DE29880145U1 - Windmühlenrotor und Rotorblätter hierfür - Google Patents

Description

WO 99/14490
Aktuelle Version

Windmühle sowie Windmühlenrotor und -blatt

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Windrad (im Folgenden auch als Windmühle bezeichnet) des Vorderläufer-Typs, wobei die Windmühle einen Turm aufweist, auf dem ein Mühlengehäuse in einer drehbaren Weise angeordnet ist. Das Mühlengehäuse hält eine im wesentlichen horizontale, vorstehende Hauptwelle, die einen Windrotor trägt. Der Windrotor umfaßt eine Nabe für eine Anzahl radial nach außen gerichteter Blätter, wobei die Windmühle nur einen einzigen solchen Windrotor aufweist. Der Durchmesser des Windrotors ist relativ zu der Höhe des Turmes wesentlich, derart, daß sich während der Rotation des Windrotors jedes Blatt zwischen einer unteren Position, in der sich das Blatt nach unten entlang des Turmes erstreckt, und einer oberen Position, in der sich das Blatt nach oben grundsätzlich von der Oberseite des Turmes erstreckt, bewegt. Der Windrotor (im Folgenden auch als Blattrotor bezeichnet) ist von dem Typ, bei dem sich die Blätter von einem Befestigungs- oder Übergangsbereich an der Rotornabe zu einem Spitzenbereich, der in einem Abstand vor der durch die Blattachsen-Schnittpunkte mit dem Nabenumfang gebildeten Normal-Ebene der Rotorabe liegt, nach außen erstrecken. Die Drehung des Mühlengehäuses wird gesteuert, um den Windrotor in Richtung des Windes gerichtet halten zu können, nämlich so, daß der Wind zuerst den Rotor und anschließend den Turm trifft.

Die Windmühlenblätter bekannter Windmühlen sind vorwiegend als über ihre gesamte Länge in Bezug zur Normal-Ebene gerade Schalenkonstruktionen gebildet, wobei Bemühungen gemacht werden, um diese sowohl so leicht als auch so steif wie praktisch möglich zu halten, wobei das Ergebnis ein Kompromiß darin ist, daß die Blätter mit einer beträchtlichen Steifigkeit versehen sind, aber gleichzeitig auch mit einer gewissen elastischen Nachgiebigkeit, die sich natürlicherweise besonders mit Blättern größerer Länge von zum Beispiel 15 bis 30 Metern äußern wird. Der Winddruck gegen den Blattrotor, bei dem die Blätter ihre Breitseiten gegen den Wind wenden, wird somit zu einer elastischen, rückwärts gerichteten Biegung der Blätter führen können. Bei drehenden Blättern wird diese Situation durch zwei unterschiedliche Umstände um einen beträchtlichen Grad gelindert, nämlich teilweise dadurch, daß die Zentrifugalkraft, die gleichzeitig an den Blättern entsteht, versucht, die Blätter wieder in die richtige Position zu bringen, und teilweise dadurch, daß die Blätter

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als eine Folge ihrer Bewegung quer zum Wind durch eine Windrichtung, die nicht direkt in Richtung der breiten Fläche der Blätter gerichtet ist, beeinflußt werden. Es wird jedoch immer noch eine Windkomponente entstehen, die versucht, die Blätter nach hinten zu drängen.

Die Folge dieser verbundenen elastischen Biegung der geraden Blätter nach hinten besteht darin, daß die äußeren Enden der Blätter während ihrer Bewegung an dem Turm vorbei umso näher an den Turm kommen werden, je stärker der Wind ist. Weil die Windmühlen vorzugsweise auch in der Lage sein sollen, bei starken Winden effektiv zu funktionieren, ist es für den Blattrotor somit notwendig, in Richtung des Hauptschaftes des Mühlengehäuses gesehen, soweit nach vorn positioniert zu werden, daß die Blätter während ihrer Drehung zu keiner Zeit dem Wind in einem solchen Grad ausgesetzt werden können, daß sie mit dem Turm und mit dem damit verbundenen Risiko ernsthafter Unfälle oder direkter Beschädigung in Kontakt kommen. Verschiedene Sicherheitsausstattungsgegenstände können für das Abbremsen des Rotors bei starken Winden verwendet werden, aber in solchen Fällen muß berücksichtigt werden, daß der Winddruck gegen die Blätter-Breitseiten umso effektiver um ein erhebliches Maß ansteigt, je mehr der Rotor abgebremst wird.

