DE4319291C1 - Rotor on vertical axis for wind-energy converter - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Rotor für einen Windenergiekonverter der im Gattungsbegriff des Patentanspruches 1 angegebenen Art.The present invention relates to a rotor for a Wind energy converter in the preamble of the claim 1 specified Art.
Ein Windmotor mit vertikaler Drehachse des Rotors, bei dem die Auftriebswirkung eines schnell im Luftstrom bewegten Körpers mit windschnittigem Profil für die Energiegewinnung ausgenutzt wird, ist in der DE-PS 8 92 130 beschrieben. Unter windschnittiger Form des Profilquerschnitts soll dabei eine Form verstanden werden, bei der das Verhältnis der Dicke des Querschnitts zur Länge des Querschnitts sich etwa wie 1 : 3 bis 1 : 10 verhält; weiter soll das eine Ende mehr oder weniger stark abgerundet sein, während das andere Ende spitz ausläuft; und schließlich sollen die Seitenlinien des Querschnitts gerade oder etwas nach innen oder nach außen gekrümmt verlaufen. Letzteres bedeutet, daß hier offensichtlich ein Profilquerschnitt gemeint ist, der - bezogen auf seine Längsachse - symmetrisch gestaltet ist. A wind motor with a vertical axis of rotation of the rotor, in which the Buoyant effect of a body moving quickly in the air flow aerodynamic profile is used for energy generation, is described in DE-PS 8 92 130. Under streamlined shape the shape of the profile cross section should be understood where the ratio of the thickness of the cross section to the length of the Cross-section behaves approximately like 1: 3 to 1:10; that should continue one end to be more or less rounded while the other end tapers; and finally they should Sidelines of the cross section straight or slightly inside or run outward. The latter means that here obviously a profile cross section is meant that - related on its longitudinal axis - is designed symmetrically.
Erklärte Absicht des Gegenstandes nach der DE-PS 8 92 130 ist es, den Wirkungsgrad im Vergleich zu vorbekannten, einleitend in der Beschreibung dieser Druckschrift erwähnten Windmotoren wesentlich zu verbessern. Im Zusammenhang mit dem Hinweis darauf, daß für den Fall einer im Verlauf des Anlaufvorganges wachsenden Drehzahl (des umlaufenden Motorteils) in einem solchen Maße, daß die Umfangsgeschwindigkeit der Windradflügel schließlich größer wird als die Windgeschwindigkeit, wird in dieser Druckschrift ausgeführt, daß dann die Windradflügel immer nur in einer solchen Weise von der aus Windgeschwindig keit und Umfangsgeschwindigkeit resultierenden Anströmgeschwin digkeit getroffen würden, daß sich aus der resultierenden Anblasrichtung eine Luftkraft auf den Flügel ergebe, die in jeder Stellung des Windradflügels ein Moment hervorrufe, das den gleichen in Richtung der Drehbewegung wirkenden Drehsinn habe und daher zur weiteren Erhöhung der Drehzahl beitrage. - Versuche mit Windmotoren der vorbeschriebenen Art widerlegen diese Behauptung. Vielmehr kommt es bei dem in der DE-PS 8 92 130 beschriebenen Windmotor mit symmetrischem Profilquerschnitt der Windradflügel über einen vollständigen Umlauf eines Windradflügels hinweg teilweise zu einer Umkehr der Richtung der am Windradflügel wirkenden Auftriebskraft und damit des am Windradflügel angreifenden Drehmomentes; dies geschieht darüberhinaus in einem solchen Ausmaß, daß ein derartiger Windmotor für eine rentable Energiegewinnung aus Windkraft nicht brauchbar ist.Declared intent of the subject according to DE-PS 8 92 130 it, the efficiency compared to previously known, introductory wind motors mentioned in the description of this publication to improve significantly. In connection with the notice on the fact that in the event of a start-up growing speed (of the rotating engine part) in one such dimensions that the peripheral speed of the wind turbine blades eventually becomes greater than the wind speed, in of this document that the wind turbine blades only in such a way from the wind speed speed and peripheral speed resulting flow velocity would be taken that result from the resulting Blowing direction gives an air force on the wing, which in each position of the wind turbine blade cause a moment that the same sense of rotation acting in the direction of the rotational movement have and therefore contribute to the further increase in speed. - Refute experiments with wind motors of the type described above this claim. Rather, it happens in the DE-PS 8 92 130 described wind motor with symmetrical Profile cross section of the wind turbine blades over a complete Circulation of a wind turbine wing partially to a reversal the direction of the lifting force acting on the wind turbine blade and thus the torque acting on the wind turbine blade; this happens to such an extent that a such a wind motor for profitable energy generation Wind power is not usable.
