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Die
Erfindung betrifft eine Strömungskraftmaschine,
die zur Energiegewinnung in Wasser- oder Windkraftwerken eingesetzt
werden kann. Die Strömungskraftmaschine
nimmt die in der Strömung befindliche
Bewegungsenergie unter Ausnutzung des Strömungswiderstandes auf und wandelt
sie mittels einer Energieumwandlungseinheit in hydraulische, pneumatische
oder elektrische Energie um. Die gewonnene Energie kann beispielsweise
in das öffentliche
Stromnetz eingespeist werden.
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Aus
der
DE 27 30 681 A1 ist
ein Flußkraftwerk
ohne Staumauer bekannt. Dabei sind querliegende Unterwasser-Schaufelräder vorgesehen,
die durch die Kraft des durchfließenden Wassers rotieren. Die
Schaufeln der Schaufelräder
sind mittels Gelenken schwenkbar an den Schaufelrädern angebracht
und werden durch den Wasserdruck automatisch geöffnet und geschlossen.
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Die
DE 44 23 278 A1 offenbart
ein Unterwasserkraftwerk mit Schaufeln, die vertikal schwenkbar auf
einem drehbaren Laufrad befestigt sind. Während der Umdrehung des Laufrades
passieren die Schaufeln einen elastischen Torflügel, wobei die Schaufeln automatisch
eingeschwenkt werden.
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Die
DE 20 2006 008 055
U1 zeigt eine Wasserkraftanlage mit einer Mehrzahl von
Flügelelementen,
die entlang einer geschlossenen Bahn beweglich geführt sind
und deren Bewegung in elektrische Energie umgewandelt wird. Die
Flügelelemente
können mit
ihren Flügelflächen senkrecht
und parallel zu einer Strömungsrichtung
angestellt werden.
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Die
EP 1 331 391 A1 zeigt
eine Windkraftanlage mit einer geschlossenen Bahn, auf der Flügelelemente
umlaufen. Über
einen durch die Bahn angetriebenen Generator kann elektrische Energie
erzeugt werden. Jedes Flügelelement
kann über
einen eigenen Schwenkmechanismus um seine Hochachse verdreht werden.
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Die
US 131 494 A zeigt
eine Wasserkraftanlage bei der Wasserpaddel an einer umlaufenden Kette
angeordnet sind, die über
zwei Räder
geführt ist. Über eines
der Räder
kann mechanische Energie über
einen Kurbelarm abgegriffen werden. Über Steuerschienen können die
Wasserpaddel während des
Umlaufs zwischen einer vertikalen und einer horizontalen Ausrichtung
verschwenkt werden.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Strömungskraftmaschine
bereitzustellen, die einen erhöhten
Wirkungsgrad aufweist. Die Aufgabe besteht weiter darin, ein Kraftwerk
mit einer solchen Strömungskraftmaschine
vorzuschlagen.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Strömungskraftmaschine
gelöst,
umfassend einen Grundkörper mit
einem Führungsmechanismus,
der eine umlaufend geschlossene Führung aufweist; mehrere bewegliche
Flügel,
die mittels des Führungsmechanismus
in der Führung
umlaufend gehalten sind und von einem Fluid antreibbar sind; eine
Energieumwandlungseinheit, die mit den Flügeln antriebsverbunden ist,
wobei jeder der Flügel
zwischen einer angelegten Stellung und einer ausgefahrenen Stellung
um jeweils eine Schwenkachse S schwenkbar ist; sowie
Steuermittel
zum steuerbaren Verschwenken der Flügel, wobei die Steuermittel
mehrere Betätigungshebel,
die jeweils fest mit einem der Flügel verbunden sind, und zumindest
eine Steuerleiste, die an dem Grundkörper angebracht ist und mit
den Betätigungshebeln
zusammenwirkt, umfassen, wobei die zumindest eine Steuerleiste verstellbar
ist.
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Die
Flügel
bilden eine Widerstandsfläche
mit erhöhtem
Strömungswiderstand
und werden durch die Strömungskraft
von dem Fluid angetrieben. Über die
Antriebsverbindung mit der Energieumwandlungseinheit kann die Strömungsenergie
der Energieumwandlungseinheit zugeführt werden, welche die Energie
in eine andere Energieform umwandelt und so für weitere Verwendungen bereit
stellt. Jeder Flügel
weist eine eigene Schwenkachse auf, um die er unabhängig von
den anderen Flügeln
schwenken kann. Dadurch, daß Steuermittel
zum steuerbaren Verschwenken der Flügel vorgesehen sind, können die
antreibenden Flügel,
also diejenigen Flügel,
die momentan von dem Fluid beaufschlagt werden und sich so in Strömungsrichtung
bewegen, stets in eine Verschwenkstellung gebracht werden, in der
der durch den jeweiligen Flügel
bereitgestellte Strömungswiderstand
am größten ist.
