DE3390228C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Strömungsmaschine der im Anspruch 1 aufgeführten Art. Zu Querstromströmungsmaschinen ge­ hören mehrere bekannte Konstruktionen, wie z. B. die Voith- Schneider′schen Schiffspropeller, Darrieus- und Savonius-Rotoren für Windturbinen, Ossberger- oder Mitchell-Turbinen für Wasser­ radantriebe, und der sogenannte Querstromlüfter. Die Voith- Schneider-Propeller haben beispielsweise gewöhnlich Rotorblät­ ter, die beim Drehen verstellt werden können.

Bei einem quer zu seiner Längsachse angeströmten Rotor, der ziemlich spärlich mit Rotorblätter bestückt ist, muß es im all­ gemeinen die Möglichkeit geben, die Blätter auf der Umlaufbahn tangential verstellen zu können. Die Art und Größe dieser Ver­ stellung wird in jeder Lage der Rotorblätter von der Bedingung bestimmt, daß eine Senkrechte zur Ebene, in der sich das Rotor­ blatt erstreckt (d. h. zur Symmetrieebene des Rotorblattes, wel­ ches üblicherweise ein Profil aufweist), zumindest annähernd durch einen sogenannten Steuerpunkt gehen soll. Zum Beispiel im Darrieus-Rotor liegt der Steuerpunkt in der Dreh­ achse des Rotors und die Rotorblätter nehmen eine feste Lage ein, so daß die genannten Ebenen immer tangential zur Umlaufbahn der Rotorblätter verlaufen.

Das Einstellen der Rotorblätter ist bei einer Turbine deshalb erwünscht, damit ein ausreichend großes Startmoment erzielt wird, und ferner deshalb, um die abgegebene Leistung und/oder die Drehzahl wunschgemäß ändern zu können, schließlich auch deshalb, um Überlastung zu vermeiden, wenn das betreffende Me­ dium den Rotor mit allzu hoher Geschwindigkeit durchströmt. Wenn Querstrommaschinen nicht als Turbinen, sondern als Pumpen, Lüfter, Rührapparate und dergleichen angewandt werden, ermög­ licht die Verstellbarkeit der Rotorblätter, daß die Kapazität je nach Wunsch leicht geändert werden kann, und dies bei nur unbedeutender Herabsetzung der Leistung.

In der US 43 15 713 ist eine Anordnung zum Erzeugen von Energie aus einem strömenden Medium beschrieben, die einen mit ein­ stellbaren Rotorblättern versehenen Rotor aufweist, durch wel­ chen ein Medium in Querrichtung zur Drehachse hindurchströmen kann, und welcher zwei übereinstimmend schräg zur Strömungs­ richtung einstellbare, an von Trägerarmen getragenen Wellen­ stümpfen angeordnete, Endstücke aufweist, an denen die Rotor­ blätter an ihren Enden in Gelenkpunkten schwenkbar angeschlossen sind.

Die Trägerarme werden mittels Festschrauben in gewählter Schräglage, die durch Fernsteuerung im Betrieb nicht geändert werden kann, festgehalten. Die Lage der Rotorblätter ist beim Umlauf unveränderlich gegenüber der Umgebung, und der eingangs erwähnte Steuerpunkt liegt hierbei im Unendlichen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Strömungs­ und/oder Turbomaschine der im Oberbegriff des Anspruchs 1 ge­ nannten Art zu schaffen, bei der die Verstellung der Rotor­ blätter äußerst einfach, aber doch zuverlässig durchgeführt werden kann, und zwar ohne Anwendung komplizierter Einrichtungen zur Übertragung der Einstellkraft auf den rotierenden Rotor.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Strömungsmaschine der eingangs genannten Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfin­ dung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Strömungsmaschine weist in der Regel einen Rotor in Form eines länglichen Zylinders auf, d. h. eines Zylinders, dessen Länge größer ist als sein Durchmesser. Die Rotorblätter können an mehreren Stellen entlang der Länge des Rotors auf zweckmäßige Weise befestigt sein, gegebenenfalls an kreisrunden Trä­ gerringen.

