DE212013000252U1

DE212013000252U1 - Rotor for a wind machine with pneumatic power transmission

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Publication number: DE212013000252U1
Application number: DE212013000252.1U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-12-14
Filing date: 2013-12-12
Publication date: 2015-07-20
Anticipated expiration: 2023-12-13
Also published as: HU1200735D0; WO2014091264A1; HU4888U

Abstract

Rotor für eine Windmaschine mit pneumatischer Kraftübertragung, wobei der Rotor (4) eine Rotornabe (3) mit einem hohlen Innenraum und damit verbundene Rotorschaufeln (10) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass jede der Rotorschaufeln (10) – einen inneren Schaufelabschnitt (7) mit einem Luftleitungskanal neben dem hohlen Innenraum der Rotornabe (13), – einen Saugabschnitt (8), der mit dem äußeren Ende des inneren Schaufelabschnitts (7) verbunden ist, wobei der Saugabschnitt (8) mit einer Luftauslassöffnung versehen ist, die in strömungstechnischer Verbindung mit dem Luftleitungskanal steht, und – einen Endabschnitt (9, 12), der mit dem äußeren Ende des Saugabschnitts (8) verbunden ist, der sich zu einem Querschnitt verjüngt, der kleiner als jener des inneren Schaufelabschnitts (7) ist, umfasst.A rotor for a pneumatic power transmission wind turbine, the rotor (4) comprising a rotor hub (3) having a hollow interior and associated rotor blades (10), characterized in that each of the rotor blades (10) comprises an inner blade section (7) an air duct adjacent the hollow interior of the rotor hub (13), a suction section (8) connected to the outer end of the inner blade section (7), the suction section (8) being provided with an air outlet opening in fluid communication with the air duct, and an end portion (9, 12) connected to the outer end of the suction portion (8), which tapers to a cross section smaller than that of the inner blade portion (7).

Description

TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL AREA

Die Erfindung betrifft einen Rotor für eine Windmaschine mit pneumatischer Kraftübertragung, wobei der Rotor eine Rotornabe mit einem hohlen Innenraum und daran befestigten Rotorschaufeln umfasst. Die Erfindung betrifft ferner eine Windmaschine mit pneumatischer Kraftübertragung, die mit dem Rotor angeordnet ist. The invention relates to a rotor for a pneumatic power transmission wind machine, the rotor comprising a rotor hub having a hollow interior and rotor blades attached thereto. The invention further relates to a wind machine with pneumatic power transmission, which is arranged with the rotor.

HINTERGRUNDBACKGROUND

In herkömmlichen Windmaschinen ist der Rotor durch eine mechanische Kraftübertragung an die Maschine, am häufigsten einen Stromgenerator gekoppelt, der die Energie nutzt. Bisher wurden verschiedene unterschiedliche Anordnungen getestet, wobei dennoch die meisten der gegenwärtig hergestellten, energieerzeugenden Windmaschinen schnell laufende Rotoren mit drei Schaufeln und horizontaler Achse haben. In conventional wind machines, the rotor is coupled by a mechanical power transmission to the machine, most often a power generator that uses the power. Heretofore, various different arrangements have been tested, yet most of the presently produced power generating wind machines have fast moving rotors with three blades and horizontal axis.

Die Energie von Windmaschinen ist zur Oberfläche des Kreises, der von den Schaufeln überstrichen wird, der Luftdichte und der dritten Potenz der Windgeschwindigkeit proportional, wovon die einzige freie Variable die Größe ist. Eine Erhöhung der Größe führt zu einer erhöhten Energie, senkt aber die Drehzahl des Rotors. Ein Rotor mit 80–120 m Durchmesser einer Windmaschine mit 1–5 MW Leistung nach dem Stand der Technik führt 10–20 Umdrehungen pro Minute durch. Da der Generator zweckmäßig 1500/1600 Umdrehungen pro Minute braucht, muss ein Dreigang-Übersetzungsantrieb mit mindestens einem 1/100 Übersetzungsverhältnis zwischen dem Rotor und dem Generator eingesetzt werden. Erfahrungsgemäß ist dieses Antriebsgetriebe das problematischste Element in der Windkraftindustrie. Seine Herstellung ist teuer, es hat eine kurze Lebensdauer und behindert den Start der Windmaschine. Es ist erstrebenswert, eine solche Windmaschine bei zunehmendem Wind, d.h., bei einem Wind von 5m/s, mit Hilfe einer externen Energie zu starten, da das Moment, das der Wind ausübt, an diesem Punkt höher ist als das Bremsmoment, das der Reibung des Getriebes entspringt. The energy of wind machines is proportional to the surface of the circle covered by the blades, the air density and the cube of the wind speed, of which the only free variable is the size. An increase in size leads to increased energy, but lowers the speed of the rotor. An 80-120 m diameter rotor of a 1-5 MW prior art wind machine performs 10-20 revolutions per minute. Since the generator needs 1500/1600 revolutions per minute, a three-speed ratio drive with at least a 1/100 gear ratio between the rotor and the generator must be used. Experience has shown that this drive transmission is the most problematic element in the wind power industry. Its production is expensive, it has a short life and hinders the launch of the wind machine. It is desirable to start such a wind machine with increasing wind, that is, with a wind of 5 m / s, by means of an external energy, since the moment exerted by the wind at this point is higher than the braking torque, that of the friction of the transmission springs.

