DE202014007852U1

DE202014007852U1 - Vertical wind turbine with flexible high lift profiles

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Publication number: DE202014007852U1
Application number: DE202014007852.1U
Authority: DE
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Current assignee: Individual
Priority date: 2014-09-23
Filing date: 2014-09-23
Publication date: 2014-10-17
Anticipated expiration: 2024-09-24

Abstract

Vertikale Windkraftanlage mit mindestens einem Rotorblatt, dadurch gekennzeichnet, dass bei den umlaufenden, flexiblen, vertikale verlaufenden Rotorblattprofilen 1 bei jeder Umdrehung um die Mittelachse eines senkrecht stehenden Turmes 15 bei jedem Profil die Profilsehne 2 von der Krümmungslinie 3 des Profils zwei Mal überquert wird. Die größte Profilkrümmung im Bereich der Dickenrücklage, eines der Form nach Hochauftriebsprofiles, befindet sich bei jeder Umdrehung um die Mittelachse, in genau den für den Vortrieb wichtigen Kreisumlaufbereichen, auf den natürlichen Wind ausgerichtet, zwei Mal auf der Lee-Seite des Profils.Vertical wind power plant with at least one rotor blade, characterized in that in the circumferential, flexible, vertical rotor blade profiles 1, the profile chord 2 is crossed twice by the line of curvature 3 of the profile for each rotation around the central axis of a vertical tower 15. The greatest profile curvature in the area of the thickness reserve, one of the shape according to a high lift profile, is located twice on the lee side of the profile with each rotation around the central axis, in precisely the circular orbit areas that are important for propulsion, aligned with the natural wind.

Description

Die vorliegende Erfindung aus dem Bereich der Windkraftanlagen betrifft einen Auftriebsläufer mit vertikaler Drehachse.The present invention in the field of wind turbines relates to a lift rotor with a vertical axis of rotation.

Dabei liegt der Schwerpunkt nicht auf der Verbesserung des Drehmomentes oder der Einsparung von Herstellungskosten zu vergleichbaren Anlagen, sondern vielmehr auf einer möglichst massiven Reduzierung von Lärmimmissionen.The focus is not on the improvement of torque or the saving of manufacturing costs to comparable systems, but rather on the largest possible reduction of noise immissions.

Das mögliche Produkt wäre evtl. von Interesse für Privatpersonen, Betriebe oder Gemeinden im On-Shore-Bereich, die in der Nähe ihres Wohnsitzes/Standortes zwar eine gute Windernte einfahren könnten, aber wegen der bei allen Schnellläufern zu erwartenden, unvermeidlichen Lärmbelastung, bisher von der Installation einer Windkraftanlage Abstand genommen haben. Die häufig erfolgte Ablehnung der Windkraftnutzung auf Grund der von Turbulenzen und drallbehafteten Strömungen erzeugten Geräusche, konnte bisher nur teilweise beseitigt werden. Es ergibt sich somit die Zielrichtung auf ein Nieschenprodukt, welches sich dieser Problemlage annimmt. Der Aspekt der Lärmimmission war bei vielen Entscheidungen für oder gegen eine Windkraftanlage zur dezentralen Stromerzeugung bisher sicherlich einer der wichtigsten Gründe der Entscheidungsfindung, mit vielleicht ähnlicher Gewichtung wie die „Verspargelung” der Landschaft, aber in der Gewichtung noch vor der Verschattung und dem sogenannten Schlagschatten, dem Tierschutz oder anderen Gründen, die Erwägung gefunden hatten.The potential product may be of interest to individuals, businesses or communities in the on-shore sector, who may be able to obtain a good wind harvest near their residence / location, but due to the inevitable noise exposure expected from all high-speed railroads the installation of a wind turbine have taken distance. The frequent rejection of wind power use due to the noise generated by turbulence and swirling currents, has so far been only partially eliminated. Thus, the objective is a niche product which addresses this problem. The aspect of noise immission has so far been one of the most important reasons for decision-making in many decisions for or against a wind turbine for decentralized power generation, perhaps with a similar weighting as the "clearing" of the landscape, but in the weighting before the shading and the so-called drop shadow, animal welfare or other reasons that had been considered.

Da die Windernte nun einmal mit zunehmendem Abstand zum Erdboden proportional besser ausfällt, würde auch hier, je nach der realisierten Größe des dargestellten Konzeptes diese Anlagen deshalb (leider) auch zu einer „Verspargelung” von Landschaften führen, wenn auch in anderer Form als bei den am häufigsten eingesetzten und immer größer werdenden Auftriebsläufern mit horizontaler Drehachse.Since the wind harvest is proportionately better with increasing distance from the ground, here too, depending on the realized size of the presented concept, these plants would (unfortunately) also lead to a "clearing" of landscapes, albeit in a different form than the most commonly used and ever-increasing buoyancy runners with horizontal axis of rotation.

Die hier dargestellte Erfindung ähnelt den bekannten H-Rotoren nach dem Darrieus-Prinzip.The invention shown here is similar to the known H-rotors according to the Darrieus principle.

Mit leichten Abwandlungen, wie z. B. bei De 3018211 C2 , werden zur Erzeugung des Drehmomentes/der Stromerzeugung dort aber immer symmetrische Flügelprofile eingesetzt.With slight modifications, such. B. at De 3018211 C2 However, symmetrical wing profiles are always used to generate the torque / power generation there.

