DE102009051117B4 - Horizontal runner turbine with passive yaw angle adjuster - Google Patents

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Abstract

Horizontalläufer-Turbine umfassend; 1.1 eine Stützstruktur (2); 1.2 eine Maschinengondel (1), die mittels eines Azimut-Drehgelenks (3) an der Stützstruktur (2) befestigt ist, sodass die Maschinengondel (1) eine Drehbewegung um eine im Wesentlichen vertikal orientierte Gierachse (27) ausführen kann; 1.3 einen als Luv-Läufer ausgebildeten Rotor (7), der beabstandet zur Gierachse (27) an der Maschinengondel (1) umläuft und eine Rotationsachse (14) festlegt, wobei der Rotor (7) Turbinenblätter (8.1, 8.2, 8.3) umfasst und dem Rotor (7) eine Rotorebene (12), die durch die Fußpunkte der Turbinenblätter (8.1, 8.2, 8.3) aufgespannt wird, und eine Blattspitzenebene (28), die durch radial äußeren Enden der Turbinenblätter (8.1, 8.2, 8.3) festgelegt wird, zugeordnet sind; dadurch gekennzeichnet, dass 1.4 die Turbinenblätter (8.1, 8.2, 8.3) wenigstens abschnittsweise rückwärts gepfeilt sind, wobei die Blattspitzenebene (28) zwischen der Rotorebene (12) und einer Ebene liegt, die die Gierachse (27) aufnimmt und zur Rotationsachse (14) senkkrecht steht; und 1.5 die Maschinegondel (1) frei um die Gierachse (27) drehend an der Stützstruktur (2) befestigt ist.Horizontal runner turbine comprising; 1.1 a support structure (2); 1.2 a machine nacelle (1) which is fastened to the support structure (2) by means of an azimuth swivel joint (3) so that the machine nacelle (1) can execute a rotary movement about a substantially vertically oriented yaw axis (27); 1.3 a rotor (7) designed as a windward rotor, which rotates at a distance from the yaw axis (27) on the machine nacelle (1) and defines an axis of rotation (14), the rotor (7) comprising turbine blades (8.1, 8.2, 8.3) and the rotor (7), a rotor plane (12) which is spanned by the base points of the turbine blades (8.1, 8.2, 8.3), and a blade tip plane (28) which is defined by the radially outer ends of the turbine blades (8.1, 8.2, 8.3) , assigned; characterized in that 1.4 the turbine blades (8.1, 8.2, 8.3) are swept backwards at least in sections, the blade tip plane (28) lying between the rotor plane (12) and a plane which receives the yaw axis (27) and to the axis of rotation (14) stands vertically; and 1.5 the machine nacelle (1) is attached to the support structure (2) so that it can rotate freely about the yaw axis (27).

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Horizontalläufer-Turbine mit passiver Gierwinkel-Einstellvorrichtung, insbesondere für ein Unterwasserkraftwerk zur Gewinnung von Gezeitenenergie mit den oberbegrifflichen Merkmalen von Anspruch 1.The invention relates to a horizontal rotor turbine with passive yaw angle adjustment device, in particular for an underwater power plant for the production of tidal energy with the preamble features of claim 1.
  • Ohne Dammstrukturen frei in einer Gewässerströmung stehende Horizontalläufer Turbinen sind bekannt und entsprechen der aus der Windkraft bekannten Konzeption. Um eine gattungsgemäße Horizontalläufer-Turbine für die Ausnutzung von Gezeiten verwenden zu können, ist eine Anpassung an den durch Ebbe und Flut entstehenden Wechsel zwischen zwei Hauptströmungsrichtungen notwendig. Im einfachsten Fall wird zu diesem Zweck der Rotor mit bidirektional anströmbaren Turbinenblättern versehen. Diese können ellipsenförmige Profile aufweisen, wie sie beispielsweise durch die WO 2006/125959 A1 offenbart werden.Horizontal damper turbines standing free of dam structures are known and correspond to the concept known from wind power. In order to use a generic horizontal rotor turbine for the use of tides, an adaptation to the resulting ebb and flow alternation between two main flow directions is necessary. In the simplest case, the rotor is provided with bidirectionally flowable turbine blades for this purpose. These may have elliptical profiles, as for example by the WO 2006/125959 A1 be revealed.
  • Alternativ wurden für eine beidseitige Anströmbarkeit punktsymmetrische Profile mit einem S-Schlag durch die US 2007/0231148 A1 vorgeschlagen. Ein solcher bidirektional anströmbarer Rotor mit einer drehstarren Befestigung der Turbinenblätter an der Nabe erlaubt ein vereinfachtes und damit robustes Anlagenkonzept. Allerdings ist der Wirkungsgrad gegenüber einem an nur eine Anströmungsrichtung angepassten Tragflächenprofil verringert. Darüber hinaus entstehen insbesondere für die genannten punktsymmetrischen Profile mit S-Schlag große Torsionskräfte auf die Turbinenblätter, sodass diese mit hoher Strukturfestigkeit ausgebildet werden müssen.Alternatively, for a bilateral approachability point-symmetric profiles with an S-blow through the US 2007/0231148 A1 proposed. Such a bidirectionally inflatable rotor with a torsionally rigid attachment of the turbine blades to the hub allows a simplified and therefore robust system concept. However, the efficiency is reduced compared to an airfoil adapted to only one inflow direction. In addition, large torsional forces are generated on the turbine blades, in particular for the point-symmetrical profiles with S-impact, so that they have to be designed with high structural strength.
  • Eine alternative Anlagengestaltung zur Anpassung an einen Wechsel der Anströmungsrichtung sieht eine Drehbewegung der einzelnen Turbinenblätter um 180° an der Nabe der umlaufenden Einheit vor. Für einen solchen Pitchwinkel Verstellmechanismus wird exemplarisch auf die EP 1366287 B1 verwiesen. Die Pitchwinkel-Verstellung erlaubt neben einer Anpassung an eine sich verändernde Anströmungsrichtung eine vereinfachte Leistungsregelung sowie das sichere Stillsetzen der Anlage im Überlastfall durch das Eindrehen der Turbinenblätter in die Fahnenstellung. Nachteilig ist jedoch der hohe konstruktive Aufwand zur Realisierung des Drehmechanismuses im Bereich des Fußpunkts der Turbinenblätter. Ferner führt der Ausfall einer Pitchwinkel-Verstellvorrichtung zu einer unkontrollierten Betriebssituation, die bis zum Verlust einzelner Turbinenblätter führen kann. Dieser Umstand ist insbesondere aufgrund der eine Wartung erschwerenden, schlechten Zugänglichkeit von Unterwasserkraftwerken für einen Anlagenstandort im Meer von Nachteil.An alternative plant design for adaptation to a change in the direction of flow provides for a rotational movement of the individual turbine blades by 180 ° at the hub of the rotating unit. For such a pitch angle adjustment mechanism is exemplified on the EP 1366287 B1 directed. The pitch angle adjustment allows not only an adaptation to a changing direction of flow simplified power control and the safe shutdown of the system in case of overload by screwing the turbine blades in the flag position. However, a disadvantage is the high design complexity for the realization of the rotary mechanism in the region of the base of the turbine blades. Furthermore, the failure of a pitch angle adjustment device leads to an uncontrolled operating situation, which can lead to the loss of individual turbine blades. This circumstance is disadvantageous, in particular due to the difficulty of maintenance, poor accessibility of underwater power plants for a plant location in the sea.
  • Ein wiederum anderer Weg zur Anpassung einer gattungsgemäßen Horizontalläufer-Turbine an eine richtungsveränderliche Anströmung besteht in der Ausführung einer Gesamtbewegung der Maschinengondel mit der umlaufenden Einheit, sodass ein Rotor mit drehstarren Turbinenblättern und einem optimierten Tragflächenprofil verwendet werden kann. Wird lediglich ein Richtungswechsel zwischen zwei Hauptorientierungen vorgesehen, besteht die Möglichkeit, die Maschinengondel an der Stützstruktur um eine horizontal verlaufende Drehachse zu schwenken. Hierzu wird beispielhaft auf die GB 2431207 A verwiesen. Bevorzugt wird jedoch eine Strömungsnachführung, die eine Drehbewegung um eine Vertikalachse in einem Winkelbereich von wenigstens 180° erlaubt. Hierdurch kann die ellipsenförmige Anströmungscharakteristik einer typischen Gezeitenströmung in vollem Umfang genutzt werden.Yet another way to adapt a generic horizontal rotor turbine to a direction variable flow is to carry out a total movement of the machine nacelle with the rotating unit, so that a rotor with torsionally rigid turbine blades and an optimized airfoil can be used. If only a change of direction between two main orientations is provided, it is possible to pivot the machine nacelle on the support structure about a horizontally extending axis of rotation. This is exemplified in the GB 2431207 A directed. However, preferred is a flow tracking, which allows a rotational movement about a vertical axis in an angular range of at least 180 °. As a result, the ellipsoidal flow characteristic of a typical tidal current can be fully utilized.
