DE202011002702U1 - Double Darrieus rotor - Google Patents
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Abstract
Vorrichtung um eine Fluidströmung in nutzbare Antriebskraft zu verwandeln, umfassend einen ersten Darrieus-Rotor mit einer ersten Schnelllaufzahl und einen zweiten Darrieus-Rotor mit einer zweiten Schnelllaufzahl, welche kleiner als die erste Schnelllaufzahl ist, wobei der zweite Darrieus-Rotor eine Anlaufhilfe für den ersten Darrieus-Rotor ist.Apparatus for converting a fluid flow into usable motive power, comprising a first Darrieus rotor having a first high speed number and a second Darrieus rotor having a second high speed number which is smaller than the first high speed number, the second Darrieus rotor providing a starting aid to the first Darrieus rotor is.
Description
Technisches GebietTechnical area
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verwandlung einer Fluidströmung in nutzbare Antriebskraft, wobei die Vorrichtung mindestens einen Darrieus-Rotor umfasst.The invention relates to a device for converting a fluid flow into usable driving force, wherein the device comprises at least one Darrieus rotor.
Stand der TechnikState of the art
Vorrichtungen zur Nutzung von Fluidströmungen sind in einer Vielzahl von Varianten bekannt. Als besonders interessantes Grundprinzip ist der Darrieus-Rotor zu erwähnen, zu welchem viele Konstruktionsvorschläge und Weiterentwicklungen existieren.Devices for utilizing fluid flows are known in a variety of variations. A particularly interesting basic principle is the Darrieus rotor to mention, to which many design proposals and developments exist.
Eine bekannte Eigenheit des Darrieus-Rotors in Windenergieanlagen ist die hohe Anlaufgeschwindigkeit, d. h. der Darrieus-Rotor läuft nicht oder erst bei relativ hohen Windgeschwindigkeiten von alleine an. In der Literatur finden sich viele Ansätze zur Verbesserung dieser Eigenschaft, so wird etwa vorgeschlagen, einen zur Stromgewinnung angeschlossenen Generator als Motor zu verwenden und den Darrieus-Rotor mit Hilfe von Strom anlaufen zu lassen (d. h. in Rotation zu versetzen). In anderen Ansätzen werden Rotorblätter derart modifizierbar gestaltet, dass die Rotorblätter bei kleinen Fluidgeschwindigkeiten einen höheren fluid-dynamischen Widerstand aufweisen und den Darrieus-Rotor anlaufen lassen, und bei grösserer Fluidgeschwindigkeit eine Form und/oder Position mit verringertem fluid-dynamischem Widerstand annehmen, um einen guten Wirkungsgrad zu erreichen. Die Rotorblätter können dazu beispielsweise aufspreizbar bzw. aufklappbar gestaltet werden. In diesem Sinn schlägt z. B. die
Im Stand der Technik befinden sich auch Varianten von Darrieus-Rotoren mit Vorkehrungen zur Leistungs- und Effizienzsteigerung. Darunter fallen z. B. die bereits erwähnten Windleitelemente, aber etwa auch Elemente zur Verhinderung von unerwünschten Strömungsabrissen an Rotorblättern, wie z. B. ein sich frei drehender zweiter Darrieus-Rotor, welcher innerhalb des ersten Darrieus-Rotors liegt (
Alle diese Ansätze haben ihre spezifischen Nachteile; z. B. bedingt ein motorisiertes Anlaufen eine relativ komplizierte Mess- und Regeltechnik. Jegliche reversible Veränderung des fluiddynamischen Widerstandes der Rotorflügel durch technische und insbesondere mechanische Massnahmen ist aufwändig, störanfällig und teuer, ganz besonders bei relativ kleinen Rotorflügeln (wobei mit ”relativ klein” Grössen von bis zu einigen Metern gemeint sind).All of these approaches have their specific disadvantages; z. B. requires a motorized starting a relatively complicated measurement and control technology. Any reversible change in the fluid dynamic resistance of the rotor blades by technical and in particular mechanical measures is complex, prone to failure and expensive, especially for relatively small rotor blades (which means "relatively small" sizes of up to several meters).
Windleitelemente bzw. Fluidleitelemente vergrössern den Raumbedarf der Vorrichtung unmässig, und der zusätzlich benötigte Raum könnte unter Umständen durch einen grösseren Darrieus-Rotor effizienter ausgenutzt werden. Zusätzliche Vorrichtungen für tiefe Anlauf-Windgeschwindigkeiten bzw. Anlauf-Fluidgeschwindigkeiten (wie etwa ein wannenförmiges Vorderblatt vor den Rotorblättern oder ein bzw. mehrere Savonius-Rotoren) verlangsamen den Darrieus-Rotor bei den höheren Fluidgeschwindigkeiten, in welchen der Darrieus-Rotor typischerweise und effizient betrieben wird.Wind deflectors or fluid guide elements increase the space requirement of the device unreasonably, and the additional space required could possibly be exploited more efficiently by a larger Darrieus rotor. Additional low-speed startup fluid velocity devices (such as a trough-shaped front blade in front of the rotor blades or one or more Savonius rotors) slow the Darrieus rotor at the higher fluid velocities in which the Darrieus rotor typically and efficiently operates becomes.
