DE202012000907U1 - Flow turbine - Google Patents
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Abstract
Strömungskraftanlage (1; 1'; 1''; 1(3)), insbesondere Windkraftanlage, mit einem mehrere flächige Blätter (6a–6d; 6a'–6d'; 6a''–6d''; 6a(3)–6d(3)) aufweisenden Rotor (3), welcher um eine Rotorachse r drehbar gelagert ist, die nicht parallel zur Strömungsrichtung s ist, sondern vorzugsweise etwa lotrecht dazu, wobei die Rotorblätter (6a–6d; 6a'–6d'; 6a''–6d''; 6a(3)–6d(3)) jeweils Hauptflächen aufweisen, die von der Rotorachse r weg streben und jeweils um eine Blattachse b drehverstellbar sind, und wobei jeweils zwei Rotorblätter (6a–6d; 6a'–6d'; 6a''–6d''; 6a(3)–6d(3)) um einen Zentrumswinkel von etwa 180° um die Rotorachse r gegeneinander versetzt angeordnet sind, derart, dass ihre Blattachsen b 1, b 2 in Richtung zu dem jeweils angekoppelten Rotorblatt (6a–6d; 6a'–6d'; 6a''–6d''; 6a(3)–6d(3)) weisen, und wobei die derart einander zugeordneten Rotorblätter (6a–6d; 6a'–6d'; 6a''–6d''; 6a(3)–6d(3)) drehfest miteinander gekoppelt sind, derart, dass die Richtungen der Längsachsen q 1, q 2 ihrer Querschnitte in jeweils gleichen Abständen zur Rotorachse r um einen Winkel von etwa 90° gegeneinander verdreht sind, dadurch gekennzeichnet, dass der...Flow power plant (1; 1 '; 1' '; 1 (3)), in particular a wind turbine, with a plurality of flat blades (6a-6d; 6a'-6d'; 6a ''-6d ''; 6a (3) -6d (3)) which is rotatably mounted about a rotor axis r, which is not parallel to the flow direction s, but preferably approximately perpendicular thereto, wherein the rotor blades (6a-6d; 6a'-6d '; 6a' ' 6a (3) -6d (3)) each have major surfaces which strive away from the rotor axis r and are each rotatable about a blade axis b, and wherein in each case two rotor blades (6a-6d; 6a'-6d ' 6a '' - 6d ''; 6a (3) -6d (3)) are offset from each other by a center angle of about 180 ° about the rotor axis r such that their blade axes b 1, b 2 are in the direction of each 6a-6d, 6a-6d, 6a-6d, 6a-3d), and the rotor blades (6a-6d, 6a'-6d ') associated with each other being 6a '' - 6d ''; 6a (3) -6d (3)) are rotatably coupled together, the art, that the directions of the longitudinal axes q 1, q 2 of their cross sections in each case equal distances to the rotor axis r are rotated by an angle of about 90 ° to each other, characterized in that the ...
Description
Die Erfindung richtet sich auf eine Strömungskraftanlage, insbesondere Windkraftanlage, mit einem mehrere flächige Blätter aufweisenden Rotor, welcher um eine Rotorachse r drehbar gelagert ist, die nicht parallel zur Strömungsrichtung s ist, sondern vorzugsweise etwa lotrecht dazu, wobei die Rotorblätter jeweils Hauptflächen aufweisen, die von der Rotorachse r weg streben und jeweils um eine Blattachse b drehverstellbar sind, und wobei jeweils zwei Rotorblätter um einen Zentrumswinkel von etwa 180° um die Rotorachse r gegeneinander versetzt angeordnet sind, derart, dass ihre Blattachsen b 1, b 2 in Richtung zu dem jeweils angekoppelten Rotorblatt weisen, und wobei die derart einander zugeordneten Rotorblätter drehfest miteinander gekoppelt sind, derart, dass die Richtungen der Längsachsen q 1, q 2 ihrer Querschnitte in jeweils gleichen Abständen zur Rotorachse r um einen Winkel von etwa 90° gegeneinander verdreht sind.The invention is directed to a flow force plant, in particular a wind turbine, with a rotor having several flat blades, which is rotatably mounted about a rotor axis r , which is not parallel to the flow direction s , but preferably approximately perpendicular thereto, wherein the rotor blades each have major surfaces, the strive away from the rotor axis r and are each rotatable about a blade axis b , and wherein two rotor blades are offset by a center angle of about 180 ° about the rotor axis r against each other, such that their blade axes b 1 , b 2 toward the each coupled rotor blade, and wherein the rotor blades so mutually associated are rotatably coupled to each other, such that the directions of the longitudinal axes q 1 , q 2 of their cross sections at equal distances to the rotor axis r are rotated by an angle of about 90 ° to each other.
In jüngerer Zeit zeichnet sich ein deutlicher Wandel hinsichtlich der Prämissen in der Energiepolitik ab, insbesondere zugunsten umweltfreundlicher Technologien, welche also die Umwelt möglichst wenig belasten. Zu den dabei bevorzugten Energiequellen zählt neben Sonnenenergie vor allem die Wasser- und insbesondere Windkraft, wobei letztere in einem riesigen, praktischerweise kaum erschöpflichen Potential zur Verfügung steht. Darüber hinaus tragen diese regenerativen Energien nicht zu Erhöhung der CO2-Bilanz bei, wie sie durch fossile Brennstoffe herbei geführt wird, was als Hauptgrund für die fortführende Erderwärmung angesehen wird. Ferner sind sie nicht mit unkalkulierbaren Risiken für Mensch und Umwelt verbunden, wie sie die zivile Nutzung der Kernenergie in sich birgt.More recently, there has been a marked shift in energy policy premises, particularly in favor of environmentally friendly technologies, which are less harmful to the environment. In addition to solar energy, one of the most preferred energy sources is water and in particular wind power, the latter being available in a huge, practically barely exhaustible potential. In addition, these regenerative energies do not contribute to increasing the CO 2 balance, as caused by fossil fuels, which is considered to be the main reason for continuing global warming. Furthermore, they are not associated with incalculable risks to humans and the environment, such as those associated with the civilian use of nuclear energy.
