DE2753187A1

DE2753187A1 - Windmaschine, insbesondere mit zwei windfluegeln

Info

Publication number: DE2753187A1
Application number: DE19772753187
Authority: DE
Inventors: Thomas P Stafford
Original assignee: SSP AGRICULTURAL EQUIPMENT Inc
Current assignee: SSP AGRICULTURAL EQUIPMENT Inc
Priority date: 1977-06-10
Filing date: 1977-11-29
Publication date: 1978-12-21
Also published as: US4148594A; AU3450278A; FR2393959A1; AU516368B2; FR2393959B3; JPS545204A; NZ186824A; ES465112A1; IL54454A0; IL54454A

Description

Windmaschine, insbesondere mit zwei Windflügeln

Windmaschinen mit Windflügeln werden unter anderem zum Schutz von Zitrus- und Avocadobäumen und zum Schutz anderer Gewächse, so zum Schutz von Getreide etc. gegenüber Störung unter Einfluss kalter oder anderer klimatischer Bedingungen verwendet. In gewissen Fällen reicht eine durch eine gerichteten Luftstrom der Windmaschine erzeugte Störung oder Verwirbelung der Umgebungsluft aus, um die nachteiligen Wirkungen von stehenden "Taschen" kalter Luft, die sich über Bäumen, diese umgebendj oder sogar unter den Bäumen und Pflanzen festsetzen und zur Wirkung gel angen,auszuschalten.y_nter extremen Bedingungen ist eine Erwärmung der in Umlauf gebrachten Luft erforderlich.

Die Windflügel werden mit einer Geschwindigkeit von etwa 590 Umdrehungen pro Minute auf der Oberseite von Säulen betrieben, deren Höhe zwischen 3 m und etwa 12 m beträgt. Die Windflügel werden entweder durch Elektromotoren oder durch Brennk_wraftmaschinen angetrieben, die sich entweder am Fuß der Säule, an der Oberseite oder nahe der Oberseite der Säule befinden können. Die Windflügel-Antriebe an der Oberseite der Säule wirken im allgemeinen horizontal im Drehsinn über 360°, wobei eine Geschwindigkeit von 4 1/2 Minuten pro vollständiger Umdrehung besteht. Die Durchmesser der Windflügel oder Rotorblätter beträgt zwischen 3,3 m und 5,1 m.

Bei Propellergebläsen bzw. Windf1ügelmaschinen wird ein Impuls oder Druck durch die sich bewegenden Windflügelkörper auf die Luft ausgeübt. Der Impuls oder Druck steht in direkter Beziehung zur Veränderung der Energie der sich durch die Ebene der Windmaschine bzw. der Windflügel bewegenden Luft. Bei einem

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feststehenden Gebläse mit Windflügeln muß der Impuls vollständig abgefangen werden, um axiale Bewegungen des gesamten Windf1ügelmechanismus zu verhindern. Die aerodynamischen Kräfte an den Windflügeln müssen infolgedessen durch Reaktionskräfte in dem Windf1ügelkörper und im Aufbau der Windmaschine abgefangen und ausgeglichen werden.

Die besten aerodynamischen Wirkungen bei Windflügelmaschinen werden erzielt, wenn die Rotoren bzw. Windflügel die Form eines dünnen, aus gezogenem Aluminium bestehenden Flügel profilkörpers bestehen, wobei das Profil mit Ausnahme des Bereiches besteht, an welchem die Verbindung der Nabe der Windmaschine mit den Windflügeln besteht. An diesen Verbindungen können große Momente entstehen, welche Biegespannungen auslösen, derart, daß diese die durch die Zentrifugalkraft hervorgerufenen Spannungsbelastungen sogar überschreiten. Es ist infolgedessen erforderlich, eine Vorrichtung zu schaffen, welche sich der Zentrifugalkraft bedient, um das Biegemoment zu überwinden oder auszuschalten. Die Verbindung zwischen Nabe und jedem Windflügel muß als kontinuierliche, elastisch verformbare Verbindung bestehen.

