AT524437B1

AT524437B1 - VERTICAL AXIS WIND TURBINE

Info

Publication number: AT524437B1
Application number: ATA50420/2021A
Authority: AT
Inventors: Grundbichler Bernhard
Original assignee: Grundbichler Bernhard
Priority date: 2021-05-26
Filing date: 2021-05-26
Publication date: 2022-06-15
Also published as: WO2022246483A1; AT524437A4; AT526580A5

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vertikalachsen-Windturbine (1) mit einem um eine im Wesentlichen vertikal angeordnete Drehachse (1a) drehbar gelagerten Schaufelrad (2) mit mindestens drei Schaufeln (3), welche jeweils einen in einer Normalebene (η) auf die Drehachse (1a) entlang einer Radiallinie (1b) gemessenen maximalen Abstand (r) von der Drehachse (1a) aufweisen, wobei jede Schaufel (3) eine konkave Vorderseite (1a) und eine konvexe Rückseite (1b) aufweist, wobei jede Schaufel (3) durch ein Schalensegment gebildet ist, welches Schalensegment einen Bodenabschnitt (4) mit einem ersten Krümmungsradius (R1) aufweist, welcher größer ist als der maximale radiale Abstand (r), wobei jede Schaufel (3) zumindest einen an den Bodenabschnitt (4) anschließenden abgewinkelten äußeren Randabschnitt (5) aufweist, wobei jede Schaufel (3) im Bereich des äußeren Randabschnittes (5) einen zweiten Krümmungsradius (R2) aufweist, und wobei zwischen dem Bodenabschnitt (4) und dem äußeren Randabschnitt (5) ein Übergangsabschnitt (8) ausgebildet ist, welcher einen dritten Krümmungsradius (R3) aufweist, der kleiner ist als der erste Krümmungsradius (R1).The invention relates to a vertical-axis wind turbine (1) with a blade wheel (2) that is rotatably mounted about a substantially vertically arranged axis of rotation (1a) and has at least three blades (3), each of which has a blade in a normal plane (η) on the axis of rotation (1a ) along a radial line (1b) measured maximum distance (r) from the axis of rotation (1a), each blade (3) having a concave front (1a) and a convex rear (1b), each blade (3) having a shell segment is formed, which shell segment has a base section (4) with a first radius of curvature (R1) which is greater than the maximum radial distance (r), each blade (3) having at least one angled outer edge section adjoining the base section (4). (5), each blade (3) having a second radius of curvature (R2) in the region of the outer edge portion (5), and wherein between the bottom portion (4) and the outer edge portion (5). Transition section (8) is formed, which has a third radius of curvature (R3) which is smaller than the first radius of curvature (R1).

Description

description

[0001] Die Erfindung betrifft ein Vertikalachsen-Windturbine mit einem um eine im Wesentlichen vertikal angeordnete Drehachse drehbar gelagerten Schaufelrad mit mindestens drei, vorzugsweise vier Schaufeln, welche jeweils einen in einer Normalebene auf die Drehachse entlang einer Radiallinie gemessenen maximalen Abstand von der Drehachse aufweisen, wobei jede Schaufel eine konkave Vorderseite und eine konvexe Rückseite aufweist, wobei jede Schaufel durch ein Schalensegment gebildet ist, welches Schalensegment - in einem Schnitt in der Normalebene und/oder in einer seitlichen Ansicht in Richtung der Radiallinie betrachtet - einen Bodenabschnitt mit einem ersten Krümmungsradius aufweist, welcher größer ist als der maximale radiale Abstand, wobei vorzugsweise der erste Krümmungsradius mindestens 1,5-mal, besonders vorzugsweise mindestens zweimal, so groß ist wie der maximale radiale Abstand, wobei jede Schaufel zumindest einen an den Bodenabschnitt anschließenden abgewinkelten äußeren Randabschnitt aufweist, wobei jede Schaufel im Bereich des äußeren Randabschnittes - in einem Schnitt in der Normalebene und/oder in einer seitlichen Ansicht in Richtung der Radiallinie betrachtet - einen zweiten Krümmungsradius aufweist, und wobei zwischen dem Bodenabschnitt und dem äußeren Randabschnitt ein Ubergangsabschnitt ausgebildet ist, welcher - in einem Schnitt in der Normalebene und/oder in einer seitlichen Ansicht in Richtung der Radiallinie betrachtet - einen dritten Krümmungsradius aufweist, der kleiner ist als der erste Krümmungsradius. The invention relates to a vertical-axis wind turbine with an impeller mounted to rotate about an essentially vertically arranged axis of rotation with at least three, preferably four blades, each of which has a maximum distance from the axis of rotation measured in a plane normal to the axis of rotation along a radial line. each blade having a concave front side and a convex rear side, each blade being formed by a shell segment, which shell segment - viewed in a section in the normal plane and/or in a side view in the direction of the radial line - has a bottom section with a first radius of curvature , which is greater than the maximum radial distance, preferably wherein the first radius of curvature is at least 1.5 times, more preferably at least twice, the maximum radial distance, each blade having at least one angled outer edge adjacent to the bottom portion d section, wherein each blade has a second radius of curvature in the area of the outer edge section - viewed in a section in the normal plane and/or in a lateral view in the direction of the radial line - and wherein a transition section is formed between the base section and the outer edge section, which - viewed in a section in the normal plane and/or in a side view in the direction of the radial line - has a third radius of curvature which is smaller than the first radius of curvature.

