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Die
Erfindung betrifft eine Windkraftmaschine mit einem um eine vertikale
Achse drehbaren Windrotor.
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Auf
große
Leistungen ausgerichtete Windkraftmaschinen weisen regelmäßig einen
um eine horizontale Achse drehbar gelagerten Rotor auf. Derartige
Windkraftmaschinen sind mit aufwändigen
Regeleinrichtungen versehen. Insbesondere ist es erforderlich, die
horizontale Drehachse des Rotors ständig in die Windrichtung zu
drehen, um den Rotor mit einer optimalen Windanströmung zu
betreiben.
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Für kleinere
Windkraftmaschinen mit einer geringern Nennleistung von beispielsweise
10 kW, ist es bekannt, den Aufwand für die Nachführung der Drehachse in die
Windrichtung dadurch zu vermeiden, dass ein um eine vertikale bzw.
lotrechte Achse drehender Windrotor verwendet wird. Derartige Rotoren
sind in zahlreichen Bauformen bekannt geworden. Durch
DE 30 03 270 ist ein Rotor bekannt,
der auf seiner kreisförmigen äußeren Umlaufbahn
zwei Auftriebs-Flügelkörper aufweist,
die nach Art einer Tragfläche
eines Flugzeugs ausgebildet sind. Bei diesen Auftriebs-Flügelkörpern bildet
sich durch die an dem Flügelkörper vorbeiströmende Luft
auf einer Seite ein Überdruck
und auf der anderen Seite ein Unterdruck aus. Die so ausgebildete
Druckdifferenz (Auftrieb) treibt den Flügelkörper auf seiner Kreisbahn an
und hält
somit eine Rotation des Rotors aufrecht.
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Die
WO2005/085633 A1 beschreibt
eine Windkraftmaschine mit senkrechter Drehachse, bei der zwei Auftriebs-Flügelkörper endseitig
zwischen zwei parallelen Endplatten befestigt sind. Die Endplatten
weisen ein flaches Flügelprofil
auf und sind durchgängig
flächig
aufgebaut. Eine ähnliche
Konstruktion ist in der
DE
38 05 370 A1 beschrieben.
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An
den eingespannten Enden der Auftriebs-Flügelkörper wirken während des
Betriebes außerordentlich
hohe Kräfte,
da neben den wirksamen Windkräften
auch noch die Fliehkräfte
die Auftriebs-Flügelkörper radial
nach außen
belasten und ggf. verformen. Dies führt zu einer Ausbiegung der Flügelkörper und
Spannungen im Bereich der Befestigung an den Endplatten. Um diesem
Umstand zu begegnen, sind die Endplatten und die Flügelkörper steif
ausgeführt,
was mit einem erhöhten
Gewicht einhergeht, was das Anlaufverhalten und den Wirkungsgrad
verschlechtert und die Kosten der Anlage erhöht.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Windkraftmaschine
mit einem um eine vertikale Achse drehbaren Windrotor hinsichtlich
ihres Wirkungsgrades zu verbessern.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Windkraftmaschine mit den Merkmalen des
Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Die
erfindungsgemäße Windkraftmaschine mit
einem um eine vertikale Achse drehbaren Windrotor, der zumindest
zwei Auftriebs-Flügelkörper aufweist,
die an flachen Auslegern von um die Achse rotierenden Traganordnungen
befestigt sind, sieht vor, dass die Ausleger radial außen ein
biegeelastisches Endstück
aufweisen, an dem die Flügelkörper befestigt
sind. Bei einer hohen Umlaufgeschwindigkeit können sich die an den Enden
der Traganordnungen gehaltenen Flügelkörper radial nach außen ausbiegen,
wodurch der durch die Länge
der Auftriebsflügelkörper bestimmte
Abstand zwischen den Traganordnungen des Teilrotors verringert wird.
