DE3017357A1 - Hydrodynamischer energiewandler mit integrierter leistungsregelung - Google Patents

Description

• Bezeichnung: Hydrodynamischer Energiewandler mit inte-
• grierter Leistungsregelunta Gegenstand der-Erfindung ist ein hydrodynamischer Energiewandler mit integrierter Leistungsregelung zur Erzeugung von Wärmeenergie aus der' Rotationsenergie der vertikalen Welle einer Windturbine, der gleichzeitig als Bremsvorrichtung der Windturbine bei hohen Windgeschwindigkeiten dient.
• Bei der Ausnutzung der Windenergie durch windturbinen bietet sich die Kombination einer Vertikalachsenwindturbine mit einer wärmeerzeugenden hydrodynamischen Bremse an, die üblicherweise als Wasserwirbeibremse ausgebildet ist.
• Die Achse der Wasserwirbelbremse ist hierbei direkt oder über ein Getriebe mit der senkrechten Windturbinenacbse verbunden.
• Diese Umwandlung von Rotationsenergie in thermische Energie besitzt gegenüber der Umwandlung über einen Elektrogenerator den Vorteil, daß ein größerer Gesamtwirkungsgrad der Energieausnutzung erzielt wird.
• Die Leistung der Windturbine als auch die ,Wasserwirbelbremsenleistung steigt mit der dritten Potenz der Umdrehungsgeschwindigkeit, so daß sich bei entsprechender Dimensionierung und Übersetzung die optimale Schnellaufzahl #=R(C)/V die das Verhältnis von Peripheriegeschwindgkeit zur Windgeschwindigkeit angibt, einstellt.
• Üblicherweise sind die Windturbinen aus Kastengründen festigkeitsmäßig so ausgelegt, daß eine Abbremsung der Turbine bei sehr hohen Windgeschwindigkeiten notwendig ist, um die Sturmsicherheit der Anlage zu gewährleisten.
• Bei der Kombination der Windturbine, hie-r vorzugsweise eine Turbine des Darrieus-Tym, mit einer Wasserwirbelbremse, bietet es sich an, die Bremsvorrichtung'direkt mit der wärmeerzeugenden Wasserwirbelbremse zu koppeln, in der Weise, daß di Turbine beim Anlauf minimal belastet wird, bei hohen Wind geschwindigkeiten jedoch eine maximale Leistungsgrenze einhält.
• Es ist ein Verfahren bekannt, bei dem durch ein Verschieben der gesamten ;Stator oder Rotorachse die Kennlinie der Wasserwirbelbremse verändert'wird, um den gewünschten Bremseffekt zu erzielen. Allerdings muß die Achse von außen, manuell, motorisch oder durch einen von der Windturbine gesteuerten Regelungsmechanismus betrieben werden können, was zusätzlichen Aufwand bedeutet. Bei einer anderen Konzeption einer hydrodynamischen Bremsvorrichtung für Windturbinen saugt der als Pumpe ausgebildete Bremsrotor Bremsflüssigkeit aus einem Reservoir in den Bremsbehälter, so daß bei hohen Umdrehungszahlen durch den steigenden Plüssigkeitsspiegel zusätzliche Bremsvorrichtungen überflutet werden, welche die Rotorwelle abbremsen. Nachteilig ist'hier'der zusätzliche Behälter für das Reservoir, sowie mögliche Geräusch- und Kavitationsprobleme bei,: nicht vollständig über-; fluteten Bremsvorrichtungen.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzuwenden, daß diese Nachteile Vermeidet. Das Verfahren-der Erfindung beruht darauf, daß die Rotorflügel der Wasserwirbelbremse mit zunehmender Rotationsgeschwindigkeit durch die auf sie ausgeübte Widerstahdskraft des Wassers verstellt werden, so daß sie bei großen Windgeschwindigkeiten bzw.
• Umdrehungszahlen den größten Wasserwiderstand erzeugen, wodurch die Turbinenzahl vermindert wird.
• Die Widerstandskraft des Wassers ändert sich im Gegensatz zur Leistung der Wasserwirbelbremse mit der zweiten Potenz der Umdrehungsgeschwindigkeit.
• Die zusätzliche Bremswirkung bei hohen Windgeschwindigkeiten wird erfindungsgemäß dadurch bewirkt, daß mit zunehmender Drehzahl die Widerstandsfläche der Rot'pr:flügel vergrößert wird und gleichzeitig der Abstand Rotor/Stator verringert wird;. t Dabei liefert die Abstandsverringerung den größeren Bremseffekt. Der minimale Abstand liegt bei ca. 10mm für Rotordurchmesser von 300mm bis 500mm, und Flügelt:iefcn von 30mm bis 60mm.
• Du@ch das Verstellen der Rotorflügël würde sich die Bremsleistung bei konstanter Drehzahl je narh Ausführungsform des Wirbelbremsenaggregats um maximal 400% erhoen.
• Die Vorteile des Verfahrens lassen sich folgenderrnaßen beschreiben: - Wärmeerzeugungs- und Leistungsregelung über das Rotor/ Statorsystem - Verzicht oder Vereinfachung von zusätzlichen Regelungseinrichtungen - Kleines Anfahrmoment, so daß Anfahrvorrichtungen verkleinert oder nicht benötigt werden.
• - Änderung der Bremsleistung um maximal 400% bei konstanter Drehzahl - Geringer Material- und Bauaufwand bei geringen Verschleißerscheinungen; verringerte Kavitations- und Geräuschprobleme (über dem Rotor sollten ca. 400 mm Bremsflüssigkeit stehen).
