DE102014014686B4

DE102014014686B4 - Flexible, wechselseitig von Wind oder von Wasser angeströmte Flügel

Info

Publication number: DE102014014686B4
Application number: DE102014014686.3A
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-10-01
Filing date: 2014-10-01
Publication date: 2017-02-02
Anticipated expiration: 2034-10-02
Also published as: DE102014014686A1

Abstract

Flexible, wechselseitig von Wind oder von Wasser angeströmte Flügel, die jeweils aus einem rohr- oder säulenartigen Achskörper (1) und mindesten zwei im Kopfbereich zusammengeführten, aus dünnem, flexiblen Material wie Federblech oder Carbon gefertigten Flügelteilen (2, 3), die zusammen einen Flügelmantel (4) bilden und aus Flügel-Befestigungen (5), Gleitleisten (6) und Abstandsbegrenzern (7) mit Haltern (8) sowie bei stark belasteten Flügelmänteln (4) aus zusätzlichen Stützleisten (9) bestehen, in der Form, dass die aus Flügelteilen (2, 3) bestehenden Flügelmäntel (4) mit ihren gewölbten Kopfbereichen, unter Berücksichtigung ihrer funktionell unterschiedlichen Kopfformen, eng um die vordere Wölbung der Achskörper (1) geführt und an deren Seiten befestigt sind, dergestalt, dass Flügelmäntel (4) mit gleicher Kopfwölbung wie die der Achskörper (1) an diesen anliegend und Flügelmäntel (4) mit anderer Kopfwölbung in einem engem Abstand um die Achskörper (1) geführt werden, wodurch sich für beide Flügelformen lange und somit besonders flexible Flügelenden ergeben, wobei die Flügelmäntel (4) frei schwingend zu losen von Abstandsbegrenzern (7) gehaltenen Verbindungen zusammengeführt sind.