Aus dem Stand der Technik sind daher bereits zahlreiche Ansätze bekannt, um die kinetische Energie eines strömenden Mediums wie Wasser oder Wind in nutzbare Energie umzuwandeln, insbesondere in Strom.Numerous approaches are therefore already known from the prior art in order to convert the kinetic energy of a flowing medium such as water or wind into usable energy, in particular into electricity.
Üblicherweise benutzt man dazu Windräder, die man im Wesentlichen in zwei Grundkonstruktionsformen einteilen kann:
In der Praxis fast ausschließlich anzutreffen sind Windräder mit einer etwa horizontalen Rotorwelle, die während des Betriebs näherungsweise parallel zur Windrichtung ist. Diese Ausführungsform findet bereits breitflächig, kommerzielle Anwedung und ist daher alleseits bekannt. Meist handelt es sich dabei um hohe Türme mit großen Windrädern, meistens mit drei oder mehr Rotorblättern. Um diese Windräder in Gang zu setzen, bedarf es in der Regel höherer Windstärken, so dass man derartige Windräder häufig in Küstennähe oder in höheren Lagen aufgebaut findet. Diese Windkraftanlagen sind konstruktiv und ansteuerungstechnisch sehr aufwendig und teuer. Das Windrad muß ständig den unregelmäßigen Windverhältnissen angepassst werden. So muß die Rotorwelle stets der aktuellen Windrichtung nachgeführt werden, und der Anstellwinkel der Rotorblätter richtet sich nach der aktuellen Windstärke bzw. -geschwindigkeit. Ist der Wind zu heftig, muß das Windrad gar abgeschaltet werden und liefert dann keinen Strom. Der Generator, der die eingetragene Windenergie in Strom umwandeln soll, muß auf Grund der horizontalen Rotorwelle in einem aufwendigen Maschinenhaus untergebracht sein, welches in luftiger Höhe am Ende des Mastes hinter der Blattnabe angebracht ist. Um eine derart große Masse in einer derartigen Höhe zu stabilisieren, muß der Turm sehr massiv ausgebildet werden. Die Wartung Ist äußerst aufwendig, weil alle Arbeiten an dem Windrad in einer Höhe von ca. 100 m über der Erdoberfläche stattfinden müssen, oder gar oberhalb des Meeresspiegels, sofern die Anlage off-shore betrieben wird. Schließlich wird ein direkter Betrieb durch den Endverbraucher, wie er bei Solarpaneelen durchaus anzutreffen ist, bspw. auf dem Dach eines Einfamilienhauses zur Versorgung des betreffenden Familienhaushaltes mit Solarstrom, wird bei Windrädern derzeit nicht praktiziert.Usually wind turbines are used, which can be divided into two main types of construction:
In practice, almost exclusively encountered are wind turbines with an approximately horizontal rotor shaft, which is approximately parallel to the wind direction during operation. This embodiment is already widely used, commercial application and is therefore well known. Most of these are high towers with large wind turbines, usually with three or more rotor blades. In order to set these wind turbines in motion, it usually requires higher wind speeds, so that you find such wind turbines often built near the coast or at higher altitudes. These wind turbines are constructive and control technology very expensive and expensive. The wind turbine must be constantly adapted to the irregular wind conditions. Thus, the rotor shaft must always be tracked to the current wind direction, and the angle of attack of the rotor blades depends on the current wind speed or speed. If the wind is too strong, the wind turbine must even be switched off and then provides no electricity. The generator, which is to convert the registered wind energy into electricity, must be accommodated due to the horizontal rotor shaft in a complex engine house, which is mounted at a dizzy height at the end of the mast behind the blade hub. In order to stabilize such a large mass at such a height, the tower must be made very solid. The maintenance is extremely expensive, because all work on the wind turbine must take place at a height of about 100 m above the surface, or even above the sea level, if the system is operated off-shore. Finally, a direct operation by the end user, as he is certainly found in solar panels, for example. On the roof of a family home to supply the family in question with solar power, is currently not practiced in wind turbines.
Im Rahmen einer zweiten Variante von Windrädern sind die Rotorblätter an einem um eine bspw. vertikale Achse rotierenden Windrad angeordnet; dort rotiert das Windrad also etwa um eine rechtwinklig zur Windrichtung verlaufende Achse. Dies hat bspw. den Vorteil, dass der Generator nicht am oberen Ende des Turms in einem Maschinenhaus installiert werden muss. Stattdessen kann bei diesen Windrädern der Generator am Boden montiert werden und wird direkt von der vertikalen Welle angetrieben. Deshalb könnte auch der Turm oder Mast weitaus schwächer ausgelegt werden als bei dem anderen Windanlagentyp, bis hin zu filigranen, für den Endverbraucher erschwinglichen Konstruktionen. Zwar wird dabei stets auch wenigstens ein antreibendes Rotorblatt vom Wind angeströmt; gleichzeitig aber leider auch wenigstens ein diesem gegenüber liegendes Rotorblatt, welches infolge der Windkraft bremsend auf die Rotorwelle einwirkt.As part of a second variant of wind turbines, the rotor blades are arranged on a wind turbine rotating about a vertical axis, for example; There, therefore, the wind turbine rotates about an axis perpendicular to the wind direction. This has, for example, the advantage that the generator does not have to be installed at the top of the tower in a nacelle. Instead, with these wind turbines, the generator can be mounted on the ground and driven directly by the vertical shaft. Therefore, the tower or mast could be designed much weaker than the other wind turbine type, to filigree, affordable for the consumer constructions. Although always at least one driving rotor blade is flown by the wind; at the same time but unfortunately also at least one rotor blade opposite this, which acts as a brake on the rotor shaft as a result of the wind force.
In der
Die
Aus den Nachteilen des beschriebenen Standes der Technik resultiert das die Erfindung initiierende Problem, eine gattungsgemäße Strömungskraftanlage derart weiterzubilden, dass durch eine einfache kostengünstige Konstruktion zwei gegenüberliegende Rotorblätter derart miteinander gekoppelt und gegeneinader versetzt angeordnet sind, dass ein bremsendes Rotorblatt aus dem Wind genommen wird, ohne dass dabei Vibrationen oder andere negative Eigenschaften für die Windkraftanlage einhergehen.From the disadvantages of the described prior art, the invention initiates the problem of developing a generic flow power plant such that two opposing rotor blades are coupled together and staggered against each other by a simple low-cost construction that a braking rotor blade is taken out of the wind, without that this vibration or other negative properties for the wind turbine go along.
