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Windkraftmaschine mit
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vertikaler Achse Die Erfindung betrifft Windkraftmaschinen und bezieht
sich insbesondere auf Maschinen dieser Art, die eine vertikale Dretnachze haben.
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Verschiedene Arten von Windkraftmaschinen sind bekannt, die die Energie
des Windes in eine Drehbewegung umwandeln. Bei derartigen Windkraftmaschinen oder
Windturbinen lassen sich insbesondere zwei verschiedene Bauarten unterscheiden,
namlich die Propellermaschinen mit horizontaler Achse und die Windkraftmaschinen
mit vertikaler Achse. Bei den Propeller- Windkraftmaschinen ist es notwendig, die
Propellerfläche genau auf die Windrichtung auszurichten, da sonst der Wirkungsgrad
zu niedrig wird. Wenn die Windkraftmaschine an einer Stelle gebaut ist, an der die
Windrichtung wechselt, ist es notwendig, die Propellerachse ständig auf die Windrichtung
auszurichten, indem man eine Vorrichtung anbringt, die der Windrichtung folgt. Andererseits
sind die Windkraftmaschinen mit vertikaler Achse richtungsunabhangig und werden
nicht von der Windrichtung beeinflusst.
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Der Hauptvarteil der Windkraftmaschine mit vertikaler Achse gegenüber
den Bautypen mit horizontaler Achse ist die Einfachheit der grundsätzlichen Konstruktion.
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Wenn nun für die Flügel der Windkraftmaschine mit vertikaler Achse
Flüselquerschnitte, die denen von Tragflächen von Flugzeugen entsprechen, benutzt
werden, ist der Wirkungsgrad der Kraftmaschine nicht so groß, wie er sein konnte.
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Man hat daher auch Konstruktionen angegeben, bei denen der Flüselansteliwinkel
mit der Drehung des Flügelrades periodisch geändert wird, um den Wirkungsgrad der
Windkraftmaschine zu verbessern. Eine solche mit dem Umlauf gekoppelte Steuerung
erfordert jedoch ein teures und kompliziertes Lenksystem und eine Windkraftmaschindieser
Bauart mit vertikaler Achse lässt sich nur schwer verwirklichen.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Windkraftmaschine
mit vertikaler Achse anzugeben, bei der kein kompliziertes Steuersystem erforderlich
ist, um die Flügel der ULndkraftmaschine zu lenken, sondern es sollen Flügel mit
einem Tragflächenprofil verwendet werden, durch das sich ein guter Wirkungsgrad
beim Umlauf ergibt. Außerdem soll die Eigenfrequenz der Biegeschwingung in Spannweitenrichtung
der Flügel möglichst hoch sein. Auch die Biegeschwingung der vertikalen Drehachse
soll einen moglichst hohen Wert haben.
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Schließlich soll auch eine Ausführungsform der Windkraftmaschine angegeben
werden, bei der Schwingungen und Abbiegungen , die sich durch den Umlauf der Kraftmaschine
ergeben, vermieden werden, und die eine gute Ausnutzung der Windleistung ergeben.
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Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelost, daß die in
dem Anspruch 1 und den Unteransprüchen angegebenen Maßnahmen getroffen werden. Eine
derartige Windkraftmaschine hat den Vorteil, daß der Luftwiderstand auf den Flügel
dadurch vermindert wird, daß die Verminderung des Auftriebskoeffizienten verhindert
wird, so daß die aerodynamischen Eigenschaften des Flügels sich denJenigen eines
zweidimensionalen Flügels nähern und dadurch der Wirkungsgrad angehoben wird.
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Weitere Merkmale , Vorteile und Eigenschaften der Erfindung gehen
aus den Ausfühuungsbeispielen hervor, die in den Zeichnungen dargestellt sind.
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Fig. 1 zeigt eine zur Erläuterung dienende Draufsicht auf einen Flügel,
der gemäß der Erfindung verwendet wird und an einer Windkraftmaschine mit vertikaler
Achse be -festigt ist.
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Fig, 2 zeigt das Profil eines Flügels , der gemäß der Erfindung benutzt
wird.
