DE202007014366U1 - Blade adjustment for vertical wind turbines - Google Patents

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Abstract

Blattverstellung für Vertikalwindkraftanlagen dadurch gekennzeichnet, dass die vordere Aufnahme 1 des Rotorflügels 4 drehbar ausgeführt ist, und die hintere Flügelaufnahme über ein Federsystem 2 mit dem Tragarm 6 verbunden ist. Drehzahlabhängig stellen sich ohne Fremdregelung unterschiedliche Blatteinstellwinkel ein.pitch for vertical wind turbines characterized in that the front intake 1 of the rotor blade 4 rotatably executed is, and the rear wing mount via a spring system 2 is connected to the support arm 6. Set speed dependent different blade pitch without external control.

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Description

Vertikalwindkraftanlagen konventioneller Bauart nach dem Darrieus-H-Rotorprinzip weisen in der Regel keine Möglichkeit einer Verstellung der vertikal angeordneten Flügelprofile auf. Üblicherweise werden die vertikal angeordneten Flügel fest mit der horizontal verlaufenden Trägerkonstruktion (Tragarme) verbunden. Die Tragarme übertragen die auf die Flügel einwirkenden Luftkräfte zur vertikal verlaufenden Rotorwelle, wo die Energie aus dem sich drehenden Vertikalrotor abgenommen wird.Vertical wind turbines conventional design according to the Darrieus-H rotor principle have in the Usually no way of adjusting the vertical arranged wing profiles. Usually the vertically arranged wings firmly with the horizontally extending support structure (support arms) connected. The Brackets transmit the forces acting on the wings Air forces to the vertical rotor shaft, where the Energy is removed from the rotating vertical rotor.

Vertikalrotoren ohne Blattverstellung weisen insbesondere zwei Nachteile auf. Das Anlaufverhalten mit vier oder weniger Rotorblättern (Flügeln) nach dem Darrieus-H-Rotorprizip ist relativ schlecht, so dass oftmals eine Anlaufhilfe in Form eines Savoniusrotors zusätzlich angebaut werden muss, oder der Rotor wird über einen elektrischen Hilfsantrieb auf die erforderliche Anlaufdrehzahl gebracht. Beides bedeutet einen zusätzlichen Bauaufwand und zum Teil eine geringere Gesamtenergieausbeute der Windkraftanlage.vertical rotors without blade adjustment, in particular, have two disadvantages. The Starting behavior with four or fewer rotor blades (wings) after the Darrieus-H-Rotorprizip is relatively bad, so often a start-up aid in the form of a savonius rotor in addition must be grown, or the rotor is powered by an electric Auxiliary drive brought to the required starting speed. Both means an additional construction effort and partly a lower total energy yield of the wind turbine.

Der zweite noch gravierendere Nachteil von Vertikalrotoren ohne Blattverstellung besteht in der Tatsache, das bei Starkwind der Rotor so hohe Drehzahlen erreichen kann, dass, wenn die Windkraftanlage nicht über ein starkes Bremssystem verfügt, die Fliehkräfte in Folge der hohen Drehzahl so groß werden können, dass Bauteile, insbesondere die Rotorstruktur versagen oder Schaden nehmen können. Ein sicherer Betrieb dieser Anlagen ist ohne eine auftriebsverringernde Blattverstellung also nur mit einem zuverlässigen, sowie aufwendigen Bremssystem möglich. Das oder die Bremssysteme erhöhen jedoch die Herstell- und Betriebskosten der Vertikalwindkraftanlagen erheblich.Of the second even more serious disadvantage of vertical rotors without pitch adjustment The fact is that in high wind the rotor has such high speeds can achieve that if the wind turbine is not over a strong braking system that has centrifugal forces as a result of the high speed can become so big that components, in particular the rotor structure fail or damage can take. Safe operation of these systems is without a buoyancy-reducing blade adjustment so only one reliable and complex braking system possible. However, the braking system (s) increase the manufacturing and operating costs of vertical wind turbines considerably.

