DE4435606A1 - Flügel mit veränderbarer Form bezüglich der Wechselwirkung mit dem strömenden Medium - Google Patents

Description

Der Stand bezüglich der Schiffbau-Technik ist in dem Buch "Hydromechanik zum Schiffsentwurf", H. Schneekluth, Koehler-Verlag, 1988, dargestellt.

Der Antrieb beim Voith-Schneider-Propeller (VSP) erfolgt mit verstellbaren Flügeln, deren Achsen sich - im wesentlichen auf Zykloiden - um eine Achse bewegen, die sich senkrecht zur Bewegungsrichtung befindet. Die Flügel werden durch ein kinematisches Getriebe angetrieben.

Der VSP ist - wie der Schraubenpropeller mit veränderlicher Steigung - ein Verstellpropeller. Die Drehzahl der VSP ist nur ca. 20% derjenigen bei den Schraubenpropellern; die VSP sind standardmäßig am Schiffboden angeordnet und die axiale Richtung ist annähernd vertikal.

Bekannte Flügel bzw. Propeller im Schiffbau haben zeitlich konstante Abmessungen.

Der Stand der Technik bezüglich der Windkraftanlagen ist beispielsweise in dem Buch von Jens-Peter Molly, "Windenergie", Verlag C. F. Müller, Karlsruhe, 1990, dargestellt.

Bekannt ist weiterhin ein "Rotorbaltt für Windkraftwerke" (DE-PS 29 21 152), bei dem das Rotorblatt aus einzelnen aneinandergefügten Rotorblatt­ abschnitten hergestellt wird.

In DE-AS 28 21 899 wird eine vertikalachsige Windturbine vorgeschlagen, bei der die Rotorblätter senkrecht stehen und diese nur durch - ausziehbare - Seilzüge mit dem achsenseitigen Rotorteil verbunden sind.

Bekannt sind Flügelblattverstellungen für Windkraftanlagen und im Flugwesen (DE-OS 32 17 765).

Bekannt ist weiterhin (DE-PS 34 35 458) eine Windturbine mit Horizontalrohr, der u. a. mit einem "an jeder Stelle im Querschnitt gleichen Rotorarm versehen ist". Es werden dünnwandige Hohlprofile zu einem Rotor fester Länge zusammengesteckt.

Weiterhin sind (DE-PS 36 07 278) Windkraftmaschinen mit vertikal stehenden Flügelrotoren, die bis zur gewünschten Höhe - statisch - aus Flügelkörperteilen aufstockbar sind.

Eine Vorrichtung zur Verstellung von Rotorblättern, d. h. zur Blattwinkeleinstellung, ist in DE-PS 42 21 783 beschrieben.

Bekannte Flügel haben auch im Windkraftanlagenbau zeitlich konstante Längen.

Der Wirkungsgrad ist beim Schiffsantrieb um so günstiger, je kleiner die Geschwindigkeit des beschleunigten Mediums ist. Die maßgebende Antriebskraft wird vom Impuls, d. h. vom Produkt aus der jeweiligen Masse und Geschwindigkeit, bestimmt. Die dabei abgeführte Energie ist jedoch proportional zum Quadrat der Geschwindigkeit der ausströmenden Masse. Der Verlust ist also um so geringer, je langsamer die beschleunigten Teilchen sind bzw. je größer die erregende Fläche ist.

Bekannte Windräder laufen erst bei relativ hohen Windgeschwindigkeiten an, da die Maschinen auch bei hoher Windgeschwindigkeit noch arbeiten können sollen und in diesem Fall eine große Rotor-Fläche, die das Anlaufen bei geringen Windstärken ermöglichen würde, zu große Kräfte verursachen würde. Bei dem erfindungsgemäßen Flügel wird bei geringen Windgeschwindigkeiten der Flügel durch Ausfahren der Teile auf die maximale Länge gebracht. - Bei zu starker Windbelastung kann die wirksame Windangriffsfläche durch Drehen oder Verkürzen der Flügel verringert werden.

Bei hohen Winkelgeschwindigkeiten treten, da die Radialkräfte quadratisch mit der Geschwindigkeit zunehmen, hohe Kräfte auf die Halterungen und Rückführvorrichtungen der ausfahrbaren Flügelteile auf. Daher ist die Erfindung insbesondere bei niedrigen Drehzahlen einsetzbar.

Der in den Patentansprüchen angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, die wirksame Fläche der Flügel den Betriebserfordernissen besser anzupassen.

Dieses Problem wird durch die in dem Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmale gelöst, indem die vom Flügel überstrichene Fläche durch Verschiebung zumindest von Teilen des Flügels in Richtung seiner Längsachse während des Betriebs verändert werden kann.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen - beim Medium Wasser - insbesondere darin, daß im flachen Wasser die Flügel nicht weit aus dem Schiff herausragen und das Fahrzeug mit verringertem Wirkungsgrad betrieben werden kann; jedoch bei genügendem Tiefgang die Leistung vergrößert bzw. die Verlustleistung verringert werden kann.

