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Windkraftmaschine.
Die Erfindung bezieht sich auf Windkraftmaschinen jener Art, bei der das Windrad für gewöhnlich leewärts auf einer lotrechten Achse angeordnet ist, um die es sich frei drehen kann, um die Ebene des Rades senkrecht zur Windrichtung zu halten.
Bei solchen Windkraftmaschinen wirkt mit dem Windrad eine Regelfahne zusammen, die auf einer im wesentlichen wagrechten Achse angeordnet ist, die schwachem oder normalem Wind ihre Kante oder eine geringste Fläche darbietet, während sie, sobald die Stärke des Windes zunimmt, um ihre Achse so gedreht wird, dass sie dem Wind eine grössere Fläche darbietet, wodurch das Windrad aus dem Wind heraus gedreht wird. Diese Regelfahne kann um ihre Achse durch Geschwindigkeitsänderungen des Windrades unter Vermittlung eines Zentrifugalreglers gedreht werden.
Gemäss der Erfindung wird die Regelfahne durch eine Führungsfahne betätigt, die so angeordnet ist, dass sie selbst keine Drehwirkung auf das Windrad ausübt und schwachem oder normalem Wind eine grösste Fläche darbietet und bei anwachsender Windstärke aus ihrer Normalstellung abgelenkt werden kann, in welcher abgelenkten Stellung sie die Regelfahne so betätigt, dass diese dem Wind eine vergrösserte Fläche darbietet.
Ferner sind in Verbindung mit der Regelfahne Einrichtungen vorgesehen, die im Falle, dass das Windrad zeitweilig vollständig windwärts liegt, durch den Wind oder durch die Teildrehung des Windrades in der entgegengesetzten Richtung so betätigt werden, dass sie das Windrad zur leewärtigen Schwingung veranlassen.
In der Zeichnung ist Fig. 1 eine teilweise geschnittene Ansicht einer Ausführungsform der Erfindung u. zw. einer Windkraftmaschine zum Antrieb eines elektrischen Generators, wobei die Regelfahne durch Geschwindigkeitsänderungen des Windrades unter Vermittlung eines Fliehkraftreglers um ihre Achse gedreht wird. Fig. 2 ist eine Draufsicht zu Fig. 1, Fig. 3 ist eine der Fig. 1 ähnliche Darstellung einer anderen Ausführungsform der Erfindung, bei welcher die Regelfahne durch eine Führungsfahne betätigt wird ; Fig. 4 ist eine Draufsicht hiezu und Fig. 5 ist eine Seitenansicht zu Fig. 3 von rechts gesehen.
Fig. 6 ist eine Draufsicht auf eine Regelfahne, die mit einer Einrichtung versehen ist, die durch den Wind so beeinflusst werden kann, dass sie das Windrad zur leewärtigen Schwingung veranlasst, im Falle das Rad zeitweise windwärts gerichtet ist. Fig. 7 ist eine Vorderansicht der Fahne und Fig. 8 eine von links gesehene Seitenansicht zu Fig. 7.
In den Fig. 1 bis 4 ist die Windrichtung durch Pfeile angegeben. Bei der Ausführungform nach den Fig. 1 und 2 ist 1 ein Träger für sämtliche beweglichen Teile der Maschine, der an seinem oberen Ende von den Balken 2 unter Vermittlung eines Kugellagers gestützt
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die wagrechte Welle 10 der seitlich angeordneten Regelfahne 9 versehen. Der mit der Welle 3 durch das Kegelgetriebe 5 verbundene Generator 6 ist an der windwärts gelegenen Seite des Balkens 2 an dem Rahmen 1 befestigt ; die verschiedenen Teile der Vorrichtung sind so angeordnet, dass sich das ganze System an dem oberen Ende des Balkens ungefähr im Gleichgewicht befindet.
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Das Windrad besitzt zwei diametral gegenüberliegende Flügel 8, die von einem Querarm 4 getragen werden, der eine Bohrung für das leeseitige Ende der Welle 3 besitzt.
Die Welle 10 der Regelfahne 9 ist bei dem dargestellten Beispiel gegenüber der Welle 3 in wagrechter Richtung verschoben und senkrecht zu dieser Welle angeordnet. Die Fahne 9 kann so angeordnet sein, dass sie in der Normal-oder unwirksamen Stellung dem Wind eine schmale Kante darbietet ; mit Rücksicht auf Verringerung der Reibung an den Lagern 11 erweist es sich jedoch vorteilhafter, der Fahne eine geringe Anfangsneigung zu geben, so dass der Winddruck die Fahne stets in die wirksamste Stellung zu drehen trachtet..
