DE3919157A1 - Windkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Windkraftmaschine nach dem Oberbegriff der Ansprüche 1 und 18.

Windkraftanlagen sind bekannt. Sie nutzen die kineti­ sche Energie des den Windradkreis durchströmenden Win­ des aus. Ihre Funktion besteht demnach in einer Umwand­ lung der Bewegungsenergie des Windes in nutzbare mecha­ nische Energie eines Antriebselementes, mit dessen Hil­ fe nutzbare Arbeit geleistet bzw. nutzbare Energie ge­ wonnen wird. Als Antriebselement kommt beispielsweise eine mechanische Pumpe oder ein elektrischer Generator in Betracht.

Die natürliche Windströmung weist je nach Geschwindig­ keit eine Energiedichte auf, die in windreichen Gebie­ ten beispielsweise zwischen 300 und 700 Watt pro Qua­ dratmeter (W/m²) beträgt. Windenergie steht im Gegen­ satz beispielsweise zur Sonnenenergie praktisch Tag und Nacht zur Verfügung. Darüber hinaus entspricht das jahreszeitliche Windangebot in Mitteleuropa weitgehend dem Bedarfsverlauf, es steigt nämlich im Herbst und Winter mit zunehmender Energienachfrage.

Bei neuzeitlichen Windkraftanlagen werden die Formen der Windräder und deren Flügel nach aerodynamischen Gesichtspunkten gestaltet und ihre Auslegung vorausbe­ rechnet, wobei ein Wirkungsgrad von bis zu 80% der den Windradkreis durchströmenden Windenergie erreicht wer­ den. Hierbei spielt die Windgeschwindigkeit eine große Rolle, denn die Leistung eines Windrades bzw. der damit ausgestatteten Windkraftanlage wächst mit der dritten Potenz der Windgeschwindigkeit.

Auf Grund ihrer Bauart wird zwischen Windrädern, auch als Windturbinen bezeichnet, mit horizontaler und ver­ tikaler Achse unterschieden. Beide Grundtypen umfassen je nach Bauart der verwendeten Windräder oder Rotoren sog. "Langsamläufer" oder "Schnelläufer". Dabei gibt die Schnellaufzahl eines Windrades bzw. einer Windtur­ bine das Verhältnis von Umlaufgeschwindigkeit der Flügelspitzen bzw. der Rotorperipherie zur Windge­ schwindigkeit an.

Mit dem Begriff "Windkraftanlage" wird beim Stand der Technik eine Maschineneinheit aus Windrad bzw. Wind­ turbine und Antriebselement wie Pumpe, Generator etc. bezeichnet. Anstelle des Begriffes "Windkraftanlage" wird vielfach in der Fachsprache auch der neuere Be­ griff "Windenergiekonverter" verwendet.

Zur Zeit existieren weltweit einige tausend überwiegend in windreichen Regionen, beispielsweise von Dänemark oder der USA, installierte und teilweise in Windparks zusammengefaßte Windkraftanlagen, wobei Einheiten mit einer Leistung bis 100 kW zu den beim Stand der Technik am weitesten ausgereiften Anlagen zählen.

Im Gegensatz zu solchen problemlos betreibbaren und technisch weitgehend ausgereiften kleineren bzw. mitt­ leren Windenergiekonvertern treten bei großen Wind­ kraftanlagen mit einigen MW Leistung ("Growian") er­ hebliche Probleme auf. Bei dem dabei erreichten Durch­ messer des Windradkreises der Windturbine wird nämlich einerseits die Grenzfestigkeit des verfügbaren Mate­ rials erreicht und andererseits neigen die Windturbi­ nenflügel zu Schwingungen, welche einerseits zu Stör­ geräuschen wie Brummtönen und andererseits zu vorzei­ tiger Materialermüdung und folglich zu Materialbrüchen führen.

Ein weiterer Nachteil eines großen Windradkreisdurch­ messers besteht darin, daß die Windgeschwindigkeiten bei zunehmender Höhe über Grund zunehmen, wobei zwi­ schen einer Windgeschwindigkeit im bodennahen Bereich und der Windgeschwindigkeit in einer Höhe von bei­ spielsweise 150 Metern ein exponentieller Verlauf der Windgeschwindigkeitszunahme zu verzeichnen ist. Für den praktischen Fall einer Windturbine mit einem vergleichs­ weise großen Windradkreis ergibt sich hieraus, daß der Bereich der Flügelspitzen entsprechend ihrer jeweiligen Stellung im Windradkreis abwechselnd Bereiche unter­ schiedlicher Windgeschwindigkeiten durchläuft. Ersicht­ licherweise können sich hieraus erhebliche Wirkungs­ gradverluste ergeben. Um solche Verluste tunlichst zu vermeiden, müßten demnach Windturbinen mit großen Wind­ radkreisdurchmessern auf sehr großer Höhe angeordnet sein, um in einem Bereich mit annähernd gleichen Wind­ geschwindigkeiten arbeiten zu können. Hierdurch werden die Baukosten einer entsprechenden Windkraftanlage überproportional erhöht.

