DE102009006711A1

DE102009006711A1 - Turbine mit vertikaler Achse und Schlitzprofilen zur Energiegewinnung aus strömenden Flüssigkeiten unter Ausnutzung von Auftrieb und Widerstand

Info

Publication number: DE102009006711A1
Application number: DE102009006711A
Authority: DE
Inventors: Hans Erich Gunder; Heide Gunder
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-01-29
Filing date: 2009-01-29
Publication date: 2010-08-05

Abstract

Vertikalachsturbinen nach dem Savoniusprinzip nutzen praktisch nur die Widerstandswerte und die Strömungsumlenkung durch Überlappung. Dieses Prinzip wird aufgelöst, wenn man nicht überlappt, sondern in der Mitte eine freie Durchflußöffnung schafft und die Auftriebs- und Widerstandswerte von Profilen nutzt. Um gute Leistungswerte zu erreichen, müssen die Profile gute Auftriebswerte über einen großen Anströmwinkel und gute Auftriebswerte bei einer rückwärtigen Anströmung haben. Der Widerstandswert des mit der Strömung laufenden Blattes soll groß und der Wert des gegen die Strömung laufenden Blattes soll klein sein. Über möglichst den ganzen Umlauf sollen positive Auftriebskräfte wirken. Diese Forderungen erfüllen geschlitzte Profile, an denen kein Stau entsteht. Die Strömung an den Profilen wird in Teilströmungen aufgelöst, die völlig andere Strömungsverhältnisse und Kräfte ergeben und damit fast in jeder Stellung Auftriebskräfte nutzen. Zudem lassen sich die Blätter so anordnen, daß die Abströmung des vorn laufenden Blattes die Anströmung des hinten laufenden Blattes positiv beeinflusst. Da die Blätter gleichmäßig und gerade sind, ist der Aufbau sehr einfach. Der Profilaufbau ist aus unterschiedlichen Teilprofilen und aus gleichen Teilprofilen möglich. Die Turbinen können auf Füßen aufgestellt werden, wesentlich einfacher hängen sie allerdings an Schwimmkörpern. Starr verbundene gegenläufig drehende Turbinen gleicher Leistung k

