DE19820766A1 - Strömungskraftmaschine - Google Patents

Abstract

Beschrieben ist eine Strömungskraftmaschine (10), die mit wenigstens einem elektrischen Generator (26) gekuppelt ist. Sie hat zwei Flügel (12, 14), die jeweils drehbar um eine Achse (24) gelagert sind und sich zwischen den Enden (12a, 12b; 14a, 14b) längs der Drehachse (24) auf einer gedachten Kugelfläche sinusförmig um die Drehachse (24) erstrecken. Jeder Flügel (12, 14) hat ein Tragflügelprofil mit einer Vorder- und Hinterkante, das zwischen den beiden Enden (12a, 12b; 14a, 14b) Auftrieb in derselben Richtung erzeugt und mit der Hinterkante in der Kugelfläche liegend gegenüber dieser umfangsgeschwindigkeitsabhängig angestellt und abhängig von der relativen Anströmgeschwindigkeit derart eingestellt ist, daß sich der Einstellwinkel in bezug auf einen für jede Sinushälfte gedachten Pol des Einstellwinkels zwischen den Enden fortschreitend ändert. Die Strömungskraftmaschine (10) hat aufgrund dieses Aufbaus einen hohen Wirkungsgrad und eine kleine Baugröße und arbeitet geräuscharm. Die Flügel (12, 14) lassen sich jeweils als ein sphärisch und sinusförmig gekrümmter Formkörper herstellen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Strömungskraftmaschine der im Ober­ begriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.

Eine solche Strömungskraftmaschine ist aus dem DE 94 14 258 U1 bekannt.

Bei der bekannten Strömungskraftmaschine erstreckt sich minde­ stens ein bandförmiger Flügel in Radialrichtung und in Richtung der Drehachse der Welle in einem Bogen. Wenn ein zweiter Flügel vorhanden ist, ist dieser in bezug auf die Drehachse radial entgegengesetzt angeordnet und erstreckt sich in Radialrichtung und in Richtung der Drehachse der Welle ebenfalls in einem Bo­ gen. Bei Blick in Richtung der Drehachse bildet jeder Flügel eine Hälfte einer Acht, und beide Flügel gemeinsam bilden bei Blick in Richtung der Drehachse insgesamt eine Acht. Diese An­ ordnung soll ermöglichen, daß die Strömungskraftmaschine auch in langsam fließendem Gewässer oder bei schwachem Wind ein großes Drehmoment entwickelt. Das Grundprinzip dieser Strö­ mungskraftmaschine führt zwar zu zufriedenstellenden Ergebnis­ sen, die Strömungskraftmaschine ist jedoch in mancher Hinsicht noch verbesserungsbedürftig.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Strömungskraftmaschine der vorstehend genannten Art weiter zu verbessern, insbesondere hinsichtlich des Wirkungsgrades, der statischen Festigkeit und der Geräuschentwicklung.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch eine Strömungskraftma­ schine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Bei der Strömungskraftmaschine nach der Erfindung ist der Flü­ gel nach einem anderen Grundprinzip aufgebaut und angeordnet.

