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Die vorliegende Erfindung betrifft eine regenerative Energiegewinnungs-/-umwandlungsanlage gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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In den Patentschriften
US 1061142 und
US 1061206 beschreibt Nikola Tesla eine Maschine, die im Wesentlichen aus einer in einem weitgehend runden Gehäuse angeordneten Anzahl von parallel angeordneten runden Scheiben besteht, die auf einer gemeinsamen Welle befestigt sind. Diese Scheiben weisen zentrale (mittige) Öffnungen auf. Des Weiteren sind an dem Gehäuse ein Zulauf und ein Ablauf für ein Fluid vorgesehen.
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Diese Maschine wie sie beispielsweise in der 1 dargestellt ist, kann sowohl als Pumpe als auch als Turbine eingesetzt werden, sodass mit ihr also Bewegungsenergie an ein Fluid übertragen oder umgekehrt Energie einem Fluid entzogen werden kann. Wird die Welle der Anlage motorisch angetrieben (Pumpenbetrieb), so wird das zwischen den Scheiben befindliche Fluid aufgrund von Adhäsion und Viskosität beschleunigt und fließt entlang schneckenförmiger Strömungslinien radial nach außen und verlässt dort das Gehäuse in im Wesentlichen tangentialer Richtung. Hierbei überlagern sich radiale und tangentiale Kraftkomponenten. Die Ausprägung der Strömungslinien hängt hierbei im Wesentlichen von der geometrischen Ausprägung der Scheiben, von den Eigenschaften des Fluids und von der Winkelgeschwindigkeit ab. Vorteil einer derartigen Pumpe ist die Tatsache, dass auch abrasive Medien mit grollen Korngrößen und/oder Luftkammern gefördert werden. Die Pumpe saugt also das Fluid zentral durch die mittigen Öffnungen in den Scheiben an und stößt es am Umfang der Scheiben tangential aus.
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Werden hingegen die Scheiben an ihrem äußeren Umfang tangential angeströmt (Turbinenbetrieb), so wird das Fluid abgebremst und strömt ebenfalls auf schneckenförmigen Pfaden mit abnehmendem Durchmesser zur Mitte der Scheiben, wo es durch die vorhandenen Aussparungen/Öffnungen ausströmen kann. In diesem Fall wird die Maschine als Turbine genutzt, welche die kinetische Energie des anströmenden Fluids in ein Drehmoment an der Welle wandelt. Dieses kann mit geeigneten Maßnahmen in eine andere Energieform, beispielsweise elektrischen Strom, gewandelt werden.
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Auch hier hängt die Ausprägung der Stromlinien von den geometrischen Randbedingungen, von der Viskosität des Fluids und von der Winkelgeschwindigkeit der Scheiben ab.
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Wesentlicher Vorteil einer derartigen Turbine gegenüber anderen Turbinen ist die Tatsache, dass der Energieübertrag nicht plötzlich und impulsiv geschieht, wie das bei anderen Turbinentypen in der Regel der Fall ist, sondern kontinuierlich. Zudem ist die Turbine sehr einfach aufgebaut und die Anforderungen an Fertigungstoleranzen sind relativ gering.
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Wenn weitgehend laminare Strömungsbedingungen ohne große Turbulenzen eingestellt werden, dann sind zudem theoretisch sehr hohe Turbinenwirkungsgrade möglich. Voraussetzung hierfür z. B. sind jedoch sehr glatte Oberflächen der Scheiben sowie strömungsgünstige Kanten.
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Die Tesla Turbine war ursprünglich zum Einsatz als Dampfturbine gedacht. Aufgrund der dort notwendigen sehr hohen Drehzahlen ergaben sich jedoch Probleme mit sich verformenden Scheiben aufgrund der hohen auftretenden Kräfte. Wird ein dichteres Fluid wie zum Beispiel Wasser mit geringen Strömungsgeschwindigkeiten eingesetzt, so entfallen diese Effekte, was zu einer deutlich robusteren Anlage führt.
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Bei einem Betrieb als Turbine lässt sich das größte Drehmoment bei einer Drehzahl von Null abgreifen. In diesem Fall sind die Stromlinien des Fluids sehr stark gekrümmt. Unter Umständen strömt es mehr oder weniger direkt vom Rand in die Mitte. Das Drehmoment nimmt im Wesentlichen mit steigender Drehzahl linear ab, bis es bei der Leerlaufdrehzahl gleich Null ist. Bei der Leeraufdrehzahl entspricht die Umfangsgeschwindigkeit der Scheiben im Wesentlichen der Geschwindigkeit des anströmenden Fluids. In diesem Fall wird das Fluid nahezu nicht abgebremst und vollführt sehr ausgeprägte schneckenförmige Strombahnen. Aufbauend auf Tesla's Patent wurden in den letzten Jahren einige Energieumwandlungsanlagen mit vorteilhaften Weiterbildungen veröffentlicht. Im Rahmen dieser Beschreibung wird beispielhaft auf die folgenden Druckschriften eingegangen:
Die
EP 0537146 B1 richtet sich auf eine besondere Pumpenanwendung einer Turbine der Tesla-Bauart mit Fokus auf radial sich erstreckender Stege auf den Scheiben zur Steigerung der Förderleistung und des Drucks.
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In der
US 7573148 B2 wird ausdrücklich eine Turbine der Tesla-Turbinenbauart mit quer angeströmter Achse eingeschränkt auf den Bereich der Windenergie beschrieben. Gegenüber der ursprünglichen Tesla Turbine wird hier auf ein geschlossenes Gehäuse verzichtet. Der Wind wird durch geeignete Leitmaßnahmen so umgeleitet, dass er die auch hier parallel angeordneten Scheiben weitgehend tangential anströmt. Am Umfang der Scheiben sind zusätzlich Flügel angebracht, die als Widerstandsläufer fungieren und neben einer Umlenkung des Fluids in das Innere der Scheiben zu dem Drehmoment beitragen. Auf den Scheiben sind darüber hinaus Strukturen angebracht, die eine Leitfunktion für das Fluid ausüben.
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Die
US 2003/0053909 A1 betrifft Scheiben mit Auftriebsprofilen zur Steigerung des Drehmoments. Hier sind auf den Scheiben Auftriebsprofile angeordnet, von denen mindestens eines vom äußeren Rand bis zum inneren der jeweiligen Scheibe verlaufen muss.
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Die
WO 2008/134868 offenbart eine fluidbetriebene Krafterzeugungsvorrichtung mit einer oder mehreren Scheibenturbinen, die jeweils einen Ein- und Auslauf aufweisen. Die eine oder mehrere Scheibenturbinen sind hierbei so konfiguriert, um mit sich bewegendem Fluid zur Krafterzeugung zusammenzuwirken, indem zwischen den jeweils benachbarten Scheiben ein Spalt ausgebildet wird, durch welche das Fluid geleitet wird. Die Vorrichtung ist mit einer Fluidsammeleinrichtung versehen, die dafür ausgebildet ist, die Fluidströmungsgeschwindigkeit zu erhöhen und die in Fluidverbindung mit dem Einlauf steht. Schließlich ist die Vorrichtung mit einer Fluidextraktionseinrichtung versehen, die mit dem Auslauf fluidverbunden ist und die dafür ausgebildet ist, einen zweiten Fluidanteil zu fördern. Dieser zweite Fluidanteil wird bei einen bevorzugten Anfangsdruck und Geschwindigkeit gefördert und wirkt dabei auf einen oder mehrere Ausläufe infolge eines viskosen Mitreißens, wodurch das Extrahieren/Ausströmen des Fluidanteils aus dem Auslauf verbessert wird.
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Schließlich offenbart die
US 2008/0131273 A1 eine Tesla Turbine für einen Windgenerator bestehend aus einem auf einer Welle fixierten Scheibenpaket innerhalb eines geschlossenen Gehäuses. Dieser allgemein bekannte Turbinenaufbau ist erweitert um eine Anzahl von Auftriebselementen im Umfang der Scheiben, die das Fluid umlenken und zum Drehmoment beitragen. Diese sind aber explizit auf den Außenbereich der Scheiben beschränkt. Vorgeschlagen wird zudem ein drehbar gelagertes Gehäuse mit Unsymmetrie zur automatischen Nachführung an die aktuelle Anströmrichtung des Energie tragenden Fluids. Die Veröffentlichung bezieht dabei explizit auch andere Fluide mit ein und ist nicht auf Wind beschränkt.
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Als weiterer Stand der Technik sei auch die
US 2001/0019693 A1 genannt. Diese Druckschrift beschäftigt sich sehr stark mit den zentralen Öffnungen in den Scheiben und schlägt hier eine angebliche Verbesserung mit durchgängiger Öffnung und ohne Speichen vor, um Turbulenzen zu reduzieren. Ansonsten wird auch hier auf ein geschlossenes Gehäuse zurückgegriffen. Zusätzlich zu Tesla werden her aber auch noch verstellbare Klappen zur Beeinflussung der Fluidströmung vorgeschlagen.
