DE102019007452B3 - Bidirectional flow machine - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine bidirektional wirksame Strömungsmaschine (1), die entweder als eine Arbeits- oder als eine Kraftmaschine (10,11) ausgebildet ist und einen Leitapparat für eine diametral die Richtung wechselnde Strömung (F) aufweist. Der Leitapparat der Strömungsmaschine (1) wirkt entweder als Diffusor (14) oder als Konfusor (15) und wird von einer Flügeltreppe (2) mit mindestens drei Wirkungsebenen (Q1-Qn) auf einer Rotationsachse (x) sowie von einem Gehäuse (12) für mindestens eine elektrische Maschine (13) gebildet. Die Flügeltreppe (2) hat einen Scheitelpunkt (S) und eine Symmetrieebene in der Wirkungsebene (Q2-Qn) eines mittleren Ringflügels (B), welchem mittleren Ringflügel (B) in Richtung der Strömung (F) mindestens ein Ringflügel (A) vorausläuft und mindestens ein Ringflügel (C) nachläuft. Die Ringflügel (A,B,C) haben konvexe Saugseiten und konkave Druckseiten und sind mittels von radialen Rotorblättern (R) mit der elektrischen Maschine (13) verbunden und übergreifen einander der Länge (y) nach und mit einer radialen Steigung (z) gegenseitig derart, dass der dem mittleren Ringflügel (B) vorauslaufende Ringflügel (A) der Flügeltreppe (2) einen Leitring (20) und zusammen mit dem mittleren Ringflügel (B) eine ringförmige Leitdüse (21) für eine resultierende Anströmung (c) des mittleren Ringflügels (B) mit einem Konuswinkel (51,52) bildet.The invention relates to a bidirectional flow machine (1) which is designed either as a working machine or as a power machine (10, 11) and has a diffuser for a flow (F) that changes diametrically in direction. The diffuser of the turbomachine (1) acts either as a diffuser (14) or as a cone (15) and is supported by a wing staircase (2) with at least three levels of action (Q1-Qn) on an axis of rotation (x) and by a housing (12) formed for at least one electrical machine (13). The wing staircase (2) has an apex (S) and a plane of symmetry in the plane of action (Q2-Qn) of a middle ring wing (B), which middle ring wing (B) is preceded by at least one ring wing (A) in the direction of the flow (F) and at least one ring wing (C) continues to run. The ring blades (A, B, C) have convex suction sides and concave pressure sides and are connected to the electrical machine (13) by means of radial rotor blades (R) and overlap each other along their length (y) and with a radial gradient (z) in such a way that the ring wing (A) of the wing staircase (2) which precedes the middle ring wing (B) has a guide ring (20) and, together with the middle ring wing (B), an annular guide nozzle (21) for a resulting flow (c) of the middle ring wing (B) forms with a cone angle (51,52).
Description
Die Erfindung betrifft eine bidirektional wirksame Strömungsmaschine, die entweder als eine Arbeits- oder als eine Kraftmaschine ausgebildet ist und einen Leitapparat für eine diametral die Richtung wechselnde Strömung aufweist. Der Leitapparat der Strömungsmaschine wirkt entweder als Diffusor oder als Konfusor und wird von einer Flügeltreppe mit mindestens drei Wirkungsebenen auf einer Rotationsachse sowie von einem Gehäuse für mindestens eine elektrische Maschine gebildet. Die Flügeltreppe hat einen Scheitelpunkt und eine Symmetrieebene in der Wirkungsebene eines mittleren Ringflügels, welchem mittleren Ringflügel in Richtung der Strömung mindestens ein Ringflügel vorausläuft, und mindestens ein Ringflügel nachläuft. Die Ringflügel haben konvexe Saugseiten und konkave Druckseiten und sind mittels von radialen Rotorblättern mit der elektrischen Maschine verbunden und übergreifen einander der Länge nach und mit einer radialen Steigung gegenseitig derart, dass der dem mittleren Ringflügel vorauslaufende Ringflügel der Flügeltreppe einen Leitring und zusammen mit dem mittleren Ringflügel eine ringförmige Leitdüse für eine resultierende Anströmung des mittleren Ringflügels mit einem Konuswinkel bildet. Im Fall des Diffusors wird die Flügeltreppe mit dem divergenten Konuswinkel angeströmt, wobei die Außenseiten der Ringflügel als konvexe Saugseiten ausgebildet sind, während im Fall des Konfusors die Flügeltreppe mit einem konvergenten Konuswinkel angeströmt wird, wobei die Innenseiten der Ringflügel als konvexe Saugseiten ausgebildet sind, sodass jeweils in den Wirkungsebenen aus der resultierenden Anströmung eine Auftriebskraft erzeugt wird, die zu der Strömung hin und in die jeweilige Drehrichtung der Ringflügel geneigt ist. Eine periodisch und diametral die Richtung wechselnde Strömung tritt als natürliche Gezeitenströmung an Küsten, Meerengen und Flussmündungen auf, sodass eine bevorzugte Ausführungsform der bidirektionalen Strömungsmaschine eine Kraftmaschine betrifft, die als Wasserturbine von den von Ebbe und Flut verursachten Strömungen angetrieben wird. Eine bevorzugte Anwendung für die Kraftmaschine betrifft eine Luftturbine, die elektrische Energie aus einer oszillierenden Wassersäule an einem sog. OWC-Kraftwerk (Oscillating Water Column) gewinnt, das entweder mit dem Festland oder mit einem im Wasser verankerten Schwimmkörper verbunden ist. Eine neuartige Anwendung für eine luftbetriebene, bidirektional wirksame Kraftmaschine betrifft ein hydraulisches Hebewerk, das von dem überschüssigen Oberwasser eines Flusslaufs angetrieben wird und an bereits vorhandenen oder an noch zu bauenden Querbauwerken im Binnengewässernetz installiert werden kann. Eine luftdichte Einhausung der beiden von-einander getrennten Kammern des hydraulischen Hebewerks ermöglicht den Einbau von ummantelten Luftturbinen in die luftdichte Hüllkonstruktion des Hebewerks, die von einem regelmäßig wechselnden Über- und Unterdruck in den Luftkammern des Hebewerks angetrieben werden. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist die bidirektionale Strömungsmaschine eine Arbeitsmaschine auf. Ein bidirektional wirksamer Ventilator kann z.B. in eine Gebäudehüllkonstruktion integriert werden und ermöglicht mit einer Zu- und Abluftfunktion eine kontrollierte Raumlüftung. Ein größerer bidirektional wirksamer Ventilator kann für die Belüftung eines Tunnels genutzt werden. Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Arbeitsmaschine betrifft Ruderpropeller und insbesondere Querstrahlruder für Wasserfahrzeuge.The invention relates to a bidirectional flow machine which is designed either as a working machine or as a power machine and has a diffuser for a flow that changes diametrically in direction. The diffuser of the turbomachine acts either as a diffuser or a confuser and is formed by a wing staircase with at least three levels of action on an axis of rotation and by a housing for at least one electrical machine. The wing staircase has an apex and a plane of symmetry in the plane of action of a middle ring wing, which middle ring wing is preceded by at least one ring wing in the direction of the flow and at least one ring wing is following. The ring blades have convex suction sides and concave pressure sides and are connected to the electrical machine by means of radial rotor blades and overlap each other lengthways and with a radial slope in such a way that the ring blade of the wing staircase leading to the middle ring blade has a guide ring and together with the middle ring blade forms an annular guide nozzle with a cone angle for a resulting flow onto the central annular wing. In the case of the diffuser, the air flowing towards the staircase is with the divergent cone angle, the outer sides of the ring blades being designed as convex suction sides, while in the case of the cone the air flowing towards the wing stairs is with a convergent cone angle, the insides of the ring blades being designed as convex suction sides, so that In each case, in the planes of action, a lift force is generated from the resulting flow, which is inclined towards the flow and in the respective direction of rotation of the ring blades. A periodically and diametrically changing direction occurs as a natural tidal current on coasts, straits and estuaries, so that a preferred embodiment of the bidirectional flow machine relates to a power machine that is driven as a water turbine by the currents caused by ebb and flow. A preferred application for the prime mover relates to an air turbine that generates electrical energy from an oscillating water column at a so-called OWC (Oscillating Water Column) that is connected either to the mainland or to a floating body anchored in the water. A new type of application for an air-powered, bidirectionally effective engine relates to a hydraulic lifting mechanism that is driven by the excess headwater of a river and can be installed on existing or yet to be built transverse structures in the inland waterway network. An airtight housing of the two separate chambers of the hydraulic elevator enables the installation of jacketed air turbines in the airtight shell construction of the elevator, which are driven by a regularly changing overpressure and underpressure in the air chambers of the elevator. In a particularly preferred embodiment, the bidirectional turbomachine has a working machine. A bidirectionally effective fan can e.g. can be integrated into a building envelope construction and enables controlled room ventilation with an air intake and exhaust function. A larger bi-directional fan can be used to ventilate a tunnel. A particularly advantageous embodiment of the working machine relates to rudder propellers and, in particular, transverse thrusters for watercraft.
Stand der TechnikState of the art
Anlässlich einer Erhebung zur Nutzung der Wasserkraft in Baden-Württemberg wurden 17.500 Standorte validiert. Aktuell sind nur 1.700 Laufwasserkraftwerke jeweils mit einer Leistung ab 1000 kW in Betrieb. 400 Standorte sind stillgelegt, während im Gewässernetz des Landes 665 vorhandene Querbauwerke nicht genutzt werden. Aus dieser von dem Büro am Fluss e.V. in Wendlingen am Neckar durchgeführten Wasserkraftpotenzialermittlung für Baden-Württemberg ist die weitere Ausbaumöglichkeit der Wasserkraft im Zusammenhang mit der Energiewende klar ersichtlich. Die Betreiber von Kleinwasserkraftanlagen geraten immer dann in Konflikt mit dem Naturschutz, wenn die Wanderungsbewegungen der Fische alternativlos durch den Turbinenkanal führt. Sogenannte OWC-Kraftwerke bestehen aus einer zur Brandung offenen Wellenkammer und einer oberhalb des Wasserspiegels anschließenden Luftkammer mit einer Öffnung für den Druckausgleich. Eine anbrandende Welle hebt den Wasserspiegel in der Wellenkammer und verursacht in der darüber liegenden Luftmasse einen Überdruck und eine Strömung für den Druckausgleich. Mit dem Ablaufen der Welle senkt sich der Wasserspiegel wieder und die Luftströmung ändert ihre Richtung. Auf diese Weise wird eine periodisch die Richtung wechselnde Luftströmung mit hoher Geschwindigkeit genutzt, um mit einer als Luftturbine ausgebildeten Kraftmaschine, die bei wechselnder Strömungsrichtung ihre Drehrichtung beibehält, elektrische Energie zu erzeugen. Die sogenannte Wells-Turbine weist eine Mehrzahl radial um eine Rotationsachse angeordneter Rotorblätter jeweils mit einem symmetrischen Flügelprofil auf. Nachteilig dabei ist, dass die im Rotorkreis von innen nach außen zunehmende Umlaufgeschwindigkeit bei der Gestaltung des Rotorblatts mit einem symmetrischen Blattprofil, nicht wie bei einer Strömungsmaschine mit einem asymmetrischen Blattprofil, berücksichtigt werden kann. Deshalb ist der Wirkungsgrad einer Wells-Turbine nicht optimal. Maßnahmen zur Verbesserung des Wirkungsgrads betreffen adaptive Blattprofile, die auf die veränderten Anströmungsbedingungen mit einer reversiblen Blattverstellung reagieren. Bekannte Ruderpropeller und Querstrahlruder sind als Schuberzeuger jeweils nur in eine Richtung optimal wirksam. Sogenannte Verstellpropeller, mit denen auch eine Schubumkehr ermöglicht wird, sind in der Herstellung aufwendig und im Betrieb wartungsintensiv. Im Jahr 1889 ist in R. Gaertners Verlagsbuchhandlung in Berlin ein Buch mit dem Titel „Der Vogelflug als Grundlage der Fliegekunst“ erschienen. Otto Lilienthal veröffentlicht darin u.a. Versuchsergebnisse zum Luftwiderstand und Auftrieb unterschiedlicher Flügelprofile mit einer Saug- und einer Druckseite. Ausgehend von spiegelsymmetrischen Formen erkennt er die strömungsdynamische Funktion der Flügelnase an einem asymmetrischen Flügelprofil, obwohl, wie er schreibt, die in
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AufgabenstellungTask
Ausgehend von dem dargestellten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine neuartige bidirektional wirksame Strömungsmaschine mit einer von mindestens drei Ringflügeln gebildeten Flügeltreppe anzugeben. Die Strömungsmaschine ist entsprechend einer ersten Aufgabe der Erfindung als eine Kraftmaschine dazu ausgebildet, die in einer periodisch diametral die Richtung wechselnden Strömung enthaltene Energie in eine Drehbewegung und in elektrischen Strom zu wandeln. Entsprechend einer zweiten Aufgabe ist die Strömungsmaschine als eine Arbeitsmaschine dazu ausgebildet, eine Drehbewegung in eine Strömung und in eine Schubkraft zu wandeln. Insbesondere besteht die Aufgabe der Erfindung darin eine spiegelsymmetrische Anordnung für mindestens drei Ringflügel einer Flügeltreppe zu finden, die in Kombination mit radialen Rotorblättern strömungsdynamisch als Auftriebsläufer wirken und eine in die jeweilige Drehrichtung eines Ringflügels und zu der Strömung hin geneigte Auftriebskraft bewirken.Proceeding from the prior art presented, the invention is based on the object of specifying a new type of bidirectionally effective flow machine with a staircase formed by at least three ring blades. According to a first object of the invention, the turbo machine is designed as a prime mover to convert the energy contained in a flow that changes periodically diametrically in direction into a rotary motion and into an electric current. According to a second task, the turbomachine is designed as a working machine to convert a rotary movement into a flow and into a thrust force. In particular, the object of the invention is to find a mirror-symmetrical arrangement for at least three ring blades of a wing staircase which, in combination with radial rotor blades, act as a buoyant rotor and cause a lift force inclined in the respective direction of rotation of a ring blade and towards the flow.
