DE2535297A1

DE2535297A1 - Verfahren und vorrichtung zur energieerzeugung durch ausnutzung der windkraft

Info

Publication number: DE2535297A1
Application number: DE19752535297
Authority: DE
Inventors: Vladimir Henry Pavlecka
Original assignee: Turbomachines Inc
Current assignee: Turbomachines Inc
Priority date: 1974-08-06
Filing date: 1975-08-05
Publication date: 1976-02-19
Also published as: US4084918A; FR2281508B3; FR2281508A1; GB1512447A; CA1098831A; IT1041149B; JPS5141150A

Description

Meissner & Meissner

PATENTANWALTSB ÜRO

: R L I N — MÜNCHEN

PATENTANWÄLTE

DIPL-ING. W. MEISSNER (BLN) DIPL-ING. P. E. MEISSNER (MCHN) DIPL-ING. H.-J. PRESTING (BLN)

1 BERLIN 33, HERBERTSTR. 22

Ihr Zeichen Ihr Schreiben vom Unser Zeichen Berlin, den - 5· AU·· **· *

Mü-79 LW/st D-5450-WG

Turbomachines, Ine.
17342 Eastman Street
Irvine, Califonia 92 705/USA

Verfahren und Vorrichtung zur Energieerzeugung durch Ausnutzung der Windkraft

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und auf eine Vorrichtung zur Energieerzeugung durch Ausnutzung der Windkraft. Die als "Windmotor" bezeichnete Vorrichtung ist ein Energieumwandlungsgerät, dessen Primärenergie vom Wind geliefert wird. Windmotoren besitzen die einzigartige Eigenschaft, eine Energiequelle zu benutzen, die sowohl frei

als
erhältlich audi unerschöpflich ist.

Bei herkömmlichen Windmotoren wird ein in einem Umgebungsluftstrom angeordneter propellerartiger Rotor verwendet, um die im Luftstrom enthaltene Energie in mechanische Rotationsenergie umzuwandeln. Die auf diese Weise erzielte mechanische Energie kann für verschiedene Zwecke, einschließlich zum Antrieb eines elektrischen Generators, verwendet werden.

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BORO MÖNCHEN:	TELEX:	TELEGRAMM:	TELEFON:	BANKKONTO:	POSTSCHECKKONTO:
8 MÖNCHEN 22	1-85644	INVENTION	BERLIN	BERLINER BANK AQ.	W. MEISSNER, BLN-W
ST. ANNASTR. 11	INVENd	BERLIN	030/885 6037	BERLIN 31	122 82-109
TEL: 089/22 3544			030/886 23 82	3695716000

Zur Erzeugung großer Energiemengen ist es erforderlich, daß ein großer Bereich des Windmotors dem Wind ausgesetzt ist. Windmotore mit Propellerantrieb erweisen sich infolge ihrer relativ großen Abmessungen leider als äußerst unbrauchbar. Zur Vergrößerung der Abmessungen und des dem Wind ausgesetzten Bereichs eines propellerangetriebenen Windmotors ist es beispielsweise erforderlich, den Durchmesser des Propellers zu vergrößern. Bevor ein ausreichend großer Durchmesser zur Erzielung einer ausreichenden Energie erreicht wird, treten einschränkende Faktoren in den Vordergrund, wie etwa die mit einem großen Propeller zusammenhängenden Probleme der Kosten und der Montageteile. Diese Größen- und Kostenfaktoren fallen noch stärker ins Gewicht, wenn der Propeller in einem Leitrad angeordnet werden muß.

Da der Durchmesser des Propellers vergrößert ist, muß die maximale Rotationsgeschwindigkeit vermindert werden. Bei einem Windmotor mit Propellerantrieb muß jedoch die maximale Rotationsgeschwindigkeit ziemlich stark vermindert werden, wenn der Durchmesser des Propellers vergrößert wird. Darüber hinaus ruft ein Propeller an seiner Abstromseite Luftwirbel hervor, was Energieverluste zur Folge hat.

Durch die Erfindung wird ein durch ein strömungsfähiges Medium betätigbarer Motor, wie etwa ein Windmotor, geschaffen, der in großen Abmessungen ausführbar konstruiert werden kann. Darüber hinaus braucht die maximale Rotationsgeschwindigkeit des Windmotors gemäß der Erfindung bei wachsendem Rotordurchmesser nicht so stark vermindert zu werden. Schließlich treten bei den erfindungsgemäßen Windmotoren keine Luftwirbel auf, wie dies bei den bisher bekannten Windmotoren der Fall ist.

Ein Merkmal der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, die Geschwindigkeit eines Umgebungsluftstromes zu erhöhen und hierauf diesen relativ sehr schnellen Luftstrom zum Antrieb einer Turbine zu verwenden. Die Geschwindigkeit des

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Umgebungsluftstroms kann auf unterschiedliche Art und Weise erhöht v/erden, etwa durch Verwendung eines Stators oder einer in geeigneter Weise gestalteten Düse. Ein Vorteil eines Stators besteht in der Tatsache, daß der Stator einen gleichmäßigen Eintrittswinkel und eine gleichbleibende Luftgeschwindigkeit am Einlaß des Rotors ermöglicht. Eine Düse beseitigt andererseits den sogenannten "Staueffekt", sie macht eine hohe Luftgeschwindigkeit am Einlaß des Motors überflüssig und sie verursacht geringere Kosten. Wenn ein Stator verwendet wird, weist dieser mehrere in Strömungsrichtung vor dem Rotor angeordnete Leitschaufeln auf. Einander benachbarte Stator-Leitschaufeln sind derart angeordnet, daß sie Statorkanäle von zunehmend kleiner werdendem Querschnitt bilden. Infolgedessen erhöht sich die Geschwindigkeit eines durch diese Kanäle hindurchströmenden Luftstroms gegenüber der Geschwindigkeit des Umgebungsluftstroms und expandiert die Luft, d. h. der Druck des durch die Kanäle hindurchströmende?} Luftstroms sinkt unter den Druck des Umgebungsluftstroms ab. Die Stator-Leitschaufeln führen auch den mit hoher Geschwindigkeit und niedrigem Druck strömenden Luftstrom dem Rotor zu.

Der Rotor umfaßt mehrere Laufschaufeln, die sowohl für axial als auch für radial über sie hinwegströmende Luft geeignet sind.

Für große Abmessungen sollte ein Rotor mit radial strömender Luft verwendet v/erden. Bei radialer Luftströmung kann der Windmotor eine Form aufweisen, die relativ leicht in großen Abmessungen hergestellt werden kann, wie etwa hohe, im allgemeinen rechtwinklig ausgebildete Körper, die hohen Gebäuden sehr ähnlich sind. Ein weiterer Vorteil dieser Rotorart besteht darin, daß, wenn ihre Größe anwächst, sich ihre maximale Geschwindigkeit relativ langsam vermindert, so daß für relativ große Einheiten die Winkelgeschwindigkeit des Turbinenrotors die Winkelgeschwindigkeit eines propellergetriebenen Rotors von entsprechendem Anströmquerschnitt übersteigen kann.

Ein weiteres Merkmal des radial durchströmten Rotors besteht

darin, daß die Luftführung durch den Rotor bewirkt wird, ohne daß sich der Druck und die relative Geschwindigkeit, d. h. relativ zum Rotor, der durch den Rotor hindurchgehenden Luft wesentlich verändert. Natürlich treten in dem Rotor normale Strömungsverluste auf, doch abgesehen von diesen Verlusten sind der Druck und die relative Geschwindigkeit des in den Rotor eintretenden Luftstroms im wesentlichen identisch mit den Werten des aus dem Rotor austretenden Luftstroms. Die Absolutgeschwindigkeit der durch den Rotor hindurchströmenden Luft sinkt sehr stark ab. Diese Geschwindigkeitsdifferenz wird in Energie umgewandelt.

Dieses Merkmal ist besonders vorteilhaft, wenn die Luft am Einlaß in den Rotor eintritt, durch einen zentralen Bereich des Rotors hindurchströmt und dann aus dem Auslaß des Rotors austritt. Wenn man bei dem radial durchströmten Rotor das Merkmal konstanten Druckes nicht ausnützen würde, müßte man die in den Rotor eintretende oder aus ihm austretende Luft notwendigerweise komprimieren. Die Komprimierung der Luft würde jedoch dem Rotor Energie entziehen.