Im Unterschied zur Anordnung gemäß US 43 15 713 pendeln die Ro­ torblätter bei der erfindungsgemäßen Strömungsmaschine, oder sie behalten eine unveränderliche Lage, jedoch nicht relativ zu ih­ rer Umgebung, sondern relativ zu einer Tangente ihrer kreisför­ migen Umlaufbahn.

Turbinen sollen in der Regel verhältnismäßig kleine Durchmesser aufweisen, um hohe Drehgeschwindigkeiten des Generators ermögli­ chen zu können. Bei gegebenem Strömungsquerschnitt müssen dann die Rotorblätter eine verhältnismäßig große axiale Länge aufwei­ sen. Die Verstellung der Rotorblätter in einem derartigen Rotor ist nach den bekannten Methoden sehr umständlich. Dieser Nach­ teil wird durch die vorliegende Erfindung behoben, so daß unter anderem das Arbeitsgebiet von Querstrommaschinen mit wenig Ro­ torblättern erhaltenden Rotoren derart erweitert wird, daß die Strömungsmaschine auch für die Anwendung von Wasserkraft in Be­ tracht kommt. Kleinere Wasserturbinen, zum Beispiel mit Leistun­ gen unter 100 KW konnten bisher nicht zu angemessenen Kosten für Fallhöhen von weniger als ungefähr 3 m gebaut werden. Die erfin­ dungsgemäße Strömungsmaschine erlaubt den Bau von Wasserturbinen für Fallhöhen von weniger als 3 m. Eine erfindungsgemäße Turbine kann bereits für Fallhöhen in der Größenordnung von 0,5 m gebaut werden, weil sie sich trotz der kleinen Fallhöhe schnell dreht und sogenannte spezifische Drehzahlen in der Größenordnung von bis etwa 1000 Umdrehungen pro Minute aufweist.

Die als Wasserturbine mit einem zylindrischen Rotor ausgebildete Strömungsmaschine ist bei kleinen Fallhöhen dank ihrer hohen Drehgeschwindigkeit einer Propellerturbine (Kaplan-Turbine) überlegen. Sie ist ebenfalls dank der hohen Drehgeschwindigkeit sowie ihrer Leistungsfähigkeit auch unterschlächtigen Wasserrä­ dern überlegen, die gemäß den neuesten Prinzipien gebaut sind. Das Prinzip der vorliegenden Erfindung ist jedoch keineswegs auf die Anwendungen bei Wasserturbinen beschränkt, sondern es eignet sich zur Anwendung bei allen Maschinen vom Querstromtyp, und insbesondere dazu, die Rotorblätter eines Rotors vom Darrieus- Typ auf äußerst einfache Weise zu verstellen, ungeachtet des Längen/Durchmesser-Verhältnisses des Rotors.

Die Erfindung beruht auf räumlich-geometrischen Verhältnissen zwischen den einzelnen Bewegungen, die eintreten, wenn ein Ro­ torblatt um eine erste Achse gedreht und gleichzeitig zwangs­ weise gesteuert wird, eine Drehung um zumindest eine andere Achse durchzuführen, wobei zumindest eine der beiden Achsen schräg, d. h. weder parallel noch axial gegenüber der Drehachse des Rotors, verläuft.

Es hat sich herausgestellt, daß wenn die Rotorblätter um Achsen verschwenkt werden, die schräg anstatt parallel zur Drehachse des Rotors verlaufen, die für die Verstellung benötigten Kräfte mühelos allen Rotorblättern zugeführt werden können, auch wenn diese sehr lang sind. Wenn dagegen eine Schwenkachse parallel zur Drehachse des Rotors verläuft, so muß für jedes Rotorblatt ein Stellmechanismus am betreffenden Blatt-Träger vorgesehen werden, oder es müssen drehmomenterzeugende Stellkräfte in die langen und schmalen Blattprofile überführt werden.

