AT523104A1 - Stützkonstruktion mit Diffusor für Savonius-Turbinenrotor - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Savonius-Rotor mit einer hohen Drehgeschwindigkeit und geringen Lastwechseln bei gleichzeitig hohem Drehmoment, bestehend aus zumindest fünf Rotorblätter (3) die durch zumindestens eine Verbindungsscheibe (2) befestigt sind und zwischen einem oberen Speichenrad (1) und unteren Speichenrad (5) so angeordnet werden, dass jedes Rotorblatt (6) am Innenradius radial nach innen und am Außenradius tangential gegen den Drehsinn weist. Fig. 1 Die Erfindung betrifft des Weiteren die Konstruktion einer Stützkonstruktion mit Leitapparat für Savonius-Rotoren, mit einer Anordnung bestehend aus Diffusor (21), Rotoren und Schilden (25), welche durch formschlüssige Verbindung von Verbindungsplattformen (22) aus Modulen (38) aufgebaut und mit einer Windnachführung (39) versehen sein können.

Description

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Die Erfindung betrifft die Gestaltung eines Savonius-Rotors mit einer hohen Drehgeschwindigkeit und geringen Lastwechseln bei gleichzeitig hohem Drehmoment, für die Umwandlung von kinetischer Energie von Fluiden in Rotationsenergie gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie die Konstruktion einer Stützkonstruktion mit Leitapparat für Savonius-Rotoren, für ihre effiziente Lagerung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 7.

Ein Savonius-Rotor besteht im wesentlichen aus einer oberen und einer unteren Abschlussplatte, zwischen denen sich mindestens zwei halbkreisförmig gebogene Rotorblätter befinden. Die Rotorblätter sind bevorzugterweise gegeneinander versetzt angeordnet, sodass das Fluid durch die Öffnung in der Mitte des Rotors auf das andere Rotorblatt umgeleitet wird. Der Begriff Turbine bezeichnete ursprünglich hauptsächlich Wasserräder, aber auch Windkraftanlagen, bei denen das Fluid von einem Flügel auf einen anderen umgeleitet wurde. Gemäß dieser ältesten Definition des Begriffs gilt der Savonius-Rotor nach der bevorzugten Bauform daher als Turbine, und ist aus AT103819A und US1697574A bekannt. Die Versuche von Sigurd J. Savonius, die in seinem Buch "The Wind Rotor - Theory and Praxis" (1926) näher erläutert werden, haben gezeigt, dass die Öffnung in der Mitte einen wesentlich günstigen Beitrag leistet. Die bei diesen Vesuchen ebenfalls beobachtete überlegene Leistung von Rotoren mit zwei Rotorblättern gegenüber Rotoren mit mehr als zwei Rotorblättern wurde dadurch erklärt, dass die Rotorblätter sich ansonsten zusätzlich überschneiden wodurch ungünstige Wirbel entstehen und die unsymmetrische Magnusströmung verringert wird.

Um die bei zwei Rotorflügeln besonders stark ausgeprägten Lastwechsel zu reduzieren, werden Savonius-Rotoren oft mit zwei orthogonal versetzt übereinander gelagerten Stufen gefertigt. Ebenfalls oft zu sehen ist eine Ausführung in Helixform, die in US7976267B2 beschrieben wird. Durch beide Maßnahmen werden die maximal erreichbaren Drehmomente zugunsten eines gleichmäßigeren Leistungsverlaufs reduziert.

Gemäß dem Betz'schen Gesetz liegt der maximale Nutzungsgrad von Windenergie durch eine Windkraftanlage bei 16/27, dieser Wert wird oft als Leistungsbeiwert oder Wirkungsgrad bezeichnet. Moderne Windenergieanlagen, die durch aerodynamische Flügelformen nach dem Auftriebsprinzip arbeiten, kommen relativ nahe an diesen Wert heran. Klassische Windkraftanlagen arbeiteten nach dem Widerstandsprinzip, wobei der maximale Wirkungsgrad 4/27 multipliziert mit einem Widerstandsbeiwert ist. Ein Grund warum Savonius-Rotoren eher selten zur Energiegewinnung eingesetzt werden, besteht darin, dass der Leistungsbeiwert bei dieser Rotorform bei den meisten Versuchen bei ungefähr 6/27 liegt.