Description

Die Erfindung betrifft flexible, wechselseitig von Wind oder von Wasser angeströmte Flügel, insbesondere für Rotoren mit vertikalen Achsen sowie für Wells-Turbinen in Wellenkraftwerken (OWC-Anlagen) und für Wasserturbinen in Gezeitenkraftwerken.
Bekannte Flügel bestehen aus starren Materialien und Formen, so dass sie sich den unterschiedlich auf sie einwirkenden Strömungskräften aus Luft oder Wasser nicht anpassen können. Hierdurch bleibt ein Teil der Strömungsenergien ungenutzt. Durch ihre Unnachgiebigkeit werden sie zudem stark belastet, was massive Flügel-Strukturen erforderlich macht. Diese führen zu höheren Gewichten, die das Reaktionsvermögen der Flügel zusätzlich mindern. Dadurch kann die Strömungsenergie, insbesondere die von starken; in der Richtung wechselnden Strömungen von den Flügeln nur teilweise in Bewegungsenergie umgewandelt werden, der Rest wird als Belastungsenergie aufgenommen. Höhere Flügel-Gewichte führen durch höhere Fliehkräfte zu höheren Flügel-Belastungen. Diese wirken sich bei Flügeln von Rotoren mit vertikaler Achse besonders stark aus und führen zudem zu stark verschlechterten Rundläufen. Aus statischen Gründen müssen mit zunehmenden Flügel-Gewichten auch die Querschnitte ihrer Flügel und Rotor-Naben verbindenden Tragarme vergrößert werden, was bei diesen zu größeren Luftwiderständen führt.
Abweichend hierzu gibt es Versuche, Flügel formmäßig unterschiedlichen Strömungen anzupassen. Hierzu gehört die US 2005/0271 508 A1 . Da hier der Flügel in seinem Inneren keine Stützelemente aufweist, muss seine Stabilität durch dickere Flügelwände erreicht werden. Hierdurch wird die Flexibilität des Flügels und damit ein Anpassen an unterschiedlich wechselnde Strömungen eingeschränkt. Dickere Flügelwände erhöhen zudem das Gewicht des Flügels und damit verbunden die Fliehkraft, was besonders bei vertikal drehenden Flügeln zu unrunden Läufen führt. Bei der DE 10 2010 011 708 A1 passen sich die Turbinen-Schaufeln segmentartig und nicht im Ganzen der Strömung an, was einem homogenen und somit idealen Anströmen widerspricht. Da sich bei ihr zudem die Biegemomente nicht auf den ganzen Flügel verteilen, sondern sich auf einzelne Lagerpunkte konzentrieren, unterliegen diese großen Belastungen und damit einer erhöhten Abnutzung. Bei der DE 10 2010 028 490 B4 erfolgt eine Veränderung der Krümmungen an den Flügelprofilen nicht selbsttätig durch die Strömung, sondern fremdgesteuert durch Aktuatoren. Diese können die Krümmungen der Flügel immer erst nachträglich anpassen, was bei wechselnden Strömungsverhältnissen wenig Sinn ergibt. Die Technik dieses Flügelkonzeptes ist sehr aufwändig. Wartung und Reparaturen sind teuer.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Strömungskräfte von Wind oder Wasser, insbesondere derer, die in Stärke und Richtung stark variieren, durch flexible, in sich stabile Flügel optimal zu nutzen und in Bewegungsenergie umzusetzen. Außerdem sollen durch niedrigere Flügelgewichte die Fliehkräfte an den Flügeln verringert und bei Flügeln von Rotoren mit vertikaler Achse zudem die Rundläufe verbessert werden. Durch die Veränderungen der Flügel-Geometrie soll eine Eisbildung an den Flügeln weitgehend verhindert werden. Des weiteren sollen die Flügel einfach im Aufbau und kostengünstig in der Herstellung sein.
Diese Aufgabe wird erfindungsmäßig durch flexible, wechselseitig von Wind oder von Wasser angeströmte Flügel nach Anspruch 1 gelöst.
Die Unteransprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Um die Flügelenden den vorherrschenden Druckverhältnissen besser anpassen zu können, ist der Spreizungsbereich zwischen ihnen durch Abstandsbegrenzer veränderbar.
Damit ein gegenseitiges Verschieben der Flügelhälften in Flügel-Laufrichtung möglich ist, weist jeweils ein Halter der Abstandsbegrenzer ein Langloch auf.
Um den baulichen Aufwand zu mindern, sind die Abstandsbegrenzer bei vorhandenen Stützleisten an diesen befestigt.
Damit sich die berührenden Gleitflächen der Stützleisten den Druckpunkt-Veränderungen anpassen können, weisen sie eine leicht gewölbte Form auf.
Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, dass die Kräfte aus Wind- und Wasserströmungen optimaler genutzt und das Reaktionsverhalten der Flügel auf unterschiedlich starke Strömungen durch den Einsatz flexibler Flügel verbessert wird. Dabei ist die Anordnung ihrer Achskörper von besonderer Bedeutung. Mit den durch sie bewirkten, kurzen und dadurch formstabilen Flügelköpfen, lassen sich die Luft- oder Wasserströmungen gut durchdringen, wobei die aus dieser Bauform resultierenden langen Flügelenden eine erhöhte Flexibilität ergeben, die zu einer Verbesserung des Vortriebs und bei Flügeln von Rotoren mit vertikaler Achse zudem zu einem verbesserten Rundlauf führt. Ein weiterer Vorteil bei dieser Flügelart ergibt sich dadurch, dass die Flügelmäntel vor ihrer Befestigung, durch Drehen um die Achskörper, verschiedene Winkelstellungen einnehmen können, wie sie sich beispielsweise aus Veränderungen ihrer Laufradien oder Flügelbreiten ergeben. Durch den einfachen Aufbau und die Verwendung geringer Materialien sind die Baukosten der Flügel gering. Weitere Einsparungen lassen sich dadurch erzielen, dass sich aus unterschiedlich langen Flügelteilen gleichen Querschnitts durch Aneinanderreihen neue Flügelmäntel erstellen lassen, so dass nicht für jede Leistungseinheit ein eigener Flügel erstellt und lagermäßig vorgehalten werden muss. Das erspart eine Vielzahl an Flügeln und dem entsprechend, Material- und Lagerkosten. Zudem ermöglichen niedrige Flügelgewichte schlankere Flügel-Formen mit besserer Aerodynamik. Für Flügel von Rotoren mit vertikaler Achse führen geringere Gewichte zu weiteren Vorteilen. So können zum einen die Querschnitte ihrer zwischen ihnen und den Rotor-Naben befindlichen Tragarme entsprechend reduziert werden, was einen geringeren Luftwiderstand ergibt, oder aber, die Laufradien der Flügel können bei gleichen Tragarm-Querschnitten vergrößert werden, was zu einer Erhöhung der Drehmomente führt.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, dass durch die unterschiedlich auf die Flügel einwirkenden Strömungen und der damit verbundenen Veränderungen der Flügel-Geometrie eine Eisbildung an den Flügeln weitgehend verhindert wird.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen
1 Querschnitt eines Flügels mit Tragarm für Rotoren mit vertikaler Achse
2 Querschnitt eines Flügels für Rotoren mit horizontaler Achse (Wells-Turbinen)
3 Einzelheit a, Schnitt durch zwei Stützleisten mit Abstandsbegrenzer
Die Achskörper 1 werden von den aus Flügelteilen 2, 3 bestehenden Flügelmänteln 4, entsprechend ihrer Kopfform, unterschiedlich eng umschlossen. Dies erfolgt bei horizontal drehenden Flügeln, unter anderem bei Wells-Turbinen, in der Form, dass sie mit ihren Kopfbereichen direkt auf den Achskörpern 1 aufliegen. Bei vertikal drehenden Flügeln umschließen die Kopfbereiche der Flügelmäntel 4 die Achskörper 1, ihrer Form entsprechend, mit unterschiedlich engem Abstand. Bei beiden Flügelformen sind die Flügelmäntel 4 durch Flügelbefestigungen 5 mit beiden Seiten der Achskörper 1 fest verbunden. Durch die Stellung der Achskörper 1 ergeben sich sehr lange und somit besonders biegsame Flügelenden. Dadurch können die Flügel sich leichter den unterschiedlich wirkenden Strömungsstärken und Strömungsrichtungen anpassen. Hierdurch verbessert sich der Vortrieb wesentlich, der Lauf der Flügel wird gleichmäßiger und die Flügel werden kräftemäßig weniger beansprucht.
Um Material-Schäden zu vermeiden, befinden sich an den Berührungsflächen der Flügelmäntel 4 Gleitleisten 6. Bei stark beanspruchten sowie bei sehr langen und dünnen Flügelmänteln 4 befinden sich zu deren Stabilisierung auf den Innenseiten Stützleisten 9. Zur Begrenzung der durch wechselnde Flügel-Belastungen bewirkten Spreizungen der Flügelenden sind an den hinteren Innenseiten der Flügelmäntel 4 Abstandsbegrenzer 7 mit Halter 8 eingebaut.

