DE102011113280A1

DE102011113280A1 - Rotor zur Umwandlung von Strömungsenergie eines strömenden gasförmigen Fluids in Rotationsenergie und Anlage zur Erzeugung elektrischer Energie damit

Info

Publication number: DE102011113280A1
Application number: DE102011113280A
Authority: DE
Inventors: Stephan Pacardo
Original assignee: PACARDO POPP GbR VERTRETEN DURCH DEN GESELLSCHAFTER FRANZ POPP; Pacardo-Popp GbR (vertreten durch den Gesellschafter Franz Popp 96050 Bamberg)
Current assignee: POPP, FRANZ, DE
Priority date: 2011-09-07
Filing date: 2011-09-07
Publication date: 2013-03-07
Anticipated expiration: 2031-09-08
Also published as: DE102011113280B4

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Rotor (1) zur Umwandlung von Strömungsenergie eines strömenden gasförmigen Fluids (4) in Rotationsenergie und eine damit ausgestattete Anlage zur Erzeugung von elektrischer Energie. Sie weist einen von dem strömenden Fluid angetriebenen Rotor (1) auf, dessen Rotationsachse (2) im wesentlichen senkrecht zur Strömungsrichtung des Fluids (4) ausgerichtet ist. Der Rotor (1) weist einen Korpus mit einer umlaufenden Hüllfläche (16) auf, die in einer Schnittebene senkrecht zu seiner Rotationsachse (10) eine umlaufende Hüllkontur aus mehreren wellenförmigen Abschnitten (6) besitzt, bei der jeder der wellenförmigen Abschnitte (6) einen ersten bogenförmigen Abschnitt (7) als Anströmabschnitt für die Luftströmung (4) und einen daran stetig anschließenden zweiten bogenförmigen Abschnitt (8) aufweist, wobei der erste bogenförmige Abschnitt (7) eine erste Krümmungsrichtung und der zweite bogenförmige Abschnitt (8) eine zweite, von der ersten Krümmungsrichtung verschiedene Krümmungsrichtung aufweist derart, dass zwischen dem ersten (7) und dem zweiten bogenförmigen Abschnitt (8) ein Wendepunkt (10) liegt, wobei wenigstens zwei wellenförmige Abschnitte (6) so zueinander angeordnet sind, dass der erste bogenförmige Abschnitt (7) eines ersten wellenförmigen Abschnitts (6) abschnittsweise von dem zweiten bogenförmigen Abschnitt (8) eines in Drehrichtung (3) des Rotors (1) unmittelbar benachbarten weiteren wellenförmigen Abschnitts (6) zumindest abschnittsweise umgeben ist, und wobei zumindest der erste bogenförmige Abschnitt (7) abschnittsweise den Verlauf einer logarithmischen Spirale aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Rotor zur Umwandlung von Strömungsenergie eines strömenden gasförmigen Fluids in Rotationsenergie und weiterhin eine damit ausgestattete Anlage zur Erzeugung von elektrischer Energie.
Bei dem strömenden gasförmigen Fluid handelt es sich insbesondere um Luftströmungen natürlichen Ursprungs, die aufgrund von meteorologischen Luftdruckunterschieden entstehen, wie natürliche Windströmungen, um Luftströmungen technischen Ursprungs, die von technische Luftfördereinrichtungen, wie Gebläsen erzeugt werden, oder um Luftströmungen konvektiven Ursprungs, wie Konvektionsströmungen, die auf unterschiedlicher Dichte der Luft bei unterschiedlichen Temperaturen beruhen.
Von dem gasförmigen Fluid sind insbesondere auch Abgasströme von Feuerungsanlagen umfasst, da solche insbesondere auf Grund der Konvektion erhebliche Strömungsgeschwindigkeiten aufweisen.
Für Windkraftanlagen haben sich Dreiblatt-Rotoren durchgesetzt, deren Drehachse in Richtung der Strömungsrichtung der Luftströmung ausgerichtet ist. Diese Anlagen erfordern einen erheblichen konstruktiven und technischen Aufwand, da sowohl die Rotorblätter als auch die Drehnabe mit ihrer Drehachse bezüglich der Strömungsrichtung und der Strömungsgeschwindigkeit anzupassen sind. Weiterhin sind bei diesen Anlagen die Rotorblätter frei drehend und daher auch über große Entfernungen sichtbar, was zu Akzeptanzproblemen in der Bevölkerung führt.
Neben diesen Rotoren sind für Windkraftanlagen mit kleiner Nennleistung, so genannten Kleinwindkraftanlagen, Rotoren bekannt, deren Rotationsachse im wesentlichen senkrecht zur Strömungsrichtung ausgerichtet ist. Gegenüber konventionellen Dreiblatt-Rotoren weisen solche, beispielsweise als Savonius-Rotoren ausgebildete Rotoren konstruktive Vorteile auf, jedoch haben letztere einen geringeren Wirkungsgrad und bei einer großen Varianz der Strömungsgeschwindigkeit Nachteile.
Ausgehend von bekannten Savonius-Rotoren liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, einen Rotor bereitzustellen, mittels dem die Strömungsenergie eines strömenden gasförmigen Fluids in Rotationsenergie, beispielsweise zum Betreiben eines elektrischen Generators, mit einem hohen Wirkungsgrad umwandelbar ist, wobei der Rotor bereits bei einer geringen Strömungsgeschwindigkeit des strömenden Fluids ein großes Drehmoment erzeugt und gegenüber hohen Strömungsgeschwindigkeiten tolerant ist.
Die Erfindung wird mit einem Rotor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und einer damit ausgestatteten Windkraftanlage zur Erzeugung von elektrischer Energie mit den Merkmalen des Anspruchs 14 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen nennen die jeweils auf die selbständigen Ansprüche bezogenen abhängigen Ansprüche.
Im Sinne der Anmeldung wird unter einer Windkraftanlage eine Anlage verstanden, die einen von einem strömenden, gasförmigen Fluid angetriebenen, um eine Rotationsachse drehbaren Rotor aufweist, der mittels einer Kopplungseinrichtung sowohl mit einem elektrischen Generator zum Erzeugen von elektrischer Energie als auch mit einem mechanischen Verbraucher, insbesondere einem mechanischen Antrieb koppelbar ist.
So dient der erfindungsgemäße Rotor zur Umwandlung der Strömungsenergie eines strömenden gasförmigen Fluids in Rotationsenergie, insbesondere für eine Windkraftanlage, wobei die Rotationsachse des Rotors im wesentlichen senkrecht zu der Strömungsrichtung des Fluids ausgerichtet ist.
In diesem Zusammenhang ist die Lage der Rotationsachse zu der Strömungsrichtung der Fluidströmung mit im wesentlichen senkrecht angegeben, da im bestimmungsgemäßen Betrieb des Rotors dessen Rotationsachse vertikal ausgerichtet ist, jedoch – abhängig vom Standort – die Strömungsrichtung der Fluidströmung nicht ausschließlich aus horizontaler Richtung strömt.
Weiterhin weist der Rotor einen Rotorkorpus mit einer voll umfänglich den Rotorkorpus umlaufenden Hüllfläche auf, die Anströmflächen für das strömende Fluid hat, wobei die Hüllfläche in einer Schnittebene senkrecht zu der Rotationsachse des Rotors eine umfänglich vollständig geschlossen umlaufende Hüllkontur aufweist, die aus mehreren wellenförmigen Abschnitten besteht.
Jeder wellenförmige Abschnitt der Hüllkontur weist zumindest einen ersten bogenförmigen Abschnitt, der als Anströmabschnitt für das strömende Fluid fungiert, und einen daran stetig anschließenden zweiten bogenförmigen Abschnitt auf. Stetig anschließend ist hier im üblichen Sinn derart zu verstehen, dass zwischen dem ersten und dem zweiten bogenförmiger Abschnitt keine Knickstelle vorliegt.
