DE102022003238A1 - Arrangement and method for producing a wind rotor with five vertical, movable rotor blades as propulsion power for cargo ships - Google Patents
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Abstract
(57) Hauptanspruch: 1. Anordnung und Verfahren zur Herstellung eines Windrotors mit fünf senkrechten beweglichen Rotorblättern zur Erzeugung von elektrischer Energie, als Antriebskraft für Frachtschiffe. Die senkrechte Anordnung und Steuerung der Rotorblätter mit Kraftübertragung auf das Mantelrohr. Die Bewegungsstellung der Rotorblätter durch elektrisch-motorische Steuerung während einer 360° - Drehung auf der Kraftseite rechtwinklig bis 45°zur Windrichtung, auf der Leerlaufseite parallel zur Windrichtung.(57) Main claim: 1. Arrangement and method for producing a wind rotor with five vertical movable rotor blades for generating electrical energy as a driving force for cargo ships. The vertical arrangement and control of the rotor blades with power transmission to the jacket tube. The movement position of the rotor blades by electric motor control during a 360° rotation on the power side at right angles up to 45° to the wind direction, on the idle side parallel to the wind direction.
Description
- 1. Windrotor mit fünf senkrechten, beweglichen Rotorblättern als Antriebskraft für Frachtschiffe.1. Wind rotor with five vertical, movable rotor blades as propulsion force for cargo ships.
- 2.1 Die gebräuchlichen Windrotoren sind nach dem Prinzip der Windmühlen gebaut.2.1 The usual wind rotors are built on the principle of windmills.
- 2.2 Ein Windrotor mit senkrechter Aufstellung ist der Savonius Rotor mit halbkreisförmig gebogenen Schaufeln.2.2 A wind rotor with vertical installation is the Savonius rotor with semi-circular curved blades.
- 2.3 Ein weiteres System ist der Darrieus Rotor. Die Rotorblätter sind am oberen und unteren Ende der senkrechten Achse befestigt und ragen segmentförmig nach außen.2.3 Another system is the Darrieus Rotor. The rotor blades are attached to the upper and lower end of the vertical axis and protrude outwards in segments.
- 2.4 Die Konstruktion wurde schon im zwanzigsten Jahrhundert gebaut und in der Bezeichnung: Flettner- Rotor für den Schiffsantrieb eingesetzt.2.4 The construction was already built in the twentieth century and used in the designation: Flettner rotor for ship propulsion.
- 3.1 Der Nachteil dieser herkömmlichen Ausführung ist: Bei der Ausführung von großen Flügeln ist der Tragmast entsprechend hoch auszulegen. Das Getriebe und der Generator muss in Nabenhöhe angeordnet werden, dadurch bedingt sind die Herstell- und Betriebskosten verständlicherweise hoch.3.1 The disadvantage of this conventional design is: When designing large wings, the support mast must be designed correspondingly high. The gearbox and the generator must be arranged at hub height, which means that the manufacturing and operating costs are understandably high.
- 3.2 Der Nachteil dieser beiden unter Punkt 2.2 und 2.3 genannten Systeme ist, dass die Leerlaufseite einen Teil der erzeugten Energie wieder reduziert.3.2 The disadvantage of these two systems mentioned under points 2.2 and 2.3 is that the idle side reduces part of the generated energy again.
- 3.3 Die Energieausbeute der Flettner- Rotoren ist für einen wirtschaftlichen Einsatz zu gering.3.3 The energy yield of the Flettner rotors is too low for economic use.
- 4. Die Aufgabe war, ein System für den Schiffsantrieb zu planen, das in der Konstruktion einfach herzustellen und bei höheren Windgeschwindigkeiten noch einsatzbereit ist.4. The task was to plan a system for the ship's propulsion, which is easy to manufacture in construction and can still be used at higher wind speeds.
Anordnung und Verfahren zur Herstellung eines Windrotors (1) mit fünf senkrechten, beweglichen Rotorblättern als Antriebskraft für Frachtschiffe. Die senkrechte Anordnung und Steuerung der Rotorblätter mit Kraftübertragung auf das Mantelrohr.Arrangement and method for producing a wind rotor (1) with five vertical, moveable rotor blades as propulsion force for cargo ships. The vertical arrangement and control of the rotor blades with power transmission to the jacket tube.
Windrotor (1) mit deckgleich angeordneten Energie-Erzeugeranlagen.Wind rotor (1) with energy generating systems arranged congruently.
