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Die
Erfindung betrifft Rotoren mit einer zur Anströmung parallel
oder senkrecht angeordneten Rotationsachse zur Umwandlung der in
einer Strömung enthaltenen kinetischen Energie in eine
Drehbewegung als Strömungskonverter für eine Wind-
oder Wasserturbine oder umgekehrt als Strömungsgenerator
zur Umwandlung einer Drehbewegung in einen Auftrieb und Antrieb,
insbesondere als Hubschrauber- oder Schiffsrotor.
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Bei
den im Rahmen der Erfindung vorgeschlagenen Rotoren handelt es sich
ausnahmslos um Auftriebsläufer, bei denen eine hohe Anströmgeschwindigkeit
am Rotorblatt aus der Überlagerung einer Wind- oder Wasserströmung
mit der Umfangsgeschwindigkeit entsteht. Bei diesen als Auftriebs-
oder Schnellläufer bekannten Rotoren kann die Anströmgeschwindigkeit
am Rotorblatt das bis zu Neunfache der Strömungsgeschwindigkeit
betragen. Da die im Wind enthaltene Leistung mit der dritten Potenz
der Windgeschwindigkeit ansteigt, benötigen insbesondere
Windturbinen einen Mechanismus zur Begrenzung der aufgenommenen Leistung
und Belastung. Stärkerer Wind verursacht eine Veränderung
der Anströmrichtung, die aus der Kombination von Windgeschwindigkeit
und Umfangsgeschwindigkeit herrührt. Deshalb kann auch
bei einem starr mit dem Rotorkopf oder einer Nabe verbundenen Rotorblatt
eine selbststeuernde Leistungsbegrenzung als passives „Stall-konzept” durch
Strömungsabriss an der Saugseite der Rotorblätter
realisiert werden. Von einem aktiven „Stall-Konzept” spricht
man wenn zur Leistungsbegrenzung der Anstellwinkel eines Rotorblatts durch
Verdrehung des Rotorblatts am Rotorkopf verändert wird.
Wird die Flügelnase eines Rotorblatts bei Sturm schließlich
ganz in den Wind gedreht, steht das Rotorblatt in der sogenannten „Pitch-Stellung” still.
Bekannte Wind- und Wasserturbinen mit horizontaler Drehachse weisen
radial zur Drehachse angeordnete Rotorblätter mit einem
aero- oder hydrodynamisch wirksamen Flü gelprofilquerschnitt
auf, bei dem die Flügelnase in Drehrichtung des Rotors
und die Breitseite des Flügels quer zur Strömung
ausgerichtet sind. Die Rotorblätter sind als Kragarme mit
dem Rotorkopf einseitig verbunden. Obwohl der Rotordurchmesser in
den letzten Jahrzehnten kontinuierlich vergrößert
wurde, erreicht diese Bauart mit etwa 130 m Rotordurchmesser eine
konstruktionsbedingte Obergrenze. Bei dieser Größe
sind die Rotorblätter extremen Belastungen unterworfen, neigen
zu Schwingungen und rufen Schlaggeräusche beim Durchgang
am Turm einer Windkraftanlage hervor.
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Bekannte
Hubschrauberrotoren weisen bezüglich der Rotationsachse
radial angeordnete Rotorblätter auf, deren Anstellwinkel
variierbar ist. Ein ringförmiges Rotorblatt mit einer bezüglich
der Rotationsachse radialen oder konzentrischen Anordnung ist nicht
bekannt. Schiffe nutzen vorwiegend das Prinzip der Schraube als
Antriebsmechanismus. Ein Schiffsantrieb, der im Wasser eine antreibende
Welle erzeugt, ist nicht bekannt.
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Aus
der Patentschrift
US 5,161,952 ist
eine Windturbine bekannt bei der ein Rotorblatt aus zwei mit einem
Abstand hintereinander angeordneten Flügelprofilen aufgebaut
ist. Bei dieser Rotorblattanordnung ist es ein Nachteil, dass das
strömungsabgewandte Rotorblatt im Windschatten des strömungszugewandten
Rotorblattes liegt, sodass beim Anlaufen des Rotors nur eine Blatthälfte,
die im Wind enthaltene Energie aufnehmen kann. Ein ringförmiges
Rotorblatt geht aus dieser Druckschrift nicht hervor.
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Die
EP 0 854 981 B1 zeigt
ein Windrad mit horizontaler Drehachse und einem kreisringförmigen Druckring
zur Aufnahme von aerodynamisch wirksamer Speichen mit einer Flügelprofilierung.
Der Druckring ist hier als Läufer eines ringförmigen
Generators ausgebildet und weist keine aerodynamische Profilierung
auf.
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Ein
Ringflügelrotor ist aus der
DE 10 2005 059 679 A1 bekannt.
Dieser Ringflügelrotor hat eine Kreisringform und dient
als Kreiselverdichter für ein Fluggerät. Ein periodischer
Wechsel der Flügel ausrichtung innerhalb eines ringförmigen
Rotorblatts geht aus dieser Druckschrift nicht hervor.
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Ausgehend
von dem dargestellten Stand der Technik liegt der Erfindung die
Aufgabe zugrunde, einen Rotor mit einem ringförmigen Rotorblatt
mit aero- oder hydrodynamisch wirksamer Flügelprofilierung
anzugeben, der im Falle eines Strömungskonverters den Bau
neuartiger Wind- und Wasserturbinen ermöglicht und der
im Falle eines angetriebenen Strömungsgenerators einen
Auftrieb bewirkt und als Hubschrauber- oder Schiffsrotor ein neuartiges
Antriebskonzept offenbart.
