DE9414258U1 - Strömungskraftmaschine - Google Patents

Strömungskraftmaschine

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Description

STRÖMUNGSKRAFTMASCHINE
Die Erfindung bezieht sich auf eine Strömungskraftmaschine der im Oberbegriff des Schutzanspruchs 1 angegebenen Art.
Eine solche Strömungskraftmaschine ist in Form einer Windkraftmaschine aus Meyer's Enzyklopädisches Lexikon, 9. Auflage (1979), Band 25, Seite 398 bekannt.
Strömungskraftmaschinen, wie z.B. Windkraftmaschinen und Wassserkraftmaschinen, dienen dazu, die natürliche Energie der Luft- bzw. Wasserströmungen auszunutzen. Ihre wesentlichen Bestandteile sind im Falle von Wasserkraftmaschinen Wasserräder oder Wasserturbinen, im Falle von Windkraftmaschinen schräg zur Windrichtung gestellte, an einer Achse befestigte Flächen (Flügel, Schaufeln u.a.). Strömungskraftmaschinen können z.B. zur Be- und Entwässerung, zur Wasserversorgung, zur Erzeugung von elektrischem Strom, aber auch zum Antrieb von Mühlen oder Sägewerken benutzt werden. Die meisten bekannten Wasserkraftmaschinen, wie z.B. Wasserkraftwerke, haben den Nachteil, daß zur effektiven Ausnutzung der Wasserkraft umfangreiche bauliche Veränderungen durchgeführt werden müssen, um den Verlauf eines Fließgewässers zur besseren Nutzbarmachung zu verändern. Dies hat oft bedeutende ökologische Schäden
Tin-r FnIgA. Das wanhsfinde ümwei tbewußtsein in der Bevölke-
Büro/Office Duisburg: Kari-Lehr-Strasse 7, §*4J(}53, Duisburg, Telefon5[CRQ3)*£eO55 oder 2 7692, Telefax (0203) 20705
rung bewirkt, daß immer mehr nach Möglichkeiten gesucht, wird, natürliche Energie ohne Umweltschäden in nutzbare Energie umzuwandeln. Insbesondere wird nach immer besseren Lösungen gesucht, die natürliche Energie von Fließgewässern auszunutzen, ohne deren Lauf wesentlich zu beeinflussen. Ein weiteres Beispiel, natürliche Energie im wesentlichen ohne Umweltschäden umzuwandeln, ist die z.B. aus der eingangs erwähnten Meyer's Enzyklopädie bekannte Ausnutzung von Luftströmungen. Die dazu benutzten Windkraftmaschinen erfordern, daß sie zur besseren Ausnutzung der Strömung in Strömungsrichtung ausgerichtet werden. Das Einstellen in Strömungsrichtung erfolgt mit Hilfe einer Schwanzflosse am Querträger oder durch einen mit einer Strömungsfahne gekoppelten Stellmotor. Die bekannten Strömungskraftmaschinen sind ohnehin schon groß und schwerfällig aufgebaut. Die Notwendigkeit einer Strömungsrichtungsregelung bedeutet zusätzliches Gewicht, Komplizierung der Anordnung und erhöhte Herstellungskosten. Demgemäß sind die bekannten Strömungskraftanlagen meist stationär ausgebildet und können nicht transportiert werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Strömungskraftmaschine der im Oberbegriff des Schutzanspruches 1 angegebenen Art so auzubilden, daß sie anströmungsrichtungsunabhängig arbeiten kann, einfach aufgebaut ist und leicht transportiert werden kann.
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die im Schutzanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Wesentlich bei der erfindungsgemäßen Strömungskraftmaschine ist, daß an einer Welle eines Rotors, der an einer Halterung gelagert ist, mindestens ein bandförmiger Flügel angebracht ist, der sich in Radialrichtung und in Richtung der Drehachse der Welle in einem Bogen erstreckt. Bei Blick in Richtung der Drehachse hat der Flügel die Form einer Schlaufe oder annähernd die Form der Hälfte oder ei-
nes Teils der Hälfte einer Acht. Durch diese besondere Flügelanordnung kann die Strömungskraftmaschine nach der Erfindung anströmungsrichtungsunabhängig arbeiten. Die Anströmung kann sowohl in Achsrichtung als auch schräg oder quer dazu erfolgen. Die Flügelanordnung erzeugt auch in geringer Strömung, wie z.B. einem langsam fließenden Gewässer oder bei schwachem Wind, ein großes Drehmoment. Aufgrund des geringen Widerstandes, den der besonders geformte Flügel einer Drehung entgegensetzt, sind auch hohe Rotationsgeschwindigkeiten möglich. Die besonders einfache Konstruktion ermöglicht eine sehr leichte Montage. Weiter kann das Gerät aufgrund des besonderen Aufbaus sehr klein und kompakt und sogar tragbar aufgebaut sein. So ist es möglich, die erfindungsgemäße Strömungskraftmaschine z.B. im Reisegepäck zu verstauen und überall dort einzusetzen, wo natürliche Strömungen auftreten.
