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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen neuartigen in einem Rohr aufgehängten torpedoförmigen Rotor insbesondere zur Energiegewinnung aus inkompressiblen strömenden Fluiden wie Wasser.
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Im Stand der Technik sind eine Vielzahl von Turbinenarten für verschiedene Zwecke bekannt.
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Im Bereich der Energiegewinnung gibt es neben Dampfturbinen, die vorwiegend in konventionellen Kraftwerken eingesetzt werden, in denen eine Wärmequelle wie Kernspaltung, Kohle-, Öl- oder Gasverbrennung Wasser zu Dampf erhitzt, der dann in diese Turbinen geleitet wird, im Bereich der regenerative Energien verschiedene Arten von Wasserturbinen. In unterschiedlichsten Ausführungsformen existieren Francis-, Kaplan-, Pelton- und Ossberger- bzw. Durchströmturbinen, um einige der geläufigsten zu nennen. Diese werden je nach Fallhöhen- und Durchflussschwankung in dem Fachmann geläufigen Einrichtungen zur Energieumwandlung wie Laufwasserkraftwerken, Speicherseekraftwerken oder Gezeitenkraftwerken verwendet.
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Es ist wünschenswert, regenerative Energien wie Wasserkraft so weit wie möglich zu nutzen, um die durch konventionelle Kraftwerke verursachten Schwierigkeiten zu verringern. Gleichzeitig müssen jedoch auch die Probleme gering gehalten werden, die sich aus Wasserkraftnutzung ergeben können, wie mögliche Eingriffe in die Ökologie oder die Umgestaltung ganzer Landschaften durch Stauseen. Um das Ziel des verstärkten wirtschaftlichen Einsatzes von Wasserkraft möglichst auch in kleineren Maßstäben, um auch die Potentiale kleinerer Wasserläufe zu nutzen, mit möglichst geringen Belastungen unter ökologischen Gesichtspunkten zu erreichen, ist es wünschenswert, die Effizienz von Turbinen so weit wie möglich zu erhöhen.
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Im Rahmen einer erweiterten dezentralen Energieerzeugung könnte auch beispielsweise in kleineren Bächen oder Kanälen, insbesondere in Abwasserkanälen, ein Teil der Wasserenergie durch kleine, effiziente Turbinen genutzt werden. Allerdings scheiterte ein derartiger Ansatz neben Problemen mit Wasserverschmutzung und Wasserlebewesen wie Algen und Protozoen bisher an der Effizienz, der Größe und dem Preis der vorhandenen Turbinen.
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Die
WO 95/03211 offenbart eine Schiffsantriebseinheit, die ein Getriebe und zwei Schrauben aufweist. Die beiden Schrauben drehen sich in entgegengesetzten Richtungen um eine gemeinsame Achse. Durch die Anordnung der Wellen nach den Erläuterungen dieser Druckschrift ergeben sich vor allem Vorteile bezüglich der Schmierung des Antriebseinheit.
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Die
JP 101 38 993 A zeigt eine Schiffsschraube, bei der der Anstellwinkel von Hilfspropellerflügeln gekoppelt mit dem Anstellwinkel der Hauptpropellerflügel änderbar ist. Die Hilfspropellerflügel liegen in Strömungsrichtung vor und in Umfangsrichtung zwischen den Hauptflügeln und sind kleiner als die Hauptflügel. Der Anstellwinkel der Hilfspropellerflügel wird stärker als jener der Hauptflügel geändert. Auf diese Weise kann eine hohe Effizienz über einen weiten Bereich von Betriebspunkten sichergestellt werden.
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Schließlich offenbart die
US 5,964,626 , die als nächstkommender Stand der Technik angesehen wird, der die Grundlage für den Oberbegriff des Anspruchs 1 bildet, einen Pumpjet mit einem Rotor, der vor dem zugehörigen Antriebsmechanismus sitzt. Dadurch kommt das Wasser zuerst mit dem Rotor in Kontakt und der Rotor arbeitet hauptsächlich im ungestörten, d. h. laminaren Wasser. Auf diese Weise wird die Effizienz des Rotors erhöht.
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Daher ist es eine Aufgabe der Erfindung, einen neuartigen Rotor und eine darauf basierende neuartige Turbine insbesondere für Laufwasserkraftwerke zu schaffen, um- die Strömungsenergie möglichst optimal verwerten zu können.
