DE102011114348A1 - Free stream flow engine for energy transformation in e.g. gaseous medium, used in e.g. wind power plant, has rotating portions that are propelled on rotor, to produce lift forces changed by rotation of rotor in usable rotation torque - Google Patents
Free stream flow engine for energy transformation in e.g. gaseous medium, used in e.g. wind power plant, has rotating portions that are propelled on rotor, to produce lift forces changed by rotation of rotor in usable rotation torque Download PDFInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung beschreibt eine Strömungskraftmaschine zur Energiewandlung in frei strömenden gasförmigen, plasmatischen oder flüssigen Medien. Durch angetriebene, rotierende Körper werden, nach dem Prinzip des Flettner-Rotors, durch Magnus-Effekt Auftriebskräfte erzeugt. Aus Abschattung im Nachlauf der Profile und durch eine reduzierte Anströmgeschwindigkeit, mit Änderung der Anströmrichtung auf der windabgewandten Seite des Rotors, wird eine Kräftedifferenz erzeugt. Die tragende Rotorscheibe wandelt die Auftriebskräfte, mit einem Hebelarm zur Rotorachse, nach dem Darrieus-Prinzip in ein technisch nutzbares Drehmoment. Bei Ausgestaltung der rotierenden Körper als Flettner-Rotor mit Thom-Scheiben kann so der Freistrom durch Reibung auf maximaler Profilfläche abgelenkt werden und der gegenüber aerodynamischen Profilen deutlich höhere Auftrieb genutzt werden. Da die Flettner-Rotoren mit Thom-Scheiben unabhängig vom Anstellwinkel stets den maximalen Auftrieb erzeugen, kann so bereits aus langsam fließenden Medien mit wechselnder Strömungsrichtung mit hohem Wirkungsgrad Energie gewandelt werden. Durch Veränderung der Rotationsgeschwindigkeit der rotierenden Körper kann die Leistung der Anlage reguliert werden. Umgekehrt ist bei Antrieb des Rotors eine Beschleunigung des Mediums möglich.The invention describes a flow engine for energy conversion in free-flowing gaseous, plasmatic or liquid media. By means of driven, rotating bodies, buoyancy forces are generated by the Magnus effect according to the Flettner rotor principle. From shadowing in the wake of the profiles and by a reduced flow velocity, with change in the direction of flow on the windward side of the rotor, a difference in force is generated. The supporting rotor disc converts the buoyancy forces, with a lever arm to the rotor axis, according to the Darrieus principle into a technically usable torque. When designing the rotating body as a Flettner rotor with Thom discs so the free-stream can be deflected by friction on maximum profile surface and be used compared to aerodynamic profiles significantly higher buoyancy. Since the Flettner rotors with Thom disks always produce the maximum lift independently of the angle of attack, energy can already be converted from slowly flowing media with changing flow direction with high efficiency. By changing the rotational speed of the rotating body, the performance of the system can be regulated. Conversely, acceleration of the medium is possible when the rotor is driven.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- rotierender Körper ausgeführt als Flettner-Rotor mit abgerundeten Thom-Scheiben, elektrischer Antrieb nicht dargestelltrotating body running as Flettner rotor with rounded Thom discs, electric drive not shown
- 22
- Rotor ausgeführt als RingschieneRotor designed as a ring rail
- 33
- ringförmige Lagerung mit Lagerrollen, Leistungsabnahme beispielsweise über integrierten Ringgenerator nicht dargestelltannular bearing with bearing rollers, power loss, for example, not shown on integrated ring generator
Stand der TechnikState of the art
Bisher wurden Flettner-Rotoren als Horizontal-Windkraftanlagen vorgeschlagen, siehe Hanson,
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Wesentliches Merkmal der Erfindung ist die Verwendung von Flettner-Rotoren mit Thom Scheiben (
Da die Herstellung der Rotation der auftriebserzeugenden Körper (
In
Durch Regulieren der Drehzahl kann der erzielte Auftrieb der rotierenden Körper derart angepasst werden, dass eine für die Erzielung günstiger Hebelarme günstige Schnelllaufzahl des Rotors gegenüber der äußeren Anströmung v0 erreicht wird. Dadurch ergeben mit v0 und Vrot durch Vektoraddition die Anströmungen Vres bei den unterschiedlichen, exemplarisch dargestellten Positionen des Rotors. Durch Magnus-Effekt ergibt sich eine proportionale Auftriebkraft in einem Winkel von 90° zur Anströmung des rotierenden Körpers, wobei die Kraftrichtung durch den Drehsinn der Walze definiert wird. By regulating the rotational speed, the buoyancy achieved by the rotating bodies can be adjusted in such a way that a speed of rotation of the rotor relative to the external flow v0 which is favorable for achieving favorable lever arms is achieved. This results in v0 and Vrot by vector addition the flow Vres at the different, exemplarily shown positions of the rotor. By Magnus effect results in a proportional buoyancy force at an angle of 90 ° to the flow of the rotating body, the force direction is defined by the sense of rotation of the roller.