Zur Eliminierung des Antriebsgetriebes werden immer mehr Windmaschinen mit einem Rotor erzeugt, der direkt einen mehrpoligen Generator dreht. Dieser Generator generiert einen sogenannten Rohstrom mit einer Frequenz, die mit der Windgeschwindigkeit variiert, und der dem Netz erst nach einem Gleichrichten und einer Umkehr eingespeist werden kann. Eine solche Vorrichtung ist ebenso komplex, teuer und wandelt viel Energie in einen Wärmeverlust um. Eine andere Strategie zum Eliminieren des Antriebsgetriebes wird mit dem Konzept einer Windmaschine mit pneumatischer Übertragung bereitgestellt, das einige Jahrzehnte vor der Anwendung des mehrpoligen Generators aufgetaucht ist. Eine erste Beschreibung einer solchen Windmaschine findet sich in der Schweizer Patentschrift Nr. CH 282829 . In dieser Konstruktion ist die hohle Schaufel des Rotors durch eine Ebene normal zum Radius geschnitten und durch diese Öffnung wird Luft durch Zentrifugalkraft aus der Schaufel befördert. Der derart generierte innere Strom dreht eine Turbine und einen Stromgenerator. Anfang der 1950er wurde eine 100 kW Versuchswindmaschine mit pneumatischer Kraftübertragung anhand dieses Patents in Südengland gebaut. Die Maschine und die erworbenen Erfahrungen wurden in einem Artikel vom 25. März 1955, Ausgabe von 'Engineering' offenbart. Hier endet der Kanal in der Schaufel in einer Öffnung, die in Bezug auf die Bewegungsrichtung rückwärts angeordnet ist. Der Luftstrom, der durch die Öffnung mit einer hohen relativen Geschwindigkeit geht, saugt die Luft von der Schaufel. Während des Betriebs der Versuchsmaschine wurden Windgeschwindigkeit und Strom gemessen. Der Energieeffizienzfaktor der Maschine war 14,5%, was bedeutet, dass dieser Anteil der Windkraft von der Maschine genutzt wurde. Derzeit ist der Energieeffizienzfaktor herkömmlicher Windmaschinen, die jahrzehntelang entwickelt wurden, etwa 30%. Anhand der Ergebnisse wurde das Konzept einer pneumatischen Kraftübertragung abgelehnt, anstatt zu versuchen, die Effizienz der Maschine zu erhöhen. To eliminate the drive gear more and more wind machines are produced with a rotor that directly rotates a multi-pole generator. This generator generates a so-called raw current with a frequency that varies with the wind speed, and which can be fed to the grid only after a rectification and a reversal. Such a device is just as complex, expensive and converts a lot of energy into heat loss. Another strategy for eliminating the drive gear is provided by the concept of a pneumatic transmission wind machine that has appeared several decades before the multi-pole generator application. A first description of such a wind machine can be found in the Swiss patent no. CH 282829 , In this construction, the hollow blade of the rotor is cut through a plane normal to the radius and through this opening, air is conveyed by centrifugal force from the blade. The internal current thus generated rotates a turbine and a power generator. In the early 1950s, a 100 kW experimental wind machine with pneumatic power transmission was built based on this patent in southern England. The machine and the acquired experience were disclosed in an article of March 25, 1955, issue of 'Engineering'. Here, the channel in the blade terminates in an opening which is rearward with respect to the direction of movement. The airflow passing through the orifice at a high relative velocity sucks the air from the blade. During operation of the experimental machine, wind speed and current were measured. The energy efficiency factor of the machine was 14.5%, which means that this part of the wind power was used by the machine. Currently, the energy efficiency factor of conventional wind machines, which have been developed for decades, is about 30%. Based on the results, the concept of pneumatic power transmission was rejected instead of trying to increase the efficiency of the machine.

Im Ungarischen Patent Nr. 224 256 sind mehrere Lösungen zur Verbesserung der Windmaschine mit pneumatischer Kraftübertragung durch Erhöhen der Saugwirkung vorgeschlagen. Eine Versuchswindmaschine, die mit einem Flügelprofil-Querschnittssaugprofil mit einem Durchmesser von 2 Meter gestaltet ist, die auf der Basis der Erfindung gebaut wurde, wandelte 26–28% der Windkraft in interne pneumatische Kraft um.in the Hungarian Patent No. 224 256 Several solutions for improving the wind machine with pneumatic power transmission by increasing the suction are proposed. An experimental wind machine designed with a 2 meter diameter wing profile cross-sectional suction profile built on the basis of the invention converted 26-28% of the wind power into internal pneumatic power.

In bekannten Windmaschinen mit pneumatischer Kraftübertragung dreht der Rotor frei und wird durch Windgeschwindigkeiten von nur 1 m/s gestartet. Die Schaufeln, der Kopf und die Säule bilden einen geschlossenen durchgehenden Kanal. Am Ende jeder Schaufel ist ein Saugprofil mit einer entsprechenden Luftauslassöffnung angeordnet, wobei die Luft infolge der Saugwirkung durch diese Luftauslassöffnungen austritt und in den geschlossenen inneren Kanal der Windmaschine durch den Boden der Säule eintritt, die Turbine entlang ihres Pfades dreht, wodurch wiederum der Generator gedreht wird. In known wind machines with pneumatic power transmission, the rotor rotates freely and is started by wind speeds of only 1 m / s. The blades, the head and the column form a closed continuous channel. At the end of each blade there is disposed a suction profile with a corresponding air outlet opening, the air exiting through these air outlet openings due to suction and entering the closed inner duct of the wind machine through the bottom of the column, rotating the turbine along its path, which in turn rotates the generator becomes.

Ein allgemeines Problem bekannter Rotoren einer Windmaschine mit pneumatischer Kraftübertragung ist, dass die Schaufel, die zum Umwandeln von Windenergie in mechanische Energie so schmal sein solle wie jene, die in herkömmlichen Kraftübertragungswindmaschinen verwendet werden. Der Luftstrom im Rotor kann jedoch nur von einer Schaufel mit einem größeren Querschnitt effektiv geleitet werden. Gegenwärtig ist kein Rotor imstande, diese beiden Anforderungen zu erfüllen. A common problem with known rotors of a pneumatic power transmission wind turbine is that the blade which should be as narrow to convert wind energy to mechanical energy as those in conventional ones Power transmission wind machines are used. The air flow in the rotor, however, can only be efficiently conducted by a blade with a larger cross-section. At present, no rotor is capable of meeting these two requirements.