Um solche Nachteile zu vermeiden, wurde bereits vorge­ schlagen, einen Windkanal in Form eines rotationssymme­ trischen Körpers mit in Windrichtung einstellbarer Achse vorzusehen, dessen Längsschnitt eine Verengung nach Art einer Venturi-Düse aufweist. Im Bereich dieser Verengung befinden sich, auf einer drehbar gelagerten Welle angeordnet, ein oder mehrere Laufräder mit Turbi­ nenbeschaufelung. Durch diese in einem venturiartigen Turbinengehäuse angeordneten Turbinenräder soll durch Erhöhung der Durchströmungsgeschwindigkeit des engsten Querschnitts bei vergleichsweise kleinem Turbinenrad­ durchmesser ein hoher Wirkungsgrad der Windturbine er­ reicht werden, weiterhin ein günstiges Anlaufverhalten bei geringen Windgeschwindigkeiten sowie eine Ver­ gleichmäßigung der Strömungsgeschwindigkeit im Arbeits­ bereich der Windturbine. Nachteilig ist bei dieser Bau­ weise der Aufwand für ein entsprechend großes Wind­ kanalgehäuse, und weiterhin stellen die im Zentrum und somit im Bereich der höchsten Strömungsgeschwindigkeit befindlichen Lagerungen Störkörper dar, die einen er­ heblichen Leistungsverlust verursachen können. Der Größenordnung und somit dem Leistungsbereich einer der­ artigen Anlage sind somit enge Grenzen gezogen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wind­ kraftmaschine zu schaffen, die eine im Vergleich zum Durchmesser des Windradkreises hohe spezifische Lei­ stung mit einem verbesserten Wirkungsgrad aufweist, eine kompakte Bauweise ermöglicht, und die bei ver­ gleichsweise niedrigen Windgeschwindigkeiten im Schwachlastbetrieb arbeitet bzw. ohne Starthilfe an­ läuft.

Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die Merkmale des An­ spruchs 1 bzw. 18.

Die Erfindung ermöglicht es, dadurch daß der Flügel in Axialrichtung spiralförmig verläuft, bezogen auf einen gegebenen Windradkreis, eine große Flügelfläche vorzu­ sehen, die ein hohes Drehmoment erzeugt. Die Windkraft­ maschine kann daher ohne Starthilfe anlaufen und schon bei niedrigen Windgeschwindigkeiten Energie abgeben. Wirkungsgradverluste in Folge eines großen Windrad­ kreises werden in vorteilhafter Weise vermieden und dadurch der Wirkungsgrad verbessert. Auf Grund des im Verhältnis zur abgegebenen Leistung verringerten Wind­ radkreises ist auch eine kompakte Bauweise möglich. Dadurch daß nicht nur die Flügelwurzel sondern auch das Flügelende an Lagerstellen befestigt ist, ergibt sich ein besonders stabiles Windrad, das auch bei hohen Wind­ geschwindigkeiten eine hohe Bruchfestigkeit aufweist.

Zwischen den beiden Lagerstellen des Flügels vergrößert sich der Windradkreis in einem ersten Bereich zunächst kontinuierlich in Antriebsrichtung. Das Flügelende ist dann ausgehend von dem Flügelbereich mit dem größten Windraddurchmesser mit sich stetig verkleinerndem Wind­ raddurchmesser an der stromabwärtigen Lagerstelle be­ festigt.

Gemäß Anspruch 18 ist in der axialen Projektion des Windradkreises ein mit der Rotationsachse des Windrades koaxialer Verdrängungskörper angeordnet. Der bzw. die Flügel des Windrades sind in schräger Anordnung sowohl relativ zur Richtung des Umfangs als auch relativ zur Richtung der Längsachse des Verdrängungskörpers nach Art einer Helix mit einer bzw. jeweils einer spiral­ förmig um den Verdrängungskörper verlaufenden Windung ausgebildet.

Die Anordnung des Verdrängungskörpers im Arbeitsbereich des Windrades bewirkt eine Verdichtung der Strömungs­ linien und damit eine Geschwindigkeitserhöhung der um den Verdrängungskörper herumgeleiteten Strömung. Durch diesen Bereich erhöhter Strömungsgeschwindigkeit bewe­ gen sich die in ihrer Formgebung dem Verdrängungskörper angepaßten und diesen nach Art einer Helix mit spiral­ förmigen Windungen umgebenden Flügel des Windrades. Hierbei ergibt sich ein im Verhältnis zur Länge der Flügel des Windrades vergleichsweise kleiner Windrad­ kreis, insbesondere relativ zur bekannten Windradform mit radial gestreckten Flügeln. Weiterhin wird mit der Ausgestaltung der Windkraftmaschine bzw. ihres Windra­ des nach der Erfindung eine außerordentlich kompakte Bauform erreicht, die infolgedessen der Ausführung in einer wirtschaftlich sinnvollen Dimension problemlos zugängig ist. Weiterhin ist die Lagerung einer die Flügel tragenden Welle und die Anordnung eines An­ triebselementes, sei es eine Pumpe oder ein Generator, im Inneren des Verdrängungskörpers ohne Schwierigkeiten möglich, dieser stellt somit keinen Störkörper dar, sondern ist infolge seiner Wirkung zur Stromlinienver­ dichtung und Geschwindigkeitserhöhung der Windströmung nunmehr ein wichtiges Funktionselement der Windkraft­ maschine.