[0002] Aus der DE 20 2005 009 164 U1 ist ein Vertikalachsen-Windturbinen System bekannt, welches eine Windturbine mit drei mit einer Rotationsachse verbundene viertelkugelförmige Windschaufeln aufweist, die mit gleichem Winkelabstand voneinander angeordnet sind. Zwischen der Rotationsachse und einer feststehenden Achse ist ein Permanent-Magnet-Generator angeordnet. [0002] DE 20 2005 009 164 U1 discloses a vertical axis wind turbine system which has a wind turbine with three quarter-spherical wind blades which are connected to an axis of rotation and which are arranged at the same angular distance from one another. A permanent magnet generator is arranged between the axis of rotation and a fixed axis.

[0003] Die GB 529 660 B offenbart einen Rotor mit halbkugelförmigen Schaufeln für Luft oder Wasser. GB 529 660 B discloses a rotor with hemispherical blades for air or water.

[0004] Die JP 2003-120502 A offenbart ein Laufrad mit vertikaler Achse mit Schaufeln mit prismenförmiger Oberfläche. JP 2003-120502 A discloses a vertical axis impeller with blades with prismatic surface.

[0005] Aus der DE 27 21 450 A1 ist weiterhin eine windrichtungsunabhängige Windturbine bekannt, deren Drehachse vertikal ausgerichtet ist und die drei, zwei oder sechs segmentförmige Windschaufeln aufweist, welche derart angeordnet und bewegbar sind, dass sie von einer ausgefahrenen Betriebsstellung in eine Außerbetriebsstellung mit eingefahrenen Windschaufeln bringbar sind. Unterhalb des Windrades befindet sich ein Generator, wobei die sich drehende Welle des Windrades den Anker im Generatorgehäuse dreht. DE 27 21 450 A1 also discloses a wind turbine that is independent of the wind direction, the axis of rotation of which is aligned vertically and which has three, two or six segment-shaped wind blades which are arranged and movable in such a way that they move from an extended operating position to an inoperative position with retracted wind vanes can be brought. Below the windmill is a generator, with the rotating shaft of the windmill turning the armature in the generator housing.

[0006] Die US 10400747 B2 beschreibt eine Vertikalachsen-Windturbine in Savonius-Bauart, mit einem um eine im Wesentlichen vertikal angeordnete Drehachse drehbar gelagerten Schaufelrad mit mindestens drei Schaufeln, welche jeweils einen in einer Normalebene auf die Drehachse entlang einer Radiallinie gemessenen maximalen Abstand von der Drehachse aufweisen, wobei jede Schaufel eine konkave Vorderseite und eine konvexe Rückseite aufweist. Dabei wird auch eine Rotorform mit drei unterschiedlichen Bereichen offenbart, welche unterschiedliche Krümmungsradien aufweisen. US 10400747 B2 describes a vertical-axis wind turbine of the Savonius design, with a blade wheel that is mounted so that it can rotate about a substantially vertically arranged axis of rotation and has at least three blades, each of which has a maximum distance measured along a radial line in a plane normal to the axis of rotation of the axis of rotation, each blade having a concave front face and a convex rear face. A rotor shape with three different areas is also disclosed, which have different radii of curvature.

[0007] Dokument EP 2014914 A1 offenbart eine Vertikalachsen-Windturbine mit zwei Schaufeln, wobei für die Form der Schaufeln Schalensegmente vorgeschlagen werden, deren Öffnungen u.a. semielliptisch oder kammartig sein können, also in einem Bodenabschnitt einen großen Krümmungsradius aufweisen können. Document EP 2014914 A1 discloses a vertical-axis wind turbine with two blades, shell segments being proposed for the shape of the blades, the openings of which can be semi-elliptical or comb-like, i.e. can have a large radius of curvature in a bottom section.

[0008] Das Dokument DE3937910 A1 beschreibt einen Anemometerflügel als Antrieb für Windkraftmaschinen, welcher ein Flügelkreuz mit offenen Halbschalen an den Kreuzenden aufweist, die zur Erzeugung einer Drehbewegung durch Windkraft mit der offenen Kreisfläche senkrecht stehen. Die Drehrichtung ergibt sich jeweils durch den unterschiedlichen Luftwiderstand der beiden Flächen der Halbkugelschalen. The document DE3937910 A1 describes an anemometer wing as a drive for wind power machines, which has a wing cross with open half-shells at the ends of the cross, which are perpendicular to the open circular area for generating a rotational movement by wind power. The direction of rotation results from the different air resistance of the two surfaces of the hemispherical shells.

[0009] Die bekannten Vertikalachsen-Windturbinen haben den Nachteil, dass sie nicht sturmThe known vertical axis wind turbines have the disadvantage that they do not storm

tauglich sind, dass sie nicht für große Windstärken geeignet sind und/oder dass sie störend hohe Schallemissionen aufweisen. are suitable, that they are not suitable for high wind speeds and/or that they have disturbingly high noise emissions.

[0010] Aufgabe der Erfindung ist es, eine kompakte und robuste Windturbine mit einem breiten Betriebsbereich und hohem Wirkungsgrad bereitzustellen. The object of the invention is to provide a compact and robust wind turbine with a wide operating range and high efficiency.

[0011] Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass jede Schaufel - in einer Ansicht der Vorderseite und/oder Rückseite - im Wesentlichen die Form eines Halbkreises oder einer Halbellipse aufweist. According to the invention this is achieved in that each blade - in a view of the front and / or rear - essentially has the shape of a semicircle or a semi-ellipse.

