流动能量设备 【技术领域】
本发明涉及一种流动能量设备，特别是风力发电设备，该设备具有至少一个绕一轴旋转的带转子叶片的转子。
背景技术
DE 810500B已经记载了一种风力涡轮机，具有可以绕一竖直轴线旋转的、设置在导流外壳内的翼片，该导流外壳具有略微变窄的进风道。在入流方向上居中设置一屏蔽体，但该屏蔽体在流动技术上产生不利影响。
DE 8533964U1记载了一种水平作用的风扇叶马达，其具有部分包围风扇叶并能通过尾舵/风标(Windfahne)带入所需风向的风漏斗件。风漏斗件在横截面上构成为四分之一圆。DE 19856914A1记载了一种具有在一臂上构成吸气面的竖直的风力转子，DE 8631273.1提出一种具有平直的板形风力分配板的设备。上述所有这三种解决方案在流动技术上均存在缺陷。
根据DE 29920899U1已知一种具有竖直转子和正面入流的风力发电设备，利用该设备通过特殊的导入面结构实现漏斗式进风或吸入，因此可以实现较高的通流速度。通过两个导入面(扩散面)的特殊结构根据风的入流方向实现定向。但情况表明，不能始终获得希望的再调整。
DE 20102051U1记载了一种风力发电设备，具有正面入流的竖直转子，其入流区域复杂地设有漏斗式的导入及覆盖板。该风力发电设备内设置总计三个竖直转子。特别是由于设置在中央的导流板提高该设备的流动阻力。
利用DE 202006008289U1所记载的解决方案应提供一种与风向无关的风力发电设备。为此具有六个大的和六个小的导入面，在这些导入面之间设置一个逆时针旋转的转子，所述转子具有三个按空气动力学原理造型的翼。
上述所有解决方案的缺点是，其效率过小和这些解决方案作为风力发电设备一般只能与竖直定向的转子轴一起使用。
【发明内容】
本发明的目的在于，提供一种流动能量设备，其中能够高效地将能量，特别是流动介质的动能转换成其他能量形式，并且该设备可以利用气态或液态介质运行。
该目的利用权利要求1的特征得以实现。有利的实施形式由各从属权利要求得出。
根据本发明的流动能量设备具有至少一个绕一轴旋转的辊式的转子，所述转子具有多个转子叶片，其中，
-给一个、多个或所有转子叶片配设至少一个空气导流翼，所述空气导流翼在旋转方向上设置在转子叶片的前面或后面
和/或
-所述转子至少部分由至少一个改善效率的扩散件包围，以及其中所述流动能量设备可以利用液态和/或气态介质在转子的轴的任意定向下工作。
通过新一代的流动能量设备的这种革新式的结构，该设备可以广泛使用。特别是采用气态介质的应用，也就是作为风力发电设备使用或在液态介质中的应用，例如作为水坝或河流中的涡轮机或作为具有完全相同结构形式的水轮，提供了新的可能性并确保低成本批量生产。
实验表明，特别是通过新型的“双翼原理”获得了约30％的很好的效率改进。
优选各一个空气导流翼在旋转方向上与转子叶片隔开距离设置。
这里，转子叶片的径向位于外侧的始端和空气导流翼的径向位于外侧的始端相互错开一定角度地设置。
此外有利的是，空气导流翼与转子叶片的距离径向向内加大。
空气导流翼的长度可以小于转子叶片的长度或也可以等于转子叶片的长度。
转子叶片和/或空气导流翼在横截面上构成为机翼形廓式的。
辊式的转子具有在轴的轴向上延伸的或绕其旋转轴螺旋形卷绕的转子叶片，各转子叶片相应的前面的面在风向上凹入弯曲，而其处于其后面的面凸起弯曲。每个转子翼都具有径向位于外侧的外棱边和径向位于内侧的内棱边，它们基本上在轴向上延伸。空气导流翼也在轴的轴向上延伸并基本上模仿转子翼的流线形构型的形式，仅空气导流翼的径向延伸(长度)和其厚度可以小于转子翼的径向延伸和厚度。扩散件按照“双翼飞机原理”以到转子的确定的距离设置。扩散件优选构成为空心的包容体或由被包容体包覆的基体组成。基体这里特别是由相互连接的骨架状/板状的部件组成，这些部件在其在周边侧形成的外部轮廓上相当于相应扩散件所要产生的外部轮廓。骨架状/板状的部件的最好由塑料、纤维强化的塑料、玻璃纤维强化的塑料、金属材料、木材或上述材料的组合组成并通过支杆相互连接。各支杆也可以由塑料、纤维强化的塑料、玻璃纤维强化的塑料、金属材料、木材或上述材料的组合组成。骨架状/板状的部件和/或支杆在朝向包容体的方向上具有倒圆的轮廓，以避免损坏包容体，特别是在该包容体由很薄的膜片材料或薄膜材料、织物或纺织材料(布料)或薄壁塑料组成的情况下。此外，包容体由金属材料(板)或上述材料的组合组成并具有单层或多层的结构。