Mit senkrechtem Tragmast (4) zur Aufnahme der senkrechten Lasten am Schiffskiel (2) und Schiffsdeck (2a) eingespannt,Clamped with a vertical support mast (4) to absorb the vertical loads on the ship's keel (2) and ship's deck (2a),
Spannseile (3) sichern den Tragmast (4). Die Abspannung wird von der Tragmastspitze (4a) zum Schiffsdeck (2a) geführt.Tensioning ropes (3) secure the support mast (4). The guying is guided from the top of the support mast (4a) to the ship's deck (2a).
Das Mantelrohr (5) wird mit oberer Traverse (6a) und unterer Traverse (6b) verbunden.The casing pipe (5) is connected to the upper crossbar (6a) and the lower crossbar (6b).
Der Tragmast (4) mit einer Höhe über Deck von max. 55 m, besteht aus einem 5 mm starken Stahlrohr, da = 2,0 m. Alle 8 m wird waagerecht ein Zwischenboden (4b) mit Leitergang eingebaut. Mit dem Zwischenboden (4b) wird der Tragmast (4) zusätzlich ausgesteift.The support mast (4) with a height above deck of max. 55 m consists of a 5 mm thick steel tube, da = 2.0 m. Every 8 m a horizontal intermediate floor (4b) with a ladder is installed. The supporting mast (4) is additionally reinforced with the intermediate floor (4b).
An der Tragmastspitze (4a) wird der Fockmast (1a) mit drei Salinge (4c), Haupt- und Besanmast (1b + 1c) mit vier Salinge (4c) ausgestattet.At the top of the support mast (4a), the foremast (1a) is fitted with three spreaders (4c), the main and mizzen masts (1b + 1c) are fitted with four spreaders (4c).
Das Mantelrohr (5) mit einer Höhe über Deck von max. 35 m besteht aus einem äußeren und inneren 4 mm starkem Aluminium-Rohr, da = 3,0 m, mit einer doppelten Zwischenlage aus 2 mm starken Aluminium-Trapezprofilblech, Aluform 40/167 mm, die durch Punktschweißung kraftschlüssig verbunden werden.The jacket tube (5) with a height above deck of max. 35 m consists of an outer and inner 4 mm thick aluminum tube, d a = 3.0 m, with a double intermediate layer of 2 mm thick aluminum trapezoidal profile sheet, Aluform 40 /167 mm, which are non-positively connected by spot welding.
Die Lagerung und Führung des Mantelrohrs (5) erfolgt durch Kugel- (7a) und Walzlager (7b).The jacket tube (5) is supported and guided by ball (7a) and roller bearings (7b).
Die Rotorblätter (8) sind in der senkrechten Achse am oberen und unteren Ende in Blatttaschen (8a) eingebunden.The rotor blades (8) are tied into blade pockets (8a) at the upper and lower ends of the vertical axis.
Die Blatttaschen (8a) nehmen die Kräfte der Rotorblätter auf, leiten diese in die mittig angeordneten Achsbolzen (9) zwischen der oberen (6a) und unteren Traverse (6b) in Kegelwalzlager (7b) beweglich ein.The blade pockets (8a) absorb the forces of the rotor blades and transfer them to the centrally arranged axle bolts (9) between the upper (6a) and lower traverse (6b) in tapered roller bearings (7b).
Die Rotorblätter (8) bestehen aus einer Sandwich-Konstruktion. Außen aus einer Lage Aluminiumblech. Der Kern besteht aus einem Extrudierten-Polystyrol-Hartschaum, der in Form geschnitten wird und mit dem 5 mm starken Aluminiumblech kraftschlüssig verklebt wird.The rotor blades (8) consist of a sandwich construction. One layer of sheet aluminum on the outside. The core consists of extruded polystyrene rigid foam, which is cut into shape and bonded to the 5 mm thick aluminum sheet.
Die Durchbiegung der Rotorblätter (8) wird mit der Spreizung der doppellagigen Rotorblätter (8) mit einem Druckstab (8b) begrenzt.The deflection of the rotor blades (8) is limited with the spreading of the double-layered rotor blades (8) with a pressure rod (8b).
Die Steuerung und Ausrichtung der Rotorblätter (8) erfolgt durch jeweils zwei Elektro- Stellmotore (10a), die in der oberen (6a) und unteren Traverse (6b) angeordnet sind.The rotor blades (8) are controlled and aligned by two electric servomotors (10a) each, which are arranged in the upper (6a) and lower (6b) traverse.
Die Kraft der Elektro- Stellmotore (10a) wird auf Schneckengetriebe (10b) übertragen, die mit den Achsbolzen (9) verbunden sind.The power of the electric servomotors (10a) is transmitted to worm gears (10b) which are connected to the axle bolts (9).
