DE10224324A1

DE10224324A1 - Vertical rotor with steerable blades

Info

Publication number: DE10224324A1
Application number: DE2002124324
Authority: DE
Inventors: Heinrich Wilken Van Geertruy; Michael Wilken
Original assignee: Wilken Michael Dipl-Ing
Current assignee: Wilken Michael Dipl-Ing
Priority date: 2002-05-31
Filing date: 2002-05-31
Publication date: 2004-03-04
Also published as: AU2003240425A8; WO2003103113A3; WO2003103113A2; AU2003240425A1; DE10393302D2

Abstract

Vertikaler Rotor mit lenkbaren Flügeln (1) zur Nutzung von Windenergie mit einer Drehachse (13) und um diese kreisende Flügel, die auf einem zur Drehachse koaxialen Teilkreis mit Schwenkachsen zwischen zwei Flügelträgern (14) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Flügel (1) in einem Abstand zur Schwenkachse (10) gelengig mit Schubstangen (11, 12) verbunden sind, die eine gelenkige Verbindung (7) aufweisen und die Drehung der Flügel um die Schwenkachsen in einem geführten Teil (11), in eine zur Drehachse (13) des Rotorsradialsymetrische lineare Verschiebung überführen, die an den Flügeln (1) wirkende Zug- und Druckkräfte in eine gelenkige Lagerungen (5) übertragen, die in einem zentralen Lenkkörper mit ebener Kreisbahn (2), der die Drehachse des Rotors umfasst, auf der Kreisbahn beweglich geführt werden und den zentralen Lenkkörper mit ebener Kreisbahn (2) verschieben, womit eine gegenseitige selbsttätige Lenkung der Flügel (1) in eine optimale Stellung zur Strömung erreicht wird.Vertical rotor with steerable blades (1) for using wind energy with an axis of rotation (13) and blades orbiting around these, which are arranged on a partial circle coaxial with the axis of rotation with pivot axes between two blade carriers (14), characterized in that the blades (1 ) at a distance from the swivel axis (10) are connected in an articulated manner to push rods (11, 12) which have an articulated connection (7) and the rotation of the wings about the swivel axes in a guided part (11), in a part to the axis of rotation (13 ) transfer the rotor radial symmetrical linear displacement, which transmit tensile and compressive forces acting on the wings (1) into an articulated bearing (5), which is in a central steering body with a flat circular path (2), which encompasses the axis of rotation of the rotor, on the circular path are movably guided and move the central steering body with a flat circular path (2), whereby a mutual automatic steering of the wings (1) in an optimal position Flow is reached.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Rotor mit vertikaler Achse zur Nutzung von Windenergie, wobei die Flügel derart beweglich angeordnet sind, dass diese in Abhängigkeit vom Drehwinkel des Rotors zur Strömungsrichtung eine selbstgelenkte Position einnehmen, indem die Winkelstellung der Flügel zur Strömung unmittelbar von den auf diese einwirkenden Kräfte infolge der Strömung bestimmt wird, um die optimale strömungsdynamische Wirkung zu erzielen.The present invention relates to a rotor with a vertical axis for the use of wind energy, wherein the wings are arranged so that they are dependent a self-steered from the angle of rotation of the rotor to the direction of flow Take up the position by the angular position of the wing to flow determined directly by the forces acting on them as a result of the flow will be the optimal fluid dynamic To achieve effect.

Bei bekannten Anlagen zur Nutzung der Windenergie mit horizontaler Rotorachse, deren Vektor der Winkelgeschwindigkeit parallel der Windkraftrichtung liegt und die als sogenannte „Auftriebsläufer" klassifiziert werden, ist es Stand der Technik, mit der als „Pitch-Regelung" bekannten Methode, den Winkel zwischen der Rotorblattfläche und der Wirkrichtung des Windes mit Getrieben und Vorrichtungen, die über die Rotor-Narbe wirken, zu verstellen, um die wirksame Leitfläche den Windverhältnissen anzupassen und die Leistungsaufnahme zu drosseln, sobald bei Erreichen der sogenannten Nennwindgeschwindigkeit die Nennleistung des Windgenerators erreicht ist. Eine Drosselung der Leistungsaufnahme des Rotors bei bekannten Windkraftanlagen ist aus technischkonstruktiven Gründen notwendig, um die Betriebssicherheit derartiger Anlagen zu gewährleisten und beispielsweise bei Windgeschwindigkeiten über 25 m/sec bis 30 m/sec eine Sicherheitsabschaltung der Anlage vorzunehmen und Schäden an Rotoren, deren Lagerung, der zusätzlichen mechanisch wirkenden Rotorbremse, ggf. vorhandenen Getrieben, den Generatoren, sowie der Mast-Konstruktion zu vermeiden.In known systems for use of wind energy with a horizontal rotor axis, whose vector is the angular velocity is parallel to the wind power direction and classified as a so-called "buoyancy rotor" , it is state of the art, with the method known as "pitch control", the angle between the rotor blade surface and the direction of action of the wind with gears and devices, the above the rotor scar act to adjust the effective guiding surface wind conditions adjust and throttle power consumption as soon as it reaches the so-called nominal wind speed is the nominal power of the wind generator is reached. Throttling the power consumption of the rotor known wind turbines is necessary for technical construction reasons, to ensure the operational safety of such systems and, for example, a safety shutdown at wind speeds above 25 m / sec to 30 m / sec the system and damage on rotors, their bearings, the additional mechanically acting Rotor brake, possibly existing gears, the generators, as well to avoid the mast construction.

