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Die
Erfindung betrifft einen Rotor zur Umwandlung der in einer Strömung
enthaltenen kinetischen Energie in eine Drehbewegung als Strömungskonverter
oder umgekehrt zur Umwandlung einer Drehbewegung in eine Strömung
als Strömungsgenerator und insbesondere auch einen Ventilator
und einen Flugzeug- oder Schiffsrotor. Der Rotor besitzt ein von
der Kreisringform abweichendes, ringförmiges Rotorblatt,
das im Querschnitt ein Flügelprofil mit einer Flügelnase
und einer Flügelhinterkante aufweist. Dem ringförmigen
Rotorblatt ist ein Polygon mit einer vorgegebenen Anzahl von Eckpunkten
einbeschrieben. Das Flügelprofil ist mit seiner Flügelnase
zur Anströmung ausgerichtet und wechselt zwischen zwei
Eckpunkten mit maximalem Abstand zueinander mindestens einmal die
Flügelstellung von einer Auftriebstellung in eine Abtriebstellung,
sodass bei Anströmung des Rotors parallel zur Rotationsachse
ein aero- und hydrodynamisch erzeugtes Kräftepaar aus Sog-
und Druckkräften mit einem Versatzmoment auf die Drehachse
einwirkt.
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Stand der Technik:
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Die
EP 0 854 981 B1 zeigt
ein Windrad mit horizontaler Drehachse und einem kreisringförmigen
Rotor, der als Druckring für zugbeanspruchte, flügelförmige
Speichen dient. Der Vorschlag, den ringförmigen Rotor selbst
zu einem aero- oder hydrodynamisch wirksamen Element zu entwickeln
ist hier nicht vorweggenommen. Bekannte Wind- und Wasserturbinen
mit horizontaler Drehachse weisen radial zur Drehachse angeordnete Rotorblätter
mit einem aero- oder hydrodynamisch wirksamen Flügelquerschnitt
auf, der mit einer Breitseite zur Strömung ausgerichtet
ist. Die Rotorblätter sind als Kragarme mit dem Rotorkopf
einseitig verbunden. Obwohl der Rotordurchmesser in den letzten
Jahrzehnten kontinuierlich vergrößert wurde, erreicht
diese Bauart mit etwa 130 m Rotordurchmesser eine konstruktionsbedingte
Grenze. Bei dieser Größe sind die Rotorblätter extremen
Belastungen unterworfen, neigen zu Schwingungen und rufen Schlaggeräusche
beim Durchgang der Rotorblätter am Mast hervor. Propeller
für Wasser- und Luftfahrzeuge, sowie Ventilatoren durchschneiden ein
flüssiges oder gasförmiges Medium in der Art einer
Schraube zur Herstellung von Schub bzw. von Wind. Bei Schiffspropellern
tritt das Problem der Kavitation auf. Ein Hubschrauberrotor zeigt
eine radiale Rotorblattanordnung.
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Ausgehend
von dem dargestellten Stand der Technik liegt der Erfindung die
Aufgabe zugrunde, einen Rotor mit einem ringförmigen Rotorblatt
und einer aero- und hydrodynamisch wirksamen Flügelprofilierung
anzugeben, der im Falle eines Strömungskonverters als Schnellläufer
von der Strömung in Rotation versetzt wird und der im Falle
eines angetriebenen Strömungsgenerators eine Strömung
erzeugt. Ein ringförmiges Rotorblatt, das mittels einer
Anzahl von aero- und hydrodynamisch wirksamen Speichen mit der Rotationsachse
verbunden ist, zeichnet sich nicht nur durch einen erhöhten
Wirkungsgrad bei einem vorgegebenen Rotordurchmesser aus, sondern
weist bessere Laufeigenschaften und einen geringeren Verschleiß auf.
Die Bauform eines Speichenrads ermöglicht insbesondere
bei Windturbinen neue, bisher nicht realisierbare Anlagengrößen mit
einem zwei- bis dreimal so großen Rotordurchmesser wie
bisher üblich. Damit leistet die Erfindung einen Beitrag
zur weiteren und vermehrten Erschließung der Windkraft
als ökologisch unbedenkliche Energiequelle. Was den Bereich
der Strömungsgeneratoren betrifft, wird ein Neuland beschritten,
bei dem der Schub im Unterschied zur Schraubenwirkung allein aus
der aero- und hydrodynamischen Wirkung der Flügelprofilierung
eines ringförmigen Rotorblatts resultiert.
