WO2019034684A1 - Ringflügelturbine - Google Patents

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WO2019034684A1
WO2019034684A1 PCT/EP2018/072106 EP2018072106W WO2019034684A1 WO 2019034684 A1 WO2019034684 A1 WO 2019034684A1 EP 2018072106 W EP2018072106 W EP 2018072106W WO 2019034684 A1 WO2019034684 A1 WO 2019034684A1
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WO
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wing
ring
flow
rotor
rotation
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PCT/EP2018/072106
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English (en)
French (fr)
Inventor
Friedrich Grimm
Original Assignee
Ruprecht, Albert
Schenk, Tobias
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Publication date
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    • 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
    • F03D1/0625—Rotors characterised by their aerodynamic shape of the whole rotor, i.e. form features of the rotor unit
    • 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
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    • F03D1/00—Wind motors with rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor 
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    • F03D1/0658—Arrangements for fixing wind-engaging parts to a hub
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    • F03D9/00—Adaptations of wind motors for special use; Combinations of wind motors with apparatus driven thereby; Wind motors specially adapted for installation in particular locations
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    • F03D9/28—Wind motors characterised by the driven apparatus the apparatus being a pump or a compressor
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    • F03D9/30—Wind motors specially adapted for installation in particular locations
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    • 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
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    • F05B2280/1021—Aluminium
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    • 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 ring wing turbine, the
  • the turbine is powered by a
  • Ring wing driven which rotates on a spaced by a radius of a rotation axis orbit in a plane perpendicular to the horizontal axis of rotation plane of rotation.
  • a ring wing turbine can be used as a wind or water turbine
  • the invention relates to different shaping variants of a ring-winged turbine, which can be manufactured as Speichenradkonstrutation in all sizes or forms a ring generator as a system of rotor and stator.
  • a ring-winged turbine which can be manufactured as Speichenradkonstrutation in all sizes or forms a ring generator as a system of rotor and stator.
  • Ring wing turbine of power generation The torque of the turbine can also be used for the operation of a pump for pumping
  • Wind turbines are typically provided with three radially arranged rotor blades connected to the hub via a rotor head, which are in the plane of rotation at an angle of 120 degrees
  • Electricity supply to only 0.75% of the land area may become more restrictive even in the future
  • a generator consists of a rotor and a stator, which are separated by an air gap.
  • the rotor may be referred to as a rotor ring and the stator as a stator ring.
  • the rotor ring with the permanent magnet or field coils is arranged outside, while the stator ring is arranged inside and the generated current by means of a Commutator is rectified.
  • Ring generator with a large diameter is one
  • Transverse flux machine better suited because of
  • TFM magnetic flux transversal, i. perpendicular to the plane of rotation.
  • Ring generator can be made via the permanent magnets a non-contact magnetic bearing between rotor and stator.
  • a development of the company Festo concerns the possibility of a frictionless movement by superconductivity. The actual
  • Transition temperatures such as Yttrium-barium-copper oxide (YBKO), which becomes superconducting at -173 ° C.
  • One of the most efficient lightweight constructions is a spoked wheel in which a thrust ring is connected to a hub via tensioned spokes.
  • Diameters of up to 160 m are now set up as giant wheels with gondolas for passengers at attractive viewing locations and are characterized by a filigree
  • the so-called High Roller in Las Vegas e.g. is a
  • Spoked wheel construction with a diameter of 158.50 m, in which the pressure ring consists of a steel tube of 2 m diameter, which is stabilized by 112 tensioning cables acting on a hub.
  • Rotor diameter of 2 m an output of up to 3000 W.
  • a watercraft is the catamaran or trimaran-trained hydroptere, which rises in sufficient wind with wings on the hulls out of the water and reaches speeds of over 100 km / h.
  • Air baffles are arranged.
  • the baffles are not designed here as wing profiles, so that this wind turbine is a resistance rotor.
  • WO 2010/131 052 A2 shows an annular diffuser for a flow converter with a plurality of vanes, which surround the diffuser ring spirally.
  • Spiral wing is oriented towards the axis of rotation, so that a cone angle for the flow to the individual rotor blades can not be used. Rather, the diffuser serves the ventilation of the leeward Abstrom Suites.
  • JP 2001 115 944 A shows a flow converter with a conically shaped hub in the flow direction and a plurality of rotor blades arranged radially to the hub.
  • WO 2013/071 328 AI shows a wind turbine with an annular outer jacket and radial concentrator blades, which is designed to generate a peripheral vortex to
  • EP 0 069 208 A1 shows a wind turbine with a
  • Spoked wheel construction which has a plurality of radial carries arranged rotor blades, which are adapted to generate a centrifugal wind flow.
  • EP 0 854 981 B1 shows a wind turbine with a horizontal axis of rotation as a spoked wheel construction, in which the spokes are designed as rotor blades and the pressure ring carries magnets on its outside and together with a
  • Ring segment-shaped stator forms the generator of the turbine.
  • WO 2014/048 468 A1 shows a turbine with a centrally arranged, freely flowed diffuser as Venturi tube, which is designed to direct the flow in the downflow region of the turbine and to generate a vortex there.
  • annular annular wings are shown, which are also designed as Konfusorringe to direct the flow in the downflow region of the turbine.
  • Vehicle generate a torque in the direction of travel.
  • DE 31 51 620 AI shows a wind turbine with a horizontal axis of rotation, are arranged in the rotor blades each between two, a pressure ring with a hub connecting spokes.
  • Ring generator connected in the radial rotor blades with the rotor ring and on the inside of a diffuser assembly
  • WO 2010/065647 A2 shows a shell turbine with a
  • Two-piece coat made of two with a concentric
  • Surrounding medium has encapsulated areas, which are associated with the rotor and the stator of the turbine and a part of the generator components and the electronic components
  • the present invention seeks to provide an improved turbine as a wind turbine or water turbine, which is spaced from one with a radius of the rotation axis and in a
  • a cylindrical flow tube can through a
  • Diffuser device of the annular wing turbine to a concentric with the axis of rotation formed cone shape with a
  • Design speed lambda in the range 2.5 to 5, preferably in the range 2.5 to 4, and particularly preferably in the range 2.5 to 3
  • Wing profile of the wing ring for a particular
  • Thrust of the rotor counteracts and significantly relieves the support structure of a wind turbine or water turbine.
  • Wing profile lies on its outside, needs one
  • Diffuser device hereinafter referred to as diffuser to generate a torque.
  • Spokes which are designed as self-wound rotor blades and connect the annular wing with a hub, act as a diffuser. They extract energy from the flow incident parallel to the axis of rotation, thereby driving the rotor, slowing the flow and increasing the pressure in the flow tube so that a dynamic cone angle of 30-35 degrees is established at the outer edge of the rotor , The ring wing works exactly in this area. A flow can be slowed down only to a certain extent by the energy extraction of the rotor blades. If it is taken too much energy, the delayed air masses cause a backwater, which leads to a loss of power at a flow converter.
  • Betz's law also applies to a ring-winged turbine.
  • air masses that are far outside of the purely constructive radius are also detected by an annular wing, so that Betz's law in this case can be applied to a flow tube with a substantially larger radius than that defined by the actual outer contour of the annular wing .
  • An annular wing turbine with a spoke wheel construction in which the spokes are formed as rotor blades, converts the kinetic energy of the flow in the entire rotor circuit in a rotational movement, so that the flow is slowed down and the flow tube widens conically as a result of pressure increase.
  • the resistance is only about 1% of the buoyancy.
  • the ring wing also prevents the
  • Ring wings and rotor blades taken together allow based on the design diameter of the ring-winged turbine a theoretical power coefficient greater than 16/27.
  • the angle of attack increases continuously from the outside to the hub-side end of a rotor blade, so that the rotor blade as a in itself
  • Diameter it may be useful to clamp the individual spokes from windward to leeward by tendons with each other to limit the free length of the spokes.
  • windmills with a diameter of 200-500 m can be produced, which extend from the Prandtl layer into the Ekman layer and from the in
  • the rotor power is 50 MW.
  • the rotor blades can either out solid rolled profiles made of steel or extruded
  • a hollow chamber profile can e.g. Support on paired steel cables.
  • the annular wing of a large spoked wheel has e.g. a maximum profile thickness of 3 m and is e.g. designed as Degurtiger truss ring with projecting brackets for the attachment of the wing segments.
  • a box girder profile is also suitable, for example. made of carbon fiber as a pressure ring.
  • the proportion between the pressure ring and the spokes is important.
  • Wind speed of 14 m / s delivers a power of 20 MW, these are important considerations that are an advantage over the inevitable perception of violent rotational movements of conventional wind turbines. Since a ring-winged turbine reaches its maximum torque even at a comparatively low speed ratio ⁇ in the range 2.5 to 5, preferably in the range 2.5 to 4, particularly preferably in the range 2.5 to 3, it runs very quietly and with low wear. These characteristics are taken together for the further expansion of the
  • the design speed number influences the required total wing area. With decreasing design speed number, the required wing area increases. Therefore, either the Surface of the annular wing are made very large, or it must be provided additional ring wings. Both increase the cost of materials and creates a solid appearance. At a high design speed, however, high buoyancy forces occur on the ring wing, and the need for
  • Ring wing area is lower. Exemplary becomes for a
  • An annular wing preferably consists of a plurality of identical annular wing segments, so that production and installation can be drastically simplified compared to conventional wind turbines.
  • the pressure ring is made of a hollow profile in individual shots that are bolted together with flange connections and the individual prefabricated,
  • Wing segments are saddled up. Ring wing segments up to a height of 4.50 m can be made in one piece as shell bodies in prefabricated forms made entirely of glass or glass
  • Carbon fiber composites are produced.
  • a two- or Movinggurtiger truss ring can be formed, in which the straps of the truss ring are each formed as a ring wing.
  • the diffuser can also consist of a concentric and coaxial with the axis of rotation arranged flow guide, the flow with a dynamic cone angle of the
  • Wing profile is on the inside, requires one
  • the confuser is formed by a flow guide body, which surrounds the annular wing coaxially and concentrically with the axis of rotation and tapers the flow tube as Venturi nozzle, so that the flow is directed at a dynamic cone angle to the axis of rotation.
  • the annular wing is arranged at a radial distance from the flow guide body. The connection of the annular wing to an embedded in the flow guide rotor ring of the generator is by radial
  • the annular wing itself is designed as a ring generator and forms a nozzle with the windward confuser and the leeward-type diffuser.
  • the annular wing is formed in two parts and consists of a stator and a rotor ring, which deflect the flow as a flow guide with a dynamic cone angle to the axis of rotation.
  • the bearing between the rotor ring and the stator can be formed in the case of a wind turbine as a non-contact magnetic bearing.
  • the stator ring can be aligned with the flow via a mast with an azimuth bearing and anchored in a ground.
  • the ratio of the rotational speed of the annular wing to the undisturbed wind speed is the so-called high-speed number ⁇ (lambda) the decisive parameter for the aerodynamic
  • Design of the sash profile of a ring wing From the vectorial ratio of the wind speed and the rotational speed of the rotor, the speed of the speed over the inclination angle of the resulting flow to the plane of rotation of the rotor can be determined directly. The following applies: The flatter the angle of inclination, the higher the high-speed number. In terms of flow dynamics, the high-speed number then reaches a limit when, for example, the flow angle derived from the dynamic cone angle of the resulting flow hits the wing nose of the annular wing at a very shallow angle and therefore the buoyancy force is high, but the tangential drive force rather small fails. If the design speed of the sash profile and the angle of inclination of the resulting flow do not match, the resistance of the annular wing increases drastically - it comes to stall and thus to a passive-acting speed limit.
  • the wing of a wind turbine or water turbine is aligned with its wing nose to the flow and rotates in an orbit, which is defined by a constant radius about the horizontal axis of rotation.
  • the cross-section parallel to the axis of rotation shows a distorted wing profile, e.g. with a sickle shape and an inclined relative to the axis of rotation
  • the airfoil unfolds its buoyancy-producing effectiveness as an asymmetric airfoil with a substantially horizontally oriented chord, a small nose radius of a high arch height and a reduced arching back.
  • the sash profile is similar to a bird's wing, eg the wing of a swift.
  • the resulting flow hits in the plane of inclination on the wing nose of the annular wing and causes a tilted in the direction of rotation buoyancy, from which immediately the Derive propulsive force and the resistance of the wing ring. From the driving force, the tangential driving force and the windward tensile force are derived, while the resistance in the tangential rotational resistance and in the leeward
  • Thrust is divisible.
  • the appropriate or optimal profile can vary greatly, in particular by the influence of the Reynolds number.
  • a suitable 2D profile for large rotor diameters can be described as follows. In the range between 5% and 25%, ie in the front region, a large relative curvature with upstream curvature reserve and small nose radius is provided to prevent flow separation in the nose area.
  • An orientation of the profile in the overflowed cross section which is adapted to the cone angle, ensures a good, optimized flow around the profile.
  • the cone angle depends on the behavior of the rotor blades. This orientation can be understood as the angle of attack of the profile with respect to the flow and is set for the nominal operating point at which the design speed number is reached.
  • the ring wing is created by rotation of the profile in
  • This construction cross section depends on the design profile in the plane defined by the high speed number. Conversely, the construction cross section is exactly the shape that is formed as a ring and ß in the angle of inclination results in the desired cutting profile.
  • the profile of the construction cross-section is not able to generate usable air forces or buoyancy forces on the ring, so that only the resistance force results. Buoyancy and thus torque generated the ring wing only in a limited range around its design speed number.
  • Buoyancy forces or by a good sliding ratio also plays the sensitivity of the annular wing against a non-optimal overflow an important role. Because the ring
  • Rotational axis are spaced apart, has a circular ring shape and is dependent on the torque generated by the radial rotor blades at startup in the case of a Speichenradkonstrutation.
  • a spokedless winged turbine with a uniform asymmetric wing profile requires a motorized or otherwise trained start-up aid to achieve the design speed number.
  • Another way of automatically starting a ring wing is the formation of resistance and buoyancy rotor stages, wherein the annular wing of a plurality of similar annular wing segments, each having a luv- and a leeward wing profile, is constructed.
  • a buoyancy is generated only from a predetermined speed number, which is about 75% of the design speed number or above.
  • the start can either be done via a drive (motor), or via a suitable shape or adjustability of the spokes or
  • An annular wing with resistance and buoyancy stages is made of a plurality of identically constructed annular wing segments
  • Ring wing segments have an angle of inclination relative to the
  • the desired speed number is achieved when the angle between the vectors wind velocity and velocity with each other, with the
  • Adjacent connecting surface coincides.
  • Ring wing segments respectively, the leeward wing profile of a first ring wing segment is connected to the windward wing profile of a second wing segment, wherein a part of
  • Resistor runner stage of each second ring wing segment forms.
  • the resistor runner stage of each second ring wing segment forms.
  • the resistance rotor stages can be formed as concave blades, wherein the inflow surface of the concave blades can be extended by a collar.
  • the annular wing is constructed from a plurality of annular wing segments, each having a luv- and a leeward wing profile.
  • the annular wing segments are interconnected in a connecting surface so that a step ring of resistance and buoyancy stages is formed.
  • the luv- and the leeward wing profile differ at least in the vault height, so that the step ring is formed either only on the outside or only on the inside of a ring wing or on the outside and inside.
  • Rotation axis of the turbine Compared to a ring wing with a windward step ring this variant has a higher tangential rotational resistance, but also a larger tangential driving force, which is derived from the tangential pitch angle of the wing surface. Regardless of whether the wing arch of a wing segment is formed on the outside or inside of an annular wing, a torque is caused on the axis of rotation of the turbine by the tangential pitch angle of the annular wing segments.
  • An annular wing turbine is advantageously applicable to different types of water turbines.
  • Spokes is connected to a generator housing encapsulated with respect to the seawater, works as one
  • a ring wing which at its outside or
  • Inner side is arranged concentrically to a flow guide, operates as a floating flow water turbine, which is suspended on a concentric and coaxial with its horizontal axis of rotation arranged guide member.
  • Ring wings which are connected to a flow guide, which is formed by a ship, can be used as a submerged running water turbines or for a tidal power plant.
  • a water turbine can also be integrated into a bridge construction, in which the flow openings for a watercourse are designed as Konfusor. Hydro turbines have one
  • waterproof generator housing integrated into a bridge or ship and a fixed or movable one
  • the rotor of a ring-winged turbine is aimed at a
  • a water turbine rigidly aligned to a running water.
  • the rotor automatically adjusts to one of the vectorial superimposition of the wind speed, the wind and the rotational speed of the rotor
  • Ring wing turbines with a generator for generating electrical power.
  • the torque of a ring-winged turbine can also be a compressor for the production of compressed air or a pump for example, to drive water.
  • the ring wing creates a windward pull. That's why the balance sheet fails
  • Watercraft which are driven by a ring wing, higher speeds can be achieved and a corresponding vehicle can drive against the wind.
  • Fig. 1 is a wind turbine with one formed by spokes
  • FIG. 2 the wind turbine of FIG. 1 in a vertical
  • Fig. 4 is a wind turbine with one of five spokes formed
  • Fig. 5 is a small wind turbine with one of a
  • FIG. 6 the wind turbine of FIG. 5 in a vertical
  • Fig. 7 is a wind turbine with one formed by spokes
  • FIGS. 1 to 8 shows the expansion of the flow tube on an annular wing according to FIGS. 1 to 8 in a perspective overview
  • FIGS. 1 to 9 shows the vectorial force decomposition on the annular wing according to FIGS. 1 to 9 in a schematic sectional perspective
  • Fig. 11 is a wind turbine, the annular wing having a step ring, in a perspective overview Fig. 12, the wind turbine of FIG. 11 in a vertical
  • FIG. 13 shows the wind turbine according to FIG. 11 and FIG. 12 in FIG.
  • FIG. 14 shows the expansion of the flow tube on an annular wing according to FIG. 11 to FIG. 13 in a perspective overview.
  • FIG. 15 shows the vectorial force decomposition on two ring wing segments of FIG. 11 to FIG. 14 in a schematic sectional perspective
  • Fig. 16 is a wind turbine as spoke wheel construction with
  • FIG. 17 two annular wing segments of the wind turbine of FIG. 16 with representation of the aerodynamic forces in one
  • Fig. 18 is a wind turbine as Leeorganizr with a
  • FIG. 20 the annular wing of FIG. 19 with representation of
  • FIG. 21 shows two annular wing segments of the annular wing of FIG. 19 and FIG. 20 with vectorial examples
  • Fig. 22 is a wind turbine, the annular wing forms a step collar, as Speichenradkonstrutation in a perspective overview
  • FIG. 23 the wind turbine according to FIG. 22 in a vertical section
  • FIG. 24 the wind turbine according to FIG. 22 and FIG. 23 in a windward view 25 shows two annular wing segments of the wind turbine according to FIG. 22 to FIG. 24 with representation of the aerodynamic forces in a sectional perspective
  • Fig. 26 is a driven by a ring wing turbine vehicle in the perspective overview
  • Fig. 27 is a driven by a ring wing turbine trimaran in the perspective overview
  • Fig. 28 is anchored to the ground, completely submerged
  • Fig. 29 is a suspended on a rope, completely submerged
  • FIG. 30 shows a plurality of water turbines according to FIG. 29 in a perspective overview
  • Fig. 32 is a water turbine of Fig. 31 in a horizontal overview and detail section
  • Fig. 33 is a connected to a ship water turbine in a perspective overview
  • Fig. 34 the water turbine of Fig. 33 in a schematic windward view
  • Fig. 35 is connected to a flow guide
  • FIG. 37 shows the water turbine according to FIG. 35 and FIG. 36 in a vertical section
  • Fig. 38 is a ring wing turbine with a Konfusor with
  • FIG. 39 shows a ring segment of the annular vane turbine according to FIG. 38 with vector representation of the flow derived from the flow
  • FIG. 40 shows the ring-wing turbine according to FIG. 38 and FIG. 39
  • Fig. 1 shows a wind turbine 12 with a
  • Rotor blades 113 are formed, connect the hub 111 with an outer pressure ring 110.
  • the spoked wheel rotates in a plane of rotation R, is supported by a fork 121 in the form of a branched support and aligns with a
  • the asymmetric wing profile 200 is for a high-speed number ⁇ (lambda) in the range of 2.5 to 5, preferably 2.5 to 4, particularly preferably in the range of 2.5 to 3
  • Rotor blades 113 act as a diffuser ⁇ , drive the wind turbine 12 until it reaches the design speed number and convert the kinetic energy of the flow A into one
  • FIG. 2 shows the wind turbine 12 of FIG. 1 in a
  • the rotor blades 113 connect as spokes 112 the hub 111 of the spoke wheel 11 with the pressure ring 110 and form the diffuser ⁇ , which deflects the flow A with a dynamic cone angle ⁇ x of the rotation axis x.
  • the effect of the annular wing 2 is also shown in FIG. 10, the effect of the annular wing 2
  • buoyancy force E generated a windward pull force L, which counteracts the leeward shear force H.
  • FIG. 3 shows the wind turbine 12 according to FIG. 1 and FIG. 2 in a windward view.
  • the orbit U of the annular wing 2 is with a radius r of 150 meters from the axis of rotation x of the
  • the resulting flow C is made up of the velocity of the flow A and the
  • the chord p of the asymmetric wing profile 200 is slightly inclined to the windward.