Um die Stellung der Fahne 9 zwischen der in vollen Linien gezeichneten unwirksamen Stellung, in der das Windrad voll im Winde liegt und der in strichlierten Linien angegebenen wirksamsten Stellung zu ändern, in der das Windrad durch den den Rudereffekt des Rades überwindenden und den Rahmen 1 auf dem Balken 2 drehenden Winddruck auf die Fahne vollständig aus dem Wind herausgedreht würde, kann in bekannter Weise ein Zentrifugalregler verwendet werden, der Gewichte 18 besitzt, die mittels Blattfedern 20 mit einem auf der Welle 3 befestigten Teil 17 und mittels Lenker 19 mit der auf der Welle 3 verschieblich angeordneten Muffe 16 verbunden sind. Die Lenker 19 sind an einem Ende an den Gewichten 18 und an dem anderen Ende an der Muffe 16 angelenkt, die sich entsprechend der radialen Bewegung der Gewichte axial auf der Welle 3 bewegt.
Auf der Welle 3 gleichfalls verschieblich ist das geschlossene Ende 14. eines U-förmigen Teiles 13 angeordnet, dessen Schenkel an dem freien Ende von auf der Welle 10 der Fahne 9 befestigten Hebeln 12 angelenkt sind. Zwischen der Muffe 16 und dem Ende 14 des Teiles 13 ist ein Spurkugellager 15 angeordnet. Auf der Welle 10 ist ferner gemäss der Erfindung ein Hebel 21 befestigt, der als Sicherung wirkt und durch den eine Kraft gleichbleibender Stärke der Entfernung der Reg]ergewichte 18 mit wachsendem Moment entgegenwirken kann. Mit dem Sicherungshebel 21 ist das eine Ende einer Kette oder eines Bandes 22 verbunden, dessen anderes Ende mit dem Umfang einer mit einer die Fahne 9 in ihrer unwirksamen Stellung zu halten suchende Feder versehenen Trommel 23 verbunden ist.
Die Trommel 23 kann jedoch auch eine Rolle sein, über welche die Kette oder das Band 22 zu einem Gewicht oder zu einer am Rahmen befestigten Feder geführt ist. In der gezeichneten Stellung wird der Sicherungshebel 21 durch die Feder so beeinflusst, dass er nur wenig der Entfernung der Reglergewichte entgegenwirkt ; sobald aber diese Entfernung wächst, bewirkt das durch die Bewegung des Sicherungshebels 21 hervorgerufene zusätzliche Moment eine Vergrösserung des Federmomentes, das der infolge der grösseren Geschwindigkeit und des grösseren Hebelarms der Gewichte 18 wachsenden Zentrifugalwirkung entgegenwirkt.
Die Wirkungsweise der Regeleinrichtung ist folgende : Die Gegenkraft der Rückziehfeder ist eine solche, dass bei Wind mittlerer Stärke, wenn die Reglergewichte zum Teil auseinandergegangen sind und die Fahne 9 sich in einer Zwischenstellung befindet, das Windrad durch den den Rudereffekt des Rades überwindenden Winddruck auf die Fahne 9 teilweise aus der Windwirkung herausgedreht wird.
Eine Abnahme der Windstärke bewirkt eine Geschwindigkeitsverminderung des Windrades, die Reglergewichte gehen unter dem Einfluss der Rückziehfeder zusammen, die Fahne 9 bewegt sich gegen die unwirksame Stellung und der infolge der leewärts gerichteten Stellung des Windrades auf dem Stützbalken sich ergebende Rudereffekt dieses Rades bringt dasselbe mehr senkrecht zu der Windrichtung, so dass es eine grössere Fläche der Flügel 8 der Windwirkung darbietet. Bei wachsender Windstärke entfernen sich die Reglergewichte über die Mittellage hinaus und die Muffe 16, die vermittels der U-Verbindung 13-14 auf die Hebel 12 wirkt, bringt die Fahne 9 in eine Stellung, in der sie dem Wind eine grössere Fläche darbietet.
Der Rudereffekt des Rades wird weiter überwunden und das Rad in grösserem Masse aus der Windwirkung herausgedreht, so dass der Wind auf eine kleinere Flügelfläche trifft, wodurch die Geschwindigkeit wieder auf jene Drehzahl gebracht wird, für die der Regelapparat entworfen ist.
Bei der in den Fig. 3-5 dargestellten Ausführungsform ist an Stelle des bekannten Fliehkraftreglers gemäss der Erfindung eine Führungsfahne 31 vorgesehen, die auf der Welle 10 der Reglerfahne 9 fest angebracht ist und für gewöhnlich, d. h. wenn die Reglerfahne wagrecht oder annähernd wagrecht ist und dem Wind eine Mindestfläche darbietet, lotrecht oder annähernd lotrecht steht, so dass sie dem Wind die grösste Fläche darbietet. Die Führungfahne 31 ist symmetrisch bezüglich des Balkens 2 ausgeglichen, so dass der Winddruck auf die Fahne keine Drehung des Windrades um den Balken 2 zur Wirkung hat.
Die Welle 10 der Regelfahne 9 ist ferner von einem Gewichtshebel 32 beeinflusst oder sie wird auf andere Weise, durch eine Feder, ein Gewicht od. dgl. entweder direkt oder mittelbar durch Vermittlung einer Sicherung, wie vorhin beschrieben, beeinflusst, wobei der Gewichtshebel, die Feder oder das Gewicht die Fahnen 31, 9 in der Normalstellung zu halten trachtet bzw. sie in diese zurückzubringen sucht, wenn sie aus dieser Stellung herausbewegt wurden. Die
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Gegenkraft des Gewiehtsh (bels 3), der Feder, des Gewichtes od. dgl. genügt, um die Führungsfahne 31 und die Regelfahne 9 bei schwachem Wind in der Normalstellung zu halten.
