WO2014048468A1

WO2014048468A1 - Turbine mit einem düsenkörper

Info

Publication number: WO2014048468A1
Application number: PCT/EP2012/068998
Authority: WO
Inventors: Friedrich Grimm
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-09-26
Filing date: 2012-09-26
Publication date: 2014-04-03
Anticipated expiration: 2015-03-26
Also published as: WO2014048468A9

Description

Turbine mit einem Düsenkörper

Die Erfindung betrifft eine zu einer Anströmung ausrichtbare Turbine mit horizontaler oder vertikaler Rotationsachse zur Umwandlung der in einer Luft- oder Wasserströmung enthaltenen kinetischen Energie in elektrische Energie mit einem

konzentrisch und koaxial zur Rotationsachse der Rotorblätter angeordneten, frei durchströmten Düsenkörper. Der Düsenkörper weist ein Ringflügelprofil auf und umschließt ein Venturi-Rohr . Durch den Venturi-Effekt im Inneren des Düsenkörpers wird eine Anströmung beschleunigt und erhält dabei einen Drall von der Rotationsachse weg. Die Rotorblätter ihrerseits entnehmen auf der Außenseite des Düsenkörpers Energie aus der Anströmung auf, wobei sich die Anströmung verlangsamt und auf der strömungs- abgewandten Seite der Rotorblätter eine Sogzone bildet. Bei Anströmung der Turbine treibt das Gefälle zwischen einem

Unterdruckbereich innerhalb des Düsenkörpers und einem

Überdruckbereich auf seiner Außenseite eine Zirkulationsströmung um den Düsenkörper an. Diese Zirkulationsströmung schwächt den Sog auf der Saugseite der Rotorblätter ab, sodass eine höhere Drehzahl der Rotorblätter und damit ein verbesserter Wirkungsgrad einer Turbine ermöglicht werden. An dem Düsenkörper selbst ruft diese Zirkulationsströmung einen Ringwirbel hervor, welcher seinerseits einen sich von der strömungszugewandten Seite eines Ringflügelprofils aufbauenden und um die Rotationsachse

drehenden Wirbel verursacht. An beiden Enden des Venturi-Rohrs entwickelt sich innerhalb einer Anströmung ein lokaler

Unterdruckbereich, sodass die Anströmung von dem Düsenkörper angesaugt und auf die Rotorblätter gelenkt wird.

Dieser aerodynamische oder hydrodynamische Effekt wirkt sich an Turbinen unterschiedlicher Bauart und Größe vorteilhaft aus.

Stand der Technik

Unter den zahlreichen Möglichkeiten, Energie C0₂~frei zu

erzeugen, zeichnen sich Energieerzeugungsanlagen, die eine Windoder Wasserströmung in elektrische Energie wandeln können, durch eine besonders hohe Effektivität aus. Im Unterschied zur Sonnenenergie, deren Verfügbarkeit durch den Wechsel von Tag und Nacht eingeschränkt ist und beispielsweise bei der Konzentrator- technik auf eine strahlende Sonne angewiesen ist, was in

Deutschland an etwa nur 900-1500 Stunden im Jahr der Fall ist, zeichnet sich die Windenergie mit einer Betriebsdauer von ca. 8000 Stunden pro Jahr, wovon 2000 Stunden als Volllaststunden angegeben werden, durch eine wesentlich höhere Verfügbarkeit aus. Entsprechendes gilt für Wasserkraftanlagen, die die

Strömung in natürlichen Gewässern nutzen können und dabei in ihrer Bauart z.B. als Auftriebsläufer mit flügeiförmig

profilierten Rotorblättern einer Windkraftanlage entsprechen. Die Stromerzeugung aus Windturbinen basiert fast ausschließlich auf dreiflügeligen Windkraftanlagen mit großem Rotordurchmesser. Durch das Betzsche Gesetz ist der maximale Wirkungsgrad dieser Anlagen auf etwa 59,3% beschränkt. Dies ist auch deshalb der Fall, weil ein großer Teil der auf ein Hindernis treffenden Windströmung um das Hindernis herum gelenkt wird und die

Luftströmung großräumig verwirbelt wird, sodass herkömmliche Windkraftanlagen in einem großen Abstand zueinander angeordnet werden müssen. Eine wesentlich bessere Energieausbeute bezogen auf den zur Verfügung stehenden Rotordurchmesser liefern sog. Mantelturbinen. Hier hat man erkannt, dass der Luftstrom in einer Düse gebündelt und mit höherer Geschwindigkeit bzw.

Energie auf die Rotorblätter gelenkt werden kann. Um den

Luftstrom am Rotorblatt selbst nicht abrupt abzubremsen, ist eine Anordnung von Leit- und Laufrad sinnvoll, wobei der

Luftstrom am Leitrad einen Drall erhält, der es ermöglicht, die Rotorblätter steiler zur Anströmung auszurichten, sodass die Luft beim Durchströmen von Leit- und Laufrad nicht wesentlich abgebremst wird. Günstig wirkt sich auch ein hinter dem Laufrad angeordneter Diffusorraum aus, in dem die Luft allmählich zur umgebenden Strömungsgeschwindigkeit zurückkehrt.

Im Zusammenhang mit einer ummantelten Turbine sind auch

Techniken bekannt, bei denen ein zweiter Ring um den Ausgang der ersten Düse gelegt wird, um Luft von außen in den Diffusorraum zu lenken und den Druck im Abstrombereich der Windturbine weiter abzusenken. Mantelturbinen, deren Mantel sich in Richtung der Anströmung erweitert, oder Turbinen, bei denen zwei und mehr Ringe vorgesehen sind, um die anströmende Luft von der

Rotationsachse wegzuleiten, dienen diesem Effekt. Wegen des großen Materialaufwands, den die Ummantelung einer Windturbine erfordert, ist diese Bauart jedoch auf Turbinen kleiner bzw. mittlerer Größe beschränkt.

Im Hinblick auf die in Zukunft erforderliche, weitere Nutzung regenerativer Energiequellen stellen Fließgewässer und

Küstenregionen mit einer ausgeprägten Gezeitenströmung, aber auch Meeresströmungen zwischen Landengen ein bisher weitgehend ungenutztes Reservoir zur Energieerzeugung dar. Augrund der hohen Dichte des Strömungsmediums Wasser genügt bereits eine Strömungsgeschwindigkeit von 2-2,5 m/s für eine wirtschaftliche Energiegewinnung mittels getauchter Wasserturbinen. Derartige Turbinen werden z.B. an einem Mast, der bis über die

Wasseroberfläche hinaus reicht, aufgehängt, sodass eine

Wasserturbine für Wartungszwecke auftauchen kann.

Zur Erklärung des Auftriebs an einer Tragfläche bietet die

Wissenschaft drei unterschiedliche Modelle an. Das einfachste Modell erläutert den Auftrieb als eine sich einstellende

Änderung des Drucks mit Unterdruck an einer gewölbten Flügeloberseite und Überdruck an einer flacheren Flügelunterseite. Der Auftrieb resultiert in diesem Fall aus der Druckdifferenz.

Das zweite Modell beruht auf dem Prinzip von Actio und Reactio bei der Kollision bewegter und ruhender Luftteilchen. Mit diesem Wechselwirkungsgesetz oder auch Impulssatz kann durch eine multiple vektorielle KraftZerlegung zwischen unendlich vielen Luftteilchen gezeigt werden, dass an der Oberseite der

Tragfläche eine nach oben gerichtete Kraft resultiert.

Diese beiden Modelle reichen jedoch nicht aus, um die an der gewölbten Oberseite einer Tragfläche beobachtete und

nachweisbare, schnellere Strömung der Luft, die sich mit

beginnender Anströmung auch in einem zur Flügelunterseite gerichteten Anfahrwirbel zeigt, zu erläutern.

Erst die Annahme einer Zirkulationsströmung als drittes Modell, die an der flachen Flügelseite entgegen der Anströmung gerichtet ist, erklärt alle mit dem Auftrieb verbundenen aerokinetischen Effekte. Die Theorie der Zirkulationsströmung geht davon aus, dass ein Flügel laminar umströmt wird. Die Luft in unmittelbarer Nähe zum Flügel wird durch Reibung mit der Flügeloberfläche verzögert und reißt ab einer bestimmten Geschwindigkeit an der Flügelhinterkante ab. Weiter außen liegende Luftschichten werden durch Reibung weniger abgebremst, reißen an der Flügelhinterkante nicht ab und folgen einer Bewegung um die

Flügelhinterkante herum.

Für die Ausbildung der an einem angeströmten Flügelprofil sich einstellenden Druckverhältnisse ist deshalb eine Flügel- profilierung mit einer Flügelnase, einer Dickenrücklage und einer scharfen Flügelhinterkante von entscheidender Bedeutung. Dies gilt auch für ein Flügelprofil im Wasser.