Diese Aufgaben werden mit den im Hauptanspruch genannten Merkmalen der Erfindung erfüllt. Weitere Aufgaben und vorteilhafte Eigenschaften der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor. Im Einzelnen werden durch die Erfindung folgende Aufgaben gelöst:
- - Angabe einer Flügeltreppe für eine Strömungsmaschine mit mehr als drei Ringflügeln, deren Flügelprofile sich der Länge nach zwischen 5 und 50 Prozent ihrer Profiltiefe übergreifen
- - Volle Leistungsentfaltung der Strömungsmaschine bereits bei niedrigen Auslegungsschnelllaufzahlen λ von 2,5-3,5
- - Passiv wirkende Drehzahlbegrenzung der Strömungsmaschine über die Auslegungsschnelllaufzahl X der Ringflügel
- - Angabe einer leisen Strömungsmaschine, bei der die Flügeltreppe eine schalltechnisch wirksame Abschirmung bildet
- - Angabe einer Kraftmaschine als Luft- oder Wasserturbine
- - Erzeugung einer luvseitigen Schubkraft, die dem leeseitigen Schub einer Kraftmaschine entgegenwirkt, sodass die Tragkonstruktion einer Luft- oder Wasserturbine wesentlich entlastet wird.
- - Angabe einer frei angeströmten Wasserturbine für ein Gezeitenströmungskraftwerk
- - Angabe einer ummantelten Kraftmaschine als eine Luftturbine für ein Wellenkraftwerk mit oszillierender Wassersäule
- - Angabe einer ummantelten Kraftmaschine als eine Luftturbine an einem neuartigen hydraulischen Hebewerk an Staustufen
- - Angabe einer Kraftmaschine für ein Auf- und Abwindkraftwerk
- - Angabe robuster und wartungsarmer Wind- und Wasserturbinen
- - Angabe einer Arbeitsmaschine als Ventilator für die kontrollierte Be- und Entlüftung eines Gebäudes
- - Angabe einer Arbeitsmaschine als Ventilator für die kontrollierte Be- und Entlüftung eines Tunnels
- - Angabe einer Arbeitsmaschine als Querstrahlruder für ein Wasserfahrzeug
- - Specification of a wing staircase for a flow machine with more than three ring wings, the wing profiles of which overlap between 5 and 50 percent of their profile depth
- - Full power delivery of the turbomachine already at low design speed ratios λ of 2.5-3.5
- - Passively acting speed limitation of the turbomachine via the design high speed number X of the ring blades
- - Specification of a quiet turbomachine in which the wing staircase forms an effective acoustic shield
- - Specification of a prime mover as an air or water turbine
- - Generation of a thrust on the windward side, which counteracts the leeward thrust of an engine, so that the load on the supporting structure of an air or water turbine is significantly relieved.
- - Specification of a free flow water turbine for a tidal current power plant
- - Specification of a jacketed engine as an air turbine for a wave power plant with an oscillating water column
- - Specification of a jacketed engine as an air turbine on a new type of hydraulic hoist at barrages
- - Specification of a prime mover for an updraft and downdraft power plant
- - Specification of robust and low-maintenance wind and water turbines
- - Specification of a working machine as a fan for the controlled ventilation of a building
- - Specification of a working machine as a fan for the controlled ventilation of a tunnel
- - Specification of a working machine as a transverse thruster for a watercraft
Aufbau und Funktion der bidirektionalen StrömungsmaschineStructure and function of the bidirectional flow machine
Die bidirektional wirksame Strömungsmaschine kann entweder als eine Kraftmaschine bzw. als ein Strömungskonverter dazu ausgebildet werden, die in einer periodisch diametral die Richtung wechselnden Strömung enthaltene kinetische Energie in eine Drehbewegung, oder als eine Arbeitsmaschine bzw. als ein Schuberzeuger dazu ausgebildet werden, eine Drehbewegung in eine Strömung zu wandeln. Die Strömungsmaschine hat einen Leitapparat, der in einer Luft- oder Wasserströmung entweder als Diffusor oder als Konfusor wirkt und von einer durchströmbaren Flügeltreppe mit Wirkungsebenen auf einer Rotationsachse sowie von mindestens einem Gehäuse für eine elektrische Maschine mit einer Motor- und mit einer Generatorfunktion gebildet wird. Die Flügeltreppe hat einen Scheitelpunkt und eine Symmetrieebene in der Wirkungsebene des mittleren Ringflügels, dem in der jeweiligen Richtung der Strömung mindestens ein Ringflügel voraus- und mindestens ein Ringflügel nachläuft. Die Ringflügel weisen jeweils Saug- und Druckseiten auf und sind mittels von radialen Rotorblättern mit der elektrischen Maschine verbunden und übergreifen einander der Länge nach mit einer radialen Steigung gegenseitig derart, dass der vorauslaufende Ringflügel einen Leitring und zusammen mit dem mittleren Ringflügel eine ringförmige Leitdüse für die Anströmung des mittleren Ringflügels mit einem Konuswinkel bildet. Im Fall eines Diffusors wird die Flügeltreppe mit einem divergenten Konuswinkel angeströmt, wobei die Außenseiten der Ringflügel als Saugseiten ausgebildet sind. Im Fall eines Konfusors wird die Flügeltreppe mit einem konvergenten Konuswinkel angeströmt, wobei die Innenseiten der Ringflügel als Saugseiten ausgebildet sind. Aus einer resultierenden Anströmung erzeugen die Ringflügel in den Wirkungsebenen jeweils eine über den gesamten Umfang der Ringflügel wirkende Auftriebskraft, die zu der Strömung hin und in Drehrichtung des jeweiligen Ringflügels geneigt ist. Besteht die Flügeltreppe aus mehr als drei Ringflügeln, übergreifen sich die Ringflügel gegenseitig derart, dass eine Mehrzahl vorauslaufender Ringflügel im Fall des Diffusors einen zu dem in der Symmetrieebene angeordneten Scheitelpunkt des mittleren Ringflügels ansteigenden Lauf der Flügeltreppe und eine Mehrzahl nachlaufender Ringflügel einen von dem Scheitelpunkt des mittleren Ringflügels absteigenden Lauf der Flügeltreppe bildet, wobei die Ringflügel beider Treppenläufe mit einem divergenten Konuswinkel angeströmt werden. Wirkt der Leitapparat der Strömungsmaschine als Konfusor, steigt der von einer Mehrzahl vorauslaufender Ringflügel gebildete Treppenlauf der Flügeltreppe zu dem in der Symmetrieebene angeordneten Scheitelpunkt des mittleren Ringflügels ab, während die Mehrzahl nachlaufender Ringflügel, ausgehend von dem Scheitelpunkt der Flügeltreppe, einen ansteigenden Lauf aufweist und beide Treppenläufe mit einem konvergenten Konuswinkel angeströmt werden und sich die konvexen Saugseiten und die konkaven Druckseiten der Ringflügel jeweils der Länge nach und mit einer radialen Steigung gegenseitig derart übergreifen, dass ein in der Strömung vorauslaufender Ringflügel einen Leitring für den in der Strömung nächsten Ringflügel bildet und aufeinanderfolgende Ringflügel untereinander ringförmige Leitdüsen für die resultierende Anströmung des jeweils nächsten Ringflügels mit einem Konuswinkel bilden und die sich die Profilsehnen der Flügelprofile zwischen 5 und 50 Prozent ihrer Profiltiefe übergreifen um die ringförmige Leitdüse zu bilden. Dabei ist der von dem Gehäuse der Strömungsmaschine gebildete Leitapparat der Strömungsmaschine so ausgebildet, dass auch die resultierende Anströmung einer Mehrzahl nachlaufender Ringflügel mit einem divergenten oder konvergenten Konuswinkel erfolgt.The bidirectional flow machine can be designed either as a power machine or as a flow converter to convert the kinetic energy contained in a flow periodically diametrically changing direction into a rotary movement, or as a work machine or as a thrust generator to convert the kinetic energy into a rotary motion to walk a current. The flow machine has a diffuser that acts either as a diffuser or as a cone in an air or water flow and is formed by a flow-through winged staircase with planes of action on an axis of rotation as well as by at least one housing for an electrical machine with a motor and a generator function. The wing staircase has an apex and a plane of symmetry in the plane of action of the central ring wing, which is preceded by at least one ring wing and at least one ring wing follows in the respective direction of the flow. The ring blades each have suction and pressure sides and are connected to the electrical machine by means of radial rotor blades and overlap one another lengthwise with a radial gradient in such a way that the leading ring blade has a guide ring and, together with the middle ring blade, an annular guide nozzle for the Forms approach flow to the middle ring wing with a cone angle. In the case of a diffuser, a divergent cone angle flows onto the wing staircase, the outer sides of the ring blades being designed as suction sides. In the case of a confusor, a convergent cone angle flows towards the wing staircase, the inner sides of the ring wings being designed as suction sides. From a resulting flow, the ring blades in the planes of action each generate a lift force that acts over the entire circumference of the ring blades and is inclined towards the flow and in the direction of rotation of the respective ring blade. If the wing staircase consists of more than three ring wings, the ring wings overlap each other in such a way that, in the case of the diffuser, a plurality of leading ring wings have an ascending run of the wing staircase that rises to the vertex of the central ring wing arranged in the plane of symmetry and a plurality of trailing ring wings one from the apex of the middle ring wing descending course of the wing staircase forms, with the ring wing of both flights of stairs with a divergent cone angle flow towards. If the diffuser of the turbomachine acts as a confuser, the flight of stairs of the wing staircase, formed by a plurality of leading ring wings, descends to the apex of the central ring wing arranged in the plane of symmetry, while the majority of trailing ring wings, starting from the apex of the wing stairs, have an ascending course and both Staircases with a convergent cone angle are flown against and the convex suction sides and the concave pressure sides of the ring blades overlap each other lengthways and with a radial gradient in such a way that a ring blade leading in the flow forms a guide ring for the next ring blade in the flow and successive ones Ring blades form ring-shaped guide nozzles with one another for the resulting flow of the next ring blade with a cone angle and which the profile chords of the blade profiles overlap between 5 and 50 percent of their profile depth to form the annular guide nozzle. The diffuser of the turbomachine formed by the housing of the turbomachine is designed in such a way that the resulting flow onto a plurality of trailing annular blades with a divergent or convergent cone angle also takes place.
