DE2602380B2

DE2602380B2 - Drehvorrichtung, die durch ein in Bewegung befindliches Fluid wie z.B. Wasser oder Luft, angetrieben wird

Info

Publication number: DE2602380B2
Application number: DE2602380A
Authority: DE
Inventors: Charles Andre Lucien Bucquoy Sicard (Frankreich)
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1975-01-22
Filing date: 1976-01-22
Publication date: 1978-09-14
Also published as: CA1059031A; FR2298706A1; DE2602380A1; GB1531511A; DE2602380C3; OA05217A; US4048947A; AU1041876A; JPS5198449A; FR2298706B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Drehvorrichtung, die durch oin in Bewegung befindliches Fluid, wie z. B. Wasser oder Luft, angetrieben wird, mit einem Rotor

jo mit vertikaler Achse, der eine im wesentlichen zylindrische Form und eine Vielzahl von identisch geformten Schaufeln mit symmetrischem, aerodynamischem Profil aufweist, die längs des Rotorumfanges verteilt angeordnet sind, wobei jede Schaufel auf einer

j5 im wesentlichen vertikalen, zur Vorderkante der Schaufel parallelen Achse drehbar angeordnet ist.

Aus der US-PS 20 94 603 ist eine Drehvorrichtung bekannt, die durch Luft angetrieben wird und die einen Rotor mit vertikaler Achse verwendet, an dem eine Vielzahl von Schaufeln angeordnet sind. Dabei sind jeweils mehrere Schaufeln übereinander um eine Drehachse verstellbar angeordnet, wobei je Drehachse ein Gegengewicht vorgesehen ist, das einen Ausgleich der rotierenden Massen aller an dieser Drehachse

■ij befestigten Flügel um deren Rotationsachse bewirken soll. Hierdurch wird vermieden, daß ein Teil der Energie des strömenden Windes zur Überwindung des Drehmomentes aufgebracht werden muß, das sich einstellt, wenn die Schaufeln bei exzentrischer Anordnung ihrer

■ίο Drehachse sich bei drehender Gesamtvorrichtung radial einstellen. Weiterhin werden die Schaufeln automatisch gegen den Wind zu Erzielung einer möglichst großen Druckfläche angestellt. Für die bekannte Vorrichtung ist ein ganz erheblicher baulicher Aufwand mit einer sehr

■">■■> großen Anzahl verschiedener Einzelteile nötig, wobei durch die Anwendung vieler einzelner Verstellmechanismen für die Rotationsachsen der Schaufeln eine zusätzliche Kompliziertheit entsteht. Die bekannte Vorrichtung kann wohl nur bei einem erheblichen

wi Kostenaufwand erstellt worden.

Bei einer anderen bekannten Drehvorrichtung (DE-PS 8 60 930) ist wiederum ein Rotor mit vertikaler Achse vorgesehen, der eine im wesentlichen zylindrische Form sowie eine Vielzahl identisch geformter

hi Schaufeln mit symmetrischem, aerodynamischem Profil aufweist. Die Schaufeln sind längs des Rotorumfangs verteilt angeordnet und jede Schaufel ist auf einer im wesentlichen vertikalen, zur Vorderkante der Schaufel

parallelen Achse drehbar. Dabei ist allerdings für jeden Flügel ein Anschlag vorgesehen, der eine Drehung des betreffenden Flügels nur innerhalb eines gewissen Winkelbereiches und nur so weit zuläßt, daß die Außenfläche des Flügels etwa senkrecht zum Radius verläuft. Tritt allerdings beim Einsatz der bekannten Vorrichtung eine sehr starke Erhöhung der Windkraft auf, dann kann dies eventuell zu Beschädigungen an den Schaufeln, Drehachsen o.a. führen, da infolge der beschränkten Anstellbarkeit der Schaufeln stets Schaufeln eine bestimmte Neigung zur Anströmrichtung des Windes aufweisen und dadurch in diesem Fall einen unerwünschten Widerstand ausbilden. Weiterhin ist durch die Begrenzung des Anstellwinkels bei der bekannten Vorrichtung auch eine optimale Einstellung der Schaufeln auf unterschiedliche Windstärken nicht immer gewährleistet.

Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß bei ihr unter weitgehender Vermeidung der aufgezeigten Nachteile eine sich ändernde Anströmstärke des Anströmmediums entsprechende Einstellung der Schaufeln und bei zu starker Anströmung ein Ausrichten aller Schaufeln in Anströmrichtung möglich ist. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß jede Schaufel ohne Anschlag frei drehbar mit mindestens einem Gegengewicht versehen ist, das so angeordnet ist, daß der Schwerpunkt der ganzen Schaufel-Gegengewicht-Baueinheit in einer Ebene durch die Achse der Schaufel und senkrecht zur Schaufel-Profilmittellinie, nicht jedoch auf der Achse der Schaufel selbst liegt. Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen wird der Vorteil erreicht, daß sich die völlig frei (ohne Anschlag) drehbaren Schaufeln infolge der Gegengewichte automatisch in Abhängigkeit von der Anströmstärke des Anströmmediums in ihrer Neigung zur Auströmrichtung einstellen, und daß diese Einstellung sich sogleich ändert, wenn eine Änderung in der Anströmstärke auftritt. Die Gegengewichte sorgen beim Drehen des Rotors dafür, daß stets eine günstige Anstellung der Schaufeln zur Anströmrichtung vorliegt, wobei die Zentrifugalkraft, die auf jedes Gegengewicht ausgeübt wird, im Gleichgewicht steht mit der aerodynamischen Kraft, die das Anströmmedium auf die Schaufeln ausübt. Sobald deren Kraft sich plötzlich ändert, paßt sich die Vorrichtung dieser Variation ohne großen Widerstand an, wobei der Rotor z. B. seine Geschwindigkeit so weit erhöhen kann, bis maximale Drehgeschwindigkeit erreicht wird. Wird die Anströmgeschwindigkeit des Antriebsmediums jedoch zu groß, dann wird das Gleichgewicht zwischen der aerodynamisch auf die Schaufeln ausgeübten Kraft und den Gegengewichten gestört, so daß es letztlich zu einer Ausrichtung der Schaufeln ganz in Anströmricaiung des Windes und dadurch zu einem Stillstand des Rotors kommt. Hierbei ist ein Minimum an Angriffsflächen für das Anströminedium gegeben, so daß die Gefahr eine Beschädigung wegen zu großer Anströmkraft minimiert ist.

Vorteilhafterweise läßt sich die erfindungsgemäße Drehvorrichtung mit Kraftübertragungseinrichtungen zum Antrieb weiterer Vorrichtungen, wie z. B. einer Motorpumpe o. ä. versehen. Gleichermaßen vorteilhaft kann die erfindungsgemäße Drehvorrichtung aber auch als Antriebsquelle für ein oder mehrere Antriebsräder eines Landfahrzeuges verwendet werden, wobei sie etwa oben auf einem Ständer oder Mast auf diesem Landfahrzeug drehbar angeordnet ist und über geeignete Kraftübertragungseinrichtungen die Drehbewegung des Rotors an die Antriebsräder weitergibt. Ein weiteres vorzugsweises Einsatzgebiet der erfindungsgemäßen Drehvorrichtung ist auch deren Verwendung als Antriebsquelle für einen Schiffspropeller, indem man sie etwa drehbar auf einem Mast des zugehörigen Schiffes anordnet und über geeignete Kraftübertragungseinrichtungen die Drehbewegung des Rotors auf den

ίο Schiffspropeller überträgt Der Anwendungsbereich für die erfindungsgemäße Drehvorrichtung beschränkt sich allerdings nicht auf die aufgezählten Beispiele, sondern sie ist in einem viel weiteren Bereich mit Vorteil einsetzbar, so etwa zum Antrieb auch von Elektrogene- > ratoren, Kühlaggregaten von Transportfahrzeugen o. ä. Beim Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird jede Schaufel über einen Drehwinkel von 360° hinweg einer aerodynamischen Auftriebs- bzw. Druckkraft ausgesetzt, wobei man die Summe dieser Auftriebs- bzw. Druckkräfte aller Schaufeln als Drehmoment auf den Rotor wirken läßt. Als Antriebsmedium für die erfindungsgemäße Vorrichtung kann nicht nur Luft dienen, sondern auch andere geeignete strömende Gase oder selbst geeignete Flüssigkeiten, wie z. B. Wasser

>■> oder ähnliches.

Beim Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden die Schaufeln mit ihrem symmetrischen Profil während einer Rotorumdrehung von 360° sowohl auf der einen, wie auch auf der anderen Profil-Halbhälfte

)o wechselseitig symmetrisch belastet. Dabei wechselt die aerodynamische Belastung während einer Umdrehung des Rotors zweimal von einer Schaufelhalbseite auf die andere Schaufelhalbseite (bezogen auf die Profilmittellinie) und zurück: hierbei wird die Schaufeloberseite bzw.

