EP4368827A1 - Tangential-fluidturbine - Google Patents

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EP4368827A1
EP4368827A1 EP22207181.3A EP22207181A EP4368827A1 EP 4368827 A1 EP4368827 A1 EP 4368827A1 EP 22207181 A EP22207181 A EP 22207181A EP 4368827 A1 EP4368827 A1 EP 4368827A1
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EP
European Patent Office
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fluid
rotor
tangential
channel
turbine according
Prior art date
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Pending
Application number
EP22207181.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Mustafa FEHMI
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FNF Innovation SHPK
Original Assignee
FNF Innovation SHPK
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Filing date
Publication date
Application filed by FNF Innovation SHPK filed Critical FNF Innovation SHPK
Priority to EP22207181.3A priority Critical patent/EP4368827A1/de
Priority to PCT/EP2023/081593 priority patent/WO2024104949A1/de
Publication of EP4368827A1 publication Critical patent/EP4368827A1/de
Pending 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
    • F03B17/00—Other machines or engines
    • F03B17/06—Other machines or engines using liquid flow with predominantly kinetic energy conversion, e.g. of swinging-flap type, "run-of-river", "ultra-low head"
    • F03B17/062—Other machines or engines using liquid flow with predominantly kinetic energy conversion, e.g. of swinging-flap type, "run-of-river", "ultra-low head" with rotation axis substantially at right angle to flow direction
    • 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
    • F05B2220/00—Application
    • F05B2220/20—Application within closed fluid conduits, e.g. pipes
    • 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
    • F05B2240/10—Stators
    • F05B2240/14—Casings, housings, nacelles, gondels or the like, protecting or supporting assemblies there within
    • 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
    • F05B2250/00—Geometry
    • F05B2250/10—Geometry two-dimensional
    • F05B2250/14—Geometry two-dimensional elliptical
    • F05B2250/141—Geometry two-dimensional elliptical circular

Definitions

  • the present invention relates to a novel tangential fluid turbine.
  • Fluid turbines are well known, for example the turbines of axial design (e.g. Kaplan turbine), tangential design (e.g. Tesla turbine, Pelton turbine) and radial design (e.g. Ljungström turbine, Francis turbine), which are differentiated according to the direction of flow of the medium.
  • axial design e.g. Kaplan turbine
  • tangential design e.g. Tesla turbine, Pelton turbine
  • radial design e.g. Ljungström turbine, Francis turbine
  • the present invention aims to further increase the efficiency of conventional fluid turbines and is based on the finding that this can be achieved if the fluid both enters and exits tangentially to a circle defined by the axis of the shaft as the center.
  • the fluid turbine of the present invention is due to the tangential direction of the flowing fluid in the fluid circulation channel 11, which usually located between the rotor and stator, also called a "tangential fluid turbine”.
  • the tangential fluid turbine according to the present invention is a turbine with special structural properties that lead to high power efficiency.
  • the fluid entering tangentially into the fluid circulation channel 11 through the fluid inlet channel 1 at a flow velocity v presses on the front side of the blade(s) 5, 5' located in the fluid circulation channel and thus causes rotation of the rotor 13 to which the blades 5, 5' are attached in the flow direction of the fluid in the fluid circulation channel 11.
  • the fluid exits the turbine tangentially through the fluid outlet channel 2 at a flow velocity v.
  • Tangential fluid turbines can, for example, be used to transfer power through the pressure of liquids or gases from one system to another at different distances and angles, e.g. from one turbine to another turbine.
  • Turbine efficiency varies depending on design and friction. As a modern turbine with over 90% efficiency, it can also be used in various vehicles, for example, as the turbine can be combined with a combustion engine or electric motor. The turbine can also be used in hydroelectric power plants.
  • a fluid blocking device 6 is provided between the fluid inlet channel 1 and the fluid outlet channel 2, which at least partially, preferably completely, prevents fluid that is in the area of the Fluid outlet channel 2 can reach the fluid inlet channel 1. This prevents a "short circuit" from occurring with respect to the fluid flowing circulating in the turbine.
  • the area in which the fluid blocking device 6 is present is also referred to as the "fluid blocking area”.
  • the fluid circulation channel 11 is part of an overall channel formed annularly, concentrically around the rotor 13, which has openings for the fluid inlet channel 1 and the fluid outlet channel 2 as well as a fluid blocking region with a fluid blocking device 6 in between.
  • the fluid barrier device 6 can, for example, be designed such that it is fixed in the inner wall of the stator or is part thereof.
  • the fluid barrier device 6 can be designed, for example, such that it is flexible and avoids the blade when a blade 5, 5' passes through the region in which the fluid barrier device 6 is present (fluid barrier region), or such that it can be accommodated in the stator when a blade 5, 5' passes through the fluid barrier region.
  • the blade(s) 5, 5' attached to the rotor 13 are designed such that they can be accommodated in the rotor 13 when passing through the fluid barrier area. This can be achieved, for example, by designing the blade(s) 5, 5' so that they can be lowered or folded into the rotor 13.
  • the fluid locking device 6 is usually rigid and attached to the stator or is part of the stator.
  • the blade(s) 5, 5' can be accommodated in the rotor, for example folded in, such that the rotor outer diameter in the region of the accommodated blade(s) is equal to or smaller than the rotor outer diameter outside the accommodation region(s).
