DE3213810A1

DE3213810A1 - Turbine und deren verwendung

Info

Publication number: DE3213810A1
Application number: DE19823213810
Authority: DE
Inventors: Karl 8032 Zürich Holliger
Original assignee: Escher Wyss GmbH
Current assignee: Sulzer Escher Wyss GmbH
Priority date: 1981-06-05
Filing date: 1982-04-15
Publication date: 1983-01-27
Also published as: US4545726A; CH659851A5; NO821248L; GB2099929B; FR2507251A1; JPS5859301A; GB2099929A

Description

ESCHER WYSS GmbH, 7980 Ravensburg

Turbine und deren Verwendung

Die Erfindung betrifft eine Turbine mit einem eine Nabe und Laufschaufeln mit Profil aufweisenden Laufrad, das abwechselnd in der einen und in der anderen Durchflussrichtung vom Arbeitsmittel durchströmt wird und bei beiden Durchflussrichtungen im gleichen Drehsinn umläuft.

Unter Durchflussrichtung wird die Richtung der durch das Laufrad fliessenden Meridianströmung verstanden, d.h. die Komponente der Strömung des Arbeitsmittels, die in eine Ebene fällt, die durch die Drehachse des Laufrads und einen Radienvektor aufgespannt ist, die Meridianebene.

Derartige Turbinen eignen sich besonders für die Energiegewinnung aus der Wellenbewegung des Meeres, jedoch sind auch andere Verwendungen möglich.

In der US-PS 4 221 538 ist eine solche Turbine Beschrieben, die mit Luft als Arbeitsmittel arbeitet. Diese Luftturbine ist im oberen Hals eines ins Wasser eintauchenden und unten offenen Gefässes eingebaut. Das Wasser im unteren Teil des Gefässes steigt und fällt unter dem Einfluss der Wellen, wodurch durch den Hals Luft aus dem Gefäss ausfliesst, beziehungsweise in das Gefäss hineinfliesst, d.h. die Luft wird durch die Turbine hindurch abwechselnd in entgegengesetzter Richtung bewegt.

Die Laufschaufeln der bekannten Luftturbine sind in einer senkrecht zur Drehachse des Laufrads liegenden Ebene angeordnet, und das Profil der Laufschaufeln besteht aus einem einzigen Teil, der symmetrisch zu dieser Ebene ist, wobei das in Umlaufrichtung vordere Ende des Profils mit einem grösseren Radius abgerundet ist als das in Umlaufrichtung hintere Ende des Profils. Wenn Luft durch den

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Hals des Gefässes strömt, ergibt sich am vorderen, besser abgerundeten Ende des Profils ein kleinerer Druck als am schärfer abgerundeten/ stärkere Ablösung der Strömung verursachenden hinteren Ende des Profils, so dass sich das Laufrad zu drehen beginnt. Durch das Drehen des Laufrades entsteht eine schräg gegen das vordere Ende des Profils gerichtete relative Anströmung, als Resultat der vektoriellen Addition der in der Ebene des Laufrades liegenden, infolge der Umfangsgeschwindigkeit entstehenden Strömung und der absoluten, gegebenenfalls durch ein Leitrad gerichteten Zuströmung. Unter der schräg zum Profil liegenden relativen Anströmung dreht sich das Laufrad und gibt Leistung ab. In der anderen entgegengesetzten Durchflussrichtung der Luft arbeitet das Laufrad entsprechend, wobei es im gleichen Drehsinn umläuft. Wegen der geschilderten Symmetrie des Laufrades ist die Leistung gering. Durch die Anordnung von symmetrischen Laufschaufeln in mehreren parallelen Ebenen nach GB 2 028 929 lässt sich zwar eine verbesserte, jedoch noch nicht die grösste Leistung und noch kein optimaler Wirkungsgrad erreichen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Leistungsabgabe und den Wirkungsgrad einer Turbine gegebener Grosse weiter zu erhöhen, oder die Grosse einer Turbine bei gleicher Leistungsabgabe zu verkleinern, und zwar für beliebige gasförmige oder flüssige Strömungsmittel.

Die Erfindung gründet sich auf die Erkenntnis, dass die bekannten Turbinen mit symmetrischen Laufschaufeln im Anstellwinkel der relativen Anströmung wegen des Äbreissens der Strömung bei zu grossem Anstellwinkel beschränkt sind.