Auf diese Weise kann der Wirkungsgrad der Strömungskraftmaschine optimiert
werden. Die Verschwenkstellung mit dem höchsten Strömungswiderstand ist dabei in
der Regel die ausgefahrene Stellung. Dabei können gezielt die rückläufigen Flügel, also
diejenigen Flügel,
die momentan entgegen der Strömungsrichtung
laufen, in die angelegte Stellung gebracht werden, so daß diese
einen möglichst
geringen Strömungswiderstand
haben und so den Wirkungsgrad der Strömungskraftmaschine nicht unnötig herabsetzen.
Es kann schnell auf Änderungen
in der Richtung oder der Stärke
der Strömung
reagiert werden, so daß die Strömungskraftmaschine
stets optimal ausgerichtet werden kann.
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Ein
zweiter wesentlicher Aspekt der Erfindung, der in Ergänzung oder
anstelle der Steuermittel zum Verschwenken der Flügel treten
kann, besteht in Steuermitteln zum Verdrehen des Grundkörpers gegenüber einem
stehenden Bauteil, so daß die
Strömungskraftmaschine
optimal zur Strömungsrichtung ausgerichtet
werden kann.
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Die
Strömungskraftmaschine
kann Strömungsrichtungsänderungen
um 180° ausgleichen, wie
sie beispielsweise bei Gezeitenkraftwerken auftreten können. Ferner
kann die Strömungskraftmaschine
auch komplett ausgeschaltet werden, indem sämtliche Flügel in die eingefahrene Stellung
verschwenkt werden. In diesem Fall bilden die Flügel vorzugsweise eine geschlossene
Außenfläche. Unter dem
Begriff Fluid werden in Zusammenhang mit der Erfindung sowohl gasförmige als
auch flüssige
Medien, insbesondere Luft oder Wasser verstanden.
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Der
Führungsmechanismus
hält die
Flügel vorzugsweise
in einer Führungsebene,
wobei die Schwenkachsen der Flügel
jeweils senkrecht zu dieser Führungsebene
angeordnet sind. Die Führungsebene
wird dabei von der Führung
definiert, die in diesem Fall ebenfalls einen ebenen Verlauf aufweist.
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Vorzugsweise
sind die Flügel
stufenlos zwischen der angelegten Stellung und der ausgefahrenen
Stellung schwenkbar. Dadurch können
die Flügel in
jede mögliche
Verschwenkstellung zwischen der angelegten und der ausgefahrenen
Stellung gebracht werden, was die Steuermöglichkeiten erweitert. Bei
hohen Strömungsgeschwindigkeiten,
beispielsweise bei Sturm, kann dadurch die Strömungskraftmaschine bei reduzierter
Strömungswiderstandsfläche betrieben
werden, wodurch die Gefahr von Beschädigungen durch die hohen Strömungsgeschwindigkeiten
reduziert wird.
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Das
Verschwenken der Betätigungshebel wird
durch Veränderung
des Abstands der Steuerleiste zu den Schwenkachsen der Flügel verursacht. Aufgrund
des Kontakts der Betätigungshebel
zur Steuerleiste wird dabei gleichzeitig ein Verschwenken des zugehörigen Flügels um
die Schwenkachse bewirkt.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weisen die Betätigungshebel
jeweils eine Steuerfläche
auf, die mit Abstand zur Schwenkachse des jeweiligen Flügels angeordnet
ist und die mit der Steuerleiste in Kontakt bringbar ist, wobei
der Schwenkwinkel eines Flügels
abhängig
vom Abstand der jeweiligen Schwenkachse von der Steuerleiste veränderbar
ist. Durch die Abstandsänderung
kann somit der Schwenkwinkel des Flügels steuerbar verändert werden.
Diese Art von Ansteuerung ist dabei robust gegen Umwelteinflüsse und
kann kostengünstig
hergestellt werden.
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Um
die Anordnung leichtgängig
und präzise steuerbar
zu gestalten, ist an den Betätigungshebeln jeweils
eine Steuerrolle drehbar gelagert, welche die Steuerfläche bildet.
Die Steuerrolle kann dabei mit der Steuerfläche an der Steuerleiste abrollen,
wodurch die Reibung zwischen der Steuerleiste und der Steuerfläche reduziert
wird.
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Vorzugsweise
ist zumindest eine verstellbare Steuerleiste vorgesehen. Durch das
Verstellen der Steuerleiste werden die Betätigungshebel und die damit
verbundenen Flügel
verschwenkt. In bevorzugter Ausgestaltung ist die zumindest eine
verstellbare Steuerleiste in einer Verstellrichtung quer zur Bewegungsrichtung
der Flügel
verschiebbar. Dadurch kann der Abstand der Steuerleiste zur Schwenkachse,
der zur Beeinflussung des Verschwenkwinkels dient, gezielt eingestellt
werden.
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Zur
Realisierung der oben angesprochenen Verstellbarkeit kann die verstellbare
Steuerleiste vorzugsweise mit zumindest einer Exzenterscheibe in Wirkverbindung
stehen, wobei ein Verdrehen der Exzenterscheibe ein Verstellen der
verstellbaren Steuerleiste bewirkt. Die Ansteuerung mittels der
Exzenterscheibe bietet dabei einen robusten und kostengünstigen
Aufbau. Bevorzugt ist die Verstellrichtung der verstellbaren Steuerleiste
im Wesentlichen quer zu einer Exzenterachse der Exzenterscheibe.
