DE19608369A1 - Strömungskraftanlage - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Strömungskraftanlage, insbesondere eine Windkraftanlage, mit einem vom Strömungsmedium angetriebenen und mit einem Elektro-Generator gekoppelten Turbinenrad, das sich innerhalb eines durchströmten Mantelrohres mit einer zuströmseitigen Einlaufdüse sowie einem abströmseitigen Diffusor befindet.

Eine gattungsgemäße Windkraftanlage ist aus der DE-OS 38 12 912 bereits bekannt. Es wird hierbei ein Mantelrohr mit einer zuströmseitig zur Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit sich konisch verengenden Düse und abströmseitig ein sich konisch erweiternder Diffusor verwendet. Zwischen der Einlaufdüse und dem Diffusor ist innerhalb des Mantelrohres ein Windflügelrad angeordnet, das mit der Rotationswelle eines Generators verbunden ist. Dieser Generator ist in dem durchströmten Querschnitt des Mantelrohres angeordnet, so daß der Durchmesser des Mantelrohres für einen vorgegebenen, freien Durchlaßquerschnitt entsprechend groß sein muß. Außerdem müssen Halterungen für den Generator mit Windflügelrad vorgesehen sein, die ebenfalls den freien Durch­ laßquerschnitt des Mantelrohres verringern.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Strömungskraft­ anlage der eingangs erwähnten Art zu schaffen, bei der die Energieverluste reduziert sind und bei der ein vergleichsweise schlanker Strömungsdurchlaß ohne Leistungsreduzierung möglich ist. Insgesamt soll die Konstruktion einfach, betriebssicher sowie kostengünstig sein.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen, daß das Turbinenrad an seinem Außenumfang mit einem Ringrotor als Teil des Generators verbunden ist und daß der Ringrotor von einem äußeren, fest­ stehenden Ringstator des Generators umgeben ist.

Bei dieser Anordnung ist der Generator aus dem Strömungsdurchlaß nach außen verlegt und behindert somit nicht die Durchströmung. Der Durchlaßquerschnitt des Mantelrohres steht somit vollständig für den treibenden Volumenstrom und das darin angeordnete Turbinenrad zur Verfügung und kann dadurch bedarfsweise einen vergleichsweise kleinen Durchmesser aufweisen.

Durch den außen liegenden Rotor und den ihn umgebenden Stator ist auch der konstruktive Aufwand reduziert, da spezielle Halterungen für den Generator nicht erforderlich sind. Außerdem lassen sich so Generatoren mit hohem Wirkungsgrad bei niedriger Drehzahl realisieren und es sind auch keine Getriebe zwischen Rotor und Generator erforderlich, was ebenfalls zu einer erheblichen Reduzierung des Aufwandes beiträgt.

Schließlich ist vorteilhaft, daß die Bauform und Baugröße des Stators keinen Einfluß auf die Strömungsführung hat und so bei der Konstruktion mehr Spielraum zur Verfügung steht.

Zweckmäßigerweise entspricht der lichte Innenquerschnitt des Ringrotors den lichten Innenquerschnitten der sich zuströmseitig und abströmseitig anschließenden Mantelrohrabschnitte, wobei der Ringrotor vorzugsweise zylinderringförmig ausgebildet ist. Dadurch ist ein kontinuierlicher Übergang zwischen Einlaufdüse und Diffusor vorhanden und somit eine strömungsgünstige Führung.

Vorteilhafterweise sind im axialen Spaltbereich zwischen Ringrotor und Statorgehäuse labyrinthförmige Strömungsdichtungen vorgesehen.

Eine unerwünschte Nebenströmung im Spaltbereich zwischen Rotoraußenseite und Statorinnenseite und damit auch eine unerwünschte Wirbelbildung im Hauptstrom wird dadurch vermieden. Zweckmäßigerweise sind im Außenbereich des Ringrotors Axial- und Radiallager angeordnet. Dadurch werden die über das Turbinenrad auf den Rotor übertragenen Kräfte abgefangen und ein leichtgängige Rotation des Rotors mit Turbinenrad erreicht. Die Lager können dabei außerhalb des elektrisch wirksamen Bereich des Rotors angeordnet sein.

