DE2444803A1

DE2444803A1 - Turbine zur umwandlung der energie eines stroemenden mediums in elektrische oder mechanische energie mit hoechstem wirkungsgrad

Info

Publication number: DE2444803A1
Application number: DE19742444803
Authority: DE
Inventors: Louis L Lepoix
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1974-09-19
Filing date: 1974-09-19
Publication date: 1976-04-08

Description

Turbine zur Umwandlung der Energie eines strömenden Mediums in elektrische oder mechanische Energie mit höchstem Wirkungsgrad Die vorliegende Erfindung betrifft eine Turbine zur Umwandlung der Energie eines strömenden Mediums, z.B. der Strömungsenergie von Gasen, wie Luft, oder von flüssigen Medien, wie strömendes Wasser, in elektrische oder mechanische Energie mit höchstem Wirkungsgrad.
Es sind bereits die verschiedensten Vorrichtungen zur Umwandlung der genannten Energiearten bekanntgeworden. So wurden,ausgehend von den bekannten Windrädern,Windturbinen vorgeschlagen, deren durch den Wind angetriebene Flächen ständig vergrößert wurden, um die Windenergie optimal auszunutzen. Dabei kann jedoch eine bestimmte Größe des Windrades nicht überschritten werden, da dann, vor allem bei Sturm, die auf dia Windflügel einwirkenden Radialkräfte so groß werden, daß das Windrad zerstört wird. Der Größe derartiger Windräder ist also eine gewisse Grenze gesetzt.
Werden aber die Flächen derartiger Windräder verkleinert, so nimmt der Wirkungsgrad sehr schnell ab, wodurch die Energieumwandlung und die Gewinnung der neuen Energie nicht mehr wirtschaftlich ist.
Um die Strömungsverhältnisse zu verbessern, wurde in der französischen Patentschrift 1 043 915 der Vorschlag gemacht, bei einer Turbine der eingangs genannten Art hinter einer Radial-Propelleranordnung durch Ausbildung des Gehäuses in Form einer Venturidüse eine Saugzone zu schaffen, die einen Stau der durch den Propeller strömenden Luft verhindern soll.
Mit der vorbekannten Anordnung konnte zwar der Wirkungsgrad der Turbine verbessert werden, jedoch war eine ökonomische Gewinnung größerer Energiemengen nicht möglich, da der Durchmesser der Propelleranordnung wegen der oben erwähnten Radialkräfte nicht beliebig vergrößert werden konnte. Außerdem mußten, um die Energie einer größeren Windfront zu gewinnen, mehrere Propelleranordnungen neben- und übereinander vorgesehen werden, die im Zusammenhang mit den dadurch gebildeten Turbinen auf getrennte Generatoren einwirkten. Eine mechanische Ubertragung der Propellerkräfte von mehreren Turbinen, die in einer Fläche aufgestellt woren, war infolge des mechanischen Getriebeaufwandes praktisch unmöglich.
Die vorliegende Erfindung hat sich nun zur Aufgabe gestellt, die bei der vorbekannten Turbinenanordnung vorhandenen Nachteile zu vermeiden und eine Turbine zu schaffen, die wesentlich ökonomischer und mit einem besseren Flachen-Wirkungsgrad arbeitet als die vorbekannte Turbine.
Zur Lösung der gestellten Aufgabe wird gemäß der Erfindung eine Turbine zur Umwandlung der Energie eines strömenden Mediums, z.B.
der Strömungsenergie von Gasen,wie Luft in Form von Wind, oder von flüssigen Medien, wie fließendes Wasser, in elektrische oder mechanische Energie mit höchstem Wirkungsgrad vorgeschlagen, welche dadurch gekennzeichnet ist, daß ein oder mehrere aus etwa tangential auf Kreiszylindern angeordneten Schaufelflächen gebildete/r walzenförmige/r Rotor/e innerhalb eines aus Leitflächen für den Ein- und Auslaß des Mediums gebildeten Gehäuses derart drehbar angeordnet ist/sind, daß die Leitflächen des Einlasses sich unter- oder oberhalb zum Rotor hin verjüngen und etwa in Richtung zweier, einen Winkel miteinander bildender Tangenten oder Krümmungen zum Umfang des Rotors verlaufen, wobei die eine Leitfläche zur Erzeugung eines Soges hinter dem Rotor zur Bildung einer sich nach außen öffnenden Auslaufflöche gekrümmt verläuft, während die andere Leitfläche den Rotor teilweise umschließt und anschließend zur Bildung einer divergierenden Auslaßöffnung nach hinten gekrümmt verläuft.
