DE3836325A1 - Kleine kegelfoermige windkraftanlage mit aerodynamischer drehzahlregulierung und anlaufhilfe - Google Patents

Description

In der Windkrafttechnik haben sich die sogenannten "Propeller" (Repeller) durchgesetzt. Die Vorteile liegen auf der Hand:

Die Luftschraube erreicht einen sehr hohen aerodynamischen Wirkungsgrad. Zudem ist sie relativ leicht herzustellen, zu­ mindest in denjenigen Fabriken, die entsprechende Produktions­ anlagen besitzen. Es lassen sich relativ leicht Blattlängen von 20 m erreichen, so daß die Windenergie durch den langen Hebel entsprechend groß genutzt werden kann. Die Nachteile die­ ser Anlagen von 15 m Durchmesser an aufwärts sollen auch nicht verschwiegen werden: Die Lebensdauer der Blätter wird kaum länger als 10 Jahre betragen, weil das Schwingungsverhalten der Blätter über längere Zeiträume jedes Material ermüden, die sogenannte Ermüdungskorrosion setzt dem Einsatzzeitraum enge Grenzen. Die Kosten einer derart großen Anlage kann be­ sonders derjenige nicht aufbringen, der durch den Einsatz der Windenergie Kosten sparen will und muß, wie z. B. Gärtnereien und landwirtschaftliche Gehöfte. Besonders Propellermaschinen im Inselbetrieb haben eine Jahreslaufleistung, die Wünsche offen läßt, denn bei dem im mitteleuropäischen Raum vorherrschenden Schwachwindbereich zeigen sie ein unbefriedigendes Anlaufver­ halten. Auf der anderen Seite sind solche Anlagen auch dem Sturm­ windbereich nicht ungeregelt zu überlassen, was bedeutet, sie müssen gebremst werden, wobei die Bremsenergie häufig nicht genutzt werden kann. Eine große Anzahl Erfindungen beschäftigt sich mit diesen Problemen, um manche Nachteile zu mindern oder ganz auszuschalten. Der Ermüdungskorrosion wird durch die Ver­ bundbauweise (Sandwichbauteile) ein Riegel vorgeschoben, es sind zur Drehzahlregulierung verschiedene hydraulische Systeme erfunden worden, die die Flügel um ihre Längsachse verdrehen, Flügel sind hakenförmig an der Leeseite montiert und können vor- und zurückgeklappt werden. Das Anlaufverhalten im Schwach­ windbereich wird durch Parallelbetrieb mit dem Netz mittels Synchrongeneratoren verbessert, durch aufwendige Elektronik wird ein befriedigender Gleichlauf erzeugt. All diesen Erfin­ dungen ist ein Merkmal gemeinsam: Sie verteuern die Anlagen teilweise wesentlich. Vorliegende Anmeldung soll einen anderen Weg gehen. Durch die Einschränkung der Aufgabenstellung einer Windkraftanlage fallen viele Probleme von vornherein weg:

Schädliche Schwingungen entstehen hauptsächlich bei großen An­ lagen über 15 m Durchmesser. Also wird die günstige Größe darunter liegen. Ein befriedigender Gleichlauf ist nur unter unverhältnismäßig hohen Kosten zu erreichen. Also be­ nutzt man die Windkraftanlage meist für die Bereitstellung von Heizenergie, bei der weder gleichmäßige Spannung, Strom und Frequenz erforderlich ist. Von dem Ziel, Wasserstoff durch Elektrolyse mit Hilfe von Windenergie zu erzeugen, ist man wegen der Sicherheitsprobleme noch weit entfernt.

Die erwähnten Anlaufschwierigkeiten, besonders bei kleinen Propellermaschinen, lassen sich mit der nachfolgend beschrie­ benen Anmeldung lösen. Bleibt noch das Problem, daß Pro­ peller, besonders solche ohne Drehflügelverstellung, bei Sturm die Neigung zum Durchgehen haben, d. h., der Schnellauf gerät in kritische Zonen. Auch hierfür bietet diese Anmeldung eine denkbar einfache Lösung.

