DE10044147A1 - Rotor system for using wind energy using aerodynamic buoyancy principle has rotor blades adjustable individually and mutually independently in their blade angle relative to rotor axis - Google Patents
Rotor system for using wind energy using aerodynamic buoyancy principle has rotor blades adjustable individually and mutually independently in their blade angle relative to rotor axisInfo
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Abstract
Description
Gegenstand der Erfindung ist ein Rotorsystem zur Nutzung von Windenergie nach dem aerodynamischen Auftriebsprinzip, mit parallel oder in einem Winkel zur Rotorachse (A) angebrachten Rotorblättern (B), die sich während der Rotation (C) zyklisch mit dem Wind (D) und gegen den Wind (D) um die Rotorachse (A) drehen und sich dabei einzeln und unabhängig voneinander in ihrem Anstellwinkel (E) zur Rotorachse (A) verstellen lassen, um ihre Profile (F) so zu positionieren, dass der grösstmögliche Auftrieb (J) in Rotationsrichtung (C) wirkt (Fig. 1, 5 und 6).The invention relates to a rotor system for using wind energy according to the aerodynamic lift principle, with rotor blades (B) attached parallel or at an angle to the rotor axis (A), which rotate cyclically with the wind (D) and against the rotor during the rotation (C) Wind (D) around the rotor axis (A) and can be adjusted individually and independently of each other in its angle of attack (E) to the rotor axis (A) in order to position their profiles (F) so that the greatest possible lift (J) in Direction of rotation (C) acts ( Fig. 1, 5 and 6).
Der Stand der Technik wird vom Deutschen Windenergieinstitut Wilhelmshaven publiziert.
Informationen über den Stand der Technik sind auch von Technischen Hochschulen zu
beziehen, z. B. von dem Aerodynamischen Institut der Rheinisch-Westfälischen Technischen
Hochschule Aachen (RWTH). Auch technische Magazine publizieren den Stand der Technik.
In einer publizierten Abbildung sind die bekannten Rotorsysteme dargestellt und aufgelistet.
Anlage 1.
Ein technisches Magazin beschreibt den Bau eines öffentlich gefördertes Rotorsystems.
Anlage 2The state of the art is published by the German Wind Energy Institute Wilhelmshaven. Information on the state of the art can also be obtained from technical universities. B. from the Aerodynamic Institute of the Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen (RWTH). Technical magazines also publish the state of the art. The known rotor systems are shown and listed in a published illustration.
Attachment 1.
A technical magazine describes the construction of a publicly funded rotor system.
Appendix 2
Es ist bekannt, dass Auftrieb erzeugende Profilquerschnitte (F) sowohl für Flugzeugflügel (Fig. 1) wie auch für Rotorblätter (B), (Fig. 2 bis 6) eingesetzt werden.It is known that profile cross sections (F) which generate lift are used both for aircraft wings ( FIG. 1) and for rotor blades (B) ( FIGS. 2 to 6).
Bei den auftriebnutzenden Rotorsystemen unterscheidet man zwei Typen nach der Form der Fläche, die von den Rotorblättern bestrichen wird.There are two types of rotor systems that use lift, according to the shape of the Area covered by the rotor blades.
Bei "Typ K" bestreichen die Rotorblätter eine Kreisfläche (K). (Fig. 2) Bei "'Typ M" bestreichen die Rotorblätter eine zylindrische Mantelfläche (M) (Fig. 5 und 6).With "Type K" the rotor blades cover a circular area (K). ( Fig. 2) In "'Type M", the rotor blades coat a cylindrical outer surface (M) ( Fig. 5 and 6).
Es ist bekannt, dass in Deutschland vorwiegend Auftrieb nutzende Rotorsysteme des Typs K zur Nutzung von Windenergie eingesetzt werden, deren Rotorachse (A) horizontal verläuft und deren Rotorblätter (B) rechtwinkelig zur Rotorachse (A) angebracht sind. Bei diesem System beschreiben die Rotorblätter (B) eine Kreisfläche (K), die vom Wind (D) in allen Kreissegmenten gleichmäßig angeblasen wird, (Fig. 2).It is known that in Germany mainly type K rotor systems using lift are used for the use of wind energy, the rotor axis (A) of which runs horizontally and the rotor blades (B) of which are attached at right angles to the rotor axis (A). In this system, the rotor blades (B) describe a circular area (K) which is blown evenly by the wind (D) in all circular segments ( Fig. 2).
Es ist bekannt, dass auch Auftrieb nutzende Rotorsysteme Typ M, (Fig. 5 und 6) zur Nutzung von Windenergie im Einsatz sind, deren Rotorblätter (B) parallel zur Rotorachse (A) angebracht sind. Bei diesem System beschreiben die Rotorblätter (B) eine zylindrische Mantelfläche (M), die vom Wind (D) angeblasen wird. Die zylindrische Mantelfläche wird nur zur Hälfte, der dem Wind zugewandten Seite, von aussen angeblasen.It is known that type M rotor systems ( FIGS. 5 and 6) that use buoyancy are also used for the use of wind energy, the rotor blades (B) of which are mounted parallel to the rotor axis (A). In this system, the rotor blades (B) describe a cylindrical surface (M) that is blown by the wind (D). Only half of the cylindrical surface is blown from the outside, the side facing the wind.
