CH700422B1

CH700422B1 - Axial-flow wind turbine used for electricity generation, has helical blade with aerodynamic cross section inclined rearwardly toward rotation axis over length of blade

Info

Publication number: CH700422B1
Application number: CH00726/07A
Authority: CH
Inventors: Roland Rebsamen
Original assignee: Roland Rebsamen
Priority date: 2007-04-28
Filing date: 2007-04-28
Publication date: 2010-08-31

Abstract

The rotor extends from a leading end approached by the wind, to a trailing end. Its spacing from the axis (1) reduces continuously in this direction. The blade (6, 7) cross section slants rearwardly and towards the axis, at a 45[deg] -90[deg] degree angle, preferably at about 60[deg] . Blade width is constant over its length, or it tapers towards the rear. The asymmetrical blade profile includes curved and flat sides, the flat side being directed against the wind flow direction. The turbine is contained in a funnel-like wind interceptor.

Description

       

  [0001]    Die Erfindung betrifft eine axial durchströmbare Windturbine mit einem um eine Rotationsachse drehbaren Rotor und gegebenenfalls einem von diesem antreibbaren Generator zur Erzeugung bzw. zur Gewinnung elektrischer Energie, wobei der Rotor wenigstens ein spiralwendelförmig ausgebildetes, durch den Wind anströmbares Blatt (Windwandler) aufweist.

  

[0002]    Dem Einsatz von herkömmlichen Windrädern sind wegen des grossen Laufrad- bzw. Propellerdurchmessers aus Gründen des Landschaftsschutzes, Geräuschentwicklung im Infraschallbereich, Eisabwurfgefahr, Blitzeinschlaggefahr, Vogelschutz etc. sehr oft Grenzen gesetzt. Bei sehr starkem Wind müssen diese Windräder aus Gründen der Lärmbelästigung und der Betriebssicherheit relativ oft ausser Betrieb gesetzt werden. Trotz der grossen Durchmesser der bekannten Windräder mit Propeller ist deren Windenergieausbeute jedoch beschränkt, da aus einem grossen Bereich der die Windflügel überstrichenen Fläche keine Energie gewonnen werden kann.

  

[0003]    Insbesondere für kleinere Windkraftenergie-Anlagen ist beispielsweise aus der US 4 218 175 eine Windturbine bekannt, mit einem Rotor, der in einem sich nach beiden Enden hin trichterförmig erweiternden Gehäuse angeordnet ist. Der Aussendurchmesser des Rotors vergrössert sich in Durchflussrichtung entsprechend der Konizität des Gehäuses. Diese Windturbine ist wegen des Gehäuses sehr aufwändig und kostspielig.

  

[0004]    Die US 6 948 910 enthält eine ausführliche Abhandlung über alle Arten von Propellerformen, unter anderem auch in Fig. 14a und 14b eine Schiffsschraube mit bogenförmigen Blättern, die an Ihren Enden mit einer Nabe verbunden sind. In Fig. 15 ist ein Windrad dargestellt, das etwa analog ausgebildet ist. Zur Energieumformung dürfte dieses Windrad jedoch kaum taugen bzw. würde ein Fachmann der Winderegiegewinnung wohl kaum bei bekannten Bootsschiffsschrauben nach neuen Lösungen für bestehende Probleme suchen. Sowohl Schiffsschrauben, wie auch Windräder haben eine hunderte Jahre alte unterschiedliche geschichtliche Entwicklung genommen.

  

[0005]    Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Windturbine zu schaffen, die einfach aufgebaut ist und einen hohen Wirkungsgrad erreicht und die Windnutzung optimiert. Die oben angegebenen Probleme sollen vermieden werden.

  

[0006]    Gemäss der Erfindung wird dies dadurch erreicht, dass der Rotor einen sich in Wind-Strömungsrichtung vom Einströmende zum Abströmende hin kontinuierlich verkleinernden Abstand zu seiner Rotationsachse aufweist. Durch den sich in Strömungsrichtung über Länge des Rotors kontinuierlich verjüngenden äusseren Radius des Rotors wird sichergestellt, dass der gesamte die Windturbine anströmende Bereich des Windes vom Rotor erfasst und in mechanische Energie umgesetzt wird.

