DE2757266B1

DE2757266B1 - Windturbinenanlage mit Hauptrotor und einem oder mehreren Anlaufhilferotoren

Info

Publication number: DE2757266B1
Application number: DE2757266A
Authority: DE
Inventors: Dieter Dipl-Ing Welte
Original assignee: Dornier GmbH
Current assignee: Dornier GmbH
Priority date: 1977-12-22
Filing date: 1977-12-22
Publication date: 1978-11-02
Also published as: DE2757266C2

Description

Als zusätzliche Anlaufhilferotoren sind sogenannte »Savonius-Rotoren« verwendet worden, wobei deren Schalen mit der Rotorwelle des Hauptrotors fest verbunden sind Es hat sich jedoch bei dieser bekannten kombinierten Anordnung der unterschiedlichen Rotorarten gezeigt, daß die Schalen der Anlaufhilferotoren in der Anlaufphase aufgrund des kleinen Hebelarmes nur ein relativ kleines Drehmoment erzeugen können und dadurch nur eine relativ langsame Beschleunigung des Hauptrotors erzielbar ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die bei der kombinierten Verwendung von Hauptrotor und Anlaufhilfe der angegebenen Art auftretenden Nachteile durch Vergrößerung des Anlaufdrehmomentes zu vermeiden, ohne die Leistungsaufnahme des Hauptrotors bei Arbeitsdrehzahl zu verschlechtern.
Die gestellte Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Schalen der Anlaufhilferotoren an der Rotorwelle mitdrehbar, jedoch radial in unterschiedliche Stellungen frei beweglich geführt sind und daß an den Schalen Fliehgewichte so angreifen, daß die Schalen der Anlaufhilferotoren mit zunehmender Rotation selbsttätig aus einer Stellung maximalen in eine Stellung minimalen Abstandes zur Rotorwelle verstellbar sind.
Mit einer gemäß der Erfindung ausgebildeten Windturbinenanlage der genannten Art wird erreicht, daß der nur in bestimmten oberen Drehzahlbereichen wirkungsvoll arbeitende Hauptrotor (»Darrieus-Rotor«) im unteren Drehzahlbereich durch die Anlaufhilferotoren (»Savonius-Rotoren«) zum Anlaufen gebracht und bis zu einem Drehzahlbereich unterstützt wird, innerhalb dem der Hauptrotor gegenüber den Anlaufhilferotoren wirkungsvoller arbeitet. Die Anlaufhilferotoren werden selbsttätig in Abhängigkeit von der Drehgeschwindigkeit durch Änderung des Abstandes des Angriffes der Schalen an der Rotorwelle gesteuert. Mit zunehmender Drehgeschwindigkeit der Anlage werden die Schalen der Anlaufhilferotoren selbsttätig kontinuierlich auf einen geringeren Abstand zur Drehachse bzw. zur Rotorwelle verstellt.
In weiterer Ausgestaltung des Haupterfindungsgedankens ist vorgesehen, daß ein im Winkel zueinander stehende Tragarme aufweisendes und um einen an der Rotorwelle senkrechten Lagerbolzen schwenkbares Trägerteil vorgesehen ist, dessen einer Tragarm die Schale und dessen anderer Tragarm das Fliehgewicht trägt. Infolge der Fliehkraftwirkung der Fliehgewichte bei Rotation und andererseits der Schwerkraftwirkung werden die mit dem Fliehgewicht starr gekoppelten Schalen der Anlaufhilferotoren selbsttätig auf einen kleineren oder größeren Abstand zur Rotorwelle gebracht, ohne daß für die Zuführung des Fliehgewichtes in seine Null-Lage besondere Rückführglieder erforderlich wären.
Bei einer weiteren Ausführung gemäß der Erfindung ist vorgesehen, daß für die Begrenzung des Schwenkweges der Fliehgewichte an der Rotorwelle Anschläge vorgesehen sind. Mit Hilfe der Anschläge wird bewirkt, daß die Fliehgewichte in einer Lage zur Rotorwelle gehalten sind, aus der ein radiales Auspendeln bei Rotation nur in einer vorbestimmten Richtung sichergestellt ist.
Es besteht ferner in weiterer Ausgestaltung des Haupterfindungsgedankens ein Merkmal darin, daß mit dem Hauptrotor mitdrehende und sich an diesem abstützende, die Fliehgewichte tragende Federungen vorgesehen sind. Damit kann bei Auswahl einer vorbestimmten Federcharakteristik die Abstandsänderung der Fliehgewichte in Abhängigkeit von der Drehgeschwindigkeit des Rotors in bestimmter Weise festgelegt werden. Die Federungen lassen auch eine Konstruktion zu, bei der die Fliehgewichte sich auf Bahnen senkrecht zur Rotorwelle unter Mitnahme der auf der gegenüberliegenden Seite der Rotorwelle angeordneten zugehörige Schalen der Anlaufhilferotoren verstellen lassen.
