DE3928321A1 - Vertical-windkanal-muehle - Google Patents

Description

Die Erfindung verfolgt den Zweck, unter anderen, daß der ge­ samte Antriebs-Mechanismus in einem vor Sturm-Schäden ge­ schützten Vertikal-Windkanal untergebracht ist. Der grundsätz­ liche Zweck ist, der Windkraft-Erzeugung durch Anwendung eines senkrechten Windkanals, indem zwei übereinander gelagerte Wind-Turbinen-Rotoren untergebracht sind, dessen einzelne Flügel nach dem Kriterium des Flugzeug-Flügel-Profil konstru­ iert sind, die contra-rotierend, besser als bisher Wind-Energie zu gewinnen, wobei ein mechanisch erzeugter Wind-Auftrieb im Kanal für eine zusätzliche Energie sorgt.

Eine solche Windkraft-Ausnutzung in einem senkrechten Wind­ kanal und Wind-Rotoren die mit dem Flugzeug-Flügel-Profil korrelieren ist neu und orginell.

Die Profil-Gestaltung der Rotoren-Flügel ist in den Zeichnungs- Erklärungen im Detail behandelt.

In der oberen Öffnung des Windkanals ist ein horizontal rotierender Wind-Ventilator eingebaut, der von einem vertikalen Wind-Mühlen-Flügel angetrieben wird, der sich an der Außen­ seite des Kanals befindet und sich mit dem Kanal in den Wind dreht. Zu diesem Zweck wird der Kanal von Rädern getragen die im Fundament verankert sind. Als Alternative kann der Kanal auch auf Wasser-Pontons montiert werden die in einem runden Wasser-Bassin schwimmen, womit der Kanal sich mit Mindest-Reibung im Wind drehen läßt, entweder bei Kraft oder mittels einer entsprechenden Windfahne.

Der Unterteil des senkrechten Windkanals bildet ein nach außen geöffneter Wind-Trichter, dessen Blechboden im Kanal-Innern schräg nach oben gelagert ist, was eine gewisse Luftdruck-Verteilung über die Wind-Rotoren zum Zweck hat. Zusätzlich werden die eintretenden Winde durch den Trichter in ihrem Auftrieb im Kanal, durch den Auftrieb im Kanal zusätzlich beschleunigt, was sich Energie-erzeugend auf die Wind-Rotoren auswirkt. Es ist zu erwarten, daß mittels des mechanisch und kostenlos erzeugten Luft-Auftrieb im Kanal, während geringer Luft-Strömung, der gesamte Mechanismus in Bewegung gehalten wird, wenn auch nur langsam.

Bekanntlich ist der Wind-Widerstand gegen den runden Windkanal nur sehr gering, wobei die Kreisel-Wirkung der Wind-Rotoren und dem Wind-Ventilator, den Kanal auch bei starken Stürmen im Gleichgewicht hält.

Transmission der Wind-Rotoren-Energie wird mittels einer doppel­ ten Antriebs-Welle, an der die Rotoren befestigt sind, über Keilräder und Keilriemen auf einen Hebelbalken übertragen, der zentral an der vertikalen Generator-Welle befestigt ist. An beiden Enden des Hebel-Balkens wird dieser von einem Keilrad an den beiden Enden des Hebel-Balkens angetrieben, die sich über einen horizontal, stationär befestigten Keilriemen zwangsläufig abwälzen und so den Hebel-Balken und den Generator rotieren.

In Anbetracht der geringen Drehzahl des Hebel-Balkens im Verhältnis zu der normalen Drehzahl eines Generators, läßt sich die Magnetspulen-Schnitt-Geschwindigkeit erreichen, indem der Generator-Durchmesser entsprechend vergrößert wird.

Zusätzlich rotieren die Magnetspulen des Generators in contra- Drehrichtung, was die Magnet-Schnitt-Geschwindigkeit ver­ doppelt. Der Generator ist ein speziell horizontal rotierender Generator, der mittels Kegelräder die Kontra-Drehrichtung der Magnetspulen erreicht.