Das älteste in der Literatur beschriebene Beispiel dieses Rotortyps ist das seit etwa 1929 bekannte H-Darrieus-Rad, auch H-Darrieus Windenergiekonverter genannt.The oldest example of this type of rotor described in the literature has been around 1929 well-known H-Darrieus wheel, also called H-Darrieus wind energy converter.
Bei diesem Funktionsprinzip wird der Auftrieb (J) durch parallel und starr an einer rotierenden, vertikalen Rotorachse (A) befestigte Rotorblätter (B) ausgenutzt.With this operating principle, the buoyancy (J) is due to parallel and rigid on one rotating, vertical rotor axis (A) fixed rotor blades (B) are used.
Der Einsatz eines solchen Rotorsystems ist in der technischen Zeitschrift "Maschinenmarkt" des Vogelverlags, Würzburg, Ausgabe 50, Seite 67 aus dem Jahre 1990 unter der Überschrift "Neuartig aufgebautes Windrad" beschrieben (Anlage 2).The use of such a rotor system is in the technical magazine "machine market" des Vogelverlags, Würzburg, issue 50, page 67 from 1990 under the heading "Newly built wind turbine" described (Appendix 2).
Es ist bekannt, dass bei den bekannten Rotorsystemen des Typs M mit parallel zur Rotorachse (A) angebrachten Rotorblättern (B), die Rotorblätter (B) während der Rotation (G) nicht einzeln und unabhängig voneinander verstellt werden können.It is known that in the known type M rotor systems with parallel to Rotor axis (A) attached rotor blades (B), the rotor blades (B) during rotation (G) cannot be adjusted individually and independently of one another.
Das klassische Beispiel für die Nutzung aerodynamischen Auftriebs (J) sind Flügel von Segelflugzeugen. Diese sind in ihrem Querschnitt/Profil (F) so gestaltet, dass bei einer Anströmung (V) von vorne, ein Auftrieb (J) auf den Flügel wirkt und damit das Segelflugzeug hebt (Fig. 1).The classic example of the use of aerodynamic lift (J) are wings of gliders. Their cross-section / profile (F) is designed so that when there is an inflow (V) from the front, a lift (J) acts on the wing and thus lifts the glider ( Fig. 1).
Ursächlich hierfür ist die Form des Flügelquerschnitts, das Profil (F).The reason for this is the shape of the wing cross-section, the profile (F).
Die gewölbte Oberseite des Profils (F) ist länger als die Unterseite. Dieser Umstand bewirkt, dass bei einem in Flugrichtung (H) fliegenden Flügel mit dem Profil (F), an der Oberseite des Flügels vorbeistreichende Luft, die auch als "anliegende Strömung" bezeichnet wird, einen längeren Weg zurücklegen muss, als die an der Unterseite des Flügels vorbeistreichende Luft, bevor sie am Flügelende wieder zusammentrifft.The curved top of the profile (F) is longer than the bottom. This fact causes that with a wing flying in the direction of flight (H) with the profile (F), at the top of the Wing passing air, which is also called "adjacent flow", one has to travel a longer distance than the air flowing past the underside of the wing, before it meets again at the wing end.
Dieser Unterschied in der Weglänge macht es erforderlich, dass die Luft an der Flügeloberseite schneller vorbeistreicht als an der Flügelunterseite. Dies führt zu einem Unterdruck auf der Flügeloberseite, der auch als Auftrieb (J) bezeichnet wird.This difference in the path length requires that the air on the Swing the top of the wing past faster than the bottom of the wing. This leads to one Negative pressure on the upper side of the wing, which is also referred to as lift (J).
Der Druckausgleich erfolgt teilweise dadurch, dass das Flugzeug sich in Richtung des Unterdrucks/Auftriebs (J), also nach oben, hebt. Die Anströmung (V) von vorne ergibt nur einen schwachen Auftrieb (J).The pressure equalization takes place partly because the aircraft is moving in the direction of the Negative pressure / buoyancy (J), i.e. upwards. The inflow (V) from the front only results weak buoyancy (J).
Wenn zu einer Anströmung (V) von vorne eine Anströmung durch Aufwind (I) von unten, hinzukommt, ergibt das eine resultierende Anströmung (R), die in Größe und Richtung anders ist als die Anströmungen (V) und (I). Mit steigendem Strömungsanteil der Anströmung (R) von unten (I), neigt sich die Anströmrichtung (R) nach oben. Der Anströmwinkel (L) wird grösser.If an inflow (V) from the front is an inflow from upwind (I) from below, in addition, this results in a resulting inflow (R) in size and direction is different from the inflows (V) and (I). With increasing flow share of the Inflow (R) from below (I), the inflow direction (R) tends upwards. The Inlet angle (L) increases.
