DE2831260A1

DE2831260A1 - Windkraftmaschine

Info

Publication number: DE2831260A1
Application number: DE19782831260
Authority: DE
Inventors: Peder Ulrik Poulsen
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1977-07-25
Filing date: 1978-07-15
Publication date: 1979-02-08
Also published as: DK140382B; NL7807589A; GB2002459B; DK334177A; DK140382C; SE7808050L; US4242043A; GB2002459A

Description

77.571

fSn^NWALrE FW/Ha/an

. ANDREJEWSfCr

DR.-ING. HüNKE 2831260

DIPL.-ING. GESTHUYSEN

DR. MASCH
43 ESSEN, THEATERPLATZ 3

Peder Ulrik Poulsen
Strandvejen 666
DK-2930 Klampenborg

Windkr af tmas chine

Die Erfindung betrifft eine Windkraftmaschine der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung.

Windmotoren werden gewöhnlich in Typen mit waagerechter Drehachse und in Typen mit senkrechter Drehachse klassifiziert. Die am häufigsten verwendeten neuzeitlichen Windkraftmaschinen mit waagerechter Drehachse sind die Propellermaschinen. Zu den Maschinentypen mit senkrechter Drehachse zählen die mit Savonius- und Darreius Rotoren. Charakterischtisch für Windmotoren mit waagerechter Drehachse ist, dass diese Maschinen um eine senkrechte Achse schwenkbar montiert werden, um.sich nach der wechselnden Windrichtung einstellen zu können, wogegen ein solches Drehsystem bei Windmotoren mit senkrechter Drehachse nicht erforderlich ist.

Windmotoren mit Propeller werden auf Türmen oder Masten montiert, deren Höhe üblicherweise dem Zwei- bis Dreifachen des Rotordurchmessers entspricht, weil die Windgeschwindigkeit selbst über flachen Gelände mit der Höhe über der Bodenfläche zunimmt. Dies ist von besonderer Bedeutung, weil der vom Rotor abgegebene Effekt innerhalb des wirksamen Arbeitsbereichs in der dritten Potenz der

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Windgeschwindigkeit zunimmt. Der oftmals sehr· hohe Turm muss kräftig bemessen und solide verankert sein, und zwar nicht so sehr wegen des Gewichts der auf dem Turm angeordneten Komponenten, d.h. des Rotors, des Getriebes und der Schwenkvorrichtung, sondern weil die den Turm und den Rotor bei starkem Wind beaufschlagende horizontale Kraft auf sehr grosse Werte ansteigen kann. Bei einem · Windmotor mit einem Rotordurchmesser von 8 Metern hat man beispielsweise eine Axialkraft von 1300 kp bei einer Windgeschwindigkeit von 25 m/sek gemessen.. Dies entspricht 26 kp per α bestrichener Fläche, Da die Windstärke bisweilen auf 40-45 m/sek ansteigt, ist die Konstruktion aus Sicherheitsgründen für eine noch grössere Axialkraft von üblicherweise 50-100 kp/m auszulegen. Dies bedeutet beispielsweise bei einem Rotordurchmesser von- 25- m und einer Turmhöhe von 50 m, dass der Turm und dessen Fundament einem Biegemoraent von 1200 bis 2400 Tonnen am Fuss standhalten können müssen. Ungeachtet der gewählten Bauweise ist ein solcher Turm an sich ein schweres und aufwendiges Bauwerk. Die Kosten für den Turm betragen oft mehr als die Hälfte des Totalaufwandes für die gesamte Anlage.

Der Ausdruck "mit waagerechter Achse" ist nicht streng- zu nehmen, indem die Rotor achse von Windmotoren dieser Gattung häufig gegen waagerecht schwach geneigt ist. Der typische Neigungswinkel beträgt zwischen 5 und 15°, um beim Vorbeischwenken der Rotorflügelspitzen am Turm den erforderlichen Sicherheitsabstand zu gewährleisten, zumal der Turm oftmals in Dreifussbauweise oder als ein zentraler Mast ausgeführt ist, der mit Hilfe von in angemessenem Abstand vom Mastfuss verankerten Stagen verstrebt' ist.

