DE4032614A1

DE4032614A1 - Turbine fuer windkraftwerke

Info

Publication number: DE4032614A1
Application number: DE4032614A
Authority: DE
Inventors: Werner Dr Med Schubert
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1990-09-27
Filing date: 1990-10-15
Publication date: 1992-06-04

Description

Die Erfindung betrifft eine Turbine für Windkraftwerke.

Windturbinen haben erneut aktuelle Bedeutung wegen der Erzeugung regenerativer Energie. "Für die weitere Entwicklung ist abzuwarten, ob der Einsatz komplizierterer Generatorsysteme die erhofften größeren Einsparungen auf der mechanischen Seite ermöglicht und damit den Weg zu wirtschaftlichen Großserien auch bei mittleren und großen Einheiten führt." Zitiert wurde Ing. (grad) H. Mühlöcker, Möglichkeiten und Problemlösungen der Stromerzeugung mit Windkraftwerken, Chem.-Ing.Tech. 61 (1989) Nr. 6, S. 453-459. In dieser Publikation wird u. a. über Vor- und Nachteile der verschiedenen Windturbinen, die Regelung von Windturbinen, die Eigenschaften des Growian wie auch über Darrieus u. Savannius-Rotoren berichtet. Gigantische Ausmaße haben der Growian II mit einer Gesamthöhe von 194 Meter, Rotordurchmesser 145 Meter (einflügelig), wie ´ole mit senkrechter Achse und symmetrisch ebenfalls senkrecht stehenden hyperbelförmigen, große Bogen bildenden Flügeln, die sich aus "Windkästen" zusammensetzen. Hierüber berichtete Dr. Rudolf Weber, ´ole - Be herrscher der Winde, Strom-Themen, S. 6 u. 7, Informationszentrum der Elektrizitäts wirtschaft, eV. Frankfurt-Main (1990 von der Firma Siemens dankenswert erhalten). Die Firma MBB habe einen neuen Kunststoff-Flügel für eine verbesserte Windkraft anlage entwickelt, Blick durch die Wirtschaft 05. Oktober 1990, Nr. 193, S. 8.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine leistungsfähige, mechanisch weniger komplizierte, voraussichtlich wenig störanfällige Windturbine mit horizontaler Achse für Windkraftwerke dazutun, die sich im/gegen den Wind stabilisiert.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Einrichtung durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

Die weitere Ausgestaltung der Erfindung ist den Unteransprüchen, der Zeichnung und deren Beschreibung zu entnehmen.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß sich auf die hyperbelförmig nach hinten schwingenförmig ausgebreitete Flügelfläche die eintreffenden Windkräfte vor allem auf die seitlichen Teile der Flügel konzentrieren lassen bei dort geeignetem relativ großem Stellwinkel zur Maximierung der Drehwirkung der Turbine,
daß das quere Profil des Flügels zur Windansammlung über seitlichen Teilen der Flügel eine konkav gegen den Wind gerichtete Mulde besitzt,
daß sich gegen den Wind gerichtete Randwülste besonders seitlich am auch in der Längsrichtung spiralig geordnet geformten Flügel befinden ebenfalls zur Wind konzentration auf die Außenfläche der Flügel,
daß medial im Bereich der Achse auf die dort steif gegen den Wind gestellten Flügel teile eintreffenden Windkräfte nach außen auf die seitlichen wirksameren Flügel teile abgedrängt werden,
daß verglichen mit herkömmlichen Turbinen an Windkraftwerken der Schwerpunkt der Turbine, axiale Kreiselfunktionen begünstigend, im Wind in der Achse nach vorn verlagert ist,
daß bei vorgelagertem Schwerpunkt im Wind und Pfeilform der Flügel aerodynamisch die Voraussetzungen für die Selbstjustierung, also die automatische Einstellung der Turbine in den Wind bei jeweils günstiger Position gegeben ist,
daß sich zugleich bei der Vereinigung dieser für den Betrieb einer Turbine/eines Windkraftwerkes günstigen Eigenschaften eine vergleichsweise bessere Stabilisierung der Turbine wie des gesamten Windkraftwerkes erreichen läßt,
und daß offenbar auch eine höhere Effizienz in der Hinsicht erreichbar ist, daß bei radial verkürzten Flügeln solcher Turbinen mit pfeilförmiger Flügelform weniger Luftraum/Grundfläche erforderlich ist.

