DE2451751A1

DE2451751A1 - Turbine zur umwandlung der energie eines stroemenden mediums in elektrische oder mechanische energie mit hoechstem wirkungsgrad

Info

Publication number: DE2451751A1
Application number: DE19742451751
Authority: DE
Inventors: Louis L Lepoix
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1974-10-31
Filing date: 1974-10-31
Publication date: 1976-05-13

Description

Turbine zur Umwandlung der Energie eines strömenden Mediums in elektrische oder mechanische Energie mit höchstem Wirkungsgrad Zusatz zum Patent... (Patentanmeldung P 24 44 803.1) Gegenstand des Hauptpatentes...(Patentanmeldung P 24 44 803) ist eine Turbine zur Umwandlung der Energie eines strömenden Mediums,z.B. der Strömungsenergie von Gasen,wie Luft, oder von flüssigen Medien, wie strömendes Wasser,in elektrische oder mechanische Energie mit höchstem Wirkungsgrad.
Die Turbine gemäß dem Hauptpatent ist dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere aus etwa tangential auf Kreiszylindern angeordneten Schaufelflächen gebildete/r walzenförmige/r Rotor/en innerhalb eines aus Leitflächen für den Ein- und Auslaß des Mediums gebildeten Gehäuses derart drehbar angeordnet ist/sind, daß die Leitflächen des Einlasses sich unter- oder oberhalb zum Rotor hin verjungen und etwa in Richtung zweier, einen Winkel miteinander bildender Tangenten oder Krümmungen zum Umfang des Rotors verlaufen, wobei die eine Leitfläche zur Erzeugung eines Soges hinter dem Rotor zur Bildung einer sich nach außen öffnenden Auslauffläche gekrümmt verläuft, während die andere Leitfläche den Rotor teilweise umschließt und anschließend zur Bildung einer divergierenden Auslaßöffnung nach hinten gekrümmt verläuft.
Bei einer derartigen Turbine liegt der Rotor im wesentlichen in dem sich verengenden Bereich, der einer Venturidüse entspricht, wobei durch die besondere Ausbildung der Ein- und Ausleitflächen strömungstechnisch eine optimale Wirkung erzielt wird. Ferner weist die Turbine gemäß dem Hauptpatent den Vorteil auf, daß durch das tangentiale Einströmen des Mediums auf die Schaufelräder unter Berücksichtigung eines gegebenen Durchmessers des Rotorrades die Wirkungsfläche gegenüber den Radial-Propelleranardnungen wesentlich vergrößert werden kann. Insbesondere entsteht durch die Ausbildung der Ausleitfldche hinter dem Rotor ein Sog, der verhindert, daß es zu Luftstauungen kommt, die bekanntlich den Wirkungsgrad erheblich herabsetzen.
Die vorliegende Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt, die Turbine gemäß dem Hauptpatent hinsichtlich ihres Wirkungsgrades zu verbessern und eine Turbine zu schaffen, die praktisch den doppelten Wirkungsgrad der Turbine gemäß dem Hauptpatent aufweist.
Zur Lösung der gestellten Aufgabe wird gemäß der vorliegenden Erfindung eine Turbine der eingangs genannten Art vorgeschlagen,bei welcher ein oder mehrere aus etwa tangential auf Kreiszylindern angeordneteq gegebenenfalls gekrümmten Schaufelflächen gebildete/r walzenförmige/r Rotor/e innerhalb eines aus Leitflächen für den Ein- und Auslaß des Mediums gebildeten Gehäuses derart drehbar angeordnet ist/sind, daß die Leitflächen des Einlasses sich zu dem oder den Rotor/en hin verjüngen und tangential zum Umfang des oder der Rotor/en verlaufen, wobei die Leitflächen zur Erzeugung eines Soges hinter dem oder den Rotor/en zur Bildung von sich nach außen öffnenden Flächen gekrümmt verlaufen und welche dadurch gekennzeichnet ist, daß spiegelbildlich und in einem Abstand zur Bildung einer Venturianordnung zum einen Rotor ein zweiter Rotor angeordnet ist, dessen zugeordnete Leitfläche spiegelbildlich zur Leitfläche des anderen Rotors verläuft.
Gemäß einer besonderen Ausführungsform verlaufen die eine und die spiegelbildich entgegengesetzte Leitfläche von vorne jeweils in tangentialer Richtung auf den entsprechenden Rotor zu und verlaufen dann unter Bildung eines spitzen Winkels in ein den Rotor teilweise umschließendes Gewölbe, wobei die beiden Ausleitflächen divergierend nach hinten verlaufen.
