DE202011002029U1

DE202011002029U1 - Turbine IV

Info

Publication number: DE202011002029U1
Application number: DE202011002029U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-09-21
Filing date: 2011-01-28
Publication date: 2011-05-12
Anticipated expiration: 2021-01-29
Also published as: WO2012038042A1; DE102011109225A1

Abstract

Windturbine mit einem um eine Achse drehbaren Rotor, welcher einen oder mehrere Turbinenflügel umfasst, wobei die Turbinenflügel parallel zum Rotor ausgerichtet sind, wobei die Turbinenflügel innerhalb einer konzentrisch um die Achse angeordneten Zylinderschale mit einem äußeren Radius R1 und einem inneren Radius R2 angeordnet sind,
dadurch gekennzeichnet,
• dass der innere Radius

R2 = f₁ × R1

mit f₁ = 0,28 bis 0,32 beträgt,
• dass jeder Turbinenflügel einen ersten vom inneren Radius R2 bis zum äußeren Radius R1 sich erstreckenden, zur Achse hin gekrümmten Bereich mit einem Krümmungsradius

R3 = f₂ × R1

mit f₂ = 1,2 bis 1,4 und
• einen, sich außen an den ersten Bereich anschließenden zweiten Bereich umfasst, der auf der Außenseite der Zylinderschale liegt und eine Krümmung zur Achse hin aufweist, wobei die Krümmung zur gleichen Seite wie die Krümmung des ersten Bereichs zeigt, wobei der Krümmungsradius R4 des zweiten Bereichs...

Description

Die Erfindung betrifft eine Windturbine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Derartige Windturbinen sind unter der Bezeichnung Savonius-Turbine bekannt (siehe auch 6).
Dieser Rotor besteht aus zwei an einer vertikalen Rotorachse angebrachten waagerechten Kreisscheiben, zwischen denen zwei halbkreisförmige gebogene Schaufeln bzw. Flügel senkrecht stehend angebracht sind.
Eine ausgeprägte Unwucht aufgrund der zyklisch unterschiedlich starken Belastung durch die Strömung während der Rotation ist charakteristisch für den Savonius-Rotor, auch wenn die Gewichtsverteilung perfekt austariert ist. Diese durch Lastwechsel verursachte Unwucht kann minimiert werden, indem statt der zwei Schaufeln eine größere Anzahl, meist drei, angeordnet werden. Dann aber sinkt der Wirkungsgrad des Savonius-Rotors erheblich, etwa um 30%.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine erheblich verbesserte Ausnutzung der Windenergie mit einem deutlich besseren Wirkungsgrad als bei herkömmlichen Savonius-Turbinen zu erreichen. Die Windturbine soll auch bei schwachem Wind einsetzbar sein, der zu schwach ist, um herkömmliche Savonius-Turbinen anzutreiben.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den Unteransprüchen.
Durch die spezifische Form und Anordnung der Turbinenflügel entsprechend den in Anspruch 1 genannten Parameterbereichen erhält man dreimal höhere Drehzahlen im Vergleich zu bekannten Savonius-Turbinen sowie einen realisierten Wirkungsgrad von bis zu 66% im Vergleich zu einem Wirkungsgrad von 28% bei herkömmlichen Turbinen. Auch bei sehr schwachem Wind lässt sich die erfindungsgemäße Turbine einsetzen, welcher zum Antrieb herkömmlicher Savonius-Turbinen nicht mehr ausreicht.
Im Gegensatz zum Savonius-Rotor hat die erfindungsgemäße Windturbine keine derartige oben beschriebene Unwucht, auch wenn in einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung drei Turbinenflügel vorgesehen sind.
Besonders günstig ist die Kombination der erfindungsgemäßen Geometrie der Turbinenflügel zusammen mit einer Leitfläche gemäß Anspruch 2, die auch Leitblech genannt werden kann.
Weitere erfindungsgemäße Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispieles und der damit erhaltenen Versuchsergebnisse, die anhand von Figuren näher erläutert werden. Es zeigen
1 einen schematischen Querschnitt durch die erfindungsgemäße Windturbine nach einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel,
2 eine graphische Darstellung der Freilaufdrehzahlen, aufgetragen über der Windgeschwindigkeit, für die erfindungsgemäße Windturbine (obere Kurve und Kreuze) und für eine herkömmliche Savonius-Windturbine (untere Kurve und Kreise),
3 bis 5 graphische Darstellungen der Drehzahlen der erfindungsgemäßen Windturbine sowie einer herkömmlichen Savonius-Windturbine sowie des Anströmwinkels des Windes und der Windgeschwindigkeit, aufgetragen über die Zeit, und
6 eine schematische Darstellung einer herkömmlichen Savonius-Windturbine im Querschnitt mit deren Wirkungsweise.
In allen Zeichnungen haben gleiche Bezugszeichen die gleiche Bedeutung und werden daher gegebenenfalls nur einmal erläutert.

