DE102012004943B4 - Wind turbine for power generation - Google Patents

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Abstract

Windturbine, insbesondere zur Stromerzeugung, mit einem Schacht (1) zum Einströmen für flüssige oder gasförmige Medien, mit einem kegelförmigen oder paraboloidförmigen Teil (2) zur Leitung der strömenden Medien in Laufradschaufeln (5) wenigstens eines drehbaren Laufrads (6), wobei zur Leitung der strömenden Medien ein Leitapparat (3) mit Leitschaufeln (4) vor dem Laufrad (6) angeordnet ist, wobei die kegelförmige oder paraboloidförmige Einrichtung (2) das einströmende Medium (E) in einem Ringspalt zwischen dem Schacht (1) und der kegelförmigen oder der paraboloidförmigen Einrichtung (2) führt, wobei der Leitapparat (3) aus zahlreichen Leitschaufeln (4) besteht, die das einströmende Medium (E) so auf die Laufradschaufeln (5) leiten, dass auf die Laufradschaufeln (5) eine Umfangskraft wirkt, wobei die Laufradschaufeln (5) wie Turbinenschaufeln ausgebildet sind, die entsprechend dem Massendurchsatz eines strömenden Mediums konstruiert sind und wobei der Schachtdurchmesser des Schachts (1) kleiner ist als der Außendurchmesser der Laufradschaufeln (5) des Laufrads (6).A wind turbine, in particular for generating electricity, comprising a shaft (1) for flowing in liquid or gaseous media, having a conical or paraboloidal part (2) for guiding the flowing media in impeller blades (5) of at least one rotatable impeller (6), to the line the flow media is a nozzle (3) with vanes (4) in front of the impeller (6) is arranged, wherein the conical or parabolic device (2) the inflowing medium (E) in an annular gap between the shaft (1) and the conical or the paraboloidal device (2) leads, wherein the nozzle (3) consists of numerous guide vanes (4) which direct the inflowing medium (E) on the impeller blades (5) that on the impeller blades (5) acts a circumferential force, the impeller blades (5) are formed as turbine blades constructed according to the mass flow rate of a flowing medium, and wherein the shaft diameter of the duct (1) is smaller than the outer diameter of the impeller blades (5) of the impeller (6).

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die umweltverträgliche und gesellschaftlich akzeptable Anwendung von kleinen Geräten zur Erzeugung elektrischer Energie.The present invention relates to the environmentally sound and socially acceptable application of small electrical power generation devices.

Wie in anderen Bereichen ist die Dezentralisierung ein Gebot, das die Betriebssicherheit der Anlagen zur Erzeugung elektrischer Energie verbessert.As in other areas, decentralization is a requirement that improves the operational safety of electrical energy plants.

Die Errichtung der großen Windanlagen ist meistens mit Protesten aus der Bevölkerung begleitet.The construction of the large wind turbines is usually accompanied by protests from the population.

Durch die Verwendung vieler kleiner Anlagen wird es unnötig sein, Stromleitungen über große Strecken zu verlegen, da die dargestellte Technologie eine problemfreie Installation ermöglicht.Using a lot of small equipment will eliminate the need to route power lines over long distances as the technology shown makes installation trouble-free.

Die gegenwärtige Technik zur Erzeugung elektrischer Energie aus Wind sieht die Anwendung von großen Anlagen vor, die mit Rotorblättern einen Generator antreiben.The current technique of generating electrical energy from wind involves the use of large plants that power a generator with rotor blades.

Meist in Höhen über 50 bis zu 200 Meter und mehr sind die technischen Einrichtungen in festen Behältern, Gondeln, auf einer oder mehreren Stützen angebracht.Usually in heights of more than 50 meters up to 200 meters and more, the technical equipment is mounted in fixed containers, gondolas, on one or more supports.

Nach Betz [Betz, Albert, Windenergie und ihre Ausnutzung in Windmühlen, Göttingen 1926] wird dabei nur ca. 60% der projizierten Rotorfläche als nutzbare Fläche ausgewiesen.According to Betz [Betz, Albert, Windenergie and their utilization in windmills, Göttingen 1926], only about 60% of the projected rotor area is designated as usable area.

Die Getriebe sind mehrere Tonnen schwer und bilden mit den Rotorblättern eine Masse, die durch den Wind über einer bestimmten Windstärke angetrieben werden können. Durch die notwendige Beschleunigung der großen Masse wird eine Anlaufzeit erforderlich.The gears are several tons heavy and form with the rotor blades a mass that can be driven by the wind above a certain wind strength. Due to the necessary acceleration of the large mass, a start-up time is required.

