DE2927956B1

DE2927956B1 - Wind- oder Wasserkraftvorrichtung

Info

Publication number: DE2927956B1
Application number: DE2927956A
Authority: DE
Inventors: Werner Ing Forck
Original assignee: JM Voith GmbH
Current assignee: JM Voith GmbH
Priority date: 1979-07-11
Filing date: 1979-07-11
Publication date: 1980-10-09
Also published as: JPH0380989B2; JPS5618076A; DE2927956C2; US4380417A

Description

Die Erfindung betrifft eine Wind- oder Wasserkraftvorrichtung mit einem vertikalachsigen auf einem Radkörper angeordneten Flügelkranz, mit zur Radachse parallelliegenden Flügeln, die während eines Radkörperumlaufes Schwenkbewegungen ausführen.

Eine derartige Vorrichtung, die von einem sogenannten Zykloidal-Schiffspropeller abgeleitet ist, ist z. B. in der DE-PS 7 42788 beschrieben. Dabei werden die Flügel während eines Radkörperumlaufes abwechselnd schräg zur Flügelkreis-Tangente gestellt, wodurch bei Wind aerodynamische Auftriebskräfte an den Flügeln entstehen, die den Radkörper rotieren lassen und Energie liefern. Durch entsprechende Steigungsverstellung kann die Vorrichtung auf einfache Weise jeder Windrichtung angepaßt werden.

Nachteilig bei der bekannten Windkraftvorrichtung ist jedoch, daß auch in Neütralstellung einige Flügel quer zur Windrichtung stehen müssen. Dadurch besteht die Gefahr, daß bei einem Sturm mit übermäßig hohen Windgeschwindigkeiten die Flügel brechen können. Weiterhin ist von Nachteil, daß auch bei hohen Windgeschwindigkeiten aufgrund der vorgegebenen Flügelstellung die Drehzahl des Radkörpers nur noch bedingt vorgewählt werden kann.

Wasserkraftvorrichtungen sind im allgemeinen für eine bestimmte Strömung, z.B. Richtung, Fallhöhe u. dgl. optimal ausgelegt. Bei entsprechenden Abweichungen sind sie entweder wirkungslos oder können nur mit

ι ο verringertem Wirkungsgrad arbeiten.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Wind- oder Wasserkraftvorrichtung der eingangs erwähnten Art zu schaffen, deren Flügel sehr gut auf die herrschenden Wind- oder Strömungsverhält-

Ϊ5 nisse einstellbar sind. . *

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Flügel mit ihren Profilachsen in Windrichtung ausrichtbar sind und im Betrieb während eines Radkörperumlaufes beidseits zur Wind- oder Strömungsrichtung von der Neutralstellung aus Winkelausschläge ausführen, deren Größe über Einstelleinrichtungen einstellbar ist. Während sich die Flügel nach dem Stand der Technik während eines Radkörperumlaufes einmal ungleichförmig um ihre eigene Achse drehen, werden die erfindungsgemäßen Flügel lediglich aus ihrer Neutralstellung zur Wind- oder Strömungsrichtung um einen bestimmten Winkel nach links und rechts verschwenkt. Die Größe des Winkelausschlages wird dabei entsprechend den Verhältnissen (Windstärke, Strömung) gewählt. Auf diese Weise ist es möglich, den Radkörper im Bedarfsfalle mit einer bestimmten Drehzahl, z. B. der Synchrondrehzahl für einen Generator, zu betreiben. Ebenfalls ist es möglich, innerhalb gewisser Grenzen eine bestimmte Leistung unabhängig von der Wind- oder Strömungsstärke zu erzeugen. Als Windkraftvorrichtung können im Falle eines Sturmes alle Flügel parallel zur Windrichtung eingestellt werden, wodurch sie dem Wind nur geringe Angriffsflächen bieten. Bei Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung als Wasserkraftvorrichtung ist diese sehr gut für Einsatzgebiete geeignet, bei der kein Gefälle, sondern eine Strömung wechselnder Richtung und Größe (Meeresströmungen, Gezeiten) vorliegt. Die Flügelstellungen können dabei auf einfache Weise der jeweiligen Strömungsrichtung und -stärke angepaßt werden.

Für die konstruktive Lösung bezüglich der Winkelausschläge der Flügel sind verschiedenartige Einstellvorrichtungen denkbar. Neben mechanischen und

so hydraulischen Einstelleinrichtungen, die entweder für jeden Flügel separat arbeiten oder für alle Flügel miteinander gekoppelt sind, können auch z. B. elektrische Verstelleinrichtungen vorgesehen werden. So kann z. B. für jeden Flügel ein Stellmotor vorhanden sein, der über entsprechende Steuereinrichtungen während eines Radkörperumläufes entsprechend betätigt wird. Die Koordination der Winkelausschläge der einzelnen Flügel kann dabei ebenfalls über eine entsprechende Steuereinrichtung erfolgen.

