Windkraftmaschine. Die Erfindung bezieht sich auf Wind kraftmaschinen mit wenigstens einem Wind rad, das z. B. mittels einer Windfahne oder mittels anderer, gleichartig wirkender Hilfs mittel selbsttätig so zur Windrichtung ge stellt wird, dass es praktisch immer nur von vorne, dagegen niemals von rückwärts durch den Wind getroffen wird.
Die Erfindung betrifft eine neuartige Ge staltung für die Windräder solcher Wind kraftmaschinen, welche es ermöglicht, die an den Windrädern wirksamen Kräfte des Windschubes mit den gleichzeitig auftreten den Zentrifugalkräften zu einer so günstigen Zusammenwirkung zu bringen, dass man aerodynamisch störende Stützkonstruktionen weglassen und trotzdem zu einem völlig bie gungsfesten und leichten Windrade mit schmalen, dem Winde bis an die Achse heran einen guten Durchtritt gewährenden Flügeln gelangen kann.
Es ist bereits bekannt, die Flügel von Windrädern durch einen Ring miteinander zu verbinden und der Erfinder selbst hat in diesem Zusammenhang früher schon vorge schlagen, die Flügel eines solchen Windrades von der Nabe her unter schwacher Neigung gegen die Ringebene in einen solchen, die Flügelspitzen verbindenden Ring einlaufen zu lassen. Hierbei ist man jedoch gezwun gen, die Drehzahl des Windrades verhältnis mässig niedrig zu halten, um die durch Zen trifugalkräfte hervorgerufenen, als Biegungs- beanspruchung auftretenden Belastungen des genannten Ringes in den zulässigen Grenzen zu Balten.
Nun unterscheidet man bekanntlich bei Windrädern je nach dem Grade ihrer soge- nannten .,Läufigkeit" zwischen "Langsam- läufern" und "Schnelläufern". Die Läufig keit ist das Verhältnis zwischen der Um- fangsgeschwindigkeit der Flügelspitzen und der Windgeschwindigkeit.
Als "Schnell- läLifeT" bezeichnet man nur solche Wind räder, bei denen die Umfangsgeschwindigkeit der Flügelspitzen, etwa fünf- bis zebnmal so gross ist, wie die Windgeschwindigkeit. Liegt der Stützring an der Peripherie eines Windrades, so kann man im Hinblick auf die auftretenden Zentrifugalkräfte die "Läufig keit" nicht sehr hoch treiben und muss daher aus aerodynamischen Gründen ziemlich breite Flügel benutzen, die einerseits entsprechend schwer werden, und die anderseits im Mittel feld des Windrades eine unerwünscht grosse Stauzone ergeben, innerhalb derer der Wind praktisch nur einen axialen Druck, dagegen fast kein Drehmoment auf das Windrad aus übt.
Diese, die Achse umgebende "tote Zone" wird bekanntlich um so kleiner, je grösser man die Läufigkeit des Windrades und je kleiner man demgemäss die aerodynamisch bestimmte mittlere Flügelbreite, sowie ins besondere auch die durch statische Gesichts punkte massgebend mitbestimmte Breite der Flügel in der unmittelbaren Nähe der Achse wählen kann. Alle diese Verhältnisse lassen sich bei Windkraftmaschinen mit erfindungs gemäss ausgestalteten Windrädern besonders günstig gestalten.
Bei der erfindungsgemässen Maschine wird nämlich wenigstens ein als Schnell- läufer ausgebildetes Windrad verwendet, dessen Fliigel in einigem Abstande von der Nabe durch einen Versteifungsring miteinan der verbunden sind, dessen Radius höchstens der halben Flügellänge entspricht und in den die innerhalb des Ringes liegenden Flügel teile von der ausserhalb der Ringebene an geordneten Nabe her derart schräg zur Ring ebene einlaufen, dass sie in Verbindung mit dem genannten Stützring einen räumlichen Fachwerkverband darstellen, über den die Flügel relativ weit hinausragen.
Vorzugsweise steht man hierbei in den einzelnen Flügeln an denjenigen Stellen, wo sie den Stiitzring durchstossen, einen Knick vor, dessen Winkel so gewählt ist, dass der ausserhalb des Ringes liegende Flügelteil mit verminderter Neigung oder sogar parallel zur Ebene des Stützringes verläuft. Hierdurch wird das nach aussen hin eintretende Ab gleiten der anströmenden Luft in Richtung der Flügel vermindert und dementsprechend der aerodynamische Wirkungsgrad des Windrades erhöht.
Gleichzeitig erlaubt es die Benutzung eines solchen Knickes, die inner halb des Stützringes liegenden Flügelteile unter einem so grossen Winkel schräg gegen die Ringebene des Stützringes zu stellen, dass sich Windschub- und Zentrifugalkräfte in ihrer Wirkung auf den Stützring zeitweise praktisch aufheben, und zwar vor allem in der Nähe der obern Belastungsgrenze des Windrades.
Durch die beschriebenen Massnahmen wird es statisch möglich, die innerhalb des Stützringes liegenden, schräg verlaufenden Flügelteile besonders schmal zu halten, so dass sie dem Winde in der Nähe der Achse einen sehr guten Durchtritt gewähren.
Vor zugsweise gibt man den Flügeln lanzettartige Gestalt und legt den Ring in die breiteste Zone dieses Lanzetts. Die Flügel verjüngen sieh dann vom Stützring aus sowohl nach der Nabe als auch nach den Flügelspitzen hin, so dass gewissermassen der innerhalb des Ringes liegende Teil des Windrades als Langsamläufer, der ausserhalb des Ringes liegende Teil des Windrades hingegen als Schnelläufer ausgebildet ist. Dies erhöht überraschenderweise den aerodynamischen Wirkungsgrad des )Vindrades in erheblicher Weise.