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Angesichts dieses Stands der Technik besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine mit der an sich bekannten Tesla Turbine ausgerüstete Energieumwandlungsanlage derart weiter zu entwickeln, dass deren Einsatzbereich insbesondere in der aktuellen alternativen Energietechnologie erweitert wird. Ein Ziel der Erfindung ist es hierbei, die Effizienz einer solchen Energieumwandlungsanlage grundsätzlich zu erhöhen.
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Diese Aufgabe wird durch eine regenerative Energieumwandlungsanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 1, 2 oder 3 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Der Grundgedanke der Erfindung besteht demzufolge darin, die Tesla Turbine mit besonders gestalteten Fluideinlässen zu versehen. Für den Fall, dass die Tesla Turbine mit einem Gehäuse ausgerüstet ist, wird daran zumindest ein Fluideinlass ausgenommen (ausgebildet), der eine Trichterform hat (d. h. sich in Richtung hin zur Turbine einengt/verjüngt) oder mit einem entsprechenden Trichteraufsatz bestückt ist. Alternativ hierzu oder zusätzlich sind mehrere Fluideinlässe in dem Gehäuse ausgenommen/ausgebildet, die in Umfangsrichtung vorzugsweise gleichmäßig verteilt sind. In vorteilhafter Weise können zwei oder vier Einlässe vorgesehen sein.
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Im Fall einer gehäuselosen Tesla Turbine gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung ist das Rotorscheibenpaket, welches ggf. mit inneren Leitblechen zwischen den Rotorscheiben ausgebildet sein kann, umfangsseitig mit einem daran fixierten und damit mitdrehenden Mantel aus platten- bzw. schuppenartigen Strömungsleitelementen versehen, die in Umfangsrichtung vorzugsweise gleichmäßig beabstandet sind, derart, dass sich zwischen jeweils zwei benachbarten Strömungsleitelementen ein vorzugsweise trichterförmiger Fluideinlass ausbildet. Die Strömungsleitelemente ragen somit über den Außenumfang des Rotorscheibenpakets vor, um eine Angriffsfläche für ein anströmendes Fluid zu bilden. Gleichzeitig verhindern sie ein Ausströmen des eingeleiteten Fluids zwischen jeweils zwei benachbarten Einlässen.
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Die Erfindung geht hierbei grundsätzlich davon aus, dass eine Tesla Turbine besonders vorteilhaft im Bereich der Meeresenergieumwandlung (Wellenenergie und/oder Tidenhub) eingesetzt werden kann, wobei die Tesla Turbine prinzipiell auch mit Wind betreibbar ist. Wie beim an sich bekannten sogenannten „Wave Harrow” lässt sich mit einer derartigen Turbine eine weitgehend kontinuierliche Energiewandlung erreichen. Dies gilt insbesondere auch für küstennahe Bereiche, für die der „Wave Harrow” aufgrund der dort eher elliptisch ausgeprägten Orbitalbewegungen der Wassermoleküle weniger geeignet ist. Damit ergibt sich mit der vorliegenden Erfindung die Möglichkeit einer Portfolioerweiterung der erfindungsgemäßen Energieumwandlungsanlage.
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Die Erfindung ist natürlich nicht unbedingt auf den Bereich der Meeresenergieumwandlung beschränkt, sondern kann auch in anderen strömenden Fluiden eingesetzt werden. Namentlich genannt seien hier Meeresströmungen, Flüsse, Wind, etc. Zudem können sich besonders in der Überlagerung von Wellenbewegung mit Strömung Vorteile beim Einsatz der Erfindung ergeben, da die erfindungsgemäß ausgebildete Turbine als Kopplungskörper aus unterschiedlichen Richtungen gleichzeitig angeströmt werden kann. Des Weiteren bietet die Erfindung beispielsweise gegenüber dem Wave Harrow eine grundsätzlich verbesserte Anströmungsrichtungsunabhängigkeit.
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Gegenüber anderen Turbinenarten wie zum Beispiel Savonius-, Darrieus- oder Gorlov-Turbinen wird eine deutlich verbesserte Wandlungseffizienz erwartet, da kein Gegenlauf von Rotorteilen vorkommt. Zudem lässt sich die Anlage relativ leicht skalieren. Sie ist vergleichsweise kompakt und es sind keine komplexen und aufwändigen Geometrien zu fertigen. Damit ist sie auch kostengünstig in der Herstellung. Im Gegensatz zum Stand der Technik wird darüber hinaus die bisher vorhandene Beschränkung auf flache Scheiben aufgehoben. Diese wurde bisher eingehalten, da die Turbinen häufig mit sehr hohen Drehzahlen betrieben wurden, wodurch sehr hohe Fliehkräfte in den Scheiben induziert wurden. Im anvisierten Einsatzfall der vorliegenden Erfindung im Bereich der Meeresenergie, Wasser-/Windströmung oder Tidenhub treten jedoch im Durchschnitt relativ geringe Strömungsgeschwindigkeiten auf, die damit auch zu kleinen Drehgeschwindigkeiten und geringen Fliehkräften führen. Damit sind auch komplexe Scheibengeometrien realisierbar.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren näher erläutert.
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1 zeigt eine Tesla Turbine gemäß dem Stand der Technik;
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2 zeigt die Strömungsverhältnisse im near und off shore Bereich;
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3 zeigt ein erstes bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung für den near shore Bereich;
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4 zeigt ein zweites bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung für den off shore Bereich (oder alternativ auch für den Windantrieb);
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5 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung ohne Gehäuse für den near shore Bereich und/oder Flüsse;
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6 zeigt ein viertes bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ohne Gehäuse für den near shore Bereich und/oder Flüsse mit einer Kanalisierung;
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7 zeigt ein fünftes bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ohne (geschlossenes) Gehäuse für den off shore Bereich;
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8 zeigt ein zeigt ein sechstes bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ohne (geschlossenes) Gehäuse und mit Leitblechen für den off shore Bereich;
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9 zeigt ein Strömungsfeld der die erfindungsgemäße Anlage umgebenden Fluidmoleküle;
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10 zeigt unterschiedliche Anordnungen einer Tesla Turbine gemäß der Erfindung in einem Strömungsfeld gemäß der 9;
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11 zeigt ein siebtes bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ohne (geschlossenes) Gehäuse mit radialen, axial beabstandeten Kreisscheiben als dem Rotor vorgeschaltete Strömungsleitelemente mit Rotationsachse (ggf. auch feststehend) als Mittelachse;
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12 zeigt die Prinzipskizze eines achten bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung mit mantelförmig am Rotor angeordneten Strömungsleitelementen;
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13–15 zeigen konstruktive Abwandlungen des achten Ausführungsbeispiels der Erfindung;
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16 zeigt die Variante eines Rotors mit daran angebrachten schaufelförmigen Strömungsleitelementen;
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17 zeigt die bevorzugte Konstruktion einer Rotorscheibe gemäß der Erfindung in Tellerform;
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18 zeigt eine weitere bevorzugte Konstruktion einer Rotorscheibe gemäß der Erfindung als nicht ebene/flache Scheibe;
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19–20 zeigen unterschiedliche Ausgestaltungen für eine Rotorscheibe gemäß 18;
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21–23 zeigen Halterungen für die erfindungsgemäße Anlage im off shore Bereich;
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24 zeigt die Anordnung von zwei Rotorscheibenpaketen mit zueinander gegenläufiger Öffnungsausrichtung;
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25 zeigt eine Halterungsvariante eines Rotors mit Mooring-Kette und Auftriebskörper;
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26 zeigt die Kombination aus Tesla-Turbinen-Hebelarm und Auftriebsläufer als Kopplungskörper der Anlage und
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27 zeigt eine zu 26 alternative/ergänzende Konstruktion der Anlage.
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Zunächst wird auf Anordnungen mit weitgehend geschlossenem Gehäuse für den near shore Einsatz gemäß der 2 und 3 konkreter eingegangen.
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In Küstennähe ist im Gegensatz zu küstenfernen Bereichen gemäß der 2 die Orbitalbewegung der Wasserpartikel bei Wellengang stark elliptisch ausgeprägt ist, so dass sich im Wesentlichen zwei Hauptströmungsrichtungen parallel zum Meeresgrund ausbilden, nämlich eine auf- und ablandige Strömung (dies gelt besonders in Bodennähe). Damit ergibt sich hier ein besonders interessanter Fall in so fern, als dass für einen Großteil der Zeit im Wesentlichen nur zwei Strömungsrichtungen vorherrschen. Diese können mit Tesla Turbinen gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung entsprechend der 3 in nutzbare Energie gewandelt werden, deren Rotationsachse 1 im Wesentlichen horizontal und parallel zur Küstenlinie (d. h. im Wesentlichen senkrecht zum Wellenlauf) ausgerichtet ist. Hierbei sind zudem Systeme mit nur einem Fluideinlass 2 als auch mit mehreren Fluideinlässen (beispielsweise zwei diametral gegenüberliegende Einlässe) möglich. Besonders bevorzugt werden gemäß der 3, rechte Abb. zwei vorzugsweise trichterförmige Öffnungen 2, 4 vorgeschlagen, die Anströmungen aus den beiden Hauptrichtungen bündeln und weitgehend tangential in ein Gehäuse 6 der Tesla Turbine leiten, wo die Strömungen zu einer Rotation von Scheiben eines Rotorscheibenpakets 8 und damit zu einem Drehmoment führen. Alternativ ist auch eine vertikale Anordnung oder eine winkelige Anordnung der Rotorachse 1 mit entsprechenden Einlauftrichtern 2, 4 möglich.