Bei diesen Windkraftanlagen nach Stand der Technik ist die konstruktive Gestaltung der Rotoren, und die aerodynamische Ausformung und Optimierung der Flügelprofile im wesentlichen entsprechend den Erkenntnissen der Flug- und Strömungsmechanik, wie sie beispielsweise aus der Gestaltung und Konstruktion von Propellern und Flugzeugtragflächen abgeleitet werden, sowie durch die Gegebenheiten der Rotationsdynamik und Festigkeitslehre bestimmt.With these wind turbines after State of the art is the structural design of the rotors, and the aerodynamic shaping and optimization of the wing profiles essentially according to the knowledge of flight and fluid mechanics, such as from the design and construction of propellers and aircraft wings be derived, as well as by the circumstances of the rotational dynamics and strength theory determined.

Die Winkelverstellung der Flügel mit der Methode der „Pitch-Regelung" ist demzufolge eine reine Drosselung der Leistungsaufnahme des Rotors, wobei die Rotorflächen aus der optimalen Wirkstellung, entsprechend den herrschenden Windgeschwindigkeiten und vorgegebener Nennleistung der Anlage, durch eine Verringerung der Aerodynamik bis zur Unwirksamkeit und Nullstellung bei zu hoher Windgeschwindigkeit verstellt werden. Vorteilhaft ist bei diesen bekannten Windkraftanlagen der hohe Wirkungsgrad, der bei derzeitiger Situation auf dem Energiemarkt einen wirtschaftlichen Betrieb dieser Anlagen zur direkten Stromerzeugung ermöglicht.The angle adjustment of the wing with the method of "pitch control" is therefore a pure throttling of the power consumption of the rotor, being the rotor surfaces from the optimal active position, according to the prevailing wind speeds and the specified nominal output of the system by a reduction aerodynamics to ineffectiveness and zeroing if too high Wind speed can be adjusted. This is an advantage known wind turbines of high efficiency, which at present Situation on the energy market an economic operation of this Enables plants for direct power generation.

Eine direkte Abnahme von Arbeit, um beispielsweise Pumpen zu betreiben ist bei diesen hochentwickelten Windanlagen jedoch nicht sinnvoll, weil im Gegensatz zu Windanlagen die nach dem sogenannten Widerstandsprinzip arbeiten, wie beispielsweise die aus Literatur und Geschichte bekannten sogenannten Western-Mills, die Laufeigenschaften der Rotoren drehfrequenz- und geschwindigkeitsoptimiert sind und nicht drehmomentoptimiert, wie die während vieler Menschheitsgenerationen entwickelten Arbeitsmaschinen, die beispielsweise als Windmühlen bekannt sind.A direct decrease in work, To operate pumps, for example, they are highly developed However, wind turbines do not make sense, because in contrast to wind turbines that work on the so-called resistance principle, such as the so-called Western Mills known from literature and history, the running properties of the rotors are optimized for rotational frequency and speed are and not torque-optimized, like that during many generations of mankind developed work machines, known for example as windmills are.

Nachteilig für eine globale Nutzung leistungsoptimierter Windanlagen, wie diese bisher als bekannt vorliegen, erweist sich der enorme technische Aufwand und Know-how, die in der Entwicklung, Konstruktion, Produktion und letztlich auch im Betrieb und in der Wartung erforderlich sind.Disadvantageous for a global use of performance-optimized Wind turbines as they are known so far are proving to be the enormous technical effort and know-how involved in development, design, Production and ultimately also required for operation and maintenance are.

Strukturschwäche und unterentwickelte Länder, vielfach auch dünnbesiedelte Flächenstaaten, vermögen kaum, oder nur in punktuell konzentrierten „Hightech-Parks" leistungsoptimierte Windanlagen zu betreiben, geschweige denn selbst zu entwickeln oder zu bauen, um ihre Landesstruktur flächendeckend zu entwickeln. Der Bedarf an Primärenergie kann von diesen Ländern im wesentlichen nur durch fossile Brennstoffe oder nachwachsende Rohstoffe befriedigt werden, mit den daraus erwachsenden Umweltproblemen und sofern diese überhaupt vorhanden bzw. verfügbar sind.Structural weakness and underdeveloped countries, in many cases also sparsely populated Surface states, hardly able to or only performance-optimized in selectively concentrated "high-tech parks" Operating wind turbines, let alone developing them yourself build in order to develop their country structure nationwide. The need for primary energy can from these countries essentially only through fossil fuels or renewable Raw materials are satisfied with the resulting environmental problems and if this at all available or available are.

