DE3315439C2 - - Google Patents

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    • F03D3/04Wind motors with rotation axis substantially perpendicular to the air flow entering the rotor  having stationary wind-guiding means, e.g. with shrouds or channels
    • F03D3/0436Wind motors with rotation axis substantially perpendicular to the air flow entering the rotor  having stationary wind-guiding means, e.g. with shrouds or channels having shield means on one side of the rotor
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    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70Wind energy
    • Y02E10/74Wind turbines with rotation axis perpendicular to the wind direction

Description

Die Erfindung betrifft Einrichtungen zur Umformung der na­ türlichen Strömungsenergie von Luft bzw. Wasser mit Mitteln zur Konzentration der Strömung unter Verwendung von quer an­ geströmten und durchströmten, in einem Strömungsspalt eines Körpers angeordneten Rotoren, wobei der Körper Strömungs­ hindernisse zur Ausbildung von Potentialwirbeln aufweist.
Der sparsame Umgang mit Energie, sowie die Forderung, bei der Energiegewinnung aus natürlichen Energiequellen, z. B. fossilen Brennstoffen oder dergleichen, hauszuhalten und die Umwelt möglichst wenig zu beeinträchtigen, gewinnt zunehmend an Bedeutung. Eine Möglichkeit zur Realisierung dieser For­ derung besteht in der Nutzung von Windenergie. Die Entwick­ lung der Windenenergie-Technik ist noch sehr im Fluß und es bedarf weiterer präziser, theoretischer und experimenteller Untersuchungen, um für die gegebene Anwendung die günstig­ sten Energieumformeinrichtungen zu definieren.
Probleme bei der Nutzung der Energie des Windes bestehen insbesondere in deren sehr weiträumiger Verteilung. Die Energie einer betrachteten Stromröhre, das heißt der Strö­ mungsquerschnitt (einer Stromröhre), mit dem die Energie­ umformeinrichtung beaufschlagt wird, ist infolge der ge­ ringen Dichte der Luft verhältnismäßig gering.
Es sind eine Reihe von Windturbinen mit horizontaler Dreh­ achse bekanntgeworden. So ist z. B. eine Konfiguration mit Verstellpropellern, ähnlich der bei der Luftfahrt verwende­ ten, ausgeführt. Die Blattlagerung und die Nabe müssen dabei die vollen Fliehkräfte, sowie die Luft- und Schwerkraft­ momente ertragen.
Im weiteren ist ein Rotorkonzept bekannt, das ein starres, durchgehendes Blatt mit einem Schlaggelenk in der Mitte be­ nutzt. Die Fliehkräfte und Luftkraftmomente bleiben in der Blattstruktur. Lediglich die Blattspitzen werden zur Rotor­ steuerung verstellt.
Aerodynamische, strukturelle und strukturdynamische Vorteile werden von der Konfiguration eines Dreiblattrotors erwartet, wobei der Rotor einen starren Propeller bildet, der nur über die Blattspitzen gesteuert wird.
Von Interesse ist auch die Ausführung eines Windenergie- Konverters in einflügeliger Ausführung. Der Rotor benötigt für die gleiche aerodynamische Leistung gegenüber anderen Konzepten zwar einen um mehrere Prozent größeren Radius, besitzt demgegenüber jedoch von allen Systemen die geringste Blattfläche und die Blattsteuerung und Blattlagerung kann verhältnismäßig einfach ausgeführt werden.
Sämtliche genannten Systeme haben gemeinsam, daß sie auf einem Mast montiert arbeiten und ein Getriebe mit einem recht hohen Übersetzungsverhältnis benötigen. Die Massen aller Systeme sind in erster Näherung gleich. Der Einblatt- Rotor hat keinen Massenvorteil, da die Ausgleichsmasse dem zweiten Rotorblatt entspricht.
Eine weitere wichtige Klasse von Windenergie-Konvertern bilden die Darrieus-Rotoren, da sie der Windrichtung nicht nachgeführt zu werden brauchen und da die Energieabnahme im Bereich der Bodenfläche erfolgen kann. Die Turmstruktur ent­ fällt dabei, dafür benötigen die Rotoren selbst eine größere Blattfläche. Dieser Rotortyp ist heute ebenfalls schon recht weit entwickelt, so daß diese Rotoren einen besseren Wirkungsgrad aufweisen können als eine Horizontalturbine.
