DE202019002224U1

DE202019002224U1 - Length-variable H-Darrieus twin rotor

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Publication number: DE202019002224U1
Application number: DE202019002224.4U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2019-05-21
Filing date: 2019-05-21
Publication date: 2019-07-15
Anticipated expiration: 2029-05-22

Abstract

Windturbine, dadurch gekennzeichnet, dass sechs Flügelprofile (4a-c, 5a-c) mit zwei Rotornaben (7a-b) des doppelten Rotorkörpers verbunden sind.

Wind turbine, characterized in that six wing profiles (4a-c, 5a-c) are connected to two rotor hubs (7a-b) of the double rotor body.

Description

Die Erfindung betrifft eine Windkraftanlage (auch H-Darrieus-Turbine genannt) mit zweimal drei senkrecht angeordneten und unverwundenen Rotorblätter und Profilform in Rechteckgeometrie auf einer vertikalen Rotorwelle installiert, die drehbar gelagert ist.The invention relates to a wind turbine (also called H-Darrieus turbine) with two times three vertically arranged and unbound blades and profile shape installed in a rectangular geometry on a vertical rotor shaft, which is rotatably mounted.

Die konstruktive Besonderheit sind die drei Verbindungsarme zwischen Nabe und Flügel des Hauptrotors. Bei zunehmenden Drehzahlen werden die bewglichen Teile des vierteiligen Teleskoparmes mit Hilfe der Fliehkraft in eine radiale Richtung gedrückt. Die Folge ist eine längenvariable Vergrößerung des Rotordurchmesser. Eine exponentielle Zunahme an kinetischer Energie ist die Folge. Bei abnehmendem Wind werden die flexiblen Teleskoprohre mittels Schraubenzugfedern wieder in ihre ursprüngliche Ausgangsposition zurückversetzt.The constructive feature is the three connecting arms between hub and wing of the main rotor. With increasing speeds, the weighted parts of the four-part telescopic arm are pressed by means of centrifugal force in a radial direction. The result is a variable length enlargement of the rotor diameter. An exponential increase in kinetic energy is the result. When the wind decreases, the flexible telescopic tubes are returned to their original starting position by means of helical tension springs.

Da bei Schwachwindverhältnissen das Anlaufverhalten nicht ausreichend ist, kommt ein baugleicher, kleinerer Hilfsrotor als Anlaufhilfe mit auftriebsbedingter Wirbelbildung zum Einsatz. Der kleine Rotorkörper sitzt unterhalb des Hauptrotors. Der Rotor läuft im Leerlauf an und kommt schnell auf hohe Umdrehungen. Sobald der große Rotor eine bestimmte Drehzahl erreicht hat, wird auch der Hilfsrotor unter Last gesetzt. Die Erzeugung von Randwirbel durch den Sekundärrotor geben dem Primärrotor einen zusätzlichen, aerodynamischen Leistungsschub.Since in low-wind conditions the startup behavior is not sufficient, a structurally identical, smaller auxiliary rotor is used as a start-up aid with buoyancy-induced vortex formation. The small rotor body sits below the main rotor. The rotor starts idling and quickly reaches high revolutions. As soon as the large rotor has reached a certain speed, the auxiliary rotor is also put under load. The generation of edge vortices by the secondary rotor give the primary rotor an additional, aerodynamic performance boost.

Alle drei Rotorflügel des großen Rotors sind pitchgeregelt. D.h. die drei Blätter sind mit einer selbsttätig arbeitenden strömungsmechanischen Verstellvorrichtung zum Zwecke einer Optimierung des Anstellwinkels ausgestattet.All three rotor blades of the large rotor are pitch controlled. That The three blades are equipped with an automatic fluidic adjustment device for the purpose of optimizing the angle of attack.

Nachteile bei dieser Bauart entstehen, wenn der Rotorkörper einen gleichbleibenden, unveränderlichen Durchmesser aufweist. Der Energie-Output ist aufgrund seiner festgelegten Radiusgröße leistungsmäßig begrenzt.Disadvantages of this design arise when the rotor body has a constant, invariable diameter. The energy output is limited in performance due to its fixed radius size.

Die Aufgabe der Erfindung wird darin gesehen, eine Anordnung der genannten Bauart zu konstruieren, der den dargestellten Nachteil beseitigen soll.The object of the invention is seen to construct an arrangement of the type mentioned, which is intended to eliminate the drawback presented.

