Beschreibung

Die Erfindung betrifft einen Rotor für die Wandlung freier Strömungen bei Strömungsvorrichtungen, insbesondere zur Anwendung bei Gasen, Luft oder Flüssigkeiten, wie bspw. Wind- oder Wasserturbinen zur Stromerzeugung.

Die Nutzung von Wind- und Wasserkraft zur Stromerzeugung ist seit Jahrzehnten bekannt.

Gemäß dem Stand der Technik sind verschiedenste Wind- und Wasserturbinen bekannt.

Bei den Windturbinen sind gemäß der Schrift EP 1 544 458 Al Flügelrotoren mit waagerechter Welle bekannt, wobei eine Winkelregelung zur Rotorblatteinstellung vorgesehen sein kann, bzw. es sind, bspw. aus DE 692 20 857 T2, Windturbinen mit senkrechter Welle und zylindrischem Rotor bekannt.

Darüber hinaus wird durch die Schrift EP 1 422 422 Al eine Darrieus- Windturbine offenbart.

Aus der Schrift EP 0 891 487 Al ist eine Windturbine mit trichterförmigem Windfanger bekannt.

Der Einbau von Windturbinen in Dachkonstruktionen wird in der Schrift DE 198 28 324 Al offenbart.

Bei den Wasserturbinen sind gemäß der Schrift DE 601 03 982 T2 radiale Turbinen mit senkrechter Welle bzw. gemäß DE 201 14 752 Ul mit waagerechter Welle bekannt.

Die Rotoren bei radialen Wasserturbinen sind gemäß DE 101 00 983 Al als schaufeiförmige bzw. gemäß EP 0 941 402 Al schraubenförmige Flügelrotoren ausgeführt.

Die Rotoren bei Wasserturbinen mit waagerechter Welle können gemäß DE 101 34 522 Al als unterschlächtige Wasserräder oder auch als oberschlächtige Wasserräder ausgeführt sein.

Darüber hinaus offenbart bspw. DE 198 01 849 Al eine Strömungsmaschine für Flüssigkeiten nach Fancis-Bauart, wobei der entsprechende Rotor gemäß DE 103 11 504 Al als Spiralrotor ausgeführt sein kann.

Alle bekannten Turbinenrotoren, die vorwiegend Propeller- bzw. Flügelrotoren sind, werden für die Wandlung freier Strömungen, wie Wind- oder Meeresströmungen, eingesetzt, wobei die durchströmte Fläche und die Kraftwirkung auf die Propeller bzw. Flügel wesentlich für die Bewegung dieser sind.

Der Nachteil aller bekannten Wind- und Wasserturbinen ist, dass deren Wirkungsgrad in der Praxis vergleichbar mit dem Wirkungsgrad von Benzinmotoren ist, der bei etwa 0,3 liegt.

Außerdem treten, insbesondere bei großen Windkraftanlagen, Schwingungen bei dem Betrieb der Rotoren auf, die selbst die Fundamente der Windkraftanlagen nach wenigen Betriebsmonaten beschädigen können. Ursachen hierfür sind, neben den besonders guten Eigenschaften als überdimensionale ' technische Feder, die Wandlungsvorgänge an den Propellerflügeln. Zunächst wird bei den bekannten Turbinenrotoren die kinetische Energie einer Wind- oder Flüssigkeitsströmung in Druck gewandelt. Dies geschieht nur bis zum physikalischen Optimum (so genannter Betz-Faktor). Dieser aufgebaute Druck wird durch Formgebung der bekannten Rotorflügel in eine Drehbewegung gewandelt. Durch die unterschiedlichen Geschwindigkeiten entlang eines Rotorflügels entstehen Druckunterschiede und damit verbundenen Nebenerscheinungen, wie die Kavitation, Reibung usw. Außerdem sorgt bei Druckunterschieden in der

Umgebungsluft oder in der umgebenden Flüssigkeit des Rotors die Schwerkraft für eine zweite Kraftrichtung beim Druck- und Dichteausgleich. Es überlagern sich somit Kräfte und Kraftrichtungen. Schwingungen, Kreiselkräfte und andere unerwünschte ' Nebenerscheinungen entstehen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grande, einen Rotor für die Wandlung freier Strömungen bei Strömungsvorrichtungen bereit zu stellen, der die Nachteile des Standes der Technik vermeidet, insbesondere bei Wind- oder Wasserturbinen einen höheren Wirkungsgrad als die bisher bekannten Turbinen bewirkt.

Diese Aufgabe wird gemäß den Ansprüchen 1, 2, 18 und 19 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den nachgeordneten Ansprüchen 3 bis 17 entnehmbar.

