DE10125939A1

DE10125939A1 - Pumpe, vorzugsweise zum Einsatz bei Windkraftanlagen

Info

Publication number: DE10125939A1
Application number: DE10125939A
Authority: DE
Inventors: Gunter Kraus
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-05-23
Filing date: 2001-05-23
Publication date: 2002-12-05

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Pumpe, vorzugsweise zum Einsatz bei Windkraftanlagen, insbesondere zum Pumpen flüssiger Medien, bestehend aus einem Stator (9) und einem Rotor (8), wobei der Rotor (8) mit wenigstens einem durch die Flügel der Windkraftanlage in Rotation versetzbaren Element verbunden ist und sich zwischen Stator (9) und Rotor (8) wenigstens ein, das zu pumpende Medium aufnehmender, Druckraum (D) befindet. Erfindungsgemäß erstreckt sich der Druckraum (D) entlang der Achse (A) des Stators (9) und des Rotors (8) und erfährt eine längs der Achse fortschreitende Querschnittsverringerung bei Umdrehung des Rotors (8).

Description

Die Erfindung betrifft eine windkraftbetriebene Pumpe, vorzugsweise zum Einsatz bei Windkraftanlagen, nach dem Oberbegriff des ersten Patentanspruchs.

DE 197 54 478 A1 beschreibt eine windkraftangetriebene Vorrichtung zur Anreicherung von Wasser mit Luftsauerstoff. Dabei wird über eine Pumpe Umgebungsluft angesaugt und zu einem unterhalb der Wasseroberfläche liegenden Luftaustritt transportiert, wo eine Propellerschraube die Luft mit dem Wasser vermischt. Die Pumpe besteht aus einem Ringgehäuse, an welchem 4 Pumpenhebel schwenkbar gelagert sind, wobei die Pumpenhebel in Richtung der Gehäusemitte gekrümmt sind. Gehäusemittig befindet sich ein windkraftbetriebener Rotor, der mit einer drehbar gelagerten Welle verbunden ist. Am Rotor sind zwei sich gegenüberliegende Laufräder angebracht. An der Innenseite des Ringgehäuses sind 4 Blasebalge angebracht. Diese weisen jeweils ein Einlassventil auf, welches bei Unterdruck Luft ansaugt, sowie ein Auslassventil, welches bei Überdruck die Luft an einen Schlauch zur Weiterleitung der Luft abgibt. Bei einer Drehbewegung des Rotors drücken die Laufräder gegen die Pumphebel und diese gegen die Blasebalge, wodurch eine Pumpwirkung mit den Blasebalgen erzeugt wird.

Alternativ kann der Rotor auch außen als ringförmiges Gehäuse ausgebildet sein, welches an seiner Innenseite zwei Laufräder aufweist. Gehäusemittig ist dann eine starre Welle angeordnet, die eine Lagerung mit den Pumphebeln trägt. Unter den Pumphebeln in Richtung zur Achse sind die Blasebalge angeordnet, die über die durch die Laufräder bei Rotation betätigten Pumphebel zusammengedrückt werden und somit die Pumpwirkung erzeugen.

Diese Lösung ist zum Pumpen von Wasser über eine große Wegstrecke entlang einer beliebigen Verlaufsform nicht geeignet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine windkraftbetriebene Pumpe zu schaffen, die eine Leistungssteigerung der Windkraftanlage gewährleistet, und nicht nur linear, sondern in beliebigen anderen Formen verlaufen kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des ersten Patentanspruchs gelöst.

Die Pumpe dient dabei vorzugsweise zum Einsatz bei Windkraftanlagen, insbesondere zum Pumpen flüssiger Medien, und besteht aus einem Stator und einem Rotor, wobei der Rotor mit wenigstens einem durch die Flügel der Windkraftanlage in Rotation versetzbaren Element verbunden ist und sich zwischen Stator und Rotor wenigstens ein, das zu pumpende Medium aufnehmender, Druckraum befindet. Erfindungsgemäß erstreckt sich der Druckraum mit einer Länge entlang der Achse des Stators und des Rotors, wobei der Druckraum eine längs der Achse fortschreitende Querschnittsverringerung bei Umdrehung des Rotors erfährt.