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Fig 3 ist eine Seitenansicht einer Windkraftmaschine mit vertikaler
Achse gemäß der Erfindung.
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Fig. 4 ist eine Draufsicht der Maschine nach Fig.3.
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Fig. 5 ist eine Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform einer
Windkraftjnaschine mit vertikaler Achse.
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Fig. 6 ist eine Seitenansicht eines dritten Ausführungsbeispiels
einer Windkraftmaschine gemäß der Erfindung.
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Fig. 7 ist eine Seitenansicht einer vierten Ausführungsform einer
Maschine mit vertikaler Achse gemäß der Erfindung.
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FigM 8 ist eine Draufsicht auf die Maschine der Fig.7.
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Ein Ausführungsbeispiel eines Flügels , der bei einer Windkraftmaschine
mit vertikaler Achse gemäß der Erfindung verwendet wird, ist in Fig. 1 und 2 dargestellt.
Ein Flügel 1 ist an den Enden von Tragarmen 3 angebracht und befestigt, die sich
von einer vertikalen Drehachse 2 oben und unten radial nach außen erstrecken. Fig.
1 zeigt durch den Pfeil 4 die Bewegungsrichtung des Flügels und die Pfeile 5 und
6 zeigen Koordinatenrichtungen X und Y an.
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Fig. 2 zeigt das Profil des Flügels 1, der eine Vorderkante 7 und
eine rückwärtige Kante 8 hat. Das Flügeiprofil
hat eine Sehne 9
und einKrtiniungsumkehrpunkt 10, sowie eine Krümmungsumkehrstelle 11, die eine Projektion
des Hrunmungsnmkehrpunktes 10 auf die Koordinate X ist. Das Flügeiprofil 1 ergibt
sich dadurch, daß eine Wölbung mit nach unten konvexer Krümmung zwischen der Vorderkante
7 des Profils und der Krümmungsumkehrstelle 11 vorgesehen ist, und eine Wölbung
mit nach oben konvexer Krümmung zwischen der Krümmungsumkehrstelle 11 und dem hinteren
Rand 8 des Profils vorgesehen ist, so daß sich eine Mittellinie 12 ergibt und eine
angemessene entsprechende Dickenverteilung um die Mittellinie.
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Der Flügel 1 der Windkraftmaschine mit vertikaler Achse arbeitet
während des Umlaufs der Maschine mit einem weiten Bereich des Anstellwinkels undegst
daher schwierig festzulegen, in welchem Grad und Ausmaß die verschiedenen Eigenschaften
des Tragflächenprofils zu dem Umlaufwirkungsgrad der Maschine beitragen. Es wurde
jedoch gefunden, daß die folgenden drei Eigenschaften für die Ausbildung des Flügels
1 der Windkraftinaschine mit vertikaler Achse wünschenswert sind.
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Eine Eigenschaft ist die, daß der Kippmomentenkoeffizient, d.h. der
Steigungskoeffizient (pitching moment) coefficient) einen großen negativen Wert
haben sollte.
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Zu diesem Zweck ist bei dem Flügel 1 der Erfindung die Umkehr der
Wölbungskrümmung in der oben beschriebenen Weise vorgesehen, Diese Eigenschaften
stimmen nicht mit den Eigenschaften eines Tragflügels überein, der üblicherweise
in Flugzeugen Verwendung findet, weil es bei Tragflügeln für Flugzeuge üblich ist,
den Kippmomentkoeffizienten so klein als möglich zu halten.
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Die zweite der gewReschten Eigenschaften ist, daß der Luftwiderstands;ba&wert
möglichst klein sein sollte. Zu diesem Zweck ist bei dem Profil des Flügels 1 gemäß
der Erfindung eine angemessene Dickenverteilung des Flügels für die Linie vorgesehen,
die sich aus der Umkehr der Krümmung ergibt.
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Die dritte der gewünschten Eigenschaften ist , daß die Differenz
zwischen dem Nullauftriebswinkel (zero lift angle) und dem minimalen Widerstandskoeffizientenwinkel
(drag coefficient angle) klein sein sollte. Zu diesem Zweck hat der Flügel gemäß
der Erfindung die durch die oben be -schriebene Wölbungsumkehr sich ergebenden Eigenschaften.