Wird die zusätzliche Vorrichtung vom Darrieus-Rotor entkoppelbar gestaltet, so steigt der der totale Raumbedarf der Gesamtvorrichtung an und die Kupplung ist kompliziert, störanfällig und teuer. Und ein sich frei drehender zweiter Darrieus-Rotor zur Verhinderung unerwünschter Strömungsabrisskanten reduziert die Strömungsabrisskanten nicht gut genug, um eine deutliche Effizienzsteigerung des ersten Darrieus-Rotors zu ermöglichen und dadurch den zusätzlichen konstruktiven Aufwand zu rechtfertigen.If the additional device designed by the Darrieus rotor decoupled, so the total space requirement of the overall device increases and the coupling is complicated, prone to failure and expensive. And a freely rotating second Darrieus rotor to prevent unwanted stall edges does not reduce the stall margins well enough to allow a significant increase in the efficiency of the first Darrieus rotor and thereby justify the added design effort.
Darstellung der ErfindungPresentation of the invention
Aufgabe der Erfindung ist es, eine dem eingangs genannten technischen Gebiet zugehörende Vorrichtung zu schaffen, welche bei möglichst niedrigen Fluidgeschwindigkeiten von alleine anläuft, bei hohen Fluidgeschwindigkeiten effizient funktioniert und kompakt, stabil bzw. robust und kostengünstig realisiert werden kann.The object of the invention is to provide a device belonging to the technical field mentioned above, which starts at the lowest possible fluid speeds by itself, works efficiently at high fluid velocities and compact, stable or robust and can be realized inexpensively.
Die Lösung der Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruchs 1 definiert. Gemäss der Erfindung umfasst eine Vorrichtung zur Verwandlung einer Fluidströmung in nutzbare Antriebskraft einen ersten Darrieus-Rotor mit einer ersten Schnelllaufzahl sowie einen zweiten Darrieus-Rotor mit einer zweiten Schnelllaufzahl. Die zweite Schnelllaufzahl ist dabei kleiner als die erste Schnelllaufzahl, und der zweite Darrieus-Rotor dient als Anlaufhilfe für den ersten Darrieus-Rotor.The solution of the problem is defined by the features of claim 1. According to the invention, a device for converting a fluid flow into usable driving force comprises a first Darrieus rotor with a first High-speed number and a second Darrieus rotor with a second high-speed number. The second high-speed number is smaller than the first high-speed number, and the second Darrieus rotor serves as a starting aid for the first Darrieus rotor.
Indem ein zweiter Darrieus-Rotor als Anlaufhilfe für den ersten Darrieus-Rotor verwendet wird, können beide Rotoren für ihre jeweilige Aufgabe optimiert werden. Der erste Darrieus-Rotor ist dabei vom weitgehend bekannten Typ und ist so ausgelegt, dass er maximale Effizienz in einem vorgegebenen Geschwindigkeitsleistungsbereich des Fluids (z. B. 5–15 m/s) hat und der zweite Darrieus-Rotor ist so ausgelegt, dass er bei einem vorgegebenen Anlaufgeschwindigkeitsbereich des Fluids (z. B. 2–5 m/s) zu rotieren beginnt. Der Anlaufgeschwindigkeitsbereich liegt unterhalb des vorgegebenen Geschwindigkeitsleistungsbereichs, d. h. die beiden Bereiche sind zueinander benachbart bzw. schliessen aneinander an. In der Praxis können diese Bereiche auch teilweise überlappen.By using a second Darrieus rotor as a starting aid for the first Darrieus rotor, both rotors can be optimized for their respective task. The first Darrieus rotor is of widely known type and is designed to have maximum efficiency in a given speed range of performance of the fluid (eg 5-15 m / s) and the second Darrieus rotor is designed so that it begins to rotate at a predetermined start-up speed range of the fluid (eg, 2-5 m / s). The starting speed range is below the predetermined speed power range, i. H. the two areas are adjacent to each other or close to each other. In practice, these areas may also partially overlap.
Der zweite Darrieus-Rotor weist entsprechend seiner Funktion beispielsweise ein dickeres Flügelprofil als der erste Darrieus-Rotor auf. Der zweite Darrieus-Rotor kann auch Vorflügel bzw. durchströmte Flügel aufweisen. Der erfindungsgemässe doppelte Darrieus-Rotor bestehend aus dem ersten und zweiten Darrieus-Rotor, welche in geeigneter Weise funktionsmässig gekoppelt sind, kann aus diesem Grund bei tiefen Fluidgeschwindigkeiten von alleine anlaufen. Weil beide Rotoren nach demselben Prinzip funktionieren, vereinfacht sich die Dimensionierung der Vorrichtung und die Umsetzung in den technischen Details (Ähnlichkeit der verwendeten Komponenten und Elemente), was deren Herstellung vereinfacht und die Kosten senkt.The second Darrieus rotor has according to its function, for example, a thicker wing profile than the first Darrieus rotor. The second Darrieus rotor can also have slats or flow-through wings. The inventive double Darrieus rotor consisting of the first and second Darrieus rotor, which are suitably functionally coupled, can start for this reason alone at low fluid velocities. Because both rotors operate on the same principle, the dimensioning of the device and the implementation are simplified in the technical details (similarity of the components and elements used), which simplifies their manufacture and reduces costs.
