DE102013010947B3

DE102013010947B3 - Offener, durchströmter Strömungskonzentrator und offener, durchströmter Strömungsrezeptor

Info

Publication number: DE102013010947B3
Application number: DE201310010947
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-06-28
Filing date: 2013-06-28
Publication date: 2014-07-17
Anticipated expiration: 2033-06-29

Abstract

Bisher bekannte Strömungsrezeptoren versagen unter bestimmten Bedingungen oder liefern nicht den gewünschten Effekt. Zudem haben Strömungsrezeptoren mit vertikaler Drehachse den Nachteil, dass sie in Teilbereichen der Bewegung gegen die Strömung laufen und somit geringere Wirkungsgrade haben als andere Systeme. Das neue Strömungskonzentrator-Rezeptor-System minimiert diesen Nachteil und liefert verbesserte Ergebnisse bei der Umwandlung von Translation in Rotation. Der Strömungskonzentrator bewerkstelligt durch seinen Aufbau einerseits einen Verstärkungseffekt und gleichzeitig einen Verschattungseffekt in definierter und gewünschter Weise, im Anströmbereich VOR dem eigentlichen Rezeptor. Ebenfalls entsteht ein Sog- oder Diffusoreffekt im Bereich hinter dem Rezeptor, was wiederum den Verstärkungseffekt unterstützt. Verwendet man nun einen passenden und auf dieses Strömungsprofil angepassten Rezeptor erreicht man deutlich höhere Wirkungsgrade im Vergleich zu anderen Systemen. Wasserräder, Windräder, etc., alle Systeme die Translation eines fluiden Mediums in Rotation verwandeln, könnten so gestaltet werden und würden sich dann als sehr effiziente, offene, durchströmte Turbinen präsentieren. In der beschriebenen Variante ergibt sich ein kompaktes effizientes Windrad, wenn man die Drehachse mit einem Generator zu Stromerzeugung verbindet.

Description

Ungerichtete, unstetige und/oder turbulente translatorische Bewegungen eines fluiden Mediums als auch laminare, gerichtete, stetige und/oder konstante Bewegungen desgleichen werden durch den neuen Strömungskonzentrator beschleunigt und zentriert. Mit dem geeigneten Rezeptor können diese Bewegungen effizient in Rotation umgewandelt werden.
Man kennt geschlossene Systeme nach Vorbild einer Mantelturbine oder eines Strahltriebwerks eines Jets. Hier werden Luftströme verstärkt indem die Turbinenschaufeln diese Luft verdichten. Diese Systeme sind auf ihre Hülle angewiesen und funktionieren nur mit dem Mantelgehäuse. Windturbinen, Wasserräder, Maschinen, die die Bewegungsenergie eines fluiden Mediums in definierter Weise nutzen und zunächst in eine Drehbewegung eines Objektes (Rezeptor) versetzen, sind als offene Systeme zu bezeichnen. Man unterscheidet hier in 2 Tyenklassen: Windturbinen mit horizontaler- oder auch vertikaler Drehachse. Je nach Ausführung haben diese verschiedenen Typen mit verschiedenen Einflüssen zu kämpfen, die sich auf die Effizienz der Anlage günstig oder auch ungünstig auswirken können. Diese Effekte können so stark werden, dass das beabsichtigte Resultat (z. B. Vortrieb) nicht eintritt, oder das gesamte System zerstört wird. Repelleranlagen funktionieren nur gut bei laminarer Strömungssituation, in der sie senkrecht ausgerichtet sind. Bei Richtungsänderung des fluiden Mediums muß eine Nachführung einsetzen, Turbulenzen oder Unstetigkeiten beeinträchtigen die Laufeigenschaften bis hin zur Zerstörung der Maschine.