• - Vermeidung von zusätzlichen Flanschanschlüssen fiir Regelungseinrichtungen am Bremstank mit Dichtigkeitsproblemen.
• Die Erfindung wird anhand der folgenden Zeichnungen'erläutert.
• Es ist dargestellt in: Fig. 1: Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen hydrodynamischen Energiewandlers mit integrierter Leistungsregelung.
• Fig. 2: Ausführungsbeispiel des Rotors des hydrodynamischen Energiewandlers mit integrierter Leistungsregelung -Draufsicht.
• Fig . 3: Ausführungsbeispiel des Rotors des hydrodynamischen Energiewandlers mit integrierter Leistungsregelung bei Stillstand - Seitenansicht.
• Fig. 4: Ausführungsbeispiel des Rotors des hydrodynamischen Energiewandlers mit integrierter Leistungsregelung bei hohen Umdrehungsgeschwindigkeiten.
• Fig. 5: Qualitative Betriebscharakteristik der Bremsleistung des hydrodynamischen Energiewandlers mit integrierter Leistungsregelung.
• Im Bremstank (1), der mit der Bremsflüssigkeit (4), vorzugsweise Wasser, gefüllt ist, befindet sich die vertikale R@t@rwelle (2), die mit Hilfe der Lager (7), (8) gehalten wird.
• Mit der Rotorwelle rotiert der Rotor (j) über dem fest eingebauten Stator (5), der mit der Halterung (6) verankert ist.
• Der Rotor (3) besteht in diesem Ausführungsbeispiel aus einer Scheibe (t10), unter dem die Rotorflügel (11) über starke Grlenke (14) über die Längsseite beweglich angeordnet sind. Bei Stillstand werden die Flügel (11) durch die Federn' (15) in einer Ausgangsposition (12) gehalten, bei welcher die Flügel (11) mit der Scheibe (10) einen spitzen Winkel-in Umdrehungsrichtung der Scheibe bilden.
• Zu Beginn der Rotation besitzen somit die Flügelflächen einen geringen Wasserwiderstand.
• Die Bremsleistung bleibt bei niedrigen Umdrehungsgeschwindigketen geringst zumal der Abstand Rotor/Stator noch relativ groß ist. Bei, höherer Rotation nimmt die Wärmeleistung zu, die Widerstandskraft des Wassers reicht jedoch noch nicht aus, um die Rotorfläche Wesentlich aus der Ausgangsposition zu drücken.
• Erst ab einer bestimmten Umdrehungsgeschwindigkeit werden die Rotorflügel durch die zunehmende Widerstandsklaft des Wassers in die Position (15) des maximalen Ausschlages gedrückt, die wegen einer Sperrvorrichtung nicht überschritten werden kann.
• In dieser Position werden dem Wasser die größten Widerstandsflächen entgegen gehalten7, der Abstand Rotor/Stator ist am geringsten. Durch die nun erhöhte Bremsleistung wird die Wind turbine aus dem Bereich maximaler LEistungsabgabe und somit maximaler Windbelastung zu niedrigeren Belastungen geführt.
• Die Umdrehungszahl, bei welcher sich der maximale Ausschlag der Rotorflügel einstellt, ist hier durch die Dimensionierung und Gestaltung der Rückstellfedern (13) für eine gegebene Rotor- und Bremsgeometrie vorgegeben.
• Die in jedem Betriebszustand durch das Rotor/Statorsystem erzeugte Wärmeleistung wird über dem Wärmetauscher (9) entnommen und dem Verbraucher zugeführt.
• In Ziffer (5) ist qualitativ die Betriebscharakteristik der Bremsleistung des hydvodynamischen Energiewendlers dargestellt wobei sich die Kennlinie (q) bei einem Rotor mit konstant gehaltenem minimalem Ausschlag der Rotorflügel, und Kennlinie (2) bei Maximslausschlag der Rotorflügel ein stellen würde.
• Eine andere Gestaltung des Rotors ist möglich, ohne daß eine qualitative Änderung der Betriebscharakteristik eintritt.
• So können anstatt durch Zugfedern die, Rotorflügel (1 durch Torsionsfedern in ihrer Position gehalten werden, wobei die Federachsen parallel zur Achse der Gelenke (14) ausgerichtet sind Ebenfalls ist eine Rotorkonfiguration sinnvoll, bei welcher die Plügel und Federn nicht an einer Scheibe (10), sondern an sternförmig um die Rotorwelle (2) angeordneten Trägern oder Stäben angebracht sind.
• Die Träger können an den äußeren Enden durch Streben verbunden sein.
• Die Trägerkonfiguration empfiehlt sich besonders bei großen Rotordurchmessern.
• Zusätzliche Bremsvorrichtungen können ohne weiteres an der Rotorwelle (2) vorgesehen werden. Es ist allerdings zu beachten, daß diese Vorrichtungen in jedem Betriebszustand von der Bremsflüssigkeit bedeckt sind, um Kavitationsprobleme zu vermeiden Bei der Scheibenkonfiguration des Rotors (3) sollte die Scheibe (10) wie bei konventionellen Rotoren mit starren Rotorflügeln mit Löchern von ca. 20mm Durchmesser zwischen Rotorwelle (2) und Rotorflügeln (11) versehen werden, um cine maximale Verwirbelung der Bremsflüssigkeit zu erzielen.
• L e e r s e i t e

