DE102009040467A1

DE102009040467A1 - Vorrichtung nach Art einer Windturbine

Info

Publication number: DE102009040467A1
Application number: DE102009040467A
Authority: DE
Inventors: Arthur Iwanow
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-09-08
Filing date: 2009-09-08
Publication date: 2011-03-10
Also published as: AU2010292640A1; US20120171011A1; WO2011029429A3; EP2475876A2; MX2012002867A; WO2011029429A2; CA2773560A1; BR112012005235A2

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung nach Art einer Windturbine zur Nutzbarmachung der in einem Luftstrom enthaltenen Energie, die ausgerüstet ist mit einem Rotorzylinder (2a) mit Laufschaufeln (2), mit einem den Rotorzylinder (2a) umschließenden feststehenden Leitzylinder (4a) mit Leitlamellen (4) und mit Fangflügeln (5), die auf die Leitlamellen (4) gerichtet sind, wobei die Fangflügel (5) in Anströmrichtung (A) von vorn nach hinten gestaffelt von Fangflügel (5) zu Fangflügel (5) weiter seitlich ausladend enden, sodass die Fangflügel (5) ihnen zugemessene Teilströme (5,12 bis 5,56) des anströmenden Luftstromes auffangen und zu den Leitlamellen (4) umleiten.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung nach Art einer Windturbine zur Nutzbarmachung der in einem Luftstrom enthaltenen Energie, die ausgerüstet ist mit einem inneren Rotorzylinder, der von der Luft beaufschlagte Laufschaufeln aufweist und dem Antreiben eines Stromerzeugers dient.
Derartige Vorrichtungen sind bekannt. Die DE 196 23 055 A1 beschreibt eine Windkraftanlage mit einem inneren Rotorzylinder mit Laufschaufeln, der von einem äußeren feststehenden Leitzylinder mit Leitlamellen umgeben ist. Die Windkraftanlage ist so in den Wind gestellt, dass der anströmende Luftstrom quer zur Rotorachse auf Leitlamellen trifft. Diese leiten die anströmende Luft zu den Laufschaufeln des Rotorzylinders und versetzen diesen in Bewegung. Die die Laufschaufeln des Rotorzylinders umgebenden Leitlamellen haben den Sinn, den Laufschaufeln die Luft in einem möglichst konstanten Anblaswinkel zuzuführen.
Bei den bekannten Vorrichtungen fließt alle Luft, die nicht direkt auf die gleichmäßige Zylinderwölbung trifft, ungenutzt ab.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung der bekannten Art derart zu verbessern, dass auch seitlich der Zylinderwölbung anströmender Luftstrom, der bisher seitlich ungenutzt wegfließt, zum Antreiben des Rotorzylindern genutzt wird. Dabei soll, soweit möglich, auch im Schatten hinter der Turbinenanordnung noch anströmende Luft aufgefangen werden.
Die gestellte Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst mit zwei Ausführungsvarianten, wie sie durch die unabhängigen Ansprüche näher beschrieben sind. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche oder nachfolgend beschrieben.
Die erste Ausführungsvariante besteht aus einer Vorrichtung nach Art einer Windturbine zur Nutzbarmachung der in einem Luftstrom enthaltenen Energie, mit einer walzenförmigen Windturbine, die ausgerüstet ist

– mit einem inneren Rotorzylinder, der von der Luft beaufschlagte Laufschaufeln aufweist und insbesondere dem Antreiben eines umlaufenden Stromerzeugers dient;
– mit einem den Rotorzylinder umschließenden feststehenden Leitzylinder, der ortsfeste Leitlamellen aufweist, die den ihnen zugeführten Luftstrom auf die Laufschaufeln des Rotorzylinders leiten; und
– mit Fangflügeln, die außerhalb der Leitlamellen des feststehenden Leitzylinders auf dessen Leitlamellen gerichtet sind,
– wobei die Fangflügel zu einem Schwenkzylinder gehören, mit dem sie in eine optimale Fangstellung schwenkbar sind, vorzugsweise zumindest teilweise entgegen dem anströmenden Luftstrom;
– wobei die Fangflügel in Anströmrichtung von vorn nach hinten gestaffelt von Fangflügel zu Fangflügel weiter seitlich ausladend enden, sodass die Fangflügel ihnen zugemessene Teilströme des anströmenden Luftstromes auffangen und zu den Leitlamellen umleiten und
– wobei die Fangflügel vorzugsweise auf beiden Seiten der vom Luftstrom angeströmten Zylinderwölbung die gleichen Ausrichtungen zum Luftstrom erfahren.