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Es gibt daher eine Vielzahl an Patenten, die eine Verbesserung der Wirkung dieser Rotorform beanspruchen:

- JP4117247B2 beschreibt eine Variante mit spezieller Rotorblätterform und Leitflügeln;

- US8198747B2 beschreibt ebenfalls eine unterschiedliche Form der Rotorblätter;

- US5133637A beschreibt eine Variante mit geneigt angeordneten kreisbogenförmigen Rotorblättern;

- EP2236818A2 beschreibt einen Rotor mit logarithmischspiralförmigen Rotorblättern;

- US6857846B2 beschreibt eine stapelbare Windkraftanlage mit vertikaler Rotationsachse.

Viele Patente zielen außerdem darauf ab, die Effizienz durch statische Leitflügel oder Deflektoren um oder auf den Roter zu erhöhen:

- US10024302B2 beschreibt Vertikalachsenturbine mit einem äußeren Stator mit Leitflügeln und aerodynamischen Flügelprofilen;

- US5391926A beschreibt eine Variante mit radial angeordneten Leitflächen;

- EP2449256A1 beschreibt einen Savonius-Rotor bei dem die Windkraft am Hauptflügel durch Windleitflügel auf dem Rotor verstärkt wird;

- EP2012007B1 beschreibt einen Savonius-Rotor mit einem Stator und einem Rotor;

- EP0247139B1 beschreibt eine Variante mit einer speziellen Rotorform und einem Deflektor.

Bei der Windenergiegewinnung werden, trotz den genannnten Weiterentwicklungen, meist Rotoren mit horizontaler Drehachse und großen Radien bevorzugt, um mit geringem Materialeinsatz und wenigen Windrädern möglichst große Flächen abzudecken. Die Anschaffungskosten einer derartigen Anlage sind hoch, weil die Herstellung der großen, aerodynamisch optimierten und in Leichtbauweise aus Verbundstoffen gefertigten Profile sehr aufwändig ist. Die genannten Profile bestehen neben leicht verwertbarem Balsaholz oft aus Epoxidharz mit eingebetteten Glasfasern oder kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen, wobei die Rückgewinnung der eingesetzten Rohstoffe bei Letzteren schwieriger ist. Der Transport der großen Flügel zur Montage und nach dem Rückbau stellt außerdem eine logistische Herausforderung dar.

Wesentlich seltener werden Darrieus-Rotoren eingestzt. Diese werden, ebenfalls wegen ihres höheren Leistungsbeiwerts, meist gegenüber Savonius-Rotoren bevorzugt. Der Leistungsbeiwert ist allerdings ein nachrangiges Kriterium bei der Auslegung einer Windkraftanlage. Zum einen weil die Ressource Windkraft keine Kosten verursacht, und zum anderen weil eine größere Leistung. einfach durch eine größere Anlage erreicht werden kann.

Viel wesentlicher sind daher die Gefährdung und Belastung der Umwelt durch Emissionen und die Stromgestehungskosten, bei deren Berechnung der gesamte Lebenszyklus mit allen Aufwendungen für Materialeinsatz, Produktion, Betrieb, Wartung, Abbau und Recyling sowie externe Kosten zu berücksichtigen sind.

Savonius-Rotoren haben daher viele Vorteile:

- Die Konstruktion ist sehr einfach und die Herstellung günstig, weil keine komplizierten Geometrien oder Verbundtoffe benötigt werden;

- Bei einer vertikalen Drehachse können die Generatoren in Bodennähe oder über dem Wasser angebracht werden, wodurch die Wartung‘ erleichtert wird;

- Das höhere Drehmoment ermöglicht.einen Betrieb bei niedrigeren Anströmgeschwindigkeiten und trotz Verwirbelungen, wodurch ein Ertrag bei schlechten Bedingungen eher möglich ist;

- Ein Savonius-Rotor kann sich nicht wesentlich schneller als das anströmende Medium drehen, daher ist die Gefahr einer Überlastung des Generators geringer;

- Durch die niedrigeren Geschwindigkeiten gibt es weniger Schallemissionen und die Gefahr eines Vogelschlags oder Eisschlags beziehungsweise die Gefährdung von Fischen beim Einsatz im Wasser sind geringer;

- Abbau und Recycling sind bei geeigneter Konstruktion einfacher.

