DE19815208A1

DE19815208A1 - Radially flowed axi-flexible vaned wind rotor

Info

Publication number: DE19815208A1
Application number: DE1998115208
Authority: DE
Inventors: Detlef Andrich; Eggert Guenther; Otto Philipp; Wolfgang Wehlte
Original assignee: TECHNO TRANS GES ZUR FOERDERUN
Current assignee: TECHNO TRANS GES ZUR FOERDERUN
Priority date: 1998-04-04
Filing date: 1998-04-04
Publication date: 1999-10-07

Abstract

Three or more rigid light and strong stringers (HOLME) give a co-planar polygon array with projecting stringer parts so two polygons can be superposed via spacer stringers to form a functional module whose radial spreaders are spanned by textile sails. The radially extending stringers in the polygon plane are in turn extended at an adjustably obtuse angle by short stringers so that their spanned sails present the rearwardsly curved scoop of a flow machine. The sails can be reversed under the centrifugal force generated by the rotor speed and so displaced between their stringers as to modify the wind surface and the free flow area in the rotor center. The modules can be stacked up and joined into a rotor column mounted on a tower containing the units powered by the rotor.

Description

Subject of the invention

Gegenstand der Erfindung ist eine Einrichtung zur Nutzung der Windenergie mittels eines um eine Achse drehenden Rotors mit flexiblen Flügelblättern in achsparalleler Anordnung und einer dazu senkrecht, also radial, erfolgenden Rotor-An- und Durchströmung.The invention relates to a device for using wind energy a rotor rotating about an axis with flexible blades in parallel to the axis Arrangement and a perpendicular, ie radial, rotor connection and Flow.

State of the art

Allgemein vorherrschend in der Anwendung sind Windkraftanlagen, deren Flügel keine achsparallele, sondern eine zur Drehachse radiale Ausrichtung haben und als Horizontalwindkraftanlagen bezeichnet werden.Generally prevailing in use are wind turbines whose blades do not have any axially parallel, but have a radial alignment to the axis of rotation and as Horizontal wind turbines are called.

Windkraftanlagen mit Flügelblättern, deren Ausrichtung achsparallel erfolgt, sind beispielsweise als Vertikalachsanlagen bekannt. In ihrer physikalischen Wirkungsweise nutzen sie in der als Savoniusrotor bekannten Bauform den vom Wind auf die Blätter ausgeübten Staudruck (häufig als Widerstandsläufer bezeichnet) und auch in der als Darrieusrotor und Heidelbergrotor bekannten Bauform die Auftriebskraft (häufig als Auftriebsläufer bezeichnet) eines Tragflügels zur Energiegewinnung.Wind turbines with blades that are aligned axially parallel known for example as vertical axis systems. In their physical mode of action in the design known as the Savonius rotor, use the wind on the blades applied dynamic pressure (often referred to as resistance rotor) and also in the as Darrieusrotor and Heidelbergrotor design known the buoyancy (often as Buoyancy rotor) of a wing for energy generation.

Beide Bauformen haben Gemeinsamkeiten in den Wirkprinzipien, die sich auf die achsparallele Anordnung der Flügelblätter gründen und die sie darin von den Anlagen unterscheiden, die eine radiale Anordnung der Flügelblätter aufweisen, wie beispielsweise bei bekannten Horizontalwindkraftanlagen.Both designs have similarities in the operating principles that affect the axially parallel arrangement of the blades and the them in the systems distinguish that have a radial arrangement of the blades, such as for example in known horizontal wind turbines.

In jüngerer Zeit sind Entwicklungen bekannt geworden, die die Vorteile der Widerstandsläufer und der Auftriebsläufer verbinden sollen. Die Entwicklungen führten zu einem offenen achsnahen Bereich im Rotor, so daß der Wind, nachdem er über die Staudruckwirkung einen Teil seiner Energie abgegeben und den Flügel in Drehung versetzt hat, einen weiteren Teil seiner Energie durch die Umlenkung seines Strömungsimpulses abgibt.In recent times, developments have become known that take advantage of Resistance runner and the lift runner should connect. The developments led to an open area near the axis in the rotor, so that the wind after it released some of its energy via the dynamic pressure effect and the wing in Has shifted another part of its energy by redirecting its Emits flow impulse.