[0012] Dadurch können bereits geringe Windstärken zum Antrieb des Schaufelrades genutzt werden. As a result, even low wind speeds can be used to drive the impeller.

[0013] Vorzugsweise ist vorgesehen, dass jede Schaufel zumindest einen an den Bodenabschnitt anschließenden abgewinkelten äußeren Randabschnitt aufweist, wobei vorzugsweise ZUmindest eine erste Tangentialebene des Bodenabschnitts und zumindest eine zweite Tangentialebene des äußeren Randabschnitts ein ersten Winkel größer 90°, vorzugsweise größer 100° aufspannen. It is preferably provided that each blade has at least one angled outer edge section adjoining the base section, with at least one first tangential plane of the base section and at least one second tangential plane of the outer edge section preferably spanning a first angle greater than 90°, preferably greater than 100°.

[0014] Zumindest eine dritte Tangentialebene des äußere Randabschnittes ist in einer Ausführungsvariante der Erfindung normal zur Radiallinie angeordnet. At least a third tangential plane of the outer edge portion is arranged normal to the radial line in one embodiment of the invention.

[0015] In weiterer Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, dass der zweite Krümmungsradius größer ist, als der erste Krümmungsradius. Vorzugsweise ist der äußere Randabschnitt - im Schnitt in der Normalebene betrachtet - gerade ausgebildet, der zweite Krümmungsradius ist somit unendlich. Der vorzugsweise zylinderförmige Randbereich trägt maßgebend zu Versteifung der Schaufel bei. In a further embodiment of the invention it is provided that the second radius of curvature is greater than the first radius of curvature. The outer edge section is preferably straight—viewed in section in the normal plane—so the second radius of curvature is infinite. The preferably cylindrical edge region contributes significantly to the stiffening of the blade.

[0016] Dadurch, dass zwischen dem Bodenabschnitt und dem äußeren Randabschnitt ein Übergangsabschnitt ausgebildet ist, welcher - in einem Schnitt in der Normalebene und/oder in einer seitlichen Ansicht in Richtung der Radiallinie betrachtet - einen dritten Krümmungsradius aufweist, der kleiner ist als der erste Krümmungsradius, können Strömungsablösungen und Verwirbelungen vermieden werden. Vorzugsweise beträgt der dritte Krümmungsradius maximal 10% des ersten Krümmungsradius. The fact that between the bottom portion and the outer edge portion a transition portion is formed, which - viewed in a section in the normal plane and / or in a side view in the direction of the radial line - has a third radius of curvature that is smaller than the first Radius of curvature, flow separation and turbulence can be avoided. The third radius of curvature is preferably at most 10% of the first radius of curvature.

[0017] Dadurch, dass jede Schaufel - in einer Ansicht der Vorderseite und/oder Rückseite - im Wesentlichen die Form eines Halbkreises oder einer Halbellipse aufweist, kann eine hohe Stabilität bei großer Leistungsausbeute erreicht werden. Das Schalensegment ist somit im Wesentlichen löffelartig und/oder in der Form eines halben Tellers gestaltet. Dadurch wird eine große Windangriffsfläche der konkaven Vorderseite bei ermöglicht, wodurch bereits geringe Windstärken ausgenutzt werden. Because each blade—in a view from the front and/or rear—is essentially in the form of a semicircle or a semiellipse, high stability can be achieved with a high power output. The bowl segment is thus designed essentially like a spoon and/or in the shape of half a plate. This allows the concave front side to have a large wind attack surface, which means that even low wind speeds can be exploited.

[0018] Eine hohe Steifigkeit lässt sich erzielen, wenn sich der äußere Randabschnitt in einem Umfangsbereich der Schaufel in einem zweiten Winkel von etwa 180 ° um den Bodenabschnitt erstreckt. Die Vertikalachsen-Windturbine kann somit auch bei hohen Windstärken noch im Betrieb bleiben und zur Energieerzeugung verwendet werden. Der große Betriebsbereich ermöglicht eine hohe Leistungsausbeute. A high degree of rigidity can be achieved if the outer edge section extends in a peripheral region of the blade at a second angle of approximately 180° around the base section. The vertical-axis wind turbine can therefore remain in operation even at high wind speeds and can be used to generate energy. The large operating range enables a high power yield.

[0019] Eine Ausführungsvariante der Erfindung sieht vor, dass der äußere Randabschnitt einen äußeren Rand der Schaufel definiert, welcher in einer parallel zur Drehachse angeordneten ersten Ebene angeordnet ist. An embodiment variant of the invention provides that the outer edge section defines an outer edge of the blade, which is arranged in a first plane arranged parallel to the axis of rotation.

[0020] Die Höhenerstreckung der Länge des äußeren Randbereiches beträgt dabei mindestens 10%, vorzugsweise mindestens 20% der Tiefe der Schaufel, wobei die Höhenerstreckung und die Tiefe von der ersten Ebene weg gemessen werden. The vertical extension of the length of the outer edge region is at least 10%, preferably at least 20% of the depth of the blade, the vertical extension and the depth being measured away from the first plane.