Dadurch bewirkt ein Verdrehen der Exzenterscheibe eine Beaufschlagung
der Steuerleiste quer zu Exzenterachse, wodurch der Abstand der
Steuerleiste zur Schwenkachse der Flügel verändert wird. Durch geeignete
Federmittel kann dabei ein Rückstellen
der Steuerleiste bewirkt werden. Die Verstellung der Steuerleiste
kann auch alternativ zur Verwendung von Exzentern auch mittels Hydrozylindern,
Verstellmotoren oder Getrieben bewerkstelligt werden.
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In
bevorzugter Ausgestaltung umfaßt
der Führungsmechanismus
mehrere zusammenhängende
Kettenglieder, an denen die Flügel
schwenkbar befestigt sind, wobei die Kettenglieder als Antriebsverbindung
zwischen den Flügeln
und der Energieum wandlungseinheit dienen. Die Kettenglieder laufen
dabei an der geschlossen umlaufenden Führung auf dem Grundkörper um.
Die einzelnen Kettenglieder sind dabei miteinander beweglich befestigt,
wodurch die Flügel
an der Führung
auch an Abschnitten unterschiedlicher Form, wie beispielsweise geraden und
kurvigen Abschnitten, geführt
werden kann.
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Die
Kettenglieder umfassen vorzugsweise mehrere Rollwagen, die jeweils
einen der Flügel
tragen, wobei die Rollwagen auf der Führungsschienenanordnung beweglich
entlang der Führung
gehalten sind. Die Führung
umfaßt
vorzugsweise zumindest eine geschlossen umlaufende Führungsschienenanordnung,
an der die Rollwagen umlaufend geführt sind.
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In
einer bevorzugter Ausgestaltung ist vorgesehen, daß der Grundkörper mittels
Lagermitteln drehbar gegenüber
einem Gehäuse
bzw. einem ortsfesten Bauteil gelagert ist, wobei Verstellmittel
zum Verdrehen des Grundkörpers
gegenüber
dem Gehäuse
vorgesehen sind. Der Grundkörper
kann dabei als Drehscheibe ausgebildet sein. Zusätzlich zur individuellen Verstellung
der Flügel
kann auch die gesamte Führung
verstellt werden, wodurch sich weitere Einstellmöglichkeiten und somit auch
Optimierungsmöglichkeiten
bezüglich
des Wirkungsgrades ergeben. Es ist insbesondere vorgesehen, daß Steuermittel
zur Verdrehung der gesamten Anordnung gegenüber dem ortsfesten Bauteil
vorgesehen sind. Basierend auf Eingangsdaten, wie der Strömungsrichtung
oder der Strömungsgeschwindigkeit,
kann die Strömungskraftmaschine
mittels der Steuermittel optimal ausgerichtet werden. Die Regelung
der Ausrichtung kann dabei automatisiert über einen entsprechenden Regelkreis
erfolgen.
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Die
Energieumwandlungseinheit wandelt die von den Flügeln aufgenommene mechanische
Energie in eine andere Energie, beispielsweise elektrische, pneumatische
oder hydraulische Energie um, die dann für weitere Einsatzzwecke verwendet
werden kann. Dabei kann die Energieumwandlungseinheit ein elektrischer
Generator sein, der die Bewegungsenergie direkt in elektrische Energie
umwandelt. Ferner kann die Energieumwandlungseinheit eine hydraulische
oder pneumatische Pumpe, insbesondere ein Ventilator sein. Die von
der Pumpe erzeugte hydraulische oder pneumatische Energie kann gegebenenfalls über einen
nachgeschalteten Generator in elektrische Energie umgewandelt werden.
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Die
Lösung
der oben genannten Aufgabe liegt weiter in einem Wasserkraftwerk
mit zumindest einer Strömungskraftmaschine
der obengenannten Art, wobei die Strömungskraftmaschine als Wasserkraftmaschine
ausgebildet ist. Das Wasserkraftwerk kann als kompakte flexible
Einheit an Stellen mit erhöhter
Strömung,
wie beispielsweise an der Außenseite
von Flußbiegungen
eingesetzt werden. Bei dieser Verwendung der erfindungsgemäßen Strömungskraftmaschine
zum Antrieb eines Wasserkraftwerks ist nach einer bevorzugten Ausgestaltung
vorgesehen, daß das
Gesamtaggregat auf einem Ponton befestigt ist. Der Ponton ist so
an einem stehenden Bauteil angebracht, daß er schwenkbar ist, so daß er sich
optimal zur Wasserströmung
ausgerichtet werden kann. Auf diese Weise werden die Flügel stets
optimal angeströmt
und erzeugen ein maximales Antriebsmoment.
