DE202011004964U1

DE202011004964U1 - Savonius-Rotor mit zentraler Stützkonstruktion

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Publication number: DE202011004964U1
Application number: DE202011004964U
Authority: DE
Original assignee: Wochian Oliver 66287
Current assignee: Wochian Oliver 66287
Priority date: 2011-04-05
Filing date: 2011-04-05
Publication date: 2011-06-28
Anticipated expiration: 2021-04-06
Also published as: WO2012136175A3; WO2012136175A4; WO2012136175A2

Abstract

Ein Savonius-Rotor für Windenergieanlagen mit vertikaler Rotationsachse, bestehend im wesentlichen aus einer Bodenplatte, einer Deckplatte und aus zwei konkav gebogenen, vertikal stehenden und von den oben genannten Platten eingefassten Flügeln, welche sich horizontal in derselben Ebene befinden, aber an der senkrechten Schnittfläche durch den Mittelpunkt radial nach außen hin so versetzt angeordnet sind, dass sich dadurch zwei Schaufeln bilden weiche als Windfangflächen dienen, die dadurch gekennzeichnet sind, dass die Deckplatte und die Bodenplatte mechanisch durch einen Kern oder einzelne Kernfragmente mit einander verbunden sind, wobei sich der Mittelpunkt des Kernbodens genau über dem Zentrum der Boden- und der Deckplatte befindet und an dessen Seitenflächen die Flügel flächig oder teilflächig, bei viereckigen Kernen gegenüberliegend, oder bei dreieckigen Kernen an allen Kernkanten befestigt werden, ohne dass die Flügel dadurch statisch von Deck- oder Bodenplatte belastet sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die aerodynamische und mechanische Optimierung mehrerer Bestandteile eines Savoniusrotors mittels einer tragenden Stützkonstruktion im Bereich der Rotationsachse und dadurch veränderten Flügelformen und Strömungsverhältnissen.
Eine Windkraftanlage mit Savonius-Rotor besteht aus einem äußeren Haltegestell und einem sich um die vertikale Achse drehenden Rotor.
Der Rotor besteht im wesentlichen aus zwei Flügeln, einer Bodenplatte und einer Deckplatte. Boden- und Deckplatte sind zentral gelagert, so dass sich der Rotor in einem Halterahmen um die vertikale Achse drehen kann. Die Anordnung der Bestandteile ist abgeleitet von einem Zylinder, der vertikal in zwei gleich große Zylinderhälften geteilt wurde.
Diese Zylinderhälften befinden sich horizontal in derselben Ebene, sind aber an den Schnittflächen radial nach außen hin versetzt. Dadurch entstehen zwei Schaufeln. So kann Luft in die eine Schaufel eintreten und durch die entstandene Öffnung in der Mitte bei der anderen Schaufel wieder austreten. In ihrer Position werden die Zylinderhälften durch eine Boden- und eine Deckplatte gehalten. Vertikal stehende Verbindungsstäbe zwischen Boden- und Deckplatte klemmen die Flügel ein und geben den Flügen den notwendigen Halt. Die Boden- und die Deckplatte selbst ist genau in der Mitte gelagert und drehen sich dadurch um die vertikale Achse. Um diese Achse rotieren auch die beiden Zylinderhälften.
Wird nicht nur ein Savonius-Rotor in einer Ebene verwendet, sondern zwei Rotoren, weiche übereinander angeordnet sind und um die selbe Achse rotieren, erhält man einen Savonius-Rotor, welcher Wind aus jeder Richtung nutzt. Das gilt auch für Windböen.
Diese Konstruktion bietet auch schon ein verwertbares Drehmoment bei niedriger Drehzahl und sie emittiert bauart bedingt kaum wahrnehmbare Windgeräusche.
In DE 10 2007 049 590 A1 sind Savoniusrotoren mit bis 4 Schaufeln beschrieben.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Flügel von der Funktion der mechanischen Stabilisierung durch einen zentralen Kern zu entlasten und sie dadurch unter rein aerodynamische und fertigungstechnischen Gesichtspunkten zu optimieren.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Kern im Savonius-Rotor nach Anspruch 1, durch eine modifizierte Boden-/Deckplatte nach Anspruch 2 und durch Rotorenflügel nach Anspruch 3 gelöst.
Die weiteren Ansprüche enthalten vorteilhafte Weiterentwicklungen, die von den ersten 3 Ansprüchen abhängig sind.
Dazu ist der bekannte Savonius-Rotor durch einen Kern ergänzt worden. Bei dem Kern handelt es sich um eine stabile Tragekonstruktion zwischen Boden- und Deckplatte, welche sich genau im Zentrum des Rotors befindet. Er besteht aus senkrecht stehenden Trageelementen und stabilisierenden Querverbindungen, die vorzugsweise in Dreiecksform oder X-förmig ausgeführt ist. Vertikale Bauformen neigen dazu, mit zunehmender Größe deutlich mehr an Verstrebungen zu benötigen. Durch den Kern ist es möglich, diese Verstrebungen sehr nahe an der sich drehenden Achse zu installieren, wodurch auch massive Verstrebungen nur einen sehr geringen Einfluss auf das Massenträgheitsmoment und das Drehmoment haben.
Der Kern besteht aus einem einzigen oder auch aus zwei oder mehreren übereinander stehenden Einzelkernen. Zwei gegenüberliegende Kernaussenseiten sind über den Rand des Kernes hinaus um 10 Zentimeter verlängert, damit die nächstfolgende Trageplatte eine Auflagefläche hat. Je nach statischer Belastung kann diese Verlängerung auch bis zum Rand der Boden- und Deckplatte reichen.
Darüber hinaus stellt der Kern sicher, dass im Zentrum der Maschine immer genügend Raum für das strömende Medium ist, auch wenn die Flügel radial nach innen verschoben werden und überlappen.
Die Kernaussenseiten sind bei viereckigen Kernen so gestaltet, dass die zusammen mit den Flügelinnenseiten eine Mundöffnung bilden mit einer V-förmigen Lufteintrittsöffnung, im günstigsten Fall mit einem Winkel von 45 Grad. Das vermindert den Verlust durch den Flügel, der dem Wind abgewandt ist und erhöht die Ausbeute des dem Wind zugewandten Flügels, weil mehr Luft durch die Maschine strömt.