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Diese Aufgabe wird durch einen Rotor nach Anspruch 1 sowie eine Turbine nach Anspruch 10 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen finden sich in den Unteransprüchen.
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Der erfindungsgemäße Rotor zeichnet sich insbesondere durch die neuartige Anordnung und Ausrichtung der Turbinenschaufeln am Grundkörper aus. Der Grundkörper ist stromlinienförmig, um möglichst geringe Turbulenzen der Strömung zu verursachen. Die Turbinenschaufeln sind auf mehreren zueinander versetzten Querschnitten des Grundkörpers angeordnet. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Länge der vom Grundkörper abstehenden Turbinenschaufeln so gewählt wird, dass eine Hüllkurve über die Spitzen der Turbinenschaufeln in Strömungsrichtung an jedem Punkt eine höchstens gleich große Krümmung wie die Krümmung des Grundkörpers an der zugehörigen Stelle aufweist. In anderen Worten sind die Schaufeln dort länger, wo der Grundkörper einen kleinen Querschnitt aufweist, auf Grund der Stromlinienform des Grundkörpers insbesondere weit vorn und weit hinten in Strömungsrichtung. Wo der Grundkörper einen großen Querschnitt aufweist, d. h. auf Grund der Stromlinien- oder Tropfenform des Grundkörpers insbesondere ungefähr im vorderen Drittel des Grundkörpers, sind die Schaufeln dagegen vergleichsweise kurz. Insgesamt nähert sich somit eine Hüllkurve über die Schaufelspitzen stärker an eine Gerade an als die Oberfläche des stromlinienförmigen Grundkörpers. Durch diese Schaufelanordnung wird beispielsweise in einem rohrförmigen Gehäuse die Fluidströmung ideal genutzt, weil das Fluid durch die Verengung in der Mitte des Rotors beschleunigt wird und dadurch ein höheres Drehmoment auf die kleineren Flügel ausübt, während es am Beginn und Ende des Grundkörpers mit geringerer Geschwindigkeit fließt, aber auf einer größeren Schaufelfläche Drehmoment erzeugt.
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Der Rotor wird vorteilhafterweise in einem durchströmten Gehäuse wie einem Rohr angeordnet. Insbesondere können durch Anordnung des Rotors in einem Rohr durch Querschnittsveränderungen (z. B. Blenden) vor und nach dem Rotor die Fluidströmungen um den Rotor verändert werden. Zum Beispiel kann durch eine Verengung des Gehäuses vor dem Rotor das Fluid beschleunigt werden, zudem können bei ausreichender Verfügbarkeit des Fluids Staudrücke reguliert werden, um die Rotorgeschwindigkeit einzustellen. Weiterhin bietet ein Rotorgehäuse Ansatzpunkte, an denen das oder die Rotorlager aufhängbar sind. Schließlich bleiben durch den erfindungsgemäß nahezu gleich bleibenden Abstand der Schaufelenden des Rotors vom Gehäuse trotz der Stromlinienform des Rotors und des dadurch bedingten unterschiedlichen Abstands des Grundkörpers vom Gehäuse die Turbulenzen zwischen Rotor und Gehäuse über die gesamte Rotorlänge gleichmäßig. Diese Turbulenzen können darüber hinaus durch eine entsprechende Oberfläche des Gehäuseinneren, des Grundkörpers und der Schaufeln, beispielsweise unter Verwendung einer Art „Haifischhaut” bzw. von Riblets verringert werden.
