DE102013000989B3

DE102013000989B3 - Luftturbine zum Ausnutzen von Energie aus dem Meer

Info

Publication number: DE102013000989B3
Application number: DE102013000989A
Authority: DE
Inventors: Christoph Moisel; Thomas Carolus; Hans-Ulrich Banzhaf; Raphael Arlitt; Matthias Arnold; Frank Biskup
Original assignee: Voith Patent GmbH; Universitaet Siegen
Current assignee: Voith Patent GmbH; Universitaet Siegen
Priority date: 2013-01-22
Filing date: 2013-01-22
Publication date: 2013-12-19
Anticipated expiration: 2033-01-23
Also published as: WO2014114389A1; EP2948650A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine bi-direktionale Luftturbine, umfassend die folgenden Merkmale beziehungsweise Bauteile: – einen Rotor mit einer Rotorscheibe, die eine Anzahl von Laufschaufeln trägt; – eine mit dem Rotor drehfeste Welle; – ein Gehäuse, das zusammen mit dem Rotor einen durchströmten Raum bildet; – der durchströmte Raum weist einen axial durchströmten Kanalabschnitt, einen Krümmer sowie einen radial durchströmten Kanalabschnitt mit einer Radialöffnung auf; – einen zur Drehachse der Welle koaxialen kuppenartigen Stromleitkörper, dessen Fußbereich nahe oder an der Rotorscheibe liegt und dessen Spitzenbereich zur Axialöffnung hinweist; – eine Anzahl von vom Gehäuse getragenen Leitschaufeln. Die Erfindung ist gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale: – die axiale Erstreckung des Stromleitkörpers ist wenigstens doppelt so groß wie die axiale Erstreckung der Laufschaufeln; eine Anzahl von vom Gehäuse getragenen Leitschaufeln.

