DE4105935A1 - Windfluegel fuer turbinen/windkraftwerke - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Windflügel für Turbinen/Windkraftwerke mit besonderer Ge­ staltung der Flügel, um die Gewinnung erneuerbarer Energie zu erhöhen.

Ein um die horizontale Achse im Wind rotierender langgestreckter Flügel ist starken Schwingungen ausgesetzt. Diese Schwingungen sind an der äußeren Hälfte des Flügels heftiger als im Bereich der Achse, am stärksten am äußeren Ende. Schwingungen zwischen zwei Medien, zumal wenn sich letztere fortbewegen, mindern die Reibung und somit die Kraftübertragung. Zur Optimierung der Windenergie an Turbinen sind also die Schwingungen möglichst gering zu halten oder anders ausgedrückt: es ist eine möglichst große Reibung der Luftströmung des Windes zur Oberfläche der Flügel herzustellen. Auch Windumlenkungen lassen sich mit diesem Problem verknüpfen, da Zusatzkörper am Flügel, die schwing­ ungsmindernd wirken, zugleich auch der Ansammlung und Umlenkung von Windkräften dienen können. Auf nachfolgende Druckschriften kann Bezug genommen werden:
Möglichkeiten und Problemlösungen der Stromerzeugung mit Windkraft, Siemens, Verfasser Hugo Mühlöcker, Sonderdruck aus Chemie-Ingenieur-Technik 61 (1989) Hr. 6. DE P 40 30 559.7 Windturbine zur besseren Ausnutzung der Windkraft und Zusatzpatent­ anmeldung DE P 40 32 614.4 Turbine für Windkraftwerke. DE P 39 19 157 A1 Windkraftmaschine. DE P 29 44 719 A1 Rotor für Windkraftanlagen in Leichtbauweise. US-Patent 13 42 206 (1920) Windmill. DE P 32 39 087 A1 Anlage für Nutzbarmachung der Windenergie.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, auf die Konstruktion/Beschaffenheit von Flügeln/Turbinen insbesondere für Windkraftwerke mit horizontaler Achse hinzuweisen, zur Optimierung der Windkraftausbeute.

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 zur Opti­ mierung der Windausnutzung mehrere strukturelle Verbesserungen am Flügel einer Windturbine vorhanden sind, über die zum Teil schon in DE P 40 30 559.7 wie im oben gleichfalls genannten Zusatzpatent P 40 32 614.4 berichtet wurde. Auf stark nach hinten gekrümmten Flügeln werden Windkräfte auf die physikalisch wirksamere Seitenfläche abgedrängt. Es wird für möglich gehalten, daß die seitlich quer zur Längsachse endständig am Flügel anzubringenden mitrotierenden Zusatzkörper auch für Turbinen mit langgestreckten Flügeln zur Schwingungsminderung Vorteile erbringen. Für stärker nach hinten gekrümmte für Windansammlungen auf die Seitenfläche ge­ eignete Flügel können solche schwingungsmindernde Zusatzkörper zugleich auch der Windkraftansammlung an wirksamer Stelle in Nutzung auch des Stellwinkels zur Optimie­ rung der Drehung der Turbine durch Umlenkung der Windkräfte dienen. Die Be­ schaffenheit und der Aufbau der genannten schwingungsmindernden Zusatzkörper dürfte u. a. davon abhängen, ob der Flügel kompakt oder locker gebaut, lufthaltig ist, denn für letzteren leichteren Flügeltyp müßten im seitlichen Teil des Flügels deponierte Gewichte die Schwingungsminderung zur Verstärkung der Windkraft­ übertragung bewirken.

Zur Erhöhung der Leistungsfähigkeit von windbetriebenen Turbinen zur möglichst reichlicher Gewinnung erneuerbarer Energie sind nun zugleich mehrere bautechnische Verbesserungen am elementaren Flügel vorhanden:

• 1. Der Flügel hat, wie schon in P 40 30 559.7 dargestellt den herkömmlichen Stell­ winkel besitzend, nach hinten schwingenförmig weit ausladend gekrümmt zu sein (an der horizontalen Achse).
• 2. In Abhängigkeit von der Flügelsubstanz sind nun der Form wie der Substanz nach schwingungsmindernde Körper vorhanden, die besonders am seitlichen Teil, zum Teil endständig am Flügel zu befestigen sind und trabantenartig mitlaufen strömungs­ günstig aerodynamisch; dadurch kann die Luftströmung des Windes den Flügel und somit die Turbine besser treiben.
• 3. Der vermerkte gekrümmte Flügel erlaubt bei Pfeilform der Windturbine mit weiteren Vorteilen (Stabilisation der Turbine) die automatische Verlagerung der Windkräfte auf die für die Drehung der Turbine wichtigen Teile der Windflüge mit langem Hebelarm auf seitlichen bzw. peripheren Teilen der Flügel.
• 4. Die äußere Kante quergestellt zur Längsachse des Flügels ist zur Windenergiean­ sammlung bereits in P 40 30 559.7 gegen den Wind umgebogen/erhöht. Stattdessen ist desgleichen am äußeren Ende des Flügels ein tangential mitlaufender tropfenförmiger, aerodynamisch günstiger Körper am Flügel nicht nur für die Ansammlung der Windkräfte, sondern zugleich auch schwingungsmindernd vorhanden, wie auch desgleichen zur Wind­ umlenkung auf der Vorderfläche des Flügels weitere quergesetzte Leisten aero­ dynamisch zur Verstärkung der Drehung der Turbine befestigt/vorhanden zu sein haben.

Es zeigen:

Fig. 1 einen herkömmlichen Flügel 1 einer Windturbine bzw. eines Windkraftwerkes, massiv ausgelegt, bei Einwirkung des Windes besonders an der peripheren Seite des Flügels 1 starke Vibration in Minderung der Windkraftübertragung auf den Flügel 1 zur Rotation (Pfeile), somit beim Einsatz eines Windkraftwerkes Minderung der Gewinnung erneuerbarer Energie.

Fig. 2 den gleichen massiven Flügel 1 mit der Achse 2, die Drehung des Flügels 1 unter gleichen Windbedingungen wie in Fig. 1, einen hohlen tropfenförmigen mit­ laufenden endständigen Zusatzkörper 3a peripher am Flügel 1, der bei tangentialer Ausrichtung (seiner Längsachse) kreisförmig, am äußeren Ende des Flügels 1 mitläuft und die sonst entstehenden Schwingungen besonders im Bereich der distalen Hälfte des Flügels 1 (siehe Fig. 1) verhindert/mindert.

Fig. 3 einen hohlen, also zum großen Teil lufthaltigen Flügel 1 mit der Achse 2 die Drehung dieses Flügels 1 und ebenfalls die Dämpfung der Schwingung dieses Flügels 1 bei der Windeinwirkung durch einen nun massiven schweren endständigen Körper 3b, der aerodynamisch in dem distalen Teil des Flügels 1 verankert ist. Eine solche Konstruktion erscheint in mehrfacher Hinsicht günstig: Der Flügel 1 ist leicht der mitlaufende endständige Zusatzkörper ist nicht voluminös und kann aerodynamisch am äußeren Ende des Flügels 1 eingepaßt/dort verankert werden. Ein Energieverlust durch die Reibung zum Luftraum bei Umlauf des Rotors ist nicht zu erwarten.

Fig. 4 den Aufblick auf die vordere Fläche eines Flügels 1 mit dem Stellwinkel einer Windturbine, die Achse 2, die Drehung des Flügels 1 gegen den Uhrzeigersinn, den Abrieb der Windströmung über die hintere Kante des Flügels 1 bei genanntem (nicht erkennbaren) Stellwinkel, eine Windleitfurche 6 am medialen konischen Körper, in dem die medialen Flügelteile 1 verankert sind, eine Gleitfurche 6 für die Fortleit­ ung der Luftströmung des Windes auf die Flügelfläche 1, den mitlaufenden endständigen Zusatzkörper 3a, der als Hohlkörper ausgebildet ist und Tropfenform bei tangentialer Befestigung am Flügel 1 und seiner Kreisbewegung hat, zugleich besteht Doppel­ funktion dieses Zusatzkörpers 3a bei in diesem Fall nach hinten gebogenem Flügel 1: Die eine Funktion (wie schon in Fig. 2 beschrieben) schwingungsdämpfend für den Flügel 1 zur Steigerung der Energieausbeute und 2. in Verbindung mit der Anschluß­ platte 12 zur äußeren Kante des Flügels 1, Kollektor von Windenergie auf der seitlichen, zugleich den Stellwinkel besitzenden Fläche des Flügels 1.

