DE10105570B4 - Wind power machine - Google Patents

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Abstract

Windkraftmaschine, mit einem um eine vertikale Achse drehbaren Rotor, mit mindestens drei im wesentlichen radial angeordneten Rotorblättern, die den Rotor in gleich große Sektoren unterteilen, wobei die Rotorblätter in jeweils mehrere nach dem Widerstandsprinzip arbeitende Teilblätter unterteilt sind, und wobei zwischen den Teilblättern vertikale Spalte zum Durchtritt der Luft angeordnet sind, gekennzeichnet durch zwischen den Teilblättern (5) verlaufende konvergente Kanäle (16), wobei die Teilblätter (5) während der Hintour als Widerstandsläufer (7) oder Auftriebsläufer und während der Rücktour als Auftriebsläufer (11) wirkend ausgebildet sind.Wind machine with a rotatable about a vertical axis rotor, with at least three substantially radially arranged rotor blades, the rotor in the same size Divide sectors, the rotor blades in each case after several dividing blades operating according to the resistance principle are subdivided, and wherein between the part sheets vertical column are arranged for the passage of air, characterized through between the part sheets (5) converging convergent channels (16), with the sub-leaves (5) during the hind tour as resistance runner (7) or buoyancy runner and while the return tour as a buoyancy runner (11) are formed acting.

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Windkraftmaschine.The The present invention relates to a wind power machine.

Windkraftmaschinen sind bekannt und sind heute als horizontal rotierende Windräder bereits vielfach im Einsatz. Die horizontal rotierenden Windräder weisen zwar bereits einen beachtlichen Wirkungsgrad, aber auch die bekannten Nachteile wie z. B. große Bauhöhe, Geräuschentwicklung, Notwendigkeit zur Nachführung, starke mechanische Belastung der Bauteile durch Fliehkräfte und Vibrationen auf. Die mechanischen Belastungen treten insbesondere auch dann auf, wenn das Windrad notwendigerweise in den Wind gedreht werden muß. Außerdem benötigen die bekannten Anlagen entweder eine relativ hohe Anfangswindgeschwindigkeit oder müssen anfangs durch Hilfsmotoren in Rotation versetzt werden.Wind power machines are known and are already widely used today as horizontally rotating wind turbines in use. The horizontally rotating wind turbines already have one considerable efficiency, but also the known disadvantages such as z. B. large height, Noise, Need for tracking, strong mechanical stress on the components due to centrifugal forces and Vibrations on. The mechanical loads occur in particular even if the windmill necessarily turned into the wind must become. In addition, the need known systems either a relatively high initial wind speed or at first be rotated by auxiliary motors in rotation.

Aus diesem Grunde sind vertikal rotierende Windräder, d. h. Windräder mit vertikaler Achse, konzipiert worden, die diese Nachteile beseitigen sollen (vgl. DE 195 01 036 A1 , DE 196 03 982 A1 , DE 198 47 469 A1 , DE 197 15 373 A1 ). Der wesentliche Vorteil dieser Vertikalrotoren besteht darin, dass sie keinerlei Windrichtungsnachführung benötigen und die Komponenten leicht zügänglich in Bodennähe angebracht werden können. Aber auch die Vertikalrotoren weisen folgenden prinzipiellen Nachteil auf: Die momentenerzeugenden Profile bewegen sich auf einer Kreisbahn und laufen, wenn der Vertikalrotor auf seiner gesamten Breite vom Wind angeströmt wird, auf der Hintour einmal mit dem Wind und auf der Rücktour gegen den Wind. Dabei rufen die Profile auf der Rücktour durch ihren Strömungswiderstand eine bremsende Wirkung hervor, was den Wirkungsgrad gegenüber dem Horizontalrotor ent scheidend verringert. Es ist versucht worden, diesem Problem dadurch zu begegnen, dass der Rotor in einem Gehäuse eingeschlossen wird, bei dem nur an bestimmten Stellen Luft ein strömt (vgl. US 4,350,900 ). Hierbei ergibt sich jedoch wiederum das Problem, den Wind so zu führen, dass er gezielt in diese Öffnungen eintritt. Hierzu ist dann wieder eine Windrichtungsnachführung erforderlich.For this reason, vertically rotating wind turbines, ie wind turbines with a vertical axis, have been designed to eliminate these disadvantages (see. DE 195 01 036 A1 . DE 196 03 982 A1 . DE 198 47 469 A1 . DE 197 15 373 A1 ). The main advantage of these vertical rotors is that they do not require any wind direction tracking and the components can be attached easily accessible near the ground. But the vertical rotors have the following principal disadvantage: The torque-generating profiles move on a circular path and run when the vertical rotor is swept across its entire width by the wind on the return tour once with the wind and on the return trip against the wind. The profiles on the return tour by their flow resistance cause a braking effect, which decisively reduces the efficiency compared to the horizontal rotor. Attempts have been made to counteract this problem by enclosing the rotor in a housing in which air flows in only at certain points (cf. US 4,350,900 ). However, this again results in the problem of guiding the wind so that it specifically enters these openings. This then again a wind direction tracking is required.

