DE3026315A1 - Windturbine - Google Patents

Description

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• Die Erfindung betrifft eine Windturbine gemäß Oberbegriff des Anspruches 1.
• Windturbinen der genannten Art sind bspw. bekannt nach der DE-PS 518 733 und nach der FR-PS 921 518. Mit derartigen Windturbinen können die Windfangblätter über Gestänge vom Zentrum des Rotors aus während ihres Umlaufes optimal auf die Windströmung eingestellt werden, wobei jedoch die ganze Verstellmechsnik relativ aufwendig und gewichtsbelastend für den ganzen Rotor ist.
• ähnlich funktioniert auch eine Windturbine nach der US-PS 1139 103, bei der die Verstellung mittels Doppelseilzügen erfolgt, von denen jeweils einer federbelaatet ist und der andere längs einer entsprechend ausgebildeten Kurvenführung geführt werden muß. FunktionEfShigkeit dieser Windturbine überhaupt vorausgesetzt, verlangt auch diese einen betrchtlichen Bauaufwand, um die Selbsteinstellung der Windfangblätter zu gewShrleisten.
• Bei der Konstruktion solcher Windturbinen ist ferner folgendes zu berücksichtigen: Windfangblätter mit weniger schlanken, symmetrischem Tropfenquerschnitt (der Schlankheitegrad ist durch das Verhältnis der beiden Hauptachsen des Querschnittes definiert) sind zwar selbst anlaufend (d.h. der ganze Rotor), haben aber einen entsprechend großen Luftwiderstand, der einer möglichst hohen Umlaufgeschwindigkeit entgegensteht.
• Sehr schlanke Windfanghlattprofi le bieten demgegenüber zwar weniger Widerstand, und ein damit ausgerüsteter Rotor erreicht sehr hohe Umfangsgeschwindigkeiten, die über einem Mehrfachen der eigentlichen Windgeschwindigkeit liegen kdnnen, aber solche Rotoren können nicht selbst anlaufen, so daß man zu geeigneten Maßnahmen und Zusatzeinrichtungen für solche Rotore greifen muß (Fremdantrieb oder Kombination von Windfangblättern an einem Rotor mit unterschiedlichen Querschnittsprofilen).
• Abgesehen davon stellt die Verwendung von einem Selbstanlauf gewährleistenden Profilen natürlich eine gröbere Gewichtsbelastung dar.
• Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, eine Windturbine der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß die Windturbine trotz Verwendung schlanker, wenig Luftwiderstand bietender, leichter und hohe Umlaufgeschwindigkeiten gewährleistender Windfangblätter selbst anläuft, bzw. selbst bei geringen Windgeschwindigkeiten rotiert und ohne daß es dazu einer aufwendigen und gewichtabelastenden Steuerung aus dem Zentrum des Rotors heraus bedarf.
• Diese Aufgabe ist mit einer Windturbine der eingangs genannten Art nach der Erfindung durch das im Kennzeichen des Anspruches 1 Erfaßte gelost.
• Bei dieser erfindungsgemäBen Lösung fallen vorteilhaft alle zum Rotorzentrum führenden Elemente weg, und entsprechend sind im Zentrum keine Steuerelemente erforderlich, wobei die Einstellung der Windfengblätter, bzw.
• von deren schwenkbaren Teilflächen selbattlitig allein durch die Wirkung der Zentrifugalkraft im Wechselspiel mit der immer wirksamen Rückstellkraft erfolgt, was für die Windfangblätter bedeutet, daß sie im Stillstand bzw.
• bei geringer Wind- bzw. Umlaufgeschwindigkeit eine Stellung annehmen, die in ihrer Wirkung dicker Profilquerschnitte entspricht Bei hohen Mindgeschwindigkeiten bzw. Umlaufgeschwindigkeiten nehmen demgegenüber die Windfangblätter aufgrund der damit gegebenen, entsprechend hohen Zentrifugalkraft eine Stellung ein, die den geringsten Luftwiederstand bietet.
• Abgesehen von dem sich damit ergebenden rein funktionellen Vorteil und dem damit verwirklichbaren geringen Gewicht, führt die erfindungsgemäße Ausbildung zu einer mit relativ geringem baulichen Aufwand herstellbaren Windturbine, ohne alle aufwendigen Regel- und Steuerelemente und Zusatzeinrichtungen für den Selbatanlauf, so daß sich von der Kostenseite her auch der Bau relativ kleiner Einheiten rechtfertigt, die selbst auf Hausdächern installierbar sind, zumal hierbei relativ hohe Energieumstze über hohe Drehzahlen erreichbar sind, und schon geringe Windgeschwindigkeiten für eine Energieumsetzung selbst bei kleinen Einheiten sorgen.