Diese Ausführungsvariante ist vornehmlich für einen Betrieb mit vertikal stehender Achse vorgesehen. Auch die seitlich der Windturbine anströmende Luft wird von den in Anströmrichtung weiter hinten getroffenen, immer weiter ausladenden Fangflügeln aufgefangen und den Laufschaufeln des Rotorzylinders zugeführt. Damit wird der Wind besser ausgenutzt.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass sich – in Anströmrichtung gesehen – hinter den Fangflügeln, die sich mit ihren ausladenden Endkanten am weitesten hinten befinden, vorzugsweise im Windschatten hinter der vollen Leitzylinderbreite, wo die Leitzylinderbreite in der Krümmung wieder kleiner wird, flächenmäßig und ausdehnungsmäßig noch ausgedehntere Abschlussfangflügel befinden. Diese Abschlussfangflügel sorgen für ein weiteres Einfangen seitlich fließender Luft.
Je weiter die Fangflügel und die Abschlussfangflügel über die größte seitliche Ausdehnung des Leitzylinders in den Windschatten nach hinten, also bei wieder kleiner werdender Leitzylinderbreite angeordnet sind, desto größer ist die eingefangene Luftmenge. Die Konstruktion soll so ausgebildet sein, dass die eingefangene Luft möglichst gleichmäßig auf alle angeströmten Leitlamellen verteilt ist.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass sich – in Anströmrichtung gesehen – die Abschlussfangflügel etwa bei einem Umfassungswinkel des Leitzylinders von 250 bis 350° befinden oder die Abschlussfangflügel sogar parallel zueinander ausgerichtet sind.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Abschlussfangflügel an ihren Außenseiten mit nach außen gebogenen Ausrichtflächen versehen sind, wodurch die Abschlussfangflügel die Funktion einer Ausrichtfahne übernehmen. Auf eine besondere Ausrichtfahne kann deshalb verzichtet werden.
Die zweite Ausführungsvariante besteht aus einer Vorrichtung nach Art einer walzenförmigen Windturbine zur Nutzbarmachung der in einem Luftstrom enthaltenen Energie, die ausgerüstet ist

– mit einem inneren Rotorzylinder, der von der Luft beaufschlagte Laufschaufeln aufweist und insbesondere zum Antreiben eines über die Rotorachse antreibbaren Stromerzeugers dient,
– mit einem den Rotorzylinder umschließenden feststehenden Leitzylinder, Leitlamellen umfasst, die den ihnen zugeführten Luftstrom auf die Laufschaufeln des Rotorzylinders leiten,
– mit feststehenden Fangflügeln, die außerhalb der Leitlamellen des feststehenden Leitzylinders auf die Leitlamellen gerichtet sind,
– wobei die Fangflügel in Anströmrichtung von vorn nach hinten gestaffelt von Flügel zu Flügel weiter seitlich ausladend enden und feststehend ausgebildet sind,
– mit zumindest einem schwenkbaren Luftleitkamm, der oberhalb oder unterhalb, bzw. vorzugsweise zwei Luftleitkämmen, die oberhalb und unterhalb der Fangflügel, jeweils relativ zur horizontalen Drehachse, in dem Bereich der in Anströmrichtung größten Zylinderwölbung bei zunehmendem Druck des anströmenden Luftstromes in Anströmrichtung weiter nach hinten, d. h. mit dem Luftstrom, verschwenken,
– wobei die Fangflügel vorzugsweise auf beiden Seiten der vom Luftstrom angeströmten Zylinderwölbung die gleichen Ausrichtungen zum Luftstrom haben.