Die Anwendung des Hebel-Balkens zum Generator-Antrieb begünstigt das Antriebs-Verhältnis insofern, daß der Energie "Input" verkleinert wird, bei gleich bleibendem "Output".

Detaillierte Beschreibung

Die Fig. 1 illustriert den gesamten Mechanismus im senkrechten Windkanal 1 Fig. 1, der mittels Räder 27-28 im Fundament in den Wind gedreht werden kann. Der horizontal Ventilator 4 Fig. 1 wird von dem Wind-Mühlenrad 5 Fig. 1 angetrieben womit der Luftaufstieg im Kanal mechanisch und wesentlich beschleunigt wird.

Der in den Trichter 10 eintretende Wind, streicht über den schräg gelagerten Blechboden 9 Fig. 1, womit die eintretenden Winde, druckmäßig über die Wind-Turbinen-Rotoren 2-3 Fig. 1 verteilt wird. Die Wind-Rotoren sind nach den Profil-Kriterium der Flugzeug-Tragflügel konstruiert und rotieren in Kontra- Drehrichtung.

Die Doppel-Achse 7-8 Fig. 1 sind an deren unterem Ende mit Keilriemen-Scheiben 13-31 versehen, die über Keilriemen die Keilscheiben 15-23 rotieren. Die Stirn-Zahnräder 21-22 dienen allein der Drehrichtungs-Umkehrung. Die Achsen 17-20 unterhalb des Hebelbalkens 25, der zentral an die Generator-Welle 61 Fig. 1 befestigt ist, wird mittels der Dreh-Energie der Keilscheiben 16-18 in Rotation versetzt, indem diese Keilräder 16-18 mit dem stationär befestigtem Keilriemen 59 Fig. 1 verbunden sind und sich zwangsläufig über den Keilriemen 59 abwälzen müssen, womit der Generator über den Hebelbalken 52 Fig. 4 angetrieben wird. Die Kegel-Zahnräder des Generators 29 Fig. 1, auf denen die Magnetfeld-Spulen befestigt sind 66 Fig. 4, rotieren in Kontra-Drehrichtung, was die Magnet-Schnitt-Geschwindigkeit verdoppelt.

In Fig. 5 ist die Keilriemen 76 Spann-Vorrichtung an dem Hebel­ balken 70 illustriert. Die Räder 79 stabilisieren den Hebel- Balken 52 Fig. 4 indem diese über eine Mauer um den Generator laufen. Gleichzeitig zeigt die Fig. 5, die Abwälzung der Keilräder 72 - an beiden Enden des Hebelbalkens 70 Fig. 5, indem der Keilriemen 76 stationär bleibt muß sich das Keilrad 72 über den Keil-Riemen 76 abwälzen, wobei der Hebelbalken 70 in Richtung des Zeigers rotiert wird.

Fig. 2 illustriert die Rotoren-Flügel-Profil-Gestaltung, die nach dem Flugzeug-Tragflügel-Prinzip geformt sind, was in der Zeichnungs-Beschreibung detailliert beschrieben wird.

Beschreibung zu Zeichnung 2 Fig. 2

Fig. 2 zeigt das Querschnitt-Profil der Tragflügel-Kraft­ verteilung eines Flugzeug-Tragflügel-Profils, das in der Erfindung (Vertikal-Windkanal-Mühle Fig. 1) Anwendung finden soll. Mittels der folgenden Erläuterung wird deut­ lich, daß spezielle Profile letztlich nur experimentell im Windkanal ermittelt werden können, die den speziellen Anforderungen Rechnung tragen.

Die grundlegenden physikalischen Eigenschaften verantwort­ lich für das angepaßte Stromlinien-Profil wird nachfolgend in Kurzform erläutert.

Diese Erläuterungen sind der Experimental-Physik Bermann und Schäfer entnommen, Seite 338.