Anordnung und Auslegung der FlügeltreppeArrangement and layout of the double staircase
Das Verhältnis der Umlaufgeschwindigkeit eines Ringflügels zu der ungestörten Strömungsgeschwindigkeit ist als sog. Auslegungsschnelllaufzahl X der entscheidende Parameter für die strömungsdynamische Auslegung des Flügelprofils. Die Ringflügel weisen jeweils in einer mit einem Neigungswinkel von 20-140 Grad gegenüber der betreffenden Wirkungsebene geneigten Schnittebene durch ihren Mittelpunkt ein Auftrieb erzeugendes Flügelprofil auf, das im Fall eines Diffusors z.B. als konvex-konkaves Profil und im Fall eines Konfusors z.B. als konkav- konvexes Profil oder als plankonvexes Profil, jeweils mit einer sich von der Flügelnase bis zu der Flügelhinterkante erstreckenden Profilsehne und mit einer zwischen einer Skelettlinie und der Profilsehne gemessenen Wölbungshöhe ausgebildet ist. Die Profilsehnen der Ringflügel sind jeweils mit einem Anstellwinkel gegenüber dem Konuswinkel der resultierenden Anströmung angestellt, der an dem vorauslaufenden Ringflügel z.B. 1-6 Grad, an dem mittleren Ringflügel z.B. 9-15 Grad und an dem nachlaufenden Ringflügel der Flügeltreppe z.B. 6-12 Grad beträgt. Die Profilsehne des mittleren Ringflügels ist parallel zu der Rotationsachse ausgerichtet und länger als die Profilsehne des vorauslaufenden Ringflügels mit einer zur Strömung hin geneigten Profilsehne und des gleich großen nachlaufenden Ringflügels mit einer gegen die Strömung geneigten Profilsehne. Die in den Wirkungsebenen der Ringflügel jeweils an den Scheitelpunkten der konvexen Saugseiten gemessenen Radien unterscheiden sich durch eine Differenz zwischen einem kleineren und einem größeren Radius und definieren damit die radiale Steigung der Flügeltreppe. Im Fall eines Diffusors ist der Radius des mittleren Ringflügels größer als der gleich große Radius des voraus- und des nachlaufenden Ringflügels. Im Fall eines Konfusors ist der Radius des mittleren Ringflügels kleiner als der gleich große Radius des voraus- und des nachlaufenden Ringflügels. Die Ringflügel rotieren entweder mit einer gleichsinnigen Drehrichtung oder mit einer gegensinnigen Drehrichtung um die Rotationsachse, wobei das Auftrieb erzeugende Flügelprofil jeweils mit einer aus der Strömungsgeschwindigkeit und aus der jeweiligen Umlaufgeschwindigkeit der Ringflügel resultierenden Anströmung diagonal zu der Rotationsachse überströmt wird und in einer mit einem Neigungswinkel von 20-140 Grad gegenüber den Wirkungsebenen geneigten Schnittebene durch den betreffenden Mittelpunkt jeweils den geringsten Widerstand verursacht, sodass die Auftriebskraft in den Schnittebenen jeweils einen Versatz zu der Rotationsachse aufweist. Würde die Auftriebskraft durch den jeweiligen Mittelpunkt eines Ringflügels verlaufen, hätte die Strömung einen weiteren Weg zurückzulegen, was mehr Widerstand zur Folge hätte. Weil die Strömung stets den Weg des geringsten Widerstands nimmt, ist die von einem Ringflügel bewirkte Auftriebskraft in Drehrichtung und zur Strömung hin geneigt, sodass in den Wirkungsebenen der Ringflügel jeweils eine tangentiale Antriebskraft und eine senkrecht dazu wirkende Schubkraft aus der Auftriebskraft resultieren. Die Flügelnase und die Flügelhinterkante des Flügelprofils sind jeweils identisch ausgebildet und weisen luv- und leeseitig entweder einen Nasenradius oder eine flache Kreisringfläche auf. Dabei ist das Flügelprofil des Ringflügels für eine definierte Schnelllaufzahl von z.B. 2,5-3,5 ausgelegt. Die Auslegung des Flügelprofils erfolgt über die resultierende Anströmung als Vektorsumme aus der Strömungsgeschwindigkeit, aus der Umlaufgeschwindigkeit und dem Konuswinkel der resultierenden Anströmung. Der Neigungswinkel der Schnittebene und der Konuswinkel definieren damit die resultierende Anströmung. Für den vorauslaufenden Ringflügel gilt: je flacher der Neigungswinkel, umso höher die Schnelllaufzahl. Rotieren der vorauslaufende und der mittlere Ringflügel jeweils mit einer gegensinnigen Drehrichtung, liegt der Neigungswinkel zwischen 70 und 110 Grad. Die Saugseiten der Flügelprofile sind im Fall eines Diffusors auf den Außenseiten der Ringflügel und im Fall eines Konfusors auf den Innenseiten der Ringflügel ausgebildet. Die drei Ringflügel einer Strömungsmaschine sind Bestandteil des Leitapparats, wobei die konvexen Saugseiten und die konkaven Druckseiten der strömungsdynamisch als Auftriebsläufer wirkenden Flügelprofile jeweils in den mit Neigungswinkeln von 20-140 Grad gegenüber den Wirkungsebenen geneigten Schnittebenen für die resultierende Anströmung als Leitflächen wirken. Die Ringflügel sind jeweils für eine vorgegebene Auslegungsschnelllaufzahl X ausgelegt, sodass eine passive Drehzahlbegrenzung der Strömungsmaschine dadurch ermöglicht wird, dass die resultierende Anströmung bei Überschreitung der Auslegungsschnelllaufzahl A an dem Flügelprofil der Ringflügel abreißt und einen erhöhten Rotationswiederstand bewirkt.The ratio of the rotational speed of an annular wing to the undisturbed flow speed is the so-called design speed factor X, the decisive parameter for the flow dynamic design of the wing profile. The ring blades each have in a cutting plane inclined at an angle of inclination of 20-140 degrees with respect to the relevant plane of action through their center a lift-generating wing profile, which in the case of a diffuser eg as a convex-concave profile and in the case of a confuser eg as a concave-convex Profile or as a plano-convex profile, each with a profile chord extending from the wing nose to the wing trailing edge and with a curvature height measured between a skeleton line and the profile chord. The profile chords of the ring wings are each set at an angle of incidence compared to the cone angle of the resulting flow, which is e.g. 1-6 degrees on the leading ring wing, for example 9-15 degrees and on the trailing ring wing of the wing staircase, for example 6-12 degrees . The profile chord of the middle ring wing is aligned parallel to the axis of rotation and longer than the profile chord of the leading ring wing with a profile chord inclined towards the flow and the trailing ring wing of the same size with a profile chord inclined against the flow. The radii measured in the planes of action of the ring blades at the vertices of the convex suction sides differ in the difference between a smaller and a larger radius and thus define the radial gradient of the wing staircase. In the case of a diffuser, the radius of the central ring wing is larger than the equal radius of the leading and trailing ring wing. In the case of a confusor, the radius of the central ring wing is smaller than the equal radius of the leading and trailing ring wing. The ring blades rotate either with a direction of rotation in the same direction or with an opposite direction of rotation around the axis of rotation, the lift-generating wing profile being overflowed diagonally to the axis of rotation with a flow resulting from the flow velocity and the respective circumferential speed of the ring blades and at an angle of inclination of Cutting plane inclined at 20-140 degrees with respect to the planes of action through the respective center point causes the least resistance, so that the lift force in the cutting planes is offset from the axis of rotation. If the lift force were to run through the respective center point of a ring wing, the current would have to cover a further path, which would result in more resistance. Because the flow always takes the path of least resistance, the lift force caused by a ring wing is inclined in the direction of rotation and towards the flow, so that in the planes of action of the ring wings a tangential drive force and a thrust force acting perpendicular to it result from the lift force. The wing nose and the wing trailing edge of the wing profile are each designed identically and have either a nose radius or a flat circular ring surface on the windward and leeward sides. The wing profile of the ring wing is designed for a defined high speed of 2.5-3.5, for example. The design of the airfoil is based on the resulting flow as a vector sum of the flow velocity, the rotational speed and the cone angle of the resulting flow. The inclination angle of the cutting plane and the cone angle thus define the resulting flow. The following applies to the leading ring wing: the flatter the angle of inclination, the higher the speed. If the leading and the middle ring vanes rotate in opposite directions, the angle of inclination is between 70 and 110 degrees. In the case of a diffuser, the suction sides of the wing profiles are on the Outer sides of the ring wings and, in the case of a confuser, on the inner sides of the ring wings. The three ring blades of a turbomachine are part of the diffuser, whereby the convex suction sides and the concave pressure sides of the airfoils, which act as lift rotors in terms of flow dynamics, act as guide surfaces for the resulting inflow in the cutting planes inclined at angles of inclination of 20-140 degrees compared to the planes of action. The ring blades are each designed for a given design speed limit X, so that passive speed limitation of the turbomachine is made possible by the fact that the resulting flow breaks off on the wing profile of the ring blades when the design speed number A is exceeded and causes increased rotational resistance.
Der Leitapparat als DiffusorThe diffuser as a diffuser
Ein Ringflügel, bei dem die Außenseite des Flügelprofils als Saugseite ausgebildet ist, benötigt einen Leitapparat, der als ein Diffusor wirkt, sodass die Ringflügel mit einem divergenten Konuswinkel angeströmt werden, um ein Drehmoment an der Rotationsachse zu erzeugen. Eine bevorzugte Ausführungsform des Leitapparats betrifft einen bidirektional wirksamen Diffusor, der von einem koaxial und konzentrisch zu der Rotationsachse und spiegelsymmetrisch zu der Wirkungsebene des mittleren Ringflügels angeordneten Rotationskörper mit einer Spindel-, Diskus- oder Torusform und mit einem Kragen in der Symmetrieebene des mittleren Ringflügels, von den radialen Rotorblättern sowie von der Flügeltreppe selbst gebildet wird, sodass die Strömung die drei Ringflügel mit dem divergenten Konuswinkel anströmt. Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des Leitapparats sind der spindelförmige Rotationskörper mit dem Kragen, die Flügeltreppe und die Rotorblätter innerhalb eines äußeren Mantels angeordnet, der von einer zweiseitig offenen Röhre oder von einem torusförmigen Ringkörper jeweils mit einem anströmungsseitigen Zulauf, mit einer Düsenverengung und im Fall einer Wasserturbine mit einem abstromseitigen Saugrohr gebildet wird, sodass die Strömung an der Innenseite des Mantels von der Rotationsachse weggelenkt wird und die Ringflügel mit dem divergenten Konuswinkel angeströmt werden. Die Rotorblätter sind jeweils an ihrem nabenseitigen Ende mit einem in den Rotationskörper integrierten Läuferring der elektrischen Maschine und an ihrem äußeren Ende mit den Ringflügeln verbunden und wirken als Diffusor, indem sie die Strömung in eine Drehbewegung wandeln, wobei sich die Strömung verlangsamt und der damit einhergehende erhöhte Druck eine Aufweitung der Strömungsröhre bewirkt, sodass die Ringflügel mit einem Konuswinkel angeströmt werden. Die Strömung kann durch die Energieentnahme seitens der Rotorblätter und der Ringflügel nur bis zu einem gewissen Grad abgebremst werden. Wird ihr zu viel Energie entnommen, bewirkt die Versperrung der Strömungsröhre einen Rückstau, der zu einem Leistungsabfall an der Strömungsmaschine führt. In diesem Sinne gilt das Betz'sche Gesetz auch für eine bidirektional durchströmbare Strömungsmaschine. Die strömungsdynamische Wirksamkeit des Ringflügels beruht jedoch auf seiner Saugseite, sodass die Strömung im Fall eines Diffusors auch außerhalb des konstruktiven Radius erfasst wird und das Betz'sche Gesetz in diesem Fall auf eine Strömungsröhre mit einem wesentlich größeren Radius angewendet werden kann, als derjenige, der durch den konstruktiven Radius des Ringflügels vorgegeben ist. Zudem verhindert der Ringflügel die Ausbildung unerwünschter Turbulenzen an den Rotorblattspitzen durch seine geschlossene Kontur an Nase und Hinterkante, wodurch der Wirkungsgrad der radialen Rotorblätter verbessert wird. Ringflügel und Rotorblätter zusammengenommen ermöglichen, bezogen auf den konstruktiven Durchmesser der Strömungsmaschine, einen Leistungsbeiwert deutlich größer als 16/27.An annular wing, in which the outside of the wing profile is designed as a suction side, requires a diffuser that acts as a diffuser, so that the flow against the annular wing is at a divergent cone angle in order to generate a torque on the axis of rotation. A preferred embodiment of the diffuser relates to a bidirectionally effective diffuser, which consists of a rotary body with a spindle, disc or torus shape and with a collar in the plane of symmetry of the central ring wing, which is arranged coaxially and concentrically to the axis of rotation and mirror-symmetrically to the plane of action of the central ring wing, is formed by the radial rotor blades and the wing staircase itself, so that the flow flows towards the three ring blades with the divergent cone angle. In a particularly advantageous embodiment of the diffuser, the spindle-shaped rotating body with the collar, the wing staircase and the rotor blades are arranged within an outer jacket, which is formed by a tube open on two sides or by a toroidal ring body, each with an inflow-side inlet, with a nozzle constriction and, in the case of a Water turbine is formed with a downstream suction pipe, so that the flow on the inside of the shell is deflected away from the axis of rotation and the flow is against the ring blades with the divergent cone angle. The rotor blades are each connected at their hub-side end to a rotor ring of the electrical machine that is integrated into the rotating body and at their outer end to the ring blades and act as a diffuser by converting the flow into a rotary motion, with the flow slowing down and the accompanying increased pressure causes the flow tube to widen, so that the flow against the ring blades is at a cone angle. The flow can only be slowed down to a certain extent by the energy drawn from the rotor blades and the ring blades. If too much energy is withdrawn from it, the blockage of the flow tube causes a back pressure, which leads to a decrease in the performance of the flow machine. In this sense, Betz's law also applies to a bidirectional flow machine. However, the flow dynamic effectiveness of the ring wing is based on its suction side, so that in the case of a diffuser the flow is also recorded outside the structural radius and Betz's law in this case can be applied to a flow tube with a significantly larger radius than the one that is given by the constructive radius of the ring wing. In addition, the ring wing prevents the formation of undesirable turbulence at the rotor blade tips thanks to its closed contour at the nose and trailing edge, which improves the efficiency of the radial rotor blades. Annular blades and rotor blades taken together enable a power coefficient significantly greater than 16/27 in relation to the structural diameter of the turbomachine.
Der Leitapparat als KonfusorThe diffuser as a confuser
Ein Ringflügel, bei dem die Innenseite des Flügelprofils als Saugseite ausgebildet ist, benötigt einen Leitapparat, der als ein Konfusor wirkt, sodass die Ringflügel mit einem konvergenten Konuswinkel angeströmt werden, um ein Drehmoment an der Rotationsachse zu erzeugen. Im Fall einer Strömungsmaschine mit einem Mantel wird der Konfusor von einer Venturi-Düse gebildet, die auf der Innenseite des Mantels spiegelsymmetrisch zu der Rotationsebene des mittleren Ringflügels eine maximale Düsenverengung hat. Die Venturi-Düse lenkt die Strömung mit einem Konuswinkel zu der Rotationsachse hin. Im Bereich der maximalen Düsenverengung rotiert der mittlere Ringflügel mit einem radialen Abstand zu dem Mantel. Die Verbindung des Ringflügels zu einem an der Düsenverengung in den Mantel eingelassenen Läuferring des Ringgenerators wird durch radiale Rotorblätter mit einem symmetrischen Flügelprofil hergestellt. Stromab schließt sich an den Konfusor und die Düsenverengung ein Diffusor an. Da eine bidirektional wirksame Kraftmaschine spiegelsymmetrisch zu der Rotationsebene des mittleren Ringflügels aufgebaut ist, wirkt der Leitapparat in beiden Strömungsrichtungen analog.An annular wing, in which the inside of the wing profile is designed as a suction side, requires a diffuser that acts as a cone so that the flow against the annular wing is at a convergent cone angle in order to generate a torque on the axis of rotation. In the case of a turbomachine with a jacket, the cone is formed by a Venturi nozzle that has a maximum nozzle constriction on the inside of the jacket, mirror-symmetrical to the plane of rotation of the central ring vane. The Venturi nozzle directs the flow towards the axis of rotation with a cone angle. In the area of the maximum nozzle constriction, the middle ring vane rotates at a radial distance from the jacket. The connection of the ring blade to a rotor ring of the ring generator embedded in the jacket at the nozzle constriction is established by radial rotor blades with a symmetrical blade profile. Downstream, a diffuser is connected to the confuser and the nozzle constriction. Since a bidirectionally effective engine is mirror-symmetrical to the plane of rotation of the central ring wing, the diffuser acts analogously in both directions of flow.