  • the blades 5, 5' are designed to be foldable, so that they can be folded into the rotor 13 in the fluid blocking area, and in the area of the fluid circulation channel 11, ie in the angular range of the turbine, in which fluid circulation takes place, wherein in the unfolded state the fluid flowing through the fluid circulation channel 11 exerts pressure on the front broad side (front side) of the blade(s) 5, 5' and thus the rotor 13 is set in rotation.
  • the foldable design can be achieved, for example, by means of a hinge 3 which is attached to the rotor or the respective blade.
  • recesses 18 are provided in the outer region of the rotor 13 for receiving the blades 5, 5' in the received, preferably folded, state.
  • the blades can perform a dual function during the rotational movement of the rotor, namely as blades actually exposed to flow in the fluid circulation channel (extended or folded out) or as a valve (accommodated or folded in).
  • the fluid barrier device 6 in the preferred embodiment of the turbine in which the blades 5, 5' can be received in the rotor 13, preferably folded in, is designed such that it (co-)causes the reception of the blade(s) 5, 5' in the rotor, e.g. causes the blades 5, 5' to be folded in the corresponding recess 18.
  • the fluid blocking device 6 being designed in such a way that it continuously restricts the space available to the blade 5 in the unfolded state as the rotor 13 rotates through the fluid blocking region until complete folding is achieved at least in the region in which the fluid blocking device 6 maximally, preferably completely, prevents the passage of fluid.
  • the fluid locking device 6 may comprise a compression rod with compression spring 17 which supports the function of the fluid locking device 6 and serves to block the passage of the fluid between the fluid locking device 6 and the opposite rotor 13.
  • the compression rod 17 can be pushed back by the blades 5, 5', i.e. in the direction of the locking device 6, until the blades 5, 5' have passed through the area of the compression rod 17, wherein the compression rod 17 then returns to its starting position by the action of the compression spring.
  • the blade(s) 5 are extended or folded out again in the fluid inlet area, e.g. before or upon entry into the fluid circulation channel 11. This can be brought about, for example, by means of a spring mechanism or by the fluid flow.
  • the fluid circulation channel 11 is preferably designed such that the center angle of the circular arc between the fluid inlet channel 1 and the fluid outlet channel 2 on which the shape of the fluid circulation channel 11 is based is at least 30°, more preferably at least 60°, more preferably at least 90°, more preferably at least 120° and even more preferably at least 160°. This center angle is usually 180°.
  • the fluid circulation channel 11 is arranged parallel to a plane perpendicular to the axis of the shaft 12.
  • the turbine according to the invention has two blades 5, 5' attached to the rotor 13, which are more preferably arranged at a distance of 180° from each other relative to the circular shape of the rotor.
  • the broad sides, at least the front broad side (front side), of the blade(s) 5, 5' in the extended, e.g. unfolded, state are arranged perpendicular to the flow direction of the fluid in the circulation channel.
  • the blade(s) 5, 5' are usually arranged radially to the turbine shaft 12 in their longitudinal direction in the extended, e.g. unfolded, state.
  • the turbine housing in which the rotor 13 is rotatably mounted is part of the stator.
  • the turbine preferably has a control valve 14 on the fluid inlet channel 1, with which the amount of fluid entering the turbine can be regulated, e.g. reduced or increased.
  • the fluid circulation channel 11 is usually limited or (co-)formed by the rotor outer circumference and the housing 9 forming the stator of the turbine.
  • the area of the front broad side, i.e. the front side against which the fluid flows, of the blades 5, 5' in the fluid circulation channel 11 projected onto a radial cross section of the fluid circulation channel 11 is at least 90%, preferably at least 95% and most preferably 100% of the radial cross-sectional area of the fluid circulation channel 11.
  • the fluid used can be, for example, a gas such as air, a compressed gas, a gas in a supercritical state or a liquid such as oil or water.
  • a liquid is preferably used as the fluid.
  • the present invention also relates to a method for operating a tangential fluid turbine in one of the embodiments described here.
  • the present invention relates to the use of a tangential fluid turbine in one of the embodiments described here in a motor vehicle, ship, or power plant.
  • FIG. 1 an embodiment of the tangential fluid turbine according to the present invention is shown in cross section.
  • the turbine comprises a shaft 12, a concentric rotor 13 connected to the shaft 12, two foldable blades 5, 5' attached to the rotor 13, which are arranged at a distance of 180° from one another with respect to the circular shape of the rotor 13, a fluid inlet channel 1, a fluid outlet channel 2, and a circular arc-shaped fluid circulation channel 11 concentric with the shaft 12, which connects the fluid inlet channel 1 and the fluid outlet channel 2.
  • the fluid circulation channel 11 is part of an annular overall channel formed concentrically around the rotor 13, which has openings for the fluid inlet channel 1 and the fluid outlet channel 2 as well as a fluid blocking area with a fluid blocking device 6 between the fluid inlet channel 1 and the fluid outlet channel 2.
  • the central angle of the circular arc between the fluid inlet channel 1 and the fluid outlet channel 2 on which the shape of the fluid circulation channel 11 is based is 180°, and the fluid circulation channel 11 is arranged parallel to a plane perpendicular to the axis of the shaft 12.
  • the fluid circulation channel 11 is formed by the rotor outer circumference and a part of the housing 9 forming the stator of the turbine, namely a part of the housing inner wall, as is also apparent from Figure 2 is visible. There is also a seal 8 on the inside wall of the housing.
  • fluid flows into the fluid circulation channel 11 in a tangential direction to a circle concentric with the shaft 12 and exits the fluid circulation channel 11 through the fluid outlet channel 2 in a tangential direction to said circle.