Davon ausgehend wurde gemäß der Erfindung eine konstruktive Anordnung geschaffen, bei welcher Spannungsbelastungen auf größere bzw. längere Flächen der Windflügel verteilt werden, derart, daß Spannungskonzentrationen in den Windf1ügelkörpern vermeidbar sind. Zu diesem Zweck werden die Windflügel mit einer Reihe von beschichteten Platten an der Nabe befestigt. Die längste der Platten jeder Plattenseite befindet sich nahe den an den Naben ausgebildeten Mitnehmern bzw. Befestigungsansätzen, wobei jeweils jede außerhalb der längsten Platte befindliche Platte in der Folge kürzer ist. Auf diese Weise wird

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eine Reihe an den Plattenenden befindliche¹,' nach unten verlaufender Stufen gebildet. Es ist somit möglich, von einander getrennte Zuwächse bzw. Anteile der SpannungsUbertragung auf die Windflügel diametral außerhalb der Nabenansätze zu erreichen.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung erläutert.

Figur 1 ist eine Seitenansicht einer Windmaschine mit einem Windflügelgebläse nach der Erfindung;

Figur 2 ist eine Ansicht der Nabe und eine Teilansicht der Windflügel,von Linie 2-2 in Figur 1;

Figur 3 ist eine Ansicht der Nabe unter teilweiser Darstellung der Windflügel, von Linie 3-3 in Figur 2;

Figur 4 ist eine Teilschnittansicht von Linie 4-4 in Figur 2; Figur 5 ist eine Tei1 sehnittansicht von Linie 5-5 in Figur 2;

Figur 6 ist eine der Figur 4 vergleichbare Ansicht unter Darstellung einer weiteren Ausführungsform nach der Erfindung;

Figur 7 ist eine Draufsicht unter Darstellung der Einrichtung, mittels welcher erfindungsgemäß die Nabe und ein Windflügel verbindbar sind;

Figur 8 ist eine Tei1schnittansicht von Linie 8-8 in Figur 4; und

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Figur 9 ist eine Teilansicht eines Windflügels mit einer

maschinell bearbeiteten ebenen Fläche zur Anlage und Verbindung mit einer Platte.

In Figur 1 der Zeichnung ist eine Windmaschine 10 dargestellt, die auf einem auf der Erdoberfläche 12 stehenden Betonblock 14 befestigt ist. Der untere Teil 16 eines Turms bzw. einer Säule ist an der Oberseite des Betonblocks befestigt und erstreckt sich von diesem nach oben.

Die Windmaschine wird elektrisch angetrieben und weist Motorsteuerungen 18 auf, die entlang der Säule an der Oberseite des Betonblocks oder -sockels befestigt sind. Am unteren Teil der Säule ist innerhalb der Reichweite des Betonsockels 14 eine Leiter 20 angebracht.

Am Säulenteil 16 ist ein Motorgehäuse 22 befestigt, welches den oberen Teil der Säule bildet und den Antriebsmotor aufnimmt. An der Oberseite des Gehäuses 22 ist ein Zahnring 24 angeordnet. Oberhalb des Gehäuses 22 ist ein Gehäuse 28 der Windmaschine drehbar gelagert, wobei sich vom Gehäuse 28 ein Ritzel 26 nach unten erstreckt und mit dem feststehenden Zahnring in Eingriff ist.

Vom Gehäuse 28 erstreckt sich horizontal eine Antriebswelle 30 nach außen; eine Nabe 31 ist drehbar an ihrem Ende vorgesehen. Von der Nabe 31 erstreden sich diametral gegenüberliegend, also um 180° versetzt, Mitnehmer bzw. Ansätze 32 und 34 nach außen, an welchen Windflügel 36 und 38 mittels geschichteter, überlappender Platten 40 und 42 befestigt sind. Der Motor treibt Untersetzungszahnräder innerhalb des Gehäuses 28 an, welche

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ihrerseits das Ritzel 26, im Eingriff mit dem Zahnring 24, drehen. Auf diese Weise werden das Gehäuse 28, die Antriebswelle und die Windflügel bezüglich der Achse der Säule horizontal um 360° oder weniger gedreht. Der Motor treibt außerdem die Windmaschine um die Achse der Antriebswelle an.

Am Teil bzw. Gehäuse 22 der Säule ist eine Leiter 44 befestigt, so daß man von der Leiter 20 auf die Leiter 44 steigen kann, um an die Teile der Windmaschine zu gelangen.