Im Idealfall sollte die Fläche eines Flügels etwa drei mal so groß sein wie die Fläche des Kerns, durch die das Medium strömt. Die Flügel selbst werden an der linken und der rechten Seite des Rotors voll- oder teilflächig befestigt.
Die beiden anderen Seiten des Kernes bleiben frei und dienen als Öffnung, damit die Luft von dem Wind zugewandten Flügel zu dem Wind abgewandten strömen kann.
Dadurch bleibt die Strömungsgeschwindigkeit des oszillierenden Mediums im Zentrum der Windkraftanlagen im Verhältnis zur Anströmgeschwindigkeit des Mediums niedrig. Das Medium wird möglichst laminar durch die Rotoren hindurch geführt.
Bei einem Kern, der zwei Rotoren mit vier Flügel trägt, reicht ein Kernseitenplattenpaar nur bis zur halben Höhe und vermindert um die Dicke der Mittelplatte. Das andere Kernseitenplattenpaar ist darüber angebracht und um 90 Grad versetzt montiert.
Eine Anpassung dieses erfindungsgemäßen Savoniusrotors an die vorherrschenden Windverhältnisse ist durch Drehung des Kernes um die zentrale Achse bei unveränderten Flügelendpunkten möglich. Dadurch verändert sich auch die Flügelform. So kann man dem strömenden Medium mit Hilfe der Flügel jede beliebige Gesamtrichtungsänderung zwischen 180 und 360 Grad aufprägen. Ist der Kern mit der geschlossenen Seite parallel zur langen Seite der Bodenplatte montiert, so sind es nur 180 Grad, was gut geeignet ist für niedrige Windgeschwindigkeiten. Ist der Kern mit der geschlossenen Seite im 45 Gradwinkel zum langen Rand der Bodenplatte montiert, so sind es 270 Grad, was gut geeignet ist für hohe Windgeschwindigkeiten. Montiert man den Kern mit der offenen Seite parallel zur langen Seite der Bodenplatte, dann hat man, nach Montage der Flügel, den bekannten Savonius-Rotors mit einer Gesamtdrehung der Fließrichtung des Mediums um 360 Grad, was in diesem Fall aber Stand der Technik ist.
In einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Savonius-Rotors wird nicht nur ein innerer Kern verwendet, sondern auch ein äußerer Kern.
Dieser umschließt die Flügelenden eines Rotorelementes und zusätzlich die Deckplatte und die Bodenplatte, so dass eine verbindungssteife, rechteckige Stützkonstruktion über den zentralen Drehpunkt hinweg entsteht, der das Rotorelement stabilisiert. Das ermöglicht die Verwendung von deutlich dünnerem Material bei der Auslegung von Boden- und Deckplatte.
In einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Savonius-Rotors werden die zwei geschlossenen Kernseitenwände, an denen die Flügel befestigt sind, weiter nach außen gezogen bis maximal zum Rand der tragenden Platten. Dadurch erhöht sich die Torsionsfestigkeit dieses Savonius-Rotors ganz erheblich.
Eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Savonius-Rotors besteht darin, dass während der Rotation eine durch die Zentrifugalkraft von einem Tank im Kern mittels Rohrleitung oder Schlauchverbindung nach außen gedrückte Flüssigkeit das Drehmoment erhöht, welches die Maschine bei der maximal zulässigen Drehzahl aufnimmt. Die senkrechten Bestandteile an den Flügelenden des äußeren Kernes wenden dazu durch ein von Rotordeckel und Rotorboden verschlossenes Rohr ausgeführt. Der Savonius-Rotor speichert bei hohen Drehzahlen durch die nach außen geförderte Flüssigkeit wesentlich mehr Energie als ohne Flüssigkeit und sorgt für eine gleichmäßige Energieabgabe. Die Flüssigkeit muss frostsicher sein.
Bei der Nenndrehzahl befindet sich dann ein Großteil der Flüssigkeit in den äußeren Rohren. Vermindert sich die Windgeschwindigkeit und damit auch die Drehzahl, fließt die Flüssigkeit langsam wieder Richtung Kern zurück und sorgt so für eine langsamer fallende Drehzahl, als eine Bauart ohne Flüssigkeitsbehälter am Flügelrand.
Eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Savonius-Rotors besteht darin, dass die Flügelformen von den bekannten Formen des Savonius-Rotors abweichen.
Es gibt zwei extreme Flügelformen, welche bei dieser Bauform Sinn machen.
Betrachtet man einen horizontalen Schnitt durch den Rotor, so gibt es zwei Extremformen.
Die eine Flügelform geht von einem Flügel aus, dessen Verlauf dem eines Kreissegmenten mit einem 120 Grad Kreisauschnitt entspricht und sich damit deutlich von der Halbschale abhebt, welche heute als Stand der Technik bekannt ist.
Dieses Kreissegment befindet sich an der Verlängerung der Kernseitenwand, so dass der Flügel vom Kern aus gesehen erst radial nach außen geht und dann in einen Kreisbogen übergeht. Das andere Extrem besteht nur aus völlig ebenen Platten ohne jede Biegung. Zwischen diesen beiden Extremformen sind parabelförmige bis hin zu hyperbolischen Formen möglich.
Eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Savonius-Rotors besteht dann, dass die Außenkanten der Flügel mit einem Sägezahn-, Wellen- oder Rechteckprofil ausgestattet sind. Durch diese Windbrechelemente verkleinern die sich ablösenden Wirbel.
Andere Formen sind hierbei auch möglich. Wichtig ist nur, dass die Außenkante nicht gerade ist. Das gleiche gilt auch für die Oberfläche der Flügel selbst. Auch hier kann eine raue Oberfläche verwendet werden, um den Luftwiderstand zu verringern.
Eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Savonius-Rotors besteht darin, dass die Form der Flügel letztendlich die Form der tragenden Platten vorgibt. Um Platz für den Kern zu schaffen sind die den Rotor einfassenden Platten oval. Andere Kernformen implizieren die Verwendung von rechteckigen oder parallelogrammartigen Tragplatten. Als die Platten zusätzlich unterstützenden tragende Elemente sind hier auf der Oberseite des Deckels und der Unterseite des Bodens ein Parallelogrammrahmen vorzusehen, welches von der einen Flügelspitze bis zur anderen Flügelspitze reicht. Diese vertikalen Stabilisierungselemente sind ein Teil des äußeren Kernes. Zur Stabilisierung der Trageplatten selbst sind auch quadratische, rechteckige oder runde Formen geeignet.
Eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Savonius-Rotors besteht darin, dass ein möglichst hoher Wirkungsgrad erzielt wenden kann, wenn beim Kern die Deckplatte und die Bodenplatte mit einer Öffnung versehen werden, so dass die Luft nicht nur in Richtung des anderen Flügels durch die Maschine strömen kann, sondern auch aus den eben genannten Öffnungen. Diese Bauform ist besonders geeignet bei drei Ebenen. Der untere Rotor wird zusätzlich entlüftet durch eine Öffnung in der Bodenplatte und der obere Rotor wird zusätzlich entlüftet mit einer Öffnung in der Deckplatte.
Eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Savonius-Rotors besteht darin, dass das Antriebsrad, welches die mechanische Energie mittels Zahnriemen der angeschlossenen Arbeitsmaschine überträgt, nicht rund ist, sondern oval. Zusätzlich werden die Flügel der zweiflügelige Maschine mittels Magneten dazu gezwungen, in genau der Position zum Stillstand zu kommen, dass die Antriebsradseite mit der starken Krümmung des ovalen Rades immer in Richtung Generatortreibrad steht. Dies hat den Vorteil, dass beim Anlaufen der Angriffspunkt der Kraft näher am Drehpunkt liegt und so ein geringeres Losbrechmoment erfordert. Diametral gegenüber der Arbeitsmaschine treibt ein Zahnriemen ein weiteres Zahnrad an, welches zum Abbremsen des Rotors dient, falls die Windgeschwindigkeit zu groß wird. Außerdem entlastet das gegenüberliegende Widerlager das Lager der zentralen Achse und sorgt so für einen gleichmäßigeren Lauf. Eine mechanische oder eine elektrische Bremse vermindert die Drehzahl mittels Fliehkraftkupplung.
Eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Savonius-Rotors mit einer Ebene und nur zwei Flügeln besteht darin, dass die senkrecht stehenden Stabilisierungsplatten zusätzlich als Luftleitplatten dienen, um dort ein maximales Drehmoment an der Stelle zu liefern, wo bauart bedingt der Savonius-Rotor kein Drehmoment erbringt. Deren Verlauf entspricht in etwa dem des Großbuchstabens „N”. Zwei vertikale Linien fassen eine Verbindungslinie im 60 Grad-Winkel ein. Bei einer Draufsicht wo die lange Seite der ovalen Platte in Nord/Südrichtung zeigt, sind zwei Stabilisierungsplatten radial zum Rand hin in genau dieser Nord/Südrichtung montiert und die beiden anderen Luftleitplatten ca. 60 Grad dazu in Richtung Südwest/Nordost geneigt. Jede dieser beiden geneigten Platten beginnt an der Stelle, wo direkt unterhalb die Deckplatte auf den Kern montiert ist und verlaufen weiter an der rotierenden Achse entlang bis kurz vor den Plattenrand. Am radial äußerem Ende der Luftleitplatten sind kleine Strömungsablenkplatten angesetzt, welche genau in Ost/Westrichtung verlaufen. Die Länge der parallel zur langen Seite der ovalen Bodenplatte befestigten Stabilisierungsplatten ist etwa der dreimal solang, wie die Seitenlänge der Kernbodenplatte. Sie sind dazu noch um die doppelte Seitenlänge der Kernbodenplatte radial nach außen in Richtung West bzw. Ost verschoben. Zwischen den Platten einer Seite verbleibt eine Öffnung, deren Ausdehnung etwa der Seitenlänge der Kernbodenplatte entspricht.
Eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Savonius-Rotors besteht dann, dass zwar auf jeder Ebene die gleiche Rotorform verwendet wird, aber bei Verwendung von zwei Ebenen auch unterschiedliche Flügelformen einsetzbar sind.
Die Erfindung wird im folgenden näher erläutert:
Savonius-Rotor mit 4 Ebenen und 8 ebenen Flügeln, mit Kern und äußerem Rahmen, Seitenansicht;
Kern mit quadratischer Bodenfläche;
Bodenplatte mit zentral aufgesetzem, vertikalen Kern;
Seitenansicht von Kern mit Winkelblech, horizontal zur Bodenplatte;
Vorderansicht von Kern mit quadratischer Bodenfläche;
Mittelplatte mit quadratischer Öffnung, damit der Kern hindurch passt;
Kern mit teilflächig angebrachtem Flügel;
hyperbolisch gebogener Flügel;
Savonius mit 2 Ebenen und 4 Flügeln Draufsicht mit Rohren entlang des Flügelrandes ohne Deckplatte;
Savonius-Rotor mit einer Ebene und 3 Flügeln, die einen durch die tragenden Platten hindurch entlüfteten, dreieckigen Kern haben; nur mit Bodenplatte aber ohne Deckplatte dargestellt;
Savonius-Rotor mit 4 Ebenen, 8 Flügeln, quadratischem Kern und ebenen Flügeln;
Draufsicht auf oberste Deckplatte eines Rotors mit einer Ebene und 2 Flügel mit Zusatzflügel zur Drehmomenterhöhung;
Kern mit Verlängerung des Seitenwände und bis zum Rand der Bodenplatte gerade verlaufenden Flügeln, Draufsichtsicht;
Flügel, der einem 120-Grad Teilsegment eines Kreises folgen;
Flügel, welche gerade sind ohne jede Krümmung;
Quadratischer Kern mit Verlängerung der geschlossenen Seitenwänden Draufsicht;
Quadratischer Kern mit Verlängerung der geschlossenen Seitenwänden Vorderansicht;
Quadratischer Kern mit Verlängerung der geschlossenen Seitenwänden Seitenansicht;
Sägezahnprofil am Flügelende des Rotors;
Rechteckprofil am Flügelende des Rotors;
Wellenprofil am Flügelende des Rotors;
Ausführungsbeispiele für die Rotoren