Mit einem aerodynamischem Profil können unter Einsatz von Hochauftriebshilfen Auftriebsbeiwerte von etwa Ca = 3 erzielt werden. Bei einem Flettner-Rotor können Auftriebsbeiwerte von etwa Ca = 12 erzielt werden. Untersuchungen von Thom legen nahe, dass durch Verwendung eng gestaffelter Scheiben auf der Rotorwalze eines Flettner-Rotors die Ablenkung der Strömung weiter maximiert werden kann, ähnlich einer Tesla-Pumpe. Dadurch sind Auftriebsbeiwerte von Ca = 28 erzielbar. Die höheren Auftriebsbeiwerte ermöglichen, ausreichend große Kräfte zum Betrieb des Rotors bereits bei geringeren Strömungsgeschwindigkeiten oder kleinerem Anlagendurchmesser zu erzielen.With an aerodynamic profile, lift coefficients of approximately Ca = 3 can be achieved using high-lift propulsion. With a Flettner rotor, lift coefficients of approximately Ca = 12 can be achieved. Thom's research suggests that by using closely staggered disks on the rotor roll of a Flettner rotor, the deflection of the flow can be further maximized, similar to a Tesla pump. As a result, lift coefficients of Ca = 28 can be achieved. The higher lift coefficients make it possible to achieve sufficiently large forces to operate the rotor already at lower flow speeds or smaller system diameters.
Die effiziente Nutzung der hohen Auftriebsbeiwerte ermöglicht die Nutzung bisher nicht wirtschaftlich erschließbarer langsamer Strömungen zur Energiewandlung. Ebenso ist der Bau von Energiewandlern in stark schwankenden oder ihre Richtung ändernden Strömungen möglich, wo Rotoren in Propeller-Bauweise nicht oder nur mit hohem Aufwand eingesetzt werden können. Insbesondere dort wo zur Nutzung hohe Drehzahlen erforderlich sind, erlauben die hohen Auftriebsbeiwerte den effektiven Einsatz von Getrieben oder Generatoren, mit hohem magnetischem Widerstand, bereits bei geringen Windgeschwindigkeiten gegenüber anderen Windkraftanlagen.The efficient use of the high lift coefficients allows the use of previously not economically accessible slower flows for energy conversion. Likewise, the construction of energy converters in strongly fluctuating or their direction changing currents is possible where rotors in propeller design can not be used or only with great effort. In particular, where high speeds are required for use, the high lift coefficients allow the effective use of gears or generators, with high magnetic resistance, even at low wind speeds compared to other wind turbines.
Die gezeigte Ausführung der Anlage ermöglicht den Bau günstiger Windkraftanlagen. Hier können mit deutlich weniger Einsatz von Material und beweglichen Teilen größere durchströmte Flächen abgeschöpft werden. Dabei können die mehrfach gelagerten Walzen als längere Profile und der ringförmige Rotor als Schienensystem mit größerem Durchmesser ausgeführt werden, im Gegensatz zu bisher gebauten Horizontalachswindkraftanlagen und Darrieus-Rotoren. Die aufwendigen Turmkonstruktionen und Rotorblätter werden dabei durch wesentlich einfacher zu fertigende Bauteile ersetzt.The design of the system shown allows the construction of cheaper wind turbines. Here, with significantly less use of material and moving parts larger flow areas can be skimmed off. The multi-bearing rollers can be designed as longer profiles and the annular rotor as a rail system with a larger diameter, in contrast to previously built Horizontalachswindkraftanlagen and Darrieus rotors. The elaborate tower structures and rotor blades are replaced by much easier to be manufactured components.
Durch die Verwendung einfacher geometrischer Formen lässt sich der Rotor äußerst günstig fertigen. Damit lassen sich bei geringen Investitionskosten wirtschaftliche Anlagen, beispielsweise für Windkraft-, Wasserkraft- oder Gezeitenkraftwerke, realisieren.By using simple geometric shapes, the rotor can be made extremely cheap. This can be at low investment cost economic systems, for example for wind power, hydropower or tidal power plants, realize.
Durch Antrieb der Anlage ist eine Umkehr der Wirkungsweise als Pumpe, Antrieb oder für andere Zwecke möglich.By driving the system, a reversal of the operation as a pump, drive or other purposes is possible.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- US 1791731 [0002] US 1791731 [0002]
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- 2011-09-27 DE DE102011114348A patent/DE102011114348A1/en not_active Withdrawn
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