DE102006013986B4

DE102006013986B4 - Vorrichtung zur Energieumwandlung

Info

Publication number: DE102006013986B4
Application number: DE102006013986.0A
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-03-22
Filing date: 2006-03-22
Publication date: 2015-11-26
Anticipated expiration: 2026-03-23
Also published as: DE102006013986A1

Abstract

Vorrichtung zur Umformung von Strömungsenergie in eine andere nutzbare Energieform oder zum Antrieb, bei der mindestens ein Rotorblatt eine Rotorblattwelle antreibt oder von der Rotorwelle antreibbar ist, wobei das mindestens eine Rotorblatt in seiner Lage zur Rotorblattwelle durch eine Führungsbahn veränderbar angeordnet ist, indem die Rotorwelle exzentrisch bezogen auf die Führungsbahn angeordnet ist und die Führungsbahn außen auf das mindestens eine Rotorblatt einwirkt, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorblattwelle (2) längsgeschlitzt ausgebildet ist und das mindestens eine Rotorblatt (3) im Schlitz (4) quer zur Rotorblattwelle (2) verschiebbar und gleitfähig angeordnet ist, die Führungsbahn gebildet ist aus einer halbkreisförmigen Kurvenbahn (5), deren Durchmesser ≥ der Rotorblattlänge ist und auf der wechselnd jeweils ein Rotorblattende des mindestens einen Rotorblattes (3) geführt gelagert ist, und die Rotorblattwelle (2) bezogen auf die Kurvenbahn (5) exzentrisch auf oder nahe dem Durchmesser, der die Enden der halbkreisförmigen Kurvenbahn (5) verbindet, angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Umformung einer Strömungsenergie in eine andere nutzbare Energieform oder das umgekehrte Prinzip, nämlich einen Antrieb zur Bewegung eines Fahrzeuges in einem Medium.
Vorrichtungen zur Umformung einer Strömungsenergie, insbesondere der kinetischen Energie von Wind und strömendem Wasser in eine andere nutzbare Energieform, z. B. elektrische Energie, sind bekannt.
So werden Wind- und Wasserräder oder auch Turbinenrotoren beschrieben, bei denen das oder die schaufeltragenden Räder sich um Achsen drehen, die entweder in Strömungsrichtung weisen oder quer, d. h., im wesentlichen im rechten Winkel zur Strömungsrichtung angeordnet sind.
Um die kinetische Energie einigermaßen optimal auszunutzen, verfügen Windräder mit einer Drehachse in Strömungsrichtung verlaufend um aerodynamisch geformte Rotorblätter und sie haben einen Außenumfang von mindestens 2 × der Rotorblattlänge. Entsprechend hoch sind die Windkrafträder und nicht gerade eine Zierde der Landschaft.
Wasserräder mit quer zur Strömungsrichtung angeordneten Drehachsen können nur mit halber Leistung arbeiten, denn die Eintauchtiefe verläuft maximal auf Höhe der Drehachse Anderenfalls würden die rücklaufenden Schaufeln gegen die Strömung bewegt werden, was zu einem Stillstand oder Beinahstillstand führen könnte.
Um hier Abhilfe zu schaffen und Wasserräder vollständig eintauchbar zu betreiben, wurden auf Achsen drehbare Schaufeln geschaffen, die sich beim Rücklauf in eine Position legen, die einen geringen Strömungswiderstand aufweisen. Derartige Konstruktionen sind in der US 1 083 472 A , der US 4 383 797 A , der DE 42 23 971 A1 und der DE 199 32 005 A1 beschrieben.
Nachteilig bei diesen Vorschlägen ist letztlich auch der Rotationsumfang der Schaufelräder und die notwendige Dreh- oder Klapptechnik bei jeder Schaufel.
Aus der DE 195 14 499 A1 ist eine Windturbine zum Antrieb von Generatoren, Pumpen und anderen Maschinen bekannt, die dem Wind eine größere Angriffsfläche bietet, in dem ein senkrecht zum Wind stehendes Flügelrad mit großflächigen Windflügeln eingesetzt wird. Die Windflügel können versenkbar angeordnet sein.
Die DE 28 00 551 A1 beschreibt einen Rotor mit einem feststehenden Kern, an dem die Rotorblätter angeordnet sind.
Durch eine Exzentrizität zwischen Rotor und Kern werden die Rotorblätter, die in Ausnehmungen des Rotors gleiten in den Windkanal verschoben.
