DE3607278C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Windkraftmaschine mit vertikal stehendem Flügelrotor, mit einem oberen Deckblech und einem unteren Deckblech, mit zwischen den Deckblechen angeordne­ ten, im Querschnitt tragflächenförmigen äußeren Flügel­ körpern, die symmetrisch zu dem Rotormittelpunkt einander ge­ genüberstehend in den Bereichen der freien Enden der Deckbleche angeordnet sind, wobei der Flügelrotor um eine durch den Rotormittelpunkt verlaufende Achse drehbar ist und jeder der gleichgestalteten Flügelkörper im Querschnitt ein Auftriebsprofil aufweist, das an einer runden Profilvorderkante in eine kurze Profilunterseite und eine lange Profiloberseite geteilt ist, die in einer spitzwinkligen Profilhinterkante wieder zusammengeführt sind und die Flügelkörper mit ihren kurzen Profilunterseiten gegeneinanderstehend zwischen den Deckblechen starr angeordnet sind.

Eine wichtige Voraussetzung für die Inbetriebnahme von Windkraftmaschinen ist ein ausgesuchter Standort mit möglichst kontinuierlichen Windgeschwindigkeiten, bei­ spielsweise Inseln, Küstengebiete, Gebirgslagen, offene Ebenen und dergleichen.

Aus der Zeitschrift "Bilder der Wissenschaft", 1980, Heft 9, S. 70 bis 83, sind horizontale und vertikale Windkraft­ maschinen bekannt, die die Windkraft in mechanische Dreh­ bewegung umwandeln. Derartige Windkraftmaschinen sollten vorteilhafterweise folgenden Anforderungen gerecht werden: frühes Anfahren bei geringen Windgeschwindigkeiten; einen möglichst hohen Leistungsbeiwert (Verhältnis der erreichba­ ren Leistung zu der zugeführten Leistung) aufweisen; eine solide, robuste Konstruktion mit hoher mechanischer Festig­ keit aufweisen, um Böen und Stürme schadlos zu überstehen; aus wetterbeständigen Materialien gefertigt sein, um eine hohe Lebensdauer und Wartungsfreiheit zu gewährleisten und schließlich geringe Material-, Herstellungs- und Montage­ kosten verursachen.

Derartige Horizontalachs-Windkraftmaschinen benötigen hohe Windgeschwindigkeiten um starten zu können, außerdem müssen sie bei wechselnden Windrichtungen mittels einer Zusatzvor­ richtung ständig nachgeführt werden. Bei zu starken Windge­ schwindigkeiten, beispielsweise bei Böen und Stürmen, be­ steht die Gefahr von Sturmschäden an den Flügelteilen. Diese müssen durch komplizierte Mechanismen aus den Wind gedreht, abgebremst oder außer Betrieb genommen werden. Dadurch sind sie reparaturanfällig und benötigen relativ kurze Wartungsintervalle.

Neben diesen Horizontalachs-Windkraftmaschinen, sog. ein- oder mehrflügeligen Konvertern, gibt es Vertikalachs-Windkraft­ maschinen, deren Rotor aus einem Mittelkörper und ihn umge­ benden Flügeln besteht. Aus der DE-PS 30 03 270 ist dazu eine derartige Vertikalachs-Windkraftmaschine bekannt, deren Rotor aus einem Mittelkörper mit ihn umgebenden trag­ flächenförmigen Flügelkörpern besteht. Dieser Rotor hat den Nachteil, daß der Mittelkörper mit den äußeren Flügel­ körpern dem Wind eine zu große Windwiderstandsfläche ent­ gegensetzt, wodurch keine hohe Schnellaufzahl (Umfangs­ geschwindigkeit zur Windgeschwindigkeit) erreicht werden kann und die Gefahr eines Rotorschadens bei Stürmen und Böen durch seine große Windwiderstandsfläche zunimmt.

Solche sog. Langsamläufer mit ihren niedrigen Umdrehungen werden vorwiegend für mechanische Antriebe, wie Mahlwerke, Pumpen und dergleichen eingesetzt. Um elektrische Energie mit einem Generator zu erzeugen, benötigen diese Langsam­ läufer große Getriebeübersetzungen, was wiederum hohe An­ schaffungskosten bedingt und sie für die elektrische Ener­ giegewinnung unwirtschaftlich werden läßt.