Die den Querschnitt des Druckraumes verringernden Elemente sind dabei so exzentrisch angeordnet, dass bei Umdrehung des Rotors eine axial fortschreitende Querschnittsverringerung des Druckraumes über die gesamte Länge des Druckraumes erfolgt.

Der Stator kann dabei mittig angeordnet und der Rotor als Außenrohr ausgebildet sein.

Der Stator weist dabei z. B. eine oder mehrere in Achsrichtung verlaufende Nuten auf, die als Druckraum ausgebildet sind, wobei am Rotor eine Vielzahl von, die Querschnitts verringerung bewirkenden, Elementen angeordnet sind.

Die Querschnittsverringerung kann von den Elementen auch über Druckstücke übertragen werden. Vorteilhaft ist es, die Elemente als Exzenterringe auszubilden, die einfach hintereinander angeordnet werden können.

Der Druckraum wird bevorzugt durch den Innenraum eines Schlauches gebildet und ist durch am Rotor und/oder am Stator angeordnete Elemente in seinem Querschnitt verringerbar.

Die Pumprichtung liegt dabei in Richtung der axial fortschreitenden Querschnittsverringerung.

Es ist auch möglich zwei oder mehr als zwei sich gegenüberliegende Druckräume zwischen Stator und Rotor anzuordnen, deren Pumprichtung gleich oder gegenläufig sein kann.

Bevorzugt schließt sich an den im Querschnitt verringerbaren Druckraum beidseitig ein Kanal an, so dass insgesamt ein geschlossener Kreislauf des Druckmediums gebildet wird. Die Pumprichtung liegt dabei in Richtung des Windrades und die Flussrichtung im Kanal dazu entgegengesetzt. Beide Enden von Druckraum und Kanal werden dazu über eine Umlenkung miteinander verbunden.

In Versuchen hat sich der Einsatz von zwei Schläuchen bewährt, in denen von unten nach oben gleiche Förderrichtungen erzeugt wurden und die über wiederum zwei Kanäle und entsprechende Umlenkungen miteinander so verbunden sind, dass sich insgesamt zwei geschlossene Kreisläufe des Mediums ergeben.

Am unteren Ende der Kanäle münden diese z. B. in einen Turbinenraum und betreiben eine Turbine, so dass die untere Umlenkung des Mediums über den Turbinenraum erfolgt.

Die Pumpe kann entweder geradlinig oder im Radius, z. B. kreisförmig oder meanderförmig verlaufen.

Es ist auch möglich, die Pumpe U-förmig oder C-förmig auszubilden.

Durch die Unterteilung der Pumpe in mehrere flexibel verbundene Abschnitte (durch Kreuz- oder Kugelgelenke) ist sie beliebig veränderbar.

Mit der Erfindung wird eine neuartige Pumpe geschaffen, die eine wesentliche Leistungssteigerung der Windkraftanlage gewährleistet. Bevorzugt wird dabei eine Peltonradturbine eingesetzt. Bei einer Verdoppelung der Windgeschwindigkeit wird dabei eine zirka Verachtfachung der Leistung der Turbine erzielt.

Insgesamt wird eine geräusch- und wartungsarme Pumpe geschaffen, die bei einem hohen Wirkungsgrad bereits bei niedrigen Windgeschwindigkeiten und somit geringen Drehzahlen eine hohe Leistung bereitstellt.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und zugehöriger Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 schematische Darstellung der Windkraftanlage mit einer im Ständer integrierten Pumpe,

Fig. 2 schematische Darstellung der Pumpe im Längsschnitt,

Fig. 3 Schnitt A-A gem. Fig. 2

Fig. 4 Verlauf der Pumpe in U-Form mit geradem Mittelschenkel,

Fig. 5 Verlauf der Pumpe in U-Form mit halbkreisförmigem Mittelschenkel,

Fig. 6 Verlauf der Pumpe in Kreisform,

Fig. 7 meanderförmiger Verlauf der Pumpe,

Fig. 8 Pumpe mit feststehenden Exzenterringen und Außenrohr und innenliegendem Rotor,

Fig. 9 und 10 im Winkel geneigte Pumpen.