Bei jedem wellenförmigen Abschnitt der Hüllkontur weist der erste bogenförmige Abschnitt eine erste Krümmungsrichtung und der zweite bogenförmige Abschnitt eine zweite, von der ersten Krümmungsrichtung verschiedene Krümmungsrichtung auf derart, dass die Änderung der Krümmungsrichtung zwischen dem ersten und dem zweiten bogenförmigen Abschnitt einen Wendepunkt der Krümmungsrichtung ergibt.
Die Hüllkontur des Rotorkorpus in einer Schnittebene senkrecht zu der Drehachse des Rotors ergibt sich dadurch dass wenigstens zwei wellenförmige Abschnitte so zueinander angeordnet sind, dass der erste bogenförmige Abschnitt eines ersten wellenförmigen Abschnitts abschnittsweise von einem zweiten bogenförmigen Abschnitt des in Drehrichtung des Rotors unmittelbar benachbarten, weiteren wellenförmigen Abschnitts zumindest abschnittsweise umgeben ist.
Es sind jeweils die wellenförmigen Abschnitte in Drehrichtung des Rotors so angeordnet, dass die sich ergebende Hüllkontur Rotorflügel aufweist, wobei in jedem Rotorflügel der erste bogenförmige Abschnitt eines ersten wellenförmigen Abschnitts abschnittsweise von einem zweiten bogenförmigen Abschnitt des in Drehrichtung des Rotors unmittelbar benachbarten, weiteren wellenförmigen Abschnitts zumindest abschnittsweise umgeben ist.
Im Kontext der Erfindung ist unter der Drehrichtung des Rotors die Drehrichtung zu verstehen, in der sich der Rotor aufgrund der Strömungsrichtung der Fluidströmung um seine Rotationsachse dreht.
Erfindungsgemäß weist zumindest der erste bogenförmige Abschnitt der wellenförmigen Hüllkontur des Rotorkorpus abschnittsweise den Verlauf einer logarithmischen Spirale auf, die in Polarkoordinaten durch folgende Gleichung beschrieben wird: r(α) = r₀e^2α/π
Wobei e für die Eulersche Zahl steht; α der Winkel in Polarform und r₀ der Radius eines Anfangspunktes auf der Polarachse.
Bei einer logarithmischen Spirale ändert sich der Radius stetig mit dem Winkel. In Folge dessen lässt sich die Strömungsenergie einer Fluidströmung mit hohem Wirkungsgrad auf einen derart geformten Rotor übertragen und in Rotationsenergie umwandeln. Dieses wurde sowohl durch messtechnische Untersuchungen im Strömungskanal als auch durch rechnergestützte Simulationen verifiziert.
In einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei der logarithmischen Spirale um eine goldene Spirale mit der Gleichung in Polarkoordinaten: r(α) = r₀Φ^2α/π
Wobei α der Winkel in Polarform und r₀ der Radius eines Anfangspunktes auf der Polarachse ist. Φ (PHI) ist die goldene Zahl, für die gilt: Φ = ½(1 + √5)
Als Zahlenverhältnis ergibt sich für Φ näherungsweise 1,618033989....
Da sich das entspannte Fluid aus benachbarten Windungen einer Spirale nur teilweise entleert, umfasst der für die Rotorkontur genutzte Abschnitt erfindungsgemäß nicht das Zentrum der Spirale mit dem Anfangspunkt.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist der zweite bogenförmige Abschnitt der wellenförmigen Hüllkontur abschnittsweise den Verlauf einer Kontur mit einem Zentrum auf, vorzugsweise einem Kreisbogen oder einer logarithmischen Spirale, insbesondere einer goldenen Spirale.
Bevorzugt ist das Verhältnis der Abstände zwischen dem Zentrum des durch eine logarithmische Spirale beschriebenen ersten bogenförmigen Abschnitts und dem Wendepunkt und zwischen dem Zentrum des zweiten bogenförmigen Abschnitts und dem Wendepunkt die goldene Zahl Φ (PHI).
Zur Stabilisierung, um Schwingungen in der Drehzahl zu vermeiden ist ein dritter bogenförmiger Abschnitt vorteilhaft, der bevorzugt eine Krümmung oder Wölbung in Richtung der Drehrichtung aufweist und der zwischen den in radialer Richtung äußeren Enden des ersten bogenförmigen Abschnitts des ersten wellenförmigen Abschnitts und dem zweiten bogenförmigen Abschnitt des weiteren in Drehrichtung benachbarten wellenförmigen Abschnitts angeordnet ist. Bei der vorstehenden Ausbildung der Krümmungsrichtung des dritten bogenförmigen Abschnitts liegt sowohl zwischen dem ersten wellenförmigen Abschnitt und dem dritten wellenförmigen Abschnitt als auch dem dritten wellenförmigen Abschnitt und dem zweiten wellenförmigen Abschnitt jeweils eine Knickstelle vor.
Abhängig von der Ausführungsform des Rotorkorpus mit einer weiter unter beschriebenen Beplankung oder Hülle oder der sich an den Kanten des Rotors auf Grund der Fluidströmung ergebenden Belastung ist es ggfls. konstruktiv vorteilhaft, den dritten bogenförmigen Abschnitt mit einer der Drehrichtung entgegengesetzten Wölbung oder Krümmung zu versehen.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist der dritte bogenförmige Abschnitt der wellenförmigen Kontur abschnittsweise den Verlauf einer Kontur mit einem Zentrum auf, vorzugsweise einem Kreisbogen oder einer logarithmischen Spirale, insbesondere einer goldenen Spirale.
Bei dem erfindungsgemäßen Rotor ist die Anzahl der wellenförmigen Abschnitte gleich der Anzahl der Rotorflügel. Bevorzugt weist die Hüllkontur des Rotorkorpus drei oder mehr als drei wellenförmige Abschnitte auf. Abhängig von dem Durchmesser des Rotors ist es strömungstechnisch von Vorteil 4, 5, 6, 7, 8 oder 9 wellenförmige Abschnitte vorzusehen.
Vorteilhaft sind alle wellenförmigen Abschnitte zueinander kongruent und alle dritten bogenförmigen Abschnitte zueinander kongruent, so dass die Hüllkontur bezüglich der Rotationsachse rotationssymmetrisch ist.
Zum Erzeugen eines großen Drehmomentes ist es vorteilhaft wenn für das Verhältnis der Länge (L_R) des Rotors in axialer Richtung der Drehachse zu dem Durchmesser des Rotors (D_R) zwischen 0,5 und 2 liegt, d. h. wenn 0,5 ≤ L_R/D_R ≤ 2 gilt.
Abhängig von der Strömungsgeschwindigkeit des Fluids und der vom Rotor durch einen Generator oder einen mechanischen Antrieb abzunehmenden Nennleistung ist ein Rotordurchmesser 0,8 m ≤ D_R ≤ 3 m bei einer axialen Länge von 0,8 m ≤ L_R ≤ 4 m vorteilhaft.
Besonders vorteilhaft gilt L_R/D_R = Φ oder D_R/L_R = Φ, wobei Φ die goldene Zahl ist.
Zum Erzielen noch größerer Nennleistungen bietet es sich an, mehrere Rotoren, insbesondere 2, 3 oder vier Rotoren, in Richtung der Rotationsachse benachbart auf einer gemeinsamen Rotorwelle anzuordnen, wobei die wellenförmigen Abschnitte wenigstens zweier Rotoren in axialer Richtung fluchten. Dabei ist es vorteilhaft die Rotoren auf der gemeinsamen Rotationsachse derart anzuordnen, dass die bogenförmigen Abschnitte jeweils einen Winkelversatz in Drehrichtung aufweisen zur Reduktion der durch die umlaufenden Flügel bewirkten Drehmomentschwankungen.