Ausbildungen für KraftmaschinenTraining for prime movers
Die radialen Rotorblätter weisen bei einer Kraftmaschine ein feststehendes, bidirektional wirksames und spiegelsymmetrisch zu den Wirkungsebenen der Ringflügel angeordnetes Blattprofil mit einem in Drehrichtung ausgerichteten tropfenförmigen Querschnitt auf und verbinden die Ringflügel mit dem nabenseitigen Läuferring einer elektrischen Maschine. Eine Wind- oder Wasserturbine behält in einer periodisch diametral die Richtung wechselnden Strömung die jeweilige Drehrichtung der Ringflügel bei. In einer vorhandenen Strömung wird die Kraftmaschine von den radialen Rotorblättern und von den Ringflügeln angetrieben. An einer Kraftmaschine kann jeder der drei Ringflügel mittels der Rotorblätter mit einer eigenen elektrischen Maschine verbunden werden, sodass der vorauslaufende, der mittlere und der nachlaufende Ringflügel jeweils auf unterschiedliche Auslegungsschnelllaufzahlen X beschleunigt werden können und die elektrischen Maschinen dann, wenn die jeweiligen Auslegungsschnelllauf zahlen λ erreicht sind, als synchron erregte Ringgeneratoren jeweils mit einem Stator- und Läuferring und mit einem Frequenzumrichter an einer Luft- oder Wasserturbine elektrischen Strom erzeugen. Eine bidirektional durchströmbare Strömungsmaschine ist mit Vorteil auf unterschiedliche Bauformen von Gezeitenturbinen und Fließwasserturbinen anwendbar. Eine am Meeresgrund verankerte Wasserturbine wird entweder frei angeströmt oder ist als eine Mantelturbine mit einem bidirektional durchströmbaren Gehäuse mit einem Zulauf, einer Düsenverengung und mit einem Saugrohr ausgebildet. Alternativ zu der Verankerung am Grund eines Gewässers kann eine Kraftmaschine mit der Unterseite eines in der Strömung verankerten Schwimmkörpers oder eines Schiffs verbunden werden. Die Kraftmaschine kann auch in eine Brückenkonstruktion integriert werden, bei der die Durchflussöffnungen als Leitapparat ausgebildet sind. Wasserturbinen haben eine Ankerplatte, die z.B. mit einem Schiffsboden oder mit einem Fluss-oder Meeresboden verbunden wird, um die Kraftmaschine ortsfest in einer regelmäßig die Richtung wechselnden Strömung zu verankern. Eine erfindungsgemäße Luftturbine gewinnt Energie aus einer oszillierenden Wassersäule innerhalb eines sog. OWC-Kraftwerks, das entweder mit einer Küste oder mit einem vor einer Küste verankerten Schwimmkörper verbunden ist. Bei einem raschen Wechsel der Strömungsrichtung behalten die Ringflügel einer Luftturbine ihre jeweilige Drehrichtung bei und überwinden als Schwungrad den temporären Strömungsstillstand während des Lastwechsels durch den gespeicherten Drehimpuls. Das Prinzip der oszillierenden Wassersäule kann auch an vorhandenen und an bisher nicht genutzten Querbauwerken innerhalb eines Binnengewässernetzes genutzt werden. Dafür wird ein neuartiges hydraulisches Hebewerk vorgeschlagen, das von dem allfälligen überschüssigen Oberwasser eines Flusslaufs an bereits bestehenden und an noch zu bauenden Staustufen angetrieben wird. An einer Staustufe befördert die Schwerkraft kontinuierlich wassergefüllte Behälter, die auch als Fischlift genutzt werden können, vom Oberwasser ins Unterwasser und vom Unterwasser ins Oberwasser. Ein Dach bzw. eine Einhausung des hydraulischen Hebewerks stellt gegenüber der Atmosphäre eine luftdicht abschließbare Luftkammer her, sodass in dem Dach bzw. in der Einhausung ummantelte Luftturbinen installiert werden können, die beim Absenken des einen Behälters von dem Sog der in die Luftkammer nachströmenden Luft und in dem gleichzeitigen Hubvorgang des zweiten Behälters von der aus der Luftkammer entweichenden Luft angetrieben werden. Bei jedem durch Klappen vollautomatisch gesteuerten Ablassen des Oberwassers ins Unterwasser mit einem anschließenden erneuten Befüllen der Behälter können Fische gefahrlos ihrem natürlichen Wanderungsdrang sowohl stromauf als auch stromab folgen. Die Frequenz der Schleusungen hängt von der jeweils anstehenden Wassermenge ab, sodass die Strömung eines Flusses hauptsächlich durch eine Vielzahl entsprechender Schleusenkammern unabhängig vom Schiffsverkehr geregelt werden kann, wobei ein ungenutztes Überschießen des gestauten Wassers nur bei Extremwetterereignissen vorgesehen ist. Das hydraulische Hebewerk nutzt die Lageenergie des Oberwassers, um in den mit den Schleusenkammern verbundenen Luftkammern einen periodisch wechselnden Luftdruck zu erzeugen, aus dem mittels der elektrischen Maschine einer Luftturbine elektrischer Strom gewonnen wird. Ein zusammenhängendes Dach über einer Mehrzahl parallel zueinander angeordneter Schleusenkammern kann als eine harmonisch in das Landschaftsbild eingefügte grüne Brücke über einen Fluss ausgebildet werden und dient damit der Vernetzung der durch den Fluss getrennten Biotope. Für den Druckausgleich in den Luftkammern können mehrere modular angeordnete Luftturbinen vorgesehen sein. Das hydraulische Hebewerk kann mit einer vergleichsweise geringen Wassermenge, die für jede Schleusung erforderlich ist, eine große Luftmenge für die Energiegewinnung bewegen. Schließlich kann eine erfindungsgemäße Luftturbine auch an einem Auf-/Abwindkraftwerk genutzt werden, um Strom zu erzeugen. Ein Auf-/Abwindkraftwerk nutzt einerseits den Kamineffekt für den Aufstieg solar erwärmter Luft, die über eine große Fläche durch ein Vordach des Aufwindkraftwerks tagsüber gesammelt wird, während die Abwindfunktion das Gewicht kühler Luftmassen nutzt, die innerhalb des Kamins einen Fallwind verursachen.In a prime mover, the radial rotor blades have a stationary, bidirectionally effective blade profile arranged mirror-symmetrically to the planes of action of the ring blades with a teardrop-shaped cross-section aligned in the direction of rotation and connect the ring blades to the hub-side rotor ring of an electrical machine. A wind or water turbine retains in one periodically diametrically the direction changing flow the respective direction of rotation of the ring blades. In an existing flow, the prime mover is driven by the radial rotor blades and the ring blades. On a prime mover, each of the three ring blades can be connected to its own electrical machine by means of the rotor blades, so that the leading, middle and trailing ring blades can each be accelerated to different design speed numbers X and the electrical machines when the respective design speed numbers reach λ are, as synchronously excited ring generators, each with a stator and rotor ring and a frequency converter to generate electricity on an air or water turbine. A bidirectional flow machine through which a flow machine can flow can advantageously be used for different designs of tidal turbines and flowing water turbines. A water turbine anchored on the seabed is either exposed to a free flow or is designed as a jacket turbine with a bidirectional flow-through housing with an inlet, a nozzle constriction and a suction pipe. As an alternative to anchoring at the bottom of a body of water, a prime mover can be connected to the underside of a floating body anchored in the current or to a ship. The engine can also be integrated into a bridge construction in which the flow openings are designed as a guide apparatus. Water turbines have an anchor plate, which is connected, for example, to the bottom of a ship or to a river or sea floor in order to anchor the engine in a stationary manner in a current that changes direction regularly. An air turbine according to the invention gains energy from an oscillating water column within a so-called OWC power plant, which is either connected to a coast or to a floating body anchored off a coast. If the direction of flow changes rapidly, the ring blades of an air turbine maintain their respective direction of rotation and, as a flywheel, overcome the temporary standstill during the load change due to the stored angular momentum. The principle of the oscillating water column can also be used on existing and previously unused transverse structures within an inland waterway network. For this purpose, a new type of hydraulic lifting mechanism is proposed, which is driven by any excess headwater from a river course at existing barrages and barrages that are still to be built. At a barrage, gravity continuously transports water-filled containers, which can also be used as a fish lift, from the upper water to the lower water and from the lower water to the upper water. A roof or a housing of the hydraulic lift creates an airtight lockable air chamber from the atmosphere so that jacketed air turbines can be installed in the roof or in the housing, which when lowering one container from the suction of the air flowing into the air chamber and are driven by the air escaping from the air chamber in the simultaneous lifting process of the second container. With every fully automatically controlled discharge of the upper water into the lower water by flaps with a subsequent refilling of the container, fish can safely follow their natural urge to migrate both upstream and downstream. The frequency of the locks depends on the amount of water present, so that the flow of a river can mainly be regulated by a large number of corresponding lock chambers independently of shipping traffic, with an unused overshooting of the dammed water is only provided for in extreme weather events. The hydraulic elevator uses the positional energy of the headwater to generate a periodically changing air pressure in the air chambers connected to the lock chambers, from which electrical power is obtained by means of the electric machine of an air turbine. A coherent roof over a plurality of lock chambers arranged parallel to one another can be designed as a green bridge over a river that is harmoniously integrated into the landscape and thus serves to network the biotopes separated by the river. Several modularly arranged air turbines can be provided for pressure equalization in the air chambers. The hydraulic elevator can move a large amount of air for energy generation with a comparatively small amount of water, which is required for each lock. Finally, an air turbine according to the invention can also be used in an updraft / downdraft power plant in order to generate electricity. On the one hand, an updraft / downdraft power plant uses the chimney effect for the ascent of solar-heated air, which is collected over a large area by a canopy of the updraft power plant, while the downdraft function uses the weight of cool air masses that cause a downwind within the chimney.
Ausbildungen für ArbeitsmaschinenTraining for work machines
Bei einer Arbeitsmaschine sind mindestens die Rotorblätter des mittleren Ringflügels mit einem einheitlichen Anstellwinkel von 45 Grad gegenüber der Wirkungsebene des mittleren Ringflügels angestellt. In einem äußeren Endabschnitt sind die Rotorblätter des mittleren Ringflügels starr mit dem vorauslaufenden, dem mittleren und mit dem nachlaufenden Ringflügel und an ihrem nabenseitigen Ende mit dem Läuferring der elektrischen Maschine verbunden. Die elektrische Maschine einer Arbeitsmaschine ist als ein asynchron erregter Induktionsmotor mit Stator- und Läuferring und mit einem Frequenzumrichter ausgebildet, sodass die drei Ringflügel stufenlos auf die vorgegebene Auslegungsschnelllaufzahl X beschleunigt werden können. Der Induktionsmotor hat einen Frequenzumrichter, der die Steuerung der Drehzahl und den Wechsel der Drehrichtung der elektrischen Maschine und damit eine Schubumkehr ermöglicht, sodass die Arbeitsmaschine z.B. als ein Zwei-Wege-Ventilator in einer Gebäudehüllkonstruktion für den Luftwechsel mit Zu- und Abluft oder als ein bidirektional wirksames Querstrahlruder an Bug und Heck eines Wasserfahrzeugs ausgebildet werden kann.In the case of a working machine, at least the rotor blades of the middle ring wing are set at a uniform angle of attack of 45 degrees with respect to the plane of action of the middle ring wing. In an outer end section, the rotor blades of the central ring vane are rigidly connected to the leading, central and trailing ring vane and, at their hub-side end, to the rotor ring of the electrical machine. The electrical machine of a work machine is designed as an asynchronously excited induction motor with a stator and rotor ring and with a frequency converter, so that the three ring blades are steplessly adjusted to the specified design speed X can be accelerated. The induction motor has a frequency converter, which enables the control of the speed and the change of the direction of rotation of the electrical machine and thus a thrust reversal, so that the working machine, for example, as a two-way fan in a building envelope structure for the air exchange with supply and exhaust air or as a bidirectionally effective transverse thruster can be formed at the bow and stern of a watercraft.
Die Figuren zeigen unterschiedliche Ausführungsformen und Anwendungen für bidirektional durchströmbare Strömungsmaschinen. Die Schnitte A-A,B-B,C-C,D-D zeigen jeweils die strömungsdynamisch wirksamen Flügelprofile in der mit einem Neigungswinkel gegenüber der jeweiligen Wirkungsebene geneigten Schnittebene.The figures show different embodiments and applications for bidirectional flow machines. The sections A-A, B-B, C-C, D-D each show the aerodynamically effective wing profiles in the section plane inclined at an angle of inclination with respect to the respective plane of action.