Aus der DE-OS 28 29 716 ist eine Windkraftmaschine bekannt, bei der Flügel mit geeigneten Tragflächen an Tragarmen befestigt sind. Den Flügeln sind aerodynamische Steuerelemente zugeordnet, die jedoch erst bei sehr hohen Windgeschwindigkeiten zum Tragen kommen. Diese Steuerflügel haben zudem eine sehr kleine Windangriffsfläche im Verhältnis zu der gesamten Größe der ihnen zugeordneten Flügel.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vertikalachs- Windkraftmaschine der eingangs beschriebenen Art zu schaf­ fen, die ohne Fremdhilfe schon bei geringen Windgeschwin­ digkeiten selbst anfährt, die eine hohe Schnellaufzahl er­ reichen kann, eine große mechanische Festigkeit aufweist und kostengünstig gefertigt werden kann.

Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß beiderseits des Rotormittelpunktes zwei weitere, gleich große innere Flügelkörper angeordnet sind, deren kurze Profilunterseiten in einem vorbestimmten Abstand parallel zueinander und in einem vorbestimmten Anstellwinkel schräg zur Längsachse des Flügelrotors verlaufen.

Durch diese Maßnahmen wird eine Windkraftmaschine geschaf­ fen, deren Vorteile darin bestehen, daß durch die aerodyna­ mische Flügelausbildung der Rotorkörper eine Widerstands­ kraft der geraden Windangriffsfläche mit einer zusätzlichen Auftriebskomponente in Drehrichtung des Flügelrotors auf­ tritt. Die Rotordrehzahl nimmt dadurch bei gleicher Wind­ geschwindigkeit zu, wodurch ein Mittelschnelläufer ent­ steht. Auf den geraden Profilunterseiten der Flügelkörper, die die Windangriffsflächen darstellen, wird die Luft­ strömung abgebremst und somit ein Druck erzeugt, während durch die nach außen gewölbten längeren Profiloberseiten die Luftströmung beschleunigt wird, wodurch eine Sogwirkung entsteht, die die in Drehrichtung resultierende Kraftkom­ ponente verstärkt. Die für den aerodynamischen Strömungs­ durchlauf notwendigen Winddurchströmungsräume verhindern die Entstehung eines Staudrucks, leiten den Wind zwischen den Flügelkörpern hindurch und beaufschlagen diese zusatz­ lich in Drehrichtung. Weitere vorteilhafte Maßnahmen sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Die Erfindung ist in der beiliegenden Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend näher beschrieben; es zeigt:

Fig. 1 eine Windkraftmaschine mit einem Flügelrotor und einer vertikal verlaufenden Rotorachse mit zwei inneren Flügelkörpern, in Vorderansicht;

Fig. 2 die Draufsicht auf eine Windkraftmaschine nach der Fig. 1;

Fig. 3 die zeichnerische Konstruktion eines Flügelkörpers einer Windkraftmaschine nach der Fig. 1 im Quer­ schnitt und die Anordnung der Flügelkörper zueinander.

Fig. 4 die schematische Darstellung eines Flügelrotors nach der Fig. 1 mit Flügelkörpern mit konkav ge­ wölbten Profilunterseiten;

Fig. 5 die schematische Darstellung eines Flügelrotors nach der Fig. 1 mit Flügelkörpern mit konvex ge­ wölbten Profilunterseiten.

Die in der Fig. 1 dargestellte Windkraftmaschine 10 besteht im wesentlichen aus einem Flügelrotor 11 mit einer vertikal verlaufenden Rotorachse 12. Der Flügelrotor 11 besteht aus einem oberen Deckblech 18 und einem unteren Deckblech 19 zwischen denen äußere Flügelkörper 21 und 22 und innere Flügelkörper 23 und 24 angeordnet sind.

