DE102014215528A1 - Multiple rotor assembly and an electric generator driven therewith - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Mehrfachrotoranordnung zur Umwandlung einer Fluidströmung in Rotation, mit einem ersten und einem zweiten Rotor, die auf einer gemeinsamen Drehachse hintereinander, gegenläufig drehend angeordnet sind wobei die beiden Rotoren nach Art eines Kinderspielzeugwindrades aufgebaut sind und jeweils eine Mehrzahl (N1, N2) von symmetrisch angeordneten Rotorflügeln aufweisen, die Fluidführungsflächen bilden, wobei die Rotorflügel des ersten Rotors sich entlang einer ersten, spiralförmig verlaufenden Schraubenlinie erstrecken, wobei die erste, spiralförmig verlaufende Schraubenlinie auf einer in Fluidströmungsrichtung sich aufweitenden ersten rotationssymmetrischen Fläche verläuft, wobei die Rotorflügel des zweiten Rotors sich entlang einer zweiten, spiralförmig verlaufenden Schraubenlinie erstrecken, wobei die zweite, spiralförmig verlaufende Schraubenlinie auf einer sich in Fluidströmungsrichtung zumindest abschnittsweise verjüngenden zweiten rotationssymmetrischen Fläche verläuft, wobei in Fluidströmungsrichtung das Ende des ersten Rotors mit maximalem Rotordurchmesser unmittelbar benachbart zu dem Anfang des zweiten Rotors angeordnet ist.The present invention relates to a multi-rotor arrangement for converting a fluid flow into rotation, with a first and a second rotor, which are arranged on a common axis of rotation behind one another, counter-rotating wherein the two rotors are constructed in the manner of a children's toy wind and each having a plurality (N1, N2 ) of symmetrically arranged rotor vanes forming fluid guide surfaces, the rotor vanes of the first rotor extending along a first helical helix, the first helical helix extending on a first rotationally symmetric surface expanding in the fluid flow direction, the rotor vanes of the second helicoid Rotor extend along a second helically extending helical line, wherein the second, helically extending helix on a at least partially tapering in the fluid flow direction two th rotationally symmetric surface extends, wherein in the fluid flow direction, the end of the first rotor is arranged with a maximum rotor diameter immediately adjacent to the beginning of the second rotor.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Mehrfachrotoranordnung nach Anspruch 1 sowie einen damit angetriebenen elektrischen Generator nach Anspruch 12.The present invention relates to a multiple rotor assembly according to
Aus der
Die
Aus der
Ausgehend von der
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale der Ansprüche 1 bzw. 12.The solution of this object is achieved by the features of
Gemäß der vorliegenden Erfindung winden sich die in Drehrichtung symmetrisch angeordneten Rotorflügel auf den beiden Rotoren auf einer rotationssymmetrischen Fläche entlang spiralförmig verlaufender Schraubenlinien. In Fluidströmungsrichtung vergrößert sich der Durchmesser der rotationssymmetrischen Fläche des ersten Rotors bis zu einem maximalen Durchmesser und der Durchmesser der rotationssymmetrischen Fläche des zweiten Rotors verkleinert sich ausgehend von einem maximalen Durchmesser. Durch die unmittelbare Nachbarschaft der beiden Rotoren jeweils mit den maximalen Durchmessern der ersten und zweiten rotationssymmetrischen Flächen geht die Fluidströmung unmittelbar von dem ersten Rotor auf den zweiten Rotor über. Somit treibt der Fluidfluss stets beide Rotoren an, da nur eine minimale Menge Fluid in radialer Richtung entweicht.According to the present invention, the rotor blades, which are arranged symmetrically in the direction of rotation, wind on the two rotors on a rotationally symmetrical surface along spirally extending helical lines. In the fluid flow direction, the diameter of the rotationally symmetrical surface of the first rotor increases up to a maximum diameter and the diameter of the rotationally symmetrical surface of the second rotor decreases, starting from a maximum diameter. Due to the immediate vicinity of the two rotors, each with the maximum diameters of the first and second rotationally symmetrical surfaces, the fluid flow passes directly from the first rotor to the second rotor. Thus, the fluid flow always drives both rotors, since only a minimal amount of fluid escapes in the radial direction.