Dadurch, daß sich erfindungsgemäß jeder Flügel zwischen seinen beiden Enden sinusförmig auf einer Kugelfläche um die Drehachse erstreckt, bildet jeder Flügel in einer bestimmten Draufsicht quer zur Drehachse eine S-Form, und beide Flügel gemeinsam bil­ den in der bestimmten Draufsicht quer zur Drehachse eine Acht. Bei der bekannten Strömungskraftmaschine wird diese Acht nur bei Betrachtung in Richtung der Drehachse gebildet. Quer zur Drehachse betrachtet bilden die beiden Flügel der bekannten Strömungskraftmaschine keine Acht, sondern eine Art Ellipse. Dadurch, daß sich erfindungsgemäß die beiden Flügel zwischen Ihren beiden Enden auf einer gedachten Kugelfläche sinusförmig um die Drehachse erstrecken und jeder Flügel ein Tragflügelpro­ fil mit einer Vorder- und Hinterkante hat, das zwischen den beiden Enden Auftrieb in derselben Richtung erzeugt und mit der Hinterkante in der Kugelfläche liegend gegenüber dieser umfangsgeschwindigkeitsabhängig angestellt und abhängig von der relativen Anströmgeschwindigkeit derart eingestellt ist, daß sich der Einstellwinkel in bezug auf einen für jede Sinushälfte gedachten Pol des Einstellwinkels zwischen den Enden fort­ schreitend ändert, hat die erfindungsgemäße Strömungskraftma­ schine einen hohen Wirkungsgrad und ist im Betrieb geräuscharm. Der Flügel der erfindungsgemäßen Strömungskraftmaschine hat aufgrund seiner Anordnung auf einer gedachten Kugelfläche eine hohe statische Festigkeit. Bei der Strömungskraftmaschine nach der Erfindung wird das Profil in Abhängigkeit von der zu er­ wartenden Strömungsgeschwindigkeit ausgeformt, so daß sie bei hohen und niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten jeweils den höchsten erreichbaren Wirkungsgrad aufweist.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung bilden die Gegen­ stände der Unteransprüche.

Wenn in weiterer Ausgestaltung der Erfindung jeder Flügel als ein sphärisch und sinusförmig gekrümmter Formkörper ausgebildet ist, läßt er sich auf einfache Weise herstellen.

Wenn in weiterer Ausgestaltung der Erfindung in einem XY-Qua­ drantensystem, dessen Ursprung sich in der Mitte zwischen den Enden der Flügel befindet und dessen X-Achse mit der Drehachse zusammenfällt, der eine Flügel mit der einen Sinushälfte durch einen Quadranten und mit der anderen Sinushälfte durch einen diametral entgegengesetzten Quadranten geht und der andere Flü­ gel spiegelbildlich dazu in den beiden übrigen Quadranten ange­ ordnet ist, bildet jeder Flügel in einer bestimmten Ansicht quer zur Drehachse eine S-Form, und beide Flügel zusammen in der bestimmten Ansicht quer zur Drehachse eine Acht, wie oben dargelegt, da beide Flügel gemeinsam alle vier Quadranten be­ setzen. Bei der bekannten Strömungskraftmaschine besetzt ein Flügel zwei benachbarte Quadranten, wohingegen bei dieser Aus­ gestaltung der Erfindung ein Flügel zwei diametral entgegenge­ setzte Quadranten besetzt. Das ermöglicht, mit der Strömungs­ kraftmaschine nach der Erfindung bei kleinerer Baugröße mehr Leistung zu erzielen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 die Strömungskraftmaschine nach der Erfindung in ei­ ner Seitenansicht quer zur Drehachse ihrer Flügel,

Fig. 2 die Strömungskraftmaschine nach Fig. 1 in Draufsicht,

Fig. 3 die Strömungskraftmaschine in der Ansicht nach Fig. 2 mit zusätzlich für zwei Sinushälften der Flügel dar­ gestellten Polen von deren Einstellwinkel,

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Form, die zur Herstellung eines Flügels der Strömungsmaschine nach der Erfindung verwendbar ist, und

Fig. 5 eine Endansicht der in Fig. 4 dargestellten Form.