Voraussetzung für die erfindungsgemäße Flügelbewegung ist, daß die Senkrechten zu den Flügeln ihren Schnittpunkt außerhalb des Flügelkreises haben, während dieser charakteristische Punkt nach dem Stand der Technik bisher innerhalb des Flügelkreises lag.

Dieser Schnittpunkt der Senkrechten AHiegt auf einer Linie durch die Flügelkreismitte senkrecht zur Windrichtung. Je nach Entfernung des Punktes ΛΓ von der Mitte der Kreisbahn führen die Flügel entsprechend

ORIGINAL INSPECTED

große Winkelausschläge aus. Liegt der Punkt N im Unendlichen, so sind alle Flügelprofile parallel zur Windrichtung ausgerichtet.

Eine konstruktive Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß das Prinzip der umlaufenden Kurbelschleife benutzt wird, um die gewünschte Flügelbewegung zu erhalten. Im einzelnen bedeutet das, daß

a) jeder Flügel über einen Mitnehmerstift und einen Kreuzkopf von einer Koppel angetrieben wird; ι ο

b) die Koppeln aller Flügel über ein Seil, eine Kette, Zahnräder od. dgl. miteinander verbunden sind;

c) die Koppeln in einer Lagerscheibe gelagert sind, die über ein Getriebe angetrieben wird und synchron mit dem Radkörper umläuft, in dem die Flügel gelagert sind;

d) der Abstand (e) der Koppellagerpunkte P von den Drehachsen K for Flügel einstellbar ist;

e) eine Koppel eines Flügels durch ein Getriebe direkt oder indirekt mit einem feststehenden Zentralrad verbunden ist, das über einen Stellantrieb verdrehbar ist.

Die Flügelbewegung wird in diesem Falle dadurch in gewünschtem Maße steuerbar, daß für jeden Flügel ein kinematisches Getriebe nach der Art der umlaufenden Kurbelschleife geschaffen wird, bei der die Länge der Kurbel e veränderlich ist Somit kann das für die Flügelbewegung maßgebende Verhältnis ale = λ = Steigungsmaß (a — Koppellänge) auch bis zum Extremwert 00 verstellt werden, indem e zu Null gemacht wird. Die Flügel erhalten dann eine gleichmäßige Drehbewegung im Radkörper mit gleich großer, aber entgegengesetzter Winkelgeschwindigkeit wie der Radkörper, ihre absolute Winkelgeschwindigkeit ist somit Null.

Durch die Verbindung der Koppeln der Kurbelschleifen aller Flügel über ein Seil-, ein Kettengetriebe oder dgl. wird erreicht, daß alle Flügel gleichartig bewegt werden. Die Größe der Winkelausschläge der Flügel wird durch den Abstand (e) der Koppellagerpunkte P von der Drehachse K der jeweiligen Flügel bestimmt. Befinden sich die Koppellagerpunkte und die Flügelachsen genau übereinander, so sind alle Flügel parallel ausgerichtet Liegen die Koppellagerpunkte bezogen auf die Flügelachsen in Umfangsrichtung verdreht, so ergibt sich eine Flügelanstellung zur Windrichtung mit wechselnder Größe während eines Umlaufes.

Das feststehende Zentralrad dient dabei dazu, die Richtung festzulegen, in der alle Flügel parallel stehen oder um die herum sie ihre Winkelausschläge ausführen, so

In Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Koppeln der Kurbelschleifen als Kettenräder ausgebildet sind. Durch diese Maßnahme können die einzelnen Kettenräder über eine Kette in einfacher Weise miteinander verbunden werden, wobei ein Kettenrad direkt mit dem Zentralrad über ein Getriebe, einen Kettenantrieb oder dgl. verbunden ist.

Erfindungsgemäß ist ferner vorgesehen, daß das Synchrongetriebe, das Radkörper und Lagerscheibe verbindet, zwei Zahnräder unterschiedlicher Schrägung fco aufweist und die axiale Lage der beiden Zahnräder zu denen mit diesen zusammenarbeitenden Zahnrädern veränderbar ist. Durch diese Maßnahme wird in einfacher Weise der Abstand zwischen den Koppellagerpunkten in der Lagerscheibe und den entsprechenden Flügelachsen im Radkörper verändert und die Größe der Winkelausschläge der Flügel bestimmt. Die Zahnräder können in Längsrichtung mechanisch oder hydraulisch verstellt werden.