Das Problem kann natürlicherweise dadurch gelöst werden, daß der Blattrotor in großem Abstand von dem Mühlenturm positioniert wird, aber aus vielen Gründen ist dies eine sehr teure Lösung. Folglich wird die Aufmerksamkeit auf die Steifigkeit der Blätter gerichtet, und zwar so, daß diese einem hohen Winddruck standhalten können, ohne daß die Blattnabe in einem übertriebenen Abstand von der vertikalen Achse des Turmes angeordnet sein muß.

Die Blätter sind herkömmlicherweise als aerodynamische Schalenprofilelemente konstruiert, wobei sich ein langer, gerader Hauptträger entlang der Blätter an ihrem dicksten Bereich

erstreckt. Dieser Hauptträger selbst ist genau in der Richtung besonders steif, die hier relevant ist, was in der Richtung der Trägerhöhe sein wird, aber auf der diskutierten Grundlage kann ein Grund vorliegen, um nähere Betrachtungen mit Bezug auf die relevante Flexibilität des Trägers, nämlich mit Bezug auf Extraversteifung, vorzunehmen. 30

Zwei unterschiedliche Verfahren wurden bisher zur Lösung dieses Problems vorgeschlagen, wobei jedoch keine dieser die Vorkehrung getroffen hat, daß der Hauptträger versteift werden sollte, d.h. erstens, daß der Blattrotor auf einem Hauptschaft, der sich leicht nach oben neigt,

angeordnet wird, und zweitens, daß die Blätter in einer nach vorn geneigten Weise montiert werden, wobei diese Lösungen wie folgt kurz kommentiert werden können: Wenn von einem nach oben geneigten Hauptschaft Gebrauch gemacht wird, wird die ganze Rotorebene nach oben/nach hinten gekippt, so daß die Blätter in ihrer Drehbewegung im Bereich oberhalb des Turmes über der Kontur des darunterliegenden Turmes frei schwingen können, während der Durchgang der Blätter darunter bei einem vergrößerten Abstand vom Turm stattfinden wird. Die Mühle kann somit mit einem erheblichen freien Abstand zwischen den Spitzen der Blätter und der Turmseite arbeiten, obwohl die Blattnabe mehr oder weniger nahe am Turm positioniert ist, indem die Blätter darunter somit frei von dem Turm schwingen werden, sogar mit starker, nach hinten gerichteter Ablenkung, während sie darüber selbstverständlich frei von dem Turm schwingen, obwohl sie nach hinten gerichtet vollständig über ihn abgelenkt werden.

Mit dieser Anordnung wird die Rotorebene in bezug zu der Vertikalen geneigt, und man hat festgestellt, daß allein diese Bedingung selbst ästhetisch grundsätzlich unattraktiv erscheint, weil es für eine unmittelbare Betrachtung ziemlich unlogisch ist. Es ist bekannt, daß eine tiefe emotionale Verbindung bezüglich der vernünftigen Verwendung von Windkraft existiert, und die hier genannte Bedingung selbst ist ausreichend, um einen täuschenden Effekt auf die Debatte in diesem Bereich zu haben.

Das gleiche trifft für die zweite oben genannte Lösung zu, nämlich wo sie in der nach vorn gerichteten Richtung „konen", obwohl die Blätter in der vertikalen Ebene drehen, d.h. sie sind in solch geneigten Teilen an der Blattnabe gehalten, daß sie nicht nur einfach „strahlenförmig" sind, sondern jeweils auch leicht nach vorn geneigt sind, so daß sie in ihrer Drehung eine kegelförmige Fläche beschreiben. Dadurch kann es auch erreicht werden, daß die Blattnabe in einem mehr oder weniger kleinen Abstand von dem Schaft des Mühlen-/Radturmes liegen kann, während die Blattspitzen in einem Blattrotor, der sich in der vertikalen Ebene dreht, jedoch beträchtliche Möglichkeiten aufweisen, zurückgedrückt zu werden, ohne dadurch mit dem Mühlenturm zu kollidieren. Diese Lösung ist jedoch relativ teuer, wobei der Grund dafür ist, daß es teuer ist, die leicht geneigten Halteteile auf der Blattnabe anzuordnen, und wozu hinzugefügt werden kann, daß auch das daraus resultierende Aussehen eines kegelförmigen Kegelrotors zu Beanstandungen aus Sicht ästhetischer Kriterien Anlaß gibt.

