DE102021002819A1 - Langsam laufender Windkraftrotor - Google Patents

Abstract

Langsam laufender Windkraftrotor mit vertikaler Drehachse und längenverstellbaren Rotorarmen und tragflächenartig ausgebildeten Rotorflügeln, die einen Verschwenkbereich von ca. 90 Grad aufweisen.

Description

• Gegenstand der Erfindung ist ein langsam laufender Windkraftrotor mit vertikaler Drehachse und verstellbaren Rotorflügeln.
• Aus dem Stand der Technik ist eine Vielzahl solcher Windkraftrotoren bekannt wie sie z.B. in den Druckschriften DE 27 18 608 A1 , DE 100 44 147 A1 , US 2004 0057830 A1 , US 2012 0301297 A1 , WO 2009 086648 A2 und der DE 3108 945 C2 dargestellt und beschrieben sind.
• Als nächstkommender Stand der Technik wird der Windkraftrotor nach der DE 82 28 078 U1 angesehen. Hier übernehmen die als Scheiben 2, 3 ausgebildeten Stirnflächen eines zylindrischen Körpers die Funktion der Rotorarme gemäß Anmeldung, wobei sowohl die Anschläge für Druckwindfahrt 23 bis 26 als auch die Anschläge für Gegenwindfahrt auf diesen Scheiben 2, 3 angeordnet sind. Das aerodynamische Profil ist so ausgestaltet, dass es bei Anströmung auf die Stirnfläche keinen Auftrieb bewirkt sondern nur einen möglichst geringen Luftwiderstand bietet. Der durch die Anschläge 31 bis 34 begrenzte Schwenkbereich beträgt deutlich mehr als 90 Grad, was einen entsprechend größeren Rückstellweg zur Folge hat.
• Bei dem aus der DE 10 2008 003 003 A1 bekannten Rotor weisen die Rotorflügel 2 ein aerodynamisches Profil auf, das eine Anlage in die Druckwindposition begünstigt, doch werden sie beim Umlauf um bis zu 180 Grad verschwenkt und außerdem durch eine Steuervorrichtung 4 in einer günstigsten Position gehalten oder aus dieser freigegeben.
• Der aus der EP 1205 661A1 bekannte Windkraftrotor weist aerodynamische geformte Flügel auf, die nur auf Verringerung des Luftwiderstandes ausgelegt sind und außerdem in der Druckfahrtposition durch nur einen Anschlag begrenzt werden, der als Steg 16 zwischen oberem und unterem Rotorarm 10, 12 ausgebildet ist und ein strömungstechnisches Hindernis darstellt. Der Schwenkbereich ist größer als 90 und ein zweiter Anschlag ist nicht vorgesehen.
• Der aus der US 6 779 966 B2 bekannte Windkraftrotor weist zwar einen Auftrieb ermöglichende Profile der Rotorflügel 110 auf, die in Druckwindfahrt durch einen Anschlag 160 in ihrer Verschwenkbarkeit begrenzt werden, die jedoch beim Übergang in die Gegenwindfahrt eine Verschwenkung von 180 durchführen müssen, um schließlich wieder in Anlageposition auf dem Rotorarm 130 radial innen zu gelangen.
• Der aus der US 7 258 527 B2 bekannte Windkraftrotor ist dem nach der DE 82 28 078 U1 vergleichbar, wobei der die Druckwindstellung begrenzende Anschlag 522 als elastische längliche Erhebung auf dem Rotorarm ausgebildet ist, während der zweite Anschlag 54 eine ausweich- und rückstellbare Sicherungsfunktion gegen ein Überdrehen eines Rotorflügels in umgekehrter Richtung über den Anschlag 522 hinweg hat.
• Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen langsam laufenden, windrichtungsunabhängigen Windkraftrotor anzugeben, der bei geringem Verschwenkbereich der Rotorflügel einen hohen Wirkungsgrad hat, einen niedrigem Verschleiß und geringe Geräuschentwicklung aufweist sowie mit technisch einfachen Mitteln herstellbar ist.
