DE102013226174A1

DE102013226174A1 - Rotor für eine Windkraftanlage

Info

Publication number: DE102013226174A1
Application number: DE102013226174.8A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Büdenbender; Ingo Wagner
Original assignee: WWT Rotorenbau GmbH
Current assignee: WWT Rotorenbau GmbH
Priority date: 2013-02-18
Filing date: 2013-12-17
Publication date: 2014-08-21
Also published as: WO2014124717A1

Abstract

Der Rotorkörper (20) weist insgesamt sechs gebogene, starre, dünne Flügel (26) auf, von denen drei zu einer oberen Dreiergruppe (27) und drei zu einer unteren Dreiergruppe (29) zusammengefasst sind. Jeder Flügel (26) ist von einem Rotationskörper, insbesondere einer Kugel, begrenzt und hat eine konkave Innenfläche sowie eine konvexe Außenfläche. Jeder Flügel (26) ist durch drei Seitenkanten begrenzt, nämlich einer Drehachsenkante, die entlang der Drehachse (24) verläuft, einer freien Kante (32) und einer verbundenen Kante (34), die mit einem Flügel (26) der anderen Dreiergruppe entlang einer Verbindungslinie (43) verbunden ist, welche sich auf der konvexen Außenfläche des Flügels (26) der anderen Dreiergruppe befindet. Die drei Flügel (26) jeder Dreiergruppe sind jeweils um 120° um die Drehachse (24) versetzt angeordnet und die beiden Dreiergruppen sind um die 60° zueinander versetzt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Rotor für eine Windkraftanlage, der Rotor hat eine Drehachse und einen Rotorkörper, der Rotorkörper ist um die Drehachse drehbar.
Ein derartiger Rotor ist aus der DE 10 2008 054 126 A1 bekannt. Der vorbekannte Rotor hat insgesamt zwölf Flügel, die jeweils eine konkave und eine konvexe Fläche haben. Die Flügel sind Kugelschalensegmente. Der Rotor hat einen oberen und einen unteren Kappenbereich. Die beiden Kappenbereiche sind im Wesentlichen baugleich. Jeder Kappenbereich weist jeweils drei baugleiche Kappenflügel auf. Zwischen den beiden Kappenbereichen befindet sich ein Mittelbereich, er weist drei erste Flügel und drei zweite Flügel auf. Dieser Rotor hat sich grundsätzlich bewährt. Ein gewisser Nachteil ist in seinem Aufbau aus insgesamt zwölf Teilen und drei unterschiedlichen Arten von Flügeln zu sehen. Auch der Wirkungsgrad könnte besser sein und sollte verbessert werden.
Derartige Rotoren sind windrichtungsunabhängig. Sie müssen nicht in den Wind gedreht werden. Ihre Rotationsachse verläuft normalerweise vertikal, sie kann aber auch horizontal oder in beliebigen Zwischenstellungen angeordnet sein.
Zur Umwandlung von Windenergie in mechanische Energie sind derartige Rotoren vorteilhaft und bekannt. Mechanische Energie kann vom Rotor in geeigneter Weise abgegriffen werden, beispielsweise kann er mit einem Generator verbunden sein, der elektrische Energie liefert.
Bei den hier relevanten Rotoren handelt es sich um Rotationskörper. Die Flügel sich schaufelartig um die Rotationsachse angeordnet. Die Flügel sind miteinander verbunden, sodass ein formsteifes Gebilde erreicht wird, das widerstandsfähig ist. Dies ist im Gegensatz zu den häufig anzutreffenden Windkraftanlagen mit zwei oder drei Propellerblättern, die sich um eine Nabe drehen. Letztere müssen in die Windrichtung gedreht werden, was bei den Rotoren der eingangs genannten Art nicht der Fall ist.
Die Entwicklung von Windkraftanlagen geht dahin, die Fertigung der Rotoren zu vereinfachen, ihr Gewicht und insbesondere ihr Trägheitsmoment zu verringern und den mechanischen Gesamtwirkungsgrad zu erhöhen. Die Rotoren sollen mechanisch fest sein. Die Rotoren sollen möglichst auch bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten des Windes betrieben werden können. Es soll möglichst kein Abschalten bei hohen Windgeschwindigkeiten notwendig sein. So ist es beispielsweise bekannt, dass Auftriebsläufer bei einer Windgeschwindigkeit von etwa 16 m/s abgeschaltet werden müssen. Die dann vorliegenden Windenergien gehen für die Umwandlung in elektrische Energie verloren.