  • Zur Einstellung eines bestimmten Gierwinkels wird die Maschinengondel mittels eines Azimut-Drehgelenks, dem eine vertikal verlaufende Drehachse zugeordnet ist, an der Stützstruktur befestigt. Wird eine aktive Nachführung gewählt, besteht die Notwendigkeit, einen Antrieb in das Azimut-Drehgelenk zu integrieren. Allerdings muss dann eine Regelungs- und Steuerungsvorrichtung vorgesehen sein, die in Abhängigkeit der Anströmung die Gierwinkel-Einstellung optimiert. Hierzu kann beispielsweise eine MPP-Regelung verwendet werden.To set a certain yaw angle, the nacelle is attached to the support structure by means of an azimuth pivot, which is associated with a vertical axis of rotation. If active tracking is selected, there is a need to integrate a drive into the azimuth pivot. However, then a control and control device must be provided which optimizes the yaw angle adjustment depending on the flow. For this purpose, for example, an MPP control can be used.
  • Nachteilig an der voranstehend genannten aktiv nachgeführten Gierwinkel-Einstellung ist der apparative Aufwand für die hierfür notwendige Aktorik und Sensorik sowie die Steuerungs- und Regelungsvorrichtungen. Wünschenswert ist daher eine passiv arbeitende Vorrichtung zur Gierwinkel-Einstellung. Im einfachsten Fall wird dies durch die Verwendung eines Lee-Läufers bewirkt, der jedoch aufgrund der nachteiligen Strömungsbeeinflussung durch die stromaufwärts angeordnete Stützstruktur gegenüber einem Luv-Läufer nachteilig ist. Wird der Gedanke einer passiven Gierwinkel-Verstellung für einen Luv-Läufer angewandt, besteht eine bekannte Möglichkeit darin, im stromabwärtigen Teil der Maschinengondel, der zur Drehachse des Azimut-Drehgelenks stromabwärts liegt, eine querstabilisierende Komponente, wie eine starre Flosse, zu verwenden. Dieses Konzept ist allerdings dann konstruktiv aufwendig, wenn die Maschinengondel langgestreckt ausgebildet ist, um den Rotor stromaufwärts von der Stützstruktur mit dem Ziel zu beabstanden, diesen aus dem Turmvorstau möglichst weitgehend herauszuführen. Diese in stromaufwärtiger Richtung erwünschte Verlängerung muss durch die querstabilisierende, abstromseitige Einrichtung ausbalanciert werden, sodass entsprechend groß dimensionierte Flossen und die hierfür notwendigen Haltestrukturen notwendig sind.A disadvantage of the above-mentioned actively tracking yaw angle adjustment is the expenditure on equipment for the actuators and sensors necessary for this purpose as well as the control and regulating devices. Therefore, a passive device for yaw angle adjustment is desirable. In the simplest case, this is effected by the use of a leeward runner, which, however, is disadvantageous due to the adverse flow control by the upstream support structure against a windward runner. When the idea of passive yaw angle adjustment is applied to a windward runner, a known way is to use a cross stabilizing component, such as a rigid fin, in the downstream part of the nacelle, which is downstream of the axis of rotation of the azimuth pivot. However, this concept is structurally complicated if the machine nacelle is elongated in order to space the rotor upstream of the support structure with the aim of bringing it out as far as possible from the tower ramp. This extension, which is desired in the upstream direction, must be balanced by the transversely stabilizing, downstream device, so that appropriately sized fins and the support structures necessary for this purpose are necessary.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die voranstehend genannten Nachteile des Stands der Technik zu überwinden und einen Luv-Läufer mit horizontaler Drehachse mit einer konstruktiv vereinfachten Vorrichtung zur passiven Gierwinkel-Einstellung zu versehen. Eine solche Horizontalläufer-Turbine mit einer Selbstnachführung für den Gierwinkel soll neben Unterwasserkraftwerken, insbesondere Gezeitenkraftwerken, auch für Windkraftanlagen anwendbar sein. The invention has for its object to overcome the above-mentioned disadvantages of the prior art and to provide a windward rotor with a horizontal axis of rotation with a structurally simplified device for passive yaw angle adjustment. Such a horizontal rotor turbine with a self-tracking for the yaw angle should be applicable not only underwater power plants, especially tidal power plants, also for wind turbines.
  • Für eine Weitergestaltung soll die Horizontalläufer-Turbine unabhängig von der Ausgangslage selbsttätig in die optimale Gierwinkelstellung drehen und bevorzugt eine Vor- und Zurückbewegung im Winkelbereich von etwa 180° anstatt einer Vollkreisbewegung vollziehen, um durch den Ausschluss einer wiederholten Vollkreisdrehung eine Verdrillung des Leistungskabels zwischen dem elektrischen Generator in der Maschinengondel und der Stützstruktur zu verhindern. Ausgehend von einem gattungsgemäßen Strömungskraftwerk mit einem als Luv-Läufer ausgebildeten Rotor mit einer horizontalen Drehachse hat der Erfinder erkannt, dass eine passive Gierwinkel-Einstellung dann bewirkt wird, wenn der Rotor Turbinenblätter mit wenigstens einem rückwärts gepfeilten Abschnitt umfasst. Bevorzugt wird ein Rotor mit einer Vielzahl von rückwärts gepfeilten Turbinenblättern mit geradlinig verlaufender Längsachse verwendet. Dabei wird für den vorliegend betrachteten Luv-Läufer unter einer Rückwärtspfeilung eine Abweichung des Verlaufs der Längsachse eines Turbinenblatts vom Radialstrahl verstanden, die eine Beabstandung von der Rotorebene in Richtung auf eine hierzu parallele Ebene bewirkt, die die Drehachse des Azimut-Drehgelenks umfasst.For a further design, the horizontal-turbofan turbine should automatically turn into the optimum yaw angular position regardless of the starting position and preferably perform a forward and backward movement in the angular range of about 180 ° instead of a full circle motion to a twisting of the power cable between the electric by the exclusion of a repeated full circle rotation To prevent generator in the nacelle and the support structure. Starting from a generic flow power plant with a designed as windward rotor with a horizontal axis of rotation, the inventor has realized that a passive yaw angle adjustment is effected when the rotor turbine blades with at least one swept back section. Preferably, a rotor is used with a plurality of backward swept turbine blades with rectilinear longitudinal axis. In this case, a reverse sweep is understood to mean a deviation of the course of the longitudinal axis of a turbine blade from the radial beam, which causes a spacing from the rotor plane in the direction parallel to a plane which comprises the axis of rotation of the azimuth rotary joint.
  • Durch die Rückwärtspfeilung der Turbinenblätter des Rotors ergibt sich bei einer Winkelstellung zwischen der Rotationsachse des Rotors und der Anströmungsrichtung, nachfolgend als Winkelabweichung bezeichnet, eine Asymmetrie der Schubkräfte auf die beiden seitlichen Teilhälften des Rotors und ein Ortsversatz der zugeordneten Schubzentren. Hierdurch resultiert ein Giermoment um die Achse des Azimut-Drehgelenks der Anlage, das die Maschinengondel mit dem Rotor wieder bis zur Parallelorientierung der Rotationsachse und der Anströmungsrichtung, d. h. in die zentrierte Stellung, zurückführt.The backward sweep of the turbine blades of the rotor results in an angular position between the axis of rotation of the rotor and the direction of flow, hereinafter referred to as angular deviation, an asymmetry of the thrust forces on the two lateral halves of the rotor and a spatial offset of the associated shear centers. This results in a yaw moment about the axis of the azimuth rotary joint of the system, the machine nacelle with the rotor again to the parallel orientation of the axis of rotation and the flow direction, d. H. in the centered position, leads back.
