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Die
Erfindung befasst sich mit einem Turbinengenerator (Wellsturbine)
nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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In
Zeiten steigenden Energiebedarfs ist es erforderlich, neue Energiequellen
zu erschließen
und für
die Menschheit nutzbar zu machen. Insbesondere auf regenerative
Energiequellen ist dabei besonderen Wert zu legen. Eine Möglichkeit
zur Energieversorgung der Zukunft beruht dabei auf der Ausnutzung der
Weltmeere als Energiequelle. So kann beispielsweise mit Hilfe einer
sogenannten Wellsturbine der Wellenhub des Meeres genutzt werden,
um die Wellenenergie teilweise in elektrische Energie umzuwandeln.
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Das
Konzept der Wellsturbine beruht auf einer zum Meer hin offenen Kammer
(Wellenkollektor), in dem sich der Wasserspiegel aufgrund der Wellenbewegung
periodisch hebt und senkt. Die oszillierende Wassersäule setzt
dabei die darüber
befindliche Luftsäule
in gleichfalls periodische Schwingungen. Auf der Luftseite des Kollektors
schließt
sich ein Turbinenstrang an, welcher die Wellsturbine enthält. Charakteristisch
für die
Wellsturbine ist, dass unhabhängig
von der Durchströmrichtung,
die Turbine stets in dieselbe Richtung rotiert. Dieses wird erreicht,
indem der Rotor der Wellsturbine achssymmetrisch zur Rotorebene
ausgeführt
wird und symmetrische Profile für
die Rotorblätter
verwendet werden. Bedingt durch die stetig wechselnde Durchströmrichtung
des Rotors kehren sich die Strömungsbedingungen
in der gesamten Anlage äquivalent
zum Wellenzyklus um. Die Drehzahl des Rotors liegt dabei bei einigen
tausend Umdrehungen pro Minute, während die axiale Durchströmgeschwindigkeit
der Luft je nach Anlage zwischen 0 und etwa 30 m/s liegt. Die Schwingungsdauer
einer Wellenbewegung liegt bei einigen Sekunden. Aufgrund dieser
technischen Randbedingungen sind besondere konstruktive Maßnahmen
zu treffen. So bietet beispielsweise die Forderung der Achsensymmetrie
des Rotors nur limitierte Möglichkeiten,
einen Wirkungsgrad des Rotors und der Gesamtanlage in rentablen
Bereichen zu erreichen.
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Um
die derzeitige Wirtschaftlichkeit einer Wellsturbine zu erhöhen, ist
es zwingend erforderlich, den Wirkungsgrad der gesamten Anlage zu
steigern.
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Dies
kann unter anderem durch eine Optimierung des Rotors erfolgen. Dadurch
jedoch, dass das Rotorblatt zur Rotorebene symmetrisch ausgeführt werden
muss, sind der Optimierung Grenzen gesetzt. Eine Anpassung der Bauwinkel
des Rotors an die radial variierenden Anströmbedingungen ist somit beispielsweise
nicht möglich.
Die Folge sind relativ früh
einsetzende Strömungsabrisse,
vor allem im Nabenbereich des Rotors. Eine Möglichkeit, Strömungsabrisse
zu verhindern bzw. zu verzögern
ist, den Rotor zu pitchen. Dies ist bereits angedacht, jedoch wegen
der aufwendigen Mechanik und der hohen Rotordrehzahl zur Zeit noch
nicht realisiert und auf später
verschoben.
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Des
Weiteren könnte
durch Leitbleche die Anströmung
des Rotors derart beeinflusst werden, dass sowohl der Strömungsabriss
verzögert,
als auch der Wirkungsgrad des Rotors gesteigert wird. Allerdings
wirken sich solche Leitbleche kontraproduktiv aus, wenn die Anlage
in der Gegenrichtung durchströmt
wird, d. h. sich das Leitblech nun hinter dem Rotor befindet.
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Darüber hinaus
entwickeln bisherige Rotoren der Wellsturbine starken Drall im Nachlauf.