Nach dem Stande der Technik können Windkraftanlagen mit vertikaler Rotorachse, die sogenannten Vertikalläufer, und von der Rotorwirkungsweise diesen zugehörige Konstruktionen mit horizontaler Drehachse, denen allen gemeinsam ist, dass der Vektor der Winkelgeschwindigkeit senkrecht zur Windkraftrichtung liegt, im wesentlichen als sogenannte Widerstandsläufer, die nach dem Prinzip der bekannten „Savonius-Rotoren" wirken, sowie als sogenannte Auftriebsläufer, wie beispielsweise die bekannten „Darrieus-Rotoren", klassifiziert werden. Auch sind nach dem Stand der Technik Kombinationen dieser beiden Prinzipien bekannt, bei denen eine „Savonius-Rotor"-Konstruktion als Anlauferreger bzw. zur verbesserten Leistungsaufnahme im Schwachwindbereich, in Verbindung mit einer nach dem „Darrieus"-Prinzip konstruierten Windkraftanlage fungiert.According to the state of the art, wind turbines with a vertical rotor axis, the so-called vertical rotor, and of the rotor mode of operation of these associated constructions with horizontal Axis of rotation that all have in common that the vector of angular velocity is perpendicular to the wind power direction, essentially as so-called Resistance Runner, which work on the principle of the well-known "Savonius rotors" as well as a so-called buoyancy runner, such as the well-known "Darrieus rotors" can be classified. Also are combinations of these two principles according to the prior art known in which a "Savonius rotor" construction as a starting exciter or for improved power consumption in low wind areas, in connection with a constructed according to the "Darrieus" principle Wind turbine is functioning.

Bekannte Windkraftanlagen mit „H-Darrieus-Rotoren", haben gegenüber den „Darrieus-Rotoren" den Vorteil, dass diese bei entsprechenden Windgeschwindigkeiten selbstständig anlaufen . Auch bei diesen ist es Stand der Technik, die Winkelstellung der Rotorflächen, der zumeist mit drei Flügel ausgestatteten Rotoren, zu verstellen, um bei zu hohen Windgeschwindigkeiten die Leistungsaufnahme, durch Verringerung der aerodynamischen Auftriebswirkung an den Flügel, zu begrenzen.Known wind turbines with "H-Darrieus rotors", have opposite the advantage of the "Darrieus rotors" that they start up automatically at appropriate wind speeds , With these, too, it is state of the art that the angular position of the Rotor surfaces, the usually equipped with three wings Rotors to adjust the at high wind speeds Power consumption by reducing the aerodynamic lift effect to the wing, to limit.

In der DE 100 54 700 A1 ist eine Windkraftanlage mit vertikaler Achse und Tragflächenprofilen offenbart, die im wesentlichen auf dem Prinzip der „H-Darrieus-Rotoren" basiert, wobei ein Flügelanteil der vertikalen Flügel mechanisch, elektrisch oder hydraulisch verstellbar ist, mit dem Ziel, die Leistungsaufnahme bei zu hohen Windgeschwindigkeiten zu begrenzen.In the DE 100 54 700 A1 discloses a wind power plant with a vertical axis and wing profiles, which is essentially based on the principle of the “H-Darrieus rotors”, with a wing portion of the vertical wings being mechanically, electrically or hydraulically adjustable, with the aim of increasing the power consumption when the wind speeds are too high to limit.

Sämtliche bisher genannten Konstruktionen mit Rotorblattverstellung ist gemeinsam, dass diese nach dem sogenannten Auftriebsläufer-Prinzip wirken, wobei die Blattverstellung der Leistungsaufnahmebegrenzung dient und die Winkelverstellung der Rotorflächen über mess- und regelungstechnische Verfahren durch konstruktiv festzulegende Grenzwerte, beispielsweise in Programmsteuerungen, fremdgesteuert ist.All previously mentioned constructions with rotor blade adjustment is common, that they work according to the so-called buoyancy principle, whereby the blade adjustment serves to limit the power consumption and the Angle adjustment of the rotor surfaces using measurement and control technology externally controlled by constructive limits, for example in program controls is.

Es ist eine Windkraftanlage mit Vertikalrotoren in DE 199 50 103 A1 offengelegt, bei der eine Verstellung der Flügel über Teleskop-Hebelkonstruktionen mit Ausgleichsgewichten durch Fliehkraftsteuerung vorgenommen wird, wobei die Rotorflächen um einen Drehpunkt an der unteren Rotor-Narbe vertikal in Ebene der Rotationsachse in einem vorgegeben Winkelbereich geschwenkt werden können, um die Leistungsaufnahme zu begrenzen, indem das Rotor-Drehmoment über eine Verkleinerung des oberen Rotordurchmessers verringert wird. Hierbei findet eine Winkelverstellung der wirksamen vertikalen Rotorflügel zur Windwirkrichtung nicht statt.It is a wind turbine with vertical rotors in DE 199 50 103 A1 disclosed, in which an adjustment of the wings is carried out by means of telescopic lever structures with counterweights by centrifugal force control, the rotor surfaces being able to be pivoted vertically about a pivot point on the lower rotor scar in the plane of the axis of rotation in a predetermined angular range in order to limit the power consumption, by reducing the rotor torque by reducing the upper rotor diameter. In this case, there is no angular adjustment of the effective vertical rotor blades to the wind direction.