  • the rotor 13 is disk-shaped around the shaft 12 and its inner region adjoins the shaft 12 and is firmly connected to it.
  • the turbine has a control valve 14 on the fluid inlet channel 1, with which the amount of fluid entering the turbine can be regulated.
  • the foldable blades 5, 5' are attached to the rotor 13 by means of a hinge 3, so that their broad sides, especially their front sides against which the flow occurs, are arranged perpendicular to the flow direction of the fluid in the circulation channel when unfolded. In their longitudinal direction, the blades 5, 5' are arranged radially to the turbine shaft 12 when unfolded.
  • the fluid blocking device 6 is rigid, attached to the inner wall of the stator and ensures that fluid located in the area of the fluid outlet channel 2 cannot return to the fluid inlet channel 1. This prevents a "short circuit" from occurring with respect to the fluid flowing circulating in the turbine.
  • the blades 5, 5' attached to the rotor 13 are received in the rotor 13 when passing through the fluid barrier area. This is done in such a way that the blades 5, 5' are folded into the rotor 13 when passing through the fluid barrier area by means of the fluid barrier device 6. This continuously narrows the space available to the blades 5, 5' outside the rotor as it passes through so that finally the blades 5, 5' are completely folded into the rotor 13.
  • the fluid blocking device 6 is further designed such that it seals tightly against the outer region of the rotor in an area in the direction of the passage of the blades 5, 5', in which these are completely folded in, so that no fluid can penetrate. This area of the fluid blocking device 6 ends in front of the fluid inlet channel 1.
  • fluid flows through the fluid inlet channel 1 in a tangential direction into the fluid circulation channel 11.
  • fluid flows onto the front broad side of the unfolded blades 5, which are consequently set in motion in the fluid circulation channel 11 in the flow direction of the fluid, thereby causing the rotational movement of the rotor.
  • the fluid then exits the turbine through the fluid outlet channel 2 in a tangential direction.
  • the rotational movement of the rotor 13 guides it through the fluid blocking area, where the fluid blocking device 6 causes the blades 5, 5' to fold into the outer area of the rotor 13 and prevents the return flow or flow of fluid to the fluid inlet area 1.
  • blade rings 4 are present in the outer region of the blades 5, 5', which seal the blades against the inner walls of the fluid circulation channel 11, so that the area of the front broad side, ie the front side against which the fluid flows, of the blades 5, 5' projected onto a radial cross section of the fluid circulation channel 11 is 100% of the radial cross-sectional area of the fluid circulation channel 11 and thus the flow of the fluid is used to the maximum.
  • Figures 2 and 3 also show cross-sections of the turbine in the plane of the shaft axis.
  • Figure 2 shows the turbine housing 9 as a stator, the upper part of which delimits the fluid circulation channel 11. Also shown are the bearings 16 of the rotor 13, which are part of the stator, on which the axis of the shaft 12 is mounted.
  • the various parts of the turbine housing 9 are connected to one another by connections 10, for example screw connections.
  • the blades 5 are shown in the unfolded state and Figure 2 also shows the compression rings 7 present on the rotor.
  • Figure 3 also shows the compression ring channels 15 present on the rotor.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Tangential-Fluidturbine, die eine Welle 12, einen mit der Welle 12 verbundenen, konzentrischen Rotor 13, am Rotor 13 angebrachte Schaufeln 5,5', einen Fluideintrittskanal 1, einen Fluidaustrittskanal 2, und einen mit der Welle 12 konzentrischen, kreisbogenförmigen Fluidumlaufkanal 11, der den Fluideintritts- 1 und Fluidaustrittskanal 2 verbindet und in dem die Schaufeln 5, 5' des Rotors 13 durch das durch den Fluidumlaufkanal strömende Fluid bewegt werden, wodurch die Rotationsbewegung des Rotors 13 bewirkt wird, umfasst,die dadurch gekennzeichnet ist, dassder Fluideintrittskanal 1 so beschaffen ist, dass das Fluid in tangentialer Richtung zu einem zur Welle 12 konzentrischen Kreis in den Fluidumlaufkanal 11 eintritt und der Fluidaustrittskanal 2 so beschaffen ist, dass das Fluid in tangentialer Richtung zu einem zur Welle 12 konzentrischen Kreis aus dem Fluidumlaufkanal 11 austritt, einem Verfahren zum Betrieb einer solchen Tangential-Fluidturbine, sowie die Verwendung einer solchen Tangential-Fluidturbine in einem Kraftfahrzeug, Schiff, oder Kraftwerk.

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine neuartige Tangential-Fluidturbine.
  • Fluidturbinen sind bekannt, beispielsweise die nach Anströmungsrichtung des Mediums unterschiedenen Turbinen axialer Bauart (z.B. Kaplan-Turbine), tangentialer Bauart (z.B. Tesla-Turbine, Pelton-Turbine) und radialer Bauart (z.B. Ljungström-Turbine, Francis-Turbine).
  • Die vorliegende Erfindung hat sich zum Ziel gesetzt, die Effizienz von herkömmlichen Fluidturbinen weiter zu steigern und beruht auf der Erkenntnis, dass dies dadurch erreicht werden kann, wenn das Fluid zu einem durch die Achse der Welle als Mittelpunkt definierten Kreis tangential sowohl ein- als auch austritt.
