DE19701048A1 - Drehantriebselement - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein durch ein Fluid zur Drehung antreibbares oder in einem Fluid unter Erzeugung einer Antriebskraft drehbares Element. Insbesondere ist dieses Element zum Drehantrieb durch Luftströmungen vorgesehen.

Als durch Luftströmungen antreibbare Drehelemente sind seit langem Windräder bekannt, die in neuerer Zeit in zunehmendem Umfang zur Elektroenergiegewinnung eingesetzt wer­ den. Solche Windräder werden zur optimalen Energieausnutzung jeweils derart ausgerichtet, daß die Drehachse der Windräder mit der Windrichtung zusammenfällt.

Die vorliegende Erfindung schafft ein neues zur Drehung antreibbares oder zur Erzeugung einer Antriebskraft drehbares Element, das durch ein im Abstand zur Elementdrehachse schraubenförmig um die Elementdrehachse gewundenes Antriebsblatt gekennzeichnet ist.

Ein solches in der erfindungsgemäßen Weise gewundenes Antriebsblatt kann, wie der Erfin­ der festgestellt hat, verhältnismäßig unabhängig von der Strömungseinfallsrichtung effizient angetrieben werden, wobei nicht nur in Richtung der Elementdrehachse auftreffende, son­ dern auch schräg zu dieser Achse gerichtete Strömungen wirksam sind. Vorteilhaft ist das erfindungsgemäße Drehantriebselement daher verhältnismäßig unempfindlich gegen Strömungsrichtungsänderungen.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist das Antriebsblatt um die Elementdrehachse unter Bildung eines sich innerhalb der Schraubenwindungen entlang der Elementdrehachse erstreckenden Fluidströmungsdurchgangs gewunden, wobei vorzugsweise das Antriebsblatt in zur Elementdrehachse radialer Richtung geneigt ist. Durch diese besondere Ausbildung des Antriebsblattes, bei der sich Luftströmungen in dem schraubenförmigen Antriebsblatt verfangen und insbesondere durch das in radialer Richtung geneigte Antriebsblatt in den Strömungsdurchgang geleitet werden, läßt sich eine weitere Steigerung der Antriebseffizienz erreichen, die bis zu einem Strömungseinfallswinkel α von 45° zur Elementdrehachse verhält­ nismäßig konstant bleibt. Dann nimmt die Effizienz ab und bei 90° setzt eine Drehrichtungs­ umkehr ein, wobei die Antriebseffizienz im α-Winkelbereich zwischen 90° und 180° wesentlich geringer als im α-Winkelbereich zwischen 0° und 90° ist, weil durch die radiale Neigung des Antriebsblattes nun auftreffende Strömungen vorzugsweise von dem Antriebsblatt weggelei­ tet werden. Eine solche Einfallswinkelcharakteristik der Antriebseffizienz erlaubt den Antrieb des erfindungsgemäßen Drehantriebselements sogar durch sich geeignet drehende Wirbel, so daß mit Hilfe eines solchen Drehantriebselements beispielsweise in Luftwirbeln enthaltene Energie wenigstens teilweise zurückgewonnen werden kann.

Vorzugsweise zu verwendende Neigungswinkel des Antriebsblattes zu einer radialen Achse liegen im Bereich zwischen 40° und 70°.

In bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung ist die Schraubenlänge des Antriebsblattes größer als der Schraubendurchmesser, wobei die Schraubenlänge des Antriebsblattes insbe­ sondere ein Mehrfaches des Schraubendurchmessers beträgt. Insbesondere beim Antrieb durch vorrangig schräg oder seitlich auftreffende Strömungen ist es zweckmäßig, ein ver­ hältnismäßig langes Antriebsblatt zu verwenden, um entsprechend der großen Länge mög­ lichst viel Strömungsenergie in Bewegungsenergie des Antriebsblattes umzusetzen.

Als bevorzugte Schraubensteigungswinkel des Antriebsblattes am Schraubenumfang kom­ men Werte zwischen 20° und 40° in Betracht.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß das Antriebsblatt, das im wesentlichen in der Form eines schraubenförmig gewundenen Bandes ausgebildet ist, über wenigstens eine Verstrebung gegen eine zur Elementdrehachse koaxiale Trägerwelle oder/und Drehlagerbuchse abgestützt ist. Je nach Schraubenlänge des Antriebsblattes können im Abstand mehrere solcher Verstrebungen vorgesehen werden, wobei die Ver­ strebungen vorzugsweise mit einem senkrecht zur Strömungsrichtung geringen Querschnitt ausgebildet sind, der nur zu einer minimalen Querschnittsverringerung des Fluidströmungs­ durchgangs führt. Es ist auch möglich, die Verstrebungen selbst als Antriebsblätter auszubil­ den, die einen zusätzlichen Beitrag zum Drehantrieb des Elementes leisten können.