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Die erfindungsgemäße Wellenkraftmaschine kann auf dem Meeresgrund befestigt sein (über Stützpfeiler 9) oder durch geschickte Kombination aus Mooringketten/-seilen und Auftriebskörpern in Position gehalten werden (wird nachfolgend noch detaillierter beschrieben). Alternativ ist auch eine Halterung von mehreren hintereinander angeordneten Turbinen beispielsweise in einem gemeinsamen Rahmen oder Tauchplattform möglich, bei dem die Turbinen in der Nähe unterhalb der Wasseroberfläche gehaltert sind (siehe ebenfalls nachfolgende Beschreibung). Der gemeinsame Rahmen (Tauchplattform) kann fest im Meeresgrund verankert sein oder alternativ über Moorinketten/-seile und Auftriebskörper in Position gehalten werden. Da sich Wellen in Küstennähe mit ihren Wellenkömmen parallel zur Küste ausrichten, ist hier eine Anpassung der Ausrichtung der Turbine nicht notwendig.
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Entgegen dem Stand der Technik, der eher kompakte Bauformen von Turbinen vorsieht, sind hier auch große axiale Längserstreckungen (Rotationswellenlängen) realisierbar und vorteilhaft, da das erzeugte Drehmoment direkt proportional der Rotorlänge ist. Entgegen dem Stand der Technik kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, das Fluid beidseitig aus der Turbine zu führen. Dies ist insbesondere bei großen Achs- bzw. Rotationswellenlängen vorteilhaft, um den mit Achslänge zunehmenden Fluidstrom möglichst bei geringem Reibungsverlust abführen zu können. Alternativ kann auch vorgesehen sein, mehrere axial ausgerichtete Anlagen an eine gemeinsame Welle anzukoppeln. Die Einlaufe 2, 4 können ferner mit vertikalen, nicht weiter dargestellten Leitrippen (für eine horizontale Achsanordnung) ausgestattet sein, um eine schräge Anströmung der Scheiben 8 und eine damit verbundene schräge Belastung zu vermeiden.
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Um in das Gehäuse 6 eingespülte feste Bestandteile, die sich trotz der Umströmung evtl. im unteren Bereich des Gehäuses 6 ablagern, aus dem Gehäuse 6 zu entfernen, kann dieses an seinem unteren Ende teilweise geöffnet sein oder mittels einer nicht gezeigten Klappe temporär geöffnet werden, sodass Feststoffsedimente innerhalb des Gehäuses 6 ausschwemmbar sind.
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Um ferner im Fall einer Mehrfacheinlass-Konstruktion ein Ausströmen aus dem jeweils in Anströmungsrichtung nach hinten (oder zumindest teilweise rückwärts) angeordneten Einlasstrichter zu verhindern, können in oder vor den Trichtern nicht dargestellte Rückschlagverschlüsse angeordnet sein, die ein solches Ausströmen verhindern. Gleiches kann für die Ausströmöffnung gelten, um ein Einströmen von Fluid zu verhindern.
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In der 3 sind die Einlauftrichter 10 derart dargestellt, dass deren Einlaufrichtung tangential zum abgebildeten Rotorscheibenpaket 8 ausgerichtet ist. Andere Winkelanordnungen von mehreren Einlauftrichtern 10 als die in der 3 dargestellte sind jedoch möglich. Hierbei ist durch geeignete Maßnahmen (beispielsweise interne Umlenkstutzen) allerdings sicher zu stellen, dass die Scheiben 8 weiterhin weitgehend tangential angeströmt werden und dass die Anströmrichtung zu einer Drehung des Rotorscheibenpakets 8 in gleicher Orientierung führt. Das erzeugte Drehmoment wird mit Hilfe geeigneter Maßnahmen in eine andere Energieform beispielsweise elektrischen Strom gewandelt.
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Neben einer Anordnung im vorstehend beschriebenen near shore Bereich zur Wandlung von Energie aus Wellenbewegung ist eine Anordnung der beschriebenen erfindungsgemäßen Ausführungsform auch in Flüssen oder in Bereichen mit Strömungen und/oder Tidenhub denkbar.
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Die nachfolgende Beschreibung der 4 betriff eine erfindungsgemäße Anordnungen mit weitgehend geschlossenem Gehäuse vorzugsweise für den off shore Einsatz zur Wandlung von Energie aus Weilen und/oder Strömungen:
Für den off shore Bereich werden verschiedene erfindungsgemäße Anordnungen mit einem weitgehend geschlossenen Gehäuse vorgeschlagen. Diese sind in der 4 schematisch dargestellt (Abmessung nicht korrekt skaliert):
In einer ersten Ausführung (4. linke Abb.) wird eine Tesla-Turbine mit einer Öffnung 2 so unter der welligen Wasseroberfläche angeordnet, dass die Achse 1 im Wesentlichen horizontal verläuft und weitgehend senkrecht angeströmt wird. Das Gehäuse 6 weist einen Zulauf 2 auf, die Orientierung des Zulaufs 2 wird beibehalten, so dass sich nur über einen Teil der Orbitalbewegung eine Anströmung des Rotors 8 ergibt. Um eine verbesserte Effizienz der Turbine zu erreichen, wird in einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführung (4, mittlere Abb.) eine Variante mit n Zuläufen 2, 4 vorgeschlagen, die im Wesentlichen gleichmäßig über den Umfang des Turbinengehäuses verteilt sind. Beispielhaft dargestellt sind hier 4 Zuläufe. Um ein ungewünschtes Ausströmen zu vermeiden, können die Zuläufe mit einer Rückschlagklappe (nicht dargestellt) ausgestattet sein.
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Da diese Anordnung jedoch recht aufwändig ist, wird eine weitere Anordnung (4, rechte Abb.) mit einem mitdrehenden Gehäuse 6 vorgeschlagen, dessen Einlauföffnung 2 durch geeignete Maßnahmen wie zum Beispiel ein Wetterfahnenflügel 12 immer so ausgerichtet wird, dass er lagerichtig angeströmt wird. Dies bedeutet, dass das Gehäuse 6 pro Wellenperiode eine vollständige Umdrehung um die eigene Längsachse ausführt. Entsprechend der Erfindung kann auch (zusätzlich oder alternativ) der Auslass als Wetterfahne genutzt werden, es ist jedoch auch eine separate Wetterfahne möglich.
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Die vorstehend beschriebenen Ausführungen für den off shore Bereich sind durch entsprechende Maßnahmen unterhalb der Wasseroberfläche gehaltert. Die ersten beiden Varianten sehen vor, dass das Gehäuse 6 weitgehend ortsfest ist und auch nicht rotiert. Die dritte Variante ist explizit mit einer Rotation des Gehäuses 6 vorgesehen. Geeignete Mittel zur Halterung sind eine direkte Verbindung zum Meeresgrund über geeignete Pfeiler, Verankerungen am Meeresgrund mittels geeigneter Mooringmitteln unter Umständen in Kombination mit Auftriebskörpern. Alternativ ist auch eine Anordnung mehrerer Turbinen in einem gemeinsamen Rahmen oder Tauchplattform möglich, der durch Mooring- und Auftriebsmittel unter der Wasseroberfläche gehaltert wird.
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Die weiteren, im vorigen Abschnitt für near shore Betrieb-Turbinen genannten Punkte, können sinngemäß auch auf Turbinen im off shore Bereich übertragen werden. Dies gilt insbesondere für die Möglichkeit, das Fluid beidseitig (an den Endabschnitten der Rotationsachse 1) axial ausströmen zu lassen.
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Die dargestellten Gehäuse 6 sind nur schematisch gezeichnet. Alternativ sind auch Gehäuse 6 mit geändertem Einlauf entsprechend dem Stand der Technik möglich.
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Bei diesen verengt sich das Gehäuse dann aber spiralförmig oder alternativ wird das Fluid über entsprechende optional verstellbare Klappen auf den Rotor 8 gelenkt. Weitgehend geschlossene Gehäuse haben dabei den Vorteil, dass sich im Gehäuse ein erhöhter Druck aufbaut, der zu einer verbesserten Effizienz aufgrund eines größeren Fluideintrags in den eigentlichen Rotor 8 führt.