In DE 195 44 401 A1 wird eine Blattverstellung beschrieben, bei der über Steuerstangen die Rotorblätter verstellt werden. Hierbei soll eine möglichst hohe Energieausbeute erreicht werden. Bei der vorgeschlagenen Konstruktion sind viele zusätzliche Bauteile, Schubstangen, Gelenke, sowie eine Windnachführung notwendig. Ein wesentlicher Vorteil von üblichen Vertikalwindkraftanlagen, auf eine Windnachführung verzichten zu können, wurde bei der vorgeschlagenen Konstruktion aufgegeben. Viele Gelenke und bewegte Teile erhöhen zudem die Ausfallwahrscheinlichkeit einer oftmals unter extremen Bedingungen (Seeklima, Stürme, Vibrationen) arbeitenden Windkraftanlage. Nicht zu vernachlässigen ist auch der sich erhöhende Luftwiderstand zusätzlicher Bauteile wie z. B. der Steuerstangen. Der höhere Luftwiderstand wirkt sich insbesondere negativ auf die Gesamtenergiebilanz der Anlage aus.In DE 195 44 401 A1 a blade adjustment is described in which the rotor blades are adjusted via control rods. Here, the highest possible energy yield should be achieved. In the proposed construction many additional components, push rods, joints, and a wind tracking are necessary. A significant advantage of conventional vertical wind turbines to be able to do without a wind tracking, was abandoned in the proposed construction. Many joints and moving parts also increase the probability of failure of a wind turbine that often operates under extreme conditions (sea climate, storms, vibrations). Not to be neglected is also the increasing air resistance of additional components such. B. the control rods. The higher air resistance in particular has a negative effect on the overall energy balance of the system.

Der im Schutzanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, mit einem möglichst einfachen, kostengünstigen, aerodynamisch vorteilhaften und zuverlässigen System einerseits die Anlaufcharakteristik von Vertikalrotoren zu verbessern, und andererseits ein Überdrehen des Rotors und somit eine Überlastung der Rotorstruktur zuverlässig und sicher zu verhindern.Of the in claim 1 protection invention is based on the problem with a simple, inexpensive, aerodynamically advantageous and reliable system on the one hand to improve the starting characteristics of vertical rotors, and on the other hand, over-turning of the rotor and thus overloading To prevent the rotor structure reliably and safely.

Die vorher genannten Probleme werden bei der vorliegenden Erfindung mit den in Schutzanspruch 1 aufgeführten Merkmalen behoben. Weitere vorteilhafte Merkmale beinhalten die Unteransprüche.The Problems mentioned above are in the present invention resolved with the features listed in protection claim 1. Further advantageous features include the subclaims.

Mit der erfindungsgemäßen, fliehkraftgesteuerten Blattverstellung wird sowohl die Anlaufcharakteristik verbessert, als auch eine Begrenzung der Höchstdrehzahl erreicht. Bei vielen Flügelprofilen ist für ein hohes Anlaufdrehmoment eine negative Blattwinkeleinstellung optimal. Für eine hohe Energieausbeute bei den Betriebsdrehzahlen dagegen, ist ein größerer Blatteinstellwinkel notwendig. Zur Vermeidung von Überdrehzahlen sollte der Blatteinstellwinkel noch größer im positiven Bereich liegen, so dass die Strömung partiell abreißt und sich dadurch das Rotordrehmoment deutlich verringert. Ein Hochdrehen des Rotors kann so zuverlässig verhindert werden.With the centrifugal force-controlled pitch adjustment according to the invention both the starting characteristic is improved, as well as a limitation reached the maximum speed. With many sash profiles For a high starting torque is a negative blade angle adjustment optimal. For a high energy yield at the operating speeds, however, a larger blade pitch is necessary. To avoid overspeed, the blade pitch should be even greater in the positive range, so that the Partial flow tears off and thereby the rotor torque significantly reduced. A spin up of the rotor can be so reliable be prevented.

