DE2506160B2 - Windkraftwerk - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Windkraftwerk mit mindestens einem Rotor, der sowohl um eine Rotor-Drehachse drehbar als auch um eine einen Winkel mit
der Rotordrehachse einschließenden Hochachse mittels einer Einstellvorrichtung zur Wind-Orientierung
schwenkbar in einer Tragkonstruktion gelagert ist und eine Arbeitsmaschine, beispielsweise einen Stromgenerator, treibt
Aus der US-PS 20 52 816 ist ein Windkraftwerk der
vorstehend erläuterten Art bekannt, bei welchem der Rotor auf einer aus dem Generator herausragenden
Drehachse befestigt ist und das Generatorgehäuse seinerseits um eine waagrechte Schwenkachse, die
senkrecht zur Generatordrehachse verläuft, an einem Traggerüst schwenkbar angelenkt ist, das seinerseits um
eine im Abstand von der Schwenkachse und senkrecht zu dieser verlaufende Vertikalachse in einer Horizontalebene drehbar gelagert ist. Dieses Traggerüst erstreckt
sich an seiner von dem Generator abgewandten Seite über die vertikale Drehachse hinaus und trägt eine
Windfahne, mittels derer der Rotor des Generators durch Verdrehung des Traggerüsts in die Windrichtung
eingestellt werden soll. Am oberen, über das Traggerüst hinausragenden Ende der vertikalen Hochachse des
Windkraftwerks ist eine Reibbremse in Form eines in eine Ringnut eingehängten Hakens vorgesehen, welcher
mit seinem von der Hochachse entfernten Ende an einem Ende eines zweiarmigen Hebels angelenkt ist, der
zwischen seinen beiden Enden schwenkbar am Traggerüst gelagert ist und mit seinem anderen Ende über eine
Zugfeder mit einem mit dem Generatorgehäuse fest verbundenen Arm gekoppelt ist. Durch ein Schwenken
des Generators um die horizontale Schwenkachse in der Weise, daß der Rotor in einem Bogen nach oben
geschwenkt wird, wird die Reibbremse stärker angezogen, so daß dann ein Verdrehen des Trägergerüstes um
die Hochachse behindert ist. Ein Verschwenken des Generators mit dem Rotor um die horizontale
Schwenkachse nach unten gegenüber dem Traggerüst ist nicht möglich, da an dem Traggerüst ein Anschlag
vorgesehen ist, welcher ein Verschwenken des Generators nach unten vernindert. Bei diesem bekannten
Windkraftwerk sollen Einrichtungen vorgesehen sein, die der Kreiselwirkung des Rotors, die bestrebt ist, die
ganze Konstruktion um die Hochachse gegen das Bestreben der Windfahne, die das Windkraftwerk in die
Windrichtung stellen will, zu verdrehen, entgegenwirken. Bereits diese Zielsetzung zeigt, daß bei der
Gestaltung der bekannten Windkraftmaschine die aufgrund der Kreiselgesetze auftretenden Wirkungen
nicht richtig erkannt und berücksichtigt worden sind. Auch die bei der Maschine gemäß der US-PS gegebene
Zielsetzung, nämlich auftretenden Kreiselwirkungen entgegenzuwirken, ist unabhängig von der diesbezüglich in der US-PS 20 52 816 beschriebenen konstruktiven Lösung, die, wie nachstehend gezeigt wird, den
Erfordernissen nicht gerecht wird, ein Versuch einer Problemlösung, der von vornherein zu sehr aufwendig
und unzuverlässigen und unwirtschaftlichen Konstruktionen führen muß.
Bei aus dem Stand der Technik bekannten Windkraftmaschinen
der eingangs zitierten Gattung des Anmeldungsgegenstandes, die nicht die bei der Vorrichtung
gemäß der US-PS 2052 816 vorgesehene zusätzliche Schwenkbarkeit des Generators um eine horizontale $
Schwenkachse aufweisen, liegt die Propellerachse in der Regel horizontal und ist an einem um eine vertikale
Hochachse schwenkbaren Traggerüst drehbar gelagert. Das Traggerüst weist an einem Ende eine Windfahne
auf, die, in der Regel mit der Propellerachse fluchtend, diese in die Windrichtung stellen soll. Bei einer solchen
Konstruktion tritt, wenn sich der Propeller dreht und als Kreisel wirkt, eine Präzessionswirkung ein, sobald sich
die Windrichtung dreht und die Windfahne versucht, den Propeller zusammen mit dem Traggerüst um die
vertikale Hochachse in die neue Windrichtung zu drehen. Eine solche Verdrehung bedeutet eine Verdrehung
des Drallvektors des Propellers um die Hochachse. Dies führt nach den Kreiselgesetzen automatisch zu
Präzessionskräften, die versuchen, die Propellerachse je nach dem Drehsinn des Propellers und dem durch die
Windfahne verursachten Drehsinn des Traggerüstes nach oben oder nach unten zu verschwenken. In einem
solchen Fall werden die I'räzessionskräfte versuchen,
den Propeller nach oben ooer unten abzulenken. Diese Präzessionskräfte werden bei den bisher üblichen
Windkraftmaschinen der in Rede stehenden Gattung in der Regel von dem jeweiligen Traggerüst und den
Lagern, über die das Traggerüst an einer Vertikalachse gelagert ist, aufgenommen. Bei Windkraftmaschinen
großer Leistung und entsprechend großer Rotoren wären jedoch, um diese Kräfte aufnehmen zu können, sehr
starke und schwere Konstruktionen erforderlich, die dem Bau solcher Vorrichtungen eine Grenze setzen.
Der bei der US-PS 20 52 816 versuchte Weg, den Rotor mit dem Generator um eine zusätzliche, horizontale, im
Abstand von der Hochachse verlaufende Achse schwenkbar zu lagern und die Schwenkbewegungen
auszunutzen, um eine Verdrehung der Tragvorrichtung um die Hochachse zu bremsen, ist völlig unzulänglich
und geht fehl. Bei der Vorrichtung gemäß de1 US-PS 20 52 816 soll ein Verschwenken des Propellers und des
damit verbundenen Generators bei starken Winden nach oben dazu ausgenutzt werden, um durch das
Verschwenken eine Bremsung einer mit der Verschwen· kung einhergehenden, durch Kreiselwirkung hervorgerufenen
Verdrehung des Traggerüstes um die Hochachse zu bewirken und damit eine Ausrichtwirkung der
Windfahne nicht zu beeinträchtigen. Durch die bei der US-PS 20 52 816 verwendete Ausgestaltung der Vor- so
richtung wird jedoch gerade eine sehr störende Beeinträchtigung des gesamten Mechanismus bewirkt
Bei der bekannten Windkraftmaschine wird eine Verschwenkung des Generators und Propellers um die
horizontale Schwenkachse nach unten durch den an der Tragvorrichtung vorgesehenen Anschlag verhindert
Damit ist jedoch von vornherein eine Präzession der Tragvorrichtung um die Hochachse Infolge eines
eventuellen Abkippens des Generators und des Propellers nach unten unterbunden. Damit ist eine te
Ausnutzung irgendwelcher Prlzessionswirkungen zumindest In einem Drehsinn von vornherein ausgeschlossen. Andererseits ist durch die Sehwenklagerung des
Generators bei der bekannten Windkraftmaschine die Gefahr gegeben, daß bei einer durch die Windfahne bei 6s
Wlndrlohtungsänderung hervorgerufenen Verdrehung der Tragvorrichtung um die Hochachse ein unerwünschtes starkes Hochschwenken des Generators und
des Propellers um die horizontale Schwenkachse infolge einer Präzessionswirkung eintritt In einem solchen Fall
wird der Rotor unerwünscht nach oben präzedieren. Die mit einer solchen Präzession gekoppelte Bremsung der
Verdrehung der Tragvorrichtung um die Hochachse beeinträchtigt dabei wiederum die vor der Windfahne
ausgeübte Verstellwirkung zum Einstellen des Propellers in die vorherrschende Windrichtung. Insgesamt
gesehen stellt die Windkraftmaschine gemäß der US-PS 20 52 816 eine Vorrichtung dar, bei welcher der
Zielsetzung nach entstehenden Präzessionskräften entgegengewirkt werden soll, und bei welcher infolge
der dort verwendeten Lagerung des Generators und der Bremseinrichtungen eine gegenseitige Beeinträchtigung
aller Funktionen und Stellbewegungen eintritt, die weder eine rasche und exakte Einstellung des Rotors
der Vorrichtung in die Windrichtung noch eine feinfühlige Positionssteuerung zuläßt. Die bekannte
Vorrichtung ist daher für einen praktischen Betrieb, insbesondere für große zu erzeugende Leistungen
infolge des komplizierten Aufbaus, der Störanfälligkeit und der Unmöglichkeit einer sauberen Steuerung
ungeeignet.
Aus der DT-PS 5 35 626 ist ein Windkraftwerk mit zwei koaxialen gegenläufigen Rotoren bekannt, bei
denen an jedem Rotor auf einem Bereich seines Außenumfangs befindlichen Kreisring eine Anzahl von
elektromagnetischen Polen in Form von elektrischen Spulen angeordnet ist, die mit entsprechend gegenüberliegenden
Polen des anderen Rotors zusammenwirken. Die gegenläufigen Rotoren bilden somit die relativ
zueinander drehbaren Teile eines Elektromotors. Bei diesem bekannten Windkraftwerk können sich die
Rotoren nur um die gemeinsamen, horizontale Achse sowie, unter der Wirkung einer Windfahne, um eine
senkrecht dazu verlaufende vertikale Achse drehen. Damit sind bei diesem bekannten Windkraftwerk die im
Betrieb auftretenden Präzessionskräfte nicht berücksichtigt. Durch diese Präzessionskräfte wird die gesamte
Konstruktion bei hohen Windbelastungen unter Umständen derartig beansprucht, daß eine Zerstörung
eintreten kann. Falls die durch die Präzession auftretenden Kräfte von den Lagerungen aufgenommen werden
müssen, muß die ganze Konstruktion derartig schwer und massiv ausgeführt werden, daß sie in ihrer Größe
von vornherein stark begrenzt ist. Das bekannte Windkraftwerk kann daher bereits aus diesem Grunde
nur für sehr geringe Leistungen ausgelegt werden. Eine Positionierungssteuerung der Rotoren unter Berücksichtigung
der Präzessionskräfte ist bei dem bekannten Windkraftwerk nicht vorgesehen und auch nicht
möglich.
Der Erfindung Hegt die Aufgabe zugrunde, ein Windkraftwerk der eingangs erläuterten Art zu
schaffen, welches durch Ausnutzung von Präzessionskräften für die Rotorpositionierung auch als Großanlage einfach, konstruktiv leicht und wirtschaftlich
aufgebaut werden kann und rasch, genau und zuverlässig und ohne das Auftreten schwer oder nicht
beherrschbarer Kräfte in die Windrichtung steuerbar ist und im Betrieb bei optimalem Windkraftnutzungegrad
sicher, zuverlässig und wirtschaftlich 1st
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst,
daß die Rotor-Drehachse in einer eine Präzession des Rotors oder der Rotoren gestattenden Weise um eine
weitere, Ideelle, sowohl durch die Rotordrehachse als auch die Hochachse verlaufende, mit beiden je einen
Winkel einschließende Kippachse In der Tragkonstruk-
tion drehbar gelagert ist und eine Positionierungseinrichtung zur Positionierung der Rotorhauptebene die
Einstellvorrichtung für die Hochachsenschwenkung des oder der Rotoren aufweist, die unmittelbar oder
mittelbar bzw. auf den oder die Rotoren ein Drehmoment ausübt, das eine senkrecht zur Rotordrehachse und senkrecht zur Kippachse verlaufende
Momentenvektor-Komponente aufweist, deren jeweilige Größe in Abhängigkeit von der Rotorumlaufgeschwindigkeit und der auf den oder die Rotoren
auszuübenden Windrichtungs-Orientierungsbewegung in Abstimmung mit dem von der Hochachsen-Einstellvorrichtung auszübenden Drehmoment mittels einer
Steuervorrichtung zur Steuerung der Betätigungszeiten und Momente der Einstellvorrichtung unter Ausnutzung
der Kreiselpräzessions-Gesetze steuerbar ist.