Ein anderer Ansatz sieht vor, die Rotorblätter in mehrere Teilblätter zu unterteilen (vgl. WO 88/09873 A1). Das unterteilte Profil setzt dabei dem Wind bei der Rücktour einen geringeren Widerstand entgegen. Trotz dieser Maßnahme weisen jedoch derartige Windkraftmaschinen nur einen bescheidenen Wirkungsgrad auf.One another approach provides for the rotor blades in several parts of the sheets subdivide (see WO 88/09873 A1). The subdivided profile sets with the wind on the return trip a lower resistance. Despite this measure However, such wind turbines only a modest efficiency on.

Es ist demzufolge Aufgabe der vorliegenden Erfindung, unter Vermeidung der aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile eine Windkraftmaschine mit einem um eine vertikale Achse drehbaren Rotor zu schaffen, die einen hohen Wirkungsgrad aufweist sowie leicht und preiswert herstellbar ist.It is therefore an object of the present invention, while avoiding the disadvantages known from the prior art a wind turbine with a rotatable about a vertical axis rotor to provide has a high efficiency and easy and inexpensive to produce is.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Windkraftmaschine mit einem um eine vertikale Achse drehbaren Rotor, mit mindestens drei im wesentlichen radial angeordneten Rotorblättern, die den Rotor in gleich große Sektoren unterteilen, wobei die Rotorblätter in jeweils mehrere nach dem Widerstandsprinzip arbeitende Teilblätter unterteilt sind, und wobei zwischen den Teilblättern vertikale Spalte zum Durchtritt der Luft angeordnet sind, gelöst, die gekennzeichnet ist durch zwischen den Teilblättern verlaufende konvergente Kanäle, wobei die Teilblätter während der Hintour als Widerstandsläufer oder Auftriebsläufer und während der Rücktour als Auftriebsläufer wirkend ausgebildet sind.These The object is achieved by a Wind power machine with a rotor rotatable about a vertical axis, with at least three substantially radially arranged rotor blades, the the rotor in equal size Divide sectors, the rotor blades in each case after several dividing blades operating according to the resistance principle are subdivided, and wherein between the part sheets vertical column are arranged for the passage of the air, dissolved, marked is due to running between the sub-leaves convergent channels, the part sheets while the back tour as resistance runner or buoyancy runner and while the return tour as a buoyancy runner are formed acting.

Wenn die Teilblätter der Windkraftmaschine derart optimiert werden, dass ihr strömungstechnischer Widerstand oder ihr strömungstechnischer Auftrieb bei der Hintour maximiert und ihr strömungstechnischer Widerstand bei der Rücktour minimiert bzw. der Auftrieb maximiert sind, lassen sich gegenüber konventionellen Vertikalrotoren erhebliche Wirkungsgradverbesserungen erzielen. Besonderer Bedeutung kommen dabei den zwischen den Teilblättern verlaufende konvergenten Kanälen zu. Hierdurch wird bewirkt, dass die sich beschleunigende Strömung nicht abreißt und es nicht zu Verwirbelungen mit Energieverlust kommt. Weiterhin sind somit höhere Anstellwinkel möglich, die einen größeren Auftrieb bewirken.If the part sheets the wind turbine are optimized so that their fluidic Resistance or their fluidic buoyancy maximized at the back and their fluidic resistance on the return trip minimized or the buoyancy are maximized, can be compared to conventional Vertical rotors achieve significant efficiency improvements. Particular importance is attached to running between the sub-leaves convergent channels to. This causes the accelerating flow is not tearing off and there is no turbulence with energy loss. Farther are thus higher Pitch possible, the greater buoyancy cause.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.advantageous Embodiments are the subject of the dependent claims.