Diese Ausführungsvariante ist insbesondere für einen Betrieb mit einer etwa horizontal verlaufenden Achse vorgesehen; sie eignet sich für eine Montage auf einem Dachfirst. Auch in diesem Fall wird die seitlich der Windturbine anströmende Luft von den in Anströmrichtung weiter hinten befindlichen Fangflügeln aufgefangen und über die Leitlamellen den Laufschaufeln des Rotorzylinders zugeführt. Der Wind wird besser ausgenutzt.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Fangflügel in dem von den Luftleitkämmen überstrichenen Bereich eine gleichbleibende Ausladung haben. Damit wird ein Luftverlust zwischen den Fangflügeln und den Luftleitkämmen vermindert.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Luftleitkämme so ausgebildet sind, dass sie bei geringem anströmenden Luftstrom mittels Rückführmechanismen selbsttätig in eine vertikale Stellung schwenken und bei stärker werdendem Luftstrom von diesem gedrückt nach hinten schwenken. Die Rückführmechanismen können mit Federausgleichvorrichtung oder nur mit Gegengewichten erfolgen.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die maximale Verschwenkung der Luftleitkämme nach hinten auf 220 bis 300° bemessen ist. Auch in diesem Fall kann also noch Luft eingefangen werden, die im Windschatten im Bereich der wieder kleiner werdenden Leitzylinderbreite auf diese trifft.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass sich etwa auf halber Länge der walzenförmigen Windturbine ein Kragen um diese erstreckt. Mit diesem Kragen kann die anströmende Luft, die nicht genau quer, sondern schräg zur Achse der Windturbine aufläuft, so gut wie möglich, aufgefangen und zum Antrieb ausgenutzt werden.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der äußere Kragenrand und die außen liegenden Kanten der Luftleitkämme gleichweit von der Turbinenachse entfernt vorgesehen sind.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Querschnitt des Kragens dem Querschnitt eines Tropfens entspricht, dessen Spitze auf die Rotorachse weist. Der Kragen hat eine Beschleunigungsfunktion für die auf ihn auftreffende Luft und verbessert so noch deren Einführung in den Rotorzylinder.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass oberhalb des oberen Luftleitkammes ein feststehender, dachförmiger Luftfangkamm vorgesehen ist. Dieser Luftfangkamm fängt die zwischen ihm und den Luftleitkämmen gefasste Luft ein und lenkt sie in den Leitzylinder und den Rotorzylinder um.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass sich an den Kopfseiten der Windturbine Abschlussdeckel befinden, die mit Schlitzen versehen sind, die sich zwischen der Achse und dem äußeren Turbinenrand erstrecken. Auch diese Schlitze dienen dazu, einen schräg anströmenden Luftstrom zu fassen und dem Rotorzylinder zuzuführen.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass durch die Schlitze von der Kopfseite einströmende Luft auf die Leitlamellen und das erste Drittel der Laufschaufeln trifft, wobei der volle Zutritt der Luft zu den Laufschaufeln mittels einer den Rotorzylinder abdeckenden Sperrplatte unterbunden ist.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass eine Verbindungslinie zwischen der äußeren Endkanten und inneren Endkanten der Laufschaufeln des Rotorzylinders, auf die die anströmende Luft trifft, mit der Verbindungslinie zur Rotorachse Winkel zwischen c1 gleich –20° und c2 gleich +30° einschließt. Das bedeutet, dass die innere Endkanten bis zu einem zu 0 werdendem Winkel c1 bis zur Mittellinie geschwenkt sein kann, wo er auf die Mittellinie fällt. Die innere Endkanten können aber mit zunehmendem Winkel c2 noch weiter rechts gelegt sein zu einem Endkantenpunkt auf der nach rechts geschwenkten Verbindungslinie.
Die inneren benachbarten Endkanten der Laufschaufeln liegen – gesehen von der Rotorachse 3 – um einen Winkel d zwischen 5° bis 35° auseinander.
Die äußeren Endflächen der Leitlamellen schließen mit der gedachten Verbindungslinie zur Rotorachse Winkel zwischen e1 gleich –30° und e2 gleich +65° ein.
Die innen gelegenen Luftaustrittskanten der Leitlamellen liegen – gesehen von der Rotorachse – um einen Winkel f von 5° bis 35° auseinander.
Die innen gelegenen Luftaustrittskanten und die außen gelegenen Lufteintrittskanten der Fangflügel liegen – gemessen von der Rotorachse – um einen Winkel h von 5° bis 35° auseinander.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass sie als Modul ausgebildet ist für eine Mehrfachanordnung in einer Reihe. Die Module sind dabei blockweise mit einem eigenen Generator versehen.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein zusammengeschalteter Block aus 4 bis 6 Modulen besteht, die auf einen eigenen Generator geschaltet sind.
