DE4113624A1

DE4113624A1 - Getriebe zum an- oder abtrieb von rotoren fuer maschinen zur umsetzung zwischen mechanischer energie und stroemungsenergie

Info

Publication number: DE4113624A1
Application number: DE4113624A
Authority: DE
Inventors: Heinrich Dr Ing Moesinger
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1991-04-26
Filing date: 1991-04-26
Publication date: 1992-10-29

Description

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein An- bzw. Abtriebsgetriebe für Maschinen zur Umsetzung zwischen mechanischer Energie und Strömungsenergie.

Ein typischer Anwendungsfall für einen Abtrieb ist ein Wind konverter zur Erzeugung von elektrischer Energie aus Windenergie kleiner und mittlerer Bauart. Ein solches Beispiel ist im Anwendungsfall 1 beschrieben. Als Antrieb kann die Erfindung für Gebläse mit Rotoren groben Durchmessers vorteilhaft eingesetzt werden. Ein weiteres Beispiel ist der Antrieb eines Rotors für einen "Einmann-Hubschrauber" in Ultraleichtbauweise. Dieses Beispiel ist im Anwendungsfall 2 beschrieben.

Stand der Technik

Die Leistungsübertragung von relativ langsam drehenden Rotoren großen Durchmessers ist meist mit hohen Drehmomenten verbunden, welche bei bisherigen Lösungen über eine Nabe oder Welle aufge nommen werden, die im Vergleich zum Rotor einen kleinen Durch messer aufweisen. Hier sind besondere Anforderungen an die Welle sowie an die Blattbefestigungen zu erfüllen, so daß Dreh momente und Fliehkraftbeanspruchung beherrscht werden können. Des weiteren muß eine Wandlung zwischen kleiner Drehzahl mit grobem Drehmoment und grober Drehzahl mit kleinem Drehmoment oder umgekehrt mittels eines zusätzlichen Getriebes stattfinden. Dieses zusätzliche Getriebe kann erhebliche Kosten und außerdem Energieverluste durch Wirkungsgrade zur Folge haben. Gerade bei Windkonvertern kleiner und mittlerer Bauart sind die Getriebekosten, verbunden mit aufwendigen Nabenkonstruktionen nicht selten die Ursache für unwirtschaftlich hohe Herstellungs kosten.

Aufgabe

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Umsatz zwischen kleiner Rotordrehzahl und großem Drehmoment zu großer Drehzahl und kleinem Moment oder umgekehrt an einem im Vergleich zu herkömmlichen Nabenkonstruktionen wesentlich größerem Durch messer vorzunehmen, so daß die für die Leistungsübertragung relevanten Umfangsgeschwindigkeiten wesentlich größer und die zugehörigen Kräfte wesentlich kleiner sind als bei herkömm lichen Habenkonstruktionen. Die dabei eingesetzten Kon struktionselemente sind dabei möglichst einfach aufgebaut, kostengünstig und von geringem Gewicht.

Lösung der Aufgabe

Da im Zentrum eines Rotors die Leistungsübertragung an das strömende Medium gering ist, wird in der Erfindung der Innen bereich des Rotors zur Ausgestaltung eines Getriebes mit großem Durchmesser entsprechend den Merkmalen nach Anspruch 1 genutzt. Die weitere Ausgestaltung der Erfindung, die insbe sondere auf eine kostengünstige Herstellung und geringe Verluste bei der Energieumsetzung zielt, wird durch die kennzeichnenden Teile der Unteransprüche 2-6 gelöst.

Erzielbare Vorteile

Da bei der Leistungsübertragung kleinere Kräfte auftreten als bei herkömmlichen Nabenkonstruktionen können einfache und kosten günstige Konstruktionselemente (z. B. der Zahnriemen) Verwendung finden. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß an dem ver gleichsweise großen Außendurchmesser des Rings einfacher als bei bisherigen Nabenkonstruktionen die Blätter oder ggf. die Blattverstellmechanismen montiert werden können. Auch auf die Form der Rotorblätter hat die Erfindung eine günstige Auswirkung. Das Gewicht ist wesentlich kleiner als bei leistungsgleichen herkömmlichen Rotorantrieben mit Zahnradgetriebe.