[0021] Zu Reduzierung der Geräuschentwicklung ist es vorteilhaft, wenn jede Schaufel in einem der Drehachse nächstliegenden Bereich des Bodenabschnittes einen inneren Rand aufweist, wobei vorzugsweise der Bodenabschnitt - zum inneren Rand hin - auslaufend ausgebildet ist. Der innere Rand kann als Sekante oder als Durchmesser des die Schaufel - in Richtung der Vorderseite oder Rückseite betrachtet - formenden Halbkreises ausgebildet sein. [0021] In order to reduce the noise development, it is advantageous if each blade has an inner edge in a region of the base section closest to the axis of rotation, the base section preferably being designed to taper off toward the inner edge. The inner edge can be designed as a secant or as the diameter of the semicircle forming the blade—viewed in the direction of the front or rear.

[0022] Günstigerweise ist vorgesehen, dass der innere Rand der Schaufel in einer parallel zur Drehachse angeordneten zweiten Ebene angeordnet ist, welche parallel zur Drehachse und in Abstand zu dieser verläuft. It is advantageously provided that the inner edge of the blade is arranged in a second plane which is arranged parallel to the axis of rotation and which runs parallel to the axis of rotation and at a distance from it.

[0023] Die jeweils einer Schaufel zugeordnete erste und zweite Ebene spannen günstiger Weise einen dritten Winkel von etwa 90° auf. [0023] The first and second planes assigned to a blade favorably span a third angle of approximately 90°.

[0024] Eine besonders hohe Leistungsausbeute bei geringer Lärmentwicklung lässt sich erzielen, wenn die erste Ebene zumindest einer Schaufel im Bereich der zweiten Ebene einer benachbarten Schaufel angeordnet ist. A particularly high power yield with low noise development can be achieved if the first level of at least one blade is arranged in the region of the second level of an adjacent blade.

[0025] Um Geräusche durch Verwirbelungen zu reduzieren ist es vorteilhaft, wenn die ersten Ebenen und/oder die zweiten Ebenen aller Schaufeln im Bereich der Drehachse einen zentralen Raum definieren. In diesem Raum ist vorzugsweise ein durch eine Welle oder Nabe gebildetes Tragelement für die Schaufeln angeordnet. In order to reduce noise caused by turbulence, it is advantageous if the first planes and/or the second planes of all blades define a central space in the area of the axis of rotation. A support element formed by a shaft or hub for the blades is preferably arranged in this space.

[0026] In einer äußerst kompakten Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass innerhalb des Schaufelrades ein Generator angeordnet ist. Die Vertikalachsen-Windturbine benötigt dabei nur minimalen Bauraum und kann als modulartige mobile Einheit sehr rasch montiert und demontiert werden. In an extremely compact embodiment, it is provided that a generator is arranged within the impeller. The vertical-axis wind turbine requires only minimal installation space and can be assembled and disassembled very quickly as a modular mobile unit.

[0027] Die Erfindung wird im Folgenden anhand der in den nicht einschränkenden Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele näher erläutert. The invention is explained in more detail below with reference to the exemplary embodiments shown in the non-limiting figures.

[0028] Darin zeigen schematisch Therein show schematically

[0029] Fig. 1 eine erfindungsgemäße Vertikalachsen-Windturbine in einer ersten Ausführungsvariante in einer Schrägansicht, 1 shows a vertical-axis wind turbine according to the invention in a first variant in an oblique view,

[0030] Fig. 2 diese Vertikalachsen-Windturbine mit einer entfernten Schaufel in einer weiteren Schrägansicht, [0030] FIG. 2 this vertical-axis wind turbine with a removed blade in a further oblique view,

[0031] Fig. 3 diese Vertikalachsen-Windturbine in einem Aufriss, Figure 3 shows this vertical axis wind turbine in an elevation,

[0032] Fig. 4 diese Vertikalachsen-Windturbine in einem Schnitt in der Normalebene gemäß der Linie IV - IV in Fig. 3, Fig. 4 shows this vertical-axis wind turbine in a section in the normal plane according to the line IV - IV in Fig. 3,

[0033] Fig. 5 eine erfindungsgemäße Vertikalachsen-Windturbine in einer zweiten Ausführungsvariante in einem Schnitt analog zu Fig. 4, [0033] FIG. 5 shows a vertical-axis wind turbine according to the invention in a second embodiment variant in a section analogous to FIG. 4,

[0034] Fig. 6 die Schaufel der Vertikalachsen-Windturbine in einer Ansicht auf die Vorderseite gemäß dem Pfeil VI in Fig. 4, Fig. 6 shows the blade of the vertical-axis wind turbine in a front view according to arrow VI in Fig. 4,

[0035] Fig. 7 die Schaufel der Vertikalachsen-Windturbine in einer Seitenansicht gemäß dem Pfeil VII in Fig. 4, [0035] FIG. 7 shows the blade of the vertical-axis wind turbine in a side view according to arrow VII in FIG. 4,

[0036] Fig. 8 eine erfindungsgemäße Vertikalachsen-Windturbine in einer dritten Ausführungsvariante in einer Schrägansicht, 8 shows a vertical-axis wind turbine according to the invention in a third variant in an oblique view,

[0037] Fig. 9 diese Vertikalachsen-Windturbine mit einer entfernten Schaufel in einer weiteren Schrägansicht, Fig. 9 this vertical axis wind turbine with a removed blade in a further oblique view,

[0038] Fig. 10 diese Vertikalachsen-Windturbine in einem Aufriss und [0039] Fig. 11 diese Vertikalachsen-Windturbine in einem Grundriss. Fig. 10 is an elevation view of this vertical axis wind turbine; and Fig. 11 is a plan view of this vertical axis wind turbine.