Um den Wirkungsgrad einer Windkraftmaschine mit vertikaler Drehachse des Rotors zu verbessern, wird in der DE-OS 28 16 026 vorgeschlagen, für die Flügel der Windkraftmaschine ein von Flugzeugen her bekanntes Tragflächenprofil - also ein Profil mit unsymmetrischem Querschnitt - zu benutzen, das sich darüber hinaus durch zusätzliche und für Flugzeuge untypische Details des Verlaufs der Krümmung der Profilumfangslinie auszeichnen soll. Bei analytischer Beurteilung des in dieser Druckschrift beschriebenen Profils ist allerdings nicht klar erkennbar, inwiefern sich dieses Profil von einem für Flugzeuge benutzbaren Profil grundsätzlich unterscheidet. Die Bemühungen, bei einer gattungsgemäßen Windkraftmaschine mit den in der DE-OS 28 16 026 beschriebenen Details zum Profilquerschnitt den erzielbaren Wirkungsgrad nennenswert zu verbessern, so daß eine derartige Windkraftmaschine grundsätzlich eine ernsthafte Alternative zu solchen mit horizontal angeordnetem und in die Windrichtung stellbarem Rotor darstellen würde, scheitern wegen der auch bei dieser Lösung eintretenden Drehmomentenumkehr an den Flügeln während eines Umlaufes des Rotors.To the efficiency of a wind turbine with vertical Improving the axis of rotation of the rotor is described in DE-OS 28 16 026 proposed one for the blades of the wind turbine Aircraft profile known from aircraft - i.e. a profile with asymmetrical cross-section - to use that itself with additional details that are unusual for airplanes the course of the curvature of the profile circumferential line should. With an analytical assessment of the in this publication described profile is however not clearly recognizable, to what extent this profile differs from one that can be used for aircraft Profile differs fundamentally. The effort at one Generic wind turbine with the in the DE-OS 28 16 026 described details of the profile cross section achievable efficiency significantly improve, so that such a wind turbine is fundamentally serious Alternative to those with horizontally arranged and in the Wind direction adjustable rotor would fail because of of the torque reversal also occurring with this solution the blades during one revolution of the rotor.
Allerdings zeigt die erwähnte DE-OS 28 16 026 bereits einen Rotor für einen Windenergiekonverter, wie er im Gattungsbegriff des Patentanspruches 1 angegeben ist, nämlich einen Rotor, der - aus Gründen des leichten und selbsttätig erfolgenden Anlaufens - mindestens drei gleichmäßig über den Umfang des Rotors verteilt und unter einem Anstellwinkel zur Tangente des Umlaufkreises angeordnete, Auftrieb erzeugende Rotorblätter trägt, die einen aerodynamisch unsymmetrischen und unveränderbaren Profilquerschnitt aufweisen.However, the aforementioned DE-OS 28 16 026 already shows a rotor for a wind energy converter, as it is in the generic term of Claim 1 is specified, namely a rotor which - for reasons of easy and automatic start-up - at least three evenly distributed over the circumference of the rotor and at an angle of attack to the tangent of the orbit arranged, buoyant rotor blades carries one aerodynamically asymmetrical and unchangeable Have profile cross-section.
Einen Versuch, die Strömungsverhältnisse an den Flügeln eines Windenergiekonverters mit senkrechter Drehachse seines Rotors im Sinne der Erhöhung des Wirkungsgrades zu verbessern, stellt der Vorschlag nach der DE-OS 30 18 211 dar. Nach dieser Druck schrift soll der Profilquerschnitt der Flügel des Windrades über einen Umlauf hinweg in vorbestimmtem oder vorbestimmbarem Maße geändert werden, wodurch sich eine Verbesserung des Wirkungsgrades ergeben soll. Abgesehen von dem erheblichen konstruktiven Aufwand für diese Lösung scheinen die behaupteten Vorteile aber auch nur unter Vernachlässigung der infolge der ständigen Verstellung des Profilquerschnittes sich ergebenden, offensichtlich noch schwieriger als im Fall eines unveränder baren Profilquerschnittes rechnerisch zu erfassenden Strömungs dynamik in einer ersten groben Näherung und nur theoretisch erklärbar zu sein. Jedenfalls konnte sich aber auch diese Lösung nicht in der Praxis einführen.An attempt to determine the flow conditions on the wings of a Wind energy converter with the vertical axis of rotation of its rotor in To improve the sense of increasing efficiency, the Proposal according to DE-OS 30 18 211. According to this print the profile cross section of the blades of the wind turbine should be above one round in predetermined or predeterminable Dimensions are changed, resulting in an improvement in the Efficiency should result. Aside from the substantial constructive effort for this solution seem the claimed Advantages but only neglecting the result of constant adjustment of the profile cross section resulting obviously even more difficult than in the case of an unchanged bar profile cross-section to be computed flow dynamics in a first rough approximation and only theoretically to be explainable. In any case, this could also Do not put the solution into practice.
Mit der vorliegenden Erfindung wird das Ziel angestrebt, einen Windenergiekonverter der eingangs genannten Art insoweit zu verbessern, daß - bei gleichbleibend einfacher Konstruktion - eine im Vergleich zu vorbekannten Windenergiekonvertern dieser Art erhebliche Verbesserung des Wirkungsgrades erzielbar ist.The aim of the present invention is to achieve a To this extent, wind energy converters of the type mentioned improve that - with the same simple construction - one in comparison to previously known wind energy converters Kind of significant improvement in efficiency can be achieved.
