DE10227404B4 - Drive rotor for vertically running wind turbines - Google Patents

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Abstract

Antriebsrotor für vertikal laufende Windkraftanlagen mit einem, ein flaches Wellenprofil aufweisenden Blatt (8), das in sich in Blattlängsrichtung mit flachem Steigungswinkel verdreht ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Blatt (8) einen vertikal gleichmässig durchlaufenden Verdrehwinkel von 45 bis 90° aufweist.drive rotor for vertical Running wind turbines with a, having a flat wave profile Leaf (8), which is in leaf longitudinal direction twisted at a flat pitch angle, characterized that the sheet (8) has a vertically uniformly passing angle of rotation from 45 to 90 °.

Figure 00000001
Figure 00000001

Description

Wie herkömmliche horizontal laufende Windkraftanlagen benötigen auch vertikal laufende Windkraftanlagen geeignete Antriebsflügel oder Rotoren, mit denen Windkraft in eine mechanische Drehbewegung umgewandelt wird, um geeignete Generatoren zur Stromerzeugung antreiben zu können.As conventional horizontally running wind turbines also need vertical running Wind turbines suitable drive wings or rotors, with which Wind power is converted into a mechanical rotary motion to be able to drive suitable generators for power generation.

Bislang erreichen handelsübliche Windkraftanlagen erst gute Wirkungsgrade nachdem aufwendige Steuer-, Sicherheits- und Regelungsmechanismen verbunden mit komplexen aerodynamischen Berechnungen unter einem enormen Kostenaufwand, kombiniert wurden.So far achieve commercial Wind turbines only good efficiencies after complex tax, Safety and control mechanisms associated with complex aerodynamic calculations at a huge cost.

Die DE 3928538 A1 und die JP 60090992 A zeigen in anderen Bereichen anzuwendende und beidseitig gelagerte Windturbinen, die jeweils ein Blatt aufweisen, das in sich mit flachem Steigungswinkel und einem Verdrehwinkel von 180° oder mehr verdreht ist. Eine derartige Windturbine hat den Nachteil eines schlechten Wirkungsgrades.The DE 3928538 A1 and the JP 60090992 A show in other areas applicable and bilaterally mounted wind turbines, each having a leaf which is twisted in itself with a flat pitch angle and a twist angle of 180 ° or more. Such a wind turbine has the disadvantage of poor efficiency.

Die GB 151 81 51 zeigt eine einseitig gelagerte Windturbine, die aus insgesamt drei, zirkular angeordneten Blättern besteht. Die Windturbine hat den Nachteil, dass sie kompliziert aufgebaut ist.The GB 151 81 51 shows a single-mounted wind turbine, which consists of a total of three circularly arranged leaves. The wind turbine has the disadvantage that it is complicated.

Der in der WO 81/01443 A1 gezeigte Windrotor besteht aus zwei verwundenen und profilierten Bändern, die jeweils an ihren Enden zu einer Einheit zusammengehalten werden.The Indian WO 81/01443 A1 Windrotor shown consists of two twisted and profiled bands, which are held together at their ends to a unit.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Antriebsmotor für eine geräuscharme, kompakte, unkomplizierte und kostengünstige Windkraftanlage für jeden Endverbraucher bereitzustellen, so daß ein Betrieb in Wohngegenden und ortsnahen Gebieten mit dem Ziel einer allgemein unterstützenden Energieversorgung ermöglicht wird.task The invention is a drive motor for a quiet, compact, uncomplicated and cost-effective Wind turbine for to provide every end user, allowing operation in residential areas and local areas with the aim of providing general support Energy supply allows becomes.

Die Aufgabe wird gelöst durch einen Antriebsrotor nach Anspruch 1.The Task is solved by a drive rotor according to claim 1.

Weitere vorteilhafte Gestaltungen sind in den Patentansprüchen 2 bis 11 beschrieben. Weitere Vorteile und Effekte der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der beigefügten Figuren.Further advantageous designs are in the claims 2 to 11 described. Further advantages and effects of the invention result from the description of an embodiment with reference to attached Characters.

