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Windturbine
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Die Erfindung betrifft eine Windturbine zur Umsetzung der Windenergie
in andere Energieformen gemäß Oberbegriff des Hauptanspruches.
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Windturbinen der genannten Art sind allgemein bekannt, und es sind
viele BemUhugnen angestellt worden, solche Turbinen mit Fbrizontalrotcren zu optimieren,
um in bezug auf die Windgeschwindigkeit ein Vielfaches der Umlaufgeschwindigkeit,
d.h.
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hohe Drehzahlen, zu erreichen. Ansatzpunkte hierfür waren bspw.
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besondere Gestaltungen der Profile der Windfangblätter, deren Einstellbarkeit
während des Umlaufes und schließlich Anordnugnen und Ausbildungen des Rotors mit
Windfangblättern derart, daß sich die Windfangblätter beim Umlauf nicht gegenseitig
stören.
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Insbesondere die Beweglichkeit der Windfangblätter zu den Anlenkenden
an den Rotorarmen ist mit einem relativ hohen Aufwand verbunden, der nicht nur wegen
dew optimalen Einstellung der Windfangblätter während ihres Umlaufes in Kauf genommen
wurde, sondern auch um derartigen Turbinen selbst Anlaufeigenschaften zu vermitteln.
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Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, eine Windturbine
der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß
ohne besondere
Einstellmaßnahmen bzw. besondere Stellmittel der Horizontalrotor selbst anlaufen
kann und sich das Windfangblatt bzw. die Windfangblätter beim Umlauf selbst stabilisierend
auf ihre optimale Stellung einstellen.
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Diese Aufgabe ist mit einer Windturbine der eingangs genannten Art
nach der Erfindung durch die im Kennzeichen des Hauptanspruches angeführten Merkmale
gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich nach den Unteransprüchen.
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Wesentlich bei dieser erfindungsgemäßen Lösung ist also, daß das Windfangblatt
ohne irgendwelche Stellmittel um seine vertikale Schwenkachse am Ende des Rotorarmes
schwenkbar angeordnet ist, also gewissermaßen frei um das Rotorarmende bzw die vertikale
Achse pendeln kann. Dies allein würde natürlich nicht zu einer stabilen Stellung
des Windfangblattes beim Umlauf führen, selbst wenn in bezug auf die vertikale Achse
das Vorderteil und Hinterteil des Windfangblattes gegeneinander ausbalanciert wären,
was im vorliegenden Fall übrigens bevorzugt vorgesehen wird.
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Als notwendiges und wesentliches Merkmal kommt noch hinzu, daß das
Windfangblatt mit einer Masse zu seiner Stellungestabilisierung in bezug auf den
Iknlaufkreis versehen sein muß, und zwar derart, daß entweder die Distanz dieser
Masse zur Rotorachse größer ist als der Abstand der vertikalen Achse zur Rotorachse
oder daß die
Masse in diesen größeren Abstand selbsttätig einstellbar
am Windfangblatt angeordnet ist. Durch diese frei pendelnde Anordnung des Windfangblattes
am Rotorarmende kann das Windfangblatt nahezu jede beliebige Stellung in bezug auf
sein Gelenk einnehmen, wodurch bei nicht laufendem Rotor und aufkommendem Wind früher
oder später eine Stellung eingenommen wird, bei der sich eine Antriebskomponente
in Drehrichtung ergibt.
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Sobald aber der Rotor läuft, beginnt die auftretende Zentrifugalkraft
sich zwangsläufig an der Masse auszuwirken, die dann, insbesondere bei weiter zunehmender
Umlaufgeschwindigkeit, das ganze Windfangblatt bezüglich seiner Stellung zur kreis
förmigen Unlaufbahn optimal einstellt und in dieser Stellung stabilisiert.
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Abgesehen von den Anlaufeigenschaften einer solchen Turbine und der
optimalen Einstellung der Windfangblätter während der Rotation besteht ein weiterer
Gesichtspunkt für die Betriebsfähigkeit einer solchen Turbine darin, daß natürlich
auch hinsichtlich der Festigkeit des Windfangblattes der insofern zulässigen Maximaldrehzahl
Rechnung getragen werden muß.
