WO2012061948A2 - Turbine - Google Patents

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    • Y02E10/70Wind energy
    • Y02E10/74Wind turbines with rotation axis perpendicular to the wind direction

Definitions

  • the invention relates to a turbine, in particular a water turbine for
  • Turbines for energy production in particular turbines in hydropower plants are known. They usually have a perpendicular to the direction of flow of the water arranged rotor with thereon, rotatable turbine blades. The angle of attack of the turbine blades is possibly adjustable within limits and is unchanged during operation.
  • Windmills with pivotable or adjustable blade elements are known from US 3938907 and US 4468169.
  • WO-A-2010063131 shows a water turbine in its basic form
  • the invention is based on the object, such a turbine, in particular to create a turbine for energy production in rivers or flowing air, to different conditions of use in a simple manner
  • the individual blades of a turbine are on the outer circumference of a
  • the angle of attack is 0 ° to about 90 ° to the generatrix tangent.
  • the blades can swing out in the upper and / or in the lower part of the turbine.
  • the invention is, however, preferably with the involvement of auxiliary equipment as a pump, water pump, marine engine or similar usable.
  • the mechanical operative connection is guided by means of a rod guided displaceably over the longitudinal axis of the turbine, which rod correspondingly couples a pair of blades.
  • a pair of shovels is each by which is on one
  • Diameter line opposite blades formed.
  • the rods support the opening and closing movement of the blades, with an additional
  • Leverage is achieved (longer lever with open blade).
  • the rods are preferably formed of profile material and made of lightweight materials, eg. As aluminum or plastic.
  • the turbine can be surrounded on the circumference by a segment-shaped protective device and at least one device for flow conduction can be directed onto the open blades.
  • an inflatable element may be arranged on the outer edge in the axial direction of the turbine, for. B. in the form of a hose or individual balls.
  • the inflatable element may be filled with air or the like. Gases resp. Noble gases are filled to force the swinging out.
  • a noble gas filling could z. B. with helium, in particular when using the invention as a wind turbine.
  • by deflating the air is the folding of the blades
  • the inflatable element only in the region of the outer edges (close to the turbine wheel) and not over the entire length of the blades.
  • the elements can be designed in the form of weights and force the opening of the blades in the lower area.
  • the blades correspond in their outer shape to a part of the lateral surface of a cylinder. You can still have on the inside of guide gates, which are arranged adjustable or fixed.
  • the turbine has 4-12 blades.
  • the turbine in particular when used as a water turbine can also be brought into operative connection to an auxiliary or auxiliary drive. So z. B. at low flow, the turbine axis over a circumferential belt or a chain to be coupled with an auxiliary drive or in the flow direction pressure surges (pneumatic, mechanical) are applied horizontally from below to the blades and / or the turbine wheel.
  • Fig. 1 a side view of the turbine
  • Fig. 2 the turbine in a further embodiment with a device for
  • a turbine is designed as
  • Hydro turbine recorded about its axis 2 rotatable and stored.
  • the direction of the axis 2 is approximately perpendicular to the flow direction 9 of a river, wherein the turbine is arranged horizontally and completely under water.
  • the shell of the turbine is formed by 12 blades 4, which are pivotable in
  • Joints 6 of the turbine wheels 3 are arranged.
  • the joints 6 are correspondingly mounted close to the circumference of the turbine wheels 3.
  • the displacement of the rod 5 is realized by means of an auxiliary drive, not shown.
  • a closed cylinder jacket can be provided between the turbine wheels 3, on which the blades 4 rest, wherein the blades 4 could alternatively be arranged on the cylinder jacket. This prevents a
  • the blades 4 may be arranged on one side only on an existing turbine wheel 3 (disk wheel), it also being possible to provide blades 4 on both sides of the one turbine wheel 3.
  • the blades 4 have a curvature corresponding to the radius of the
  • Turbine wheel on and are provided on its inside with a guide gate. At the Outer edge of each blade 4 may additionally be arranged extending in the axial direction and air-inflatable tube or the like element 10. The air is supplied and removed in this case by means of a supply unit, not shown.
  • the blades swing out as soon as their position is approximately parallel to the direction of flow 9.
  • a rod 5 is displaced in the radial direction towards this blade 4.
  • the opposite of the associated and closed blade 4 of the blade pair longer lever enhances the opening movement.
  • the pivoting movement is also facilitated by the flow pressure resp. accelerated.
  • the rod 5 is moved in the direction of the opposite blade 4 * .
  • a blade 4 is fully retracted again.
  • the water level can be arbitrary and the respective upper blade can also be just above the water level when the turbine is rotated.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Turbine, insbesondere zur Energiegewinnung in strömender Luft oder in Fliessgewässern, die an unterschiedliche Einsatzbedingungen in einfacher Weise anpassungsfähig ist und die einen vergleichsweise hohen Wirkungsgrad ermöglicht. Dies ist dadurch gelöst, dass die Schaufeln (4, 4') der Turbine schwenkbar in Gelenken (6) am Aussenumfang mindestens eines Turbinenrades (3) angeordnet sind, wobei jeweils die Schaufeln (4, 4') eines Schaufelpaares mittels einer, über die Achse (2) verschiebbar geführten Stange (5) verbunden sind.

