DE102010011708A1

DE102010011708A1 - Turbine mit passiver Schaufelverstellung

Info

Publication number: DE102010011708A1
Application number: DE102010011708A
Authority: DE
Inventors: Rudolf Huttary; Georg Krayss
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-03-15
Filing date: 2010-03-15
Publication date: 2011-09-15
Anticipated expiration: 2030-03-16
Also published as: WO2011113424A3; DE102010011708B4; WO2011113424A2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Turbine mit Schaufeln, die eine biegeelastisch vermittelte Wölbungsänderung erlauben. Kennzeichnend ist eine passive Verstellung des Arbeitspunkts der Turbine durch das fluiddynamische Moment vermittels einer kombinierten Pitch-, Wölbungs- und Schränkungsanpassung. Die passive Charakteristik wird auf konstruktivem Weg durch eine Zweipunktlagerung der Schaufeln (3, 4) auf der Turbinenwelle (1) und einem entlang eines Stellwegs frei beweglichen Schaufellagerring (2) erzielt. Die Stellkraft resultiert aus dem dynamischen Gleichgewicht zwischen Fliehkraft, Federmoment, Drehmoment und fluiddynamischem Moment. Dabei bildet eines der Lager (3a, 4a) den Federfußpunkt und das andere den Drehpunkt des Stellvorgangs. Die Erfindung kann als Horizontal- und als Vertikalachsturbine für alle üblichen Fluide sowie für einen Repeller- und einen Propellerbetrieb ausgeführt werden und erzielt gegenüber ungeregelten oder lediglich Pitch-geregelten Ausführungsformen eine deutliche Kennlinienverbesserung. Verbessert werden auch Startverhalten, Leistungsdynamik und mittlere Leistung. Besonders bevorzugt werden Ausgestaltungen der passiven Regelung für die Wells-Turbine, jeweils für einen Einsatz in OWC-Meereswellen- und in Gezeitenströmungskraftwerken sowie für die Darrieus-Turbine zur Windenergiegewinnung. Weiteres Potenzial liegt im Bereich drehzahlgeregelter Lüfter sowie in variablen Vortriebssystemen mit besonderem Optimierungsbedarf.

Description

Hintergrund der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Turbine mit wölbungsveränderlichen Schaufeln entsprechend des Oberbegriffs des unabhängigen Anspruchs.
Stand der Technik
Schaufelbesetzte Turbinen für die Erzeugung und Verwertung variabler Fluidströme sind in zahlreichen Ausführungsformen bekannt. Für die Belange dieser Schrift seien zwei grundlegende Ausführungsarten unterschieden:
Erstens die allgemeine Axialturbine, bei der das Fluid in axialer Richtung strömt, während die Schaufeln mit überwiegend radial ausgerichtetem Grundkörper auf einer zur Achse orthogonalen Ebene um die Turbinenwelle drehen. Als prominente Ausführungsformen seien beispielhaft horizontalachsige Dampf-, Wasser- und Windturbinen (HAWT), Axiallüfter und die Wells-Turbine angeführt.
Zweitens die allgemeine Vertikalturbine oder Zykloidal-Turbine, bei der das Fluid radial bezüglich der Drehachse strömt und die Schaufeln mit überwiegend axial ausgerichtetem Grundkörper auf einer Mantelfläche um die Turbinenwelle rotieren. Prominente Ausführungsformen sind die Darrieus-Turbine, Tangentiallüfter und Voith-Schneider-Propeller.
Für beide Ausführungsarten sind Repeller- und Propeller-Ausprägungen bekannt, wobei Repeller dem Fluidstrom Bewegungsenergie entziehen, Propeller dem Fluidstrom Bewegungsenergie zuführen.
Die Problematik der variabel angeströmten starren Turbinenschaufel wird für die Axialturbine stellvertretend am besonderen Beispiel der Wells-Turbine näher erläutert. Obwohl die Erfindung auch für andere Ausführungsformen der Axialturbine Vorteile bringt, kann sie ihre Vorteile bei der Wells-Turbine aufgrund der hier geforderten sehr hohen Leistungsdynamik am deutlichsten entfalten.
Im Anschluss wird die in den wesentlichen Punkten parallel gelagerte Problematik der Vertikalturbine am Beispiel der Darrieus-Turbine kurz stellvertretend erläutert.
Charakteristikum der in der US 5191225A erstmalig beschriebenen Wells-Turbine ist, dass sie bei konstruktiv festgelegter Drehrichtung durch bidirektionale Fluidströme angetrieben werden kann. Als Luftturbine ausgestaltet hat sie vornehmlich im Bereich der nach dem Prinzip der oszillierenden Wassersäule (Oscillating Water Column) arbeitenden OWC-Wellenkraftwerke, praktische Bedeutung erlangt.
Das konstruktive Merkmal der Wells-Turbine besteht darin, dass die Schaufeln des orthogonal zur Fluidströmung drehenden Turbinenrads eine Folge symmetrischer Profilschnitte ohne jegliche Schränkung aufweisen. Ihr Wirkprinzip beruht auf dem Umstand, dass symmetrische Profile, bezogen auf die Profilsehne, bei geringen positiven und negativen Anströmwinkeln im laminaren Bereich verbleiben und eine gerichtete Vortriebskraft entwickeln. Bei radialer Anordnung mehrerer solcher Schaufeln um eine Achse kann auch ein axialer Fluidstrom unter bestimmten Bedingungen ein nutzbares Drehmoment erzeugen.
Bei einem zur Drehebene der Turbinenschaufeln orthogonalen Fluidstrom ergeben sich am Schaufelprofil nur dann Anströmwinkel mit kleinem Betrag, wenn sich dieses mit einer Umfangsgeschwindigkeit bewegt, die einem Vielfachen der Fluidgeschwindigkeit entspricht. Die vektorielle Zerlegung für ein Profil des Typs NACH 0012, wie es in OWC-Kraftwerken häufig verwendet wird, ergibt beispielsweise für einen maximal zulässigen Anströmwinkel von +–13°, eine minimale Schnelllaufzahl von Kotangens (13°) = 4,3 als Laufbedingung. Da die Schnelllaufzahl bei der Axialturbine in radialer Richtung wächst, ist sie in der Praxis je nach Nabe/Schaufel-Verhältnis am Umfang knapp doppelt so hoch, wie an der Nabe.