Es zeigen:
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1 eine Strömungsmaschine als Kraftmaschine mit Diffusor und mit vektorieller Darstellung der strömungsdynamisch bewirkten Kräfte in der perspektivischen Ausschnittsdarstellung, -
2 dieKraftmaschine nach 1 , oben mit Anströmung von rechts und unten mit Anströmung von links, in einem Längsschnitt entlang der Rotationsachse, -
3 die Kraftmaschine nach1-2 mit vektorieller Darstellung der von den Ringflügeln bewirkten Kräfte in einer anströmungsseitigen Ansicht und mit Schnitten B-B und B'-B' des mittleren Ringflügels, -
4 das strömungsdynamisch wirksame konvex-konkave Fügelprofil des mittleren Ringflügels der Kraftmaschine nach1-3 in zwei Querschnitten A-A und A'-A', -
5 ein altenatives strömungsdynamisch wirksames polygonales Fügelprofil für den mittleren Ringflügels der Kraftmaschine nach1-3 in zwei Querschnitten B-B und B'-B', -
6 eine Strömungsmaschine als eine Arbeitsmaschine mit Diffusor in der perspektivischen Ausschnittsdarstellung, -
7 die Arbeitsmaschine nach6 , oben mit Anströmung von rechts und unten mit Anströmung von links, in einem Längsschnitt entlang der Rotationsachse, -
8 die Arbeitsmaschine nach6-7 , in der anströmugsseitigen Ansicht, -
9 eine Strömungsmaschine als eine Kraftmaschine mit einem Diffusor, der von einem Rotationskörper und von einem Mantel mit einer Aufweitung gebildet wird, in der perspektivischen Ausschnittsdarstellung, -
10 dieKraftmaschine nach 9 , oben mit Anströmung von rechts und unten mit Anströmung von links, in einem Längsschnitt entlang der Rotationsachse, -
11 die Kraftmaschine nach9-10 mit vektorieller Darstellung der von den Ringflügeln bewirkten Kräfte in einer anströmungsseitigen Ansicht, -
12 eine Strömungsmaschine als eine Arbeitsmaschine, die als ein Querstrahlruder in den Bug eines Schiffs integriert ist, in der perspektivischen Ausschnittsdarstellung, -
13 das Querstrahlruder nach 12 in einem Längsschnitt entlang der Rotationsachse, -
14 eine Strömungsmaschine als eine Arbeitsmaschine, die als ein Ventilator ausgebildet ist, in der perspektivischen Ausschnittsdarstellung, -
15 den Ventilator nach 14 in einem Längsschnitt entlang der Rotationsachse, -
16 eine Strömungsmaschine als eine Kraftmaschine mit Konfusor in der perspektivischen Ausschnittsdarstellung, -
17 dieKraftmaschine nach 16 , oben mit Anströmung von rechts und unten mit Anströmung von links, in einem Längsschnitt entlang der Rotationsachse, -
18 die Kraftmaschine nach16-17 mit vektorieller Darstellung der von den Ringflügeln bewirkten Kräfte in einer anströmungsseitigen Ansicht, -
19 das strömungsdynamisch wirksame konkav-konvexe Fügelprofil des mittleren Ringflügels der Kraftmaschine nach16-18 in zwei Querschnitten C-C und C'-C', -
20 ein altenatives strömungsdynamisch wirksames plankonvexes Fügelprofil für den mittleren Ringflügel der Kraftmaschine nach16-18 in zwei Querschnitten D-D und D'-D', -
21 eine Variante der Kraftmaschine nach16-20 mit einer von fünf Ringflügeln gebildeten Flügeltreppe in einem schematischen Längsschnitt entlang der Rotationsachse -
1 zeigt eine bidirektionale Strömungsmaschine1 , dieals eine Kraftmaschine 11 dazu ausgebildet ist, die in einer Luft- oder Wasserströmung F enthaltene kinetische Energie in eine Drehbewegung zu wandeln.Die Kraftmaschine 11 besteht aus einem konzentrisch und koaxial zu der Rotationsachse xangeordneten Rotationskörper 120 , der in der Strömung Fals ein Diffusor 14 wirkt undein Gehäuse 12 für eine elektrische Maschine13 bildet. - Insgesamt neun radiale Rotorblätter
R verbinden eine nicht näher bezeichnete Nabe desRotationskörpers 120 mit drei RingflügelnA ,B ,C , die in Richtung der Strömung F jeweils in drei hintereinander angeordneten WirkungsebenenQ1-Q3 rotieren. Die RotorblätterR weisen ein in Drehrichtung ausgerichtetes tropfenförmiges Blattprofil16 auf und verbinden die drei RingflügelA ,B ,C mit einerelektrischen Maschine 13 , die in dasvon einem Rotationskörper 120 gebildete Gehäuse 12 der elektrischen Maschine13 integriert ist. Die RingflügelA ,B ,C rotieren mit eine gemeinsamen Drehrichtung um die Rotationsachse x und - übergreifen sich der Länge y und der Höhe z nach so, dass die
Flügeltreppe 2 gebildet wird. Jeweils in SchnittebenenN1-N3 , die mit Neigungswinkelnβ gegenüber den WirkungsebenenQ1-Q3 geneigt sind, weisen die RingflügelA ,B ,C das strömungsdynamisch wirksame Flügelprofil24 eines Auftriebsläufers auf.Der Rotationskörper 120 weist einenKragen 123 auf, sodass der von den RotorblätternR undvon der Flügeltreppe 2 gebildete Leitapparat der Kraftmaschine11 als Diffusor 14 wirkt und die aus der Strömungsgeschwindigkeita und der Umlaufgeschwindigkeitb resultierende Anströmungc einer Luft- oder Wasserströmung die RingflügelA ,B ,C jeweils in den SchnittebenenN1-N3 mit einem divergenten Konuswinkel51 anströmt. Die resultierende Anströmungc bewirkt an den drei RingflügelnA ,B ,C jeweils eine in Drehrichtung und zur Strömung F hin geneigte Auftriebskraftd , die in den SchnittebenenN1-N3 in eine Vortriebskrafte und in eine Sogkrafth aufgeteilt wird. Aus der Vortriebskrafte und dem Widerstandj leiten sich in den Wirkungsebenen Q der RingflügelA ,B ,C die tangentiale Antriebskraftg und der Rotationswiderstandk sowie die gegen die Richtung der Strömung F wirkende Schubkraft Fund die Druckkraft 1 ab.Eine Halterung 125 verbindet das Gehäuse 12 der elektrischen Maschine13 mit einer nicht näher bezeichneten Ankerplatte, die im Fall einer Wasserturbine in dem Grund eines Gewässers verankert oder mit dem Boden eines Schiffs verbunden werden kann. -
2 zeigt einen schematischen Längsschnitt derals Kraftmaschine 11 ausgebildeten Strömungsmaschine 1 mit Darstellung des bidirektional wirksamen Leitapparats, der in der oberen Hälfte der Zeichnung von rechts und in der unteren Hälfte der Zeichnung von links angeströmt wird und in der Strömung Fjeweils als Diffusor 14 wirkt. Der Leitapparat besteht aus einem koaxial und konzentrisch zu der Rotationsachse x angeordneten spindelförmigen Rotationskörper120 in Form eines doppelseitigen Rotationsparaboloidsmit einem Kragen 123 , aus den RotorblätternR und aus den RingflügelnA ,B ,C , deren Saug- und Druckseiten in der StrömungF als Leitflächen 22 wirken.Die Kraftmaschine 11 ist spiegelsymmetrisch zu der Wirkungsebene Q des mittleren RingflügelsB angeordnet und kann z.B. als eine Wasserturbine zur Nutzung einer periodisch die Richtung wechselnden Gezeitenströmung ausgebildet werden. Die bidirektionale Wirkung der Kraftmaschine11 wirddurch den Kragen 123 in der Wirkungsebene Q des mittleren RingflügelsB unterstützt, in dessen Leeseite sich die Strömung F derart verwirbelt, dass auch der nachlaufende RingflügelC mit einem divergenten Konuswinkelδ1 angeströmt wird. Relativ zudem divergenten Konuswinkel 51 der Strömung F weisen die Profilsehnenp der RingflügelA ,B ,C jeweils einen Anstellwinkelα auf, der bei dem vorauslaufenden RingflügelA z.B. 6 Grad, bei dem mittleren RingflügelB z.B. 15 Grad und bei dem nachlaufenden RingflügelC z.B. 11 Grad beträgt. -
3 zeigt dieKraftmaschine 11 nach1-2 mit Darstellung der von der Strömung F bewirkten Auftriebskräfted , die an dem vorauslaufenden RingflügelA mit einem Versatz m1, an dem mittleren RingflügelB mit einem Versatz m2 und an dem nachlaufenden RingflügelC mit einem Versatz m3 zu der Rotationsachse x angreifen. Das in dem Querschnitt A-A, oben und in4 im Detail dargestellte, strömungsdynamisch wirksame, konvex-konkave Flügelprofil24 des mittleren RingflügelsB unterscheidet sich von dem in dem Querschnitt A'-A' unten dargestellten Flügelprofil, bei dem eine Auftriebskraftd angenommen wurde, die ohne Versatz durch die Rotationsachse x verläuft. Die anströmungsseitige Ansicht der Kraftmaschine11 zeigt die in Drehrichtung und nach Luv geneigte Auftriebskraftd , aus der an den RingflügelnA ,B ,C jeweils eine Sogkrafth und eine tangentiale Antriebskraftg abgeleitet werden. Die radialen Rotorblätter R1-R3 haben wie in1 gezeigt ein in Drehrichtung ausgerichtetes, tropfenförmiges Blattprofil16 und sind jeweils an ihrem äußeren Ende mit den RingflügelnA ,B ,C und an ihrem nabenseitigen Ende mit einer elektrische Maschine13 verbunden, die in dasvon dem Rotationskörper 120 gebildete Gehäuse 12 integriert ist. -
4 zeigt das strömungsdynamisch wirksame Flügelprofil24 des mittleren RingflügelsB der Kraftmaschine11 nach1-3 mit einer sich zwischen der Flügelnasen und der Flügelhinterkanteo erstreckenden Profilsehnep sowie mit einer zwischen der Profilsehnep und der Skelettliniet gemessenen Wölbungshöheq . Der mit einem Neigungswinkelβ gegenüber der WirkungsebeneQ2 durch den MittelpunktM geführte Querschnitt A-A zeigt das strömungsdynamisch wirksame Flügelprofil24 des mittleren RingflügelsB , während der ebenfalls mit dem Neigungswinkelβ gegenüber der WirkungsebeneQ2 des mittleren RingflügelsB geführte Querschnitt A'-A' nicht durch den MittelpunktM verläuft und ein Profil zeigt, welches die Strömung F zu überwinden hätte, wenn sie, wie in3 in dem Schnitt A'-A' gezeigt, ohne Versatz m2 die Rotationsachse x schneiden würde. Das in dem Schnitt A'-A' dargestellte Profil des mittleren RingflügelsB ist länger und hat eine größere Querschnittfläche als das in dem Querschnitt A-A dargestellte strömungsdynamisch wirksame Flügelprofil24 des mittleren RingflügelsB . Da die Strömung F stets den Weg des geringsten Widerstands nimmt, dienen die in4 dargestellten Querschnitte A-A und A'-A' der geometrischen Beweisführung für die in1 und3 dargestellte tangentiale Antriebskraftg der RingflügelA ,B ,C . -
5 zeigt ein alternatives, polygonales Flügelprofil24 für die RingflügelA ,B ,C der in1-3 dargestellten Kraftmaschine 11 .Das polygonale Flügelprofil 24 weist eine sich zwischen der Flügelnasen und der Flügelhinterkanteo erstreckende Profilsehnep sowie eine zwischen der Profilsehnep und der Skelettliniet gemessenen Wölbungshöheq auf. Der Querschnitt B-B zeigt das von der StrömungF genutzte Flügelprofil 24 . Der Querschnitt B'-B' zeigtein angenommenes Flügelprofil 24 , das die Strömung F zu überwinden hätte, wenn die Auftriebskraftd wie in3 gezeigt ohne Versatz m1-m3 an der Rotationsachse x angreifen würde. -
6 zeigt eine bidirektionale Strömungsmaschine1 , dieals eine Arbeitsmaschine 10 in Form einesVentilators 17 dazu ausgebildet ist, Luft in einem schaltbaren Wechsel in zwei einander entgegengesetzte Richtungen zu beschleunigen. Im Unterschied zu der in1 gezeigten Kraftmaschine 11 sind bei der Arbeitsmaschine10 die RotorblätterR mit einem Anstellwinkelα von einheitlich 45 Grad gegenüber den Wirkungsebenen Q der RingflügelA ,B ,C angestellt, sodass sie eine Strömung F generieren. Für den Wechsel der Strömungsrichtung ist es notwendig die Drehrichtung der RingflügelA ,B ,C umzukehren.Der Ventilator 17 hatein äußeres Gehäuse 12 dessen Innenwand konkav gewölbt ist. Die Anordnung der RingflügelA ,B ,C entspricht im wesentlichen dem in1-4 gezeigten Ausführungsbeispiel. Jeweils in SchnittebenenN1-N3 , die mit Neigungswinkelnβ gegenüber den WirkungsebenenQ1-Q3 geneigt sind, weisen die RingflügelA ,B ,C das strömungsdynamisch wirksame Flügelprofil24 eines Auftriebsläufers auf. Der Leitapparat der Arbeitsmaschine10 wirkt als Diffusor 14 , sodass, wie in1 gezeigt, die aus der Strömungsgeschwindigkeita und der Umlaufgeschwindigkeitb resultierende Anströmungc die RingflügelA ,B ,C in den SchnittebenenN1-N3 jeweils mit einem divergenten Konuswinkel51 anströmt. Die resultierende Anströmungc des Flügelprofils24 bewirkt über den gesamten Umfang der drei RingflügelA ,B ,C eine in Drehrichtung und zur Strömung F hin geneigte Auftriebskraftd , die jeweils in den SchnittebenenN1-N3 in eine Vortriebskrafte und in eine Sogkrafth aufgeteilt wird. Aus der Vortriebskrafte und dem Widerstandj leiten sich in den Wirkungsebenen Q die tangentiale Antriebskraftg und der Rotationswiderstandk sowie die gegen die Richtung der Strömung F wirkende Schubkraft Fund die Druckkraft 1 ab.Eine Halterung 125 verbindet dieelektrische Maschine 13 der Arbeitsmaschine 10 miteinem äußeren Mantel 121 , der in den Aufbau der Außenwand eines Gebäudes integriert werden kann um einen kontrollierten Luftwechsel in dem Gebäude sicherzustellen. -
7 zeigt einen Längsschnitt der Arbeitsmaschine10 nach6 mit Darstellung des bidirektional wirksamen Leitapparats, der in der oberen Hälfte der Zeichnung von rechts und in der unteren Hälfte der Zeichnung von links angeströmt wird und in der Strömung Fjeweils als Diffusor 14 wirkt. Der Leitapparat besteht aus einem koaxial und konzentrisch zu der Rotationsachse x angeordneten Rotationskörper120 in Form eines doppelseitigen Rotationsparaboloidsmit einem Kragen 123 und aus den RingflügelnA ,B ,C , deren Saug- und Druckseiten in der StrömungF als Leitflächen 22 wirken.Die Kraftmaschine 11 ist spiegelsymmetrisch zu der WirkungsebeneQ des mittleren RingflügelsB angeordnet und kann z.B. als eine Wasserturbine zur Nutzung einer periodisch die Richtung wechselnden Gezeitenströmung ausgebildet werden. Die bidirektionale Wirkung der Kraftmaschine11 wirddurch den Kragen 123 in der WirkungsebeneQ des mittleren RingflügelsB unterstützt, in dessen Leeseite sich die Strömung F derart verwirbelt, dass auch der nachlaufende RingflügelC mit einem divergenten Konuswinkel51 angeströmt wird. Wie in1 gezeigt weisen die Profilsehnenp der RingflügelA ,B ,C relativdem divergenten Konuswinkel 51 der Strömung F einen Anstellwinkelα auf, der bei dem vorauslaufenden RingflügelA z.B. 6 Grad, bei dem mittleren RingflügelB z.B. 15 Grad und bei dem nachlaufenden RingflügelC z.B. 11 Grad beträgt. Im Unterschied zu der in1 gezeigten Kraftmaschine 11 weisen die RotorblätterR bei der hier gezeigten Arbeitsmaschine10 einen einheitlichen Anstellwinkel von 45 Grad gegenüber den Wirkungsebenen Q der RingflügelA ,B ,C auf. -
8 zeigt dieArbeitsmaschine 10 nach6-7 in einer anströmungsseitigen Ansicht mit.Darstellung der jeweils in Drehrichtung und nach Luv geneigten Auftriebskraftd , aus der jeweils in den Wirkungsebenen Q der RingflügelA ,B ,C eine tangentiale Antriebskraftg abgeleitet wird. -