Das erfindungsgemäße Windkraftwerk hat gegenüber dem Stand der Technik wesentliche Vorteile. Bei
dem erfindungsgemäßen Windkraftwerk ist der Rotor oder sind die Rotoren um drei jeweils senkrecht
zueinander stehende Achsen drehbar gelagert, die einen gemeinsamen Schnittpunkt haben. Dadurch stellt der
Rotor des erfindungsgemäßen Windkraftwerks einen dreiachsig kardanisch aufgehängten Kreisel dar, der
ohne das Aufbringen großer äußerer Kräfte auch für sich durch Ausnutzung der Präzessionsgesetze in jede
gewünschte Himmelsrichtung rasch und präzise dadurch eingestellt werden kann, daß an mindestens einer
der Achsen der Kreiselaufhängung Drehmomente aufgebracht werden. Bei den bekannten Windkraftwerken entspricht das Produkt aus dem zum Drehen des
Rotors mit dem ihn tragenden Träger um die Hochachse erforderlichen Drehmoment und dem Drehwinkelbetrag der in das System gesteckten Arbeit, die in einer
Verlangsamung der Drehbewegung des oder der Rotoren resultiert. Die Aufwendung dieser Energie ist
als doppelter Verlust anzusehen, da die Energie, die zum Verdrehen des Systems um die Hochachse aufgewandt
werden muß, in einem entsprechenden Verlust von Drehenergie des oder der Rotoren aufscheint. Demgegenüber beruht die Erfindung auf dem Gedanken, den
oder die Rotoren eines Windkraftwerks als Kreisel zu betrachten, und die bei äußeren Drehmomenteinwirkungen auf einen sich drehenden Kreisel auftretende
Präzession für die Positionierungsbewegung des oder der Rotoren, d. h. für die Einstellung in die Windrichtung, auszunutzen.
Der Begriff »Einstellvorrichtung für die Hochachsenschwenkung des oder der Rotoren« ist bei dem
erfindungsgemäßen Windkraftwerk so zu verstehen, daß es sich um eine Einstellvorrichtung handelt, die eine
Verschwenkung des ganzen Systems um die Hochachse mittels äußerer Kräfte bewirkt. Eine solohe Verschwenkung kann dann und nur dann ohne das Auftreten von
Präzesslonskräften erfolgen, wenn die Rotoren bei der
Betätigung der Einstellvorrichtung stillstehen. Der Begriff »Einstellvorrichtung für die Hochachsenschwenkung des oder der Rotoren« darf daher nicht in dem
Sinne mißverstanden werden, daß diese Einstellvorrichtung eine Verschwenkung der Rotoren um die
Hoehachse duroh Ausnutzung von Präzesslonskräften erreicht Die Einstellvorrichtung dient dazu, ein
Drehmoment mit einer zur Kippachse senkreoht verlaufenden Momentenvektorkomponente auf das
System auszuüben und dadurch Präzessionswirkungen hervorzurufen, die den oder die sich drehenden Rotoren
um die Kippachse verschwenken.
Rotor um drei zueinander, jeweils Winkel einschließende Achsen, nämlich die Rotordrehachse, die Hochachse
und zusätzlich eine Kippachse, drehbar gelagert. Geht man einmal zur Veranschaulichung davon aus, daß die
Hochachse vertikal, die Rotordrehachse im wesentlichen horizontal und in Windrichtung und die Kippachse
im wesentlichen horizortal und quer zur Windrichtung verlaufen, dann wird bei einer Verdrehung der den oder
die Rotoren tragenden Tragkonstruktion um die Hochachse mittels einer Einstellvorrichtung, beispielsweise eines Drehantriebs oder von Steuerklappen, unter
der Voraussetzung, daß sich der oder die Rotoren drehen und somit Kreisel bilden, die Rotordrehachse je
nach dem Drehsinn der Drehung der Tragkonstruktion um die Hochachse nach oben oder nach unten infolge
der sich einstellenden Präzession des oder der Rotoren um die Kippachse verschwenkt werden. Die Anordnung
der Kippachse vermeidet somit, daß der Präzession entgegenwirkende Lagerkräfte von der Tragkonstruktion aufgenommen werden müßten. Derartige Lagerkräfte werden bei hohen Drehzahlen des oder der
Rotoren oder bei Rotoren großer Dimensionierung (in der Größenordnung von 100 m), selbst wenn diese
langsam umlaufen, so groß, daß zu ihrer Beherrschung unwirtschaftlich stark dimensionierte Tragkonstruktionen gebaut werden müßten. Im übrigen wäre bei einer
Verdrehung um die Hochachse ohne das Vorhandensein einer Kippachse der vorstehend bereits diskutierte
doppelt anzusetzende Energieverlust bei bekannten Windkraftanlagen in Kauf zu nehmen. Demgegenüber
kann bei dem erfindungsgemäßen Windkraftwerk die Tragkonstruktion sehr leicht gehalten werden, weil sie
nur das Gewicht des Rotors bzw. der Rotoren aufzunehmen hat, nicht jedoch zusätzliche durch
Präzession entstehende Lagerkräfte aufnehmen muß. Ein erfindungsgemäßes Windkraftwerk, bei dem bei
einer Drehung des Systems um die Hochachse eine Verschwenkung der Rotordrehachse nach oben oder
unten erfolgt, ist ohne das Vorhandensein zusätzlicher Stellvorrichtungen in Fällen einsetzbar, in denen die
horizontale Windrichtung im wesentlichen gleich bleibt, jedoch eine Anpassung der Rotorstellung an eine
Veränderung der vertikalen Windkomponente, beispielsweise an Auf- oder Abwinde, erfolgen soll. Dies ist
beispielsweise bei der Anordnung eines Windrades quer zu einem tief eingeschnittenen Teil oder Canyon
denkbar, wo der Wind immer in Richtung des Tals oder Canyons weht, jedoch eine Variation in seiner Aufwärtsoder Abwärtskomponente haben kann. Während bei
der bekannten Windkraftmaschine gemäß der US-PS 20 52 816 Bremsvorrichtungen vorgesehen sind, die
einer von äußeren Kräften (Windfahne) hervorgerufenen Verdrehung zur Posltlonlorung des Propellers In die
Windrichtung durch eine von Präzessionswirkungen abgeleitete Bremsung entgegenwirken sollen und damit
von vornherein eine saubere Einstellung des Rotors in die Windrichtung vereiteln, werden bei dem erfindungsgemäßen Windkraftwerk Präzessionskräfte duroh entsprechende Steuerung der Drehung des Rotors um die
drei Achsen seiner Lagerung hervorgerufen und ausgenutzt, um eine rasohe und exakte Positionierung
des Rotors zu erzielen. Bei dem erfindungsgemäßen Windkraftwerk treten im Gegensatz zu der bekannten
Windkraftmaschine gemäß der US-PS Im System selbst keine gegeneinanderwirkendle Kräfte, die die Steuer·
kräfte beeinträchtigen oder sogar zunichte machen, und keine Inneren kräftemäßigen Belastungen des gesamten
Systems auf.
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ίο
Wenn bei einem erfindungügemfißen Windkraftwerk
eine Anpassung der Rotorstellung nicht nur an eine
Veränderung der vertikalen Windirichtungskomponente,
sondern auch der horizontalen Windrichtung erfolgen soll, dann wird das Windkraftwerk gemäß der
Erfindung mit Vorteil so ausgebildet, daß die Positionierungseinrichtung neben der Einstellvorrichtung mindestens
eine Stell-Vorrichtung zur Einstellung des oder der Rotoren in Abhängigkeit von horizontalen Windrichtungsänderungen
aufweist, die unmittelbar oder mittelbar auf die Rotor-Drehachse bzw. auf den oder die
Rotoren ein Drehmoment ausübt, das eine senkrecht zur Rotor-Drehachse und senkrecht zur Hochachse verlaufende
Momentenvektor-Kornponente aufweist, deren
jeweilige Größe in Abhängigkeit von der Rotorumlaufgeschwindigkeit und der auf den oder die Rotoren
auszuübenden Windrichtungs-Orientierungsbewegung in Abstimmung mit dem von der Hochachsen-Einstellvorrichtung
auszuübenden Drehmoment mittels einer Steuervorrichtung zur Steuerung der Betätigungszeiten
und Momente der Einstellvorrichtung und der Stellvorrichtung unter Ausnutzung der Kreiselpräzessions-Gesetze
steuerbar ist. Wenn sich der oder die Rotoren bei einem derartigen erfindungsgemäßen Windkraftwerk
drehen, bewirkt die Ausübung eines Drehmoments auf die Kippachse eine Präzession des durch den oder die
Rotoren gebildeten Kreiselsystems um die Hochachse, d. h. eine Einstellbewegung der Rotoren hinsichtlich der
horizontalen Windrichtung. Wenn sowohl eine Anpassung an die horizontale Windrichtung als auch an die
vertikale Windrichtung erfolgen soll, können unter Ausnutzung der Präzession Drehmomente mittels der
Einstellvorrichtung auf die Hochachse des Systems und mittels der Stellvorrichtung auf die Kippachse des
Systems aufgebracht werden.
Bei dem erfindungsgemäßen V/indkraftwerk in allen vorstehend beschriebenen Ausgestaltungen kommen als
Einstell- und Stellvorrichtungen beispielsweise an der Hochachse bzw. der Kippachse wirkende Elektromotore
in Frage. Die Einstellvorrichtung und die Stellvorrichtung können mittels einer Steuervorrichtung beaufschlagt
und gesteuert werden, die als Meßgrößen die Drehgeschwindigkeit des oder der Rotoren sowie die
gewünschten Winkeländerungen der Rotordrehachse in horizontaler und in vertikaler Richtung eingespeist
werden können. Die gewünschten Winkeländerungen können beispielsweise mittels einer kardanisch aufgehängten
Windfahne, d. h mittels einer Windrichtungsänderungen sowohl in horizontaler als auch in vertikaler
Richtung erfassenden Windfahne gemessen, in elektrische
Signale umgesetzt und in eine Steuervorrichtung eingespeist werden. Die Rotordrenzahl kann mittels
üblicher Drehzahlmesser gemensen und ebenfalls als elektrisches Signal In die Siteuervorrlohtung eingespeist
werden. Die Steuervorrichtung,, die als elektronische
Vorrichtung ausgestaltet nein kann, setzt die eingespeisten
Signale nach den Bedienungen der Kreiseltheorie In Befehle an die Einstellvorrichtung bzw. die Stellvorrichtung
um. Auf dies« Welse Ist eine laufende feinfühlige Richtungssteuerung des oder der Rotoren
des erfindungsgemäßen Windkraftwerks in Abhängigkeit von der Windrichtung möglich.
Bin erflndungsgemäße« Windkraftwerk kann so
ausgebildet sein, daß während des Andauerns von Stürmen großer Stärke, insbesondere von Orkanen, alle
Vorrichtungen zur Erzeugung von Drehmomenten auf Achsen (Hochachse bzw. Klppaohse bzw. Rotordrehachse)
des Systems, belsplelswiilse die Einstellvorrichtung,
eine oder mehrere Stellvorrichtungen, außer Wirkung gesetzt werden, d. h. daß alle Zwangsbedingungen
auf die drei vorgenannten Achsen ausgeschaltet werden. In einem solchen Falle werden sich dann der
S oder die Rotoren unter der Einwirkung der Windkraft von selbst durch Präzession automatisch in eine neutrale
Position minimalen Windwiderstandes einstellen. Dadurch ist eine automatische Überlastungssicherung des
Windkraftwerks bewerkstelligt.
to Bei dem erfindungsgemäßen Windkraftwerk können sowohl die Einstellvorrichtung zur Verdrehung um die
Hochachse als auch gegebenenfalls vorhandene Stellvorrichtungen zur Drehung um die Kippachse, insbesondere
wenn es sich um mechanische oder elektromechanische Vorrichtungen handelt, eine doppelte Funktion
erfüllen. Mittels dieser Vorrichtungen kann das umlaufende Rotorsystem in eine gegebene Windrichtung
durch Präzession geführt werden und in dieser Windrichtung gehalten werden. Bei stillstehendem
Rotorsystem können die Vorrichtungen dazu dienen, den oder die Rotoren in eine gewünschte Position zu
drehen.