In früheren Epochen gab es bereits im alltäglichen Gebrauch nachgewiesene Anlagen, beispielsweise in China, die ebenfalls die Widerstandskraft eines achsparallelen Flügels und auch in Abschnitten der Flügelumlaufbahn eine kurzzeitig wirkende Auftriebskraft des Windes ausnutzten. Den historischen Bedingungen entsprechend bestanden die verwendeten Flügel aus textilen und damit flexiblen Materialien. Diese Windkraftanlagen zeichneten sich zeitbezogen durch ein Höchstmaß von Funktionalität und technologischer Reife aus. Nachteilig war aber neben der geringen Festigkeit der verwendeten Materialien für Rotorlagerung und Flügel, deren Nichteinstellbarkeit und die Notwendigkeit, sie bei Starkwind zum Schutz der Flügel vor Zerstörung stillzusetzen.In earlier epochs, there were already proven systems in everyday use, for example in China, which also has the resistance of an axially parallel wing and also in sections of the wing orbit a momentary buoyancy exploiting the wind. According to the historical conditions they existed used wings made of textile and therefore flexible materials. This Wind turbines were characterized by a high degree of functionality and technological maturity. A disadvantage was the low strength of the used materials for rotor bearings and wings, their non-adjustability and the need to protect them from destruction in high winds to shut down.

Die gegenwärtigen Entwicklungen der Windkraftanlagen mit achsparallelen Flügeln sind dadurch gekennzeichnet, daß Rotoren zur Verbesserung der Windenergienutzung, zur Kostensenkung oder zur Erhöhung der Lebensdauer so gebaut werden, daß in unterschiedlicher Weise feste, also nichtflexible Flügelprofile verwendet werden.The current developments in wind turbines with axially parallel blades are characterized in that rotors to improve wind energy use, to reduce costs or to increase the lifespan so that in fixed, so inflexible wing profiles are used in different ways.

Nachteilig ist bei diesen Entwicklungen, daß die aus festen Flügelprofilen bestehenden Rotoren einerseits nur auf eine bestimmte Windgeschwindigkeit energetisch optimal ausgerichtet sind und andererseits in bezug auf die zu gewinnende Energie einen hohen baulichen Aufwand haben.The disadvantage of these developments is that they consist of fixed wing profiles On the one hand, rotors are only energetically optimal at a certain wind speed are aligned and on the other hand a high in terms of the energy to be obtained have construction costs.

Invention goal

Die Erfindung hat einen mit achsparallelen Flügeln nach bekannten Wirkprinzipien arbeitenden Rotor zum Ziel, der den baulichen Aufwand durch die Verwendung von flexiblen, segelförmigen und radial gekrümmten Flügeln verringert. Ein weiteres Erfindungsziel besteht darin, die wirksame Flügelfläche im Fall der Windänderung durch selbsttätiges Einstellen der segelförmigen Flügel soweit anzupassen, daß die Anlage eine Einstellung auf die maximale Auslegungslast erfährt und eine Zerstörung des Rotors verhindert wird.The invention has one with axially parallel wings according to known operating principles working rotor to the goal, which reduces the structural effort by using flexible, sail-shaped and radially curved wings reduced. Another one The aim of the invention is the effective wing area in the event of a wind change by automatically adjusting the sail-shaped wings so that the System experiences an adjustment to the maximum design load and a destruction of the rotor is prevented.

Solution

Die erfinderische Aufgabe wird dadurch gelöst, daß ein Rotorgestell durch starre Holme und Streben die Flügel aus flexiblen Materialien so aufspannt, daß die Flügel ähnlich den bei einem Rahsegelschiff angebrachten Segeln durch den Wind angeströmt werden können, während sich das Rotorgestell um eine zentrale Achse dreht.The inventive object is achieved in that a rotor frame by rigid Spars and struts span the wings from flexible materials so that the wings similar to the wind against the sails attached to a frame sailing ship can be while the rotor frame rotates about a central axis.