Durch Rechts- und Linkslauf der Elektro- Stellmotore (10a) können die Rotorblätter (8) während einer Umdrehung des Windrotors (1) individuell nach den Windverhältnissen computergesteuert eingestellt werden.By turning the electric servomotors (10a) clockwise and counterclockwise, the rotor blades (8) can be adjusted individually under computer control during one revolution of the wind rotor (1) according to the wind conditions.
Die Steuerung und Ausrichtung der Rotorblätter (8) erfolgt während der Betriebsphase rechtwinklig bis 45° zur Windangriffsseite 0° bis 179°. Auf der Leerlaufseite von 180° bis 360° erfolgt die Ausrichtung der Rotorblätter (6) parallel zur Windrichtung.The rotor blades (8) are controlled and aligned during the operating phase at a right angle of up to 45° to the side on which the wind is acting, from 0° to 179°. On the idle side from 180° to 360°, the rotor blades (6) are aligned parallel to the wind direction.
Durch die Kraft des Windes und den Druck auf die Rotorblätter (8) erfolgt die Drehbewegung auf die Einheit - Mantelrohr (5) und Traversen (6a + 6b).The force of the wind and the pressure on the rotor blades (8) cause the rotation of the unit - jacket tube (5) and traverses (6a + 6b).
Die Energie aus der Drehbewegung kann dem Antrieb von Frachtschiffen dienen.The energy from the rotary movement can be used to propel cargo ships.
Für den Antrieb großer Frachtschiffe wurden in der Vergangenheit Rahsegel eingesetzt mit dem Nachteil, dass die Schiffe nicht dem direkten Kurs folgen konnten, sondern gegen den Wind ankreuzen mussten.In the past, square sails were used to propel large cargo ships, with the disadvantage that the ships could not follow a direct course but had to tack against the wind.
Es können auch mehrere hintereinander stehende Windrotoren (1) angeordnet werden, ohne dass ein wesentlicher Energieverlust entsteht.Several wind rotors (1) standing one behind the other can also be arranged without a significant loss of energy occurring.
Um die Sicht von der Brücke in Fahrtrichtung sicherzustellen, wird diese vor dem Fockrotor (1a) angeordnet.In order to ensure the view from the bridge in the direction of travel, this is arranged in front of the jib rotor (1a).
Je nach Reihenfolge der Windrotoren werden diese, wie in Segelschifffahrt, vorderer Fock-, nachfolgend Groß-, Kreuz- oder Besanrotor, bezeichnet.Depending on the order of the wind rotors, these are referred to as in sailing, front jib, hereinafter main, cross or mizzen rotor.
Der Generator (11) wird in dem Deckhaus (12) untergebracht und erzeugt Strom für den Antrieb des Fahrmotors (16).The generator (11) is housed in the deckhouse (12) and generates electricity to drive the traction motor (16).
Bei keinem bzw. wenig Wind wird ein Dieselmotor (17) zur Absicherung der Manövrierfähigkeit eingesetzt.When there is little or no wind, a diesel engine (17) is used to ensure maneuverability.
Die möglichen Leistungsdaten:
- Bei einer Rotormasthöhe (1) von 55 m und Rotorblatthöhe von 35 m bei einer Blattbreite von 6 m steht eine Staudruckfläche von 210 m2 zur Verfügung.
- Der mittlere Staudruck kann mit 50,-kp/m2, bei einer Windgeschwindigkeit von 35,2 m/s angenommen werden.
- With a rotor mast height (1) of 55 m and a rotor blade height of 35 m with a blade width of 6 m, a dynamic pressure area of 210 m 2 is available.
- The average dynamic pressure can be assumed to be 50 kp/m 2 at a wind speed of 35.2 m/s.
Ein Rotor (1) von der o.a. Größe wird eine kinetische Energie erzeugen:
Drei Windrotoren (1) wären ausreichend, um ein Seeschiff von L/B/T > 130/22/12 m mit einer Geschwindigkeit von 10 ktn anzutreiben.Three wind rotors (1) would be sufficient to propel a seagoing vessel of L/W/D > 130/22/12 m at a speed of 10 ktn.
Die Wicklung des Generators (11) erhält einen Erregerstrom (13) von einem Thyricon- Erregersystem (14), der lastabhängig gesteuert werden kann.The winding of the generator (11) receives an excitation current (13) from a Thyricon excitation system (14), which can be controlled depending on the load.
Die Abgabeleistung des Windrotors (1) wird in einem Umrichter (15) normenkonform geregelt.The power output of the wind rotor (1) is regulated in a converter (15) in accordance with the standard.