Insbesondere bei Verwendung als Windkraftanlage ist es vorgesehen, daß das Mantelrohr um eine quer zur Durchströmrichtung verlaufende Achse drehbar gelagert ist und daß ein Leitwerk zum Ausrichten des Mantelrohres in Zuströmrichtung des Strömungsmediums vorgesehen ist. Damit ist ein selbsttätiges Ausrichten des Mantelrohres auf die Windrichtung und somit in Zuströmrichtung der Luft beziehungs­ weise des Strömungsmediums möglich.

Bei kleineren Windkraftanlagen genügt es, wenn die Einlaufdüse und der Diffusor an den gegenüberliegenden Stirnseiten des den Stator umschließenden Statorgehäuses befestigt sind. Zur Erhöhung der Stabilität und zur Schwingungsunterdrückung ist es insbesondere bei größeren Windkraftanlagen zweckmäßig, wenn die Einlaufdüse und der Diffusor mittels Stabilisierungselementen miteinander verbunden sind. Bevorzugt ist dabei vorgesehen, daß das Leitwerk zum Ausrichten des Mantelrohres wenigstens eine blattförmige Flosse aufweist, die vorzugsweise die Einlaufdüse und den Diffusor als Stabilisierungselement miteinander verbindet.

Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß innerhalb der Zuströmführung schraubenlinienförmig verlaufende Strömungsführungen vorgesehen sind, die sich vorzugsweise etwa vom Einlauf bis etwa zu dem Turbinenrad erstrecken. Dadurch wird das Zuströmmedium vor dem Turbinenrad in Rotation entsprechend der Laufrichtung des Turbinenrades gebracht und damit ein verbessertes Laufverhalten erreicht, wobei dies auch ein sicheres Anlaufen des Turbinenrades bei niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten begünstigt.

Eine Weiterbildung der Erfindung, für die selbstständiger Schutz beansprucht wird, sieht vor, daß eine Teilstromzuführung zu dem Turbinenrad vorgesehen ist und daß die Strömungsgeschwindigkeit dieses Teilstromes etwa der Strömungsgeschwindigkeit des außerhalb des Mantelrohres zuströmenden Mediums entspricht. Der Teilstrom wird hierbei ohne Reduzierung des statischen Druckes dem Turbinenrad zugeführt, so daß die sich durch den konischen Strömungseinlauf beim Hauptstrom einstellende Druckreduzierung zumindest teilweise aufgehoben wird. Beim Turbinenrad steht somit eine Hauptströmung mit erhöhter Strömungsgeschwindigkeit sowie ein Teilstrom mit gegenüber der Hauptströmung erhöhtem, statischem Druck an. Diese beiden Wirkungen verstärken sich gegenseitig und begünstigen eine höhere Leistung der Anlage.

Zweckmäßigerweise weist die Teilstromzuführung vorzugsweise innerhalb der Einlaufdüse angeordnete, am Umfang verteilte Teilstromkanäle auf, wobei insbesondere die Anzahl der Teil­ stromkanäle der Anzahl der Turbinenrad-Blätter entspricht. Der Teilstrom ist dadurch besonders effektiv und die vorgesehenen Teilstromkanäle sind innerhalb der Einlaufdüse besonders platzsparend und günstig untergebracht.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Teilstromkanäle schraubenli­ nienförmig innenseitig bei der Einlaufdüse angeordnet sind und gleichzeitig mit ihren Seitenwänden Strömungsführungen für den Hauptstrom des zuströmenden Mediums bilden. Somit dienen die Teilstromkanäle innenseitig als Führungen für den Teilstrom und mit ihren Außenseiten als Führungen, um den Hauptstrom in eine um die Zuströmrichtung rotierende Bewegung zu versetzen.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß die axiale Länge der Einlaufdüse und/oder deren Konuswinkel und/oder deren Querschnitt in Anpassung an die Strömungsgeschwindigkeit des Zuströmmediums veränderbar ist. Weiterhin besteht die Möglichkeit, daß der Anstellwinkel der Turbinenrad-Blätter veränderbar ist.

Damit ist auf vielfältige Weise eine Anpassung an die jeweiligen Gegebenheiten möglich. Insbesondere kann dadurch bei einer Windkraftanlage eine Anpassung an unterschiedliche Windgeschwindig­ keiten vorgenommen werden, so daß die Drehzahl des Generators in weiten Windgeschwindigkeits-Bereichen etwa konstant gehalten werden kann.

Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn ein Strömungsgeschwindig­ keits-Sensor vorgesehen ist, der mit einer Steuereinrichtung zur Veränderung der axialen Länge der Einlaufdüse und/oder von deren Konuswinkel und/oder von deren Querschnitt und/oder vom Anstell­ winkel der Turbinenrad-Blätter und/oder der Generatorerregung verbunden ist. Damit kann ein Regelkreis realisiert werden, durch den ein selbsttätiges Anpassen der Strömungskraftanlage an unterschiedliche Strömungsgeschwindigkeiten möglich ist.

Bevorzugt wird als Generator ein Asynchrongenerator eingesetzt. Ein Asynchrongenerator ist leicht und preisgünstig und erfordert keine Erregung. Nachstehend ist die Erfindung mit ihren wesentli­ chen Einzelheiten anhand der Zeichnungen noch näher erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Windkraftanlage,

Fig. 2 eine Seitenansicht der in Fig. 1 gezeigten Windkraft­ anlage zum Teil im Schnitt,

Fig. 3 eine halbseitige Längsschnittdarstellung einer Windkraftmaschine, und

Fig. 4 eine Querschnittdarstellung halbseitig entsprechend der Schnittlinie A-A und halbseitig entsprechend der Schnittlinie B-B in Fig. 3.

Eine in den Figuren gezeigte Strömungskraftanlage zeigt als Ausführungsbeispiel eine Windkraftanlage 1, die im weiteren Verlauf der Beschreibung kurz auch "ATS für Aeroturbosomite" bezeichnet wird.

Die ATS weist im wesentlichen ein Mantelrohr 2 mit einer zuströmseitigen Einlaufdüse 3 sowie einem abströmseitigen Diffusor 4 auf. Zwischen dem zuströmseitigen, konvergenten Teil des Mantelrohres und dem abströmseitigen, divergenten Teil befindet sich ein Führungsabschnitt, in dem ein Turbinenrad 5 angeordnet ist (vergleiche Fig. 2). Der Durchmesser dieses Turbinenrades 5 entspricht etwa dem freien Durchtrittsquerschnitt für das Strömungsmedium in diesem Bereich.

Das Turbinenrad 5 ist an seinem Außenumfang mit einem Ringrotor 6 als Teil eines Elektro-Generators 7 verbunden. Der Ringrotor 6 ist von einem äußeren, feststehenden Ringstator 8 des Generators 7 umgeben.

Der Ringrotor 6 und das damit verbundene Turbinenrad 5 sind drehbar im Außenbereich des Ringrotors mittels Axiallagern 9 und Radiallagern 10 gelagert. Die Lager 9 und 10 können in Abhängigkeit der Baugröße der Anlage und den jeweiligen Anforderungen als Wälzlager oder als Gleitlager ausgebildet sein. Gegebenenfalls können auch fluidische Lager, zum Beispiel Gaslager oder Flüssigkeitslager, vorgesehen sein, wobei bedarfsweise auch eine Kombination unterschiedlicher Lager in Frage kommt.

Mit 27 sind noch Gleitflansche am Rotor und am Stator als Lagervariante angedeutet.

Die in Fig. 2 nur schematisch angedeuteten Lager sind in der Schnittdarstellung gemäß Fig. 4 deutlicher erkennbar. Insbesondere ist hier zu sehen, daß die Lager außerhalb des elektrisch wirksamen Bereiches des Generators im Außenrandbereich des Ringrotors 6 angeordnet sind. Die Lager stützen sich jeweils außenseitig an Randbereichen des Ringrotors 6 und andererseits innenseitig beim Ringstator 8 beziehungsweise einem diesen haltenden Statorgehäuse 11 ab. An diesem Statorgehäuse 11 sind auch die Einlaufdüse 3 und der Diffusor 4 angebracht. Der das Turbinenrad 5 aufweisende Führungsabschnitt 12 zwischen Einlaufdüse und Diffusor ist drehstarr mit dem Turbinenrad 5 beziehungsweise dem Ringrotor 6 verbunden und dreht somit mit. An den Stirnenden zwischen Führungsabschnitt 12 und der sich anschließenden Einlaufdüse 3 beziehungsweise dem Diffusor 4 ist eine rotierende Fuge 13 vorhanden, bei der zur Vermeidung eines Luftdurchtrittes eine schematisch angedeutete, labyrinthförmige Strömungsdichtung 14 vorgesehen ist. Durch diese wird auch verhindert, daß Strömungs­ medium über den zwischen Ringrotor 6 und Ringstator 8 vorhandenen Luftspalt 15 durchtritt.