Das Darrieus-Prinzip zeigt auf, dass ein solcher Rotor nur funktionieren kann, wenn, sowohl auf der Luv- als auch auf der Leeseite der Mittelachse des Rotors und damit bei der Umdrehung jedes Flügel um dieselbe, auf beiden Seiten des jeweiligen Flügelprofils der reale Wind in ein und dieselbe Drehrichtung seine Kraft entfalten kann. Auch bei der hier vorliegenden Erfindung wird von dieser Regel nicht abgewichen. Allerdings strebt die vorliegende Erfindung danach, mit den Möglichkeiten der heutigen Technik den Bereich eines starren, symmetrischen Flügels zu verlassen. Allein die Änderungen im Bereich der Profilnase, wie bei DE 3018211 C2 , können die dann entstehenden aerodynamischen Probleme, wie z. B. massive Verwirbelungen und die damit unweigerlich verbundene Leistungsminderung, nicht lösen.The Darrieus Principle shows that such a rotor can only function if, on both the windward and leeward sides of the rotor's central axis, and thus each wing revolving around it, the real wind on either side of its wing profile in one and the same direction of rotation can develop its power. Also in the present invention is not deviated from this rule. However, the present invention seeks to leave the field of a rigid, symmetrical wing with the capabilities of today's technology. Alone the changes in the profile nose, as in DE 3018211 C2 , then the resulting aerodynamic problems, such. B. massive turbulence and the inevitable associated reduction in performance, not solve.

Eine Ausrichtung auf die jeweilige Windrichtung ist bei der Konstruktion eines gebräuchlichen H-Rotors nach dem Darrieus-Prinzip nicht nötig. Bei den meisten Modellen bedarf es auch keiner Anlaufhilfe. Das vermindert ohne Frage die Herstellungskosten. Dieser erste zusätzliche Kostenfaktor ist bei diesem hier vorliegenden Konzept nicht zu vermeiden. Genauso ist davon auszugehen, dass auf Grund der eingesetzten Technik eine Anlaufhilfe benötigt wird.An alignment with the respective wind direction is not necessary in the construction of a conventional H-rotor according to the Darrieus principle. Most models do not require any start-up help. This undoubtedly reduces manufacturing costs. This first additional cost factor can not be avoided with this concept available here. Likewise, it can be assumed that a start-up aid is needed due to the technology used.

Wenn auch vergleichsweise immer noch wenig zu den Flügelspitzen horizontaler Auftriebsläufer, so erreichen, je nach Größe, die bekannten H-Rotoren eine erhebliche Umlaufgeschwindigkeit im Bereich der Rotorblätter. Obwohl die bisher aufgestellten H-Rotoren im Vergleich zu den Auftriebsläufern mit horizontaler Drehachse bei den Schallimmissionen erheblich niedrigere Werte aufweisen, spielt logischerweise auch hier die Umlaufgeschwindigkeit/Nenndrehzahl eine wichtige Rolle in Bezug auf die Lärmimmissionen. Gelingt es die Nenndrehzahl zu reduzieren, bestehen gute Chancen, dass sich auch der Schallpegel reduziert.Although comparatively still little to the wing tips horizontal lift rotor, so reach the known H-rotors, depending on the size of a significant rotational speed in the rotor blades. Although the h-rotors installed up to now have considerably lower values with regard to the sound immissions in comparison to the lift rotors with a horizontal axis of rotation, logically, the rotational speed / nominal speed also play an important role with regard to the noise immissions. If it is possible to reduce the rated speed, there is a good chance that the noise level will also be reduced.

Beispielsweise erreicht ein auf dem Markt befindlicher H-Rotor mit 22 kW Leistung und 110 m² Rotorfläche bei einem Rotordurchmesser von 12 Metern und einer Nenndrehzahl von rund 70 Umdrehungen/Min, eine Geschwindigkeit des Flügels von rund 160 km/h (bei dieser Nenndrehzahl) Bei 100 Metern Abstand zum Turm ergibt sich ein Schallpegel von ungefähr 41 dB, bei einem Abstand von 400 Metern immer noch ein Schallpegel von ungefähr 23 dB.For example, an on-market H rotor with 22 kW power and 110 m ² rotor area with a rotor diameter of 12 meters and a rated speed of about 70 revolutions / min, reaches a speed of the wing of about 160 km / h (at this rated speed) At a distance of 100 meters from the tower, the sound level is approximately 41 dB, and at a distance of 400 meters, the sound level is still approximately 23 dB.

Würde man solch einen Turm bei vergleichbarer Rotorfläche mit Hochauftriebsprofilen versehen, so müsste es möglich sein, bei vergleichbarer Leistung die Geschwindigkeit und damit auch die Schallimmissionen erheblich zu reduzieren. Somit wären auch größere Anlagen mit wesentlich mehr Leistung an sensiblen Standorten denkbar, wo vorher eine Windkraftanlage ausgeschlossen wurde.If one were to provide such a tower with comparable rotor area with high-lift profiles, then it would have to be possible to significantly reduce the speed and thus also the noise immissions with comparable performance. Thus, even larger systems with significantly more power at sensitive locations would be conceivable, where previously a wind turbine was excluded.

