DE3590007T1 - Windrotor - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindunq betrifft einen Windrotor, d.h. einendurch Wind angetriebenen Rotor. Genauer gesaqt betrifft die Erfindunq eine Bauart eines Windrotors, bestehend aus einem zentralen Nabenbereich, mit dem der Rotor zu einer Drehbewequng um eine im wesentlichen horizontale Achse lagerbar ist, und einer Anzahl von Rotorblättern, die an dem Nabenbereich gegenüber diesem ortsfest angeordnet sind und sich vom Nabenbereich im wesentlichen radial nach außen erstrecken.

Solche Rotoren werden hauptsächlich als Antriebseinrichtung für windgetriebene Stromerzeugungsanlagen verwendet. Sie können aber auch als Antriebseinrichtung für andere windgetriebene Anordnunaen benutzt werden.

Ein schwerwiegender Nachteil der herkömmlichen Windkraftanlagen besteht darin, daß sie nur dann elektrische Energie erzeugen können, wenn die Windgeschwindigkeit am Standort der Anlage in einen verhältnismäßig engen Bereich fällt. Dies beruht auf der Tatsache, daß die Windgeschwindigkeit einen verhältnismäßig hohen unteren Grenzwert übersteigen muß, um überhaupt einen Betrieb der bekannten Windkraftanlagen zu ermöglichen, wogegen es bei Windgeschwindigkeiten, die einen verhältnismäßig niedrigen oberen Grenzwert überschreiten, notwendig war, die Anlagen außer Betrieb zu setzen, um eine Beschädigung derselben infolge übermäßig hoher mechanischer Belastungen zu verhindern. Um die Anlagen bei unzulässig hohen Windgeschwindigkeiten außer Betrieb setzen zu können, wurden die Anlagen üblicherweise von Windrotoren mit beweglichen Rotorblättern angetrieben, d.h. Blättern, die gegenüber dem Nabenbereich um ihre Längsachse verdrehbar sind, während sich die Anlagen in Betrieb befinden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Windrotor der eingangs genannten Gattung zu schaffen, der in einem wesentlich vergrößerten Schwankungsbereich der vorherrschenden Windgeschwindigkeit betreibbar ist, während er im Vergleich zu den herkömmlichen Windrotoren eine wesentlich verbesserte Betriebssicherheit bietet.

Gemäß der Erfindung wird zu diesem Zweck ein gattungsgemäßer Windrotor vorgeschlagen, der hauptsächlich dadurch gekennzeichnet ist, daß jedes Rotorblatt an seinem äußeren Ende einen größeren Anstellwinkel aufweist als an seinem inneren Ende. In diesem Zusammenhang ist

unter Anstellwinkel derjenige Winkel zu verstehen, den ein Rotorblatt an jedem Ort über seine Länge mit seiner Drehebene einschließt, d.h. einer zur Drehachse des Rotors rechtwinkligen Ebene.

Die erfindungsgemäße Anordnung der Rotorblätter hat zur Folge, daß das vom Wind bei niedrigen Windgeschwindigkeiten auf den Rotor ausgeübte Drehmoment wesentlich höher wird als bei den bekannten Rotoren, bei denen die Blätter in der gleichen Weise ausgebildet waren wie bei Flugzeugpropellern, d.h. mit einem größeren Anstellwinkel an ihren inneren Enden als an ihren äußeren Enden. Infolgedessen kann der erfindungsgemäße Rotor seinen Betrieb bei wesentlich geringeren Windgeschwindigkeiten aufnehmen als dies bisher möglich war.

Die vorgeschlagene Form der Rotorblätter, d.h. mit einem vom inneren zum äußeren Ende hin zunehmenden Anstellwinkel, hat außerdem zur Folge, daß im Betrieb ein konischer Wirbel in der Luft vor dem Rotorteil erzeugt wird. Dieser Wirbel bewirkt, daß die anströmende Luft zu den radial äußeren Bereichen der Rotorblätter hin abgelenkt wird, während am radial inneren Bereich des Rotors eine Unterdruckzone gebildet wird. Der Durchmesser des konischen Wirbels nimmt mit der Windgeschwindigkeit und der Drehzahl des Rotors zu. Dadurch ergibt sich eine Selbstregelung des Rotors bei hohen Windgeschwindigkeiten, d.h. die Drehzahl des Rotors stellt sich selbsttätig ein, damit die anströmende Luft nur eine begrenzte Antriebskraft auf den Rotor ausübt. Demzufolge kann der erfindungsgemäße Rotor bei unbegrenzt hohen Windgeschwindigkeiten betrieben werden.

