DE810500C

DE810500C - Windturbine

Info

Publication number: DE810500C
Application number: DEP54534A
Authority: DE
Inventors: Herbert Bosch
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1949-09-11
Filing date: 1949-09-11
Publication date: 1951-08-09

Description

Windturbine Bei bekannten Windturbinen mit senkrechter Welle wurde der «'ind bisher zuerst durch gekrümmte Leitschaufeln und anschließend durch konkav ausgebildete Schaufeln des Arbeitsrads scharf aus seiner ursprünglichen Richtung abgelenkt und dadurch wesentlich verlangsamt. Nun hat man aber durch Untersuchungen festgestellt, daß die günstigste Kraftwirkung dann erhalten wird, wenn die Austrittsgeschwindigkeit des Windes gleich einem Drittel seiner Eintrittsgeschwindigkeit ist, so daß es also wesentlich darauf ankommt, dem Durchstrom des Windes durch die Turbine einen möglichst geringen Widerstand entgegenzustellen.
Dies wird erfindungsgemäß durch die Vereinigung folgender Merkmale erreicht: a) Das als Schnelläufer ausgebildete Windrad ist in einem Leitgehäuse angeordnet, dessen Außenfläche so ausgebildet ist, daß sie die Luft wirbelfrei nach dem Auslaßende des Leitgehäuses abfließen läßt, so daß an dieser Stelle ein den Durchstrom des Windes durch die Turbine unterstützender Sog entsteht; b) im Einlaß des Leitgehäuses ist ein Abschirmkörper angeordnet, der in bekannter Weise die eine Hälfte des Windrads gegen eine Beaufschlagung durch den Wind schützt und so ausgebildet ist, daß er mit der inneren Wandfläche des Leitgehäuses einen sich leicht verengenden Einlaßkanal bildet, in welchem der Wind auf eine höhere Geschwindigkeit beschleunigt und tangential in das Windrad eingeleitet wird, damit er möglichst senkrecht auf die Arbeitsflügel trifft; c) zwischen den Innenkanten der Arbeitsflügel sind weite Durchlaßöffnungen mit möglichst geringem Strömungswiderstand freigelassen, damit der Wind, der seine Energie arbeitsleistend an einen Flügel abgegeben hat, ungehindert zu der unter Sogwirkung stehenden Auslaßseite abströmen kann; d) der Rücken der Flügel ist stromlinienförmig ausgebildet, und zwar so, daß die Verdickung des Profils nahe der Innenkante der Flügel liegt, damit diese Kante, wenn sie vom Wind angeströmt wird, den Wind wirbelfrei abströmen läßt.
Es ist zwar bei Windrädern mit waagerechter Achse schon bekannt, das Windrad in einem Leitgehäuse anzuordnen (z. B. Patent 455 854), doch ist dort das Leitgehäuse nach Art eines dem Wind seine weite Öffnung zuwendenden Trichters ausgebildet, so daß die Luft nicht wirbelfrei an dem Leitgehäuse entlang strömen kann, sondern hinter der Trichtermündung in wilde Wirbel versetzt wird. Es sind auch schon stromlinienförmige Abschirmkörper bekannt, doch wirken diese nicht in der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Weise mit der Innenwand eines Leitgehäuses zusammen, so daß ihre Wirkung sich auf das Abschirmen der jeweils nicht an der Energieaufnahme teilnehmenden Flügel beschränkt. Es ist weiterhin durch das Savoniusrad bekanntgeworden, zwischen den Innenkanten der Flügel einen Luftspalt freizulassen; in diesem Fall vermittelt jedoch der Luftspalt kein widerstandsfreies Abströmen des Windes. Im Gegenteil zwingt der Luftspalt des Savoniusrads den Wind, der seine Energie zum Teil schon -an den aktiven Flügel abgegeben hat, nun auch noch gegen die Arbeitsfläche des eigentlich inaktiven Flügels zu strömen und dort unter vollständiger Umkehrung seiner ursprünglichen Strömungsrichtung noch einmal Arbeit zu leisten. Die mittlere Durchflußgeschwindigkeit des Windes wird. dadurch natürlich sehr stark herabgesetzt, so daß die Austrittsgeschwindigkeit nicht mehr den Forderungen eines guten Wirkungsgrads entspricht. Es ist ferner bekannt, die Eintrittskante der Windflügel stromlinienförmig zu verdicken (z. B. die Ventikanten von B il au ). Allein bei diesen bekannten Anordnungen handelt es sich darum, den Eintritt des Windes in das Rad zu begünstigen, während erfindungsgemäß gerade umgekehrt ein reibungsloser Austritt des Windes aus dem Rad erreicht werden soll.