Von den Figuren zeigen:From show the figures:

1 die Ansicht eines erfindungsgemäßen Antriebsrotors von oben; 1 the view of a drive rotor according to the invention from above;

2 die Ansicht des Antriebsrotors aus 1 von schräg oben; 2 the view of the drive rotor 1 from diagonally above;

3 die Ansicht eines Antriebsrotors aus 1 von der Seite, wobei die Blickrichtung 90° zur Unterkante des Rotorblattes ist; 3 the view of a drive rotor 1 from the side, the viewing direction being 90 ° to the lower edge of the rotor blade;

4 die Ansicht des Antriebsrotors aus 1 von der Seite, wobei die Blickrichtung 90° zur Oberkante des Rotorblattes ist; 4 the view of the drive rotor 1 from the side, the viewing direction being 90 ° to the upper edge of the rotor blade;

5 das Rotorblatt aus 1 mit weiteren Details; und 5 the rotor blade off 1 with further details; and

6 eine Veranschaulichung der mathematischen Beschreibung des Wellenprofils des Blattes von dem Antriebsrotor aus 1. 6 an illustration of the mathematical description of the wave profile of the blade from the drive rotor 1 ,

Eine Ausführungsform der Erfindung mit den im Patentanspruch 1 angegebenen wesentlichen Merkmalen ist, in den 1-4, in verschiedenen Ansichten allgemein, in 5 mit Details dargestellt. In 6 ist die Grundformel für die Berechnung des horizontalen Profilverlaufes abgebildet.An embodiment of the invention with the essential features specified in claim 1 is in the 1 - 4 , in different views generally, in 5 presented with details. In 6 is the basic formula for the calculation of the horizontal profile profile shown.

Der erfindungsgemäße Antriebsrotor weist ein Blatt mit einem flachen Wellenprofil auf, das in sich mit einem flachen Steigungswinkel verdreht ist. Dabei ist das Blatt mit einem vertikal gleichmäßig durchlaufenden Verdrehwinkel von 70° verdreht. Das Blatt weist im Bereich seiner Rotationsachse seine größte Blattstärke auf, wobei die Blattstärke an den aerodynamischen Enden gegen Null geht.Of the Drive rotor according to the invention has a leaf with a flat wave profile that is in itself is twisted with a shallow pitch angle. This is the sheet with a vertically evenly running Twist angle of 70 ° twisted. The sheet has its greatest thickness in the region of its axis of rotation, the sheet thickness goes to zero at the aerodynamic ends.

5 zeigt die Möglichkeit eine Montage-/Transportvorrichtung (10) am lagerfreien Wellenende (11) anzubringen. 5 shows the possibility of an assembly / transport device ( 10 ) at the bearing-free shaft end ( 11 ).

Die durch die Rotationsachse verlaufende, beidseitig aus dem Rotoblatt hinausragende Welle, überträgt Hubkräfte zwischen Transporthaken und der Gesamtmasse des Antriebsrotors, verbindet die beiden symmetrischen Rotorblatthälften (Formhälften 1 bzw. 2) miteinander, bietet im unteren Bereich (7) in 5 die Aufnahmemöglichkeit für ein Lager mit Sicherungsmechanismus zur Übertragung der Rotationskräfte auf einen geeigneten Stromerzeugungsgenerator und stellt insgesamt die elektrische Masseverbindung zur Erde dar. Das Blatt weist an, seinem lagerseitigen Ende (9) eine Blatttiefe (dL) auf, die größer. ist als die Blatttiefe (dF) an seinem freien Ende (2). Genauer beträgt das Verhältnis der Blatttiefe (dL) am lagerseitigen Ende des Blattes (8), zu der Blatttiefe (dF) am freien Ende des Blattes 1:0,6. Das Verhältnis der Blatttiefe (dL) des lagerseitigen Endes zur Gesamthöhe (h) des Blattes (8) betragt 1:0,74. Das Blatt weist weiter wie am besten in 1 zu sehen und in 6 veranschaulicht ein Wellenprofil auf, das einem Ausschnitt aus einer Sinusfunktion entspricht.The extending through the axis of rotation, both sides of the red sheet protruding shaft, transmits lifting forces between the transport hook and the total mass of the drive rotor, connects the two symmetrical rotor blade halves (mold halves 1 respectively. 2 ), offers in the lower area ( 7 ) in 5 the possibility of receiving a bearing with a securing mechanism for transmitting the rotational forces to a suitable power generator and overall represents the electrical ground connection to the earth. The sheet indicates, its bearing end ( 9 ) has a blade depth (dL) larger. is as the blade depth (dF) at its free end ( 2 ). Specifically, the ratio of the blade depth (dL) at the bearing end of the blade ( 8th ), to the blade depth (dF) at the free end of the blade 1: 0.6. The ratio of the blade depth (dL) of the bearing end to the total height (h) of the blade ( 8th ) is 1: 0.74. The sheet continues as best in 1 to see and in 6 illustrates a wave profile that corresponds to a section of a sine function.

