DE19715373A1

DE19715373A1 - Durchströmrotor

Info

Publication number: DE19715373A1
Application number: DE19715373A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Kuester
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-04-14
Filing date: 1997-04-14
Publication date: 1998-10-15

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Durchströmrotor zur Nutzung der Energie von strömenden gasförmigen oder flüssigen Medien, bestehend aus einem Drehgestell mit vertikaler Rotorachse zur Halterung von mindestens zwei Rotorblättern mit vertikaler Achse sowie einem mit der Rotorachse verbundenen Energieumwandler.

In dem Bestreben, die Umwelt bei der Energieerzeugung möglichst wenig zu belasten, bekommt die Ausnutzung der sogenannten alternativen Energien, wie Sonnenstrahlung, Wind und Wasserkraft, einen immer größeren Stellenwert. Die Erfindung wendet sich dabei im speziellen an die Nutzung der Energie von strömenden gasförmigen oder flüssigen Medien, im speziellen an die Nutzung der Windenergie oder der Energie des strömenden Wassers eines Flusses.

Vorrichtungen zur Nutzung dieser Energie sind bereits in den unterschiedlichsten Ausführungsformen bekannt geworden. Sie nutzen entweder den Auftrieb bei der Anströmung der entsprechend geformten Rotorblätter oder den Widerstand, den die Fläche der Rotorblätter dem strömenden Medium bietet.

Eine Zusammenstellung der verschiedensten Bauarten ist dem Buch "Stromversorgung mit Windgeneratoren" von Hans Kurt Körthe, Franzis Verlag 1994, Seite 45, zu entnehmen.

Bei den Vorrichtungen, die den Widerstand nutzen, hat der Savonius Rotor gewisse Bedeutung erlangt. Dieser besitzt einen vertikal angeordneten Rotor mit zwei gekrümmten Leitschaufeln, deren Querschnitt einen Halbkreis bildet. Der Wirkungsgrad des Savonius Rotor liegt wegen der bremsenden Strömung auf die konvexe Seite der einen Leitschaufel nur den geringen Wert von ca. 0,2.

Weitere Unterarten von Vorrichtungen, die nach dem Prinzip der Anströmung von Leitschaufeln nach dem Widerstandsprinzip arbeiten, sind durch das DE-U-89 03 400.7 und die US-Patentschriften 3,986,785 sowie 4,047,834 bekannt geworden.

Bei den Vorrichtungen, die den Auftrieb nutzen, haben die an hohen Türmen mit horizontaler Achse befestigten Wind-Rotoren mit tragflügelartigen langen Rotorblättern die größte praktische Verbreitung gefunden. Derartige Anlagen sind jedoch schwierig zu warten bzw. instandzusetzen. Sie erfordern im Reparaturfall entsprechend hohe Kräne, die nicht immer, so z. B. in Entwicklungsländern, vor Ort zur Verfügung stehen.

Es sind auch den Auftrieb nutzende Rotoren mit vertikaler Achse bekannt, die nicht so hoch bauen, d. h. nur einen relativ niedrigen Sockel benötigen. Ein solcher Rotor ist insbesondere der Darrieus-Rotor in H-Form, bestehend aus einem Drehgestell mit vertikaler Rotorachse zur Halterung von zwei Rotorblättern mit vertikaler Achse.

Von einem derartigen, eingangs bezeichneten Durchströmrotor geht die Erfindung aus.

Da der bekannte Durchströmrotor nur den Auftrieb nutzt, benötigt er für seinen Betrieb entsprechend hohe Windstärken bei einem beschränkten Wirkungsgrad.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ausgehend von dem eingangs bezeichneten Durchströmrotor diesen so auszubilden, daß er bereits bei relativ niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten mit einem entsprechenden Wirkungsgrad arbeitet.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt gemäß der Erfindung dadurch, daß die Achsen der Rotorblätter drehbar gelagert und untereinander sowie mit dem Drehgestell derart kinematisch verkoppelt sind, daß bei der Rotation des Drehgestelles sich die Rotorblätter, mit unterschiedlichem Winkel angestellt, synchron mit untersetzter Winkelgeschwindigkeit drehen.

Dadurch, daß sich die Rotorblätter synchron mit der Rotation des Drehgestelles verstellen, wird bei dem erfindungsgemäßen Durchströmrotor sowohl das Widerstands- als auch das Auftriebsprinzip zur Energiegewinnung genutzt, wodurch der erfindungsgemaße Durchströmrotor bereits bei relativ kleinen Strömungsgeschwindigkeiten anspricht und einen hohen Wirkungsgrad besitzt.

