DE29620665U1

DE29620665U1 - Maschine zur technischen Nutzung des Magnus-Effektes

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Publication number: DE29620665U1
Application number: DE29620665U
Authority: DE
Original assignee: ADIS GmbH; SCHOENWAELDER JOACHIM DIPL ING
Current assignee: Schoenwaelder Joachim Dipl-Ing De
Priority date: 1996-11-28
Filing date: 1996-11-28
Publication date: 1997-02-06
Anticipated expiration: 2006-11-29

Description

Haar, 27. November 1996

ADIS GmbH
81249 München
5

Joachim Schönwälder
21680 Stade

Mein Zeichen: A 203/GM
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Beschreibung Maschine zur technischen Nutzung des Magnus-Effektes

Die Neuerung betrifft eine Maschine zur technischen Nutzung des Magnuseffektes in strömungsfähigen Medien.

Der Magnus-Effekt besteht darin, daß bei einer gegen einen rotierenden rotationssymmetrischen Körper, z.B. einen Kreiszylinder gerichteten Parallelströmung infolge der Oberflächenreibung am Zylinder das ihn umgebende Strömungsmittel in eine Zirkulationsbewegung versetzt wird, aus der durch unterschiedliehe Druckverhältnisse am Rotor ein Quertrieb quer zur Anströmrichtung entsteht, der technisch genutzt werden kann, was in der Praxis zum Antrieb von Schiffen mittels sog. Flettner-Rotoren bereits realisiert wurde. Dabei wurden auf dem Schiffsrumpf um vertikale Masten rotierende Zylinder als Vortriebsmittel eingesetzt (siehe hierzu z.B. das DE-Fachbuch "Technische Hydro- und Aeromechanik" von Walter Kaufmann, Springer-Verlag, 1954, S. 169).

Aus ökologischen Gründen ist in den letzten Jahren die Zahl von stationären Großwindkraftanlagen stark angestiegen. Bei solchen Anlagen sind auf einer horizontalen, entsprechend der Windrichtung einstellbaren Hauptwelle in radialer Richtung verlaufende strömungsgünstige Körper (Schaufeln oder Flügel) angeordnet, die schräg zur Strömung angestellt werden und die erzeugte Reaktionskraft über die Hauptwelle an eine Arbeitsmaschine, meist einen Generator zur Erzeugung elektrischer Energie, weiterleiten. Zur Optimierung kann der Anströmwinkel nachgeregelt werden.

Das Anlaufdrehmoment von 1- bis 4-flügeligen Windenenergieanlagen ist relativ gering, so daß die Nutzung geringer Windkräfte nicht möglich ist.

Besonders bei großen Windenergieanlagen der bekannten Art besteht die Gefahr des "Durchgehens" bei höheren Windstärken, was durch Erzeugung von gewollten Strömungsabrissen (sog. Stall- oder Pitch-Regelung) an den Flügeln und durch große Bremsen verhindert werden soll. Nach mehreren Unfällen im Betrieb werden nach dem Auftriebsprinzip arbeitende Windenergieanlagen heutzutage nur bis zur Windstärke 8 eingesetzt, d.h. die Nutzung der Windenergie im Starkwindbereich ist derzeit nicht möglich.

Der Neuerung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Maschine zu schaffen, die den Einsatz von Windkraftanlagen auch bei hohen Windgeschwindigkeiten ohne Gefahr für die Anlage ermöglicht, d.h. Sicherheit gegen Zerstörungen durch Unwucht oder übermäßige Zentrifugalkraft bietet, und zugleich den Einsatz aufwendiger Bremsen oder Reglersysteme entbehrlich macht. Dabei soll aus wirtschaftlichen Gründen sowohl der Wirkungsgrad gegenüber herkömmlichen Anlagen verbessert werden, als auch die Nutzungsbreite der Maschine möglichst groß sein.