In US 39 76 396 ist ein vertikaler Rotor offenbart, auf dessen eiförmigen und strömungsdynamisch geformten Achskörper vertikalverlaufend ein Reihe unabhängig von einander an der Schale des Achskörpers an Drehpunkten gelagerte Fahnen mit Mittelrippe angebracht sind, deren Form der Achskörperschale kongruent ausgeprägt ist und die in einem Winkelbereich von ca. 90° frei beweglich sind. Die luv-seitige Anströmung durch das Medium soll im ersten Sektor der Drehbewegung ,durch den an der gekrümmten Schalenfläche wirkenden Auftriebseffekt und Rotationskräfte , die Fahnen entgegen der Rotationsrichtung aufrichten, bis die Fahnenfläche durch ihren Widerstand vom Medium bis zum Anschlag der Mittelrippe an die Achskörperschale aufklappt und die Leistungsaufnahme aus dem strömenden Medium bewirkt. In den lee-seitigen Sektoren sollen durch den Widerstand des umströmenden Mediums die Fahnen an der Achskörperschale anliegen. Vorteilhaft erscheint die Unabhängigkeit von der Wirkrichtung des strömenden Mediums. Bei dieser Konstruktion handelt es sich um einen sogenannten Widerstandsläufer, der gegenüber den bisher gewürdigten Rotorkonstruktionen den Nachteil besitzt, dass lediglich im ersten Sektor und allenfalls einem geringen Winkel des zweiten Sektors der Drehbewegung , die Antriebskräfte des strömenden Mediums genutzt werden, während im überwiegenden Teil des Rotors die Drehbewegung hemmende Widerstandskräfte resultieren, weil weder Auftriebskräfte, wie beim Darrieus-Prinzip noch Leitkräfte wie beim Savonius-Prinzip noch der bekannte Magnus-Effekt wirksam werden.In US 39 76 396 discloses a vertical rotor, on the egg-shaped and fluid dynamically shaped axle body, a row of vertically extending flags with center ribs are mounted independently of one another on the shell of the axle body, the shape of the axle body shell being congruently pronounced and which is in an angular range of approx. 90 ° are free to move. In the first sector of the rotary movement, due to the buoyancy effect and rotational forces acting on the curved shell surface, the luv-side inflow through the medium should raise the flags against the direction of rotation until the flag surface opens up due to its resistance from the medium to the stop of the center rib on the axle body shell and causes the power consumption from the flowing medium. In the lee-side sectors, the resistance of the medium flowing around should cause the flags to rest against the axle body shell. Independence from the direction of action of the flowing medium appears advantageous. This construction is a so-called resistance rotor, which has the disadvantage compared to the rotor designs previously recognized that only in the first sector and possibly a small angle of the second sector of the rotary movement, the driving forces of the flowing medium are used, while in the majority of the Resistance forces that inhibit the rotation result because neither buoyancy forces like the Darrieus principle nor leading forces like the Savonius principle nor the well-known Magnus effect are effective.

Ziel dieser Erfindung ist es, eine Anlage zur Nutzung der Windkraft mit vertikalem Rotor zu ermöglichen, die bei einfachem konstruktiven Aufbau nach bekannten Prinzipien der Strömungsmechanik die Nachteile der bisher gewürdigten Erfindungen und Konstruktionen vermeidet. Dahingegen die positiven Eigenschaften von Auftriebs- und Widerstandsläufern derart verbindet, dass durch entsprechende Auslegung einzelner Komponenten der Anlage ebenso schnelllaufende Auftriebsläufer zur Stromerzeugung wie auch langsamlaufende und drehmomentstarke Widerstandsläufer zur direkten Arbeitsabnahme, bei optimalem Wirkungsgrad und relativ einfachem Aufbau mit einer Grundkonstruktion möglich sind. Auch ist ein Hybrid von Widerstandsläufer und Auftriebsläufer bei entsprechender Auslegung der Flügelprofile darstellbar, mit dem Strom erzeugt werden kann und bei zu hohen Windgeschwindigkeiten eine kritische Drehfrequenz vermieden wird, indem über zuschaltbare Kupplungen bzw. Getriebe eine bremswirksame Lastabnahme die Bremsleistung beispielsweise auf Pumpen überträgt, um Medien zu fördern oder Energie zu speichern und Leistungsspitzen über Nennleistung zu nutzen. Bei niedrigen Windgeschwindigkeiten kann statt einer Stromerzeugung unter Nenneistung wahlweise eine direkte Arbeitsabnahme erfolgen, weil der Rotor auch bei geringeren Rotorgeschwindigkeiten als drehmomentstarker Widerstandsläufer arbeitet.The aim of this invention is a To enable wind power plant with vertical rotor with a simple construction based on known principles of fluid mechanics Disadvantages of the previously appreciated Avoid inventions and constructions. In contrast, the positive Characteristics of lift and resistance runners combined in such a way that by designing individual components of the system accordingly high-speed buoyancy runners for power generation as well as slow-running and high-torque resistance runner for direct acceptance of work, with optimal efficiency and relative simple construction with a basic construction are possible. Is also a hybrid of resistance runners and buoyancy runners with appropriate design of the wing profiles, with the electricity can be generated and a too high wind speeds critical rotational frequency is avoided by using selectable clutches or transmission a braking effective load decrease the braking power for example transfers to pumps to media to promote or to store energy and to use power peaks above nominal power. At low wind speeds, instead of generating electricity a direct acceptance of work can be carried out under nominal power, because the rotor has a higher torque even at lower rotor speeds resistance runner is working.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass Flügel im Winkel a frei drehbar zwischen zwei Tragscheiben-Konstruktionen in bekannter Weise gelagert sind, die über eine zentrisch verbundene Drehachse die Energie nach Stand der Technik zur Umwandlung in Arbeitsleistung oder elektrische Leistung bereitstellen.This problem is solved by making wings at an angle a freely rotatable between two supporting disc constructions in a known Way stored, which over A centrically connected axis of rotation represents the state of the art energy provide for conversion into work or electrical power.

