DE3919157C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Windkraftmaschine nach dem Oberbegriff der Ansprüche 1 und 10.

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.

Im Gegensatz zu technisch weitgehend ausgereiften klei­ neren bzw. mittleren Windenergiekonvertern treten bei großen Windkraftanlagen mit einigen MW Leistung ("Growian") erhebliche Probleme auf. Bei dem dabei er­ reichten Durchmesser des Windradkreises der Windturbine wird nämlich einerseits die Grenzfestigkeit des verfüg­ baren Materials erreicht und andererseits neigen die Windturbinenflügel zu Schwingungen, welche einerseits zu Störgeräuschen wie Brummtönen und andererseits zu vorzeitiger Materialermüdung und folglich zu Material­ brüchen 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 zu vermeiden, müßten demnach Windturbinen mit großen Windradkreis­ durchmessern auf sehr großer Höhe angeordnet sein, um in einem Bereich mit annähernd gleichen Windgeschwin­ digkeiten arbeiten zu können. Hierdurch werden die Bau­ kosten einer entsprechenden Windkraftanlage überpropor­ tional erhöht.

Um solche Nachteile zu vermeiden, wurde bereits vorge­ schlagen (US-PS 42 18 175), einen Windkanal in Form eines rotationssymmetrischen Körpers mit in Windrichtung ein­ stellbarer Achse vorzusehen, dessen Längsschnitt eine Verengung nach Art einer Venturi-Düse aufweist. Im Be­ reich dieser Verengung befinden sich, auf einer drehbar gelagerten Welle angeordnet, ein oder mehrere Laufräder mit Turbinenbeschaufelung. Durch diese in einem ventu­ riartigen Turbinengehäuse angeordneten Turbinenräder soll durch Erhöhung der Durchströmungsgeschwindigkeit des engsten Querschnitts bei vergleichsweise kleinem Turbinenraddurchmesser ein hoher Wirkungsgrad der Wind­ turbine erreicht werden, weiterhin ein günstiges An­ laufverhalten bei geringen Windgeschwindigkeiten sowie eine Vergleichmäßigung der Strömungsgeschwindigkeit im Arbeitsbereich der Windturbine. Nachteilig ist bei die­ ser Bauweise der Aufwand für ein entsprechend großes Windkanalgehäuse, und weiterhin stellen die im Zentrum und somit im Bereich der höchsten Strömungsgeschwindig­ keit befindlichen Lagerungen Störkörper dar, die einen erheblichen Leistungsverlust verursachen können. Der Größenordnung und somit dem Leistungsbereich einer der­ artigen Anlage sind somit enge Grenzen gezogen.

Aus der DE-OS 29 35 803 ist eine Windspirale bekannt, bei der der Flügel in Axialrichtung spiralförmig um die Drehachse gewunden ist.

Aus der WO 80/00 473 ist ein Stromgenerator in Fluidströ­ mung bekannt, bei dem ein an einem Generator befestig­ ter spiralförmiger Flügel in einer fluiddurchströmten Leitung angeordnet ist.

Aus der AT-PS 1 11 376 ist eine Windkraftmaschine be­ kannt, in der ein spiralförmig um eine Drehachse gewun­ dener Flügel in einer trichterförmigen Düse angeordnet ist.

Aus TF-RPS 22 83 331 ist ebenfalls eine Windkraftmaschi­ ne bekannt, in der ein spiralförmiger Flügel in einer sich erweiternden Düsenanordnung vorgesehen ist.

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 Schwach­ lastbetrieb arbeitet bzw. ohne Starthilfe anläuft.

Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die Merkmale des An­ spruchs 1 bzw. 10.

In der axialen Projektion des Windradkreises ist ein mit der Rotationsachse des Windrades koaxialer tropfen­ förmiger 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 tropfenförmigen Verdrängungskörpers im Arbeitsbereich des Windrades bewirkt eine Verdichtung der Strömungslinien und damit eine Geschwindigkeitserhöhung der um den Verdrängungskörper herumgeleiteten Strömung. Durch diesen Bereich erhöhter Strömungsgeschwindigkeit bewegen sich die in ihrer Formgebung dem Verdrängungskörper angepaßten und diesen nach Art einer Helix mit spiralförmigen Windungen umgebenden Flügel des Windrades. Hierbei ergibt sich ein im Verhältnis zur Länge der Flügel des Windrades vergleichsweise kleiner Windradkreis, 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 Flü­ gel tragenden Welle und die Anordnung eines Antriebsele­ mentes, sei es eine Pumpe oder ein Generator, im Inne­ ren des Verdrängungskörpers ohne Schwierigkeiten mög­ lich, dieser stellt somit keinen Störkörper dar, son­ dern ist infolge seiner Wirkung zur Stromlinienverdich­ tung und Geschwindigkeitserhöhung der Windströmung nun­ mehr ein wichtiges Funktionselement der Windkraftma­ schine.

