DE202018003498U1

DE202018003498U1 - Längenvariabler H-Darrieus-Rotor

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Publication number: DE202018003498U1
Application number: DE202018003498.3U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2018-07-27
Filing date: 2018-07-27
Publication date: 2018-09-06
Anticipated expiration: 2028-07-28

Abstract

Windturbine, dadurch gekennzeichnet, dass die drei Flügelprofile (1a-c) durch drei horizontale Teleskoparme (2a-c) mit der Nabe des Rotorkörpers verbunden sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Windkraftanlage (auch H-Darrieus-Rotor genannt) mit drei senkrecht angeordneten und unverwundenen Rotorflügel und Profilform in Rechteckgeometrie auf einer vertikalen Rotorwelle installiert, die drehbar gelagert ist.
Die drei Rotorblätter sind aerodynamisch so profilert, dass die Rotationsenergie nach dem Auftriebsprinzip energieeffizient zustande kommt. Die konstruktive Besonderheit sind die drei Verbindungsarme zwischen Nabe und Flügel.
Schon bei Schwachwindbedingungen beginnt der Rotorkörper sich zu drehen. Bei zunehmenden Drehzahlen wird der bewegliche Teil eines zweiteiligen Teleskoparmes mit Hilfe der Fliehkraft in eine radiale Richtung gedrückt. Die Folge ist eine längsvariable Vergrößerung des Rotordurchmessers. Eine exponentielle Zunahme der kinetischen Energie ist das Ergebnis. Bei abnehmenden Wind wird die flexible Teleskophälfte mittels einer Schraubenzugfeder wieder in ihre ursprüngliche Ausgangsposition zurückversetzt.
Da bei Schwachwindverhältnissen das Anlaufverhalten der Rotorkonstruktion nicht ausreichend ist, kommt eine Anlaufhilfe mit auftriebsbedingter Durchströmung des Hilfsrotors zum Einsatz. Der Aufbau der Starthilfe stellt sich folgendermaßen dar: Die drei halbrunden Anströmprofile (Halbzylinder) sind gegeneinander versetzt, um den Strömungverlauf zu optimieren. Der Antriebsrotor ist so konstruiert, indem die Windleitbleche für die Strömung offen sind, und dessen drei entgegengesetzte Rotorschalen eine Eigenrotation mit sehr hohem, nutzbaren Drehmoment bewirken.
Nachteile bei dieser Bauart entstehen, wenn der Rotorkörper einen unveränderlichen, gleichbleibenden Rotordurchmesser hat. Das bedeutet, dass bei Schwachwindbedingungen der Energie-Output bei kleinen Windturbinen sehr gering ist.
Die Aufgabe der Erfindung der Erfindung wird darin gesehen, eine Anordnung der genannten Bauart zu konstruieren, der den dargestellten Nachteil beseitigen soll.
Die Lösung der Aufgabe besteht erfindungsgemäß darin, den Rotorradius in einer längsvariablen Weise bei zunehmender Windgeschwindigkeit proportional zu vergrößern. Die Leistung läßt sich bei einer Verdoppelung des Rotordurchmessers um das Vierfache steigern. Die Anwendung eines Hilfsrotors (nach Savoniusart) hat einen rotationstechnischen Vorteil: Wenn der Wind zu stark wird, hat der Zusatzrotor die Funktion einer aerodynamischen Leistungsbremse. Seine Schnelllaufzahl liegt bei 1. Es erfolgt eine Drehzahlbegrenzung. Ein Überdrehen des Rotorkörpers wird somit verhindert.
Aus der nachfolgenden Beschreibung und der schematischen und perspektivischen Darstellung des Vertikalachsenläufer soll die Erfindung ausführlich erläutert werden.

1: Perspektivische und schematische Gesamtdarstellung der vertikalen Windkraftanlage (mit ausgefahrenen Teleskoparmen) und den Hilfs-Rotor.
2: Perspektivische und schematische Gesamtdarstellung des H-Darrieusrotors (mit eingefahrenen Teleskoparmen) und den Zusatzrotor.
3: Schematische Draufsicht der drei Teleskoparme im ausgefahrenen Zustand des H-Darrieusrotors.
4: Schematische Draufsicht eines der drei Rotorarme, einmal in Ruhestellung (gestrichelte Linie) und im Betriebszustand.