Vorteilhafterweise beträgt das Kontraktionsverhältnis der konvergenten Kanäle 0,6 bis 0,8.advantageously, is the contraction ratio the convergent channels 0.6 to 0.8.

Die konvergente Kanalführung wird bevorzugt durch die Profilierung der Teilblätter erzeugt.The convergent ducting is preferably generated by the profiling of the partial sheets.

Es ist jedoch auch möglich, die konvergente Kanalführung durch eine Verstellung der Teilblätter während eines Umlaufs zu erzeugen. Dies setzt jedoch eine vergleichsweise aufwendige mechanische Lösung z. B. mit Schrittmotoren voraus.It but it is also possible the convergent ducting to produce by an adjustment of the sub-sheets during a circulation. However, this is a comparatively complicated mechanical solution z. B. with stepper motors ahead.

Das Kontraktionsverhältnis muß nicht über den gesamten Kanal konstant sein, sondern kann in einem hinteren Kanalabschnitt größer sein als in einem vorderen Kanalabschnitt. Hierdurch wird wiederum die Beschleunigung der Strömung gezielt dort beeinflußt, wo die Gefahr von Ablösungen am größten ist.The contraction ratio need not be constant over the entire channel, but may be greater in a rear channel section than in a front channel section. As a result, in turn, the acceleration of the flow will be targeted there be influences where the risk of detachment is greatest.

Die in radialer Richtung benachbarten Teilblätter weisen nach einer bevorzugten Ausführungsform gleiche Abstände zueinander auf.The in the radial direction adjacent partial sheets have a preferred embodiment same distances to each other.

Soweit unter Berücksichtigung aller weiteren Parameter wie Profilierung, Zahl der Teilblätter etc. strömungstechnisch günstig, können die in radialer Richtung benachbarten Teilblätter auch unterschiedliche Abstände zueinander aufweisen.So far considering all other parameters such as profiling, number of part sheets, etc. aerodynamically Cheap, can the radially adjacent parts of the leaves also different distances to each other.

Gleiches gilt für die Profilierung der Teilblätter, die bei allen Teilblättern gleich oder unterschiedlich ausgebildet sein kann. Aus Symmetriegründen sollten jedoch nur die Teilblätter jedes. Sektors und nicht die in Umfangsrichtung verteilten Teilblätter unterschiedliche Profilierungen aufweisen, da es ansonsten zu Unwuchten kommt.The same applies to the profiling of the partial sheets, the with all partial sheets may be the same or different. For reasons of symmetry should but only the part sheets each. Sector and not the circumferentially distributed partial leaves Profiling, otherwise it comes to imbalances.

Auch die konvergenten Kanäle können entweder alle gleich oder innerhalb eines Sektors unterschiedlich ausgebildet sein.Also the convergent channels can either all the same or different within a sector be educated.

Vorteilhaft ist schließlich, wenn das Profil der Teilblätter eine konvexe Unterseite aufweist.Advantageous is finally, if the profile of the part sheets has a convex bottom.

Vorteilhaft ist außerdem, wenn der Einlauf durch Formgebung der Decke und des Bodens gerundet ist.Advantageous is also when the inlet is rounded by shaping the ceiling and floor is.

Die Erfindung wird nachstehend anhand einiger beispielhafter Prinzipdarstellungen näher erläutert, die folgendes zeigen:The Invention will be described below with reference to some exemplary schematic diagrams explained in more detail, the show the following:

1 zeigt in Prinzipdarstellung eine Aufsicht einer erfindungsgemäßen Windkraftmaschine; 1 shows a schematic representation of a plan view of a wind turbine according to the invention;

2 zeigt die Strömungsverhältnisse an der Windkraftmaschine aus 1; 2 shows the flow conditions at the wind turbine 1 ;

3 zeigt ein Teilblatt einer Windkraftmaschine im Zustand der Anströmung als Widerstandsläufer; und 3 shows a partial blade of a wind turbine in the flow state as a resistance rotor; and

4 zeigt das Teilblatt aus 3 im Zustand der Anströmung als Auftriebsläufer, wobei verschiedene Anströmwinkel dargestellt sind. 4 shows the part sheet 3 in the state of the flow as buoyancy runner, wherein different angle of attack are shown.