Die gestellte Aufgabe wird bei der eingangs geschilderten Turbine erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass das Profil der Laufschaufeln mindestens über einen Teil der

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Länge der Laufschaufeln zur Verbesserung der Umströmung der Laufschaufeln in wenigstens zwei Profilteile unterteilt ist, wobei wenigstens eines der Profilteile zu jeder zur jeweiligen Durchflussrichtung senkrechten Ebene unsymmetrisch ist.

Mit Vorteil werden zwei gleichgrosse als Hauptflügel ausgebildete Profilteile vorgesehen, die in den Durchflussrichtungen des Laufrades hintereinander angeordnet sind und zusammen das Laufschaufelprofil als Einheit bilden.

VorteULhafterweise werden die Profilteile an ihren einander zugewandten Oberflächen flacher ausgebildet als an ihren voneinander weggewandten Oberflächen. Weiter ist es vorteilhaft, wenn der gegenseitige mittlere Abstand der beiden Profilteile das bis etwa l,5fache der Sehnenlänge eines Profilteiles, vorzugsweise das 0,7-fache der Sehnenlänge eines Profilteiles beträgt.

In einer anderen zweckmässigen Bauart kann das Profilteil aber auch gegen die zur Durchflussrichtung senkrechten Ebenen geneigt, also dazu unsymmetrisch angeordnet sein.

Dabei können die Profilteile einer Einheit in Durchflussrichtung einander symmetrisch gegenüberliegen oder gegeneinander versetzt sein. Bei einer Weiterbildung der Erfindung werden aie Profilteile als Hauptflügel und als Hilfsflügel ausgebildet. Dabei können mit Vorteil ein Hauptflügel und zwei zu beiden Seiten des Hauptflügels liegende Hilfsflügel vorgesehen werden. Für diese Ausführung ist es vorteilhaft, wenn der in der jeweiligen Durchflussrichtung des Laufrades vordere Hilfsflügel mit dem Hauptflügel ein Flügelprofil umgrenzt, während der bei der gleichen Durchflussrichtung des Laufrades hintere Hilfsflügel einen Stützflügel für das umgrenzte Flügelprofil bildet.

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Bei einer einfachen Bauart des Laufrades weist die Längsrichtung der Schaufeln von der Drehachse des Laufrades weg. Dabei ist es vorteilhaft, wenn der Querschnitt der Profilteile gegen die Drehachse des Laufrades hin völliger wird, sowie wenn die Profilteile für einen gegen die Drehachse des Laufrades hin wachsenden Anströmwinkel ausgelegt sind, ötn die Schaufeln festigkeitsmassig 2x1 verbessern, können die Profilteile an ihrem von der Drehachse des Laufrades entfernteren Ende miteinander verbunden sein. Die Verbindung kann sich auch von Schaufel zu Schaufel über den ganzen Umfang erstrecken.

Die Längsrichtungen der Laufschaufeln können statt senkrecht auch schräg oder sogar parallel zur Drehachse des Laufrades stehen. In diesem letzten Fall ergibt sich der Vorteil eines exakt gleichen Anströmwinkels über die ganze Längsrichtung der Laufschaufeln.

Die bisher besprochenen, unsymmetrische Profilteile aufweisenden Profileinheiten sind zu einer durch· die Umlauf richtung der Laufschaufeln gebildeten Fläche symmetrisch. Statt dessen kann jedoch auch ein Profilteil bei Umkehrung der Durchflussrichtung des Laufrades verstellbar sein, so dass dabei die Stellung der Profilteile bei der einen Durchflussrichtung symmetrisch zur Stellung der Profilteile bei der anderen Durchflussrichtung ist.

Bei Verstellbarkeit eines Profilteiles können zwei Hauptflügel relativ zueinander in Umfangsrichtung des Laufrades verschiebbar sein, oder es können ein fester Hauptflügel und ein oder zwei verstellbare Hilfsflügel vorgesehen werden, oder ein verstellbarer Hauptflügel. Bei allen Bauarten wird vorteilhafterweise eine strömungstechnisch günstig ausgebildete Querschnittserweiterung beidseitig der Turbine vorgesehen, die für Be-

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schleunigung und Verzögerung der Arbeitsmittelströmung sorgt.