• Der erfindungsgemäße Windkraftrotor ist geeignet, schon eine geringe Anströmgeschwindigkeit der Luft wirkungsvoll auszunutzen, weil seine Flügelprofile durch ihren Tragflächeneffekt die Drehbewegung unterstützen. Hierdurch gelangen sie spätestens bei Ausrichtung eines Rotorarms parallel zur Windrichtung in Anlage an den Rotorarm. Auf dem Zifferblatt einer Uhr wäre das bei 6 und 12 Uhr. Betrachtet man einen einzelnen Rotorflügel, so nimmt ab der Position 6 Uhr die Auftriebskraft ab und der auf die Rückseite des Flügelprofils wirkende Druck des Windes nimmt zu, sogenannte Druckwindfahrt, und ab etwa 9 Uhr wieder ab, wobei der Anteil der Auftriebskraft allmählich wieder größer wird. In Position 12 Uhr befindet sich das Flügelprofil in maximaler Auftriebsfahrt und beginnt ab da dem auf es wirkenden Winddruck auszuweichen indem es mit seiner Vorderseite nach innen verschwenkt. Im Bereich der Gegenwindfahrt ist sein Luftwiderstand am geringsten.
• Die tragflächenartige Form der Rotorflügel und deren durch Anschläge begrenzter Verschwenkbereich ermöglichen nicht nur in Gegenwindfahrt eine Verringerung des Luftwiderstandes sondern sie führt mit spitzer werdendem Winkel zwischen Rotorflügel und Rotorarm zur Anlage am Rotorarm, in der die Auftriebskraft die Drehbewegung des Rotors unterstützt.
• Der geringe Schwenkbereich der Rotorflügel von ca. 90 Grad und die relativ langsame Drehgeschwindigkeit des Rotors wirken sich günstig auf Verschleiß und Geräuschentwicklung aus.
• Durch teleskopisch längenveränderbare Rotorarme ist eine Selbstregulierung, d.h. eine sich der Windgeschwindigkeit anpassende Veränderung der Drehzahl des Rotors möglich. Die Längenveränderung kann bei steigender Drehzahl gegen die Wirkung eines Kraftspeichers, z.B. Zugfedern, oder auch willkürlich über Stellmittel erfolgen.
• Der erfindungsgemäße Windkraftrotor lässt sich technisch mit relativ einfachen Mitteln bauen. So kann das Flügelprofil aus der Wand eines zu einem Drittel in Längsrichtung geschnittenen zylindrischen Rohres, Behälters oder dergleichen hergestellt werden.
• Um eine optimale Ausnutzung der auf die Flügelprofile wirkenden Windkraft zu erreichen, sind die Rotorarme in unterschiedlichen Ebenen angeordnet, wodurch eine Abschattung leeseitiger Flügelprofile durch luvseitige Flügelprofile ausgeschlossen wird. Einer Beeinträchtigung des Auftriebseffekts von im Bereich 12 Uhr befindlichen Flügelprofilen durch Windschatten oder Verwirbelung durch die Rotorachse bzw. Nabe kann durch schlanke oder offene Bauweise entgegengewirkt werden.
• Die Nabe des Windkraftrotors kann aus einer Art zylindrischem Käfig bestehen, der in aus dem Kraftfahrzeugbereich verfügbaren Lagern drehbar gehalten wird. Die Stäbe des Windkraftrotors können, ebenso wie die Rotorarme, mit Draht gegen Verzug abgespannt werden. Für die Rotorarme können ineinander schiebbare Vierkantrohre verwendet werden.
• Es entspricht handwerklichem Können, die Nabe des Rotors auch geschlossen auszuführen, um Windgeräusche durch Drähte und Stäbe zu vermeiden.
• Ein so hergestellter Windkraftrotor ist insbesondere für infrastrukturschwache Gegenden, z.B. Entwicklungsländer, interessant. Erfindungsgemäße kleine Windkraftanlagen können dort dezentral zur Gewinnung elektrischer Energie oder zum direkten Antrieb von z.B. Wasserpumpen einen hohen Nutzwert bringen. Durch die effiziente Konstruktion ist der Einsatz auf Schiffen und im maritimen Bereich insgesamt interessant.