Erfindungsgemäß – in mechanischer Ausgestaltung – werden dabei geführte Schubstangen, frei drehbar in einem Abstand zur Drehachse an jeder Rotorleitfläche und einem frei verschieblich im Zentrum des Rotors befindlichen Lenkkörper angeschlossen, wobei die an jeder Rotorleitfläche wirkenden Kräfte über die Schubstangen in drehbare Lagerungen geleitet werden, die auf dem Lenkkörper entlang einer Kreisbahn verschieblich angeordnet sind.According to the invention - in a mechanical configuration guided Push rods, freely rotatable at a distance from the axis of rotation on each rotor guide surface and connected to a freely movable steering body in the center of the rotor, being on each rotor guide surface acting forces over the Push rods are guided in rotatable bearings on the steering body are slidably arranged along a circular path.

Hierdurch wird in neuartiger Weise erreicht, dass die auf die gegenüberliegenden Flügel wirkenden Kräfte eine entsprechende Verschiebung des Lenkkörpers bewirken, wobei dieser in Richtung der resultierenden Kraft, mit den Schubstangen eine Winkeleinstellung der angeschlossenen Flügel zur Strömung bewirkt, die entlang der Rotorbahn eine optimale Vortriebswirkung in Drehrichtung des Rotors erzielt.This is done in a new way achieved that on the opposite wing acting forces cause a corresponding displacement of the steering body, this in the direction of the resulting force, with the push rods an angle adjustment the connected wing to the current causes an optimal propulsion effect along the rotor path achieved in the direction of rotation of the rotor.

Die 1, 2 und 3 zeigen schematisch das Prinzip des Rotors mit selbstlenkender Winkelverstellung in drei Phasen.The 1 . 2 and 3 schematically show the principle of the rotor with self-steering angle adjustment in three phases.

4 zeigt einen Horizontal-Schnitt durch eine beispielhafte Ausgestaltung der Erfindung. 4 shows a horizontal section through an exemplary embodiment of the invention.

5 zeigt einen Vertikal-Schnitt der beispielhaften Ausgestaltung der Erfindung. 5 shows a vertical section of the exemplary embodiment of the invention.

Die 1 zeigt eine Phasendarstellung des Rotors, die praktisch der optimalen Justierung und Abstimmung des Rotors bezüglich Rotordurchmesser und Bahngeschwindigkeit entspricht, wobei in Abhängigkeit von der Flügelanzahl sowie Profilform der Flügel eine entsprechend andere Grundeinstellung möglich ist. Beim stationären Betrieb mit entsprechender Drehfrequenz stellt sich, wie die Beobachtungen am Modell zeigten, eine fast koaxiale Lage des Lenkkörpers ein, so dass die Lenkbewegungen der Flügel minimal werden und in eine gleichmäßige strömungsdynamische Lage entlang der Rotorbahn gelenkt sind.The 1 shows a phase representation of the rotor, which practically corresponds to the optimal adjustment and tuning of the rotor with respect to the rotor diameter and path speed, depending on the number of blades and profile shape of the blades a correspondingly different basic setting is possible. In stationary operation with a corresponding rotational frequency, as the observations on the model showed, the steering body is in an almost coaxial position, so that the steering movements of the wings are minimal and are steered into a uniform flow-dynamic position along the rotor path.

In 2 ist ein Rotor im instationären Betrieb dargestellt. Während der Anlaufphase und beim Herunterfahren der Rotordrehfrequenz, sowie bei unkontinuierlichen Strömungsverhältnissen, bei Druck- und Richtungsänderungen und vor allem bei niedriger Rotor-Winkelgeschwindigkeit, zufolge geringen Winddrucks bzw. eines großen Rotordurchmessers, stellt sich der zentrale Lenkkörper in eine zur Rotorachse exzentrische Lage und verharrt dort, gleichsam wie das Zahnrad eines Planetengetriebes, während der Rotor dreht . Im Bereich geringen Widerstands – lee-seitig – werden die Flügel über die gelenkigen Schubstangen entsprechend aus der radialen Rotorbahn ausgelenkt, im Bereich hohen Druckes, luv-seitig werden die Flügel entsprechend in die radiale Rotorbahn eingelenkt. In den Bereichen der Rotorbahn, in denen sich die Flügel beim Umlauf in Richtung bzw. gegen die Richtung der Strömung bewegen, liegen die Flügel in neutraler Stellung strömungsdynamisch günstig nahe der Rotor-Kreisbahn an. Die Führung auf der Kreisbahn des zentralen Lenkkörper in Verbindung mit Wälzlagern bzw. Laufwagen erlaubt sowohl eine Verschiebung als auch Verdrehung des Lenkkörpers, so dass Querkräfte auf die Linearbewegung der Schubstangen und Reibung minimiert wird.In 2 a rotor is shown in transient operation. During the start-up phase and when the rotor rotational frequency is reduced, as well as in the event of non-continuous flow conditions, changes in pressure and direction, and especially at low rotor angular velocity, due to low wind pressure or a large rotor diameter, the central steering body is in an eccentric position to the rotor axis and remains there there, like the gear of a planetary gear, while the rotor is rotating. In the area of low resistance - on the leeward side - the wings are deflected from the radial rotor path via the articulated push rods, in the area of high pressure, on the windward side, the wings are steered accordingly into the radial rotor path. In the areas of the rotor path in which the blades move in the direction of or against the direction of the flow during rotation, the blades lie in a neutral position in a fluid dynamically favorable manner close to the rotor orbit. The guidance on the circular path of the central steering body in connection with roller bearings or carriages permits both displacement and rotation of the steering body, so that lateral forces on the linear movement of the push rods and friction are minimized.

