DE102014005220A1 - Impeller with spar, wing profiles and rotation axis - Google Patents

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Abstract

In gängigen Kreisel- oder Strömungsmaschinen wird in aller Regel ein Läufer oder eine Nabe mit radial und sternförmig angeordneten Flügelprofilen oder Schaufeln besetzt. In einer solchen Geometrie kann nur eine kleine begrenzte Anzahl von Flügelprofilen oder Schaufeln konstruktiv im Strömungsquerschnitt untergebracht werden. Die strömenden Fluidteilchen treffen auf den teilweise leeren, mit wenigen Flügelprofilen oder Schaufeln besetzten Rotationshohlraum. Das ist nachteilig für die Übertragung der Kräfte und den Nutzungsgrad. Werden die Flügelprofile oder Schaufeln (3) (4), zueinander parallel, auf beiden Seiten eines Holmes (1) rechtwinklig zur Drehachse (2) angebracht, so lassen sich in einen gleich großen Strömungsquerschnitt allenthalben wesentlich mehr Flügelprofile oder Schaufeln unterbringen. Der Abstand der parallelen Flügelprofile oder Schaufeln richtet sich auf der ganzen Länge nach den günstigsten aerodynamischen Bedingungen einer ungestörten Strömung. Der Strömungsquerschnitt wird nicht durch eine große Läufer- oder Nabenfläche verkleinert. Die Fläche der beaufschlagten Flügelprofile oder Schaufeln wird entsprechend der größeren Anzahl deutlich vergrößert. Mit dieser Konzeption wird ein kleinerer Bauaufwand und kleinere Strukturen mit Auswirkung auf die Kosten erzielt.In current centrifugal or turbomachinery, a rotor or a hub is usually occupied with radially and radially arranged wing profiles or blades. In such a geometry, only a small limited number of airfoils or blades can be structurally accommodated in the flow cross-section. The flowing fluid particles strike the partially empty, with few wing profiles or blades occupied rotary cavity. This is disadvantageous for the transmission of forces and the degree of utilization. If the airfoils or blades (3) (4), parallel to each other, mounted at right angles to the axis of rotation (2) on both sides of a spar (1), can be much more wing profiles or blades accommodate in an equal flow cross-section everywhere. The distance of the parallel airfoils or blades is based on the full length of the most favorable aerodynamic conditions of undisturbed flow. The flow cross-section is not reduced by a large rotor or hub surface. The area of the impacted airfoils or blades is increased significantly according to the larger number. With this concept, a smaller construction cost and smaller structures with impact on the costs are achieved.

Description

Die Erfindung betrifft ein Flügelrad mit Holm, Flügelprofilen und Drehachse, wobei die Nabe für die Drehachse in der Mitte des Holmes und die Flügelprofile rechtwinklig zur Drehachse, an beiden Seiten, mit etwa gleichen Abständen übereinander und gleichgerichtet am Holm angeordnet sind und die Eckpunkte der Flügelprofile beliebig geometrische Flächen aufspannen.The invention relates to an impeller with spar, wing profiles and axis of rotation, wherein the hub for the axis of rotation in the middle of the spar and the wing profiles perpendicular to the axis of rotation, on both sides, with approximately equal distances one above the other and rectified are arranged on the spar and the vertices of the wing profiles span any geometric surfaces.

Strömungs- und Kreiselmaschinen, dazu zählen unter anderem Pumpen, Ventilatoren, Turbinen, Propeller, Schiffsschrauben und nicht zuletzt die Windenergieanlagen. Auffallendes Merkmal sind die mehr oder weniger großen Naben zur radialen Aufnahme der langen Flügelblätter, welche 100 m und länger sein können. Dadurch entstehen Gebilde, welche zunehmend für öffentlichen Gesprächsstoff wegen der Auswirkungen auf die Natur, Umwelt und Landverbrauch sorgen.Flow and centrifugal machines, including pumps, fans, turbines, propellers, propellers and, last but not least, wind turbines. Striking feature are the more or less large hubs for radial recording of the long blades, which can be 100 m and longer. As a result, structures are being created that are increasingly generating public talk about their effects on nature, the environment and land use.