Bei der besonders vorteilhaften Ausgestaltung nach Schutzanspruch 2 ist der Flügel der Strömungskraftmaschine mit beiden Enden an längs der Welle voneinander beabstandeten Befestigungspunkten befestigt. Dies bewirkt eine besondere Stabilität der Anordnung bei leichter Bauweise.
In der vorteilhaften Ausgestaltung nach Schutzanspruch 3 ist der Flügel biegsam ausgebildet. So nimmt der Flügel im demontierten Zustand nur einen sehr geringen Raum ein und erhöht die Transportierbarkeit der Strömungskraftmaschine.
In der vorteilhaften Ausgestaltung nach Schutzanspruch 4 ist der Abstand der beiden Befestigungspunkte, an denen die beiden Enden der Flügel befestigt sind, veränderbar ausgebildet. Dies hat den Vorteil, daß der Krümmungsradius des Bogens einstellbar ist und damit auch der Rotordurchmesser. So kann der Rotor an verschiedene Strömungsbedingungen angepaßt werden.
• a ·
In der besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung, nach Schutzanspruch 5 ist ein erster Teil des Flügels, der entgegen der Drehrichtung geneigt ist und somit aus einer durch die Drehachse und den Scheitelpunkt des Flügelbogens definierten Ebene entgegen der Drehrichtung hinausragt, mit einem nach außen gewölbten Flügelprofil, also mit einem nach außen konvexen Flügelprofil versehen. Das dient der Drehmomenterhöhung, so daß auch eine schwache Strömung zur Krafterzeugung ausreichend ausgenutzt werden kann.
Noch wirksamer erfolgt die Kraftumwandlung mit der Strömungskraftmaschine in der Ausgestaltung der Erfindung nach Schutzanspruch 6 dadurch, daß ein zweiter Teil des Flügels, welcher Teil in Drehrichtung geneigt ist und so aus der durch die Drehachse und den Scheitelpunkt des Bogens definierten Ebene in Drehrichtung herausragt, mit einem nach innen gewölbten, also mit einem nach innen kovexen Flügelprofil versehen ist.
Wenn die Strömungskraftmaschine in der im Schutzanspruch 7 beanspruchten Ausführungsform mit einem Generator, der mit der Welle gekoppelt ist, versehen ist, kann die Strömungskraftmaschine zur Erzeugung von elektrischem Strom genutzt werden. Dies macht es z.B. möglich, die Strömungsmaschine z.B. bei Urwaldexpeditionen oder dgl. Unternehmungen zur Stromerzeugung, z.B. zum Aufladen von Akkus, zu benutzen.
Eine besonders kompakte Bauweise wird erreicht, wenn der Generator in der Ausführungsform nach Anspruch 8 direkt an der Welle angebracht wird.
Es erhöht die Kompaktheit der Maschine, wenn das Gehäuse des Generators in der Ausgestaltung der Erfindung nach Schutzanspruch 9 mit der Halterung 12 integral ausgebildet ist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfin-_ dung nach Schutzanspruch 10 ist der Einstellwinkel des Flügels zur Strömung einstellbar ausgebildet. Dies geschieht besonders einfach dadurch, daß der Anstellwinkel des Flügels an zumindest einem Ende einstellbar ist. Durch die Einstellmöglichkeit des Anstellwinkels kann die Strömungskraftmaschine besonders gut an verschiedene Strömungsverhältnisse angepaßt werden.
Die Ausführungsform der erfindungsgemäßen Strömungskraftmaschine mit einstellbarem Einstellwinkel nach den Schutzansprüchen 11 und 12 ist besonders einfach und unkompliziert aufgebaut, leicht und billig herstellbar und außerdem sehr einfach bedienbar.
Eine besonders leichte Bauweise der Strömungskraftmaschine wird erreicht, wenn der Flügel gemäß Schutzanspruch 13 aus einem metallverstärkten Kunststoff hergestellt wird.