Description

Turbine Die Erfindung betrifft eine Turbine, insbesondere eine Wasserturbine zur
Energiegewinnung in Fliessgewässern oder eine Windturbine.
Turbinen zur Energiegewinnung, insbesondere auch Turbinen in Wasserkraftwerken sind bekannt. Sie weisen zumeist einen senkrecht zur Fliessrichtung des Gewässers angeordneten Rotor mit daran befindlichen, rotierbaren Turbinenschaufeln auf. Der Anstellwinkel der Turbinenschaufeln ist ggf. in Grenzen einstellbar und ist während des Betriebes unverändert.
Bekannt sind ebenfalls Antriebsräder für Mahlwerke, Hammerwerke und
Antriebsräder für Flussschiffe mit jeweils festen Schaufeln.
Windmühlen mit schwenk- oder verstellbaren Schaufelelementen sind aus den US 3938907 und US 4468169 bekannt.
Die WO-A-2010063131 zeigt eine Wasserturbine, die in ihrer Grundform
zylinderförmig und mit Schaufeln versehen ist, die parallel zu einer Achse der Turbine angeordnet sind. Diese Schaufeln sind schwenkbar in Gelenken
zwischen Turbinenrädern an deren Aussenumfang angeordnet.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine solche Turbine, insbesondere eine Turbine zur Energiegewinnung in Fliessgewässern oder strömender Luft zu schaffen, die an unterschiedliche Einsatzbedingungen in einfacher Weise
anpassungsfähig ist und die einen vergleichsweise hohen Wirkungsgrad ermöglicht. Die Aufgabe ist mit den Merkmalen des Patentanspruchs gelöst.
Die einzelnen Schaufeln einer Turbine sind am äusseren Umfang eines
Turbinenrades gelenkig angeordnet. Sie schwenken unter Einwirkung des
fliessenden oder strömenden Mediums (Wasser oder Luft) sowie einer
mechanischen Wirkverbindung radial nach aussen und klappen in Gegenrichtung (der Fliess- oder Strömungsrichtung abgewandte Seite) wieder nach innen, den Mantel des Turbinenrades bildend. Dies verringert die Reibung und damit den Energieverlust. Der Anstellwinkel beträgt 0° bis ca. 90° zur Mantellinientangente. Entsprechend der wesentlichen Fliessrichtung oder Fliesshöhe können die Schaufeln im oberen oder/und im unteren Teil der Turbine ausschwenken. Die Erfindung ist aber, bevorzugt unter Einbeziehung von Hilfsaggregaten auch als Pumpe, Wasserpumpe, Schiffsmotor o. a. verwendbar.
Die mechanische Wirkverbindung ist mittels einer verschieblich über die Längsachse der Turbine geführten Stange, die entsprechend ein Schaufelpaar miteinander koppelt geführt. Ein Schaufelpaar ist jeweils durch die sich auf einer
Durchmesserlinie gegenüberliegenden Schaufeln gebildet. Die Stangen unterstützen die Öffnungs- und Schliessbewegung der Schaufeln, wobei eine zusätzliche
Hebelwirkung erreicht wird (längerer Hebel bei geöffneter Schaufel).
Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Patentansprüchen offenbart. Die Stangen sind bevorzugt aus Profilmaterial gebildet und bestehen aus leichten Werkstoffen, z. B. Aluminium oder Kunststoff.
Im Bereich der geschlossenen Schaufeln kann die Turbine auf dem Umfang von einer segmentförmigen Schutzeinrichtung umgeben sein und es kann mindestens eine Einrichtung zur Strömungsleitung auf die geöffneten Schaufeln gerichtet sein. Weiterhin kann an der Aussenkante in Achsrichtung der Turbine zumindest an einigen Schaufeln ein aufblasbares Element angeordnet sein, z. B. in Form eines Schlauches oder einzelner Bälle. Zu Beginn oder während des Ausschwenkens der Schaufeln kann das aufblasbare Element mit Luft o. a. Gasen resp. Edelgasen gefüllt werden um das ausschwenken zu forcieren. Eine Edelgasfüllung könnte z. B. mit Helium erfolgen, insbesondere bei Anwendung der Erfindung als Windturbine. In der Gegenrichtung wird durch ablassen der Luft das einklappen der Schaufeln
begünstigt. Möglich ist es dabei auch, das aufblasbare Element nur im Bereich der Aussenkanten (nahe zum Turbinenrad) anzuordnen und nicht über die gesamte Länge der Schaufeln.
Anstelle einer Gasfüllung können die Elemente in Form von Gewichten ausgebildet sein und im unteren Bereich die Öffnung der Schaufeln forcieren.