9 zeigt eine bidirektionale Strömungsmaschine1 , dieals eine Kraftmaschine 11 dazu ausgebildet ist, die in einer Strömung F aus Luft oder Wasser enthaltene kinetische Energie in eine Drehbewegung zu wandeln.Die Kraftmaschine 11 besteht aus einem konzentrisch und koaxial zu der Rotationsachse xangeordneten Rotationskörper 120 , der mittels einerHalterung 125 aneinem äußeren Mantel 121 verankert ist, aus der Flügeltreppe2 und aus den RotorblätternR , die jeweils die RingflügelA ,B ,C mit einer elektrischen Maschine13 verbinden. Die RingflügelA ,C sind mittels von RotorblätternR mit einem imBereich der Düsenverengung 122 inden Mantel 121 integrierten elektrischen Maschine13 verbunden, während der mittlere RingflügelB über das nabenseitige Ende der RotorblätterR mit der inden Rotationskörper 120 integrierten elektrischen Maschine13 verbunden ist. Der Leitapparat der Kraftmaschine11 wird von einemMantel 121 mit einem Zulauf, mit einerDüsenverengung 122 in der Wirkungsebene Q des mittleren RingflügelsB und von einem abstromseitigen Saugrohr124 , sowievon der Flügeltreppe 2 gebildet. Der zentrale Rotationskörper120 wirkt zusammen mit der Erweiterung desMantels 121 als ein Diffusor 14 , sodass die RingflügelA ,B ,C , wie in9 gezeigt, jeweils mit einem divergenten Konuswinkel51 angeströmt werden. -
10 zeigt dieKraftmaschine 11 nach 9 in einem schematischen Längsschnitt, die in der oberen Hälfte der Zeichnung von rechts und in der unteren Hälfte der Zeichnung von links angeströmt wird und in der Strömung Fjeweils als Diffusor 14 wirkt. Der Leitapparat der Kraftmaschine11 besteht aus einem koaxial und konzentrisch zu der Rotationsachse x angeordneten spindelförmigen Rotationskörper120 mit einemKragen 123 und aus der von den RingflügelnA ,B ,C gebildeten Flügeltreppe 2 , deren Saug- und Druckseiten in der StrömungF als Leitflächen 22 wirken.Die Kraftmaschine 11 ist spiegelsymmetrisch zu der Wirkungsebene Q des mittleren RingflügelsB angeordnet und kann z.B. als eine Wasserturbine zur Nutzung einer periodisch die Richtung wechselnden Gezeitenströmung ausgebildet werden. Die bidirektionale Wirkung der Kraftmaschine11 wirddurch den Kragen 123 in der Wirkungsebene Q des mittleren RingflügelsB unterstützt, in dessen Leeseite sich die Strömung F derart verwirbelt, dass auch der nachlaufende RingflügelC mit einem divergenten Konuswinkel51 angeströmt wird. Relativ zudem divergenten Konuswinkel 51 der der resultierenden Anströmung weisen die Profilsehnenp der RingflügelA ,B ,C , wie in2 dargestellt einen Anstellwinkelα auf. -
11 zeigt dieKraftmaschine 11 nach9-10 in einer anströmungsseitigen Ansicht mit Darstellung der jeweils in Drehrichtung und nach Luv geneigten Auftriebskraftd , aus der jeweils in den WirkungsebenenQ der RingflügelA ,B ,C eine Sogkrafth und eine tangentiale Antriebskraftg abgeleitbar sind. -
12 zeigt eine Strömungsmaschine 1 als eine Arbeitsmaschine 10 , die als ein bidirektional wirksames Querstrahlruder18 in den Bug eines nicht näher bezeichneten Schiffs integriert ist. Der Leitapparat des Querstrahlruders18 besteht aus einem spindelförmigen Rotationskörper120 , der eine elektrische Maschine13 aufnimmt und mittels von sechs lösbaren radialen Halterungen125 derart ineinen äußeren Mantel 121 mit einer Erweiterung eingesetzt ist, dass für die Strömung F ein Zulauf,eine Düsenverengung 122 und ein Saugrohr 124 gebildet werden. Die RotorblätterR des mittleren RingflügelsB sind an ihrem äußeren Ende starr mit den RingflügelnA ,B ,C und nabenseitig mit der inden Rotationskörper 120 integrierten elektrischen Maschine13 verbunden. Die RotorblätterR2 weisen einen einheitlichen Anstellwinkelα von 45 Grad gegenüber der Wirkungsebene Q des mittleren RingflügelsB auf.Die elektrische Maschine 13 ist als ein Induktionsmotor mit einem Frequenzumrichter ausgebildet, der eine stufenlose Regelung der Drehzahl und eine Umkehr der Schubrichtung ermöglicht. -
13 zeigt das Querstrahlruder 18 nach 12 in einem Längsschnitt entlang der Rotationsachse x mit Darstellung dervon dem Querstrahlruder 18 bewirkten Schubkraftf , oben von rechts nach links und unten von links nach rechts. Der Längsschnitt zeigtden als Diffusor 14 wirkenden Leitapparat desQuerstrahlruders 18 , der von dem konzentrisch und koaxial zu der Rotationsachse x ausgebildeten Rotationskörper120 mit einemKragen 123 in der Wirkungsebene Q des mittleren RingflügelsB ,von der Flügeltreppe 2 sowie von einem äußerenMantel 121 , einem Zulauf und einem Saugrohr124 gebildet wird. Die konvexen Saugseiten und die konkaven Druckseiten der RingflügelA ,B ,C sind jeweilsals Leitflächen 22 für die Strömung F ausgebildet.Der Kragen 123 ist ebenfalls Teil des Leitapparats und bewirkt, dass in der jeweiligen Richtung der Strömung F die drei RingflügelA ,B ,C mit einem divergenten Konuswinkelδ1 angeströmt werden. Dabei ist der vorauslaufende Ringflügel Aals ein Leitring 20 für die Anströmung des mittleren RingflügelsB ausgebildet. Durch eine horizontale Länge y und durch eine vertikale Höhe z übergreifen sich die RingflügelA ,B ,C so, dass zwischen dem vorauslaufenden Ringflügel A und dem mittleren RingflügelB eine Leitdüse 21 gebildet wird. -
14 zeigt eine Strömungsmaschine 1 als Arbeitsmaschine 10 , dieals ein Ventilator 17 ausgebildet ist.Das Gehäuse 12 desVentilators 17 besteht aus einem torusförmigen Rotationskörper120 , der zusammen mit einem äußerenMantel 121 einen Ringtorus bildet.Die elektrische Maschine 13 arbeitet als asynchron erregte Induktionsmaschine und weist einen Statorring130 und einen Läuferring131 auf. Radiale RotorblätterR , die mit einem Anstellwinkel von 45 Grad gegenüber der Wirkungsebene Q des mittleren RingflügelsB angestellt sind, sind mit den drei RingflügelnA ,B ,C und an ihrem nabenseitigen Endemit dem Läuferring 131 des Ringgenerators starr verbunden. Die RotorblätterR weisen gegenüber der Innenseite des Ringtorus eine Haarfuge auf. -
15 zeigt den Ventilator 17 nach 14 in einem Längsschnitt entlang der Rotationsachse x. Die RingflügelA ,B ,C übergreifen einander der Länge y und der Höhe z nach derart, dass eine Flügeltreppe2 gebildet wird, wobei die konvexen Saugseiten und die konkaven Druckseiten der RingflügelA ,B ,C als Leitflächen 22 für die von den RotorblätternR induzierte Strömung F wirken. - In Richtung der Strömung F, die die Ringflügel
A ,B ,C oben von rechts und unten von links anströmt, wirkt jeweils der vorauslaufende RingflügelA als ein Leitring 20 für die Anströmung des mittleren RingflügelsB mitdem divergenten Konuswinkel 51 .Ein Leitgitter 23 ist Teil des Leitapparats desVentilators 17 . - Abstromseitig
ist das Leitgitter 23 verstellbar ausgebildet. Dievon der Strömungsmaschine 1 erzeugte, entgegen der Strömungsrichtung wirkende Schubkraftf führt dazu, dass die anströmende Luft angesaugt wird. Die RotorblätterR weisen einen einheitlichen Anstellwinkel von 45 Grad gegenüber den Wirkungsebenen Q der RingflügelA ,B ,C auf und erzeugen die Strömung F. Ein Wechsel der Drehrichtung desVentilators 17 bewirkt eine Schubumkehr mit einer diametral entgegengesetzten Richtung der Strömung F. -
16 zeigt eine Strömungsmaschine 1 , dieals eine Kraftmaschine 11 mit einem von einem äußerenMantel 121 gebildeten Gehäuse12 ausgebildet ist. Der Leitapparat der Kraftmaschine11 wirkt in der jeweiligen Richtung der StrömungF als Konfusor 15 , sodass die RingflügelA ,B ,C , wie in17 gezeigt mit einem konvergenten Konuswinkel52 angeströmt werden. Der Leitapparat weist für die Strömung F einen sich verjüngenden Zulauf,eine Düsenverengung 122 in Form einer Venturi-Düse und einen sich abstromseitig erweiternden Auslauf auf, der im Fall einerWasserturbine als Saugrohr 124 wirkt. Radiale RotorblätterR verbinden die RingflügelA ,B ,C jeweils mit einer indas Gehäuse 12 eingelassenen elektrischen Maschine13 . Die RingflügelA undC sind jeweils rechtsdrehend, während der mittlere RingflügelB linksdrehend ausgebildet ist.Die Kraftmaschine 11 kann entweder als Wasser- oder als Windturbine ausgebildet werden. -
17 zeigt einen Längsschnitt durch dieKraftmaschine 11 nach -
16 entlang der Rotationsachse x, oben mit der Strömung F von rechts und unten mit der Strömung F von links. Die RingflügelA ,B ,C bilden untereinander eine Flügeltreppe2 , wobei sie sich der Länge y nach und mit der Höhe z derart übergreifen, dass zwischen dem vorauslaufenden RingflügelA und dem mittleren RingflügelB eine Leitdüse 21 gebildet wird. Innerhalb der Strömung F wirken die außenliegenden Druckseiten und die innenliegenden konvexen Saugseiten der RingflügelA ,B ,C jeweils als Leitflächen 22 , die in der StrömungF einerseits einen möglichst geringen Widerstand hervorrufen und andererseits, wie in18 gezeigt, in den WirkungsebenenQ eine tangentiale Antriebskraftg in der jeweiligen Drehrichtung der RingflügelA ,B ,C bewirken. Die RotorblätterR sind jeweils spiegelsymmetrisch zu den WirkungsebenenQ ausgebildet und weisen, wie in18 gezeigt, jeweilsein tropfenförmiges Blattprofil 16 mit einer in Drehrichtung ausgerichteten Flügelnasen auf. -
18 zeigt dieKraftmaschine 11 nach16-17 mit Darstellung der von der Strömung F bewirkten Auftriebskraftd , die an dem vorauslaufenden RingflügelA einen Versatz m1, an dem mittleren RingflügelB einen Versatz m2 und an dem nachlaufenden RingflügelC einen Versatz m3 aufweist. Das in dem Querschnitt D-D und in20 im Detail dargestellte, plankonvexe und strömungsdynamisch wirksame Flügelprofil24 des mittleren RingflügelsB unterscheidet sich von dem in dem Querschnitt D'-D' dargestellten Flügelprofil, bei dem eine Auftriebskraftd angenommen wurde, die ohne Versatz durch die Rotationsachse x der in16 ,17 dargestellten Flügeltreppe 2 verläuft. Die gegensinnige Drehrichtung der RingflügelA ,C und des RingflügelsB werden in einer schematischen Schnittdarstellung der Blattprofile16 der radialen RotorblätterR deutlich. -
19 zeigt das strömungsdynamisch wirksame konkav-konvexe Flügelprofil24 des vorauslaufenden und des nachlaufenden RingflügelsA ,B der Kraftmaschine 11 nach16-18 mit einer sich zwischen der Flügelnasen und der Flügelhinterkanteo erstreckenden Profilsehnep sowie mit einer zwischen der Profilsehnep und der Skelettliniet gemessenen Wölbungshöheq . Der mit einem Neigungswinkelβ gegenüber den WirkungsebenenQ1 ,Q3 durch die MittelpunkteM des vorauslaufenden und des nachlaufenden RingflügelsA ,B geführte Querschnitt C-C zeigt das strömungsdynamisch wirksame konkav-konvexe Flügelprofil 24 , während der ebenfalls mit dem Neigungswinkelβ gegenüber den WirkungsebenenQ1 ,Q3 geführte Querschnitt C'-C' nicht durch die MittelpunkteM des vorauslaufenden und des nachlaufenden RingflügelsA ,B geführt ist und ein Profil zeigt, welches die Strömung F zu überwinden hätte, wenn sie die Rotationsachse x ohne den in18 an den RingflügelnA ,B ,C gezeigten Versatz m1,m2,m3 schneiden würde. Das in dem Schnitt C'-C' dargestellte Profil des vorauslaufenden und des nachlaufenden RingflügelsA ,B ist länger und hat eine größere Querschnittfläche als das in dem Querschnitt C-C dargestellte strömungsdynamisch wirksame, konkav-konvexe Flügelprofil24 der RingflügelA ,C . Da die Strömung F stets den Weg des geringsten Widerstands nimmt, dienen die in19 dargestellten Querschnitte auch der geometrischen Beweisführung für die in18 dargestellte tangentiale Antriebskraftg der RingflügelA ,B ,C . -
20 zeigtdas plankonvexe Flügelprofil 24 des mittleren RingflügelsB der Kraftsmaschine11 nach16-19 .Das plankonvexe Flügelprofil 24 weist eine sich zwischen der Flügelnasen und der Flügelhinterkanteo erstreckende Profilsehnep sowie eine zwischen der Profilsehnep und der Skelettliniet gemessenen Wölbungshöheq auf. Der Querschnitt D-D zeigt das strömungsdynamisch wirksame Flügelprofil24 , während der Querschnitt D'-D' dasjenige Flügelprofil zeigt, welches die Strömung F zu überwinden hätte, wenn die Auftriebskraftd , wie in18 am Beispiel des mittleren RingflügelsB gezeigt, keinen Versatz zu der Rotationsachse x aufweisen würde. -
21 zeigt einen Längsschnitt durch eine Kraftmaschine11 , die sich von dem in16-20 gezeigten Ausführungsbeispiel durch die Anzahl der RingflügelA ,B ,C unterscheidet.Die Flügeltreppe 2 wird von insgesamt fünf RingflügelnA ,B ,C gebildet, wobei neben dem mittleren RingflügelB zwei vorauslaufende RingflügelA und zwei nachlaufende RingflügelC dargestellt sind.Die Flügeltreppe 2 ist spiegelsymmetrisch zu der WirkungsebeneQ3 des mittleren RingflügelsB mit dem ScheitelpunktS aufgebaut und ist oberhalb der Rotationsachse x mit einer Strömungsrichtung von rechts und unterhalb der Rotationsachse x mit einer Strömungsrichtung von links dargestellt.Das Gehäuse 12 der als Kraftmaschine 11 ausgebildeten Strömungsmaschine weist einenMantel 121 mit einem einströmungsseitigen Zulauf, einer als Venturi-Düse ausgebildeten Düsenverengung 122 mit einemKragen 123 sowie einem Auslauf, der im Fall einerWasserturbine als Saugrohr 124 ausgebildet ist, auf. Inden Mantel 121 der Kraftmaschine 11 isteine elektrische Maschine 13 eingelassen, die aus fünf inReihe angeordneten Statorringen 130 undLäuferringen 131 aufgebaut ist, sodass diefünf RingflügelA ,B ,C unabhängig voneinander um die Rotationsachse x rotieren können. Sowohl die beiden vorauslaufenden RingflügelA als auch die beiden nachlaufenden RingflügelC übergreifen einander der Länge y nach zwischen den MittelpunktenM auf der Rotationsachse x und der Höhe z nach zwischen den ScheitelpunktenS , sodass zwischen den vorauslaufenden RingflügelnA und dem mittleren RingflügelB sowie zwischen dem mittleren RingflügelB und den nachlaufenden RingflügelnC jeweils eine ringförmige Leitdüse21 gebildet wird. Wie in16 dargestellt, sind die RingflügelA ,B ,C der Flügeltreppe2 jeweils mittels von drei radialen Rotorblättern mit symmetrischen Blattprofilen16 mit den Läuferringen 131 der elektrischen Maschine13 verbunden. Dabei kann die Drehrichtung von einem zum nächsten RingflügelA ,B ,C jeweils wechseln.
