-
Die Erfindung betrifft einen Rotor für eine Energiewandlungsmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und eine Energiewandlungsmaschine.
-
Bei derartigen Energiewandlungsmaschinen, die zur Wandlung von Strömungsenergie von Fluiden wie z. B. Wasser in nutzbare Energie dienen, gibt es verschiedene Ansätze. Es ist bekannt, eine im Wesentlichen gleichgerichtete Anströmung (z. B. aus Fließgewässern) und/oder eine umlaufende Orbitalströmung von welligem Wasser (insbesondere von welligen Meeren) in Rotationsenergie eines Rotors zu wandeln. Über eine Abtriebswelle des Rotors wird z. B. elektrische oder hydraulische Energie erzeugt.
-
Die Energie einer gleich gerichteten Anströmung kann z. B. mit einem Rotor mit Rotorblättern gewandelt werden, der frontal gegen die Anströmung gerichtet ist, während eine Abtriebswelle des Rotors entlang der Anströmung gerichtet ist. Weiterhin kann eine gleich gerichtete Anströmung auch von einem Savonius-Rotor gewandelt werden, der quer zur Anströmung ausgerichtet ist, und der am Umfang der Abtriebswelle gleichmäßig verteilte gebogene schaufelartige Widerstandselemente hat, die sich entlang der Abtriebswelle erstrecken. Der Strömungswiderstand der Widerstandselemente in Anströmrichtung ist größer als in einer dieser entgegen gesetzten Richtung. Der Strömungswiderstand in der entgegen gesetzten Richtung ist beim Rücklauf der Widerstandselemente wirksam und wirkt gegen die gewünschte Rotation. Die ungleichen Strömungswiderstände werden dadurch erreicht, dass jedes schaufelartige Widerstandselement eine konkave Seite und eine konvexe Seite hat.
-
In der Druckschrift
WO 2006/063833 A1 ist ein dem gegenüber weiter entwickelter Savonius-Rotor mit elastischen Schaufeln bzw. Widerstandselementen gezeigt, die sich bei Anströmung der konkaven Seite aufrichten und dadurch vergrößern, während sie sich bei Anströmung der konvexen Seite zur Abtriebswelle biegen und dadurch verkleinern.
-
Mit derartigen Savonius-Rotoren kann bei einer gleich gerichteten seitlichen Anströmung des gesamten Savonius-Rotors Rotationsenergie in einer – durch die Krümmungsrichtung der Schaufeln bzw. der Widerstandselemente definierten – Drehrichtung des Rotors gewonnen werden.
-
Die Druckschrift
US 6,006,518 zeigt einen Rotor zur Nutzung der Strömungsenergie aus Wellen oder Tidenhub eines Meeres, der an seinem Umfang verteile klappbare Widerstandselemente hat. Diese klappen bei einer Anströmung aus einer gewünschten Richtung aus und bei einer dieser entgegen gesetzten Richtung ein. Damit kann bei einer gleich gerichteten seitlichen Anströmung Rotationsenergie in einer – durch die Klapprichtung der Widerstandselemente definierten – Drehrichtung des Rotors gewonnen werden.
-
Eine umlaufende Orbitalströmung, wie sie an oder unter der Wasseroberfläche von welligen Gewässern vorkommt, kann z. B. durch Rotoren gewandelt werden, bei denen an einer Abtriebswelle zumindest ein umlaufendes Widerstandselement gekoppelt ist. Die Abtriebswelle und das Widerstandselement werden horizontal dicht unter der Wasseroberfläche angeordnet und quer zur Ausbreitungsrichtung der Welle ausgerichtet.
-
Die oben beschriebenen Savonius-Rotoren eignen sich auch für die Wandlung derartiger umlaufender Orbitalströmungen. Dabei ist gemäß zwei verschiedenen Anwendungsfällen eine Ausrichtung der Abtriebswelle des Savonius-Rotors quer zur Ausbreitungsrichtung und alternativ entlang der Ausbreitungsrichtung der Welle möglich. Allerdings kann die Achse für einen Savonius-Rotor jedoch auch andere Ausrichtungen einnehmen, wie z. B. vertikal oder schräg/windschief.