BESCHREIBUNG DER ERFINDUNGDESCRIPTION OF THE INVENTION

Die primäre Aufgabe der Erfindung ist die Verbesserung des Rotors einer Windmaschine mit pneumatischer Kraftübertragung, nämlich eine Erhöhung des Energieeffizienzfaktors der Windmaschine. Eine zusätzliche Aufgabe der Erfindung ist die Entwicklung eines Rotors und einer Windmaschine mit pneumatischer Kraftübertragung, die im höchstmöglichen Ausmaß frei von den Nachteilen von Rotoren nach dem Stand der Technik sind. Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Rotor zu entwickeln, der am besten den zweifachen Anforderungen entspricht, die an solche Rotoren gestellt werden, nämlich eine effiziente Umwandlung von Windenergie in mechanische Energie bei gleichzeitig effektiver Lenkung des Luftstroms innerhalb des Rotors. The primary object of the invention is to improve the rotor of a wind machine with pneumatic power transmission, namely an increase in the energy efficiency factor of the wind machine. An additional object of the invention is the development of a rotor and a wind machine with pneumatic power transmission, which are to the maximum extent free from the disadvantages of prior art rotors. It is an object of the invention to develop a rotor that best suits the dual requirements placed on such rotors, namely efficient conversion of wind energy into mechanical energy while simultaneously effectively directing the air flow within the rotor.

Es ist die Erkenntnis der Erfindung, dass die gestellte Aufgabe durch einen Rotor gelöst werden kann, wobei die Luftauslassöffnung näher bei der Achse liegt, anstatt am Ende jeder Schaufel angeordnet zu sein. Dadurch kann Windenergie von einem signifikanten Teil der genutzten Windfläche durch schmale, hoch effiziente Schaufelabschnitte gesammelt werden, während weniger effiziente Schaufelabschnitte mit größerem Querschnitt nur einen kleineren Teil der genutzten Windfläche betreffen. It is the recognition of the invention that the object can be achieved by a rotor, wherein the air outlet opening is closer to the axis, instead of being arranged at the end of each blade. This allows wind energy to be collected from a significant portion of the utilized wind area through narrow, highly efficient vane sections, while less efficient vane sections of larger cross-section only affect a smaller portion of the utilized wind area.

Die Aufgabe der Erfindung kann durch den Rotor nach Anspruch 1 und durch die Windmaschine mit pneumatischer Kraftübertragung nach Anspruch 9 gelöst werden. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert. The object of the invention can be achieved by the rotor according to claim 1 and by the wind machine with pneumatic power transmission according to claim 9. Preferred embodiments of the invention are defined in the dependent claims.

Ein Luftstrom zur Luftauslassöffnung kann effektiv durch den inneren Schaufelabschnitt gemäß der Erfindung erreicht werden. Das Saugteil kann dazu dienen, einen Querschnittsübergang zwischen dem inneren Schaufelabschnitt mit einem Luftleitungskanal und dem Endteil mit kleinerem Querschnitt herzustellen, der im Sinne einer Drehung effizient ist.An air flow to the air outlet opening can be effectively achieved by the inner blade section according to the invention. The suction member may serve to produce a cross-sectional transition between the inner blade portion having an air duct and the smaller diameter end portion being efficient in rotation.

Die Luftauslassöffnung ist vorzugsweise an dem Abschnitt der Schaufellänge zwischen einem Viertel und drei Viertel positioniert, wobei sie vorzugsweise im mittleren Drittel der Schaufellänge positioniert ist. In einer besonders bevorzugten Konfiguration ist sie in der Nähe der halben Länge der Schaufel positioniert. Auf diese Weise kann Windenergie mit schmalen, hoch effizienten Schaufelabschnitten aus einem signifikanten Teil – von drei Vierteln im Fall einer längsweisen Halbierung – der genutzten Windfläche gesammelt werden, und nur ein kleinerer Teil – ein Viertel im Fall einer längsweisen Halbierung – der genutzten Windfläche ist von weniger effizienten Schaufelabschnitten mit größerem Querschnitt betroffen. The air outlet opening is preferably positioned at the portion of the blade length between a quarter and three quarters, preferably being positioned in the middle third of the blade length. In a particularly preferred configuration, it is positioned near half the length of the blade. In this way, wind energy with narrow, highly efficient vane sections can be collected from a significant portion - three quarters in the case of a split in half - of the wind area used, and only a minor portion - one quarter in the case of halving in half - of the utilized wind area is from affected less efficient vane sections with larger cross section.

Durch Neupositionieren der Luftauslassöffnung wird jedoch auch die Umfangsgeschwindigkeit, die die Saugwirkung erzeugt, verringert – im Fall einer längsweisen Halbierung auf die Hälfte. Daher ist es besonders bevorzugt, gleichzeitig damit auch die Saugwirkung zu erhöhen, die die Luftauslassöffnung betrifft. Dies kann zweckmäßig durch Beschleunigen des äußeren Stroms in der Nähe des Saugprofils durch ein Luftablenkprofil erreicht werden. By repositioning the air outlet opening, however, the circumferential speed which generates the suction effect is also reduced - in the case of a halving in half by half. Therefore, it is particularly preferable to simultaneously increase the suction effect on the air outlet port. This can be conveniently achieved by accelerating the external flow in the vicinity of the suction profile by means of an air deflection profile.

Spezielle neue Merkmale der Erfindung sind die drei Abschnitte, die entlang den Längen der Rotorschaufeln unterschieden werden können. Der erste Abschnitt, der mit der Rotornabe verbunden ist, wird in der Folge als innerer Schaufelabschnitt bezeichnet, der ein hohler Abschnitt ist, der einen Luftleitungskanal bildet. Der zweite Abschnitt ist der Saugabschnitt, der die Luftauslassöffnung umfasst und direkt oder indirekt mit dem äußeren, d.h., abgelegenen Ende relativ zur Drehachse, des inneren Schaufelabschnitts verbunden ist. Der dritte Abschnitt ist ein schnell laufender Rotorschaufel-Endabschnitt herkömmlicher Form und Struktur mit einem kleinen Querschnitt, der direkt oder indirekt mit dem äußeren Ende des Saugabschnitts verbunden ist. Special novel features of the invention are the three sections that can be distinguished along the lengths of the rotor blades. The first portion connected to the rotor hub is hereinafter referred to as the inner blade portion, which is a hollow portion forming an air duct. The second section is the suction section, which includes the air outlet opening and is connected directly or indirectly to the outer, i.e., distal, end relative to the axis of rotation of the inner vane section. The third section is a high-speed rotor blade end portion of conventional shape and structure with a small cross section that is directly or indirectly connected to the outer end of the suction section.