Die erfindungsgemäße Windturbine nach 1 wird vom Wind in einer Hauptwindrichtung 1 und Nebenwindrichtungen 2, 3 angeströmt. Die Bedeutung der sonstigen Bezugszeichen in 1 ergibt sich aus der nachfolgenden Tabelle 1, in welcher auch die erfindungsgemäßen Wertebereiche der Parameter sowie der besonders bevorzugte Wert der Parameter im Ausführungsbeispiel angegeben ist.

Parameter	Wertebereich des Parameters	Im Ausführungsbeispiel:
R1 = Radius der Turbine	beliebig	0,125 m
R2 = Abstand vom Rotationszentrum (Punkt P₀) bis zum inneren Flügelabschluss (Punkt P₁) = f₁ × R1	f₁ = 0,28...0,32	0,036 m
R3 = Krümmungsradius der am Punkt P₁ angrenzenden Zylinderschale eines Flügels = f₂ × R1	f₂ = 1,2...2,4	0,165 m
R4 = Krümmungsradius der am Punkt P₂ auf dem Außenradius der Turbine angrenzenden Zylinderschale eines Flügels = f₃ × R1	f₃ > 0,7	0,125 m
R5 = Krümmungsradius der Knickstelle zwischen beiden Zylinderschalen eines Flügels = f₄ × R1	f₄ = 0,02...0,08	0,003 m
A1 = Abstand der der Turbine zugewandten Kante des Leitbleches (Punkt P₃) zur zweiten Längsschnittebene 5 (senkrecht zur ersten Längsschnittebene 4) = f₅ × R1	f₅ = 1,04...1,10	0,135 m
A2 = Abstand der der Turbine zugewandten Kante des Leitbleches (Punkt P₃) zur ersten Längsschnittebene 4 (= Hauptwindrichtung) = f₆ × R1	f₆ = 0,25...0,30	0,035 m
B1 = Breite eines Turbinenflügels (Abstand zwischen den Punkten P₁ und P₂) = f₇ × R1	f₇ = 0,9...1,0	0,120 m
B2 = Breite der äußeren Zylinderschale eines Turbinenflügels (d. h. Abstand zwischen dem Schnittpunkt der jeweils extrapolierten Kreislinien beider Zylinderschalen eines Flügels und dem Punkt P₂) = f₈ × R1	f₈ = 0,11...0,16	0,016 m
B3 = Breite des Leitbleches = f₉ × R1	f₉ = 0,7...1,0	0,110 m
D1 = Durchmesser der Achse = f₁₀ × R1	f₁₀ = 0,09...0,13	0,012 m
α₁ = Anstellwinkel des Leitbleches in Bezug auf die Hauptwindrichtung	α₁ = 40°...60°	45°

