DE2632697A1

DE2632697A1 - Windkraftmaschine

Info

Publication number: DE2632697A1
Application number: DE19762632697
Authority: DE
Inventors: Peter James Musgrove
Original assignee: National Research Development Corp UK
Current assignee: National Research Development Corp UK
Priority date: 1975-07-21
Filing date: 1976-07-21
Publication date: 1977-02-10
Also published as: DK328076A; AU1605076A; NL7607668A; FR2319028A1; AU504100B2; SE7607529L; CA1078740A; US4087202A; FR2319028B1; DE2632697C2; GB1549767A

Description

Patentanwalt

Diplom-Physiker

Reinfried Frhr. v. Schorlemer

D-35OO Kassel , 19. Juli 1976

Brüder-Grimm-Platz 4 RS/RK Telefon (O561) 153 35

D 4740

NATIONAL RESEARCH DEVELOPMENT CORPORATION, London, England

Windkraftmaschine

Die Erfindung betrifft eine Windkraftmaschine mit vertikaler Achse und mit einem oder mehreren, ein Tragflächenprofil aufweisenden Flügeln, die an einem um die vertikale Achse drehbar gelagerten Tragrahmen befestigt sind.

Windkraftmaschinen oder Windmühlen dieser Art dienen dazu, dem Wind durch Antrieb elektrischer Generatoren oder mechanischer Maschinen wie beispielsweise Pumpen Energie zu entziehen_o Windkraftmaschinen mit vertikaler Achse besitzen gegenüber Windkraftmaschinen mit horizontaler Achse den Vorteil, daß sie nicht in die vorherrschende Windrichtung gesteuert werden brauchen, und sind aus einer Vielzahl von Veröffentlichungen bekannt (US-PS 1 835 018; "Agricultural Engineer's Februar 1974, Seiten 14 bis 16; National Research Council of Canada LTR-LA-74, März 1971 und LTR-LA-105, September 1972).

Bei bekannten Windkraftmaschinen sind zwei oder drei, ein symetrisches Tragflächenprofil aufweisend©' Flügel mit ihres oberen und unteren Ssadsn an einer vsm ©in® vertikale Achse rotierenden

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Welle befestigt, und in Längsrichtung entsprechend einer Form gekrümmt, die ein völlig flexibles Kabel gleichförmiger Dichte und gleichförmigen Querschnitts annehmen würde, wenn es um eine vertikale Achse geschleudert würde. Eine derartige Form, die auch Troposkien bezeichnet wird, wird verwendet, um die in den Flügeln auftretenden Biegekräfte möglichst klein zu halten, weil es eine Eigenart von Windkraftmaschinen mit vertikaler Achse ist, daß die Flügelgeschwindigkeit wesentlich größer als die Windgeschwindigkeit sein muß und daher bei hohen Windgeschwindigkeiten sehr große Drehzahlen auftreten können, bei denen sehr große Zentrifugalkräfte entwickelt werden. Die Troposkien-Form ist allerdings schwierig und teuer in der Herstellung. Selbst wenn die Biögekräfte minimalisiert sind, kann die bei hohen Windgeschwindigkeiten auftretende Zugbelastung, wenn ein unbegrenztes Anwachsen der Drehzahl zugelassen würde, zu einer Zerstörung der Turbine führen und daher den Gebrauch von speziellen, äußerst festen Materialien erfordern. Um diesen Nachteil zu vermeiden, sind Luftbremsen bekannt geworden, doch tragen diese nur zur Kompliziertheit der gesamten Maschine und daher auch zu deren Kosten bei„

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die bei einer Windkraftmaschine mit vertikaler Achse der eingangs bezeichneten Art bei hohen Windgeschwindigkeiten auftretenden Flügelbelastungen zu verrringern, ohne die Kompliziertheit und die Kosten der Maschine durch Schaffung besonderer Flügelformen und/oder von Luftbremsen zu erhöhen.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß jeder Flügel wenigstens auf einem Teil seiner Länge mit der Vertikalen einen Neigungswinkel bildet, der sich unter dem Einfluß der Zentrifugalkraft vergrößert, wenn die Drehzahl über einen normalen Betriebsbereich hinaus anwächst, um den Betrag zu verringern, um den die Drehzahl mit anwachsender Windgeschwindigkeit zunimmt.