Als optionales Merkmal weist der zweite Darrieus-Rotor einen kleineren Radius auf als der erste.As an optional feature, the second Darrieus rotor has a smaller radius than the first one.
Durch einen kleineren Radius kann der zweite Darrieus-Rotor kompakt gebaut werden, wodurch sich die Gesamtgrösse der ganzen Vorrichtung verkleinert. Radien verschiedener Grösse erlauben es zudem, im Falle von identischen oder nahe beieinander liegenden Rotationsachsen jeweilige Rotorblätter in Querrichtung versetzt anzuordnen und dadurch eine kompakte Bauweise zu erreichen.With a smaller radius, the second Darrieus rotor can be made compact, reducing the overall size of the whole device. Radii of different sizes also make it possible, in the case of identical or closely spaced axes of rotation, to arrange respective rotor blades offset transversely, thereby achieving a compact construction.
Alternativ können der erste und der zweite Darrieus-Rotor auch dieselben Radien aufweisen, und im Extremfall kann sogar der zweite Darrieus-Rotor einen grösseren Radius aufweisen als der erste, wobei letzteres nur in sehr seltenen Fällen vorteilhaft ist.Alternatively, the first and second Darrieus rotors may also have the same radii, and in an extreme case, even the second Darrieus rotor may have a larger radius than the first, the latter being advantageous only in very rare cases.
Optional liegt der zweite Darrieus-Rotor zumindest teilweise innerhalb einer Rotationshülle des ersten.Optionally, the second Darrieus rotor is at least partially within a rotational shell of the first.
Die Vorrichtung kann besonders kompakt gebaut werden, wenn der zweite Darrieus-Rotor wenigstens teilweise innerhalb der Rotationshülle des ersten Darrieus-Rotors liegt. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn der zweite Darrieus-Rotor vollständig in der Rotationshülle des ersten liegt, da der von der Vorrichtung eingenommene Raum auf diese Weise optimal genutzt werden kann. Mit Rotationshülle des ersten Darrieus-Rotors ist die Grenze des Raums gemeint, welcher vom rotierenden ersten Darrieus-Rotor durchmessen bzw. durchlaufen wird. Bei einem Rotor mit geraden Flügeln mit über ihre Länge konstantem Abstand zur Rotationsachse ist die Rotationshülle ein Kreiszylinder. Bei gebogenen Flügeln ist die Rotationshülle ein Rotationsvolumen mit entsprechend der Flügelform gestalteter Rotationsfläche.The device can be made particularly compact, if the second Darrieus rotor lies at least partially within the rotational envelope of the first Darrieus rotor. It is particularly advantageous if the second Darrieus rotor is completely in the rotational envelope of the first, since the space occupied by the device can be used optimally in this way. By rotational envelope of the first Darrieus rotor is meant the boundary of the space which is traversed by the rotating first Darrieus rotor. In a rotor with straight wings with a constant distance to the rotation axis over its length, the rotation envelope is a circular cylinder. For curved wings, the rotational envelope is a rotational volume with a correspondingly shaped wing surface rotation surface.
Alternativ kann der zweite Darrieus-Rotor auch ausserhalb der Rotationshülle des ersten Darrieus-Rotors liegen, so etwa benachbart (z. B. oben oder unten bzw. rechts oder links bzw. hinten oder vorne) auf der Rotationsachse des ersten Darrieus-Rotors liegend oder auch daneben.Alternatively, the second Darrieus rotor may also lie outside the rotational envelope of the first Darrieus rotor, for example lying adjacent to it (eg up or down or right or left or rear or front) on the axis of rotation of the first Darrieus rotor or also next to it.
Als weiteres optionales Merkmal entspricht das Verhältnis der Schnelllaufzahlen dem Verhältnis der Radien der Darrieus-Rotoren.As another optional feature, the ratio of the high speed numbers corresponds to the ratio of the radii of the Darrieus rotors.
