DE2718608A1

DE2718608A1 - Wind driven turbine with vertical axis - has aerodynamic blades pivoting radially between flanges of reel shaped rotor

Info

Publication number: DE2718608A1
Application number: DE19772718608
Authority: DE
Inventors: Max Dipl Phys Dr Rer N Fenkner
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1977-04-27
Filing date: 1977-04-27
Publication date: 1978-11-02

Abstract

The turbine rotor is a vertical reel which has a central cylinder (3) with upper and lower flanges (2). Rotor blades (4) are held on the outside of the cylinder between the flanges. Each blade has an aerodynamic profile and is pivoted on an axis (5) which is not on its mid point. The trailing edge (6) of the blade is guided in slots (7) in the rotor flanges which limit the angular movement of the blade. The aerodynamic action of the wind pivots the blades on one side out and those on the other side in. The blades pivoted out offer a resistance to the wind and produce a turning moment while these returning against the wind are folded in to offer no resistance.

Description

WindkraftmaschineWind power machine

Die Erfindung bezieht sich auf eine Maschine zur Gewinnung von Energie aus atmosphärischen Luftströmungen.The invention relates to a machine for generating energy from atmospheric air currents.

Aus dem Altertum sind verschiedene Formen von Windmühlen, mit denen die Energie des Windes in mechanische Arbeit umgewandelt wird, bekannt. Nach dem Prinzip der holländischen Windmühle mit einem an einer horizontalen Achse angesetzten Flügelrad wurden in den letzten Jahrzehnten Windkraftmaschinen mit schnellaufenden Luftschrauben entwickelt, die in GroBanlagen elektrische energie bis zu mehreren 100 KW erzeugen. Bekanntgeworden sind verschiedene Windkraftanlagen. Als erste wurde 1931 in Jalta auf einem 30 m hohen Turm eine Windturbine mit einem Dreiflügelrotor von 30 m Durchmesser für 100 KW Leistung installiert. Die bisher größte Anlage mit 1250 KW wurde 1934 in Viginia auf einer 34 m hohen Stahlkonstruktion mit einem Zweiflügelrotor von 52,3 m Durchmesser aufgestellt. 1975 nahm die NASA eine Versuchsanlage für 100 KW am L'riesee in Betrieb. Vom deutschen Bundesministerium für Forschung und Technologie ist der Bau von Windkraftturbinen mit 200 K und 2 bis 3 MW geplant.From ancient times are different forms of windmills with which the energy of the wind is converted into mechanical work. After this Principle of the Dutch windmill with one attached to a horizontal axis In the last few decades, impellers have been using high-speed wind turbines Developed propellers that generate up to several electrical energy in large systems Generate 100 KW. Various wind turbines have become known. The first one was In 1931 in Yalta a wind turbine with a three-blade rotor on a 30 m high tower of 30 m diameter for 100 KW of power installed. The largest system to date with 1250 KW was built in 1934 in Viginia on a 34 m high steel construction with a two-blade rotor set up with a diameter of 52.3 m. In 1975 NASA took a test facility for 100 KW at L'riesee in operation. From the German Federal Ministry for Research and Technology the construction of wind power turbines with 200 K and 2 to 3 MW is planned.

Kennzeichnend für alle diese Maschinen ist die Benutzung einer Aerodynamisch profilierten, langflügeligen Luftscnraube auf horizontal liegender Achse. Neigen des großen Rotorkreises ist die Aufstellung auf hohen Türmen erforderlich, wobei dte ganze Einrichtung urn eine senkrechte Achse drehbar sein muß, um die Ausrichtung der Turbinenachse in die jeweilige Windrichtung zu ermöglichen.Characteristic for all of these machines is the use of an aerodynamic profiled, long-winged air screw on a horizontal axis. Tend of the large rotor circle, the installation on high towers is required, whereby The entire device must be rotatable about a vertical axis in order to achieve the alignment the turbine axis in the respective wind direction.

Ein guter Wirkungsgrad wird von schnellaufenden Turbinen mit langflügeligen Luftschrauben erst in großen Anlagen mit entsprechend sehr hohen Investitionskosten erreicht.A good efficiency is from high-speed turbines with long-bladed Propellers only in large systems with correspondingly very high Investment costs reached.