Werden abhängig von der Windgeschwindigkeit einzelne Generator maschinen zu- oder abgeschaltet, so kann die Anlage entsprechend ihres Kennfeldes optimal betrieben werden. Dies ist ein wesent licher Vorteil gegenüber Windkonvertern mit nur einem Generator.

Ausführungsbeispiel 1

Im folgenden wird beispielhaft für die Erfindung ein Getriebe beschrieben, wie es typischerweise als Abtrieb für einen Wind konverter kleiner und mittlerer Bauart eingesetzt werden kann. Das Ausführungsbeispiel 1 ist in Fig. 1 und Fig. 2 dargestellt. An dem zylindrischen Ring (1), welcher vorteilhaft auch aus Faserverbundwerkstoff hergestellt sein kann, sind auf der Außen seite die Rotorblätter (2) befestigt (Im Anwendungsbeispiel ist eine starre Blattbefestigung gewählt). Auf der Innenseite des Rings (1) ist ein Zahnriemen (3) z. B. durch Kleben so befestigt, daß seine Zähne zum Zentrum des Rings weisen.

Mittels einer geeigneten Trägerkonstruktion (4) werden z. B. sechs Generatormaschinen (5) so gehalten, daß die auf den Wellen stümpfen sitzenden Zahnscheiben (6) in den Zahnriemen (3) eingreifen. Die elektrische Leistung der Generatormaschinen ist so bemessen, daß sie in ihrer Summe der maximal erzielbaren Rotorleistung entsprechen. Bei geringerer Windgeschwindigkeit also wenn kleinere Rotorleistungen erzielt werden, können ein zelne Generatormaschinen elektrisch abgeschaltet werden. Die Radiallagerung des Rings (1) einschließlich der an ihm befestigten Rotorblätter wird durch die Lagerung der sechs Generatormaschinen übernommen. Die Axiallagerung wird durch Stützrollen oder ähnliche Wälzlagerelemente (7) zwischen der Stirnseite des Rings und der Trägerkonstruktion für die Gene ratormaschinen hergestellt.

Herstellungenauigkeiten oder Rundlauffehler des Rings mit Zahn riemen werden mittels elastischer Befestigung (8) der Generator maschinen ausgeglichen. Das im Unteranspruch 5 beschriebene Merkmal, welches das mechanische Ein- und Ausrücken der Ritzel betrifft, ist im Anwendungsbeispiel nicht ausgeführt. Zur verlustarmen Strömungsführung dienen die mitdrehende, am Ring befestigte Abdeckhaube (9) auf der Luvseite und die fest stehende, mit der Trägerkonstruktion für die Generatormaschinen befestigte Abdeckhaube (9a) auf der Leeseite des Rotors.

Ausfühungsbeispiel 2

Im folgenden wird beispielhaft für die Erfindung ein Getriebe beschrieben, wie es typischerweise als Antrieb für einen Rotor an einem "Einmann-Hubschrauber" in Ultraleichtbauweise eingesetzt werden kann.

Das Ausführungsbeispiel 2 ist in Fig. 3 und Fig. 4 dargestellt. An dem zylindrischen Ring (1), welcher vorteilhaft aus Faser verbundwerkstoff hergestellt ist, sind auf der Außenseite die Rotorblätter (2) befestigt. Auf der Innenseite des Rings (1) ist ein Zahnriemen (3) z. B. durch Kleben so befestigt, daß seine Zähne zum Zentrum des Rings weisen.