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Hierfür bietet das erfindungsgemäße Prinzip eine vorteilhafte Weiterbildungsmöglichkeit
derart, daß die Masse bezüglich ihrer Extremalstellung bei zulässiger Maximaldrehzahl
außerhalb einer gedachten Verbindungslinie durch Rotorachse und vertikale Achse
angeordnet ist.
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Die Zusatzmasse ist danach also so austariert und am Windfangblatt
angeordnet, daß die Masse ihre Extremalstellung, d.h. in gedachter Linie durch Rotorachse
und vertikale Schwenkachse erst dann erhält, wenn die kritische Drehzahl überschritten
wird. Die Anordnung der Masseist dabei aber zum Windfangblatt selbst so getroffen,
daß das Windfangblatt vor Erreichen dieser Extremalstellung seine optimale Stellung
zur Umlaufbahn einnimmt. Dies bedeutet aber, daß bei Überschreiten der kritischen
Drehzahl das Windfangblatt wieder etwas aus seiner Optimalstellung herausgedrUckt
wird und dadurch zu bremsen beginnt.
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FUr die praktische Verwirklichung des erfindungsgemäßen Prinzipes
sind verschiedene Ausfuhrungsformen möglich. So kann bspw.
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die Masse im Bereich des Windfangblattgelenkes in Form eines ausschwenkbaren
Fliehgewichtes ausgebildet sein. Möglich ist auch, das Windfangblatt mit einem Ausleger
zu versehen und mit dem Ende des Auslegers an der vertikalen Achse anzulenken, wodurch
das Windfangblatt selbst die Stabilisierungsmasse bildet.
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Ferner kann die Masse gegen einen Verschiebewiderstand verschieblich
in bzw. am Windfangblatt gelagert sein, was im einzelnen noch näher erläutert wird.
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Eine solche um die vertikale Achse schwenkbare Zusatzmasse kann ferner
auch noch dadurch dargestellt werden, daß das Windfangblatt mit seinem Oberteil
und seinem Unterteil in bezug auf die
vertikale Schwenkachse nach
außen geneigt und ihre gemeinsame Verbindungsstelle zur Rotorachse eine größere
Distanz hat als die vertikale Achse zur Rotorachse.
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Das erfidnungsgemäße Prinzip ist selbstverständlich auch dann ohne
weiteres zu verwirklichen, wenn das Windfangblatt über seine gesamte Länge oder
eine Teillänge zweiteilig ausgebildet und ein Teil davon, wie vorerwähnt, um eine
vertikale Achse frei pendelnd gelagert sein sollte und das andere Teil in optimaler
Strömungsstellung starr am Rotorarm befestigt ist.
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Die erfindungsgemäße Windturbine wird nachfolgend anhand der zeichnerischen
Darstellung von AusfUhrungsbeispielen näher erläutert.
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Es zeigt schematisch Fig. 1 perspektivisch die Windturbine in Anordnung
als Horizontalrotor an einem Mast; Fig. 2 einen Schnitt durch das Windfangoblatt
am Ende des Rotorarmes; Fig. 3 einen Längsschnitt durch die AusfUhrungsform gemäß
Fig. 2; Fig. 4 einen Schnitt im Sirene der Fig. 2 in anderer AusfUhrungeform; Fig.5
im Schnitt eine weitere Ausführungsform des Windfangblattes;
Fig.
6 im Teilschnitt eine besondere Ausführungsform des Windfangblattes; Fig. 7 in Vorderansicht
eine weitere Ausführungsform des Windfangblattes; Fig. 8 im Schnitt eine zweiteilige
Ausführungsform des Windfangblattes und Fig. 9 eine besondere Anordnung des Windfangblattes
in bezug auf den Mast.
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Wie aus Fig.1 erkennbar, besteht die Windturbine aus einem an einem
Mast 13 drehbar gelagerten Horizontalrotor .it an Rotorarmen 7 schwenkbar angeordneten
Windfangblartern 1, die sich bei Drehung auf dem Umlaufkreis 3 bewegen. Die Windfangblätter
1 sind dabei um vertikale Achsen 5 frei nendelnd angelenkt, wobei die freie Pendelung
ihre Grenzen an den Rotorarmen 7 selbst findet oder an besonderen Anschlägen 17,
die zweckmäßig elastisch ausgebildet sind.