Aus der deutschen Patentschrift 907.400 ist jedoch eine Windkraftmaschine mit so steiler Drehachse vorbekannt, dass die Höhe der Rotorflügel über dem Gelände wesentlich von der Drehachsenlänge abhängig ist. Diese bekannte Windkraftmaschine ist zwar insofern vorteilhaft, als die Achse herabschwenkbar ist, so dass die Rotorflügel auch ohne Personenkrane überprüfbar sind, weist jedoch den " wesentlichen Mangel auf, dass die Biegefestigkeit" der Achse gross sein muss, um ein Durchbiegen der in der Windrichtung freitragend herausragenden Achse oder Achsenschwingungen während der Rotation zu

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vermeiden. Die Querabmessung der Achse muss somit gross sein, so dass zum ersten das die Achse halternde Lager sehr aufwendig wird und bei gross en Windkraftmaschinen praktisch nicht herstellbar ist und zum zweiten die stark bemessene Achse einen beträchtlichen Windschatten mit Luftwirbeln verursacht, wodurch die Wirksamkeit -'. des Flügelsatzes beeinträchtigt und das Geräuschniveau erhöht werden. Abgesehen von den vorgenannten Mängeln ist als Vorteil zu nennen, dass die erwähnte Konstruktion keinen aufwendigen Turm erfordert, weil ein relativ niedriger Turm ausreicht.

Ein weiterer zu berücksichtigender Faktor bei schräg gestellter Drehachse ist,"dass die Ebene der Flügel zur Windrichtung schräg gestellt ist, wodurch die wirksame Fläche reduziert wird. Der sich hieraus ergebende Energie verlust kann durch verwendung eines verhältnismässig schnell laufenden Rotors ausgeglichen werden, weil die Windkraft auf einen Rotorflügel von der relativen Windrichtung abhängig ist. Betrachtet man einen .waagerechten Rotorflügel,-ergibt sich, dass die relative Windrichtung nur geringfügig von der wahren Windrichtung beeinflusst wird, wenn sich der Rotorflügel quer zur Windrichtung verhältnismässig schnell bewegt. Bei sehne!laufenden Rotorflügeln ist es aus den bereits genannten Gründen besonders wichtig, dass der Windstrom wirbelfrei ist, bevor er die Flügel beaufschlagt.

Zweck der Erfindung ist die Schaffung einer in der Herstellung wenig aufwendigen Windkraftmaschine mit geneigter Rotorwelle, möglichst kleinem Windschatten und möglichst geringer Wirbelbildung, wobei der konstruktive Aufwand .per Nutzeffekteinheit"' wesentlich kleiner ist als bei den bisher bekannten Konstruktionen. Dieser Zweck wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale erreicht.

Die Erfindung fusst auf der neuen Erkenntnis, dass die resultierende Windkraftwirkung auf die Rotorflügel hauptsächlich eine Zugkraft in der Achsenlängsrichtung ist, wenn die Achse zur Windrichtung 25'bis -35° geneigt ist, so dass das Biegemoment in der Achse hauptsächlich konstant ist und nur vom Gewicht "der ,Achse und der Flügel sowie vom konstanten Neigungswinkel abhängig ist,

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der innerhalb des angegebenen Winkelbereichs, liegt. In Erkenntnis dieser gleichmässigen Belastungsverhältnisse kann erfird. ungsgemäss dem Biegemoment in der Achse durch die Verspannungsvorrichtung entgegengewirkt werden, so dass die Querabmessungen der Achse zur Verminderung der Windschattenwirkung erheblich vermindert und/oder die Länge der Achse erhöht werden können, so dass die Rotorflügel in grösserer Höhe über dem Gelände arbeiten als bei anderen Konstruktionen. Die Seilverspannung ist wegen ihrer Einfachheit wenig aufwendig und hat praktisch keinen Windschatten.

Die Zugkraft an der Seilverspannung ist nicht nur im wesentlichen konstant, sondern hat bei einem bevorzugten Neigungs\irinkel der Achse gegen die Waagerechte ausserdem einen solchen Wert, dass das nicht umlaufende Lagerteil sich auf Grund der Rotation nur um einen zulässigen, kleinen Winkel um die Achse dreht. Besteht die Seilverspannung nur aus einer einzelnen Pardune, kann diese an einer Gabel befestigt sein, deren Schenkel an zwei einander diametral gegenüberliegenden Stellen mit dem ausseren Lagerring verbunden sind. Die Seilverspannung kann auch aus zwei jeweils ari einer Seite des äusseren Lagerrings befestigten Pardunen bestehen.

In der Praxis ist die Verspannung so ausgebildet, dass sie am Lager mit einer schräg zur Achse gerichteten Zugkraft wirkt.'. Das Lager kann vorzugsweise gemäss Anspruch 2 ausgebildet sein, so dass es sowohl axiale Kräfte als auch quer zur Achsenlängsrichtung gerichtete Kräfte aufnehmen kann. .