1. Ein Anwendungsbeispiel ist ein Savonius-Rotor mit einem Kern, zwei Ebenen und 4 Flügeln ohne äußerem Kern.

Für diesen und alle anderen erfindungsmäßigen Savonius-Rotoren gilt, dass sie an mindestens zwei Stellen gelagert sind. Ein Lager ist unterhalb des Rotors (1) und ein Lager befindet sich oberhalb des Rotors (2) an der Rotationsachse (3). Jeder Kern kann mit jedem Flügel kombiniert werden. Deshalb werden an dieser Stelle nur einzelne Beispiele genannt.
Das zentrale Bauelement dieses Savonius-Rotors ist der Kern. Dieser Kern besteht aus einem quaderförmigen Vierkantrohrrahmen (4) mit einer quadratische Grundfläche (5) und einer Höhe, welche identisch ist mit der Gesamthöhe der übereinander angebrachten Flügelpaaren zuzüglich der Dicke der mittleren Trageplatte (11). Der Kern (4) steht zentral auf der Bodenplatte und ist symetrisch zur Rotationsachse ausgerichtet (6). In halber Höhe des Kernes sind in allen vier Ecken der vertikal stehenden Trageelementen jeweils ein horizontales Winkelblech montiert (7). Die vertikale Entfernung der vier Winkelbleche von der Bodenplatte ist so gewählt, dass eine auf die vier Winkel gelagerte, kleine Strömungsleitplatte (9) im Inneren des Kernes exakt bis zur halben Höhe des Kernes reicht (10). Die mittlere Trageplatte (11) hat die gleiche Form, wie die Bodenplatte. Sie unterscheidet sich nur durch eine quadratische Öffnung in der Mitte. Deren Kantenlänge entspricht der äußeren Kantenlänge des Kernes (12). Der Überstand der unteren Kernaussenseiten (13) trägt die mittlere Platte (11).
Zwischen Bodenplatte (6) und mittlerer Platte (11) befindet sich das untere Flügelpaar, dessen Flügel sich diametral gegenüber, teilflächig (14) angebracht sind. Die Flügel des unteren Rotors verlängern den jeweiligen Überstand der Kernseitenwände (13) nahtlos und folgen dann einer hyperbolischen Krümmung (15). Die Bodenplatte schließt das untere Flügelpaar von unten und die mittlere Platte von oben ein. Die untere Bodenplatte des oberen Rotors ist identisch mit der Deckplatte des unteren Rotors. Geführt werden die senkrecht stehenden Flügel durch eine Nut. Der obere Rotor ist völlig identisch. Nur sind dessen Flügel, gegenüber den Flügeln des unteren Rotors, an den beiden anderen Seiten des Kernes diametral gegenüberliegend befestigt (16). Die oberen Flügel werden von der mittleren Platte von unten und der Deckplatte von oben gehalten, welche selbst auf der Kernseitenverlängerung des oberen Rotors liegt (21). Diese Kernseitenverlängerung des oberen Rotors entstehen durch zwei Seitenplatten, welche etwas breiter sind als die Kernseite selbst und an den Kernseiten des oberen Rotors befestigt sind. Dadurch wird die Mittelplatte zusätzlich von oben eingeklemmt und in ihrer Position gehalten. Jeder einzelne Rotor ist ausgestattet mit senkrecht stehenden Verbindungsstangen, welche die zu einem Rotor gehörende Boden- und Deckplatte zusammenziehen und so gewährleisten, dass die Flügel in der Nut verbleiben. Die Verbindungsstangen folgen dem Krümmungsradien der Flügel wechselseitig, einmal innerhalb des Flügels (22) und dann außerhalb des Flügels (23). Der Abstand der Verbindungsstangen sollte nicht größer sein, als die äußere Kantenlänge des quadratischen Kernes.
Die Verbindungsstange am jeweiligen äußersten Ende der oberen Flügel sind als Rohr ausgeführt (24) mit einem lichten Durchmesser von ca. 20% der Kernseitenlänge. Es ist fest verbunden mit der Boden- und Deckplatte beim oberen Rotor und auch fest verbunden mit der mittleren Platte und der Deckplatte beim unteren Rotor (25). Das zum oberen Rotor gehörige Rohrpaar (24) ist mittels eines dünnen Schlauches (28) verbunden mit dem Flüssigkeitstank (26) auf der Mittelplatte. Das zum unteren Rotor gehörige Rohrpaar (25) ist mittels eines dünnen Schlauches (29) verbunden mit dem Flüssigkeitstank (27) auf der Mittelplatte. Beide Tanks liegen jeweils im Innenbereich des Kernes. Einer auf der Bodenplatte und der andere auf der Stabilisierungsplatte (9).