Aus der DE 883 428 B ist eine Mantelturbine mit einem

dreistufigen Venturi-Rohr mit Konfusor, Düsenverengung und

Diffusor, das von einem aerodynamisch profilierten Düsenkörper ummantelt wird, bekannt. Ein Laufrad mit radial angeordneten Rotorblättern ist an der engsten Stelle des Düsenkörpers angeordnet. Anspruch 8 dieser Patentschrift offenbart den

Gedanken, das Flügelrad als Läuferring eines Synchrongenerators auszubilden, wobei der Ständerring des Generators mit den

Statorwicklungen innerhalb des Düsenkörpers auf der den

Flügelspitzen gegenüberliegenden Seite angeordnet ist. Die

Venturi-Düse erhöht zwar in diesem Fall die kinetische Energie der Anströmung, das Laufrad an der engsten Stelle entzieht jedoch der Anströmung Energie, sodass die Luft an der

Hinterkante des Düsenkörpers eher zur Rotationsachse hin als von der Rotationsachse wegströmt.

In der US 4 075 500 A werden die Strömungsverhältnisse an einem sich in Richtung der Anströmung trichterartig erweiternden

Mantel erläutert. Lufteinlassdüsen sorgen hier für die Zuleitung von Außenluft in den Diffusorraum der Turbine, um kinetische Energie im Abstrombereich des Rotors für eine Druckabsenkung zu mobilisieren . Die DE 40 34 383 AI zeigt eine Mantelturbine mit Leit- und

Laufrad an der engsten Stelle eines Düsenkörpers und einen mit Abstand zum Düsenkörper angeordneten Konfusorring, der Luft von außen in den Abstrombereich des Laufrads leitet, um die

Luftgeschwindigkeit in diesem Bereich zu erhöhen, d.h. den Druck lokal abzusenken.

Aus der US 7 218 011 B2 geht eine Mantelturbine mit einem

Düsenkörper zur Aufnahme von Stator- und Rotorring eines

permanenterregten Synchrongenerators hervor. Die Rotorblätter kragen hier von der inneren Mantelfläche des Rotorrings ab, sodass eine Unterstützung im Bereich der Rotationsachse nicht mehr erforderlich ist.

Aus der WO 2010/065 647 A2 geht eine Mantelturbine hervor, bei der ein Leitrad und ein Laufrad zusammenwirken, um der

Luftströmung Energie zu entziehen und auf einen elektrischen Generator zu übertragen, dessen Läuferring mit den Rotorblattspitzen des Laufrads verbunden ist und dessen Ständerring in einen segmentierten Ring mit Flügelprofilierung integriert ist. Die einzelnen Segmente des Rings dienen hier dazu, die

anströmende Luft in zwei Richtungen aufzuspalten und die in einem spitzen Winkel aufeinander treffenden Luftströme zu mischen. Ein zweiter, nachgeordneter Diffusorring mit

Flügelprofilierung leitet die Luft von der Rotationsachse weg oder ist wiederum segmentiert ausgebildet, um als ein zweiter Mischerring zu wirken. Durch diese Anordnung soll im

Abströmbereich der Mantelturbine ein Wirbel entstehen. Die

Segmentierung des Ringflügels verhindert die Ausbildung einer Zirkulationsströmung um den Flügel herum.

Aus der US 6 053 700 A geht eine Windturbine hervor, bei der ein durchströmbarer Düsenkörper dazu ausgebildet ist, die

durchströmende Luft zu beschleunigen und von der Rotationsachse weg nach außen zu lenken. Im Anschluss des Düsenkörpers ist ein Lüfterrad vorgesehen, dessen Rotorblätter parallel zur

Rotationsachse angeordnet sind. Weitere Rotorblätter sind auf der Außenseite des Düsenkörpers angeordnet. Diese Anordnung besteht ausschließlich aus rotierenden Teilen. Zur Übertragung des Drehmoments der Windturbine zu einer Nutzanwendung ist eine zentrale Welle vorgesehen, die ihrerseits über eine Vielzahl von Speichen mit der Innenseite des Düsenkörpers verbunden ist.

Diese Speichen innerhalb der Düse führen zu unerwünschten

Verwirbelungen der Luft im Windkanal und schmälern zusammen mit der auf der Rotationsachse angeordneten Welle den gewünschten aerodynamischen Effekt erheblich. Die Profilierung des

Düsenkörpers als Ringflügel geht aus dieser Druckschrift nicht hervor .

Die EP 1 365 106 Bl zeigt eine Windturbine mit schlaufenförmigen Rotorblättern, die jeweils mit einem vorderen und einem hinteren Ende an einer konzentrisch und koaxial zur Rotationsachse angeordneten Rotorwelle befestigt sind. Durch diese Rotorblatt^¬ anordnung entsteht in dem von den Rotorblättern umkreisten

Bereich ein Unterdruck, sodass Luft von außen angesaugt wird. Die japanische Druckschrift JP 2002 332 953 A zeigt eine

Weiterentwicklung dieser Rotorblattanordnung zu einem

Rotationskörper. Dieser Rotationskörper ist an einer zentralen Welle beidseitig gelagert und mit einem zur Anströmung

ausgerichteten Generator verbunden.

Die WO 2010/037 254 AI zeigt unterschiedliche Formen von

Rotationskörpern, die jeweils an ihrem vorderen und hinteren Ende an einer zentralen, mit dem Synchrongenerator verbundenen Welle gelagert sind. Verbindungselemente, die jeweils am

leeseitigen Ende der Rotationskörper eine Verbindung zur Welle herstellen, sind aerodynamisch ungünstig.

Die DE 10 2007 024 528 AI zeigt eine Energieerzeugungsanlage, die von einer Wind- oder Wasserströmung angetrieben wird, bei der ein Synchrongenerator mit einem Außenläufer vorgesehen ist, der eine ringförmige Stützstruktur für die Turbine bildet.

Die DE 197 11 869 AI zeigt eine Windenergieanlage mit einem Synchrongenerator, der aus einem Innen- und einem Außenring besteht, bei dem die Rotorblätter starr an den drehenden äußeren Ring des Generators angeschlossen sind, wobei ein Innenring vorgesehen ist, der die Funktion der Turmanbindung übernimmt. Die aerodynamische Wirkung eines Ringflügelprofils geht aus dieser Schrift nicht hervor. In der EP 1 394 406 A2 ist eine Windenergieanlage offenbart, bei der die Flügel eines Windrotors direkt oder mit einer axialen Verlängerung auf dem Läuferring eines Synchrongenerators

angeordnet sind.

Ausgehend von dem dargestellten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die sich an einem Düsenkörper mit einem Ringflügelprofil unter Anströmung einstellende

Druckverteilung mit einem Staudruck an der Flügelnase,

Unterdruckbereichen an der inneren Mantelfläche und Überdruckbereichen an der äußeren Mantelfläche für eine Wind- oder

Wasserturbine zu nutzen, um einen sich an der Flügelhinterkante zu den Rotorblättern hin eindrehenden Ringwirbel zu erzeugen, der die auf der Außenseite des Düsenkörpers angeordneten

Rotorblätter auf ihrer strömungsabgewandten Seite, der

Saugseite, beeinflusst. Dabei teilt sich die Anströmung an der Flügelnase in eine Teilströmung, die den Düsenkörper frei durchströmt und eine Teilströmung, die den Düsenkörper von außen umströmt. Während der äußeren Teilströmung durch die Rotorblätter Energie entzogen wird, wobei sie sich verlangsamt, wird der Teilströmung im Inneren des Düsenkörpers in einer

dreistufigen Abfolge aus Konfusorstufe, Düsenverengung und

Diffusorstufe ein Drall von der Rotationsachse weg aufgeprägt. Die Strömung im Inneren des Düsenkörpers wird dabei nicht nur beschleunigt, sondern spreizt sich zur Hinterkante des Düsen^¬ körpers garbenartig auf. Die auf der Saugseite der Rotorblätter entstehende Sogzone verstärkt das Eindrehen einer Zirkulations^¬ strömung an der Flügelhinterkante eines Düsenkörpers in einer zur Flügelnase gerichteten Rückströmung - der gewünschte

Ringwirbel baut sich auf.

Da sich der Ringwirbel als Zirkulationsströmung im Falle einer Windturbine weiträumig um den Düsenkörper herum ausbildet, wird die Saugseite der Rotorblätter so beeinflusst, dass eine höhere Drehzahl ermöglicht wird. Die Zirkulationsströmung kehrt in einem Ringwirbel wieder zur Einströmöffnung des Düsenkörpers zurück, wobei als beschleunigendes Moment der Pirouetteneffekt ins Spiel kommt. Hier spielt die Masse der Luftteilchen eine Rolle, die in einer Ringströmung ins Zentrum gelenkt werden, wobei sich ihre kinetische Energie erhöht. Luvseitig wird die Anströmung weiträumig auf die Rotorblätter gelenkt und weicht diesen, wie bisher gegeben, nicht mehr aus.