Zum Erreichen des vorstehend umrissenen Zieles wird die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegebene Erfindung vorgeschlagen.To achieve the goal outlined above, the in characterizing part of claim 1 specified Invention proposed.
Überraschenderweise ist gefunden worden, daß - entgegen allen bisherigen Bemühungen, durch eine wie auch immer geartete grundlegende Konstruktion eine nennenswerte Verbesserung des Wirkungsgrades der zur Rede stehenden Windenergiekonverter zu erzielen - eine Anordnung der Rotorblätter am Rotor derart, daß die in Richtung des Auftriebs zeigenden, konvex gekrümmten Flächenbereiche der Rotorblätter der geometrischen Drehachse des Rotors zugekehrt sind, zu dem gewünschten Erfolg führt. Dabei ist es nach Kenntnis des Gegenstandes der vorliegenden Erfindung für den Fachmann ohne weiteres und insbesondere ohne zusätzliche eigene erfinderische Bemühungen möglich, entspre chend den Anforderungen, auch im Hinblick auf die ortsüblichen Windgeschwindigkeiten, einen geeigneten unsymmetrischen Profil querschnitt für die Rotorblätter auszuwählen, bei dem während eines Umlaufes trotz sich kontinuierlich änderndem Anströmwinkel Auftrieb und Drehmoment am Rotorblatt (Windradflügel) ihre in der vorgesehenen Antriebsrichtung des Rotors wirkende Richtung - zumindest über den allergrößten Teil eines vollständigen Umlaufes des (eines) Rotorblattes hinweg - beibehalten. Dies kann bei bestimmten Profilquerschnitten bereits bei einem Anstellwinkel ρ des Rotorblattes in der Größenordnung von 0° der Fall sein. Unter dem Anstellwinkel ρ wird dabei der Winkel zwischen der Profilsehne des Profilquerschnitts und der Tangente des Umlaufkreises verstanden. Allerdings ist insbesondere im Fall von Hochauftriebsprofilen abhängig von den speziellen Profilkennlinien eine mehr oder weniger große (positive) Anstellung des Rotorblattes zur Tangente des Umlaufkreises zur Maximierung des Wirkungsgrades angebracht.Surprisingly, it has been found that - contrary to all efforts so far, by whatever way basic construction a notable improvement of the Efficiency of the wind energy converters in question achieve - an arrangement of the rotor blades on the rotor such that the convex ones pointing in the direction of the buoyancy Surface areas of the rotor blades of the geometric axis of rotation Rotors are facing, leads to the desired success. Here it is to the knowledge of the subject of the present Invention for the expert without further ado and in particular without additional own inventive efforts possible, correspond according to the requirements, also with regard to the customary local Wind speeds, a suitable asymmetrical profile cross section for the rotor blades to be selected during one cycle despite continuously changing flow angle Buoyancy and torque on the rotor blade (wind turbine blades) their in the intended direction of drive of the rotor acting direction - at least over the vast majority of a complete Circulation of the (one) rotor blade - keep. This can already be used for one with certain profile cross sections Angle of attack ρ of the rotor blade in the order of magnitude of 0 ° be the case. The angle is the angle of attack ρ between the chord of the profile cross section and the tangent of the circulation loop understood. However, in particular Case of high lift profiles depending on the special Profile characteristics a more or less large (positive) Adjustment of the rotor blade to the tangent of the orbit Maximize efficiency attached.
Im übrigen wird der Fachmann bei der Auswahl eines im einzel nen Anwendungsfall geeigneten Profilquerschnittes, ausgehend von der zu erzielenden Leistung, zunächst die Schnellaufzahl des Rotors festlegen, für die die Blattiefe (beispielsweise das 0,3fache des Durchmessers des Umlaufkreises der Rotorblätter) ein wichtiger Parameter ist. Unter Berücksichtigung der Band breite der Windgeschwindigkeiten, mit denen zu rechnen ist, werden sodann die erzielbaren Anströmwinkel (Winkel zwischen Profilsehne des Profilquerschnittes und jeweiliger Anströmrichtung - insbesondere für die Verhältnisse an der Luvseite des Rotors -) ermittelt; und schließlich wird ein Profil mit einem solchen unsymmetrischen Profilquerschnitt ausgewählt, der über den Schwankungsbereich der Anströmwinkel stets - oder zumindest über den allergrößten Teil eines vollständigen Umlaufes hinweg - positive, also in der vorgesehenen Antriebsrichtung des Rotors wirkende Momente liefert.Incidentally, the expert in the selection of one in detail suitable profile cross-section, starting from on the performance to be achieved, first the quick count of the Define rotors for which the blade depth (e.g. the 0.3 times the diameter of the rotating circuit of the rotor blades) is an important parameter. Taking into account the band width of the wind speeds to be expected then the achievable flow angles (angle between Chord of the profile cross-section and the respective flow direction - especially for the conditions on the windward side of the rotor -) determined; and finally a profile with one asymmetrical profile cross section selected, which over the Fluctuation range of the flow angles always - or at least over the vast majority of a complete circulation - positive, i.e. in the intended drive direction of the rotor acting moments.
