DE371459C - Laufrad fuer Windturbinen mit allseitig geschlossenen Kanaelen, welche in mehreren konzentrisch umeinandergelagerten, mit Schaufeln versehenen Ringen angeordnet sind - Google Patents

Description

• Laufrad für Windturbinen mit allseitig geschlossenen Kanälen, welche in mehreren konzentrisch umeinandergelagerten, mit Schaufeln versehenen Ringen angeordnet sind. Das ideale Geschwindigkeitsschema der Laufschaufeln einer Windturbine, die ohne Leitvorrichtung arbeitet, ist in Abb. r dargestellt. Die Sekundengeschwindigkeit des senkrecht zur Drehebene des Laufrades gerichteten Windstromes sei c.. Hat das Rad än einem bestimmten Radius die Umfangsgeschwindigkeit u, so setzt sich dieses mit c. zur relativen Eintrittsgeschwindigkeit w, zusammen, dessen Richtung die Neigung der Schaufeleintrittkante bestimmt. LäBt man die Schaufel-Reibungs- und -Wirbelverluste unberücksichtigt, so hat der Windstrom am Schaufelaustritt die Relativgeschwindigkeit w2 = w,. Er ändert in der Schaufel lediglich seine Richtung von Winkel a, bis ß. Durch die Umlenkung übt er einen Antriebsdruck auf die Schaufel aus. Beim Austritt ergibt sich dann aus w2 und der Umfangsgeschwindigkeit u die absolute Austrittsgeschwindigkeit c2. DieDifferenzarbeit ;c 2-c2) wird als ideale Nutzarbeit auf die Turbine übertragen. Infolge der Verminderung der Absolutströmung von c. auf c2, bzw. dessen Achsialkomponente c_., kann hinter der Turbine nur eine Luftmenge abströmen, die sich zur Zuströmmenge wie c.. zu c" verhält. Die Folge davon ist, daß vor er Turbine ein Druckstau entsteht, der bewiäkt, daß sich einesteils c. und c, etwas vergrößern und andernteils der überschießende Betrag der Zuströmluft, . nachdem er einen Teil seiner Strömungsenergie mit dem Effekt der erwähnten Geschwindigkeitserhöhung an die Durchströmmenge abgegeben hat, seitwärts über den Turbinenrand mit verminderter Geschwindigkeit abfließt und von der außen vorbeiströmenden Luft wieder beschleunigt und weitergetrieben wird.
• Der Gegenstand der Erfindung betrifft Turbinenräder, welche geschlossene Laufkanäle haben, die so geformt sind, daß sie dem oben dargestellten Strömungsvorgang angepaßt sind und dadurch eine möglichst vollkommene Ausnutzung des Luftstromes bewirken. Dies wird dadurch erreicht, daß das Laufrad in mehrere Schaufelringe unterteilt wird, die Schaufelkanäle nur am Austritt die ganze nutzbare Radfläche einnehmen, am Eintritt dagegen im umgekehrten Verhältnis der Absolutgeschwindigkeiten verengt sind und daß, um die Wirkung der Zusatzbeschleunigung durch den vom überschüssigen Windstrom erzeugten Druckstau möglichst günstig zu gestalten, die Einlaßquerschnitte zu den Schaufelkanälen düsenförmig verjüngt sind. Letztere Wirkung wird durch geeignete Formgebung der ringförmigen Begrenzung der Schaufelkanäle vor dem Schaufeleintritt, erstere durch entsprechende Form der Strömungsquerschnitte in den Schaufeln erreicht oder dadurch, daß beide Wirkungen durch die Schaufeln hervorgebracht werden.
• Die Abb. 2 bis 5 zeigen ein Ausführungsbeispiel der ersten Art, die übrigen Abbildungen solche der zweiten Art. Das Turbinenrad Abb. 2 bis 4. besteht aus dem mittleren Verdrängungskörper a, der gleichzeitig Nabe und Welle des Rades bildet und dazu dient, die Zuströmluft aus dem inneren Radbereich, in dem die Nutzwirkung wegen der geringen Radumfangsgeschwindigkeit sehr klein wäre, den weiter außen liegenden Schaufeln zuzudrängen und somit wenigstens teilweise durch Druckstau nutzbar zu machen. b sind Ringwulste, von denen je nach der Radgröße einer oder mehrere, über den Radius verteilt, angebracht werden. Je zwei benachbarte Wulste bilden zwischen ihrer Eintrittskante c und der Schaufeleintrittkante d Ringdüsen, deren Wirkungen aus der hydraulischen und Gas-Strömungstheorie hinreichend bekannt sind. Die Laufschaufelaußenkante liegt bei e. Zwischen d und e verengen sich die Wulstringe wieder, so daß sich der Laufschaufelkanal von der radialen Eintrittsbreite f (Abb. 5) auf die Austrittbreite g erweitert. Dadurch wird auf die Verminderung von co auf c.. Rücksicht genommen, so daß die Durchströmmenge mit der Geschwindigkeit c. abströmen kann und die durch das Diagramm Abb. i dargestellte Antriebswirkung gewährleistet wird. In Abb.5 ist außer dem Radialschnitt durch einen Schaufelkanal ein Querschnitt h durch eine Schaufel, die in diesem Falle überall gleiche Dicke haben kann, sowie deren Abwicklung i dargestellt.
• Für das zweite Ausführungsbeispiel ist in Abb. 6 das mittlere Geschwindigkeitsdiagramm für den äußersten Schaufelring k (Abb. 12 und 13) entworfen, in Abb. 7 das gleiche für den innersten Schaufelkreis 1. Die Bezeichnungen der Abb. 6 und 7 haben die gleiche Bedeutung wie die in Abb. i. Abb. 8 und 9 sind die zu 6 und 7 gehörigen Schaufelquerschnitte, radial gesehen. Die Ringwulste b des ersten Ausführungsbeispiels sind hier durch einfache zylindrische Ringe b ersetzt, die die einzelnen Schaufelringe begrenzen, und die gesamten Querschnittänderungen für den wirksamen Luftstrom werden durch veränderliche Schaufeldicke erreicht. Während durch die Verdickung der Schaufel auf der Eintrittsseite der einzelne Schaufelkanal und damit die Summe aller nur einen Bruchteil entsprechend t. : t des Umfanges für den Luftstrom freigibt, bedecken die Kanäle auf der Austrittsseite den ganzen Umfang, entsprechend der Summe aller t. Um auch hierbei eine düsenartige Beschleunigungswirkung für die Ausnützung des Druckstaues zu erreichen, sind die Einlaßkanten der Schaufeln (Abb. 9 und io) nicht bis außen hin in Richtung der relativen Eintrittgeschwindigkeit w, durchgeführt, sondern sie sind zwischen den Punkten na und ia von diesen abgebogen, so daß der Schaufelkanal eine sich von m nach n verjüngende Düse bildet.
• Diese zweite Ausführungsform kann auch mit der erstbeschriebenen vereinigt und gleichzeitig angewandt werden.
• Abb. io und ii zeigen Annäherungen an die graphisch ermittelten Schaufelformen (Abb. 8 und 9), die sich dadurch kennzeichnen, daß sie in Anlehnung an die gegebenen Relativgeschwindigkeiten Querschnitte haben, die denen der Vogelflügel ähnlich sind.

Claims (1)

1. PATENT-ANSPRUCH: Laufrad für Windturbinen mit allseitig geschlossenen Kanälen, welche in mehreren konzentrisch umeinandergelagerten, mit Schaufeln versehenen Ringen angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die S trömquerschnitte sich erst verengen und dann erweitern.