DE10118858A1

DE10118858A1 - Mantelwindturbine

Info

Publication number: DE10118858A1
Application number: DE10118858A
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-04-18
Filing date: 2001-04-18
Publication date: 2003-06-18

Abstract

Mantelwindturbine (MWT), deren Windrad in einem ringförmigen Mantel läuft, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Mantel der MWT eine einkonturige dünne Hülle darstellt, die aus drei Teilen besteht: die Einstromdüse 4, das zylinderförmige Gehäuse 5 und der Diffusor 7 (Bild 1). Alle Elemente der MWT haben optimale Verhältnisse der Abmessungen. Das Gehäuse 5 wird an der drehbaren Stütze 2 befestigt, wobei der Diffusor 7 als eine Windfahne, drehende um die senkrechte Achse drehbarer Stütze 2, eine gute Windausrichtung sichert. Am hinteren Ende des Diffusors 7 wird der Stabilisator 10 befestigt, der die Windausrichtung und die Effektivität des Diffusors verbessert. Das Schaufelrad 6 der MWT hat einen einfachen, leichten und haltbaren Aufbau.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung entsprechend dem Oberbegriff des Anspruch 1.
Damit aus Wind erzeugter Strom mit Hilfe der Mantelwindturbine (MWT) einen geringen Preis erzielen, sollten die alle Elemente der MWT die optimale Verhältnisse der Abmessungen und Konstruktionslösungen haben, die die höchste Effektivität (Windenergienutzfaktor, Turbinenwirkungsgrad) bei wenigsten Kosten (Selbstkosten und Bauaufwand) sichern.

Es ist bekannt Mantelwindturbine, deren Windrad in einem aerodynamisch ausgeformten ringförmigen Mantel läuft.

1. Bennert Werner, Windenergie, VEB Verlagtechnik Berlin, 1989;
2. Wind Power recent developments. Edited by D. J. De Renzo. Noyes Data Corporation Park Ridge, New Jersey, USA 1979;
3. Frischer Wind aus Neuseeland? Stromthemen, 7/97;
4. Research and development for scrouded wind turbines. Ozer Igra. Energy Conv. and Mgmt. Vol. 21, 1981).

Die Rotorblätter sind an der engsten Stelle des Diffusors angebracht, der sich nach hinten öffnet. Er dient als aerodynamischer Verstärker, um hinter den Rotorblätter einen Unterdruck zu erzeugen, der über einen Sogeffekt die Luftgeschwindigkeit durch der Turbine steigert und damit die Stromproduktion erheblich erhöht bei jeder Windgeschwindigkeit.

Aber die bekannte MWT wurde als zusätzliche Einrichtung für übliche Blattwindrad gemacht mit dem Zweck die Leistung vergrößern ohne der Vergrößerung des Rotordurchmessers und die Versicherung erhöhen, dank der Anwendung nichtdrehende Diffusoreinrichtung, für große Windenergieanlage (WEA). Diese MWT haben folgende Nachteile:

1. Sehr komplizierte Konstruktion und übermäßige Bauaufwand.
2. Ganz grundlose Anwendung der Flügelprofil in Radialschnitt der Mantel. Diese Lösung erschwert wesentlich den Aufbau der Mantel mit keiner Verbesserung deren aerodynamischen Qualitäten. Doch der Charakter der Stömung um den flachen Flügel hat keine Ähnlichkeit mit dem Strom im Innern der ringförmigen Mantel, in der Stromparameter nicht von dem Profil des Mantelschnitts, sondern vom Änderungsatz der Querschnittfläche des Kanals abhängen, demnach dem Kontinuitätsatz und Bernoullische Gleichung.
3. Niedrige Effektivität kurzer breitwinkeliger Diffusoren durch unvollzählige Umsetzung die Geschwindigkeit in Druck.
4. Schwierige Lösung der Probleme der Windausrichtung.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine die einfachste Konstruktion der Mantelwindturbine zu schaffen, die o. g. Nachteile beseitigt, und maximaler Energieertrag bei minimalem Preis erzeugter Energie sichert.