Ziel ist es, einen Rotor zu schaffen, der in unterschiedlichen Größen hergestellt werden kann. Bei kleinen Größen ist eine Fertigung eines einstückigen Rotors, beispielsweise im Spritzgußverfahren aus Kunststoff, angestrebt. Bei größeren Ausführungen sollen die einzelnen Flügel zusammengesetzt und so der Rotor hergestellt werden.
Die vorliegende Erfindung verfolgt die Absicht, den Rotor auch in oder in Nähe von Wohngebieten aufstellen zu können. Die Vorteile von Widerstandsläufern und Auftriebsläufern sollen vereint und die Nachteile von Widerstandsläufern sowie diejenigen von Auftriebsläufern sollen minimiert werden.
Um die Wartungskosten zu minimieren, sollte der Rotor robust, sturmsicher, schwingungsarm und einfach zu transportieren und zu installieren sein. Um eine möglichst hohe Umweltverträglichkeit zu erreichen, sollte der Rotor möglichst ungefährlich für Mensch und Tier sein, geringer Lärmemission verursachen, keine periodischen Schlagschatten werfen, wie dies für Windanlagen mit Propellern bekannt ist, und beliebig aufstellbar sein.
Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, den Rotor nach der DE 10 2008 054 126 A1 dahingehend weiterzubilden, dass er einfacher zu realisieren ist, einen höheren Wirkungsgrad hat, sich für kleine und große Ausführungen eignet und entsprechend realisieren lässt und einen verbesserten Wirkungsgrad aufweist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Rotor für eine Windkraftanlage mit einem Drehlager, das eine Drehachse definiert, und einem Rotorkörper, der Rotorkörper und dass Drehlager sind um die Drehachse drehbar, der Rotorkörper weist insgesamt sechs gebogene, starre, dünne Flügel auf, von denen drei zu einer oberen Dreiergruppe und drei zu einer unteren Dreiergruppe zusammengefasst sind, wobei jeder Flügel von einem Rotationskörper, insbesondere einer Kugel begrenzt ist und eine konkave Innenfläche sowie eine konvexe Außenfläche aufweist, jeder Flügel durch drei Seitenkanten begrenzt ist, nämlich einer Drehachsenkante, die entlang der Drehachse verläuft, einer freien Kante und einer verbundenen Kante, die mit einem Flügel der anderen Dreiergruppe entlang einer Verbindungslinie verbunden ist, welche sich auf der konvexen Außenfläche des Flügels der anderen Dreiergruppe befindet, und wobei die drei Flügel jeder Dreiergruppe jeweils um 120° um die Drehachse versetzt angeordnet sind und die beiden Dreiergruppen um die 60° zueinander versetzt sind.
Dieser Rotorkörper kann zusammen mit seinem Drehlager einstückig im Spritzgußverfahren hergestellt werden. Dann genügt es, das Drehlager durch zwei endseitige Stutzen zu realisieren. Einer der endseitigen Stutzen ist der oberen Endebene zugeordnet, der andere der unteren Endebene. Die beiden Stutzen sind jeweils zentrisch zur Drehachse.
Der Rotor kann aber auch aus einzelnen Flügeln und einem vorzugsweise als Rohrstück ausgebildeten Drehlager ausgeführt sein. Diese Konstruktion eignet sich insbesondere für größere Rotoren. Es werden sechs vorzugsweise baugleiche Flügel an dem Rohrstück befestigt. Das Rohrstück erstreckt sich vorzugsweise von der oberen Endebene bis zur unteren Endebene. Der Abstand der oberen Endebene zur unteren Endebene ist die axiale Höhe des Rotors.
Die Flügel sind jeweils einfach gebogene dünne Flächenteile. Dünn bedeutet hier, dass die Materialstärke deutlich geringer ist als die Länge einer Kante, insbesondere mindestens zwanzig Mal kleiner als die Länge einer Kante ist.
Vorzugsweise haben die Flügel über ihre gesamte Fläche gesehen konstante Dicke. Es ist aber auch möglich, die Dicke der Flügel zu variieren. So können die Flügel beispielsweise eine von der Drehachse nach außen hin kontinuierlich abnehmende Dicke aufweisen. Sie können eine Querschnittsform aufweisen, die konkav, konkav eben, konkav konvex oder anderweitig verläuft.