-
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Rotor mit Widerstandselementen für eine Energiewandlungsmaschine für eine Fluidströmung zu schaffen, dessen Wirkungsgrad gegenüber dem Stand der Technik verbessert ist.
-
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Widerstandselement mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
-
Der erfindungsgemäße Rotor für eine Energiewandlungsmaschine dient zur Umwandlung von Energie einer richtungsfesten oder richtungsvariablen – insbesondere orbitierend umlaufenden – Fluidströmung in eine Rotation einer Rotorwelle. Dazu ist an der Rotorwelle zumindest ein um die und mit der Rotorwelle umlaufendes Widerstandselement befestigt, das sich im Wesentlichen radial von der Rotorwelle weg erstreckt. Das zumindest eine Widerstandselement hat eine erste und eine zweite Seite. Bei einer Anströmung gegen die erste Seite ergibt sich eine erste Strömungstransparenz und bei einer Anströmung gegen die zweite Seite eine zweite Strömungstransparenz. Die erste Strömungstransparenz ist geringer als die zweite Strömungstransparenz. Dadurch haben die Widerstandselemente während ihres Rücklauf, bei dem Sie an Ihrer zweiten Seite angeströmt werden, einen deutlich verringerten Strömungswiderstand, und ihr Wirkungsgrad während eines Gesamtumlaufs oder einer Vielzahl von Gesamtumläufen ist verbessert.
-
Bei einer besonders bevorzugten Weiterbildung ist die besagte erste Strömungstransparenz oder die besagte zweite Strömungstransparenz des Widerstandselements insgesamt oder abschnittsweise mechanisch veränderbar, insbesondere in Abhängigkeit von einem durch anströmendes Fluid ausgeübten Anströmungsdruck.
-
Die Anströmung kann die Summe aus der Fluidströmung und aus einer Relativströmung sein, die sich aus der Rotation des Rotors im Fluid ergibt.
-
Bei einem bevorzugten Anwendungsfall des erfindungsgemäßen Rotors ist die Fluidströmung durch eine Orbitalströmung von Wasser in welligen Gewässern, idealer Weise im Meer, gebildet. Die Strömungsgeschwindigkeit der Wassermoleküle in der Orbitalströmung hängt von den Parametern Wellenhöhe, Periodendauer und Tauchtiefe ab. Demgegenüber hängt die lokale Geschwindigkeit des Flügels bzw. Widerstandselements von seiner Länge und der Winkelgeschwindigkeit ab. Insbesondere für Rotoren mit einem Flügel bzw. Widerstandselement sollte die Umlaufdauer des Rotors auf die Periodendauer der Welle abgestimmt sein. Ist nun für eine gegebene Wellenperiodendauer mit einer damit assoziierten Rotordrehgeschwindigkeit die Geschwindigkeit der Rotorspitze größer, als die Orbitalströmungsgeschwindigkeit in der gegebenen Wassertiefe, so würden die Wassermoleküle in diesem Bereich durch den Rotor beschleunigt. Somit würde durch den Rotor Arbeit an den Wassermolekülen verrichtet. In dem beschriebenen Fall besitzt der Rotor eine größere radiale Erstreckung als der Orbitalradius am Einsatzort. Dadurch sinkt die Wandlungseffizienz des Rotors gegenüber einem kleiner/passend dimensionierten Rotor.
-
Wenn hingegen die radiale Erstreckung des Widerstandselements an kleine Orbitale angepasst wäre, könnte die Energie, die sich bei hohen Wellen ergibt, nicht gewandelt werden. Auch dies führt zu einer deutlichen Absenkung des Wirkungsgrades des Rotors. Bei dem entsprechenden Anwendungsfall des erfindungsgemäßen Rotors in einer Orbitalströmung passt sich die radiale Erstreckung beider Seiten gewissermaßen an unterschiedliche Radien der Orbitalströmung und damit an die örtlich spezifisch vorliegende Anströmungsgeschwindigkeit, wie sie sich bei unterschiedlichen Wellenhöhen an der Wasseroberfläche ergeben, an.