Mit Änderung der Wirkrichtung der Anströmung (R) nach oben, steigt auch der ebenfalls nach oben gerichtete Auftrieb (J). Der Auftrieb (J) wird in dem Masse stärker, je weiter sich der Anströmwinkel (L) einem zulässigen Maximum neigt, das bei etwa L = 13.5° liegt.As the direction of action of the inflow (R) changes upwards, this also increases upward lift (J). The buoyancy (J) increases as the distance increases the approach angle (L) tends to a permissible maximum, which is approximately L = 13.5 °.
Bei einem Anströmwinkel (L) von ca. 15° endet der Auftrieb (J), weil dann bei den meisten Profilen (F) die Luftströmung an der Flügeloberseite nicht mehr anliegt. Man sagt: "Die Strömung reißt ab". Der Unterdruck, als Voraussetzung für den Auftrieb, wird nicht mehr erzeugt.At a flow angle (L) of approx. 15 °, the lift (J) ends because most of them Profiles (F) the air flow on the upper side of the wing is no longer present. One says: "The Current breaks off ". The negative pressure, as a prerequisite for buoyancy, is no longer generated.
Als Voraussetzung für eine effektive Nutzung des aerodynamischen Auftriebs (J) ist demnach, dass das Profil (F) von vorne unter einem Anströmwinkel (L) von ca. 13,5 Grad angeströmt wird (Fig. 1).A prerequisite for effective use of aerodynamic lift (J) is therefore that the profile (F) is flown against from the front at an angle of incidence (L) of approximately 13.5 degrees ( FIG. 1).
Für ein Segelflugzeug besteht bei sehr hohem Anteil vertikaler Anströmung (I) keine Gefahr durch Überschreitung des maximalen Anströmwinkels (L) und den dadurch hervorgerufenen Strömungsabriss mit Flugunfähigkeit als Folge, weil der erhöhte vertikale Strömungsanteil (I) durch vertikale Bewegung des Flugzeugs ausgeglichen wird.There is no danger for a glider with a very high proportion of vertical flow (I) by exceeding the maximum incident angle (L) and the resulting angle Stall with inability to fly as a result of the increased vertical flow component (I) is compensated for by vertical movement of the aircraft.
Der sicherheitsrelevante Anströmwinkel (L) bleibt dadurch im ungefährlichen Toleranzbereich zwischen 0° und 13°. Voraussetzung ist allerdings, dass der horizontale Strömungsanteil (V) nicht reduziert wird. The safety-relevant approach angle (L) therefore remains harmless Tolerance range between 0 ° and 13 °. However, the prerequisite is that the horizontal Flow share (V) is not reduced.
In vorstehendem Abschnitt wurde an dem Beispiel eines Flugzeugflügelprofils (F), (Fig. 1) festgestellt, dass der Auftrieb (J) nach oben wirkt, wenn der Flügel von vorne (V) angeströmt wird.In the previous section, it was found using the example of an aircraft wing profile (F), ( FIG. 1) that the lift (J) acts upwards when the wing is flown against from the front (V).
Rotoren des Typs K (Fig. 2), deren Rotorblätter (B) eine kreisförmige Fläche (K) bestreichen, bekommen die Anströmung einmal durch die Rotation (C) und zusätzlich durch den rechtwinkelig zur Rotation (C) gerichteten Wind (D). Die resultierende Anströmung (R), die sich aus der Rotation (C) und dem Wind (D) ergibt, ist maßgebend für Größe und Wirkrichtung des Auftriebs (J).Rotors of type K ( Fig. 2), whose rotor blades (B) cover a circular surface (K), receive the inflow once through the rotation (C) and additionally through the wind (D) directed at right angles to the rotation (C). The resulting inflow (R), which results from the rotation (C) and the wind (D), is decisive for the size and direction of action of the lift (J).
Für die in Form einer Kreisscheibe (K) rotierenden Rotorblätter (B) hat das zwei Konsequenzen. Zum einen müssen sich die Rotorblätter (B) in Rotationsrichtung (C) bewegen, um anliegende Strömung zu bekommen. Gleichzeitig wirkt bei schwachem Wind (D) und kleinem Neigungswinkel (S) der Auftrieb (J) nahezu axial zur Rotorachse (A). Das ergibt keine Kraft in Rotationsrichtung (C) (Fig. 3).This has two consequences for the rotor blades (B) rotating in the form of a circular disc (K). On the one hand, the rotor blades (B) have to move in the direction of rotation (C) in order to get flow. At the same time, when the wind is weak (D) and the angle of inclination small (S), the lift (J) acts almost axially to the rotor axis (A). This results in no force in the direction of rotation (C) ( Fig. 3).
Mit steigendem Wind (D) steigt der Auftrieb (J). Seine Wirkrichtung ist gering in Rotationsrichtung geneigt aber vorwiegend axial zur Rotorachse (A) wie zuvor beschrieben (Fig. 3). Damit ist der erhöhte Auftrieb (J) nicht proportional seiner Erhöhung nutzbar, weil er die Rotation (C) nahezu nicht unterstützt.With increasing wind (D) the lift (J) increases. Its direction of action is slightly inclined in the direction of rotation but mainly axially to the rotor axis (A) as previously described ( Fig. 3). This means that the increased lift (J) cannot be used proportionally to its increase because it almost does not support rotation (C).