In Fig. 1 ist schematisch eine Windkraftanlage dargestellt. Die Windkraftanlage weist eine Platte 1 auf, an welcher vertikale Einleitflächen 2 und horizontale Einleitflächen 3 angeordnet sind. An einer drehbaren Rotorplatte 4 werden die Rotorblätter 5 befestigt. Die Anlage weist weiterhin einen Ständer 6 auf, der als Pumpe ausgebildet und direkt oder über einen Ständerfuß 7 mit dem Boden oder an bzw. auf einem Gebäude befestigbar ist. Das Außenrohr des Ständers 6 ist mit der Rotorplatte 4 verbunden und somit als Rotor 8 ausgebildet. Der Mittelstab ist als Stator 9 feststehend und mit der Platte 1 und den vertikalen und horizontalen Einleitflächen 2 und 3 verbunden. Schematisch zeigt diese Darstellung, dass im Stator 9 das Medium über einen Druckraum D nach oben gepumpt, über eine Umlenkung U umgelenkt wird und über einen Kanal K nach unten fließt. Auf dem Ständerfuß 7 ist ein Gehäuse 10 befestigt, in welchem eine Turbine 11 in einem Turbinenraum 12 angeordnet ist. Mit dem Turbinenraum 12 ist ebenfalls der Druckraum D mit seinem anderen Ende verbunden. Das Medium wird aus dem Turbinenraum 12 über den damit verbundenen Druckraum D abgesaugt.

In Fig. 2 ist ebenfalls schematisch das obere Ende der einen Pumpe im Längsschnitt dargestellt, wobei Fig. 3 den Schnitt A-A zeigt. Mit dem Rotor 8 sind mehrere hintereinander angeordnete und miteinander verspannte Exzenterringe 8.1 verbunden. Der Stator 9 ist stabförmig ausgebildet und weist einen ersten Druckraum D1 und einen gegenüberliegenden zweiten Druckraum D2 sowie einen ersten Kanal K1 und einen zweiten diesem gegenüberliegenden Kanal K2 auf. Die Druckräume D1 und D2 und die Kanäle K1 und K2 sind 90° zueinander versetzt angeordnet. Eine oben angeordnete Umlenkung U1 verbindet den Druckraum D1 mit dem Kanal K1 und eine Umlenkung U2 den Druckraum D2 mit dem Kanal K2. D1, U1 und K1 werden durch einen ersten Schlauch S1 gebildet und D2, U2 sowie K2 durch einen zweiten Schlauch S2. Am unten liegenden Ende stehen der erste und der zweite Druckraum D1, D2 mit den ersten und zweiten Kanälen K1, K2 über den Turbinenraum 12 miteinander in Verbindung. Die Bereiche der Schläuche S1 und S1, welche die Kanäle K1 und K2 bilden, verlaufen in im Stator 9 befindlichen, nicht näher bezeichneten, Längsbohrungen. Die Bereiche der Schläuche S1, S2, welche die Druckräume D1, D2 bilden, verlaufen in Nuten N1, N2 im Stator, wobei die Nuten N1, N2 so ausgebildet sind, dass ein Zusammendrücken des Schlauches S1, S2 möglich ist. In jeder Nut N1, N2 sind über deren Länge verteilt entsprechend der Anzahl der Exzenterringe 8.1 Druckstücke 9.1 innen an den Exzenterringen angeordnet. Der Stator 9 wird von einer Hülse 9.2 umschlossen, die an den Bereichen der Druckstücke 9.1 durchbrochen ist.

