DE102004039817A1 - Spiralströmungsturbine - Google Patents

Abstract

Spiralströmungsturbine zur Erzeugung und Nutztung von Fluid-Spiralströmungen dadurch gekennzeichnet, dass diese aus einem Spiralkanal 3 mit rundlicher Querschnittsform gebildet ist, der sich mindestens einmal in der oder um die Turbinenachse 2 windet und der drehachsenseitig oder tangential eine oder mehrere Öffnungen 4 aufweist.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Turbine, welche verdichtende Fluid-Spiralströmungen erzeugen und nutzten kann.
• Turbinen und Axiallaufräder sind aus verschiedenen Einsatzgebieten der Strömungstechnik bekannt, so z.B. in Wasserkraftwerken oder Strahltriebwerken, als Ventilatoren, Windkraftrotoren, Schiffsschrauben, oder Flugzeugpropeller.
• Im Bereich der Wasserkraftnutzung entwickelten sich nach dem Wirkprinzip der historischen Wasseräder die heutigen leistungsstarken schnelllaufenden Turbinen, die mit grossen Fallhöhen und Wassermengen arbeiten. Hierbei wird zumeist Flusswasser in Höhenlage gestaut. Über Druckrohre und Düsen werden dann tangential Peltonturbinen, axial Kaplanturbinen, oder radial/zentriepedal Francisturbinen angetrieben. Die hierzu notwendigen wasserbaulichen Massnahmen bedeuten oft tiefe Einschnitte in die Ökologie.
• Hier ist die Wassermenge und der höhenbedingte Druck entscheidend für die Wassergeschwindigkeit, welche letztlich das kinetische Nutzungspotential bestimm
• Eine Fluid-Beschleunigung kann auch durch Wirbelbildung herbeigeführt werden Es ist bekannt, dass Fluide in Wirbelkontraktionen eine Verdichtung und Beschleunigung sowie eine Temperaturveränderung erfahren.
• Eine besonders hohe Verdichtung und Beschleunigung erfährt ein Fluid, dessen Strömungslinien die Form einer doppelt gedrehten Helix beschreiben, -gleichsam einer zur Feder gedehten Feder.
• Bei einer derart geformten Fluidströmung benötigt die sekundäre, kleine Spiralströmung zur Ausbildung innerhalb der grossen, primären Spiralströmung einen Spiralkanal mit rundlichem Querschnitt.
• Zur Nutzung dieses Doppelspiralwirbel-Effektes mittels einer Turbine muss die primäre Spiralströmung durch einen Spiralkanal konstruktiv deffiniert. werden.
• Eine Turbine, welche ein Fluid kurzzeitig zu doppelspiralförmigen Strömungslinien formt, müsste zumindest spiralförmige Strukturen aufweisen.
• Es sind verschiedene spiralförmige Axiallaufräder zum Patent angemeldet. Wasserkraftschnecken nutzen die Energie der Lage im umgekehrten Sinne der Archimedischen Schraube. Spiralförmige Schiffspropeller durchschrauben das Wasser, wobei die Kräft in erster Linie axial auf die Spiralbätter wirken, ohne einen stabilen, homogenen, verdichtenden Einfach- oder Doppelspiralwirbel zu erzeugen. Viele spiralförmige Axiallaufräder arbeiten in Gehäusen, oder Rohren, sodass ein seitliches, verdichtendes Zuströmen des Fluides verhindert wird.
• Die Beschaufelung von Verdichtern in Strahltriebwerken wirkt mechanisch komprimierend, eine gezielte Wirbelverdichtung kann hier den Wirkungsgrad steigern.
• Bei Patentveröffentlichungen, in denen ein axial zur Strömungsrichtung gerichtetes spiralförmiges Axiallaufrad vom Fluid in Drehung versetzt wird, können sich nur einfach gedrehte oder turbulente Wirbel ausbilden. Hier wird durch die rechtwinklig oder spitz zur Drehache gewinkelte oder eckige Schaufel-Profilierung kein rundlicher Spiralkanal-Querschnitt deffiniert, indem sich ein oder mehrere überlagernde sekundäre Spiralwirbel ausbilden könnten.
• Zur Nutzung der Wirbelenergie werden Turbinenblätter zwar aufgrund empirischer Optimierung gebogen und/oder spiralförmig geformt, -blattweise bilden sich aber nur kleine turbulente Wirbel, welche den Wirkungsgrad nur wenig steigern können.
• Eine Turbine, welche primär die Stromlinien eines Fluides zu sich überlagernden Spiralwirbeln formt und deren Energien nutzt, ist derzeit unbekannt.
• Die im Hinblick auf die Neuheit der Erfindung gesichteten Patentveröffentlichungen: DE 200 11 874 U1 , DE 41 39 134 C2 , CH 684 430 A5 , GB 2386 161 A DE 299 12 032 U , BE 101 3431 A , GB 238 6161 A
• Desweiteren wirken sich aufschlagseitige Schaufelkanten, welche steckenweise im 90° Winkel zur Drehrichtung verlaufen, insbesondere bei der Wasserkraftnutzung nachteilig auf die Wartung aus. Hier kann sich Teibgut anlagern, welches sich mitdreht und die Turbine behindert.
• Um dieses zu vermeiden muss mit Rechen das anströmende Wasser von Treibgut befreit werden, hierduch wird die Strömung behindert, und die Rechen müssen ihrerseits gewartet werden.
• Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Turbine zu schaffen, welche in der Lage ist, die Stomlinien eines Fluids zu einer primären Spiralströmung 11 zu formen, um dessen Achse 5 sich eine oder mehrere, sekundäre Spiralströmungen 12 ausbilden können.
• Beim Einsatz in der Wasserkraftnutzung soll die Turbine ohne sichtbare wasserbaulichen Massnahmen sowie wartungsarm und leistungsstark arbeiten können.
• Erfindungsgemäß wird diese Aufgage darurch gelöst, dass die Turbine aus einem oder mehreren Spiralkanälen 3 mit rundlicher Querschnittsform 6 gebildet ist, welche sich mindestens einmal um oder in der Turbinenachse 2 winden, und die drehachsenseitig oder tangential eine oder mehrere Öffnungen 4 aufweisen.
• Das anströmende Fuid 9 passt sich dem rohrartigen Spiralkanal 3 an, dadurch entsteht eine primäre Spiralströmung 11 die das Fluid beschleunigt und verdichtet. Durch die Öffnungen 4 wirkt der Strömungsdruck und der verdichtungsbedingte Unterdruck auf die primäre Spiralströmung 11 ein, sodass diese eine oder mehrere sekundäre Spiralströmungen 12 um ihre eigene Achse 5 ausbildet.