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Die
Lösung
besteht ferner in einem Windkraftwerk mit zumindest einer Strömungskraftmaschine
der obengenannten Art, wobei die Strömungskraftmaschine als Windkraftmaschine
ausgebildet ist.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Windkraftwerks,
bei der der Grundkörper
an einem Gehäuse
drehbar gelagert ist, weist das Gehäuse eine Druckkammer auf, in
die Druckluft förderbar
ist, wobei die Druckkammer in dem Gehäuse unterhalb des Grundkörper angeordnet
ist, und wobei zwischen dem Grundkörper und dem Gehäuse eine
Schlauchbremse vorgesehen ist. Dabei stellt der Grundkörper selbst
einen Teil der Außenwandung
der Druckkammer dar. Anstelle der Schlauchbremse kann auch eine
Motor-Getriebeeinheit zur Verstellung bzw. Fixierung des Gehäuses dienen.
Je nach Windrichtung kann die Motor-Getriebeeinheit das Windkraftwerk ausrichten,
so daß die Flügel optimal
vom Wind angeströmt
werden. Zum Abdichten des Grundkörpers
gegenüber
dem Gehäuse
können
bei dieser Ausführung
auch andere Dichtungen zum Einsatz kommen, beispielsweise Flachdichtungen,
die am Grundkörper
oder am Gehäuse
angeordnet sind und mit Druck angepreßt werden.
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Vorzugsweise
umfaßt
die Schlauchbremse einen Luftschlauch, wobei der Luftschlauch in
einem Ringraum zwischen dem Grundkörper und dem Gehäuse angeordnet
ist, und wobei der Luftschlauch be- und entlüftbar ist. Da der Grundkörper drehbar gegenüber dem
Gehäuse
gehalten ist, besteht zwischen dem Grundkörper und dem Gehäuse ein
abzudichtender Ringraum, in dem der Luftschlauch einsitzt. Im belüfteten Zustand
dichtet der Luftschlauch den Ringraum ab. Da der Luftschlauch im
belüfteten Zustand
reibbehaftet zwischen Grundkörper
und Gehäuse
einsitzt, fixiert der Luftschlauch auch den Grundkörper gegenüber dem
Gehäuse.
Im entlüfteten
Zustand hingegen ist ein Verdrehen des Grundkörpers gegenüber dem Gehäuse möglich.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungsfiguren näher erläutert. Hierin
zeigt
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1 eine
erfindungsgemäße Strömungskraftmaschine
in Draufsicht;
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2 einen
Flügel
sowie einen Führungsmechanismus
und eine Steuerleiste der Strömungskraftmaschine
nach 1 in Seitenansicht;
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3 einen
Flügel
und einen Rollwagen der Wasserkraftmaschine nach 1 in
a)
in Seitenansicht,
b) in Rückansicht,
c)
in Draufsicht,
d) in perspektivischer Darstellung;
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4 die
Strömungskraftmaschine
nach 1 in einer Prinzipskizze in Draufsicht;
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5 eine
Strömungskraftmaschine
gemäß 1 schematisch
als Windkraftmaschine, deren Grundkörper auf einem Gehäuse drehbar
gehalten ist;
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6 ein
Windkraftwerk in Hochhausbauweise mit einer Windkraftmaschine nach 5 im Vertikalschnitt;
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7 das
Windkraftwerk nach 6 in perspektivischer Darstellung.
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Die 1 bis 3,
die im folgenden gemeinsam beschrieben werden, zeigen eine erfindungsgemäße Strömungskraftmaschine 1,
die insbesondere als Wasserkraftmaschine gestaltet ist. Die Wasserkraftmaschine
weist mehrere Flügel 2 auf,
die von einer schematisch angedeuteten Wasserströmung 3 angeströmt und angetrieben
werden.
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Die
Flügel 2 sind
mittels eines Führungsmechanismus 10 mit
einem Generator 4 antriebsverbunden. Die von den Flügeln 2 aufgenommene
Bewegungsenergie wird mit Hilfe des Führungsmechanismus 10 auf
den Generator 4 übertragen,
der wiederum elektrische Energie erzeugen kann. Sowohl der Führungsmechanismus 10 als
auch der Generator 4 sind auf dem Grundkörper 11 ortsfest
angeordnet. Es ist insbesondere vorgesehen, daß das gesamte Aggregatanordnung
bestehend aus Strömungskraftmaschine 1 mit
Generator 4 und Grundkörper 11 sind,
je nach Verwendung, gegenüber
einem ortsfestem Bauteil verdreht werden kann, was durch den schematisch
eingezeichneten Gradwinkelmesser G dargestellt ist. Die Verdrehbarkeit
kann dabei an den Einsatzzweck angepaßt werden. So wäre bei Einsatz der
Strömungskraftmaschine 1 in
einem Fluß prinzipiell
eine begrenzte Verdrehbarkeit ausreichend, während beim Einsatz als Windkraftwerk
eine Verdrehbarkeit von 180° vorgesehen
ist, damit die Strömungskraftmaschine 1 bei
jeder beliebigen Windrichtung entsprechend ausgerichtet werden kann.