Es besteht ferner ein Merkmal der vorliegenden Erfindung darin, daß die Federungen durch Federstäbe gebildet sind, die in Ruhelage etwa parallel zur Rotorwelle angeordnet und mit ihrem einen Ende an dieser eingespannt sind, und daß das freie Ende der Federstäbe die Fliehgewichte trägt. Hierbei gestatten die Federstäbe einen besonders einfachen Aufbau der Anlaufhilferotoren, indem die Federstäbe gleichzeitig die.Federung und die Träger für die Fliehgewichte bilden.
Schließlich besteht eine vorteilhafte weitere Ausgestaltung der Erfindung noch darin, daß die Anlaufhilferotoren je mindestens zwei Schalen aufweisen, die sich in maximaler Einfahrstellung mit ihren konkaven Schalenseiten teilweise oder vollständig überdecken.
Mit dieser Anordnung bilden die Schalen der Anlaufhilferotoren gemeinsam eine widerstandsarme, geschlossene Form in Einfahrstellung.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung dargestellt.
F i g. 1 zeigt eine herkömmlich ausgebildete Windturbinenanlage, bestehend aus Hauptrotor und Anlaufhilferotoren, in einer schematisierten, perspektivischen Darstellung; F i g. 2 zeigt eine Ausführungsform für die Anlaufhilferotoren in einer Seitenansicht, schematisch dargestellt; F i g. 3 zeigt Anlaufhilferotoren gemäß F i g. 2 in einer Ansicht von oben; F i g. 4 zeigt die Anlaufhilferotoren gemäß F i g. 2 und 3 in perspektivischer Ansicht, schematisch dargestellt, die; Fig.S und 6 zeigen in einer Draufsicht weitere Ausführungen der Anlaufhilferotoren in Einfahrstellung schematisch dargestellt, wobei zur Vereinfachung vom Hauptrotor nur die Rotorwelle gezeigt ist; Fig.7 zeigt ebenfalls eine Ausführungsform der Anlaufhilferotoren in Seitenansicht schematisch dargestellt.
Bei der in F i g. 1 dargestellten Windturbinenanlage sind der Hauptrotor mit 2 und die beiden Anlaufhilferotoren mit 3 bzw. 4 bezeichnet. Es ist eine allen Rotoren gemeinsame Welle 5 vorgesehen, an der sowohl die Flügel 8 des Hauptrotors 2 als auch die Flügel 9 der Anlaufhilferotoren 3 bzw. 4 befestigt sind. Die Rotorwelle 5 ist hierbei über ein Zahnradgetriebe 11, 12 an die Antriebswelle 15 eines Energiewandlers 16, z. B.
eines elektrischen Strom erzeugenden Generators, angeschlossen.
Der Hauptrotor 2 weist bei dem verwendeten Prinzip (»Darrieus-Rotor«) eine vertikale Lage gegenüber der Anströmung (Pfeil A) auf. Es sind drei Flügel 8 vorgesehen, die sich in Längsrichtung bogenförmig in Ebenen senkrecht zur Rotorwelle 5 erstrecken. Die Flügel 8 sind stromlinienförmig profiliert, wobei deren Profilsehne tangential zur Umdrehungsrichtung liegt.
Die bogenförmig nach außen gewölbten Flügel 8 sind an ihren beiden Enden an Trägerteile 17 bzw. 18 angeschlossen, wobei die Enden der Trägerteile ihrerseits an der Rotorwelle 5 befestigt sind.
Es ist jedoch auch eine Ausführung denkbar, bei der die profilierten Flügel in ihrer Längserstreckung gerade ausgebildet sind und auf einem Kegelmantel bzw.
Zylindermantel zur Rotorwelle 5 drehen.
Die Rotorwelle 5 ist hier in einer Drehlagerung an einem Fundament 19 am Erdboden verankert Am obern Ende der Rotorwelle ist eine weitere Drehlagerung 19' vorgesehen, die Verstrebungen 21 aufweist, an der Halteseile 20 eingreifen. Die Halteseile sind ihrerseits am Boden fest verankert Die Rotorwelle 5 kann auch in Form eines Gittermastes ausgebildet sein.
Die Flügel 9 der Anlaufhilferotoren 3 bzw. 4 sind durch an der Rotorwelle 5 des Hauptrotors 2 befestigte, zylinderförmige Halbschalen gebildet, die sich mit ihrer Längsachse parallel zur Rotorwelle 5 erstrecken Die Schalenöffnungen liegen dabei in Ebenen, die längs der Rotorwelle 5 und radial zu dieser verlaufen. Die hierbei verwendeten Anlaufhilferotoren 3 bzw. 4 sind in der Technik allgemein unter dem Namen »Savonius-Rotoren« bekannt Die in Fig.2 bis 4 dargestellte Ausführung geht von einer Windturbinenanlage gemäß Fig.1 aus. Hierbei sind ebenfalls, wie bei der Ausführung gemäß F i g. 1, der Hauptrotor mit 2 und dessen Welle mit 5 bezeichnet Es ist anstelle der Anlaufhilferotoren 3 bzw. 4 gemäß F i g. 1 hier zur Vereinfachung nur ein einziger Anlaufhilferotor dargestellt, dessen Teile jedoch mit den gleichen Bezugsziffern wie bei F i g. 1 versehen sind Die Flügel des Anlaufhilferototrs 3 bestehen aus halbkugelförmigen Schalen 9 in der Art wie bei einem Schalenkreuzanemometer. Es ist ohne weiteres denkbar, auch bei dieser Ausführung eine größere Anzahl Anlaufhilferotoren anzuordnen. Senkrecht zur Rotorwelle 