Claims (1)

1. PATENTANSPRÜCHE 1. Hydrodynamischer Energiewandler mit integrierter Leistunqsregelung mit vertikaler Rotorwelle fur die Kombination mit einer Windturbine, dadurch gekennzei@h@et, daß die Rotorwelle (2) in einem Bremstank (1) gelagert ist, daß an der Rotorwelle (2) ein Rotor (j) angebra@ht ist, der über der Bremstank (1) fest eingebauten Stator (5) rotiert, daß die Rotorflügel (11) an einer mit dcr Rot@@-welle (2) fest verbundenen Scheibe (10) über Gelenke (14) angebracht sind und durch Federn (13) bei Stillstand in einerAusgangsposition (12) gehalten werden, bei welcher die Rotorflügel (11) mit der Scheibe (10) einen sp@@@en Winkel in tJmdrehungsrichtung der Scheibe (10) bilden, und der Abstand Rotor/Stator mindestens 30mm beträgt, bei hohen Umdrehungsgeschwindigkeiten jedoch die Rotorflügel (11) einen rechten Winkel mit der Scheibe (10) bilden, wobei der Abstand Rotor/Stator maximal lOmm bis 1dmm beträgt.

   2. Hydrodynamischer Energiewandler mit inte,grierterbeistunqsregelung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorflügel (11) bei hohen Umdrehungszahlen durch die Ausbildung der Gelenke (14) keinen größeren als einen rechten Winkel mit der Scheibe (10) in Umdrehungsrichtung bilden können.

   8. Hydrodynamischer Energiewandler mit integrierter Leistungsregelung nach Anspruch 2 , dadurch gekennzeichnet, daß hier der Rotorflügel (11) von mehr als einer Feder (13).

   in Position gehalten wird.

   4. Hydrodynamischer Energiewandler mit integrierter LeistulJgsregelung nach Anspruch 3 , dadurch gekennzeichnet, daß dic Federn (13) als Torsionsfedern ausgebild-et sind und mit ihrer Längsachse (3) parallel zu der Gelenkachse der Gelenke (14) angebracht sind.

   5. Hydrodynamischer Energiewandler mit integrierter Leistungsregelung nach Anspruch 4 , dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibe (10) zwischen Rotorwelle (2) und Rotorflügel (11) mit Löchern versehen ist.

   6. Hydrodynamischer Energiewandler mit integrierter Leistungsregelung nach Anspruch 5 , dadurch. gekennzeichnet, daß die Rotorflügel (11) und die Federn (13) nicht an einer Scheibe (10) sondern. an sternförmig um die Rotorwelle (2) angeordneten Trägern angebracht sind.

   7. Hydrodynamischer Energiewandler mit integrierter Leistungsregelung nach einem der Ansprüche l bis 6 , dadurch gekennzeiJhnet, daß lt der Rotorwelle (2) noch weitere Bremsvorrichtungen angebracht sind, wobei alle Bremsvorrichtungen mit Bremsflüssigkeit bedeckt sind.