υ Saugseite dann zur Schaufelunterseite bzw. Druckseite und umgekehrt. Da man inzwischen erkannt hat, daß ein symmetrisches Schaufelprofil nicht immer den besten aerodynamischen Wirkungsgrad ergibt, erweist es sich bei der erfindungsgemäßen Drehvorrichtung von Vorteil, wenn jede Schaufel nur im Ruhezustand der Drehvorrichtung ein symmetrisches Profil aufweist, das jedoch unter Einwirkung einer Fluidkraft zu einem klassischen Flügelprofil veränderbar ist, wobei diese Veränderung identisch, aber symmetrisch zur Profilmit-

4> tellinie der Schaufel erfolgt, wenn die Fluidkraft hinsichtlich dieser Profilmittellinie wechselt, d. h. wenn z. B. die aerodynamische Kraft im Laufe der Rotation von einer Schaufelhälfte auf die andere umwechselt. Hierbei ist die Veränderung zu jedem geeigneten

ίο aerodynamischen Flügelprofil vorsehbar, das zur angestrebten Wirkungsgradverbesserung beitragen kann. Ein solches klassisches Schaufelprofil besteht z. B. darin, daß die Schaufelober- und -Unterseite eine Wölbung aufweist, die an der Oberseite stärker als an

-,-> der Unterseite ausgeprägt ist. Das »Umwechseln« der aerodynamischen Druckkraft auf jede Schaufel (d. h. von einer Schaufelhälfte auf die andere und zurück) im Verlauf einer Rotorumdrehung bewirkt dabei eine entsprechende Veränderung des Schaufelprofils derart,

bo daß sich stets ein Profil einstellt, das einen optimalen Schaufelauftrieb (Schaufelantrieb) gewährleistet. Das im Ruhezustand der Vorrichtung symmetrische Schaufelprofil verändert sich folglich hinsichtlich der Profilmittellinie unter Einwirkung der aerodynamischen Kraft

b-> und es verformt sich dann, wenn der Angriffspunkt der aerodynamischen Kraft von einer Profilhälfte auf die andere überwechselt, hinsichtlich der Profilmittellinie in identischer Form wie vorher, jedoch nur seitenverkehrt.

Eine besonders vorteilhafte Gestaltung der erfindungsgemäBen Drehvorrichtung besteht darin, daß jede Schaufel zwei Gegengewichte aufweist, deren eines außen an einem ersten, in einer senkrecht zur Profilmittellinie der Schaufel und durch deren Achse verlaufenden Ebene liegenden Arm und deren anderes außen an einem zweiten Arm angebracht ist, der in der Verlängerung der Profilmittellinie der Schaufel liegt, wobei das Gegengewicht am zweiten Arm so gewählt ist, daß es die Schaufel hinsichtlich deren Achse voll ausgleicht.

Eine weitere, vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß jede Schaufel mit einem Gegengewicht versehen ist, das auf einem schräg zur Profilmittellinie der Schaufel verlaufenden Arm angeordnet ist, d. h. von der Profilmittellinie der Schaufel und der Mittellinie des Armes wird ein Winkel, vorzugsweise ein stumpfer Winkel, eingeschlossen.

Nach einei weiteren vorzugsweisen Ausgestaltung der Erfindung weist der Rotor nicht eine streng zylindrische Form auf, sondern zur Erzeugung einer leichten Konizität nach unten hin ist der Rotordurchmesser oben größer als unten ausgebildet, also der Abstand des Aufhänge- bzw. Drehpunkts vcn der Rotordrehachse unten an den Schaufeln kleiner als oben.