Theoretische Grundlage der vorliegenden Anmeldung sind die Lehrsätze von den umströmten Flächen und Körpern sowohl aus dem Flugzeugbau als auch aus dem Schiffsbau. Der Magnuseffekt bezeichnet die Querkraft auf sich drehende Körper.

Professor Prandtl stellte die Grenzschichttheorie auf, die ver­ einfach besagt, daß die anhaftenden (Luft-)Moleküle eines drehenden Körpers mit in die Drehbewegung gerissen werden und die anströmenden Moleküle ebenfalls abgelenkt werden, da­ bei aber eine Reaktionskraft auf den Körper ausüben. Ein frei beweglicher Körper wird quer zur Drehrichtung abgelenkt. Von Bedeutung sind dabei aber noch Drehgeschwindigkeit und Form sowie Gewicht des Körpers. Wenn ein Kegel sich an einer hori­ zontalen Achse dreht, mit der Spitze in Richtung anströmender Luftmassen, zudem das Beharrungsvermögen des Kreisels wirkt, wird sich eine Querkraft nicht in der Form auswirken, daß der Kegel wegschwenkt, d. h., mit der Spitze einen Kreisbogen um die Vertikalachse beschreibt, sondern die anströmenden Luft­ massen werden von der sich mit dem Kegel drehenden Luftschicht mitgerissen. Jede Richtungsänderung benötigt zwar Energie, was hierbei dann ein Nachteil wäre, wenn nicht gleichzeitig die Luft komprimiert würde. Diese Komprimierung und Drehung bewirkt, daß die Grenzschicht von einer laminaren in eine turbulente Strömung übergeht, was 2 Vorteile hat:

• 1. Haftet die turbulente Strömung besser an der Oberfläche
• 2. kann die turbulente Strömung Energie von außen aufnehmen.

Damit sich bei dem Abreißen der turbulenten Strömung vom Kegel keine Gegenströmung bilden kann (jedenfalls nicht vor den Flügeln, was höchst unerwünscht wäre), deshalb ist die Windleitkante an der Kegel-Grundflächenkante entsprechend der abfließenden Grenzschicht ausgeformt. Damit aber an der Flügelvorderkante der inneren Flügel des Kegelstumpfes der Staupunkt nicht in eine Gegenströmung übergeht, wenn die Masse der anströmenden Luft zu groß wird, deshalb ist die Windleitkante des vorderen Kegels mit einem bestimmten Ab­ stand vor den inneren Flügeln ausgeführt. Dieser Abstand richtet sich nach der Größe der Bauteile und ist deshalb in den Ansprüchen in % ausgedrückt. Die Luft kann also bei einem plötzlichen Druckanstieg zur Mitte ausweichen.