  • Das zur Selbstnachführung führende, bei einer Winkelabweichung resultierende Drehmoment wird immer dann vorliegen, wenn der Auslenkungswinkel zur zentrierten Stellung einen gewissen Grenzwinkel nicht überschreitet, der einen Fangbereich festlegt. Dabei ist die Ausdehnung des Fangbereichs zum einen von der jeweils herrschenden Anströmung und zum anderen von der Dimensionierung der Anläge abhängig. Relevant ist die Festlegung der Auskraglänge, d. h. des Abstands zwischen der Rotorebene und der Achse des Azimut-Drehgelenks, des Pfeilungswinkels der Turbinenblätter, des Außendurchmessers des Rotors und des Turbinenblattprofils.The self-tracking leading angular deviation torque will always be present when the deflection angle to the centered position does not exceed a certain critical angle that defines a capture range. The extent of the capture range depends on the one hand on the prevailing flow and on the other by the dimensioning of the systems. Relevant is the determination of the overhang length, d. H. the distance between the rotor plane and the axis of the azimuth rotary joint, the sweep angle of the turbine blades, the outer diameter of the rotor and the turbine blade profile.
  • Durch die Selbstzentrierung des erfindungsgemäßen Luv-Läufers besteht die Möglichkeit, das Azimut-Drehgelenk zur Realisierung der Verbindung zwischen der Maschinengondel und der Stützstruktur freidrehend als Großlager mit einem Drehfreiheitsgrad um die vertikale Lagerachse auszubilden. Soweit sich der gepfeilte Rotor im Fangbereich befindet und sich automatisch mit einer Rotationsachse parallel zur Strömung ausrichtet, ist kein Antrieb für das Azimut-Drehgelenk notwendig. Allerdings besteht die Notwendigkeit, die Maschinengondel initial so zu orientieren, dass die Rotationsachse des Rotors in den. Fangbereich eintritt. Für eine erste Ausgestaltung wird hierzu dem Azimut-Drehgelenk ein aktivierbarer Antrieb zugeordnet, der zu Betriebsbeginn die Anlage in die gewünschte Grundorientierung führt. Nachfolgend kann der Antrieb das Azimut-Drehgelenk freigeben und die Maschinengondel mit dem umlaufenden Rotor wird durch die Wirkung der Selbstzentrierung mit der Strömung mitgeführt. Im Falle einer Gezeitenströmung kann damit sowohl einem grundlegenden Anströmungsrichtungswechsel als auch einer graduellen Anströmungswinkelveränderung bei einer Tidenströmung gefolgt werden.Due to the self-centering of the windward runner according to the invention, it is possible to form the azimuth rotary joint for realizing the connection between the machine nacelle and the support structure in a free-rotating manner as a large bearing with a rotational degree of freedom about the vertical bearing axis. As far as the swept rotor is in the capture area and automatically aligns with a rotation axis parallel to the flow, no drive for the azimuth rotary joint is necessary. However, there is a need to initially orient the machine nacelle so that the axis of rotation of the rotor in the. Catch area occurs. For a first embodiment, an activatable drive is assigned to the azimuth rotary joint, which leads to the start of operation, the system in the desired basic orientation. Subsequently, the drive can release the azimuth swivel and the machine nacelle with the rotating rotor is carried along by the effect of self-centering with the flow. In the case of tidal flow, this may be followed by both a fundamental inflow direction change and a gradual inflow angle change in a tidal flow.
  • Um auf einen konstruktiv aufwändigen, zeitweise zuschaltbaren Antrieb für das Azimut-Drehgelenk zu verzichten, kann die Grundorientierung der Maschinengondel zur Führung der Rotationsachse des Rotors im Fangbereich durch einen Zusatzantrieb außerhalb des Azimut-Drehgelenks bewirkt werden, beispielsweise in Form eines Querstrahlruders. Dabei ist der Zusatzantrieb gegenüber der Drehachse des Azimut-Drehgelenks zu beabstanden und muss einen Querschub auf die Maschinengondel erzeugen, der zu einem hinreichend großen Giermoment führt.To dispense with a structurally complex, temporarily switchable drive for the azimuth rotary joint, the basic orientation of the machine nacelle for guiding the axis of rotation of the rotor in the capture area can be effected by an additional drive outside of the azimuth rotary joint, for example in the form of a transverse thruster. In this case, the auxiliary drive with respect to the axis of rotation of the azimuth rotary joint to space and must produce a transverse thrust on the nacelle, which leads to a sufficiently large yaw moment.
  • Für eine Weitergestaltung der Erfindung wird eine Vorrichtung vorgesehen, die die Gierwinkel-Nachführung bis zum Fangbereich ebenfalls passiv bewirkt. Hierzu wird eine an der Maschinengondel an einem dem Rotor relativ zur Drehachse des Azimut-Drehgelenks gegenüberliegenden Bereich angelenkten Flosse vorgesehen. Die Flosse kann eine Schwenkbewegung um eine vertikale Achse in einem durch Anschläge auf der Maschinengondel begrenzten Schwenkbereich ausführen. Im Falle eines entgegen der Betriebsrichtung angeströmten, in Fahnenstellung befindlichen Rotors wird die Flosse auf eine Seite umklappen und gegen den dort vorgesehenen Anschlag an der Maschinengondel gedrückt. Bei entsprechender Dimensionierung resultiert aufgrund des Staudrucks auf die Flosse eine Drehbewegung der Maschinengondel um das Azimut-Drehgelenk bis der Rotor seine Luv-Läufer-Stellung erreicht und der erfindungsgemäße Selbstzentrierungseffekt zur Parallelausrichtung gegenüber der Anströmung führt.For a further embodiment of the invention, a device is provided which also causes the yaw angle tracking to the capture area passively. For this purpose, a fin articulated on the machine nacelle on a region opposite the rotor relative to the axis of rotation of the azimuth rotary joint is provided. The fin may pivot about a vertical axis in a swivel range defined by stops on the nacelle. In the case of a rotor, which has flown against the operating direction and is in the position of a flag, the fin is folded over on one side and pressed against the stop provided thereon on the machine nacelle. With appropriate dimensioning results due to the back pressure on the fin a rotational movement of the nacelle to the azimuth hinge to the Rotor reaches its windward-rotor position and the self-centering effect according to the invention leads to parallel alignment with respect to the flow.
  • Die voranstehend erläuterte Vorrichtung zur Führung der Anlage in den Fangbereich, in dem die Selbstzentrierung erfolgt, die ausschließlich mit Hilfe der auf die Anlage wirkenden Strömungskräfte arbeitet, kann weiter mit dem Ziel verbessert werden, eine kontrollierte, auf einen Halbkreis beschränkte Drehung auszuführen. Hierunter wird verstanden, dass die Drehbewegung der Maschinengondel um das Azimut-Drehgelenk an der Stützstruktur auf eine Vor- und Zurückbewegung zwischen den entgegengesetzt gerichteten Hauptanströmungsrichtungen bei Ebbe und Flut einer Gezeitenströmung und einen daran angrenzenden, standortangepassten Winkelvariationsbereich beschränkt ist. Dies ist vorteilhaft, da ein Leistungskabel, das von einem Generator in der Maschinengondel bis zur Stützstruktur führt, nicht unkontrolliert verdrillt wird. Dabei wird die erwünschte Vor- und Zurückbewegung durch zusätzliche Anschläge an der Stützstruktur erzwungen, die zu einer Winkelvorgabe für die Flosse relativ zur Rotationsachse führen und die Gierbewegung der Maschinengondel beschränken.The above-described device for guiding the system into the catching area in which the self-centering takes place, which works exclusively with the aid of the flow forces acting on the system, can be further improved with the aim of carrying out a controlled rotation limited to a semicircle. By this is meant that the rotational movement of the nacelle about the azimuth pivot on the support structure is limited to a back and forth movement between the oppositely directed main inflow directions at low tide and high tide flow and an adjoining, site-adapted angular variation range. This is advantageous because a power cable that leads from a generator in the nacelle to the support structure is not twisted uncontrollably. In this case, the desired back and forth movement is enforced by additional stops on the support structure, which lead to an angle specification for the fin relative to the axis of rotation and limit the yaw motion of the nacelle.
