DE2851406A1 - Windturbine - Google Patents

Description

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Hamburg, den 23. November 197b

221778

Priorität: 29. November 1977 U.S.A., Ser.N. 855

Anmelder;

Charles UJhite Crook 604 Commerce Street Earle, Arkansas U.S.A.

Windturbine

Die Erfindung bezieht sich auf eine durch Wind oder ein ähnliches Strömungsmittel angetriebene Turbine, die ihrer· saite einen elektrischen Generator oder eine andere Arbeitsmaschine antreibt.

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Die durch den Wind in Erscheinung tretende kinetische Energie der Luft hat in letzter Zeit wegen der drohenden Erschöpfung fossiler Brennstoffe erneutes Interesse als eine unerschöpfliche Energiequelle gefunden. Die Ausnutzung von Windenergie durch Windmühlen oder Windräder ist an sich eine alte und hoch entwickelte Technik. Durch den technischen Fortschritt in benachbarten Gebieten sind in jüngster Zeit u/eitere Bemühungen veranlaßt morden, die Leistungsfähigkeit von Windturbinen weiter zu verbessern. So ist die Übernahme aerodynamischer Grundsätze für solche vom Wind getriebenen Turbinen vorgeschlagen morden, bei denen die anströmende Luft mit einer Führung gegen die auf einem Läufer angeordneten Schaufeln oder Flügel gerichtet wird. Die Benutzung von Luftführungen für die Ausrichtung der Luftströmung ist vorteilhaft insoweit, daß durch Turbulenz bedingte Verluste verringert werden. Dsm stehen jedoch erhöhte Reibungsverluste und auch bauliche Schwierigkeiten mit Bezug auf die Ausbildung der Schaufeln und Luftführung gegenüber.

Es ist deshalb ein wesentlicher Zweck der vorliegenden Erfindung, eine mit einer Luftführung versehene, Wind getriebene Turbine zu schaffen, die gegenüber Windturbinen ohne Windführung eine tatsächliche Erhöhung in ihrer Leistungefähigkeit aufweist. Weiter bezweckt die Erfindung die Schaffung einer mit Luftführung versehenen Windturbine, die wirtschaftlich hergestellt und zusammengebaut werden kann«

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Mit Führungen für das Strömungsmittel v/ersehene Turbinenoder UJindräder sind in den US-PS 556 453, 1 313 457 und 1 329 668 beschrieben· Gemäß diesen Druckschriften kann der Fluß des Strömungsmittels dadurch beschleunigt werden, daß es durch eine konvergente Führung anströmt und durch eine Ablenkungsfläche radial nach außen gerichtet uiird, um die Schaufeln oder Flügel zu beaufschlagen, die auf einem Rotor angeordnet sind. Eine solche grundsätzliche An· Ordnung einer Windturbine ist auch in der US-PS 2 701 beschrieben. Nach der US-PS 4 021 135 umschließt eine konvergent-divergente Luftführung einen inneren Luftflügel· körper, um zu bewirken, daß die Luft innerhalb der Führung zum Antrieb Reaktionsschaufeln am Rotor anströmt, wobei durch an der Führung feste Schaufeln ein Wirbel innerhalb der Führung erzeugt luird, der den Druckunterschied an den Turbinenschaufeln erhöht.

Die Erfindung geht von' einer Windturbine mit Uiindführung aus, u/ie in der US-PS 2 701 526 erwähnt, die jedoch nach der Erfindung mit Rotorschaufeln oder -flügeln ausgestattet ist, die becherförmig sind und in einer rechtwinklig zur Rotorachse liegenden Ebene eine Tragflügelkontur aufweisen, so daß in Drehungsrichtung die Oberflächenreibung verringert wird. Das Druckdifferential an diesen Luftflügelschaufeln in Richtung der radialen Abströmung der zur Verursachung der Drehung die Schaufeln

