DE3003270C2

DE3003270C2 - Windkraftmaschine mit einem um eine senkrechte Achse drehbaren Windrotor

Info

Publication number: DE3003270C2
Application number: DE3003270A
Authority: DE
Inventors: Alfred 1000 Berlin Goedecke
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1980-01-28
Filing date: 1980-01-28
Publication date: 1983-03-10
Also published as: DE3003270A1; AU566804B2; AU1815683A; US4490623A

Description

— äußere Flügelkörper mit im wesentlichen tragflächenförmigem Querschnitt, deren in Drehrichtung des Windrotors gesehen hinteres, spitzwinkeliges Ende auf dem Radius des Windrotors liegt, der die Berührungslinie zweier Windangriffsflächen des Rotorkernkörpers schneidet

2. Windkraftmaschine nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch

— einen Rotorkernkörper mit zwei spiegelbildlich angeordneten Windangriffsflächen

— ein Paar äußerer Flügelkörper.

3. Windkraftmaschine nach Anspruch I oder 2, gekennzeichnet durch

— Zylindermantelabschnitte als Windangriffsflächen des Rotorkernkörpers

— Zylindermantelabschnitte als äußere sowie als in Drehrichtung des Windrotors gesehen vordere und ebene Flächen als innere WindangriffstUchen eines äußeren Flügelkörpers.

4. Windkraftmaschine nar.h einem der Ansprüche

1 bis 3, gekennzeichnet durch

— Aluminiumbleche für dir Windangriffsflächen des Rotorkernkörpers und der äußeren Flügelkörper.

5. Windkraftmaschine nach einem der Ansprüche

1 bis 3, gekennzeichnet durch

— Kunststoffplatten für die Windangriffsflächen des Rotorkernkörpers und der äußeren Flügelkörper.

6. Windkraftmaschine nach einem der Ansprüche

I bis 3, gekennzeichnet durch

— aus Kunststoff geschäumte Rotorkern- und Flügelkörper.

7. Windkraftmaschine nach einem der Ansprüche 4 bis 6, gekennzeichnet durch

— Rotorkem- und Flügclkörper, die aus Elementen mit den entsprechenden Querschnitten zusammensetzbar sind.

8. Windkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch

— einen Windrotor mit feststehender Welle.

9. Windkraftmaschine nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch

— einen hohl ausgebildeten Rotorkernkörper und einen im Hohlraum des Rotorkernkörpers angeordneten Generator. &o

10. Windkraftmaschine nach einem der Ansprüche I bis 9, gekennzeichnet, durch

— ein mit dem Windrotor kuppelbares Getriebe.

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Windkraftmaschi

ne mit einem um eine senkrechte Achse drehbaren Windrotor, der einen Rotorkernkörper mit gewölbten Windangriffsflächen und diesen zugeordnete äußere Flügelkörper aufweist

Aus den im Verlag Christian!, 7750 Konstanz, erscheinenden Monatsheften »ausbau«. Heft 2, Februar 1978, Seiten 118 bis 128, ist es bekannt, daß Windenergie-Konverter, die als Kraftmaschinen die Strömungsenergie der bewegten Luft in die Drehbewegung einer Welle umwandeln, bestimmten Anforderungen genügen müssen, um als Energiegewinnungsanlagen überhaupt in Wettbewerb treten zu können. Hierzu gehören:

— hohe Lebensdauer mit großen Wartungsintervallen;

— Beständigkeit der Anlagenteile gegenüber den unterschiedlichsten klimatischen Verhältnissen, wie große Temperaturunterschiede, hohe Luftfeuchtigkeit, Regen, Schnee, Vereisung, Flugsand, salzhaltige Meeresluft;

— geringe Investitions- und möglichst keine Betriebskosten;

— hoher Leistungsbeiwert, d. h. ein großes Verhältnis von entzogener Energie zu der den Windrotor durchströmenden Energie;

— möglichst geringer Materialaufwand bei hoher mechanischer Festigkeit, um auch gelegentlichen extrem stärkeren Sturmböen zu widerstehen;

— mit dem Ziel, kleine, leichte und raschlaufende Stromerzeuger ohne große Getriebeübersetzungen verwenden zu können, soll außerdem eine möglichst hohe Schnellaufzahl erforderlich sein, d. h. ein größtmögliches Verhältnis von Läuferumfangsgeschwindigkeit zur Strömungsgeschwindigkeit des Windes.