Eine Ausgestaltung sieht vor, daß die in spiralförmigen Windungen ausgebildeten Flügel des Windrades sich we­ nigstens entlang eines axialen Teilbereiches des Ver­ drängungskörpers erstrecken.

Eine Ausführungsform der Windkraftmaschine sieht vor, daß der Verdrängungskörper drehfest angeordnet ist und die Flügel des Windrades im Abstand von der Außenwand des Verdrängungskörpers angeordnet und relativ zum feststehenden Verdrängungskörper mit der Welle in einer Lageranordnung des Verdrängungskörpers drehbar gelagert sind. Hiermit ergibt sich eine funktionell wirkungsvolle und zugleich für die Herstellung unkomplizierte Bauform der Windkraftmaschine nach der Erfindung.

Dabei sind zweckmäßig die Flügel in gleichbleibendem Abstand von der Außenwand des Verdrängungskörpers an­ geordnet.

Wenn auch die vorgenannte Ausführungsform mit fest­ stehendem Verdrängungskörper und drehbar angeordneten Flügeln des Windrades eine bevorzugte, weil einfache und zweckmäßige Bauart der Windkraftmaschine nach der Erfindung darstellt, ist es auch möglich, die Flügel an der Außenwand des Verdrängungskörpers zu befestigen und diesen Verdrängungskörper mitsamt den Flügeln als Wind­ radeinheit drehbar zu lagern.

Ein weiteres vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der Wind­ kraftmaschine sieht vor, daß das Windrad wenigstens zwei Flügel aufweist, welche durch einen zum Verdrän­ gungskörper koaxial angeordneten und mit den Flügeln umlaufenden Strömungsleitring miteinander verbunden sind.

Dabei kann der Strömungsleitring so ausgebildet sein, daß er mit dem von ihm überdeckten Bereich der Außen­ wand des Verdrängungskörpers einen ringförmigen Strö­ mungskanal mit einer düsenförmigen Verengung nach Art einer Venturi-Düse bildet.

Durch diese Maßnahme werden die Strömungslinien der Umströmung des Verdrängungskörpers im Zusammenwirken mit der Düsenwirkung im ringförmigen Strömungskanal des Strömungsleitringes insbesondere im Bereich der düsen­ förmigen Verengung beschleunigt und somit die Reaktions­ kräfte auf die Flügelflächen verstärkt.

Sehr vorteilhaft kann zur Erzeugung einer entsprechen­ den Wirkung auch die Ausgestaltung vorgesehen sein, daß der stationäre Verdrängungskörper im Bereich seines größten Durchmessers ein umlaufend gelagertes Wandteil aufweist, welches eine Anzahl am Umfang in gleichmäßi­ gen Winkelabständen angeordneter, in ihrer axialen Er­ streckung vergleichsweise kurzer Flügel aufweist, wobei die Flügel an ihrer Peripherie durch einen Strömungs­ leitring miteinander verbunden sind.

Hierdurch entfällt eine Anlenkung der Flügel an einen Wellenkopf an der Anströmseite des Verdrängungskörpers. Dies verhindert vorteilhaft das Auftreten von Turbulen­ zen und Strömungsstörungen auf der Anströmseite des Verdrängungskörpers.

Die zu der Windkraftmaschine mit Verdrängungskörper genannten Ausführungsvarianten und deren Vorteile gel­ ten auch, soweit technisch nicht ausgeschlossen, für das Ausführungsbeispiel ohne Verdrängungskörper.

Die Erfindung wird in schematischen Zeichnungen in be­ vorzugten Ausführungsformen gezeigt, wobei aus den Zeichnungen weitere vorteilhafte Einzelheiten der Er­ findung entnehmbar sind.

Die Zeichnungen zeigen im einzelnen:

Fig. 1 eine Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels der Windkraftmaschine,

Fig. 2 eine Seitenansicht der Windkraftmaschine gemäß Fig. 1, mit um 90° verdrehten Flügeln,

Fig. 3 eine Frontansicht der Windkraftmaschine gemäß Fig. 1 und Fig. 2,

Fig. 4 eine Frontansicht einer Windkraftmaschine gemäß Fig. 3, jedoch in einer Ausführungs­ variante, bei welcher die Flügel durch einen Strömungsleitring miteinander verbunden sind,

Fig. 5 eine Seitenansicht der Windkraftmaschine gemäß Fig. 4, mit dem Strömungsleitring im Schnitt einer mit der Rotationsachse zusam­ menfallenden Schnittebene,

Fig. 6 eine Frontansicht einer Windkraftmaschine mit einem dreiflügeligen Windrad,

Fig. 7 eine Seitenansicht einer anderen Ausführung der Windkraftmaschine mit auf einem umlaufen­ den Wandteil angeordneten Flügeln und einem im Längsschnitt dargestellten Strömungsleit­ ring,

Fig. 8 eine Frontansicht eines weiteren Ausführungs­ beispiels ohne Verdrängungskörper,

Fig. 9 eine Seitenansicht des Ausführungsbeispiels der Fig. 8,

Fig. 10 eine gegenüber Fig. 9 um 90° gedrehte Seiten­ ansicht des Ausführungsbeispiels der Fig. 8 und

Fig. 11a, 11b, 11c unterschiedliche Querschnittsprofile der Flügel.