Vorteilhaft ist es wenn sich der Rotorkorpus zwischen plattenförmigen Ronden erstreckt, die senkrecht zur Rotationsachse angeordnet sind, wobei jede der Ronden eine Anzahl von Durchströmöffnungen aufweist, die der Anzahl der wellenförmigen Abschnitte entspricht. Auf Grund der spiralförmigen Kontur des ersten bogenförmigen Abschnitts entweicht der Fluidstrom nachdem er seine Strömungsenergie auf den Rotor übertragen hat zum überwiegenden Teil der hohlkehlenartig ausgebildeten Anströmfläche. Zum Entlüften des Anströmabschnitts, der durch den ersten bogenförmigen Abschnitt beschrieben wird, ist es vorteilhaft wenn die Ronden mit Durchströmöffnungen versehen sind, die jeweils in Richtung der Rotationsachse fluchtend zu dem Zentrum der spiralförmigen Kontur des ersten bogenförmigen Abschnitts angeordnet sind. Bei einem Rotordurchmesser 0,8 m ≤ D_R ≤ 3 m beträgt der Durchmesser der Durchströmöffnung in den Ronden vorteilhaft zwischen 0,05 m und 0,10 m.
Die plattenförmigen Ronden können als kreisförmige Schreiben ausgeführt sein oder es kann eine Kreisform durch einen Polygon angenähert sein.
Abhängig von der Strömungsgeschwindigkeit und der Dichte des strömenden Fluids, der Nennleistung und dem Durchmesser des Rotors sind für den erfindungsgemäßen Rotor unterschiedliche Materialzusammensetzungen und mechanische Konstruktionen vorteilhaft.
Bevorzugt ist, dass der Rotorkorpus ein geschäumtes Material aufweist oder in Gänze aus einem solchen Material besteht, da derart ausgebildete Rotoren trotz eines geringen Gewichts eine erhebliche mechanische Festigkeit und auf Grund ihres geringen Gewichts ein geringes Losbrechmoment aufweisen, was bereits ein Anlaufen bei geringer Strömungsgeschwindigkeit der Fluidströmung ermöglicht. Auch werden auf Grund des geringen Gewichts die Rotorlager mit erheblich geringeren Kräften belastet.
Vorgesehen sind für den Rotorkorpus Schäume aus NE-Metallen, insbesondere Aluminium oder Magnesium, aus Kunststoff, insbesondere auf der Basis von Polyurethan oder Polystyrol, bevorzugt XPS oder EPS, oder Schäume aus Biokunststoffen, d. h. aus nachwachsenden Rohstoffen, insbesondere auf der Basis von Pflanzenstärke, wie beispielsweise Maisstärke.
Bevorzugt lässt sich bei Schäumen aus Kunststoff oder Bio-Kunststoffen die Hüllkontur des Rotorkorpus mittels einer CNC gesteuerten Heißdrahtanlage kostengünstig aus handelsüblichen Schaumblöcken oder Schaumplatten schneiden. Alternativ ist es möglich den Rotorkorpus mittels Extrusion unmittelbar mit der erforderlichen Hüllkontur herzustellen.
Der Rotorkorpus kann bei allen Ausführungsformen, insbesondere bei geschäumten Rotoren, einstückig oder mehrstückig ausgebildet sein.
Insbesondere bei großen Durchmessern D_R ist es vorteilhaft wenn der Rotorkorpus aus mehreren Rotorkorpuselementen zusammengesetzt ist, die jeweils zueinander korrespondierende Fügekonturen aufweisen. Bevorzugt weisen die Fügekonturen in einer Schnittebene orthogonal zu ihrer Fügerichtung Abschnitte mit Hinterschneidungen, insbesondere omegaförmige oder schwalbenschwanzförmige Abschnitte auf, die nach dem Zusammenfügen zusammengehörender Rotorkorpuselemente eine Fixierung oder Selbsthaltung bewirken.
Vorteilhaft entspricht die Anzahl der Fügekonturen in radialer Richtung der Anzahl der Flügel, wobei die einzelnen Rotorkorpuselemente zumindest eine identische Außenkontur aufweisen, da eine solche Ausgestaltung die Anzahl unterschiedlicher Rotorkorpuselemente minimiert.
Die vorstehend beschriebene mehrstückige Ausbildung des Rotors ist auch bei allen nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen des Rotors eine vorteilhafte Weiterbildung. Bei einer derartigen Weiterbildung ändern sich die Geometrien der einzelnen Teile, wie der Spanten, der Beplankung, der extrudierten Profile, analog zu den vorgesehenen Fügekonturen.
Bei großen axialen Längen L_R des Rotors besteht der Rotorkorpus vorteilhaft aus mehreren einstückig oder mehrstückig ausgebildeten Rotorkorpusteilen, die in axialer Richtung mittel- oder unmittelbar aneinandergesetzt sind.
Zur Erhöhung der Beständigkeit gegenüber Umwelteinflüsse ist bevorzugt auf der Oberfläche des aus Schaum bestehenden Rotorkorpus eine Beschichtung aufgebracht.
Bevorzugt besteht die Beschichtung aus einem ausgehärteten Kunststoff, insbesondere aus Polystyrol oder Polyurethan, wobei der Kunststoff, beispielsweise ein Zweikomponentenkunststoff (2 K) ist, der als Komponenten Binder und Härter aufweist, oder ein Kunstharz ist, wobei der Kunststoff oder das Kunstharz in flüssiger Form auf den Rotorkorpus aufgespritzt und anschließend ausgehärtet wird. Anstelle eines Aufbringens der Beschichtung in flüssiger Form ist eine Pulverbeschichtung oder ein Aufbringen der Beschichtung mittels thermischer Spritzverfahren möglich. Bedarfsweise ist auf der Beschichtung ein Decklack zur Oberflächengestaltung und zur weiteren Erhöhung der Witterungsbeständigkeit aufgebracht.
Bei besonderen Anforderungen an die Oberflächenbeständigkeit, insbesondere bei abrasiven Partikeln in dem strömenden Fluid oder bei chemisch aggressiven Fluiden ist vorteilhaft auf dem Rotorkorpus oder auf der Beschichtung eine dünne Haut aus einem widerstandsfähigen Material, beispielsweise aus einem Metall oder einem Kunststoff auflaminiert.
Insbesondere bei großen Rotordurchmessern und/oder großen Nennleistungen ist in einer vorteilhaften Weiterbildung vorgesehen, dass der Rotor in axialer Richtung beabstandete Spanten aufweist, die mit einer Beplankung oder Haut versehen ist, die die Funktion der Hüllfläche übernimmt. Als Beplankung oder Haut ist auf den Spanten beispielsweise ein dünnes plattenförmiges Material befestigt, insbesondere aus einem NE-Metall, Eisenmetall, Kunststoff oder Faserverbundstoffen. Als NE-Metall ist Aluminium oder eine Aluminium enthaltende Legierung vorteilhaft. Für Eisenmetalle sind insbesondere korrosionsbeständige Stähle bevorzugt. Als Faserverbundstoffe sind insbesondere harzgetränkte Gewebe mit Kohlefasern vorteilhaft. Die Befestigung der Beplankung oder Haut auf den Spanten erfolgt mittels üblicher Klebe- oder Fügetechniken, wie Nieten, Schrauben, Löten oder Schweißen.
Die Spanten bestehen vorteilhaft aus einem plattenförmigen Material und sind zur Gewichts- und Materialeinsparung bevorzugt in ihrem Inneren mit Freischnitten versehen. Die Bearbeitung der Außenkontur, von eventuell erforderlichen Ausnehmungen und Freischnitten erfolgt mittels üblicher spanender oder nichtspanender Bearbeitung, insbesondere durch Stanzen, Fräsen, Sägen oder Laserbearbeitung.
Alternativ sind die Spanten, einschließlich bedarfsweise erforderlicher Ausnehmungen und Freischnitte mittels gießtechnischer Verfahren, insbesondere mittels Druckguss oder Spritzguss hergestellt.
Bevorzugt sind bei kleinen Rotordurchmessern D_R die Spanten aus einem extrudierten Längsprofil hergestellt, das die Kontur des Spants aufweist, wobei das Längsprofil auf die Dicke eines Spants abgelängt wird.
