DE1916460A1

DE1916460A1 - Windmotor mit achsparallelen Windfluegeln und selbsttaetiger Drehzahlregelung

Info

Publication number: DE1916460A1
Application number: DE19691916460
Authority: DE
Inventors: Paul Hettler
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1969-03-31
Filing date: 1969-03-31
Publication date: 1970-10-08

Description

Windinotor mit achsparallelen Windflügeln und selbsttätiger Drehzahlregelung Obwohl Windkraft allgegenwärtig ist und auch an vielen Punkten der Erde relativ gleichmäßig wirkt, ist ihr Anwendungsgebiet doch in der Rückentwicklung begriffen, besonders in Ländern, wo die allgemeine Technisierung in der Aufwärtsentwicklung begriffen ist. Ursächlich ist dafür die Einführung der Elektrizität verantwortlich zu machen als die Energieform, die am leichtesten zu erzeugen, zu verteilen und bei ihrer Umbildung in andere Energieformen am einfachsten zu regeln, zu lenken und zu speichern ist.
Der Windkraft bleiben deshalb nur noch Anwendungsgebiete vorbehalten, wo örtlich Energie in gleichen Mengen stetig benötigt wird, und eine elektrische Energie nicht zur Verfügung steht, oder für den benötigten Zweck zu kostspielig ist.
Es ist ein grundsätzlicher Nachteil der Windmotoren, daß die Drehzahl der Windflügel sich dauernd mit der Wandstärke verändert, die mit ihnen betriebenen Aggregate dagegen in erster Linie einer gleichbleibenden Drehzahl fahren müssen.
Oft werden zu diesem Zweck komplizierte Regeleinrichtungen eingebaut, besondere dann, wenn diese Aggregate zur Stromerzeugung selbst bestimmt sind.
mann kennt auch auf allen Anwendungsgebieten der Windkraft fast nur Windmotore mit horizontaler Achse und senkrechtemmehrflügligem Windrad oder-propeller. Dabei ist es immer notwendig, die Kraft, mindestens in einem Winkelgetriebe, umzulenken, wenn sie tieferliegend verwertet werden soll.
Wenig entwickelt sind Windmotore mit stehender Achse und parallel dazu angeordneten Windflügeln, und ist der Grund dafür in der Tatsache zu suchen, daß durch die stetig auf-und abschwellende Windangriffsfläche ein ungleichförmiges Drehmoment entsteht und die Windausbeutung bei gleicher Beaufschlagungsfläche wie beim Windrad immer beträchtlich geringer ist.
Der Vorteil der einfachen Bauweise eines solchen Senkrecht Windmotors hat jedoch schon früher dazu angeregt, durch eine Reine von Maßnahmen den Lieferungsgrad zu verbessern. Als markant ist die Bauweise der Windflügel in Form von zwei sich mit Abstand gegenüberstehenden nach innen gerimdeten Schalen zu nennen, welche dieser Erfindung zugrundegelegt sind. Die Ausbildung dieser Windflügel gestattet durch die Eigenart der Luftführung nicht iiir das Erreichen eines recht hohen Drehmomentes, sondern ist auch der Selbstanlauf in allen Stellungen gesichert Gegenstand der Erfindung ist die Bauform eines solchen Winmotors mit senkrecht angeordneten Windflügeln, bei dem jedoch die Drehzahl des Rotors durch eine Einrichtung einfachster Art innerhalb gewisser Grenzen geregelt werden kann1 ferner diese Einrichtung sich auch selbsttätig in die sich tige Windrichtung einstellt. Am senkrechten Wellenstumpf lassen sich in einfachster Weise Kraftableitungen mit günstigem Lieferungsgrad anbringen.
Das in der Erfindung dargelegte Verfahren der Drehzahlregelung läßt sich auch für Windmotore mit horizontaler Achse anwenden, schließlich auch dergestalt, daß der Windflügel bei wachsendem Winddruck aus dem Wind gedreht wird.
Fig. 1. zeigt den grundsätzlichen Aufbau des Windmotors.