Description

Stand der Technik
Zu Savoniusrotoren gibt es umfangreiche Literatur und viele veröffentlichte Modellmessungen. Dabei fällt auf, daß bei der gestreckten Form der Schalen zweischalige Ausführungen bessere Leistungsbeiwerte haben als dreischalige Ausführungen. Das läßt den Schluß zu, daß bei gestreckten Schalen auch Auftriebswerte einen größeren Beitrag zur Leistung erbringen. Die Untersuchungen der Savoniusrotoren gehen daneben immer um die Frage der unterschiedlichen Widerstände angetrieben oder abgebremst von der Strömung. Als drittes bleibt in den Untersuchungen die Frage, wieviel Durchströmung soll zwischen den Schalen sein.
Wenn man die klassischen Strömungsbilder dazu sieht, zeigt sich, daß die Strömung ungelenkt die andere Halbschale beeinflußt.
Diese Fragestellungen sind die Grundlage für Vertikalachsturbinen nach dem Savoniusprinzip ob in Luft oder Wasser. Der Aufbau ist bei guten Drehmomenten und kleinen Leistungsbeiwerten sehr materialaufwendig.
Als weitere Vertikalachsform gibt es das Darrieusprinzip, also tangential angeordnete Profile. Für dieses Prinzip sind die vorgeschlagenen Profile in Wasser nicht so gut geeignet.
Aufgabe
Mit der vorliegenden Erfindung wird das Ziel angestrebt, eine Turbine mit vertikaler Achse zu bauen, die Widerstand und Auftrieb nutzt und dadurch bessere Leistungsbeiwerte als ein Savoniusrotor hat und die zudem weniger materialaufwendig ist. Die Turbine soll mit hohen Drehmomenten langsam laufende Strömungen optimal nutzen.
Lösung
Zum Erreichen des vorstehenden Zieles wird die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebene Erfindung vorgeschlagen.
Erläuterung der Erfindung an Ausführungsbeispielen
Anhand der Bilder 1 bis 14 wird die Erfindung im folgenden näher erläutert.
Es zeigen
Bild 1 Ein Handley Page Profil (31) Seite 170
Bild 2 Ein Kellner Bechereau Profil (32) Seite 192
Bild 3 Ein NACA Profil 6521 (32) Seite 17
Bild 4 Ein Gesamtprofil aus drei Teilprofilen nach Bild 3, eigener Entwurf.
Bild 5 Zwei Geamtprofile aus vier bzw. fünf Teilprofilen nach Bild 3, eigener Entwurf.
Bild 6 Die original Definitionsskizze der gewölbten Platte (33) Seite 96
Bild 7 Eine gewölbte Platte von 15% (33) Seite 96 nach Bild 6, aber dicker als die Meßreihe.
Bild 8 Die Meßkurven der gewölbten Platte von 15% (33) Seite 98
Bild 9 Ein Profil aus drei gewölbten Platten von 15% nach Bild 7, eigener Entwurf
Bild 10 Zwei Profile aus vier bzw. fünf gewölbten Platten von 15% nach Bild 7, eigener Entwurf.
Bild 11 Den Schnitt durch eine Turbine mit vier Armen, Profilen nach Bild 4, Endscheiben und Profilanstellung.
Bild 12 Den Schnitt durch eine Turbine mit fünf Armen und Profilen nach Bild 9 ohne Profilanstellung.
Bild 13 Die Grundstruktur einer schwimmenden Energiegewinnungseinheit.
Bild 14 Den Schnitt durch eine Turbine nach Bild 11 mit umgekehrter Drehrichtung.
Bei den Bildern wurde bewußt auf Profile zurückgegriffen, die Stand der Wissenschaft und Literatur sind.
Mit den hier angegebenen Profilen wird versucht, die Möglichkeiten des Gestaltungsspielraumes aufzuzeigen.
Dabei geht es um ein kostengünstiges Gesamtprofil (1), Stabilität und gute Leistung.
Dünne Stege zwischen den Teilblättern (2) zur Stabilisierung haben praktisch keinen Einfluß auf die Strömung.
Die Blattenden sollten, soweit sie nicht durch die Tragarme abgeschlossen werden, mit Endscheiben (30) abgeschlossen sein, um Endwirbel zu vermeiden.
Bild 1 zeigt ein Handley Page Profil (4), das sicherlich extremste, gut vermessene Profil. Das Gesamtprofil (1) ist aus sieben unterschiedlichen Teilprofilen (2) zusammengesetzt. Bei diesem Profil liegt der maximale Auftriebsbeiwert bei 3,92 bei einem Anströmwinkel (3) von 45 Grad. Das zeigt, daß das mit der Strömung laufende Blatt bei einer Schnelllaufzahl kleiner 1 in einem weiten Bereich mit Auftrieb und Widerstand arbeitet. Es ist allerdings bautechnisch sehr aufwendig.
Bild 2 zeigt ein Kellner Bechereau Profil (5), das aus zwei unterschiedlichen Teilprofilen (2) aufgebaut ist. Die Teilprofile (2) sind so gewählt, daß sie praktisch zu einem Gesamtprofil (1) zusammenpassen. Das Auseinanderschieben der Teilprofile (2) und die dadurch entstehende Änderung des Auftriebsbeiwertes von 1,7 bis 3,55 zeigt den Einfluß der Auflösung der Strömung in Teilströme.
Bild 3 zeigt das NACA Profil 6521 (6) als ein Beispiel von vielen ähnlichen. Diese Profile sind durch ihre Form relativ stabil. Die Wölbungen sind so gewählt, daß sich aus Teilprofilen (2) gut ein nicht zu stark gewölbtes Gesamtprofil (1) aufbauen läßt, wie die Bilder 4 und 5 zeigen.
Die Bilder 4 und 5 zeigen Gesamtprofile (1) nach eigenem Entwurf aus Teilprofilen (2) nach Bild 3 (6) zusammengesetzt. Der Aufbau ist gleichmäßig, und nur das letzte Teilprofil (2) hat eine andere Lage. Daher könnten Gesamtprofile (1) aus einer unbegrenzten Anzahl Teilprofilen (2) zusammengestellt werden. Die Schlitzform und die Zuordnung der Profile bleibt gleich.
Bild 6 zeigt eine Kopie der original Definitionsskizze der gewölbten Platten, wie sie in Band IV der AVA (33) auf Seite 96 veröffentlicht ist. Diese gewölbten Platten sind wohl weniger als Profile, sondern mehr als wissenschaftliche Arbeiten vermessen.
Bild 7 zeigt eine gewölbte Platte (9) mit 15% Wölbung. Eine einfachere Form ist nicht möglich. Beim Einsatz als Profil für eine Vertikalachsturbine kann die Platte auch etwas dicker gewählt werden, ohne daß sich die Verhältnisse ändern. Die hier dargestellte Platte ist ca. 3,5 mal so dick wie das vermessene Original, dessen Diagrammm (8) Bild 8 zeigt.
Bild 8 zeigt das Diagramm (8) mit Auftriebs-, Widerstands- und Drehmomentbeiwerten für die gewölbte Platte mit 15% Wölbung. Daraus ist erkennbar, daß der maximale Auftrieb größer ist als der maximale Widerstand. Der fast geradlinige Verlauf von maximalem Auftrieb zu maximalem Widerstand ergibt ein fast gleichmäßiges Drehmoment bei einer Anströmung von 0 bis 180 Grad und erst bei minus 20 Grad dreht sich die Richtung des Drehmomentes um.
Bild 9 zeigt ein Gesamtprofil (1) aus drei gewölbten Platten mit 15% Wölbung (9) zusammengesetzt nach eigenem Entwurf. Wenn man die Teilprofile (2) in einem Umlauf betrachtet, zeigt sich, daß jedes Teilprofil (2) sehr unterschiedlich angeströmt wird. Die Aufteilung in Teilströmungen und die Überdeckungen ergeben praktisch im ganzen Umlauf positiv antreibende Momente. Im praktischen Versuch zeigen diese Profile die beste Leistung. Auch mit diesen Teilprofilen (2) lassen sich Gesamtprofile (1) unbegrenzt vergrößern.
Bild 10 zeigt 2 Gesamtprofile (1) zusammengesetzt aus vier bzw. fünf Teilprofilen (2) nach Bild 7 (9). Auch hier sind Schlitzform und Größe gleich. Da die Geschwindigkeiten am Blatt, bedingt durch die Umlaufgeschwindigkeiten, unterschiedlich sind, könnte auch bei großen Blättern eine Änderung der Schlitzbreiten vorteilhaft sein.
Bild 11 zeigt den Schnitt durch eine Turbine mit vier Armen (16) und einem Gesamtprofil (1) nach Bild 4 (10). Es ist ein Profil mit guten, aber nicht den besten Leistungswerten. Das Strömungsbild ist aber leichter zu erkennen und die Notwendigkeit der Voreinstellung (19) ist zu sehen. Bei einer drei- oder fünfarmigen Turbine (17) kann der gleiche Strömungseffekt sich durch den Vorlauf der Blätter ergeben. Wichtig ist, daß aus Strömungsgeschwindigkeit, offenem Innenraum (21), Schnelllaufzahl und Blattzahl die Abströmung des vorn laufenden Blattes den Auftriebswert des hinten laufenden Blattes positiv beeinflußt.
Bild 12 zeigt eine Turbine mit fünf Tragarmen (18) ohne Blattanstellung (17) und Gesamtprofilen (1) nach Bild 9 (13). Die Unpaarigkeit der Rotorarme (18) und mehr Arbeitsebenen bringen einen gleichmäßigen Lauf der Turbine.
Bild 13 zeigt eine mögliche Einsatzform. Natürlich könnten Vertikalachsturbinen auch auf dem Boden stehen. Bewertet man die technischen Bedingungen, so kommt man schnell zu der Feststellung, daß die bessere Lösung schwimmende verankerte Plattformen (27) sind, die Getriebe (25) und Generator (26) tragen und an denen die Turbine (22) hängt. Es sind praktisch kentersichere Einheiten, die man in großen Reihen koppeln kann. Dabei ist der hier gewählte Doppelrumpf (27) durch jede andere Schiffsbauform, austauschbar. Auch ein Hauptlager (24) muß nicht sein, wenn das Getriebelager ausreichend dimensioniert ist. Für Montage, Wartung oder Reparatur ist die Kopplung über ein Hauptlager (24), das die Turbine trägt, unter Umständen zweckmäßiger.
Natürlich wären Vertikalachsturbinen nach Patentanspruch (1) auch ideale Energiegewinnungssysteme in schwimmenden, windpositionierten Einheiten. Sie gewährleisten in gleichmäßiger Strömung gleichmäßige Belastungen nach Größe und Richtung.
Beim Einsatz im Bereich wechselnder Strömungen, z. B. bei Ebbe und Flut, dreht sich bei einer Vertikalachsturbine die Drehrichtung nicht um. Mit Kenntnis der Strömungsgeschwindigkeiten und der Wahl entsprechender Drehzahlen ließen sich die Generatoren (26) mit drehzahlabhängiger Einschaltung ganz einfach starr am Netz betreiben.
Bild 14 zeigt die gleiche Turbine wie Bild 11 mit umgekehrter Drehrichtung. Durch die starre Zusammenschaltung gleicher Turbinen mit unterschiedlicher Drehrichtung würden sich die Drehmomente des Gesamtsystems ausgleichen und das System wäre nur noch gegen den Staudruck zu befestigen.