Die Schaufeln entsprechen in ihrer Aussenform einem Teil der Mantelfläche eines Zylinders. Sie können an der Innenseite noch Leitgatter aufweisen, die einstellbar oder feststehend angeordnet sind.
Bevorzugt weist die Turbine 4-12 Schaufeln auf.
Zwecks Steigerung des Wirkungsgrades und/oder zur Bewegungsunterstützung bei unzureichenden Bedingungen kann die Turbine, insbesondere beim Einsatz als Wasserturbine auch in Wirkverbindung zu einem Hilfs- oder Zusatzantrieb gebracht werden. So kann z. B. bei geringer Strömung die Turbinenachse über einen umlaufenden Riemen oder eine Kette mit einem Hilfsantrieb gekoppelt sein oder in Strömungsrichtung werden Druckstösse (pneumatisch, mechanisch) von unten horizontal auf die Schaufeln und/oder das Turbinenrad ausgeübt.
Es ist ebenfalls denkbar, mehrere Turbinen nebeneinander und/oder übereinander anzuordnen, z. B. in grösseren Fliessgewässern oder im Meer.
Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel anhand einer
Zeichnung näher beschrieben. In der Zeichnung zeigen die
Fig. 1 : eine Seitenansicht der Turbine
Fig. 2: die Turbine in einer weiteren Ausführungsform mit einer Einrichtung zur
Strömungsleitung.
In einer nicht näher dargestellten Lagerung 1 ist eine Turbine, ausgebildet als
Wasserturbine, um ihre Achse 2 drehbar und gelagert aufgenommen. Die Richtung der Achse 2 ist dabei etwa senkrecht zur Fliessrichtung 9 eines Flusses, wobei die Turbine horizontal und vollständig unter Wasser angeordnet ist.
Der Mantel der Turbine ist durch 12 Schaufeln 4 gebildet, die schwenkbar in
Gelenken 6 der Turbinenräder 3 angeordnet sind. Die Gelenke 6 sind entsprechend nahe am Umfang der Turbinenräder 3 angebracht. Über die Achse 2 hinweg sind die auf einer Durchmesserlinie angeordneten Schaufeln 4, 4' eines Schaufelpaares durch eine verschieblich angebrachte Stange 5 verbunden (beispielhaft sind nur wenige Schaufeln 4' dargestellt). Die Verschiebung der Stange 5 wird mittels eines, nicht dargestellten Hilfsantriebes realisiert.
Ebenso kann auch ein geschlossener Zylindermantel zwischen den Turbinenrädern 3 vorgesehen sein, auf dem die Schaufeln 4 aufliegen, wobei die Schaufeln 4 alternativ auf dem Zylindermantel angeordnet sein könnten . Dies verhindert ein
leistungsminderndes durchströmen des fliessenden Mediums.
Anstelle dieser Ausführungsformen können die Schaufeln 4 einseitig an nur einem vorhandenen Turbinenrad 3 (Scheibenrad) angeordnet sein, wobei es ebenso möglich ist, Schaufeln 4 an beiden Seiten des einen Turbinenrades 3 vorzusehen.
Die Schaufeln 4 weisen eine Krümmung entsprechend des Radius des
Turbinenrades auf und sind an ihrer Innenseite mit einem Leitgatter versehen. An der Aussenkante jeder Schaufel 4 kann zusätzlich ein in Achsrichtung verlaufender und mit Luft aufblasbarer Schlauch oder dergleichen Element 10 angeordnet sein. Die Luft wird in diesem Fall mittels einer nicht dargestellten Versorgungseinheit zu- und abgeführt.
Die Schaufeln schwenken aus, sobald ihre Lage etwa parallel zur Fliessrichtung 9 ist. Hierzu wird eine Stange 5 in radialer Richtung zu dieser Schaufel 4 hin verschoben. Der gegenüber der zugehörigen und geschlossenen Schaufel 4 des Schaufelpaares längere Hebel verstärkt die Öffnungsbewegung. Die Schwenkbewegung wird auch durch den Fliessdruck erleichtert resp. beschleunigt. Nach einer Drehung der Turbine um mehr als 180° beginnen die Schaufeln 4 wieder einzuklappen, die Stange 5 wird in Richtung der gegenüberliegenden Schaufel 4* verschoben. Nach ca. 270° ist eine Schaufel 4 wieder vollständig eingeklappt.
Die Wasserhöhe kann beliebig sein und die jeweils obere Schaufel kann sich bei Drehung der Turbine auch knapp oberhalb des Wasserspiegels befinden.
Bezugszeichen
1 Lagerung
2 Achse
3 Turbinenrad
4 Schaufel
5 Stange
6 Gelenk
7 Haube
8 Strömungsleitung
9 Fliessrichtung
10 Element