2. Ein weiters Anwendungsbeispiel ist ein Savonius-Rotor mit einer Ebene und 3 Flügeln, die einen nach oben und unten durch die tragenden Platten hindurch entlüftetem Kern haben.

Grundform des Kernes dieses erfindungsgemäßen Savonius-Rotor ist ein gleichseitiges/gleichschenkliges Dreieck (30).
Drei horizontal stehende Tragelemente werden an den drei Ecken der dreieckigen Kernbodenplatte befestigt (31). Ein gleichartiges Dreieck wird auf der gegenüber liegenden Seite der Trageelemente befestigt. Der Kern besteht also aus einer dreieckigen Säule mit horizontaler Kernbodenplatte und horizontal liegender Kerndeckplatte. Die Flügel werden teilflächig an jeder horizontal stehenden Kante befestigt (14) und so jeweils im Uhrzeigersinn gebogen, dass drei gleichartige konkave Windfangflächen entstehen (34). Die Biegung der Flügel vom Kern aus gesehen nimmt nach außen hin immer starker zu. Die Länge der Flügel beträgt das Vierfache der Seitenlänge des Kerns.
Auch dieser Kern ist zentral gelagert, aber die Lagerpunkte befinden sich genau an den Ecken des dreieckigen Kernes. In der Deckplatte und der Bodenplatte befinden sich eine runde Aussparung (33), welche bis an den Innenrand der Kernbodenplatte bzw. der Kerndeckplatte reicht, so dass eine axial durch den ganzen Kern hindurch gehende Öffnung entsteht. Die eintretende Luft verlässt den Rotor dadurch zusätzlich durch eine vertikale Strömung nach oben durch die Deckplatte, oder nach unten durch die Bodenplatte. Dadurch vermindert sich im Kern selbst die Strömungsgeschwindigkeit des Mediums und es vermindert Turbulenzen innerhalb des Kernes.

3. Ein weiters Anwendungsbeispiel ist ein Savonius-Rotor mit 4 Ebenen, 8 Flügeln, quadratischem Kern und ebenen Flügeln und einem äußerem Kern.

Diese Bauform verwendet einen quaderförmigen, in vier gleich große Fragmente unterteiltem Kern, mit jeweils identischer, quadratischer Grundfläche (5).
Er besteht aus vier Basiselementen (35), die aus jeweils einem Kernfragment mit einem Viertel der späteren Gesamthöhe, daran diametral angebrachte Flügelpaaren, die jeweils mit einer Trageplatte fest verbunden sind. Bei einem Savonius-Rotor dieser Bauart stehen alle vier Basiselemente exakt übereinander und jedes Basiselement ist zum darüber befindlichen um jeweils 90 Grad versetzt angeordnet. Als Abschluss dient die Deckplatte mit der der oberste Rotor eingefasst ist. Zur Stabilisierung des inneren Kernes sind die Seitenwände des Kernes doppelt so lang, wie der Kern breit ist.
Dort werden ebene Flügel so angebracht, das sie jeweils einen 45 Grad-Winkel zur verlängerten Kernseitenplatte bildet. Die Länge der Flügel entspricht dem äußeren Umfang der quadratischen Standfläche des Kernes.
Jedes Kernfragment ist mit dem darüber befindlichen an allen vier Seiten fest verbunden.
Die Außenseiten des untersten und des zweitobersten Rotors sind durch einen äußeren Rahmen mit einander verbunden (40). Das untere horizontale Verbindungselement (41) des äußeren Rahmens verläuft unterhalb der untersten Bodenplatte und oberhalb der obersten Bodenplatte (42).
Auch die Flügelaußenseiten des zweiten und des vierten Rotors sind durch einen äußeren Kern mit einander verbunden. Deren horizontales Verbindungselement verlauft unterhalb der untersten Deckplatte (43) und oberhalb der obersten Deckplatte (44).
Eine vertikal verlaufende Achse zentral durch den kompletten Kern, sowie Boden- und Deckenplatte verbindet alle vier Kernfragmente miteinander und stellt die Rotation des Rotors sicher. Unterhalb der Boden- und oberhalb der Deckplatte befinden sich jeweils ein Widerlager, welches Druck auf die Kernfragmente ausübt und so deren Zusammenhalt sichern.
Bei den Rotoren, deren Platten eben sind, sind die Flügel mechanisch verschiebbar ausgeführt, damit man die Öffnung der Flügel reduzieren kann und sie so an wechselnde Windverhältnisse anpassen kann.
Die Flügel sind auch hydraulisch oder elektrisch verschiebbar.