Letztlich soll noch auf die AT 134 900 B verwiesen werden, die ein Schaufelrad mit mit schwenkbaren Schaufeln beschreibt.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art mit im wesentlichen quer zur Strömungsrichtung angeordneter Drehachse für ein Schaufelblatt oder Rotorblatt zu schaffen, um mit geringen Bauhöhen eine optimale Energieumwandlung zu erzielen.
Gelöst wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruches 1, vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Bei einer Vorrichtung zur Umformung von Strömungsenergie in eine andere nutzbare Energieform oder zum Antrieb, bei der mindestens ein Rotorblatt eine Rotorblattwelle antreibt oder von der Rotorwelle antreibbar ist, wobei das mindestens eine Rotorblatt in seiner Lage zur Rotorblattwelle durch eine Führungsbahn veränderbar angeordnet ist, indem die Rotorwelle exzentrisch bezogen auf die Führungsbahn angeordnet ist und die Führungsbahn außen auf das mindestens eine Rotorblatt einwirkt, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Rotorblattwelle längsgeschlitzt ausgebildet ist und das mindestens eine Rotorblatt im Schlitz quer zur Rotorblattwelle verschiebbar und gleitfähig angeordnet ist, die Führungsbahn gebildet ist aus einer halbkreisförmigen Kurvenbahn, deren Durchmesser ≥ der Rotorblattlänge ist und auf der wechselnd jeweils ein Rotorblattende des mindestens einen Rotorblattes geführt gelagert ist,
und die Rotorblattwelle bezogen auf die Kurvenbahn exzentrisch auf oder nahe dem Durchmesser, der die Enden der halbkreisförmigen Kurvenbahn verbindet, angeordnet ist.
Bei einer vorteilhaften Ausführung ist die Kurvenbahn in eine geoide Form umgewandelt.
Dabei fällt in der extremsten Position der Rotorblattwelle der Außenumfang der Rotorblattwelle mit der inneren Führungsfläche der Kurvenbahn in einem Punkt zusammen.
Die Breite der Kurvenbahn wird deutlich kleiner ausgebildet als die Breite des Rotorblattes, so dass die Strömung durch die Kurvenbahn nur wenig behindert wird.
Der große Vorteil der vorgeschlagenen Vorrichtung besteht darin, dass der Raumbedarf sich auf im Prinzip eine Rotorblattlänge reduziert. Darüber hinaus wird ein hoher Wirkungsgrad erreicht, denn die Strömungskraft wird in vollem Umfang für die Energieerzeugung genutzt und nicht nur eine Teilkomponente. Selbiges gilt umgekehrt für die Funktion als Antrieb.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird der Eingang in die Kurvenbahn den Halbkreis etwas überschreiten und/oder zur Kurvenbahn angeschrägt ausgeführt, um einen stoßfreien Eintritt der jeweiligen Seite des Rotorblattes in die Kurvenbahn zu gewährleisten.
Zur Stabilisierung der Lage des Rotorblattes im Schlitz der Rotorblattwelle kann es von Vorteil sein, wenn die Kurvenbahn über ein umlaufendes Widerlager verfügt, das mit einem am jeweiligen Rotorblattende befindlichen Formstück eine über den Halbkreis verlaufende formschlüssige, gleitfähige Verbindung bewirkt.
Zur Steuerung der Drehzahl der Rotorblattwelle ist in einer weiteren Ausgestaltung vorgesehen, dass der Abstand zwischen der Achse der Rotorblattwelle und den beiden Enden der halbkreisförmigen Kurvenbahn verstellbar ist. So lässt sich das Maß der Verschiebung des Rotorblattes bei der Umdrehung verändern und damit die Angriffsfläche der Strömung auf das Rotorblatt. Im Extremfall kann das Rotorblatt so zum Stillstand gebracht oder die Drehung umgekehrt werden.
Natürlich ist es auch möglich, mehrere Rotorblätter jeweils in Schlitzen einer oder miteinander gekoppelter Rotorblattwellen anzuordnen, die jeweils über eine halbkreisförmige Kurvenbahn verfügen.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass die Rotorblattwelle und die Kurvenbahn als Einheit um eine und/oder mehrere verschiedenen Achsen im Raum verdrehbar angeordnet sind, vorzugsweise

