DE2826180A1

DE2826180A1 - Windkraftmaschine mit vertikaler drehachse

Info

Publication number: DE2826180A1
Application number: DE19782826180
Authority: DE
Inventors: Friedrich Roth
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1978-06-15
Filing date: 1978-06-15
Publication date: 1979-12-20
Also published as: DE2826180C2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Windkraftmaschine mit verti-
kaler Drehachse und schwenkbaren Schaufeln zur Erzielung des aerodynamisch günstigsten Anstellwinkels.
Im deutschen Patent 742 788 wird ein vertikalachsiges Schaufelrad beschrieben, das eine Reihe von senkrechten Schaufeln aufweist, die alle einzeln um ihre Achse schwenkbar gelagert sind. Die Schaufeln werden auf ihrem Umlauf so gesteuert, daß sich alle Mittelsenkrechten auf den Schaufeln in einem Punkt schneiden, der auf der durch die Drehachse des Windrades gehenden Senkrechten auf der Windrichtung liegt. Zur Realisierung dieser Steuerbedingungen war es bekannt, eine Stangenführung zu benutzen, bei der diese Stangen ständig ihre Länge ändern, indem sie in Büchsen gleiten.
Bei einer anderen Konstruktion wurden außermittig zur Radachse liegende Führungsbahnen benutzt, in denen Führungsrollen laufen, deren Träger mit den Schaufelradachsen verbunden sind.
Das vorgenannte Patent macht ebenfalls von einer außermittig gelegenen kreisförmigen Führungsbahn in der Form Gebrauch, daß die voreilenden Schaufelkanten mittels an ihren Spitzen angeordneten Wälzlagern in einer der Kreisbahn entsprechenden Aussparung geführt sind. Vorzugsweise wird die kreisförmige Führungsbahn als U-Schiene ausgeführt. Eine Steuereinrichtung sorgt dafür, daß die Schaufeln in die gerade herrschende Windrichtung eingestellt werden.
Zur Anpassung an die Windgeschwindigkeit wird der Abstand des Kreisbahnstützpunktes von der Radachse geändert. Zur Verstellung dient eine STeuerfläche, die an einem zweiarmigen Hebel angreift, der den Kreisbahnstützpunkt entgegen der Kraft einer Feder radial verlagert.
Obwohl die Schaufeln bei dem genannten Patent Stromlinienform erhalten, also ähnlich dem Tragflügel eines Flugzeuges ausgebildet werden sollen, gelingt es mit dieser Anordnung nicht, die Windkraft optimal auszunutzen. Die Schaufeln stehen auf einem Teil ihrer Umlaufbahn so ungünstig steil zur Windrichtung, daß die Strömung an den Schaufelkanten abreißt. Vor allem bieten die dem Wind entgegenlaufenden Schaufeln zuviel Widerstand, so daß ein großer Teil des von den mitlaufenden Schaufeln aufgebrachten Drehmomentes wieder aufgezehrt wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Kinematik der Schaufelvez stellung so zu verbessern, daß die Strömung an keiner Stelle der Umlaufbahn der Schaufeln abreißt und daß in einem weiten Windstärkenbereich ein optimaler Gesamtwirkungsgrad erzielt wird. Zugleich ist es Aufgabe der Erfindung, bei erträglichem Gesamtaufwand eine einfache Verstelleinrichtung für Windrichtung und -starke zu realisieren.
Die Aufgabe der Erfindung wird mit den im Kennzeichen des Anspruches 1 angegebenen Mitteln gelöst.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand von Fig. 1 - 5 der Zeichnung beschrieben.
Es zeigt Fig. 1 eine Ansicht von unten, Fig. 2 einen vertikalen Schnitt, Fig. 3 verschiedene Schaufelstellungen in 3 Positionen, Fig. 4 verschiedene Schaufelstellungen in 6 Positionen, Fig. 5 den Richtungswechsel der Schaufelachsen über einen Umlauf.
Einander entsprechende Teile sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
In Fig. 1 ist mit 1 die Hauptachse und mit 2 die Steuerachse bezeichnet. Der Hauptachse 1 ist ein Zahnkranz 3a des Hauptrades 3 zugeordnet, der Steuerachse 2 ein gleichgroßer Zahnkranz 4a des Steuerrades 4. Beide Zahnkränze sind über Zwischenzahnräder 5, 6 und eine Verbindungswelle 7, 8 kraftschlüssig miteinander verbunden, wie man aus Fig. 2 erkennt. Mit 9 ist ein Ausgleichsgetriebe bezeichnet, das eine Relativdrehung zwischen den Zahnrädern 5, 6 erlaubt. Auf dem Hauptrad 3 sind Schaufeln 10, 11 mit Hilfe der Wellen 12, 13 verdrehbar gelagert. Am unteren Ende der Wellen sind U-förmige Führungsschienen 14, 15 verdrehungssicher so befestigt, daß ihre Längsachse parallel zur Hauptachse der Schaufelprofile liegt.
Das Steuerrad 4 weist Lenkrollen 16, 17 auf, die sich innerhalb der U-Schienen 14, 15 bewegen.