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Nachstehend werden erfindungsgemäße Ausführungsbeispiele für Energieumwandlungsanlagen mit Leitblechen (und ohne (geschlossenes) Gehäuse) für den near shore Bereich gemäß der 5 beschreiben.
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Wie in der Beschreibungseinleitung bereits ausgeführt wurde, sind im Stand der Technik Anordnungen ohne geschlossenes Gehäuse bekannt, die mit Leitblechen arbeiten, um eine weitgehend tangentiale Anströmung des Rotors zu erreichen. Im Idealfall wird dies auch unabhängig von der Anströmrichtung erreicht. Ändert sich die Anströmrichtung nicht oder nur wenig, so reichen wenige Leitbleche, die die Strömung auf der angeströmten Seite auf eine Seite des Rotors konzentriert. Wechselt die Strömungsrichtung und wird die Turbine von allen Seiten radial angeströmt, so sind Leitbleche auf allen Gehäuseseiten vorteilhaft, die zu einer gleichförmigen Anströmung des Rotors unabhängig von der Anströmungsrichtung führen.
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Derartige Anordnungen können erfindungsgemäß im Bereich der Wellenenergie in Küstennähe eingesetzt werden und entweder auf dem Meeresgrund montiert sein oder zwischen Meeresgrund und Wasseroberfläche, wie dies vorstehend bereits ausgeführt wurde.
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In der 5 ist eine Anordnung mit Leitblechen 14 dargestellt, die für eine bevorzugte Anströmungsrichtung ausreicht, wie sie beispielsweise in Flussläufen besteht. Das gestrichelt dargestellte Leitblech 14' ist nicht zwingend erforderlich, erhöht jedoch die Anströmung und damit die Effizienz. Werden Anströmungen aus im Wesentlichen zwei Richtungen erwartet, wie dies in Küstennähe im Bereich der Wellenenergie der Fall ist, so können entsprechend mehr Leitbleche 14 angebracht werden. Zudem kann der obere und der untere Bereich zwischen den linken und rechten Leitblechen 14 durch entsprechende Maßnahmen verschlossen werden, um hier eine ungerichtete Anströmung zu verhindern.
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Durch eine zusätzliche Kanalisierung 17 gemäß 6 mit evtl. sogar gekrümmten (nicht dargestellt) „Kanal”-wänden lässt sich die Effizienz noch werter steigern. Derartige Systeme können insbesondere auch im Bereich von Strömungen sowohl mit vertikaler als auch mit horizontaler Achsausrichtung zum Einsatz kommen.
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Nachfolgend werden anhand 7 erfindungsgemäße Anordnungen mit Leitblechen für den off shore Bereich beschrieben.
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Bei wechselnder Anströmungsrichtung sind in diesem Ausführungsbeispiel gemäß der 7 Leitbleche 16 entlang des Umfangs vorgesehen, wie dies in auch aus dem Stand der Technik beim Einsatz von Tesla Turbinen per se bekannt ist. Durch diese UmfangsLeitbleche 16 wird eine gleichförmige tangentiale Anströmung des Rotors 8 unabhängig von der Anströmrichtung erreicht. Derartige Anordnungen sind insbesondere für den off shore Bereich interessant, bei dem sich die Anströmungsrichtung kontinuierlich ändert. Zur Anordnung der Turbine und zur Halterung gelten die gleichen Punkte, die auch im vorstehenden Abschnitt über weitgehend geschlossene Gehäuse beschrieben wurden. Durch eine derartige Anordnung kann weitgehend kontinuierlich Energie aus der Orbitalbewegung einer Meereswelle gezogen werden. Grundsätzlich ist auch eine Kombination von Gehäuse mit Leitblechen zur verbesserten Strömungsführung möglich.
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Im Weiteren werden erfindungsgemäße Anordnungen ohne separates Gehäuse oder separate Leitbleche beschrieben.
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Erfindungsgemäß werden auch Tesla Turbinen ohne ein separates Gehäuse und/oder Leitbleche in der Energieumwandlungsanlage angeordnet, wie dies in 8 schematisch dargestellt ist. Nach dem Stand der Technik ist es bisher immer vorgesehen, dass sich der eigentliche Rotor 8 relativ zu einem Gehäuse 6 und/oder relativ zu den Leitblechen 14 bewegt. Erfindungsgemäß kann jedoch auf Gehäuse 8 und/oder Leitbleche 14 ganz verzichtet werden, bzw. in spez. erfindungsgemäßen Ausführungsformen sind Gehäuseteile und/oder Leitbleche 18 weitgehend starr mit dem Rotor 8 verbunden und rotieren mit der gleichen Winkelgeschwindigkeit um die Rotorachse 1.
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In bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsformen gemäß nachfolgender Beschreibung werden Tesla Rotoren vorgesehen, die an einem Hebelarm um eine horizontale Drehachse, die unter der Wasseroberfläche angeordnet ist, orbitieren. Aufgrund der Überlagerung aus Anströmung und Rotation ergibt dabei sich ein Strömungsfeld, das in etwa aussieht wie in der 9 dargestellt ist:
Hierbei sind eine momentane Durchströmung der Fläche von links nach rechts und eine Aufhängung des Hebelarms in der Bildmitte zugrunde gelegt. Resultierend ergibt sich ein Bereich mit einer ruhenden Strömung, um den herum die Strömungsvektoren weitgehend kreisförmig verlaufen. Der Abstand dieses „Auges” (Mittelpunkt der resultierenden Strömung) vom (Rotations-)Mittelpunkt hängt von dem Verhältnis aus Rotations- und Strömungsgeschwindigkeit ab. Bei sehr kleinen Strömungsgeschwindigkeiten wandert das Auge bei gleichbleibender Rotationsgeschwindigkeit in Richtung Zentrum, mit zunehmenden Strömungsgeschwindigkeiten gemäß der 9 nach oben. Der Mittelpunkt des Auges liegt auf dem Radius des Strömungsorbitals mit Mittelpunkt in der Bildmitte und ist damit abhängig von der aktuellen Wellenhöhe und der Tauchtiefe. Dargestellt ist hier nur eine Momentaufnahme. Aufgrund der Orbitalbewegung wandert das Auge bei konstanter Strömungs- und Rotationsgeschwindigkeit auf einer Kreisbahn um die Bildmitte.
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Im Folgenden werden zunächst Rotoren diskutiert, die ohne ein Gehäuse/Leitbleche auskommen. Ein beispielhafter Aufbau eines derartigen Rotors 8 ist in 7 oder 8 dargestellt, wobei insbesondere in der 8 schematisch nur die Rotorscheiben – in diesem Fall rotationssymmetrisch – dargestellt sind. Auf die Darstellung der Rotorwelle und weiterer Details wurde der Einfachheit halber verzichtet.
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In der 10 sind verschiedene Anordnungen einer an einem Hebelarm angeordneten erfindungsgemäßen Tesla Turbine schematisch dargestellt, wobei hier auf die Darstellung des Hebelarms der Halterung, etc. verzichtet wurde. Dargestellt ist stattdessen jeweils der Umriss des Rotors in der aktuellen Strömungsposition.
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Wird zunächst davon ausgegangen, dass ein Rotor einer Tesla Turbine mit einer Mehrzahl an parallel angeordneten Scheiben 8 die Strömung nicht beeinflusst, so ergibt sich für einen runden Rotor, dessen Rotationsachse mit dem Zentrum des Auges zusammenfällt eine reine Umströmung. In allen Punkten würde ein derartiger Tesla Rotor umströmt, die Strömungsrichtung entspricht an allen Rotorrandpunkten der Richtung des Rotationsvektors des Rotors. Damit ist dies ein sehr spezieller Strömungsfall, der ansonsten so nicht häufig vorkommt. Wird der Rotor nun frei drehbar gelagert, so stellt sich aufgrund von viskosen Reibungseffekten am Rotorumfang die Rotationsgeschwindigkeit so ein, dass die Umfangsgeschwindigkeit des Rotors weitgehend mit der Strömungsgeschwindigkeit der Partikel übereinstimmt. Damit sollte die Umströmung kaum beeinflusst werden.
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Wird nun an dem Rotor jedoch ein Drehmoment abgegriffen, dessen Rotationsgeschwindigkeit also reduziert, so werden die direkt benachbarten Wasserpartikel abgebremst und auf die von Tesla beschriebene spiralförmige Bahn in den Rotor gezwungen. Dadurch wird Energie von dem Fluid auf den Rotor übertragen.