Ein weiteres erfinderisches Merkmal besteht darin, daß die Flügel bei Starkwind gerefft werden und ihre windwirksame Fläche verringern, indem sie zum Rotorzentrum hin eingezogen werden, wodurch sich gleichzeitig der freie Durchströmquerschnitt in der Rotormitte soweit verringert, daß auch der im Normalbetrieb erwünschte Umlenkim puls nicht mehr auftritt und der Rotor sich in seiner Drehzahl selbst begrenzt. Zu den erfindungsgemäßen Merkmalen zählt auch, daß die Kraft zum Einziehen der Flügel durch Fliehkräfte infolge der Rotordrehung erzeugt sowie das gleichmäßige Einziehen aller Flügel durch eine kinematische Hilfseinrichtung gewährleistet wird.Another inventive feature is that the wings are reefed in strong winds and reduce their wind-effective area by pointing towards the rotor center be drawn in, which simultaneously the free flow cross-section in the The center of the rotor is reduced to such an extent that the deflection required in normal operation pulse no longer occurs and the rotor limits itself in its speed. To the Features of the invention also include that the force to retract the wing generated by centrifugal forces as a result of the rotation of the rotor and the even drawing in all wings are guaranteed by a kinematic auxiliary device.

Erfindungsgemäß können Rotoren der beschriebenen Funktionsweise als Baueinheit mehrfach so übereinander gesetzt werden, daß die Rotorgestelle einer Baueinheit in einem Winkel, der sich aus der Flügelzahl ergibt, gegeneinander versetzt sind und die Rotorgestelle miteinander fest verbunden werden. In einem solchen Fall können die Rotorgestelle selbst ein Teil des Turmes sein.According to the invention, rotors of the described function can be used as a structural unit multiple times so that the rotor frames of a unit in an angle that results from the number of wings, are offset from each other and the Rotor frames are firmly connected to each other. In such a case, the Rotor frames themselves can be part of the tower.

Embodiment

Die Erfindung wird nachfolgend an Ausführungsbeispielen beschrieben. Es zeigtThe invention is described below using exemplary embodiments. It shows

Bild 1 die Anströmung der Flügel des Rotors entlang der Umlaufbahn mit einer Überlagerung von Staudruckwirkung und Impulsumlenkung in einer Draufsicht auf den Rotor, Figure 1 shows the inflow of the rotor blades along the orbit with a superimposition of the dynamic pressure effect and pulse deflection in a top view of the rotor,

Bild 2 die Ansicht einer Windkraftanlage bestehend aus einem Turm mit einem darauf angeordneten Rotor, Figure 2 shows the view of a wind power installation consisting of a tower with a rotor arranged thereon,

Bild 3 die Anordnung der flexiblen Flügel in der normalen Betriebsstellung, die an ihren äußeren Lieken durch Zugfedern nach außen gezogen werden sowie einen um die Rotorachse drehbaren Speichenkranz, der das synchrone Einziehen der flexiblen Flügel bei Starkwind gewährleistet, Figure 3 shows the arrangement of the flexible wings in the normal operating position, which are pulled outwards on their outer beds by tension springs, as well as a spoke ring that can be rotated around the rotor axis, which ensures that the flexible wings are pulled in synchronously in strong winds.

Bild 4 die durch Fliehgewichte eingezogenen flexiblen Flügel bei Starkwind, Figure 4 the flexible wings drawn in by centrifugal weights in strong winds,

Bild 5 die Anordnung der flexiblen Flügel an Gleitschienen zwischen den Holmen in einem Holmquerschnitt, Figure 5 shows the arrangement of the flexible wings on slide rails between the bars in a bar cross-section,

Bild 6 die Anordnung eines Fliehgewichtes auf einer Gleitschiene an einem Holm in einem Holmquerschnitt, Figure 6 the arrangement of a centrifugal weight on a slide rail on a rail in a rail cross section,