此外，可以例如利用泡沫材料、结构泡沫、硬泡沫、颗粒状或絮状材料填充基体内由于骨架状结构存在的间隙。
此外，扩散件可以构成为实心的，例如由发泡或浇注的材料构成。
各所述扩散件特别是设计成流线形的并局部地朝转子的方向这样拱起，使得其与包络转子叶片指向外面的端部的包络圆的分布走向相匹配。优选在每个转子的两侧在转子两个相对的纵向侧面上设置扩散件，从而为每个转子形成流入口和流出口，其中，扩散件在横截面上构成机翼形廓式的。扩散件在第一盖板与第二盖板之间延伸，其中，第一盖板和/或第二盖板向外拱起。在第一盖板与第二盖板之间可旋转地支承至少一个转子。第一盖板与第二盖板之间也可以在流动方向上并排和/或重叠设置两个或多个转子。转子具有至少两个外部转子板，转子叶片在各转子板之间延伸。两个外部转子板之间可以设置一个或多个稳定转子叶片的第三转子板。转子叶片优选构成为圆形的。
转子在外周侧具有多个并排设置的转子叶片。此外，也可以按“双层”或“多层”结构形式重叠或并排(根据旋转轴的定向的不同)组合各转子叶片。转子的这种重叠/并排设置的转子叶片可以彼此对齐或在周向上彼此错开设置。
扩散件的包容体的外部轮廓或实心扩散件的外部轮廓在风的入流方向上具有形成流入口的棱边和在流出方向上具有形成流出口的棱边。
从风的入流方向出发，各扩散件的包容体彼此朝向的面之间的距离逐渐变窄，接着与转子的分布走向/直径相配合并在转子后重新扩展。扩散件的包容体朝向外面的面优选彼此镜面对称地构成。
扩散件的包容体从棱边向转子延伸的面优选具有凹凸的弯曲。
转子叶片的凸的弯曲和空气导流翼的凸的弯曲特别是指向旋转方向。
利用该流动能量设备提供的能量可以通过发电机用于发电或也可以直接用于蓄电池充电。
此外，该设备的旋转可以用于产生热水。
该流动能量设备优选这样设计，使其可以在任意方向上回转。由此该设备可以以转子竖直或水平定向的第一轴、即作为风力发电设备使用，也可以作为液态介质(河流、水坝)内的涡轮机使用。
在流动介质种，特别是在河流或渠道内使用时，该流动能量设备利用竖直定向的轴(A1)固定在水流的底部区域内，从而该设备与水位无关地工作，因为即使在低水位的情况下设备仍有一部分被通流。
如果流动能量设备的轴水平支承，那么该设备可以在河流中“漂浮”地锚定，从而该设备随着水平面升高或降低并因此同样可与水位无关地工作。
如果该流动能量设备作为风力发电设备使用，则扩散器根据风向的可调整性是有利的，由此流入口始终沿风向指向或定向。
这例如可以借助与风力发电设备上尾舵式的装置来实现。这是扩散器外壳自动定向的简单和无故障的可能性。
风力发电设备具有至少一个绕第一轴旋转的、带有多个转子叶片的转子，其中，根据本发明为每个转子叶片配设至少一个空气导流翼，所述空气导流翼在旋转方向上设置在转子叶片的前面。
各扩散件与转子的长度相对应地在该转子的一侧或两侧延伸。在使用两个扩散件的情况下，通过这些扩散件在风的入流方向上转子前面形成流入口并在转子后面形成流出口。这里流入口沿风的入流方向上变窄到一相当于转子直径的约50％的宽度。与此相比，流出口在转子之后加宽到转子直径的约两倍。扩散件固定在基板上，转子同样可旋转支承在基板上。对于竖直的轴向盖板可以绕第二轴回转地支承例如在一杆上。因为扩散件与基板连接并且转子设置在基板与盖板之间，所以它们共同完成绕竖直的第二轴的回转运动。基板和转子的轴线对齐或彼此隔开，由此保证根据风向对该设备更好的再调整。