Verhalten sich die Radien der Darrieus-Rotoren gleich zueinander wie ihre jeweiligen Schnelllaufzahlen, so weisen beide Darrieus-Rotoren dieselbe Rotationsperiode auf, d. h. beide Darrieus-Rotoren benötigen dieselbe Zeit, um sich einmal vollständig um ihre Achse zu drehen. Mit Schnelllaufzahl ist hier das Verhältnis der Umfangsgeschwindigkeit eines Rotorblatts am äußeren Ende des Rotors zur Fluidgeschwindigkeit gemeint (fachübliche Definition). Eine Kopplung beider Darrieus-Rotoren miteinander vereinfacht sich sehr stark, wenn beide Darrieus-Rotoren dieselbe Rotationsperiode haben, weil dadurch mechanische Getriebe, variable elektronische Kopplungen, Strömungsgetriebe und andere Kopplungen unnötig werden. Abweichungen vom idealen Verhältnis sind noch im Rahmen des optionalen Merkmals, wenn sie praktisch vernachlässigbare Auswirkungen haben (z. B. wenn sie unterhalb von 10% liegen).If the radii of the Darrieus rotors are equal to each other as their respective high-speed numbers, then both Darrieus rotors have the same rotation period, ie. H. both Darrieus rotors require the same time to fully rotate once around their axis. With high-speed number here the ratio of the peripheral speed of a rotor blade at the outer end of the rotor to the fluid velocity meant (professional definition). Coupling of both Darrieus rotors with each other is greatly simplified when both Darrieus rotors have the same rotation period because this eliminates the need for mechanical transmissions, variable electronic couplings, fluid gearing, and other couplings. Deviations from the ideal ratio are still within the scope of the optional feature if they have practically negligible effects (eg if they are below 10%).
Alternativ kann das Verhältnis der Schnelllaufzahlen der Darrieus-Rotoren kleiner oder auch grösser als das Verhältnis der Radien sein.Alternatively, the ratio of the high-speed numbers of the Darrieus rotors may be smaller or larger than the ratio of the radii.
Optional sind die beiden Darrieus-Rotoren mechanisch starr gekoppelt.Optionally, the two Darrieus rotors are mechanically rigidly coupled.
Eine starre Kupplung beider Darrieus-Rotoren hat den Vorteil, einfach, stabil und kostengünstig realisierbar zu sein. Eine starre Kupplung kann meist auch sehr kompakt, leicht und robust (wenig störanfällig) hergestellt werden. Besonders einfach ist eine starre Kupplung dann zu realisieren, wenn beide Darrieus-Rotoren dieselbe Rotationsperiode aufweisen. A rigid coupling of both Darrieus rotors has the advantage of being simple, stable and inexpensive to implement. A rigid coupling can usually be made very compact, lightweight and robust (less prone to interference). It is particularly easy to realize a rigid coupling when both Darrieus rotors have the same period of rotation.
Alternativ kann auch eine Kupplung verwendet werden, welche z. B. wie ein Freilauf (eine sog. Überholkupplung, wie etwa bei der Hinterradnabe eines Fahrrads) die beiden Darrieus-Rotoren entkoppelt, sobald der erste Darrieus-Rotor schneller zu rotieren beginnt als der bei hohen Rotationsgeschwindigkeiten fluid-dynamisch stärker abgebremste zweite Darrieus-Rotor. Auch eine variable Kupplung (z. B. frei wählbar, linear und/oder nonlinear) mit und/oder ohne festgelegtem Kupplungsverlauf ist je nach Anwendungszweck und Einsatzgebiet verwendbar.Alternatively, a clutch can be used which z. B. as a freewheel (a so-called. Overrunning clutch, such as in the rear hub of a bicycle) decouples the two Darrieus rotors as soon as the first Darrieus rotor begins to rotate faster than the fluid-dynamically more decelerated at high rotational speeds second Darrieus rotor , A variable coupling (eg freely selectable, linear and / or nonlinear) with and / or without a defined coupling profile can also be used, depending on the intended use and field of application.
Als weiteres optionales Merkmal kann der zweite Darrieus-Rotor durchströmte Rotorblätter aufweisen.As a further optional feature, the second Darrieus rotor may have flow-through rotor blades.
Um das Anlaufen des zweiten Darrieus-Rotors bei möglichst tiefen Fluidgeschwindigkeiten zu erlauben, können seine Rotorblätter vorteilhaft als durchströmte Rotorblätter konstruiert werden. Bei durchströmten Rotorblättern wird das Profil des Rotorblatts nicht nur umströmt, sondern durchströmt, wodurch sich die zum Anlaufen nötige Fluidgeschwindigkeit verringert und der Wirkungsgrad steigt. Eine einfache Variante eines durchströmten Rotorblatts ist ein Rotorblatt mit einem davor montierten wannenförmigen Vorderblatt, aber auch jede andere denkbare Version von mindestens teilweise durchströmten Rotorblättern ist explizit mit eingeschlossen.To allow the start of the second Darrieus rotor at the lowest possible fluid velocities, its rotor blades can be advantageously constructed as a flow-through rotor blades. When the rotor blades flow through the profile of the rotor blade is not only flows around, but flows through, thereby reducing the necessary for starting fluid velocity decreases and the efficiency increases. A simple variant of a flow-through rotor blade is a rotor blade with a trough-shaped front blade mounted in front of it, but any other conceivable version of rotor blades which are at least partially flowed through is also explicitly included.