In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden die Rotorschaufeln in einem Ring um die Rotationsachse des Rotors herum angebracht. Einander benachbarte Rotorschaufeln weisen im allgemeinen in Umfangsrichtung vonein ander einen Abstand auf, der jeweils einen Rotorkanal bildet. Der Rotor weist innerhalb des Ringes der Rotorschaufein einen Hohlraum auf. Auf diese Weise strömt die Luft durch die Rotorschaufeln am Einlaß in den Hohlraum ein und von dort durch die Rotorschaufein am Auslaß. Ein weiteres erfindungswesentlidaes Merkmal besteht darin, daß die Luft im Hohlraum einen Wirbel bildet, der es dem Luftstrom erlaubt, durch den Hohlraum mit minimalen Verlusten hindurchzuströmen.

Mit Hilfe einer die Luft letzlich in die Atmosphäre ablassenden Leitvorrichtung werden die Geschwindigkeit der den Turbinenrotor verlassenden Luft verringert und der Luftdruck erhöht. Gemäß

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der Erfindung wird ein Bereich mit unterhalb des Atmosphärendruckes liegendem Druck unmittelbar an der stromabwärts gelegenen Austrittsöffnung der Leitvorrichtung geschaffen. Auf diese Weise wird der Betrag der Drucknormalisierung in der Leitvorrichtung vermindert, was konsequenterweise zur Folge hat, daß sich die vom Rotor aus dem Luftstrom gewonnene Energiemenge wesentlich erhöht. Der an der Auslaßöffnung der Leitvorrichtung herrschende verminderte Druck ermöglicht die Expansion des Luftstroms im Stator. Wenn der Druck an der Auslaßöffnung der Leitvorrichtung nicht unterhalb des Umgebungsdruckes vermindert würde, wurden die Rotoren nicht in zufriedenstellender Weise arbeiten. Dieser verminderte Druck wird teilweise durch Ausnutzung des Effekts einer flachen Platte erzeugt, indem in dem Luftstrom ein Hindernis angeordnet wird. Mit anderen Worten, die Anordnung eines Körpers in einem Luftstrom führt von Natur aus dazu, daß sich an der stromabwärts gelegenen Seite des Körpers Wirbel bilden, was eine druckvermindernde Wirkung hat. Darüber hinaus können die äußeren Flächen des Windmotors·derart ausgebildet werden, daß sie zu ihrem hinteren Ende hin, d. h. zu der Auslaßöffnung der Leitvorrichtung hin, divergieren. Dadurch wird die Windgeschwindigkeit außerhalb der Leitvorrichtung beschleunigt, was zu weiterer Druckverminderung der nahe der Auslaßöffnung der Leitvorrichtung befindlichen Luft führte Auf diese Weise wird gemäß der Erfindung die außerhalb der Turbine befindliche Luft, d. h. der entlang der divergierenden Flächen des Windmotors vorbeiströmende Luftstrom, dazu verwendet, Energie zu erzeugen.

Der Druck an der Auslaßöffnung der Leitvorrichtung kann weiter dadurch vermindert werden, daß man an einer oder mehreren Seiten des Windmotors eine konvergierende Düse verwendet. Wegen des von den divergierenden Seitenflächen des Windmotors herrührenden verminderten Druckes herrscht bereits an der Auslaßöffnung der Leitvorrichtung ein etwas verminderter Druck. Infolgedessen dient eine konvergierende Düse dazu, den sich durch sie hindurch bewegenden Luftstrom

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zu beschleunigen und dadurch die Druckverminderung an der Auslaßöffnung der Leitvorrichtung zu erhöhen.

Zur Erzielung optimaler Ergebnisse sollte noch ein Einlaßkanal vorgesehen v/erden. Der Einlaßkanal öffnet sich zur Windströmung und leitet die Luft dem Stator zu. Ein Vorteil des Einlaßkanals besteht darin, daß er die EinlaßVerluste verringert. Falls dies gewünscht sein sollte, kann der Einlaßkanal nahe der Turbine darüber hinaus konvergierend ausgebildet sein, um in ihm die Luftgeschwindigkeit zu erhöhen und den Luftdruck zu verrirrern. Obwohl der Einlaßkanal diese wünschenswerten Ergebnisse hervorruft, ist er nicht von großer Bedeutung, insbesondere bei Rotoren von großem Durchmesser. Der strömungsmitteldynamische Vorgang vor Eintritt der Luft in den Rotor erfordert es, daß der Wind im Stator expandiert wird. Im Einlaßkanal wird der Wind unvermeidbar vermindert, v/obei der Winddruck erhöht wird. Dies ist die sehr gut bekannte "Stauwirkung". Zur Expansion des Windes auf die gewünschte Geschwindigkeit für den Eintritt in den Rotor wäre ein langer Einlaßkanal in Form einer Düse erforderlich. Gerade dann würde der expandierte Wind nicht die für den Rotor geeignete Vektorrichtung aufweisen ( mit Ausnahme im Bereich entlang des Rotorumfangs).

Daher expandiert der Stator nicht nur den Wind für den Rotor auf eine gleichmäßige Anströmgeschwindigkeit, sondern er bringt auch die expandierte Windströinung in eine gleichmäßige Vektorform entlang der Länge des Eintrittsegments. Im Falle eines großen Rotordurchmessers ist die Krümmung dieses Eintrittstatorsegments klein und die Windströmung findet ihren geeigneten Weg in die Vorrichtung, ohne daß sie dabei irgendeinen langen Kanal durchqueren muß. Rotoren mit kleinem Durchmesser weisen starke Krümmungen auf. Der Einlaßkanal trägt mit dazu bei, daß die Windströmung an allen Stellen des Eintrittsegmentes in den Stator gelangt.

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Der Windmotor weist ein die Turbine tragendes Gehäuse auf. Das Gehäuse ist um eine im allgemeinen vertikal schwenkbare Achse schwenkbar befestigt. Eine auf die Windrichtung ansprechende Einrichtung verstellt die Stellung des Gehäuses urn dessen schwenkbare Achse derart, daß sich das JEinlaßende des Gehäuses in Windrichtung befindet. Durch Verwendung eines radial durchströmbaren Turbinenrotors braucht das Gehäuse querschnittlich nicht kreisförmig ausgebildet zu sein. Das Gehäuse kann vielmehr als hohe, gebäudeähnliche vertikale Säule ausgebildet sein, wobei die Achse des Rotors im allgemeinen vertikal und quer zur Windrichtung angeordnet ist. Das Gehäuse kann andererseits auch eine lange horizontale Abmessung und das Aussehen eines Gebäudes mit niedrigem Profil aufweisen. In diesem Falle verläuft die Rotorachse horizontal, jedoch quer zur Windrichtung.

Der radial durchströmte Rotor kann lang und schlank ausgebildet sein. Dies gewährt eine einzigartige Gelegenheit zur Unterbringung einer Vielzahl von Rotoren in ein und demselben Gehäuse. Wenn dies der Fall ist, können die Rotorachsen parallel ausgerichtet und die Rotoren zueinander gegenläufig rotierend angeordnet werden, um von den Rotoren die Energieentnahme zu erleichtern bzw. zu ermöglichen.

Ein weiterer Vorteil von Zwillingsrotoren gegenüber einem größeren Einzelrotor für den gleichen Eintrittsquerschnitt besteht darin, daß die Rotationsgeschwindigkeit von Zwillingsrotoren höher ist, als die eines größeren Einzelrotors.