Bei der erfindungsgemäßen, fliehkraftgesteuerten Blattverstellung werden die Flügel etwa im Neutralpunkt drehbar gelagert (vordere Flügelaufnahme). Die im Betrieb sich laufend ändernden Luftkräfte können nur sehr geringen Einfluss auf die Blattverstellung ausüben. Flatterbewegungen der Flügel sind deshalb ausgeschlossen. Der Flächenschwerpunkt der Flügel liegt deutlich hinter dem Drehpunkt der Flügel. Bei ansteigender Drehzahl baut sich deshalb ein ansteigendes Drehmoment um die vordere Flügellagerung auf. Dieses von der Drehzahl des Rotors abhängige Drehmoment wird bei der erfindungsgemäßen Blattverstellung genutzt, die Flügel in der gewünschten Art und Weise zu verstellen. Um die gewünschte Blattwinkeleinstellung für die jeweiligen Rotordrehzahlen zu erzielen, ist die hintere Flügelaufnahme mit einem Federsystem verbunden. Je nach Rotordrehzahl wirken, bedingt durch die Fliehkräfte, unterschiedliche Kräfte auf dieses Federsystem. Überwindet die aus den Flügeln resultierende Fliehkraftkomponente der hinteren Flügelaufnahme die Vorspannung des Federsystems, wird diese zusammengedrückt und in Folge dessen verändert sich der Anstellwinkel des Flügels. Durch eine genau angepasste Feder mit entsprechender Federkennlinie stellt sich für jede Rotordrehzahl der berechnete Anstellwinkel des Flügels selbstständig, ohne Fremdenergie und ohne Fremdregelung ein.at the centrifugal force-controlled pitch adjustment according to the invention the wings are rotatably mounted approximately at neutral point (front wing socket). The constantly changing in operation Air forces can have very little impact on exercise the blade adjustment. Flapping motions of the wings are therefore excluded. The centroid of the Wing is well behind the pivot point of the wings. As the speed increases, therefore, an increasing torque builds around the front wing bearing. This from the speed the rotor dependent torque is in the inventive Used blade adjustment, the wings in the desired Way to adjust. To the desired blade angle adjustment for the respective rotor speeds, is the rear wing mount connected to a spring system. ever act according to rotor speed, due to the centrifugal forces, different forces on this spring system. Overcomes the centrifugal force component resulting from the blades the rear wing mount the preload of the spring system, this is compressed and consequently changes the angle of attack of the wing. By a precisely adjusted Spring with corresponding spring characteristic turns out for each rotor speed the calculated angle of attack of the wing independently, without external energy and without external regulation one.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der 1 und 2 erläutert. Es zeigen:An embodiment of the invention will be described with reference to 1 and 2 explained. Show it:

1 Anordnung der Flügelprofile in der Draufsicht, sowie Kräfte und Momente, wie sie sich bei sich drehendem Rotor einstellen, 1 Arrangement of the wing profiles in plan view, as well as forces and moments, as they occur with rotating rotor,

2 Flügelaufnahme mit Federsystem. 2 Wing receptacle with spring system.

In 1 ist die Draufsicht eines vierblättrigen Darrieus-H-Rotors dargestellt. Der Wind V versetzt den Rotor in eine Drehbewegung ω um die Rotorwelle 3. Durch die Drehbewegung des Rotors entsteht an den Flügelprofilen eine resultierende Fliehkraft FZ, die etwa in der Mitte des Flügelprofils angreift und radial nach außen gerichtet ist. Die vordere Flügelaufnahme 1 ist drehbar ausgeführt, so dass an der hinteren Flügelaufnahme eine zur Rotormitte gerichtete radiale Federkraft FF wirken muss, um die Flügelprofile in der dargestellten Flügelstellung zu halten. Wenn diese Kraft durch Erhöhung der Rotordrehzahl größer wird als die Vorspannkraft der Feder 2, verstellt sich der Anstellwinkel des Flügels. Durch Abstimmung von Flügelgewicht, Schwerpunktlage, Drehpunktlage der vorderen Flügelaufnahme und Federkennlinie, so lassen sich die gewünschten Effekte, besseres Anlaufverhalten des Rotors und die Vermeidung von Überdrehzahlen bei Starkwind, erreichen.In 1 is the top view of a four-leaf Darrieus H rotor shown. The wind V sets the rotor in a rotational movement ω around the rotor shaft 3 , As a result of the rotational movement of the rotor, a resultant centrifugal force F Z , which engages approximately in the center of the airfoil and is directed radially outwards, results on the airfoils. The front wing socket 1 is rotatable, so that at the rear wing receptacle directed to the rotor center radial spring force F F must act to hold the wing profiles in the illustrated wing position. When this force is greater by increasing the rotor speed than the biasing force of the spring 2 , adjusts the angle of attack of the wing. By tuning the sash weight, center of gravity, pivot point of the front wing support and spring characteristic, so can the desired effects, better start-up behavior of the rotor and the avoidance of overspeeding in strong winds reach.

