EP2948650A1 - Luftturbine zum ausnutzen von energie aus dem meer - Google Patents

Luftturbine zum ausnutzen von energie aus dem meer

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EP2948650A1
EP2948650A1 EP13796060.5A EP13796060A EP2948650A1 EP 2948650 A1 EP2948650 A1 EP 2948650A1 EP 13796060 A EP13796060 A EP 13796060A EP 2948650 A1 EP2948650 A1 EP 2948650A1
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EP
European Patent Office
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rotor
channel section
flow
flowed
housing
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP13796060.5A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Christoph Moisel
Thomas Carolus
Hans-Ulrich Banzhaf
Frank Biskup
Raphael Arlitt
Matthias Arnold
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Voith Patent GmbH
Original Assignee
Voith Patent GmbH
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Filing date
Publication date
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Publication of EP2948650A1 publication Critical patent/EP2948650A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03B—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS
    • F03B13/00—Adaptations of machines or engines for special use; Combinations of machines or engines with driving or driven apparatus; Power stations or aggregates
    • F03B13/12—Adaptations of machines or engines for special use; Combinations of machines or engines with driving or driven apparatus; Power stations or aggregates characterised by using wave or tide energy
    • F03B13/14—Adaptations of machines or engines for special use; Combinations of machines or engines with driving or driven apparatus; Power stations or aggregates characterised by using wave or tide energy using wave energy
    • F03B13/141—Adaptations of machines or engines for special use; Combinations of machines or engines with driving or driven apparatus; Power stations or aggregates characterised by using wave or tide energy using wave energy with a static energy collector
    • F03B13/142—Adaptations of machines or engines for special use; Combinations of machines or engines with driving or driven apparatus; Power stations or aggregates characterised by using wave or tide energy using wave energy with a static energy collector which creates an oscillating water column
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K27/00—Plants for converting heat or fluid energy into mechanical energy, not otherwise provided for
    • F01K27/005—Plants for converting heat or fluid energy into mechanical energy, not otherwise provided for by means of hydraulic motors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2240/00—Components
    • F05B2240/20—Rotors
    • F05B2240/33—Shrouds which are part of or which are rotating with the rotor
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/30—Energy from the sea, e.g. using wave energy or salinity gradient