Erfindungsgemäß werden dagegen axial verlaufende Stellkräfte übertragen, und eine Verstellung der Rotorblätter kann ein­ fach durch Verschwenken zumindest eines Lagers der Rotor­ welle erzielt werden. Das führt dazu, daß ein Ein­ stellglied für die Verstellung aller Rotorblätter eines in Drehung begriffenen Rotors an einem stillstehenden Teil der Maschine angeordnet werden kann. Endstücke eines länglichen Rotors, oder besondere Blatt-Träger bei einem Darrieus-Rotor, können mit der genannten Welle, die in dem vom Einstellglied beaufschlagbaren Lager gelagert ist, starr verbunden werden. Weil die Drehachse der Blattbefestigung in den Endstücken oder in den Blatt-Trägern schräg verläuft, hat eine Ver­ schwenkung des genannten Lagers um eine Achse die weder koaxial noch parallel mit der Drehachse des Rotors verläuft zur Folge, daß sich die Lage der Rotorblätter bezüglich der Tangente zu ihrer kreisförmigen Bahn, d. h. ihre Schwenklage oder "Anstellwinkel", ändert.

Alternativ können die Endstücke oder Blatt-Träger schwenkbar oder neigbar an einer nicht schwenkbaren Drehwelle des Rotors angeordnet sein, und die Verstellung der Rotorblätter wird auf herkömmliche Weise, z. B. mit Hilfe von Hydraulik, durchgeführt. Auch kann eines der Endstücke mittels des Stellgliedes und des Lagers neigbar angeordnet werden, und das andere Endstück neigbar an einer Welle gelagert sein, die in einem fest­ stehenden Lager untergebracht ist, und vorzugsweise die Ab­ triebswelle der Maschine bildet.

Die Erfindung soll nun an Hand von Beispielen gemäß den beigefügten schematischen Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen hierbei:

Fig. 1 eine Draufsicht auf eine Strömungsmaschine bei der die vorliegende Erfindung angewandt werden kann,

Fig. 2 eine Draufsicht einer erfindungsgemäßen Anordnung,

Fig. 3 eine Perspektivansicht der Anordnung gemäß Fig. 2,

Fig. 4 den Endabschnitt eines Rotorblattes in der Anordnung gemäß Fig. 2 und Fig. 3 in größerem Maßstab,

Fig. 5 einen Schnitt entlang der Ebene V-V in Fig. 4,

Fig. 6a bis 6c drei Projektionen der für die vorliegende Erfindung ausschlaggebenden geometrischen Größen, und

Fig. 7 eine abgewandelte Lagerung des Rotors.

Einander entsprechende Teile sind in allen Zeichnungs­ figuren mit identischen Bezugszeichen bezeichnet.

In Fig. 1 ist eine Strömungsmaschine schematisch dargestellt, die sich für die Anwendung der vorliegenden Erfindung eignet, ohne jedoch, daß die Erfindung selbst gezeigt wäre.

Diese herkömmliche Querstrommaschine hat einen mit drei länglichen Rotorblättern 4 versehenen Rotor 40. Der Rotor weist eine Drehachse 1 auf, die von einer Welle verkörpert ist. Die eingangs erwähnten Senkrechten N zu den einzelnen Rotorblättern sind alle auf den ebenfalls schon erwähnten Steuerpunkt 2 ausgerichtet. Die Einflußrichtung des den Rotor durchströmenden Mediums ist mit dem Pfeil P angegeben. Der Rotor 40 kann in einem umschließenden Gehäuse 3 untergebracht oder auch frei im Mediumstrom angeordnet sein.

Gemäß Fig. 2 und 3 ist ein erfindungsgemäßer Turbinenmotor 40′ zur Drehung um eine Drehachse 1 herum angeordnet, welche jedoch nicht mehr in ihrer ganzen Länge von einer einstückigen Welle gebildet wird. Der Rotor 40′ hat zwei Endstücke 5, 6 von denen jedes an einem eigenen Wellenstumpf 7, 8 befestigt ist.