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit Figuren darstellungen genauer erläutert, in denen im Einzelnen Folgendes dargestellt ist:The invention will be explained in more detail below with reference to exemplary embodiments in connection with figures representations, in which the following is shown in detail:
  • 1 zeigt eine erfindungsgemäße Horizontalläufer-Turbine in Seitenansicht. 1 shows a horizontal rotor turbine according to the invention in side view.
  • 2a zeigt die Horizontalläufer-Turbine aus 1 in Draufsicht in einer zur Anströmungsrichtung zentrierten Stellung. 2a shows the horizontal runner turbine 1 in plan view in a centered to the direction of flow position.
  • 2b zeigt die effektive Anströmung und die daraus resultierenden Strömungskräfte auf ein Blattelement. 2 B shows the effective flow and the resulting flow forces on a leaf element.
  • 3a zeigt eine Ansicht in Entsprechung zu 2a für den Fall eines Winkelversatzes zwischen der Rotationsachse und der Anströmungsrichtung. 3a shows a view corresponding to 2a in the case of an angular offset between the axis of rotation and the direction of flow.
  • 3b zeigt die Festlegung eines Blattelements für die Betriebssituation gemäß 3a. 3b shows the determination of a leaf element according to the operating situation 3a ,
  • 4a zeigt ein erfindungsgemäßes Wasserkraftwerk mit einer an der Maschinengondel schwenkbar befestigten Flosse zur Führung der Anlage in den Fangbereich der Selbstzentrierung in Seitenansicht. 4a shows a hydroelectric power plant according to the invention with a fin pivotally mounted on the machine nacelle for guiding the system in the capture area of self-centering in side view.
  • 4b zeigt die Ausgestaltung gemäß 4a in Draufsicht mit dem Bewegungsumfang der Anlage. 4b shows the embodiment according to 4a in plan view with the range of motion of the plant.
  • 510 zeigen für eine den 4a und 4b entsprechende Anlage in Draufsicht die Funktionsweise einer vollständig passiven Gierwinkeleinstellung mit einer Gierbewegungs-Beschränkung auf einen Halbkreis mit einem zusätzlichen standortbedingten Winkelvariationsbereich. 5 - 10 show for a 4a and 4b corresponding Appendix in plan view the operation of a completely passive yaw angle adjustment with a yaw movement restriction to a semicircle with an additional location-related angular variation range.
  • 1 zeigt schematisch vereinfacht eine gattungsgemäße, ohne Dammstrukturen freistehend ausgebildete Horizontalläufer-Turbine, insbesondere zur Ausnutzung einer Gezeitenströmung. Vorliegend steht die Anlage mittels des Fundaments 4, das als Schwerkraftfundament ausgebildet ist, auf dem Gewässergrund 5. Von diesem geht eine turmähnliche Stützstruktur 2 aus, auf die eine Maschinengondel 1 gesetzt ist. Die Verbindung zwischen der Stützstruktur 2 und der Maschinengondel 1 wird über ein Azimut-Drehgelenk 3 bewirkt, das eine Drehbewegung der Maschinengondel 1 um eine Vertikalachse, nachfolgend als Gierachse 27 bezeichnet, ermöglicht. 1 schematically shows a simplified generic, formed without dam structures freestanding horizontal rotor turbine, in particular for exploiting a tidal current. In the present case the plant stands by means of the foundation 4 , which is designed as a gravity foundation, on the riverbed 5 , From this goes a tower-like support structure 2 out on a machine nacelle 1 is set. The connection between the support structure 2 and the machine nacelle 1 is via an azimuth swivel 3 causes the rotation of the machine nacelle 1 about a vertical axis, hereinafter referred to as yaw axis 27 designated, allows.
  • In einer Maschinengondel 1 sind die Lager für die Welle 9 der umlaufenden Einheit 6 sowie Komponenten des elektrischen Generators, der von der Welle 9 angetrieben wird, untergebracht (im Einzelnen nicht gezeigt). Der wesentliche Teil der umlaufenden Einheit 6 ist der Rotor 7, der vorliegend vierblättrig ausgebildet ist. Weitere Ausgestaltungen mit einer ungeraden Turbinenblattanzahl, insbesondere die Verwendung eines Dreiblattrotors, ist denkbar, wobei auch für eine solche Rotorgestaltung die nachfolgend erläuterte selbsttätige Gierwinkel-Einstellung realisiert werden kann. Erfindungsgemäß umfasst der Rotor 7 wenigstens abschnittsweise rückwärts gepfeilte Turbinenblätter 8.1, 8.2, 8.3. Für die in 1 gezeigte Ausgestaltung liegen die Turbinenblätter 8.1, 8.2, 8.3 mit einer geradlinig orientierten Auffädellinie vor, die über ihre gesamte Längserstreckung die geforderte Rückwärtspfeilung aufweist. Dabei verbindet die Auffädellinie die Profilschnittpunkte auf den Profilsehnen bei einem Viertel der Profiltiefe. Als Resultat liegt die Rotorebene 12, die durch die Mittelpunkte der Fußpunkte der Rotorblätter 8.1, 8.2, 8.3 aufgespannt wird, für die dargestellte Luv-Läufer-Anordnung stromaufwärts der Blattspitzenebene 28 am radial äußersten Ende der Turbinenblätter 8.1, 8.2, 8.3. Der sich hieraus ergebende Effekt zur passiven Gierwinkel-Einstellung wird nachfolgend anhand der 2a3b dargestellt.In a machine nacelle 1 are the bearings for the shaft 9 the circulating unit 6 as well as components of the electric generator coming from the shaft 9 is housed (not shown in detail). The essential part of the rotating unit 6 is the rotor 7 , which in this case is formed vierblättrig. Further embodiments with an odd number of turbine blades, in particular the use of a three-blade rotor, is conceivable, whereby the automatic yaw angle adjustment explained below can also be realized for such a rotor design. According to the invention, the rotor comprises 7 at least partially backward swept turbine blades 8.1 . 8.2 . 8.3 , For the in 1 shown embodiment are the turbine blades 8.1 . 8.2 . 8.3 with a rectilinear oriented threading line, which has the required backward sweep over its entire longitudinal extent. The threading line connects the profile intersection points on the chords at a quarter of the tread depth. The result is the rotor plane 12 passing through the centers of the bases of the rotor blades 8.1 . 8.2 . 8.3 is clamped, for the illustrated windward-rotor arrangement upstream of the blade tip plane 28 at the radially outermost end of the turbine blades 8.1 . 8.2 . 8.3 , The resulting effect on the passive yaw angle adjustment will be described below with reference to FIG 2a - 3b shown.
  • 2a zeigt als Draufsicht die erfindungsgemäße Anlage aus 1. Skizziert eine erste seitliche Schubkraft D1 und eine zweite seitliche Schubkraft D2 auf den umlaufenden Rotor 7, die am ersten seitlichen Schubzentrum 30 und am zweiten seitlichen Schubzentrum 31 angreifen. Für deren Bestimmung wird die vom umlaufenden Rotor 7 überstrichene Fläche durch eine Vertikalschnittebene 29 geteilt, die von der Rotationsachse 14 und der Gierachse 27 aufgespannt wird, und alle Schubkräfte zu beiden Seiten der Vertikalschnittebene 29 getrennt vektoriell addiert. Zur näherungsweisen Bestimmung der Schubkräfte auf die als Auftriebsläufer ausgestalteten Turbinenblätter 8.1, 8.2, 8.3 kann die Blattelementtheorie herangezogen werden. Hierzu sind exemplarisch in 2a in Anströmungsrichtung 13 orientierte Blattelemente 15.1, 15.2, 15.3 mit einem übereinstimmenden Radialabstand zur Rotationsachse 14 dargestellt. 2a shows a plan view of the plant according to the invention 1 , Sketches a first lateral thrust D1 and a second lateral thrust D2 on the rotating rotor 7 at the first lateral thrust center 30 and at the second lateral thrust center 31 attack. For the determination of the rotating rotor 7 swept surface through a vertical section plane 29 divided by the axis of rotation 14 and the yaw axis 27 is spanned, and all thrust to both Sides of the vertical section plane 29 isolated vectorially added. For the approximate determination of the shear forces on the turbine blades designed as lift rotors 8.1 . 8.2 . 8.3 the leaf element theory can be used. These are exemplified in 2a in the direction of flow 13 oriented leaf elements 15.1 . 15.2 . 15.3 with a matching radial distance to the rotation axis 14 shown.