Einen für Zwecke der vorliegenden Erfindung gut geeigneten, unsymmetrischen Profilquerschnitt weist z. B. das aus der ein schlägigen Literatur bekannte Profil GÖ 557 der AVA Göttingen ("Ergebnisse der aerodynamischen Versuchsanstalt zu Göttingen, I. bis IV. Lieferung") auf; ebenfalls (noch) verwendbar wäre das bekannte Kármán-Trefftz-Profil, welches etwa dem Profil GÖ 387 der AVA Göttingen entspricht.A well suited for purposes of the present invention asymmetrical profile cross section has z. B. from the one relevant literature known profile GÖ 557 of the AVA Göttingen ("Results of the aerodynamic test facility in Göttingen, I. to IV. Delivery "); this would also (still) be usable well-known Kármán-Trefftz profile, which is approximately the GÖ 387 profile corresponds to the AVA Göttingen.
Eine weitere Verbesserung des Wirkungsgrades des Windenergie konverters ist erzielbar, wenn für die Rotorblätter ein - grundsätzlich an sich bekanntes - mehrteiliges Profil gewählt wird. Ein solches mehrteiliges Profil kann zum Beispiel eines sein, welches dem bekannten Kellner-Bechereau-Profil oder dem Handley-Page-Profil ähnlich ist.Another improvement in wind energy efficiency converter is achievable if one for the rotor blades - Basically known - selected multi-part profile becomes. Such a multi-part profile can, for example, be one be the well-known Kellner-Bechereau profile or the Handley page profile is similar.
Die Rotorblätter des erfindungsgemäßen Windenergiekonverters können entsprechend dem Vorschlag nach Anspruch 3 geradlinig und parallel zur geometrischen Drehachse des Rotors verlaufend angeordnet sein, oder aber auch, wie Anspruch 4 angibt, gekrümmt zu dieser verlaufend angeordnet sein.The rotor blades of the wind energy converter according to the invention can be straightforward according to the proposal of claim 3 and running parallel to the geometric axis of rotation of the rotor be arranged, or else as indicated in claim 4, be arranged to extend curved to this.
Der mit der Erfindung erreichte Vorteil eines gegenüber vorbe kannten Windenergiekonvertern erheblich besseren Wirkungsgrades ist grundsätzlich auch schon mit solchen unsymmetrischen Profil querschnitten erzielbar, bei denen Auftrieb und angreifendes Drehmoment während eines Umlaufes des Rotors möglicherweise über einen kleineren Drehwinkel bis auf den Wert Null zurück gehen oder sich eventuell über einen vernachlässigbar kleinen Teil des Umlaufes des Rotorblattes von 360° geringfügig umkehren; an der grundsätzlichen Wirkungsweise im erfindungs gemäßen Sinn ändert sich dadurch jedoch nichts. Im Hinblick auf eine Maximierung der vom Windenergiekonverter an Verbrau cher und/oder Energiespeicher zu liefernden Energie sollte allerdings das Integral der in Drehrichtung des Rotors wirken den Kraft über einen Umlauf entsprechend 360° Drehwinkel des Rotors hinweg so groß wie möglich sein.The advantage achieved with the invention over vorbe knew wind energy converters significantly better efficiency is basically already with such asymmetrical profile cross sections achievable where buoyancy and attacking Torque during one revolution of the rotor over a smaller angle of rotation back to zero go or possibly over a negligible small one Part of the rotation of the rotor blade of 360 ° slightly turning back; on the basic mode of operation in the fiction however, nothing changes in accordance with the meaning. With regard on maximizing the consumption of wind energy converters cher and / or energy storage to be supplied energy however, the integral of acting in the direction of rotation of the rotor the force over one revolution corresponding to the 360 ° angle of rotation Rotor as large as possible.
Bevorzugt sind - unter Berücksichtigung der Schnellaufzahl des Rotors - Profilquerschnitt und Anstellwinkel des Rotorblattes derart gewählt, daß das am einzelnen Rotorblatt angreifende Drehmoment über einen vollständigen Umlauf des Rotors hinweg seine Richtung nicht ändert. Eine derartige Vorgabe läßt nicht nur eine relativ hohe Energieausbeute erwarten, sondern bewirkt außerdem, daß Schwingungen des Rotorblattes (als Folge insbe sondere des Einflusses sich mehr oder weniger kontinuierlich ändernder Auftriebskräfte am Rotorblatt) gering gehalten werden können. Darüberhinaus sollte dieses Drehmoment vorzugsweise auf möglichst hohem Niveau liegen und in seiner Stärke über einen Umlauf des Rotors so gering wie möglich schwanken.Are preferred - taking into account the rapid number of Rotors - profile cross-section and angle of attack of the rotor blade chosen such that that attacking the individual rotor blade Torque over a complete revolution of the rotor does not change its direction. Such a requirement does not expect only a relatively high energy yield, but causes also that vibrations of the rotor blade (as a result in particular special of the influence more or less continuously changing buoyancy forces on the rotor blade) are kept low can. In addition, this torque should preferably be on as high a level as possible and in strength above one Vary the rotation of the rotor as little as possible.
Anhand der Fig. 1 bis 6 der Zeichnung wird die Erfindung im folgenden näher erläutert.The invention is explained in more detail below with reference to FIGS. 1 to 6 of the drawing.