Hinzu kommt, dass ein symmetrisches Schaufelprofil nur einen geringen Auftrieb bzw. eine schlechte Gleitzahl erzielt. Daher bleibt der Wirkungsgrad der Wells-Turbine mit typisch unter 0,5 weit hinter dem unidirektional angeströmter Axialturbinen in vergleichbarer Anordnung zurück. Wie die unidirektional angeströmte Axialturbine erreicht die Wells-Turbine ihren typischen Wirkungsgrad zudem nur bei optimaler Anströmung.
Ist die Laufbedingung nicht erfüllt, entwickelt die Turbine typischerweise nur ein sehr schwaches Moment, das für einen Selbstanlauf im Allgemeinen nicht ausreicht. Nach oben hin bildet die Fliehkraft den begrenzenden Faktor. Damit hängt die erzielbare Leistung wesentlich von der Fliehkraftfestigkeit der Turbine ab, da das erzeugte Drehmoment aufgrund des geringen Auftriebsbeiwerts symmetrischer Profile (typisch: C_A < 1 im laminaren Bereich) gering bleibt. Wells-Turbinen werden daher oft auf eine möglichst hohe aber feste Drehzahl, wie sie für einen Synchrongeneratorbetrieb typisch ist, ausgelegt. Der Generator kann dann elektromotorisch als Starter fungieren und auch Phasen mit fehlendem Nutzmoment, die z. B. regelmäßig auftreten, wenn der Fluidstrom seine Richtung ändert, überbrücken.
Das Erfordernis der hohen Schnelllaufzahl bei fehlendem Pitch schränkt den praktischen Anwendungsbereich der Wells-Turbine dahingehend ein, dass sie – gegenüber der gewöhnlichen unidirektional angeströmten Turbine – nur geringe Druckunterschiede verarbeiten kann. Bei Überschreiten der für das verwendete symmetrische Flügelprofil charakteristischen relativen Druckdifferenz wird der Anströmwinkel zu groß, was aufgrund des abrupt eintretenden Strömungsabrisses (Stall-Effekt) an den Turbinenschaufeln zu starken Leistungseinbrüchen führt. Obwohl dies im Prinzip eine wirksame Leistungsbegrenzung darstellt, führen die begleitenden mechanischen Schwingungen in der Praxis zu unangenehmen akustischen Effekten und erheblichem Materialstress.
Aufgrund der strahligen Schaufelausrichtung und des ungeschränkten Profils wird die Laufbedingung bei einem Druckanstieg in Nabennähe zuerst verletzt. Die Wells-Turbine erzielt daher nur ein typisch schlechtes Verhältnis von Schaufellänge zu Nabenradius.
Um die in OWS-Kraftwerken typischerweise höheren Druckaufkommen verarbeiten zu können, wird oft eine mehrstufige Ausführung der Turbine verwendet. Hierbei ergibt sich das Problem, dass die vom Fluid zuerst durchströmte Stufe einen der Drehrichtung entgegengesetzten Drall hinterlässt und sich der Anströmwinkel – und somit der nutzbare Leistungsanteil – für nachfolgende Stufen ohne zusätzliche Maßnahmen zunehmend verschlechtern würde. Vor dem Hintergrund, dass die Strömungsenergie eines Fluids proportional zur dritten Potenz der Strömungsgeschwindigkeit ist, sollte der Anströmwinkel für alle Stufen möglichst gleich sein, um eine gute Leistungsbalance zu erhalten. Vom allgemeinen Turbinenbau her ist bekannt, dass diesem auch bei einer Stufe bereits nachteiligen Effekt durch eine geeignete Drallführung mit Leitschaufeln begegnet werden kann. Die Leitschaufelauslegung für die Wells-Turbine unterliegt dabei allerdings gleichfalls der Voraussetzung der bidirektionalen Durchströmbarkeit.
DE 10 2008 004 761 A1 beschreibt eine zwischen zwei Turbinenstufen angeordnete gewölbte Leitschaufelanordnung, die über die Balancierungsfunktion hinausgehend auch eine scheinbare Schränkung annähert, indem sie den Drall in Nabennähe verstärkt. Unter dem Strich verbessert dies die Laufbedingung und ermöglicht höhere Leistungen.
Aufgrund der starken Abhängigkeit vom Anströmwinkel ist der Dynamikbereich der ungeregelten Wells-Turbine mit statischen Schaufeln sehr klein. Demgegenüber unterliegt das Energieangebot in einem OWC-Wellenkraftwerk im jahreszeitlichen Verlauf derartig großen Schwankungen, dass statische Turbinen-Designs naturgemäß nur ein geringen Teil des im Jahresmittel anfallenden Energieangebots abschöpfen können und zudem umfangreiche Maßnahmen zum Schutz der Turbine gegen Überlastung erforderlich sind.
Der Dynamikbereich kann nur durch ein geregeltes Turbinendesign vergrößert werden, das die Kennlinie der Turbine an das Leistungsangebot anpasst. Ein bekannter Ansatz für eine solche Regelung ist eine Nachführung des Anströmwinkels der Turbinenschaufeln auf dem Wege der Pitch-Regelung, wie sie beispielsweise in „Aerodynamics of the wells turbine: Control by swinging rotor-blades" (International Journal of Mechanical Sciences Volume 31, Issue 6, 1989, Pages 425–434) beschrieben ist. Die Fallstudie zeigt, dass eine Nachführung des Schaufelanstellwinkels bis hin zu +–30° eine entscheidende Steigerung der mittleren Leistung bezogen auf einen typischen Jahreszyklus ermöglicht.
Die praktische Erfahrung mit einem Prototyp für eine aktiv Pitch-gesteuerte und nach den geltenden Regeln der Ingenieurskunst aufgebauten Wells-Turbine hat allerdings auch gezeigt, dass die Komplexität eines solchen Aufbaus angesichts der enormen Fliehkraftbelastung der Lagerungen in ähnlicher Weise steigt – zumal in einem Milieu mit hochkorrosiven Bedingungen. Verschleißprobleme, reduzierte Ausfallsicherheit und kurze Standzeiten sind die Folge und schlagen bei der kaufmännischen Rechnung stärker zu Buche als die Vorteile.
DE 10 2007 059 038 B3 stellt dagegen eine passive Pitch-Regelung für eine Wells-Turbine mit einpunktgelagerten Schaufeln vor, bei der eine passende proportionale Auslenkungskraft aus dem Fluidstrom gewonnen wird. Sie benennt insbesondere geeignete Gegenmaßnahmen zum Überschussausgleich des als Rückstellkraft auftretenden Flächenzentrifugalmoments, das bei einer Drehlagerung der Schaufel in der Nähe des Profilschwerpunkts das erzeugte aerodynamische Moment weit übersteigt.