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Wesentlich ist dabei, daß das Windfangblatt 1 mit einer Masse 2 zu
seiner Stellungsstabilisierung in bezug auf den Umlaufkreis 3 versehen und entweder
die Distanz dieser Masse 2 zur Rotorachse 4 größer ist als der Abstand der vertikalen
Achse 5 zur Rotorachse 4, wobei es aber auch möglich ist, die Masse 2 in diesen
größeren Abstand selbsttätig einstellbar am Windfangblatt 1 anzuordnen, was in den
Fig.2,3 deutlicher dargestellt ist. Orientiert an Fig.2 sei aber darauf hingewiesen,
daß die Masse 2, wie vorerwähnt, in radialer Richtung auch starr am Windfangblatt
1 angeordnet sein kann. Daß man
dabei die Befestigungselemente
und die Masse selbst, wie dargestellt, ebenfalls strömungsgünstig ausbildet, ist
selbstverständlich und bedarf keiner näheren Erläuterung. In beiden Fällen tritt
auf jeden Fall der Effekt ein, daß die in größerer Distanz als die vertikale Achse
5 zur Rotorachse 4 angeordnete Masse 2 unter der Einwirkung der Zentrifugalkraft
das Windfangblatt optimal auf den Umlaufkreis 3 zwangsläufig und selbsttätig einstellt,
und zwar unabhängig davon, wie das Windfangblatt bei Ruhestellung des Rotors gestanden
hat. Bei den Ausführungsformen nach Fig .2 3ist die Masse, die zur Stabilisierung
des Windfangblattes 1 in optimaler Stellung dient, an einem gelenkig gelagerten
Ausleger 14 angebracht bzw. bildet einen Teil von diesem, so daß sich die Masse
2 bzw. das Fliehgewicht 9 bei zunehmender Drehzahl horizontal in bezug auf die vertikale
Schwenkachse 5 einstellt.
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Wie aus Fig. 2 erkennbar, kann dabei in Rücksicht auf die zulässige
Maximaldrehzahl der Turbine die Masse 2 so angeordnet sein, daß sich der Massenmittelpunkt
außerhalb der Verbindungslinie 6 durch Rotorachse 4 und vertikale Achse 5 befindet,
so daß selbst bei extremer Radialstellung in bezug auf die Rotorachse 4 noch ein
Drehmoment in horizontaler Richtung für den Fall des Erreichens der maximal zulässigen
Drehzahl besteht. Dieses Drehmoment wird dann wirksam, wenn die
maximale
Drehzahl überschritten wird, was aber dann aufgrund der winkligen Zuordnung des
Massemittelpunktes zur vertikalen Achse 5 nur dadurch wirksam werden kann, daß das
Windfangblatt 1 aus seiner optimalen Stellung zum Unlaufkreis 3 herausgestellt wird
und was zwangsläufig zu einem Bremseffekt führt. Eine solche Anordnung auf der winklig
verlaufenden, gedachten Linie 6' ist sowohl für eine starre Anordnung, aber auch
eine bewegliche Anordnung der Masse 2 bzw. des Fliehgewichtes 9, wie in Fig. 2,3
dargestellt, möglich.
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Unter Bezugnahme auf Fig. 4 kann die Masse 2 aber auch in einem Ausleger
141 völlig versteckt angeordnet sein und zwar im Bereich eines Verschiebewiderstandes
11, der im dargestellten praktischen Ausführungsbeispiel aus einer schräggestellten
Langlochführung und einer Feder gebildet ist. In der dargestellten Lage der Masse
2 hat diese zunächst, da sie ein Drehmoment um die vertikale Achse 5 bilden kann,
den beschriebenen Stabilisierugnseffekt auf das Windfangblatt 1. Die Masse 2 bzw.
die Feder ist dabei so ausgelegt, daß sich die Masse 2 bei Übersteigen der zulässigen
Drehzahl in angegebener Pfeilrichtungführung gegen den Verschiebewiderstand 11 verschiebt
und damit das Windfangblatt 1 in Richtung des Pfeils 15 verstellt bzw. das Windfangblatt
1 aus seiner optimalen Stellung zum Umlaufkreis 3 bewegt.
