DE10159430A1

DE10159430A1 - Radialturbine zur Energiegewinnung aus Fluiden

Info

Publication number: DE10159430A1
Application number: DE10159430A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Zenker
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-12-04
Filing date: 2001-12-04
Publication date: 2003-06-26

Abstract

Die Radialturbine soll aufgrund ihrer gestalterischen Merkmale die Energiegewinnung aus Fluiden mit verbesserter Ausbeute als nach dem Stand der Technik ermöglichen. Sie besteht aus einem Rotor (1), dessen Flügel (2) als Tragflügel ausgebildet sind. Ihm wird das Fluid durch ein drehbar gelagertes Leitwerk (3) zugeführt. Er besitzt eine freie Durchtrittsfläche (4), welche die Erhöhung der Geschwindigkeit des durchtretenden Teilstromes und einen Unterdruck im Austrittssektor zur Folge hat. Im Zusammenwirken des Leitwerkes und des Rotors mit ihren gestalterischen Merkmalen durchläuft jeder Flügel des Rotors Bereiche, in denen die Kraft durch Widerstand, Auftrieb und Reaktion des in seiner Richtung abgelenkten Fluidstromes am Austritt erzeugt wird. Durch die Druckdifferenz zwischen dem Austrittssektor und dem ihm gegenüberliegenden Sektor entsteht eine Zirkulation, welche ein zusätzliches Drehmoment zur Folge hat. Der vom Rotor angetriebene Drehstrom-Asynchrongenerator speist die Energie mit veränderbarer Drehzahl in das Netz ein, damit die Leistungsausbeute entsprechend der veränderlichen Fluidgeschwindigkeit optimiert wird. Das Haupteinsatzgebiet ist die Windenergienutzung.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich hauptsächlich auf die Energiegewinnung aus Windkraft, kann jedoch auch im strömenden Wasser eingesetzt werden.

Windkraftanlagen sind bereits in bedeutendem Umfang in Form von Axialturbinen im Einsatz. Hier sind gelegentlich Akzeptanzprobleme in der Öffentlichkeit wegen der Geräuschentwicklung und des Erscheinungsbildes sich bewegender Flügel in der Landschaft zu verzeichnen. Obwohl Radialturbinen diese Nachteile vermeiden, sind sie in der Praxis nicht vorzufinden. Dies mag durch die geringe Energieausbeute vorhandener Konstruktionen begründet sein.

Beispielsweise werden in den Offenlegungsschriften DE 299 00 664 U1, DE 196 00 501 A1 und DE 240 55 767 A1 Turbinen mit vertikaler Welle beschrieben, deren Funktion ausschließlich auf dem Widerstandsprinzip beruht. Sie besitzen zudem keinerlei Vorrichtungen, um das Energieangebot zu vergrößern. Dies wird ansatzweise in der erstgenannten Schrift durch eine dort so genannten Windgleitfläche erzielt, was zu einer marginalen Vergrösserung des Lufteinleitungsquerschnittes führt.

Andere Konstruktionen, wie die der Offenlegungsschrift DE 195 14 499 A1 wollen die Energieausbeute dadurch vergrößern, indem sie den Luftstrom umlenken und auf einem längeren Weg durch das Laufrad führen. Die Mängel solcher Konstruktionen leiten sich aus den physikalischen Gegebenheiten ab:
Die Leistung einer Fluidströmung ist mit A, der Fläche des Fluidstromes und seiner Geschwindigkeit v sowie ρ, der Dichte des Fluids:

P = ρ/2.A.v³

Das Leistungsangebot an eine Windkraftmaschine kann nur mit der Fläche A vergrößert werden. Bei den genannten Konstruktionen entspricht diese Fläche jedoch nur dem Produkt von Halbmesser des Laufrades multipliziert mit der Höhe der Turbine. Lediglich bei der letzgenannten Konstruktion entspricht die Breite der Fläche dem Laufraddurchmesser.

Bei allen genannten Beispielen erfolgt die Kraftwirkung auf den Rotor nach dem Widerstandsprinzip. Es läßt sich ableiten, dass die maximal gewinnbare Leistung nach diesem Prinzip etwa 30% der Leistung des Fluids beträgt, wenn die Umfangsgeschwindigkeit des Rotors 2/3 der Geschwindigkeit des Fluids beträgt.