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Folgende
Aufgaben werden von einem erfindungsgemäßen Strömungskonverter
als Wind- oder Wasserturbine gelöst:
- – Ersatz
herkömmlicher, radial angeordneter, biegebeanspruchter
Rotorblätter durch ein vorwiegend druckbeanspruchtes, ringförmiges
Rotorblatt
- – Vorwiegende Zugbeanspruchung der vorgespannten radialen
Speichen
- – Stabile Konstruktion mit einer mehrfachen, räumlichen
Unterstützung des ringförmigen Rotors und einer zweifachen
Lagerung der radialen Speichen
- – Einfache Montage durch Elementierung der Konstruktion
- – Die Speichenradkonstruktion ermöglicht Rotordurchmesser
größer 300 m
- – Verstetigung der Rotationsbewegung durch eine günstige
Massenverteilung
- – Gute Anlaufeigenschaften bei leichter Strömung
- – Selbsttätige Ausrichtung zur Anströmung
- – Kombination herkömmlicher radialer Rotorblätter
mit einem ringförmigen Rotorblatt
- – Erhöhung der aero- bzw. hydrodynamisch wirksamen
Oberfläche
- – Leiser Rotorlauf, Schlaggeräusche und niederfrequente
Schwingungen treten nicht auf.
- – Große Variationsbreite von der Ellipse bis
zum Vieleck
- – Extremer Leichtbau
- – Vergleichsweise günstige Beanspruchung der
Drehlager
- – Vergleichsweise höhere elektrische Leistung
bei gleichem Rotordurchmesser
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Ein
erfindungsgemäßer Strömungsgenerator
zeichnet sich gegenüber bekannten Lösungen durch
folgende Vorteile aus:
- – Geringer
Rotationswiderstand
- – Große Laufruhe
- – Erhöhung des Schubs durch Kombination von
Schraubenblatt und ringförmigem Rotorblatt
- – Günstige Beanspruchung der Propellerwelle
und der Lager
- – Bei einem Ventilator, Erzeugung eines Luftstroms
ausschließlich durch die aerodynamische Wirkung der Flügelprofile
des ringförmigen Rotors
- – Große aero- und hydrodynamisch wirksame
Oberfläche
- – Einfache Konstruktion
- – Kombination mehrerer aero- und hydrodynamischer Effekte
- – Große Variationsbreite vom Dreieck bis zum
Vieleck
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Aerodynamik, Hydrodynamik:
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Das
Wirkprinzip eines ringförmigen Rotorblatts lässt
sich mit einem symmetrischen Flügelprofil, mit einem asymmetrischen
Flügelprofil oder aber auch durch eine Profilanordnung
mit Flügelwirkung erzielen.
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Bei
einem ringförmigen Rotorblatt mit einem symmetrischen Flügelprofil
wird der periodische Wechsel von Sog- und Druckkräften
durch eine kontinuierlich sich ändernde Flügelneigung
(pitch) erzielt. Der besondere Vorteil dieser Gestaltungsvariante
liegt in einem strömungsgünstigen, harmonischen Übergang
zwischen den Auf- und Abtrieb erzeugenden Profilabschnitten, wobei
sowohl die Profilnase als auch die Profilhinterkante einen periodisch
schwingenden Verlauf zeigen.
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Bei
der Verwendung von verstellbaren Profilklappen empfiehlt es sich,
die Seiten eines Polygons gerade auszubilden. Mittels von Profilklappen
lässt sich das Kräftepaar aus Sog- und Druckkräften
vergleichsweise einfach herstellen. Der Übergang zwischen
den einzelnen Profilabschnitten ist hier nicht so harmonisch und
erhöht den Rotationswiderstand.
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Bei
der Verwendung von asymmetrischen Flügelprofilen wird das
Kräftepaar aus Sog- und Druckkräften durch Umkehrung
der Flügelwölbung hergestellt. An den Nahtstellen
der einzelnen Profilabschnitte können strömungsgünstige Übergangsflächen
gestaltet werden. Die Kombination aus einem Rohr und einer Strömungsleitfläche
als System mit Flügelwirkung führt zu einer sehr
einfachen und damit wirtschaftlichen Lösung für
einen Strömungskonverter.