In Bezug auf den Wirkungsgrad eines Schnellläufer-Darrieus steht auch zu vermuten, dass dieser durch die Tatsache, auch in beiden Nichtauftriebsphasen (West-Ost-Stellung) durch sein praktisch stetiges, sehr schnelles Laufen gegen den Wind, auch dann wenn er vermeintlich mit dem Wind läuft, dadurch erhebliche mehr Einbußen im Wirkungsgrad aufweist. Reduziert sich die Laufgeschwindigkeit ohne Auftriebsverlust, müsste sich unter Berücksichtigung weitere Faktoren, dieser Nachteil ebenfalls reduzieren lassen.In terms of the efficiency of a high-speed Darrieus is also to assume that this by the fact, even in both non-buoyancy phases (west-east position) by its steady, very fast running against the wind, even if he supposedly with the Wind runs, thereby substantial more losses in the Efficiency has. If the running speed reduces without loss of buoyancy, taking into account other factors, this disadvantage would also have to be reduced.

Höhere Geschwindigkeiten verbessern den Auftrieb. Für die dynamische Auftriebskraft und damit für den Wirkungsgrad ist aber nicht nur die Geschwindigkeit entscheidend, mit der die Luft über die Rotorblätter streicht, sondern im erheblichen Maße auch das jeweilige Profil der Rotorblätter. Hier bietet ein herkömmlicher Darrieus-Schnellläufer nur unwesentliche Differenzierungsmöglichkeiten.Higher speeds improve buoyancy. For the dynamic buoyancy and thus for the efficiency but not only the speed is critical, with the air sweeps over the rotor blades, but to a considerable extent, the respective profile of the rotor blades. Here, a conventional Darrieus high-speed machine offers only insignificant differentiation possibilities.

Im Rahmen der Erfindung werden das Auftriebsprofil/die Auftriebsprofile – (im weiteren Text wird in Bezug auf eine Anlage von mehreren Flügeln ausgegangen) – des umlaufenden Flügels/der umlaufenden Flügel so konstruiert, dass Sie sich von ihrer Form her sowohl auf der Luv- als auch auf der Leeseite der Rotormittelachse bei jeder Drehung immer einem idealtypischen Hochauftriebsprofil so weit wie möglich annähern. Ebenso wird versucht, sich möglichst dem Ideal einer laminaren Strömung anzunähern.In the context of the invention, the buoyancy profile / buoyancy profiles (hereinafter referred to as a multi-wing arrangement) of the revolving wing (s) are constructed so that their shape evolves on both the windward and the airfoil always approximate as far as possible an ideal high-lift profile on the leeward side of the rotor center axis with each rotation. Likewise, an attempt is made to approximate the ideal of a laminar flow as possible.

Es ergab sich im Ergebnis ein Flügel, der bei jeder Umdrehung zwei Mal die Form eines Hochauftriebsprofils mit einer leichten Hohlwölbung annahm, mit gewissen Abstrichen bei der laminaren Strömung. Diese Form entspricht der Tendenz nach bei Flugzeugen der Möglichkeit, langsam und leise, aber dennoch mit genügend Auftrieb zu fliegen. Da die resultierende Auftriebskraft bei Hochauftriebsprofilen immer wesentlich größer ist als bei symmetrischen Profilen (unabhängig vom Anstellwinkel), wird hier davon ausgegangen, dass die angestrebten, relativ niedrigen Drehgeschwindigkeiten in dieser Profilform ihren Ausgleich finden können.The result was a wing that assumed the shape of a high buoyancy profile with a slight hollow curvature twice each turn, with some smoothness in the laminar flow. This type of aircraft tends to fly slowly and quietly but still with sufficient lift. Since the resulting buoyancy force in high-lift profiles is always much greater than in symmetrical profiles (regardless of the angle of attack), it is assumed here that the desired, relatively low rotational speeds in this profile form can find their compensation.

Die optimalen Dimensionen des Profils, z. B. optimale Dicke, optimale Dickenrücklage usw. sind von Fachleuten zu errechnen und/oder im Windkanal zu testen.The optimal dimensions of the profile, z. B. optimum thickness, optimal thickness reserve, etc. are to be calculated by professionals and / or to test in the wind tunnel.

Die bei diesem Konzept umlaufenden Auftriebsflügel haben keine Vorder- oder Rückseite wie bei einem Auftriebsläufer mit horizontaler Drehachse, da sich, bezogen auf den natürlichen Wind als entscheidende Bestimmungsgröße, beide Seiten jedes Flügels bei jeder Umdrehung als Luv- und Leeseiten in einem ständigen Wechsel befinden.The buoyancy wings revolving in this concept have no front or rear as in a lift rotor with horizontal axis of rotation, since, based on the natural wind as a crucial determinant, both sides of each wing are in constant change with each revolution as windward and leeward sides.

Aus dem bisher gesagten ergibt sich die technische Notwendigkeit, dass sich bei jeder Umdrehung um die Rotorachse die Krümmungslinie des Flügelprofiles vollständig zwei Mal über die Profilsehne verschiebt. Soll sich die Krümmung der Dickenrücklage bei jeder Umdrehung jeweils zwei Mal auf der Leeseite befinden, so kann kein starres Hochauftriebsprofil Anwendung finden.From what has been said so far, there is the technical necessity for the curvature line of the wing profile to completely shift twice over the profile chord with each rotation about the rotor axis. If the curvature of the thickness reserve is located on the leeward side twice each turn, then no rigid high-lift profile can be used.