-
Bei einer besonders bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Rotors hat das Widerstandselement entlang seiner radialen Erstreckung mehrere radial nebeneinander angeordnete streifenförmige Klappen oder matrixartig axial und radial nebeneinander angeordnete Klappen. Die Klappen sind bei einer Anströmung gegen die erste Seite in einer geschlossenen Stellung an einem ersten Anschlag abgestützt und werden bei einer Anströmung gegen die zweite Seite aufgeschwenkt oder aufgebogen. Damit sind – je nach Richtung der Anströmung – stark unterschiedliche Strömungstransparenzen bzw. Strömungswiderstände des Widerstandelements des erfindungsgemäßen Rotors gegeben. Insbesondere können dadurch auch Strömungsgeschwindigkeitsgradienten über die Widerstandselementserstreckung, wie sie sich in realen Wellen ergeben können, sehr gut und effizient genutzt werden.
-
Die Klappen können über ein Schwenkgelenk oder über einen elastischen Biegeabschnitt an das Widerstandselement gekoppelt sein.
-
Es wird bevorzugt, wenn für jede Klappe ein zweiter Anschlag vorgesehen ist, der an der jeweiligen Klappe oder am Widerstandselement angebracht ist. Über den zweiten Anschlag wird eine Öffnungsbewegung der jeweiligen Klappe auf etwa 90 Grad gegenüber dem Widerstandselement begrenzt. Damit sind Konfigurationen vermieden, bei denen die Klappen um mehr als 90 Grad geöffnet werden und danach ein Schließen – durch Anströmung gegen die erste Seite – verhindert ist.
-
Es wird weiterhin bevorzugt, wenn zwischen den Klappen etwa parallel zur Rotorwelle tangentiale Stege am Widerstandselement befestigt sind. Dadurch kann ein Abströmen des Fluids in radialer Richtung vermindert werden.
-
Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform hat das Widerstandselement mehrere Durchgangsausnehmungen, die an der ersten Seite von konvexen Oberflächenabschnitten und/oder an der zweiten Seite von konkaven Oberflächenabschnitten umgeben sind. Alternativ können die Durchgangsausnehmungen auch an der ersten Seite von hervorstehenden kegel- oder pyramidenförmigen Oberflächenabschnitten und/oder an der zweiten Seite von kegel- oder pyramidenförmigen Vertiefungen an der Oberfläche umgeben sein. Eine Anströmung gegen die erste Seite wird überwiegend vom der Durchgangsausnehmung weg geführt und somit vermieden, und eine Anströmung gegen die zweite Seite wird überwiegend zur Durchgangsausnehmung hin geführt und damit verstärkt. Somit sind die erfindungsgemäß unterschiedlichen Strömungstransparenzen ohne bewegliche Teile realisiert.
-
Gemäß einer ersten bevorzugten Formgebung ist das Widerstandselement gebogen oder schaufelförmig. Dabei ist die erste Seite im Wesentlichen konkav, während die zweite Seite im Wesentlichen konvex ist. Der Rotor kann dabei insbesondere ein Savonius-Rotor sein.
-
Gemäß einer zweiten bevorzugten vorrichtungs- und fertigungstechnisch einfachen Formgebung ist das Widerstandselement flächig.
-
Die erfindungsgemäße Energiewandlungsmaschine hat einen oben beschriebenen Rotor und einen Generator, über den die Rotation der Rotorwelle in elektrischen Strom wandelbar ist.
-
Dabei kann ein Moment des Generators änderbar sein und zur Steuerung und/oder zur Regelung der Energiewandlungsmaschine genutzt werden.