Dies ist unter anderem darauf zurückzuführen, daß diese Bauart, bei der jede betrachtete Stromröhre einen zweimali­ gen Blattdurchgang aufweist, die atmosphärischen Turbulenzen besser verträgt, als die Horizontalturbine.
Eine Möglichkeit der Weiterentwicklung von Windenergie-Kon­ vertern liegt in der Ausnutzung der Windkonzentration. Bei diesem Prinzip soll der Energieinhalt einer möglichst großen Stromröhre auf geeignete Weise auf eine möglichst kleine Stromröhre konzentriert und technisch genutzt werden. Eine bekannte Ausführung, die mit Hilfe des sogenannten Konzen­ trationsprinzips arbeitet, ist durch die US-PS 40 47 832 bekanntgeworden. Die bekannte Ausbildung benutzt als Kon­ zentrator einen ebenen Deltaflügel in Form eines Auftriebs­ körpers, wobei die für derartige Flügel längs der Flügel­ außenkante auftretenden freien Vorderkantenwirbel zum An­ trieb von Propellern eingesetzt werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Windenergie-Kon­ verter zu schaffen, die gegenüber allgemeinen, freistehenden Bauarten eine verbesserte Böen- und Sturmsicherheit, sowie einen einfacheren, billigeren strukturellen Aufbau aufweisen und eine über größere Zeiträume zuverlässige Funktion be­ sitzen. Die Verbesserung soll ferner eine größtmögliche Nutzung der Strömungsenergie einschließen.
Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Einrichtung durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Die durch die Erfindung erreichten Vorteile sind im wesent­ lichen in der verbesserten Böen- und Sturmsicherheit und dem einfachen Aufbau der Einrichtung zu sehen. Der Aufbau er­ laubt eine sichere Lagerung der Rotoren und ebenso eine zu­ verlässige Funktion der Einrichtung über größere Zeiträume. Die Rotoren sind infolge der günstigen Lagermöglichkeit und der relativ geringen an ihnen angreifenden Kräfte wartungs­ arm. Die Einrichtung zeichnet sich durch große Lebensdauer aus.
Ferner ist durch die erfindungsgemäße Ausbildung eine größtmögliche Nutzung der Strömungsenergie erzielbar. Die Anordnung bzw. Ausbildung der Einrichtung ermöglicht mit­ tels der frei durchströmbaren Rotoren, wie z. B. des allge­ mein bekannten Savonius-Rotortyps, in Verbindung mit den Wirbelbildnern eine volle Ausnutzung des Energieinhaltes der durch das Strömungshindernis beschleunigten Strömung. Zu dem angegebenen Rotortyp zählen sämtliche Rotorbauarten, die eine Durchströmung des Rotors durch Spalte oder Räume zwischen den Rotorschaufeln erlauben.
Die Verbindung des Konzentrationsprinzips mit Hilfe eines rotorstabilisierten Potentialwirbels im Zusammenwirken mit einem Hochauftriebsflügel bzw. Hochauftriebsflügelsystem ermöglicht es, eine kreisförmige Stromröhre zu erfassen, deren Durchmesser größer ist als die Spannweite des ver­ wendeten Flügels, wenn ein nichtplanares Flügelsystem vor­ liegt, und zwar stationär im Gegensatz gegenüber mit ver­ hältnismäßig großer Schnellaufzahl umlaufenden, die Strom­ röhre überstreichenden Propeller- bzw. Rotorblättern. Dabei sind die auftretenden strukturellen Probleme wesentlich ge­ ringer, als bei umlaufenden Rotorblättern, zumal der Hoch­ auftriebsflügel nur vom einfachen Staudruck beaufschlagt wird.
Der Auftrieb bzw. die am Flügel vorliegende Zirkulation wird in Form der örtlichen Übergeschwindigkeit von dem im Flügel integrierten, quer durchströmbaren Rotor genutzt. Auf diese Weise wird erreicht, daß der Rotor im Verhältnis zur erfaßten Stromröhre nur relativ geringe Abmessungen aufweist. Da der Rotor ferner bei relativ niedriger Schnell­ aufzahl arbeitet und in den Spalt des Hochauftriebsflügels integriert ist, stellen für den Rotor im Gegensatz zu den bekannten Ausführungen Böen und Stürme keine besondere Ge­ fahr dar.
