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Die Erfindung betrifft einen Turbinenläufer zum Aufstellen in einem bewegten Medium sowie einen Generator und/oder eine Turbine mit einem solchen Turbinenläufer.
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Turbinen werden seit langer Zeit eingesetzt, um fließende Medien zum Antrieb von Gerätschaften zu nutzen. Turbinen bestehen in der Regel aus einem feststehenden Turbinengehäuse und einem darin oder daran gelagerten beweglichen Turbinenläufer, welcher von dem fließenden Medium angetrieben wird. Konstruktiv besonders leicht umzusetzen sind Turbinen, welche nach dem Prinzip eines Wasserrades aufgebaut sind, da die einzelnen Turbinenschaufeln brettartig aufgebaut sein können. Beispielsweise nutzt ein übliches Wasserrad alleine die Fließgeschwindigkeit des Fließgewässers. Bauartbedingt muss ein großer Teil des Wasserrades oberhalb des Wasserstromes sein, da anderenfalls die entgegengesetzt der Fließrichtung drehenden Schaufeln die Drehung behindern. Derartige Wasserräder können daher nicht unterhalb der Wasseroberfläche versteckt werden. Ferner müssen aufwändig Bauwerke oberhalb der Wasseroberfläche errichtet werden.
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Zur Stromgewinnung setzt man in jüngerer Zeit auf versenkbare Unterwasserturbinen ein, welche unterhalb der Wasseroberfläche in den Strom gestellt werden oder im Strom an einer Kette/Stange schweben. Diese erfordern keine besonderen Bauwerke, wie zum Beispiel Staumauer mit Wasserdurchlass. Unterwasserturbinen funktionieren häufig nach dem Propellerprinzip und erfordern daher besonders geformte Schaufeln. Unterwasserturbinen können natürlich auch in einem daran angepassten Wasserdurchlass eingesetzt sein, wobei nach dem Propeller-Prinzip funktionierende Turbinen einen kreisrunden Wasserdurchlass erfordern. Je größer der Durchmesser ist, umso größer muss die zur Verfügung stehende Wassertiefe sein.
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Aus der
US-A-2010/0237626 ist eine versenkbare Unterwasserturbine nach dem Wasserradprinzip offenbart, die vorteilhafter Weise auch einen rechteckigen Wasserdurchlass erlaubt. Dieser Turbinenläufer weist Schaufeln auf, welche klappbar an Nebenachsen befestigt sind, wobei die Nebenachsen um eine Zentralachse herum angeordnet sind und die Schaufeln gegen die Zentralachse als Endposition anschlagen können. Dabei kann sich der Turbinenläufer um die Zentralachse drehen und es sind zwei voneinander entlang der Zentralachse beabstandete Trägerscheiben vorgesehen, welche sich jeweils radial von der Zentralachse weg erstrecken. Dabei erstrecken sich die um die Nebenachsen klappbaren Schaufeln in ihrer Länge zwischen den beabstandeten Trägerscheiben, wobei die Nebenachsen parallel zur Zentralachse und beabstandet zu dieser verlaufen. Durch das bewegte Medium wird jede der Schaufeln jeweils während einem ersten Drehabschnitt in die Endposition gedrückt, während einem an den ersten Drehabschnitt anschließenden zweiten Drehabschnitt jeweils von der Endposition weggeschwenkt, und während einem letzten Drehabschnitt kann die Schaufel frei im bewegten Medium schwingen. Um mehr Energie bei gleicher Breite zu gewinnen, müssen die Nebenachsen einen größeren Abstand von der Zentralachse haben, wodurch der Durchmesser der Trägerscheiben und des Turbinenläufers wächst.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten Turbinenläufer beziehungsweise einer Turbine beziehungsweise Generator mit einem solchen zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Turbinenläufer mit den Merkmalen des Hauptanspruchs und einer Turbine beziehungsweise Generator mit einem solchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Der erfindungsgemäße Turbinenläufer zum Aufstellen in einem bewegtem Medium kann zunächst dem aus
US-A-2010/0237626 bekannten Stand der Technik entsprechen, mit Schaufeln, welche klappbar an Nebenachsen befestigt sind, wobei die Nebenachsen um eine Zentralachse herum angeordnet sind und die Schaufeln gegen die Zentralachse anschlagen können. Anstelle der Zentralachse können aber auch andere Anschläge vorgesehen sein, die geeignet nahe der Zentralachse angeordnet sind, so dass der nachfolgend geschilderte Bewegungsablauf der Schaufeln in einer Strömung realisiert werden kann, der wenigstens die drei nachfolgend geschildeten Drehabschnitte der Schaufeln umfasst. Es ist allerdings insbesondere aus Fertigungsgründen von Vorteil, dass die Zentralachse den Anschlag für die Schaufeln bildet.