Description

Die Erfindung betrifft eine Luftturbine zum Ausnutzen von Meeresenergie und zum Umsetzen der Energie in elektrische Energie. Solche Anlagen sind beispielsweise aus EP 0 000 441 A1 und GB 2 250 321 A bekannt geworden. Es handelt sich somit um eine Anlage, die die Bewegung des Meeresspiegels aufgrund von Oberflächenwellen ausnutzt.
Anlagen dieser Art sind wie folgt aufgebaut: Sie umfassen eine Kammer, die an ihrem unteren Ende offen ist und mit diesem offenen Ende in das Meer eintaucht. An ihrem oberen Ende hat sie ebenfalls eine Öffnung. Es ist ferner ein Rohr vorgesehen, das dem Führen einer Luftströmung dient. Das Rohr ist mit seinem einen offenen Ende an die obere Öffnung der Kammer angeschlossen. Im Rohr befindet sich eine von diesem umschlossene und koaxial zum Rohr angeordnete Energieeinheit mit einem Turbinenrotor sowie ggf. mit einem mit dem Rotor in Triebverbindung stehenden elektrischen Generator.
Der Spiegel des Meerwassers innerhalb der Kammer hebt und senkt sich ständig zufolge der Wellen des Meeres; die Wellenbewegung wirkt somit in die Kammer hinein. Mit jedem Heben des Wasserspiegels ist ein Verdrängen des in der Kammer befindlichen Luftquantums enthalten. Die Luft wird beim Heben des Wasserspiegels verdrängt und strömt durch die obere Öffnung der Kammer und somit auch durch die Rohrleitung, in welchem sich die Turbine befindet. Umgekehrt wird beim Senken des Wasserspiegels Luft aus der freien Umgebung über die Rohrleitung in die Kammer gesaugt. Der in seiner Richtung periodisch wechselnde Luftstrom treibt die Turbine an, und damit auch den elektrischen Generator, der als solcher elektrische Energie erzeugt.
Die Turbine ist somit eine Luftturbine. Sie weist einen Rotor mit einer Rotorscheibe auf. Die Rotorscheibe trägt eine Anzahl von Laufschaufeln. Ein Gehäuse bildet zusammen mit dem Rotor einen durchströmten Raum. Dieser Raum weist einen axial durchströmten Kanal und einen radial durchströmten [(anal auf. Siehe GB 2 125 113 A . Die Turbine wird in zwei Richtungen durchströmt, entsprechend dem Heben und Senken des Meereswasserspiegels. Die Drehrichtung der Turbine bleibt dabei unverändert.
Der Wirkungsgrad solcher Turbinen ist nicht optimal. Dies geht auf Folgendes zurück: Wird die Turbine radial-axial durchströmt, so ergibt sich im Austrittsbereich der Turbine eine Strömung mit hohem Drall. Dies senkt den Wirkungsgrad der Turbine.
Ist die Turbine axial-radial durchströmt, so entstehen Strömungsablösungen im Bereich der radialen Strömungsführung, die den Wirkungsgrad ebenfalls verringern.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Turbine gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 derart zu gestalten, dass der Wirkungsgrad gegenüber dem Stande der Technik bedeutend verbessert wird.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst.
Der Stand der Technik sowie die Erfindung sind anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin veranschaulichen 1 und 2 den Stand der Technik, alle übrigen Figuren veranschaulichen die Erfindung.
Die Figuren zeigen eine bekannte Luftturbine in schematischer Darstellung, und zwar 1 in einem achsparallelen Schnitt, und 2 in einem Axialschnitt.
Die in 3 gezeigte erfindungsgemäße Meridiankontur umfasst die folgenden Bauteile beziehungsweise Merkmale: Ein Rotor 1 umfasst eine Rotorscheibe 2.
Diese ist mit einer Welle 3 drehfest. Die Rotorscheibe 2 trägt eine Mehrzahl von Laufschaufeln 4.
Man erkennt einen kuppenartigen Stromleitkörper 5 mit einem Fußbereich 5.1 und einem Spitzenbereich 5.2. Der Stromleitkörper 5 erstreckt sich somit parallel zur Drehachse. Er ist mit dem Gehäuse 6 fest verbunden, beispielsweise über Leitschaufeln. Er kaum aber auch mit der Welle 3 fest verbunden sein, und darin mit dieser umlaufe. Der Stromleitkörper kann aber auch geteilt sein. Fußbereich 5.1 ist dann mit Welle 3 drehfest verbunden, während Spitzenbereich 5.2 von den Leiträdern getragen wird.
Ein Gehäuse 6 bildet zusammen mit dem Stromleitkörper 5 einen axial durchströmten Kanalabschnitt 7 sowie einen Krümmer 8. Radial außerhalb der Laufschaufel 4 bildet das Gehäuse einen radial durchströmten Kanalabschnitt 9. Hieran schließt sich ein abgekröpfter Kanalabschnitt 10 an, der in radialer Richtung durchströmt ist, aber eine kleine axiale Komponente aufweist (im Folgenden als „geneigter Kanal”) bezeichnet.
Im axial durchströmten Kanalabschnitt 7 befindet sich eine Vielzahl von Leitschaufeln 11. Diese sind vom Gehäuse 6 getragen.
Ist die Turbine radial-axial durchströmt, das heißt tritt Luft in den geneigten Kanalabschnitt 10 ein, so wird eine Verwirbelung der Luft beim Eintritt in den Axialkanal vermieden. Dies wird erreicht durch die Gestalt des Stromleitkörpers 5. Dieser ist außerordentlich lang. Seine Länge, vom Fußbereich 5.1 bis zum Spitzenbereich 5.2, beträgt ein Mehrfaches der axialen Erstreckung der Laufschaufel 4. Im vorliegenden Falle ist der Stromleitkörper 5 etwa viermal so lang, wie die Laufschaufel breit ist. Er sollte mindestens zweimal so lang sein wie die Laufschaufel breit ist. Das Verhältnis kann beispielsweise 3:1, 4:1, 5:1, 6:1, 7:1 oder mehr betragen.
Wie man sieht, umfasst der gesamte durchströmte Bereich die folgenden Kanalabschnitte: Einen axial durchströmten Kanalabschnitt 7, einen Krümmer 8, einen rein radial durchströmten Kanalabschnitt 9, sowie einen geneigten Kanalabschnitt 10. Die Strömung ist dort vorwiegend radial, mit einer kleinen Axialkomponente.
Die Leitschaufel 11 stellt eine feste Verbindung zwischen Gehäuse 6 und Stromleitkörper 5 dar. Der axial durchströmte Kanalabschnitt 7 ist als Diffusor ausgebildet. Dies gilt auch für den geneigten Kanalabschnitt 1D.
Stromleitkörper 5 vermindert oder vermeidet eine Verwirbelung der Strömung im Axialbereich. Er verringert den Querschnitt im Kanalabschnitt 7 und steigert daher die Durchflussgeschwindigkeit. Dies verringert das Auftreten von sogenanntem Totwasser.
Auch das Leitrad trägt hierzu bei.
Die Gestaltung des geneigten Kanales vermeidet ehe Rückströmung, was wiederum Strömungsverluste verringert.
Die 4 bis 11 zeigen weitere Ausführungsformen.
Die Ausführungsform gemäß 4 weist wiederum eine Leitschaufel 11 im axial durchströmten Kanalabschnitt 7 auf, aber keine Leitschaufel radial außerhalb der Laufschaufel 4.
Die Ausführungsform gemäß 5 weist demgegenüber auch eine Leitschaufel 12 im radial durchströmten Kanalabschnitt 9 auf.
Die Ausführungsform gemäß 6 weist eine Leitschaufel 13 im Bereich des Krümmers 8 auf.
Die Ausführungsform gemäß 7 weist wiederum eine Leitschaufel 13 im Bereich des Krümmers auf. Ferner eine Leitschaufel 12 im radial durchströmten Kanalabschnitt 9.
Die Ausführungsform gemäß 8 weist eine Leitschaufel 13 im Bereich des Krümmers auf, aber nahe bei der Laufschaufel 4.
Die Ausführungsform gemäß 9 weist eine Leitschaufel analog jener in 8 auf, sowie eine Leitschaufel 12 im Radialkanal.
Die Ausführungsform gemäß 10 weist eine Leitschaufel 11 im axial durchströmten Kanalabschnitt 7 auf. Der axiale Kanalabschnitt 7 ist annähernd S-förmig gekrümmt.
Die Ausführungsform gemäß 11 ist genauso aufgebaut, wie jene gemäß 10. Jedoch befindet sich hierbei im radialen Kanalabschnitt 9 wiederum eine Leitschaufel 12.
Wie die 10 und 11 zeigen, kann der Stromleitkörper 5 Konturen aufweisen, die von einer zylindrischen Kontur abweichen. Er kann keulenförmig sein. Er kann Verengungen und Erweiterungen aufweisen. Er kann sogar als Kontur eine Wellenform aufweisen – hier nicht dargestellt.
Die 12 bis 15 dienen vor allem der Darstellung von Ausführungsformen des radial durchströmten Kanalbereiches.
In den 12 und 13 ist das Gehäuse 6 beziehungsweise eine Gehäusewand 6.1 abgekröpft. Die Abkröpfung befindet sich bei der Ausführungsform gemäß 12 unmittelbar radial außerhalb der Laufschaufeln 4, bei der Abbildung gemäß 13 etwas weiter radial außerhalb.
Bei den Ausführungsformen gemäß den 14 und 15 ist der geneigte Kanalabschnitt 10 dargestellt, in 14 unmittelbar radial außerhalb der Laufschaufel 4 beginnend, und in der Ausführungsform gemäß 15 radial etwas außerhalb.
Bezugszeichenliste

