DE4334910A1

DE4334910A1 - Rotationsflügel mit aerodynamischem oder hydrodynamischem Antrieb und Leistungssteuerung

Info

Publication number: DE4334910A1
Application number: DE19934334910
Authority: DE
Inventors: Hans Erich Gunder; Heide Gunder
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1993-10-13
Filing date: 1993-10-13
Publication date: 1995-04-20

Description

Stand der Technik

Rotationselemente wie rotierende Zylinder, Klappen, Walzen oder Drehflügel sind bekannt.

Ihre Wirkungsweise hängt davon ab, ob sie als Einzelelemente oder in Verbindung mit anderen Profilen eingesetzt werden.

Wesentlich für ihren Einsatzbereich und ihre Leistungsfähigkeit ist die Schnellaufzahl, d.h. das Verhältnis der Umfangsgeschwindigkeit des äußersten Profilpunktes zur Geschwindigkeit des anströmenden Mediums.

Ohne fremden Antrieb haben insbesondere angeströmte Drehflügel eine Eigenrotation oder Autorotation u/v in der Größenordnung von 0,5. Die bei Autorotation erreichten Drehzahlen der Rotationselemente sind für die meisten Einsatzfälle zu gering, so daß Rotationsflügel in der Regel angetrieben werden müssen. Ein motorischer Antrieb setzt die Zuführung von Energie zum Antrieb und einen Antriebsteil voraus.

Aufgabe

Mit der vorliegenden Erfindung soll ein Teil der Energie des vorbeifließenden Mediums als Antriebsenergie genutzt werden, um die betriebsnotwendige Schnellaufzahl des Rotationsflügels zu erreichen.

Lösung

Um das beschriebene Ziel zu erreichen, wird die in Patentanspruch 1 angegebene Erfindung vorgeschlagen. Dazu wird erfindungsgemäß neben dem rotierenden Hauptflügel als dem einsatzbezogenen Leistungsabschnitt zumindest ein zusätzliches anders gestaltetes Flügelteilstück zum Antrieb des Hauptflügels genutzt. Dabei arbeitet der Leistungsabschnitt des Rotationsflügels mit völlig anderen Strömungsverhältnissen als der Antriebsabschnitt. Um die Wirbelverluste aus dem Strömungsausgleich zwischen den beiden Abschnitten klein zu halten, sind Trennungen notwendig, die in einfachster Form durch Trennscheiben erreicht werden können.

Vorteile

Rotationsflügel, die einen Teil der Energie des vorbeiströmenden Mediums als Antrieb benutzen, können sich auf diesen Energiefluß und damit auf die jeweils herrschenden Strömungsgeschwindigkeiten einstellen. Es ergeben sich dadurch bauartbedingte Abhängigkeiten zwischen den Strömungsgeschwindigkeiten des umgebenden Mediums und der Drehzahl des Hauptflügels. Dies ist für die Auslegung und Anwendung im erfindungsgemäß nicht angesprochenen Leistungsbereich des Rotationsflügels wichtig.

Die Energie zum Antrieb der Rotationsflügel steht immer zur Verfügung, wenn das sie umgebende Medium in Bewegung ist. Damit sind die Flügel ohne jede Form von veredelter Primärenenergiezulieferung an jedem Einsatzort zu betreiben. Sie können frei von Verschleißteilen, außer den Eigenlagern, gebaut werden. Da die Energieaufnahme vorort erfolgt, ist diese Aufnahme unterhalb des zur Verfügung stehenden Energieangebotes in vielfältiger Form steuer- und regelbar. Dies ist wichtig, wenn die Energie des vorbeiströmenden Mediums nur teilweise genutzt werden soll. Die Form der Energieaufnahme ist je nach Anwendungsfall auf der Grundlage aller bestehenden technischen Lösungen zur Aufnahme von Energie ausströmenden Medien möglich. Dabei können sowohl Widerstand als auch Auftrieb genutzt werden, denn zwischen den konstruktiv notwendigen Drehzahlen des Hauptflügels und den Drehzahlen des Antriebselementes sind Übersetzungen in den Größen der Durchmesserverhältnisse oder auch von Getrieben möglich.