Durch die im Anspruch 3 angegebenen Merkmale wird erreicht, dass die-am Sockel befestigten Teile, primär die Achse, die Flügel und das Gegengewicht sich im statischem Gleichgewicht befinden, so dass das tragende Gestell nur das dem Zug der Windkraft an der Achse entsprechende Moment aufzunehmen hat. Das Traggestell kann somit zur Verminderung des Bauaufwandes und der Windschattenwirkung entsprechend schwächer bemessen sein. ■

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher er läutert. Es zeigen

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Fig. 1 das der Erfindung zugrunde liegende Funktionsprinzip, und Fig. 2 eine Ausfuhrungsform der erfindungsgemässen Windkraftmaschine.

Zunächst wird- anhand der Fig. 1 die der Erfindung zugrunde liegende neue Erkenntnis erläutert. Die Kurven I und II dieser Figur stellen das mit der sich aus dem Winddruck gegen die Rotorflügel der Windkraftmaschine I ergebenden Kraft P - multiplizierte Biegemoment h^f dar. Den Kurven ist beispielsweise zu entnehmen, dass Rotorflügel mit einer Fläche von 26 m bei einer Windgeschwindigkeit von 12 m/sek im Punkt O ein Biegemoment von 403 kpm verursachen. Hieraus folgt, dass Türme für grosse Windkraftmaschinen wie in der Beschreibungseinleitung erläutert sehr schwer bemessen werden. Beim Windmotor II wurde das Moment bei Versuchen mit einem Arm a gemessen. Diese Messergebnisse sind unten in F^.g. 1 für drei verschiedene Achsenneigungswinkel α = 25°, 30° und 35° angegeben. Die Messergebnisse verteilen sich wie ersichtlich um 0, was damit erklärbar ist, dass die Flügel nicht nur von der Windkraft P sondern auch von einer senkrecht nach oben wirkenden Kraft P beaufschlagt werden, so dass die mit r bezeichnete Vektorsuorae von P und P_Q durch.den' Punkt 0 verläuft, öder dicht bei-diesem liegt, so dass a gleich 0 oder jedenfalls klein ist. Die senkrechte Hebekraft P_Q ist dem Umstand zuzuschreiben, dass die Flügel gegen die Waagerechte geneigt sind und somit wie ein Drachen wirken. Die Hebewirkung ist zu einem gewissen Grade von der Umlaufgeschwindigkeit der Flügel abhängig, was die schraffiert angedeutete Streuung der Messergebnisse erklärt, da die Flügel eine kurze Zeitspanne benötigen, um bei einem Windstoss auf höhere Umlaufgeschwindigkeit zu gelangen. Es ergibt sich jedoch aus der Figur, dass dieses Phänomen nur Momente verursacht, die um ein vielfaches kleiner sind als das vom Windmotor I verursachte Moment.

In Fig. 2 ist eine auf der Windkraftmaschine II in Fig. 1 fussende Ausführungsform des Windmotors dargestellt. Die Flügel 17 dieser Windkraftmaschine sind an einer Welle 20 befestigt, die sich vom Flügelsatz schräg nach unten erstreckt und an einem um eine senkrechte Achse frei schwenkbar auf einem Gestell oder Fundament montierten Sockel 1 frei drehbar gelagert ist. Das Fundament 2

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ist wie üblich rait Lagern zur Aufnahme von Axial- und Radialbelastungen sowie eines -"rechtwinklig zur Welle 20 wirkenden massigen Biegemoments versehen und weist Seitenwangen 4 auf, welche eine waagerechte Achse 23 als Lager für eine Wasserbremse 24 tragen. Die Bremse ist mit der Drehwelle verbunden und dient der direkteil Umwandlung von Drehenergie in Wärme. Ausserdem ist ein am Sockel befestigtes Lager 22 für das untere Ende der Drehwelle 20 vorgesehen, deren entgegengesetztes Ende in der Nähe der Rotorflügel erfindungsgeaäss auch über ein Freilauf lager 21 mit einem äusseren Lagerring abgestützt ist, der mit dem einen Ende eines Stützseils verbunden ist, dessen anderes Ende am einen Ende einer Stütze 9 gehaltert ist, deren anderes Ende sich (bei der dargestellten Ausführungsform über das Lager 23) auf dem Sockel 1 abstützt. Ein zweites Stützseil 10 oder eine Verlängerung des Stützseils 8 ist vom Punkt 9 durch ein Loch in der Mitte, eines Balkens 11 an der Luv-Seite des Sockels sowie unter dem Balken durch eine schwere Druckfeder 12 geführt und mit einer Stellmutter 13 versehen. Luvseitig des Balkens 11 findet sich ein Gegengewicht 7 zur statischen Auswuchtung des Gesamtgewichts des Rotors, der Welle 20 und der Flügel. Die Querachse 23 kann sich durch den Schwerpunkt der den Sockel" 1 und das Gegengewicht 7 umfassenden gesamten Konstruktion erstrecken, so dass diese zwecks Inspektion der Flügel herabschwenkbar ist. .,·..- : - - .·'=-". ·.-,··>