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Es wurde erkannt, dass bei einem solchen Turbinenläufer die Energieausbeute verbessert werden kann, wenn die Schaufeln an oder bei ihren den jeweiligen Nebenachsen zugehörigen Längskanten eine schwenkbare Schaufelvergrößerung aufweisen. Diese ist dabei so ausgestaltet, dass die Schaufelvergrößerung die Schaufel zeitweise vergrößern kann, nämlich während sie von dem bewegten Medium mitgenommen wird. Dadurch ergibt sich ohne nennenswerte Vergrößerung der Baugröße und bei gleichbleibendem Abstand von Nebenachsen zu Zentralachse eine höhere Energieausbeute.
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Eine stabile, kompakte und einfach zu fertigende bevorzugte Konstruktion ergibt sich, wenn sich der Turbinenläufer um die Zentralachse drehen kann. Vorzugsweise sind zwei voneinander entlang der Zentralachse beabstandete Träger vorgesehen sind, welche sich jeweils radial von der Zentralachse weg erstrecken. Vorzugsweise erstrecken sich die sich um die Nebenachsen klappbaren Schaufeln in ihrer Länge zwischen den beabstandeten Trägern, wobei insbesondere die Nebenachsen parallel zur Zentralachse und beabstandet zu dieser verlaufen. Die klappbaren Schaufeln sind vorzugsweise derart, dass sie durch das bewegte Medium in eine Endposition bringbar sind, in welcher die Schaufeln gegen die Zentralachse oder gegen entsprechend geeignet angeordnete Anschläge (zentralachsennahe Anschläge) anschlagen.
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Vorzugsweise gibt es mehr als zwei Träger und zwischen den Trägern sind Schaufeln angeordnet. Es ist so möglich, einen stabil gebauten Turbinenläufer mit rechteckigem Querschnitt für den Eintritt einer Strömung bereitzustellen, wobei die langen Seiten des Rechtecks sehr viel länger als die schmalen Seiten des Rechtsecks sein können. Dieser Turbinenläufer ist von besonderem Vorteil, wenn keine große Wassertiefe zur Verfügung steht, die Breite eines entsprechenden fließenden Gewässers aber möglichst vollständig genutzt werden soll.
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Vorzugsweise sind die Schaufeln, die sich zwischen zwei Trägern befinden, an anderen Nebenachsen schwenkbar befestigt, als benachbarte Schaufeln, die sich zwischen einem anderen Trägerpaar befinden. Hierdurch lassen sich mechanische Belastungen während des Betriebs verbessert verteilen, wodurch der Materialeinsatz vorteilhaft gering gehalten werden kann. Auch fördert diese Ausführungsform ein gleichmäßiges Drehverhalten.
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Vorzugsweise ist der Turbinenläufer derart ausgestaltet, dass beim in einem bewegtem Medium aufgestellten Turbinenläufer die Schaufeln sich um die Zentralachse drehen, wobei durch das bewegte Medium jede der Schaufeln jeweils in mindestens die folgenden drei Stellungen gebracht wird:
- • Während dem ersten Drehabschnitt wird die Schaufel von dem bewegten Medium in die Endposition, also gegen die Zentralachse oder einen zentralachsennahen Anschlag gedrückt. Der erste Drehabschnitt ist der Arbeitsweg der Schaufel, in welcher sie vom bewegten Medium angetrieben wird.