Alternativ können statt durchströmter Rotorblätter auch ganz andere Vorkehrungen getroffen werden, um die zum Anlaufen nötige Geschwindigkeit zu verringern, so z. B. eine Variation der Profildicke (Rotorblätter mit dickeren Profilen laufen prinzipiell bei tieferen Fluidgeschwindigkeiten an), eine Veränderung der Position der Rotorblätter bezüglich der Strömungsrichtung des Fluids oder andere Vorkehrungen wie beispielsweise bereits im Stand der Technik aufgeführt. Dabei ist nicht ausschlaggebend, ob die Vorkehrung fest montiert oder die Veränderung reversibel ausführbar ist. Die bekannten Nachteile der entsprechenden Vorkehrungen beeinträchtigen den Wirkungsgrad der erfindungsgemässen Vorrichtung nicht in relevantem Ausmass, weil die Vorkehrungen nur am zweiten Darrieus-Rotor vorgenommen werden, nicht aber am ersten. Die Nachteile fallen besonders dann nicht sehr stark ins Gewicht, wenn der zweite Darrieus-Rotor etwa eine viel kleinere dem Fluid ausgesetzte Oberfläche hat als der erste Darrieus-Rotor, einen kleineren Radius aufweist und/oder insbesondere bei hohen Geschwindigkeiten des ersten Darrieus-Rotors von selbigen entkoppelt werden kann.Alternatively, instead of through-flow rotor blades quite different precautions are taken to reduce the speed necessary for starting, such. As a variation of the profile thickness (rotor blades with thicker profiles run in principle at lower fluid velocities), a change in the position of the rotor blades with respect to the flow direction of the fluid or other precautions such as already listed in the prior art. It is not decisive whether the precaution is firmly mounted or the change is reversible executable. The known disadvantages of the corresponding precautions do not affect the efficiency of the device according to the invention to a relevant extent because the precautions are taken only on the second Darrieus rotor, but not on the first. The disadvantages are not particularly significant when the second Darrieus rotor has a much smaller surface exposed to the fluid than the first Darrieus rotor, has a smaller radius and / or in particular at high speeds of the first Darrieus rotor of selbigen can be decoupled.
Als weiteres optionales Merkmal sind der erste und/oder der zweite Darrieus-Rotor als H-Darrieus-Rotoren ausgebildet.As a further optional feature, the first and / or the second Darrieus rotor are designed as H-Darrieus rotors.
Ein H-Darrieus-Rotor weist zur Rotorachse parallele, gerade Rotorblätter auf und nicht die vom klassischen Darrieus-Rotor bekannten gebogenen Rotorblätter, welche an Ihren Enden auf die Rotorachse zulaufen. Die Rotorblätter sind mit Tragarmen angebracht und können je nach Bauart mit den Tragarmen zusammen eine H-förmige Form annehmen. Der H-Darrieus-Rotor kann im Vergleich mit dem klassischen Darrieus-Rotor oder vielen anderen Formen aufgrund der geraden Rotorblätter einfacher und/oder kostengünstiger hergestellt werden und weist ein grösseres Drehmoment auf, weil der Hebelarm der Rotorblätter lang ist und der vom Rotor durchmessene Raum bei einer bestimmte Rotorhöhe maximiert und optimal genutzt wird.A H-Darrieus rotor has rotor blades that are parallel to the rotor axis and not the curved rotor blades known from the classical Darrieus rotor, which run towards the rotor axis at their ends. The rotor blades are mounted with support arms and can take depending on the design with the support arms together an H-shaped form. The H-Darrieus rotor can be made simpler and / or cheaper compared to the classic Darrieus rotor or many other shapes because of the straight rotor blades, and has greater torque because the lever arm of the rotor blades is long and the space through the rotor maximized at a certain rotor height and optimally used.
Alternativ können für den ersten und/oder zweiten Darrieus-Rotor verschiedene andere Formen verwendet werden, beispielsweise die klassische Form mit gebogenen Rotorblättern, bezüglich der Rotationsachse schräge bzw. spiralförmige Rotorblätter, schalenförmige Rotorblätter und viele mehr. Je nach Anforderung können der erste und zweite Darrieus-Rotor eine verschiedene Form aufweisen.Alternatively, various other shapes may be used for the first and / or second Darrieus rotor, for example, the classic curved blade shape, oblique helical blades, cup-shaped blades, and many more. Depending on requirements, the first and second Darrieus rotor may have a different shape.
Als weiteres optionales Merkmal weisen der erste und der zweite Darrieus-Rotor jeweils 3 Rotorblätter auf.As a further optional feature, the first and second Darrieus rotors each have 3 rotor blades.