Der Kegelstumpf-Mantel ist darum in Fortsetzung der Kegel­ fläche ausgeführt, weil vermieden werden soll, daß andere Luftströmungen als die vom Kegel abfließende turbulente Luft­ schicht, die sich dreht, einfließen kann. Würde z. B. der Radius des Kegelstumpf-Mantels (bei gleichbleibenden allen anderen Maßen) wesentlich größer gewählt, so könnte die turbulente Grenzschicht genau im Bereich der inneren Flügel abreißen, weil laminare Luftströmungen von außen in diesen Bereich ein­ dringen könnten und ein Abreißen, verbunden mit Wirbelbildung (Gegenströmungen) verursachen. Der Winkel des Kegelstumpf- Mantels ist aus dem gleichen Grund etwa halb so groß wie der des Kegels gewählt worden. Wäre der Neigungswinkel kleiner, d. h. flacher, könnten von vorn laminare Strömungen eindringen, es entstünde ein Stau. Wäre der Neigungswinkel größer, d. h. steiler, wäre ein Strömungsabriß im inneren Bereich des Kegel­ stumpfes infolge starker Verdünnung (Ausdehnung) der Grenz­ schicht die Folge, beides mit starkem Leistungsverlust ver­ bunden. Weil weder der Neigungswinkel der Kegelmäntel noch der Schränkungsgrad der Flügel aus Gründen der konstruktiven Ein­ fachheit bei wechselnder Windstärke regelbar sind, deshalb wird durch die Düsenflügel immer dann Luft abgesaugt, wenn es nötig ist. Die Menge der Absaugung stellt sich selbsttätig ein: Ist die Drehzahl der Maschine relativ zur anströmenden Luft zu ge­ ring, verstärkt sich der Sog an der Rückseite der inneren Flügel erheblich. Die Drehzahl steigt, gleichzeitig saugt die Düse der äußeren Flügel, bis die höchste Drehzahl erreicht ist. (Bei der 6-m-Maschine sind das ca. 120 U/min.) Dann beginnt die Bremswirkung der Düsen, vor denen sich ein Luftpolster bildet. Die Drehzahländerung geschieht aber weich und kaum merklich, niemals abrupt wie bei mechanischen Bremssystemen mittels Bremsklötzen oder Bremsklappen im Flügel.

Beschreibung des Baumusters:

Die hier geschilderte Klein-Windkraftanlage hat einen Gesamt-Außendurchmesser von ca. 6 m. Es können aber problem­ los alle Maße bis ca. 15 m Außendurchmesser gewählt werden. Als Material diente hier Stahl in verschiedener, genormter Form. Die Trägerkonstruktion ist Rohrgerippe. Als flächen­ deckende Haut diente Stahl-Karosserieblech 0,65 mm dick, auch für die inneren und äußeren Flügel. Die Außenhaut des Kegelstumpfes, der einen Außendurchmesser von ca. 2,50 m hat, wird an der Fortsetzung der äußeren Hohlflügel aufgeschnitten, um den Luftdurchtritt zwischen dem Kegelstumpf-Innenraum und den Hohlflügeln zu ermöglichen. Die Schränkung der inneren Flügel beträgt ca. 15 Grad, die der äußeren Hohlflügel zwischen ca. 12 Grad an der Basis und ca. 5 Grad an der Spitze. Die Düse an der Spitze der Hohlflügel besteht aus einem recht­ eckigen Stück Karosserieblech, das zusammengebogen auf den Breitseiten der Flügelvorderkante angepunktet wird, so daß eine Haube entsteht, mit Öffnungen in Laufrichtung. Die Längs­ richtung des Haubenscheitels liegt in etwa parallel zum Kreis­ bogen der Laufrichtung, vorteilhaft ist eine leichte Anhebung auf der Leeseite, wodurch sich der Düsensog verstärkt.

Funktionsweise: Die Flügel innerhalb des Kegelstumpfes haben doppelte Funktion: 1. Gewährleisten die inneren Flügel den Anlauf im Schwachwindbereich. Der Wind wird an der Kegelfläche entlanggeleitet, gelangt mit höherer Geschwindigkeit an der Leitkante des Kegels entlang zu den Flügeln. Gleichzeitig wird, bedingt durch die Schrägstellung der Kegelstumpf-Außen­ fläche an der Rückseite der inneren Flügel ein Sog erzeugt. Beides zusammen, erhöhter Druck und Sog, erzeugt ein höheres Anfahrdrehmoment. 2. Dienen die inneren Flügel der Leistungs­ erhöhung im Sturm. Weil die fest angebrachten Flügel aufgrund ihrer Schränkung ihre beste Leistung im Bereich zwischen Wind­ stärke 3 bis 5 nach Beaufort, der am häufigsten auftretenden Windstärke im hiesigen Raum, entwickeln, würde besonders bei viel stärkerem Wind eine zu starke Leistungseinbuße eintreten, infolge eines Druckstaus. Mit Hilfe der Düsen erzeugen die Hohlflügel einen Sog. Die Luft wird durch die Öffnungen im Mantel des Kegelstumpfes an dessen Innenseite abgesaugt.