Jeder einzelne Flügel einer Dreiergruppe ist mit zwei weiteren Flügeln der anderen Dreiergruppe in fester Verbindung. Betrachtet man einen Flügel der oberen Dreiergruppe und folgt man dessen freier Kante, so kommt man ausgehend von der oberen Endebene zunächst an eine T-Kreuzung. An dieser stößt in einem Winkel, vorzugsweise in einem etwa rechten Winkel, ein erster Flügel der unteren Dreiergruppe an den betrachteten Flügel der oberen Dreiergruppe. Dabei läuft die freie Kante des betrachteten Flügels durch (bildet den T-Balken), der erste Flügel kommt von der Seite (und bildet den T-Stiel). Beide Flügel sind entlang einer Verbindungslinie miteinander verbunden. Die Verbindungslinie befindet sich auf einer konkaven Außenfläche des betrachteten Flügels der oberen Dreiergruppe. Die T-Kreuzung kann vorzugsweise etwa auf der Mitte bis plus/minus 30 % des Verlaufs der freien Kante des betrachteten Flügels der oberen Dreiergruppe liegen. Am unteren Ende seiner freien Kante stößt der betrachtete Flügel der oberen Dreiergruppe seinerseits auf die konvexe Außenfläche eines zweiten Flügels der unteren Dreiergruppe, der dem ersten Flügel der unteren Dreiergruppe unmittelbar benachbart ist. Dort wird eine weitere T-Kreuzung, untere T-Kreuzung genannt, gebildet. Der betrachtete Flügel der oberen Dreiergruppe stößt hier in einem Winkel, vorzugsweise etwa rechtwinklig, auf den zweiten Flügel der unteren Dreiergruppe. Dabei endet die freie Kante des betrachteten Flügels durch (bildet den T-Stiel), die freie Kante des zweiten Flügels der unteren Dreiergruppe läuft durch (und bildet den T-Balken). Der zweite Flügel der unteren Dreiergruppe ist über eine Verbindungslinie mit dem betrachteten Flügel der oberen Dreiergruppe verbunden, die Verbindung erfolgt entlang der verbundenen Kante dieses betrachteten Flügels der oberen Dreiergruppe. Dabei bilden der betrachtete Flügel der oberen Dreiergruppe und der erste und zweite Flügel der unteren Dreiergruppe eine Innenecke, in diesem Falle eine untere Innenecke, aus. An dieser treffen sich in jeweils einem Winkel erstens die Verbindungslinie zwischen dem betrachteten Flügel der oberen Dreiergruppe und dem ersten Flügel, zweitens die Verbindungslinie zwischen dem betrachteten Flügel der oberen Dreiergruppe und dem zweiten Flügel der unteren Dreiergruppe und drittens eine Naht. Entlang der Naht ist ein kurzes Teilstück der Drehachsenkante des ersten Flügels der unteren Dreiergruppe mit der Fläche des zweiten Flügels dieser unteren Dreiergruppe verbunden.
Es werden insgesamt drei untere Innenecken und drei obere Innenecken gebildet. Mittels einer Naht ist jeder Flügel einer Dreiergruppe unmittelbar mit einem benachbarten Flügel derselben Dreiergruppe, und zwar der konvexen Fläche dieses benachbarten Flügels, verbunden. Die Flügel jeder Dreiergruppe sind einerseits entlang eines ersten Teils ihrer Drehachsenkante mit dem Drehlager verbunden und andererseits entlang eines zweiten Teils ihrer Drehachsenkante mit einer konvexen Außenfläche eines benachbarten Flügels derselben Dreiergruppe verbunden. Durch die beschriebenen vielfachen Verbindungen der Flügel miteinander erhält der Rotorkörper eine hohe Steifigkeit. Dies wird auch bedingt durch die schalenförmige Ausbildung der einzelnen Flügel. Die Flügel haben in sich eine Formstabilität.
Die einzelnen Flügel jeder Dreiergruppe sind gleich verteilt um die Drehachse am Drehlager angeordnet. Es ergibt sich ein Teilungswinkel von 120°. Die beiden Dreiergruppen sind um 60° um die Drehachse zueinander versetzt angeordnet.
Der Verlauf der Drehachsenkante wird der jeweiligen Ausbildung des Drehlagers angepasst. Ist das Drehlager beispielsweise ein von der oberen Endebene zur unteren Endebene durchlaufendes zylindrisches Rohrstück, so wird die Drehachsenkante in Anpassung an den Außendurchmesser dieses Rohrstücks ausgebildet. Besteht das Drehlager dagegen aus zwei kürzeren, endseitigen Stutzen und ist der axiale Bereich zwischen diesen Stutzen ohne Drehlager ausgebildet, so wird die Drehachsenkante lediglich über die axiale Länge dieser Stutzen den Stutzen angepasst, danach wird sie an die anderen Flügel angepasst, sodass diese miteinander verbunden sind.