Obwohl Axialturbinen, die für unidirektionale Anströmung ausgelegt sind, in der Regel selbstanlaufend sind, erzielen ungeregelte Ausführungen im Mittel nur mäßige Wirkungsgrade, wenn sie einem variablen Fluidstrom ausgesetzt sind. Das liegt daran, dass das starre Schaufelprofil nur für ein vergleichbar schmales Leistungsband optimiert werden kann und für außerhalb dieses Leistungsbands gelegene Arbeitspunkte eine schädliche und mitunter Materialstress verursachende Fehlanpassung vorliegt. So neigen Wasserturbinen zu starkem Verschleiß aufgrund von Kavitation und Luftturbinen zu unangenehmen akustischen Belästigungen.
Es ist bekannt, dass das Bedeckungsverhältnis einer Axialturbine bei vorhandener Pitch-Regelung deutlich höher gewählt werden kann, da die Regelung den Querschnitt mit zunehmendem Energieangebot öffnet, indem sie den projektiven Anteil der Bedeckung reduziert. Der variable Durchflusskoeffizient steht für eine vergrößerte Leistungsdynamik der Turbine und eine höhere mittlere Leistung bei variabler Anströmung.
Eine andere bekannte Maßnahme zur Leistungsanpassung einer Axialturbine besteht in der Axialdrallregelung durch Leitschaufelverstellung. Auch sie vergrößert die Leistungsdynamik, wenngleich in geringerem Maße. Wünschenswert wäre eine kombinierte Regelung für beide Schaufelarten, die jedoch sehr aufwendig ist.
Die als Repeller arbeitende Darrieus-Turbine unterliegt gleichfalls der genannten Laufbedingung. Auch hier stellt die große Dynamik des Energieangebots sowie die fehlende Fähigkeit zum Selbststart ein großes Problem dar, dem am besten durch eine geeignete Arbeitspunktanpassung begegnet werden kann.
Für den H-Darrieus-Rotor ist eine wirksame passive Pitch-Regelung mit sehr einfachen Mitteln erzielbar. Wie z. B. von der US1835018A angedeutet und in der Zeichnung ausgeführt, kann sie durch eine nasenseitige Drehlagerung des starren Profils auf den zur Welle führenden Speichen und gegenseitiges Abspannen der Profilenden über den Mittelpunkt ausgeführt werden. Dabei kompensieren die Schaufeln ihre Fliehkräfte wechselseitig und pendeln im Wechselspiel der aerodynamischen Kräfte. Das Gegenmoment resultiert im Wesentlichen aus der Schaufeldrehmasse bzw. einem entsprechenden Federmasse-System.
Weiterhin sind auch aktiv geregelte Ausführungen der Darrieus-Turbine, die nach diesem Prinzip arbeiten, bekannt. Und unter den Bezeichnungen „Cyclogyro” und „Cyclocopter” gibt es auch eine Tradition für die Propellerausführung.
Aufgabenstellung der Erfindung
Eine Pitch-Regelung wirkt sich lediglich auf die Leistungsdynamik der beiden Turbinenarten aus, den Wirkungsgrad verbessert sie nicht. Insbesondere bei der Wells-Turbine ist das Potenzial für die weitere fluiddynamische Optimierung beachtlich. Ansatzpunkt ist in beiden Fällen das symmetrische Schaufelprofil der Turbinen.
Es ist eine der Grundlagen der Fluiddynamik, dass die Gleitzahl (als Verhältnis von Auftriebsbeiwert zu Widerstandsbeiwert bezogen auf einen Anströmwinkel), ein Maß für die Profilgüte darstellt und somit den Wirkungsgrad einer Turbinenschaufel maßgeblich bestimmt. Dabei erreichen gewölbte, asymmetrische Profile erfahrungsgemäß bessere Leistungsbeiwerte als symmetrische und erlauben darüber hinaus auch deutlich größere Anströmwinkel bevor ein Strömungsabriss eintritt.
Im Gegensatz zur Avionik, wo der „adaptive Flügel” von Beginn an eine wichtige Rolle gespielt hat, hat sich der Gedanke einer über die Pitch-Regelung hinausgehenden „adaptiven Schaufel” im Turbinenbau bisher noch nicht breitgemacht. Er wird zwar verschiedentlich als Potenzial genannt und ist in der US20050271508A1 speziell auch für eine Anwendung auf die Wells-Turbine näher charakterisiert, eine technische Lehre für die aus der Avionik durchwegs vorbekannten Prinzipien der Auftriebsänderung und Wölbungsverstellung bleibt allerdings nicht nur diese Schrift schuldig.
Die Erfindung macht es sich zur Aufgabe, genau diese Lücke für beide Turbinenarten zu schließen.
Eine erste Aufgabenstellung für die Erfindung besteht darin, einen passiv durch den Fluidstrom gesteuerten Mechanismus für eine Schaufelverformung und -verstellung anzugeben, der zweierlei Anforderungen genügt: Er muss einfach und robust genug sein, um den in der Turbine herrschenden extremen Betriebsbedingungen über lange Laufintervalle hinweg standzuhalten. Und er muss effektiver sein als die reine passive Pitch-Regelung bzw. diese ersetzen können, da aus Komplexitätsgründen eine Kombination zweier Mechanismen eher ungünstig erscheint.
Ein zweite, speziell auf die Axialturbine zugeschnittene Aufgabenstellung besteht darin, im Rahmen der passiven Regelung auch die Schränkung kennlinienverbessernd anzupassen.
Allgemeine Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung löst die erste Aufgabenstellung bezogen auf die Schaufelverformung allgemein für beide Turbinenarten mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1.
Die Lösung der zweiten Aufgabenstellung und der weitere Zuschnitt der Merkmale auf die Axialturbine sind in den abhängigen Ansprüchen 2 und 3 charakterisiert. Diese Ansprüche differenzieren zudem die Schaufellagerung für die Repeller- und Propellerausführung.
Anspruch 4 verengt die Lösung weiter auf eine Wells-Turbine mit passiver Regelung, während Anspruch 5 die Lösung der ersten Aufgabenstellung mit Zuschnitt auf Vertikalturbinen charakterisiert.
Die weiteren Ansprüche charakterisieren besonders bevorzugte spezifische Ausgestaltungen der Erfindung.