Mittels einer geeigneten Trägerkonstruktion (4) werden vier Wellenlagereinheiten (5) so gehalten, daß die jeweils an einem Wellenende befestigten Zahnscheibenritzel (6) in den Zahnriemen (3) eingreifen. Die jeweils am anderen Ende der Wellen befestig ten Zahnscheiben werden gemeinsam über den Zahnriemen (7) durch einen kleinen Verbrennungsmotor mit ca. 5 KW Leistung angetrie ben. Der Motor mit eventuell zusätzlichem Getriebe ist auf der Trägerkonstruktion (4) fest montiert.

Die Trägerkonstruktion (4) ist fest mit einem Leitrad (8) verbun den, das seinerseits wieder aus einem Ring (8a) und Leitrad blättern (8b) besteht. Der Pilot kann den Anstellwinkel eines oder mehrerer Leitradblätter verändern, so daß das Reaktionsmo ment auf die Trägerkonstruktion (4) aufgenommen werden kann, ohne daß eine Drehung des Leitrades mit Trägerkonstruktion relativ zur Erde einsetzt. Die Trägerkonstruktion kann daher auch zur Anbringung des Pilotensitzes dienen.

Zur verlustarmen Strömungsführung dient die Abdeckhaube (9). Der Vortrieb erfolgt durch Schrägstellung des Fluggerätes, Richtungsänderungen werden durch die Drehung des Fluggerätes bewirkt, welche durch Veränderung des Leitradanstellwinkels ausgelöst wird.

Claims

1. Getriebe zum An- oder Abtrieb von Rotoren für Maschinen zur Umsetzung zwischen mechanischer Energie und Strömungsenergie, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Energieumsetzung dienenden Blätter oder Schaufeln des Rotors an der Außenseite eines zylindrischen Rings starr oder verstellbar angebracht sind, an dessen Innenseite über den ganzen Umfang mindestens ein Zahnriemen befestigt ist, dessen Verzahnung nach innen weist und in den mindestens ein oder über den Umfang verteilte mehrere Zahnscheibenritzel eingreifen, die an einer Trägerkonstruktion befestigt sind, so daß eine Innenverzahnung entsteht.

2. Getriebe zum An- oder Abtrieb von Rotoren für Maschinen zur Umsetzung zwischen mechanischer Energie und Strömungsenergie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die An- bzw. Abtriebsritzel direkt auf den Wellenstümpfen der An- bzw. Abtriebsmaschinen sitzen oder Teil dieser Wellen sind.

3. Getriebe zum An- oder Abtrieb von Rotoren für Maschinen zur Umsetzung zwischen mechanischer Energie und Strömungsenergie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor keine eigene radiale Lagerung aufweist, sondern daß diese Funktion durch die Lagerung der am Innenumfang des Rings verteilten Ritzelwellen oder entsprechend Unteran spruch 2 durch die Lagerung der An- bzw. Abtriebsmaschinen übernommen wird.

4. Getriebe zum An- oder Abtrieb von Rotoren für Maschinen zur Umsetzung zwischen mechanischer Energie und Strömungsenergie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die An- bzw. Abtriebsritzel mittels ausreichend elasti scher Bauelemente in den Zahnriemen gedrückt werden, so daß kleine radiale Verschiebungen zum Ausgleich von Rundlauf fehlern und Montageungenauigkeiten möglich sind.

5. Getriebe zum An- oder Abtrieb von Rotoren für Maschinen zur Umsetzung zwischen mechanischer Energie und Strömungsenergie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die An- bzw. Abtriebsritzel einschließlich ihrer Lager systeme radial verschiebbar oder schwenkbar angeordnet sind, so daß sie einzeln in den Zahnriemen ein- und ausgekoppelt werden können.

6. Getriebe zum An- oder Abtrieb von Rotoren für Maschinen zur Umsetzung zwischen mechanischer Energie und Strömungsenergie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die luv- und leeseitige Querschnittsfläche des Rings mit einer strömungsgünstig geformten Abdeckhaube versehen ist, wobei jeweils eine Befestigung mit dem drehenden Ring oder mit der stehenden Trägerkonstruktion für die An- bzw. Ab triebsmaschinen möglich ist, wobei auch eine der beiden Abdeckhauben entfallen kann.