Ein besonderer Vorteil erfindungsgemäss gestalteter Windräder besteht darin, dass der Stützring verhältnismässig nahe an diejenige Ringzone verlegt werden kann, in der sich die angreifenden Kräfte des Windes für die Be rechnung des Windrades vereinigen. Bei einer solchen Lage wird der Stützring der statisch günstigste Angriffspunkt für die Übertragung der Leistung des Windrades auf die von ihm anzutreibenden Maschinen. Ausserdem werden bei einer solchen Be nutzung des Stützringes die von der Bela stung hervorgerufeneBiegungsbeanspruchung der Windflügel besonders gering. Erfolgt die Übertragung der Arbeitsleistung des Windrades auf die
anzutreibenden Maschi nen mittels eines mechanischen Gefriebes, so befestigt man also das zugehörige Zahnrad oder Reibrad am besten unmittelbar an dem genannten Stützring oder bildet diesen Stütz ring selbst als Zahnrad oder Reibrad aus. Hierbei macht sieh neben der geringen Bie gungsbelastung der Konstruktion die grosse Verwindungsfestigkeit des als Rad wirken den Stützringes besonders vorteilhaft be merkbar, denn dieses Rad bildet ja in Ver bindung mit den schräg einlaufenden Flügel teilen ein Fachwerk. Es liegt auf der Hand, dass diese Verwindungsfestigkeit erheblich zur Erzielung eines ruhigen und gleichmässi gen Getriebelaufes beiträgt.
Von ganz besonderer Bedeutung wird die Verwindungsfestigkeit des beschriebenen Stützringes jedoch, wenn man zwei er findungsgemäss ausgebildete, gegenläufige Windräder coaxial hintereinander anordnet und an diesen Windrädern in an sich be kannter Weise die Wicklungssysteme eines elektrischen Stromerzeugers derart anbringt, dass das eine Windrad das induzierende, das andere Windrad das induzierte Wick lungssystem dieses Generators trägt, und dass zwischen den Eisenkernen dieser Wicklungs systeme nur ein schmaler, von den Kraft linien durchfluteter Luftspalt liegt. Infolge der hohen Steifigkeit des Ringsystems kann man nämlich diesen Luftspalt sehr eng hal ten und hierdurch dem Stromerzeuger einen besonders guten elektrischen Wirkungsgrad geben.
Man macht dann die hintereinander liegenden Stützringe selbst zu Trägern der beiden Wicklungssysteme und verlegt den benannten Luftspalt am besten in einen zwischen den beiden Windrädern liegenden Zylindermantel. Bildet man die beiden Windräder nach den unten angegebenen Regeln so aus, dass die an den Stützringen angreifenden, aus Windschub und Zentrifu galkraft resultierenden Kräfte im Sinne einer Verbreiterung der lichten Weite dieses zylindrischen Luftspaltes wirken,
so besteht auch bei den höchsten Sturmbelastungen keine Möglichkeit für eine gefahrbringende Berührung zwischen den Eisenkernen der gegenläufigen Wicklungssysteme. Als besonders vorteilhaft hat es sich in diesem Zusammenhange erwiesen, dafür zu sorgen, dass das oder die Windräder bei Sturm derart um eine horizontale Achse aus dem Winde gedreht werden, dass sie sich hier bei gegen den Wind neigen. Hierdurch er zielt man gerade im Gebiete der höchsten Belastungen ein besonders günstiges Kräfte spiel am Stützring.
Die Erfindung sei im folgenden an Hand der anliegenden Zeichnungen beispielsweise erläutert. Von ihren Figuren zeigt: Fig. 1 den schematischen Schnitt, und Fig. 2 die Vorderansicht eines erfindungs gemäss ausgebildeten Windrades, während Fig. 3 das Diagramm der an diesem Wind- rade angreifenden Kräfte wiedergibt.
Fig. 4 zeigt die Anordnung der Verstre bungen im Stützring eines erfindungs gemässen Windrades, während Fig. 5 den Schnitt eines aus zwei Wind rädern zusammengesetzten Windradsystemes, und Fig. 6 eine andere Ausführungsform für derartige Windradsysteme, darstellt.
Fig. 7 gibt den Schnitt durch die mit elektrischen Wicklungen ausgerüsteten Ringe samt benachbarten Teilen eines Windrad systems nach Fig. 6 wieder, und Fig. 8 zeigt ein erfindungsgemässes Windrad in Verbindung mit einem besonde ren, seiner Eigenart angepassten Getriebe system.
Fig. 1 diene zunächst zur Erläuterung der analem schematisch dargestellten Windrade einer erfindungsgemäss ausgebildeten Wind kraftmaschine angreifenden Kräfte. Auf der feststehenden Achse A, die vom Lager ss getragen wird, läuft die Nabe N eines Wind rades. Die Flügel dieses Windrades sind nach Art von Fig. 2 durch einen Stützring R mit einander verbunden.
Dieser unterteilt die re lativ schmalen und langgestreckten Flügel des Windrades in einem lichten Abstande von der Nabe N und hat einen Radius, wel cher höchstens dein halben Flügelradius ent- spricht. Im dargestellten Falle ist der Ra dius des Windrades etwa zweieinhalbmal so gross, wie der Radius des genannten Stütz ringes.
Durch den Stützring R wird jeder ein zelne Windflügel in einen innern heil F1 und einen äussern Teil F2 unterteilt, wobei der innere Teil F1 von der Nabe N bis zum Stütz ring R, und der äussere Teil F2 vom Stütz ring R bis zur Flügelspitze Sp reicht. Wie man aus Fig. 1 erkennt, verlaufen die innern Flügelteile F1 von der Nabe N aus in der Windrichtung P schräg gegen die Ebene a-b des Stützringes R. Infolgedessen bilden die innern Flügelteile F1 mit dem Stützring R ein räumliches Fachwerk, über das die äussern Flügelteile F2 relativ weit hinausragen.
An dem genannten Fachwerkverband greifen nun verschiedene Kräfte an. Zu nächst übt der Windschub des in Richtung des Pfeils P anströmenden Windes auf den Flügel F1-F2 einen Druck aus, der als ein parallel zur Achse A verlaufender Kräfte vektor W in Erscheinung tritt. Der An griffspunkt dieses Vektors liegt etwa in der Mitte des Windflügels F1-F2. Die Angriffs punkte der auf die einzelnen Flügel wirken den Kräftevektoren W liegen auf einem in Fig. 2 gestrichelt eingezeichneten Kreis. Die ser kennzeichnet die Ringzone, in der sich die angreifenden Kräfte des Windes für die statische Berechnung vereinigen.