  

[0007]    Um ein plötzliches Abbremsen des Windes beim Auftreffen auf das Blatt zu verhindern, ist es zweckmässig, dass die Querschnitte des Blattes relativ zur Rotationsachse gegen das Einströmende hin geneigt sind. Der Wind wird somit gegen das Zentrum hin abgelenkt und kann im weiteren Verlauf ein zweites oder drittes Mal auf das Blatt auftreffen und zur Energie-Erzeugung genutzt werden.

  

[0008]    Der Neigungswinkel der Querschnitte gegenüber der Rotationsachse beträgt vorteilhaft zwischen 45[deg.] und 80[deg.], vorzugsweise etwa 60[deg.]. Innerhalb dieses Winkelbereichs wird sichergestellt, dass keine grösseren Turbulenzen entstehen. Der Neigungswinkel kann auch - zur individuellen Optimierung - über die Länge des Rotors variieren.

  

[0009]    Die Breite des Blattes bleibt über dessen Längsverlauf vorteilhaft etwa konstant. Somit können für das Blatt beispielsweise gewalzte oder stranggepresste Profile verwendet werden. Dies erleichtert die Herstellung des Rotors wesentlich und ermöglicht Kosteneinsparungen.

  

[0010]    Eine weitere zweckmässige Ausführung besteht darin, dass die Breite des Blattes über dessen Längsverlauf vom Einströmende her gegen das Abströmende hin kontinuierlich abnimmt. Somit ist die vom Wind angeströmte, projizierte Fläche beim Einströmende gross und reduziert sich gegen das Abströmende, wobei auch der Luftwiderstand reduziert wird.

  

[0011]    Eine zusätzliche Verbesserung des Wirkungsgrades kann vorteilhafterweise dadurch erreicht werden, dass der Querschnitt des Blattes nach Art eines asymmetrischen Flügelprofils, mit einer gewölbten und einer etwa geraden, bzw. flachen Seite ausgebildet ist. Durch die unterschiedlichen Formen auf beiden Seiten des Flügelprofils entstehen unterschiedliche Strömungsgeschwindigkeiten und somit unterschiedliche Drücke. Dieser Druckunterschied ergibt eine Erhöhung des Drehmomentes.

  

[0012]    Die flache Seite des Flügelprofils ist zweckmässigerweise der Windströmungsrichtung entgegengesetzt gerichtet. Dadurch entsteht auf der windabgewandten Seite des Blattes ein Unterdruck und somit auch eine gewisse Sogwirkung, welche eine Erhöhung des Wirkungsgrades durch Erzeugung eines zusätzlichen Drehmoments ermöglicht.

  

[0013]    Im Prinzip funktioniert der Rotor auch mit einem einzigen Blatt. Um insbesondere bei höheren Drehzahlen durch Asymmetrie Vibrationen zu vermeiden, ist es vorteilhaft, wenigstens zwei Blätter vorzusehen. Die einzelnen Blätter werden dann symmetrisch zueinander um die Rotationsachse angeordnet.

  

[0014]    Um bei wechselnder Windrichtung stets optimale Verhältnisse zu haben, ist es zweckmässig, dass die Windturbine um eine zur Rotationsachse senkrecht stehende Achse schwenkbar gelagert ist und wenigstens eine die Windturbine in die momentane Windrichtung ausrichtende Windfahne vorgesehen ist. Bei grösseren Anlagen kann dieses Ausrichten auch durch Regelantrieb mit Windsensor erfolgen.

  

[0015]    Eine weitere Verbesserung zur Adaptierung an jeweilige lokale Gegebenheiten ist möglich, indem die senkrecht stehende Achse über ein Gelenk verfügt, um das die Neigung der Turbinenachse zur Horizontalen einstellbar ist. Dadurch können u.U. Montagen auf Hanglagen, an Dächern usw. windströmungsmässig optimiert werden. Details dieser Ausgestaltung können aus dem Schweizer Patent 695 790 entnommen werden. Der Inhalt dieser Anmeldung wird hierzu als Referenz eingefügt, insbesondere die Figuren und die dazugehörende Figurenbeschreibung.