Damit ein Rotorblatt (B) Auftrieb (J) in Rotationsrichtung (C) abgeben kann, muss es mit der auftrieberzeugenden Oberseite in Rotationsrichtung (C) geneigt (S) werden (Fig. 4).In order for a rotor blade (B) to release lift (J) in the direction of rotation (C), it must be inclined (S) with the top that generates the lift (S) ( Fig. 4).
Das bedeutet jedoch, dass dadurch der Anströmwinkel (L) und damit gleichzeitig der Auftrieb (J) verkleinert wird.However, this means that the angle of attack (L) and thus the Buoyancy (J) is reduced.
Es kann festgestellt werden, dass bei dem Rotorsystem des Typs K die Rotationsrichtung (C) auch die Richtung der Leistungsentnahme ist. Die Wirkrichtung des grössten Auftriebs (J) steht hierzu nahezu 90° verdreht. Eine Entnahme der Kraft des Auftriebe in Wirkrichtung des Auftriebs ist nicht möglich. Während die nutzbare Kraft in Rotationsrichtung (C) entnommen wird, kann die Kraft des Auftriebs (J) in Windrichtung (D), nicht nutzbar abgeführt werden und wird durch Axiallager vernichtet.It can be stated that with the type K rotor system the direction of rotation (C) is also the direction of the withdrawal of benefits. The direction of action of the greatest buoyancy (J) stands almost 90 °. A withdrawal of the force of the buoyancy in the direction of action buoyancy is not possible. While the usable force in the direction of rotation (C) the force of the lift (J) in the wind direction (D) cannot be used be dissipated and is destroyed by thrust bearings.
Die Wirkrichtung Auftriebs (J) direkt mit einer Rotationsrichtung zwecks Leistungsentnahme in Übereinstimmung zu bringen, ist mit diesem Rotorsystem nicht möglich.The direction of action of the buoyancy (J) directly with a direction of rotation in order to draw power It is not possible to match this with this rotor system.
Es gelingt lediglich bei Windgeschwindigkeit (D) von mehr als 3 m/s und bei Neigung (S) der Rotorbläfter (B) die Kraft des Auftriebs (J) zu teilen (Fig. 3). Dies führt dazu, dass ein Teil des Auftriebs (J) in Rotationsrichtung (C) gelenkt wird und zur Nutzung abgeführt werden kann. Ein großer Teil des in Windrichtung (D) wirkenden Auftriebs (J) wird durch Axiallager vernichtet.It is only possible to divide the force of the lift (J) at a wind speed (D) of more than 3 m / s and at an inclination (S) of the rotor blades (B) ( Fig. 3). This means that part of the buoyancy (J) is directed in the direction of rotation (C) and can be dissipated for use. A large part of the lift (J) acting in the wind direction (D) is destroyed by axial bearings.
Darin liegt der wesentliche Unterschied bezüglich der Nutzung des Auftriebs (J) zwischen dem Rotorsystem des Typs K und einem Segelflugzeug. Während das Segelflugzeug den Auftrieb in Hebeleistung mkg/s umsetzen kann bzw. umsetzt, indem es steigt, kann das Rotorsystem des Typs K diese Leistung nicht vollbringen, weil es keinen Weg in Wirkrichtung des Auftriebs (J) zurücklegt.This is the main difference in the use of buoyancy (J) between the type K rotor system and a glider. While the glider the Can implement buoyancy in lifting capacity mkg / s or does it by increasing it can Type K rotor system does not accomplish this performance because there is no way in The direction of action of the buoyancy (J) is covered.
Es müsste eine Lösung gefunden werden, die eine direktere Nutzung des Auftriebs (J) in Größe und Richtung ermöglicht. A solution would have to be found that would make more direct use of the buoyancy (J) in Size and direction.
Die Anströmung (R) setzt sich bei diesem Rotorsystem aus der zylindrischen Kreisbahn (C) der rotierenden Rotorblätter (B) um die Rotorachse (A) und aus dem Wind (D) zusammen. Die Anströmgeschwindigkeit setzt sich aus der Rotationsgeschwindigkeit (C) der Rotorblätter (B) um die Rotationsachse (A) und der Windgeschwindigkeit (D) zusammen.In this rotor system, the inflow (R) is made up of the cylindrical circular path (C) the rotating rotor blades (B) around the rotor axis (A) and out of the wind (D) together. The inflow speed is made up of the rotation speed (C) Rotor blades (B) around the axis of rotation (A) and the wind speed (D) together.
Die Anströmung erfolgt im Sinusverlauf mit und gegen den Wind (D), wobei sich die Anströmgeschwindigkeit aus Rotations-Umfangsgeschwindigkeit (C) und Windgeschwindigkeit (D) in Drehrichtung (C) mit dem Wind (D), subtrahiert und in Drehrichtung gegen den Wind (D), addiert.The inflow takes place in the course of the sine with and against the wind (D), whereby the Flow velocity from the circumferential rotational speed (C) and Wind speed (D) in the direction of rotation (C) with the wind (D), subtracted and in Direction of rotation against the wind (D), added.