Alle Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Windkraftwerks haben die großen Vorteile gemeinsam, daß
sie mit sehr geringem konstruktiven Aufwand gewichtsmäßig leicht und damit mit relativ geringem Materialaufwand
und Kostenaufwand hergestellt werden können und eine fortlaufende exakte Anpassung an die
herrschende Windrichtung und damit eine besonders wirtschaftliche Ausnutzung der Windkräfte ermöglichen.
Infolge der Ausschaltung der Einwirkung von Präzessionskräften auf das Traggerüst bei der erfindungsgemäßen
Windkraftmaschine lassen sich auch Großanlagen bauen, die eine wirtschaftliche Ausnutzung
auch von Winden mit sehr geringen Windgeschwindigkeiten ermöglichen.
Mit Vorteil kann ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Windkraftwerks so ausgestaltet
sein, daß die Rotordrehachse des Rotors oder der Rotoren etwa in der Mitte einer Trägerkonstruktion
drehbar gelagert ist, die sich auf mindestens einer Seite des Rotors bzw. der Rotoren diametral entlang der
Rotorhauptebene erstreckt und mit ihren Enden in bezüglich der Rotordrehachse diametral gegenüberliegenden
Lagern drehbar gelagert ist, deren ideelle Drehachsen in der Rotorhauptebene liegen und
miteinander fluchten, und die ihrerseits an einer Stützkonstruktion befestigt sind. Eine solche Konstruktion
ermöglicht es, bei leichtem und doch stabilen Aufbau die Schwenkbarkeit der Rotordrehachse um
eine zusätzliche Kippachse zu bewerkstelligen.
Eine weitere Ausgestaltung des Ausführungsbeispiels ist mit Vorteil so ausgebildet, daß die Stützkonstruktion
als Gerüst ausgebildet 1st, das In einer Drehlagerkon·
struktlon um die Hochachse drehbar gelagert ist. Auf diese Weise ergibt sich ein Windkraftwerk, bei dem der
oder die Rotoren um drei Achsen, nämlich die Rotordrehachse, die Kippachse und die Hochachse,
drehbar ist bzw. sind.
Eine derartige Ausbildung der erfindungsgemäßen Windkraftmaschine Ist mit Vorteil welter so ausgebildet,
daß an mindestens einem Ende der Trttgerkonstruktlon
eine Vorrichtung zur Ausübung eines Drehmomente auf die Tragerkonstruktion mit einem In der Drehaohie der
es Tragerkonstruktion liegenden Drehmomentvektor all
Stellvorrichtung angeordnet Ist. Die Vorrichtung zur
Ausübung des Drehmoments kann beispielsweise all Elektromotor ausgebildet sein, der ein Drehmoment um
'528
die Drehachse der Trägerkonstruktion, d. h. um die Kippachse mit einem in der Kippachse liegenden
Drehmomentvektor ausübt. Der Antrieb kann so ausgebildet sein, daß er, wenn er nicht eingeschaltet ist,
ein freies Drehen der Trägerkonstruktion um die Kippachse, d. h. ein Leerlaufdrehen, ermöglicht.
Bei Verwendung koaxialer und koplanarer gegenläufiger Rotoren kann eine besonders günstige Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Windkraftwerks auch
dadurch erreicht werden, daß die Trägerkonstruktion einen Tragring aufweist, der zwischen den koaxialen,
koplanaren, gegenläufigen Rotoren konzentrisch zu diesen angeordnet ist, und an dem der innere Rotor an
seinem äußeren Umfang und der äußere Rotor an seinem Innenumfang drehbar gelagert sind. Bei dieser
Konstruktion ist es möglich, sowohl am Außenumfang des Innenrotors als auch am Innenumfang des
Außenrotors jeweils eine Polreihe aus Dauermagneten anzuordnen und an dem Umfang des Tragrings
Magnetpole mit Leitungswicklungen anzuordnen, die mit den Dauermagnetpolreihen zusammenwirken. Bei
dieser Ausgestaltung ist es nicht erforderlich, Schleifkontakte zur Leitung von Strom vom inneren Rotor
oder vom äußeren Rotor zu dem Traggestell vorzusehen.
Die vorstehend beschriebene Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Windkraftwerks kann mit Vorteil
so ausgebildet sein, daß am anströmseitigen Stirnrand des Tragrings mindestens eine Steuerklappe ein- und
verstellbar gelagert ist. Mittels einer derartigen Steuerklappe oder mehrere diametral oder rings um den
Umfang des Tragrings verteilter Steuerklappen ist es beispielsweise möglich, die Strömung des auf die
Rotoren zuströmenden Windes vor den Rotor zu steuern, beispielsweise bevorzugt einem der Rotoren
zuzuleiten. Weiterhin ist es mittels derartiger Steuerklappen möglich, unter Ausnutzung der auf die
Steuerklappen wirkenden Windkräfte Kippmomente auf das Rotorsystem zu erzeugen, und dadurch eine
Präzession des Rotorsystems zu erreichen. Derartige Steuerkiappen können somit unter Umständen anstelle
vor mechanischen oder elektromechanischen Stellvorrichtungen zur Ausübung von Drehmomenten, beispielsweise mit in der Kippachse liegendem Vektor,
eingesetzt werden. Dabei ist allerdings Voraussetzung, daß cine oder mehrere Steuerklappen so eingestellt
werden kann oder können, daß nicht eine rings um den Umfang der Rotoren gleichmäßige Kraftwirkung durch
den Wind auf die Steuerklappen erfolgt.
Eine andere Ausgestaltung des vorstehend genannten Ausfuhrungsbeispiels, bei dem eine der oder die
Rotoren tragende Trägerkonstruktion um eine Kippachse schwenkbar in einer Stützkonstruktion gelagert
(St1 ist dadurch gegeben, daß die Stutzkonstruktion als
starr mit dem Brdboden verbundene Gerüstkonstruktion ausgebildet ist Eine solohe Ausgestaltung ist
beispielsweise bei der Anordnung eines oder mehrerer gegenläufiger Rotoren In einem Canyon denkbar, bei
dem die Enden der Tragerkonstruktion an gegenüberliegenden Canyonenden jeweils In dort befestigten
Stützkonstruktionen um die Kippachse schwenkbar gelagert sind.
Um bei einer solchen Ausbildung eine Anpassung des
Rotors oder der Rotoren an eine Veränderung der vertikalen Wlndetrömungskomponente durch die Ausnutzung der Rotorpräuulon iu ermöglichen, kann das
Ausführungsbeispiel so ausgestaltet sein, daß die Trlgerkonstruktlon iloh zu beiden Seiten des Rotors
bzw. der Rotoren erstreckt und die Rotordrehachse über die Rotoren nach vorne und hinten herausragende
Enden aufweist, die in Führungsbahnen im vorderen und hinteren Teil der Trägerkonstruktion in einer durch die
S Rotordrehachse und die Lagerstellen der Trägerkonstruktion verlaufenden ideellen Ebene in einem eine
Drehmomenteinwirkung mit einem in der Hochachse liegenden Vektor bedeutenden Sinne mittels einer
Einstellvorrichtung hin- und herbewegbar sind. Auf
ίο diese Weise läßt sich eine Verschwenkung der
Rotordrehachse um die Hochachse innerhalb gewisser Drehwinkelgrenzen bewerkstelligen. Bei einer solchen
Verschwenkung wird der Rotor präzedieren und sich dabei nach oben oder unten senken und sich damit an
eine Veränderung der vertikalen Windströmungskomponente anpassen. Die horizontale Windrichtung muß
bei einer derartigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Windkraftwerks im wesentlichen gleich bleiben,
was bei der Windströmung in einem Canyon ohnehin
gegeben ist.
Eine günstige konstruktive Ausbildung des vorstehend genannten Ausfuhrungsbeispiels des erfindungsgemäßen Windkraftwerks ist dadurch gegeben, daß die
Enden der Rotordrehachse in Kugelgelenklagern in
erfindungsgemäßen Windkraftwerks kann dadurch erreicht werden, daß die Rotordrehachse über die
Rotorhauptebene nach vorne und hinten hinausragende Enden aufweist, die in Führungsbahnen in einem
vorderen und einem hinteren Teil der Tragkonstruktion
gelagert und in einer durch die Rotordrehachse und die
Hochachse verlaufenden ideellen Ebene in einem eine Drehmomenteinwirkung mit einem in der Kippachse
liegenden Vektor bedeutenden Sinne mittels einer Stellvorrichtung auf- und abbewegbar sind. Bei dieser
Ausgestaltung wird eine Schwenkbarkeit des Rotorsystems um eine Kippachse nicht dadurch erreicht, daß die
Rotordrehachse in einer Trägerkonstruktion gelagert ist, die ihrerseits um die Kippachse schwenkbar ist,
sondern dadurch, daß die Rotordrehachse selbst in der
Tragkonstruktion sowohl um die Rotordrehachse
drehbar als auch durch entsprechende Führung der Enden der Rotordrehachse um eine Kippachse kippbar
ist. Eine solche Konstruktion kann insbesondere bei kleineren Einheiten des erfindungsgemäßen Windkraft
werks und dann, wenn relativ geringfügige Bewegungen
um die Kippachse erforderlich sind, wegen ihrer Einfachheit von Vorteil sein.
Auch bei diesem Ausführungsbeispiel ist eine günstige Ausgestaltung gegeben, wenn die Enden der Rotordreh'
SS achse in Kugelgelenklagern in Gleitschienen gelagert
sind, die Ihrerseits in den Führungsbahnen im gegenläu
flgen Sinne mittels Antrieben, beispielsweise Schraub
spindelantrieben oder pneumatischen oder hydraul! sehen Zylinder-Kolben-Einheiten auf· und abbewegbai
to sind,
Mit Vorteil ist das Windkraftwerk gemäß de Erfindung so ausgebildet, daß die Konstruktion alle
Teile des Windkraftwerks und die Lagerung des Rotor oder der Rotoren so ausgestaltet 1st, daß für dli
es Drehbewegungen um Jede der drei Achsen, Rotordreh
achse, Klppacnse, Hoohaohse, Jeweils ein Massenaus
gleich gegeben Ist. Auf diese Weise Ist sichergestellt, dal
nloht durch den Einfluß der Schwerkraft, belsplelswels
'
lurch ungleichmäßige Verteilung der Gewichte der Tragkonstruktion um die Kippachse, Drehmomente
lusgeübt werden, die eine Präzession des Rotorsystems, iobald sich die Rotoren drehen, hervorrufen würden. 1st
:in solcher Gewichts- bzw. Massenausgleich nicht s gegeben, dann muß die Wirkung der Schwerkraft
gegebenenfalls durch die um die jeweilige Achse wirkende Einstellvorrichtung oder Stellvorrichtung
kompensiert werden, um unerwünschte Präzessionen zu vermeiden. Unter Umständen kann jedoch auch eine
solche Konstruktion von Vorteil sein, wenn durch das Vorhandensein gewollten Ungleichgewichts bezüglich
der Gewichtsverteilung eine automatische Präzession und damit eine automatische Überführung des oder der
Rotoren in eine bestimmte Stellung bewerkstelligt werden soll, wenn die Einstellvorrichtung bzw. die
Stellvorrichtung außer Betrieb sind.