Neben der Integrierung der Pumpe mit einem geradlinigen, vertikalen Verlauf im Ständer der Windkraftanlage ist es auch möglich, den Verlauf der Pumpe speziellen Erfordernissen anzupassen. Einige Varianten werden in Fig. 4 bis 10 gezeigt. Der Verlauf einer Pumpe in U-Form mit geradem Mittelschenkel ist in Fig. 4 und mit halbkreisförmigem Mittelschenkel in Fig. 5 dargestellt. Auch ein Verlauf der Pumpe in Kreisform (Fig. 6) bzw. ein meanderförmiger Verlauf (Fig. 7) ist möglich. Dabei ist es vorteilhafter, das Außenrohr als Stator auszubilden und innen den Rotor anzuordnen. Die jeweilige Abwinklung kann durch eine Ausbildung des Rotors in der Art einer Kardanwelle oder durch entsprechende Gelenke (z. B. Kreuzgelenke) erfolgen, wie in Fig. 8 gezeigt. Dort sind die Exzenterringe 9.1 feststehend und innenliegend der Rotar angeordnet.

Weitere Ausführungsformen von im Winkel von 135° und 7° geneigten Pumpen sind in Fig. 9 und 10 dargestellt. Selbstverständlich sind auch alle anderen Winkel und Neigungsrichtungen möglich.

Die Wirkungsweise der in Fig. 1 dargestellten Pumpe ist folgende:
Der Druckraum D, der Kanal K und der Turbinenraum 12 werden über eine nicht dargestellte Zuleitung mit dem zu pumpenden Medium, vorzugsweise Wasser gefüllt, so dass ein geschlossenes System gebildet wird. Durch den Wind werden die Rotorblätter 5 und die Rotorplatten 4 in Drehung versetzt, wodurch sich auch der im Ständer 6 ausgebildete Rotor 8 dreht. Durch die den Querschnitt des Druckraumes D verringernden Elemente (hier nicht näher dargestellt) erfolgt bei einer Umdrehung des Rotors 8 eine axial fortschreitende Querschnittsverringerung des Druckraumes D über dessen gesamte Länge, hier von unten nach oben in Pfeilrichtung, wodurch das Medium auch in diese Richtung gepumpt wird. Am oberen Ende des Druckraumes D ist eine Umlenkung angeordnet, durch welche das Medium in den Kanal K fließt, über welchen es nach unten in den Turbinenraum 12 gelangt, auf das Turbinenrad der Turbine 11 strömt und dieses in Drehung versetzt. Über die Verbindung des Turbinenraumes 12 mit dem Druckraum D wird das Medium wieder nach oben gefördert, so dass ein ständiger Kreislauf entsteht. Durch die Turbine wird Strom erzeugt, der an den Verbraucher weitergeleitet wird.

Gem. Fig. 2 sind im Stator zwei Druckräume D1 und D1 und dementsprechend zwei Kanäle K1 und K2 sowie zwei Umlenkungen U1, U2 angeordnet. Durch die Exzenterringe 8.1 werden bei Umdrehung des Rotors 8 die Druckstücke 9.1 gegen die Druckräume D1, D2 gedrückt. Ist die Querschnittsverringerung beim Druckraum D1 am größten, d. h. ist der Schlauch S1 an dieser Position am meisten zusammengedrückt, so ist der Druckraum D2 an dieser Position vollständig geöffnet. Der Verlauf der Querschnittsverringerung um die Höhe h bei einer Umdrehung um 360° entlang der Länge L der Druckräume ist dabei aus Fig. 11 ersichtlich. Die Phasenverschiebung λ der Querschnittsverringerung in den beiden Druckräumen beträgt dabei 180°. Es ist selbstverständlich auch möglich mehr als zwei Druckräume vorzusehen, deren Phasenverschiebung λ dann entsprechend unterteilt wird (3 Druckräume: λ = 120°, 4 Druckräume: λ = 90° usw.).

Neben der Förderung von flüssigen Medien (z. B. Wasser) ist es mit der Pumpe selbstverständlich auch möglich, gasförmige Medien (z. B. Luft) zu transportieren.

Selbstverständlich kann anstelle eines geschlossenen Kreislaufes auch ein offenes System gebildet werden, mit welchem das Medium von einem zum anderen Ende der Pumpe gefördert wird. Dadurch kann z. B. unter Verwendung eines Windrades, welches den Rotor der Pumpe in Rotation versetzt, Wasser von einem Standort zu einem davon entfernten Standort transportiert werden. Neben den dargestellten Ausführungsbeispielen ist es auch möglich, dass bei Umdrehung des Rotors eine mehrfache fortschreitende Querschnittsverringerung des Druckraumes erfolgt (siehe. Fig. 12).