Im Einzelnen werden durch die Erfindung folgende Aufgaben gelöst :

- Nutzung der aerodynamischen bzw. hydrodynamischen

Eigenschaften eines Düsenkörpers mit Ringflügelprofil im

Zentrum einer Wind- oder Wasserturbine

- Schaffung eines Unterdruckbereichs im frei durchströmten

Zentrum einer Wind- oder Wasserturbine

- Erzeugung eines Ringwirbels an einem Düsenkörper mit

Ringflügelprofil

- Generatorlauf im Falle einer Windturbine bereits bei

Windgeschwindigkeiten unter 4 m/s, im Falle einer Wasserturbine bereits bei Strömungsgeschwindigkeiten von 2 m/s

- Vergleichsweise kleinerer Rotordurchmesser bei einer

vorgegebenen elektrischen Leistung

- Wegfall schwerer Konstruktionselemente, wie Welle und Getriebe

- Sicherer Betrieb einer Windturbine, auch bei hohen

Windgeschwindigkeiten

- Korrosionsgeschützte Konstruktion durch die mit einer

Spaltöffnung voneinander getrennten und gegeneinander

abgeschotteten Stator- und Rotorteile eines Düsenkörpers

- Präzise und stabile Verbindung zwischen dem Läuferring und dem Ständerring eines Synchrongenerators über großkalibrige korrosionsbeständige Drehlager

- Geräuscharmer Lauf bei gekammerten Ausführungsvarianten

- Nutzung der hohen Formstabilität eines Düsenkörpers mit

zweiachsig gekrümmten Mantelflächen für die Aufnahme und

Lagerung von Ständer- und Läuferring eines Synchrongenerators

- Höheres Drehmoment am Synchrongenerator aufgrund eines

radialen Hebelarms zwischen Rotationsachse und Rotorblatt^¬ wurzel

- Weniger Strömungswiderstand am Mast bzw. an der Aufhänge- konstruktion einer Turbine durch die Verwendung einer Leitfläche mit Flügelprofilierung zur selbsttätigen Ausrichtung einer Turbine zur Anströmung

- Herstellung einer direkten Verbindung zwischen den

Rotorblättern, der Rotornabe und dem Läuferring eines

Synchrongenerators

- Strömungsgünstige Formgebung aller Teile einer Turbine mit geringstmöglichem Widerstandsbeiwert

Diese Aufgaben werden mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen einer Turbine gelöst. Weitere vorteilhafte Eigenschaften der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor. Eine Turbine mit Düsenkörper kann bei Wind- und Wasserturbinen unterschiedlicher Bauart und Größe mit Vorteil eingesetzt werden.

Im Rahmen der Erfindung werden für Wind- und Wasserturbinen unterschiedliche Bauarten vorgeschlagen.

- Turbinen mit strömungszugewandtem Rotor

Bei Windturbinen können im Falle eines Luvläufers die

Rotorblätter in einer Rotationsebene angeordnet sein, wobei über ein Drehgelenk an der Rotorblattwurzel eine Stall-Pitch-Regelung zur Begrenzung der Rotordrehzahl vorgesehen ist. Sind die

Rotorblätter starr mit dem Rotorteil eines Düsenkörpers

verbunden, zur Anströmung geneigt und durch Konfusorringe untereinander verbunden, weist eine erfindungsgemäße Turbine eine dynamische Konfusorstufe des Venturi-Rohrs auf. Ein

erhöhter Staudruck am Düseneinlauf verstärkt den Ringwirbel, der sich um den Düsenkörper herum bildet. Luvseitige Konfusorringe haben die Aufgabe, die anströmende Luft in den luvseitigen

Rotorkorb hinein zu leiten. Zusammen mit den Rotorblättern bilden sie einen steifen und formstabilen Rotorkorb, der bei Wind- und Wasserturbinen hohen mechanischen Beanspruchungen standhalten kann.

- Turbinen mit strömungsabgewandtem Rotor

Diese Bauformen zeichnen sich durch eine dynamische

Konfusorstufe aus. Auch hier kann z.B. eine dreiflügelige

Turbine über eine Stall-Pitch-Regelung verfügen. Sind die

Rotorblätter zur strömungsabgewandten Seite geneigt und durch Konfusorringe untereinander verbunden, wird ein stabiler

Rotorkorb gebildet, in dem der Düsenstrahl mit einem Drall von der Rotationsachse weg auf eine durch die Konfusorringe und die Rotorblätter nach innen gelenkte Strömung trifft, sodass sich innerhalb des Rotorkorbs ein um die Rotationsachse herum

drehender Wirbel bildet. Dieser Wirbel verursacht auf der strömungsabgewandten Seite einen Unterdruck, sodass die

Anströmung auf die Windturbine gelenkt und von der Düsenöffnung angesaugt wird.

- Turbinen mit einem Rotor auf der Außenseite eines Düsenkörpers Bei einem Außenläufer ist das dreistufige Venturi-Rohr des

Düsenkörpers starr ausgebildet. Ein sich im Wesentlichen von der Flügelnase bis zur Flügelhinterkante erstreckender Rotorteil auf der Außenseite eines Ringflügelprofils ist auf seiner

strömungszugewandten und auf seiner strömungsabgewandten Seite mit schlaufenförmigen Rotorblättern verbunden. Bei Anströmung einer Turbine setzt das Druckgefälle zwischen dem im Inneren des Venturi-Rohrs vorherrschenden Unterdruck und einem Überdruck im Bereich des von den Rotorblättern umfangenen Raums eine

Zirkulationsströmung in Gang, die einen sich von der Flügelhinterkante des Düsenkörpers in Richtung der Flügelnase

eindrehenden Ringwirbel erzeugt.

- Turbinen mit einem Rotor im Bereich einer Düsenverengung

Bei einem Düsenläufer ist ein äußerer Konfusorring vorgesehen, der z.B. das gleiche Ringflügelprofil aufweisen kann, wie der innere Düsenkörper. Beide Ringflügelprofile sind bei dieser Bauart durch die Leitschaufeln eines Leitrads starr

untereinander verbunden. Unmittelbar hinter diesem Leitrad befindet sich ein Laufrad mit entgegengesetzter Profilierung der Rotorblätter. Am Leitrad erhält die Anströmung einen Drall, der bei der Energieaufnahme am Laufrad wieder abgebaut wird, sodass einer Strömung Energie entnommen werden kann ohne sie dadurch wesentlich abzubremsen. Der Staudruck an den Flügelnasen des Konfusorrings und des Düsenkörpers und die Sogzone unmittelbar hinter den Rotorblättern treiben um die Ringflügelprofile drehende Zirkulationsströmungen an. Aus der Wechselwirkung dieser Ringwirbel resultiert ein um die Rotationsachse drehender Wirbel .

- Elektrik

Bei drehzahlvariablen Windkraftanlagen mit Synchrongenerator schwankt der vom Synchrongenerator erzeugte Wechselstrom in Frequenz und Betrag ständig. Deshalb ist eine Umwandlung durch einen Gleichrichter in Gleichstrom erforderlich. Für die

Einspeisung ins Netz wiederum wird ein Wechselrichter benötigt. Bei kleineren Windturbinen kann ein Synchrongenerator als bürstenloser, permanenterregter Generator ausgebildet werden, dessen z.B. dreiphasige Wechselspannung über eine integrierte Diodenbrücke gleichgerichtet wird. Bei einem derartigen

Synchrongenerator trägt der Läuferring Neodymium-Magnete . Bei größeren Windkraftanlagen rotiert der Läuferring in einer bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung, wie in den Fig. 16-18 gezeigt, innerhalb des Ständerrings. Grundsätzlich kann der Läuferring aber auch um den Ständerring herum angeordnet werden, wobei zur Vermeidung von Wirbelstromverlusten eine sog. Blechung erforderlich wird. Bei einer Transversalflussmaschine (TFM) als Generator kann jedoch ein äußerer Läuferring, wie in Fig. 21 gezeigt, besonders vorteilhaft sein, da eine ringförmige Rotornabe einerseits den Läuferring aufnehmen und andererseits unmittelbar mit den Rotorköpfen der Rotorblätter verbunden werden kann. Im Rahmen der Erfindung sind unterschiedliche Varianten für die Anordnung von Läufer- und Ständerring eines Synchrongenerators möglich, wobei der Luftspalt des Generators parallel oder quer zur Rotationsachse angeordnet werden kann. Das Leistungsspektrum erfindungsgemäßer Turbinen reicht von einigen hundert Watt bis zu mehreren Megawatt.