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Das Stabilisierungsprinzip kann gemäß Fig. 5 auch noch auf andere
Weise verwirklicht werden, nämlich dadurch, daß man das Windfangblatt
1
mit einem Ausleger lo an der vertikalen Achse 5 anlenkt und damit das Windfangblatt
1 selbst zur Stabilisierungsmasse 2 macht. Denkt man sich die Gesamtmasse des Windfangblattes
im Punkt 16 konzentriert, so ist damit auch die Bedingung erfüllt, daß sich, ausgehend
von einer beliebigen Stellung des Windfangblattes in bezug auf die vertikale Achse
5, unter der Einwirkung der Zentrifugalkraft ein Drehmoment um die vertikale Achse
5 ergibt, das bestrebt ist, unter dem Einfluß der Zentrifugalkraft den Massepunkt
16 auf die gedachte Linie durch Rotorachse 4 und vertikale Achse 5 einzustellen
und damit die optimale Stellung des Windfangblattes zu erreichen, womit aber die
optimale Stabilisierungsstellung in bezug auf den Umlaufkreis 3 gewährleistet ist.
Selbstverständlich lassen sich hierzu entsprechende Sicherungselemente bezüglich
des überschreitens der maximal zulässigen Drehzahl, wie bspw. zu Fig. 2 bis 4 beschrieben,
an geeigneter Stelle bspw. im Ausleger lo oder sogar im Windfangblatt 1 selbst vorsehen.
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Eine weitere Möglichkeit der Anordnung der Masse 2 außerhalb des Umlaufkreises
3, den die vertikale Achse 5 durchläuft, ist in Fig. 7 verdeutlicht, wobei das Windfangblatt
1 mit seinem Oberteil 1 und seinem Unterteil 1" in bezug auf die vertikale Schwenkachse
5 nach außen geneigt sind und ihre gemeinsame
Verbindungsstelle
12 zur Rotorachse 4 eine größere Distanz hat als die vertikale Achse 5 zur Rotorachse
4.
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Abgesehen von der Möglichkeit, im Bereich der Verbindungsstelle 12
eine zusätzliche Massekonzentration vorzusehen, bilden also hierbei die links neben
der vertikalen Achse 5 befindlichen Windfangblattteile die Masse, die die Stabilisierung
des Windfangblattes bewirkt. Im Sinne der vorbeschriebenen Fig. 4 kann hierbei gemäß
Fig. 6 im Bereich eines Verschiebewiderstandes 11 ebenfalls eine Drehzahlbegrenzungssicherung
vorgesehen werden.
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Ferner ist es hierbei möglich, das Ganze als Geleckdreieck auszubilden
und zwischen Rotorarm 7 und Verbindungsstelle eine Zugfeder 16 anzuordnen, so daß
sich bei extrem hohen Drehzahlen Ober- und Unterteil l#, 111 des Windfangblattes
1 auf die gestrichelt angedeutete Stellung zu bewegen können.
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Fig. 8 soll nur verdeutlichen, daß die beschriebenen Maßnahmen ggf.
auch an einem zweiteiligen Windfangblatt verwirklicht werden können, wobei das Vorderteil
starr am Rotorarm 7 sitzt und das Hinterteil den frei pendelbaren Windfangblattteil
bildet.
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Gemäß Fig.9 können die Rotorarme in bekannter Weise auch selbst als
WindÎangblätter in Porm von Bügeln 7'ausgebildet werden. Derartige Windturbinen,
bei denen die Windfangblätter bei entsprechender Ausbildung und Anordnung zum Mast
13 bei zunehmender Drehzahl gegf. einen sich vergrößernden Durchmesser D annehmen
können, haben jedoch keine
Selbstanlaufeigenschaften,und ein Bremseffekt
bei Erreichen der kritischen Drehzahlen ist auch nicht vorsehbar. Wie in Fig.9 dargestellt,
bietet hier das beschriebene Windfangblatt mit seiner einfachen Ausbildung eine
ideale und vorteilhafte Möglichkeit, je nach Größe entweder als kleiner Hilfsflügel
oder als größerer Zusatzflügel an den als Bügel 7'ausgebildeten Rotorarmen mittig
angelenkt werden zu können.
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Die Stabilisierungsmasse kann gegf. auch unmittelbar, ähnlich wie
in Fig.5 angedeutet, in einer entsprechenden Führung im Windfangblatt selbst angeordnet
sein(zweckmäßig im Bereich des Masseschwerpunktes in der Mitte des Windfangblattes),
wobei die Führung in bezug auf das Windfangblatt nach außen und ansteigend nach
oben gerichtet ist. Dadurch kann der gleiche Stabilisierungseffekt und gegf. auch
Bremseffekt erreicht werden.
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