Definitions

  • the invention relates to an air turbine for exploiting ocean energy and for converting the energy into electrical energy.
  • Such systems have become known, for example, from EP 0 000 441 A1 and GB 2 250 321 A. It is therefore a facility that exploits sea-level motion due to surface waves.
  • Systems of this type are constructed as follows: They comprise a chamber which is open at its lower end and with this open end immersed in the sea. At its upper end, it also has an opening. There is further provided a pipe which serves to guide an air flow.
  • the tube is connected with its one open end to the upper opening of the chamber. In the tube is an enclosed by this and coaxial with the tube arranged energy unit with a turbine rotor and possibly with a standing in driving connection with the rotor electrical generator.
  • the mirror of the sea water within the chamber constantly rises and falls according to the waves of the sea; the wave motion thus acts into the chamber. With each lifting of the water level, a displacement of the air quantum in the chamber is contained. The air is displaced when lifting the water level and flows through the upper opening of the chamber and thus also through the pipeline in which the turbine is located.
  • the turbine is thus an air turbine. It has a rotor with a
  • the rotor disk carries a number of blades.
  • One Housing together with the rotor flows through a space. This space has an axially flowed through channel and a radially flowed channel. See GB 2 125 113 A.
  • the turbine is flowed through in two directions, corresponding to the raising and lowering of the seawater level.
  • the invention has for its object to design a turbine according to the preamble of claim 1 such that the efficiency over the
  • FIG. 1 The figures show a known air turbine in a schematic representation, namely Figure 1 in an axis-parallel section, and Figure 2 in an axial section.
  • a rotor 1 comprises a rotor disk 2. This is rotatably with a shaft 3.
  • the rotor disk 2 carries a plurality of rotor blades 4.
  • a housing 6 forms an axial together with the Stromleittude 5
  • the housing forms a radially flowed through channel section 9. This is followed by a cranked channel section 10, which flows in the radial direction, but has a small axial component (hereinafter referred to as "inclined Channel ").
  • channel section 7 In the axially flowed through channel section 7 is a variety of
  • Vanes 11 These are supported by the housing 6.
  • Peak area 5.2 is a multiple of the axial extent of
  • the Stromleit stresses 5 is about four times as long as the blade is wide. It should be at least twice as long as the blade is wide. The ratio may be, for example, 3: 1, 4: 1, 5: 1, 6: 1, 7: 1 or more. As can be seen, the entire area through which it flows comprises the following
  • Channel sections An axially flowed through channel section 7, a manifold 8, a purely radially flowed through channel section 9, and an inclined
  • Channel section 10 The flow is there predominantly radially, with a small axial component.
  • the vane 11 provides a firm connection between the housing 6 and
  • Stromleit Equity 5 reduces or avoids turbulence of the flow in the axial region. It reduces the cross section in the channel section 7 and therefore increases the flow rate. This reduces the occurrence of so-called dead water.
  • the stator also contributes to this.
  • the design of the sloped channel avoids backflow, which in turn reduces flow losses.
  • FIGS. 4 to 11 show further embodiments.
  • the embodiment according to FIG. 4 in turn has a guide blade 11 in the axially through-flowed channel section 7, but no guide blade radially outside the moving blade 4.
  • the embodiment according to FIG. 5 also has a guide blade 12 in the channel section 9 through which it flows radially.
  • the embodiment according to FIG. 6 has a guide blade 13 in the region of the bend 8.
  • the embodiment according to FIG. 7 in turn has a guide blade 13 in the region of the bend. Further, a guide vane 12 in the radially flowed through channel section. 9
  • the embodiment according to FIG. 8 has a guide blade 13 in the region of the bend, but close to the moving blade 4.
  • the embodiment according to FIG. 9 has a guide blade analogous to that in FIG. 8, as well as a guide blade 12 in the radial channel.
  • the embodiment according to FIG. 10 has a guide blade 11 in the channel section 7, which flows through axially.
  • the axial channel section 7 is curved approximately S-shaped.
  • the embodiment according to FIG. 11 has the same structure as that according to FIG. 10. However, in this case, in the radial channel section 9 there is again a guide blade 12.
  • He have, which differ from a cylindrical contour. He can be club-shaped. He may have constrictions and extensions. He may even have a waveform as a contour - not shown here.
  • FIGS. 12 to 15 serve above all to illustrate embodiments of the radially through-flowed channel region.
  • the housing 6 and a housing wall 6.1 is bent.
  • the bend is located directly radially outside the rotor blades 4, in the illustration according to FIG. 13 somewhat further radially outwards.
  • the inclined channel section 10 is illustrated, starting immediately radially outside the blade 4 in FIG. 14, and slightly radially outside in the embodiment according to FIG.
  • contour A of the rotor disk and the contour B of the housing or the contour of a cover disk C are designed such that the width X of the radial
  • contour A of the rotor disk and the contour B of the housing or the contour of a cover disk C are designed such that the width X of the radial

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine bi-direktionale Luftturbine, umfassend die folgenden Merkmale beziehungsweise Bauteile: - einen Rotor mit einer Rotorscheibe, die eine Anzahl von Laufschaufeln trägt; - eine mit dem Rotor drehfeste Welle; - ein Gehäuse, das zusammen mit dem Rotor einen durchströmten Raum bildet; - der durchströmte Raum weist einen axial durchströmten Kanalabschnitt, einen Krümmer sowie einen radial durchströmten Kanalabschnitt mit einer Radialöffnung auf; - einen zur Drehachse der Welle koaxialen kuppenartigen Stromleitkörper, dessen Fußbereich nahe oder an der Rotorscheibe liegt und dessen Spitzenbereich zur Axialöffnung hinweist; - eine Anzahl von vom Gehäuse getragenen Leitschaufeln. Die Erfindung ist gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale: - die axiale Erstreckung des Stromleitkörpers ist wenigstens doppelt so groß wie die axiale Erstreckung der Laufschaufeln; eine Anzahl von vom Gehäuse getragenen Leitschaufeln.