  • Fig. 4 shows a wind turbine 12, in the five rotor blades 113 with the hub 111 and the annular wing 2 a
  • Rotor blades 113 form a diffuser ⁇ , so that the flow A with a cone angle ⁇ x is deflected away from the axis of rotation x and from the velocity of the flow A and the
  • Wing profile 200 corresponds to that shown in Fig. 1
  • the rotor blades 113 are mounted pivotably on a radial axis of rotation z, so that a
  • Fig. 5 shows a small wind turbine 12, the rotor 1 is formed by a ring wing 2 and three of the ring wing 2 with a hub connecting rotor blades 113, in one
  • a concentric and coaxial with the axis of rotation x arranged flow guide 10 directs the flow A with a dynamic cone angle ⁇ x of the
  • the asymmetrical wing profile 200 is for a
  • Design speed number which in this example corresponds to 3 times the speed of the flow A, designed.
  • the angle of inclination ⁇ derived from the resulting flow C determines the design of the asymmetrical airfoil profile 200.
  • three radial rotor blades 113 are provided, which are possibly assisted by a motor drive.
  • the wind turbine 12 is directed with a
  • Fig. 6 shows the wind turbine 12 of FIG. 5 in one
  • Sectioning plane shows the squat wing profile 20 a
  • annular nozzle 100 is formed, which reduces the effectiveness of the rotor blades 113 and the rotor blades
  • the orbit U of the annular wing 2 is defined by the radius r, measured at the wing trailing edge e,
  • the rotor 1 has a spoke wheel construction 11, in which three spokes 112 designed as rotor blades 113 connect the annular wing 2 to the hub 111, which receives the rotor ring 151 of the generator 15.
  • the generator 15 is as Ring generator 150 formed and has a rotor and a stator 151,152 and works as a transverse flux machine 153 and also as an electric motor 16 for driving the annular wing 2 until reaching the design speed number.
  • the bearing 14 between the rotor 1 and the axle is non-contact
  • Magnetic bearing 141 is formed.
  • Fig. 7 shows a large wind turbine 12 with a
  • Speichenradkonstrutation 11 and designed as a fork 121 mast, which is aligned in an azimuth bearing with a vertical axis of rotation y to the flow A.
  • the spokes 112 are formed as twisted rotor blades 113 and act as a diffuser ⁇ .
  • Rotation axis x of the wind turbine 12 and extend V-shaped to the outer edge of the rotor 1.
  • FIG. 8 shows a vertical section through the wind turbine 12 according to FIG. 7 with a vertical detail section through the four-belted truss ring 114 and through the asymmetrical airfoil 200 of a ring wing 2 designed as a ring belt.
  • Rotation axis x shows the sickle shape of the wing profile 20, which, as shown in Fig. 7, generated in the section plane defined by the inclination angle ß with respect to the plane of rotation R as asymmetric wing profile 200 buoyancy and is thereby rotationally effective.
  • FIG. 9 shows the expansion of the flow tube in a flow A as an effect of one shown in FIGS. 1 to 8
  • the flow around the annular wing 2 is characterized both by the dynamic cone angle ⁇ x and by the
  • Tangential driving force G is explained in more detail in Fig. 10.
  • FIG. 10 shows, by way of example, the aerodynamic effect of an annular wing 2 according to FIG. 9, which, as in FIGS. 1 to 8
  • Driving force F is dismantled. From the propulsive force F, the tangential driving force G and the windward side are derived
  • Ring wing 2 which is composed of the tangential rotation resistance K and the leeward thrust H.
  • Buoyancy E acts in a plane through the
  • Inclination angle ⁇ of the resulting flow C with respect to the plane of rotation R is defined in the direction of rotation T of the rotor 1.
  • Fig. 11 shows a ring wing turbine as a wind turbine 12 with a diameter of 250 m.
  • the rotor 1 is as
  • Ring wing segments S1-S45 form a pressure ring 110 which is connected via spokes 112 to the hub 111.
  • the spokes 112 act as a diffuser ⁇ and are each formed as a self-wound rotor blade 113, the angle of attack.
  • With respect to the plane of rotation R is adapted to the increasing with increasing distance to the hub 111 rotational speed of the rotor 1.
  • the hub 111 forms the generator housing 154 for a generator 15, whose bearing 14 is designed as a rolling bearing 140.
  • Resistance rotor stage I of a ring wing segment S1-S45 has an exponentially increasing inclination with a variable inclination angle ⁇ in the direction of rotation T of the rotor 1.
  • Wing lugs n the buoyancy rotor stages II are arranged parallel to the axis of rotation x and provide the flow A to the stationary rotor 1 no attack surface, while the
  • Resistance rotor stages I are formed as concave blades 210, so that the rotor 1 already at a low
  • Buoyancy runners II are designed for a resulting flow C, in which the rotational speed B of the rotor 1 corresponds to a multiple of the velocity of the flow A.
  • FIG. 12 shows the wind turbine 12 according to FIG. 11, showing the spoke wheel construction 11, in which the ring wing 2 forms a pressure ring 110, which is connected to the hub 111 via spokes 112 formed as rotor blades 113.
  • the spoke wheel construction 11 in which the ring wing 2 forms a pressure ring 110, which is connected to the hub 111 via spokes 112 formed as rotor blades 113.
  • Generator housing 154 receives the generator 15 and is, as shown in Fig. 11, of a four-branched fork 121st
  • An azimuth bearing with vertical axis of rotation y allows the automatic alignment of the wind turbine with 250 m diameter to the flow A.
  • the wind meets as flow A on the
  • Rotor blades 113 which act as a diffuser ⁇ , which directs the flow A with a dynamic cone angle ⁇ x on the annular wing 2 and directed perpendicular to the cone angle ⁇ x to windward Buoyancy forces E causes. Luv patent, the annular wing 2 one of the resistance rotor stages I and
  • FIG. 13 shows the wind turbine 12 according to FIG. 11 and FIG. 12 in a windward view with the illustration of FIG
  • Fig. 14 shows the expansion of the flow tube in one
  • the rotor blades 113 have both windward (upstream) and leeward
  • FIG. 15 shows by way of example two annular wing segments S1, S2 of an annular wing 2 constructed from a plurality of annular wing segments S1-Sn, as illustrated in FIGS. 11 to 14.
  • the ring wing segment Sl has like all others
  • Wing profile 21, 22 which, as shown in FIGS. 11 to 14, have a different profile depth t in a section along the section plane defined by the angle of inclination ⁇ .
  • the resulting flow C meets with a dynamic
  • Resistor rotor stage I of the ring wing segment S2 forms. As shown in FIG. 14, the flow A is inclined with a dynamic cone angle x x with respect to the rotation axis x.
  • Fig. 16 shows a wind turbine 12, the rotor 1 a
  • the pressure ring 110 of the rotor 1 is formed by a total of 45 annular wing segments S1-S45, the
  • Step ring 23 form.
  • the resistance rotor stage I is designed as a concave blade 210 with a collar 211 in order to increase the end face for the flow A.
  • Ring vane segments S1-S45 has been set in a rotation with the direction of rotation T, the rotational speed of the rotor 1 causes a resulting flow C, of which the
  • the hub 111 of the spoke wheel construction 11 is supported on the leeward and leeward side by a quadruple-branched fork 121, which is connected to a base via an azimuth bearing with an axis of rotation y.
  • FIG. 17 shows two annular wing segments S1, S2 of the wind turbine 12 according to FIG. 16.
  • the flow A meets with a dynamic one Cone angle ⁇ x on the step ring 23 of the annular wing 2.
  • the resulting flow C arises from the vectorial
  • Circulation speed B is on the wing nose of the n
  • Buoyancy stage II forms.
  • the windward wing profiles 21 of the wing segments S1, S2 are each formed as concave blades 210, wherein a collar 211 extends the aerodynamically effective end face of the resistance rotor stage I and continues into the connecting surface V.
  • Resistance rotor stage I can be formed as a concave blade 210.
  • Fig. 18 shows a wind turbine 12 with a
  • Spoked wheel construction 11 in which one of six spokes 112 connected to the hub 111 compression ring 110 forms the rotor 1.
  • the wind turbine 12 is designed as Leedocr.
  • the generator 15 and the generator housing 154 are articulated via an azimuth bearing with a vertical axis of rotation y to a mast 120, so that itself the rotor 1 automatically aligns with the flow A.
  • the hub 111 of the spoke wheel construction 11 is connected via a bearing 14 to the windward generator housing 154.
  • Ring wing segments S1-S45 form one another
  • a resistance rotor stage I has a concave blade 210 with an inclination increasing in the direction of rotation T with respect to the plane of rotation R.
  • Embodiment of the inside of the annular wing 2 in the plane of rotation R abkragende rotor blades 113 are provided, each having an asymmetric wing profile and on a radial axis of rotation z with a variable angle of attack
  • Rotation plane R are inclined. These projecting rotor blades 113 are adjustable both for starting the wind turbine 12 and for limiting the speed about the radial axis z.
  • Fig. 19 shows a ring wing 2 as a rotor 1 for a wind turbine or water turbine 12,13, which is constructed from 12 identical ring wing segments S1-S12.
  • the rotor 1 is alignable in a vertical axis y to a flow A and rotates about a
  • the ring wing segments S1-S12 are each in one
  • Ring wing segment S1-S12 has in the direction of rotation T a windward wing profile 21 and a leeward wing profile 22, which differ in each case at the same tread depth t in the camber height f and a common wing nose n and
  • Wing trailing edge e have.
  • the different curvature height f of the windward and the leeward wing profile 21,22 leads to the wing surface to a slope with a tangential pitch angle ⁇ in the direction of rotation T on the outside of a Ring wing segment S1-S12.
  • the flow A with a dynamic cone angle ⁇ x first encounters the resistance rotor stages I and turns on the rotor 1. As soon as the rotor 1 rotates, it comes to a superposition of
  • Ring wing 2 is formed with a step ring 23 exclusively on the outer ring side, wherein the inclination angle ß in the connecting surface V for a resulting flow C
  • FIG. 20 shows the annular wing 2 for a wind turbine or water turbine 12, 13 according to FIG. 19, with expansion of the flow tube as a result of the removal of energy by a diffuser formed by rotor blades as in FIGS. 1 to 18.
  • the wing nose n of the annular wing 2 flows obliquely.
  • the connecting surfaces V of the annular wing segments Sl-Sn are inclined at an inclination angle ⁇ to the plane of rotation R, which is the design speed number in the range of 2.5 to 5, preferably in the range 2.5 to 4, particularly preferably in the range of 2.5 to 3 results. If the rotational speed B of the annular wing 2 reaches a multiple of the speed of the
  • the angle of the resulting flow C corresponds to the inclination angle ß. If the rotational speed B exceeds a planned limit value, the resistance of the rotor 1 increases drastically, so that a rotational speed limitation of the rotor 1 is made possible over the selected inclination angle ⁇ .
  • FIG. 21 shows two annular wing segments S1, S2 of the annular wing 2 shown in FIG. 19 and FIG. 20 with those from the flow A. derived forces BL.
  • the flow A hits with a dynamic cone angle ⁇ x on the wing nose n of the annular wing 2 and superimposed at the rotational speed B to the resulting flow C, which at the illustrated
  • Ring wing segment Sl causes a buoyancy E with an inclination in the direction of rotation T and to windward.
  • the buoyant force E is perpendicular to the resulting flow C and perpendicular to the wing surface, which is inclined as shown in Fig. 19, with a tangential pitch angle ⁇ in the direction of rotation T of the rotor 1.
  • the buoyancy E is divided into the in the
  • Rotation plane R effective tangential driving force G and the windward pulling force L.
  • the resistance J counteracts the driving force F and can be vectorially in the leeward
  • a wind turbine 12 as a spoke wheel construction 11, in which 30 ring wing segments S1-S30 form a ring wing 2, in which the step ring 23 formed by the resistance rotor steps I and the lift runner stages II is pronounced both on the inside and on the outside.
  • Ring wing segments S1-S30 form the pressure ring 110 of
  • the ring wing segments S1-S30 have common wing n and wing trailing edges e on.
  • Buoyancy stage II of a wing segment S1-S30 is formed by the wing surface, which connects the windward and the leeward wing profile 21,22 together and thereby is inclined with a tangential pitch angle ⁇ in the direction of rotation T of the rotor 1.
  • FIG. 23 shows the wind turbine 12 according to FIG. 22 in one
  • Wind turbine 12 meeting flow A hits the ring wing 2 with a dynamic cone angle ⁇ x.
  • spokes 112 designed as rotor blades 113 act as a diffuser ⁇ and direct the flow A with a dynamic one
  • Circulation speed B resulting flow C are directed, the rotor 1 generates a windward tensile force L, so that the supporting structure of the wind turbine 12 is relieved and therefore can be produced without excessive material costs.
  • Fig. 24 shows the wind turbine 16 of Fig. 22 and Fig. 23 in a view showing the caused by the annular wing segments S1-S30, outward buoyancy forces E.
  • Ring wing segments S1-S30 each have the same T profile depth t a different curvature height f, so that the wing nose n and the wing trailing edge e of the annular wing 2 lie on two concentric circles and the step ring 23 is formed on both the outer and on the inside of the annular wing 2.
  • the wing surface of an annular wing segment S1-S30 has a tangential pitch angle ⁇ in the direction of rotation T of the rotor 1, so that the buoyancy forces E acting on the annular wing segments S1-S30 act perpendicular to the wing surface and therefore with an offset moment on the horizontal axis of rotation x of the wind turbine 12 attack.
  • FIG. 25 shows two ring-wing segments S1, S2 of the wind turbine 12 according to FIG. 22 to FIG. 24 with the aerodynamic forces B-L caused by the flow A.
  • Ring wing segments S1, S2 has a center of the
  • Ring wing 2 tapered conical surface, so that the
  • Inclination angle ß with respect to the plane of rotation R continuously increases.
  • the detail also shows the connection of a spoke 112, formed as a rotor blade 113, which is supported by two cables 122.
  • Fig. 26 shows a vehicle which is driven by a ring-winged turbine, which is designed as a LuvITAr.
  • the rotor 1 of the turbine consists of a ring wing 2 constructed of 45 ring wing segments S1-S45 with a spoke wheel construction 11, whose pressure ring 110 is formed by the ring wing 2 and with the hub 111 via spokes 112, which are rotor blades 113
  • the annular wing 2 corresponds to the wind turbine 12 explained in FIGS. 11 to 15.
  • the hub 111 of the wind turbine 12 receives a transmission, which is not described in any more detail, and which transmits the transmission from the rotor 1
  • the four spoke wheels correspond to the impeller described in DE 10 2011 107 063 AI.
  • the front wheels and the front axle form a steering stool, which is articulated via a control joint to the rear part of the vehicle.
  • wind-driven vehicle can approach the wind.
  • Fig. 27 shows a trimaran as a hydrofoil, which is driven by an annular wing turbine, in which the annular wing 2 as Speichenradkonstrutation 11 with pressure ring 110, hub 111 and
  • Trimarans connects with each other and four rods, which each luv- and lee Material connect to the horizontal axis of rotation x of the wind turbine 12, the rotor 1 is directed
  • the rotor 1 corresponds to the wind turbine 12 explained in FIGS. 11 to 15 and is designed as a high-speed rotor for a rotational speed which corresponds to 10 times the speed of the flow A.
  • the ring wing 2 is made up of 45 wing segments S1-S45 and has an area of 707 m 2 . This provides sufficient power to lift the hulls of the trimaran out of the water by means of submerged airfoils, enabling speeds of more than 100 km / h.
  • the drive takes place via a large central, in their immersion depth adjustable, electrically driven screw, which is inserted into the hub 111 of the
  • Wind turbine 12 integrated generator 15 is powered.
  • the screw drive and a resulting windward pull L allow the trimaran to drive against the wind.
  • Fig. 28 shows a water turbine 13, the rotor 1 is disposed below a water surface and over a
  • the water turbine 13 has an annular wing 2 and six spokes 112 designed as rotor blades 113, which form a diffuser ⁇ for the annular wing 2.
  • the rotor 1 is connected via a bearing 14 designed as a roller bearing 14 with the generator 15 located in a watertight generator housing 15.
  • the wing nose n of the annular wing 2 has a stepped rim 23 formed by the annular wing segments S1-S18.
  • the connecting surfaces V of the annular wing segments S1-S18 are inclined with respect to the plane of rotation R with an inclination angle ⁇ .
  • 29 shows a completely submerged water turbine 13 in which a flow guide body 10 acting as a diffuser ⁇ is surrounded concentrically by a ring wing 2 constructed from 18 ring wing segments S1-S18.
  • the rotor 1 has a Speichenradkonstrutation 11 on at the six radially arranged rotor blades 113 with a in the flow guide 10th
  • the integrated hub 111 are connected.
  • the water turbine 13 hangs on a coaxial with the horizontal axis of rotation x
  • the rope 122 is designated by an unspecified
  • the flow guide 10 is designed as a buoyant body and has at its outer
  • Water turbine 13 is designed as a ring generator, wherein the rotor ring 151 is integrated into the flow guide 10.
  • Fig. 30 shows six small water turbines 13 of Fig. 29, which are hinged to a support grid via a cable 122, as
  • Flow guide 10 of the water turbines 13 float in the flow A, can on a rope 122 a plurality of
  • Hydro turbines 13 are arranged one behind the other.
  • Fig. 31 shows three ring-winged turbines, which in
  • Flow openings of a bridge 130 are integrated, in an exemplary section.
  • the flow openings are designed as flow guide body 10 and each form a confuser ⁇ for the flow of a ring wing 2, which is connected to a generator 15 as a ring generator 150.
  • FIG. 32 shows a ring-wing turbine according to FIG. 31 in a horizontal cross section through the bridge 130 and in one
  • the generator 15 is designed as a ring generator 150 and has a rotor ring 151, which in a bridge-side
  • Stator ring 152 is guided in a bearing 14. Not shown radial connecting elements connect the
  • Hydro turbine 13 a one-time start-up aid to achieve the speed for which the asymmetric airfoil 200 of the
  • Ring wing 2 is designed.
  • the ship 131 is not one nearer
  • anchored anchor chain anchored to the bottom of a body of water and can be in the case of an anchor point as a joint with a vertical axis of rotation to a caused by the tides, changing
  • the hull of the ship 131 has a teardrop shape with a flow guide 101.
  • the ring wing 2 is constructed of 18 identical ring wing segments S1-S18, which form a step ring 23 with resistance rotor stages I and buoyancy stage II at the wing nose n and in each case a windward and a leeward wing profile
  • the annular wing 2 is, as also shown in FIG. 34, arranged at a radial distance from the hull of the ship 131, wherein between the outside of the ship
  • a nozzle 100 is formed and the annular wing 2 by means of radial rotor blades 113 with the rotor ring 151 of a
  • the water turbine 13 are also formed with a ring wing 2 having an asymmetric wing profile 200 of FIG. 28 and 29.
  • Fig. 34 shows the water turbine 13 of FIG. 33 in a
  • the ring wing turbine is as
  • Speichenradkonstrutation 11 formed in which the rotor blades 113 connect the annular wing 2 with the hub 111, which is embedded in the hull of the ship 131 and the rotor ring 151 of a ring generator forms, with an annular groove in the hull of the ship 131, the stator 152 of the generator 15th forms.
  • a water turbine 13 can be used both in flowing waters and in maritime areas with strong tidal currents
  • the entire ship 131 including the water turbine 13 can be brought into a shipyard.
  • Fig. 35 shows a water turbine 13 with an outer
  • the leeward acts as a diffuser ⁇ and receives a ring generator 150.
  • the flow guide 10 is anchored via an azimuth bearing with a vertical axis of rotation y at the bottom of a body of water and is automatically oriented in the case of a tidal turbine to the flow.
  • the annular wing 2 carries on its outer side six rotor blades 113, which are connected to the rotor ring 151 of the ring generator 150.
  • the flow guide body 10 has inside flutes as flow guide surfaces which impose a twist on the windward side confuser ⁇ of the flow A against the direction of rotation T of the annular wing 2 in order to flow against the resistance rotor stages I of the annular wing 2.
  • At the leeward diffuser ⁇ are the Srömungsleitflachen 101 arranged in the direction of rotation T of the annular wing 2.
  • Fig. 36 shows the windward view of the water turbine 13 of Fig. 35.
  • annular wing 2 which is composed of 18 annular wing segments S1-S18, and the inside of him concentrically surrounding Strömungsleit stressess 10, a nozzle 100 is provided. The accelerated by the confuser ⁇
  • FIG. 37 shows the water turbine 13 according to FIG. 35 and FIG. 36 in a vertical section along the vertical axis of rotation y.
  • the flow guide body 10 has a windward confuser ⁇ , whose flow guide surfaces 101 designed as flutes
  • a nozzle 100 is provided, in which the rotor blades 113 are arranged.
  • the confuser ⁇ and the diffuser ⁇ unspecified grid can protect the turbine from damage and contamination.
  • a waterproof azimuth bearing is the spherical
  • FIG. 38 shows a ring-wing turbine as wind turbine 12, in which the rotor 1 has a confuser ⁇ , wherein the ring wing 2 is formed in two parts and consists of a stator ring 152 and a rotor ring 151 which forms a ring generator 150
  • the rotor ring 151 forms the confuser ⁇
  • the stator ring 152 is anchored in a ground via a mast 120 and an azimuth bearing with a vertical axis of rotation y.