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Diese
Aufgaben werden mit den in Anspruch 1 genannten Merkmalen eines
Rotors gelöst.
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Wind- und Wasserturbinen mit
horizontaler Rotationsachse
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Ein
ringförmiges Rotorblatt, das aus nur zwei Ringsegmenten
aufgebaut ist, ermöglicht die Ausbildung eines neuartigen
Rotorblatts für eine herkömmliche dreiflüglige
Windturbine. Das ringförmige Rotorblatt zeigt dabei die
Gestalt einer flachen Ellipse, einer Schlaufe oder Schlinge, wobei
ein vorauslaufendes und ein nachlaufendes Ringsegment jeweils mit
einem Anstellwinkel zur Strömung ausgerichtet sind. Dadurch
ist sichergestellt dass beide Ringsegmente von der Anströmung
erfasst werden. In einer besonders vorteilhaften Ausführungsvariante
der Erfindung ist vorgesehen die Ringsegmente in zwei Ebenen anzuordnen,
sodass ein Abstand zwischen dem vorauslaufenden und dem nachlaufenden
Ringsegment entsteht. Analog zu einem Segelboot mit Fock und Großsegel
entsteht an der Saugseite der Rotorblätter eine Düsenwirkung
zwischen dem vorauslaufenden und dem nachlaufenden Ringsegment,
die die aerodynamische Wirkung eines ringförmigen Rotorblatts
erhöht. Ein weiterer Vorteil dieser Anordnung besteht in
der Möglichkeit, Biegebeanspruchungen des Rotorblatts in
einer Ringkonstruktion über die in Anströmrichtung
vorhandene Bauhöhe an den Rotorkopf abzuleiten. Diese Ringform
ermöglicht auch eine Anpassung an die unterschiedlichen
Umlaufgeschwindigkeiten eines ringförmigen Rotorblatts
vom Rotorkopf bis zur Blattspitze durch unterschiedlich geschnittene
Flügelprofile und durch eine Verjüngung der Flügelprofile.
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Ringförmige
Rotorblätter, die aus mehr als zwei Ringsegmenten bestehen,
sind konzentrisch um die Rotationsachse angeordnet. Für
die Verbindung eines ringförmigen Rotorblatts mit der Nabe
des Rotors sind in diesem Fall Speichen vorgesehen, die ihrerseits
eine Flügelprofilierung aufweisen.
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Für
das Anlaufen eines Rotors ist es von Bedeutung, dass die einzelnen
Ringsegmente mit einem Anstellwinkel zur Anströmung ausgerichtet
sind.
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Für
Windturbinen mit einem Durchmesser von 200 m und mehr wird eine
Speichenradkonstruktion vorgeschlagen, bei der zwei sternförmige
Rotorblätter in Richtung der Anströmung mit einem
Abstand und mit einem Versatz zueinander angeordnet sind und durch
Flügelprofile untereinander verbunden werden. Die verbindenden
Flügelprofile sind mit der Flügelnase in Drehrichtung
ausgerichtet und weisen mit ihrer Breitseite eine tangentiale Stellung
zum Rotorkreis auf. Zur Begrenzung der Umlaufgeschwindigkeit sind
diese Profile drehbar an einem tragenden Rundhohlprofil gelagert,
sodass sie quer zur Drehrichtung gestellt werden können.
Durch Spannglieder in Umfangsrichtung kann ein Druckring als mehrgurtiger
Fachwerkträger ausgebildet werden und dient als Widerlager
für radial angeordnete Speichen, die das ringförmige
Rotorblatt mit einer Nabe verbinden.
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Wind- und Wasserturbinen mit
vertikaler Rotationsache
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Bei
diesen Rotoren sind die einzelnen Segmente eines ringförmigen
Rotorblatts in periodischem Wechsel mit der Flügelnase
oder mit der Flügelhinterkante zur Anströmung
ausgerichtet. Beim Anlaufen einer Wind- oder Wasserturbine ist dabei
von Bedeutung, dass sich die Widerstandszahlen (cw-Werte)
eines von der Nase her angeströmten Flügelprofils
und eines von der Flügelhinterkante angeströmten
Flügelprofils etwa um den Faktor „2” unterscheiden, sodass
der Rotor von der Strömung zunächst angeschoben
wird. Bei einer entsprechenden Drehzahl des Rotors werden sowohl
das vorauslaufende Blattsegment als auch das nachlaufende Blattsegment
von der Flügelnase her angeströmt, wobei sich
der Luftwiderstand des Rotors verringert und die Drehzahl erhöht.
Ein erfindungsgemäßes ringförmiges Rotorblatt
bewirkt außerdem eine Verstetigung der Rotation und ist
unempfindlich gegenüber wechselhaften Winden, bei denen
Windrichtung und Windstärke unstetig sind. Flügelklappen
dienen gegebenenfalls der Drehzahlbegrenzung eines horizontal rotierenden
Rotors.
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Besonders
vorteilhaft erscheint die Möglichkeit, mehrere horizontal
drehende Rotoren an einem vertikalen Mast oder Turmschaft anzuordnen.
Eine derartige Windturbine kann mehrere hundert Meter hoch sein und
besteht z. B. aus einer am Untergrund eingespannten Stahlbetonröhre
als Widerlager für die mittels einer ringförmigen
Nabe und Wälzlagern angeschlossenen Rotoren mit einem Durchmesser
von 40–80 m. Ein Transmissionsrad überträgt
die Energie von der Nabe des Rotors auf eine im Turmschaft liegende,
vertikale Generatorwelle. Neben einem Wartungsaufzug für
den internen Betrieb kann auch ein Besucheraufzug vorgesehen werden,
sodass ein entsprechendes Turmbauwerk zusätzlich z. B.
als Aussichtsturm genutzt werden kann. Besonders vorteilhaft erscheint
es, den vertikal übereinander angeordneten Rotoren eine
gegensinnige Drehbewegung zuzuordnen, sodass die von den Rotoren
erzeugte Luftbewegung sich zu einem Wirbel verdichtet. Gelingt dies,
erhöht sich die Drehzahl der Rotoren erheblich.