Der angestrebte Leistungsentzug aus der Windkraft erfordert als erstes, bei immer noch hohen Umlaufgeschwindigkeiten und damit in kurzen Zeittakten, punktgenau die richtige Profilstellung zum natürlichen Wind zu erreichen. Eine Pendelbewegung im Bereich der Dickenrücklage im Rahmen eines Zeittaktes von z. B. zwei Sekunden stellt technisch und vom Verschleiß her beim heutigen Stand der Technik aber kein unüberwindliches Hindernis mehr dar. Ferner ist es erforderlich, dass auf Veränderungen der Windrichtung, auf Veränderungen der Windstärke, einer Bremsnotwendigkeit, auf die Notwendigkeit zur Sturmabschaltung, usw., ebenfalls reagiert werden kann. Auch das ist technisch heutzutage ohne Frage zu lösen.The desired withdrawal of power from wind power first requires, at still high rotational speeds and thus in short time intervals, to achieve precisely the correct profile position to natural wind. A pendulum movement in the region of the thickness reserve in the context of a time cycle of z. B. two seconds is technically and from the wear of today's state of the art but no insurmountable obstacle more. Furthermore, it is necessary that changes in wind direction, changes in wind strength, a braking necessity, the need for storm shutdown, etc., can also be reacted. That, too, is technically easy to solve today.

Diese Aufgaben stellen, sowohl im Bereich der Sensorseite, der Funktechnik, der elektronischen Steuerung und auch in dem Bereich der Bewegungsumsetzung durch für spezielle Aufgaben konstruierte Elektromotoren und Getriebe (Aktuatoren), zwar eine gewisse Herausforderung dar, aber vom Prinzip her sind sie zu erfüllen. Zwar muss die Prozesssteuerung die Blattprofile absolut punktgenau nach dem Wind ausrichten, eines der wesentlichen Unterschiede zum bekannten H-Darrieus, bei einer professionellen Programmierung der Prozesssteuerung müsste das aber möglich sein.Although these tasks pose a certain challenge both in terms of the sensor side, the radio technology, the electronic control and also in the field of motion conversion by means of electric motors and gearboxes (actuators) designed for specific tasks, they are in principle to be met. Although the process control must align the blade profiles absolutely exactly to the wind, one of the main differences to the well-known H-Darrieus, this would have to be possible with a professional programming of the process control.

Um den gewünschten Bewegungsablauf zu erreichen, wird ein spezieller Exzenter, der zwei wesentliche Funktionen vereint, kraftschlüssig integriert.In order to achieve the desired movement sequence, a special eccentric, which combines two essential functions, is positively integrated.

Obwohl im Bereich der Exzentersteuerung auch bei diesem Konzept rein mechanische Lösungen denkbar sind (z. B. De 103 25 342 A1 , De 102 51 388 A1 , De 27 45 194 A1 , De 27 45 862 A1 , De 30 18 211 C2 ,), gehe ich davon aus, dass beim heutigen Stand der Technik so weit wie möglich elektronische Lösungen Anwendung finden würden. Die bei dieser Konstruktion unabdingbare Kopplung der Exzenterbewegungen an die Windrichtung, kann durch entsprechende Programmierung im System mit der Windstärke gekoppelt werden und damit entsprechend differenzierter und situationsgerechter ausfallen.Although in the field of eccentric control purely mechanical solutions are also conceivable in this concept (eg De 103 25 342 A1 . De 102 51 388 A1 . De 27 45 194 A1 . De 27 45 862 A1 . De 30 18 211 C2 ,), I assume that the current state of the art as much as possible electronic solutions would apply. The indispensable in this construction coupling the eccentric movements to the wind direction can be coupled by appropriate programming in the system with the wind force and thus fail accordingly more differentiated and situation-appropriate.

Die rotatorischen Bewegungen durch einen Elektromotor (mit oder ohne ein Getriebe, einen Zahnriemen mit Übersetzung und/oder Kette usw.) werden bei diesem Konzept über den Exzenter in translatorische Bewegungen umgewandelt.The rotational movements by an electric motor (with or without a gear, a toothed belt with translation and / or chain, etc.) are converted in this concept via the eccentric in translational movements.

Damit die dargestellten Ziele (Anpassung des Profils an die Windgeschwindigkeit, Sturmabschaltung usw.) aber erreicht werden können, wird die hier notwendige variable Länge des Hubes erstens durch einen zusätzlichen horizontal verlaufenden Schlitten bei der jeweiligen Exzenterkonstruktion erreicht. Dieser Schlitten ist mit der Antriebswelle des Motors/Getriebes, usw. kraftschlüssig verbunden und bewegt sich somit rotatorisch entsprechend mit gleicher Geschwindigkeit im Kreis mit.However, in order to achieve the stated goals (adaptation of the profile to the wind speed, windstorm etc.), the variable length of the stroke required here is firstly achieved achieved an additional horizontally extending carriage in the respective eccentric design. This slide is frictionally connected to the drive shaft of the motor / gearbox, etc., and therefore rotates in accordance with the same speed in the circle.

In/auf diesem zusätzlichen Schlitten befindet sich zweitens der horizontal bewegliche Kraftübertragungsstutzen des jeweiligen Exzenters. Dieser Kraftübertragungsstutzen bewegt jeweils eine mit ihm kraftschlüssig verbundenen Pleuelstange. Diese Pleuelstange ist wiederum kraftschlüssig mit dem Hebel und/oder einen Steuergitter verbunden, der/das zur Hin- und Her Bewegung der Profilflächen im Bereich der Dickenrücklage, also im Innenbereich des Hochauftriebsprofils, so konstruiert und angeordnet ist, dass ein kontinuierliches und störungsfreies Arbeiten gewährleistet ist.Secondly, the horizontally movable power transmission connection of the respective eccentric is located in / on this additional carriage. This power transmission piece moves in each case a non-positively connected to it connecting rod. This connecting rod is in turn non-positively connected to the lever and / or a control grid, which / which is designed and arranged for reciprocating movement of the profile surfaces in the region of the thickness backing, ie in the interior of the high lift profile, ensuring a continuous and trouble-free working is.