Die Abgabeleistung der Generatoren (11) wird im Stromspeicher (16) geladen, aus denen der Elektrofahrmotor (16a) versorgt werden kann.The power output of the generators (11) is charged in the power storage device (16), from which the electric traction motor (16a) can be supplied.
Ab einer Windgeschwindigkeit von 50 m/s werden alle Rotorblätter (8) in den Wind gedreht.From a wind speed of 50 m/s, all rotor blades (8) are turned into the wind.
Die Erfindung wird dargestellt durch:
5.0 Vorteile, die sich aus der aus der Konstruktion ergeben:
- 5.1 Die Herstellung eines Windrotors (1) mit fünf senkrechten, beweglichen Rotorblättern und senkrechter Anordnung und Steuerung der Rotorblätter mit Kraftübertragung auf das Mantelrohr ist für den Schiffsantrieb effizient und und materialsparend.
- 5.2 Die Ausnutzung des Schiffsantriebs durch die Kräfte des Windes ist ein uraltes Wissen, dieses wurde aber durch die Erfindungen der Dampfmaschine und den Kraftstoffmotor verdrängt.
- 5.3 Die Schadstoff-Minimierung aus Dampfmaschine und Kraftstoffmotor ist ein Teil der Zukunftsvorsorge und sollte deshalb in allen Bereichen unseres Lebens Anwendung finden.
- 5.4 Für den Antrieb der größeren Seeschiffe wurden in der Vergangenheit Rahsegel eingesetzt, mit dem Nachteil, dass die Schiffe nicht dem direkten Kurs verfolgen konnten, sondern gegen den Wind ankreuzen mussten.
- 5.5 Die Windrotoren zeichnen sich dadurch aus, dass die Ausnutzung und Handhabung der Windkräfte optimal möglich ist.
- 5.6 Bei dem großen Durchmesser des Läufers und des Stators ist kein Getriebe erforderlich.
- 5.7 Da der Generatorläufer mit der gleichen Drehzahl wie der Rotor läuft, ist die mechanische Belastung der Bauteile geringer.
- 5.8 Die Konstruktion ist im Materialeinsatz sparsam und dennoch statisch besonders tragfähig und dies bei guten CW- Werten.
- 5.1 The production of a wind rotor (1) with five vertical, movable rotor blades and a vertical arrangement and control of the rotor blades with power transmission to the jacket tube is efficient and material-saving for ship propulsion.
- 5.2 The use of wind power to propel ships is ancient knowledge, but it was superseded by the invention of the steam engine and the fuel engine.
- 5.3 The minimization of pollutants from the steam engine and fuel engine is part of the provision for the future and should therefore be applied in all areas of our lives.
- 5.4 In the past, square sails were used to propel the larger seagoing vessels, with the disadvantage that the vessels could not follow a direct course but had to tack against the wind.
- 5.5 The wind rotors are characterized by the fact that the use and handling of the wind forces is optimally possible.
- 5.6 With the large diameter of the rotor and stator, no gear is required.
- 5.7 Since the generator rotor runs at the same speed as the rotor, the mechanical stress on the components is lower.
- 5.8 The construction is economical in the use of materials and yet statically particularly stable and this with good CW values.
- 11
- Windrotorwind rotor
- 1a1a
- Fockrotorjib rotor
- 1b1b
- Hauptrotormain rotor
- 1c1c
- Besanrotormizzen rotor
- 22
- Schiffskielship keel
- 2a2a
- Schiffsdeckship deck
- 33
- Abspannseilguy rope
- 44
- Tragmastsupport mast
- 4a4a
- Leitergangladder walk
- 4b4b
- Zwischenbodenintermediate floor
- 4c4c
- Salingespreaders
- 55
- Mantelrohrcasing pipe
- 6a6a
- obere Traverseupper traverse
- 6b6b
- untere Traverselower traverse
- 7a7a
- Kugellagerball-bearing
- 7b7b
- WalzlagerRoller bearing
- 7c7c
- Kegelwälzlagertapered roller bearing
- 88th
- Rotorblattrotor blade
- 8a8a
- Rohrtaschepipe bag
- 6b6b
- Druckstabpressure rod
- 99
- Achsbolzenaxle bolt
- 10a10a
- Elektro-Stellmotorelectric actuator
- 10b10b
- Schneckengetriebeworm gear
- 1111
- Generatorgenerator
- 1212
- Deckhausdeckhouse
- 1313
- Erregerstromexcitation current
- 1414
- Thyricon- ErregersystemThyricon excitation system
- 1515
- Umrichterconverter
- 1616
- Stromspeicherpower storage
- 16a16a
- Elektrofahrmotorelectric traction motor
- 1717
- Dieselfahrmotordiesel traction engine
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