1: Gesamtprofil, zusammengesetztes Profil
2: Teilprofile
3: Optimaler Anströmwinkel, ca_max
4: Handley Page Profil (31) Seite 170
5: Kellner Bechereau Profil (32) Seite 192
6: NACA Profil 6521 (32) Seite 17
7: Definitionsskizze der Göttinger gewölbten Platten (33) Seite 96
8: Original Messkurven der Göttinger gewölbten Platte (33) Seite 98
9: Göttinger gewölbte Platte 15% mit größerer Materialstärke
10: Gesamtprofil aus 3 Teilprofilen nach Bild 3, eigener Entwurf
11: Gesamtprofil aus 4 Teilprofilen nach Bild 3, eigener Entwurf
12: Gesamtprofil aus 5 Teilprofilen nach Bild 3, eigener Entwurf
13: Gesamtprofil aus 3 Teilprofilen nach Bild 7, eigener Entwurf
14: Gesamtprofil aus 4 Teilprofilen nach Bild 7, eigener Entwurf
15: Gesamtprofil aus 5 Teilprofilen nach Bild 7, eigener Entwurf
16: Schnitt durch eine Turbine mit 4 Armen und Blattanstellung rechtsdrehend
17: Schnitt durch eine Turbine mit 5 Armen ohne Blattanstellung
18: Rotortragarm
19: Anstellwinkel gegen den Radius
20: Drehrichtung des Systems
21: Offener Innenraum der Turbine
22: Arbeitsraum der Turbine
23: Achse, real oder geometrisch
24: Hauptlager, Turbinenträger
25: Getriebe
26: Generator
27: Schwimmkörper
28: Leistungsfläche der Turbine
29: Schnitt durch eine Turbine, baugleich mit (16), linksdrehend
30: Endscheiben

