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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Umsetzung der Energie eines strömenden Mediums in eine Drehbewegung mit einem drehbar gelagerten Grundkörper wobei die Drehachse des Grundkörpers etwa normal zur Anströmrichtung verläuft und wobei am Grundkörper eine Schaufelanordnung vorgesehen ist.

Vorrichtungen zur Umsetzung von Energie eines strömenden Mediums in eine Drehbewegung wie beispielsweise Windräder, Wasserräder und dergleichen sind in unterschiedlichen Ausführungsformen in die Patentliteratur eingegangen.

Die DE 1 982 6475 A1 beispielsweise zeigt eine Vorrichtung zur Umwandlung von in Wind enthaltender mechanischer Energie in elektrischer Energie mit einer Einrichtung zum Wandeln der Windenergie in eine Rotationsbewegung und einer Dynamoeinrichtung mit einem Rotor und einem Stator zum Wandeln der Rotationsbewegung in elektrischer Energie, wobei die Einrichtung eine Mehrzahl von Windfangflächen enthält, die äquidistant von einem den Rotor treibenden senkrecht zur Windrichtung vorgesehenen Achse angeordnet sind, wobei ein Teil der Windfangflächen in eine Richtung mit dem Wind bewegbar ist und ein anderer Teil der Windfangflächen in eine Richtung gegen den Wind bewegbar ist und eine Einrichtung vorgesehen ist, die bewirkt, dass der effektive Windwiderstand derjenigen Windfangflächen, die in eine Richtung gegen den Wind bewegt sind, reduziert ist.

Ferner sind seit geraumer Zeit Windräder bekannt, deren Drehachse in etwa der Windrichtung entspricht und deren Rotorblätter durch Schrägstellung die Energie des strömenden Mediums in eine Drehbewegung umsetzen können.

Des weiteren sind Räder zur Umsetzung der Energie von bewegtem Wasser wie z.B. oberschlächtige, mittelschlächtige oder unterschlächtige Wasserräder bis hin zu Pelton-, Francis- oder Kaplanturbinen bekannt.

Nachteilig an vielen dem Stand der Technik entsprechenden Vorrichtungen ist, dass sie nur für einen sehr engen Massenstrombereich ausgelegt sind. Abseits dieses Bereichs fällt der Wirkungsgrad der Energieumsetzung stark ab. Um diesem negativen Effekt entgegenzuwirken gibt es grundsätzlich zwei Möglichkeiten. Die eine Möglichkeit ist die Regulierung des strömenden Mediums durch Leitbleche, Leitklappen, Schleusen oder Diffusorvorrichtungen.

Die andere Möglichkeit ist die Veränderung der Schaufelgeometrie und der Ausrichtung der Schaufein zur Strömrichtung des Mediums.

Derartige variable Einrichtungen bringen den Nachteil mit sich, dass sie in der Herstellung teuer, in der Wartung aufwendig und somit in der Praxis oft nicht rentabel sind.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Umsetzung der Energie eines strömenden Mediums in eine Drehbewegung zu schaffen, die einen hohen Wirkungsgrad aufweist, diesen Wirkungsgrad über ein breites Massenstromspektrum beibehält und die dabei einfach und günstig in Konstruktion, Wartung und Betrieb ist.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird dadurch gelöst, dass am Grundkörper mindestens eine Schaufelanordnung angeordnet ist, die eine Mehrzahl von entlang einer gebogen verlaufenden Mittellinie Lamellen umfasst und wobei die Lamellen eine Krümmung aufweisen, deren Scheitelpunkte in Drehrichtung weisen. Weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung sind den Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. in weiterer Folge wird die Erfindung anhand einiger schematischer Ausführungsbeispiele weiter beschrieben:

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Fig. 2 zeigt dieselbe Ausführung wie Fig. 1 mit eingezeichneten Konstruktionslinien. Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform mit teilweiser Maskierung und drei Schaufelanordnungen.

Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform mit vier Schaufelanordnungen.

Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführung mit Maskierung.

Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung zur Umsetzung der Energie eines strömenden Mediums in eine Drehbewegung, mit einem Grundkörper 1 , der um die Rotationsachse 2 drehbar gelagert ist. In den Figuren sind die Abnahme der Drehbewegung und die Umwandlung der Drehenergie in nutzbare Energie wie beispielsweise Elektrizität nicht dargestellt. Die Drehachse 2 verläuft in dieser Ansicht projizierend und steht etwa normal zur Anströmrichtung 3 des strömenden Mediums 4. Eine Abtriebswelle 24 ist eingezeichnet.

Das strömende Medium 4, etwa Wind oder auch fließendes Wasser eines Flusses, ist in dieser Ausführung als Parallelströmung angenommen. Die Strömung kann aber auch durch Leitbleche oder ähnliche Einrichtungen fokussiert werden. Es kann die gesamte Oberfläche des Grundkörpers und die Vorrichtung insgesamt von dem Medium umgeben sein. Im Falle eines Flusskraftwerks kann der Grundkörper aber, ähnlich einem Wasserrad, auch nur teilweise eingetaucht sein. Die Richtung der Drehachse (2) kann senkrecht oder auch waagrecht angeordnet sein, aber auch alle Zwischenpositionen einnehmen.

Am Grundkörper 1 sind Lamellen 5 vorgesehen, die sich prismenförmig etwa parallel zur Drehachse 2 aus dem Grundkörper 1 erheben bzw. an diesem vorgesehen sind. Die Lamellen 5 weisen eine Krümmung auf, wobei die Krümmung einen Scheitelpunkt 6 hat, der in vorteilhafter Weise in Drehrichtung 7 des Grundkörpers 1 weist. Die Lamellen sind entlang einer bogenförmig verlaufenden Mittellinie 8 angeordnet, welche sich von einer inneren, also Drehachs-nahen, Position gebogen nach außen erstreckt. Die entlang der Mittellinie aufeinander folgend angeordneten Lamellen 5 bilden zusammen eine Schaufelanordnung 9, welche einen Anströmpunkt 10, einen Endbereich 11, eine innenkontur 12 und eine Außenkontur 13 aufweist. Der Anströmpunkt entspricht dem Punkt, an dem die relative Geschwindigkeit des Mediums 4 zum Grundkörper 1 unter Einfluss der Mediumsströmung und der Rotation des Grundkörpers gleich oder annähernd Null ist An diesem Punkt trennt sich die Strömung in zwei Strömungen, wobei die innere Strömung der inneren Kontur 12 und die äußere Strömung der äußeren Kontur 13 folgt. Vorteilhafter Weise bilden die äußere und die innere Kontur 12, 13 eine tragflächenförmige Umhüllende, wobei die Innenkontur 12 kürzer ist als die Außenkontur 13. Begünstigt durch diese geometrische Konfiguration entsteht bei Rotation der Schaufelanordnung um die Drehachse 2 entlang der Außenkontur ein Unterdruck und entlang der Innenkontur ein Überdruck. Anzumerken ist, dass die Tragflächenform nur teilweise durch die Lamellen 5 gebildet ist. Zwischen den Lamellen 5 ist die Kontur durch das Medium selbst, ähnlich eines Rankine Wirbels bzw. Rankine Körpers gegeben. Die Lamellen 5 selbst sind, wie weiter oben erwähnt, gekrümmt ausgeführt, wobei die Dicke der Lamellen 5 in dieser Ausführungsform zu den seitlichen Enden abnimmt. Die Lamellen weisen weiters eine Lamellenbreite 14 auf, wobei diese in der beschriebenen Ausführungsform entlang einer radialen Gerade ausgehend von der Drehachse 2 ihre maximale Breite aufweist.

Anhand der Fig. 2 werden in weiterer Folge die detaillierten Vorgänge zur Umsetzung der Strömungsenergie des Mediums 4 in eine Drehbewegung des Grundkörpers 1 um die Drehachse 2 beschrieben:

Zu diesem Zweck wird der Grundkörper in vier Quadranten: Quadrant I 15, Quadrant II 16, Quadrant III 17 und Quadrant IV 18 unterteilt.