  • the flow A is at the confuser ⁇ with a dynamic
  • Ring wing 2 as shown in Fig. 39, is supplied with a resulting flow C, the one in the direction of rotation T
  • FIG. 39 shows by way of example a ring segment of the annular annular wing 2 of the wind turbine 12 according to FIG. 38 with representation of the dynamic forces B-L caused by the flow A as vectors.
  • the stator ring 152 of the annular wing 2 consists of a bending, thrust and torsionally rigid hollow box profile and is connected via a bearing 14, which is designed as non-contact magnetic bearing 142, with the rotor ring 151, which acts as Konfusor ⁇ .
  • Rotor and stator ring 151, 152 form a ring generator 150 as a transverse flux machine.
  • Circulation speed B transmits the dynamic
  • the tangential driving force G acting in the plane of rotation R and the draft-side pulling force L are products of the driving force F while the tangential one
  • Rotational resistance K and the leeward thrust H are derived from the resistance J. 40 shows the ring-winged turbine according to FIG. 38 and FIG. 39 in a sectional perspective with representation of the squat.
  • FIG. 40 shows the ring-winged turbine according to FIG. 38 and FIG. 39 in a sectional perspective with representation of the squat.
  • the squished wing profile 20 In cross section parallel to the axis of rotation x, the squished wing profile 20 has a sickle shape and is formed in two parts, wherein the rotor ring 151 runs on a stator ring 152 and a ring generator 150 as
  • Rotor ring 151 and the stator ring 152 is formed as a contactless magnetic bearing 141. As shown in FIG. 39,
  • Inclination angle ⁇ also defines the design speed number of the ring vane turbine, so that the ring generator 150 as
  • Electric motor 16 brings the rotor ring 151 at the onset of flow A to the necessary speed number.
  • Ring wing turbine which has a rotor 1, a rotation axis x and a rotation plane R for the rotor 1, which rotor 1 has a ring wing 2, which ring wing 2 is arranged concentrically about the rotation axis x, which rotor 1 has a diffuser ⁇ or Konfusor ⁇ which are each designed to give the flow A a dynamic cone angle, so that the flow A in the case of a diffuser ⁇ is directed away from the axis of rotation x and in the case of a confuser ⁇ to the axis of rotation x, and which ring impeller is designed to kinetic energy contained in a flow A by means of concentric about the rotation axis x rotating annular wing 2 and by means of the diffuser ⁇ or
  • asymmetric wing profile 200 which inclination angle ß for a given design speed ratio ⁇ is determined, and in the sectional plane N at the design speed number ⁇ , the velocity of the flow A, the rotational speed B of the annular wing 2 and existing in the plane of rotation R.
  • a windward-acting tensile force L can be generated.
  • the rotation axis x is aligned horizontally.
  • the annular wing 2 in a radial cross section along the axis of rotation x and perpendicular to the plane of rotation R a squished wing profile 20.
  • the squat wing profile is substantially an air resistance at a flow in the profile direction and forms no buoyancy. However, it allows in one with one Inclination angle ß with respect to the plane of rotation R inclined
  • the asymmetrical airfoil profile 200 has a tread depth t, a curvature height f and an angle n extending from the wing nose n to the wing trailing edge e
  • Suction side of the asymmetric airfoil 200 is located on the inside of the annular wing 2. This gives a driving torque.
  • Design speed ratio ⁇ in the range 2.5 to 5, preferably in the range 2.5 to 4, and particularly preferably in the range 2.5 to 3. Thus, comparatively low design speed numbers are provided and sufficient for the operation of the
  • Ring wing turbine passive passive speed limitation in that the resulting from the current speed coefficient ⁇ flow C on the asymmetric airfoil 200 breaks off when the current speed coefficient ⁇ exceeds the design speed number ⁇ . It must therefore be taken when exceeding the speed number no countermeasure to reduce the speed of the rotor.
  • the annular wing 2 is composed of a plurality of annular wing segments Sl-Sn and the asymmetric wing profile 200 has a windward and a leeward wing profile 21,22 which annular wing segments Sl-Sn in a at least partially to the inclination angle ß parallel connecting surface V are interconnected, and the airfoils 21, 22 each have a different wing curvature f and also differ in tread depth t, so that on the wing nose n of the annular wing 2 a step rim 23 of resistance rotor stages I and buoyancy stages II is formed.
  • the windward and the leeward airfoils 21,22 of a wing segment Sl-Sn at different curvature height f equal tread depth t, so that the windward wing profile 21 a ridge 212 and the leeward airfoil 22 a throat 220 in the connecting surface V with form a respective subsequent annular wing segment Sl-Sn, wherein the wing surface in the direction of rotation T of the annular wing turbine has a tangential pitch angle ⁇ with a gradient between the ridge 212 and the throat 220, and the step rim 23 either only on the outside or only on the inside or both is formed on the outside and on the inside of the annular wing 2.
  • a plurality of radial rotor blades 113 form the diffuser ⁇ , and the rotor blades 113 have a twisted, asymmetrical wing profile 200 in cross-section and connect as spokes 112 a
  • Spoked wheel construction 11 forms and the spokes 112 a
  • Hollow profile for example made of carbon fiber, fiberglass or aluminum have or are designed as solid metal profiles, and a speed-limiting pitch-stall adjustment of the rotor blades 113 along a radial axis z is provided.
  • the thrust ring 110 is a spoked wheel construction 11 as two or
  • Truss ring 114 is formed, in which the ring straps each of a ring wing 2 and the filler rods of
  • asymmetrical wing profile 200 are formed. This results in a stable and lightweight construction.
  • the diffuser ⁇ or Konfusor ⁇ is formed by a flow guide 10, which is arranged as a body of revolution coaxial and concentric with the axis of rotation x, wherein between the annular wing 2 and the
  • a nozzle 100 is formed, which is arranged in the case of the diffuser ⁇ between the outside of the flow guide 10 and the inside of the annular wing 2 and in the case of Konfusors ⁇ between the inside of the flow guide 10 and the outside of the annular wing 2.
  • the generator 15 has a ring generator 150 with a rotor ring 151 and a
  • the annular wing turbine is designed as a water turbine 13. More preferably, the
  • Generator 15 a waterproof generator housing 154 which is integrated in a flow guide 10. As a result, the hydropower can be utilized in an advantageous manner.
  • the annular wing turbine is completely or only partially below the water surface arranged, and it has a flow guide 10, which flow guide 10 is preferably formed by a bridge 130 or by a ship 131.
  • the annular wing 2 is formed as a ring generator 150, in which the rotor ring 151 forms the Konfusor und and is connected to the stator ring 152 via a bearing 14, and the stator ring 152 is used as a carrier for the
  • Rotor ring 151 formed. This results in a stable and compact construction.
  • the utility system consists of a generator 15 for generating electrical power or from a pump (for example for the conveyance of water) or from a pump
  • Compressor for example, for the production of compressed air or other gas
  • a transmission for example, for driving a land or water vehicle ⁇
  • the rotor 1 can be aligned with the flow A via a rotary bearing with a rotation axis y. This is not necessary, for example, in a flow in which the flow is predetermined by the course. In a wind turbine, an adjustment of the direction to the flow direction is advantageous.
  • Ring wing turbine on a motor drive as a start-up help on to reach the design speed ratio ⁇ at the start. This allows a safe start of the ring wing turbine.
  • the rotor can thus reach the design speed number and then without assistance continue to turn the drive.
  • the annular wing 2 in a radial cross section along the axis of rotation x and perpendicular to the plane of rotation R a squat profile 20, which has no buoyancy-generating efficiency at a flow parallel to the axis of rotation x.
  • the profile can be optimized in the inclination angle ß.
  • the radial cross section plays no direct role in operation, since the annular wing is flowed through the diffuser or confuser in another direction.
  • the asymmetric airfoil 200 has a small nose radius and an advanced camber height f. Such a profile results in the
  • Design speed ratio ⁇ the velocity of the flow A, the rotational speed B of the annular wing 2 and the existing in the plane of rotation R cone angle of the flow A, the resulting flow C of the asymmetric wing profile 200 such that over the entire circumference of the annular wing 2 from the buoyancy force E of the asymmetric Wing profile 200 derived windward acting tensile force L is generated.

Abstract

Eine Ringflügelturbine hat einen Rotor (1), eine Rotationsachse (x) und eine Rotationsebene (R) für den Rotor (1). Der Rotor (1) hat einen Ringflügel (2), welcher Ringflügel (2) konzentrisch um die Rotationsachse (x) angeordnet ist, und einen Diffusor (ϕ) oder einen Konfusor (θ), welche jeweils dazu ausgebildet sind, der Strömung (A) einen dynamischen Konuswinkel (α) zu verleihen, sodass die Strömung (A) im Falle eines Diffusors (ϕ) von der Rotationsachse (x) weg und im Falle eines Konfusors (θ) zu der Rotationsachse (x) hin gelenkt wird. Der Ringflügel (2) hat in einem Schrägschnitt des Ringflügels (2) in einer mit einem Neigungswinkel (β) gegenüber der Rotationsebene (<u>R</u>) geneigten Schnittebene (<u>N</u>) durch die Rotationsachse (x) ein asymmetrisches Flügelprofil (200), und in der Schnittebene (<u>N</u>) bilden bei der Auslegungsschnelllaufzahl (λ) die Geschwindigkeit der Strömung (A), die Umlaufgeschwindigkeit (B) des Ringflügels (2) und der in der Rotationsebene (<u>R</u>) vorhandener Konuswinkel (α) der Strömung (A) die resultierende Anströmung (C) des asymmetrischen Flügelprofils (200) derart, dass über den gesamten Umfang des Ringflügels (2) eine aus der Auftriebskraft (E) des asymmetrischen Flügelprofils (200) abgeleitete, in Drehrichtung (T) wirkende tangentiale Antriebskraft (G) und eine luvseitig wirkende Zugkraft (L) erzeugt werden.

Description

Beschreibung
Ringflügelturbine
Die Erfindung betrifft eine Ringflügelturbine, die dazu
ausgebildet ist, die in einer Strömung enthaltene kinetische
Energie mittels eines Rotors in eine Drehbewegung zu wandeln und auf ein Nutzsystem zu übertragen. Die Turbine wird von einem
Ringflügel angetrieben, der auf einer durch einen Radius von einer Rotationsachse beabstandeten Umlaufbahn in einer senkrecht zu der horizontalen Rotationsachse angeordneten Rotationsebene rotiert. Eine Ringflügelturbine kann als Wind- oder Wasserturbine
ausgebildet werden und richtet sich selbsttätig zu einer Wind¬ oder Wasserströmung aus oder ist im Falle einer Wasserturbine zur Strömungsrichtung eines Fließgewässers starr ausgerichtet. Die Erfindung betrifft unterschiedliche Ausformungsvarianten einer Ringflügelturbine, die als Speichenradkonstruktion in allen Größen hergestellt werden kann oder als System aus Läufer- und Statorring einen Ringgenerator bildet. Vorzugsweise dient die
Ringflügelturbine der Stromerzeugung. Das Drehmoment der Turbine kann aber auch für den Betrieb einer Pumpe zur Förderung von
Wasser oder für den Betrieb eines Kompressors zur Herstellung von Druckluft oder für den Antrieb eines Land- oder Wasserfahrzeugs genutzt werden.
Stand der Technik
Bei bekannten, um eine horizontale Drehachse rotierenden
Windturbinen sind in der Regel drei radial angeordnete, mit der Nabe über einen Rotorkopf verbundene Rotorblätter vorgesehen, die in der Rotationsebene mit einem Winkel von 120 Grad
voneinander beabstandet sind und deren Drehzahl durch die sog. "Pitch and Stall"-Steuerung begrenzt werden kann. Die maximal aus einer Strömung entnehmbare Leistung ist durch die Impulstheorie nach Betz beschrieben. Ein am Baugrund eingespannter Mast mit einem Azimutlager an seinem oberen Ende nimmt die an der Windturbine leeseitig wirkende Schubkraft auf und trägt sie in den Baugrund ab. Dieses Tragsystem gelangt an eine strukturell bedingte Obergrenze ab einer Nabenhöhe von etwa 150 m. Im Jahr 2014 betrug die installierte Leistung bei der Windenergie 38.115 MW. Diese Leistung, die zurzeit etwa 20% des deutschen
Strombedarfs auf nur 0,75% der Landfläche erbringt, kann in Zukunft selbst bei Einhaltung restriktiver
Flächennutzungskriterien auf über 60% des deutschen Strombedarfs (390 TWh/a) gesteigert werden. Die größten Einzelanlagen, wie z.B. die Enercon E126, haben eine Nennleistung von 7.580 kW bei einem Rotordurchmesser von 127 m und einer Nabenhöhe von 135 m. Das bedeutet, dass für den weiteren Ausbau der Windenergie auch zukünftig eine große Anzahl von Einzelanlagen - im Jahr 2014 waren es bereits 24.864 Anlagen - erforderlich sein wird. Es ist daher wünschenswert, die Leistung einer Windkraftanlage zu vervielfachen, um die Anzahl der Windkraftanlagen zu begrenzen. Der Ausbau der Windenergie stößt in der Bevölkerung auf
Widerstand überall dort, wo die Windturbinen in unmittelbarer Nähe zu Wohngebieten aufgestellt werden. Beklagt werden
einerseits die Lärmentwicklung durch Schlaggeräusche, die von den am Mast vorbeilaufenden Rotorblättern hervorgerufen werden und andererseits optische Beeinträchtigungen durch den
dynamischen Schattenwurf der Rotorblätter und die unübersehbare Drehbewegung des Rotors.
Ein Generator besteht aus einem Läufer und einem Stator, die durch einen Luftspalt voneinander getrennt sind. Im Falle eines Ringgenerators kann der Läufer als Läuferring und der Stator als Statorring bezeichnet werden. Während der Läuferring mit
Dauermagneten oder Feldspulen ein umlaufendes magnetisches
Gleichfeld erzeugt, wird in den Leiterwicklungen des Statorrings über die Lorentzkraft elektrische Spannung induziert. Bei
Gleichstromgeneratoren ist der Läuferring mit den Dauermagneten oder Feldspulen außen angeordnet, während der Statorring innen angeordnet ist und der generierte Strom mittels eines Kommutators gleichgerichtet wird. Für die Ausbildung eines
Ringgenerators mit einem großen Durchmesser ist eine
Transversalflussmaschine (TFM) besser geeignet, da der
magnetische Fluss transversal, d.h. senkrecht zur Drehebene verläuft. Die Vorteile einer TFM bestehen in der Entkopplung des magnetischen und elektrischen Kreises, im Wegfall der
Leiterwicklungen, die nicht zur Momenterzeugung beitragen und in einer sehr feinen Polteilung, die getriebelos bereits bei kleinen Drehzahlen ein großes Moment erzeugen. Bei einem
Ringgenerator kann über die Dauermagnete ein berührungsloses Magnetlager zwischen Läufer- und Statorring hergestellt werden. Eine Entwicklung der Firma Festo betrifft die Möglichkeit einer reibungsfreien Bewegung durch Supraleitung. Die aktuelle
Entwicklung geht zu Supraleitern mit immer höheren
Sprungtemperaturen, wie z.B. Yttrium-Barium-Kupferoxid (YBKO) , das bereits bei -173°C supraleitend wird.
Als eine der effizientesten Leichtbaukonstruktionen gilt ein Speichenrad, bei dem ein Druckring über zugbeanspruchte Speichen mit einer Nabe verbunden ist. Radkonstruktionen mit einem
Durchmesser von bis zu 160 m werden heute als Riesenräder mit Gondeln für Passagiere an attraktiven Aussichtsstandorten aufgestellt und zeichnen sich durch eine filigrane
Stahlkonstruktion aus.
Der sog. High Roller in Las Vegas z.B. ist eine
Speichenradkonstruktion mit 158,50 m Durchmesser, bei der der Druckring aus einem Stahlrohr von 2 m Durchmesser besteht, das von 112 an einer Nabe angreifenden Spannseilen stabilisiert wird .
Die Kraft der Fließgewässer wird in Deutschland viel zu wenig genutzt und gerät überall dort in Konflikt mit dem Naturschutz, wo durch den Ausbau der Flüsse mit LaufWasserkraftwerken an Wehren, Schleusen und Dämmen die Bewegungsfreiheit der Fische zu sehr eingeschränkt wird. Land- und Wasserfahrzeuge, die von Windturbinen angetrieben werden, sind bereits heute in der Lage, gegen die Windrichtung zu fahren, erreichen dabei aber nur geringe Geschwindigkeiten, da ein Großteil des Fahrtwiderstands aus dem gegen die Fahrtrichtung wirkenden, leeseitigen
Rotorschub herrührt. Die Turbine eines an der Universität
Stuttgart entwickelten Ventomobile erzeugt bei einem
Rotordurchmesser von 2 m eine Leistung von bis zu 3000 W. Das leistungsfähigste, ausschließlich mit Windkraft betriebene
Wasserfahrzeug ist der als Katamaran oder Trimaran ausgebildete Hydroptere, der sich bei ausreichendem Wind mit Tragflächen an den Rümpfen aus dem Wasser erhebt und Fahrtgeschwindigkeiten von über 100 km/h erreicht.
Die DE 10 2012 000 438 AI zeigt eine Windkraftanlage mit einem vertikal drehenden Kreisring, auf dessen Fläche mehrere
Luftleitbleche angeordnet sind. Die Luftleitbleche sind hier nicht als Flügelprofile ausgebildet, sodass es sich bei dieser Windturbine um einen Widerstandsläufer handelt.
Die WO 2010/ 131 052 A2 zeigt einen ringförmigen Diffusor für einen Strömungskonverter mit einer Mehrzahl von Flügeln, die den Diffusorring spiralig umgeben. Die Flügelwölbung der
Spiralflügel ist zur Rotationsachse hin orientiert, sodass ein Konuswinkel für die Anströmung der einzelnen Rotorblätter nicht genutzt werden kann. Vielmehr dient der Diffusor der Belüftung des leeseitigen Abstrombereichs .
Die JP 2001 115 944 A zeigt einen Strömungskonverter mit einer in Strömungsrichtung kegelförmig ausgebildeten Nabe und einer Mehrzahl von radial zu der Nabe angeordneten Rotorblättern.
Die WO 2013/ 071 328 AI zeigt eine Windkraftanlage mit einem ringförmigen Außenmantel und radialen Konzentratorblättern, die dazu ausgebildet ist, einen Randwirbel zu generieren, um
stromabwärts eine Wirbelspule zu erzeugen.
Die EP 0 069 208 AI zeigt eine Windturbine mit einer
Speichenradkonstruktion, die eine Mehrzahl von radial angeordneten Rotorblättern trägt, die dazu ausgebildet sind, eine zentrifugale Windströmung zu erzeugen.
Die EP 0 854 981 Bl zeigt eine Windturbine mit horizontaler Rotationsachse als Speichenradkonstruktion, bei der die Speichen als Rotorblätter ausgebildet sind und der Druckring an seiner Außenseite Magnete trägt und zusammen mit einem
ringsegmentförmigen Stator den Generator der Turbine bildet. Die WO 2014/ 048 468 AI zeigt eine Turbine mit einem zentral angeordneten, frei durchströmten Diffusor als Venturirohr, das dazu ausgebildet ist, die Strömung in den Abstrombereich der Turbine zu lenken und dort einen Wirbel zu erzeugen. In Fig. 7 bis Fig. 15 sind kreisringförmige Ringflügel dargestellt, die als Konfusorringe ebenfalls dazu ausgebildet sind, die Strömung in den Abstrombereich der Turbine zu lenken.
Die DE 10 2008 008 060 AI zeigt einen Rotor für einen
Strömungskonverter mit einem ringförmigen Rotorblatt, das polygonal, sternförmig oder wellenförmig ausgebildet ist.
Die DE 10 2011 107 063 AI zeigt ein Flügelrad, bei dem als Speichen ausgebildete Rotorblätter an einem angetriebenen
Fahrzeug ein Drehmoment in Fahrtrichtung erzeugen.
Die DE 31 51 620 AI zeigt eine Windturbine mit horizontaler Rotationsachse, bei der Rotorblätter jeweils zwischen zwei, einen Druckring mit einer Nabe verbindenden Speichen angeordnet sind .
Die US 7,218,011 B2 zeigt eine Windturbine mit einem
Ringgenerator, bei der radiale Rotorblätter mit dem Läuferring verbunden und an der Innenseite einer Diffusoranordnung
angeordnet sind.
Die WO 2010/065647 A2 zeigt eine Mantelturbine mit einem
zweiteiligen Mantel, der aus zwei mit einem konzentrischen
Abstand zueinander angeordneten Diffusorringen besteht. Beide Ringe sind starr ausgebildet, wobei ein Ringgenerator in den inneren Ring integriert ist. Die DE 10 2007 024 528 AI zeigt eine Turbine als Wind- oder Wasserturbine, deren Generatorgehäuse gegenüber dem
Umgebungsmedium abgekapselte Bereiche aufweist, die dem Läufer und dem Stator der Turbine zugeordnet sind und einen Teil der Generatorkomponenten und der elektronischen Komponenten
aufnimmt .
Die DE 299 22 073 Ul zeigt ein ringförmiges, berührungsloses Magnetlager .