Nachfolgend ist anhand der Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, aus dem weitere erfindungsgemäße Merkmale hervorgehen. Es zeigt

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung der erfindungsgemäßen Windkraftvorrichtung im Schnitt,

F i g. 2 Schnitt H-II nach der F i g. 1,

F i g. 3 und 4 Prinzipdarstellungen der Flügelpositionen,

Fig. 5 Draufsicht auf die erfindungsgemäße Vorrichtung (Prinzipdarstellung),

Fig.6 Ausschnittsvergrößerung für die Winkelverstellung der Lagerscheibe.

Gemäß Ausführungsbeispiel sind vier bzw. sechs Flügel 1 in einem Radkörper 2 gelagert Die Flügel 1 werden jeweils durch einen Mitnehmerstift 3 bewegt, der in einem Kreuzkopf 4 gleitet. Aus der F i g. 2 kann die Flügelbewegung relativ zur Tangente an den Flügelkreis abgeleitet werden:

sin or =

cos φ

^e/a = M

In den F i g. 1 und 2 stellt der Abstand e die hier veränderliche feststehende Kurbel der umlaufenden Kurbelschleife dar, der Radius a (Abstand des Kreuzkopfes 4 vom Drehpunkt) ist die Länge der Koppel und der Mitnehmerstift 3 stellt die umlaufende Kreuzkopfbahn der umlaufenden Kurbelschleife dar. α ist der Schwenkwinkel des Flügels relativ zur Tangente. φ ist der Umlauf winkel des Flügels, χ—φ wäre der Winkel des Flügels zur Windrichtung bzw. zur Strömungsrichtung.

In Fig.3 sind die Flügelstellungen gezeigt, die für λ = ale = 00 entstehen. In der Fig.4 ist die Flügelstellung gezeigt, in der λ = 2,5 vorliegt

Wie ersichtlich, kann der Wind im Falle λ = <χ> den Radkörper nicht in Bewegung setzen, weil an den Flügeln kein aerodynamischer Auftrieb entsteht. Im Falle von 00 > ale > 1 ergibt sich dagegen Auftrieb, der den Rotor in Drehung versetzt, und zwar wird die Drehzahl um so höher je kleiner a/ewird.

Aus den F i g. 1 und 2 ist ersichtlich, daß für die gewünschten Flügelbewegungen eine Rotation der Koppel 6 mit dem Kreuzkopf 4 mit —ω in der Lagerschale 9 um den Punkt P erforderlich ist. Außerdem muß die Möglichkeit bestehen, das Maß e von O bis zu einem Höchstwert von etwa 0,8 · a stufenlos zu erhöhen. Ein Wert von e = a ist aus konstruktiven Gründen nicht möglich. Dabei müssen dann auch alle Flügel auf dem Radkörper auf gleichen Punkten des Umlaufes die gleiche Einstellung haben, wie in der F i g. 3 und 4 dargestellt. Die Pfeile w zeigen jeweils die Windrichtung an.

In der Fig.5 ist dargestellt, wie diese einheitliche Winkelstellung erreicht werden kann. Die Koppel 6 ist als Kettenrad ausgebildet. Eine Kette 5, die über alle Kettenräder der Koppeln 6 läuft ergibt eine gleichmäßige Winkelgeschwindigkeit aller Kreuzköpfe 4. Eine weitere Kette 7, die über ein nicht rotierendes Zentralrad 8 und ein Kettenrad einer Koppel 6 läuft, wobei die Zähnezahlen des Kettenrades 8 und des Kettenrades der Koppel 6 gleich sind, ergibt die gewünschte Winkelgeschwindigkeit relativ zum Radkörper 2, entgegengesetzt zur Winkelgeschwindigkeit ω des Radkörpers und der Lagerscheibe 9 und gleich groß für alle Koppeln 6. '

Für die gewünschte gleichartige Schwenkbewegung aller Flügel während des Umlaufes werden die Drehachsen aller Flügel 1, also die Punkte K(Fi g. 2), im gleichen Sinne relativ den Drehachsen der Koppeln 6, also Punkt P, auf der Umlaufbahn verdreht. Eine Verdrehung des Punktes K, z.B. im Uhrzeigersinn, ergibt somit die in der Fig.2 dargestellte Lage und die in der F i g. 4 dargestellten Flügelstellungen (vergl. auch Flg.5), was einen Umlauf gegen den Uhrzeigersinn ergibt Der konstruktive Aufbau der Windkraftvorrichtung ist im Prinzip in der Fig.l dargestellt Die Kettenräder bzw. Koppeln 6 der Flügel 1 sind dabei in einer Lagerscheibe 9 gelagert. Die Lagerscheibe 9 wird über ein Synchrongetriebe, bestehend aus einem innenverzahnten Zahnrad 10 an dem Radkörper 2, einem innenverzahnten Zahnrad 11 an der Lagerscheibe 9 und zwei schrägverzahnte Zähnräder 12a und 12£» angetrieben. Die Lagerscheibe 9 läuft mit der gleichen Winkelgeschwindigkeit wie der Radkörper 2 um.