Von Vorteil ist es weiterhin, wenn der Rotor einstückig mit einer vertikal zwischen zwei Lagern drehbar angeordneten Welle ausgebildet ist, wobei das untere Lager an der Unterlage befestigt und das obere Lager von einer Haltevorrichtung aufgenommen ist. In bestimmten Anwendungsfällen kann es sich jedoch empfehlen, an Stelle der einstückigen Ausbildung auch eine anderweitige feste oder lösbare Verbindung des Rotors mit der Welle vorzusehen. Bei diesen Ausführungsformen ruht das untere Lager der Welle direkt auf der Unterlage, z. B. dem Boden, einem Fahrkörper o. ä., während das obere Lager unmittelbar unter den unten angeordneten Befestigungseinrichtungen für die Schaufeln von einer Haltevorrichtung aufgenommen und getragen wird. An der vertikalen Achse des Rotors sind dann vorzugsweise Einrichtungen angebracht, mittels derer die Rotorbewegung an irgendeine geeignete Anschlußvorrichtung übertragen werden kann.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Drehvorrichtung besteht darin, daß die Schaufeln ein Rohr aufweisen, das ihre Vorderkante bildet und bei dem an diametral einander gegenüberliegenden Punkten jeweils die einen Enden zweier biegsamer und widerstandsfähiger Blätter flach befestigt sind, deren andere Enden zur Bildung des Schaufelendes miteinander befestigt sind. Von Vorteil ist es, wenn man für das Rohr dabei ein handelsübliches Metallrohr verwendet, und vorzugsweise bildet man die Blätter auch aus einem geeigneten Kunststoff, z. B. Polyester, oder aus einem metallischen Werkstoff, z. B. einer Aluminiumlegierung, vorzugsweise einer aushärtbaren Aluminiumlegierung (wie sie z. B. unter dem Handelsnamen »Dural« erhältlich ist) oder auch aus Stahl aus. Besonders vorteilhaft lassen sich die Blätter am Rotor bzw. aneinander mittels eines Epoxidharzes befestigen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung beispielshalber im Prinzip noch näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 die Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Drehvorrichtung, bei der jedoch nur zwei einander gegenüberliegende Schaufeln dargestellt sind (eine in seitlicher Ansicht, die andere in Vorderansicht),

F i g. 2 eine Draufsicht auf die Vorrichtung aus F i g. 1 (verkleinerter Maßstab),

Fig. 3 einen vergrößerten Detailausschnitt aus F i g. 2,

F i g. 4 eine alternative Ausführungsform der in F i g. 3 gezeigten Einrichtung (vergrößert),

F i g. 5 die schematische Darstellung verschiedener Vektororientierungen einer Schaufel während ihres Bewegungsvorganges,

F i g. 6 die schematische Darstellung eines Anwendungsfalles einer Drehvorrichtung nach Fig. 1,

F i g. 7 die schematische Darstellung der Anwendung einer erfindungsgemäßen Drehvorrichtung nach Fig. 1 auf einem Trimaran,

F i g. 8 eine schematische Darstellung eines Landfahrzeuges (Segelwagen), das mit einer erfindungsgemäßen Drehvorrichtung nach F i g. 1 versehen ist,

F i g. 9 einen Profilschnitt durch eine andere Art des Aufbaus einer erfindungsgemäßen Schaufel, der eine optimale Ausnutzung der aerodynamischen Kräfte ermöglicht.

Die in den Figuren dargestellte Drehvorrichtung soll durch einen bewegten Luftstrom betätigt werden. Allerdings wäre es anstelle des Luftstromes ohne weiteres auch möglich, solche Vorrichtungen mit anderen strömenden Fluids bzw. Medien zu betreiben, wie etwa Wasser, Öle, Gase oder ähnlichem.

Die in den Fig. 1 bis 3 gezeigte Drehvorrichtung weist eine vertikale Welle 1 auf, die drehbar zwischen zwei Lagern 2 und 3 angeordnet ist. Dabei ist Lager 2 auf der Unterlage, etwa dem Erdboden, einem Schiffsrumpf, einem Fahrzeugaufbau o. ä. direkt befestigt, während Lager 3 von einer Haltevorrichtung 4 aufgenommen ist. Bei dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 wird diese Haltevorrichtung von mehreren Streben 4 gebildet, die oben geeigneterweise das Lager 3 abstützen. An Stelle dieser Streben ist jedoch gleichermaßen jede andere Halte- bzw. Einspannvorrichtung für Lager 3 einsetzbar, wobei sich deren geeignete Auswahl jeweils nach dem gewünschten Einsatzzweck richten wird.

Auf der Welle 1 sind zwei Trageglieder 5 und 6 befestigt, deren jedes sechs Arme aufweist, die sternförmig, jeweils um 60° zueinander versetzt angeordnet sind. Die Länge der Arme des oberen Tragegliedes 6 ist geringfügig größer als die des unteren Tragegliedes 5. Zwischen jedem Arm des Tragegliedes 6 und dem entsprechenden Arm des Tragegliedes 5 isi eine Schaufel 7 angeordnet; die ganze Vorrichtung weisl insgesamt sechs solcher Schaufeln 7 auf, wie dies aus F i g. 2 ersichtlich ist.