Wenn jedoch die Windstärke genügend ansteigt, um die Kraft des Gewichtshebels, der Feder, des Gewichtes od. dgl. zu überwinden, so wird die Führungsfahne 31 leewärts abgelenkt, wie in strichpunktierten Linien'in Fig. 3 angegeben ist. Diese Bewegung der Führungsfahne ist von einer gleichzeitigen Drehung der Regelfahne 9 in eine Lage, in der sie dem Wind eine grössere Fläche bietet, begleitet, wodurch das Windrad um einen entsprechenden Betrag aus der Windströmung herausgedreht wird.
Eine darauffolgende Verminderung des Winddruekes bewirkt, dass die Führtingsfahne 31 der Gegenwirkung des Gewichtshebels 3, 3, der Feder, des Gewichtes od. dgl. nicht widerstehen kann, die wirksame
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wesentlichen gleichförmige Drehgeschwindigkeit aufrecht erhalten wird.
Damit die Führungsfahne 31 die Stellung der Regelfalme 9 selbst dann beherrscht, wenn die ganze Windkraftmaschine um einen grossen Winkel um die lotrechte Achse 2 gedreht wurde und die Welle 3 senkrecht oder ungefähr senkrecht zu der Windrichtung steht, ist. die Führungsfahne 31 geneigt oder gekrümmt, so dass ihre windseitige Fläche nicht parallel zur Welle 10 der Regelfahne 9 ist und ihre der Regelfahne 9 nähere Kante 31a mit Bezug auf die entgegengesetzte, von der Regelfahne entferntere Kante 31b dem auftreffenden
Wind näher liegt.
Bei dieser Ausbildung der Führungsfahne wird sie, wenn s'e sich in ihrer vollständig abgelenkten, in Fig. 3 strichpunktiert gezeichneten Stellung befindet und das Windrad vollkommen aus der Windströmung herausgedreht wurde, dem Wind noch eine genügend grosse Fläche darbieten, um durch diesen in ihrer abgelenkten Stellung erhalten zu werden.
Die Führungsfahne 31 kann anstatt auf der Welle 10 der Regelfahne 9 auch auf einer besonderen, geeignet gelagerten und von der Welle 10 angetriebenen Welle angeordnet sein.
Die in den Fig. 6-8 dargestellte Einrichtung zur Sicherung einer raschen Schwingung des Windrades auf die Leeseite im Falle der Wind seine Richtung um 1800 ändert, besteht aus einer schmalen Windauffangfläche oder Rippe 33, die als Kiel"bezeichnet werden soll. Dieser Kiel ist auf der normal oberen Seite der Regelfahne 9 befestigt und bietet dem Wind dann die grösste Fläche dar, wenn die Regelfahne ihre kleinste Fläche der Windwirkung aussetzt. Der Kiel 33 kann parallel zur Welle 10 der Regelfahne 9 angeordnet sein, jedoch wird er vorteilhaft diagonal zu dieser Welle, mit dem der lotrechten Achse des Windmotors näheren Ende 33a windwärts gerichtet, angeordnet.
Der Kiel 33 kann senkrecht zur Fläche der Regelfahne gestellt sein, vorteilhaft wird er aber, wie dargestellt, leewärts geneigt, so dass eine Tasche zwischen der leewärtigen oder gewöhnlich hinteren Fläche des Kieles und der Fläche der Regelfahne gebildet wird. In dieser Tasche wirkt, im Falle das Windrad zeitweilig windwärts statt leewärts gerichtet ist, was dann geschieht, wenn ein Wechsel der Windrichtung im Sinne des in Fig. G und 8 vollgezeichneten Pfeiles in eine solche im Sinne des strichliert gezeichneten Pfeiles stattfindet, der Wind so, dass das Windrad zur leewärtigen Schwingung veranlasst wird, wogegen der Kiel dem Wind weniger Widerstand entgegensetzt, wenn sich das Windrad in der gewünschten leeseitigen Stellung befindet.
Die Schwingungen der Regelfahne 9, die durch die Ortsveränderung des Winddruck. mittelpunktes auf der Fahne infolge deren wechselnder Neigung hervorgerufen werden, können gewünschtenfalls mittels einer Puffers od. dgl. gedämpft werden.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Windkraftmaschine, bei der eine mit dem Windrad zusammenwirkende Regelfahne auf einer im wesentlichen wagrechten Achse an der einen Seite der lotrechten Achse, um die sich die Windkraftmaschine dreht, angebracht ist, gekennzeichnet durch einen Sicherungshebel (21), durch den der fortlaufenden Drehung der Regelfahne (9) um ihre Achse von der Rückzieheinrichtung (22, 23) ein sich vergrössernder Widerstand entgegengesetzt wird.