- • Während dem an den ersten Drehabschnitt anschließenden zweiten Drehabschnitt wird die Schaufel jeweils von der Endposition weggeschwenkt. Dadurch wird bewirkt, dass die Schaufel nicht gegen das bewegte Medium vom drehenden Träger bewegt wird. Die Fläche der Schaufel dreht sich also um die Nebenachse aus dem Strom oder in eine dann verbesserte Position.
- • Während dem letzten Drehabschnitt kann sich die Schaufel um die Nebenachse frei im bewegten Medium ausrichten. Dadurch kann die Schaufel mit geringerem Aufwand gegen den Strom in die Position zurückgeführt werden, in welcher sie wieder gegen die Zentralachse oder gegen einen zentralachsennahen Anschlag anliegt. Der letzte Drehabschnitt muss nicht zwangsläufig sich unmittelbar an den zweiten Drehabschnitt anschließen. Vielmehr kann die Schaufel zwischen dem zweiten und dem letzten Drehabschnitt in einen zweiten Endanschlag von dem bewegten Medium gedrückt werden, in welchem sie einen Beitrag zum Antrieb des Turbinenläufers leisten kann, wie weiter unten näher erläutert.
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Der im Zusammenhang mit der Erfindung verwendete Begriff „Drehabschnitt” bezieht sich nicht auf den Träger mit den Schaufeln, sondern vielmehr auf eine einzelne Schaufel. Diese durchläuft die Drehabschnitte.
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Vorzugsweise ist die Schaufelvergrößerung derart ausgebildet, dass die Schaufelvergrößerung durch das bewegte Medium
- i. während einem ersten Teil des ersten Drehabschnitts in Richtung auf die Schaufel gedrückt werden kann und
- ii. während einen an den ersten Teil anschließenden zweiten Teil des ersten Drehabschnitts bis zu einem Anschlag von der Schaufel weggeschwenkt werden kann in Drehrichtung des Turbinenläufers zur Vergrößerung der dem bewegten Medium entgegen wirkendem Querschnitts der Schaufel und
- iii. während einen an den zweiten Teil anschließenden dritten Teil des ersten Drehabschnitts in den Anschlag gedrückt werden kann.
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Während des Arbeitsweges der Schaufel (erster Drehabschnitt) wird die Schaufelvergrößerung ausschließlich durch das bewegte Medium aufgeklappt und steht dann in radialer Richtung von der Schaufel ab. Dadurch vergrößert sich der dem bewegten Medium entgegenwirkende Querschnitt und es wird vom bewegten Medium mehr Energie auf die Schaufel beziehungsweise den Turbinenläufer übertragen. Die oben dargestellte Lösung erlaubt das Steuern der Schaufelvergrößerungen ohne aufwändige mechanische Elemente und ausschließlich durch die Strömungskraft des bewegten Mediums.
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In einer Fortbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Schaufel und die Schaufelvergrößerung derart ausgebildet und am Träger angeordnet sind, dass die Schaufel durch das bewegte Medium während des zweiten Drehabschnitts in Richtung auf die Schaufelvergrößerung gedrückt werden kann. Die Schaufelvergrößerungen werden also nicht nach Gebrauch in Richtung auf die Schaufeln zurückgeführt; vielmehr ergibt sich, dass im zweiten Drehabschnitt die sich aus der Strömung drehenden Schaufeln in Richtung auf die Schaufelvergrößerung bewegen. Es ist daher keine zusätzliche Maßnahme erforderlich, um die Schaufelvergrößerung wieder einzuklappen.
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Vorzugsweise ist der Anschlag für die Schaufelvergrößerung an wenigstens einem Träger vorgesehen. Dies erlaubt eine besonders einfache Konstruktion, da die Schaufelvergrößerung somit keine Drehmomente auf die Schaufeln ausgeübt, welche deren Bewegung und die Nebenachsen behindern könnte. Der Anschlag befindet sich z. B. nur am Bereich des Trägers und ist daher klein. Er steht somit kaum der Strömung entgegen.
