DE20200853U1 - Control of a throughflow rotor in wind turbines - Google Patents

Control of a throughflow rotor in wind turbines

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Description

Gebrauchsmusteranmetdung: Ansteuerung eines Durchströmrotors bei Windkraftanlagen Aktenzeichen: 202 00 853.3Utility model application: Control of a flow rotor in wind turbines File number: 202 00 853.3

Stand der TechnikState of the art

Die nachfolgende Erfindung bezieht sich auf dem Einsatz in Windkraftanlagen als Zubehör zu bereits stehenden oder in der Erprobung befindlichen Anlagen. Hierbei handelt es sich um eine Komponente der Leistungsopttmierung der Flügelkonstruktionen im Speziellen bei Windkraftanlagen mit einer Vertikalachskonstruktion ausgebildet als Darrieus- und/oder Savonius- Rotor. Bei den vorgenannten Rotorformen handelt es sich im Verhältnis zu den Rotoren mit „Propellern" im landläufigen Sinne um Sonderbauformen.The following invention relates to the use in wind turbines as an accessory to existing systems or systems that are being tested. This is a component for optimizing the performance of the blade constructions, especially in wind turbines with a vertical axis construction designed as a Darrieus and/or Savonius rotor. The aforementioned rotor shapes are special designs compared to rotors with "propellers" in the common sense.

Das Prinzip des Savonius- oder auch Durchströmrotors (in der englischsprachigen Literatur auch als vertical axis machine bezeichnet) beruht auf der Durchströmung von Luft in Form von Wind. Gleiches gilt auch für den Darrieusrotor. Durch eine oder mehrere Laufschaufeln bestehend aus gebogenen Blechen, Kunststoff platten oder anderen formbaren Verbundwerkstoffen in radialer Anordnung zur drehenden Achse, wird der auftreffende Wind in eine Drehbewegung umgesetzt. Hierbei besteht in der Bauform begründet ein Massenanlaufproblem bei schwachen Winden. Die Technologie der Durchströmrotoren stellen heute den Stand der Technik dar, da diese Technologien bereits im frühen 19. und Jahrhundert in der Fachliteratur erstmalig beschrieben und veröffentlicht wurden. So liegen heute noch zur Grundbauform der Rotoren folgende Patentschriften vor, die jedoch teilweise nicht mehr in gültiger Form vorliegen:The principle of the Savonius or through-flow rotor (also known as a vertical axis machine in English literature) is based on the flow of air in the form of wind. The same applies to the Darrieus rotor. The wind that hits it is converted into a rotary motion by one or more blades made of bent sheet metal, plastic plates or other malleable composite materials arranged radially to the rotating axis. The design of the rotor results in a mass start-up problem in light winds. The technology of through-flow rotors represents the state of the art today, as this technology was first described and published in the specialist literature in the early 19th and 20th centuries. The following patents still exist today for the basic design of the rotors, although some of them are no longer valid:

416/197 A416/197 A

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290/55290/55

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415/209.1415/209.1

290/44290/44

415/4.5415/4.5

US. PatentUS Patent DokumenteDocuments Sheplar et al.Sheplar et al. 143.100143,100 9/18739/1873 VenorVenor 175.530175,530 9/18769/1876 EverhartEverhart 201.400201,400 3/18783/1878 TownsendTownsend 399.171399,171 3/18893/1889 PepperPepper 455.858455,858 7/18917/1891 HermanHerman 485.933485,933 11/189211/1892 ChapmanChapman 535.193535,193 3/18953/1895 Stevens et alStevens et al 537.494537,494 4/18954/1895 HardawayHardaway 588.572588,572 8/18978/1897 SchmuckerSchmucker 600.893600,893 3/18983/1898 HardawayHardaway 640.901640,901 1/19001/1900 SternerStar 993.120993.120 5/19115/1911 RyanRyan 1.523.2951,523,295 1/19251/1925 NicholsonNicholson 1.583.1651,583,165 5/19265/1926 BenderBender 1.615.6751,615,675 1/19271/1927 CurrieCurrie 1.758.5601,758,560 5/19305/1930 DarrieusDarrieus 1.835.0181,835,018 12/193112/1931 NelsonNelson 1.935.0971,935,097 11/193311/1933 PentonPenton 2.067.5422,067,542 1/19731/1973 TerhuneTerhune 2.406.2682,406,268 8/19468/1946 CromptonCrompton 3.335.0783,335,078 8/19678/1967 QuinnQuinn 3.902.0723,902,072 8/19758/1975 YengstYengst 3.942.9093,942,909 3/19763/1976 LuchukLuchuk 3.970.4093,970,409 7/19767/1976 BogleBogle 3.994.6213,994,621 11/197611/1976 DiggsDiggs 4.035.6584,035,658 7/19777/1977 Oman et al.Oman et al. 4.075.5004,075,500 2/19782/1978 EckelEckel 4.140.4334,140,433 2/19792/1979 PalmaPalma 4.168.4394,168,439 9/19799/1979 de Geusde Geus 4.204.7994,204,799 5/19805/1980

1/19811/1981 Seki et al.2018. 4.247.2534,247,253 1/19811/1981 Seki et al.2018. 4.291.2334,291,233 9/19819/1981 KirschbaumCherry tree 4.362.4704,362,470 12/198212/1982 Lacastre et al.Lacastre et al. 4.405.1444,405,144 9/19839/1983 LothLoth 4.405.8144,405,814 11/198311/1983 MartinezMartinez 4.474.5294,474,529 10/198410/1984 KinseyKinsey 4.551.6314,551,631 11/198511/1985 TrigilioTrigilio 4.571.1524,571,152 2/19862/1986 TatarTartar 4.632.6374,632,637 12/198612/1986 TrandtTrend 4.652.2064,652,206 3/19873/1987 YeomanYeoman 4.685.7364,685,736 9/19879/1987 Doman et al.Doman et al. 4.748.3394,748,339 5/19885/1988 JamiesonJamieson 4.818.1814,818,181 4/19894/1989 KodricKodric 4.834.6104,834,610 5/19895/1989 Bond IIIBond III 4.850.7924,850,792 • 7/1989• 7/1989 YeomanYeoman 5.083.0395,083,039 1/19921/1992 Richardson et alRichardson et al 5.391.9265,391,926 2/29952/2995 Staley/ElderStaley/Elder

416/44 416/44 290/1 C 416/197 A 415/1 290/55 415/4.2 290/55 415/4.2 416/41 415/4.2 290/44 290/55 416/196 A 415/3.1 415/4.2 290/44 290/55416/44 416/44 290/1 C 416/197 A 415/1 290/55 415/4.2 290/55 415/4.2 416/41 415/4.2 290/44 290/55 416/196 A 415/3.1 415/ 4.2 290/44 290/55

Internationale PatenteInternational patents

167694167694 1/19861/1986 Europa PatentEuropean Patent 02163840216384 4/19874/1987 Europa PatentEuropean Patent 515652515652 4/19214/1921 FrankreichFrance 727519727519 6/19326/1932 FrankreichFrance 6114061140 3/19553/1955 FrankreichFrance 867380867380 2/19532/1953 DeutschlandGermany 697701697701 5/19805/1980 JapanJapan 22318052231805 11/199011/1990 GroßbritannienGreat Britain