• Die gestellte Aufgabe ist aber auch noch auf andere, von der Lösung gemäß Anspruch 1 unabhängige Arten lesbar und zwar im Sinne des Kennzeichens gemaß Anspruch 5 und 8.
• Auch bei der Lösung nach Anspruch 5 ist von der einleitend erörterten Überlegung bzw. dem unterschiedlichen Verhalten von "dicken" und andererseits "schlanken" Profilquerschnitten ausgegangen, wobei hier nicht das ganze oder ein Teil des Profiles verschwenkt, sondern das Profil in sich von "dick"auf "schlank" bzw. umgekehrt versteLLt wird. Der damit erreichbare, vorteilhafte Effekt ist der gleiche, wie beschrieben.
• Die Lösung nach Anspruch 8 ist insbesondere für kleinere Windturbinen geeignet.
• Bezüglich des"Schlsnkheitsgrsdes" aller "schlankenw Windfangblattprofile bzw. auf "schlank verstellbaren Profile gilt, daß dieser, definiert durch das Verhältnis der beiden Hauptachsen im Bereich von etwa 1:8 bis 1:12 liegt.
• Die erfindungsgemäße Windturbine, ihre verschiedenen Ausführungsformen und vorteilhafte Weiterbildungen werden nachfolgend anhand der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
• Es zeigen schematisch: Fig. 1 perspektivisch die erfindungsgemäße Windturbine; Fig. 2 ein Rotorarmende mit Windfangblatt und Stellmechanik; Fig. 3 eine andere Ausführungsform der Stellmechanik" Fig. 4 perspektivisch eine besondere Ausführungsform der Windturbine; Fig. 5 im Schnitt eine besondere Ausführungsform eines Windfangblattes;und Fig. 6 eine besondere Ausführungsform des Windfangblattes nach Fig. 5 und Fig. 7,8 weitere besondere Ausführungsformen eines Windfangblattes.
• GemäB Fig. 1 besteht die Windturbine aus an einem Mast 27 in geeigneter Weise drehbar gelagerten horizontalen Rotor 4 mit Rotorarmen 4', an deren Enden die Windfangbletter 2 vertikal und mittels Seilzügen 9 verspannt angeordnet sind.
• Der Mast 27 bzw. das hBhenverstellbare Rotordrehlager 23 ist gegen den Boden (evtl. Dachflächen od. dgl.) ebenfalls mit Seilzügen 91 verspannt.
• Die Hauptprofile 21 der Windfangblätter 2 sind stationär an den Rotorarmen 4' befestigt, während die Teilflächen 1 längs vertikaler Achsen 3 hinten an den Hauptprofilen 2' schwenkbar angelenkt sind. Die Hauptprofile 2' mit ihren angelenkten Teilflächen 1 stellen im Querschnitt sehr schlanke Windfangblätter dar, die einerseits einen geringen Luftwiderstand bieten (vergleichsweise dicke, selbstanlaufende Profile sind in Fig. 2 strichpunktiert angedeutet), andererseits aber nicht selhstanlaufend sind.
• Gemäß Fig. 2 ist im Innenraum einer stromungagünstigen Verkleidung 8 am Ende des Rotorarmes 4' das einerseits der Fliehkraft und andererseits der Rückstellkraft des Rückstellelementes 13 unterworfene Stellelement 5 angeordnet, in das, wie erkennbar, das fest mit der Teilfläche 1 verbundene und in eine Kurvenführung 7 eingreifende Stellstück 6 angeordnet, dem zum Massenausgleich ein Ausgleichsstück 6' auf der anderen Seite zugeordnet ist. Bei Stillstand bzw. geringer Windguschwindigkeit und damit geringer Drehzahl nimmt die Teilfläche 1 die gestrichelte Stellung an. Bei höheren Drehzahlen nimmt die Fliehkraft entsprechend zu, wobei sich das Stellelement 5 nach rechts ' verschwenkt und die Teilfläche 1 entsprechend verstellt.
• Die Ausführungsform nach Fig. 3 funktioniert entsprechend, wobei die voll ausgezogene Stellung der Selbstanlaufstellung entspricht, wie sie nur durch ein entsprechend dickes Profil (gestrichelt angedeutet) erreichbar wäre.
• Fig. 4 soll nur verdeutlichen, daß die Windturbine ggf. auch mit nur einem Windfangblatt 2" auskommt, sofern man unmittelbar am Drehlager 23 eine Ausgleichsmasse 28 anordnet, die ggf. direkt als Generator ausgebildet sein kann.
• Dies gilt auch für die nachfolgend noch zu beschreibenden Ausführungabeispiele, bei denen die Windfangblätter 2',2, 20 nicht im Sinne der Fig. 1-3 mit um eine Vertikalachse verschwenkbaren Teilflächen versehen sind.