Die Lösung dieses Problems gelingt dadurch, dass der Verstellwinkel wenigstens zweier drehfest miteinander gekoppelter Rotorblätter um deren jeweilige Drehachse während ihres Betriebs nicht durch Anschlagelemente begrenzt wird.The solution to this problem is achieved in that the adjustment of at least two rotatably coupled rotor blades around their respective axis of rotation during its operation is not limited by stop elements.
Der Erfinder hat erkannt, dass das permanente Anschlagen der Rotorblätter an die dafür vorgesehenen Anschlagelemente letztlich verantwortlich ist für eine deutlich reduzierte Betriebsdauer. Durch Eliminierung dieser bei derartigen Konstruktionen bisher notwendig gewesenen Elemente gelingt es, starke Vibrationen auslösende Nichtlinearitäten zu vermeiden. Dabei hat der Erfinder die Wirkungsweise der bisher verwandten Anschlagelemente durch eine besondere Anordnung der Rotorblätter ersetzt, die ebenfalls einem unerwünschten Überschlag der Rotorblätter entgegenwirkt, jedoch für die Gesamtkonstruktion weit weniger nachteilig ist, da die harte Bewegungsänderung entfällt und durch ein sanftes Abbremsen der Rotorblätter vor einem Überschlag derselben ersetzt wird. Der Rotor einner erfindungsgemäßen Windkraftanlage hat ein großes Anfahrmoment und im Verhältnis zu herkömmlichen Rotoren mit etwa horizontaler Rotorachse eine kleinere Nenn-)Drehzahl und kann somit als Langsamläufer eingestuft werden. Zudem kann eine erfindungsgemäße Windkraftanlage erheblich platzsparender sowie technisch einfacher und damit preisgünstiger aufgebaut werden. Aufgrunddessen eignet sie sich u. a. auch für kleinere Anlagen, bspw. auf privaten Hausdächern od. dgl.The inventor has recognized that the permanent impact of the rotor blades on the stop elements provided for this purpose is ultimately responsible for a significantly reduced service life. By eliminating these previously necessary in such constructions elements it is possible to avoid strong vibration inducing non-linearities. The inventor has replaced the mode of action of the previously related stop elements by a special arrangement of the rotor blades, which also counteracts unwanted flashover of the rotor blades, but far less detrimental to the overall design, since the hard motion change is eliminated and by a gentle deceleration of the rotor blades in front of a Rollover of the same is replaced. The rotor of a wind turbine according to the invention has a large starting torque and in relation to conventional rotors with an approximately horizontal rotor axis a smaller nominal) speed and can thus be classified as a slow-speed. In addition, a wind turbine according to the invention can be constructed considerably more space-saving and technically simpler and thus cheaper. Because of this, it is u. a. also for smaller systems, eg. On private rooftops od. Like.
Es hat sich als günstig erwiesen, dass der Verstellwinkel wenigstens zweier drehfest miteinander gekoppelter Rotorblätter um deren jeweilige Drehachse größer ist als 100°, vorzugsweise größer als 120°, insbesondere größer als 140°. Damit ist ein geringes Überschwingen eines Rotorblattes über die angestrebte Maximalauslenkung möglich, d. h., die Mechanik hat genügend Gelegenheit, das Rotorblatt auf einem endlichn Bremsweg stillzusetzen.It has proved favorable that the adjustment angle of at least two rotor blades coupled to one another in a rotationally fixed manner about their respective axis of rotation is greater than 100 °, preferably greater than 120 °, in particular greater than 140 °. Thus, a slight overshoot of a rotor blade on the desired maximum deflection is possible, d. h., the mechanism has enough opportunity to shut down the rotor blade on a finally braking distance.
Aus konstruktionstechnischer Sicht kann der Verstellwinkel wenigstens zweier drehfest miteinander gekoppelter Rotorblätter um deren jeweilige Drehachse auch unbegrenzt sein. Die faktisch endliche Verstellwinkel der miteinander drehfest gekoppelten Rotorblätter resultiert dabei nicht daher, dass die Verdrehung der Rotorblätter durch Anschlagelemente begrenzt würde, um ein Herausschwenken eines Rotorblattes aus dem Wind zu erzielen, sondern dies wird dem Gleichgewicht aller an dem jeweiligen Paar miteinander gekoppelter Rotorblätter angreifenden Kräfte und Drehmomente überlassen. Ein vorteilhaftes Zusammenwirken dieser Kräfte und Drehmomente kann konstruktiv dadurch erreicht werden, dass durch eine geeignete Wahl der Schwenkachse, um welche ein Rotorblatt verschwenken kann, bspw. nicht durch den Schwerpunkt des betreffenden Rotorblattes, sondern daran vorbei, so dass im Schwerpunkt einwirkende Kräfte ein Drehmoment entwickeln, nach Art einer Kurbel. Wirkt sodann der Winddruck auf die Konstruktion ein, so weicht eine Rotorblattfläche unter dem Winddruck nach Lee aus, wobei sie etwa parallel zur vertikalen Rotorachse ausgerichtet wird und sodann eine maximale Windangriffsfläche bietet, während das jeweils andere, drehfest damit gekoppelte Rotorblatt eine etwa horizontale Lage einnimmt und dadurch nur noch eine minimale Windangriffsfläche bietet. Diese Position ist um so stabiler, je stärker der Winddruck ist, und daher kommt es nicht zu einem Überschlagen der Rotorblätter und somit auch nicht zu störenden Bremseffekten oder Instabilitäten. Die stabile Rotorblattstellung liegt bei Windstille bei einer symmetrischen Anordnung der miteinander gekoppelten Rotorblätter, wobei jede Rotorblattfläche unter einem Winkel von etwa 45° zur Horizontalen ausgerichtet ist; dabei ist die potentielle Energie des Systems minimal. Bei im Wind drehendem Winrad spaltet sich diese stabile Position auf in zwei unterschiedliche stabile Rotorblattstellungen, je nachdem, welches Rotorblatt gerade in Windrichtung dreht, und es erfolgt ein ständiger Wechsel zwischen diesen beiden Rotorblattstellungen. Dennoch kommt es bei diesem Wechsel aufgrund des Fehlens von Anschlagelementen nicht zu störenden Geräuschen während des Betriebs; vielmehr erfolgt die Umsteuerung von einer stabilen Rotorblattstellung in die andere äußerst sanft, wobei ein Überschwingen durchaus möglich ist.From a design point of view, the adjustment angle of at least two rotor blades rotatably coupled to one another about their respective axis of rotation can also be unlimited. The actual finite adjustment of the rotatably coupled rotor blades together does not result in that the rotation of the rotor blades would be limited by stop elements to achieve swinging out of a rotor blade from the wind, but