415/4.2415/4.2

416/236 416/197 A416/236 416/197 A

Nach einer intensiv durchgeführten Recherche beziehen sich die o.g. Patente ausschließlich auf die Bauform des Rotors und die Ausbildung der Rotoraufnahme bzw. der Einleitkonstruktionen. Allen vorgenannten Patenten ist es in der Praxis bis dato jedoch nicht gelungen, diese Verdrängungswindmaschinen über ein breites Windspektrum betriebsfähig zu halten. Stattdessen beziehen sich die o.g. Quellen und die einschlägigen Fachliteraturen ausschließlich auf einen Einsatz in Starkwindgebieten. Ein Einsatz bei Windgeschwindigkeiten unter 4,5 m/s wird bisher ausgeschlossen.After intensive research, the above-mentioned patents refer exclusively to the design of the rotor and the design of the rotor mount or the inlet structures. However, none of the above-mentioned patents have so far succeeded in keeping these displacement wind machines operational across a wide wind spectrum. Instead, the above-mentioned sources and the relevant specialist literature refer exclusively to use in strong wind areas. Use at wind speeds below 4.5 m/s has so far been ruled out.

Gebrauchsmusteranmeldung: Ansteuerung eines Durchströmrotors bei Windkraftanlagen
Aktenzeichen: 202 00 853.3Utility model application: Control of a flow rotor in wind turbines
Reference number: 202 00 853.3

Beschreibung des GegenstandesDescription of the item

Ansteuerung eines Durchström rotors bei Windkraftanlagen durch Endflächenkonstruktionen
Beschreibung des Schutzanspruches Control of a flow-through rotor in wind turbines by end face constructions
Description of the protection claim

Hiermit beantragen wir den Schutz des Anspruches auf ein Gebrauchsmuster für eine zusätzliche Endblechkonstruktion an den Laufschaufeln eines Savoniusrotors oder Vertikalachsenrotors.We hereby apply for protection of the claim to a utility model for an additional end plate construction on the rotor blades of a Savonius rotor or vertical axis rotor.

Durch eine zusätzliche Befestigung eines abgewinkelten Endbleches (Schutzanspruch 1) an der Laufschaufel läuft der Rotor schon bei schwachen Winden unter Ausnutzung eines an den Laufschaufelenden angreifenden Drehmomentes früher an und bekommt bei jeder weiteren Umdrehung eine Beschleunigung. Darüber hinaus verhindert dieses Endblech das Stehen bleiben des Rotors in einem Totpunkt zum auftreffenden Wind. Dieses Endblech kann bei Berücksichtigung baustatischer Belange auch als Endausbildung der Laufschaufel direkt abgewinkelt angeordnet werden. Hierbei wird über die gesamte Höhe der Laufschaufel die Endausbildung durchgeführt. Aus Gründen der auftretenden Abrissströmung ist eine Profilierung der Endbleche durchzuführen.By additionally attaching an angled end plate (protection claim 1) to the rotor blade, the rotor starts up earlier even in light winds by utilizing a torque acting on the rotor blade ends and is accelerated with each subsequent rotation. In addition, this end plate prevents the rotor from coming to a stop at a dead center relative to the wind. This end plate can also be arranged directly at an angle as the end formation of the rotor blade, taking structural statics into account. In this case, the end formation is carried out over the entire height of the rotor blade. The end plates must be profiled to prevent stall flow.

Die Abwinklung der Endbleche erfolgt zu den radialen Endscheiben und/oder Spantenfächern in einem Winkel von 10 bis 60 ° zum Radius des Rotors. Die Größe der Endkonstruktion entspricht einer Größe von 5 bis 25 % der Laufschaufel. Die Größe der Entbleche ist unter Berücksichtung des Anwendungsfalles des Durchströmrotors entsprechend abzustimmen.The end plates are angled to the radial end disks and/or frame fans at an angle of 10 to 60° to the radius of the rotor. The size of the end construction corresponds to a size of 5 to 25% of the rotor blade. The size of the end plates must be adjusted accordingly, taking into account the application of the flow-through rotor.