Es zeigenShow it
Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Rotor eines Windenergiekonverters in der Seitenansicht, Fig. 1 shows a rotor according to the invention of a wind energy converter in the side view,
Fig. 2 den Rotor nach Fig. 1 in der Aufsicht im Schnitt entsprechend Schnittlinie II-II in Fig. 1, Fig. 2 shows the rotor according to Fig. 1, in a plan view in section corresponding to section line II-II in Fig. 1
Fig. 3 einen anderen erfindungsgemäßen Rotor eines Windenergiekonverters in der Aufsicht im Schnitt ähnlich der Darstellung in Fig. 2, Fig. 3 shows another rotor according to the invention of a wind energy converter in a plan view in section similar to that shown in Fig. 2,
Fig. 4 einen weiteren erfindungsgemäßen Rotor eines Windenergiekonverters in der Aufsicht im Schnitt ähnlich der Darstellung in Fig. 2, Fig. 4 shows a further rotor according to the invention of a wind energy converter in a plan view in section similar to that shown in Fig. 2,
Fig. 5 einen symmetrischen Profilquerschnitt für Rotorblätter an Rotoren für Windenergiekonverter, wie sie zum vorbekannten Stand der Technik gehören, und Fig. 5 shows a symmetrical profile cross section for the rotor blades of rotors for wind energy converter, as they belong to the known prior art, and
Fig. 6 ein Kennlinienfeld mit vergleichender Darstellung der mit den Profilquerschnitten der Rotorblätter nach den Fig. 1 bis 5 erzielbaren Drehmomentenbeiwerte in Abhängigkeit vom Drehwinkel des betreffenden Rotor blattes über einen vollständigen Umlauf des jeweiligen Rotorblattes hinweg. Fig. 6 is a characteristic field with a comparative representation of the profile cross-sections of the rotor blades according to FIGS. 1 to 5 Drehmomentenbeiwerte recoverable sheet in dependence on the rotational angle of the respective rotor through one complete revolution of each rotor blade of time.
Die Fig. 1 und 2 zeigen einen erfindungsgemäßen Rotor 1 eines im übrigen nicht näher dargestellten Windenergiekonver ters, der im Bereich seines statischen Teils wie an sich bekannt beispielsweise einen elektrischen Generator und elektrische/ elektronische Schalt- und/oder Regelmittel enthält, die u. a. auch zur Beeinflussung der Leistungsentnahme abhängig von der Dreh zahl im Hinblick auf leichtes Anlaufen des Rotors und zur Drehzahlbegrenzung im Hinblick auf sehr hohe Windgeschwindigkeiten dienen können. Figs. 1 and 2 show a rotor 1 according to the invention of an otherwise not shown in detail Windenergiekonver ters, which contains the region of its static part as known per se, for example, an electrical generator and electrical / electronic switching and / or control means, which among other things, for Influencing the power consumption depending on the speed with regard to easy starting of the rotor and to limit the speed with regard to very high wind speeds can serve.
Der Rotor 1 trägt auf einer Welle 2 eine zu dieser konzentrische Rotorscheibe 3. Auf der Rotorscheibe 3 sind die einen Enden von Rotorblättern 4 befestigt, deren andere Enden auf einer zur Welle 2 ebenfalls konzentrischen Rotorscheibe 5 befestigt sind. Die geometrische Drehachse des aus den Rotorscheiben 3 und 5 mit Rotorblättern 4 sowie Welle 2 gebildeten Rotors 1 ist mit 6 bezeichnet.The rotor 1 carries a rotor disk 3 which is concentric with this on a shaft 2 . On the rotor disk 3 , one end of rotor blades 4 are fastened, the other ends of which are fastened on a rotor disk 5 which is also concentric with the shaft 2 . The geometric axis of rotation of the rotor 1 formed from the rotor disks 3 and 5 with rotor blades 4 and shaft 2 is denoted by 6 .
In Fig. 2 ist die angenommene Windrichtung durch Pfeile 7, die aus der Anordnung der Rotorblätter 4 resultierende Drehrichtung des Rotors 1 durch den Pfeil 8 angegeben.In Fig. 2 the wind direction adopted by arrows 7, resulting from the arrangement of the rotor blades 4 rotating direction of the rotor 1 is indicated by the arrow 8.
Fig. 2 zeigt einander entsprechende Rotorblätter 4 mit stark unsymmetrischem Profilquerschnitt; ein derartiger Profilquer schnitt ist unter der Bezeichnung GÖ 557 aus der einschlägigen Literatur ("Ergebnisse der aerodynamischen Versuchsanstalt zu Göttingen - I. bis IV. Lieferung", AVA Göttingen) als sogenann tes Hochauftriebsprofil bekanntgeworden. Erfindungsgemäß sind die Rotorblätter 4 mit den in Richtung des Auftriebs zeigenden, konvex gekrümmten und mit 9 bezeichneten Flächenbereichen der geometrischen Drehachse 6 des Rotors 1 zugekehrt an diesem angeordnet. Fig. 2 shows mutually corresponding rotor blades 4 with a strongly asymmetrical profile cross section; Such a profile cross-section has become known as the so-called high lift profile under the name GÖ 557 from the relevant literature ("Results of the aerodynamic research institute in Göttingen - I. to IV. delivery", AVA Göttingen). According to the invention, the rotor blades 4 are arranged on the surface of the geometric axis of rotation 6 of the rotor 1 with the convexly curved surface regions pointing in the direction of the lift and denoted by 9 .