• Bei den Ausführungsbeispielen nach Fig. 5,6 liegen in sich geschlossene Windfangblattprofile vor, die einen hohen Schlankheitsgrad von etwa 1:12 haben und in Bezug auf ihre vertikale Schwenkachse 3' ausgewuchtet sind, d.h. die Gewichte der Teile 25 und 25' sind gleich.
• Die große Hauptachse 23 entspricht in ihrer Länge etwa dem 12-fachen der kleinen Hauptachse.
• Bei der Ausführungsform nach Fig. 5 ist der "Winkeleinstellbereich" durch beidseitig am Rotorarm 4' angeordnete Windfangblattstellanschläge 26 gegeben, die einerseits der Fliehkraft und andererseits der Rückstellkraft je eines Rückstellelementes 13" in Form zweier Federn unterworfen sind. Bei hoher Drehzahl legen sich die Anschläge 26 an das Windfangblatt 2" an, so daß es in seiner Mittellage (wie dargestellt) festgehalten ist. Bei Stellung der Anschläge 26, wie dargestellt, ist das Windfangblatt 2" beweglich, wobei der anströmende wind aufgrund der größeren hinteren Fläche das Windfangblatt in eine Stellung drückt, die einen Selbatanlauf gewährleistet.
• Der gleiche Effekt ist auch und konstruktiv noch einfacher gemäß Fig. 6 dadurch erreichbar, daß man eine fest mit der A Achse3' verbundene Blattfeder 29 voraieht, deren anderes Ende 30 verschieblich mit dem Windfangblatt 2" verbunden ist.
• Bei den Ausführungsformen nach Fig. 7,8 wird das Selbstanlauf und Schnellaufverhalten nicht durch Windfangblattverstellung um eine Vertikalachse erreicht, sondern durch eine Veränderung des Windfangblattprofiles, wobei geniäß Fig. 7 das Windfangblatt 2' aus zwei durch ein vorderes Gelenk 19 verbundene Anschlußflächen 16 gebildet ist, an die im Gelenk 18 zwei Abstrdmflächen 17 angeschlossen sind, die in einem hinteren Gelenk 19 zusammenlaufen. Im Inneren ist eine Stellmechnik lo angeordnet. Ein am Rotorarm 4' sitzendes und der Wirkung eines Rückatellelementes 13 unterworfenen Fliehkraftmasse 12 greift am rotorseitigen Gelenk 18 an, das über die dargestellte Stellmechanik mit dem anderen Gelenk 18 in Verbindung steht.
• Sei hoher Drehzahl ergibt sich das vollausgezogene, schnell umlaufende Profil, während sich für den Anlaufvorgang, bei dem also die Fliehkraftmasse 12 radial weiter nach innen steht, das ganze Profil gewissermaßen in der gestrichelten Stellung aufbläht.
• In ähnlicher Weise kann dies auch gemäß Fig. 8 durch ein geteiltes Windfangblatt erreicht werden.
• Wie erkennbar, stehen die beiden Längsprofilflächen 20 über zwei Stellhebel 21 miteinander in Verbindung, wobei di. rotorseitige Profilfläche 2o' mit einer Fliehkraftmasse 22 versehen ist, auf die das Rückstellelement 13' wirkt.
• Bei hoher Drehzahl bewegen sich die Längsprofilflächen 2o unter der Wirkung der Fliehkraftmasse in die gestrichelte Stellung, d.h. in die geschlossene, die bei geringem Widerstand die hohen Drehzahlen und damit ein entsprechend hohes Drehmoment zuläßt. Für den Anlauf bzw. geringe Windgeschwindigkeiten ist das Profil, wie dargestellt, gesperrt, so daß sich relativ stark angestellte Anströmflächen ergeben, die den Anlauf des Rotors gewährleisten.
• Vorteilhaft liegt also bei allen Löw Sdas Prinzip vor, daß die Verstellungen, seien es Teilflächenverstellungen, Gesamtprofilverstellungen oder querschnittsprofilveränderungen selbsttätig unter der Wechselwirkung von Fliehkraft und Rückstellkraft erfolgen, ohne daß es dabei einer Verstellmechsnik bedarf, die im Zentrum des Rotors sitzt und entsprechender Ubertragungselemente bedarf, um die Verstellbewegungen den Windfangblättern zu übertragen.
• Da die Verstellungen den Rotor sowohl für einen Selbstanlauf und einen Schnellanlauf (mit entsprechend erreichbarem hohen Drehmoment) geeignet machen, fallen alle sonst üblichen und erforderlichen Einrichtungen und Steuerungen weg, um dies zu erreichen.