Als Material für die Spanten sind insbesondere Eisenmetalle, NE-Metalle, Kunststoffe, Biokunststoffe aus nachwachsenden Rohstoffen oder Faserverbundstoffe vorteilhaft. Als NE-Metall ist Aluminium, Zink oder eine Legierung, die Aluminium oder Zink aufweist vorteilhaft. Als Eisenmetalle sind korrosionsbeständige Stähle, als Kunststoffe faserverstärkte Kunststoffe und als Faserverbundstoffe Kohlefasern enthaltene vorteilhaft.
Vorstehend wurde die Bauweise des Rotors mittels Spanten und Beplankung sowie Schaumstoffkomponenten als separate Varianten beschrieben. Alternativ dazu ist auch eine Mischform vorteilhaft, bei der einzelne Spanten und Rotorkorpusteile aus Schaumstoff in axialer Richtung angeordnet sind oder sich abwechseln.
Insbesondere bei kleinen Rotordurchmessern und kleinen Nennleistungen ist der Rotor vorteilhaft aus Kunststoff, Biokunststoff, Aluminium oder einer Aluminium enthaltenden Legierung als einstückiges Längsprofil extrudiert und auf die axiale Länge des Rotors abgelängt. Bei einem solchen Rotor erstreckt sich fertigungsbedingt eine identische Querschnittsfläche über die gesamte axiale Länge des Rotors.
Lediglich bedarfsweise erforderliche Ronden sind an den Stirnseiten des abgelängten Längsprofils befestigt, wobei es vorteilhaft ist, Aufnahmen für bedarfsweise erforderliche Befestigungsmittel für die Ronden und Ausnehmungen für bedarfsweise erforderliche Stabilisierungsstäbe beim Extrudieren des Längsprofils mit auszubilden.
Vorteilhaft sind die durch Extrusion hergestellten Längsprofile zumindest abschnittsweise mit dem vorstehend genannten Schaummaterial versehen um die Festigkeit zu erhöhen und um Schwingungen zu reduzieren oder bestehen gänzlich aus dem Schaummaterial.
Im Zusammenhang mit der Erfindung wird sowohl für die Herstellung der Spanten als auch des Rotors unter Extrusion auch Strangpressen verstanden.
In einer vorteilhaften Weiterbildung wird der Rotor derart hergestellt, dass entweder eine Beplankung oder Haut, deren Kontur der Hüllfläche des Rotorkorpus entspricht, oder eine Spritzform bereitgestellt wird, die mit dem Schaum ausgeschäumt oder mit einem selbst aufschäumenden Material befüllt wird.
Zur Erhöhung der Stabilität des Rotors sind bei allen Ausführungsformen des Rotors in axialer Richtung des Rotors zwischen den einzelnen Spanten und/oder Schaumteilen und den Ronden formschlüssig eingesetzte Stabilisierungsstäbe vorteilhaft, um ein Verdrehen der einzelnen Teile und/oder der Ronden relativ zueinander zu verhindern.
Die erfindungsgemäße Rotor ermöglicht den Aufbau einer Anlage zur Umwandlung der Strömungsenergie eines strömenden gasförmigen Fluids in elektrische Energie bei kompakter Bauweise dadurch, dass der von dem strömenden Fluid angetriebenen Rotor mittels einer Kopplungseinrichtung mit der Generatorwelle eines elektrischen Generators mechanisch gekoppelt ist. Da der Rotor kein Durchströmrotor ist, steht das innerhalb der Hüllfläche des Rotorkorpus liegende Volumen als Einbauraum für einen Generator, Kopplungsmittel, bedarfsweise erforderliche Getriebe und Lagervorrichtungen zur Verfügung.
Von Vorteil ist es dabei wenn der Generator ein permanenterregter Generator ist, insbesondere ein Multipol-Generator, der bevorzugt mindestens 16 oder 24 oder 36 oder 48 Magnetpole aufweist. Derartige Multipol-Generatoren haben den Vorteil eines geringen Losbrechmoments, so dass diese bereits bei geringen antreibenden Antriebsmomenten anlaufen und elektrische Energie abgeben. Weiterhin weisen sie eine niedrige Nenndrehzahl in der Größenordnung von 60 U/min bis 200 U/min auf, was insbesondere in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Rotor von Vorteil ist. Vorteilhaft ist der Generator als Außenläufer ausgebildet. Bei einem Außenläufer steht die Generatorwelle und das im wesentlichen zylindrische Gehäuse des Generators wird angetrieben.
Bevorzugt weist der Rotor als Kopplungseinrichtung eine Rotorwelle mit einer Hohlbohrung auf, in die die Generatorwelle formschlüssig eintaucht. Der Formschluss zwischen Hohlbohrung und Generatorwelle erfolgt bevorzugt mittels einer korrespondierenden Nut-Federverbindung oder durch Ausbildung einer Vielzahnwelle und einer korrespondierenden Vielzahnbohrung. Anstelle der Bohrung in der Rotorwelle ist alternativ auch eine Hohlbohrung in der Generatorwelle möglich.
Bevorzugt ist die Drehzahl des Rotors an die Nenndrehzahl des Generators angepasst, so dass ein Getriebe nicht erforderlich ist und die Windkraftanlage getriebelos ist.
Abhängig von der Nennleistung und der Strömungsgeschwindigkeit ist zur Anpassung der Drehzahlen bedarfsweise der Einbau eines Getriebes zwischen Generator und Rotor vorgesehen. Von den geeigneten Getrieben weist ein Zahnradgetriebe die geringsten Übertragungsverluste auf und benötigt den geringsten Wartungsaufwand, so dass ein solches als Kopplungseinrichtung bedarfsweise eingesetzt ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Rotor in seinem Inneren eine konzentrisch zu der Drehachse angeordnete zylinderförmige Ausnehmung aufweist, die sich zumindest bis zu einer axialen Außenseite des Rotors erstreckt, in welcher zylindrischen Ausnehmung abschnittsweise ein zylindrisches Aufnahmegehäuse angeordnet ist, das den Generator und ein bedarfsweise erforderliches Getriebe aufnimmt.
In einer Weiterbildung ist das zylindrische Aufnahmegehäuse an seinem der Trägerplatte des Rotors abgewandten axialen Ende mit einem Befestigungsflansch versehen, der vorgesehen ist zur Verbindung mit einem Mast oder Montagesockel.
In einer weitern bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Windkraftanlagen ist der Generator ein Außenläufer, der in einer Rotornabe angeordnet ist, die in einer zur Rotationsachse konzentrischen Ausnehmung im Rotorkorpus des Rotors angeordnet ist. Dabei ist die Rotornabe formschlüssig mit dem Rotorkorpus verbunden. Neben üblichen Mitnahmemitteln, wie Bolzen, Nut-Feder-Verbindungen ist es besonders vorteilhaft wenn die Nabe zumindest abschnittsweise über ihre axiale Länge sich in radialer Richtung nach außen erstreckende Mitnahmeelemente aufweist, die formschlüssig mit dem Rotorkorpus verbunden ist.
Zum Schutz vor Umgebungseinflüssen ist vorteilhaft der Generator in der Rotornabe angeordnet ist, wobei die Rotornabe bevorzugt becherförmig ausgebildet ist und der Becherboden auf der der oberen Ronde zugewandten Seite der Nabe angeordnet ist und/oder die konzentrische Ausnehmung nicht über die gesamte axiale Länge des Rotors reicht und/oder die konzentrische Ausnehmung durch die obere Ronde abgedeckt ist.
Bei entsprechender konstruktiver Ausbildung des Rotors fungiert vorteilhaft die konzentrische Ausnehmung im Rotorkorpus als Rotornabe für einen als Außenläufer ausgebildeten Generator.
Aufgrund des hohen Wirkungsgrades und der Eignung für bereits geringe Strömungsgeschwindigkeiten ist es von Vorteil, dass das strömende Fluid eine durch natürlichen Wind erzeugte Luftströmung oder eine durch technische Einrichtungen, insbesondere Abluftgebläse oder Klimatisierungsgebläse, erzeugte Luftströmung oder eine durch natürliche Konvektion erzeugte Luftströmung ist. Beispielhaft lässt sich die Anlage als konventionelle Windenergieanlage verwenden. Es ist jedoch auch möglich, dass die Anlage unmittelbar in einem Einström- oder Ausströmbereich einer technischen, insbesondere gebäudetechnischen oder klimatisierungstechnischen, Luftfördereinrichtung angeordnet ist, um die darin vorhandene Strömungsenergie zu nutzen.
