nach aussen und im weiteren Verlauf der Drehung wieder radial nach innen verschoben. Dadurch bewirkt diese Mutter 15 zuerst eine Drehung der Achse 17 - und damit auch der zugehörigen Schaufel, hier der Schaufel 1 a - um eine von der Steigung des Gewindes 16 auf der Achse 17 und der Exzentrizität der Exzenterbahn 12 abhängigen Winkel, vorzugsweise um 90'. Im weiteren Verlauf der Drehung des Rotors 14 wird durch die radiale Einwärtsverschiebung der Mutter 15 auch die Schaufel 1 a wieder in die ursprüngliche Lage zurückgedreht und der Vorgang wiederholt sich mit der nächsten Schaufel, hier der Schaufel 1 b, usw.
Der Rotor 14 ist gekapselt ausgeführt und mit Öl gefüllt. Es dient auch der Verbindung mit der kraftabnehmenden Welle, die weiter über ein Getriebe eine Generator, eine Pumpe, etc. antreibt. Die Achsen 17 der Schaufeln 1 bis 1 d sind mit angesetzten Scheiben 18 versehen, die auf die Achsen aufgeschrumpft und durch Drucklager 19 drehbar, aber axial unverschiebbar, gelagert sind.
Anstelle der Strömungsfahne 3 kann die Einstellung des Exzenterelementes 2 für die Verdrehung der Schaufeln 1 bis 1 d auch mittelieiner elektrischen Steuerung erfolgen.
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