Jede Schaufel 7 (Fig.3) ist als symmetrisches aerodynamisches Profil ausgebildet und drehbar auf der beiden Tragegliedern 5 und 6 über die Achse 8—S befestigt. Diese Achse erstreckt sich längs einer gerader Linie 10 parallel zur Vorderkante 11 der jeweiliger Schaufeln 7. Wie aus Fig.3 ersichtlich ist, ist die Schaufel 7 einstückig mit einem Arm 12 ausgebildet, dei schräg zur Mittellinie der Schaufel 7 angeordnet ist unc mit dieser einen stumpfen Winkel B einschließt. Ar seinem Ende trägt der Arm 12 ein Gewicht 13. In F i g. 2 ist der solchermaßen aufgebaute Rotor in blockiertei Stellung, in der er sich nicht drehen kann, gezeigt; alle Schaufeln 7 sind dabei in Strömungsrichtung des Winde: gestellt.

Die Länge des Armes 12 und die Größe des Winkels I sind derart gewählt, daß der Schwerpunkt der gesamter

Schaufel-Gegengewichtseinheit in einer Ebene liegt, die zum einen durch die Rotationsachse 10 der Schaufel 7 und zum anderen rechtwinklig zu der Profilmittellinie der Schaufel 7 verläuft.

Eine andere Schaufel-Gegengewichtsanordnung ist in Fig.4 dargestellt: Hierbei ist der schräg angeordnete Arm 12 und das Gewicht 13 durch zwei senkrecht zueinander stehene Arme 12a und 126 und zwei Gewichte 13a und 136 ersetzt, wobei die Anordnung des Armes 12 mit dem Gewicht 13 die Resultierende der Einheit 12a-13a und 12Ö-13Ö darstellt. In dem in Fig.4 gezeigten Fall bestimmt sich die Größe des Gewichtes 13a und die Länge des Armes 12a daraus, daß ein völliger Ausgleich des Gewichtes der Schaufel 7 bezüglich der Achse 10, somit ein völliger Gleichgewichtszustand zwischen Schaufel 7 einerseits und Arm 12a mit Gewicht 13a andererseits herbeigeführt wird.

Infolge der leichten Neigung der Achsen 10 weisen die Gewichte eine Tendenz auf, sich auf die Außenseite des von den Schaufeln 7 gebildeten Zylinders zu bewegen, ganz so, wie wenn der Motor sich bereits zu bewegen beginnt und der Effekt der Zentrifugalkraft wirksam würde. Hierdurch stellen sich die Schaufeln bereits im Ruhezustand gegen den Wind an, wodurch sich der Vorteil ergibt, daß die Vorrichtung selbsttätig anlaufen kann. Sobald sich der Rotor dreht, stellt sich bei den Schaufeln 7 eine bestimmte Neigung gegen den relativen Luftstrom ein, der vom Wind ausgelöst ist, und die Schaufeln 7 werden somit einer aerodynamischen »Auftriebskraft« unterzogen, die versucht, sie zu drehen, bis schließlich die Radialkraft, die Zentrifugalkraft infolge der Lage des Schwerpunktes und die Auftriebskraft miteinander im Gleichgewicht stehen. Das Drehmoment, das von der Masse jedes Flügels 7 ausgeübt wird, ist Null, da diese Kraft rein radial wirkt. Im Gegensatz hierzu ist die Auftriebskraft jedes Flügels 7 nicht rein radial wirksam, und die Summe der Auftriebskräfte aller Flügel bewirkt ein Drehmoment auf den Rotor. Wenn die Drehgeschwindigkeit ansteigt, wird hierdurch auch ein Ansteigen der relativen Luftgeschwindigkeit und damit der Auftriebskraft all der Schaufeln 7 bewirkt, die gegen die Windrichtung anlaufen, und eine Verminderung der relativen Windgeschwindigkeit und damit der Antriebskraft bei all den Schaufeln 7, die in Windrichtung sich bewegen. Hieraus resultiert eine Erhöhung der Rotationsgeschwindigkeit, was so lange weitergeht, bis sich wieder ein Gleichgewicht mit der Erhöhung des Schaufelwiderstandes einstellt. Durch die leichte Konizität des Rotors ist also der Vorteil eines selbsttätigen Ingangsetzens der Drehvorrichtung bei Vorhandensein eines Luftstromes gegeben.