Das Antriebsblatt kann aber auch selbsttragend zur drehbaren Halterung nur an den Schraubenenden oder nur an einem Schraubenende vorgesehen sein. In diesem Fall brau­ chen keine den Fluidströmungsdurchgang im Querschnitt verringernde Verstrebungen angebracht zu werden. Das zur Gewährleistung der Selbsttragefunktion stabil mit verhält­ nismäßig großer Masse ausgebildete Antriebsblatt wirkt als Bewegungsenergiespeicher, durch den durch Strömungsintensitätsschwankungen bedingte Schwankungen der Antriebsleistung ausgleichbar sind.

Das erfindungsgemäße Element kann aber auch mit einem gesonderten, als Puffer dienen­ den Energiespeicher verbunden sein, insbesondere einem bewegungsenergiespeichernden Schwungrad, wobei eine durch die Strömung auf das Element übertragende Leistung über dieses, antriebsmäßig mit dem Antriebsblatt in Verbindung stehende Schwungrad eine konstante Leistung abnehmbar ist.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung können Strömungsleiteinrichtungen zum Zuleiten von Fluid zu dem Antriebsblatt vorgesehen sein. Vorzugsweise werden Leitbleche so angeordnet, daß auf einen möglichst großen Einfangsquerschnitt der Strömungs­ leiteinrichtungen auftreffende Strömungen unter einem für den Drehantrieb effizienten Ein­ fallswinkel auf das Antriebsblatt umgeleitet werden.

Die Erfindung soll nun anhand von Ausführungsbeispielen und der beiliegenden, sich auf diese Ausführungsbeispiele beziehen den Zeichnungen näher erläutert und beschrieben werden. Es zeigen:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Drehantriebselement mit einem durch Verstrebungen gegen eine Trägerwelle abgestützten Antriebsblatt, und

Fig. 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Drehantriebselement mit einem selbsttragenden Antriebsblatt.

In der Fig. 1 ist mit dem Bezugszeichen 1 ein Antriebsblatt bezeichnet, das über Trägerver­ strebungen 2 und 3 mit einer zur Drehachse des Antriebsblattes 1 koaxialen Trägerwelle 4 verbunden ist.

Die Trägerwelle 4 ist an einem Ende in einer Lagerungseinrichtung 5 gelagert. Eine weitere Lagerungseinrichtung 6 für die Trägerwelle 4 befindet sich nahe dem von der Lagerungsein­ richtung 5 entfernten Ende des Antriebsblattes 1. Die Trägerwelle 4 ist an ihrem von der Lagerungseinrichtung 5 entfernten Ende mit einer Getriebeeinrichtung zur Übertragung der Drehbewegung des Antriebsblattes 1 auf eine anzutreibende Einrichtung, wie z. B. einen Generator, verbunden. Sowohl der Generator als auch die genannte Getriebeeinrichtung sind in der Fig. 1 nicht gezeigt.

Das Antriebsblatt 1 ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel in zur Elementdrehachse radia­ ler Richtung um ca. 60° geneigt, wobei der Steigungswinkel der gebildeten Schraube am Außenumfang ca. 20° beträgt. Das aus einem Bandmaterial hergestellte Antriebsblatt 4 ist um die Trägerachse 4 im Abstand a gewunden, wobei etwa entsprechend diesem Abstand zwischen der Trägerwelle 4 und dem Antriebsblatt 1 ein sich entlang der Trägerwelle 4 erstreckender Strömungsdurchgang 7 gebildet ist.

Eine entsprechend des Pfeilen 8 auf das Antriebsblatt 1 auftreffende Luftströmung ist in der Lage das Antriebsblatt mit der damit über die Trägerverstrebungen 2 und 3 verbundenen Welle 4 zu drehen, wobei die Antriebseffizienz bis zu einem Winkel von ca. 45° zur Träger­ welle 4 verhältnismäßig unabhängig von der Einfallsrichtung ist. Mit größer werdendem Ein­ fallswinkel α nimmt die Antriebseffizienz jedoch merklich ab. Bei etwa 90° erfolgt eine Umkehr der Drehbewegung des Antriebsblattes 1, wobei für Winkel α zwischen 90° und 180° in dem gezeigten Ausführungsbeispiel eines Antriebsblattes mit der gezeigten Neigung in radialer Richtung die Antriebseffizienz jedoch wesentlich geringer als zwischen 0° und 90° ist.

Es wäre z. B. möglich, das gezeigte Element seitlich stark befahrener Verkehrswege aufzustel­ len, wo die durch die Fahrzeuge erzeugten Luftströmungen einschließlich ihrer Wirbel für einen Antrieb sorgen können.