-
Bei einem bevorzugten Anwendungsfall ist die Energiewandlungsmaschine im Wesentlichen getaucht im Wasser angeordnet, wobei die Rotorwelle im Wesentlichen horizontal verläuft.
-
Es können passive oder aktive Mittel vorgesehen sein, um die Rotorwelle im Wesentlichen senkrecht zu einer Ausbreitungsrichtung einer Welle auszurichten.
-
Die Rotorwelle der erfindungsgemäßen Energiewandlungsmaschine kann in einem Rahmen oder Gehäuse gelagert sein, an dem der Generator zur Abführung eines Drehmoments abgestützt ist.
-
Im Folgenden werden anhand der Figuren verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung detailliert beschrieben. Es zeigen:
-
1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Rotors in einer schematischen Ansicht;
-
2 ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Rotors in einer schematischen Ansicht;
-
3 ein viertes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Rotors in einer seitlichen schematischen Ansicht;
-
4 das erste und das zweite Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Rotors in einer seitlichen schematischen Ansicht;
-
5 ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Rotors in einer seitlichen schematischen Ansicht;
-
6 einen Ausschnitt eines fünften Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Rotors in einer seitlichen schematischen Ansicht;
-
7 einen Ausschnitt eines sechsten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Rotors in einer seitlichen schematischen Ansicht;
-
8 ein siebtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Rotors in einer seitlichen schematischen Ansicht; und
-
9a bis 9c ein achtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Rotors in drei schematischen Darstellungen.
-
Die ersten vier Ausführungsbeispiele (gemäß den 1 bis 5) und das achte Ausführungsbeispiel (gemäß den 9a bis 9c) zeigen jeweils einen erfindungsgemäßen Rotor mit nur einem Widerstandselement für eine umlaufende Orbitalströmung. Die Widerstandeselemente dieser Ausführungsbeispiele können auch bei einem Rotor mit mehreren Widerstandselementen (gemäß 8) verwendet werden. Die Rotoren dieser Ausführungsbeispiele sind in ein Meer mit welliger Oberfläche eingetaucht, wobei eine Rotorwelle 1; 101; 201; 301; 801 im Wesentlichen horizontal verläuft und im Wesentlichen quer zur Ausbreitungsrichtung der Welle ausgerichtet ist. Wasserteilchen, die sich an der Wasseroberfläche eines Wellenbergs oder unter einem Wellenberg befinden, bewegen sich zyklisch bzw. übergangsweise in Ausbreitungsrichtung der Welle. Wasserteilchen, die in oder unter einem Wellental angeordnet sind, bewegen sich zyklisch bzw. übergangsweise gegen die Ausbreitungsrichtung der Welle. Es ergibt sich, dass die Wasserteilchen entlang umlaufender Orbitalbahnen strömen. Der Durchmesser der Orbitalbahnen ist an der Wasseroberfläche gleich dem Höhenunterschied zwischen einem Wellental und einem Wellenberg und nimmt mit zunehmender Wassertiefe ab.
-
Ab einer Wassertiefe von der Hälfte der Wellenlänge ist nahezu keine Orbitalströmung mehr vorhanden. Daher ist der jeweilige Rotor gemäß den ersten fünf Ausführungsbeispielen (gemäß den 1 bis 5) und dem neunten Ausführungsbeispiel (gemäß den 9a bis 9c) zur Aufnahme der Energie der Orbitalströmung vergleichsweise dicht unterhalb der Wasseroberfläche angeordnet.
-
1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Rotors in einer schematischen Ansicht. Er besteht aus einer Rotorwelle 1 und einem im Wesentlichen flächigen Widerstandselement 2. Der gezeigte Rotor 1, 2 ist in ein Meer mit welliger Oberfläche eingetaucht, wobei die Rotorwelle 1 im Wesentlichen horizontal verläuft und im Wesentlichen quer zur Ausbreitungsrichtung der Welle ausgerichtet ist.