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Im folgenden wird näher erläutert, wie die Windkraftmaschine mit
vertikaler Achse aufgebaut ist, um die Flügel mit dem beschriebenen Profil zu verwenden.
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Die Windkraftmaschine nach Fig. 3 und 4 ist ein erstes Ausführungsbeispiel
der Maschine mit vertikaler Achse gemäß der Erfindung. Die Windkraftmaschine 13
enthält Flügel der beschriebenen Art, die an ihren oberen und unteren Enden mit
den Enden von Tragarmen 17 und 18 verbunden sind, die in regelmäSDn Winkelabständen
radial von den oberen und unteren Flanschen 15 und 16 der vertikalen Drehachse 14
ausgehen.
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Die Windkraftmaschine ist auf einem Fuß 19 drehbar montiert.
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Die von derTwindkraftmaschine aufgenommen en aerodynamischen Kräfte
ändern sich mit der Drehung des von den Flügeln gebildeten Turbinenkörpers und regen
daher die Turbine zu periodischen Schwingungen an. Die Grundfrequenz der Erregerkraft
erhält man, indem man die Drehazhl der Turbine mit der Anzahl der Flügel multipliziert.
Bei einer Schnelläuferturbine mit hohem Umwandlungswirkungsgrad ist es besonders
notwendig, die Eigenfrequenz der Bauteile der Turbine möglichst hoch zu wählen.
Bei der Turbine des ersten Ausführungsbeispiels werden die Flügel an den oberen
und unteren Enden gehaltert.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in Fig. 5 dargestellt.
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Bei dieser Windkraftmaschine wird die Turbine 20 mit vertikaler Drehachse
dadurch gebildet, daß ein Flansch 15 an einer vertikalen Drehachse 14 gerade dicht
oberhalb des Fußes
19 angebracht ist und daß die Flügel 1 im wesentlichen
in ihrem mittleren Teil mit den Enden der Tragarme 17 verbunden sind, die sich aus
dem Flansch 15 nach außen in regelmäßigen Abständen erstrecken. Bei der Turbine
dieser zweiten Ausführungsart ist der Abstand zwischen dem oberen Ende des Fußes
19 und den Tragarmen 17 so klein, daß die Eigenfrequenz der Biegeschwingungen der
Achse 14 hoch gehalten werden knnn=t Die Windkraftmaschine nach Fig. 6 hat eine
Turbine einer weiteren Ausführungsform Die Turbine 21 stellt eine Ausführung dar,
die zwischen der Turbine des ersten und zweiten Ausführungsbeispiels liegt. BeSestigungsstellen
der FlEgel 1 liegen im mittleren Teil , so daß die Schwingungen und Biegungen ,
die '-. sich durch den Umlauf der Turbine ergeben, verhindert werden können und
die Windkraft verhältnismäßig günstig ausgewertet und umgewandelt wird.
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Fig. 7 und 8 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Turbine
22 gemäß der Erfindung. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind horizontale Endplatten
23 an den oberen und unteren Enden der Flügel 1 vorgesehen. Infolge der Anwesenheit
dieser Endplatten 23 wird der Widerstand, der sich durch die dreidimensionale Ausbildung
der Flügel 1 ergibt, vermindert und der Wirkungsgrad der Turbine 22 weiter verbessert.
Die Fiügelendplatten 23 vermindern den Widerstand , indem sie die Verminderung des
Auftriebskoeffizienten verhindern, um die aerodynamiscben Eigenschaften des Flügels
denen eines zweidimensionalen Flügels anzunähern.
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Die Ausführung nach Fig. 7 und 8 ist in Verbindung mit einer Windkraftmaschine
der ersten Ausführungsform dargestellt. Sie kann jedoch auch in Verbindung mit dem
zweiten
und dritten Ausführungsbeispiel angewendet werden.
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Bei den Ausführungsbeispielen sind jeweils drei Flügel dargestellt.
Die Zahl der Flügel ist jedoch nicht beschränkt. Es ist wünschenswert, eine entsprechende
Anzahl von Flügeln je nach dem Aufstellungsort und den meteorologischen Bedingungen
zu wählen,