Erläuterung der Erfindung an Ausführungsbeispielen

Anhand der Fig. 1 bis 10 der Zeichnungen wird die Erfindung im folgenden näher erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 einen Rotationsflügel in überwiegend vertikaler Anordnung kardanisch aufgehängt mit einem Lager und einem Vertikalachsenkonverter als Antrieb.

Fig. 2 einen Rotationsflügel in überwiegend vertikaler Anordnung kardanisch aufgehängt mit einem Lager und einem frei drehbaren Horizontalachsenkonverter mit Getriebe als Antrieb.

Fig. 3 den Rotationsflügeln nach Fig. 2 mit dem frei drehbaren Horizontalachsenkonverter und dem Getriebe in der Seitenansicht.

Fig. 4 einen Rotationsflügel mit zwei Lagern, davon ein Lager als Zwischenlager zwischen Leistungsabschnitt und Antriebsteil mit einem Vertikalachsenkonverter als Antrieb.

Fig. 5 einen Rotationsflügel mit zwei Lagern als Endlager und zwei Vertikalachsenkonvertern als Antrieb.

Fig. 6 einen Rotationsflügel mehrfach gelagert mit zwei Leistungsabschnitten und einem Horizontalachsenkonverter als Antrieb.

Fig. 7 Schnitte A (9) der Fig. 1 bis 6 Standardprofile für den Rotationsflügel im Leistungsabschnitt.

Fig. 7a unsymmetrisches Profil;

Fig. 7b unsymmetrisches Profil mit S-Schlag;

Fig. 7c symmetrisches Profil;

Fig. 7d Kreisbogenzweieck;

Fig. 7e Zylinder;

Fig. 8 Schnitte B (10) der Fig. 1, 4 und 5 Standardformen für Vertikalachsenkonverter mit unterschiedlichen Schnellaufzahlen bei Auftriebs- und Widerstandsausnutzung.

Fig. 8a Savonius Rotor;

Fig. 8b Darrieus Rotor mit unsymmetrischem Blattprofil (z. B. Patentanmeldung P 43 19 291.2);

Fig. 8c Anemometer;

Fig. 8d Antriebsschnecke oder Schraubenfläche;

Fig. 9 Tragflächenprofil mit Rotationsflügel in bekannter Anordnung, mit einem Zylinder als Leistungsteil des Rotationsflügels und zwei Savoniusrotoren zum Antrieb.

Fig. 10 Schnitte aus Fig. 9.

Fig. 10a Schnitt C (11) aus Fig. 9.

Fig. 11 Tragflächenprofil mit Rotationsflügel in bekannter Anordnung mit einem Zylinder als Leistungsteil des Rotationsflügels und zwei Darrieusrotoren zum Antrieb.

Fig. 12 Schnitt E (13) aus Fig. 11.

Wesentlich für die Ausführungsformen von Rotationsflügeln sind ihre Einsatzformen. Zwei grundsätzliche Möglichkeiten des Einsatzes müssen unterschieden werden. Zum einen gibt es den Rotationsflügel, der in einem strömenden Medium selbst arbeitet. Daneben gibt es den Rotationsflügel, der in Kombination mit anderen festen Strömungskörpern die entstehenden Strömungsverhältnisse nutzt oder ändert, und damit das Verhalten und die Leistung des Gesamtsystems stark beeinflußt.

In allen Einsatzfällen arbeitet der Hauptflügel, d. h. der Leistungsbereich des Rotationsflügels, mit der Anströmung senkrecht zur Flügelachse. Damit liegt die Anströmung des erfindungsgemäß auszubildenden Antriebsteiles fest, dessen Form und Größe nach bekannten Kriterien auswählbar ist.