this is the balance of all forces acting on the respective pair of coupled rotor blades forces and torque left. An advantageous interaction of these forces and torques can be achieved structurally in that by a suitable choice of the pivot axis about which a rotor blade can pivot, for example. Not by the center of gravity of the rotor blade concerned, but past it, so that in the center of gravity acting forces a torque develop, like a crank. If the wind pressure then influences the construction, then one rotor blade surface deflects under leeward wind pressure, aligning it approximately parallel to the vertical rotor axis and then providing a maximum wind attack surface, while the other rotor blade coupled to it rotates in an approximately horizontal position and thus offers only a minimal wind attack surface. This position is the more stable, the stronger the wind pressure, and therefore it does not cause a rollover of the rotor blades and thus not to disturbing braking effects or instabilities. The stable rotor blade position is in calm wind with a symmetrical arrangement of the coupled rotor blades, each rotor blade surface is oriented at an angle of approximately 45 ° to the horizontal; At the same time the potential energy of the system is minimal. At im Wind rotating Winrad splits this stable position in two different stable rotor blade positions, depending on which rotor blade is currently rotating in the wind direction, and there is a constant change between these two rotor blade positions. Nevertheless, there is no disturbing noise during operation due to the lack of stop elements in this change; Rather, the reversal of a stable rotor blade position in the other is extremely gentle, with an overshoot is quite possible.
Der gemeinsame Schwerpunkt zweier miteinander gekoppelter Rotorblätter liegt in von äußeren Kräften freiem Zustand auf einem niedrigeren Niveau als die Lagerung der Drehachsen der miteinander gekoppelten Rotorblätter. Bei Windstille befinden sich die beiden Rotorblätter also in einer stabilen Mittelposition in einer 45°-Anordnung, wobei die beiden Rotorblätter in sich kreuzenden Ebenen liegen, die jeweils um etwa 45° gegenüber der Horizontalen geneigt sind. Nimmt man an, dass die beiden Rotorblätter in ihrem Schwerpunkt – bezogen auf die betreffende Rotorblattachse b – jeweils eine Exzentrizität e haben, so liegt ihr gemeinsamer Schwerpunkt bei neutraler Mittelstellung am tiefsten Punkt, also bei e·2–½. Aufgrund des Verschwenkens auf einer Kreisbahn um die Rotorblattachse b leistet die Gewichtskraft bei der ersten Auslenkung aus dieser neutralen Position noch keine Gegenkraft – daher wird selbst bei einem geringsten Wind bereits ein drehmomentsteigerndes Verschwenken der Rotorblätter einsetzen. Sobald ein Rotorblattpaar um 45° verschwenkt ist, erreicht es eine lokal stabile Enstellung, in welcher das Winddrehmoment zu Null geht und bei einem weiteren Verschwenken sogar rückdrehend würde, weil nun das angeströmte Rotorblatt am weitesten nach hinten ausgewichen ist. Bei einer Drehung um 45° hat der gemeinsame Schwerpunkt noch immer nicht die Höhe der Rotorblattachse b erreicht, sondern befindet sich noch etwa um einen Wert e·2–3/2 ≈ e/3 darunter. Dieser Wert ist also der maximale Hebel, mit dem die Gewichtskraft ein rückstellendes Moment auf das Rotorblattpaar ausübt.The common center of gravity of two rotor blades coupled together is in a state free of external forces at a lower level than the bearing of the axes of rotation of the coupled rotor blades. When there is no wind, the two rotor blades are thus in a stable central position in a 45 ° arrangement, wherein the two rotor blades are in intersecting planes, which are each inclined by about 45 ° relative to the horizontal. Assuming that the two rotor blades in their center of gravity - with respect to the respective rotor blade axis b - each have an eccentricity e, so their common center of gravity is at neutral center position at the lowest point, ie at e · 2 -½ . Due to the pivoting on a circular path around the rotor blade axis b , the weight force at the first deflection from this neutral position does not yet provide a counterforce - therefore, even with a slightest wind, a torque-increasing pivoting of the rotor blades will already be used. As soon as a rotor blade pair is pivoted through 45 °, it achieves a locally stable adjustment, in which the wind torque goes to zero and in a further pivoting would even reverse, because now the impinged rotor blade has evaded the furthest to the rear. When rotated by 45 °, the common center of gravity has still not reached the height of the rotor blade axis b , but is still about a value e · 2 -3/2 ≈ e / 3 below. This value is therefore the maximum lever with which the weight exerts a restoring moment on the rotor blade pair.
Für alle Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Längsachse q eines Querschnitts durch ein Rotorblatt in dessen Flächenschwerpunkt sowie längs einer Ebene lotrecht zu der betreffenden Blattachse b die betreffende Blattachse b nicht schneidet, sondern in einem Abstand a > 0, bspw. unter der Exzentrizität e > 0 des Schwerpunktes eines Rotorblattes gegenüber seiner Blattachse b, an jener vorbeiläuft. Das bedeutet, dass der sogenannte Flächenschwerpunkt, wo meistens auch der Winddruckpunkt anzunehmen ist, wo also die maximale Energie des Windes auf das Rotorblatt einwirkt, nicht auf der sog. Blattachse b, der Rotorblattdrehachse, liegt, sondern um die Exzentrizität e davon beabstandet, so dass sowohl der Winddruck als auch die Gewichtskraft in der Lage sind, an einem einzelnen Rotorblatt ein Drehmoment um dessen Blattverstellachse b zu bewirken.For all embodiments of the device according to the invention it has proved to be advantageous if the longitudinal axis q of a cross section through a rotor blade in its centroid and along a plane b, the leaf axis b in question does not cut perpendicular to the respective blade axis, but at a distance a> 0, for example, under the eccentricity e> 0 of the center of gravity of a rotor blade with respect to its blade axis b , passing it. This means that the so-called centroid, where most of the wind pressure point is assumed, so where the maximum energy of the wind acts on the rotor blade, not on the so-called leaf axis b , the rotor blade axis of rotation, but so far away from the eccentricity e, so that both the wind pressure and the weight force are able to effect on a single rotor blade a torque about the Blattverstellachse b .