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Mit
asymmetrischen Flügelprofilen für das ringförmige
Rotorblatt und für die Speichen erzeugt ein horizontales
Windrad einen Auftrieb, der seiner Gewichtskraft entgegenwirkt und
deshalb die Lager entlastet.
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Wasserturbinen
kombinieren den Vorteil eines großen Rotordurchmessers
mit einer flachen Bauweise, sodass sie für den Einsatz
in Fließgewässern oder an Küsten zur
Ausnutzung der Gezeitenströmung besonders geeignet erscheinen.
Insbesondere bei einer von der Ge zeitenströmung angetriebenen
Turbine erweist sich die Richtungslosigkeit dieser Rotoren als großer
Vorteil.
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Konstruktion
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Bei
erfindungsgemäßen Windturbinen mit horizontaler
oder mit vertikaler Rotationsachse besteht das ringförmige
Rotorblatt aus glasfaserverstärktem Kunststoff und weist
im Querschnitt ein Hohlkammerprofil mit verstärkenden Querrippen
auf, an denen die Speichen angeschlagen sind. Die Speichen haben
einen tragenden Kern aus einem Seil oder einem Flachprofil mit einem
umgebenden Schalenkörper, der als Flügelprofil
die aerodynamische Formgebung der Speiche herstellt. Dieser Schalenkörper
besteht z. B. aus einem Aluminium-Strangpressprofil, das mittels
Klemmstücken auf das Seil oder das Flachprofil geklemmt
wird. Strangpressprofile aus Kunststoff eignen sich ebenfalls zur
Herstellung eines aerodynamisch profilierten Schalenkörpers und
können z. B. mit einem tragenden Kern aus einem Kohlefaserverbundstab
verklebt werden. Federelemente, die vorzugsweise an der Nabe angeschlagen
werden, halten die Vorspannkraft der Speichen bei unterschiedlichen
Temperatur- und Betriebsbedingungen konstant und tragen damit zur
Formstabilität des Rotors bei.
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Hubschrauber- und Schiffsrotoren
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Bei
einem Hubschrauberrotor ist die Düsenwirkung zwischen einem
vorauslaufenden und einem nachlaufenden Ringsegment, insbesondere
bei einem ellipsen- oder schlaufenförmigen Rotorblatt mit
im Wesentlichen radialer Stellung zur Rotationsachse, ein Vorteil,
der den Auftrieb erhöht und deshalb eine Reduktion des
Rotordurchmessers ermöglicht. Ein Rotor mit vergleichsweise
kleinerem Durchmesser verbessert die Manövrierbarkeit und
allgemein die Flugleistung eines Hubschraubers.
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Bei
einem Schiffsantrieb kann ein erfindungsgemäßer,
horizontal am Heck rotierender Rotor die Antriebskraft optimal an
das Wasser abgeben und erzeugt dabei eine Welle, die auf einem als
schiefe Ebene ausgebildeten Schiffsboden einwirkt und ein Schiff
dadurch auf neuartige Weise antreibt. Seitliche Leitflossen am Heck
des Schiffes kanalisieren dabei die Welle und bewirken einen resultierenden
Schub in Fahrtrichtung. Unter den zahlreichen Gestaltungsmöglichkeiten
eines entsprechenden Schiffsrotors erweist sich auch hier die Düsenwirkung
zwischen zwei Rotorblattsegmenten, die als vorauslaufendes und als
nachlaufendes Segment jeweils mit einem Versatz zueinander angeordnet
sind, als eine Maßnahme Mit einem verstellbaren Anstellwinkel
kann die Antriebsleistung optimal an den jeweiligen Fahrtmodus angepasst
werden.
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Da
der Rotor über ein Kugelgelenk im Schiffsboden in alle
Richtungen verschwenkbar ist, kommt ein derartiger Schiffsantrieb
ohne zusätzliche Ruderanlage aus und zeichnet sich durch
optimale Manövriereigenschaften aus. Durch die Auflösung
des Nachlaufwiderstands im Totwasserbereich wird der längenbezogene Formwiderstand
eines Schiffes aufgelöst, sodass höhere Fahrtgeschwindigkeiten
bei gegebener Antriebsleistung möglich erscheinen.
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Weitere
vorteilhafte Einzelheiten und Gestaltungsmöglichkeiten
der Erfindung gehen aus den Zeichnungen hervor. Zugunsten einer
besseren Lesbarkeit wurde in den Zeichnungen auf die maßstäbliche
Darstellung der Verhältnisse der einzelnen Bauteile zueinander
verzichtet.