Die Lösung der Aufgabe besteht erfindungsgemäß darin, den Rotorradius in einer längenvariablen Weise bei zunehmender Windgeschwindigkeit proportional zu vergrößern. Die Leistung läßt sich bei einer Verdoppelung des Rotordurchmessers um das Vierfache steigern. Weiter vorteilhaft ist die Wirbelbildung des Sekundärrotors zur Leistungserhöhung des Hauptrotors.The object of the invention is to proportionally increase the rotor radius in a variable length manner with increasing wind speed. The power can be increased by a factor of four with a doubling of the rotor diameter. Further advantageous is the vortex formation of the secondary rotor to increase the power of the main rotor.

Von Vorteil ist die automatisch tätige Verstellmechanik der Flügel des großen Rotors. Wenn der Wind zu stark wird, hat die Blattverstellvorrichtung die Funktion einer aerodynamischen Bremse. D.h. ist der Wind zu intensiv, so wird Last von den Flügelflächen genommen. Es folgt eine Drehzahlbegrenzung. Ein Überdrehen des Rotorkörpers wird somit verhindert.An advantage is the automatic adjustment mechanism of the wings of the large rotor. When the wind gets too strong, the blade adjuster has the function of an aerodynamic brake. That if the wind is too intense, load will be taken off the wings. This is followed by a speed limitation. Over-rotation of the rotor body is thus prevented.

Aus der nachfolgenden Beschreibung und der schematischen und perspektivischen Darstellung des vertikalen Doppelrotors soll die Erfindung ausführlich erläutert werden.

1: Perspektivische und schematische Gesamtdarstellung der vertikalen Windkraftanlage mit dem Haupt- und Hilfsrotor.
2: Zweidimensionale Gesamtdarstellung der H-Darrieus-Turbine mit dem Primär- und Sekundärrotor.
3: Schematische Darstellung des Teleskoprotorarms (hier im ausgefahrenen und eingefahrenen Zustand).
4: Perspektivische und schematische Gesamtdarstellung der Rotorblattverstellmechanik.
5: Perspektivische und schematische Teildarstellung der Rotorblattverstellvorrichtung.
6: Draufsicht der schematischen Darstellung der Rotorblattverstellmechanik.

From the following description and the schematic and perspective view of the vertical double rotor, the invention will be explained in detail.

1 : Perspective and schematic overall view of the vertical wind turbine with the main and auxiliary rotor.
2 : Two-dimensional overall representation of the H-Darrieus turbine with the primary and secondary rotor.
3 : Schematic representation of the telescopic rotor arm (here in the extended and retracted state).
4 : Perspective and schematic overview of the rotor blade adjustment mechanism.
5 : Perspective and schematic partial representation of the rotor blade adjustment device.
6 : Top view of the schematic representation of the rotor blade adjustment mechanism.

Wie aus den einzelnen 1-6 und Darstellungen zu ersehen ist, besteht die Windturbine aus zwei Rotoren: den Hauptrotor 2a-c,4a-c, und den Nebenrotor 3a-c, 5a-c. Der große Rotor hat drei Teleskoparme 2a-c,2df und drei baugleiche Rotorblätter 4a-c. Die Rotorflügel 5a-c des kleinen Rotors sind mit drei festen Verbindungsstreben verbunden. Alle Rotorarme 2a-c,3a-c der beiden Rotorkörper sitzen kraftschlüssig an den beiden Rotornaben 7a-b.As from the individual 1-6 and illustrations can be seen, the wind turbine consists of two rotors: the main rotor 2a-c . 4a-c , and the secondary rotor 3a-c . 5a-c , The big rotor has three telescopic arms 2a-c . 2df and three identical rotor blades 4a-c , The rotor blades 5a-c of the small rotor are connected to three fixed connecting struts. All rotor arms 2a-c . 3a-c The two rotor bodies are frictionally seated on the two rotor hubs 7a-b ,

Die Flügel 4a-c des Hauptrotors verfügen über eine selbsttätig funktionierende Anstellvorrichtung 6a-c zur Regulierung des Anströmwinkels bei Windlasten.The wings 4a-c of the main rotor have an automatically functioning adjusting device 6a-c for regulating the angle of attack in wind loads.