  • 2b zeigt die Anströmung gegen den mittleren Profilschnitt 16 des Blattelements 15.2 des Turbinenblatts 8.2, dessen Profilpolare zur Bestimmung der Kraftwirkung auf das Blattelement 15.2 herangezogen wird. Zur Verdeutlichung ist in 2b Folgendes dargestellt: Die Profilsehne 17 nimmt zur Drehrichtung 50 den Blatteinstellwinkel Wb ein. Der Anströmungswinkel Wa der effektiven Anströmungsgeschwindigkeit Vr ergibt sich aus der vektoriellen Addition der Umlaufgeschwindigkeit U und der Anströmungsgeschwindigkeit Va. Hieraus resultiert am hydrodynamischen Zentrum 51 des Profilschnitts 18 die Gesamtströmungskraft Fg, die sich vektoriell in die zur Drehrichtung 50 parallele Tangentialkraft Ft und die hierzu senkrecht stehende Schubkraft Fs zerlegen lässt. 2 B shows the flow against the middle profile section 16 of the leaf element 15.2 of the turbine blade 8.2 whose profile polar to determine the force on the leaf element 15.2 is used. For clarification is in 2 B The following is shown: The chord 17 takes to the direction of rotation 50 the blade pitch Wb. The flow angle Wa of the effective flow velocity Vr results from the vectorial addition of the rotational velocity U and the flow velocity Va. This results at the hydrodynamic center 51 of profile section 18 the total flow force Fg vectorially in the direction of rotation 50 Parallel tangential force Ft and the perpendicular thrust force Fs can disassemble.
  • 3a zeigt den Rotor 7 mit einer Rotationsachse 14, die in einem Winkelversatz zur Anströmungsrichtung 13 steht. Dabei werden das erste Schubzentrum 30 und das zweite erste Schubzentrum gegenüber der Gierachse 27 verlagert, sodass eine veränderte Hebelwirkung zu berücksichtigen ist. Skizziert sind hierzu für eine betragsmäßige Betrachtung ein erster Querabstand Q1 und ein zweiter Querabstand Q2 der Schubzentren 30, 31 zur Ebene, die durch die Gierachse 27 und die Anströmungsrichtung 13 aufgespannt wird. Für die in 3a gezeigte Situation einer Winkelabweichung innerhalb des Fangbereichs entsteht das resultierende Giermoment 18, das entgegen der Winkelabweichung wirkt und somit den Rotor 7 auf die in 2a gezeigte, zentrierte Stellung zurückführt. 3a shows the rotor 7 with a rotation axis 14 , in an angular offset to the direction of flow 13 stands. This will be the first push center 30 and the second first thrust center opposite the yaw axis 27 shifted so that a change in leverage is taken into account. To this end, a first transverse distance Q1 and a second transverse distance Q2 of the thrust centers are sketched for a magnitude consideration 30 . 31 to the plane through the yaw axis 27 and the direction of flow 13 is spanned. For the in 3a shown situation of an angular deviation within the capture range creates the resulting yaw moment 18 , which counteracts the angular deviation and thus the rotor 7 on the in 2a shown centered position returns.
  • Wird wiederum die Blattelementtheorie zur Bestimmung der hydrodynamischen Rotorkräfte angewandt, ergeben sich zu beiden Seiten der Vertikalschnittebene 29 unterschiedliche Blattelemente. Dies wird exemplarisch anhand des Blattelements 15.4 am Turbinenblatt 8.1 erläutert, das aufgrund des Winkelversatzes der Anlage nunmehr einen verringerten effektiven Pfeilungswinkel aufweist, d. h. es ist gegenüber der zentrierten Stellung steiler gegen die Anströmungsrichtung gestellt, sodass auf dieser Seite der Projektionsradius des Rotorflugkreises senkrecht zur Anströmung zunimmt.If, in turn, the leaf element theory is used to determine the hydrodynamic rotor forces, the vertical section plane results on both sides 29 different leaf elements. This is exemplified by the leaf element 15.4 on the turbine blade 8.1 explains that due to the angular offset of the system now has a reduced effective sweep angle, ie it is compared to the centered position steeper against the direction of flow, so increases on this side of the projection radius of the rotor flight perpendicular to the flow.
  • 3b zeigt eine Vergrößerung des kreisförmigen, gestrichelten Bereiches A aus 3a mit dem Blattelement 15.4 am Turbinenblatt 8.1. Das dargestellte Blattelement 15.4 weist eine Profilschnittrichtung 52 auf, die parallel zur Anströmungsrichtung 13 orientiert ist. Deren Verlauf weicht von der ursprünglichen Profilschnittrichtung 53 ab (gestrichelt dargestellt), die dem korrespondierenden Blattelement 15.1 im Falle einer Parallelausrichtung der Rotationsachse 14 zur Strömungsrichtung gemäß 2a entspricht. Hieraus folgt, dass die zur Ausführung der Blattelementtheorie verwendeten Profilschnittrichtungen abhängig von der Winkeleinstellung zwischen der Rotationsachse 14 und der Anströmungsrichtung 13 sind, sodass aufgrund der Verwindung und der Zuspitzung der Turbinenblätter 8.1, 8.2, 8.3 winkelabhängige Profilquerschnitte 16 mit unterschiedlichen Profilpolaren zu berücksichtigen sind. 3b shows an enlargement of the circular, dashed area A from 3a with the leaf element 15.4 on the turbine blade 8.1 , The illustrated leaf element 15.4 has a profile section direction 52 on, parallel to the flow direction 13 is oriented. Their course deviates from the original profile section direction 53 from (dashed lines), the corresponding leaf element 15.1 in the case of a parallel alignment of the axis of rotation 14 according to the flow direction 2a equivalent. It follows that the profile cutting directions used to carry out the sheet element theory depend on the angular adjustment between the axis of rotation 14 and the direction of flow 13 are due to the twisting and tapering of the turbine blades 8.1 . 8.2 . 8.3 angle-dependent profile cross sections 16 to be considered with different profile polar.
  • Des Weiteren ist für die Integration der hydrodynamischen Kräfte an den Turbinenblättern 8.1, 8.2, 8.3 mittels der Blattelementtheorie eine von der Winkelabweichung der Rotationsachse 14 abhängige radiale Blattelementerstreckung zu berücksichtigen, wenn eine ursprünglich gewählte Anzahl der Blattelemente 15, 15.1, 15.2, 15.3, 15.4 beibehalten wird. Dies ergibt sich aus der Veränderung der Projektionsfläche der Turbinenblätter 8.1, 8.2, 8.3 senkrecht zur Anströmungsrichtung 13.Furthermore, for the integration of the hydrodynamic forces on the turbine blades 8.1 . 8.2 . 8.3 one of the angular deviation of the axis of rotation by means of the leaf element theory 14 dependent radial blade element extension, if an originally selected number of blade elements 15 . 15.1 . 15.2 . 15.3 . 15.4 is maintained. This results from the change in the projection surface of the turbine blades 8.1 . 8.2 . 8.3 perpendicular to the direction of flow 13 ,
  • Für eine Ausgestaltungsalternative der Erfindung sind Turbinenblätter denkbar, die nicht über ihre gesamte Längserstreckung eine Rückwärtspfeilung aufweisen. Dabei wird bevorzugt wenigstens der hydrodynamisch besonders effektive radial äußere Bereich mit der gewünschten Pfeilung versehen. Ferner ist eine Weitergestaltung denkbar, für die ein erster Turbinenblattabschnitt mit Radialstrahlgeometrie und ein zweiter Turbinenblattabschnitt mit Rückwärtspfeilung vorliegen, wobei der Übergang zwischen diesen beiden Abschnitten eine gewisse Nachgiebigkeit aufweist. Hierdurch wird erreicht, dass im Überlastfall der Pfeilungswinkel des zweiten Turbinenblattabschnitts zunimmt und sich damit der effektive Durchmesser des Rotors 7 zur Abregelung der von der Anlage aufgenommenen Leistung verringert. Weitere, im Einzelnen nicht dargestellte Ausgestaltungen der Erfindung sind denkbar, etwa gesichelte Turbinenblätter 8.1, 8.2, 8.3, die zu einer Rückwärtspfeilung führen, und die besonders vorteilhaft im Hinblick auf das vereinfachte Abgleiten von Fremdköpern am Rotor 7 sind.For a design alternative of the invention, turbine blades are conceivable which do not have a backward sweep over their entire longitudinal extent. In this case, at least the hydrodynamically particularly effective radially outer region is preferably provided with the desired sweep. Further, a further embodiment is conceivable, for which there is a first turbine blade section with radial jet geometry and a second turbine blade section with rearward sweeping, wherein the transition between these two sections has a certain flexibility. This ensures that in the case of overload, the sweep angle of the second turbine blade section increases and thus the effective diameter of the rotor 7 to reduce the power consumed by the installation. Further, not shown in detail embodiments of the invention are conceivable, such as sunken turbine blades 8.1 . 8.2 . 8.3 which lead to a backward sweep, and the most advantageous in terms of the simplified sliding of foreign bodies on the rotor 7 are.
