WO2005026536A1 - Strömungskraftmaschine - Google Patents

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Fritz Kadletz
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Fritz Kadletz
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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
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D1/00—Wind motors with rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor 
    • F03D1/06—Rotors
    • F03D1/0608—Rotors characterised by their aerodynamic shape
    • 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
    • F05B2250/20—Geometry three-dimensional
    • F05B2250/25—Geometry three-dimensional helical
    • 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
    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction

Definitions

  • the invention relates to a fluid flow machine with a two- or multi-bladed rotor, the axis of rotation of which is arranged essentially parallel to the direction of flow.
  • the engine according to the invention can convert any type of flow energy, in particular gaseous flow energy (wind energy) or fluid flow energy (water flow energy). In addition to the use for energy generation, the engine can also be used for one
  • Drive of vehicles are used, for example in water vehicles.
  • Fluid power machines with rotor blades formed from wing profiles are known. These convert the flow energy into rotational energy according to the Bernoullian law due to a different pressure distribution on the underside compared to the top of the wing of the aerofoil, which flows under the current, which creates a transverse force for the
  • the power that can be extracted from the flow wing is proportional, among other things, to the area covered by the wings.
  • the invention has for its object to provide a turbo engine, the rotor can run quickly, and thus can generate high torques, and in which the environmental impact and in particular the noise emission is minimized.
  • each rotor blade is made of a rigid material as an arcuate surface wing, and the two bow ends of the rotor blade are attached to the axis of rotation of the rotor.
  • This particular geometrical design of each rotor blade and its arrangement on the axis of rotation of the rotor on the one hand achieve a considerable improvement in the economy of the fluid-flow engine according to the invention and on the other hand significantly reduce the noise emission.
  • the flow engine according to the invention has a high-speed flow rotor, which generates a high torque even at lower flow speeds.
  • the power that can be extracted by the flow wing according to the invention does not depend on the area covered by the wings as in the previously known wings, but rather is essentially proportional to the volume enclosed by the wings, even smaller ones can be used Flow rates high energy conversions can be achieved.
  • the noise emission in the fluid-flow engine according to the invention is, among other things, considerably lower than in the case of previously known flow systems, since the accumulation effect on the wings by the flow is considerably less than in the case of known wings. Nevertheless, the coefficient of performance and thus the efficiency with regard to the ratio of the converted energy to the flow energy is sufficiently large.
  • the geometric design of the rotor according to the invention is such that the surface wing in its projection onto a plane is at least approximately as a rectangular base body of a toroidal surface section or one
  • Spherical surface cutout is formed.
  • the surface wing can be curved in the shape of a saddle with a convexly curved wing profile.
  • the rotor blade of the fluid flow engine according to the invention is preferably made from a rigid material, in particular from a fiber material, for example glass fiber or carbon fiber material.
  • Figure 1 is a schematic side view of a fluid flow engine according to a first embodiment of the invention.
  • Fig. 2 is a schematic front view of the first embodiment
  • Fig. 3 is a schematic side view of a fluid flow engine according to a second embodiment of the invention.
  • the exemplary embodiment of the invention shown in FIGS. 1 and 2 comprises a turbo engine 1 with a two-bladed rotor 2, the axis of rotation 3 of which is arranged essentially parallel to the direction of flow according to arrow 4.
  • the rotor 2 rotating according to arrow 5 is pivotally mounted with its parts acted upon by the flow and the parts carrying these according to arrow 6 on a holding and supporting device 7, the pivot axis 8 of which is arranged essentially perpendicular to the axis of rotation 3 of the rotor 2.
  • the axis of rotation 3 drives a generator, not shown in the figures, which converts the rotational power converted by the flow into electrical energy.
  • the parts carrying the rotor 2 have a bracket 9 fastened with the holding and supporting device 7, on the bracket ends 10, 11 of which the axis of rotation 3 of the rotor 2 is pivotably mounted.
  • each rotor blade 12 and 13 is made as an arcuate surface wing from a rigid material, the two bow ends 14, 15 of each rotor blade 12, 13 being fastened to the axis of rotation 3 of the rotor 2. Furthermore, in its projection onto a (imaginary) plane, each surface wing 12, 13 is formed at least approximately as a triangular base body of a toroidal surface section or a spherical surface section. Both Surface vanes 12, 13 arranged or fastened at an angle of 180 ° on the axis of rotation 3 of the rotor 2 are thin-walled and have the lowest possible mass. Each rotor blade 12, 13 is preferably made of a fiber material.
  • each surface wing 12, 13 can be curved in a saddle shape with a convexly curved wing profile, as is shown in FIG. 2 with a dashed border line 15.
  • the exemplary embodiment of the invention shown in FIG. 3 comprises a fluid flow machine 1, in which a rod generator 14 is integrated on or in the axis of rotation 3 of the rotor 2. Otherwise, this embodiment does not differ from the exemplary embodiment shown in FIGS. 1 and 2, so that the same reference numbers refer to analog components and features.
  • the fluid flow engine according to the invention is designed as a drive machine for a watercraft.
  • the axis of rotation 3 is connected to a motor which drives the rotor 2, which is used to drive the watercraft as a replacement for conventional propeller screws.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Strömungskraftmaschine mit einem zwei- oder mehrblättrigen Rotor (2), dessen Drehachse (3) im wesentlichen parallel zur Strömungsrichtung (4) angeordnet ist, und bei dem jedes Rotorblatt als bogenförmig gestalteter Flächenflügel (12, 13) aus einem biegesteifen Material gefertigt ist, wobei die beiden Bogenenden (14, 15) des Rotorblattes an der Drehachse (3) des Rotors (2) befestigt sind. Der Flächenflügel (12, 13) ist in seiner Projektion auf eine Ebene wenigstens annähernd als zweieckiger Grundkörper eines Toroidalflächenausschnittes ausgebildet, und kann sattelförmig gekrümmt sein mit einem konvex gebogenen Flügelprofil. Das Rotorblatt (3) ist aus einem Fibermaterial gefertigt.