In F i g. 5 sind schematisch die Größen der Windvektoren eingezeichnet, die bei verschiedenen Stellungen einer Schaufel 7 auftreten (jeweils in Winkelabständen von 30° eingezeichnet). In F i g. 5 ist die Windgeschwindigkeit V mit 1 m/sec und die Umfangsgeschwindigkeit der Schaufel mit 2 m/sec angenommen. Bei einer Stellung der Schaufeln 7 in der Position a ergibt sich der relative Windvektor infolge der Schaufelsteilung als der eingezeichnete, tangential zum Kreis verlaufende Vektor a\, während der Vektor des Anströmwindes sich als Vektor Vergibt. Die Resultierende aus den beiden Vektoren ai und V bildet der Vektor an, der als augenblicklich wirksamer Windvektor auf die Schaufel 7 angesehen werden kann. Dasselbe gilt für die Position b, in welcher der augenblicklich wirksame Windvektor mit bi bezeichnet ist, für die Position c, in der er als es bezeichnet ist usw. Aus Fig.5 ist ersichtlich, daß der augenblicklich wirksame Windvektor am größten in der Position c/und am kleinsten in der Position/ist.

Die Rotationsachse 10 der Schaufel 7 ist möglichst nahe an der Vorderkante 11 der Schaufel 7 angeordnet, und der Mittelpunkt der Auftriebskraft liegt deutlich im ersten vorderen Drittel der Schaufel. Hieraus ergibt sich, daß die Schaufel 7 wie eine Wetterfahne befestigt ist und sich auch so verhält und demnach versucht, sich

ίο in Richtung der relativen Windströmung einzustellen. Andererseits wirkt die Zentrifugalkraft auf den Schwerpunkt des Bauteils Schaufel-Gegengewicht und versucht, die Schaufel in eine Richtung tangential zum Umlaufkreis einzustellen. Infolgedessen wird die Schaufei 7 um so leichter eine Zwischenposition einnehmen, als diese Kräfte mit den Winkeln variieren (sei es mit dem Anströmwinkel, sei es auch mit der Lage der Tangente an den Kreis).

In F i g. 6 ist eine der vorher geschilderten Drehvorrichtungen dargestellt, bei der in der Nähe des unteren Endes der Welle 1 ein Zahnkranz 14 angebracht ist, der über ein geeignetes Winkelvorgelege eine Welle 15 und über diese einen Motor 16 antreibt.

In den F i g. 7 und 8 ist ein Rotor dargestellt, der oben

2") auf einem Balken oder Mast 20 in einem Lager 21 drehbar gelagert ist und der mit Hilfe eines Vorgeleges 22 eine Schiffsschraube 23 (F i g. 7) oder zwei Halbachsen 24 für den Antrieb von Rädern 25 antreibt. Wenn bei dem Ausführungsbeispiel, das in F i g. 7 gezeigt ist, das

jo Schiff mittels seiner Schraube 23 gegen den Wind fährt, so ergibt sich die relative Windgeschwindigkeit gegenüber der Drehvorrichtung aus der wirklichen Windgeschwindigkeit, vermehrt um die Geschwindigkeit des Schiffs. Hierdurch vergrößert sich wiederum die

J3 Auftriebs- bzw. Windkraft an den Schaufeln und damit die Rotationsgeschwindigkeit des Rotors. Hierbei erzeugt die Rotation des Rotors in dem bewegten Luftstrom das Auftreten des sog. »Magnus«-Effekts, der sich senkrecht zur Anströmrichtung des Fluids auswirkt Wenn das Schiff jedoch schräg zum Wind fährt, verstärkt sich dieser Magnus-Effekt oder er schwächt sich ab, je nachdem, wie die Umlaufrichtung des Rotors ist. Um diesen Effekt auszunutzen, kann man die Drehrichtung des Rotors ändern, indem man ihn anhält

4 ^r) und indem man die Orientierung der Schaufeln umdreht. Man kann aber auch, wenn der Wind günstig ist, den Propeller ganz abstellen und nur den Magnus-Effekt zum Vortrieb verwenden. Dieselben Prinzipien gelten für das Straßenfahrzeug, das in F i g. 8 dargestellt ist.

■■><> In den dargestellten Beispielen hat der Rotor einen unteren Durchmesser, der kleiner als sein oberer Durchmesser ist, um eine leichte Konizität des Rotors zu erzeugen. Dies dient einer Berücksichtigung der Tatsache, daß in den niedrigen Schichten der Atmosphäre. die Windgeschwindigkeit mit zunehmender Höhe anwächst, was andererseits ein Selbstanlassen einer Turbine ermöglicht. Es ist also vorzuziehen, daß bei der Messung des möglichen Anstellwinkels der Schaufel 7 zur relativen Windrichtung dieser Winkel über die