Mit der Turbine gemäß der vorliegenden Erfindung wird der wesentliche Vorteil erreicht, daß unter Wahrung einer Querschnittsnochbildung,entsprechend einer Venturianordnung, im Verengungsbereich zwei kraftübertrogende Rotorräder angeordnet sind. Die Rotorräder können mit einem Getriebe oder Kraftübertrogungselementen, wie Keilriemen, insbesondere bei Kleinanlagen, oder Ketten, auf einem zentral angeordneten Energieerzeuger, wie ein Generator, eine Pumpe oder dergl., der im Fuß der Anlage eingebaut ist, verbunden sein.
Es ist aber auch möglich, jedes Rotorrad unabhängig an einen Generator oder einen anderen Energieempfänger anzukoppeln, der sich eventuell in einem Sockel der Turbine befinden kann.
Schließlich können Energieerzeuger, wie insbesondere elektrische Generatoren, unmittelbar im Zylinder der Turbine, d. h. im mittleren Kern, eingebaut werden. Auf diese Weise ist eine Art Baukastensystem möglich, da verschiedene Turbinenelemente nebeneinander oder übereinander gekoppelt werden können.
Anhand der Zeichnungen soll der Gegenstand der Erfindung am an Beispiel des vorbekannten Vorschlags und/einem Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung näher erläutert werden.
In den Zeichnungen zeigt Fig. 1 eine Frontansicht der im Prinzip dargestellten Turbine gemäß dem Hauptpatent.
Fig. 2 zeigt einen Schnitt längs der Linie A-B von Fig. 1.
Fig. 3 zeigt im Prinzip und im Schnitt eine Turbine gemäß dem Hauptpatent in abgewandelter Form.
Fig. 4 zeigt im Prinzip und im Schnitt eine Turbine gemäß der vorliegenden Erfindung.
Fig. 5 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform der Turbine gemäß Fig. 4.
Fig. 6 zeigt ein praktisches Beispiel einer senkrecht angeordneten Turbine mit mehrerer übereinanderliegenden Rotorrädern im Prinzip.
Wie sich aus den Fig. 1 und 2 ergibt, besteht die Turbine gemäß dem Hauptpatent im wesentlichen aus einem walzenförmigen Rotor 1, der innerhalb eines aus Leitflächen gebildeten Gehäuses 2 mittels einer in Lagern 3 und 4 gelagerten Welle 5 drehbar gelagert ist.
Die Welle 5 steht mit einem im Prinzip dargestellten elektrischen Generator 6 zur Stromerzeugung in Verbindung.
Der walzenförmige Rotor 1 besteht aus mehreren auf einem Kreiszylinder oder Kreisringen richtig angeordneten Schaufelflächen.
Zur Erzielung einer optimalen Strömung zum Antrieb des Rotors 1 und damit zu einer höchsten Energieausbeute wird der Einlaß 9 aus zwei Leitflächen 10 und 11 gebildet, die sich zum Rotor 1 hin verjüngen. Die Leitflächen des Einlasses 9 sind so angeordnet, daß sie unterhalb der Mittellinie der Achse 5 enden und etwa tangential oder gekrümmt zum Umfang des Rotors 1 hin verlaufen. Die beiden Tangenten a und b, in deren Richtung die beiden Flächen 10 bzw. 11 gegen den Umfang des Rotors 1 verlaufen, bilden einen Winkel miteinander. Dieser Winkel s.
ist optimal so einzustellen, daß der bestmöglichste Stromlinienverlauf der durch Pfeile dargestellten Stromlinien an das Rotorrad 1 erfolgt.
Die Krümmung der Leitflächen 10 und 11 kann in Form einer Spirale, einer Hyperbel, einer Parabel, einer Ellipse oder eines Kreises erfolgen.
Die untere gekrümmte Fläche 11 läuft hinter der Mittellinie der Achse 5 unter Bildung eines spitzen Winkels in eine gekrümmte, vorzugsweise spiralförmig nach außen verlaufende Ausleitfläche 12 über. Die obere Leitfläche 10 des Einlasses läuft unter Bildung eines spitzen Winkels in ein Gewölbe 13 über dem Rotor über und geht anschließend unter Bildung eines Winkels \ in eine nach oben verlaufende gekrümmte Ausleitfläche 14 über.