Die Fig. 1, 2 und 3 zeigen erfindungsgemäß aufgebaute allein arbeitende Rotationsflügel in vertikaler Anordnung, die die Schwerkraft, eventuell mit Belastungskörpern, stabilisierend ausnutzen. Eine Typenform, die insbesondere bei natürlich vorbeifließenden Medien wie Wind und Wasser zur Energieentnahme eingesetzt werden kann. Dabei ist auch der Aufbau ohne gelenkige Aufhängung möglich, dies bedeutet aber andere Belastungen aus den angreifenden Kräften, insbesondere erhebliche Biegekräfte.

Die Fig. 4, 5 und 6 zeigen Rotationsflügel, die mit ihrer Lageranordnung in jeder Lage und allein oder in Beziehung zu jeder anderen Form von Strömungskörpern betrieben werden können.

Für welche Standardformen des Profils man sich nach Fig. 7a bis 7c im Leistungsbereich entscheidet, ist erfindungsgemäß unwichtig und hängt vom Einsatzbereich ab. Die Festlegung der Profilform und damit die einsatzbedingte Drehzahl zusammen mit den konstruktiven Möglichkeiten entscheiden über die erfindungsgemäße Anordnung und Ausbildung des Antriebsteils, z. B. nach Fig. 8a bis d bei der Auswahl eines Vertikalachsenantriebes.

Für die Auswahl eines Horizontalachsenantriebes mit Getriebe, wie er in den Fig. 2, 3 und 6 dargestellt ist, gibt es eine Vielzahl von erprobten Bauformen, die erfindungsgemäß nur in Zuordnung zum Rotationsflügel auszuwählen sind.

Fig. 9 und 10 zeigen einen bekannten Gesamtflügel aus Tragflächenprofil und Rotationsflügel. Beim Antrieb des Rotationsflügels durch einen Savoniusrotor nach der vorgeschlagenen Erfindung ergibt sich eine Schnellaufzahl A des Antriebsteils von etwa 1,5. Soll der Leistungsteil mit einer Schnellaufzahl von λ=3 arbeiten, müssen die Durchmesser im Verhältnis D_L : D_A=λ_L : λ_A=3 : 1,5=2 : 1 gewählt werden.

Mit einem Darrieusrotor als Antriebsteil und einer guten Schnellaufzahl λ von 3 könnten der Leistungsabschnitt und der Antriebsabschnitt mit gleichem Durchmesser ausgeführt werden.

Fig. 11 und Fig. 12 zeigen diese Anordnung, die für die Anströmung des Antriebsteiles bei diesem Flügelaufbau sicherlich vorteilhafter wäre. Der Darrieusantrieb hat mit dem doppelten Durchmesser natürlich bei gleicher Länge auch die doppelte Leistungsfläche.

Bezugszeichenliste:

1 Rotationsflügel Leistungsbereich
2 Rotationsflügel Antriebsteil als Vertikalachsantrieb
3 Rotationsflügel Antriebsteil als Horizontalachsenantrieb
4 Trennscheiben zur Strömungsaufteilung und Widerstandsverringerung
5 Aufhängung mit Kardangelenk
6 Lager
7 Fahne des Horizontalachskonverters
8 Frei gelagerter Belastungskörper
9 Schnitt A - Schnitt durch den Rotationsflügel Leistungsbereich
10 Schnitt B - Schnitt durch den Antriebsteil als Vertikalachsenkonverter
11 Schnitt C - Schnitt durch ein Tragflächenprofil mit Rotationsflügel, Zylinder als Hauptleistungsteil
12 Schnitt D - Schnitt durch ein Tragflächenprofil mit Rotationsflügel, Savoniusrotor als Antriebsteil
13 Schnitt E - Schnitt durch ein Tragflächenprofil mit Rotationsflügel, Darrieusrotor mit unsymmetrischen Blattprofilen als Antriebsteil
14 Starrer Strömungskörper des Gesamtflügels

Claims

1. Frei rotierender Flügel, Rotationsflügel, dadurch gekennzeichnet, daß neben dem rotierenden Hauptflügel als Leistungsabschnitt, einer oder mehrere mit dem Hauptflügel verbundene Flügelabschnitte so gestaltet sind, daß die auf diese Abschnitte zuströmende Energie aufgenommen wird und zum Antrieb des Hauptflügels genutzt wird.