W) ganze Höhe der Schaufel gleichbleiben sollte. Hieraus folgt, daß hinsichtlich jeden Punkts der Schaufel 7 der Abstand der Achse der Schaufel 7 in Höhe dieses Punktes von der Rotorachse möglichst genau immer proportional zur Windgeschwindigkeit im betrachteten

b^r> Punkt gewählt ist. Zur Auslegung der Schaufel genügt es in der Praxis, wenn man über die Höhe einer Schaufellänge Windmeßgeräte (Anemometer) in der Höhe so verschiebt, daß jeweils die folgende Formel

809 537/333

erfüllt ist:

V R

In dieser Formel bezeichnet V die relative Windgeschwindigkeit und R den Radialabstand eines Anemometers und ν bzw. r die relative Windgeschwindigkeit bzw. den Radialabstand eines anderen Anemometers. Auf diese Art und Weise kann eine gewünschte lineare Abhängigkeit des örtlichen Radialabstandes der Drehachse 10 einer Schaufel 7 von der Rotationsachse des Rotors bezüglich der Windanströmung gefunden werden.

Beispielsweise wählt man für die Ausführung eines Windrads mit einer Armlänge von 200 cm für die obere Tragevorrichtung 6 die Armlänge der unteren Tragvorrichtung 5 mit 180 cm bei einer Schaufellänge von 800 cm. Hierdurch wird eine Neigung der Achse 10 von 1,26° erreicht. Wie schon weiter oben ausgeführt, bewirkt die nach außen gerichtete Neigung der Schaufel 7, daß die Gegengewichte im Ruhezustand einer radial nach außen zu dem von den Achsen 10 definierten Kegel gerichteten Lage einnehmen. Es ist allerdings auch möglich, ein Windrad zu erstellen, bei dem die Achsen 10 streng vertikal und parallel zueinander verlaufen. Beim Lauf des Rotors beschreiben sie dann einen Zylinder. In diesem Fall erweist es sich zur Einleitung der Drehbewegung allerdings als notwendig, den Rotor durch eine geeignete Vorrichtung anzuwerfen, da hier die Gegengewichte wegen der fehlenden Neigung der Schaufeln nicht bereits im Ruhezustand die Schaufeln gegen den Wind anstellen. Bei der in F i g. 9 dargestellten vorzugsweisen Ausführungsform ist eine Schaufel gezeigt, die eine optimale Ausnutzung der aerodynamischen Kräfte erlaubt In F i g. 9 besteht die Schaufel aus einem Rohr 31, das die Vorderkante der Schaufel bildet, und aus zwei Schaufelblättern 32 und 33, die das Profil der Schaufel vervollständigen. Die Verbindung dieser Schaufelblätter 32 und 33 an ihren anderen, freien Enden bildet die Rückseite der Schaufel. Beim Rohr 31 handelt es sich um ein metallisches Standardrohr, wie es im Handel erhältlich ist, das genau die Länge aufweist, die für die Schaufel gewählt wurde. Zwei Abplattungen 34 und 35 sind praktisch über die ganze Länge des Rohrs ausgeführt längs einer genügend großen Breite, um die erforderliche flache Befestigungsstelle für die Schaufelblätter 32 und 33 abzugeben. Die Schaufelblätter 32 und 33 sind rechteckig ausgeführt und aus einem widerstandsfähigen und biegsamen, leichten und deformierbaren Material hergestellt. Sie sind vorzugsweise in Polyester ausgeführt, können gleichermaßen aber auch aus einem entsprechend dünnen Metall bestehen, wie dieses etwa unter dem Namen »Dural« verkauft wird, oder auch aus Stahl. Jedes Schaufelblatt ist mit seinem vorderen Ende eben am Rohr 31 angeklebt: Das Schaufelblatt 32 auf der Abflachung 34, und das Schaufelblatt 33 auf der Abflachung 35, wobei vorteilhafterweise ein Epoxidharz für die Anklebung verwendet ist. Es kann hierfür jedoch auch, falls gewünscht, ein anderes Klebemittel verwendet werden, in bestimmten Fällen dürfte auch eine andere lösbare oder unlösbare Verbindung, z. B. durch Anschweißen, Löten oder über Schrauben, Nieten o. ä. vorteilhaft sein. Die anderen (freien) Enden der Schaufelblätter sind zusammengeklebt, vorzugsweise wiederum mittels Epoxidharz, wodurch die Rückseite 36 der Schaufel entsteht. Auch für die Befestigung der beiden Rückseiten der Blätter gelten die obengenannten Alternativen der Befestigungsmittel. Beispielsweise kann eine solche Schaufel mit folgenden Dimensionen ausgeführt sein: Das Standardrohr hat eine Länge von 6 m und einen Durchmesser von 52 mm sowie zwei Abplattungen über 15 mm Breite, und die zwei Schaufelblätter bestehen aus Polyester und haben die Maße 6 m χ 40 cm χ 2,5 mm.