In Fig. 3 und 4 sind noch Zuganker 16 erkennbar, über die die Statorbleche und die Rotorbleche zusammengehalten werden.

Fig. 4 zeigt linkshalbseitig eine Querschnittdarstellung entsprechend der Schnittlinie A-A in Fig. 3 und rechtshalbseitig eine Schnittdarstellung gemäß der Schnittlinie B-B in Fig. 3. Gut sind hierbei der ringförmige Rotor mit dem im freien Durchtrittskanal angeordneten Turbinenrad 5 erkennbar. Um den Luftspalt 15 beabstandet umgreift der Ringstator 8 den Ringrotor 6. An der Innenseite des Stators und der Außenseite des Rotors sind in die in den Blechpaketen vorgesehenen Nuten 17 die jeweiligen Wicklungen 18 des Generators eingebaut, die der Einfachheit halber nur in einigen Nuten angedeutet sind.

Der Generator kann als Synchronmaschine, bevorzugt aber, wegen des einfachen Aufbaus, als Asynchron-Maschine ausgebildet sein. Es können hierbei Schleifringläufergeneratoren oder auch Kurzschlußläufergeneratoren vorgesehen sein.

Die halbseitige Schnittdarstellung gemäß der Schnittlinie B-B aus Fig. 3 zeigt in Fig. 4 rechtsseitig die Anordnung der Axiallager 9 und der Radiallager 10.

Der Ringrotor 6 weist innenseitig einen Innenmantel 21 auf, an dem die einzelnen Rotorblätter befestigt sind. Diese Rotorblätter können zentral frei enden und einen zentralen Durchtrittskanal freilassen oder gegebenenfalls auch miteinander verbunden sein.

Als Halterung für die Windkraftanlage 1 dient ein Ständer 22 (vgl. Fig. 1 und 2), der ein Drehgelenk 23 aufweist. Dadurch kann die ATS quer zur Längsachse das Mantelrohres 2 verdreht und in Wind- Zuströmrichtung ausgerichtet werden. In üblicher Weise kann dazu ein blattförmiges Leitwerk 24 vorgesehen sein, welches im Ausführungsbeispiel gleichzeitig auch als Stabilisierungselement zum Verbinden der Einlaufdüse 3 und des Diffusors 4 dient. Bedarfsweise, insbesondere bei größeren Anlagen, können auch mehrere Stabilisierungselemente am Umfang des Mantelrohres beziehungsweise der Einlaufdüse und des Diffusors vorgesehen sein. Fig. 1 zeigt noch eine zusätzliche Ausgestaltung der ATS, wobei eine Teilstromzuführung vorgesehen ist, deren Strömungsgeschwindig­ keit etwa der des außerhalb des Mantelrohres zuströmenden Mediums entspricht. Die Teilstromzuführung endet in Zuströmrichtung vor dem Turbinenrad 5.

Im Ausführungsbeispiel sind innerhalb der Einlaufdüse 3 an­ geordnete, gleichmäßig am Umfang verteilte Teilstromkanäle 25 vorgesehen und es ist in Fig. 1 deutlich erkennbar, daß der Querschnitt dieser Teilstromkanäle 25 vom Strömungseintritt 26 bis zum Strömungsaustritt beim Turbinenrad 5 gleich bleibt. Die Teilstromführung weist somit beim Turbinenrad 5 einen gegenüber dem über die Einlaufdüse 3 zugeführten Hauptstrom einen größeren statischen Druck auf. Dies soll mit zur Leistungsverbesserung beitragen.

Die Anordnung der Teilstromkanäle 25 innerhalb der Einlaufdüse 3 ergibt eine kompakte und einfache Konstruktion. Bedarfsweise könnte auch eine anderweitige Teilstromzuführung unter gleichen Voraussetzungen, wie vorbeschrieben, vorgesehen sein.

Die Teilstromkanäle 25 bilden gleichzeitig auch schraubenlinien- beziehungsweise spiralförmige Strömungsführungen für den von der Einlaufdüse 3 geführten Hauptluftstrom, so daß dieser in Rotationsrichtung des Turbinenrades 5 vor dem Auftreffen auf dieses in eine Rotationsbewegung versetzt wird. Auch dies trägt mit dazu bei, eine hohe Leistungsausbeute zu erzielen.