Diese Aufgabe wird durch folgende Konstruktionsentwicklungen mit dem Merkmalen des Anspruch 1 gelöst:

1. Die äußere Mantel der Windturbine stellt die einkonturige dünne Hülle dar, die z. B. aus Blechmaterials hergestellt wird und aus drei Teile besteht: die Einstromdüse; das Gehäuse, das die Form der zylinderförmigen Hülle hat, die durch radialaxiale Blätter mit der Zentralteil verbindet sich und an drehbarer Stütze befestigt wird; der Diffusor. Vorteile: kleines Gewicht und geringe Selbstkosten mit genügender aerodynamischer Qualität und Festigkeit.
2. Alle Elemente der MWT (Einstromdüse, Diffusor, Schaufelrad u. a.) haben ganz bestimmte Verhältnisse der Abmessungen, die als Ergebnisse experimenteller und teoretischer Forschungen ermittelt wurden und optimale sind. Diese Verhältnisse sichern höchster Windenergienutzfaktor bei kleinen Ausmasse.
3. Am hinteren Ende des Diffusors wird der Stabilisator befestigt, der den Diffusor mit einem Abstand umgibt und sich mit äußere Oberfläche des Diffusors durch kurze Ständer verbindet. Der Stabilisator verbessert die Windausrichtung der MWT, erhöht die Effektivität des Diffusors, dank Ejektionseffekt des äußeren Luftstroms zum inneren Luftstrom, und er erhöht die Härte des Diffusors, die seiner von Beschädigungen bei Beförderung und Montage schützt.
4. Das Schaufelrad der Windturbine wurde direkt auf der Generatorswelle befestigt und aus vier Teile (Nabe, Diskus, Felge und Schaufeln) durch Schweißen gemacht. Dabei sind die Schaufeln hohle und wurden aus dünne Blechmaterial gemacht. Vorteile: einfache Technologie und geringe Selbstkosten; hoche Festigkeit bei größer Drehzahl; kleines Gewicht und Trägheitmoment.

Dank diesen Vorteile und auch Umweltfreundlichkeit und Ungefährlichkeit, WEA mit MWT haben gute Möglichkeit der verbreitenden vielfältigen Anwendung für verschiedene Verbraucher.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben.
Es zeigen
Bild 1 a) eine Gesamtaussicht einer WEA mit MWT; b) einen senkrechten Axialschnitt der MWT.
Bild 2 einen Schaufelrad der MWT.
Mantelwindturbine 1 (Bild 1) verbindet sich durch drehbare Stütze 2 mit Turm 3. Die äußere Mantel der MWT stellt die einkonturige dünne Hülle dar, die aus drei Teile besteht: die Einstromdüse (Konfuser) 4; das zylinderförmige Gehäuse 5, in welchem die Schaufelrad der Turbine 6 dreht sich; der Diffusor 7. Schaufelrad 6 sitzt direkt auf der Welle des Generator 8, der im Zentralteil festgestellt wird, welche durch radialaxiale Blätter 9 mit Gehäuse verbindet sich. Am hinteren Ende des Diffusors 7 wird der Stabilisator 10 durch kurze radialaxiale Ständer 11 befestigt.
Der Luftstrom gelangt in die Turbine 6 durch den Konfuser 4, in dem die Stromgeschwindigkeit gesteigert wird. Der Konfuser sichert die Gleichmäßigkeit des Stroms vor der Turbine. Dann läuft der Strom durch das Gehäuse, welches das axiale gleichmäßige Strom vor der Turbine bildet, und die Schaufelendverluste (eine Überfließung der Luft um die Schaufelenden) beseitigt. Die kinetische Energie des Stroms wird in die Dreharbeit auf den Schaufeln der Turbine umgewandelt. Danach gelangt der Strom in den Diffusor, wo er wieder gebremst wird und in die Atmosphäre geleitet wird. Der Diffusor macht der statische Druck hinter der Turbine weniger als Atmosphäredruck und bzw. die Stromgeschwindigkeit mehr als Windgeschwindigkeit. Demgemäß konzentriert der Diffusor der Windstrom und dient als Leistungsverstärker. Der Durchmesser des Windstroms Dw, der mit der MWT ergreift wird und in die Turbine gelangt, beträgt Dw = (1,15 bis 1,25)Dt. Auch sichert der Diffusor gute Windausrichtung, weil er wie eine Windfahne, drehende um die senkrechte Achse drehbarer Stütze 2, wirkt. Der Stabilisator verbessert Windausrichtung und auch erhöht die Effektivität und Härte des Diffusors.
Alle Elemente der MWT (Konfuser, Diffusor, Schaufelrad der Turbine u. a.) haben ganz bestimmte Verhältnisse der Abmessungen, die optimale sind und als Ergebnisse der experimentelle und teoretische Forschungen ermittelt wurden. Die Wichtigste davon sind folgende:
dt/Dt = 0,3 bis 0,4. Diese Bediengung sichert minimaler Turbinendurchmesser Dt bei genügendem Durchmesser der Zentralteil für die Aufstellung des Generators.
Dk/Dt < 1,15. Diese Beschränkung ist notwendig für gute Wirkung des äußere Luftstroms auf die Oberfläche des Diffusors, die sichert richtige Windausrichtung.
Dd/Dt = 1,5 bis 1,6. Mit diese Bedingung wird die höhste Effektivität bei minimale Abmessungen des Diffusors erzielt.
α = 10° bis 11°. Dieser Halbwinkel der Verbreiterung des Diffusors sichert den gleichmäßigen ununterbrochenen Strom im Innern des Diffusors.
In einer nicht dergestellten Ausführung sind die Turbinenschaufeln 6 gebildet gemäß eine spezielle Berechnungsmethodik, die garantiert die optimale Angriffswinkel am jedem zylindrischen Schnitt, und dem höchste Wirkungsgrad der Turbine bei allen Betriebsarten.
Die Schaufelrad der Turbine (Bild 2) besteht aus vier Teile: die Schaufeln 1, die Felge 2, der Diskus 3, die Nabe 4, welche durch Schweißen miteinander verbunden sich. Die Schaufel 1 ist hohle innen, und wurde aus dünnem Blechmaterial, z. B. Alulegierungblech, durch die Blechumformung und Schweißen entlang der hintere Kante gemacht. Solche Schaufel hat kleine Masse, entwickelt kleine Zentrifugalkraft und Belastung auf die Felge bei großen Drehzahl. Die Felge 2 und der Diskus 3 wurden aus dickem Blechmaterial, z. B. Alulegierungblech, gemacht.

