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Die
vorliegende Erfindung betrifft bezieht sich auf eine Windkraftanlage
gemäss
dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Windkraftanlagen
zur Stromerzeugung sind in unterschiedlichen Ausführungsformen
und Bauweisen bekannt. Sehr verbreitet sind beispielsweise Anlagen
mit einer Anordnung von Flügeln,
die von einer horizontalen Welle ausgehen, die entweder unmittelbar
oder über
einen Getriebezug einen Generator antreibt. Üblicherweise ist diese Anordnung
drehbar auf einem hohen Mast montiert und kann so ausgerichtet werden,
dass die Flügel
günstig
zum Wind stehen und die auf die Anlage wirkende Windkraft optimal
ausgenutzt wird.
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Ein
Nachteil dieser Anlagen besteht in ihrem grossen Platzbedarf, der
insbesondere bei der Errichtung von Windparks mit einer grossen
Zahl von Windkraftanlagen zu Problemen führt. Aus diesem Grund wurden
kompaktere Anordnungen ersonnen, deren Konstruktionsprinzip sich
von den oben beschriebenen Anlagen grundlegend unterscheidet. Die
Windkraftanlagen gemäss
dem Oberbegriff des Hauptanspruchs, deren Aufbau auch durch die
DE 199 57 141 A1 offenbart
wird, umfassen zumindest einen Rotor, der um eine vertikale Achse
rotiert und den Generator antreibt. Dieser Rotor umfasst eine Anzahl
von Rotorblättern,
die um die Rotationsachse herum angeordnet sind. Um den Rotor herum
befindet sich eine Leitflächenkonstruktion,
die dazu dient, den auf die Anlage treffenden Wind optimal auf den Rotor
zu lenken und auf der Auslassseite die Luft wieder ausströmen zu lassen.
Es hat sich herausgestellt, dass bei Anlagen mit einer solchen Anordnung der
Wirkungsgrad verbessert wird, wenn der Rotor nach dem Durchströmprinzip
betrieben wird, d. h., die Rotorblätter laufen nicht in der Rotationsachse
zusammen, sondern sind um einen freien Durchströmraum herum angeordnet, durch
den in jeder Winkelstellung des Rotors ein Luftstrom möglich ist.
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Die
Leitflächenkonstruktion
verfügt über einen
Strömungseinlass,
durch den der Luftstrom seitlich auf den Rotor wirken kann. Dieser
Strömungseinlass
wird beidseitig von zwei auf den Rotor zulaufenden Leitflächen begrenzt,
von denen diejenige Leitfläche,
die in bezug auf die Umlaufrichtung des Rotors stromaufwärts liegt,
einen konkav gewölbten
horizontalen Querschnitt aufweist. Ferner umfasst die Leitflächenkonstruktion
einen entsprechenden Strömungsauslass,
der dem Strömungseinlass
in bezug auf den Rotor gegenüberliegt.
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Beispielsweise
können
zwei symmetrisch nebeneinander angeordnete Rotoren zu einer Anlage
zusammengefasst sein. Es ist ferner möglich, die Rotoren auf einer
gemeinsamen Achse zum Antrieb eines Generators mehretagig übereinander
anzuordnen. Im einzelnen hängt
die Bauweise lediglich von der Statik, den konstruktiven Möglichkeiten
und dem Wirkungsgrad ab.