Die Wellenstümpfe 7, 8 sind drehbar in Lagern 9, 10 unterge­ bracht und jedes Lager 9, 10 ist mittels eines Trägerarmes 9*, 10* (Fig. 3) und eines Schwenkzapfens 11, 12 schwenkbar um eine Achse K in einem feststehenden Teil oder Grundteil 13 der Maschine gelagert. Zumindest einer der Wellenstümpfe 7, 9 bildet die Abtriebswelle der Maschine, von der ein Drehmoment, z. B. für einen Generator, abgenommen werden kann. Zumindest einer der Schwenkzapfen 11, 12 ist mit einem Einstellglied 18 für Lageseinstellung, z. B. einer über eine Leitung 18′ betätigten Servolenkung, verbunden. Im einfachsten Fall kann das Einstellglied von einem manuell bedienbaren, an den Schwenkzapfen angeschlossen Hebel gebildet werden.

Die Rotorblätter 4 (übersichtlichkeitshalber werden zwei Rotorblätter gezeigt, obwohl ein einziges Rotorblatt, oder auch z. B. drei Rotorblätter wie in Fig. 1, oder noch mehr Rotorblätter, vorgesehen werden können) sind mittels Gelenkorganen 14, 15 in Gelenkstellen an die Endstücke 5, 6 schwenkbar angeschlossen. Längere Rotore 40′ können ferner einen oder mehrere Trägerringe 16 aufweisen, an welche die Rotorblätter mittels Gelenkorganen 17 ebenfalls schwenkbar angeschlossen sind. Die Endstücke 5, 6 und/oder die Trägerringe 16 können anstatt von Scheiben oder Ringen auch von radial sich erstreckenden Armen gebildet sein, von denen jeder an seinem freien Ende ein Gelenkorgan trägt. Um die Rotorblätter 4 von jedweder Drehmomentbeaufschlagung zu entlasten, kann eine Welle entlang der Achse 1 angeordnet werden und bei 5a, 6a (Fig. 2) mittels eines nicht dargestellten drehmomentübertragenden Kardangelenks od. dgl. an die Endstücke 5, 6 angeschlossen werden. Die Länge E des Rotors wird zweckmäßigerweise z. B. als ein Doppeltes, und vorzugsweise ein noch höheres Mehrfaches, des Durchmessers D gewählt.

Gemäß den Fig. 4 und 5 ist in jedem Rotorblatt 4 in den Gelenkstellen 14, 15, 17 ein Wellenorgan 20-22 vorgesehen, welches zwei koaxiale Wellenteile 20, 21 aufweist, die an entgegengesetzten Seiten eines Leitrings 22 befestigt sind. Der Leitring 22 ist an einem Schraubenbolzen 23 drehbar angeordnet, der eine Achse H hat und in radialer Richtung in das Endstück 6 eingeschraubt ist. Die Lagerung am Endstück 5, und gegebenen Falls am Trägerring 16, ist identisch. Die Achse F des Wellenorgans 20-22 erstreckt sich schräg zur Drehachse 1, die parallel mit den Längskanten 4′ des Rotorblattes 4 (siehe ebenfalls Fig. 3) verläuft, und einen Steuerwinkel α mit einer Ebene einschließt, welche die Drehachse 1 und z. B. eine der Längskanten 4′, oder eine längliche Erzeugende G des Rotorblattes 4 enthält, welche die Achse H des Schrauben­ bolzens 23 schneidet. Die Achse F bildet eine erste und die Achse H eine zweite Schwenkachse des betreffenden Rotorblattes 4.

Folgende Gleichungen gelten:

5° < α < 85° oder
α = 5° bis 85°, und insbesondere
α = 30° bis 60°.

Die oben angegebenen extremen Werte von 5° und 85° werden angewandt, wenn es notwendig ist, ein besonders großes oder besonders kleines Übertragungsverhältnis zwischen der Neigung der Endstücke und der Schwenkbewegung der Rotorblätter zu erhalten.