Bei dem hier erwähnten Blattverstellmechanismus 6a-c handelt es sich um eine gebogene Flachblattfeder, die am äußeren Rand in einer scheibenförmigen Trommel installiert ist. Das Ende der Blattfeder sitzt um etwa eine dreiviertel Drehung versetzt am Rotorholm 2a-c. Es besteht eine teilelastische Verbindung zwischen der Trommel 6a-c und dem Rotorarm2a-c. An jedem Flügelsegment 4a-c ist eine Blattverstellvorrichtung 6a-c angeordnet.In the blade adjustment mechanism mentioned here 6a-c it is a curved flat leaf spring, which is installed at the outer edge in a disc-shaped drum. The end of the leaf spring sits offset by about a quarter of a turn on the rotor spar 2a-c , There is a partially elastic connection between the drum 6a-c and the rotor arm 2a-c. At every wing segment 4a-c is a blade adjuster 6a-c arranged.

Die Blattverstellmechanik befindet sich in der Blattmitte, um den Staudruck des Windes gleichmäßig zu verteilen. Die Belastbarkeit der einzelnen Blattfeder ist so ausgelegt, dass das Federelement bei zunehmenden Windlasten nachgibt. Beim Umlauf wird der Anstellwinkel eines jeden Flügelteils so ausgerichtet und angepaßt, dass eine optimale Umströmung des Blattprofils, auch bei unterschiedlich starkenWindverhältnissen, dauerhaft gewährleistet bleibt. Sollten kurzfristig extreme Windschwankungen entstehen, so ist die Belastung des Federmechanismus so ausgelegt, dass bei auftretenden Windböen die gebogene Blattfeder so lange nachgibt, bis die Rotorblätter einen Anstellwinkel erreicht haben, der zum Abriß der Strömung führt. Somit wird ein Überdrehen des Hauptrotors verhindert und gefährliche Windlasten vom Rotorkörpergenommen und die Rotorleistung auf die festgelegten Leistungswerte begrenzt.The blade adjustment mechanism is located in the middle of the blade to evenly distribute the dynamic pressure of the wind. The load capacity of each leaf spring is designed so that the spring element yields with increasing wind loads. When circulating the angle of attack of each wing part is aligned and adapted so that an optimum flow around the blade profile, even with different strong wind conditions, permanently ensured. If extreme wind fluctuations occur in the short term, the load on the spring mechanism is designed so that when wind gusts occur, the bent leaf spring yields until the rotor blades have reached an angle of attack, which leads to the demolition of the flow. Thus, overrunning of the main rotor is prevented and dangerous wind loads are taken from the rotor body and the rotor power is limited to the specified power levels.

Bei dem zweifachen Vertikalachsenläufer kommt noch ein strömungstechnisches Phänomen zum Tragen: Bei Rechteckflügel mit aerodynamischer Profilierung wirkt eine Kraft auf einen rotierenden Körper. Die Rotorblätter 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 Nutzung der Auftriebskraft zum Zwecke einer Leistungserhöhung.In the case of the double vertical axis rotor, a fluidic phenomenon also comes into play: In the case of rectangular wings with aerodynamic profiling, a force acts on a rotating body. The rotor blades form an imaginary, cylindrical shape during rotation, when the rotor body is flowed at right angles to the wind direction. The rotations of the rotor generate a lateral force. This so-called Magnus effect additionally increases the buoyancy on the sash profile. The described rotor ensures optimum utilization of the buoyancy force for the purpose of increasing the output.

Die Innovation der Anlage sind die drei Teleskoprotorarme 2a-c. Bei zunehmender Windstärke werden die beweglichen Teile des Teleskoprohres 2a-c mittels der Fliehkraft ausgefahren. In ihrer Variabilität können die Rotorarme 2a-c um das Doppelte des Rotordurchmessers verlängert werden. Die Energiebilanz erhöht sich um das Vierfache. Wird der Wind in seiner Intensität schwächer, so werden die beweglichen Teile der Verbindungsarme 2a-c wieder in ihre ursprüngliche Ausgangsposition zurückversetzt.The innovation of the system are the three telescopic rotor arms 2a-c , As the wind strength increases, the moving parts of the telescopic tube become 2a-c extended by centrifugal force. In their variability, the rotor arms 2a-c be extended by twice the rotor diameter. The energy balance increases fourfold. If the wind weakens in intensity, so do the moving parts of the connecting arms 2a-c back to their original starting position.