Der Vorteil von jeweils drei Rotorblättern liegt darin, dass einerseits Darrieus-Rotoren mit mindestens drei Rotorblättern besser von alleine und bei tieferen Fluidgeschwindigkeiten anlaufen als mit ein oder zwei Rotorblättern. Weil die Rotorblätter zur Vermeidung von Unwuchten meist gleichmässig beabstandet sind, befindet sich mindestens ein Rotorblatt in einer fluid-dynamisch günstigen Position und lässt das Darrieus-Rotor anlaufen. Andererseits bleiben bei nur drei Rotorblättern relativ grosse Lücken zwischen den Rotorblättern, welche insbesondere dann von grossem Vorteil sind, wenn in einer bevorzugten Ausführungsform die Rotorblätter des zweiten Darrieus-Rotors mindestens teilweise innerhalb der Rotationshülle des ersten Darrieus-Rotors liegen und das Fluid zum Antreiben der Rotorblätter des zweiten Darrieus-Rotors durch die Lücken zwischen den Rotorblättern des ersten Darrieus-Rotors durchtreten soll.The advantage of three rotor blades in each case is that on the one hand Darrieus rotors with at least three rotor blades start better by themselves and at lower fluid speeds than with one or two rotor blades. Because the rotor blades are usually evenly spaced to avoid imbalances, at least one rotor blade is in a fluid-dynamic favorable position and can start the Darrieus rotor. On the other hand remain relatively large gaps between the rotor blades with only three rotor blades, which are particularly advantageous if in a preferred embodiment, the rotor blades of the second Darrieus rotor are at least partially within the rotational envelope of the first Darrieus rotor and the fluid for driving the Rotor blades of the second Darrieus rotor to pass through the gaps between the rotor blades of the first Darrieus rotor.
Alternativ können aber auch ein, zwei, vier oder mehr Rotorblätter verwendet werden, und zur Vermeidung von Unwuchten können Gegengewichte etc. eingesetzt werden.Alternatively, however, it is also possible to use one, two, four or more rotor blades, and counterweights etc. can be used to avoid imbalances.
Als weiteres optionales Merkmal ist die Schnelllaufzahl des ersten Darrieus-Rotors mindestens doppelt so hoch wie diejenige des zweiten Darrieus-Rotors. As another optional feature, the high speed number of the first Darrieus rotor is at least twice that of the second Darrieus rotor.
Eine hohe Schnelllaufzahl erlaubt einen hohen Wirkungsgrad des Darrieus-Rotors, allerdings ist bei einer Schnelllaufzahl von grösser als 3 kein Selbstanlauf mehr möglich. Indem die Schnelllaufzahl des ersten Darrieus-Rotors mindestens doppelt so hoch gewählt wird wie die Schnelllaufzahl des zweiten Darrieus-Rotors ist einerseits der Wirkungsgrad des ersten Darrieus-Rotors entsprechend hoch, während die Schnelllaufzahl des zweiten Darrieus-Rotor so gewählt ist, dass er von selber anlaufen kann und dem ersten Darrieus-Rotor als Anlaufhilfe dient. Je nach Grösse, Form und/oder Kopplung beider Darrieus-Rotoren kann das Verhältnis beider Schnelllaufzahlen optimiert werden, sodass ein eigenständiges Anlaufen bei tiefen Windgeschwindigkeiten durch den zweiten Darrieus-Rotor möglich ist, der erste Darrieus-Rotor jedoch einen guten Wirkungsgrad erzielt, ohne vom zweiten Darrieus-Rotor allzu stark abgebremst zu werden.A high speed number allows a high efficiency of the Darrieus rotor, however, with a high speed number greater than 3 no self-starting is possible. By the speed of the first Darrieus rotor is selected at least twice as high as the speed of the second Darrieus rotor, on the one hand, the efficiency of the first Darrieus rotor is correspondingly high, while the speed of the second Darrieus rotor is chosen so that it automatically can start and the first Darrieus rotor serves as a start-up aid. Depending on the size, shape and / or coupling of both Darrieus rotors, the ratio of the two high-speed numbers can be optimized so that an independent start at low wind speeds through the second Darrieus rotor is possible, but the first Darrieus rotor achieves good efficiency, without vom second Darrieus rotor to be slowed down too much.
Je nach den erwarteten Strömungsgeschwindigkeiten kann die Schnelllaufzahl des ersten Darrieus-Rotors auch weniger als doppelt so hoch sein wie diejenige des zweiten Darrieus-Rotors.Depending on the expected flow rates, the speed of rotation of the first Darrieus rotor may also be less than twice that of the second Darrieus rotor.
Als weiteres optionales Merkmal rotieren der erste und zweite Darrieus-Rotor um vertikale Achsen und insbesondere um dieselbe vertikale Achse, wobei mit besonderem Vorteil die gesamte Vorrichtung an einem einzigen Punkt (Drehlager) auf einer Unterlage abgestützt ist.As a further optional feature, the first and second Darrieus rotates about vertical axes, and in particular about the same vertical axis, and most preferably, the entire device is supported on a support at a single point (pivot).