Eine günstige Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Windkraftwerks ist dadurch gegeben, daß zwei koaxiale,
koplanare gegenläufige Rotoren um die Drehachse drehbar gelagert sind. Wenn bei einem erfindungsgemäßen Windkraftwerk zwei gegenläufige, koaxiale und
koplanare Rotoren verwendet werden, dann beaufschlagt der auf die Rotoren zuströmende Wind diese mit
der gleichen Geschwindigkeit. Hieraus folgt, daß der Luftimpuls, der auf jeden Rotor auftrifft, proportional
zur jeweiligen Rotorfläche ist Damit ist aber auch die vom Wind auf jeden Rotor übertragene Energie
proportional zur jeweiligen Rotorfläche. Bei koaxialen und koplanaren Rotoren hat der innere Rotor bei
hinsichtlich aerodynamischer Gesichtspunkte angemessen dimensionierter Rotorblattlänge in der Regel eine
geringere Fläche als der äußere Rotor. In aller Regel wird die Drehgeschwindigkeit des äußeren Rotors dann
größer sein als die Drehgeschwindigkeit des Innenrotors, insbesondere dann, wenn die beiden gegenläufigen
Rotoren die beiden Teile eines Stromgenerators bilden (»Stator« und »Rotor«), wie dies später noch erläutert
werden wird, weil dann das Drehmoment des äußeren Rotors umgekehrt gleich groß dem Drehmoment des
Innenrotors sein muß und die Leistung jede1 Rotors proportional dem Produkt aus Drehgeschwindigkeit
und Drehmoment ist. Es wäre theoretisch möglich, bei einer derartigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Windkraftwerks die Dralle (Drehimpulsmomente) der beiden koaxialen gegenläufigen Rotoren gegeneinander
auszugleichen. Dies hätte den Effekt, daß die Kreiselwirkungen der gegenläufigen Rotoren in diesem Falle sich
gegenseitig kompensieren würden und eine Drehmomenteneinwirkung auf die Rotordrehachse, unabhängig
ob sie um die Hochachse, Kippachse oder Rotordrehachse erfolgen würde, keine Präzession mehr hervorrufen würde. In der Praxis ist ein derartiger Drailausgleich
der Rotoren im Hinblick auf die vorstehend dargelegten Verhältnisse bei koaxialen gegenläufigen Rotoren eine
schwierige Aufgabe, da entweder dem kleineren inneren Rotor ein unangemessen hohes Gewicht gegeben
werden muß, um das Massenträgheitsmoment entsprechend zu erhöhen, oder die Drehgeschwindigkeit des
Innenrotors über die Drehgeschwindigkeit des äußeren Rotors hinaus erhöht werden muß, beispielsweise durch
geeignete Beeinflussung des auf die Rotoren zuströmenden Windes, wodurch jedoch der Wirkungsgrad des
Gesamtsystems stark beeinträchtigt würde. Bei der Verwendung von koaxialen, koplanaren und gegenläuf igen Rotoren eines erfindungsgemäßen Windkraftwerks
ist es daher in der Regel vorteilhaft, jeden der beiden Rotoren für sich auf möglichst geringes Gewicht hin
auszulegen. Bei einer solchen Ausgestaltung werden sich die Kreiselwirkungen der beiden gegenläufigen
Rotoren nicht gegenseitig aufheben, sondern es wird ein resultierendes Drallmoment verbleiben, das dann
erfindungsgemäß zur Erleichterung der Orientierung des sich drehenden Rotorsystems in die gewünschte
Windrichtung durch die Ausnützung der Präzession eingesetzt werden kann. Auf jeden Fall kann durch eine
Anordnung koaxialer gegenläufiger Rotoren die Ge samtpräzessionswirkung auch bei sehr groß dimensionierten Rotoren bzw. bei sehr schnell laufenden Rotoren
auf ein geringeres Maß als bei Verwendung nur eines Rotors gleichen Gesamtaußendurchmessers reduziert
oder unter Umständen ganz ausgeschaltet werden, so daß dann bei den Einstellungsbewegungen der Rotoren
die Präzessionswirkung relativ gering ist oder unter Umständen ganz wegfällt und insgesamt nur geringe
Kräfte auftreten. Zum anderen ergeben sich durch die Doppel-Rotor-Ausgestaltung sehr vorteilhafte konstruktive Gestaltungsmög'iichkeiten, die nachstehend
noch erörtert werden.
Mit Vorteil ist das erfhduagsgemäße Windkraftwerk
mit zwei koaxialen, koplanaren und gegenläufigen Rotoren so ausgebildet, daß jeder der beiden gegenläufigen Rotoren rings um den Umfang verteilt eine Anzahl
von Magnetpolen trägt, die mit den Magnetpolen des jeweils anderen Rotors zusamnenwirken, wobei mindestens die Pole eines Rotors elektrische Leitungswickiungen aufweisen, die über Leitungen mit einem
Kollektor gekoppelt sind, so daß die beiden Rotoren die relativ zueinander drehbaren Teile (»Stator« und
»Rotor«) eines Stromgenerators bzw. bei Einspeisung von Strom in den Kollektor eines Elektromotors bilden.
Längs des Umfangs der gegenläufigen Rotoren läßt sich jeweils eine Vielzahl von Polen unterbringen. Diese
Pole können dabei sehr klein und leicht dimensioniert sein. Auf diese Weise lassen sich Stromgeneratoren bzw.
Elektromotore schaffen, die mit dem Rotor eine Einheit bilden und ein sehr geringes Leistungsgewicht aufweisen. Der in einem derartigen Stromgenerator erzeugte
Strom kann über einen Kollektor und gegebenenfalls einen nachgeschalteten Gleichrichter oder eine Umformeinheit in ein Stromnetz eingespeist oder einem
Arbeitsgerät zugeführt werden.
Eine andere günstige Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Windkraftmaschine, bei der entweder ein
einziger Rotor vorgesehen sein kann oder auch zwei koplanare und koaxiale gegenläufige Rotoren, wird
dadurch erreicht, daß der Rotor oder jeder der gegenläufigen Rotoren rings um den Umfang verteilt
eine Anzahl von Magnetpolen trägt, die mit Magnetpolen zusammenwirken, die rings um die Rotordrehachse
gegen Drehung um die Rotordrehachse gesichert angeordnet sind, wobei entweder die Pole des oder der
Rotoren oder die gegen Drehung um die Rotordrehachse gesicherten Pole elektrische Leitungswicklungen
aufweisen, die über Leitungen mit einem Kollektor gekoppelt sind, so daß der Rotor oder jeder der
gegenläufigen Rotoren zusammen mit den jeweils zugeordneten, gegen Drehung um die Rotordrehachse
gesicherten Polen die Teile (»Rotor« und »Stator«) eines Stromgenerators bzw. bei Einspeisung von Strom
in den Kollektor eines Elektromotors bilden. Auch bei dieser Ausgestaltung ist es möglich, eine Vielzahl von
Polen rings um den Umfang des jeweiligen Rotors bzw. gegen Drehung relativ zur Drehachse gesichert um
diese herum anzuordnen, und zwar auf einem Kreis mit einem relativ großen Durchmesser. Auf diese Weise läßt
15 ft ^ 16
sich auch mit dieser Konstruktion ein Stromgenerator auch in anderen Stromgeperatoren oder Elektromoto-
bzw. ein Elektromotor mit sehr geringem Leistungsge- ren, bei denen eine Axialverschiebung zwischen
wicht schaffen. »Stator« und »Rotor« durch äußere Einwirkungen
schine gemäß einem der vorstehend beschriebenen s Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemä-Ausführungsbeispiele so ausgestaltet, daß die Pole Ben Windkraftwerks ist dadurch gegeben, daß an jedem
jeweils eines Teils des Stromgenerators bzw. Elektro- Rotor in Richtung der Rotordrehachse jeweils eine
motors, beispielsweise die Pole eines Rotors oder die Anzahl von Polreihen, die mit entsprechenden Polreigegen Drehung um die Rotordrehachse gesicherten hen des anderen mit dem Rotor einen Stromgenerator
Pole als Dauermagnete ausgebildet sind. Bei einer io bzw. einen Elektromotor bildenden Teils zusammenwirsolchen Ausbildung muß Strom nur aus den Leitungs- ken, axial nebeneinander angebracht ist Auf diese
wicklungen der Pole eines Teils, beispielsweise eines Weise läßt sich eine sehr große Anzahl von Polen
sich drehenden Rotors bei zwei gegenläufigen Rotoren unterbringen und damit auf relativ kleinem Raum bei
oder aus den Leitungswicklungen der gegen Drehung Verwendung nur eines oder zweier gegenläufiger
um die Rotordrehachse gesicherten Pole abgeführt 15 Rotoren eine sehr hohe elektrische Leistung erzeugen
werden bzw. zugeführt werden. Wie vorstehend bereits bzw. bei einem Betrieb als Motor aufnehmen,
erwähnt, wird bei diesen Ausgestaltungen der erfin- Eine günstige Ausbildung der erfindungsgemäßen
dungsgemäßen Windkraftmaschine, sobald die Rotoren Windkraftmaschine ist auch dadurch gegeben, daß der
durch den durchströmenden Wind gedreht werden, Rotorblattkranz jedes Rotors sowohl am Innenumfang
Strom erzeugt. Diese Ausgestaltungen haben jedoch 20 als auch am Außenumfang von einem Mantelring
den großen Vorteil, daß bei stillstehenden oder langsam umschlossen ist Hierdurch ergibt sich nicht nur ein
laufenden Rotoren diese durch Einspeisung von Strom stabilerer Aufbau jedes Rotors, sondern darüber hinaus
in die mit elektrischen Leitungswicklungen versehenen eine Strörnungsführung der die Rotorfläche durchströ-PoIe das System als Elektromotor wirkt, durch den der menden Windströmung, die eine weit günstigere
oder die Rotoren in Drehung versetzt bzw. in ihrer 25 Ausnutzung der Windenergie ermöglicht
Drehung beschleunigt werden können. Auf diese Weise Eine vorteilhafte Ausbildung des erfindungsgemäßen
ist es beispielsweise auch möglich, beim Starten der Windkraftwerks wird auch dadurch erreicht daß jeder
Windkraftmaschine die Rotordrehzahl rasch an die für der koaxialen, koplanaren, gegenläufigen Rotoren
die bei den herrschenden Windverhältnissen zur mittels mindestens einer Nabe auf dei Rotor-Drehachse
Ausnutzung der Windströmung optimale Drehge- 30 gelagert :st, und daß der äußere Rotor mittels den
schwindigkeit anzupassen. Sobald diese erreicht wird, inneren Rotor an beiden Seiten übergreifender, zur
kann dann der Motorbetrieb durch Beendigung der jeweiligen Nabe hin schräg nach außen verlaufender
Stromzufuhr und Umschaltung auf Generatorbetrieb Streben an seiner Nabe bzw. seinen Naben befestigt ist.