Es liegt dabei im Rahmen der Erfindung, dass der betragsmäßige Abstand e, also die Exzentrizität des Schwerpunktes eines Rotorblattes gegenüber dessen Schwenkachse b, gleich oder größer ist als die Dicke d des Rotorblattes im Bereich des Flächenschwerpunktes: e ≥ d, vorzugsweise doppelt so groß oder größer: e ≥ 2d, insbesondere dreimal so groß oder größer: e ≥ 3d. Je größer der Abstand e gewählt wird, umso stärker ist das sich unter dem Einfluß äußerer Kräfte entwickelnde Drehmoment, und umso höher ist die Stabilität eines ausgelenkten Rotorblattzustandes.It is within the scope of the invention that the absolute value distance e, ie the eccentricity of the center of gravity of a rotor blade with respect to its pivot axis b , is equal to or greater than the thickness d of the rotor blade in the region of the centroid: e ≥ d, preferably twice as large or greater: e ≥ 2d, in particular three times as large or larger: e ≥ 3d. The larger the distance e is chosen, the stronger the torque developing under the influence of external forces, and the higher the stability of a deflected rotor blade condition.
Die erzeugte Windkraft FW1 eines in den Wind gedrehten Rotorblattes beträgt FW1 = WD·A·sin(δ + 45°), wobei WD der Winddruck ist und A die Hauptfläche eines Rotorblattflügels sowie δ der Winkel, um welchen ein Rotorblattpaar jeweils von der neutralen Mittelposition ausgelenkt wird. Gleichzeitig nimmt die Windkraft FW2 des jeweils anderen Rotorblattes desselben Paares ab gemäß FW2 = WD·A·cos(δ + 45°), geht also gegen Null, so dass bei der maximalen Auslenkung bis zu dem lokal stabilen Punkt die gesamte Windkraft bestimmt wird zu FW = FW1 = WD·A·sin(δ + 45°). Der Winddruck WD bestimmt sich etwa zu WD = (s – ωl)2·cp ·ρLuft/2, wobei l der Abstand des Winddruckpunktes von der vertikalen Achse des Rotors ist, cp ein dimensionsloser Druckbeiwert, der zwischen 0 und 1 liegt, zumeist näher bei 1, und ρLuft die Dichte von Luft (bei Normalbedingungen, d. h. bei atmosphärischem Druck). Der Term s – ωl berücksichtigt dabei die Differenz zwischen Windgeschwindigkeit s und Bewegungsgeschweindigkeit ωl des Winddruckpunktes. Da die Drehzahl des Windrades mit der Windgeschwindigkeit ansteigt, kann diese Differenz im Wesentlichen als von der Windgeschwindigkeit unabhängig angeshen werden. Man kann daher im Wesentlichen ansetzen: FW = k·A·ρLuft.The generated wind force F W1 of a rotor blade turned into the wind is F W1 = W D · A · sin (δ + 45 °), where W D is the wind pressure and A is the main surface of a rotor blade vane and δ is the angle about which a rotor blade pair respectively is deflected from the neutral middle position. At the same time, the wind force F W2 of the other rotor blade of the same pair decreases according to F W2 = W D * A * cos (δ + 45 °), ie goes to zero, so that at the maximum deflection up to the locally stable point the total wind force It is determined that F W = F W1 = W D × A × sin (δ + 45 °). The wind pressure W D is determined as to W D = (s - wL) 2 · c p · ρ air / 2, where l is the distance of the wind pressure point from the vertical axis of the rotor, c p is a dimensionless pressure coefficient, of between 0 and 1, usually closer to 1, and ρ air is the density of air (under normal conditions, ie at atmospheric pressure). The term s - ωl takes into account the difference between wind speed s and Bewegungsgeschweindigkeit ωl the wind pressure point. Since the speed of the wind turbine increases with the wind speed, this difference can be considered substantially independent of the wind speed. Therefore, one can essentially state: F W = k · A · ρ air .
Gleichzeitig gilt für die rückstellende Gewichtskraft: FG = G = m·g, wobei m die Masse des Rotorblattpaares und g die Erdbeschleunigung ist.At the same time, the following applies to the restoring weight force: F G = G = m · g, where m is the mass of the rotor blade pair and g is the acceleration due to gravity.
Ein Gleichgewicht stellt sich zwischen dem auslenkenden Wind-Drehmoment MW und dem rückstellenden Gewichts-Drehmoment MG ein:
Da die Gewichtskraft beständig vertikal nach unten weist, die Windkraft dagegen beständig etwa horizontal ausgerichtet ist, hängen die Hebel hW, hG von der jeweiligen Auslenkung δ ab: hW = hW(δ), hG = hG(δ). Zwar nimmt der Windkraft-Hebel hW bei einer Auslenkung 0° bis zu 45° von dem Wert e bis auf etwa Null ab; da andererseits aber aber der Gewichtskraft-Hebel gleichzeitig zwischen einer Auslenkung von 0° und 45° sich von Null beginnend langsam steigert, und zwar nur bis zu etwa e/3, stellt sich stets ein Gleichgewicht ein, wobei ein angeströmtes Rotorblatt nahezu bis in eine vertikale Stellung seiner Hauptfläche verschwenkt ist.Since the weight consistently points vertically down, the wind power, however, constantly about is horizontally oriented, the levers h W , h G depend on the respective displacement δ: h W = h W (δ), h G = h G (δ). Although the wind power lever h W decreases at a
Um diesen Punkt möglichst weit anzuheben und damit der Windkraftanlage einen optimalen Wirkungsgrad zu erteilen, sollte das Gewicht der Rotorblätter (ohne die Rotorblattachse, welche ihre Lage ja nicht verändert) möglichst gering sein, bspw. indem man wählt:
Dabei ist ρBlatt definiert als Bruttogewicht GB eines Rotorblattes (allerdings ohne dessen Drehachse), dividiert durch dessen Bruttovolumen (also dem von der Hülle des Rotorblattes umschlossenen Volumen VB:
Die genauen Ausmaße des Rotorblattes ergeben sich somit einerseits in Abhängigkeit von dem oben beschriebenen Abstand e und natürlich in Abhängigkeit vom gewünschten Anwendungsfall und dem verwendeten Material, sowie der Flügelgeometrie. Im einfachsten Fall kann für die Rotoren Holz, Kunststoff, Metall, Fiberglas oder Pappe herangezogen werden, auch Verbundmaterial bzw. Sandwichbauweise ist geeignet.The exact dimensions of the rotor blade thus arise on the one hand depending on the above-described distance e and, of course, depending on the desired application and the material used, as well as the wing geometry. In the simplest case can be used for the rotors wood, plastic, metal, fiberglass or cardboard, composite material or sandwich construction is suitable.