Bild 7 die Anordnung der Zugfedern an einem Holm, die die flexiblen Flügel an die Außenseiten des Rotors ziehen, Figure 7 shows the arrangement of the tension springs on a spar, which pull the flexible blades to the outside of the rotor,

Bild 8 einen Querschnitt durch zwei Holme mit einem zwischen den Holmen aufgespannten Profilflügel, Figure 8 shows a cross section through two beams with a plane defined between the spars profile wing,

Bild 9 die Ansicht einer Windkraftanlage, die aus zwei übereinander gesetzten und verbundenen Rotorgestellen besteht, die um die gemeinsame Achse drehen. Der Rotor besteht nach Bild 1 aus drei Mittelholmen, die im vorliegenden Beispiel fest so miteinander verbunden sind, daß sie ein gleichseitiges Dreieck bilden. Die Holme bestehen aus einem geeigneten Material, das hohe Festigkeit mit geringem Gewicht vereint, beispielsweise aus einem Leichtmetall-Hohlprofil. Figure 9 is a view of a wind turbine that consists of two stacked and connected rotor frames that rotate around the common axis. As shown in Figure 1, the rotor consists of three central bars, which in the present example are firmly connected to one another so that they form an equilateral triangle. The spars are made of a suitable material that combines high strength with low weight, for example from a light metal hollow profile.

An die Mittelholme sind Außenholme gesetzt, die mit Spreizholmen gegen die Mittelholme abgestützt werden. Die so gebildete Holmebene dient der Befestigung der flexiblen Flügel. Dabei bilden jeweils ein Mittelholm mit dem nach außen zeigenden Außenholm eine Rahe mit gleicher Funktion wie bei einer Rahbesegelung von Schiffen.Outside spars are attached to the center spars, which with spreading spars against Middle spars are supported. The spar level thus formed is used to attach the flexible wing. Each form a central spar with the one pointing outwards Outer spar a frame with the same function as with a frame sail from Ships.

Die Befestigung der flexiblen Flügel kann wie bei einer Rahbeseglung mit Reihleinen oder mit Gleitschuhen, die auf Schienen gleiten (Bild 5) oder in einer Keep (Bild 8) erfolgen.The flexible wings can be attached like with a frame sail with row lines or with sliding shoes that slide on rails ( picture 5) or in a keep ( picture 8).

Im Bereich des Übergangs von Mittelholm zum Außenholm werden die flexiblen Flügel nicht an den Holmen befestigt, so daß sich hier die Flügel bei Längszug frei nach einer Bogenlinie einstellen können.In the area of the transition from central spar to outer spar, the flexible Wings are not attached to the spars, so that the wings move freely in the longitudinal direction can set an arc line.

Bild 2 zeigt die Verbindung zweier übereinanderliegender Holmebenen durch Querholme, wodurch sich ein verwindungssteifer Rotorkörper ergibt, auf den die flexiblen Flügel aufgespannt werden. Figure 2 shows the connection of two superposed spar levels by means of cross spars, which results in a torsionally rigid rotor body on which the flexible wings are clamped.

Die Befestigung des Rotorkörpers erfolgt drehbar an einer Mittenachse mit üblichen maschinenbaulichen Mitteln. Sie ist nicht Gegenstand der erfindungsgemaßen Lösung. Der drehbare Rotorkörper wird auf einen Turm ausreichender Höhe zur Verbesserung der Anströmung gesetzt.The rotor body is rotatably attached to a center axis with conventional ones mechanical engineering means. It is not the subject of the solution according to the invention. The rotatable rotor body is placed on a tower of sufficient height for improvement the inflow set.

Die Reduzierung der wirksamen Flügelfläche zur Verhinderung von Schäden am Rotor bei Starkwind wird mit den Bildern 3 und 4 erläutert.The reduction of the effective wing area to prevent damage to the rotor in the case of strong winds, images 3 and 4 are used to explain.