Aufgabenste1lung
Ausgehend von dem dargestellten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Turbine als Wind- oder Wasserturbine anzugeben, die von einem mit einem Radius von der Rotationsachse beabstandeten und in einer
senkrecht zu der Rotationsachse angeordneten Rotationsebene auf einer Umlaufbahn rotierenden Ringflügel angetrieben wird.
Eine zylindrische Strömungsröhre kann durch eine
Diffusorvorrichtung der Ringflügelturbine zu einer konzentrisch zu der Rotationsachse ausgebildeten Kegelform mit einem
dynamischen Konuswinkel erweitert werden, sodass der
strömungsdynamisch wirksame Durchmesser des Strömungskonverters größer ist, als der konstruktive Durchmesser der
Ringflügelturbine. Dadurch kann der durch das Betz'sche Gesetz für eine zylindrische Strömungsröhre vorgegebene
Leistungsbeiwert von 16/27 zur Bestimmung der theoretisch maximalen Energieentnahme aus einer Strömung mit der
erfindungsgemäßen Ringflügelturbine auf einen größeren,
strömungsdynamisch erzeugten Durchmesser bezogen werden.
Diese Aufgabe wird mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen der Erfindung gelöst. Weitere Aufgaben und vorteilhafte
Eigenschaften der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor . Im Einzelnen können durch die Erfindung eine oder mehrere der folgenden Aufgaben gelöst werden:
- Volle Leistungsentfaltung bereits bei einer niedrigen
Auslegungsschnelllaufzahl Lambda im Bereich 2,5 bis 5, bevorzugt im Bereich 2,5 bis 4, und besonders bevorzugt im Bereich 2,5 bis 3
- Angabe einer Windturbine mit geringer Geräuschentwicklung
- Funktion des Ringflügels als Winglet für die radialen
Rotorblätter im Falle einer Speichenradkonstruktion
- Passiv wirkende Drehzahlbegrenzung durch die Auslegung des
Flügelprofils des Ringflügels für eine bestimmte
Schnelllaufzahl Lambda
- Aufbau des Ringflügels aus baugleichen Ringflügelsegmenten
- Reduktion des leistungsbezogenen Konstruktionsgewichts
- Angabe einer Windturbine mit einer Speichenradkonstruktion, die einen Rotordurchmesser von 200-300 m und mehr ermöglicht und damit 5-6 der größten herkömmlichen Windkraftanlagen ersetzen kann.
- Erzeugung einer luvseitigen Zugkraft, die der leeseitigen
Schubkraft des Rotors entgegenwirkt und die Tragkonstruktion einer Wind- oder Wasserturbine wesentlich entlastet.
- Angabe einer Windturbine, deren Drehbewegung aus der Ferne
nicht wahrnehmbar ist.
- Arbeitsteilung an einem Ringflügel zwischen
Widerstandsläuferstufen für das Anlaufen der Ringflügelturbine und Auftriebsläuferstufen für den Schnelllauf der Turbine
- Angabe einer Windturbine mit einer luvseitigen Zugkraft als Antrieb für Wasser- und Landfahrzeuge
- Ausbildung eines Ringflügels als Generator mit Läufer- und
Statorring
- Angabe eines berührungslosen Lagers zwischen Läufer- und
Statorring einer Windturbine
- Angabe eines Bauplans für eine Windturbine im Leistungsbereich von 2 kW bis 50 MW - Angabe einer nur teilweise eingetauchten Fließwasserturbine, die mit einem in der Strömung verankerten Schiff oder mit einer Brücke verbunden ist.
- Angabe einer vollständig getauchten Wasserturbine als
Fließwasserturbine oder als Gezeitenströmungsturbine
Ringflügelturbine mit einem Diffusor
Ein Ringflügel, bei dem die Saugseite des asymmetrischen
Flügelprofils an seiner Außenseite liegt, benötigt eine
Diffusorvorrichtung, im Nachfolgenden Diffusor genannt, um ein Drehmoment zu erzeugen. Speichen, die als in sich verwundene Rotorblätter ausgebildet sind und den Ringflügel mit einer Nabe verbinden, wirken als Diffusor. Sie entnehmen der parallel zu der Rotationsachse auftreffenden Strömung Energie und treiben damit den Rotor an, wobei sich die Strömung verlangsamt und sich der Druck in der Strömungsröhre erhöht, sodass sich am äußeren Rand des Rotors ein dynamischer Konuswinkel mit einem Betrag von 30-35 Grad einstellt. Der Ringflügel arbeitet genau in diesem Bereich. Eine Strömung kann durch die Energieentnahme der Rotorblätter nur bis zu einem gewissen Grad abgebremst werden. Wird ihr zu viel Energie entnommen, bewirken die verzögerten Luftmassen einen Rückstau, der zu einem Leistungsabfall an einem Strömungskonverter führt. Das Betz'sche Gesetz gilt auch für eine Ringflügelturbine. Jedoch werden von einem Ringflügel auch Luftmassen erfasst, die weit außerhalb des rein konstruktiven Radius liegen, sodass das Betz'sche Gesetz in diesem Fall auf eine Strömungsröhre mit einem wesentlich größeren Radius angewendet werden kann, als diejenige die durch den eigentlichen Außenumriss des Ringflügels definiert ist. Eine Ringflügelturbine mit einer Speichenradkonstruktion, bei der die Speichen als Rotorblätter ausgebildet sind, wandelt die kinetische Energie der Strömung im gesamten Rotorkreis in eine Drehbewegung, sodass die Strömung verlangsamt wird und sich die Strömungsröhre als Folge des Druckanstiegs konusförmig erweitert. Bei den asymmetrischen Flügelprofilen der als Rotorblätter ausgebildeten Speichen beträgt der Widerstand nur etwa 1% des Auftriebs. Der Ringflügel verhindert zudem die
Ausbildung unerwünschter Turbulenzen an den Rotorblattspitzen durch seine geschlossene Kontur an Nase und Hinterkante, sodass der Wirkungsgrad der radialen Rotorblätter verbessert wird.
Ringflügel und Rotorblätter zusammengenommen ermöglichen bezogen auf den konstruktiven Durchmesser der Ringflügelturbine einen theoretischen Leistungsbeiwert größer als 16/27. In Abhängigkeit von der Umlaufgeschwindigkeit des Rotors nimmt der Anströmwinkel vom außenseitigen zum nabenseitigen Ende eines Rotorblatts kontinuierlich zu, sodass das Rotorblatt als ein in sich
verwundenes Profil ausgebildet wird. Zur Drehzahlbegrenzung kann eine als Rotorblatt ausgebildete Speiche mindestens
abschnittsweise mit einer Stall-Pitch-Regelung ausgestattet werden. In einer Speichenradkonstruktion können luv- und
leeseitig, z.B. jeweils mindestens drei Speichen oder aber auch eine Mehrzahl von Speichen vorgesehen werden, um den als
Druckring ausgebildeten Ringflügel zu stabilisieren. Dabei werden die luv- und leeseitigen Speichen entweder an dem
Ringflügel oder an der Nabe auf einer Kreislinie
zusammengeführt. Bei einer Windturbine mit mehr als 100 m
Durchmesser kann es sinnvoll sein, die einzelnen Speichen von Luv nach Lee durch Spannglieder untereinander zu verspannen, um die freie Länge der Speichen zu begrenzen. Mit einer derartigen Speichenradkonstruktion können Windräder mit einem Durchmesser von 200-500 m hergestellt werden, die von der Prandtl-Schicht bis in die Ekman-Schicht hineinreichen und von der in
zunehmender Höhe logarithmisch zunehmenden Windgeschwindigkeit profitieren. Für eine große Windturbine mit einem Radius von 150 m liegt die Rotorleistung bei 50 MW. Dabei wird die an der Nabe ansetzende Tragkonstruktion der Windturbine durch eine
resultierende luvseitige Zugkraft entlastet und kann
entsprechend leicht, z.B. mit einer Verjüngung zur Basis hin, ausgebildet werden. Die Rotorblätter können entweder aus massiven Walzprofilen aus Stahl oder als stranggepresste
Hohlprofile aus Aluminium oder als Hohlkammerprofile aus einem Verbundwerkstoff, z.B. aus Glas- oder Kohlefaser, hergestellt werden. Ein derartiges Hohlkammerprofil kann sich z.B. auf paarweise angeordnete Stahlseile abstützen. Um unter allen
Betriebsbedingungen der Turbine eine konstante Vorspannkraft in den Speichen zu gewährleisten, ist der Einbau von Teller- oder Spiralfedern am naben- oder ringflügelseitigen Ende der Speichen vorgesehen. Der Ringflügel eines großen Speichenrads hat z.B. eine maximale Profildicke von 3 m und ist z.B. als mehrgurtiger Fachwerkring mit auskragenden Konsolen für die Anbringung der Flügelsegmente ausgebildet. Für Bauhöhen bis zu 3 m eignet sich auch ein Hohlkastenprofil z.B. aus Kohlefaser als Druckring. Für die Fernwirkung einer Speichenradkonstruktion ist die Proportion zwischen dem Druckring und den Speichen von Bedeutung. Während die Drehbewegung des Ringflügels aus der Ferne kaum wahrnehmbar ist, können die Rotorblätter als Speichen sehr schlank sein, sodass auch sie aus der Ferne kaum wahrnehmbar sind. Für das Erscheinungsbild einer großen Windturbine in der Landschaft, die mit einem Rotordurchmesser von z.B. 160 m bei einer
Windgeschwindigkeit von 14 m/s eine Leistung von 20 MW liefert, sind dies wichtige Gesichtspunkte, die einen Vorteil gegenüber der unvermeidbaren Wahrnehmung heftiger Drehbewegungen an herkömmlichen Windturbinen bedeuten. Da eine Ringflügelturbine bereits bei einer vergleichsweise niedrigen Schnelllaufzahl λ im Bereich 2,5 bis 5, bevorzugt im Bereich 2,5 bis 4, besonders bevorzugt im Bereich 2,5 bis 3 ihr größtes Drehmoment erreicht, läuft sie sehr leise und verschleißarm. Diese Eigenschaften zusammengenommen sind für den weiteren Ausbau der
Windenergienutzung "Onshore" und "Offshore" sehr wertvoll.
Die Auslegungsschnelllaufzahl hat Einfluss auf die benötigte Gesamtflügelfläche. Bei sinkender Auslegungsschnelllaufzahl nimmt die benötigte Flügelfläche zu. Daher muss entweder die Fläche des Ringflügels sehr groß ausgestaltet werden, oder es müssen zusätzliche Ringflügel vorgesehen werden. Beides erhöht den Materialaufwand und erzeugt ein massives Erscheinungsbild. Bei einer hohen Auslegungsschnelllaufzahl treten dagegen am Ringflügel hohe Auftriebskräfte auf, und der Bedarf an
Ringflügelfläche ist geringer. Beispielhaft wird für eine
Schnelllaufzahl λ = 2,5 eine Flügelfläche von 30 % der
überstrichenen Kreisfläche benötigt, bei einer Schnelllaufzahl λ = 3,7 sinkt die erforderliche Flügelfläche auf 15 % der
überstrichenen Kreisfläche. Der Zusammenhang ist exponentiell .
Ein Ringflügel besteht bevorzugt aus einer Mehrzahl baugleicher Ringflügelsegmente, sodass Herstellung und Montage im Vergleich zu herkömmlichen Windkraftanlagen drastisch vereinfacht werden können. Bei einer großen Speichenradkonstruktion mit 200-300 m Durchmesser wird der Druckring aus einem Hohlprofil in einzelnen Schüssen hergestellt die mit Flanschverbindungen untereinander verschraubt werden und die einzelnen vorgefertigten,
Ringflügelsegmente aufgesattelt werden. Ringflügelsegmente bis zu einer Höhe von 4,50 m können in einem Stück als Schalenkörper in vorgefertigten Formen ganz aus Glas- oder
Kohlefaserverbundwerkstoffen hergestellt werden.
Alternativ zu einem einzigen Ringflügel, der den Druckring einer großen Speichenradkonstruktion bildet, kann ein zwei- oder mehrgurtiger Fachwerkring ausgebildet werden, bei dem die Gurte des Fachwerkrings jeweils als Ringflügel ausgebildet sind. Der Diffusor kann auch aus einem konzentrisch und koaxial zu der Rotationsachse angeordneten Strömungsleitkörper bestehen, der die Strömung mit einem dynamischen Konuswinkel von der
Rotationsachse weglenkt. Zwischen der Außenseite des
Strömungsleitkörpers und der Innenseite des Ringflügels wird dabei eine ringförmige Düse gebildet. Die beschleunigte Strömung trifft hier auf den Ringflügel und auf radiale Rotorblätter, die die kinetische Energie der beschleunigten Strömung in eine
Drehbewegung wandeln.
Ringflügelturbine mit einem Konfusor
Ein Ringflügel, bei dem die Saugseite des asymmetrischen
Flügelprofils auf der Innenseite liegt, benötigt eine
Konfusorvorrichtung, im Nachfolgenden Konfusor genannt, um ein Drehmoment zu erzeugen. In einer ersten Ausführungsvariante wird der Konfusor von einem Strömungsleitkörper gebildet, der den Ringflügel koaxial und konzentrisch zu der Rotationsachse umgibt und als Venturi-Düse die Strömungsröhre verjüngt, sodass die Strömung mit einem dynamischen Konuswinkel zur Rotationsachse hingelenkt wird. Im Bereich der Düsenverengung ist der Ringflügel mit einem radialen Abstand zu dem Strömungsleitkörper angeordnet. Die Verbindung des Ringflügels zu einem in den Strömungsleitkörper eingelassenen Läuferring des Generators wird durch radiale
Rotorblätter hergestellt. Stromab schließt sich an den Konfusor und die Düsenverengung ein Diffusor an. In einer besonders vorteilhaften Ausführungsvariante ist der Ringflügel selbst als Ringgenerator ausgebildet und bildet mit dem luvseitigen Konfusor und dem leeseitigen Diffusor eine Düse. Dabei ist der Ringflügel zweiteilig ausgebildet und besteht aus einem Statorring und aus einem Läuferring, die als Strömungsleitkörper die Strömung mit einem dynamischen Konuswinkel zur Rotationsachse hinlenken. Das Lager zwischen dem Läuferring und dem Statorring kann im Falle einer Windturbine als berührungsloses Magnetlager ausgebildet werden. Der Statorring ist über einen Mast mit einem Azimutlager zur Strömung ausrichtbar und in einem Baugrund verankert.
Geometrie und Strömungsdynamik des Ringflügels
Das Verhältnis der Umlaufgeschwindigkeit des Ringflügels zu der ungestörten Windgeschwindigkeit ist als sog. Schnelllaufzahl λ (lambda) der entscheidende Parameter für die aerodynamische
Auslegung des Flügelprofils eines Ringflügels. Aus dem vektoriellen Verhältnis der Windgeschwindigkeit und der Umlaufgeschwindigkeit des Rotors kann die Schnelllaufzahl über den Neigungswinkel der resultierenden Anströmung zu der Rotationsebene des Rotors unmittelbar bestimmt werden. Dabei gilt: Je flacher der Neigungswinkel, umso höher die Schnelllaufzahl . Strömungsdynamisch erreicht die Schnelllaufzahl dann eine Grenze, wenn z.B. bei einem Lambda-Wert von 10 der aus dem dynamischen Konuswinkel abgeleitete Anströmwinkel der resultierenden Anströmung in einem sehr flachen Winkel auf die Flügelnase des Ringflügels trifft und deshalb die Auftriebskraft groß, die tangentiale Antriebskraft aber eher klein ausfällt. Stimmen die Auslegungsschnelllaufzahl des Flügelprofils und der Neigungswinkel der resultierenden Anströmung nicht überein, steigt der Widerstand des Ringflügels drastisch an - es kommt zum Strömungsabriss und damit zu einer passiv wirkenden Drehzahlbegrenzung .
Der Ringflügel einer Wind- oder Wasserturbine ist mit seiner Flügelnase zu der Strömung ausgerichtet und rotiert auf einer Umlaufbahn, die durch einen konstanten Radius um die horizontale Rotationsachse definiert ist. Der Querschnitt parallel zu der Rotationsachse zeigt ein verzerrtes Flügelprofil z.B. mit einer Sichelform und einer gegenüber der Rotationsachse geneigten
Profilsehne. Erst in der Neigungsebene, die sich aus dem
Neigungswinkel zur Rotationsebene als Vektorsumme aus der
Geschwindigkeit der Anströmung und der Umlaufgeschwindigkeit ergibt und damit die Auslegungsschnelllaufzahl definiert,
entfaltet das Flügelprofil seine Auftrieb erzeugende Wirksamkeit als asymmetrisches Flügelprofil mit im Wesentlichen horizontal ausgerichteter Profilsehne, einem kleinen Nasenradius einer starken Wölbungshöhe und einer verringerten Wölbungsrücklage. Im Bereich der Auslegungsschnelllaufzahl gleicht das Flügelprofil einem Vogelflügel, z.B. dem Flügel eines Mauerseglers. Die resultierende Anströmung trifft in der Neigungsebene auf die Flügelnase des Ringflügels und bewirkt eine in Drehrichtung geneigte Auftriebskraft, aus der sich unmittelbar die Vortriebskraft und der Widerstand des Ringflügels ableiten. Aus der Vortriebskraft leiten sich die tangentiale Antriebskraft und die luvseitige Zugkraft ab, während der Widerstand in den tangentialen Rotationswiderstand und in die leeseitige
Schubkraft aufteilbar ist.
Konstruktive Auslegung des Ringflügels
Zu Konstruktion des Ringflügels wird zunächst eine geeignete 2D- Profilkontur ermittelt. Hierbei spielen vielseitige Faktoren eine Rolle. Je nach Dimensionierung des Rotors, der
Auslegungsgeschwindigkeit und der Schnelllaufzahl kann das geeignete oder optimale Profil insbesondere durch den Einfluss der Reynolds-Zahl stark variieren. Ein geeignetes 2D-Profil für große Rotordurchmesser kann wie folgt beschrieben werden. Im Bereich zwischen 5 % und 25 %, also im vorderen Bereich, ist eine große relative Wölbung mit vorgelagerter Wölbungsrücklage und kleinem Nasenradius vorgesehen, um eine Strömungsablösung im Nasenbereich zu verhindern. Eine Orientierung des Profils im überströmten Querschnitt, die angepasst ist an den Konuswinkel, sorgt für eine gute, optimierte Umströmung des Profils. Der Konuswinkel ist abhängig vom Verhalten der Rotorblätter. Diese Orientierung kann als Anstellwinkel des Profils gegenüber der Anströmung aufgefasst werden und wird für den Nennbetriebspunkt festgelegt, an dem die Auslegungsschnelllaufzahl erreicht wird. Der Ringflügel entsteht durch Rotation des Profils im
Schrägschnitt um die Rotorachse. Wenn sich der Rotor im
Stillstand befindet, überströmt die Luft die axiale
Schnittkontur des Rotorrings, die konstruktiv vorgesehen wurde. Dieser Bauquerschnitt ist abhängig vom Auslegungsprofil in der durch die Schnelllaufzahl definierten Ebene. Umgekehrt ist der Bauquerschnitt genau die Form, die als Ring ausgeformt und im Neigungswinkel ß geschnitten das gewünschte Schnittprofil ergibt. Das Profil des Bauquerschnitts ist nicht in der Lage, verwertbare Luftkräfte bzw. Auftriebskräfte am Ring zu erzeugen, so dass lediglich die Widerstandskraft resultiert. Auftrieb und damit Drehmoment erzeugt der Ringflügel nur in einem begrenzten Bereich um seine Auslegungsschnelllaufzahl .
Neben der optimierten Leistungsausbeute durch maximale
Auftriebskräfte bzw. durch ein gutes Gleitverhältnis spielt auch die Empfindlichkeit des Ringflügels gegenüber einer nicht optimalen Überströmung eine wichtige Rolle. Da der Ring
beispielsweise bei einer Böe eine steilere Überströmung erfährt, sieht die Strömung statt der gewünschten Profilkontur eine gestauchte Form. Hierdurch erhöht sich die relative Wölbung, und die Strömung kann abreißen, wenn ein bestimmtes
Stauchungsverhältnis erreicht ist, da ein aerodynamisch nicht verwertbares Profil überströmt wird. In Abhängigkeit von der Wahl des Auslegungsprofils im gewünschten Schrägschnitt variiert der tolerierte Bereich der Abweichung von der
Auslegungsschnelllaufdrehzahl . Für die verwendeten Profile ist die Strömung spätestens bei 75 % der
Auslegungsschnelllaufdrehzahl abgerissen. Dieser Effekt kann vorteilhaft zur Leistungsbegrenzung genutzt werden. Wird der Ring durch einen Generator mit einem Vollumrichter auf einer konstanten Drehzahl gehalten, reißt die Strömung bei
Überschreitung einer Grenzgeschwindigkeit ab, und der Rotor beginnt zu trudeln. Hierdurch wird die Geschwindigkeit des
Rotors automatisch begrenzt.