Die a. a. O. abgehandelten theoretischen Zusammenhänge zeigen, daß die Leistung einer Windkraftanlage linear mit der vom Rotor überäirichenen Fläche und mit der dritten Potenz der Windgeschwindigkeit zunimmt Daher ist eine exponierte windgünstige Lage für eine Windkraftanlage geradezu unerläßlich. Günstige Standorte sind demnach vor allem in Küstennähe und auf Bergkuppen.

Ein besonderes Problem für Windkraftanlagen stellen plötzlich auftretende Sturmböen dar. Einerseits sollen die Anlagen bereits »beim leisesten Lüftchen« anlaufen und Leistung abgeben, andererseits müssen sie auch den stärksten, meist nur kurzzeitig auftretenden Stürmen trotzen. Raschlaufende Horizontalachsen-Konverter, z. B. ein zweiflügeliger Läufer mit 34 m Durchmesser für eine Nennleistung von 100 kW (a. a. O, Bild 6 auf S. 125), müssen der ständig ihre Richtung ändernden Luftströmung nachgeführt werden. Ein bekannter, von der Windrichtung unabhängiger Windkonverter, bei dem der Rotor eine senkrechte Maschinenachse aufweist (a. a. O. Bild 1 auf S. 119, zugehörige Erläuterung auf S. 118), hat jedoch den Nachteil, nicht von selbst anzulaufen. Bei Abmessungen von 53 m Durchmesser wird bei Windgeschwindigkeiten ab etwa 5 m/s, d. h. Windstärke 3, elektrische Energie geliefert, und zwar 1,8 kW bei Windstärke 3 bis 4 bzw. 15 kW bei Windstärke 6. entsprechend 14 m/s Windgeschwindigkeit.

Während es sich bei den obenerwähnten Anlagen um Maschinen mit zwei- oder mehrflügeligen Rotoren handelt, ist aus der DE-PS 6 04 333 eine Windkraftma-

schine mi·, senkrechter !drehachse bekannt, bei der der Windrotor zwischen zwei Endscheiben einen Mittelkörper und diesen umgebende Flügel aufweist. Um den sich bei derartigen Windrotoren mit Schaufelpaaren und zylindrischen Mittelkörpern ergebenden gegenseitigen Störungen entgegenzuwirken, soll bei dieser bekannten Konstruktion der Mittelkörper mit umlaufen und eine besondere, kurvenartig profilierte Form besitzen. Er soll mit paarweise zugeordneten Flügeln in Wechselwirkung treten, indem er den Flügeln den Luftstrom beschleunigt zuführt und die Flügel dann ihrerseits den Mittelkörper in seiner Treibwirkung leitschaufelartig unterstütten. Die hierzu angegebenen Einzelheiten lassen erkennen, daß dieser Windrotor ein sogenannter Schnelläufer sein dürfte, wobei die dargestellte Ausführungsform einen toten Winkel besitzt, der, zumindest aus ungüstiger Stellung, ein Selbstanlaufen verhindert und sich mit zunehmender Baugröße ungünstig auswirkt in welcher Größenordnung eine hiermit tatsächlich erreichbare Steigerung des Wirkungsgrades bzw. Erhöhung des Verhältnisses von Umfangsgeschwindigkeit zur Windgeschwindigkeit Hegt, kann dieser nahezu 50 Jahre alten Patentschrift nicht entnommen werden.

Dem Vertikalachsenkonverter gemäß der Erfindung liegt als Aufgabenstellung insbesondere seine Selbstanlaufeigenschaft zugrunde, d. h. er soll unabhängig von der Windrichtung aus jeder Stellung ohne eine fremde Energiequelle hochlaufen und Energie liefern. Außerdem sollen konstruktive und damit im Zusammenhang stehende Gesichtspunkte wie Lebensdauer, Wartungsintervalle, Beständigkeit der Anlagenteile gegenüber Witterungseinflüssen, mechanische Festigkeit auch bei Sturmböen, geringe Investitionskosten und dergleichen vordergründig berücksichtigt werden. Außerdem sollen