Savonius- und Darrieus-Rotoren sind wegen der Unabhängigkeit von der Anströmrichtung für-die Stromerzeugung aus der kinetischen Energie von Ozeanwellen und Tidenhub besonders interessant. US9309861B1 beschreibt den Einsatz von Savonius-Rotoren für die Produktion von elektrischem Strom aus der kinetischen Energie von Ozeanwellen.

Während bei Windkraftanlägen auf große’Radien und höhere Trägheitsmomente gesetzt wird, wird das Trägheitsmoment bei Wasserkraftanlagen und Gasturbinen durch möglichst kleine Radien minimiert. Rotoren mit großen Radien werden vornehmlich dann verwendet, wenn der Durchsatz sehr hoch und die Geschwindigkeit eher gering ist. Im allgemeinen wird der Radius bei Turbinen die mit höherem Druck arbeiten klein gehalten, weil der Druck über einen größeren Querschnitt geringer wäre. Außerdem würden die hohen Kräfte, durch die oft erhöhte Beschleunigung, bei großen Radien eine zu große Beanspruchung des Materials bedeuten.

Es sind Impeller von Kreiselpumpen und Ossbergerturbinen bekannt die ähnliche Rotorprofile wie die vorliegende Erfindung aufweisen:

- EP0133306A1 beschreibt das Laufrad der Ossbergerturbine;

-— US3759628A beschreibt eine Kreiselpumpe mit einem Rotor mit gewölbten Rotorblättern. . _-

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Die Hauptgründe warum Savonius-Rotoren SE "Zur Gewinnung von elektrischer Energie eingesetzt werden, sind einerseits die vergleichsweise niedrigen Wirkungsgrade und andererseits Schwierigkeiten bei der Konstruktion von größeren Rotoren. Durch den hohen Materialverbrauch ist es schwierig Rotoren mit großem Radius ohne wesentliche Unwucht durch Verformungen zu erzeugen. Die Last durch das strömende Fluid ist auf die einzelnen Rotorblätter immer unterschiedlich und variiert im Laufe einer Umdrehung, insbesondere bei der Bauform mit zwei Rotorblättern entstehen durch diese Lastwechsel starke Schwingungen. Außerdem wirken durch das strömende Fluid starke Querkräfte auf die Rotorblätter, wodurch die Lager zusätzlich belastet werden.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einerseits die genannten Schwierigkeiten bei der Konstruktion von großen Savonius-Rotoren zu vermeiden und andererseits den Wirkungsgrad eines Savonius-Rotors zu erhöhen. Gemäß einem weiteren Aspekt der Aufgabe soll ein Rotor mit geringen Lastwechseln beschrieben werden, um ungünstige Schwingungen weitgehend zu verhindern.

Es ist nicht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen elektrischen Generator für die Netzeinspeisung zu betreiben. Wenn die Rotationsenergie für den Antrieb von elektrischen Generatoren verwendet wird, dann soll der erzeugte Strom chemisch gespeichert werden.

Der Erfindung liegt die Beobachtung zu Grunde, dass auch bei relativ geringem Druck ein kleiner Radius des Rotors konstruktive Vorteile mit sich bringt. Der Grundgedanke besteht darin, ein hohes Drehmoment durch lange Rotorblätter und eine hohe Winkelgeschwindigkeit durch einen kleinen Radius zu erreichen,

Dies wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 erreicht. Um trotz des relativ kleinen Radius eine möglichst große Angriffsfläche und dadurch ein höheres Drehmoment und gleichzeitig einen ruhigen Lauf zu erreichen:

- sind die Rotorblätter länger als der Durchmesser des Rotors und werden zur Stabilisierung durch Verbindungsscheiben verbunden;

- werden zumindest fünf kreisbogenförmige Rotorblätter in gleichen Abständen ohne radiale Überschneidung auf dem Umfang eines Kreises angeordnet;

- sind die Winkel zwischen den Rotorblättern und der Tangente des Innenradius am Berührungspunkt 90°, das heißt die Rotorblätter weisen am inneren Radius radial nach innen;

- sind die Winkel zwischen den Rotorblättern und der Tangente des Außenradius am Berührungspunkt 0°, das heißt die Rotorblätter weisen am äußeren Radius gegen den Drehsinn.