Es zeigen:

Fig. 1 den Blick auf einen windschaufelförmigen Rotor 1 zweiflügelig mit einer horizontalen Achse 2 befestigt über einen um die Achse 2 zugleich befindlichen aerodynamisch einbezogenen und symmetrischen Kreisel 3, die stufenlose relativ breite Befestigung der gegenüberliegend angeordneten Flügel 4, deren Profil hyperbelförmig (nicht erkennbar) nach hinten und seitlich weit ausladend ist, dabei ein longitudinal (parallel zur Längsachse des Flügels) randständig aerodynamisch eingebrachte Erhöhung 8 der vorderen Kante der Flügel 4 in Dreh richtung, und eine seitlich randständige höhere schaufelförmige Wulstung 7 zur Windkraftsammlung W (symbolisiert als Pfeil) an entscheidender Stelle mit langem Hebelarm zur Drehachse 2.

Fig. 2 den horizontalen Schnitt der Windturbine 1 bzw. des Rotors 1 durch die Achse 2, den darum vorn befindlichen Kreisel 3 mit seiner Masse, die aero dynamisch günstig gegen den Wind "spitz" auslaufende Form des vorderen axialen Teils des Rotors 1 mit breit verbundenen nach hinten hyperbelförmig weit stufenlos ausgebreiteten Flügel 4, die seitlich schaufelförmige Wulstung 7 randständig der Flügel 4 und die Sammlung der Windkräfte W (Pfeil) an entscheidender Stelle über dem äußeren Bereich der schaufelförmig gestalteten Flügel 4 mit langem Hebel der auf die seitlichen Teile der Flügel konzentrierten Windkräfte H zur Drehachse 2 (hierzu wird zum Vergleich auf den Flügel des Growian-Rotors verwiesen, dessen äußeren Teile ganz schmal sind).

Fig. 3 den senkrechten Schnitt durch ein Windkraftwerk einschließlich der gegen den Wind gesetzten Turbine 1, deren Rotor 1 mit der horizontalen Achse 2 befestigt ist, die dahinter axial angekoppelte Drehachse 2a für den Generator 9, die hori zontalen wie auch senkrechten Lager 10 und 10a der Wellen 2 und 2a, den Mast 11 für das Windkraftwerk, die Drehverbindung 12 mit erweiterter Funktion zwischen dem Mast 11 und Windkraftwerk, wobei diese Drehverbindung 12 in der horizontalen Ebene eine automatische Justierung der an einer horizontalen Achse 2 befindlichen Turbine 1 gegen die jeweilige Windrichtung ermöglicht auf Grund der um den vorderen Teil der Achse 2 im Rotor 1 angereicherten Masse M, die aerodynamisch annähernd einem spitz nach vorn gegen den Wind gerichteten symmetrischen Kreisel 3 entspricht, und der insgesamt ebenfalls symmetrischen Pfeilform des Rotors 1 (symmbolisiert durch den axialen Pfeil), die feste dauerhafte Verbindung der Flügel 4 mit dem vorderen axialen aerodynamisch günstigen Teil der Turbine 1, das hyperbelförmige Profil der Vorderfläche der nach hinten und weit seitlich sowie senkrecht zur horizontalen Achse ausgebreiteten Flügel 4, die Windkraftansammlung W über seitlichen Teilen der Flügel 4 mit langem Hebel für die dort maximierten Windkräfte W, der quer zur Längsachse der Flügel 4 am äußeren Rand der Flügel 4 gesetzte schaufelförmige Wulst 7 zur Konzentration der Windkräfte W über der äußeren Flügelfläche, während der zugehörige aerodynamische longitudinale desgleichen randständige Wulst 8 am gleichen Flügel 4 bei gegebenem Schnitt durch die Längsachse der Flügel 4 nicht dargestellt werden konnte.

Fig. 4 zum Vergleich das Windkraftwerk Growian I, insbesondere die offenbar sogar nach vorn gegen den Wind schmal ausgestreckten und sich außen verschmälerten Flügelflächen ( Abbildung mit Daten wurde freundlicherweise von Herrn H. Mühlöcker, 8520 Erlangen, Gebbertstr. 132, zur Verfügung gestellt).