Gemäß Figur 1-3 ist die Nabe als ein Eisengußteil ausgebildet, welcher einen materia1 einheiti ich mit den Mitnehmern 32 und 34 bestehenden mittleren Teil 48 aufweist. Der Mittelteil ist im wesentlichen rund gegossen und weist Vorder- und Rückseiten 50 und 52 auf. Der Mittelteil besitzt ferner eine maschinell bearbeitete Axialbohrung 54, durch welche sich das äußere Ende

in
56 der Antriebswelle erstreckt und/dieser eingepasst ist. Das äußere Ende der Welle ist im wesentlichen zylindrisch, weist abgeschrägte Kanten auf und ist mit einem konischen Teil 58 versehen, der in den länglichen Teil übergeht. Der Teil grellen Durchmessers ist in der Bohrung 54 in der Nabe zentriert; der Durchmesser der Bohrung ist etwa um 3,2 mm größer als der Durchmesser des Wellenteils, derart, daß ein Zwischenraum für die Nabe besteht, so daß diese Kippbewegungen vollführen kann.

Rechtwinkelig zur Nabenachse ist eine diametral verlaufende Bohrung vorgesehen, wobei die Bohrung zwei Teile 60 und 62 aufweist, die durch die Bohrung 54 unter Abstand voneinander gehalten sind. Außerhalb der Bohrung 54 sind in den Bohrungsteilen 60 und 62 Buchsen 64 und 66 eingepasst. In Fluchtung mit den Buchsen 64 und 66 befindlich ist eine Bohrung 68 im Schaftteil 56 vorgesehen. Ein zum Κ_Ί·ρρ_{6η unc}| Antreiben der

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Nabe dienender Zapfen 70 ist in den Buchsen 64, 66 und in die Bohrung 68 der Welle eingepasst. Der Zapfen 70 besitzt eine quergerichtet verlaufende, zentrierende Bohrung 72, wie in Figur 3 dargestellt ist. Auf diese Bohrung ist eine Gewindebohrung 74 im Wellenende ausgerichtet. In die Gewindebohrung 74 ist eine die Welle zentrierende Schraube 76 eingeschraubt; die Schraube 76 besitzt eine Verlängerung 80 ohne Gewinde, welche in die Bohrung 72 im Zapfen 70 eingepasst ist, um diesen auf der Nabe zu zentrieren.

Gemäß Figur 2 sind ein Paar Endplatten 84 und 86 an der Nabe angeschraubt, um den darin befindlichen Zapfen zu sichern und abzudichten. Innerhalb jeder der Platten ist in der Mitte ein Schmiermittelanschluß 88 vorgesehen, so daß der Zapfen 70 innerhalb der Buchsen 64 und 66 geschmiert werden kann.

Die Abstandshalterung der Welle gegenüber der Nabenbohrung und der Zapfen 70 bilden eine Einrichtung für die Nabe, mittels welcher diese kippen kann, derart, daß durch starke Seitenoder Querwinde ausgelöste Spannungen in der Nabe reduziert werden können. Die Nabe ist so ausgebildet, daß sie auf der Welle innerhalb der Bohrung 54 um bis zum 5° auf dem Zapfen 70 schwenkbar ist. Es ist außerdem daraufhinzuweisen, daß die gegossene Nabe eine Dämpfungswirkung gegenüber Schwingungen besitzt, die durch die Drehung der Windflügel bzw. Rotorblätter ausgelöst werden.

In den Figuren 2-8 sind die Einzelheiten der Mitnehmer bzw. Ansätze, der geschichteten Platten und der Windflügel wiedergegeben. Gemäß Figur 2 und 5 sind die äußeren Teile der Mitnehmer 32 und 34 im wesentlichen rechtwinkelig und besitzen

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gerade Kanten, flache äußere Enden 102 und gegenüberliegende parallele flache Seiten 94, 96 und 98, 100. Diese verlaufen unter einem schrägen Winkel von etwa 17' zu einer Ebene, welche senkrecht zur Drehachse der Windmaschine verläuft.

Es sei darauf verwiesen, daß die Nabe in von der Richtung des durch die Windmaschine erzeugten Luftstroms abgewandter Richtung vorgeschrägt ist, d.h., die Richtung der Mitnehmer oder Ansätze ist bezüglich einer durch die Nabe senkrecht zur Drehachse verlaufenden Mittellinie um 1,5 bis 3° versetzt. Mit Hilfe dieser Vorschrägung wird ein durch Zentrifugalkraft ausgelöstes Biegemoment erzeugt, weichendem durch die am Windflügel wirkende Druckkraft ausgelösten Biegemoment entspricht und entgegengesetzt zu diesem verläuft.