Die vorliegende Neuerung geht von der Überlegung aus, daß der Magnus-Effekt nur bei um ihre eigene Achse angetriebenen Rotoren entsteht, so daß durch Veränderung der Geschwindigkeit der Eigendrehung der einzelnen Rotoren die an diesen auftretenden Querkräfte und damit die Rotorradgeschwindigkeiten, d.h. die Geschwindigkeiten, mit denen sich der mindestens eine Rotor um die Hauptwelle herum bewegt,jederzeit beeinflußbar und beherrschbar sind.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe besteht die Neuerung in einer Maschine zur technischen Nutzung des Magnus-Effektes in strömungsfähigen Medien mit einer drehbar gelagerten Hauptwelle, mit der mindestens ein mit seiner Rotorachse quer zur

Achse der Hauptwelle angeordneter, in Bezug auf die Hauptwelle drehbar gelagerter Rotor mit rotationssymmetrischer Oberfläche verbunden ist, der dem Strömungsmittel aussetzbar und mittels eines regelbaren Antriebs um seine Rotorachse rotierbar ist, wobei die Hauptwelle mit einer Kraft- oder Arbeitsmaschine verbunden oder verbindbar ist.

Wenn man die Hauptwelle wahlweise mit einer Kraft- oder Arbeitsmaschine verbindet, ergibt sich die besonders vorteilhafte Wirkung, daß von den drei primären, während des Betriebs variablen Betriebskenngrößen, nämlich Geschwindigkeit des Strömungsmediums, Eigenrotation der Rotoren und Rotation der Hauptwelle, zwei als Eingangsgrößen auswählbar und damit die jeweils dritte bestimmbar ist. Man kann die Maschine nämlich dann nicht nur als Windenergieanlage betreiben, indem man durch den Antrieb der Rotoren um deren Achse und die Windkraft eine Rotation an der der Hauptwelle und damit an der Arbeitsmaschine erzeugt, vielmehr kann man z.B. durch Drehen der Haupt welle mit den Rotoren um die Hautwellenachse mittels Energieeinleitung über eine Kraftmaschine und Drehen der Rotoren um die eigene Achse einen Axialschub an der Hauptwelle erzeugen, der geeignet ist, einen im Strömungsmittel schwebenden oder bewegten Körper in Achsrichtung der Hauptwelle voranzutreiben, wobei z.B. die Vortriebsgeschwindigkeit vorteilhaft durch Veränderung der Rotoreigenrotation auf den gewünschten Wert einstellbar ist und durch Umkehr der Rotoreigenrotation auf einfachste Weise auch die nahezu verzögerungsfreie Schubumkehr möglich ist.

Eine neuerungsgemäSe Maschine läßt sich sowohl zum Vortrieb, wie auch zum Auftrieb eines Körpers in einem Strömungsmedium einsetzen, wie etwa als Ersatz für herkömmliche, in der Fertigung wesentlich teurere Schiffsschrauben oder als kostengünstigerer Ersatz für die bekannten Hubschrauberrotoren, wobei theoretisch der von den um die Hauptwelle umlaufenden Rotoren bestrichene Kreis einen wesentlich geringeren Durchmesser benötigt als bei Luftschrauben mit Tragflügelprofil.

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Die einzelnen Rotoren sind als rotationssymmetrische Körper einfacher und kostengünstiger herstellbar als herkömmliche Flügelprofile. Sie können mit relativ geringer Masse hergestellt werden, was in Verbindung mit dem Wegfall aufwendiger und schwerer Bremssysteme eine leichtere und damit kostengünstigere Gestaltung der Maschine und damit auch der sie tragenden Konstruktion ermöglicht.

Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen der Maschine gemäß Schutzanspruch 1.

Anhand der folgenden Beschreibung von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen der Erfindung wird diese noch näher erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch eine Ausführung der Maschine als Windenergieanlage,

Fig. 2 eine Variante der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform und

Fig. 3 a - e eine Auswahl an Bauvarianten der Rotoren.

Fig. 4 eine schematische perspektivische Darstellung eines mit einer Maschine gemäß der Neuerung als Hubrotor ausgerüsteten Hubschraubers, und
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Fig. 5 eine schematische Seitenansicht des heckseitigen

unter Wasser befindlichen Teiles eines Schiffes, das

mit einer Maschine gemäß der Neuerung anstelle der

herkömmlichen Schiffsschraube als Mittel zur Erzeugung des Vortriebs versehen ist.