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Besonders bevorzugt können beim Einsatz des erfindungsgemäßen Rotors in einem Turbinengehäuse weiterhin der Innenraum des Grundkörpers des Rotors und/oder die Flügel des Rotors zur Aufnahme von Teilen eines Generators verwendet werden. Beispielsweise können (Permanent-)Magnete geeignet in den Flügeln oder am Grundkörper vorgesehen werden. Dies können dann mit Spulen an einem Gehäuse zusammenwirken, um elektrische Energie zu erzeugen. Ein solcher Aufbau vereinfacht den Einsatz des Rotors in einem Generator, da die Drehung des Rotors direkt in elektrischen Strom umgewandelt werden kann, ohne dass zusätzliche Getriebeelemente wie Zahnräder, Transmissionsriemen und/oder -ketten oder Kardanwellen im Gehäuse vorzusehen sind, die einerseits die Fluidströmung stören und andererseits durch die aufwändigere (z. B. korrosionsresistente) Gestaltung, die in der Fluidströmung nötig werden kann, höhere Kosten verursachen können. Zusätzlich kühlt die Fluidströmung bei einer derartigen Ausgestaltung auch um das Gehäuse angebrachte Spulen. Wird die abgenommene Energie andererseits über die vorstehend erwähnte Getriebeelemente an einen getrennten Generator übertragen, kann dieser möglicherweise effizienter aufgebaut werden, da keine Rücksicht auf Korrosions- und Platzprobleme notwendig ist.
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Umgekehrt könnten auch Spulen im Innenraum des Rotors angeordnet werden, die zusammen mit außerhalb des Rohrs liegenden Magneten Strom erzeugen. In diesem Fall muss der Rotor über Drähte oder Schleifkontakte an seiner Aufhängung Strom ableiten können. Ein entsprechender Aufbau kann vorzugsweise dort verwendet werden, wo das Fluid keinen Strom leitet. Alternativ kann eine gegen das Fluid abgedichtete Lagerung des Rotors vorgesehen werden, an der die Abnahme der Energie erfolgt.
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Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich auf Grund der Beschreibung von Ausführungsbeispielen sowie an Hand der Zeichnung.
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Es zeigt:
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1: eine dreidimensionale Veranschaulichung einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Rotors in einem (gestrichelt gezeichneten) Rohr;
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2: eine Seitenansicht des Rotors der 1;
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3 und 4: jeweils andere Ausführungsformen eines Rotors analog der in 1 und 2 gezeigten ersten Ausführungsform in einer dreidimensionalen Veranschaulichung.
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1 und 2 zeigen jeweils einen Rotor nach einer ersten Ausführungsform. Wie in allen Figuren gestrichelt angedeutet ist, wird der erfindungsgemäße Rotor vorzugsweise in einem als Rohr geformten Gehäuse eingebaut und vom Fluid (in der beispielhaften Ausführungsform Wasser) in den Figuren in der Richtung von links bzw. auf den Zeichnungsseiten von unten durchströmt.
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Obwohl dies in den Figuren aus darstellerischen Gründen nicht gezeigt ist, wird der Rotor im Gehäuse um seine Achse drehbar und in Achsrichtung fest gelagert. Derartige Lagerungen sind im Grundsatz bekannt und werden daher hier nicht im Einzelnen erörtert. Beispielsweise können vor dem Rotor eine oder mehrere beispielsweise als Leitschaufeln ausgebildete Halterungen an der Gehäusewand befestigt sein und so nach innen ragen, dass sie ein Lager für die Welle des Rotors bilden. Ein weiteres Lager kann analog hinter dem Rotor ausgebildet sein.
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In einer nicht im Einzelnen gezeigten bevorzugten Ausführungsform ist die Lagerung nur hinter dem Rotor angeordnet, so dass eine ungestörte laminare Strömung auf den erfindungsgemäßen Rotor trifft. Dadurch kann die kinetische Energie des Fluids optimal ausgenutzt werden. In diesem Fall ist es zu bevorzugen, die Welle, die mit dem Rotor fest verbunden ist, hinter der Lagerung mit einem Ausgleichsgewicht zu versehen. Dieses Ausgleichsgewicht kann zu einer Arbeitsmaschine gehören, beispielsweise eine Generatorwelle sein. Mit einer entsprechenden Anordnung erreicht man, dass das den Rotor antreibende Wasser gleichzeitig die hinter dem Lager angebrachte Arbeitsmaschine kühlen kann. Insbesondere können zwei im Wesentlichen identische Rotoren in Strömungsrichtung vor und hinter einem mittigen Lager vorgesehen sein. Dadurch wird die Strömung insbesondere vor dem ersten Rotor nur wenig gestört, so dass die Strömungsenergie bestmöglich in Rotationsenergie des Rotors umgesetzt wird. Gleichzeitig werden axiale Unwuchten vermieden und im Lagergehäuse kann ein Getriebe, beispielsweise mit einem Transmissionsriemen oder einer Kardanwelle, vorgesehen werden, um die in Drehung des Rotors umgewandelte Strömungsenergie aus dem Gehäuse an eine externe Arbeitsmaschine zuzuführen.