Description

Luftturbine zum Ausnutzen von Energie aus dem Meer
Die Erfindung betrifft eine Luftturbine zum Ausnutzen von Meeresenergie und zum Umsetzen der Energie in elektrische Energie. Solche Anlagen sind beispielsweise aus EP 0 000 441 AI und GB 2 250 321 A bekannt geworden. Es handelt sich somit um eine Anlage, die die Bewegung des Meeresspiegels aufgrund von Oberflächenwellen ausnutzt.
Anlagen dieser Art sind wie folgt aufgebaut: Sie umfassen eine Kammer, die an ihrem unteren Ende offen ist und mit diesem offenen Ende in das Meer eintaucht. An ihrem oberen Ende hat sie ebenfalls eine Öffnung. Es ist ferner ein Rohr vorgesehen, das dem Führen einer Luftströmung dient. Das Rohr ist mit seinem einen offenen Ende an die obere Öffnung der Kammer angeschlossen. Im Rohr befindet sich eine von diesem umschlossene und koaxial zum Rohr angeordnete Energieeinheit mit einem Turbinenrotor sowie ggf. mit einem mit dem Rotor in Triebverbindung stehenden elektrischen Generator.
Der Spiegel des Meerwassers innerhalb der Kammer hebt und senkt sich ständig zufolge der Wellen des Meeres; die Wellenbewegung wirkt somit in die Kammer hinein. Mit jedem Heben des Wasserspiegels ist ein Verdrängen des in der Kammer befindlichen Luftquantums enthalten. Die Luft wird beim Heben des Wasserspiegels verdrängt und strömt durch die obere Öffnung der Kammer und somit auch durch die Rohrleitung, in welchem sich die Turbine befindet.
Umgekehrt wird beim Senken des Wasserspiegels Luft aus der freien Umgebung über die Rohrleitung in die Kammer gesaugt. Der in seiner Richtung periodisch wechselnde Luftstrom treibt die Turbine an, und damit auch den elektrischen Generator, der als solcher elektrische Energie erzeugt.
Die Turbine ist somit eine Luftturbine. Sie weist einen Rotor mit einer
Rotorscheibe auf. Die Rotorscheibe trägt eine Anzahl von Laufschaufeln. Ein Gehäuse bildet zusammen mit dem Rotor einen durchströmten Raum. Dieser Raum weist einen axial durchströmten Kanal und einen radial durchströmten Kanal auf. Siehe GB 2 125 113 A. Die Turbine wird in zwei Richtungen durchströmt, entsprechend dem Heben und Senken des Meereswasserspiegels. Die
Drehrichtung der Turbine bleibt dabei unverändert.
Der Wirkungsgrad solcher Turbinen ist nicht optimal. Dies geht auf Folgendes zurück: Wird die Turbine radial-axial durchströmt, so ergibt sich im
Austrittsbereich der Turbine eine Strömung mit hohem Drall. Dies senkt den Wirkungsgrad der Turbine.
Ist die Turbine axial-radial durchströmt, so entstehen Strömungsablösungen im Bereich der radialen Strömungsführung, die den Wirkungsgrad ebenfalls
verringern.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Turbine gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 derart zu gestalten, dass der Wirkungsgrad gegenüber dem
Stande der Technik bedeutend verbessert wird. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst.
Der Stand der Technik sowie die Erfindung sind anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin veranschaulichen Figuren 1 und 2 den Stand der Technik, alle übrigen Figuren veranschaulichen die Erfindung.
Die Figuren zeigen eine bekannte Luftturbine in schematischer Darstellung, und zwar Figur 1 in einem achsparallelen Schnitt, und Figur 2 in einem Axialschnitt.
Die in Figur 3 gezeigte erfindungsgemäße Meridiankontur umfasst die folgenden Bauteile beziehungsweise Merkmale: Ein Rotor 1 umfasst eine Rotorscheibe 2. Diese ist mit einer Welle 3 drehfest. Die Rotorscheibe 2 trägt eine Mehrzahl von Laufschaufeln 4.
Man erkennt einen kuppenartigen Stromleitkörper 5 mit einem Fußbereich 5.1 und einem Spitzenbereich 5.2. Der Stromleitkörper 5 erstreckt sich somit parallel zur Drehachse. Er ist mit dem Gehäuse 6 fest verbunden, beispielsweise über
Leitschaufeln. Er kann aber auch mit der Welle 3 fest verbunden sein, und dann mit dieser umlaufen. Der Stromleitkörper kann aber auch geteilt sein. Fußbereich 5.1 ist dann mit Welle 3 drehfest verbunden, während Spitzenbereich 5.2 von den Leiträdern getragen wird.
Ein Gehäuse 6 bildet zusammen mit dem Stromleitkörper 5 einen axial
durchströmten Kanalabschnitt 7 sowie einen Krümmer 8. Radial außerhalb der Laufschaufel 4 bildet das Gehäuse einen radial durchströmten Kanalabschnitt 9. Hieran schließt sich ein abgekröpfter Kanalabschnitt 10 an, der in radialer Richtung durchströmt ist, aber eine kleine axiale Komponente aufweist (im Folgenden als „geneigter Kanal") bezeichnet.
Im axial durchströmten Kanalabschnitt 7 befindet sich eine Vielzahl von
Leitschaufeln 11. Diese sind vom Gehäuse 6 getragen.