Das Hauptrad 3 und das Steuerrad 4 sind über nicht dargestellte, abgewinkelte Speichen so auf den Achsen 1, 2 gelagert, daß die Bewegungen der Zahnräder und der Schaufeln nicht behindert werden.
Aus Stabilitätsgründen ist es selbstverständlich erforderlich, daß man am oberen Ende der relativ langen Schaufeln ein zweites Hauptrad anordnet, das die Wellen 12, 13 stützt.
In Fig. 1 und 2 wurden nur zwei Schaufeln mit ihren Führungs- und Lenkeinrichtungen beschrieben. In der Praxis wird man wenigstens 6, 12 oder ein Vielfaches davon über den Umfang verteilen.
Die Wirkungsweise der Verstell- und Steuereinrichtungen wird anhand von Fig. 3 - 5 beschrieben.
In Fig. 3 ist mit 20 der Hauptkreis und mit 21 der Steuerkreis bezeichnet. Die Welle 22 des symmetrischen Schaufelprofils 23 läuft auf dem Hauptkreis 20 um. Die geometrischen Orte der Lenkrollen (16, 17 in Fig. 2) liegen auf dem Steuerkreis 21. In der Zeichnung nach Fig. 3 ergeben sich die geometrischen Orte der Lenkrollen aus den Schnittpunkten der Profilachsen 24 mit dem Steuerkreis 21.
Da die Zahnkränze 3a, 4a einerseits und die Zahnräder 5, 6 andererseits gleiche Zähnezahlen aufweisen, laufen Hauptrad und Steuerrad genau synchron um. Bei einer Phasenverschiebung von 0° zwischen Hauptrad und Steuerrad nehmen die Schaufeln die Stellung a ein, d.h., sie werden parallel zu ihren Profilachsen bewegt. In dieser Stellung wird kein resultierendes Drehmoment erzeugt, weil sich die Einzelmomente gegeneinander aufheben.
Läßt man das Steuerrad I gegenüber dem Hauptrad 20 nacheilen, so ergeben sich die Stellungen b und c. Diese Verstellung wird durch Betätigung des Ausgleichsgetriebes 9 (Fig. 2) bewirkt.
In Fig. 4 sind sechs Schaufeln in je 4 verschiedenen Anstellungen a, b, c, d dargestellt. Man erkennt daraus, daß die gegen den Wind anlaufenden Schaufeln (rechte Bildhälfte) einen sehr kleinen Ans tel 1-winkel aufweisen, während die mit dem Wind laufenden Schaufeln (linke Bildhälfte) weit ausschwenken. Wenn man die angreifenden Windkräfte in ihre Komponenten zerlegt, so erkennt man, daß die Schaufeln bei jedem von Null abweichenden Phasenwinkel praktisch in jeder Umlaufposition ein Drehmoment abgeben.
Noch deutlicher als Fig. 4 zeigt das Schaufelachsendiagramm in Fig.5, daß die Umsteuerung von der einen auf die andere Anströmseite in der linken Bildhälfte sehr plötzlich erfolgt, während der Übergang in der Gegenrichtung sehr sanft ist. Daraus folgt, daß die beschriebene Windkraftmaschine ein optimales Nutzdrehmoment abgeben kann.
Bei kleinen Windgeschwindigkeiten wählt man große Phasenverschiebungen, also starke Schaufelverstellungen. Bei orkanartigen Winden stellt man den Phasenwinkel auf Null, also in Segelstellung. Die Anpassung des Phasenwinkels an die Windgeschwindigkeit kann mit einem Servogerät automatisiert werden.
Darüber hinaus benötigt die beschriebene Windkraftmaschine ein Nachführsystem, um die Achse 26 (Fig. 3) der Windrichtung 25 anzupassen.
Die Schaufeln werden vorzugsweise mit einem schlanken symmetrischen Flügelprofil ausgestattet, das abwechselnd von beiden Seiten so angeströmt wird, daß die Strömung an der Hinterkante nicht abreißt.
Durch die Einhaltung einer laminaren Strömung werden die Reibungsverluste klein gehalten. Nur so gelingt es, auch an den im Windschatten liegenden Schaufeln noch günstige Strömungsverhältnisse zu verwirklichen.
Das Nutzdrehmoment wird an der Hauptradachse 1 abgenommen. Um die Schaufeln gut abzustützen, werden zwei Haupträder übereinander angeordnet und verwindungssteif miteinander verbunden. Bei Benutzung eines Hauptrades mit sehr großem Durchmesser kann man ein kleineres Steuerrad verwenden, wobei die Lenkrollen als radiale Führungselemente auf einem dem Steuerrad angepaßten Durchmesser des Hauptrades angeordnet sind. Von hier aus führt dann eine kraftschlüssige Verbindung, z.B. Kette, zu den außenliegenden Schaufeln.
Der tragende Turm der neuartigen Windkraftmaschine kann relativ leicht ausgeführt werden, weil man bei Sturm die auftretenden Kräfte durch Schaufelverstellung bis zum Phasenwinkel Null begrenzen kann.
Die Art der Verstellung erlaubt es auch, noch bei sehr starkem Wind ganz normale Leistungen bei konstanter Drehzahl abzunehmen.
Auf die Herstellungskosten der Anlage wirkt es sich sehr günstig aus, daß die Schaufeln über ihre ganze Länge das gleiche Profil aufweisen, so daß ihre Beplankung aus rechteckigen Blechtafeln abgewickelt werden kann.