Das Anlaufen einer Ringflügelturbine
Ein Ringflügel, bei dem sowohl die Flügelnase als auch die
Flügelhinterkante mit einem konstanten Radius von der
Rotationsachse beabstandet sind, weist eine Kreisringform auf und ist beim Anlaufen im Falle einer Speichenradkonstruktion auf das von den radialen Rotorblättern erzeugte Drehmoment angewiesen. Eine speichenlose Ringflügelturbine mit einem einheitlichen asymmetrischen Flügelprofil benötigt eine motorische oder anders ausgebildete Anlaufhilfe, um die Auslegungsschnelllaufzahl zu erreichen. Eine weitere Möglichkeit des selbsttätigen Anlaufens eines Ringflügels besteht in der Ausbildung von Widerstands- und Auftriebsläuferstufen, wobei der Ringflügel aus einer Mehrzahl gleichartiger Ringflügelsegmente, die jeweils ein luv- und ein leeseitiges Flügelprofil aufweisen, aufgebaut ist. In der
Ausbildung von Widerstands- und Auftriebsläuferstufen ist bereits bei einer Schnelllaufzahl lambda < 1 ein antreibendes Moment möglich. Bei einer Ausbildung als Ring wird dagegen ein Auftrieb erst ab einer vorgegebenen Schnelllaufzahl erzeugt, die bei ca. 75 % der Auslegungs-Schnelllaufzahl oder darüber liegt. Der Anlauf kann entweder über einen Antrieb (Motor) erfolgen, oder über eine geeignete Ausformung oder Verstellbarkeit der Speichen bzw.
Rotorblätter .
Ringflügel mit Widerstands- und Auftriebsläuferstufen
Ein Ringflügel mit Widerstands- und Auftriebsläuferstufen ist aus einer Mehrzahl baugleich ausgebildeter Ringflügelsegmente
aufgebaut. Die Verbindungsflächen einander benachbarter
Ringflügelsegmente weisen einen Neigungswinkel gegenüber der
Rotationsebene auf. Die gewünschte Schnelllaufzahl wird dann erreicht, wenn der Winkel, den die Vektoren Windgeschwindigkeit und Umlaufgeschwindigkeit untereinander bilden, mit dem
Neigungswinkel, den die Ringflügelsegmente in der
Verbindungsfläche untereinander einnehmen übereinstimmt.
In einer Verbindungsfläche zwischen zwei benachbarten
Ringflügelsegmenten ist jeweils das leeseitige Flügelprofil eines ersten Ringflügelsegments mit dem luvseitigen Flügelprofil eines zweiten Ringflügelsegments verbunden, wobei ein Teil der
Stirnfläche des luvseitigen Flügelprofils die
Widerstandsläuferstufe des jeweils zweiten Ringflügelsegments bildet. Im Falle einer ebenen Verbindungsfläche weist der
Neigungswinkel einen konstanten Betrag auf, während er im Falle einer gekrümmten Verbindungsfläche einen kontinuierlich wechselnden Betrag annimmt. Um das Anlaufen der Turbine zu erleichtern, können die Widerstandsläuferstufen als konkave Schaufeln ausgebildet werden, wobei die angeströmte Fläche der konkaven Schaufeln durch einen Kragen erweitert werden kann. In einer Ausführungsvariante ist der Ringflügel aus einer Mehrzahl von Ringflügelsegmenten aufgebaut, die jeweils ein luv- und ein leeseitiges Flügelprofil haben. Die Ringflügelsegmente sind in einer Verbindungsfläche so untereinander verbunden, dass ein Stufenkranz aus Widerstands- und Auftriebsläuferstufen gebildet wird. Das luv- und das leeseitige Flügelprofil unterscheiden sich mindestens in der Wölbungshöhe, sodass der Stufenkranz entweder nur an der Außenseite oder nur an der Innenseite eines Ringflügels oder an der Außen- und Innenseite ausgebildet ist. Bei
unterschiedlicher Wölbungshöhe des luv- und des leeseitigen
Flügelprofils weist der Stufenkranz Grate und Kehlen auf, wobei die Flügeloberfläche der Ringflügelsegmente mit einem tangentialen Steigungswinkel mit einer Gradiente in Drehrichtung zwischen Grat und Kehle eines Ringflügelsegments ausgebildet ist. Die senkrecht zu der resultierenden Anströmung wirkende Auftriebskraft ist nicht nur nach Luv sondern auch in Drehrichtung geneigt und wirkt deshalb mit einem Drehmoment an der horizontalen
Rotationsachse der Turbine. Gegenüber einem Ringflügel mit einem luvseitigen Stufenkranz hat diese Ausführungsvariante einen höheren tangentialen Rotationswiderstand, jedoch auch eine größere tangentiale Antriebskraft, die sich aus dem tangentialen Steigungswinkel der Flügeloberfläche herleitet. Unabhängig davon, ob die Flügelwölbung eines Ringflügelsegments an der Außen- oder Innenseite eines Ringflügels ausgebildet ist, wird durch den tangentialen Steigungswinkel der Ringflügelsegmente ein Drehmoment an der Drehachse der Turbine bewirkt.
Wasserturbinen
Eine Ringflügelturbine ist mit Vorteil auch auf unterschiedliche Bauformen von Wasserturbinen anwendbar. Ein Ringflügel, der mit einem radialen Abstand über als Rotorblätter ausgebildete
Speichen mit einem gegenüber dem Meereswasser abgekapselten Generatorgehäuse verbunden ist, arbeitet als eine sich
selbsttätig zur jeweiligen Richtung der Strömung ausrichtenden Gezeitenturbine. Ein Ringflügel, der an seiner Außen- oder
Innenseite konzentrisch zu einem Strömungsleitkörper angeordnet ist, arbeitet als schwebende Fließwasserturbine, die an einem konzentrisch und koaxial zu ihrer horizontalen Rotationsachse angeordneten Führungselement aufgehängt ist. Ringflügel, die mit einem Strömungsleitkörper, der von einem Schiff gebildet wird, verbunden sind, können als teilgetauchte Fließwasserturbinen oder für ein Gezeitenkraftwerk genutzt werden. Schließlich kann eine Wasserturbine auch in eine Brückenkonstruktion integriert werden, bei der die Durchflussöffnungen für ein Fließgewässer als Konfusor ausgebildet sind. Wasserturbinen haben ein
wasserdichtes Generatorgehäuse, das in eine Brücke oder in ein Schiff integriert ist und einen ortsfesten oder beweglichen
Strömungsleitkörper bildet.
Ausrichtung der Ringflügelturbine zur Strömung
Der Rotor einer Ringflügelturbine richtet sich über ein
Azimutlager mit vertikaler Drehachse selbsttätig zu einer
Strömung aus oder ist im Falle einer Wasserturbine starr zu einem Fließgewässer ausgerichtet. Dient eine Turbine dem Antrieb eines Land- oder Wasserfahrzeugs, richtet sich der Rotor selbsttätig zu einer aus der vektoriellen Überlagerung der Windgeschwindigkeit, des Fahrtwinds und der Umlaufgeschwindigkeit des Rotors
gebildeten, resultierenden Strömung aus.
Nutzsysteme für eine Ringflügelturbine
Ein möglicher Hauptanwendungsbereich der Erfindung betrifft
Ringflügelturbinen mit einem Generator zur Erzeugung elektrischen Stroms. Das Drehmoment einer Ringflügelturbine kann aber auch einen Kompressor zur Herstellung von Druckluft oder eine Pumpe z.B. zur Förderung von Wasser antreiben. Der Ringflügel erzeugt eine luvseitige Zugkraft. Deshalb fällt die Bilanz aus
Widerstands- und Antriebskräften wesentlich günstiger aus als bei bekannten schublastigen Rotoren, sodass bei Land- und
Wasserfahrzeugen, die von einem Ringflügel angetrieben werden, höhere Fahrtgeschwindigkeiten erreicht werden können und ein entsprechendes Fahrzeug gegen den Wind fahren kann.
Die Figuren zeigen unterschiedliche Ausführungsmöglichkeiten und Anwendungen der Erfindung.
Es zeigen:
Fig. 1 eine Windturbine mit einem von Speichen gebildeten
Diffusor in der perspektivischen Übersicht
Fig. 2 die Windturbine nach Fig. 1 in einem vertikalen
Übersichtsschnitt
Fig. 3 die Windturbine nach Fig. 1 und Fig. 2 in der
schematischen luvseitigen Ansicht
Fig. 4 eine Windturbine mit einem von fünf Speichen gebildeten
Diffusor in der perspektivischen Übersicht
Fig. 5 eine kleine Windturbine mit einem von einem
Strömungsleitkörper gebildeten Diffusor in der perspektivischen
Übersicht
Fig. 6 die Windturbine nach Fig. 5 in einem vertikalen
Übersichtsschnitt
Fig. 7 eine Windturbine mit einem von Speichen gebildeten
Diffusor und vier Ringflügeln in der perspektivischen Übersicht Fig. 8 die Windturbine nach Fig. 7 in einem Übersichtsschnitt und zwei Detailschnitten
Fig. 9 die Aufweitung der Strömungsröhre an einem Ringflügel nach Fig. 1 bis Fig. 8 in einer perspektivischen Übersicht
Fig. 10 die vektorielle KraftZerlegung an dem Ringflügel nach Fig. 1 bis Fig. 9 in einer schematischen Schnittperspektive
Fig. 11 eine Windturbine, deren Ringflügel einen Stufenkranz aufweist, in einer perspektivischen Übersicht Fig. 12 die Windturbine nach Fig. 11 in einem vertikalen
Übersichtsschnitt
Fig. 13 die Windturbine nach Fig. 11 und Fig. 12 in der
schematischen luvseitigen Ansicht
Fig. 14 die Aufweitung der Strömungsröhre an einem Ringflügel nach Fig. 11 bis Fig. 13 in einer perspektivischen Übersicht Fig. 15 die vektorielle KraftZerlegung an zwei exemplarisch dargestellten Ringflügelsegmenten nach Fig. 11 bis Fig. 14 in einer schematischen Schnittperspektive
Fig. 16 eine Windturbine als Speichenradkonstruktion mit
erweiterten Widerstandsläuferstufen in einer perspektivischen Übersicht
Fig. 17 zwei Ringflügelsegmente der Windturbine nach Fig. 16 mit Darstellung der aerodynamischen Kräfte in einer
Schnittperspektive
Fig. 18 eine Windturbine als Leeläufer mit einer
Speichenradkonstruktion in einer perspektivischen Übersicht
Fig. 19 einen Ringflügel mit Stufenkranz, der aus 12
gleichartigen Ringsegmenten aufgebaut ist, in einer
perspektivischen Übersicht
Fig. 20 den Ringflügel nach Fig. 19 mit Darstellung der
Aufweitung der Strömungsröhre in einer perspektivischen
Übersicht
Fig. 21 zwei exemplarisch dargestellte Ringflügelsegmente des Ringflügels nach Fig. 19 und Fig. 20 mit vektorieller
KraftZerlegung in einer schematischen Schnittperspektive
Fig. 22 eine Windturbine, deren Ringflügel einen Stufenkranz bildet, als Speichenradkonstruktion in einer perspektivischen Übersicht
Fig. 23 die Windturbine nach Fig. 22 in einem Vertikalschnitt Fig. 24 die Windturbine nach Fig. 22 und Fig. 23 in einer luvseitigen Ansicht Fig. 25 zwei Ringflügelsegmente der Windturbine nach Fig. 22 bis Fig. 24 mit Darstellung der aerodynamischen Kräfte in einer Schnittperspektive
Fig. 26 ein von einer Ringflügelturbine angetriebenes Fahrzeug in der perspektivischen Übersicht
Fig. 27 einen von einer Ringflügelturbine angetriebenen Trimaran in der perspektivischen Übersicht
Fig. 28 eine am Grund verankerte, vollständig getauchte
Wasserturbine in der perspektivischen Übersicht
Fig. 29 eine an einem Seil aufgehängte, vollständig getauchte
Wasserturbine in der perspektivischen Übersicht
Fig. 30 ein Mehrzahl von Wasserturbinen nach Fig. 29 in einer perspektivischen Übersicht
Fig. 31 mehrere in eine Brückenkonstruktion integrierte
Ringflügelturbinen als Wasserturbinen in der perspektivischen Übersicht
Fig. 32 eine Wasserturbine nach Fig. 31 in einem horizontalen Übersichts- und Detailschnitt
Fig. 33 eine mit einem Schiff verbundene Wasserturbine in einer perspektivischen Übersicht
Fig. 34 die Wasserturbine nach Fig. 33 in einer schematischen luvseitigen Ansicht
Fig. 35 eine mit einem Strömungsleitkörper verbundene
Wasserturbine in einer perspektivischen Ausschnittsdarstellung Fig. 36 die Wasserturbine nach Fig. 35 in einer luvseitigen Ansicht
Fig. 37 die Wasserturbine nach Fig. 35 und Fig. 36 in einem Vertikalschnitt
Fig. 38 eine Ringflügelturbine mit einem Konfusor mit
Darstellung der Strömungsröhre in einer perspektivischen
Übersicht
Fig. 39 ein Ringsegment der Ringflügelturbine nach Fig. 38 mit vektorieller Darstellung der aus der Strömung abgeleiteten
Kräfte in der Perspektive Fig. 40 die Ringflügelturbine nach Fig. 38 und Fig. 39 mit
Darstellung des Flügelprofils in einer Übersichtsperspektive
Fig. 1 zeigt eine Windturbine 12 mit einer
Speichenradkonstruktion 11, bei der sechs luvseitige und sechs leeseitige Speichen 112 die von in sich verwundenen
Rotorblättern 113 gebildet werden, die Nabe 111 mit einem äußeren Druckring 110 verbinden. Das Speichenrad rotiert in einer Rotationsebene R, wird von einer Gabel 121 in Form einer verzweigten Stütze getragen und richtet sich mit einer
vertikalen Drehachse y in einem Azimutlager selbsttätig zur Strömung A aus. Das asymmetrische Flügelprofil 200 ist für eine Schnelllaufzahl λ (lambda) im Bereich von 2,5 bis 5, bevorzugt 2,5 bis 4, besonders bevorzugt im Bereich von 2,5 bis 3
ausgelegt und zeichnet sich in der durch den Neigungswinkel ß definierten Schnittebene mit der Rotationsebene R bei einer Profiltiefe t durch eine große Wölbungshöhe f , eine verringerte Wölbungsrücklage, einen kleinen Nasenradius und eine leicht nach Luv geneigte, sich zwischen der Flügelnase n und der
Flügelhinterkante e erstreckende Profilsehne p aus. Die
Rotorblätter 113 wirken als Diffusor Φ, treiben die Windturbine 12 bis zum Erreichen der Auslegungsschnelllaufzahl an und wandeln die kinetische Energie der Strömung A in eine
Drehbewegung mit Drehrichtung T. Durch die Energieentnahme aus der Strömung A weitet sich, wie in Fig. 9 gezeigt, die
Strömungsröhre auf, wobei die Rotorblätter 113 als Diffusor Φ wirken, der die Strömung A mit einem dynamischen Konuswinkel <x von der Rotationsachse x weglenkt. Aus der Geschwindigkeit der Strömung A, der Umlaufgeschwindigkeit B und dem Konuswinkel <x bildet sich die resultierende Anströmung C, die den Ringflügel 2 mit einem Neigungswinkel ß gegenüber der Rotationsebene R
anströmt. Bei einem Radius r von 150 m liefert diese Windturbine 12 eine verlustfreie Rotorleistung von 50 Megawatt. Fig. 2 zeigt die Windturbine 12 nach Fig. 1 in einem
Vertikalschnitt. Die Rotorblätter 113 verbinden als Speichen 112 die Nabe 111 der Speichenradkonstruktion 11 mit dem Druckring 110 und bilden den Diffusor Φ, der die Strömung A mit einem dynamischen Konuswinkel <x von der Rotationsachse x weglenkt. Wie auch in Fig. 10 gezeigt, bewirkt die von dem Ringflügel 2
erzeugte Auftriebskraft E eine luvseitige Zugkraft L, die der leeseitigen Schubkraft H entgegenwirkt.
Fig. 3 zeigt die Windturbine 12 nach Fig. 1 und Fig. 2 in einer luvseitigen Ansicht. Die Umlaufbahn U des Ringflügels 2 ist mit einem Radius r von 150 Metern von der Rotationsachse x der
Windturbine 12 beabstandet. Die resultierende Anströmung C setzt sich aus der Geschwindigkeit der Strömung A und der
Umlaufgeschwindigkeit B sowie aus dem dynamischen Konuswinkel <x zusammen und bewirkt an dem Ringflügel 2 eine in Drehrichtung T geneigte Auftriebskraft E. Die Profilsehne p des asymmetrischen Flügelprofils 200 ist leicht nach Luv geneigt.
Fig. 4 zeigt eine Windturbine 12, bei der fünf Rotorblätter 113 mit der Nabe 111 und dem Ringflügel 2 eine
Speichenradkonstruktion 11 bilden, wobei der Ringflügel 2 als Druckring 110 ausgebildet ist. Die in sich verwundenen
Rotorblätter 113 bilden einen Diffusor Φ, sodass die Strömung A mit einem Konuswinkel <x von der Rotationsachse x weggelenkt wird und die aus der Geschwindigkeit der Strömung A und der
Umlaufgeschwindigkeit B resultierende Anströmung C das
asymmetrische Flügelprofil 200 mit einem Neigungswinkel ß
gegenüber der Rotationsebene R anströmt. Das asymmetrische
Flügelprofil 200 entspricht dem in Fig. 1 gezeigten
Ausführungsbeispiel. Die Rotorblätter 113 sind an einer radialen Drehachse z verschwenkbar gelagert, sodass eine
Drehzahlbegrenzung des Rotors 1 über eine Stall-Pitch-Regelung ermöglicht wird. Fig. 5 zeigt eine kleine Windturbine 12, deren Rotor 1 von einem Ringflügel 2 und von drei den Ringflügel 2 mit einer Nabe verbindenden Rotorblättern 113 gebildet wird, in einer
luvseitigen Perspektive. Ein konzentrisch und koaxial zu der Rotationsachse x angeordneter Strömungsleitkörper 10 lenkt die Strömung A mit einem dynamischen Konuswinkel <x von der
Rotationsachse x weg auf die Flügelnase n des Ringflügels 2. Die resultierende Anströmung C erzeugt an dem Ringflügel 2 eine in Drehrichtung T geneigte Auftriebskraft E, die den Ringflügel 2 antreibt. Das asymmetrische Flügelprofil 200 ist für eine
Auslegungsschnelllaufzahl , die bei diesem Beispiel dem 3-fachen der Geschwindigkeit der Strömung A entspricht, ausgelegt. Der aus der resultierenden Anströmung C abgeleitete Neigungswinkel ß bestimmt die Auslegung des asymmetrischen Flügelprofils 200. Um den Ringflügel 2 auf Drehzahl zu bringen, sind drei radiale Rotorblätter 113 vorgesehen, die ggf. durch einen motorischen Antrieb unterstützt werden. An einem Mast 120 mit vertikaler Drehachse y richtet sich die Windturbine 12 mit einem
Azimutlager zur Strömung A aus.
Fig. 6 zeigt die Windturbine 12 nach Fig. 5 in einem
Vertikalschnitt entlang der Rotationsachse x. In dieser
Schnittebene zeigt das gedrungene Flügelprofil 20 eine
Sichelform mit einer stark nach Luv geneigten Profilsehne p. Zwischen dem als Diffusor Φ wirkenden Strömungsleitkörper 10 und der Innenseite des Ringflügels 2 wird eine ringförmige Düse 100 gebildet, die die Wirksamkeit der Rotorblätter 113 und des
Ringflügels 2 erhöht. Die Umlaufbahn U des Ringflügels 2 ist durch den Radius r, gemessen an der Flügelhinterkante e,
definiert. Der Rotor 1 weist eine Speichenradkonstruktion 11 auf, bei der drei als Rotorblätter 113 ausgebildete Speichen 112 den Ringflügel 2 mit der Nabe 111 verbinden, die den Läuferring 151 des Generators 15 aufnimmt. Der Generator 15 ist als Ringgenerator 150 ausgebildet und weist einen Läufer- und einen Statorring 151,152 auf und arbeitet als Transversalflussmaschine 153 und auch als Elektromotor 16 für den Antrieb des Ringflügels 2 bis zum Erreichen der Auslegungsschnelllaufzahl . Das Lager 14 zwischen dem Rotor 1 und der Achse ist als berührungsloses
Magnetlager 141 ausgebildet.
Fig. 7 zeigt eine große Windturbine 12 mit einer
Speichenradkonstruktion 11 und einem als Gabel 121 ausgebildeten Mast, die in einem Azimutlager mit vertikaler Drehachse y zur Strömung A ausrichtbar ist. Die Speichen 112 sind als in sich verwundene Rotorblätter 113 ausgebildet und wirken als Diffusor Φ. An der Rotationsachse x haben die Längsmittelachsen der
Rotorblätter 113 einen Schnittpunkt mit der horizontalen
Rotationsachse x der Windturbine 12 und erweitern sich V-förmig zum äußeren Rand des Rotors 1. Insgesamt vier Ringflügel 2
bilden zusammen mit den Speichen 112 einen Fachwerkring 114, der luv und leeseitig jeweils aus zwei zueinander konzentrisch angeordneten Ringflügeln 2 aufgebaut ist, die durch radiale Rotorblätter 113 untereiander zu einem räumlichen Fachwerkring 114 verbunden sind. Die resultierende Anströmung C bewirkt an jedem Ringflügel 2 eine Auftriebskraft E und eine tangentiale Antriebskraft G.