Es ist vorgesehen, dass das flächige
Endstück
unter der Einwirkung der Ausbiegung des Flügelkörpers biegeflexibel ist. Dies
gelingt beispielsweise dadurch, dass das flächige Endstück aus einem 3 mm starken Metallblech besteht,
das aufgrund seiner Formgebung eine begrenzte Biegesteifheit aufweist
und somit die hier benötigte
Biegeflexibilität
zur Verfügung
stellt. Somit kann durch das gezielte Einsetzen eines biegeelastischen
Elementes eine schwere und kostenaufwendige Wellenlagerung der Flügelkörper an
den Auslegern vermieden werden.
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In
einer konstruktiv bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind
die Traganordnungen aus Tragsternen gebildet, die eine Anzahl von
Auslegern oder Armen aufweisen, die der Anzahl der Flügelkörper des
Teilrotors entspricht.
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Es
ist weiterhin vorgesehen, dass die Ausleger eine rahmenartige Struktur
mit zumindest einer Durchbrechung aufweisen. Durch die Durchbrechung
der Endplatten und eine offene Tragwerkstruktur erhebliche Gewichtsreduzierungen
der Traganordnungen und damit der gesamten Windkraftmaschine realisiert
werden. Weiterhin erhöht
sich die Flexibilität
der Traganordnungen, so dass eine Biegung der Flügelkörper und der Ausleger in Kauf
genommen werden kann, was zu einer weiteren Reduzierung der Steifigkeitsanforderungen
der Flügelkörper und
damit zu einer weiteren Gewichtsreduzierung führen kann.
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Eine
Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Ausleger ein flächiges Nabenteil
aufweist und das Nabenteil und das Endstück über zwei zueinander beabstandete
Stege miteinander verbunden sind. Dadurch können die Ausleger oder Arme bei
einer möglichst
geringen zu beschleunigenden Trägheitsmasse
außerordentlich
formstabil aufgebaut werden. Die Stege können als durch zylindrische
Stangen gebildet sein, die das Nabenteil mit dem flächigen Endstück verbinden,
so dass durch unterschiedlich lange Stangen leicht eine Variation des
Rotordurchmessers erzielbar ist. Die Stangen können im Übrigen aus einem massiven Material, vorzugsweise
Metall, aber auch in einer Rohrform ausgebildet sein.
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Die
Verbindung der Stangen mit dem Nabenteil einerseits und dem flächigen Endstück andererseits
erfolgt vorzugsweise durch eine Schlitzung der Enden der Stangen
in einer der Materialstärke
des Nabenteils bzw. des Endstücks
entsprechenden Höhe,
so dass die Stangen mit dem geschlitzten Endstück sowohl auf das Nabenteil
als auch auf das Endstück
aufschiebbar sind und im aufgeschobenen Zustand verschweißbar oder
verschraubbar sind. Andere Verbindungsmöglichkeiten, beispielsweise
Steckverbindungen oder Klebeverbindungen können ebenfalls berücksichtigt
werden.
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Die
Flügelkörper erstrecken
sich mit einem vorgegebenen Profil über die Höhe des Rotors, alternativ kann
sich das Flügelprofil über die
Höhe des Rotors ändern.
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Das
Nabenteil ist aus konstruktiven Gründen bevorzugt aus sich ergänzenden,
den Armen zugeordneten Teilstücken
gebildet.
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Eine
Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Windrotor aus mehreren,
drehfest miteinander verbundenen und um einen Winkel zueinander versetzt
angeordneten Teilrotoren besteht, die ausschließlich jeweils wenigstens zwei
Auftriebs-Flügelkörper aufweisen,
die mit ihren Enden zwischen zwei um die Achse rotierenden flachen
Traganordnungen gelagert sind. Die Windkraftmaschine weist somit
einen Windrotor aus, der aus wenigstens zwei Teilrotoren besteht,
die drehfest miteinander gekoppelt sind. Die Teilrotoren sind um
einen vorgegebenen Winkel zueinander versetzt angeordnet, so dass
ein Teilrotor dem anderen in Drehrichtung um einen vorbestimmten
Winkel nachläuft.