Somit wird der Hub nicht nur dem Zeittakt nach (Motorumdrehungsgeschwindigkeit), sondern auf einer weiteren Ebene auch zusätzlich der Länge nach in relativ kurzen Zeiträumen elektronisch steuerbar.Thus, the hub is not only the time clock after (engine rotation speed), but on a further level also in length electronically controllable in relatively short periods of time.

Allerdings können auf dieser zweiten Ebene die gewünschten Zeittakte wesentlich länger ausfallen, als auf der Ebene der zweimaligen Verschiebung der Krümmungslinie über die Profilsehne pro Umdrehung um den Turm.However, at this second level, the desired clocks may be much longer than at the level of the two-fold shift of the line of curvature over the chord per revolution about the tower.

Die Stromversorgung könnte durch Schleifkontakte oder Induktion erfolgen. Die gesamte Konstruktion zur Bewegungssteuerung sollte natürlich aerodynamisch möglichst günstig integriert sen.The power supply could be done by sliding contacts or induction. Of course, the entire structure for motion control should be aerodynamically integrated as low as possible.

Da der Auftrieb nicht nur durch die Sogwirkung des Unterdruckes, sondern auch durch den Druck des Anstellwinkels auf der Luv-Seite entsteht, mag es bei dem Konzept sinnvoll sein, zur verbesserten Strömungssteuerung eine weitere Ebene zu berücksichtigen, indem die Konstruktion so gestaltet wird, dass, ebenfalls elektronisch gesteuert, jeweils der gesamte Flügel mit seinen oben erwähnten Steuerelementen auf einer oder zwei zusätzlichen Halterung(en) angebracht und somit auch bei jeder Umdrehung in seinem Anstellwinkel verändert werden kann. Ziel ist auf dieser Ebene die Verlängerung der Phase eines idealen Anstellwinkels.Since the buoyancy arises not only by the suction effect of the negative pressure but also by the pressure of the angle of attack on the windward side, it may be useful in the concept to consider a further plane for improved flow control by designing the structure such that , also controlled electronically, each of the entire wing with its above-mentioned controls on one or two additional support (s) and thus can be changed in each turn in its angle of attack. The goal at this level is to lengthen the phase of an ideal angle of attack.

Die bei diesem Konzept zu bewegende Masse der Flügel kann auf Grund der heutzutage möglichen Leichtbauweise/Kohlefasertechnik/Aluminiumverbundstechnik erheblich reduziert werden. Es wird davon ausgegangen, dass der Stromverbrauch der eingesetzten Elektromotoren und die Widerstände der Lager den Wirkungsgrad der Gesamtkonstruktion zwar nicht unwesentlich herabsetzt, aber letztlich dennoch in einem vertretbaren Rahmen belässt.The mass of the wings to be moved in this concept can be considerably reduced due to the lightweight design / carbon fiber technology / aluminum composite technology that is currently possible. It is assumed that the power consumption of the electric motors used and the resistances of the bearings does not significantly reduce the efficiency of the overall construction, but nevertheless leaves it within a justifiable framework.

Das Konzept ist etwas komplizierter, als das eines herkömmlichen H-Rotors, ein großer Vorteil bleibt aber bestehen. Die idealen Flügel sind immer noch wesentlich einfacher zu berechnen und herzustellen, als die Flügel eines herkömmlichen horizontalen Auftriebsläufers. Die Positionierung des Generators im Turm entspricht nach wie vor der eines herkömmlichen H-Rotors.The concept is a bit more complicated than that of a conventional H rotor, but a big advantage remains. The ideal wings are still much easier to calculate and produce than the wings of a conventional horizontal lift rotor. The positioning of the generator in the tower still corresponds to that of a conventional H rotor.

Die Frage, ob ein Rotor mit einem oder mehreren Rotorflügeln gewählt wird, kann an dieser Stelle dahingestellt bleiben. Eine zweiflüglige Konstruktion hätte zu mindestens den Vorteil, dass bei ihr die Sturmstellung in Neutralstellung idealerweise am wenigsten Angriffspunkte für starke Böen liefern würde. Bei einer dreiflügligen Konstruktion wird im Allgemeinen davon ausgegangen, dass sie die größten Vorteile in Bezug auf unerwünschte Eigenschwingungen des Turmes mit sich bringt.The question of whether a rotor with one or more rotor blades is selected, can be left undecided at this point. A two-winged construction would at least have the advantage that it would provide the storm position in neutral position ideally least attack points for strong gusts. A three-bladed design is generally considered to have the greatest advantages in terms of unwanted inherent vibrations of the tower.

Es kann an dieser Stelle ebenso dahingestellt bleiben, inwieweit die weiteren, sehr unterschiedlichen Gesichtspunkte wie Langlebigkeit, Rotordurchmesser, Massenstrom, Betzsches Gesetz, die ideale Zahl der Halterungen, ob bei einem Flügel mehrere Steuervorrichtungen nicht von Vorteil sind, z. B. oben und unten, usw., usw., bei der Realisierung des Konzeptes ebenfalls mit einfließen müssen.It may also be left undecided at this point to what extent the other, very different aspects such as longevity, rotor diameter, mass flow, Betz's law, the ideal number of brackets, whether in a wing several control devices are not advantageous, for. As above and below, etc., etc., must also be included in the realization of the concept.