  

[0016]    Für eine kompakte Bauweise ist der Generator zweckmässigerweise auf der Rotationsachse angeordnet. Somit werden keine Übertragungselemente wie Transmissionen, Gelenkwellen oder dgl. benötigt.

  

[0017]    Der Generator ist vorteilhaft mit dem Rotor direkt gekuppelt. Ggf. kann jedoch auch ein Übersetzungsgetriebe dazwischengeschaltet werden, um in einen für die Stromerzeugung günstigen Drehzahlbereich zu kommen.

  

[0018]    Die Bezugszeichenliste ist Bestandteil der Offenbarung.

  

[0019]    Anhand von Figuren wird die Erfindung symbolisch und beispielhaft näher erläutert.

  

[0020]    Die Figuren werden zusammenhängend und übergreifend beschrieben. Gleiche Bezugszeichen bedeuten gleiche Bauteile.

  

[0021]    Es zeigen dabei
<tb>Fig. 1 <sep>eine schematische Darstellung einer erfindungsgemässen Windturbine,


  <tb>Fig. 2 <sep>den Rotor der in Fig. 1dargestellten Windturbine in Seitenansicht und


  <tb>Fig. 3 <sep>den Rotor der in Fig. 1dargestellten Windturbine in Stirnansicht


  <tb>Fig. 4 <sep>einen vergrösserten Querschnitt durch ein Blatt des Rotors, entlang der Linie IV-IV in Fig. 2


  <tb>Fig. 5 und 6 <sep>einen Prototyp mit nur teilweise hergestellten Rotorblättern (nur die Metallrohre, die distale und proximale Kante der Rotorblätter bilden und, wie stellenweise angedeutet, durch Leichtbaustoffe überzogen werden, wobei das distale Rohr einen grösseren Durchmesser aufweist als das proximale Rohr.


  <tb>Fig. 7 und 8 <sep>ein anderes Modell, bei dem ersichtlich ist, dass am Ende mit dem geringsten Abstand zur Rotorachse die Blätter nur über Stangen mit der Rotorachse verbunden sind.

  

[0022]    Die aus Fig. 1 ersichtliche Windturbine besteht aus einer vorzugsweise horizontal angeordneten Rotationsachse 1. Diese Rotationsachse 1 ist in einem Gabellager 2 drehbar gelagert. Das Gabellager 2 ist um eine zur Rotationsachse etwa senkrecht stehende Schwenkachse 3 schwenkbar. Eine Windfahne 4 dient zur optimalen Ausrichtung der Windturbine in die momentane Windrichtung W. Ein Generator 5 zur Erzeugung elektrischer Energie ist mit dem einen Ende des Gabellagers 2 verbunden und direkt mit der Rotationsachse 1 gekuppelt. Zwei spiralwendelförmig ausgebildete Blätter 6, 7 sind an ihren Enden mit der Rotationsachse 1 verbunden. Das ist nicht zwingend so. Bei einer anderen Ausführungsform könnte das Ende mit dem grösseren Abstand zur Rotationsachse auch frei im Raum stehen. Aus Festigkeits- bzw. Stabilitätsgründen wird jedoch die Befestigung von Vorteil sein.

   Die Befestigung des Blattendes mit dem grössten Abstand zur Rotationsachse kann dabei auch durch einen relativ dünnen Stab erfolgen und muss nicht zwingend in Blattbreite erfolgen. Die Blätter 6, 7 sind im gezeigten Ausführungsbeispiel zueinander diametral versetzt und ineinandergewunden. Der Wind W bläst von einem Einströmende 10 zu einem Abströmende 11 axial durch die Windturbine.

  

[0023]    Aus Fig. 2 und 3 geht die Form des Rotors noch etwas deutlicher hervor. Die Blätter 6, 7 weisen einen in Strömungsrichtung sich kontinuierlich verjüngenden äusseren Radius R auf und bilden eine Art aus einer Ebene herausgezogene Spirale. Somit wird praktisch der gesamte Querschnitt von den Blättern abgedeckt und somit vom durchströmenden Wind erfasst.

