DE10325342A1 - Vertikaler Rotor mit lenkbaren Flügeln - Google Patents

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    • F03MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03DWIND MOTORS
    • F03D3/00Wind motors with rotation axis substantially perpendicular to the air flow entering the rotor 
    • F03D3/06Rotors
    • F03D3/062Construction
    • F03D3/067Construction the wind engaging parts having a cyclic movement relative to the rotor during its rotation
    • F03D3/068Construction the wind engaging parts having a cyclic movement relative to the rotor during its rotation the cyclic relative movement being coupled to the movement of rotation; Controlling same, e.g. according to wind direction or force
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70Wind energy
    • Y02E10/74Wind turbines with rotation axis perpendicular to the wind direction

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Rotor mit vertikaler Achse zur Nutzung von Energie aus strömenden Medien, wie sie beispielsweise im Wind, aber auch in Wasserläufen und Meeresströmungen enthalten ist, 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 einwirkenden Kräften, die infolge der Rotation in der Strömung auftreten, bestimmt wird. DOLLAR A Erfindungsgemäß - in mechanischer Ausgestaltung - werden dabei geführte Schubstangen, frei drehbar in einem Abstand zur Drehachse an jedem Flügel und einem frei verschieblich im Zentrum des Rotors befindlichen Lenkkörper angeschlossen, wobei die an jedem Flügel wirkenden Kräfte über die Schubstangen in drehbare Lagerungen geleitet werden, die auf dem Lenkkörper entlang einer Kreisbahn verschieblich angeordnet sind.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft weitere Neuheiten und zweckmäßige Ausgestaltungen der Anmeldung:
    Vertikaler Rotor mit lenkbaren Flügeln vom 31. Mai 2002 (31.05.02), Akz 102 24 324.7 Weiterführende Untersuchungen an einem bestehenden Prototyp zeigen, daß das, in der oben genannten Anmeldung dargelegte Prinzip der Lenkung generell zur Energiegewinnung aus strömenden Medien geeignet ist.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Rotor mit vertikaler Achse zur Nutzung der in strömenden Medien enthaltenen Energie, wie sie beispielsweise im Wind aber auch in Wasserläufen und Meeresströmungen enthalten ist, 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 Rotation im strömenden Medium bestimmt wird, um die optimale strömungsdynamische Wirkung zur Gewinnung von Energie zu erzielen.
  • Bei bekannten Anlagen zur beispielhaften 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die Nutzung von Wasserkraft wird in bekannter und tradierter Weise seit vielen Jahrhunderten durch Wasserkrafträder unterschiedlichster Ausgestaltung vorgenommen. Allen gemeinsam ist, daß bei diesen trogartige Behältnisse entlang eines Umfangskreises angebracht oder durch die Bauelemente gebildet werden, in welche das Wasser einströmt und über Strömungsdruck und Gefälle eine Drehbewegung antreibt. Auch sind Schaufelräder bekannt deren Schaufelradflächen durch den Strömungsdruck angetrieben werden. Nachteil dieser Konstruktionen ist es, daß nur ein relativ kleiner Sektor des Umfangs aufgrund der feststehenden trogartigen Behältnisse oder Schaufelradflächen zur Energieaufnahme aus dem strömenden bzw. fallenden Wassermassen gleichzeitig genutzt wird.
  • Wasserturbinen nach Stand der Technik arbeiten mit Turbinenblättern deren Achsen in einem Winkel nicht parallel zur Drehachse der Turbine stehen und um diese Achsen zur Optimierung der Turbinenwirkung in einer Drehbewegung verstellbar sind.
  • Diese bekannten Turbinen ist gemeinsam, daß die Verstellung der Turbinenblätter durch einen Mechanismus aktiv aufgezwungen und gehalten wird um bestimmte Laufeigenschaften zu justieren. Es findet aber keine aktive und gegenseitige Verstellung der Turbinenblätter infolge der wirkenden Kräfte am Turbinenblatt statt.
  • Dieses ist bei bekannten Turbinen aufgrund der Einsatz- und Nutzungsbereiche in sehr schnellen Strömung mit sehr hohen Drehzahlen, wie sie beispielsweise bei Wasserkraftgefällen oder Heißgas- bzw. Plasmaströmen auftreten, auch nicht sinnvoll.
  • Ziel dieser Erfindung ist es, eine Anlage zur Nutzung von Strömungsenergie 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, bei der Nutzung von Windernergie; 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 Nennleistung wahlweise eine direkte Arbeitsabnahme erfolgen, weil der Rotor auch bei geringeren Rotorgeschwindigkeiten als drehmomentstarker Widerstandsläufer arbeitet.