umgestellt werden. Durch eine solche Konstruktion ergibt sich ein sehr
Eine besonders günstige Ausbildung, für die nicht nur 35 leichter und doch hinsichtlich Verbiegungen aus der
in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Windkraft- Rotorhauptebene heraus unter der Wirkung von
maschine, sondern auch unabhängig von dieser für sich Präzessionskräften steifer Aufbau, durch den mit
in Anwendung auf Stromgeneratoren oder Elektromo- einfachen Mitteln gewährleistet ist daß die in
toren mit radial übereinander liegenden relativ zueinan- entgegengesetzten Richtungen aus der Rotorhauptebeder bewegbaren Polen Schutz beansprucht wird, wird 40 ne heraus verlaufende Verbiegung der gegenläufigen
dadurch erreicht daß von den sich gegenüberstehenden Rotoren unter der Wirkung von Präzessionskräften
Polen relativ zueinander bewegbarer Polreihen der sehr gering bleibt und hierdurch eine Veränderung des
einen Stromgenerator bzw. einen Motor bildenden Teile RingspaUs zwischen den gegenläufigen Rotoren und
entweder die Pole des radial äußeren Teils oder die Pole damit eine Veränderung des Wirkungsgrades eines
des radial inneren Teils sich parallel zur Richtung der 45 durch die Rotoren gebildeten Stromgenerators sehr
Rotordrehachse nach beiden Seiten über die gegenüber- gering bleibt. Unabhängig von der vorstehend beschrieliegenden Pole des jeweils anderen Teils hinauserstrek- benen Strebenkonstruktion haben koaxiale, koplanare,
ken. Wenn bei einer solchen Ausbildung die sich relativ gegenläufige Rotoren gegenüber einer bereits angezueinander drehenden Teile des Stromgenerators bzw. wandten bekannten Rotoranordnung von zwei koaxiades Motors in Richtung der Drehachse axial auseinan- so len, gegenläufigen, hintereinander angeordneten Rotoder bzw. aufeinanderhinbewegen, beispielsweise unter ren unter anderem den Vorteil, daß bei koplanaren
der Einwirkung der Präzession auf gegenläufig rotieren- Rotoren bei der Verwendung derselben als Teile eines
de Rotoren, dann wird dadurch, daß von jedem Polpaar Stromgenerators der Radialabstand maßgeblich ist, der
ein Pol in Axialrichtung nach beiden Seiten hin länger ist auch bei geringfügigen, unter Präzessionseinwirkung
als der gegenüberliegende Pol das vom einen zum 55 erfolgenden Verformungen im wesentlichen rings um
anderen Pol laufende Magnetfeld auch durch die axiale den Umfang korstant bleibt während bei hintereinander
Relatiwerschiebung nicht abgeschwächt oder unterbro- angeordneten Rotoren der Axialabstand maßgeblich ist
chen, sondern bleibt in voller Stärke erhalten. Nachdem der sich unter der Einwirkung von Präzession bei
es sich bei derartigen Axialverschiebungen um relativ gegenläufigen Rotoren rings um den Umfang herum
kleine Verschiebungen handelt bei denen der Radialab- 60 stark verändert und damit die Verwendung derartiger
stand zwischen den Polen im wesentlichen unverändert Rotoren als Teile eines Stromgenerators sehr erschwert
bleibt wird durch eine solche Polkonstruktion gewähr- oder nahezu unmöglich macht wegen der zu starken
leistet daß die Magnetfeldverhältnisse im Betrieb Veränderung des wirksamen Luftspaks,
praktisch unverändert bleiben und damit eine störungs- Im folgenden werden Ausführungsbeispiele des
freie Stromerzeugung bzw. Motorleistungserzeugung 65 erfindungsgemäßen Windkraftwerks in Verbindung mit
gewährleistet ist Eine solche Polkonstruktion läßt sich der Zeichnung beschrieben. Es zeigt
nicht nur in Verbindung mit den Rotoren von F i g. 1 eine Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels
Windkraftmaschinen vorteilhaft anwenden, sondern eines erfindungsgemäßen Windkraftwerks, teilweise im
AA
Schnitt,
Pig.2 eine Ansicht eines zweiten Ausführungsbei·
spiels eines erfindungsgemäßen Windkraftwerks, teilweise schematisiert und teilweise im Schnitt,
F i g. 3 eine Schnitt-Teilansicht des Ausführungsbei- s
spiels gemäß F i g. 2 entsprechend der Schnittlinie ΙΙΙ-ΙΠ
in F i g. 2 in vergrößertem Maßstab,
Fig.4 eine Ansicht eines dritten Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen Windkraftwerks, das in einem Canyon angeordnet ist, teilweise schematisiert
und teilweise im Schnitt,
F i g. 5 einen Längsschnitt durch ein viertes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Windkraftwerks,
Fig.6 einen Längsschnitt durch ein fünftes Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Windkraftwerks,
F i g. 7 einen Längsschnitt durch ein sechstes Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Windkraftwerks,
F i g. 8 eine Ansicht eines Polpaares eines Stromkraftgenerators,
der in einem erfindungsgemäßen Windkraftwerk gebildet wird, teilweise im Schnitt.
Bei dem in F i g. 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel des Windkraftwerk» sind zwei koaxiale,
koplanare gegenläufige Rotoren 1 und 2 um eine gemeinsame Rotordrehachse 3 drehbar angeordnet
Der Rotorblattkranz jedes Rotors 1 bzw. 2 ist sowohl am Innenumfang als auch am Außenumfang von je
einem Mantelring 1' bzw. 1" bzw. 2' bzw. 2" umschlossen. Die Rotordrehachse 3 ist in der Mitte
einer Trägerkonstruktion 4 drehbar gelagert. Die Trägerkonstruktion ist im gezeichneten Ausführungsbeispiel als aus mehreren Profiler! oder Rohren
zusammengeschweißte Ko ns truktion ausgeführt, wobei sich ein Teil der Konstruktion entlang der einen Seite
der beiden Rotoren erstreckt (in F i g. 1 sichtbar) und
der andere Teil entlang dor anderen Seite der beiden Rotoren. An den beiden Enden der Trägerkonstruktion
sind die zu beiden Seiten der Rotoren verlaufenden Teile zusammengefaßt. An-I einen Ende der Trägerkonstruktion
sitzt eine Achse 4', am anderen Ende sitzt eine Achse 4", die mit der Achse 4' fluchtet, wobei beide
Achsen 4' und 4" in der Ftotorhauptebene liegen. Die Achse 4' und 4" sind in bezüglich der Rotoren diametral
gegenüberliegenden Lagern 5 und 6, deren ideelle Drehachsen in der Rotoirhauptebene liegen und
miteinander fluchten, drehbar gelagert. Die Lager 5 und 6, die im dargestellten Ausfuhrungsbeispiel als Kugellager
ausgebildet sind, sind in einer Stützkonstruktion 7 befestigt, die im dargestellten Ausfuhrungsbeispiel als
aus Streben zusammengeschweißtes Gerüst ausgebildet ist. Im unteren Bereich der Stützkonstruktion 7 befindet
sich eine Basisplatte 7', die über Laufrollenpaare 8 auf einem Drehkranz 9 um eine vertikale, durch die SS
Drehachse 3 und die ideelle Verbindung der Achsen der Lager 5 und 6 gegebene Achse hindurchgehende
Hochachse drehbar gelagert ist. Der Laufkranz 9 ist mittels einer Verankerungskonstruktion 10 am Erdboden
befestigt
Eine der Laufrollen 8 steht mit einem Elektromotor U, der an der Grundplatte T befestigt ist, in
Antriebsverbindung. Bei Einschalten des Elektromotors U versetzt die Laufrolle 8, die als Reibrolle ausgebildet
ist, die Stützkonstruktion und damit auch die Rotoren um die Hochachse, d. h. im vorliegenden Beispiel um die
Vertikalachse, in Drehung.
Die Achse 4" der Träjge>-konstruktion 4 steht mit einem Elektromotor 12, der an der Stützkonstruktion 7 befestigt ist, in Antriebsverbindung. Wenn der Elektromotor 12 eingeschaltet ist, übt er auf die Achse 4" ein Drehmonsnt mit einem in dieser Achse liegenden Vektor aus. Hierdurch werden die Rotoren und die Kippachse 4'-4" geschwenkt. Bei diesem Ausführungsbeispiel des Windkraftwerks sind die beiden gegenläufi. gen Rotoren somit um drei jeweils einen Winkel miteinander einschließenden Achsen drehbar, nämlich um die Achsen 3, 4'-4", und die im Zentrum des Drehkranzes 9 liegende vertikale Hochachse.
Die Achse 4" der Träjge>-konstruktion 4 steht mit einem Elektromotor 12, der an der Stützkonstruktion 7 befestigt ist, in Antriebsverbindung. Wenn der Elektromotor 12 eingeschaltet ist, übt er auf die Achse 4" ein Drehmonsnt mit einem in dieser Achse liegenden Vektor aus. Hierdurch werden die Rotoren und die Kippachse 4'-4" geschwenkt. Bei diesem Ausführungsbeispiel des Windkraftwerks sind die beiden gegenläufi. gen Rotoren somit um drei jeweils einen Winkel miteinander einschließenden Achsen drehbar, nämlich um die Achsen 3, 4'-4", und die im Zentrum des Drehkranzes 9 liegende vertikale Hochachse.
Befinden sich die beiden gegenläufigen Rotoren des in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiels des Windkraftwerks
in Drehung, so stellen sie zwei koaxiale und koplanare gegenläufige Kreisel dar. Falls diese beiden
Kreisel nicht so dimensioniert sind, daß ihre Dralle entgegengesetzt gleich groß sind, dann wird, wenn die
Stützkonstruktion 7 um die Hochachse mittels des Elektromotors 11 gedreht wird, nach dem Kreiselgesetz
eine Präzession der beider Rotoren 1 und 2 resultieren, durch die die Rotordrehachse 3 um die Kippachse 4'-4"
nach oben oder unten verschwenkt wird. Andererseits wird, wenn unter den vorgenannten Voraussetzungen
der Elektromotor 12 eingeschaltet wird und damit die Rotordrehachse um die Kippachse 4'-4" mit den
Rotoren 1 und 2 verschwenkt wird, eine Präzession des Systems um die vertikale Hochachse stattfinden, d. h. die
Stützkonstruktion 7 wird sich dann um die Hochachse drehen. Bei dem dargestellten Windkraftwerk hat man
es somit in der Hand, durch Ausübung von Drehmomenten auf das System um die Hochachse mittels des
Elektromotors 11 bzw. um die Kippachse mittels des Elektromotors 12 eine exakte Ausrichtung der Rotoren
auf die jeweils herrschende Windrichtung durch Ausnutzung der Kreiselpräzession zu bewerkstelligen.
Unter Umständen müssen beide Elektromotoren 11 und 12 für eine gewisse Zeit gleichzeitig eingeschaltet
werden, um die gewünschte Ausrichtung zu erreichen. In jedem Falle genügen jedoch sehr geringe, von den
Elektromotoren 11 und 12 aufgebrachte Drehmomente, um auch bei sehr groß dimensionierten Rotorsystemen
die richtige Positionierung rasch und exakt zu erreichen, da die Verstellung der großen Massen durch die
Präzession erfolgt, ohne daß zu einer Lageänderung der Rotoren deren Drehung vorher auf Null heruntergebremst
werden müßte. Dabei müssen die Trägerkonstruktion 4 und die Stützkonstruktion 7 nur äußerst
geringe, durch das Gewicht der Rotoren bestimmte Kräfte aufnehmen. Durch Präzession hervorgerufene
Lagerkräfte, wie sie bei bekannten Windkraftwerken des Standes der Technik in schädlichem Maße auftreten,
sind durch die dreiachsige Lagerung der Rotoren vollständig ausgeschaltet.
Die Steuerung der Rotorausrichtung kann bei dem dargestellten Ausfuhrungsbeispiel mittels einer Steuervorrichtung,
die Steuersignale in Abhängigkeit von der Umlaufgeschwindigkeit der Rotoren und der gewünschten
Richtung ausgibt, erfolgen. Die gewünschte Richtung, nämlich die Richtung der Windströmung,
kann dabei beispielsweise mittels eines Meßgeräts, wie einer kardanisch aufgehängten Meßfahne, festgestellt
werden, mittels der sowohl der erforderliche Drehwinkel in vertikaler als auch in horizontaler Richtung
laufend festgestellt werden kann. Die Meßfahnensignale können in elektrische Signale umgewandelt werden, die
in der Steuervorrichtung verarbeitet und in Steuerbefehle an die Elektromotoren U und 12 umgesetzt
werden können. Auf diese Weise ist eine laufende
automatische Ausrichtung der Rotoren auf die Windrichtung möglich
Bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausfuhrungsbeispiel ist
am Innenumfang des äußeren Rotors und am Außenumfang des Innenrotors je eine ir. der Figur nicht
dargestellte Anzahl von Magnetpolen rings um den Umfang verteilt befestigt. Die Pole des inneren Rotors
sind als Dauermagnete ausgebildet, die Pole des äußeren Rotors als mit elektrischen Leitungswicklungen
umgebene Elektromagnetpole. Die Anordnung dieser j ο
Pole ist in Fig. 1 nicht dargestellt, die später noch
erörtert wird. Die elektrischen Leitungswicklungen der Pole des äußeren Rotors sind über einen ebenfalls nicht
dargestellten Kollektor, der um die Drehachse 3 herum vorgesehen ist und über eine ebenfalls nicht dargestellte, '
entlang der Trägerkonstruktion 4 laufende und sich über einen Schleifringkontakt zur Stützkonstruktion 7 hin
fortsetzende Leitung mit einem Stromnetz bzw. einem stromverbrauchenden Gerät verbunden. Die gegenläufigen Rotoren 1 und 2 bilden bei dieser Ausgestaltung
die relativ zueinander drehbaren Teile eines Stromgenerators. Werden die Rotoren daher von der Windströmung in gegenläufige Drehung versetzt, so liefert dieser
Generator einen Strom an das angeschlossene Netz oder Verbrauchsgerät. Umgekehrt können die gegenläufigen Rotoren 1 und 2 aus dem Stillstand heraus in
Drehung versetzt werden, wenn von einer Stromquelle ein geeigneter Strom in die Pole des äußeren Rotors
eingespeist wird, weil dann die Rotoren 1 und 2 wie die Teile eines Elektromotors wirken. Auf diese Weise ist es
möglich, beim Anfahren des Windkraftwerks die Rotoren rasch auf eine Umlaufgeschwindigkeit zu
bringen, die der zur Ausnutzung der vorhandenen Windströmung optimalen Umlaufgeschwindigkeit entspricht
Die Art der Lagerung der Rotoren 1 und 2 um die Drehachse 3 ist in F i g. 1 nur schematisch dargestellt.