可以使用一个或两个扩散件。优选所述一个扩散件径向向外这样拱起，使其与包络(umspannen)转子叶片指向外面的端部的包络圆的分布走向相匹配。扩散件的内部曲率半径这里根据希望的到转子叶片的距离来选择。扩散件的长度大致相当于两个转子叶片指向外面的棱边的距离。扩散件的回转运动如前面所说明的那样例如可以与通过风旋转的尾舵相关地进行控制。但对于与转子轴隔开的回转轴，扩散件也可以自动根据风向再调整。扩散件的高度大致等于转子的高度。
此外，根据本发明的流动能量设备可以在陆地、空中和水上运输工具上根据使用区域的不同在与相应的输出装置和转换器相结合用于从风或行驶风和/或流动的液态介质中产生能量。
例如，该设备在乘用车(PKW)或载重车(LKW)中散热器面罩的区域内装入正面。这优选利用转子水平定向的旋转轴进行。该风力发电设备此时例如可以在与一发电机相结合用于蓄电池的充电，该蓄电池又用于驱动车辆。
但该流动能量设备也可以与液力的和/或气动的和/或其他电系统相结合或在与内燃机相结合以混合动力系统的方式运行。该设备此外可以在航天中使用。
通过以到转子叶片较小的距离设置一个或两个扩散件并沿和逆着风向漏斗式的扩展一通过该扩展扩散件被切向入流，与采用空气导流翼相结合，获得了出乎意料的强吸入效果和风流出方向上的低压(负压)，这使得大幅度提高了通流速度并因此提高转子的转速。由此可以风力发电设备的效率提高约30％。
【附图说明】
下面借助实施例和附图对本发明进行详细说明。其中：
图1示出风力发电设备从入流方向观察的立体图；
图2示出转子的立体细部视图；
图3示出转子的侧视图；
图4示出图3中A-A的剖面；
图5示出具有液压马达的转子的侧视图(上)，液压马达的放大图(左下)和放大的正视图；
图6示出带有彼此重叠设置和相互错开的转子叶片的转子的立体图；
图7示出带有扩散件的图6的俯视图；
图8示出用于第一扩散件的骨架状/板状的第一部件的视图；
图9示出第一扩散件的第一基体的视图；
图10示出第一扩散器；
图11示出用于第二扩散器的骨架状/板状的第二部件的视图；
图12示出第二扩散器的第二基体的视图；
图13示出第二扩散器；
图14示出第一扩散器与第二扩散器连接的原理图；
图15示出具有尾舵的风力发电设备的俯视图；
图16示出由图15的入流方向观察的立体图；
图17示出竖直的流动能量设备用于住宅供电的应用；
图18示出竖直的流动能量设备用于船舶上发电或蓄电池的充电的应用；
图19示出水平的流动能量设备在屋顶上用于住宅供电的应用；
图20用侧视图示出竖直的流动能量设备用于在河流或渠道内发电的应用；
图21示出图20的正视图；
图22用正视图示出“漂浮的”水平的流动能量设备用于在河流或渠道内发电的应用；
图23示出集成在PKW中的流动能量设备的视图。
【具体实施方式】
图1示出具有可绕第一垂直轴A1旋转的辊式转子1(参见图2-4)的流动能量设备在作为风力发电设备使用时入流方向的立体图。转子1具有三个竖直延伸的转子叶片2，其中，在旋转方向上在每个转子叶片2前面设置一空气导流翼3。转子1由在这里在下面封闭的第一转子板4和在上面封闭的第二转子板5限定。在这两个外部的转子板4、5之间，通过两个(参见图1)或仅通过一个(参见图2)起稳定作用的转子板6使转子1稳定。转子叶片2和空气导流翼3可以构成整体的，即从始端到末端连续并穿过稳定作用的转子板，或构成多件式的。
空气导流翼3与转子叶片2隔开距离，其中，如图4的俯视图所示，从第一轴A1出发，转子叶片2的径向位于外侧的始端相对于空气导流翼3的径向位于外侧的始端以角度α错开。在转子叶片2的径向位于外侧的始端与空气导流翼3的径向位于内侧的末端之间形成角度β。通过空气导流翼3使转子叶片2的气流滞留更长时间，由此可以明显提高该设备的效率。由转子叶片2和空气导流翼3形成的“双翼”因此使设备的效率得到明显提高。转子叶片2和空气导流翼3的弯曲方向这里优选同向地构成。