– senkrecht und
– parallel zur Rotorblattwelle.

Eine derartige Ausführung gestattet insbesondere bei der Verwendung der Vorrichtung als Antrieb Schubbewegungen in die unterschiedlichsten Richtungen.
Die Erfindung soll anhand der Zeichnungen erläutert werden. Es zeigen:
1: den Antriebsblock aus Rotorblattwelle mit Rotorblatt und Kurvenbahn,
2: Widerlager,
3 und 4: unterschiedliche An- bzw. Abtriebskonzepte und
5 und 6: eine Anordnung auf einen Turm.
1 zeigt die zu einem Antriebsblock 1 zusammengefassten wesentlichen Bauteile, die Rotorblattwelle 2 mit Rotorblatt 3 und die Kurvenbahn 5.
Das Rotorblatt 3 ist in einem Schlitz 4 der Rotorblattwelle 2 verschiebbar mit einem Schmiermitteldepot gelagert, vorzugsweise mittels eines Lagers 6 in Form eines Rollen- oder Nadellagers, wobei die Verschiebung eine Zwangsverschiebung durch die Führung des Rotorblattes 3 in der Kurvenbahn 5 ist.
Die Rotorblattwelle 2 ist außermittig von der vorzugsweise halbkreisförmigen Kurvenbahn 5 angeordnet, so dass die der Strömung ausgesetzte Fläche des Rotorblattes 3 zwei mal bei einer Umdrehung der Rotorblattwelle 2 wechselt.
In der dargestellten Ausführung fällt der Außenumfang der Rotorblattwelle 2 mit der inneren Führungsfläche der Kurvenbahn 5 in einem Punkt nahezu zusammen.
Da in der Ausführung der Erfindung vorgesehen ist, dass der Abstand zwischen der Rotorblattwelle 2 und den beiden Enden der halbkreisförmigen Kurvenbahn 5 verstellbar ist, lässt sich die der Strömung ausgesetzten Fläche des Rotorblattes 3 beidseitig der Rotorblattwelle verändern. Ist die Fläche auf beiden Seiten gleich groß, d. h. die Rotorblattwelle 2 befindet sich mittig zwischen den Kurvenbahnenden, wird die Drehzahl 0 sein oder instabil pendeln oder nur gering sein – in Abhängigkeit von der Ausbildung der Strömung. In der dargestellten Ausführung erreicht die Drehzahl ihr Maximum bei einer über die Höhe gleichförmigen Strömung.
Der Eingang in die Kurvenbahn 5 sollte den Halbkreis etwas überschreiten und zur Kurvenbahn 5 angeschrägt sein, um einen stoßfreien Eintritt der jeweiligen Seite des Rotorblattes 3 in die Kurvenbahn 5 zu gewährleisten.
Die Breite der Kurvenbahn 5 ist um ein vielfaches kleiner als die Breite des Rotorblattes 3 ausgebildet, um die Strömungsbehinderung gering zu halten. Vorteilhaft ist ein schmaler Ring oder ein Doppelring.
Um eine stabile Führung des Rotorblattes 3 in der Kurvenbahn 5 zu gewährleisten, kann eine speziell ausgebildete Führung vorgesehen sein.
2 zeigt eine derartige Variante, bei der die Kurvenbahn 5 eine als Widerlager 7 ausgebildete Nut aufweist, in die ein Formstück 8 des Rotorblattes 3 eingreift, so dass eine Bewegung des Rotorblattes 3 weg von der Kurvenbahn 5 verhindert wird. Die Anordnung ist auch umgekehrt möglich.
In den 3 und 4 werden An- bzw. Abtriebskonzepte dargestellt. Die Drehung der Rotorblattwelle 2 wird mittels der Abtriebswelle 9 nach außen übertragen, ggf. unter Einschluss einer Getriebeübersetzung.
3 zeigt weiterhin die Möglichkeit der Verdrehung des Antriebsblockes 1 um eine Achse 11, die parallel zur Rotorblattwelle 2 liegt. 4 zeigt eine Verdrehungsmöglichkeit um eine Achse 10, die senkrecht zur Rotorblattwelle 2 liegt.
In den 5 und 6 wird eine Anordnung der Vorrichtung auf einem Turm 12 gezeigt. Um eine möglichst große Windausbeute zu erzielen und die Anordnung in sich stabil zu halten, ist vorgesehen, dass die Kurvenbahn 5, gebildet wird aus mehreren nebeneinanderliegenden bearbeiteten und verbundenen Scheiben 5.1–5.4, auf denen jeweils ein Rotorblatt 3.1–3.4 geführt gleitet.
Diese Anordnung erfolgt symmetrisch bezogen auf die Drehachse des Drehgestelles 13 des Turmes 12, wobei zwischen den Rotorblättern 3.1–3.4 bei Beibehaltung der Symmetrie ein Versatz in Bezug auf die Führung in der gemeinsamen Rotorblattwelle 2 vorhanden sein sollte.
Das Drehgestell 13 dient der Ausrichtung der kompletten Einheit in eine optimale Windrichtung.
Die Drehung der Rotorwelle 2 wird maschinentechnisch zur Energieerzeugung genutzt.
Bezugszeichenliste

1: Antriebsblock
2: Rotorblattwelle
3: Rotorblatt
4: Schlitz
5: Kurvenbahn
6: Lager
7: Widerlager
8: Formstück
9: Abtriebswelle
10: Achse
11: Achse
12: Turm
13: Drehgestell des Turmes