Die auf den Rotor einwirkende Kraft ergibt sich aus der Impulsbeziehung

F.t = m.v zu

F = m/t.v wobei

der Massefluss in kg pro Sekunde, welcher in die Turbine durchströmt und v die Relativgeschwindigkeit des Fluids zur Umfangsgeschwindigkeit des Rotors ist:

v = v_Fluid - v_Rotor

Da die Kraft von der Einwirkungsdauer unabhängig ist, führt jede Umleitung der Luftströmung wie in der Schrift DE 195 14 499 A1 dargestellt, nur zu erhöhtem Strömungswiderstand und damit zur Verringerung des Wirkungsgrades

Diese Nachteile der bekannten Lösungen führen zu dem Lösungsansatz der vorliegenden Erfindung mit folgenden Eigenschaften:
Vergrößerung der nutzbaren Leistung durch vergrößerte Eintrittsfläche der Luft,
Minimierung der Strömungswiderstände durch Vermeidung von Richtungsänderungen der Luftströmung und eine widerstandsarme Rotorkonstruktion,
Gleichzeitiges Wirksamwerden mehrerer Prinzipien der Krafteinwirkung auf den Rotor durch konstruktive Gestaltung der Turbine,
Erhöhung des Wirkungsgrades durch Betrieb des Rotors mit einer Drehzahl in Abhängigkeit von der Windgeschwindigkeit, die zu möglichst hoher Leistungsausbeute führt.

Fig. 1 zeigt ein Leitwerk mit der Lufteintrittsfläche A₁, einer Fläche am Ort des Energieumsatzes in Flügelmitte von A₂ bzw. in Rotormitte von A₃ sowie einer Austrittsfläche, welche je nach Austrittsrichtung der Luft eine Größe von A₃ bis A₄ annehmen kann.
Die Geschwindigkeit der Luftströmung durch die Flächen A₂ und A₃ ist gemäß der Kontinuitätsbeziehung

v₂ = v₁.A₁/A₂ und

v₃ = v₁.A₁/A₃
Das Leitwerk hat die Form einer Düse, wobei der Luftstrom praktisch keinen Richtungsänderungen unterworfen ist und der Luftaustritt durch Freistrahl erfolgt.
Wird an dieser Stelle der Rotor eingebaut wie Fig. 2 zeigt, dann kann der Energieinhalt der in das Leitwerk eintretenden Luft bei höherer Drehzahl des Rotors umgesetzt werden. Innerhalb vernünftiger geometrischer Relationen ist das Leistungsangebot der Luft von der Rotorgrösse unabhängig und wesentlich grösser als bei den zitierten Lösungen nämlich: P = ρ/2.A₁.v³wind
Würde der Rotor mit der Umfangsgeschwindigkeit v_u = v₂ angetrieben, so wird der Luftströmung keine Energie entzogen.
Die Bewegungsgröße

bleibt unverändert nach Größe und Richtung.
≙ = Massenstrom in kg/s
≙ = Geschwindigkeitsvektor.
Fig. 2 zeigt die Verhältnisse, wenn der Rotor mit dem Moment M belastet wird. Seine Drehzahl sinkt auf den Wert v_u' < v₂. Die Krafterzeugung auf Flügel 1 (1) erfolgt nach dem Widerstandsprinzip
Auf seinem Weg zur Stellung des Flügels 2 (2) wird auch die Austrittsgeschwindigkeit der Luftströmung

₃ um einen Winkel α abgelenkt. Die resultierende Geschwindigkeit

_r hat eine Reaktion

zur Folge, deren Normalkomponente auf Flügel 2 wirkt. Die Krafterzeugung erfolgt hier durch die Richtungsänderung der Bewegungsgröße von v₃ gegenüber v₂.
Infolge der Querschnittsverkleinerung von A₁ auf A₂ ergeben sich Luftgeschwindigkeiten am Rotor mit Reynoldszahlen, welche die Ausbildung der Flügel als Tragflügel erforderlich machen, weil sonst der Widerstandsbeiwert zu hoch würde. Dies hat zur Folge, dass die Flügel in Bereichen etwa von Flügel 4 (3) in der Luftströmung durch Auftrieb eine zusätzliche Kraft erzeugen, die mit ihrer Normalkomponente wirksam wird.
Fig. 3 zeigt, daß die Flügel dergestalt an der Achse befestigt sind, daß eine freie Durchtrittsfläche (1) für einen Teil des Luftstromes entsteht. Gemäß der Bewegungsgleichung von Bernoulli entsteht im Austrittssektor der Luft (2) ein Unterdruck p_u. Der Sektor auf der Gegenseite (3) ist bereits wieder mit Luft des Normaldruckes p_atm gefüllt, so daß um die Achse eine Zirkulationsströmung erzeugt wird, die ein Moment