  • Die vorliegende Erfindung stellt daher eine Fluidturbine zur Verfügung, die eine Welle 12, einen mit der Welle 12 verbundenen, konzentrischen Rotor 13, am Rotor 13 angebrachte Schaufeln 5, 5', einen Fluideintrittskanal 1, einen Fluidaustrittskanal 2, und einen mit der Welle 12 konzentrischen, kreisbogenförmigen Fluidumlaufkanal 11, der den Fluideintritts- 1 und Fluidaustrittskanal 2 verbindet und in dem die Schaufeln 5, 5' des Rotors 13 durch das durch den Fluidumlaufkanal strömende Fluid bewegt werden, wodurch die Rotationsbewegung des Rotors 13 bewirkt wird, umfasst,
    • die dadurch gekennzeichnet ist, dass
    • der Fluideintrittskanal 1 so beschaffen ist, dass das Fluid in tangentialer Richtung zu einem zur Welle 12 konzentrischen Kreis in den Fluidumlaufkanal 11 eintritt und der Fluidaustrittskanal 2 so beschaffen ist, dass das Fluid in tangentialer Richtung zu einem zur Welle 12 konzentrischen Kreis aus dem Fluidumlaufkanal 11 austritt.
  • Die Fluidturbine der vorliegenden Erfindung wird aufgrund der tangentialen Richtung des strömenden Fluids im Fluidumlaufkanal 11, der sich üblicherweise zwischen Rotor und Stator befindet, auch als "Tangential-Fluidturbine" bezeichnet.
  • Die Tangential-Fluidturbine gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Turbine mit besonderen strukturellen Eigenschaften, die zu einer hohen Leistungseffizienz führen. Das durch den Fluideintrittskanal 1 mit einer Strömungsgeschwindigkeit vein in den Fluidumlaufkanal 11 tangential eintretende Fluid drückt auf die sich im Fluidumlaufkanal befindliche(n) Vorderseite der Schaufel(n) 5, 5' und bewirkt somit eine Rotation des Rotors 13, an dem die Schaufeln 5, 5' befestigt sind in Strömungsrichtung des Fluids im Fluidumlaufkanal 11. Das Fluid tritt nach dem Umlauf im Fluidumlaufkanal 11 mit einer Strömungsgeschwindigkeit vaus durch den Fluidaustrittskanal 2 tangential aus der Turbine aus.
  • Dies erfolgt mit einem konstanten Moment und mit tangentialer Wirkung, d.h. die Strömungsrichtung des Fluids ist an jedem Punkt im Fluidumlaufkanal 11 tangential zur Kreisbogenform des Fluidumlaufkanals 11, wobei der Druck des Fluids im Fluideintrittskanal pein nahezu gleich dem des Fluids im Fluidaustrittskanal paus ist.
  • Die tangentiale Wirkung besteht an jedem Punkt während des gesamten Umlaufs des Fluids im Fluidumlaufkanal 11, so dass ein maximaler Wirkungsgrad erreicht wird.
  • Tangential-Fluidturbinen können beispielsweise verwendet werden, um Kraft durch den Druck von Flüssigkeiten oder Gasen von einem System auf ein anderes in unterschiedlichen Abständen und Winkeln zu übertragen, z.B. von einer Turbine zu einer weiteren Turbine.
  • Der Turbinenwirkungsgrad variiert je nach Konstruktion und Reibung. Als moderne Turbine mit über 90% Wirkungsgrad kann sie beispielsweise auch in verschiedenen Fahrzeugen eingesetzt werden, da die Turbine mit einem Verbrennungs- oder Elektromotor kombiniert werden kann. Die Turbine kann aber auch in Wasserkraftwerken eingesetzt werden.
  • Vorzugsweise ist zwischen dem Fluideintrittskanal 1 und dem Fluidaustrittskanal 2 eine Fluidsperrvorrichtung 6 vorhanden, die zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig, verhindert, dass Fluid, das sich im Bereich des Fluidaustrittskanals 2 befindet, zum Fluideintrittskanal 1 gelangen kann. Somit wird verhindert, dass bezüglich des in der Turbine umlaufend strömenden Fluids ein "Kurzschluss" erfolgt. Der Bereich, in dem die Fluidsperrvorrichtung 6 vorhanden ist wird auch als "Fluidsperrbereich" bezeichnet.
  • Vorzugsweise ist der Fluidumlaufkanal 11 Teil eines ringförmig, konzentrisch um den Rotor 13 ausgebildeten Gesamtkanals, der Öffnungen für den Fluideintrittskanal 1 und den Fluidaustrittskanal 2 sowie einen Fluidsperrbereich mit einer Fluidsperrvorrichtung 6 dazwischen aufweist.
  • Die Fluidsperrvorrichtung 6 kann beispielsweise so gestaltet sein, dass sie in der Innenwand des Stators befestigt oder Teil davon ist.
  • Weiterhin kann die Fluidsperrvorrichtung 6 beispielsweise so gestaltet sein, dass sie flexibel ist und bei Durchgang einer Schaufel 5, 5' durch den Bereich, in dem die Fluidsperrvorrichtung 6 vorhanden ist (Fluidsperrbereich), der Schaufel ausweicht, oder so, dass sie bei Durchgang einer Schaufel 5, 5' durch den Fluidsperrbereich in den Stator aufnehmbar ist.
  • Vorzugsweise sind die am Rotor 13 angebrachten Schaufel(n) 5, 5' so gestaltet, dass sie bei Durchgang durch den Fluidsperrbereich in den Rotor 13 aufgenommen werden können. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass die Schaufel(n) 5, 5' in den Rotor 13 versenkbar oder einklappbar gestaltet sind.