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Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist jeder Flügel mittels eines Gelenks am Tragrahmen befestigt und unter dem Einfluß der Zentrifugalkraft um die Gelenkachse verschwenkbar. Eine Steuerung dieser Schwenkbewegung wird mittels einer Federvorspannung ermöglicht. Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform ist jedes Gelenk zwischen den beiden Enden eines Flügels angeordnet, dessen oberer Abschnitt gegen die Wirkung eines Zugdrahtes nach außen schwenkbar ist, der an eine Zugfeder angelenkt ist, die parallel zur Achse des Tragrahmens angeordnet ist und eine Vorspannung für alle Flügel bewirkt. Die Flügel nehmen somit einer V-Stellung ein, obwohl es prinzipiell genausogut möglich wäre, die Flügel in einer Α-Stellung anzuordnen. Zweckmäßig weist der Tragrahmen einen horizontalen Arm für jeden Flügel auf, wobei der Flügel am Ende des Arms angelenkt ist und der Arm ein dem Tragflächenprofil des Flügels ähnliches Tragflächenprofil aufweist.

Die Gelenkachse ist vorzugsweise horizontal und tangential zu dem Kreis angeordnet, den das Gelenk bei der Drehung beschreibt.

Die Wirkung der sich vergrößernden Neigung des Flügels beim Anwachsen der Drehzahl ist zweifacher Art. Einerseits wird aufgrund der Neigung des Flügels relativ zum Wind die effektive Windgeschwindigkeit verrringert, während andererseits die Gesamthöhe des Flügels und dadurch auch das Gesamtdrehmoment verringert wird. Infolgedessen ist das Verhältnis der Drehzahl zur Windgeschwindigkeit bei einem gegenüber der vertikalen geneigten Turbinenflügel kleiner als bei einem vertikal angeordneten Flügel, was zur Folge hat, daß die Drehzahl bei steigender Windgeschwindigkeit langsamer anwächst, als es bei einer Turbine mit festen Flügeln der Fall sein würde. Auf diese Weise werden die auf die Flügel wirkenden maximalen Zentrifugalkräfte verringert, wodurch übergroße Biegebe«nspruchungen vermieden werden. Die Biegebeanspruchung wird bei größer werdender Neigung außerdem deshalb verringert, weil das Moment der Zentrifugalkraft um den Befetigungspunkt am Tragrahmen verringert wird. Bei einem angelenkten Flügel, der durch einen Zugdraht festgehalten ist, ist die Biegebeanspruchung außerdem von der Lage des Gelenks und von der Lage des Punktes abhängig, an dem der Zugdraht mit dem Flügel verbunden ist.

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Die Erfindung wird nachfolgend in Verbindung mit der beiliegenden Zeichnung an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematisehe Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Windkraftmaschine mit vertikaler Achse;

Fig. 2 eine Einzelheit der die Vorspannung der Flügel der Windkraftmaschine nach Fig. 1 bewirkenden Teile;

Fig. 3 eine Draufsicht auf einen Anlaßhilfsflügel der Windkraftmaschine nach Fig. 1 und 2j

Fig. 4 die schematische Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 5 in vergrößerter Darstellung das Gelenk, das die Flügel der Windkraftmaschine nach Fig. 4 mit dem Tragrahmen verbindet ;

Fig. 6 einen Schnitt längs der Linien VI-VI der Fig. 4; und

Fig. 7 einen vergrößerten Längsschnitt des zentralen Trägers der Windkraftmaschine nach Fig. 4, wobei der obere und untere Teil des Schnitts getrennt und nebeneinander angeordnet sind.