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Es
ist zu erkennen, daß die
Flügel 2 mittels des
Führungsmechanismus 10 auf
einer umlaufend geschlossenen Führung 5 in
einer Umlaufrichtung 6 beweglich gehalten sind. Die Führung 5 besteht
im wesentlichen aus zwei jeweils einander gegenüberliegende geraden Bahnstücken 8 und
kurvigen Bahnstücken 9,
wobei die kurvigen Bahnstücke 9 jeweils einen
Richtungsänderungswinkel
von 180° aufweisen.
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Die
Flügel 2 sind
an den verschiedenen Positionen der Führung 5 unterschiedlich
verschwenkt. So sind die Flügel 2', deren momentane
Laufrichtung 7' in
etwa der Strömungsrichtung 3 entspricht
ausgefahren, um so einen möglich
großen
Strömungswiderstand
bereitzustellen. Die Flügel 2'', deren momentane Laufrichtung 7'' etwa entgegengesetzt zur Strömungsrichtung 3 verläuft, sind
angelegt, um einen möglich
kleinen Strömungswiderstand
bereitzustellen. Dazu ändert
sich an den kurvigen Bahnstücken 9 der
Verschwenkwinkel der Flügel 2.
Um den Verschwenkwinkel der Flügel 2 im
Hinblick auf einen guten Wirkungsgrad möglichst optimal zu halten,
ist das Verschwenken der Flügel 2 mittels
Steuermitteln 20, 24 steuerbar. Die Steuermittel
werden weiter unten näher
erläutert.
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Der
Führungsmechanismus 10 besteht
aus mehreren zusammenhängenden
Kettengliedern 12, 13, die mittels einer am Grundkörper 11 angebrachten
Führungsschienenanordnung 15 geführt werden. Die
Führungsschienenanordnung 15 umfaßt dabei zwei
parallel zueinander verlaufende Führungsschienen 16,
was insbesondere in 2 zu erkennen ist. Die Führungsschienen 16 bilden
gemeinsam die umlaufend geschlossene Führung 5.
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Es
sind zwei unterschiedliche Arten von Kettengliedern 12, 13 vorgesehen.
Wie insbesondere aus den 2 und 3 zu erkennen
ist, sind die einen Kettenglieder als Rollwagen 12 ausgestaltet,
die verschiebbar auf den Führungsschienen 16 gehalten sind.
Die anderen Kettenglieder sind als Verbindungsglieder 13 ausgestaltet
und dienen zur zugfesten Verbindung der Rollwagen 12 untereinander.
Die Rollwagen 12 und die Verbindungsglieder 13 sind
alternierend angeordnet und bilden zusammen eine geschlossene Kette.
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Zum
Führen
der Rollwagen 12 auf den Führungsschienen 16 sind
an den Rollwagen 12 mehrere Gruppen 18 von Führungsrollen 17 vorgesehen,
die den Rollwagen 12 reibungsarm entlang den Führungsschienen 16 führen. Aus
der 3d) ist zu erkennen, daß insgesamt
vier Gruppen 18 von Führungsrollen 17 vorgesehen
sind, wobei eine Gruppe 18 in Bezug auf die Schwenkachse
S jeweils zwei Rollen 17' mit
paralleler Drehachse und einer Rolle 17'' mit
senkrechter Drehachse aufweist. Insofern bilden die Rollen 17' und 17'' eine vertikale und eine horizontale
Lagerung für den
Rollwagen an den Führungsschienen.
Die drei Führungsrollen 17', 17'' einer Gruppe 18 von Führungsrollen
umgreifen dabei jeweils eine der Führungsschienen 16 von
drei Seiten, wie es insbesondere aus 2 ersichtlich
ist. Die vier Gruppen 18 von Führungsrollen sind zueinander
entsprechend den vier Ecken eines Rechtecks angeordnet, so daß sich eine
stabile räumliche
Führung
der Rollwagen 12 auf der Führungsschienenanordnung 15 erreicht
wird.
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Die
Flügel 2 sind
jeweils über
zwei Gelenke 19 mit dem zugehörigen Rollwagen 12 um
eine Schwenkachse S schwenkbar verbunden. Es ist ferner ersichtlich,
daß mit
dem Flügel 2 ein
Betätigungshebel 20 fest
verbunden ist. Der Betätigungshebel 20 ragt
dabei vom Flügel 2 in
Richtung zur Schwenkachse S und zur Führungsschiene 16,
wobei er durch ein zentrales Fenster 27 des Rollwagens
hindurch geführt
ist. Es ist ersichtlich, daß ein
Verschwenken des Betätigungshebels 20 relativ
zum Rollwagen 12 ein Verschwenken des Flügels 2 zur
Folge hat.
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An
dem Betätigungshebel 20 ist
an der dem Flügel 2 abgewandten
Seite eine Steuerrolle 21 drehbar angebracht. Die Oberfläche der
Steuerrolle 21 bildet dabei eine Steuerfläche 22,
die mit einer Steuerleiste 24 in Anlage bringbar ist. Die
Steuerleiste 24 ist in ihrer geometrischen Lage relativ
zur Führungsschienenanordnung 15 unabhängig und
ist in einer Verstellrichtung 25 quer zur Führungsschienenanordnung 15 verschiebbar.