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Bei
einem gleichseitigen Dreieck und bei einem Quadrat wechselt das
Flügelprofil zwischen zwei benachbarten Eckpunkten mit
maximalem Abstand zueinander jeweils einmal von einer Auftrieb-
in eine Abtriebstellung. Bei mehrzahligen Polygonen, wie Fünfeck, Sechseck
usw., vollzieht sich der periodische Wechsel des Flügelprofils
von der Auftrieb- in die Abtriebstellung auf jeder Polygonseite
zwischen zwei benachbarten Eckpunkten. Einen Sonderfall stellt eine
Raute mit konvex gebogenen Seiten dar. Sie ermöglicht die
Ausbildung eines elliptischen Rotorblatts. Auch hier wechselt das
Flügelprofil zwischen den Eckpunkten mit maximaler Entfernung
zueinander einmal von der Auftrieb- in eine Abtriebstellung.
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Bei
einem angetriebenen Rotor kann an der Flügeloberseite und
an der Flügelunterseite allein mit Hilfe einer biegsamen
Flosse, die an der hinteren Flügelkante eingespannt ist,
eine Strömung erzeugt werden. Bei Rotation bewirkt die
Flügelprofilierung des Rotors an der Ringaußenseite
und an der Ringinnenseite periodisch wechselnde Druckkräfte
mit erhöhter Strömungsgeschwindigkeit an den Flügeloberflächer,
aus der eine Schubkraft resultiert.
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Der Rotor als Ganzes:
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Für
die Verbindung des ringförmigen Rotorblatts mit einer Nabe
bzw. mit der Drehachse sind Speichen vorgesehen, die bei einem Schiffsrotor
aus herkömmlichen Propellerblättern und bei einer
Windturbine aus herkömmlichen. Rotorblättern bestehen
oder als aero- und hydrodynamisch wirksame Speichen ausgebildet sind.
Sie übertragen das jeweils von einer Polygonseite bewirkte
Versatzmoment auf die Rotationsachse. Bei einem Schiffsrotor addiert
sich der aus dem Propellerblatt und dem ringförmigen Rotor
gewonnene Schub. Bei einer Windturbine sind die Speichen selbst
als aerodynamisch wirksame Flügelprofile ausgebildet und
stehen quer zur Anströmung, wobei ihre Flügelnase
in Drehrichtung angeordnet ist.
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Im
Rahmen der Erfindung wird vorgeschlagen, die Speichen als Seile
oder als Flachprofile auszubilden. Die aerodynamische Wirkung wird
mittels einer zweiteiligen, aerodynamisch und hydrodynamisch wirksamen
Profilschale erzielt, die als Aluminium-Strangpressprofil oder als
Kunststoffprofil auf dem Seil bzw. auf dem Flachprofil befestigt
wird. Bei einem Windrad ist eine leichte Konstruktion von Bedeutung.
Glasfaserverstärkter Kunststoff und Kohlefaser verstärkter
Kunststoff sind geeignete Materialien für den Leichtbau
des ringförmigen Rotors und der Speichen bis zu einem Raddurchmesser
von 160 m. Ein erfindungsgemäßes Windrad kann
aber wesentlich größer hergestellt werden mit
einem Durchmesser von über 300 m. Derart große
Räder eignen für den Off-Shore-Einsatz und haben
einen Mast mit Pfahlgründung. Bei einem großen
Windrad ist von Bedeutung, dass es sich bei unterschiedlichen Temperaturen
und unter wechselnder aerodynamischer Belastung nur innerhalb enger
Toleranzen verformt. Um dies zu gewährleisten, wird vorgeschlagen,
jede Speiche mit Teller- oder Spiralfedern an die Nabe anzuschließen.
Zur Übertragung des Drehmoments überkreuzen sich die
Speichen wie bei einem Fahrrad. Bei großen Rädern
können innerhalb des zugbeanspruchten Speichensystems zwischen
Druckring und Nabe zusätzliche Koppelstäbe zwischen
den v-förmig gespreizten Speichen mit aussteifenden Verbänden
vorgesehen werden. Idealerweise wird der Generator in der Radnabe
angeordnet.
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Große,
erfindungsgemäße Windräder können
bevorzugt entlang der bestehenden Verkehrswege, wie Autobahnen und
Eisenbahntrassen installiert werden, um die umgebende unverbaute
Landschaft zu schonen. Mittels eines räumlich verzweigten
Unterbaus, auf dem eine drehbare Gabel aufsetzt, können
die Windräder unmittelbar über den Verkehrswegen
angeordnet werden.