Die Windkraftmaschine nach Fig. 1 weist zwei gerade Flügel 11 auf, die mittels je eines Gelenkes 12 an das äußere Ende eines horizontal angeordneten radialen Armes 13 angelenkt sind, dessen inneres Ende an einer drehbaren, rohrförmigen Welle 14 befestigt ist, welche die beiden Arme 13 trägt. Die welle 14 treibt einen Generator 15 an. Die Arme 13 liegen in derselben vertikalen Ebene, die auch die Achse der Welle 14 enthält, und die Gelenke 12 besitzen beide denselben Abstand von der Welle. Die Flügel 11 be= sitzen jeweils das Tragflächenprofil NACA 0012 und weisen in Längsrichtung eine konstante Breite und Dicke mit Ausnahme an

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denjenigen Stellen auf, an denen zur Bildung der Gelenke eine Verbreiterung erforderlich ist. Die Flügel können aus einer Aluminiumlegierung mit hoher Festigkeit hergestellt sein. Die Arme 13 weisen ein ähnliches Tragflächenprofil auf.

Die Achsen der Gelenke 12 verlaufen horizontal und tangential zu dem Kreis, der durch die Enden der Arme 13 gebildet wird, wenn die Welle 14 rotiert. Jeder Flügel ist in der Mitte seiner Länge angelenkt, und da die Flügel eine gleichförmige Sehne und Dicke besitzen, liegt der Massenschwerpunkt des Flügels iⁿ der Gelenkachse zusammen. Jedes Gelenk enthält einen mechanischen Anschlag, damit die Flügel jederzeit bezüglich der Vertikalen in der Weise geneigt sind, daß ihre oberen Enden einen größeren Abstand von der Drehachse aufweisen. Infolgedessen haben die Zentrifugalkräfte, die bei der Rotation der Arme 13 und der Flügel 11 entwickelt werden, das Bestreben, die Neigung der Flügel von einem minimalen Neigungswinkel θ von 10 °, der durch den mechanischen Anschlag festgelegt ist, zu einem möglichen maximalen Winkel von θ = 90 ° zu vergrößern,, Beim Erreichen dieses Grenzwinkels, bei dem die Flügel in derselben Richtung wie die Arme angeordnet sind, übt der Wind nur noch ein kleines resultierendes

ist

Antriebsdrehmoment aus, und aus diesem Grunde/ein derart^r Zustand beim normalen Betrieb der Windkraftmaschine nicht nützlich»

Dem Anstieg des Neigungswinkels der Flügel 11, der normalerweise bei Vergrößerung der Drehzahl der Welle 14 einsetzt, wird mit Hilfe von Zugdrähten 16 entgegengewirkt, die aus einem sehr reißfesten Stahl bestehen und mit ihren äußeren Enden oberhalb der Gelenke mit den zugehörigen Flügeln 11 verbunden sind. Das innere Ende jedes Zugdrahtes ist an einem Hebel 17 angebracht, der durch einen Federmechanismus derart vorgespannt ist, daß der Zugdraht 16 ein Drehmoment auf den ihm zugeordneten Flügel 11 ausübt, das annähernd proportional zum Neigungswinkel θ ist. Wie Fig. 2 zeigt, ist jeder Hebel 17 bei.18 in einem Gehäuse 19 angelenkt und mit einem unteren Ende 20/der Form eines Kreissektors versehen, der eine

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Bogenflache 21 aufweist. An dem oberen Ende der Bogenflache 21 ist ein Zugdraht 22 befestigt, der im übrigen in einer in der Bogenflache 21 ausgebildeten Rille liegt. Die Zugdrähte 22 der beiden Hebel 17 sind an einer einzigen Zugfeder 23 befestigt, die innerhalb der rohrförmigen Welle 14 angeordnet ist. Das untere Ende der Zugfeder 23 ist bezüglich der Welle 14 in der Weise einstellbar (nicht gezeigt), daß die Zugdrähte 16 und 22 bei vertikal angeordneten Hebeln 17 zwar nicht durchhängen, jedoch kein Drehmoment auf die Flügel 11 ausgeübt wird. Beim Anwachsen des Neigungswinkels der Flügel übt dann die Zugfeder 23 jedoch ein Drehmoment aus, das etwa proportional zur Größe des Neigungswinkels zunimmt.

