DE3435458A1

DE3435458A1 - Windturbine

Info

Publication number: DE3435458A1
Application number: DE19843435458
Authority: DE
Inventors: Erich Herter; Gunnar 6100 Darmstadt Herter
Original assignee: Individual
Current assignee: Herter Erich Herter Gunnar 8011 Kirchheim De
Priority date: 1984-09-27
Filing date: 1984-09-27
Publication date: 1986-06-12
Also published as: DE3435458C2

Description

Windturbine
Die Erfindung betrifft eine Windturbine zur Umsetzung der Windenergie in andere Energieformen gem. Oberbegriff des Hauptanspruches.
Windturbinen der genannten Art sind allgemein bekannt und zwar je nach Drehachsenanordnung als Vertikal- oder Horizontalturbinen. In den letzten Jahren sind beträchtliche Bemühungen angestellt worden, insbesondere im Bereich der Horizontalwindturbinen, derartige Energieumsetzer hinsichtlich Wirkungsgrad, Selbstanlaufeigenschaften, Sturmsicherheit u. dgl. zu optimieren, was auch zu befriedigenden Ergebnissen geführt hat, die trotzdem bis jetzt jedoch nicht zu einem wirtschaftlichen Einsatz solcher Windturbinen in größerem Umfang geführt haben. Großprojekte mit enormen Abmessungen bis zu 100 m Windfangblattgröße (Vertikalturbinen), die als regelrechte Windkraftwerke zu bezeichnen sind, befinden sich problembelastet nach wie vor im Versuchsstadium, während sich bei kleineren Windturbinen, insbesondere Horizontalturbinen mit Windfangblattgrößen von etsa 3 - 10 m herausgestellt hat, daß die Fertigung der Windfangblätter einen wesentlichen Kostenfaktor darstellt, da wegen der anzustrebenden Leichtbauweise die Windfangblätter weitgehend in Handarbeit hergestellt werden müssen.
Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, Windturbinen der eingangs genannten Art, insbesondere für kleinere und mittlere Leistungsbereiche dahingehend zu verbessern bzw. derart zu gestalten, daß diese wesentlich einfacher und kostengünstiger erstellt werden können.
Diese Aufgabe ist mit einer Windfangturbine der eingangs genannten Art nach der Erfindung durch die im Kennzeichen des Hauptanspruches angeführten Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und praktische Ausführungsformen ergeben sich nach den Unteransprüchen.
Diese Lösung ist zwar insbesondere für Windfangblätter von Horizontalrotoren bestimmt, dieses Bauprinzip kann aber auch ohne weiteres für das Windfangblatt einer Vertikalturbine zur Anwendung kommen, bei der also das Windfangblatt "direkt" an der horizontalen Drehachse am entsprechend hohen Mast gelagert ist im Gegensatz zu Horizontalturbinen, bei denen die Windfangblätter "indirekt" durch Zwischenschaltung von Rotorarmen an der vertikalen Drehachse des Mastes gelagert sind Durch die erfindungsgemäße Lösung lassen sich die Windfangblätter denkbar einfach und kostengünstig als fortlaufender Strang herstellen, von dem die Flügelstücke in gewünschter Länge problemlos ablängbar sind. Flügelstückbreiten bis zu 0,5 m lassen sich dabei ohne weiteres herstellen, so daß Längen der Flügelstücke bis zu etwa 5 - 10 m in Betracht gezogen werden können. Durch die gleichbleibende, also einfache Querschnittsform des bzw. der Flügelstücke kann aber auch eine Ausbildung aus dünnem Blech in Betracht gezogen werden, das dann, in ein Formwerkzeug eingelegt, einfach ausgeschäumt wird.
Im übrigen steht nichts entgegen, falls diese die Größe des erforderlichen Extrudier- oder Strangpressmundstückes verlangen sollte, die Flügelstücke aus Längshohlprofilteilen zusammenzusetzen, die sich im zusammengesetzten Zustand zum Gesamtflügelprofil ergänzen. Auch solche extrudierten oder stranggepressten Profile, ob aus einem oder mehreren Teilprofilen bestehend, können, falls dies die Festigkeit erfordert, natürlich ausgeschäumt werden.
Ferner ist es vorteilhaft möglich, die derart ausgebildeten und hergestellten Flügelstückprofile bei Horizontalturbinen auch für die Rotorarme zu nutzen, was im einzelnen noch erläutert wird.