Ausgangspunkt der Erfindung war der Gedanke, dass sich die Kennlinie einer für variable Fluidströme ausgelegten Schaufel sehr wirksam verbessern lässt, wenn diese ihre Form und ihre Ausrichtung an den momentanen Fluidstrom anpasst. Geeignete Verfahren dafür sind die Wölbungsanpassung und die Pitch-Verstellung. Dabei haben die Erfinder erkannt, dass die Pitch-Regelung lediglich einen Spezialfall der kombinierten Wölbungs- und Pitch-Regelung darstellt, bei dem das Schaufelprofil starr ausgeführt ist. Wird das Profil aus biegeelastischem Material oder im biegeelastisch/drehbaren Verbund stehenden starren Segmenten aufgebaut, kann es seine Wölbung ändern und gleichzeitig einen Anstellwinkel (Pitch) ausprägen, um bezogen auf den jeweiligen Momentanwert der Fluidströmung eine höhere Profilgüte als das Ausgangsprofil zu erreichen.
Wenn der Stellvorgang auf passivem Wege erfolgen soll, muss die Stellkraft direkt aus einer Differenz mindestens zweier sich im Betrieb unterschiedlich entwickelnder Kräfte gewonnen werden. Dabei stehen die fluiddynamischen Kräfte auf der einen Seite der Gleichung und das Wellenmoment sowie die Fliehkrafteinwirkung auf die im Zusammenhang mit dem Stellvorgang bewegten Drehmassen auf der anderen Seite.
Aus der allgemeinen Fluiddynamik ist bekannt, dass der Druckpunkt eines üblichen Profils etwa im vorderen Drittel liegt und mit zunehmender Anstellung wandert. Um für eine Repeller-Schaufel einen passiven Regelkreis auszubilden, ist daher ein Lagerpunkt erforderlich, der vor dem Druckpunkt gelegen ist, wobei sich die Regelschwingungsdämpfung mit zunehmendem Abstand zwischen Lagerpunkt und Druckpunkt verbessert. In der kinematischen Umkehrung muss der Lagerpunkt für eine Propellerschaufel hingegen hinter dem Druckpunkt verbleiben.
Zur Lösung der ersten Aufgabenstellung muss diese Stellkraft im erfindungsgemäßen Aufbau weiterhin anteilig zwischen der Wölbungs- und der Pitch-Verstellung aufgeteilt werden. Die Erfinder haben erkannt, dass eine solche Aufteilung durch eine weitere Kräftedifferenz erfolgen muss, wie sie beispielsweise durch ein Federmoment zwischen zwei unterschiedlich verstellten Schaufelsegmenten eingeführt wird. Sie lässt sich aber auch aus den unterschiedlichen Trägheitsmomenten der Schaufelsegmente ableiten und wird in der Regel eine Kombination aus beidem sein.
Für die Axialturbine spielt das sich aus dem Trägheitsmoment ableitende Flächenzentrifugalmoment für die einer Drehung unterliegenden Schaufelteile eine wichtige Rolle. Es wächst quadratisch mit der Drehzahl und bildet bei einem radialen Verlauf der Drehachse eine Kraft aus, die der fluiddynamischen Kraft entgegen wirkt, sofern kein spezieller Massenausgleich erfolgt oder die Drehachse eine Rücklage gegen die Laufrichtung aufweist.
Für die Vertikalturbine spielt hingegen die Drehmasse eine wichtige Rolle, da der Stellzyklus bei jeder Umdrehung vollständig durchlaufen wird.
Verallgemeinert man das als passive Pitch-Regelung für die Darrieus-Turbine angeführte Prinzip der Zweipunktlagerung auf ein biegeelastisches Profil, findet man das seit alters her vom Segel bekannte Prinzip der kombinierten Pitch- und Wölbungsverstellung wieder: Das Segel ist im vorderen Bereich mehr oder minder drehfrei fixiert und wird im hinteren Bereich im richtigen Anstellwinkel zum Wind geführt.
Eine passive Steuerung allein durch das Fluid ergibt sich, wenn die fluiddynamischen Kräfte, die die Wölbung und den Pitch ausbilden, gegen ein Rückstellmoment arbeiten und sich ein Kräftegleichgewicht zwischen Ausstellmoment und Rückstellmoment ausbilden kann. Die Erfinder haben erkannt, dass sich dieses Rückstellmoment aus der Federkraft der biegeelastischen Schaufelanteile unter Berücksichtigung der Fliehkrafteinwirkung auf die Schaufeln gewinnen lässt, indem eine der beiden Lagerungen als Federfußpunkt ausgeführt wird. Um Federfußpunkt zu sein, muss das Fußpunktlager in der Tendenz drehsteif ausgeführt sein. Bei Ausbildung einer Torsionsfreiheit kann das Verhältnis zwischen Pitch und Wölbung weitergehend über das Torsionsmoment eingestellt werden.
Für eine als Repeller arbeitende Turbine bildet man die Zweipunktlagerung (3, 4) der Schaufeln erfindungsgemäß dahingehend aus, dass im vorderen Nasenbereich eine Drehlagerung (3a) und im mittleren bis hinteren Bereich das Fußpunktlager (4a) vorgesehen wird. Dabei überträgt das Drehlager das Nutzmoment auf die Turbinenwelle (1), während das Fußpunktlager das Stellmoment auf einen frei beweglichen Schaufellagerring (2) überträgt. Ein Teil der sich vektoriell addierenden Stellmomente bewirkt eine Stellbewegung des Rings, der andere Teil wirkt als Rückfedermoment auf die Schaufeln zurück und bildet die Wölbung aus. Mit zunehmendem Druck des Fluids führt der hintere Bereich (4) der Schaufel also eine dem Fluidstrom folgende Stellbewegung aus, die die Wölbung und den Pitch der Schaufel vergrößert – und umgekehrt (1a, 1b).
Für eine als Propeller arbeitende Turbine lässt sich die erfindungsgemäße passive Regelung in kinematischer Umkehrung ausbilden: Hier wird die erfindungsgemäße Zweipunktlagerung (3, 4) der Schaufeln genau mit vertauschten Rollen angewendet. Das Drehlager sitzt im hinteren Schaufelbereich (4, 4a) und überträgt das Drehmoment von der Turbinenwelle (1) auf die Schaufel, während das Fußpunktlager (3a) im Nasenbereich ausgebildet wird und die Schaufelnasen über den Schaufellagerring (2) in der Tendenz drehsteif koppelt. Mit zunehmendem Widerstand des Fluids führt demnach der Nasenbereich der Schaufel eine Stellbewegung entgegen dem Fluidstrom aus, die die Wölbung und den Pitch der Schaufel vergrößert (1c).