Description

Strömungskraftmaschine
Die Erfindung betrifft eine Strömungskraftmaschine mit einem zwei- oder mehrblättrigen Rotor, dessen Drehachse im Wesentlichen parallel zur Strömungsrichtung angeordnet ist. Die erfindungsgemäße Kraftmaschine kann beliebige Arten von Strömungsenergie umsetzen, insbesondere gasförmige Strömungsenergie (Windenergie) oder fluide Strömungsenergie (Wasserströmungsenergie) . Neben dem Einsatz zur Energiegewinnung kann die Kraftmaschine auch für einen
Antrieb von Fahrzeugen verwendet werden, beispielsweise bei Wasserfahrzeugen.
Bekannt sind Strömungskraftmaschinen mit aus Tragflügelprofilen geformten Rotorblättern. Bei diesen erfolgt die Umsetzung der Strömungsenergie in Rotationsenergie nach dem Bernoullischen Gesetz aufgrund einer unterschiedlichen Druckverteilung auf der Unterseite gegenüber der Oberseite des Flügels der unter Strömung angeströmten Tragfläche, die zu einer Querkraft für den
Flügel und damit zu einem Drehantrieb des Rotors führt. Die vom Strömungsflügel extrahierbare Leistung ist dabei unter anderem proportional zu der von den Flügeln überstrichenen Fläche.
Die derzeitigen technologischen Verbesserungen und Weiterentwicklungen von Strömungskraftanlagen zielen im wesentlichen dahin, einerseits die Wirtschaftlichkeit zu verbessern, andererseits die Umweltbeeinflussung und dabei insbesondere die Geräuschemission zu minimieren. Die
Wirtschaftlichkeit einer Strömungskraftanlage hängt in großem Maße von der spezifischen Turmkopfmasse ab. Langsamlaufende Strömungsrotoren erzeugen hohe Drehmomente und benötigen entsprechend schwere Bauteile, insbesondere Getriebe mit hohem Übersetzungsverhältnis und/oder entsprechend aufwändige langsamlaufende Generatoren. Von daher liegt es auf der Hand, die Auslegungsdrehzahlen bzw. die Umfangsgeschwindigkeiten von Strömungskraftrotoren so hoch wie möglich anzusetzen. Dem steht jedoch entgegen, dass mit steigender
Umfangsgeschwindigkeit die aerodynamische Geräuschentwicklung an den Rotorblättern zunimmt. Während beim Stand der Technik alle übrigen Maschinengeräusche durch Maßnahmen wie Präzisionsverzahnung, Körperschallentkopplung und Kapselung usw. verhältnismäßig gut beherrschbar geworden sind, bilden die aerodynamisch bedingten Geräusche am Rotor ein nach wie vor schwer beherrschbares Problem.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Strömungskraftmaschine zur Verfügung zu stellen, dessen Rotor schnell laufen kann, und damit hohe Drehmomente erzeugen kann, und bei der die Umweltbeeinflussung und dabei insbesondere die Geräuschemission minimiert ist.
Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen des Patentanspruches 1.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass jedes Rotorblatt als bogenförmig gestalteter Flächenflügel aus einem biegesteifen Material gefertigt ist, und die beiden Bogenenden des Rotorblattes an der Drehachse des Rotors befestigt sind. Durch diese besondere geometrische Gestaltung jedes Rotorblattes und seine Anordnung an der Drehachse des Rotors wird einerseits eine erhebliche Verbesserung der Wirtschaftlichkeit der erfindungsgemäßen Strömungskraftmaschine und andererseits eine deutliche Minimierung der Geräuschemission erreicht. Die erfindungsgemäße Strömungskraftmaschine hat einen schnelllaufenden Strömungsrotor, der auch bei geringeren Strömungsgeschwindigkeiten ein hohes Drehmoment erzeugt. Da die vom erfindungsgemäßen Strömungsflügel extrahierbare Leistung nicht von der von den Flügeln überstrichenen Fläche wie bei den vorbekannten Flügeln abhängt, sondern im wesentlichen proportional ist zu den von den Flügeln umschlossenen Volumen, können bereits bei geringeren Strömungsgeschwindigkeiten hohe Energieumsetzungen erreicht werden. Die Geräuschemission ist bei der erfindungsgemäßen Strömungskraftmaschine ua deshalb wesentlich geringer als bei vorbekannten Strömungsanlagen, da die auf den Flügeln durch die Strömung beaufschlagte Stauwirkung wesentlich geringer ist als bei vorbekannten Flügeln. Dennoch ist der Leistungsbeiwert und damit der Wirkungsgrad im Hinblick auf das Verhältnis der umgesetzten Energie zur Strömungsenergie ausreichend groß .