Gemäß der vorteilhaften Ausführungsform nach Anspruch 2 ist der maximale Durchmesser der beiden rotationssymmetrischen Flächen gleich. Daher geht die Fluidströmung mit weniger Verwirbelung von dem ersten Rotor auf den zweiten Rotor über und die Effizienz der Rotoranordnung wird weiter erhöht.According to the advantageous embodiment according to
Durch die vorteilhafte Ausgestaltung nach Anspruch 3 ergeben die Schraubenlinien aller Rotorflügel eines Rotors wenigstens eine vollständige Windung von 360°.Due to the advantageous embodiment according to
Die rotationssymmetrischen Flächen der erfindungsgemäßen Rotoranordnung sind vorzugsweise entweder als Teilflächen der Oberfläche eines Ellipsoids oder Kegels ausgebildet – Anspruch 3 und 5. Beide rotationssymmetrischen Flächen können hierbei entweder mit derselben Geometrie ausgebildet werden oder auch verschiedene Geometrien aufweisen. Bei Fluidfluss aus wechselnden Richtungen über die Rotoranordnung kann es vorteilhaft sein, beide rotationsymmetrischen Flächen mit gleicher Geometrie, beispielsweise jeweils als stumpfer Kegel auszubilden Bei nur unidirektionalem Fluidfluss kann die Effizienz der Rotoranordnung weiterhin dadurch optimiert werden, dass beispielsweise nach Art eines Düsentriebwerks der in Fluidflussrichtung erste Rotor eine rotationssymmetrische Fläche in Form eines Ellipsoids aufweist und der in Fluidflussrichtung zweite Rotor eine rotationssymmetrische Fläche in Form eines Kegels aufweist. Diese Anordnung ist dadurch vorteilhaft, dass durch die erste rotationssymmetrische Fläche in Form eines Ellipsoids Fluid beschleunigt in die Rotoranordnung geleitet wird, während die kegelförmige zweite rotationssymmetrische Fläche einen möglichst laminaren, ungestörten Fluss des Fluids aus der Rotoranordnung ermöglicht.The rotationally symmetric surfaces of the rotor assembly according to the invention are preferably formed either as partial surfaces of the surface of an ellipsoid or cone -
Vorzugsweise ist die Spitze einer jeden rotationssymmetrischen Fläche der Rotoranordnung stumpf ausgebildet.Preferably, the tip of each rotationally symmetrical surface of the rotor assembly is formed blunt.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform gemäß Anspruch 6 wird der Fluidfluss durch die Rotoranordnung weiterhin dadurch optimiert, dass der Öffnungswinkel der ersten rotationssymmetrischen Fläche größer ist als der Öffnungswinkel der zweiten rotationssymmetrischen Fläche.In a further advantageous embodiment according to claim 6, the fluid flow is further optimized by the rotor assembly in that the opening angle of the first rotationally symmetric surface is greater than the opening angle of the second rotationally symmetric surface.
Durch die vorteilhafte Ausgestaltung nach Anspruch 7, bei der die Steigung der Schraublinie des ersten Rotors bei maximalem Durchmesser der ersten rotationssymmetrischen Fläche gleich der Steigung der Schraublinie des zweiten Rotors bei maximalen Durchmesser der zweiten rotationssymmetrischen Fläche ist, ergibt sich ein glatter kontinuierlicher Übergang der Fluidströmung von dem ersten Rotor auf den zweiten Rotor. Dies erhöht die Effizienz der Rotoranordnung. Due to the advantageous embodiment according to
Bei der vorteilhaften Ausgestaltung nach Anspruch 8 ist die Steigung der Schraubenlinie des ersten Rotors kleiner als die Steigung der Schraubenlinie des zweiten Rotors. Somit wird das Fluid durch den ersten Rotor radial abgelenkt, um an dem zweiten Rotor eine erhöhte Arbeit zu leisten. Zudem erhöht sich die Geschwindigkeit des Fluidflusses durch den zweiten Rotor relativ zu dem ersten Rotor, wodurch mehr Fluid in den ersten Rotor gesogen wird.In the advantageous embodiment according to claim 8, the pitch of the helix of the first rotor is smaller than the pitch of the helix of the second rotor. Thus, the fluid is deflected radially by the first rotor to perform an increased work on the second rotor. In addition, the rate of fluid flow through the second rotor increases relative to the first rotor, thereby drawing more fluid into the first rotor.