In den Zeichnungen, anhand welcher die Erfindung näher erläutert wird, sind Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes vereinfacht dargestellt. Die Ausführungsbeispiele zeigen Turbinen, bei denen Luft als Strömungsmittel dient. Statt dessen können die Turbinen im Rahmen der Erfindung auch so ausgeführt sein, dass ein anderes Gas oder ein flüssiges Medium, z.B. hin- und herströmendes Wasser, als Arbeitsmittel dient. Gegebenenfalls kann dabei auch Teilbeaufschlagung der Turbine zur Anwendung kommen.

Fig. 1 einen Schnitt parallel zur Drehachse des Laufrades durch eine in den Hals eines Gefässes eingebaute Luftturbine,

Fig. 2 einen Querschnitt durch Leitschaufeln und . Laufschaufeln der Luftturbine nach Fig. 1,

Fig. 3 einen Querschnitt entsprechend Fig. 2 durch eine weitere Luftturbine,

Fig. 4 einen Querschnitt entsprechend Fig. 2 durch eine leitradlose Turbine einer anderen Ausführung.

Fig. 5 einen Querschnitt entsprechend Fig. 2 durch eine weitere Turbine,

Fig. 6 7 ein Profil einer Laufschaufel, angeströmt

in der einen bzw. anderen Durchflussrichtung,

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Fig. 8, 9 je ein Profil für zwei weitere Laufschaufeln,

Fig. 10 eine Ansicht auf eine Laufschaufel in einer Durchfluss

richtung,

Fig. 11 einen Schnitt nach der Linie XI-XI in Fig. 10,

Fig. 12 einen Schnitt nach der Linie XII-XII in Fig. 10,

Fig. 13 - 16 je einen Längsschnitt vier weiterer Luftturbinen,

Fig. 17 einen Querschnitt entsprechend Fig. 2 durch eine

weitere Luftturbine,

Fig. 18,19 ein Profil einer Lauf schaufel, verstellt für die eine bzw. andere Durchflussrichtung,

Fig. 20 - 25 Varianten zu den Querschnitten von Fig. 18, 19,

Fig. 26 einen axialen Teilschnitt durch eine Luftturbine _f

Fig. 27 einen Schnitt nach der Linie XXVII-XXVH in Fig. 26,

Fig. 28, 29 Ansicht und Schnitte einer weiteren Laufschaufel,

Fig. 30 einen Schnitt nach der Linie XXX-XXX in Fig. 28_y

Fig. 31 einen Schnitt nach der Linie XXXI-XXXI in Fig. 28.

Die in Fig. 1 und Fig. 2 dargestellte Luftturbine 1 ist in einem oberen Hals 2 eines Gefässes 3 angeordnet, von dem die Zeichnung nur den obersten Teil zeigt. Das Gefäss 3 taucht mit seiner unteren Hälfte in durch Wellen bewegtes Wasser ein. Das Gefäss 3 ist unten offen und der Wasserspiegel im Gefäss 3 steigt und sinkt untex

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dem Einfluss der Wellenbewegung. Die in der oberen Hälfte des Gefässes 3 befindliche Luft strömt deshalb durch den Hal3 2 in der einen Durchflussrichtung 4 in das Gefäss ein oder in der anderen Durchflussrichtung 5 aus dem Gefäss heraus. Diese bewegte Luft ist das Arbeitsmittel der Luftturbine 1.

Die Luftturbine 1 besitzt eine Nabe 6 und Laufschaufeln 7. Die Nabe 6 ist in einem zentralen Gehäuse 8 gelagert. In Durchflussrichtung vor und nach den Laufschaufeln 7 liegen Leitschaufeln 9, die das Gehäuse 8 mit dem Hals 2 verbinden. Im Gehäuse 8, z.B.im oberen Teil liegt ein elektrischer Generator, der von der Luftturbine 1 angetrieben wird. In einer anderen Ausführung liegt der Generator direkt in der Nabe des Laufrades.