Die obige Randbedingung hinsichtlich der Dichte ρBlatt eines Rotorblattes zur Erzielung eines optimalen Wirkungsgrades läßt sich bspw. erreichen durch besondere Rotorblattgeometrien, besonders indem die Rotorblätter hohl ausgebildet sind, und/oder indem leichte Materialien wie Kunststoff verwendet werden, ferner ggf. auch durch eine Sandwichbauweise.The above boundary condition with respect to the density ρ blade of a rotor blade to achieve optimum efficiency can be achieved, for example, by special rotor blade geometries, in particular by the rotor blades being hollow, and / or by using light materials such as plastic, and possibly also by a sandwich construction ,
Auf jeden Fall muß das verwendete Material witterungsbeständig sein und eine ausreichende Steifigkeit besitzen, um gegenüber den auftretenden Windlasten Stand zu halten. Die Geometrie kann z. B. viereckig, dreieckig ggf. auch nach gewölbt sein, vorzugsweise einfach gewölbt um eine Wölbungsachse parallel zur Blattlängsachse. Auf jeden Fall sollte der Querschnitt eines Rotorblattes aorodynamisch gestaltet sein. Das gewünschte Kräftespiel – also das in den Wind Stellen eines mit der Windrichtung drehenden Rotorblattes und das aus dem Wind Schwenken eines sich entgegen der Windrichtung bewegenden Rotorblattes – hängt von einer geeigneten Wahl der Querschnittsform der Rotorblätter ab.In any case, the material used must be weatherproof and have sufficient rigidity to withstand the wind loads occurring. The geometry can z. B. square, triangular possibly also be curved, preferably simply curved around a curvature axis parallel to the blade longitudinal axis. In any case, the cross section of a rotor blade should be designed aorodynamic. The desired force game - that in the wind places a rotor blade rotating with the wind direction and the out of the wind swinging a rotor blade moving counter to the wind direction - depends on a suitable choice of the cross-sectional shape of the rotor blades.
Dabei ist zunächst an den typischen Querschnitt eines Flügels gedacht werden, dessen Profil an seiner Vorderkante abgerundet ist, an seiner rückwärtigen Kante dagegen in einer verhältnismäßig spitzen Kante endet. Dieses Profil kann bei der Erfindung so eingesetzt werden, dass bei aus dem Wind genommenem Rotorblatt – welches sich also gerade entgegen der Windrichtung bewegt und in eine etwa horizontale Ebene geschwenkt ist – die abgerundete Kante in Drehrichtung vorausläuft und die spitze Kante folgt. Ferner kann das Profil mehr oder weniger stark gewölbt sein, insbesondere entlang einer etwa um die Schwenkachse des betreffenden Rotorblattes gebogenen Linie. Das Rotorblatt erhält dadurch etwa die Gestalt eines geblähten Segels, worin sich der Wind besonders gut fangen und dieses dann vor sich her schwenken und dadurch in den Wind stellen.It is first thought of the typical cross-section of a wing, whose profile is rounded at its front edge, on the other hand ends at its rear edge in a relatively sharp edge. This profile can be used in the invention so that when taken out of the wind rotor blade - which thus moves just against the wind direction and is pivoted in an approximately horizontal plane - the rounded edge in the direction of rotation runs ahead and the sharp edge follows. Further, the profile may be more or less curved, in particular along a curved about the pivot axis of the rotor blade concerned line. The rotor blade receives about the shape of a billowing sail, in which catch the wind very well and this then swing in front of him and thereby put in the wind.
Darüber hinaus kann das Verschwenken eines Rotorblattpaares unter dem Einfluß von Wind durch eine besondere Gestaltung der Rotorblattgeometrie noch werter begünstigt werden. Bspw. kann ein Profilabschnitt im Bereich einer Längskante des Rotorblattes von der etwa tangentialen bzw. um die Schwenkachse gewölbten Ausrichtung in eine eher radiale Ausrichtung abknicken oder abbiegen. Dies könnte bei der „rückwärtigen”, vorzugsweise spitzen Kante eine Abbiegung radial nach außen sein, worin sich auch bei der Neutralposition des Rotorblattes der Wind gut verfangen kann, um dieses auszulenken; bei der „vorderen”, vorzugsweise abgerundeten Kante sollte eine solche Abbiegung nach radial innen, also zur Schwenk- bzw. Blattachse hin, erfolgen, wodurch eine Art Tasche gebildet wird, worin sich ebenso der Wind verfangen kann.In addition, the pivoting of a pair of rotor blades under the influence of wind can be promoted by a special design of the rotor blade geometry still worthier. For example. For example, a profile section in the region of a longitudinal edge of the rotor blade can bend or bend from the approximately tangential or curved orientation about the pivot axis into a more radial orientation. In the case of the "rearward", preferably pointed edge, this could be a bend radially outward, in which the wind can catch well even in the neutral position of the rotor blade in order to deflect it; in the case of the "front", preferably rounded edge, such a bend should take place radially inwards, ie toward the pivot or blade axis, whereby a kind of pocket is formed in which the wind can also catch.