Die in den Figuren 4 und 6 dargestellten Blätter bzw. Windflügel aus gezogenem Aluminium besitzen im Querschnitt das Profil einer Tragfläche, derart, daß die Oberseite 106 gekrümmt ist und die Unterseite 104 nur in dem Bereich flach ist, wo die Platten mit den Windfl ügel körpern verbunden werden.

Die Mitnehmer 34 (Figur 4) sind dicker als die Blätter bzw. Flügelkörper; eine dünne Platte 108 ist zwischen den geschichteten Platten an der Oberseite des Windflügels vorgesehen (Figuren 7, 8 und 9). Der Windflügel besitzt eine flache Oberseite 110, welche parallel zur flachen Unterseite 104 verläuft. Je nach der Konstruktion der Nabe kann die Unterlegscheibe an der Oberseite oder an der Unterseite des Flügels bzw. Rotors oder an der Ober- bzw. Unterseite des Mitnehmers angeordnet sein. Mit Hilfe der Unterlegscheibe soll ein Ausgleich der Dicke des Flügels und des Mitnehmers erreicht werden, um eine Verschraubung vornehmen zu können. Es kann dabei ein Ab-

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stand von etwa 0,8-6,3 mm zwischen den flachen äußeren Enden 102 der Mitnehmer und den inneren flachen Enden 110 der Windflügel bestehen.

In der dargestellten Ausführungsform sind fünf überlappende Platten40 und 42 vorgesehen, die jeweils aus fünf Lagen von heißgewalzten "14er"-Stahl platten bestehen und sich auf den beiden Seiten der Mitnehmer 32 und 43 befinden. Die Platten sind mit Hilfe von sechs Schrauben 112 an den Mitnehmern befestigt, wobei sich die Schrauben durch Bohrungen der Mitnehmer erstrecken und an der Unterseite durch Muttern 114 angezogen sind. Infolge der parallelen flachen Seite der Mitnehmer und der Windflügel werden diese an den Mitnehmern mit Hilfe der Schrauben zweischnittig befestigt.

Bei einer großen Windmaschine werden fünf oder sechs Schichten von überlappenden Platten an jedem Windflügel bzw. Rotor verwendet. Bei kürzeren Baumaßen der Windmaschine bzw. der Windflügel können zwei Paare von geschichteten Platten an jedem Flügel körper verwendet werden.

Gemäß Figur 2, 4 und 7 erstreckt sich die vierte Reihe von Schrauben bzw. Schraubenbolzen durch die fünf Platten, durch die Unterlegscheibe und durch den Windflügel; die Schrauben besitzen den gleichen Abstand wie die die Mitnehmer durchsetzenden Schrauben. Gemäß Figur 7 und 8 sind die längsten oberen und unteren Platten 120 in Berührung mit den flachen Seiten 110 auf der Oberseite und der flachen Seite 104 auf der Unterseite. In Figur 6 ist eine Unterlegscheibe 120 einer weiteren Ausführungsform dargestellt; diese besitzt eine flache Außenseite und eine kurvenförmig verlaufende Innenseite, die komplementär zum Krümmungsverlauf des Windflügels ausgebildet ist.

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Jedes Paar der einander folgenden Platten 122, 124, 126 und 128 bildet gemäß Figuren 7 und 8 Reihen von Stufen, die sich von den Platten 128 nach unten und nach außen erstrecken. Die die Platten 126, 124, 122 und 120 durchsetzenden Schrauben sind in Längsrichtung unter einem Abstand von 76 mm gehalten, wobei die längste Platte 120 eine Länge von 508 mm besitzt.