Als Luftströmungen bieten sich auch Luftströmungen konvektiven Ursprungs an, wie Konvektionsströmungen, die auf einer unterschiedlichen Dichte der Luft bei unterschiedlichen Temperaturen beruhen, wie beispielshalber aufsteigende Strömungen in Kaminen oder Gebäuden.
Im Folgenden sind Ausführungsformen der Erfindung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.
Dabei zeigen:
1: eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Rotors;
2A: eine Schnittdarstellung des Rotors gemäß der 1 in einer Schnittebene senkrecht zur Rotationsachse;
2B: eine Schnittdarstellung des Rotors gemäß der 1 in einer weiteren Schnittebene senkrecht zur Rotationsachse;
2C: eine Schnittdarstellung des Rotors gemäß der 1 in einer Schnittebene senkrecht zur Rotationsachse, wobei der Rotorkorpus mehrstückig ausgeführt ist;
3: den Verlauf eines wellenförmigen Abschnitts der Hüllkontur des erfindungsgemäßen Rotors;
4: die aus mehreren wellenförmigen Abschnitten zusammengesetzte vollständig umlaufende Hüllkontur des erfindungsgemäßen Rotors;
5A: eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Windkraftanlage mit einem erfindungsgemäßen Rotor
5B: eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Windkraftanlage mit einem erfindungsgemäßen Rotor;
6A: eine Explosionsdarstellung einer erfindungsgemäßen Windkraftanlage mit einem erfindungsgemäßen Rotors;
6B: eine Explosionsdarstellung einer Variante der erfindungsgemäßen Windkraftanlage mit einem erfindungsgemäßen Rotors;
6C: eine Explosionsdarstellung einer Variante der erfindungsgemäßen Windkraftanlage mit einem erfindungsgemäßen Rotors;
6D: eine Explosionsdarstellung einer Variante der erfindungsgemäßen Windkraftanlage mit einem erfindungsgemäßen Rotors;
6E: eine Explosionsdarstellung einer Variante der erfindungsgemäßen Windkraftanlage mit einem erfindungsgemäßen Rotors.
1 zeigt einen Rotor 1 in seiner bestimmungsgemäßen Funktionsstellung, bei der die Rotationsachse 2 vertikal ausgerichtet ist, wobei für die eingezeichnete Richtung der Fluidströmung 4 die zugehörige Drehrichtung 3 angegeben ist. Der Rotor weist einen Rotorkorpus 31 mit einer parallel zur Rotationsachse 2 ausgerichteten Hüllfläche 16 auf, die den Rotorkorpus 31 voll umfänglich umgibt. An den axialen Enden des Rotorkorpus 31 sind kreisrunde Ronden 23, 24 angeordnet, deren Durchmesser größer ist als der Durchmesser der Rotationsumfangs D_R des Rotorkorpus 31. Die Ronden 23, 24 weisen Durchströmöffnungen 25 auf.
2A zeigt einen Schnitt durch den Rotor gemäß der 1 in einer Schnittebene senkrecht zu dessen Rotationsachse 2 und in Blickrichtung zu der unteren Ronde 24, wobei die Schnittebene in einem oberen Bereich des Rotorkorpus 31 ohne Ausnehmung 26 liegt.
2B zeigt einen weiteren Schnitt durch den Rotor gemäß der 1 in einer Schnittebene senkrecht zu dessen Rotationsachse 2 und in Blickrichtung zu der unteren Ronde 24, wobei die Schnittebene in einem unteren Bereich des Rotorkorpus 31 liegt, der eine Ausnehmung 26 aufweist.
In den Schnittdarstellungen 2A und 2B ist deutlich zu erkennen, dass die umlaufende Hüllfläche 16 des Rotorkorpus 31 in der Schnittebene eine umfänglich vollständig umlaufende, geschlossene Hüllkontur aufweist. Die Hüllkontur weist bei dem dargestellten Rotorkorpus 31 mit drei Rotorflügeln 5 drei wellenförmige Abschnitte 6 auf.
In der 3 ist dargestellt wie sich der wellenförmigen Abschnitt 6 zusammensetzt. Der wellenförmigen Abschnitte 6 weist einen ersten bogenförmigen Abschnitt 7 und einen zweiten bogenförmigen Abschnitt 8 auf, wobei der erste bogenförmige Abschnitt 7 eine erste Krümmungsrichtung und der zweite bogenförmige Abschnitt 8 eine zweite, von der ersten Krümmungsrichtung verschiedene Krümmungsrichtung aufweist und wobei der zweite bogenförmige Abschnitt 8 an dem Wendepunkt 10 stetig an den ersten bogenförmigen Abschnitt 7 anschließt, so dass zwischen dem ersten 7 und dem zweiten bogenförmigen Abschnitt 8 keine Knickstelle vorliegt. Der erste bogenförmige Abschnitt 7 jeder wellenförmigen Kontur 6 weist einen Verlauf auf, der einem Abschnitt einer ersten logarithmischen Spirale 13 entspricht, die ein Zentrum 11 aufweist. Der erste bogenförmige Abschnitt 7 des wellenförmigen Abschnitts 6 dient dabei als Anströmabschnitt für die Fluidströmung 4. Da sich entspanntes Fluid aus eng benachbarten Windungen der spiralförmigen Kontur 13 nur teilweise entleert, umfasst der für die Hüllkontur genutzte erste bogenförmige Abschnitt 7 nicht das Zentrum 11 der Spirale 13.
In 3 ist weiterhin der an den ersten bogenförmigen Abschnitt 7 stetig anschließende zweite bogenförmige Abschnitt 8 dargestellt, der ein zweites Zentrum 12 aufweist, das in dieser Ausführungsform dem Zentrum einer zweiten logarithmischen Spirale 14 entspricht, die den Verlauf des zweiten bogenförmigen Abschnitts 8 beschreibt. Bei der in der 3 dargestellten wellenförmigen Kontur 6 ist das Verhältnis der Abstände zwischen dem Zentrum 11 des durch eine erste logarithmische Spirale 13 beschriebenen ersten bogenförmigen Abschnitts 7 und dem Wendepunkt 10 und zwischen dem Zentrum 12 des durch die zweite logarithmische Spirale 14 beschriebenen zweiten bogenförmigen Abschnitts 8 und dem Wendepunkt 10 die goldene Zahl Φ (PHI).
In 4 sind drei der in der 3 dargestellten wellenförmigen Abschnitte 6 zu einer geschlossenen Hüllkontur verbunden, so dass sich eine Hüllkontur für einen Rotorkorpus 31 mit drei Rotorflügeln 5 ergibt. Weiterhin weisen alle bogenförmigen Abschnitte den Verlauf eines Abschnitts einer logarithmischen Spirale 13, 14 auf.
Die Hüllkontur weist noch dritte bogenförmige Abschnitte 9 auf, deren Verlauf einem Abschnitt einer logarithmischen Spirale 15 entspricht, wobei der dritte bogenförmige Abschnitt eine Wölbung mit einer Krümmungsrichtung in Drehrichtung 3 aufweist und zwischen den in radialer Richtung äußeren Enden des ersten bogenförmigen Abschnitts 7 des ersten wellenförmigen Abschnitts 6 und dem zweiten bogenförmigen Abschnitt 8 des weiteren in Drehrichtung 3 benachbarten wellenförmigen Abschnitts 6 angeordnet ist.
Aufgrund der Krümmungsrichtung des dritten bogenförmigen Abschnitts 9 in Drehrichtung 3 ergibt sich zwischen den in radialer Richtung äußeren Enden des ersten bogenförmigen Abschnitts 7 des ersten wellenförmigen Abschnitts 6 und dem zweiten bogenförmigen Abschnitt 8 des benachbarten wellenförmigen Abschnitts 6 jeweils eine Knickstelle in der Hüllkurve.