  • Eine Nutzung des vorgeschlagenen Rotors zur Energiegewinnung aus Wasserkraft in strömenden Gewässern, wie beispielsweise Bach- und Flußläufen, Meeresströmungen sowie Gezeitenströmungen ist ebenso möglich. In diesen strömenden Medien, mit wesentlich größerer Dichte als Luft, kann daß Wirkprinzip der gegenseitigen Auslenkung, der, über einen zentralen Lenkkörper mittels linear verschieblichen Elementen, verbundenen Flügel, noch wirkungsvoller genutzt werden, wenn bei geringen Drehzahlen ein hohes Drehmoment erzeugt wird.
  • Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass Flügel im Winkel α 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.
  • Erfindungsgemäß – in mechanischer Ausgestaltung, werden dabei die Drehbewegungen, die die aus Druck- bzw. Sogkräften resultierenden Kräfte an jedem Rotorblatt um dessen Drehachse bewirken, mittels einer Umsetzung mit Hebeln oder Getrieben in, zur Drehachse des Rotors, radialsymetrische lineare Bewegungen überführt, die beispielsweise über geführte Schubstangen in gelenkige Lagerungen geleitet werden, welche entlang einer ebenen Kreisbahn verschieblich auf einem zentralen Lenkkörper geführt werden, der die Drehachse des Rotors umfassend, frei verschieblich angeordnet ist.
  • In einfachster mechanischer Ausführungen werden dabei Schubstangen, die mit einem Gelenk geteilt sind , 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, die in einem Teil linear geführt sind in drehbare Lagerungen geleitet werden, die auf dem Lenkkörper entlang einer Kreisbahn verschieblich angeordnet sind. 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 Eine weitere zweckmäßige Ausgestaltung des vorgeschlagenen vertikalen Rotors sieht vor, die Übertragung, der an den Flügeln wirkenden Zug- und Druckkräfte in den zentralen Lenkkörper, mittels Zahnrädern und Zahnstangen bzw. Zahnschnecken oder auch mit Zahnkettentrieben nach Stand der Technik vorzunehmen.
  • Hierbei kann beispielsweise wenigstens ein Zahnrad, das mit der Drehachse eines Flügels koaxial verbunden ist, eine Zahnstange antreiben und die Schwenkbewegung des Flügels in eine zur Drehachse des Rotors radialsymetrische und lineare Schub- bzw. Zugbewegung überführen, die auf die, in der Kreisbahn des zentralen Lenkkörpers, beweglich geführten Lagerungen eingeleitet wird.
  • Werden mindestens zwei oder mehrere Zahnräder mit unterschiedlicher Zähnezahl genutzt, die nach Stand der Technik ein Getriebe bilden, kann in bekannter Weise eine Untersetzung bzw. Übersetzung der wirksamen Kräfte und Wegverhältnisse zwischen der Flügelschwenkung und der über die Zahnstange in den zentralen Lenkkörper eingeleiteten linearen Verschiebung erfolgen. Diese Lösung ist insbesondere bei der Anpassung und Auslegung der Laufeigenschaften der Rotoren im Hinblick auf den Rotordurchmesser, die Anzahl der Flügel und deren wirksamer Profilfläche vorteilhaft, um einerseits den Schwenkwinkel α der Flügel bzw. die Verschiebung des zentralen Lenkkörpers begrenzen zu können und andererseits durch entsprechende Übersetzungsverhältnisse optimale Kräfteverhältnisse zur Flügellenkung zu erhalten.
  • Vorteilhaft wirkt sich diese Ausgestaltung der Erfindung auch darin aus, daß die Schubstangen nicht gelenkig geteilt sein müssen, da diese bei der Schubbewegung nicht ausschwenken, sondern eine rein radialsymetrische lineare Bewegung ausführen. Hierdurch wird es ermöglicht, Teile des Getriebes, die Schubstange und deren Führung innerhalb der Tragarme der Flügel zu positionieren, und eine bessere Kapselung der beweglichen Teile gegen äußere Einflöße wie z. B. die Witterung zu erzielen.
  • Die Übertragung der Schwenkbewegung des Flügels in eine zur Drehachse des Rotors radialsymetrische lineare Verschiebung ist in weiteren Ausführungen ebenso mit Kettenradtrieben, Zahnriementrieben oder auch Reibradtrieben möglich.
  • Figurenübersicht
  • Die 1, 2 und 3 zeigen schematisch das Prinzip des Rotors mit selbstlenkender Winkelverstellung in drei Phasen.
  • 4 zeigt einen Horizontal-Schnitt durch eine beispielhafte Ausgestaltung der Erfindung.
  • 5 zeigt einen Vertikal-Schnitt der beispielhaften Ausgestaltung der Erfindung.
  • 6 zeigt einen Vertikal-Schnitt einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung mit Zahnradgetriebe und Zahnstange.