Die in der Fig. 1 dargestellte Windkraftmaschine weist ein Windrad 2 auf, welches in der axialen Projektion eines quer zur Windrichtung 17 ausrichtbaren Windrades 2 mit einer horizontalen Abtriebswelle 6 drehbar ange­ ordnet ist. Ein wesentliches Merkmal dieser Windkraft­ maschine besteht darin, daß ein mit der Rotationsachse x-x des Windrades 2 koaxialer Verdrängungskörper 3 von den Flügeln 4 a, 4 b des Windrades 2 in gewundener schrä­ ger Anordnung sowohl relativ zur Richtung des Umfanges als auch relativ zur Richtung der Längsachse des Ver­ drängungskörpers 3 nach Art einer Helix mit jeweils einer spiralförmig um den Verdrängungskörper 3 verlau­ fenden Windung 12 umgeben ist. Die Projektion des Wind­ radkreises 1 ist durch die strichpunktierten Linien 20 a, 20 b angedeutet.

Die die Flügel 4 a, 4 b tragende Abtriebswelle 6 ist im Innern des Verdrängungskörpers 3 in einer vorzugsweise mit Wälzlagern ausgebildeten Lagerung 7 gelagert. Wei­ terhin ist im Innern des vorzugsweise hohl ausgeführten Verdrängungskörpers 3 ein Antriebsaggregat 18, bei­ spielsweise ein Generator, untergebracht, der von der Abtriebswelle 6 angetrieben wird. Der Verdrängungskör­ per 3 ist an einem Tragarm 19 mit einem Schwenklager 21 mit vertikaler Achse in die Windrichtung 17 schwenkbar angeordnet.

Ersichtlich hat die schraubenlinienförmige Anordnung der Flügel 4 a, 4 b des Windrades 2 mit ihren Windungen 12 den Vorteil, daß die Flügel 4 a, 4 b im Verhältnis zu ihrer Länge im Gegensatz zu radial ausgestreckten Flü­ geln üblicher Bauart nur einen sehr viel kleineren Windradkreis 1 beanspruchen.

Weiterhin bewirkt der Verdrängungskörper 3 eine Konzen­ tration der Stromlinien des den Verdrängungskörper 3 umströmenden Windes und damit eine Geschwindigkeitszu­ nahme dieser Stromlinien bei der Umströmung des Ver­ drängungskörpers 3, zumindest bis in den Bereich 3 a des größten Durchmessers seiner Wandung 5.

Damit werden die im Bereich des wandnahen Umströmungs­ feldes des Verdrängungskörpers 3 angeordneten spiral­ förmigen Reaktionsflächen der Flügel 4 a, 4 b mit einem vergleichsweise hohen Drehmoment in Drehbewegung ver­ setzt.

Hierfür ist es zweckmäßig, daß die in spiralförmigen Windungen 12 ausgebildeten Flügel 4 a, 4 b des Windrades 2 sich wenigstens entlang eines axialen Teilbereiches 5 a der Außenwand 5 des Verdrängungskörpers 3 erstrecken.

Eine Ausführungsform der Windkraftmaschine sieht vor, daß der Verdrängungskörper 3 drehfest in der Rotations­ achse x-x des Windrades 2 angeordnet ist und daß die Flügel 4 des Windrades 2 im Abstand A von der Außenwand 5 des Verdrängungskörpers 3 mit der Abtriebswelle 6 in einer Lageranordnung 7 im Verdrängungskörper 3 drehbar gelagert sind.

Zweckmäßigerweise haben die Flügel 4 dabei einen gleichbleibenden Abstand A von der Außenwand 5. Dieser Abstand A eines zwischen der Flügelkante 10 und der Außenwand 5 des Verdrängungskörpers 3 umlaufenden Spaltes liegt beispielsweise im Bereich zwischen 20 und 40 mm, vorzugsweise ca. 30 mm.

Bei einer anderen Ausführungsform sind die Flügel mit der mitrotierenden Außenwand des Verdrängungskörpers verbunden, der mit den Flügeln als rotierbare Einheit drehbar gelagert ist. Eine solche Ausführungsform ist in den Figuren nicht gezeigt.