Die beiden mit Abstand von der-Kittelachse angeordneten, stark gebogenen Windechaufeln 1 sind auf dem Kopf stück 2 der Rotorachse 3 mit Hilfe von Streben 4 aufgesetzt. Die Rotorachse ist in einem Lagergehäuse 5 auf Kugellagern 6 gelagert, und ist das Laufgehäuse selbst auf einem Mastende oder dergl. befestigt. Gleichzeitig ist dort noch ein weiteres Kugellager 8 aufgepreßt, an dessen- äußerem Kranz die Bauteile für die Drehzahlregeleinrichtung angebracht sind.
Fig. 2. zeigt die Einrichtung im Grundriß. Es wird dargestellt, wie die Windbremse 9 in ihrer Grundstellung vor die Windschaufel la zu stehen kommt , die gegen den Wind zu fahren hat und auf diese Weise eine Winddruckentlastung erfährt, welche das Arbeitsdrehmoment des Rotors zu erhöhen hilft. Aus der Darstellung wird außerdem erkenntlich, daß ein Teil des Windes, der durch den hohen Luftwiderstand der Innenseite der gebogenen Windschaufel ib den Rotor zum Drehen bringt, npch auf die Innenseite der Windschaufel 1a umgelenkt. wird und auf diese Weise einen Drehimpuis abzugeben, zumindest aber eine kraftverbrauchsminaernde Sogwirkung abzubauen vermag.
Die Windbremse ist über das Gestänge 10 mit dem äußeren Laufkranz des Kugellagers 8 verbunden und sind dort noch zwei auseinandergespreitzte Windfahnen 11 über das Gestänge 12 angesetzt.
Die Windbremse 9 ist aus nicht vollständig windabweisendem werkstoff hergestellt, sondern vorzugsweise aus einem gelochten Blech oder aus einem engen Maschendraht, damit der bedeckten Arbeitsschaufel in jeder Stellung ein Restwind sichergestellt ist, der den Selbstanlauf bei unverhofftem Stillstand gewährleistet. Derselbe Zweck kann auch erreicht werden, wenn eine vollabweisende Teilfläche, etwa die Hälfte oder ein Drittel der Windbremsfläche, jedoch auf der vollen Breite, angebracht wird. Durch eine ochrägkante-oder eine Teillochung kann außerdem noch die Regelcharakterristik beeinflußt werden.
Fig. 3 zeigt einen Schnitt in der Ebene der Regeleinrichtung selbst und erklärt deren Wirkungsweise. Auf dem äußeren Laufkranz des Kugellagers 8 ist sowohl die Windbremse 9 als auch die ihr gegenüberliegende Windf anne 11a befestigt.
Die zweite Windfahne lib ist dagegen an dem Laufkranz nur angelenkt und hat, gegen einen Anschlag13 angelegt, eine gegenüber der zweiten Windfahne windsymetrische Stellung, die mit der Grundstellung der Windbremse übereinstimmt. In dieser Stellung wird sie durch eine Feder 14 fixiert. Die Windfahnen 11 selbst sind außerdem nochmals um eine senkrechte Achse drehbar, sodaß die Auslösekraft zur verwindung der Federkraft durch Drehen dieser Fahnen in gewissen Grenzen verstellbar ist.
Durch die Federkraft der Feder 14 wird die Grundstellung der Windbremse so lange fixiert, bis die an den beiden Windfahnen 11 wirksam werdende Windkraft die Federkraft übersteigt. Die beiden Windfahnen werden dann zur Mittelachse hin zusammengedrückt und muß dabei die Windbremse 9 dieser Bewegung durch die starre Verbindung mit der Winde ahne lla folgen. Dabei schiebt sich die Windbremse mehr oder minder weit in die Windstromhälfte hinein, welche die eigentliche Windarbeit verrichtet, während die Bremskraftminderung auf der anderen Hälfte entsprechend aufgehoben wird.
Fig. 4. zeigt schematisch die Krafteinwirkung und die Windverhältnisse bei der Grundeinstellung der Regeleinrichtung.