Sollte einer der Zugdrähte 16 oder 22 reißen, während sich die Windkraftmaschine im Betrieb befindet, kann sich der zugehörige Flügel 11 frei um das Gelenk 12 bis etwa in die horizontale Stellung (Θ = 90 °) drehen. Da der Massenschwerpunkt des Flügels dabei im Gelenk verbleibt, treten hierbei keine bedeutsamen, durch die unsymetrische Anordnung der Flügelbedingten Unwuchtskräfte auf.

Aus Fig. 1 ergibt sich, daß die rohrförmige Welle 14 in einem koaxialen Trägerrohr 14 angeordnet ist, das von einem auf dem Erdboden ruhenden Träger 25 getragen wird. Am oberen Ende des Trägerrohrs 24 sind drei oder mehr Verspannungsseile 26 befestigt, die ihm eine erhöhte Seitenstabilität geben.

Wie bei anderen Windkraftmaschinen mit vertikaler Achse müssen sich die Flügel mit einer die Windgeschwindigkeit wesentlich übersteigenden Geschwindigkeit drehen, so daß die Windkraftmaschine nicht einfach durch den Wind angelassen werden kann. Ist die Windkraftmaschine erst einmal angelassen, dann wird sie durch den Wind in Rotation gehalten, so daß dem Wind Energie entzogen werden kann, indem mittels der Welle 14 der Generator 15 angetrieben wird. In anderen Fällen kann der Generator durch eine Pumpe oder einen anderen Verbraucher ersetzt sein. Ist der Generator 15 Teil eines Stromnetzes oder ist der Generator mit einem elektrischen Speicherwerk verbunden, dann kann die Windkraftmaschine dadurch gestartet

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werden, daß der Generator als Motor verwendet wird. Um die Windkraftmaschine auch durch den Wind anlassen zu können, ist eine Hilfsturbine 27 (Fig. 3) vorgesehen, die vier halbkreisförmige Flügel 28 aufweist, die an der Welle 14 befestigt sind. Die Hilfsturbine 27 läßt daher die Hauptturbine auch bei kleinen Windgeschwindigkeiten in Umdrehung, und wenn eine ausreichend große Windgeschwindigkeit erreicht ist, wird die Rotation der Hauptturbine durch den Wind aufrechterhalten.

Wenn der Durchmesser der Turbine, vom einen Gelenk 12 zum anderen Gelenk 12 gemessen, drei Meter und die Flügelsehne 15 cm beträgt und wenn die Federsteifigkeit derart gewählt ist, daß der Neigungswinkel θ bei einer Drehzahl der Turbine von etwa 120 UpM Jfiich 1 ο ist, dann berechnet sich die Leistungsabgabe der in Fig. 1 dargestellten Windkraftmaschine zu etwa 200 Watt bei einer Windgeschwindigkeit von fünf Metern pro Sekunde«, Berechnungen zeigen außerdem, daß der Neigungswinkel θ der Flügel etwa 80° beträgt, wenn die Drehzahl etwa 340 UpM beträgt. Wenn der Verbraucher (15) ein konstantes Widerstandsdrehmoment bewirkt, entspricht ein Neigungswinkel θ = 80° einer Windgeschwindigkeit von etwa 40 Metern pro Sekunde, bei der die Ausgangsleistung etwa 500 Watt beträgt. Meteorologische Untersuchungen zeigen, daß für die meisten im Inland Englands liegenden Orte eine Windgeschwindigkeit von 40 Metern pro Sekunde äußerst selten ist (etwa einmal in hundert Jahren). Die Größe der Spitzenbelastung in jedem Flügel hängt stark von den Biegemomenten ab, die aus den Zentrifugalkräften resul_tieren. Selbst bei Drehzahlen, die dem Flügel einen Neigungswinkel von 80° geben, liegt die Spitzenbelastung jedoch weit innerhalb der Grenzen, die bei Verwendung einer Aluminiumlegierung mit hoher Festigkeit zugelassen sind.