Bei der vorteilhaften Ausgestaltung nach Anspruch 10 sind die ersten und zweiten Rotoren in einer rohrförmigen Fluidleiteinrichtung angeordnet. Dadurch wird das Fluid entlang der Fluidführungsflächen zwangsgeführt und es kann kein Fluid radial entweichen ohne an den Rotorflügeln Arbeit zu leisten. Somit erhöht sich durch die Fluidleiteinrichtung weiterhin die Effizienz der Rotoranordnung.In the advantageous embodiment according to claim 10, the first and second rotors are arranged in a tubular fluid guide. As a result, the fluid is forcibly guided along the fluid guide surfaces and no fluid can escape radially without having to work on the rotor blades. Thus, by the Fluidleiteinrichtung further increases the efficiency of the rotor assembly.
Dieser Effekt wird durch die vorteilhafte Ausgestaltung nach Anspruch 11 noch verstärkt, bei der die rohrförmige Fluidleiteinrichtung an ihrer Innenseite Fluidführungsflächen aufweist. Durch diese Fluidführungsflächen kann Fluid gezielt über die Rotoren geleitet werden.This effect is further enhanced by the advantageous embodiment according to claim 11, wherein the tubular fluid guide means has on its inside fluid guide surfaces. Through these fluid guide surfaces fluid can be directed via the rotors.
Durch die vorteilhafte Ausgestaltung nach Anspruch 12 bildet die Fluidleiteinrichtung einen dritten Rotor und durch die Zweiteilung nach Anspruch 13 einen dritten und einen vierten Rotor, deren Rotationsenergie genutzt werden kann.Due to the advantageous embodiment according to
Die vorteilhafte Ausgestaltung nach Anspruch 14 umfasst sechs Rotoren, so dass die Rotationsenergie von noch mehr Rotoren genutzt werden kann.The advantageous embodiment according to claim 14 comprises six rotors, so that the rotational energy can be used by even more rotors.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung gemäß Anspruch 15 ist die Rotoranordnung in einer rohrförmigen Fluidleiteinrichtung angeordnet, welche an ihrer Außenseite Fluidführungsflächen in Form von Leitschaufeln aufweist. Die Leitschaufeln sind vorzugsweise rinnenförmig ausgebildet und umlaufen die Außenseite der rohrförmigen Fluidleiteinrichtung von der Fluideintrittsöffnung zu der Fluidaustrittsöffnung schraubenlinienförmig. Die rohrförmige Fluidleiteinrichtung umgibt die Rotoren und ist fest montiert, d. h. ist nicht drehbar gelagert. Somit dreht sich die rohrförmige Fluidleiteinrichtung nicht mit dem Fluidfluss, sondern bleibt statisch, während sich die Rotoranordnung im Inneren der rohrförmigen Fluidleiteinrichtung mit dem Fluidfluss bewegt. Durch diese Ausgestaltung erhöht sich die Effizienz der Rotoranordnung. Fließt Fluid durch die rohrförmige Fluidleiteinrichtung, so wird der Fluidfluss durch die in der rohrförmigen Fluidleiteinrichtung montierten Rotoren gebremst und ein Staudruck entsteht vor den Rotoren in Fluidflussrichtung. An der Außenseite der rohrförmigen Fluidleiteinrichtung verläuft der Fluidfluss ungebremst und somit schneller als in der rohrförmigen Fluidleiteinrichtung. Zusätzlich wird der Fluidfluß an der Außenseite der rohrförmigen Fluidleiteinrichtung auch noch in Drehung versetzt. Daher entsteht an der Fluidaustrittsöffnung, an der die äußere, schnellere Fluidströmung und die innere, langsamere Fluidströmung aufeinandertreffen, ein Unterdruck und somit eine Sogwirkung. Durch diesen Unterdruck an der Fluidaustrittsöffnung der rohrförmigen Fluidleiteinrichtung wird Fluid in die Fluideintrittsöffnung der rohrförmigen Fluidleiteinrichtung gesogen und fließt über die Rotoren und leistet Arbeit.In a further advantageous embodiment according to claim 15, the rotor assembly is arranged in a tubular fluid guide, which has on its outer side fluid guide surfaces in the form of vanes. The guide vanes are preferably channel-shaped and circulate the outside of the tubular fluid guide from the fluid inlet opening to the fluid outlet opening helically. The tubular fluid guide surrounds the rotors and is fixedly mounted, i. H. is not rotatably mounted. Thus, the tubular fluid guide does not rotate with the fluid flow but remains static as the rotor assembly moves within the tubular fluid guide with the fluid flow. This configuration increases the efficiency of the rotor assembly. If fluid flows through the tubular fluid guide device, the fluid flow is braked by the rotors mounted in the tubular fluid guide device and a dynamic pressure is created in front of the rotors in the fluid flow direction. On the outside of the tubular fluid guide, the fluid flow is unbraked and thus faster than in the tubular fluid guide. In addition, the fluid flow on the outside of the tubular fluid guide is also rotated. Therefore, at the fluid exit opening, where the outer, faster fluid flow and the inner, slower fluid flow meet, creates a negative pressure and thus a suction effect. By this negative pressure at the fluid outlet opening of the tubular fluid guide fluid is sucked into the fluid inlet opening of the tubular Fluidleiteinrichtung and flows through the rotors and does work.