Die Rotationsachse von Darrieus-Rotoren sollte idealerweise quer zur Strömungsrichtung des Fluids stehen. Dazu kann der Rotor aber genauso gut vertikal, horizontal oder schräg im Raum sein. Eine vertikale Rotationsachse bietet namentlich bei Windenergieanlagen den Vorteil, dass ein Ende der Rotationsachse in Richtung Boden zeigt und dadurch besonders bei Achsenlängen von einigen Meter und mehr sehr einfach zu erreichen ist, und schwere Komponenten wie Generatoren usw. am bodennahen Ende angeordnet werden können. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Rotationsachsen beider Darrieus-Rotoren identisch sind, weil die Kraftübertragung vereinfacht wird, die Gesamtgrösse kompakt ausfällt (insbesondere bei sich mindestens teilweise überschneidenden oder sich enthaltenden Rotationshüllen) und die Lagerung bzw. Befestigung am Boden beispielsweise durch ein gemeinsames Fundament vereinfacht wird. Wird insbesondere die gesamte erfindungsgemässe Vorrichtung nur an einem einzigen Punkt wie etwa einem gemeinsamen Rotationsachsen-Ende am Boden gelagert, so vereinfacht sich die Installation, Wartung und Konstruktion der Vorrichtung.The axis of rotation of Darrieus rotors should ideally be transverse to the flow direction of the fluid. But the rotor can just as easily be vertical, horizontal or oblique in space. A vertical axis of rotation offers the advantage, in particular in wind turbines, that one end of the axis of rotation points in the direction of the ground and is thus very easy to reach, especially with axial lengths of a few meters and more, and heavy components such as generators, etc. can be arranged at the bottom end. It is particularly advantageous if the axes of rotation of both Darrieus rotors are identical, because the power transmission is simplified, the overall size is compact (in particular with at least partially overlapping or containing rotating sleeves) and the storage or attachment to the ground, for example, by a common foundation is simplified. In particular, if the entire device according to the invention is supported on the ground only at a single point, such as a common rotation axis end, the installation, maintenance and construction of the device are simplified.
Alternativ können die Rotationsachsen des ersten und/oder zweiten Darrieus-Rotors auch horizontal oder schräg sein, und die Rotationsachsen müssen auch nicht übereinander liegen. Die Befestigung der Vorrichtung kann auch an zwei oder mehreren Stellen erfolgen. Zu erwähnen ist die horizontale Montage im Bereich einer Dach- und/oder Seitenkante eines mehrstöckigen Gebäudes bzw. eines Hochhauses oder Wolkenkratzers sowie die Montage zwischen solchen Gebäuden oder beispielsweise auch über Täler hinweg an gegenüberliegenden Hängen.Alternatively, the axes of rotation of the first and / or second Darrieus rotor may also be horizontal or oblique, and the axes of rotation need not be superposed. The attachment of the device can also take place at two or more locations. Noteworthy is the horizontal installation in the area of a roof and / or side edge of a multi-storey building or a skyscraper or skyscraper and the assembly between such buildings or, for example, across valleys on opposite slopes.
Die Erfindung eignet sich insbesondere als Windkraftanlage für dezentrale elektrische Energieversorgung. Es können mit der Erfindung natürlich auch variable Wasserströmungen (z. B. Gezeitenströmungen) in elektrische Energie gewandelt werden.The invention is particularly suitable as a wind turbine for decentralized electrical energy supply. Of course, variable water flows (eg tidal currents) can also be converted into electrical energy with the invention.
Aus der nachfolgenden Detailbeschreibung und der Gesamtheit der Ansprüche ergeben sich weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Merkmalskombinationen der Erfindung.From the following detailed description and the totality of the claims, further advantageous embodiments and feature combinations of the invention result.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Die zur Erläuterung des Ausführungsbeispiels verwendeten Zeichnungen zeigen:The drawings used to explain the embodiment show:
Wege zur Ausführung der ErfindungWays to carry out the invention
Der in
Die Rotorblätter
Die Rotorblätter
Die Rotorblätter
Der Durchmesser der Umlaufbahn
Die beschriebene Ausführungsform ist lediglich als illustratives Beispiel zu verstehen, welches im Rahmen der Erfindung beliebig erweitert oder abgewandelt werden kann. Insbesondere sind alle Grössenangaben mindestens innerhalb einer Grössenordnung problemlos skalierbar und meist auch darüber hinaus proportional anwendbar.The embodiment described is merely to be understood as an illustrative example, which can be expanded or modified as desired within the scope of the invention. In particular, all size information is easily scalable at least within a magnitude and usually also beyond proportional use.