  • In dieser bevorzugten Ausführungsform der Fluidturbine ist die Fluidsperrvorrichtung 6 üblicherweise starr ausgebildet und am Stator befestigt bzw. Teil des Stators.
  • Vorzugsweise sind die Schaufel(n) 5, 5' so in den Rotor aufnehmbar, beispielsweise einklappbar, dass der Rotoraußendurchmesser im Bereich der aufgenommenen Schaufel(n) gleich oder kleiner dem Rotoraußendurchmesser außerhalb des/der Aufnahmebereich(e) ist.
  • Weiter bevorzugt sind die Schaufeln 5, 5' klappbar gestaltet, so dass sie im Fluidsperrbereich in den Rotor 13 eingeklappt werden können, und im Bereich des Fluidumlaufkanals 11, d.h. in dem Winkelbereich der Turbine, in dem Fluidumlauf erfolgt, ausgeklappt werden können, wobei im ausgeklappten Zustand durch das durch den Fluidumlaufkanal 11 strömende Fluid Druck auf die vordere Breitseite (Vorderseite) der Schaufel(n) 5, 5' ausgeübt und somit der Rotor 13 in Rotation versetzt wird.
  • Die klappbare Gestaltung kann beispielsweise mittels eines Scharniers 3 erfolgen, das am Rotor bzw. der jeweiligen Schaufel angebracht ist.
  • Vorzugsweise sind im Außenbereich des Rotors 13 Aussparungen 18 zur Aufnahme der Schaufeln 5, 5' im aufgenommenen, vorzugsweise eingeklappten, Zustand vorhanden.
  • In der bevorzugten Ausführungsform der Turbine, in der die Schaufeln in den Rotor aufgenommen, vorzugsweise eingeklappt, werden können, können die Schaufeln im Verlauf der Drehbewegung des Rotors eine Doppelfunktion ausüben, nämlich als tatsächlich angeströmte Schaufeln im Fluidumlaufkanal (ausgefahren bzw. ausgeklappt) oder als Ventil (aufgenommen bzw. eingeklappt).
  • Weiter bevorzugt ist die Fluidsperrvorrichtung 6 in der bevorzugten Ausführungsform der Turbine, in der die Schaufeln 5, 5' in den Rotor 13 aufgenommen, vorzugsweise eingeklappt, werden können, so ausgebildet, dass sie die Aufnahme der Schaufel(n) 5, 5' in den Rotor (mit-)bewirkt, z.B. das Einklappen der Schaufeln 5, 5' in die entsprechende Aussparung 18 bewirkt.
  • Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass die Fluidsperrvorrichtung 6 so ausgebildet ist, dass sie den der Schaufel 5 im ausgeklappten Zustand zur Verfügung stehenden Raum bei Rotation des Rotors 13 durch den Fluidsperrbereich kontinuierlich immer weiter einschränkt, bis ein vollständiges Einklappen zumindest in dem Bereich bewirkt ist, in dem die Fluidsperrvorrichtung 6 den Durchgang von Fluid maximal, vorzugsweise vollständig, verhindert.
  • Die Fluidsperrvorrichtung 6 kann eine Kompressionsstange mit Druckfeder 17 umfassen, die die Funktion der Fluidsperrvorrichtung 6 unterstützt und dazu dient, den Durchgang des Fluids zwischen der Fluidsperrvorrichtung 6 und dem gegenüberliegenden Rotor 13 zu blockieren.
  • Während der Rotation des Rotors 13 kann die Kompressionsstange 17 durch die Schaufeln 5, 5' zurück, d.h. in Richtung der Sperrvorrichtung 6, gedrückt werden, bis die Schaufeln 5, 5' den Bereich der Kompressionsstange 17 durchlaufen haben, wobei die Kompressionsstange 17 dann durch die Wirkung der Druckfeder wieder in ihre Startposition zurückkehrt.
  • Nachdem der Rotor 13 mit (einer der) der aufgenommenen, vorzugsweise eingeklappten, Schaufel 5' den Fluidsperrbereich passiert hat, wird die (werden die) Schaufel(n) 5 im Fluideintrittsbereich, z.B. vor oder beim Eintritt in den Fluidumlaufkanal 11, wieder ausgefahren bzw. ausgeklappt. Dies kann beispielsweise mittels eines Federmechanismus oder durch die Fluidströmung bewirkt werden.
  • In Tangential-Fluidturbine gemäß der Erfindung ist vorzugsweise der Fluidumlaufkanal 11 so ausgestaltet, dass der Mittelpunktswinkel der der Form des Fluidumlaufkanals 11 zugrundeliegenden Kreisbogens zwischen Fluideinlass- 1 und Fluidauslasskanal 2 zumindest 30°, weiter bevorzugt zumindest 60°, weiter bevorzugt zumindest 90°, weiter bevorzugt zumindest 120° und noch weiter bevorzugt zumindest 160° beträgt. Üblicherweise beträgt dieser Mittelpunktswinkel 180°.
  • Üblicherweise ist der Fluidumlaufkanal 11 parallel zu einer Ebene senkrecht zur Achse der Welle 12 angeordnet.
  • Vorzugsweise weist die erfindungsgemäße Turbine zwei am Rotor 13 angebrachte Schaufeln 5, 5' auf, die weiter bevorzugt vorzugsweise in einem auf die Kreisform des Rotors bezogenen Abstand von 180° zueinander angeordnet sind.