Wie in 1 durch eine gestrichelte Linie angedeutet, besteht der Antriebsrotor aus zwei symmetrischen Formhälften (1 und 2), die in Faserverbundbauweise hergestellt sind. Dies ermöglicht eine kompakte, einfache Konstruktion und damit einen vergleichbar geringen Kostenaufwand an Herstellung und Entwicklung.As in 1 indicated by a dashed line, the drive rotor consists of two symmetrical mold halves ( 1 and 2 ), which in fiber composite Construction are made. This allows a compact, simple construction and thus a comparably low cost of manufacture and development.

Die formbedingte günstige Verteilung der vertikal verlaufenden Druckkräfte hat zur Folge, dass die resultierenden Hebelkräfte nur durch ein Lager am Sockel (7) der Rotorwelle aufgenommen werden müssen.The positive shape distribution of the vertical compressive forces has the consequence that the resulting leverage forces only by a bearing on the base ( 7 ) of the rotor shaft must be recorded.

Es ist kein Windausrichtungs-/ und Nachführungsmechanismus erforderlich, da das oben beschriebene Rotorblatt ab einer bstimmten Windgeschwindigkeit (ca. 1 m/s) von selbst und unabhängig von der vorherrschenden Windrichtung zu drehen beginnt.It no wind alignment / tracking mechanism is required since the rotor blade described above from a certain wind speed (about 1 m / s) by itself and independent of the prevailing wind direction begins to turn.

Es ist darüber hinaus auch kein primärer Sturmsicherungsmechanismus erforderlich, der das Antriebsblatt aus dem Wind dreht, bedingt durch den „Magnus" – Effekt. Dieser Effekt setzt bei Drehbewegung ein und bewirkt, dass der Rotor eine Luftsäule aufbaut, die auf die Luftströmung trifft und folglich nicht schneller als die Windgeschwindigkeit wird.It is about it In addition, no primary storm-securing mechanism required, which turns the drive blade out of the wind, conditional through the "Magnus" effect. This effect sets upon rotation, causing the rotor to build an air column, the on the air flow and therefore not faster than the wind speed becomes.

Dazu kommt die Tatsache, dass der Rotor immer langsamer dreht, da er von der Last des anzutreibenden Stromerzeugungsgenerators gebremst wird, Bei extremen hohen Windgeschwindigkeiten verbunden mit Unwetter (Hagel-, Blitzschlag ...), kann durch die sekundäre Sturmsicherung in Form der elektromagnetischen Rotorbremse, der Antriebsrotor vor möglichem Bruch im spitzen Winkel und somit seinem geringsten Luftwiderstand zur Windrichtung angehalten werden.To comes the fact that the rotor rotates slower and slower as he does is braked by the load of the power generator to be driven, In extreme high wind speeds associated with severe weather (Hail, lightning ...), may be due to the secondary storm protection in the form of electromagnetic rotor brake, the drive rotor before possible Break at an acute angle and thus its lowest air resistance to the wind direction.

Durch die Zweiblattausführung ist präzises Auswuchten möglich, da die Wellenenden (5, Punkt 2 bis Punkt 7), als Aufnahme für Lagerdorne dienen, an denen befestigt und parallel zum Untergrund ausgerichtet, in niedriger Höhe der Rotor sich dann „die Waage halten" muß.Due to the two-bladed design precise balancing is possible because the shaft ends ( 5 , Point 2 to the point 7 ), serve as a receptacle for bearing arbors, where fixed and aligned parallel to the ground, at low altitude, the rotor must then "balance" must.

Geringe Rotorblattradien sorgen dafür, dass der Lichtunterbrechungseffekt, der bei Rotation gegen das Sonnenlicht entsteht und gleichermaßen störend auf Anwohner wirkt, zu vernachlässigen ist.low Rotor blade radii ensure that the light-interrupting effect, when rotated against the sunlight arises and equally disturbing Resident acts, neglect is.

Umfangreiche Genehmigungsverfahren, Gutachten, kostenintensive, regelmäßig durchzuführende Wartungsarbeiten, die für Großanlagen und Windparks vorgeschrieben sind, finden sich hier in erheblich vereinfachter Form wieder, da nach Aussage Immissi onsschutzbehörde – Landratsamt Erding und Rücksprache mit dem Amt für Umweltschutz, die Grenzwerte für Rotoblattflächen wesentlich unterschritten werden und kein jährlicher Nachweis für Wartungs- und Inspektionsarbeiten erforderlich ist.extensive Approval procedures, expert opinions, cost-intensive, regularly performed maintenance work, the for large plants and wind farms are required, can be found here in considerable Simplified form again, as according to information Immissi onsschutzbehörde - Landratsamt Erding and consultation with the office for Environmental protection, the limits for Rotoblattflächen significantly lower and no annual proof of maintenance and inspection work is required.