Ein Merkmal des radial durchströmten Rotors ist die Art und Weise, in der die im wesentlichen konstante relative Luftgeschwindigkeit aufrechterhalten wird, wenn die Luft durch die Rotorkanäle, d. h. durch den Raum zwischen zwei benachbarten Rotorschaufeln strömt. Wenn diese Kanäle konstante Breite aufweisen würden, würde die Luft expandieren, wenn die durch die Rotorkanäle in den Rotor eintritt und würde

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komprimiert, wenn sie den Rotor durch die Rotorkanäle verläßt. Die Kompression der Luft hätte einen Energieverlust zur Folge. Zur Überwindung dieses Nachteils sind die Rotorkanäle derart ausgebildet, daß ihre Querschnittsfläche in der Nähe des inneren Radialumfangs größer ist als in der Nähe des äußeren Radialumfangs.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfaßt ferner das Konzept, bei dem an Stelle einer radial durchströmten Turbine eine axial durchströmte Turbine verwendet wird. Die Axialturbine wird insbesondere für kleinere Größen bevorzugt. Die Axialturbine weist eine hohe spezifische Geschwindigkeit auf. Es treten auch keine Luftwirbel auf, welche in Strömungsrichtung hinter einem Rotor mit Propellerantrieb charakteristisch sind. Bei der Axialturbine expandieren ungefähr 50 % der Luft im Stator und weitere 50 °/o im Rotor der Turbine.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile ergeben sich aus nachfolgender Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung sowie aus der in der Anlage beigefügten Zeichnung.

Hierbei zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Windmotors gemäß der Erfindung;

Fig. 2 eine vergrößerte Schnittansicht nach Linie 2 - 2 in Fig. 1;

Fig. 3 eine vergrößerte Schnittansicht mit einer Darstellung der Ausbildung eines Rotorkanals;

Fig. 4 eine schematische Ansicht der Vorrichtung, welche die Veränderung des Druckes und der absoluten Geschwindigkeit des Luftstroms zeigt, wenn sich der Luftstrom durch die Windmaschine hindurchbewegt;

Fig. 5 eine Teilansicht des unteren Teils des Windmotors, die die Energieabnahme von den Rotoren zeigt;

Fig. 6 eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Windmotors;

Fig. 7 eine perspektivische Ansicht einer dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Windmotors;

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Fig. 8 eine der Fig. 2 entsprechende vergrößerte Schnittansicht eines Windmotors, bei dem zur Expansion des Luftstroms an Stelle eines Stators eine Düse verwendet wird;

Fig. 9 eine teilweise geschnittene Draufsicht auf einen axial durchströmten Windmotor gemäß der Erfindung und

Fig. 10 eine vergrößerte Schnittansicht nach Linie 10-10 in Fig. 9, die die Rotor- und Statorschaufein zeigt.

Fig. 1 zeigt einen Windmotor 11, der ein auf einer Basis bzw. auf einem Sockel 15 befestigtes Gehäuse 13 aufweist. Der Windmotor 11 kann von beliebiger Größe sein. Insbesondere ist er jedoch besonders geeignet, wenn er große Abmessungen aufweist. Die Basis 15 ist in geeigneter Weise an einer Traganordnung befestigt. Beispielsweise kann siß auf einem entsprechenden, in die Erde eingebetteten Fundament montiert sein. Gemäß den Fig. 1 und 2 weist das Gehäuse 13 drei Einlaßöffnungen 17, 19 und 21 sowie drei Auslaßöffnungen 23, 25, 27 auf. Jede der Öffnungen 17, 19, 21, 23, 25 und 27 ist rechteckig ausgebildet, wobei ihre Längsachse sich in vertikaler Richtung erstreckt.

Das Gehäuse 13 weist gemäß Fig. 2 entgegengesetzt angeordnete äußere Seitenflächen 29 und 31 auf, die vom vorderen oder Einlaßende das Gehäuses 13 zum rückwärtigen oder Auslaßende des Gehäuses 13 hin divergieren. Das Gehäuse 13 weist eine obere Fläche 33 auf, die horizontal angeordnet sein kann. Ein kanalähnliches Element 35 wirkt zur Bildung einer Düse 37 mit der oberen Fläche 33 des Gehäuses 13 zusammen. Die Düse 37 weist einen rechteckigen Einlaß 39 auf, der gegenüber den Einlassen 17, 19 und 21 beträchtlich nach hinten versetzt angeordnet ist. Ferner weist die Düse 37 einen rechteckigen Auslaß 41 auf, der mit den Auslässen 23, 25, und 27 im wesentlichen in einer Ebene angeordnet ist. Wie in Fig. 1 dargestellt, verlaufen die Längsachsen des Einlasses 39 und des Auslasses 41 in horizontaler Richtung. Die Düse 37 ist eine konvergierende Düse, die ihren kleinsten

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Querschnitt am Auslaß 41 hat. Eine der Düse 37 ähnliche Düse kann auch an der Bodenwand des Gehäuses 13 vorgesehen sein, falls dies erwünscht sein sollte.

Hit Ausnahme der Divergenz der Seitenflächen 29 und 31 ist das Gehäuse 13 im wesentlichen ein quaderförmiger Körper. Die Divergenz der Seitenwände 29 und 31 ist ,jedoch nicht so beträchtlich, daß dies das im wesentlichen rechtwinklige Aussehen des Gehäuses 13 in augenfälliger Weise beeinträchtigt, Es wird besonders hervorgehoben, daß das Gehäuse 13 in sehr großen Abmessungen hergestellt werden und das Aussehen eines hohen Gebäudes erhalten kann. Als solches ist es relativ leicht herzustellen und erhält dabei ein Aussehen, das keine ästhetische Beeinträchtigung darstellt.

Es ist eine Einrichtung vorgesehen, die auf die Einlasse 17, 19 und 21 derart einwirkt, daß sich letztere zur Windrichtung hin einstellen. Eine derartige Einrichtung kann verschiedene unterschiedliche Formen aufweisen. In der in Fig. 5 dargestellten Ausführungsform weist die Basis 15 ein

es
permanent ortsfest/,—etwa an einem E'undament befestigtes Teil 40 sowie ein am Gehäuse 13 angebrachtes Teil 40' auf. Ein zwischen den Teilen 40 und 40' angeordnetes Lager 44 versetzt das Teil 40' in die Lage, um eine vertikale Drehachse 42 herum relativ zum Teil 40 zu rotieren, wie Fig. 2 zeigt. Selbstverständlich könnte auch eine andere Einrichtung für die Befestigung des Gehäuses 13 verwendet werden, um das Gehäuse 13 um eine im wesentlichen vertikal angeordnete Drehachse herum drehen zu können.

An den Seitenflächen 29 und 31 sind gemäß den Fig. 1 und 2 Sensoren 43 zur Ermittlung des statischen Druckes angeordnet=, Die mit Hilfe der an den entgegengesetzten Seiten des Gehäuses 13 angeordneten Sensoren 43 ermittelten statischen Drücke werden einer Kontroll- bzw. Steuereinrichtung 45 gemeldet. Die auf einen unterschiedlichen Druck ansprechende Kontrolleinrichtung 45 löst eine Bremse 47 und erregt einen umsteuer-

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baren Motor 49, der das Gehäuse in die entsprechende Richtung dreht, bis der mit Hilfe der Sensoren 43 ermittelte statische Druck ausgeglichen ist. Dann schaltet die Kontrolleinrichtung den Motor 49 ab und betätigt die Bremse 47, so daß das Gehäuse 13 in einer Stellung gehalten wird, in der die Einlasse 17,'19 und 21 direkt in Windrichtung gerichtet sind. Natürlich können auch andere Techniken zur Ausrichtung des Gehäuses 13 in Windrichtung verwendet werden.

Im Gehäuse 13 sind zwei Turbinen 51 und 53 angebracht. Die Turbinen 51 und 53 sind in der dargestellten Ausführungsform identisch ausgebildet mit der Ausnahme, daß ihre Drehrichtungen entgegengesetzt sind. Infolgedessen wird nur die Turbine 51 nachfolgend eingehender erläutert, wobei entsprechende Bezugsziffern verwendet werden, um übereinstimmende Teile der Turbine 53 zu bezeichnen.

Das Gehäuse 13 bildet für jede der Turbinen 51 und 53 einen übereinstimmend ausgebildeten Einlaßkanal 55. Jeder der Einlaßkanäle 55 weist eine von den Einlaßöffnungen 17 bzw«. 21 zu den Turbinen 51 bis 53 verlaufende Einlaßstrecke 57 auf. Der Hauptzweck der Einlaßkanäle 55 besteht darin, die LüfteintrittsVerluste zu reduzieren. Die Einlaßstrecke 57 kann jedoch zur Turbine 51 hin konvergierend ausgebildet sein, um die Luftgeschwindigkeit etwas zu vergrößern und den Luftdruck etwas zu vermindern.