Die jeweiligen Formen und Größen jedes der Abschnitte werden durch Experimente bestimmt und entworfen, so dass die Saug- und Luftablenkprofile den Rotor auf die höchstmögliche Kraft bremsen sollten und den inneren Luftstrom auf die höchste Geschwindigkeit beschleunigen sollten. Während des Betriebs müssen und sollten Schaufeln und Profile nicht auf die sich ändernde Windgeschwindigkeit eingestellt werden, da sowohl das Moment der Schaufeln wie auch das Bremsmoment der Profile im Verhältnis zur dritten Potenz der Geschwindigkeit zunehmen. The particular shapes and sizes of each section are determined and designed through experimentation so that the suction and air deflection profiles should slow the rotor to the highest possible force and accelerate the internal airflow to the highest speed. During operation, blades and profiles need not and should not be adjusted to the changing wind speed, as both the momentum of the blades and the braking momentum of the profiles increase in proportion to the cube of the velocity.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der zweite Abschnitt der Rotorschaufel, d.h., des Saugprofils, von einem Luftablenkprofil umgeben. In a preferred embodiment of the invention, the second section of the rotor blade, i.e. the suction profile, is surrounded by an air deflector profile.

Vorzugsweise ist der dritte Abschnitt der Rotorschaufel nicht gerade, sondern nach hinten relativ zur Bewegungsrichtung geneigt, das heißt, er hat eine konvexe geneigte Form in die Richtung (Ebene) der Drehung. Auf diese Weise kann ein einfacher und passiver und somit kostengünstiger Sturmschutz erreicht werden. Die Umfangsgeschwindigkeit und Drehzahl der geraden Schaufel werden im ungefähren Verhältnis zur Windgeschwindigkeit erhöht. Die geneigte Schaufel biegt und dreht sich flexibel in einem Ausmaß, das von ihrer Steifigkeit abhängig ist, infolge des Winddrucks, der gemeinsam mit der Windgeschwindigkeit steigt. Die Variation der Form bewirkt, dass der Schaufelwinkel zunimmt, wodurch als Folge die Erhöhung in der Drehzahl verringert wird.Preferably, the third section of the rotor blade is not straight, but inclined rearwardly relative to the direction of movement, that is, has a convex inclined shape in the direction (plane) of rotation. In this way, a simple and passive and thus cost storm protection can be achieved. The peripheral speed and number of revolutions of the straight blade are increased in approximate proportion to the wind speed. The inclined blade bends and flexes flexibly to an extent that depends on its stiffness, due to the wind pressure that increases along with the wind speed. The variation of the shape causes the blade angle to increase, as a result of which the increase in rotational speed is reduced.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

Beispielhafte bevorzugte Ausführungsformen des Rotors und der Windmaschine mit pneumatischer Kraftübertragung gemäß der Erfindung werden in der Folge mit Bezugnahme auf die folgenden Zeichnungen beschrieben, von welchenExemplary preferred embodiments of the rotor and the pneumatic power transmission wind machine according to the invention will be described in the following with reference to the following drawings, of which

1 eine schematische Seitenansicht einer Ausführungsform des Rotors und der Windmaschine gemäß der Erfindung ist, wie in einer Seitenansicht in Bezug auf die Windrichtung dargestellt ist, 1 3 is a schematic side view of an embodiment of the rotor and the wind machine according to the invention, as shown in a side view with respect to the wind direction,

2 eine Vorderansicht der schematischen Darstellung des Rotors von 1 ist, 2 a front view of the schematic representation of the rotor of 1 is

3 eine vergrößerte schematische Vorderansicht der Rotorschaufel des Rotors gemäß vorliegender 2 mit einem Luftablenkprofil ist, 3 an enlarged schematic front view of the rotor blade of the rotor according to present 2 with an air deflection profile,

4 eine schematische radiale Ansicht des Luftablenkprofils ist, 4 is a schematic radial view of the Luftablenkprofils,

5 eine teilweise schematische tangentiale Ansicht des Luftablenkprofils und der Rotorschaufel ist und 5 a partially schematic tangential view of the Luftablenkprofils and the rotor blade is and

6 eine schematische Vorderansicht einer bevorzugten Ausführungsform des Rotors gemäß der Erfindung mit einem geneigten Endabschnitt ist. 6 a schematic front view of a preferred embodiment of the rotor according to the invention with a sloped end portion.

AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNGEMBODIMENTS OF THE INVENTION

1 ist eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, die einen Rotor 4 und eine Windmaschine mit pneumatischer Kraftübertragung zeigt. Ein Hals 2, der zur Schwenkbewegung um eine vertikale Achse montiert ist, liegt neben dem oberen Ende der Säule 1 der Windmaschine. Unterhalb sind Luftaufnahmeöffnungen 15 ausgebildet; darüber sind ein Generator 6 und eine Turbine 5 angeordnet. Die Luft strömt durch einen Abschnitt mit einem vorzugsweise flachen stromlinienförmigen Profil des Halses 2 in den Kopf 3 der Windmaschine und in die Rotornabe 13 des Rotors 4 mit einem hohlen Innenraum und verzweigt sich dann in drei Richtungen und strömt in die Rotorschaufeln 10, die mit der Rotornabe 13 verbunden sind. 1 is a schematic representation of a preferred embodiment of the invention, the rotor 4 and shows a wind machine with pneumatic power transmission. A neck 2 , which is mounted for pivotal movement about a vertical axis, located adjacent to the upper end of the column 1 the wind machine. Below are aerial intake openings 15 educated; above that are a generator 6 and a turbine 5 arranged. The air flows through a section having a preferably flat streamlined profile of the neck 2 in the head 3 the wind machine and the rotor hub 13 of the rotor 4 with a hollow interior and then branches in three directions and flows into the rotor blades 10 that with the rotor hub 13 are connected.