Fig. 5 den durch die Drehachse 2 geführten zugleich das Profil des Flügels 4 wiedergebenden Schnitt mit dem nach vorn um die Achse vorgezogenen reichlich Masse M/3 besitzenden medialen Teil des senkrecht an der Achse 2 befestigten Flügels 4, das auch für den auftreffenden Wind starke Gefälle der Vorderfläche des Windflügels 4 mit der Folge, daß ein Teil der eintreffenden Windkraft auf seitliche Teile der Flügel 4 abgedrängt bzw. weitergeleitet wird, die besondere Profilgebung seitlicher bzw. randständiger Teile des Flügels 4 mit zwei am Stellwinkel des Flügels 4 beteiligten Ebenen I und II der Vorderfläche des Flügels 4, so daß in Nutzung des starken Gefälles medialer Teile des Flügels 4 bei dieser besonderen Profilgebung seitlicher Teile des Flügels 4 eine bessere Nutzung der eintreffenden Windenergie zur Drehung der Turbine 1 möglich ist.

Fig. 6 in Bezug auf Fig. 5 den Querschnitt senkrecht zur Längsachse des Flügels 4 in Höhe des Spornes 22, der auf der Vorderfläche seitlicher Teile des Flügels 4 die beiden Ebenen I und II der am Stellwinkel beteiligten Vorderfläche des Flügels 4 nach medial begrenzt, so daß nun in zwei Ebenen I und II am seitlichen Rand des Flügels 4 der Wind bzw. die Luftströmung wirksam dem Gefälle des Stellwinkels folgend zur Drehung der Turbine 1 am geeigneten Ort eingesetzt werden kann, nämlich weit weg von der Drehachse 2 mit langem Hebel.

Fig. 7 den Längsschnitt durch einen Flügel 4 der Turbine 1, der in Längsrichtung an der Außenkante mit dem zylinderförmigen Körper 4a in der gleichfalls längszieh enden Aussparung 15 ausziehbar ist mit dem quer zur Längsachse der Flügel 4 ge stellten randständigen Wulstung 7a bzw. 7′.

Fig. 8 ein quer zur Längsachse des Flügels 4 seitlich randständig befestigtes Scharnier 20, um welches seitlich zumindest sich, der Außenwulst 7 zum Einfangen von Windkräften in Begünstigung der Drehung der Turbine 1 bewegen wie feststellen läßt.

Fig. 9 desgleichen wie Fig. 7 den Längsschnitt durch einen Flügel 4, dessen äußerer Teil zur Verlängerung des Flügels 4 stiefelförmig die Gleitvorrichtung 4a über dem Gleitspalt 14 mit dem queren Außenwulst 7 bzw. 7′ besitzt.

Fig. 10 spiralig in der Längsachse geformte, aerodynamisch günstige Flügel 4 einer Turbine 1 als Teil eines Windkraftwerkes mit der Drehachse 2, die medialen nach vorn gegen den Wind vorgezogenen Teile der Flügel 4 bei breiter Verbindung zur horizontalen Achse 2, die dadurch vermehrte kreiselförmige Masse 3/M im Bereich der Achse 2, das Gefälle für Windkräfte auf seitliche Flügelflächen W, randständige Wulstungen 7 sowie 8 der auch zur Längsachse spiralig geformten Flügel 4 zur Konzentration der Windkräfte auf die seitlichen Flächen der Flügel 4, die bei aerodynamischer Formgebung der Flügel 4 verstärkte Drehung der Turbine 1 durch die als Pfeil dargestellte synergetische Windkraft beider Flügel 4.

Fig. 11 das Profil durch die Windturbine 1 der Fig. 10 mit dem gegen den Wind ge stellten axialen mittleren Teil 3/M, die Drehachse 2 im gleichen Bereich 3/M, die darüber nach außen abgedrängte Wind luftströmung auf seitliche Teile der Flügel 4 mit der randständigen Wulstung 7.

Fig. 12 quere Flügeldurchschnitte an durch Strichelung in der Fig. 10 ge kennzeichneter Stelle, die konkave muldenförmige Beschaffenheit der Vorder fläche des Flügels 4 der Windturbine 1, in der zugleich der für die Drehung der Turbine (1) erforderliche Stellwinkel enthalten ist, wobei dieser Stellwinkel über äußeren Teilen des Flügels 4/der symmetrischen Flügel 4 größer als im medialen Bereich der Flügel 4 bei auch hier mäßig vorhandenem Stellwinkel ist, durchweg in die konkave muldenförmige Formgebung der Vorderfläche, des Flügels 4 bzw. der Flügel 4 einbezogen. Es dominiert also eine beachtliche spiralige Ver drehung der Flügel 4 in sich.