Im Falle der Windenergieanlagen läßt sich die Energie auch bei geringen Windstärken nutzen und die Lebensdauer der Anlage wird vergrößert, da die Materialbeanspruchung verringert wird.

Nachteilig sind der höhere konstruktive Aufwand und der höhere Wartungsaufwand.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist im Patentanspruch 2 angegeben. Sie besteht darin, daß der Flügel teleskopartig aufgebaut ist.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht - nach Patentanspruch 3 - darin, daß der Flügel während der Verschiebung eine Drehung erfährt, so daß der Anstellwinkel korrigiert werden kann.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht - nach Patentanspruch 4 - darin, daß die Spitzen der Flügel durch jeweils eine drehbar gelagerte messerartige Halterung senkrecht zur Flügelachse mit einer aus- und einfahrbaren stabförmigen Halterung, deren Achse parallel zu derjenigen der Flügel ist und ebenfalls unter dem zylinderförmigen Befestigungskörper der Flügel montiert wird, verbunden sind.

Eine andere Ausgestaltung der Erfindung ist in Anspruch 5 angegeben; sie besteht darin, daß die Änderung der Flügeleinstellung durch Wind-Meßfühler gesteuert werden kann, die von den Flügeln so weit entfernt sind, daß die Verstellung des Flügels vor dem Eintreffen eines größeren Windstoßes eingeleitet werden kann.

Im folgenden wird zunächst eine Flügel-Anordnung, wie sie beispielsweise bei Windkraftanlagen eingesetzt werden könnte, beschrieben.

Die Flügel sind an einem Holm befestigt, der in der Rotornabe bewegt werden kann, z. B. mittels einer mit dem Holm verbundenen Zahnstange, die von einer Spindel verschoben wird. Bei einer derartigen Konstruktion ist eine gleichzeitige Drehung dadurch möglich, daß die Zahnstange gewunden ist und in einer Vertiefung der Rotornabe gleitet.

Weiterhin wird eine Flügel-Anordnung, wie sie beispielsweise beim Voith- Schneider-Propeller eingesetzt werden könnte, beschrieben. - Die Flügel beim Voith-Schneider-Propeller weisen i. a. eine ebene, ungeteilte, im wesentlichen spatenförmige, jedoch nicht gekrümmte Form auf.

Der an der Befestigung sitzende Teil wird erfindungsgemäß hohl - mit annähernd gleicher Wanddicke - gebaut, aus der flachen Höhlung kann ein Teil mit etwas geringeren Querschnittsabmessungen ausgefahren werden, so daß die ursprüngliche Antriebsfläche vergrößert wird. Das bewegliche Teil kann z. B. mittels einer elektrisch angetriebenen Spindel ausgefahren werden. Die Zuleitungen lassen sich durch bewegliche Drähte oder Schleifringe im Innern des zylinderförmigen Befestigungskörpers zuführen. - Zur Stabilisierung können die Mitten der Flügelspitzen durch flache Stege mit einem in gleichem Maße wie die Flügel ausfahrbaren stabförmigen Halterung, die sich im einfachsten Fall unter dem Mittelpunkt des zylinderförmigen Befestigungskörpers der Flügel befindet, verbunden werden. Vorteilhaft ist, daß sich die Längen-Verstellung im unbelasteten Zustand der Flügel vornehmen läßt, da sich die VSP jederzeit antriebslos schalten lassen.

Claims (5)

1. Flügel mit veränderbarer Form bezüglich der Wechselwirkung mit dem strömenden Medium, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Flügel überstrichene Fläche durch Verschiebung zumindest von Teilen des Flügels in Richtung seiner Längsachse während des Betriebs verändert werden kann.

2. Flügel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der verschiebbare Teil des Flügels teleskopartig aufgebaut ist.

3. Flügel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Flügel während der Verschiebung eine Drehung erfährt.

4. Flügel nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei parallelachsigen Flügeln die Spitzen der Flügel durch jeweils eine drehbar gelagerte messerartige Halterung mit einer aus- und einfahrbaren stabförmigen Halterung, deren Achse parallel zu derjenigen der Flügel ist und die ebenfalls unter dem zylinderförmigen Befestigungskörper der Flügel montiert wird, verbunden sind.

5. Flügel nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderung der Flügeleinstellung durch Wind-Meßfühler gesteuert wird, die von den Flügeln so weit entfernt sind, daß die Verstellung des Flügels vor dem Eintreffen eines größeren Windstoßes eingeleitet werden kann.