Bei den bekannten Rotorsytemen dieses Typs M sind die strömungaufnehmenden Rotorblätter (B) starr montiert. Sie behalten ihre Anstellwinkel (E) zur Rotorachse (A) zu jedem Zeitpunkt eines Rotationszyklus unverändert bei.In the known rotor systems of this type M, the flow-absorbing ones Fixed rotor blades (B). They keep their angles of attack (E) to the rotor axis (A) unchanged at every point in time of a rotation cycle.
Dadurch, daß die Anströmung (R) aus der kreisförmigen Rotation (C) und dem geradlinig auftreffenden Wind (D) resultiert, ändert sich der Anströmwinkel (L) während eines Rotationszyklus (C) ständig. Dadurch ist es möglich, dass die starr montierten Rotorblätter (B) kurzzeitig eine Anströmung (R) erhalten, die einen Auftrieb in Rotationsrichtung (C) erzeugt (P) (Fig. 8).Because the inflow (R) results from the circular rotation (C) and the rectilinear wind (D), the inflow angle (L) changes constantly during a rotation cycle (C). This makes it possible for the rigidly mounted rotor blades (B) to receive a flow (R) for a short time, which generates a lift in the direction of rotation (C) (P) ( FIG. 8).
Hierin haben die bekannten Rotorsysteme dieses Typs M (Fig. 5), gegenüber denen des Typs K (Fig. 2) einen Vorteil.Herein the known rotor systems of this type M ( FIG. 5) have an advantage over those of the type K ( FIG. 2).
Ein Leistungsvergleich der zwei bekannten Rotorsysteme Typ K und Typ M bezogen auf die überstrichene Fläche, fällt zu Gunsten des Typs K aus. Obwohl das Rotorsystem Typ M den Auftrieb mindestens kurzzeitig effektiver nutzen kann als das Rotorsystem Typ K, ist es dem Rotorsystem Typ K mit horizontaler Rotorachse (A) und rechtwinkelig dazu montierten Rotorblättern (B), in der gesamten Leistungsabgabe unterlegen.A performance comparison of the two known rotor systems type K and type M related to the swept area, in favor of type K. Although the type M rotor system At least for a short time it can use lift more effectively than the type K rotor system Type K rotor system with horizontal rotor axis (A) and mounted at right angles to it Rotor blades (B), inferior in the entire power output.
Hierfür gibt es zwei Gründe.
Grund Nr. 1 ist,
dass das Rotorsystem Typ M, mit starr montierten Rotorblättern (B) nur einen sehr
begrenzten Bereich eines Rotationszyklus die Voraussetzungen für eine optimale
Leistungsabgabe in Rotationsrichtung (C) erfüllt.
Der Grund Nr. 2 ist,
dass die Rotorblätter (B) in der Rücklaufphase gegen den Wind (D) einen hohen Widerstand
gegen die Rotationsrichtung aufbauen. Dies insbesondere dann, wenn die Rotorblätter (B) so
montiert sind, dass der cw-Wert hoch ist.There are two reasons for this.
Reason number 1 is
that the rotor system type M, with rigidly mounted rotor blades (B), only fulfills a very limited area of a rotation cycle, the requirements for optimal power output in the direction of rotation (C).
The reason number 2 is
that the rotor blades (B) build up a high resistance to the direction of rotation in the return phase against the wind (D). This is especially the case if the rotor blades (B) are mounted so that the drag coefficient is high.
Empirische Messungen der Leistung eines Rotors des Typs M im Windkanal haben ergeben,
daß die Leistung sehr davon abhängt, in welchem Anstellwinkel (E) die Rotorblätter (B) zur
Rotorachse (A) fest montiert sind.
Gemessen wurde:
In einem Windkanal Göttinger Bauart.
Windgeschwindigkeit (D) = 10 m/s.
Rotorsystem = Typ M
Rotationsradius = 650 mm
Anzahl der Rotorblätter (B) = 1
Rotorblatt = festmontiert
Rotorblatt = verstellbar
Anzahl der Rotationen n = 48 U/min zwangsangetrieben.
Anzahl der Messungen mit fest montierten Anstellwinkeln (E) = 6
Anzahl der Messungen mit verstellbarem Anstellwinkel (E) = 1
Aufzählung der Messungen
Messung Nr. 1: Anstellwinkel (E) = 0°,
Messung Nr. 2: Anstellwinkel (E) = 45°,
Messung Nr. 3: Anstellwinkel (E) = 90°,
Messung Nr. 4: Anstellwinkel (E) = 22,5°,
Messung Nr. 5: Anstellwinkel (E) = 67,5°,
Messung Nr. 6: Anstellwinkel (E) = 112,5°
Messung Nr. 7: Anstellwinkel (E) = verstellbar
Die Messergebnisse sind in Kurven aufgezeichnet.
In Fig. 7 sind die Messungen 1 bis 3 graphisch dargestellt.
In Fig. 8 sind die Messungen 4 bis 6 graphisch dargestellt.
In Fig. 9 ist die Messung 7 graphisch dargestellt.Empirical measurements of the power of a type M rotor in the wind tunnel have shown that the power depends very much on the angle of attack (E) at which the rotor blades (B) are fixed to the rotor axis (A).