Durch geeignete Diffusoren kann ein Teil der Energie des Nachlaufs wieder
zurück
gewonnen werden, wodurch ebenfalls der Gesamtwirkungsgrad gesteigert werden
kann. Einen Einbau von Leitblechen im Nachlauf des Rotors zur Drallreduzierung
wirkt sich jedoch erneut negativ aus, wenn die Turbine in der Gegenrichtung
durchströmt
wird.
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Die
Wellsanlage kann sowohl als Monoplane, sprich mit einem Rotor, als
auch als Biplane-Ausführung
mit zwei hintereinander angeordneten Rotoren ausgeführt werden.
Somit befindet sich ein Rotor stets im Nachlauf des anderen Rotors.
Der sich im Nachlauf befindliche Rotor erfährt dabei eine ungünstigere
Anströmung
als der Rotor, welcher sich in der ungestörten Luftsäule befindet.
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Zusammenfassend
lässt sich
also sagen, dass feststehende Leitbleche keine Möglichkeit darstellen, die Anströmung des
Rotors für
beide Durchströmrichtungen
deutlich zu verbessern um dadurch den Wirkungsgrad der Anlage zu
steigern.
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Neben
der Rückgewinnung
der im Nachlauf des Rotors vorhandenen Restenergie in der Strömung mittels
Diffusoren sollte also eine weitere Möglichkeit gefunden werden,
den Gesamtwirkungsgrad zu steigern. Mögliche Lösungen sollten dabei kostengünstig, einfach
zu fertigen, für
beide Durchströmrichtungen
einen positiven Effekt aufweisen und vor allem robust sein.
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Durch
Optimierung des Rotorblattes (Form, verwendete Profile, radialer
Verlauf von Profilen und Sehnenlänge
...) können
Designs gefunden werden, die im Vergleich zu bisher vorhandenen
Rotoren höhere
Wirkungsgrade und später
einsetzenden Strömungsabriss
liefern.
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Mittels
Diffusoren wird die in der Strömung vorhandene
Restenergie teilweise zurück
gewonnen.
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Sogenannte
Leitbleche vor bzw. hinter dem Rotor existieren zurzeit nicht bzw.
sind wenn dann nur als starre Ausführung implementiert.
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Neues Anlagenkonzept:
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Wie
oben bereits erwähnt,
wirken sich starr eingebaute Streben bzw. Leitbleche vor und hinter dem
Rotor jeweils kontraproduktiv auf die Anströmung in der Gegenrichtung aus.
Deshalb soll im Folgenden ein Anlagendesign mit flexiblen, aktiven
Leitblechen vorgestellt werden.
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Vorausgegangene
Untersuchungen zeigen, dass im Nabenbereich des Blattes im Vergleich
zur Blattspitze aufgrund der kleinern Umfangsgeschwindigkeit und
der damit verbundenen größeren Anströmwinkel
Strömungsabrisse
zuerst im Nabenbereich auftreten. Erstes Ziel soll also sein, die
Anströmung
des Blattes im Nabenbereich zu beeinflussen.
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Dies
kann durch flexible, aktiv verstellbare Leitbleche erfolgen, die
lediglich eine Umlenkung der Strömung
im Nabenbereich bewirken (Variante 1, siehe 1), während im
Außenbereich
keine Beeinflussung der Strömung
erfolgt.
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Bevorzugte Ausführungsform:
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Geht
man von einer Biplane-Ausführung
der Wellsanlage aus, so befinden sich momentan in der Nabe vor dem
ersten Rotor und hinter dem zweiten Rotor (in Ausblasrichtung gesehen)
keine Einbauten. Dieser Bauraum kann für den Einbau der flexiblen Leitbleche
genutzt werden.
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Im
Folgenden wird die Ausführung
der flexiblen Leitbleche in Ausblasrichtung (steigende Welle) beschrieben.
Es wird weiterhin der Begriff „Leitblech” verwendet,
wobei hier anzumerken ist, dass es sich im Weiteren um keine starre
Ausführung
im Sinne eines Bleches handelt.