Die Windkraftmaschine nach Fig. 4 bis 7 weist ebenfalls zwei Flügel 31 mit geradem Tragflächenprofil auf, die mittels Gelenken 32 an horizontalen Armen 33 angelenkt sind, die an einer rohrförmigen Welle 34 befestigt sind, die um eine vertikale Achse drehbar in einem Trägerrohr 35 gelagert ist. Das untere Ende des Trägerrohrs 35 ist auf einem Träger 36 gelagert, inidem ein von der Welle 34 anzutreibender Generator angeordnet ist. Das obere Ende des Träger-

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rohrs 35 ist mit Hilfe von Spannseilen 37 gesichert. Ein erster Unterschied im Vergleich zur Windkraftmaschine nach Fig. 1 bis 3 besteht darin, daß jeder Flügel 31 an einer Stelle angelenkt ist, die unterhalb der Mitte seiner Länge liegt, wobei das Gelenk 32 die Flügellänge/einem Verhältnis teilt, das zwischen 3:2 und 2:1 liegt. Die Flügel sind gegen eine Verschwenkung nach außen in eine horizontale Lage durch Zugdrähte 38 gehalten, die an den oberen Enden der Flügel befestigt sind, wobei allerdings die Hebel 17 fehlen undjiie Zugdrähte 38 direkt an einer einzigen Vorspannfeder befestigt sind.

In Fig. 5 ist ein Gelenk dargestellt, das einen Flügel 31 mit dem Ende eines Arms 33 verbindet. Zwei Gelenkteile 40 und 41, die am Flügel 31 bzw. am Arm 33 befestigt sind, sind durch einen Gelenkzapfen 39 verbunden, der horizontal und tangential zu dem von dem Arm 33 beschriebenen Kreis angeordnet ist.

Fig. 6 zeigt den symetrischen Tragflächenquerschnitt der Flügel 31 und der Arme 33. Wenn sich die Turbine bei einer Draufsicht von oben im Uhrzeigersinn dreht, befindet sich die abgerundete Führungskante 42 des Flügels bzw. des Arms an der Vorderseite des rechten Teils der Fig. 4, wohingegen die scharfe Ablaßkante 43 im linken Teil der Fig. 4 sichtbar wäre.

Gemäß Fig. 7 ist die rohrförmige Welle 34 mittels eines oberen Lagers 44 und eines unteren Lagers 45 innerhalb des Trägerrohres 35 drehbar gelagert. Am oberen Ende der Welle 34 sind die Arme 33 befestigt, und über ihnen ist ein rohrförmiges Gehäuse 46 montiert. Die Zugdrähte 38 laufen über entsprechende Rollen 47, die im Gehäuse 46 gelagert sind, und laufen durch das Gehäuse 46 nach unten in das Innere der rohrförmigen Welle 34, wo sie mit dem oberen Ende einer schraubenförmigen Zugfeder 48 verbunden sind. Das untere Ende der Zugfeder 48 ist am einen Ende des Drahtes 49 befestigt, der um eine am Boden der Welle 34 gelagerte Rolle 50 und von dort durch das Innere der Zugfeder bis zu einer Einstellrolle 51 verläuft, die am oberen Ende des Gehäuses 46 gelagert ist. Die Einstellrolle 51 ist an dieser Stelle nur deshalb angeordnet, damit sie leicht zugänglich ist und eine Einstellung des unteren Endes der Zugfeder und damit der Zugspannung dieser Feder erlaubt=

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Bei der Ausführungsform nach Fig. 4 bis 7 liegt der Massenschwerpunkt der Flügel 31 oberhalb der Gelenke 32. Infolgedessen wirken, wenn einer der Zugdrähte 38 reißt, Unwuchtkräfte auf die Turbine, sobald der zugehörige Flügel nach außen in die horizontale Lage geschwenkt ist. Um diesen gefährlichen Zustand zu vermeiden, ist zwischen den beiden Zugdrähten eine Kupplung in der Weise vorgesehen, daß beim Reißen des einen Zugdrahtes und dentdadurch erfolgten Verlust an Spannung der andere Zugdraht ebenfalls gelöst wird, um auch eine Verschwenkung des zweiten Flügels nach außen zu ermöglichen.