Die Winkelstellung der Lagerscheibe 9 zu dem Radkörper 2 läßt sich entsprechend Fig.6 dadurch verändern, daß die beiden schrägverzahnten Zahnräder 12a und 126, die unterschiedliche Zahnschrägen in den beiden Zahneingriffen besitzen, in axialer Richtung verschoben werden. Da die Lagerung dieser beiden Zahnräder fest auf dem Fundament steht, ist die erforderliche axiale Verschiebung mechanisch oder hydraulisch in einfacher Weise möglich. Wie dargestellt, kann die axiale Verstellung über einen Hubkolben 16 erfolgen. Dadurch wird ein bestimmter Abstand zwischen dem Koppeldrehpunkt P und der jeweiligen Flügelachse K eingestellt, wodurch die Größe der Winkelausschläge der Flügel bestimmt wird.

Durch diese Verschiebung kann daher die Drehzahl des Radkörpers 2 und die Leistungsabgabe verändert werden. Gegebenenfalls müssen hier Regler angreifen, die diese Größen beeinflussen, wobei die Windge-

to schwindigkeit unterschiedliche Einstellungen erfordert Je nach Wind- oder nach Strömungsrichtung muß

weiterhin die Möglichkeit bestehen, die Flügel 1 so zu verstellen, daß sie im wesentlichen mit der Flügelnase gegen den Wind oder die Strömung stehen und dabei die gewünschten Schwenkbewegungen um die Windbzw. Strömungsrichtung durchführen können. Diese Verstellung wird erreicht, indem das zentrale Kettenrad 8 verdreht wird. Dies wird dabei über ein Schneckengetriebe 13 durchgeführt. Über die Kette 7 wird die entsprechende Verdrehung auf die Flügel vorgenommen. Die Kette 7 kann dabei ebenfalls wie die Kette 5 an dem Kettenrad der Koppel 6 eines Flügels angreifen oder an einem weiteren, mit der Koppel 6 fest verbundenen Rad.

Die Leistung des Radkörpers 2 wird über ein Getriebe 14 auf einen Generator 15 übertragen, mit dem die elektrische Energie erzeugt wird.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Wind- oder Wasserkraftvorrichtung mit einem vertikalachsigen auf einem Radkörper angeordneten Flügelkranz, mit zur Radkörperachse parallelliegenden Flügeln, die während eines Radkörperumlaufes eine Schwenkbewegung ausführen^ dadurch gekennzeichnet, daß die Flügel(1) in Neutralstellung mit ihren Profilachsen in Wind- bzw. Strömungsrichtung aüsrichtbar sind und in Betrieb von dieser Neutralstellung aus beidseits zur Windbzw. Strömungsrichtung Winkelausschläge ausführen, deren Größe über Einstelleinrichtungen einstellbar ist.

2. Wind- oder Wasserkraftvorrichtung nach Anspruch 1,-dadurchgekennzeichnet, daß

a) jeder Flügel (1) über e>nen Mitnehmerstift (3) und einen Kreuzkopf (4) von einer Koppel antreibbar ist;

b) die Koppeln (6) aller Flügel (1) über ein Seil, eine Kette (5), Zahnräder oder dgl. miteinander verbunden sind;

c) die Koppeln (6) in einer Lagerscheibe (9) gelagert sind, die über ein Getriebe (10, 11, 12) angetrieben wird und synchron mit dem Radkörper (2), in dem die Flügel (1) gelagert sind, umläuft;

d) der Abstand der Koppellagerpunkte P von den Drehachsen K der FIügel{l) einstellbar ist, und

e) eine Koppel (6) eines Flügels (1) durch ein Getriebe (6, 7) direkt oder indirekt mit einem feststehenden Zentralrad (8) verbunden ist, das über einen Stellantrieb (13) verdrehbar ist.

3. Wind- oder Wasserkraftvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Synchrongetriebe zwei Zahnräder {12a, t2b) unterschiedlicher Schrägung aufweist und die axiale Lage der beiden Zahnräder (12a, i2b) zu denen mit ihnen zusammenarbeitenden Zahnrädern (10, 11) veränderbar ist.

4. Wind- oder Wasserkraftvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schrägzahnräder (t2a, A2b) mechanisch oder hydraulisch axial verstellbar sind.