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In
die Nabe ließe
sich z. B. ein kleiner Stellmotor einbauen, welcher einen Stellring
auf der Nabe in Drehung versetzt. An diesen Stellring wird die Hinterkante
eines flexiblen Leitbleches montiert. Die Vorderkante sowie der
komplette Außenbereich
eines Leitbleches werden starr verankert. Durch die Drehbewegung
des Stellrings wird also nur der Nabenbereich des Leitbleches ausgelenkt.
Die Auslenkung des Leitbleches nimmt in radialer Richtung gesehen dann
mit zunehmendem Radius ab. Die Auslenkung der Streben erfolgt von
der Neutralstellung aus gesehen jeweils in positive und negative
Drehrichtung.
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Da
die Wellsanlage sowohl in Ausblasrichtung (steigende Welle) als
auch in Saugrichtung (sinkende Welle) durchströmt wird, werden hinter dem Rotor
(in Ausblasrichtung gesehen) ebenfalls flexible Leitbleche achsensymmetrisch
zur Rotorebene eingebaut. Die Abbildung 1 veranschaulicht
exemplarisch für
eine Ausführung
mit einem Rotor dieses Konzept.
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Der
bauliche Aufwand der aktiven Leitbleche hält sich in Grenzen und der
Kostenaufwand für
die Stellringe sowie die Servomotoren ist gering. Die Robustheit
ist gewährleistet,
da im Gegensatz zu pitchbaren Rotorblättern die Verstellmechanik
nicht mit einer Rotationsgeschwindigkeit von einigen tausend Umdrehungen
pro Minute rotiert.
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Die
folgende Abbildung 2 veranschaulicht die Auslenkung
des Leitblechs in Neutralstellung sowie im ausgelenkten Zustand.
Es handelt sich hierbei um eine Prinzipdarstellung der Funktionsweise. Die
Größe der Leitbleche
und der Grad der Auslenkung sind hier in einem für Anschauungszwecke sinnvollem
Maß gewählt. Angedeutet
ist zudem eine Führungsschiene
für die
Auslenkung der Leitbleche, um die Kontur der Leitbleche strömungsgünstig zu beeinflussen.
Dieses Prinzip der flexiblen Leitbleche kann auf jede Art von Wellsturbine
angewendet werden, ob radial oder axial durchströmt.
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Funktionsweise in Ausblasrichtung (steigende
Welle):
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Bei
geringer Transportgeschwindigkeit, sprich bei kleinen phi-Werten
(als phi wird der Quotient aus Transportgeschwindigkeit zur Rotationsgeschwindigkeit
an der Blattspitze bezeichnet), können die Leitbleche zu einer
Vergrößerung des
Anströmwinkels
des Blattes im Nabenbereich verwendet werden. Durch die Erhöhung des
Anstellwinkels im Nabenbereich werden bei kleinen phi-Werten höhere Auftriebsbeiwerte
und somit höhere
Drehmomente und Wirkungsgrade erzielt. Mit zunehmender Transportgeschwindigkeit,
d. h. mit steigenden phi-Werten, muss die Auslenkung der Leitbleche
zurückgenommen
werden, um ein vorzeitiges Abreißen der Strömung im Nabenbereich zu vermeiden.
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Mit
steigenden phi-Werten findet eine Verlagerung des Anteils des Blattes,
der zum Drehmoment beiträgt,
zur Blattspitze hin statt. Dies bedeutet, dass der Innenbereich
des Blattes im Vergleich zum Außenbereich
kaum mehr zum Drehmoment beiträgt, solange
am gesamten Blatt noch keine Strömungsabrisse
vorliegen. Da die Leitbleche in dieser Variante keine Strömungsbeeinflussung
im Außenbereich bewirken,
ist ab dem mittleren phi-Bereich keine oder nur eine geringe Verbesserung
des Wirkungsgrades aufgrund der Leitbleche zu erwarten.