Die Zuordnung des bzw. der Flügelstücke zu einem Mittelstück ist dabei insofern wesentlich und herstellungsvereinfachend für den Gesamtbau der Turbine, als je nach Turbinenart am Mittelstück entweder eine Nabe für die horizontale Drehachse bzw. Anschlußgestaltungen für die Enden der Rotorarme vorzunehmen sind, d.h. alle komplizierteren Formgestaltungen und Bearbeitungen sind auf das Mittelstück konzentriert.
Die erfindungsgemäße Windturbine wird nachfolgend anhand der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Es zeigt schematisch Fig. 1 das Bauprinzip eines Windfangblattes für eine Horizontalturbine; Fig. 2 - 8 im Querschnitt Ausführungsformen von Hohlprofilen; Fig. 6 - 9 eine besondere Ausführungsform des Windfangblattes und des Mittelstückes; Fig. 10 den schwenkbaren Anschluß des Windfangblattes an das Ende des Rotorarmes; Fig. 11 perspektivisch den ganzen Rotor einer Horizontalturbine; Fig. 12 eine besondere Ausführungsform der Rotorarme und Fig. 13, 14 im Schnitt eine besondere Ausführungsform des Mittelstückes.
Fig. 1 stellt in Seitenansicht ein Windfangblatt 1 für eine horizontale Windturbine dar, wie sie bspw.
in Fig. 8 verdeutlicht ist. Wie aus Fig. 1 erkennbar, ist dabei das Windfangblatt 1 aus einem Mittelstück 3 gebildet, wobei am Mittelstück 3 im Querschnitt die tragflügelprofilartigen Flügelstücke 4 an entsprechenden Anschlußstücken des Mittelstückes 3 angesetzt und dort mit dem Mittelstück in geeigneter Weise fest verbunden sind. Je nach Neigung der Anschlußstücke 6 bzw. der Anschlußquerschnitte 6' der Flügelstücke 4 hat man es dabei in einfacher Weise in der Hand, die Flügelstücke 4 entweder in der dargestellten Form oder senkrecht oder nach hinten geneigt in bezug auf die Drehrichtung (siehe Drehrichtungspfeil) anzuschließen. Wie erwähnt, handelt es sich bei den Flügelstücken 4 um Abschnitte eines im strangpressverfahren hergestellten fortlaufenden Hohlprofiles 4' aus strangpressbarem Material, wie Kunststoff, Leichtmetall od. dgl. Hohlprofilformen wie in den Fig. 2, 3, 7 dargestellt, sind dabei ohne weiteres herstellbar. Sollte die erforderliche Flügelstückbreite größere Abmessungen verlangen, die bspw. über 0,5 m hinausgehen, so ist es ohne weiteres möglich, die Flügelstücke 4 aus Längsprofilteilen 4' " , wie in Fig. 5, 6 angedeutet, zu bilden, was nicht ausschließen soll, erforderlichenfalls auch schmalere Profilstücke mit einer Breite unter 0,5 m aus zwei oder mehr solcher Längsprofilteile 4''' zu bilden. Im Falle der Fig. 6 greifen dabei die Längsprofilteile ineinander und werden im Überlappungs- bzw. Anschlußbereich durch Vernieten und/oder Verkleben fest miteinander verbunden.
Denkt man sich das Mittelstück 3 als Nabe für einen Vertikalrotor und die Anschlußstücke 6 entsprechend versetzt, so hat man auf gleiche Weise einen Rotor für einen Vertikalrotor verfügbar, der also mit seiner Nabe direkt auf der horizontalen Achse am Mast sitzt.
Beim Hohlprofil gem. Fig. 5, 6 ergeben sich zwangsläufig innere Versteifungsstege, während diese bei den Hohlprofilen 4' gem. der Fig. 2, 3 ohne weiteres beim Strangpressen mit vorgesehen werden können. Eine sandwichartige Ausbildung des Flügelstückes im Sinne der Fig. 7 ist dabei ebenfalls möglich, wobei die Punktierung die Ausschäumung darstellt.
Da die beiden Flügelstücke 4 bei einem Horizontalrotor in bezug auf ihr Profil und die Umlaufrichtung zum Mittelstück die gleiche Orientierung haben, ist es bei dieser Ausführungsform ohne weiteres möglich, die beiden Flügelstücke 4 zu einem entsprechend langen Stück zusammenzufassen, also als ein Stück auszubilden und das Mittelstück, das nach außen natürlich eine strömungsgünstige Formgebung erhält, mit einem Druchgriffskanal 3' zu versehen, durch das das ganze Flügelstück hindurchgesteckt und mit seinem mittleren Bereich 4" in diesem Durchgriffskanal 3' zu fixieren, wie dies in Fig. 9 verdeutlicht ist, gem. der das mit den Flügelstücken 4 versehene Mittelstück 3 mit einem dritten Flügelstückanschluß 9 versehen und zwischen diesem und der Rotornabe 10 (Fig. 11) ein an jeder Stelle im Querschnitt gleicher Rotorarm 8 angeordnet und der Querschnitt des Rotorarmes 8 als dünnwandiges Hohlprofil 8' aus strangpressbarem Material ausgebildet ist bspw. im Sinne der Fig. 4 bzw. 8. Diese Profilform gem. Fig. 4, 8 gestattet übrigens die Anwendung des gleichen Durchsteckprinzips wie für die Flügelstücke 4 in bezug auf das Mittelstück 3 beschrieben.
