DE4216531A1

DE4216531A1 - Rotoranordnung mit einem oder mehreren Rotorblättern

Info

Publication number: DE4216531A1
Application number: DE4216531A
Authority: DE
Inventors: Hans B Dr Linden
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1992-05-19
Filing date: 1992-05-19
Publication date: 1993-11-25

Description

Antriebsrotoren, deren Drehachsen parallel zur Grenzfläche zweier unterschiedlicher Medien senkrecht zur Strömungsrichtung eines der Medien liegen, sind bekannt. Sie dienen zum Beispiel bei Wasserrädern zur Energiegewinnung oder bei Raddampfern zur Fortbewegung. Hier bewegt sich ein Teil der Rotorblätter im Wasser, während der andere Teil sich in der Luft fortbewegt.

Antriebsrotoren, die in einem einheitlichen Medium arbeiten, sind ebenfalls bekannt. Hierzu gehören Propeller von Flugzeugen und dergleichen, deren Drehachsen parallel zur Richtung des strömenden Mediums angeordnet sind. Sie können einem strömen den einheitlichen Medium Energie entziehen, zum Beispiel in Form von Windkraft anlagen, oder sie können unter Verbrauch von Energie das fließende Medium beschleunigen, zum Beispiel als Flugzeugpropeller, Ventilator oder Schiffsschraube.

Antriebsrotoren, die in einem einheitlichen Medium arbeiten und Drehachsen senk recht zum strömenden Medium aufweisen, sind weniger gebräuchlich und in der Regel weniger effektiv als die bisher genannten Rotoren. Ein Beispiel für diese Art ist der bekannte Savonius-Rotor zur Windenergiegewinnung. Als Antrieb ist der Savonius-Rotor unter anderem wegen des geringen Wirkungsgrades nicht von Bedeutung.

Der Wirkungsgrad solcher Rotoranordnungen spielt aber eine wichtige Rolle, gleich gültig, ob die Rotoranordnung von einem Medium angeströmt zur Erzeugung von Energie benutzt wird oder ob die Rotoranordnung angetrieben wird und damit ein fließendes Medium beschleunigt.

Gerade heute ist die Nutzung vorhandener Energien von besonderer Bedeutung, gleichgültig, ob es sich um Wasser oder Luft handelt.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Rotoranordnung so zu gestalten, daß sie in einem einheitlichen Medium wirkt, mit Drehachsen, die senkrecht zur Strömungsrich tung des Mediums stehen und sowohl zur Energieerzeugung als auch zur Beschleuni gung des fließenden Mediums dienen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Rotorblätter einer Rotoranordnung auf einem gemeinsamen Träger um eine Achse senkrecht zur Trägerebene drehbar angeordnet sind und daß der Träger um eine Mittelachse drehbar gelagert ist und daß die Rotorblätter über eine Vorrichtung beim Umlauf um die Trägerachse um ihre Rotorblattachse gedreht werden, so daß beim Umlauf um die gemeinsame Drehachse die Rotorblätter gleichzeitig um die Rotorblattachsen so rotieren, daß die Rotorblätter in Abhängigkeit vom Drehwinkel des Rotors unter schiedlich stark mit dem fließenden Medium wechselwirken.

Durch diese Ausbildungsmerkmale wird erreicht, daß ein einfacher Antriebsrotor mit Drehachsen senkrecht zum strömenden Medium sehr vorteilhaft in einem einheitli chen strömenden Medium sowohl zur Energiegewinnung als auch unter Energiever brauch als Antriebsvorrichtung benutzt werden kann.

In den Figuren ist die Erfindung näher dargestellt:

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine Rotor anordnung mit vier Rotorblättern 1 bis 4. Die Drehachse 5 des Trägers 19 und die Achsen 6 bis 9 der Rotorblätter stehen in der Zeichnung senkrecht zur Papierebene.