Bei größer werdender Höhe ändern sich auch die Strömungsverhältnisse der Luft. Durch das Zusammenfassen mehrerer Module zu Blocks lässt sich ein wirtschaftlicher Betrieb erreichen.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
1 in schaubildlicher Explosionsdarstellung den Aufbau einer ersten Ausführungsvariante einer Vorrichtung nach der Erfindung zur Nutzbarmachung der in einem Luftstrom enthaltenen Energie mit drei übereinander um eine vertikale Achse angeordneten Luftführungszylindern, die sich aufteilen, in einen inneren, umlaufenden Rotorzylinder, bestehend aus Laufschaufeln, in einen den Rotorzylinder umgebenden feststehenden Leitzylinder, bestehend aus Leitlamellen und in einen die Leitlamellen des Leitzylinders umgebenden, als Schwenkeinheit ausgebildeten Fangzylinder, bestehend aus auf den Wind ausrichtbaren Fangflügeln, die in Anströmrichtung von vorn nach hinten gestaffelt von Flügel zu Flügel weiter seitlich ausladend enden, sodass die Fangflügel ihnen zugemessene Teilströme des anströmenden Luftstromes auffangen und über die Leitlamellen den Laufschaufeln zuleiten,
2 schaubildlich und ineinander gesetzt die drei in 1 übereinander dargestellten Luftführungszylinder mit den inneren Laufschaufeln, mit den darum angeordneten Leitlamellen und mit den wiederum darum angeordneten Fangflügeln,
3 eine Draufsicht auf die Anordnung nach 2 mit den zwei ineinander gesetzten Luftführungszylindern und dem Rotorzylinder,
3a eine aus 3 herausgezogene vergrößerte Darstellung möglicher Winkelstellungen der innen gelegenen Laufschaufelkanten gegenüber der Radialen zur Rotorachse,
3b eine aus 3 herausgezogene vergrößerte Darstellung möglicher Winkelstellungen der Leitlamellen gegenüber der Radialen zur Rotorachse,
4 schaubildlich den Aufbau einer zweiten Ausführungsvariante der Vorrichtung nach der Erfindung nach Art einer walzenförmigen Windturbine zur Nutzbarmachung der in einem Luftstrom enthaltenen Energie mit einer horizontalen Achse, die mehrteilig aufgebaut ist aus:
einem inneren umlaufenden Rotorzylinder mit Laufschaufeln, die die Energie des Luftstromes umwandeln in Drehenergie, die eine Generatorwelle in Umlauf versetzt, einem den Rotorzylinder umgebenden feststehenden Leitzylinder mit Leitlamellen und einem den feststehenden Leitzylinder umgebenden feststehenden Fangzylinder, die in Anströmrichtung von vorn nach hinten gestaffelt von Fangflügel zu Fangflügel weiter seitlich ausladend enden, sodass die Fangflügel ihnen zugemessene Teilströme des anströmenden Luftstromes auffangen und über die Leitlamellen den Laufschaufeln zuleiten, und mit Luftleitkämmen, die in der anströmenden Luft teilweise verschwenken können bei im Wind weggeschwenkter Stellung,
5 schaubildlich den Aufbau nach 4 mit den Luftleitkämmen in einer Mittelstellung bei geringem Wind,
6 schaubildlich einen seitlichen Abschlussdeckel der Vorrichtung nach den 4 und 5,
7 eine schaubildliche Darstellung der Vorrichtung nach den 4 und 5 bei entferntem Abschlussdeckel,
8 einen Schnitt durch einen Kragen, der sich in der axialen Mitte um die Windturbine erstreckt.
Die Vorrichtung nach der Erfindung ist realisiert mit zwei in den Zeichnungen dargestellten Betriebsformen von Windturbine.
Die erste Variante 1 der Vorrichtungen nach der Erfindung ist in den 1 bis 3 zum Betrieb in vertikaler Achslage ausgelegt und dargestellt. 1 zeigt den Aufbau anhand von Luftführungszylindern und zwar dem Rotorzylinder 2a, Leitzylinder 4a und dem Fangzylinder 5a, die schaubildlich in Explosionsansicht übereinander dargestellt sind. Von den Zylindern 2a, 4a und 5a sind der Übersichtlichkeit wegen nur die Laufschaufeln 2, die Leitlamellen 4 und die Fangflügel 5 dargestellt.
Alle Luftführungszylindern 2a, 4a und 5a gruppieren sich um die Rotorachse 3 der Vorrichtung.
Unter den oben dargestellten Laufschaufeln 2 des Rotorzylinders 2a sind die zu dem Leitzylinder 4a gehörigen Leitlamellen 4 dargestellt.
Unter den zum Leitzylinder 4a gehörigen Leitlamellen 4 ist wieder mit größerem Durchmesser der Fangzylinder 5a mit Fangflügeln 5 dargestellt. Dieser Fangzylinder mit seinen Fangflügeln 5 hat eine Besonderheit: Er ist schwenkbar und richtet sich im anströmenden Luftstrom so aus, dass sich die Fangflügel 5 beiderseits der Rotorachse 3 auf die gleiche Stellung gegen den Luftstrom einstellen.