Wenn der vom Flügel erzeugte Auftrieb so groß wie möglich ist, ist auch die gebundene Zirkulation entsprechend groß und ebenso die Übergeschwindigkeit, die vom quer an- bzw. durchströmten Rotor genutzt und in Form von Drehenergie bereitgestellt werden kann.
Daher wird bei der erfindungsgemäßen Ausbildung ein Hoch­ auftriebsflügel mit Endscheiben benutzt. Dadurch wird die Energie einer betrachteten Stromröhre genutzt, deren Durch­ messer etwa 20% größer ist, als die Spannweite des Hoch­ auftriebsflügels.
Eine effektive Erhöhung der Konzentrationswirkung tritt be­ reits bei der Anordnung der genannten, quer an- bzw. durch­ strömten Rotoren, z. B. Savonius-Rotoren, an der Oberseite eines Hochauftriebsflügels im Bereich der größten Überge­ schwindigkeit auf. Die Konfiguration ist dann umso interes­ santer, je höher das Übergeschwindigkeits-Verhältnis des Hindernisses ist.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele gemäß der Er­ findung dargestellt. Die Beispiele sind anhand der nach­ folgenden Beschreibung erläutert. Es zeigt
Fig. 1 eine Ausführungsform mit prinzipiellem Aufbau in Verbindung mit einem Hochauftrieb erzeugendem Quertriebskörper in einem schematisierten Quer­ schnitt in bestimmter Anströmstellung,
Fig. 2 den Hochauftriebskörper in einem Querschnitt, entsprechend Fig. 1, jedoch mit dem gegenüber geänderter Anströmstellung,
Fig. 3 in einer perspektivischen Darstellung die Ein­ richtung gemäß Fig. 1 und 2 in einer Anord­ nungsausführung und
Fig. 4 in einem teilweisen Querschnitt aus Fig. 3 schematisiert und vergrößert dargestellt Einzelheiten der Einrichtung.
Bei dem in Fig. 1 dargestellten Aufbau ist ein Rotor 2, der in der Art des allgemein bekannten Savonius-Rotortyps ausge­ führt ist, im durchgehenden Spalt 3 eines in der Strömung S liegenden Quertriebskörpers frei drehbar gelagert. Im vor­ liegenden Ausführungsbeispiel ist der Quertriebskörper ein Hochauftriebsflügel, wie später noch näher erläutert. In bekannter Weise enthält der Rotor 2 in Drehrichtung in glei­ cher Weise gewölbt ausgebildete Schaufeln 8, die sich im Be­ reich der Rotordrehachse 9 teilweise überlappen und zwischen sich einen durchgehenden Längsspalt S p belassen. Für die Anbringung der Rotordrehachse bzw. entsprechender Achsen­ teile 9 und zur Aufnahme der Schaufeln 8, sind senkrecht zur Rotordrehachse zueinander parallele Endplatten 13 vorhanden.
In dem gezeigten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 bis 4 ist die Rotor-Anordnung integriert in ein Hochauftriebs- Flügelsystem, bestehend aus einem die obere Rotorabdeckung bildenden Vorflügelteil 30 und einem hinteren die untere Abdeckung des Rotors 2 bildenden Hauptflügelteil 31. Vor­ flügelteil und Hauptflügelteil 30 bzw. 31 weisen insgesamt die Profilierung eines Hochauftriebsflügels mit entsprechen­ der Profilwölbung von Profilober- und Profilunterseite 32, 32′ bzw. 33, 33′ auf. Das Hauptflügelteil 31 enthält eine Mulde 14 zur Bildung einer Leitfläche 15 für den Eingriff des Rotors 2 und ein Strömungshindernis 22 bzw. 22′. Inner­ halb des Rotors 2 bildet sich der Potentialwirbel W aus. Der Spalt 3 zwischen dem vorderen Flügelteil 30 und dem Haupt­ flügelteil 31 ist vergleichbar mit einem Strömungsspalt be­ kannter Ausbildungen bei Hochauftriebs-Tragflügelsystemen von Luftfahrzeugen. Der Rotor 2 liegt dabei im Bereich der der Anströmung abgewandten Seite des Strömungsspaltes 3 der beiden Flügelteile 30 bzw. 31 und unterhalb des vorderen Flügelteiles 30, das heißt innerhalb des Bereiches, in dem die größte Übergeschwindigkeit auftritt. Der durch den Rotor 2 stabilisierte, das heißt stehende Wirbel W bildet gemeinsam mit dem Savonius-Rotor gewissermaßen den materia­ lisierten, tragenden Wirbel des Hochauftriebs-Flügelsystems 30 bzw. 31.