Im Fall der Darstellung nach Fig. 2 ist die mit 10 bezeichnete Profilsehne des Profilquerschnitts der Rotorblätter 4 gegen die mit 11 bezeichnete Tangente des Umlaufkreises mit dem Radius 12 der Rotorblätter 4 mit einem festen - also mit einem während der Drehbewegung des Rotors 1 unveränderten - Anstellwinkel von etwa 0° angestellt. Infolge der unterschiedlichen Strömungsver hältnisse auf der der Windrichtung zugekehrten Seite (Luvseite) des Rotors 1 einerseits und der der Windrichtung abgekehrten Seite (Leeseite) des Rotors 1 andererseits werden sich auf der Luvseite andere, nämlich größere (positive) Anströmwinkel für den Profilquerschnitt ergeben als auf der Leeseite. Dies resul tiert aus der erheblich geminderten, allgemein mit etwa 2/5 der auf der Luvseite gegebenen Windgeschwindigkeit angenommenen Windgeschwindigkeit auf der Leeseite - also im Innern - des Rotors. Dennoch wird sich für den Fall einer Anordnung wie in Fig. 2 dargestellt über einen vollständigen Umlauf, nämlich über einen Drehwinkel von 360° um die geometrische Drehachse 6, eines Rotorblattes 4 hinweg ein stets in Antriebsdrehrichtung wirkendes Drehmoment am Rotor 1 entsprechend dem Pfeil 8 einstellen (siehe auch entsprechende, dem Profilquerschnitt des Rotorblattes 4 zugeordnete Kennlinie des Drehmomentenbeiwertes Cm in Fig. 6).In the case of the representation according to FIG. 2, the chord of the profile cross section of the rotor blades 4, designated 10, is against the tangent of the circumferential circle, designated 11 , with the radius 12 of the rotor blades 4 with a fixed - that is, with an unchanged angle of attack during the rotary movement of the rotor 1 of about 0 °. As a result of the different flow conditions on the windward side (windward side) of the rotor 1 on the one hand and the windward side (leeward side) of the rotor 1 on the other hand, other, namely larger (positive) inflow angles for the profile cross section will result on the windward side the leeward side. This results from the considerably reduced wind speed on the leeward side - that is, inside - of the rotor, which is generally assumed to be about 2/5 of the wind speed on the windward side. Nevertheless, in the case of an arrangement as shown in FIG. 2, a complete rotation, namely over a rotation angle of 360 ° about the geometric axis of rotation 6 , of a rotor blade 4 will result in a torque on the rotor 1 which always acts in the direction of rotation of the drive in accordance with the arrow 8 (See also the corresponding characteristic of the torque coefficient C m in FIG. 6 associated with the profile cross section of the rotor blade 4 ).
Der - als reine Zahl dimensionslose - "Drehmomentenbeiwert" (Cm), gelegentlich auch als "Momentenzahl" bezeichnet, stellt ein Maß für das Drehmoment dar, welches sich aus der auf das Rotorblatt wirkenden Luftkraft ergibt unter Bezug auf eine - für die rechnerische Behandlung - passend ausgewählte Bezugsachse; bei Flügeln mit Profilquerschnitten entsprechend den hier zur Rede stehenden Rotorblättern wird aus praktischen Gründen als Bezugsachse die zur Profilebene senkrechte Linie durch den Schnittpunkt der Sehne der Druckseite des Flügels bzw. des Rotorblattes (Profilsehne) mit der dazu senkrechten Tangente an dessen Anströmrand gewählt. Der drehwinkelabhängige Drehmo mentenbeiwert steht in direktem Zusammenhang mit dem an der Welle 2 des Rotors 1 des Windenergiekonverters angreifenden Drehmoment.The - as a pure number dimensionless - "torque coefficient" (C m ), sometimes also referred to as "torque number", represents a measure of the torque which results from the air force acting on the rotor blade with reference to - for the computational treatment - appropriately selected reference axis; in the case of blades with profile cross sections corresponding to the rotor blades in question, the line perpendicular to the profile plane through the intersection of the chord of the pressure side of the blade or the rotor blade (profile chord) with the perpendicular tangent to its inflow edge is chosen as the reference axis for practical reasons. The torque-dependent torque coefficient is directly related to the torque acting on the shaft 2 of the rotor 1 of the wind energy converter.
Durch eine Anstellung der Rotorblätter 4 - die bei ruhendem Rotor 1 vorgenommen werden kann - mit einem Anstellwinkel ρ von beispielsweise +9° gegenüber der Tangente 11 des Umlauf kreises kann sogar noch eine Verbesserung des Verlaufs des Drehmomentenbeiwertes erreicht werden, so daß die erzielbare Energieausbeute entsprechend größer ist.By adjusting the rotor blades 4 - which can be done with the rotor 1 at rest - with an angle of attack ρ of, for example, + 9 ° with respect to the tangent 11 of the rotating circle, an improvement in the course of the torque coefficient can even be achieved, so that the achievable energy yield accordingly is bigger.