1: Rotor
2: Rotorscheibe
3: Welle
4: Laufschaufel
5: Stromleitkörper
5.1: Fußbereich
5.2: Spitzenbereich
6: Gehäuse
6.1: Gehäusewand
7: axial durchströmter Kanalabschnitt
8: Krümmer
9: radial durchströmter Kanalabschnitt
10: geneigter Kanalabschnitt
11: Leitschaufel
12: Leitschaufel
13: Leitschaufel
14: Leitschaufel
15: Leitschaufel

Claims

Bi-direktionale Luftturbine, umfassend die folgenden Merkmale beziehungsweise Bauteile: 1.1 einen Rotor (1) mit einer Rotorscheibe (2), die eine Anzahl von Laufschaufeln (4) trägt; 1.2 eine mit dem Rotor (1) drehfeste Welle (3); 1.3 ein Gehäuse (6), das zusammen mit dem Rotor (1) einen durchströmten Raum bildet; 1.4 der durchströmte Raum weist einen axial durchströmten Kanalabschnitt (7), einen Krümmer (8) sowie einen radial durchströmten Kanalabschnitt (9) mit einer Radialöffnung auf; 1.5 einen zur Drehachse (3) der Welle koaxialen kuppenartigen Stromleitkörper (5), dessen Fußbereich nahe oder an der Rotorscheibe (2) liegt und dessen Spitzenbereich (5.2) zur Axialöffnung hinweist; gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale: 1.6 die axiale Erstreckung des Stromleitkörpers (5) ist wenigstens doppelt so groß wie die axiale Erstreckung der Laufschaufeln (4). 1.7 eine Anzahl von vom Gehäuse (6) getragenen Leitschaufeln (11–15);
Bi-direktionale Turbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der axialen Erstreckungen von Stromleitkörper (5) und Laufschaufel (4) das drei-, oder vier-, oder fünf-, oder sechs- oder sieben, oder acht, oder neun-, oder zehnfache beträgt, oder einen Wert zwischen diesen Werten.
Bi-direktionale Turbine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitschaufeln (11) im axial durchströmten Kanalabschnitt angeordnet sind.
Bi-direktionale Luftturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass Leitschaufeln (13) im Bereich des Krümmers (8) angeordnet sind.
Bi-direktionale Luftturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass Leitschaufeln (12) im radial durchströmten Kanalabschnitt (9) angeordnet sind.
Bi-direktionale Luftturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Teil (10) des radial durchströmten Kanalabschnittes (9) gegen die radiale Richtung geneigt ist.
Bi-direktionale Luftturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromleitkörper (5) stillsteht.