Die Krümmungen der Leitflächen können einer Spirale, einer Hyperbel, einer Parabel, einer Ellipse oder einem Kreisbogen folgen, wobei die Krümmungen sich in vorteilhafter Weise tangential an die Mantelfläche des Rotors anlegen.
Die eine spiralförmig oder tangential sich an den Rotor anlegende Einleitfläche kann vorzugsweise durch Bildung eines spitzen Winkels in die spiralförmig nach außen verlaufende Ausleitfläche übergehen. Die andere Einleitfläche kann unter Bildung eines spitzen Winkels in ein den Rotor umgebendes Gewölbe mit kreisförmigem Querschnitt Ubergehen und anschließend unter Bildung eines beliebigen Winkels in die nach außen verlaufende Ausleitfläche übergehen.
Die Turbine gemäß der Erfindung weist wesentliche Vorteile auf.
So besteht ein Vorteil darin, daß durch das tangentiale Einströmen des Mediums auf die Schaufelräder unter Berücksichtigung eines gegebenen Durchmessers des Rotorrades die Wirkfläche gegenüber den Radial-Propelleranordnungen wesentlich vergrößert werden kann. Ferner wird durch die besondere Ausbildung der Ein- und Ausleitflächen strömungstechnisch eine optimale Wirkung erzielt.
Insbesondere wird durch die Ausbildung der Ausleitfläche hinter dem Rotor ein Sog entstehen, der verhindert, daß es zu Luftstauungen kommt, die bekanntlich den Wirkungsgrad erheblich herabsetzen. Ferner können bei der Turbine gemäß der Erfindung mehrere walzenförmige Rotore hintereinander auf einer durchgehenden Welle oder auf mehreren, durch Kardangelenke miteinander verbundenen Wellen angeordnet werden, wobei dann am Ende der Wellen der oder die Generatoren zur Erzeugung bzw. Gewinnung der elektrischen Energie vorgesehen sein können. Selbstverständlich können anstelle der elektrischen Generatoren auch mechanische Antriebselemente zur Erzeugung einer mechanischen Energie vorgesehen sein.
Die Turbine gemäß der Erfindung kann zu mehreren horizontal übereinander oder vertikal nebeneinander aufgestellt werden, wobei bei vertikaler Anordnung von Turbinen nebeneinander auf einem Gerüst elektromechanische Einrichtungen vorgesehen sein können, die die Einlaßöffnungen in die Windrichtung einstellen.
Es können hierzu auch an der Oberseite Leitflächen vorgesehen sein, wodurch eine automatische Einstellung in die Windrichtung erfolgt.
Bei Verwendung von mehreren Rotoren können diese durch Verwendung von Zwischenlagern auf einer Welle miteinander verbunden sein.
Es ist aber auch möglich, die Rotoren durch Kardangelenke miteinander zu verbinden, um so eine Möglichkeit zu haben, die Turbinen verschiedenen Formen, beispielsweise des Geländes, anzupassen.
Anhand der Zeichnungen soll am Beispiel einiger bevorzugter Ausführungsformen die Turbine gemäß der Erfindung näher erlutert werden.
In den Zeichnungen zeigt Fig. 1 eine Frontansicht einer im Prinzip dargestellten Turbine.
Fig. 2 zeigt einen Schnitt längs der Linie A-B von Fig. 1.
Fig. 3 zeigt eine perspektivische Darstellung einer im Freien aufgestellten Turbine gemäß den Fig. 1 und 2.
Fig. 4 zeigt in perspektivischer Darstellung eine Ausführungsmöglichkeit des Rotors.
Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführungsmöglichkeit eines unterteilten Rotors.