Dabei können
die Teilrotoren so gegeneinander versetzt sein, dass die Flügelkörper des
einen Teilrotors in der Winkelmitte zwischen zwei Flügelkörpern des
anderen Teilrotors angeordnet sind, wenn zwei Teilrotoren verwendet
werden. Bei drei Teilrotoren ergäbe
sich unter dem Gesichtspunkt einer möglichst vollständigen Symmetrie
eine Drittelung des Abstandes zwischen zwei Flügelkörpern eines Teilrotors durch
entsprechend versetzte Flügelkörper der
beiden anderen Teilrotoren usw.
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Es
kann allerdings sinnvoll sein, von der vollständigen Symmetrie abzuweichen,
da der Windrotor eine durch die Form der Flügelkörper vorgegebene Drehrichtung
auf weist, so dass eine geometrische Symmetrie der Anordnung nicht
zwingend ist. Der Versatzwinkel zwischen zwei Teilrotoren eines
Windrotors kann somit zwischen 20 und 100° liegen, wenn bei jedem Teilrotor
drei Flügelkörper vorgesehen werden.
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Die
solcherart ausgestaltete Windkraftmaschine bietet den Vorteil, dass
der Windrotor auch bei geringen Windstärken bereits anläuft, ohne
hierfür Elemente
eines Widerstandsläufers
zu benötigen. Die
mindestens jeweils zwei – in
einer bevorzugten Ausführungsform
jeweils wenigstens drei – Flügelkörper der
beiden zueinander versetzt angeordneten Teilrotoren sind in der
Lage, ohne zusätzliche
Elemente und lediglich durch ihre Wirkung als Flügelkörper den Rotor in Rotation
zu versetzen, und zwar bei bereits geringen Windstärken. Dabei
sind die Flügelkörper eines
Teilrotors vorzugsweise in einem gleichen radialen Abstand zur Achse
angeordnet. Bevorzugt können
die Flügelkörper aller
Teilrotoren in dem gleichen radialen Abstand zur Achse angeordnet sein.
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Die
Ausbildung und Anordnung der Flügelkörper erfolgt
vorzugsweise so, dass während
der Rotation in Drehrichtung das Auftriebsmoment immer deutlich
größer ist
als der Strömungswiderstand
des Flügelkörpers.
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Die
drehfeste Verbindung der Teilrotoren miteinander kann in konstruktiv
sinnvoller Weise dadurch erfolgen, dass die aneinander angrenzenden Traganordnungen
benachbarter Teilrotoren fest miteinander verbunden sind. In einer
Fortbildung dieses Gedankens können
die Flügelkörper benachbarter Teilrotoren
an einer gemeinsamen Traganordnung befestigt sein, woraus sich die
drehfeste Verbindung der Teilrotoren unmittelbar ergibt.
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Durch
die Verbindung der Teilrotoren an den aneinander angrenzenden Traganordnungen
oder der gemeinsamen Traganordnung kann es ausreichend sein, wenn
nur die von einander beabstandet angeordneten äußeren Traganordnungen der Teilrotoren
an der Achse gelagert sind. Mit anderen Worten befindet sich jeweils
ein Lager, vorzugsweise ein axiale Kräfte aufnehmendes Kugellager,
an der oberen Traganordnung des oberen Teilrotors und der unteren
Traganordnung des unteren Teilrotors.
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Die
Befestigung der Flügelkörper an
den Traganordnungen, insbesondere den flächigen Endstücken, erfolgt
vorzugsweise durch Schraubbolzen, die in Befestigungseinsätzen des
ansonsten hohlen Auftriebs-Flügelkörpers einschraubbar
sind. Um eine Winkeleinstellung des Flügelkörpers relativ zur Kreisumfangslinie
in einem gewissen Rahmen zu ermöglichen,
kann in der Traganordnung wenigstens ein Langloch vorgesehen sein,
in dem ein entsprechender Befestigungsbolzen für den Flügelkörper verschiebbar geführt wird.