Die Turbine 51 weist einen Stator 59 mit mehreren Leitschaufeln 61 auf. Einander benachbarte Stator-Leitschaufeln 61 sind in Umfangsrichtung mit Abstand angeordnet, um zwischen sich Statorkanäle 63 zu bilden. Die Statorkanäle 63 weisen einen sich zu ihrem stromabwärts gelegenen Ende hin vermindernden Querschnitt auf. Dies versetzt den Stator 59 in die Lage, seine Hauptfunktion zu erfüllen, nämlich den ihn durchströmenden Luftstrom zu expandieren und dessen absolute Geschwindigkeit zu beschleunigen. Der Betrag, um den die Luftgeschwindigkeit erhöht wird, kann von dem im Stand der Technik bewanderten Fachmann variiert werden. Beispielsweise kann die Geschwin-

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digkeit der Umgebungsluft um den Faktor 1,8 erhöht werden.

Dir Turbine 51 v/eist auch einen Rotor 65 auf. Der Stator und der Rotor 65 verlaufen in axialer Richtung über die im wesentlichen gesamte Höhe des Gehäuses 13. Jede der Stator-Leitschaufeln 61 kann sich kontinuierlich über die gesamte Höhe des Stators erstrecken. Die Stator-Leitschaufeln 61 können jedoch auch aus mehreren einzelnen Sektionen hergestellt sein. Auf jeden"Pall sollte jede der Stator-Leitschaufeln 61 zur Verhinderung von Vibrationen und Biegungsausschlägen in geeigneter Weise befestigt sein.

Der Rotor 65 ist um eine vertikale Rotationsachse 67 herum drehbar angeordnet. Der Rotor 65 weist mehrere um eine zentrale Rotorwelle 71 herum in einem Ring angeordnete Laufschaufeln 69 auf.Innerhalb des Rings der Laufschaufeln 69 weist der Rotor 65 einen Hohlraum 73 auf.

Sowohl der Stator 59 als auch der Rotor 65 sind in Fig. 2 schematisch dargestellt, wobei deren Schaufeln in an sich bekannter Weise angebracht bzw. befestigt sind. Beispielsweise können die Rotor-Laufschaufeln 69 an Scheiben befestigt sein, die wiederum an der zentralen Rotorwelle 71 angebracht sind. Jede der Rotor-Laufschaufeln 69 kann sich über die volle Höhe des Rotors 65 erstrecken. Alternativ hierzu kann jede oder einige der Rotor-Laufschaufeln 69 auch aus mehreren einzelnen Sektionen hergestellt sein. Auf jeden FaIlmüssen die Laufschaufeln 69 zur Vermeidung von Vibrationen und Biegeausschlägen in geeigneter Weise befestigt sein.

Benachbarte Rotor-Laufschaufeln 69 sind in Umfangsrichtung mit Abstand angeordnet, um zwischen sich Rotorkanäle 75 zu bilden. Die Rotorkanäle 75 sind derart bemessen, daß in ihnen keine wesentliche Veränderung des Druckes oder der Relativgeschwindigkeit der sie durchströmenden Luft festzustellen ist. Tatsächlich ist bei Betrieb ein geringer Druckverlust der durch die Rotorkanäle 75 hindurchströmenden Luft

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festzustellen. Beispielsweise kann die Relativgeschwindigkeit des die Rotorkanäle 75 verlassenden Luftstroms am Einlaß 81 zum Rotor 65 97,8 % der Relativgeschwindigkeit der in diese Kanäle am Einlaß eintretenden Luft betragen.

Zur Aufrechterhaltung einer im wesentlichen konstanten relativen Geschwindigkeit der durch die Rotorkanäle 75 hindurchströmenden Luft ist es erforderlich, daß der Querschnitt der Kanäle 75 sich radial einwärts vergrößert. Fig. 3 zeigt zwei benachbarte Rotor-Laufschaufeln 69, die zwischen sich einen der Rotorkanäle 75 bilden. Der in Fig. 3 dargestellte Kanal 75 weist einen sich radial nach außen öffnenden Durchlaß 77 und einen sich radial einwärts öffnenden Durchlaß 79 auf. Die Bezugslinie h,. verläuft vom radial äußeren Ende einer der Laufschaufeln 69 zur anderen Laufschaufel 69. In gleicher Weise verläuft die Bezugslinie hp vom radial inneren Ende einer der Laufschaufeln 69 zur anderen Laufschaufel 69. Die Linien h.. und hp verlaufen in allen Bereichen des sie passierenden Luftstroms jeweils senkrecht. Diese Linien sind nahezu geradlinig, jedoch leicht nach links ausgebaucht, wie aus Fig. 3 zu ersehen ist. Ähnliche Linien können an Stellen zwischen den Linien h^ und hp gezeichnet werden. Damit die Luft durch die Kanäle 75 mit konstanter Geschwindigkeit hindurchströmt, ist es erforderlich, daß tu größer als h. ausgebildet ist,und daß jede bezüglich der Linie h^ radial innerhalb angeordnete Linie h größer ist als Linie h..

Insbesondere kann gezeigt werden, daß die Relativgeschv/indigkeit der durch den Rotorkanal 75 hindurchströmenden Luft umgekehrt proportional ist dem Radialabstand zwischen der Rotationsachse 67 und dem Außenumfang der Mitte der Linie W... Somit läßt sich folgende Beziehung aufstellen ¥«. = ^¥2^R2 ; ¥.

I Γ) '

R₁

stellt die Luftgeschwindigkeit in bezug auf den Rotor am radial äußeren Durchlaß 77 dar, während W₂ die Luftgeschwindigkeit in bezug auf den Rotor am radial inneren Durchlaß 79 darstellt. R,. bzw. R₂ sind die Radialabstände zwischen der Achse 67 und dem Außen- bzw. Innenumfang der Mitten der Linie h₁ bzw. h₂. Demzufolge würde, falls die Rotorkanäle 75 über

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ihre gesamte Länge querschnittlich mit gleichbleibenden Abmessungen versehen wären, die Veränderung des Radius zur Folge haben, daß die Luft expandiert, wenn sie durch die Rotorkanäle 75 in den Rotor eintritt und andererseits komprimiert wird, wenn sie die Rotorkaskade verläßt. Um dies zu vermeiden, d. h., um zu erreichen, daß VL = W₂, ist es erforderlich, den Zwischenraum oder Abstand h zwischen zwei benachbarten Rotor-Laufschaufeln 69 so zu bemessen, daß folgende Formel gilt: R-I h * — Rphp.

Die Stator-Leitschaufeln 61 führen den einströmenden Luftstrom den Rotor-Laufschaufeln 69 am Einlaß 81 des Rotors 65 zu. Der Rotoreinlaß 81 ist in Umfangsrichtung relativ lang ausgebildet und kann beispielsweise bis zu 140 überdecken. Die auf die Rotor-Laufschaufeln 69 wirkende Luft versetzt den Rotor 65 gemäß Fig. 2 im Uhrzeigersinn in Drehung. Ein geringer Teil der Luft verbleibt in den Rotorkanälen 75, wenn sich der Rotor dreht. Der größte Teil der Luft strömt jedoch in den Hohlraum 73 ein und gelangt dann durch die Rotorkanäle 75 zum Rotorauslaß 83. Der Auslaß 83 kann in Umfangsrichtung ebenfalls einen Bereich von beispielsweise bis zu 140 überdecken. Die Luft innerhalb des Hohlraums 73 erzeugt von Natur aus einen Wirbel 84, der eigentlich als Kugel (ball bearing) dient, um die Verluste kleinzuhalten.