Die Rotorschaufeln 10 gemäß der Erfindung umfassen einen inneren Schaufelabschnitt 7 mit einem Luftleitungskanal neben dem hohlen Innenraum der Rotornabe 13. Der innere Schaufelabschnitt 7 gemäß der Erfindung sorgt für eine effiziente Erzeugung eines inneren Luftstroms, gleichzeitig betreffen weniger effiziente Schaufelabschnitte mit größerem Querschnitt nur einen geringen Teil der genutzten Windfläche. Zum Beispiel kann der Luftleitungskanal mit einem inneren Schaufelabschnitt 7 mit einer hohlen Struktur gestaltet sein. Im Falle der hohlen Struktur ist bevorzugt, über eine Form mit konstantem Querschnitt über dessen gesamte Länge zu verfügen. Im Fall eines Längsquerschnitts variabler Form ist vorzugsweise die Querschnittsfläche entlang der Länge konstant oder nimmt langsam nach außen hin ab. Die Innenfläche der hohlen Struktur ist, ähnlich ihrer Außenfläche, vorzugsweise glatt, frei von wirbelerzeugenden scharfen Rädern oder Vorsprüngen, die andernfalls die Effizienz verringern würden. The rotor blades 10 according to the invention comprise an inner blade portion 7 with an air duct next to the hollow interior of the rotor hub 13 , The inner blade section 7 according to the invention provides for an efficient generation of an internal air flow, at the same time concern less efficient blade sections with a larger cross-section only a small part of the wind area used. For example, the air duct may have an inner vane section 7 be designed with a hollow structure. In the case of the hollow structure, it is preferable to have a constant cross-sectional shape over its entire length. In the case of a longitudinal cross-section of variable shape, preferably, the cross-sectional area is constant along the length or slowly decreases toward the outside. The inner surface of the hollow structure, like its outer surface, is preferably smooth, free of vortex-generating sharp wheels or protrusions which would otherwise reduce efficiency.

Die Rotorschaufeln 10 gemäß der Erfindung umfassen ferner einen Saugabschnitt 8, der mit dem äußeren Ende, d.h., dem abgelegenen Ende relativ zur Drehachse, des inneren Schaufelabschnitts verbunden ist, wobei der Saugabschnitt 8 mit einer Luftauslassöffnung 16 versehen ist, die zumindest teilweise in eine Richtung weist, die nicht die Drehrichtung ist, und zweckmäßig an der Schaufelseite gegenüber der Seite angeordnet ist, die dem Wind ausgesetzt ist und in strömungstechnischer Verbindung mit dem Luftleitungskanal steht. Der Saugabschnitt 8 kann als Querschnittsübergang zwischen dem inneren Schaufelabschnitt 7, der mit einem Luftleitungskanal gestaltet ist, und dem Endabschnitt 9 mit kleinerem Querschnitt dienen, was im Sinne einer Drehung effizient ist. Zum Beispiel kann der Saugabschnitt 8 auch mit einer hohlen Struktur gestaltet sein, die die obengenannten Kriterien erfüllt. Der Endabschnitt 9 ist mit dem äußeren Ende des Saugabschnitts 8 verbunden und weist eine Form auf, die sich nach außen zu einem Querschnitt verjüngt, der kleiner als jener des inneren Schaufelabschnitts 7 ist. Die Gestaltung des schmalen Endabschnitts 9 mit kleinem Querschnitt ist vorzugsweise mit jener des Endes der Schaufel eines herkömmlichen, schnell laufenden Rotors identisch. Der Endabschnitt 9 ist nicht mit der inneren Luftstromführung innerhalb der Rotorschaufeln 10 verbunden; übrigens kann er jede hohle oder massive Gestaltung aufweisen. Als ein wichtiges Merkmal des Endabschnitts 9 umfasst er einen Bereich mit einem Querschnitt, der an jedem beliebigen Punkt desselben kleiner als jener des inneren Schaufelabschnitts 7 ist. Dadurch kann sichergestellt werden, dass die zweifachen Anforderungen gemäß der Erfindung erfüllt werden und es ist besonders bevorzugt, wenn der Endabschnitt 9 entlang seiner gesamten Länge einen Querschnitt aufweist, der an jedem beliebigen Punkt desselben kleiner als jener des inneren Schaufelabschnitt 7.The rotor blades 10 according to the invention further comprise a suction portion 8th which is connected to the outer end, ie, the distal end relative to the rotation axis, of the inner blade portion, the suction portion 8th with an air outlet 16 is provided, which is at least partially in a direction which is not the direction of rotation, and is conveniently located on the blade side opposite to the side which is exposed to the wind and is in fluid communication with the air duct. The suction section 8th can as a cross-sectional transition between the inner blade section 7 formed with an air duct, and the end portion 9 serve with a smaller cross-section, which is efficient in terms of a rotation. For example, the suction section 8th also be designed with a hollow structure that meets the above criteria. The end section 9 is with the outer end of the suction section 8th connected and has a shape that tapers outwardly to a cross-section that is smaller than that of the inner blade portion 7 is. The design of the narrow end section 9 with a small cross-section is preferably identical to that of the end of the blade of a conventional, high-speed rotor. The end section 9 is not with the inner air flow guide inside the rotor blades 10 connected; Incidentally, he can have any hollow or massive design. As an important feature of the final section 9 it comprises an area with a cross-section which at any point of the same is smaller than that of the inner vane section 7 is. This can ensure that the dual requirements of the invention are met and it is particularly preferred if the end section 9 along its entire length has a cross-section which at any point of the same smaller than that of the inner blade section 7 ,

Wenn der Rotor 4 vom Wind gedreht wird, bewirkt er eine Entwicklung eines Überdrucks an der Vorderseite des Saugteils 8, das vorzugsweise ein flügelförmiges Querschnittsprofil aufweist, und eine Depression, wodurch an seiner konvexen Rückseite eine Saugwirkung erzeugt wird. Dieser Effekt bewirkt, dass sich Luft im Luftleitungskanal des inneren Schaufelabschnitts 7 bewegt und die Energie vom Rotor 4 zur Turbine 5 geführt wird. If the rotor 4 Turned by the wind, it causes a development of overpressure at the Front side of the suction part 8th , which preferably has a wing-shaped cross-sectional profile, and a depression, whereby on its convex backside a suction effect is generated. This effect causes air in the air duct of the inner blade section 7 moves and the energy from the rotor 4 to the turbine 5 to be led.