Ein Flügel einer Dreiergruppe zusammen mit einem axial um plus 60° gegenüber diesem versetzen Flügel der anderen Dreiergruppe und einem um minus 60° gegenüber diesem versetzen Flügel der anderen Dreiergruppe begrenzen jeweils eine Kammer. Insgesamt sind sechs Kammern vorhanden. Die Kammern werden nach außen hin durch die freien Kanten der betrachteten drei Flügel begrenzt. Sie sind zur Drehachse hin dicht. Dies bedeutet, dass die Kammern lediglich von außen zugänglich sind. Jede Kammer wird nach innen hin durch die beschriebenen drei Flügel begrenzt und abgeschlossen. Die Kammer wird dadurch gebildet, dass die drei Flügel miteinander verbunden sind.
Die einzelnen Flügel sind vorzugsweise annähernd dreidimensionale Dreiecke, insbesondere sphärische Dreiecke. Sie sind jeweils durch eine freie Kante, eine verbundene Kante und eine Drehachsenkante begrenzt, siehe 4.
In einer Drehrichtung des Rotors liegen alle konvexen Außenflächen der sechs Flügel vorn. In der anderen Drehrichtung liegen alle konkaven Innenflächen der sechs Flügel in Drehrichtung vorn.
Die Flügel sind in Axialrichtung gesehen vorzugsweise kürzer, vorzugsweise mindestens 80 % kürzer als die axiale Länge HR des Rotorkörpers.
Jeder Flügel hat eine endseitige axiale Ecke, die im Bereich der jeweiligen Endebene liegt. Vorzugsweise befinden sich die endseitigen, axialen Ecken aller drei Flügel einer Dreiergruppe in derselben Endebene. Von der axialen Ecke gehen die freie Kante und die Drehachsenkante aus. Jeder Flügel hat weiterhin eine periphere Ecke, sie befindet sich am von der Drehachse entfernten Ende der freien Kante und am von der Drehachse entfernten Ende der verbundenen Kante. Sie ist an der Bildung einer T-Kreuzung beteiligt. Sie ist ein Endpunkt einer Verbindungslinie. Sie hat einen größeren Abstand von der Drehachse als alle anderen Punkte des Flügels. Schließlich hat jeder Flügel eine Innenecke. Sie befindet sich in Nähe der Drehachse, aber vorzugsweise in größerer Entfernung von dieser als die endseitige, axiale Ecke. Von der Innenecke gehen die verbundene Kante und die Drehachsenkante aus.
Vorzugsweise sind die baugleichen Flügel von einer Kugel mit dem Radius RF begrenzt und hängt die axiale Länge HR des Rotorkörpers mit diesem Radius RF wie folgt zusammen: RF = 0,3 bis 1HR, vorzugsweise ist RF = 0,5 bis 0,7HR, insbesondere ist RF = 0,6 HR ± 10%.
Vorzugsweise sind die baugleichen Flügel von einer Kugel mit dem Radius RF begrenzt und hängt die in Axialrichtung gemessene Flügelhöhe HF mit diesem Radius HR wie folgt zusammen: HF = 0,5 bis 1HR, vorzugsweise ist HF = 0,6 bis 0,8HR, insbesondere gilt HF = 0,7HR ± 10%.
Vorzugsweise sind die baugleichen Flügel von einer Kugel mit dem Radius RF begrenzt und hängt die rechtwinklig zur Axialrichtung gemessene Flügelbreite BF mit diesem Radius HR wie folgt zusammen: BF=0,2 bis 1HR, insbesondere BF = 0,2 bis 0,5HR, vorzugsweise BF = 0,3HR ± 10%.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den übrigen Ansprüchen sowie der nun folgenden Beschreibung eines nicht einschränkend zu verstehenden Ausführungsbeispiels der Erfindung, das unter Bezugnahme auf die Zeichnung im Folgenden näher erläutert wird. In dieser Zeichnung zeigen:
1: eine perspektivische Seitenansicht des Rotors;
2: eine axiale Ansicht des Rotors;
3: ein perspektivisches Schnittbild des Rotors entlang einer mittigen, rechtwinklig zur Drehachse verlaufenden Schnittebene;
4: eine perspektivische Seitenansicht des Rotors wie 1, jedoch mit etwas anderem Blickwinkel, gezeigt ist ein Blick auf die konkave Fläche eines Flügels;
5: eine perspektivische Seitenansicht ähnlich 1 einer zweiten Ausbildung des Rotors und
6: eine Ansicht wie 5, jedoch nur auf einen Teil des Rotors, mit eingezeichneten Angaben.
