DE3800070A1 - Fluidic energy converter - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen Wandler zur Konversion von mechanischer Rotations- oder Oszillationsenergie in fluidische, d.h. aerodynamische oder hydrodynamische Bewegungsenergie, oder zur Energiewandlung der gleichen Energien in vergleich barer, aber umgekehrter Wirkungsweise.The invention relates to a converter for converting mechanical rotation or oscillation energy in fluidic, i.e. aerodynamic or hydrodynamic kinetic energy, or in comparison to the energy conversion of the same energies bar, but reverse mode of action.
Vergleichbare Energiekonverter, seien es Windräder, Ventilatoren oder fächerartig wirkende Strömungsmaschinen, sind seit langer Zeit in verschiedensten Ausführungsformen in Gebrauch. Bei praktisch allen Geräten dieser Art wird letztendlich davon Gebrauch gemacht, durch geeignete Umströmung von verschiedenen Oberflächenstrukturen entweder fluidische Bewegungsenergie in kinetische Energie wandeln zu können bzw. umgekehrt.Comparable energy converters, be it wind turbines or fans or fan-like flow machines have been around for a long time Time in various embodiments in use. In the end, with practically all devices of this type made use of it by suitable flow of different surface structures either fluidic kinetic energy kinetic energy to be able to walk or vice versa.
Von praktischem Interesse und praktischer Bedeutung sind auf dem Teilgebiet der aerodynamischen Konverter solche Geräte, die mit preisgünstigsten Installationskosten eine hohe und zuverlässige Energiegewinnung ermöglichen.Are of practical interest and importance the field of aerodynamic converters such devices, a high and with the cheapest installation costs enable reliable energy generation.
Typisch für Geräte mit hohem Wirkungsgrad sind solche, deren Wirkelemente optimierte Profile oder Oberflächenstrukturen aufweisen, deren großmaßstäbliche Herstellung aufgrund der erforderlichen komplizierten Formgebung und hohen Qualität der Oberfläche relativ kostspielig sind.Typical for devices with high efficiency are those whose Active elements optimized profiles or surface structures have whose large-scale manufacture due to required complicated design and high quality of Surface are relatively expensive.
Typisch für Geräte mit preisgünstigen Installationskosten sind solche, deren Oberflächen mit einfachen Materialien und technischen Mitteln hergestellt werden können, dafür aber nur einen Teil der maximal konvertierbaren Energie ausnutzen. Dementsprechend ist eine wirtschaftliche Windkraftverwertung nur in geografisch bevorzugten Regionen möglich.Are typical for devices with inexpensive installation costs those whose surfaces are made with simple materials and technical means can be produced, but only use part of the maximum convertible energy. Accordingly, there is economic wind power utilization only possible in geographically preferred regions.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen möglichst wirtschaftlich arbeitenden Energiekonverter zu schaffen, der bei günstigen Wirkungsgradeigenschaften besonders preiswert herzustellen und zu betreiben ist.The invention is based, if possible to create economically working energy converters which is particularly beneficial with favorable efficiency properties is inexpensive to manufacture and operate.
Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1, 2 und 8 angegebene Erfindung gelöst.This object is achieved by the in claims 1, 2 and 8 specified invention solved.
Die erfindungsgemäße Vorrichung zeichnet sich gegenüber Maschinen mit gleicher oder ähnlicher Wirkung dadurch aus, daß die Konstruktion fluidisch sehr wirksam ist und mechanisch sehr stabile (rohrförmige) Konstruktionselemente verwendet. In geeigneter Ausführungsform ist die erforderliche Art und Menge an Material dennoch minimal, da nur einfache Plastic- und Stahlmaterialien verwendet werden.The device according to the invention stands out Machines with the same or similar effect characterized in that the construction is fluidly very effective and mechanically very stable (tubular) construction elements are used. In a suitable embodiment, the required type and The amount of material is minimal, since only simple plastic and Steel materials are used.
Die gleichzeitige Einsparung an Herstellungsaufwand und Material bedeutet, daß ein wirtschaftlicher Einsatz bzw. Windkraft ausnutzung in zusätzlichem Umfange möglich erscheint. The simultaneous saving in manufacturing costs and material means that an economic use or wind power exploitation seems possible in an additional scope.
Obwohl die Erfindung auch als Propeller, Ventilator, Turbine, d.h. allgemein als Strömungsmaschine genutzt werden kann, erscheint der Einsatz als Windenergiekonverter besonders vorteilhaft.Although the invention also functions as a propeller, fan, turbine, i.e. can generally be used as a fluid machine, use as a wind energy converter appears particularly advantageous.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels für ein Windrad näher erläutert.The invention is described below using an exemplary embodiment for a wind turbine explained in more detail.