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1 a flow machine as a prime mover with a diffuser and with a vector representation of the forces caused by the fluid dynamics in the perspective detail representation, -
2 the engine after1 , above with flow from the right and below with flow from the left, in a longitudinal section along the axis of rotation, -
3 the engine after1-2 with vector representation of the forces caused by the ring blades in an upstream view and with sections BB and B'-B 'of the middle ring blade, -
4th the fluid dynamically effective convex-concave wing profile of the middle ring wing of the engine1-3 in two cross-sections AA and A'-A ', -
5 an alternative, flow dynamically effective polygonal wing profile for the middle ring wing of the engine1-3 in two cross-sections BB and B'-B ', -
6 a flow machine as a working machine with diffuser in the perspective detail view, -
7th the working machine after6 , above with flow from the right and below with flow from the left, in a longitudinal section along the axis of rotation, -
8th the working machine after6-7 , in the upstream view, -
9 a flow machine as a prime mover with a diffuser, which is formed by a body of revolution and a jacket with a widening, in the perspective detail view, -
10 the engine after9 , above with flow from the right and below with flow from the left, in a longitudinal section along the axis of rotation, -
11 the engine after9-10 with vector representation of the forces caused by the ring blades in an upstream view, -
12 a turbomachine as a working machine, which is integrated as a transverse thruster in the bow of a ship, in the perspective detail view, -
13 the transverse thruster after12 in a longitudinal section along the axis of rotation, -
14th a flow machine as a working machine, which is designed as a fan, in the perspective detail view, -
15th the fan14th in a longitudinal section along the axis of rotation, -
16 a flow machine as a prime mover with a confuser in the perspective detail view, -
17th the engine after16 , above with flow from the right and below with flow from the left, in a longitudinal section along the axis of rotation, -
18th the engine after16-17 with vector representation of the forces caused by the ring blades in an upstream view, -
19th the fluid dynamically effective concave-convex wing profile of the middle ring wing of the engine16-18 in two cross-sections CC and C'-C ', -
20th an alternative, plano-convex wing profile that is effective in terms of flow dynamics for the middle ring wing of the engine16-18 in two cross-sections DD and D'-D ', -
21st a variant of the prime mover16-20 with a wing staircase formed by five ring wings in a schematic longitudinal section along the axis of rotation -
1 shows abidirectional flow machine 1 that act as aprime mover 11 is designed to convert the kinetic energy contained in an air or water flow F into a rotary motion. Thepower machine 11 consists of a rotating body arranged concentrically and coaxially with respect to the axis of rotation x120 that in the flow F as a diffuser14th acts and ahousing 12 for anelectric machine 13 forms. - A total of nine radial rotor blades
R. connect an unspecified hub of therotating body 120 with three ring wingsA. ,B. ,C. , which in the direction of flow F each in three successive planes of actionQ1-Q3 rotate. The rotor bladesR. have a teardrop-shaped leaf profile aligned in the direction ofrotation 16 and connect the three ring wingsA. ,B. ,C. with anelectric machine 13 going into that of a solid ofrevolution 120 formedhousing 12 theelectric machine 13 is integrated. The ring wingsA. ,B. ,C. rotate with a common direction of rotation around the axis of rotation x and - overlap the length y and the height z so that the
wing staircase 2 is formed. Each in cutting planesN1-N3 that with tilt anglesβ compared to the effect levelsQ1-Q3 are inclined, have the ring wingsA. ,B. ,C. the aerodynamically effective wing profile24 a lift rotor. The solid ofrevolution 120 has acollar 123 so that the one from the rotor bladesR. and from thedouble staircase 2 formed guide apparatus of theengine 11 as a diffuser14th acts and that from the flow velocitya and the speed of rotationb resulting flowc an air or water flow, the ring bladesA. ,B. ,C. each in the cutting planesN1-N3 with adivergent cone angle 51 flows towards. The resulting flowc causes on the three ring wingsA. ,B. ,C. in each case a lift force inclined in the direction of rotation and towards the flow F.d that are in the cutting planesN1-N3 into a propulsive forcee and into a suction forceH is divided. From the propulsive forcee and the resistancej are guided in the effect levels Q of the ring wingsA. ,B. ,C. the tangential driving forceG and the resistance to rotationk as well as the thrust F acting against the direction of the flow F and thepressure force 1 from. Abracket 125 connects thehousing 12 theelectric machine 13 with an unspecified anchor plate which, in the case of a water turbine, can be anchored in the bottom of a body of water or connected to the bottom of a ship. -
2 shows a schematic longitudinal section as aprime mover 11 trainedflow machine 1 with representation of the bidirectionally effective diffuser, which is flown against in the upper half of the drawing from the right and in the lower half of the drawing from the left and in the flow F each as a diffuser14th works. The diffuser consists of a spindle-shaped body of revolution arranged coaxially and concentrically with respect to the axis of rotation x120 in the form of a double-sided paraboloid of revolution with acollar 123 , from the rotor bladesR. and from the ring wingsA. ,B. ,C. , their suction and pressure sides in the flow F as guide surfaces22nd Act. Thepower machine 11 is mirror symmetrical to the plane of action Q of the middle ring wingB. arranged and can be designed, for example, as a water turbine for the use of a tidal current which periodically changes direction. The bidirectional action of theprime mover 11 is through thecollar 123 in the plane of action Q of the middle ring wingB. supported, in whose leeward side the flow F swirls in such a way that the trailing ring wingC. with a divergent cone angleδ1 is flowed against. Relative to thedivergent cone angle 51 the profile chords show the flow Fp the ring wingA. ,B. ,C. each one angle of attackα on, the one at the leading ring wingA. e.g. 6 degrees, with the middle ring wingB. eg 15 degrees and with the trailing ringwing 11 degrees.C. Eg -
3 shows theprime mover 11 after1-2 with representation of the lift forces caused by the flow F.d on the leading ring wingA. with an offset m1, on the middle ring wingB. with an offset m2 and on the trailing ring wingC. attack with an offset m3 to the axis of rotation x. That in the cross section AA, above and in4th Convex-concave wing profile shown in detail, effective in terms offlow dynamics 24 of the middle ring wingB. differs from the wing profile shown in the cross-section A'-A 'below, in which a lift forced was assumed that runs through the axis of rotation x without offset. The upstream view of theengine 11 shows the lift force inclined in the direction of rotation and to windwardd , from the on the ring wingsA. ,B. ,C. a suction force eachH and a tangential driving forceG be derived. The radial rotor blades R1-R3 have as in1 a teardrop-shaped leaf profile oriented in the direction of rotation is shown16 and are each at their outer end with the ring wingsA. ,B. ,C. and at its end on the hub side with anelectric machine 13 connected to that of therotating body 120 formedhousing 12 is integrated. -
4th shows that aerodynamicallyeffective wing profile 24 of the middle ring wingB. theprime mover 11 after1-3 with one between the wing nosen and the trailing edge of the wingO extending profile tendonp as well as one between the profile chordp and the skeleton linet measured arch heightq . The one with an angle of inclinationβ compared to the impact levelQ2 through the centerM. guided cross section AA shows the aerodynamicallyeffective wing profile 24 of the middle ring wingB. , while the also with the angle of inclinationβ compared to the impact levelQ2 of the middle ring wingB. guided cross-section A'-A 'not through the centerM. runs and shows a profile which the flow F would have to overcome if it, as in3 shown in the section A'-A 'would intersect the axis of rotation x without offset m2. The profile of the central ring wing shown in section A'-A 'B. is longer and has a larger cross-sectional area than the aerodynamically effective airfoil shown incross-section AA 24 of the middle ring wingB. . Since the flow F always takes the path of least resistance, the in4th shown cross-sections AA and A'-A 'of the geometrical evidence for the in1 and3 shown tangential driving forceG the ring wingA. ,B. ,C. . -
5 shows an alternative,polygonal wing profile 24 for the ring wingsA. ,B. ,C. the in1-3 illustrated engine 11 . Thepolygonal wing profile 24 shows one between the wing nosen and the trailing edge of the wingO extending profile tendonp and one between the profile chordp and the skeleton linet measured arch heightq on. The cross section BB shows the wing profile used by the flow F.24 . The cross-section B'-B 'shows an assumedwing profile 24 that the flow F would have to overcome if the buoyancy force wered as in3 shown would attack the axis of rotation x without an offset m1-m3. -
6 shows abidirectional flow machine 1 that as awork machine 10 in the form of a fan17th is designed to accelerate air in a switchable alternation in two opposite directions. In contrast to the in1 shownprime mover 11 are at themachine 10 the rotor bladesR. with an angle of attackα of uniform 45 degrees compared to the planes of action Q of the ring wingsA. ,B. ,C. employed so that they generate a flow F. To change the direction of flow, it is necessary to change the direction of rotation of the ring bladesA. ,B. ,C. to reverse. The ventilator17th has anouter casing 12 whose inner wall is concave. The arrangement of the ring wingsA. ,B. ,C. essentially corresponds to that in1-4 embodiment shown. Each in cutting planesN1-N3 that with tilt anglesβ compared to the effect levelsQ1-Q3 are inclined, have the ring wingsA. ,B. ,C. the aerodynamically effective wing profile24 a lift rotor. The distributor of the workingmachine 10 acts as a diffuser14th so, as in1 shown from the flow velocitya and the speed of rotationb resulting flowc the ring wingsA. ,B. ,C. in the cutting planesN1-N3 each with adivergent cone angle 51 flows towards. The resulting flowc of thewing profile 24 effects over the entire circumference of the three ring wingsA. ,B. ,C. a lifting force inclined in the direction of rotation and towards the flow F.d , each in the cutting planesN1-N3 into a propulsive forcee and into a suction forceH is divided. From the propulsive forcee and the resistancej the tangential driving force is directed in the planes of action Q.G and the resistance to rotationk as well as the thrust F acting against the direction of the flow F and thepressure force 1 from. Abracket 125 connects theelectric machine 13 the workingmachine 10 with anouter coat 121 , which can be integrated into the structure of the outer wall of a building in order to ensure a controlled exchange of air in the building. -
7th shows a longitudinal section of thework machine 10 after6 with representation of the bidirectionally effective diffuser, which is flown against in the upper half of the drawing from the right and in the lower half of the drawing from the left and in the flow F each as a diffuser14th works. The diffuser consists of a rotating body arranged coaxially and concentrically to the axis of rotation x120 in the form of a double-sided paraboloid of revolution with acollar 123 and from the ring wingsA. ,B. ,C. , their suction and pressure sides in the flow F as guide surfaces22nd Act. Thepower machine 11 is mirror symmetrical to the plane of actionQ of the middle ring wingB. arranged and can be designed, for example, as a water turbine for the use of a tidal current which periodically changes direction. The bidirectional action of theprime mover 11 is through thecollar 123 in the impact levelQ of the middle ring wingB. supported, in whose leeward side the flow F swirls in such a way that the trailing ring wingC. with adivergent cone angle 51 is flowed against. As in1 shown have the profile tendonsp the ring wingA. ,B. ,C. relative to thedivergent cone angle 51 the flow F has an angle of attackα on, the one at the leading ring wingA. e.g. 6 degrees, with the middle ring wingB. eg 15 degrees and with the trailing ringwing 11 degrees. In contrast to the inC. Eg1 shownprime mover 11 point the rotor bladesR. in the machine shown here10 a uniform angle of attack of 45 degrees compared to the planes of action Q of the ring bladesA. ,B. ,C. on. -
8th shows the workingmachine 10 after6-7 in an upstream view with representation of the lift force inclined in the direction of rotation and to windwardd , from which each in the action levels Q of the ring wingA. ,B. ,C. a tangential driving forceG is derived. -
9 shows abidirectional flow machine 1 that act as aprime mover 11 is designed to convert the kinetic energy contained in a flow F of air or water into a rotary motion. Thepower machine 11 consists of a rotating body arranged concentrically and coaxially with respect to the axis of rotation x120 that by means of abracket 125 on anouter coat 121 is anchored from thedouble staircase 2 and from the rotor bladesR. each of the ring wingsA. ,B. ,C. with anelectric machine 13 connect. The ring wingsA. ,C. are by means of rotor bladesR. with one in the area of thenozzle constriction 122 in thecoat 121 integratedelectric machine 13 connected, while the middle ring wingB. over the hub-side end of the rotor bladesR. with that in the solid ofrevolution 120 integratedelectric machine 13 connected is. The control apparatus of theengine 11 is covered by acoat 121 with an inlet, with anozzle constriction 122 in the plane of action Q of the middle ring wingB. and from adownstream suction pipe 124 , as well as from thedouble staircase 2 educated. The central body ofrevolution 120 works together with the expansion of themantle 121 as a diffuser14th so that the ring wingsA. ,B. ,C. , as in9 shown, each with adivergent cone angle 51 are flowed against. -