  • 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.
  • 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 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 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 radialsymetrisch 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 Flügeldrehachsen (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 beispielhafter Ausführung in 6, wird die Schwenkbewegung (α) des Flügels (1) mittels einem koaxial mit der Drehachse (10) des Flügels verbundenen Zahnrades Z1 (15) auf ein Zahnrad Z2 (16) übertragen. Mit diesem koaxial verbunden, überträgt ein Zahnrad Z3 (17) im Eingriff mit einer Zahnstange (18) das aus der Flügeldrehung übertragene Drehmoment und in eine lineare Schubbewegung, die beispielsweise über eine verbundene Schubstange (6) mit Linearführung (19) die Zug- und Druckkräfte über die Wälzlager (5) bzw. Laufwagen in den zentralen Lenkkörper mit ebener Kreisbahn (2) leitet und in einer Verschiebung des zentralen Lenkkörpers in Betrag und Richtung der resultierenden Kraft umgesetzt wird, wobei die angeschlossenen Flügel (1) eine entsprechende Winkelstellung α einnehmen.
  • Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, die Winkelverstellung der Flügel hydraulisch vorzunehmen. Anstelle der Schubstangen werden beispielsweise Ein-Weg-Druckzylinder gelenkig an jede Leitfläche und der Rotorkörperkonstruktion gelagert und mittels Druckleitung an den zentralen Lenkkörper, der in diesem Falle ein Druckgefäß ist, angeschlossen. Völlig entlüftet und gefüllt mit einem inkompressiblen Medium, beispielsweise Bremsflüssigkeit, stellt sich in Abhängigkeit von der jeweiligen Belastung der Flügel über die Zylinderstangen ein Druckausgleich, der in der bekannten Art der kommunizierenden Röhren ein, über den eine Winkelverstellung der Flügel bewirkt wird. Auch ist es denkbar, über Drucksensoren eine Messspannung abzugreifen, mit der elektrische Stellmotoren die Flügel-Winkelstellung über ein zentrales Steuerungsprogramm einstellen.
  • 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.
  • Vorteilhaft 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (9)

  1. Vertikaler Rotor mit lenkbaren Flügeln (1) zur Nutzung von Energie aus strömenden Medien, wie beispielsweise Luft oder Wasser, mit einer Drehachse (13) und um diese kreisende Flügel, die auf einem zur Drehachse koaxialen Teilkreis mit Drehachsen (10) zwischen zwei Flügelträgern (14) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schwenkbewegung der Flügel (1) um eine Drehachse (10), mittels wenigstens eines an einen Flügel angeschlossenen Elementes (6, 15), das Momente überträgt, in zur Drehachse (13) des Rotors, radialsymetrische lineare Verschiebungen überführt werden, wodurch die an den Flügeln (1) infolge der Rotation im umströmenden Medium verursachten Krafteinwirkungen als Zug- und Druckkräfte in gelenkige Lagerungen (5) übertragen werden, die in einem zentralen Lenkkörper mit ebener Kreisbahn (2), auf der Kreisbahn beweglich geführt werden und den zentralen Lenkkörper mit ebener Kreisbahn (2) infolge der resultierenden Kräfte verschieben, womit eine gegenseitige, selbsttätige und voneinander abhängige Lenkung der angeschlossenen Flügel (1) in eine optimale Stellung zur Strömung erreicht wird.
  2. Vertikaler Rotor mit lenkbaren Flügeln (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das momentenübertragende Element (6) eine Schubstange ist, die durch eine gelenkige Verbindung (7) in einen schwenkbaren Teil (12), der in einem Gelenk (9) mit dem Flügel (1) in einem Abstand zur Drehachse (10) verbunden ist und einem linear geführten Teil (11) besteht, mit dem die Schwenkbewegungen der Flügel um die Drehachsen in eine zur Drehachse (13) des Rotors radialsymetrische lineare Verschiebung überführt wird, die über gelenkige Lagerungen (5) in den zentralen Lenkkörper mit ebener Kreisbahn (2), eingeleitet werden.
  3. Vertikaler Rotor mit lenkbaren Flügeln (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das momentenübertragende Element (15) ein mit der Drehachse (10) des Flügels verbundenes Zahnrad ist, das in eine Zahnstange (18) oder Zahnschnecke eingreift und mit diesen die Schwenkbewegung der Flügel (1) in zur Drehachse (13) des Rotors radialsymetrische lineare Verschiebungen überführt werden, die über gelenkige Lagerungen (5) in den zentralen Lenkkörper mit ebener Kreisbahn (2), eingeleitet werden .