  • Üblicherweise sind die Breitseiten, zumindest die vordere Breitseite (Vorderseite), der Schaufel(n) 5, 5' im ausgefahrenen, z.B. ausgeklappten Zustand senkrecht zur Strömungsrichtung des Fluids im Umlaufkanal angeordnet.
  • Weiterhin ist/sind üblicherweise die Schaufel(n) 5, 5' im ausgefahrenen, z.B. ausgeklappten Zustand in ihrer Längsrichtung radial zur Turbinenwelle 12 angeordnet.
  • Üblicherweise ist das Turbinengehäuse, in dem der Rotor 13 drehbar gelagert ist, Teil des Stators.
  • Die Turbine weist vorzugsweise ein Regelventil 14 am Fluideintrittskanal 1 auf, mit dem die in die Turbine eintretende Fluidmenge geregelt werden kann, z.B. reduziert oder erhöht werden kann.
  • Bei gleichbleibender eintretender Fluidmenge bleibt das Drehmoment des Rotors 13 unverändert, während es durch eine Erhöhung bzw. Erniedrigung der Fluidmenge zu einer Erhöhung bzw. Erniedrigung des Drehmoments des Rotors 13 kommt.
  • Der Fluidumlaufkanal 11 wird üblicherweise durch den Rotoraußenumfang und das den Stator der Turbine bildende Gehäuse 9 begrenzt bzw. (mit-)gebildet.
  • Üblicherweise beträgt die auf einen radialen Querschnitt des Fluidumlaufkanals 11 projizierte Fläche der vorderen Breitseite, d.h. der durch das Fluid angeströmte Vorderseite, der Schaufeln 5, 5' im Fluidumlaufkanal 11 zumindest 90%, vorzugsweise zumindest 95% und meist bevorzugt 100% der radialen Querschnittsfläche des Fluidumlaufkanals 11.
  • In der Tangential-Fluidturbine der vorliegenden Erfindung kann als Fluid beispielsweise ein Gas, wie z.B. Luft, ein komprimiertes Gas, ein Gas im überkritischen Zustand oder auch eine Flüssigkeit, wie z.B. Öl oder Wasser eingesetzt werden. Vorzugsweise wird als Fluid eine Flüssigkeit verwendet.
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zum Betrieb einer Tangential-Fluidturbine in einer der hier beschriebenen Ausführungsformen.
  • Weiterhin bezieht sich die vorliegende Erfindung auf die Verwendung einer Tangential-Fluidturbine in einer der hier beschriebenen Ausführungsformen in einem Kraftfahrzeug, Schiff, oder Kraftwerk.
    • Beispiel
  • Eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Tangential-Fluidturbine, vorzugsweise für eine Flüssigkeit als Fluid, wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben.
    • Fig. 1 zeigt einen horizontalen Querschnitt einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Fluidturbine.
    • Fig. 2 zeigt einen Seitenansichtsquerschnitt der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Fluidturbine.
    • Fig. 3 zeigt einen Teil-Seitenansichtsquerschnitt der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Fluidturbine.
  • In Figur 1 ist eine Ausführungsform der Tangential-Fluidturbine gemäß der vorliegenden Erfindung im Querschnitt gezeigt. Die Turbine umfasst eine Welle 12, einen mit der Welle 12 verbundenen, konzentrischen Rotor 13, zwei am Rotor 13 angebrachte klappbare Schaufeln 5, 5', die in einem auf die Kreisform des Rotors 13 bezogenen Abstand von 180° zueinander angeordnet sind, einen Fluideintrittskanal 1, einen Fluidaustrittskanal 2, und einen mit der Welle 12 konzentrischen, kreisbogenförmigen Fluidumlaufkanal 11, der den Fluideintritts- 1 und Fluidaustrittskanal 2 verbindet.
  • Der Fluidumlaufkanal 11 ist Teil eines ringförmigen, konzentrisch um den Rotor 13 ausgebildeten Gesamtkanals, der Öffnungen für den Fluideintrittskanal 1 und den Fluidaustrittskanal 2 sowie einen Fluidsperrbereich mit einer Fluidsperrvorrichtung 6 zwischen Fluideintrittskanal 1 und den Fluidaustrittskanal 2 aufweist. Der Mittelpunktswinkel der der Form des Fluidumlaufkanals 11 zugrundeliegenden Kreisbogens zwischen Fluideinlass- 1 und Fluidauslasskanal 2 beträgt 180°, und der Fluidumlaufkanal 11 ist parallel zu einer Ebene senkrecht zur Achse der Welle 12 angeordnet. Der Fluidumlaufkanal 11 wird durch den Rotoraußenumfang und einen Teil des den Stator der Turbine bildenden Gehäuses 9, nämlich einen Teil der Gehäuseinnenwand, gebildet, wie auch aus Figur 2 ersichtlich ist. An der Gehäuseinnenwand ist weiterhin eine Dichtung 8 vorhanden.
  • Durch den Fluideintrittskanal 1 strömt Fluid in tangentialer Richtung zu einem zur Welle 12 konzentrischen Kreis in den Fluidumlaufkanal 11 ein und tritt durch den Fluidaustrittskanal 2 in tangentialer Richtung zu besagtem Kreis aus dem Fluidumlaufkanal 11 aus.
  • Der Rotor 13 ist scheibenförmig um die Welle 12 ausgebildet und dessen innerer Bereich schließt an die Welle 12 an und ist mit ihr fest verbunden.
  • Die Turbine weist am Fluideintrittskanal 1 ein Regelventil 14 auf, mit dem die in die Turbine eintretende Fluidmenge geregelt werden kann.