Man er kennt, dass der Stützring R relativ nahe an dieser Ringzone liegt und daher besonders geeignet ist, um die Arbeitsleistung des Windrades unter möglichst geringer Bie gungsbeanspruchung der Windflügel auf an getriebene Maschinen zu übertragen. Der Ring R eignet sich daher besonders zur Lei stungsentnahme.
Windschub und Zentrifugalkraft er geben nun Kräfte, deren Wirkung auf den Stützring R aus Fig. 3 zu erkennen ist. Das vom Windschub P ausgeübte Drehmoment Ms ist offenbar bestrebt, die Windflügel nach rückwärts von der luvseitig vor der Ring ebene angeordneten Nabe N abzunicken, d. h. den Ring R und die schrägen, innern Flügelteile Fl nach der Achse hin zusammen zudrücken. Das von der Zentrifugalkraft ausgeübte Drehmoment Mz hingegen ist be strebt, die Flügelspitzen nach aussen zu ziehen, d. h. den Ring R aufzuweiten und die schrägen, innern Flügelteile Fl weiter auf zuspreizen.
Da die Drehzahl - und damit die Grösse des von der Zentrifugalkraft her vorgerufenen Drehmomentes Mz, - bei einem Windrade innerhalb weiter Grenzen der Windgeschwindigkeit proportional ist, übersieht man, dass man innerhalb weiter Grenzen auch die Drehmomente Ms und Mz, welche dem Quadrat der Windgeschwindig keit bezw. dem Quadrat der Drehzahl propor tional sind, durch passende Bemessungen des Windrades einander entgegengesetzt gleich machen kann, so dass sie sich gegenseitig auf heben. Das Windrad bleibt dann auch bei verhältnismässig leichter Ausführung völlig starr und verwindungsfest gegenüber den an greifenden Kräften.
Wie man aus Fig. 2 erkennt, erhalten die ainzelnen Flügel des Windrades vorzugs weise Lanzenform und werden an ihrer brei testen Stelle durch den Ring R abgestützt. Die Stützwirkung .des Ringes R macht es dabei statisch möglich,
auch bei sehr grossen Windrädern die Ansatzpunkte der Flii-el an der Nahe überaus schmal zu hal- ten@und dadurch dem innerhalb des Stütz ringes l' liegenden Teil des Windrades den Charakter eines "Langsamläufers" zu geben, während der äussere Teil als "Schnelläufer" ausgebildet ist.
Die innerhalb des Stützringes R ver laufenden Kräfte sind nach den obigen Aus führungen in erster Linie Zug- und Druck kräfte, welche zwischen den Punkten ver laufen, an denen der Stützring mit den ein zelnen Windflügeln verbunden ist. Für sehr grosse Windräder empfiehlt es sich daher, zur Aufnahme dieser Kräfte gradlinig verlaufen den Streben 811 S: gemäss Fig. 4 zu verwen den, welche die Seiten eines Vieleckes dar stellen.
Die Ecken dieses Vieleckes liegen dann in den Verbindungspunkten dieses Stützringes R mit den Flügeln F1, <I>F,.</I> Es wird auf solchem Wege eine Entlastung der tragenden Teile des Stützringes von jeglicher Biegungsbeanspruchung durch an den Flü geln angreifende Kräfte herbeigeführt.
Fig. 5 zeigt ein Windradsystem, das aus zwei coaxial hintereinander angeordneten, gegenläufigen Windrädern C und D besteht, welche mit den in der Windrichtung P un mittelbar hintereinanderliegenden Stützrin gen R1 und R2 ausgerüstet sind. In diese Stützringe R1 und R2 laufen die innern Flügelteile der beiden Windräder C und D von den auf einer gemeinsamen Achse A um laufenden Naben N1 und N2 her unter ent gegengesetzt gleichen Winkeln ein, während die über diese Stützringe R1, R2 hinausragen den Flügelaussenteile beider Windräder un gefähr in parallelen Ebenen liegen.
Bei dem luvseitig liegenden Windrade C wirken die am Stützring R1 angreifenden Kräfte des Windschubes und der Zentrifugal kraft entsprechend dem Schema der Fig. 3 einander entgegen. Man kann sie leicht so be messen, dass das vom Windschub ausgeübte Moment ein wenig überwiegt; es kann dann höchstens eine geringe Zusammendrückung, dagegen niemals eine Aufweitung des Stütz ringes R1 eintreten. Bei dem Windrade D hingegen wirken Windschub und Zentrifu galkraft beide in gleicher Richtung, und zwar im Sinne einer Aufweitung des Stütz ringes R2; es kann also höchstens eine ge ringe Aufweitung, dagegen niemals eine Zu- sammendrückung des Stützringes R2 ein treten.
Die Stützringe R1 und R2 tragen die Wicklungssysteme S und L eines in an sich bekannter Weise ringförmig gestalteten elek trischen Stromerzeugers. Hierbei bildet der zwischen dem induzierenden Wicklungs system S und, dem induzierten Wicklungs system L liegende Luftspalt einen von den Windrädern C, D eingeschlossene Zylinder mantel. Das mit dem luvseitigen Windrade C verbundene Wicklungssystem S liegt auf der Innenseite, das mit dem leeseitigen Windrade D verbundene Wicklungssystem L hingegen liegt auf der Aussenseite dieses Zylindermantels.
Da die Windbelastung nach den obigen Ausführungen höchstens zu einer Zusammendrückung des Ringsystems R1, S sowie zu einer Aufweitung des Ringsystems R2, L führen kann, besteht also auch bei höchster Windbelastung niemals die Gefahr einer zerstörenden Berührung zwischen den Eisenkernen der gegenläufigen Wicklungs systeme S und L; vielmehr kann die Wind belastung nur zu einer Aufweitung des Luft spaltes führen. Eine solche Aufweitung des Luftspaltes ist aber ohne Nachteile, weil sie lediglich den Wirkungsgrad des Strom erzeugers herabsetzt und weil auch dieser Effekt nur bei Sturm, d. h. also in Zeiten auftreten kann, wo die Windkraftmaschine sowieso eine über dem Durchschnitt liegende Leistung abgibt.