4. Ein weiters Anwendungsbeispiel ist ein Savonius-Rotor mit 1 Ebenen, 2 Flügeln, quadratischem Kern und als Hilfsflügel ausgeführte Stabilisierungsplatten

Das zentrale Bauelement dieses Savonius-Rotors ist der Kern. Dieser Kern besteht aus einem quaderförmigen Vierkantrohrrahmen (4) mit einer quadratische Grundfläche (5) und einer Höhe, welche identisch ist mit der Gesamthöhe angebrachter Flügelpaaren. Der Kern steht genau im Zentrum der ovalen Bodenplatte (47) und ist symetrisch zur Rotationsachse (3) ausgerichtet. Die offene Seiten des Kernes (50) ist parallel zur Richtung der längsten (52) und die geschlossene Seite (51) des Kernes ist parallel zur Richtung der kürzesten Verbindungslinie (53) zwischen zwei auf der Kreisbahn liegenden Punkten der ovalen Bodenplatte (47) ausgerichtet. In halber Höhe des Kernes sind in allen vier Ecken der vertikal stehenden Tragelementen jeweils ein horizontales Winkelblech montiert (7). Geführt werden die senkrecht stehenden Flügel durch eine Nut. Der Rotor ist ausgestattet mit senkrecht stehenden Verbindungsstangen, welche die Boden- und Deckplatte zusammenziehen und so gewährleisten, dass die Flügel in der Nut verbleiben. Die Verbindungsstangen folgen den Krümmungsradien der Flügel wechselseitig einmal innerhalb des Flügels (23) und dann außerhalb des Flügels (22). Der Abstand der Verbindungsstangen sollten nicht größer sein, als die äußere Kantenlänge des quadratischen Kernes.
Oberhalb der Deckplatte sind zwei Stabilisierungsplatten und zwei Strömungsleitplatten befestigt, welche die gleiche Höhe von 50 cm haben. Zwischen den Stabilisierungsplatten (45) und zwei Strömungsleitplatten (46) verbleibt auf jeder Seite des Rotors jeweils ein Spalt (54), welcher so breit ist, wie die quadratische Bodenplatte des Kernes. Zwei Platten stabilisieren die Deckplatte horizontal und zwei Platten dienen zusätzlich noch als Strömungsleitplatten. Die zwei Stabilisierungsplatten (45) sind genau parallel zur offenen Seite des Kernes ausgerichtet (50) und die zwei Strömungsleitplatten (46) sind in einem Winkel von ca 60 Grad (hier 57,45 Grad) von der Linie (53) gegen den Uhrzeigersinn weg geneigt und verlaufen radial bis fast zum Rand der Deckplatte. Am Endpunkt in Richtung Aussenseite dieser Strömungsleitplatten (46) sind dann kleine Strömungsablenkplatten (49) angebracht, welche bis zum Rand der Deckplatte reichen und die durch die verbliebene Öffnung hindurch strömende Luft jeweils in radiale Richtung nach außen umlenken.
Die Hilfsflügel erhalten ihre volle Funktionsfähigkeit durch eine rechteckige Abdeckplatte, deren Ecken deckungsgleich mit den Endpunkten der Strömungsablenkplatten (48). Die Abdeckplatte ist so groß gewählt, dass alle vier Stabilisierungsplatten exakt darunter passen.
Bezugszeichenliste