Das Profil der Laufschaufeln 7 ist zur Verbesserung der Umströmung

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in Profilteile 7 und 7 unterteilt. Die Profilteile 7 und 7 sind gleich gross und als Hauptflügel ausgebildet und sind in den Durchflussrichtungen 4,5 des Laufrades 6,7 hintereinander und genau ge-

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genüber angeordnet. Jedes der Profilteile 7 und 7 hat bezüglich jeder zur Drehachse A senkrechten Ebene eine unsymmetrische Form und ihr mittlerer Abstand beträgt das bis 1,5-fache der Länge des Profils, vorteilhafterweise das 0,7-fache der Länge des Profils. Die unsyrrmetrische Form der Profilteile erlaubt einen grösseren Anstellwinkel der relativen Anströmung, ohne dass die Strömung abreisst.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, leiten die Leitschaufeln 9 die Luft aus der Durchflussrichtung 4 bzw. 5, die parallel zur Drehachse verläuft, in Umlaufrichtung des Laufrades (im Drehsinn des Laufrades) bis zu einem Wert der im Spitzendurchmesser etwa 30° betragen kann, um, wodurch bei gegebenem relativem Anströmwinkel die Umfangsgeschwindigkeit und damit die Leistung vergrössert wird.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 sind ebenfalls die in den.Durchflussrichtungen 4,5 einander genau gegen-

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überliegenden Profilteile 7 und 7 an ihren einander zugewandten Oberflächen 10 bzw. 11 flacher ausgebildet als an ihren voneinander weggewandten Oberflächen 12 bzw. 13, wobei der vordere Abstand grosser ist als der hintere, d.h. die Profilteile sind gegen die Ebenen senkrecht zur Achse geneigt, also jedes für sich unsymmetrisch angeordnet . Fig. 4 zeigt ein Beispiel, bei dem der gegenseitige Abstand der Profilteile am vorderen Ende der Profilteile kleiner als am hinteren Ende der Profilteile ist, wobei die Abstandsdifferenz von innen nach aussen abnehmen kann. Leitschaufeln fehlen in diesem Beispiel. Besonders günstig hat sich eine Kombination beider Ausführungen erwiesen, wobei in Achsennähe wie in Fig. 4 der vordere Abstand,weiter entfernt von der Achse jedoch wie in Fig. 3 der Abstand der hinteren Profilteil-Enden der kleinere ist. Eine solche Turbine weist verbesserte Anlaufeigenschaften auf und ermöglicht einen problemlosen Selbststart.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 sind die Profilteile 7 und 7 in Profillängsrichtung relativ zueinander versetzt. Die Versetzung ist so ausgeführt, dass ein Profilteil 7 der unteren Reihe jeweils zwischen zwei Profil teilen 7¹ der oberen Reihe liegt, und umgekehrt, so dass sich in beiden Durchflussrichtungen 4 bzw. 5 der Luftturbine das gleiche Strömungsbild ergibt.

Bei der Laufschaufel nach Fig. 6 und 7 sind die Profilteile des Profils der Laufschaufeln 7 als Hauptflügel 7 und als unsymmetrische und geneigte Hilfsflügel 7 und 7⁵ ausgebildet, die zu beiden Seiten des Hauptflügels r liegen. Wie in Fig. 6 durch strichpunktierte Linien angezeichnet ist, umgrenzt der in der einen Durchflussrichtung des Laufrades vordere Hilfsflügel 7^ mit dem Hauptflügel 7 ein Flügelprofil, während der bei der gleichen Durchflussrichtung 4 des Laufrades hintere Hilfsflügel Ί einen Stützflügel für das umgrenzte Flügelprofil bildet. Die Voreilung der Vorflügel gegen den Hauptflügel kann dabei mit radialem Abstand zunehmen.

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J I I 6 Ö I U

Bei dem Beispiel nach Fig, 7 ist ersichtlich, dass

die beiden Hilfsflügel 7⁴ und 7^ symmetrisch zum Hauptflügel 7 liegen. In der anderen Durchflussrichtung 5 umgrenzt der dann vordere Hilfsflügel 7·* mit dem Hauptflügel 7 ein Flügelprofil, während der bei der Durchflussrichtung 5 dann hintere Hilfsflügel 7⁴ einen Stützflügel für das umgrenzte Flügelprofil bildet.

Beim Profil nach Fig. 8 liegen die Hilfsflügel 7⁴ und 7 am hinteren Ende des Hauptflügel 7 , während beim Profil nach Fig. 9 die Hilfsflügel 7⁴ und 7⁵ die gleiche Länge wie der Hauptflügel 7 haben.