Die Erfindung soll an Hand der Figuren erläutert werden. Es zeigt dabei:

Fig. 1 : eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Rotors in schematischer Darstellung; Fig. 2: den Rotor gemäß Fig. 1 in einer Draufsicht; Fig. 3 : den Rotor gemäß Fig. 1 in einer Seitenansicht;

Fig. 4: eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Rotors in schematischer Darstellung;

Fig. 5: eine Seitenansicht zweier Rotoren gemäß Fig. 1 mit gegenläufigem Drehsinn;

Fig. 6: eine schematische Darstellung der Befestigung des Rotors gemäß Fig. 1.

Der erfindungsgemäße Rotor für die Wandlung freier Strömungen (Fig. 1, 2 und 3) besteht aus einem Rotorkörper 1, der vermittels einer Welle 4 in einer Befestigung drehbar gelagert halterbar ist.

Der Rotorkörper 1 ist dabei aus einer Prallfläche 2 mit Prallflächenrand 3 aufgebaut, wobei die Prallfläche 2 um die Achse -X-X-, die in der

Welle 4 verläuft, drehbar gelagert und dabei mit der Welle 4 fest verbunden ist.

Alternativ dazu kann der Rotorkörper 1 derart aufgebaut sein, dass er aus einem, der Prallfläche 2 drehbar um die Achse -X-X-, die in der Welle 4 verläuft, unmittelbar vorgelagerten und radfδrmig gehalterten

Prallflächenrand 3 besteht, wobei der Prallflächenrand 3 mit der Welle

4, bspw. über Speichen / Streben 41, fest verbunden ist (Fig. 4) und die

Welle 4 durch die Prallfläche 2 hindurch fuhrt.

Der Prallflächenrand 3 ist in beiden dieser Fälle mit Austrittsöffhungen 31 und mit Lamellen 32 versehen, wobei die Lamellen 32 einen Anstellwinkel aufweisen und mit einem äußeren Rand 5 oder der Prallfläche 2 und einem äußeren Rand 5 verbunden sind, so dass die Austrittsöffhungen 31 des Prallflächenrands 3 zwischen den Lamellen 32, dem äußeren Rand 5 und der Prallfläche 2 gebildet sind.

Erfindungswesentlich ist dabei, dass im beströmten Zustand des Rotors der Durchmesser des Medienstromes zum Zeitpunkt des Auftreffens auf den Rotor größer als der Durchmesser des Rotors ist.

Der Querschnitt des erfindungsgemäßen Rotors ist besonders vorteilhaft rund, wobei die Lamellen 32 auf einer Kreisbahn und parallel zur Achse -X-X- angeordnet sind.

Dabei können die Lamellen 32 fest oder verstellbar mit dem äußeren Rand 5 oder der Prallfläche 2 und dem äußeren Rand 5 verbunden sein.

Vorteilhaft ist, wenn die Lamellen 32 gleichmäßig voneinander beabstandet sind, wobei der Anstellwinkel bei allen Lamellen 32 gleich ist und zwischen 1° und kleiner 90° beträgt.

Der äußeren Rand 5 ist dabei parallel zur Prallfläche 2 gehaltert und weist eine Fläche unter 40% der Fläche der die Prallfläche 2 auf.

Die Prallfläche 2 kann dabei eben, profiliert, kegelförmig, konkav oder konvex sein.

Im Rahmen der Erfindung liegt, dass bspw. auf der Welle 4 ein Elektrogenerator einrichtbar ist.

Dies ermöglicht die Verwendung des Rotors in einer Turbine zur Nutzung oder Erzeugung von Gas- und Flüssigkeitsströmungen, insbesondere wenn die Turbine einseitig mit einer Prallfläche 2 ganz oder teilweise verschlossen ist, wobei die Durchströmung der Lammellen 32 vorwiegend senkrecht zur Stromröhre des erzeugten oder genutzten Gas- oder Flüssigkeitsstromes erfolgt.

Im Rahmen der Erfindung liegt auch die Verwendung von zwei erfindungsgemäßen Rotoren, wobei die Rotoren mit ihren Wellen 4 auf der Achse -X-X-zueinander so angeordnet sind, dass sie mit ihren Prallflächen 2 zueinander stehen und im beströmten Zustand einen zueinander entgegen gesetzten Drehsinn aufweisen (Fig. 5).

Die Befestigung dieser Turbinen erfolgt an einer festen Oberfläche, bspw. an einem Mast 6 (Fig. 6), an einer Häuserfassade, in oder an einem Dach, an einem Seil oder an der inneren Wand einer Röhre.