Fig. 6 zeigt eine vertikal aufgestellte Turbine in perspektivischer Ansicht.
Fig. 7 zeigt eine Nebeneinanderreihung mehrerer vertikal aufgestellter Turbinen gemäß der Erfindung.
Wie sich aus den Fig. 1 und 2 ergibt, besteht die Turbine gemäß der Erfindung im wesentlichen aus einem walzenförmigen Rotor 1, der innerhalb eines aus Leitflächen gebildeten Gehäuses 2 mittels einer in Lagern 3 und 4 gelagerten Welle 5 drehbar gelagert ist.
Die Welse 5 steht mit einem im Prinzip dargestellten elektrischen Generator 6 zur Stromerzeugung in Verbindung.
Der walzenförmige Rotor 1 besteht aus mehreren auf einem Kreiszylinder oder Kreisringen 7 tangential angeordneten Schaufelflächen 8.
Zur Erzielung einer optimalen Strömung zum Antrieb des Rotors 1 und damit zu einer höchsten Energieausbeute wird der Einlaß 9 aus zwei LeitFlächen 10 und 11 gebildet, die sich zum Rotor 1 hin verjüngen. Die Leitflächen des Einlasses 9 sind so angeordnet, daß sie unterhalb der Mittellinie der Achse 5 enden und etwa tangential oder gekrümmt zum Umfang des Rotors 1 hin verlaufen. Die beiden Tangenten a und b, in deren Richtung die beiden Flächen 10 bzw. 11 gegen den Umfang des Rotors 1 verlaufen, bilden einen Winkel miteinander. Dieser Winkel < ist optimal so einzustellen, daß der bestmöglichste Stromlinienverlauf der durch Pfeile dargestellten Stromlinien an das Rotorrad 1 erfolgt.
Die Krümmung der Leitflächen 10 und 11 kann in Form einer Spirale, einer Hyperbel, einer Parabel, einer Ellipse oder eines Kreises erfolgen.
Die untere gekrümmte Fläche 11 läuft hinter der Mittellinie der Achse 5 unter Bildung eines spitzen Winkels ll in eine gekrümmte, vorzupsweise spiralförmig nach außen verlaufende Ausleitfläche 12 Uber. Die obere Leitfläche 10 des Einlasses läuft unter Bildung eines spitzen Winkels i in ein Gewölbe 13 über dem Rotor über und geht anschließend unter Bildung eines Winkels K. in eine nach oben verlaufende gekrümmte Ausleitfläche 14 über.
Die beiden Leitflächen 12 und 14 des Auslasses 15 sind so ausgebildet, daß in der Zone 16 hinter dem Rotor 1 eine Saugwirkung bzw. ein Sog entsteht. Durch diesen Sog wird ein Luftstau hinter dem Rotor vermieden, wodurch eine optimale Umwandlung der Energie der bewegten Luft erzielt wird.
In Fig. 4 ist in perspektivischer Darstellung die Anordnung der Schaufelblätter 8 auf Kreisringen 7 dargestellt, die Uber eine geeignete Tragkonstruktion mit der Welle 5 verbunden sind.
In Fig. 5 ist eine andere AusfUhrungsmöglichkeit dargestellt.
In diesem Falle sind einzelne Rotore 1 vorgesehen, die aus auf Kreisringen oder Zylindern angebrachten Schaufeln 8 bestehen.
Die einzelnen Rotore 1 sind untereinander über Zwischenlager 17 miteinander verbunden, die auf besonderen Lagerböcken 18 angeordnet sind, welche innerhalb des Gehäuses in beliebiger Weise befestigt werden können. Es ist selbstverständlich auch möglich, die Lager 17 durch Kardangelenke zu ersetzen, um den Rotoren verschiedene Richtungen erteilen zu können und um beispielsweise die gesamte Turbine den Bodengegebenheiten des Geländes anzupassen.
Wie in Fig. 3 dargestellt, ist eine Turbine gemäß der Erfindung waagerecht in einem geeigneten Gelände auf einer Unterkonstruktion 19 aufgestellt.