Fig. 8 zeigt einen Vertikalschnitt durch die Windturbine 12 nach Fig. 7 mit einem vertikalen Detailschnitt durch den viergurtigen Fachwerkring 114 sowie durch das asymmetrische Flügelprofil 200 eines als Ringgurt ausgebildeten Ringflügels 2. Der Querschnitt durch das gedrungene Flügelprofil 20 parallel zu der
Rotationsachse x zeigt die Sichelform des Flügelprofils 20, das, wie in Fig. 7 dargestellt, in der durch den Neigungswinkel ß gegenüber der Rotationsebene R definierten Schnittebene als asymmetrisches Flügelprofil 200 Auftrieb erzeugt und dabei rotativ wirksam ist. Fig. 9 zeigt die Aufweitung der Strömungsröhre in einer Strömung A als Wirkung eines in den Fig. 1 bis Fig. 8 dargestellten
Diffusors Φ. Die Umströmung des Ringflügels 2 wird dabei sowohl durch den dynamischen Konuswinkel <x als auch durch den
Neigungswinkel ß gegenüber der Rotationsebene R bestimmt. Die strömungsdynamische Wirkung des Ringflügels 2 mit einer
tangentialen Antriebskraft G wird in Fig. 10 näher erläutert.
Fig. 10 zeigt beispielhaft die aerodynamische Wirkung eines Ringflügels 2 nach Fig. 9, der, wie in Fig. 1 bis Fig. 8
gezeigt, mit einem Diffusor Φ zusammenwirkt. An einem
perspektivisch dargestellten Segment des Ringflügels 2 sind die aus der Strömung A abgeleiteten Kräfte als Vektoren dargestellt. Die Geschwindigkeit der Strömung A und die Umlaufgeschwindigkeit B zusammen mit dem von einem Diffusor Φ bewirkten dynamischen Konuswinkels <x führen zu einer resultierenden Anströmung C des Ringflügels 2, die an dem asymmetrischen Flügelprofil 200 eine Auftriebskraft E bewirkt, die in eine Sogkraft D und eine
Vortriebskraft F zerlegbar ist. Aus der Vortriebskraft F leitet sich die tangentiale Antriebskraft G sowie die luvseitige
Zugkraft L ab, die der leeseitigen Schubkraft H entgegenwirkt. Gegen die Vortriebskraft F wirkt der Widerstand J des
Ringflügels 2, der sich aus dem tangentialen Rotationswiderstand K und der leeseitigen Schubkraft H zusammensetzt. Die
Auftriebskraft E wirkt in einer Ebene, die durch den
Neigungswinkel ß der resultierenden Anströmung C gegenüber der Rotationsebene R definiert ist in Drehrichtung T des Rotors 1.
Fig. 11 zeigt eine Ringflügelturbine als Windturbine 12 mit einem Durchmesser von 250 m. Der Rotor 1 ist als
Speichenradkonstruktion 11 ausgebildet, bei der die
Ringflügelsegmente S1-S45 einen Druckring 110 bilden, der über Speichen 112 mit der Nabe 111 verbunden ist. Die Speichen 112 wirken als Diffusor Φ und sind jeweils als ein in sich verwundenes Rotorblatt 113 ausgebildet, dessen Anstellwinkel bzgl. der Rotationsebene R an die mit zunehmendem Abstand zur Nabe 111 zunehmende Umlaufgeschwindigkeit des Rotors 1 angepasst ist. Ein Azimutlager mit der vertikalen Drehachse y an der Basis der vierfach verzweigten Gabel 121, die die Nabe 111 stützt, richtet die Windturbine 12 selbsttätig zur Strömung A aus. Die Nabe 111 bildet das Generatorgehäuse 154 für einen Generator 15, dessen Lager 14 als Wälzlager 140 ausgebildet ist. Die
Widerstandsläuferstufe I eines Ringflügelsegments S1-S45 weist in Drehrichtung T des Rotors 1 eine exponentiell zunehmende Neigung mit einem variablen Neigungswinkel ß auf. Die
Flügelnasen n der Auftriebsläuferstufen II sind parallel zu der Rotationsachse x angeordnet und bieten der Strömung A an dem stillstehenden Rotor 1 keine Angriffsfläche, während die
Widerstandsläuferstufen I als konkave Schaufeln 210 ausgebildet sind, sodass der Rotor 1 bereits bei einer geringen
Geschwindigkeit der Strömung A anläuft. Die
Auftriebsläuferstufen II sind für eine resultierende Anströmung C ausgelegt, bei der die Umlaufgeschwindigkeit B des Rotors 1 einem Vielfachen der Geschwindigkeit der Strömung A entspricht.
Fig. 12 zeigt die Windturbine 12 nach Fig. 11 mit Darstellung der Speichenradkonstruktion 11, bei der der Ringflügel 2 einen Druckring 110 bildet, der mit der Nabe 111 über als Rotorblätter 113 ausgebildete Speichen 112 verbunden ist. Das
Generatorgehäuse 154 nimmt den Generator 15 auf und wird, wie in Fig. 11 gezeigt, von einer vierfach verzweigten Gabel 121
getragen. Ein Azimutlager mit vertikaler Drehachse y ermöglicht die selbsttätige Ausrichtung des Windrads mit 250 m Durchmesser zur Strömung A. Der Wind trifft als Strömung A auf die
Rotorblätter 113, die als Diffusor Φ wirken, der die Strömung A mit einem dynamischen Konuswinkel <x auf den Ringflügel 2 lenkt und senkrecht zu dem Konuswinkel <x nach Luv gerichtete Auftriebskräfte E bewirkt. Luvseitig weist der Ringflügel 2 einen von den Widerstandsläuferstufen I und den
Auftriebsläuferstufen II der Ringflügelsegmente S1-S45
gebildeten Stufenkranz 23 auf.
Fig. 13 zeigt die Windturbine 12 nach Fig. 11 und Fig. 12 in einer luvseitigen Ansicht mit Darstellung der an den
Ringflügelsegmenten S1-S45 um die horizontale Rotationsachse x rotativ wirksamen Auftriebskräfte E, die die kinetische Energie des Windes in eine Drehbewegung mit Drehrichtung T wandeln.
Fig. 14 zeigt die Aufweitung der Strömungsröhre in einer
Strömung A als Folge der Energieentnahme durch die Rotorblätter 113, wie in Fig. 11 und Fig. 12 dargestellt. Der Ringflügel 2 rotiert mit Drehrichtung T in der Rotationsebene R. Die
Verlangsamung der Geschwindigkeit der Strömung A führt zu einer Aufweitung der Strömungsröhre und bewirkt die Bildung eines dynamischen Konuswinkels <x. Die Rotorblätter 113 haben sowohl luvseitig ( strömungsaufwärts ) als auch leeseitig
( strömungsabwärts ) einen fluidtechnischen Einfluss auf die
Strömung A.
Fig. 15 zeigt beispielhaft zwei Ringflügelsegmente S1,S2 eines aus einer Mehrzahl von Ringflügelsegmenten Sl-Sn aufgebauten Ringflügels 2, wie in Fig. 11 bis Fig. 14 dargestellt. Das Ringflügelsegment Sl besitzt wie alle weiteren
Ringflügelsegmente Sl-Sn ein luv- und ein leeseitiges
Flügelprofil 21,22, die wie in Fig. 11 bis Fig. 14 gezeigt, in einem Schnitt entlang der durch den Neigungswinkel ß definierten Schnittebene eine unterschiedliche Profiltiefe t aufweisen. Die resultierende Anströmung C trifft mit einem dynamischen
Konuswinkel <x an der Flügelnase n auf das Ringflügelsegment Sl und bewirkt senkrecht zu der resultierenden Anströmung C eine Auftriebskraft E, die infolge des dynamischen Konuswinkels <x in Drehrichtung T nach Luv geneigt ist und sich in die Sogkraft D und die Vortriebskraft F teilt. Die Vortriebskraft F teilt sich in die tangentiale Antriebskraft G und die luvseitige Zugkraft L. Der Widerstand J dagegen lässt sich vektoriell in die
leeseitige Schubkraft H und den tangentialen Rotationswiderstand K zerlegen. Das luvseitige und das leeseitige Flügelprofil 21,22 der Ringflügelsegmente S1,S2 überlappen sich in der mit einem Neigungswinkel ß gegenüber der Rotationsebene R geneigten
Verbindungsfläche V nur teilweise, sodass die verbleibende
Stirnfläche des luvseitigen Flügelprofils 21 die
Widerstandsläuferstufe I des Ringflügelsegments S2 bildet. Die Strömung A ist, wie in Fig. 14 gezeigt, mit einem dynamischen Konuswinkel <x gegenüber der Rotationsachse x geneigt.
Fig. 16 zeigt eine Windturbine 12, deren Rotor 1 eine
Speichenradkonstruktion 11 mit Druckring 110, Nabe 111 und
Speichen 112 aufweist. Der Druckring 110 des Rotors 1 wird von insgesamt 45 Ringflügelsegmenten S1-S45 gebildet, die
untereinander an der Flügelnase n des Ringflügels 2 einen
Stufenkranz 23 bilden. Die Widerstandsläuferstufe I ist als konkave Schaufel 210 mit einem Kragen 211 ausgebildet, um die Stirnfläche für die Strömung A zu vergrößern. Nachdem die
Windturbine 12 von den Widerstandsläuferstufen I der
Ringflügelsegmente S1-S45 in eine Drehung mit Drehrichtung T versetzt wurde, bewirkt die Umlaufgeschwindigkeit des Rotors 1 eine resultierende Anströmung C, von der die
Auftriebsläuferstufen II der Ringflügelsegmente S1-S45
überströmt werden. Die Nabe 111 der Speichenradkonstruktion 11 wird luv- und leeseitig von einer vierfach verzweigten Gabel 121 unterstützt, die über ein Azimutlager mit Drehachse y mit einer Basis verbunden ist.
Fig. 17 zeigt zwei Ringflügelsegmente S1,S2 der Windturbine 12 nach Fig. 16. Die Strömung A trifft mit einem dynamischen Konuswinkel <x auf den Stufenkranz 23 des Ringflügels 2. Die resultierende Anströmung C entsteht aus der vektoriellen
Überlagerung der Geschwindigkeit der Strömung A mit der
Umlaufgeschwindigkeit B und wird auf die Flügelnase n der
Auftriebsläuferstufe II des Ringflügelsegments Sl gelenkt um die Auftriebskraft E zu erzeugen die in Drehrichtung T geneigt ist und die Vortriebskraft F und die Sogkraft D bewirkt. Aus der Vortriebskraft F leiten sich die tangentiale Antriebskraft G und die luvseitige Zugkraft L ab. Der Widerstand J setzt sich seinerseits aus dem tangentialen Rotationswiderstand K und der leeseitigen Schubkraft H zusammen. Da sich das leeseitige
Flügelprofil 22 des Ringflügelsegments Sl und das luvseitige Flügelprofil 21 des Ringflügelsegments S2 in der
Verbindungsfläche V nicht vollständig überlappen, bildet die Stirnfläche des luvseitigen Flügelprofils 21 die
Widerstandsläuferstufe I, während die Flügeloberfläche zwischen dem luvseitigen und dem leeseitigen Flügelprofil 21,22 die
Auftriebsläuferstufe II bildet. Die luvseitigen Flügelprofile 21 der Ringflügelsegmente S1,S2 sind jeweils als konkave Schaufeln 210 ausgebildet, wobei ein Kragen 211 die aerodynamisch wirksame Stirnfläche der Widerstandsläuferstufe I erweitert und sich in die Verbindungsfläche V hinein fortsetzt. Die Verbindungsfläche V der Ringflügelsegmente S1,S2 weist gegenüber der
Rotationsebene R einen Neigungswinkel ß auf, der in Drehrichtung T des Rotors 1 exponentiell wächst, sodass die
Widerstandsläuferstufe I als konkave Schaufel 210 ausgebildet werden kann.
Fig. 18 zeigt eine Windturbine 12 mit einer
Speichenradkonstruktion 11, bei der ein von sechs Speichen 112 mit der Nabe 111 verbundener Druckring 110 den Rotor 1 bildet. Die Windturbine 12 ist als Leeläufer ausgebildet. Der Generator 15 und das Generatorgehäuse 154 sind über ein Azimutlager mit vertikaler Drehachse y an einen Mast 120 angelenkt, sodass sich der Rotor 1 selbsttätig zu der Strömung A ausrichtet. Die Nabe 111 der Speichenradkonstruktion 11 ist über ein Lager 14 mit dem luvseitigen Generatorgehäuse 154 verbunden. Die
Ringflügelsegmente S1-S45 bilden untereinander eine
strömungsdynamisch wirksame Profilierung mit einem Stufenkranz 23, der von den luvseitigen und den leeseitigen Flügelprofilen 21,22 gebildet wird. Dabei weist eine Widerstandsläuferstufe I eine konkave Schaufel 210 mit in Drehrichtung T zunehmender Neigung gegenüber der Rotationsebene R auf. Bei diesem
Ausführungsbeispiel sind von der Innenseite des Ringflügels 2 in der Rotationsebene R abkragende Rotorblätter 113 vorgesehen, die jeweils ein asymmetrisches Flügelprofil aufweisen und an einer radialen Drehachse z mit einem variablen Anstellwinkel zur
Rotationsebene R geneigt sind. Diese abkragenden Rotorblätter 113 sind sowohl für das Anlaufen der Windturbine 12 als auch für die Begrenzung der Drehzahl um die radiale Achse z verstellbar.
Fig. 19 zeigt einen Ringflügel 2 als Rotor 1 für eine Wind- oder Wasserturbine 12,13, der aus 12 baugleichen Ringflügelsegmenten S1-S12 aufgebaut ist. Der Rotor 1 ist in einer vertikalen Achse y zu einer Strömung A ausrichtbar und rotiert um eine
horizontale Rotationsachse x in einer Rotationsebene R. Die Ringflügelsegmente S1-S12 sind jeweils in einer
Verbindungsfläche V mit einem Neigungswinkel ß gegenüber der Rotationsebene R angeordnet und bilden untereinander an der Außenseite des Ringflügels 2 einen Stufenkranz 23. Jedes
Ringflügelsegment S1-S12 weist in Drehrichtung T ein luvseitiges Flügelprofil 21 und ein leeseitiges Flügelprofil 22 auf, die sich jeweils bei gleicher Profiltiefe t in der Wölbungshöhe f unterscheiden und eine gemeinsame Flügelnase n und
Flügelhinterkante e haben. Die unterschiedliche Wölbungshöhe f des luvseitigen und des leeseitigen Flügelprofils 21,22 führt an der Flügeloberfläche zu einer Steigung mit einem tangentialen Steigungswinkel δ in Drehrichtung T an der Außenseite eines Ringflügelsegments S1-S12. Im Falle einer Windturbine 12 trifft die Strömung A mit einem dynamischen Konuswinkel <x zunächst auf die Widerstandsläuferstufen I und dreht den Rotor 1 an. Sobald sich der Rotor 1 dreht, kommt es zu einer Überlagerung der
Geschwindigkeit der Strömung A mit der Umlaufgeschwindigkeit B, wobei die resultierende Anströmung C auf die Flügelnase n der Auftriebsläuferstufen II des Ringflügels 2 trifft. Der
Ringflügel 2 ist mit einem Stufenkranz 23 ausschließlich auf der Ringaußenseite ausgebildet, wobei der Neigungswinkel ß in der Verbindungsfläche V für eine resultierende Anströmung C
ausgelegt ist, die der 2,5- bis 5-fachen Geschwindigkeit der Strömung A entspricht, bevorzugt der 2,5- bis 4-fachen,
besonders bevorzugt der 2,5- bis 3-fachen Geschwindigkeit.
Fig. 20 zeigt den Ringflügel 2 für eine Wind- oder Wasserturbine 12,13 nach Fig. 19 mit Aufweitung der Strömungsröhre als Folge der Energieentnahme durch einen wie in den Fig. 1 bis Fig. 18 von Rotorblättern gebildeten Diffusor. Durch die Überlagerung der Strömung A mit der Umlaufgeschwindigkeit B wird, wie in Fig. 19 und 21 gezeigt, die Flügelnase n des Ringflügels 2 schräg angeströmt. Die Verbindungsflächen V der Ringflügelsegmente Sl- Sn sind mit einem Neigungswinkel ß zur Rotationsebene R geneigt, der sich aus der Auslegungsschnelllaufzahl im Bereich von 2,5 bis 5, bevorzugt im Bereich 2,5 bis 4, besonders bevorzugt im Bereich von 2,5 bis 3 ergibt. Erreicht die Umlaufgeschwindigkeit B des Ringflügels 2 ein Mehrfaches der Geschwindigkeit der
Strömung A, entspricht der Winkel der resultierenden Anströmung C dem Neigungswinkel ß. Übersteigt die Umlaufgeschwindigkeit B einen geplanten Grenzwert, erhöht sich der Widerstand des Rotors 1 drastisch, sodass über den gewählten Neigungswinkel ß eine Drehzahlbegrenzung des Rotors 1 ermöglicht wird.
Fig. 21 zeigt zwei Ringflügelsegmente S1,S2 des in Fig. 19 und Fig. 20 dargestellten Ringflügels 2 mit den aus der Strömung A abgeleiteten Kräften B-L. Die Strömung A trifft mit einem dynamischen Konuswinkel <x auf die Flügelnase n des Ringflügels 2 und überlagert sich mit der Umlaufgeschwindigkeit B zu der resultierenden Anströmung C, die an dem dargestellten
Ringflügelsegment Sl eine Auftriebskraft E mit einer Neigung in Drehrichtung T und nach Luv bewirkt. Die Auftriebskraft E wirkt senkrecht zu der resultierenden Anströmung C und senkrecht zu der Flügeloberfläche, die wie in Fig. 19 gezeigt, mit einem tangentialen Steigungswinkel δ in Drehrichtung T des Rotors 1 geneigt ist. Die Auftriebskraft E teilt sich in die in der
Rotationsebene R wirksame tangentiale Antriebskraft G und die luvseitige Zugkraft L. Der Widerstand J wirkt der Vortriebskraft F entgegen und lässt sich vektoriell in die leeseitige
Schubkraft H und den tangentialen Rotationswiderstand K
zerlegen. Die Schubkraft H und die Zugkraft L heben einander gegenseitig weitgehend auf, sodass eine nicht näher dargestellte Haltekonstruktion des Ringflügels 2 wesentlich entlastet wird.
Fig. 22 zeigt eine Windturbine 12 als Speichenradkonstruktion 11, bei der 30 Ringflügelsegmente S1-S30 einen Ringflügel 2 bilden, bei dem der von den Widerstandsläuferstufen I und den Auftriebsläuferstufen II gebildete Stufenkranz 23 sowohl auf der Innen- als auch auf der Außenseite ausgeprägt ist. Die
Ringflügelsegmente S1-S30 bilden den Druckring 110 der
Speichenradkonstruktion 11, der luv- und leeseitig jeweils über sechs als Rotorblätter 113 ausgebildete Speichen 112 mit einer Nabe 111 verbunden ist. Eine zur Basis sich verjüngende, vierfach verzweigte Gabel 121 trägt den in die Nabe 111
integrierten Generator 15. Die Ringflügelsegmente S1-S30 weisen gemeinsame Flügelnasen n und Flügelhinterkanten e auf. Die
Auftriebsläuferstufe II eines Ringflügelsegments S1-S30 wird von der Flügeloberfläche gebildet, die das luvseitige und das leeseitige Flügelprofil 21,22 miteinander verbindet und dabei mit einem tangentialen Steigungswinkel δ in Drehrichtung T des Rotors 1 geneigt ist.
Fig. 23 zeigt die Windturbine 12 nach Fig. 22 in einem
Vertikalschnitt mit Darstellung der Speichenradkonstruktion 11, bei der der Ringflügel 2 einen Druckring 110 bildet und mit der Nabe 111 über Speichen 112, die als Rotorblätter 113 ausgebildet sind, verbunden ist. Der Generator 15 ist in die Nabe 111
integriert, die, wie in Fig. 22 gezeigt, von einer vierfach verzweigten Gabel 121 getragen wird und sich zu einem
Azimutlager mit vertikaler Drehachse y hin verjüngt. Die
parallel zu der horizontalen Rotationsachse x auf die
Windturbine 12 treffende Strömung A trifft mit einem dynamischen Konuswinkel <x auf den Ringflügel 2. Bei der Bildung des
dynamischen Konuswinkels <x wirken zwei Faktoren zusammen: Die als Rotorblätter 113 ausgebildeten Speichen 112 wirken als Diffusor Φ und lenken die Strömung A mit einem dynamischen
Konuswinkel <x von der Rotationsachse x weg; aufgrund der
Energieentnahme durch die Rotorblätter 113 steigt der Druck in der Strömungsröhre an, sodass der dynamische Konuswinkel <x im Bereich des Ringflügels 2 einen Betrag von 30-35 Grad annimmt. Da die von den Ringflügelsegmenten S1-S30 bewirkten
Auftriebskräfte E, wie auch in Fig. 25 gezeigt, senkrecht zu der aus der Geschwindigkeit der Strömung A und der
Umlaufgeschwindigkeit B resultierenden Anströmung C gerichtet sind, erzeugt der Rotor 1 eine luvseitige Zugkraft L, sodass die Tragkonstruktion der Windturbine 12 entlastet wird und deshalb ohne übermäßigen Materialaufwand hergestellt werden kann.