Claims

Patentansprüche
1 . Turbine, insbesondere zur Energiegewinnung in strömender Luft oder in
Fliessgewässern, die in ihrer Grundform zylinderförmig ist und die mit
Schaufeln versehen ist, die parallel zu einer Achse (2) der Turbine angeordnet sind, wobei die Schaufeln (4, 4') schwenkbar in Gelenken (6)
am Aussenumfang mindestens eines Turbinenrades (3) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils die Schaufeln (4, 4') eines Schaufelpaares mittels einer, über die Achse (2) verschiebbar geführten Stange (5) verbunden sind.
2. Turbine nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Stangen (5)
bevorzugt aus Profilen gebildet sind und vorzugsweise aus einem
Aluminiumwerkstoff bestehen.
3. Turbine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie im Bereich von geschlossenen Schaufeln (4") von einer segmentförmigen Haube (7) umgeben ist.
4. Turbine nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ihr eine, auf die geöffneten Schaufeln (4) gerichtete Einrichtung zur
Strömungsleitung (8) zugeordnet ist.
5. Turbine nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sie 4 bis 12 Schaufeln (4, 4') umfasst.
6. Turbine nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine
Schaufel (4, 4") entlang ihrer Aussenkante parallel zur Achse (2) mit einem aufblasbaren Element im Bereich der Schaufelenden versehen ist.
7. Turbine nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sie mit einem Hilfs- oder Zusatzantrieb in Wirkverbindung gebracht ist.
8. Turbine nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet. dass die Schaufeln (4) an einer oder an beiden Seiten des Turbinenrades (3) angeordnet sind.
9. Turbine nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufeln (4) zwischen zwei Turbinenrädern (3) angeordnet sind.
10. Turbine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufeln (4) einen Zylindermantel umgeben oder, in geschlossener Stellung einen solchen bilden.
1 1 . Turbine nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch
gekennzeichnet, die Aussenkante von Schaufeln (4) mit einem Element (10) versehen ist.
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