Es zeigenShow it
Fig. 1 einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Wirkelement Fig. 1 shows a cross section through an active element according to the invention
Fig. 2 eine Ausführungsform eines ortsfesten Windenergiekonverters. Fig. 2 shows an embodiment of a fixed wind energy converter.
Gemäß Fig. 1 besteht ein erfindungsgemäßes Wirkelement, im folgenden als Magnus-Rotor bezeichnet, aus einem rotationssymmetrischen Körper (1), vorzugsweise Hohlkörper.Referring to FIG. 1, an inventive active element, hereinafter referred to as the Magnus rotor of a rotationally symmetrical body (1), preferably a hollow body.
Die Hauptaufgabe des Magnus-Rotors ist der Ersatz von konventionellen Flügeln oder Turbinenschaufeln.The main task of the Magnus rotor is to replace conventional blades or turbine blades.
Zu diesem Zweck ist der Magnus-Rotor um seine Achse (5) drehbar gelagert. Er kann seitlich, das heißt senkrecht zur vorgenannten Achse, angeströmt werden.For this purpose, the Magnus rotor is rotatably mounted about its axis ( 5 ). The flow can flow from the side, that is, perpendicular to the aforementioned axis.
Bei gleichzeitiger Drehung des Magnus-Rotors und seitlicher Anströmung bzw. Umströmung tritt der sog. Magnus-Effekt auf, der sich durch eine Querkraft senkrecht zur Achse (5) und senkrecht zur Anströmungsrichtung äußert.With simultaneous rotation of the Magnus rotor and lateral flow or flow around, the so-called Magnus effect occurs, which is expressed by a transverse force perpendicular to the axis ( 5 ) and perpendicular to the direction of flow.
Es ist ersichtlich, daß durch die rohrförmige Konstruktion eine erhebliche Eigenstabilität des Rotors vorhanden ist, sodaß auch der erforderliche Materialeinsatz gering gehalten werden kann. Im übrigen wird die Eigenstabilität des Magnus-Rotors durch die wirkungsmäßig erforderliche Eigenrotation noch erhöht.It can be seen that due to the tubular construction considerable inherent stability of the rotor is present, so that too the required material can be kept low. Otherwise, the inherent stability of the Magnus rotor is determined by the self-rotation required in terms of effectiveness is increased.
Es ist weiterhin ersichtlich, daß durch erfindungsgemäß angeordnete Wirkelemente, die durch zugehörige Motoren oder Mechanismen in geeignete Drehung versetzt werden, eine aero dynamische Maschine realisiert wird.It can also be seen that according to the invention arranged active elements by associated motors or Mechanisms are rotated appropriately, an aero dynamic machine is realized.
Wichtig ist in diesem Zusammenhang das Verhältnis von einzubringender Energie, um die Magnus-Rotoren in Eigendrehung zu versetzen, und nutzbarer Energie, die bei Rotation der gesamten aerodynamischen Maschine generiert wird. In this context, the ratio of energy to be injected into the Magnus rotors Self rotation, and usable energy, which at Rotation of the entire aerodynamic machine is generated.
Dieses Verhältnis beträgt für mittlere Windgeschwindigkeiten ca. 1 zu 10.This ratio is approx. For medium wind speeds 1 in 10.
Für einen Magnus-Rotor, der ca. 10 kW mechanische Abgabeleistung erbringen soll, ist daher der Rotor mit einer Leistung von ca. 1 kW in Drehung zu versetzen. Für diesen Zweck können daher handelsübliche Motoren eingesetzt werden.For a Magnus rotor with a mechanical output of approx. 10 kW is therefore to provide the rotor with an output of to turn approx. 1 kW. For this purpose you can therefore commercially available motors can be used.
Es erscheint jedoch naheliegend, anstelle oder zusätzlich zu Motoren wahlweise auch direkte Windenergie zur Erzeugung der vorgenannten Eigenrotation der Magnus-Rotoren zu verwenden.However, it seems obvious, instead of or in addition direct wind energy for the generation of motors the aforementioned self-rotation of the Magnus rotors use.
Zu diesem Zweck ist eine Vielzahl von Möglichkeiten denkbar.A variety of possibilities are conceivable for this purpose.
Die erfindungsgemäß wichtigste beruht auf der Tatsache, daß bei der Drehbewegung der gesamten aerodynamischen Maschine um deren Achse (2) die Magnus-Rotoren Luftmassen in ihrem Inneren mitführen, welche durch Zentrifugalkräfte von diesem genannten Zentrum nach außen zu strömen trachten.The most important according to the invention is based on the fact that when the entire aerodynamic machine rotates about its axis ( 2 ), the Magnus rotors carry air masses in their interior, which seek to flow outwards from this center by centrifugal forces.