In der Fig. 2 ist das Windrad 2 mit einer anderen Stellung der Flügel 4 a, 4 b gezeigt. Dabei sind diese gegenüber der Darstellung in Fig. 1 um 90° gedreht. Die Darstellung verdeutlicht insbesondere die räumliche Anordnung der Flügel 4 sowohl relativ zur Richtung des Umfangs, als auch relativ zur Richtung der Längsachse des Verdrängungskörpers 3 nach Art einer Helix mit jeweils einer spiralförmig um den Verdrängungskörper 3 herum verlaufenden Windung 12. Erkennbar ist auch der Abstand A zwischen der Außenwand 5 des Verdrängungs­ körpers 3 und einer Flügelkante 10. Weiterhin zeigt die Zusammenschau der Fig. 1 und 2, daß der Verdrän­ gungskörper 3 ein im Querschnitt rotationssymmetrischer und im Längsschnitt mit einer vorzugsweise tropfenför­ migen Stromlinienform ausgebildeter Körper ist, dessen Innenraum 13 die Lageranordnung 7 des Windrades 2 sowie vorzugsweise ein Antriebselement 18 aufnimmt (Fig. 1).

Weiterhin ist aus der Fig. 2 erkennbar, daß die Enden 14 a, 14 b der Flügel 4 a, 4 b zu einer die Rotationsachse x-x rechtwinklig schneidenden Ebene z-z im spitzen Win­ kel β angeordnet sind.

In der Fig. 5 sind typische Strömungsprofile 8 der Flü­ gel 4 gezeigt. Diese sind nach Art einer Flugzeugtrag­ fläche mit einer tropfenförmigen Flügelnase 9 und spitz zulaufenden Flügelhinterkanten 10 ausgebildet.

Dabei kann gemäß weiterer Darstellungen in der Fig. 5 das Strömungsprofil 8 b in etwa radialer Ausrichtung zur Rotationsachse x-x des Windrades 2 angeordnet sein. Es kann aber auch das Strömungsprofil 8 a im spitzen Winkel α zu einer von der Rotationsachse x-x ausgehenden Radi­ alen R ausgerichtet sein.

Die drei strichpunktierten Schnittlinien I, II, III im unteren Teil der Fig. 5 zeigen unterschiedliche Stel­ lungen der Flügelprofile 8 a, 8 b, 8 c relativ zur Rota­ tionsachse x-x. Diese unterschiedlichen Flügelstellun­ gen ergeben sich je nach Gestaltung des Windrades ent­ weder als Langsamläufer oder als Schnelläufer. Dabei entspricht die sog. Schnellaufzahl eines Windrades dem Verhältnis von Umlaufgeschwindigkeit der Flügelspitzen zur Windgeschwindigkeit.

Das Flügelprofil 8 ist vorzugsweise so angeordnet, daß die Flügel 4 mit der Hinterkante 10 gegen die Außenwand des Verdrängungskörpers 3 und mit der Flügelnase 9 in Drehrichtung 15 weisend angeordnet sind. Dabei sind entsprechend dem Stromlinienverlauf um den Verdrängungs­ körper 3 herum die Flügel 4 des Windrades 2 so ausge­ legt, daß sie die Außenwand 5 des Verdrängungskörpers 3 von der Anströmseite her bis wenigstens zum axialen Bereich 3 b mit dem größten Durchmesser überstreichen.

Weiterhin kann die Windkraftmaschine mit Vorteil so ausgestaltet sein, daß das Windrad 2 wenigstens zwei Flügel 4 a, 4 b aufweist, welche gemäß Darstellung in den Fig. 4, 5 und 7 durch einen zum Verdrängungskörper 3 koaxialen, mitrotierenden Strömungsleitring 11 mitein­ ander verbunden sind. Dabei bildet dann der Strömungs­ leitring 11 mit dem von diesem überdeckten Bereich der Außenwand 5 des Verdrängungskörpers 3 einen ringförmi­ gen Strömungskanal 22 mit einer düsenförmigen Verengung 23 nach Art einer Venturi-Düse. In diesem Strömungskanal 22 ergibt sich im Zusammenwirken mit dem Verdrängungs­ körper 3 ein Windkanaleffekt mit zum engsten Querschnitt hin zunehmender Durchströmungsgeschwindigkeit des die Windkraftmaschine anströmenden Windprofils.

In der Fig. 7 ist eine Ausführungsform der Windkraftma­ schine gezeigt, bei welcher der stationäre Verdrän­ gungskörper 3 im Bereich seines größten Durchmessers ein umlaufend gelagertes Wandteil 16 aufweist. An diesem sind am Umfang in gleichmäßigen Winkelabständen angeordnet vergleichsweise kurze Flügel 4 a befestigt. Diese sind an ihrer Peripherie durch den Strömungsleit­ ring 11 a miteinander verbunden.

Mit dieser Anordnung wird der Vorteil erreicht, daß die Anströmseite 24 des Verdrängungskörpers 3 frei von Stör­ körpern ist. Ein solcher Störkörper wird beispielsweise von der Nabe 25 der die Flügel 4 a, 4 b tragenden Welle 6 gebildet, wie dies beispielsweise aus der Fig. 4 erkenn­ bar ist.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 7 entfällt ein derar­ tiger Störkörper.