Durch den erfinduήgsgemäßen Rotor erfolgt die Wandlung einer weitgehend laminaren Strömung mit kinetischem Energiegehalt in eine

Drehbewegung mit Drehmoment und Drehzahl dadurch, dass beim

Auftreffen der Strömung auf die Prallfläche 2 des erfindungsgemäßen

Rotors aus der Masse und der Geschwindigkeit der Luft- oder

Flüssigkeitsströmung ein Druck generiert wird, in dem die Luft oder Flüssigkeit nur durch die Austrittsöffhungen 31 des Prallflächenrandes 3 entlang der mit einem Anstellwinkel versehenen Lammellen 32 entweichen kann.

Erfindungswesentlich dabei ist, dass beim Beströmen des erfindungsgemäßen Rotors der Querschnitt des beströmenden Mediums größer als der Durchmesser des Rotors ist.

Dadurch kann der nicht von der Prallfläche 2 des Rotors erfasste Massestrom ungehindert an dem Rotor vorbeiströmen. Auf der Prallfläche 2 entsteht im beströmten Zustand ein Staudruck, in dem die Kraft der Gas- oder Flüssigkeitsströmung nahezu senkrecht auf diese Fläche einwirkt.

Dieser Staudruck kann im beströmten Zustand entlang der Lammellen 32 durch die Austrittsöffnungen nahezu 90° versetzt zur Kraftrichtung des Massestroms aus dem erfindungsgemäßen Rotor entweichen, in dem sich der Prallflächenrand 3 um die Achse -X-X- dreht. Dadurch entsteht zwischen gestauter Masse auf der Prallfläche 2 und der ungehindert an dem Rotor vorbeiziehenden Laminarströmung ein Druckausgleich, der durch die Austrittsöffhungen 31 des Prallflächenrandes 3 hindurch geht und dabei mit einer Kraft auf die mit einem Anstellwinkel versehenen Lammellen 32 wirkt, so dass der Rotor um die Achse -X-X- bewegt wird.

Kennzeichnend für den effindungsgemäßen Rotor ist, neben einem Wirkungsgrad von bis zu 0,92, dass der Schalldrackpegel gegenüber Propellerwindkraftanlagen erheblich niedriger ist. Weiterhin erlaubt die einfache Bauweise den Einsatz vieler geeigneter Materialien, wie bspw. Stahl, Holz, Aluminium- oder Verbundwerkstoffe. Dabei können Anlagengrößen bis in den Bereich von über 10 MW Nennleistung bei ca. 12 m/s Windgeschwindigkeit gut realisiert werden.

Vor allem aber eignet sich der erfindungsgemäße Rotor für die Wandlung freier Strömungen bei Strömungsvorrichtungen in Form von kleinen Anlagen für Insellösungen, auch in Wohngebieten. Weiterhin können Anlagen mit dem erfindungsgemäßen Rotor in extremen Wettergebieten zum Einsatz kommen. Werden dabei zwei Turbinen mit ihren Prallflächen 2 so zueinander geordnet (Fig. 5), dass ein gegenläufiger Drehsinn der Rotoren entsteht, wobei die eine Turbine mit dem Rotor und die zweite Turbine mit dem Stator eines Generators verbunden ist, entsteht ein Antrieb, der keine Kraftmomente nach Außen gibt und gleichzeitig als Getriebe wirkt.

Mit dieser erfinderischen Lösung kann eine solche Anlage nur an einem Seil oder an einem Kabel in einer Strömung gehalten oder gezogen werden, wobei die Drehmomente in Strom umgewandelt werden. Damit wird der Generator mit doppelter Drehzahl angetrieben. Die Drehmomente sind dabei gegenläufig und heben sich auf.

Der erfindungsgemäße Rotor kann bspw. an Stelle der bisher bekannten Rotoren in Wind- oder Wasserkraftanlage eingesetzt werden, bzw. kann ein Teil einer Gasturbine oder eine Antriebsturbine sein.

Im Vergleich zu einer Propelleranlage (durchströmte Fläche), die zwischen 5 und 40% der Windleistung nutzen kann, kann eine Anlage mit dem erfindungsgemäßen Rotor 50 bis 90% der Windleistung „ernten".

Alle in der Beschreibung und den nachfolgenden dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.

- R -

Bezugszeichenliste

1 Rotorkörper

2 Prallfläche

3 Prallflächenrand

31 Austrittsöffhungen

32 Lamellen

4 Welle

41 Streben / Speichen

5 äußerer Rand

6 Mast