转子1由可回转配合在杆M上的主体7(参见图1)部分地包容。主体7由上部的第一盖板8.1和下部的第二盖板8.2组成。第一扩散件9和第二扩散件10在转子1的两侧在盖板8.1、8.2之间延伸。转子1通过第一扩散件9在入流方向上最大覆盖其直径的约50％，从而转子1仅在其约50％的宽度上被入流。在风W的入流方向上，在两个扩散件9、10之间在转子1的前面形成流入口E，并与其对置地在转子1的后面形成流出口A。第一和第二扩散件9、10的垂直的外表面9a和10a彼此镜面对称构成并在流入口E与流出口A之间首先以大的弯曲弧度凸起弯曲和然后以小的弯曲弧度凹入弯曲。
具有约45°的斜度的导流板L从上部的盖板8.1并从下部的盖板8.2向第一和向第二扩散件9、10延伸，通过导流板避免或减少涡流。
图5示出转子1，其中可以看出，第一转子板4的下面安装一驱动装置11，该驱动装置使转子加速并支架固定地固定在杆M的外径上。这例如可以在风速低时使转子容易启动。
图6示出具有重叠设置和彼此错可的转子叶片2(不使用空气导流翼)的转子1的立体图。设置在第一转子板4与第三转子板6之间的转子叶片2相对于设置在第二转子板5与第三转子板6之间的转子翼错开设置，从而在俯视图(参见图7)中各一个上面的转子叶片2基本上居中处于两个下面的转子叶片2之间。图7示意示出图6转子1的俯视图，其中，转子1在这里由第一和第二扩散件9、10部分包覆。这里没有示出上部的盖板。从图7的该图示中也可以看到在风W的入流方向上定向的流入口E和流出口A。第一扩散件9在这里在入流方向上覆盖转子1最多约50％，其中，也可以设定减少的覆盖。此外，在第一扩散件9上在流入口的侧面设有倒圆的棱边9.1，而第二扩散件10上设有倒圆的棱边10.1。这两个棱边9.1、10.1在入流方向上径向向外伸出于转子1的外径。两个棱边9.1、10.1的距离大致相当于转子直径D或略大于转子直径D。第一扩散件9在流出方向A上具有另一个倒圆的棱边9.2。在到转子1较小的距离触在第一扩散件9上设有第三倒圆的棱边9.3，该棱边这里覆盖转子的约50％。第二扩散件10在朝向流出口的方向上同样具有倒圆的棱边10.2。
第一扩散件9的垂直的外表面9a在第一棱边9.1与第二棱边9.2之间延伸，扩散面9b在第二棱边9.2与第三棱边9.3之间延伸，而扩散面9c在第一棱边9.1与第三棱边9.3之间延伸。扩散面9b从棱边9.2其首先按凸起的弧度延伸，在该弧度上连接跟随转子1的分布的直至棱边9.3的凹入弯曲。扩散面9c从棱边9.1至棱边9.3首先具有凹入和然后具有凸起的弯曲。第二扩散件10在朝风出口的方向上具有棱边10.2。在棱边10.1与10.2之间，第二扩散件10向外具有垂直的外表面10a，而在朝转子1的方向上具有扩散面10b。扩散面10a的分布设计成与面9a是镜面对称的。面10b以凸起的弯曲分布直到转子1，在该弯曲上连接凹入的弯曲，面10b从该凹入的弯曲出发以凸起弯曲的弧度一直分布到棱边10.2。大致从转子1的中心线出发沿朝流出口A的方向上观察，面9b和10b镜面对称地具有大致相同的分布。棱边9.3与面10b之间限定流入口E的距离b2最小约为0.5x D。棱边9.2和10.2的形成流出口A的距离优选约为1D至2D。
根据图1至7，转子叶片2在横截面上构成为机翼形廓式的并从外圆周起以拱起或弯曲的形状径向向内延伸。转子叶片2凸起弯曲的面指向旋转方向，转子叶片2凹入弯曲的面被入流。
转子叶片2的内部的纵向棱边指向下一个转子叶片2的凹面。如果存在，则空气导流翼3与转子叶片类似地弯曲和定向。
图8示出用于第一扩散件9的骨架状/板状的第一部件9S的图示。第一部件9S具有用于其固定的两个通口9D。第一部件9S的外部轮廓与例如根据图1或7的第一扩散件应形成的外周轮廓相对应。图9示出第一扩散件9的第一基体9G。多个骨架状/板状的部件9S通过使用适当的固定件(未示出)隔开距离地固定在穿过通口9D的牵杆13上。该基体9G随后利用包容体9H包覆并这样形成第一扩散件9。