Dem Prinzip der Erfindung folgend ist die geometrische Gestaltung des erfindungsgemäßen Rotors dergestalt, dass der Flächenflügel in seiner Projektion auf eine Ebene wenigstens annähernd als zweieckiger Grundkörper eines Toroidalflächenausschnittes bzw. eines
Kugeloberflächenausschnittes ausgebildet ist.
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann der Flächenflügel sattelförmig gekrümmt mit einem konvex gebogenen Flügelprofil sein.
Anders als bei den vorbekannten Tragflügelformen ist es nach der Erfindung weiterhin von Vorteil, wenn der Flächenflügel des Rotors dünnwandig ausgebildet ist.
Vorzugsweise ist das Rotorblatt der erfindungsgemäßen Strömungskraftmaschine aus einem biegesteifen Material gefertigt, insbesondere aus einem Fibermaterial, beispielsweise Glasfaser- oder Karbonfasermaterial.
Weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung ist nachstehend an den Ausführungsbeispielen erläutert, die in den Zeichnungen dargestellt sind. Es zeigt: Fig. 1 eine schematische Seitenansicht einer Strömungskraftmaschine nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 2 eine schematische Vorderansicht des ersten Ausführungsbeispieles; und
Fig. 3 eine schematische Seitenansicht einer Strömungskraftmaschine nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Das in den Figuren 1 und 2 dargestellte Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst eine Strömungskraftmaschine 1 mit einem zweiblättrigen Rotor 2, dessen Drehachse 3 im wesentlichen parallel zur Strömungsrichtung gemäß Pfeil 4 angeordnet ist. Der gemäß Pfeil 5 drehende Rotor 2 ist mit seinen von der Strömung beaufschlagten Teilen und der diese tragenden Teilen gemäß Pfeil 6 schwenkbar an einer Halte- und Stützeinrichtung 7 gelagert, dessen Schwenkachse 8 im wesentlichen senkrecht zur Drehachse 3 des Rotors 2 angeordnet ist. Die Drehachse 3 treibt einen in den Figuren nicht näher dargestellten Generator an, der die von der Strömung umgesetzte Drehleistung in elektrische Energie wandelt. Bei der dargestellten bevorzugten Ausführung der Erfindung weisen die den Rotor 2 tragenden Teile einen mit der Halte- und Stützeinrichtung 7 befestigten Bügel 9 auf, auf dessen Bügelenden 10, 11 die Drehachse 3 des Rotors 2 schwenkbar gelagert ist.
Erfindungsgemäß ist jedes Rotorblatt 12 und 13 als bogenförmig gestalteter Flächenflügel aus einem biegesteifen Material gefertigt, wobei die beiden Bogenenden 14, 15 jedes Rotorblattes 12, 13 an der Drehachse 3 des Rotors 2 befestigt sind. Ferner ist jeder Flächenflügel 12, 13 in seiner Projektion auf eine (gedachte) Ebene wenigstens annähernd als zweieckiger Grundkörper eines Toroidalflächenausschnittes bzw. eines Kugeloberflächenausschnittes ausgebildet. Beide unter einem Winkel von 180° versetzt an der Drehachse 3 des Rotors 2 angeordnete bzw. befestigte Flächenflügel 12, 13 sind dünnwandig ausgebildet und haben eine möglichst geringe Masse. Jedes Rotorblatt 12, 13 ist vorzugsweise aus einem Fibermaterial gefertigt.
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann jeder Flächenflügel 12, 13 sattelförmig gekrümmt mit einem konvex gebogenen Flügelprofil sein, wie dies in Fig.2 mit einer strichlierten Randlinie 15 dargestellt ist.
Das in Figur 3 dargestellte Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst eine Strömungskraftmaschine 1, bei dem ein Stabgenerator 14 auf bzw. in der Drehachse 3 des Rotors 2 integriert ausgebildet ist. Im Übrigen unterscheidet sich diese Ausführung nicht von dem in Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel, so dass sich dieselben Bezugsziffern auf analoge Bestandteile und Merkmale beziehen.
Bei einem weiteren, in den Figuren nicht näher dargestellten Ausführungsbeispiel ist die erfindungsgemäße Strömungskraftmaschine als Antriebsmaschine für ein Wasserfahrzeug ausgebildet. Bei dieser Ausführung ist die Drehachse 3 mit einem Motor verbunden, welcher den Rotor 2 antreibt, der für den Antrieb des Wasserfahrzeuges als Ersatz herkömmlicher Propellerschrauben dient.