Doch selbst in einer Hauptfläche des Rotorblattes selbst, vorzugsweise an jener der Schwenk- oder Blattachse zugewandten Innenseite des Rotorblattes, kann eine solche Tasche gebildet werden, bspw. indem das Rotorblatt bereichsweise querschnittlich verjüngt ausgebildet ist. Dabei kann der in Drehrichtung vordere Rand einer solchen Tasche querschnittlich als nach rückwärts gerichtete Spitze ausgebildet sein, während der rückwärtige Randbereich einer solchen Tasche sich bspw. sanft bis zu der rückwärtigen Kante hin schwingt und dort in der oben bereits angedeuteten, scharfen Kante mündet. Eine solche, stark asymmetrische Tasche erlaubt auch eine zusätzliche Aufnahme von Windenergie und kann daher die für einen Anlauf benötigte Windgeschwindigkeit witer reduzieren.However, even in a main surface of the rotor blade itself, preferably at that side of the rotor blade facing the pivot axis or blade axis, such a pocket can be formed, for example by the region of the rotor blade being tapered in regions. In this case, the front edge of such a bag in the direction of rotation may be formed as a cross-section backward tip, while the rear edge region of such a bag, for example, gently swings up to the rear edge and there opens in the above already indicated, sharp edge. Such a highly asymmetric pocket also allows additional uptake of wind energy and therefore can reduce the wind speed needed for a launch.
Daraus resultiert ein weiteres Grundprinzip der Erfindung, dass ein Rotorblatt, insbesondere dessen Querschnitt, asymmetrisch zu einer Ebene ist, die von der betreffenden Blattachse b zusammen mit der Längsachse des betreffenden Arms aufgespannt wird. Der Vorteil liegt darin, dass der Rotor bereits bei sehr geringer Windlast anläuft und man bereits bei wenig Wind Energie erzeugen kann.This results in a further basic principle of the invention that a rotor blade, in particular its cross-section, is asymmetrical to a plane of the respective blade axis b together with The longitudinal axis of the respective arm is clamped. The advantage is that the rotor starts even at very low wind load and you can generate energy even with little wind.
Die Erfindung sieht weiterhin vor, dass die Längsachse l eines Rotorblattes die Rotorachse r nicht oder nicht lotrecht schneidet. Auf jeden Fall können die beiden Längsachsen l beider Rotorblätter eines Paares durch eine gemeinsame Rotorblattachse b drehbewglich miteinander gekoppelter Rotorblätter die Rotorachse r nicht oder niemals gleichzeitig unter einem rechten Winkel schneiden. Denn ein rechtwinkliges Schneiden einer Rotorblatt-Längsachse l und der Rotorachse r kommt für jedes Rotorblatt aufgrund von dessen Exzentrizität im Winddruckpunkt allenfalls – wenn überhaupt – ohnehin nur bei einem einzigen Schwenkwinkel α punktuell in Betracht, und da sich die Schwenkwinkel α miteinander gekoppelter Rotorblätter ja sozusagen gegensinnig verstellen, können derartige singuläre Punkte niemals gleichzeitig erreicht werden.The invention further provides that the longitudinal axis l of a rotor blade does not intersect or not perpendicularly intersect the rotor axis r . In any case, the two longitudinal axes of the rotor axis l can not r or never simultaneously cut at a right angle on both blades of a pair through a common rotor blade axis b drehbewglich mutually coupled rotor blades. For a right-angled cutting of a rotor blade longitudinal axis l and the rotor axis r comes for each rotor blade due to its eccentricity in the wind pressure point - if any - anyway only at a single pivot angle α selectively considered, and since the pivot angle α coupled rotor blades yes so to speak in the opposite direction, such singular points can never be achieved simultaneously.
Es liegt im Rahmen der Erfindung, dass die Flächennormale n eines Rotorblattes in dessen Flächenschwerpunkt die betreffende Blattachse b schneidet oder näher an jener vorbeiläuft als die Längsachse q des Querschnitts durch das Rotorblatt in dessen Flächenschwerpunkt, also unter einem Abstand ew, wobei gilt:
Wenn diese Flächennormale n die Blattachse b schneidet, so ist der stabile Punkt, der sich unter dem Einfluß des Winddrucks einstellt, dann erreicht, wenn diese Flächennormale n parallel zur Windrichtung s orientiert ist, mithin das betreffende Rotorblatt sich vollständig in den Wind gestellt hat und diesem einen maximalen Widerstand bietet.If this surface normal n intersects the blade axis b , then the stable point, which occurs under the influence of the wind pressure, is reached when this surface normal n is oriented parallel to the wind direction s , hence the rotor blade in question has completely turned into the wind and This provides maximum resistance.
Andererseits erfährt die Erfindung eine vorteilhafte Weiterbildung dadurch, dass der betragsmäßige Abstand ew, unter dem die Flächennormale n eines Rotorblattes in dessen Flächenschwerpunkt an der betreffenden Blattachse b vorbeiläuft, gleich oder größer ist als ein Zehntel der Breite b des Rotorblattes im Bereich des Flächenschwerpunktes: ew ≥ 0,1·b, vorzugsweise gleich zwei Zehntel der Breite b oder größer: ew ≥ 0,2·b, insbesondere gleich drei Zehntel der Breite b oder größer: ew ≥ 0,3·b. Bevorzugt läuft die Flächennormale n eines Rotorblattes in dessen Flächenschwerpunkt dabei unterhalb der betreffenden Blattachse b hindurch. Dies hat zur Folge, dass das Rotorblatt sich trotz seines Gewichts leicht in eine vollkommen veritkale Ebene stellen kann und somit einen maximalen Winddruck aufbauen kann, weshalb sich ein optimaler Wirkungsgrad erzielen läßt.On the other hand, the invention undergoes an advantageous development in that the absolute value distance e w at which the surface normal n of a rotor blade passes in its centroid on the relevant blade axis b is equal to or greater than one-tenth of the width b of the rotor blade in the region of the centroid: e w ≥ 0.1 · b, preferably equal to two tenths of the width b or greater: e w ≥ 0.2 · b, in particular equal to three tenths of the width b or greater: e w ≥ 0.3 · b. Preferably, the surface normal n of a rotor blade runs in its centroid thereby below the relevant blade axis b therethrough. This has the consequence that the rotor blade, despite its weight can easily put in a completely veritkale level and thus can build up a maximum wind pressure, which is why an optimal efficiency can be achieved.