Es wird nun auf die Fig. 2 Bezug genommen, wo gleiche oder gleichwirkende Teile mit derselben, jedoch mit dem Buchstaben a versehenen Bezugszahl bezeichnet sind.

Gemäß Fig. 2 ist ein zur Gewährleistung eines Selbsttrageeffektes stabil ausgebildetes Antriebsblatt lediglich an einem Ende über einen Halterungsblock 9 gehaltert, welcher mit einer Welle 4a verbunden ist. Die Welle 4a ist in einer Lagerbuchse 6a gelagert und mit einer in der Fig. 2 nicht gezeigten, durch das Antriebsblatt 1a antreibbaren Einrichtung verbun­ den.

Mit der Bezugszahl 10 sind in der Fig. 2 koaxial zu dem Antriebsblatt 1a angeordnete koni­ sche Luftleitflächen bezeichnet. Die im wesentlichen konisch ausgebildeten Luftleitflächen stehen zur Drehachse des Antriebsblattes 1a in einem Winkel von etwa 45° und leiten in diesem Winkelbereich entsprechend den Pfeilen 11 und 12 auftreffende Windströmungen zu dem Antriebsblatt 1a.

Es wäre denkbar, die in Fig. 2 gezeigte Anordnung mit einem einseitig gelagerten, selbst­ tragenden Antriebsblatt z. B. an der Rückseite Wirbelfelder erzeugender Fahrzeuge anzu­ bringen, um das Antriebsblatt über die Wirbel anzutreiben und so einen Teil der darin enthal­ tenen Energie zurückzugewinnen.

Durch diese Winkelabhängigkeit der Antriebseffizienz können Luftströmungen trotz ständigen Richtungswechsels zum Drehantrieb des Antriebsblattes wirksam werden, wobei insbeson­ dere auch eine Antriebsmöglichkeit durch Luftwirbel besteht, deren Energieinhalt somit durch das gezeigte Element nutzbar gemacht werden kann.

Das Antriebsblatt könnte ferner einen ein Strömungsprofil bildenden Querschnitt aufweisen.

Claims (14)

1. Durch ein Fluid zur Drehung antreibbares oder in einem Fluid unter Erzeugung einer Antriebskraft drehbares Element, gekennzeichnet durch ein im Abstand zur Elementdrehachse schraubenförmig um die Elementdrehachse gewundenes Antriebsblatt (1, 1a).

2. Drehantriebselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Antriebsblatt (1, 1a) um die Elementdrehachse unter Bildung eines sich inner­ halb der Schraubenwindungen entlang der Elementdrehachse erstreckenden Fluidströmungsdurchgangs (7, 7a) gewunden ist.

3. Drehantriebselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Antriebsblatt (1, 1a) in zur Elementdrehachse radialer Richtung geneigt ist.

4. Drehantriebselement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Neigungswinkel im Bereich zwischen etwa 40° und 70°, vorzugsweise bei etwa 60°, liegt.

5. Drehantriebselement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schraubenlänge des Antriebsblattes (1, 1a) größer als sein Schraubendurch­ messer ist.

6. Drehantriebselement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schraubenlänge des Antriebsblattes (1, 1a) ein Mehrfaches seines Schrauben­ durchmessers beträgt.

7. Drehantriebselement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Antriebsblatt (1, 1a) im wesentlichen in der Form eines schraubenförmig gewundenen Bandes ausgebildet ist.

8. Drehantriebselement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet daß der Schraubensteigungswinkel des Antriebsblattes (1, 1a) am Schraubenumfang zwischen etwa 20° und 40°, vorzugsweise etwa 30°, beträgt.

9. Drehantriebselement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Antriebsblatt über wenigstens eine Verstrebung (2, 3) gegen eine zur Element­ drehachse koaxiale Trägerwelle (4) oder/und Drehlagerbuchse abgestützt ist.

10. Drehantriebselement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstrebung (2, 3) zur Minimierung der Querschnittsverringerung des Fluidströ­ mungsdurchgangs (7) durch die Verstrebung (2, 3) einen geringen Querschnitt in Strö­ mungsrichtung aufweist.

11. Drehantriebselement nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstrebung als Antriebsblatt ausgebildet ist.

12. Drehantriebselement nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Antriebsblatt (1a) selbsttragend zur drehbaren Halterung nur an den Schrau­ benenden oder an einem Schraubenende vorgesehen ist.

13. Drehantriebselement nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Antriebsblatt mit einem Energiespeicher, insbesondere einem Bewegungs­ energiespeicher, verbunden ist.

14. Drehantriebselement nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß Strömungsleiteinrichtungen (10) zum Zuleiten von Fluid zu dem Antriebsblatt vorge­ sehen sind.