Die Erfindung ist jedoch nicht nur auf die im vorstehenden geschilderten erfindungsgemäßen Drehvorrichtungen beschränkt. Sie umfaßt vielmehr auch im speziellen die aufgezeigten Gestaltungen der einzelnen Flügel, insbesondere deren Anordnung in Verbindung mit einem oder mehreren Gegengewichten oder die erwähnte selbsttätige Profilveränderung gegenüber der Ruhelage bei Anströmung.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Drehvorrichtung, die durch ein in Bewegung befindliches Fluid, wie z. B. Wasser oder Luft, angetrieben wird, mit einem Rotor mit vertikaler Achse, der eine im wesentlichen zylindrische Form und eine Vielzahl von identisch geformten Schaufeln mit symmetrischem, aerodynamischem Profil, aufweist, die längs des Rotorumfanges verteilt angeordnet sind, wobei jede Schaufel auf einer im wesentlichen vertikalen, zur Vorderkante der Schaufel parallelen Achse drehbar angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß jede Schaufel (7) ohne Anschlag frei drehbar und mit mindestens einem Gegengewicht (13) versehen ist, das so angeordnet ist, daß der Schwerpunkt der ganzen Schaufel-Gegengewicht-Baueinheit in einer Ebene durch die Achse (8-9) der Schaufel (7) und senkrecht zur Schaufel-Profilmittellinie, nicht jedoch auf der Achse (8—9) der Schaufel (7) selbst liegt

2. Drehvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Schaufel (7) zwei Gegengewichte (13a, 13Zj^ aufweist, deren eines (136,) außen an einem ersten, in einer senkrecht zur Profilmittellinie der Schaufel (7) und durch deren Achse (8—9) verlaufenden Ebene liegenden Arm {\2b) und deren anderes (13a^ außen an einem zweiten Arm (12a,) angebracht ist, der in der Verlängerung der Profilmittellinie der Schaufel (7) liegt, wobei das Gegengewicht (13a,) am zweiten Arm (12a,) so gewählt ist, daß es die Schaufel (7) hinsichtlich deren Achse (8—9) voll ausgleicht.

3. Drehvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede Schaufel (7) mit einem Gegengewicht (13) versehen ist, das auf einem schräg zur Profilmittellinie der Schaufel (7) verlaufenden Arm (12) angeordnet ist.

4. Drehvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung einer leichten Konizität nach unten hin der Durchmesser des Rotors oben größer als unten ist.

5. Drehvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor einstückig mit einer vertikalen, zwischen zwei Lagern (2, 3) drehbar angeordneten Welle (1) ausgebildet ist, wobei das untere Lager (2) auf der Unterlage befestigt und das obere Lager (3) von einer Haltevorrichtung (4) aufgenommen ist.

6. Drehvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufeln (7) ein Rohr (31) aufweisen, das ihre Vorderkante bildet und bei dem an diametral einander gegenüberliegenden Punkten jeweils die einen Enden zweier biegsamer und widerstandsfähiger Blätter (32, 33) flach befestigt sind, deren andere Enden zur Bildung des Schaufelendes miteinander befestigt sind.

7. Drehvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (31) ein handelsübliches Metallrohr ist.

8. Drehvorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Blätter (32,33) aus Polyester bestehen.

9. Drehvorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Blätter (32,33) aus einer Aluminiumlegierung oder aus Stahl bestehen.

10. Drehvorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Blätter (32,

33) mit einem Epoxidharz am Rohr (31) bzw. aneinander befestigt sind.

11. Drehvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß jede Schaufel (7) im Ruhezustand der Drehvorrichtung ein symmetrisches Profil aufweist, das jedoch unter Einwirkung einer Fluidkraft zu einem klassischen Flügelprofil veränderbar ist, wobei diese Veränderung identisch, aber symmetrisch zur Profilmittellinie der Schaufel (7) erfolgt, wenn die Fluidkraft hinsichtlich dieser Profilmittellinie wechselt.

12. Drehvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit Kraftübertragungseinrichtung(en) zum Antrieb einer Motorpumpe o. ä. versehen ist.

13. Drehvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, gekennzeichnet durch ihre Verwendung als Antriebsquelle für eines oder mehrere Antriebsräder eines Landfahrzeuges.

14. Drehvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, gekennzeichnet durch ihre Verwendung als Antriebsquelle zum Antrieb eines Schiffspropellers.