Claims (12)

1. Patentansprüche: ¼ le Windturbine zur Umsetzung der Windenergie in andere Energieformen, bestehend aus an einem Mast drehbar gelagerten Horizontalrotor, an dem vertikal und optimal auf die Anströmrichtung einstellbar mindestens ein WindEangblatt angeordnet ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß mindestens jeweils eine Teilfläche (1) des im Querschnitt schlanken und symmetrischen Windfangblattes (2) um eine vertikale Achse (3) schwenkbar angeordnet und im Bereich des Windfangblattes am Rotor (4) ein Stellelement (5) vorgesehen ist, das mit der schwenkbaren Teilfläche (1) in Wirkverbindung stehend ausgebildet und unter Einfluß der Zentrifugalkraft gegen die Wirkung einer Rückstellkraft am Rotor (4) verschieblich gelagert ist.
2. 2. Windturbine nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das um eine vertikale Achse (3) schwenkbare Windfangblatt (2) bzw. seine schwenkbare Teilfläche (1) mit einem Stellstück (6) fest verbunden ist, das über eine Kurvenfflhrung (7) mit dem verschieblich am Rotor (4) gelagerten Stellelement (5) im Eingriff stehend angeordnet ist.
3. 3. Mindturbine nach Anspruch 1 und/oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß des Stellelement (5) und das Stellstflck (6) in einer strdmungBgünstig ausgebildeten Abschirmung (8) am Rotor (4) angeordnet sind.
4. 4. Windturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Sindfangblätter (2) mittig an den Enden der Arme (4') des Rotors (4) angeordnet und die Windfangblätter (2) mit Verspannungen (9) gegen die Rotorarme (4') gesichert sind.
5. 5. Windturbine zur Umsetzung der Windenergie in andere Energieformen, bestehend aus einem an einem Mast drehbar gelagerten Horizontalrotor, an dem vertikal mindestens ein Windfangblatt angeordnet ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das Windfangblatt (2') in seiner Querschnittsform von "dick auf schlank" und umgekehrt veränderbar mittels einer Stellmechanik (lo) ausgebildet ist, die aus einer Fliehkraftmssse (12) einerseits und aus einem Rückstellelement (13) besteht, welche Stellmechanik mit den beweglichen Flankenflächen (14) des Windfangblattes (2') verbunden ist.
6. 6. Windturbine nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Flankenflächen (14) aus jeweils zwei Anstrßmflächen (16) und zwei Abströmflächen (17) gebildet und diese untereinander mit Gelenken (18,19) verbunden sind, wobei die Stellmechanik (lo) mit den Gelenken (18) verbunden ist, die jeweils eine Anström- (16) und eine Absträmflöche (17) verbinden.
7. 7. lilindturbine nach Anspruch 5, d adurch g e k e n n z e i c h n e t, daß die Flankenflächen (14) aus hälftigen Längsprofilflächen (20) und diese mittels Stellelementen (21) fliehkraftabhBngig spreiz- und zusammenziehbar ausgebildet und angeordnet sind, wobei die rotorseitige Längaprofilflache (2d) mit einer Fliehkraftmasse (22) und mit einem RUckstellelement (13') verbunden ist.
8. 8. Windturbine zur Umsetzung der Windenergie in andere Energieformen, bestehend aus einem an einem Mast drehbar gelagerten Horizontalrotor, an dem radial und optimal auf die Anströmrichtung einstellbar mindestens ein Windfangblatt angeordnet ist, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß das im Querschnitt schlank tropfenförmige und symmetrische Windfangblatt (2") um eine vertikale Achse (3') am Rotor (4) für einen Winkeleinstellbereich frei schwenkbar angeordnet und die Achse (3') im Schnittpunkt der beiden querschnittshauptachsen (23,24) angeordnet ist und die vor und hinter der kleinen Hauptachse (24) befindlichen Windfangblattteile (25,25') gegeneinander ausgewuchtet ausgebildet sind.
9. 9. Windturbine nach Anspruch 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß zwischen Windfangblatt (2") und Schwenkachse (3') eine Blattfeder (26) angeordnet ist.
10. lo. Windturbine nach Anspruch 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß beidseitig am Rotorarm (4') im Bereich des Windfangblattes (2") zwei der Fliehkraft unterworfene, mit Rückstellelementen (13") versehene Iiiindfangblattsteilan schläge (26) angeordnet sind.
11. 11. Windturbine nach einem der Ansprüche 1 bis lo, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Rotor (4) einarmig ausgebildet und am Ende mit einem Windfangblatt (2,2',2") versehen ist, während auf der entgegengesetzten Seite des Rotors (4) eine Ausgleichsmasse (28) angeordnet ist.
12. 12.Windturbine nach Anspruch 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Ausgleichsmasse (28) als Generator ausgebildet ist.