-
Das Widerstandselement 2 erstreckt sich entlang der Rotorwelle 1 und ist drehfest mit dieser verbunden. In der (in 1) gezeigten Momentaufnahme befindet sich das Widerstandselement 2 oberhalb der Rotorwelle 1. Diese Drehposition nimmt der Rotor 1, 2 ein, wenn sich über ihm ein Wellenberg befindet, so dass das Widerstandselement 2 von den Wasserteilchen der Orbitalströmung in die Zeichenebene hinein mitgenommen und verschwenkt wird. Durch die umlaufende Orbitalströmung läuft auch das Widerstandselement 2 und die Rotorwelle 1 um. Die so erzeugte bzw. gewonnene Rotationsenergie der Rotorwelle 1 wird über einen (nicht gezeigten) Generator in elektrische Energie umgewandelt. Durch eine Regelung des abgegriffenen Drehmoments kann eine sehr gute Synchronizität zwischen der Rotordrehung und der Orbitalströmung erreicht werden.
-
Wenn die Wellen vergleichsweise niedrig sind, und die Orbitalströmung dem entsprechend einen vergleichsweise geringen Radius mit kleinen Strömungsgeschwindigkeiten hat, ist es möglich, dass die Anströmung (Überlagerung aus Orbitalströmung und durch Eigenrotation verursachte Relativströmung) in einem äußeren (in 4 und 5 oberen) Randbereich des Widerstandselements 2 entgegen der Rotationsrichtung des Rotors gerichtet ist. Dabei wird der Randbereich von Wasserteilchen aus der falschen Richtung angeströmt und reduziert somit den Wirkungsgrad des Rotors 1, 2 erheblich.
-
Um diese und um eine weitere – mit Bezug zu 4 – erläuterte Anströmung gegen eine zweite (in 1 nicht gezeigte) Seite zu vermeiden, ist das Widerstandselement 2 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel in eine Vielzahl von horizontal verlaufenden streifenförmigen Klappen 4 unterteilt. Jede Klappe 4 ist schwenkbar um ihre der Rotorwelle 1 zugewandte Seite an einem (nicht näher gezeigten) Rahmen des Widerstandselements 2 angeordnet und gelagert.
-
Die in 1 gezeigte erste Seite 6 des Widerstandselements 2 wird von einer Anströmung beaufschlagt, die aus einer Überlagerung der Orbitalströmung und der durch die Eigenrotation entstehende Relativströmung entsteht, wobei die länglichen Klappen 4 zumindest größten Teils geschlossen sind und sich dadurch an der ersten Seite 6 eine geringe Strömungstransparenz mit hohem Strömungswiderstand ergibt.
-
2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Rotors in einer schematischen Ansicht. Dieses Ausführungsbeispiel entspricht im Prinzip dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß 1. Das Widerstandselement 102 ist in eine Vielzahl matrixartig angeordneter rechteckiger Klappen 104 unterteilt. Die Klappen 104 haben an einer ihrer vier Seiten ein Gelenk oder einen elastischen Biegeabschnitt (beide nicht gezeigt) und an ihrer gegenüber liegenden Seite jeweils einen Anschlag gegenüber einem Rahmen (beides nicht gezeigt) des Widerstandselements 102.
-
Ist die Anströmung, die aus einer Überlagerung der Orbitalströmung und der durch die Eigenrotation entstehende Relativströmung entsteht, an der jeweiligen Klappe in die Zeichenebene gerichtet, schließt diese und stützt sich am Anschlag ab. Bei einer Anströmung, die dem entgegen (aus der Zeichenebene heraus) gerichtet ist, öffnet jede betroffene Klappe 104. Als Weiterentwicklung gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel kann beim zweiten Ausführungsbeispiel auch eine Anströmung berücksichtigt werden, die entlang der Rotorwelle 101 variiert.