Wie sich aus der Fig. 6 ergibt, ist eine Turbine gemäß der Erfindung vertikal auf einem Sockel 20 aufgestellt und kann sich in Richtung des Pfeiles 21 umdrehen, um sich so der Windrichtung anpassen zu können. Zu diesem Zweck sind an der Oberseite zwei Leitflächen 22 vorgesehen, welche die Einstellung Ubernehmen.
Die Wirkfläche der Turbine wird dann immer in Richtung des ankommenden Windes eingestellt.
In Fig. 7 sind auf einem Gerüst oder einem sonstigen Unterbau 23 mehrere Turbinen gemäß Fig. 6 vertikal aufgestellt. Diese können sich unabhängig voneinander oder zusammen drehen und somit in Richtung des ankommenden Windes eingestellt werden. Damit ist eine bestmögliche Ausnutzung der Wirkfläche gewährleistet. Die einzelnen Turbinen können an der Unterseite jeweils einzelne,nicht sichtbare Generatoren aufweisen. Es ist aber auch möglich, durch einen mechanischen Antrieb sämtliche Turbinen miteinander zu verbinden und die Energie so auf einen gemeinsamen großen Generator zu Ubertragen.
In Fig. 8 ist im Prinzip eine weitere abgewandelte Ausführungsform der Turbine gemäß der Erfindung dargestellt.
Um die Turbine optimal an die gegebenen Windverhältnisse anzupassen, können in dem in der Fig. 8 dargestellten Beispiel die beiden Leitflächen 12 und 14 durch Ausbildung zweier beweglicher Flügel 24 und 25 eingestellt werden. Diese Flügel sind in Drehachsen 26 und 27 drehbar gelagert, so daß sie in Richtung der Doppelpfeile 28 und 29 verschwenkt werden können. Die Flügel 24 und 25 werden durch nicht dargestellte Einrichtungen mechanisch, hydraulisch, automatisch oder elektrisch gesteuert und können verschiedene Positionen einnehmen. Bei automatischer Steuerung können die Flügel, beispielsweise mit einer entsprechenden Feder, in der gespreizten Stellung gehalten werden. Bei stärker werdendem Winddruck werden die Flügel automatisch nach hinten geklappt und regulieren den Sog.
Bei üblichem Wind mit normaler Strömungsstärke wird die Normalstellung der beiden Flügel, die mit 24 und 25 bezeichnet sind, eingenommen.
Bei schwachen Windstärken ist es erforderlich, den Sog hinter der Turbine zu erhöhen, und in diesem Falle wird eine Stellung der Flügel eingenommen, wie sie bei 24' und 25' dargestellt ist.
Bei einem Sturm wirken verhältnismäßig hohe Kräfte auf die Turbine ein. In diesem Fall wird die bei 24'' und 25" dargestellte geschlossene Stellung der Flügel eingenommen. Hierbei wird praktisch keine Saugwirkung erreicht, und die Turbine läuft dann mit normaler Drehzahl, so daß diese auch bei Sturm benutzt werden kann.
Die Steuerung der Lage der Flügel kann auch elektronisch durchgeführt werden, wobei dann in Abhängigkeit von der gemessenen Windstärke durch ein elektronisches Regelsystem die Stellung der Flügel 24 und 25 genau den Windverhältnissen angepaßt wird.
In einer weiteren Ausführungsform der in Fig. 6 dargestellten Anordnung können auch mehrere Turbinen Ubereinander angeordnet werden, wobei ein im Unterbau 23 in Fig. 6 dargestellter Träger senkrecht nach oben verläuft und an diesem Träger die Turbinen senkrecht oder horizontal über- bzw. unteninander angeordnet sind.
Dadurch kann ein Windkraftwerk in Form eines Turmes geschaffen werden, wobei es möglich ist, mehrere Türme in einem gewissen Abstand auf dieselbe Anlage aufzubauen.