In einer abgewandelten Ausführungsform kann die erste Schwenkachse F gemäß Fig. 4 einen Winkel α einschließen, der in der Größenordnung von 95° bis 175° oder 120° bis 150° liegt. Außerdem kann die zweite Schwenkachse H in beliebiger Richtung bezüglich der Drehachse 1 und bezüglich der zu dieser Achse radialen Richtungen verlaufen.

Die Gelenkorgane 14, 15, 16 können, anstatt in der Ausführungsform gemäß Fig. 4 und 5 ausgeführt zu sein, auch von elastischen Elementen wie Gummibüchsen oder Drehstäben gebildet sein.

In den Fig. 6a bis 6c sind Bahnen dargestellt, entlang welcher sich zwei Punkte A, B an der Achse bei ihrer Drehung bewegen. Gemäß Fig. 6a bewegen sich diese Punkte entlang kreisrunder Bahnen, Q, R, S um den Steuerpunkt 2′′, näher bestimmt um eine durch diesen Punkt gehende Achse 2′. In der Projektion Fig. 6b ist die schräge Lage der Schwenkachse F gegenüber der die Achse 1 und 2′ enthaltenden Ebene ersichtlich. In der Projektion Fig. 6c erscheinen die kreisrunden Bahnen Q, R, S der Fig. 6a als an Kreise stark angenäherte Ellipsen. Aus dem Umstand, daß die Achsen 1 und 2′ miteinander einen Winkel einschließen, der in Fig. 6a als β bezeichnet ist, folgt, daß in Fig. 6c die Bahnen Q, R, S der Punkte A, B und des Gelenkorganes 14 gegeneinander verschoben sind. Die Punkte A und b entsprechen einer gewissen Drehlage des Rotors 40′, wobei mit A′ und B′ die Lage dieser Punkte angegeben wird, nachdem der Rotor 40′ eine halbe Umdrehung um die Drehachse 1 durchgeführt hat.

Die Projektion der Achse F, welche auch die Ebene des Rotor­ blattes 4 darstellt, zeigt in Fig. 6c die Richtung der Rotorblattverschwenkung die in einer Querstrommaschine wünschenswert, und im allgemeinen auch erforderlich ist. Vorzugsweise wird die Umkreisgeschwindigkeit der Maschine, bzw. des Rotors, die Einflußgeschwindigkeit des Mediums, und die Form der Rotorblätter so gewählt, daß die Ebene der Rotorblätter (von der Achse F dargestellt) bei normaler Belastung tangential zur genannten kreisförmigen Bahn, d. h. einem um die Achse 1 gezogenen, und durch den Steuerring 22 hindurchgehenden Zirkel, verläuft. Die Rotorblätter müssen dann nur beim Start vestellt werden, um ein großes Start­ moment zu erhalten, und bei bloß teilweiser Belastung (um auch dann einen guten Wirkungsgrad zu erzielen), oder aber bei Überlastung der Maschine. Dadurch werden u. a. diejenigen Probleme ab­ geschafft, die üblicher Weise bei so genannten Vollbelastungs­ turbinen für Wasserkraft entstehen, nämlich Erosion stromabwärts der Turbine zufoge unregel­ mäßiger Wasserströmung.

Wenn die Erfindung bei Wasserturbinen angewandt wird, so können die Trägerringe 16 in Form von für Wasser gänzlich oder teilweise undurchdringlichen Zwischen- oder Trennwänden ausgeführt sein, welche den Rotor der Länge nach in mehrere Abschnitte aufteilen, so daß das Wasser nur durch ausge­ wählte Abschnitte hindurchgelassen werden kann. Eine erfin­ dungsgemäße Turbine kann auch mit einem herkömmlichen Rotor mit feststehenden Rotorblättern kombiniert werden, wobei beide Rotore eine einen einzigen Generator antreibende Hauptwelle beaufschlagen.