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Kleine
Windräder mit Durchmessern von 3–12 m eignen sich
für eine dezentrale Stromversorgung individueller Haushalte.
Hier können die Speichen selbst aus aerodynamisch geformten
Metallprofilen bestehen.
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Eine
besondere Form des Leichtbaus stellt eine pneumatische Konstruktion
dar, bei der die Flügelkontur eines ringförmigen
Rotorblatts aus einer hochfesten, mit Druckluft befüllten
Membran gebildet wird. Ein derartiges Windrad erscheint besonders
wirtschaftlich, eignet sich für den Selbstaufbau und kann
zusammengefaltet in kompakter Form versandt werden. Nach demselben
Prin zip wird auch ein Ventilator vorgeschlagen, dessen pneumatisch
gestütztes, ringförmiges Rotorblatt vielfältige
Möglichkeiten für eine attraktive Gestaltung zulässt.
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Steuerung:
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Eine
besonders vorteilhafte Eigenschaft einer erfindungsgemäßen
Wind- oder Wasserturbine besteht in der Tatsache, dass sie sich
von selbst zur Strömung ausrichtet und dafür nur
ein Drehgelenk benötigt wird. Bei einer Windturbine ist
die Regelung der Rotordrehzahl von Bedeutung. Die im Rahmen der
Erfindung vorgeschlagene Flügelklappensteuerung löst
diese Aufgabe und kann pneumatisch oder hydraulisch erfolgen.
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Weitere
vorteilhafte Einzelheiten und Gestaltungsmöglichkeiten
der Erfindung gehen aus den Zeichnungen hervor. Die in den Figuren
dargestellten Ausführungsbeispiele zeigen eine Auswahl
der zahlreichen und beliebig kombinierbaren vorteilhaften Möglichkeiten
für die aero- und hydrodynamische Gestaltung eines erfindungsgemäßen
Strömungskonverters und Strömungsgenerators. Zugunsten
einer besseren Lesbarkeit wurde auf die maßstäbliche
Darstellung der Verhältnisse der einzelnen Bauteile zueinander
verzichtet.
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Die
Figuren zeigen:
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1 einen
Schiffsrotor in isometrischer Übersicht
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2 den
Schiffsrotor nach 1 in der Ansicht
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3 den
Querschnitt durch den ringförmigen Schiffsrotor nach 1
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4 eine
Wasserturbine in isometrischer Übersicht
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5 die
Wasserturbine nach 4 in der Ansicht
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6 eine
Windturbine in der Ansicht
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7 den
Querschnitt durch ein Auftrieb erzeugendes Ringsegment der Windturbine
nach 6
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8 den
Querschnitt durch ein Abtrieb erzeugendes Ringsegment der Windturbine
nach 6
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9 eine
Windturbine mit elliptischem Rotorblatt in der Ansicht
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10 den
Querschnitt durch ein Auftrieb erzeugendes Segment des ringförmigen
Rotorblatts der Windturbine nach 9
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11 den
Querschnitt durch ein Abtrieb erzeugendes Segment des ringförmigen
Rotorblatts der Windturbine nach 9
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12 einen
fünfeckigen Rotor in der isometrischen Übersicht
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13 den
Querschnitt des ringförmigen Rotors nach 12
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14 einen
sechseckigen ringförmigen Rotor in der Ansicht
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15 den
Querschnitt durch den ringförmigen Rotor nach 14
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16 die
Ansicht eines Strömungskonverters mit konzentrisch angeordneten,
ringförmigen Rotorblättern
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17 den
Querschnitt durch den Strömungskonverter nach 16
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18 eine
Wasserturbine mit einem achteckigen ringförmigen Rotor
in der isometrischen Übersicht
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19 den
Querschnitt durch ein pneumatisch gestütztes, ringförmiges
Rotorblatt
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20 eine
Windturbine mit achteckigem ringförmigem Rotor in isometrischer Übersicht
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21 den
Querschnitt durch eine Speiche einer erfindungsgemäßen
Windturbine
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22 den
Querschnitt durch eine Speiche einer erfindungsgemäßen
Windturbine
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23 den
Querschnitt durch eine Speiche einer erfindungsgemäßen
Windturbine
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1 zeigt
einen Schiffsrotor (320) mit einem ringförmigen
Rotorblatt (2), das von einem symmetrischen Flügelprofil
(22) gebildet wird. Speichen (33), die als Propellerblätter
(335) ausgebildet sind, wirken mit dem ringförmigen
Rotorblatt (2) zusammen und übertragen den Schub
auf die Rotorwelle (321). Die hydrodynamische Wirkung des
ringförmigen Rotorblatts (2) wird durch seine
von der Kreisringform abweichende Polygonform bestimmt. Ein gleichseitiges
Dreieck (13) ist dem ringförmigen Rotorblatt (2)
einbeschrieben und weist konvexe Seiten (110) und gerundete
Ecken (12) auf. Auf jeder Polygonseite (10) wechselt
das symmetrische Flügelprofil (22) regelmäßig
von einer Auftriebsteilung (210) in eine Abtriebstellung (211).