In 1 ist eine erste Ausführungsform einer Windkraftmaschine 1 dargestellt. Man erkennt den um eine vertikale Achse 2 drehbaren, im wesentlichen dreieckigen Rotor 3. Der Rotor 3 besteht aus drei symmetrisch angeordneten Rotorblättern 4, die den Rotor 3 in drei gleich große Sektoren von je 120° unterteilen.In 1 is a first embodiment of a wind power machine 1 shown. You can see this around a vertical axis 2 rotatable, essentially triangular rotor 3 , The rotor 3 consists of three symmetrically arranged rotor blades 4 that the rotor 3 divide into three equal sectors of 120 ° each.

Jedes Rotorblatt 4 ist in drei Teilblätter 5 unterteilt, wobei zwischen den Teilblättern 5 vertikale Spalte 6 zum Durchtritt der Luft angeordnet sind. Bei Bezugsziffer 16 ist auch gut erkennbar, dass die vertikalen Spalte 6 konvergent ausgebildet sind.Every rotor blade 4 is in three parts 5 divided, taking between the sub-leaves 5 vertical column 6 are arranged for the passage of air. At reference number 16 is also well recognizable that the vertical column 6 are formed convergent.

Die Strömungsverhältnisse bei Anströmung des Rotors 3 sind in 2 dargestellt. Zur besseren Unterscheidung sind die Rotorblätter 4 bzw. Teilblätter 5, die alle gleich aufgebaut sind, sich jedoch in unterschiedlichen Positionen befinden, mit unterschiedlichen Bezugsziffern versehen.The flow conditions when the rotor flows 3 are in 2 shown. For better distinction, the rotor blades 4 or partial sheets 5 , which are all built the same, but are in different positions, provided with different reference numbers.

Das aus den Teilblättern 7 bestehende Rotorblatt 8 befindet sich in derjenigen Position, in der bei der vorhandenen Anströmung eine Wirkung als Widerstandsläufer erzielt wird. Das aus den Teilblättern 9 bestehende Rotorblatt 10 hingegen befindet sich in der um 240° im Uhrzeigersinn weitergedrehten Position, in der eine Wirkung als Auftriebsläufer erzielt wird. Das zwischen diesen beiden Positionen befindliche, aus den Teilblättern 11 bestehende Rotorblatt 12 befindet sich in einer mehr oder weniger neutralen Position.This from the part sheets 7 existing rotor blade 8th is in the position in which in the existing flow effect as resistance runner is achieved. This from the part sheets 9 existing rotor blade 10 on the other hand, in the position rotated by 240 ° in the clockwise direction, an effect is achieved as a lift rotor. The between these two positions located, from the sub-sheets 11 existing rotor blade 12 is in a more or less neutral position.

Betrachtet man ein Rotorblatt 4, so ergibt sich bei einem gesamten Umlauf damit strömungstechnisch gesehen ein Zyklus von maximalem Widerstand bis hin zu maximaler Auftriebswirkung und wieder bis hin zu maximalem Widerstand mit jeweils dazwischen befindlichen Positionen, in denen der Widerstand abnimmt und der Auftrieb zunimmt bzw. der Auftrieb abnimmt und der Widerstand zunimmt.Looking at a rotor blade 4 Thus, results in a total circulation thus fluidly seen a cycle of maximum resistance to maximum buoyancy effect and again up to maximum resistance with each intervening positions in which the resistance decreases and the buoyancy increases or the buoyancy decreases and the Resistance increases.

In den 3 und 4 ist nochmals vergrößert dargestellt, wie ein Teilblatt 5 allein durch unterschiedliche Anströmung einmal einen Strömungswiderstand bietet (3) und ein anderes mal Auftrieb erzeugt (4). In 4 ist darüber hinaus noch dargestellt, das sich an dem Profil des Teilblattes 5 auch bei Anströmung aus unterschiedlichen Richtungen 13, 14, 15 Auftrieb ergibt.In the 3 and 4 is shown enlarged again, as a part sheet 5 offers a flow resistance only by different flow once ( 3 ) and another time buoyancy ( 4 ). In 4 is also still shown, which is the profile of the partial sheet 5 also with flow from different directions 13 . 14 . 15 Buoyancy results.