Ist die Turbine radial-axial durchströmt, das heißt tritt Luft in den geneigten Kanalabschnitt 10 ein, so wird eine Verwirbelung der Luft beim Eintritt in den Axialkanal vermieden. Dies wird erreicht durch die Gestalt des Stromleitkörpers 5. Dieser ist außerordentlich lang. Seine Länge, vom Fußbereich 5.1 bis zum
Spitzenbereich 5.2, beträgt ein Mehrfaches der axialen Erstreckung der
Laufschaufel 4. Im vorliegenden Falle ist der Stromleitkörper 5 etwa viermal so lang, wie die Laufschaufel breit ist. Er sollte mindestens zweimal so lang sein wie die Laufschaufel breit ist. Das Verhältnis kann beispielsweise 3 : 1, 4 : 1, 5 : 1, 6 : 1, 7 : 1 oder mehr betragen. Wie man sieht, umfasst der gesamte durchströmte Bereich die folgenden
Kanalabschnitte: Einen axial durchströmten Kanalabschnitt 7, einen Krümmer 8, einen rein radial durchströmten Kanalabschnitt 9, sowie einen geneigten
Kanalabschnitt 10. Die Strömung ist dort vorwiegend radial, mit einer kleinen Axialkomponente.
Die Leitschaufel 11 stellt eine feste Verbindung zwischen Gehäuse 6 und
Stromleitkörper 5 dar. Der axial durchströmte Kanalabschnitt 7 ist als Diffusor ausgebildet. Dies gilt auch für den geneigten Kanalabschnitt 10.
Stromleitkörper 5 vermindert oder vermeidet eine Verwirbelung der Strömung im Axialbereich. Er verringert den Querschnitt im Kanalabschnitt 7 und steigert daher die Durchflussgeschwindigkeit. Dies verringert das Auftreten von sogenanntem Totwasser.
Auch das Leitrad trägt hierzu bei.
Die Gestaltung des geneigten Kanales vermeidet eine Rückströmung, was wiederum Strömungsverluste verringert.
Die Figuren 4 bis 11 zeigen weitere Ausführungsformen.
Die Ausführungsform gemäß Figur 4 weist wiederum eine Leitschaufel 11 im axial durchströmten Kanalabschnitt 7 auf, aber keine Leitschaufel radial außerhalb der Laufschaufel 4.
Die Ausführungsform gemäß Figur 5 weist demgegenüber auch eine Leitschaufel 12 im radial durchströmten Kanalabschnitt 9 auf. Die Ausführungsform gemäß Figur 6 weist eine Leitschaufel 13 im Bereich des Krümmers 8 auf.
Die Ausführungsform gemäß Figur 7 weist wiederum eine Leitschaufel 13 im Bereich des Krümmers auf. Ferner eine Leitschaufel 12 im radial durchströmten Kanalabschnitt 9.
Die Ausführungsform gemäß Figur 8 weist eine Leitschaufel 13 im Bereich des Krümmers auf, aber nahe bei der Laufschaufel 4.
Die Ausführungsform gemäß Figur 9 weist eine Leitschaufel analog jener in Figur 8 auf, sowie eine Leitschaufel 12 im Radialkanal.
Die Ausführungsform gemäß Figur 10 weist eine Leitschaufel 11 im axial durchströmten Kanalabschnitt 7 auf. Der axiale Kanalabschnitt 7 ist annähernd S- förmig gekrümmt.
Die Ausführungsform gemäß Figur 11 ist genauso aufgebaut, wie jene gemäß Figur 10. Jedoch befindet sich hierbei im radialen Kanalabschnitt 9 wiederum eine Leitschaufel 12.
Wie die Figuren 10 und 11 zeigen, kann der Stromleitkörper 5 Konturen
aufweisen, die von einer zylindrischen Kontur abweichen. Er kann keulenförmig sein. Er kann Verengungen und Erweiterungen aufweisen. Er kann sogar als Kontur eine Wellenform aufweisen - hier nicht dargestellt.
Die Figuren 12 bis 15 dienen vor allem der Darstellung von Ausführungsformen des radial durchströmten Kanalbereiches. In den Figuren 12 und 13 ist das Gehäuse 6 beziehungsweise eine Gehäusewand 6.1 abgekröpft. Die Abkröpfung befindet sich bei der Ausführungsform gemäß Figur 12 unmittelbar radial außerhalb der Laufschaufeln 4, bei der Abbildung gemäß Figur 13 etwas weiter radial außerhalb.
Bei den Ausführungsformen gemäß den Figuren 14 und 15 ist der geneigte Kanalabschnitt 10 dargestellt, in Figur 14 unmittelbar radial außerhalb der Laufschaufel 4 beginnend, und in der Ausführungsform gemäß Figur 15 radial etwas außerhalb.
Zusätzlich zu dem oben Gesagten folgende Konfiguration möglich:
Die Kontur A der Rotorscheibe und die Kontur B des Gehäuses oder die Kontur einer Deckscheibe C sind derart gestaltet, dass die Breite X der radial
durchströmten Rotorfläche von außen nach innen zunimmt.
Auch die folgende Konfiguration ist möglich:
Die Kontur A der Rotorscheibe und die Kontur B des Gehäuses oder die Kontur einer Deckscheibe C sind derart gestaltet, dass die Breite X der radial
durchströmten Rotorfläche von außen nach innen zunächst abnimmt und dann wieder zunimmt.
Bezugszeichen liste
1 Rotor
2 Rotorscheibe
3 Welle
4 Laufschaufel
5 Stromleitkörper
5.1 Fußbereich
5.2 Spitzenbereich
6 Gehäuse
6.1 Gehäusewand
7 axial durchströmter Kanalabschnitt
8 Krümmer
9 radial durchströmter Kanalabschnitt
10 geneigter Kanalabschnitt
11 Leitschaufel
12 Leitschaufel
13 Leitschaufel
14 Leitschaufel
15 Leitschaufel