Durch eine Ausbildung der Endbleche mit einer Profilierung nach Schutzanspruch 2 werden die durch die Bauform bedingten ablaufenden Luftwirbel verringert und ein größeres Band der verfügbaren mechanischen Energie des Windes genutzt. Experimentell konnten wir nachweisen, dass sich das nutzbare Drehzahlband trotz bauartbedingten aerodynamischer Einbfemsung bei höheren Windgeschwindigkeiten um deutlich messbare Bereiche nach oben verschiebt. Dadurch ist es z.B. bei der Stromerzeugung auf aufwendige Getriebekonstruktionen in Abhängigkeit von der Polarität der Generatortechnik zu verzichten.By designing the end plates with a profile according to claim 2, the air turbulence caused by the design is reduced and a larger band of the available mechanical energy of the wind is used. We were able to prove experimentally that the usable speed range shifts upwards by clearly measurable amounts at higher wind speeds, despite the aerodynamic restriction caused by the design. This means that, for example, when generating electricity, it is no longer necessary to use complex gear designs depending on the polarity of the generator technology.

Eine entsprechende zeichnerische Skizzierung liegt als Anlage bei.A corresponding drawing is attached as an appendix.

Claims (2)

1. Ansteuerung eines Durchströmrotors bei Windkraftanlagen durch Endflächenkonstruktionen an den Laufschaufeln von Rotoren an Windkraftanlagen dadurch gekennzeichnet,
dass ein zusätzliches abgewinkeltes Endblech an der Laufschaufel befestigt wird. Dadurch läuft der Rotor schon bei schwachen Winden unter Ausnutzung eines an den Laufschaufelenden angreifenden Drehmomentes früher an und bewirkt bei jeder weiteren Umdrehung eine Beschleunigung. Darüber hinaus verhindert dieses Endblech das Stehen bleiben des Rotors in einem Totpunkt zum auftreffenden Wind. Die Abwinklung der Endbleche erfolgt zu den radialen Endscheiben und/oder Spantenfächern in einem Winkel von 10 bis 60° zum Radius des Rotors. Die Größe der Endkonstruktion entspricht einer Größe von 5 bis 25% der Laufschaufel. Die Größe der Endbleche ist unter Berücksichtung des Anwendungsfalles des Durchströmrotors entsprechend abzustimmen.
Dieses Endblech kann bei Berücksichtigung baustatischer Belange auch als Endausbildung der Laufschaufel direkt abgewinkelt angeordnet werden. Hierbei wird über die gesamte Höhe der Laufschaufel die Endausbildung durchgeführt. Aus Gründen der auftretenden Abrissströmung ist eine Profilierung der Endbleche durchzuführen. 1. Control of a flow-through rotor in wind turbines by end face constructions on the blades of rotors in wind turbines, characterized in that
that an additional angled end plate is attached to the rotor blade. This means that the rotor starts up earlier even in light winds by utilizing a torque acting on the rotor blade ends and causes acceleration with each subsequent rotation. In addition, this end plate prevents the rotor from coming to a stop at a dead center in relation to the wind. The end plates are angled to the radial end disks and/or frame fans at an angle of 10 to 60° to the radius of the rotor. The size of the end construction corresponds to a size of 5 to 25% of the rotor blade. The size of the end plates must be adjusted accordingly, taking into account the application of the flow-through rotor.
This end plate can also be arranged directly at an angle as the end formation of the rotor blade, taking structural considerations into account. In this case, the end formation is carried out over the entire height of the rotor blade. The end plates must be profiled to prevent stall flow. 2. Ansteuerung eines Durchströmrotors durch Endflächenkonstruktionen nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass je nach Rotorgröße und Einsatzzweck die Endflächenkonstruktion glatt, perforiert oder profiliert an den abströmenden Kanten ausgebildet werden. Durch die gesonderte Ausbildung der Endflächenkonstruktionen werden durch die ablaufende Luftströmung entstehende Verwirbelungen gesenkt und somit die an die Rotorblätter abgegebene mechanische Energie erhöht. 2. Control of a flow-through rotor by end face constructions according to claim 1, characterized in that, depending on the size of the rotor and the intended use, the end face construction is designed to be smooth, perforated or profiled on the outflowing edges. The separate design of the end face constructions reduces turbulence caused by the outflowing air flow and thus increases the mechanical energy delivered to the rotor blades.
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