第二扩散件类似地构成。图11示出用于第二扩散件10的骨架状/板状的第二部件10S。该部件同样具有用于其固定的两个通口10D。第二部件10S的外部轮廓同样与例如根据图1或7的第二扩散件10的应形成的外周轮廓相对应。
根据图12，第二扩散件10的第二基体10G由多个骨架状/板状的第二部件10S借助于穿过通口10D的牵杆13形成。基体10G随后也利用包容体10G包容并由此形成第二扩散件10。
现在将两个扩散件9、10根据图14借助于连接在牵杆13的上端和下端连接的横梁14借助未示出的固定件相互固定。这里，内部的横梁14大致与第二轴A2交叉，扩散件9、10可绕该轴回转并携带扩散件的支承件。相应的轴承15在上部配合在轴16上，该轴在这里通过基板17例如固定在一(这里未示出)杆上。
图15和16示出根据风向再调整主体7的简单的可能性。这里，在主体7上安装尾舵18，在尾舵沿径向在流出口A的一侧突出于主体7。
图17示出作为风力发电设备的竖直的流动能量设备S，具有设置在杆M上的主体7，该设备例如设置在单户住宅19的旁边并可以为其供电和热水。
图18同样示出一种船舶20上的竖直的风力发电设备W，利用该设备例如可以为蓄电池充电。
根据图19，也可以将一个或多个水平的流动能量设备S设置在屋顶21上。主体7此时容纳在例如其两个盖板8.1、8.2上(左边的风力发电设备)或可旋转地支承在朝向屋顶21的扩散件(这里为10)上，从而该主体可以根据风向定向(右边的风力发电设备)。
图20示出竖直的用于流动的介质22的流动能量设备S的侧视图，用于在渠道23内发电，并且图21示出正视图。
流动能量设备S锚固在渠道23的底部。即使水平面下降，该设备仍然始终得到驱动。
图22用正视图示意示出“漂浮的”水平的流动能量设备S用于在渠道23中发电的应用。流动能量设备S由于其漂浮的固定同样与流动的介质的水平面相匹配。
流动能量设备S在河流或渠道内使用时，不影响鱼的生活空间，因为该设备根据水的流动旋转和不会由于这种流动产生剪切作用。鱼可以游动穿过该设备或从该设备旁游过。
图23示出集成在一乘用车24中的流动能量设备S的图示。构成为具有水平的转子轴A1的风力涡轮机的流动能量设备S集成在车辆的散热器面罩中。通过风力涡轮机W的细长造型，该设备可以最佳地集成在其中。例如可以在转子1的一侧或两侧连接发电机(未示出)。
在按图17至23的所有所述的例子中，利用流动能量设备S产生的能量需要时在使用适当的传动机构(例如齿轮传动机构、齿轮皮带传动机构)、例如用于补偿传动轴(在这里为转子的轴)与从动轴(例如发电机的轴)之间的相对运动的耦联装置和相应的转换器的情况下转换成其他能量形式。
利用传动机构例如将流动能量设备转子的低转速和高转矩的形式的功率转换成发电机所需的功率，也就是高转速和低转矩。通过转子的旋转提供的功率通过这些实施例中未示出的传动机构传递给相应的接收设备(发电机、泵等)。
此外根据未示出的实施例，可以通过流动能量设备驱动泵。
流动能量设备可以任意回转并可以利用水平或竖直定向的转子轴工作。流动能量设备也可以(想象在一假想的球形体的内部)回转到任意位置上。
根据本发明的解决方案因此可以在广泛的应用领域中使用。通过风速在流动体(扩散件)内的加速，特别是与空气导流件相组合，与传统的流动能量设备相比能量收益率可以提高5倍以上。
传统的特别是三翼的水平风力发电设备不能产生所期望的声学和视觉效果。噪声级通常高于35dB，这特别是在夜间形成干扰。此外，当光不规则地由转子翼的亮面反射时，光与阴影之间的交替和特别是在阳光下的“闪动(Disco)效应”让人无法长时间忍受。
利用根据本发明的风力发电设备这些缺点不再出现，因为该设备以接近零或仅相当于自然风声的非常低的噪声级工作。
通过使用扩散器或扩散件不再出现干扰的光-阴影交替。由此风力发电设备也可以设立在居住区附近。
扩散件9、10大的外表面也可以作为广告载体使用。