Eine besonders günstige dynamische Winkelstellung der Rotorblätter in bezug auf die Strömungsrichtung ergibt sich, wenn gemäß einer Weiterbildung der Erfindung die Untersetzung ein Verhältnis von 1 : 2 aufweist. Sind beispielsweise zwei Rotorblätter vorgesehen, so sind diese so angestellt, daß im Ausgangszustand das eine, das erste Rotorblatt, exakt in Strömungsrichtung steht, d. h. im Fall eines asymmetrischen Tragflügelprofils des Rotorblattes voll den Auftrieb nutzt, wogegen das andere, das zweite Rotorblatt, exakt quer zur Strömungsrichtung steht und damit voll den Widerstand nutzt. Nach einer Umdrehung des Rotors, d. h. des Drehgestelles, haben die Rotorblätter jedoch nur eine halbe Umdrehung ausgeführt, d. h. nunmehr steht das erste Rotorblatt quer und das zweite Rotorblatt in Strömungsrichtung.

In den Zwischenstellungen wird optimal sowohl das Auftriebs- als auch das Widerstandsprinzip ausgenutzt.

Für die kinematische Verkopplung der Rotorblätter untereinander und mit dem Drehgestell stehen dem Fachmann eine Reihe von Möglichkeiten zur Verfügung.

Eine besonders einfache Verkopplung ergibt sich, wenn gemäß einer Weiterbildung der Erfindung, ähnlich der Kopplung zwischen Kurbel- und Nockenwelle beim Pkw-Motor, an der Rotorachse des Drehgestells und an den Drehachsen der Rotorblätter Zahnräder angebracht sind, die über einen Zahnriemen oder eine Steuerkette miteinander gekoppelt sind.

Eine derartige Konzeption erfordert allerdings einen Austausch des Zahnriemens bzw. der Steuerkette nach einer bestimmten Betriebsstundenzahl.

Diesen Austausch kann man vermeiden, wenn gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung an der Rotorachse des Traggestelles und an den Drehachsen der Rotorblätter Zahnräder angebracht sind, die direkt miteinander kämmen.

Diese Konzeption erfordert allerdings relativ großflächige Zahnräder.

Eine konstruktiv besonders vorteilhafte kinematische Verkopplung läßt sich mit Kegeltrieben erzielen. Sie sind wartungsfrei und besitzen nur relativ kleine Zahnräder in Form der Kegelräder. Dabei ist eine Konstruktion mit oben oder unten liegenden Kegeltrieben möglich.

Bei der ersten Konstruktion mit oben liegenden Kegeltrieben ist der Durchströmrotor gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung so aufgebaut, daß die Rotorachse des Drehgestelles als Hohlwelle ausgebildet ist, und eine abhängig von der Strömungsrichtung der Medien ausrichtbare Stellachse mit einem horizontalen Kegelrad eines oberhalb des Drehgestelles angeordneten 1 : 1-Kegeltriebes aufnimmt, dessen vertikale Kegelräder über obere horizontale Wellen jeweils mit einem untersetzenden weiteren Kegeltrieb an den oberen Enden der Drehachsen der Rotorblätter verbunden sind.

Bei der zweiten Konstruktion mit unten liegenden Kegeltrieben ist der Durchströmrotor gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung so aufgebaut, daß die Rotorachse des Drehgestelles als massive Welle ausgebildet ist und auf ihr unterhalb des Drehgestelles ein horizontales Kegelrad eines 1 : 1-Kegeltriebes, sich abhängig von der Strömungsrichtung der Medien ausrichtend, drehbar angeordnet ist, dessen vertikale Kegelräder über untere horizontale Wellen mit einem untersetzenden weiteren Kegeltrieb an den unteren Enden der Drehachsen der Rotorblätter verbunden sind.

Weitere Merkmale und Vorteile sowie Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Durchströmrotors mit obenliegenden Kegeltrieben für zwei Rotorblätter,

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht des Durchströmrotors nach Fig. 1 in schematischer Darstellung,

Fig. 3 eine schematische Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Durchströmrotors mit unten liegenden Kegeltrieben, und

Fig. 4 ein Prinzipbild zur Veranschaulichung einer kinematischen Kopplung mit einem Zahnriemen,

Fig. 5 eine Draufsicht auf den Durchströmrotor nach Fig. 1, zugleich erweitert auf eine Ausführung mit drei Rotorblätter.

Der erfindungsgemäße Durchströmrotor nach Fig. 1 bzw. Fig. 2 zur Nutzung der Energie von strömenden gasförmigen oder flüssigen Medien besitzt ein Drehgestell 1 mit einer vertikalen Rotorachse M1, die als Hohlwelle 2 ausgebildet ist und mittels symbolisch angedeuteter Lager 3 in geeigneter Weise stabil gelagert ist.