Die Rotorkonstruktion und Lagerung kann jedoch in der gleichen Weise erfolgen, wie dies in Fig.5
dargestellt ist und später noch besprochen werden wird.
In Fig.2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel eines
erfindungsgemäßen Windkraftwerkes dargestellt. Bei diesem sind wiederum zwei koaxiale, koplanare,
gegenläufige Rotoren 1 und 2 vorgesehen, die in einer Trägerkonstruktion 4Λ drehbar gelagert sind. Die
Trägerkonütruktion weist einen Tragring 33 auf, an dessen Außenumfang der äußere Rotor 1 drehbar
gelagert ist, und an dessen Innenumfang der innere Rotor 2 drehbar gelagert ist. Zu beiden Seiten der
Rotorhauptebene erstrecken sich von dem Tragring 33 nach beiden Seiten in diametral entgegengesetzter
Richtung Tragarme 34 bzw. 34'. An den beiden Enden der aus dem Tragring 33 und den zu beiden Seiten der
Rotorhauptebene verlaufenden Tragarmen 34 und 34' gebildeten Trägerkonstruktion AA sind die Enden der
Tragarme 34 bzw. die Enden der Tragarme 34' jeweils zusammengefaßt und tragen dort miteinander fluchtende Achsen 4' bzw. 4", die in der Rotorhauptebene liegen.
Die Lagerung dieser Achsen 4' und 4", die miteinander eine Kippachse 4'-4" bilden, in gegenüberliegenden
Lagern 5 und 6 sowie die Halterung dieser Lager in einer Stützkonstruktion 7 und die drehbare Lagerung
derselben entsprechen in ihrem Aufbau dem anhand des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 1 bereits beschriebenen Aufbau, so daß diesbezüglich auf die dortigen
Ausführungen verwiesen werden kann. Dies gilt auch für die Anordnung des Elektromotors 12 als Stellvorrichtung zur Ausübung eines Drehmoments um die
Kippachse 4' bzw. 4". Die Orientierung der Rotoren in die gewünschte Richtung erfolgt bei dem Ausführungsbeispiel gemäß F i g, 2 in der gleichen Weise wie bei dem
Ausfuhrungsbeispiel gemäß Fig. 1, so daß auf die dortigen Ausführungen verwiesen werden kann.
In F i g. 3 ist, in vergrößertem Maßstab, ein Schnitt durch die Rotoranordnung bei dem Ausfuhrungsbeispiel
gemäß F i g. 2 dargestellt. Aus der Schnittdarstellung ist erkennbar, daß am Tragring 33, rings um dessen
Umfang verteilt, Rollen 35' und 35" drehbar gelagert sind, deren Laufflächen am Außenumfang des Tragrings
33 freiliegen, und an denen der äußere Rotor 1 mittels Laufschienen 37 drehbar gelagert ist In analoger Weise
ist der innere Rotor 2 am Innenumfang des Tragrings 33 an Laufrollen 36' und 36" mittels Laufschienen 37
drehbar gelagert Beim gegensinnigen Umlauf der Rotoren t und 2 steht der Tragring 33, der als Halterung
für die Laufrollen 35', 35", 36', 36" dient, und der Teil der Trägerkonstruktion 4Λ ist, still. Der Tragring 33 ist bei
diesem Ausführungsbeispiel als »Stator« eines Stromgenerators ausgebildet, während beide Rotoren 1 und 2
jeweils als »Rotor« eines Stromgenerators ausgebildet sind. Am Tragring 33 sind sowohl am Außenumfang als
auch am Innenumfang jeweils rings um den Umfang herum elektromagnetische Pole 21 verteilt angeordnet,
die mit Leitungswicklungen versehen sind, durch die Strom fließen kann. Über diesen Polen sind sowohl am
äußeren Rotor 1 als auch am Innenrotor 2 Dauermagnetpole 25 befestigt, die mit den jeweiligen Polen 21
zur Stromerzeugung zusammenwirken. Die Anordnung und Ausgestaltung dieser Pole wird anhand der
Ausführungsbeispiele gemäß F i g. 5 und 7 nachstehend noch im einzelnen erläutert werden. Das Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 2 hat den Vorteil, daß weder vom
Rotor 1 noch vom Rotor 2 Strom über Schleifkontakte zu der Trägerkonstruktion AA weggeleitet werden muß,
sondern daß der erzeugte Strom in den Leitungen der Pole 21 des ohnehin zur Trägerkonstruktion AA
gehörenden Tragrings 33 erzeugt wird und fließt. Hierdurch ergibt sich eine schleifkontaktfreie und damit
einfache Konstruktion des aus dem Tragring 33 und den beiden Rotoren gebildeten Stromgenerators.
Wie aus den Fig.2 und 3 ersichtlich ist, sind am
Tragring 33 an dessen anströmseitigem Stirnrand 33' rings um den Umfang verteilt vier Steuerklappen 38
schwenkbar und in ihrer jeweiligen Stellung feststellbar gelagert. Jede der Steuerklappen 38 ist über je einen in
Fig.3 dargestellten Stellmotor 39, beispielsweise ein
elektromagnetisches Solenoid oder eine hydraulische oder pneumatische Kolben-Zylinder-Einheit verstellbar
und feststellbar. Erfolgt das Ausschwenken aller vier Steuerklappen 38 gleichzeitig, so wird dadurch der
Anströmquerschnitt des äußeren Rotors an vier am Umfang verteilten Stellen verengt. Hierdurch ist eine
Beeinflussung der Zuströmung zu dem gesamten Rotorsystem möglich. Die Steuerklappen 38 sind jedoch
auch wahlweise einzeln ausfahrbar. Wird beispielsweise die in Fig.2 oben dargestellte Steuerklappe für sich
ausgefahren, während die anderen Steuerklappen in geschlossener Position gehalten werden, so wird
hierdurch eine hinsichtlich der Kippachse unsymmetrische Anströmung des Rotors 1 bewirkt, die eir
Kippmoment um die Kippachse auf das Rotcrsysten zur Folge hat. Auf diese Weise lassen sich die
Steuerklappen als Stellvorrichtung zur Ausübung eine: Drehmoments um die Kippachse und damit zu
Positionierung des Rotorsystems entweder anstelle de Motors 12 oder zusätzlich zu diesem einsetzen. Di
Größe des durch Ausfahren einer Steuerklappe 38 erzeugbaren Kippmoments kann durch den jeweiligen
Ausfahrwinkel der Steuerklappe, die stufenlos verstellbar ist, beeinflußt werden.
In F i g. 4 ist ein Ausführungsbeispiel des Windkraft- S werks gezeigt, bei dem zwei gegenläufige koaxiale und
koplanare Rotoren 1 und 2 um eine Drehachse 3 umlaufen, die ihrerseits in einer Trägerkonstruktion 13
gelagert ist. Die Trägerkonstruktion 13 ist als Schweißkonstruktion aus Rohren oder Profilen ausgeführt
und entspricht in ihrem Aufbau weitgehend der anhand des Ausführungsbeispiels der F i g. 1 beschriebenen
Trägerkonstruktion 4. Die Enden der Trägerkonstruktion 13 sind wiederum in Lagern 5 und 6 drehbar
gelagert, deren ideelle Achsen miteinander fluchten und in der Hauptebene der Rotoren 1 und 2 liegen und somit
wiederum eine Kippachse 13'-13" für die Rotoren 1 und
2 definieren. Die Lager 5 und 6 sind in Stützgerüsten 14
und 15 gehaltert, die ihrerseits an gegenüberliegenden Wänden eines Canyons befestigt sind. Die Rotorhauptebene
der Rotoren 1 und 2 erstreckt sich quer zu diesem Canyon.
Die Ausbildung der Trägerkonstruktion 13 weicht insofern von der in F i g. 1 beschriebenen Trägerkonstruktion
4 prinzipiell ao, als in der Mitte der Trägerkonstruktion 13 in deren vor und hinter der
Rotorhauptebene verlaufenden Teilen jeweils Führungsbahnen 16 vorgesehen sind. In diesen Führungsbahnen 16 sind die aus der Rotorhauptebene nach vorne
und hinten herausragenden Enden der Rotordrehachse
3 geführt. Beispielsweise sind die Enden der Rotordrehachse 3 in in F i g. 3 aus Anschaulichkeitsgründen nicht
dargestellten Kugelgelenklagern in ebenfalls nicht dargestellten Gleitsteinen gelagert, wobei die Gleitsteine
ihrerseits in den Führungsbahnen der vorderen und hinderen Teile der Trägerkonstruktion 13 in gegenläufigem
Sinne mittels aus Übersichtlichkeitsgründen auch nicht dargestellten Schraubspindelantrieben hin- und
herbewegbar sind. Diese Antriebe können ihrerseits durch eine Steuervorrichtung gesteuert sein, in die als
Meßsignal die vertikale Windrichtungskom.jonente,
z. B. durch eine Windfahne gemessen, eingespeist wird. Die Führungsbahnen 16 verlaufen quer zur Rotordrehachse
parallel zur Kippachse 13'-13". Durch eine Verstellung der Enden der Rotordrehachse in diesen
Führungsbahnen ist es somit möglich, die Rotorhauptebene der Rotoren 1 und 2 zusammen mit der
Rotordrehachse 3 um eine senkrecht zur Kippachse 13'-13" und senkrecht zur Rotordrehachse 3 verlaufende
Hochachse zu verschwenken. Wenn die gegenläufigen Rotoren 1 und 2 sich bei dieser Anlage in Drehung
befinden und eine solche Verschwenkung der Rotordrehachse 3 in den Führungen 16 stattfindet, wird eine
Präzession der Rotoren 1 und 2 stattfinden, durch die die Rotordrehachse nach oben bzw. unten um die
Kippachse 13-13" gekippt wird. Auf diese Weise 1st eine Anpassung der Stellung der Rotoren an eine
Aufwind· oder Abwindrichtung, d. h. an eine Veränderung der vertikalen Strömungskomponente des Windes
durch Ausnutzung der Krelselpräzession möglich. Dabei «0 genügen schon sehr geringe Auslenkungen der Richtung der Rotordrehachse 3 In den Führungen 16, um dies
zu bewirken. Eine Anpassung an horizontale Windrichtungsänderungen 1st in dem gezeigten Ausführungsbeispiel nioht erforderlich, da in einem Canyon der Wind In
Richtung des Canyons strömt und seine Richtung dabei nicht wesentlich ändern wird. Am Stützgerüst 13 Ist ein
Elektromotor 12 befestigt, der auf die Achse 13' ein Kippmoment ausüben kann. Dieser Elektromotor wirkt
in analoger Weise wie der Elektromotor 12 der Ausfuhrungsbeispiele der Fig. 1 und 2. Bei dem
Ausfuhrungsbeispiel gemäß F i g. 4 wird er jedoch, da eine Anpassung an eine horizontale Windrichtung hier
im wesentlichen nicht erforderlich ist, nur in sehr geringem Umfang, wenn überhaupt, als Stellvorrichtung
verwendet; er wird bei bei diesem Ausführungsbeispiel jedoch zum Kippen des gesamten Systems um die
Kippachse bei stillstehendem Rotor eingesetzt
In Fig.5 ist ein weiteres Ausfuhrungsbeispiel des Windkraftwerks in einer Längsschnittansicht dargestellt.
