DE20217869U1

DE20217869U1 - Turbine zur Umwandlung erneuerbarer Energie, wie eine Windturbine

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Publication number: DE20217869U1
Application number: DE20217869U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-11-18
Filing date: 2002-11-18
Publication date: 2004-04-01
Anticipated expiration: 2012-11-19

Abstract

Turbine zur Umwandlung "erneuerbarer" Energie, wie eine Windturbine, bestehend aus einem von einer Fluidströmung um eine Rotationsachse derhend antreibbaren Turbinenläufer (1) und einem Tragmast (18) hierfür, bei der der Turbinenläufer (1) aus einem Rotor und aus einer Mehrzahl von an dem Rotor schwenkbeweglich befestigten länglichen Tragflügelprofilen (Tragflügel 11) besteht,
– die sich etwa parallel zu der Rotationsache (1A) des Rotors erstrecken,
– die mit seitlichem Abstand (D) von der Rotationsachse (11A) im wesentlichen gleichmäßig verteilt auf einer Umfangslinie (C) angeordnet sind und
– deren auf die Umfangslinie (C) bezogener Anstellwinkel (A) während des Umlaufes des Turbinenläufers (1) um die Rotationsachse (1A) sich periodisch ändert, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragflügel (11) seitlich des Tragmastes (18) derart angeordnet sind, dass sie die Umfangsfläche (F) des Tragmastes mit seitlichem Abstand (B) umlaufen.