Die Längsrichtung der Laufschaufel nach Fig. 10 bis 12 erstreckt sich senkrecht zur Drehachse des Laufrades, wie beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 und 2, d.h. die Längsrichtung der Laufschaufeln 7 weist von der Drehachse des Laufrades weg. Dabei wird der Querschnitt der Profilteile 7 gegen die Drehachse des Laufrades hin völliger und der Abstand der Profilteile 7 , 7 nirtntt zu, so dass ein aeaen die Drehachse hin wachsender Anströmwinkel zulässig wird.

4 5 Ferner ist die radiale Ausdehnung der Hilfsflügel 7 , 7 geringer als die des Hauptflügels 7³.

Bei den Luftturbinen nach Fig. 13 und Fig. 14 sind die Profilteile 7¹ und 7 an ihrem von der Drehachse des Laufrades entfernten Ende 14, bzw. 15 miteinander verbunden. Während beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 13 das Profil der Laufschaufel über die ganze Länge der Laufschaufel in Profilteile unterteilt ist, erstreckt sich beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 14 die Unterteilung in Profilteile nur über den radial inneren Teil der Länge der Laufschaufel. Das radial äussere Ende der Laufschaufel 7 ist nicht in Profilteile unterteilt.

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Bei der Luftturbine nach Fig. 15 verlaufen die Längsrichtungen der Laufschaufeln 7 parallel zur Drehachse des Laufrades, so dass über die gesamte Längsrichtung der Lauf schaufeln eine gleichgrosse {Anlaufgeschwindigkeit vorliegt und der Anströmwinkel der Laufschaufeln über die ganze Längsrichtung hin der gleiche ist. Eine derartige Luftturbine mit zwei unsyitmetrischen Lauf schaufelteilen parallel zur Drehachse lässt sich mit Vorteil auch als Windmotor vom Darrieus-Typ, z.B. als Weiterbildung von WD 80/00733 mit verbesserter Leistung und erleichtertem Selbststart verwenden.

Bei der Turbine nach Fig. 16 verlaufen die Längsrichtungen der Laufschaufeln schräg zur Drehachse des Laufrades als Beispiel für eine halbaxial durchflossene Turbine, während die Turbine nach Fig. 1 axial durchflossen, und die Turbine nach Fig. 15 nahezu radial durchflossen ist. In diesen beiden Figuren treten die strönungstechnisch günstig geformten Querschnittserweiterungen (23, 23 ) deutlich in Erscheinung.

Bei der Turbine nach Fig. 17 ist dem Laufrad 6,7 ein zweites Laufrad 6', 7' unter Zwischenschaltung eines Zwischenleitrades 16 nachgeschaltet.

Bei den in Fig. 18 bis Fig. 27 dargestellten Ausführungsbeispielen sind Profilteile des Profils der Laufschaufeln bei Umkehrung der Durchflussrichtung 4 bzw. 5 verstellbar. Diese Verstellung erfolgt zweckmässigerweise automatisch durch den Luftstrom selbst, respektive durch den vom Luftstrom ausgeübten Druck oder auch durch indirekte Uebertragung.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 18 und 19 sind zwei Hauptflügel 7 und 7 relativ zueinander in ümfangsrichtung des Laufrades verstellbar. Der in der jeweiligen Durchflussrichtung 4 bzw. 5 liegende vordere Hauptflügel ist so gestellt, dass er in Ümfangsrichtung des Laufrades im Drehsinn gesehen nach dem in Durchflussrichtung hinteren Hauptflügel angeordnet ist.

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Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 20 und 21 werden die Profilteile durch einen fest mit der Nabe verbundenen Hauptflügel 7 und zwei miteinander verbundene, gemein-

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sam verstellbare Hilfsflügel 7 und 7 gebildet. Der jeweils in Durchflussrichtung 4,bzw. 5 vordere Hilfsflügel bildet mit dem Hauptflügel ein stark gewölbtes Flügelprofil, während der jeweils in Durchflussrichtung hintere Hilfsflügel als Stützflügel dient.