Das Drehgestell 1 besitzt zwei Arme 1a, in denen jeweils ein tragflügelartiges Rotorblatt 4 mit vertikaler Drehachse M2 drehbar gehaltert ist. Die Fig. 1 zeigt dabei die beiden Rotorblätter 4 in der Stellung A und B der Fig. 5.

Die Anzahl der Arme richtet sich nach der Anzahl der Rotorblätter. So zeigt die Fig. 5 überlagert auch eine Ausführung mit drei Armen und drei Rotorblättern 4A, 4B und 4C. Es können auch vier Arme mit vier Rotorblättern vorgesehen sein.

Anstelle der Arme kann auch eine Scheibe oder dergleichen zur Halterung der Rotorblätter vorgesehen sein.

Die Rotorblätter sind mit unterschiedlichen Winkeln angestellt. Bei zwei Rotorblättern sind diese um 90°, bei drei Blättern um 60° gegenseitig versetzt ausgerichtet.

In den Figuren sind Rotorblätter mit einem symmetrischen tragflügelartigen Profil vorgesehen, die bei Schrägstellung (siehe Fig. 5, Stellungen C und D) den Auftriebseffekt wegen des dann unterschiedlich langen Strömungsweges erzeugen. Es können auch asymmetrische Tragflächenprofile verwendet werden.

Die vertikale Rotor-Hohlwelle 2 ist über einen Kegeltrieb 5 oder dergleichen mit einem Energiewandler 6, vorzugsweise einem elektrischen Generator, verbunden, so daß bei der Rotation des Drehgestells durch die anströmenden Medien um die zentrale Achse M1 elektrische Leistung erzeugbar ist.

Im Inneren der Hohlwelle 2 ist eine Stellachse 7 aufgenommen, die abhängig von der Anströmrichtung der Medien ausrichtbar ist. Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 bzw. 2 ist dazu ein von einem Richtungsmesser ansteuerbarer Stellmotor 8 vorgesehen, der über einen Kegeltrieb 9 oder dergleichen mit der Stellachse 7 verbunden ist. Im einfachsten Fall kann anstelle des Stellmotors eine entsprechend großflächige Windfahne 17 verwendet werden, wie in Fig. 2 alternativ angedeutet ist. Die Stellachse 7 ist mit einem horizontalen Kegelrad 10a eines oberhalb des Drehgestelles 1 angeordneten 1 : 1-Kegeltriebes 10 verbunden, dessen vertikale Kegelräder 10b und 10c über obere horizontale Wellen 11a und 11b jeweils mit einem 1 : 2 untersetzenden Kegeltrieb 12, 13 an den oberen Enden der Drehachsen M2 der Rotorblätter 2 verbunden sind.

Diese schematische Verkopplung der Achsen M1 und M2 mit den Kegeltrieben 11, 12, 13 hat zwei wesentliche Effekte. Zum einen kann durch eine Drehung der Stellachse 7 die Anstellung der Rotorblätter 2 untereinander gekoppelt auf die Strömungsrichtung der Medien ausgerichtet werden, was für den Anlauf des Durchströmrotors von Bedeutung ist. Zum anderen wird bewirkt, daß bei der Rotation des Drehgestelles 1 in Richtung U1 (s. Fig. 5), sich die Rotorblätter 4, die in unterschiedlichen Winkeln zueinander angestellt sind, synchron mit einer Untersetzung von 1 : 2 in der Richtung U2 drehen, was die eingangs beschriebenen Vorteile erbringt.

Die fortwährende Ausrichtung der Rotorblätter auf die Strömungsrichtung entfällt bei einem Einsatz des Durchströmrotors in Fällen mit einer konstanten Strömungsrichtung, z. B. in Flüssen.

Die Fig. 3 zeigt eine andere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Durchströmrotors entsprechend Fig. 1, allerdings mit unten liegenden Kegeltrieben 10, 12, 13, so daß alle Teile, die gegebenenfalls eines Austausches bzw. einer Wartung bedürfen, möglichst bodennah angeordnet sind. Mit den Fign. 1 und 2 übereinstimmende Teile sind mit demselben Bezugszeichen versehen.

Im Fall der Fig. 3 ist die Rotorachse M1 als massive Welle 2a ausgebildet, die fest mit dem Drehgestell 1 bzw. dessen Tragarmen 1a entsprechend Fig. 1 sowie über den Kegeltrieb 5 mit dem Generator 6 verbunden ist.