Die 1 bis 4 zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel. Die 5 und 6 beziehen sich auf ein zweites Ausführungsbeispiel. Im Folgenden wird das erste Ausführungsbeispiel besprochen. Diese folgende Beschreibung gilt auch für das zweite Ausführungsbeispiel, sofern nicht ausdrücklich etwas anderes angeben ist.
Der Rotor hat einen Rotorkörper 20 und ein Drehlager 22. In der Ausführung nach 1 ist das Drehlager 22 als zylindrisches Rohrstück ausgeführt, das sich über die komplette axiale Länge HR des Rotorkörpers 20 erstreckt. Der Rotorkörper 20 und Drehlager 22 haben somit die gleiche axiale Länge. Der Rotor rotiert um eine Drehachse 24, sie ist zentrisch zum Drehlager 22. Der Rotorkörper 20 weist insgesamt sechs gebogene, starre, dünne Flügel 26 auf, die im gezeigten Ausführungsbeispiel alle baugleich sind. Drei dieser Flügel 26 sind zu einer oberen Dreiergruppe 27 zusammengefasst. Die restlichen drei Flügel 26 sind zu einer unteren Dreiergruppe 29 zusammengefasst.
Insbesondere aus 4 ist ein vollständig dargestellter Flügel 26 ersichtlich. 4 ist so gewählt, dass der Zuschnitt des oben rechts dargestellten Flügels ersichtlich wird. Jeder Flügel hat eine konvexe Fläche 28, die eine Außenfläche ist, und eine konkave Fläche 30, die eine Innenfläche ist. Jeder Flügel 26 ist von einem Rotationskörper begrenzt. Dies bedeutet, dass seine konvexe Fläche 28 und/oder seine konkave Fläche 30 einem Teilbereich der Oberfläche eines Rotationskörpers folgen. Vorzugsweise ist jeder Flügel 26 ein Schalensegment eines Rotationskörpers. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Flügel Kugelschalensegmente. Sie können auch Segmente eines Paraboloids, eines Ovaloids oder eines anderen Drehkörpers sein.
Jeder Flügel 26 ist durch drei Seitenkanten begrenzt, nämlich einer freien Kante 32, einer verbundenen Kante 34 und einer Drehachsenkante 36. An der Drehachsenkante 36 ist der jeweilige Flügel 26 mit dem Drehlager 22 verbunden.
Die Drehachsenkante 36 hat zwei Teilbereiche, siehe insbesondere 4. In einem ersten, in 4 oberen Teilbereich ist sie mit dem Drehlager 22 verbunden, in einem zweiten in 4 unteren Teilbereich ist sie mit der konvexen Fläche 30 eines unmittelbar benachbarten Flügels derselben Dreiergruppe entlang einer Naht 38 verbunden. Diese Naht 38 erstreckt sich von dem Drehlager 22, das hier als Rohrstück ausgeführt ist, bis hin zu einer Innenecke 40. An dieser Innenecke 40 beginnt die verbundene Kante 34. An der verbundenen Kante 34 ist ein Flügel 26 einer Dreiergruppe mit einem um 60° versetzten Flügel der anderen Dreiergruppe verbunden, und zwar auf der konvexen Fläche 30 dieses letzteren Flügels. Die verbundene Kante 34 erstreckt sich von der Innenecke 40 bis hin zu einer peripheren Ecke 42. Dort bildet der betrachtete Flügel mit dem mit ihm entlang einer Verbindungslinie 43 verbundenem Flügel 26 eine T-Kreuzung 44. Entlang der verbundenen Kante 34 stößt ein Flügel 26 auf die konvexe Fläche 28 eines Flügels der anderen Dreiergruppe. Dies erfolgt in einem Winkel, vorzugsweise einem rechten Winkel von 90° plus/minus 30°. Beide Flügel 26 sind entlang der Verbindungslinie 43 miteinander verbunden. Die Verbindungslinie 43 läuft parallel zur Verbindungslinie 43. Beide sind von gelicher Länge.
Von der peripheren Ecke 42 bis hin zu einer endseitigen, axialen Ecke 46 erstreckt sich die freie Kante 32. Entlang der freien Kante 32 ist der Flügel 26 nicht mit einem anderen Flügel oder dem Drehlager 22 verbunden, sieht man einmal von der beschriebenen T-Kreuzung 44 ab. Letztere befindet sich etwa auf der Mitte der Gesamtlänge der freien Kante 32. Die konkave Fläche 30 jedes Flügels ist frei von Verbindungen mit einem anderen Flügel, siehe 4. Alle Verbindungen erfolgen an der konvexen Fläche 28, dort befinden sich die Naht 38 und die Verbindungslinie 43.