Für diesen Fall ist die Rotornabe 10 gem. Fig. 12 mit einem Durchgriffskanal 11 versehen. Die Nabe 10 ist dabei in geeigneter Weise drehbar am Ende des Mastes 7 gelagert. Eine solche Durchgriffsausbildung, die natürlich hinsichtlich der Festigkeit des gesamten Rotorarmgestänges ihre Vorteile hat, ist jedoch nur vorsehbar unter Verwendung eines gewissermaßen strömungsneutralen Profils gem. Fig. 4, 8, da sich der andere Rotorarm auf der anderen Seite ja immer gerade in entgegengesetzter Richtung bewegt.
Da man das im Stranggieß- bzw. Strangpressverfahren hergestellte Profil gem. Fig. 2, 3 sowieso zur Verfügung hat, werden zweckmäßig die Rotorarme 8 ebenfalls aus solchen Profilen gebildet, wie dies in Fig. 11 verdeutlicht ist. Diese aber in sich gewissermaßen strömungsorientierten Profile in Verwendung als Rotorarme 8 müssen natürlich an der Nabe 10 jeweils in entgegengesetzter Richtung angeordnet werden.
Das Mittelstück 3, das ebenfalls als Gußstück unter Berücksichtigung entsprechender Anschlußöffnungen, Flügelansatzflächen bzw. Flügeleinstecköffnungen ausgeformt werden kann, bietet in vorteilhafter Weiterbildung auch noch die Möglichkeit, wie in den Fig. 1, 9 angedeutet, lediglich an das Mittelstück 3 einen Anlaufhilfsflügel 12 anzulenken, der mit einem geeigneten Federelement 13 in Richtung entgegen der Zentrifugalkraftwirkung auf das Rotorzentrum gezogen bzw. gestellt ist. Bei entsprechend hoher Drehzahl und damit ausreichend hoher Zentrifugalkraft stellt sich dann dieser Anlaufshilfsflügel 12 in die Umlaufebene des Gesamtrotors ein und wirkt nicht mehr bremsend. Da die Flügelstücke 4 am Mittelstück 3 bzw. dieses durchgreifend angeordnet sind, kann aber auch in Betracht gezogen werden, das Mittelstück 3 nicht starr am Rotorarmende 8' anzuordnen, sondern das Mittelstück 3 mit entsprechenden Gelenkansätzen bzw. Gelenkeingriffsöffnungen zu versehen, wie dies in Fig. 10 verdeutlicht ist, wobei dann das Federelement 13' die Zentrifugalkraftregelung hinsichtlich eines günstigen Selbstanlaufverhaltens für das gesamte Windfangblatt 1 übernimmt. Alle diese Möglichkeiten sind aber hinsichtlich einer entsprechenden Bearbeitung vorteilhaft auf das Mittelstück 3 konzentriert, d.h., die Flügelstücke selbst bedürfen im wesentlichen keiner Bearbeitung und können ohne weiteres, wie beschrieben, dem Mittelstück 3 zugeordnet werden. Die offenen freien Enden der Flügelstücke werden in geeigneter Weise verschlossen, wobei es möglich ist, diese Verschlüsse als alleinige kleine Anlaufhilfsflügel oder in Ergänzung zum verstellbaren Anlaufhilfsflügel 12 auszubilden.
Ohne das beschriebene Prinzip verlassen zu müssen, kann das Mittelstück 3 auch mit angegossenen bzw.
in einem Stück mit ausgeformten Einsteckhülsen 6" versehen werden, wie dies aus den Fig. 13, 14 erkennbar ist. Da bei den hohen Drehzahlen, die mit solchen Rotoren erreichbar sind, beträchtliche Kräfte im Ansatzbereich der Flügelstücke 4 am Mittelstück 3 auftreten, sind solche fortsatzartige Einsteckhülsen 6" besonders vorteilhaft, die zudem die Möglichkeit bieten, den Anschluß zum Rotorarm 8, wie dargestellt, gabelartig auszubilden, wobei die Gabelenden an den Hülsen 6" angelenkt sind oder an am Mittelstück 3 angeordneten, stangen- bzw. rohrförmigen Versteifungsstücken 3', auf die die Flügelstücke 4 aufsteckbar sind. Dadurch ist auf einfache Weise ein sehr biegesteifer Anschluß der Flügelstücke 4 an das Mittelstück 3 gegeben.