Die den Rotor am Auslaß 83 verlassende Luft gelangt in einen Kanal oder Diffusor 85. Der dem Einlaßkanal 55 ähnelnde Diffusor 85 kann integral (einstückig) mit dem Gehäuse 13 oder als separates Teil ausgebildet und im Gehäuse befestigt sein. Der Diffusor 85 weist einen zum Auslaß 23 hin divergierenden Durchlaß 87 auf. Der Diffusor 85 weist eine vertikale Leiteinrichtung (vane) 88 auf, die die Dicke der Grenzschicht entlang der benachbarten Seite des Durchlasses 87 vermindert. Außerdem ist ein identisch ausgebildeter Diffusor 85 vorgesehen, um die aus dem Rotor 65 der Turbine 53 strömende Luft aufzunehmen. Der Diffusor 85 dient dem Zweck, die Geschwindigkeit der Luft zu vermindern und den statischen Druck der Luft zu erhöhen, so daß sie die Luftgeschwindigkeit und den Luftdruck in etwa

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erreichen, welche unmittelbar nach (downstream) dem Auslaß 23 herrschen, Wie nachfolgend erwähnt, ist dieser Druck geringer als der Umgebungsdruck.

Wie in Fig. 2 dargestellt, v/eist das Gehäuse 13 einen zentralen Durchlaß 89 auf, der sich vorn Einlaß 19 zum Auslaß 25 hin erstreckt. Der Durchlaß 89 verengt sich zum Auslaß 25 hin, wodurch die Geschwindigkeit der ihn durchströmenden Luft erhöht wird. Der Durchlaß 89 kann sich in vertikaler Richtung über die gesamte Länge der Rotoren 51 und 53 hin erstrecken. Dies hat weiterhin zur B'olge, daß der Luftdruck in Strömungsrichtung genau hinter den Auslassen 23 und 27 vermindert wird. Diese Besonderheit kann wahlweise vorgesehen sein und findet insbesondere bei Windmotoren von geringer Höhe Anwendung.

Die Betriebsweise des Windmotors 11 kann am besten an Hand der Bⁿig. 4 dargestellt werden. Der Umgebungsluftstrorn mit dem Druck p^ und der Absolutgeschwindigkeit C.. tritt in den Einlaß 17 ein und strömt durch die Einlaßstrecke 57 zum Stator 59. Währenddessen erhöht sich infolge des Staueffekts der Druck des Umgebungsluftstroms von p^ auf p₂ und die Absolutgeschwindigkeit sinkt auf Cp ab„ Selbst-wenn sich die Einlaßstrecke 57 zum Stator 59 hin leicht verengt, besteht die Nutzwirkung somit darin, daß sich der Druck von p.» auf pp leicht erhöht. Der Luftstrom passiert dann den Stator 59 und wird dabei auf einen v/es entlich geringeren Druck p^ expandiert und auf eine bezüglich der Geschwindigkeit C. höhere Absolutgeschwindigkeit C^ beschleunigt. Die Stator-Leitschaufeln 61 führen den expandierten Luftstrom den Laufschaufeln 69 des Rotors 65 zu, um diesen in Drehung zu versetzen. Der größte Teil der Luft strömt in radialer Richtung durch die Rotorkanäle 75, in den Hohlraum 73 und dann durch die Rotorkanäle 75 am Auslaß 83 in radialer Richtung nach außen. Eine kleine Luftmenge wird in den Rotorkanälen 75 vom Rotoreinlaß 81 zum Rotorauslaß 83 transportiert.

Wie in Fig. 4 dargestellt ist, weist der den Rotor 65 verlassen-

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de Luftstrom t-inen Druck p. und eine Absolutgeschwindigkeit C/ auf. Der Druck p. entspricht im wesentlichen dem Druck p,. Die Geschwindigkeit C^ ist Jedoch wesentlich kleiner als die Geschwindigkeit C, infolge der Tatsache, daß der Rotor 65 dem Luftstrom Energie entzogen hat. Somit entspricht der Betrag der dem Luftstrom entzogenen Energie einer Funktion der Geschwindigkeit C* minus Geschwindigkeit C^ . Die Luft strömt dann durch die divergierende Strecke 87 des Diffusors 85, wodurch der Luftdruck auf einen Druck p,- erhöht und die Absolutgeschwindigkeit auf Ct- verlangsamt wird. Der Druck p,-ist geringer als der Umgebungsdruck p.,. Der Druck p^ entspricht in etwa dem Druck, der in Strömungsrichtung unmittelbar hinter dem Auslaß 23 herrscht. Wie oben erläutert, ist der Druck P₁- kleiner als der Umgebungsdruck p.., und zwar wegen der divergierenden Seitenflächen 29 und 31, dem konvergierenden zentralen Durchlaß 09, der Düse 37 und wegen der natürlichen Eigenschaft eines in einem Windstrom angeordneten Körpers, einen Druck an der stromabwärts gelegenen Seite zu erzeugen, der kleiner als der Atmosphärendruck ist.

Die Turbinen 51 und 53 können zum Antrieb verschiedener Arten von Arbeitsmaschinen verwendet werden. In der in Fig. 5 dargestellten Ausführungsform wirken sie zum Antrieb eines Generators 91 zusammen. Die zentrale Welle 71 der Turbinen 51 und 53 drehen gegenläufig und treiben Kegelräder 93 in entgegengesetzten Richtungen an. Die Kegelräder 93 treiben wiederum an entgegengesetzten Seiten des Generators 91 angeordnete Zahnräder 95 an, und zwar in der gleichen Drehrichtung. Die Kegelräder 93 können, falls dies gewünscht sein sollte, an Wellen 97 angebracht sein, welche ihrerseits in an einem Halteträger 99 befestigten Lagern gelagert sind«

Fig. 6 zeigt den bezüglich des Windmotors 11 in jeder Hinsicht identisch ausgebildeten und daher hier nicht eigens dargestellten oder beschriebenen Windmotor 11a. Teile des Windmotors 11a, die den Teilen des Windmotors 11 entsprechend ausgebildet sind, sind durch gleiche Bezugsziffern bezeichnet,

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2 b 3 5 2 9 ?

an die lediglich der Buchstabe "aⁿ angehängt ist. Ein Unterschied besteht darin, daß der Windmotor 11a auf seine Seite umgelegt ist, so daß er eine relativ niedrige Höhe aufweist. Der Windmotor 11a kann beispielsweise dort verwendet werden , wo die Windgeschwindigkeiten normalerweise relativ hoch sind, wie etwa auf dem Dach eines Gebäudes oder/einem Berg. In diesen Fällen ist es nicht erforderlich, daß sich der Windmotor in vertikaler Richtung erstreckt, um Luftströme höherer Geschwindigkeit zu erreichen. Der Windmotor 11a weist ein Gehäuse 13a auf, das an einer Basis 15a um eine vertikale Drehachse herum drehbar befestigt ist. Der Windmotor 11a weist nur einen einzigen Rotor 51a auf. Der Windmotor 11a ist von der vorn Windmotor 11 eingenommenen Lage um 90° gedreht, so daß die Längsachse des Einlasses 17a sich wie die Rotationsachse des Turbinenrotors 65a in horizontaler Richtung erstreckt. Bei dem Windmotor 11a ist die Fläche 29a die Kopfoder obere Fläche. Alle entgegengesetzt angeordneten äußeren Flächen des Gehäuses 13a divergieren zu dessen rückwärtigem Ende hin. Die Düse 37 ist beim Windmotor 11a nicht vorhanden. Am rückwärtigen Ende der Fläche 29a und nach oben ragend sind zwei Leiteinrichtungen (fins) 101 befestigt. Die Leiteinrichtungen 101 lassen den Windmotor 11a als "Wetterfahne" (weather vane) wirken, so daß er auf den entgegenströmenden Wind ausgerichtet ist. An den entgegengesetzten Enden des Windmotors 11a sind langgestreckte Düsen 35a vorgesehen. Nahe der Enden des Rotors kann von dessen Turbine 51a mit Hilfe eines Gerätes 102, das ein Zahnradgetriebe und einen Generator aufweisen kann, Energie entnommen werden.

Fig. 7 zeigt einen Windmotor 11b, der T-förmig angeordnete Windmotorteile 103 und 105 aufweist. Der Windmotorteil 103 ist identisch ausgebildet v/ie der Windmotor 11, jedoch mit der Ausnahme, daß nur eine Turbine verwendet wird. Die Teile des Windmotors 11, die denen des Windmotorteils 103 entsprechen, sind beim Windmotorteil 103 mit entsprechenden Bezugsziffern bezeichnet, an die lediglich der Buchstabe "b" angehängt ist.