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 fest­ stehenden Verdrängungskörper mit der Welle in einer Lageranordnung des Verdrängungskörpers drehbar gelagert sind. Hiermit ergibt sich eine funktionell wirkungsvol­ le und zugleich für die Herstellung unkomplizierte Bau­ form 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 festste­ hendem Verdrängungskörper und drehbar angeordneten Flü­ geln 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.

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 Windradkrei­ ses werden in vorteilhafter Weise vermieden und dadurch der Wirkungsgrad verbessert. Auf Grund des im Verhält­ nis zur abgegebenen Leistung verringerten Windradkrei­ ses ist auch eine kompakte Bauweise möglich. Dadurch daß nicht nur die Flügelwurzel sondern auch das Flügel­ ende an Lagerstellen befestigt ist, ergibt sich ein besonders stabiles Windrad, das auch bei hohen Wind­ geschwindigkeiten eine hohe Bruchfestigkeit aufweist.

Ein wesentliches Resultat der erfindungsgemäßen Gestal­ tung der Windkraftmaschine ist eine äußerst niedrige Geräuschentwicklung im Betrieb und die Sturmfestigkeit der Flügel. Zwischen den beiden Lagerstellen des Flü­ gels 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 ver­ kleinerndem Windraddurchmesser an der stromabwärtigen Lagerstelle befestigt.

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

Im folgenden werden unter Bezugnahme auf die Zeichnun­ gen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert: 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 Seitenansicht der Windkraftmaschine gemäß Fig. 3, mit einem Strömungsleitring im Schnitt einer mit der Rotationsachse zusam­ menfallenden Schnittebene,

Fig. 5 eine Frontansicht einer Windkraftmaschine mit einem dreiflügeligen Windrad,

Fig. 6 eine Frontansicht eines weiteren Ausführungs­ beispiels ohne Verdrängungskörper,

Fig. 7 eine Seitenansicht des Ausführungsbeispiels der Fig. 6,

Fig. 8 eine gegenüber Fig. 7 um 90° gedrehte Seiten­ ansicht des Ausführungsbeispiels der Fig. 5 und

Fig. 9a, 9b, 9c 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 4a, 4b 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 20a, 20b angedeutet.

Die die Flügel 4a, 4b 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 4a, 4b des Windrades 2 mit ihren Windungen 12 den Vorteil, daß die Flügel 4a, 4b 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 3a des größten Durchmessers seiner Wandung 5.

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

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

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 gleich­ bleibenden Abstand A von der Außenwand 5. Dieser Ab­ stand A eines zwischen der Flügelkante 10 und der Außen­ wand 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 Stel­ lung der Flügel 4a, 4b gezeigt. Dabei sind diese gegen­ über der Darstellung in Fig. 1 um 90° gedreht. Die Dar­ stellung verdeutlicht insbesondere die räumliche Anord­ nung der Flügel 4 sowohl relativ zur Richtung des Um­ fangs, 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 Verdrängungskörpers 3 und einer Flügelkante 10. Weiterhin zeigt die Zusammen­ schau der Fig. 1 und 2, daß der Verdrängungskörper 3 ein im Querschnitt rotationssymmetrischer und im Längs­ schnitt mit einer vorzugsweise tropfenförmigen Stromli­ nienform 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 14a, 14b der Flügel 4a, 4b zu einer die Rotationsachse x-x rechtwinklig schneidenden Ebene z-z im spitzen Win­ kel β angeordnet sind.

In der Fig. 4 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 8b in etwa radialer Ausrichtung zur Rotationsachse x-x des Windrades 2 angeordnet sein. Es kann aber auch das Strömungsprofil 8a 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. 4 zeigen unterschiedliche Stel­ lungen der Flügelprofile 8a, 8b, 8c 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 5 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 3b mit dem größten Durchmesser überstreichen.

Weiterhin kann die Windkraftmaschine mit Vorteil so ausgestaltet sein, daß das Windrad 2 wenigstens zwei Flügel 4a, 4b 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 Strömungska­ nal 22 ergibt sich im Zusammenwirken mit dem Verdrän­ gungskörper 3 ein Windkanaleffekt mit zum engsten Quer­ schnitt hin zunehmender Durchströmungsgeschwindigkeit des die Windkraftmaschine anströmenden Windprofils.

Mit dem tropfenförmigen Verdrängungskörper 3 wird er­ reicht, daß die Anströmseite 24 des Verdrängungskörpers 3 frei von Störkörpern ist.