Der Anstellwinkel eines jeden Rotorblattes nimmt vom inneren Ende zum äußeren Ende hin vorzugsweise stetig zu. Der Anstellwinkel am inneren Ende eines jeden Rotorblattes beträgt 0° bis 10°, wogegen der Anstellwinkel am äusseren Ende eines jeden Rotorblattes 20° bis 50°, vorzugsweise 30° bis 45° beträgt.

Zur Unterstützung der vorstehend genannten Wirbelbildung und der dadurch bewirkten selbsttätigen Regelung des Rotors hat der Nabenbereich des Rotors vorzugsweise einen im allgemeinen konischen Frontabschnitt.

Die Länge eines jeden Rotorblattes liegt vorzugsweise in der Größenordnung des Durchmessers des Nabenbereiches an seinem breitesten Abschnitt. Die Länge eines jeden Rotorblattes beträgt vorzugsweise das 0,5 bis 3 fache dieses Durchmessers.

Der vorstehend erwähnte im allgemeinen konische Frontabschnitt des Nabenbereiches sollte vorzugsweise eine beträchtliche axiale Länge haben, die in der Grössenordnung des Radius bzw. Durchmessers des breitesten Abschnittes des Nabenbereiches liegt.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung einer elektrischen Windkraftturbine, die mit einer Antriebseinrichtung versehen ist, die aus einem Windrotor gemäß einem Ausführungsbexspiel der Erfindung besteht,

Fig. 2A, 2B und 2C in größerem Maßstab drei verschiedene Querschnitte durch ein Rotorblatt des Rotors,

Fig. 3 eine teilweise geschnittene Seitenansicht

einer geringfügig abgewandelten elektrischen Windkraftturbine,

Fig. 4A, 4B und 4C in größerem Maßstab drei verschiedene Querschnitte ähnlich den Fig. 2A₁ 2B und 2C durch ein Rotorblatt des Windrotors der in Fig. 3 gezeigten Turbine,

Fig. 5 eine teilweise geschnittene Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform der Verbindung zwischen einem Rotorblatt und einem zentralen Nabenbereich des Rotors.

Die in Fig. 1 gezeigte Windkraftturbine besteht aus einem allgemein mit 10 bezeichneten Windrotor. Dieser Rotor dient als Antriebseinrichtung für einen (nicht gezeigten) Stromgenerator, der in einem zylindrischen Gehäuse 11 angeordnet ist. Das Gehäuse 11 umschließt ferner (in Fig. 1 nicht gezeigte) Lager, mit denen der Rotor 10 zu einer Verdrehung um eine im allgemeinen horizontale Achse abgestützt ist, sowie (nicht gezeigte) Getriebe und Übertragungseinrichtungen, um eine geeignete Antriebsverbindung zwischen dem Rotor 10 und dem Generator zu schaffen.

An dem vom Rotor 10 abgekehrten Ende ist das Gehäuse 11 mit einem durch den Windpetätigten Steuerleitwerk 12 versehen, das über eine Stange 13 mit dem Gehäuse starr verbunden ist. Mit dem Bezugszeichen 17 ist ein oberer Bereich eines Mastes bezeichnet, der mit einer Einrichtung 18 versehen ist, um das Gehäuse 11 zu einer freien Verdrehung um eine im wesentlichen vertikale Achse abzustützen. Die Anordnung des Leitwerks 12 und der Drehabstützung 18 hat zur Folge, daß das Gehäuse stets eine Position einnimmt, in welcher der Rotor 10 dem Wind zugekehrt ist.

