DE202023101522U1 - Spiral rotor device for fluid-powered power generation, assembly kit and use - Google Patents
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Abstract
Spiralrotorvorrichtung (10) eingerichtet zum fluidgetriebenen Erzeugen eines Drehmoments um eine zumindest annähernd in Fluidströmungsrichtung ausgerichtete/ausrichtbare Welle (11) der Spiralrotorvorrichtung (10), insbesondere zur Energieerzeugung, wobei die Spiralrotorvorrichtung (10) eine Mehrzahl von Spiralbändern (15) aufweist, welche entlang der Welle (11) spiralförmig um die Welle (11) geführt sind, bevorzugt jeweils über wenigstens eine komplette Umfangswindung (360°); dadurch gekennzeichnet, dass die Spiralbänder (15) als separate Komponente separat von der Welle (11) bereitstellbar sind, wobei die Spiralbänder (15) an eine Mehrzahl von in wenigstens zwei radialen Erstreckungsrichtungen ausgerichteten Leitstangen (13) der Spiralrotorvorrichtung (10) kuppelbar oder montierbar sind, mittels welchen die Spiralbänder (15) an einer Mehrzahl von Axialpositionen gehalten und geführt werden. Spiral rotor device (10) set up for the fluid-driven generation of a torque about a shaft (11) of the spiral rotor device (10) which is oriented/alignable at least approximately in the fluid flow direction, in particular for generating energy, the spiral rotor device (10) having a plurality of spiral bands (15) which run along the shaft (11) are guided spirally around the shaft (11), preferably over at least one complete circumferential turn (360°); characterized in that the spiral bands (15) can be provided separately from the shaft (11) as a separate component, the spiral bands (15) being able to be coupled or fitted to a plurality of guide rods (13) of the spiral rotor device (10) aligned in at least two radial directions of extent are, by means of which the spiral bands (15) are held and guided at a plurality of axial positions.
Description
TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL AREA
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Spiralrotorvorrichtung zum fluidgetriebenen Erzeugen eines Drehmoments um eine zumindest annähernd in Fluidströmungsrichtung ausgerichtete/ausrichtbare Welle der Spiralrotorvorrichtung, insbesondere zur Energieerzeugung, wobei die Spiralrotorvorrichtung eine Mehrzahl von Spiralbändern aufweist, welche entlang der Welle spiralförmig um die Welle geführt sind, bevorzugt jeweils über wenigstens eine komplette Umfangswindung. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung auch einen Montagebausatz (Kit) für eine solche Spiralrotorvorrichtung sowie die Verwendung eines Montagebausatzes umfassend drei konstruktionsbegründende Komponenten zum Bereitstellen einer solchen Spiralrotorvorrichtung. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Vorrichtung und eine Verwendung gemäß dem Oberbegriff des jeweiligen unabhängigen Anspruchs.The present invention relates to a spiral rotor device for fluid-driven generation of a torque about a shaft of the spiral rotor device that is at least approximately aligned/alignable in the direction of fluid flow, in particular for power generation, the spiral rotor device having a plurality of spiral belts which are guided along the shaft in a spiral shape around the shaft, preferably in each case over at least one complete circumferential turn. Furthermore, the present invention also relates to an assembly kit (kit) for such a spiral rotor device and the use of an assembly kit comprising three construction-based components for providing such a spiral rotor device. In particular, the invention relates to a device and a use according to the preamble of the respective independent claim.
HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND OF THE INVENTION
Bei der Erzeugung von Energie durch Windkraft oder durch Wasserkraft ermöglicht der bisherige Stand der Forschung bereits eine hohe (Energie-)Effizienz; jedoch erfordert diese auch immer eine sehr anwendungsspezifische Auslegung, z.B. unter Berücksichtigung tatsächlicher vor Ort herrschender durchschnittlicher Strömungsgeschwindigkeiten. Dies führt jedoch auch zu einer Herangehensweise, die für den Herstellungs- und Installationsvorgang der entsprechenden Energieanlage vergleichsweise kostenintensiv ist, was z.B. bei den immer größer werdenden Offshore-Windenergieanlagen beobachtet werden kann. Gemäß dem Stand der Technik wird der Anforderung hoher (Energie-)Effizienz demnach durch zahlreiche technische Optimierungsansätze begegnet, welche zum Ziel haben, die Wirtschaftlichkeit einer Energieanlage mittel- bis langfristig durch gute technische Effizienz bzw. Energieausbeute amortisieren zu können. Jedoch kann in vielen Situationen eine solche mittel- bis langfristig angelegte Betrachtung insbesondere aufgrund des Erfordernisses hoher Anfangsinvestitionen wirtschaftlicher und materialtechnischer Art nicht umgesetzt werden. Vielmehr besteht in vielen Situationen das Interesse an einer sehr einfachen anlagentechnischen Lösung, welche vor allem auch die Möglichkeit einer Ausstattung einzelner Haushalte oder einiger weniger Haushalte bzw. Verbraucher eröffnen soll.When it comes to generating energy from wind power or hydroelectric power, the current state of research already enables a high (energy) efficiency; however, this always requires a very application-specific design, e.g. taking into account the actual average flow speeds prevailing on site. However, this also leads to an approach that is comparatively cost-intensive for the manufacturing and installation process of the corresponding power plant, which can be observed, for example, with the ever larger offshore wind power plants. According to the state of the art, the requirement of high (energy) efficiency is therefore met by numerous technical optimization approaches, which aim to be able to amortize the profitability of an energy system in the medium to long term through good technical efficiency and energy yield. However, in many situations such a medium to long-term view cannot be implemented, in particular due to the need for high initial investments in economic and material-related terms. Rather, in many situations there is an interest in a very simple system solution, which above all should open up the possibility of equipping individual households or a few households or consumers.