In Fig. 1 ist eine insgesamt mit 10 bezeichnete Strömungskraft­ maschine in einer Seitenansicht dargestellt. Sie weist zwei Flügel 12, 14 auf, die mit ihren Enden 12a, 12b bzw. 14a, 14b an zwei Naben 16 bzw. 18 befestigt sind. Die Naben 16, 18 sind in einem an einer Stelle 20 exzentrisch drehbar gelagerten Bü­ gel 22 drehbar um eine Achse 24 gelagert. In wenigstens einer der Naben 16, 18 ist ein elektrischer Generator 26 unterge­ bracht. Der Generator 26 kann ein Außenläufergehäuse aufweisen, das in der zugeordneten Nabe, in vorliegendem Fall in der Nabe 16, befestigt ist oder diese Nabe ersetzt und direkt mit den Enden 12a, 14a der Flügel 12 bzw. 14 verbunden ist. Die feststehende Welle 28 des Generators bildet in diesem Fall den Drehzapfen für die Nabe 16. Ein weiterer Drehzapfen 30 für die Nabe 18 könnte ebenfalls durch eine feststehende Welle ersetzt werden, wenn in der Nabe 18 ebenfalls ein Generator unterge­ bracht ist. Die Flügel 12, 14 haben jeweils eine S-Form und er­ strecken sich zwischen ihren Enden 12a, 12b bzw. 14a, 14b auf einer gedachten Kugelfläche sinusförmig um die Drehachse 24. In der in Fig. 2 gezeigten Draufsicht weist jeder Flügel 12, 14 eine S-Form auf. Beide Flügel 12, 14 bilden gemeinsam in der Draufsicht in Fig. 2 eine Acht. In Fig. 1 ist zu erkennen, daß sich der Flügel 12 oberhalb der Drehachse 24 und der Flügel 14 unterhalb der Drehachse 24 erstreckt. Zur weiteren Verdeutli­ chung dieser Flügelanordnung ist in Fig. 2 ein XY-Quadrantensy­ stem angedeutet, wobei die vier Quadranten mit I-IV bezeichnet sind. Der Ursprung des XY-Quadrantensystems befindet sich auf der Drehachse 24 in der Mitte zwischen den Naben 16, 18. Die X-Achse des Quadrantensystems fällt mit der Drehachse zusammen. Der Flügel 12 geht in der Darstellung in Fig. 2 mit seiner einen Sinushälfte durch den Quadranten III und mit seiner ande­ ren Sinushälfte durch den diametral entgegengesetzten Qua­ dranten II. Der Flügel 14 erstreckt sich spiegelbildlich dazu mit der einen Sinushälfte in dem Quadranten I und mit der ande­ ren Sinushälfte in dem Quadranten IV. Beide Flügel 12, 14 be­ setzen somit gemeinsam alle vier Quadranten.

Die Flügel 12, 14 haben jeweils auf ihrer gesamten Länge ein Flügelprofil, das in dieselbe Richtung gewandt ist, wie es bei­ spielshalber für den Flügel 12 in Fig. 3 angedeutet ist. Zwi­ schen den beiden Enden jedes Flügels erzeugt daher der Flügel einen Auftrieb in derselben Richtung. Das Tragflügelprofil hat eine Vorderkante VK und eine Hinterkante HK. Mit der Hinter­ kante liegt das Tragflügelprofil in der Kugelfläche und ist ge­ genüber dieser umfangsgeschwindigkeitsabhängig angestellt und abhängig von der relativen Anströmgeschwindigkeit derart einge­ stellt, daß sich der Einstellwinkel in bezug auf einen für jede Sinushälfte gedachten Pol des Einstellwinkels zwischen den En­ den jedes Flügels fortschreitend ändert. In Fig. 3 sind zwei Pole dargestellt und mit P1 bzw. P2 bezeichnet.

Aufgrund der für die Strömungskraftmaschine 10 zu erwartenden Betriebsbedingungen sind die Umfangsgeschwindigkeit jedes Flü­ gels 12, 14 und die Umfangsgeschwindigkeit jeder Stelle jedes Flügels sowie die Anströmgeschwindigkeit bekannt. In Abhängig­ keit von dieser Umfangsgeschwindigkeit und von dieser Anström­ geschwindigkeit lassen sich somit der Anstellwinkel und der Einstellwinkel wie vorstehend angegeben von vornherein fest einstellen.

Die beiden Pole jedes Flügels sind versetzt von einem mit der Drehachse 24 zusammenfallenden Durchmesser der Kugelfläche an­ geordnet, wie es in Fig. 3 zu erkennen ist.

Jeder Flügel bildet in dem Übergangsbereich zwischen den beiden Sinushälften mit der Drehachse 24 einen Winkel von 40° bis 60°.