Die beiden Leitflächen 12 und 14 des Auslasses 15 sind so ausgebildet, daß in der Zone 16 hinter dem Rotor 1 eine Saugwirkung bzw. ein Sog entsteht. Durch diesen Sog wird ein Luftstau hinter dem Rotor vermieden, wodurch eine optimale Umwandlung der Energie der bewegten Luft erzielt wird.
Um die Turbine optimal an die gegebenen Medienverhältnisse, insbesondere den Wind, anzupassen, können in dem in Fig. 3 dargestellten Beispiel die beiden Leitflächen 12 und 14 durch Ausbildung zweier beweglicher Flügel 24 und 25 eingestellt werden. Diese Flügel sind in Drehachsen 26 und 27 drehbar gelagert, so daß sie in Richtung der Doppelpfeile 28 und 29 verschwenkt werden können.
Die Flügel 24 und 25 werden durch nicht dargestellte Einrichtungen mechanisch, hydraulisch, automatisch oder elektrisch gesteuert und können verschiedene Positionen einnehmen. Bei automatischer Steuerung können die Flügel, beispielsweise mit einer entsprechenden Feder, in der gespreizten Stellung gehalten werden. Bei stärker werdendem Winddruck werden die Flügel automatisch nach hinten geklappt und regulieren den Sog.
Bei Ublichem Wind mit normaler Strömungsstärke wird die Normalstellung der beiden Flügel, die mit 24 und 25 bezeichnet sind, eingenommen. Bei schwachen Windstrken ist es erforderlich, den Sog hinter der Turbine zu erhöhen, und in diesem Falle wird eine Stellung der Flügel eingenommen, wie sie bei 24''und 25' dargestellt ist.
Bei einem Sturm wirken verhältnismäßig hohe Kräfte auf die Turbine ein. In diesem Fall wird die bei 24"' und 25'' dargestellte geschlossene Stellung der Flügel eingenommen. Hierbei wird praktisch keine Saugwirkung erreicht, und die Turbine läuft dann mit normaler Drehzahl, so daß diese auch bei Sturm benutzt werden kann.
Die Steuerung der Lage der Flügel kann auch elektronisch durchgeführt werden, wobei dann in Abhängigkeit von der gemessenen Windstürke durch ein elektronisches Regelsystem die Stellung der Flügel 24 und 25 genau den Windverhältnissen angepaßt wird.
Um eine doppelte Wirkung unter Beibehaltung einer einer Venturianordnung entsprechenden Querschnittsverengung zu erzielen, wie sich aus Fig. 4 ergibt, werden die unteren Leitflächen 11 und 12 entfernt, und es ist im Abstand h von der Welle 5 des oberen Rotors 1 ein zweiter Rotor 1' mit der Welle 5' angeordnet. Unterhalb des Rotors 1', der ebenso wie der Rotor 1 gekrümmte Schaufeln 8' aufweist, ist spiegelbildlich zur oberen Leitfläche 10 eine Leitfläche 10' angeordnet, die in ein das Rotorrad 1' umschließendes Gewölbe 13' übergeht.
Während das Rotorrad 1 in Richtung des Pfeiles 30 umläuft, läuft das Rotorrad 1' in entgegengesetzter Richtung in Richtung des Pfeiles 31 um.
Um die Turbine optimal an die gegebenen Strömungsverhältnisse des Mediums, insbesondere des Windes, anpassen zu können, sind in dem dargestellten Beispiel die beiden hinteren Ausleitflächen ebenfalls in Form von drehbaren Flügeln 24 und 24' ausgebildet, die in Drehachsen 26 und 26' drehbar gelagert sind. Dadurch können die Flügel 24 und 24' entsprechend den Windverhältnissen geschwenkt werden und in die Stellungen 24a, 24b, 24c bzw. 24a', 24b', 24c' eingestellt werden. Die Flügel 24 und 24' werden durch nicht dargestellte Einrichtungen mechanisch, hydraulisch, automatisch oder elektrisch gesteuert und können die verschiedenen Positionen einnehmen. Bei automatischer Steuerung können die Flügel, beispielsweise mit einer entsprechenden Feder, in der gespreizten Stellung gehalten werden. Bei stärker werdendem Winddruck werden die Flügel automatisch nach hinten geklappt und regulieren den Sog.
Die Windrichtung ist durch die Pfeile 32 gekennzeichnet, und der Strömungsverlauf des Mediums, insbesondere des Windes, ist durch die Stromlinien 33 dargestellt.
Bei üblichem Wind mit normaler Strömungsstärke wird die Normalstellung der beiden Flügel, beispielsweise 24, 24' oder bei etwas stärkerem Wind die Stellung 24b bzw. 24b' eingenommen.