• Figurenliste
• 1 Draufsicht auf einen dreiarmigen Rotor mit längenveränderbaren Rotorarmen
• 2 Draufsicht auf einen Rotorflügel und seitliche Ansicht
• 3 Achtarmiger Rotor mit phasenabhängiger Stellung der Rotorflügel
• 4 Seitenansicht eines dreiarmigen Windkraftrotors mit vertikal versetzten Rotorarmen Der erfindungsgemäße Windkraftrotor wird nachfolgend anhand der 1 bis 4 beschrieben.
• In 1 ist ein in Draufsicht rechtsdrehender dreiarmiger Windkraftrotor 1 dargestellt, dessen Rotorflügel 4 sich in der Position 12 Uhr in Auftriebsfahrt 11, in der Position 4 Uhr in Gegenwindfahrt 13 und in Position 8 Uhr in Druckfahrt 12 befinden.
• In 2 ist ein Rotorflügel 4 im Querschnitt sowie in der Sicht auf dessen Rückseite 8 dargestellt. Der Rotorflügel 4 hat ein tragflächenartiges Profil mit im wesentlichen ebener Rückseite 8 und gewölbter Vorderseite 9. Der Rotorflügel 4 ist auf einem Rotorarm 3 mittels einer Flügelachse 5 schwenkbar gelagert. In zum Rotorarm 3 paralleler Ausrichtung wird die Verschwenkung des Rotorflügels 4 durch einen ersten Anschlag 6 begrenzt, der Teil des Rotorarms 3 ist und an dessen radial äußerem Ende angebracht ist. Die Verschwenkung des Rotorflügels 4 weg von dieser Ausrichtung wird durch einen auf dem Rotorflügel 4 angebrachten zweiten Anschlag 7 in einem Winkel von ca. 90 Grad zum Rotorarm 3 begrenzt. Die Vorderseite 9 zeigt dann in Richtung Rotorachse 2. Durch die Anordnung von Flügelachse und Anschlägen 6, 7 gleicht die Bewegungsmöglichkeit des Rotorflügels 4 der einer Wippe.
• In einer konstruktiven Abwandlung kann der erste Anschlag 6 auch Teil des Rotorflügels 4 sein und mit diesem gegen den Rotorarm 3 oder von diesem weg verschwenkt werden.
• In 3 sind die wechselnden Stellungen der Rotorflügel am Beispiel eines 8-armigen Windkraftrotors 1 veranschaulicht.
  In den Positionen 12 und 6 Uhr, dem Bereich der Auftriebsfahrt 11 werden die inneren oder äußeren Stirnseiten 10 der Rotorflügel 4 vom Wind angeblasen, wodurch sich die Rotorflügel 4 parallel zu den Rotorarmen 3 ausrichten und ihre weitere Verschwenkung durch die ersten Anschläge 6 begrenzt wird. Bei weiterer Drehung im Uhrzeigersinn nimmt der Winddruck auf die Vorderseite 9 der Rotorflügel 4 zu, die dadurch in die Position Gegenwindfahrt 13
  übergehen und so bei etwa 3 Uhr einen geringst möglichen Luftwiderstand bieten. Ab da setzt allmählich die Auftriebswirkung ein, um als Auftriebsfahrt 11 in Position 6 Uhr erneut ein Maximum zu erreichen, die in die Druckfahrt 12 übergeht, die bei 9 Uhr ihr Maximum hat.
• Die auf die Rotorarme 3 eine Drehbewegung bewirkenden Kräfte setzen sich somit aus Auftriebskräften und Druckkräften wechselnder Stärke zusammen, denen der Luftwiderstand, vornehmlich im Bereich zwischen etwa 1 und 2 Uhr hemmend entgegen wirkt.
• In 4 ist ein dreiarmiger Windkraftrotor 1 mit vertikal versetzten Rotorarmen 3 dargestellt. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, eine Abschattung des jeweils vorlaufenden Rotorarms 3 zu vermeiden, mit der Folge einer besseren Ausnutzung der Windkraft. Die Rotorachse 2 ist hier aus den oben genannten Gründen als offener Käfig ausgeführt. Auch die in den 1 und 3 in Draufsicht dargestellten Rotorachsen 2 geben nur das Prinzip wieder sind aber in der praktischen Umsetzung so zu gestalten, dass sie keine strömungshinderliche Wirkung auf die Rotorflügel 4 entfalten.
• Bezugszeichenliste