Description

Derartige Windturbinen bestehen aus einem von einer Fluidströmung um eine Rotationsachse drehend antreibbaren Turbinenläufer und einem in der Regel aufrecht stehenden Tragmast hierfür. Der Turbinenläufer besteht aus einem Rotor und aus einer Mehrzahl von an dem Rotor schwenkbeweglich befestigten länglichen Tragflügelprofilen (Tragflügeln). Diese erstrecken sich etwa parallel zur Rotationsachse des Rotors. Sie sind mit seitlichem Abstand von der Rotorachse im wesentlichen gleichmäßig verteilt auf einer Umfangslinie angeordnet. Ihr auf die Umfangslinie bezogener Anstellwinkel ändert sich periodisch während jedes Umlaufes des Turbinenläufers um seine Rotationsachse.
Gattungsgemäße Turbinen sind als Windrad aus der EP 0 268 855 B1 bekannt. Dort wird vorgeschlagen, den Turbinenläufer auf dem Kopfende eines Tragmastes zu befestigen. Derartige Tragmasten und die Befestigung der Windturbine auf dem Tragmastkopf müssen sorgfältig berechnet werden, um den statischen und dynamischen Belastungen auch bei hohen Windgeschwindigkeiten standzuhalten. Dasselbe gilt für die Verankerung des Mastes im Erdreich.
Um eine möglichst einfache und preiswerte Aufstellung gattungsgemäßer Turbinen zu erreichen, wird vorgeschlagen, die Turbine dahingehend zu ändern, dass die Tragflügel seitlich des Tragmastes angeordnet sind, und zwar derart, dass sie die Umfangsfläche des Tragmastes mit seitlichem Abstand umlaufen.
Dadurch wird es erfindungsgemäß möglich, auch bereits bestehende Tragmasten für eine Turbine, insbesondere eine Windturbine, zu nutzen, indem der Turbinenläufer eine ringförmige Struktur erhält, die um den Mast als Zentrum herum drehbar an dessen Außenumfang aufgenommen wird. Dies bedeutet eine wesentliche Wirtschaftlichkeitsverbesserung, weil sich der Aufbau und die Drehlagerung der Turbine vereinfachen und auch bereits bestehende Masten für eine Windkraftanlage benutzt bzw. umgerüstet werden können. Dies ist besonders einfach, weil gattungsgemäße Turbinen nicht in die vorherrschende Fluidströmungsrichtung, wie die Windrichtung, gedreht bzw. nachgeführt werden müssen, wie es bei konventionellen Windrotoren mit etwa horizontaler Drehachse und deren direkt angetriebenen Stromgeneratoren auf einem Mastkopf der Fall ist. Erfindungsgemäße Turbinen können demnach auch zusätzlich an Masten bestehender Windkraftanlagen montiert werden.
Eine Drehverbindung zwischen Mast und Turbine wird bevorzugt mittels einer den Mast umlaufenden, insbesondere kreisförmigen, Führungsschiene erreicht. Eine solche umlaufende Führungsschiene kann auch an Gittermastenund an im Querschnitt polygonen Masten angebracht werden. Besonders vorteilhaft ist die Nutzung kreisrunder Masten, wie sie beispielsweise als Tragmasten der bekannten Windrotoren Verwendung finden. Derartige Tragmasten haben in der Regel einen Durchmesser zwischen etwa einem und vier Metern.
Um einen Turbinenläufer erfindungsgemäß an einem Tragmast anzuordnen, empfiehlt es sich, den Turbinenläufer mit mindestens einem Lagerring in Form eines Nabenringes auszustatten. Dieser wird vorzugsweise mit Wälzlagerelementen, wie Führungsrollen, versehen, die in eine dem Mast umlaufende Führungsbahn oder -schiene reibungsarm eingreifen.
Ein Nabenring des Turbinenläufers kann auch zur Bewegungs-/Kraftübertragung des Turbinenläufers genutzt werden. Dies insbesondere mittels eines am Nabenring angebrachten oder ausgebildeten Zahnkranzes, der eine oder mehrere Generatorwellen über an ihm angreifende Zahnräder drehend antreibt. Hierdurch kann gleichzeitig ein Übersetzungsgetriebe verwirklicht werden.
Um den Strömungswiderstand des Tragmastes im Bereich des Turbinenläufers zu verringern, kann dieser mit einem Hüllrohr umgeben werden, welches am Rotor des Turbinenläufers befestigt wird.
Die vorgenannten sowie die beanspruchten und in den Ausführungsbeispielen beschriebenen erfindungsgemäß zu verwendenden Bauteile unterliegen in ihrer Größe, Formgestaltung, Materialauswahl und technischen Konzeption keinen besonderen Ausnahmebedingungen, so dass die in dem Anwendungsgebiet bekannten Auswahlkriterien uneingeschränkt Anwendung finden können.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile des Gegenstandes der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung der zugehörigen Zeichnungen, in denen – beispielhaft – mehrere Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Turbine dargestellt sind. In den Zeichnungen zeigen:
1 einen konventionellen Flügelrotor und eine erfindungsgemäße Windturbine an ein- und demselben Tragmast;
2 eine erfindungsgemäße Windturbine mit einem Tragmast in Explosionsdarstellung – perspektivisch;
3 von dem Turbinenläufer nach 1 und 2 einen Nabenring in Ansicht von oben;
4 von derselben Turbine eine Vertikalschnittansicht des Tragmastes im Bereich einer Führungsschiene sowie
5 einen Generator für die Turbine nach 1 bis 4 – in Seitenansicht.