Für Axialturbinen kann die dynamische Profilgüte weiterhin durch eine Anpassung der Schaufelschränkung gesteigert werden. Die Erfinder haben erkannt, dass sich diese Aufgabe auf konstruktivem Weg bereits durch einen besonderen Verlauf der Wölbungsachse zufriedenstellend lösen lässt. Für die Belange dieser Schrift sei die Wölbungsachse WA kurzerhand als Auffädelungslinie derjenigen Skelettlinienpunkte WAP_i der Profilschnitte PS_i definiert, um die eine Krümmung, definiert über eine Nullstelle der zweiten Ableitung, erfolgt. Damit kann für jeden Wölbungsachspunkt WAP_i eine Wölbungsachsrücklage angegeben werden, die analog zur Wölbungsrücklage des entsprechenden Profils definiert ist.
Damit sich bei einer Wölbungsänderung die Schränkung in der richtigen Richtung ändert, reicht es, wenn sich die Wölbungsachsrücklage in Umfangsrichtung verringert. Das heißt mit anderen Worten, dass sich der Wölbungsachspunkt des Schaufelprofils in radialer Richtung zum Nasenpunkt hin verschiebt. Die Stellbewegung der Schaufel verläuft dann so, dass die Profilsehne am Umfang eine geringere Pitch-Änderung und weniger Wölbungsrücklage ausbildet als an der Nabe.
Die Lage der Wölbungsachse kann bei der Ausbildung des Schaufelform weitgehend frei gestaltet werden, wobei die Schwenkbewegung des drehenden Schaufelsegments bei der Ausbildung der Drehlagerung berücksichtigt werden muss.
Große Schränkungsänderungen lassen sich erzielen, indem die Schaufelform aus mehreren Schaufelsegmenten und Wölbungsachsen ausgebildet wird und die Nasenlinie sichelförmig verläuft, wobei die Segmenthöhe in radialer Richtung zur Nase hin abfällt (6, 7).
Die erfindungsgemäße passive Regelung lässt sich analog auch für Leitschaufeln ausbilden, wobei hier die Fliehkraftmomente entfallen und nur mit Federmomenten gearbeitet werden muss.
Ausführungsformen
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen für besonders bevorzugte Ausgestaltungen und in der Zeichnung weiter beschrieben.
1 zeigt verschiedene mögliche Ausführungsformen des wölbungsveränderlichen Profils in symbolischer Darstellung: offener Kreis = Angelpunkt, gefüllter Kreis = Wölbungsachspunkt, offenes Rechteck = Fußpunkt, Pfeil = Fluidströmung.
1a Repeller-Profil
1b bidirektional angeströmtes Repeller-Profil
1c Propeller-Profil
2 zeigt verschiedene beispielhafte Ausgestaltungen und Aufbauten des wölbungsveränderlichen Profils.
2a Zweisegmentprofil, schuppig überlappend mit Feder als Innenskelett
2b Zweisegmentprofil mit Feder 3c als Innenskelett und Elastomerkörper 3b.
2c Hohlprofil mit (geschlossenem) Außenskelett 3d und vier Lagerpunkten. Die hinteren drei Lagerpunkte 4b, 4c und 4d werden als Torsionslagersystem ausgeführt und bilden zusammen das Lager 4a des Endbereichs.
2d Hohlprofil mit starrem Endsegment und rollengeführter Außenhaut im Nasenbereich. Die Rolle 3e ist im Drehlagerpunkt 3a auf einem um den Lagerpunkt 3g beweglichen Schwenkarm 3f gelagert.
3 zeigt eine beispielhafte Repeller-Ausgestaltung der Erfindung als passiv geregelte Luftturbine für bidirektionale Anströmung (Wells-Turbine). Die Profilschnitte A-A und B-B schematisieren die bidirektionale Stellbewegung einer Schaufel um den Nasenlagerpunkt 3a. Da die Rücklage der Wölbungsachse WA mit zunehmenden Radius abnimmt, verändert die Schaufel auch ihre Schränkung.
4 zeigt eine beispielhafte Repeller-Ausgestaltung der Erfindung als passiv geregelte Darrieus-Turbine.
5 zeigt eine beispielhafte Propeller-Ausgestaltung der Erfindung. Der Profilschnitt G-G schematisiert die Stellbewegung einer Schaufel um den Drehpunkt 4a im Endbereich der Schaufel.
6 zeigt eine beispielhafte Ausgestaltung der Erfindung als passiv geregelte Wasserturbine für bidirektionale Anströmung. Die Schaufel ist mit zwei Wölbungsachsen ausgeführt und kann dadurch im radialen Verlauf eine sehr starke Schränkung ausbilden. Die Profilschnitte D, E, F zeigen den Stellausschlag der Schaufel bei verschiedenen radialen Punkten.
7 zeigt eine perspektivische Darstellung der in 6 im Radialschnitt darstellten beispielhaften Ausgestaltung der Erfindung als passiv geregelte Wasserturbine. Zur Entlastung des Fußpunktlagers kann der Schaufelendbereich in axialer Richtung verstrebt (21, 20) werden.
8 zeigt eine beispielhafte Repeller-Ausführung, bei der der Schaufellagerring (2) umfangsseitig angeordnet ist.
9 zeigt eine beispielhafte Ausbildung der Erfindung als Schlaufen-Repeller mit nach bionischen Erkenntnissen aufgefächerten Schaufelenden.
Die erfindungsgemäße passive Regelung stellt ein allgemeines Lösungsprinzip dar, das für eine große Anzahl von Turbinenarten und auch für unterschiedliche Fluide vorteilhaft anwendbar ist. Dabei hängt die genaue Ausbildung der Erfindung sehr stark vom anvisierten Anwendungsbereich ab.
In besonderem Maße können die Wells-Turbine und die Darrieus-Turbine von der Erfindung profitieren, da das Optimierungspotential für diese Turbinen sehr hoch ist. Als ausgesprochene Schnellläufer und ohne die Fähigkeit zum Selbststart werden diese Turbinen vornehmlich für gasförmige Fluide verwendet. Die Erfindung ebnet den Weg für selbststartende Designs mit höherer Bedeckung, geringerer Schnelllaufzahl und stark erweiterter Leistungsdynamik, die insbesondere auch für einen Betrieb mit flüssigen Fluiden in Frage kommen.
Die Erfindung kann aber auch für gewöhnliche unidirektional angeströmte Axialturbinen in Propeller- oder Repellerausführung vorteilhaft ausgebildet werden, wenn die Leistungsdynamik und mittlere Leistung bei variabler Anströmung ein Optimierungsziel darstellen.
Neben dem Leistungsaspekt ermöglicht die Ausbildung der Erfindung auch eine Verbesserung der akustischen Eigenschaften einer Turbine, was beispielsweise für die Darrieus-Turbine oder für Lüfter, aber auch für Wasserpropeller ein wesentliches Designkriterium darstellt.