2 zeigt den Tragarm 6, an dem über die drehbar gelagerte Flügelaufnahme 1 der Flügel 4 verbunden ist. Die hintere Flügelaufnahme wird über einen Gelenkkopf 5 mit dem Federsystem 2 verbunden. Das Federsystem ist über den Haltebock 10 mit dem Tragarm verbunden. Die Gewindestange 8 wird durch den Haltebock geführt und mit dem Gelenkkopf verschraubt. Die Feder 2 wird über das Druckstück 9 durch die Gewindemutter 7 vorgespannt. Über die Vorspannkraft FF der Feder kann die Höchstdrehzahl des Vertikalrotors eingestellt werden. 2 shows the support arm 6 , on which via the rotatably mounted wing receptacle 1 the wing 4 connected is. The rear wing intake is via a condyle 5 with the spring system 2 connected. The spring system is over the bracket 10 connected to the support arm. The threaded rod 8th is guided by the bracket and screwed to the joint head. The feather 2 is over the pressure piece 9 through the threaded nut 7 biased. About the biasing force F F of the spring, the maximum speed of the vertical rotor can be adjusted.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • - DE 19544401 A1 [0004] DE 19544401 A1 [0004]

Claims (7)

Blattverstellung für Vertikalwindkraftanlagen dadurch gekennzeichnet, dass die vordere Aufnahme 1 des Rotorflügels 4 drehbar ausgeführt ist, und die hintere Flügelaufnahme über ein Federsystem 2 mit dem Tragarm 6 verbunden ist. Drehzahlabhängig stellen sich ohne Fremdregelung unterschiedliche Blatteinstellwinkel ein.Blade adjustment for vertical wind turbines characterized in that the front intake 1 of the rotor blade 4 is rotatable, and the rear wing receiving a spring system 2 with the support arm 6 connected is. Depending on the speed, different blade pitch angles are set without external regulation. Blattverstellung für Vertikalwindkraftanlagen nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass alle Flügel des Rotors mit einer Blattverstellung nach Anspruch 1 ausgerüstet sind.Blade adjustment for vertical wind turbines after Claim 1, characterized in that all wings of the Rotor equipped with a blade adjustment according to claim 1 are. Blattverstellung für Vertikalwindkraftanlagen nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass nicht alle Flügel des Rotors mit einer Blattverstellung nach Anspruch 1 ausgerüstet sind.Blade adjustment for vertical wind turbines after Claim 1, characterized in that not all wings the rotor equipped with a blade adjustment according to claim 1 are. Blattverstellung für Vertikalwindkraftanlagen nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Feder 2 eine progressive Federkennlinie aufweist.Blade adjustment for vertical wind turbines according to claim 1, characterized in that the spring 2 has a progressive spring characteristic. Blattverstellung für Vertikalwindkraftanlagen nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Federeinheit aerodynamisch günstig in den Tragarm integriert ist.Blade adjustment for vertical wind turbines after Claim 1, characterized in that the spring unit aerodynamically is conveniently integrated into the support arm. Blattverstellung für Vertikalwindkraftanlagen nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Tragarm die Führung für die hintere Flügelaufnahme bildet.Blade adjustment for vertical wind turbines after Claim 1, characterized in that the support arm, the leadership forms for the rear wing receptacle. Blattverstellung für Vertikalwindkraftanlagen nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die vordere, drehbare Flügelaufnahme dicht am Flügelneutralpunkt liegt.Blade adjustment for vertical wind turbines after Claim 1, characterized in that the front, rotatable wing receptacle close to the vane neutral point.
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