Eine Luftauslassöffnung 16 des Saugabschnitts 8 liegt vorzugsweise an einem Abschnitt zwischen einem Viertel und drei Vierteln der Schaufellänge, bevorzugter liegt sie im mittleren Drittel der Schaufellänge. Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn die in der Nähe der halben Länge der Schaufel angeordnet ist. Auf diese Weise kann Windenergie durch schmale, hoch effiziente Schaufelabschnitte von einem signifikanten Teil – von drei Vierteln im Fall einer längsweisen Halbierung – der genutzten Windfläche gesammelt werden, und nur ein kleinerer Teil – ein Viertel im Fall einer längsweisen Halbierung – der genutzten Windfläche ist von weniger effizienten Schaufelabschnitten mit größerem Querschnitt betroffen. An air outlet 16 of the suction section 8th is preferably located at a portion between a quarter and three quarters of the blade length, more preferably in the middle third of the blade length. It has proved to be particularly advantageous if it is arranged in the vicinity of half the length of the blade. In this way, wind power can be collected through narrow, highly efficient vane sections from a significant portion - three quarters in the case of a split in half - of the wind area used, and only a minor portion - one quarter in the case of halving in half - of the utilized wind area is from affected less efficient vane sections with larger cross section.

2 ist eine Vorderansicht des Rotors 4 gegen die W Windrichtung, die eine Luftauslassöffnung 16 zeigt, die am Saugabschnitt 8 angeordnet ist. 2 is a front view of the rotor 4 against the W wind direction, which is an air outlet 16 shows that at the suction section 8th is arranged.

Im Fall der Ausgestaltung, die in 1 und 2 dargestellt ist, ist die Saugwirkung geringer als in dem Fall, wenn das Saugprofil an bekannter Stelle, nämlich am Ende der Schaufel, angeordnet ist. Gemäß der Erfindung nimmt durch Anordnung des Saugabschnitts 8 näher bei der Achse und aufgrund der Luftauslassöffnung 16 die Umfangsgeschwindigkeit ab, die die Saugwirkung erzeugt. Zur Verbesserung des Energieeffizienzfaktors ist es ratsam, die Abnahme in der Saugwirkung auszugleichen. In the case of the embodiment, in 1 and 2 is shown, the suction effect is less than in the case when the suction profile at a known location, namely at the end of the blade, is arranged. According to the invention takes by arrangement of the suction section 8th closer to the axis and due to the air outlet opening 16 the peripheral speed, which generates the suction effect. To improve the energy efficiency factor, it is advisable to compensate for the decrease in the suction effect.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann die Saugwirkung durch Anordnung eines Luftablenkprofils am Saugabschnitt 8 erhöht werden, um den äußeren Luftstrom zu beschleunigen, d.h., um die Saugwirkung zu erhöhen, die während der Drehung auf die Luftauslassöffnung 16 gerichtet ist. Die bevorzugte Form und Anordnung des Luftablenkprofils ist in der Folge ausführlicher beschrieben. In a preferred embodiment of the invention, the suction effect can be achieved by arranging an air deflection profile on the suction section 8th be increased to accelerate the outer air flow, ie, to increase the suction, which during rotation on the air outlet 16 is directed. The preferred shape and arrangement of the Luftablenkprofils is described in more detail below.

3 zeigt die Liniendarstellung einer Rotorschaufel 10 des in 2 dargestellten Rotors 4 mit einem Luftablenkprofil 17, das auf dem Saugabschnitt 8 angeordnet ist, betrachtet in einer Achsenrichtung. Das Luftablenkprofil 17 umfasst einen Raumabschnitt, der sich in eine Richtung entgegengesetzt zur Drehrichtung erstreckt, der mit der Luftauslassöffnung 16 in Verbindung steht, wie in der Folge beschrieben wird. 3 shows the line representation of a rotor blade 10 of in 2 represented rotor 4 with an air deflection profile 17 that on the suction section 8th is arranged, viewed in an axis direction. The air deflection profile 17 includes a space portion extending in a direction opposite to the direction of rotation with the air outlet opening 16 is related, as described below.

Vorzugsweise ist das Luftablenkprofil 17, das wie in 4 und 5 dargestellt um den Saugabschnitt 8 angeordnet ist, um den Luftstrom zu beschleunigen, ein kurzes Rohrprofil mit rechteckigem Querschnitt bei Betrachtung aus einer Ebene normal zur Drehrichtung, wobei das Rohrprofil an der Rotorschaufel 10 zur gemeinsamen Drehung mit dieser montiert ist. Die innere zylindrische Mantelfläche f1 des Luftablenkprofils 17 ist Teil eines zylindrischen Mantels mit einem Radius r1 und hat eine Öffnung g1 einer Größe und Gestaltung, die jenen eines Profils des Saugabschnitts 8 ähnlich sind, der mit einem Abstand von Radius r1 angeordnet ist. An der äußeren zylindrischen Mantelfläche f2 – die ein Teil eines zylindrischen Mantels mit einem Radius f2 ist – hat das Luftablenkprofil 17 eine Öffnung g2 mit einer Größe und Ausgestaltung, die mit jenen eines Profils des Saugabschnitts 8 identisch sind, der mit einem Abstand von Radius r2 angeordnet ist. Das Luftablenkprofil ist durch diese Öffnungen g1 und g2 mit den Rotorschaufeln 10 verbunden und umgibt den Saugabschnitt 8 und die Luftauslassöffnung 16 – wobei seine offenen Enden gleichzeitig für einen freien Luftstrom sorgen. Vorzugsweise stimmen die Achsen der Flächen f1 und f2 des zylindrischen Mantels mit der Drehachse O überein. Preferably, the Luftablenkprofil 17 that like in 4 and 5 represented around the suction section 8th is arranged to accelerate the air flow, a short tube profile with a rectangular cross section when viewed from a plane normal to the direction of rotation, wherein the tube profile on the rotor blade 10 is mounted for common rotation with this. The inner cylindrical lateral surface f1 of the Luftablenkprofils 17 is part of a cylindrical shell with a radius r1 and has an opening g1 of a size and shape similar to that of a profile of the suction portion 8th are similar, which is arranged at a distance of radius r1. On the outer cylindrical surface f2 - which is part of a cylindrical shell with a radius f2 - has the Luftablenkprofil 17 an opening g2 having a size and configuration with those of a profile of the suction portion 8th are identical, which is arranged at a distance of radius r2. The Luftablenkprofil is through these openings g1 and g2 with the rotor blades 10 connected and surrounds the suction section 8th and the air outlet 16 - Whose open ends simultaneously provide a free air flow. Preferably, the axes of the surfaces f1 and f2 of the cylindrical shell coincide with the axis of rotation O.