[0040] Die Figuren zeigen jeweils eine Vertikalachsen-Windturbine 1 mit einem Schaufelrad 2, welches drehbar um eine im Wesentlichen vertikal angeordnete Drehachse 1a in einem nicht weiter dargestellten Rahmen gelagert, welcher fest mit dem Boden verankert ist. The figures each show a vertical-axis wind turbine 1 with an impeller 2, which is rotatably mounted about a substantially vertically arranged axis of rotation 1a in a frame, not shown, which is firmly anchored to the ground.

[0041] Eine strenge vertikale Ausrichtung der Drehachse 1a ist allerdings nicht erforderlich. Eine geneigte Anordnung der Drehachse 1a hat keine nachteilige Auswirkung auf die Funktionalität der Vertikalachsen-Windturbine 1, wenn eine ausreichend stabile Verankerung gewährleistet ist. However, a strict vertical alignment of the axis of rotation 1a is not necessary. An inclined arrangement of the axis of rotation 1a has no adverse effect on the functionality of the vertical-axis wind turbine 1 if sufficiently stable anchoring is ensured.

[0042] Das Schaufelrad 2 weist mehrere feste, also nicht verstellbare Schaufeln 3 auf, die starr The impeller 2 has several fixed, so non-adjustable blades 3, the rigid

miteinander und mit einem durch eine Welle oder Nabe gebildetes Tragelement 10 verbunden, beispielsweise verschweißt oder verschraubt sind. Die Verbindung erfolgt beispielsweise über stern- oder kreuzförmige Verbindungselemente 11 im Bereich eines unteren Endes 2a und im Bereich eines oberen Endes 2b des Schaufelrades 2. Die Schaufeln 3 weisen jeweils eine konkave Vorderseite 3a und eine konvexe Rückseite 3b auf, welche während der Rotation vom Wind angeströmt werden. are connected to one another and to a support element 10 formed by a shaft or hub, for example welded or screwed. The connection is made, for example, via star-shaped or cross-shaped connecting elements 11 in the area of a lower end 2a and in the area of an upper end 2b of the blade wheel 2. The blades 3 each have a concave front side 3a and a convex rear side 3b, which are exposed to the wind during rotation to be flown.

[0043] Die Schaufeln 3 weisen jeweils einen in einer Normalebene n auf die Drehachse 1a entlang einer Radiallinie 19 gemessenen maximalen Abstand r von der Drehachse 1a auf, wie in Fig. 3 gezeigt ist. Jede Schaufel 3 ist durch ein Schalensegment gebildet, welches - in einem Schnitt in der Normalebene n (Fig.4, 5) und/oder in einer seitlichen Ansicht in Richtung der Radiallinie 1b (Fig. 7) betrachtet - einen ersten Krümmungsradius R1 aufweist, welcher größer ist als der maximale radiale Abstand r. In den Ausführungsbeispielen ist der erste Krümmungsradius R1 mindestens 1,5-mal, insbesondere zweimal so groß ist wie der maximale radiale Abstand r ausgebildet. The blades 3 each have a maximum distance r from the axis of rotation 1a measured in a normal plane n to the axis of rotation 1a along a radial line 19, as shown in FIG. Each blade 3 is formed by a shell segment which - viewed in a section in the normal plane n (Fig.4, 5) and/or in a lateral view in the direction of the radial line 1b (Fig. 7) - has a first radius of curvature R1, which is greater than the maximum radial distance r. In the exemplary embodiments, the first radius of curvature R1 is at least 1.5 times, in particular twice as large as the maximum radial distance r.

[0044] Jede Schaufel 3 weist zumindest einen an den Bodenabschnitt 4 anschließenden abgewinkelten äußeren Randabschnitt 5 auf. Zumindest eine erste Tangentialebene t; des Bodenabschnitts 4 und zumindest eine zweite Tangentialebene t2 des äußeren Randabschnitts 5 spannen einen ersten Winkel ß größer 100° auf (Fig. 7). Zumindest eine dritte Tangentialebene t3 des äußere Randabschnittes 5 ist normal zur Radiallinie 1b angeordnet (Fig. 3). Each blade 3 has at least one angled outer edge section 5 adjoining the base section 4 . At least a first tangent plane t; of the bottom section 4 and at least a second tangential plane t2 of the outer edge section 5 span a first angle β greater than 100° (FIG. 7). At least a third tangential plane t3 of the outer edge portion 5 is arranged normal to the radial line 1b (Fig. 3).

[0045] Der äußere Randabschnittes 5 weist einen zweiten Krümmungsradius R2 auf, welcher in einem Schnitt in der Normalebene n (siehe Fig.4, 5) und/oder in einer seitlichen Ansicht in Richtung der Radiallinie 1b (Fig. 7) betrachtet - größer ist als der erste Krümmungsradius R1. In den Ausführungsbeispielen ist der äußere Randabschnitt 5 zylindrisch, der zweite Krümmungsradius also unendlich groß. The outer edge portion 5 has a second radius of curvature R2, which viewed in a section in the normal plane n (see Figures 4, 5) and/or in a side view in the direction of the radial line 1b (Figure 7) - larger is than the first radius of curvature R1. In the exemplary embodiments, the outer edge section 5 is cylindrical, ie the second radius of curvature is infinitely large.