Außerdem liegt der günstige Arbeitsbereich der Luftturbinde bei @indgeschwindigkeiten wischen 5 und 10 m/sec, weshalb lür derartire Anlagen nur Gebiete mit gleichmäßigen und relntiv hohen Windgeschwindigkeiten, wie große Ebenen oder küstennahe Bereiche geeignet sind.In addition, the favorable working range of the air turbine is at @indspeeds between 5 and 10 m / sec, which is why for such systems only areas with uniform and relatively high wind speeds, such as large plains or areas close to the coast are suitable.

Es sind weiterhin Windradkonstruktionen mit vertikaler Achse, sogenannte Pananemonen, bekannt. Historisch überliefert ist ein auf senkrechter Achse gelagertes Doppelkreuz mit dazwischenliegenden, im Vollkreis gegen einen Anschlag frei schwenkbar aufgehängten Klappflügeln. Als neuere Entwicklungen dieses Typs sind neben dem als Anemometer verwendeten Schalenkreuz der avonius-Rotor, bestehend aus zwei,seitlich gegenüber der vertikalen drehachse versetzt, starr im Rotor montierten Halbzylinderschalen, sowie der aus drei halbkreisförmig an die senkrechte @rehachse angelenkten, aerodynamisch profilierten Windflügeln bestehende Darrieus-Rotor zu erwähnen.There are still wind turbine structures with a vertical axis, so-called Pananemones, known. Historically, one is stored on a vertical axis Double cross with intervening, freely pivotable in a full circle against a stop suspended folding wings. As more recent developments of this type are in addition to the as Anemometer used cup cross of the avonius rotor, consisting of two, laterally offset from the vertical axis of rotation, rigidly mounted semi-cylindrical shells in the rotor, as well as the three semicircular hinged to the vertical axis of rotation, aerodynamic profiled wind blades to mention the existing Darrieus rotor.

Die aus der vertikalen Drehachse der Paiianemonen folgende Unabhängigkeit von der Windrichtung bietet den Vorteil, diese Maschinen bei geringem Raumbedarf ebenerdig aufstellen zu können. Eine wirtschaftliche Nutzung von Pananemonen als Windkraftmaschinen ist bisher noch nicht erfolgt, doch wird erwartet, daß derartige Konstruktionen im Leistungsbereich bis 20 KW günstig betrieben werden können.The independence resulting from the vertical axis of rotation of the paiianemones from the wind direction offers the advantage of these machines with little space requirement to be able to set up at ground level. An economic use of pananemones as Wind power machinery has not yet been made, but it is expected that such Constructions in the power range up to 20 KW can be operated cheaply.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine vorteilhafte Konstruktion einer Pananemone anzugeben, die bei geringem Raumbedarf und niedrigen Investitionskosten auch für niedrige Windgeschwindigkeiten in kleinen Aggregaten noch eine wirtschaftliche AusnUt7ung der Windenergie ermöglicht.The object of the present invention is to provide an advantageous construction of a pananemone, which requires little space and low investment costs also an economical one for low wind speeds in small units Utilization of wind energy enables.

Das erfindungsgemäße System besteht aus einem, um eine vertikale Achse drehbaren, spulenförmig begrenzten Zylinder, der konzentrisch von mehreren, als Zylindermantelsektoren ausgebildeten, aneinandergrenzenden ### Segmentflächen umschlossen ist. Die Segmentflächen sind jede für sich um eine zur Drehachse parallele Schwenkachse, die unsymmetrisch zur Flächenmitte liegt, beweglich, und zwar so, daß der breitere Teil der Segmentfläche um einen einstellbar begrenzten Winkel bis maximal 90° frei nach außen schwenkbar ist. Im ausgeschwenkten Zustand ragt der größere Teil der Flächenbreite aus der genannten umschließenden Zylindermantelfläche heraus, während der schmalere Teil hineinragt. Zur Verringerung des Strömungswiderstandes, sowie zur Erzeugung eines, das Ausschwenken bewirkenden Auftriebmomentes bei der Anströmung von vorn, ist das Profil der Sementflächen gekrümmt stromlinienförmig ausgebildet.The system according to the invention consists of one about a vertical axis rotatable, coiled cylinder, the concentric of several, than Cylinder jacket sectors formed, contiguous ### Segment surfaces is enclosed. The segment surfaces are each for themselves about an axis parallel to the axis of rotation The swivel axis, which is asymmetrical to the center of the surface, is movable, namely as follows: that the wider part of the segment surface by an adjustable limited angle up to can be swiveled freely outwards by a maximum of 90 °. When swiveled out, the protrudes larger part of the surface width from the mentioned surrounding cylinder jacket surface out, while the narrower part protrudes. To reduce the flow resistance, as well as for the generation of a lift moment causing the pivoting out If the flow comes from the front, the profile of the cement surfaces is curved and streamlined educated.