Unterhalb des mit einem Flansch 20 verstärkten unteren Deck­ bleches 19 ist die Rotorachse 12 in einer oberen Lagerung 13 und in einer unteren Lagerung 14 vertikal gelagert. Der Rotorachse 12 sind Übertragungsmittel 15 zugeordnet, mit denen die Drehbewegung des Flügelrotors 11 auf ein Getriebe 16 übertragen wird. Als Übertragungsmittel kann beispiels­ weise eine Zahnrad-Ketten-Kombination oder eine Keilriemen- Riemenscheibenkombination eingesetzt werden. Dem Getriebe 16 ist ein Generator 17 zur Erzeugung elektrischer Energie nachgeordnet.

Wie die Fig. 2 zeigt, sind beiderseits des Rotormittel­ punkts 25 paarweise äußere Flügelkörper 21 und 22, die der Breite 31 der Deckbleche 18 bzw. 19 entsprechen, sowie gleichgestaltete, innere Flügelkörper 23 und 24 angeordnet. Die Flügelkörper 21, 22, 23 und 24 weisen im Querschnitt ein gleiches tragflächenförmiges, aerodynamisches Profil auf mit einer gerundeten Profilvorderkante 28, einer kürze­ ren, im wesentlichen geraden Profiluntereite 26 und einer gekrümmten, längeren Profiloberseite 27. Die Profilunter­ seiten 26 und die Profiloberseiten 27 treffen sich in einer im wesentlichen spitzwinkligen Profilhinterkante 29. Wie die Fig. 4 zeigt, können die kurzen Profilunterseiten 26 auch leicht konkav nach innen gewölbt, und wie die Fig. 5 zeigt, leicht konvex nach außen gewölbt sein.

Die inneren Flügelkörper 23 und 24 sind beiderseits des Rotormittelpunkts 25 in einem vorbestimmten Abstand von­ einander angeordnet, wobei ihre abgerundeten Profilvorder­ kanten 28 gegeneinander weisen. Die im wesentlichen geraden Profilunterseiten 26 verlaufen in einem vorbestimmten Ab­ stand parallel zueinander und stehen in einem vorbestimmten Anstellwinkel 33 zu der Längsachse 34 des Flügelrotors 11.

Die äußeren Flügelkörper 21 und 22 sind ebenfalls mit ihren Profilvorderkanten 28 gegeneinander gerichtet an den äuße­ ren Enden der Deckbleche 18 bzw. 19 feststehend angeordnet. Die geraden Profilunterseiten 26 der äußeren Flügelkörper 21 und 22 stehen dabei in einem größeren Anstellwinkel 35 zu der Längsachse 34 des Flügelrotors 11 als dies bei dem Anstellwinkel 33 der inneren Flügelkörper 23 und 24 der Fall ist. Die Profilvorderkanten 28 weisen dabei jeweils in Drehrichtung 30.

Wie die Fig. 1 weiter zeigt, ist die Höhe 32 des Flügel­ rotors 11 variabel und kann durch Aufstocken von weiteren Flügelkörperteilen 36 und 36 a den jeweiligen Anforderungen entsprechend vergrößert werden.

Die Fig. 2 zeigt eine solche Windkraftmaschine mit vertikal verlaufender Rotorachse und stehenden äußeren Flügelkörpern und inneren Flügelkörpern in Draufsicht. Die Flügelkörper weisen ein tragflächenförmiges Profil mit langen, gekrümmten Profiloberseiten und kurzen, geraden Profilunterseiten auf. Die Profilunterseiten der inneren Flügelkörper verlaufen parallel zueinander und weisen aufeinander zu. Sie sind in einem vorbestimmten Anstellwinkel gegenüber der Flügel­ längsachse geneigt. Der Anstellwinkel der inneren Flügel­ körper ist kleiner als der Anstellwinkel der äußeren Flügel­ körper.