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Während die
Anlagen gemäss
der
DE 199 57 141
A1 einerseits gewisse konstruktive Vorteile aufweisen,
ist es andererseits problematisch, mit ihnen einen zufriedenstellenden
Wirkungsgrad zu erreichen. Dies hängt mit bestimmten strömungstechnischen
Problemen zusammen, die in der Wechselwirkung zwischen dem Rotor
und der Leitflächenkonstruktion
begründet
sind und für
diesen Anlagentyp spezifisch sind. Beispielsweise bilden sich in
dem Moment, in welchem ein Rotorblatt die Öffnung des Strömungsauslasses
passiert hat, Verwirbelungen und ein Unterdruck hinter diesem Rotorblatt,
so dass eine Gegenkraft erzeugt wird, die bremsend auf den Rotor
einwirkt.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, die bekannte Windkraftanlage
der zuvor beschriebenen Art hinsichtlich ihrer Konstruktion auf solche
Weise zu verbessern, dass der Wirkungsgrad erhöht wird.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäss
durch eine Windkraftanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Der
Rotor der erfindungsgemässen
Windkraftanlage umfasst vier Rotorblätter sowie eine in dem Strömungseinlass
angeordnete Leitflosse, die zusammen mit der stromaufwärts gelegenen
Leitfläche
des Strömungseinlasses
einen flachen Strömungskanal
begrenzt, der sich zu seiner Mündung hin
verjüngt.
Diese Mündung
ist so ausgerichtet, dass die aus dem Strömungskanal austretende Luftströmung tangential
auf die zylindrische Einhüllfläche des
Rotors trifft.
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Die
erfindungsgemässe
Erhöhung
der Zahl der Rotorblätter
auf vier Blätter
pro Rotor führt
dazu, dass dem oben beschriebenen nachteiligen Verwirbelungs- und Unterdruckeffekt
am Strömungsauslass
besser entgegengewirkt wird. Dies liegt daran, dass bei einer Gleichverteilung
der Rotorblätter
in Umfangsrichtung im Fall von vier Exemplaren jeweils zwei Rotorblätter um
180° gegeneinander
versetzt in der Umfangsrichtung angeordnet sind. Passiert also ein
Rotorblatt die Auslassöffnung,
so dass der bremsende Unterdruckeffekt mit den oben beschriebenen Folgen
auftritt, steht gleichzeitig das gegenüberliegende Rotorblatt so in
der Einlassströmung,
dass eine starke Gegenkraft zur Überwindung
des Bremseffektes erzeugt wird. Gleichzeitig bleiben die vorteilhaften
Eigenschaften der bekannten Windkraftanlagen erhalten, da der Luftstrom
durch die Durchströmraum
in der Rotormitte nicht behindert wird und die Zahl der Rotorblätter noch
vertretbar gering ist.
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Dieser
Effekt der Erzeugung einer starken Gegenkraft wird durch die Schaffung
des flachen Strömungskanals
an der stromaufwärts
gelegenen Leitfläche
des Strömungseinlasses
vorteilhaft verstärkt.
Da dieser Kanal sich zu seiner Mündung
hin verjüngt,
wird die Strömung
innerhalb des Kanals beschleunigt. Ausserdem kann der austretende
Luftstrom durch entsprechendes Ausrichten der Mündung optimal auf die Rotorblätter ausgerichtet
werden. Eine optimale Einwirkung des Luftstroms auf die Rotorblattfläche ergibt
sich bei einer tangentialen Ausrichtung der Luftströmung auf
die zylindrische Einhüllfläche des
Rotors, d.h., die gedachte Fläche, in
welche die Rotorblätter
eingeschrieben sind.
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Die
erfindungsgemässe
Leitflächenkonstruktion
dient somit nicht lediglich dazu, den Wind optimal aufzunehmen und
auf die Rotoren zu lenken, sondern die Luftströmung wird innerhalb des Strömungseinlasses
zusätzlich
durch die Leitflossenanordnung positiv beeinflusst. In Zusammenwirkung
mit der Optimierung der Zahl der Rotorblätter wird der Wirkungsgrad
der Anlage gegenüber
den bekannten Modellen erhöht.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
sind in dem Strömungseinlass
weitere Leitflossen angeordnet, die zur Begrenzung weiterer, nebeneinander angeordneter
Strömungskanäle vorgesehen
sind. Ähnlich
wie der vorstehend beschriebene Strömungskanal zwischen der stromaufwärtigen Leitfläche des
Strömungseinlasses
und der ersten Leitflosse verjüngen
sich auch diese zusätzlichen
Strömungskanäle zu ihren
Mündungen
und sind so ausgerichtet, dass die austretenden Luftströme tangential
auf die zylindrische Einhüllende
des Rotors treffen. In ihrer Form und Funktion ähneln sich also die zusätzlichen
Strömungska näle, so dass
der oben beschriebene Effekt der Strömungsbeschleunigung und – ausrichtung
zur Erhöhung
des Wirkungsgrades vervielfacht wird.