Der Rotor 10 besteht aus einem zentralen Nabenbereich mit einem im allgemeinen konischen vorderen Abschnitt 14 und einem im allgemeinen zylindrischen hinteren Abschnitt 15, von dem sich eine Anzahl Rotorblätter gleichabständig im allgemeinen in radialen Richtungen erstrecken. Bei dem in Fig. 1 gezeigten Fall ist der Rotor mit drei Blättern versehen. Es kann aber auch eine andere Zahl von Rotorblättern gewählt werden« wenngleich diese Zahl vorzugsweise drei oder ein mehrfaches von drei, beispielsweise sechs sein sollte.

Die Rotorblätter 16 sind am hinteren Nabenabschnitt 15 gegenüber diesem ortsfest angeordnet. Die verbindung zwischen den Rotorblättern und diesem Nabenabschnitt ist aber vorzugsweise derart, daß bei der Befestigung der Blätter an der Nabe deren Winkelstellung entsprechend den örtlichen Umständen des jeweiligen Standortes eingestellt werden kann. Eine geeignete Ausführungsform einer solchen Verbindung ist in Fig. 5 gezeigt.

Ein wesentliches Merkmal der Rotorblätter ist in den Fig. 2A_# 2B und 2C gezeigt* Diese Figuren zeigen Querschnitte durch ein Rotorblatt nach den strichpunktierten Linien A, B und C in Fig. 1. Wie aus diesen Querschnitten hervorgeht, nimmt der Anstellwinkel der Rotorblätter 16 vom inneren Ende eines jeden Blattes zu seinem äußeren Ende hin stetig zu. Dieser Winkel ist als Winkel v_a, v_ und v_n dargestellt, den die zu der horizontalen Drehachse des Rotors 10 rechtwinklige Drehebene R mit der Sehne des fraglichen Blattquerschnittes einschließt. Wie dies aus den Fig. 2A, 2B und 2C ersichtlich ist, beträgt der Winkel v, am Querschnitt A des inneren Endes des Blattes 16 nur ungefähr 2 , wogegen der Winkel v_ß am Querschnitt B nahe der Mitte

des Blattes 16 wesentlich größer ist und ungefähr 20° beträgt, und der Winkel v„ am Querschnitt C nahe dem äußeren Ende des Blattes 16 ist noch größer und beträgt ungefähr 40°.

Infolge der gezeigten Form und Anordnung der Rotorblätter 16 wird im Betrieb der Einrichtung ein konischer Wirbel in der Luft vor dem Rotorteil 10 erzeugt. Diese Wirbelbildung wird durch den allgemeinen konischen vorderen Abschnitt 14 unterstützt, dessen axiale Länge in der Größenordnung des größten Durchmessers des Nabenbereichs liegt, der seinerseits in der Größenordnung der Länge der Rotorblätter 16 liegt.

Infolge dieser Wirbelbildung wird die anströmende Luft radial nach außen zu dem äußeren Umfangsbereich der Ringfläche umgelenkt, die von den Rotorblättern 16 bei der Drehbewegung des Rotors 10 bestrichen wird© Das Ausmaß dieser Ablenkung der anströmenden Luft und des Durchmessers des gleichzeitig erzeugten Unterdruckbereichs hängt von der vorherrschenden Windgeschwindigkeit und der Drehzahl des Rotors 10 ab. Bei hohen Windgeschwindigkeiten ergibt sich eine Selbstregelung des Rotors, so daß seine Drehzahl stets unter der zulässigen maximalen Drehzahl gehalten wird, selbst wenn extrem hohe Windgeschwindigkeiten auftreten.

Die in den Fig. 3, 4A, 4B und 4C gezeigte abgewandelte Ausführungsform unterscheidet sich von der in den Fig. 1, 2A, 2B und 2C gezeigten Anordnung nur in geringfügigen Merkmalen. In Fig. 3 ist der vordere Nabenabschnitt 14 kürzer als in Fig. 1, und die Anzahl der Rotorblätter beträgt nur zwei anstatt drei. Außerdem hat das gezeigte Gehäuse 11 einen Durchmesser, der im wesent-

lichen dem maximalen Durchmesser des Nabenbereichs des Rotors 10 entspricht. Außerdem ist das linke Ende des Gehäuses 11 geschnitten, um eine zentrale horizontale Welle 19 teilweise freizulegen, die mit dem hinteren Nabenabschnitt 15 starr verbunden und mit Lagern 21 in zwei ringförmigen Stützplatten 20 drehbar gelagert ist. Eine in dem Gehäuse 11 zwischen den Platten 20 begrenzte Kammer 22 ist mit Schmieröl für die Lager 21 gefüllt.