Claims

Windkraftmaschine mit vertikaler Drehachse Windkraftmaschine mit vertikaler Drehachse und schwenkbaren Schaufeln zur Erzielung des aerodynamisch günstigsten Anstellwinkels, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufeln (10, 11) konzentrisch auf einem Hauptrad (3) drehbar gelagert sind, daß ein vorzugsweise gleichgroßes Steuerrad (4) exzentrisch zur Hatptradachse gelagert ist, daß das Hauptrad (3) das Steuerrad (4) synchron antreibt und daß jeder Schaufel (10, 11) ein radiales Führungselement (16, 17) zugeordnet ist, das derart mit dem STeuerrad (4) verbunden ist, daß die Schaufeln (10, 11) in Vortriebsrichtung einen großen und in Gegenrichtung einen kleinen Anstellwinkel einnehmen.
2. Windkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Führungselement als U-Schiene (14, 15) ausgebildet ist, in der eine mit dem Steuerrad (4) verbundene Rolle (16,17) läuft.
3. Windkraftmaschine nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Richtung des Führungselementes (14, 15) mit der Schaufelachse (24) zusammenfällt und daß die Anströmrichtung (25) mit der Verbindungslinie (26) zwischen der Hauptradachse (1) und der STeuerradachse (2) übereinstimmt.
4. Windkraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerradachse (2) durch eine von der Windrichtung (25) gesteuerte Servoeinrichtung nachgeschwenkt wird.
5. Windkraftmaschine nach Anspruch 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Hauptrad (3) und das Steuerrad (4) mit Zahnkrãnzen (3a, 4a) ausgerüstet sind und daß in dem einen Schnittpunkt der beiden Zahnkränze eine Verbindungswelle (7, 8) mit Zahnrädern (5, 6) gelagert ist, die eine Übersetzung 1 : 1 bewirkt.
6. Windkraftmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß in die Verbindungswelle ein Ausgleichsgetriebe (9) eingesetzt ist, über das eine Phasenverschiebung zwischen dem Hauptrad (3) und dem Steuerrad (4) bewirkt wird, wodurch die Anstellung der Schaufeln (10, 11) der Windgeschwindigkeit anpaßbar ist.
7. Windkraftmaschine nach Anspruch 1 - 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufeln (10, 11) ein symmetrisches Flügelprofil aufweisen, das je nach Winkelstellung abwechselnd von der einen und der anderen Seite angeströmt wird.
8. Windkraftmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Nutzdrehmoment an der Hauptradachse (1) abgenommen wird.
9. Windkraftmaschine nach Anspruch 1 - 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweites Hauptrad vorgesehen ist, das mit dem ersten verwindungssteif verbunden ist und daß die Schaufeln (10, 11) zwischen den beiden Haupträdern schwenkbar gelagert sind.
10. Windkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Hauptrad mit sehr großem Durchmesser ein kleineres Steuerrad benutzt wird, daß die radialen Führungselemente auf einem dem Steuerrad angepaßten Durchmesser desHaupgrades angeordnet sind und daß eine kraftschlüssige Verbindung zu den außenliegenden Schaufeln besteht.