2 zeigt die Messergebnisse für die Freilaufdrehzahl der erfindungsgemäßen Windturbine und einer herkömmlichen Savonius-Windturbine. Aufgetragen sind die Drehzahlen in Umdrehungen pro Minute über der Windgeschwindigkeit in m/s. Die obere Kurve stellt eine Ausgleichskurve für die mit Kreuzen eingetragenen Drehzahlwerte der erfindungsgemäßen Windturbine dar. Die Messwerte für die herkömmliche Savonius-Windturbine sind mit Kreisen eingetragen. Die untere Kurve stellt eine Ausgleichskurve dar.
Deutlich erkennbar ist, dass in einem Bereich der Windgeschwindigkeit von etwa 0,7 bis 1,8 m/s eine herkömmliche Savonius-Turbine stillsteht, aber die erfindungsgemäße Windturbine mit Drehzahlen von 50 bis 150 Umdrehungen pro Minute rotiert. Im Windgeschwindigkeitsbereich von etwa 1,7 bis 2,7 rotiert die erfindungsgemäße Windturbine mit etwa der 2- bis 15-fachen Drehzahl wie die herkömmliche Savonius-Turbine.
Ein Messprotokoll des Verhaltens der erfindungsgemäßen Windturbine und einer herkömmlichen Savonius-Windturbine, die beide den gleichen Windverhältnissen ausgesetzt waren, ist in den 3 bis 5 graphisch dargestellt. Die obere Kurve 10 gibt den jeweiligen Anströmwinkel des Windes im Bereich von +80° bis –80° wieder. Die Kurve 11 zeigt die Windgeschwindigkeit, in diesem Diagramm in einem Bereich von 0 bis 6,5 m/s. Die Kurve 12 zeigt die Umdrehungszahl der erfindungsgemäßen Windturbine in einem Bereich von 0 bis 500 Umdrehungen pro Minute. Die Kurve 13 zeigt die entsprechenden Drehzahlen für eine herkömmliche Savonius-Windturbine. Da die Savonius-Windturbine bei diesen Windgeschwindigkeiten häufig stillstand, bewegt sich die Kurve 13 immer nahe oder sogar auf der Nulllinie.
Als Stand der Technik wird in 6 eine schematische Darstellung eines Savonius-Windrades wiedergegeben. Hier sind die Strömungsrichtung der Luft sowie die Rotationsrichtung dargestellt.

Claims

Windturbine mit einem um eine Achse drehbaren Rotor, welcher einen oder mehrere Turbinenflügel umfasst, wobei die Turbinenflügel parallel zum Rotor ausgerichtet sind, wobei die Turbinenflügel innerhalb einer konzentrisch um die Achse angeordneten Zylinderschale mit einem äußeren Radius R1 und einem inneren Radius R2 angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, • dass der innere Radius R2 = f₁ × R1 mit f₁ = 0,28 bis 0,32 beträgt, • dass jeder Turbinenflügel einen ersten vom inneren Radius R2 bis zum äußeren Radius R1 sich erstreckenden, zur Achse hin gekrümmten Bereich mit einem Krümmungsradius R3 = f₂ × R1 mit f₂ = 1,2 bis 1,4 und • einen, sich außen an den ersten Bereich anschließenden zweiten Bereich umfasst, der auf der Außenseite der Zylinderschale liegt und eine Krümmung zur Achse hin aufweist, wobei die Krümmung zur gleichen Seite wie die Krümmung des ersten Bereichs zeigt, wobei der Krümmungsradius R4 des zweiten Bereichs R4 = f₃ × R1 mit f₃ > 0,7 beträgt, • dass der zweite Bereich eine Breite B2 = f₈ × R1 mit f₈ = 0,11 bis 0,16 hat.
Windturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, • dass außerhalb der Zylinderschale eine parallel zum Rotor ausgerichtete Leitfläche angeordnet ist, welche eine Breite B3 = f₉ × R1 mit f₉ = 0,7 bis 1,0 hat, • wobei die der Turbinenachse zugewandte Kante (23) der Leitfläche einen Abstand A2 A2 = f₆ × R1 mit f₆ = 0,25 bis 0,30, zu einer ersten Längsschnittebene durch die Turbinenachse • und einen Abstand A1 A1 = f₅ × R1 mit f₅ = 1,04 bis 1,10, zu einer zweiten Längsschnittebene durch die Turbinenachse hat, wobei die zweite Längsschnittebene senkrecht auf der ersten Längsschnittebene steht, • und dass die Leitfläche einen Anstellwinkel α = 40° bis 60° bezüglich der ersten Längsschnittebene hat.
Windturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtbreite B1 des Turbinenflügels B1 = f₇ × R1 mit f₇ = 0,9 bis 1,0 beträgt.
Windturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Knickkante zwischen dem ersten und dem zweiten Bereich des Turbinenflügels einen Krümmungsradius R5 = f₄ × R1 mit f₄ = 0,02 bis 0,08 hat.
Windturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbinenachse als Welle mit einem Durchmesser D1 = f₁₀ × R1 mit f₁₀ = 0,09 bis 0,13 ausgebildet ist.
Windturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass drei Rotorblätter vorgesehen sind, die gleichmäßig um die Achse verteilt angeordnet sind.