- Konstruktion

Windturbinen auf offener See und insbesondere getauchte

Wasserturbinen sind korrosiven Einflüssen ausgesetzt. In diesem Zusammenhang wirkt sich eine gegenüber dem Umgebungsmedium abgekapselte Bauweise von Stator- und Rotorteil eines Düsenkörpers besonders vorteilhaft aus. Die durch einen Spalt voneinander getrennten Bauteile sind lediglich durch voneinander beabstandete Lager kraftschlüssig untereinander verbunden. Im Bereich des Läuferrings sind die rotierenden Komponenten einschließlich der Erregerwicklungen und im Bereich des Statorrings sind die

feststehenden Teile des Erregersystems und alle Schalt- und

Steuereinrichtungen einer Turbine gegenüber dem Umgebungsmedium abgekapselt, wobei im Spaltbereich zwischen Ständer- und

Läuferring elektromagnetisch durchlässige Dichtsysteme vorgesehen sind.

Die zweiachsig gekrümmte Mantelfläche eines Düsenkörpers wirkt sich vorteilhaft auf die Stabilität eines Generatorgehäuses aus. Bei großen Turbinen ist die Maschinengondel als Hohlkörper ausgebildet und besitzt aussteifende Rippen bzw. Längs- und Querschotten zur Übertragung der Kräfte auf das Azimutlager des Masts. Offenbare Klappen in der Mantelfläche des Düsenkörpers ermöglichen in diesem Fall die Zugänglichkeit aller

Maschinenteile. Bei kleineren Turbinen kann der Düsenkörper aus faserverstärktem Kunststoff mit einem ausgeschäumten Kern hergestellt werden, wobei das Drehlager zwischen Stator- und Rotorteil z.B. aus nichtrostendem Stahl mit dauergeschmierten Rillenkugellagern besteht. Eine derartige Verbundkonstruktion aus Kunststoff und Stahl ist leicht und weitgehend wartungsfrei.

Die Erfindung ist immer dann verwirklicht, wenn das Gehäuse einer Turbine von einem Düsenkörper mit einem Ringflügelprofil gebildet wird. Die sich an dem Ringflügelprofil einstellenden Druckverhältnisse wirken sich vorteilhaft auf das Drehmoment einer Turbine aus. Bei diesem neuartigen strömungsdynamischen Konzept teilt sich die Anströmung an der Nase eines

Ringflügelprofils in eine den Düsenkörper von innen frei

durchquerende und beschleunigte Teilströmung und eine den

Düsenkörper von außen umfließende Teilströmung, die durch die Energieentnahme seitens der Rotorblätter verlangsamt wird. Um den Düsenkörper herum bildet sich eine Zirkulationsströmung in Form eines Ringwirbels aus.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus der Figurenbeschreibung hervor.

Es zeigen: Fig. 1 eine Turbine als Außenläufer in der perspektivischen Übersicht

Fig. 2 eine Turbine als Außenläufer im schematischen Schnitt entlang der Rotationsachse

Fig. 3 eine Turbine als Außenläufer mit Darstellung der

Druckverteilung an einem angeströmten, konkav-konvexen

Ringflügelprofil im schematischen Schnitt entlang der

Rotationsachse

Fig. 4 eine Turbine als Düsenläufer in der luvseitigen

perspektivischen Übersicht

Fig. 5 die Turbine nach Fig. 4 in der leeseitigen

perspektivischen Übersicht

Fig. 6 die Turbine nach Fig. 4 und 5 im perspektivischen

Detailschnitt

Fig. 7 eine Turbine als Leeläufer in der perspektivischen

Übersicht

Fig. 8 die Turbine nach Fig. 7 im perspektivischen Detailschnitt Fig. 9 die Turbine nach Fig. 7 und 8 im Detailschnitt entlang der Rotationsachse

Fig. 10 eine Turbine als Leeläufer in der luvseitigen

perspektivischen Übersicht

Fig. 11 die Turbine nach Fig. 10 in einer perspektivischen

Seitenansicht

Fig. 12 die Turbine nach Fig. 10 und 11 im perspektivischen Detailschnitt

Fig. 13 eine Turbine als Luvläufer in der luvseitigen

perspektivischen Übersicht

Fig. 14 die Turbine nach Fig. 13 in der leeseitigen

perspektivischen Übersicht

Fig. 15 die Turbine nach Fig. 13 und 14 im perspektivischen Detailschnitt

Fig. 16 eine Turbine als Windturbine mit einem

strömungszugewandten Rotor in der perspektivischen Übersicht Fig. 17 die Windturbine nach Fig. 16 im perspektivischen

Detailschnitt

Fig. 18 die Windturbine nach Fig. 16 und 17 im schematischen Detailschnitt entlang der Rotationsachse Fig. 19 ein Detail der Windturbine nach Fig. 18 im schematischen Querschnitt

Fig. 20 eine Turbine als Windturbine mit einem

strömungszugewandten Rotor in der perspektivischen Übersicht

Fig. 21 die Windturbine nach Fig. 20 im schematischen

Detailschnitt entlang der Rotationsachse

Fig. 1 zeigt eine Turbine 1 als Außenläufer 15 mit einem

Düsenkörper 2, der von einem bikonvexen Ringflügelprofil 20 gebildet wird. Der Düsenkörper 2 besteht aus einem Statorteil 22 und einem Rotorteil 23, wobei die einer horizontalen Rotations^¬ achse x zugeordneten Rotorblätter 30 als Rotorschlaufen 302 ausgebildet sind und an ihrem strömungszugewandten und ihrem strömungsabgewandten Ende jeweils fest mit dem Rotorteil 23 verbunden sind. Die fünf Rotorschlaufen 302 sind bzgl. der

Rotationsachse x schräg angeordnet und besitzen ein

Rotorblattprofil 31 mit einer Rotorblattsehne 312, deren

Anstellwinkel α von der Blattwurzel 310 bis zum Scheitel der Rotorschlaufen 302 kontinuierlich wechselt und am Scheitelpunkt der Rotorschlaufen 302 tangential zum Rotorkreis verläuft. Der Statorteil 22 ist über einen Tragbügel 17 und ein Azimutlager 11 drehbar an einen Mast 16 angelenkt, wobei eine Leitfläche 102 die selbsttätige Ausrichtung zur Anströmung f bewirkt.

Fig. 2 zeigt eine Turbine 1 als Außenläufer 15, die in der

Bauart dem in Fig.l gezeigten Beispiel entspricht, in einem schematischen Schnitt entlang der Rotationsachse x. Der

Düsenkörper 2 besteht aus einem Ringflügelprofil 20 mit einer Flügelnase 200, einer Dickenrücklage 201 und einer Flügel^¬ hinterkante 202 und umschließt ein dreistufiges Venturi-Rohr 21_^ mit Konfusorstufe 210, Düsenverengung 211 und Diffusorstufe 212. Zur Aufnahme eines Synchrongenerators 3 mit Ständerring 32 und Läuferring 33 ist der Düsenkörper 2 im Wesentlichen zweiteilig ausgebildet und besitzt einen Statorteil 22 und einen Rotorteil 23. Während der Rotorteil 23 die Rotornabe 230 bildet,

beinhaltet der Statorteil 22 ein Achsrohr 220. Der Statorteil 22 und der Rotorteil 23 sind durch Drehlager 24 untereinander verbunden, wobei im Bereich des Synchrongenerators 3 ein

horizontaler Spalt 34 zwischen einem mit Induktionsspulen 320 bestückten Ständerring 32 und einem mit Dauermagneten 330

bestückten Läuferring 33 vorgesehen ist. Der Düsenkörper 2 ist im Bereich der Flügelnase 200 und der Flügelhinterkante 202 mit einem Tragbügel 17 verbunden, welcher über ein Azimutlager 11 drehbar an einem Mast 16 gelagert ist. Die aero- oder

hydrodynamische Wirkung des Düsenkörpers 2 und der Rotorblätter 30 in der Wechselwirkung mit einer Anströmung f ist in Fig. 3 exemplarisch auch für alle weiteren Ausführungsvarianten einer erfindungsgemäßen Turbine 1 dargestellt.