Entsprechend der großen Durchmesser erreichen die Rotorenden eine sehr hohe Strömungsgeschwindigkeit. Die starke Entwicklung von unangenehmen Strömungsgeräuschen ist die Folge. Aus der DE 101 18 858 A1 ist eine Windturbine bekannt, bei der die einströmende Luft durch mehrere radial-axial ausgerichtete Blätter in axiale Teilströme aufgeteilt auf ein Turbinenschaufelrad geleitet wird, dessen Schaufeln nach Art von Tragflügel ausgebildet sind. Aus der DE 30 15 756 A1 ist eine weitere Windturbine bekannt, dessen Turbinenschaufeln ebenfalls nach Art von Tragflügeln ausgebildet sind. Aus der US 2006/0002786 A1 ist eine Laminarturbine bekannt. Corresponding to the large diameter, the rotor ends reach a very high flow velocity. The strong development of unpleasant flow noise is the result. From the DE 101 18 858 A1 a wind turbine is known in which the inflowing air is passed through a plurality of radially-axially aligned blades divided into axial partial flows on a turbine blade wheel, whose blades are formed in the manner of airfoils. From the DE 30 15 756 A1 Another wind turbine is known, the turbine blades are also formed in the manner of airfoils. From the US 2006/0002786 A1 a laminar turbine is known.

Mit der vorliegenden Erfindung einer Windturbine werden viele Vorteile erzielt. Wesentlich für die Erfindung ist dabei, dass die Laufradschaufeln nach dem Massendurchsatzprinzip eines strömenden Mediums konstruiert. sind.With the present invention of a wind turbine many advantages are achieved. Essential to the invention is that the impeller blades constructed according to the mass flow rate principle of a flowing medium. are.

Bei dieser Konstruktion der Windturbine wird das strömende Medium vollständig nutzbar, da der Schacht ein Ausweichen der Strömung verhindert und vollständig – also zu 100% – in die Windturbine lenkt.In this design of the wind turbine, the flowing medium is fully usable, as the shaft prevents the flow to escape and completely - ie 100% - directed into the wind turbine.

Die Windturbine wird von gasförmigen Medien, zum Beispiel Luft, durchströmt, die aus atmosphärischen Gegebenheiten in Bewegung gebracht wurde.The wind turbine is flowed through by gaseous media, for example air, which has been moved from atmospheric conditions.

Die Anwendung in flüssigen Medien ist ebenso möglich.The application in liquid media is also possible.

Die Dimension der Windturbine ist bestens dafür geeignet, die Teile als Massenprodukt herzustellen.The dimension of the wind turbine is ideally suited to produce the parts as a mass product.

Damit ist die Errichtung an vielen Orten möglich, ohne die störenden Wirkungen eines herkömmlichen Rotors zu verursachen.Thus, the construction in many places is possible without causing the disturbing effects of a conventional rotor.

Durch die geringe Größe und kompakte Bauweise können die Windturbinen der Umgebung angepasst werden. Bei einer Anwendung zum Beispiel an einer Seilbahn kann nahezu 24 Stunden Strom erzeugt werden, da die ständigen Aufwinde am Berghang die Windturbine antreiben.The small size and compact design of the wind turbines can be adapted to the environment. For example, when used on a cable car, nearly 24 hours of electricity can be generated, as the constant updrafts on the mountainside drive the wind turbine.

Dies bringt den Vorteil, dass zum Beispiel auf hohen Gebäuden Windturbinen auf dem Dach angeordnet werden können und sich so keine Beeinträchtigung der Architektur ergibt.This has the advantage that, for example, on high buildings wind turbines can be arranged on the roof and thus results in no impairment of the architecture.

Die Windturbine kann auch in Kaminen installiert und so die Gasströmung zur Gewinnung elektrischer Energie verwendet werden.The wind turbine can also be installed in chimneys and so the gas flow can be used to generate electrical energy.

Im Gegensatz zu den Rotoranlagen ist der Ausfall einer Windturbine unwesentlich, da bei der Vielzahl der Windturbinen ein Gerät nur einen geringen Teil der Gesamtleistung darstellt.In contrast to the rotor systems, the failure of a wind turbine is negligible, because in the large number of wind turbines, a device represents only a small part of the total power.

Die Relation von Leistung und eingesetztem Material ist wesentlich günstiger als bei den herkömmlichen Rotoren.The relation of power and material used is much cheaper than with conventional rotors.

Mit entsprechenden Einrichtungen wird die Windturbine in die Strömungsrichtung bewegt, dass die durchströmenden Medien das maximale Drehmoment erzeugen und so zur Gewinnung elektrischer Energie eingesetzt werden kann.With appropriate facilities, the wind turbine is moved in the flow direction that the flowing media generate the maximum torque and can be used to generate electrical energy.