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Die
Erfindung soll im Folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiels
näher erläutert werden.
Es zeigen:
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1 eine
perspektivische Ansicht einer kompletten Windkraftmaschine nach
einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung;
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2 ein
Detail II gemäß 1;
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3 eine
Draufsicht auf ein flächiges
Endstück
als Einzelteil;
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4 eine
Seitenansicht eines Windrotors als Teil der Windkraftmaschine gemäß 1;
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5 eine
Draufsicht auf den Windrotor gemäß 1 oder 4;
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6 eine
perspektivische Ansicht eines Endes eines Flügelkörpers des Windrotors gemäß 1 oder 4;
sowie
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7 eine
Seitenansicht der Windkraftmaschine gemäß 1;
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Die
in den 1 und 7 dargestellte Windkraftmaschine
weist einen unteren Befestigungsflansch 1 auf, mit dem
die Windkraftmaschine auf einem gegossenen (nicht dargestellten)
Fundament in üblicher
Weise mittels Schrauben und Dübel befestigbar
ist. Der Befestigungsflansch trägt
einen vertikalen Mast 2, der auch durch mehrere aufeinander
gesetzte und miteinander verbundene Maststücke gebildet sein kann. Der
Mast 2 trägt
einen Stator eines Generators 3, dessen Generatorrotor
mit einem Windrotor 5 verbunden ist. An einer dem Mast 2 verbundenen
Achse 4 ist der Windrotor 5 mittels Kugellager
drehbar gelagert. In dem Ausführungsbeispiel
besteht der Windrotor 5 aus zwei Teilrotoren 6, 7,
die übereinander
angeordnet und drehfest miteinander verbunden sind, so dass sie
in einer drehfesten Relation um die Drehachse des Windrotors 5 rotieren.
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Die
Teilrotoren 6, 7 weisen jeweils eine obere Traganordnung 8, 8' und eine untere
Traganordnung 9, 9' auf.
Die Traganordnungen 8, 8' und 9, 9' weisen jeweils
drei Ausleger 10 oder Arme auf, an deren Enden jeweils
drei Flügelkörper 11, 11' so befestigt
sind, dass sie in Drehrichtung (Uhrzeigersinn in 1)
auf einem Umfangskreis in einem gleichmäßigen Winkelabstand von 120° umlaufen.
Die Teilrotoren 6, 7 sind dabei so um 60° gegeneinander
verdreht, dass die Flügelkörper 11 des
oberen Teilrotors 6 den Auftriebs-Flügelkörpern 11' des unteren
Teilrotors 7 um 60° voreilen.
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Die
Traganordnungen 8, 8', 9, 9' bilden somit jeweils
dreiarmige Tragsterne, deren flächige
Endstücke 15 zur
Befestigung der Auftriebs-Flügelkörper 11, 11' dienen, wie
dies in 2 dargestellt ist. Die 2 zeigt
die Befestigung der Flügelkörper 11, 11' an den flächigen Endstücken 15,
bei der die Stege 14, die als zylindrische Hohlprofile
ausgebildet sind, stirnseitig abgeschrägt und geschlitzt sind, so
dass das Endstück 15 in
den Schlitz innerhalb des Steges 14 eingeschoben werden
kann. Gleichzeitig ist das Endstück 15 mit
Ausnehmungen 24 versehen, die eine Aufnahme der Stege 14 gestatten,
so dass eine doppelte Steckverbindung ausgebildet wird. Die flächigen Endstücke 15 sind
mit einer solch geringen Materialstärke (beispielsweise 3 mm) ausgebildet, dass
sie in einem gewissen Maße
biegeflexibel sind, um so Winkeländerungen
und Abstandsänderungen der
einander gegenüberliegenden
Endstücke 15 aufgrund
einer Verkürzung
des Abstandes der Flügelkörperenden
zueinander, die aufgrund einer Ausbiegung der Flügelkörper 11, 11' bei einer hohen
Umlaufgeschwindigkeit entstehen, kompensieren zu können, ohne
die Anordnung von entsprechenden Gelenken zur Lagerung der Flügelkörper 11, 11' an den Auslegern 10 vorsehen
zu müssen.