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Die Winkel der Rotorblätter am SAUREN aM ihneren Radius, sind für die Durchströmung von außen nach innen und dann von innen nach außen ausgelegt. Die kreisbogenförmigen Rotorblätter haben gute Strömungswiderstandskoeffizienten und weisen eine gute Festigkeit auf. Durch die Verbindungsscheiben werden die, bei der Rotation durch Fliehkräfte auseinanderstrebenden Rotorblätter, zusammengehalten und ihre Form wird unterstützt. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden gemäß den Unteransprüchen 2 bis 4 vorgeschlagen.

Nach eigens durchgeführten Versuchen mit 3D-Druck Modellen mit vielen unterschiedlichen Rotorgeometrien, hat sich die eben beschriebene Form wegen ihrer höheren Drehgeschwindigkeit und Laufruhe bei gleicher Belastung gegenüber anderen vergleichbaren Modellen durchgetzt. Des weiteren hat sich - für mich zunächst völlig überraschend und nicht erklärbar - gezeigt, dass die Effizienz durch einen auf der Wind abgewandten Seite im Winkel von 45° zum Rotor angebrachten Zylinder wesentlich verbessert werden kann. Durch den, als Düse und Diffusor wirkenden, Zylinder wird das anströmende Fluid verdrängt, wodurch eine Zone mit höherem Druck und höherer Windgeschwindigkeit um den Umfang entsteht. Eine weitere und naheliegendere Verbesserung der Leistung kann erzielt werden, indem der Rotor, dort wo sich die Rotorblätter gegen den Wind bewegen, durch ein Schild abgeschirmt wird.

Durch die erfindungsgemäße Gestaltung des Rotors, insbesondere wegen der Länge der Rotorblätter, ergeben sich höhere Querkräfte und dadurch zusätzliche Anforderungen an die Lagerung. Um der vorher genannten Aufgabe der Erfindung nachzukommen, soll daher eine Stützkonstruktion mit den eben erwähnten günstigen Merkmalen, zum Einsatz kommen. Dies wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 5 erreicht.

Ein weiterer Aspekt der Aufgabe ist es, die Kosten von Logistik, Montage, Abbau und Recyling zu reduzieren. Dies wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 6 erreicht und weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden gemäß den Unteransprüchen 7 und 8 vorgeschlagen. Durch den darin beschriebenen Aufbau werden außerdem die Querkräfte auf Module verteilt und Schwingungen durch Klauenkupplungen gedämpft.

Durch die erfindungsgemäße Konstruktion, insbesondere durch die Anordnung des Leitapparats bestehend aus Diffusor und Schild, wird bei variabler Anströmrichtung des Fluids eine Nachführung erforderlich. Dies wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 9 erreicht. Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltungen wird gemäß dem Unteranspruch 10 vorgeschlagen.

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Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf Ausführungsbeispiele, welche in den Zeichnungen schematisch dargestellt sind, weiter erläutert.

Fig. 1 zeigt eine Explosionsansicht des Savonius-Turbinenrotors

Fig. 2 zeigt ein Schema der Rotorgeometrie für sechs Rotorblätter

Fig. 3 zeigt ein Schema der Rotorgeometrie für zwölf Rotorblätter

Fig. 4 zeigt eine Draufsicht eines Speichenrads für sechs Rotorblätter

Fig. 5 zeigt eine Draufsicht einer Verbindungsscheibe für sechs Rotorblätter

Fig. 6 zeigt eine Draufsicht eines Speichenrads für zwölf Rotorblätter

Fig. 7 zeigt eine Draufsicht einer Verbindungsscheibe für sechs Rotorblätter

Fig. 8 zeigt eine orthographische Ansicht des SavoniusTurbinenrotors mit nur drei montierten Rotorblättern

Fig. 9 zeigt eine orthographische Ansicht des SavoniusTurbinenrotors

Fig. 10 zeigt eine Draufsicht der modularen Stützkonstruktion ohne Windnachführung