Fig. 5 den senkrechten Schnitt durch ein Windkraftwerk mit nach hinten deutlich schwingenförmig gekrümmten Flügeln 1, außen der mitlaufende endständige Zusatzkörper als Schwingungsdämpfer des Flügels 1, der als Hohlkörper, gashaltig und tropfen­ förmig synchron die kreisförmigen Bewegungen der Flügel 1 mitmacht, die horizontale nach vorn verlängerte Achse 2 des Windkraftwerkes, die breite Verankerung der Flügel 1 am vorderen Teil der Achse 2 mit konischer Verschmälerung 5 daselbst, die auf die seitlichen Teile der Flügel 1 abgeleitenen Windkräfte (Pfeile), die Selbstjustierung bzw. Stabilisation des Windkraftwerkes im Winde (Symbol starker Pfeil vor der Achse), den Generator 9 des Windkraftwerkes, das Gehäuse 10 und den Mast 11 neben anderen Bauelementen.

Fig. 6 den senkrechten Schnitt durch die Längsachse eines nach hinten gekrümmten somit schwingenförmigen Windturbinenflügels 1, den am seitlichen Ende des Flügels 1 befestigten tangential mitlaufenden Zusatz-Begrenzungskörper 3a, hohl und Gas ent­ haltend, die Verbindungsplatte 12 zum Flügel 1, zudem auf dem Flügel 1 zur Längsachse quergesetzte, die Luftströmung des Windes zur Drehung über dem Stell­ winkel umlenkende Leisten 14.

Fig. 7 den Aufblick auf die Vorderfläche eines nach hinten gekrümmten Flügels 1, den schwingungsmindernden tropfenförmigen Zusatz- bzw. Begrenzungskörper 3a am äußeren Rand des Flügels 1, auf der Vorderfläche des Flügels desgleichen querge­ setzte, den Stellwinkel berücksichtigende Querleiste 14, die ebenfalls der Umlenkung von Windkräften zur Optimierung der Drehkraft der Turbine dienen.

Fig. 8 den Blick auf die hintere Kante des nach hinten zur Achse 2 einer Turbine in stärkerem Maße schwingenförmig gekrümmten Flügels 1, die feste Verbindung der Achse 2 mit dem Flügel 1, den beim Aufblick von hinten auf den Flügel 1 projizierten, also verkürzt erscheinenden Stellwinkel 16 (gestrichelt), den tangentisch an der Seitenkante des Flügels 1 befestigten lufthaltigen, dem Gewicht nach leichten Mit­ laufkörper 3a, die desgleichen gegen den Wind gerichtete Verbindungsplatte 12, wodurch Wind über der Seitenfläche des Flügels 1 in Verstärkung der Drehung der Turbine angesammelt wird, und ein zweiter kleinerer desgleichen gegen den Wind ge­ richteter Mitlaufkörper 3a und zugehörige Verbindungsplatte 12 über der Achse 2 näher gelegenen Teilen der Vorderfläche des Flügels 1, wobei auch dieser Mitlaufkörper 3a mit seiner Verbindungsplatte 12 bei tangentialer Anordnung auf dem Flügel 1 bezogen auf die Achse 2 der Verstärkung der Drehung der Turbine durch Windkraftansammlung dient. Der an der Seitenkante vorhandene und beschriebene Mitlaufkörper 3a mindert zudem die Vibration/Schwingungen besonders seitlicher Teile des Flügels 1.

Claims (13)

1. Windflügel für Turbinen/Windkraftwerke mit besonderer Gestaltung der Flügel, um die Gewinnung erneuerbarer Energie zu erhöhen, dadurch gekennzeichnet, daß der Flügel (1) mit herkömmlichem Stellwinkel einer Turbine deutlich nach hinten schwingenförmig gekrümmt ist,
daß außerdem/zugleich quergesetzt am äußeren Ende des Flügels (1) an allen Flügeln (1)
einer Turbine Zusatzkörper (3) befestigt sind zur Schwingungsminderung/Vibration bei der Rotation der Turbine,
daß außerdem/zugleich an der Seitenkante der Flügel (1) eine Leiste (14) bzw. gegen den Wind gerichtete Erhebung (14) zur Ansammlung von Windenergie auf peripheren Teilen der Flügel (1) vorhanden ist,
daß der schwingungsmindernde Körper (3) am äußeren Ende des Flügels (1) zugleich der Windansammlung auf der peripheren Fläche der Flügel (1) in Verstärkung der Turbinenkraft dient,
und daß sich weiterhin/zugleich und ebenfalls quergesetzt auf der Vorderfläche seitlicher Teile nach hinten gekrümmter Flügel (1) Leisten (14) für Windansammlung wie Umlenkung der Windströmung zur Verstärkung der Drehung der Turbine befinden/ befestigt sind.