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Während es starken Anlaß gibt, daß die Erfindung eine weitere Versteifung des Hauptträgers betreffen sollte, um ein Bild eines Blattrotors zu erhalten, der in einer vertikalen Ebene dreht, wird mit der Erfindung die Modifikation eingeführt, daß sich die Blätter, die vom elastischen Typ sind, und somit durch den Winddruck bei normalem bis starkem Wind elastisch biegsam sind, sich nach außen von der Nabe in der besagten Normal-Ebene erstrecken, und die sich in einem Abstand von der Nabe dann in einer nach außen und nach vom gerichteten, gekrümmten Weise, erstrecken. Mit anderen Worten wird die Verwendung der „geraden" Träger in der Konstruktion der Flügel weggelassen, und statt dessen „Hoch-Kanten-Krümmungs-"Hauptträger verwendet, ohne daß notwendigerweise weiter betreffend die Steifheit dieser Träger spekuliert werden müßte.

Die Blätter selbst können somit als eine rechtwinklige Erstreckung aus der Blattnabe erscheinen, die mehr oder weniger nach und nach in eine gekrümmte Erstreckung übergeht, zum Beispiel lediglich entlang des äußeren Drittels des Blattes, so daß die Blattspitzen mit einem größeren Abstand von dem Turm stehen. Ein Rotor mit Blättern, die in dieser Weise geformt sind, hat sich nicht nur als effektiver für die betrachtete Aufgabe sondern auch als ästhetisch akzeptabel herausgestellt, dadurch, daß sich die Krümmung nach außen sehr klein darstellt. Zum Beispiel wird es ein sehr attraktives Ergebnis sein, wenn die Blattnabe einen halben Meter näher an dem Turmschaft plaziert werden kann, und eine damit verbundene, nach außen gerichtete Krümmung eines Blattes mit einer Länge in der Größenordnung von Meter nur geringfügig sichtbar sein wird, nämlich wenn die inneren, dickeren Längenteile als in einer Ebene arbeitend gesehen werden können, was dem Betrachter natürlich erscheint.

Verglichen mit Blättern mit der negativen Konusform der Rotorblätter, unterscheiden sich die Blätter gemäß der Erfindung teilweise darin, daß die Rotomabe in herkömmlicher Weise gebaut werden kann, und teilweise darin, daß die Nabe nicht durch die beträchtlichen Biegekräfte, die von der Wirkung der Zentrifugalkraft an den Blättern herrühren, beeinflußt werden. Mit konischen Blättern wird ein großer Teil des Begradigens der Blätter genau auf die Zentrifugalkraft zurückzuführen sein, so daß sie extra konisch geformt sein müssen, um auch die rückwärts gerichtete Ablenkung aufzunehmen, die unter Winddruck auftritt.

Verglichen mit den gekippten Rotoren bietet die Erfindung den Vorteil, daß die Blätter den gesamten Weg herum in einer gleichmäßigen Weise beeinflußt werden, in ziemlich der gleichen Weise, wie bei herkömmlichen Rotoren, während die Blätter in einem gekippten

Rotor ungleichmäßig beeinflußt werden, d.h. alles davon abhängt, ob sie sich nach oben oder nach unten bewegen und sich hiermit folglich mit dem bzw. gegen den Wind bewegen, was einem Gier-Fehler entspricht, der zu verschiedenen Problemen führen kann.

Wie oben erwähnt, ist es für ein Blatt gemäß der Erfindung charakteristisch, daß der Hauptträger selbst teilweise mit einer Krümmung in der Hoch-Kantenebene ausgebildet ist, aber es muß betont werden, daß die Erfindung nicht darauf begrenzt ist, dadurch daß man dem Blatt durch Gestaltung in einer geeignet geformten Form auch mit ganz oder teilweise baumfreien Gehäusekonstruktionen die gewünschte Krümmung geben kann. 10

Die Erfindung wird nun in größerem Detail mit Bezug auf die Zeichnung beschrieben, in der

Fig. 1 eine Windmühle bzw. ein Windrad mit einem Blattrotor gemäß der Erfindung

zeigt, von der Seite aus gesehen,
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Fig. 2 ein Windmühlen-AVindradblatt, von der Vorderseite gesehen und

Fig. 3 das Blatt in Fig. 2, von der Seitenkante aus gesehen, zeigt.

Die in Fig. 1 gezeigte Windmühle besteht in der üblichen Weise aus einem Turm 2, einem Mühlengehäuse 4 und einem Hauptschaft 6 mit einer Rotornabe 8 für Blätter 10, die einen Blattrotor bilden. Die Mühle ist ein „Vorderläufer", bei dem sich der Rotor vorwärts in Richtung des Windes W dreht, was bedeutet, daß der Winddruck die Blätter nach hinten biegt und damit nach innen in Richtung des Turmes 2. Daher muß das System 4, 6 in solch einer Weise angebracht sein, daß der notwendige Sicherheitsabstand zwischen den Blättern 10 und dem Turm bestehen muß.