In 1 ist eine Profilgestaltung symbolisch dargestellt, die dem von der Avionik her bekannten Landeklappendesign entspricht. Die Änderung der Profilwölbung wird hier durch Drehgelenke zwischen zwei oder mehr starren Segmenten vermittelt. Nach diesem Prinzip ausgebildete Schaufeln erreichen neben einer hohen Formsteifigkeit auch mühelos Arbeitsspiele im Bereich von 10⁸, wie sie etwa für den Einsatz in einer Darrieus-Turbine anfallen. Für Axialturbinen mit hoher Fliehkraftbelastung können die Gelenklager vorteilhaft als Zapfenlager mit Permanentschmierung ausgebildet werden, da die Fliehkraft den Schmierstoff gut im Lager hält.
In 2 sind vier weitere Möglichkeiten dargestellt, wie ein wölbungsveränderliches Profil ausgebildet werden kann. Um auch bei hohen Belastungen und Scherkräften eine gute Ansprechempfindlichkeit zu erzielen und zudem das Rückstellmoment geeignet gestalten zu können, kann das Gelenk auch stoffschlüssig z. B. durch ein biegeelastisches Innenskelett aus Federmaterial hergestellt werden. 2a zeigt einen entsprechenden Aufbau, bei dem das Nasensegment das Endsegment schuppig überlappt, und 2b eine Ausgestaltung, bei der der Profilkörper im Wölbungsbereich durch ein Elastomer ausgeformt ist.
Anstatt eines Innenskeletts kann auch ein Außenskelett aus Federmaterial verwendet werden, das dann zugleich die Flügelhaut bildet. 2c zeigt ein ringartig geschlossenes und an vier Strukturpunkten gelagertes Profil nach diesem Prinzip, das eine sehr gut vermittelte Wölbungsänderung durchmacht, wenn die hinteren drei Strukturpunkte (4b, 4c, 4d) zu einem Lagersystem zusammengefasst und gemeinsam gegen den vorderen Strukturpunkt mit der erfindungsgemäßen rotatorisch-translatorischen Stellbewegung ausgelenkt werden. Das Lagersystem wird vorzugsweise durch drei einzelne Torsionslager auf stoffschlüssigem Weg ausgeführt, wobei eine geringe Translation des Endpunkts 4d entlang der Skelettlinie zu beachten ist.
Alternativ kann das Schaufelprofil auch aus einer U-förmigen Federstruktur geformt sein, deren Schenkel am Endpunkt gegeneinander verschieblich aneinander anliegen. In diesem Fall muss dann entweder aufgrund der Fliehkrafteinwirkung oder durch andere Maßnahmen gewährleistet sein, dass sich das Profil an dieser Stelle im freien Spiel der an der Flügelhaut wirkenden Kräfte nicht öffnet. Eine solche Ausbildung würde sich z. B. für den Einsatz in einem Darrieus-Rotor anbieten, wo die Fliehkraft alle aerodynamischen Kräfte weit übersteigt und eine große Anzahl von Biegespielen gefordert ist.
Neben den vorgestellten grundlegenden Topologien sind auch gemischte Ausgestaltungen möglich, wie in 2d gezeigt. Hier wird ein Endsegment aus Vollmaterial verwendet, das mit einer ringförmig geschlossenen sehr dünnen Profilhaut überzogen ist. Im Nasenbereich wird die Profilhaut 3d durch eine auf einem Schwenkarm 3f gelagerte Rolle 3e geführt. Dabei wird man den Rollenlagerpunkt zweckmäßigerweise auch gleich als vorderen Lagerpunkt 3a ausbilden. Für die erfindungsgemäße Anwendung in einer Axialturbine hat diese Ausführungsform den Vorteil, dass die der Einwirkung des Flächenzentrifugalmoments im Rahmen der Stellbewegung ausgesetzten Schaufelanteile mit sehr geringem Massenanteil ausgebildet werden können und gleichzeitig eine sehr starre Führung des stark mit Kräften belasteten Nasenbereichs gegeben ist.
In 3 ist ein Radialschnitt einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung für eine passiv geregelte Wells-Turbine gemäß Anspruch 4 dargestellt. Die Bedeckung kann vergleichsweise hoch gewählt werden, da die Stellbewegung der Schaufeln den Durchlasskoeffizenten verändert und auch einen Selbstanlauf gewährleistet. Die Wölbung, Pitch und Schränkung ändernde Ausstellbewegung der Schaufelprofils wird durch die Schnittzeichnungen A-A und B-B verdeutlicht. Die mit der vollen Fliehkraft beaufschlagte hintere Lagerung 4a der Schaufeln auf dem Ring wird man hier bevorzugt als starre Verbindung ausführen. Die vordere, lediglich mit dem Nutzmoment beaufschlagte Lagerung kann beispielsweise durch ein gummigefedertes Zapfenlager auf einfache Weise ausgeführt werden. Bei Ausbildung dieses Lagers ist ein (geringer) Radialversatz zu berücksichtigen, der durch die Stellbewegung anfällt, sowie eine Pendelbewegung, wenn die Wölbungsachse nicht radial verläuft.
Da das Schaufelsegment 4 bei starrer Lagerung lediglich in axialer Richtung verschoben wird, geht rechnerisch nur der vordere Schaufelanteil 3 in das durch die Stellbewegung veränderte Flächenzentrifugalmoment ein. Inwieweit sich das Flächenzentrifugalmoment als Stellkraft oder als Rückstellkraft auswirkt, hängt von der Anstellung β der Drehachse DA zum Radialvektor ab. Die Massenverteilung und Anstellung dieses Segments sowie die Federkennlinie der biegeelastischen Schaufelelemente müssen bezogen auf den Lagerpunkt 3a und den Verlauf der Wölbungsachse WA durch Variationsrechnung so gegeneinander austariert werden, dass sich eine gute Annährung an die theoretisch erzielbare optimale Kennlinie ergibt.
Anspruch 7 charakterisiert eine besonders bevorzugte Ausbildung der Erfindung im Rahmen einer H-Darrieus-Turbine, wie sie in 4 als Radialschnitt gezeigt ist. Das Schaufelprofil ist hier im Nasenpunkt 3a auf der zur Turbinenwelle führende Speiche 8 drehgelagert. Der hintere Schaufelbereich ist durch ein Seil oder ein Gestänge mit dem Schaufellagerring verbunden, wobei der bevorzugt halbstarre Lagerpunkt 4a so gewählt ist, dass sich die Fliehkräfte der Schaufeln aus statischer Sicht neutralisieren und die Fliehkraftwirkung auf die Profilwölbung minimal ist.