Der Pfeil V deutet die Windrichtung an. Ändert sich die Windrichtung, wirken die Flügel gemeinsam als Windfahne, welche die Gesamtkonstruktion um die senkrechte Sockeldrehachse verschwenkt. Der Wind trifft auf die geneigte Rotorfläche, wodurch der Rotor in Drehung versetzt wird. Bei arbeitendem Windmotor wirkt die ¥indkraft wie vorstehend anhand der Fig. 1 erläutert auf die Rotorfläche. Mit Hilfe der Stellmutter 13 lässt sich daraufhin der Neigungswinkel der Drehachse 20 so einstellen, dass die die Rotorfläche beaufschlagende Windkraft von der Welle 20 als reine Zugspannung aufgenommen und so auf das Schwenklager übertragen wird, dessen Zentrum auf einer Verlängerungslinie der Drehachse 20 liegt. Die von der Gleichgewichtsstellung abweichenden geringfügigen Schwankungen durch plötzliche Windstösse werden von der Druckfeder .12 auf genommen, können jedoch auch allein, durch die Elastizität der .Stützseile 8 und 10 abgefangen werden.

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Die über das Stützseil 3 von Lager 21 auf die Stütze 9 zu übertragende Kraft ist sonit in wesentlichen von der Windstärke unabhängig. Diese Kraft ist realiter eine durch das Gewicht der Drehachse 20 -and der Flügel gegebene, im wesentlichen konstante Zugkraft. Hieraus ergibt sich, dass diese Kraft mittels des dünnen Seils 8 übertragbar ist, das praktisch keinen Windschatten verursacht, der wie bereits erwähnt bei Windkraftmaschinen sehr nachteilig ist. Das Seil 8 ist an vorderen Lager 21 mit Hilfe einer Gabel befestigt, deren Schenkel an zwei einander diametral gegenüberliegende Zapfen an einem äusseren Lagerring des Lagers 21 befestigt sind. Diese Konstruktion ist sehr einfach und wenig aufwendig, indem der im wesentlichen konstante Zug am Seil 8 gewährleistet, dass der aussere Lagerring mit der Gabel wegen der Reibung zwischen Aussenring und Drehachse nur um einen kleinen, zulässigen 'winkel verschwenkbar, ist." Auch die Herstellung der Drehwelle 20 ist ait geringen Aufwand'' zu bewerkstelligen, da sie aus einen dünnwandigen Rohr init hinreichend grossem Durchmesser zur Gewährleistung der erforderlichen Biegefestigkeit bestehen kann. Der Windschatten der Drehachse ist nur klein, weil die Biegefestigkeit . nicht gross zu sein braucht, weil die Achse in der Nähe;. des Flügelsatzes abgestützt ist. Im übrigen beaufschlagt der Wind die im Querschnitt kreisförmige Achse in einem schrägen Winkel, so dass der ¥ind einen elliptischen Körper umstreicht, der so gut wie keine Luftverwlrbelung verursacht. . ·

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Claims

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Patentansprüche:

I.) Windkraftmaschine mit am freien oberen Ende einer geneigten Drehachse befestigten Flügeln, wobei das andere Ende der Drehachse in einem auf einen Sockel gehalterten Lager gelagert ist, dadurch gekerinze ichnet, dass, eine Seilverspannung vorgesehen ist, die sich von einem auf dem Sockel befestigten und von diesem hochragenden Stativ bis zu einem nicht umlaufenden Teil eines auf der Rotordrehachse vorgesehenen Lagers erstreckt und die Drehachse mit einen Moment beeinflusst, das im wesentlichen dem sich aus dem Gewicht der Flügel und der Drehachse ergebenden Biegemomenf auf diese entspricht, dem Biegemoment jedoch entgegengesetzt gerichtet ist, und dass die Drehachse zur Windrichtung so geneigt ist, dass die Resultante der Windeinwirkung auf die Flügel im wesentlichen eine Zugkraft in Richtung der Drehachse ist. - .
2. Windkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das genannte Lager ein sowohl radiale wie axiale Belastung aufnehmendes Kugel- oder Rollenlager ist, dessen äusserer Lagerring nur an der Zugseilverspannung befestigt

' ist.
3. Windkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, deren Sockel um eine senkrechte Achse verschwenkbar auf einem Gestell oder Fundament montiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugseilverspannung sich vom vorerwähnten Stativ weiter bis zum freien Ende eines mit einem Gegengewicht versehenen und am Sockel befestigten-Anas erstreckt, der zumindest annähernd in der der Drehachse entgegengesetzten Richtung vom Sockel herausragt.

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ORIGINAL INSPECTED