Gängige Strömungs- und Kreiselmaschinen haben zwar oft auch Naben mit großem Durchmesser, welche weniger auffallen, weil diese in Gehäusen oder Bauwerken eingehaust sind. Hier wird allenfalls der große Aufwand bei der Herstellung als Nachteil empfunden.Although common flow and centrifugal machines often have hubs with a large diameter, which are less noticeable because they are housed in housings or structures. Here, at most, the great expense in the production is perceived as a disadvantage.

Aufgabe der Erfindung ist es eine bessere Konzeption für Strömungs- und Kreiselmaschinen ganz allgemein zu suchen, welche die bekannten Nachteile vermeidet. Denn bloße Verfeinerung der Strukturen kann nur gewisse kleine Fortschritte bringen.The object of the invention is to seek a better design for flow and centrifugal machines in general, which avoids the known disadvantages. For mere refinement of structures can only bring some small progress.

In Bezug auf die Windenergieanlage würde zum Beispiel eine Verdichtung an der Anströmfläche nicht nur zu kleineren Gebilden führen, sondern es könnten auch weniger günstige Standorte erst oder überhaupt genutzt werden.With regard to the wind energy plant, for example, a compression at the inflow surface would not only lead to smaller structures, but also less favorable locations could be used first or at all.

Bei den gängigen Strömungs- und Kreiselmaschinen mit sternförmiger radialer Anordnung der Flügelprofile kann nur ein Bruchteil der möglichen Kreisfläche von den Fluidteilchen angeströmt oder erreicht werden. Denn bei der sternförmigen radialen Anordnung der Flügelprofile muss der Rotationshohlraum teilweise leer bleiben bzw. wird von der Strömung nicht genutzt.In the current flow and centrifugal machines with a star-shaped radial arrangement of the airfoils, only a fraction of the possible circular area can be impinged or reached by the fluid particles. Because with the star-shaped radial arrangement of the airfoils, the rotary cavity must remain partially empty or is not used by the flow.

Man muss ferner davon ausgehen, dass bei einer solchen sternförmigen Anordnung der Flügelprofile nur an einem Radiusabstand optimale Strömungsbedingungen zwischen zwei Flügelprofilen sein können. Außerhalb dieses Radiusabstandes ist die Strömung mehr oder weniger gestört.It must also be assumed that in such a star-shaped arrangement of the airfoils can be optimal flow conditions between two airfoils only at a radius distance. Outside this radius distance, the flow is more or less disturbed.

Stehen dagegen die Flügelprofile parallel zueinander werden auf der ganzen Flügellänge diese in optimaler Weise durchströmt und der ganze Rotationshohlraum ausgenutzt, der Abstand der Flügelprofile lässt sich dann auf einen günstigen Abstand einstellen. Es liegt nahe, dass mit der parallelen Anordnung der Flügelprofile nicht nur die Anströmfläche verdichtet, sondern die Fläche der Flügel um einen mehrfachen Wert vergrößert werden kann.On the other hand, if the wing profiles are parallel to one another, they are flowed through in the optimum manner over the entire wing length and the entire rotational cavity is utilized, and the distance between the wing profiles can then be set to a favorable distance. It stands to reason that with the parallel arrangement of the airfoils not only the inflow surface is compressed, but the area of the vanes can be increased by a multiple value.

An einem Ausführungsbeispiel konnte in einer rechtwinkligen Anströmfläche von etwa zwei mal zweikommasechs Meter (2 × 2,6 m) Flügelprofile mit einer Gesamtlänge von sechzig Meter untergebracht werden. Vergleichsweise wären mit einer dreiflügeligen, radialen Anordnung nur vier Meter Flügellänge möglich gewesen.In one embodiment, wing profiles with a total length of sixty meters could be accommodated in a right-angled inflow area of approximately two times two-square meters (2 × 2.6 m). By comparison, only four meters of wing length would have been possible with a three-bladed, radial arrangement.