Fig. 3 zeigt den schematischen Schnitt durch eine Turbine 1, die als Außenläufer 15 in der Bauart den in den Fig. 1 und 2

beschriebenen Beispielen entspricht. Das Ringflügelprofil 20 des Düsenkörpers 2 hat hier einen konkav-konvexen Zuschnitt und die schlaufenförmigen Rotorblätter 30 sind hufeisenförmig

ausgebildet. Der Schnitt zeigt exemplarisch, auch für alle weiteren, in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele der Erfindung, die sich unter Anströmung f einstellenden Druckbereiche (+) und Sogbereiche (-) an einem Ringflügelprofil 20 und an den Rotorblättern 30 selbst. An der Flügelnase 200 des Ringflügelprofils 20 teilt sich die Anströmung f in eine das Venturi-Rohr 21 mit Konfusorstufe 210 , Düsenverengung 211 und Diffusorstufe 212 ungebremst und frei durchquerende Teilströmung und eine den Düsenkörper 2 von außen umströmende Teilströmung, deren Energie teilweise von den rotierenden Rotorschlaufen 302 aufgenommen wird, wobei sich an den Rotorschlaufen 302 an der strömungszugewandten Seite Druckbereiche (+) und an der

strömungsabgewandten Seite Sogbereiche (-) ausbilden. Während sich eine Unterdruckzone ausgehend von dem Venturi-Rohr 21_^ von der strömungszugewandten Seite zu der strömungsabgewandten Seite um die Rotationsachse x ausbreitet, entstehen an der äußeren Mantelfläche des Düsenkörpers 2 auch wegen der Energieentnahme seitens der Rotorblätter 30 Überdruckzonen. Diese für alle weiteren Ausführungsbeispiele der Erfindung charakteristische Druckverteilung an einem Ringflügelprofil 20 bewirkt einen Ringwirbel V, der mit einer Anströmung f interagiert. Der sich um ein Ringflügelprofil 20 einstellende Druckausgleich zwischen Sogbereichen (-) und Druckbereichen (+) schwächt den Sog an der Saugseite der Rotorblätter 30 ab und ermöglichen dadurch eine höhere Rotordrehzahl. In einer Rückströmung f rollt sich der Ringwirbel V an der Flügelhinterkante 202 eines

Ringflügelprofils 20 zur strömungszugewandten Seite ein. Es kommt zu einer Überlagerung der Anströmung f mit der RückStrömung f' . Die Anströmung f selbst wird durch den sich um die Rotationsachse x herum ausbreitenden Unterdruckbereich gezielt auf eine Turbine 1 gelenkt. Das hier dargestellte neuartige aero- und hydrodynamische Konzept ermöglicht auch bei den nachfolgend dargestellten, unterschiedlichen Bauarten

erfindungsgemäßer Turbinen 1 einen höheren Energieertrag bei gegebenem Rotordurchmesser im Vergleich zu herkömmlichen

Turbinen .

Fig. 4 zeigt eine Turbine 1 bestehend aus einem frei

durchströmten Düsenkörper 2 und einem konzentrisch um den

Düsenkörper 2 angeordneten Konfusorring 101 mit einem

Ringflügelprofil 20. Ein Leitrad 100 dient als starre Verbindung zwischen dem Düsenkörper 2 und dem Konfusorring 101. An der engsten Stelle zwischen den beiden konzentrisch angeordneten Ringflügelprofilen 20 des Düsenkörpers 2 und des Konfusorrings

101 ist das Laufrad 300 der Turbine 1 angeordnet. Während das innere Venturi-Rohr 21 frei durchströmt ist, wird dem Luftstrom zwischen dem Düsenkörper 2 und dem Konfusorring 101 durch die Anordnung von Leitrad 100 und Laufrad 300 Energie entzogen und auf das Laufrad 300 übertragen wird. Die im Uhrzeigersinn drehende Turbine 1 läuft als Düsenläufer 13 bereits bei geringen Strömungsgeschwindigkeiten gut an und ist mit einer Leitfläche

102 starr verbunden. Leitfläche 102 und Turbine 1 sind über ein Azimutlager 11 drehbar an einem Mast 16 angelenkt.

Fig. 5 zeigt die Turbine 1 nach Fig. 4 von der Leeseite. Das Laufrad 300 bildet den Rotorteil 23 des Düsenkörpers 2 und ist an der engsten Stelle zwischen dem frei durchströmten Düsen- körper 2 und dem umgebenden Konfusorring 101 mit Ringflügel- profilierung angeordnet. Für die Ausbildung der in Fig. 3 erläuterten Zirkulationsströmung um den Düsenkörper 2 und den Konfusorring 101 sind die Flügelhinterkanten 202 des

Düsenkörpers 2 und des Konfusorrings 101 von entscheidender Bedeutung. Während die laminare Strömung hier abreißt, rollen sich energiereiche Strömungen, die einerseits den Konfusorring 101 von außen umströmen und andererseits den Düsenkörper 2 in einem Venturi-Rohr 21 von innen durchströmen, jeweils zu den Rotorblättern 30 ein, sodass der Sog auf der Saugseite der Rotorblätter abgeschwächt und dadurch die Drehzahl des Laufrads 300 erhöht wird. Beim Aufeinandertreffen der die Turbine 1 von außen und von innen umströmenden Teilströmungen bildet sich eine um die Achse x drehende Wirbelströmung aus. Durch einen Mast 16 mit kreisförmigem Querschnitt ist die Turbine 1 an einem

Baugrund verankert. Mehrere Drehlager zwischen dem Mast 16 und einer starr mit dem Konfusorring 101 der Turbine 1 verbundenen Leitfläche 102 mit symmetrischem Flügelprofil ermöglichen die selbsttätige Ausrichtung der Turbine 1 zur Anströmung f.

Fig. 6 zeigt die Turbine 1 nach den Fig. 4 und 5 in der

Schnittperspektive. Der Düsenkörper 2 und der Konfusorring 101 weisen jeweils ein Ringflügelprofil 20 mit symmetrischem

Zuschnitt auf. Der Ständerring 32 und der Läuferring 33 eines Synchrongenerators 3 werden von dem Düsenkörper 2 aufgenommen, wobei der Ständerring 32 dem Statorteil 22 zugeordnet ist und der Läuferring 33 den Rotorteil 23 des Düsenkörpers 2 bildet. Durch die Schaufeln des Leitrads 100 erhält die Anströmung f einen Drall, welcher durch eine komplementäre Profilierung der Rotorblätter 30 des Laufrads 300 abgebaut wird, sodass die

Strömung stromab des Laufrads 300 die Turbine 1 weitgehend parallel zur Rotationsachse x verlässt.

Fig. 7 zeigt eine Turbine 1 mit einem strömungsabgewandten Rotor 14. An den Düsenkörper 2 mit einem Ringflügelprofil 20, einem Statorteil 22 und einem Rotorteil 23 ist ein Rotorkorb 301

angeschlossen. Eine Mehrzahl von Rotorblättern 30 ist durch Verbindungsringe 303 zu einer Gitterschale verbunden. Die

Verbindungsringe 303 wirken als Konfusorringe 101 und leiten eine Anströmung f von außen in den Rotorkorb 301 ein. Auf diese Weise erhält die Außenströmung einen Drall zur Rotationsachse x hin, während die frei durch das Venturi-Rohr 2_ geleitete

Strömung einen Drall von der Rotationsachse x weg erhält.

Innerhalb des Rotorkorbs 301 treffen beide Strömungen in einem spitzen Winkel aufeinander und verursachen einen um die

Rotationsachse x sich entwickelnden Wirbel. Die Turbine 1 mit Rotationsrichtung R dreht im Uhrzeigersinn. Eine Vielzahl von Rotorblättern 30 mit einer Flügelprofilierung weisen gegenüber der Anströmung f einen Anstellwinkel auf und lenken die

Außenströmung zur Rotationsachse x der Turbine 1, sodass im Inneren des Rotorkorbs 301 ein Unterdruck entsteht, die die Anströmung f auf die Turbine 1 lenkt. Der Statorteil 22 des Düsenkörpers 2 ist fest mit einer Leitfläche 102 verbunden, die ihrerseits über ein Azimutlager 11 an einen eingespannten Mast 16 angelenkt ist. Unter Anströmung f dreht sich die Turbine 1 um die Drehachse y mit der Flügelnase 200 des Ringflügelprofils 20 in den Wind. Der Rotorkorb 301 kann bei einer kleinen Turbine 1 in einem Stück als Kunststoff-Spritzgussteil hergestellt werden

Fig. 8 zeigt die Turbine 1 nach Fig. 7 im perspektivischen

Detailschnitt. Der Düsenkörper 2 weist ein konkav-konvexes

Ringflügelprofil 20 auf und nimmt in seinem Statorteil 22 den Ständerring 32 eines Synchronenerators 3 auf, wobei der

Läuferring 33 des Synchrongenerators 3 dem Rotorteil 23 des Düsenkörpers 2 zugeordnet ist. Eine Vielzahl von Rotorblättern 30 ist jeweils an der Blattwurzel 310 starr mit dem Rotorteil 23 des Düsenkörpers 2 verbunden. Konfusorringe 101 verbinden die Rotorblätter 30 untereinander zu einem steifen Rotorkorb 301. Die Verankerung der Turbine 1 erfolgt über einen Mast 16, an den ein symmetrisches Flügelprofil als Leitfläche 102 angelenkt ist, sodass die Anströmung f so wenig wie möglich abgebremst wird. Die hohe Formstabilität des Düsenkörpers 2 ermöglicht eine präzise Lagerung von Ständerring 32 und Läuferring 33 des

Synchrongenerators 3, auch unter Biege-, Schub- und Torsions- beanspruchung . Dabei können der Statorteil 22 und der Rotorteil 23 des Düsenkörpers 2 als gegenüber einem Umgebungsmedium aus salzhaltiger Luft oder Salzwasser abgekapselte Bauteile

ausgebildet werden, die durch einen offenen Spalt 34 in einer Lagerschale drehbar untereinander verbunden sind.