In 3 ist eine mögliche Extremlage der Flügel-Winkelstellung skizziert, wie diese bei einem Anlauf aus dem Stillstand möglich ist, vor allem, wenn bei Rotoren mit großem Durchmesser ein höheres Drehmoment erforderlich ist, bzw. wenn eine Lastabnahme durch Arbeitsmaschinen beim Anlauf bzw. bei geringer Umlaufgeschwindigkeit des Rotors anliegt. In dieser schematischen Phasendarstellung ist deutlich zu erkennen, welche Lage zueinander die als schwarze Vollkreise skizzierten Lagerungen der Schubstangen auf der Kreisbahn des zentralen Lenkkörpers einnehmen können. In Verbindung mit der exzentrischen Lage des Lenkkörpers werden hierdurch optimale Winkelstellungen der Flügel zur Strömung ermöglicht, wobei die Winkel der gegenüberliegenden Flügel voneinander verschiedene Beträge annehmen können.In 3 A possible extreme position of the wing angular position is outlined, as is possible when starting from a standstill, especially if a higher torque is required for rotors with a large diameter, or if a load is reduced by machines when starting or at a low rotational speed of the rotor. This schematic phase representation clearly shows the position in relation to one another that the bearings of the push rods, sketched as black full circles, can assume on the circular path of the central steering body. In conjunction with the eccentric position of the steering body, this enables optimal angular positions of the vanes in relation to the flow, the angles of the opposite vanes being able to assume different amounts.

In beispielhafter Ausführung in 4 bzw. in 5, bei einem Rotor mit 12 Flügel (1), besteht der zentrale Lenkkörper (2) im Zentrum des Rotors aus zwei kreisringförmigen Rahmen (3, 4), die miteinander verbunden sein können und zwischen denen paarig angeordnete Wälzlager (5) oder auch entsprechende Laufwagen-Konstruktionen in einer ebenen Kreisbahn geführt werden. Von diesen führt jeweils eine gelenkig angeschlossene Schubstange (6) zu einem gelenkigen Anschluss (9) an einer Leitfläche. Dabei ist die Schubstange im ersten Teil (11), zwischen dem zentralen Lenkkörper (2) und ihrem Teilungs-Gelenk (7), radialsymmetrisch zur Rotor-Drehachse (13) in einer Linearführung (8) gelagert und mit ihrem zweiten Teil (12) exzentrisch zur Drehachse (10) der Leitfläche mit dieser gelenkig verbunden. Derart wird bei Lastbeaufschlagung der Flügel deren Drehung über deren Hebelwirkung und die Pendel-Schubbewegung des ungeführten Schubstangenteils (12) in eine radial-lineare Verschiebung des geführten Schubstangenteils (11) überführt, die Zug- und Druckkräfte über die Wälzlager (5) bzw. Laufwagen in den zentralen Lenkkörper (2) leitet. Im Bestreben die einzelnen linearwirkenden Kräfte auszugleichen resultiert eine Verschiebung des zentralen Lenkkörpers in Richtung des geringsten Widerstandes, wobei die Schubstangenlager der radial-symetrisch gegenüberliegenden Flügelpaare, je nach Drehwinkel zu Luv- und Lee-Seite in der Rotorumlaufbahn, in der Kreisbahn des Lenkkörpers zwischen minimalem Abstand einer Kreissehne und maximalem Abstand des Kreisdurchmessers des Bewegungskreises differieren. Hierdurch und durch die Verschiebung des Lenkkörpers in eine exentrische Lage zur Rotor-Drehachse (13) erfolgt eine aktive gegenseitige Winkelverstellung der Flügel in Abhängigkeit der Wirkkräfte, wobei die Winkel (β, γ) der gegenüberliegenden Flügel voneinander verschiedene Beträge annehmen können. Die Flügel sind nach Stand der Technik um eine vertikale Drehachse (13) auf einem Umfangskreis drehbar gelagert und gleichmäßig verteilt. Die Lagerung der Flügelschwenkachsenachsen (10) kann zwischen zwei sternartigen Tragscheiben mit auskragenden Tragarmen (14), ebenso zwischen Kreisscheiben oder auch zwischen Kreisringen mit Speichen und Narbenkonstruktion erfolgen, wobei die Flügelträger (14) , die Rotorhöhe begrenzend im Drehzentrum (13) des Rotors gelagert sind. Die Lagerung des Rotors ist, in Abhängigkeit von seiner Größe und den Gesetzen der Festigkeitslehre und Rotationsdynamik, nach Stand der Technik auf verschiedene Weise denkbar.In an exemplary embodiment in 4 or in 5 , with a rotor with 12 blades ( 1 ), the central steering body ( 2 ) in the center of the rotor from two circular frames ( 3 . 4 ), which can be connected to each other and between which roller bearings arranged in pairs ( 5 ) or corresponding carriage designs in a flat circular path. Of these, an articulated connecting rod ( 6 ) to an articulated connection ( 9 ) on a guide surface. The push rod is in the first part ( 11 ), between the central steering body ( 2 ) and its division joint ( 7 ), radially symmetrical to the rotor axis of rotation ( 13 ) in a linear guide ( 8th ) stored and with its second part ( 12 ) eccentric to the axis of rotation ( 10 ) the guide surface is articulated to it. In this way, when the wings are loaded, their rotation is determined by their leverage and the pendulum thrust movement of the unguided push rod part ( 12 ) in a radial-linear displacement of the guided push rod part ( 11 ) transferred the tensile and compressive forces via the roller bearings ( 5 ) or carriage in the central steering body ( 2 ) leads. In an effort to balance the individual linearly acting forces, the central steering body shifts in the direction of the least resistance, with the push rod bearings of the radially symmetrically opposite wing pairs, depending on the angle of rotation on the windward and leeward sides in the rotor orbit, in the circular path of the steering body between minimal Differentiate the distance of a chord and the maximum distance of the circle diameter of the movement circle. This and the displacement of the steering body in an eccentric position to the rotor axis of rotation ( 13 ) there is an active mutual angular adjustment of the wings depending on the active forces, the angles (β, γ) of the opposite wings taking on different amounts. According to the prior art, the wings are about a vertical axis of rotation ( 13 ) rotatably mounted on a circumferential circle and evenly distributed. The bearing of the wing pivot axis axes ( 10 ) can be placed between two star-like support disks with projecting support arms ( 14 ), also between circular discs or between circular rings with spokes and scar construction, the wing carriers ( 14 ), limiting the rotor height in the turning center ( 13 ) of the rotor are stored. The bearing of the rotor, depending on its size and the laws of strength and rotational dynamics, is conceivable in various ways according to the prior art.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, die Winkelverstellung der Flügel hydraulisch vorzunehmen. Anstelle der Schubstangen werden Druckzylinder gelenkig an jede Leitfläche und der Rotorkörperkonstruktion gelagert und mittels Druckleitung an den zentralen Lenkkörper angeschlossen. Völlig entlüftet und gefüllt mit einem inkompressiblen Medium, beispielsweise Bremsflüssigkeit, stellt sich in Abhängigkeit von der jeweiligen Belastung der Flügel über die Zylinderstange ein Druckausgleich ein, der über die Verschiebung des zentralen Lenkköpers eine Flügel-Winkelverstellung bewirkt. Auch ist es denkbar, über Drucksensoren eine Messspannung abzugreifen, mit der elektrische Stellmotoren die Flügel-Winkelstellung über ein zentrales Steuerungsprogramm einstellen.Another embodiment of the invention provides that the angular adjustment of the wings is carried out hydraulically. Instead of the push rods who the pressure cylinder is articulated to each guide surface and the rotor body construction and connected to the central steering body by means of a pressure line. Completely vented and filled with an incompressible medium, such as brake fluid, a pressure equalization occurs depending on the load on the wing via the cylinder rod, which causes a wing angle adjustment via the displacement of the central steering body. It is also conceivable to tap a measuring voltage via pressure sensors with which electric servomotors adjust the wing angle position via a central control program.