Bezugszeichenliste

  

[0024]    
<tb>1 -<sep>Rotationsachse


  <tb>2 -<sep>Gabellager


  <tb>3 -<sep>Schwenkachse


  <tb>4 -<sep>Windfahne


  <tb>5 -<sep>Generator


  <tb>6 -<sep>Blatt


  <tb>7 -<sep>Blatt


  <tb>8 -<sep>Oberseite


  <tb>9 -<sep>Unterseite


  <tb>10 -<sep>Einströmende


  <tb>11 -<sep>Abströmende


  <tb>12 -<sep>Stangen


  <tb>13 -<sep>distale Stange


  <tb>14 - <sep>proximale Stange



  The invention relates to an axially durchströmte wind turbine with a rotatable about a rotation axis rotor and optionally a drivable by this generator for generating or for obtaining electrical energy, wherein the rotor has at least one helically shaped, by the wind anströmbares sheet (wind converter) ,

  

The use of conventional wind wheels are due to the large impeller or propeller diameter for reasons of landscape protection, noise in the infrasonic range, risk of ice drop, lightning risk, bird protection, etc. very often set limits. In very strong wind wind turbines must be relatively often put out of service for reasons of noise and reliability. Despite the large diameter of the known wind turbines with propellers whose wind energy yield is limited, however, since from a large area of the wind wings swept area no energy can be obtained.

  

In particular, for smaller wind power plants, for example, from US 4 218 175 a wind turbine is known, with a rotor which is arranged in a funnel-shaped widening toward both ends housing. The outer diameter of the rotor increases in the flow direction according to the taper of the housing. This wind turbine is very complex and expensive because of the housing.

  

US 6,948,910 contains a detailed discussion of all types of propeller shapes, including in Figs. 14a and 14b a propeller with arcuate blades connected at their ends to a hub. In Fig. 15, a wind turbine is shown, which is designed approximately analog. For energy conversion, however, this wind turbine would hardly be suitable or a specialist in wind energy production would hardly look for known solutions for existing problems in known boat propellers. Both propellers and wind turbines have taken hundreds of years of different historical development.

  

The invention has for its object to provide a wind turbine, which is simple and achieves high efficiency and optimizes the use of wind. The above problems should be avoided.

  

According to the invention, this is achieved in that the rotor has a continuously decreasing in the wind flow direction from the inflow end to the outflow end distance to its axis of rotation. As a result of the outer radius of the rotor, which continuously tapers in the flow direction over the length of the rotor, it is ensured that the entire area of the wind flowing into the wind turbine is captured by the rotor and converted into mechanical energy.

  

In order to prevent a sudden deceleration of the wind when hitting the sheet, it is expedient that the cross sections of the sheet are inclined relative to the axis of rotation against the inflow end. The wind is thus deflected towards the center and can hit the sheet a second or third time later and be used to generate energy.

  

The angle of inclination of the cross sections with respect to the axis of rotation is advantageously between 45 [deg.] And 80 [deg.], Preferably about 60 [deg.]. Within this angular range it is ensured that no major turbulences arise. The angle of inclination can also vary over the length of the rotor for individual optimization.

  

The width of the sheet remains about its longitudinal course advantageously approximately constant. Thus, for example, rolled or extruded profiles can be used for the sheet. This significantly facilitates the manufacture of the rotor and allows cost savings.

  

A further expedient embodiment is that the width of the sheet decreases continuously over its longitudinal course from the inflow ago against the outflow end. Thus, the wind-flowed, projected area at the inflow end is large and reduces towards the outflow end, whereby the air resistance is reduced.

  

An additional improvement of the efficiency can be advantageously achieved in that the cross section of the sheet is formed in the manner of an asymmetric wing profile, with a curved and an approximately straight, or flat side. Due to the different shapes on both sides of the sash profile, different flow velocities and thus different pressures occur. This pressure difference results in an increase of the torque.

  

The flat side of the airfoil is suitably directed opposite to the wind flow direction. This creates a negative pressure and thus also a certain suction effect on the side of the blade which faces away from the wind, which makes it possible to increase the efficiency by generating an additional torque.

  

In principle, the rotor also works with a single sheet. In order to avoid vibrations, especially at higher speeds by asymmetry, it is advantageous to provide at least two blades. The individual sheets are then arranged symmetrically to each other about the axis of rotation.