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beaufschlagenden Luft wird dadurch erhöht, daß aerodynamisch sin Bereich verringerten Druckes außerhalb der am Rotor angeordneten Schaufeln hergestellt wird. Zu diesem Zweck ist die axial in Flucht mit dem Rotor liegende konvergente Einlaöluftführung als Rohrkörper mit Tragflügelprofil ausgebildet, dessen in Strömungsrichtung hinterer Kantenabschnitt einen sich verjüngenden Querschnitt aufweist, an dam ein sich erweiternder laminarer Luftstrom außerhalb des Luftführungskörpers auftritt, so daß benachbart dazu entsprechend dem Theorem von Bernoulli ein Bereich niederen Druckes erzeugt wird. Der hintere Kantenbereich der tragflügelartigen Luftführung endet dementsprechend eng benachbart zu den am Rotor angeordneten Schaufeln, die zwischen dem Austrittsende des Führungskörpers und einer Strömungsablenkungswand eine axiale Lücke überspannen, die eine ringförmige radiale Ausströmöffnung bildet, aus der die Luft gegen die Schaufeln strömt. Die Fläche der Strömungsablenkungswand hat quer zur Rotorachse eine Krümmung, die nach vorn oder in stromaufwärtiger Richtung entlang der Rotorachse vorspringt, um die Turbulenz zu verringern, die durch die scharfe Richtungsänderung hervorgerufen wird, die der Luftströmung beim Verlassen der Führung mitgeteilt wird.

Die Erfindung unterscheidet sich demnach von den bekannten Einrichtungen mit Bezug auf die Lage der mit Tragflügelprofil ausgestatteten Läuferschaufeln innerhalb des Bereiches niederen Druckes, der von dem Luftstrom über die äußere Tragflügelform eines konvergenten, Tragflügelprofil aufweisenden

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Luftführungskörpers erzeugt wird, durch den die axial anströmende Luft im Inneren nach einer gewölbten Strömungsablenkfläche geführt wird, welche die Luft zur Beaufschlagung der Lauferechaufein radial nach außen richtet.

Weitere Vorzüge und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung und dan Zeichnungen, in denen die Erfindung beispielsweise erläutert und dargestellt ist» Es zeigen:

Fig. 1" eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Anordnung mit Windturbine und Generator,

Fig. 2 eine Rückansicht der Einrichtung nach Fig. 1,

Fig. 3 einen Schnitt entlang der Ebene 3-3 der Fig. 2 in vergrößertem Maßstab,

Fig. 4 . einen Schnitt entlang der Ebene 4-4 der Fig. 3,

Fig. 5 einen Teil eines Schnittes entlang der Linie 5-5 der Fig. 3 und

Fig. 6 einen vergrößerten Schnitt entlang der Linie 6-6 der Fig. 5. ■

Eine zum Antrieb eines Generators dienende Windturbine 10,

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siehe Fig. 1 und 2, ist mittels einer Plattform 12 oben auf einem Turm oder Mast 14 um eine senkrechte Achse drehbar angeordnet. Die Turbinenanordnung 10 iuird durch Rahmenstreben 16, 18 auf der drehbaren. Plattform 12 abgestützt, so daß sie auf den anströmenden liiind, dargestellt durch die Zeile 20 in Fig. 1, ausgerichtet werden kann.

Die Turbine 10 enthält einen Rotor 22 mit einer Abtriebsiuelle 24, die so gehalten tuird, daß sie sich um eine Achse drehen kann, die parallel zu der durch die Pfeile 20 angegebenen Richtung des Uiindflusses ausgerichtet werden kann. Die Abtriebsiuelle ist benachbart zu ihrem einen Endabschnitt hinter dem Rotor 22 in einem Lager 26 gelagert, das von den Rahmenstreben 16 gehalten wird, und ist mit einer Riemenscheibe 28 verbunden. Eine zusammengesetzte Riemenscheibenanordnung 30, die an den Rahmengliedern 16 drehbar angeordnet ist, ist durch einen Endlosriemen 32 mit der Riemenscheibe 28 antriebsweise verbunden und überträgt die Drehung mit einem hohen Übersetzungsverhältnis durch einen Endlosriemen 34 auf einen Elektrogenerator 36. Ein Leitungskabel 38 geht vom Generator aus und ermöglicht die Abgabe der Energie an eine von der Einrichtung getrennte Verbrauchsstelle· Die Rahmenglieder 16 tragen eine Lufteinlaßführufig 40, die vor dem Rotor 22 sitzt und die in Windrichtung axial anströmende Luft aufnimmt, um die Drehung des Rotors auszulösen und dadurch den Generator 36 anzutreiben.