Vorteilhaft bei dieser erfindungsgemäß vorgeschlagenen Winkelverstellung der Flügel ist, dass im Prinzip beliebig viele Flügel auf dem Rotorkörper angeordnet werden können, wobei jede Leitfläche , vornehmlich in den instationären Phasen, d. h. vom Anlauf bis zum erreichen der Nennleistung und umgekehrt, beispielsweise bei Verringerung der Windstärke, in jeder Drehwinkelstellung des Rotors eine entsprechende Stellung zu den auf sie einwirkenden Kräften einnehmen kann, die aus dem Widerstand der Windströmung, an profilierten Flügel wirkenden Auftriebskräften, Änderungen der Strömungsrichtung , Über- und Unterdruck in Luv und Lee, Turbulenzen sowie den Windwiderstandskräften und Fliehkräften resultieren.Advantageously in this proposed according to the invention Angle adjustment of the wing is that in principle any number of blades are arranged on the rotor body can be each guiding surface , mainly in the transient Phases, d. H. from start-up to reaching the nominal power and vice versa, for example when wind force is reduced, in a corresponding position for each angular position of the rotor to the forces acting on them can take up from the resistance of the wind flow profiled wing acting buoyancy, changes the direction of flow, over and Negative pressure in windward and lee, turbulence as well as wind resistance and Centrifugal forces result.

Vorteihaft bei dieser erfindungsgemäß vorgeschlagenen Winkelverstellung der Flügel ist weiterhin, dass insbesondere beim Anfahren und bei schwacher Strömung auch die Durchströmung des Rotors, die luv-seitig nicht von den Flügel erfasst wird, lee-seitig auf die optimal in den Wind gestellten Flügel wirkt und für Vortrieb sorgt, während die Flügel an den Sektorgrenzen zwischen Luv und Lee bei der Drehbewegung in Strömungsrichtung stehen und praktisch kaum bremsenden Windwiderstand bewirken. Hierdurch wird es ermöglicht eine Vielzahl von Flügel oder Flügel mit großer Profilbreite bzw. großer vertikaler Erstreckung zu verwenden und eine große antriebswirksame Gesamtfläche zu erreichen, die bei starkem Drehmoment, dennoch einen geringen Verlust der Leistung durch Windwiderstand haben.Advantageous in this proposed according to the invention Angle adjustment of the wing is still that especially when starting and when weak flow also the flow of the rotor, which is not caught by the blades on the windward side, on the windward side acts on the optimally placed wings and for propulsion worries while the wings on the sector boundaries between windward and lee when rotating in the direction of flow stand and cause practically no braking wind resistance. hereby it is made possible a variety of wings or wings with great Profile width or large vertical To use extension and to achieve a large drive-effective total area, that with strong torque, yet a small loss of power due to wind resistance.