Fig. 5. zeigt die Verhältnisse bei der Endstellung.Die die Verstellung bewirkendenElemente, wie Vorspannung der Feder, Feder-Kraft-Wegediagramm, Größe und Anstellwinkel der Windfainen können in weitgehenden Grenzen verändert werden, so daß in Verbindung mit der Charakterristik der indbremse, die Betriebsdrehzahl des windmotors und seine Konstanthaltung jeder Betriebslage angepaßt werden kann. In der Regel wird man den Windmotor fi5r den Betrieb mit einer über einen ausreichend langen Zeitraum vorhandenen Windstärke festlegen und höhere Windstärken wegbremsen.
Als Vorteil dieser Art der Regelung ist noch zu nennen, daß auch alle mechanischen, den Verschleiß erhöhenden bberbeanspruchungen durch zu starken Wind, wie höhere Lagerbeanspruchung usw., vermieden werden.
Fig. 6 zeigt die Regeleinrichtung noch einmal mit einer weiteren Zusatzwindfahne 15, die zwischen den Windf ahnen 11 angeordnet und ebenfalls an dem äußeren Laufkranz des Kugellagers 8 angelenkt ist. Sie kann sich zwischen den Anschlägen 16 auspendeln und dient der Sicherstellung der richtigen Windsteliung der ganzen Regeleinrichtung.
In der Regel werden die Windfahnen 11 allein die richtige Windstellung sicherstellen und jeder Änderung der Windrichtung folgen. Ln gewissen Extremfällen jedoch, z.B.
wenn Windstille eintritt und dann der Wind in entgegengesetzter Richtung wieder aufflaut, ist es denkbar, daß die Regeleinrichtung nicht das erforderliche Umschwenkmoment vom Wind erhält. Dann wird die Zusatzfahne wirksam, die, einerlei von welcher Seite sie der Wind beaufschlagt, die Anlage um 180° herumwirft und gegen den Wind anstellt.
Fig. 7. zeigt noch, wie die Zusatzfahne 15, bei starkem Wind und weitgehend beigedrehten Windfahnen 11, enger zwischen den Anschlägen 16 festgehalten wird und mlthilft, die richtige endlage der gesamten Regeleinrichtung einzuhalten.
Fig. 8. zeigt wie das Prinzip der Regel einrichtung auch bei einer Windkraftmaschine mit horizontaler alelle und Flügel-oder Propellerlaufrad angewandt werden kann, dadurch, daß daieses auf dem Außendrehkranz des Kugellagers fst angeordnet ist und beim Zusammendrücken der Windfahnen 11 mehr oder minder stark aus dem Wind gedreht wird. Da aber auch der Wind über das Flügelrad ein Drehmoment auf die Binrichtung ausübt, ist es notwendig, seine Ausladung "a" klein zu halten, ja mcglichst sogar mit der Achsmitte zusammenfallen zu lassen.
Diese Einrichtung kann auch mit der Zusatz-Windfahne 15 ausgerüstet sein.
Fig. 9. zeigt die Einrichtung nach Fig. 8, jedoch im gegensatzlichen Endzustand der Drehzahlregelung, wobei das Flügerad weitgehend aus dem Wind gedreht ist.
Fig. 10. stellt weitere Zusatzeinrichtungen zum Windmotor dar, die geeignet sind, dessen Wirkungsgrad zu verbessern, insbesondere aber den Ungleichförmigkeitsgrad der rotation zu mindern. Bereits im Vorausgegangenen wurde festgestellt, daß die besondere Ausbildung der ziindschaufeln selbst bereits eine Losung aarstellt, die einen günstigen Wirkungsgrad gewährleistet. Allein der beträchtliche Unterschied zwischen dem Luftwiderstand der Hohlflache gegenüber dem der Außenrundfläche läßt hier ein relativ hohes Dr@hmoment im motor entstehen. In Zweiter Linie wirkt die Windablenkung zur Achse hin leistungssteigernd, da sie ncch der zweiten Schaufel Windenergle abgibt, die in deren Hohlseite f@r Antriebszwecke verwertet wird. Schließlich wird der Gegenwind auf der gegen den Wind laufenden Schaufel durch die Windbremse herab gemindert.