Man kann sich experimentell überzeugen, daß eine Zirku­ lations-Strömung um den Tragflügel existieren muß. Man zeigt, daß unterhalb des Tragflügels höhere, oberhalb kleinerer Druck herrscht. Nach der Bernoulischen Gleichung bedeutet daß auf der Oberseite größere, auf der Unter­ seite kleinere Geschwindigkeiten bestehen, und es ist nur eine andere Ausdrucksweise für den Sachverhalt, wenn wir sagen, über die Parallelströmung sei eine Zirkulation im bestimmten Umlaufsinn überlagert; denn diese Überlagerung erzeugt gerade die erforderliche Geschwindigkeits-Ver­ teilung.

Den Druck an den verschiedenen Stellen eines Tragflügels mißt man in bekannter Weise an den Druckmessungen an der Kugel. Wenn man das Flügel-Profil Fig. 2 zugrunde legt, so erhält man die dort eingezeichnete Kraftverteilung für einen Anstellwinkel von etwa 11 Grad, die durch den Druck­ überschuß bzw. Unterdruck gegen den statischen Druck der ungestörten Strömung entsteht. Unterdruck ist kenntlich daran, daß die Pfeile vom Körper fort zeigen; bei Druck­ überschuß weisen sie auf ihn zu.

Man erkennt aus der Figur, daß auf der Oberseite eine erhebliche Druck-Minderung (ein Sog) vorhanden ist, im Mittel etwas doppelt so groß, wie der Druck-Überschuß wie auf der Unterseite.

Ein Zahlen-Beispiel sei gegeben;

Der mittlere Sog beträgt etwa 46 mm Wassersäule, der mittlere Überdruck etwa 20 mm Wassersäule, die gesamte Druck-Differenz zwischen unten und oben ergibt also 66 mm Wassersäule; das bedeutet also gesamte "Luftkraft" 66 kp/cm².

Im übrigen hängt nicht nur dieser Zahlenwert erheblich vom Anstellwinkel ab, sondern auch der Angriffspunkt der Luft. Jedenfalls ergibt sich aus solchen Messungen die Existenz einer Zirkulations-Strömung, und es handelt sich jetzt darum, zu verstehen, wie sie sich heraus bilden kann, usw.

Beschreibung der Zeichnung Fig. 3a zur Fig. 1

Die Zeichnung Fig. 3a zur Fig. 1 illustriert die Wind-Rotoren Fig. 1, 2-3 in perspektivischer Darstellung, wobei Fig. 3a, 35-36 die Doppel-Achse zeigt, an der die Wind-Rotoren-Flügel befestigt sind, mit umgekehrten Wind-Profil-Angriffsflächen 37, Fig. 3a, mit der die Contra-Rotierende-Bewegung erzeugt wird.

Es wäre allerdings, experimentell zu ermitteln, einen einzelnen Wind-Rotor, an Stelle der beiden Windrotoren 2-3 Fig. 1, vorzuziehen, mit doppelter Flügel-Breite, auf einer einzelnen Achse befestigt.

Mit letzterer Konstruktion ließen sich eventuelle störende Luft-Wirbel, an der Endkante der Flügel, der Länge nach 2-3 Fig. 1, vermeiden, wenn nicht mindestens wesentlich zu reduzieren, die störenden Einfluß auf die Energie-Abgabe der Wind-Rotoren haben könnten.

Da der Anstell-Winkel (angle of attack) 32 Fig. 2, im Windkanal konstant bleibt, kann das Flügel-Profil für die optimalste Energie-Abgabe gewählt werden, was allerdings nur experimentell ermittelt werden kann.

Zeichnungs-Erklärung

Fig. 1 illustriert den gesamten Querschnitt des Vertikal- Windkanal-Mühle- und Antriebs-Mechanismus.

Fig. 2 illustriert die Profil-Gestaltung der Wind-Rotoren- Flügel. Technische Daten sind der Zeichnung, separat beigefügt.

Fig. 3 illustriert den Vertikalen-Windkanal mit Luft- Trichter und Druck-Verteiler-Blechboden.

