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Windkraftmaschine Bei einem um seine Achse rotierenden und senkrecht
zu dieser Achse von einem Gas, Iiuft oder einer Flüssigkeit angeströmten Zylinder
tritt eine "Querkraft" senkrecht zur Achse und zur Anströmrichtung auf, die nach
ihrem Entdecker Prof. Magnus als Magnus-Effekt bekannt ist. Die Grösse dieser Kraft
ist abhängig vom spezifischen Gewicht des Gases, der Luft oder der Flüssigkeit,
von der An -strömgeschwindigkeit und von der Umfangsgeschwindigkeit des rotierenden
Zylinders.
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Flettner hat von dieser Erkenntnis gebrauch
gemacht und ein Schiff mit solchen rotierenden Zylindern gebaut, welche die Segel
ersetzten. Der Wirkungsgrad des rotierenden Zylinders lässt sich verbessern, wenn
an beiden Enden desselben kreiszylindrische Scheiben angebracht werden, deren Durchmesser
grösser ist, als der Durchmesser des Zylinders. Flettner hat auch Versuche mit Rotoren
ausgeführt, die nicht zylindrisch, sondern konisch ausgebildet waren. Es können
auch Rotoren aus mehreren gleichartig angeordneten, hintereinander aufgereihten
zylindrischen oder konischen Teilen mit dazwischenliegenden Scheiben aufgebaut sein.
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Alle diese möglichen Rotor-Bauarten werden im Folgenden und in den
Ansprüchen als "FlettDer - Rotor" bezeichnet.
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Es ist ein Versuch bekannt, um mit Hilfe von
Flettner-Rotoren eine Windkraftmaschine zu bauen. Bei dieser Maschine waren die
Rotoren wie Flügel eines Propellers angeordnet.
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Dabei waren die Strömungsverhältnisse an den Flettner-Rotoren derart
ungünstig, dass das Projekt fallen gelassen wurde.
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Die Erfindung stellt sich zur Aufgabe eine Windkraftmaschine zu schaffen,
die von Flettner-Rotoren gebrauch macht, günstige Strömungsverhältnisse für diese
schafft und damit einen besseren Wirkungsgrad erzielt.
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Die Erfindung löst diese Aufgabe mit einer Windkraf-t/maschine, die
sich auszeichnet durch ein im Betrieb rotierendes, rotationssymmetrisch ausgebildetes
tuftleitgehäuse mit zentraler Welle, an dem parallel oder geneigt zur Welle, in
symmetrischer Anordnung, mindestens zwei mechanisch hen 1
angetriebene
Flettner-Rotoren angeordnet sind, denen je eine im Luftleitgehäuse angebrachte und
parallel zur jeweiligen rotorachse verlaufende Luftzufuhröffnung zugeordnet ist.
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Die erfindungsgemässe Windkraftmaschine kann verschiedene Bauarten
aufweisen, je nachdem die Flettner-Rotoren innen im Luftleitgehäuse oder aussen
an demselben angebracht sind. Weitere bauliche Unterschiede ergeben sich dadurch,
dass die Flettner-Rotoren entweder parallel oder geneigt zur zentralen Welle des
Luftleitgehäuses angeordnet sein können und schliesslich entscheiden Anzahl und
Grösse der Flettner-Rotoren Über die Grönse der Maschine.
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In der Zeichnung sind einige Bauarten der erfindungsgemässen, mit
einem Generator gekuppelten Windkraftmaschine dargestellt und zwar zeigen beispielsweise:
Figur 1 und 2 Windkraftmaschinen mit innen im Luftleitgehäuse angeordneten Flettner-Rotoren,
in schematischer Darstellung; Figur 3 und 4 Maschinen mit aussen am luftleitgehäuse
angeordenten Flettner-Rotoren, ebenfalls in vereinfachter Darstellung Figur 5 eine
Maschine entsprechend dem Aufbau nach Figur 2 im Längsschnitt.
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Luftleitgehäuses In den Figuren 1 - 4 ist die
Welle W des) durch eine strichpunktierte Linie dargestellt, die in Lagern L drehbar
gelagert ist. Auf der Welle W ist das Luftleitgehäuse R drehfest gelagert.
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Bei der Windkraftmaschine, wie sie schematisch in Figur 1 dargestellt
ist, umfasst das als Rotor ausgebildete Luftleitgehäuse einen trichterförmigen äusseren
Mantel 10 und eine an der weiten Einlassseite angebrachten aerodynamisch geformte
Abdeckhaube 11. Der äussere Mantel 10 und die Haube 11 sind durch einen inneren
Mantel miteinander verbunden. Dieser innere Mantel ist mit Luftzufuhröffnungen 12
versehen. Im inneren Mantel sind unter den Luftzufuhröffnungen Flettner-Rotoren
FR angebracht, die von Motoren M getrieben werden. Die FR sind drehbar im Luftleitgehäuse
R gelagert, während die Motoren M in der Haube 11 untergebracht sind. Die durch
Pfeile angedeutete Luftströmung strömt links in das Luftleitgehäuse R ein, durchsetzt
die Oeffnungen 12, strömt die sich gleichsinnig drehenden FR an und verlasst das
Gehäuse rechts. Die dabei infolge des Magnus-Effekts an den FR wirksam werdenden
Kräfte treiben das Luftleitgehäuse R an und Welle W kann beispielsweise den damit
gekuppelten Generator G antreiben.