  

In order to always have optimal conditions with changing wind direction, it is expedient that the wind turbine is mounted pivotably about an axis perpendicular to the axis of rotation and at least one wind turbine in the current wind direction aligning wind vane is provided. For larger systems, this alignment can also be done by regulating drive with wind sensor.

  

A further improvement for adaptation to local conditions is possible by the vertical axis has a joint around which the inclination of the turbine axis to the horizontal is adjustable. As a result, u.U. Mountings on slopes, on roofs, etc. optimized wind flow. Details of this embodiment can be taken from the Swiss Patent 695 790. The content of this application is inserted for reference, in particular the figures and the associated description of the figures.

  

For a compact design of the generator is conveniently arranged on the axis of rotation. Thus, no transmission elements such as transmissions, propeller shafts or the like. Needed.

  

The generator is advantageously coupled directly to the rotor. Possibly. However, a transmission gear can be interposed in order to come in a favorable for power generation speed range.

  

The list of reference numerals is part of the disclosure.

  

Based on figures, the invention is explained symbolically and by way of example closer.

  

The figures are described coherently and comprehensively. Like reference numerals mean like components.

  

In the process, they show
<Tb> FIG. 1 <sep> is a schematic representation of a wind turbine according to the invention,


  <Tb> FIG. 2 <sep> the rotor of the wind turbine shown in Fig. 1 in side view and


  <Tb> FIG. 3 <sep> the rotor of the wind turbine shown in Fig. 1 in front view


  <Tb> FIG. 4 <sep> is an enlarged cross-section through a blade of the rotor, taken along the line IV-IV in FIG. 2


  <Tb> FIG. 5 and 6 show a prototype with only partially produced rotor blades (only the metal tubes forming the distal and proximal edges of the rotor blades and, as indicated in places, coated by lightweight materials, wherein the distal tube has a larger diameter than the proximal tube.


  <Tb> FIG. 7 and 8 <sep> another model where it can be seen that at the end with the shortest distance to the rotor axis, the blades are only connected by rods to the rotor axis.

  

The apparent from Fig. 1 wind turbine consists of a preferably horizontally disposed axis of rotation 1. This axis of rotation 1 is rotatably mounted in a fork bearing 2. The fork bearing 2 is pivotable about an axis of rotation approximately perpendicular to the pivot axis 3. A wind vane 4 serves for optimal alignment of the wind turbine in the current wind direction W. A generator 5 for generating electrical energy is connected to one end of the fork bearing 2 and coupled directly to the rotation axis 1. Two helically shaped blades 6, 7 are connected at their ends to the axis of rotation 1. That is not necessarily so. In another embodiment, the end with the greater distance to the axis of rotation could also be free in space. For strength or stability reasons, however, the attachment will be beneficial.

   The attachment of the blade end with the greatest distance to the rotation axis can also be done by a relatively thin rod and does not necessarily have to be done in sheet width. The leaves 6, 7 are diametrically offset from each other in the embodiment shown and intertwined. The wind W blows from an inflow end 10 to an outflow end 11 axially through the wind turbine.

  

From Fig. 2 and 3, the shape of the rotor is still somewhat clear. The leaves 6, 7 have a continuously tapering in the flow direction outer radius R and form a kind drawn out of a plane spiral. Thus, virtually the entire cross section is covered by the leaves and thus captured by the wind flowing through.

LIST OF REFERENCE NUMBERS

  

[0024]
<tb> 1 - <sep> rotation axis


  <tb> 2 - <sep> Fork Bearing


  <tb> 3 - <sep> Swivel axis


  <tb> 4 - <sep> wind vane


  <tb> 5 - <sep> generator


  <tb> 6 - <sep> sheet


  <tb> 7 - <sep> sheet


  <tb> 8 - <sep> top


  <tb> 9 - <sep> bottom


  <tb> 10 - <sep> inflow end


  <tb> 11 - <sep> outflow end


  <tb> 12 - <sep> bars


  <tb> 13 - <sep> distal rod


  <tb> 14 - <sep> proximal rod

Claims

1. An axial flow-through wind turbine with a about an axis of rotation (1) rotatable rotor and optionally with a generator operated by this generator (5) for generating electrical energy, wherein the rotor has at least one helically formed by the wind vorströmbares sheet (6, 7) , characterized in that the rotor has a in the wind flow direction (W) from the inflow end (10) to the outflow end (11) towards continuously tapering distance from the axis of rotation.