Jeder Flügel ist ein sphärisch und sinusförmig gekrümmter Form­ körper, der sich mit einer in den Fig. 4 und 5 gezeigten Form auf einfache Weise herstellen läßt.

Fig. 4 zeigt den Aufbau der Form zur Herstellung eines Flügels aus winkelig zueinander versetzten Spanten 36 aus Schichtholz. Diese sind oben so abgeschrägt, daß sich der Anstellwinkel und der Einstellwinkel des Flügels ergeben. Die verschiedenen Schichten der Form, d. h. die Spanten 36 sind so miteinander verschliffen, daß sich ein stufenloses Profil ergibt. Der Form­ körper des Flügels wird auf dem Scheitel S der Form herge­ stellt.

Fig. 5 zeigt die Form nach Fig. 4 in einer Ansicht von links, d. h. in einer Endansicht. Es ist zu erkennen, wie die einzelnen Schichten oder Spanten 36 gegeneinander verschränkt sind, damit sich An- und Einstellwinkel des Flügels ergeben. Der Flügel, der auf dieser Form hergestellt worden ist, wird dann mit sei­ nen Enden an den Naben 16, 18 befestigt, wie es in den Fig. 1 bis 3 dargestellt ist.

Claims (7)

1. Strömungskraftmaschine, die mit wenigstens einem Flügel ver­ sehen ist, der an zwei Enden drehbar um eine Achse (24) gela­ gert ist und sich zwischen den Enden längs der Drehachse (24) erstreckt, und mit wenigstens einem elektrischen Generator (26) gekuppelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß sich zwei Flügel (12, 14) zwischen ihren beiden Enden (12a, 12b; 14a, 14b) auf einer gedachten Kugelfläche sinusförmig um die Drehachse (24) erstrecken und daß jeder Flügel (12, 14) ein Tragflügelprofil mit einer Vorder- und Hinterkante (VK, HK) hat, das zwischen den beiden Enden (12a, 12b; 14a, 14b) Auftrieb in derselben Richtung erzeugt und mit der Hinterkante (HK) in der Kugelflä­ che liegend gegenüber dieser umfangsgeschwindigkeitsabhängig angestellt und abhängig von der relativen Anströmgeschwindig­ keit derart eingestellt ist, daß sich der Einstellwinkel in be­ zug auf einen für jede Sinushälfte gedachten Pol (P1, P2) des Einstellwinkels zwischen den Enden (12a, 12b; 14a, 14b) fortschreitend ändert.

2. Strömungskraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die beiden Pole (P1, P2) versetzt von einem mit der Drehachse (24) zusammenfallenden Durchmesser der Kugelfläche angeordnet sind.

3. Strömungskraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß jeder Flügel (12, 14) in dem Übergangsbereich zwischen den beiden Sinushälften mit der Drehachse (24) einen Winkel von 40° bis 60° bildet.

4. Strömungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß jeder Flügel (12, 14) mit seinen bei­ den Enden (12a, 12b; 14a, 14b) in einem exzentrisch drehbar ge­ lagerten Bügel (22) gelagert ist.

5. Strömungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß jeder Flügel (12, 14) ein sphärisch und sinusförmig gekrümmter Formkörper ist.

6. Strömungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß in einem XY-Quadrantensystem, dessen Ursprung sich in der Mitte zwischen den Enden der Flügel (12, 14) befindet und dessen X-Achse mit der Drehachse (24) zusam­ menfällt, der eine Flügel (12) mit der einen Sinushälfte durch einen Quadranten (III) und mit der anderen Sinushälfte durch einen diametral entgegengesetzten Quadranten (II) geht und der andere Flügel (14) spiegelbildlich dazu in den beiden anderen Quadranten (I, IV) angeordnet ist.

7. Strömungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß wenigstens eines der Enden (12a, 14a) jedes Flügels (12, 14) an ein Außenläufergehäuse des Generators (26) angeschlossen ist.