Auch bei Inkaufnahme ungünstiger aerodynamischer Anströmung bleibt ein positives Ergebnis übrig. Als Nutzeffekt kann Vergrößerung der Leistung oder die Verkleinerung der Strukturen abgeleitet werden.Even with the acceptance of unfavorable aerodynamic flow, a positive result remains. As a benefit, increase in power or reduction of the structures can be derived.

Zwar sind aus der Literatur ebene gerade Gitter von Schaufeln bekannt (Dubbel, Taschenbuch für den Maschinenbau, 14. Auflage unter Schaufelgitter 1.4.1.). Flügelprofile oder Schaufeln werden in dieser Anordnung in Maschinen nicht verwendet, weil bei der Durchströmung mit einem Fluid nur eine geradlinige Bewegung entsteht. Allenfalls werden mit einer solchen Anordnung grundsätzliche, theoretische experimentelle Zusammenhänge untersucht oder dargestellt.Although from the literature level just grid of blades known (Dubbel, paperback for mechanical engineering, 14th edition under a paddle 1.4.1.). Wing profiles or blades are not used in this arrangement in machines, because when flowing through a fluid only a linear movement. At most, such an arrangement will investigate or illustrate fundamental theoretical experimental relationships.

Die Generierung von Arbeit setzt jedoch die Änderung der Umfangsgeschwindigkeit voraus. Erst die erfindungsgemäße Konzeption erzeugt eine Drehbewegung und damit die Änderung der Umfangsgeschwindigkeit.The generation of work, however, requires the change of the peripheral speed. Only the conception according to the invention generates a rotational movement and thus the change of the peripheral speed.

Die Erfindung ergibt von allein neue Strukturen bei Strömungs- und Kreiselmaschinen. Das zeigt sich nicht nur mit weniger Materialaufwand und geringeren Herstellkosten, sondern auch bei kleineren Belastungen für die Natur und Umwelt.The invention alone provides new structures in flow and centrifugal machines. This is reflected not only in less material and lower manufacturing costs, but also in smaller loads for nature and the environment.

Beschreibung zu der FigurDescription of the figure

In der 1 wird ein Flügelrad mit rechteckiger Aufspannung und rechteckiger Anströmfläche in der Ansicht und dem Schnitt A-A und B-B dargestellt.In the 1 an impeller with rectangular clamping and rectangular inflow in the view and the section AA and BB is shown.

Die Fläche für die Anströmung wird von zwei rechteckigen Flächen aufgespannt. Das Flügelrad hat einen Holm (1) mit Nabe und Drehachse (2), sowie den Flügelprofilen (3) mit nach Oben (positiv) gerichtetem Anstellwinkel und den Flügelprofilen (4) mit nach Unten (negativ) gerichtetem Anstellwinkel zur Horizontalen. Wird das Flügelrad von der Ansichtsseite angeströmt dreht das Flügelrad im Sinne des Uhrzeigers.The surface for the flow is spanned by two rectangular surfaces. The impeller has a spar ( 1 ) with hub and axis of rotation ( 2 ), as well as the wing profiles ( 3 ) with upwardly (positively) directed angle of attack and the wing profiles ( 4 ) with downward (negative) directed angle of attack to the horizontal. If the impeller flows from the view side, the impeller rotates clockwise.

Die Flügelprofile oder Schaufeln sind der Einfachheit halber als gerade Platten dargestellt.The wing profiles or vanes are shown as straight plates for the sake of simplicity.