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Vorzugsweise
sind in dem Strömungseinlass bewegbare Öffnungsklappen
zum Lenken des Luftstroms angeordnet.
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Bevorzugt
sind diese Öffnungsklappen
als Lamellen ausgebildet, die gemeinsam oder einzeln um vertikale
Achsen schwenkbar sind und eine Jalousie zum Einstellen des Öffnungsgrades
des Strömungseinlasses
bilden. Neben der Möglichkeit,
den Luftstrom unmittelbar beim Eintritt in den Strömungseinlass
auszurichten, z.B. in Richtung des Einlasses des Strömungskanals
zur Beschleunigung und Ausrichtung des Luftstroms, kann durch eine
solche Jalousie der in den Einlass eintretende Strömungsanteil vermindert
oder auch vollständig
blockiert werden. Dies kann sich bei starkem Wind als notwendig
erweisen, damit die Rotoren und die damit verbundenen Teile vor
einer Überlastung
und vor Beschädigungen
geschützt
werden können.
Ausserdem wird so eine einfache Möglichkeit zur Ausserbetriebnahme
der Anlage geschaffen, etwa für
Reparatur- oder Wartungsarbeiten.
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Zur
optimalen Ausrichtung auf den Wind ist die Windkraftanlage vorzugsweise
mit einem Antrieb zum Drehen der Anordnung aus Rotor und Leitflächenkonstruktion
um eine vertikale Achse versehen.
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Dieser
Antrieb umfasst vorzugsweise einen fest mit der Anordnung aus Rotor
und Leitflächenkonstruktion
verbundenen Drehkranz.
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Vorzugsweise
umfasst der Antrieb ferner einen Schneckentrieb, der in diesen Drehkranz
eingreift.
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Im
folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele
der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung
näher erläutert.
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1 zeigt eine Ansicht einer
Ausführungsform
der erfindungsgemässen
Windkraftanlage von vorn;
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2 zeigt einen horizontalen
Schnitt durch die Windkraftanlage aus 1;
und
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3 zeigt einen horizontalen
Schnitt durch eine weitere Ausführungsform
der erfindungsgemässen
Windkraftanlage.
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Die
in 1 gezeigte Windkraftanlage 10 umfasst
einen säulenförmigen Mast 12,
der im Boden 14 fest verankert ist und an seinem oberen
Ende ein Gehäuse 16 und
eine darauf angebrachte Anordnung aus Rotoren 18,20,22,24 sowie
einer Leitflächenkonstruktion 26 trägt, die
nachfolgend allgemein als Kopf 28 bezeichnet werden soll.
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Die
vier Rotoren 18,20,22,24 sind
paarweise auf zwei parallelen Rotationsachsen angeordnet, die zwei
in 1 nicht sichtbaren
Eingangswellen von Generatoren entsprechen, die innerhalb des Gehäuses 16 verborgen
sind. Sowohl die linken 18,22 als auch die rechten
Rotoren 20,24 treiben also jeweils einen Generator
an, wobei die übereinander
angeordneten Rotoren durch die Welle fest miteinander gekoppelt
sind. Einzelheiten der Rotoren 18,20,22,24 sowie
bestimmte Konstruktionsmerkmale der Leitflächenkonstruktion 26,
die nachfolgend noch beschrieben werden sollen, sind in 1 der Übersichtlichkeit halber weggelassen.