Mit Hilfe der vorbeschriebenen Anordnung werden die Windflügel an den Mitnehmern so befestigt, daß die Spannungsbelastungen an den Windflügeln über eine ausreichend große Fläche verteilt werden, derart, daß Spannungskonzentrationen an den Windflügeln vermeidbar sind. Im Bereich der geschichteten Platten und der Schrauben ist eine graduelle Spannungsbelastung erzielbar, wobei sich die Platten und die Windflügel über einen beträchtlichen Anteil des durch die geschichteten Platten bedeckten Windf1ügelbereiches biegen können. Es hat sich herausgestellt, daß Biegungen primär in den äußersten Platten, so in den Platten 120, 122, 124 als auch um die Bohrungen in den Flügeln und den geschichteten Platten auftreten, derart, daß diese bei längerem Gebrauch etwas aufgeweitet werden. Wenn die geschichteten Platten nach längerem Gebrauch vom Windflügel gelöst werden, dann besitzen die Platten eine feststehende, nach außen gerichtete Biegung, welche das Ausmaß der Biegebelastung und Lastverteilung über den Windflügeln und den Platten während des Betriebs aufzeigen. Die Anordnung gestreckter oder vergrößerter Verteilung der Belastung macht sich den Vorteil zunutze, daß die Aluminium-Windflügel einen Elastizitätsmodul besitzen, welcher etwa einem Drittel des Elastizitätsmoduls der Mitnehmer entspricht. Bei Verwendung von fünf Platten auf jeder Seite sind fünf besondere schrittweise Zunahmen der Spannungsübertragung von den Platten auf die Windflügel im Bereich der verschiedenen Verbindungen vorhanden. Es hat sich durch

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Untersuchungen herausgestellt, daß diese Anordnung den Windflügeln eine äußerst lange Lebenserwartung verleiht und daß die Gefahr des Bruches im Bereich der zur Verbindung dienenden Platten vermieden ist.

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PATENTANSPRÜCHE

1 .· Windmaschine, insbesondere mit zwei Windflügeln von langer Konstruktion, mit einer auf einer Antriebswelle befindlichen Nabe, von der sich ein Paar von Nabenansä'tzen unter einem Winkelabstand von 180° nach außen erstrecken, und mit Windflügeln, die sich diametral einander gegenüberliegend von jedem Nabenansatz nach außen erstrecken, dadurch gekennzeichnet, daß die Windflügel (36, 38) mit einer Einrichtung (120-128) an den Nabenansätzen (32, 34) so befestigt sind, daß die Spannungsbelastungen der Windflügel über eine gestreckte Fläche verteilt wird, welche ausreicht, um Spannungsverdichtungen innerhalb eines verhältnismäßig kleinen Bereiches zu vermeiden, derart, daß eine allmähliche Biegebelastung im Bereich der Verbindungseinrichtung auf die Windflügel ausgeübt wird und sich die Verbindungseinrichtung und die Windflügel über einen beträchtlichen Teil der Fläche biegen können.
2. Windmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nabenansätze (32, 34) flach und in Längsrichtung auf die Windflügel (36, 38) ausgerichtet sind, und daß sich die Außenenden der Nabenansätze an den Innenenden der Windflügel befinden.

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Deutsche Bank München. Kto.-Nr. 82708050 (BLZ 70070010)

Postscheck München Nr. 163397-802

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3. Windmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungseinrichtung aus mehreren fluchtenden Verbindungsplatten (120-128) besteht, daß sich die Platten auf den beiden Seiten der Nabenansätze und der Windflügel befinden und daß sie durch Bolzen- bzw. Schraubenverbindung mit den Nabenansätzen und den Windflügeln verbunden sind.
4. Windmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten geschichtet sind und unterschiedliche Länge besitzen, wobei sich jeweils eine Platte einer Länge auf jeder Seite der Nabenansätze und der Windflügel befindet, derart, daß sich die längste (120) der Platten jeder Seite nahe der Nabenansätze und der Windflügel befindet, und daß jeweils jede außerhalb der längsten Platte befindliche Platte in der Folge kürzer ist als die vorangehende, so daß an ihren Enden eine Reihe abfallender Stufen gebildet ist und von den Nabenansätzen auf den Windflügeln schrittweise Zunahmen der Spannungsübertragung diametral nach außen gerichtet verlaufen.
5. Windmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jede Platte an ihrem die Stufe bildenden Ende mit dem Windflügel verbunden ist.
6. Windmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich auf beiden Seiten der Windflügel zwei oder mehr Platten befinden, und daß die Fläche der zulässigen Biegung der Windflügel wenigstens diejenige der Platten einschließt, welche die tiefsten zwei Stufen bilden und sich diametral nach außen gerichtet erstrecken, so daß die Bereiche nahe der Schrauben bzw. Bolzen nahe der untersten zwei Stufen mit umfasst sind.
7. Windmaschine nach Anspruch 1 - 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Windflügel die Form einer Flugzeugtragfläche besitzen

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und ebene Flächen aufweisen, welche zur Verbindung mit den Platten dienen.
8. Windmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Elastizitätsmodul der Windflügelkörper etwa 1/3 des Elastizitätsmoduls der Nabenansätze beträgt.

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