Die dadurch hervorgerufenen Sog- (I) und Druckkräfte
(II) bewirken an der Rotorwelle (321) ein Versatzmoment.
An seinen Flügeloberflächen erzeugt das ringförmige
Rotorblatt (2) eine Strömung, die zum Gesamtschub
des Schiffsrotors (320) beiträgt.
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2 zeigt
die Strömungsabgewandte Seite des Schiffspropellers (320)
nach 1 in der Ansicht. Die Flügelhinterkante
(24) wechselt auf jeder Polygonseite (10) des
Dreiecks (13) von der Außenseite zur Innenseite
des ringförmigen Rotorblatts (2). Dies geschieht
durch einen Wechsel der Flügelstellung (21) von
einer Auftriebsstellung (210) in eine Abtriebsstellung
(211) über eine kontinuierlich sich ändernde
Flügelneigung. Der Schiffspropeller (320) erzeugt
einen Teil der Schubkraft durch die als Propellerblätter
(335) ausgebildeten Speichen (33). Einen maßgeblichen
Anteil des Schubs liefert das ringförmige Rotorblatt (3)
durch die von ihm aus Druck- und Sogkräften (I, II)
generierte Strömung.
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3 zeigt
den Querschnitt (a-a) durch das ringförmige Rotorblatt
(2) nach 2. in einer auftreibenden Stellung
(210) des symmetrischen Flügelprofils (22).
Der Wechsel der Flügelstellung (21) von der Auftriebstellung
(210) in die Abtriebstellung (211) wird durch
die gestrichelten Linien dargestellt.
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In 4,
die eine Wasserturbine (310) in isometrischer Übersicht
darstellt, wechselt das ringförmige Rotorblatt (2)
periodisch von einer Auftriebsstellung (210) in eine Abtriebsstellung
(211) über den Umfang eines Vierecks (14).
Schub erzeugende Speichen (33) verbinden das ringförmige
Rotorblatt (2) mit einem am Fußpunkt (316) über
ein Drehgelenk (315) drehbar gelagerten Mast (314).
Der Generator (312) wird von einer koaxial zur Rotationsachse
(30) angeordneten Generatorwelle (313) angetrieben.
Der Strömungskonverter (31) richtet sich selbstständig
zur Anströmung (s) aus.
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5 zeigt
den periodischen Wechsel von Sog- und Druckkräften (I, II)
am Verlauf der Flügelhinterkante (24) des Flügelprofils (22).
Dem ringförmigen Rotorblatt (2) ist ein Quadrat
(14) einbeschrieben. Konvexe Seiten (110) und
gerundete Ecken (12) unterstützen die hydrodynamische
Wirkung des ringförmigen Rotorblatts (2). Jede
Polygonseite (10) zeigt eine Auftriebsstellung (210)
und eine Abtriebsstellung (211) durch kontinuierliche Änderung
der Flügelneigung (21).
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6 zeigt
eine erfindungsgemäße Windturbine (311),
deren ringförmigem Rotorblatt (2) ein Quadrat (14)
einbeschrieben ist, mit konvexen Seiten (110) und gerundeten
Ecken (12). Die Polygonseiten (10) werden von
asymmetrischen Flügelprofilen (23) gebildet, deren
Flügelwölbung auf jeder Seite des Quadrats (14)
von der Rotorblattaußenseite zur Rotorblattinnenseite wechselt,
wodurch Sog- und Druckkräfte (I, II)
erzeugt werden. Jede Polygonseite (10) des ringförmigen
Rotorblatts (2) bewirkt somit ein Kräftepaar,
das mit Versatz an der Drehachse der Windturbine (311)
angreift und deshalb ein Drehmoment hervorruft. Über Speichen
(33) ist das Rotorblatt (2) mit der Nabe (35)
verbunden.