Bei schwachen Windstärken ist es erforderlich, den Sog hinter den Turbinen zu erhöhen, und in diesem Fall wird eine Stillung der Flügel eingenommen, wie sie bei 24a bzw. 24a' dargestellt ist.
Bei starken Strömungen, wie bei einem Sturm, wirken verhältnismäßig hohe Kräfte auf die Turbinen ein. In diesem Falle wird die bei 24c bzw. 24c' dargestellte geschlossene Stellung der Flügel eingenommen. Hierbei wird praktisch keine Saugwirkung erreicht, und die Turbine läuft dann mit normaler Drehzahl, so daß diese auch bei Sturm benutzt werden kann. Die Steuerung der Lage der Flügel kann auch elektronisch durchgeführt werden, wobei dann in Abhängigkeit von der gemessenen Windstärke durch ein elektronisches Regelsystem die Stellung der Flügel 24 und 24' genau den Strömungsverhältnissen des strömenden Mediums angepaßt wird.
Der zylindrische Hohlraum 34 bzw. 34' innerhalb der Rotoren 1 bzw.
1' kann auch zur Unterbringung des Energieempfängers, insbesondere eines elektrischen Generators, verwendet werden, wodurch ein Baukastensystem erreicht wird, da verschiedene Turbinenelemente neben-oder einander/übereinander gekoppelt werden können.
In Fig. 5 ist im Schnitt und im Prinzip eine weitere abgewandelte Ausführungsform der Turbine gemäß Fig. 4 dargestellt.
Auch bei der in Fig. 5 gezeigten Turbine ist es möglich, die Flügel 24 bzw. 24' bei großen Windstärken in Richtung der Pfeile 35 zusammenzuklappen, wobei dann die Endstellungen 24c bzw. 24c' eingenommen werden.
Bei Großanlagen kann aber der Fall auftreten, daß die Strömung im Mittelkanal noch zu groß ist und daß es erforderlich wird, hier eine Vorkehrung zur Bremsung der Strömung des Mediums, insbesondere des Windes, zu treffen. Aus diesem Grunde sind symmetrisch im Mittelkanal zwei Hilfsklappen bzw. Hilfsflügel 36 und 36' angeordnet, die in umgekehrter Richtung, d. h. in Richtung der Pfeile 37 bzw. 37', in entsprechende Stellungen 36a bzw. 36a' geschwenkt werden können. Das heißt, die Hilfsflügel 36 bzw. 36' werden entsprechend dem Zusammenklappen der Flügel 24 bzw. 24' in die Stellungen 24c bzw. 24c' in die äußerste Stellung 36a bzw. 36a' bewegt. Die Bewegung dieser Hilfsflügel 36 bzw. 36' erfolgt also gerade in umgekehrter Richtung wie die Bewegung der Flügel 24 bzw.
24'. Bei der weit geöffneten Stellung 24a bzw. 24a' der letztgenannten Flügel bilden die Hilfsflügel 26 und 26' den kleinsten Winkel miteinander. Bei einer sehr großen Strömung kann diese abgebremst werden, wodurch die Turbinen noch unter der kritischen Drehzahl laufen können.
Um beispielsweise bei großen Anlagen die Bewegung der Flügel 24 bzw. 24' erleichtern zu können, sind diese vor den Drehachsen 26 bzw. 26' mit Ansätzen oder kleinen Flügeln 38 bzw. 38' versehen.
Auf diese Weise kommen beim Einfahren der Flügel 24 bzw. 24' die Ansätze 38 bzw. 38' im Windstrom in Erscheinung, wodurch die erforderliche Kraft für das Zusammenklappen der Flügel 24, 24' vermindert wird.
In Figur 6 ist im Prinzip eine Frontansicht einer senkrecht aufgestellten Turbine gemäß der Erfindung dargestellt. In dem gezeigten Beispiel sind auf einem Sockel 39, vorzugsweise aus Beton, mehrere Rotorräder 1 und 1' senkrecht übereinander, entsprechend der in den Fig. 4 und 5 dargestellten Anordnung, beispielsweise auf gemeinsamen Achsen,angeordnet. Die Leitflächen 10 bzw. 10' weisen auf die Rotorräder hin, und die Flügel 24 bzw. 24' sind in der in den Fig. 4 und 5 dargestellten Ausführungsform angeordnet. Die Energieerzeuger können innerhalb der Rotorräder 1 bzw. 1' oder im Sockel 39 angeordnet werden. Die gesamte Anordnung kann gedreht und auf diese Weise in die Windrichtung eingestellt werden.
Selbstverständlich kann die Turbine gemäß der Erfindung in sämtlichen im Hauptpatent beschriebenen Formen und Anordnungen eingesetzt werden, wobei die beiden Rotoren, die im Abstand h voneinander angeordnet sind, mit ihren Leitflächen und Flügeln jeweils eine Einheit bilden.