In den Fig. 1 und 2 bezeichnet 1 eine mast- oder turmartige

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Tragkonstruktion zur Aufnahme der insgesamt mit 2 bezeichneten Maschine.

Die Maschine besitzt ein Gehäuse 11, das über eine Drehlagerung 3 um eine vertikale Achse drehbar auf der Tragkonstruktion 1 gelagert ist. Innerhalb der Tragkonstruktion ist eine Arbeitsmaschine 18 in Form eines Generators angeordnet, dessen Antriebswelle koaxial zur Drehlagerung 3 verläuft und in das Gehäuse 11 hineingeführt ist, wo sie über ein Winkelgetriebe 28 mit der horizontal angeordneten Hauptwelle 17 der Maschine 2 in Eingriff steht.

Die Hauptwelle 17 ist als Hohlwelle ausgebildet, im Gehäuse 11 gelagert und ragt an dessen einem Ende aus diesem heraus, wo die Hauptwelle 17 eine Nabe 15 trägt. Am anderen Ende des Gehäuses 11 ist ein Motor 20 (Fig. 1) angeordnet, der zum Antrieb einer durch die Hauptwelle 17 drehbar geführten Welle 19 dient, die in die Nabe 15 vorragt und dort in ein Winkelgetriebe 16 mündet, das zum gleichsinnigen Antrieb von radial aus der Nabe 15 herausgeführten Wellen 14 dient. Die Wellen 14 durchqueren dabei radial von der Nabe 15 nach außen vorspringende Lagerstummel 4. An der Nabe 15 und am äußeren, freien Ende der Lagerstummel 4 sind Drehlager 13 für die Wellen 14 angeordnet. Außerhalb der Lagerstummel 4 sind diese Wellen 14 mit Rotoren 12 verbunden, die als Leichtbaurotationskörper ausgebildet sind und an beiden axialen Enden durch ihre rotationssymmetrische Oberfläche überragende Endscheiben 5 und 6 abgeschlossen sind.

Die Fig. 2 zeigt eine Variante, bei welcher die Eigenrotation der Rotoren 12 nicht, wie bei der Ausführung nach Fig. 1, von einem zentralen Antrieb 20 abgeleitet wird, sondern jedem Rotor 12 ein eigenes Antriebsaggregat 21 zugeordnet ist. Dabei kann es sich auch um Antriebsturbinen handeln, die über die hohle Hauptwelle 17 angeströmt werden können. Um einen Gleichlauf der einzeln angetriebenen Rotoren 12 sicherzustellen, kann eine Regelung 22 vorgesehen werden. Der in Fig. 1 vom

Motor 2 0 eingenommene Platz kann deshalb in Fig.2 von der Arbeitsmaschine 18 eingenommen werden.

Die Rotoren können unterschiedlich gestaltet und beispielsweise - wie die Fig. 3a bis 3e zeigen - als zylindrische Hohlkörper 25, als Kegelstümpfe 24 oder als Stufenzylinder 23 ausgebildet werden. Ihre rotationssymmetrische Oberfläche wird vorzugsweise von einer doppelwandigen Haut 7 gebildet, deren Innenraum z.B. mit einer wabenförmigen, in Fig. 3d im Schnitt dargestellten Struktur 8 ausgesteift wird, oder - wie Fig. 3e zeigt - mit Integralschaum 9 ausgefüllt ist.

Die in den Fig. 1 und 2 gezeigte Anordnung der Elemente im Bereich des Gehäuses 11 und der Tragkonstruktion 1 ist speziell auf den Einsatz als Windenergieanlage zugeschnitten. Es stellt für den Fachmann kein Problem dar, die im Gehäuse 11 und in der Tragkonstruktion 1 angeordneten Elemente im Inneren eines Wasser- oder Luftfahrzeugs so unterzubringen, das die prinzipielle Funktion beibehalten wird und insbesondere die Nabe 15 mit den Rotoren 12 außerhalb dieses Fahrzeugs angeordnet ist.