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7 zeigt
den Querschnitt (b-b) eines Auftrieb erzeugenden Seitensegments
(10) mit einem asymmetrischen Flügelprofil (23).
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8 zeigt
den Querschnitt (c-c) eines Abtrieb erzeugenden Seitensegments (10)
mit einem asymmetrischen Flügelprofil (23).
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9 zeigt
eine Windturbine (311) mit einem ringförmigen
Rotorblatt (2), dessen elliptische Form von einer in das
Rotorblatt einbeschriebenen Raute (140) bestimmt wird.
Dabei wechselt ein asymmetrisches Flügelprofil (23)
zwischen den beiden Eckpunkten mit maximalem Abstand der Raute (140)
einmal von einer Auftriebstellung (210) in eine Abtriebstellung
(211). Jedes der vier Segmente des ringförmigen
Rotorblatts (2) bewirkt eine mit Versatz an der Rotationsachse
(30) angreifende, resultierende Luftkraft aus Sog- (I)
und Druckkräften (II). Zwei Speichen (33),
die als asymmetrische Speichenflügelprofile (331)
ausgebildet sind, verbinden das ring förmige Rotorblatt
(2) mit einer Gabel (36), welche ihrerseits über
ein Drehgelenk (315) mit einem Mast (314) in Verbindung
steht.
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10 zeigt
im Querschnitt (d-d) ein Auftrieb (210) erzeugendes Ringsegment
mit einem asymmetrischen Flügelprofil (23). Mit
seiner Flügelnase (20) ist das Flügelprofil
(23) zur Anströmung (s) ausgerichtet.
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11 zeigt
im Querschnitt (e-e) das Flügelprofil nach 10 in
einer Abtriebstellung (211). Die Flügelstellung
der vier Segmente des elliptischen Rotorblatts (2) bewirkt
eine selbsttätige Ausrichtung der Windturbine (311)
zur Anströmung (s).
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12 zeigt
ein ringförmiges Rotorblatt (2), das als Fünfeck
(15) ausgebildet ist. Bei Anströmung (s) entsteht
an der Drehachse (30) ein Drehmoment, hervorgerufen durch
eine Profilanordnung mit Flügelwirkung (25) über
ein luvseitiges Hohlprofil (250) mit leeseitiger Strömungsleitfläche
(251). Jede Polygonseite (10) ist in zwei Abschnitte
geteilt, die jeweils ein an der Drehachse (30) wirksames
Kräftepaar aus Sog- und Druckkräften (I, II)
hervorrufen. Der Vorteil der Profilanordnung (25) besteht
in ihrer Einfachheit. Ein entsprechender Rotor kann mit einfachsten
Mitteln kostengünstig für Rotoren bis zu 30 m
Durchmesser hergestellt werden.
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13 zeigt
den Querschnitt durch die in 12 beschriebene
Profilanordnung mit Flügelwirkung (25) aus einem
luvseitigen Hohlprofil (250) als Flügelnase (20)
und einer leeseitigen Strömungsleitfläche (251) als
Flügelhinterkante (24).
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14 zeigt
die strömungsabgewandte Ansicht eines ringförmigen
Rotorblatts (2), das als Sechseck (16) ausgebildet
ist. Das Rotorblatt (2) ist Teil eines um die Drehachse
(30) rotierenden Strömungsgenerators (32)
und zeigt im Querschnitt (d-d) nach 15 ein
symmetrisches Flügelprofil (22) mit einer elastischen
Flosse (27). Im Falle eines Schiffsrotors (320)
entsteht bei Rotation eine rhythmische Schwingung an der elastischen
Flosse (27), die eine Schubkraft erzeugt. Dabei wirken
biegsame Stäbe (270) mit einer verbindenden Membran
(271) zusammen. Alternierend an der Außen- und
Innenseite des ringförmigen Rotorblatts (3) erzeugte
Sog- und Druckkräfte (I, II) bewirken
die Anströmung (s) und den Schub des Schiffsrotors (320)
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15 zeigt
den Querschnitt (d-d) durch das ringförmige Rotorblatt
(2) nach 14. Die gestrichelten Linien
in 14 und 15 beschreiben
den Bereich, in dem das ringförmige Rotorblatt bei Rotation
drückt und zieht und dadurch an seinen gewölbten
Flügelseiten eine Strömung (s) generiert.