Fig. 24 zeigt die Windturbine 16 nach Fig. 22 und Fig. 23 in einer Ansicht mit Darstellung der von den Ringflügelsegmenten S1-S30 bewirkten, nach außen gerichteten Auftriebskräfte E. Das luvseitige und das leeseitige Flügelprofil 21,22 der
Ringflügelsegmente S1-S30 weisen jeweils bei gleicher Profiltiefe t eine unterschiedliche Wölbungshöhe f auf, sodass die Flügelnase n und die Flügelhinterkante e des Ringflügels 2 auf zwei konzentrischen Kreisen liegen und der Stufenkranz 23 sowohl an der Außen- als auch an der Innenseite des Ringflügels 2 ausgebildet ist. Die Flügeloberfläche eines Ringflügelsegments S1-S30 weist in Drehrichtung T des Rotors 1 einen tangentialen Steigungswinkel δ auf, sodass die an den Ringflügelsegmenten Sl- S30 angreifenden, Auftriebskräfte E jeweils senkrecht zu der Flügeloberfläche wirken und deshalb mit einem Versatzmoment an der horizontalen Rotationsachse x der Windturbine 12 angreifen.
Fig. 25 zeigt zwei Ringflügelsegmente S1,S2 der Windturbine 12 nach Fig. 22 bis Fig. 24 mit den von der Strömung A bewirkten aerodynamischen Kräften B-L. Beim Anlaufen des Rotors 1 wirkt zunächst ein Teil der Stirnfläche des luvseitigen Flügelprofils 21 als Widerstandsläuferstufe I an der Außen- und Innenseite des Ringflügels 2 und schiebt den Rotor 1 an. Die aus der
Überlagerung der Umlaufgeschwindigkeit B mit der Geschwindigkeit der Strömung A resultierende Anströmung C trifft auf eine
Flügeloberfläche, die mit einem tangentialen Steigungswinkel δ in Drehrichtung T des Rotors 1 geneigt ist, sodass die
Auftriebskraft E und die aus ihr abgeleitete Vortriebskraft F ebenfalls der durch den tangentialen Steigungswinkel δ
vorgegebenen Steigung folgen. Entgegen der Vortriebskraft F wirkt der Widerstand J der Turbine, der sich vektoriell in die leeseitige Schubkraft H und den tangentialen Rotationswiderstand K aufteilt, während sich die Vortriebskraft F aus der
tangentialen Antriebskraft G und der luvseitigen Zugkraft L zusammensetzt. Die Verbindungsfläche V zwischen den
Ringflügelsegmenten S1,S2 weist eine zum Mittelpunkt des
Ringflügels 2 sich verjüngende Kegelfläche auf, sodass der
Neigungswinkel ß gegenüber der Rotationsebene R kontinuierlich zunimmt. Das Detail zeigt auch den Anschluss einer Speiche 112, die als Rotorblatt 113 ausgebildet ist, das von zwei Seilen 122 getragen wird.
Fig. 26 zeigt ein Fahrzeug, das von einer Ringflügelturbine, die als Luvläufer ausgebildet ist, angetrieben wird. Der Rotor 1 der Turbine besteht aus einem aus 45 Ringflügelsegmenten S1-S45 aufgebauten Ringflügel 2 mit einer Speichenradkonstruktion 11, deren Druckring 110 von dem Ringflügel 2 gebildet wird und mit der Nabe 111 über Speichen 112, die als Rotorblätter 113
ausgebildet sind, verbunden ist. Der Ringflügel 2 entspricht in seiner aerodynamischen Wirkung der in Fig. 11 bis Fig. 15 erläuterten Windturbine 12. Die Nabe 111 der Windturbine 12 nimmt ein nicht näher bezeichnetes Getriebe auf, das über eine nicht näher bezeichnete Transmission das von dem Rotor 1
erzeugte Drehmoment auf die Hinterachse des Fahrzeugs überträgt. Die vier Speichenräder entsprechen dem in der DE 10 2011 107 063 AI beschriebenen Flügelrad. Die Vorderräder und die Vorderachse bilden einen Lenkschemel, der über ein Steuergelenk an den hinteren Fahrzeugteil angelenkt ist. Der Rotorblätter 113
bewirken leeseitigen Schub, während der Ringflügel 2 eine luvseitige Zugkraft L bewirkt und den Antrieb über die
Hinterachse unterstützt, sodass das ausschließlich
windgetriebene Fahrzeug gegen den Wind anfahren kann.
Fig. 27 zeigt einen Trimaran als Tragflächenboot, das von einer Ringflügelturbine angetrieben wird, bei der der Ringflügel 2 als Speichenradkonstruktion 11 mit Druckring 110, Nabe 111 und
Speichen 112 als Rotorblätter 113 den Rotor 1 einer Windturbine 12 bildet. Über einen Drehschemel, der die drei Rümpfe des
Trimarans untereinander verbindet und über vier Stäbe, die jeweils luv- und leeseitig an die horizontale Rotationsachse x der Windturbine 12 anschließen, richtet sich der Rotor 1
selbsttätig zu einer resultierenden Anströmung aus, bei der Wind, Fahrtwind und Umlaufgeschwindigkeit des Rotors 1 überlagert sind. Der Rotor 1 entspricht der in Fig. 11 bis Fig. 15 erläuterten Windturbine 12 und ist als Schnellläufer für eine Umlaufgeschwindigkeit, die dem 10-fachen der Geschwindigkeit der Strömung A entspricht, ausgelegt. Der Ringflügel 2 ist aus 45 Ringflügelsegmenten S1-S45 aufgebaut und hat eine Fläche von 707 m2. Damit steht genügend Antriebsenergie zur Verfügung, um die Rümpfe des Trimarans mittels von getauchten Tragflügeln aus dem Wasser zu heben, sodass Fahrtgeschwindigkeiten von mehr als 100 km/h ermöglicht werden. Der Antrieb erfolgt über eine große zentrale, in ihrer Eintauchtiefe verstellbare, elektrisch angetriebene Schraube, die von einem in die Nabe 111 der
Windturbine 12 integrierten Generator 15 mit Strom versorgt wird. Der Schraubenantrieb und eine resultierende luvseitige Zugkraft L ermöglichen dem Trimaran gegen den Wind zu fahren.
Fig. 28 zeigt eine Wasserturbine 13, deren Rotor 1 unterhalb einer Wasseroberfläche angeordnet ist und sich über ein
Azimutlager mit vertikaler Drehachse y am oberen Ende des Masts 120 selbsttätig zu einer mit den Gezeiten die Richtung
wechselnden Strömung A ausrichtet. Die Wasserturbine 13 weist einen Ringflügel 2 und sechs als Rotorblätter 113 ausgebildete Speichen 112 auf, die einen Diffusor Φ für den Ringflügel 2 bilden. Der Rotor 1 ist über ein als Wälzlager 140 ausgebildetes Lager 14 mit dem sich in einem wasserdichten Generatorgehäuse 154 befindenden Generator 15 verbunden. Die Flügelnase n des Ringflügels 2 weist einen von den Ringflügelsegmenten S1-S18 gebildeten Stufenkranz 23 auf. Die Verbindungsflächen V der Ringflügelsegmente S1-S18 sind gegenüber der Rotationsebene R mit einem Neigungswinkel ß geneigt.
Fig. 29 zeigt eine vollständig getauchte Wasserturbine 13, bei der ein als Diffusor Φ wirkender Strömungsleitkörper 10 von einem aus 18 Ringflügelsegmenten S1-S18 aufgebauten Ringflügel 2 konzentrisch umgeben wird. Der Rotor 1 weist eine Speichenradkonstruktion 11 auf bei der sechs radial angeordnete Rotorblättern 113 mit einer in den Strömungsleitkörper 10
integrierten Nabe 111 verbunden sind. Die Wasserturbine 13 hängt an einem koaxial zu der horizontalen Rotationsachse x
angeordneten Seil 122 und richtet sich damit zur Strömung A aus. Das Seil 122 wird von einem nicht näher bezeichneten
Versorgungsschlauch umgeben, der der Ableitung des von der
Wasserturbine 13 gewonnenen Stroms und der Aufnahme von Schalt- und Steuerungskabeln dient. Der Strömungsleitkörper 10 ist als Auftriebskörper ausgebildet und weist an seiner äußeren
Mantelfläche Strömungsleitflächen 101 auf, die als Nuten und Flossen ausgebildet sind und die Wasserturbine 13 in der
Strömung A stabilisieren. Der Generator 15 der kleinen
Wasserturbine 13 ist als Ringgenerator ausgebildet, wobei der Läuferring 151 in den Strömungsleitkörper 10 integriert ist.
Fig. 30 zeigt sechs kleine Wasserturbinen 13 nach Fig. 29, die an einem Haltegitter über ein Seil 122 angelenkt sind, als
Ausschnitt einer modularen Anordnung für eine Mehrzahl von
Wasserturbinen 13 in einem Fließgewässer. Da die
Strömungsleitkörper 10 der Wasserturbinen 13 in der Strömung A schweben, können an einem Seil 122 eine Mehrzahl von
Wasserturbinen 13 auch hintereinander angeordnet werden.
Fig. 31 zeigt drei Ringflügelturbinen, die in
Durchflussöffnungen einer Brücke 130 integriert sind, in einem exemplarischen Ausschnitt. Die Durchflussöffnungen sind als Strömungsleitkörper 10 ausgebildet und bilden jeweils einen Konfusor © für die Anströmung eines Ringflügels 2, der mit einem Generator 15 als Ringgenerator 150 verbunden ist.
Fig. 32 zeigt eine Ringflügelturbine nach Fig. 31 in einem horizontalen Querschnitt durch die Brücke 130 und in einem
Detailschnitt durch den Ringflügel 2 in einer Schnittebene, die mit dem Neigungswinkel ß gegenüber der Rotationsebene R geneigt ist und das effektive, von der resultierenden Anströmung C
erfasste asymmetrische Flügelprofil 200 des Ringflügels 2 zeigt. Der Generator 15 ist als Ringgenerator 150 ausgebildet und weist einen Läuferring 151 auf, der in einem brückenseitigen
Statorring 152 in einem Lager 14 geführt wird. Nicht näher dargestellte radiale Verbindungselemente verbinden den
Ringflügel 2 mit dem Läuferring 151, wobei zwischen dem
Ringflügel 2 und dem von der Durchflussöffnung der Brücke 130 gebildeten Strömungsleitkörper 10 eine Düse 100 gebildet wird. Innerhalb eines stetig fließenden Stroms benötigt diese
Wasserturbine 13 eine einmalige Anlaufhilfe, um die Drehzahl zu erreichen, für die das asymmetrische Flügelprofil 200 des
Ringflügels 2 ausgelegt ist.
Fig. 33 zeigt eine Wasserturbine 13, bei der der Diffusor Φ von einem als Schiff 131 ausgebildeten Strömungsleitkörper 10
gebildet wird. Das Schiff 131 ist über eine nicht näher
bezeichnete Ankerkette am Grund eines Gewässers verankert und kann sich im Falle eines Ankerpunkts als Gelenk mit vertikaler Drehachse zu einer von den Gezeiten bewirkten, wechselnden
Strömungsrichtung ausrichten. Der Rumpf des Schiffs 131 weist eine Tropfenform mit einer Strömungsleitfläche 101 auf. Der Ringflügel 2 ist aus 18 baugleichen Ringflügelsegmenten S1-S18 aufgebaut, die an der Flügelnase n einen Stufenkranz 23 mit Widerstandsläuferstufen I und Auftriebsläuferstufen II bilden und jeweils ein luvseitiges und ein leeseitiges Flügelprofil
21,22 aufweisen. Der Ringflügel 2 ist, wie auch in Fig. 34 gezeigt, mit einem radialen Abstand zu dem Rumpf des Schiffs 131 angeordnet, wobei zwischen der Außenseite des
Strömungsleitkörpers 10 und der Innenseite des Ringflügels 2 eine Düse 100 gebildet wird und der Ringflügel 2 mittels von radialen Rotorblättern 113 mit dem Läuferring 151 eines
Generators 15 verbunden ist. Alternativ kann die Wasserturbine 13 auch mit einem Ringflügel 2 ausgebildet werden, der ein asymmetrisches Flügelprofil 200 nach Fig. 28 und 29 aufweist.
Fig. 34 zeigt die Wasserturbine 13 nach Fig. 33 in einer
luvseitigen Ansicht mit Darstellung des als Schiff 131
ausgebildeten Strömungsleitkörpers 10, der für die Anströmung des Ringflügels 2 einen Diffusor Φ bildet, wobei mehr als die Hälfte des Ringflügels 2 unterhalb der Wasseroberfläche
angeordnet ist. Die Ringflügelturbine ist als
Speichenradkonstruktion 11 ausgebildet, bei der die Rotorblätter 113 den Ringflügel 2 mit der Nabe 111 verbinden, die in den Rumpf des Schiffs 131 eingelassen ist und den Läuferring 151 eines Ringgenerators bildet, wobei eine ringförmige Nut im Rumpf des Schiffs 131 den Statorring 152 des Generators 15 bildet. Eine derartige Wasserturbine 13 kann sowohl in Fließgewässern als auch in Meeresgebieten mit starker Gezeitenströmung
verankert werden. Für Wartungszwecke kann das ganze Schiff 131 einschließlich der Wasserturbine 13 in eine Werft gebracht werden .
Fig. 35 zeigt eine Wasserturbine 13 mit einem äußeren
Strömungsleitkörper 10, der luvseitig als Konfusor Θ und
leeseitig als Diffusor Φ wirkt und einen Ringgenerator 150 aufnimmt. Der Strömungsleitkörper 10 ist über ein Azimutlager mit vertikaler Drehachse y am Grund eines Gewässers verankert und richtet sich im Falle einer Gezeitenturbine selbsttätig zur Strömung aus. Der Ringflügel 2 trägt an seiner Außenseite sechs Rotorblätter 113, die mit dem Läuferring 151 des Ringgenerators 150 verbunden sind. Der Strömungsleitkörper 10 hat innenseitige Kanneluren als Strömungsleitflächen, die an dem luvseitigen Konfusor Θ der Strömung A einen Drall gegen die Drehrichtung T des Ringflügels 2 aufprägen, um die Widerstandsläuferstufen I des Ringflügels 2 anzuströmen. An dem leeseitigen Diffusor Φ sind die Srömungsleitflachen 101 in Drehrichtung T des Ringflügels 2 angeordnet.
Fig. 36 zeigt die luvseitige Ansicht der Wasserturbine 13 nach Fig. 35. Zwischen der Außenseite des Ringflügels 2, der aus 18 Ringflügelsegmenten S1-S18 aufgebaut ist, und der Innenseite des ihn konzentrisch umgebenden Strömungsleitkörpers 10 ist eine Düse 100 vorgesehen. Die von dem Konfusor Θ beschleunigte
Strömung A trifft im Bereich der Düsenverengung auf den
Ringflügel 2 und auf sechs radial mit dem Ringflügel 2
verbundene Rotorblätter 113, die die Energie der beschleunigten und gegen die Drehrichtung T des Ringflügels 2 gelenkten
Strömung A in eine Drehbewegung wandeln.
Fig. 37 zeigt die Wasserturbine 13 nach Fig. 35 und Fig. 36 in einem Vertikalschnitt entlang der vertikalen Drehachse y. Der Strömungsleitkörper 10 hat einen luvseitigen Konfusor Θ, dessen als Kanneluren ausgebildeten Strömungsleitflächen 101 die
Strömung A gegen die Drehrichtung des Rotors 1 lenken und einen leeseitigen Diffusor Φ, dessen Kanneluren die Strömung A in Drehrichtung des Rotors 1 lenken. Die von dem düsenförmigen Strömungsleitkörper 10 beschleunigte Strömung A trifft auf den Ringflügel 2 und wird dabei mit einem dynamischen Konuswinkel <x zu der frei durchströmbaren Mitte der Wasserturbine 13 gelenkt. Der Strömungsleitkörper 10 nimmt den Läufer- und den Statorring 151,152 eines Ringgenerators 150 auf. Zwischen dem
Strömungsleitkörper 10 und dem Ringflügel 2 ist eine Düse 100 vorgesehen, in der die Rotorblätter 113 angeordnet sind. An dem Konfusor Θ und dem Diffusor Φ können nicht näher bezeichnete Gitter die Turbine vor Beschädigung und Verschmutzung schützen. Über ein wasserdichtes Azimutlager ist die kugelförmig
ausgebildete Wasserturbine 13 mit einem am Grund des Gewässer verankerten Fuß verbunden. Fig. 38 zeigt eine Ringflügelturbine als Windturbine 12, bei der der Rotor 1 einen Konfusor © aufweist, wobei der Ringflügel 2 zweiteilig ausgebildet ist und aus einem Statorring 152 und einem Läuferring 151 besteht, die einen Ringgenerator 150
bilden. Der Läuferring 151 bildet den Konfusor ©, während der Statorring 152 über einen Mast 120 und ein Azimutlager mit vertikaler Drehachse y in einem Baugrund verankert ist. Die Strömung A wird an dem Konfusor © mit einem dynamischen
Konuswinkel <x zur Rotationsachse x hingelenkt, sodass der
Ringflügel 2, wie in Fig. 39 gezeigt, mit einer resultierenden Anströmung C angeströmt wird, die eine in Drehrichtung T
geneigte und nach Luv geneigte Auftriebskraft E bewirkt.
Fig. 39 zeigt exemplarisch ein Ringsegment des kreisringförmigen Ringflügels 2 der Windturbine 12 nach Fig. 38 mit Darstellung der von der Strömung A hervorgerufenen dynamischen Kräfte B-L als Vektoren. Der Statorring 152 des Ringflügels 2 besteht aus einem biege-, schub- und torsionssteifen Hohlkastenprofil und ist über ein Lager 14, das als berührungsloses Magnetlager 142 ausgebildet ist, mit dem Läuferring 151 verbunden, der als Konfusor © wirkt. Läufer- und Statorring 151,152 bilden einen Ringgenerator 150 als Transversalflussmaschine. Mit der
Umlaufgeschwindigkeit B überträgt sich der dynamische
Konuswinkel <x der Strömung A auf die resultierende Anströmung C und bewirkt an dem Ringflügelsegment die Auftriebskraft E. Aus der Auftriebskraft E leiten sich die Sogkraft D und die
Vortriebskraft F ab. Die in der Rotationsebene R wirksame tangentiale Antriebskraft G und die luvseitige Zugkraft L sind Produkte der Vortriebskraft F, während der tangentiale
Rotationswiderstand K und die leeseitige Schubkraft H aus dem Widerstand J abgeleitet sind. Fig. 40 zeigt die Ringflügelturbine nach Fig. 38 und Fig. 39 in einer Schnittperspektive mit Darstellung des gedrungenen
Flügelprofils 20 in einem Querschnitt, unten, in der durch den Neigungswinkel ß definierten Schnittebene und des asymmetrischen Flügelprofils 200 in einem Querschnitt, oben, parallel zu der Rotationsachse x. Im Querschnitt parallel zu der Rotationsachse x weist das gedrungene Flügelprofil 20 eine Sichelform auf und ist zweiteilig ausgebildet, wobei der Läuferring 151 auf einem Statorring 152 läuft und einen Ringgenerator 150 als
Transversalflussmaschine bildet. Das Lager 14 zwischen dem
Läuferring 151 und dem Statorring 152 ist als berührungsloses Magnetlager 141 ausgebildet. Wie in Fig. 39 dargestellt,
entfaltet das gedrungene Flügelprofil 20 erst in einer durch den Neigungswinkel ß definierten Neigungsebene seine Form als
Auftriebsläuferprofil mit einer im Wesentlichen parallel zu der Rotationsachse x angeordneten Profilsehne, einem kleinen
Nasenradius und einer vorgezogenen Wölbungshöhe f. Der
Neigungswinkel ß definiert auch die Auslegungsschnelllaufzahl der Ringflügelturbine, sodass der Ringgenerator 150 als
Elektromotor 16 den Läuferring 151 bei einsetzender Strömung A auf die nötige Schnelllaufzahl bringt.
Die beschriebenen Ausführungsbeispiele können wie folgt
zusammengefasst werden.
Ringflügelturbine, welche einen Rotor 1, eine Rotationsachse x und eine Rotationsebene R für den Rotor 1 aufweist, welcher Rotor 1 einen Ringflügel 2 aufweist, welcher Ringflügel 2 konzentrisch um die Rotationsachse x angeordnet ist, welcher Rotor 1 einen Diffusor Φ oder einen Konfusor Θ aufweist, welche jeweils dazu ausgebildet sind, der Strömung A einen dynamischen Konuswinkel zu verleihen, sodass die Strömung A im Falle eines Diffusors Φ von der Rotationsachse x weg und im Falle eines Konfusors Θ zu der Rotationsachse x hin gelenkt wird, und welche Ringflügelturbine dazu ausgebildet ist, die in einer Strömung A enthaltene kinetische Energie mittels des konzentrisch um die Rotationsachse x rotierenden Ringflügels 2 und mittels des Diffusors Φ oder
Konfusors Θ für die Strömung A in eine Drehbewegung mit einer Drehrichtung T zu wandeln und auf ein Nutzsystem zu übertragen, welcher Ringflügel 2 in einem Schrägschnitt des Ringflügels 2 in einer mit einem Neigungswinkel ß gegenüber der Rotationsebene R geneigten Schnittebene N durch die Rotationsachse x ein
asymmetrisches Flügelprofil 200 aufweist, welcher Neigungswinkel ß für eine vorgegebene Auslegungsschnelllaufzahl λ bestimmt ist, und in der Schnittebene N bei der Auslegungsschnelllaufzahl λ die Geschwindigkeit der Strömung A, die Umlaufgeschwindigkeit B des Ringflügels 2 und der in der Rotationsebene R vorhandene
Konuswinkel der Strömung A die resultierende Anströmung C des asymmetrischen Flügelprofils 200 derart bilden, dass über den gesamten Umfang des Ringflügels 2 eine aus der Auftriebskraft E des asymmetrischen Flügelprofils 200 abgeleitete, in
Drehrichtung T wirkende tangentiale Antriebskraft G und
bevorzugt auch eine luvseitig wirkende Zugkraft L erzeugt werden .