Beim Verschieben der Steuerleiste 24 in etwa senkrechter
Richtung zur Schwenkachse S ändert
sich der Abstand D der Steuerleiste 24 zur Führungsschienenanordnung 15. Hierdurch
wird die Steuerrolle 21 in Richtung zur Schwenkachse A
beaufschlagt. Da der absolute Abstand zwischen der Steuerrolle 21 und
der Schwenkachse S jedoch fest ist, führt die Beaufschlagung der Steuerrolle 21 zu
einem Verschwenken der Steuerrolle 21 gegenüber dem
Rollwagen 12 und somit zu einem Verschwenken des Betätigungshebels 20 und damit
des Flügels 2.
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Die
Kettenglieder 12, 13 sind über nicht dargestellte Kraftübertragungsmittel,
beispielsweise Zahnräder,
antriebsverbunden mit einer nicht dargestellten Eingangswelle des
Generators 4. Die Kraftübertragungsmittel
sind dabei in Eingriff mit den Kettengliedern 12, 13.
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In 4 ist
die prinzipielle Funktionsweise der Verschwenksteuerung der Flügel 2 anhand
einer nicht maßstabsgetreuen
Skizze gezeigt. Hierbei sind stellvertretend für alle Flügel nur zwei Flügel 2, 2* dargestellt,
einer in ausgefahrener Verschwenkstellung, der andere in angelegten
Verschwenkstellung. Die mit durchgezogenen Linien dargestellten
und mit Bezugszeichen ohne Sternchen versehenen Bauteile stellen
den Zustand der Anordnung in der angelegten Verschwenkstellung dar.
Die mit gestrichelten Linien dargestellten und mit Bezugszeichen
mit Sternchen versehenen Bauteile stellen hingegen den Zustand der
Anordnung in der ausgefahrenen Verschwenkstellung dar.
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Die
Flügel 2, 2* werden
in dieser Darstellung mit ihrer Schwenkachse S verschiebbar mittels
des in 4 nicht dargestellten Führungsmechanismus entlang des
geraden Bahnstücks 8 geführt. Die
verstellbare Steuerleiste 24 ist gezeigt, die in der Verstellrichtung 25 etwa
senkrecht zu den Schwenkachsen verschiebbar ist. Es sind zwei Exzenterscheiben 26 vorgesehen,
die jeweils einem Ende der verstellbaren Steuerleiste 24 zugeordnet
sind. Die Exzenterscheiben 26 dienen zur Verstellung der
Steuerleiste 24 und sind dafür gegenüber dem Grundkörper 11 um
jeweils eine Exzenterachse E verdrehbar.
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Durch
Verdrehen der Exzenterscheiben 26 kann die verstellbare
Steuerleiste 24 in Richtung zu den Flügeln 2 beaufschlagt
werden. Für
die Beaufschlagung der verstellbaren Steuerleiste 24 in
entgegengesetzter Richtung sorgen im Normalbetrieb die durch den
Wasserdruck beaufschlagten Flügel 2 selbst.
Ferner können
hierfür
aber auch zusätzliche Federmittel
vorgesehen sein. Durch das Beaufschlagen der verstellbaren Steuerleiste 24 durch
die Exzenterscheiben 26 wird die Steuerfläche 22 verschoben,
wodurch der Betätigungshebel 20 beaufschlagt wird,
was wiederum zu einem Verschwenken des Flügels 2 um die Verschwenkachse
S führt.
Es ist ersichtlich, daß der
Abstand D der Schwenkachse S des angelegten Flügels 2 zur Steuerleiste 24 kleiner ist
als der Abstand D* der Schwenkachse S* des ausgefahrenen Flügels 2* zur
Steuerleiste 24*.
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Es
versteht sich von selbst, daß die
beiden Exzenterscheiben 26 auch um unterschiedliche Winkel
verdreht werden können.
Hierdurch erfolgt ein Schrägstellen
der Steuerleiste 24, was wiederum zu unterschiedlichen
Verschwenkwinkel der momentan entlang der Steuerleiste 24 angeordneten
Flügel 2 führen würde. Prinzipiell
sind auch andere Verstellmittel anstelle der Exzenterverstellung
denkbar, wie beispielsweise Getriebe, Spindelverstellungen oder Hydraulikzylinder.
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Es
können
entlang der Führung 5 mehrere voneinander
unabhängig
arbeitende Steuerleisten 25 vorgesehen sein, so daß eine unabhängige Steuerung
der Verschwenkwinkel von Flügeln
in einzelnen Teilabschnitten der Führung 5 vorgenommen
werden kann. Wie aus 4 zuerkennen ist, ist an dem
gegenüberliegenden
Bahnstück 8' ebenfalls eine
Steuerleiste 24' vorgesehen,
die nach dem gleichen Prinzip wie die Steuerleiste 24 angesteuert
wird. Somit können
an beiden geraden Bahnstücken 8, 8' die Flügel unabhängig voneinander
in die ausgefahrene oder angelegte Stellung verschwenkt werden.
Die Strömungskraftmaschine 1 kann
dadurch z. B. bei Sturm komplett ausgeschaltet werden, in dem alle Flügel 2 in
die eingefahrene Stellung verschwenkt werden.