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16 zeigt
die Ansicht einer Wasserturbine (310) oder Windturbine
(311). Das dem ringförmigen Rotorblatt (2)
einbeschriebene Polygon (1) ist ein Siebeneck (17)
mit geraden Seiten (100). Ausgefahrene Flügelklappen
(26), hervorgehoben durch dicke schwarze Striche bewirken
eine Drehung des Rotors (3) im Uhrzeigersinn. Durch eine
konzentrische Anordnung (100) der ringförmigen
Rotorblätter (2) wird die in der Anströmung
(s) enthaltene kinetische Energie sehr gut genutzt. Besonders vorteilhaft
dabei ist eine Düsenwirkung zwischen den konzentrisch angeordneten
Rotorblättern (2).
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17 zeigt
einen schematischen Schnitt durch den Strömungskonverter
(31) nach 16. Die Flügelklappen
(26) sind hier in der Grundstellung dargestellt, die z.
B. bei einem Sturm eingenommen wird. Drei ringförmige Rotorblätter
(2) mit symmetrischem Flügelprofil (22)
sind in konzentrischer Anordnung (300) um die Rotationsachse
(30) gruppiert. Sie zeigen außerdem eine konkave
Anordnung zur besseren Ausnutzung der Anströmung (s). Die
Generatorwelle (313) treibt einen Generator (312)
an und ist über ein Drehgelenk (315) mit einem
Mast (314) verbunden. Der Strömungskonverter (31)
richtet sich selbsttätig zur Anströmung (s) aus.
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18 zeigt
eine erfindungsgemäße Wasserturbine (310),
deren ringförmiges Rotorblatt (2) als Achteck
(18) ausgebildet ist. Das an der Drehachse (30)
wirksame Drehmoment aus Sog- und Druckkräften (I, II) wird
von einem symmetrischen Flügelprofil (22) mit
verstellbarer Flügelklappe (26) bewirkt. Hydraulisch
ebenfalls ein Drehmoment bewirkende Speichen (33) mit einem
asymmetrischen Flügelprofil (331) stellen die
Verbindung zur Nabe (35) her. Mittels eines Drehgelenks
(315) am Fußpunkt (316) richtet sich
die Wasserturbine (310) selbsttätig zur Anströmung
(s) aus. Die Wasserturbine ist aus Hohlprofilen (28) aus
Metall (281) aufgebaut. Die Flügelklappen (26)
besitzen eine hydraulische Steuerung (261).
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19 zeigt
den Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes ringförmiges
Rotorblattprofil (3), das in seiner Geometrie dem Aufbau
in 18 entspricht. Die Schnittdarstellung zeigt jedoch
das symmetrische Flügelprofil (22) und die verstellbare
Flügelklappe (26) als pneumatisch gestützte
Membrankonstruktion (282). Nach dieser Bauart lässt
sich ein ultraleichter Rotor mit einem ringförmigen Rotorblatt
(2) herstellen und kann neben der Energiegewinnung auch
für dekorative und Werbezwecke eingesetzt werden.
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20 zeigt
eine erfindungsgemäße, große Windturbine
(311). Das ringförmige Rotorblatt (2)
ist als Achteck (18) ausgebildet und wird mit einer Vielzahl überkreuzter
Speichen (33) mit der Nabe (35), die den Generator
(312) aufnimmt, verbunden. Die Ausbildung der Speichen
(33) wird in den 21, 22 und 23 näher
beschrieben. Sie sind jeweils über ein Federelement (34)
in Form einer Tellerfeder oder Spiralfeder mit der Nabe verbunden,
sodass ihre Vorspannkraft bei unterschiedlichen Temperatur- und
Betriebsbedingungen konstant gehalten wird. Die Tragkonstruktion
der Windturbine (311) besteht aus einer Gabel (36), deren
Schenkel einen ovalen, mit der schmalen Seite zur Anströmung
(s) ausgerichteten Querschnitt aufweisen. Ein zum Fußpunkt
konisch sich verbreiternder Mast (314) nimmt über
ein Drehgelenk (315) die Gabel (36) auf. Jede
Polygonseite (10) erzeugt eine Sogkraft (I) oder
eine Druckkraft (II). Über den Umfang des ringförmigen
Rotorblatts (3) entstehen so periodisch wechselnde Kräftepaare
aus Sog- und Druckkräften (I, II), die jeweils
ein Drehmoment an der Drehachse (30) bewirken. Aufgrund
der Fahnenstellung der symmetrischen Flügelprofile (22)
richtet sich die Windturbine (311) selbsttätig
zur Anströmung (s) aus. Mit Hilfe der Flügelklappen
(26) kann die Rotordrehzahl des Windrads auf einfachste
Weise gesteuert werden. Bei Sturm wird das Rad gestoppt. Durch eine
umgekehrte Stellung der Flügelklappen (26) kann
die Drehrichtung geändert werden. Mittels der Speichen
(33) wird das ringförmige Rotorblatt (2)
räumlich gehalten. Ein derartiges Windrad kann ein Durchmesser
größer 300 m haben. Mit der damit erzielbaren
elektrischen Leistung stößt die Nutzung der Windenergie
in neue, bisher nicht realisierbare Dimensionen vor. Da die Speichen
(33) ebenfalls ein Drehmoment erzeugen, ist das Gesamtsystem
sehr effektiv.