Wie insbesondere aus 2 ersichtlich ist, sind die drei Flügel 26 jeder Dreiergruppe jeweils um 120° um die Drehachse 24 versetzt am Drehlager 22 angeordnet. Die eine Dreiergruppe ist um 60° um die Drehachse versetzt gegenüber der anderen Dreiergruppe angeordnet.
Wie insbesondere aus 1 ersichtlich ist, liegen in einer Drehrichtung des Rotors die konkaven Flächen 30 aller sechs Flügel 26 in Drehrichtung vorn. Bei entgegengesetzter Drehrichtung liegen die konvexen Flächen 28 aller sechs Flügel 26 in Drehrichtung vorn.
Die endseitigen, axialen Ecken 46 der drei Flügel 26 einer Dreiergruppe liegen jeweils in einer Endebene, die Flügel 26 der oberen Dreiergruppe liegen in einer oberen Endebene 50. Die Drei Flügel 26 der unteren Dreiergruppe liegen in einer unteren Endebene 52. Die beiden Endebenen 50, 52 verlaufen rechtwinklig zur Drehachse 24. Wie 2 zeigt, springen die Flügel 26 in Nähe der Endebenen radial nach außen vom Drehlager 22 weg. Der Rotorkörper 20 hat drei obere T-Kreuzungen 44 und drei untere T-Kreuzungen 44. Die peripheren Ecken 42 der drei Flügel 26 der oberen Dreiergruppe liegen in einer unteren T-Kreuzungsebene 48. Die drei peripheren Ecken 42 der drei unteren Flügel 26 der unteren Dreiergruppe liegen in einer oberen T-Kreuzungsebene 49. Beide Kreuzungsebenen 48, 49 verlaufen rechtwinklig zur Drehachse 24. Sie haben einen axialen Abstand voneinander, der etwa 20 bis 80% der axialen Länge HR des Rotorkörpers 20 beträgt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind alle Flügel 26 jeweils direkt mit dem Drehlager 22 verbunden. In einer Ausführung, in der das Drehlager 22 nicht über die gesamte axiale Länge HR des Rotorkörpers 20 ausgebildet ist, haben die Flügel 26 entlang ihrer Drehachsenkante 36 auch unmittelbare Kontakte miteinander.
Der Verlauf der freien Kante 32 kann verändert werden. Insbesondere kann der Verlauf der freien Kante im Teilstück zwischen der endseitigen, axial Ecke 46 und der T-Kreuzung 44 und unabhängig davon der Verlauf zwischen der T-Kreuzung 44 und der peripheren Ecke 42 verändert bzw. weitgehend beliebig gestaltet werden. Im gezeigten Ausführungsbeispiel verläuft die freie Kante 32 auf einer Kreisbogenlinie. Deren Mittelpunkt liegt in einer Ebene, die durch folgende drei Punkt definiert ist: die endseitige, axiale Ecke 46, die T-Kreuzung 44 und die periphere Ecke 42 des betrachteten Flügels 26. Der Radius dieser Kreisbogenlinie beträgt vorzugsweise das Dreifache der axialen Länge HR des Rotorkörpers 20. Der Radius kann im Bereich von 0,8 bis 8HR liegen. Es ist möglich, die beiden beschriebenen Teilstücke der freien Kante mit unterschiedlichen Radien auszubilden. Jedes Teilstück kann für sich einen beliebigen Verlauf haben, der nicht durch einen Radius bestimmt ist, denn es sind jeweils nur die Endpunkte des Teilstücks festgelegt und einzuhalten, der Verlauf dazwischen ist beliebig.
Der Verlauf der Drehachsenkante 36 wird im jeweils ausgewählten Drehlager 22 angepasst. Ungeändert bleibt der Verlauf der Drehachsenkante 36 in ihrem Teilbereich, in dem die Naht 38 ausgebildet ist. Variabel ist der Teilbereich der Drehachsenkante 36, der unmittelbar im ersten Ausführungsbeispiel mit dem Drehlager 22 verbunden ist. Wird für das Drehlager 22 beispielsweise ein dünneres Rohr als im ersten Ausführungsbeispiel gezeigt eingesetzt, verschiebt sich die Drehachsenkante 36 dort entsprechend. Wird anstelle eines axial über die komplette axiale Länge HR erstreckenden Rohrstücks eine andere Lösung gewählt, beispielsweise zwei endseitige, kurze Stutzen, so werden die Drehachsenkanten 36 entsprechend angepasst.