Beispielhaft kann die Veröffentlichung
Ausgehend vom Stand der Technik ist ein Bedarf an Ansätzen zu spüren, mittels welchen der anlagentechnische und finanzielle Aufwand im Zusammenhang mit der Bereitstellung von Energieanlagen spürbar minimiert werden kann.Based on the state of the art, there is a need for approaches that can be used to noticeably minimize the technical and financial outlay in connection with the provision of energy systems.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNGSUMMARY OF THE INVENTION
Aufgabe ist, eine Spiralrotorvorrichtung für fluidgetriebene Energieerzeugung insbesondere auch in konstruktiver Hinsicht derart auszugestalten, dass die Spiralrotorvorrichtung für unterschiedliche Einsatzbereiche jeweils auf möglichst einfache und auch kosteneffiziente Weise bereitgestellt werden kann, selbst für den Fall dass am jeweiligen Installationsort nur sehr wenig (Material-)Ressourcen verfügbar sein sollten.The task is to design a spiral rotor device for fluid-driven energy generation, in particular from a structural point of view, in such a way that the spiral rotor device can be provided for different areas of use in the simplest and most cost-effective way possible, even in the event that only very few (material) resources are available at the respective installation site should be available.
Diese Aufgabe wird durch eine Spiralrotorvorrichtung gemäß Anspruch 1 sowie durch einen Montagebausatz (Kit) für eine solche Spiralrotorvorrichtung gemäß dem nebengeordneten Vorrichtungsanspruch und durch Verwendungen gemäß dem nebengeordneten Verwendungsanspruch gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung werden in den jeweiligen Unteransprüchen erläutert. Die Merkmale der im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiele sind miteinander kombinierbar, sofern dies nicht explizit verneint ist.This object is achieved by a spiral rotor device according to claim 1 and by an assembly kit (kit) for such a spiral rotor device according to the subordinate device claim and by uses according to the subordinate use claim. Advantageous developments of the invention are explained in the respective dependent claims. The features of the exemplary embodiments described below can be combined with one another unless this is explicitly denied.
Bereitgestellt wird eine Spiralrotorvorrichtung eingerichtet zum fluidgetriebenen Erzeugen eines Drehmoments um eine zumindest annähernd in Fluidströmungsrichtung ausgerichtete/ausrichtbare Welle der Spiralrotorvorrichtung, insbesondere zur Energieerzeugung, wobei die Spiralrotorvorrichtung eine Mehrzahl von Spiralbändern aufweist, welche entlang der Welle spiralförmig um die Welle geführt sind, bevorzugt jeweils über wenigstens eine komplette Umfangswindung (360°);
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass die Spiralbänder als separate Komponente separat von der Welle bereitstellbar sind, wobei die Spiralbänder an eine Mehrzahl von in wenigstens zwei radialen Erstreckungsrichtungen ausgerichteten Leitstangen der Spiralrotorvorrichtung kuppelbar oder montierbar sind, mittels welchen die Spiralbänder an einer Mehrzahl von Axialpositionen gehalten und geführt werden. Dies liefert auch einen vorteilhaften Kompromiss aus konstruktiven Vorteilen, Variabilität, Herstellungskosteneffizienz, dezentraler standortspezifischer Realisierbarkeit, Skalierbarkeit.A spiral rotor device is provided that is set up for fluid-driven generation of a torque about a shaft of the spiral rotor device that is oriented/alignable at least approximately in the fluid flow direction, in particular for power generation, the spiral rotor device having a plurality of spiral belts that are guided along the shaft in a spiral shape around the shaft, preferably over each at least one complete circumferential turn (360°);
According to the invention, it is proposed that the spiral bands can be provided as a separate component separately from the shaft, with the spiral bands being able to be coupled or mounted to a plurality of guide rods of the spiral rotor device, which are aligned in at least two radial directions of extension, by means of which the spiral bands are held and guided at a plurality of axial positions become. This also provides an advantageous compromise between design advantages, variability, manufacturing cost efficiency, decentralized site-specific feasibility, scalability.
Personifizierte Begriffe, soweit sie hier nicht im Neutrum formuliert sind, können im Rahmen der vorliegenden Offenbarung alle Geschlechter betreffen.Personified terms, insofar as they are not formulated here in the neuter, can relate to all genders in the context of the present disclosure.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die Leitstangen jeweils in die Welle eingesteckt. Dies liefert einerseits eine gute Robustheit, andererseits auch eine vorteilhafte Montagemöglichkeit, beispielsweise auch eine weitgehend werkzeugfreie Montage z.B. durch Anwendung von Materialdehnungen (Schrumpfen).According to one embodiment, the guide rods are each inserted into the shaft. On the one hand, this provides good robustness and, on the other hand, also an advantageous mounting option for example, a largely tool-free assembly, for example by using material expansion (shrinkage).
Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die Leitstangen jeweils durch die Welle hindurchgesteckt oder hindurchgeführt, beispielsweise in Kombination mit einer Sicherung im Bereich der Wellenverbindung/-durchführung (z.B. mittels einer Kontermutter). Dies begünstigt auch einen symmetrischen Aufbau, eine vergleichsweise lange Wellenverbindung und damit auch vergleichsweise niedrige Materialspannungen, sowie gute Stabilität und Laufruhe.According to one exemplary embodiment, the guide rods are each inserted or passed through the shaft, for example in combination with a safeguard in the area of the shaft connection/leadthrough (e.g. by means of a lock nut). This also favors a symmetrical structure, a comparatively long shaft connection and thus also comparatively low material stresses, as well as good stability and smooth running.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel hält und führt die jeweilige Leitstange zwei gegenüberliegende Spiralbänder. Dies ermöglicht auch einen in konstruktiver Hinsicht schlanken Aufbau bei möglichst kleiner Anzahl von Teilen/Komponenten.According to one embodiment, the respective guide rod holds and guides two opposing spiral bands. This also enables a lean structure in terms of construction with the smallest possible number of parts/components.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind genau zwei Spiralbänder vorgesehen, nämlich in gegenüberliegender Anordnung an gegenüberliegenden Umfangspositionen (180° versetzt), wobei die beiden Spiralbänder parallel zueinander symmetrisch um die Welle herumgeführt sind, insbesondere über dieselbe Axialerstreckung (dieselbe axiale Länge), insbesondere mindestens um 360° Umfangswinkel (wenigstens eine Umfangswindung). Auch dies wirkt sich vorteilhaft hinsichtlich des hier betrachteten schlanken konstruktiven Aufbaus und der möglichst geringen Teileanzahl aus.According to one embodiment, exactly two spiral bands are provided, namely in an opposite arrangement at opposite circumferential positions (offset by 180°), the two spiral bands being guided symmetrically around the shaft parallel to one another, in particular over the same axial extent (the same axial length), in particular at least by 360° Circumferential angle (at least one circumferential turn). This also has an advantageous effect with regard to the slim structural design considered here and the lowest possible number of parts.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wiederholen sich die Leitstangen in gleichem Axialabstand und geben die Spiralwindung mit jeweils gleichbleibendem Umfangswinkelversatz vor, insbesondere mit jeweils 90° Umfangswinkelversatz. Eine derartige Anordnung hat sich als vorteilhafter Kompromiss aus Materialeinsatz, Montageaufwand und Robustheit der Abstützung sowie Genauigkeit der Ausrichtung der durch das Spiralband definierten Leitfläche erwiesen.According to one exemplary embodiment, the guide rods are repeated at the same axial distance and specify the spiral winding with a constant angular offset in each case, in particular with an angular offset of 90° in each case. Such an arrangement has proven to be an advantageous compromise in terms of the use of materials, assembly costs and robustness of the support as well as the accuracy of the alignment of the guide surface defined by the spiral band.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist an freien Enden der Leitstangen ein (radial außenliegendes) Zugmittel vorgesehen, welches die Spiralwindung vorgebend über die freien Enden der entsprechenden Leitstangen geführt ist. Hierdurch kann der radial außenliegende Bereich der Leitfläche auf einfache Weise kontrolliert werden, vorteilhaft über die gesamte Leitzone. Das Zugmittel kann auch mit einer vordefinierbaren Vorspannung versehen werden, z.B. über wenigstens ein Stellglied (z.B. eine Stellschraube) an wenigstens einem Ende der Leitzone.According to one exemplary embodiment, a (radially external) traction means is provided at the free ends of the guide rods, which is guided over the free ends of the corresponding guide rods, predetermining the spiral winding. As a result, the radially outer area of the guiding surface can be controlled in a simple manner, advantageously over the entire guiding zone. The traction means can also be provided with a pre-definable pretension, e.g. via at least one actuator (e.g. an adjusting screw) at at least one end of the guide zone.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist im Bereich einer jeweiligen Wellenverbindung/-durchführung der Leitstangen ein (radial innenliegendes) Zugmittel vorgesehen, welches die Spiralwindung vorgebend über die Wellenverbindung/-durchführung der entsprechende Leitstange entlang der Welle geführt ist. Hierdurch kann auch der radial innenliegende Bereich zur Welle auf einfache Weise über die gesamte Leitzone beeinflusst werden, insbesondere durch Justage der Vorspannung des Zugmittels.According to one exemplary embodiment, a (radially internal) traction mechanism is provided in the area of a respective shaft connection/throughput of the guide rods, which is guided along the shaft, predetermining the spiral winding via the shaft connection/throughput of the corresponding guide rod. As a result, the radially inner area to the shaft can also be influenced in a simple manner over the entire guide zone, in particular by adjusting the pretension of the traction means.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die Spiralbänder an den Verlauf der Leitstangen kuppelbar, indem die Spiralbänder an über die Leitstangen geführte Zugmittel gekuppelt/kuppelbar sind. Dies ermöglicht nicht zuletzt auch eine unterbrechungsfreie Führung, ohne die Leitfläche zu unterteilen oder zu durchbrechen. Vorteilhaft liegen die Spiralbänder dabei mit der Unterdruckseite auf den Leitstangen auf, so dass die Leitstangen eine Art Auflager gegen den Fluidströmungsdruck bilden.According to one exemplary embodiment, the spiral bands can be coupled to the course of the guide rods in that the spiral bands are/can be coupled to traction means guided over the guide rods. Last but not least, this also enables uninterrupted guidance without dividing or breaking through the guiding surface. Advantageously, the spiral bands rest on the guide rods with the vacuum side, so that the guide rods form a kind of support against the fluid flow pressure.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die Spiralbänder an die Leitstangen montierbar, indem einzelne Spiralsegmente zwischen den Leitstangen im entsprechenden Axialabschnitt befestigt/befestigbar sind. Dies kann an einer tangentialen Flanke oder auch an einer mittig frontal auf dem Verlauf des Spiralbandes angeordneten Linie an der jeweiligen Leitstange erfolgen.According to one exemplary embodiment, the spiral bands can be mounted on the guide rods by fastening/fastening individual spiral segments between the guide rods in the corresponding axial section. This can be done on a tangential flank or also on a line arranged centrally and frontally on the course of the spiral band on the respective guide rod.