2. Windflügel für Turbinen/Windkraftwerke nach Patentanspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in Abhängigkeit von der Struktur/der Beschaffenheit der Flügel (1) von Windturbinen an der horizontalen Achse (2) die mitrotierenden schwingungsmindernden Zusatzkörper (3) aus verschiedener angepaßter Substanz und Form bestehen.

3. Windflügel für Turbinen/Windkraftwerke nach Patentanspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß für kompakte, auch langgestreckte gerade Flügel (1) endständig und quer gesetzt zur Längsachse mitschwingende Zusatzkörper (3) aerodynamisch und/oder auch als Gewicht in den Körper des Flügels (1) (aerodynamisch-neutral) eingesetzt sind.

4. Windflügel für Turbinen/Windkraftwerke nach Patentanspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzkörper (3) am Flügel (1) aus beständigen Werkstoff bestehen wie Metall, Kunststoff, Aramid- oder Kohlenstoffasern enthaltendem Material.

5. Windflügel für Turbinen/Windkraftwerke nach Patentanspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzkörper (3) eine tropfenförmige bzw. aerodynamische günstige Gestalt besitzen wie auch die Platten der Befestigung am Flügel (1) endständig und quer­ gesetzt am Flügel (1).

6. Windflügel für Turbinen/Windkraftwerke nach Patentanspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß Metallkörper wie beispielsweise Bleiplatten oder Kugeln in peripheren seitlichen Teilen von Flügeln (1) zur Schwingungsminderung befestigt/einge­ bracht sind.

7. Windflügel für Turbinen/Windkraftwerke nach Patentanspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Leisten (14) quergesetzt auf der Vorderfläche der Flügel (1) wie auch endständig aus dauerhaftem Material wie Metall, Kunststoff u. a. bestehen.

8. Windflügel für Turbinen/Windkraftwerke nach Patentanspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Leisten (14) aerodynamisch auf der Vorderfläche der Flügel (1), auch symmetrisch zu den Flügeln (1) einer Turbine, befestigt sind.

9. Windflügel für Turbinen/Windkraftwerke nach Patentanspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß endständige quer zur Längsachse des Flügels (1) gesetzte größere Zusatzkörper (3) für die Ansammlung von Windkräften auf dem seitlichen peripheren Teil nach hinten gekrümmter Flügel (1) vorhanden sind nicht nur für die Schwingungsminderung, sondern auch für Windansammlung.

10. Windflügel für Turbinen/Windkraftwerke nach Patentanspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß besonders endständig am gekrümmten Flügel (1) quer zur Längsachse ge­ setzte, mehreren Zwecken dienende Zusatzkörper (3) aus beständigen Gummihüllen bestehen und variabel aufdehnbar sind.

11. Windflügel für Turbinen/Windkraftwerke nach Patentanspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß solche vorgeformt aufdehnbaren Zusatzkörper (3a), die tangential am Flügel (1) mitschwingen, eine Zuleitung für Druckgas besitzen, wobei die Leitung durch den Flügel (1) und zumindest einen Teil der Achse (2) zu führen ist.

12. Windflügel für Turbine/Windkraftwerke nach Patentanspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß aus Druckflaschen Preßgas für die Aufdehnung von Zusatzkörpern (3) wie auch für hohle, variabel aufdehnbare Querleisten (14) an Flügeln (1) von Turbinen zur Verfügung stehen.

13. Windflügel für Turbinen/Windkraftwerke nach Patentanspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der gashaltige, hohle Zusatzkörper (3a) am äußeren Ende des Flügels (1) auch als Mitlaufkörper (3a) bezeichnet wird und zugleich zwei Aufgaben erfüllt:

• a) als Schwingungsdämpfer des Flügels (1) und zugleich
• b) Kollektor für Windenergie auf der Vorderfläche seitlicher Teile des gleichen Flügels (1).