Fig. 3a zu Fig. 1, zeigt die Wind-Rotoren-Flügel perspektivisch dargestellt.

Fig. 4 illustriert den spezial Generator mit Kontra- rotierenden Magnetspulen und Hebelarm-Antrieb, über den stationären Keilriemen.

Fig. 5 illustriert die Befestigung des stationären Keilriemens und dessen Spann-Vorrichtung.

Claims (10)

1. Vertikal-Windkanal-Mühle, bestehend aus einem senkrechten drehbaren Windkanal, der von Rädern oder Wasser-Pontons in einem runden Wasserbassin getragen wird, wobei der untere Teil des senkrechten Kanals zu einem Luft-Trichter nach außen ausge­ baut ist, dessen Blechboden im Kanal schräg nach oben gelagert ist, über den sich zwei übereinander rotierende Wind-Turbinen- Rotoren befinden, deren einzelne Flügel mit dem Flugzeug-Trag­ flügel-Profil-Prinzip korrelieren, wobei die Rotoren an eine vertikale Doppelachse befestigt sind, an deren unterem Ende je eine Keilriemen-Scheibe befestigt sind, die mittels Keilriemen mit Keilräder an beiden Enden eines Hebelbalkens, oberhalb des Hebelbalkens verbunden sind und die Keilräder unterhalb des Hebelbalkens mit einem stationär, um eine runde Mauer befestigten Keilriemen verbunden sind, über den sich die Keilräder, zwangs­ läufig abwälzen müssen und so den zentral an der Generator- Welle befestigten Hebelbalken, den Generator rotieren, wobei der spezial Generator mit gegenüber rotierenden Kegel-Zahnrädern ausgerüstet ist auf denen die Magnetspulen befestigt sind, die sich in Kontra-Drehrichtung bewegen.

2. Vertikal-Windkanal-Mühle, nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Mühle aus einem runden, drehbaren, senkrechten Windkanal besteht.

3. Vertikal-Windkanal-Mühle, nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der gesamte Antrieb-Mechanismus in diesem senkrechten Wind-Kanal untergebracht ist.

4. Vertikal-Windkanal-Mühle, nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der untere Teil des Kanals zu einem Luft-Trichter nach außen ausgebaut ist.

• a) dessen Blechboden im Kanal schräg nach oben gelagert ist.

5. Vertikal-Windkanal-Mühle, nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß sich in der oberen Öffnung des Kanals ein horizontal rotierender Wind-Ventilator befindet,

• a) der von einem vertikal rotierendem Windmühlenrad ange­ trieben wird.

6. Vertikal-Windkanal-Mühle, nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß sich im Innern des Kanals zwei übereinander gelagerte, horizontal rotierende Wind-Turbinen-Rotore befinden,

• a) die an einer vertikalen Doppelachse befetigt sind,
• b) deren einzelne Flügel mit dem Flugzeug-Tragflügel-Profil- Prinzip korrelieren.

7. Vertikal-Windkanal-Mühle, nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein horizontal rotierender Hebelbalken, der zentral an die Generator-Welle befestigt ist, den Generator antreibt.

8. Vertikal-Windkanal-Mühle, nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß an beiden Enden des Hebelbalkens ober- und unter­ halb des Hebelbalkens Keilräder rotiert werden,

• a) von denen die oberen Keilräder, mittels Keilriemen mit den Keilrädern der Hauptantriebs-Achse verbunden sind, wo gegen die Keilräder unterhalb des Hebelbalkens von Achsen der oberen Keilräder angetrieben werden.

9. Vertikal-Windkanal-Mühle, nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Keilräder unterhalb des Hebelbalkens mit einem horizontal und stationär befestigten Keilriemen verbunden sind, über den sich die Keilräder zwangsläufig abwälzen müssen.

10. Vertikal-Windkanal-Mühle, nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Magnetspulen des Generators sich in Kontra-Drehrichtung bewegen.