Claims

Patentansprüche
1. Bi-direktionale Luftturbine, umfassend die folgenden Merkmale
beziehungsweise Bauteile:
1.1 einen Rotor (1) mit einer Rotorscheibe (2), die eine Anzahl von
Laufschaufeln (4) trägt;
1.2 eine mit dem Rotor (1) drehfeste Welle (3);
1.3 ein Gehäuse (6), das zusammen mit dem Rotor (1) einen durchströmten Raum bildet;
1.4 der durchströmte Raum weist einen axial durchströmten Kanalabschnitt (7), einen Krümmer (8) sowie einen radial durchströmten Kanalabschnitt (9) mit einer Radialöffnung auf;
1.5 einen zur Drehachse (3) der Welle koaxialen kuppenartigen Stromleitkörper (5), dessen Fußbereich nahe oder an der Rotorscheibe (2) liegt und dessen Spitzenbereich (5.2) zur Axialöffnung hinweist;
gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:
1.6 die axiale Erstreckung des Stromleitkörpers (5) ist wenigstens doppelt so groß wie die axiale Erstreckung der Laufschaufeln (4).
1.7 eine Anzahl von vom Gehäuse (6) getragenen Leitschaufeln (11 - 15);
2. Bi-direktionale Turbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der axialen Erstreckungen von Stromleitkörper (5) und
Laufschaufel (4) das drei-, oder vier-, oder fünf-, oder sechs- oder sieben, oder acht-, oder neun-, oder zehnfache beträgt, oder einen Wert zwischen diesen Werten.
3. Bi-direktionale Turbine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitschaufeln (11) im axial durchströmten Kanalabschnitt angeordnet sind.
4. Bi-direktionale Luftturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass Leitschaufeln (13) im Bereich des Krümmers (8) angeordnet sind.
5. Bi-direktionale Luftturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass Leitschaufeln (12) im radial durchströmten Kanalabschnitt (9) angeordnet sind.
6. Bi-direktionale Luftturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Teil (10)des radial durchströmten Kanalabschnittes (9) gegen die radiale Richtung geneigt ist.
7. Bi-direktionale Luftturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromleitkörper (5) stillsteht.
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Non-Patent Citations (2)

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