DE3330899A1

DE3330899A1 - Anordnung zur vergroesserung der geschwindigkeit eines gas- oder fluessigkeitsstromes

Info

Publication number: DE3330899A1
Application number: DE19833330899
Authority: DE
Inventors: Ingo Prof. Dr.-Ing. 1000 Berlin Rechenberg
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1983-08-25
Filing date: 1983-08-25
Publication date: 1985-03-14
Also published as: DE3330899C2

Description

Anordnung zur Vergrößerung der Geschwindigkeit eines Gas-
oder Flüssigkeitsstromes Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Vergrößerung eines Gas- oder Flüssigkeitsstromes.
Bei der Suche nach Energie hat sich das Interesse wieder der unerschöpflichen Windenergie zugewandt. Die seit langem bekannten Windgeneratoren müssen jedoch im Vergleich zu anderen Energielieferanten sehr groß ausgelegt werden, können nur innerhalb eines begrenzten Geschwindigkeitsintervalls betrieben werden und sind schwer regelbar. Windenergie zu verdichten, ehe sie eine Turbine antreibt, wird allseits als Wunschziel der Windkrafttechnik angesehen.
Es sind bereits windkonzentrierende Vorrichtungen bekannt.
Bei der Mantel turbine erhält der Generator eine tragflügelartige Ummantelung, bei der die Saugseite innen liegt.
Die auf der Saugseite sich bildende Übergeschwlndigkeit wird genutzt (Ingra, O.: Design and Construction of a Pilot Plant for Shrouded Wind Turbine. Second International Symposium on Wind Energy Systems 1978). Eine solche Mantelturbine erreicht zwar gegenüber dem freifahrenden Rotor eine Leistungskonzentration von 3,5, doch muß der Mantel einen doppelt so großen Durchmesser haben als die Turbine und die Länge muß noch größer sein als der Durchmesser.
Bekannt ist auch der Tornado-Wirbeltur, bei dem der Wind - durch Leitschaufeln geführt - tangential in einen zylindrischen Topf einströmt. Im Innern des Zylinders bildet sich ein Wirbel aus. Der Unterdruck im Kern dieses tornadoähnlichen Wirbels wird in Geschwindigkeit übersetzt, indem Luft von unten durch ein Loch in den Wirbel topf einströmt (Yen, J.T.: Summary of Recent Progress on Tornado-Type Wind Energy System. Third Wind Energy Workshop 2, Springfield 1977). Auch bei dieser Anordnung dürfte der Aufwand im Vergleich zur Leistung unverhältnismäßig hoch sein.
Schließlich ist noch der Deltaflügel-Windkonzentrator bekannt. An einem angestellten schlanken Deltaflügei bilden sich als Folge des Druckunterschieds zwischen Ober- und Unterseite des Flügels zwei kräftige Kantenwirbel aus. Die Wirbelfelder sind Gebiete mit konzentrierter kinetischer Energie (Staufenbiel, R.; Öry, H.; Greff, E.; Holzdeppe, D.: Konzentration der Windenergie in Wirbelfeldern und deren Ausnutzung zum Zwecke der Energieerzeugung. Abschlußbericht zum BMFT-Projekt Nr. 3-ET 4252 A/B 1982). Als bester Wert ergibt sich bei dieser Anordnung eine Leistungskonzentration von 1,7, so daß eine Nutzung des Kantenwirbeis wegen der zu geringen Verstärkung unwirtschaftlich ware.
Die Aufgabe besteht daher darin, eine leistungsfähige Anordnung zur Vergrößerung der Geschwindigkeit eines Gas-oder Flüssigkeitsstromes zu schaffen, die bei größerer Sicherheit einen geringen Aufwand erfordert.
Die Aufgabe wird nach der Erfindung durch die in den Patentansprüchen angegebenen Maßnahmen gelöst.
Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß zwischen Elektrotechnik und Strömungstechnik eine Analogie besteht.
Diese besteht darin, daß ein elektromagnetisches Feld um einen beliebig gebogenen drahtförmigen Leiter und ein Strömungsfeld um einen beliebig geformten Wirbel faden durch das gleiche Gesetz beschrieben werden, das Biot-Savartsche Gesetz. Die Größen "Zuwachs an magnetischer Feldstärke" und "Geschwindigkeitszunahme" entsprechen daher einander. Da sich magnetische Feldstärke dadurch konzentrieren läßt, indem man einen stromdurchflossenen Leiter zu einer Spule aufwickelt, kann man auch in der Strömungstechnik eine Geschwindigkeitszunahme erzielen, indem man einen Wirbelfaden zu einer Spule aufwickelt. Ordnet man mehrere sich gleichsinnig drehende Wibel so an, daß ihre Achsen auf einem Kreis liegen, werden sie sich infolge der gegenseitigen Induktion um den Mittelpunkt des Kreises drehen. Die Induktion wächst dabei mit der Zahl der Wirbel. Die Aufspulgeschwindigkeit steigt und die Wibelfäden nähern sich der Form von dicht an dic-ht liegenden Ringwirbeln. Das Geschwindigkeitsfeld, das diese Ringwirbel in ihrem Inneren induzieren, bildet den erstrebten Konzentrationseffekt.