5 ist ein Lagerbolzen 30 angeordnet, auf dem sich mit einem Lagerauge 29 ein Trägerteil 27 lagert Das Trägerteil besteht aus einem Winkelhebel, dessen Arme mit 28 bzw. 28' bezeichnet sind Am freien Ende des Armes 28 ist die Schale 9 und am freien Ende des Armes 28' ist ein Fliehgewicht 32 angeordnet Zweckm&ßigerweise schließen die beiden Arme 28 bzw. 28' etwa einen Winkel von 90° ein-Die Wirkungsweise der beschriebenen Ausführung ist so, daß beim Stillstand der Windturbinenanlage das Fliehgewicht 32 infolge seiner Schwerkraft annährend senkrecht nach unten in unmittelbarer Nähe der Rotorwelle 5 steht Diese Stellung, in F i g. 2 strichpunktiert angedeutet, entspricht einer Anströmung, bei der der Hauptrotor 2 nach nicht selbst anläuft bzw. nur geringe Leistung erzeugen hnnw Der Anlaufhilferotor 3 arbeitet in diesem Bereich gemäß F i g. 2 mit größter Leistung, wobei dessen Schale 9 entsprechend in einem größtmöglichen Abstand zur Rotorwelle 5 steht Mit zunehmender Drehgeschwindigkat des Rotors wird das Fliehgewicht 32 von der Rotorwelle 5 weg nach außen gefthu-t und nimmt zwangslSufig die mit ihm gekoppelte Schale 9 in Richtung auf die Rotorwelle 5 mit Die Leistung des Anlaufhilferotors wird geringer und erreicht bei senkrechter bzw. paralleler tage des Armes 28 mit der Rotorwelle 5, wie gestrichelt angedeutet, ein MinnL Zur Verhinderung des Oberschwingens des Fliel4ewichtes von der einen zur anen Seite der Rotorwelle 5 ist ein Anschlag 37 für die Anlage des Hebelarmes 28' vorgesehen (F i g. 2 Bei der in F i g. 5 dargestellten Ausführungsform sind beispielsweise drei Schalen 9 (Zylinder- oder Kugelschalen) an einem als Rotorwelle 5 dienenden Gittermast, z B. gemäß der Ausführung nach F i g. 2 bis 4, schwenkbar angeordnet Die Anordnung ist dabei so getroffen, daß sich die Flügel oder Schalen 9 des Anlaufhilferotors in ihrer maximalen Einfahrstellung, d. h bei Angriff der Schalen 9 an der Rotorwelle 5 mit kleinstem Hebelarm, mit ihren konkaven Schalenseiten 25 überdecken, so daß in dieser Stellung sämtliche Schalen 9 mit ihren konvexen Schalenseiten 26 eine in bezug auf die Umströmung günstige Gesamtform bildet Zu einer solchen Gesamtform lassen sich auch zwei oder aber auch mehr als drei Schalen 9 einsetzen.
Der Vereinfachung halber sind die Verstellglieder für die Schalen 9 hier nicht gezeigt.
Eine andere Ausführung ist in F i g. 6 dargestellt Dort sind ebenfalls in Abhängigkeit von der Drehzahl selbsttätig arbeitende Anlaufhilferotoren, z B. wie in den F i g. 2 bis 4 dargestellt, verwendet Der Vereinfachung halber sind auch hier die Verstellglieder nicht dargestellt In der maximalen Einfahrstellung Oberdekken sich hier die konkaven Schalenseiten 25 nur zu einem Teil, gemäß der Ausbildung bei den angegebenen bekannten »Savonius-Rotoren«. Die gezeigte Stellung entspricht auch hier der maximalen Einfahrstellung bzw.
den Arbeitsdrehzahlen des Hauptrotors.
Bei der in Fig 7 dargestellten Ausführungsform ist mit der Rotorwelle 5 ein Federstab 41 verbunden Der Federstab 4t liegt in seiner Ruhestellung etwa parallel zur Rotorwelle 5 und ist mit seinem einen Ende mittels einer Schraubverbindung 40 fest an der Rotorwelle 5 angebracht Am freien Ende trägt der Federstab 41 ein Fliehgewicht 32. Es ist ferner mit dem Federstab 41 ein zu diesem senkrechter Tragarm 43 verbunden, der an seinem freien Ende die Schale 9 trägt Der Federstab 41 weist im Bereich 42 seines oberen freien Endes eine Krümnlung auf, durch die sichergestellt ist, daß das Fliehgewicht 32 nicht zur anderen Rotorwellenseite überschwingt Die Wirkungsweise der beschriebenen AusfOhrungsform ist so, daß der Anlaufhilferotor 3 in der mit ausgezogenen Linien angedeuteten Stellung gemäß F i g. 7 seine größtmögliche Leistung erzeugt, wobei der Federstab 41 entlastet ist und parallel zur Rotorwelle 5 steht In dieser Stellung befinden sich die Schalen 9 des Anlaufhilferotors 3 auf ihrem größten Abstand zur Rotorwelle 5. Mit zunehmender Drehzahl wird durch die Wirkung des Fliehgewichtes 32 in Abhängigkeit von der Drehgeschwindigkeit der Federstab 41 ausgelenkt und nimmt, wie mit gestrichelten Linien angedeutet, über den Tragarm 43 die Schale 9 in Richtung auf die Rotorwelle 5 mit Dadurch wird mit zunehmender Drehgeschwindigkeit die Wirkung des Anlaufhilferotors 3 reduziert