Zeichnungendrawings

Anhand der Zeichnungen wird nachfolgend beispielhaft die Lösung der technischen Aufgabe dargestellt.The solution of the technical problem will now be described by way of example with reference to the drawings.

Alle Zeichnungen haben ausschließlich erläuternden Charakter und sind nicht maßstabsgerecht. Zur Verdeutlichung wurde einiges überzeichnet dargestellt.All drawings are illustrative only and are not to scale. For clarity, some has been exaggerated.

Zeichnung 1 zeigt beispielhaft die grundlegende Konstruktion eines flexiblen Flügelprofiles 1 in Auftriebsstellung als Profilzeichnung eines senkrecht stehenden Flügels im horizontalen Schnitt. Die Krümmungslinie 2 (gestrichelt) liegt deutlich über der Profilsehne 3.Drawing 1 shows an example of the basic construction of a flexible wing profile 1 in buoyancy position as a profile drawing of a vertical wing in horizontal section. The curvature line 2 (dashed) is well above the chord 3 ,

Aus der eingetragenen Richtung des natürlichen Windes ergibt sich eine Drehrichtung im Uhrzeigersinn. Der Flügel befände sich hier an der Luv-Seite der Rotationsachse.From the registered direction of the natural wind results in a clockwise direction. The wing would be here on the windward side of the axis of rotation.

Vier Flügelbereiche 4 bis 7 werden an mindestens sechs Punkten 8 bis 13 flexibel gelagert. Während die zwei vorderen Abschnitte 4 und 5 gerundete Formen aufweisen, sind die zwei hinteren Abschnitte 6 und 7 jeweils gerade konstruiert. An der Profilnase sind die Abschnitte 4 und 5 vorne drehbar und gleichzeitig durch entsprechende Schlitten horizontal verschiebbar gelagert. Das gleiche gilt für die Hinterkante der Flügel. An der Vorder- und Hinterkante sind also neben den Lagern für eine Drehbewegung zusätzliche Vorrichtungen (Schlitten) für die notwendige, horizontale Längsverschiebung der Flügelbereiche 4 bis 7 integriert (und durch Doppelpfeile gekennzeichnet), da sich die Länge der flexiblen Profilabschnitte durch deren Bewegungen im Verhältnis zur Länge der Profilsehne 3 und im Verhältnis zu den gegenüberliegenden Flügelabschnitten im Verlaufe der zyklischen Bewegungen permanent ändert.Four wing areas 4 to 7 be at least six points 8th to 13 flexibly stored. While the two front sections 4 and 5 have rounded shapes, the two rear sections 6 and 7 each just constructed. At the profile nose are the sections 4 and 5 rotatably mounted at the front and at the same time horizontally displaceable by corresponding carriage. The same goes for the Trailing edge of the wings. At the leading and trailing edges are therefore in addition to the bearings for a rotary motion additional devices (slide) for the necessary, horizontal longitudinal displacement of the wing areas 4 to 7 integrated (and indicated by double arrows), since the length of the flexible profile sections by their movements in relation to the length of the chord 3 and permanently changing in relation to the opposite wing sections in the course of the cyclical movements.

In den beiden Auftriebsbereichen der Umdrehung ist die Winkelstellung der einzelnen Bereiche hier 4 zu 5 und damit die Wölbung am größten.In the two buoyancy areas of the rotation, the angular position of the individual areas is here 4 to 5 and thus the vault the largest.

Im Bereich der Dickenrücklage zwischen den beiden Lagerpunkten 10 und 11 befindet sich die durch den gesamten Flügel vertikal verlaufende Kraftübertragungskonstruktion, 14, die auf der einen Seite über die geteilte Pleuelstange kraftschlüssig mit dem Exzenter und dem Aktuator und auf der anderen Seite mit den zentralen Lager- und Kraftübertragungspunkten 10 und 11 der Flügelabschnitte 4 bis 7 kraftschlüssig aber flexibel verbunden ist. An dieser Stelle halte ich eine Gitterkonstruktion für denkbar, die sowohl absolut verwindungsarm als auch vom Gewicht her leicht konstruiert sein sollte. Da an dieser Stelle des Flügels im Innenbereich ausreichend Bewegungsspielraum zur Verfügung steht, dürfte es keine Probleme geben, die ideale Ausführungsform zu konstruieren, die über die gesamte Länge des Flügels die notwendige Steifigkeit besitzt, ohne zu schwer zu sein.In the area of the thickness reserve between the two bearing points 10 and 11 is located through the entire wing vertically extending power transmission construction, 14 , on the one hand via the split connecting rod frictionally with the eccentric and the actuator and on the other side with the central bearing and power transmission points 10 and 11 the wing sections 4 to 7 non-positively connected but flexible. At this point, I think a grid construction conceivable that should be both absolutely torsionally poor as well as lightweight in design. Since there is sufficient room for maneuver indoors at this point of the wing, there should be no problem constructing the ideal embodiment which has the necessary rigidity over the entire length of the wing, without being too heavy.

Zeichnung 2 zeigt beispielhaft im vertikalen Schnitt die wesentlichen Bereiche des Aufbaus der Steuermechanik.Drawing 2 shows an example in vertical section, the essential areas of the structure of the control mechanism.