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Der Windmotorteil 105 ist im wesentlichen identisch ausgebildet, wie der Windmotor 11a, jedoch mit der Ausnahme, daß nur eine Leiteinrichtung 107 an Stelle der Leiteinrichtungen

ist
101 vorgesehen/und daß die Düsen 35b kurzer ausgebildet sind, als die Düsen 35a. Die mit den entsprechenden Teilen des Windmotors 11a übereinstimmenden Teile des Windmotorteils 105 sind mit entsprechenden Bezugsziffern gekennzeichnet, an die der Buchstabe "b" angehängt ist. Die Achsen der Teile 103 und 105 verlaufen vertikal bzw. horizontal. Jeder der Windmotorteile 103 und 105 können separate Energieentnahmestellen aufweisen, welche separate Generatoren antreiben. L'in Vorteil dieser Konstruktionsweise besteht darin, daß sie einen ganzen Windmotorteil in großer Höhe anordnet, wo mit großer Wahrscheinlichkeit größere Windgeschwindigkeiten herrschen.

Fig. S zeigt einen Windmotor 11c, der bezüglich des Windmotors 11 in jeder Hinsicht im wesentlichen identisch ausgebildet und daher hier nicht näher erläutert ist. Die Teile des Windmotors 11c, die mit den Teilen des Windmotors 11 übereinstimmen, sind mit entsprechenden, mit einem Buchstaben "c" versehenen Bezugszeichen gekennzeichnet.

Der Hauptunterschied zwischen dem Windmotor 11c und dem Windmotor 11 besteht darin, daß der erstere an Stelle eines Stators eine Einlaßstrecke 57c verwendet, die die Form einer sich verengenden Düse aufweist. Die konvergierende bzw. sich verengende Einlaßstrecke 57c expandiert die Luft auf einen geringeren Druck und erhöht die Luftgeschwindigkeit. Die Abhängigkeiten zwischen Druck und Geschwindigkeit an verschiedenen Stellen innerhalb des Windmotors 11c sind im wesentlichen in Fig. 4 dargestellt, mit der Ausnahme, daß die Expansion in der Einlaßstrecke 57c nicht so stärkt ist, wie in einem Stator, jedoch ausreichend genug, um die vom Wind erzielbare Nutzenergie vollständig umzuwandeln. Der Windmotor 11c weist zwei Turbinen 51c und 53 c auf. Die Einzeleinlaßstrecke 57c dient beiden Turbinen gemeinsam.

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" ¹⁰ " 2S35297

Die Turbinen 51c und 53c weisen identisch ausgebildete Rotoren 65c auf. Jeder der Rotoren 65c weist einen Einlaß 81c auf, der bezüglich des entsprechenden Rotoreinlasses 81 des in Fig. 2 dargestellten Windmotors 11 einwärts gedreht ist. Jeder der Rotoreinlässe 81c ist an einem Ende von einer nach innen gekrümraten Wand 113 der Einlaßstrecke 57o und am anderen Ende von einem .mittig zwischei/den beiden Rotoren angeordneten Körper 115 begrenzt. Der mittig angeordnete Körper 115 weist keinen dem Durchla.ß 89 gemäß Fig. 2 entsprechenden, ihn durchsetzenden Durchlaß auf.

Der mittig angeordnete bzv/. zentrale Körper 115 v/eist Flächen 117 auf, die derart gekrümmt sind, daß sie den größtmöglichen Luftstrom den Rotoren 65c zuführen. Hit den Flächen 113 der Einlaßstrecke 57c und den Flächen 117 des zentralen Körpers 115 ist es möglich, ein Strömungsfeld mit niedrigen Energieverlust zu erzielen, das darüber hinaus vernünftigerweise einen gleichmäßigen Eintrittswinkel zu den Rotoren 65c bildet. Die in Fig. 8 dargestellten, zur Luftströmungsrichtung senkrecht angeordneten Potentiallinien 119 verbinden die Stellen miteinander, an denen die Luftgeschwindigkeit gleichgroß ist. !Jährend der Bewegung der Luft durch die Einlaß strecke 57c steigt die Strömungsgeschwindigkeit der Luft an.

Jeder der Rotoren©c kann so ausgebildet sein, wie die Motoren 65. Mit Ausnahme der Anordnung der Rotoreinlässe 81c kann die Luftströmung durch die Rotoren 65c bezüglich der Luftströmung durch die Rotoren 65 identisch sein. Die Luft verläßt die Rotoren 65c an den Rotorauslässen 83c und strömt von dort in einen mit einem divergierenden Durchlaß 87c versehenen gemeinsamen Diffusor 85c. Der Diffusor 85c funktioniert in der gleichen Art und Weise, wie dies bei dem vorstehend erläuterten Diffusor 85 der Fall ist. Der Windmotor 11c kann in verschiede nen unterschiedlichen Anordnungen verwendet v/erden, wie sie in den Fig. 1, 6 und 7 dargestellt sind.

Die Fig. 9 und 19 zeigen einen axial durchströmten Windmotor

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11d. Die den Teilen des Windmotors 11 entsprechenden Teile des Windmotors 11d sind mit entsprechenden, mit dem Buchstaben "d" versehenen Bezugsziffern gekennzeichnet.

Der Hauptunterschied zwischen dem Motor 11d und dem Windmotor 11 besteht darin, daß beim ersteren die Luft in axialer Richtung und nicht in radialer Richtung strömt. Darüber hinaus expandiert die Luft während des Durchströmens sowohl durch den Stator als auch durch den Rotor. Schließlich ist der Windmotor 11d im wesentlichen zylindrisch ausgebildet,mit der Ausnahme seiner Befestigungsteile.

einer Der Windmotor 11 d \veist ein mit kreisförmigen Einlaßöffnung 17d und einer kreisförmigen Auslaßöffnung 23d versehenes Gehäuse 13d auf. Das Gehäuse 13d ist im allgemeinen zylindrisch, ,jedoch zu seinem Auslaß 23d hin divergierend ausgebildet.

Der Windmotor 11d umfaßt eine Basis 15d, die ein festes Teil 4Od und ein bewegbares oder Spindelteil 40'd aufweist, welch letzteres am Teil 4Od mit Hilfe von Lagern 44d drehbar angeordnet ist. Hierdurch ist das Gehäuse 13d um eine vertikale Drehachse herum drehbar gelagert. Die vertikale Drehachse ist bezüglich des Gehäuses 13d weit genug vorne angeordnet, so daß der Windmotor 11d als "Wetterfahne" wirkt und die Einlaßöffnung 17d direkt in den Wind dreht.

Ein stromlinienförmig ausgebildeter Mittelkörper 121 ist zum Gehäuse 13d konzentrisch angeordnet und wirkt mit dem Gehäuse derart zusammen, daß er einen durch das Gehäuse 13d verlaufenden ringförmigen Durchlaß bildet. Dieser ringförmige Durchlaß weist eine sich in Strömungsrichtung verengende Einlaßstrecke 57d auf. Obwohl die Konvergenz der Einlaßstrecke 57d die Expansion der Luft zur Folge hat, wird durch den Staueffekt der Luftdruck vergrößert und die Geschwindigkeit der die Einlaßstrecke 57d durchströmenden Luft verringert, und zwar in der gleichen Weise, wie dies in Fig. 4 dargestellt ist.

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Im Gehäuse I3d ist s_':ie einen Stator 59d und einen Rotor 65d aufweisende Turbine 51 d angebracht. Der Stator p9d ist in geeigneter VJeise am Gehäuse 13d befestigt und dient zur Halterung des Mittelkörpers 121 am Gehäuse 13d. Der Stator 59d weist gemäß Fig. 10 mehrere Statorleitschaufeln 61d auf, die in Umfangsrichtung voneinander in Abstand angeordnet sind, um ,jeweils zwischen sich mehrere Statorkanäle 63d zu bilden. Die Statorkanäle 63d sind derart bemessen, daß sie den sie durchsetzenden Luftstrom expandieren und dessen Geschwindigkeit erhöhen.