Claims

Patentansprüche: 1. Windturbine zur Umsetzung der Windenergie in andere Energieformen, bestehend aus mindestens einem um eine an einem Mast angeordnete Achse drehbar gelagerten Windfangblatt, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Windfangblatt (1) aus einem direkt oder indirekt an der Achse (2)gelagerten Mittelstück (3) gebildet und am Mittelstück (3) mindestens ein im Querschnitt tragflügelprofilartiges Flügelstück (4) mit an jeder Stelle gleichem Querschnitt angeordnet ist, das im Querschnitt als dünnwandiges Hohlprofil (4') mit innerer Aussteifung ausgebildet ist.
2. Windturbine nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das dünnwandige Hohlprofil (4') aus extrudier- oder strangpressbarem Material, wie Kunststoff, Leichtmetall od. dgl., gebildet ist.
3. Windturbine nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Aussteifung in Form verschäumbaren Kunststoffs, wie Polyuraethanschaum od. dgl. und/oder mindestens eines in Längsrichtung des Flügelstücks verlaufenden Versteifungsstegs (5) ausgebildet ist.
4. Windturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da dur c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das Mittelstück (3) mit mindestens zwei Flügelstückanschlüssen (6) versehen und diese mit ihrem Anschlußquerschnitt dem Anschlußquerschnitt (6') der Flügelstücke (4) entsprechend ausgebildet sind.
5. Windturbine nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Flügelstückanschlüsse (6) in Form von Einsteckhülsen (6") ausgebildet sind.
6. Windturbine nach einem der Ansprüche lbis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Flügelstück (4) aus mindestens zwei Längsprofilteilen (4''') zusammengesetzt ist.
7. Windturbine nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Längsprofilteile (4''') teilweise ineinanderfügbar ausgebildet und in ihrem Anschlußbereich miteinander verbunden sind.
8. Windturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß das Mittelstück (3) mit mindestens einem in die Flügelstücke (4) einsteckbaren Versteifungsstück (3') versehen ist.
9. Windturbine nach einem der Ansprüche lbis 8 in Form eines Horizontalrotors mit vertikal am Mast (7) angeordneter Drehachse (2), wobei das mindestens eine Windfangblatt (1) an einem an der Drehachse gelagerten Rotorarm (8) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das mit den Flügelstücken (4) versehene Mittelstück (3) mit einem dritten Flügelstückanschluß (9) versehen und zwischen diesem und der Rotornabe (10) ein an jeder Stelle im Querschnitt gleicher Rotorarm (8) angeordnet und der Querschnitt des Rotorarmes (8) als dünnwandiges Hohlprofil (8') aus extrudier- oder strangpressbarem Material, wie Kunststoff, Leichtmetall od. dgl. ausgebildet ist.
10. Windturbine nach Anspruch 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Rotorarm (8) mit seinem Querschnitt dem Querschnitt der Flügelstücke (4) entsprechend ausgebildet ist.
11. Windturbine nach Anspruch 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Rotorarm (8) mit einem symmetrischen, strömungsgünstigen Querschnittsprofil versehen und der Rotorarm (8) die Rotornabe (10) in einem Durchgriffskanal (11) entsprechenden Querschnittes durchgreift und an der Rotornabe (10) befestigt ist (Fig. 4, 8).
12. Windturbine nach einem der Ansprüche 9 bis 11, da d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß am Mittelstück (3) ein verstellbarer Anlaufshilfsflügel (12) angeordnet ist.
13. Windturbine nach Anspruch 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Anlaufhilfsflügel (12) mit einem gegen Zentrifugalkraftwirkung wirksamen Federelement (13) versehen ist.
14. Windturbine nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittelstück (3) mit einem Durchgriffskanal (3') versehen, dieser im Querschnitt dem Querschnitt des Flügelstückes (4) entsprechend ausgebildet und die Flügelstücke (4) zu einem Flügelstück vereint sind, das mit seinem mittleren Bereich (4") in Durchgriffskanal (3') angeordnet und fixiert ist.
15. Windturbine nach einem der Ansprüche 9 bis 11 oder 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h -n e t , daß das Mittelstück (3) mit einem gegen Zentrifugalkraftwirkung wirksamen Federelement (13') versehen ist.