Fig. 11 zeigt eine orthographische Ansicht eines Moduls der Stützkonstruktion ohne Windnachführung

Fig. 12 zeigt eine Draufsicht eines Moduls der Stützkonstruktion mit Windnachführung

Fig. 13 zeigt eine Ansicht von Unten der modularen Stützkonstruktion mit Windnachführung

Fig. 14 zeigt eine Orthographische Ansicht eines Moduls der Stützkonstruktion mit Windnachführung

Fig. 15 zeigt eine perspektivische Ansicht der Stützkonstruktion mit Windnachführung

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Wie aus Fig. 1 ersichtlich, besteht der BEST nach den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 2 aus einem oberen Speichenrad 1, zumindest einer Verbindungsscheibe 2, im dargestellten Fall sechs Rotorblättern 3 sowie einem unteren Speichenrad 5 und verfügt über keine durchgängige Welle. Die Länge der Rotorblätter 4 sollte so lange wie möglich gewählt werden um ein hohes Drehmoment zu erreichen, wobei die Statik des Rotors durch mehrere Verbindungsscheiben 2 gewährleistet sein muss. Die Verbindungsscheibe 2 ist ausgeschnitten, wie ebenfalls noch in Fig. 5 und Fig. 7 dargestellt ist, sodass nur die konkave Seite der Kreisbogenprofile der Rotorblätter abgedeckt wird, um die einfache Montage der Rotorblätter zu ermöglichen und trotzdem eine Querströmung an den Rotorflächen zu verhindern.

In Fig. 2 ist die Rotorgeometrie bei sechs Rotorblättern Skizziert, nach den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 müssen die Rotorblätter 6 kreisbogenförmig sein und dürfen sich radial nicht überschneiden. Außerdem müssen sie am Innenradius radial nach innen und am Außenradius tangential gegen den Drehsinn weisen. Bei einem vorgegebenen Außenradius von 100 cm ist demnach nur die dargestellte Konfiguration für sechs Rotorblätter möglich. Dabei hat die Krümmung von einem Rotorblatt 6 einen Radius von 46.4 cm, erstreckt sich über einen

Radius von 150° und es ergibt sich ein Innenradius des Rotors von 26.7 cm.

In Fig. 3 ist die Rotorgeometrie bei zwölf Rotorblättern skizziert, nach den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 ist bei einem vorgegebenen Außenradius von 100 cm nur die dargestellte Konfiguration für zwölf Rotorblätter möglich. Dabei hat die Krümmung von einem Rotorblatt 7 einen Radius von 33.3 cm, erstreckt sich über einen Radius von 120° und es ergibt sich ein Innenradius des Rotors von 57.7 cm. Im Vergleich zur Rotorgeometrie bei sechs Rotorblättern weist dieser Rotor, wegen des größeren Innenradius, eine niedrigere Winkelgeschwindigkeit und ein höheres Drehmoment auf,

Wie aus Fig. 4 ersichtlich, besteht das obere Speichenrad (1) sowie das untere Speichenrad (5), nach den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 3, aus jeweils einer Speiche für die axiale Fixierung 8 und einer Schiene für die radiale Fixierung 9 für jedes Rotorblatt, sowie einem Innenring 10 und einem Außenring 11. Der Innenring 10 ist in dieser Ansicht mit einer schematisch dargestellten Klauenkupplung verbunden. Der Außenring 11 verteilt die Kräfte die auf einzelne Speichen wirken auf alle Speichen, was vorteilhaft ist weil auf die Rotorflächen unterschiedlich starke Kräfte wirken. Die Speichen für die axiale Fixierung 8 sind hier stark ausgeschnitten, um Material und Gewicht zu sparen, sodass sie die Rotorblätter gerade so weit überragen dass diese fixiert werden können. Das

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ist zweckmäßig weil in axialer Richtung keine großen Kräfte wirken und die tangentiale Kraftübertragung über die Schienen für die radiale Fixierung 9 erfolgt. Savonius-Rotoren haben meist durchgängige obere und untere Abschlussplatten um ein wirkungsloses entweichen der Luft zu verhindern, der positive Effekt dieser Abschlussplatten nimmt allerdings bei höheren Rotoren ab. Es ist daher wichtiger Querströmung an den Rotorflächen zu verhindern, was durch die Verbindungsscheiben 12 gewährleistet wird. Aus Produktionssicht kann es allerdings vorteilhaft sein die Speichen wie die Verbindungsscheiben aus einer Scheibe 17 auszuschneiden.