— bei allerdings entsprechend geringerer abgegebener Leistung — Windkonverteranlagen mit Abmessungen von wenigen Metern aufgebaut werden können, die auch auf Wohnhäusern, kleineren Grundstücken in Stadtgebieten und, wenn in ländlichen Gebieten, ohne sogleich ins A<!ge fallenden störenden Eindruck in der Natur zu installieren sind. Hierzu ist eine Windkraftmaschine, ausgehend von der aus der DE-PS 6 04 333 bekannten Konstruktion, gemäß der Erfindung gekennzeichnet durch

— konvex nach außen gewölbte Windangriffsflächen des mitumlaufenden Rotorenkörprrs

und durch

— äußere Flügelkörper mit im wesentlichen tragflächenförmigem Querschnitt, deren in Drehrichtung des Windrotors gesehen hinteres, spitzwinkeliges Ende auf dem Radius des Windrotors liegt, der die Beriihrungslinie zweier Windangriffsflächen des Rotorkernkörpers schneidet.

Als besonders einfach im Aufbau und wirkungsvoll 5S hat sich eine Ausfühl ungsform der Erfindung herausgestellt, bei der der Windrotor

— einen Rotorkernkörper mit zwei spiegelbildlich angeordneten Windangriffsflächen

und

— ein Paar äußere Flügelkörper

aufweist. Bei einer solchen wie auch bei Ausführungsformen mit z. B. drei Windangriffsflächen am Rotorkernkörper und entsprechend drei äußeren Flügelkörpern können die hi

— Windangriffsflächen des Rotorkernkörpers als Zy lindermantelab schnitte

— äußere sowie die in Drehrichtung des Windrotors gesehen vordere Windangriffsfläche eines Flügelkörpers ebenfalls als Zylindermantelabschnitte und dessen innere Windangriffsfläche als ebene Fläche

ausgebildet sein. Sie können, bei größeren Abmessungen mit Versteifungen, Verstrebungen oder dergleichen, aus einfach zu formenden

— Aluminiumblechen
wie auch aus

— Kunststoffplatten
oder z. B. auch als

— aus Kunststoff geschäumte Rotorkern- und Flügelkörper hergestellt werden. Insbesondere im zuletzt genannten Fall können

— Rotorkern- und FHigelkörper aus Elementen mit den entsprechenden gleichen Querschnitten zusammensetzbar sein.

Dabei sind dann jeweils für einen bestimmten, vorteilhaft in Abmessungsstufen untergliederten Durchmesser für Windrotoren zwei Formen, eine für Rotorkernkörper, die andere für Flügelkörper, erforderlich, in denen diese Körper z.B. -'.;ι Polyurethan geschäumt werden.
Für Ausführungsformen der Erfindung, die

— einen Windrotor mit feststehender Welle aufweisen, kann

— der Potorkernkörper hohl ausgebildet und in diesem Hohlraum ein Generator angeordnet werden.

Sofern die mit dem Windrotor anzutreibende Maschine, also z. B. ein Generator, eine Pumpe, ein Mahlwerk oder dergleichen nicht unmittelbar im Eingriff mit dem Windrotor stehen soll, kann

— ein mit dem Windrotor kuppelbares Getriebe vorgesehen werden, das sowohl eine Übersetzung ins Schnelle als auch einen Leerlauf oder nur eines davon ermöglicht

Die Erfindung wird nachfolgend im Zusammenhang mit den in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsformen näher erläutert. Dabei zeigt

F i g. 1 eine Windkraftmaschine mit einem um eine senkrechte Achse drehbaren Windrotor in Seitenansicht,

F i g. 2 einen Querschnitt durch den Windrotor gemäß F i g. 1 in beliebiger Höhe,

Fig.3 eine konstruktive Ausbildung für die starre Befestigung des Rotorkernkörpers und der zugeordneten Flügelkörper eines Windrotors und

Fig.4 eine Hilfskonstruktionszeichnung für die Ausbildung der Windangriffsflächen des Rotorkernkörpers und zugehöriger Flügelkörper sowie deren gegenseitige Winkelstellung.