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Das normalerweise vorhandene Gehäuse wird hier im Prinzip durch die Ausprägung der Fluidströmung ersetzt. Erfindungsgemäß kann durch geeignete – vorzugsweise einstellbare – Mittel wie zum Beispiel einen Widerstandskörper und/oder einen Auftriebsläufer, der/die an dem Hebelarm angreifen, sichergestellt werden, dass die Umlaufgeschwindigkeit der Turbine in etwa mit der des Auges übereinstimmt. Da sich aufgrund von Änderungen in der Anströmung in unregelmäßigen Wellenzuständen der radiale Abstand des Auges vom Drehpunkt des Hebelarms ändern kann, kann die Länge des Hebelarms erfindungsgemäß veränderbar sein. Über entsprechende Sensorik wird die notwendige Regelung ermöglicht.
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Neben der Einsparung des Gehäuses bzw. von Leitblechen ergibt sich mit dieser Konfiguration eine Anordnung, auf die keine resultierenden Kräfte wirken, da sich die am Umfang angreifenden Kräfte im Wesentlichen gegenseitig aufheben. Dadurch wird die Halterung eines derartigen Rotors besonders einfach.
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Im Betrieb wird es trotz entsprechender Überwachung und Regelung voraussichtlich nicht möglich sein, den Drehpunkt des Rotors immer genau im Auge zu positionieren – hier wird sich häufig ein gewisses Offset einstellen. Dies muss jedoch nicht schlimm sein, da sich damit auf der Seite des Rotors, die am weitesten vom Auge entfernt ist eine Anströmung ergibt, die tendenziell zu einer direkten Anströmung dieses Randbereichs führt, wodurch hier eine verbesserte Effizienz erreicht wird. Auf der gegenüberliegenden Seite ergibt sich eine entsprechende Verringerung der Effizienz, so dass die Gesamteffizienz weitgehend konstant bleiben sollte. Nachteil sind resultierende Kräfte auf die Struktur, die abgestützt werden müssen.
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Um auf eine aufwändige Regelung der Hebelarmlänge im Betrieb verzichten zu können, ist es aufgrund der geringen Änderungen in der Wandlungseffizienz wahrscheinlich gut möglich, den Hebelarm des Rotors auf eine mittlere Wellenhöhe einzustellen, so dass die Augenposition quasi durch die Rotorachse hindurchoszilliert. Erfindungsgemäß kann in dieser Ausgestaltungsform jedoch auch vorgesehen sein, dass der Rotor immer in einer leicht aus dem Auge ausgelenkten Position betrieben wird, wenn sich dies im Betrieb Effizienz steigernd auswirken sollte.
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In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform gemäß der 10 ist der Rotor ohne Gehäuse oder ähnliches so an einem Hebelarm aufgehängt, dass der Mittelpunkt des Auges und die Rotorachse deutlich voneinander entfernt sind (siehe Kreis am rechten unteren Bildrand von 10). In diesem Fall ist aus dem dargestellten Strömungsfeld offensichtlich, dass die Durchströmung der Rotorfläche ungleichförmig ist, der Rotor also auf seiner dem Mittelpunkt entfernten Seite stärker angeströmt wird, als an der gegenüberliegenden Seite. Dies führt zu einer Rotation des Rotors entgegen dem Uhrzeigersinn. Sicherlich wird die Strömung durch den Rotor beeinflusst, hier könnte auch der Magnuseffekt eine Rolle spielen, es wird jedoch davon ausgegangen, dass an einem derartig gelagerten Rotor ein nutzbares Drehmoment abgegriffen werden kann.
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In einer weiteren Ausführungsform ohne Gehäuse mit Halterung der Rotorachse an einem Hebelarm derart, dass der Rotordrehpunkt in etwa mit dem Augenmittelpunkt zusammenfällt, wird ein nichtrunder Rotor vorgeschlagen. Dieser kann beispielsweise elliptisch ausgeformt sein und weitgehend in seinem Mittelpunkt gelagert sein (siehe zentrale Ellipse gemäß 10). Er kann über n-Ausbuchtungen verfügen, die von einem kreisrunden Rotor abweichen, wobei n auch explizit gleich 1 sein kann. Bei n gleich 0 ergibt sich die die zuerst beschriebene Ausführungsform die ebenfalls in 10 dargestellt ist.
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Durch die nichtkreisförmige Ausgestaltung ragen nun die über den Kreisradius hinausragenden Rotorbereiche in eine Anströmung hinein, die nun nicht mehr in Umfangsrichtung gerichtet ist, sondern diesen Bereich direkt anströmt. Dadurch wird eine verbesserte Effizienz des Rotors mit einem höheren Rotordrehmoment erreicht.
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Zusätzlich kann ein runder oder ein nichtrunder Rotor auch außermittig gelagert sein (siehe dezentrale Ellipse gemäß 10). Bei derartiger Anordnung ergeben sich jedoch wieder resultierende Kräfte, die entsprechend abzustützen sind. Alternativ ist es jedoch auch möglich, mehrere derartige nichtrunde Rotoren mit nichtmittiger Lagerung an einer gemeinsamen Welle zu kombinieren. Wenn diese Winkel versetzt angeordnet sind, so lassen sich die resultierenden Kräfte, die an der Welle angreifen, gegenseitig ausgleichen, so dass wieder ein im Wesentlichen kraftfreies System entsteht.
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Bei den zuletzt beschriebenen erfindungsgemäßen Ausführungsformen wurde ein Rotor vorgeschlagen, der aus einer Mehrzahl an parallel auf einer Welle angeordneten Scheiben besteht, der jedoch keine Gehäuseteile und/oder Leitbleche enthält. Um bei derartigen Rotoren eine ausreichende Festigkeit der Rotorblätter vor allem in Bezug auf eine Queranströmung zu erreichen, können diese entsprechend stark ausgeführt sein und/oder sich beispielsweise mit entsprechenden Zwischenstücken gegeneinander abstützen.
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Alternativ sind auch radiale Leitbleche 18 denkbar, die um den Rotor 8 herum angeordnet sind (mitrotierend oder stationär), die entsprechend steif ausgeprägt sein können und das anströmende Fluid so umlenken, dass es weitgehend senkrecht zur Rotorachse auf den äußeren Rotorumfang trifft (siehe 11). Derartige Leitbleche 18 können auch in den nachfolgenden Konfigurationen mit Gehäuse und/oder Leitblechen zum Einsatz kommen. Derartige Leitbleche 18 zur Verhinderung einer Quer- oder Schräganströmung können insbesondere auch im Seitenbereich der Rotoren zum Einsatz kommen. Derartige Leitbleche 18 haben aufgrund ihres sehr unsymmetrischen Strömungswiderstands zusätzlich noch die Eigenschaft, die Anlage so zur Strömung auszurichten, dass diese weitgehend senkrecht zur Rotationsachse 1 angeströmt wird. Damit wird eine Queranströmung der Rotorscheiben 8 relativ sicher vermieden (Öffnungen zur Abführung von Fluid sind hier der Einfachheit halber nicht dargestellt).
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In weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsformen dieses Abschnitts wird der Rotor 8 nun um mantelförmige Leitelemente und/oder Gehäuseteile 20 erweitert, die jedoch Bestandteil des Rotors 8 sind, wie dies in den 12–15 gezeigt ist.
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Die Effizienz des erfindungsgemäßen Rotors kann noch weiter gesteigert werden, wenn die Hinterseite der Bereiche des Rotors, die über eine Kreisgeometrie hinausragen und damit direkter durchströmt werden, mit einem Mantel 22 versehen (siehe Prinzipskizze gemäß 12), so dass das Fluid hier nicht wieder austreten kann, sondern spätestens an der Innenseite des Mantels umgelenkt wird, so dass auch hier noch Kräfte durch das Fluid auf den Rotor übertragen werden. Dabei sei erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Mantel 22 entweder direkt auf die Enden der Rotorscheiben 8 aufgebracht sein kann bzw. stoff- und/oder formschlüssig mit diesen verbunden ist und/oder von diesen gebildet wird. Alternativ ist auch ein mitrotierendes Gehäuse möglich, das fest mit beispielsweise der Rotorwelle 1 verbunden ist, das am Umfang aber durchaus einen Spalt zwischen Gehäuse und Umfang der Rotorscheiben aufweisen kann.
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Im gezeigten Fall ergeben sich zwei Öffnungen 2, 4 entlang des Rotorumfangs, durch die ein Fluid einströmen kann. In den anderen Bereichen kann kein Fluid eintreten. Erfindungsgemäß ist jedoch vorgesehen, dass n Mantelöffnungen 2, 4 entlang des Umfangs verteilt sein können, vorteilhafter Weise gleichmäßig verteilt. In Kombination mit einem derartigen mantelartigen Gehäuse 22 können die Rotorscheiben 8 beispielsweise eine runde Geometrie haben, bei der das Gehäuse dann erfindungsgemäß eine von den Rotorscheiben abweichende Geometrie aufweist. Alternativ sind jedoch auch nicht runde Rotorscheiben möglich, die in etwa der Gehäusegeometrie entsprechen.