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Die Abtriebsmelle 24, siehe Fig. 3, kann auch noch durch ein Lager 42 abgestützt sein, das von Speichen 44 derart gehalten uiird, daß die Führung 40 koaxial zur Welle 24 und in axialer Ausrichtung zum Rotor 22 liegt, der auf der UJeHe 24 sitzt. Der Rotor 22 besteht aus einer Reihe radialer Speichen 46, die mittels Befestigungsvorrichtungen 48 an einer Nabe 50 befestigt sind, die ihrerseits an der Welle 24 befestigt ist. Eine Reihe Turbinenschaufeln oder -flügel §2 sind an Flanschteilen 54 befestigt, die an den Speichen an ihren radialen äußeren Enden sitzen. Die Schaufeln 52 sind becher- oder schalenförmig und haben radial außen eine Tragflügelkontur 56 in einer Ebene, die rechtwinklig zur Rotorachse der UJe He 24 liegt. De de Schaufel 52, siehe Fig. 5, liegt in einem UJinkel von 15 zur Tangente, die am Schnittpunkt der sie haltenden Speiche an den Kreis gelegt ist, der von den Vorderkanten 58 der Tragflügelformen bestimmt tuird. Daher uiird radial nach außen strömende Luft, die die Schaufeln beaufschlagt, mit Bezug auf die Darstellung in Fig. 4 und 5 eine Drehung des Rotors 22 im Uhrzeigersinn verursachen. Die Tragflügelkontur 56'der Schaufeln verringert den Luftwiderstand bei der Drehung des Rotors in Antriebsrichtung.

Die Rotornabe 50, siehe Fig. 3, ist mit einer Strömungsablenkungsu/andflache 60 ausgebildet, die eine konvexe

Krümmung aufweist, die von einer radial äußeren Kreiskante

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62 zur Rotorachse vorspringt. Dadurch wird die Turbulenz verringert, die entsteht, wenn die Luftströmung, siehe die Pfeile 64, aus der axialen Bahn innerhalb der Führung 40 in die radiale Ausströmrichtung zur Beaufschlagung der Schaufeln 52 umgelenkt tuird. Die UJandfläche 60 ist als Teil der Rotornabe 50 in diesem Ausführungsbeispiel dargestellt. Statt dessen kann sie als gesondertes und nicht drehbares wandelement ausgebildet sein, das quer zur Rotorachse im axialen Abstand hinter der Führung 40 fest angeordnet ist, um die gleiche Wirkung auszuüben. Die Ablenkwandfläche wirkt mit der Führung 40 zusammen, um am Hinterausgang der Führung eine radiale Ausströmöffnung oder axiale Lücke zu bilden, die von den Rotorschaufeln 52 überbrückt wird. Um die auftreffende Luft wirksam aufzufangen, ist jede Schaufel 52 mit Seitenwänden 63 und 65 ausgebildet, die sich von dem äußeren, mit Tragflügelkontur versehenen Abschnitt 56 radial nach innen erstrecken, siehe Fig. 5 und 6. Die Seitentuände 65 erstrecken sich von der Tragflügelform 56 aus, siehe Fig. 6, in einem Winkel θ zwischen Null und 60°, um je nach dem Geschwindigkeitsbereich der Luftströmung die günstigste Wirkung zu 'erzielen.