Die wesentlichen Bestandteile der in F i g. 1 dargestellten Windkraftmaschine 1 sind dessen Windrotor 2, der um "ine senkrechte Achse rotiert. Er ist dazu mit der senkrechten Welle 3 ausgerüstet, die zweifach, in den Lagern 4a und 4b drehbar gelagert ist. Zwijchen den Lagern 4a und 4b ist ein Riementrieb 5 vorgesehen, über den der Generator 6 vom Windrotor 1 angetrieben wird. Der Windrotor 1 besteht aus dem Rotorkernkörper 7 und den Flügelkörpern 8a und Sb, die starr miteinander verbunden, z. B. an Endplatten 9a und 9b befestigt sind.

Diese Konstruktion läßt sich im Sinne de.' Erfindung den jeweiligen Erfordernissen oder Gegebenheiten entsprechend geringfügig abändern. So kann beispielsweise bei größeren Abmessungen des Windrotor.. 2 .-in oberes und ein unteres Lager oder eine feststehende

Welle und daran drehbar befestigtem Windrotor 2, eine gleichzeitig für den Riementrieb 5 dienende oder ohne einen /.wischengeschalteten Riemen und unmittelbar mit dem Generator 6 im Kingriff stehende Endplatte 9a bzw. 96 oder dergleichen vorgesehen werden. Ebenfalls bei großen Abmessungen und dann allein schon aus Gewichtsgründen bevorzugter hohler Ausbildung der Windrotorkörper, insbesondere des Rotorkernkörpers 7, kann der Generator 6 oder das betreffende mechanisch anzutreibende Aggregat, eine Pumpe, ein Mahlwerk oder dergleichen, innerhalb des hohlen Rotorkernkörpers 7 angebracht sein. Hierzu ist dann die oben bereits erwähnte Ausführungsform mit feststehender Welle vorteilhaft.

Die Fig.2 zeigt die für die Erfindung wesentliche Ausbildung und Anordnung der Windrotorkörper. Der Rotorkernkörper 7 weist lediglich nach außen gewölbte Windangriffsflächen 10a, 6 auf, denen jeweils ein äußerer Flügelkörper 8a, Sb mit im wesentlichen 8a und 86 lassen sich damit auf einfache Weise in ihrer gegenseitigen Lage und ihrer Lage gegenüber dem mitumlaufendcn Rotorkernkörper 7 gegen jegliche Verdrehung gesichert festlegen. Für Windrotoren 2 großer Abmessungen, die um eine feststehende Welle rotieren, können die sich mildrehenden Lagerteile unmittelbar an einer Platte 14 angebracht werden.

Die Fig. 4 zeigt, in welchem Verhältnis und in welcher Form und gegenseitiger Lage die Windangriffsflächen der Windrotorkorper bei einer Ausführungsform mit einem Paar äußerer Flügelkörper gewählt werden. Ausgangsgröße ist der Durchmesser D des Windrotor* 2. Di-- äußeren Windangriffsflächen iia.tib der Flügelkörper 8a, 86 sind als Zylindermantelabschnitte ausgebildet. Der zugehörige Krümmungsradius dieser Windangriffsflächen Ma, 116 ist der halbe Durchmesser D/2 des Windrotors 2. Die inneren Windangriffsflächen 12a, 126 der Flügelkörper 8a, 86 sind ebene Flächen. Sie bilden zusammen mit den

Querschnitt zu°?ordnet ist. Die *.· äuQeren Windan^t*rif?sf!^är'h^e" ♦·· *"· ;■»··—;■- ·*■··■

Drehrichtung des Windrotors 2 ist durch die eingezeichnete Pfeilrichtung angegeben. Unabhängig von der Windrichtung läuft der Windrotor 2 aus jeder Stellung an und liefert sofort Energie, mit der — bei geringer Drehzahl — zumindest die Erregerspannung für den Generator 6 erzeugt wird. Die Eigenschaft dieses Windrotors 2, selbst anzulaufen, beruht auf der Form der einzelnen Windangriffsflächen und der Stellung der Windrotorkorper 7 und 8a bzw. 86 zueinander. Zwischen dem sich in den Wind drehenden Flügelkörper 8a bzw. 86 und dem Rotorkernkörper 7 wird die durchströmende Luft verlangsamt. Die Geschwindigkeit der außen am betreffenden Flügelkörper vorbeiströmenden Luft ist wesentlich höher, so daß eine nach außen wirkende Kraft mit einer Komponente in Drehrichtung auftritt. Der auf den Teil des Rotorkernkörpers 7 treffende Wind, der nicht von dem vorbeilau^fenden Flügelkörper 8a bzw. 86 abgeschattet ist, drückt auf den weglaufenden Teil der Windangriffsfläche I0a bzw. 106 des Rotorkernkörpers 7, unterstützt also ebenfalls die in Drehrichtung wirkende Kraftkomponente. Die zwischen dem in Windrichtung weglaufenden Flügelkörper 86 bzw. 8a und dem Rotorkernkörper 7 bestehende Strömung lenkt den auftreffenden Wind aus diesem Bereich nach außen, am hinteren Ende des weglaufenden Flügelkörpers 86 bzw. 8a vorbei, drückt also ebenfalls in Drehrichtung. Man kann sich nach Belieben für die verschiedensten Stellungen des Windrotors 2 bei einer vorgegebenen Windrichtung die immer in Drehrichtung wirkenden Komponenten veranschaulichen, wobei zum Drehimpuls allerdings mehrere Erscheinungen gleichzeitig beitragen, z. B. Auftrieb, Umlenkung, Staudruck, Sog durch Verwirbelung und dergleichen.