Die Laufradschaufeln sind nach dem Massendurchsatzprinzip eines strömenden Mediums konstruiert.The impeller blades are constructed according to the mass flow rate principle of a flowing medium.

In der Zeichnung sind die Details ersichtlich.The details are shown in the drawing.

Es zeigt:It shows:

1 zeigt einen Schnitt durch eine schematische Darstellung einer Windturbine. 1 shows a section through a schematic representation of a wind turbine.

Die Windturbine ist in einem Schacht 1 so angeordnet, dass die einströmenden Medien, zum Beispiel Luft, durch eine kegelförmige oder paraboloidförmige Einrichtung 2 einen Ringspalt bildet.The wind turbine is in a shaft 1 arranged so that the inflowing media, for example air, through a conical or paraboloidal device 2 forms an annular gap.

Der Durchmesser des Kegels soll größer sein als der Fußkreis der Leitschaufeln des Leitapparats. Dadurch wird verhindert, dass die Strömung an den Schaufelenden verwirbelt wird und zu Strömungsverlusten führt.The diameter of the cone should be greater than the root circle of the guide vanes. This prevents that the flow is swirled at the blade ends and leads to flow losses.

Der Schachtdurchmesser des einströmenden Mediums E soll kleiner sein als der Außendurchmesser der Laufradschaufeln des Laufrads, um das Anströmen an den Enden der Laufradschaufeln 5 zu verhindern.The well diameter of the inflowing medium E should be less than the outer diameter of the impeller blades of the impeller to prevent the flow at the ends of the impeller blades 5 to prevent.

Dadurch wird erreicht, dass die Strömung laminar bleibt und keine Strömungsverluste auftreten.This ensures that the flow remains laminar and no flow losses occur.

Die Strömung durch den Ringspalt ist der wirksam angeströmte Querschnitt des Laufrads, die auf jeder Laufradschaufel ein Drehmoment erzeugt.The flow through the annular gap is the effective impinged cross section of the impeller, which generates a torque on each impeller blade.

Auf einer Welle 7 sitzen ein oder mehrere Laufräder 6, die am Umfang mit Laufradschaufeln 5 bestückt sind.On a wave 7 sit one or more wheels 6 on the perimeter with impeller blades 5 are equipped.

Zur kontrollierten Durchströmung der Laufradschaufeln 5 ist ein Leitapparat 3 mit den Leitschaufeln 4 vor dem Laufrad 6 angeordnet, der die einströmenden Medien so leitet, dass die Laufradschaufeln 5 optimal angeströmt werden.For controlled flow through the impeller blades 5 is a nozzle 3 with the vanes 4 in front of the wheel 6 arranged, which directs the incoming media so that the impeller blades 5 be streamed optimally.

Auf der Auslassseite des Laufrads 6 ist ein weiterer Leitapparat angeordnet, der die ausströmenden Medien entweder auf die Laufradschaufeln des nächsten Laufrads lenkt oder in den Schacht ausströmen lässt.On the exhaust side of the impeller 6 a further diffuser is arranged, which directs the outflowing media either on the impeller blades of the next impeller or flow out into the shaft.

Die Windturbine kann in der Dimension an den Bedarf an Energie angepasst werden und mit Durchmessern von zum Beispiel 50 mm bis zu 5000 mm und darüber hergestellt werden.The wind turbine can be adapted in size to the demand for energy and be made with diameters of for example 50 mm up to 5000 mm and above.

Das anströmende Medium, das durch die Leitschaufeln 4 des Leitapparats 3 umgelenkt wurde, strömt auf die Laufradschaufeln 5 und durch die Laufradschaufel 5, die mit dem Laufrad 6 fest verbunden sind. Dadurch wird ein Drehmoment auf das Laufrad 6 ausgeübt und das drehbare Laufrad 6 in Rotation versetzt.The inflowing medium passing through the vanes 4 of the distributor 3 was deflected, flows on the impeller blades 5 and through the impeller blade 5 that with the wheel 6 are firmly connected. This will create a torque on the impeller 6 exercised and the rotatable impeller 6 set in rotation.

Das Laufrad 6 oder die Laufräder sind mit der Laufradwelle 7 verbunden, um das Drehmoment auf die Laufradwelle 7 zu übertragen.The impeller 6 or the wheels are with the impeller shaft 7 connected to the torque on the impeller shaft 7 transferred to.

Ein oder mehrere Generatoren 8 zur Stromerzeugung sind mit der Laufradwelle 7 verbunden. Die Laufradwelle 7 ist in einem Lagerbock 10 gelagert.One or more generators 8th to generate electricity are with the impeller shaft 7 connected. The impeller shaft 7 is in a bearing block 10 stored.