Bei dem in Fig. 22 und 23 dargestellten Profil legt sich der in der jeweiligen Durchflussrichtung 4 bzw. 5 vordere Hilfsflügel an den Hauptflügel an, so dass die beiden Profilteile ein dem anströmenden Luftstrom zugewandtes Flügelprofil bilden, während der bei der gleichen Durchflussrichtung des Laufrades hintere Hilfsflügel einen Stützflügel für das umgrenzte Flügelprofil bildet.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 24 und 25 liegt im Drehsinn des Laufrades vor einem festen Hauptflügel 7 ein beweglicher Hilfsflügel 7 , der einen Stützflügel für den festen Hauptflügel bildet. Der Hilfsflügel 7⁶ ist so ausgebildet, dass er bezüglich seiner Drehachse gewichtsmässig im Gleichgewicht ist, die Drehachse aber vor dem Angriffspunkt der Auftriebskraft des Hilfsflügels liegt, so dass der Hilfsflügel 7 durch den Luftstrom bis zu einem Anschlag verstellt wird. Statt des Hilfsflüaels 76 kann jedoch auch der Hauptflügel 7^ schwenkbar sein.

Die Drehachse des Hilfsflügels 7⁶ nach Fig. 24 und 25, ebenso wie die Drehachsen der Hilfsflügelpaare 7 , Ί nach Fig. 20 und 21, bzw. Fig. 22 und 23 liegen in der Symmetrieebene des Hauptflügels 7 .

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Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 26 und 27 dient zum Verstellen der Profilteile 7⁴, 7⁵ bei Umkehrung der Durchflussrichtung des Laufrads der Durckunterschied des Arbeitsmittels vor und nach dem Laufrad. Ein Kolben 17 oder ein deformierbarer Teller ist mittels einer Membrane 18 an der Nabe 6 des Laufrads in Achsrichtung des Laufrads verschieblich oder fest verbunden. Die eine Seite des Kolbens 17 ist über wenigstens eine Leitung 19 mit der in der Zeichnung rechts liegenden Laufradseite 20 verbunden. Die andere Seite des Kolbens 17 liegt an der linken Laufradseite 21. Wie besonders Fig. 27 erkennen lässt, wirkt der Kolben 17 über eine Stange 22 auf die verstellbaren Hilfsflügel 7 , 7 , so dass diese umgesteuert werden.

Das Ausmass der Verstellung kann auch durch die Grosse des Druckunterschiedes bestimmt sein. Zweckmässigerweise erfolgt die Verstellung so, dass die verstellbaren Profilteile im Zeitpunkt der Richtungsänderung des Durchflusses in Mittellage sind.

Bei allen Ausführungsbeispielen, d.h. sowohl für die Laufschaufeln mit unverstellbar an der Nabe befestigten Profilteilen als auch für die Laufschaufeln, die gegenüber der Nabe verstellbare Profilteile aufweisen, sind die unsymmetrischen Profilteile meist in der einen Durchflussrichtung symmetrisch zur anderen Durchflussrichtung angeordnet. Die Laufschaufel mit in unsymmetrische Profilteile unterteiltem Profil hat also wie be kannte, ein symmetrisches Profil aufweisende Laufschaufeln in beiden Durchflussrichtungen die gleichen Strömungsverhältnisse, besitzt jedoch den Vorteil, dass ein grösserer Anströmungswinkel ohne Abreissen der Strömung und damit eine grössere Leistung und ein besserer Wirkungsgrad möglich wird.

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Bei solchen insgesamt symmetrischen Profilen entsteht jedoch das Problem/ dass der Druckabfall zwischen dem Einlauf und Auslauf der Turbine an verschiedenen Punkten der Laufschaufeln unterschiedlich ist, d.h. vom Radius oder vom Abstand von der Drehachse A abhängt. Bei Turbinen mit nur einer Durchflussrichtung, bei denen eine Unsyrrmetrie erlaubt ist, konnte dieses Problem beispielsweise durch eine verwundene Formgebung der Laufschaufeln, dem Fachmann als "Wirbelflussbeschaufelung" oder "free vortex" bekannt, gelöst werden. Sobald jedoch gleiche Strömungsverhältnisse in beiden, entgegengesetzten Durchströmungsrichtungen verlangt werden, war die Lösung durch Verwindung der Schaufeln bei symmetrischen Profilen oder aus symmetrischen Teilen zusammengesetzten Profilen nicht mehr möglich.

Die erfindungsgemäss unsymmetrische Ausbildung und Anordnung der Profilteile macht es jedoch möglich, den Druckabfall unabhängig vom Radius zu halten und damit eine Ablösung der Strömung über dem gesamten Querschnitt

zu verhindern oder einen anderen gewünschten radialen Druckverlauf zu erreichen.