Diese Türme können dann einen Untersatz von etwa zehn bis zwanzig Meter Höhe aufweisen. Da dieser Hohlraum durch den Maschinenteil im allgemeinen nicht vollständig ausgenutzt wird, wobei der Maschinenteil auch unterirdisch eingebaut werden kann, könnte in diesem Untersatz ein Wasserbehälter eingebaut und somit ein Wasserturm geschaffen werden, wobei das Wasser durch eine mit der Turbine verbundene Pumpanlage durch den Wind aufgetrieben wird. Auf diese Weise können die WassertUrme sich automatisch durch die Windenergie fUllen, was in Meeresnähe, wo praktisch ständig Wind vorhanden ist, von Bedeutung ist.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e

Patentansprüche Turbine zur Umwandlung der Energie eines strömenden Mediums, wie z.B. der Strömungsenergie von Gasen, wie Luft in Form von Wind, oder von flüssigen Medien, wie fließendes Wasser, in elektrische oder mechanische Energie mit höchstem Wirkungsgrad, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere aus etwa tangential auf einem Kreiszylinder oder Kreisring angeordnete Schaufeln (8) gebildete walzenförmige Rotore (1) innerhalb eines aus Leitflächen (10, 11, 12, 14) für den Ein- und Auslaß (9, 10) des Mediums gebildeten Gehäuses derart drehbar angeordnet sind, daß die Leitflächen (10, 11) des Einlasses (9) sich unter- oder oberhalb zum Rotor hin verjungen und etwa in Richtung zweier, einen Winkel miteinander bildender Tangenten oder gekrümmter Flächen zum Umfang des Rotors (1) verlaufen, wobei die eine Leitfläche (11) zur Erzeugung eines Soges hinter dem Rotor (1) und zur Bildung einer sich nach außen öffnenden Auslauffläche (12) gekrümmt verläuft während die andere Leitfläche (10) anschließend den Rotor (1) teilweise umschließt und zur Bildung einer divergierenden Auslaßaffnung in eine nach hinten gekrümmte Fläche (14) ausläuft.
2. Turbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitflächen in Form einer Spirale, einer Hyperbel, einer Parabel, einer Ellipse oder eines Kreises ausgebildet sind und in Richtung von verschiedene Winkel zueinander bildende Tangenten verlaufen.
3. Turbine nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitfläche (11) zur Bildung des Einlasses hinter dem Rotor unter Bildung eines spitzen Winkels (.,) spiralförmig nach außen verläuft und in eine Ausleitfläche (12) übergeht.
4. Turbine nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die andere Weitflache (10) unter Bildung eines spitzen Winkels ( Ar) in ein den Rotor teilweise umschließendes Gewölbe (13) Ubergeht und anschließend unter Bildung eines spitzen Winkels ( A) in die nach außen verlaufende Ausleitfläche (14) Ubergeht.
5. Turbine nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie horizontal auf einer Trägeranordnung (19) befestigt ist.
6. Turbine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie vertikal auf einem Träger oder einem Sockel (20) angeordnet ist.
7. Turbine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Turbinen vertikal auf einem Gerüst oder Unterbau (23) in Windrichtung drehbar angeordnet sind.
8. Turbine nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Rotoren (1) mit Zwischenlagern (17) und Trägern (18) im Innern des aus Leitflächen gebildeten Gehäuses angeordnet sind.
9. Turbine nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß am oberen Teil des Gehäuses Leitflächen (22) zur Einstellung in die Windrichtung vorgesehen sind.
6. Turbine nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitflächen (12, 14) durch Flügel (24, 25) gebildet werden, die in Drehachsen (26, 27) schwenkbar gelagert sind und die mechanisch, hydraulisch, elektrisch, gegebenenfalls elektronisch gesteuert, automatisch in verschiedenen Stellungen entsprechend der Wandstärke einstellbar sind.
11 Turbine nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere horizontal stehende oder waagerecht liegende Turbinen übereinander in einem Träger auf einem Untersatz unter Bildung eines Turmes drehbar angeordnet sind.
12. Turbine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der vom Maschinenteil nicht benötigte Hohlraum des Untersatzes und/ oder des Trägers als Wasserbehälter in Form eines Wasserturms ausgebildet ist, und daß die Turbine mit einer Wasserpumpe in Verbindung steht, welche, gegebenenfalls elektronisch gesteuert, automatisch den Wasserbehälter immer füllt.