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Es
zeigen:
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1 eine
Windturbine mit drei ringförmigen Rotorblättern
und horizontaler Rotationsachse in der perspektivischen Übersicht
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2 ein
ringförmiges Rotorblatt der Windturbine nach 1 in
der perspektivischen Schnittdarstellung
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3 eine
Windturbine mit einem aus sechs Ringsegmenten aufgebauten Rotorblatt
in der perspektivischen Übersicht
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4 eine
Windturbine mit einem ringförmigen Rotorblatt und horizontaler
Rotationsachse in der schematischen Ansicht
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5 ein
Ringsegment der Windturbine nach 4 im schematischen
Querschnitt (a-a, b-b)
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6 eine
große Windturbine mit horizontaler Drehachse als Speichenradkonstruktion
in der perspektivischen Darstellung
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7 ein
dreieckförmiges Rotorblatt mit gerundeten Ecken und konvexen
Seiten in schematischer, perspektivischer Darstellung
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8 ein
in Drehrichtung vorauslaufendes, asymmetrisches Flügelprofil
nach 7 im Querschnitt (c-c)
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9 ein
in Drehrichtung nachlaufendes, asymmetrisches Flügelprofil
nach 7 im Querschnitt (d-d)
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10 ein
aus acht Segmenten zusammengesetztes quadratisches Rotorblatt mit
gerundeten Ecken und konvexen Seiten in perspektivischer Darstellung
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11 ein
in Drehrichtung vorauslaufendes Ringsegment mit einem asymmetrischen
Flügelprofil nach 10 im
Querschnitt (e-e)
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12 ein
in Drehrichtung nachlaufendes Ringsegment mit einem asymmetrischen
Flügelprofil nach 10 im
Querschnitt (f-f)
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13 einen
Rotor mit horizontaler Rotationsachse und einem ringförmigen
Rotorblatt, dessen acht Segmente in zwei unterschiedlichen Ebenen
angeordnet sind in perspektivischer Schemadarstellung
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14 ein
ringförmiges Rotorblatt als Ellipse mit vertikaler Rotationsachse
in der schematischen Aufsicht
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15 ein
ringförmiges, aus sechs Segmenten aufgebautes Rotorblatt
als Stern mit vertikaler Rotationsachse in der schematischen Aufsicht
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16 eine
erfindungsgemäße Windturbine mit vertikaler Rotationsachse
und einem aus sechs Segmenten aufgebauten dreieckförmigen
Rotorblatt in der perspektivischen Übersicht
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17 eine
Speiche mit Flügelprofilierung im schematischen Querschnitt
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18 eine
Speiche mit Flügelprofilierung im schematischen Querschnitt
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19 den
Ausschnitt einer Windturbine mit vertikaler Rotationsachse und vier übereinander
angeordneten, ringförmigen Rotorblättern in der
perspektivischen Übersicht
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20 eine
Windturbine mit horizontaler Rotationsachse und zwei viereckigen,
vertikal rotierenden Rotorblättern in der perspektivischen Übersicht
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21 einen
Schiffsrotor in der perspektivischen Übersicht
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22 eine
Speiche des Rotors nach 21 im
schematischen Querschnitt (g-g)
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23 den
Schiffsrotor nach 21 mit Antriebsaggregat und
Steuerungseinheit im eingebauten Zustand in der schematischen Schnittisometrie
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24 die
Antriebseinheit nach 23 in einem Schiffsrumpf im
schematischen Längsschnitt
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1 zeigt
eine Windturbine 320 mit horizontaler Rotationsachse z.
Drei ringförmige Rotorblätter 1 sind
jeweils in zwei Ringsegmente I, II unterteilt
und sind als flache Ellipsen 14 ausgebildet. An jedem der
drei ringförmigen Rotorblätter 1 ist
ein vorauslaufendes und ein nachlaufendes Ringsegment I, II vorgesehen.
Jedes ringförmige Rotorblatt ist über ein Drehgelenk 300 mit
dem Rotorkopf 30 verbunden und treibt einen Generator 322 an.
Ein Drehgelenk 325 zwischen Turm 324 und Rotor 3 ermöglicht
die Ausrichtung der Windturbine 320 zur Anströmung
s. Im Betriebszustand, bei Anströmung s zeigen die Flügelnasen 21 jeweils
in Drehrichtung, während die Flügelhinterkanten 22 über
einen Anstellwinkel in den Wind gestellt sind. Die aerodynamische
Ausrichtung der Flügelprofile 2 geht aus 2 hervor.
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2 zeigt
ein ringförmiges Rotorblatt 1 nach 1.
Im Querschnitt ist die Anordnung der Ringsegmente I, II mit
einem Versatz in Richtung der Rotationsachse z erkennbar. Gegenüber
der Anströmung s weisen die asymmetrischen Flügelprofile 20 der
Ringsegmente I, II einen Anstellwinkel 24 auf,
der ein Anlaufen des Rotors 3 schon bei geringen Windgeschwindigkeiten
ermöglicht. Die asymmetrischen Flügelprofile 20 erzeugen
bereits bei geringer Umlaufgeschwindigkeit resultierende, aerodynamisch
erzeugte Kräfte x, y, die ein Drehmoment an der Rotationsachse
z bewirken. Am oberen Ende des ringförmigen Rotorblatts 1 wechselt
die Flügelnase 21 mit einem Übergang 17 von
der Ringaußenseite auf die Ringinnenseite. Am unteren Ende
ist das ringförmige Rotorblatt 1 über
ein Drehgelenk 300 mit dem Rotorkopf 30 verbunden,
sodass der Anstellwinkel variiert werden kann (stall) – und
das ringförmige Rotorblatt 1 aus dem Wind gedreht
werden kann (pitch). Die Ausbildung eines vorauslaufenden Ringsegments I und
eines nachlaufenden Ringsegments II, die mit einem Versatz
zueinander angeordnet sind, erhöht den aerodynamischen
Wirkungsgrad über eine Düsenwirkung zwischen den
Ringsegmenten I, II. Die gestaffelte Anordnung
der Ringsegmente I, II ermöglicht außerdem
die Ableitung der Biegekräfte in einem Ring, der gegenüber
der Beanspruchungsrichtung eine Bauhöhe aufweist. Diese
Bauhöhe und die Anordnung der Ringsegmente I, II bestimmen
die Gestaltung des Adapters an der Blattwurzel. Das ringförmige
Rotorblatt 1 ist aus Hohlkammerprofilen 201 aus
glasfaserverstärktem Kunststoff aufgebaut.