[0046] Zwischen dem Bodenabschnitt 4 und dem äußeren Randabschnitt 5 ist ein Übergangsabschnitt 8 ausgebildet, welcher - in einem Schnitt in der Normalebene n (siehe Fig.4, 5) und/oder in einer seitlichen Ansicht in Richtung der Radiallinie 1b (Fig. 7) betrachtet - einen dritten Krümmungsradius R3 aufweist, der kleiner ist als der erste Krümmungsradius R1. Der dritte Krümmungsradius R3 beträgt maximal 10% des ersten Krümmungsradius R1. A transition section 8 is formed between the bottom section 4 and the outer edge section 5, which - in a section in the normal plane n (see Fig. 4, 5) and/or in a lateral view in the direction of the radial line 1b (Fig. 7) considered - has a third radius of curvature R3, which is smaller than the first radius of curvature R1. The third radius of curvature R3 is a maximum of 10% of the first radius of curvature R1.

[0047] In den Ausführungsbeispielen weist die Kontur der Schaufeln 3 in einer Ansicht auf die Vorderseite 3a oder Rückseite 3b die Form eines Halbkreises k mit dem Radius R um eine Mittelachse 3c auf, wobei der Radius R dem maximalen Abstand r von der Drehachse 1a vermindert um die - im Folgenden noch erörterte - zweite Exzentrizität e2 beträgt. In the exemplary embodiments, the contour of the blades 3 has the shape of a semicircle k with a radius R about a central axis 3c in a view of the front side 3a or rear side 3b, the radius R reducing the maximum distance r from the axis of rotation 1a around the second eccentricity e2 - which will be discussed further below.

[0048] Der äußere Randabschnitt 5 erstreckt sich in einem Umfangsbereich der Schaufel 3 in einem zweiten Winkel vy von etwa 180° um den Bodenabschnitt 4, insbesondere um die Mittelachse 3c der Schaufel 3 (siehe Fig. 6). Die Mittelachse 3c ergibt sich als Schnittlinie zwischen der Normalebene n und der - im Folgenden noch erörterten -zweiten Ebene &2. Jede Schaufel 3 ist symmetrisch in Bezug auf die Normalebene n auf die Drehachse 1a ausgebildet. The outer edge section 5 extends in a peripheral region of the blade 3 at a second angle γ of approximately 180° around the base section 4, in particular around the central axis 3c of the blade 3 (see FIG. 6). The central axis 3c results from the line of intersection between the normal plane n and the second plane &2—which will be discussed further below. Each blade 3 is formed symmetrically with respect to the plane n normal to the axis of rotation 1a.

[0049] Der äußere Randabschnitt 5 definiert einen äußeren Rand 6 der Schaufel 3, welcher in einer ersten Ebene &+; angeordnet ist, welche im Wesentlichen parallel und mit Abstand zur Drehachse 1a bzw. zu einer die Drehachse 1a beinhaltenden ersten Mittelebene &w1 ausgebildet ist (Fig. 4, 7). Zwischen der ersten Ebene &; und der ersten Mittelebene &m ist eine erste Exzentrizität e1 ausgebildet (siehe Fig. 4). Der Bodenabschnitt 4 der Schaufel 3 schneidet die erste Mittelebene em - die Schaufel 3 erstreckt sich somit auf beiden Seiten dieser ersten Mittelebene Ey. The outer edge portion 5 defines an outer edge 6 of the blade 3 lying in a first plane &+; is arranged, which is formed essentially parallel and at a distance from the axis of rotation 1a or to a first center plane &w1 containing the axis of rotation 1a (FIGS. 4, 7). Between the first level &; and the first center plane &m, a first eccentricity e1 is formed (see Fig. 4). The bottom portion 4 of the blade 3 intersects the first median plane em - the blade 3 thus extends on either side of this first median plane Ey.

[0050] Jede Schaufel 3 weist ihre von der ersten Ebene £&1 weg gemessene maximale Tiefe T im Bereich einer Schnittlinie zwischen der Normalebene n und der zweiten Ebene &; auf. Die maximale Tiefe T beträgt im Ausführungsbeispiel etwa 40 % des maximalen Abstandes r von der Drehachse 1a. Each blade 3 has its maximum depth T, measured away from the first plane £&1, in the area of a line of intersection between the normal plane n and the second plane &; on. In the exemplary embodiment, the maximum depth T is approximately 40% of the maximum distance r from the axis of rotation 1a.

[0051] Der äußere Randbereich 5 weist - gemessen von der erste Ebene &:; - eine Höhenerstreckung H auf, welche mindestens 10%, beispielsweise mindestens 20% der maximalen Tiefe T der Schaufel 3 - bezogen auf die erste Ebene &: - beträgt (Fig. 7). The outer edge region 5 has--measured from the first plane &:; - A height extension H, which is at least 10%, for example at least 20% of the maximum depth T of the blade 3 - based on the first plane &: - is (Fig. 7).

[0052] Jede Schaufel 3 weist zwischen dem unteren Ende 2a und dem oberen Ende 2b des Schaufelrades 3 in einem Bereich des Bodenabschnittes 5, welcher der Drehachse 1a am nächsten liegt, einen beispielsweise gerade ausgebildeten inneren Rand 7 auf, welcher durch den Bodenabschnitt 4 gebildet ist, wobei der Bodenabschnitt 4 zum inneren Rand 7 hin flach auslaufend ausgebildet ist (Fig. 6). Der innere Rand 7 ist - in einer Ansicht auf die Vorderseite 3a oder Rückseite 3b - beispielsweise als Sekante oder Durchmesser des Halbkreises k ausgebildet. Between the lower end 2a and the upper end 2b of the impeller wheel 3 in a region of the base section 5 which is closest to the axis of rotation 1a, each blade 3 has, for example, a straight inner edge 7 which is formed by the base section 4 is, wherein the bottom portion 4 is designed to end flat towards the inner edge 7 (Fig. 6). The inner edge 7 is formed, for example, as a secant or diameter of the semicircle k--in a view of the front side 3a or rear side 3b.