Während die Außenkanten 6a aller Laufschaufeln 2 einerseits und die Außenkanten 7 aller Leitlamellen 4 andererseits satzweise je für sich alle die gleichen Abstände von der Rotorachse 3 haben, haben die äußeren Endkanten 8 der Fangflügel 5 alle unterschiedliche Abstände von der Rotorachse 3. Und zwar enden die die Fangflügel 5 in Anströmrichtung von vorn nach hinten gestaffelt von Fangflügel 5,1 zu Fangflügel 5,2 usw. weiter seitlich ausladend, sodass die Fangflügel 5 ihnen zugemessene Teilluftströme 5,12, 5,23 usw. des anströmenden Luftstromes auffangen und zu den Leitlamellen 4 und Laufschaufeln 2 umleiten. Die Teilströme sind in 3 deutlicher beschrieben.
In 2 sind die Luftführungszylinder 2a, 4a und 5a ineinander geschoben. Es ist zu erkennen, dass sich – in Anströmrichtung gesehen – hinter den Fangflügeln 5,5, im Windschatten hinter der vollen Turbinenbreite B, wo die Turbinenbreite in der Krümmung wieder kleiner wird, flächenmäßig und ausdehnungsmäßig noch ausgedehntere Abschlussfangflügel 5,6 befinden. Diese Abschlussfangflügel 5,6 sind an ihren Außenseiten mit nach außen gebogenen Ausrichtflächen 9 versehen, wodurch die Abschlussfangflügel 5,6 die Funktion einer Ausrichtfahne übernehmen. Die Abschlussfangflügel 5,6 befinden sich – von der Anströmseite A her gesehen (3) – etwa bei einem Umfassungswinkel des Leitzylinders von ca. +/–270 Winkelgraden. Eine Richtfahne 10 vorhanden sein oder eingespart werden.
Die Abschlussfangflügel 5,6 haben in der Anströmrichtung A eine größere Tiefe T, sodass die Ausrichtflächen 9 in Anströmrichtung A nicht frei enden, sondern in die Abschlussfangflügel 5,6 eingebunden sind.
Die Rückseiten 5r sind so nach innen gewölbt, dass sie eine Unterdruckbildung auf der Rückseite 28 der Vorrichtung 1 fördern. Ein Unterduck auf der Rückseite 28 beschleunigt das Abfließen der Luft und damit zugleich einen besseren Luftdurchsatz.
3 zeigt die Variante 1 der Vorrichtung in Draufsicht. Man sieht innen die Laufschaufeln 2 des Rotorzylinders 2a. Um dies gruppieren sich die Leitschaufeln 4 des Leitzylinders 4a. Wiederum darum gruppieren sich die Fangflügel 5 des Fangzylinders 5a.
Die äußeren Endkanten 8 der Fangflügel 5 laden von der Anströmseite A nach rechts und links seitlich immer weiter aus von vorn nach hinten gestaffelt von Fangflügel 5 zu Fangflügel 5, sodass die Fangflügel 5 die ihnen zugemessenen Teilströme 5,12; 5,23; 5,34; 5,45; 5,56 des anströmenden Luftstromes auffangen und zu den Leitlamellen 4 und den Leitschaufeln 2 umleiten. Die Breite der Teilströme 5,12 bis 5,56 kann verändert werden für eine optimale Ausnutzung des Luftstromes. Zwischen den sich von Fangflügel 5 zu Fangflügel 5 verlängernden Fangflügeln 5 sind Fangflügel 5M vorgesehen, die sich nicht kontinuierlich verlängern. Es wechseln sich kürzere und längere Fangflügel 5 und 5M ab.
Die sich von Fangflügel 5 zu Fangflügel 5 kontinuierlich verlängernden Fangflügel 5,4; 5,5; 5,6 sind entgegen der Anströmrichtung A teilweise abgeknickt, um die Luft bessern zu fangen.
Dieses Aufteilen und Leiten von Teilströmen gilt für beide Varianten der Vorrichtung nach der Erfindung.
Bei allen Turbinen sind die Formen der Laufschaufeln und deren Anordnung gegeneinander von Bedeutung. Bei der Windturbine nach der Erfindung, und zwar bei beiden Varianten sind, deshalb besondere Winkelstellung bevorzugt. 3a zeigt vergrößert die Winkelstellungen bei den Laufschaufeln 2. Eine Verbindungslinie 6b zwischen der äußeren Endkanten 6a und inneren Endkanten 6 der Laufschaufeln 2 des Rotorzylinders 2a, auf die die anströmende Luft trifft, schließt mit der Verbindungslinie 11 zur Rotorachse 3 Winkel zwischen c1 gleich –20° und c2 gleich +30°.
