DE19840066A1

DE19840066A1 - Vertikalachsrotor mit Einrichtung zum selbsttätigen Einstellen der Flügel für die Anpassung an die Windgeschwindigkeit

Info

Publication number: DE19840066A1
Application number: DE19840066A
Authority: DE
Inventors: Guenther Eggert; Claus Huebner; Eckard Moeck
Original assignee: E3 ENVIRONMENT ENERGY ENGINEER; En Umwelt Beratung E V I
Current assignee: E3 ENVIRONMENT ENERGY ENGINEER; En Umwelt Beratung E V I
Priority date: 1998-09-03
Filing date: 1998-09-03
Publication date: 2000-03-09

Abstract

Rotor mit achsparallelen Flügeln mit radialer Durchströmung, dadurch gekennzeichnet, daß die an den Enden radialer Speichen einer zentralen Drehachse drehbar angelenkten Flügel durch Federn oder andere wirkende Kräfte so in eine Stellung gebracht werden, daß sie bei Stillstand des Rotors und bei geringen Windgeschwindigkeiten in eine Endlage mit großer Widerstandsfläche gegen den Wind und somit großer resultierenden Drehkraft und anderenfalls bei hohen Windgeschwindigkeiten durch die Massenfliehkräfte der Flügel entgegen der Wirkung der Federkräfte in eine Stellung gedrückt werden, bei denen die Fügelprofilsehnen in Richtung der Tangenten der gedachten kreisförmigen durch die Anlenkpunkte führenden Umlaufbahn gebracht werden und somit die Ausbildung einer Drehkraft verhindern.

Description

Gegenstand der Erfindung

Gegenstand der Erfindung ist eine Einrichtung zur selbsttätigen Verstellung der Segelflügel einer Vertikalachs-Windkraftanlage zur Anpassung an die jeweilige Windgeschwindigkeit, insbesondere zur Starkwindsicherung.

Stand der Technik

In neuerer Zeit sind Vorschläge für kleine Windkraftanlagen mit vertikaler Drehachse nach dem Prinzip des Savoniusrotors insbesondere sogenannte Durchströmrotoren, bekannt geworden, die mit Flügeln aus Segeltuch arbeiten, das auf Rahmen gespannt wird. Bei diesen Windkraftanlagen besteht die Möglichkeit, daß bei Starkwind die Segel zerstört werden können. Es gibt auch Vorschläge, nach den ein selbsttätiges Reffen der Segel bei hohen Windgeschwindigkeiten erfolgt.

Erfindungsziel

Die Erfindung einen Verstellmechanismus zur Verstellung der achsparallelen Flügel am Rotor zum Ziel, mit dem die Flügelstellung so an die unterschiedlichen Windgeschwindigkeiten angepaßt werden kann, daß eine zu hohe Drehzahl sowie bei extremen Starkwinden die Zerstörung der Segel verhindert werden kann.

Lösungsweg

Die erfinderische Aufgabe wird dadurch gelöst, daß an einer biegesteifen zentralen vertikalen Rotorachse, die in einem Unterturm drehbar gelagert ist und als Kragarm über den Turm hinausragt, seitliche, radiale Arme als Speichen befestigt sind, die an ihren Enden Drehgelenke zur Aufnahme der Segel haben. Die Segel selbst werden durch Spannrahmen aus leichten Rohren gebildet. Durch die Anstellung der Segelrahmen zu den Speichen, an denen sie befestigt sind, ergibt sich eine Fläche, die einen unterschiedlichen Widerstand zum Wind hat und damit vom Schwachwindanlauf bis zum Starkwind arbeiten kann.

Die Anstellung geschieht durch die am Segelrahmen angreifenden resultierenden Kräfte, die sich aus den aerodynamischen und den Fliehkräften der Flügel sowie aus den Federkräften eines zusätzlichen Federsystems ergeben, das die Flügel bei Schwachwind in eine Position des größten Widerstands drückt. Bei zunehmender Drehzahl erfolgt eine Zunahme der Fliehkräfte an den Flügeln derart, daß die auf der Abströmseite des ablaufenden Flügels befindliche Masse den größeren Betrag zur resultierenden Fliehkraft an jedem Flügel liefert. Die erfindungsgemäße Lösung besteht weiterhin darin, daß alle Flügel eines Rotors über einen gemeinsamen Hebelmechanismus so verbunden sind, daß sich die resultierenden Fliehkräfte aller Flügel arithmetisch addieren, während sich die aerodynamischen Kräfte der Flügel, einschließlich der gegen die Drehrichtung des Rotors gerichteten auf der zulaufenden Seite, geometrisch addieren und hierdurch die Fliehkräfte ab einer bestimmten Drehzahl die Flügel entgegen den Feder- und aerodynamischen Kräften so in den Wind drehen, daß sie einen immer kleineren Widerstand bieten.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel beschrieben. Es zeigen:

Bild 1 einen Vertikalachsrotor mit drei Flügeln in Vorderansicht und Draufsicht,

Bild 2 den Aufbau des Rotors mit den wesentlichen Funktionselementen für die Flügelverstellung in der Draufsicht.