Claims

Vorrichtung zur Umformung von Strömungsenergie in eine andere nutzbare Energieform oder zum Antrieb, bei der mindestens ein Rotorblatt eine Rotorblattwelle antreibt oder von der Rotorwelle antreibbar ist, wobei das mindestens eine Rotorblatt in seiner Lage zur Rotorblattwelle durch eine Führungsbahn veränderbar angeordnet ist, indem die Rotorwelle exzentrisch bezogen auf die Führungsbahn angeordnet ist und die Führungsbahn außen auf das mindestens eine Rotorblatt einwirkt, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorblattwelle (2) längsgeschlitzt ausgebildet ist und das mindestens eine Rotorblatt (3) im Schlitz (4) quer zur Rotorblattwelle (2) verschiebbar und gleitfähig angeordnet ist, die Führungsbahn gebildet ist aus einer halbkreisförmigen Kurvenbahn (5), deren Durchmesser ≥ der Rotorblattlänge ist und auf der wechselnd jeweils ein Rotorblattende des mindestens einen Rotorblattes (3) geführt gelagert ist, und die Rotorblattwelle (2) bezogen auf die Kurvenbahn (5) exzentrisch auf oder nahe dem Durchmesser, der die Enden der halbkreisförmigen Kurvenbahn (5) verbindet, angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Achse der Rotorblattwelle (2) und die Ebene des Rotorblattes (3) zusammenfallen.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenumfang der Rotorblattwelle (2) mit der inneren Führungsfläche der Kurvenbahn (5) in einem Punkt zusammenfällt oder nahezu zusammenfällt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Eingang in die Kurvenbahn (5) den Halbkreis etwas überschreitet und/oder zur Kurvenbahn (5) angeschrägt ist, um einen stoßfreien Eintritt des jeweiligen Rotorblattendes des Rotorblattes (3) in die Kurvenbahn (5) zu gewährleisten.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung des Rotorblattes (3) im Schlitz (4) der Rotorblattwelle (2) durch ein hier angeordnetes Rollen- oder Nadellager (6) unterstützt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite der Kurvenbahn (5) um ein Vielfaches kleiner ist als die Breite des Rotorblattes (3).
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Rotorblätter (3) jeweils in Schlitzen (4) einer oder miteinander gekoppelter Rotorblattwellen (2) angeordnet sind und jeweils über eine halbkreisförmige Kurvenbahn (5) verfügen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurvenbahn (5) über ein umlaufendes Widerlager (7) verfügt, das mit einem am jeweiligen Rotorblattende befindlichen Formstück (8) eine formschlüssige, gleitfähige Verbindung während der Führung des Rotorblattendes auf der Kurvenbahn (5) bildet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen der Achse der Rotorblattwelle (2) und den beiden Enden der halbkreisförmigen Kurvenbahn (5) verstellbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorblattwelle (2), die Kurvenbahn (5) und das mindestens eine Rotorblatt (3) als Antriebsblock (1) um eine und/oder mehrere verschiedene Achsen (10, 11) im Raum verdrehbar angeordnet sind, wobei vorzugsweise – die Achse (10) senkrecht zur Rotorblattwelle (2) verläuft – die Achse (11) parallel zur Rotorblattwelle (2) verläuft und – eine Achse um 90° zur Achse (10) und senkrecht zur Rotorblattwelle (2) verläuft.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurvenbahn (5) aus beabstandet angeordneten und untereinander verbundenen scheibenförmigen Kurvenbahnen (5.1–5.4) besteht, wobei auf jeder Kurvenbahn ein Rotorblatt (3.1–3.4) geführt gleitet und die Rotorblätter (3.1–3.4) eine gemeinsame Rotorblattwelle (2) aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorblätter (3.1–3.4) bezogen auf den Umfang der Rotorblattwelle (2) versetzt angeordnet sind, wobei zwischen ihren Verschiebelinien ein Winkel α besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung der Rotorblätter ((3.1–3.4) bezogen auf den Umfang der Rotorblattwelle (2) symmetrisch erfolgt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsblock (1) aus Kurvenbahn (5) mit mindestens einem Rotorblatt (3) und Rotorblattwelle (2) auf einem Turm (12), vorzugsweise mit einem Drehgestell (13), zur Ausrichtung der Einheit angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung der Rotorblätter (3.1–3.4) längs der Rotorblattwelle (2) symmetrisch erfolgt, vorzugsweise auch symmetrisch bezogen auf die Drehachse des Drehgestells (13).
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die halbkreisförmige Kurvenbahn (5) in eine geoide Form umgewandelt ist.