Die Querschnitte nach den Fig. 4 B und 4C sind mit den Darstellungen nach Fig. 2B und 2C im wesentlichen identisch. Fig. 4A unterscheidet sich von Fig. 2A aber insofern als der Anstellwinkel v, 10 anstatt 2° beträgt.

Die in Fig. 5 gezeigte Verbindung zwischen einem Rotorblatt 16 und einem Nabenabschnitt 15 ermöglicht es bei der Befestigung der Blätter eines Rotors an dem Nabenbereich desselben, den Anstellwinkel der Blätter auf einen für diesen Rotor geeigneten Wert festzusetzen. Die gezeigte Verbindung besteht aus einer am hinteren Nabenabschnitt 15 starr befestigten Lagerbasis 23, einem geschlitzten Klemmring 24 und Klemmschrauben 25. An seinem inneren Ende ist das Blatt 16 mit einem Kopf 26 versehen, der abgeschrägte Endflächen aufweist, die zwischen entsprechend abgeschrägten Flächen des Ringes 24 und der Basis 23 eingeklemmt werden können, um das Blatt 16 in einer geeigneten Stellung zu verriegeln.

Eine Windkraftturbine ähnlich der in Fig. 1 gezeigten Turbine mit einem Gesamtdurchmesser des Rotors von ungefähr 400 cm und einem maximalen Nabendurchmesser von ungefähr 100 cm wurde über eine Dauer von vier Monaten

einem Dauertest ausgesetzt. Während dieser Zeitdauer schwankte die Windgeschwindigkeit zwischen O und ungefähr 30 m/sec. Es hat sich gezeigt, daß der Rotor bei einer Windgeschwindigkeit von 2 bis 3 m/sec. in Drehung versetzt wird und eine maximale Drehzahl von ungefähr 1500 U/min, erreicht.

Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen und in der Zeichnung dargestellten Ausführungsformen beschränkt, sondern es sind auch andere Ausführungsformen im Rahmen der Erfindung möglich.

Claims (8)

Patentansprüche :

1. Windrotor, bestehend aus einem zentralen Nabenbereich, mit dem der Rotor zu einer Drehbewegung um eine im wesentlichen horizontale Achse lagerbar ist, und einer Anzahl von Rotorblättern, die an dem Nabenbereich gegenüber diesem ortsfest angeordnet sind und sich vom Nabenbereich im wesentlichen radial nach außen erstrecken, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Rotorblatt (16) an seinem äußeren Ende einen größeren Anstellwinkel (v) aufweist als an seinem inneren Ende.

2. Windrotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anstellwinkel (v) eines jeden Rotorblattes (16) vom inneren Ende des Rotorblattes zu seinem äußeren Ende hin stetig zunimmt.

3. Windrotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Anstellwinkel (v<) am inneren Ende eines jeden Rotorblattes (16) 0° bis ungefähr 10° beträgt, wogegen der Anstellwinkel (v_c) am äußeren Ende eines jeden Rotorblattes (16) 20° bis ungefähr 50 , vorzugsweise 30° bis 45° beträgt.

4. Windrotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Nabenbereich (14, 15) einen im allgemeinen konischen vorderen Abschnitt (14) hat.

5. Windrotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge eines jeden Rotorblattes (16) in der Größenordnung des Durchmessers des

Nabenbereichs (14, 15) am breitesten Abschnitt (15) desselben liegt.

6. Windrotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge eines jeden Rotorblattes (16) ungefähr dem 0,5 bis 3 fachen dieses Durchmessers entspricht.

7. Windrotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der im allgemeinen konische vordere Abschnitt (14) des Nabenbereichs (14, 15) eine beträchtliche axiale Lange hat.

8. Windrotor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß diese axiale Länge in der Größenordnung des Radius, bzw. des Durchmessers des breitesten Abschnittes (15) des Nabenbereichs (14, 15) liegt.