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Die in 13 dargestellten Versionen sind nur beispielhaft und sind insbesondere in Bezug auf Abmessungen nicht realitätsgetreu. Auch die Öffnungsgestaltung der Einlässe ist nur beispielhaft. Insbesondere bei Rotorscheiben, die nicht bis an die Vorderkante der Einlässe ragen, sind Leitbleche oder ähnliches denkbar, um eine schräge Anströmung zu vermeiden. Zudem ist auch bei einer Kombination eines Rotors mit einem Gehäuse durchaus möglich, dass Rotorteile aus dem Gehäuse herausragen.
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Die in 13 dargestellten Gehäuse/Leitelemente 24 übernehmen mindestens eine Doppelfunktion:
- • Die Innenfläche des Mantels 22 führt zu einer verbesserten Umlenkung des Fluids, das dadurch in besserem Kontakt zu den Rotorscheiben 8 steht.
- • Die Außenfläche des Mantels 22 stellt zusammen mit den Einlässen sicher, dass die Rotorscheiben 8 unabhängig von der Anströmungsrichtung an ihrem Umfang im Wesentlichen tangential angeströmt werden.
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Damit ist ein derartiger Rotor 8 besonders vorteilhaft in der oben beschriebenen Strömungskonfiguration einsetzbar. Jedoch wird mit einer derartigen Konfiguration auch ein Einsatz unter Queranströmung bzw. nicht rotierender Strömung ermöglicht.
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Bei einer Queranströmung wird durch die verteilten Öffnungen nur eine lagerichtige Anströmung der Rotorscheiben 8 ermöglicht. In den Bereichen, in denen die Strömung entgegen der Drehrichtung des Rotors 8 gerichtet ist, wird sie vom Mantel 22 umgelenkt. Der Mantel 22 kann hierbei so gestaltet sein, dass er der Strömung einen möglichst geringen Strömungswiderstand bietet, wie dies beispielhaft in dargestellt ist. Damit ergibt sich mit dem beschriebenen Rotor 8 ein ähnlicher Effekt wie bei bekannten Widerstandsläufern wie zum Beispiel dem Savonius-Rotor, der unabhängig von der Anströmungsrichtung immer in die gleiche Richtung rotiert.
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Hinter den dargestellten Einlässen 2 können Leitbleche 26 vorgesehen sein, die das anströmende Fluid zumindest für eine Weile auf einer tangentialen Bahn halten. Diese sind schematisch in 15 dargestellt.
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Derartige innere Leitbleche 26 sind insbesondere dann interessant, wenn die Anzahl der Öffnungen 2 im Mantel 22 groß wird. Durch diese Leitbleche kann 26 zuverlässig verhindert werden, dass Fluid aus einer nachgelagerten Öffnung 2 wieder austritt.
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In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform mit Mantel 22 sind die Einlauftaschen, d. h. die plattenartigen Strömungsleitelemente 24 gemäß der 14, rechte Abb. klappbar angeordnet (mit oder ohne innere Leitbleche).
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In ist beispielhaft eine Variante ohne innere Leitbleche dargestellt, wobei auch hier die geometrische Ausgestaltung nur beispielhaft gegeben ist. Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass sich bei einer lagerichtigen Anströmung die jeweilige Klappe 24 öffnet, während bei einer lagefalschen Anströmung die Klappe 24 geschlossen wird. Dies kann passiv allein durch die Anströmung verursacht werden. Dadurch ergibt sich insbesondere im Bereich von Queranströmungen eine besonders hohe Effizienz einer erfindungsgemäßen Turbine.
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In den 12–15 sind weitgehend geschlossene Gehäusevarianten dargestellt. Zwischen erfindungsgemäßen Rotoren mit derartigen Gehäusen und erfindungsgemäßen Rotoren ganz ohne Gehäuse werden gemäß der vorliegenden Erfindung auch noch Rotoren mit schaufelartigen Leitblechen 28 vorgeschlagen, wie sie in 16 dargestellt sind. Diese können insbesondere im Fall rotierender Strömungen vorteilhaft eingesetzt werden, um die Anströmung des Rotors zu verbessern. Bei entsprechender Ausgestaltung der Leitbleche 28 mit ausreichender Abschirmung der lagefalsch angeströmten Rotorbereiche ist jedoch auch ein Einsatz in stationären Strömungen möglich. Hier können die Leitbleche 28 stärker gekrümmt sein und/oder klappbar ausgeführt sein.
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In den gezeigten Gehäuse-/Leitblechdarstellungen ist jeweils nur ein Ausschnitt der Gesamtbaugruppe dargestellt. Die Welle und Aufhängung wurde jeweils gar nicht dargestellt. Es sei angenommen, dass die Baugruppe axial entsprechend weiter fortgesetzt werden kann.
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Die dargestellten Gehäuseteile können stoff- und/oder formschlüssig mit den Rotorscheiben verbunden sein und/oder nur an der Rotorwelle gehaltert sein. Zudem ist auch möglich, die Rotorscheiben so auszugestalten, dass sich durch eine geschickte Ausprägung Teile des Gehäuses und/oder der Leitbleche aus Fortsätzen der Rotorscheiben ergeben, diese also einstückig sind. Alternativ können die Gehäuse- und/oder Leitelemente auch nur an den Rotorscheiben befestigt sein, ohne zusätzlich an der Rotorwelle befestigt zu sein.
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Die in den 13–15 dargestellten Ausführungsformen können an einem Hebelarm rotierend gelagert sein. Aufgrund der durch Gehäuse und/oder Leitbleche erfindungsgemäßen Charakteristik einer richtungsunabhängigen Funktionsweise können derartige erfindungsgemäße Turbinenausgestaltungen jedoch insbesondere auch ohne Hebelarm in laminarer Strömung eingesetzt werden und/oder einem ständig wechselnden Strömungsfeld wie im Fall der Orbitalströmung von Meereswellen ausgesetzt werden. Dadurch vereinfacht sich die Aufhängung entsprechend, wobei die aus dem Strömungswiderstand des Rotors resultierenden Kräfte durch eine entsprechende Halterung abzustützen sind.
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in vorteilhaften Weiterbildungen haben die beschriebenen Rotoren idealer Weise einen weitgehend neutralen Auftrieb.
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Bei allen dargestellten Varianten mit mitrotierendem Gehäuse und/oder Leitelementen sind diese in den gezeigten Darstellungen derart ausgeführt, dass die Öffnungen im Wesentlichen in axialer Richtung verlaufen. Um ungleichförmige Anströmungen entlang des Rotors auszugleichen ist in weiteren Ausgestaltungen vorgesehen, dass die Elemente schraubenförmig um den Rotor herum verlaufen, so dass ungleichförmige Anströmungen des Rotors ausgeglichen werden. Insbesondere klappbare Öffnungen können zu diesem Zweck entlang der Rotorachse segmentiert ausgestaltet sein.
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Im Stand der Technik werden viele Varianten vorgeschlagen, die die Befestigung der Rotorscheiben an der zentralen Welle betreffen. Hier wird versucht, die in der ursprünglichen Anmeldung von Tesla beschriebenen Speichen zu verändern und/oder geschickt zu verlagern, um eine möglichst geringe Strömungsbeeinflussung zu erreichen. Derartige Ansätze können auch bei den in dieser Schrift beschriebenen Rotorvarianten zum Einsatz kommen.
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Erfindungsgemäß sei jedoch vorgeschlagen, auf eine zentrale Welle komplett zu verzichten. Zur Drehmomentübertragungen könnten Leitelemente verwendet werden, die zwischen den Rotorscheiben angeordnet sind und diese fest miteinander verbinden. In einer alternativen und besonders bevorzugten Ausführungsform wird vorgeschlagen, die am Umfang des Rotors angeordneten Gehäuse- und/oder Leitblechanteile für die Drehmomentübertragung zu nutzen. Hierzu ist es notwendig, die Scheiben entsprechend kraftschlüssig mit dem Gehäuse und/oder den Leitblechen zu verbinden. An den Stirnseiten des Rotors kann das Drehmoment dann abgegriffen werden, beispielsweise über Stirnplatten und daran befestigte Wellenzapfen. Alternativ ist es auch möglich, das Drehmoment über Ringgeneratoren zu wandeln, die die Rotation direkt am Umfang abgreifen.
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Entgegen dem Stand der Technik, in dem eher kompakte Rotoranordnungen beschrieben werden, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, Rotoren mit großer Längserstreckung zu bauen, um möglichst große Drehmomente zu erreichen. Eine Längenbeschränkung besteht nicht, wenn das erzeugte Drehmoment abgegriffen werden kann und der Rotor über seine Länge auch eine ausreichende Biegesteifigkeit besitzt.
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Um das in den Rotor eingeleitete Wasser abführen zu können, kann der Rotor entlang seiner axialen Erstreckung in Segmente unterteilt werden. Aus diesen kürzeren Bereichen könnte das Wasser relativ problemlos abgeführt werden. Zudem bieten derartige Segmente die Möglichkeit einer Modulfertigung, bei der der Gesamtrotor aus axial zusammengesetzten Einzelmodulen gefertigt wird.