Das bedeutet, dass die innere Endkanten 6 bis zu einem zu 0 werdenden Winkel c1 bis zur Mittellinie 11 geschwenkt sein kann, wo er auf die Mittellinie 11 fällt. Die innere Endkanten 6 kann aber mit zunehmendem Winkel c2 noch weiter rechts gelegt sein zu einem Endkantenpunkt 6' auf der weiter nach rechts geschwenkten Verbindungslinie 6b.
Die inneren benachbarten Endkanten 6 der Laufschaufeln 2 liegen – gesehen von der Rotorachse 3 – um einen Winkel d zwischen 5° bis 35° auseinander.
Wie die vergrößerte Darstellung nach 3b zeigt, schließen die äußeren Endflächen 14 der Leitlamellen 4 mit der gedachten Verbindungslinie 15 zur Rotorachse 3 Winkel zwischen e1 gleich –30° und e2 gleich –65° ein.
Die innen gelegenen Luftaustrittskanten 12 der Leitlamellen 4 liegen – gesehen von der Rotorachse 3 um einen Winkel f von 5° bis 35° auseinander.
Die innen gelegenen Luftaustrittskanten 16 und die außen gelegenen Lufteintrittskanten 17 der Fangflügel 5 liegen – gemessen von der Rotorachse 3 – um einen Winkel h von 5° bis 35° auseinander.
In 4 bis 8 ist die zweite Variante 20 der Windturbine nach der Erfindung dargestellt. Der Rotorzylinder 2a mit seinen Laufschaufeln 2 und der Leitzylinder 4a mit seinen Leitlamellen 4 entsprechen denen der 1 bis 3. Die Variante 20 der Windturbine nach der Erfindung hat eine Walzenform und ist für einen Betrieb mit horizontaler Rotorachse 3 ausgelegt. Vornehmlich eignet sie sich für den Betrieb auf einem Dachfirst 21. Unterschiedlich gegenüber der ersten Variante nach den 1 bis 3 ist der Aufbau der sich um den Leitzylinder gruppierenden Luftfangeinrichtung, bestehend aus den Fangflügeln 5, Luftleitkämmen 22 und 23, einem Luftfangkamm 24 und einem sich um die Mitte 25 der walzenförmigen Windturbine erstreckenden Kragen 26. Die Fangflügel 5 haben in dem zuerst angeblasenen Anströmrichtung A, wo die Luft zuerst auf die Windturbine 20 trifft, Flügellängen zunehmender Länge wie bei der Variante nach 1 bis 3. Die äußeren Endkanten 8 der Fangflügel 5 haben dabei unterschiedliche Abstände von der Rotorachse 3. Die Fangflügel 5 enden in Anströmrichtung von vorn nach hinten gestaffelt von Fangflügel 5,1 zu Fangflügel 5,2, 5,3 weiter seitlich ausladend.
Oben und unten haben die Fangflügel 5K die gleiche Länge und enden gleich weit von der Rotorachse 3. Die plattenförmigen Luftfangkämme 22 und 23 sind um die Rotorachse 3 schwenkbar angeordnet; sie stellen sich unbelastet oder wenig vom Luftstrom getroffen in vertikale Stellungen ein. Dies ist aus 5 zu ersehen. Die Rückstellmechanismen können mit Federausgleich oder Gegengewichten arbeiten. Wenn der anströmende Wind zunimmt, dann weichen sie nach hinten aus, wie es in 4 und 7 dargestellt ist. Der größte Verschwenk- oder Umschlingungswinkel beträgt von vorn gesehen ca. +–240 Winkelgrade. 7 zeigt, dass die Luftfangkämme 22 und 23 beim Verschwenken mit geringem Abstand über die Fangflügel 5K hinweg streichen.
Der anströmende Luftstrom trifft von unten her über den Dachfirst 21 auf die Zylinderwölbung 36 der Windturbine 20. Der Luftfangkamm 22 unterstützt dabei das Einleiten der Luft in den Leitzylinder 4a und den Rotorzylinder 2a. Oben wird der Luftstrom abgefangen von dem Luftfangkamm 23 und dem oberen Luftleitkamm 24. Beim Verschwenken streicht der Luftfangkamm 23 unter dem dachförmigen Luftleitkamm 24 entlang.