Auch ist kein Schattenwurfgutachten erforderlich und es besteht keine Eisabwurfgefahr bei entsprechenden Witterungsverhältnissen, bedingt durch die spezielle Formgestaltung in Verbindung mit geringen Rotorblattradien.Also No shadow casting report is required and there is none Danger of ice shedding in appropriate weather conditions, due to the special design in conjunction with low Rotor blade radii.

Der Antriebsrotor nach der beschriebenen Ausführungsform ermöglicht einen geräuscharmen Lauf auch bei hohen Windgeschwindigkeiten, aufgrund der Kombination aus Formgebung und Oberflächenstruktur. Es sind bei Betrieb Emissionswerte unter 40dB zu erwarten, die eine Betriebserlaubnis für Wohngebiete bei Tag und Nacht ermöglichen.Of the Drive rotor according to the described embodiment allows a silent running even at high wind speeds, due to the combination of Shaping and surface structure. During operation, emission levels below 40dB are expected Operating permit for Allow residential areas by day and night.

Die geringen Strömungsgeräusche bei Rotation des Antriebsrotorblattes werden im Wesentlichen mit dem Übergang einer glatten Rotorblattinnenseite (6) zu einer rauhen Rotorblattaussenseite (5) erzielt und durch den wellenförmigen in Sinus-Normalfunktion (siehe 6) gestalteten Profilverlauf zum jeweils aerodynamischen Blattende, positiv unterstützt.The low flow noise during rotation of the drive rotor blade are substantially with the transition of a smooth rotor blade inside ( 6 ) to a rough rotor blade outer side ( 5 ) and by the wave-shaped in sine normal function (see 6 ) designed profile course to the respective aerodynamic end of the page, positively supported.

Eine rauhe Rotorblattaussenseite wirkt dem Effekt der Kavitation (= vorzeitiger unkontrollierter Strömungsabriss am aerodynamischen Blattende) entgegen und ermöglicht einen laminaren Srömungsverlauf mit kontrolliertem Abriss am aerodynamischen Blattende.A rough rotor blade outer side has the effect of cavitation (= premature uncontrolled stall at the aerodynamic end of the sheet) and allows a laminar course of flow with controlled demolition at the aerodynamic tail.

Die gegen Null laufenden Profile der aerodynamischen Blattenden (3 und 4), begünstigen zusätzlich einen kontrollierten, leisen Strömungsabriss der Luft.The zero profile aerodynamic blade end profiles ( 3 and 4 ), additionally favor a controlled, quiet stall of the air.

Mit zunehmender Drehgeschwindigkeit bewirkt die vertikal verlaufende Windung, die insgesamt auftriebsfördernd wirkt, eine Entlastung des Drucklagers, das im Bereich von 5, Punkt 7, anzubringen ist.With increasing rotational speed causes the vertical winding, which acts as a whole buoyancy, a discharge of the thrust bearing, which in the range of 5 , Point 7 to install.

Claims (14)