Die Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Flügelrotors 11 mit dem konstruktiven Aufbau der Flügelform und der An­ ordnung der Flügelkörper 21, 22, 23 und 24 zueinander. Um den Flügelmittelpunkt 25 wird ein Kreis 37 mit einem vorbe­ stimmten Radius R geschlagen. Die Strecken der einander ge­ genüberliegenden Radien R und R 1 sind von auf dem Kreis 37 liegenden Radienendpunkten 38 bzw. 38 a begrenzt. Über einer Radiusstrecke R wird in dem Flügelmittelpunkt 25 und dem Radiusendpunkt 38 je eine Strecke A bzw. A ₁ errichtet, die Strecken A und A ₁ sind gleichlang und treffen sich in dem Punkt 39 in einem rechten Winkel. Die Radiusstrecke R entspricht somit der Hypotenuse und die Strecken A und A ₁ den Katheten eines rechtwinkligen Dreiecks.

In gleicher Weise werden spiegelverkehrt unterhalb der an­ deren Radiusstrecke R₁ in den Punkten 25 und 38 a gleich­ lange Strecken A und A ₁ errichtet die sich in dem Punkt 39 a treffen.

Die Flügelbreite 31 des Flügelrotors 11 ergibt sich aus der Verbindung des Radiusendpunktes 38 a mit dem Kathetenschnitt­ punkt 39 und über diesen hinaus bis zum Schnittpunkt 40 mit dem Kreis 37, sowie auf der entgegengesetzten Flügelseite aus der Verbindung des Radiusendpunktes 38 mit dem Katheten­ schnittpunkt 39 a und über diesen hinaus bis zu dem Schnitt­ punkt 40 a mit dem Kreis 37.

Die radial äußere Flügelform der äußeren, einander gegen­ überstehenden Flügelkörper 21 und 22 entsteht im Bereich der langen, gekrümmten Profiloberseiten 27 entlang einem Kreisbogen des Kreises 37 und durch sich nach radial innen hin anschließendes Tangieren der Profilvorderkanten 28, die mit einem Radius R _F um die Profilmittelpunkte 41. Die kur­ zen, geraden Profilunterseiten 26 entstehen durch die Ver­ bindung der Radienendpunkte 38 bzw. 38 a mit den Katheten­ schnittpunkten 39 bzw. 39 a. Die Profilvorderkanten 28 tan­ gieren hierbei ebenfalls mit ihren Radien R _F .

Von den Kathetenschnittpunkten 39 bzw. 39 a ausgehend werden nun Teilstrecken C auf den Katheten A abgetragen. Eine Teil­ strecke C ist die Entfernung zwischen einem Profilmittel­ punkt 41 und dem spitzwinklig zusammenlaufenden Radius­ punkt 38 bzw. 38 a eines Flügelkörpers. Die dabei entstehenden Schnittpunkte mit den die beiden diagonal gegenüberliegen­ den Kathetenschnittpunkte 39 und 39 a verbindenden Katheten A bilden die Profilmittelpunkte 42 der inneren Flügelkörper 23 und 24. Um die inneren Profilmittelpunkte 42 werden wie­ der Kreisbögen mit den Radien R _F geschlagen die die runden Profilvorderkanten 28 der inneren Flügelkörper 23 und 24 bilden.

Die Strecke A wird nun in zwei gleich lange Teilstrecken A/2 geteilt und durch den dabei entstehenden Schnittpunkt 43 eine Parallele 44 zu der Kathete A₁ gelegt. Der Schnitt­ punkt der Parallelen 44 mit einen Kreisbogen 45 im Abstand der Teilstrecke C um den inneren Profilmittelpunkt 42 er­ gibt die Lage der Profilhinterkante 29 der inneren Flügel­ körper 23 bzw. 24. Nunmehr wird ein Kreisbogen mit dem Ra­ dius R des Kreises 37 so gelegt, daß er einerseits durch die Profilhinterkante 29 und anderenseits im Bereich des Schnittpunktes 43 mit dem Radius R _F der Profilvorderkante 28 tangiert und einer kurzen Profilunterseite 26 durch die Profilhinterkante 29 zum Radius R _F der Profilvorderkante 28 tangiert. Die Lage und die Form der inneren Flügelkörper 23 und 24 sind damit bestimmt.