Grundsätzlich erfolgt die Bewegung des Rades dadurch, dass eine Kraft in einem gewissen Abstand zur Drehachse 2 an den Grundkörper 1 angreift und damit ein Drehmoment erzeugt. Diese Kräfte sind beispielsweise Staudruckkräfte, Impulskräfte durch Umlenkung eines Massenstroms, bernoullische Druckkräfte durch die Umströmung eines asymmetrischen Tragflächenprofils aber auch Mediumswiderstandskräfte, die je nach Mediumswiderstandsbeiwert und angeströmter Fläche variierbar sind, etc.

Je nach Strömungsrichtung, Strömungsstärke, d.h. Geschwindigkeit und Massenstrom der Strömung, geometrischem Ort am Grundkörper, Drehgeschwindigkeit des Grundkörpers, Geometrie der Lamellen oder Schaufelanordnungen, kommen die unterschiedlichen Arten der Kräfte unterschiedlich stark zu tragen.

In Quadrant I 15 weisen die Lamellen zu einem großen Teil mit ihrer inneren konkaven Seite Richtung Anströmrichtung 3 des strömenden Mediums 4. Die Lamellen sind, wie weiter oben angemerkt, entlang der Mittellinie 8 am Grundkörper 2 angeordnet. Durch die Aneinanderreihung der Lamellen sind zwischen den Lamellen Strömungskanäle 19 gebildet. Diese weisen jeweils einen Eintritt 21 an der äußeren Seite und einen Austritt 20 an der inneren Seite auf. Ist die Schaufelanordnung 9 und ihre Lamellen 5 angeströmt, so wird die Strömung in den Strömungskanälen 19 umgeleitet, sodass der Impuls der Strömung bei der Änderung der Strömungsrichtung auf den Grundkörper 1 übertragen wird. In vorteilhafter Weise ist die Richtung der Kraft, die durch die Umleitung des Massenstroms des Mediums hervorgerufen wird, in etwa übereinstimmend mit der Richtung der Tangente 22 im Bereich des Strömungskanals bezogen auf die Drehachse 2. Man kann demnach sagen, dass der Eintrittswinkei der Strömung bezogen auf die Tangente 22 in etwa dem Austrittswinkel der Strömung aus dem Strömungskanal 19 bezogen auf die Tangente 22 entspricht. Es kann sich aber auch als vorteilhaft erweisen, den Austrittswinkel derartig zu wählen, dass ein Teil des Massenstroms in die Mitte des Grundkörpers geleitet wird, um bei genügend Restimpuis auf die gegenüberliegende Seite des Grundkörpers 1 und somit auf eine weitere Schaufelanordnung und deren Lamellen zu treffen. Wenn zuvor Eintritt 21 und Austritt 20 beschrieben sind, dann ist folgendes zu beachten: Wenn sich das Rad weiterdreht, kommt ein Punkt, an dem die Lamellen von der anderen Seite angeströmt werden bzw. sich die Strömung zwischen zwei Lamellen umkehrt. Somit kann der Eintritt zum Austritt und der Austritt zum Eintritt werden.

Bei variierendem Massenstrom des Mediums kann der Impuls durch die Umleitung auf unterschiedliche Art und Weisen umgewandelt werden. Als vollständig umgewandelt gilt der Impuls der Strömung, wenn die absolute Strömungsgeschwindigkeit am Austritt 20 des Strömungskanals 19 der Rotationsgeschwindigkeit des Grundkörpers an dieser Stelle entspricht, der anders betrachtet die Relativgeschwindigkeit zwischen dem strömenden Medium und dem Grundkörper an zumindest einer Stelle des Grundkörpers gleich null ist. Bei kleinem Massenstrom bzw. geringer Geschwindigkeit kann es sein, dass die Energie der Strömung schon durch die Umleitung im Strömungskanal 19 und den, im konvexen Bereich der Lamellen auftretenden, Staudruck vernichtet und in Form von Impuls- und Druckkräften auf den Grundkörper 2 übertragen ist. Bei größerem Massenstrom und höherer Geschwindigkeit kann es auch dazu kommen, dass die Strömung durch die Umleitung im Kanal 19 noch nicht vollständig abgebremst wird und somit aus dem Austritt 20 austritt und in weiterer Folge auf die Lamellen der gegenüberliegenden Schaufelanordnung trifft. Dort kann die Strömung wiederum in den Kanal 19 eintreten und durch eine abermalige Umlenkung den restlichen Impuls in ein Drehmoment um die Drehachse 2 des Grundkörpers 1 umwandeln. Zu diesem Zweck kann es von Vorteil sein, den Austrittswinkel des Austritts 20 derart zu wählen, dass dieser bezogen auf die Richtung der Tangente 22 größer ist und somit steiler Richtung Drehachse 2 austritt. Ferner kann der Querschnitt des Austritts 20 und der Querschnitt des Eintritts 21 eine unterschiedliche Größe aufweisen, um z.B. einen Düseneffekt zu erreichen.

