DE2851406B2 - Windturbine - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Windturbine zum Betreiben eines elektrischen Generators oder dergleichen gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die durch den Wind in Erscheinung tretende, kinetische Energie der Luft hat in letzter Zeit wegen der drohenden Erschöpfung fossiler Brennstoffe erneutes Interesse als eine unerschöpfliche Energiequelle gefunden. Die Ausnutzung von Windenergie durch Windmühlen oder Windräder ist an sich eine alte und hoch entwickelte Technik. Durch den technischen Fortschritt in benachbarten Gebieten sind in jüngster Zeit weitere Bemühungen veranlaßt worden, die Leistungsfähigkeit von Windturbinen weiter zu verbessern. So ist die Übernahme aerodynamischer Grundsätze für solche vom Wind getriebenen Turbinen vorgeschlagen worden, bei denen die anströmende Luft mit einer Führung gegen die auf einem Läufer angeordneten Schaufeln oder Flügel gerichtet wird. Die Benutzung von Luftführungen for die Ausrichtung der Luftströmung ist vorteilhaft insoweit, daß durch Turbulenz bedingte Verluste verringert werden. Dem stehen jedoch erhöhte Reibungsverluste und auch bauliche Schwierigkeiten mit Bezug auf die Ausbildung der Schaufeln und Luftführung gegenüber.

Mit Führungen für das Strömungsmittel versehene Turbinen- oder Windräder sind in den US-PS 5 56 453, 8 83 184, 13 13 457 und 13 29 668 beschrieben. Gemäß diesen Druckschriften kann der Fluß des Strömungsmittels dadurch beschleunigt werden, daß es durch eine konvergente Führung anströmt und durch eine Ablenkungsfläche radial nach außen gerichtet wird, um die Schaufeln oder Flügel zu beaufschlagen, die auf einem Rotor angeordnet sind. Eine solche grundsätzliche Anordnung einer Windturbine ist auch in der US-PS 27 01 526 beschrieben. Aus der US-PS 14 33 995 ist eine Windturbine bekannt die im axialen Bereich einen Ablenkkörper aufweist, der den anströmenden Wind nach einem radialen Schaufelkranz umlenkt wobei der Körper z. B. die Form einer Kalotte oder auch eines Konus mit eingewölbtem Mantel haben kann. Nach der US-PS 40 21 135 umschließt eine konvergent-divergente Luftführung einen inneren Luftflügelkörper, um zu bewirken, daß die Luft innerhalb der Führung zum Antrieb Reaktionsschaufeln am Rotor anströmt wobei durch an der Führung feste Schaufeln ein Wirbel innerhalb der Führung erzeugt wird, der den Druckunterschied an den Turbinenschaufeln erhöht

Die Erfindung geht von einer Windturbine mit Windführung aus, wie in der US-PS 27 01 526 erwähnt. Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, durch besondere Ausgestaltung der Windführung das für die Leistung der Turbine maßgebende Druckdifferential im Bereich der Schaufeln zu erhöhen. Zur Lösung dieser Aufgabe wird nach der Erfindung eine Windturbine mit den Merkmalen des Anspruches 1 geschaffen. Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet

Eine nach der Erfindung ausgeführte Windturbine zeigt im Vergleich zu bekannten Windturbinen eine tatsächliche Erhöhung der Leistung, jedoch auch einen verhältnismäßig einfachen Bau, so daß die Windturbine wirtschaftlich hergestellt werden kann. Das Tragflügelprofil, das für die Einlaß-Luftführung verwendet wird, zeigt an seinem in Strömungsrichtung hinteren Kantenabschnitt einen sich verjüngenden Querschnitt, an dem ein sich erweiternden laminarer Luftstrom außerhalb des Luftführungskörpers auftritt, so daß benachbart dazu entsprechend dem Theorem von Bernoulli ein Bereich niederen Drucks erzeugt wird. Der hintere Kan'.enbereich der tragflügelartigen Luftführung endet dementsprechend eng benachbart zu den am Rotor angeordneten Schaufeln, die zwischen dem Austrittsende des Führungskörpers und einer Strömungsablenkungswand eine axiale Lücke überspannen, die eine ringförmige radiale Ausströmöffnung bildet, aus der die Luft gegen die Schaufeln strömt. Die Fläche der Strömungsablenkungswand hat quer zur Rotorachse eine Krümmung, die nach vorn oder in stromaufwärtiger Richtung entlang der Rotorachse vorspringt, um die Turbulenz zu verringern, die durch die scharfe Richtungsänderung hervorgerufen wird, die der Luftströmung beim Verlassen der Führung mitgeteilt wird.