Geometriebedingt ergibt sich in der Rotormitte, im Bereich um die Mitte der Drehachse 24, ein Hohlraum 54. Dieser Hohlraum 54 kann für die mechanische Verbindung mit einer Abtriebswelle (nicht dargestellt) herangezogen werden. Dort kann beispielweise eine Wellen-Nabenverbindung erfolgen.
In einer Schnittebene rechtwinklig zur Drehachse entsprechend 3 hat der Hohlraum 54 im Wesentlichen die Form eines regelmäßigen Sechsecks. Im Hohlraum können Drehschwingungsdämpfer untergebracht werden. Die Wellen-Nabenverbindung kann mit integrierten Drehschwingungsdämpfern ausgeführt werden.
Bei der Ausbildung des Rotors gemäß 5 bilden die sechs Flügel 26 allein den Rotorkörper 20, es sind jeweils Ausschnitte vorgesehen, damit ein Drehlager 22 entlang der Drehachse 24 durchgeschoben werden kann. Somit kann man sich den Rotorkörper 20 gemäß 5 dadurch zusammengesetzt denken, dass zunächst sechs Flügel 26 zusammengesetzt werden und anschließend eine Bohrung entlang der Drehachse 24 durchgeführt wird.
Ansonsten entspricht der Aufbau dem ersten Ausführungsbeispiel.
6 zeigt einen oberen und linke Teilbereich des Rotors nach 5. Es sind Abmessungen eingezeichnet. Die Abmessungen gelten auch für das erste Ausführungsbeispiel. HF ist die in Axialrichtung gemessene Flügelhöhe. BF ist die in Radialrichtung gemessene Flügelbreite. RF ist der Radius der konkaven Fläche 30, anders ausgedrückt der Radius des Flügels 26. RB ist der Radius eines Beschnitts im Bereich der freien Kante 32. RBA ist ein Radius im Bereich des Flügelauslaufs, also in Nähe der jeweiligen Endebene 50 bzw. 52. Die dargestellten Radien verstehen sich auf eine Ebene projiziert. Für RBA gilt 0,01 bis 1 RB. RB liegt im Bereich zwischen 0,8 und 8 HR. Vorzugsweise beträgt RBA 0,15 RB. Vorzugsweise beträgt RB 3 HR. Der Radius RBA kann an der Ober- und/oder an der Unterseite des Flügels angeordnet sein, er kann auch entfallen. Das Maß RBA zweigt, dass der Flügel 26 entlang der freien Kante 32 zwischen T-Kreuzung 44 und benachbarter endseitiger, axialer Ecke 46, also zwischen der oberen T-Kreuzungsebene 49 und der oberen endseitigen, axialen Ecke 46 bzw. zwischen der unteren T-Kreuzungsebene 48 und der unteren endseitigen, axialen Ecke 46 einen vom sonstigen Verlauf abweichenden Verlauf haben kann, der als Auslauf bezeichnet wird.
Der Rotor stellt einen Vertikalläufer dar, der einerseits nach dem Prinzip des Auftriebsläufers und andererseits nach dem Prinzip des Widerstandsläufers funktioniert.
Die Geometrie jedes einzelnen Flügels 26 ergibt sich durch Anordnung der Kugelschalenelemente und anschließend gemeinsamer Verschneidung miteinander.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008054126 A1 [0002, 0010]

Claims

Rotor für eine Windkraftanlage mit einem Drehlager (22), das eine Drehachse (24) definiert, und einem Rotorkörper (20), der Rotorkörper (20) und dass Drehlager (22) sind um die Drehachse (24) drehbar, der Rotorkörper (20) weist insgesamt sechs gebogene, starre, dünne Flügel (26) auf, von denen drei zu einer oberen Dreiergruppe (27) und drei zu einer unteren Dreiergruppe (29) zusammengefasst sind, wobei jeder Flügel (26) von einem Rotationskörper, insbesondere einer Kugel begrenzt ist und eine konkave Fläche (30) sowie eine konvexe Fläche (28) aufweist, jeder Flügel (26) durch drei Seitenkanten begrenzt ist, nämlich einer Drehachsenkante (36), die entlang der Drehachse (24) verläuft, einer freien Kante (32) und einer verbundenen Kante (34), die mit einem Flügel (26) der anderen Dreiergruppe entlang einer Verbindungslinie (43) verbunden ist, welche sich auf der konvexen Fläche (28) des Flügels (26) der anderen Dreiergruppe befindet, und wobei die drei Flügel (26) jeder Dreiergruppe jeweils um 120° um die Drehachse (24) versetzt angeordnet sind und die beiden Dreiergruppen (27, 29) um die 60° zueinander versetzt sind.
Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils ein Flügel (26) der oberen Dreiergruppe (27) und ein Flügel (26) der unteren Dreiergruppe (29), die entlang einer Verbindungslinie (43) miteinander verbunden sind, eine T-Kreuzung (44) bilden, die an der Peripherie des Rotors liegt, dass der Rotor drei obere T-Kreuzungen (44), die in einer oberen T-Kreuzungsebene (49) liegen, und drei untere Kreuzungen (44) aufweist, die in einer unteren T-Kreuzungsebene (48) liegen, dabei verlaufen die T-Kreuzungsebenen (48, 49) jeweils rechtwinklig zur Drehachse (24).
Rotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Flügel (26) jeder Dreiergruppe (27 bzw. 29) baugleich sind, vorzugsweise, dass alle sechs Flügel (26) des Rotors baugleich sind.
Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Flügel (26) näherungsweise Dreiecksform aufweisen, insbesondere näherungsweise ein sphärisches Dreieck darstellen.
Rotor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb jeder Dreiergruppe einer konvexen Fläche (28) eines Flügels (26) dieser Dreiergruppe eine konkave Fläche (30) eines benachbarten Flügels dieser Dreiergruppe in Drehrichtung benachbart ist.
Rotor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die konkaven Flächen (30) aller sechs Flügel (26) in einer Drehrichtung des Rotors vorn und in der entgegengesetzten Drehrichtung die konvexen Flächen (28) aller Flügel (26) vorn liegen.
Rotor nach einem der vorangegangen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Flügel (26) eine periphere Ecke (42), die an der Bildung einer T-Kreuzung (44) beteiligt ist, eine endseitige axiale Ecke (46) und eine Innenecke (40) aufweist.
Rotor nach einem der vorangegangen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Flügel (26) eine endseitige axiale Ecke (46) aufweist, und dass die endseitigen axialen Ecken (46) der Flügel (26) einer Dreiergruppe gemeinsam in einer Endebene (50 bzw. 52) liegen, die rechtwinklig zur Drehachse (24) verläuft.
Rotor nach dem vorangegangen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Länge HR des Rotorkörpers (20) durch den axialen Abstand der oberen und der unteren Endebene (50 bzw. 52) bestimmt ist.
Rotor nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die periphere Ecke (42) eines Flügels (26) der oberen Dreiergruppe (27) axial zwischen der peripheren Ecke eines Flügels (26) der unteren Dreiergruppe (29) und endseitigen axialen Ecke desselben Flügels (26) der unteren Dreiergruppe (29) liegt.
Rotor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die baugleichen Flügel (26) von einer Kugel mit dem Radius RF begrenzt sind, und dass die axiale Länge HR des Rotorkörpers (20) mit diesem Radius RF wie folgt zusammenhängt: RF = 0,3 bis 1HR, vorzugsweise ist RF = 0,5 bis 0,7HR, insbesondere ist RF = 0,6 HR ± 10%.
Rotor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Flügel (26) von einer Kugel mit dem Radius RF begrenzt sind, und dass die in Axialrichtung gemessene Flügelhöhe HF mit diesem Radius HR wie folgt zusammenhängt: HF = 0,5 bis 1HR, vorzugsweise ist HF = 0,6 bis 0,8HR, insbesondere gilt HF = 0,7HR ± 10%.
Rotor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Flügel (26) von einer Kugelschale mit dem Radius RF begrenzt sind, und dass die rechtwinklig zur Axialrichtung gemessene Flügelbreite BF mit diesem Radius HR wie folgt zusammenhängt: BF = 0,2 bis 1HR, insbesondere BF = 0,2 bis 0,5HR, vorzugsweise BF = 0,3HR ± 10%.
Rotor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass entweder alle Flügel (26) einer Dreiergruppe jeweils direkt mit dem Drehlager (22) verbunden sind und/oder dass alle Flügel derselben Dreiergruppe miteinander verbunden sind.
Rotor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Flügel (26) Kugelschalensegmente sind.
Rotor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Drehlager (22) durch mindestens ein Rohrstück gebildet ist.
Rotor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Flügel (26) mit dem Drehlager (22) verbunden sind, insbesondere dass die Flügel (26) an ihrer Drehachsenkante (36) mit dem Drehlager (22) verbunden sind.