-
4 zeigt die ersten beiden Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Rotors (gemäß 1 und 2) in einer seitlichen schematischen Ansicht. Darüber hinaus ist links eine Momentaufnahme des Geschwindigkeitsprofils der Orbitalströmung 312 schematisch dargestellt (eine Abnahme der Orbitalgeschwindigkeit mit zunehmender Wassertiefe ist nicht berücksichtigt). Weiterhin ist das Geschwindigkeitsprofil der Relativströmung 314 dargestellt, das sich auf Grund der Eigenrotation des Flügels bzw. Widerstandselements ergibt. Die Relativströmung 314 ist dabei von links nach rechts gerichtet (der Flügel bzw. das Widerstandeselement 302 dreht sich im Uhrzeigersinn, dadurch wirken die ruhend angenommen Wasserpartikel auf seiner rechten Seite wie eine Anströmung). Dabei ist angenommen, dass die Wellenausbreitungsrichtung von links nach rechte gerichtet ist, dass sich der Wellenberg gerade oberhalb des Rotors 301, 302 befindet, und dass sich dementsprechend auch die Orbitalströmung 312 im Uhrzeigersinn dreht, wie dies durch den Pfeil für den Rotor 301, 302 angedeutet ist.
-
In dem Bereich in Nähe der Rotorwelle 301 mit den Klappen 304b, in dem die Orbitalströmung 312 größer ist, als die Relativströmung 314, ergibt sich eine Anströmung, die von links nach rechts gegen die erste Seite 306 gerichtet ist. Dadurch schließen sich diese Klappen 304b in diesem Bereich, was zu einer geringen Strömungstransparenz führt. In dem Bereich mit den Klappen 304a ergibt sich eine Anströmung von rechts nach links gegen die zweite Seite 308. Dadurch öffnen sich die Klappen 304a in diesem Bereich, was zu einer hohen Strömungstransparenz führt. Zwischen den Klappen 304a und 304b gibt es einen Übergangsbereich, in dem sich die beiden Strömungen 312, 314 genau aufheben, die Anströmung also gleich Null ist.
-
Durch diesen Aufbau wird erreicht, dass der Bereich des Widerstandselements 302, der mit einer Anströmung von links beaufschlagt wird, eine geringe Strömungstransparenz aufweist, während der Bereich des Widerstandselements 302, der mit einer Anströmung von rechts beaufschlagt wird, eine hohe Strömungstransparenz aufweist. Somit ist der Gesamtwirkungsgrad des Rotors 301, 302 optimiert. Darüber hinaus passt sich der Rotor 301, 302 immer automatisch an die herrschenden Strömungsbedingungen an.
-
5 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Rotors in einer seitlichen schematischen Ansicht. Der Rotor 301, 402 entspricht weitgehend demjenigen des Ausführungsbeispiels gemäß 4. Abweichend sind beim dritten Ausführungsbeispiel die Klappen 304a, 304b in „Lee” des Rahmens 410 bzw. des Widerstandselements 402 angeordnet. Damit sind die geschlossenen Klappen 304b und insbesondere die geöffneten Klappen 304a vom Rahmen 410 umfasst und somit gegen mechanische Beschädigung geschützt.
-
3 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Rotors 201, 202 in einer seitlichen schematischen Ansicht. Dieses Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen den Darstellungen in den 4 und 5 und ist um Stege 211, die weitgehend senkrecht auf der Rahmenoberfläche angeordnet sind, erweitert. Diese führen zu einer verbesserten Strömungsführung und einem verbesserten Schutz der Klappen 204a, 204b, und erhöhen damit die Effizienz des Rotors 201, 202 weiter.
-
6 zeigt einen Ausschnitt eines fünften Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen. Rotors in einer seitlichen schematischen Ansicht. Dabei ist ein Abschnitt eines Rahmens 510 eines Widerstandselements 502 mit drei etwas geöffneten Klappen 504a gezeigt. Diese haben ein jeweiliges Schwenkgelenk 516, das in geschlossener Stellung der Klappen 504a jeweils als Anschlag für jeweils eine (in 6 untere) benachbarte Klappe 504a dient.