Claims

Patentansprüche
1. Strömungskraftmaschine mit einem zwei- oder mehrblättrigen Rotor (2) , dessen Drehachse (3) im wesentlichen parallel zur Strömungsrichtung (4) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Rotorblatt als bogenförmig gestalteter Flächenflügel (12, 13) aus einem biegesteifen Material gefertigt ist, und die beiden Bogenenden (14, 15) des Rotorblattes an der Drehachse (3) des Rotors (2) befestigt sind.
2. Strömungskraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Flächenflügel (12, 13) in seiner Projektion auf eine Ebene wenigstens annähernd als zweieckiger Grundkörper eines Toroidalflächenausschnittes ausgebildet ist.
3. Strömungskraftmaschine nach nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Flächenflügel (12, 13) des Rotors (3) dünnwandig ist.
4. Strömungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rotorblatt (3) aus einem Fibermaterial gefertigt ist.
5. Strömungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (2) genau zwei Flächenflügel (12, 13) aufweist, die unter einem Winkel von 180° versetzt an der Drehachse (3) des Rotors (2) angeordnet sind.
6. Strömungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Flächenflügel (12, 13) sattelförmig gekrümmt ist.
7. Strömungskraftmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass Flügelprofil konvex gebogenen ist.
8. Strömungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (2) mit seinen von der Strömung beaufschlagten Teilen und der diese tragenden Teilen schwenkbar an einer Halte- und Stützeinrichtung (3) gelagert ist, dessen Schwenkachse (3) im wesentlichen senkrecht zur Drehachse (3) des Rotors (2) angeordnet ist.
9. Strömungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die den Rotor (2) tragenden Teile einen mit der Halte- und Stützeinrichtung (3) befestigten Bügel (3) aufweist, auf dessen Bügelenden (10, 11) die Rotorachse (3) schwenkbar gelagert ist.
10. Strömungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf bzw. in der Drehachse (3) des Rotors (2) ein Stabgenerator (14) oder ein Stabmotor vorgesehen ist.
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