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Prinzipiell
kann die hier schematisch gezeigte Strömungskraftmaschine in beliebiger
Größe, bis hin
zum technisch Machbaren, gestaltet werden. Dabei kann der Abstand
der Umlaufachsen A, A' grundsätzlich an
den Einsatzzweck angepaßt
werden, wobei Abstände
von einem Meter bis hin zu 30 Metern denkbar sind. Auch die Höhe und die
Breite der Flügel 2,
die auch als Arbeitsklappen bezeichnet werden können, können in ihrer Größe frei
entsprechend den jeweiligen Anforderungen gestaltet werden. Bei
Verwendung eines großen
Achsabstandes zwischen den Umlaufachsen A, A' bzw. durch Verwendung großer Flügel 2 wird
auch die Wirkfläche
vergrößert, so daß die Anlage
insgesamt eine höhere
Kapazität
aufweist.
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In 5 ist
eine Windkraftmaschine 101 gezeigt, die mehrere Flügel 102 aufweist,
die mittels eines Führungsmechanismus 110 in
einer umlaufenden Führung 105 an
einem Grundkörper
in Form einer Drehscheibe 111 gehalten sind. Einzelheiten
des Führungsmechanismus 110 sind
in der 5 nicht zu erkennen. Der Aufbau des Führungsmechanismus 110 und
die Verschwenkung der Flügel
entspricht im Wesentlichen der vorgenannten Strömungskraftmaschine gemäß den 1 bis 4.
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Auch
in diesem Ausführungsbeispiel
sind die Flügel 102', deren momentane
Laufrichtung 107' in etwa
der Strömungsrichtung 103 entspricht,
ausgefahren, um so einen möglich
großen
Strömungswiderstand
bereitzustellen. Die Flügel 102'', deren momentane Laufrichtung 107'' etwa entgegengesetzt zur Strömungsrichtung 103 verläuft, sind
angelegt, um einen möglich
geringen Strömungswiderstand
zu bieten.
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Die
Drehscheibe 111 ist an einem ortsfesten Gehäuse 23 drehbar
gelagert, so daß zusätzlich zur Steuerung
der Verschwenkwinkel der Flügel 102 auch
die gesamte Strömungskraftmaschine 101 mitsamt
der Führung 105 auf
dem Gehäuse 23 verdreht werden
kann. Dazu ist ein Verstellmechanismus 34 vorgesehen. Ein
zwischen der Drehscheibe 111 und dem Gehäuse 23 befindlicher
kreisförmiger
Ringraum 14 wird mittels einer Schlauchbremse 31 fixiert
und abgedichtet, was aus der Querschnittsdarstellung der 6 noch
deutlicher hervorgeht. Durch die Verstellbarkeit des auf der Drehscheibe
angeordneten Gesamtaggregats wird ermöglicht, daß die Strömungskraftmaschine optimal
entsprechend den Strömungsverhältnissen
des antreibenden Fluids ausgerichtet werden kann. Hierfür wird die
Strömungskraftmaschine 101 durch
Verdrehen der Drehscheibe 111 in die Strömungsrichtung
ausgerichtet, so daß die
einzelnen Flügel 102' optimal angesteuert werden.
Die Verdrehbarkeit der Drehscheibe 111 gegenüber dem
Gehäuse 23 um
die Drehachse B ist mittels der eingezeichneten Pfeile P dargestellt,
wobei prinzipiell eine Drehung im, aber auch gegen den Uhrzeigersinn
möglich
ist. Mit einer Verdrehbarkeit von bis zu 180° kann die Drehscheibe 111 bzw.
die darauf angeordnete Strömungskraftmaschine 101 so verdreht
werden, daß sie
an jede beliebige Windrichtung optimal ausgerichtet werden kann.
Grundsätzlich
ist auch eine Verdrehbarkeit von bis zu 360° denkbar.
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Die 6 und 7 werden
im folgenden gemeinsam beschrieben. Hierin ist ein Windkraftwerk 100 in
Hochhausbauweise gezeigt, das mehrere Windkraftmaschine 101 nach 5 umfaßt. Die Windkraftmaschinen 101 sind
an vier, an jeweils den Ecken des Gehäuses angeordneten vertikalen
Säulen 28 übereinander
angeordnet. Die einzelnen Windkraftmaschine 101 sind im
Wesentlichen identisch gestaltet, so daß im folgenden stellvertretend
für alle
Windkraftmaschinen 101 nur eine einzelne Windkraftmaschine
beschrieben wird.
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In
dem Gehäuse 23 unterhalb
der Drehscheibe 111 ist eine Druckkammer 29 angeordnet,
in die ein Druckgebläse
Druckluft fördert.
Die Druckkammer 29 ist zwischen dem Boden und der Decke
des Gehäuses 23 gebildet
bzw. wird durch diese nach oben und unten begrenzt. Auf diese Weise
bilden der Boden und die Decke eine Art Führungskanal für die erzeugte
Druckluft. Das Druckgebläse 104 wird
dabei von der zugeordneten Windkraftmaschine 101 angetrieben. Über eine
Druckleitung 30 wird die Druckluft von der Druckkammer 29 zu
einem Generator 31 gefördert,
der die Energie aus der Druckluft in elektrische Energie umwandelt.