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Ein besonders stabiler und einfacher Aufbau des Turbinenläufers ergibt sich, wenn die Nebenachse jeweils die gemeinsame Drehachse für die Schaufel und die Schaufelvergrößerung bildet. Um die Drehachse kann also die Schaufel frei drehen und ist begrenzt vom Endanschlag gegen die Zentralachse und gegebenenfalls dem zweiten Endanschlag, welcher weiter unten beschrieben wird. Um die gemeinsame Drehachse kann ebenfalls die Schaufelvergrößerung frei drehen, welche in der einen Richtung von der Schaufel selber und in der anderen Richtung vom Anschlag am Träger begrenzt wird. Zweckmäßigerweise fällt dabei die Längskante der Schaufel in die Nebenachse.
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Ein stabiler und einfacher Aufbau ergibt sich, wenn die Träger als Scheiben ausgebildet sind, welche durch die Zentralachse und die Nebenachsen miteinander zu einem stabilen Käfig verbunden sind.
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Vorzugsweise ist die Zentralachse als ausreichend dicke Welle ausgebildet, so dass daran mehrere Schaufeln gleichzeitig anliegen können. Es ergibt sich ein sicheres und ausreichend mediumdichtes Kontaktieren der Schaufel mit der Welle, ohne dass sich die Schaufeln gegenseitig beeinflussen, zum Beispiel verklemmen können.
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Vorzugsweise sind die Schaufeln und/oder Schaufelvergrößerungen im Wesentlichen flach und können daher preisgünstig, zum Beispiel im Blechform bereitgestellt werden. Auch ist der Materialverbrauch gering. Darin liegt ein Vorteil gegenüber Propellerturbinen. Im Zusammenhang mit der oben beschriebenen Schaufelvergrößerung, aber auch unabhängig davon wird bei einem gattungsgemäßen Turbinenläufer mit Vorteil vorgeschlagen, eine gerade Anzahl an Nebenachsen vorzusehen, wobei in Umlaufrichtung des Turbinenläufers gesehen nur jede zweite Nebenachse eine der Schaufeln trägt und gegen die keine-Schaufeltragenden Nebenachsen die klappbaren Schaufeln anschlagen können. Diejenigen Nebenachsen, welche keine Schaufel tragen, dienen somit der zusätzliche Aussteifung des Turbinenläufers und ermöglichen gleichzeitig einen zweiten stabilen Endanschlag, in welchen die Schaufeln vorzugsweise gebracht werden können, um auch nach dem Durchlaufen des ersten Drehabschnitts in eine zweite Arbeitsposition gebracht zu werden, in welcher sie von der Strömung in Turbinenläuferdrehrichtung angetrieben werden können.
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Die Nebenachsen, die keine Schaufel tragen, sind also vorzugsweise als zweiter Endanschlag ausgebildet, gegen welchen die Schaufeln im zweiten Drehabschnitt anschlagen können. Diese Konstruktion minimiert mechanische Belastungen der Schaufeln und ermöglicht einen stabilen Aufbau bei geringem Materialaufwand.
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Eine besonders leichte Herstellung und einfacher Aufbau ergibt sich, wenn die Nebenachsen, die Schaufeln tragen und/oder die Nebenachsen, die keine Schaufeln tragen, gleichmäßig um die Zentralachse herum angeordnet sind. Zweckmäßigerweise sind diese abwechselnd um die Zentralachse herum angeordnet.
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Es hat sich als effektiv erwiesen, insgesamt drei Schaufeln tragende Nebenachsen zwischen zwei Trägern vorzusehen, zwischen denen sich jeweils je eine Nebenachse als zweiter Endanschlag befindet und die keine Schaufel tragen. Mit einer geringeren Zahl an Schaufeln zwischen zwei Trägern wird eine Strömung nur unzureichend genutzt. Mit einer größeren Zahl an Schaufeln befinden sich einzelne Schaufeln im Todbereich der in Strömungsrichtung davor liegenden Schaufeln. Der Materialaufwand wird dadurch unnötig erhöht.
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Vorteilhaft ist der Turbinenläufer in einem flüssigkeitsdurchlässigen Käfig oder Gehäuse derart angeordnet, dass kein Treibgut und dergleichen zu den Schaufeln gelangen kann.