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Die
Einzelteildarstellung des flächigen
Endstücks 15 in 3 zeigt
ein kreisrundes Befestigungsloch 16 und ein Befestigungs-Langloch 17, durch
die Befestigungsschrauben bzw. -bolzen hindurchsteckbar sind. Das
in 3 dargestellte Endstück 15 ist mit nach
radial innen zeigenden schlitzförmigen
Ausnehmungen 24 versehen, die der Aufnahme und Führung der
am Ende geschlitzten stangenförmigen
Stege 14 dienen, so dass sich eine Befestigung ergibt,
wie sie in 2 verdeutlicht ist. Die die
Stege 14 bildenden Stangen können hohl, d.h. als Rohr, ausgebildet
sein.
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4 zeigt,
dass die beiden Teilrotoren 6, 7 drehfest miteinander
verbunden und um die gemeinsame zentrale Rotorachse 4 herum
angeordnet sind.
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Insbesondere 5 verdeutlicht,
dass die Traganordnungen 8, 8', 9, 9' jeweils aus
einem flächigen
Nabenteil 12 gebildet sind, von dem aus sich die Ausleger 10 nach
radial außen
erstrecken. Die Ausleger 10 sind dabei durch zwei einen
Durchbruch 100 einschließende, im Wesentlichen parallele
Stege 14 gebildet. Die Stege 14 bestehen aus zylindrischen Stangen
mit einem kreisförmigen
Querschnitt, die an ihren Enden so geschlitzt sind, dass sie einerseits das
flächige
Nabenteil 12 und andererseits, nämlich radial außen, ein
flächiges
Endstück 15 des
Auslegers 10 übergreifen.
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5 verdeutlicht
ferner, dass das Nabenteil 12 aus drei Teilstücken 23 zusammengesetzt
ist, die sich zu dem Nabenteil 12 ergänzen und jeweils einem Ausleger 10 zugeordnet
sind. Es ist erkennbar, dass in dem in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiel
alle Auftriebs-Flügelkörper 11, 11' auf der gleichen
Umfangsbahn, d.h. mit einem identischen Radius um die Rotorachse
umlaufen. Aus der Draufsicht der 5 wird der
rahmenartige Aufbau der Ausleger 10 deutlich, bei der die
Endstücke 15 über die
Stege 14, die in einem Winkel zueinander in einer Ebene
ausgerichtet sind, mit dem jeweiligen Nabenteil 12 verbunden
sind. Der Durchbruch 100 oder die von dem Nabenteil 12,
den Stegen 14 und dem Endstück 15 umschlossene
materialfreie Fläche ist
im Verhältnis
zu der Fläche
der Ausleger 10 groß, so
dass sich eine hohe Steifigkeit in Umfangsrichtung bei gleichzeitiger
relativer Biegeelastizität
ergibt. Die Biegeelastizität
im radial äußeren Bereich
kann durch eine gezielte Gestaltung der Endstücke 15 aus einem federnden
Material verstärkt
werden, um Abstandsänderungen
der Enden der Flügelkörper 11, 11' auszugleichen.
Statt nur einer Durchbrechung 100 können auch mehrere Durchbrechungen
vorgesehen sein, beispielsweise indem Verstrebungen zwischen den
Stegen 14 angeordnet werden, um eine erhöhte Steifigkeit
insbesondere in der Ebene der Ausleger 10 zu erzielen.
Die Ausleger 10 können eine
Fachwerkstruktur aufweisen.