Bei Anordnungen nach Fig. 5 unterliegt der Stützring R2 einer wesentlich höheren Belastung, als .der Stützring R1, weil sich die an ihm angreifenden Kräfte des Wind schubes und der Zentrifugalkraft addieren. Dies lässt sich vermeiden, indem man gemäss Fig. 6 sowohl bei dem luvseitigen Wind- rade 1, als auch bei dem leeseitigen Wind- rade 2 die innern Flügelteile in der Wind richtung (P) schräg von den Naben 3, 4 aus in die Stützringe 5, 6 einlaufen lässt. Wählt man hierbei z.
B. entsprechend Fig. 6 den Knickwinkel ss des luvs,eitigen Windrades 1 kleiner als den Knickwinkel .des leeseitigen Windrades 2, bezw. bemisst man die äussern Flügelteile des leeseitigen Windrades 2 etwas länger, als diejenigen .des luvseitigen Wind rades 1, so lässt sich leicht erreichen, dass bei dem luvseitigen Windrad 1 diejenigen Kräfte ein wenig überwiegen, welche den Stützring 5 zusammendrücken,
dass dagegen bei dem leeseitigen Windrade 2 diejenigen Kräfte ein wenig überwiegen, welche den Stützring 6 aufzuweiten bestrebt sind. Eine Überlastung kann dann wiederum höchstens eine geringe Aufweitung, niemals aber eine gefährliche Verengerung des zwischen den Wicklungs systemen 7 und 8 liegenden Luftspaltes her vorrufen. Bei Benutzung von Stützringen kleineren Ausmasses (etwa 2 bis 10 m Durchmesser) hat sich die Auflösung des Stützringes in ein Stabpolygon (z. B. nach Fig. 4) als unnötig erwiesen, weil man Ringe von diesen Aus massen noch massiv herstellen und auf der Karusseldrehbank bearbeiten kann.
Als tra genden Teil der Stützringkonstruktion kann man in diesen Fällen sogar eitlen massiven Stahlring benutzen, der in die übrige, zweck mässig aus Leichtmetall hergestellte Kon struktion der Windflügel und des Ringman tels nachträglich eingelegt und mit dieser verschraubt wird. Auch wenn die unmittel bar mit den Windflügeln verbundene, aus Leichtmetall bestehende Ringkonstruktion bereits eine ausreichende Tragkraft besitzt, empfiehlt sich jedoch die Verwendung eines eingelegten Stahlringes als Versteifung.
Die durch die erfindungsgemässe Anord nung des Stützringes gewonnene hohe Stei figkeit der Ringkonstruktion ermöglicht es, die äussern Flügelteile drehbar an den Ring anzusetzen und damit auch grosse Windräder nach Art eines "Verstellpropellers", auszu bilden, ohne zu unförmig gestalteten Nahen zu kommen. Hierbei werden die am Stützring liegenden Knotenpunkte des von dem Stütz ring und von den innern, starren Flügelteilen gebildeten räumlichen Fachwerkverbandes als Träger der Lager für die durch Drehung um ihre Längsachse verstellbaren äussern Flügel teile benutzt.
Für grosse Windräder empfiehlt es sich in diesem Falle, den äussern Flügel teil mit einem Zapfen auszurüsten, der sich in einem Lager dreht, welches im Innern des Stützringes versenkt liegt. Bei kleineren Windrädern bis zu etwa 15 m Durchmesser hingegen benutzt man besser kurze, über den Stützring hinausragende Stümpfe der starren, innern Flügelteile als Drehzapfen, um welche die äussern Flügelteile bei ihrer Verstellung m dreht werden.
Den Querschnitt durch eine Ringkon struktion der letztgenannten Art zeigt Fig. 7. Der aus Leichtmetall bestehende, in Fig. 7 angeschnittene Stützring 10 des luvseitigen Windrades ist unmittelbar an den innern Flügelteil 11 angegossen und trägt den Bol zen 12, auf dem der äussere Flügelteil 13 drehbar gelagert ist. Auf dem ringförmigen Ansatz 14 des luvseitigen Stützringes 10 lie gen die Polkerne 15 und die zugehörigen Wicklungen des induzierenden Wicklungs systems. Die von dem ringförmigen Ansatz 14 gebildete Brücke wird durch den massiven Stahlring 16 versteift, der zweckmässig auf ein passendes Winkelprofil abgedreht ist.
In entsprechender Weise ist der ebenfalls aus Leichtmetall hergestellte Stützring 17 des leeseitigen Windrades unmittelbar an den innern Windflügelteil 18 angegossen und trägt den Bolzen 19, auf dem der äussere Flügelteil 20 drehbar gelagert ist. Auf dem ringförmigen Ansatz 21 des leeseitigen Stütz ringes 17 liegen die Kernbleche 22 und die zugehörige Nutenwicklung des induzierten Wicklungssystems. Die von dem ringförmi gen Ansatz 21 gebildete Brücke wird durch einen massiven Stahlring ?3 versteift, der ebenfalls auf ein Winkelprofil abgedreht ist.
Zwischen den Eisenkernen 15 und 22 des induzierenden und des induzierten Wick lungssystems liegt der Luftspalt d, welcher die Gestalt eines Zylindermantels besitzt. Es hat sich dabei als wichtig erwiesen, dass das induzierende Wicklungssystem in der dar gestellten Weise auf der Innenseite, das in duzierte Wicklungssystem dagegen auf der Aussenseite dieses zylindermantelförmigen Luftspaltes d liegt;
denn .die in sich geschlos senen Polstücke 15 des induzierenden Systems lassen sich mit ihren Ringwicklungen leich ter gegen die angreifenden Zentrifugalkräfte sichern, als die Kernbleche 22 und die Nuten wicklung des induzierten Systems, welche bei .der gezeichneten, aussenliegenden Anbrin- gung durch die in Richtung des Pfeils Z wir kende Zentrifugalkraft besonders fest auf ihre zugehörige Unterlagen gepresst werden.