Weitere Maßnahmen kennen noch dergestalt vorgenommen werden, daß dem Schaufelpaar durch Beilenkungen Windströme in der Umdrehungsphase zugeführt werden, bei welcher der Arbeitswind keine Aufschlagflächen mehr vorfindet und der Rotor nur noch durch die Wirksamkeit der trigen Massen weiter bewegt wird. Diese Wirkung wird z.B. durch die Beilenkung 16 erzielt, die zusätzlich herangeholten Wind in die sonst schon weit abgedrehte Schaufel noch nahezu senkrecht aufbringt. in ähnlicher Form arbeitet die Beilenkung 17, die ebenfalls Zusatzwind hinter die gegen den Wind laufende Schaufel bringt.
Eine Batterie von Beilenkungen 18 soll schließlich dieser Schaufel ebenfalls zur Uberwindung des Tiefpunktes Stützwind abgeben. Durch all diese Maßnahmen wird das sonst nach einer Sinuskurve für eine Halbdrehung verlaufende Drehmoment der Rotorwelle in den Tiefpunkten wesentlich angehoben.
Fig. 11. zeigt noch die praktische Anordnung der in Fig.
1o dargestellten Beilenkungen. Auf dem Lagergehäuse ist.
noch ein weiteres Lager 19 aufgebaut, auf dessen Laufkranz über die Stangen 20 die Beilenkungen 16, 17 und 18 angebracht sind, ferner eine weitere indfahne 21, welche die gesamte Einrichtung in die notwendige Windrichtung stellt.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e

:1 )Windmotor mit achsparallelen Windflügeln und selbsttätiger Drehzahlregelung, dadurch gekennzeichnet, daß bei Erhöhung des Winddruckes zwei durch Federkraft in den Wind gespreizte Windfahnen 11 entgegen dieser Federkraft bewegt werden, wodurch eine Windbremse 9 in den Windstrom eingeblendet wird, die der im Windstrom liegenden Windschaufel 1b den Wind teilweise wegnimmt, der gegen den Wind fahrenden Windschaufel 1a dagegen mehr Bremswind zuführt.
2. Anspruch nach 1., dadurch gekennzeichnet, daß der in bekannter Weise mit achsparallelen, mit Abstand und mittenversetzten halbrunden Windschaufeln 1 ausgerüstete Motor auf einer senkrecht geführten Rotorachse 3 befestigt ist und diese in einem mit Kugellagern ausgestatteten Lagergehäuse 5 gelagert wird und auf diesem Lagergehäuse sich ein weiteres Kugellager befindet, auf dessen äußerem Laufkranz der Tragkörper für die Windbremse 9 und die Windf ahnen 11 für die Drehzahlregelung so befestigt ist, daß er selbsttätig in jede Windrichtung einschwenken kann.
3. Anspruch nach 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Lagergehäuse 5 mit einer Normbefestigung ausgestattet ist, die eine auswechselbare Befestigung auf solchen Mastenden, Stützen und dergl. ermöglicht, die mit dem Gegenstück der Befestigung ausgerüstet sind.
4. Aspruch nach 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bauteile der Drehzahlregelung gemeinsam an einem vertikal gelagerten Laufkranz eines Kugellagers 8 so angeordnet sind, daß die Windbremse 9 mit der gegenüberliegenden Windfahne 11a starr verbunden, die zweite Windfahne 11b dagegen nur angelenkt ist und mit einer Feder 14 gegen einen Anschlag 13 so gehalten wird, daß in dieser Stellung beide Windfahnen symetrisch zur Windachse liegen, die Windfahne jedoch nur mit einer senkrechten Kante daran angrenzt.