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Kommt
man jedoch in phi-Bereiche, bei denen im Nabenbereich Strömungsabrisse
eintreten, so kann durch eine entsprechende Auslenkung des Leitblechs
der Anströmwinkel
des Blattes im Nabenbereich reduziert werden, und die Strömungsablösung zu
höheren
phi-Werten verschoben werden. Dadurch lässt sich der Abrisspunkt des
gesamten Blattes zu höheren
phi-Werten verschieben, wodurch sich der Arbeitsbereich des Blattes
deutlich steigern lässt.
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Da
sich hinter dem Rotor weitere aktive Leitbleche befinden, werden
diese hier dann so ausgelenkt, dass der durch den Rotor entstehende
Drall positiv verändert
werden kann hinsichtlich der Rückgewinnung
im folgenden Diffusor.
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Funktionsweise in Saugrichtung (sinkende
Welle):
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Da
der Einbau der Leitbleche achsensymmetrisch zur Rotorebene erfolgt,
lässt sich
oben beschriebenes Prinzip auch für eine Durchströmung in Saugrichtung
realisieren. Die Ausschläge
der Leitbleche erfolgen dann in entgegengesetzter Richtung.
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Erweitertes Leitblechkonzept:
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Neben
dem bereits beschriebenen Konzept des drehbaren Stellringes in der
Nabe, ist das Model auf weitere Varianten erweiterbar (siehe Abbildung 3).
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Zu
Stellring am Außenbereich:
Es lässt
sich auch am Außenbereich
ein weiterer Stellring anbringen, um eine Beeinflussung des Anströmwinkels auch
an der Blattspitze zu erzielen. Somit lassen sich äquivalent
zum Prinzip an der Nabe auch an der Blattspitze die Anströmwinkel
je nach phi-Bereich anpassen und es sind noch höhere Wirkungsgrade und spätere Abrisspunkte
zu erwarten.
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Die
Abbildung 4 veranschaulicht das Prinzip
des doppelt verstellbaren Leitblechs.
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Aufbau der Leitbleche
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Da
vor allem im Nabenbereich große
Umlenkungen der Strömung
erreicht werden sollen, wird an dem Ende der Leitbleche, welches
sich auf dem Naben-Stellring befindet, eine Art flexible Stange
oder Blech (ähnlich
einer Zeltstange) mittels einem Loslager befestigt.
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Das
andere Ende der Strebe wird im Außenbereich in einer Hülse geführt. Somit
ist für
beide Varianten (äußerer aktiver
Stellring, oder feststehend) gewährleistet,
dass die Strebe sowohl im Außenbereich
stets tangential zum Radius verläuft,
als auch der Längenausdehnung
(bedingt durch die Auslenkung) Rechnung trägt. Je nach Steifigkeit der
Strebe kann somit die Biegung bzw. Auslenkung in Umfangsrichtung
definiert werden.
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Die
Vorderkante der Leitbleche (in Ausblasrichtung gesehen, steigende
Welle) ist, wie bereits erwähnt,
starr verankert. Somit lässt
sich zwischen Vorder- und Hinterkantenstrebe eine Art Segeltuch oder
Gummimatte spannen, welches dann als Leitblech wirkt. Für die Bespannung
ist ein flexibles, dehnbares, salzwasserbeständiges und für Luft undurchlässiges Material
zu wählen.
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Im
Bereich der Vorderkante kann die Bespannung fest sowohl mit der
Vorderkantenstrebe als auch mit der Nabe und dem Mantel verankert
werden. An der Hinterkante darf die Bespannung dagegen nur am Mantel
und der Nabe verankert werden, muss jedoch beweglich relativ zur
Hinterkantenstrebe bleiben.
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In
Transportrichtung gesehen können
Führungsschienen
in Umfangsrichtung angebracht werden, an denen die Leitbleche verankert
werden, um den Leitblechen eine strömungsgünstige Kontur in Umfangsrichtung
zu verleihen.
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Dadurch,
dass an der Vorderkante der Leitbleche keine Bewegung statt findet,
besteht hier die Möglichkeit,
die Aufhängung
der Nabe zu realisieren und Raum für zum Beispiel Kabeldurchführungen oder
die Generatoraufhängung
zu schaffen.