Diese vorgeschlagene, im Verbund selbstlenkende Winkelverstellung der Flügel ermöglicht auch eine Speicherung der kinetischen Energie in Schwungmassen, da auch beim Anfahren aus dem Stillstand schon bei geringen Strömungsgeschwindigkeiten zunächst die Flügel in eine optimale Wirkstellung gelenkt werden, um maximale Antriebsleistung aufzunehmen. Der Rotor setzt sich wie eine Windmühle zunächst langsam aber mit maximalem Drehmoment in Bewegung und nimmt kontinuierlich an Geschwindigkeit zu, wobei sich die Flügelstellung strömungsdynamisch anpasst, um im stationären Betrieb die Nennleistung zu erreichen.This proposed, in association self-steering angle adjustment of the wings also allows storage the kinetic energy in flywheel masses, because also when starting from a standstill even at low flow velocities wing be steered into an optimal active position for maximum drive power take. Like a windmill, the rotor initially settles slowly but with maximum torque in motion and continuously increasing in speed, with the wing position dynamically adapts to stationary Operation to achieve the nominal power.

In weiterer Ausgestaltung ist bei Anlagen mit geringem Durchmesser eine Lagerung auf stehender, fliegender Welle denkbar, die in einer Stuhlung oder einem Fundament auf einer Seite des Rotors gelagert wird. Bei Anlagen mit großem Durchmessers bzw. großer Rotorhöhe ist es Vorteilhaft den Rotor in einem Käfig zu lagern, wobei der Rotor mit einer durchgehenden Welle oder Rohrwelle, ebenso wie mit geteilter Welle bzw. Rohrwelle an wenigsten zwei Punkten drehbar gelagert ist. Der Käfig ist zweckmäßig aus Metallträgern oder Rohren in biegesteifer Rahmenkonstruktion sowie auch als Raumfachwerk zu erstellen , wobei Tragwerks-Module entstehen, in deren Decken und Bodenkonstruktion die Lagerung der Rotorachse erfolgt.In a further embodiment Systems with a small diameter can be stored on a standing, flying Conceivable shaft in a frame or a foundation on a Side of the rotor is stored. For systems with a large diameter or larger rotor height it is advantageous to store the rotor in a cage, the rotor with a continuous shaft or tubular shaft, as well as with a split one The shaft or tubular shaft is rotatably supported at at least two points is. The cage is expedient metal beams or pipes in a rigid frame construction as well as a space framework create, creating structural modules, in their ceilings and Floor construction, the rotor axis is supported.

Dem Anwendungsfall und der Rotorgröße entsprechend, sind Module mit dreieckigem, quadratischen, auch polygonem und kreisförmigen Grundriß möglich, wobei insbesondere die aufrechten Rahmenstützen aerodynamisch ausgeformt sein können, um Windschatten und Verwirbelungsphänomene zu minimieren bzw. um Windleitfunktionen zu übernehmen. Die Rotorkäfig-Konstruktion in Modulbauweise erfolgt unter dem Gesichtpunkt, der Stapelbarkeit in Art aus der Literatur bekannter, sogenannter Windtürme und unterstützt auch eine einfache Aufstellung und Montage auf bestehenden Gebäuden sowie unerschlossenem Gelände, wie beispielsweise Bergen, Schluchten, Steilküsten, Wüstengebieten.Depending on the application and the rotor size, modules with triangular, square, also polygonal and circular layout are possible, whereby in particular the upright frame supports are aerodynamically shaped can be to Slipstream and turbulence phenomena to minimize or to take over wind control functions. The rotor cage construction in modular design takes place from the point of view of stackability in kind known from the literature, so-called wind towers and supports also a simple installation and assembly on existing buildings as well untapped terrain, such as mountains, gorges, cliffs, desert areas.

Claims

Vertical rotor with steerable blades ( 1 ) for the use of wind energy with an axis of rotation ( 13 ) and around this rotating wing, which is on a partial circle coaxial to the axis of rotation with swivel axes between two wing carriers ( 14 ) Are arranged, characterized in that the wings ( 1 ) at a distance from the swivel axis ( 10 ) flexible with push rods ( 11 . 12 ) are connected, which have an articulated connection (7) and the rotation of the wings about the pivot axes in a guided part ( 11 ), in a to the axis of rotation ( 13 ) of the rotor transfer radial symmetrical linear displacement, which on the blades ( 1 ) acting tensile and compressive forces in an articulated bearing ( 5 ) transmitted in a central steering body with a flat circular path ( 2 ), which encompasses the axis of rotation of the rotor, can be moved on the circular path and the central steering body with a flat circular path 2 ) move, with which a mutual automatic steering of the wings ( 1 ) is reached in an optimal position to the flow.

Vertical rotor with steerable blades ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the pivoting movement of the wings ( 1 ) hydraulically by means of pressure cylinders on the articulated bearings ( 5 ) be transmitted.