Auf der Drehachse sind in jeder Holmebene drehbare Naben angeordnet, an denen drei als Hebelarm ausgebildete Speichen angeordnet sind. Die Speichen haben an ihren Enden Gabeln, mit denen sie an den flexiblen Flügeln angreifen können. Jeder Flügel ist so mit zwei Fliehgewichten, die auf Gleitschienen an den Holmen entlang geführt sind, verbunden, daß bei Drehung des Rotors eine Zentrifugalkraft entgegen einer am Außenholm angeordneten Zugfeder (Bild 7) eine Zugkraft auf den Flügel ausübt und ihn damit zur Rotormitte zieht. Bild 4 zeigt die Stellung des Flügels bei einer höheren Drehzahl. Die wirksame Flügelfläche wird reduziert. Gleichzeitig wird durch die zusammengeführten Flügel der achsnahe Raum des Rotors für die Durchströmung verringert, so daß durch die Kombination beider Maßnahmen eine Leistungs- und Drehzahlbegrenzung eintritt.Rotatable hubs are arranged on the axis of rotation in each spar plane, on which three spokes designed as lever arms are arranged. The spokes have forks at their ends with which they can engage the flexible wings. Each wing is connected to two flyweights, which are guided on slide rails along the spars, so that when the rotor rotates, a centrifugal force exerts a tensile force on the wing against a tension spring arranged on the outer spar ( Figure 7) and thus pulls it towards the center of the rotor. Figure 4 shows the position of the wing at a higher speed. The effective wing area is reduced. At the same time, the merged blades reduce the space close to the axis of the rotor for the throughflow, so that the combination of both measures limits power and speed.

Für unzulässig hohe Windgeschwindigkeiten ergibt sich hierdurch eine selbsttätige Havariesicherung der Windkraftanlage. For impermissibly high wind speeds, this results in an automatic Accident protection of the wind turbine.

Bild 8 zeigt einen flexiblen Flügel, der in Keepen an den Holmen geführt wird. Bild 9 zeigt die Kombination mehrerer Rotorkörper zu einer größeren Windkraftanlage. Die Rotorkörper sind um 60 Grad versetzt übereinander angeordnet und an Kreuzungspunkten der Mittelholme fest miteinander verbunden. Durch die Steifigkeit der Holmkonstruktion bilden die Rotorkörper eine in sich steife, selbsttragende Rotorsäule. Mit der dargestellten Konfiguration von drei Flügeln pro Rotorkörper lassen sich selbsttragende Rotorsäulen mit mehreren Rotorebenen ohne aerodynamische Unwucht zusammensetzen. Figure 8 shows a flexible wing that is guided on the bars in Keepen. Figure 9 shows the combination of several rotor bodies to form a larger wind turbine. The rotor bodies are arranged 60 degrees above one another and firmly connected to each other at the intersection points of the central spars. Due to the stiffness of the spar construction, the rotor bodies form a self-supporting, self-supporting rotor column. With the configuration of three blades per rotor body shown, self-supporting rotor columns with several rotor planes can be assembled without aerodynamic imbalance.

Claims

1. Rotor with axially parallel flexible blades with radial flow, characterized in that three or more rigid spars composed of a light and strong material in one plane to a polygon with protruding spar pieces and two of these polygons are arranged one above the other by spacer bars and result in a functional module that radially directed sail lines arise, between which sails made of flexible materials are stretched.

2. Rotor according to claim 1, characterized in that the radially outward Spars in the polygon plane at an obtuse, adjustable angle through short spars be extended so that the sails stretched between the spars are shaped like a Obtained backward curved blade of a turbomachine.

3. Rotor according to claim 1, characterized in that between the spars stretched sail reversible by a force effect triggered by the rotor speed, preferably a centrifugal force to be moved between the bars so that the effective Wind attack area and the free flow area in the middle of the rotor can be changed.

4. Rotor according to claim 1, characterized in that the tensioned between the spars Single or multiple canvas sails with or without intermediate ones elastic materials or from individual elastic, interconnected segments consist.

5. Rotor according to claim 1, characterized in that a plurality of functional modules arranged one above the other and can be firmly connected so that a Rotor column is formed, which sits on a tower substructure with a pivot bearing which are arranged the units driven by the rotor.