Claims

Patentansprüche: 1. Windturbinenanlage, bestehend aus Hauptrotor und einem oder mehreren Anlaufhilferotoren, wobei der Hauptrotor und die Anlaufhilferotoren eine gemeinsame, vertikal zur Anströmung stehende Rotorwelle besitzen, und wobei der Hauptrotor eine Mehrzahl von sich in Richtung der Rotorwelle erstreckende, profilierte und die Anlaufhilferotoren schalenförmige Flügel besitzen, d a d u r c h g e -ken nzeichnet. daß die Schalen (9) der Anlaufhilferotoren (3,4) an der Rotorwelle (5) mitdrehbar, jedoch radial in unterschiedliche Stellungen frei beweglich geführt sind und daß an den Schalen (9) Fliehgewichte (32) so angreifen, daß die Schalen (9) der Anlaufhilferotoren (3, 4) mit zunehmender Rotation selbsttätig aus einer Stellung maximalen in eine Stellung minimalen Abstandes zur Rotorwelle (5) verstellbar sind.
2. Windturbinenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein im Winkel zueinander stehende Tragarme (28, 28') aufweisendes und um einen an der Rotorwelle (5) senkrechten Lagerbolzen (30) schwenkbares Trägerteil (27) vorgesehen ist, dessen einer Tragarm (28) die Schale (9) und dessen anderer Tragarm (28') das Fliehgewicht (32) trägt
3. Windturbinenanlage nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Tragarme (28, 28') einen Winkel von annähernd 90" einschlie-Ben.
4. Windturbinenanlage nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß für die Begrenzung der Schwenkbewegung der Fliehgewichte (32) an der Rotorwelle (5) Anschläge (37) vorgesehen sind.
5. Windturbinenanlage nach den AnsprOchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Hauptrotor (2) mitdrehende und sich an diesem abstützende, die Fliehgewichte (32) tragende Federungen (41) vorgesehen sind
6. Windturbinenanlage nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Federungen durch Federstäbe (41) gebildet sind, die in Ruhelage etwa parallel zur Rotorwelle (5) angeordnet und mit ihrem einen Ende an dieser eingespannt sind und daß das freie Ende der Federstäbe (41) das Fliehgewicht (32) trägt
7. Windturbinenanlage nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß an den Federstäben (41) sich etwa rechtwinklig erstreckende Tragarme (43) befestigt sind, die die Schalen (9) des Anlaufhilferotors (3,4) trage.
8. Windturbinenanlage nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das freie Ende der Federstäbe (41) einen von der Rotorwelle (S) und von der Schale (9) wegweisenden, abgebogenen Abschnitt (42) für die Aufnahme des Fliehgewichtes (32) aufweist
9. Windturbinenanlage nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Anlaufhilferotoren (3, 4) je mindestens zwei Schalen (9) aufweisen, die sich in maximaler Einfahrstellung mit ihren konkaven Schalenseiten (25) teilweise oder vollstãndig überdecken
10. Windturbinenanlage nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorwelle (5) als Gittermast ausgebildet ist
11. Windturbinenanlage nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß an der Rotorwelle (5) Führungen angeordnet sind, die eine Dreiecks- oder Vielecksform einschließen, und daß die zugehörigen Schalen (9) der Anlaufhilferotoren (3, 4) mit ihren konkaven Seiten (25) seitlich in gleicher Richtung verstellbar sind und mit ihren konkaven Seiten (25) gegeneinander weisen.