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weisen die Spiralbänder eine Steigung relativ zur axialen Richtung im Bereich von 35 bis 55° auf, insbesondere eine einheitliche Steigung über die gesamte Axialerstreckung. Der Fachmann kann dank der sehr einfachen und robusten konstruktiven Ausgestaltung in Abhängigkeit der erwartungsgemäßen Strömungsgeschwindigkeiten und strömungstechnisch erzeugten Momente sowie der darauf basierenden Rotationsgeschwindigkeiten in Abhängigkeit von der gewünschten Energieaufnahme den jeweils optimalen Steigungswinkle finden und konstruktiv auf einfache Weise vorgeben, z.B. über die Vorgabe des Axialabstandes von z.B. einheitlich um 45 oder 90° Umfangswinkel zueinander versetzten Leitstangen.According to one exemplary embodiment, the spiral bands have a pitch in the range from 35 to 55° relative to the axial direction, in particular a uniform pitch over the entire axial extension. Thanks to the very simple and robust structural design, the person skilled in the art can find the optimum pitch angle in each case as a function of the expected flow velocities and fluidically generated moments and the rotational speeds based thereon, depending on the desired energy absorption, and specify it in a simple constructive way, e.g. by specifying the axial distance of e.g. guide rods uniformly offset by a 45 or 90° circumferential angle to one another.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist für wenigstens eine der einzelnen Komponenten der Spiralrotorvorrichtung eine Materialauswahl gemäß der folgenden Gruppe getroffen: Welle aus korrosionsbeständigem Metall, Leitstangen aus Aluminium, Leitflächen der Spiralbänder aus Segeltuch oder aus korrosionsbeständigen Materialien wie z.B. Aluminium(legierung), Kunststoff, seewasserbeständige Metalllegierung, insbesondere Stahllegierung. Dies trägt auch zum hier betrachteten Ansatz bei, ein besonders robuste, technisch einfache und kostengünstige Ausgestaltung bereitzustellen, welche sich auch für die Ausgestaltung als gut verfügbarer Montagebausatz eignet. According to an exemplary embodiment, a material selection is made for at least one of the individual components of the spiral rotor device according to the following group: shaft made of corrosion-resistant metal, guide rods made of aluminum, guide surfaces of the spiral bands made of canvas or made of corrosion-resistant materials such as aluminum (alloy), plastic, seawater-resistant metal alloy, especially steel alloy. This also contributes to the approach considered here of providing a particularly robust, technically simple and cost-effective design which is also suitable for designing as a readily available assembly kit.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Spiralrotorvorrichtung eingerichtet und optimiert für das Zusammenwirken mit gasförmigen Fluiden (insbesondere Luft), wobei zumindest die Leitflächen der Spiralbänder bevorzugt aus Segeltuch ausgeführt sind, bevorzugt in vollständiger axialer Erstreckung über die gesamte Leitzone. Dies liefert nicht zuletzt eine besonders leichte und auch kosteneffiziente und robuste Ausgestaltung. Als Segeltuch kann z.B. Dacron verwendet werden, insbesondere aufgrund positiver feuchtigkeitsresistenter Eigenschaften.According to one embodiment, the spiral rotor device is set up and optimized for interaction with gaseous fluids (especially air), with at least the guide surfaces of the spiral bands preferably being made of canvas, preferably in the complete axial extension over the entire guide zone. Last but not least, this provides a particularly light and also cost-efficient and robust design. Dacron, for example, can be used as sail cloth, in particular due to its positive moisture-resistant properties.
Vorteilhaft weisen die Leitstangen an wenigstens einem Ende, insbesondere am freien Ende sowie im Bereich der Welle(ndurchführung), Ösen auf, insbesondere Leitösen für ein Band oder Seil (oder allgemein ein Zugmittel, z.B. aus Metall oder Hanf). Dies ermöglicht nicht zuletzt ein auf vorteilhaft einfache Weise realisierbares Verspannen der Leitfläche bzw. eines die Leitfläche definierenden Mediums zwischen den Seilen. Beispielsweise kann die Leitfläche durch Segeltuch definiert werden, welches an diesen Seilen bzw. mittels der Ösen gehalten, ausgerichtet und vorgespannt werden kann, z.B. indem das Segeltuch mittels Karabinerhaken in die Zugmittel eingespannt wird.Advantageously, the guide rods have eyelets on at least one end, in particular on the free end and in the area of the shaft (duct), in particular guide eyes for a belt or cable (or generally a traction device, e.g. made of metal or hemp). Last but not least, this enables the guide surface or a medium defining the guide surface to be braced between the cables in an advantageously simple manner. For example, the guide surface can be defined by canvas, which can be held, aligned and pretensioned on these ropes or by means of the eyelets, e.g. by clamping the canvas into the traction means using snap hooks.
Die Energiegewinnung durch gasförmige Fluide kann wahlweise in einer koaxialen Anordnung von Rotor und Generator oder in einer Anordnung übereinander unter Zwischenschaltung eines Getriebes erfolgen.Energy can be generated by gaseous fluids either in a coaxial arrangement of rotor and generator or in an arrangement one above the other with the interposition of a gearbox.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Spiralrotorvorrichtung eingerichtet und optimiert für das Zusammenwirken mit flüssigen Fluiden (insbesondere Wasser), wobei zumindest die Leitflächen der Spiralbänder bevorzugt aus plastischem Material ausgeführt sind, insbesondere in zwischen den Leitstangen segmentierter Ausgestaltung. Dies ermöglicht nicht zuletzt ein Verbinden der einzelnen Spiralbandsegmente mit der jeweiligen Leitstange, wodurch die Geometrie und die Größe des jeweiligen Segments vorteilhaft klein bzw. einfach ausgestaltet sein kann, wodurch auch eine (Längen-)Skalierung auf einfachere Weise erfolgen kann.According to one exemplary embodiment, the spiral rotor device is set up and optimized for interaction with liquid fluids (in particular water), with at least the guide surfaces of the spiral bands preferably being made of plastic material, in particular in a configuration segmented between the guide rods. Last but not least, this enables the individual spiral band segments to be connected to the respective guide rod, as a result of which the geometry and the size of the respective segment can advantageously be small or simple in design, which means that (length) scaling can also take place in a simpler manner.