[0053] Die Fig. 1 bis 4 zeigen eine Ausführungsvariante, bei der das Schaufelrad 2 vier Schaufeln 3 aufweist, die jeweils um welche um 90° versetzt um die Drehachse 1a angeordnet sind. 1 to 4 show an embodiment variant in which the blade wheel 2 has four blades 3, which are each arranged offset by 90° about the axis of rotation 1a.

[0054] Bei dieser Ausführungsvariante mit vier Schaufeln 3 ist der innere Rand 7 jeder Schaufel 3 in einer zweiten Ebene £2 angeordnet, welche parallel und mit Abstand zur Drehachse 1a bzw. parallel und mit Abstand zu einer die Drehachse 1a beinhaltenden zweiten Mittelebene em2 angeordnet ist, wie in Fig. 4 ersichtlich ist. Auch die zweite Ebene eg» ist im Ausführungsbeispiel exzentrisch zur Drehachse 1a bzw. zur zweiten Mittelebene &m2 angeordnet, wobei diese zweite Exzentrizität mit &2» bezeichnet ist. Die Schaufel 3 ist dabei von der zweiten Mittelebene &m2 beabstandet, schneidet die zweite Mittelebene &m2 also nicht. In this embodiment variant with four blades 3, the inner edge 7 of each blade 3 is arranged in a second plane £2, which is arranged parallel and at a distance from the axis of rotation 1a or parallel and at a distance from a second central plane em2 containing the axis of rotation 1a is, as can be seen in FIG. In the exemplary embodiment, the second plane eg» is also arranged eccentrically to the axis of rotation 1a or to the second central plane μ2, this second eccentricity being denoted by μ2”. The blade 3 is at a distance from the second center plane &m2, ie it does not intersect the second center plane &m2.

[0055] Jeder Schaufel 3 sind eine erste Ebene £1 und eine zweite Ebene eg,» sowie eine erste Mittelebene sm und eine zweite Mittelebene &m2 zugeordnet. Die einer Schaufel 3 zugeordneten erste Ebene &1 und zweite Ebene &» spannen einen Winkel dritten @ von etwa 90° auf. Dabei ist die bei jeder Schaufel die erste Ebene £+, im Bereich einer zweiten Ebene eg, einer benachbarten Schaufel 3 angeordnet, wobei insbesondere die beiden Ebenen - also die erste Ebene £+ der einen Schaufel 3 und die zweite Ebene &2 der benachbarten Schaufel 3 - zusammenfallen können. [0055] Each blade 3 is assigned a first plane £1 and a second plane eg», as well as a first center plane sm and a second center plane μ2. The first plane &1 and second plane &» assigned to a blade 3 span an angle third @ of about 90°. In this case, the first level £+ of each blade is arranged in the area of a second level eg, of an adjacent blade 3, whereby in particular the two levels - i.e. the first level £+ of one blade 3 and the second level &2 of the adjacent blade 3 - can collapse.

[0056] Die erste Exzentrizität e1 und die zweite Exzentrizität e2 sind in den Ausführungsbeispielen gleich groß und betragen beispielsweise 50% der Höhenerstreckung h des äußeren Randbereiches 5. The first eccentricity e1 and the second eccentricity e2 are of the same size in the exemplary embodiments and amount to, for example, 50% of the height extension h of the outer edge region 5.

[0057] Wie aus Fig.4 ersichtlich ist, definieren in dieser Ausführungsvariante die ersten Ebenen £1 und/oder die zweiten Ebenen &, aller Schaufeln 3 im Bereich der Drehachse 1a einen zentralen Raum 9, in welchem das durch zumindest eine Welle oder Nabe gebildete Tragelement 10 für die Schaufeln 3 angeordnet ist. As can be seen from Figure 4, in this embodiment variant the first levels £1 and/or the second levels &, of all blades 3 in the area of the axis of rotation 1a define a central space 9 in which at least one shaft or hub formed support element 10 for the blades 3 is arranged.

[0058] Die in Fig. 5 dargestellte Ausführung unterscheidet sich von Fig. 4 dadurch, dass das Schaufelrad 2 drei Schaufeln 3 aufweist, welche um 120° versetzt um die Drehachse 1a angeordnet sind. The embodiment shown in FIG. 5 differs from FIG. 4 in that the impeller 2 has three blades 3 which are offset by 120° about the axis of rotation 1a.

[0059] Die Fig. 8 bis 11 unterscheiden sich von den Fig. 1 bis 4 dadurch, dass innerhalb der Schaufeln 3 ein Generator 12 angeordnet ist, dessen Rotor mit dem Tragelement 10 drehfest verbunden ist. Auf diese Weise kann der Bauraum optimal genutzt werde, sodass die Vertikalachsen-Windturbine 1 äußerst kompakt gebaut werden kann. Gleichzeitig wird der Generator 12 durch die vom inneren Rand 7 der Schaufeln 3 abströmende Luft optimal gekühlt, sodass die thermische Belastung des Generator 12 klein gehalten werden kann. 8 to 11 differ from FIGS. 1 to 4 in that a generator 12 is arranged inside the blades 3, the rotor of which is connected to the support element 10 in a rotationally fixed manner. In this way, the installation space can be used optimally, so that the vertical-axis wind turbine 1 can be built in an extremely compact manner. At the same time, the generator 12 is optimally cooled by the air flowing out from the inner edge 7 of the blades 3, so that the thermal load on the generator 12 can be kept small.