Es ist unklar, warum selbst eine so einfache Maßnahme wie die eingangs genannte passive Pitch-Regelung, die die Startfähigkeit, Leistung und Leistungsdynamik der Turbine so entscheidend verbessert, bisher keine Verbreitung in den bekannten Designs für H-Darrieus-Anlagen gefunden hat. Eine vergleichende Modellrechnung („H-Darrieus Wind Turbine with Blade Pitch Control", International Journal of Rotating Machinery; Volume 2009, Article ID 505343) benennt immerhin eine jährliche Leistungssteigerung um 30% für einen 7 kW-Prototyp, jedoch ohne auf weitere mögliche leistungssteigernde Designunterschiede einzugehen.
Eine Darrieus-Turbine mit kombinierter Pitch- und Wölbungsregelung kann aus systematischen Gründen im gesamten Kennlinienbereich höhere Leistungsbeiwerte und daher eine noch größere Leistungssteigerung erzielen.
Da der Profilsehnenvektor der Schaufel durch den Vektor der scheinbaren Fluidgeschwindigkeit mit zunehmender Fluidgeschwindigkeit fester geführt wird, kann das Bedeckungsverhältnis einer geregelten Turbine deutlich größer gewählt werden, was die Schnelllaufzahl und Fliehkraftbelastung reduziert. Trotz der verringerten Schnelllaufzahl sinkt die Stall-Neigung, da die Turbine ihr Bedeckungsverhältnis auf passive Weise sehr wirksam reduziert und ihren Arbeitspunkt zu einem geringeren Widerstandsbeiwert hin verschiebt. Damit kann die Turbine bereits bei geringem Windangebot Leistung entwickeln und die Laufbedingung bis hin zu sehr hohen Windstärken aufrecht erhalten, ohne akustisch auffällig zu werden. Auch ein Durchgehen der Turbine bei Ausfall des Generatormoments kann die passive Regelung unterbinden.
Das Arbeitsspiel der erfindungsgemäßen Regelung ist für die Darrieus-Turbine besonders kurz, weil es bei jeder Rotorumdrehung einmal durchlaufen wird. Dabei wird das Rückstellmoment im Wesentlichen durch drei Parameter bestimmt: die Federkennlinie der biegeelastischen Schaufelanteile, die Trägheit der gestellten Schaufelanteile und die Fliehkraftdifferenz der verstellten Schaufelanteile von Schaufel zu Schaufel. Im Unterschied zur Axialturbine fördert die Fliehkraft hier die Stellbewegung mit zunehmender Auslenkung. Die anderen beiden Parameter bilden hingegen für sich gesehen ein durch die Fluidströmung gut bedämpftes Federmassesystem aus, das in der Tendenz einen schädlichen Nachlauf der Regelung im Sinne einer Phasenverschiebung verursacht und auch eine Resonanzbedingung hat. Für größere Anlagen wird man daher gegebenenfalls eine auf den Schaufellagerring einwirkende aktive Differenzregelung gemäß Anspruch 6 ausführen, um die Phase zu korrigieren. Diese Regelung kann im Übrigen auch sehr gut zur Leistungssteuerung eingesetzt werden.
In 5 ist der Radialschnitt eines erfindungsgemäßen Propellers dargestellt. Der dazugehörige Profilschnitt G-G zeigt die Stellbewegung der Schaufel. Bestimmend für das sterische Design der Schaufelausprägung sind Lage und Verlauf der Wölbungsachse im vorgeschränkten Profil. Sie ist so zu wählen, dass sich die Schränkung im Rahmen der Stellbewegung gewinnbringend verändert. Dabei kann auch das hintere Drehlager für die Aufnahme der Fliehkraft ausgebildet werden und so eine sichelförmig nach hinten verlaufende Nasenlinie, vergleichbar 6, realisiert werden. Das vordere Lager fungiert dann nur als Fußpunktlager für das Federmoment und kann beispielsweise als einfaches Gummilager ausgebildet sein.
Die bisherige Betrachtung und auch figürliche Darstellung war der Deutlichkeit halber auf zweigliedrige Profile beschränkt. Um nicht den Eindruck entstehen zu lassen, dass die Erfindung hier eine immanente Beschränkung aufweist, ist mit 6 und 7 die beispielhafte Darstellung einer dreigliedrigen Schaufel gegeben. Ein solches Schaufeldesign wäre beispielsweise für die Ausgestaltung einer passiv geregelten bidirektional angeströmten Wasserturbine geeignet, die das Herz eines Gezeitenströmungskraftwerks bildet. Für die typisch niedrigen Re-Zahlen von Flüssigkeiten ist eine gute Strömungsführung besonders wichtig, was nur durch ein adaptives Schaufeldesign mit großer Stellfreiheit erreicht werden kann.
Die Profilschnitte D-D, E-E und F-F zeigen deutlich, wie sich die Stellbewegung in radialer Richtung hinsichtlich Wölbung, Pitch und Schränkung auf die Schaufel auswirkt. Um die für Wasser-Repeller typisch sehr hohen Seitenkräfte auf die Schaufel besser abzustützen, kann eine beispielsweise am Punkt 20 ansetzende beidseitige Verstrebung 21 zum Schaufellagerring 2 vorgesehen werden.
Für den Schaufellagerring 2 sind prinzipiell zwei unterschiedliche Anordnungen möglich: Bei nabenseitiger Anordnung (3 bis 7) muss er Aussparungen 7 zur Durchführung des Drehlagerzapfens aufweisen, die zugleich als Stellwegbegrenzung wirken. Wird der Schaufellagerring 2 hingegen umfangsseitig ausgebildet (8), resultiert ein Ring-Propeller bzw. Repeller mit hoher mechanischer Stabilität und großem Trägheitsmoment, wobei der Widerstandsbeiwert des Rings zur Stellkraft beiträgt.
Ausgehend von einer umfangsseitigen Schaufellagerung ist dann auch die in 9 dargestellte Weiterbildung der Erfindung zum Schlaufenpropeller bzw. -repeller nach bionischem Vorbild naheliegend. Dazu werden Schlaufensegmente 2k ausgebildet, die umfangsseitig jeweils den vorderen und hinteren Lagerpunkt zweier nach bionischen Erkenntnissen am Ende in zwei Richtungen aufgefächerten Schaufeln verbinden und auf der einen Seite eine drehelastische (3k) und auf der anderen Seite eine in der Tendenz drehsteife (4k) Charakteristik aufweisen.