  • 4a zeigt eine Weitergestaltung der Erfindung mit einer zusätzlichen, passiv wirkenden Vorrichtung zur Führung des gepfeilten Rotors 7 in den Fangbereich, in dem die Selbstzentrierung eintritt. Zu diesem Zweck ist am rückwärtigen Ende 33 der Maschinengondel 1, das dem Rotor 7 bezüglich der Gierachse 27 gegenüberliegt, eine Flosse 21 angelenkt. Die Flosse 21 kann um eine vertikal verlaufende Schwenkachse 22 eine begrenzte Drehbewegung ausführen, wobei, wie in der Draufsicht aus 4b dargestellt, die Bewegung durch eine paarweise symmetrische Anordnung eines ersten mitdrehenden Flossenanschlags 23 und eines zweiten mitdrehenden Flossenanschlags 24 beschränkt ist. 4a shows a further embodiment of the invention with an additional, passive-acting device for guiding the swept rotor 7 into the catch area where self-centering occurs. For this purpose is at the rear end 33 the machine nacelle 1 that the rotor 7 with respect to the yaw axis 27 opposite, a fin 21 hinged. The fin 21 can be about a vertical pivot axis 22 perform a limited rotational movement, wherein, as in the plan view 4b shown, the movement by a pairwise symmetrical arrangement of a first co-rotating fin stop 23 and a second co-rotating fin stop 24 is limited.
  • Eine derartige Flosse 21 wird bei einer Falschanströmung in Richtung auf das rückwärtige Ende 33 der Maschinengondel 1 gegen den ersten mitdrehenden Flossenanschlag 23 oder den zweiten mitdrehenden Flossenanschlag 24 gedrückt. Die in der Folge entstehenden Staudruckkräfte auf die Flosse 21 drehen die Maschinengondel 1 mit dem Rotor 7 um die Gierachse 27.Such a fin 21 becomes in case of a false flow towards the rear end 33 the machine nacelle 1 against the first mitdrehenden fin stop 23 or the second co-rotating fin stop 24 pressed. The resulting impact pressure on the fin 21 turn the machine nacelle 1 with the rotor 7 around the yaw axis 27 ,
  • Hiervon ausgehend ist für eine Weitergestaltung gemäß der 4a und 4b ein erstes zusätzliches Anschlagspaar vorgesehen, nämlich der erste ortsfeste Flossenanschlag 25 und der zweite ortsfeste Flossenanschlag 26, die mit der Stützstruktur 2 verbunden sind. Ein drittes Anschlagspaar, der erste Gondelanschlag 34 und der zweite Gondelanschlag 35, betrifft die Bewegungsbeschränkung der Maschinengondel 1. Das Zusammenspiel aller Anschläge dient dazu, die Ausschlagsrichtung der Flosse 21 so einzustellen, dass die Maschinengondel 1 Bewegungen um die Gierachse 27 in einem begrenzten Winkelbereich ausführt, sodass bei wechselnder Anströmungsrichtung im Wesentlichen eine Vor- und Zurückbewegung vollzogen wird. Dadurch wird sichergestellt, dass das über das Azimut-Drehgelenk 3 verlaufende Leistungskabel nicht verdrillt wird.On this basis, for a further development according to the 4a and 4b provided a first additional stop pair, namely the first stationary fin stop 25 and the second stationary fin stop 26 that with the support structure 2 are connected. A third stop pair, the first gondola stop 34 and the second gondola stop 35 , concerns the movement restriction of the nacelle 1 , The interaction of all attacks is used to the direction of the fin 21 to adjust so that the machine nacelle 1 Movements around the yaw axis 27 performs in a limited angular range, so that when changing the direction of flow substantially a back and forth movement is completed. This will ensure that via the azimuth swivel 3 running power cable is not twisted.
  • Nachfolgend wird die vollständig passive Gierwinkel-Zentrierung anhand der Figurenfolge 5–10 erläutert. Zugrunde gelegt wird ein erfindungsgemäßes Gezeitenkraftwerk mit den in 4b dargestellten Bewegungsmöglichkeiten. Dabei liegt die Hauptanströmungsrichtung bei Ebbe bei 0° und bei Flut für das Geschwindigkeitsmaximum gegenüberliegend bei 180°. Gegenüber diesen beiden Hauptanströmungsrichtungen ist der Bewegungsbereich für den Gierwinkel der Anlage, der durch das gestrichelt dargestellte Rotorkreissegment 19 in 4b gezeigt wird, im Bereich der beiden Hauptanströmungsrichtungen um 30° erweitert. Dieser Winkelvariationsbereich ist standortbedingt und berücksichtigt Winkelvariationen und das Durchlaufen einer Tidenellipse und kann an die örtlichen Gegebenheiten angepasst werden. Der Gierbewegungsbereich wird durch das Rotorkreissegment 19 festgelegt, wobei eine Bewegung im Wesentlichen im dritten und vierten Quadranten, konkret im Winkelbereich von 150° bis 30° möglich ist. Diese beiden Winkelstellungen markieren zwei Endlagen, für die der an der Maschinengondel 1 befestigte Stift 37 am ersten Gondelanschlag 34 oder am zweiten Gondelanschlag 35 anliegt. Diese sind in 4b gestrichelt angedeutet.The completely passive yaw angle centering will be explained below with reference to the sequence 5-10. A tidal power plant according to the invention with the in 4b illustrated movement possibilities. The main flow direction is at low tide at 0 ° and at high tide for the maximum speed at 180 °. Opposite these two Hauptanströmungsrichtungen is the range of motion for the yaw angle of the system, by the rotor circuit segment shown by dashed lines 19 in 4b is shown, extended by 30 ° in the region of the two main flow directions. This angular variation range is location-dependent and takes account of angular variations and the passage through a tidal ellipse and can be adapted to local conditions. The yaw range is through the rotor circle segment 19 fixed, wherein a movement substantially in the third and fourth quadrant, specifically in the angular range of 150 ° to 30 ° is possible. These two angular positions mark two end positions, for those on the nacelle 1 attached pin 37 at the first gondola stop 34 or at the second gondola stop 35 is applied. These are in 4b indicated by dashed lines.
  • Die Bewegungsmöglichkeit der Flosse 21 ist auf das Flossenkreissegment 20 beschränkt, wobei die zugeordneten Anschläge, der erste ortsfeste Flossenanschlag 25 und der zweite ortsfeste Flossenanschlag 26, für das dargestellte Ausführungsbeispiel die Winkelstellungen 190° und 350° einnehmen. Dabei sind standortangepasste Auslegungen möglich, für die die ortsfesten Flossenanschläge 25, 26 näher bei 180° und 360° liegen. Dabei liegt das Flossenkreissegment 20 im Wesentlichen im ersten und zweiten Quadranten. Des Weiteren ist für die Flosse 21 der Wippwinkelbereich 36 angegeben, der Bewegungsbeschränkungen zwischen dem ersten mitdrehenden Flossenanschlag 23 und dem zweiten mitdrehenden Flossenanschlag 24 beschreibt.The possibility of movement of the fin 21 is on the fin circle segment 20 limited, with the associated stops, the first stationary fin stop 25 and the second stationary fin stop 26 , assume for the illustrated embodiment, the angular positions 190 ° and 350 °. This site-specific designs are possible for the fixed fin stops 25 . 26 closer to 180 ° and 360 °. This is the fin circle segment 20 essentially in the first and second quadrants. Furthermore, for the fin 21 the rocking angle range 36 indicated, the movement restrictions between the first mitdrehenden fin stop 23 and the second co-rotating fin stop 24 describes.