[0060] Die Schaufeln 3 des Schaufelrades 2 können aus Edelstahl, einer Aluminiumlegierung oder aber auch aus Kunststoff bestehen. In einer besonders robusten Ausführungsvariante aus Stahlblech können die Schaufeln 3 beispielsweise eine Wandstärke von 2 mm aufweisen. The blades 3 of the impeller 2 can be made of stainless steel, an aluminum alloy or plastic. In a particularly robust embodiment variant made from sheet steel, the blades 3 can have a wall thickness of 2 mm, for example.

[0061] Die beschriebene Vertikalachsen-Windturbine 1 eignet sich auf Grund ihrer Robustheit und Kompaktheit insbesondere für mobilen Einsatz, beispielsweise zur Stromversorgung von nicht an ein Stromnetz angeschlossene Einrichtungen und Bauwerke, etwa im Gebirge. Due to its robustness and compactness, the vertical-axis wind turbine 1 described is particularly suitable for mobile use, for example for the power supply of facilities and buildings that are not connected to a power grid, for example in the mountains.

Claims

patent claims

1. Vertical-axis wind turbine (1) with a blade wheel (2) that is rotatably mounted about a substantially vertically arranged axis of rotation (1a) and has at least three, preferably four blades (3), which each have one in a plane(s) normal to the axis of rotation ( 1a) have a maximum distance (r) measured along a radial line (196) from the axis of rotation (1a), each blade (3) having a concave front side (1a) and a convex rear side (1b), each blade (3) having a shell segment is formed, which shell segment - viewed in a section in the normal plane (n) and/or in a lateral view in the direction of the radial line (1b) - has a base section (4) with a first radius of curvature (R1), which is larger than the maximum radial distance (r), preferably the first radius of curvature (R1) being at least 1.5 times, more preferably at least twice, the maximum radial distance (r), each blade (3) having at least one has an angled outer edge section (5) adjoining the bottom section (4), each blade (3) in the area of the outer edge section (5) - in a section in the normal plane (n) and/or in a lateral view in the direction of the radial line (r) considered - has a second radius of curvature (R2), and wherein between the bottom portion (4) and the outer edge portion (5) a transition portion (8) is formed, which - in a section in the normal plane (n) and / or viewed in a lateral view in the direction of the radial line (r) - has a third radius of curvature (R3) which is smaller than the first radius of curvature (R1), characterized in that each blade (3) - in a front view (3a) and/or rear side (3b) - essentially has the shape of a semicircle (k) or a semiellipse.

2. Vertical-axis wind turbine (1) according to claim 1, characterized in that at least a first tangential plane (t;) of the bottom section (4) and at least a second tangential plane (t;) of the outer edge section (5) have a first angle (ß) greater than 90°, preferably greater than 100°.

3. Vertical-axis wind turbine (1) according to claim 2, characterized in that at least a third tangential plane (ts) of the outer edge portion (5) is arranged normal to the radial line (r).

4. Vertical-axis wind turbine (1) according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the second radius of curvature (R2) is greater than the first radius of curvature (R1), the second radius of curvature (R2) preferably being infinite.

5. Vertical-axis wind turbine (1) according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the third radius of curvature (R3) is at most 10% of the first radius of curvature (R1).

6. Vertical axis wind turbine (1) according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the outer edge portion (5) extends at a second angle (v) of about 180° around the bottom portion (4).

7. Vertical-axis wind turbine (1) according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the outer edge portion (5) defines an outer edge (6) of each blade (3) which is arranged in a parallel to the axis of rotation (1a) first Level (£1) is arranged, preferably the first level (e;) is arranged eccentrically to the axis of rotation (1a).

8. Vertical-axis wind turbine (1) according to any one of claims 1 to 7, characterized in that the outer edge portion (5) has a height extension (H) which is at least 10%, preferably at least 20% of a maximum depth (T) of the blade (3) is.

9. Vertical-axis wind turbine (1) according to one of claims 1 to 8, characterized in that each blade (3) has an inner edge (7) in a region of the base section (5) closest to the axis of rotation (1a), the Bottom section (5) towards the inner edge (7) is designed to expire.

10. Vertical-axis wind turbine (1) according to claim 9, characterized in that the inner edge (7) of the blade (3) is arranged in a second plane (e2) parallel to the axis of rotation (1a), the second plane ( e2) is arranged at a second distance (e2) from the axis of rotation (1a).

11. Vertical-axis wind turbine (1) according to claim 10, characterized in that the first (£1) and second plane (eg) associated with a blade (3) span a third angle (@) of approximately 90°.

12. Vertical-axis wind turbine (1) according to claim 10 or 11, characterized in that the first plane (e1) of at least one blade (3) is arranged in the region of the second plane (e2) of an adjacent blade (3).

13. Vertical-axis wind turbine (1) according to any one of claims 10 to 12, characterized in that the first levels (£ +) and / or the second levels (e,) of all blades (3) in the region of the axis of rotation (1a). define central space (9).

14. Vertical-axis wind turbine (1) according to any one of claims 1 to 13, characterized in that a generator (12) is arranged within the blade wheel (2).

5 sheets of drawings