1 zeigt einen Tragmast 18 in Gestalt eines zylindrischen Rohres mit einem konventionellen Flügelrotor 6 mit Stromgenerator 7. Im unteren Bereich wird der Tragmast 18 ringförmig von einem Turbinenläufer 1 umgeben. Dieser setzt sich zusammen aus vier an einem doppelringförmigen Rotor schwenkbeweglich befestigten länglichen Tragflügelprofilen (Tragflügeln) 11, von denen einer in 2 näher ersichtlich ist. Der Aufbau des Rotors im einzelnen ergibt sich aus der Beschreibung der nachfolgenden Zeichnungen. Am Fuße des Tragmastes 18 ist ein Stromgenerator 23 angeordnet, der über eine Antriebswelle 22 von dem Turbinenläufer 1 antreibbar ist. Auch dies wird aus der Beschreibung der Nachfolgefiguren näher ersichtlich.
Das Grundprinzip eines Turbinenläufers ist u.a. aus der DE 36 36 781 bekannt. Der in 2 dargestellte Windturbinenläufer stellt gegenüber diesem Stand der Technik eine Windturbine von eigenständiger erfinderischer Bedeutung dar. Der Turbinenläufer 1 besteht aus mindestens vier Tragflügeln 11, die zwischen zwei axial beabstandeten Kreisringen, welche aus Seg menten 14 aufgebaut sind, achsparallel schwenkbar angeordnet sind. Es ist jedoch auch möglich, die Kreisringe einstückig aufzubauen. Die Kreisringe sind über Streben 13 mit einem inneren Nabenring 17 verbunden. Die Tragflügel verfügen über eine Schwenkachse 15, die in Schwenkachsenlagern 16, die sich bevorzugt innerhalb der Streben 13 befinden, fixiert wird. Diese Schwenkachse befindet sich bevorzugt im ersten Viertel der Flügeltiefe. Es ist jedoch auch möglich, dass die Tragflügel an den Segmentringen 14 befestigt sind und somit die Zahl der Streben von der Zahl der Tragflügel unabhängig ist. Die Segmentringe 14 werden mittels der Streben 13 befestigt, wie in 2 zu sehen. Die Segmentringe 14 und/oder die Streben 13 bestehen bevorzugt aus Aluminium, Fiberglas oder anderen hochfesten Leichtbaustoffen, ebenso die Tragflügel.
Die Schwenkachse 15 befindet sich vorzugsweise in der Nähe des Profil- oder Auftrieb-Schwerpunktes. Die Tragflügel 11 sind in gleichem Umfangsabstand auf einer Umfangslinie C verteilt und um eine Distanz B von der Oberfläche F des Tragmastes 18 seitlich beabstandet; sie weisen ein gekrümmt stromlinienförmiges Profil auf.
Auf diese Weise gelangt man zu einem trommelförmigen Turbinenläufer der vorstehend genannten Art, der sich in Richtung der Nasen der Tragflächen dreht. Das bedeutet gleichzeitig, dass die Tragflächen sich nur innerhalb des Bereiches zwischen dem Rand der Kreisringe und dem Nabenring, jedoch nicht aus der zylindrischen Kontur des Windrades heraus nach außen bewegen können, falls entsprechende Anschläge vorgesehen sind. Aus diesem Grunde kann die Drehgeschwindigkeit des Turbinenläufers größer als die Windgeschwindigkeit sein. Dadurch liegt der Windläufer besonders günstig im Wind und hat einen hohen Wirkungsgrad.
Im Gegensatz zu bekannten Turbinenläufern sind nun alle Baugruppen um einen zentralen durchgehenden Tragmast 18 herum angeordnet. Damit sich der Turbinenläufer um den Tragmast 18 herumdrehen kann, ist der Tragmast mit mindestens einer, vorzugsweise aber, wie dargestellt, mit zwei kreisringförmigen Halteprofilen 20 umgeben, welche mit dem Tragmast fest verbunden sind (siehe 4). Dieses Halteprofil dient als umlaufende Führungsschiene für paarweise jeder Strebe 13 zugeordnete Rolleneinrichtungen 19 mit Führungsrollen 19A. Zumindest einer der Nabenringe 17 ist mit einem umlaufenden Zahnkranz 17A ausgestattet, von dem in 3 nur ein Segment dargestellt ist. Dieses kämmt mit einem Ritzel 21 der Antriebswelle 22 eines Stromgenerators 23, um die Umlaufbewegung des Turbinenläufers 1 um den Tragmast 18 herum nutzbar zu machen.
Zwischen den Nabenringen 17 kann sich im Bedarfsfalle noch ein vergleichsweise dünnwandiges Hüllrohr befinden, um den Strömungswiderstand für das antreibende Fluid zu verringern. – Auch wenn vorangehend die Verwendung der Erfindung für eine Windturbine und in Verbindung mit einem kreiszylindrischen Tragmast dargestellt worden ist, ist es gleichwohl möglich, die Turbine auch in Verbindung mit anderen Fluiden, wie dampfförmigen oder flüssigen Fluiden anzutreiben. Statt eines kreiszylindrischen Tragmastes mit geschlossener Oberfläche kommen auch Gittermasten und polygone Masten in Betracht.
Der Wirkungsgrad des Windläufers wird im wesentlichen durch die Neigungswinkel der Tragflügel zur zylindrischen Kontur des Turbinenläufers bestimmt. Dabei erreicht der Wirkungsgrad bei etwa 6° sein Maximum und fällt bei höheren und niedrigeren Neigungswinkeln ab. Ein geringerer Wirkungsgrad, welcher auch eine geringere Drehgeschwindigkeit des Windläufers bedeutet, ist jedoch dann erwünscht, wenn sehr hohe Windstärken erwartet werden, da der Windläufer bei zu hohen Geschwindigkeiten beschädigt oder zerstört werden könnte. In diesem Fall kann somit eine Anpassung an die zu erwartenden Windstärken durch die Winkeleinstellung der Tragflügel erreicht werden. Bei der Stellung des maximalen Wirkungsgrades ist der Windläufer schon bei 2 Meter/s Wind in der Lage, Strom zu erzeugen. Insgesamt ist eine Leistung von 350 W/m² angeströmter Fläche möglich, welche die bei Windrädern übliche Leistung von 200-220 W/m² deutlich übertrifft.
Ein weiterer Vorteil dieses Windläufers ist, dass er unabhängig von der Windrichtung reagiert.