Es kann sein, dass die Luft nicht mehr oder weniger quer zur Achslage der Vorrichtung auf diese trifft, sondern schräg. Um in diesem Fall auch möglichst viel Luft einzufangen, ist der Kragen 26 in der Mitte 25 der Windturbine 20 vorgesehen. Wie aus 8 zu sehen ist, hat der Kragen 26 im Querschnitt 27 die Form eines Tropfens mit der Spitze 27a zur Rotorachse 3. Wenn die Luft schräg auf die Windturbine 20 auftrifft, dann fängt der Kragen 26 den vor dem Kragen 26 anströmenden Luftteil auf. Der tropfenförmige Querschnitt 27 leitet die Luft unter Strömungsbeschleunigung den Zylindern 4a und 2a zu.
Der äußere Kragenrand 33 und die außen liegenden Kanten 34 der Luftleitkämme 22 und 23 sind gleichweit von der Rotorachse 3 entfernt vorgesehen sind.
Wenn sich die Anströmrichtung des Windes dreht und der Windeinfall damit schräg zur Rotorachsrichtung erfolgt, dann fangen der Kragen 26 und der jeweilige Abschlussdeckel 30 den Wind mit ein. Diese Abschlussdeckel 30 sind mit schrägen Schlitzen 31 in Richtung der Laufrichtung des Rotors versehen. die sich zwischen der Rotorachse 3 und dem äußeren Turbinenrand 32 erstrecken.
Die durch die Schlitze 31 von der Kopfseite 29 einströmende Luft trifft auf die Leitlamellen 4 und das erste Drittel der Laufschaufeln. Wie 6 zeigt ist der volle Luftzutritt zu den Laufschaufeln 2 unterbunden mittels einer den Rotorzylinder 2a teilweise abdeckenden Sperrplatte 35. Auch die durch die Schlitze 31 des Abschlussdeckels 30 eintretende Luft kann also für den Antrieb des Rotorzylinders 2a benutzt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19623055 A1 [0002]

Claims

Vorrichtung nach Art einer Windturbine zur Nutzbarmachung der in einem Luftstrom enthaltenen Energie aufweisend – einen inneren Rotorzylinder (2a), der von der Luft beaufschlagte Laufschaufeln (2) aufweist, die sich um eine Achse (3) drehen und diese antreiben, – einen den Rotorzylinder (2a) umschließenden feststehenden Leitzylinder (4a), aufweisend sich nicht um die Achse (3) drehende Leitlamellen (4), die den ihnen zugeführten Luftstrom auf die Laufschaufeln (2) des Rotorzylinders (2a) leiten, – Fangflügel (5), die außerhalb der Leitlamellen (4) des feststehenden Leitzylinders (4a) auf dessen Leitlamellen (4) gerichtet sind, – wobei die Fangflügel (5) zu einem Schwenkzylinder (5a) gehören, mit dem sie in eine von der Windrichtung bestimmte Fangstellung schwenkbar sind, und – wobei die Fangflügel (5) in Anströmrichtung zumindest zum Teil von vorn nach hinten gestaffelt von Fangflügel (5) zu Fangflügel (5) weiter seitlich ausladend enden, sodass die Fangflügel (5) ihnen zugemessene Teilströme (5,12 bis 5,56) des anströmenden Luftstromes auffangen und zu den Leitlamellen (4) umleiten.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich – in Anströmrichtung gesehen – hinter den Fangflügeln (5,6), die sich mit ihren ausladenden Endkanten (9) am weitesten hinten befinden, vorzugsweise im Windschatten hinter der vollen Leitzylinderbreite (B), wo die Leitzylinderbreite in der Krümmung wieder kleiner wird, flächenmäßig und ausdehnungsmäßig noch ausgedehntere Abschlussfangflügel (5,6) befinden.
Vorrichtung nach einem oder beiden der Ansprüche 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich – in Anströmrichtung gesehen – die Abschlussfangflügel (5,6) etwa bei einem Umfassungswinkel des Leitzylinders von 250 bis 350° befinden oder die Abschlussfangflügel sogar parallel zueinander ausgerichtet sind und/oder unabhängig hiervon, wobei die Fangflügel (5) auf beiden Seiten der vom Luftstrom angeströmten Zylinderwölbung (36) die gleichen Ausrichtungen zum Luftstrom haben.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschlussfangflügel (5,6) an ihren Außenseiten mit nach außen gebogenen Ausrichtflächen (9) versehen sind, wodurch die Abschlussfangflügel (5,6) die Funktion einer Ausrichtfahne (10) übernehmen.