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3 zeigt
eine Windturbine 320 mit einer horizontalen Rotationsachse
z und einem ringförmigen Rotorblatt 1, das aus
insgesamt sechs Ringsegmenten I, II aufgebaut
ist. Die als geschwungene Ringsegmente 12 ausgebildeten
Segmente I, II zeigen eine abschnittsweise, radiale
Anordnung. Zwischen den geschwungenen Ringsegmenten 12 sind Übergänge 17 vorgesehen,
an denen die Flügelnase 21 periodisch von der
Ringaußenseite zur Ringinnenseite wechselt. Die Flügelnasen 21 der
Ringsegmente I, II sind dabei jeweils in Drehrichtung
ausgerichtet, während die Flügelhinterkanten 22 mit
einem Anstellwinkel gegenüber der Anströmung s
geneigt sind. Vergleichsweise kurze Speichen 25 verbinden
das ringförmige Rotorblatt 1 mit dem Rotorkopf 30.
Der Rotorkopf 30 und der Generator 23 besitzen
eine eiförmige aerodynamische Bekleidung aus Spinner und
Generatorgehäuse. Über ein Drehgelenk 325 ist
der Rotor 3 mit dem Turm 324 verbunden und richtet
sich selbsttätig zur Anströmung s aus.
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4 zeigt
eine große Windturbine 320, deren ringförmiges
Rotorblatt 1 eine Wellenform 15 aufweist und aus
geschwungenen Ringsegmenten 12 aufgebaut ist. Die Ringsegmente I, II zeigen
im Querschnitt a-a bzw. b-b nach 5 ein asymmetrisches
Flügelprofil 20. Die Ausrichtung der Flügelprofile 20 wechselt
an den Übergängen 17 periodisch von der
Ringaußenseite zur Ringinnenseite, wobei die Flügelnase 21 stets
in Drehrichtung des Rotors 3 ausgerichtet ist. Die Flügelprofile 20 weisen
gegenüber der Anströmung s einen Anstellwinkel 24 auf,
wobei die Flügelhinterkante 22 leicht in den Wind
gedreht ist. Mit einer gegenüber dem Radius des Rotorkreises
geneigten Anordnung liefert jedes geschwungene Ringsegment 12 bei
Anströmung s parallel zur Rotationsachse z eine resultierende
Antriebskraft, die als Vektor x auf der Ringaußenseite
und als Vektor y auf der Ringinnenseite wirksam wird. V-förmig
gespreizte Speichen 25 verbinden das Rotorblatt 1 mit
der Nabe 31. Eine Tragkonstruktion aus A-förmigen
Böcken ermöglicht über ein Drehgelenk 325 am
Fußpunkt 326 die Ausrichtung der Windturbine 320 zur
Anströmung s. Zur Begrenzung der Umlaufgeschwindigkeit
des Rotors 3 können nicht näher dargestellte
Flügelklappen in den Ringsegmenten I, II genutzt
werden.
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5 zeigt
das Flügelprofil 2, aus dem die geschwungenen
Ringsegmente 12 nach 4 aufgebaut sind,
im Querschnitt a-a und b-b.
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6 zeigt
eine Windturbine 320 mit zwei ringförmigen Rotorblättern 1,
deren aerodynamischer Entwurf mit einer Wellenform 15 der
ringförmigen Rotorblätter 1 im Wesentlichen
dem in den 4, 5 beschriebenen
Beispiel entspricht. Dabei bilden jeweils zwei ringförmige
Rotorblätter 1 in einer Wellenform 15 zwei
in Drehrichtung des Rotors 3 gegeneinander versetzt angeordnete
Druckringe, die über zusätzliche Flügelprofile
jeweils an der Ringaußenseite und der Ringinnenseite untereinander
verbunden sind und einen räumlichen Druckring bilden. Radiale
Speichen 25 mit einer Flügelprofilierung 250 verbinden
diesen Druckring mit einer Nabe 31, die den Generator 322 aufnimmt.
Die Speichen 25 sind über Federelemente 254 in
Form von Tellerfedern vorgespannt und stellen die Formstabilität
der seilverspannten Radkonstruktion sicher. Eine am Fußpunkt
drehbar gelagerte Haltekonstruktion in Form von zwei A-förmigen
Böcken nimmt die Nabe 31 auf und erlaubt die Ausrichtung
dieser großen Windkraftanlage, die mit einem Durchmesser
von 200 bis 300 m gebaut werden kann, zur Anströmung s.
Der Leistungsbegrenzung des Rotors 3 dient die Verstellbarkeit
der Flügelprofile, welche die beiden ringförmigen
Rotorblätter 1 in Richtung der Rotationsachse
z verbinden. Für eine maximale Drehzahlbegrenzung können
sie quer zur Drehrichtung gestellt werden.
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7 zeigt
ein ringförmiges Rotorblatt 1, dessen Polygonform 13 von
einem gleichseitigen Dreieck 130 abgeleitet ist und konvexe
Ringsegmente 10 aufweist. Innerhalb der Ringsegmente I, II springen
Flügelnase 21 und Flügelkante 22 in
regelmäßigem Wechsel von der Ringaußenseite
zur Ringinnenseite. Ebenso wechselt der Anstellwinkel periodisch
zwischen zwei Ringsegmenten I, II, sodass das
ringförmige Rotorblatt 1 bei Anströmung
s parallel zur Rotationsachse z in Drehung versetzt wird. Bei Rotation
entwickeln die jeweils mit der Flügelnase 21 in
Drehrichtung ausgerichteten asymmetrischen Flügelprofile 22 rotativ
wirksame, aerodynamisch erzeugte Antriebskräfte x, y an
jedem Ringsegment I, II. Aus Gründen
der besseren Lesbarkeit wurde auf die Darstellung aerodynamisch
gestalteter Übergänge 17 an den Nahtstellen
der Ringsegmente untereinander verzichtet.