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Die Erfindung kann insbesondere genutzt werden für eine Turbine mit einem Turbinengehäuse und einem darin drehbar gelagerten erfindungsgemäßen oben beschriebenen Turbinenläufer. Diese Turbine kann insbesondere genutzt werden für einen Generator zur Stromerzeugung mit einer solchen Turbine. Es ist aber auch möglich, den Turbinenläufer einzusetzen, um mechanische Arbeit zu verrichten. Für eine Nutzung wird die durch die Strömung erzeugte Drehbewegung der zentralen Achse zum Beispiel mittels eines Zahnrads und einer Kette auf die Achse eines Generators übertragen.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Beschreibung und den beigefügten Figuren. Ebenso können die vorstehend genannten und noch weiter ausgeführten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln oder in beliebigen Kombinationen miteinander verwendet werden. Die erwähnten Ausführungsbeispiele sind nicht abschließend zu verstehen und haben beispielhaften Charakter.
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Es zeigen
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1: Aufsicht auf einen Turbinenläufer;
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2: Turbinenläufer in einer Schnittdarstellung;
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3: mögliche Stellung des Turbinenläufers in einer Strömung in einer Schnittdarstellung;
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4: Bewegungsablauf einer Schaufel mit Schaufelvergrößerung in einer Strömung.
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Die 1 zeigt Turbinenläufer 1 zum Aufstellen in einem bewegtem Medium (10), mit Schaufeln 5, welche klappbar an Nebenachsen 3 befestigt sind. Die Nebenachsen 3 sind um eine Zentralachse 4 herum angeordnet. Der Begriff Achse umfasst, dass diese sich während des Betriebs drehen kann.
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Die Schaufeln 5 können gegen die Zentralachse 4 anschlagen. Im Fall der 1 verdecken die Schaufeln 5 die Sicht auf den mittleren Teil der Zentralachse 4. Die Schaufeln 5 weisen an ihren den jeweiligen Nebenachsen 3 zugehörigen Längskanten jeweils eine schwenkbare Schaufelvergrößerung 6 auf, welche die Schaufel während des Betriebs in einer Strömung zeitweise vergrößern kann.
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Entlang der Zentralachse gibt es drei Träger 2, die untereinander gleiche Abstände aufweisen. Es handelt sich um Scheiben, welche sich jeweils radial von der Zentralachse 4 weg erstrecken, also mit der Achse einen rechten Winkel einschließen. Die um die Nebenachsen 3 klappbaren Schaufeln 5 erstrecken sich in ihrer Länge zwischen den beabstandeten Trägern 2. Die Nebenachsen 3 verlaufen parallel zur Zentralachse 4 und weisen gleiche Abstände zu der Zentralachse 4 auf. Ein jeder Abstand zwischen zwei Zentralachsen ist ebenfalls gleich. Die klappbaren Schaufeln 5 derart können durch eine Strömung in eine Endposition geklappt werden, in welcher die Schaufeln 5 gegen die Zentralachse 4 anschlagen.
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Die 2 zeigt einen Schnitt durch den Aufbau der 1 die Figur verdeutlicht, dass eine Schaufelvergrößerung sechs ein Blech ist, welches ebenfalls um eine Nebenachse drei geschwenkt werden kann und zwar zwischen zwei Stellungen hin und her und zwar zwischen einer eingeklappten Stellung und einer ausgeklappten Stellung. In der eingeklappten Stellung, die in der 2 gezeigt wird, verbleibt ein Winkel zwischen der Schaufel 5 und der zugehörigen Schaufelvergrößerung 6. Dieser Winkel in der eingeklappten Stellung beträgt vorzugsweise 5–90°, besonders bevorzugt 10–30°. An einem jeden Träger 3 sind Anschläge 7 für die Schaufelvergrößerungen 6 vorgesehen. In ihrer ausgeklappten Stellung liegt eine jede Schaufelvergrößerung 6 an ihrem Anschlag 7 an. Ein Anschlag 7 begrenzt also das Verschwenken einer zugehörigen Schaufelvergrößerung 6. In der ausgeklappten Stellung schließt eine jede Schaufelvergrößerung 6 mit der zugehörigen Schaufel 5 einen Winkel von 20–180°, vorzugsweise von sich 40–120° ein. Die 2 verdeutlicht, dass an nur jeder zweiten Nebenachse 3 Schaufeln 5 mit Schaufelvergrößerungen 6 vorhanden sind.