Allgemeine Betrachtungsweise zum Betriebsverhalten des Doppelrotors:General approach to the performance of the twin rotor:

Bei ungünstigen Windbedingungen können Faktoren wie niedrige Windgeschwindigkeit, hohe Turbulenzen, und konstante Windrichtungsänderung die Stromerzeugung einer Windturbine mit horizontaler Achse reduzieren. Bestimmte Konstruktionsprinzipien für Windanlagen mit vertikaler Achse funktionieren unter diesen harten Betriebsbedingungen gut. Diese Windrotoren haben jedoch typischerweise niedrige Leistungskoeffizienten.In adverse wind conditions, factors such as low wind speed, high turbulence, and constant wind direction change can reduce the power generation of a horizontal axis wind turbine. Certain design principles for vertical axis wind turbines work well under these harsh operating conditions. However, these wind rotors typically have low power coefficients.

Um die oben genannten Probleme zu überwinden, wurde eine neuartige Windkraftanlage mit einem Doppelrotor mit senkrechter Welle konzipiert. Der kleine Rotor lenkt den ankommenden Luftstrom nach oben und treibt den großen Rotor zusätzlich an. Durch die Wirbelbildung und den damit verbundenen Turboeffekt werden aerodynamische Auftriebskräfte an den Blattprofilen des Hauptrotors kräftig gesteigert. D. h.durch die Lenkung des Luftwirbels vom Nebenrotor auf die Flügeldes Hauptrotors beeinflußt die gegenseitige, auftriebsbedingte Wechselwirkung ein starkes Drehmoment am Blattprofil des größeren Rotor.To overcome the above problems, a novel wind turbine with a double rotor with a vertical shaft was designed. The small rotor directs the incoming air flow upwards and additionally drives the large rotor. Due to the vortex formation and the associated turbo effect aerodynamic buoyancy forces on the blade profiles of the main rotor are greatly increased. That is, by directing the swirl of air from the sub rotor to the blades of the main rotor, the mutual buoyancy interaction affects a strong torque on the blade profile of the larger rotor.

Vorteilhaft ist die Platzierung eines zweiten, kleineren Rotor unterhalb des Hauptrotors der Windturbine. Schon bei Schwachwindverhältnissen läuft der der Ko-Rotor im Leerlauf an und erreicht hohe Drehzahlen.The placement of a second, smaller rotor below the main rotor of the wind turbine is advantageous. Even at low wind conditions, the co-rotor idles and reaches high speeds.

Die schnelle Rotationsgeschwindigkeit des Rotorkörpers erzeugt einen kreisrunden Wirbel. Dadurch werden die Auftriebskräfte nochmals erhöht.The fast rotational speed of the rotor body produces a circular vortex. As a result, the buoyancy forces are increased again.

Ab einer bestimmten Windstärke kann der Sekundärrotor leistungsmäßig zugeschaltet werden. Das Drehverhalten des Nebenrotors stallgeregelt, um ein Beschädigen der Rotorelemente zu verhindern.From a certain wind strength, the secondary rotor can be switched on according to performance. The rotational behavior of the secondary rotor is stall-controlled in order to prevent damage to the rotor elements.

Weitere Vorteile zeigen sich in einer gesteigerten Selbstanlauffähigkeit, eine verschleißarme Blattverstellmechanik und eine aerodynamisch erhöhten Leistungssteigerung, aufgrund einer dynamisch genutzten Längenvariabilität des Rotordurchmessers des Primärotors der Windturbine.Further advantages are shown in an increased self-starting capability, a low-wear blade adjustment mechanism and an aerodynamically increased performance increase, due to dynamically used length variability of the rotor diameter of the primary rotor of the wind turbine.

Claims

Wind turbine, characterized in that six wing profiles (4a-c, 5a-c) are connected to two rotor hubs (7a-b) of the double rotor body.

Wind turbine behind Claim 1 , characterized in that the three rotor arms (2a-c) of the main rotor consist of a rigid and three balanced telescopic tubes (2a-c).

Wind turbine behind Claim 1 to 2 , characterized in that the flexible parts of the rotor arm (2a-c) with three Schraubenzugfedern (2d-f), which sit in the interior of the connecting part (2a-c) are connected.

Wind turbine behind Claim 1 to 3 , characterized in that between the rotor arms (2a-c) and the three rotor blades (4a-c) of the primary rotor, a Flügelverstellmechanik (6a-c), consisting of a leaf spiral spring, housing and holder, is arranged.