The following was measured:
In a Göttingen-style wind tunnel.
Wind speed (D) = 10 m / s.
Rotor system = type M
Rotation radius = 650 mm
Number of rotor blades (B) = 1
Rotor blade = fixed
Rotor blade = adjustable
Number of rotations n = 48 rpm driven.
Number of measurements with fixed angles of attack (E) = 6
Number of measurements with adjustable angle of attack (E) = 1
List of measurements
Measurement No. 1: angle of attack (E) = 0 °,
Measurement No. 2: angle of attack (E) = 45 °,
Measurement No. 3: angle of attack (E) = 90 °,
Measurement No. 4: Angle of attack (E) = 22.5 °,
Measurement No. 5: angle of attack (E) = 67.5 °,
Measurement No. 6: Angle of attack (E) = 112.5 °
Measurement No. 7: Angle of attack (E) = adjustable
The measurement results are recorded in curves.
The measurements 1 to 3 are shown graphically in FIG .
The measurements 4 to 6 are shown graphically in FIG .
The measurement 7 is shown graphically in FIG .
Das Rotorblatt (B) liefert die grösste Kraft in Rotationsrichtung bei 90° des Zyklus (C). Eine Anströmung (V) von vorne oder als Resultierende (R) ist in diesem Bereich nicht gegeben, dass die gemessene Leistung nicht durch Auftrieb (J) entstanden sein kann, sondern dem Winddruck (D) (cw-Wert des Rotorblattes) entspricht.The rotor blade (B) delivers the greatest force in the direction of rotation at 90 ° of the cycle (C). A Inflow (V) from the front or as resultant (R) is not possible in this area, that the measured power cannot have arisen from buoyancy (J), but from the Wind pressure (D) (cd value of the rotor blade) corresponds.
Dementsprechend hoch ist der Bremswiderstand in der zweiten Zyklushälfte. Das Diagramm zeigt, dass die bremsende Wirkung während der Rücklaufphase gegen den Wind, bei 270°, größer ist als die Leistung während der ersten Hälfte des Zyklus.The braking resistance is correspondingly high in the second half of the cycle. The diagram shows that the braking effect during the reverse phase against the wind, at 270 °, is greater than the power during the first half of the cycle.
Eine Leistungsabgabe ist bei dem Anstellwinkel (E) von 0° und starrer Montage des Rotorblattes (B) nicht möglich.A power output is at the angle of attack (E) of 0 ° and rigid mounting of the Rotor blade (B) not possible.
Diese Leistungskurve zeigt in der ersten Hälfte des Rotationszyklus (C) ein ähnliches Ergebnis wie die Leistungskurve E = 0°. Eine Anströmung zur Erzeugung von Auftrieb (J) ist nicht gegeben und der cw-Wert ist, wegen der Schrägstellung des Rotorblattes bei 90° Rotationszyklus, niedriger.This performance curve shows a similar one in the first half of the rotation cycle (C) Result like the performance curve E = 0 °. There is an inflow to generate lift (J) not given and the drag coefficient is due to the inclined position of the rotor blade 90 ° rotation cycle, lower.
In der Rücklaufphase wird bei etwa 270° des Rotationszyklus ein für die Entstehung von Auftrieb günstiger Anströmwinkel (E) des Rotorblattes (B) erreicht. Die Bildung von Auftrieb steigert sich mit zunehmendem Verlauf des Rotationszyklus bis zu seinem Ende. Es ist die Dokumentation einer Leistung durch Auftrieb in der Rücklaufphase.In the reverse phase, at about 270 ° of the rotation cycle, a for the formation of Buoyancy of favorable inflow angle (E) of the rotor blade (B) reached. The formation of Buoyancy increases with the progress of the rotation cycle to the end. It is the documentation of a performance through buoyancy in the return phase.
Trotz dieser Leistung im Rotationszyklusbereich gegen den Wind, ist die Leistung in der Summe ebenfalls negativ. Despite this performance in the rotation cycle area against the wind, the performance is in the Sum also negative.
Bei diesem Anstellwinkel (E) erzeugt das Rotorblatt (B) weder Antrieb in Rotationsrichtung durch Auftrieb noch durch Winddruck (cw-Wert). Dies gilt für den Vorlauf in Windrichtung und für den Rücklauf gegen den Wind. Bei diesem Anstellwinkel (E) ist an keiner Stelle des Rotationszyklus positive Leistung vorhanden.At this angle of attack (E), the rotor blade (B) generates neither drive in the direction of rotation due to buoyancy and wind pressure (drag coefficient). This applies to the advance in the wind direction and for the rewind against the wind. With this angle of attack (E), the Rotation cycle positive performance available.
Mit diesem Anstellwinkel (E) erreicht das Rotorblatt (B) bei etwa 45° im Rotationszyklus ein Leistungsmaximum (P). Für etwa 10° des Rotationszyklus ist eine ideale Anströmung gegeben und damit dieses hohe Leistungsniveau zu halten. Danach nimmt die Leistung wieder ab.With this angle of attack (E) the rotor blade (B) arrives at about 45 ° in the rotation cycle Maximum power (P). For about 10 ° of the rotation cycle there is an ideal inflow given and thus to maintain this high level of performance. After that, the performance resumes from.