Die in der 4 dargestellte Krümmungsrichtung des dritten bogenförmigen Abschnitts 9 in Drehrichtung 3 bewirkt eine Stabilisierung des Rotors 1 in der Fluidströmung 4 und vermeidet mit Pendelbewegungen einhergehenden Drehzahlschwankungen des Rotors 1.
In der 4 ist weiterhin dargestellt wie jeweils benachbarte wellenförmige Abschnitte 6 zueinander angeordnet sind. Drei wellenförmige Abschnitte 6 sind in Drehrichtung 3 des Rotors 1 so angeordnet, dass die Hüllkontur drei Rotorflügel 5 aufweist, wobei in jedem Rotorflügel 5 der erste bogenförmige Abschnitt 7 eines ersten wellenförmigen Abschnitts 6 abschnittsweise von einem zweiten bogenförmigen Abschnitt 8 des in Drehrichtung 3 des Rotors 1 unmittelbar benachbarten, weiteren wellenförmigen Abschnitts 6 zumindest abschnittsweise umgeben ist.
In 4 ist die Lage der Durchströmöffnungen 25 bezüglich der Zentren 11 der ersten bogenförmigen Abschnitts 6 zu erkennen. Der Mittelpunkt der Durchströmöffnung 25 ist in axialer Richtung des Rotors fluchtend zu dem Zentrum 11 des ersten bogenförmigen Abschnitts 7 angeordnet. Auf Grund der spiralförmigen Kontur des ersten bogenförmigen Abschnitts 7 entweicht die Fluidströmung 4 nachdem sie ihre Strömungsenergie auf den Rotor 1 übertragen hat zum überwiegenden Teil der hohlkehlenartig ausgebildeten Anströmfläche. Dabei verbessert die zum Zentrum 11 der ersten spiralförmigen Kontur 11 fluchtend angeordnete Durchströmöffnung 25 ein Ausströmen von in der Anströmfläche komprimierten Fluidvolumen, so dass sich der Wirkungsgrad des Rotors 1 erhöht.
Bei dem Rotor 1 nach der 2C ist der Rotorkorpus 31 aus mehreren Rotorkorpuselementen 28, 29, 30 formschlüssig zusammengesetzt, wobei die Anzahl der Fügekonturen 27 in radialer Richtung der Anzahl der Rotorflügel 5 entspricht. Für die formschlüssige Verbindung der einzelnen Rotorkorpuselemente 28, 29, 30 zueinander sind diese mit korrespondierenden Fügekonturen 27 versehen. In der 2C ist eine wellenförmige Fügekontur 27 dargestellt, bei der jeder Bogen der Welle omegaförmig ausgebildet ist, so dass die einzelnen Rotorkorpuselemente 28, 29, 30 nach einem Zusammenfügen in axialer Richtung selbst zusammenhalten. Bei der in der 2C dargestellten Fügekontur 27 weisen die einzelnen Rotorkorpuselemente 28, 29, 30 eine identische Querschnittsfläche und Außenkontur in axialer Richtung auf, so dass trotz Ausbildung eines durch Rotorkorpuselemente 28, 29, 30 zusammengesetzten Rotorkorpus 31 nur eine Sorte von Rotorkorpuselementen 28, 29, 30 erforderlich ist.
In den 2A, 2B, 2C und 4 sind alle wellenförmigen Abschnitte 6 der Rotorkontur zueinander kongruent und alle dritten bogenförmigen Abschnitte 9 zueinander kongruent. Weiterhin ist die Hüllkontur der Rotorflügel 5 bezüglich der Rotationsachse 2 rotationssymmetrisch.
5A zeigt schematisch eine erste mit dem erfindungsgemäßen Rotor 1 ausgestattete erfindungsgemäße Windkraftanlage. Deutlich ist dabei zu erkennen, dass im Inneren des Rotorkorpus 31 Komponenten, wie Generator 53, Kopplungsmittel und Lagervorrichtungen 42 der Windkraftanlage in einem Aufnahmegehäuse 58 geschützt untergebracht sind, so dass die Windkraftanlage einen kompakten Aufbau hat. Der Rotorkorpus 31 des Rotors 1 weist in seinem Inneren eine konzentrisch zu seiner Rotationsachse 2 angeordnete Ausnehmung 26 auf, die in dem Beispiel zylinderförmig ist. Weiterhin weist der Rotorkorpus 31 in einer Ebene senkrecht zur Rotationsachse 2 eine Rotorträgerplatte 41 auf. Die Rotorträgerplatte 41 ist in dem Rotorkorpus 31 eingesetzt und form- und/oder stoffschlüssig gehalten. Die Rotorträgerplatte 41 weist eine zur Rotationsachse 2 konzentrische Ausnehmung auf. Mit der Rotorträgerplatte 41 ist ein Rotorwellenflansch 45 verbunden, in dem eine Rotorwelle 40 form- und/oder kraftschlüssig eingesetzt ist.
In der Ausnehmung 26 ist ein becherförmiges, zylindrisches Aufnahmegehäuse 58 angeordnet, das im vorliegenden Ausführungsbeispiel den Generator 53 aufnimmt. Auf der der Rotorträgerplatte 41 zugewandten Seite des Becherbodens des Aufnahmegehäuses 58 ist ein in der 5A nur angedeuteter Lagervorrichtungsflansch 43 angeordnet, der eine als Kugellager ausgebildete Lagervorrichtung 42 form- und/oder kraftschlüssig hält. Die Rotorwelle 40 weist an ihrem der Rotorträgerplatte 41 abgewandten Ende eine Hohlbohrung 44 auf, in die die Generatorwelle 54 des Generators 53 formschlüssig eintaucht.
Das Aufnahmegehäuse 58 weist an seinem unteren, dem Becherboden abgewandten Ende einen Aufnahmegehäuseflansch 59 auf, der mit einem Mastflansch 71 eines Mastes oder Montagesockels 71 mittels Schrauben oder anderer Befestigungsmittel verbindbar ist. Bei der in der 5A dargestellten Windkraftanlage ist die Drehzahl des Rotors 1 an die Nenndrehzahl des Generators 53 angepasst, so dass ein Getriebe nicht erforderlich ist und die Windkraftanlage getriebelos ist.
Bei der in der 5B schematisch dargestellten Windkraftanlage ist zur Anpassung der Drehzahlen des Rotor 1 an die Nenndrehzahl des Generators 53 in dem Aufnahmegehäuse 58 ein zwischen dem Generator 53 und der Rotorwelle 40 angeordnetes Getriebe 56 vorgesehen, bei dem Getriebeeingang und Getriebeausgang an einander gegenüberliegenden Seiten des Getriebes 56 angeordnet sind.
Anstelle der in den 5A und 5B dargestellten Rotorträgerplatte 41 ist es möglich in der konzentrischen Ausnehmung 26 eine zylindrische Rotornabe 46 anzuordnen, wie es in der 6E dargestellt ist, die mit dem Rotorkorpus 31 form- und/oder kraftschlüssig verbunden ist und die mit einen als Außenläufer ausgebildeten Generator 53 gekoppelt ist.
Bei der der in den 5A und 5B dargestellten Windkraftanlage erstreckt sich die Ausnehmung 26 über die gesamte axiale Länge des Rotors 1. Die Abdichtung der darin eingebauten Komponenten gegen Umgebungseinflüsse, wie Regen oder Schmutz, erfolgt beispielsweise durch das Aufnahmegehäuse 58 und durch die gleichzeitig als Abdeckung fungierende obere Ronde 23.
Da das Leervolumen im oberen Teil des Rotorkorpus 31 nicht benötigt wird, ist die Ausnehmung 26 im oberen Teil nicht erforderlich, wie beispielsweise der in der 2A dargestellte Schnitt zeigt.
Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind in den 1 bis 5 gegebenenfalls erforderliche Stabilisierungsstäbe 84 nicht dargestellt.