Ein weiterer Effekt, der sich durch die spezielle Anordnung der Lamellen und der Schaufeianordnungen ergibt, ist, dass im Bereich der Drehachse 2 die Geschwindigkeit des strömenden Mediums 4 sehr gering ist, da dieser Bereich in nahezu allen Drehlagen von den Schaufeianordnungen abgedeckt ist. Der äußere Bereich der Schaufelanordnungen, insbesondere die Außenkontur ist durch die Drehung des Grundkörpers aber nahezu zu jedem Zeitpunkt zumindest mit der Geschwindigkeit der Rotation angeströmt. Allein durch diesen Geschwindigkeitsunterschied ergeben sich Auftriebskräfte, die durch die Schräge bzw. bogen- oder spiralförmig nach außen verlaufende Konfiguration der Schaufelanordnungen, in ein Drehmoment umgewandelt ist.

Im Quadranten II befinden sich die Lamellen 5 der Schaufelanordnung 9 in einer Stellung, in der die Strömung des Mediums 4 einen hohen Widerstand gegen das Durchströmen der Kanäle 19 erfährt. Dies aus dem Grund, da durch die sichelförmige Ausbildung der Lamellen und die Drehstellung des Grundkörpers nun nicht die Eintrittsöffnungen der Strömungskanäle Richtung Strömung weisen, sondern die seitlichen Flächen der Lamellen. Ferner ist durch die Drehung des Grundkörpers um die Drehachse 2 eine Medienströmung um die Schaufelanordnung ausgebildet, die es ebenfalls erschwert, dass Querströmungen durch die Lamellen hindurchströmen können. In diesem Bereich wirkt der Endbereich 11 der Schaufeianordnung 9 ähnlich einem Segel oder einer angeströmten Fläche. Die Strömung trifft auf diese als nahezu luftdicht anzusehende Fläche, wodurch ein Staudruck entsteht, der kombiniert mit der angeströmten Fläche eine Kraft erzeugt, welche wiederum durch ihren Normalabstand zur Drehachse 2 des Grundkörpers 1 ein Drehmoment hervorruft.

Im Quadranten III 17 und VI 18 weist nun der Scheitelpunkt 6 der Schaufelanordnung gegen die Anströmrichtung 3 des Mediums 4. Durch die sicheiförmige Ausbildung der Lamellen teilt sich die Strömung im Bereich dieses Scheitelpunktes in zwei Strömungen, wobei die eine Strömung an der Außenkontur 13 entlang strömt und die andere Strömung entlang der Innenkontur 12 verläuft. In vorteilhafter Weise, durch Ausbildung als tragflächenförmiges Gebilde, ist die Länge der Außenkontur größer als die Länge der Innenkontur, wodurch an der Außenseite der Schaufelanordnung ein Unterdruck und an der Innenseite der Schaufelanordnung ein Überdruck entsteht. Dadurch, dass sich die Kontur der Schaufelanordnung gebogen oder spiralförmig nach außen erstreckt, können auch diese Druckkräfte (Auftriebskräfte) in ein Drehmoment um die Drehachse 2 umgewandelt werden. Dabei ist anzumerken, dass sich das Tragflächenprofil teilweise aus der Form der einzelnen Lamellen, teilweise aber auch aus Mediumsströmungen ergibt. So ist, wie weiter oben angemerkt, im Bereich der Strömungskanäle das Tragflächenprofil ähnlich eines Rankine Wirbels oder eines Rankine Körpers ausgebildet. In den Quadranten Ml 17 und VI 18 ist die Richtung der Bewegung der Schaufelanordnung gegen die Anströmrichtung des Mediums 4 gerichtet. Da aber die Lamellen von vorne, also Richtung Scheitelpunkt angeströmt einen geringeren Widerstandsbeiwert aufweisen als in Quadrant I wo sie von hinten angeströmt werden, beeinträchtigt diese Kraft den Wirkungsgrad nur geringfügig.