In einer von der Rotationsmittelachse (dem Turm) 15 ausgehenden Halterung 16 für den Flügel 1 (vertikaler Längsschnitt von vorne) befindet sich ein Elektromotor 17, der über ein Getriebe 18 mit zwei Schlitten 19 und 20 kraftschlüssig verbunden ist. In diesen Schlitten 19 und 20 befinden sich wiederum die auf dieser unabhängigen horizontalen Ebene arbeitenden, über Funk elektronisch gesteuerten Aktuatoren 21 und 22. Mit diesen Aktuatoren sind jeweils die Kraftübertragungsstutzen 23, 24 kraftschlüssig verbunden.In one of the rotation center axis (the tower) 15 outgoing bracket 16 for the grand piano 1 (vertical longitudinal section from the front) is an electric motor 17 that has a gearbox 18 with two sleds 19 and 20 positively connected. In this sled 19 and 20 Again, there are the actuators operating on this independent horizontal plane, electronically controlled by radio 21 and 22 , With these actuators are each the power transmission 23 . 24 positively connected.

Somit wird es ermöglicht, durch die jeweiligen programmierbare Drehgeschwindigkeit des Motors 17 und die exakt programmierbare Position der Kraftübertragungsstutzen 23 und 24, jeweils punktgenau eingestellt auf Windrichtung und die Windstärke, die flexibel verbundenen geteilten Pleuelstangen 25 und 26 bewegen zu können, damit bezogen auf die Ausformung der Flügelprofile die optimale Position eingestellt werden kann. Liegt der Anlinkpunkt der Pleuelstangen 25, 26 genau auf der Mittelachse des Getriebes, so drehen sich zwar die inneren Ringe der Lager der Pleuelstangen 25,26 durch die Motordrehung weiter, die Flügelprofile bleiben aber in symmetrischer Position, egal wie schnell der Motor gerade dreht (Sturmstellung).Thus, it is made possible by the respective programmable rotational speed of the motor 17 and the exact programmable position of the power transmission 23 and 24 , precisely adjusted to the wind direction and the wind force, the flexibly connected split connecting rods 25 and 26 to be able to move, so based on the shape of the wing profiles, the optimum position can be adjusted. Is the Anlinkpunkt the connecting rods 25 . 26 exactly on the central axis of the gearbox, so turn the inner rings of the bearings of the connecting rods 25 . 26 as a result of the engine rotation, the sash profiles remain in a symmetrical position, no matter how fast the engine is turning (storm position).

Die geteilten Pleuelstangen 25,26 steuern nunmehr als Zug- und Schubstangen die rechtwinklig zur Profilsehne senkrecht im Inneren der Flügel angebrachten Kraftübertragungskonstruktion 14 nach Zeichnung 1. Diese Konstruktion besteht im Wesentlichen aus einer Halterung 27, zwei Schlitten 28, 29 und zwei Kraftübertragungsgittern 32 und 33, die mit den Anlinkpunkten 30, 31 verbunden sind.The split connecting rods 25 . 26 now control as pull and push rods perpendicular to the chord perpendicular to the inside of the wing mounted power transmission construction 14 according to drawing 1. This construction consists essentially of a holder 27 , two sleds 28 . 29 and two transmission grids 32 and 33 that with the Anlinkpunkten 30 . 31 are connected.

Die Halterung 27 ist mit der Halterung 16 starr verbunden und durchzieht als wesentliches Stabilisierungselement, welches entsprechend verwindungsfrei und stabil zu konstruieren ist, horizontal den Flügel von vorn bis hinten, da in/auf dieser Halterung 27 auch die Dreh- und Lagerbereiche 8/9 und 12/13 nach Zeichnung 1 befestigt sind. Die Kraftübertragungsgitter 32 und 33, die so befestigt sind, dass sie sich im rechten Winkel zur Profilsehne hin- und her bewegen können sind mit den Schlitten 28, 29 kraftschlüssig verbunden. Die Kraftübertragungsgitter 32, 33 bewegen die Profilflächen 4 bis 7 nach Zeichnung 1 über entsprechende Gelenkverbindungen.The holder 27 is with the bracket 16 rigidly connected and pervades as an essential stabilizing element, which is accordingly warp-free and stable to construct, horizontally the wing from front to back, there in / on this bracket 27 also the turning and storage areas 8th / 9 and 12 / 13 are attached according to drawing 1. The transmission grids 32 and 33 , which are fixed so that they can move back and forth at right angles to the chord are with the slide 28 . 29 positively connected. The transmission grids 32 . 33 move the profile surfaces 4 to 7 according to drawing 1 via corresponding joints.

Zeichnung 3 zeigt beispielhaft die grundlegende Konstruktion eines flexiblen Flügelprofis 1 – (hier gestrichelt), als Profilzeichnung im horizontalen Schnitt, welcher mit zusätzlichen Flächen 32, 33, 34, 35 zur Verringerung turbulenter Strömungen versehen wurde.Drawing 3 shows by way of example the basic construction of a flexible wing pro 1 - (dashed here), as a profile drawing in horizontal section, which with additional surfaces 32 . 33 . 34 . 35 was provided to reduce turbulent flows.