Strömungsrezeptoren mit vertikaler Drehachse vermeiden diese Nachteile und brauchen somit keine Richtungsnachführung. Sie arbeiten auch bei Unstetigkeiten, sind aber teilweise für Turbulenzen empfindlich (z. B. Darieus-Rotor).
In Schrift DE 20 2008 006 801 U1 (Strömungsrezeptor mit sym. Hauptprofil und Vorflüge)) und ebenso in einer französischen Schrift ( FR 2 567 588 A1 , ein ähnlicher Entwurf, aber mit unsymetischem Hauptflügel) werden nach dem Auftriebseffekt funktionierende Systeme vorgestellt, die einen Vorflüge) besitzen. Im Wesentlichen ist hier das „Darieus-Prinzip” (Auf- bzw. Abtriebseffekte) verwirklicht. Der voran gestellte Vorflüge) bewirkt lediglich ein erleichtertes Anlaufen des jeweiligen Rezeptors, die Hauptwirkung entsteht hier dennoch wie bei einem Flugzeugflügel durch Auftrieb. Rotoren dieses Typs haben Bahngeschwindigkeiten, die schneller als das anströmende Fluidum sind. Der Rezeptor dieser hier beschriebenen Erfindung arbeitet im Wesentlichen nicht nach dem Auftriebsprinzip und die Bahngeschwindigkeit liegt etwas unterhalb der anliegenden Geschwindigkeit des Fluidum.
Bekannt sind auch H-Rotoren mit speziell geformten Schaufeln ( DE 10 2010 016 086 A1 ), die Widerstands- und Auftriebseffekte nutzen oder mit geradem Leitblech versehene H-Rotoren mit dichter Staffelung ( CH 99 832 A ), die eher dem Widerstandsläufer vom Savonius-Typ folgen. H-Rotoren nutzen hauptsächlich Auftriebseffekte, laufen relativ schlecht an und neigen zu unerwünschten Vibrationen. In der hier vorliegenden Erfindung werden hauptsächlich Widerstandseffekte genutzt, die Drehzahlen sind sehr klein im Vergleich zu Auftriebsläufern, Vibrationen entstehen kaum wegen der geringen Drehzahl.
Die Ausführung der schweizerischen Erfindung ( CH 99 832 A ) mit geradem Leitflügel und rundem oder eckigem Vorflüge) führt zu deutlich schlechteren Wirkungsgraden, da nur eine einzige Position zum Wind in diesem Fall ideal ist. Andere als die optimalen „Stellwinkel” der Rezeptoren führen zu turbulenten Strömungsabrissen am Rezeptor und senken somit den Vorschub. Die hier beschriebene Erfindung vermeidet diese Nachteile.
Alle diese Maschinen haben aber einen systematischen Nachteil gegenüber Repelleranlagen, die nachgeführt sind: Ein Teilbereich des Systems läuft entgegen die Strömung des Fluidums, was zu einem geringerem Wirkungsgrad führt (im Vergleich zu gleichgroßen Repelleranlagen)
Die Erfindung löst dieses Problem mit einem effizienten Strömungskonzentrator/Rezeptor-System, das die Strömungsenergie eines fluiden Mediums richtungsunabhängig und störungsfrei aufnehmen kann.
Der ideale Rezeptor wird mit Patentansprüchen 1–6 geliefert, der Konzentrator wird mit Patentanspruch 7–10 geliefert.
Beschreibung des Rezeptors
Ersten Arbeiten von Hr. v. Canstein folgend ( DE 41 20 908 C2 ), der einen Strömungsrezeptor bestehend aus halbrunden Vorflügeln und gebogenem Hauptflügel/Zuleitflügel erfunden hat, und einem Windradforum (www.daswindrad.de) im Internet folgend, die ebenfalls dieses Konzept unter dem Namen „C-Rotor” verfeinert haben, sind folgende Verbesserungen und Veränderungen gemacht worden:

– Vorflügel/Vorflügelkaskade mit Spoiler (Skizze 2), Form wie ein Rotationsellipsoid 4. Ordnung
– Oberfläche des Spoilers strömungsabweisend gestaltet
– Laminatoren, parallel zum Häuptflügel
– Tragflächenprofil im Hauptflügel (Siehe Skizze 1)
– 3 Flügel in einer Ebene, weitere 3 Flügel in einer weiteren Ebene, um einen bestimmten Winkel versetzt (Skizze 3)

Jede einzelne Verbesserung liefert einen positiven Deckungsbeitrag zur Gesamtenergieausbeute.
Alle Teile sind aus soliden Materialien wie z. B. Alu, GFK und/oder anderen Werkstoffen synthetischer oder natürlicher Art zu fertigen. Laminatoren und Hauptflügel sind entlang der Bewegungsrichtung gekrümmt. Spanten, sowie Abdeckungen oben und unten verleihen dem Rezeptor Stabilität und sorgen für die Fixierung zueinander.
Beschreibung des Konzentrators
Der Strömungskonzentrator besteht aus 6 Flügel die im gleichen Abstand zum Zentrum fixiert sind, und zueinander ebenfalls im gleichen Abstand stehen. Die Flügel haben zueinander einen bestimmten Anstellwinkel. Die Höhe der Flügel entspricht der Höhe des zugehörigen Rezeptors, die Länge der Flügel ist länger als der Radius des zugehörigen Rezeptors.
Der beschriebene Aufbau besteht hier aus 6 Flügeln, die im gleichen Abstand zum gemeinsamen Zentrum im Winkel von 60 Grad zum Zentrum hin ausgerichtet sind und befestigt sind (s. Anspruch 7). Zu diesen Orientierungsachsen hin haben die Flügel einen bestimmten Anstellwinkel alpha, der dann bei allen Flügeln gleich ist. Es sollen Anstellwinkel zwischen 20 und 60 Grad gewählt werden (Anspruch 8). So ergibt sich ein C6-rotationssymetrischer Aufbau (s. Skizze 4). Verschattung tritt nur auf der für den Rezeptor ungünstigen Seite ein. Die für den Vortrieb günstige Seite wird optimal angeströmt. Die Anzahl der Flügel kann variieren und dann mehr oder weniger als 6 betragen. Die optimale Anzahl an Flügeln hängt von der Viskosität des Mediums ab. Die Form der Flügel ist einem Flugzeugflügel nachempfunden, kann aber auch nur ein Brett oder Blech ohne bestimmte Form sein. Die Höhe des Flügels entspricht der Höhe des Gesamtsystems. Die besten Resultate erreicht man bei einem Flügel mit gerundeten Kanten, wo die dickste Stelle 1/10tel der Flügellänge l beträgt. Diese Stelle soll in der Mitte des Flügels liegen, kann aber auch an anderer Stelle sein. Die Länge des Flügels ist entscheidend, genau so lang dass der gewünschte Bereich verschattet wird, aber so kurz dass nicht zu viel Gesamtwiderstand vorliegt und das Fluidum am System vorbeifließt. Die erforderliche Länge des einzelnen Flügels soll mehr als 30% länger sein als der Radius des zentralen Rezeptors (Anspruch 9).
Die Patentansprüche 7–9 lösen das Problem der optimalen Anströmung des Rezeptors.
Desweiteren ergeben sich additive Verstärkungseffekte durch Konzentratoreigenschaften vor dem Rezeptor. Das fluide Medium wird leicht gelenkt und beschleunigt, sodass eine höhere Energieausbeute erzielbar ist. Unterstützt wird dieser Effekt durch eine Sogwirkung hinter dem Rezeptor, da dann die Leitflügel des Strömungskonzentrators fächerartig nach außen stehen und einen Diffusoreffekt generieren. Bringt man noch eine Bedeckung herbei und schließt das System nach oben hin ab, kann das fluide Medium nicht nach oben entweichen und wird durch den Rezeptor gezwungen (Anspruch 10). Die Gestaltung der Abdeckung nach Muster eines Venturi-Flügels verbessert das Ergebnis ebenfalls.
Eine vorteilhafte und optimierte Gestaltung des Gesamtsystems wird durch die Patentansprüche 1–10 angegeben. Durch Variation der Anstellwinkel und Flügelprofile der verschiedenen Flügel, sowohl im Rezeptor, als auch im Strömungskonzentrator, lassen sich noch höhere Umsetzungen in Energiewerte bewerkstelligen, was eine Effizienzsteigerung nach sich ziehen würde.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in der Draufsicht ist der Skizze 4 gezeigt
Bezugszeichenliste

1: Hauptleitflügel
2: Lamiatoren
3: Vorflügel
4: Laufbahn
5: Drehachse

Claims

Strömungs-Rezeptor, gekennzeichnet durch einen Hauptzuleitflügel (1), der ein Tragflächenprofil aufweisen kann dessen dickes Ende hinten ist, wobei vor dem Hauptzuleitflügel (1) ein Vorflüge) angeordnet ist, der eine halbrunde oder halbrundasymetrische Form aufweist, wobei links und rechts mindestens je ein Laminator (2) zur Seite gestellt ist (S. Skizze 1)
Strömungs-Rezeptor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorflügel eine Vorflügelkaskade mit einem Spoiler in rotationsellipsoider Form (Skizze 2) und einer Oberfläche mit Erhöhungen und Vertiefungen ähnlich wie bei einem Golfball aufweist, wobei die Endstücke gerundet bzw. einen gerundeter Auslauf ausweisen und der Scheitelpunkt des Spoilers auf der Bewegungslinie ausläuft.
Strömungs-Rezeptor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Laminatoren (2) dem fluiden Medium eine der Bewegungsbahn folgend gekrümmte Richtung vorgeben.
Strömungs-Rezeptor nach einem der vorhergehenden Ansprüche folgend, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptzuleitflügel (1) und die Laminatoren (2) in den Vorflügel eintauchen.
Strömungs-Rezeptor nach einem der vorherigen Ansprüche folgend, dadurch gekennzeichnet, dass bei gegebenem Durchmesser d für das Halbrund des Vorflügels, der Hauptflügel mindestens eine Länge von 2d aufweist, die Laminatoren die Länge d, wobei die Krümmungen von Hauptzuleitflügel (1) und den Lamiatoren (2) entsprechend der Bewegungsbahn des Strömungsrezeptors ist.
Strömungs-Rezeptor nach einem der vorherigen Ansprüche folgend, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtabdeckung innerhalb einer Ebene des Rezeptors 45% betragen soll.
Strömungskonzentrator im Anströmbereich vor den Strömungsrezeptoren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass 6 Flügel im gleichen Abstand zum Zentrum fixiert sind und zueinander den gleichen Abstand aufweisen.
Strömungskonzentrator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Flügel einen bestimmten Anstellwinkel alpha zwischen 0 und 90 Grad haben, der bei allen Flügeln gleich ist
Strömungskonzentrator nach einem der Ansprüche 7 oder 8 folgend, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der Konzentratorflügel länger ist als der Radius des zentralen Strömungsrezeptors.
Strömungskonzentrator nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine horizontale Abdeckung des Gesamtsystems ein Entweichen des Fluidums nach oben verhindert.