Die Erfindung ist nicht nur auf H-Darrieus-Rotoren beschränkt, sondern kann auch auf alle anderen Typen und Formen von Darrieus-Rotoren angewendet werden. Eine Anwendung kann ebenso gut in Windenergieanlagen erfolgen wie beispielsweise in Gezeitenkraftanlagen, in Strömungen von Flüssigkeiten (z. B. in Flüssen) oder Gasen (z. B. in Kaminen, Abgasrohren oder Bergkämmen bzw. -schluchten) oder in anderen Bereichen mit dynamischen Fluiden.The invention is not limited to H-Darrieus rotors, but can be applied to all other types and shapes of Darrieus rotors. An application may equally well be in wind turbines such as in tidal power plants, in flows of liquids (eg in rivers) or gases (eg in chimneys, exhaust pipes or ridges or gullies) or in other areas with dynamic fluids ,
Die Erfindung beschränkt sich nicht auf Darrieus-Rotoren mit drei Rotorblättern, sondern kann auch auf Darrieus-Rotoren mit einem, zwei, vier oder mehr Rotorblätter angewendet werden. Die Rotorblätter und deren Halterungen können neben Aluminium auch teilweise oder ganz aus verschiedenen anderen Materialien beschaffen sein, so etwa aus anderen Metallen und Legierungen, Holz, Kunststoff, Verbundwerkstoffen (insbesondere Faser-Kunststoff-Verbunden) und weiteren Materialien, welche eine robuste und leichte Bauweise erlauben.The invention is not limited to Darrieus rotors with three rotor blades, but can also be applied to Darrieus rotors with one, two, four or more rotor blades. The rotor blades and their mounts may be partly or wholly made of various other materials besides aluminum, such as other metals and alloys, wood, plastic, composites (especially fiber-plastic composites), and other materials that provide a robust and lightweight construction allow.
Die Rotationsrichtung des ersten und/oder zweiten Darrieus-Rotors kann sowohl im Uhrzeigersinn als auch gegen den Uhrzeigersinn laufen, wobei beide Darrieus-Rotoren mit Vorteil in dieselbe Richtung drehen, sich aber auch gegenläufig bewegen können. Die wannenförmigen Vorderblätter des zweiten Darrieus-Rotors können durch andere Massnahmen zum besseren Anlaufen bei niedrigen Fluidgeschwindigkeiten ersetzt werden, so etwa durch anders gewählte Profildicken und -formen oder dergleichen. Die Rotorblätter des ersten und/oder zweiten Darrieus-Rotors können je nach Anwendung durchströmt oder umströmt sein, und der zweite Darrieus-Rotos kann auch bei kleineren oder grösseren Fluidgeschwindigkeiten als 2 m/s anlaufen.The direction of rotation of the first and / or second Darrieus rotor can run both clockwise and counterclockwise, both Darrieus rotors rotate in the same direction with advantage, but can also move in opposite directions. The trough-shaped front leaves of the second Darrieus rotor can be replaced by other measures for better start-up at low fluid velocities, such as by other selected profile thicknesses and shapes or the like. The rotor blades of the first and / or second Darrieus rotor can be flowed through or flowed around depending on the application, and the second Darrieus rotos can also start at smaller or greater fluid velocities than 2 m / s.
Die Schnelllaufzahlen beider Darrieus-Rotoren können fest oder auch variabel in einem kleineren oder grösseren Verhältnis als sieben zu drei zueinander stehen, und die Durchmesser der Umlaufbahnen der beiden Darrieus-Rotoren können auch in einem anderen Verhältnis zueinander stehen als deren Schnelllaufzahlen. Insbesondere kann die Schnelllaufzahl des zweiten Darrieus-Rotors kleiner oder grösser als
Der erste bzw. zweite Darrieus-Rotor kann für verschiedene feste oder auch variable Fluidgeschwindigkeiten innerhalb des Geschwindigkeitleistungsbereichs bzw. Anlaufgeschwindigkeitsbereichs ausgelegt und/oder optimiert sein. Dabei können beide Darrieus-Rotoren sich entweder um dieselbe oder verschiedene Rotationsachsen drehen, und die Rotationshüllen der Darrieus-Rotoren können sich schneiden, umfassen oder auch völlig voneinander getrennt sein.The first and second Darrieus rotor can be designed and / or optimized for different fixed or even variable fluid speeds within the speed power range or starting speed range. Both Darrieus rotors may either rotate about the same or different axes of rotation, and the rotary shells of the Darrieus rotors may intersect, comprise, or be completely separate.
Die Rotorblätter eines Darrieus-Rotors können unregelmässig und/oder in anderen Abständen als mit jeweils 120 Grad Versatz auf ihrer Umlaufbahn angeordnet sein, und auch die relative Position der Rotorblätter beider Darrieus-Rotoren zueinander kann fest oder variabel und von verschiedener Grösse sein.The rotor blades of a Darrieus rotor can be arranged irregularly and / or at other distances than with each 120 degrees offset in its orbit, and also the relative position of the rotor blades of both Darrieus rotors to each other can be fixed or variable and of different sizes.
Die Halterungen der Rotorblätter können anders gestaltet sein als durch radiale Streben, und das Profil der Halterungen kann von einer Stromlinienform und insbesondere von einem Tragflächenprofil eines Flugzeugflügels abweichen und beispielsweise rund oder eckig geformt sein. The supports of the rotor blades may be designed differently than by radial struts, and the profile of the brackets may differ from a streamlined shape and in particular of a wing profile of an aircraft wing and be shaped, for example, round or square.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Effective date: 20140306 |
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R157 | Lapse of ip right after 6 years |