• Die Spiralkanal-Öffnungen 4 sind derart angeordnet und dimensioniert, dass der seitliche Fluidzustrom in den Spiralkanal 3, die Ausbildung sekundärer Spiralströmungen 12 im Spiralkanal Querschnitt ermöglicht bzw. begünstigt. Bei z.B. zu gross oder sogseitig angeordneten Spiralkanal-Öffnungen kann die Ausbildung sekundärer Spiralströmungen 12 im Spiralkanal Querschnitt ver- oder behindert werden.
• An den axialen Enden der Turbine können die Öffnungen 4, der jeweils optimalen axialen Ein- und Ausströmung entsprechend, variabel verlaufen.
• Durch Modifikation von Grösse, Anordung u. Anzahl Spiralkanal-Öffnungen, Durchmesserverläufen, Länge, Anzahl der Spiralkanäle, Anzahl der Spiralwindungen, Spiralneigungsverlauf, Spiralkanal-Profilierung 8, links oder rechts gedeht, an einem oder zwei Achsenden oder tangential gelagert, kann die erfindungsgemäße Turbine in den verschiedenen Bereichen der Strömungstechnik eingesetzt werden, z.B. zur Energiegewinnung aus Wind- oder Wasserkraft oder in umgekerter Funktionsweise in Antriebssystemen z.B. als Schiffs- oder Flugzeugpropeller oder als Triebwerksverdichter.
• Mittels Leitvorrichtungen können die Fluidmengen gezielt axil und/oder tangential zur Turbine geleitet werden.
• Dem individuellen Einsatzgebiet entsprechend kann die erfindungsgemäße Turbine mit den empirischen Optimierungs- Methoden der modernen Stömungslehre bis zum jeweilig optimalen Wirkungsgrad geführt werden.
• Aufgrund der relativ gleichförmigen Strömumgsgeschwindigkeiten von Flüssen und Meeren, sowie der spezifischen Wasserdichte, eignet sich die Turbine insbesondere zur verbesserten Nutzung dieser Strömungsenergie. Wasserströmung versetzt die erfindungsgemäße Turbine bei entsprechender Modifikationin in schnelle Rotation, weche direkt ein Generator zur Energiegewinnung antreiben kann.
• Um zu verhindern das sich insbesondere am aufschlagseitigen Beginn der Spiralkanalkanten Teibgut anlagert, können diese hier einen sich bis zur Drehachse verjüngenden Durchmesser und/oder sich verändernden Neigungswinkel aufweisen.
• Versuche ergaben, dass die erfindungsgemäße Turbine die Stromlinien von 7 km/h schnellen Wasser schon bei einem Durchmesser von 1m zu stabilen, homogenen Doppelspiralwirbeln formen kann. Der Wasserdurchsatz an der durchmesserbedingten Prallfläche erhöht sich ausserordentlich, und die Turbine wird durch enorme Prall- und Sogkräfte in schneller Rotation gehalten.
• Aufgrund von Versuchen und Rechenmodellen kann davon ausgegangen werden, dass eine erfindungsgemäße Turbine mit z.B. einem Duchmesser von 2m, einer Länge von 3.5m, mit einem ca. 3-fach gewundenem Spiralkanal, in 7 km/h schnellen massereichen Fliesswasser ohne Leitvorrichtung eine kontinuierliche Leistung von mindestens 200 KW liefem kann.
• Die inbesondere bei der Wasserkraftnutzung erzielten wesentlichen Vorteile der erfindungsgemäßen Turbine:
• – Die für die Beschleunigung und Verdichtung notwendigen Fluidmengen werden durch die Turbine selbst angesaugt.
• – Die Erstellung einer erfindungsgemäßen Turbinenanlage kann verglichen mit einem leistungsgleichen konventionellen Wasserkraftwerk wesentlich ökologieschonender, preiswerter und wartungsärmer erfolgen.
• – Am Spiralkantenverlauf einer vorzugsweise durchlaufenden Öffnung wird Treib- und Schwemmgut abgestriffen. Rechen werden nicht benötigt.
• – Eine Anlage mit erfindungsgemäßer Turbine kann mit nur wenigen annähernd wartungsfreien Bauteilen hocheffizient arbeiten.
• – Keine Gefährdung oder Behinderung des Fischbestandes.
• Die Erfindung ist in der Zeichnung beispielsweise veranschaulicht und wird im Nachfolgenden anhand der Zeichnung im einzelnen beschrieben.
• Es zeigen:
• 1 Eine erfindungsgemäße Turbine im axialen Querschnitt mit einem Spiralkanal 4 und einer entlang der tangentialen Anströmrichtung verlaufenden Öffnung 4.
• 2 Erfindungsgemäße Turbine im axialen Querschnitt mit zwei Spiralkanälen 4, die sich in verjüngendem Abstand 3,0 mal um die Drehache 2 winden.
• Der Spiralkanal-Querschnitt 6 verändert seine Grösse und sein Profil von oval zu rund.
• Die drehachsenseitigen Öffnungen 4 sind im oberen Teil durchlaufend geöffnet, im unteren Teil kann Fluid durch einzeln angeordnete Öffnungen 4 in den Spiralkanal 3 nachströmen.
• Die Figur verdeutlicht beispielhaft die vielfältigen Modifikations-Möglichkeiten der erfindungsgemäßen Turbine und damit auch ihre Einsatzbreite.
• Eine derart gestaltete erfindungsgemäße Turbine kann auch tangential angetrieben werden und in umgekehrter Weise in Antriebssytemen arbeiten, etwa als Schiffspropeller oder als Verdichter in Strahltriebwerken.
• 3 Die Ansichtszeichnung zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Turbine zur Energiegewinnung in einem Fluss. Turbinen-Modifikation entsprechend
• 1. Die Turbine ist unter dem Wasserspiegel 15 axial in Strömungsrichtung 9 positioniert. Um die Drehachse windet sich ein Stahlrohr, das tangential in Anströmrichtung durchlaufend geöffnet 4 ist.
• Die entstandenen Hohl und Zwischenräume an Drehachse und Öffnungskanten sind strömungsgünstig und stabilisierend verfüllt. Die Turbine ist am strömungsseitigen Achsende gelagert und treibt einen Generator 14 an.
• Der Tragarm 16 ist in einer mobilen Bodenplatte 17 aus Beton verankert, welche unter der Turbine eine Strömungsvertiefung 18 aufweist.
• Die gewonnene Elektrizität kann über eine gesicherte Leitung dem Stromnetz zugeführt werden.