2. Rotationsflügel nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die an den Flügelabschnitten entstehenden unterschiedlichen Strömungen zur Verringerung der Widerstände durch Scheiben getrennt werden.

3. Rotationsflügel nach Patentanspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Achsrichtung der antreibenden Flügelelemente im wesentlichen in Richtung der Flügelhauptachse liegt und damit alle üblichen und bekannten Formen der Vertikalachsenkonverter genützt werden können, d. h. alle Formen mit Ausnutzung der Anströmung im wesentlichen rechtwinklig zur Achse.

4. Rotationsflügel nach Patentanspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Achsrichtung der antreibenden Flügelelemente im wesentlichen rechtwinklig zur Flügelhauptachse liegt und damit alle üblichen Bauformen der Horizontalachsenkonverter einsetzbar sind, d. h. alle Formen mit Ausnutzung der Anströmung im wesentlichen in Richtung der Achse.

4.1 Rotationsflügel nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich der antreibende Teil mit Steuerelementen und der Energie des vorbeiströmenden Mediums auf die Anströmrichtung frei einstellen kann und die eigene Trägheit zusammen mit der Kraft auf den Steuerelementen als Gegendruck ausreicht, um die Drehenergie an den Hauptflügel abzugeben.

5. Rotationsflügel nach Patentanspruch 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei ausreichender Leistungsfläche des antreibenden Teilstückes die Schnellaufzahl des Hauptflügels aus der Schnellaufzahl des antreibenden Elementes und dem Verhältnis des Durchmessers des Hauptflügels zum Durchmesser des antreibenden Elementes bestimmt wird.

6. Rotationsflügel nach Patentanspruch 1, 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei ausreichender Leistungsfläche des antreibenden Teilstückes die Schnellaufzahl des Hauptflügels aus der Schnellaufzahl des antreibenden Elementes und dem Übersetzungsverhältnis des Antriebes bestimmt wird.

7. Rotationsflügel nach Patentanspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistung des Hauptflügels durch Änderung der Drehzahl über Steuerelemente an den antreibenden Flügelabschnitten gesteuert oder begrenzt wird.

8. Rotationsflügel nach Patentanspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistung des Rotationsflügels mit zusätzlichen mechanischen, aerodynamischen, hydrodynamischen oder motorischen Bremselementen zur Änderung der Drehzahl am Hauptflügel gesteuert wird.

9. Rotationsflügel nach Patentanspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß sie nur einmal gelagert sind und bei vorzugsweise vertikalem Einsatz zwischen Hauptflügel und Lagerung eine allseits bewegliche kardanische Verbindung besteht, so daß die Flügel ungezwungene Kreiselbewegungen ausführen können.

9.1. Rotationsflügel nach Patentanspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß Dämpfungselemente zur Verhinderung von Resonanzschwingungen die Flügelbewegungen beeinflussen.

9.2 Rotationsflügel nach Patentanspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Belastungskörper am freien Ende die notwendige Kraft zur Ablenkung des Rotationsflügels aus der Ruhelage oder der jeweiligen Betriebslage bestimmt.

10. Rotationsflügel nach Patentanspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß sie mehrfach gelagert sind.

11. Rotationsflügel nach Patentanspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß sie der rotierende Teil eines Gesamtflügelaufbaus aus starren und rotierenden Elementen sind.