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Der erfindungsgemäße Rotor 1 weist einen Grundkörper 1a auf, an dem Turbinenschaufeln 2 angebracht sind. Durch den Druck des strömenden Fluids auf die Schaufeln 2 wird der Rotor 1 in Drehung versetzt. Diese Drehung kann über eine (nicht gezeigte) Welle an eine Arbeitsmaschine übertragen werden.
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Der Grundkörper 1a des Rotors 1 weist wie in 1 zu erkennen eine Stromlinienform, vorzugsweise eine rotationssymmetrische Tropfenform auf. Der Strömungswiderstand dieser Tropfenform kann wie in allen Figuren gezeigt durch einen Wulstbug 3 weiter verringert werden, so dass eine möglichst geringe Reibung entlang des Grundkörpers 1a entsteht. Insbesondere weist der Grundkörper 1a eine Form auf, die an bionische Formen angelehnt ist, beispielsweise an die Form eines Fisches oder Delphins.
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Am Grundkörper 1a des Rotors 1 sind Turbinenschaufeln 2 angeordnet. Jede einzelne Schaufel 2 ist gegen die Strömungsrichtung des Fluids leicht schräg angestellt, so dass der Impuls des auf die Schaufel 2 auftreffenden Fluids teilweise in eine Drehbewegung des Rotors umgewandelt wird. Zudem sind Vorder- und Rückseite jeder Schaufel 2 der Ausführungsform tragflügelartig so profiliert, dass das die Schaufeln 2 umströmende Fluid ein zusätzliches Drehmoment unter Ausnutzung des Bernoulli'schen Gesetzes ausübt. Anstellwinkel und Krümmung der Schaufeln 2 werden abhängig von der Strömungsgeschwindigkeit und der Zähigkeit des Mediums festgelegt.
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Wie aus 1 und 2 erkennbar, sind in der Ausführungsform jeweils Reihen von einzelnen Schaufeln 2 entlang des Grundkörpers 1a spiralförmig angeordnet. Bei einer auf die Strömungsgeschwindigkeit und Zieldrehzahl abgestimmten spiralförmigen Anordnung der Schaufeln schiebt ein Fluidteilchen, das weitgehend geradeaus strömt, die erste Schaufel, die es trifft, zur Seite, wonach es nahezu unabgelenkt weiterfließen kann. Die Spirale ist so ausgelegt, dass dieses „geradeaus strömende” Fluidteilchen auf die nächste Schaufel trifft. Auf diese Weise wird einerseits eine möglichst laminare, gering verwirbelte Strömung bereitgehalten und andererseits wird die Strömungsenergie jedes Fluidteilchens optimal ausgenutzt, da es entlang des „geraden” Strömungswegs ständig auf die jeweils nächste Schaufel trifft. Somit wird das Fluid beim Strömen entlang des Rotors 1 möglichst wenig verwirbelt und abgelenkt.
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Ferner sind die am Grundkörper 1a angebrachten Schaufeln 2 abhängig vom Ort der Anbringung am Grundkörper unterschiedlich lang, so dass sie vorzugsweise an jeder Stelle des Grundkörpers 1a weitgehend gleich weit nach außen zur Innenseite des Rohrs ragen. Dies wird durch die dünne gestrichelte Hüllkurve 4 der Schaufeln 2 in 2 veranschaulicht. Durch diese Maßnahme kann der Druck auf die Schaufeln, der an der Stelle der stärksten Verdickung des Grundkörpers auf Grund der dort höheren Fließgeschwindigkeit am höchsten und an den anderen Stellen entsprechend geringer ist, über den Rotor verteilt auf unterschiedlich große Schaufelflächen wirken, die dort größer sind, wo der Druck geringer ist. Auf diese Weise ergibt sich über den Rotor verteilt eine gleichmäßige Ausnutzung des durch die Strömung erzeugten Drehmoments, was zu einer besser beherrschbaren Belastung der Lager führt.