Dagegen kann man grundsätzlich auch umgekehrt wie in Fig. 7 - das luvseitige Windrad als Träger des aussenliegenden (induzierten) Wicklungssystems und das lee- seitige .Windrad als Träger des innen liegen den (induzierenden) Wicklungssystems ver- wenden, wenn man die statische Konstruk tion dieser beiden Windräder so berechnet, dass bei dem luvseitigen Windrade (10 bis 13) die den Stützring (107) aufweitenden Kraft komponenten (Drehmoment Mz - vergl. Fig. 3.) etwas überwiegen, dass aber umge kehrt bei dem leeseitigen Windrade (17 bis 20) die den Stützring (17) zusammen drückenden Kraftkomponenten (Drehmoment Ms - vergl.
Fig. 3) etwas überwiegen. Da sich diese Bedingung jedoch nur schwer mit der Forderung in Einklang bringen lässt, dass der anströmende Wind auf die beiden Wind räder ein entgegengesetzt gleiches Dreh moment ausübt, hat sich die in Fig. 7 dar- gestellte Anordnung, bei welcher das luv- seitige Windrad das induzierende Wick lungssystem (15) und das leeseitige Wind rad das induzierte Wicklungssystem (22) trägt, in der Praxis besser bewährt.
Die Stahlringe 16 und 23 wirken über die von den ringförmigen Ansätzen 14 und 21 gebildeten Brücken versteifend auf die zuge hörigen Stützpunkte 10 und 17 zurück. Die genannten Verbindungsbrücken werden hier bei in spiegelbildlich entgegengesetzten Rich tungen auf Biegung beansprucht, so dass die eintretenden Änderungen der lichten Weite des Luftspaltes d auf ein Minimum reduziert sind. Die beiden Stützringe 10 und 17 werden vorzugsweise gemäss Fig. 7 so ausgebildet, dass ihre Querschnitte sich zu einem Gesamt querschnitt zusammensetzen, welcher für die in Richtung des Pfeils P anströmende Luft als Stromlinienkörper wirkt.
Im Hohl raum der Stützringe 10 und 17 sind die Ver stellmotoren 24 und 25 angeordnet, deren zweckmässig über ein Vorgelege angetrie bene Ritzel mit den innen verzahnten Sehei ben 26 und 27 in Eingriffsstehen, welche auf die äussern Flügelteile 13 und 20 von unten aufgeschraubt sind. Da die äussern Flügel teile etwa ¹ bis 4/5 der gesamten Arbeits leistung des Windrades liefern, genügt ihre Verstellung ohne weiteres, um die praktisch eintretenden Belastungsschwankungen aus- zugleichen und ein Durchgehen des Wind rades zu verhindern.
Um für den beschriebenen elektrischen Stromerzeuger ein Kollektor- bezw. Schleif ringsystem von ausreichendem Durchmesser zu gewinnen, kann man den Einsatzring 16 bezw. 23 des einen Windrades als Träger des Schleifringsystems und gleichzeitig den Stützring des andern Windrades als Träger .der zugehörigen Bürsten verwenden. In Fig. 7 ist daher der Schleifringträger 28 in den Einsatzring 23 eingelassen und die zu gehörige Bürste 29 mit dem Stützring 10 verbunden. Offenbar erhält man auf diesem Wege besonders günstige Kühlungsverhält nisse.
Das Stromabnahmesystem kann aber natürlich auch auf der gegenüberliegenden Seite rechts angebracht werden und den Ein satzring 16 als Träger der Bürsten sowie den Stützring 17 als Träger der Schleif- oder Kollektorringe benutzen.
Es wurde oben bereits darauf hinge wiesen, da.ss die erfindungsgemäss angeord neten Stützringe besonders geeignete An griffspunkte für die Entnahme der vom Windrade gelieferten Leistung darstellen. Dies gilt natürlich nicht nur dann, wenn diese Leistungsentnahme nach Art von Fig. 5 bis 7 unmittelbar auf elektrodynamischem Wege erfolgt, sondern auch dann, wenn sie auf mechanischem; Wege - wie z. B. über ein Getriebe - vorgenommen wird.
In die sem Falle bildet man den Stützring entweder selbst als Zahn- oder Reibrad aus, oder man benutzt ihn als Träger von einzelnen, mit ihm verschraubten oder vernieteten Segmen ten eines solchen Zahn- oder Reibrades.
Den schematischen Schnitt durch ein in solcher Weise ausgeführtes Windrad zeigt Fig. 8 in Draufsicht. Der zwischen den innern Flügelteilen 30, 30a und den abge knickten äussern Flügelteilen 31, 31a ein- geschaltete Stützring 32 trägt einen aufge schraubten, auf :der einen Seite verzahnten Kegelradkranz 33, welcher mit den Kegel rädern 34 und 34a in Eingriff steht. Die Welle 35 und 35a dieser Kegelräder sind auf Auslegern 36 und 36a des Drehstuhles 37 gelagert, welcher auch den nicht dargestell ten Lagerbock des Windrades trägt.
Die Kegelräder 34, 35 treiben die Arbeits maschine 38 an. Diese Maschine kann z. B. aus einem elektrischen Stromerzeuger be stehen, dessen induzierendes und dessen in duziertes Wicklungssystem in entgegen gesetzter Drehrichtung umlaufen. Statt des sen kann die Maschine 38 aber z. B. auch eine Druckwasser- oder Druckluftpumpe dar stellen.
Wind power machine. The invention relates to wind power machines with at least one wind wheel z. B. by means of a wind vane or by means of other, similarly acting auxiliary means automatically so to the wind direction is provided that it is practically always only from the front, but never hit from the back by the wind.
The invention relates to a novel Ge design for the wind turbines of such wind power machines, which makes it possible to bring the forces of the wind thrust acting on the wind turbines with the centrifugal forces occurring at the same time to such a favorable interaction that aerodynamically disruptive support structures can be omitted and nevertheless to one completely rigid and light wind turbines with narrow blades that allow the wind to reach the axis with a good passage.