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Im Nachfolgenden werden spezielle Rotorausgestaltungen anhand der 17 beschrieben.
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Im Stand der Technik sind die Rotorscheiben typischerweise flach ausgeführt. Verschiedentlich werden Leitelemente auf den Scheibenflächen und oder an den Außenflächen vorgeschlagen. Alternativ wird auch ein Anätzen vorgeschlagen, um Kanäle zu erzeugen. Zudem werden Beschichtungen vorgeschlagen, insbesondere katalytischer Art.
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Prinzipiell werden möglichst glatte Oberflächen und abgerundete Stirnflächen als vorteilhaft benannt. Des Weiteren befassen sich mehrere Anmeldungen mit der Ausgestaltung der zentralen Öffnung zur Abführung des Fluids. Auch hier wird eine ganze Reihe an vorteilhaften Ausgestaltungen vorgeschlagen.
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Aufgrund der im Stand der Technik insbesondere im Pumpenbereich vorliegenden hohen Drehzahlen von häufig mehreren 1000 U/min sind die Rotorscheiben im Betrieb hohen Belastungen ausgesetzt. Deswegen ist hier eine flache Ausgestaltung ohne Unwuchten von Vorteil.
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Insbesondere bei einem Turbineneinsatz in strömenden Fluiden sind jedoch deutlich geringere Strömungsgeschwindigkeiten zu erwarten, die zu deutlich geringeren Rotorbelastungen führen. Deswegen wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Reihe von nichtflachen (tellerförmigen) Rotorscheiben 8 vorgeschlagen. Bereits die im vorigen Abschnitt vorgestellten nichtrunden Rotorkonfigurationen führen im Betrieb zu Unwuchten, die bei hohen Drehzahlen problematisch wären, aufgrund der anvisierten Einsatzfälle aber als unkritisch eingestuft werden.
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Als Scheibenmaterialien sollen im Rahmen dieser Erfindung alle im Stand der Technik benannten Materialien beansprucht werden. Hierzu gehören insbesondere Metalle, Sintermetalle, Keramik, Kunststoffe, Faserverbundwerkstoffe, Gläser, Gummis, Materialien aus dem Bereich des Rapid Prototypings etc. Die Rotorscheiben können insbesondere zum Schutz gegen Korrosion entsprechend beschichtet werden.
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Einige dieser Materialien wie beispielsweise Metalle und Kunststoffe lassen sich durch Tiefziehprozesse in komplexe dreidimensionale Geometrien überführen. Alternativ können derartige Geometrien auch besonders leicht durch Gussprozesse wie zum Beispiel Spritzguss erstellt werden.
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Um besonders hohe Oberflächengüten zu erreichen können bekannte Schleif- und Polierprozesse eingesetzt werden zu den beispielsweise das Gleitschleifen und das Elektropolieren gehören. Beide Verfahren haben den Vorteil, dass mit ihnen auch komplexe Geometrien bearbeitet werden können.
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Beispielhaft sollen im Folgenden einige nichtebene Fälle diskutiert werden. In 17 ist eine Rotorscheibe und ein daraus abgeleiteter Rotor dargestellt, die im Bereich der inneren Öffnung in axialer Richtung ausgewölbt ist. Dadurch wird eine kontinuierliche Umlenkung des Fluids in axiale Richtung erreicht, was gegenüber dem Stand der Technik, bei dem das Fluid schlagartig umgelenkt wird eine deutliche Verbesserung bedeutet. Eine schlagartige Umlenkung führt eher zu einer turbulenten Strömungsausbildung, die zu einer reduzierten Gesamteffizienz führt.
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Der Umlenkungsbereich sollte in radialer Richtung klein sein, um einen großen Bereich der Scheibe zu erhalten, in denen die Strömung rein radial ist, wodurch ein besonders hoher Anteil der Fluidströmung in ein Drehmoment gewandelt wird.
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In 17 ist zudem dargestellt, dass insbesondere bei grollen axialen Erstreckungen des Rotors eine beidseitige Ausströmung des Fluids vorteilhaft ist, um den Volumenstrom nicht zu sehr anwachsen zu lassen. Dazu kann die Orientierung der Umlenkung an der Scheibe etwa in der Rotormitte geändert werden. Zusätzlich kann die zentrale Öffnung in ihrem Durchmesser an die axiale Position angepasst werden.
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Alternativ zu einer derartigen trichterförmigen Ausgestaltung der Rotorscheiben, die im Übrigen auch mit nichtrotationssymmetrischen Scheibengeometrien kombiniert werden kann, sind auch andere nichtflache Scheibenformen erfindungsgemäß möglich. Hierzu kann eine Ausformung in radialer Richtung oder eine Ausformung in Umfangsrichtung realisiert werden.
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Neben einer prinzipiellen Nichtebenheit der Rotorscheiben sollte erfindungsgemäß insbesondere vorgesehen sein, dass Leitelemente an oder auf den Scheiben vorgesehen werden, die das Strömungsverhalten und damit die Drehmomentübertragung positiv beeinflussen können. Hierbei kann es sich um Erhöhungen handeln, die entweder als Widerstandskörper und/oder als Auftriebsläufer fungieren.
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Interessant ist jedoch, dass entweder entsprechende Leitelemente vorgesehen sind, die entweder nur am Umfang des Rotors vorgesehen sind, oder die vom Umfang bis zur Mitte verlaufen. Deswegen werden im Rahmen dieser Erfindung insbesondere Leitelemente vorgesehen, die nicht nur im äußeren Rotorbereich angeordnet sind, die aber zudem nicht vom äußersten Rand bis in die Mitte reichen.
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Ebenfalls ist der Stand der Technik dahingehend zu verstehen, dass die bekannten Leitelemente auf die Scheiben aufgebracht werden, oder durch ein Ätzverfahren erzeugt werden. Erfindungsgemäß ist es jedoch bevorzugt vorgesehen, dass die Leitelemente und Scheiben durch entsprechende Umform- (z. B. Tiefziehen) und/oder Urformverfahren (z. B. Spritzgießen) einstückig hergestellt werden.
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Zusätzlich sei erfindungsgemäß beansprucht, dass die Leitelemente 30 durch eine unterschiedliche Beschaffenheit der Rotoroberfläche erreicht werden können. So führen Bereiche mit einer erhöhten Rauhigkeit zu einem anderen Strömungsverhalten, als Bereiche mit geringer Rauhigkeit. Die Rauhigkeit kann beispielsweise über Prägeprozesse ortsspezifisch eingestellt werden.
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In 18 ist beispielhaft eine derartige Scheibe dargestellt. Auf dieser verlaufen Leitelemente vom Scheibenrand bis zur Scheibenmitte. Die Leitelemente 30 können jedoch auch einen anderen Verlauf haben und müssen insbesondere nicht von ganz außen bis ganz nach innen verlaufen.
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Rotorscheiben mit den erfindungsgemäßen Leitelementen 30 lassen sich auf verschiedene Weise kombinieren. In den 19–20 sind verschiedene Kombinationen von entsprechenden Rotorscheiben dargestellt, wobei die Leitelemente nicht auf die dargestellten Varianten beschränkt sind.
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in 19 wird angenommen, dass die Leitelemente 30 nur in einer Richtung auf den Rotorscheiben 8 ausgeformt sind. In der linken Darstellung sind die Leitelemente 30 deckungsgleich angeordnet, die Leitelemente 30 der unteren Scheibe ragen jedoch nicht in die Leitelemente 30 der oberen Scheibe hinein, d. h. der Abstand der Scheiben ist größer als die Erhebung der Leitelemente.
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In der mittleren Darstellung ragen die Leitelemente 30 in die Aussparungen der nächsten Scheibe hinein, die Scheiben sind hier unter einem leichten Winkel relativ zueinander angestellt. Eine derartige Verschränkung der Scheiben ist nur mit einer dargestellten „tiefgezogenen” Version der Leitelemente 30 möglich.
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In der rechten Darstellungen sind die Rotorscheiben gegeneinander verdreht angeordnet, so dass die Leitelemente 30 versetzt erscheinen.
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Prinzipiell können die Leitelemente 30 auch so groß sein, dass sie den gesamten Abstand zwischen den Rotorscheiben ausfüllen. Des Weiteren können natürlich auch weitere Leitelemente aufgebracht werden bzw. um eine höhere Stabilität des Gesamtrotors zu erreichen, können zwischen den Rotorblättern Stützscheiben eingesetzt werden, die auch als Leitelemente ausgeformt sein können. Dies ist im Stand der Technik hinreichend bekannt.
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In der 19 wurden Scheiben miteinander kombiniert, deren Leitelemente alle einseitig ausgeprägt sind. In 20 werden im Gegensatz hierzu Scheiben 8 miteinander kombiniert, die beidseitig mit Leitelementen 30 versehen sind. Weitere mögliche Kombinationen sind für den geübten Fachmann basierend auf dieser Schrift leicht herleitbar.