Vorflügel 30 und Hauptflügel 31 sind zur Änderung des An­ stellwinkels α des Flügelsystems gemeinsam oder getrennt schwenkbar angeordnet. Der Vorflügel ist zweckmäßigerweise um die Rotordrehachse 9 schwenkbar gelagert.
Die Wirkungsweise der beschriebenen Ausführung ist wie folgt:
Wird das Hochauftriebssystem in Richtung des Pfeiles S mit entsprechender Einstellung des Flügelteiles 30 innerhalb des angegebenen Einstellbereiches angeströmt, so werden die Schaufeln 8 des Rotors 2 beaufschlagt und der Rotor in Dre­ hung versetzt. Infolge des Eingriffs der Wirbelbildner 22 in die Strömung, wird infolge der Ablenkung der Strömung eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit und die Ausbildung eines Wirbels eingeleitet. Die bei einer starken Ablenkung der Strömung auftretende Strömungsablösung, die zu einer Minderung der Übergeschwindigkeit führt, wird durch den im Bereich der höchsten Stelle mittels des Rotors 2 stabili­ sierten Potentialwirbels W entgegengewirkt. Dabei liegt die Drehachse W A des Potentialwirbels W etwas unterhalb der Drehachse des Rotors 2 in der Mulde 14. Der Potentialwirbel W bedingt eine örtliche Umlenkung der Strö­ mung, so daß eine Ablösung der Strömung weitgehend vermie­ den wird. Im Spalt 3 über dem Potentialwirbel W im Bereich der oberen Hälfte des Rotors 2 herrscht dann eine wesent­ lich höhere Anströmgeschwindigkeit als in der freien Strö­ mung, so daß in dieser Stromröhre ein Vielfaches der Ener­ gie im Vergleich zur Anströmung des gleichen Querschnittes ohne Hindernis enthalten ist.
Gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 bzw. 4 ist am Hochauftriebs-Flügelsystem 30 bzw. 31 in Verbindung mit der bei der Ausführung gemäß Fig. 2 gezeigten Anordnung des innen durchströmbaren Rotors 2 vorgesehen, das Gesamtsystem auf einem Vertikalmast 40 anzuordnen. Zur Änderung der An­ stellung des Gesamtflügelsystems 30, 31 ist am Mast eine Lagergabel 41 angeordnet, die zur Aufnahme einer Schwenk­ achse 42 am Hauptteil 31 des Flügelsysems zur gemeinsamen Anstellwinkeländerung beider Flügelteile 30, 31 dient. Hier nicht dargestellt ist ein Schwenkmechanismus, der es ermög­ licht, den vorderen Flügelteil 30 des Flügelsystems getrennt von der Verstellung des hinteren Flügelteils 31 einzustel­ len.
Das Gabelteil 42 ist am Mast 40 um dessen Längsachse dreh­ bar, so daß das Flügelsystem 30, 31 in die jeweilige An­ strömrichtung einstellbar ist.
Zur selbsttätigen Ausrichtung des Flügelsystems 30, 31 sind an den Außenkanten der Flügelteile 30, 31 Endscheiben 44 in der Art von Windfahnen angeordnet. Dazu sind die Endscheiben 44 zweckmäßigerweise bei der gezeigten Ausführung etwa dreieckfömig und in Richtung der Anströmung etwas aufein­ ander zu eingestellt angeordnet. Die Endscheiben 44 dienen außerdem dazu, den Außenrandabfall des Auftriebs am Flü­ gelsystem 30, 31 zu vermindern.