Fig. 6 zeigt in Frontansicht eine Ausführung der Wind­ kraftmaschine mit drei Flügeln 4 a, 4 b, 4 c. Im übrigen ist in den Fig. 3 und 6 jeweils ein Windradkreis 1 eingezeichnet. Dieser stellt den maximalen Außendurch­ messer der Flügel 4 a, 4 b des Windrades 2 dar. Anhand des Windradkreises 1 ist anschaulich zu erkennen, daß dieser im Verhältnis zur Länge der Windradflügel 4 a, 4 b, 4 c vergleichsweise erheblich kleiner ist, als ein Windradkreis bei gleicher Länge der Flügel, jedoch mit radial ausgestreckten Flügeln sein würde.

Die beschriebene Windkraftmaschine zeichnet sich durch Einfachheit und Wirksamkeit aus. Infolge der Wirkung des Verdrängungskörpers und gegebenenfalls eines damit zusammenwirkenden Strömungsleitkörpers arbeiten die vom Wind beaufschlagten Windradflügel 4 a, 4 b, 4 c im Bereich einer verdichteten und beschleunigten Windströmung in der Umgebung des Verdrängungskörpers 3. Insofern kann von einer idealen Lösung der eingangs gestellten Aufga­ be gesprochen werden.

Eine Leistungsverbesserung der Windturbine hat sich bei einer Form des Flügelprofils herausgestellt, bei der die Flügel 4, in einer mit der Rotationsachse x-x zu­ sammenfallenden Schnittebene gesehen, ein rinnenförmi­ ges Profil aufweisen, wobei die angeströmte Flügel­ fläche in Richtung gegen die Windrichtung konkav aus­ gebildet ist.

Fig. 8 zeigt eine Frontansicht eines weiteren Ausfüh­ rungsbeispiels ohne Verdrängungskörper. Wie aus Fig. 8 ersichtlich, bilden die beiden Flügel 4 des Windrades 2 in der Frontalansicht die Form einer 8. Beide Flügel 4 sind zweifach auf der Drehachse x-x zusammen mit der Abtriebswelle 6 gelagert, wobei die Lagerstellen 26, 27 gemäß Fig. 9 einen Abstand voneinander haben, der in etwa dem Windradkreisdurchmesser entspricht.

Alle in Verbindung mit den Fig. 1 bis 7 erläuterten Varianten der Ausführungsbeispiele mit Verdrängungskör­ per sollen soweit technisch sinnvoll auch in Kombina­ tion mit den Ausführungsbeispielen der Fig. 8 bis 10 als offenbart gelten.

Aus Fig. 9 ist erkennbar, daß der überwiegende Teil eines jeden Flügels 4 derart spiralförmig gewunden ist, daß er in der in Fig. 9 gezeigten Stellung in der Pro­ jektion einen Winkel von ca. 45° zu der Drehachse ein­ nimmt. Jeder Flügel 4 verläuft zunächst ausgehend von der Lagerung 26 in einem ersten Abschnitt radial nach außen, in einem zweiten Abschnitt zunächst in Axial­ richtung entgegen der Windrichtung und in einem dritten Abschnitt in Axialrichtung mit der Windrichtung zu der stromabwärtigen Lagerstelle 27. Dabei durchläuft der Flügel nochmals einen im wesentlichen radial verlaufen­ den, auf die Lagerstelle 27 zulaufenden vierten Ab­ schnitt 31. Der zweite und der dritte Abschnitt 29, 30 verlaufen vorzugsweise unter dem bereits genannten Win­ kel von 45° zur Drehachse. Jeder Flügel 4 ist in bezug auf eine zu dem Windradkreis parallele Ebene stets so geneigt, daß die Windenergie auf der gesamten Flügel­ fläche ein Drehmoment in gleicher Richtung erzeugt. Der Anstellwinkel der Sehne des Flügelprofils zur Windrich­ tung kann dergestalt vorgesehen sein, daß die Flügel­ fläche in jeder axialen Position im wesentlichen parallel zu der Verbindungslinie zur Mitte zwischen den Lagerstellen 26, 27 auf der Drehachse x-x verläuft.

Die Abtriebswelle 6 kann, wie bei dem anderen Ausfüh­ rungsbeispiel über eine Lagerung 7 mit dem Tragarm 19 verbunden sein. Die Flügel sind dabei so geformt, daß sie bei der Drehung zwischen sich einen kugelförmigen oder auch ovalen Raum frei lassen, in dem gegebenen­ falls ein Verdrängungskörper 3 wie aus den zuvor be­ schriebenen Ausführungsbeispielen angeordnet sein kann.

Der Flügel kann ein aerodynamisches Profil entsprechend einer Tragflügelfläche aufweisen, wobei bei dem Aus­ führungsbeispiel die Flügelnase 9 nach innen gerichtet ist, während die Flügelkante 10 nach außen weist.

Das Flügelprofil kann auch im Querschnitt Profilformen annehmen, wie in den Fig. 11a, 11b und 11c gezeigt. Der Flügel ist dabei stets so gewunden, daß sich das Profil zur Windrichtung hin öffnet. Die Profile, hier insbesondere die Profile der Fig. 11b und 11c, füh­ ren den anströmenden Wind mit ihren Seitenwänden 34, wodurch ein Abströmen über die Flügelkanten verhindert wird und der Wirkungsgrad erhöht werden kann.