Um auch diesen Widerstand zu minimieren kann, wie in Fig. 3 und 5 dargestellt, eine Abdeckung der Quadranten III und IV vorgenommen werden. Fig. 3 zeigt einen um eine Drehachse 2 gelagerten Grundkörper 1 , wobei die linke und somit gegen die Anströmrichtung 3 drehende Seite mit einer Maskierung 22 abgedeckt ist. Ferner sind anders als bei den Konfigurationen der Figuren 1 und 2 drei Schaufelanordnungen vorgesehen. Auch diese Schaufelanordnungen bestehen jeweils aus Lamellen 8, welche entlang einer, spiralförmig nach außen verlaufenden Kontur angeordnet sind.

Fig. 4 zeigt ebenfalls schematisch eine Aufsicht auf einen Grundkörper 1 , welcher drehbar um eine Drehachse 2 angeordnet ist, wobei sich von dem Grundkörper prismenförmig, in etwa parallel zur Drehachse 2 Lamellen 5 erheben, die entlang einer Kontur 8 verlaufend eine Schaufelanordnung 9 ergeben. In dieser Ausführungsform sind vier derartige Schaufelanordnungen 9 angeordnet. Durch die Vorsehung mehrerer Schaufelanordnungen treten weitere Strömungseffekte auf: Abgesehen von den oben beschriebenen Druck, Impuls und bernoullischen Kräften treten in diesem Fall auch Rückstoßkräfte auf. Betrachtet man einen ausgewählten Stromfaden 23, so tritt dieser zwischen zwei Schaufelanordnungen ein, verläuft in weiterer Folge durch einen Strömungskanal 19 und tritt an der Außenseite des Strömungskanals wieder aus. Durch gezielte Wahl der Eintritts- und Austrittsquerschnitte der Strömungskanäle kann dieser Düseneffekt weiter optimiert werden, um zusätzliches Drehmoment zu erzeugen.

In Fig. 5 ist die Maskierung 22 als strömungsleitende Einlaufmaske vorgesehen, die das strömende Medium 4 ohne störende Verwirbelung auf die Quadranten 1 und II leitet. Im Abströmbereich der Vorrichtung sind Abströmlamellen 25 angeordnet, die mit der Maskierung 22 ortsfest angeordnet sind, sich also nicht mit dem Grundkörper mitdrehen. Beispielsweise kann die Lagerung des drehbaren Grundkörpers und gegebenenfalls die Befestigung der Maskierung und der Abströmiamellen auf einer im Strom des Mediums angeordneten Plattform gegeben sein. Eine vorteilhafte Anordnung für ein Wasserrad kann auch die Anordnung auf einem Ponton sein, der im Wasser schwimmt. Für die Ausbildung als Windrad kann es vorteilhaft sein, die Vorrichtung um eine Achse drehbar oder schwenkbar zu lagern, um die Windrichtung zu berücksichtigen. Die Drehbarkeit der Maskierung und eventuell der Abströmiamellen kann für die Wirkung ausreichend sein.

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Bzgz 50520

1 Grundkörper

2 Drehachse

3 Anströmrichtung

4 Medium

5 Lamellen

6 Scheitelpunkt

7 Drehrichtung

8 Mittellinie

9 Schaufelanordnungen

10 Ausströmpunkt

11 Endbereich

12 innenkontur

13 Außenkontur

14 Lamellenbreite

15 Quadrant 1

16 Quadrant 2

17 Quadrant 3

18 Quadrant 4

19 Strömungskanäle

20 Austritt des Strömungskanals

21 Eintritt des Strömungskanals

22 Maskierung

23 Stromfaden

24 Abtriebswelle

25 Abströmlamellen