Vorzugsweise ist in der rohrförmigen Fluidleiteinrichtung mit an der Außenseite angebrachten Leitschaufeln hierbei an eine Mehrfachrotoranordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 montiert, es kann aber auch ein einzelner Rotor oder eine Rotoranordnung eines sonstigen beliebigen Typs verwendet werden. Die Leitschaufeln an der Außenseite der rohrförmigen Fluidleiteinrichtung bieten den Vorteil, dass an der Außenseite der rohrförmigen Fluidleiteinrichtung fließendes Fluid durch die Leitschaufeln in eine Drehbewegung versetzt wird, welche die Sogwirkung an der Fluidaustrittsöffnung verstärkt. Hierbei können die Leitschaufeln so angebracht werden, dass die Drehbewegung des Fluidflusses an der Außenseite der rohrförmigen Fluidleiteinrichtung gleichsinnig verläuft mit der Drehbewegung des Fluidflusses, welcher in der rohrförmigen Fluidleiteinrichtung über den Rotor fließt. Durch diese gleichsinnige Drehbewegung lassen sich Turbulenzen an der Fluidaustrittsöffnung der rohrförmigen Fluidleiteinrichtung vermeiden. Zudem können die Leitschaufeln in ihrer radialen Erstreckung variiert und somit an die zu erwartenden Fluidflussmengen angepasst werden, beispielsweise mit radial relativ kleinen Leitschaufeln bei starker Fluidströmung und radial relativ großen Leitschaufeln bei geringer Fluidströmung.Preferably, in the tubular fluid guide with vanes mounted on the outside, it is mounted to a multiple rotor assembly according to any one of
Um die Sogwirkung an der Fluidaustrittsöffnung der rohrförmigen Fluidleiteinrichtung weiter zu verstärken – Anspruch 16, ist es vorteilhaft, wenn sich die rohrförmige Fluidleiteinrichtung von der Fluideintrittsöffnung zu der Fluidaustrittsöffnung hin konisch verjüngt. Bei dieser Ausführungsform ist es zudem vorteilhaft, wenn die radiale Erstreckung der schraubenlinienförmigen Leitschaufeln proportional entgegengesetzt zu der Abnahme des Umfangs der rohrförmigen Fluidleiteinrichtung zunimmt, sodass der Gesamtumfang einer Hüllfläche um die rohrförmige Fluidleiteinrichtung und die Leitschaufeln entlang der Länge der rohrförmigen Fluidleiteinrichtung konstant bleibt.In order to further enhance the suction effect at the fluid outlet opening of the tubular fluid guide device, it is advantageous if the tubular fluid guide device tapers conically from the fluid inlet opening to the fluid outlet opening. In this embodiment, it is also advantageous if the radial extent of the helical vanes is proportional to the decrease in the circumference of the increases so that the total circumference of an envelope surface around the tubular fluid guide and the vanes along the length of the tubular fluid guide remains constant.
In einer weiteren Ausgestaltung kann die rohrförmige Fluidleiteinrichtung an ihrer Innenseite Fluidleitflächen gemäß Anspruch 11 und an ihrer Außenseite Leitschaufeln gemäß Anspruch 15 aufweisen.In a further embodiment, the tubular fluid guiding device may have on its inside fluid guide surfaces according to claim 11 and on its outside guide vanes according to claim 15.