Wie aus Fig. 5 ersichtlich, besteht eine Verbindungsscheibe 2 nach den kennzeichnenden Merkmalen der Ansprüche 1 und 4 aus der Verbindungsscheibe mit Ausschnitten für die Rotorblätter 12, jeweils einer Schiene 13 für die Befestigung der Rotorblätter und einem Innenring 14. Die Verbindungsscheibe 12 ist derart ausgeschnitten, dass nur die konkave Seite der Kreisbogenprofile der Rotorblätter abgedeckt wird. Die Schiene für die radiale Fixierung der Rotorblätter 13 ist, wie aus den anderen Abbildungen hervorgeht, dicker ausgebildet als der Rest der Verbindungsscheibe 2, um die Form der Rotorblätter besser zu unterstützen und eine gute Verbindung der Bauteile zu gewährleisten. Das ist dann begründet, wenn für die Verbindungsscheibe ein festeres Material verwendet wird als für die Rotorblätter oder wenn die Verbindung durch kleben erfolgt. Andernfalls werden die beiden Seiten der Schienen mit den Rotorblättern verschweißt. In den anderen Abbildungen ist der Innenring 14 dicker dargestellt als die Verbindungsscheibe 12, das ist nur dann zweckmäßig wenn die Verbindungsscheiben 12 mit einer durchgängigen Welle verbunden werden müssen.

In Fig. 6 ist ein Speichenrad für zwölf Rotorblätter dargestellt, das nach den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 3 aus einer Scheibe 15 ausgeschnitten ist, wobei im Innenring eine Klauenkupplung schematisch dargestellt ist. In der Abbildung sind auch die Profile der montierten Rotorblätter 16 dargestellt, es ist ersichtlich, dass die Rotorblätter wegen des großen Kreisbogenmaßes von 120° und wegen des großen Radius der Krümmung nicht von der Seite in die kreisbogenförmigen Schlitze eingeführt werden können. Dieses Problem wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Scheibe 15 an den strichlierten Linien ausgeschnitten ist.

In Fig. 7 ist eine Verbindungsscheibe für zwölf Rotorblätter dargestellt. Die strichlierten Linien markieren wie die Verbindungsscheibe 17 gemäß Hauptanspruch 1 und Nebenanspruch 4 ausgeschnitten werden muss. Im Vergleich zu einer OssbergerTurbine muss bei gleichem Radius eine wesentlich geringere Anzahl an Rotorblättern gewählt werden, damit die konkave Seite der Rotorblätter zum Schweißen erreichbar ist.

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In Fig. 8 ist ein Savonius-Turbinenrotor mit nur drei montierten Rotorblättern zur Veranschaulichung dargestellt. Bei der Montage werden zuerst die Rotorblätter mit den Verbindungsscheiben verbunden, danach können die Speichenkränze zunächst aufgesteckt und dann fixiert werden.

In Fig. 9 ist ein Ausführungsbeispiel des SavoniusTurbinenrotors 37 nach den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs 1 und der Nebenansprüche 2 bis 4 dargestellt. Im Prinzip handelt es sich dabei um eine Kombination aus SavoniusRotor und dem Laufrad der Ossberger-Turbine, wobei die Rotorgeometrie auf eine Durchströmung des gesamten Rotorkörpers ausgelegt wurde. Die vorliegende Erfindung ist wie ein SavoniusRotor für Wind oder langsame Wasserbewegungen ausgerichtet, teilt aber außer dem Verwendungszweck nicht viele Merkmale mit diesem Stand der Technik. Eine größere Übereinstimmung ist mit dem Laufrad der Ossberger-Turbine gegeben, insbesondere sind hier die kreisbogenförmigen Rotorblattprofile und die Verbindungsscheiben zu nennen. Diese Bauteile sind durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanpruch 7 unterscheidbar ausgestaltet, wobei die Unterscheidungsmerkmale durch den unterschiedlichen Verwendungszweck begründet sind.