Die Tragarme des Drehgestells, die auf Drehauflagern 18 ruhen, haltern, wie im Fall der Fig. 1, die Rotorblätter 4A, 4B mit ihren Drehachsen M2. Auf der Welle 2a ist das horizontale Kegelrad 10a des zentralen Kegeltriebes 10 drehbar angeordnet, das über das mit ihm verbundene Kegelrad 9a des Kegeltriebes 9 von dem Stellmotor 8 abhängig von der Strömungsrichtung auf der Welle 2a verdreht wird, wodurch, wie im Fall der Fig. 1, nur untenliegend, über den Kegeltrieb 10 die Wellen 11a, 11b und den Kegeltrieb 12, 13 die Achsen M2 verstellbar sind. Bei der Rotation des Drehgestelles andererseits werden die Achsen M2 der Rotorblätter über diese Kegeltriebe 12, 13, wie in Fig. 1, synchron verstellt, wobei sich die vertikalen Kegelräder 10b, 10c des Kegeltriebes 10 auf seinem horizontalen Kegelrad 10a abwälzen.

Die Fig. 4 zeigt eine Ausführung eines Durchströmrotors ohne Kegeltriebe, bei der an der Rotorachse M1 des Drehgestelles und an den Drehachsen M2 der Rotorblätter Zahnräder 14 bzw. 15 angebracht sind, die mit einem Zahnriemen 16 miteinander verkoppelt sind. Da das Zahnrad 15 für die Rotorachse M1 kleiner als die Zahnräder 134 für die Achsen M2 ist, findet eine entsprechende Untersetzung zwischen Rotordrehung U1 und Drehung U2 der Rotorblätter statt.

Die Erfindung eignet sich in besonderer Weise für den Bau von kleinen Wind- Kraftwerken, z. B. zur Erzeugung von elektrischer Energie für Entsalzungsanlagen in Wüstenstaaten bzw. für kleine Flußwasserwerke, z. B. um elektrische Energie für das Betreiben von lokalen Verbrauchern zu erzeugen.

Claims

1. Durchströmrotor zur Nutzung der Energie von strömenden gasförmigen oder flüssigen Medien, bestehend aus einem Drehgestell (1) mit vertikaler Rotorachse (M1) zur Halterung von mindestens zwei Rotorblättern mit vertikaler Achse (M2) sowie einem mit der Rotorachse (M1) verbundenen Energieumwandler (6), dadurch gekennzeichnet, daß die Achsen (M2) der Rotorblätter (4) drehbar gelagert und untereinander sowie mit dem Drehgestell (1) derart kinematisch verkoppelt sind, daß bei der Rotation des Drehgestelles (1) sich die Rotorblätter (4), mit unterschiedlichem Winkel angestellt, synchron mit untersetzter Winkelgeschwindigkeit drehen.

2. Durchströmrotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Untersetzung ein Verhältnis von 1 : 2 aufweist.

3. Durchströmrotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß an der Rotorachse (M1) des Drehgestells (1) und an den Drehachsen (M2) der Rotorblätter (4) Zahnräder (14, 15) angebracht sind, die über einen Zehnriemen (16) oder eine Steuerkette miteinander gekoppelt sind (Fig. 4).

4. Durchströmrotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß an der Rotorachse (M1) des Traggestelles (1) und an den Drehachsen (M2) der Rotorblätter (4) Zahnräder angebracht sind, die direkt miteinander kämmen.

5. Durchströmrotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorachse (M1) des Drehgestelles (1) als Hohlwelle (2) ausgebildet ist, und eine abhängig von der Strömungsrichtung der Medien ausrichtbare Stellachse (7) mit einem horizontalen Kegelrad (10a) eines oberhalb des Drehgestelles (1) angeordneten 1 : 1-Kegeltriebes (10) aufnimmt, dessen vertikale Kegelräder (10b, 10c) über obere horizontale Wellen (11a, 11b) jeweils mit einem untersetzenden weiteren Kegeltrieb (12, 13) an den oberen Enden der Drehachsen (M2) der Rotorblätter (4) verbunden sind.

6. Durchströmrotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorachse (M1) des Drehgestelles (1) als massive Welle (2a) ausgebildet ist und auf ihr unterhalb des Drehgestelles (1) ein horizontales Kegelrad (10a) eines 1 : 1-Kegeltriebes (10), sich abhängig von der Strömungsrichtung der Medien ausrichtend, drehbar angeordnet ist, dessen vertikale Kegelräder (10b, 10c) über untere horizontale Wellen (11a, 11b) mit einem untersetzenden weiteren Kegeltrieb (12, 17) an den unteren Enden der Drehachsen (M2) der Rotorblätter (4) verbunden sind (Fig. 3).

7. Durchströmrotor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorblätter (4) ein tragflügelförmiges Profil besitzen.