Die Erfindung betrifft ferner eine besonders vorteilhafte Ausführungsform einer. Windturbine mit zwei Flügelrädern, welche dadurch gekennzeichnet ist, daß die Drehachsen der beiden Flügelräder symmetrisch zur Mittelachse eines symmetrisch ausgebildeten Leitgehäuses und gemeinsamen Abschirmkörpers in solch geringem Abstand voneinander angeordnet und bei entgegengesetzter Drehrichtung zwangsläufig so miteinander gekuppelt sind, daß die gegen die Symmetrieachse gerichteten Flügel des eines Rads sich jeweils zwischen zwei aufeinanderfolgenden Flügeln des anderen Rads frei hindurchdrehen können. Durch diese Anordnung ist es möglich, eine Windkraftmaschine mit verdoppelter Leistung herzustellen, deren Gewicht und dem Winddruck ausgesetzte Fläche aber kleiner ist, als die Summen der entsprechenden Maße zweier Maschinen einfacher Leistung. Damit eine solche Windkraftmaschine sich selbsttätig in den Wind drehen kann, wird der senkrechte Drehzapfen, um den sich das Leitgehäuse mit den darin eingebauten Windrädern drehen kann, innerhalb der Grundfläche des Abschirmkörpers so weit gegen den Einlaß zu gelegt, daß ein exzentrisch an dem Gehäuse angreifender Winddruck das Leitgehäuse so weit verschwenken kann, bis seine Symmetrieachse in der Windrichtung liegt. Um die Leistung der Maschine von ihrer Volleistung bis zum Stillstand regeln zu können, werden auf der Einlaßseite des Leitgehäuses Klappen angeordnet, die gestatten, die Einlaßöffnung ganz oder teilweise zu verschließen. Vorzugsweise werden diese Klappen durch der Einlaßöffnung benachbarte Wandteile des Leitgehäuses und des Abschirmkörpers gebildet, die gegeneinander verschwenkbar sind.
Der Gegenstand der Erfindung ist in der Zeichnung in beispielsweiser Ausführungsform dargestellt, und zwar zeigt Fig. i eine Vorderansicht der auf einem Turm angeordneten Windturbine, Fig.2 einen senktechten Längsschnitt durch die Maschine mit ihrem Leitgehäuse nach Linie II-II der Fig. 3, Fig. 3 einen waagerechten Schnitt nach Linie III-III der Fig. 2, Fig.4 in etwas größerem Maßstab einen weiteren waagerechten Schnitt bei geänderter Stellung der Windräder, Fig.5 noch einen waagerechten Schnitt zur Veranschaulichung der Regelvorrichtung und Fig. 6 einen waagerechten Querschnitt durch einen Windradflügel.