Im Bereich der zweiten Rotationszyklushälfte bewirkt dieser Anstellwinkel eine hohe negative Leistung.In the area of the second half of the rotation cycle, this angle of attack causes a high one negative performance.
Dies ist ein weiterer Beweis dafür, dass starr montierte Rotorblätter (B) eine zeitweilig gute Anströmung haben und eine daraus resultierende Leistung durch Auftrieb bringen können. Über den Rotationszyklus insgesamt jedoch reicht die Leistungsabgabe nicht für eine positive Leistungsbilanz.This is further proof that rigidly mounted rotor blades (B) are temporarily good Have an inflow and can bring a resulting performance through buoyancy. Over the rotation cycle as a whole, however, the power output is not sufficient for a positive one Current account.
Bei diesem Anstellwinkel erreicht das Rotorblatt bei etwa 60° Zyklus eine Leistungsspitze, die auf einen kurzzeitigen Leistungsgewinn durch Auftrieb (J) zurückzuführen ist. Der Auftrieb wiederholt sich in der Rücklaufphase und hat bei etwa 280° Rotationszyklus sein Maximum (P). Dieses Leistungsdiagramm zeigt auf, dass eine Leistungsaufnahme durch Auftrieb sowohl in der Vorlaufphase wie auch in der Rücklaufphase eines Rotationszyklus möglich ist. Zwischen den Leistungsspitzen ist die Leistung allerdings negativ.At this angle of attack, the rotor blade reaches a peak power at about 60 ° cycle, which is due to a short-term gain in performance due to buoyancy (J). The Buoyancy repeats itself in the retraction phase and has to be around 280 ° rotation cycle Maximum (P). This performance graph shows that a power consumption by Buoyancy both in the lead phase and in the reverse phase of a rotation cycle is possible. However, the performance is negative between the performance peaks.
Damit ist auch festzustellen, dass während der Rücklaufphase die hohe Anströmungs geschwindigkeit zur Nutzung des Auftriebs in Rotationsrichtung möglich ist.This also means that during the return phase the high inflow speed to use the buoyancy in the direction of rotation is possible.
Diese Leistungskurve zeigt, dass es auch möglich ist, im Bereich zwischen 90° Rotationszyklus und 270° Rotationszyklus positive Leistung zu erzeugen. Bei diesem Anstellwinkel (E) wird das Rotorblatt an der Oberseite seines Profil (F) angeströmt. Eine die Rotation (C) unterstützende Leistung ist feststellbar.This performance curve shows that it is also possible in the range between 90 ° Rotation cycle and 270 ° rotation cycle to generate positive power. With this Angle of attack (E) flows against the rotor blade at the top of its profile (F). A performance supporting the rotation (C) can be determined.
Entsprechend vorstehender Erkenntnisse wurde der Versuchsrotor mit einer Steuerkurve ausgerüstet, die eine grobe Verstellung des Anstellwinkels (E) während der Rotation (C) ermöglichte. Trotz des nur grob bestimmbaren Kurvenverlaufs aufgrund des Versuchsaufbaus, zeigt das Diagramm (Fig. 9) einen aufschlußreichen Leistungsverlauf. Es war beabsichtigt, die erste Hälfte des Rotationszyklus mit einem Anstellwinkel (E) von 0° zu steuern, um entsprechend der Messung Nr. 1; Kurve 0° (Fig. 7) den Winddruck zu nutzen. Die zweite Hälfte des Rotationszyklus sollte so gesteuert werden, dass der Widerstand möglichst gering wurde. Diese Erwartung wurde erfüllt.In accordance with the above findings, the test rotor was equipped with a control cam which made it possible to roughly adjust the angle of attack (E) during the rotation (C). Despite the only roughly determinable curve shape due to the experimental setup, the diagram ( Fig. 9) shows an instructive performance curve. It was intended to control the first half of the rotation cycle with an angle of attack (E) of 0 ° in order to correspond to measurement no. 1; Curve 0 ° ( Fig. 7) to use the wind pressure. The second half of the rotation cycle should be controlled so that the resistance became as low as possible. This expectation was fulfilled.
Ein Vergleich der Messungen Nr. 1 mit fest montiertem Rotorblatt (B) und der Messung Nr. 7 mit gesteuerter Versteilung des Anstellwinkels (E) zeigt, dass eine Optimierung der Anströmverhältnisse während eines Rotationszyklus möglich ist.A comparison of measurements No. 1 with the rotor blade (B) and the measurement No. 7 with controlled adjustment of the angle of attack (E) shows that an optimization of the Flow conditions during a rotation cycle is possible.
Die Positionen der höchsten Leistungen sind in den Kurven der Messungen 4 bis 6 (Fig. 8) durch ein P gekennzeichnet. Die Schnittpunkte (N) kennzeichnen die Schnittstelle einer abfallenden Leistungskurve mit einer anderen, ansteigende Leistungskurve (Fig. 8). The positions of the highest powers are identified by a P in the curves of measurements 4 to 6 ( FIG. 8). The intersection points (N) identify the interface of a falling power curve with another, increasing power curve ( FIG. 8).