Für flüssige Fluide, insbesondere Wasser, ist Korrosionsbeständigkeit der verwendeten Materialien von großer Bedeutung. Vorteilhaft werden einzelne Leitsegmente oder -elemente zwischen den einzelnen Leitstangen vorgesehen. Vorteilhaft wird insbesondere auch die drehmomenterzeugende bzw. energiegenerierende Leitzone durch eine Materialauswahl insbesondere umfassend wenigstens eines der folgenden Materialien ausgestaltet: Aluminium(legierung), Kunststoff, korrosionsbeständiges Blech.For liquid fluids, especially water, the corrosion resistance of the materials used is of great importance. Individual guide segments or elements are advantageously provided between the individual guide rods. In particular, the torque-generating or energy-generating guide zone is also advantageously configured by a material selection, in particular comprising at least one of the following materials: aluminum (alloy), plastic, corrosion-resistant sheet metal.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die Welle wenigstens einen Lagerabschnitt auf, an welchem die Welle gelagert ist, insbesondere drehbar um eine zumindest annähernd vertikale Achse zur Ausrichtung der Welle in Fluidströmungsrichtung. Dies begünstigt nicht zuletzt auch eine selbstjustierende Ausrichtung der Welle.According to one exemplary embodiment, the shaft has at least one bearing section on which the shaft is mounted, in particular rotatably about an at least approximately vertical axis for aligning the shaft in the fluid flow direction. Last but not least, this also promotes a self-adjusting alignment of the shaft.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die Welle wenigstens zwei Lagerabschnitte auf, nämlich stromauf und stromab der Spiralbänder, an welchen die Welle gelagert ist. Dies liefert auch eine gute und stabile Ausrichtung der Welle, insbesondere in Verbindung mit einer in Wind- bzw. Strömungsrichtung drehbaren Basis. Wahlweise ist die Welle in nur einem Axialabschnitt gelagert und an einem Ende frei, insbesondere am nach stromauf weisenden Ende frei. Die Welle kann auch mittelbar über einen/den Generator gelagert sein/werden, insbesondere bei koaxialer Anordnung.According to one exemplary embodiment, the shaft has at least two bearing sections, namely upstream and downstream of the spiral bands on which the shaft is mounted. This also provides a good and stable alignment of the shaft, especially in connection with a base that can be rotated in the direction of the wind. Optionally, the shaft is supported in only one axial section and is free at one end, in particular free at the end pointing upstream. The shaft can also be mounted indirectly via a/the generator, particularly in the case of a coaxial arrangement.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst die Spiralrotorvorrichtung eine Überdachung, welche zumindest den Axialabschnitt der Welle abdeckt, in welchem die Spiralbänder verlaufen (Leitzone). Dies begünstigt auch einen guten Schutz vor externen Einflüssen wie z.B. Wetterphänomene.According to one embodiment, the spiral rotor device comprises a canopy which covers at least the axial section of the shaft in which the spiral bands run (guiding zone). This also favors good protection against external influences such as weather phenomena.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die Spiralbänder freiliegend ohne Gehäuse oder ohne radial außenliegende Umgrenzung vorgesehen. Dies liefert auch einen besonders schlanken konstruktiven Aufbau, ausgehend von welchem die Spiralrotorvorrichtung besonders einfach in Durchmesser und Länge skaliert werden kann.According to one embodiment, the spiral bands are exposed with no housing or without a radially outer perimeter. This also provides a particularly slim structural design, starting from which the diameter and length of the spiral rotor device can be scaled particularly easily.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Spiralrotorvorrichtung eingerichtet, das um die Welle erzeugte Drehmoment für die Stromerzeugung zu nutzen, insbesondere indem die Welle an einen Generator der Spiralrotorvorrichtung gekoppelt/koppelbar ist, wobei der Generator mit einem Energienetz oder einem externen Energiespeicher koppelbar ist und/oder wobei die Spiralrotorvorrichtung einen Energiespeicher umfasst, in welchen der Generator einspeist. Die Verbindung zum Generator kann wahlweise koaxial oder durch wenigstens eine Getriebekomponente realisiert sein.According to one embodiment, the spiral rotor device is set up to use the torque generated around the shaft to generate electricity, in particular by the shaft being coupled/can be coupled to a generator of the spiral rotor device, the generator being able to be coupled to an energy grid or an external energy store and/or wherein the spiral rotor device comprises an energy store, into which the generator feeds. The connection to the generator can be implemented either coaxially or by at least one transmission component.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Spiralrotorvorrichtung schwimmfähig, insbesondere aufweisend wenigstens eine Verankerungseinheit und wenigstens eine Auftriebseinheit, mit der Spiralrotorvorrichtung wahlweise eingerichtet für gasförmige oder flüssige Fluide. Dies erweitert nicht zuletzt auch das Spektrum der potentiellen Installationsorte, insbesondere sehr küstennah ohne Beeinträchtigung der bodengebundenen Infrastruktur.According to one exemplary embodiment, the spiral rotor device is buoyant, in particular having at least one anchoring unit and at least one buoyancy unit, with the spiral rotor device optionally set up for gaseous or liquid fluids. Last but not least, this also expands the spectrum of potential installation locations, especially very close to the coast without impairing the ground-based infrastructure.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Spiralrotorvorrichtung in einem Gefälle insbesondere in einer Rohranordnung anordenbar, insbesondere aufweisend wenigstens ein Leitrohr zur Aufnahme der Leitzone, insbesondere mit dem wenigstens einen Leitrohr in zwei Gewässer (insbesondere Flüsse) verbindender Anordnung. Dies begünstigt auch eine Integration zwischen bereits bestehenden Gewässern oder fluidführenden Leitungen, welche einen Fluidaustausch gestatten.According to one embodiment, the spiral rotor device can be arranged in a gradient, in particular in a tube arrangement, in particular having at least one guide tube for receiving the guide zone, in particular with the at least one guide tube in two bodies of water (in particular rivers) connecting arrangement. This also favors an integration between already existing bodies of water or fluid-carrying lines, which allow a fluid exchange.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Spiralrotorvorrichtung in der Anzahl skalierbar in Reihe an einer gemeinsamen Welle mit wenigstens einer weiteren Leitzone verbaubar. Dies begünstigt noch weiter die hier schon angesprochene Skalierbarkeit.According to one embodiment, the number of spiral rotor devices can be scaled in series on a common shaft with at least one additional guide zone. This further promotes the scalability already mentioned here.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Spiralrotorvorrichtung in einem durch einen Rohrabschnitt definierten Axialabschnitt bereitgestellt ist, welcher in einem Rohrkanal zwischengeschaltet verbaubbar. Dies begünstigt eine breite Anwendungsmöglichkeit und auch eine Implementierung im Rahmen einer Nachrüstung im Feld (nachträgliche Ausstattung in bereits installierter Infrastruktur).According to one embodiment, the spiral rotor device is provided in an axial section defined by a pipe section, which can be installed interposed in a pipe duct. This favors a wide range of possible applications and also implementation as part of a retrofit in the field (subsequent equipment in an already installed infrastructure).