Wird die Strömungskraftmaschine wie in der vorteilhaften Ausgestaltung nach Schutzanspruch 14 zerlegbar und/oder zusammenklappbar ausgebildet, kann sie leicht überall verstaut werden und ist sehr leicht transportierbar.
Die Strömungskraftmaschine kann in der vorteilhaften Ausgestaltung nach Anspruch 15 als Windkraftmaschine oder in der vorteilhaften Ausgestaltung nach Anspruch 16 zur Umwandlung von hydromechanischer Energie verwendet werden. So kann sie z.B. im Wind oder in jedem größeren Bach zur Umwandlung von Luft- bzw. Wasserstromungsenergie in andere nutzbare Energie, z.B. elektrische Energie, eingesetzt werden.
Wird die Strömungskraftmaschine nach der Erfindung in der vorteilhaften Ausgestaltung nach Anspruch 17 mit Schwimmkörpern versehen und, nicht wie bei bekannten Strömungskraftmaschinen üblich, fest montiert, so paßt sich die Strömungskraftmaschine bei. der. Vftrw.endung zur Umwandlung
von hydromechanischer Energie dem jeweiligen Wasserstand an.
Durch das erzeugte Drehmoment ist die erfindungsgemäße Strömungskraftmaschine absolut lagestabil. Es wird nur eine geringfügige Befestigung erforderlich sein.
Vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt
Fig. 1 eine perspektivische Seitenansicht einer
Strömungskraftmaschine nach der Erfindung,
Fig. 2 die Strömungskraftmaschine in Richtung auf die Drehachse gesehen,
Fig. 3 in einer Ansicht von oben ein Detail einer Art der Befestigung eines Flügels der
Strömungskraftmaschine, und
Fig. 4 die Befestigung nach Fig. 3 in einer
Ansicht in Richtung der Drehachse.
Fig. 1 zeigt eine Strömungskraftmaschine mit einem Rotor 10. Der Rotor 10 hat eine Welle 14, auf der ein Flügel 16 angebracht ist. In einer insgesamt mit 12 bezeichneten Halterung ist die Welle drehbar gelagert. In dem dargestellten Beispiel besteht die Halterung 12 aus einem Gestänge, das oben an zwei Schwimmkörpern 44 befestigt ist und unten den Rotor 10 und einen mit diesem gekuppelten elektrischen Generator 38 trägt. Die Welle 14 des Rotors kann eine gesonderte, mit der Welle des Generators 38 gekuppelte Welle sein oder aus der verlängerten Antriebswelle des Generators 38 bestehen. Das Drehlager für die Welle 14 bildet am linken Ende derselben in beiden Fällen der Generator 38. Am rechten Ende der Welle 14 ist diese
in einem gesonderten Drehlager 11 drehbar gelagert, das an der Halterung 12 befestigt ist.
Der auf der Welle 14 angebrachte Flügel 16 des Rotors 10 ist als ein steifes, elastisch biegsames Band ausgebildet und erstreckt sich längs einer Drehachse A der Welle 14 und außerdem in einem Bogen radial zur Drehachse A, wie es aus Fig. 1 zu erkennen ist. Darüber hinaus ist gemäß der Darstellung in Fig. 2 der Flügel 16 derart in sich gebogen, daß er bei Blick in Richtung der Drehachse A die Form einer Schlaufe 18 oder annähernd die Form der Hälfte einer Acht hat. Fig. 2 zeigt, daß sich der Flügel 16 von der Welle 14 radial nach außen und von einer Ebene E zunächst entfernt, dann sich wieder zur Ebene E hin krümmt, diese in einem Scheitelpunkt 32 durchquert und sich dann entsprechend von der Ebene E weg und zu der Welle 14 wieder hin krümmt.
In Fig. 1 ist nur ein Flügel dargestellt. Es kann wenigstens ein zweiter Flügel vorhanden sein, der in Fig. 2 unterhalb der Drehachse A gestrichelt angedeutet ist.
Der Flügel 16 ist mit seinem linken Ende 2 0 und seinem rechten Ende 22 an längs der Welle 14 voneinander beabstandeten Befestigungspunkten 24 bzw. 2 6 befestigt. Der gegenseitige Abstand der Befestigungspunkte 24, 26 ist (durch eine nicht dargestellte Einrichtung) veränderbar. Auf diese Weise ist der Rotordurchmesser veränderbar und kann daher an herrschende Wasserströmungsbedingungen angepaßt werden.
Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Strömungskraftmaschine als Wandler zum Umwandeln der hydromechanischen Energie einer Wasserströmung in andere nutzbare Energie, nämlich elektrische Energie benutzt. In ähnlicher Ausgestaltung kann die Strömungskraftmaschine als Windkraftmaschine verwendet werden. In diesem Fall sind dann die Schwimmkörper 4#4 überflüssig und werden z.B.
einfach durch eine Aufhängevorrichtung ersetzt.
Der Flügel 16 des Rotors 10 kann ein flaches Profilteil sein, d.h. ein Profilteil ohne Flügelprofil. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel hat der Flügel 16 ein Flügelprofil. Dabei ragt ein erster Teil 28 des Flügels 16 aus der durch die Drehachse A und den Scheitelpunkt 3 2 des Bogens des Flügels definierten Ebene E (Fig. 2) entgegen der Drehrichtung D heraus und weist bzgl. der Drehachse A ein nach außen gewölbtes, also nach außen konvexes Flügelprofil 34 auf. Ein zweiter Teil 3 0 des Flügels 16 ragt aus der durch die Drehachse A und den Scheitelpunkt 32 des Bogens des Flügels definierten Ebene E in der Drehrichtung D heraus und weist ein bzgl. der Drehachse A nach innen gewölbtes, also nach innen konvexes Flügelprofil 3 6 auf, wie es in Fig. 1 zu erkennen ist.
Der Anstellwinkel &agr; des Flügels 16 ist an zumindest einem der Enden 20, 22 des Flügels einstellbar. Gemäß der Darstellung in den Fig. 3 und 4 ist an dem Flügel 16 ein Bolzen 40 befestigt, über den der Anstellwinkel &agr; veränderbar ist. Der Bolzen 40 ist zum Einstellen des Anstellwinkels &agr; in seiner Längsrichtung einstellbar, fest mit dem Flügel 16 verbunden, schräg zur Welle 14 geneigt und mit einem Auflageende 42 in Auflage auf die Welle 14 vorgespannt, wie es ohne weiteres aus den Fig. 3 und 4 zu erkennen ist. Der Flügel kann aus einem mit Metall verstärktem Kunststoff blatt bestehen, das, wie gesagt, mit oder ohne Flügelprofil versehen sein kann.
Die Halterung 12 und ein äußeres Gehäuse des elektrischen Generators 3 8 kann integral mit der Halterung 12 ausgebildet sein. Zweckmäßig ist die Strömungskraftmaschine zum Transport zerlegbar und/oder zusammenklappbar ausgebildet. Es kann daher zweckmäßig sein, die Halterung 12 mit dem äußeren Gehäuse des Generators 38 gelenkig zu verbinden, wie in Fig. 1 angedeutet.
Die vorstehend beschriebene Strömungskraftmaschine stellt ein Kleinstkraftwerk dar, das leicht transportabel und ohne großen Aufwand in Wind- oder Wasserströmungen installiert werden kann. Der Rotor, der einen, zwei oder mehr als zwei Flügel aufweisen kann, kann anströmungsrichtungsunabhängig rotieren. So ist ein lageunabhängiger Betrieb (horizontal oder vertikal) der Strömungskraftmaschine möglich. Da die Befestigungspunkte des Flügels auf der Welle in ihrer Lage veränderbar sind, läßt sich der Rotordurchmesser verändern. Ein kürzerer Abstand zwischen den Befestigungspunkten bedeutet einen größeren Rotordurchmesser und damit ein größeres Drehmoment bei geringerer Drehgeschwindigkeit .
Wenn die Strömungskraftmaschine mit nur einem Flügel 16 versehen ist, wie es in Fig. 1 gezeigt ist, muß auf der zu dem Flügel entgegengesetzten Seite der Drehachse A für einen (nicht dargestellten) Massenausgleich gesorgt werden.
In dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel ist der Einstellwinkel des Flügels auf einfache Weise verstellbar, und zwar mit Hilfe des rechtwinkelig zum Flügel vorgesehenen Bolzens, der auf der Welle aufliegt. Der Einstellwinkel wird dadurch verändert, daß der Bolzen verkürzt oder verlängert wird. Die Grenzen des Einstellwinkels sind dadurch gegeben, daß der Bolzen entweder vollständig tangential oder nahezu rechtwinkelig auf der Welle aufliegt. Der Effekt wird noch dadurch verstärkt, daß der Bolzen in der Ebene E schräg zur Achse angebracht ist. Die Flügelverstellung ermöglicht, den Flügel steil zur Strömung zu neigen, wobei dann die Drehgeschwindigkeit gering und das Drehmoment hoch ist. Ist der Flügel 16 hingegen flach zur Strömung geneigt, ergibt sich eine hohe Drehgeschwindigkeit und ein niedriges Drehmoment.