1: Oberes Wellenlager für die Rotationsachse
2: unteres Wellenlager für die Rotationsachse
3: Rotationsachse
4: Kern
5: quadratischer Bodenfläche des Kerns
6: Bodenplatte mit zentral vertikal aufgesetzem Kern
7: Winkelblech, horizontal zur Bodenplatte
8: Winkelblech, horizontal zur Bodenplatte Seitenansicht
9: Horizontal liegende Stabilisierungsplatte, welche den Luftstrom des oberen Rotors vom unteren trennt
10: Abstand des Winkelbleches von der Bodenplatte
11: Mittelplatte mit quardatischer Öffnung, damit der Kern hindurch passt
12: quadratische Öffnung für den Kern
13: Überstand der unteren Kernaußenseiten
14: teilflächige Befestigung des Flügels am Kern
15: hyperbolischer Flügel
16: Endkante des unteren Rotorflügels mit Sägezahnprofil
17: unterer Rotor
18: oberer Rotor
19: Flügelende der Flügels des unteren Rotors mit Sägezahnprofil
20: Deckplatte des oberen Rotors
21: Überstand der Kernaußenseiten des oberen Rotors
22: Verbindungsstangen zwischen Trageplatten innerhalb des vom Flügels eingeschlossenen Bereiches
23: Verbindungsstangen zwischen Trageplatten außerhalb des vom Flügels eingeschlossenen Bereiches
24: Vertikales Stabilisierungsrohr jeweils vertikal dem Flügelend folgend am oberen Rotor
25: Vertikales Stabilisierungsrohr jeweils vertikal dem Flügelend folgend am unteren Rotor
26: Flüssigkeitstank auf Mittelplatte
27: Flüssigkeitstank auf Bodenplatte
28: Rohrleitung vom Tank auf der Mittelplatte zu den äußeren Rohren am Flügelrand
29: Rohrleitung vom Tank auf der Bodenplatte zu den äußeren Rohren am Flügelrand
30: Kernbodenplatte aus gleichschenkligem Dreieck
31: Tragepunkte, wo der Rotor mit dem Rahmen verbunden ist.
32: dreieckiges Tragegestell für den Rotor aus Vierkantrohren,
33: Runde Aussparung in Deckplatte
34: Flügelmit konkavem Verlauf, der teilflächig am Kern befestigt ist
35: Rotor einer Ebene als Basiselement
36: ebenen Flügel, welche im Winkel von 135 Grad von der Verlängerung des Seitenwände des Kernes abgewinkelt sind
37: Verbindung zwischen Kernfragmenten
38: unterster Rotor
39: zweitoberster Rotor
40: äußerer Rahmen, der ersten und dritten Rotor miteinander verbindet
41: unteres horizontales Verbindungselement des äußeren Rahmens für 1. und 3. Rotor
42: oberes horizontales Verbindungselement des äußeren Rahmens für 1. und 3. Rotor
43: unteres horizontales Verbindungselement des äußeren Rahmens für 2. und 4. Rotor
44: oberes horizontales Verbindungselement des äußeren Rahmens für 2. und 4. Rotor
45: Leit und Verstärkungsplatten parallel zum Kern ausgerichtet
46: in einem Winkel von ca. 60 Grad zum Kernausgerichtete und radial verlaufende Luftleitplatten
47: Bodenplatte oval mit zentral vertikal aufgesetzem Kern
48: Eckpunkte der rechteckigen Abdeckplatte für die Hilfsflügel
49: Strömungsablenkplatte
50: Offene Seite des quaderförmigen Kernes
51: Durch Seitenplatte verschlossene Seite des quaderförmigen Kernes
52: Linie durch die zwei Punkt mit dem längstem Abstand auf der ovalen Kreisbahn
53: Linie durch die zwei Punkt mit dem kürzesten Abstand auf der ovalen Kreisbahn
54: Öffnung zwischen Strömungsleitplatte und Stabilisierungsplatte
55: ovales Zahnrad zur Energieübertragung
56: Zahnriemen zur Kraftübertragung auf Generator und Bremsvorrichtung
57: runder Zahnkranz der Arbeitsmaschine
58: Arbeitsmaschine
59: runder Zahnkranz der Bremsvorrichtung
60: Bremse
61: Rotor mit Flügel aus einer 120 Gradbiegung als Drittelsegment eines Kreises ausgebildet
62: Flügel aus einer 120-Gradbiegung als Drittelsegment eines Kreises ausgebildet im Anschluss an die Kernseitenverlängerung
63: Rotor mit Flügel, welche ohne jede Krümmung ausgeführt sind im Anschluss an die Kernseitenverlängerung
64: Flügel, welche ohne jede Krümmung ausgeführt sind im Anschluss an die Kernseitenverlängerung
65: Rotor mit Flügel, welche einer hyperbolischen Krümmung folgen im Anschluss an die Kernseitenverlängerung
66: Verstrebung diagonal über die offene Kernseite, wo das strömende Medium eintritt
67: Verstrebung diagonal über die offene Kernseite, wo das strömende Medium austritt
68: Sägezahnprofil am Flügelende des Rotors
69: Rechteckprofil am Flügelende des Rotors
70: Wellenprofil am Flügelende des Rotors
71: Widerlager
72: äußerer Rahmen, der zweiten und vierten Rotor miteinander verbindet

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007049590 A1 [0007]