Mit der Erfindung kann dieser Abstand dadurch minimiert werden, daß die Blätter mit einer nach vorne gerichteten Krümmung versehen sind, vorzugsweise nur über eine äußere Ausdehnung 12, wodurch die Spitzen der Blätter, wenn sie sich im Ruhezustand befinden, in einem Abstand (a) vor der Ebene &rgr; stehen, die durch die Blattachsen an den Fußteilen der Blätter gebildet wird. Die Blätter können dadurch so konstruiert werden, daß sie auch bei starken Winden in einem sicheren Abstand außerhalb des Turmes liegen, möglicherweise leicht nach hinten in Richtung des Turmes gebogen.

In Fig. 2 und 3 wird eine originale Konfiguration eines Windmühlenblattes mit einer Länge von 29 Metern gezeigt. Die nach außen gerichtete Krümmung der in Fig. 3 gezeigten Spitze beträgt etwa 50 Zentimeter, aber dieses kann deutlich größer oder etwas kleiner sein. Es ist jedoch bevorzugt, daß die Krümmung nicht viel größer als der Radius des Blattfußes ist, weil dies zu gewissen Schwierigkeiten beim Transport des Blattes führen kann.

Die Erfindung schreibt nicht im Detail die Bedingungen vor, wie und mit welcher Krümmung die Krümmung hergestellt werden sollte, weil dies auf professioneller Ebene ermittelt werden muß, während auf die Blattkonstruktion allgemein Rücksicht genommen wird. Folglich soll es nicht ausgeschlossen werden, daß man wählen kann, die Krümmung fast als eine Biegung in den dicken Endbereich des Blattes anzuordnen, wobei sich der äußere Teil des Flügels gerade oder leicht gebogen erstreckt.

Es muß erwähnt werden, daß man in den Ansprüchen gewählt hat, die Erfindung auf die kegelförmigen Rotoren als bekannte Technik zu beziehen, und daß es sich hierdurch als zweckmäßig herausgestellt hat, sich auf die Blattachsen &rgr; als Mittelpunkt der normalerweise zylindrisch geformten Blattfußteile zu beziehen, wo diese an der Blattnabe oder an ihrem Übergangsbereich zur Nabe befestigt sind.

Claims (4)

1. Eine Windmühle des Vorderläufer-Typs und des Typs, der einen Turm aufweist, der dazu dient, ein Windmühlengehäuse drehbar zu tragen, das eine im wesentlichen horizontale, vorstehende Hauptwelle hält, die einen Windrotor trägt, der eine Nabe für eine Anzahl radial vorstehender Blätter umfaßt, wobei die Windmühle nur einen einzigen solchen Windrotor aufweist, dessen Durchmesser relativ zu der Höhe des Turmes wesentlich ist, derart, daß sich während der Rotation des Windrotors jedes Blatt zwischen einer unteren Position, in der sich das Blatt nach unten entlang des Turmes erstreckt, und einer oberen Position, in der sich das Blatt nach oben grundsätzlich von der Oberseite des Turmes erstreckt, bewegt, wobei der Blattrotor des Typs ist, bei dem sich die Blätter von einem Befestigungs- oder Übergangsbereich an der Rotornabe zu einem Spitzenbereich erstrecken, der in Abstand vor der durch die Blattachsen-Schnittpunkte mit dem Nabenumfang gebildeten Normal-Ebene der Rotornabe liegt, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Blätter, die vom elastischen Typ und somit durch den Winddruck bei normalem bis starkem Wind elastisch biegsam sind, nach außen von der Nabe in der besagten Normal-Ebene erstrecken, und sich dann in Abstand von der Nabe in einer nach außen und nach vorn gerichteten, gekrümmten Weise weiter erstrecken.

2. Ein Windmühlenrotor, bei dem die elastisch biegsamen Blätter, wie in Anspruch 1 ausgeführt, geformt sind.

3. Ein Windmühlenblatt für einen Rotor nach Anspruch 2, wobei dieses Blatt vom elastischen Typ und, wie in Anspruch 1 ausgeführt, geformt ist.

4. Ein Windmühlenblatt gemäß Anspruch 3, bei dem die Krümmung zu einer nach vorne gerichteten Verlagerung der Blattspitze in einer Größenordnung, die dem Radius des Fußteils des Blattes entspricht, führt.