Das kommt unmittelbar dem Antrieb der inneren Flügel zugute, denn auf der Rückseite dieser Innenflügel wird der Sog be­ trächtlich verstärkt. Die außenstehenden Hohlflügel haben 3fache Funktion: 1. Wie normale Propeller mit dem Vorteil der leichten Erreichung des Nenndurchmessers. Weil aber auch diese Flügel keine Drehverstellung um ihre Längs­ achse besitzen - der mögliche Leistungsgewinn rechtfertigt nicht den hohen Konstruktionsaufwand - sind die beiden sich daraus ergebenden Probleme: Leistungsverlust und Neigung zu schädlich hoher Drehzahl zu lösen: Die hohlen Flügel haben an der Flügelspitze eine Düse. Durch die Querschnittverengung in dieser Düse entsteht ein starker Druckabfall, wodurch ein Sog erzeugt wird, der die Luft aus dem Hohlflügel und innerhalb des Kegelstumpfes wegsaugt, wie beschrieben.

Neben der Leistungserhöhung sorgen diese Düsen auch für die Drehzahlbegrenzung. Ab einer bestimmten Drehzahl (bei diesem beschriebenen 6-m-Typ sind es ca. 120 U/min, das hängt auch von der Düsengröße ab) bildet sich vor der Düse ein Luftpolster. Das begrenzt dann Drehzahl und Leistung. Oberhalb von Wind­ stärke 10 kann die Leistung ohnehin nicht mit vertretbarem Aufwand abgenommen werden, denn die Generatorkapazität müßte gegenüber der Ausbauwindstärke (3-5) etwa verzehnfacht werden. Die besondere Ausführung des Drehkranzes ist deshalb wichtig, weil dadurch der Forderung, eine wartungsfreie Windkraftmaschi­ ne anzubieten, entsprochen wird.

Die Relation der Anmeldung zum Stand der Technik:

Wie schon erwähnt, sind eine große Anzahl von Erfindungen bereits früher gemacht worden, die die beschriebenen Probleme lösen sollten. In der Patentschrift 6 82 627 werden Hohl­ flügel beschrieben, aus denen die Luft mittels Zentrifugal­ kraft herausgeschleudert wird, was mittels innenliegender Unterteilungen des Flügelendes erleichtert werden soll. Dieser Luftstrom soll durch einen hohlen Turm gesaugt werden, wo am Fuß des Turms ein Sauggebläse einen Generator antreibt.

Die Hohlflügel der vorliegenden Anmeldung saugen dagegen aus dem in einem Ring liegenden Flügelkranz die Luft ab. Die Düsen, die diese Funktion bewirken bzw. erleichtern, sind Injektor­ düsen und bremsen dabei gleichzeitig, ohne Leistung im er­ wünschten Bereich zu eliminieren. Die Energie, die dem Luft­ strom durch die Verengung der Düse entnommen wird, kann durch die abgesaugte Luft mittels der innenliegenden Flügel innerhalb des Kegelstumpfes nutzbar gemacht werden. Zwischen den zuvor genannten Systemen besteht kein Zusammenhang.