Ist der Magnus-Rotor innen im wesentlichen hohl und an seinen beiden Enden offen, tritt eine aerodynamische Querströmung durch den Magnus-Rotor ein, die sowohl von der Drehfrequenz der Eigenrotation des Magnus-Rotors abhängt als auch von der Drehfrequenz der gesamten aerodynamischen Maschine.If the Magnus rotor is essentially hollow on the inside and on its open at both ends, an aerodynamic cross-flow occurs through the Magnus rotor, both of the rotational frequency depends on the self-rotation of the Magnus rotor as well as on the rotational frequency of the entire aerodynamic machine.
Gegenstand der Erfindung ist es daher insbesondere, diese Querströmung zur Unterstützung der Eigenrotation des Magnus-Rotors heranzuziehen.The object of the invention is therefore, in particular Cross flow to support the self rotation of the Magnus rotors.
Zu diesem Zweck wird ein oder mehrere propeller- oder turbinenförmige sekundäre aerodynamische Aggregate (7) in das Innere des Magnus-Rotors eingebaut, sodaß der gewünschte vorgenannte Dreheffekt erzielt wird.For this purpose, one or more propeller or turbine-shaped secondary aerodynamic units ( 7 ) are installed in the interior of the Magnus rotor, so that the desired turning effect mentioned above is achieved.
Es ist ersichtlich, daß die innere Oberfläche des Magnus-Rotors in diesem Zusammenhang aerodynamisch günstig, d. h. vorzugsweise glatt sein muß (ist) und möglichst große Durchmesser des Rotors zu wählen sind, um hier auftretende innere Verluste gering zu halten.It can be seen that the inner surface of the Magnus rotor in this context aerodynamically favorable, d. H. preferably must be (is) and the largest possible diameter of the Rotors are to be selected in order to occur here To keep losses low.
Wie im vorhergehenden erläutert, kann das erfindungsgemäße Prinzip der querstrombedingten Eigenrotationsverstärkung erst dann voll genutzt werden, wenn sich die Magnus-Rotoren als Teil der gesamten aerodynamischen Maschine bereits in Rotation befinden. As explained above, the inventive Principle of cross-current inherent rotation amplification can only be fully used when the Magnus rotors as part of the entire aerodynamic machine already in Rotation.
Die aerodynamische Maschine bedarf dementsprechend einer Anlaufhilfe, die vorzugsweise ebenfalls auf aerodynamischen Prinzipen beruhen sollte, aber auch durch externe Maßnahmen bewirkt werden kann. Wichtigste dieser externen Maßnahmen ist eine Umschaltung eines zum Windrad gehörigen elektrischen Generators (6), der als Motor geschaltet werden kann und die aerodynamische Maschine auf eine Minimaldrehzahl beschleunigt, oberhalb der die erfindungsgemäße Wirkungsweise eintritt und eine fortlaufende Winkel-Beschleunigung der aerodynamischen Maschine bis zur energetischen Gleichgewichts situation stattfindet.The aerodynamic machine accordingly requires a start-up aid, which should preferably also be based on aerodynamic principles, but can also be brought about by external measures. The most important of these external measures is a switchover of an electrical generator ( 6 ) belonging to the wind turbine, which can be switched as a motor and accelerates the aerodynamic machine to a minimum speed above which the mode of operation according to the invention occurs and a continuous angular acceleration of the aerodynamic machine to the energetic one Equilibrium situation takes place.
Eine Anlaufhilfe, die auf aerodynamischen Prinzipen beruht, kann als tertiäres aerodynamisches Aggregat ausgeführt sein, welches z.B. aus anemometerartigen Schaufelsätzen (8) besteht.A start-up aid that is based on aerodynamic principles can be designed as a tertiary aerodynamic unit, which consists, for example, of anemometer-like blade sets ( 8 ).
Diese anemometerartigen Schaufeln können sich an geeigneter Stelle auf der äußeren Oberfläche eines Magnus-Rotors befinden. Durch seitliche Anströmung des Magnus-Rotors bewirken die anemometrischen Schaufeln (8) eine mäßige Eigenrotationsbewegung des Magnus-Rotors (1), worauf sofort der Magnus-Effekt eintritt und die aerodynamische Maschine in Rotationsbewegung versetzt wird.These anemometer-type blades can be located at a suitable location on the outer surface of a Magnus rotor. Due to the flow against the side of the Magnus rotor, the anemometric blades ( 8 ) cause the Magnus rotor ( 1 ) to rotate moderately, whereupon the Magnus effect occurs immediately and the aerodynamic machine is set in rotation.
Es findet ebenfalls eine weitergehende Drehbeschleunigung der aerodynamischen Maschine bis zum energetischen Gleichgewicht statt.There is also a further spin from the aerodynamic machine to the energetic Balance instead.
Claims (8)
Priority Applications (1)
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- 1988-01-05 DE DE3800070A patent/DE3800070A1/en not_active Withdrawn
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