Claims

Flexible, wechselseitig von Wind oder von Wasser angeströmte Flügel, die jeweils aus einem rohr- oder säulenartigen Achskörper (1) und mindesten zwei im Kopfbereich zusammengeführten, aus dünnem, flexiblen Material wie Federblech oder Carbon gefertigten Flügelteilen (2, 3), die zusammen einen Flügelmantel (4) bilden und aus Flügel-Befestigungen (5), Gleitleisten (6) und Abstandsbegrenzern (7) mit Haltern (8) sowie bei stark belasteten Flügelmänteln (4) aus zusätzlichen Stützleisten (9) bestehen, in der Form, dass die aus Flügelteilen (2, 3) bestehenden Flügelmäntel (4) mit ihren gewölbten Kopfbereichen, unter Berücksichtigung ihrer funktionell unterschiedlichen Kopfformen, eng um die vordere Wölbung der Achskörper (1) geführt und an deren Seiten befestigt sind, dergestalt, dass Flügelmäntel (4) mit gleicher Kopfwölbung wie die der Achskörper (1) an diesen anliegend und Flügelmäntel (4) mit anderer Kopfwölbung in einem engem Abstand um die Achskörper (1) geführt werden, wodurch sich für beide Flügelformen lange und somit besonders flexible Flügelenden ergeben, wobei die Flügelmäntel (4) frei schwingend zu losen von Abstandsbegrenzern (7) gehaltenen Verbindungen zusammengeführt sind.
Flexible, wechselseitig von Wind oder von Wasser angeströmte Flügel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Spreizungsbereich zwischen den Flügelenden durch die Abstandsbegrenzer (7) veränderbar ist.
Flexible, wechselseitig von Wind oder von Wasser angeströmte Flügel nach Anspruch 1–2, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils ein Halter (8) der Abstandsbegrenzer (7) Langlöcher aufweist.
Flexible, wechselseitig von Wind oder von Wasser angeströmte Flügel nach Anspruch 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstandsbegrenzer (7) mit Halter (8) bei vorhandenen Stützleisten (9) an diesen befestigt sind.
Flexible, wechselseitig von Wind oder von Wasser angeströmte Flügel nach Anspruch 1 und 4 dadurch gekennzeichnet, dass die sich berührenden Gleitflächen der Stützleisten (9) eine leicht gewölbte Form aufweisen.