Fig. 9 zeigt die Turbine 1 nach den Fig. 7 und 8 in einem

Teilschnitt entlang der Rotationsachse x. Der Düsenkörper 2 weist ein Ringflügelprofil 20 mit Flügelnase 200, Dickenrücklage 201, Flügelhinterkante 202 und Profilsehne 203 auf und ist an einem vertikalen Mast 16 über ein Azimutlager 11 und eine

Leitfläche 102 in Form eines symmetrischen Flügelprofils drehbar gelagert. Der Düsenkörper 2 umschließt ein Venturi-Rohr 2_ mit Konfusorstufe 210, Düsenverengung 211 und Diffusorstufe 212. Eine Vielzahl von Rotorblättern 30 ist durch Verbindungsringe 303 untereinander zu einem Rotorkorb 301 verbunden. Die

Rotorblätter 30 sind in einem Neigungswinkel ß von etwa 25 Grad gegenüber der Rotationsachse x in Richtung der Anströmung f geneigt. Die Konfusorringe 101 zeigen im Querschnitt ein

asymmetrisches Flügelprofil und sind dazu ausgebildet, die

Anströmung f in den Rotorkorb 301 zur Rotationsachse x

hinzulenken. Eine das Venturi-Rohr 21_^ beschleunigt durchquerende Teilströmung erhält durch das Ringflügelprofil 20 mit einer ebenfalls geneigten Profilsehne 203 einen Drall von der

Rotationsachse x weg. Beim Aufeinandertreffen der beiden

Teilströmungen in einem spitzen Winkel wird ein sich um die Rotationsachse x ausbildender Wirbel erzeugt.

Fig. 10 zeigt eine Turbine 1 mit einem strömungsabgewandten Rotor 14 in einer Vorderansicht. Auch bei diesem Ausführungs^¬ beispiel bildet der Düsenkörper 2 mit einem Statorteil 22 und einem Rotorteil 23 ein frei durchlüftetes Venturi-Rohr 21^ Unter Anströmung f richtet sich die Windturbine 1 selbsttätig mit der Flügelnase 200 des Ringflügelprofils 20 zum Wind aus, wobei die zur Leeseite geneigten, bogenförmig geschwungenen Rotorblätter 30 Energie aus der Anströmung f aufnehmen und Luft zur

Rotationsachse x hinlenken. Eine den Düsenkörper 2 von innen durchquerende Teilströmung wird dagegen durch die Düsenwirkung von der Rotationsachse x weg nach außen gelenkt. Treffen beide Teilströmungen aufeinander, entsteht ein sich um die

Rotationsachse x entwickelnder Wirbel, der einen lokalen

Unterdruck in der Anströmung f bewirkt und die Anströmung f deshalb auf die Turbine 1 lenkt.

Fig. 11 zeigt die Turbine 1 nach Fig. 10 in der perspektivischen Seitenansicht. Acht bogenförmig geschwungene Rotorblätter 30 mit einem Rotorblattprofil 31 setzen mit einer Blattwurzel 310 am Rotorteil 23 des Düsenkörpers 2 an und sind an ihren

Blattspitzen 311 durch einen Verbindungsring 303 in Form eines Konfusorrings 101 untereinander verbunden. Die Turbine 1 richtet sich über einen Leitapparat 10, bestehend aus dem Konfusorring 101 und einer Leitfläche 102 über ein Azimutlager 11 als

Verbindung zu einem feststehenden Mast 16 selbsttätig zur

Anströmung f aus. Wie in Fig. 10 gezeigt, weisen die

Rotorblätter 30 ein Rotorblattprofil 31 mit einem wechselnden Anstellwinkel α zur Anströmung f auf. Die Rotorblätter 30

entnehmen der Anströmung f Energie und lenken eine verlangsamte Teilströmung zur Rotationsachse x hin, während ein

beschleunigte, den Düsenkörper 2 durchquerende Teilströmung von der Rotationsachse x weggelenkt wird. Am Ringflügelprofil 20 bildet sich eine Zirkulationsströmung aus, sodass sich von der strömungszugewandten Seite her eine um die Rotationsachse x drehende Wirbelwalze bildet.

Fig. 12 zeigt einen perspektivischen Detailschnitt der in den Fig. 10 und 11 dargestellten Turbine 1. Der Düsenkörper 2

umschließt mit einem Ringflügelprofil 20 ein Venturi-Rohr 21_^ und nimmt in seinem Statorteil 22 den Ständerring 32 und in seinem Rotorteil 23 den Läuferring 33 eines Synchrongenerators 3 auf. Insgesamt acht Rotorblätter 30 mit einer Flügelprofilierung sind an ihrer Blattwurzel 310 starr mit dem Rotorteil 23 des Düsen^¬ körpers 2 und an ihrer Blattspitze 311 mit einem Konfusorring 101 verbunden. Fig. 13 zeigt eine Turbine 1 mit einem strömungszugewandten Rotor 12. Das Venturi-Rohr 2_ besitzt bei diesem Ausführungsbeispiel eine dynamische Konfusorstufe 210. Insgesamt sechs Rotorblätter 30 sind starr mit dem Rotorteil 23 des Düsenkörpers 2 verbunden und an der Blattwurzel 310 erweitert, um eine

Anströmung f in das Venturi-Rohr 2_ zu leiten. Zur Erhöhung der Formstabilität sind die Rotorblätter 30 durch einen luvseitigen Verbindungsring 303 als Konfusorring 101 untereinander

verbunden. Dieser Leitapparat 10 lenkt die Anströmung f auf den Düsenkörper 2.

Fig. 14 zeigt die in Fig. 13 dargestellte Turbine 1 in einer perspektivischen Ansicht von der strömungsabgewandten Seite. Die Flügelhinterkante 202 des Ringflügelprofils 20 ist bei dieser Ausführungsvariante gewellt ausgebildet, um das Herausbilden einer Zirkulationsströmung um das Ringflügelprofil 20 herum zu begünstigen. Der Statorteil 22 des Düsenkörpers 2 ist starr mit einem symmetrischen Flügelprofil, das eine Leitfläche 102 zur Ausrichtung der Turbine 1 bildet und über ein nicht näher dargestelltes Azimutlager 11 mit einem feststehenden

Stahlrohrmast verbunden.

Fig. 15 zeigt die in den Fig. 13 und 14 dargestellte Turbine 1 in der Schnittperspektive. An der Flügelhinterkante 202 des Düsenkörpers 2 bildet sich ein Ringwirbel V, der die Strömung zu einem strömungszugewandten Rotor 12 lenkt. Der perspektivische Schnitt zeigt die Integration eines Synchrongenerators 3 in einen Düsenkörper 2 mit Ständerring 32 und Läuferring 33. In einer robusten Ausführung ist die Turbine 1 mit gekapseltem Stator- und Rotorteil 22, 23 besonders gut als Wasserturbine z.B. zur Nutzung einer Gezeitenströmung geeignet, wobei alle elektrotechnischen Bauteile und Steuerungselemente in den

Stator- und Rotorteil 22, 23 des Düsenkörpers 2 integriert sind.

Fig. 16 zeigt eine Turbine 1 als Windturbine mit einem

strömungszugewandten Rotor 12. Drei Rotorblätter 30 sind an den Rotorteil 23 eines Düsenkörpers 2 angeschlossen sind. An der Blattwurzel 310 der Rotorblätter 30 ist ein Drehgelenk vorgesehen, mit dem der Anstellwinkel α der Rotorblätter 30 für eine Stall-Pitch-Regelung variiert werden kann. Der Düsenkörper 2 ist starr mit der Leitfläche 102 verbunden und richtet sich an einem Mast 16 über ein Azimutlager 11 zur Anströmung f aus.

Fig. 17 zeigt die Turbine 1 nach Fig. 16 als Windturbine im perspektivischen Detailschnitt. Der Düsenkörper 2 bildet bei dieser Windturbine eine Maschinengondel zur Aufnahme eines Synchrongenerators 3 einschließlich aller Steuer- und

Leiteinrichtungen einer Windkraftanlage. An der Flügelhinterkante 202 des Ringflügelprofils 20 ist als Leitapparat 10 ein peripherer Konfusorring 101 vorgesehen, der die den Düsenkörper 2 laminar umströmende Luft in einem spitzen Winkel zur

Rotationsachse x hinlenkt. Dieser Luftstrom trifft auf einen energiereichen Luftstrahl, der das Venturi-Rohr 21_^ frei

durchströmt und an der Flügelhinterkante 202 von der

Rotationsachse x weggelenkt wird. Beim Aufeinandertreffen beider Luftströme bildet sich ein Wirbel um die Rotationsachse x. Der Läuferring 33 des Synchrongenerators 3 ist mit einer ringförmigen Rotornabe 230 verbunden. An der Rotornabe 230 schließen auch die Rotorköpfe der Rotorblätter 30 an. Ein

Drehgelenk zwischen dem Rotorkopf und der Blattwurzel 310

ermöglicht über einen variablen Anstellwinkel α gegenüber der Rotationsebene z eine aerodynamisch wirksame Stall-Pitch- Regelung der Rotordrehzahl. Der Statorteil 22 des Düsenkörpers 2 ist starr mit einem symmetrischen Flügelprofil als Leitfläche 102 verbunden. Der Widerstandsbeiwert c_w dieses Flügelprofils beträgt ca. 0,04 im Unterschied zu einem angeströmten

Rundhohlprofil mit einem c_w-Wert von 0,6-1,0. Dadurch wird die Anströmung f wesentlich weniger abgebremst als durch einen zylindrischen bzw. konischen Mast 16. Über ein nicht näher dargestelltes Azimutlager 11 ist die Leitfläche 102 drehbar an einen tragenden Mast 16 angelenkt.