Eine kontinuierliche drehrichtungsgleiche Drehung der Rotorblätter 1 bis 4 um die jeweiligen Rotorblattachsen 6 bis 9 in Abhängigkeit von der Winkelgeschwindigkeit der Drehung der Rotoranordnung um die Drehachse 5 wird in einfacher Weise durch ein Zahnradgetriebe, bestehend aus dem Führungsrad 10 und den Zahnrädern 11 bis 18 erreicht. Anstelle des Zahnradgetriebes kann auch ein Riemenantrieb oder ein Kettenantrieb vorgesehen sein. Das Führungsrad 10 ist starr mit der Drehachse 5 ver bunden. Die Zahnräder 15 bis 18 sind ihrerseits starr mit den Rotorblattachsen 6 bis 9 verbunden. Die Zahnräder 11 bis 14 sind drehbar auf dem Träger 19 befestigt. Während eines Umlaufes rollen die Zahnräder 11 bis 14 auf dem nicht rotierenden Führungsrad 10 ab. Durch Eingriff der Zahnräder 11 bis 14 in die Zahnräder 15 bis 18 rotieren während des Umlaufs die Zahnräder 15 bis 18 und mit ihnen die Rotorblätter 1 bis 4 um die Rotorachsen 6 bis 9.

Eine drehrichtungsgleiche Drehung der Rotorblätter 1 bis 4 um die Rotorblattachsen 6 bis 9 mit der halben Winkelgeschwindigkeit der Drehung um die Drehachse 5 der Rotoranordnung erreicht man beispielsweise dadurch, daß das Führungsrad 10 und die Zahnräder 11 bis 14 untereinander gleich groß, aber halb so groß wie die Zehn räder 15 bis 18 sind.

Eine drehrichtungsgleiche Drehung der Rotorblätter 1 bis 4 um die Rotorblattachsen 6 bis 9 mit der halben Winkelgeschwindigkeit der Drehung um die Drehachse 5 der Rotoranordnung ist für viele Anwendungsfälle von Bedeutung. Ein richtungsstabiles strömendes Medium kann unter Energieverbrauch erzeugt oder unter Energie gewinnung genutzt werden.

Aus einer Drehung der Rotorblätter 1 bis 4 um die Rotorblattachsen 6 bis 9 mit einer Winkelgeschwindigkeit, die ungleich der halben Winkelgeschwindigkeit der Drehung um die Drehachse 5 der Rotoranordnung ist, resultiert eine rotierende Richtung des strömenden Mediums. Somit kann die Rotoranordnung auch als Ventilator benutzt werden, um einen rotierenden Luftstrom zu erzeugen.

Bei der drehrichtungsgleichen Drehung der Rotorblätter 1 bis 4 um die Rotorblatt achsen 6 bis 9 mit der halben Winkelgeschwindigkeit der Drehung um die Drehachse 5 der Rotoranordnung steht die Position des Führungsrades 10 in direktem Zusammen hang mit der Richtung des strömenden Mediums. Wird das Führungsrad 10 jedoch um einen bestimmten Winkel gedreht, so ändern sich gleichzeitig die Anstellwinkel aller Rotorblätter und mit ihnen die unter Energieverbrauch erzeugte Strömung um denselben Winkel.

Ändert sich die Richtung eines zur Energiegewinnung genutzten strömenden Mediums etwa in Windrichtung um einen bestimmten Winkel, so bewirkt eine Drehung des Führungsrades 10 um denselben Winkel die gleichzeitige Nachführung aller für die Energiegewinnung optimalen Anstellwinkel aller Rotorblätter. So kann bei Anströmung durch das Medium Wind eine starre Verbindung des Führungsrades 10 mit einer Windfahne die Nachführung des optimalen Anstellwinkels an jede beliebige Windrichtung selbsttätig durchführen.