Vorrichtung nach Art einer walzenförmigen Windturbine zur Nutzbarmachung der in einem Luftstrom enthaltenen Energie aufweisend – einen inneren Rotorzylinder (2a), der von der Luft beaufschlagte Laufschaufeln (2) aufweist, die sich um eine Achse (3) drehen und diese antreiben, – einen den Rotorzylinder (2a) umschließenden feststehenden Leitzylinder (4a) aufweisend sich nicht um die Achse (3) drehende Leitlamellen (4), die den ihnen zugeführten Luftstrom auf die Laufschaufeln (2) des Rotorzylinders (2a) leiten, – feststehende Fangflügel (5) die außerhalb der Leitlamellen (4) des feststehenden Leitzylinders (4a) auf dessen Leitlamellen (4) gerichtet sind, – wobei die Fangflügel (5) in Anströmrichtung zumindest teilweise von vorn nach hinten gestaffelt von Fangflügel (5) zu Fangflügel (5) weiter seitlich ausladend enden, und – schwenkbare Luftleitkämme (22, 23), die oberhalb und unterhalb der Fangflügel (5) in dem Bereich der in Anströmrichtung größten Zylinderwölbung (36) bei zunehmendem Druck des anströmenden Luftstromes in Anströmrichtung weiter nach hinten verschwenkbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Fangflügel (5k) in dem von den Luftleitkämmen (22, 23) überstrichenen Bereich eine gleichbleibende Ausladung haben und/oder wobei die Fangflügel (5) auf beiden Seiten der vom Luftstrom angeströmten Zylinderwölbung (36) die gleichen Ausrichtungen zum Luftstrom haben.
Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftleitkämme (22, 23) so ausgebildet sind, dass sie bei geringem anströmenden Luftstrom mittels Rückführmechanismen selbsttätig in eine vertikale Stellung schwenken und bei stärker werdendem Luftstrom von diesem gedrückt nach hinten schwenken.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die maximale Verschwenkung der Luftleitkämme (22, 23) nach hinten auf 220 bis 300° Winkelgrad bemessen ist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass sich etwa auf ¼ bis ¾ der Länge, insbesondere etwa halber Länge, der walzenförmigen Windturbine ein Kragen (26) um diese erstreckt.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der äußere Kragenrand (33) und die außen liegenden Kanten (34) der Luftleitkämme (22, 23) gleichweit von der Rotorachse (3) entfernt angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt (27) des Kragens (26) dem Querschnitt eines Tropfens entspricht, dessen Spitze (27a) zur Rotorachse (3) weist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass oberhalb des oberen Luftleitkammes (23) ein feststehender, dachförmiger Luftfangkamm (24) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass sich an den Kopfseiten (29) der Windturbine Abschlussdeckel (30) befinden, die mit schrägen Schlitzen (31) in Richtung der Laufrichtung des Rotorzylinders (2a) versehen sind, die sich zwischen der Rotorachse (3) und dem äußeren Turbinenrand erstrecken.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Schlitze (31) von der Kopfseite (29) einströmende Luft auf die Leitlamellen (4) und das erste Drittel der Laufschaufeln (2) trifft, wobei der volle Zutritt der Luft zu den Laufschaufeln (2) mittels einer den Rotorzylinder (2a) abdeckenden Sperrplatte (35) unterbunden ist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verbindungslinie (6c) zwischen der äußeren Endkanten (6a) und inneren Endkanten (6) der Laufschaufeln (2) des Rotorzylinders (2a), auf die die anströmende Luft trifft, mit der Verbindungslinie (11) zur Rotorachse (3) Winkel zwischen c1 gleich –20° und c2 gleich +30° einschließt.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die inneren benachbarten Endkanten (6) der Laufschaufeln (2) – gesehen von der Rotorachse (3) – um einen Winkel d zwischen 5° bis 35° auseinander liegen.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die äußeren Endflächen (14) der Leitlamellen (4) mit der gedachten Verbindungslinie (15) zur Rotorachse (3) Winkel zwischen e1 gleich –30° und e2 gleich –65° einschließen.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die innen gelegenen Luftaustrittskanten (12) der Leitlamellen (4) – gesehen von der Rotorachse (3) – um einen Winkel f von 5° bis 35° auseinander liegen.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die innen gelegenen Luftaustrittskanten (16) und die außen gelegenen Lufteintrittskanten (17) der Fangflügel (5) – gemessen von der Rotorachse (3) – um einen Winkel h von 5° bis 35° auseinander liegen.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung als Modul ausgebildet ist für eine Mehrfachanordnung in einer Reihe.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Module blockweise mit einem eigenen Generator versehen sind.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein zusammengeschalteter Block beispielsweise aus 4 bis 6 Modulen besteht, die auf einen eigenen Generator geschaltet sind.