2. Wind turbine according to claim 1, characterized in that the cross-sections of the blade (6, 7) are inclined relative to the axis of rotation (1) against the inflow end (10).

3. Wind turbine according to claim 2, characterized in that the angle of inclination ([alpha]) of the cross sections with respect to the axis of rotation (1) is between 45 [deg.] And 90 [deg.], Preferably about 60 [deg.].

4. Wind turbine according to one of the preceding claims, characterized in that the width of the sheet (6, 7) remains constant over its longitudinal course.

5. Wind turbine according to one of the preceding claims, characterized in that the width of the sheet (6, 7) continuously decreases over the longitudinal course of the inflow end (10) forth against the outflow end (11).

6. Wind turbine according to one of the preceding claims, characterized in that the cross section of the blade (6, 7) in the manner of an asymmetric airfoil, with a curved (9) and an approximately straight, or flat, side (8) is formed.

7. Wind turbine according to claim 6, characterized in that the flat side (8) of the wing profile of the wind flow direction (W) is directed in opposite directions.

8. Wind turbine according to one of the preceding claims, characterized in that at least two blades (6, 7) are provided.

9. Wind turbine according to one of the preceding claims, characterized in that both ends of the sheet (6, 7) or the leaves (6, 7) with the rotation axis (1) are connected.

10. Wind turbine according to one of the preceding claims, characterized in that the wind turbine about an axis of rotation (1) perpendicular axis (3) is pivotally mounted and at least one wind turbine in the current wind direction aligning wind vane (4) is provided, preferably the wind vane (4) at the outflow end (11) and the generator (5) is arranged at the inflow end of the wind turbine.

11. Wind turbine according to one of the preceding claims, characterized in that the generator (5) on the rotation axis (1) is arranged.

12. Wind turbine according to claim 11, characterized in that the generator (5) relative to the vertical axis (3) is secured against turning.

13. Wind turbine according to claim 11 or 12, characterized in that the generator (5) is coupled directly to the rotor.

14. Wind turbine according to one of the preceding claims, characterized in that the structure of a sheet (6, 7) at least two metallic edge strips (13, 14), between which extend lightweight materials, or are placed and fixed to the lightweight materials.

15. Wind turbine according to one of the preceding claims, characterized in that it is arranged in a funnel-shaped windscreen.

16. Wind turbine according to one of claims 10 to 15, characterized in that the vertical axis (3) is provided with a fixable hinge, by which the inclination of the axis of rotation (1) of the wind turbine is adjustable relative to the horizontal.

17. Wind turbine according to claim 1, characterized in that the rotor has a in the wind flow direction (W) from the inflow end (10) to the outflow end (11) towards continuously tapered outer radius (R).

18. Wind turbine according to claim 2, characterized in that the angle of inclination (α) of the cross sections with respect to the axis of rotation (1) is between 45 ° and 80 °, preferably about 60 °, and optionally from the inflow end (10) to the outflow end (11) continuously changes - preferably increased.

19. Wind turbine according to one of the preceding claims, characterized in that the width (b) of the blade (6) remains approximately constant over its longitudinal course or decreases continuously towards the outflow end (11).

20. Wind turbine according to claim 6, characterized in that the approximately straight or flat side of the cross section of the sheet (6, 7) has an upper side (8) and the curved side of the cross section of the sheet (6, 7) has a lower side (9 ), the upper side (8) being directed opposite to the wind flow direction (W).

21. Wind turbine according to one of claims 8 to 20, characterized in that the two leaves (6, 7) are provided offset by 180 ° to each other.

22. Wind turbine according to one of the preceding claims, characterized in that the wind turbine about an axis of rotation (1) perpendicular to the axis (3) is pivotally mounted and comprises at least one actuator for controlled alignment.

23. Wind turbine according to one of claims 8 to 20, characterized in that three leaves are provided offset by 120 ° to each other.