Antriebsrotor für vertikal laufende Windkraftanlagen mit einem, ein flaches Wellenprofil aufweisenden Blatt (8), das in sich in Blattlängsrichtung mit flachem Steigungswinkel verdreht ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Blatt (8) einen vertikal gleichmässig durchlaufenden Verdrehwinkel von 45 bis 90° aufweist.Drive rotor for vertically running wind turbines with a flat wave profile having blade ( 8th ) which is twisted in the longitudinal direction of the blade with a flat pitch angle, characterized in that the blade ( 8th ) has a vertically uniformly passing angle of rotation of 45 to 90 °. Antriebsrotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Blatt (8) aus zwei symmetrischen Formhälften (1, 2) besteht.Drive rotor according to claim 1, characterized in that the sheet ( 8th ) of two symmetrical mold halves ( 1 . 2 ) consists. Antriebsrotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wellenprofil einer Sinus – Normalfunktion (y = sin x) entspricht.Drive rotor according to claim 1, characterized that the wave profile of a sine normal function (y = sin x) equivalent. Antriebsrotor nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Blatt (8) einseitig gelagert ist.Drive rotor according to one of the preceding claims, characterized in that the sheet ( 8th ) is mounted on one side. Antriebsrotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass es an seinem lagerseitigen Ende (9) eine Blatttiefe (dL) aufweist, die größer als die oder gleich der Blatttiefe (dF) an dem freien Ende des Blattes (8) ist, wobei das Verhältnis der Blatttiefe (dL) des lagerseitigen Endes (9) zu der Blatttiefe (dF) an dem freien Ende 1:0,2 bis 1:1,0 beträgt.Drive rotor according to claim 4, characterized in that it has at its bearing end ( 9 ) has a blade depth (d L ) greater than or equal to the blade depth (d F ) at the free end of the blade (d) 8th ), wherein the ratio of the blade depth (d L ) of the bearing end ( 9 ) to the blade depth (d F ) at the free end is 1: 0.2 to 1: 1.0. Antriebsrotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass es an seinem lagerseitigen Ende (9) eine Blatttiefe (dL) aufweist, die größer als die Blatttiefe (dF) an dem freien Ende des Blattes (8) ist, wobei das Verhältnis der Blatttiefe (dL) des lagerseitigen Endes zu der Blatttiefe (dF) an dem freien Ende 1:0,4 bis 1:0,8 beträgt.Drive rotor according to claim 4, characterized in that it has at its bearing end ( 9 ) has a blade depth (d L ) greater than the blade depth (d F ) at the free end of the blade (d) 8th ), wherein the ratio of the blade depth (d L ) of the bearing side end to the blade depth (d F ) at the free end is 1: 0.4 to 1: 0.8. Antriebsrotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass es an seinem lagerseitigen Ende (9) eine Blatttiefe (dL) aufweist, die größer als die Blatttiefe (dF) an dem freien Ende des Blattes (8) ist, wobei das Verhältnis der Blatttiefe (dL) des lagerseitigen Endes zu der Blatttiefe (dF) an dem freien Ende 1:0,60 beträgt.Drive rotor according to claim 4, characterized in that it has at its bearing end ( 9 ) has a blade depth (d L ) greater than the blade depth (d F ) at the free end of the blade (d) 8th ), wherein the ratio of the blade depth (d L ) of the bearing side end to the blade depth (d F ) at the free end is 1: 0.60. Antriebsrotor nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Gesamthöhe (h) des Blattes (8) zur Blatttiefe (dL) des lagerseitigen Endes (9) des Blattes (8) 1:0,2 bis 1:1,0 beträgt.Drive rotor according to one of claims 4 to 7, characterized in that the ratio of the total height (h) of the sheet ( 8th ) to the blade depth (d L ) of the bearing end ( 9 ) of the leaf ( 8th ) Is 1: 0.2 to 1: 1.0. Antriebsrotor nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Gesamthöhe (h) des Blattes (8) zur Blatttiefe (dL) des lagerseitigen Endes (9) des Blattes (8) 1:0,4 bis 1:0,8 beträgt.Drive rotor according to one of claims 4 to 7, characterized in that the ratio of the total height (h) of the sheet ( 8th ) to the blade depth (d L ) of the bearing end ( 9 ) of the leaf ( 8th ) Is 1: 0.4 to 1: 0.8. Antriebsrotor nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Gesamthöhe (h) des Blattes (8) zur Blatttiefe (dL) des lagerseitigen Endes (9) des Blattes (8) 1:0,74 beträgt.Drive rotor according to one of claims 4 to 7, characterized in that the ratio of the total height (h) of the sheet ( 8th ) to the blade depth (d L ) of the bearing end ( 9 ) of the leaf ( 8th ) 1: 0.74. Antriebsrotor nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Blatt (8) im Bereich seiner Rotationsachse seine grösste Blattstärke aufweist und die Blattstärke an den aerodynamischen Enden (3, 4) gegen Null geht.Drive rotor according to one of the preceding claims, characterized in that the blade ( 8th ) has its greatest blade thickness in the region of its axis of rotation and the blade thickness at the aerodynamic ends ( 3 . 4 ) goes to zero. Antriebsrotor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Blattstärke von der Rotationsachse zu den aerodynamischen Enden (3, 4) gleichmässig verringert.Drive rotor according to claim 11, characterized in that the blade thickness from the axis of rotation to the aerodynamic ends ( 3 . 4 ) decreased evenly. Antriebsrotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der vertikal gleichmässig durchlaufende Verdrehwinkel zwischen 65 und 75° beträgt.Drive rotor according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the vertically uniformly passing angle of rotation between 65 and 75 °. Antriebsrotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der vertikal gleichmässig durchlaufende Verdrehwinkel 70° beträgt.Drive rotor according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the vertically uniformly passing angle of rotation is 70 °.
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