Bei der Verwendung der Maschine in einer Windenergieanlage wird vorausgesetzt, daß der Wind mit ausreichend hoher Geschwindigkeit etwa in Achsrichtung der Hauptwelle 17 gegen die Rotoren 12 strömt und dadurch eine ein Drehmoment um die Hauptwelle 17 bewirkende Kraft erzeugt, die quer zur Windrichtung und zur Achse der Rotoren 12 gerichtet ist. In diesem Falle ist die Arbeitsmaschine 18 vorzugsweise ein elektrischer 0 Generator, der die dem Wind entnommene kinetische Energie in elektrische Energie umwandelt. Zusätzlich dazu (oder auch anstelle des Generators) kann als Arbeitsmaschine auch eine Kolbenpumpe vorgesehen sein, mit deren Hilfe ein hydraulisches Medium aus einem Speicherbehälter in einen vertikal stehenden Arbeitszylinder, dessen Kolben mit einem schweren Gewicht belastet ist, eingepumpt werden kann, so daß die dem Wind entnommene Energie in Zeiten geringen Strombedarfs zunächst in

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Form von potentieller Energie des Gewichts gespeichert werden kann, um dann erst in Zeiten hohen Strombedarfs mittels eines elektrischen Generators und eines diesen antreibenden Hydromotors, der von der Flüssigkeitsströmung aus dem Zylinder zurück in den Speicherbehälter beaufschlagt ist, in elektrische Energie umgewandelt zu werden. Je größer das Gewicht ist, um so kleiner kann die unter dessen Belastung stehende Druckmittelmenge sein, die nötig ist, um eine bestimmte Energiemenge zu speichern und danach in elektrische Energie umzusetzen.

Nimmt man hingegen an, daß die Rotoren 12 durch Antrieb der Hauptwelle 17 um deren Achse durch ein ruhendes strömungsfähiges Medium umlaufen und dabei die Rotoren mittels eines Antriebs eine Eigendrehung ausführen, so ergibt sich zwar wieder eine Kraft quer zur Rotorachse und quer zur Richtung der Relativbewegung zwischen Medium und Rotor, doch wirkt diese Kraft diesmal in Richtung der Hauptwelle 17. Ist die Maschine in diesem Falle - wie vorstehend erwähnt - in ein Luft- oder Wasserfahrzeug einbezogen, und wird die Arbeitsmaschine 18 durch eine Kraftmaschine ersetzt, die die Hauptwelle 17 antreibt, so kann auf das Fahrzeug ein Vor- oder Auftrieb erzeugt werden, so daß die erfindungsgemäße Maschine, wie in Fig. 4 und 5 schematisch dargestellt anstelle von Schiffsschrauben oder Hubschrauberrotoren, oder anstelle von Flugzeugpropellern u. dgl. eingesetzt werden kann und dabei ihre eingangs geschilderten Vorteile zur Wirkung bringt.

Claims

Schutzansprüche

1. Maschine zur technischen Nutzung des Magnus-Effektes in stromungsfahigen Medien mit einer drehbar gelagerten Hauptwelle (17), mit der mindestens ein mit seiner Rotorachse (15) quer zur Achse der Hauptwelle (17) angeordneter, in Bezug auf die Hauptwelle (17) drehbar gelagerter Rotor (12) mit rotationssymmetrischer Oberfläche verbunden ist, der dem Strömungsmittel aussetzbar und mittels eines regelbaren Antriebs (20) um seine Rotorachse (14) rotierbar ist, wobei die Hauptwelle mit einer Kraft- oder Arbeitsmaschine verbunden oder verbindbar ist.

2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorachse (14) radial zur Hauptwelle (17) verläuft.

3. Maschine nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie mehrere Rotoren (12) aufweist, die durch den Antrieb (2 0) von der Achse der Hauptwelle (17) aus gesehen gleichsinnig rotierbar sind.

4. Maschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotoren (12) von einer gemeinsamen Antriebsquelle (20) aus um ihre Achse antreibbar sind.

5. Maschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Rotor (12) für den Antrieb um seine Achse eine eigene Antriebsquelle (21) zugeordnet ist und der Gleichlauf der Rotoren (12) durch eine Regeleinheit (22) gesichert ist.

6. Maschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptwelle (17) als Hohlwelle ausgebildet und mit einer zur Lagerung der Rotoren (12) dienenden Nabe (15) versehen ist und daß eine durch eine Antriebsquelle (20) dre-

hantreibbare Rotorantriebswelle (19) innerhalb der Hauptantriebswelle (17) bis zu einem in der Nabe (15) angeordneten Winkeltrieb (16) geführt ist und über diesen mit jedem Rotor (12) in Drehantriebsverbindung steht.
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7. Maschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptwelle (17) mit einer zur Lagerung der Rotoren (12) dienenden Nabe (15) versehen ist und die Rotoren (12) an der Nabe (15) gelagert und jeweils durch einen im Nabenbereich angeordneten Einzelantrieb (21) antreibbar sind.

. Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotoren (12) als Hohlkörper ausgebildet sind und, ausgehend von einer an der Hauptwelle (17) angeordneten Nabe (15) , Lagerstummel (4) in das Innere der Rotoren (12) geführt sind.

9. Maschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Rotor (12) mit einer Rotorantriebswelle (14) verbunden ist, die jeweils am freien Ende des Lagerstummels (4) gelagert ist.

10. Maschine nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Rotor (12) am freien Ende des in ihn ragenden Lagerstummels (4) gelagert ist.

11. Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Rotor (12) an beiden Enden mit seine rotationssymmetrische Oberfläche überragenden Endscheiben (5, 6)versehen ist.

12. Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Umwandlung von kinetischer Energie eines strömenden Mediums in mechanisch nutzbare Energie mit der Hauptwelle (17) eine Arbeitsmaschine (18) verbunden ist.

13. Maschine nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsmaschine (18) ein Generator ist.

14. Maschine nach Anspruch 12 und/oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß aals Arbeitsmaschine (auch) eine Kolbenpumpe vorgesehen ist.

15. Maschine nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Hautwelle (17) horizontal in einem Gehäuse (11) gelagert ist, das um eine vertikale Achse verschwenkbar auf einer Tragkonstruktion (1) gelagert ist.

16. Maschine nach Anspruch 15 und einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die gemeinsame, den Rotoren (12) zugeordnete Antriebsquelle (20) in dem Gehäuse (11) angeordnet ist.

17. Maschine nach Anspruch 15 oder den Ansprüchen 15 und 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Tragkonstruktion (1) der Mast einer Windkraftanlage ist.

18. Maschine nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die mit der Hauptwelle (17) verbündene Arbeitsmaschine (18) in der Tragkonstruktion (1) angeordnet und über einen Winkeltrieb (28) mit der Hauptwelle (17) verbunden ist.

19. Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch 0 gekennzeichnet, daß sie mit Sensoren zur Ermittlung der Richtung und Stärke der sie beaufschlagenden Strömung versehen ist, und daß eine Regeleinheit vorgesehen ist, die geeignet ist, in Abhängigkeit vom Signalausgang der Sensoren die Drehzahl der Rotoren (12) auf ein Optimum einzustellen.

20. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch ge-

kennzeichnet, daß zur Erzeugung eines Vortriebs und/oder Auftriebs eines in einem Strömungsmittel schwebenden oder sich in diesem bewegenden Gegenstandes die Hauptwelle

(17) an diesem parallel zur gewünschten Richtung der Triebkraft gelagert und mit einer Kraftmaschine verbunden oder verbindbar ist.

21. Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die rotationssymmetrische Oberfläche der Rotoren (12) geglättet ist.

22. Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotoren (12) als Leichtbaukörper ausgebildet sind.

23. Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotoren (12) zur Bildung der rotationssymmetrischen Oberfläche eine doppelwandige Außenhaut (7) aufweisen.

24. Maschine nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb der doppelwandigen Außenhaut (7) eine Leichtbauaussteifung (8;9) vorgesehen ist.

25. Maschine nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Leichtbauaussteifung wabenförmig (8) ausgebildet ist.

26. Maschine nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Leichtbauaussteifung aus Integrals schaum (9) besteht.