It is already known to connect the blades of windmills with one another by a ring and the inventor himself has previously proposed in this context, the blades of such a windmill from the hub with a slight inclination against the ring plane in such a connecting the wing tips To let the ring run in. In this case, however, one is forced to keep the speed of the wind turbine relatively low in order to keep the loads on the ring mentioned, caused by centrifugal forces and occurring as bending stress, within the permissible limits.
It is well known that a distinction is made between “slow-running” and “fast-running” wind turbines, depending on the degree of their so-called "running". The running is the ratio between the circumferential speed of the wing tips and the wind speed.
"SchnellläLifeT" is the name given to those wind turbines where the peripheral speed of the wing tips is about five to ten times as high as the wind speed. If the support ring is on the periphery of a wind turbine, the "running speed" cannot be driven very high in view of the centrifugal forces that occur and therefore, for aerodynamic reasons, fairly wide blades must be used, which are on the one hand correspondingly heavy and on the other hand in the middle field of the wind turbine result in an undesirably large congestion zone within which the wind practically only exerts an axial pressure, but almost no torque on the wind turbine.
As is well known, this "dead zone" surrounding the axis becomes smaller, the greater the running speed of the wind turbine and the smaller the aerodynamically determined mean wing width, and in particular also the width of the wings in the immediate area, which is largely determined by static aspects Can choose near the axis. All these relationships can be designed particularly favorably in wind power machines with wind turbines designed according to the invention.
In the machine according to the invention, at least one high-speed wind turbine is used, the blades of which are connected to one another at some distance from the hub by a stiffening ring, the radius of which corresponds to at most half the blade length and in which the blade parts located within the ring are the outside of the ring plane to the arranged hub run in such an inclined plane to the ring that they represent a three-dimensional framework structure in connection with the support ring mentioned, over which the wings protrude relatively far.
A kink is preferably in front of the individual wings at those points where they pierce the support ring, the angle of which is chosen so that the wing part lying outside the ring runs with a reduced inclination or even parallel to the plane of the support ring. As a result, the outward sliding from the incoming air is reduced in the direction of the blades and accordingly increases the aerodynamic efficiency of the wind turbine.
At the same time, the use of such a kink allows the wing parts lying within the support ring to be placed obliquely against the ring plane of the support ring at such a large angle that wind thrust and centrifugal forces temporarily cancel each other out in their effect on the support ring, above all near the upper load limit of the wind turbine.
The measures described make it statically possible to keep the inclined wing parts lying within the support ring particularly narrow, so that they allow the winch to pass through very well in the vicinity of the axis.
The wings are preferably given a lancet-like shape and the ring is placed in the widest zone of this lancet. The blades then taper from the support ring towards both the hub and the wing tips, so that to a certain extent the part of the wind turbine located inside the ring is designed as a slow runner, while the part of the wind turbine located outside the ring is designed as a high speed runner. Surprisingly, this significantly increases the aerodynamic efficiency of the Vindrad.
A particular advantage of wind turbines designed according to the invention is that the support ring can be relocated relatively close to that ring zone in which the forces of the wind combine for calculating the wind turbine. In such a position, the support ring is the most favorable static point of attack for the transmission of the power of the wind turbine to the machines to be driven by it. In addition, when the support ring is used in this way, the bending stress on the wind blades caused by the load is particularly low. If the work performance of the wind turbine is transferred to the
Maschi to be driven by means of a mechanical transmission, so the associated gear or friction wheel is best attached directly to the support ring mentioned or this support ring itself is formed as a gear or friction wheel. Here, in addition to the low bending load on the construction, the high torsional strength of the support ring acting as a wheel makes the support ring particularly advantageous, because this wheel forms a framework in connection with the sloping wing parts. It is obvious that this torsional stiffness makes a significant contribution to the achievement of smooth and even gear operation.
The torsional strength of the support ring described is of particular importance, however, when two opposing wind turbines designed according to the invention are arranged coaxially one behind the other and the winding systems of an electrical power generator are attached to these wind turbines in a manner known per se in such a way that one wind turbine is the inducing, the Another wind turbine carries the induced winding system of this generator, and that between the iron cores of these winding systems there is only a narrow air gap through which the lines of force flow. As a result of the high rigidity of the ring system, this air gap can be kept very tight and this gives the power generator a particularly good electrical efficiency.
The back-up rings are then made into carriers of the two winding systems themselves and the air gap is best placed in a cylinder jacket between the two wind turbines. If the two wind turbines are designed according to the rules given below in such a way that the forces acting on the support rings, resulting from wind thrust and centrifugal force, act to widen the clear width of this cylindrical air gap,
even with the highest storm loads there is no possibility of dangerous contact between the iron cores of the opposing winding systems. It has proven to be particularly advantageous in this connection to ensure that the wind turbine or wind turbines are rotated about a horizontal axis out of the wind during a storm in such a way that they tilt against the wind here. As a result, he aims a particularly favorable force play on the support ring, especially in the areas of the highest loads.
The invention is explained below with reference to the accompanying drawings, for example. The figures show: FIG. 1 the schematic section, and FIG. 2 the front view of a wind turbine designed according to the invention, while FIG. 3 shows the diagram of the forces acting on this wind turbine.
Fig. 4 shows the arrangement of the struts in the support ring of a fiction, according to windmill, while Fig. 5 shows the section of a windmill system composed of two windmills, and Fig. 6 shows another embodiment for such windmill systems.
Fig. 7 shows the section through the rings equipped with electrical windings together with adjacent parts of a wind turbine system according to FIG. 6, and FIG. 8 shows a wind turbine according to the invention in connection with a special gear system adapted to its characteristics.
Fig. 1 is initially used to explain the analem, schematically illustrated wind turbine of an inventive wind power machine acting forces. On the fixed axis A, which is carried by the bearing ss, the hub N of a wind wheel runs. The blades of this wind turbine are connected to one another by a support ring R in the manner of FIG.
This divides the relatively narrow and elongated blades of the wind turbine at a clear distance from the hub N and has a radius which corresponds at most to half the blade radius. In the case shown, the radius of the wind turbine is about two and a half times as large as the radius of the said support ring.