1: Turbinenläufer
1A: Rotationsachse
6: Flügelrotor
7: Stromgenerator
11: Tragflügel
13: Streben
14: Segmentringe
15: Schwenkachse
16: Schwenkachsenlager
17: Nabenring
17A: Zahnkranz
18: Tragmast
19: Rolleneinrichtung
19A: Führungsrolle
20: Halteprofil
21: Ritzel
22: Antriebswelle
23: Stromgenerator
24: Hohlrohr
A: Anstellwinkel
B: Abstand
C: Umfangslinie
D: Abstand
F: Umfangsfläche
R: Rotationsrichtung

Claims

Turbine zur Umwandlung "erneuerbarer" Energie, wie eine Windturbine, bestehend aus einem von einer Fluidströmung um eine Rotationsachse derhend antreibbaren Turbinenläufer (1) und einem Tragmast (18) hierfür, bei der der Turbinenläufer (1) aus einem Rotor und aus einer Mehrzahl von an dem Rotor schwenkbeweglich befestigten länglichen Tragflügelprofilen (Tragflügel 11) besteht, – die sich etwa parallel zu der Rotationsache (1A) des Rotors erstrecken, – die mit seitlichem Abstand (D) von der Rotationsachse (11A) im wesentlichen gleichmäßig verteilt auf einer Umfangslinie (C) angeordnet sind und – deren auf die Umfangslinie (C) bezogener Anstellwinkel (A) während des Umlaufes des Turbinenläufers (1) um die Rotationsachse (1A) sich periodisch ändert, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragflügel (11) seitlich des Tragmastes (18) derart angeordnet sind, dass sie die Umfangsfläche (F) des Tragmastes mit seitlichem Abstand (B) umlaufen.
Turbine nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine den Tragmast (18) umlaufende Führungsschiene (Halteprofil 20).
Turbine nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch mindestens einen Wälzlagerelemente, wie Führungsrollen (19A), tragenden Nabenring (17).
Turbine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen Bewegungs-/Kraftübertrager (Zahnkranz 17A) an mindestens einem Nabenring (17).
Turbine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch ein den Tragmast (18) umgebendes, mit dem Turbinenläufer (1) mitlaufendes Hüllrohr (24).