Dabei kann es auch von Vorteil sein, gemäß Fig. 11c auch auf der Rückseite des Flügels 4 Seitenwände 34 vorzusehen, die verhindern, daß von der Rückseite ein Gegendrehmoment auf den Flügel 4 ausgeübt wird.

In Fig. 8 sind Schnitte A-A, B-B, C-C durch einen Flü­ gel gekennzeichnet, die in der Profilform identisch sind, jedoch hinsichtlich der Dimensionierung unter­ schiedlich sein können.

Beispielsweise kann die Flügelbreite im Bereich des größten Windradkreises größer sein als im Anfangs- und Endbereich.

Claims (34)

1. Windkraftmaschine mit einem mindestens einen Flügel aufweisenden Windrad mit einer in einer horizontalen Drehachse gelagerten Abtriebswelle, die einerseits mit dem Windrad und andererseits mit einem Antriebselement verbunden ist und deren Drehachse parallel zur horizontalen Windrichtungs­ komponente ausrichtbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Flügel (4) in Axialrichtung spiralförmig um die Drehachse (x-x) gewunden ist und an zwei mit axialem Abstand voneinander angeordneten Stellen (26, 27) gelagert ist, von denen mindestens eine mit der Abtriebswelle (6) verbunden ist.

2. Windkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Windradkreis (1) in Strömungs­ richtung einen zunächst zunehmenden und an­ schließend abnehmenden Durchmesser aufweist.

3. Windkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Flügel (4) vorgesehen sind, die jeweils einen Umfangsbereich von ca. 180° überdecken.

4. Windkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Flügelprofil mit zunehmendem Abstand von der stromaufwärtigen Lagerstelle (26) eine zunächst bis zum größten Windradkreisdurchmesser zunehmende und an­ schließend abnehmende Breite aufweist.

5. Windkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Flügellängs­ achse zwischen den Lagerstellen (26, 27) bei Pro­ jektion auf die Drehachse einen Winkel von ca. 45° zur Drehachse (x-x) einnimmt.

6. Windkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß koaxial zur Dreh­ achse (x-x) ein aerodynamischer Verdrängungskörper (3) angeordnet ist und daß der mindestens eine Flügel (4) spiralförmig der Mantelfläche des Ver­ drängungskörpers (3) sowohl in Umfangsrichtung als auch in Axialrichtung angepaßt ist.

7. Windkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Flügelprofil eine im Querschnitt konkave, dem Wind entgegenge­ richtete Querschnittsform aufweist.

8. Windkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Flügelprofil im Querschnitt eine der Windrichtung entgegengerich­ tete U-Profilierung aufweist.

9. Windkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Flügelprofil im Querschnitt doppel-T-förmig ist.

10. Windkraftmaschine nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdrängungs­ körper (3) drehfest in der Drehachse (x-x) des Windrades (2) angeordnet ist und daß der Flügel (4) des Windrades im Abstand (A) von der Mantel­ fläche (5) des Verdrängungskörpers (3) mit der Abtriebswelle (6) im Verdrängungskörper (3) dreh­ bar gelagert ist.

11. Windkraftmaschine nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Flügel (4) im gleichbleibenden Abstand (A) von der Außenwand (5) angeordnet ist.

12. Windkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Flügel (4) mit einem Strömungsprofil (S) nach Art einer Flugzeug­ tragfläche mit einer tropfenförmigen Flügelnase (9) und spitz zulaufenden Flügelhinterkanten (10) ausgebildet ist.

13. Windkraftmaschine nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdrängungs­ körper (3) ein im Querschnitt rotationssymmetri­ scher und im Längsschnitt mit einer vorzugsweise tropfenförmigen Stromlinienform ausgebildeter Kör­ per ist, dessen Innenraum (13) die Lagerung (7) des Windrades (2) sowie vorzugsweise ein Antriebs­ element aufnimmt.

14. Windkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Flügel (4) mit ihrem Strömungsprofil (8) in etwa radialer Aus­ richtung zur Rotationsachse (x-x) des Windrades (2) angeordnet sind.

15. Windkraftmaschine nach einem der Ansprüche 6 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Windrad (2) mehrere Flügel (4) aufweist, die durch einen zum Verdrängungskörper (3) koaxialen Strömungsleitring (11) miteinander verbunden sind.

16. Windkraftmaschine nach einem der Ansprüche 6 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungsleit­ ring (11) mit dem von diesem überdeckten Bereich der Außenwand (5) des Verdrängungskörpers (3) einen ringförmigen Strömungskanal (22) mit einer düsenförmigen Verengung (23) nach Art einer Ven­ turi-Düse bildet.

17. Windkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Flügelenden an der stromabwärtigen Lagerung (7) in einem zur Drehachse (x-x) koaxialen, mit der Abtriebswelle verbundenen Ring enden.

18. Windkraftmaschine mit einem mindestens einen Flü­ gel aufweisenden Windrad mit einer in einer hori­ zontalen Drehachse gelagerten Abtriebswelle, die einerseits mit dem Windrad und andererseits mit einem Antriebselement verbunden ist und deren Drehachse parallel zur Windrichtung ausrichtbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß koaxial zur Drehachse (x-x) ein aerodynami­ scher Verdrängungskörper (3) angeordnet ist und daß der mindestens eine Flügel (4) spiralförmig der Mantelfläche (5) des Verdrängungskörpers (3) sowohl in Umfangsrichtung als auch in Axialrich­ tung angepaßt ist.