Claims (13)

Windkraftmaschine, mit einem um eine vertikale Achse drehbaren Rotor, mit mindestens drei im wesentlichen radial angeordneten Rotorblättern, die den Rotor in gleich große Sektoren unterteilen, wobei die Rotorblätter in jeweils mehrere nach dem Widerstandsprinzip arbeitende Teilblätter unterteilt sind, und wobei zwischen den Teilblättern vertikale Spalte zum Durchtritt der Luft angeordnet sind, gekennzeichnet durch zwischen den Teilblättern (5) verlaufende konvergente Kanäle (16), wobei die Teilblätter (5) während der Hintour als Widerstandsläufer (7) oder Auftriebsläufer und während der Rücktour als Auftriebsläufer (11) wirkend ausgebildet sind.A wind power machine, comprising a rotor rotatable about a vertical axis, having at least three substantially radially disposed rotor blades dividing the rotor into sectors of equal size, the rotor blades being divided into a plurality of resistive blades, and vertical gaps between the blades are arranged to pass through the air, characterized by between the sub-sheets ( 5 ) converging channels ( 16 ), the sub-sheets ( 5 ) during the return tour as resistance runner ( 7 ) or buoyancy runner and during the return tour as a buoyancy runner ( 11 ) are formed acting. Windkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontraktionsverhältnis der konvergenten Kanäle (16) 0,6 bis 0,8 beträgt.Wind power engine according to claim 1, characterized characterized in that the contraction ratio of the convergent channels ( 16 ) Is 0.6 to 0.8. Windkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die konvergente Kanalführung durch die Profilierung der Teilblätter (5) erzeugt wird.Wind power machine according to one of claims 1 or 2, characterized in that the convergent ducting by the profiling of the partial sheets ( 5 ) is produced. Windkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die konvergente Kanalführung durch die Zwangsverstellung der Teilblätter (5) während eines Umlaufs erzeugt wird.Wind power engine according to one of claims 1 or 2, characterized in that the convergent duct guide by the forced adjustment of the partial sheets ( 5 ) is generated during one revolution. Windkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontraktionsverhältnis in einem hinteren Kanalabschnitt größer ist als in einem vorderen Kanalabschnitt.Wind power machine according to one of claims 1 to 4, characterized in that the contraction ratio in a rear channel section is larger as in a front channel section. Windkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die in radialer Richtung benachbarten Teilblätter gleiche Abstände zueinander aufweisen.Wind power machine according to one of claims 1 to 5, characterized in that the adjacent in the radial direction part leaves same distances to each other. Windkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die in radialer Richtung benachbarten Teilblätter unterschiedliche Abstände zueinander aufweisen.Wind power machine according to one of claims 1 to 5, characterized in that the adjacent in the radial direction part leaves different distances to each other. Windkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass alle Teilblätter gleiche Profilierungen aufweisen.Wind power machine according to one of claims 1 to 7, characterized in that all partial sheets same profiles exhibit. Windkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilblätter jedes Sektors unterschiedliche Profilierungen aufweisen.Wind power machine according to one of claims 1 to 7, characterized in that the sub-leaves of each sector different Have profilings. Windkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass alle konvergenten Kanäle gleich ausgebildet sind.Wind power machine according to one of claims 1 to 9, characterized in that all the convergent channels are the same are formed. Windkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die konvergenten Kanäle eines Sektors unterschiedlich ausgebildet sind.Wind power machine according to one of claims 1 to 9, characterized in that the convergent channels of a Sector are designed differently. Windkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Profil der Teilblätter eine konvexe Unterseite aufweist.Wind power machine according to one of the preceding Claims, characterized in that the profile of the partial sheets a convex underside has. Windkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ihr Einlauf durch die Formgebung ihrer Decke und ihres Bodens gerundet ist.Wind power machine according to one of the preceding Claims, characterized in that its inlet through the shaping of their Ceiling and its bottom is rounded.
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