Außer dem in Fig. 1 dargestellten Anwendungsbeispiel mit vier Rotorblättern sind Anordnungen mit größeren oder kleineren Rotorblattzahlen ausführbar. Trivialer weise muß mindestens ein Rotorblatt vorhanden sein. In Fig. 2 ist ein Anwendungs beispiel mit zwei Rotorblättern in zwölf verschiedenen, um jeweils 15° rotierten Rotor positionen a bis l dargestellt. Infolge der zur Drehrichtung der Rotoranordnung - dar gestellt durch den Drehrichtungspfeil in - gegenläufigen Drehrichtung der Zahnräder 15 bis 18 - dargestellt durch den Drehrichtungspfeil I - erfolgt die Drehung der Rotor blätter - dargestellt durch den Drehrichtungspfeil II - mit der halben Winkelgeschwin digkeit der Drehung der Rotoranordnung in derselben Richtung wie diese. Die Rich tung des fließenden Mediums verläuft in der Zeichenebene von oben nach unten - dargestellt durch den Drehrichtungspfeil W. Die in Fig. 2 eingezeichneten Winkel ß geben den Drehwinkel eines der Rotorblätter in den verschiedenen Positionen an. Das zweite Rotorblatt hat stets eine zu diesem Rotorblatt senkrechte Position.

Die Kräfte, die bei dem beschriebenen Rotor wirksam sind, gehorchen der Formel:

K = pxFxcos²β mit

K = Kraft, die an den Hebelarmen, gebildet aus den Verbindungen der Drehachse 5 mit den Rotorblattachsen 6-9, tangential angreift
p = Druck des strömenden Mediums in kp/m²
F = Fläche des Rotorblatts in m²
ß = Anstellwinkel des Rotorblatts relativ zum strömenden Medium.

Daraus ergibt sich, daß jedes Rotorblatt bei jedem Anstellwinkel β einen positiven Beitrag zur Energiegewinnung bzw. zum Antrieb leistet mit Ausnahme des 90° Durch ganges. Von den in Fig. 2 dargestellten vierundzwanzig Rotorblattpositionen leisten dreiundzwanzig Positionen einen positiven Beitrag. Nur eine der in Fig. 2 dargestellte Position leistet keinen positiven Beitrag, und zwar die 90°-Position a, während die 0°-Position a gleichzeitig den maximalen Beitrag leistet. In Fig. 2 gibt der Drehrichtungspfeil I die Drehrichtung der Zahnräder um ihre Achsen an. Der Drehrichtungspfeil II kennzeichnet dageben die Drehrichtung des Rotorblattes relativ zur Drehrichtung des Rotors. Mit Drehrichtungspfeil III ist die Drehrichtung der Rotoranordnung gekennzeichnet. Die Richtung des strömenden Mediums ist mit Pfeil IV angegeben. Der Übersichtlichkeit wegen sind die inneren Zahnräder und das Führungsrad nicht eingezeichnet.

Claims

1. Rotoranordnung mit einem oder mehreren Rotorblättern, deren Drehachsen senkrecht zur Strömungsrichtung eines Mediums liegen, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Rotorblätter auf einem gemeinsamen Träger um eine Achse senkrecht zur Trägerebene drehbar angeordnet sind,
- daß der Träger um eine Mittelachse drehbar gelagert ist und
- daß die Rotorblätter über eine Vorrichtung beim Umlauf um die Trägerachse um ihre Rotorblattachsen drehbar sind.

2. Rotoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Vorrichtung als Zahnradgetriebe oder als Riemen- oder Ketten antrieb ausgebildet ist.

3. Rotoranordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Trägerachse und die Rotorblattachsen parallel zueinander ange ordnet sind.

4. Rotoranordnung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Rotation der Rotorblätter um die Rotorblattachsen die halbe Winkelgeschwindigkeit der Rotordrehung beträgt.

5. Rotoranordnung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,

- daß die durch die Drehung in Abhängigkeit eines strömenden Mediums erzeugte Energie einen Generator antreibt.

6. Rotoranordnung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,

- daß der Träger durch eine Energiequelle angetrieben wird,
- daß in Abhängigkeit davon die Rotorblätter in Drehung versetzt werden und ein strömendes Medium beschleunigen.

7. Rotoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

- daß das Führungsrad verstellbar ist.

8. Rotoranordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,

- daß das Führungsrad mit einer Windfahne verbunden ist.