Die Größe des Flügelrotors 11 wird durch den Radius R des Außenkreises 37 bestimmt. Die Profilflächen der Flügelkörper 21, 22, 23 und 24 sind gleichgroß und ergeben sich auch bei unterschiedlichen Radien R im stets gleichen Verhältnis. Durch den Radius R ist ebenfalls die konstruktive Anordnung der einzelnen Flügelkörper zueinander bestimmt und in einem bestimmten Winkel α zwischen den inneren Teilstrecken C und den Katheten A festgelegt.

• Bezugszeichen 10 Windkraftmaschine
  11 Flügelrotor
  12 Rotorachse
  13 obere Lagerung
  14 untere Lagerung
  15 Übertragungsmittel
  16 Getriebe
  17 Generator
  18 oberes Deckblech
  19 unteres Deckblech
  20 Flansch
  21 äußerer Flügelkörper
  22 äußerer Flügelkörper
  23 innerer Flügelkörper
  24 innerer Flügelkörper
  25 Rotormittelpunkt
  26 Profilunterseite
  27 Profiloberseite
  28 Profilvorderkante
  29 Profilhinterkante
  30 Drehrichtung
  31 Flügelbreite
  32 Flügelhöhe
  33 innerer Anstellwinkel
  34 Längsachse
  35 äußerer Anstellwinkel
  36 Flügelkörperteil
  36 a Flügelkörperteil
  37 Außenkreis
  38 Radiusendpunkt
  38 a Radiusendpunkt
  39 Kathetenschnittpunkt
  39 a Kathetenschnittpunkt
  40 Schnittpunkt
  40 a Schnittpunkt
  41 Profilmittelpunkt
  42 Profilmittelpunkt
  43 Schnittpunkt
  44 Parallele
  45 Kreisbogen

Claims (6)

1. Windkraftmaschine mit vertikal stehendem Flügelrotor, mit einem oberen Deckblech und einem unteren Deckblech, mit zwischen den Deckblechen angeordneten, im Querschnitt trag­ flächenförmigen äußeren Flügelkörpern, die symmetrisch zu dem Rotormittelpunkt einander gegenüberstehend in den Be­ reichen der freien Enden der Deckbleche angeordnet sind, wobei der Flügelrotor um eine durch den Rotormittelpunkt verlaufende Achse drehbar ist und jeder der gleichgestalteten Flügelkörper im Querschnitt ein Auftriebsprofil aufweist, das an einer runden Profilvorderkante in eine kurze Profilunterseite und eine lange Profiloberseite geteilt ist, die in einer spitzwinkligen Profilhinterkante wieder zusammengeführt sind und die Flügelkörper mit ihren kurzen Profilunterseiten gegeneinanderstehend zwischen den Deckblechen starr angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß beiderseits des Rotormittelpunktes (25) zwei weitere, gleich große innere Flügelkörper (23, 24) angeordnet sind, deren kurze Profilunterseiten (26) in einem vorbestimmten Abstand (42) parallel zueinander und in einem vorbestimmten Anstellwinkel (33) schräg zur Längsachse (34) des Flügelrotors (11) verlaufen.

2. Windkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Profilunterseiten (26) der äußeren Flügel­ körper (21, 22) in einem vorbestimmten Anstellwinkel (35) zu der Längsachse (34) des Flügelrotors (11) angeordnet sind und der Anstellwinkel (35) der äußeren Flügelkörper (21, 22) größer als der Anstellwinkel (33) der inneren Flügelkörper (23, 24) ist.

3. Windkraftmaschine nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite (31) des Flügelrotors (11) durch die Projektion der äußeren Flügelkörper (21, 22) in Richtung der Längsachse (34) bestimmt ist und die Projek­ tion der inneren Flügelkörper (23, 24) schmaler als die Projektion der äußeren Flügelkörper (21, 22) ist.

4. Windkraftmaschine nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Flügelkörper (21, 22, 23, 24) in ihrer Höhe (32) aufstockbar sind.

5. Windkraftmaschine nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Flügelkörper (21, 22, 23, 24) des Flügelrotors (11) aus mehreren, übereinandergesetzten Flü­ gelkörperteilen (36) besteht.

6. Windkraftmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich­ net, daß die Flügelkörperteile (36) der Flügelkörper (21, 22, 23, 24) versetzt zueinander angeordnet sind.