Bild 1 Windenergieanlage mit Mantelwindturbine (MWT)

a) Gesamtaussicht

1
MWT
2
Drehbare Stütze
3
Turm

b) Axialschnitt der MWT

4
Einstromdüse (Konfusor)
5
Gehäuse
6
Schaufelrad der Turbine
7
Diffusor
8
Generator
9
Ständer
10
Stabilisator
11
Ständer

Bild 2 Schaufelrad der Mantelwindturbine

1
Schaufel
2
Felge
3
Diskus
4
Nabe/-Schweißnaht

Claims

1. Mantelwindturbine, deren Windrad in einem ringförmigen Mantel läuft, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Mantel der Windturbine eine dünne einkonturige Hülle darstellt, die z. B. aus dem Blechmaterial hergestellt wird, und aus drei Teile besteht: die Einstromdüse (der Konfusor) 4, das zylinderförmige Gehäuse 5 und der Diffusor 7.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß alle Elemente der MWT 1 (Konfusor 4, Diffusor 7, Schaufelrad 6 u. a.) ganz bestimmte Verhältnisse der Abmessungen haben, die optimal sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Gehäuse 5 der MWT 1 auf drehbare Stütze befestigt wird, wobei der Diffusor 7 als eine Windfahne, drehende um die senkrechte Achse drehbarer Stütze 2, aufgestellt wird.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß am hinteren Ende des Diffusors 7 der Stabilisator 10 befestigt wird, der den Diffusor mit einem Abstand umgibt und sich mit äußere Oberfläche des Diffusors durch kurze Ständer 11 verbindet.

5. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufelrad der MWT aus vier Teile besteht, die Schaufeln 1, die Felge 2, der Diskus 3, die Nabe 4, welche sich durch Schweißen miteinander verbinden, dabei die Schaufel 1 hohle innen ist und aus dünnem Blechmaterial gemacht wurde, die Felge 2 und der Diskus 3 aus dickem Blechmaterial gemacht wurden.