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Statt
der in der 5 deutlich werdenden Ausgestaltung
eines mehrteiligen Nabenteiles kann diese auch einstückig ausgebildet
sein, wenn der Versatzwinkel der Flügelkörper 11, 11' oder der Teilrotoren 6, 7 bekannt
ist, so dass ein kompaktes Na benteil mit Aufnahmen für drei oder
sechs oder entsprechend mehr oder weniger Ausleger 10 und
deren Stege 14 ausgebildet wird.
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Die
perspektivische Darstellung des stirnseitig offenen Auftriebs-Flügelkörpers 11, 11' in der 6 verdeutlicht
ein tragflächenartiges
hohles Profil, das ein in Drehrichtung vorlaufendes Ende 18 mit einer
etwa elliptischen Profilierung aufweist und am in Drehrichtung nachlaufenden
Ende 19 spitz zuläuft. Das
hohle Profil ist durch eingeformte Längsstege 20 verstärkt, die
zur Befestigung von Aufnahmestücken 21, 22 für die durch
die Befestigungslöcher 16, 17 des
flächigen
Endstücks 15 hindurchgesteckten
Gewindebolzen dienen. Aufgrund des Langloches 17 kann der
Winkel des Auftriebs-Flügelkörpers 11, 11' relativ zur
Umfangsbahn des Teilrotors 6, 7 verstellt werden.
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In
dem in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiel sind nur die äußeren Traganordnungen 8, 9', also die obere
Traganordnung 8 des oberen Teilrotors 6 um die
untere Traganordnung 9' des
unteren Teilrotors 7 mittels Kugellagern an der Rotorachse 4 gelagert,
während
die mittleren Traganordnungen 8', 9 lediglich miteinander
verbunden sind. Es ist jedoch ebenfalls möglich, auch die mittleren Traganordnungen 8', 9 mit
einer Rotorlagerung für
die Rotorachse 4 auszubilden, wenn die aus statischen Gründen vorteilhaft
sein sollte. Bei der hier zeichnerisch dargestellten Ausführungsform
lässt sich
der Windrotor 5 als vormontiertes Teilstück handhaben,
wie dies in 4 dargestellt ist.
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In
Abweichung zu dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsform
kann der Versatzwinkel der beiden Teilrotoren 6, 7 geändert werden,
um eine optimierte Ausbildung des Windrotors 5 zu ermöglichen.
Ist die optimierte Ausbildung für
bestimmte Größen eines
Windrotors 5 bezüglich
des Winkelversatzes zwischen den Teilrotoren 6, 7 gefunden,
können
die beiden Teilrotoren 6, 7 auch an einer gemeinsamen
mittleren Traganordnung befestigt sein, die in diesem Fall dann
als sechsarmiger Tragstern ausgebildet sein könnte.
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Während das
dargestellte Ausführungsbeispiel
einen Windrotor 5 mit zwei zueinander versetzten Teilrotoren 6, 7,
die jeweils drei Auftriebs-Flügelkörper 11, 11' aufwei sen,
zeigt, ist es ohne weiteres möglich,
eine weitere Optimierung des Windrotors 5 dadurch herbeizuführen, dass
mehr als zwei Teilrotoren 6, 7 verwendet werden
und dass die Teilrotoren 6, 7 auch mehr als drei
Auftriebs-Flügelkörper 11, 11' aufweisen.
Die hier dargestellte einfache Ausführungsform ist für die Leistungsklasse
5 bis 10 kW mit einem einfachen konstruktiven Aufwand erstellbar und
weist ein gutes Anlaufverhalten auch ohne Widerstandselemente eines
Widerstandsläufers
auf. Durch die fachwerkartige Ausbildung der Ausleger 10 der
Tragsterne ergibt sich eine hohe Stabilität bei möglichst geringer träger Masse.
Die Masseveringerung ist wichtig, um die Beschleunigungsarbeit beim Anlaufen
der Windkraftmaschine zu minimieren.