Die Druckkammer 29 dient dabei als Vorratsbehälter für einen
gleichmäßigen Ablauf
der Druckluft. Die Druckluft entweicht anschließend über einen Luftauslass 37 in
die Umgebung.
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Die
im Zusammenhang mit der Beschreibung von 5 bereits
angesprochene Schlauchbremse 32 umfaßt einen umlaufenden Luftschlauch 33,
der in dem Ringraum 14 einsitzt. Der Luftschlauch 33 ist
be- und entlüftbar.
Im belüfteten
Zustand dichtet der Luftschlauch 33 den Ringraum 114 ab.
Da der Luftschlauch 33 im belüfteten Zustand reibbehaftet
zwischen dem Grundkörper 111 und
Gehäuse 23 einsitzt,
fixiert der Luftschlauch auch den Grundkörper gegenüber dem Gehäuse. Im entlüfteten Zustand
hingegen ist ein Verdrehen des Grundkörpers 111 gegenüber dem
Gehäuse 23 möglich.
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Die
einzelnen Windkraftmaschinen 101 arbeiten unabhängig voneinander.
Der durch die Windkraftmaschinen 101 und den nachgelagerten
Generatoren 31 erzeugte Strom wird anschließend in
eine nicht dargestellte gemeinsame Ringleitung übergeben.
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Auf
dem Dach des Windkraftwerks ist eine Windfahne 38 vorgesehen,
die die Windrichtung 103 aufnimmt. Über eine nicht dargestellte
mechanische oder elektronische Übermittlungsvorrichtung
wird ein der Windrichtung 103 entsprechendes Windrichtungssignal
an eine Steuereinheit übermittelt.
Die Steuereinheit kann prinzipiell alle vorhandenen Aggregate ansteuern,
insbesondere die zur Anpassung an die Windrichtung vorgesehenen
Aggregate. Insbesondere steuert die Steuereinheit, basierend von der
Windrichtung als Eingangssignal, zumindest die Verschwenkwinkel
der Flügel 102 sowie
die Verdrehung der Drehscheiben 111 gegenüber den
Gehäusen 23 an.
Das Zusammenspiel der Wetterstation mit Windfahne, der Steuerbarkeit
des Drehwinkels des Gesamtaggregats gegenüber dem stehenden Gehäuse und
der Verstellbarkeit der Flügel
des Strömungskraftwerks
ist besonders vorteilhaft, da hiermit ein flexibles Gesamtkonzept
zur Erzeugung von Energie bereitgestallt wird.
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In
einer der Säulen 28 ist
ein Aufzug 35 zur Personen- und/oder Lastenbeförderung
vorgesehen. Ferner ist in einem unteren Stockwerk ein Raum für Schaltschänke 36 vorgesehen.
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Die
erfindungsgemäße Strömungskraftmaschine
hat den Vorteil, daß sie
aufgrund der Steuerbarkeit der Flügelverschwenkung, aber auch
aufgrund der Steuerbarkeit des Gesamtaggregats in die Strömungsrichtung,
einen hohen Wirkungsgrad aufweist. Ferner ist die Strömungskraftmaschine
in unterschiedlichen Fluiden für
verschiedene Anwendungen einsetzbar, wie beispielsweise in Wind-
oder Wasserkraftwerken.
-
- 1,
101
- Strömungskraftmaschine
- 2,
102
- Flügel
- 3,
103
- Strömung
- 4,
104
- Energieumwandlungseinheit
- 5,
105
- umlaufende
Führung
- 6
- Umlaufrichtung
- 7,
107
- momentane
Laufrichtung eines Flügels
- 8
- gerades
Bahnstück
- 9
- kurviges
Bahnstück
- 10
- Führungsmechanismus
- 11,
111
- Grundkörper
- 12
- Rollwagen
- 13
- Verbindungsglieder
- 14
- Ringraum
- 15
- Führungsschienenanordnung
- 16
- Führungsschiene
- 17
- Führungsrollen
- 18
- Gruppe
von Führungsrollen
- 19
- Gelenk
- 20
- Betätigungshebel
- 21
- Steuerrolle
- 22
- Steuerfläche
- 23
- Gehäuse
- 24
- Steuerleiste
- 25
- Verstellrichtung
- 26
- Exzenterscheibe
- 27
- Fenster
- 28
- Säule
- 29
- Druckkammer
- 30
- Druckleitung
- 31
- Generator
- 32
- Schlauchbremse
- 33
- Luftschlauch
- 34
- Verstellmechanismus
- 35
- Aufzug
- 36
- Raum
für Schaltschränke
- 37
- Luftauslass
- 38
- Windfahne
- 100
- Kraftwerk
- A
- Umlaufachse
- B
- Drehachse
- E
- Exzenterachse
- G
- Gradwinkelmesser
- S
- Schwenkachse
- D
- Abstand
der Schwenkachse zur Steuerleiste
- P
- Pfeil