Mit der Lösung, durch Kegelabdeckungen bei Kleinwindanlagen eine bessere Windausnutzung zu erreichen, beschäftigen sich nachfolgend beschriebene Schutzansprüche: US 8 33 184 von 1906 zeigt eine Scheibe, auf der auf dem Außenring ein Kranz von Flügeln befestigt ist. Der Flügelkranz ist nach innen von einem Kegel, nach außen von einem ringförmigen Mantel umgeben, der sich nach vorn, in Richtung Kegelspitze, stark erweitert. Es entsteht dadurch eine trichterförmige Öffnung, durch die der Wind eingefangen werden und sich verstärken soll. Das tut er auch - leider auch bei Sturm. Der Wind staut sich in dem Trich­ ter und setzt den Wirkungsgrad der Flügel stark herab, weil er nicht hindurch kann. Diesen Luftstau findet man ebenso bei US 42 18 175, bei US 21 37 559, bei DE 4 55 854. Bei DE-GM 19 25 200 fehlt zwar der äußere Ring um die Flügel, die aber so dicht stehen, daß der Wind daran vorbeigeht. Bei FR 9 75 625 stehen Kegel und Ummantelung still, es dreht sich nur der Flügelkranz. Dabei wird aber auf eine hervorragende Hilfe verzichtet: Die Kraft, die aus dem drehenden Kegel samt Ring kommt. In DE 8 04 090 sind 2 Windräder hintereinandergesetzt, die fest mit­ einander verbunden sind. Die hinteren Flügel sind vom Ring aus, dessen Vorderkante mit der Kegelspitze abschließt, weit in Richtung Standrohr auf den Kegel geführt, der gleichzeitig horizontale Achse ist. Die aus dem vorgeschalteten Windrad ab­ geführte Luft soll die Flügel des zweiten Windrades senkrecht beaufschlagen, wodurch die Wirkung erhöht werden soll. Der die beiden Rotoren umfassende Kegelmantel soll dem Abströmwinkel des vorgesetzten Rotors entsprechen. Innerer Kegel und äußerer Ring haben keine Wirkung aufeinander. Insofern ist eine Über­ einstimmung mit vorliegender Anmeldung nicht gegeben.

In DE 27 15 729 ist der ringförmige Mantel deutlich zur Peri­ pherie gebogen, was einen Sog auf die Flügel verursachen soll. Das kann nur bei einer sehr geringen Windstärke funktionieren. Die Strömung erzeugt bei höherer Geschwindigkeit keinen Sog, sondern reißt ab, weil Leitkanten fehlen. Eine Ähnlichkeit des Wirkungsprinzips mit vorliegender Anmeldung ist nicht erkennbar. Alle Angaben über Maße und Funktionsweise für diese Anmeldung sind an einer 6 m großen Maschine praktisch ermittelt worden. Literaturhinweis: Grenzschichttheorie S. 128, Windenergie in praktischer Nutzung, Autor Felix von König, Udo Pfriemer-Verl. Bernoullische Gleichung S. 10, Lavaldüse S. 74, Beeinflussung der Strömung an Flugzeugen S. 434, Warum ein Flugzeug fliegt S. 686, Alle Themen in: Wie funktioniert das ? Bibliographisches Institut; Mannheim/Zürich.

Zusammenfassung:

Kleine kegelförmige Windkraftanlage mit aerodynamischer Drehzahlregulierung und Anlaufhilfe.

Die Bezugszahlen der Zeichnung stimmen mit den Nummern der Ansprüche überein.

Die Richtungsangabe - vorn - ist an der Maschine die Kegel­ spitze.

Die Zeichnung ist nicht genau maßstäblich, weil die Figuren von Fotos der Versuchsmaschine reproduziert wurden und deshalb perspektivisch verzerrt sind.

Claims (1)