Die Erfindung wird im folgenden anhand einer Zeichnung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.
An einer drehbaren Halterung 1 sind im Kreis wirbelerzeugende Elemente 2, z.B. Segelflächen oder Tragflügel, ange- ordnet. Sie können Starr befestigt sein oder beweglich angebracht sein, so daß sich der Anstellwinkel verändern läßt. In Strömungsrichtung ist eine Generator 3 so mit der Halterung verbunden, daß er in der Strömungsrichtung verschoben werden kann.
Mit einer solchen Anordnung, welche als "Wirbelschraubenkonzentrator" bezeichnet werden kann, sind bereits Leistungskoszzentrationen bis 8,6 gemessen worden.
Bei der Ausnutzung der Windenergie bereitet das Verhalten der Luftströmung Schwierigkeiten. Der Wind ändert unvorhersehbar seine Richtung und seine Stärke; ein Sturm kann die Anlage zerstören.
Ist der Wirbelschraubenkonzentrator auf einem Turm drehbar angebracht, daß er sich frei um eine vor dem Neutralpunkt der wirbel erzeugenden Elemente liegende Achse drehen nn, so richtet er sich von selbst in die geforderte Stellung zum indeinfall aus.
Proj ekterfahrungen mit Windenergiekonvertern zunehrnender Größe haben gezeigt, daß im natürlich schwankenden Wind Rotorblattbelastungen auftreten, deren Beherrschung zunächst unterschätzt wurde. Die Arbeitsweise des Wirbelschraubenkonzentrators erscheint jedoch geeignet, Kurzzeitschwankungen des Windes zu glätten. Bei einen plötzlich angeströmten Tragflügel bildet sich zunächst ein auftriebsloses "Potentialstromlinienbild" aus. Erst mit einer gewissen zeitlichen Verzögerung entstehen Anfahr-, Zirkulations- und Randwirbel. Jede Auftriebsänderung, hervorgerufen durch eine Richtungs- oder Geschwindigkeitsschwankung des Windes, zieht eine solche Wirbelumbildung nach sich. Das dem Generator vorgeschaltete geschwindigkeitskonzentrierende System fungiert damit zugleich als Bóenglättungsglied.
Zur Sicherung gegen Sturmschäden ist es zunächst ein Vorteil, daß die beweglichen Teile des Systems (Rotor des Generators) gegenüber herkömmlichen Windenergiekonvertern gleicher Leistung um fast zwei Drittel kleiner sind; sie bieten daher auch weniger Angriffsfläche. Zusätzlich wäre die anstellwinkelvariable Lagerung der wirbel erzeugenden Elemente von Vorteil, die sich bei Sturm von selbst in die Nullauftriebsrichtung ausrichten. Man könnte außerdem am Turm an geeigneter Stelle ein Schwenklager 4 vorsehen, über welches das System bei extremen Windgeschwindigkeiten in eine Sturmstellung gekippt werden kann.
Der Wirbelschraubenkonzentrator hat schließlich noch den Vorteil, daß neben der Rotorblattverstellung des Generators zur Regelung auch der Anströmwinkel der wirbelerzeugenden Elemente als regelungstechnisches Stellglied verwendet werden kann oder der Generator im Konzentratorstrom längsverschoben werden kann.
Der Wirbelschraubenkonzentrator nach der Erfindung kann nicht nur - wie im Ausführungsbeispiel beschrieben - zur Vergrößerung der Geschwindigkeit eines Gasstromes, sondern auch zur Vergrößerung der Geschwindigkeit eines Flüssigkeitsstromes benutzt werden.

Claims

Patentansprüche anordnung zur Vergrößerung der Geschwindigkeit eines Gas- oder Flüssigkeitsstromes, dadurch gekennzeichnet, daß ein System von wirbelerzeugenden Elementen kreisförmig angeordnet ist, durch die der Gas- oder Flüssig- keitsstrom zu einem Generator geleitet wird.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die wirbel erzeugenden Elemente beweglich angebracht sind.
3 Anordnung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekenn- zeichnet, daß die Anordnung drehbar ist.