Fig. 3 zeigt in einer der Darstellungsweise nach Fig. 2 ent sprechenden Darstellungsweise einen Rotor 13 mit Rotorblättern 14. Bei den Rotorblättern 14 handelt es sich um ein extremes Hochauftriebsprofil mit einem zweifach unterteilten Profilquer schnitt. Derartige Profilquerschnitte mit Unterteilung sind bei spielsweise bekannt als Kellner-Bechereau-Profil oder auch als Handley-Page-Profil. Die Rotorblätter 14 sind im Fall der Dar stellung in Fig. 3 mit einem Winkel ρ von etwa +9° gegenüber der Tangente 11 des Umlaufkreises angestellt (Winkel zwischen der mit 20 bezeichneten Profilsehne des Rotorblattes 14 und der Tangente 11 des Umlaufkreises); die in Richtung des Auftriebs zeigenden, konvex gekrümmten Flächenbereiche des Rotorblattes 14 sind dabei zusammenfassend mit 19 bezeichnet. Rotorblätter dieser Art erfordern zum Ausnutzen ihrer Möglichkeiten im Hin blick auf maximale Energieausbeute des Windenergiekonverters eine mehr oder weniger große Anstellung in Richtung auf höher positive Anstellwinkel zu. Fig. 6 zeigt vergleichsweise die mit dem Profilquerschnitt des Rotorblattes 14 nach Fig. 3 erziel baren Drehmomentenbeiwerte für den Fall einer Anstellung der Rotorblätter 14 von etwa +9°. Fig. 3 2 ent speaking representation shows, in a representation according to FIG. 13 a rotor with rotor blades fourteenth The rotor blades 14 are an extreme high lift profile with a profile section divided into two parts. Such profile cross sections with subdivision are known for example as Kellner-Bechereau profile or as a Handley page profile. The rotor blades 14 are in the case of the Dar position in FIG. 3 with an angle ρ of approximately + 9 ° relative to the tangent 11 of the orbital circuit (angle between the chord 20 of the rotor blade 14 and the tangent 11 of the orbital circuit); the convexly curved surface areas of the rotor blade 14 pointing in the direction of the buoyancy are collectively designated 19 . Rotor blades of this type require a more or less large adjustment in the direction of higher positive angles of attack in order to utilize their possibilities with regard to the maximum energy yield of the wind energy converter. Fig. 6 shows comparatively the achievable with the profile cross section of the rotor blade 14 of FIG. 3 torque coefficients in the event of an inclination of the rotor blades 14 of approximately + 9 °.
Fig. 4 zeigt als möglichen Grenzfall im Sinne der Erfindung einen Rotor 15 mit Rotorblättern 16, deren Profilquerschnitt nur schwach unsymmetrisch ist. Wie im Fall der Rotorblätter 4 bzw. 14 nach den Fig. 1 und 2 bzw. Fig. 3 sind aber jedenfalls auch die Rotorblätter 16 derart zur geometrischen Drehachse 6 des Rotors 15 zwischen Rotorscheiben 3, 5 angeordnet, daß diese mit den in Richtung des Auftriebs zeigenden, konvex gekrümmten und mit 17 bezeichneten Flächenbereichen der geometrischen Drehachse 6 des Rotors 15 zugekehrt an diesem angeordnet sind. Die dem Profilquerschnitt der Rotorblätter 16 - bei angenommener tangentialer Anstellung (Winkel ρ zwischen der mit 21 bezeich neten Profilsehne des Rotorblattes 16 und der Tangente 11 des Umlaufkreises der Rotorblätter ist also etwa 0° groß) der Rotorblätter 16 - zugeordnete Kennlinie für den Drehmomenten beiwert ist ebenfalls dem Diagramm nach Fig. 6 zu entnehmen. Fig. 4 shows a possible borderline case in the meaning of the invention a rotor 15 with rotor blades 16, whose profile cross-section is only slightly asymmetrical. As in the case of the rotor blades 4 or 14 according to FIGS. 1 and 2 or FIG. 3, however, the rotor blades 16 are in any case arranged between the rotor disks 3 , 5 in relation to the geometric axis of rotation 6 of the rotor 15 in such a way that they are aligned with the direction of the Buoyant, convexly curved and designated 17 surface areas of the geometric axis of rotation 6 of the rotor 15 are arranged on the latter. Is associated characteristic for the torque coefficient - the the profile cross-section of the rotor blades 16 -, assuming tangential job (angle ρ between the 21-designated chord of the rotor blade 16 and the tangent 11 of the orbiting circle of the rotor blades is therefore about 0 ° large) of the rotor blades 16 also shown in the diagram of FIG. 6.