Die in der 6A in Explosionsansicht schematisch dargestellte Windkraftanlage zeigt einen Rotor 1 mit einem Rotorkorpus 31, der eine um die Rotationsachse 2 konzentrische Ausnehmung 26 zur Aufnahme des Generators 53 und anderer bedarfsweise erforderlicher Komponenten aufweist. Weiterhin weisen die Ronden 23, 24 Durchströmöffnungen 25 auf. Anstelle der in der oberen Ronde 23 konzentrisch zur Rotationsachse 2 angeordneten kreisrunden Ausnehmung kann die obere Ronde 23 auch ohne diese Ausnehmung ausgestattet sein.
Bei der in der 6A dargestellten Ausführungsform besteht der Rotorkorpus 31 aus einem geschäumten Material, wobei die Hüllkontur des Rotorkorpus 31 mittels einer CNC gesteuerten Heißdrahtanlage aus geschäumten, handelsüblichen Schaumblöcken oder Schaumplatten hergestellt ist. Zur Erhöhung der Stabilität ist der Rotorkorpus 31 mit parallel zur Drehachse 2 angeordneten Ausnehmungen 85 versehen, in die bedarfsweise Stabilisierungsstäbe 84 einsetzbar sind, die (nicht dargestellt) mittels üblicher Verbindungsmittel und Verbindungstechniken mit den Ronden 23, 24 form- und/oder kraftschlüssig verbunden sind.
Weiterhin ist zur Erhöhung der Beständigkeit gegenüber Umwelteinflüsse auf der Oberfläche des aus Kunststoffschaum bestehenden Rotorkorpus 31 eine Beschichtung 86 aus einem Kunststoff aufgebracht, der nach dem Aufbringen ausgehärtet wird, auf dem bedarfsweise zur Oberflächengestaltung und zur weiteren Erhöhung der Witterungsbeständigkeit noch ein Decklack aufgebracht ist.
Bei besonderen Anforderungen an die Oberflächenbeständigkeit, insbesondere bei abrasiven Partikeln in der Fluidströmung oder bei chemisch aggressiven Fluiden ist auf dem Rotorkorpus 31 oder auf der Beschichtung 86 eine dünne Haut 87 aus einem widerstandsfähigen Material auflaminiert.
Bei der in der 6E in Explosionsansicht schematisch dargestellten Windkraftanlage ist der Rotorkorpus 31 des Rotors 1 aus drei identischen Rotorkorpuselementen 28, 29, 30 zusammengesetzt, wie es vorstehend zur 2C beschrieben ist. Die Rotorkorpuselemente 28, 29, 30 weisen an ihrer der Rotationsachse 2 zugewandten Seite eine Hohlkehle mit einer im Querschnitt kreisbogenförmigen Kontur auf, die nach dem Zusammenfügen der Rotorkorpuselemente 28, 29, 30 zu dem Rotorkorpus 31 eine konzentrisch zur Rotorachse 2 angeordnete Ausnehmung 26 ergeben.
In die Ausnehmung 26 ist eine Rotornabe 46 eingesetzt, die mittels Mitnahmemitteln 60 form- und/oder kraftschlüssig sowohl mit den Rotorkorpuselementen 28, 29, 30 als auch mit der Antriebsnabe des Generators 53 verbunden ist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Mitnahmemittel 60 zylinderförmige Bolzen, die Ausnehmungen 47 in der zylinderförmigen Wandung der Rotornabe 46 in Richtung der Rotationsachse 2 durchgreifen und mit an der Antriebsnabe des Generators 53 vorhandenen Gewindebohrungen 62 verschraubt sind. Weitere die Rotornabe 46 durchgreifende Mitnahmemittel 60 greifen in Ausnehmungen 61 ein, die an den Rotorkorpuselementen 28, 29, 30 vorgesehen sind.
Anstelle einer rohrförmigen Rotornabe 46 ist auch eine becherförmige Ausführungsform möglich.
Die Rotorkorpuselemente 28, 29, 30 bestehen wie der Rotorkorpus 31 gemäß der 6A aus einem geschäumten Material, das analog bearbeitet und bedarfsweise mit Ausnehmungen für Stabilisierungsstäbe 83 versehen ist.
Ebenso ist es bei dem Rotor 1 gemäß der 6A möglich, eine Rotornabe 46 einzupressen, wobei es bevorzugt ist, dass die Rotornabe 46 in Richtung der Rotationsachse 2 zumindest abschnittsweise sich in radialer Richtung nach außen erstreckende Mitnahmeelemente aufweist, die formschlüssig mit korrespondierenden Mitnahmemitteln im Rotorkorpus 31 verbunden sind.
6B zeigt in schematisch in Explosionsansicht dargestellt eine Variante der erfindungsgemäßen Windkraftanlage bei der der Rotorkorpus 31 des Rotors 1 in axialer Richtung beabstandete Spanten 90 aufweist, die mit einer Beplankung 87 oder Haut 87 aus einem dünnen plattenförmigen Material versehen ist. Die Umfangskontur der Spanten 90 entspricht dabei im wesentlichen der Hüllkontur des Rotorkorpus 31. Aus Gründen einer Gewichts- und Materialeinsparung sind die Spanten 90 mit Freischnitten 91 versehen. Weiterhin weisen die Spanten 90 zylindrische Ausnehmungen 92 auf, in die die Stabilisierungsstäbe 84 eingesetzt sind. Sowohl die Befestigung der Spanten 90 an den Stabilisierungsstäben 84 als auch der Beplankung/Haut 87 an den Spanten erfolgt mittels üblicher Fügetechniken, insbesondere durch Schrauben, Nieten, Schweißen oder Kleben.
Der mittig eingezeichnet Spant 90 weist eine konzentrisch zu der Rotationsachse 2 angeordnete Ausnehmung 26 auf, die einen Generator 53 aufnimmt. Im vorliegenden Fall ist der Generator 53 als Außenläufer ausgebildet, dessen Antriebsnabe form und/oder kraftschlüssig mit der Wandung der Ausnehmung 26 in dem mittigen Spant 90 verbunden ist.
6C zeigt in schematischer Explosionsansicht eine weitere Variante der erfindungsgemäßen Windkraftanlage bei der der Rotorkorpus 31 des Rotors 1 aus zwei in axialer Richtung beabstandeten Rotorkorpusteilen 32, 33 aus Schaumstoff und einem Spant 90 zusammengesetzt ist. Die Rotorkorpusteile 32, 33 weisen in axialer Richtung angeordnete Ausnehmungen 85 auf, in die Stabilisierungsstäbe 84 eingesetzt sind. Die Stabilisierungsstäbe 84 sind durch Ausnehmungen 92 in dem Spant 90 hindurchgeführt. Bei der in der 6C dargestellten Ausführungsform sind die Ronden 23, 24 an Stabilisierungsplatten 80 befestigt, die ebenfalls Ausnehmungen 83 zur Aufnahme der Stabilisierungsstäbe 84 aufweisen. Oberhalb und unterhalb des Spantes 90 sind Mitnahmeplatten 81, 82 angeordnet, die ebenfalls mit Ausnehmungen 83 für die Stabilisierungsstäbe 84 versehen sind. Die Stabilisierungsstäbe 84 sind formschlüssig in die Ausnehmungen 83, 85, 92 eingesetzt um ein Verdrehen der einzelnen Teile relativ zueinander zu verhindern. Die Befestigung der Ronden 23, 24 an den Stabilisierungsplatten 80 erfolgt mittels üblicher Fügetechniken.
Der Spant 90 weist eine konzentrisch zu der Rotationsachse 2 angeordnete Ausnehmung 26 auf, die einen Generator 53 aufnimmt. Im vorliegenden Fall ist der Generator 53 wiederum als Außenläufer ausgebildet, dessen außen laufende Antriebsnabe mittels als Schraubbolzen und Muttern ausgebildeter Mitnahmemittel 60 mit den Mitnahmeplatten 81, 82 gekoppelt ist. Mittels der Stabilisierungsstäbe 84 wird das gesamte Drehmoment des Rotors 1 auf die Mitnahmeplatten 81, 82 und den Generator 53 übertragen.