Die vorliegende Erfindung betrifft Windturbinenanlagen mit Hauptrotor und einem oder mehreren Anlaufhilferotoren, wobei der Hauptrotor und die Anlaufhilferotoren eine gemeinsame vertikal zur Anströmung stehende Rotorwelle besitzen und wobei der Hauptrotor eine Mehrzahl von sich in Richtung der Rotorwelle erstreckende, rofilierte und die Anlaufhilferotoren schalenförmige Flügel aufweisen.

Es sind bereits eine Reihe von Windkraftanlagen bekanntgeworden. Eine solche bekannte Einrichtung beruht auf dem Windmühlenprinzip mit horizontaler Anordnung der Drehachse. Derartigen Windmühlen wohnen eine Reihe von einschränkenden Merkmalen inne. Diese bestehen in der Notwendigkeit, den Rotor entsprechend der sich ändernden Windrichtung nachzuführen. Die dazu erforderlichen Nachführeinrichtungen und die Genauigkeit und Geschwindigkeit, mit der diese Nachführung erfolgen kann, läßt eine optimale Ausrichtung nicht oder nur in unbefriedigendem Maße zu.

Es sind, um zu besseren Lösungen zu gelangen, Windturbinen mit vertikaler Drehachse ihres Rotors entworfen und gebaut worden, jedoch hat sich bei einigen Konstruktionen gezeigt, daß aus verschiedenen Gründen der erzielbare Wirkungsgrad unzureichend ist.

Da jedoch Windturbinen mit vertikaler Drehachse eine Reihe wesentlicher Vorteile, z. B. die Unabhängigkeit von der Windrichtung, gegenüber solchen mit horizontaler Drehachse aufweisen, sind weitere Entwicklungen bekanntgeworden Bei den bekannten Ausbildungen sind sich in Richtung der Drehachse erstreckende halbkreisförmige, symmetrisch profilierte Flügel vorgesehen, deren Enden über Verbindungsteile mit der Rotorwelle verbunden sind Es sind auch solche Flügel bekannt, die über radiale Tragarme von der Rotorwelle getragen werden und auf einem Kegelmantel oder einem Zylindermantel zur Rotorwelle liegen bzw. umlaufen. Der Träger des Rotors und der Leistungserzeuger können dabei relativ einfach aufgebaut sein.

Ein Nachteil der genannten Windturbinen besteht aber darin, daß diese sogenannten »Darrieus-Rotoren« nicht selbststartend sind Um diesen Nachteil zu beseitigen, wurden diese Art von Rotoren mit zusätzlichen Anlaufhilferotoren verbunden, die in der Lage sind, die gesamte Rotoranordnung auf eine bestimmte Anlaufdrehzahl zu beschleunigen. Dabei sollen die Anlaufhilferotoren bei höheren Drehzahlen zusätzlich zum Hauptrotor zur Erhöhung des Drehmomentes bzw. zur Leistungserzeugung herangezogen werden.