Die zuvor genannte Aufgabe wird auch gelöst durch einen Montagebausatz (Kit) für eine Spiralrotorvorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung, umfassend die Komponenten: Welle mit Durchführungen für Leitstangen, Spiralbänder, Leitstangen, Befestigungsmittel für eine Befestigung der Spiralbänder an Leistangen und/oder Welle; wobei die Spiralbänder bevorzugt mittels Einhakverbindungen oder mittels Schienen oder form-/kraftschlüssig (also nicht stoffschlüssig) an den Leitstangen befestigbar sind. Hierdurch lassen sich zuvor genannte Vorteile realisieren, insbesondere in Hinblick auf besonders gute Verfügbarkeit auch an Orten mit Material- und/oder Werkzeugknappheit.The aforementioned object is also achieved by an assembly kit (kit) for a spiral rotor device according to the present disclosure, comprising the components: shaft with bushings for guide rods, spiral bands, guide rods, fastening means for fastening the spiral bands to guide rods and/or shaft; wherein the spiral bands can be fastened to the guide rods, preferably by means of hook-in connections or by means of rails or in a positive/non-positive manner (i.e. not with a material bond). As a result, the aforementioned advantages can be realized, in particular with regard to particularly good availability even at locations with a shortage of materials and/or tools.
Die zuvor genannte Aufgabe wird auch gelöst durch Verwendung eines Montagebausatzes umfassend drei konstruktionsbegründende Komponenten zum Bereitstellen einer Spiralrotorvorrichtung eingerichtet zum fluidgetriebenen Erzeugen eines Drehmoments um eine zumindest annähernd in Fluidströmungsrichtung ausgerichtete/ausrichtbare Welle der Spiralrotorvorrichtung, insbesondere zur Energieerzeugung, nämlich die Komponenten Welle, Spiralbänder und Leitstangen; insbesondere einer Spiralrotorvorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung, wobei die Leitstangen bevorzugt mit einem Umfangswinkelversatz von jeweils 90° durch die Welle gesteckt sind, wobei die Spiralbänder bevorzugt mittels Einhakverbindungen oder mittels Schienen oder form-/kraftschlüssig zumindest an den Leitstangen befestigt sind und wahlweise auch an der Welle befestigt sind. Hierdurch lassen sich zuvor genannte Vorteile realisieren, insbesondere in Hinblick auf einfachen konstruktiven Aufbau und kostengünstige Ausgestaltung für dezentrale standortspezifische Installation auch sehr kleiner Einheiten und auch hinsichtlich besonders gute Verfügbarkeit auch an Orten mit Material- und/oder Werkzeugknappheit.The aforementioned object is also achieved by using an assembly kit comprising three construction-based components for providing a spiral rotor device set up for fluid-driven generation of a torque around a shaft of the spiral rotor device that is at least approximately aligned/alignable in the fluid flow direction, in particular for power generation, namely the components shaft, spiral bands and guide rods ; in particular a spiral rotor device according to the present disclosure, wherein the guide rods are preferably inserted through the shaft with a circumferential angle offset of 90° each, wherein the spiral bands are preferably attached at least to the guide rods and optionally also to the shaft are attached. As a result, the aforementioned advantages can be realized, in particular with regard to a simple structural design and cost-effective design for decentralized site-specific installation of even very small units and also with regard to particularly good availability even at locations with a shortage of materials and/or tools.
Figurenlistecharacter list
In den nachfolgenden Zeichnungsfiguren wird die Erfindung noch näher beschrieben, wobei für Bezugszeichen, die nicht explizit in einer jeweiligen Zeichnungsfigur beschrieben werden, auf die anderen Zeichnungsfiguren verwiesen wird. Es zeigen jeweils in schematischer Darstellung:
-
1 in einer Seitenansicht einen beispielhaften konstruktiven Aufbau einer Spiralrotorvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel, ohne dargestellte Spiralbänder; -
2 in einer Draufsicht einen beispielhaften konstruktiven Aufbau einer Spiralrotorvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel, unter Angabe von beispielhaften Größenverhältnissen, ohne dargestellte Spiralbänder; -
3A ,3B in einer Seitenansicht und in einer Frontansicht eine beispielhafte Implementierung einer Spiralrotorvorrichtung gemäß Ausführungsbeispielen im Feld; -
4 in perspektivischer Ansicht eine Spiralrotorvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel, ohne dargestellte Spiralbänder; -
5 in einer Detailansicht eine Wellendurchführung zur Aufnahme von Leitstangen einer Spiralrotorvorrichtung gemäß Ausführungsbeispielen; -
6A ,6B jeweils in einer Seitenansicht eine spezifische Ausgestaltung von Spiralbändern bzw. Spiralsegmenten einer Spiralrotorvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel; -
7A ,7B in einer Seitenansicht und in einer Frontansicht eine beispielhafte Implementierung einer Spiralrotorvorrichtung gemäß Ausführungsbeispielen im Feld; -
8A ,8B in einer Seitenansicht und in einer Frontansicht eine beispielhafte Implementierung einer Spiralrotorvorrichtung gemäß Ausführungsbeispielen im Feld; -
9A ,9B in einer Seitenansicht und in einer Frontansicht eine beispielhafte Implementierung einer Spiralrotorvorrichtung gemäß Ausführungsbeispielen im Feld; -