-
Weiterhin ist an jeder Klappe 504a ein in Öffnungsrichtung wirksamer Anschlag 518 vorgesehen. Über diesen stützt sich jede Klappe 504a im komplett geöffneten Zustand über den Anschlag 518 an einer (nicht näher gezeigten) Stelle des Rahmens 510 ab. Dabei hat die entsprechende Klappe 504a einen Öffnungswinkel von = 90° gegenüber dem Rahmen 510.
-
7 zeigt einen Ausschnitt eines sechsten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Rotors in einer seitlichen schematischen Ansicht. dabei ist ein Ausschnitt eines Rahmens 610 eines Widerstandselements 602 gezeigt. Weiterhin sind drei beispielhafte Klappen 604a gezeigt, die jeweils über ein Schwenkgelenk 616 im Rahmen 610 gelagert sind. Am Rahmen 610 sind Anschläge 618, 620 befestigt, wobei Anschläge 620 in Schließrichtung der jeweiligen Klappe 604a wirksam sind, während Anschläge 618 in Öffnungsrichtung der jeweiligen Klappe 604a wirksam sind.
-
8 zeigt ein siebtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Rotors in einer seitlichen schematischen Ansicht. Gleichmäßig am Umfang einer Rotorwelle 701 sind radial abstehende flächige Widerstandselemente 702a–c vorgesehen. Der Rotor 701, 702a–c wird von einer Fluidströmung 712 beaufschlagt, die (in 8) konstant von links nach rechts gerichtet ist. Die Fluidströmung 712 entsteht z. B. in einem Fließgewässer. Jedes Widerstandselement 702a–c, hat mehrere Klappen 704a, 704b, deren Form gemäß 1 streifenartig sein kann, oder deren Anordnung gemäß 2 matrixartig sein kann. Die Klappen 704a, 704b sind jeweils an ihrer von der Rotorwelle 701 abgewandten Seite über einen (nicht näher gezeigten) elastischen Biegeabschnitt am jeweiligen Widerstandselement 702a–c befestigt.
-
Das (in 8) obere Widerstandselement 702a wird bei der gezeigten Momentaufnahme im Bereich der Klappen 704b mit einer resultierenden Anströmung von links nach rechts gegen seine erste Seite 706a angeströmt, so dass diese Klappen 704b geschlossen sind. Im Bereich der Klappen 704a wirkt die resultierende Anströmung von rechts nach links, so dass diese Klappen 704a geöffnet sind. Das Verhältnis an Klappen 704a zu 704b hängt von den aktuell vorliegenden Strömungsverhältnissen ab (siehe 4). Das Widerstandselement 702a wird damit in Rotationsrichtung mit einer resultierenden Kraft beaufschlagt. Die beiden anderen Widerstandselemente 702b, 702c befinden sich gewissermaßen im Rücklauf gegen die Fluidströmung 712, so dass sie jeweils an ihrer zweiten Seite 708b, 708c von einer Anströmung beaufschlagt werden, die die Summe aus der Fluidströmung 712 und der durch die Drehbewegung erzeugten (nicht gezeigten) Relativströmung ist. Dadurch sind hier alle Klappen geöffnet, die Widerstandselemente weisen momentan eine hohe Strömungstransparenz auf.
-
9a bis 9c zeigen ein achtes Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Rotors in drei schematischen Darstellungen. Dabei zeigt 9b eine seitliche geschnittene Ansicht einer Rotorwelle 801 mit einem flächigen Widerstandselement 802. 9a zeigt die zweite Seite 808 des Widerstandselements 802 abschnittsweise, während 9c die erste Seite 806 des Widerstandselements 802 abschnittsweise zeigt.