Literatur

31: The Aeronautical Journal, June 1921, Seite 263–289 The Handley Page Wing
32: Aerodynamische Profile, Dr. Friedrich Riegels, Verlag R. Oldenbourg München 1958
33: Ergebnisse der Aerodynamischen Versuchsanstalt zu Göttingen, Dr. Prandtl, Dr. Betz, IV. Lieferung Verlag R. Oldenbourg München und Berlin 1932

Claims

Turbine mit vertikaler Achse, dadurch gekennzeichnet, daß aus Teilprofilen zusammengesetzte Gesamtprofile, sogenannte Schlitzprofile, etwa radial so angeordnet sind, daß ein offener Innenraum entsteht und die Strömung im Innenraum abhängig von Schnelllaufzahl und Blattzahl durch Anstellung der Blätter gegen den Radius optimiert wird.
Turbine nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß geschlossene, schlanke Profile anstelle der geteilten Profile eingesetzt sind.
Turbine nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Profile von der radialen Stellung abweichen, um die Ab- und Anströmung an den Profilen zu optimieren.
Turbine nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtprofile aus unterschiedlichen Teilprofilen zusammengesetzt sind.
Turbine nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtprofile aus gleichen Teilprofilen zusammengesetzt sind.
Turbine nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Teilprofile sogenannte gewölbte Platten eingesetzt sind.
Turbine nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Teilprofilen Stabilisierungsstege Abstand, Statik und Schwingungsverhalten beeinflussen.
Turbine nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtprofile am Kopf- und Fußende strömungstechnisch abgeschlossen sind.
Turbine nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei großen Anlagen und statischen Problemen eine Mittelachse vorhanden ist, obwohl sie strömungstechnisch ungünstig ist.
Turbine nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbine am Boden aufgestellt ist.
Turbine nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbine an Schwimmkörpern hängt.
Turbine nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbine an Schwimmkörpern und an einem Turbinenhauptlager aufgehängt ist.
Turbine nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das die Turbine tragende Hauptlager das Ausgangslager des Getriebes ist.
Turbine nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß starr verbundene gegenläufig drehende Turbinen gleicher Leistung ihre Drehmomente ausgleichen.
Turbine nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Turbinen zu Energieketten zusammengefaßt sind.