Claims

1. Turbine für Windkraftwerke, dadurch gekennzeichnet,
daß die an einer horizontalen Achse (2) befestigten vergleichsweise zu herkömmlichen Windkraftwerken in starken Maße mit ihrer Vorderfläche nach hinten und seitlich ge bogenen Windflügel (4) in Einbeziehung des Stellwinkels, der über seitliche Teile des Flügels (4) am stärksten ausgebildet zu sein hat, annähernd schaufelförmig in ihrer Längsrichtung eine konkav gegen den Wind gerichtete Verformung aufweisen,
daß ein Teil der Ränder der auch zugleich seitlich spiralig gegen die Längsachse geformten Flügel (4) Wulstungen (7) besonders am seitlichen bzw. äußeren Rand des Flügels (4) aufweist in weiterer Begünstigung der Konzentration der Windenergie auf der seitlichen Fläche des Windflügels (4) ,
daß bei nach hinten symmetrisch geschwungenen Flügeln (4) die horizontale Achse (2) nach vorn gegen den Wind verlängert ist,
daß bei breiter symmetrischer Verbindung/Befestigung der vorderen Teile der Flügel (4) an der Achse (2), dort axial vergleichsweise reichlich Masse M besitzend, der Schwerpunkt der Turbine (1) nach vorn verlagert ist,
daß die mit der Achse (2) breit verbundenen gegen den Wind gestellten Flügel (4) zusammen mit der Drehachse (2) eine Pfeilform besitzen,
daß sich für das Betreiben von Windkraftwerken mit Turbinen (1) durch die Pfeil form der Flügel (4) in Verbindung mit dem vorgezogenem Schwerpunkt der Turbine (1) bei reichlich Masse M medial im Bereich der Achse (2) und dadurch verbesserter Kreiselfunktion Selbstjustierung einer solchen Turbine (1) bei auch wechselnden Windrichtungen als Funktionsverbesserung vergleichsweise zu herkömmlichen Wind kraftwerken ergibt, sich entsprechend die Turbine (1) automatisch selbst in eine günstige Position im/gegen den Wind zur Stromerzeugung/Gewinnung erneuerbarer Energie einstellt,
daß in Verbindung günstiger Eigenschaften der pfeilförmigen Turbine (1) mit vorge zogenem Schwerpunkt und reichlich Masse M im axialen Turbinenbereich vergleichs weise zu herkömmlichen Turbinen bessere Stabilisierung auch für den angekoppelten Generator (9), somit für das gesamte Windkraftwerk vorhanden ist,
und daß bei radial verkürzten Flügeln (4) zum Betreiben einer solchen Turbine (1) eines Windkraftwerkes weniger Raum/Luftraum einschließlich Grundfläche erforderlich ist.

2. Turbine für Windkraftwerke, nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flügel (4) aus dauerhaftem festem Material bestehen wie Kohlenstoffasern, Glasfasern, Aramid und anderem.

3. Turbine für Windkraftwerke, nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Anteile der Flügel (4) hohl sind.

4. Turbine für Windkraftwerke, nach Patentanspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß seitliche Teile der Flügel (4), insbesondere die Vorderfläche eine stärkere Profilierung haben bei hier konzentrierten Windkräften W zur radialen Wendung derselben, um optimiert Drehung der Turbine (1) im Wind zu erreichen.

5. Turbine für Windkraftwerke, nach Patentanspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die auf seitliche Teile des Flügels (4) reichlich vorhandenen Windkräfte W stufenförmig in mehreren Ebenen (I; II, ggf. III) weitgehend parallel zur Vorderfläche des Flügels (4) der Flügel (4), begünstigt durch randständige Wülste (7, 7′) und longitudinale Wülste (8) radial zur Drehung der Turbine (1) gewendet/gerichtet werden.

6. Turbine für Windkraftwerke, nach Patentanspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die stufenförmigen Ebenen (I, II, ggf. III) bei aerodynamisch günstigen Verhältnissen des Gesamtflügels (4) nicht nur in den Stellwinkel zur Drehung der Turbine (1) einbezogen sind, sondern auch konkave muldenförmig geordnete Ver tiefungen für die geeignete Weiterleitung der Luftströmung des Windes zur Drehung der Turbine (1) besitzen.

7. Turbine für Windkraftwerke, nach Patentanspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sich an der Vorderfläche des äußeren Flügels (4), die "stufenförmige Ebenen" (I, II, ggf. III) besitzen, seitlich die Luftströmung des Windes W begrenzend Spore (22) befinden, die mit ihrem verschmälertem Teil gegen die Drehachse (2) gerichtet sind.