10 ,11 ,12 in einer Stirnseitenansicht und in zwei Seitenansichten weitere beispielhafte Implementierungen einer Spiralrotorvorrichtung gemäß Ausführungsbeispielen im Feld; -
13 in Seitenansichten und in Draufsichten einzelne Komponenten eines Stangengetriebes einer Spiralrotorvorrichtung gemäß Ausführungsbeispielen; -
14 in einer Seitenansicht eine Spiralrotorvorrichtung gemäß Ausführungsbeispielen, bei welcher ein Stangengetriebe für zumindest annähernd parallel verlaufende Rotorwelle und Generatorwelle verbaut ist; -
15 in einer Seitenansicht eine Spiralrotorvorrichtung gemäß Ausführungsbeispielen, welche in einem Rohr bzw. in einem Kanal verbaut ist, indem ein für die Spiralrotorvorrichtung vorgesehener Rohrabschnitt bereitgestellt wird, welcher im Rohrkanal zwischengeschaltet verbaubbar ist (optional Einzelbaumaßnahme bzw. Nachrüstoption),
-
1 in a side view an exemplary structural design of a spiral rotor device according to an embodiment, without shown spiral bands; -
2 in a plan view an exemplary structural design of a spiral rotor device according to an exemplary embodiment, specifying exemplary proportions, without illustrated spiral bands; -
3A ,3B Figures 12 are side and front views showing an example implementation of a spiral rotor device according to field embodiments; -
4 a perspective view of a spiral rotor device according to an embodiment, without illustrated spiral bands; -
5 in a detailed view, a shaft bushing for accommodating guide rods of a spiral rotor device according to exemplary embodiments; -
6A ,6B each in a side view a specific configuration of spiral bands or spiral segments of a spiral rotor device according to an embodiment; -
7A ,7B Figures 12 are side and front views showing an example implementation of a spiral rotor device according to field embodiments; -
8A ,8B Figures 12 are side and front views showing an example implementation of a spiral rotor device according to field embodiments; -
9A ,9B Figures 12 are side and front views showing an example implementation of a spiral rotor device according to field embodiments; -
10 ,11 ,12 in an end view and in two side views further exemplary implementations of a spiral rotor device according to embodiments in the field; -
13 in side views and in plan views, individual components of a rod gear of a spiral rotor device according to exemplary embodiments; -
14 in a side view, a spiral rotor device according to exemplary embodiments, in which a rod gear is installed for at least approximately parallel rotor shaft and generator shaft; -
15 in a side view a spiral rotor device according to exemplary embodiments, which is installed in a pipe or in a duct by providing a pipe section provided for the spiral rotor device, which can be installed in the pipe duct in an intermediate manner (optional individual construction measure or retrofit option),
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER FIGURENDETAILED DESCRIPTION OF THE FIGURES
Die Erfindung wird zunächst unter allgemeiner Bezugnahme auf alle Bezugsziffern und Figuren erläutert. Besonderheiten oder Einzelaspekte oder in der jeweiligen Figur gut sichtbare/darstellbare Aspekte der vorliegenden Erfindung werden individuell im Zusammenhang mit der jeweiligen Figur thematisiert.The invention will first be explained with general reference to all reference numerals and figures. Special features or individual aspects or aspects of the present invention that are clearly visible/representable in the respective figure are addressed individually in connection with the respective figure.
Bereitgestellt wird eine Spiralrotorvorrichtung 10 mit einer sich in axialer Richtung x erstreckenden (Rotor-)Welle 11 und daran befestigten Leitstangen 13, die in einem einheitlichen Axialabstand x13 benachbart zueinander angeordnet sind, und die sich zumindest annähernd in radialer Richtung r erstrecken, und mittels welchen wenigstens zwei Spiralbänder 15 über eine Leitzone X16 (axiale Länge des Spiralbandes) um die Welle 11 geführt sind, z.B. in einem Anstellwinkel (Steigung) von ca. 45°. Vorteilhaft sind an fünf Axialpositionen Leitstangen 13 vorgesehen, die jeweils mit einem Umfangswinkelversatz von 90° relativ zueinander versetzt angeordnet sind. Die Verbindung 11.3 der Welle zur jeweiligen Leitstange 13 kann vorteilhaft durch eine Durchführung sichergestellt werden, d.h., die jeweilige Leitstange 13 kann durch die Welle hindurchgesteckt sein oder darin eingesteckt bzw. eingeschraubt sein. Die Welle 11 weist wenigstens einen Lagerabschnitt 11.5 auf, wahlweise kann die Welle beidseitig der Leitzone in zwei Lagerabschnitten 11.5 gelagert sein. Bei einer Ausgestaltung mit freiem Ende 11.1 (ein oder zwei Lagerabschnitte) weist dieses vorzugsweise nach stromauf, also gegen die Strömungsrichtung von auf die Spiralbänder auftreffendem Fluid. Die Spiralbänder 15 stellen eine Leitfläche 16 bereit, mittels welcher ein Drehmoment um die Welle generiert werden kann. Über die freien Enden 13.1 der Leitstangen und wahlweise auch im Bereich der jeweiligen Verbindung zur Welle kann ein Zugmittel 17 (innen- oder außenliegend) geführt sein/werden, mittels welchem die Spiralbänder zwischen den Leitstangen13 fixiert oder zumindest ausgerichtet werden können. Wahlweise kann das jeweilige Spiralband 15 insbesondere auch in Abhängigkeit von der gewünschten Größe des Spiralrotors auch durch Spiralsegmente 15.1 gebildet sein, welche zwischen benachbarten Paaren von Leitstangen 13 fixiert bzw. gehalten ist.A