Der elektrische Generator nach Anspruch 17 weist durch die Gegenläufigkeit der beiden Rotoren, die mit dem elektrischen Stator und dem elektrischen Rotor verbunden sind, eine höhere Leistung auf. Durch die Anordnung des elektrischen Stators und Rotors innerhalb der beiden rotationssymmetrischen Flächen sind die elektrischen Bauteile geschützt und stören nicht die Fluidströmung entlang der Fluidführungsflächen.The electric generator according to claim 17 has a higher power due to the opposition of the two rotors connected to the electric stator and the electric rotor. The arrangement of the electric stator and rotor within the two rotationally symmetrical surfaces, the electrical components are protected and do not interfere with the fluid flow along the fluid guide surfaces.
Die übrigen Ansprüche beziehen sich auf weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.The remaining claims relate to further advantageous embodiments of the invention.
Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden ersichtlich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen. Es zeigt:Further advantages and features of the present invention will become apparent from the following description with reference to the accompanying drawings. It shows:
In dem durch die erste und zweite Ellipsoidoberfläche
Die
In einer alternativen, nicht dargestellten Ausgestaltung der Erfindung umfasst der elektrische Generator
In einer weiteren nicht dargestellten Ausführungsform der Erfindung sind die beiden Rotoren
Der im Bereich der Drehachse
Fluid fließt in die rohrförmige Fluidleiteinrichtung
Die Fluitleiteinrichtung mit außen liegenden LeitschaufelnThe Fluitleiteinrichtung with outer vanes
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- AA
- FluidströmungsrichtungFluid flow direction
- X-XX X
- Schnittebenecutting plane
- Y-YY-Y
- Schnittebenecutting plane
- Z-ZZ-Z
- Symmetrieebeneplane of symmetry
- 22
- erster Rotorfirst rotor
- 44
- zweiter Rotorsecond rotor
- 66
- DrehachesDrehaches
- 2-i2-i
- Rotorflügel des ersten RotorsRotor blades of the first rotor
- 4-i4-i
- Rotorflügel des zweiten RotorsRotor blades of the second rotor
- 88th
- erste Schraubenliniefirst helix
- 1010
- erste rotationssymmetrische Fläche bzw. Ellipsoidoberflächefirst rotationally symmetrical surface or ellipsoid surface
- 1212
- zweite Schraubenliniesecond helix
- 1414
- zweite rotationssymmetrische Fläche bzw. Ellipsoidoberflächesecond rotationally symmetric surface or ellipsoid surface
- 1616
-
dem zweiten Rotor
4 zugewandtes Ende des ersten Rotors2 thesecond rotor 4 facing end of thefirst rotor 2 - 1818
-
dem ersten Rotor
2 zugewandter Anfang des zweiten Rotors4 thefirst rotor 2 facing beginning of thesecond rotor 4 - 2020
- elektrischer Generatorelectric generator
- 2222
- erste Statoreinrichtungfirst stator device
- 2424
- zweite Statoreinrichtungsecond stator device
- 2626
- erste Rotoreinrichtungfirst rotor device
- 2828
- zweite Rotoreinrichtungsecond rotor device
- 3232
- erster Rotorfirst rotor
- 3434
- zweiter Rotorsecond rotor
- 4141
- erster Rotorfirst rotor
- 4242
- zweiter Rotorsecond rotor
- 4343
- dritter Rotorthird rotor
- 4444
- vierter Rotorfourth rotor
- 4545
- fünfter Rotorfifth rotor
- 4646
- sechster Rotorsixth rotor
- 4747
- erste Statoreinrichtungfirst stator device
- 4848
- zweite Statoreinrichtungsecond stator device
- 4949
- dritte Statoreinrichtungthird stator device
- 5050
- vierte Statoreinrichtungfourth stator device
- 5151
- fünfte Statoreinrichtungfifth stator device
- 5252
- sechste Statoreinrichtungsixth stator device
- 5454
- erste Rotoreinrichtungfirst rotor device
- 5555
- zweite Rotoreinrichtungsecond rotor device
- 5656
- dritte Rotoreinrichtungthird rotor device
- 5757
- vierte Rotoreinrichtungfourth rotor device
- 5858
- fünfte Rotoreinrichtungfifth rotor device
- 5959
- sechste Rotoreinrichtungsixth rotor device
- 6060
- rohrförmigen Fluidleiteinrichtungtubular fluid guide
- 6161
- Leitschaufelnvanes
- 6262
- FluidentrittsöffnungFluid opening
- 6363
- FluidaustrittsöffnungFluid outlet opening
- 6464
- Schraubenliniehelix
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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