Erwähnt sei noch, daß außer einer stationären Anordnung der ATS auch die Möglichkeit besteht, diese an Fahrzeugen (Landfahrzeuge oder Schiffe) oder Flugzeugen zu montieren und damit während der Fahrt oder des Fluges elektrische Energie zu produzieren. Ein weiteres Anwendungsgebiet wäre der Einbau einer ATS in hohe Schornsteine, wobei das abströmende Gas zum Antreiben der ATS verwendet wird.

Claims (16)

1. Strömungskraftanlage, insbesondere Windkraftanlage, mit einem vom Strömungsmedium angetriebenen und mit einem Elektro- Generator gekoppelten Turbinenrad, das sich innerhalb eines durchströmten Mantelrohres mit einer zuströmseitigen Einlaufdüse sowie einem abströmseitigen Diffusor befindet, dadurch gekennzeichnet, daß das Turbinenrad (5) an seinem Außenumfang mit einem Ringrotor (6) als Teil des Generators (7) verbunden ist und daß der Ringrotor von einem äußeren, feststehenden Ringstator (8) des Generators umgeben ist.

2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaufdüse (3) und der Diffusor (4) an den gegenüberliegenden Stirnseiten des den Stator (8) umschließenden Statorgehäuses (11) befestigt sind.

3. Anlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der lichte Innenquerschnitt des Ringrotors (6) den lichten Innenquerschnitten der sich zuströmseitig und abströmseitig anschließenden Mantelrohrabschnitte (3,4) entspricht und daß der Ringrotor (6) vorzugsweise zylinderringförmig ausgebildet ist.

4. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß im axialen Spaltbereich zwischen Ringrotor (6) und Statorgehäuse (11) labyrinthförmige Stömungsdichtungen (14) vorgesehen sind.

5. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß im Außenbereich des Ringrotors (6) Axial- und Radiallager (9, 10) angeordnet sind.

6. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Mantelrohr (2) um eine quer zur Durchström­ richtung verlaufende Achse drehbar gelagert ist und daß ein Leitwerk (24) zum Ausrichten des Mantelrohres in Zuström­ richtung des Strömungsmediums (Pf 1) vorgesehen ist.

7. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Einlaufdüse (3) und der Diffusor (4) mittels Stabilisierungselementen miteinander verbunden sind.

8. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Leitwerk (24) zum Ausrichten des Mantel­ rohres (2) wenigstens eine blattförmige Flosse aufweist, die vorzugsweise die Einlaufdüse (3) und den Diffusor (4) als Stabilisierungselement miteinander verbindet.

9. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß innerhalb der Zuströmführung schraubenlinienför­ mig verlaufende Strömungsführungen vorgesehen sind, die sich vorzugsweise etwa vom Einlauf bis etwa zu dem Turbinenrad (5) erstrecken.

10. Anlage, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Teilstromzuführung zu dem Turbinenrad (5) vorgesehen ist und daß die Strömungs­ geschwindigkeit dieses Teilstromes etwa der Strömungs­ geschwindigkeit des außerhalb des Mantelrohres (2) zuströmen­ den Mediums entspricht.

11. Anlage nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilstromzuführung vorzugsweise innerhalb der Einlaufdüse (3) angeordnete, am Umfang verteilte Teilstromkanäle (25) aufweist und daß insbesondere die Anzahl der Teilstromkanäle (25) der Anzahl der Turbinenrad-Blätter entspricht.

12. Anlage nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilstromkanäle (25) schraubenlinienförmig innenseitig bei der Einlaufdüse (3) verlaufend angeordnet sind und gleichzeitig mit ihnen Seitenwänden Strömungsführungen für den Hauptstrom des zuströmenden Mediums bilden.

13. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die axiale Länge der Einlaufdüse (3) und/oder deren Konuswinkel und/oder deren Querschnitt in Anpassung an die Strömungsgeschwindigkeit des Zuströmmediums veränderbar ist.

14. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Anstellwinkel der Turbinenrad-Blätter veränderbar ist.

15. Anlage nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß ein Strömungsgeschwindigkeits-Sensor vorgesehen ist, der mit einer Steuereinrichtung zur Veränderung der axialen Länge der Einlaufdüse (3) und/oder von deren Konuswinkel und/oder von deren Querschnitt und/oder vom Anstellwinkel der Turbinenrad-Blätter und/oder der Generatorerregung verbunden ist.

16. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Generator (7) ein Asynchrongenerator vorgesehen ist.