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8 zeigt
den Querschnitt c-c durch das ringförmige Rotorblatt 1 am
Ringsegment I. Das asymmetrische Flügelprofil 20 ist
mit einem Anstellwinkel 24 zur Anströmung s geneigt
und ist als Vollprofil 202 ausgebildet. Die Flügelnase 21 zeigt
zur Ringaußenseite während die Flügelprofilhinterkante 22 zur
Ringinnenseite zeigt.
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9 zeigt
den Querschnitt d-d eines Ringsegments II mit asymmetrischem
Flügelprofil 20 und entgegengesetztem Anstellwinkel 24.
Die unterschiedliche Ausrichtung der Flügelnase 21 und
der Flügelhinterkante 22, sowie der unterschiedliche
Anstellwinkel 24 verdeutlichen den periodischen Wechsel
der Ringsegmente I, II nach 7.
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10 zeigt
schematisch das ringförmige Rotorblatt 1 eines
um die Rotationsachse z rotierenden Rotors 3. Die Polygonform 13 ist
von einem Quadrat 131 mit konvexen Ringsegmenten 10 und
gerundeten Ecken 18 abgeleitet. Innerhalb der acht Ringsegmente I, II wechselt
die Flügelnase 21 und die Flügelhinterkante 22 regelmäßig
von der Ringaußenseite zur Ringinnenseite. Bei dem Flugzeugrotor 330 bezeichnet
das Kräftepaar x, y den Profilwiderstand. Auf der gewölbten
Oberseite des ringförmigen Rotorblatts 1 herrscht
Unterdruck, während auf der Blattunterseite ein Überdruck
wirkt. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wurde
bei dieser Figur auf die Darstellung der konstruktiven Verbindungselemente
zur Rotationsachse z verzichtet.
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11 und 12 zeigen
die Querschnitte e-e und f-f durch das ringförmige Rotorblatt 1 nach 10.
Der Anstellwinkel 24 der asymmetrischen Flügelprofile 20 erhöht
bei Anströmung s den Betrag der Kraftvektoren x, y. Die
Profilquerschnitte e-e und f-f zeigen ein Hohlkammerprofil 201 mit
Steuerklappen 240.
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13 zeigt
einen Rotor 3, dessen ringförmiges Rotorblatt 1 als
Quadrat 131 ausgebildet ist. Neben der Anordnung symmetrischer
Flügelprofile 23 innerhalb der Ringsegmente I, II besteht
die Besonderheit dieser Anordnung in einer räumlichen Faltung
des ringförmigen Rotorblatts 1. Der Anstellwinkel 24 der
symmetrischen Flügelprofile 23 wechselt von einem
Ringsegment I zum nächsten Ringsegment II,
sodass der Rotor 3 bei Anströmung s parallel zur
Rotationsachse z in Drehung versetzt wird. Die Drehbewegung wiederum
erzeugt an den symmetrischen Flügelprofilen 23 aerodynamische
Kräfte, die mit den resultierenden Vektoren x, y eine schnelle
Drehung des Rotors 3 bewirken. Räumlich gespreizte
Speichen 25 verbinden das Rotorblatt 1 mit der
Generatorwelle 323. In der schematischen Prinzipdarstellung
sind die aerodynamisch gestalteten Übergänge 17 zwischen
den Ringsegmenten I, II nicht dargestellt.
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14 zeigt
ein ringförmiges Rotorblatt 1 in Form einer Ellipse 14,
die aus vier Ringsegmenten I, II aufgebaut ist
und eine vertikale Rotationsachse z aufweist. Die vier Ringsegmente I, II sind
als konvexe Ringsegmente 10 ausgebildet. Bei den Ringsegmenten I zeigt
das asymmetrische Flügelprofil 20 mit seiner Flügelnase 21 zur
Ringaußenseite, während die Flügelhinterkante 22 zur
Ringinnenseite zeigt. Die Ringsegmente II zeigen eine umgekehrte
Ausrichtung des Flügelprofils 20, wobei die Flügelnase 21 zur
Ringinnenseite und die Flügelhinterkante 22 zur
Flügelaußenseite zeigt. Bei Anströmung
s senkrecht zur Rotationsachse z entsteht an jedem Flügelprofil 20 ein
Kräftepaar x, y, das mit einem Versatzmoment an der Rotationsachse
z wirksam wird. Bei einem schnell laufenden Strömungskonverter 32 beträgt
die Anströmgeschwindigkeit am Rotorblatt ein Mehrfaches
der Strömungsgeschwindigkeit, sodass alle vier Ringsegmente I, II des
elliptischen Rotorblatts 14 einen Drehimpuls an der Rotationsachse
z erzeugen. Im Falle eines Strömungsgenerators 33 bewirkt
das elliptische Rotorblatt 14 als Hubschrauberrotor 330 Auftrieb.