Claims

Ein Savonius-Rotor für Windenergieanlagen mit vertikaler Rotationsachse, bestehend im wesentlichen aus einer Bodenplatte, einer Deckplatte und aus zwei konkav gebogenen, vertikal stehenden und von den oben genannten Platten eingefassten Flügeln, welche sich horizontal in derselben Ebene befinden, aber an der senkrechten Schnittfläche durch den Mittelpunkt radial nach außen hin so versetzt angeordnet sind, dass sich dadurch zwei Schaufeln bilden weiche als Windfangflächen dienen, die dadurch gekennzeichnet sind, dass die Deckplatte und die Bodenplatte mechanisch durch einen Kern oder einzelne Kernfragmente mit einander verbunden sind, wobei sich der Mittelpunkt des Kernbodens genau über dem Zentrum der Boden- und der Deckplatte befindet und an dessen Seitenflächen die Flügel flächig oder teilflächig, bei viereckigen Kernen gegenüberliegend, oder bei dreieckigen Kernen an allen Kernkanten befestigt werden, ohne dass die Flügel dadurch statisch von Deck- oder Bodenplatte belastet sind.
Ein Savonius-Rotor für Windenergieanlagen dadurch gekennzeichnet, dass die Boden- und Deckplatte des Rotors von der Kreisform abweichen und rechteckig, parallelogrammartig oder oval ausgeführt werden kann, um den vom Kern benötigten Platz zur Verfügung zu stellen, dessen Kernbodenplatte selbst ebenso rechtwinklig oder dreieckig ausführbar ist und durch die Seitenteile des Kernes eine Säule aus einem Gesamtkern, oder aus mehreren einzelnen Kernfragmenten bildet.
Ein Savonius-Rotor für Windenergieanlagen dadurch gekennzeichnet, dass Flügel mit einem Biegeraduis von etwa einem Drittel eines Kreises an die Verlängerung der Kernseite montiert sind. Sie können auch hyperbolisch oder parabelförmig gebogen sein. Ein Rotor ist immer ausgestattet mit einer Flügelform. Maschinen mit zwei und mehr Rotoren können aus Rotoren mit verschiedenen Flügeltypen bestehen.
Ein Savonius-Rotor für Windenergieanlagen nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die windundurchlässigen Seitenwände des Kernes weiter in Richtung Boden- bzw. Deckplattenrand verlängert ist, was der Konstruktion noch wesentlich mehr Stabilität verleiht und die Flügel dadurch noch sehr viel dünner und damit leichter ausführbar sind. Die Seitenverlängerungen des Kernes selbst kann in diesem Zusammenhang aus statischen Gründen im äußeren Bereich auch abgeknickt sein.
Ein Savonius-Rotor für Windenergieanlagen nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass dessen Flügelenden mit Profilen ausgestattet sind und so weniger Verluste durch Wirbel verursachen. Ein Sägezahnprofil, ein wellenförmiges Profil oder ein rechteckförmiges Profil sind dafür geeignet, wobei die Größe einer einzelnen geometrischen Figur idealerweise in etwa 10% des Kerndurchmessers beträgt. Andere Größen sind auch möglich.
Ein Savonius-Rotor für Windenergieanlagen nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Kern in jedem beliebigen Winkel im Verhältnis zum Rand der einfassenden Platten montierbar ist. Eine Zentrale Achse durch den Kern und die tragenden Platten erlaubt es hier den Winkel nachträglich zu verändern, um so eine größere Bandbreite der Windgeschwindigkeiten abzudecken.
Ein Savonius-Rotor für Windenergieanlagen nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Kern eine Durchlassöffnung bietet, welche in etwa ein Drittel der Einlassöffnung eines Flügels entspricht und parallel zu den Kerndeck- und Kernbodenplatten liegenden Strömungsleitbleche für eine optimale Strömung sorgen und dadurch für einen erfindungsgemäß gewünschten erhöhten Wirkungsgrad bei gleichzeitig verminderten Verlusten durch turbulente Strömungen sorgt.
Ein Savonius-Rotor für Windenergieanlagen nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der erfindungsgemäßen Savonius-Rotors auch über ein äußeren Kern verfügt. Dieser umschließt die Flügelenden des untersten und des obersten Rotors bei Maschinen drei Ebenen, bzw. den Rotor auf der ersten und der dritten Ebene und zusätzlich die Rotoren auf der zweiten und der vierten Ebene, so dass eine verbindungssteife, quaderförmige Stützkonstruktionen entsteht, welche kompletten Savonuisrotor einschließt.
Ein Savonius-Rotor für Windenergieanlagen nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass während der Rotation eine durch die Zentrifugalkraft von einem Tank im Kern mittels Rohrleitung oder Schlauchverbindung nach außen gedrückte Flüssigkeit das Drehmoment erhöht, welches die Maschine bei der maximal zulässigen Drehzahl aufnimmt.
Ein Savonius-Rotor für Windenergieanlagen nach Anspruch 1, 2 und 3 dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebsrad, welches die mechanische Energie von der rotierenden Achse mittels Zahnriemen an die angeschlossene Arbeitsmaschine überträgt, nicht rund, sondern oval ist. Dies hat den Vorteil, das beim Anlaufen der Angriffspunkt der Kraft näher am Drehpunkt liegt und so ein geringeres Losbrechmoment ermöglicht. Genau gegenüber dem Lager für die Arbeitsmaschine befindet sich eine weitere Achse mit einem Zahnrad, woran die Bremsvorrichtung befestigt ist. Der Zahnriemen selbst umfasst also das ovale Antriebsrad und die Zahnräder der Arbeitsmaschine sowie die der Bremsvorrichtung. Diese Anordnung entlastet das Lager, welches so frei von jedem Biegemoment ist, dass die Zugkraft des Zahnriemens verursacht. Als Bremse kann eine Fliehkraftkupplung, eine mechanische, elektrische oder andere, geeignete Bremsvorrichtung fungieren. Bremse und Generator können auch von zwei verschiedenen Zahnrädern mit dann zwei Zahnriemen angetrieben werden. Die Notabschaltung wird erfindungsgemäß gelöst, weil die sehr dünnen Flügel bei einer Überbeanspruchung durch eine Sollbruchstelle gefahrlos reißen und leicht wieder erneuerbar sind.
Ein Savonius-Rotor für Windenergieanlagen nach Anspruch 1, 2 und 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Flügel an der Kernseite, an der sie befestigt sind, am Kern entlang bei Bedarf zurückgezogen werde können, so dass die Flügelgröße zu den jeweiligen Windverhältnissen passt.
Ein Savonius-Rotor für Windenergieanlagen nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung der vier Verstärkungsplatten auf der Deckplatte zwei Hilfsflügel bilden. Diese Hilfsflügel verfügen jeweils über eine seitliche Öffnung und sind ausgestattet mit Strömungsumleitplatten, welche zusätzliches Drehmoment genau in der Rotorenstellung erzeugen, wo der Savonius-Rotor selbst es bauartbedingt nicht liefern kann.