Die Positionen der höchsten Leistungen (P) und die Positionen der Schnittstellen (N) sind für die drei Anstellwinkeln (E): 22,5°, 67,5° und 112,5° zusätzlich in einer Zeichnung bildlich dargestellt (Fig. 10).The positions of the highest powers (P) and the positions of the interfaces (N) for the three angles of attack (E): 22.5 °, 67.5 ° and 112.5 ° are additionally illustrated in a drawing ( FIG. 10) ,
Die Messungen bestätigen, dass es möglich ist, über den gesamten Rotationszyklus (C) Leistung zu erhalten, wenn die Rotorblätter während der Rotation (C) so um ihre eigene Achse (G) verstellt werden, dass die Anströmung (R) einen Auftrieb (J) in Rotationsrichtung (C) bewirkt.The measurements confirm that it is possible to use the entire rotation cycle (C) Obtain power when the rotor blades rotate during rotation (C) so as to do their own Axis (G) are adjusted so that the inflow (R) has a lift (J) in the direction of rotation (C) causes.
Durch die Erfindung wird erreicht, dass sich die Rotorblätter (B) während der Rotation (C) um die Rotorachse (A), unabhängig voneinander um die eigene Achse (G) verstellen lassen.It is achieved by the invention that the rotor blades (B) during the rotation (C) around the rotor axis (A), independently of each other around its own axis (G).
Dadurch wird erreicht, dass auf die sich während der Rotation (C) ständig ändernde Anströmrichtung, durch Veränderung des Anstellwinkels (E) reagiert werden kann.This ensures that the constantly changing during the rotation (C) Flow direction, can be reacted by changing the angle of attack (E).
Dadurch wird erreicht, dass die Rotorblätter (B) zur Erzeugung des grösstmöglichen Auftrieb (J) in Rotationsrichtung (C), durch optimale Anströmung (R) bei optimalem Anströmwinkel (L) in ihrem Anstellwinkel (E) fortwährend verstellt werden können.This ensures that the rotor blades (B) produce the largest possible Buoyancy (J) in the direction of rotation (C), through optimal inflow (R) at optimal The angle of attack (L) in its angle of attack (E) can be continuously adjusted.
Dadurch wird erreicht, dass der Auftrieb (J) und Winddruck (D) als aerodynamische Funktionen in Grösse und Wirkrichtung während des gesamten Rotationszyklus als nutzbare Leistung in Rotationsrichtung abgeführt werden können.This ensures that the lift (J) and wind pressure (D) are considered aerodynamic Functions in size and direction of action during the entire rotation cycle as usable Power can be dissipated in the direction of rotation.
Durch die Erfindung wird erreicht, dass die Rotorblätter (C) während des gesamten Rotationszyklus keine der Rotation (C) entgegenwirkende Leistung abgeben.It is achieved by the invention that the rotor blades (C) during the entire Rotation cycle do not give any performance opposing the rotation (C).
Durch die Erfindung wird erreicht, dass der Wirkungsgrad des Rotorsystems (M) gesteigert wird und mehr Windenergie, bezogen auf die überstrichene Fläche, einer Nutzung zugeführt werden kann, als das bisher möglich war. The invention achieves that the efficiency of the rotor system (M) is increased and more wind energy, based on the area covered, is used can be supplied than was previously possible.
A Rotorachse
B Rotorblatt/Rotorblätter
C Rotation/Rotationsrichtung/Rotationszyklus
D Wind/Windrichtung
E Anstellwinkel der Rotorblätter (B) zur Rotorachse (A)
F Profil des Flugzeugflügels/des Rotorblattes
G Achse des Rotorblattes/der Rotorblätter
H Flugrichtung des Flugzeugflügels
I Aufwind/Aufwindrichtung
J Auftrieb/Auftriebsrichtung
K Kreisfläche
L Anströmwinkel
M Zylindrische Mantelfläche
N Schnittpunkt von Kurven.
P Leistungsmaximum
R Anströmrichtung
S Neigungswinkel
T Druck in Rotationsrichtung
U Druck in Axialrichtung
V Anströmung von vorne
W Lagerdruck
A rotor axis
B rotor blade / rotor blades
C rotation / rotation direction / rotation cycle
D wind / wind direction
E Angle of attack of the rotor blades (B) to the rotor axis (A)
F Profile of the aircraft wing / rotor blade
G Axis of the rotor blade / the rotor blades
H Direction of flight of the aircraft wing
I Upwind / upwind direction
J Buoyancy / direction of buoyancy
K circular area
L flow angle
M cylindrical surface
N intersection of curves.
P maximum power
R flow direction
S angle of inclination
T Pressure in the direction of rotation
U axial pressure
V inflow from the front
W bearing pressure
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| DE2000144147 DE10044147A1 (en) | 2000-09-07 | 2000-09-07 | Rotor system for using wind energy using aerodynamic buoyancy principle has rotor blades adjustable individually and mutually independently in their blade angle relative to rotor axis |
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