1

Windkraftrotor

2

Rotorachse oder Nabe

3

Rotorarm

4

Rotorflügel

5

Flügelachse

6

erster Anschlag

7

zweiter Anschlag

8

Rückseite von 4

9

Vorderseite von 4

10

Stirnseite von 4

11

Auftriebsfahrt

12

Druckfahrt

13

Gegenwindfahrt

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• DE 2718608 A1 [0002]
• DE 10044147 A1 [0002]
• US 20040057830 A1 [0002]
• US 20120301297 A1 [0002]
• WO 2009086648 A2 [0002]
• DE 3108945 C2 [0002]
• DE 8228078 U1 [0003, 0007]
• DE 102008003003 A1 [0004]
• EP 1205661 A1 [0005]
• US 6779966 B2 [0006]
• US 7258527 B2 [0007]

Claims (5)

1. Windkraftrotor 1 mit vertikaler Drehachse 2 und wenigstens 3 um 120 Grad versetzt angeordneten Rotorarmen 3, an denen Rotorflügel 4 über eine parallel zur Rotorachse 2 verlaufende Flügelachse 5 um einen durch erste und zweite Anschläge 6, 7 begrenzten Bereich schwenkbar angebracht sind, wobei die Rotorflügel 4 ein aerodynamisches Profil aufweisen und bei Beaufschlagung mit Wind auf die in Drehrichtung rückwärtige Seite 8, sogenannte Druckfahrt 12, im wesentlichen parallel zu den zugehörigen Rotorarmen 3 ausgerichtet sind und an dem Anschlag 6 anliegen und bei Beaufschlagung mit Wind auf die Vorderseite 9, sogenannte Gegenwindfahrt 13, eine Stellung einnehmen, in der ihr Luftwiderstand auf ein Minimum zurückgeht, bis der Auftriebswindsog auf die Vorderseite 9 wieder einsetzt, dadurch gekennzeichnet, dass dass die Flügelachse 5 bezüglich des Querschnitts des Flügelprofils außermittig angeordnet ist und zwar in dem radial äußeren Drittel des Flügelprofils und dass der erste Anschlag 6 auf dem Rotorarm 3 angeordnet ist und die Verschwenkung des Rotorflügels 4 bei Druckfahrt 12 parallel zum Rotorarm 3 begrenzt, während der zweite Anschlag 7 auf dem Rotorflügel 4 zwischen der Flügelachse 5 und dem Anschlag 6 so angeordnet ist, dass er bei Gegenwindfahrt 13 eine Verschwenkung des Rotorflügels 4 mit seiner Vorderseite 9 nach innen auf ca. 90 Grad begrenzt und dass die Länge der Rotorarme 3 drehzahlabhängig teleskopisch veränderbar ist.
2. Windkraftrotor nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der erste Anschlag 6 konstruktiver Teil des Rotorflügels 4 ist.
3. Windkraftrotor nach einem der Ansprüche 1 bis 2 dadurch gekennzeichnet, dass in den längenveränderbaren Rotorarmen 3 Kraftspeicher vorgesehen sind, vorzugsweise Zugfedern, die der mit steigender Drehzahl zunehmenden Fliehkraft entgegen wirken.
4. Windkraftrotor 1 nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass das aerodynamische Profil der Rotorflügel 4 in etwa einem Drittel eines in Längsrichtung aufgeschnittenen Rohres entspricht.
5. Windkraftrotor 1 nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorflügel 4 mit ihren Flügelachsen 5 an ihren Längsenden in den Rotorarmen 3 gelagert sind und die Rotorflügel 4 eines jeden Rotorarms 3 in vertikaler Richtung so versetzt angeordnet sind, dass eine gegenseitige Beschattung weitgehend ausgeschlossen ist. Es folgen 3 Blatt Zeichnungen

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