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Da die Windkraftmaschine relativ langsam läuft, ist zwischen der Welle
W und dem Generator G ein Uebersetzungsgetriebe U angebracht, welches die Tourenzahl
erhöht.
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Die in Figur 2 schematisch dargestellte Windkraftmaschine
unterscheidet sich vonderjenigen nach Figur 1 dadurch, dass die FR gegen die Welle
W geneigt eingebaut sind.
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Dadurch wird ein grösserer Luftaustrittsquerschnitt geschaffen.
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Bei der Windkraftmaschine nach Schema Figur 3 umfasst das Luftleitgehäuse
R eine aerodynamisch geformte Haube 30, die ringförmig ausgebildet ist. Diese ist
über einen inneren Mantel, der mit Luftzufuhröffnungen 31 versehen ist, mit einem
rückwärtigen Gehäuseteil 32 verbunden. Ausserhalb dieses inneren Mantels, im Bereich
der Oeffnungen 31, sind Flettner-Rotoren FR montiert, die von Motoren M getrieben
werden. Die vorne (im Bild links) einströmende Luft durchsetzt die Oeffnungen 31,
strömt die Rotoren FR an und entweicht dann ins Freie.
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Die Maschine nach Figur 4 unterscheidet sich von derjenigen nach Pigur
3 dadurch, dass die FR zur Welle W geneigt eingebaut sind. Die Antriebsmotoren M
sind hier im rückseitigen Gehäuseteil 40 des Luftleitgehäuses R eingebaut.
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Zur Vermeidung starker Turbulenzen kann es von Vorteil sein, die aussen
liegenden FR durch einen äusseren Mantel 41 abzudecken und die Luft erst weiter
hinten ins Freie austreten zu lassen, wie dies mit unterbrochenen Linien in Figur
4 angedeutet ist.
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In Figur 5 ist ein mehr detailliertes Ausführungsbeispiel
einer mit einem Generator G gekuppelten Windkraftmaschine nach dem Schema von Figur
2 im Längsschnitt dargestellt.
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Die mit dem Generator gekuppelte Windkraftmaschine bildet ein Aggregat,
das als Ganzes auf einem Gestell 50 angeordnet ist, das auf einer vertikalen Achse
51 befestigt ist. Diese Achse ist drehbar in einem nicht dargestellten Mast gelagert.
Dies erlaubt das Aggregat der Windrichtung entsprechend gegen den Wind zu drehen.
Die Drehung kann auf einfache Weise mittels einer nicht dargestellten Windfahne
oder mehr regeltechnisch stabil, mittels eines Servomotors erfolgen. Die Energiezufuhr
für den die Flettner-Rotoren treibenden Motor 52 und die Ableitung der vom Generator
G erzeugten elektrischen Energie erfolgt über konzentrisch zur Welle 51 angeordente
Schleifringe S1.
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Die eigentliche Windkraftmaschine umfasst ein Luftgehäuse mit einem
äusseren Mantel 53 und einem inneren Mantel 54.
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Der äussere Mantel 53 ist an der Lufteintrittseite trichterförmig
erweitert. Der innere Mantel 54 ist mit Luftzufuhröffnungen 55 versehen, durch welche
die Luft den Flettner-Rotoren 56 zugeleitet wird. Die Luft strömt die Rotoren 56
an , gelangt ins Innere des inneren Mantels 54 und entweicht durch die Luft-Austrittsbffnung
57. In der Zeichnung ist nur ein solcher Flettner-Rotor 56 dargestellt, das Gehäuse
ist für drei solcher Rotoren bemessen, hen 1
die in symmetrischer
Anordnung jeweils um 1200 versetzt um die zentrale Welle 58 plaziert sind.
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Die drei Flettner -Rotoren 58 werden von einem einzigen Motor 52 mit
Hilfe von Kegelrädern 59,60 angetrieben.
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Das zentrale Kegelrad 59 ist auf der Motorwelle montiert und treibt
die drei Satelitenräder 60 für den Antrieb der Flettner-Rotoren.
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Statt einer durchgehenden zentralen Welle wie in den schematischen
Darstellungen, ist sie hier unterteilt, indem das Luftleitgehäuse an der Eintrittseite
direkt an das Uebersetzungsgetriebe U angeflanscht ist, während die Welle 58 in
einem Lager 61 drehbar gehalten ist, das über einen Lagerbock 62 mit dem Gestell
50 verbunden ist.
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Damit der Generator schneller läuft und kleiner sein kann, ist ein
Uebersetzungsgetriebe U angebracht. Es behindert die Luftströmung weniger und ist
zudem mit einer aerodynamisch geformten Abdeckhaube 63 versehen.
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Es ist von Vorteil, wenn die Stütze 64 für den Generator und den
Lagerbock 62 ein aerodynamisch günstiges Querschnittsprofil aufweisen. Die Stromzufuhr
für den Antriebsmotor 52 kann beispielsweise über Schleifringe S2 ilEll 1
am
rückwärtigen Ende der zentralen Welle 58 erfolgen.
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Die Stromzufuhrdrähte könnten dann beispielsweise in der hohl ausgeführten
Welle 58 verlegt werden. Die vom Generator G erzeugte Energie könnte über Leitungen,
die in der hohl ausgeführten Stütze 64 verlegt sind, zu den Schleifringen S1 geführt
werden.
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