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Ebenfalls aus 1 und 2 erkennbar ist, dass jeweils eine Gruppe von Schaufeln 2 in dieser Ausführungsform entlang einer Spirale, die gegenläufig zur vorstehend erwähnten Spirale ist, zueinander parallel angeordnet ist. Durch diese Anordnung wird eine gleichmäßige Verteilung der Fluidströmung, dadurch eine geringere Verwirbelung und eine optimale Nutzung der die Rotation auslösenden Kräfte entlang der gesamten Länge der Turbine erreicht.
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Auch hier sorgt die spiralförmige Verteilung ähnlich wie vorstehend erörtert dafür, dass sich der das Drehmoment erzeugende Fluiddruck über die gesamte Turbinenlänge gleichmäßig verteilt, wodurch die Belastung der Lager optimiert wird.
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3 und 4 zeigen andere Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Rotors. In 3 und 4 sind die erfindungsgemäßen Schaufeln größer als in der ersten Ausführungsform und flossenartig geformt, um bionische Erkenntnisse nicht nur in die Konstruktion des Grundkörpers 1a, sondern auch in die der Schaufeln 2 einfließen zu lassen. Falls der Rotor durch Montage der Flossen an dem Grundkörper hergestellt wird, kann sich durch die geringere Anzahl der am Grundkörper zu montierenden Schaufeln bzw. Flossen im Vergleich zur ersten Ausführungsform die Montage vereinfachen. Wie bei der ersten Ausführungsform können die Nenndrehzahl und das Nenndrehmoment durch Festlegung der Anzahl und Größe der Schaufeln bei gegebener Fluidströmung eingestellt werden.
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Wie aus 4 erkennbar kann zudem noch durch makroskopische Riffelungen und/oder eine verbesserte Gestaltung der Schaufeloberfläche mittels Riblets im Sinne einer haifischhautähnlichen Strukturierung eine weitere Verringerung von Reibungsverlusten erzielt werden. Zu diesem Zweck können die Flügel so geformt, insbesondere gewellt werden, dass eine seitliche Bewegung des unmittelbar am Flügel vorbeiströmenden Fluids behindert wird. Das Fluid wird an der Schaufel gewissermaßen in seiner gewünschten Strömungsrichtung „kanalisiert”. Dadurch werden Turbulenzen direkt an der Schaufel behindert und somit die Effizienz der Vorrichtung weiter erhöht.
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Selbstverständlich können unterschiedliche Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Rotors verwendet werden. Um die komplexen Formen wie in den Figuren zu erkennen zu schaffen, bieten sich insbesondere für kleinere Turbinen stereolithographische oder darauf basierende Verfahren wie der sogenannte „3D-Druck” an. Beispielsweise kann ein Rotor stereolithographisch schichtweise aufgebaut werden, wobei der Prozess unterbrochen werden kann, um z. B. Lager, Magnete, Spulen oder Getriebe in oder an dem Rotor zu montieren, die dann zur Energieübertragung verwendbar sind. Alternativ sind auch eine Fertigung durch herkömmliche spanende Verfahren wie Fräsen, Drehen und Schleifen, Gieß- oder Spritzgießmethoden sowie durch Montage einzelner Segmente möglich, was insbesondere bei größeren erfindungsgemäß gestalteten Turbinen zweckmäßig wird. Selbstverständlich wird auch ein Kombination derartiger Fertigungsverfahren insbesondere bei größeren Rotoren in Betracht zu ziehen sein.
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Zusammenfassend leistet die Erfindung Folgendes:
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Es wird ein neuartiger Rotor 1 insbesondere für die Energieerzeugung über eine Turbine in einem strömenden Fluid geschaffen, der einen stromlinienförmigen rotationssymmetrischen Grundkörper 1a und mehrere neben- und hintereinander angeordnete Schaufeln 2 aufweist. Eine Hüllkurve in Strömungsrichtung des Fluids über die äußeren Spitzen der Schaufeln 2 weist an jedem Querschnitt eine geringere, höchstens aber gleich hohe Krümmung auf wie der Grundkörper 1a auf demselben Querschnitt. Dadurch wird eine optimale Ausnutzung einer Fluidströmung insbesondere dann erzielt, wenn der Rotor 1 in einem Gehäuse wie einem Rohr aufgehängt ist, um Energie aus der Fluidströmung zu gewinnen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 95/03211 [0006]
- JP 10138993 A [0007]
- US 5964626 [0008]