Claims (9)

Flügelrad mit Holm, Flügelprofilen und Drehachse wobei die Nabe für die Drehachse in der Mitte des Holmes und die Flügelprofile, rechtwinklig zur Drehachse, an beiden Seiten, mit etwa gleichen Abständen, übereinander und gleichgerichtet am Holm angeordnet sind und die Eckpunkte der Flügelprofile beliebige geometrische Flächen aufspannen können, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gitter in der Ansicht bei der Durchströmung mit einem Fluid eine Drehbewegung erzeugt und Arbeit an die Drehachse abgibt und von außen eingeleitete Arbeit über die Drehachse eine Bewegung längs in Richtung der Drehachse erzeugt und die Wirkung mit der Änderung der Anstellwinkel gesteuert werden kann.Impeller with spar, wing profiles and axis of rotation with the hub for the axis of rotation in the middle of the spar and the wing profiles, perpendicular to the axis of rotation, on both sides, with approximately equal distances, one above the other and rectified to the spar are arranged and the vertices of the wing profiles any geometric surfaces span, characterized in that a grid in the view when flowing through a fluid generates a rotational movement and gives off work on the axis of rotation and externally initiated work on the axis of rotation generated along the axis of rotation and the effect with the change of Anstellwinkel can be controlled. Flügelrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Holm ein gerader Träger nach beiden Seiten rechtwinklig zur Drehachse ist und Funktionsteile und Strukturen zur Verstellung von den Flügelprofilen enthält oder enthalten kann.An impeller according to claim 1, characterized in that the spar is a straight support to both sides at right angles to the axis of rotation and functional parts and structures for adjustment of the wing profiles contains or may contain. Flügelrad nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Flügelprofile ebene Platten, Schaufeln, Kreisbogenprofile, Tragflügel und ähnliche Strukturen sein können und deren aerodynamischen Anstellwinkel auf der einen Seite des Holmes und der aufgespannten Fläche nach Oben und auf der anderen Seite der aufgespannten Fläche der Anstellwinkel nach Unten zeigt und nach diesen Stellungen eine Drehrichtung des Flügelrades und mit Umkehrung der Anstellwinkel eine andere Drehrichtung des Flügelrades bewirkt.Impeller according to claim 1 or 2, characterized in that the wing profiles can be flat plates, blades, circular arc profiles, wings and similar structures and their aerodynamic angle of attack on one side of the spar and the clamped surface to the top and on the other side of the clamped surface the angle of attack pointing downwards and causes after these positions a direction of rotation of the impeller and with reversal of the angle of attack another direction of rotation of the impeller. Flügelrad nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Flügelrad in der Ausrichtung der Drehachse von der Waagrechten bis zur Senkrechten beliebig betrieben werden kann.Impeller according to one of claims 1 to 3, characterized in that the impeller in the orientation of the axis of rotation from the horizontal to the vertical can be operated arbitrarily. Flügelrad nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Flügelrad auch gemeint ist, wenn auf den Seiten des Holmes nur zwei Flügelprofile angeordnet sind und eine Propellerkreisfläche im Sinne der sogenannten Strahltheorie entsteht und diese wie bei Luftschrauben, Schiffsschrauben, Wasserturbinen, Windturbinen und andere Strömungs- oder Kreiselmaschinen wirkt.Impeller according to one of claims 1 to 4, characterized in that an impeller is also meant if only two airfoils are arranged on the sides of the spar and a propeller circuit surface in the sense of the so-called beam theory arises and this as in propellers, propellers, water turbines, wind turbines and other flow or centrifugal machines acts. Flügelrad nach einem der Ansprüche von 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mehr als ein Holm für die Aufnahme von Flügelprofilen vorhanden ist.Impeller according to one of claims 1 to 5, characterized in that there is more than one spar for receiving wing profiles. Flügelrad nach einem der Ansprüche von 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass unterschiedliche Flügelprofile das Flügelrad bilden.Impeller according to one of claims 1 to 6, characterized in that different blade profiles form the impeller. Flügelrad nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Flügelrad freilaufend oder von einem Gehäuse umfasst wird und das Gehäuse nach aerodynamischen Funktionen gestaltet ist.Impeller according to one of claims 1 to 7, characterized in that the impeller is freewheeling or by a housing and the housing is designed according to aerodynamic functions. Flügelrad nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Flügelrad mehrstufig, aus Leit- und Laufrädern gebildet wird, wobei die Leiträder fest oder mitlaufend sein können.Vane wheel according to one of claims 1 to 8, characterized in that the impeller is formed in several stages, of guide and wheels, the guide wheels may be fixed or revolving.
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