Soweit Teile dieses Ausführungsbeispiels mit Teilen bereits besprochener Ausfuhrungsbeispiele prinzipiell
übereinstimmen, sind wieder die gleichen Bezugszeichen verwendet. Bei diesem Ausführungsbeispiel
sind wieder zwei koaxiale, koplanare und gegenläufige Rotoren 1 und 2 vorgesehen, die um eine
Rotordrehachse 3' drehbar gelagert sind. Der Rotorblattkranz jedes Rotors ist sowohl am Innenumfang als
auch am Außenumfang jeweils von einem Mantelring umschlossen. Auf diese Weise ergibt sich eine
Strömungsführung, die zu einer optimalen Windenergieausnutzung führt. Der innere Rotor 2 ist mittels einer
Nabe 17 auf der Rotordrehachse 3' über Kugellager gelagert, der äußere Rotor 1 ist mittels zweier zu beiden
Seiten der Nabe 17 angeordneter Naben 18 und 18' über Kugellager auf der Rotordrehachse 3' drehbar gelagert.
Der äußere Rotor 1 ist mittels den Innenrotor 2 an beiden Seiten übergreifender, zu den Naben 18 bzw. 18'
hin schräg nach außen verlaufender Streben 19 und 19' an den Naben 18 und 18' befestigt. Der innere Rotor 2 ist
seinerseits über eine Anzahl von schräg verlaufenden Streben 20 an seiner Nabe 17 befestigt Durch eine
solche Strebenkonstruktion wird ein sehr leichter und doch gegen Verbiegungen aus der Rotorhauptebene
heraus steifer Aufbau erzielt.
Auch bei dem Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 5 sind wie in den vorangegangenen Ausführungsbeispielen
jeweils am inneren Umfang des äußeren Rotors 1 und am äußeren Umfang des inneren Rotors 2 Magnetpole
rings um den Umfang verteilt angeordnet Im Ausfuhrungsbeispiel gemäß F i g. 5 sind in Axialrichtung
jeweils zwei Pole nebeneinander vorgesehen. Die am äußeren Rotor 1 angebrachten Pole 21 weisen
elektrische Leitungswicklungen auf, die über nicht dargestellte Leitungen, die entlang der Streben 19 bzw.
19' verlaufen, mit Kollektoren 22 gekoppelt sind, die mit Schleifkontakten 23 in Berührung stehen, die an einer
Tragkonstruktion 24 befestigt sind. Von den Schleifkontakten 23 führen aus Übersichtlichkeitsgründen nicht
dargestellte Leitungen zu einem Stromnetz oder zu einem stromverbrauchenden Gerät Gegebenenfalls ist
auch noch ein Stromumformer dazwlschengeschaltet, Die Pole 23 am äußeren Umfang des Innenrotors 2 sind
als Dauermagnete ausgebildet. Die gegenläufigen Rotoren 1 und 2 bilden somit die Teile eines
Stromgenerators oder, wenn Strom von außen in die Wicklungen der Pole 21 eingespeist wird, die Teile eines
Elektromotors.
Beim Ausfuhrungsbeispiel gemäß Fig.3 weist die
Rotorachse 3' über die Rotorhauptebene nach vorne und hinten hinausgehende Enden auf. die in Führungsbahnen 16' und 16" in einem vorderen und einem
hinteren Teil der Tragkonstruktion 24 gelagert sind Diese Führungebahnen erstrecken sich parallel zueinander In vertikaler Richtung. Im Bereich jeder Führungsbahn 16' bzw. 16" ist je ein Stellmotor, beispielsweise je
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eine hydraulische oder pneumatische Zylinder-Kolben-Einheit oder ein Elektromotor mit Spindelantrieb 39 an
der Tragkonstruktion 24 angebracht. Diese Stellmotoren 39 wirken auf die Enden der Drehachse 3' derartig
ein, daß beim Anheben des einen Endes der Drehachse das andere Ende gleichzeitig um einen gleich großen
Betrag abgesenkt wird. Auf diese Weise wird auf die Drehachse ein Drehmoment mit einem in der
Kippachse liegenden, dh. in der Rotorhauptebene liegenden und die Hochachse durchstoßenden Vektor to
ausgeübt Durch ein derartiges Kippmoment kann die Rotordrehachse und damit das Rotorsystem aus den
gegenläufigen Rotoren 1 und 2 um die Kippachse verschwenkt werden. Bei sich drehenden Rotoren tritt
dabei eine Präzession um die Hochachse ein, durch die die Rotoren in ihrer Orientierung an eine sich ändernde
horizontale Windrichtung angepaßt werden können. Die Richtungseinstellung der Rotoren erfolgt bei
diesem Ausführungsbeispiel in analoger Weise wie bei dem Ausfuhrungsbeispiel gemäß Fig. 1. Bei dem no
Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 5 ist die Tragkonstruktion 24 mittels einer in ihrem unteren Bereich
vorgesehenen Platte 24' um die Hochachse drehbar gelagert. Diese Lagerung und der als Einstellvorrichtung
vorgesehene Elektromotor 11 entsprechen in as Aufbau und Wirkungsweise der Hochachsenlagerung
des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 1, so daß diesbezüglich auf die dortigen Ausführungen verwiesen
werden kann.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig.5 ist das
Ausmaß einer Kippbewegung der Rotoren durch die Ausdehnung der Führungsbahnen 16' und 16" naturgemäß
sehr begrenzt. In vielen Fällen reicht jedoch eine derartige begrenzte Kippbarkeit zur Orientierungssteuerung der Rotoren ohne weiteres aus.
Die bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig.5 angewandte Strebenkonstruktion für die Rotoren kann
beispielsweise auch bei den Windkraftwerken gemäß den F i g. 1,3 und 4 verwendet werden.
In Fig.6 ist ein weiteres Ausfuhrungsbeispiel eines +0
Windkraftwerks gezeigt, das in seinem prinzipiellen Aufbau dem Aufbau des Windkraftfwerks gemäß F i g. 5
entspricht. Soweit Teile in ihrer Funktion prinzipiell übereinstimmen, sind die gleichen Bezugszeichen
verwendet. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist an jedem Rotor 1 bzw. 2 in Richtung der Rotordrehachse 3'
jeweils eine Anzahl von Polreihen, die mit entsprechenden Polreihen des anderen Rotors zusammenwirken,
axial nebeneinander angebracht. Dabei sind am Innenumfang des äußeren Rotors 1 zwei Polreihcn 21
axial nebeneinander vorgesehen, denen am äußeren Umfang des Innenrotors 2 zwei Polreihen 23 gegenüberstehen. Darüber hinaus sind an den Streben 19 und
19' des äußeren Rotors 1 in Höhe des inneren Umfangs des Innenrotors 2 welter Polreihen 21' axial nebenelnander vorgesehen, denen an den Streben 20 des
Innenrotors 2 befestigte Polreihen 25' des Innenrotors gegenüberstehen. Durch die Erhöhung der Zahl der
Polreihen läßt sich die Im Stromgenerator erzielbare
Leistung erhöhen bzw., wenn das System als Motor arbeitet, die aufnehmbare Leistung.
In PIg.7 1st ein weiteres Ausführungsbeispiel des
Windkraftwerks in einen Längsschnitt gezeigt Der prinzipielle Aufbau stimmt wiederum mit dem Ausführungsbeispiel gemäß FIg.S oder dem Ausführungsbel· eg
spiel gemäß Pig.6 überein. Beim Ausführungsbeispiel
gemäß PI g. 7 Ist jedoch der äußere Rotor über Streben
19" unmittelbar an der Rotordrehachse 3" befestigt, während der innere Rotor über Streben 20' und 20" an
Naben 27 und 27', die drehbar auf der Rotordrehachse 3" gelagert sind, befestigt ist Die Rotordrehachse, die in
diesem Ausführungsbeispiel mit dem Rotor 1 umläuft, ist in ihrem mittleren Bereich im Durchmesser verstärkt
und trägt am Außenumfang eine Anzahl von Magnetpolreihen mit um den Umfang verteilten Magnetpolen.
Diese Magnetpolreihen 28 sind im axialen Abstand voneinander angeordnet. An den Streben 20' und 20"
des Innenrotors 2 ist eine Anzahl von Magnetpolreihen 29, bei denen die Magnetpole von elektrischen
Wicklungen umgeben sind, so angeordnet, daß sie den Magnetpolreihen 28 gegenüberliegen. Die Polwicklungen
der Magnetpolreihen 29 sind wiederum über nicht dargestellte Leitungen mit einem ebenfalls nicht
dargestellten Kollektor verbunden, über den der erzeugte Strom über Schleifkontakte an das Verbrauchersystem
abgeführt wird, oder über den auch Strom zugeführt werden kann, falls die Rotoren als
Elektromotor arbeiten sollen.
Zur Verbesserung der Strömungsverhältnisse ist der zentrale Bereich im Zentrum der koaxialen Rotoren 1
und 2 bei den in den F i g. 1 bis 8 dargestellten Ausfuhrungsbeispielen des Windkraftwerks durch Verkleidungen
bzw. Ummantelungen aerodynamisch verkleidet. Derartige Verkleidungen und Ummantelungen
sind in den F i g. 5,6 und 7 im Schnitt dargestellt.
In F i g. 8 sind Magnetpole, wie sie am äußeren Rotor 1 bzw. am inneren Rotor 2 eines der vorstehend
beschriebenen Beispiele einer Windkraftmaschine angebracht sein können, in größerem Maßstabe dargestellt.
In dem Beispiel sind am inneren Umfang des äußeren Rotors 1 zwei Reihen von dauermagnetischen
Polen 30 und 30' in axialem Abstand voneinander angeordnet. Am äußeren Umfang des Innenrotors 2 sind
zwei Elektromagnetpolreihen 31 und 3Γ, den Polreihen
30 und 30' radial gegenüberliegend, angeordnet. Jeder der Pole der Polreihen 31 und 31' weist eine elektrische
Leitungswicklung 32 auf. Diese Leitungswicklungen sind über nicht dargestellte Leitungen mit bereits erwähnten
Kollektoren verbunden. Aus F i g. 8 ist ersichtlich, daß von den sich gegenüberstehenden Polen 30 und 30' bzw.
31 und 31' jeweils die Pole 30 und 30' in einer parallel zur Richtung der Rotordrehachse verlaufenden Richtung
nach beiden Seiten über die gegenüberliegenden Pole 31 bzw. 31' sich hinauserstrecken. Wenn bei einer
Lageänderung der Rotordrehachse eine Präzession der Rotoren 1 und 2 eintritt, werden diese, da sie sich
gegenläufig drehen, in entgegengesetzten Richtungen zu präzedieren versuchen und damit entgegengesetzt
gerichteten Drehmomenten unterworfen, die versuchen, die Rotoren 1 und 2 aus der Rotorhauptebene nach
entgegengesetzten Richtungen hinauszubiegen. Infolge der Elastizität der Rotoren 1 und 2 kann es durch diese
Momente zu geringfügigen axialen Verlagerungen zwischen dem Inneren Umfang des äußeren Rotors 1
und dem äußeren Umfang des Innenrotors 2 kommen, d. h. zu axialen Verschiebungen, durch die die Pole 30
und 30' des äußeren Rotors gegenüber den Polen 31 und 31' des Innenrotors axial nach der einen oder anderen
Seite auswandern. Durch den Umstand, daß die Pole 30 und 30' sich jedoch In unbelasteter Stellung der Rotoren
nach beiden Seiten in axialer Richtung über die Pole 31 bzw. 31' des Innenrotors hinauserstrecken, ist auch bei
einer derartigen geringfügigen axialen Verlagerung gewährleistet, daß das magnetische Feld zwischen den
Polen 31 bzw. 31' und den Polen 30 bzw. 30' nicht verringert oder unterbrochen wird, sondern In voller
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Stärke aufrechterhalten bleibt. Auch die Luftspaltdicke zwischen den Polen bleibt durch die geringfügige axiale
Verlagerung zwischen den Rotoren, bei der der Radialabstand im wesentlichen gleich bleibt, im
wesentlichen unverändert. Auf diese Weise ist sicherge- s stellt, daß die Generatorleistung auch bei einer
Einstellbewegung der gegenläufigen Rotoren und dabei auftretenden Präzessionsmomenten nicht beeinträchtigt wird.