Bei einer vom Wind verursachten Drehung des Rotors um die Rotorachse r mit der Winkelgeschwindigkeit ω eilt der Wind-Druckpunkt eines in den Wind gestellten Rotorblattes, für welches vorzugsweise b·(s × ω) > 0 gilt, der betreffenden Blattachse b voraus und liegt dabei leeseits derselben. Aus diesem Grund müßte für ein Verschwenken des Rotorblattes aus dem betreffenden, stabilen Punkt dessen Wind-Druckpunkt entgegen dem Winddruck nach Luv schwenken, was energetisch ungünstiger wäre.In a wind-induced rotation of the rotor about the rotor axis r with the angular velocity ω, the wind pressure point of a wind turbine blade, for which preferably b · ( s × ω )> 0, precedes the relevant blade axis b and lies thereby leeseits the same. For this reason, for a pivoting of the rotor blade from the respective stable point whose wind pressure point would have to swivel against the wind pressure to windward, which would be energetically unfavorable.
Schließlich entspricht es der Lehre der Erfindung, dass bei einer vom Wind verursachten Drehung des Rotors um die Rotorachse r mit der Winkelgeschwindigkeit ω der Schwerpunkt eines aus dem Wind genommenen Rotorbiattes, für welches vorzugsweise b·(s × ω) < 0 gilt, unterhalb der betreffenden Blattachse b liegt. Daher müßte für ein Verschwenken des Rotorblattes aus dem betreffenden, stabilen Punkt dessen Schwerpunkt entgegen der Gewichtskraft nach oben schwenken, was energetisch ungünstiger wäre.Finally, it is in accordance with the teaching of the invention that, in the case of wind-induced rotation of the rotor about the rotor axis r at the angular velocity ω, the center of gravity of a rotor blade taken out of the wind, for which b · ( s × ω ) <0, is below the concerned leaf axis b is located. Therefore, for a pivoting of the rotor blade from the respective stable point whose center of gravity would pivot against the weight upwards, which would be energetically unfavorable.
Durch diese erfindungsgemäße Verteilung der Flachenschwerpunkte wird erreicht, dass die gewünschte Einstellung der Rotorblätter ohne jegliche mechanische Anschlagelemente einzig als Folge einer eigenen Energieoptimierung erfolgt; im Verlauf seiner Drehung um die Rotorachse vollzieht jedes Rotorblatt einen Übergang von der Bewegung mit dem Wind zu einer Bewegung gegen den Wind und umgekehrt; im Bereich dieser Übergänge entfällt die Wirkung der Windkraft, und jedes Paar miteinander gekoppelter Rotorblätter fällt automatisch in eine symmetrische Anstellung zurück, wobei die gekreuzten Rotorblatthauptebenen jeweils um 45° gegenüber der Horizontalen versetz sind.This distribution according to the invention of the flat centers of gravity ensures that the desired adjustment of the rotor blades takes place without any mechanical stop elements solely as a result of a separate energy optimization; in the course of its rotation about the rotor axis, each rotor blade makes a transition from the movement with the wind to a movement against the wind and vice versa; In the area of these transitions, the effect of wind energy is eliminated, and each pair of rotor blades coupled together automatically falls back into a symmetrical position, with the crossed rotor blade main planes each offset by 45 ° from the horizontal.
Weitere Merkmale, Einzelheiten, Vorteile und Wirkungen auf der Basis der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sowie anhand der Zeichnung. Hierbei zeigt:Further features, details, advantages and effects on the basis of the invention will become apparent from the following description of a preferred embodiment of the invention and from the drawing. Hereby shows:
Eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Strömungskraftanlage
Der Rotor
In
Bei der Strömungskraftanlage
Der mittlere, gerade Teil
Wie man aus
Der Rotor
Aufgrund der Drehung ω des Windrades
Die Rotorblätter
Es ist also gemäß
Aufgrund des Winkelversatzes ihrer Hauptebenen von ca. 90° zueinander nehmen diese beiden Rotorblätter
Das von dem jeweils in den Wind gestellten Rotorblatt
Bei der erfindungsgemäßen Konstruktion liegt weder der Massenschwerpunkt des betreffenen Rotorblattes
Da die Schwenkachse
Alternative Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Strömungskraftanlage
Dort sind die Schwenkachsen
Wie man aus
Aus
In den
Diese stellt sozusagen eine Kombination der zuvor beschriebenen Ausführungsformen
Demgegenüber unterscheidet sich die Strömungskraftanlage
Allen beschriebenen Ausführungsformen
Die erfindungsgemäße Konstruktion einer Strömungskraftanlage
Dabei kann der Rotor
Eine solche turmartige Mehrfachanordnung erfordert allerdings eine spezielle Lagerung der Schwenkachsen
Für die darunter hegenden Rotoren
Die einfachste Konstruktion zeigt
The simplest construction shows
Bei
Die konstruktionstechnisch aufwendigste Version zeigt
Bei allen zuvor beschriebenen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- StrömungskraftanlageFlow turbine
- 22
- Mastmast
- 33
- Rotorrotor
- 44
- Drehwellerotary shaft
- 55
- vertikale Achsevertical axis
- 66
- Rotorblattrotor blade
- 77
- Windradwindmill
- 88th
- mittlerer Achsenabschnittmiddle intercept
- 99
- Armpoor
- 1010
- peripherer Achsenabschnittperipheral axis section
- 1111
- Kurbelwellecrankshaft
- 1212
- Längsachselongitudinal axis
- 1313
- Lagerungspunktstorage point
- 1414
- Längsachselongitudinal axis
- 1515
- konkave Hauptflächeconcave main surface
- 1616
- konvexe Hauptflächeconvex main surface
- 1717
- WinddruckpunktWind pressure point
- 1818
- Turmtower
- 1919
- Bügelhanger
- 2020
- Zapfenspigot
- 2121
- Bohrungdrilling
- 2222
- Befestigungsstangemounting rod
- 2323
- Zahnradgear
- 2424
- Zahnradgear
- 2525
- Gehäusecasing
- 2626
- Bohrungdrilling
- 2727
- Zahnradgear
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- WO 03/014565 A1 [0006, 0007] WO 03/014565 A1 [0006, 0007]
- WO 2010/134932 A1 [0007] WO 2010/134932 A1 [0007]
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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