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2 zeigt einen horizontalen
Schnitt durch den Kopf 28 der Windkraftanlage 10 in 1. Die Rotationsachsen der
Rotoren 18,20 stehen hier senkrecht zur Zeichnungsebene.
Im einzelnen umfassen die Rotoren 18,20 jeweils
vier Rotorblätter, von
denen in 2 eines stellvertretend
mit der Bezugsziffer 30 bezeichnet ist. Die Rotorblätter 30 sind leicht
gewölbt,
und ihre konvexe Seite weist in die Umlaufrichtung B,C des Rotors 18,20,
während
die gegenüberliegende
konkave Seite zur Aufnahme des Luftstroms dient, der den Rotor 18,20 antreibt.
Die in radialer Richtung äusseren
Kanten der Rotorblätter 30 liegen
auf einer zylindrischen Einhüllfläche 32,
die konzentrisch zu der Rotationsachse des Rotors 18,20 liegt.
Es versteht sich, dass diese Einhüllfläche nicht gegenständlich,
sondern lediglich eine gedachte geometrische Fläche ist. Tatsächlich kann
die Luftströmung
durch die Rotoren 18,20 frei hindurchströmen und
wird dabei lediglich durch die Rotorblätter 30 erfasst und
umgelenkt. Dieses Durchströmen
wird durch einen freien zylindrischen Durchströmraum 34 ermöglicht,
der ebenfalls konzentrisch zur Rotationsachse des Rotors 18,20 liegt.
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Die
beiden in 2 gezeigten
Rotoren 18,20 sind baugleich, abgesehen davon,
dass die Rotorblätter 30 spiegelbildlich
angeordnet sind und somit der in 2 rechte
Rotor 20 gegenüber
dem linken Rotor 18 im umgekehrten Drehsinn läuft. Insgesamt ist
der Kopf 28 um eine Mittelebene spiegelsymmetrisch.
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Im
folgenden sollen Einzelheiten der Leitflächenkonstruktion 26 beschrieben
werden. Es handelt sich hierbei um ein Gehäuse aus Metall, Kunststoff oder
dergleichen, das die Rotoren 18,20 auf solche Weise
teilweise umschliesst, dass auf einer Seite jedes Rotors 18,20 jeweils
ein Strömungseinlass 38 verbleibt,
dem an der gegenüberliegenden
Seite des Rotors 18,20 ein Strömungsauslass 40 zugeordnet ist.
In 2 sind die beiden
Strömungseinlässe 38 der
Rotoren 18,20 unten angeordnet, während sich die
Strömungsauslässe 40 oben
befinden. Die Luft strömt
somit in Richtung des Pfeils A in den Strömungseinlass 38, der
zum Wind hin ausgerichtet ist, erreicht den Rotor 18,20,
durchströmt
diesen, während
sie gleichzeitig auf die Rotorblätter 30 wirkt
und den Rotor 18,20 antreibt, und verlässt den
Rotor 18,20 über
den Strömungsauslass 40.
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Damit
die Windströmung
optimal ausgenutzt wird, sind die Öffnungen 42 der Strömungseinlässe 38 verhältnismässig gross
ausgestaltet, so dass eine grosse Einlassfläche geboten wird. Zum Rotor 18,20 hin
laufen die Strömungseinlässe 38 zusammen, d.h.,
der Öffnungsbereich
unmittelbar am Rotor 18,20 ist erheblich kleiner
als die dem Wind zugewandte Öffnung 42.
Die Ausrichtung und Wirkung des Luftstroms wird ferner durch die
Krümmung
der beiden Leitflächen 44,46 bestimmt,
die den Strömungseinlass 38 seitlich
begrenzen. Insbesondere weist die Leitfläche 44, die in bezug
auf die jeweilige Umlaufrichtung B,C des Rotors 18,20 stromaufwärts gelegen
ist, in ihrem horizontalen Querschnitt eine starke konkave Wölbung auf.