M_z = F_z.a zur Folge hat mit

F_z = (p_atm - p_u). A_Flügel
Physikalisch wird ein zusätzlicher Massefluß im vom Sektor (3) in den Sektor (4) fließen. Sollen dort die Druckverhältnisse unverändert bleiben, dann muß die Drehzahl des Rotors erhöht werden was, zusammen mit der erzeugten Kraft einer zusätzlichen Leistung entspricht.
Fig. 4 zeigt die Verhältnisse im Zusammenhang. Jeder Flügel des Rotors durchläuft vier Sektoren (1-4), in denen die Krafterzeugung unterschiedlich erfolgt:
Im Sektor (1) wird eine Auftriebskraft mit der Normalkomponente F_a erzeugt,
Im Sektor (2) wird eine Widerstandskraft mit der Normalkomponente F_w erzeugt
Im Sektor (3) wird eine Reaktionskraft und eine Zirkulationskraft mit den Normalkomponenten F_r und F_z erzeugt,
Im Sektor (4) wird eine Zirkulationskraft mit der Normalkomponente F_z erzeugt.
Da der Rotor aus vier Flügeln besteht, wird zu jedem Zeitpunkt jede dieser Kräfte wirksam, wodurch der Wirkungsgrad größer sein muß als nur bei Widerstandsbetrieb.
Eine mögliche Ausführungsform der Radialturbine ist in den Fig. 5-7 dargestellt.
Fig. 5 zeigt eine mögliche Ausführung der Radialturbine mit relativen Abmessungen
Fig. 6 zeigt die Gestaltung des Rotors. Die Tragflügel (1) sind dergestalt an die Achse (2) angeschlossen, daß ein Zwischenraum (3) zwischen beiden verbleibt, durch den ungehindert Luft fließen kann.
Fig. 7 zeigt den prinzipiellen Aufbau der Turbine. Die Turbine bestehend aus Leitwerk und Rotor (1) ist zwischen einer Bodenplatte (2) und einer Deckplatte (3) gelagert. Diese Anordnung ist auf einem Drehkranz (4) aufgebaut. Die Rotorachse ist mit einem Getriebe (5) gekuppelt, welches die Leistung an den Generator (6) überträgt. Damit beim Angriff äußerer Windkräfte auf das Leitwerk kein Drehmoment erzeugt wird, besitzt dieses eine Verlängerung (9). Das Leitwerk wird dem Wind durch zwei Tragflügel (7) und (8) nachgeführt. Diese sind einstellbar, so daß der Anstellwinkel zur Luftströmung verändert werden kann. Flügel (7) ist beispielsweise so eingestellt, dass die wegen der Leitwerkgeometrie unterschiedlichen Projektionen a und b gleichgroß werden und somit auch im Inneren des Leitwerkes kein Drehmoment ausgeübt wird. Es werden deshalb zwei Tragflügel verwendet, um bei Windrichtungsänderungen die Einstellung des Leitwerkes zu stabilisieren. Ändert sich beispielsweise die Windrichtung von