10 shows theprime mover 11 after9 in a schematic longitudinal section, which is flown against in the upper half of the drawing from the right and in the lower half of the drawing from the left and in the flow F each as a diffuser14th works. The control apparatus of theengine 11 consists of a spindle-shaped body of revolution arranged coaxially and concentrically with respect to the axis of rotation x120 with acollar 123 and from that of the ring wingsA. ,B. ,C. formedwinged staircase 2 , their suction and pressure sides in the flow F as guide surfaces22nd Act. Thepower machine 11 is mirror symmetrical to the plane of action Q of the middle ring wingB. arranged and can be designed, for example, as a water turbine for the use of a tidal current which periodically changes direction. The bidirectional action of theprime mover 11 is through thecollar 123 in the plane of action Q of the middle ring wingB. supported, in whose leeward side the flow F swirls in such a way that the trailing ring wingC. with adivergent cone angle 51 is flowed against. Relative to thedivergent cone angle 51 The profile chords show that of the resulting flowp the ring wingA. ,B. ,C. , as in2 shown an angle of attackα on. -
11 shows theprime mover 11 after9-10 in an upstream view showing the lift force inclined in the direction of rotation and to windwardd , from each of the action levelsQ the ring wingA. ,B. ,C. a suction forceH and a tangential driving forceG are derivable. -
12 shows aturbomachine 1 as awork machine 10 acting as a bidirectional transverse thruster18th is integrated into the bow of an unspecified ship. The nozzle of the transverse thruster18th consists of a spindle-shaped body ofrevolution 120 who is anelectric machine 13 and by means of six detachableradial brackets 125 so in anouter coat 121 with an extension is used that for the flow F an inlet, anozzle constriction 122 and asuction pipe 124 are formed. The rotor bladesR. of the middle ring wingB. are rigid at their outer end with the ring wingsA. ,B. ,C. and on the hub side with that in the body ofrevolution 120 integratedelectric machine 13 connected. The rotor bladesR2 have a uniform angle of attackα of 45 degrees compared to the plane of action Q of the middle ring wingB. on. Theelectric machine 13 is designed as an induction motor with a frequency converter, which enables stepless control of the speed and a reversal of the thrust direction. -
13 shows the transverse thruster18th after12 in a longitudinal section along the axis of rotation x showing that of the transverse thruster18th caused thrustf , up from right to left and down from left to right. The longitudinal section shows the as a diffuser14th acting diffuser of the transverse thruster18th , the body of revolution formed concentrically and coaxially to the axis of rotation x120 with acollar 123 in the plane of action Q of the middle ring wingB. , from thedouble staircase 2 as well as from anouter coat 121 , an inlet and asuction pipe 124 is formed. The convex suction sides and the concave pressure sides of the ring bladesA. ,B. ,C. are each used as guide surfaces22nd designed for the flow F. Thecollar 123 is also part of the diffuser and causes the three ring blades in the respective direction of the flow FA. ,B. ,C. with a divergent cone angleδ1 are flowed against. The leading ring vane A acts as a guide ring20th for the Approach to the middle ring wingB. educated. The ring wings overlap with a horizontal length y and a vertical height zA. ,B. ,C. so that between the leading ring wing A and the middle ring wingB. a guide nozzle21st is formed. -
14th shows aturbomachine 1 as awork machine 10 that act as a fan17th is trained. Thecase 12 of the fan17th consists of a toroidal body ofrevolution 120 that along with anouter coat 121 forms a ring torus. Theelectric machine 13 works as an asynchronously excited induction machine and has astator ring 130 and arunner ring 131 on. Radial rotor bladesR. with an angle of attack of 45 degrees with respect to the plane of action Q of the central ring wingB. are employed are with the three ring wingsA. ,B. ,C. and at its end on the hub side with therotor ring 131 of the ring generator rigidly connected. The rotor bladesR. have a hairline opposite the inside of the ring torus. -
15th shows the fan17th after14th in a longitudinal section along the axis of rotation x. The ring wingsA. ,B. ,C. overlap the length y and the height z in such a way that awing staircase 2 is formed, the convex suction sides and the concave pressure sides of the ring bladesA. ,B. ,C. as guide surfaces22nd for those of the rotor bladesR. induced flow F act. - In the direction of the flow F, which the ring vanes
A. ,B. ,C. When it flows in from the right at the top and from the left at the bottom, the leading ring wing actsA. as a guide ring20th for the flow towards the middle ring wingB. with thedivergent cone angle 51 . Aguide grille 23 is part of the fan control system17th . - The guide grille is on the
downstream side 23 adjustable. The one from theturbo engine 1 generated thrust acting against the direction of flowf causes the incoming air to be sucked in. The rotor bladesR. have a uniform angle of attack of 45 degrees compared to the planes of action Q of the ring bladesA. ,B. ,C. and generate the flow F. A change in the direction of rotation of the fan17th causes a thrust reversal with a diametrically opposite direction of the flow F. -
16 shows aturbomachine 1 that act as aprime mover 11 with one of anouter coat 121 formedhousing 12 is trained. The control apparatus of theengine 11 acts as a confuser in the respective direction of the flow F.15th so that the ring wingsA. ,B. ,C. , as in17th shown with aconvergent cone angle 52 are flowed against. The diffuser has a tapering inlet for the flow F, anozzle constriction 122 in the form of a Venturi nozzle and an outlet widening on the downstream side, which in the case of a water turbine acts as asuction pipe 124 works. Radial rotor bladesR. connect the ring wingsA. ,B. ,C. each with one in thehousing 12 recessedelectric machine 13 . The ring wingsA. andC. are clockwise, while the middle ring wingB. is designed to rotate left. Thepower machine 11 can be designed as either a water or a wind turbine. -
17th shows a longitudinal section through theengine 11 after -
16 along the axis of rotation x, above with the flow F from the right and below with the flow F from the left. The ring wingsA. ,B. ,C. form a double staircase below each other2 , where they overlap the length y and with the height z in such a way that between the leading ring wingA. and the middle ring wingB. a guide nozzle21st is formed. The outer pressure sides and the inner convex suction sides of the ring vanes act within the flow FA. ,B. ,C. each as guide surfaces22nd that are in the flowF. on the one hand cause the lowest possible resistance and on the other hand, as in18th shown in the effect levelsQ a tangential driving forceG in the respective direction of rotation of the ring bladesA. ,B. ,C. effect. The rotor bladesR. are each mirror-symmetrical to the action levelsQ trained and have, as in18th shown, each a teardrop-shapedleaf profile 16 with a wing nose aligned in the direction of rotationn on. -
18th shows theprime mover 11 after16-17 showing the lift force caused by the flow F.d on the leading ring wingA. an offset m1, on the middle ring wingB. an offset m2 and on the trailing ring wingC. has an offset m3. That in the cross-section DD and in20th Plano-convex and aerodynamically effective wing profile shown indetail 24 of the middle ring wingB. differs from the airfoil shown in the cross section D'-D ', in which a lift forced it was assumed that the axis of rotation x of the in16 ,17th illustrateddouble staircase 2 runs. The opposite direction of rotation of the ring bladesA. ,C. and the ring wingB. are shown in a schematic sectional view of the leaf profiles16 of the radial rotor bladesR. clear. -
19th shows the aerodynamically effective concave-convex airfoil 24 of the leading and trailing circular wingA. ,B. theprime mover 11 after16-18 with one between the wing nosen and the trailing edge of the wingO extending profile tendonp as well as one between the profile chordp and the skeleton linet measured arch heightq . The one with an angle of inclinationβ compared to the effect levelsQ1 ,Q3 through the midpointsM. of the leading and trailing circular wingA. ,B. guided cross-section CC shows the flow dynamically effective concave-convex wing profile 24 , while the also with the angle of inclinationβ compared to the effect levelsQ1 ,Q3 guided cross-section C'-C 'not through the center pointsM. of the leading and trailing circular wingA. ,B. and shows a profile that the flow F would have to overcome if it had the axis of rotation x without the in18th on the ring wingsA. ,B. ,C. offset shown would cut m1, m2, m3. The profile of the leading and trailing annular wing shown in the section C'-C 'A. ,B. is longer and has a larger cross-sectional area than the flow-dynamically effective, concavo-convex airfoil shown in thecross section CC 24 the ring wingA. ,C. . Since the flow F always takes the path of least resistance, the in19th The cross-sections shown also provide the geometrical evidence for the in18th shown tangential driving forceG the ring wingA. ,B. ,C. . -
20th shows the plano-convex wing profile 24 of the middle ring wingB. theprime mover 11 after16-19 . The plano-convex wing profile 24 shows one between the wing nosen and the trailing edge of the wingO extending profile tendonp and one between the profile chordp and the skeleton linet measured arch heightq on. The cross section DD shows the aerodynamicallyeffective wing profile 24 , while the cross-section D'-D 'shows that airfoil which the flow F would have to overcome if the lift force were tod , as in18th using the example of the middle ring wingB. shown would have no offset from the axis of rotation x. -
21st shows a longitudinal section through anengine 11 that differ from the in16-20 shown embodiment by the number of ring wingsA. ,B. ,C. differs. Thedouble staircase 2 is made up of a total of five ring wingsA. ,B. ,C. formed, being next to the middle ring wingB. two leading ring wingsA. and two trailing ring wingsC. are shown. Thedouble staircase 2 is mirror symmetrical to the plane of actionQ3 of the middle ring wingB. with the vertexS. and is shown above the axis of rotation x with a direction of flow from the right and below the axis of rotation x with a direction of flow from the left. Thecase 12 as apower machine 11 trained fluid flow machine has ajacket 121 with an inlet on the inflow side, a nozzle constriction designed as aVenturi nozzle 122 with acollar 123 as well as an outlet, which in the case of a water turbine acts as asuction pipe 124 is trained on. In thecoat 121 theprime mover 11 is anelectrical machine 13 embedded, consisting of five stator rings arranged inseries 130 and runner rings131 is constructed so that the five ring wingsA. ,B. ,C. can rotate independently of one another around the axis of rotation x. Both the two leading ring wingsA. as well as the two trailing ring wingsC. overlap each other in length y between the centersM. on the axis of rotation x and the height z between the verticesS. so that between the leading ring wingsA. and the middle ring wingB. as well as between the middle ring wingB. and the trailing ring wingsC. one ring-shaped guide nozzle each21st is formed. As in16 shown are the ring wingsA. ,B. ,C. thedouble staircase 2 each by means of three radial rotor blades withsymmetrical blade profiles 16 with the runner rings131 theelectric machine 13 connected. The direction of rotation can be from one to the next ring vaneA. ,B. ,C. change each time.
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- StrömungsmaschineTurbo machine
- xx
- RotationsachseAxis of rotation
- yy
- Längelength
- zz
- Steigungpitch
- A,B,CABC
- RingflügelRing wing
- MM.
- MittelpunktFocus
- SS.
- ScheitelpunktVertex
- RR.
- RotorblattRotor blade
- Q1-QnQ1-Qn
- WirkungsebeneImpact level
- Nl-NnNl-Nn
- SchnittebeneCutting plane
- ββ
- NeigungswinkelInclination angle
- 1010
- ArbeitsmaschineWorking machine
- 1111
- KraftmaschinePower machine
- 1212
- Gehäusecasing
- 120120
- RotationskörperBody of revolution
- 121121
- Mantelcoat
- 122122
- DüsenverengungNozzle constriction
- 123123
- Kragencollar
- 124124
- SaugrohrSuction pipe
- 125125
- Halterungbracket
- 1313th
- Elektrische MaschineElectric machine
- 130130
- StatorringStator ring
- 131131
- LäuferringRunner ring
- 1414th
- DiffusorDiffuser
- 1515th
- KonfusorConfuser
- 1616
- BlattprofilLeaf profile
- 1717th
- Ventilatorfan
- 1818th
- QuerstrahlruderTransverse thruster
- 22
- FlügeltreppeDouble staircase
- FF.
- Strömungflow
- αα
- AnstellwinkelAngle of attack
- δ1δ1
- Divergenter KonuswinkelDivergent cone angle
- δ2δ2
- Konvergenter KonuswinkelConvergent cone angle
- 2020th
- LeitringGuide ring
- 2121st
- LeitdüseGuide nozzle
- 2222nd
- LeitflächeGuide surface
- 2323
- LeitgitterBaffle
- 2424
- FlügelprofilWing profile
- aa
- StrömungsgeschwindigkeitFlow velocity
- bb
- UmlaufgeschwindigkeitSpeed of rotation
- cc
- Resultierende AnströmungResulting flow
- dd
- AuftriebskraftBuoyancy
- ee
- VortriebskraftPropulsive force
- ff
- SchubkraftThrust
- gG
- Tangentiale AntriebskraftTangential driving force
- hH
- SogkraftSuction force
- jj
- Widerstandresistance
- kk
- RotationswiderstandRotational resistance
- 11
- DruckkraftCompressive force
- m1-mmm1-mm
- VersatzOffset
- nn
- FlügelnaseWing nose
- oO
- FlügelhinterkanteTrailing edge of the wing
- pp
- ProfilsehneProfile tendon
- WölbungshöheCamber height
- r1, r2r1, r2
- Radiusradius
- tt
- SkelettlinieSkeleton line
Claims (10)
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