Wie aus Fig. 4 zu erkennen ist, besteht eine Ausführungs­ form in einer Anordnung mit einer Anzahl von Rotoren 2 in koaxialer Lage innerhalb des Spaltes 3 des Hochauftriebs Flügelsystems 30, 31. Dabei sind je zwei Savonius-Rotoren 2 zu einer Einheit zusammengeschlossen, wobei das Schaufel­ system 8, 8′ jedes Paares gegeneinander um 90° versetzt an­ geordnet ist. Jedes der Rotorpaare ist dabei frei drehbar gelagert um die Drehachse 9. In die Endplatten 13 der Roto­ ren 2 können Generatoren integriert werden, so daß die Ge­ triebeübertragung entfällt. Es ist ferner auch denkbar, die Einrichtung, das heißt das Flügelsystem 30, 31 vertikal ausgerichtet anzuordnen. Derartige Anordnungen wären insbe­ sondere für den Antrieb von Wasserfahrzeugen, z. B. als Zu­ satzantrieb von Interesse. Eine Komponente des Auftriebs bzw. Quertriebs des senkrecht stehenden Flügelsystems 30, 31 ist dabei direkt als Vortriebskraft nutzbar. Dazu er­ zeugt der Querstrom-Rotor zusätzlich Energie. Einrichtungen der genannten Art sind auch zu Gitter-Anordnungen vereinig­ bar.

Claims (11)

1. Einrichtung zur Umformung der natürlichen Strömungs­ energie von Luft bzw. Wasser mit Mitteln zur Konzentra­ tion der Strömung unter Verwendung von quer angeströmten und durchströmten, in einem Strömungsspalt eines Körpers angeordneten Rotoren, wobei der Körper Strömungshinder­ nisse zur Ausbildung von Potentialwirbeln aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der angeströmte Körper ein aerodynamisch arbeitendes Hochauftriebssystem in der Art eines Spaltflügels ist, in dessen Strömungsspalt (3) der bzw. die Rotoren (2) frei drehbar eingesetzt sind.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Hochauftriebssystem einen Vorflügel (30) und einen Hauptflügel (31) mit zwischen den Flügelteilen (30, 31) gebildetem, den Rotor (2) aufnehmenden Strö­ mungsspalt (3) aufweist.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Hauptflügelteil (31) die den Rotor (2) teilweise umschließende Mulde (14) zur Bildung der den Potentialwirbel erzeugenden Strömungshinder­ nisse (22, 22′) aufweist.
4. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeich­ net, daß der Rotor (2), wie an sich bekannt, in der Art eines Savonius-Rotors ausgebildet ist.
5. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeich­ net, daß das Vorflügelteil (30) um die Rotordrehachse (9) gegenüber dem Hauptflügelteil (31) schwenkbar ange­ ordnet ist.
6. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeich­ net, daß der Hochauftriebsflügel (30, 31) in bezug auf seine Anstellwinkel (α) gegenüber der Anströmung ver­ stellbar angeordnet ist.
7. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeich­ net, daß der Hauptflügelteil (31) unabhängig vom Vorflügelteil (30) in bezug auf seine Anstellung (α) gegenüber der Anströmung verstellbar vorgesehen ist.
8. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 7 unter Verwendung eines Savonius-Rotortyps, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Rotor (2) in Richtung seiner axialen Erstreckung mehrere Schaufelsysteme (8, 8′) auf­ weist, deren Schaufeln in Rotordrehrichtung zueinander um 90° versetzt angeordnet sind.
9. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeich­ net, daß an den Flügelaußenkanten senkrecht zur Flü­ gelebene etwa dreieckförmige und mit einer der Spitzen in Richtung der Anströmung weisende Endscheiben (44) an­ geordnet sind, wobei die Endscheiben (44) gegenüber der Anströmung mit einem Anstellwinkel angeordnet sind.
10. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeich­ net, daß das Flügelsystem (30, 31) von einer drehbaren Lagerung (40, 41) zur Ausrichtung in die jeweilige An­ strömrichtung aufgenommen ist.
11. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeich­ net, daß das Flügelsystem (30, 31) bezogen auf die Spannweitenrichtung vertikal angeordnet ist.
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