Die in der 6D dargestellte Variante unterscheidet sich von der in der 6C dargestellten Windkraftanlage durch benachbart zu den Ronden 23, 24 angeordnete Spanten 90, die die Funktion der Stabilisierungsplatten 80 übernehmen.
Bei den in den 6C und 6D dargestellten Varianten der Windkraftanlage ist der gesamte Korpus des Rotors 1 bedarfsweise mit der Beplankung/Haut 87 oder der Beschichtung 86 versehen.
Bei den Ausführungsformen nach den 5A, 5B und 6A bis 6E sind die Lagervorrichtungen zur Lagerung des Rotors 1 nur schematisch angedeutet. Abhängig von der Nennleistung, der axialen Länge L_R und dem Durchmesser D_R des Rotors 1 sind bedarfsweise noch weitere Lagervorrichtungen zur Abstützung des Rotors 1 in der Ausnehmung 26 vorhanden.
Bezugszeichenliste

1: Rotor
2: Rotationsachse
3: Drehrichtung des Rotors
4: Fluidströmung
5: Rotorflügel
6: wellenförmiger Abschnitt der Hüllkontur
7: erster bogenförmiger Abschnitt
8: zweiter bogenförmiger Abschnitt
9: dritter bogenförmiger Abschnitt
10: Wendepunkt
11: Zentrum der ersten bogenförmigen Abschnitts
12: Zentrum des zweiten bogenförmigen Abschnitts
13: erste logarithmische Spirale
14: zweite logarithmische Spirale
15: dritte logarithmische Spirale
16: Hüllfläche
23, 24: Ronde
25: Durchströmöffnung
26: Ausnehmung
27: Fügekontur
28, 29, 30: Rotorkorpuselement
31: Rotorkorpus
32, 32: Rotorkorpusteile
40: Rotorwelle
41: Rotorträgerplatte
42: Lagervorrichtung
43: Lagervorrichtungsflansch
44: Hohlbohrung
45: Rotorwellenflansch
46: Rotornabe
47: Ausnehmungen in der Rotornabe
48: Formschlussausnehmungen
53: Generator
54: Generatorwelle
56: Getriebe
57: Getriebewelle
58: Aufnahmegehäuse
59: Aufnahmegehäuseflansch
60: Mitnahmemittel
61: rotorkorpusseitige Ausnehmungen
62: Gewindebohrungen
70: Mast, Montagesockel
71: Mastflansch
80: Stabilisierungsplatte
81, 82: Mitnahmeplatte
83: Ausnehmung für Stabilisierungsstab
84: Stabilisierungsstab
85: Ausnehmung für Stabilisierungsstab
86: Beschichtung
87: Beplankung, Haut
90: Spant
91: Freischnitt
92: Ausnehmung für Stabilisierungsstab

Claims

Rotor (1) zum Umwandeln von Strömungsenergie eines strömenden gasförmigen Fluids (4) in Rotationsenergie, insbesondere für eine Windkraftanlage bei der der Rotor (1) mittels einer Kopplungseinrichtung mit einem elektrischen Generator (53) zur Erzeugung von elektrischer Energie koppelbar ist, bei dem die Rotationsachse (2) des Rotors (1) im wesentlichen senkrecht zur Strömungsrichtung des Fluids (4) ausgerichtet ist, wobei der Rotor (1) einen Rotorkorpus (31) mit einer den Rotorkorpus (31) umfänglich vollständig umlaufenden Hüllfläche (16) aufweist, die in einer Schnittebene senkrecht zu seiner Rotationsachse (2) eine umlaufende Hüllkontur aus mehreren wellenförmigen Abschnitten (6) aufweist, bei der jeder der wellenförmigen Abschnitte (6) zumindest einen ersten (7) bogenförmigen Abschnitt als Anströmabschnitt für die Luftströmung (4) und einen daran stetig anschließenden zweiten bogenförmigen Abschnitt (8) aufweist, wobei der erste bogenförmige Abschnitt (7) eine erste Krümmungsrichtung und der zweite bogenförmige Abschnitt (8) eine zweite, von der ersten Krümmungsrichtung verschiedene Krümmungsrichtung aufweist derart, dass zwischen dem ersten (7) und dem zweiten bogenförmigen Abschnitt (8) ein Wendepunkt (10) liegt, wobei wenigstens zwei wellenförmige Abschnitte (6) so zueinander angeordnet sind, dass der erste bogenförmige Abschnitt (7) eines ersten wellenförmigen Abschnitts (6) abschnittsweise von dem zweiten bogenförmigen Abschnitt (8) eines in Drehrichtung (3) des Rotors (1) unmittelbar benachbarten weiteren wellenförmigen Abschnitts (6) zumindest abschnittsweise umgeben ist, und wobei zumindest der erste bogenförmige Abschnitt (7) abschnittsweise den Verlauf einer logarithmischen Spirale (13) aufweist.
Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite bogenförmige Abschnitt (8) abschnittsweise den Verlauf einer logarithmischen Spirale (14) aufweist.
Rotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die den ersten bogenförmigen Abschnitt (7) beschreibende logarithmische Spirale (13) und/oder die den zweiten bogenförmigen Abschnitt (8) beschreibende logarithmische Spirale (14) eine goldene Spirale ist.
Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Abstände zwischen dem Zentrum (11) des ersten bogenförmigen Abschnitts (7) und dem Wendepunkt (10) und zwischen dem Zentrum (12) des zweiten bogenförmigen Abschnitts (8) und dem Wendepunkt (10) die goldene Zahl Φ ist.
Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den in radialer Richtung äußeren Enden des ersten bogenförmigen Abschnitts (7) des ersten wellenförmigen Abschnitts (6) und dem zweiten bogenförmigen Abschnitt (8) des weiteren wellenförmigen Abschnitts (6) ein dritter bogenförmiger Abschnitt (9) angeordnet ist, der eine Wölbung in Richtung der Drehrichtung (3) aufweist.
Rotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte bogenförmige Abschnitt (9) abschnittsweise den Verlauf einer logarithmischen Spirale (15), insbesondere einer goldenen Spirale, aufweist.
Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Hüllkontur des Rotorkorpus (31) drei oder mehr als drei, bevorzugt 4, 5, 6, 7, 8 oder 9, wellenförmige Abschnitte (6) aufweist und jeweils alle wellenförmigen Abschnitte (6) und jeweils alle dritten bogenförmigen Abschnitte (9) der Hüllkontur des Rotorkorpus (1) kongruent sind.
Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Länge (L_R) des Rotors (1) in axialer Richtung und dem Durchmesser des Rotors (D_R) 0,5 ≤ L_R/D_R ≤ 2 beträgt.
Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotorkorpus (31) sich zwischen plattenförmigen Ronden (23, 24) erstreckt, wobei jede der Ronden (23, 24) zu dem Zentrum (11) des ersten bogenförmigen Abschnitts (7) fluchtende Durchströmöffnungen (25) aufweist.
Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotorkorpus (31) ein geschäumtes Material aufweist, insbesondere Kunststoffschaum auf der Basis von Polystyrol, Polyurethan oder Biokunststoff.
Rotor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Rotorkorpus (31) eine Beschichtung (86) aus einem Kunststoff, insbesondere Polystyrol oder Polyurethan aufgebracht ist oder eine Haut (87) auflaminiert ist.
Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotorkorpus (31) zumindest einen Spant (90) aufweist, der mit einer Beplankung (87) oder Haut (87) versehen ist, die als Hüllfläche fungiert.
Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass geschäumtes oder aufschäumendes Material in einer als Hüllfläche fungierenden Beplankung (87) oder Haut (87) angeordnet ist.
Windkraftanlage mit einem Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (1) mittels einer Kopplungseinrichtung mit einem Generator (53) gekoppelt ist.
Windkraftanlage nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (53) ein Außenläufer ist.
Windkraftanlage nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (1) eine konzentrisch zu der Rotationsachse (10) angeordnete Ausnehmung (26) aufweist, in der der Generator (53) angeordnet ist.