Fig. 5 zeigt in Frontansicht eine Ausführung der Wind­ kraftmaschine mit drei Flügeln 4a, 4b, 4c. Im übrigen ist in den Fig. 3 und 6 jeweils ein Windradkreis 1 eingezeichnet. Dieser stellt den maximalen Außendurch­ messer der Flügel 4a, 4b des Windrades 2 dar. Anhand des Windradkreises 1 ist anschaulich zu erkennen, daß dieser im Verhältnis zur Länge der Windradflügel 4a, 4b, 4c 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 4a, 4b, 4c 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. 6 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. 7 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. 7 ist erkennbar, daß der überwiegende Teil eines jeden Flügels 4 derart spiralförmig gewunden ist, daß er in der in Fig. 7 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 paral­ lel zu der Verbindungslinie zur Mitte zwischen den La­ gerstellen 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. 9a, 9b und 9c gezeigt. Der Flügel ist dabei stets so gewunden, daß sich das Profil zur Windrichtung hin öffnet. Die Profile, hier insbeson­ dere die Profile der Fig. 9b und 9c, führen den an­ strömenden 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. 9c auch auf der Rückseite des Flügels 4 Seitenwände 34 vorzuse­ hen, die verhindern, daß von der Rückseite ein Gegen­ drehmoment auf den Flügel 4 ausgeübt wird.

In Fig. 6 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 (23)

1. 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 einen Antriebselement verbunden ist und deren Dreh­ achse parallel zur Windrichtung ausrichtbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß koaxial zur Drehachse (x-x) ein aerodynami­ scher tropfenförmiger Verdrängungskörper (3) ange­ ordnet ist und daß der mindestens eine Flügel (4) spiralförmig der Mantelfläche (5) des Verdrängungs­ körpers (3) sowohl in Umfangsrichtung als auch in Axialrichtung angepaßt ist.

2. Windkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der in spiralförmigen Windungen (12) ausgebildete Flügel (4) des Windrades (2) sich wenigstens entlang eines axialen Teilbereichs (5a) der Mantelfläche (5) des Verdrängungskörpers (3) erstreckt.

3. Windkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdrängungs­ körper (3) drehfest in der Drehachse (x-x) des Windrades (2) angeordnet ist und der Flügel (4) des Windrades im Abstand (A) von der Mantelfläche (5) des Verdrängungskörpers (3) mit der Abtriebs­ welle (6) im Verdrängungskörper (3) drehbar gela­ gert ist.

4. Windkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Flügel (4) im gleichbleibenden Abstand (A) von der Mantelfläche (5) angeordnet ist.

5. Windkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Flügel (4) mit der Mantel­ fläche (5) des Verdrängungskörpers (3) verbunden ist und daß der Flügel (4) und der Verdrängungs­ körper (3) als Einheit drehbar gelagert sind.

6. Windkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, 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.

7. Windkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, 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.

8. Windkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Flügel (4) die Mantelfläche (5) des Verdrängungskörpers (3) von der Anströmseite her bis wenigstens zum axialen Bereich (3b) mit dem größten Durchmesser überstrei­ chen.

9. Windkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Windradkreis (1) in Strömungsrichtung einen zunächst zunehmen­ den und anschließend abnehmenden Durchmesser auf­ weist.

10. Windkraftmaschine mit einem mindestens einen in Axialrichtung spiralförmig um die Drehachse (x-x) gewundenen Flügel aufweisenden Windrad mit einer in einer horizontalen Drehachse gelagerten Ab­ triebswelle, die einerseits mit dem Windrad und andererseits mit einem Antriebselement verbunden ist und deren Drehachse parallel zur horizontalen Windrichtungskomponente ausrichtbar ist, wobei der Flügel an mindestens einer Stelle (26, 27) gelagert ist, die mit der Abtriebswelle (6) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Windradkreis (1) in Strömungsrichtung ei­ nen zunächst zunehmenden und anschließend abneh­ menden Druchmesser aufweist.

11. Windkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Flügelprofil mit zunehmendem Abstand von der stromaufwärtigen Lagerstelle (26) eine zunächst bis zum größten Windradkreisdurchmesser zunehmende und anschließend abnehmende Breite aufweist.

12. Windkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Flügel (4) an zwei mit axialem Abstand voneinander angeord­ neten Stellen (26, 27) gelagert ist, von denen min­ destens eine mit der Abtriebswelle (6) verbunden ist.

13. Windkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Flügel (4) vorgesehen sind, die jeweils einen Umfangsbereich von ca. 180° überdecken.

14. Windkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 13, 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.

15. Windkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 14, 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.

16. Windkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 15, 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.

17. Windkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Flügelprofil eine im Querschnitt konkave, dem Wind entgegenge­ richtete Querschnittsform aufweist.

18. Windkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Flügelprofil im Querschnitt eine der Windrichtung entgegenge­ richtete U-Profilierung aufweist.

19. Windkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Flügelprofil im Querschnitt doppel-T-förmig ist.

20. Windkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 19, 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.

21. Windkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Flügel (4) mit ihrem Strömungsprofil (8) in etwa radialer Aus­ richtung zur Rotationsachse (x-x) des Windrades (2) angeordnet sind.

22. Windkraftmaschine nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß das Strömungsprofil (8) im spitzen Winkel (α) zu einer von der Rotationsachse (x-x) ausgehenden Radialen (R) ausgerichtet ist.

23. Windkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Flügelenden an der stromabwärtigen Lagerung (7) in einem zur Drehachse (x-x) koaxialen, mit der Abtriebswelle verbundenen Ring enden.