8. Turbine für Windkraftwerke, nach Patentanspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß variabel in der Längsachse besonders randständig die Fläche der Flügel (4) die Flächen der Flügel (4) vergrößert werden können durch randständige variabel axial ausziehbare Bauelemente (4a/4a′), die je an der Außenkante einen gegen den Wind gerichteten Wulst (7, 7a) zur Sammlung von Windenergie auf der seitlichen Fläche der Flügel (4) besitzen.

9. Turbine für Windkraftwerke, nach Patentanspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß sich am seitlichen Rand des Flügels (4) ein quer zur Längsachse befestigtes Scharnier (20) für die Drehbefestigung der Wulst/der Klappe (7) am äußeren Rand des Flügels (4) befindet.

10. Turbine für Windkraftwerke, nach Patentanspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß hydraulisch oder durch Seilzug andere Vorrichtungen die Wulst (7 bzw. 7a) zum seitlichen Teil des Flügels (4) variabel mit verschiedenen Wirkungen für die Turbine (1) verstellt/nach außen geklappt, ggf. sogar nach hinten bei Sturm gedreht/gesetzt werden kann.

11. Turbine für Windkraftwerke, nach Patentanspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehschwankungen der Turbine (1) am Windkraftwerk bei böigem Wind (W) bei der Pfeilform der Flügel (4) wie zugleich der verstärkten medialen Kreiselfunktion (M/3) bei vorgezogener Achse (2) verringert sind, wodurch der Generator (9) für die Stromerzeugung auch mechanisch weniger beansprucht wird.

12. Turbine für Windkraftwerke, nach Patentanspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß bei vergleichsweise zu herkömmlichen Turbinen (1) die radiale Länge der Flügel (4) bei starker Krümmung derselben verkürzt ist, wodurch sich Vorteile für den Aufbau und den Betrieb solcher Turbinen an den verschiedenen Standorten mit Windkraftwerken wie auch für die Wartung/für die Betriebsdauer ergeben.

13. Turbine für Windkraftwerke, nach Patentanspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß Turbinen (1) an Windkraftwerken mit der Pfeilform der verkürzten Flügel (4) und medial verstärkter Kreiselfunktion (3, M) im Bereich der horizontalen Achse (2) mannigfach und an verschiedenen Orten zur Stromerzeugung eingesetzt werden können wie auf Kähnen, Schiffen, an der Küste, anderen Orten des Binnenlandes oder auch Berghöhen, in Nutzung auch beispielsweise von reflektierten Windkräften.

14. Turbine für Windkraftwerke, nach Patentanspruch 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß für die Nutzung reflektierter Windkräfte u durch Turbinen (1) /Windkraftwerke in Betracht kommen schon vorhandene hohe feste Mauern, Flächen großer Industrie bauwerke und anderes.

15. Turbine für Windkraftwerke, nach Patentanspruch 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß auch künstlich in Berücksichtigung vorhersehender Windrichtungen wie an der Küste zur Reflexion von Windkräften auf Windkraftwerke Mauern errichtet sind oder transportabel mit geeignetem Stellwinkel an Windturbinen (1) der genannten Art heran gebracht/dort zur Verstärkung der Drehkraft der Turbinen (1) hingestellt werden.

16. Turbine für Windkraftwerke, nach Patentanspruch 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der Flügel (4) glatt ist, zugleich eine geeignete wetterbe ständige Beschichtung besitzt.

17. Turbine für Windkraftwerke, nach Patentanspruch 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß Turbinen (1) mit Windkraftwerken fahrbar auf Waggons zur Stromerzeugung gestellt sind in Begünstigung auch der Grobjustierung gegen den Wind.

18. Turbine für Windkraftwerke, nach Patentanspruch 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß Turbinen (1) mit hinten angekoppelten Windkraftwerken, die radiär verkürzt gegen den Wind pfeilförmige Flügel (4) bei zugleich stabilisiertem Windkraftwerk haben, für drachenförmig in der Luft an Seilen befestigte, schwebende Windkraft werke in größeren Höhen bei dort dauerhaft günstigen Luftströmungen benutzt werden.

19. Turbine für Windkraftwerke, nach Patentanspruch 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß durch Ausklappen am äußeren Rand der Flügel (4) an Scharnieren (20) befestigter Klappen (7) die Flügelfläche in der Längsrichtung mit auch verschiedenen Stellwinkeln vergrößert werden kann.