Die Luftführung 40 ist ein rohrförmiger Körper mit Tragflügelprofil und einer inneren konvergenten UJandfläche 66, siehe Fig. 3, die von der vorderen Lufteinlaßkante 68 bis zur hinteren Austrittskante 70 sich erstreckt, die axial

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mit Abstand zur Ablenkungsiuandfläche 60 liegt, so daß dazwischen eine radiale Ausströmlücke gebildet wird, die von den Schaufeln 52 überbrückt wird. Die äußere Tragflügelfläche 72 des Luftführungskörpers ist aerodynamisch so geformt, daß benachbart zur Hinterkante 70 ein Niedruckbereich 74 erzeugt uiird, der die Schaufeln 52 aufgrund der Aufrechterhaltung der laminaren Strömungsausbreitung umgibt, die mit Bezug auf Flügelprofilflächen auftritt· Aufgrund dessen tuird das Druckdifferential an den Schaufeln in Richtung der radial abströmenden Luft erhöht und damit gleichzeitig die Geschwindigkeit der die Schaufeln beaufschlagenden Luft vergrößert.

Die in die Führung 40 an der Vorderkante 68 eintretende Luft ujird aufgrund der Einschnürung des Volumens beschleunigt, mährend sie durch den axialen Strömungsuieg geführt wird, der von dar Inneniuandflache 66 gebildet uiird. Dadurch wird gewöhnlich der statische Druck der Luft verringert, und das an den Schaufeln wirkende Druckdifferential bewirkt, daß kinetische Energie der Luft durch die Schaufeln auf den Rotor übertragen wird. Die aerodynamische Erzeugung des äußeren Niederdruckbereiches 74 und die überbrückende Lage der Schaufeln 52 mit Bezug auf den. radialen Ausströmspalt innerhalb des Niederdruckbereiches verursacht ein Druckdifferential, mit welchem die in kinetische Energie des Rotors umzuwandelnde Energiemenge der Luft weiter erhöht wird, so daß sich eine wirksamere Umwandlung der UJindkraft in nutzbare Energie

ergibt.

ANSPRÜCHE

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Claims (7)

1. 28SU06

   ANSPRÜCHE

   Π.' UJindturbina zum Betreiben eines Generators oder dergleichen mit einer konvergenten UJindf ührung, einem koaxial dahinter liegenden Rotor, der im radialen Abstand von der Achse mit einer Reihe von Schaufeln versehen ist und einer Ablenkvorrichtung zur radial nach außen gerichteten Umlenkung der anströmenden Luft, dadurch gekennzeichnet, daß die UJindführung (40) außen mit einer Tragflügelprofil aufweisenden Fläche (72) ausgebildet ist, wobei die Schaufeln (52) in dem von der Fläche erzeugten Bereich (74) niederen Drucks liegen»
2. 2. Windturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die UJindführung (40) einen Abschnitt mit axialer Strömung und einem Eintrittsende, durch das die Luft anströmt, und im auf die Rotorachse bezogenen axialen Abstand zu diesem Abschnitt axialer Strömung eine Strömungsablenkfläche (60) zur Änderung der Strömungsrichtung radial nach außen aufweist.
3. 3. Windturbine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ein Tragflügelprofil aufweisende Fläche (72) ringförmig den Abschnitt axialer Strömung der UJindführung (40) umgibt und ihre Hinterkante (70), an der dar die Schaufeln (52) umgebende Bereich (74) niederen Druckes

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   ORIGINAL INSPECTED

   entsteht, benachbart zu den Schaufeln liegt.
4. 4. Windturbine nach Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß jede Schaufel (52) eine Tragflügelprofil aufweisende Schalenform hat und in axialer Richtung im wesentlichen zwischen der Hinterkante (70) der Fläche (72) und der Strömungsablenkfläche (60) liegt.
5. 5. Windturbine nach Anspruch 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsablenkfläche (60) als Quer zum axialen Strömungskanal liegende Endiuand ausgebildet ist.
6. 6. Windturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der UJindführung (40) der Abschnitt axialer Strömung als konvergierender Kanal ausgebildet iat.
7. 7. Windturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsablenkfläche (60) einen konvexgekrümmten Flächenabschnitt aufweist«? der quer zum Abschnitt axialer Strömung liegt.

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