₁ auf

₂, dann erzeugt aufgrund der geänderten Anströmung Flügel (7) eine wesentlich größere Auftriebskraft als Flügel (8). Es entsteht ein rechtsdrehendes Moment mit entsprechender Drehung des Leitwerkes. Dadurch gleichen sich jedoch die Auftriebskräfte beider Flügel an, bis Gleichgewicht herrscht.
Es wurde bereits erwähnt, daß zu jeder Windgeschwindigkeit eine Rotordrehzahl gehört, bei der die maximale Leistung erzeugt wird. Dies sollte im Idealfall im gesamten nutzbaren Bereich der Windgeschwindigkeiten der Fall sein. Da sich jedoch beispielsweise von 6 m/s bis 24 m/s die Windgeschwindigkeit um den Faktor 4, die Leistung jedoch um den Faktor 64 erhöht, kann mit geringem Aufwand durch die Auswahl von nur zwei Rotordrehzahlen ein wirtschaftliches Ergebnis erzielt werden. Der Lösungsansatz der vorliegenden Erfindung sieht deshalb den Einsatz eines Getriebes und eines 2/4-poligen polumschaltbaren Drehstrom Asynchronmotors vor, der als Generator betrieben wird. Die Übersetzung des Getriebes wird so gewählt, daß bei der höchsten nutzbaren Windgeschwindigkeit, beispielsweise 24 m/s und 3000 U/min Generatordrehzahl die Drehzahl auf der Turbinenseite wird:
Bei einer Windgeschwindigkeit von 14 m/s wird der Generator auf die niedrige Drehzahl umgeschaltet. Durch diese Auslegung ist gewährleistet, daß im gesamten Bereich dem Luftstrom Leistung bei theoretischen Wirkungsgraden zwischen 22% und 30% allein im Widerstandsbetrieb entzogen wird.
Der Vorteil der Erfindung mit den beschriebenen Merkmalen besteht in der Nutzung des Radialturbinenprinzips mit
geringer Geräuschentwicklung
geringer visueller Beeinträchtigung durch sich bewegende Großgebilde wie Rotoren
bei hohem Wirkungsgrad der Energieausbeute, was sich wiederum in geringeren räumlichen Abmessungen auswirkt.

Claims

1. Radialturbine zur Energiegewinnung aus Fluiden, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausbeute der Energiegewinnung durch die konstruktive Gestaltung der Turbinenbauteile und Berücksichtigung der Drehzahlabhängigkeit dieser Ausbeute von der Geschwindigkeit des Fluids gegenüber bekannten Konstruktionen erhöht wird.

2. Radialturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß ein Leitwerk durch Vergrößerung der Eintrittsöffnung für das Fluid das Energieangebot vergrößert,
daß das Fluid mit geringen Richtungsänderungen dem Turbinenrotor verlustarm zuführt wird.

3. Radialturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Rotor aus vier Flügeln besteht, die als Tragflügel gestaltet sind,
daß diese Flügel so an die Achse angeschlossen sind, daß ein Zwischenraum für den ungehinderten Durchtritt des Fluids zwischen ihnen und der Achse entsteht.

4. Radialturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbine einen Drehstromgenerator antreibt, der durch ein Stellglied mit veränderbarer Drehzahl betrieben werden kann. Im einfachsten Fall kann dies ein polumschaltbarer Drehstrom-Asynchronmotor im Generatorbetrieb mit mindestens zwei Drehzahlen sein, wobei die Anpassung an das Drehzahlniveau der Turbine durch ein Getriebe erfolgt.

5. Leitwerk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß es vom Eintritt des Fluids bis zum Ort der Energieumsetzung im Rotor düsenförmig aufgebaut ist und die Energieumsetzung deshalb bei höherer Drehzahl erfolgt.
daß durch die erfindungsgemäße Anordnung der Austrittsöffnung ein Drehmoment durch die Reaktionskraft des austretenden Fluidstromes erzeugt wird.

6. Leitwerk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet daß es der Richtung des Fluids ohne Einsatz von Hilfsenergie automatisch und stabil nachgeführt wird. Dies erfolgt durch Aufbau der Turbine auf einem Drehkranz, wobei das Einstellmoment durch zwei Tragflügel bereitgestellt wird, die sich am hinteren Ende auf der Grundplatte der Turbine auf der abgewandten Seite der Fluidströmung in größtmöglichem Abstand voneinander befinden.

7. Leitwerk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch konstruktive Gestaltung auf das Leitwerk infolge der Fluidströmung, die außen an ihm angreift, kein Moment ausgeübt wird, welches seine Stellung unabhängig von den dafür zuständigen Bauteilen wie den Tragflügeln nach Anspruch 6 verändern würde.

8. Tragflügel zur Einstellung des Leitwerkes nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
daß sie in ihrem Anstellwinkel zur Fluidströmung veränderbar sind, so daß auch die das Leitwerk durchströmende Fluidströmung kein Moment ausüben kann, welches die Leitwerkstellung verändern würde.
daß durch die Einstellung dieser Flügel mit entsprechender Stellung des Leitwerkes die Überlastung der Turbine bei zu großen Windgeschwindigkeiten vermieden wird.