In Fig. 10 wird der Aufbau der Stützkonstruktion mit Leitapparat für Savonius-Rotoren nach den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs 5 schematisch dargestellt. Der Radius der Rotordeckplatten 18 ist geringfügig größer als der Radius der Rotoren, welche in dieser Ansicht hinter den Rotordeckplatten 19 liegen. Der Radius des Diffusors 20 ist zumindest ebenso groß wie der der Radius der Rotoren. Der Diffusor 21 ist Zylinderförmig und erstreckt sich über die gesamte länge der Rotoren. Durch die Verbindungsplattform 22 werden die Wellenlager 23 mit dem Diffusor 21 verbunden. Die Wellen der Rotoren können über eine Kupplung, in dieser Abbildung ist eine Klauenkupplung 24 schematisch dargestellt, mit einer anderen Welle oder direkt mit einem Generator verbunden werden. Die Rotoren werden durch Schildplatten 25 abgeschirmt, die außerdem die Verbindungsplattformen 22 an den beiden Enden der Rotoren verbinden. Die Anströmrichtun des Fluids 26 wird durch einen Pfeil angezeigt. Durch den Diffusor (21) wird das anströmende Fluid verdrängt, wodurch eine Zone mit höherem Druck und höherer Windgeschwindigkeit um den Umfang entsteht. Die Rotoren werden SO angeordnet, dass die Druckseite der Rotorblätter in dieser Zone in die Windrichtung weist,

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Wie aus Fig. 11 ersichtlich?” kahn die Stützkonstruktion mit Leitapparat ohne Windnachführung nach den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 7 aus mehreren Modulen 38 bestehen, die übereinander gestapelt oder nebeneinander gestellt werden. Die Wellen der Rotoren 37 der einzelnen Module sind zunächst nur auf einer Seite mit einem Lager 23 des Moduls verbunden, und werden erst bei der Montage durch eine Kupplung, in dieser Abbildung ist eine Klauenkupplung 24 schematisch dargestellt, mit der Welle des vorangehenden Moduls verbunden.

Wie aus Fig. 12, Fig. 13 und Fig. 14 ersichtlich, besteht die modulare Sützkonstruktion mit Windnachführung 39 nach den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 9 aus Schildplatten 25 welche die Rotorblätter der Rotoren 37 bei der Bewegung gegen den Wind abschirmen, aus einer Oberen Verbindungsplattform 27 auf der Radaufhängungen 28 als Führungselemente für Abstandsräder 29 angebracht sind und einer Unteren Verbindungsplattform 31 auf der eine Bodenplatte 32 für die Befestigung einer Stütze mit einer optionalen Finne 30 angebracht ist. Die Anströmrichgung des Fluids 26 wird durch einen Pfeil angezeigt.

In Fig. 15 ist der Aufbau der Stützkonstruktion mit Leitapparat und Windnachführung nach den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 10 dargestellt. Mehrere Module der Stützkonstruktion mit Windnachführung 39 sind übereinander, um einen fixen Deflektor 36 und auf einem Generatorraum 35 angeordnet. In dem Generatorraum 35 befinden sich die Regeltechnik und eine Bremsvorrichtung. Durch die Rotationsmechanik 33 kann die Rotationsplattform 34 mit dem darauf befestigten Generatorraum 35 und der Stützkonstruktion um den fixen Deflektor für die Windnachführung aktiv rotiert werden.

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Claims (10)

PATENTANSPRÜCHE

1. Savonius-Rotor mit einer zentralen Welle für die Umwandlung von kinetischer Energie von Fluiden in Rotationsenergie, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest 5 kreisbogenförmige Rotorblätter (3) durch zumindestens eine Verbindungsscheibe (2), die durch Ausschnitte (17) nur die konkave Seite der Kreisbogenprofile der Rotorblätter (3) abdeckt, befestigt sind und zwischen einem oberen Speichenrad (1) und unteren Speichenrad (5) so angeordnet werden, dass sich die Rotorblätter (3) radial nicht überschneiden und jedes Rotorblatt (6) am Innenradius radial nach innen und am Außenradius tangential gegen den Drehsinn weist.