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Die 3 verdeutlicht mögliche Stellungen der Schaufeln 5 nebst Schaufelvergrößerungen 6 in einer Strömung, wenn diese von rechts nach links fließt. Die Schaufel 5, die rechts oben an der Zentralachse 3 angebracht ist, ist durch eine solche Strömung mit ihrem freien Ende gegen die Zentralachse 4 geklappt. Die Zentralachse 4 wirkt als Anschlag für die Schaufel 5. Die Schaufelvergrößerung 6 befindet sich in ihrer eingeklagten Stellung. Diese Schaufel 5 leitet aufgrund der Strömung ein Drehmoment in die Träger 3 ein und zwar entgegengesetzt zum Uhrzeigersinn. Die links oben gezeigte Schaufel 5, die an einer links oben liegenden Trägerachse 3 schwenkbar befestigt ist, liegt ebenfalls an der Zentralachse 4 an. Die Schaufelvergrößerung 6 ist aufgrund der Strömung in ihre ausgeklappte Stellung geklappt worden. Aufgrund der Strömung leiten sowohl diese ausgeklappte Schaufelvergrößerung 6 als auch Schaufel 5 ein Drehmoment entgegengesetzt zum Uhrzeigersinn in einen jeden Träger 3 ein.
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Durch die Strömung ist die dritte Schaufel 5, die sich im unteren Bereich der 3 befindet, so umgeklappt worden, dass diese an einer Nebenachse 3 anliegt. Auch diese Schaufel 5 leitet ein Drehmoment entgegengesetzt zum Uhrzeigersinn in die Träger 3 ein.
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Durch die Strömung drehen sich daher die Träger 3. Sind die Träger 3 mit der Achse 4 fest verbunden, so dreht sich auch die Achse 4. Ein Träger 3 kann als Zahnrad ausgestaltet sein. Ein Zahnrad kann mit einem Träger 3 verbunden sein. Dreht sich die Achse 4, so kann ein Zahnrad mit der Achse 4 fest verbunden sein. Über das Zahnrad und eine Kette kann die Rotationsbewegung beispielsweise auf einen Generator übertragen werden, umso Strom zu erzeugen. Anstelle eines Zahnrads mit Kette kann aber auch beispielsweise ein Rad vorgesehen sein, welches mithilfe eines Regiments die Rotationsbewegung auf beispielsweise einen Generator überträgt. Das Zahnrad kann Teil eines Getriebes sein, welches beispielsweise mit einem Generator so verbunden ist, dass der Generator angetrieben wird.
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Die 4 verdeutlicht den Bewegungsablauf einer Schaufel 5 nebst Schaufelvergrößerung 6 in einer Strömung 10 anhand von Stellungen a bis l, In den Stellungen a bis g liegt die Schaufel 5 an der Zentralachse 4 an. In Abhängigkeit vom Winkel im eingeklappten Zustand wird im Verlaufe der Stellungen d bis g die Schaufelvergrößerung 6 durch die Strömung 10 ausgeklappt. In der ausgeklappten Stellung trägt die Schaufelvergrößerung 6 zur Übertragung eines Drehmoments in die Träger 3 hinein bei. Ab Überschreiten der Stellung g bewirkt die Strömung 10, dass die Schaufel 5 so geklappt wird, dass diese dann an einer Nebenachse 3 mit ihrem freien Ende anliegt. Zwischen der Stellung K und der Erstellung I löst sich die Schaufel 5 von der Nebenachse 3. Wird dann die Stellung a erreicht, so liegt das freie Ende der Schaufel 5 wieder an der Zentralachse 4 an.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2010/0237626 A [0004, 0007]