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Die
Figuren sind als Prinzipskizzen zu verstehen. So müssen beispielsweise
die beiden Stellringe nicht zwingend als vollständige Zahnkränze ausgeführt werden.
Es ist ausreichend, nur einen so großen Bereich der Stellringe
als Zahnkranz auszuführen,
um die volle Auslenkung der Streben realisieren zu können.
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Eine
Ansteuerung der flexiblen Leitbleche mittels drehbar gelagerten
Stangen wäre
ebenso denkbar. Kleine Spalte am Außenbereich oder an der Nabe
können
in Kauf genommen werden.
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Die
flexiblen Leitbleche dienen nicht nur vor der Turbine als „Umlenker”, sondern
können
ihre Funktion auch hinter der Turbine anwenden, da diese verstellbar
sind.
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Durch
den Einsatz von verstellbaren Leitblechen vor dem Rotor ist es möglich, für jeden
Betriebspunkt die Anströmung
des Rotors so zu beeinflussen, dass das Rotorblatt in jedem Schnitt
optimal angeströmt
wird.
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Des
Weiteren bietet der Einsatz flexibler Leitbleche die Möglichkeit,
die Charakteristik (engl. „damping”) der Anlage
zu verändern.
Als Charakteristik der Anlage wird der Quotient aus Druckabbau über die
Turbine zum Durchfluss bezeichnet. Je nach Auslenkung der Leitbleche
kann somit zum einen erreicht werden, dass für jeden Betriebpunkt stets
die gleiche Anlagencharakteristik erzielt wird (äquivalent zur Validierungsrechnung)
wie ohne Leitblecheinbau. Darüber
hinaus kann aber auch die Anlagencharakteristik verändert werden,
was höhere
Wirkungsgrade zu Folge haben kann.
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Zusammenfassende Bemerkungen:
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Das
Konzept der flexiblen Leitbleche bietet neben einer einfachen technischen
Realisierbarkeit bei geringem Kostenaufwand die Möglichkeit,
sowohl die Anströmung
des Rotors als auch die Strömung
im Nachlauf des Rotors gezielt zu beeinflussen. Der Rotor kann somit
stets optimal angeströmt
werden, was zu einer Wirkungsgradsteigerung und Verschiebung des
Abrisspunktes zu höheren
phi-Werten führt.
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Dieses
Prinzip der flexiblen Leitbleche kann auf jede Wellsturbinenart
angewendet werden.
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Darüber hinaus
besteht durch die aktiven Leitbleche hinter dem Rotor die Möglichkeit,
die Strömung
optimal für
einen angeflanschten Diffusor aktiv umzulenken.
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Viel
Potential steckt darüber
hinaus noch in der Ausführung
der doppelt, oder nur außen,
verstellbaren Leitbleche, wodurch eine weitere deutliche Steigerung
des Wirkungsgrades sowie ein noch späterer Abrisspunkt der Strömung am
Rotor erwartet werden kann (z. B. Varianten 2 und 3).
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Vorteile hinsichtlich der flexiblen Leitblechvarianten
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- – optimierte
Anströmverhältnisse
des Rotors
- – optimierte
Abströmverhältnisse
des Rotors
- – dadurch
erhöhte
Leistungsabgabe der Turbine
- – erhöhte Wirkungsgrade
- – auf
alle Wellsturbinenarten anwendbar
- – späterer Strömungsabriss
des Rotors
- – ruhigerer
Lauf
- – niedrigere
Lärmemission
- – verbesserte
aerodynamische und aeroakustische Eigenschaften
- – geringer
Kostenaufwand
- – geringer
technischer Aufwand
- – verbesserte
Starteigenschaften der Turbine
- – Möglichkeit
der Leistungsregulierung
- – Regelung
im drehzahlfesten und drehzahlvariablen Betrieb möglich
- – keine
großen
Kräfte
und Momente auf die flexiblen Leitbleche