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Prinzipiell eignen sich die beschriebenen und Leitblechkonfigurationen auch für den Einsatz in Kombination mit reinen Widerstandsläufern und/oder Auftriebsläufern. Soweit dies aufgrund des Standes der Technik möglich ist, sollen derartige Anordnungen insbesondere im Bereich der Wellenenergie ebenfalls beansprucht werden oder mit einer eigenen Anmeldung abgedeckt werden. Die Erfindung ist nicht auf Wasser als Fluid beschränkt, sondern kann auch im Windbereich vorteilhaft eingesetzt werden. Im Weiteren wird die Halterung von Rotoren im off shore Bereich anhand der 21 beschrieben.
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Wie bereits erwähnt, können die erfindungsgemäßen Rotorkonfigurationen mit integriertem Gehäuse und/oder Leitblechen auch in Küstennähe genutzt werden, da durch die erfindungsgemäßen Umleitfunktionen eine eindeutige Rotationsrichtung unabhängig von der Anströmungsrichtung vorgegeben wird. In Küstennähe können derartige Rotoren relativ einfach auf dem Meeresgrund befestigt werden, so dass die Rotorachse weitgehend parallel zur Küste ausgerichtet ist.
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Im off shore Bereich sind die Anforderungen an eine Verankerung jedoch wesentlich größer. Für den aus dem Stand der Technik bekannten „Wave Harrow” wurde bereits eine Reihe an Verankerungsmöglichkeiten vorgeschlagen. Hierzu gehören die Anordnung mehrerer Kopplungskörper (Auftriebs- und/oder Widerstandsläufer) in einem gemeinsamen Rahmen mit großer Längserstreckung (siehe 21), eine Anordnung eines Kopplungskörpers in einem weitgehend senkrecht orientierten Rahmen (siehe 22) oder die Kombination eines großen horizontalen Rahmen mit mehreren senkrecht orientierten Rahmen (siehe 23). Derartige Gehäusesysteme sind für die vorliegende Erfindung ebenfalls realisierbar, wobei als Kopplungskörper jeweils ein oder mehrere der beschriebenen Rotoren zum Einsatz kommen können. Gerade in Kombination mit einer weitgehend kraftfreien Lösung eines an einem Hebelarm im „Auge” angeordneten Rotors sind die Anforderungen an die Halterung gering.
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Im Gegensatz zu Auftriebs- und Widerstandsläuferen, bei denen prinzipbedingt nur eine Drehrichtung realisierbar ist, lässt sich bei einigen der in dieser Schrift beschriebenen Ausführungsformen die Rotationsrichtung von der Orbitalbewegung entkoppeln. Prinzipiell funktionieren diese Rotoren wie übrigens auch ein Savonius-Rotor bei einer Längsüberströmung.
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Bei diesen Lösungen erscheint es möglich, eine Mehrzahl von jeweils gegenläufig rotierenden Rotoren miteinander zu kombinieren, so dass das Drehmoment zwischen diesen Rotoren abgegriffen werden kann. Dadurch entfällt die Notwendigkeit, dass Drehmoment am Rahmen abzugreifen und diesen abzustützen. Dies ist eine Vereinfachung gegenüber anderen Maschinenkonzepten.
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In 24 sind die Rotorenden von zwei gegenläufig rotierenden Rotoren dargestellt. Wird das Mittel zur Drehmomentwandlung zwischen diesen beiden Rotoren angeordnet, so wird keine externe Drehmomentabstützung am Rahmen benötigt. Die Darstellung ist stark schematisch, aber für den geübten Fachmann sind die Möglichkeiten für einen Generatoreinbau sofort offensichtlich. Wie bereits beschrieben, sind auch mehr als zwei gegenläufig rotierende Rotoren axial miteinander kombinierbar.
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Mit einer derartigen Kombination mehrerer gegenläufiger Rotoren, die unabhängig von der Anströmungsrichtung funktionieren und keine externe Drehmomentabstützung benötigen, lässt sich neben den oben beschriebenen Rahmenanordnungen eine besonders einfache Verankerung am Meeresgrund erreichen wie dies in 25 dargestellt ist. Hier ist vorgesehen, den Rotor mit entsprechendem Mooring 32 und Auftriebskörpern 34 gegen den Meeresgrund zu verspannen, so dass die Achse weitgehend ruhend angeordnet ist (die Rotorabmessungen zu Wellenabmessung sind nicht notwendiger Weise korrekt skaliert). Andere Mooringprinzipien als das dargestellte Taunt-Mooring und insbesondere auch der Einsatz von sogenannten Heave-Plates zur Stabilisierung der Anlage sind möglich.
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Wird keine Kombination von gegenläufig rotierenden Rotoren verwendet, deren Drehmomente sich gegenseitig ausgleichen, so kann sich der Generator beispielsweise an den Mooring-Ketten abstützen, um das Drehmoment zu wandeln.
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Alle vorstehend beschriebenen Rotorvarianten können erfindungsgemäß an einem rotierenden Hebelarm 36 angeordnet werden. In 26 ist dies nicht maßstabsgetreu schematisch dargestellt.
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Ebenfalls in 26 dargestellt ist ein Auftriebsläufer 38, der dafür gedacht ist, den Mittelpunkt des Rotors mit dem Mittelpunkt des Auges mitzuführen. Dieser ist nur beispielhaft dargestellt. Unter Umständen kann auf einen derartigen Körper verzichtet werden, und/oder es kann sich hierbei um einen Auftriebsläufer/Widerstandsläufer handeln. Der Hebelarm 36 des Rotors 8 kann zudem einstellbar sein, was ebenfalls nicht dargestellt ist. Auch das Mooringsystem 32 ist nur als Beispiel zu verstehen. Andere Mooringsysteme, insbesondere Mooringsysteme, die eine Ausrichtung des Systems dergestalt zulassen, dass die Wellenausbreitungsrichtung im Wesentlichen senkrecht zur Rotorachse verläuft, sind besonders bevorzugt einsetzbar. Auch eine Kombination mit einer Heave-Plate oder anderen stabilisierenden Mitteln sei erwähnt.
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Da in diesem Fall (mit Hebelarm) keine Rotorkombination aus gegenläufigen Rotoren möglich ist, muss das Rotordrehmoment anderweitig abgestützt werden. Erfindungsgemäß wird eine Lösung entsprechend 27 vorgeschlagen, bei der das Gegendrehmoment durch an einem drehbar am Rotor/auf der Rotorwelle gelagerten Hebelarm (Ausgleichshebel) 40 angreifende Auftriebs- und/oder Gewichtskräfte erzeugt wird.
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Die Erfindung betrifft eine regenerative Energieanlage mit einer Turbine der Tesla-Turbinenbauart, bestehend aus einem Rotorscheibenpaket, das um eine gemeinsame Achse drehbar vorzugsweise in einem Gehäuse gelagert ist, wobei die Turbine zumindest einen Fluideinlass tangential zum Scheibenpaket und zumindest einen Fluidauslass hat, Der zumindest eine Fluideinlass ist trichterförmig ausgestaltet oder hat einen trichterförmigen Aufsatz hat. Alternativ oder zusätzlich hierzu ist eine Mehrzahl von Fluideinlässen vorgesehen, die im gleichen Umfangsabstand bezüglich des Rotorscheibenpakets im Gehäuse ausgenommen sind. Weiter alternativ oder zusätzlich ist das Rotorscheibenpaket umfangsseitig von einem daran gehaltenen Mantel mit einer Anzahl von Einlassöffnungen umgeben.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Rotationsachse
- 2, 4
- Fluideinlässe
- 6
- Gehäuse
- 8
- Scheibenpaket/Rotor
- 9
- Stützpfeiler
- 10
- Einlauftrichter
- 12
- Wetterfahnenflügel
- 14
- Leitbleche
- 16
- Umfangsleitbleche
- 17
- Kanalisierung
- 18
- Radiale Leitbleche in Achsrichtung beabstandet
- 20
- Mantelförmige mitdrehende Leitelemente
- 22
- Mantel
- 24
- Mantelseitige Leitelemente/Platten
- 26
- Innere radiale Leitbleche an mantelseitigen Platten gehalten
- 28
- Schaufelförmige Leitelemente am Rotor
- 30
- Rotorscheiben-Leitelemente (integriert)
- 32
- Mooring-Kette
- 34
- Auftriebskörper
- 36
- Hebelarm mit zentraler Abtriebswelle
- 38
- Auftriebsläufer
- 40
- Ausgleichshebel
- 42
- Gewicht
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 1061142 [0002]
- US 1061206 [0002]
- EP 0537146 B1 [0009]
- US 7573148 B2 [0010]
- US 2003/0053909 A1 [0011]
- WO 2008/134868 [0012]
- US 2008/0131273 A1 [0013]
- US 2001/0019693 A1 [0014]