The support ring R divides each individual wind blade into an inner part F1 and an outer part F2, with the inner part F1 extending from the hub N to the support ring R and the outer part F2 from the support ring R to the wing tip Sp . As can be seen from Fig. 1, the inner wing parts F1 run from the hub N in the wind direction P obliquely against the plane from the support ring R. As a result, the inner wing parts F1 with the support ring R form a three-dimensional framework over which the outer wing parts F2 protrude relatively far.
Various forces are now attacking the above-mentioned framework. First, the thrust of the wind flowing in the direction of the arrow P exerts a pressure on the wing F1-F2 which appears as a forces vector W running parallel to the axis A. The point of attack of this vector is approximately in the middle of the wind vane F1-F2. The points of attack of the force vectors W acting on the individual wings lie on a circle shown in dashed lines in FIG. This marks the ring zone in which the forces of the wind combine for the static calculation.
It is known that the support ring R is relatively close to this ring zone and is therefore particularly suitable for transferring the work performance of the wind turbine with the least possible bending stress on the wind blades to driven machines. The ring R is therefore particularly suitable for withdrawing power.
Wind thrust and centrifugal force he now give forces whose effect on the support ring R from FIG. 3 can be seen. The torque Ms exerted by the wind thrust P apparently strives to nod the wind blades backwards from the hub N arranged on the windward side in front of the ring plane, i.e. H. Press the ring R and the inclined, inner wing parts Fl together towards the axis. The torque Mz exerted by the centrifugal force, on the other hand, aims to pull the wing tips outwards, i.e. H. to widen the ring R and to spread the inclined, inner wing parts Fl further.
Since the speed - and thus the magnitude of the torque Mz, called up by the centrifugal force - is proportional to the wind speed within wide limits in a wind turbine, one overlooks the fact that within wide limits the torques Ms and Mz, which are the square of the wind speed respectively are proportional to the square of the speed, can be made equal in opposite directions by suitable measurements of the wind turbine, so that they cancel each other out. The wind turbine then remains completely rigid and torsion-resistant against the forces acting on, even with a relatively light design.
As can be seen from Fig. 2, the individual blades of the wind turbine receive preferential lance shape and are supported by the ring R at their mash test point. The supporting effect of the ring R makes it statically possible
to keep the starting points of the wing at the Nahe extremely narrow even with very large windmills @ and thereby give the part of the windmill located within the support ring l 'the character of a "slow runner", while the outer part is a "fast runner" " is trained.
The ver within the support ring R forces are according to the above executions primarily tensile and compressive forces that run between the points ver at which the support ring is connected to the individual wind blades. For very large wind turbines, it is therefore advisable to use the struts 811 S in a straight line to absorb these forces: according to FIG. 4, which represent the sides of a polygon.
The corners of this polygon then lie in the connection points of this support ring R with the wings F1, <I> F,. </I> In this way, the load-bearing parts of the support ring are relieved of any bending stress caused by forces acting on the wings .
Fig. 5 shows a wind turbine system, which consists of two coaxially arranged one behind the other, counter-rotating wind turbines C and D, which are equipped with the support rings R1 and R2 lying one behind the other in the wind direction P un indirectly. The inner wing parts of the two wind turbines C and D run into these support rings R1 and R2 from the hubs N1 and N2 running around on a common axis A at opposite opposite angles, while the outer wing parts of both wind turbines protrude over these support rings R1, R2 about lie in parallel planes.
In the wind turbine C located on the windward side, the forces of the wind thrust acting on the support ring R1 and the centrifugal force counteract one another in accordance with the diagram in FIG. You can easily measure it so that the moment exerted by the gust outweighs a little; it can then at most a slight compression, but never an expansion of the support ring R1 occur. In the wind turbine D, however, wind thrust and centrifugal force both act in the same direction, in the sense of an expansion of the support ring R2; At most, there can be a slight expansion, but never a compression of the support ring R2.
The support rings R1 and R2 carry the winding systems S and L of a ring-shaped electric power generator in a known manner. Here, the air gap between the inducing winding system S and the induced winding system L forms a cylinder jacket enclosed by the wind turbines C, D. The winding system S connected to the wind turbine C on the windward side is on the inside, whereas the winding system L connected to the leeward wind turbine D is on the outside of this cylinder jacket.
Since the wind load according to the above statements can at most lead to a compression of the ring system R1, S and to an expansion of the ring system R2, L, there is never a risk of damaging contact between the iron cores of the opposing winding systems S and L, even with the highest wind loads ; rather, the wind load can only lead to an expansion of the air gap. Such an expansion of the air gap is without disadvantages, because it only reduces the efficiency of the electricity generator and because this effect only occurs in a storm, ie. H. this can occur at times when the wind power machine is delivering a power that is above average anyway.
In the arrangements according to FIG. 5, the support ring R2 is subject to a significantly higher load than .the support ring R1 because the forces of the wind thrust acting on it and the centrifugal force add up. This can be avoided by inserting the inner wing parts in the wind direction (P) obliquely from the hubs 3, 4 into the support rings of both the wind turbine 1 and the leeward wind turbine 2 according to FIG 5, 6 runs in. If you choose here z.
B. corresponding to FIG. 6, the kink angle ss of the luv, side wind turbine 1 smaller than the kink angle .des lees-side wind turbine 2, respectively. If the outer wing parts of the leeward wind turbine 2 are dimensioned somewhat longer than those of the luff side wind wheel 1, it can easily be achieved that in the wind turbine 1 those forces which compress the support ring 5 slightly predominate,
on the other hand, in the case of the leeward wind turbine 2, those forces which strive to expand the support ring 6 predominate slightly. An overload can then in turn cause at most a slight expansion, but never a dangerous narrowing of the air gap between the winding systems 7 and 8. When using support rings of smaller dimensions (about 2 to 10 m diameter), the resolution of the support ring in a rod polygon (z. B. According to Fig. 4) has proven to be unnecessary because you can still massively produce rings from this mass and on the Can machine turret lathe.