Diese über die gesamte Länge verlaufenden Zusatzflächen sind mit den vertikal verlaufenden Profilaußenflächen 4 bis 7 (hier gestrichelt) der Konstruktion vertikal über die ganze Länge der Flächen flexibel dergestalt verbunden, dass die Hochauftriebsprofile an sich möglichst wenig Verwirbelungen erzeugen. Bei diesem Beispiel befindet sich die horizontal in Richtung Profilnase und Hinterkante nicht verschiebbare Halterung 14 wiederum im Bereich der Dickenrücklage. Es ergibt sich bei diesem Ausführungsbeispiel die Notwendigkeit, die Konstruktion so zu gestalten, dass horizontale Verschiebungen an der Profilnase und im Bereich der Dickenrücklage zur Strömungsverbesserung möglich sind (Bereiche gekennzeichnet durch Doppelpfeile), ohne dass das Flügelprofil insgesamt oder an irgendeiner Stelle die auftretenden Kräfte nicht mehr im Sinne der geforderten Funktion verarbeiten kann. Flatterbewegungen irgendwelcher Art müssen genauso ausgeschlossen bleiben, wie Verkantungen. An der Hinterkante wird bei diesem Beispiel auf zusätzliche Strömungsverbesserung verzichtet.These over the entire length extending additional surfaces are with the vertical profile outer surfaces 4 to 7 (Dashed here) the structure vertically over the entire length of the surfaces flexibly connected in such a way that the high lift profiles generate as little as possible turbulence. In this example, the holder is horizontally in the direction of the profile nose and trailing edge 14 again in the area of the thickness reserve. It follows in this embodiment, the need to make the construction so that horizontal displacements on the profile nose and in the region of the thickness backing for improving the flow are possible (areas characterized by double arrows), without the wing profile as a whole or at some point, the forces do not occur can process more in the sense of the required function. Flapping movements of any kind must be excluded as well as tilting. At the trailing edge is omitted in this example on additional flow improvement.

Obwohl die notwendige jeweilige horizontale Vorwärts- und Rückwärtsbewegung der jeweiligen Flügelabschnitte im Verhältnis zur gesamten Flügeltiefe vergleichsweise gering ausfällt, muss sie auf jeden Fall strömungsmäßig ausgeglichen werden. Although the necessary respective horizontal forward and backward movement of the respective wing sections relative to the total wing depth comparatively low, it must be balanced in any case fluidly.

Zeichnung 4 zeigt schemenhaft die Ausformungen von vier Positionen eines Profils oder auch schemenhaft die Ausformungen von vier Hochauftriebsprofilen eines Vierflüglers im horizontalen Schnitt bei seiner Drehung im Uhrzeigersinn um die Mittelachse des Rotors in Verbindung mit den auftretenden Kräften.Drawing 4 shows schematically the formations of four positions of a profile or also schematically the formations of four high-lift profiles of a four-wing in horizontal section in its rotation in a clockwise direction about the central axis of the rotor in conjunction with the forces occurring.

Der resultierende Wind (langer Pfeil), der sich aus dem natürlichen Wind (kurz gestrichelt) und dem Wind der Drehrichtung (lang gestrichelt) ergibt, steht im rechten Winkel zum Auftrieb am Rotorblatt (gepunktete Linien). Die effektive Kraft in Drehrichtung (Doppelpfeil) befindet sich wie bei allen Auftriebsläufern immer auf der Lee-Seite des Rotorblattes. An den entscheidenden Stellen der Kreisbewegung entfalten die Hochauftriebsprofile mehr Kraft in Drehrichtung, als symmetrische Profile. In „West-Ost-Richtung” vermindern sich die Gegenkräfte auf Grund einer geringeren Umlaufgeschwindigkeit.The resulting wind (long arrow), which results from the natural wind (short dashed) and the wind of the direction of rotation (long dashed), is at right angles to the buoyancy on the rotor blade (dotted lines). The effective force in the direction of rotation (double arrow) is always on the lee side of the rotor blade, as with all lift rotors. At the decisive points of the circular motion, the high-lift profiles exert more force in the direction of rotation than symmetrical profiles. In "west-east direction", the counter-forces decrease due to a lower circulation speed.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 3018211 C2 [0006, 0007, 0022]
DE 10325342 A1 [0022]
DE 10251388 A1 [0022]
DE 2745194 A1 [0022]
DE 2745862 A1 [0022]

Claims

Vertical wind turbine with at least one rotor blade, characterized in that in the circumferential, flexible, vertical rotor blade profiles 1 at each revolution around the central axis of a vertical tower 15 with each profile the chord 2 from the bend line 3 the profile is crossed twice. The largest profile curvature in the area of the thickness reserve, one in the form of high-lift profile, is located at each revolution about the central axis, in exactly those for circulation important circular circulation areas, aligned to the natural wind, twice on the lee side of the profile.

Vertical wind turbine according to claim 1, characterized in that to approximate a laminar as possible flow the profile surfaces 4 to 7 through flexibly mounted surfaces 34 to 37 the aerodynamic shape of the rotor blades is additionally optimized as much as possible.

Vertical wind turbine according to claim 1, characterized in that the functional area of the motion control of the rotor surfaces 1 provided with an orientation to the natural wind. This includes not only special software for coordinating the sensor and control pulses and a suitable electric motor 17 also an eccentric 18 involved in the implementation of the rotational movements of an electric motor 17 is able to perform the translational movements not only in the required time cycle, but also with variable lengths. For this purpose, actuators working on a separate level allow 21 . 22 in / on a sledge 23 . 24 the power transmission to the connecting rods 25 . 26 ,

Vertical wind turbine according to claim 1, characterized in that the respective rotor blades are equipped with several motion control devices according to claim 3.

Vertical wind turbine according to claim 1, characterized in that additional supports for the rotor blades between the tower and rotor blades are mounted without movement control in order to improve the stability of the structure.

Vertical wind turbine according to claim 1, characterized in that the rotor blades are additionally equipped with devices for adjusting the angle of attack.