Claims

Patentansprüche

1. Turbine zur Umwandlung der Energie eines strömenden Mediums, z.B. der Strömungsenergie von Gasen, wie Luft in Form von Wind, oder von flüssigen Medien, wie fließendes Wasser, in elektrische oder mechanische Energie mit höchstem Wirkungsgrad, bestehend aus einem oder mehreren aus etwa tangential auf Kreiszylindern angeordneten, gegebenenfalls gekrümmten Schaufelflächen gebildeten walzenförmigen Rotoren innerhalb eines aus Leitflächen für den Ein- und Auslaß des Mediums gebildeten Gehäuses, welches derart drehbar angeordnet ist/sind, daß die Leitflächen des Einlasses sich zu dem oder den Rotor/en hin verjüngen und tangential zum Umfang des oder der Rotor/en verlaufen, wobei die Leitflächen zur Erzeugung eines Soges hinter dem oder den Rotoren zur Bildung von sich nach außen öffnenden Flächen gekrümmt verlaufen gemäß Patent. .. (Patentanmeldung P 24 44 803.1), dadurch gekennzeichnet, daß spiegelbildlich und in einem Abstand zur Bildung einer Venturianordnung zum einen Rotor ein zweiter Rotor angeordnet ist, dessen zugeordnete Leitfläche spiegelbildlich zur Leitfläche des anderen Rotors verläuft.

2. Turbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die eine (10) und die spiegelbildlich entgegengesetzte Leitfläche (10') von vorne jeweils etwa tangential zu den Rotoren (1, 1') verlaufen und die Rotoren unter Bildung eines Gewöl-bes (13, 13') teilweise umfassen und zur Bildung von nach hinten verlaufenden Auslaufflächen auseinanderlaufen.

3. Turbine nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die hinteren Leitflächen durch Flügel (24, 24') gebildet werden, die spiegelsymmetrisch angeordnet sind und die in Drehachsen (26, 26') schwenkbar gelagert sind und mechanisch, hydraulisch, elektrisch, automatisch oder elektronisch gesteuert in verschiedenen Stellungen entsprechend der Stärke des strömenden Mediums einstellbar sind.

4. Turbine nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotoren(1, 1') unmittelbar oder huber Getriebe oder andere Kraftübertragungselemente mit den entsprechenden Energieerzeugern verbunden sind.

5. Turbine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Energieerzeuger, insbesondere elektrische Generatoren, in den Hohlräumen (34, 34') der Rotoren (1, 1') angeordnet sind.

6. Turbine nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Mittelkanal symmetrisch Hilfsklappen oder Hilfsflügel (36, 36') angeordnet sind, die in entgegengesetzter Richtung zu den Flügeln (24, 24') bewegt werden, d.h., daß der Winkel zwischen den beiden Hilfsflügeln (26, 26') entsprechend vergrößert wird, wenn die Flügel (24, 24') zusammen in die Stellung (24c, 24c') bewegt werden.

7. Turbine nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an den Flügeln (24, 24') Ansätze bzw. Verlängerungen (38, 38') vor den Drehpunkten (26, 26') vorgesehen sind, die beim Zusammenklappen der Flügel (24, 24') in den Windstrom geraten und die zum Zusammenklappen erforderliche Kraft vermindern.

L e e r s e i t e