5. Anspruch nach 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Federkraft für die Rückstellung der Windfahne lib so bemessen ist, daß letztere bei einer festgelegten, einem bestimmten Winddruck entsprechenden Drehzahl des Windmotors noch am Anschlag steht, beim weiteren Anwachsen des Winddruckes jedoch die Federkraft überwunden wird und die beiden Windfahnen zusammenrücken, wodurch die Windbremse 9 über die Windachse hinüber schwenkt und der Schwenkwinkel mit dem Wind stärkenzuwachs so abgestimmt ist, daß die Windbremsung vor der arbeitenden Windschaufel 1b und die Gegenwindfreigabe vor der gegen den Vftnd laufenden Windschaufel 1a in etwa die Verstärkung der Windkraft wieder aufheben.
6. Anspruch nach 1 - 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Windf ahnen 11 eine weitere Zusatz-Windfahne 15 pendelnd angeordnet ist, um die Drehzahlregeleinrichtung immer stlbsttätig in die richtige Windstellung zu steuern, falls diese in eine Stellung zum Wind geraten sollte, welche die Mittenzentrierung allein durch die Windfahnen 11 nicht mehr gewährleistet.
7.Anspruch nach 1 - 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Windbremse 9 nicht aus einem voll den Wind abweisenden Blech, sondern aus einem gelochten Blech oder einem engmaschigen Drahtgitter besteht, damit bei Vollverdeckung der arbeitenden Winuschaufel 1b ein selbsttätiger Anlauf noch bewährleistet ist.
8.Anspruch nach 1 - 7, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle des gelochten Bleches oder Laschendrahtes nur ein halT- oder ein drittel verdeckendes Vollblech als Windbremse 9 eingeschwenkt wird.
9.Anspruch nach 1 - 8, dadurch gekennzeichnet, daß das teildeckende Vollblech der Windbremse 9 eine schräg verlaufende Oberkante besitzt und somit die Charakterristik er Drehzahlregelung beeinflußt werden kann.
10.Anspruch nach 1 - 9, dadurch gekennzeichnet, daß durch zusztzliche Beilenker der Wirkungsgrad und der Rotations-Ungleichförmigkeitsgrad des Windmotors verbessert wird, dergestalt, daß diese Beilenker 16, 17 und 18 zusätzlich herangeführter Wind besonders in den Totpunktstellungen die Windschaufeln 1 noch beaufschlagt.
11.Anspruch nach 1 - 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren der Drehzahlregelung auch bei Windrädern mit horizontaler Achse 17 in gleicher Weise angewendet wird.
12.Anspruch nach 1 - 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren der Drehzahlregelung bei Windmotoren mit horizontaler Achse 12 dahingehend abgewandelt ist, daß bei Anstieg der Windstärke nicht eine Windbremse in den Windstrom eingeblendet, sondern das Windrad selbst entsprechend weit aus dem Wind geschwenkt wird.
13.Anspruch nach 1 - 9, dadurch gekennzeichnet, daß an der senkrechten Rotorachse 3 undmittelbar Betriebsaggregate wie Generatoren, Pumpen usw. starr angekuppelt sind.
14.Anspruch nach 1 - 9, dadurch gekennzeichnet, daß über eine an der Rotorachse 3 unmittelbar angeschlossenen Gelenkwelle die Kraft auf die tieferliegenden Betriebsaggregate mit senkrechter Antriebswelle übertragen wird.
15.Anspruch nach 1 - 9, 14 und 15, dadurch gekennzeichnet, daß bei Drehzahlunterschieden erforderlich werdende Ubersetzungsgetriebe in achsparalleler Ausführung unmittelbar zwischen Rotorachse und Betriebsaggregat angebracht sind.
16.Anspruch nach 1 - 15, dadurch gekennzeichnet, daß an die Abtriebsachse 3 eine Fliehkraftkupplung eingebaut ist, die erst nach Erreichen einer gewissen Drehzahl und entsprechendem Drehmoment ein Betriebs aggregat ankuppelt.
17.Anspruch nach 1 - 16, dadurch gekennzeichnet, daß eine BliehkraUtkupplung beim Erreichen einer bestimmten Drehzahl zuerst eine Schwungmasse einschaltet, und diese dann beim Erreichen eines erforderlichen Drehmomentes ein Betriebs aggregat ankuppelt.