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21 zeigt
den Querschnitt einer möglichen Ausgestaltung der Speichen
(33) der in 20 beschriebenen Windturbine
(311). Das asymmetrisch ausgebildete Speichenflügelprofil
(331) zeigt eine zweiteilige Speichenschale (334)
aus Aluminium-Strangpressprofilen, die mittels nicht dargestellter
Schrauben auf das Seil (332) geklemmt werden.
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Der
in 22 dargestellte Speichenquerschnitt zeigt ebenfalls
ein asymmetrisches Speichenflügelprofil (331),
das von zwei Schalenkörpern (334) gebildet wird,
die einen tragenden Kern in Form eines Flachprofils (333)
umgeben. Der Schalenkörper (334) kann aus Metall
oder Kunststoff hergestellt werden.
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23 zeigt
ein symmetrisches Speichenflügelprofil (
330) im
Querschnitt. Das tragende Flachprofil (
333) aus Metall
oder Verbundwerkstoff ist von einem Schalenkörper (
334)
umgeben, der bei seitlicher Anströmung (s) ebenso wie die
in
21 und
22 dargestellten
Speichenquerschnitte ein Drehmoment bewirkt. Bezugszeichenübersicht
| Polygon | 1 | Ringförmiges
Rotorblatt | 2 | Rotor | 3 |
| Polygonseite | 10 | Flügelnase | 20 | Drehachse | 30 |
| Gerade
Seite | 100 | Flügelstellung | 21 | Konzentrisches Rotorblatt | 300 |
| Konvexe
Seite | 110 | Auftriebsstellung | 210 | Strömungskonverter | 31 |
| Spitze
Ecke | 11 | Abtriebsstellung | 211 | Wasserturbine | 310 |
| Gerundete Ecke | 12 | Symmetrisches
Flügelprofil | 22 | Windturbine | 311 |
| Gleichseitiges
Dreieck | 13 | Asymmetrisches
Flügelprofil | 23 | Generator | 312 |
| Quadrat | 14 | Flügelhinterkante | 24 | Generatorwelle | 313 |
| Raute | 140 | Profilanordnung
mit Flügelwirkung | 25 | Mast | 314 |
| Fünfeck | 15 | Rohrprofil | 250 | Drehgelenk | 315 |
| Sechseck | 16 | Strömungsleitfläche | 251 | Fußpunkt | 316 |
| Siebeneck | 17 | Flügelklappe | 26 | Strömungsgenerator | 32 |
| Achteck | 18 | Pneumatische
Steuerung | 260 | Schiffsrotor | 320 |
| | | Hydraulische
Steuerung | 261 | Rotorwelle | 321 |
| | | Elastische
Flosse | 27 | Speiche | 33 |
| | | Biegsamer Stab | 270 | Symmetrisches
Speichenflügelprofil | 330 |
| | | Membran | 271 | Asymmetrisches
Speichenflügelprofil | 331 |
| | | Hohlprofil | 28 | Seil | 332 |
| | | Kunststoffprofil | 280 | Flachprofil | 333 |
| | | Metallprofil | 281 | Zweiteiliger
Schalenkörper | 334 |
| | | Pneumatisch
gestützte Membrane | 282 | Propellerblatt | 335 |
| | | Vollprofil | 29 | Federelement | 34 |
| | | Anströmung | s | Nabe | 35 |
| | | Sogkraft | I | Gabel | 36 |
| | | Druckkraft | II | | |
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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