Die in F i g. 3 dargestellte Konstruktion für die starre Anordnung der Windrotorkörper besteht aus jeweils einer Platte 14 auf der Unter- und der Oberseite des Windrotors 2 und Holmenpaaren 15a, 156, die an der betreffenden Platte 14 befestigt sind. Die Flügelkörper hintere, spitzwinkelige Ende der Flügelkörper 8a, 86, das auf dem Radius des Windrotors 2 liegt, der die Berührungslinie der beiden Windangriffsflächen 10a, 106 des Rotorkernkörpers 7 schneidet. Diese ebenen, r> inneren Windangriffsflächen 12a, 126 verlaufen in 45°-Richtung zu der Verbindung: Windrotormittelpunkt/Flügelkörperende und enden im vorderen Bereich der Flügelkörper 8a, 86 bei dem unter 45° zur Verb* Jung: Windrotormittelpunkt/Flügelkörperende jo verlaufenden Radius. Die vorderen Windangriffsflächen 13a, 136 eines Rügelkörpers 8a, 86 sind ebenfalls als Zylindermantelabschnitte ausgebildet, deren Krümmungsradius dem halben Ab&iand der äußeren und inneren Windangriffsflächen \\al\2a bzw. 116/126 am vorderen Ende der Rügelkörper 8a/86 entspricht.

Die Windangriffsflächen 10a, 106 des Rotorkernkörpers 7 sind ebenfalls Zylindermantelabschnitte. Ihr Krümmungsradius entspricht dem Abstand X des Kriimmungsmittelpunktes der vorderen Windangriffsfläche 13a, 136 des zugeordneten Rügelkörpers 8a, 86 von dem hinteren, spitzwinkeligen Ende dieses Flügelkörpers 8a, 86. Der jeweilige Krümmungsmittelpunkt der Windangriffsflächen 10a, 106 ist vom Mittelpunkt des Windrotors 2 im Maß des halben Abstandes E: Windrotormittelpunkt/Krümmungsmittelpunkt der vorderen Windangriffsfläche 13a, 136 des zugeordneten Rügelkörpers 8a, 86 entfernt. Wichtig ist — und das ergibt sich bei dieser Konstruktionsvorschrift —, daß die Tangenten zweier Windangriffsflächen 10a, 106 in der Zeichenebene einen Winkel kleiner als 90° bilden.

Ein solcher Windrotor läuft — bei Abmessungen von D= 2,5 m und einer Höhe oder axialer Länge voi. 1,4 m — bei Windstärke 6 mit etwa 60 Umdrehungen pro Minute. (Windstärke 6 entspricht einer Windgeschwindigkeit von 14 m/s.) Er ist als sogenannter Langsamläu fer zu bezeichnen und weist bereits beim Anlaufen aus dem Stillstand ein hohes Drehmoment auf. Eine bisher als höchste Windgeschwindigkeit aufgetretene Windstärke 10 hat der Windrotor schadlos überstanden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Windkraftmaschine mit einem um eine senkrechte Achse drehbaren Windrotor, der einen Rotorkernkörper mit gewölbten Windangriffsflächen und diesen zugeordnete Flügelkörper aufweist, gekennzeichnet du ich

— konvex nach außen gewölbte Windangriffsflächen des Rotorkernkörpers