Feuer ist die Windkraftmaschine nach Fig. 4 bis 7 nicht mit einer Hilfstürbine versehen. Schwenkt man nämlich die oberen Teile der Flügel nach innen in Richtung der Drehachse unter Bildung einer Α-Form, dann ist es möglich, eine Drehung der Flügel auch bei relativ kleinen Windgeschwindigkeiten sicherzustellen, wonach die Flügel in eine im wesentlichen vertikale Stellung für einen normalen Betrieb bei durchschnittlichen Windgeschwindigkeiten und dann nach außen schwenken, wenn die Drehzahl über den normalen Betriebsbereicfe hinaus zunimmt, um die Drehzahl bei höheren Windgeschwindigkeiten zu begrenzen. Zu diesem Zweck wird vorgezogen, ein rohrförmiges Gehäuse 46 (Fig. 7) rorzusehen, das kürzer ist und ein Heranführen der Flügel bis dicht an die Drehachse ermöglicht.

Obwohl die beschriebenen Turbinen mit geraden, starren Flügeln ausgerüstet sind, ist es möglich und zuweilen vorteilhaft, die Flügel bis zu einem gewissen Grad flexibel auszubilden, damit ihre Biegung die Neigung von Flügelteilen zur Vertikalen vergrößert und dadurch eine Begrenzung des Anstiegs der Drehzahl unterstützt.

Die Windkraftmaschinen können anstelle der beschriebenen zwei Flügel auch nur einen Flügel oder drei oder mehr Flügel aufweisen. Abgesehen davon werden die oberen Enden der Flügel der beschriebenen Windkraftmaschinen beim Auftreten zentrifugaler Kräfte entgegen der Kraft der Zugdrähte unter Bildung einer V-Stellung verschwenkt, doch ist auch eine umgekehrte Anordnung, bei der die unteren Enden der Flügel unter Bildung einer A-Stellung nach außen schwenken, in exakt derselben Weise betriebsfähig, da sich mit Bezug auf den Wind keine ■ Unterschiede ergeben.

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Claims

~ 1Ü -

1. Windkraftmaschine mit vertikaler Achse und mit einem oder mehreren, ein Tragflächenprofil aufweisenden Flügeln, die an einem um eine vertikale Achse drehbar gelagerten Tragrahmen befestigt sind, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Flügel (11,31) wenigstens auf einem Teil seiner Länge mit der Vertikalen einen Neigungswinkel (θ) bildet, der sich unter dem Einfluß von Zentrifugalkräften vergrößert, wenn die Drehzahl über einen normalen Betriebsbereich hinaus anwächst, um den Betrag zu verringern, um den die Drehzahl mit anwachsender Windgeschwindigkeit zunimmt.

2. Windkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Flügel (11,31) einen einzigen Befestigungspunkt am Tragrahmen (13133) aufweist.

3. Windkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Flügel (11,31) mittels eines Gelenks (12,32) am Tragrahmen (13»33) befestigt und unter dem Einfluß von Zentrifugalkräften um die Gelenkachse verschwenkbar ist.

4. Windkraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Flügel (11,31) unter der Wirkung einer elastischen, den Zentrifugalkräften entgegenwirkenden Vorspannung steht.

5« Windkraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennz lehnet , daß jedes Gelenk (12,32) zwischen den beiden Enden eines Flügels (11,31) angeordnet ist, dessen oberer Abschnitt gegen die Wirkung eines Zugdrahtes (16,38) nach außen schwenkbar ist, der den oberen Abschnitt mit einer gemeinsamen, parallel zur Drehachse des Tragrahmens angeordneten Vorspannfeder (23,48) verbindet.

6« Windkraftmaschine nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Tragrahmen einen horizontalen Arm

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(13,33) für jeden Flügel (11,31) aufweist und der Flügel (11,31) am Ende des Arms (13,33) angelenkt ist.

7. Windkraftmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Arm (13,33) eiö Tragflächenprofil aufweist,

8. Windkraftmaschine nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Gelenkachse horizontal und tangential zu dem von dem Gelenk (12,32) bei Drehung der Arme (13,33) beschriebenen Kreis angeordnet ist.

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