19. Windkraftmaschine nach Anspruch 18, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der in spiralförmigen Windungen (12) ausgebildete Flügel (4) des Windrades (2) sich wenigstens entlang eines axialen Teilbereichs (5 a) der Mantelfläche (5) des Verdrängungskörpers (3) erstreckt.

20. Windkraftmaschine nach einem der Ansprüche 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdrängungs­ körper (3) fest in der Drehachse (x-x) des Wind­ rades (2) angeordnet ist und der Flügel (4) des Windrades im Abstand (A) von der Mantelfläche (5) des Verdrängungskörpers (3) mit der Abtriebswelle (6) im Verdrängungskörper (3) drehbar gelagert ist.

21. Windkraftmaschine nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Flügel (4) im gleichbleibenden Abstand (A) von der Außenwand (5) angeordnet ist.

22. Windkraftmaschine nach Anspruch 18 oder 19, da­ durch gekennzeichnet, daß der Flügel (4) mit der Mantelfläche (5) des Verdrängungskörpers (3) ver­ bunden ist und daß der Flügel (4) und der Verdrän­ gungskörper (3) als Einheit drehbar gelagert sind.

23. Windkraftmaschine nach einem der Ansprüche 18 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß der Flügel (4) mit einem Strömungsprofil (8) nach Art einer Flugzeug­ tragfläche mit einer tropfenförmigen Flügelnase (9) und spitz zulaufenden Flügelhinterkanten (10) ausgebildet ist.

24. Windkraftmaschine nach einem der Ansprüche 18 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdrängungs­ körper (3) ein im Querschnitt rotationssymmetri­ scher und im Längsschnitt mit einer vorzugszweise tropfenförmigen Stromlinienform ausgebildeter Kör­ per ist, dessen Innenraum (13) die Lagerung (7) des Windrades (2) sowie vorzugsweise das Antriebs­ element aufnimmt.

25. Windkraftmaschine nach einem der Ansprüche 18 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Flügel (4) mit ihrem Strömungsprofil (8) in etwa radialer Aus­ richtung zur Rotationsachse (x-x) des Windrades (2) angeordnet sind.

26. Windkraftmaschine nach Anspruch 25, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Strömungsprofil (8) im spitzen Winkel (α) zu einer von der Rotationsachse (x-x) ausgehenden Radialen (R) ausgerichtet ist.

27. Windkraftmaschine nach einem der Ansprüche 18 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Flügel (4) mit der Hinterkante (10) gegen die Mantelfläche (5) des Verdrängungskörpers (3) und mit der Flügelnase (9) in Drehrichtung (15) weisend angeordnet sind.

28. Windkraftmaschine nach einem der Ansprüche 18 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß die Flügel (4) die Mantelfläche (5) des Verdrängungskörpers (3) von der Anströmseite her bis wenigstens zum axialen Bereich (3 b) mit dem größten Durchmesser über­ streichen.

29. Windkraftmaschine nach einem der Ansprüche 18 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden (14) der Flügel (4) im spitzen Winkel (β) zu einer die Ro­ tationsachse (x-x) rechtwinklig schneidenden Ebene (z-z) angeordnet sind.

30. Windkraftmaschine nach einem der Ansprüche 18 bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß das Windrad (2) mehrere Flügel (4) aufweist, die durch einen zum Verdrängungskörper (3) koaxialen Strömungsleitring (11) miteinander verbunden sind.

31. Windkraftmaschine nach einem der Ansprüche 18 bis 30, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungsleit­ ring (11) mit dem von diesem überdeckten Bereich der Außenwand (5) des Verdrängungskörpers (3) einen ringförmigen Strömungskanal (22) mit einer düsenförmigen Verengung (23) nach Art einer Ven­ turi-Düse bildet.

32. Windkraftmaschine nach einem der Ansprüche 18 bis 31, dadurch gekennzeichnet, daß der stationäre Verdrängungskörper (3) im Bereich seines größten Durchmessers ein umlaufend gelagertes Wandteil (16) aufweist, welches eine Anzahl am Umfang in gleichmäßigen Winkelabständen angeordneter, in ihrer axialen Erstreckung vergleichsweise kurzer Flügel (4 a) aufweist.

33. Windkraftmaschine nach Anspruch 32, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Flügel (4 a) an ihrer Peripherie durch einen Strömungsleitring (11 a) miteinander verbunden sind.

34. Windkraftmaschine nach einem der Ansprüche 18 bis 33, dadurch gekennzeichnet, daß die Flügel (4), in einer mit der Rotationsachse (x-x) zusammenfallen­ den Schnittebene gesehen, ein rinnenförmiges Pro­ fil aufweisen, wobei die angeströmte Flügelfläche in Richtung gegen die Windrichtung konkav ausge­ bildet ist.