Der Spiralrotor kann mit einem Generator 30 gekoppelt werden, z.B. bei koaxialer oder paralleler Ausrichtung einer/der Generatorwelle 31. Wahlweise ist die Rotorwelle 11 mit einer Getriebeeinheit 20 gekuppelt, insbesondere mit einem Stangengetriebe 21 aufweisend wenigstens eine insbesondere orthogonal zur Rotorwelle ausgerichtete Stange 22, über welche mittels Getrieberädern 23 (z.B. Kegelrädern) eine Drehmomentübertragung zwischen Rotorwelle 11 und einem/dem Generator 30 sichergestellt werden kann. Für die Aufnahme und/oder Lagerung der einzelnen (Getriebe-Komponenten kann wenigstens ein Rohrkanal 24 in Kombination mit wenigstens einem Lager 25 oder einer Lagerung 9 vorgesehen sein.The spiral rotor can be coupled to a
Die Spiralrotorvorrichtung 10 kann direkt an ein Energienetz gekoppelt sein und/oder wenigstens einen Energiespeicher 40 aufweisen, in welches/welchen generierte Energie eingespeist werden kann. Die Spiralrotorvorrichtung 10 weist vorteilhaft eine Steuerungs-/Regelungseinrichtung 50 eingerichtet zum Steuern/Regeln der Energieaufnahme und -einspeisung auf.The
Für die beispielhafte Implementierung im Feld kann eine zumindest die Leitzone abdeckende Überdachung 1 vorgesehen sein, welche mittels eines Überdachungsträgers 2 am Boden oder an einem Schwimmponton oder dergleichen Basis (Auftriebseinheit 70) abgestützt sein kann. Für den Fall einer schwimmenden Anordnung kann eine Verankerungseinheit 60 vorgesehen sein, mittels welcher die Anordnung ortsfest verankert werden kann, insbesondere mit Ankerkettenlängentoleranz in Abhängigkeit von standortspezifischen Wasserstandsänderungen. Mittels einer Windfahne 3 kann wahlweise auch eine selbstregulierende Ausrichtung der Rotorwelle in Strömungsrichtung erfolgen. Wahlweise kann eine Einhausung 5 insbesondere in der Art eines Windkanals oder eines Leitrohres 80 um den Rotor herum realisiert sein. wahlweise kann die gesamte Anordnung drehbar relativ zum Untergrund bzw. zur Basis gelagert sein, insbesondere mittels eines Drehfuß 7.For the exemplary implementation in the field, a canopy 1 covering at least the guidance zone can be provided, which can be supported by means of a
Im Folgenden werden Besonderheiten der Erfindung unter Bezugnahmen auf einzelne Figuren bzw. Ausführungsbeispiele erläutert.Special features of the invention are explained below with reference to individual figures or exemplary embodiments.
In
In
In
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In
In
In
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In den
Der in einigen Figuren dargestellte Blockpfeil veranschaulicht die Fluid-Strömungsrichtung.The block arrow shown in some figures illustrates the direction of fluid flow.
Aus den obigen Ausführungsbeispielen geht die hohe Variabilität und breite Anwendbarkeit der vorliegenden Erfindung hervor, insbesondere im Zusammenhang mit dezentraler, sehr standortspezifischer Energieversorgung.The high variability and broad applicability of the present invention emerges from the above exemplary embodiments, in particular in connection with decentralized, very site-specific energy supply.
BezugszeichenlisteReference List
- 11
- Überdachungcanopy
- 22
- Überdachungsträgercanopy support
- 33
- Windfahnewind vane
- 55
- Einhausung, insbesondere WindkanalEnclosure, in particular wind tunnel
- 77
- Drehfußswivel base
- 99
- Lager, Lagerungwarehouse, storage
- 1010
- Spiralrotorvorrichtungspiral rotor device
- 1111
- WelleWave
- 11.111.1
- freies Endefree end
- 11.311.3
- Verbindung zu Leitstange, insbesondere DurchführungConnection to control rod, in particular through-hole
- 11.511.5
- Lagerabschnittstorage section
- 1313
- Leitstangeguide rod
- 13.113.1
- freies Endefree end
- 1515
- Spiralbandspiral tape
- 15.115.1
- Spiralsegmentspiral segment
- 1616
- Leitflächeguide surface
- 1717
- Zugmittel (außenliegend)traction mechanism (external)
- 1818
- form-/kraftschlüssiges Befestigungsmittel, insbesondere Einhakverbindung oder SchienePositive/non-positive fastening means, in particular hook-on connection or rail
- 2020
- Getriebe(einheit)gear (unit)
- 2121
- Stangengetrieberod gear
- 2222
- Stange, insbesondere orthogonal zur Rotorwelle ausgerichtetRod, in particular aligned orthogonally to the rotor shaft
- 2323
- Getrieberad, z.B. KegelradGear wheel, e.g. bevel gear
- 2424
- Rohrkanalpipe channel
- 2525
- Lagercamp
- 3030
- Generatorgenerator
- 3131
- Generatorwellegenerator shaft
- 4040
- Energiespeicherenergy storage
- 5050
- Steuerungs-/Regelungseinrichtungcontrol/regulation device
- 6060
- Verankerungseinheitanchor unit
- 7070
- Auftriebseinheitbuoyancy unit
- 8080
- Leitrohrguiding scope
- r, xr, x
- radiale Richtung, axiale Richtungradial direction, axial direction
- x13x13
- Axialabstand zwischen zwei benachbarten LeitstangenAxial distance between two adjacent guide rods
- X16X16
- Leitzoneguiding zone
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited
- DE 202014104399 U1 [0003]DE 202014104399 U1 [0003]
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE202014104399U1 (en) | 2014-09-16 | 2014-11-20 | Jürgen Vogel | Wind turbines with spiral wings |
-
2023
- 2023-03-27 DE DE202023101522.0U patent/DE202023101522U1/en active Active
Patent Citations (1)
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R086 | Non-binding declaration of licensing interest | ||
R207 | Utility model specification |