Das Luftablenkprofil 17 umfasst auch eine Fläche f4, die von der Drehebene in eine Richtung divergiert, die der Drehrichtung entgegengesetzt ist, und wobei die Fläche f4 gegenüber der Luftauslassöffnung 16 angeordnet ist (d.h., die letztgenannte der Fläche f4 gegenüberliegt) und die zylindrischen Mantelflächen f1 und f2 miteinander verbindet. Diese Fläche f4 stellt den Raumabschnitt dar, der sich in eine Richtung der Drehrichtung entgegengesetzt erstreckt, wobei der Raumabschnitt eine Erhöhung der Saugwirkung während der Drehung durch Ausübung eines Venturi-Effekts bewirkt und am oberen rechten Teil von 4 dargestellt ist. The air deflection profile 17 also includes a surface f4 diverging from the plane of rotation in a direction opposite to the direction of rotation, and the surface f4 facing the air outlet opening 16 is arranged (ie, the latter of the surface f4 opposite) and the cylindrical lateral surfaces f1 and f2 connects to each other. This surface f4 represents the space portion extending in a direction opposite to the direction of rotation, the space portion causing an increase in suction during rotation by applying a Venturi effect, and at the upper right portion of FIG 4 is shown.

Das dargestellte bevorzugte Luftablenkprofil 17 umfasst ferner eine Fläche f3, die sich der Drehebene in einer Richtung nähert, die der Drehrichtung entgegengesetzt ist, die die zylindrischen Mantelflächen f1 und f2 an der Schaufelseite, die der Luftauslassöffnung 16 gegenüberliegt, miteinander verbindet. Vorzugsweise ist die Fläche f3 des Luftablenkprofils 17 ein Abschnitt einer Archimedischen Spirale von 10–30 Grad Steigungswinkel, der um die Radien r1 und r2 fällt und sich so verhält, als wäre er ein kurzer Abschnitt eines Ventilatorblatts. Diese Fläche f3 beschleunigt die Drehung, wodurch die Geschwindigkeit von Luft erhöht wird, die sich in das Luftablenkprofil 17 bewegt. Vorzugsweise sind die geometrischen Achsen der zylindrischen Mäntel und der Spirale mit der Drehachse des Rotors 4 identisch. The illustrated preferred Luftablenkprofil 17 further comprises a surface f3 approaching the plane of rotation in a direction opposite to the direction of rotation of the cylindrical lateral surfaces f1 and f2 on the blade side, that of the air outlet port 16 is opposite, interconnecting. Preferably, the area is f3 of Luftablenkprofils 17 a section of an Archimedean spiral of 10-30 degrees helix angle, which falls around the radii r1 and r2 and behaves as if it were a short section of a fan blade. This surface f3 accelerates the rotation, thereby increasing the speed of air entering the air deflection profile 17 emotional. Preferably, the geometric axes of the cylindrical sheaths and the spiral are with the axis of rotation of the rotor 4 identical.

6 zeigt eine weitere bevorzugte Ausführungsform des Rotors gemäß der Erfindung mit einem Luftablenkprofil 17 und einem geneigten äußeren Ende in einer Achsenansicht. Das geneigte äußere Endteil 12 krümmt und dreht sich flexibel infolge eines Winddrucks, der sich gemeinsam mit der Windgeschwindigkeit erhöht. Dies bewirkt einen Anstieg des Schaufelwinkels und eine Verringerung einer Drehzahlerhöhung. Die maximale Drehzahl kann durch die Dicke und Steifigkeit des äußeren Endteils 12 mit einer konvexen geneigten Form in Drehrichtung beeinflusst werden. 6 shows a further preferred embodiment of the rotor according to the invention an air deflection profile 17 and a sloped outer end in an axis view. The inclined outer end part 12 bends and turns flexibly as a result of wind pressure increasing with wind speed. This causes an increase in the blade angle and a reduction in a speed increase. The maximum speed can be determined by the thickness and rigidity of the outer end part 12 be influenced with a convex inclined shape in the direction of rotation.

Herkömmliche energieerzeugende Windmaschinen laufen Gefahr, dass die Drehzahl des Rotors auf etwa die zweifache normale Drehzahl steigt, wenn die Bremswirkung des Generators endet, z.B. im Fall eines Netzversagens, wodurch sich die Zentrifugalkraft, die auf die drehenden Teile wirkt, vervierfacht, was letztendlich zu einem Bruch in der Maschine führt. Der Schaden kann durch raschen Eingriff vermieden werden, durch Anordnung einer falschen Last am Generator, durch eine Vergrößerung des Schaufelwinkels oder durch einen effektiven Bremsvorgang. Im Gegensatz dazu unterliegen Windmaschinen mit pneumatischer Kraftübertragung dieser Gefahr nicht, da der Wiederstand der Saugwirkung und des Luftablenkprofils nicht von der Last des Generators abhängig ist. Conventional power-generating wind machines risk that the speed of the rotor increases to about twice the normal speed when the braking action of the generator ends, e.g. in the case of network failure, which quadruples the centrifugal force acting on the rotating parts, ultimately leading to a break in the machine. The damage can be avoided by rapid engagement, by placing a false load on the generator, by increasing the blade angle or by an effective braking action. In contrast, wind turbines with pneumatic power transmission are not subject to this danger, since the resistance of the suction effect and the Luftablenkprofils is not dependent on the load of the generator.