Das Leitgehäuse der Maschine besteht aus einem auf einem Turm i drehbar gelagerten Boden 2, den beiden Seitenwänden 3, einem Deckel 4 und einem Abschirmkörper 5. Die senkrechte Drehachse 6 des Leitgehäuses ist innerhalb der Grundfläche des Abschirmkörpers 5 so weit nach vorn, d. h. gegen die Einlaßseite zu verlegt, daß ein an einer Seitenwand 3 angreifender Winddruck imstande ist, das Gehäuse in die Windrichtung zu verschwenken. Zugleich ergibt sich dadurch der Vorteil, daß der Drehzapfen bzw. eine gleichachsig zu ihm anzuordnende Arbeitswelle ohne Beeinträchtigung des Winddurchlasses innerhalb des Abschirmkörpers 5 bis in den Deckel 4 hochgeführt werden kann. Innerhalb des Leitgehäuses sind zwei als Schnelläufer ausgebildete Windräder 7 und 8 symmetrisch zur Längsachse des Gehäuses so nahe beisammen angeordnet, daß die Flügel 9. des einen Rads zwischen den Flügeln io des anderen Rads frei hindurchlaufen können, wenn die beiden in nicht dargestellter Weise gegenläufig gekuppelten Windräder sich um ihre senkrechten Achsen drehen (Fig. 3 und 4). Die Windradflügel 9 und io haben im Querschnitt etwa das in Fig.6 gezeigte Profil, d. h. sie sind auf ihrer vom Wind unmittelbar beaufschlagten Seite ii eben, während ihre Rückseite 12 stromlinienförmig so gestaltet ist, daß die Verdickung 13 nahe der der Drehachse des Windrads zugekehrten Innenkante 14 liegt, während die dem Umfang des Windrads zugekehrte Außenkante 15 nach Art einer Abflußkante mit geringerer Steigung ausläuft. Dadurch wird erreicht, daß ein in der Längsrichtung des Flügels gegen die Innenkante 14 auftreffender Windfaden (Pfeil 16) sanft und wirbelfrei über die Flügelrückseite 12 abfließen und dort einen Sog ausüben kann, der die Dreharbeit des Windes unterstützt. Die Seitenwände 3 des Leitgehäuses sind, wie Fig. 3 und 4 zeigen, so ausgebildet, daß sie den Wind leicht und wirbelfrei nach außen ablenken und zur Auslaßseite abströmen lassen, so daß dort ein Sog entsteht, der die Windgeschwindigkeit beim Durchfluß durch das Leitgehäuse erhöht. Die Innenflächen der Leitwände 3 dagegen sind so gestaltet, daß sie bis nahe an den Umfang der Flügelräder 7, 8 heranreichen und mit dem keilförmigen Abschirmkörper 5 einen sich leicht verengenden und daher die Windgeschwindigkeit steigernden Einlaßkanal17 bilden, der etwas gegen die Längsachse des Gehäuses geneigt ist, so daß der Wind den Flügelrädern tangential zugeleitet wird. Eine in Fig.5 gezeigte Regelvorrichtung ist dadurch gebildet, daß an der Einlaßkante der Leitwände 3 je eine nach innen vierschwenkbare Klappe 18 und an den Seitenflächen des Abschirmkörpers 5 je eine nach außen vierschwenkbare Klappe i9 angeordnet ist. Diese sind als Teile der Leitwand bzw. des Abschirmkörpers ausgebildet und gestatten es, die Einlaßkanäle 17 ganz (Fig. 5, linke Hälfte) oder teilweise (Fig.5, rechte Hälfte) zu verschließen. Um ein freies Durchströmen des Windes durch die Flügelräder 7, 8 zu ermöglichen, nachdem der Wind seine Energie an einen der Flügel 9 oder io abgegeben hat, sind zwischen den Innenkanten der Flügel breite Durchlaßspalten 20 vorgesehen, innerhalb deren sich kein Strömungswiderstand befindet (Fig. 4).