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15 zeigt
ein ringförmiges Rotorblatt 1 in einer Sternform 16 in
der schematischen Aufsicht. Die Sternform 16 ist aus insgesamt
sechs Ringsegmenten I, II aufgebaut, die untereinander
drei spitze Ecken 19 und drei stumpfe Ecken bilden. Jeweils
zwischen zwei Ringsegmenten I, II wechselt die
Flügelnase 21 und die Flügelhinterkante 22 von
der Ringaußenseite zur Ringinnenseite. Das ringförmige
Rotorblatt 1 wird senkrecht zur Rotationsachse z angeströmt,
wobei jeweils an zwei benachbarten Ringsegmenten I, II ein
aero- oder hydrodynamisch bewirktes Kräftepaar mit den
resultierenden Vektoren x, y mit einem Versatzmoment auf die Rotationsachse
z einwirkt. Bei Anströmung s bewirkt dieser Wechsel der
Flügelausrichtung eine Rotation, da das mit der Flügelhinterkante 22 orientierte
asymmetrische Flügelprofil 20 mit einem Cw-Wert von ungefähr 0,16 geschoben,
während das mit der Flügelnase 21 zur
Ringaußenseite mit einem Cw-Wert
von 0,08 einen aero- oder hydrodynamisch bewirkten Drehimpuls entwickelt. Übersteigt
die Umlaufgeschwindigkeit die Anströmgeschwindigkeit, bewirken
alle Ringsegment I, II aero- oder hydrodynamisch
erzeugte Drehkräfte.
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16 zeigt
das ringförmige Rotorblatt 1 eines Strömungskonverters 32,
der als Windturbine 320 oder als Wasserturbine 321 eingesetzt
werden kann. Die Polygonform 13 des ringförmigen
Rotorblatts 1 ist aus einem gleichseitigen Dreieck 130 mit
konvexen Ringsegmenten 10 und gerundeten Ecken 18 abgeleitet.
Bei Anströmung s senkrecht zur Rotationsachse z baut sich
in jeder Stellung des gleichseitigen Dreiecks 130 ein auf die
Rotorachse z mit Versatz einwirkendes Kräftepaar x, y auf.
Das ringförmige Rotorblatt 1 ist in gleich große Ringsegmente I, II aufgeteilt,
innerhalb derer die Ausrichtung des asymmetrischen Flügelprofils 20 regelmäßig wechselt.
Speichen 25 verbinden als Zugglieder das Rotorblatt 1 mit
der Nabe 31. Federelemente 254 halten die Vorspannkraft
der vorgespannten und über Kreuz angeordneten Speichen 25 konstant.
Durch die V-förmige Spreizung der Speichen 25 wird
das ringförmige Rotorblatt 1 räumlich
gehalten. Der horizontal rotierende Strömungskonverter 32 ist
an einem vertikalen Turm 324 drehbar gelagert.
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17 zeigt
den Querschnitt durch die Speiche 25 eines erfindungsgemäßen
Rotors 3 nach den 4, 6, 16 und 19.
Der tragende Teil einer Speiche 25 wird dabei von einem
Seil 251 gebildet. Die aero- oder hydrodynamische Wirkung
wird über ein asymmetrisches Speichenflügelprofil 250 erzielt,
das aus einem Schalenkörper 253 besteht.
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18 zeigt
eine alternative Ausbildung einer Rotorspeiche 25 nach
den 4, 6, 16 und 19 im
Querschnitt. Der tragende Kern des Speichenprofils besteht hier
aus einem Flachprofil 252, das von einem zweiteiligen Schalenkörper 253 eingefasst
wird. Bei Anströmung s sowohl parallel als auch senkrecht zur
Rotationsachse z bewirken die in 17 und 18 dargestellten
Speichenquerschnitte ein zusätzliches Drehmoment an der
Rotationsachse z. Bei Rotoren 3 mit vertikaler Rotationsachse
z wird ein Speichenflügelprofil 250 dabei von
der Flügelnase her angeströmt, während
es bei Rotoren 3 mit horizontaler Drehachse von der Breitseite
her angeströmt wird.
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19 zeigt
den Ausschnitt einer Windturbine 320, bei der an einem
vertikalen Turm 324 vier gegensinnig rotierende Rotoren 36 in
einem Abstand zueinander angeordnet sind. Die Polygonform 13 der
ringförmigen Rotorblätter 1 ist jeweils
von einem gleichseitigen Dreieck 130 abgeleitet und zeigt
konkave Ringsegmente 11. Eine regelmäßige
Unterteilung der ringförmigen Rotorblätter 1 in
Ringsegmente I, II mit dem erfindungsgemäßen
Richtungswechsel der asymmetrischen Flügelprofile 20 lässt
an jeweils zwei benachbarten Ringsegmenten I, II bei
Anströmung s senkrecht zur Rotationsachse z das Kräftepaar
x, y entstehen. Aufgrund der gegensinnigen Rotation der einzelnen
Rotoren 3 entsteht durch den Magnus-Effekt ein Wirbel,
der die Anströmgeschwindigkeit an den Rotorblättern 1 erheblich
erhöhen kann. Der vertikale Turm 324 ist als Stahlrohr und
bei sehr großen Anlagen als Stahlbetonröhre ausgebildet.
Dabei können die Rotoren 3 einen Durchmesser von
60 m haben. Die Windkraftnutzung über einen entsprechenden
200–300 m hohen Turm erhöht die mögliche
Ausbeute an elektrischer Leistung weit über bisher bekannte
Möglichkeiten hinaus.
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20 zeigt
eine Windturbine 320 mit zwei vertikal rotierenden ringförmigen
Rotorblättern 1, deren Polygonform 13 von
einem Quadrat 131 mit konvexen Seiten 10 und gerundeten
Ecken 18 abgeleitet ist. Jeweils acht Speichen 25 mit
einem asymmetrischen Speichenflü gelprofil 250 verbinden
die ringförmigen Rotorblätter 1 mit der
horizontalen Rotationsachse z. Am Kopfpunkt des Turms 324 befindet
sich ein Drehgelenk 325 als Verbindung zur Maschinengondel
mit dem Generator 322, der zwischen den beiden Rotoren 3 angeordnet
ist. Auf Grund der Fahnenwirkung an den ringförmigen Rotorblättern 1 richtet
sich ein Strömungskonverter 32 selbsttätig
zur Anströmung s aus.