Ferner kann eine Schaufelwinkeleinstellvorrichtung zweckmäßig in eine Hochleistungswindmaschine mit pneumatischer Kraftübertragung eingebaut werden. Die Verwendung einer solchen Schaufeleinstellvorrichtung kann den Winddruck senken, der auf die Vorrichtung im Falle von Stürmen wirkt, so dass die Schaufeln in einer Richtung normal zur Drehebene des Rades drehen, d.h., in einer sogenannten Fahnenposition. Ein weiterer unerwarteter Vorteil ist, dass die Windmaschine gemäß der Erfindung in dieser Position weiterhin elektrische Energie generiert, d.h., auch mit hochgehaltenem Rotor, da der Wind, der durch das Luftstromablenkprofil 17 bläst, imstande ist, einen inneren Strom zu erzeugen. An diesem Punkt ist die Kraft gering, d.h., nur einige Prozent der Nennkraft, ähnlich der Kraft, die von Winden von weniger als 5m/s erhalten wird. Die zwei Bruchteilkapazitäten sind jedoch wegen des häufigen Auftretens solcher Windbedingungen in Netzwerken wertvoll, die einen kontinuierlichen Eingang benötigen. Further, a bucket angle adjusting device may be suitably installed in a heavy duty pneumatic power transmission type wind machine. The use of such a blade adjustment device can reduce the wind pressure acting on the device in the event of storms, such that the blades rotate in a direction normal to the plane of rotation of the wheel, ie, in a so-called flag position. Another unexpected advantage is that the wind machine according to the invention continues to generate electrical energy in this position, ie even with the rotor held high, because the wind passing through the air flow deflection profile 17 blowing, capable of generating an internal current. At this point the force is low, ie only a few percent of the nominal force, similar to the force obtained by winds of less than 5m / s. However, the two fractional capacities are valuable because of the frequent occurrence of such wind conditions in networks requiring continuous input.

Die Windmaschine mit pneumatischer Kraftübertragung gemäß der Erfindung hat den Vorteil einer einfacheren Struktur, somit einer kostengünstigeren Herstellung, einer längeren Lebensdauer und daher eines wirtschaftlicheren Betriebs als jener von herkömmlichen Windmaschinen. The pneumatic power transmission wind machine according to the invention has the advantage of a simpler structure, thus a cheaper production, a longer life and therefore a more economical operation than that of conventional wind machines.

Die Erfindung ist nicht auf die bevorzugten Ausführungsformen beschränkt, die zuvor ausführlich beschrieben wurden, sondern es sind weitere Varianten und Modifizierungen innerhalb des Schutzumfangs möglich, der durch die Ansprüche definiert ist. The invention is not limited to the preferred embodiments previously described in detail, but other variants and modifications are possible within the scope defined by the claims.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

CH 282829 [0004]
UG 224256 [0005]

Claims

Rotor for a wind machine with pneumatic power transmission, wherein the rotor ( 4 ) a rotor hub ( 3 ) with a hollow interior and associated rotor blades ( 10 ), characterized in that each of the rotor blades ( 10 ) - an inner blade section ( 7 ) with an air duct next to the hollow interior of the rotor hub ( 13 ), - a suction section ( 8th ) connected to the outer end of the inner blade section ( 7 ), wherein the suction section ( 8th ) is provided with an air outlet opening, which is in fluid communication with the air duct, and - an end portion ( 9 . 12 ) connected to the outer end of the suction section ( 8th ) which tapers to a cross-section smaller than that of the inner blade portion (FIG. 7 ).

Rotor according to claim 1, characterized in that the air outlet opening ( 16 ) is disposed within a blade section that is between one quarter and three quarters of the length of the blade.

Rotor according to claim 2, characterized in that the air outlet opening ( 16 ) is arranged in a middle third of the blade length.

Rotor according to one of claims 1 to 3, characterized in that it has an air deflecting profile ( 17 ), which at the suction section ( 8th ) is arranged to increase the suction, which during rotation on the air outlet opening ( 16 ).

Rotor according to claim 4, characterized in that the Luftablenkprofil ( 17 ) comprises a space portion which extends in a direction opposite to the direction of rotation and with the air outlet opening ( 16 ).

Rotor according to claim 5, characterized in that the Luftablenkprofil ( 17 ) comprises an inner cylindrical lateral surface (f1) and an outer cylindrical lateral surface (f2), the axes of the cylindrical lateral surfaces (f1, f2) being identical to the axis of rotation (O), as well as a surface (f4) extending from the plane of rotation diverging in a direction opposite to the direction of rotation, the surface (f4) interconnecting the cylindrical surfaces (f1, f2), the air outlet ( 16 ) faces the surface (f4).

Rotor according to claim 6, characterized in that the Luftablenkprofil ( 17 ) comprises a surface (f3) approaching the plane of rotation in a direction opposite to the direction of rotation, and interconnecting the cylindrical lateral surfaces (f1, f2) on the blade side, that of the air outlet port (f3). 16 ) is opposite.

Rotor according to claim 1, characterized in that the end section ( 12 ) has a convex inclined shape in the direction of rotation.

Pneumatic power transmission wind machine comprising a column ( 1 ) and a head ( 3 ), which is mounted at its upper end for pivotal movement about a vertical axis, and a rotor, which is connected to the head ( 3 ) is connected for a pivoting movement about a horizontal axis, characterized in that the rotor ( 4 ) has a configuration according to any one of claims 1-8.