Fig. 5 schließlich zeigt einen symmetrischen Profilquerschnitt 18 mit einer - hier also mittig durch den Profilquerschnitt des Rotorblattes verlaufenden - Profilsehne 22 für Rotorblätter an Rotoren für Windenergiekonverter, wie sie zum vorbekannten Stand der Technik gehören, und zwar bei Windenergiekonvertern mit solchen Rotorblättern, deren Profilquerschnitt unveränderbar ist. Die Kennlinie für den Drehmomentenbeiwert für diesen Profilquerschnitt ist ebenfalls dem Diagramm nach Fig. 6 zu entnehmen, und zwar für einen Anstellwinkel ρ von 0°. FIG. 5 finally shows a symmetrical profile cross section 18 with a profile chord 22 for rotor blades on rotors for wind energy converters, such as those running through the center of the profile cross section of the rotor blade, as they belong to the known prior art, specifically for wind energy converters with such rotor blades whose profile cross section is unchangeable. The characteristic curve for the torque coefficient for this profile cross section can also be found in the diagram according to FIG. 6, specifically for an angle of attack ρ of 0 °.
Nach der vorstehenden Beschreibung ist klar, daß es nicht unbedingt notwendig ist, daß die - rechnerisch oder empirisch zu ermittelnde - Kennlinie für den Drehmomentenbeiwert eines Profilquerschnittes über einen vollständigen Umlauf des betref fenden Rotors bzw. Rotorblattes hinweg sich stets auf nur einer Seite der Abzisse des Diagramms befindet; vielmehr kann im Fall einer - im Hinblick auf Maximierung der Energieumwandlung allerdings ungünstigen - speziellen Anordnung und Gestaltung der Rotorblätter auch ein bezogen auf einen zurückgelegten Drehwinkel von 360° geringfügiger Wechsel des Drehmomenten beiwertes in Kauf genommen werden, ohne daß dadurch der Bereich der Erfindung schon verlassen würde. Bevorzugt wird aber selbstverständlich eine Ausführung, bei der einerseits kein Richtungswechsel der am einzelnen Rotorblatt angreifenden Kräfte stattfindet, bei der darüberhinaus der Verlauf der Kennlinie für den Drehmomentenbeiwert (wegen möglichst geringer Wechselkräfte am Rotorblatt) möglichst ausgeglichen ist und bei der schließlich das Integral des Drehmomentenbeiwertes über einen Umlauf des Rotors hinweg möglichst groß ist.From the above description it is clear that it is not it is absolutely necessary that - computationally or empirically to be determined - characteristic curve for the torque coefficient of a Profile cross-section over a complete circulation of the fenden rotor or rotor blade always on only one Side of the abscissa of the diagram is located; rather, in the case one - in terms of maximizing energy conversion however unfavorable - special arrangement and design The rotor blades also refer to one covered Rotation angle of 360 ° slight change in torque be accepted without the Would leave the scope of the invention. Is preferred but of course an execution in which, on the one hand, none Change of direction of the forces acting on the individual rotor blade takes place, in addition, the course of the characteristic for the torque coefficient (due to the lowest possible alternating forces on the rotor blade) is as balanced as possible and at the end the integral of the torque coefficient over one revolution of the Rotor is as large as possible.
BezugszeichenlisteReference list
1 Rotor
2 Welle (des Rotors 1)
3 Rotorscheibe (des Rotors 1)
4 Rotorblatt (des Rotors 1)
5 Rotorscheibe (des Rotors 1)
6 Drehachse - geometrische - (der Rotoren)
7 Pfeile (Windrichtung)
8 Pfeil (Drehrichtung des Rotors)
9 Flächenbereich (des Rotorblattes 4)
10 Profilsehne (des Profilquerschnittes des Rotorblattes 4)
11 Tangente (an den Umlaufkreis der Rotorblätter)
12 Radius (des Umlaufkreises der Rotorblätter)
13 Rotor
14 Rotorblatt (des Rotors 13)
15 Rotor
16 Rotorblatt (des Rotors 15)
17 Flächenbereich (des Rotorblattes 16)
18 Profilquerschnitt - symmetrisch -
19 Flächenbereich (des Rotorblattes 14)
20 Profilsehne
21 Profilsehne
Cm Drehmomentenbeiwert
0° bis 360° - Drehwinkel des Umlaufes eines Rotorblattes 4, 14,
16 oder (18) um die geometrische Drehachse 6 1 rotor
2 shaft (of rotor 1 )
3 rotor disc (of rotor 1 )
4 rotor blade (of rotor 1 )
5 rotor disc (of rotor 1 )
6 axis of rotation - geometric - (of the rotors)
7 arrows (wind direction)
8 arrow (direction of rotation of the rotor)
9 surface area (of the rotor blade 4 )
10 chord (of the cross section of the rotor blade 4 )
11 tangent (to the orbit of the rotor blades)
12 radius (of the circulation circle of the rotor blades)
13 rotor
14 rotor blade (of the rotor 13 )
15 rotor
16 rotor blade (of rotor 15 )
17 surface area (of the rotor blade 16 )
18 profile cross section - symmetrical - 19 surface area (of the rotor blade 14 )
20 chord
21 chord
C m torque coefficient
0 ° to 360 ° - angle of rotation of the rotation of a rotor blade 4 , 14 , 16 or ( 18 ) about the geometric axis of rotation 6
Claims (5)
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