Annähernd
entspricht diese gewölbte
Fläche 44 dem
Abschnitt eines Zylindermantels. Die beiden stromaufwärtigen Leitflächen 44 laufen
auf der Seite des Kopfes 28, an der die Strömungseinlässe 38 liegen,
zu einer abgerundeten Kante 48 zusammen, die den Luftstrom
in die beiden Strömungseinlässe 38 aufteilt.
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Zur
Lenkung des Luftstroms sind innerhalb der Strömungseinlässe 38 Leitflossen 50 vor
den Leitflächen 44 angeordnet.
Diese sind ebenfalls leicht gewölbt
und folgen in ihrem Krümmungsverlauf etwa
der jeweiligen Leitfläche 44,
wäh rend
sich der Abstand zwischen der Leitflosse 50 und der Leitfläche 44 in
Richtung des jeweiligen Rotors 18,20 kontinuierlich
verringert. Auf diese Weise wird zwischen der Leitfläche 44 und
der Leitflosse 50 ein flacher Strömungskanal 52 gebildet,
der an einer Stelle beginnt, der etwa der Mitte des Krümmungsbogens
der Leitfläche 44 zwischen
der Nase 48 und der am Rotor 18,20 gelegenen
Kante 54 entspricht, und an eben dieser Kante 54 in
einer schmaleren Mündung 56 ausläuft. Dieser
flache Strömungskanal 52 verjüngt sich
somit von seinem Einlass 58 zu seiner Mündung 56 hin. Dies
führt dazu,
dass der Luftstrom innerhalb des Strömungskanals 52 beschleunigt
wird.
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Die
Mündung 56 ist
so ausgerichtet, dass der aus dem Strömungskanal 52 austretende
Luftstrom tangential auf die zylindrische Einhüllfläche 32 des Rotors 18,20 trifft
und somit gegen das in radialer Richtung äusserste Ende eines Rotorblattes 30 wirkt, das
gerade den Strömungseinlass 38 passiert.
So wird ein optimales Drehmoment auf den Rotor 18,20 und
infolgedessen auf die Eingangswelle des Generators ausgeübt.
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Darüber hinaus
sind Anzahl und Anordnung der Rotorblätter 30 so gewählt, dass
in dem Moment, in welchem ein Rotorblatt 30 den Strömungsauslass 40 an
seinem stromabwärts
gelegenen Ende 60 passiert hat, ein hohes Drehmoment auf
den Rotor 18,20 ausgeübt wird. Dies wird hierdurch
erreicht, dass jeder Rotor 18,20 vier Rotorblätter 30 umfasst,
die in der Umfangsrichtung in gleichen Abständen verteilt sind, d.h., aufeinanderfolgende
Blätter 30 sind
um 90° gegeneinander
versetzt, und jedem Rotorblatt 30 entspricht ein in bezug
auf die Rotationsachse genau um 180° gegenüberliegendes Rotorblatt. Treten
also im Moment des Passierens des Strömungsauslasses 40 bremsende
Verwirbelungen oder ein Unterdruck auf, so wird gleichzeitig an
der gegenüberliegenden Seite
ein hoher Gegendruck ausgeübt,
um diesen Unterdruck zu überwinden.
Dieser erforderliche Gegendruck lässt sich durch den Luftstrom
aufbauen, der auf die oben beschriebene Weise aus der Mündung 56 des
flachen Strömungskanals 52 austritt.