Fig. 18 zeigt den schematischen Längsschnitt durch einen

Düsenkörper 2, der die Maschinengondel einer großen Windturbine bildet, deren aerodynamisches Konzept dem in den Fig. 16 und 17 beschriebenen Beispiel entspricht. Drei Rotorblätter 30 sind über ein Drehgelenk an der Blattwurzel 310 an eine ringförmige Rotornabe 230 angelenkt. Die Rotornabe 230 ist als geschweißtes Stahlkastenprofil ausgebildet. Leeseitig ist ein mit Polschuhen bestückter Läuferring 33 direkt an die Rotornabe 230

angeflanscht. Der Läuferring 33 läuft innerhalb des über

Induktionsspulen 320 erregten Ständerrings 32. Der Ständerring 32 seinerseits ist mit einem Achsrohr 220 verbunden, das die Rotornabe 230 aufnimmt. Voneinander beabstandete Drehlager 24 ermöglichen eine biege-, schub- und torsionssteife Verbindung von Statorteil 22 und Rotorteil 23 des Düsenkörpers 2. Das

Ringflügelprofil 20 ist als bikonvexes Profil ausgebildet und umschließt mit seiner stärker gewölbten Seite ein dreistufiges Venturi-Rohr 21 mit Konfusorstufe 210 , Düsenverengung 211 und Diffusorstufe 212. Zur Erzeugung eines um die Rotationsachse x rotierenden Wirbels weist der Leitapparat 10 zusätzliche

Querluftleitungen auf, die im Bereich der Düsenverengung 211

über Querdüsen 103 Außenluft tangential in das Venturi-Rohr 21_^ einleiten. Neben den Querdüsen 103 kann der Leitapparat 10 auch einen Konfusorring 101 umfassen. Diese optionalen Zusatzelemente dienen der Unterstützung des aerodynamischen Grundprinzips eines Ringwirbels V an einem Ringflügelprofil 20.

Fig. 19 zeigt im schematischen Querschnitt die Anordnung eines Leitapparats 10 nach Fig. 18 mit acht Querdüsen 103 im Bereich des Venturi-Rohrs 21 zur Erzeugung eines um die Achse x einer Turbine 1 rotierenden Wirbels.

Fig. 20 zeigt eine Turbine 1 als dreiflügelige Windturbine, bei der die Maschinengondel von einem Düsenkörper 2 gebildet wird, der ein Venturi-Rohr 21 umschließt. An der Flügelnase 200 des Ringflügelprofils 20 staut sich die Anströmung f in einer

Druckzone, wobei ein energiereicher, beschleunigter Luftstrahl das Venturi-Rohr 21 ungebremst durchströmt und an der

Flügelhinterkante 202 des Ringflügelprofils 20 von der

Rotationsachse x weg nach außen getrieben wird, sich dabei einrollt, und den Sog auf der Saugseite der Rotorblätter 30 abbaut, um sich in einer großräumig ausgebildeten Zirkulationsströmung mit der Anströmung f zu vereinigen. Der Düsenkörper 2 ist über ein Azimutlager 11 drehbar mit einem Mast 16 verbunden. Drehgelenke an den Blattwurzeln 310 ermöglichen das Verstellen der Rotorblätter 30 im Sinne einer Stall-Pitch-Regelung . Das aerodynamische Konzept des Düsenkörpers 2 erleichtert das

Anlaufen der Windturbine 1 bereits bei Windgeschwindigkeiten ab 4 m/s.

Fig. 21 zeigt einen schematischen Schnitt entlang der

Rotationsachse x der in Fig. 20 dargestellten Windturbine. Die Rotorblätter 30 sind über ein nicht näher dargestelltes

Drehgelenk in der Rotationsebene z mit einer ringförmigen

Rotornabe 230 verbunden, welche ihrerseits über voneinander beabstandete Drehlager 24 mit einem Achsrohr 220 des Statorteils 22 des Düsenkörpers 2 verbunden ist. Im Falle einer Transversal^¬ flussmaschine (TFM) bietet die Anordnung eines äußeren Läuferrings 33 besondere Vorteile, da zur Vermeidung von Wirbelstromverlusten eine außenseitige Blechung unmittelbar in das tragende Profil einer ringförmigen Rotornabe 230 integriert werden kann, wobei die Rotornabe 230 in der Rotationsebene z über Rotorköpfe direkt mit den Rotorblättern 30 verbunden ist. Bei einer größeren

Windkraftanlage bildet das Ringflügelprofil 20 die Maschinen^¬ gondel und nimmt als aerodynamisch geformtes Gehäuse neben dem Synchrongenerator 3 alle Steuerungs- und Leiteinrichtungen einer Windkraftanlage auf. Bei Offshore-Anlagen stellt die Möglichkeit einer korrosionsgeschützten Bauweise mit gegenüber der Seeluft abgekapseltem Statorteil 22 und Rotorteil 23 eines Düsenkörpers 2 einen besonderen Vorteil dar. Im Bereich des Spalts 34

zwischen Ständer- und Läuferring 32, 33 ist in diesem Fall eine elektromagnetisch durchlässige Abdichtung vorgesehen. Die

Profilsehne 203 des bikonvexen Ringflügelprofils 20 ist leicht gegenüber der Rotationsachse x zur Luvseite geneigt. Das

Ringflügelprofil 20 zeigt eine Dickenrücklage 201 und umschließt ein dreistufiges Venturi-Rohr 2_ mit Konfusorstufe 210,

Düsenverengung 211 und Diffusorstufe 212. Die Anströmung f wird in dem Venturi-Rohr 21 beschleunigt und von der Rotationsachse x weggelenkt. An der Flügelhinterkante 202 bildet sich durch die in Fig. 3 näher erläuterten Druck- und Sogverhältnisse an dem Ringflügelprofil 20 ein Ringwirbel V aus.

Bezugszeichenübersieht

Synchrongenerat

Turbine 1 Düsenkörper 2 3 or

Leitapparat 10 Ringflügelpr . 20 Rotorblatt 30

Leitrad 100 Flügelnase 200 Laufrad 300

Konfusorring 101 Dickenrücklage 201 Rotorkorb 301

Flügelhinter¬

Leitfläche 102 202 Rotorschlaufe 302 kante

Querdüse 103 Profilsehne 203 Verbindungsring 303

Rotorblattpro¬

Azimutlager 11 Venturi-Rohr 21 31

fil

Strömungs- zugewandter 12 Konfusorstufe 210 Blattwurzel 310

Rotor

Düsenläufer 13 Düsenverengung 211 Blattspitze 311

Strömungs- abgewandter 14 Diffusorstufe 212 Rotorblattsehne 312

Rotor

Außenläufer 15 Statorteil 22 Ständerring 32

Mast 16 Achsrohr 220 Induktionsspule 320

Tragbügel 17 Rotorteil 23 Läuferring 33

Rotationsache X Rotornabe 230 Dauermagnet 330

Drehachse y Drehlager 24 Spalt 34

Rotationsebene z Sogbereich (-) Anstellwinkel Oi

Anströmung f Druckbereich (+ ) Neigungswinkel ß

Rotationsrichtu

Rückströmung f' Ringwirbel V R ng

Claims

Patentansprüche

1. Turbine (1) zur Umwandlung der in einer Anströmung (f)

enthaltenen kinetischen Energie in elektrische Energie, als Wind- oder Wasserturbine, die mit einer Drehachse (y) zu einer Anströmung (f) ausrichtbar ist und mindestens ein, einer Rotationsachse (x) zugeordnetes Rotorblatt (30) aufweist, bei der ein konzentrisch und koaxial zur Rotationsachse (x) angeordneter Düsenkörper (2) vorgesehen ist, der ein frei durchströmtes Venturi-Rohr (2_1) umschließt und ein Ringflügel^¬ profil (20) mit einer Flügelnase (200), einer Dickenrücklage (201), einer Flügelhinterkante (202) und einer Profilsehne (203) aufweist und dabei mit einem Statorteil (22) und einem Rotorteil (23) jeweils ein Gehäuse für den Ständerring (32) und den Läuferring (33) eines Synchrongenerators (3) bildet, wobei der Statorteil (22) den Ständerring (32) und der

Rotorteil (23) den Läuferring (33) aufnimmt und beide Teile (22, 23) über mindestens ein Drehlager (24) untereinander verbunden sind und die Rotorblätter (30) an den Rotorteil (23) angeschlossen sind,

wobei sich eine Anströmung (f) an der Flügelnase (200) des Ringflügelprofils (20) in eine beschleunigte, den Düsenkörper (2) von innen durchquerende Luft- oder Wasserströmung und eine von den Rotorblättern (30) verlangsamte, den Düsenkörper (2) von außen umströmende Luft- oder Wasserströmung teilt, sodass an der Flügelhinterkante (202) ein sich von der Rotationsachse (x) weg in Richtung der Flügelnase (200) des Ringflügelprofils (20) und zur Saugseite der Rotorblätter (30) hin eindrehender Ringwirbel (V) bildet.