2. Savonius-Rotor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle nicht durchgängig ist, sondern das obere Speichenrad (1) und das untere Speichenrad (5) mit jeweils einer anderen Welle oder einem Lager entweder stoffschlüssig oder durch eine Kupplung, insbesondere eine Klauenkupplung (10), verbunden ist.

3. Savonius-Rotor gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Obere Speichenrad (1) und das untere Speichenrad (5) aus einem Innenring (10) für die direkte Befestigung an einer Welle oder die Befestigung einer Kupplung, und für jedes Rorblatt (3) über eine Speiche für die axiale Fixierung (8) sowie eine Schiene für die radiale Fixierung (9) bestehen, wobei die Speichen (8) und Schienen (9) durch einen Außenring (11) befestigt und zur einfacheren Fertigung aus einer Scheibe ebenso wie die Verbindungsscheiben (2) ausgeschnitten sein können (15).

4. Savonius-Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ausgeschnittene Verbindungsscheibe (12) mit je einer Schiene (13) für die Befestigung der Rotorblätter (3) und einem Innenring für die Befestigung an einer Welle (14) verbunden ist, wobei mehrere dieser funktionalen Bauteile, insbesondere Verbindungsscheibe (12) und Schiene (13), die gleiche Höhe haben können (17).

5. Stützkonstruktion mit Leitapparat für Savonius-Rotoren, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder zwei Savonius-Rotoren neben einem zylinderförmigen Diffusor (21) in einem Winkel von 45°, zu der Orthogonalen auf den Richtungsvektor des Fluidstroms (26) durch den Mittelpunkt des Diffusors (21), in Richtung des Fluidstroms (26), so angeordnet werden, dass die konkave Seite eines Rotorblattes (6) gegen die Richtung des Fluidstroms (26) ausgerichtet ist wenn der äußerste Punkt des Rotorblattes den geringsten Abstand zum Diffusor (21) hat, wobei der diametrale Punkt und ein Kreisbogen von bis zu 45° auf beiden Seiten davon durch eine Schildplatte (25) abgeschirmt wird.

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6. Stützkonstruktion mit Leitapparat SC Kapruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass Teile der Stützkonstruktion (38) aus mehr als einem Modul bestehen, wobei die Verbindungsplattformen (22) der Module formschlüssig verbunden werden können um die Gesamtheit der Stützstruktur zu bilden.

7. Stützkonstruktion mit Leitapparat nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellen der Rotoren (37) der einzelnen Module zunächst nur auf einer Seite mit dem Lager (23) des Moduls verbunden sind und erst bei der Montage durch eine Kupplung, insbesondere eine Klauenkupplung (24), mit der Welle des vorangegangenen Moduls verbunden werden beziehungsweise die Welle des ersten Moduls mit einem Abschlussmodul oder direkt mit der Welle eines Generators verbunden wird.

8. Stützkonstruktion mit Leitapparat nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass auf jedem Modul zumindest ein Generator und, falls erforderlich, eine Bremsvorrichtung angebracht ist, wobei ein Generator gegebenenfalls über Schneckengetriebe durch zwei Rotoren angetrieben werden kann.

9. Stützkonstruktion mit Leitapparat nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Oberen Verbindungsplattform (27) welche die Wellenlager verbindet mehrere Abstandsräder (29) auf jeweils einer Radaufhängung (28) frei drehbar angebracht werden, wobei die untere Verbindungsplattform (31) für eine formschlüssige Verbindung mit der oberen Verbindungsplattform (27) ausgelegt sein kann, sodass sich die gesamte Stützstruktur beziehungsweise alle Module (39) um einen fixen Deflektor (36) drehen können.

10. Stützkonstruktion mit Leitapparat nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Module der Stützkonstruktion mit Windnachführung (39) auf einem Generatorraum (35) mit Regeltechnik und Bremsvorrichtung auf einer Rotationsplattform (34) angebracht werden, die durch eine Rotationsplattform (34) mit Rotationsmechanik (33) für eine aktive Windnachführung um den fixen Deflektor (36) rotiert werden kann.

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