  • 5 zeigt die Anströmung des Rotors 7 für eine Anströmungsrichtung 13.1, die gemäß der Festlegung aus 4b auf 0° liegt und eine erste Hauptanströmungsrichtung bei Ebbe darstellt. 6 stellt die Endphase der Ebbe dar, wobei die Anströmungsrichtung 13.2 bei etwa 30° liegt, sodass vorliegend eine in Uhrzeigerrichtung drehende Tidenellipse angenommen wird. Zur Verdeutlichung wird den Figuren eine Tidenellipse mit einer stark ausgeprägten Anströmungsrichtungsvariationen zugrundegelegt, wobei für eine reale Tidenströmung die Tidenellipse in der Regel wesentlich flacher ausgebildet ist. Ferner kann aufgrund der Lagesymmetrie der ortsfesten Anschläge bezüglich einer Achse, die für die Festlegung gemäß 4b durch die Winkel 90° und 270° verläuft, eine erfindungsgemäße Anlage auch einer Tidenellipse mit einem entgegen des Uhrzeigersinns wandernden Anströmungswinkel folgen. 5 shows the flow of the rotor 7 for a direction of flow 13.1 which, in accordance with the definition 4b is at 0 ° and represents a first main direction of inflow at low tide. 6 represents the final phase of the ebb, the direction of flow 13.2 is about 30 °, so that in this case a clockwise rotating Tidenellipse is assumed. For clarification, the figures are based on a tidal ellipse with a pronounced direction of flow variation, wherein the tidal ellipse is generally much flatter for a real tidal flow. Furthermore, due to the positional symmetry of the stationary stops with respect to an axis, the for the determination according to 4b through the angles 90 ° and 270 °, a system according to the invention also follow a tidal ellipse with a flow angle that moves in the counterclockwise direction.
  • Für die deutlich verringerte Anströmungsgeschwindigkeit für die Anströmung gemäß 6 können die Bremsmomente der Anlagen nicht überwunden werden und der Rotor bleibt stehen. Bezüglich der Gierwinkel-Einstellung verbleibt die Anlage aufgrund der Lagerreibung im Azimut-Drehgelenk 3 in der Endlage, für die jeweils ein Anschlag aller Anschlagspaare auf Kontakt ist. Demnach liegt die Flosse 21 am ersten mitdrehenden Flossenanschlag 23 und zusätzlich am ersten ortsfesten Flossenanschlag 25 an. Zusätzlich ist die Maschinengondel 1 gegen den zweiten Gondelanschlag 35 geführt, was in 6 im Einzelnen nicht gezeigt wird. Ersichtlich ist die Endlage jedoch durch das dargestellte Rotorkreissegment 19.For the significantly reduced flow velocity for the flow according to 6 The braking torques of the systems can not be overcome and the rotor stops. With regard to the yaw angle adjustment, the system remains in the azimuth swivel due to bearing friction 3 in the end position, for each of which a stop of all stop pairs is on contact. Accordingly, the fin is 21 on the first co-rotating fin stop 23 and additionally on the first stationary fin stop 25 at. In addition, the machine nacelle 1 against the second gondola stop 35 led what was in 6 not shown in detail. However, the end position is apparent through the illustrated rotor circuit segment 19 ,
  • 7 zeigt eine Anströmungsrichtung 13.3 aus etwa 175° für die rückseitig auf die Anlage auftreffende Flut. Demnach wird zu Beginn der Betriebssituation in 7 der Rotor 7 falsch angeströmt. Aufgrund der etwas gegenüber der Horizontalen gewinkelten Anstellung der Flosse 21 entsteht bei der in 8 dargestellten Anströmungsrichtung 13.4 aus 180°, die die zweite Hauptanströmungsrichtung im Falle der Flut darstellt, ein Staudruck auf die Flosse 21, der ausreicht, die Anlage um die Gierachse 27 zu drehen. Dabei wird die durch die Flosse 21 verursachte Drehbewegung bis in den Fangbereich für die vorliegende Anströmungsrichtung 13.4 geführt, sodass der Selbstzentrierungseffekt auf den rückwärts gepfeilten Rotor 7 die Anlage endgültig zur Anströmungsrichtung 13.4 ausrichtet. Diese Betriebssituation mit drehendem Rotor ist in 9 dargestellt. 7 shows a direction of flow 13.3 from about 175 ° for the flood on the back of the plant. Accordingly, at the beginning of the operating situation in 7 the rotor 7 wrong flowed. Due to the slightly angled position of the fin compared to the horizontal 21 arises at the in 8th shown inflow direction 13.4 from 180 °, which is the second main direction of flow in the case of the flood, a back pressure on the fin 21 that suffices the plant around the yaw axis 27 to turn. It is the through the fin 21 caused rotational movement up to the capture range for the present direction of flow 13.4 guided, so that the self-centering effect on the backward swept rotor 7 the system finally to the flow direction 13.4 aligns. This operating situation with rotating rotor is in 9 shown.
  • Für den weiteren zeitlichen Verlauf der Tidenströmung erfolgt wiederum eine Verlagerung der Anströmungsrichtung im Uhrzeigersinn. Dabei endet der nutzbare Winkelbereich bei Flut und damit die Rotationsbewegung des Rotors 7 bei einer Anströmung von etwa 210° entsprechend der in 10 gezeigten Anströmungsrichtung 13.5. Für diesen Fall liegt weder die Flosse 21 noch die Maschinengondel 1 an einem der voranstehend genannten Anschläge an. Für den weiteren, im Folgenden nicht im Einzelnen dargestellten zeitlichen Verlauf der Tide erfolgt bei aufkommender Ebbe eine Queranströmung auf die Flosse 21, die diese gegen den zweiten mitdrehenden Flossenanschlag 24 führt und bei einer weiter zunehmenden Anströmungsstärke die Anlage im Bereich des Rotorkreissegments 19 auf die Betriebsstellung zurückdreht, bis wiederum die in 5 gezeigte Ausgangssituation im Falle der Anströmungsrichtung 13.1 bei 0° erreicht ist.For the further time course of the tidal flow, in turn, a displacement of the direction of flow in the clockwise direction takes place. In this case, the usable angle range ends at high tide and thus the rotational movement of the rotor 7 at a flow of about 210 ° according to the in 10 shown inflow direction 13.5 , For this case, neither is the fin 21 the machine nacelle still 1 at one of the abovementioned stops. For the further course of the tide, which is not described in detail below, a transverse flow onto the fin takes place in the event of rising tide 21 , this against the second mitdrehenden fin stop 24 leads and with a further increasing flow strength of the system in the area of the rotor circuit segment 19 Turn back to the operating position, until again in 5 shown starting situation in the case of the direction of flow 13.1 is reached at 0 °.
  • Die zur Erläuterung der Erfindung diskutierten Ausführungsbeispiele behandeln Gezeitenkraftwerke. Gleichwohl soll die erfindungsgemäße Verwendung eines gepfeilten Rotors zur selbsttätigen Gierwinkel-Einstellung für einen Luv-Läufer in Horizontalbauweise nicht ausschließlich auf diese Anwendung beschränkt sein. Vorteilhafte Anwendungen ergeben sich auch für Flusswasserkraftwerke oder zur Ausbildung wartungsfreier Windkraftanlagen. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den anschließenden Schutzansprüchen.The embodiments discussed to illustrate the invention treat tidal power plants. Nevertheless, the inventive use of a swept rotor for automatic yaw angle adjustment for a windward runner in horizontal design should not be limited exclusively to this application. Advantageous applications also arise for river water power plants or for the development of maintenance-free wind turbines. Further embodiments of the invention will become apparent from the subsequent claims.
  • BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
  • 11
    Maschinengondelnacelle
    22
    Stützstruktursupport structure
    33
    Azimut-DrehgelenkAzimuth rotary joint
    44
    Fundamentfoundation
    55
    Gewässergrundbody of water
    66
    umlaufende Einheitcirculating unit
    77
    Rotorrotor
    8.1, 8.2, 8.38.1, 8.2, 8.3
    Turbinenblattturbine blade
    99
    Wellewave
    1010
    Nabehub
    1111
    HaubeHood
    1212
    Rotorebenerotor plane
    13, 13.1,13, 13.1,
    13.2, 13.3,13.2, 13.3,
    13.413.4
    Anströmungsrichtunginflow direction
    1414
    Rotationsachseaxis of rotation
    15.1, 15.2,15.1, 15.2,
    15.315.3
    Blattelementleaf member
    1616
    Profilschnittprofile section
    1717
    Profilsehnechord
    1818
    resultierendes Giermomentresulting yaw moment
    1919
    RotorkreissegmentRotor disc segment
    2020
    FlossenkreissegmentFins circle segment
    2121
    Flossefin
    2222
    Schwenkachseswivel axis
    2323
    erster mitdrehender Flossenanschlagfirst co-rotating fin stop
    2424
    zweiter mitdrehender Flossenanschlagsecond co-rotating fin stop
    2525
    erster ortsfester Flossenanschlagfirst stationary fin stop
    2626
    zweiter ortsfester Flossenanschlagsecond stationary fin stop
    2727
    Gierachseyaw axis
    2828
    BlattspitzenebeneSheet top level
    2929
    VertikalschnittebeneVertical cutting plane
    3030
    erstes seitliches Schubzentrumfirst lateral push center
    3131
    zweites seitliches Schubzentrumsecond lateral push center
    3232
    StrömungsquerschnittsebeneFlow cross-section plane
    3333
    rückwärtiges Enderear end
    3434
    erster Gondelanschlagfirst pod stop
    3535
    zweiter Gondelanschlagsecond pod stop
    3636
    WippwinkelbereichWippwinkelbereich
    3737
    Stiftpen
    5050
    Drehrichtungdirection of rotation
    5151
    hydrodynamisches Zentrumhydrodynamic center
    5252
    ProfilschnittrichtungProfile cutting direction
    5353
    ursprüngliche Profilschnittrichtungoriginal profile cut direction
    dd
    radiale Blattelementerstreckungradial leaf element extension
    D1D1
    erste seitliche Schubkraftfirst lateral thrust
    D2D2
    zweite seitliche Schubkraftsecond lateral thrust
    Fgfg
    GesamtströmungskraftTotal flow force
    Fsfs
    Schubkraftthrust
    FtFt
    Tangentialkrafttangential
    Q1Q1
    erster Querabstandfirst transverse distance
    Q2Q2
    zweiter Querabstandsecond transverse distance
    UU
    Umlaufgeschwindigkeitvelocity of circulation
    VaVa
    Anströmungsgeschwindigkeitinflow velocity
    VrVr
    effektive Anströmungsgeschwindigkeiteffective flow velocity
    WaWa
    Anströmungswinkelangle of attack
    Wbwb
    Blatteinstellwinkelblade pitch

Claims (6)

  1. Horizontalläufer-Turbine umfassend; 1.1 eine Stützstruktur (2); 1.2 eine Maschinengondel (1), die mittels eines Azimut-Drehgelenks (3) an der Stützstruktur (2) befestigt ist, sodass die Maschinengondel (1) eine Drehbewegung um eine im Wesentlichen vertikal orientierte Gierachse (27) ausführen kann; 1.3 einen als Luv-Läufer ausgebildeten Rotor (7), der beabstandet zur Gierachse (27) an der Maschinengondel (1) umläuft und eine Rotationsachse (14) festlegt, wobei der Rotor (7) Turbinenblätter (8.1, 8.2, 8.3) umfasst und dem Rotor (7) eine Rotorebene (12), die durch die Fußpunkte der Turbinenblätter (8.1, 8.2, 8.3) aufgespannt wird, und eine Blattspitzenebene (28), die durch radial äußeren Enden der Turbinenblätter (8.1, 8.2, 8.3) festgelegt wird, zugeordnet sind; dadurch gekennzeichnet, dass 1.4 die Turbinenblätter (8.1, 8.2, 8.3) wenigstens abschnittsweise rückwärts gepfeilt sind, wobei die Blattspitzenebene (28) zwischen der Rotorebene (12) und einer Ebene liegt, die die Gierachse (27) aufnimmt und zur Rotationsachse (14) senkkrecht steht; und 1.5 die Maschinegondel (1) frei um die Gierachse (27) drehend an der Stützstruktur (2) befestigt ist.Horizontal runner turbine comprising; 1.1 a support structure ( 2 ); 1.2 a nacelle ( 1 ) by means of an azimuth rotary joint ( 3 ) on the support structure ( 2 ), so that the nacelle ( 1 ) a rotational movement about a substantially vertically oriented yaw axis ( 27 ); 1.3 a trained as a windward rotor ( 7 ) which is spaced from the yaw axis ( 27 ) on the nacelle ( 1 ) and a rotation axis ( 14 ), whereby the rotor ( 7 ) Turbine blades ( 8.1 . 8.2 . 8.3 ) and the rotor ( 7 ) a rotor plane ( 12 ) through the bases of the turbine blades ( 8.1 . 8.2 . 8.3 ) and a blade tip plane ( 28 ) through radially outer ends of the turbine blades ( 8.1 . 8.2 . 8.3 ) are assigned; characterized in that 1.4 the turbine blades ( 8.1 . 8.2 . 8.3 ) are at least partially swept backwards, wherein the blade tip plane ( 28 ) between the rotor plane ( 12 ) and a plane containing the yaw axis ( 27 ) and to the axis of rotation ( 14 ) is vertical; and 1.5 the machine nacelle ( 1 ) freely around the yaw axis ( 27 ) rotating on the support structure ( 2 ) is attached.
  2. Horizontalläufer-Turbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass alle Turbinenblätter (8.1, 8.2, 8.3) des Rotors (7) rückwärts gepfeilt sind.Horizontal runner turbine according to claim 1, characterized in that all turbine blades ( 8.1 . 8.2 . 8.3 ) of the rotor ( 7 ) are swept backwards.
  3. Horizontalläufer-Turbine nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass alle Turbinenblätter (8.1, 8.2, 8.3) des Rotors über ihre gesamte Längserstreckung rückwärts gepfeilt sind.Horizontal rotor turbine according to one of claims 1 or 2, characterized in that all turbine blades ( 8.1 . 8.2 . 8.3 ) of the rotor are swept back over their entire longitudinal extent.
  4. Horizontalläufer-Turbine nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Teil der Turbinenblätter (8.1, 8.2, 8.3) des Rotors (7) in wenigstens einem Abschnitt eine radial verlaufende Längsachse aufweisen.Horizontal runner turbine according to one of claims 1 or 2, characterized in that at least a part of the turbine blades ( 8.1 . 8.2 . 8.3 ) of the rotor ( 7 ) have in at least one portion a radially extending longitudinal axis.
  5. Horizontalläufer-Turbine nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gierwinkel der Turbinenblätter (8.1, 8.2, 8.3), der Durchmesser des Rotors (7) und der Abstand zwischen der Rotorebene (12) und der Gierachse (27) so aufeinander abgestimmt sind, dass sich für Winkelabweichungen zwischen der Rotationsachse (14) und der Anströmungsrichtung (13), die innerhalb eines Fangbereichs (15) liegen, ein die Winkelabweichung rückführendes resultierendes Giermoment (18) entsteht.Horizontal rotor turbine according to one of the preceding claims, characterized in that the yaw angle of the turbine blades ( 8.1 . 8.2 . 8.3 ), the diameter of the rotor ( 7 ) and the distance between the rotor plane ( 12 ) and the yaw axis ( 27 ) are coordinated so that for angular deviations between the axis of rotation ( 14 ) and the direction of flow ( 13 ) within a capture range ( 15 ), a residual yaw moment resulting in the yaw moment ( 18 ) arises.
  6. Horizontalläufer-Turbine nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am den rückwärtigen Ende (33) der Maschinengondel (1), das dem Rotor (7) bezüglich der Gierachse (27) gegenüberliegt, eine Flosse (21) mit einer vertikalen Schwenkachse (22) beweglich befestigt ist, wobei der Schwenkbereich durch eine paarweise Anordnung eines ersten mitdrehenden Anschlags (23) und eines zweiten mitdrehenden Anschlags (24) an der Maschinengondel (1) beschränkt ist.Horizontal runner turbine according to one of the preceding claims, characterized in that at the rear end ( 33 ) of the nacelle ( 1 ), which is the rotor ( 7 ) with respect to the yaw axis ( 27 ), a fin ( 21 ) with a vertical pivot axis ( 22 ) is movably mounted, wherein the pivoting range by a paired arrangement of a first co-rotating stop ( 23 ) and a second co-rotating stop ( 24 ) on the nacelle ( 1 ) is limited.
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