  4. Vertikaler Rotor mit lenkbaren Flügeln (1) nach einem der Ansprüche 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß das momentenübertragende Element (15) ein mit der Drehachse (10) des Flügels verbundenes Zahnrad ist, das mit mindestens einem weiteren Zahnrad (16) im Eingriff ist, wobei über mindestens dieses Zahnrad (16) oder mehreren – mit diesem ein Getriebe (16, 17) bildende, Zahnräder mindestens ein Zahnrad (17) in eine Zahnstange (18) bzw. Zahnschnecke eingreift und antreibt. wobei die Schwenkbewegungen der Flügel (1) in zur Drehachse (13) des Rotors radialsymetrische lineare Verschiebungen überführt werden, die über gelenkige Lagerungen (5) in den zentralen Lenkkörper mit ebener Kreisbahn (2), eingeleitet werden
  5. Vertikaler Rotor mit lenkbaren Flügeln (1) nach einem der Ansprüche 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahnräder (15, 16, 17) und Zahnstangen bzw. Zahnschnecken Verzahnungen beliebiger Art nach Stand der Technik aufweisen können, um die Schwenkbewegung der Flügel (1) in eine zur Drehachse (13) des Rotors radialsymetrische lineare Verschiebung zu überführen.
  6. Vertikaler Rotor mit lenkbaren Flügeln (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwenkbewegung der Flügel (1) mit einem, mit der Drehachse (10) des Flügels bzw. dem Flügel (1) verbundenen, Rotationskörpers (15) über Reibkräfte, oder eine formschlüssige Kontur an seinen Begrenzungsflächen mittels einer kraftübertragenden Berührung Drehmoment auf mindestens einen zweiten – oder mehrere drehbar gelagerte Rotationskörper (16, 17) mit entsprechender Kontur an den Begrenzungsflächen überträgt und von wenigstens einem der Rotationskörper (15,16,17) über Reibkräfte oder mittels einer formschlüssigen Kontur das Drehmoment von einem linear geführten Element (18) in eine Translation übertragen wird, mittels dem eine zur Drehachse (13) des Rotors radialsymetrische lineare Verschiebung in eine gelenkige Lagerung (5) übertragen wird, 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 verschieben können.
  7. Vertikaler Rotor mit lenkbaren Flügeln (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, das die Kraftübertragung zwischen wenigstens zwei Rotationskörpern (15, 16) über Reibkräfte mittels Bändern, Riemen, Seilen oder dergleichen bzw. mittels formschlüssiger Konturen an den Begrenzungsflächen von wenigstens zwei Rotationskörpern (15, 16) eine Kraftübertragung durch Ketten, Zahnriemen oder dergleichen erfolgt.
  8. Vertikaler Rotor mit lenkbaren Flügeln (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das momentenübertragende Element aus einem hydraulischen oder pneumatischem Zwei-Wege-Druckzylinder besteht, dessen Zylinderstange an einem Gelenk (9) mit dem Flügel (1) in einem Abstand zur Drehachse (10) verbunden ist und gegenseitig auf dem Flügelträger (14) gelenkig befestigt ist, und von dem die aus der Schwenkbewegung der Flügel (1) resultierende Zug- bzw. Druckkraft mittels jeweiliger Druckleitungen in einen zweiten auf dem Flügelträger (14) derart befestigten Zwei-Wege-Druckzylinder leitet, daß durch dessen Zylinderstange in einer radialsymetrischen linearen Bewegungung die Kräfte über die gelenkigen Lagerungen (5) in den zentralen Lenkkörper mit ebener Kreisbahn (2) eingeleitet werden
  9. Vertikaler Rotor mit lenkbaren Flügeln (1) nach einem der Ansprüche 1 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß das momentenübertragende Element aus einem hydraulischen oder pneumatischem Ein-Weg-Druckzylinder besteht dessen Zylinderstange an einem Gelenk (9) mit dem Flügel (1) in einem Abstand zur Drehachse (10) verbunden ist und gegenseitig auf dem Flügelträger (14) gelenkig befestigt ist, und von dem die aus der Schwenkbewegung der Flügel (1) resultierende Zug- bzw. Druckkraft mittels einer Druckleitung in einen zentralen Druckbehälter eingeleitet wird, an dem in bekannter Art der kommunizierenden Röhren weitere Flügel (1) in derselben Weise angeschlossen sind.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
ITPG20090006A1 (it) * 2009-03-04 2010-09-05 Piero Valentini Compatto dispositivo elettromeccanico per il comando e la gestione dell'auto orientamento delle pale di rotori eolici ad asse verticale.
DE202014007852U1 (de) 2014-09-23 2014-10-17 Wolfgang Protz Vertikale Windkraftanlage mit flexiblen Hochauftriebsprofilen
DE102016207479A1 (de) * 2016-05-02 2017-11-02 Zf Friedrichshafen Ag Pitchregelung mit Kurvengetriebe

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