In den Figuren 29-31 ist ein diesen Anforderungen genügendes Beispiel schematisch gezeigt, bei dem sich ein Hauptflügel 7 , und zwei seitlich voreilende Hilfsflügel 7⁴, 7⁵ radial von der Nabe 6 und der Drehachse A weg erstrecken. Dabei nehmen die Sehnenlängen der unsymmetrischen Profilteile 7 , 7 und ebenso die Voreilung dieser Teile gegenüber Teil 7 mit wachsendem Abstand von der Drehachse A zu, während die Sehnenlängen von Teil 7 abnehmen und der Teil sogar in radialer Richtung vor Erreichen des Spitzenschnittes verschwindet. An ihrem Ende 14'sind die Profilteile 7 , 7-> zur Versteifung miteinander verbunden.

Am Beispiel von Fig. 29 bis 31 ist auch gezeigt, wie die

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Flügelteile 7 , 7 in sich verwunden sein können, indem der gegenseitige Abstand in Nabennähe vorne, entfernt von der Nabe jedoch hinten, kleiner ist als der andere Abstand. Der Ab-

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stand ist in Nabennähe vorne kleiner, weil nur so die grossen Anstellwinkel, die dort herrschen, ohne Strömungsablösung bewältigt werden. Weiter aussen, wo der Anstellwinkel wegen der grösseren Umfangsgeschwindigkeit kleiner ist, kann ohne Ablösungsgefahr der Abstand hinten kleiner sein. Das erzeugt eine schiefe Fläche, die derart geneigt ist, dass die Luft,die das ruhende Laufrad anströmt, umgelenkt wird und das Laufrad aus Reaktion dazu im gewünschten Sinne zu drehen beginnt. Auch in Nabennähe gibt es eine schiefe Fläche, die aber bezüglich Selbststart keinen Beitrag leistet. Weil aber die günstig geneigten Flächen den grösseren Hebelarm oder Radius haben, dreht sich das Laufrad dennoch im gewünschten Sinne.

Die Erfindung wurde vorstehend anhand einer Luftturbine beschrieben. Wie bereits erwähnt, lässt sich die Erfindung mit Vorteil auch für andere Strömungsmittel realisieren, z.B. hin- und herströmendes Wasser in Gezeiten-Kraftwerken, oder ein anderes Medium.

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Claims

Patentansprüche

Turbine mit einem eine Nabe (6) und Laufschaufeln (7) mit Profil aufweisenden Laufrad, das abwechselnd in der einen und in der anderen Durchflussrichtung vom Arbeitsmittel durchströmt wird und bei beiden Durchflussrichtungen im gleichen Drehsinn umläuft, dadurch gekennzeichnet, dass das Profil der Laufschaufeln (7) mindestens über einen Teil der Länge der Laufschaufeln zur Verbesserung der Umströmung der Laufschaufeln in Profilteile (7 , 7") unterteilt ist, wobei wenigstens eines der Profilteile zu jeder zur jeweiligen Durchfluss richtung ( 4, 5) senkrechten Ebene unsymmetrisch ist.

2. Turbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass der gegenseitige

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Abstand der Profilteile (7 , 7 ) am vorderen Ende der Profilteile vom Abstand am hinteren Ende der Profilteile verschieden ist.

3. Turbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass die Profilteile (7 , 7 ) an ihren einander zugewandten Oberflächen (10,11) flacher ausgebildet sind als an ihren voneinander weggewandten Oberflächen (12, 13).

4. Turbine nach Anspruch 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet , dass zwei gleichgrosse als Hauptflügel (7¹, 7²) ausgebildete Profilteile vorgesehen sind, die in den Durchflussrichtungen (4, 5) des Laufrades (6, 7) hintereinander angeordnet sind_r und zwar wahlweise gegenüberliegend oder in Umlaufrichtung gegeneinander versetzt.

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ti. Turbine nach Anspruch 4, dadurch

gekennzeichnet , dass der gegenseitige mittlere Abstand der Profilteile (7¹, 7²) in

in Durchflussrichtung das bi6 1,5 - fache, vorzugsweise etwa das 0, 7 - fache der Sehnenlänge eines Profilteils beträgt.

6. Turbine nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet , dass die Profilteile zu einer zur Durchflussrichtung senkrechten Ebene symmetrisch gruppiert sind.

7. Turbine nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet , dass als Profilteile ein Hauptflügel (7 ) und zu dessen beiden Seiten liegende Hilfsflügel (7⁴, 7⁵) vorgesehen sind.