Der H-Darrieus-Rotor:
Wie aus den - zu ersehen ist, sind die drei Flügel 1a-c der Windturbine um jeweils 120 Grad achsparallel von einander versetzt. Zur besseren Ausnutzung der Windströmung sind die Tragflügel 1a-c gerade und geometrisch in Rechteckoptik senkrecht zur Rotorachse 4 ausgeführt. Es besteht keine Blattverstellung. Die Profile 1a-c befinden sich in einem großen (strömungs-) abrißfesten Anstellwinkel. Durch den festgelegten Anströmwinkel der drei Flügelelemente 1a-c kommt es bei zu hohen Drehzahlen zum Strömungsabriß an den Rotorprofilen. Das Abregeln überhöhter Drehzahlen nennt man Stall-Regelung. So wird eine Beschädigung der Mechanik des Rotorkörpers vermieden.
Bei den Vertikalachsenläufer kommt noch ein strömungstechnisches Phänomen zum Tragen. Bei Rechteckflügel 1a-c mit aerodynamischer Profilierung wirkt eine massive Kraft auf einen senkrecht rotierenden Körper. Die Rotorblätter 1a-c bilden bei der Rotation eine imaginäre zylindrische Form, wenn der Rotorkörper im rechten Winkel zur Windrichtung angeströmt wird. Durch die Drehungen des Rotors wird eine Querkraft erzeugt. Dieser sogenannte Magnus-Effekt erhöht zusätzlich die Auftriebskraft am Flügelprofil. Der beschriebene Rotor gewährleistet eine optimale Nutzanwendung der Auftriebs(-Quer-)kraft zum Zwecke einer Erhöhung der Rotorleistung.
Die Innovation der Anlage sind die drei Telskoparme 2a-c. Bei zunehmender Windstärke wird der bewegliche Teil der Verbindungsarme 2a-c ausgefahren. Die Rotorarme 2a-c können um das Doppelte des Rotordurchmesser verlängert werden. Die Energiebilanz erhöht sich um das Vierfache.
Wird der Wind in seiner Intensität schwächer, so werden die Teleskoptragearme 2a-c mit Hilfe von Schraubenzugfedern 3a-c wieder in ihre ursprüngliche Ausgangsposition zurückversetzt.
Die Antriebsvorrichtung
Wie aus den Darstellungen 1-4 zu erkennen ist, besteht die Windkraftanlage in Form eines H-Darrieus-Rotors aus drei unverwundenen, vertikalen Rechteckflügel 1a-c. Der Rotorkörper sitzt mittels drei Teleskoptragarmen 2a-c auf einer senkrechten Rotorwelle 4. Konstruktiv gehört zum H-Rotor noch eine Anlaufhilfe (nach Savoniusbauart) mit drei gegeneinander versetzten Rotorleitblechen 5a-c und zwei kreisförmigen Endscheiben 6a-b . Sie dienen der Optimierung einer hocheffektiven Durchströmung der Antriebsvorrichtung.
Im Gegensatz zu allen anderen windnutzenden Systemen wirkt die Abluft aus der ersten halbkreisrunden Schale 5a, in der zweiten 5b und dritten 5c wieder antreibend, sofern die Rotorschalen 5a-c nach innenhin offen zueinander sind. Es lassen sich optimale Wirkungsgrade erzielen. Zum anderen bekommt die Starthilfe bei zu großen Windlasten die Funktion einer aerodynamischen Bremse. Aufgrund seiner strömungstechnischen Form liegt die maximale Schnelllaufzahl bei 1 und bietet einen gewissen Schutz vor Zerstörung der Rotorflügel durch überhöhte Fliehkräfte.
Schlußwort:
Besonders eine vereinfachte konsequente Leichtbauweise mit hoher konstruktiver Steifigkeit kommt hier zum Tragen. Weitere Vorteile ergeben sich aus einer gesteigerten Selbstanlauffähigkeit, eine verschleißarme Technik (keine Blattverstellung), Unempfindlichkeit gegenüber Böjenbelastungen (durch hohe Steifigkeit der Gesamtkonstruktion) und Geräuschlosigkeit wegen gemäßigter Schnelllaufzahlen.

Claims

Windturbine, dadurch gekennzeichnet, dass die drei Flügelprofile (1a-c) durch drei horizontale Teleskoparme (2a-c) mit der Nabe des Rotorkörpers verbunden sind.
Windturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der einzelne Rotorarm (2a-c) aus einem festen und einen beweglichen Teleskopteil (2a-c) besteht.
Windturbine nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass der bewegliche Teil des Rotorarms (2a-c) mit einer Schraubenzugfeder (3a-c), der im starren Teil des Verbindungsarm (2a-c) sitzt, verbunden ist.
Windturbine nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass oberhalb des Rotorkörpers eine dreiteilige aerodynamische Anlaufhilfe (5a-c) installiert ist.
Windturbine nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die drei halbrund gebildeten Anschubteile (5a-c) senkrecht in einem 120 Grad Winkel ausgerichtet und mit zwei kreisförmigen Endscheiben (6a-b) versehen sind.
Windturbine nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorwelle (4) mit einem Generator (7) verbunden ist.