Die Erfindung unterscheidet sich demnach von den bekannten Einrichtungen mit Bezug auf die Lage der mit Tragflügelprofil ausgestatteten Läuferschaufeln

innerhalb des Bereiche? niederen Druckes, der von dem Luftstrom über die äußere Tragflügelfarm eines konvergenten, Tragflügelprofil aufweisenden Luftführungskörpers erzeugt wird, durch den die axial anströmende Luft im Inneren nach einer gewölbten Strömungsablenkfläche geführt wird, welche die Luft zur Beaufschlagung der LSuferschaufeln radial nach außen richtet

Die Erfindung wird in der nachfolgenden Beschreibung anhand der Zeichnungen beispielsweise erläutert Es zeigt

Fig. 1 eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Anordnung mit Windturbine und Generator, F i g. 2 eine Rückansicht der Einrichtung nach F i g. 1,

F i g. 3 einen Schnitt entlang der Ebene 3-3 der F i g. 2 in vergrößertem Maßstab,

F i g. 4 einen Schnitt entlang der Ebene 4-4 der F i g. 3,

F i g. 5 einen Teil eines Schnittes entlang der Linie 5-5 der F i g. 3 und

F i g. 6 einen vergrößerten Schnitt entlang der Linie 6-6 der F ig. 5.

Eine zum Antrieb eines Generators dienende Windturbine 10, siehe F i g. 1 und 2, ist mittel einer Plattform 12 oben auf einem Turm oder Mast 14 um eine senkrechte Achse drehbar angeordnet Die Turbinenanordnung 10 wird durch Rahmenstreben 16, 18 auf der drehbaren Plattform 12 abgestützt so daß sie auf den anströmenden Wind, dargestellt durch die Zeile 20 in F i g. 1, ausgerichtet werden kann.

Die Turbine 10 enthält einen Rotor 22 mit einer Abtriebswelle 24, die so gehalten wird, daß sie sich um eine Achse drehen kann, die parallel zu der durch die Pfeile 20 angegebenen Richtung des Windflusses ausgerichtet werden kann. Die Abtriebswelle ist benachbart zu ihrem einen Endabschnitt hinter dem Rotor 22 in einem Lager 26 gelagert das von den Rahmenstreben 16 gehalten wird, und ist mit einer Riemenscheibe 28 verbunden. Eine zusammengesetzte Riemenscheibenanordnung 30, die an den Rahmengliedern 16 drehbar angeordnet ist ist durch einen Endlosriemen 3i;mit der Riemenscheibe 28 antriebsweise verbunden und überträgt die Drehung mit einem hohen Übersetzungsverhältnis durch einen Endlosriemen 34 auf einen Elektrogenerator 36. Ein Leitungskabel 38 geht vom Generator aus und ermöglicht die Abgabe der Energie an eine von der Einrichtung getrennte Verbrauchsstelle. Die Rahmenglieder 18 tragen eine Lufteinlaßführung 40, die vor dem Rotor 22 sitzt und die in Windrichtung axial anströmende Luft aufnimmt, um die Drehung des Rotors auszulösen und dadurch den Generator 36 anzutreiben.

Die Abtriebswelle 24, siehe F i g. 3, kann auch noch durch ein Lager 42 abgestützt sein, das von Speichen 44 derart gehalten wird, daß die Führung 40 koaxial zur Welle 24 und in axialer Ausrichtung zum Rotor 22 liegt, der auf der Welle 24 sitzt. Der Rotor 22 besteht aus einer Reihe radialer Speichen 46, die mittels Befestigungsvorrichtungen 48 an einer Nabe 50 befestigt sind, die ihrerseits an der Welle 24 befestigt ist. Eine Reihe Turbinenschaufeln oder -flügel 32 sind an Flanschteilen 54 befestigt, die an den Speichen an ihren radialen äußeren Enden sitzen. Die Schaufeln 52 sind becher- oder schalenförmig und habsn radial außen eine Tragflügelkontur 56 in einer EbC-ne, die rechtwinklig zur Rotorachse der Welle 24 liegt. Jede Schaufel 52, siehe F i g. 5, liegt in einem W'nkel vc>n 15° zur Tangente, die am Schnittpunkt der sie haltenden Speiche an den Kreis gelegt ist, der von dej Vorderkanten 58 der Tragflügelformen bestimmt wird. Daher wird radial nach außen strömende Luft, die die Schaufeln beaufschlagt, mit Bezug auf die Darstellung in Fig,4 und 5 eine Drehung des Rotors 22 im Uhrzeigersinn verursachen. Die Tragflügelkontur 56 der Schaufeln verringert den Luftwiderstand bei der Drehung des Rotors in Antriebsrichtung.