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21 zeigt
einen erfindungsgemäßen Strömungsgenerator 33 als
Schiffsrotor 331. Das ringförmige Rotorblatt 1 ist
von einem Quadrat 131 mit konvexen Ringsegmenten 10 und
gerundeten Ecken 18 abgeleitet und wird über insgesamt
acht Speichen 25 mit einem asymmetrischen Speichenprofil 250 mit
der Rotorwelle 332 verbunden. Die Kugel auf der Rotorwelle
ist Teil eines Kugelgelenks 335, das, wie in den 23 und 24 dargestellt,
im Bereich des Schiffsbodens angeordnet wird. Bei Rotation des Schiffsrotors 331 entstehen
an allen Ringsegmenten I, II Vektoren x, y, deren
Betrag dem Strömungswiderstand der asymmetrischen Flügelprofile 20 entspricht.
Der Rotor bewirkt an seiner Oberseite einen Unterdruck und lässt,
wie in den 23 und 24 am
Heck eines Schiffes eine Welle entstehen.
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22 zeigt
den Querschnitt g-g eines Speichenprofils 25, das als asymmetrisches
Speichenflügelprofil 250 ausgebildet ist. Alle
Teile des Schiffsrotors 331 sind deshalb hydrodynamisch
wirksam und erzeugen an der Rotoroberseite Unterdruck und an der
Rotorunterseite Überdruck.
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23 zeigt
die Heckpartie eines Schiffsrumpfs 340 mit dem in 21 dargestellten
Schiffsrotor 331 im eingebauten Zustand. Der Schiffsrotor 331 ist
mittels des Drehgelenks 335 im Schiffsboden und mittels
der hydraulischen Zylindern 334, die auf die Rotorwelle 332 einwirken,
in alle Richtungen verstellbar. Ein Elektromotor 333 treibt
die Rotorwelle an. Der Schiffsboden zeigt eine hydrodynamisch wirksame
Gestaltung in Form einer schiefen Ebene mit seitli chen Leitflossen 341.
Die quer zur Fahrtrichtung angeordnete schiefe Ebene lenkt den vom
Rotor 3 erzeugten Schub in Fahrtrichtung.
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24 zeigt
den schematischen Querschnitt durch einen Schiffsrumpf
340.
Die in
23 gezeigte Antriebseinheit
kann in der hinteren Hälfte eines Schiffsrumpfs eingebaut
werden. Bei dem gezeigten Beispiel ist sie am Heck angeordnet. Weil
die Rotationsachse z leicht in Fahrtrichtung gekippt ist, kann die
von dem Rotor bewirkte Auftriebskraft in eine vertikale Komponente
26 und
eine horizontale Komponente
27 zerlegt werden. Der Kraftvektor
27 liefert
unmittelbaren Schub, während der Kraftvektor
26 mittelbar über
eine Welle
28 am Heck Vortrieb bewirkt. Die Trimmflosse
29 im
Bereich des Bugwulsts stabilisiert den Rumpf. Bezugszeichenübersicht
| Ringförmiges
Rotorblatt | 1 | Flügelprofil | 2 | Rotor | 3 |
| Ringsegment | I | Asymmetrisches
Flügelprofil | 20 | Rotationsachse | z |
| Ringsegment | II | Hohlprofil | 200 | Rotorkopf | 30 |
| Konvexes
Ringsegment | 10 | Hohlkammerprofil | 201 | Drehgelenk | 300 |
| Konkaves
Ringsegment | 11 | Vollprofil | 202 | Nabe | 31 |
| Geschwungenes Ringsegment | 12 | Metallprofil | 203 | Strömungskonverter | 32 |
| Polygonform | 13 | Flügelnase | 21 | Windturbine | 320 |
| Gleichseitiges
Dreieck | 130 | Flügelprofilhinterkante | 22 | Wasserturbine | 321 |
| Quadrat | 131 | Symmetrisches
Flügelprofil | 23 | Generator | 322 |
| Vieleck | 132 | Anstellwinkel | 24 | Generatorwelle | 323 |
| Ellipse | 14 | Steuerklappe | 240 | Turm | 324 |
| Wellenform | 15 | Speiche | 25 | Drehgelenk | 325 |
| Sternform | 16 | Asymmetrisches Speichenflügelprofil | 250 | Fußpunkt | 326 |
| Übergang | 17 | Seil | 251 | Strömungsgenerator | 33 |
| Gerundete
Ecke | 18 | Flachprofil | 252 | Hubschrauberrotor | 330 |
| Spitze
Ecke | 19 | Schalenkörper | 253 | Schiffsrotor | 331 |
| Kräftepaar | x,
y | Federelement | 254 | Rotorwelle | 332 |
| Vektor | x | Auftrieb | 26 | Elektromotor | 333 |
| Vektor | y | Vortrieb | 27 | Hydraulikzylinder | 334 |
| Anströmung | s | Welle | 28 | Kugelgelenk | 335 |
| | | Trimmflosse | 29 | Wasserfahrzeug | 34 |
| | | | | Rumpf | 340 |
| | | | | Strömungsleitfläche | 341 |
| | | | | Gleichsinnige
Rotation | 35 |
| | | | | Gegensinnige
Rotation | 36 |
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 5161952 [0004]
- - EP 0854981 B1 [0005]
- - DE 102005059679 A1 [0006]