Durch die beschriebene Konstruktion kann mit Hilfe des
Ringflügels ein antreibendes Moment bei einer vorgegebenen
Schnelllaufzahl erzielt werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Rotationsachse x horizontal ausgerichtet.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist der Ringflügel 2 in einem radialen Querschnitt entlang der Rotationsachse x und senkrecht zu der Rotationsebene R ein gedrungenes Flügelprofil 20 auf. Das gedrungene Flügelprofil ist bei einer Anströmung in Profilrichtung im Wesentlichen ein Luftwiderstand und bildet keinen Auftrieb. Es ermöglicht jedoch in einer mit einem Neigungswinkel ß gegenüber der Rotationsebene R geneigten
Schnittebene N durch die Rotationsachse x ein besonders
bevorzugtes asymmetrisches Flügelprofil 200.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform besitzt das asymmetrische Flügelprofil 200 eine Profiltiefe t, eine Wölbungshöhe f und einer sich von der Flügelnase n bis zu der Flügelhinterkante e
erstreckende Profilsehne p. Ein solches Flügelprofil gibt einen guten Auftrieb.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform liegt die Saugseite des asymmetrischen Flügelprofils 200 im Falle einer Ringflügelturbine mit einem Diffusor Φ auf der Außenseite des Ringflügels 2, während im Falle einer Ringflügelturbine mit einem Konfusor Θ die
Saugseite des asymmetrischen Flügelprofils 200 auf der Innenseite des Ringflügels 2 liegt. Dies ergibt ein antreibendes Drehmoment.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform liegt die
Auslegungsschnelllaufzahl λ im Bereich 2,5 bis 5, bevorzugt im Bereich 2,5 bis 4, und besonders bevorzugt im Bereich 2,5 bis 3. Es sind somit vergleichsweise geringe Auslegungsschnelllaufzahlen vorgesehen und ausreichend für das Betreiben der
Ringflügelturbine. Dies ist ein großer Vorteil gegenüber
konventionellen Windrädern.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ermöglicht die
Ringflügelturbine eine passive Drehzahlbegrenzung dadurch, dass die aus der aktuellen Schnelllaufzahl λ resultierende Anströmung C an dem asymmetrischen Flügelprofil 200 abreißt, wenn die aktuelle Schnelllaufzahl λ die Auslegungsschnelllaufzahl λ überschreitet. Es muss hierdurch bei einer Überschreitung der Schnelllaufzahl keine Gegenmaßnahme zur Reduzierung der Drehzahl des Rotors ergriffen werden. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Ringflügel 2 aus einer Mehrzahl von Ringflügelsegmenten Sl-Sn aufgebaut und das asymmetrische Flügelprofil 200 weist ein luvseitiges und ein leeseitiges Flügelprofil 21,22 auf, welche Ringflügelsegmente Sl- Sn in einer mindestens abschnittsweise zu dem Neigungswinkel ß parallelen Verbindungsfläche V untereinander verbunden sind, und die Flügelprofile 21, 22 weisen jeweils eine unterschiedliche Flügelwölbung f auf und unterscheiden sich auch in der Profiltiefe t, sodass an der Flügelnase n des Ringflügels 2 ein Stufenkranz 23 aus Widerstandsläuferstufen I und Auftriebsläuferstufen II gebildet wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weisen das luvseitige und das leeseitige Flügelprofil 21,22 eines Ringflügelsegments Sl-Sn bei unterschiedlicher Wölbungshöhe f eine gleiche Profiltiefe t auf, sodass das luvseitige Flügelprofil 21 einen Grat 212 und das leeseitige Flügelprofil 22 eine Kehle 220 in der Verbindungsfläche V mit einem jeweils anschließenden Ringflügelsegment Sl-Sn bilden, wobei die Flügeloberfläche in Drehrichtung T der Ringflügelturbine einen tangentialen Steigungswinkel δ mit einer Gradiente zwischen dem Grat 212 und der Kehle 220 aufweist, und der Stufenkranz 23 entweder nur an der Außenseite oder nur an der Innenseite oder sowohl an der Außen- als auch an der Innenseite des Ringflügels 2 ausgebildet ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform bilden eine Mehrzahl von radialen Rotorblättern 113 den Diffusor Φ, und die Rotorblätter 113 weisen im Querschnitt ein in sich verwundenes, asymmetrisches Flügelprofil 200 auf und verbinden als Speichen 112 einer
Speichenradkonstruktion 11 den Ringflügel 2 mit einer Nabe 111, wobei der Ringflügel 2 den Druckring 110 der
Speichenradkonstruktion 11 bildet und die Speichen 112 ein
Hohlprofil, z.B. aus Kohlefaser, aus GFK oder aus Aluminium aufweisen oder als massive Metallprofile ausgebildet sind, und eine drehzahlbegrenzende Pitch-Stall-Verstellung der Rotorblätter 113 entlang einer radialen Achse z vorgesehen ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Druckring 110 einer Speichenradkonstruktion 11 als zwei- oder mehrgurtiger
Fachwerkring 114 ausgebildet, bei dem die Ringgurte jeweils von einem Ringflügel 2 und die Füllstäbe des mehrgurtigen
Fachwerkrings 114 von den Rotorblättern 113 der
Speichenradkonstruktion 11 und von Füllstäben mit einem
asymmetrischen Flügelprofil 200 gebildet werden. Dies ergibt eine stabile und leichte Konstruktion.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird der Diffusor Φ oder der Konfusor Θ von einem Strömungsleitkörper 10 gebildet, der als Rotationskörper koaxial und konzentrisch zu der Rotationsachse x angeordnet ist, wobei zwischen dem Ringflügel 2 und dem
Strömungsleitkörper 10 eine Düse 100 gebildet ist, die im Falle des Diffusors Φ zwischen der Außenseite des Strömungsleitkörpers 10 und der Innenseite des Ringflügels 2 und im Falle des Konfusors Θ zwischen der Innenseite des Strömungsleitkörpers 10 und der Außenseite des Ringflügels 2 angeordnet ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist der Generator 15 einen Ringgenerator 150 mit einem Läuferring 151 und einem
Statorring 152 auf. Dies ergibt einen kompakten Aufbau.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Ringflügelturbine als Wasserturbine 13 ausgebildet. Weiter bevorzugt weist der
Generator 15 ein wasserdichtes Generatorgehäuse 154 auf, das in einen Strömungsleitkörper 10 integriert ist. Hierdurch kann in vorteilhafter Weise die Wasserkraft ausgenutzt werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Ringflügelturbine vollständig oder nur teilweise unterhalb der Wasseroberfläche angeordnet, und sie weist einen Strömungsleitkörper 10 auf, welcher Strömungsleitkörper 10 bevorzugt von einer Brücke 130 oder von einem Schiff 131 gebildet ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Ringflügel 2 als Ringgenerator 150 ausgebildet, bei dem der Läuferring 151 den Konfusor Θ bildet und mit dem Statorring 152 über ein Lager 14 verbunden ist, und der Statorring 152 ist als Träger für den
Läuferring 151 ausgebildet. Dies ergibt eine stabile und kompakte Konstruktion .
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform besteht das Nutzsystem aus einem Generator 15 zur Erzeugung elektrischen Stroms oder aus einer Pumpe (z.B. zur Förderung von Wasser), oder aus einem
Kompressor (z.B. zur Herstellung von Druckluft oder einem anderen Gas), oder aus einem Getriebe (z.B. für den Antrieb eines Land¬ oder Wasserfahrzeugs) .
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Rotor 1 über ein Drehlager mit einer Drehachse y zur Strömung A ausrichtbar. Dies ist beispielsweise in einem Fluss, in dem die Strömung durch den Verlauf vorgegeben ist, nicht erforderlich. Bei einer Windturbine ist eine Anpassung der Richtung zur Strömungsrichtung vorteilhaft.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die
Ringflügelturbine einen motorischen Antrieb als Anlaufhilfe auf, um beim Start die Auslegungsschnelllaufzahl λ zu erreichen. Dies ermöglicht einen sicheren Start der Ringflügelturbine.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der motorische
Antrieb dazu ausgebildet, den Rotor 1 bis zum Erreichen der
Auslegungsschnelllaufzahl λ anzutreiben. Der Rotor kann somit die Auslegungsschnelllaufzahl erreichen und anschließend ohne Hilfe des Antriebs weiterdrehen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist der Ringflügel 2 in einem radialen Querschnitt entlang der Rotationsachse x und senkrecht zu der Rotationsebene R ein gedrungenes Profil 20 auf, welches bei einer Anströmung parallel zur Rotationsachse x keine einen Auftrieb erzeugende Wirksamkeit aufweist. Durch diese
Ausgestaltung kann das Profil im Neigungswinkel ß optimiert werden. Der radiale Querschnitt spielt im Betrieb keine direkt Rolle, da der Ringflügel durch den Diffusor oder Konfusor in einer anderen Richtung angeströmt wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist das asymmetrische Flügelprofil 200 einen kleinen Nasenradius und eine vorgezogenen Wölbungshöhe f auf. Ein solches Profil ergibt bei der
Auslegungsschnelllaufzahl einen guten Auftrieb und verhindert einen Strömungsabriss im vorderen Bereich.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform bilden bei der
Ringflügelturbine in der Schnittebene N bei der
Auslegungsschnelllaufzahl λ die Geschwindigkeit der Strömung A, die Umlaufgeschwindigkeit B des Ringflügels 2 und der in der Rotationsebene R vorhandene Konuswinkel der Strömung A die resultierende Anströmung C des asymmetrischen Flügelprofils 200 derart, dass über den gesamten Umfang des Ringflügels 2 eine aus der Auftriebskraft E des asymmetrischen Flügelprofils 200 abgeleitete luvseitig wirkende Zugkraft L erzeugt wird.
Zusätzlich zur in Drehrichtung T wirkenden tangentialen
Antriebskraft G erzeugt der Ringflügel somit eine luvseitig wirkende Zugkraft L, und hierdurch wird die von dem Konfusor oder Diffusor bewirkte leeseitig wirkende Schubkraft zumindest teilweise reduziert. Naturgemäß sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung vielfälti Abwandlungen und Modifikationen möglich.

Claims

Patentansprüche
1. Ringflügelturbine, welche einen Rotor (1), eine
Rotationsachse (x) und eine Rotationsebene (R) für den Rotor
(1) aufweist, welcher Rotor (1) einen Ringflügel (2) aufweist, welcher Ringflügel (2) konzentrisch um die Rotationsachse (x) angeordnet ist, welcher Rotor (1) einen Diffusor (Φ) oder einen Konfusor (Θ) aufweist, welche jeweils dazu ausgebildet sind, der Strömung (A) einen dynamischen Konuswinkel ( ) zu verleihen, sodass die Strömung (A) im Falle eines Diffusors
(Φ) von der Rotationsachse (x) weg und im Falle eines
Konfusors (Θ) zu der Rotationsachse (x) hin gelenkt wird, und welche Ringflügelturbine dazu ausgebildet ist, die in einer Strömung (A) enthaltene kinetische Energie mittels des
konzentrisch um die Rotationsachse (x) rotierenden Ringflügels
(2) und mittels des Diffusors (Φ) oder Konfusors (Θ) für die Strömung (A) in eine Drehbewegung mit einer Drehrichtung (T) zu wandeln und auf ein Nutzsystem zu übertragen, welcher
Ringflügel (2) in einem Schrägschnitt des Ringflügels (2) in einer mit einem Neigungswinkel (ß) gegenüber der
Rotationsebene (R) geneigten Schnittebene (N) durch die
Rotationsachse (x) ein asymmetrisches Flügelprofil (200) aufweist, welcher Neigungswinkel (ß) für eine vorgegebene Auslegungsschnelllaufzahl (λ) bestimmt ist, und in der
Schnittebene (N) bei der Auslegungsschnelllaufzahl (λ) die Geschwindigkeit der Strömung (A) , die Umlaufgeschwindigkeit
(B) des Ringflügels (2) und der in der Rotationsebene (R) vorhandene Konuswinkel ( ) der Strömung (A) die resultierende Anströmung (C) des asymmetrischen Flügelprofils (200) derart bilden, dass über den gesamten Umfang des Ringflügels (2) eine aus der Auftriebskraft (E) des asymmetrischen
Flügelprofils (200) abgeleitete, in Drehrichtung (T) wirkende tangentiale Antriebskraft (G) erzeugt wird.
2. Ringflügelturbine nach Anspruch 1, bei welcher der Ringflügel (2) in einem radialen Querschnitt entlang der Rotationsachse (x) und senkrecht zu der Rotationsebene (R) ein gedrungenes Flügelprofil (20) aufweist.
3. Ringflügelturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher das asymmetrische Flügelprofil (200) eine Profiltiefe (t) , eine Wölbungshöhe (f) und einer sich von der Flügelnase (n) bis zu der Flügelhinterkante (e) erstreckende Profilsehne (p) besitzt.
4. Ringflügelturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die Saugseite des asymmetrischen Flügelprofils (200) im Falle einer Ringflügelturbine mit einem Diffusor (Φ) auf der Außenseite des Ringflügels (2) liegt, während im Falle einer Ringflügelturbine mit einem Konfusor (Θ) die Saugseite des asymmetrischen Flügelprofils (200) auf der Innenseite des Ringflügels (2) liegt.
5. Ringflügelturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die Auslegungsschnelllaufzahl (λ) im Bereich 2,5 bis 5 liegt, bevorzugt im Bereich 2,5 bis 4, und besonders bevorzugt im Bereich 2,5 bis 3.
6. Ringflügelturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
welche eine passive Drehzahlbegrenzung dadurch ermöglicht, dass die aus der aktuellen Schnelllaufzahl (λ) resultierende Anströmung (C) an dem asymmetrischen Flügelprofil (200) abreißt, wenn die aktuelle Schnelllaufzahl (λ) die
Auslegungsschnelllaufzahl (λ) überschreitet.
7. Ringflügelturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher der Ringflügel (2) aus einer Mehrzahl von
Ringflügelsegmenten (Sl-Sn) aufgebaut ist und das asymmetrische Flügelprofil (200) ein luvseitiges und ein leeseitiges Flügelprofil (21,22) aufweist, welche
Ringflügelsegmente (Sl-Sn) in einer mindestens abschnittsweise zu dem Neigungswinkel (ß) parallelen Verbindungsfläche (V) untereinander verbunden sind und die Flügelprofile (21,22) jeweils eine unterschiedliche Flügelwölbung (f) aufweisen und sich auch in der Profiltiefe (t) unterscheiden, sodass an der Flügelnase (n) des Ringflügels (2) ein Stufenkranz (23) aus Widerstandsläuferstufen (I) und Auftriebsläuferstufen (II) gebildet wird.
8. Ringflügelturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher das luvseitige und das leeseitige Flügelprofil (21,22) eines Ringflügelsegments (Sl-Sn) bei unterschiedlicher
Wölbungshöhe (f) eine gleiche Profiltiefe (t) aufweisen, sodass das luvseitige Flügelprofil (21) einen Grat (212) und das leeseitige Flügelprofil (22) eine Kehle (220) in der Verbindungsfläche (V) mit einem jeweils anschließenden
Ringflügelsegment (Sl-Sn) bilden, wobei die Flügeloberfläche in Drehrichtung (T) der Ringflügelturbine einen tangentialen Steigungswinkel (δ) mit einer Gradiente zwischen dem Grat (212) und der Kehle (220) aufweist, und der Stufenkranz (23) entweder nur an der Außenseite oder nur an der Innenseite oder sowohl an der Außen- als auch an der Innenseite des
Ringflügels (2) ausgebildet ist.
9. Ringflügelturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher eine Mehrzahl von radialen Rotorblättern (113) den Diffusor (Φ) bilden und die Rotorblätter (113) im Querschnitt ein in sich verwundenes, asymmetrisches Flügelprofil (200) aufweisen und als Speichen (112) einer Speichenradkonstruktion (11) den Ringflügel (2) mit einer Nabe (111) verbinden, wobei der Ringflügel (2) den Druckring (110) der
Speichenradkonstruktion (11) bildet und die Speichen (112) ein Hohlprofil, z.B. aus Kohlefaser, aus GFK oder aus Aluminium aufweisen oder als massive Metallprofile ausgebildet sind, und eine drehzahlbegrenzende Pitch-Stall-Verstellung der
Rotorblätter (113) entlang einer radialen Achse (z) vorgesehen ist .
10. Ringflügelturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher der Druckring (110) einer Speichenradkonstruktion (11) als zwei- oder mehrgurtiger Fachwerkring (114) ausgebildet ist, bei dem die Ringgurte jeweils von einem Ringflügel (2) und die Füllstäbe des mehrgurtigen Fachwerkrings (114) von den Rotorblättern (113) der Speichenradkonstruktion (11) und von Füllstäben mit einem asymmetrischen Flügelprofil (200) gebildet werden.
11. Ringflügelturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher der Diffusor (Φ) oder der Konfusor (Θ) von einem
Strömungsleitkörper (10) gebildet wird, der als
Rotationskörper koaxial und konzentrisch zu der Rotationsachse (x) angeordnet ist, wobei zwischen dem Ringflügel (2) und dem Strömungsleitkörper (10) eine Düse (100) gebildet ist, die im Falle des Diffusors (Φ) zwischen der Außenseite des
Strömungsleitkörpers (10) und der Innenseite des Ringflügels (2) und im Falle des Konfusors (Θ) zwischen der Innenseite des Strömungsleitkörpers (10) und der Außenseite des Ringflügels (2) angeordnet ist.
12. Ringflügelturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher der Generator (15) einen Ringgenerator (150) mit einem Läuferring (151) und einem Statorring (152) aufweist.
13. Ringflügelturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche als Wasserturbine (13) ausgebildet ist, und bei welcher der Generator (15) ein wasserdichtes Generatorgehäuse (154) aufweist, das in einen Strömungsleitkörper (10) integriert ist .
14. Ringflügelturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche als Wasserturbine (13) ausgebildet ist und vollständig oder nur teilweise unterhalb der Wasseroberfläche angeordnet ist, und welche einen Strömungsleitkörper (10) aufweist, welcher Strömungsleitkörper (10) bevorzugt von einer Brücke (130) oder von einem Schiff (131) gebildet ist.
15. Ringflügelturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher der Ringflügel (2) als Ringgenerator (150) ausgebildet ist, bei dem der Läuferring (151) den Konfusor (Θ) bildet und mit dem Statorring (152) über ein Lager (14) verbunden ist, und der Statorring (152) als Träger für den Läuferring (151) ausgebildet ist.
16. Ringflügelturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher das Nutzsystem aus einem Generator (15) zur Erzeugung elektrischen Stroms oder aus einer Pumpe z.B. zur Förderung von Wasser, oder aus einem Kompressor zur Herstellung von Druckluft, oder aus einem Getriebe für den Antrieb eines Land¬ oder Wasserfahrzeugs besteht.
17. Ringflügelturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher der Rotor (1) über ein Drehlager mit einer Drehachse (y) zur Strömung (A) ausrichtbar ist.
18. Ringflügelturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche einen motorischen Antrieb als Anlaufhilfe aufweist, um beim Start die Auslegungsschnelllaufzahl (λ) zu erreichen.
Ringflügelturbine nach Anspruch 18, bei welcher der motorische Antrieb dazu ausgebildet ist, den Rotor (1) bis zum Erreichen der Auslegungsschnelllaufzahl (λ) anzutreiben.
20. Ringflügelturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher der Ringflügel (2) in einem radialen Querschnitt entlang der Rotationsachse (x) und senkrecht zu der
Rotationsebene (R) ein gedrungenes Profil (20) aufweist, welches bei einer Anströmung parallel zur Rotationsachse (x) keine einen Auftrieb erzeugende Wirksamkeit aufweist.
21. Ringflügelturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher das asymmetrische Flügelprofil (200) einen kleinen Nasenradius und eine vorgezogenen Wölbungshöhe (f) aufweist.
22. Ringflügelturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher in der Schnittebene (N) bei der
Auslegungsschnelllaufzahl (λ) die Geschwindigkeit der
Strömung (A) , die Umlaufgeschwindigkeit (B) des Ringflügels (2) und der in der Rotationsebene (R) vorhandene Konuswinkel ( ) der Strömung (A) die resultierende Anströmung (C) des asymmetrischen Flügelprofils (200) derart bilden, dass über den gesamten Umfang des Ringflügels (2) eine aus der
Auftriebskraft (E) des asymmetrischen Flügelprofils (200) abgeleitete luvseitig wirkende Zugkraft (L) erzeugt wird.
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