As a supporting part of the support ring construction, you can even use a vain solid steel ring in these cases, which is subsequently inserted into the rest of the construction of the wind blades and the ring jacket, which is expediently made of light metal, and is screwed to it. Even if the ring construction, which is made of light metal and is connected directly to the wind blades, already has a sufficient load-bearing capacity, it is advisable to use an inserted steel ring as reinforcement.
The high stiffness of the ring construction obtained by the inventive arrangement of the support ring enables the outer wing parts to be rotatably attached to the ring and thus also to form large wind turbines in the manner of a "controllable pitch propeller" without coming too misshapen seams. Here, the lying on the support ring nodes of the support ring and formed by the inner, rigid wing parts spatial framework association are used as a support of the bearing for the adjustable by rotation about its longitudinal axis outer wing parts.
For large wind turbines, it is advisable in this case to equip the outer wing part with a pin that rotates in a bearing that is sunk inside the support ring. In the case of smaller wind turbines up to about 15 m in diameter, on the other hand, it is better to use short stumps of the rigid, inner wing parts that protrude beyond the support ring as pivot pins around which the outer wing parts are rotated when they are adjusted.
The cross-section through a ring construction of the latter type is shown in FIG. 7. The support ring 10 of the wind turbine on the windward side, made of light metal and cut in FIG. 7, is cast directly onto the inner wing part 11 and carries the bolt 12 on which the outer wing part 13 is rotatably mounted. On the annular extension 14 of the luff side support ring 10 lie conditions the pole cores 15 and the associated windings of the inducing winding system. The bridge formed by the annular extension 14 is stiffened by the massive steel ring 16, which is expediently turned to a suitable angle profile.
In a corresponding manner, the support ring 17 of the leeward wind turbine, also made of light metal, is cast directly onto the inner wing part 18 and carries the bolt 19 on which the outer wing part 20 is rotatably mounted. On the annular extension 21 of the leeward support ring 17 are the core sheets 22 and the associated slot winding of the induced winding system. The bridge formed by the annular extension 21 is stiffened by a massive steel ring 3, which is also turned to an angle profile.
Between the iron cores 15 and 22 of the inducing and the induced winding system is the air gap d, which has the shape of a cylinder jacket. It has proven to be important that the inducing winding system in the manner provided is on the inside, while the induction winding system is on the outside of this cylinder jacket-shaped air gap d;
because .the self-contained pole pieces 15 of the inducing system can be more easily secured with their ring windings against the attacking centrifugal forces than the core sheets 22 and the slot winding of the induced system, which in the case of the external attachment shown in Direction of arrow Z we kende centrifugal force are pressed particularly firmly on their associated documents.
On the other hand, in principle, the reverse as in Fig. 7 - the wind turbine on the windward side as a support for the external (induced) winding system and the lead-side wind turbine as a support for the internal (induction) winding system, if the static construction is used of these two wind turbines are calculated in such a way that in the wind turbine (10 to 13) on the wind turbine the support ring (107) expanding force components (torque Mz - see Fig. 3) predominate somewhat, but vice versa with the leeward wind turbine (17 to 20) the force components compressing the support ring (17) (torque Ms - cf.
Fig. 3) predominate somewhat. However, since this condition is difficult to reconcile with the requirement that the oncoming wind exerts an oppositely equal torque on the two wind turbines, the arrangement shown in FIG. 7, in which the wind turbine on the windward side the inducing winding system (15) and the leeward wind wheel the induced winding system (22) carries better proven in practice.
The steel rings 16 and 23 act through the bridges formed by the annular lugs 14 and 21 stiffening on the associated support points 10 and 17 back. The mentioned connecting bridges are here subjected to bending in opposite directions, so that the changes that occur in the clear width of the air gap d are reduced to a minimum. The two support rings 10 and 17 are preferably designed according to FIG. 7 in such a way that their cross-sections combine to form an overall cross-section which acts as a streamlined body for the air flowing in the direction of the arrow P.
In the hollow space of the support rings 10 and 17, the United actuators 24 and 25 are arranged, whose appropriately driven pinion with the internally toothed Sehei ben 26 and 27 are in engagement, which are screwed onto the outer wing parts 13 and 20 from below. Since the outer wing parts provide around ¹ to 4/5 of the total work output of the wind turbine, their adjustment is sufficient to compensate for the practically occurring load fluctuations and to prevent the wind wheel from going over.
In order to be a collector for the described electric power generator. To win grinding ring system of sufficient diameter, you can bezw the insert ring 16. 23 of one wind turbine as a carrier of the slip ring system and at the same time use the support ring of the other wind turbine as a carrier of the associated brushes. In FIG. 7, the slip ring carrier 28 is therefore embedded in the insert ring 23 and the associated brush 29 is connected to the support ring 10. Obviously, particularly favorable cooling conditions are obtained in this way.
The power collection system can of course also be attached to the right on the opposite side and use the A set ring 16 as a carrier for the brushes and the support ring 17 as a carrier for the slip or collector rings.
It has already been pointed out above that the support rings arranged according to the invention represent particularly suitable points of attack for extracting the power delivered by the wind turbine. Of course, this applies not only when this power extraction takes place in the manner of FIGS. 5 to 7 directly by electrodynamic means, but also when it is mechanically; Ways - such as B. via a transmission - is made.
In this case, one forms the support ring either as a gear or friction wheel, or it is used as a carrier of individual segments of such a gear or friction wheel that are screwed or riveted to it.
The schematic section through a wind turbine designed in this way is shown in FIG. The between the inner wing parts 30, 30a and the bent outer wing parts 31, 31a switched on support ring 32 carries a screwed bevel gear rim 33, toothed on one side, which engages with the bevel gears 34 and 34a. The shaft 35 and 35a of these bevel gears are mounted on arms 36 and 36a of the swivel chair 37, which also carries the not dargestell th bearing block of the wind turbine.
The bevel gears 34, 35 drive the work machine 38. This machine can e.g. B. from an electric generator be available, the inducing and the in duzierter winding system rotate in the opposite direction of rotation. Instead of the sen, the machine 38 but z. B. also represent a pressurized water or compressed air pump.