Der Rotor 6pd weist mehrere Rotor-Laufschaufeln 69d auf, die zur Bildung von Rotorkanäfen 75d in Umfangsrichtung mit Abstand voneinander angeordnet sind. Die Stator-Leitschaufeln 61d sind in geeigneter Weise gekrümmt, um die durch die Statorkanäle 63d hindurchströmende Luft mit gewünschtem Anströmwinkel den Rotorlaufschaufeln 69d zuzuführen, um den Rotor in Drehung zu versetzen. Die Kanäle 75d unterscheiden sich von den Kanälen 75 darin, daß sie gegenüber letzteren nicht als Kanäle ausgebildet sind, welche die Luft mit konstanter Relativgeschwindigkeit durchlassen. Vielmehr weisen die Rotorkanäle 75d einen in Strömungsrichtung zunehmend kleiner werdenden Querschnitt auf, so daß die sie durchsetzende Luft weiter expandiert wird und daß sich die Geschwindigkeit relativ zum Rotor 65d erhöht. Die absolute Luftgeschwindigkeit verringert sich jedoch wegen der vom Rotor bewirkten Energieentnahme aus der Luft, während diese durch den Rotor 65d hindurchströmt.

Der Mittelkörper 121 weist einen mit Hilfe des Stators 59d am Gehäuse 13d fest angebrachten Teil 123 sowie eine drehbare Welle 125 auf, die mit Hilfe einer rotierenden Welle 127 am festen Teil 123 drehbar gelagert ist. Der Rotor 65t! ist an der rotierenden Welle 127 angebracht und treibt diese an. Die rotierende Welle 127 treibt eine geeignete Energieumwandlungsvorrichtung, etwa einen Generator 91d,an.

Der Windmotor 11d weist einen Diffusor 85d auf, der Teile

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des Gehäuses 13d und ein Teil des Mittelteils 121 umfaßt. Der Diffus or 85d v/eist einen Durchlaß 37d auf, dessen Querschnitt sich in Strömungsrichtung vergrößert. Der Durchlaß S7d endet in der AuslaßÖffnung 23d. Der Diffusor 85d übt die gleichen Funktionen aus, wie sie oben bereits an Hand des Windmotors 11 erläutert wurden. Das Ergebnis ist, daß die aus der AuslaßÖffnung 23d in den Umgebungsluftstrom eintretende Luft einen bezüglich des atmosphärischen Druckes geringfügig kleineren Druck und eine bezüglich der Geschwindigkeit des Umgebungsluftstroms geringfügig kleinere Geschwindigkeit aufweist. Alles in allem zeichnet sich der Windmotor 11d aus durch eine einzige Turbine, durch axiale Luftführung, durch Luftexpansion sowohl im Stator 59ä als auch im Rotor 55d sowie durch ein im allgemeinen zylindrisch ausgebildetes Gehäuse 13d.

Obwohl vorstehend lediglich beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung erläutert und dargestellt wurden, kann der auf diesem Gebiet bewanderte Fachmann Änderungen und Abwandlungen vornehmen, ohne daß er hierdurch die Idee und den Rahmen der Erfindung verläßt.

Zusammengefaßt bezieht sich die Erfindung somit auf ein Verfahren zur Energieerzeugung durch Ausnutzung der Windkraft sowie auf eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens. Dabei wird eine Turbine mit einem mehrere Schaufelblätter aufweisenden Rotor und einem in Strömungsrichtung vor dem Rotor angeordneten, mehrere Leitschaufeln aufweisenden Stator von einem Luftstrom beaufschlagt. Die Geschwindigkeit eines Teils des Umgebungsluftstroms wird erhöht und dessen Druck wird vermindert, indem dieser Teil zur Ausbildung eines iiiintrittsluftstroms durch den Stator geleitet wird. Der Eintrittsluftstrom wird zum Antrieb des Rotors und zur Ausbildung eines Austrittsluftstroms durch den Rotor hindurchgeführt. Der Austrittsluftstrom wird zur Erhöhung seines Druckes und zur Verminderung seiner Geschwindigkeit durch einen Kanal geführt. Abschließend strömt der Austrittsluftstrom aus dem Kanal in die Atmosphäre.

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Claims

Patentansprüche

Verfahre ι zur erzeugung von Energie durch Ausnutzen der Uindkraft, dadurch gekennzeichnet,
daß eine Turbine mit einen mit mehreren Laufschaufeln versehenen Rotor und einem mit mehreren in ßtrömungsrichtung vor dem Rotor angeordneten Leitschaufeln versehenen Stator in einem Uingebungsluftstrom angeordnet wird,

daß ein Teil des Umgebungsluftstromes expandiert wird, indem ein Teil des Urngebungsluftstroms durch den Stator geführt wird, wobei sich ein Eintrittsluftstrom ausbildet, dessen Druck kleiner als der Uragebungsluftdruck und dessen Absolutgeschwindigkeit größer als die Geschwindigkeit des Uiugebungsluftstroms ist,

daO der liintrittsluftstrom durcL den Rotor zum Antrieb desselben und zur Ausbildung eines Austrittsluftstroms geführt wird,

da8 der Austrittsluftstrom zur Srhohung des Druckes und zur Verminderung der Absolutgeschv/indigkeit des Austrittsluftstroms durch einen Kanal geführt wird und daß der Austrittsluftstrow aus dem Kanal in die Atmosphäre geleitet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der pJintrittsluftstrom praktisch ohne Änderung des Druckes und der Relativgeschwindigkeit des durch den Rotor strömenden Luftstroms durch den Rotor geführt wird.

3' Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotationsachse des Rotors praktisch quer zur Strömungsrichtung des Urngebungsluftstroms bzw. zur Windrichtung angeordnet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Eintrittsluftstrom im allgemeinen in radialer Richtung durch den Rotor geführt wird.

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5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Umgebungsluftdruck nahe der Stelle des Kanals vermindert wird, wo die Luftströmung in die Atmosphäre entlassen wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftstrom ohne wesentliche Änderung seines Druckes und seiner Relativgeschwindigkeit im wesentlichen in radialer Richtung durch den Rotor geführt wird, wobei die Rotationsachse des Rotors zur Strömungsrichtung des Umgebungsluftstroms bzw. zur Windrichtung im allgemeinen quer verläuft.

7. Verfahren zur Erzeugung von Energie durch Ausnutzen der Windkraft, dadurch gekennzeichnet,

daß eine mit mehreren Laufschaufeln versehene Turbine in einem Umgebungsluftstrom angeordnet wird,

daß der Luftstrom in einem in Strömungsrichtung vor dem Rotor liegenden Bereich expandiert wird, wobei sich ein Eintrittsluftstrcm ausbildet, dessen Druck kleiner als der Umgebungsluftdruck und dessen Absolutgeschwindigkeit größer als die Geschwindigkeit des Umgebungsluftstroms ist, daß der Eintrittsluftstrom ohne wesentliche Änderung seines Druckes und seiner Relativgeschwindigkeit in einer im allgemeinen radialen Richtung durch den Rotor hindurchgeführt wird, um diesen anzutreiben und um in einem zweiten, in Strömungsrichtung hinter dem Rotor liegenden Bereich einen Austrittsluftstrom auszubilden, und

daß in diesem zweiten Bereich der Druck des Austrittsluftstroms erhöht und die Absolutgeschwindigkeit des Austrittsluftstroms vermindert wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotationsachse des Rotors zur Strömungsrichtung des Umgebungsluftstroms bzw. zur Windrichtung im allgemeinen quer angeordnet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß radial innerhalb der Leitschaufeln ein die Luftströmung durch den Rotor unterstützender Wirbel erzeugt wird.