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Zum
Einstellen des Öffnungsgrades
der Strömungseinlässe 38 dienen
Lamellen 62 aus Metall oder Kunststoff, die in den Öffnungen 42 der
Strömungseinlässe 38 um
vertikale Achsen schwenkbar angeordnet sind. Die Lamellen 62,
von de nen in 2 nur eine
Lamelle stellvertretend bezeichnet ist, bilden zusammen Jalousien 64,
die sich nach Bedarf öffnen
oder verschliessen lassen, und zwar durch gemeinsames oder individuelles
Schwenken der Lamellen 62. In 2 ist der rechte Strömungseinlass 38 verschlossen,
indem die Lamellen 62 annähernd aufeinandergelegt sind,
während
der linke Strömungseinlass 38 geöffnet ist,
da die Lamellen 62 hier parallel ausgerichtet sind und
die Jalousie 64 den maximalen Öffnungsgrad aufweist. Die Einstellung der
Jalousien 64 kann in bekannter Weise durch Schubstangen,
Kettenantriebe oder dergleichen geschehen, sowie durch einzelne
Ansteuerungen, die eine individuelle Lamelleneinstellung zulassen.
Es versteht sich, dass die letztgenannte Variante einen höheren Konstruktions-
und Steueraufwand erfordert.
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Der
gesamte Kopf 28 ist mittels eines entsprechenden Antriebs
um eine vertikale Mittelachse 66 drehbar, die zwischen
den beiden Rotationsachsen der Rotoren 18,20 liegt,
also nach Möglichkeit
im Schwerpunkt des Kopfes 28, so dass ungünstige Krafteinwirkungen
vermieden werden. Der Antrieb kann beispielsweise einen Motor umfassen,
an dessen Ausgangswelle ein Schneckentrieb angeordnet ist, der in
einen Drehkranz eingreift, der am unteren Ende des Kopfes 28 angeordnet
ist.
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3 zeigt einen horizontalen
Schnitt durch einen Kopf 70 einer weiteren Ausführungsform
der erfindungsgemässen
Windkraftanlage. Die Anordnung und Ausbildung der Rotoren 18,20 entspricht derjenigen
in 2, so dass auf die
Beschreibung von Einzelheiten zur Vermeidung von Wiederholungen
an dieser Stelle verzichtet wird. Darüber hinaus ist auch die Leitflächenkonstruktion 72 im
wesentlichen identisch mit derjenigen aus 2. Dies betrifft insbesondere die Form
und Krümmung
der Leitflächen 74,
die in bezug auf die Umlaufrichtungen der jeweiligen Rotoren 18,20 stromaufwärts an den
Strömungseinlässen 76 liegen.
Auf die Darstellung der in 2 gezeigten
Jalousien 64 wurde hier der Übersichtlichkeit halber verzichtet.
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In
den Strömungseinlässen 76 sind
ebenfalls Leitflossen 78,80 angeordnet, die sich
jedoch von der Leitflosse 50 aus 2 unterscheiden. Beide Leitflossen 78,80 erstrecken
sich von der Öffnung
des Strömungseinlasses 76 bis
zur unmittelbaren Nähe der
Rotoren 18,20. Der Krümmungsradius der Leitflosse 78,
das unmittelbar der stromaufwärtigen
Leitfläche 74 zugewandt
ist, ist kleiner als der Krümmungsradius
dieser Leitfläche 74,
während
der Krümmungsradius
der weiter zur Mitte des Strömungseinlasses 76 gelegenen
Leitflosse 80 wiederum kleiner ist als derjenige der Leitflosse 78.
Durch die Leitfläche 74 und
die beiden Leitflossen 78,80 werden somit zwei
Strömungskanäle 82,84 begrenzt, die
sich vom äussersten Öffnungsbereich
des Strömungseinlasses 76 zu
ihren Mündungen 86,88 am Rotor 18,20 hin
kontinuierlich verjüngen,
so dass die in ihnen strömende
Luft beschleunigt wird. Die Wirkung des in diesen Kanälen beschleunigten
Luftstroms wurde bereits im Zusammenhang mit 2 ausführlich beschrieben. Darüber hinaus
entspricht auch die Ausrichtung und Anordnung der Mündungen 86,88 derjenigen
der Mündung 56 in 2, d.h., die Mündungen 86,88 richten
den Luftstrom tangential auf die zylindrische Einhüllfläche 32 des
jeweiligen Rotors 18,20.