Jeder Flügel besteht aus einem Holmrahmen, der mit zwei übereinanderliegenden Gelenken an zwei senkrecht übereinander angeordneten Speichen angelenkt ist. In senkrechter Erstreckung wird der Holmrahmen durch drei Speizholme aufgespannt. Der mittlere Spreizholm dient gleichzeitig zur Aufnahme einer langen Drehfeder, die an einem Ende gegen den Holm arretiert ist und am anderen Ende einen Hebel hat, der mit Vorspannung gegen das Knotenblech wirkt, das beiden Flügelholme der oberen Rahmenkante verbindet. Durch den Drehfederhebel wird der Flügelrahmen nach Bild 2 entgegen dem Uhrzeigersinn gedreht, so daß der ablaufende Flügel mit größtmöglicher Fläche vom Wind erfaßt wird. Während der Drehung der Flügel entstehen an den als punktförmig gedachten Fliehmassen Z(ulaufseite) und A(blaufseite) Fliehkräfte, die - außer von der Drehzahl - über die Winkelstellung des Flügels von den jeweiligen Radienabständen zur Drehachse und gleichzeitig von den in den Massenpunkten Z und A zusammengefaßten Flügelmassenanteilen abhängen.

An der Ablaufseite jedes Flügelrahmens ist eine Koppel angelenkt, die über ein weiteres Gelenk mit einem Hebel verbunden ist. Der Hebel sitzt an einem Drehring, der um die zentrale Rotorachse drehbar ist. Gleiche Hebelgestänge haben alle drei Flügel, so daß sich alle aus den Fliehkräften ergebenden Kräfte addieren.

Die aerodynamischen Kräfte sind an den drei Flügeln je nach Stellung der Flügel in den Umlaufbahn unterschiedlich nach Größe und Richtung. Wenn ein Flügel die gesamte Fläche als Widerstandsfläche hat, entsteht eine den Rotor drehende Kraft, während auf der gegenüberliegenden Bahnseite eine kleinere entgegengesetzt wirkende Kraft den Rotor in seiner Bewegung abbremst. Die aerodynamische Kraft wird also immer aus Antriebs- und Bremskräften gebildet. Solange die resultierende Kraft einen Drehmomentenüberschuß liefert, wird der Rotor beschleunigt. Bei Erreichen einer bestimmten Drehzahl erfolgt eine synchrone Verstellung der Flügel, sie schließen sich und vermindern die resultierende aerodynamische Antriebskraft. Der Vorgang ist neben den genannten Zusammenhängen weiterhin abhängig von der Voreinstellung der Drehfedern und von der Windgeschwindigkeit. Die Einstellung aller Einflußgrößen ist konstruktiv und betriebstechnisch so möglich, daß bei Starkwind der Rotor nur noch in einer langsamen Drehzahl läuft, mit der die Segel dem Winddruck ausweichen können.

Claims

1. Rotor mit achsparallelen Flügeln mit radialer Durchströmung, dadurch gekennzeichnet, daß die an den Enden radialer Speichen einer zentralen Drehachse drehbar angelenkten Flügel durch Federn oder andere wirkende Kräfte so in eine Stellung gebracht werden, daß sie bei Stillstand des Rotors und bei geringen Windgeschwindigkeiten in eine Endlage mit großer Widerstandsfläche gegen den Wind und somit großer resultierenden Drehkraft und anderenfalls bei hohen Windgeschwindigkeiten durch die Massenfliehkräfte der Flügel entgegen der Wirkung der Federkräfte in eine Stellung gedrückt werden, bei denen die Flügelprofilsehnen in Richtung der Tangenten der gedachten kreisförmigen durch die Anlenkpunkte führenden Umlaufbahn gebracht werden und somit die Ausbildung einer Drehkraft verhindern.

2. Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flügel über mechanische Glieder so zwangsverbunden sind, daß alle Änderungen der Flügelanstellung winkelsynchron bei allen Flügeln erfolgen.