Bei hoher Drehgeschwindigkeit des Rotors 10 ist aufgrund der Drehmomenterhaltung die Strömungskraftmaschine absolut
lagestabil. Die Strömungskraftmaschine kann quer zur Strömungsrichtung oder längs derselben angeordnet sein.
Der Flügel 16 kann z.B. aus einem Polycarbonatkunststoffblatt bestehen, das außen mit Flügelprofil versehen und innen durch ein Stahlfederband (nicht dargestellt) verstärkt ist.
Die in Fig. 1 zwischen den Enden 20 und 22 durchgehend ausgebildet dargestellte Welle 14 könnte im mittleren Bereich unterbrochen sein. Es wäre nämlich lediglich erforderlich, links die Welle 14 als Antriebswelle des Generators 38 ausreichend lang auszubilden, damit der erste Befestigungspunkt 24 entsprechend verlagert werden kann, und rechts wäre es entsprechend erforderlich, an dem Drehlager 11 oder statt des Drehlagers 11 einen ausreichend langen Achsstummel vorzusehen, auf dem das rechte Ende 2 2 des Flügels 16 drehbar gelagert wäre, oder einen ausreichend langen Wellenstummel, der einenends in dem Drehlager 11 drehbar gelagert ist und anderenends an dem zweiten Ende 22 des Flügels 16 befestigt ist.

Claims (17)

P 1008 Schutzansprüche
1. Strömungskraftmaschine mit einem Rotor (10), der eine Halterung (12) , eine Welle (14) und mindestens einen auf der Welle (14) angebrachten Flügel (16) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Flügel (16) bandförmig ist und sich längs der Drehachse (A) der Welle (14) und außerdem in einem Bogen radial zur Drehachse (A) erstreckt und in sich derart gebogen ist, daß der Flügel (16) bei Blick in Richtung der Drehachse (A) die Form einer Schlaufe (18) oder annähernd die Form der Hälfte oder eines Teils der Hälfte einer Acht hat.
2. Strömungskraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Flügel (16) biegsam ist.
3. Strömungskraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Flügel (16) mit beiden Enden (20, 22) an längs der Welle (14) voneinander beabstandeten Befestigungspunkten (24, 26) befestigt ist.
4. Strömungskraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der Befestigungspunkte (24, 26) veränderbar ist.
5. Strömungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Teil (28) des Flügels (16) aus einer durch die Drehachse (A) und den Scheitelpunkt (32) des Bogens definierten Ebene (E) entgegen der Drehrichtung (D) herausragt und bezüglich der Drehachse (A) ein nach außen gewölbtes Flügelprofil (34) aufweist.
6. Strömungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Teil (30) des Flügels (16) aus einer durch die Drehachse (A) und den Scheitelpunkt (32) des Bogens definierten Ebene (E) in der Drehrichtung (D) herausragt und ein bezüglich der Drehachse (A) nach innen
gewölbtes Flügelprofil (36) aufweist.
7. Strömungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein elektrischer Generator (38) mit der Welle (14) gekoppelt ist.
8. Strömungskraftmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator (38) direkt an der Welle (14) angebracht ist.
9. Strömungskraftmaschine nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterung (12) integral mit dem Gehäuse des Generators (38) ausgebildet ist.
10. Strömungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Anstellwinkel (&agr;) des Flügels (16) an zumindest einem Ende (20, 22) desselben einstellbar ist.
11. Strömungskraftmaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Flügel (16) mindestens ein Bolzen (40) befestigt ist, über den der Anstellwinkel (&agr;) veränderbar ist.
12. Strömungskraftmaschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Bolzen (40) zum Einstellen des Anstellwinkels (&agr;) in seiner Längsrichtung einstellbar, fest mit dem Flügel (16) verbunden, schräg zur Welle (14) geneigt und mit einem Auflageende (42) in Auflage auf die Welle (14) vorgespannt ist.
13. Strömungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Flügel (16) aus einem metallverstärkten Kunststoff besteht.
14. Strömungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß sie zum Transport zerlegbar und/oder zusammenklappbar ausgebildet ist.
15. Strömungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 14, gekennzeichnet durch die Verwendung als Windkraftmaschine.
16. Strömungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 14, gekennzeichnet durch die Verwendung als Wandler zur Umwandlung von hydromechanischer Energie.
17. Strömungskraftmaschine nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterung (12) an einem oder mehreren Schwimmkörpern (44) befestigt ist.
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