-
Die erfindungsgemäße unterschiedliche Strömungstransparenz der beiden Seiten 806, 808 wird ohne bewegliche Teile dadurch erreicht, dass in regelmäßigen Abständen flächendeckend Durchgangsausnehmungen 822 angeordnet sind. An der in 9c gezeigten ersten Seite 806 sind die Durchgangsausnehmungen 822 jeweils umgeben von einem pyramidenförmigen Abschnitt 824, der jeweils von vier dreieckigen Flächen gebildet ist und an dessen jeweiliger Spitze die Durchgangsausnehmung 822 mündet. Damit wird eine gegen die (in 9c gezeigte) erste Seite 806 des Widerstandselements 802 gerichtete Anströmung, die sich aus umlaufender Orbitalströmung und aus Relativströmung ergibt, von den Durchgangsausnehmungen 822 abgelenkt, wodurch die Strömungstransparenz der ersten Seite 806 vergleichsweise gering ist. Dem gegenüber ist die zweite Seite 808 gemäß 9a flach, so dass eine gegen die zweite Seite 808 gerichtete Anströmung einen gegenüber der ersten Seite 806 verringerten Strömungswiderstand und damit erhöhte Strömungstransparenz aufweist.
-
Bei allen Ausführungsbeispielen mit Klappen 104; 204a, 204b; 304a, 304b; 504a; 604a; 704a, 704b (gemäß den 1 bis 8) werden diese, bevor sie zu einem Hindernis der gewünschten Drehbewegung des entsprechenden Widerstandselements 2; 102; 202 302; 402; 702a, 702b, 702c und damit der Rotorwelle 1; 101; 201; 301; 501; 701 werden, passiv geöffnet. Dazu werden sie von der gegen die gewünschte Richtung erfolgenden Anströmung aufgedrückt.
-
Abweichend vom ersten und zweiten Ausführungsbeispiel kann eine Kombination der gezeigten Klappentypen, nämlich streifenförmige Klappen 4 und matrixartige Klappen 104, vorgesehen sein.
-
Abweichend vom achten Ausführungsbeispiel gemäß 9a–c kann deren zweite Seite 808 auch mit pyramidenförmigen Vertiefungen in der Umgebung jeder Durchgangsausnehmung 822 versehen sein, um die Strömungstransparenz der zweiten Seite 808 weiter zu erhöhen.
-
Offenbart ist ein Rotor für eine Wellenenergieanlage, der zur Umwandlung von Energie einer geradlinigen oder umlaufenden Fluidströmung in eine Rotation einer Rotorwelle dient. Dazu ist an der Rotorwelle zumindest ein um die und mit der Rotorwelle umlaufendes Widerstandselement befestigt, das sich im Wesentlichen radial von der Rotorwelle weg erstreckt. Das zumindest eine Widerstandselement hat eine erste und eine zweite Seite. Bei einer Anströmung gegen die erste Seite ergibt sich eine erste Strömungstransparenz und bei einer Anströmung gegen eine zweite Seite eine zweite Strömungstransparenz. Die erste Strömungstransparenz ist geringer als die zweite Strömungstransparenz. Das Widerstandselement ist also für unterschiedliche Anströmungsrichtungen für das Fluid unterschiedlich durchlässig.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1; 101; 201; 301; 501; 701; 801
- Rotorwelle
- 2; 102; 202; 302; 402; 502; 602; 702a, 702b, 702c; 802
- Widerstandselement
- 4
- streifenförmige Klappe
- 104; 204a, 204b; 304a, 304b; 504a; 604a; 704a, 704b
- Klappe
- 6; 106; 206; 306; 406; 506; 606; 706a, 706b, 706c; 806
- erste Seite
- 208; 308; 408; 508; 608; 708a, 708b, 708c; 808
- zweite Seite
- 210; 310; 410; 510; 610
- Rahmen
- 211
- Steg
- 212; 312
- Orbitalströmung
- 314
- Relativströmung
- 516; 616
- Schwenkgelenk
- 518; 618
- Anschlag
- 620
- Anschlag
- 712
- Fluidströmung
- 822
- Durchgangsausnehmung
- 824
- pyramidenförmiger Abschnitt
-
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
-
- WO 2006/063833 A1 [0004]
- US 6006518 [0006]