Bei rein stoffschlüssiger Ausbildung des Schaufelssystems resultiert ein biegeelastisches Gebilde, das die erfindungsgemäße Stellbewegung sinngemäß als strukturelles Ganzes ausbildet.
Bezugszeichenliste

1: Turbinenwelle
2: Schaufellagerring
2k: Schlaufensegment
3: vorderes Profilsegment
3a: Lagerpunkt des vorderen Schaufel-/Profilsegments
3b: Elastomerkörper
3c: biegeelastisches Innenskelett
3d: biegeelastisches Außenskelett, Profilhaut
3e: Führungsrolle
3f: Schwenkarm
3g: Lagerung Schwenkarm
3k: Drehpunkt Schlaufensegment
4: hinteres Profilsegment
4a: Lagerpunkt des hinteren Schaufel-/Profilsegments
4b: mittlerer Strukturpunkt, torsionsgelagert
4c: mittlerer Strukturpunkt, torsionsgelagert
4d: hinterer Strukturpunkt, torsionsgelagert
4e: halbstarres Koppelglied
4k: Fußpunkt Schlaufensegment
5: mittleres Schaufelsegment (dreigliedrige Ausführung)
7: Aussparung für Lagerzapfen
8: Speiche
20: Lagerpunkt für Verstrebung
21: Strebe
22: Lagerpunkt für Verstrebung
WA: Wölbungsachse
WA1: Wölbungsachse
WA2: Wölbungsachse
α: Anstellwinkel, Pitch
β: Radialabweichung der Drehachse
Δ: Stellweg
TA: Turbinenachse
DA: Drehachse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 5191225 A [0007]
DE 102008004761 A1 [0015]
DE 102007059038 B3 [0019]
US 1835018 A [0024]
US 20050271508 A1 [0028]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

„Aerodynamics of the wells turbine: Control by swinging rotor-blades” (International Journal of Mechanical Sciences Volume 31, Issue 6, 1989, Pages 425–434) [0017]
„H-Darrieus Wind Turbine with Blade Pitch Control”, International Journal of Rotating Machinery; Volume 2009, Article ID 505343 [0080]

Claims

Turbine mit wölbungsveränderlichen Schaufeln, bestehend aus mindestens zwei im biegeelastischen oder drehbaren Verbund stehenden Segmenten (3, 4), dadurch gekennzeichnet, dass – die Schaufel eine kombinierte Pitch- und Wölbungsverstellung durch den Fluidstrom erfährt, bei der die Schaufelwölbung entlang mindestens einer Wölbungsachse verändert wird, – jede der Schaufeln im Nasensegment 3 und im Endsegment 4 gelagert ist, wobei eines der Lager als Drehpunkt ausgebildet ist und das Nutzmoment zwischen Schaufel und Turbinenwelle überträgt, während das andere in der Tendenz drehsteif ausgebildet ist und den Fußpunkt der Stellbewegung bildet, der diese in eine Pitch- und eine Wölbungskomponente aufteilt, – sich im Betrieb ein Gleichgewicht zwischen den fluiddynamischen Momenten, den Federmomenten der biegeelastischen Elemente und der Fliehkraftmomente auf die beweglichen Schaufelelemente einstellt, – die Gestaltung und Massenverteilung der Schaufelsegmente, der Verlauf der mindestens einen Wölbungsachse und die Position der Lagerpunkte ein dynamisches System mit passiver Stellcharakteristik ausbilden, das den Arbeitspunkt der Turbine an einen veränderlichen Fluidstrom anpasst.
Turbine nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass – die Turbine als Axial-Repeller ausgebildet ist, – der Verlauf der mindestens einen Wölbungsachse eine sich in radialer Richtung verringernde Wölbungsrücklage als Schränkung ausbildet, – das Lager im Nasensegment jeder Schaufel als Drehpunkt ausgebildet ist und das Nutzmoment von der Schaufel auf die Turbinenwelle überträgt, – das Lager im Endsegment jeder Schaufel als Fußpunkt der Stellbewegung ausgebildet ist und die Stellbewegung auf einen frei gelagerten Schaufellagerring überträgt, wobei sich alle von der Schaufel übertragenen Kräfte gegenseitig ausgleichen.
Turbine nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass – die Turbine als Axial-Propeller ausgebildet ist, – der Verlauf der mindestens einen Wölbungsachse eine sich in radialer Richtung verringernde Wölbungsrücklage als Schränkung ausbildet, – das Lager im Endsegment jeder Schaufel als Drehpunkt ausgebildet ist und das Drehmoment von der Turbinenwelle auf die Schaufel überträgt, – das Lager im Nasensegment jeder Schaufel als Fußpunkt der Stellbewegung ausgebildet ist und die Stellbewegung auf einen frei gelagerten Schaufellagerring überträgt, wobei sich alle von der Schaufel übertragenen Kräfte gegenseitig ausgleichen.
Turbine nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass – die Schaufeln mit symmetrischen Profilen ausgebildet sind und im zeitlichen Verlauf bidirektional durch das Fluid angeströmt werden, – die Stellbewegung eine bidirektionale Änderung der Wölbung, des Anstellwinkels und der Schränkung um die symmetrische Ausgangsstellung bewirkt.
Turbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – die Turbine als Vertikalachs-Repeller ausgebildet ist, wobei die Schaufeln vermittels Speichen mit radialem Abstand um die Turbinenwelle geführt werden, – jede Schaufel im Nasensegment auf mindestens einer Speiche drehgelagert ist, – die Stellbewegungen der Schaufeln durch im hinteren Segment am Fußpunkt angreifende Zug- oder Schub-/Zugmittel über einen, die Turbinenwelle umgebenden exzentrisch auslenkbaren Schaufellagerring gekoppelt werden.
Turbine nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellbewegung des Schaufellagerrings durch ein auf den Schaufellagerring wirkendes aktives Steuerglied korrigierbar ist.
Turbine nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbine als geregelte H-Darrieus-Turbine ausgeführt ist.
Turbine nach Anspruch 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbine als geregelte Luftturbine für ein OWC-Meereswellenkraftwerk ausgebildet ist.
Turbine nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbine als geregelte Wasserturbine für ein Gezeitenströmungskraftwerk ausgebildet ist.
Turbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Nasen- und Endsegmente je zweier benachbarter Schaufeln an umfangsseitigen Lagerpunkten 3k und 4k über ein Schlaufensegment 2k verbunden sind, wobei einer der Lagerpunkte von der Charakteristik her als Drehpunkt und der andere als Fußpunkt ausgebildet ist.