Claims

1. Pumpe, vorzugsweise zum Einsatz bei Windkraftanlagen, insbesondere zum Pumpen flüssiger Medien, bestehend aus einem Stator (9) und einem Rotor (8), wobei der Rotor (8) mit wenigstens einem durch die Flügel der Windkraftanlage in Rotation versetzbaren Element verbunden ist und sich zwischen Stator (9) und Rotor (8) wenigstens ein, das zu pumpende Medium aufnehmender, Druckraum (D) befindet, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckraum (D) sich mit einer Länge (L) entlang der Achse (A) des Stators (9) und des Rotors (8) erstreckt und dass der Druckraum (D) eine längs der Achse fortschreitende Querschnitts verringerung bei Umdrehung des Rotors (8) erfährt.

2. Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckraum (D) durch am Rotor (8) und/oder am Stator (9) angeordnete Elemente in seinem Querschnitt verringerbar ist.

3. Pumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die den Querschnitt des Druckraumes (D) verringernden Elemente so exzentrisch angeordnet sind, dass bei einer Umdrehung des Rotors (8) eine axial fortschreitende Querschnittsverringerung des Druckraums (D) über die gesamte Länge (L) des Druckraumes (D) erfolgt.

4. Pumpe nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (9) mittig angeordnet und der Rotor (8) als Außenrohr ausgebildet ist.

5. Pumpe nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (9) eine oder mehrere in Achsrichtung verlaufende Nuten (N1, N2) aufweist, die als Druckraum (D) ausgebildet sind und dass am Rotor eine Vielzahl von, die Querschnittsverringerung bewirkenden, Elementen angeordnet sind.

6. Pumpe nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnitts verringerung von den Elementen über Druckstücke (9.1) erzeugt wird.

7. Pumpe nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Elemente durch eine Vielzahl von hintereinander angeordneten Exzenterringen (8.1) gebildet werden.

8. Pumpe nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckraum (D) durch den Innenraum eines Schlauches (S1, S2) gebildet wird.

9. Pumpe nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumprichtung in Richtung der axial fortschreitenden Querschnitts verringerung liegt.

10. Pumpe nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwei sich gegenüberliegende Druckräume (D) zwischen Stator (9) und Rotor (8) angeordnet sind.

11. Pumpe nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumprichtung der sich gegenüberliegenden Druckräume (D) gleich oder gegenläufig ist.

12. Pumpe nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass sich an den im Querschnitt verringerbaren Druckraum (D) beidseitig ein Kanal (K) für das Druckmedium anschließt, so dass insgesamt ein geschlossener Kreislauf des Druckmediums gebildet wird.

13. Pumpe nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumprichtung in Richtung des Windrades liegt und die Flussrichtung im Kanal (K) dazu entgegengesetzt ist.

14. Pumpe nach einem oder mehreren der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Enden von Druckraum (D) und Kanal (K) über eine Umlenkung (U) miteinander verbunden sind.

15. Pumpe nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Druckräume (D1, D2) mit gegenläufiger Pumprichtung einen geschlossenen Pumpkreislauf bilden.

16. Pumpe nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe geradlinig oder im Radius verläuft.

17. Pumpe nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe kreisförmig oder meanderförmig verläuft.

18. Pumpe nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe U-förmig oder C-förmig verläuft.

19. Pumpe nach einem oder mehreren der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass sie in mehrere, durch Kreuz- oder Kugelgelenke miteinander verbundene Abschnitte unterteilt ist.

20. Pumpe nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass sie in beliebige Formen bringbar ist.

21. Pumpe nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass mit dieser eine Turbine (11) betrieben wird.

22. Pumpe nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbine (11) im Bereich der Umlenkung angeordnet ist.

23. Pumpe nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer senkrechten Ausbildung das Druckmedium im Druckraum (D, D1, D2) von unten nach oben transportiert wird und im Kanal (K, K1, K2) von oben nach unten fließt.

24. Pumpe nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass sie im Ständer (6) der Windkraftanlage integriert ist.