1. Der Gegenstand ist, dadurch gekennzeichnet, daß

   • 1. hinter einem Kegel, dessen Winkel, von der Spitze zur Grund­ fläche gemessen, etwa 80 Grad beträgt, ein Kegelstumpf ange­ bracht ist, dessen Grundflächen offen sind;
   • 2. der Winkel des Kegelstumpf-Mantels nur etwa halb so groß ist wie der davor angebrachte Kegel, hier etwa 40 Grad;
   • 3. die Vorderkante des Kegelstumpf-Mantels mit der davorge­ setzten Kegelfläche eine Linie bildet, d. h., die Außenfläche des Kegelstumpfes steht nicht wesentlich über die Fortsetzung der Kegelfläche hinaus, noch fällt sie wesentlich zur Mitte ab;
   • 4. sowohl der Kegelstumpf als auch der davorgesetzte Kegel zur Grundflächenkante hin Windleitkanten aufweisen, deren Form von der aerodynamischen Form der abströmenden Luftmassen bestimmt ist (siehe Zeichnung Fig. 2);
   • 5. die Windleitkante des Kegels zur der vorderen Grundfläche des Kegelstumpfes einen Abstand aufweist, dessen Länge ca. 5 bis 10 Prozent der Seitenlänge des Kegels beträgt. Die Län­ ge der Windleitkante von der Kegelgrundfläche ab beträgt ca. 10 bis 15 Prozent der Seitenlänge des Kegels. Die Windleit­ kante des Kegelstumpfes ist etwa halb so lang wie die Leit­ kante des Kegels;
   • 6. der Kegelstumpf zur Aufnahme der inneren Flügel in mehrere Segmente (hier z. B. 6) eingeteilt ist, dargestellt, daß rechtwinklig von der horizontalen Achse in Richtung vordere Außenkante Rohre oder geeignete Profilstreben (hier z. B. 6) angebracht sind. Von der horizontalen Achse zur hinteren Außenkante des Kegelstumpfes werden ebenfalls (hier z. B. 6) der gleichen Rohre oder Profilstreben angebracht und zwar mittig versetzt;
   • 7. der Abstand der Segmentabstrebungen auf der horizontalen Achse zwischen vorderer und hinterer Grundflächenkante des Kegelstumpfes im Verhältnis zum durchschnittlichen Radius des Kegelstumpfes etwa 1 zu 6 beträgt;
   • 8. die Flügel (hier z. B. 6) innerhalb des Kegelstumpfes aus einem Stück mit einer Schablone entsprechend ausgeschnittenen Dünnblech (hier z. B. 0,65 mm stählernes Karosserieblech) bestehen, das in der Mitte zusammengeklappt und auf die in den Ansprüchen 6 und 7 entsprechend angebrachten Streben mit der geschlossenen Biegekante in Laufrichtung nach vorn befe­ stigt wird. Die Schränkung und die aerodynamische Form stellt sich durch die Lage der Segmentstreben ohne vorherige Verfor­ mung selbsttätig ein;
   • 9. die hintere Flügelkante der Flügel nach Anspruch 8 etwa 15 bis 20 Prozent der Flügelbreite über die hintere Segment­ strebe hinausragt, wodurch diese Kante spitz zuläuft und nach Zusammenheften eine aerodynamische Form bekommt ohne besondere vorherige Verformung;
   • 10. die äußeren, propellerförmigen Hohlflügel (hier z. B. 3) mit je 1 Trägerrahmen auf dem Kegelstumpf mittels Schrauben an den Knotenpunkten der Segmentstreben aufgesetzt sind, die in der Form dem Kegelstumpf folgen;
   • 11. die propellerförmigen Hohlflügel an deren peripheren Ende Injektordüsen aufweisen (s. Zeichnung);
   • 12. der Drehkranz aus mindestens 3 gekapselten Kugellagern besteht, deren Achsen rechtwinklig zum Standrohr und horizon­ tal verlaufen;
   • 13. die Lauffläche der Drehkranz-Kugellager aus einer mindestens ca. 5 mm dicken Scheibe widerstandsfähigem, abriebfestem Mate­ rial, z. B. Stahl oder Kunststoff, aus 2 Hälften besteht und mit jeweils 2 Schrauben bündig horizontal auf der Trägerunter­ lage befestigt wird. Bei Bedarf kann diese nach langjährigem Gebrauch ohne Demontage der gesamten Maschine ausgewechselt werden;
   • 14. die vertikale Hülse des Drehkranzes, als Träger der gesam­ ten Maschine, zweigeteilt mit vertikalen Trennfugen zusammen­ schraubbar ausgeführt wird;
   • 15. die Maschine vertikal am Standrohr hochgezogen wird, mittels Umlenkrolle im Standrohr-Top und Seilwinde auf dem Achsrahmen, wodurch die Aufstellung ohne Kran auf engstem Raum möglich wird.