Trifft eine horizontale Strömu-!g auf das vertikal stehende System, so schwenkt diejenige Segmentfläche, deren Schwenkachse in Windrichtung gesehen hinten liegt, aus der Xylinc.ermantelfläche gegen den Wind aus. Der auf diese Fläche wirkende Staudruck dreht das ganze Zylindersystem, wodurch die näciste Segmentfläche in die Strömu!lg einläuft und ausschwenkt. Auf der, der Ausschwenkposition gegenüber liegenden Seite des Systems streift die Strömung die Segmentflächen so, daß die Schwenkachse vorn liegt. Damit schmiegen sich diese Flächen der Form des umschreibenden Zylinders an, und bieten dem Wind den geringstmöglichen Strömungswiderstand.If a horizontal flow meets the vertically standing system, so that segment surface pivots whose pivot axis is seen in the direction of the wind is at the back, from the xylinc jacket surface against the wind. The one on this surface Acting back pressure turns the whole cylinder system, whereby the next segment surface enters the flow and swings out. On the, the swivel position opposite lying side of the system, the flow touches the segment surfaces so that the Pivot axis is in front. In this way, these surfaces nestle in the shape of the circumscribing Cylinder and offer the wind the least possible flow resistance.

Die vom Staudruck gegen die ausgeschelenkten Segmentflächen erzeugte Drehung des Systems wird zusätzlich unterstützt durch die als Magnuseffekt bekannte Verlagerung einer Strömung an einem rotierenden Zylinder. Weiterhin wird durch die ausgeschwenkten Flächen zwischen deren nach innen geschwenktem Teil und dem starren Zylinder ein Düsenspalt gebildet, durch den die Strömung beschleunigt auf die dahinterliegenden ausgeschwenkten Flächen trifft. Dieser Effekt kann durch strömungegünstige Profilierung des Zylindermantels verbessert werden, so daß das Gesamtmoment des Pananemonenrades verstärkt wird.The one generated by the dynamic pressure against the deflected segment surfaces Rotation of the system is additionally supported by what is known as the Magnus effect Displacement of a flow on a rotating cylinder. Furthermore, the swiveled out surfaces between their inwardly swiveled part and the rigid Cylinder formed a nozzle gap through which the flow accelerates to the one behind it swung out surfaces meets. This effect can be caused by an unfavorable profile of the cylinder jacket can be improved, so that the total moment of the pananemone wheel is reinforced.

Mit einer, von außen einstellbaren, oder über die Drehzahl automatisierbaren Endbegrenzung des Schwenkwinkels der Segmentflächen kann das Gesamtsystem der jevelligen Strömungsgeschwindigkeit angepasst, oder auch, z.B. bei zu hohen Strömungsgeschwindigkeiten, etillgesetzt werden.With an externally adjustable or via the speed automatable The entire system of the Jevelligen can limit the pivoting angle of the segment surfaces Flow velocity adjusted, or also, e.g. if the flow velocities are too high, be discontinued.

Von der aus beliebiger horizontaler Richtung angreifenden Strömung wird eine Drehung des ganzen Pananemonenrades erzeugt, die mit bekannten Mitteln zum Antrieb mechanischer oder elektrischer Arbeitesysteve benutzt werden kanal.From the current attacking from any horizontal direction a rotation of the whole pananemone wheel is generated by known means can be used to drive mechanical or electrical work systems.

Das erfindungsgemäße System soll anhand der Zeichnungen mit beispielsweise 8 Schwenkflächen näher beschrieben werden. Die Fig. 1 eigt einen horizontalen Schnitt durch das Pananemonenrad im Irbeitezustand bei einem, in der Zeichnungsebene von oben anströmenden Nind. Die Vig. 2 zeigt eine Seitenansicht des gleichen Pananemonenrades.The system according to the invention should be based on the drawings with, for example 8 pivot surfaces are described in more detail. Fig. 1 shows a horizontal section through the pananemone wheel in the working state of one, in the plane of the drawing of upstream Nind. The Vig. Figure 2 shows a side view of the same pananemone wheel.