  • Die klappbaren Schaufeln 5, 5' sind mittels eines Scharniers 3 am Rotor 13 befestigt, so dass deren Breitseiten, speziell deren angeströmte Vorderseiten, im ausgeklappten Zustand senkrecht zur Strömungsrichtung des Fluids im Umlaufkanal angeordnet sind. In ihrer Längsrichtung sind die Schaufeln 5, 5' im ausgeklappten Zustand radial zur Turbinenwelle 12 angeordnet.
  • Der Fluidsperrvorrichtung 6 ist starr ausgebildet, an der Innenwand des Stators befestigt und bewirkt, dass Fluid, das sich im Bereich des Fluidaustrittskanals 2 befindet, nicht zum Fluideintrittskanal 1 zurück gelangen kann. Somit wird verhindert, dass bezüglich des in der Turbine umlaufend strömenden Fluids ein "Kurzschluss" erfolgt.
  • Die am Rotor 13 angebrachten Schaufeln 5, 5' werden bei Durchgang durch den Fluidsperrbereich in den Rotor 13 aufgenommen. Dies erfolgt so, dass die Schaufeln 5, 5' in den Rotor 13 bei Durchgang durch den Fluidsperrbereich mittels der Fluidsperrvorrichtung 6 eingeklappt werden. Diese verengt den der Schaufel 5, 5' außerhalb des Rotors zur Verfügung stehenden Platz beim Durchgang kontinuierlich so, dass schließlich ein vollständiges Einklappen der Schaufeln 5, 5' in den Rotor 13 bewirkt wird.
  • Eine Kompressionsstange mit Feder 17, die Teil der Fluidsperrvorrichtung 6 ist und nach Durchlauf der Schaufeln 5, 5' durch den Bereich der Kompressionsstange 17 durch die Wirkung der Druckfeder wieder in ihre Startposition zurückgedrückt wird, verhindert zusätzlich, dass Fluid zwischen der Fluidsperrvorrichtung 6 und dem gegenüberliegenden Rotor 13 hindurchgelangen und somit in den Bereich des Fluideintrittskanals 1 zurückgelangen kann.
  • Zur Aufnahme der eingeklappten Schaufeln 5' sind im prinzipiell ringförmigen Außenbereich des Rotors 13 Aussparungen 18 vorhanden, in die sich die Schaufeln 5, 5' im eingeklappten Zustand so aufnehmen lassen, dass der Rotoraußendurchmesser im Bereich der aufgenommenen Schaufel(n) mit den aufgenommenen Schaufeln 5' maximal gleich dem Rotoraußendurchmesser außerhalb der Aufnahmebereiche ist. Am Außenumfangbereich des Rotor 13 und im Bereich zwischen dem Außen- und Innenbereich des Rotors 13 sind weiterhin Kompressionsringe 7 vorhanden.
  • Die Fluidsperrvorrichtung 6 ist weiterhin so ausgebildet, dass sie in einem Bereich in Richtung des Durchgangs der Schaufeln 5, 5', in dem diese vollständig eingeklappt sind, mit dem Rotoraußenbereich dicht abschließt, so dass kein Fluid durchdringen kann. Dieser Bereich der Fluidsperrvorrichtung 6 endet vor dem Fluideintrittskanal 1.
  • Im Betrieb der Turbine strömt Fluid, dessen Menge durch das Regelventil 14 geregelt wird, durch den Fluideintrittskanal 1 in tangentialer Richtung in den Fluidumlaufkanal 11 ein. Hier strömt es die vordere Breitseite der ausgeklappten Schaufeln 5 an, die folglich im Fluidumlaufkanal 11 in Strömungsrichtung des Fluids in Bewegung versetzt werden, wodurch die Rotationsbewegung des Rotors bewirkt wird.
  • Das Fluid tritt dann durch den Fluidaustrittskanal 2 in tangentialer Richtung aus der Turbine aus. Durch die Drehbewegung des Rotors 13 wird dieser durch den Fluidsperrbereich geführt, wo die Fluidsperrvorrichtung 6 das Einklappen der Schaufeln 5, 5' in den Außenbereich des Rotors 13 bewirkt und den Rücklauf bzw. Durchlauf von Fluid zum Fluideintrittsbereich 1 verhindert.
  • Nach dem Durchgang des Rotors 13 durch den Fluidsperrbereich werden die Schaufeln 5, 5' durch die Wirkung des einströmenden Fluids wieder ausgeklappt, so dass sie spätestens im Fluidumlaufkanal 11 wieder vollständig ausgeklappt sind.
  • Wie auch aus Figur 2 ersichtlich sind im Außenbereich der Schaufeln 5, 5' Schaufelringe 4 vorhanden, die die Schaufeln gegenüber den Innenwänden des Fluidumlaufkanals 11 abdichten, so dass die auf einen radialen Querschnitt des Fluidumlaufkanals 11 projizierte Fläche der vorderen Breitseite, d.h. der durch das Fluid angeströmte Vorderseite, der Schaufeln 5, 5' 100% der radialen Querschnittsfläche des Fluidumlaufkanals 11 beträgt und somit die Strömung des Fluids maximal genutzt wird.