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Fluidinotor (Strömungsnittelmotcr) mit einer von einem Streamingsüiittelstrom be aufschlagbaren Turbine, die einen mit einer Rotationsachse versehenen Rotor aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (65) mehrere Laufschaufeln (69) und eine Einrichtung zur Befestigung dieser Laufschaufeln (69) in einem Ring um die Rotationsachse (71) des Rotors (65) herum aufweist, wobei jeweils benachbarte Laufschaufeln (69) in Umfangsrichtung voneinander mit Abstand angeordnet sind und zwischen sich Rotorkanäle (75) bilden,

daß der Rotor (65) innerhalb des Ringes einen Hohlraum (73) aufweist,

daß die Turbine (51, 53) einen zum Rotor (65) führenden lilinlaß (55,57) und einen aus dem Rotor (65) herausführenden Auslaß (85,87) aufweist,

daß eine Einrichtung (61,63) vorgesehen ist, die zur Ausbildung einer Eintrittsströmung die Geschwindigkeit des Strömungsmittelstroms in Strömungsrichtung vor dem Motor erhöht und die die Eintrittsströmung den Laufschaufeln (69) zuführt und in die Rotorkanäle (75) am Rotoreinlaß (31) zum Antrieb des Rotors (65) hineinführt,

daß die Laufschaufeln (69) derart angeordnet sind, daß sie wenigstens einen Teil der Eintrittsströmung am Einlaß (81) in den Hohlraum (73) leiten,

daß die Rotorkanäle (75) derart bemessen sind, daß die sie durchströmende Strömungsraittelnienge eine im wesentlichen konstante Relativgeschwindigkeit aufweist, wobei das Strömungsmittel durch die Rotorkanäle (75) an der Einlaßseite in den Hohlraum (73) hineinströmen und durch die Rotorkanäle (75) an der Auslaßseite aus dem Hohlraum (73) herausströmen kann,ohne daß sich hierbei die Relativgeschwindigkeit des durch die Rotorkanäle (75) hindurchströmenden Strömungsmittels wesentlich ändert, und

daß ein Kanal (85) vorgesehen ist, der mit einem eine Auslaßöffnung (23, 27) auf v/eisenden Durchlaß (87) versehen ist, der derart ausgebildet und angeordnet ist, daß er die aus dem Rotor (65) austretende Strömungsmittelmenge aufnimmt, wobei der Durchlaß (87) einen zur Auslaßöffnung (23,27) hin zunehmend größer werdenden Querschnitt aufweist.

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11. iiOtor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der in S^:;römungsrichtung vor dem Einlaß (81) des Rotors (65). verlaufende Einlaßkanal (55) eine Einlaß strecke (57) bildet.

12. Motor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die die Luftgeschwindigkeit erhöhende Einrichtung von einem mit mehreren Leitschaufeln (61) versehenen Stator (59) gebildet ist, wobei ,'jeweils benachbarte .Leitschaufeln (61) voneinander mit Abstand angeordnet sind und dabei zwischen sich Statorkanäle (63) bilden, die die Geschwindigkeit des sie durchströmenden Strömungsmittels erhöhen.

13. Motor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der senkrecht zur Strömungsrichtung der Eivitrittsströmung gemessene effektive Querschnitt (h^) der Rotorkanäle (75) am Außenumfang des Ringes kleiner ist als der senkrecht zur Strömungsrichtung der den Rotorkanal (75) verlassenden Strömungsmittelströmung gemessene wirksame Bereich (hp) des Rotorkanals (75) am Innenumfang des Ringes.

14. Hotor nach Anspruch 10, gekennzeiohnet durch ein Gehäuse (13), dessen entgegengesetzt angeordnete äußere Seitenflächen (29, 31) zur Auslaßöffnung (23, 27) hin mit zunehmendem Abstand divergieren.

15. Motor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der in Strömungsrichtung vor dem Einlaß (81) des Rotors (65) angeordnete Einlaßkanal (55) eine Einlaßstrecke (57) bildet, die eine Einlaßöffnung (17, 21) aufweist, und daß die Einlaßöffnung (17, 21) und die Auslaßöffnung (23, 27) im wesentlichen rechteckig (rechtwinklig) ausgebildet sind.

16. Motor nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch eine Einlaßöffnung (17,21) zur Aufnahme eines Strömungsmittelstromes, durch eine Einrichtung (42,44) zur drehbaren Lagerung des Motors um eine im allgemeinen vertikale Achse (42) herum und durch eine Einrichtung (43), die auf die Richtung anspricht, in der sich die Strömungsmittelströmung bewegt, um den Motor um seine vertikale Achse (42) herum derart zu drehen, daß der Einlaß (17,21) direkt in Richtung der Flüssigkeitsströmung gedreht ist. 60 98 08/0409

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17. ^T."iindmotor rait einem in einer ITindströmung aufstellbaren Gehäuse und einer Einrichtung zur drehbaren Lagerung des um eine praktisch vertikale Achse herum drehbaren Gehäuses, und mit einer im Gehäuse montierten Turbine, dadurch gekennzeichnet,

daß die Turbine (51,53) einen mit mehreren Laufschaufeln (69) versehenen Rotor (65) und einen mit mehreren in Strömungsrichtung vor dem Rotor (65) angeordneten Leitschaufeln (61) versehenen Stator (59) aufweist,

daß die einander benachbarten Leitschaufeln (6.1) des Stators (59) mit Abstand voneinander angeordnet sind und zwischen sich den Umgebungsluftstrom aufnehmende Statorkanäle (63) bilden, welch letztere derart bemessen sind, daß sie die Geschwindigkeit des Umgebungsluftstroms erhöhen, den Druck des Umgebungsluftstroms vermindern und einen Eintrittsluftstrom ausbilden,

daß die Leitschaufeln (61) des Stators (59) den Eintrittsluftstrom zur Drehung des Rotors (65) den Laufschaufeln (69) des Rotors (65) zuführen, wobei die Luft aus dem Rotor (65) am Rotorauslaß (83) auftritt,

daß ein Auslaßkanal (85) vorgesehen ist, der einen nit einer Auslaßöffnung (23, 27) versehenen, an Auslaß (83) des Rotors (65) anschließenden Durchlaß (87) aufweist, der zum Auslaßende (23,27) hin wachsenden Querschnitt aufweist, daß eine auf die StriSmungsrichtung des Umgebungsluftstroms ansprechende Einrichtung (43) vorgesehen ist, die das Gehäuse (13) urn seine vertikale Achse (42) herum in Strömungsrichtung zu steuern imstande ist, und daß in der Nähe des Bereichs des Kanals (85), wo der Austrittsluftstrom in die Atmosphäre entweicht, eine den Umgebungsluftdruck vermindernde Einrichtung (88,89) vorgesehen ist.

1Π. Windmotor nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbine eine erste Turbine (51) ist, daß der Windmotor eine im Gehäuse (13) montierte, mit einem Rotor (65) versehene zweite Turbine (53) aufweist und

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daß die Rotoren (65) der beiden Turbinen (51,53) zueinander parallele Rotationsachsen (67) aufweisen und in entgegengesetzter Drehrichtung drehen.

19. Windmotor nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbine eine erste Turbine (51) ist, daß der Windmotor eine im Gehäuse (13) montierte, mit einem Rotor (65) versehene zweite Turbine (53) aufweist, daß die Rotationsachsen (67) der Rotoren (65) zueinander praktisch parallel verlaufend angeordnet sind und daß zwischen den Rotoren (65) ein sich durch das Gehäuse

(13) erstreckender Durchlaß (89) ausgebildet ist, der einen zur atmosphärischen Luftströmung hin offenen Einlaß (19) und einen in der Nähe der Auslaßöffnung (23,27) des Auslaßkanals

(85) angeordneten Auslaß (25) aufweist, wobei der Einlaß (19) querschnittlich größer ausgebildet ist als der Auslaß (25)»

20. Windmotor nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das zuletzt genannte Merkmal, nämlich die Einrichtung (88,89) eine außerhalb des Kanals (85) am Gehäuse (13) befestigte, konvergierende Düse (88) aufweist.

21. Windmotor nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das zuletzt genannte Merkmal, nämlich die Einrichtung (88, 89) praktisch ebene, gegenüberliegend angeordnete äußere (Leit-) Flächen (88) aufweist, die in Richtung der Auslaßöffnung (23, 27) divergieren.

22. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,

daß der Luftstrom mit Hilfe einer konvergierenden Düse expandiert wird.

Dlpl.-lng. P. E. Meissner.

Patentanwalt

6 il 9 8 fl 8 / 0 U 0 9

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