1

Turbinenkorpus

2

Drehachse

3

Spiralkanal

4

Spiralkanal-Öffnung/-en

5

Spiralkanal-Achse

6

Spiralkanal-Querschnitt

7

Spiralkanal-Umfang

8

Spiralkanal-Profilienang

9

Fluid Anströmrichtung

10

Seitlicher Zustrom

11

Primäre Spiralströmung/-en

12

Sekundäre Spiralströmung/-en

13

Derhrichtun

14

Generator

15

Wasserspiegel

16

Tragarm

17

Bodenplatte

18

Vertiefung für Zustrom

Claims (3)

1. Spiralströmungsturbine zur Erzeugung und Nutztung von Fluid-Spiralströmungen dadurch gekennzeichnet, dass diese aus einem Spiralkanal 3 mit rundlicher Querschnittsform gebildet ist, der sich mindestens einmal in der oder um die Turbinenachse 2 windet und der drehachsenseitig oder tangential eine oder mehrere Öffnungen 4 aufweist.
2. Spiralströmungsturbine zur Erzeugung und Nutztung von Fluid-Spiralströmungen dadurch gekennzeichnet, dass diese aus mehreren Spiralkanälen mit rundlicher Querschnittsform gebildet ist, die sich mindestens einmal in der oder um die Turbinenachse winden und die drehachsenseitig oder tangential eine oder mehrere Öffnungen aufweisen.
3. Spiralströmungsturbine nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Spiralkanal-Öffnungen 4 derart angeordnet und dimensioniert sind, dass der seitliche Fluidzustrom in den Spiralkanal 3 die Ausbildung sekundärer Spiralströmungen 12 im Spiralkanal Querschnitt ermöglicht bzw. begünstigt.