8. Turbine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Hauptflügel (7³) und die Hilfsflügel (7⁴, 7⁵) in Radialrxchtung verschieden weit erstrecken.

9. Turbine nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet,' dass die Hilfsflügel (7⁴, 7⁵) dem Hauptflügel (7³) in Drehrichtung voreilen.

10. Turbine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Voreilung der Hilfsflügel (7⁴, 7⁵) mit zunehmendem Abstand von der Nabe (6) zunimmt.

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11. Turbine nach einer der Ansprüche 1- ίο, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsrichtung der Laufschaufeln (7) von der Nabe (6) des Laufrades (6, 7) wegweist.

12. Turbine nach Anspruch 11, dadurch ge kennzeichnet , dass der Querschnitt der Profilteile (7¹, 7²) gegen die Nabe (6) des Laufrades (6,7) hin völliger wird.

13, Turbine nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Profilteile (7¹, 7²) an ihrem von der Nabe (6) des Laufrades (6, 7) entfernteren Ende (14, 15) miteinander verbunden sind.

14. Turbine nach einem der Ansprüche 11-13, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der Profilteile (7¹, 7²) in Durchflussrichtung mit zunehmendem Abstand von der Nabe (6) abnimmt.

15. Turbine nach einem der Anspräche 11-14, dadurch gekennzeichnet, dass in der Nähe der Nabe (6) der Abstand der Profilteile

(7 , 7⁵) am hinteren Ende grosser ist als am vorderen Ende, weiter entfernt von der Nabe (6) jedoch die Ab stands-Differenz kleiner ist oder der Abstand der Profilteile am vorderen Ende grosser ist als am hinteren Ende.

16. Turbine nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet , dass die Sehnenlängen der Profilteile (7 , 7 ) mit wachsendem Abstand von der Nabe (6) zunehmen.

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17. Turbine nach einem der Ansprüche 7-10 und nach einem der Ansprüche 11-16, dadurch gekennzeic h-

net, dass die Sehnenlänge des Hauptflügels (7 ) mit zunehmendem Abstand von der Nabe (6) abnimmt.

18. Turbine nach einem der Ansprüche 1 - 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsrichtungen der Laufschaufeln (7) parallel zur Drehachse des Laufrades (6, 7) verlaufen.

19. Turbine nach einem der Ansprüche 1- 18, dadurch gekennzeichnet/ dass auf wenigstens einer Seite des Laufrades (7) ein Leitrad (9) vorgesehen ist.

20. Turbine nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet , dass dem Laufrad (6, 7)

wenigstens ein zweites Laufrad (6¹, 7¹) unter Zwischenschaltung jeweils eines Zwischenleitrades (16) nachgeschaltet ist.

21. Turbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass ein Profilteil (7², 7⁴, 7⁵, 7⁶) bei Umkehrung der Durchflussrichtung (4, 5) des Laufrades (5, 7) von einer in eine andere Stellung verstellbar ist, so dass das Pro filteil in beiden Stellungen unsymmetrisch zu den Ebenen senkrecht zur Durchflussrichtung angeordnet ist.

22. Turbine nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet , dass zwei Profiltei-Ie (7. t 7 ) relativ zueinander in ümlaufrichtung des Laufrades (6, 7) verschiebbar sind.

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-V^s

23. Turbine nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet. , dass die Profilteile in zwei Gruppen aufgegliedert sind, wobei die Profilteile der einen Gruppe (7^) fest und die der anderen Gruppe (7 , 7⁵, 7⁶) verstellbar sind.

24. Turbine nach einem der Ansprüche 21-23, dadurch gekennzeichnet, dass zum automatischen Verstellen des Profilteiles bei Umkehrung der Durchflussrichtung des Laufrades der Druckunterschied des Arbeitsmittels vor und nach dem Laufrad dient.

25. Verwendung einer Turbine nach einem der Ansprüche 1-24 zur Energiegewinnung aus der Wellenbewegung des Meeres.

26. Verwendung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet , dass die Turbine im oberen Hals (2) eines Gefässes (3) angeordnet ist, dessen unteres,offene Ende in das durch Wellen bewegte Wasser taucht.

27. Verwendung einer Turbine nach einem der Ansprüche 1-24 zur Energiegewinnung aus der Bewegung hin- und herströmenden Wassers.

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