Die Wirkungsweise der beschriebenen Windturbine ist folgende: Der in der Richtung der Pfeile 21 anströmende Wind wird durch den Abschirmkörper 5 in zwei Ströme geteilt, welche durch die sich leicht verengenden Einlaßkanäle 17 etwas beschleunigt und gegen den Umfang der Windräder 7 und 8 so abgelenkt werden, daß sie ungefähr tangential in die Windräder eintreten und deren Arbeitsflügel 9 bzw. io möglichst senkrecht beaufschlagen. Nachdem die beiden Windströme ihre Energie an die Arbeitsflügel abgegeben haben, wird die Luft durch die weiten Luftspalte 20 nach der Auslaßseite abgesaugt, wo sich inzwischen durch die Saugwirkung des außen um das Leitgehäuse 2, 3, 4 herumströmenden Windes ein Sog gebildet hat. Trifft der Wind auf seinem Weg durch die Windräder 7, 8 gegen die Innenkante 14 eines der windabgekehrten Flügel 9 oder io, so wird er durch das stromlinienförmige Profil der Flügelrückseite 12 sanft und wirbelfrei abgeleitet, so daß auf dieser Flügelseite sich kein Gegendruck gegen den auf die flache Vorderseite ii wirkenden Druck ausbilden kann. Durch die Wirkung des Windes werden die beiden Windräder 7 und 8 in gegenläufige Drehung versetzt, die zweckmäßig auf eine gemeinsame, gleichachsig mit der Drehachse 6 des Leitgehäuses angeordnete Arbeitswelle übertragen wird. Die beiden Windräder sind dabei so miteinander gekuppelt, daß die Flügel des einen Rads stets im gleichen Ablauf zwischen die Flügel des anderen Rads eintauchen und zwischen diesen hindurchlaufen. Windturbinen dieser Art können nicht nur stationär, sondern auch fahrbar, z. B. für den Antrieb von Schiffen, verwendet werden, wobei sie über ein Getriebe die Schiffsschraube antreiben und ein Fahren unabhängig von der Windrichtung gestatten.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: i. Windturbine mit senkrechter Welle, gekennzeichnet durch die Vereinigung folgender Merkmale: a) das Windrad ist in einem Leitgehäuse (2, 3, 4) angeordnet; b) im Einlaß des Leitgehäuses ist ein Abschirmkörper (5) angeordnet, der in bekannter Weise die eine Hälfte des Windrads gegen eine Beaufschlagung durch den Wind abdeckt und dessen eine einer Seitenwand (3) des Leitgehäuses zugekehrte Seitenfläche mit dieser Wand zusammen einen sich leicht verengenden Einlaßkanal (17) bildet, der gegen den Umfang des Windrads gerichtet ist; c) zwischen den Innenkanten der Arbeitsflügel des Windrads sind weite Durchlaßöffnungen (20) freigelassen, innerhalb derer sich kein Strömungswiderstand befindet; d) der Rücken (12) der Flügel ist stromlinienförmig ausgebildet, und zwar so, daß die verdickte Anströmkante durch die Flügelinnenkante (14) gebildet wird.
2. Windturbine nach Anspruch i mit zwei gegenläufigen Windrädern, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Windräder symmetrisch zu der durch die Vorderkante eines für beide Windräder gemeinsam vorgesehenen Abschirmkörpers (5) verlaufenden Mittelachse eines gemeinsamen, ebenfalls symmetrisch ausgebildeten Leitgehäuses (2, 3, 4) so nahe beisammen angeordnet sind, daß jeweils die gegen die Gehäusemitte gerichteten Flügel (9 oder io) des einen Rads (7 oder 8) in stets gleichbleibendem Ablauf zwischen zwei aufeinanderfolgenden Flügeln (io oder 9) des gegenläufig mit ihm gekuppelten zweiten Rads (8 oder 7) hindurchlaufen.
3. Windturbine nach Anspruch i und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum Zweck der Regelung der Arbeitsleistung der Turbine an dem Einlaß des Leitgehäuses Regelklappen (18, i9) angeordnet sind, mit deren Hilfe man den Einlaßkanal (17) ganz oder teilweise verschließen kann.
4. Windturbine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelklappen durch dem Einlaß (17) benachbarte Wandteile (18, i9) der Seitenwände (3) des Leitgehäuses und des Abschirmkörpers (5) gebildet werden, die gegeneinander vierschwenkbar sind.
5. Windturbine nach Anspruch i bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zum Verschwenken des Leitgehäuses (2, 3, 4) dienende senkrechte Drehachse (6) innerhalb der Grundfläche des Abschirmkörpers (5) angeordnet ist.
6. Windturbine nach Anspruch i bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelklappen (18, i9) einen Teil des Leitgehäuses bzw. des Abschirmkörpers bilden.