Die Rotornabe 50, siehe Fig.3, ist mit einer Strömungsablenkungswandfläche 60 ausgebildet die

to eine konvexe Krümmung aufweist die von einer radial äußeren Kreiskante 62 zur Rotorachse vorspringt Dadurch wird die Turbulenz verringert die entsteht wenn die Luftströmung, siehe die Pfeile 64, aus der axialen Bahn innerhalb der Führung 40 in die radiale Ausströmrichtung zur Beaufschlagung der Schaufeln 52 umgelenkt wird Die Wandfläche 60 ist als Teil der Rotornabe 50 in diesem Ausführungsbeispiel dargestellt Statt dessen kann sie als gesondertes und nicht drehbares Wandelement ausgebildet sein, das quer zur Rotorachse im axialen Abstand hinter der Führung 40 fest angeordnet ist um die gleiche Wir'..mg auszuüben. Die Ablenkwandfläche wirkt mit des führung 40 zusammen, um am Hinterausgang der Führung eine radiale Ausströmöffnung oder axiale Lücke zu bilden, die von den Rotorschaufeln 52 überbrückt wird. Um die auftreffende Luft wirksam aufzufangen, ist jede Schaufel 52 mit Seitenwänden 63 und 65 ausgebildet die sich von dem äußeren, mit Tragflügelkontur versehenen Abschnitt 56 radial nach innen erstrecken, siehe F i g. 5 und

6. Die Seitenwände 65 erstrecken sich von der Tragflügelfonm 56 aus, siehe F i g. 6, in einem Winkel θ zwischen Null und 60°, um je nach dem Geschwindigkeitsbereich der Luftströmung die günstigste Wirkung zu erzielen.

Die Luftführung 40 ist ein rohrförmiger Körper mit Tragflügelprofil und einer inneren konvergenten Wandfläche 66, siehe Fig.3, die von der vorderen Lufteinlaßkante 68 bis zur hinteren Austrittskante 70 sich erstreckt die axial mit Abstand zur Abienkusgswandfläche 60 liegt so daß dazwischen eine radiale Ausströmlücke gebildet wird, die von der, Schaufeln 52 überbrückt wird. Die äußere Tragflügelfläche 72 des Luftführungskörpers ist aerodynamisch so geformt, daß benachbart zur Hinterkante 70 ein Niederdruckbereich 74 erzeugt wird, der die Schaufeln 52 aufgrund der Aufrechterhaltung der laminaren Strömungsausbreitung umgibt, die mit Bezug auf Flügelprofilflächen auftritt. Aufgrund dessen wird das Druckdifferential an den Schaufeln in Richtung der radial abströmenden Luft erhöht und damit gleichzeitig die Geschwindigkeit der die Schaufeln beaufschlagenden Luft vergrößert.

Die in die Führung 40 an der Vorderkante 68 eintretende Luft wird aufgrund der Einschnürung des Volumens beschleunigt, während sie durch den axialen Strömungsweg geführt wird, der von der Innenwandfläche 66 gebildet wird Dadurch wird gewöhnlich der statische Druck der Luft verringert, und das an den Schaufeln wirkende Druckdifferential bewirkt, daß kinetische Energie der Luft durch die Schaufeln auf dem Rotor übertragen wir J. Die aerodynamische Erzeugung des äußeren Niederdruckbereiches 74 und die überbrükkende Lage der Schaufeln 52 mit Bezug auf den radialen Ausströmspalt innerhalb des Niederdruckbereiches verursacht ein Druckdifferential, mit welchem die in kinetische Energie des Rotors umzuwandelnde Energiemenge der Luft weiter erhöht wird, so daß sich eine wirksamere Umwandlung der Windkraft in nutzbare Energie ergibt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche;

1. Windturbine zum Betreiben eines Generators oder dergleichen mit einer konvergenten Windfßhrung, einem koaxial dahinter liegenden Rotor, der im radialen Abstand von der Achse mit einer Reihe von Schaufeln versehen ist, und einer Ablenkvorrichtung zur radial nach außen gerichteten Umlenkung der anströmenden Luft, dadurch gekennzeichnet, daß die Windführung (40) außen mit einer Tragflügelprofil aufweisenden Fläche (72) ausgebildet ist, wobei die Schaufeln (52) in dem von der Fläche erzeugten Bereich (74) niederen Drucks liegen.

2. Windturbine nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Windführung (40) einen Abschnitt mit axialer Strömung und einem Eintrittsende, durch das die Luft anströmt, und im auf die Rotorachse bezogenen axialen Abstand zu diesem Abschnitt axialer Strömung eine Strömungsablerikfläche (60) ηκ Änderung der Strömungsrichtung radial nach außen aufweist

3. Windturbine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ein Tragflügelprofil aufweisende Fläche (72) ringförmig den Abschnitt axialer Strömung der Windführung (40) umgibt und ihre Hinterkante (70), an der der jiie Schaufeln (52) umgebende Bereich (74) niederen Druckes entsteht, benachbart zu den Schaufeln liegt

4. Windturbine nach Anspruch 1—3, dadurch gekennzeichnet daß jede Schaufel (52) eine Tragflügelprofi! lufweisende Schalenform hat und in axialer Richtung im wesentlichen zwischen der Hinterkante (70) der Fläche (72) und der Strömungsablenkfläche (60) liegt.

5. Windturbine nach Anspruch 1—4, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsablenkfläche (60) als quer zum axialen Strömungskanal liegende Endwand ausgebildet ist.

6. Windturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Windführung (40) der Abschnitt axialer Strömung als konvergierender Kanal ausgebildet ist.

7. Windturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsablenkfläche (60) einen konvexgekrümmten Flächenabschnitt aufweist, der quer zum Abschnitt axialer Strömung liegt.