2. Turbine (1) nach Anspruch 1, bei welcher ein Venturi-Rohr (21 ) dreistufig ausgebildet ist und in Richtung einer Anströmung (f) eine Konfusorstufe (210) , eine Düsenverengung (211 ) und eine Diffusorstufe (212 ) aufweist.

3. Turbine (1) nach Anspruch 1 oder 2, bei welcher die Innenseite des Ringflügelprofils (20) als Sogbereich (-) ausgebildet ist und die Mantelfläche des Venturi-Rohrs (21) bildet, während die Außenseite des Ringflügelprofils (20) überwiegend

Druckbereiche (+) aufweist.

4. Turbine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei

welcher das Venturi-Rohr (21) eine dynamische Konfusorstufe (210) aufweist, wobei ein strömungszugewandter Rotor (12) mit Rotorblättern (30) vorgesehen ist.

5. Turbine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei

welcher das Venturi-Rohr (21) eine dynamische Diffusorstufe (212) aufweist, wobei ein strömungsabgewandter Rotor (14) mit Rotorblättern (30) vorgesehen ist.

6. Turbine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei

welcher ein Ringflügelprofil (20) im Querschnitt ein

symmetrisches, ein asymmetrisches, ein plankonvexes, ein bikonvexes oder ein konkav-konvexes Ringflügelprofil (20) aufweist .

7. Turbine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei

welcher die Profilsehne (203) eines Ringflügelprofils (20) bezüglich der Rotationsachse (x) parallel oder geneigt angeordnet ist.

8. Turbine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei

welcher ein Rotorblatt (30) bzgl. der Rotationsachse (x) bei einem strömungszugewandten Rotor (12) in einem spitzen Winkel (ß) gegen eine Anströmung (f) und bei einem

strömungsabgewandten Rotor (14) in einem spitzen Winkel (ß) in Richtung einer Anströmung (f) geneigt ist.

9. Turbine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei

welcher bei einem strömungszugewandten Rotor (12) und bei einem strömungsabgewandten Rotor (14) die Rotorblätter (30) gegenüber der Rotationsachse (x) geneigt angeordnet und untereinander zu einem Rotorkorb (301) verbunden sind, wobei Verbindungsringe (303) als Konfusorringe (101) mit einem

Flügelprofil die einzelnen Rotorblätter (30) zu einer

Gitterschale verbinden.

10. Turbine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei

welcher bei einem strömungszugewandten Rotor (12) und bei einem strömungsabgewandten Rotor (14) die Rotorblätter (30) im Wesentlichen senkrecht zur Rotationsachse (x) in einer

Rotationsebene (z) angeordnet und mit einer Rotornabe (230) verbunden sind, wobei ein Drehgelenk an der Blattwurzel (310) eine Stall- und Pitchregelung der Rotorblätter (30)

ermöglicht .

11. Turbine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei

welcher ein Rotorblatt (30) fest mit einer Rotornabe (230) verbunden ist und im Querschnitt ein Rotorblattprofil (31) mit einer sich zwischen seiner Flügelnase (200) und seiner

Flügelhinterkante erstreckenden Rotorblattsehne (312)

aufweist, wobei an der Druckseite ein Anstellwinkel ( ) gegenüber der Rotationsebene (z) vorgesehen ist, dessen Betrag mit zunehmender radialer Entfernung von der

Rotationsachse (x) abnimmt.

12. Turbine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei

welcher die mit der Außenseite des Düsenkörpers (2)

verbundenen Rotorblätter (30) Energie aus einer Anströmung (f) aufnehmen und mit einer strömungszugewandten oder strömungsabgewandten Neigung eine Anströmung (f) zur Rotationsachse (x) hinlenken, während ein energiereicher, innerhalb des Venturi-Rohrs (21) beschleunigter

Strömungsanteil von der Rotationsachse (x) weggelenkt wird.

13. Turbine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei

welcher bei einem Düsenläufer (13) ein Leitrad (100) mit einem Laufrad (300) zusammenwirkt und das Leitrad (100) eine kraftschlüssige Verbindung zwischen dem Düsenkörper (2) und einem äußeren Konfusorring (101) herstellt.

14. Turbine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei

welcher bei einem Außenläufer (15) ein Rotorblatt (30) eine Rotorschlaufe (302) aufweist, die jeweils an ihrem

strömungszugewandten und an ihrem strömungsabgewandten Ende mit dem Rotorteil (23) des Düsenkörpers (2) verbunden ist.

15. Turbine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei

welcher für die Ausrichtung zur Anströmung (f) eine starr mit dem Statorteil (22) des Düsenkörpers (2) verbundene Leitfläche

(102) mit einem symmetrischen Flügelprofilquerschnitt

vorgesehen ist, die über ein Azimutlager (11) an einen Mast

(16) angelenkt ist.

16. Turbine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei

welcher der Statorteil (22) und der Rotorteil (23) eines Düsenkörpers (2) durch einen Spalt (34) voneinander getrennt und dabei drehbar ineinander gelagert sind, wobei der

Statorteil (22) und der Rotorteil (23) gas- bzw. wasserdicht gegeneinander abgedichtet sind und die Abdichtung im Bereich von Ständerring (32) und Läuferring (33) elektromagnetisch durchlässig ausgebildet ist.

17. Turbine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher ein Drehlager (24) als Verbindung zwischen Stator- und Rotorteil (22, 23) des Düsenkörpers (2) als Kugel-, Kegel^¬ oder Rollenlager ausgebildet ist und zur Aufnahme von Biege-, Schub- und Torsionskräften vertikal oder horizontal

voneinander beabstandete Lagerschalen aufweist.

18. Turbine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei

welcher ein Synchrongenerator (3) am Ständerring (32)

Induktionsspulen (320) und am Läuferring (33) Polschuhe oder Dauermagnete (330) aufweist und z.B. auch als

Transversalfluss-maschine TFM ausgebildet sein kann, wobei der Spalt (34) zwischen dem Ständerring (32) und dem Läuferring (33) quer oder parallel zur Rotationsachse (x) einer Turbine

(1) angeordnet werden kann.

19. Turbine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei

welcher Querleitungen Zapfluft oder Zapfwasser über Öffnungen in der äußeren Mantelfläche eines Düsenkörpers (2) zu

Öffnungen im Bereich der Düsenverengung (211 ) des Düsenkörpers

(2) lenken, wobei Querdüsen (103) Zapfluft oder Zapfwasser vorzugsweise tangential in das Venturi-Rohr (21) einleiten, um eine Rotation der Strömung um die Rotationsachse (x)

hervorzurufen .

20. Turbine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei

welcher ein Konfusorring (101) ein ringförmiges Flügelprofil aufweist, dessen Flügelnase (200) zur Anströmung (f)

ausgerichtet ist und dessen Flügelwölbung auf der der

Rotationsachse (x) abgewandten Seite eines Düsenkörpers (2) angeordnet ist.

21. Turbine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei

welcher ein Düsenkörper (2) ein Ringflügelprofil (20) aufweist, das der Strömung innerhalb des Venturi-Rohrs (21) einen Drall von der Rotationsachse (x) weg und der Strömung an der Außenseite eines Ringflügelprofils (20) einen Drall zur Rotationsachse (x) hin aufgeprägt, wobei beide Strömungen an der Flügelhinterkante (202) in einem spitzen Winkel

aufeinander treffen.

Turbine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher an der Flügelhinterkante (202) eines Ringflügelprofils (20) ein Leitapparat (10) mit einem auf der Außenseite des Ringflügelprofils (20) angeordneten Konfusorring (101) vorgesehen ist.

23. Turbine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei

welcher die Rotorblätter (30) im Wesentlichen auf der

Außenseite des Düsenkörpers (2) angeordnet sind.