  • In Figuren 2 und 3 zeigen weiterhin Querschnitte der Turbine in der Ebene der Wellenachse. Figur 2 zeigt das Turbinengehäuse 9 als Stator, wobei dessen oberer Teil den Fluidumlaufkanal 11 begrenzt. Weiterhin gezeigt sind die Lager 16 des Rotors 13, die Teil des Stators sind, auf denen die Achse der Welle 12 gelagert ist. Die verschiedenen Teile des Turbinengehäuses 9 sind durch Verbindungen 10, beispielsweise Schraubverbindungen, miteinander verbunden. Die Schaufeln 5 sind im ausgeklappten Zustand gezeigt und Figur 2 zeigt auch die am Rotor vorhandenen Kompressionsringe 7.
  • Figur 3 zeigt weiterhin die am Rotor vorhandenen Kompressionsringkanäle 15.
    • Bezugszeichenliste:
    • 1
    Fluideintrittskanal
    2
    Fluidaustrittskanal
    3.
    Scharnier
    4.
    Schaufelring
    5
    klappbare Schaufel im ausgeklappten Zustand
    5'
    klappbare Schaufel im eingeklappten Zustand
    6
    Fluidsperrvorrichtung
    7
    Kompressionsringe Rotor
    8
    Dichtung
    9
    Turbinengehäuse
    10
    Verbindungen zum Stator
    11
    Fluidumlaufkanal
    12
    Welle
    13
    Rotor
    14
    Steuerventil Fluideintritt
    15
    Kompressionsringe Kanal
    16
    Lager des Rotors
    17
    Kompressionsstange mit Feder
    18
    Aussparung im Außenbereich des Rotors zur Aufnahme der Schaufel 5' im eingeklappten Zustand

Claims (15)

  1. Tangential-Fluidturbine, die eine Welle 12, einen mit der Welle 12 verbundenen, konzentrischen Rotor 13, am Rotor 13 angebrachte Schaufeln 5, 5', einen Fluideintrittskanal 1, einen Fluidaustrittskanal 2, und einen mit der Welle 12 konzentrischen, kreisbogenförmigen Fluidumlaufkanal 11, der den Fluideintritts- 1 und Fluidaustrittskanal 2 verbindet und in dem die Schaufeln 5, 5' des Rotors 13 durch das durch den Fluidumlaufkanal 11 strömende Fluid bewegt werden, wodurch die Rotationsbewegung des Rotors 13 bewirkt wird, umfasst,
    die dadurch gekennzeichnet ist, dass
    der Fluideintrittskanal 1 so beschaffen ist, dass das Fluid in tangentialer Richtung zu einem zur Welle 12 konzentrischen Kreis in den Fluidumlaufkanal 11 eintritt und der Fluidaustrittskanal 2 so beschaffen ist, dass das Fluid in tangentialer Richtung zu einem zur Welle 12 konzentrischen Kreis aus dem Fluidumlaufkanal 11 austritt.
  2. Tangential-Fluidturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufeln 5, 5' so gestaltet sind, dass sie bei Durchgang durch den Fluidsperrbereich in den Rotor 13 aufgenommen werden können.
  3. Tangential-Fluidturbine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufeln 5, 5' klappbar gestaltet sind.
  4. Tangential-Fluidturbine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Außenbereich des Rotors 13 Aussparungen 18 zur Aufnahme der Schaufeln 5, 5' im eingeklappten Zustand vorhanden sind.
  5. Tangential-Fluidturbine nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Fluideintrittskanal 1 und dem Fluidaustrittskanal 2 eine Fluidsperrvorrichtung 6 vorhanden ist.
  6. Tangential-Fluidturbine nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidsperrvorrichtung so ausgebildet ist, dass sie die Aufnahme der Schaufel(n) 5, 5' in den Rotor bewirkt.
  7. Tangential-Fluidturbine nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Mittelpunktswinkel der der Form des Fluidumlaufkanals 11 zugrundeliegenden Kreisbogens zwischen Fluideinlass- 1 und Fluidauslasskanal 2 zumindest 30°, weiter bevorzugt zumindest 60°, weiter bevorzugt zumindest 90°, weiter bevorzugt zumindest 120° und noch weiter bevorzugt zumindest 160° beträgt.
  8. Tangential-Fluidturbine nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluidumlaufkanal 11 parallel zu einer Ebene senkrecht zur Achse der Welle 12 angeordnet ist.
  9. Tangential-Fluidturbine nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie zwei am Rotor 13 angebrachte Schaufeln 5,5' umfasst, die vorzugsweise in einem auf die Kreisform des Rotors bezogenen Abstand von 180° zueinander angeordnet sind.
  10. Tangential-Fluidturbine nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluidumlaufkanal 11 durch den Rotoraußenumfang und die Innenseite des den Stator der Turbine bildenden Gehäuses 9 gebildet wird.
  11. Tangential-Fluidturbine nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die auf einen radialen Querschnitt des Fluidumlaufkanals 11 projizierte Vorderfläche der Schaufeln 5, 5' im Fluidumlaufkanal 11 zumindest 90%, vorzugsweise zumindest 95% und meist bevorzugt 100% der radialen Querschnittsfläche des Fluidumlaufkanals 11 beträgt.
  12. Tangential-Fluidturbine nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Fluid eine Flüssigkeit verwendet wird.
  13. Tangential-Fluidturbine nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Regelventil 14 am Fluideintrittskanal umfasst, mit dem die die Turbine eintretende Fluidmenge geregelt werden kann.
  14. Verfahren zum Betrieb einer Tangential-Fluidturbine nach einem der vorstehenden Ansprüche.
  15. Verwendung einer Tangential-Fluidturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 13 in einem Kraftfahrzeug, Schiff, oder Kraftwerk.
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