Auf der Drehachse 1 ist das Pananemonenrad mit den Endscheiben 2 und 2' , die mit dem Zylinder 3 starr verbunden sind, drehbar gelagert. Jede der acht Segmentflächen 4 ist um eine in den Endscheiben 2 und 2' gelagerte Achse 5 in einem begrenzten Winkel frei nach außen schwenkbar. Zur Begrenzung dee Schwenkwinkels der Segmentflächen 4 dient ein daran befestigter Anschlagbolzen 6, der durch den Spalt 7 in der Endscheibe 2 gegen den Kreisbogen 8 der Steuerscheibe 9 anlegt. Die mit dem rananemonenrad mitlaufende Steuerscheibe 9 ist durch einen - nicht gezeichneten,-von außen zu bedienenden - Verstellmechanismus gegenüber der endscheibe 2 um einen kleinen Winkelbereich drehbar, womit der freie Schwenkwinkel der Segmentflächen 4 im Bereich von 0 bis 900 begrenzt werden kann.On the axis of rotation 1 is the pananemone wheel with the end plates 2 and 2 ', which are rigidly connected to the cylinder 3, rotatably mounted. Each of the eight Segment surfaces 4 are in one around an axis 5 mounted in the end disks 2 and 2 ' can be freely pivoted outwards at a limited angle. To limit the swivel angle the segment surfaces 4 is an attached stop bolt 6, which is through the Gap 7 in the end disk 2 rests against the circular arc 8 of the control disk 9. the with the rananemonenrad revolving control disk 9 is by a - not shown, -von to be operated externally - adjustment mechanism relative to the end plate 2 by a small amount Angular range rotatable, so that the free pivot angle of the segment surfaces 4 in the area can be limited from 0 to 900.

Wie dargentellt, werden die in der Zeichnungsebene linke liegenden Schwenkflächen durch den anströmenden Wind ausgeschwenkt, und die in der Zeichnungsebene rechts liegenden Schwenkflächen eingeschwenkt. Der zwischen der linken und rechten Seite unterehiedliche Strömungswiderstand versetzt das ganze Pananemonenrad in Drehung, die durch einen, nicht gezeichneten, Abtrieb zur Arbeitsleistung abgenommen werden kann.As shown, the left in the plane of the drawing are Swivel surfaces swiveled out by the incoming wind, and those in the plane of the drawing swiveling surfaces lying on the right. The one between the left and the right Side lower flow resistance sets the whole pananemone wheel in rotation, which are removed by an output for work performance, not shown can.

Durch entsprechend. Dinensionierung von Durchmesser und Höhe des Pananemonenrades, ;ahl und Breite der Schwenkflächen, swie Durchmesser des starren Zylinders und Mittenversetzung der Schwenkflächenachsen, kann das erfindungsgemäße System den örtlich gegebenen mittleren Windgeschwin digkeiten angepaßt und für eine gewünschte Leistung optimal ausgelegt werden.By accordingly. Dimensioning of diameter and height of the pananemone wheel, the number and width of the swivel surfaces, as well as the diameter of the rigid one Cylinder and center offset of the pivot surface axes, the inventive System adapted to the locally given mean wind speeds and for one desired performance can be optimally designed.

Claims

Claims: 1. Wind power machine in a cylindrical shape with vertical standing axis of rotation and movable vestibule surfaces, characterized in that a coil-shaped cylinder (3) of several movably mounted, adjoining, cylindrical segment-shaped surfaces (4) is enclosed, each segment surface on its own, asymmetrical to the center of the segment surface, parallel to the axis of rotation (1) lying swivel axis (5) freely rotatable by up to a maximum of 900 limited angles is stored.

2. Wind power machine according to claim 1, characterized in that the movably mounted segment surfaces (4) have a curved, streamlined profile to have.

3. Wind power machine according to claims 1 and 2, characterized in that that the jacket of the coil-shaped cylinder (3) is profiled so that between the inwardly pivoted parts of the pivot surfaces (4) and the profiled Cylinder jacket aerodynamically favorable discrete gaps are formed.

1. Wind power machine according to claims 1 to 3, characterized in that that the free swivel angle of the segment surfaces (4) by one, in the @winkelbereich device adjustable from 0 to 90 ° can be limited.