Bei einer in der Praxis erprobten Ausführungsform einer erfindungsge­ mäßen Wasserturbine gemäß Fig. 7 ist einer der Wellen­ stumpfe 7, 8, nämlich der Wellenstumpf 8, der die Abtriebs­ welle darstellt und an einen Generator 20 angeschlossen ist, in einem nicht einstellbaren Lager 10′ untergebracht. Der andere Wellenstumpf ist dann auf die z. B. in Fig. 3 beim Wellenstumpf 7 dargestellte einstellbare Weise montiert. Das beim nicht einstellbar gelagerten Wellenstumpf, d. h. auf der Generatorseite, gelegene Endstück 6′ des Rotors ist gelenkig an den nicht gelenkig gelagerten Wellenstumpf angeschlossen, z. B. mittels eines drehmomentübertragenden Kugelgelenkes 19.

Claims (9)

1. Strömungsmaschine mit einem zu seiner Längsachse quer angeströmten Rotor, dessen gelenkig gelagerte Rotorblätter auf der Umlaufbahn tangential verstellbar sind, dadurch gekenn­ zeichnet, daß um die Neigungslage der Rotorblätter während einer Umdrehung auch im Betrieb ändern zu können, jedes Rotorblatt (4) um zwei Schwenkachsen (H, F) schwenkbar ist, von denen die erste Schwenkachse (F) durch den Gelenkpunkt geht, zumindest annähernd in der Ebene des Rotorblattes (4) liegt, und einen Steuerwinkel (α) zwischen 5° und 85° oder zwischen 95° und 175° mit einer pa­ rallel mit der Drehachse (1) des Rotors (40′) verlaufenden Erzeu­ genden (G) des Rotorblattes einschließt, und die zweite Schwenk­ achse (H) zumindest annähernd radial zu dieser Drehachse ver­ läuft, wobei die Senkrechte (N) zur Ebene jedes Rotorblattes (4) zumindest annähernd durch einen in endlichem Abstand von der Drehachse (1) gelegen Steuerpunkt (2) geht und die Größe dieses Abstandes sich mit der Größe der Neigung der Rotorblätter (4) ändert.

2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerwinkel (α) bevorzugt zwischen 30° und 60° oder zwischen 120° und 150° liegt.

3. Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die zweite Schwenkachse (H) die erste Schwenkachse (F) im Gelenkpunkt schneidet.

4. Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Endstücke (5, 6) an Wellenstümpfen (7, 8, 8′) ange­ ordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einer der Wellenstümpfe in einem Drehlager (9, 10, 10′) untergebracht ist, welches von einem stets frei verstellbaren, mit einem Einstell­ glied (18) versehenen Trägerarm (9*, 10*) getragen ist.

5. Maschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der andere Wellenstumpf (8′) in einem feststehenden Drehla­ ger (10′) untergebracht ist, so daß er stets in Richtung der Drehachse (1) des Rotors (40′) verläuft, und das betreffende Endstück (6′) auf gelenkige und drehmomentübertragende Weise an diesem Wellenstumpf angeordnet ist.

6. Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den beiden Endstücken (5, 6) zumindest ein Trägerorgan (16) vorgesehen ist, an das die Ro­ torblätter (4) in Gelenkpunkten mittels Gelenkorganen auf gleiche Weise wie an die Endstücke (5, 6) angeschlossen sind.

7. Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des Rotors ein Vielfaches seines Durchmessers ist.

8. Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Medium Wasser ist, und daß das Trägerorgan (16) oder die Trägerorgane von Trennwänden gebildet sind, die zumindest teilweise wasserundurchlässig sind.

9. Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorblätter (4) an die Endstüc­ ke (5, 6, 6′), und gegebenenfalls an das oder die Trägerorgane (16) mittels Schwenkzapfen (20, 21) angeschlossen sind, die einen zentralen Steuerring (22) aufweisen, sich in der Ebene des betreffenden Ro­ torblattes (4) erstrecken und die erste Schwenkachse (F) bilden, wobei ein Bolzen (23) vorgesehen ist, welcher durch den Steuer­ ring (22) hindurchgeht und im Endstück (5, 6, 6′) oder im Träger­ organ (16) in dessen radialer Richtung befestigt ist, und gegebe­ nenfalls die zweite Schwenkachse (H) bildet.