Die in Fig.8 dargestellte Polkonstruktion ist nicht
nur bei gegenläufigen Rotoren von Windkraftwerken anwendbar, sondern ganz allgemein bei Stromgeneratoren oder Elektromotoren, bei denen eine axiale
Verschiebung der relativ zueinander um eine Drehachse drehbaren Teile (z. B. »Stator« und »Rotor«) auftreten
kann. Dabei ist es für die Wicklung der Polkonstruktion gleichgültig, durch welche Umstände die Axialverschiebung zwischen den Polen herbeigeführt wird.
Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend geschilderten Beispiele beschränkt. Beispielsweise kann ein ao
erfindungsgemäßes Windkraftwerk auch so ausgebildet
sein, daß mehr als zwei koplanare, koaxiale Rotoren
vorgesehen sind. Es ist auch möglich, bei mehereren koaxialen, koplanaren Rotoren alle im gleichen Sinne
umlaufen zu lassen. Hierbei addieren sich die Kreiselwirkungen der Rotoren, während sie sich bei gegenläufigen Rotoren parallel kompensieren.
Bei den vorstehend anhand der Figuren beschriebenen Ausführungsbeispielen bildeten zwei gegenläufige
Rotoren jeweils in sich einen Stromgenerator. Es ist jedoch ohne weiteres möglich, ein erfindungsgemäßes
Windkraftwerk auch so auszubilden, daß ein Rotor oder mehrere gegenläufige Rotoren über eine Rotordrehachse, gegebenenfalls unter Einschaltung von Getrieben,
einen separaten Stromgenerator oder unmittelbar eine andere Arbeitsmaschine, beispielsweise eine Pumpe,
antreibt. Dabei kann das angetriebene Gerät beispielsweise über eine Kardanwelle mit der Rotordrehachse
gekoppelt sein, so daß eine allseitige Schwenkbarkeit der Rotordrehachse durch die Koppelung mit dem
anzutreibenden Gerät nicht beeinträchtigt ist.
Claims (20)
1. Windkraltwerk mit mindestens einem Rotor,
der sowohl um eine Rotor-Drehachse drehbar als $
auch um eine einen Winkel mit der Rotordrehachse einschließenden Hochachse mittels einer Einstellvorrichtung
zur Wind-Orientierung schwenkbar in einer Tragkonstruktion gelagert ist und eine
Arbeitsmaschine, beispielsweise einen Stromgenera· tor treibt, dadurch gekennzeichnet, daß
die Rotor-Drehachse (3) in einer eine Präzession des Rotors oder der Rotoren (1, 2) gestattenden Weise
um eine weitere ideelle, sowohl durch die Rotordrehachse als auch die Hochachse verlaufende, mit
beiden je einen Winkel einschließende Kippachse (4', 4"; 13'-13") in der Tragkonstruktion drehbar
gelagert ist und eine Positionierungseinrichtung zur Positionierung der Rotorhauptebene die Einstellvorrichtung
(11) für die Hochachsenschwenkung des oder der Rotoren aufweist, die unmittelbar oder
mittelbar bzw. auf den oder die Rotoren ein Drehmoment ausübt, das eine senkrecht zur
Rotor-Drehachse und senkrecht zur Kippachse verlaufende Momenten vektor-Komponente aufweist,
deren jeweilige Größe in Abhängigkeit von der Rotorumlaufgeschwindigkeit und der auf den
oder die Rotoren auszuübenden Windrichtungs-Orientierungsbewegung in Abstimmung mit dem
von der Hochachsen-Einstellvorrichtung (11) auszuübenden Drehmoment mittels einer Steuervorrichtung
zur Steuerung der Betätigungszeiten und Momente der Einstellvorrichtung unter Ausnutzung
der Kreiselpräzesiiions-Gesetze steuerbar ist.
2. Windkraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Positionierungseinrichtung
neben der Einstellvorrichtung (11) mindestens eine Stell-Vorrichtung (12) zur Einstellung des oder der
Rotoren in Abhängigkeit von horizontalen Windrichtungsänderungen aufweist, die unmittelbar oder
mittelbar auf die Rot or-Drehachse bzw. auf den oder
die Rotoren ein Drehmoment ausübt, das eine senkrecht zur Rotor-Drehachse und senkrecht zur
Hochachse verlaufende Momentenvektor-Komponente aufweist, deren jeweilige Größe in Abhängigkeit
von der Rotorumlaul'geschwindigkeit und der auf den oder die Rotoren auszuübenden Windrichtungs-Orientierungsbewegung
in Abstimmung mit dem von der Hochachsen-Einstellvorrichtung (11) auszuübenden Drehmoment mittels einer Steuervorrichtung
zur Steuerung der Betätigungszeiten und Momente der Einstellvorrichtung und der Stellvorrichtung
unter Ausnutzung der Kreiselpräzessions-Gesetze steuerbar ist.
3. Windkrafitwerk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotor-Drehachse
(3) des Rotors oder dei Rotoren etwa in der Mitte einer Trägerkonstraktion (4 bzw. 13) drehbar
gelagert ist, die sich auf mindestens einer Seite des Rotors bzw. der Rotoren diametral entlang der
Rotorhauptebene erstreckt und mit ihren Enden (4', 4") in bezüglich der Rotor-Drehachse (3) diametral
gegenüberliegenden! Lagern (5, 6) drehbar gelagert ist, deren ideelle! Drehachsen in der Rotorhauptebene
liegen und miteinander fluchten, und die ihrerseits an einer Stützkonstruktion (7,14,15) befestigt sind.
4. Windkrafcweik nach Anspruch 3, dadurch
gekennzeichnet, daB die Stützkonstruktion (7) als Gerüst ausgebildet ist, das in einer Drehlagerkonstruktion
(8,9) um die Hochachse drehbar gelagert ist
5. Windkraftwerk nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß an mindestens einem
Ende der Trägerkonstruktion eine Vorrichtung (12) zur Ausübung eines Drehmoments auf die Trägerkonstruktion
(4) mit einem in der Drehachse (4'-4") der Trägerkonstruktion liegenden Drehmomentvektor
als Stellvorrichtung angeordnet ist.
6. Windkraftwerk nach mindestens einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die
Trägerkonstruktion einen Tragring aufweist, der zwischen den koaxialen, koplanaren, gegenüberliegenden
Rotoren konzentrisch zu diesen angeordnet ist, und an dem der innere Rotor an seinem äußeren
Umfang und dei· äußere Rotor an seinem Innenumfang drehbar gelagert sind.
7. Windkraftwerk nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß am anströmsehigen Stirnrand
des Tragrings mindestens eine Steuerklappe ein- und verstellbar gelagert ist.
8. Windkraftwerk nach Anspruch 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die Stützkonstruktion (14, 15) als starr mit dem Erdboden verbundene Gerüstkonstruktion
ausgebildet ist.
9. V/indkraftwerk nach Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerkonstruktion (13)
sich zu beiden Seiten des Rotors bzw. der Rotoren erstreckt und die Rotordrehachse (3) über die
Rotoren nach vorne und hinten herausragende Enden aufweist, die in Führungsbahnen (16) im
vorderen und hinteren Teil der Trägerkonstruktion in einer durch die Rotordrehachse (3) und die
Lagersiellen (5, 6) der Trägerkonstruktion (13) verlaufenden ideellen Ebene in einem eine Drehmomenteinwirkung
mit einem in der Hochachse liegenden Vektor bedeutenden Sinne mittels einer Einstellvorrichtung hin- und herbewegbar sind.
10. Windkraftwerk nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die
Rotor-Drehachse über die Rotorhauptebene nach vorne und hinten hinausragende Enden aufweist, die
in Führungsbahnen in einem vorderen und einem hinteren Teil der Tragkonstruktion gelagert und in
einer durch die Rotordrehachse und die Hochachse verlaufenden ideellen Ebene in einem eine Drehmomenteinwirkung
mit einem in der Kippachse liegenden Vektor bedeutenden Sinne mittels einer Stellvorrichtung auf- und abbewegbar sind.
11. Windkraftwerk nach Ansprüche oder 9,
dadurch gekennzeichnet, daß die Enden der Rotor-Drehachse (3) in Kugelgelenklagern in
Gleitsteinen gelagert sind, die ihrerseits in den Führungsbahnen (16) der vorderen bzw. hinteren
Teile der Trägerkonstruktion (13) in gegenläufigem Sinne mittels Schraubspindelantrieben hin- und
herbewegbar sind.
12. Windkraftwerk nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die
Konstruktion aller Teile des Windkraftwerks und die Lagerung des Rotors oder der Rotoren so
angeordnet bzw. ausgebildet ist, daß für die Drehbewegungen um jede der drei Achsen ( — Rotor-Drehachse,
Kippachse, Hochachse — ) jeweils ein Massenausgleich gegeben ist.
13. Windkraftwerk nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß
zwei koaxiale, koplanare gegenläufige Rotoren (1,2) um die Drehachse (3 bzw. 3') drehbar gelagert sind.
14. Windkraftwerk nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der beiden gegenläufigen
Rotoren (1. 2) rings um den Umfang verteilt eine s Anzahl von Magnetpolen (21 bzw. 2S) trägt, die mit
den Magnetpolen des jeweils anderen Rotors zusammenwirken, wobei mindestens die Pole (21)
eines Rotors elektrische Leitungswicklungen aufweisen, die über Leitungen mit einem Kollektor
gekuppelt sind, so daß die beiden Rotoren die relativ zueinander drehbaren Teile (»Stator« und »Rotor«)
eines Stromgenerators bzw., bei Einspeisung von Strom in den Kollektor, eines Elektromotors bilden.
15. Windkraftwerk nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß
der Rotor oder jeder der gegenläufigen Rotoren rings um den Umfang verteilt eine Anzahl von
Magnetpolen trägt, die mit Magnetpolen zusammenwirken, die rings um die Rotor-Drehachse gegen
Drehung um die Rotor-Drehachse gesichert angeordnet sind, wobei entweder die Pole des oder der
Rotoren oder die gegen Drehung um die Rotordrehachse gesicherten Pole elektrische Leitungswicklungen aufweisen, die über Leitungen mit einem
Kollektor gekoppelt sind, so daß der Rotor oder jeder der gegenläufigen Rotoren zusammen mit den
jeweils zugeordneten gegen Drehung um die Rotor-Drehachse gesicherten Polen die Teile (»Rotor« und »Stator«) eines Stromgenerators bzw. bei
Einspeisung von Strom in den Kollektor eines Elektromotors bilden.
16. Windkraftwerk nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Pole jeweils eines
Teils des Stromgenerators bzw. Elektromotors, beispielsweise die Pole eines Rotors oder die gegen
Drehung um die Rotor-Drechachse gesicherten Pole als Dauermagnete (25,30,30') ausgebildet sind.
17. Windkraftwerk insbesondere wenigstens nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß von den sich gegenüberstehenden
Polen (30, 31) relativ zueinander bewegbarer Polreihen der einen Stromgenerator bzw. einen
Motor bildenden Teile entweder die Pole (30) des radial äußeren Teils oder die Pole (3i) des radial
inneren Teils sich parallel zur Richtung der Rotor-Drehachse nach beiden Seiten über die
gegenüberliegenden Pole (31) des jeweils anderen Teils hinauserstrecken.
18. Windkraftwerk nach mindestens einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß
an jedem Rotor (1,2) in Richtung der Ro'nrdrehach
se (3') jeweils eine Anzahl von Polreihen (21'), aie mit
entsprechenden Polreihen (26') des anderen mit dem Rotor einen Stromgenerator bzw. einen Elektromotor bildenden Teils zusammenwirkt, axial nebeneinander angebracht ist.
19. Windkraftwerk nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß
der Rotorblattkranz jedes Rotors sowohl am Innenumfang als auch am Außenumfang von einem
Mantelring (1', 1" bzw. 2', 2") umschlossen ist.
20. Windkraftwerk nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß
jeder der koaxialen, koplanaren gegenläufigen Rotoren (1,2) mittels mindestens einer Nabe (18,18';
17) auf der Rotor-Drehachse (3') gelagert ist, und daß der äußere Rotor (1) mittels den inneren Rotor
an beiden Seiten übergreifender, zur jeweiligen Nabe (18 bzw. 18') hin schräg nach außen
verlaufender Streben (19 bzw. 19') an seiner Nabe bzw. seinen Naben befestigt ist.
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