Der Durchmesser der Windturbinenteile wie Schacht 1, Laufräder 6, Leitapparate 3 zwischen den Laufrädern und Ausströmschacht 9 kann zwischen 50 mm und 5000 mm und mehr betragen.The diameter of the wind turbine parts like shaft 1 , Wheels 6 , Diffusers 3 between the wheels and the discharge shaft 9 can be between 50 mm and 5000 mm and more.

Claims (7)

Windturbine, insbesondere zur Stromerzeugung, mit einem Schacht (1) zum Einströmen für flüssige oder gasförmige Medien, mit einem kegelförmigen oder paraboloidförmigen Teil (2) zur Leitung der strömenden Medien in Laufradschaufeln (5) wenigstens eines drehbaren Laufrads (6), wobei zur Leitung der strömenden Medien ein Leitapparat (3) mit Leitschaufeln (4) vor dem Laufrad (6) angeordnet ist, wobei die kegelförmige oder paraboloidförmige Einrichtung (2) das einströmende Medium (E) in einem Ringspalt zwischen dem Schacht (1) und der kegelförmigen oder der paraboloidförmigen Einrichtung (2) führt, wobei der Leitapparat (3) aus zahlreichen Leitschaufeln (4) besteht, die das einströmende Medium (E) so auf die Laufradschaufeln (5) leiten, dass auf die Laufradschaufeln (5) eine Umfangskraft wirkt, wobei die Laufradschaufeln (5) wie Turbinenschaufeln ausgebildet sind, die entsprechend dem Massendurchsatz eines strömenden Mediums konstruiert sind und wobei der Schachtdurchmesser des Schachts (1) kleiner ist als der Außendurchmesser der Laufradschaufeln (5) des Laufrads (6).Wind turbine, in particular for generating electricity, having a shaft ( 1 ) for flowing in liquid or gaseous media, with a conical or paraboloidal part ( 2 ) for guiding the flowing media in impeller blades ( 5 ) at least one rotatable impeller ( 6 ), wherein for guiding the flowing media, a distributor ( 3 ) with vanes ( 4 ) in front of the impeller ( 6 ), wherein the conical or paraboloidal device ( 2 ) the inflowing medium (E) in an annular gap between the shaft ( 1 ) and the conical or paraboloidal device ( 2 ), wherein the distributor ( 3 ) of numerous guide vanes ( 4 ), the inflowing medium (E) so on the impeller blades ( 5 ), that on the impeller blades ( 5 ) acts a peripheral force, wherein the impeller blades ( 5 ) are formed as turbine blades, which are constructed according to the mass flow rate of a flowing medium and wherein the shaft diameter of the shaft ( 1 ) is smaller than the outer diameter of the impeller blades ( 5 ) of the impeller ( 6 ). Windturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des kegelförmigen oder paraboloidförmigen Teils (2) größer ist als der Fußkreis der Leitschaufeln (4) des Leitapparats (3).Wind turbine according to one of the preceding claims, characterized in that the diameter of the conical or paraboloidal part ( 2 ) is greater than the root circle of the vanes ( 4 ) of the distributor ( 3 ). Windturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Leitapparat (3) mit dem feststehenden Schacht (1) verbunden ist.Wind turbine according to one of the preceding claims, characterized in that the distributor ( 3 ) with the fixed shaft ( 1 ) connected is. Windturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer mehrstufigen Windturbine Leitapparate (3) zwischen den Laufrädern (6) angeordnet sind.Wind turbine according to one of the preceding claims, characterized in that, in the case of a multi-stage wind turbine, guide vanes ( 3 ) between the wheels ( 6 ) are arranged. Windturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Generator (8) zur Stromerzeugung mit einer das wenigstens eine Laufrad (6) tragenden Laufradwelle (7) verbunden ist. Wind turbine according to one of the preceding claims, characterized in that at least one generator ( 8th ) for generating electricity with the at least one impeller ( 6 ) carrying impeller shaft ( 7 ) connected is. Windturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer Dreheinrichtung (12), die die Windturbine so dreht, dass das einströmende Medium (E) ein maximales Drehmoment auf den Laufradschaufeln (5) erzeugt und damit eine maximale Stromerzeugung ermöglicht.Wind turbine according to one of the preceding claims, with a rotating device ( 12 ), which rotates the wind turbine so that the inflowing medium (E) a maximum torque on the impeller blades ( 5 ) and thus enables maximum power generation. Windturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Ausströmschacht (9) eine kegelförmige oder eine paraboloidförmige Einrichtung (11) angebracht ist.Wind turbine according to one of the preceding claims, characterized in that in an outflow shaft ( 9 ) a cone-shaped or a paraboloid-shaped device ( 11 ) is attached.
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