DE4331073C1 - Wind power converter having as a free gyroscope an axis of rotation which preferably extends vertically - Google Patents

Wind power converter having as a free gyroscope an axis of rotation which preferably extends vertically

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Abstract

The upper axial point of vertical-axis wind converters, especially in the form of the Darrieus rotor, is held in a stable position by means of complicated structures. In addition to the aerodynamic forces and the centrifugal forces, this structure has to absorb substantial gyroscopic forces in the case of a rigid position of the vertex. Gyroscopic forces lead to stable cycles of motion in the overall system, and do not lead to loads when the gyroscopic axes can perform their movements freely. According to the invention, the actual or spatial converter axis must be mounted in such a way that it can execute unimpeded the gyroscopic movements which occur and are superimposed on one another, so that there is no need to absorb any gyroscopic forces.

Description

Stand der TechnikState of the art

Windenergiekonverter mit vertikaler Drehachse werden mit geraden Blättern in offener Form als sogenannter H-Darrieus oder mit gebogenen Blättern in geschlossener Form entsprechend dem original Darrieus Fig. 1 gebaut.Wind energy converters with a vertical axis of rotation are built with straight blades in open form as so-called H-Darrieus or with curved blades in closed form according to the original Darrieus Fig. 1.

Windenergiekonverter in der Form des H-Darrieus haben eine Mittellagerung, die in verschiedenen Ausführungen die Blätter trägt.H-Darrieus have wind energy converters a middle bearing in different designs carries the leaves.

Windenergiekonverter in geschlossener Form sind aufgebaut aus Blättern, einer Mittelachse, Fuß- und Kopflager. Beide Lager sind nach dem Stand der Technik in starrer Lage. Das Kopflager wird durch aufwendige Konstruktionen, in der Regel mit Seilabspannungen, in einer festen Stellung gehalten.Wind energy converters in a closed form are built from leaves, a central axis, foot and head bearings. Both According to the prior art, bearings are in a rigid position. The Head bearing is made by elaborate constructions in which Usually with rope bracing, in a fixed position held.

Ein erheblicher Aufwand ist notwendig, um bei fast starrer Lage des Kopflagers die Kräfte aufzunehmen, die an einem Windenergiekonverter entstehen.A great deal of effort is required to get almost rigid position of the head bearing to absorb the forces that arise on a wind energy converter.

Dabei werden die an den Blättern entstehenden Kräfte aus aerodynamischen Belastungen und Fliehkräften hauptsächlich als Zugkräfte und Drehmomente im Kopf- und Fußpunkt auf die Mittelachse übertragen. In doing so, the forces arising on the leaves from aerodynamic loads and centrifugal forces mainly as tensile forces and torques in the head and base point transferred to the central axis.  

Der Windenergiekonverter in geschlossener Bauform nach Fig. 1 ist in seinem Laufverhalten ein Kreisel entsprechend Fig. 2, der angetrieben wird. Dazu wird er von der Windbelastung wechselnd stark zur Seite gedrückt. Wenn sein Schwerpunkt wegen Ungleichheiten in der Bauform außerhalb des Stützpunktes liegt, kommt ein Moment aus der Schwerkraft hinzu.The running behavior of the wind energy converter in the closed design according to FIG. 1 is a gyro according to FIG. 2, which is driven. To do this, it is pushed strongly to the side by the wind load. If its center of gravity lies outside the base due to inequalities in the design, a moment comes from gravity.

Bei fest eingespanntem Fußpunkt würde die Achse eines sonst freien Kreisels entsprechend den Kreiseltheorien die in Fig. 2 dargestellten sich überlagernden Bewegungen ausführen. Diese Bewegungen sind mit einem fest angeordnetem Kopflager nicht möglich. Die Kopflagerbefestigung nimmt die erheblichen Kräfte aus den Kreiselbewegungen auf. Dies führt zu hohen Belastungen und das System neigt zum Schwingen.With a firmly clamped base, the axis of an otherwise free gyro would execute the overlapping movements shown in FIG. 2 in accordance with the gyro theories. These movements are not possible with a fixed head bearing. The head bearing attachment absorbs the considerable forces from the gyroscopic movements. This leads to high loads and the system tends to vibrate.

Aufgabetask

Mit der vorliegenden Erfindung wird das Ziel angestrebt, einen geschlossenen Vertikalachsenwindenergiekonverter soweit zu verbessern, daß die aufwendige Konstruktion der Kopflagerbefestigung entfallen kann.The aim of the present invention is to a closed vertical axis wind energy converter to the extent that the elaborate construction the head bearing attachment can be omitted.

Lösungsolution

Um das beschriebene Ziel zu erreichen, wird die in Patentanspruch 1 angegebene Erfindung vorgeschlagen.To achieve the described goal, the in Claim 1 proposed invention proposed.

Vorteilebenefits

Windenergiekonverter mit senkrechter Achse wären auf engerem Raum aufzubauen, da die weit ausladenden Befestigungskonstruktionen entfielen.Wind energy converter with a vertical axis would be to build up in a more confined space because the Fastening structures were omitted.

Der Gesamtaufbau würde wesentlich einfacher und damit wesentlich kostengünstiger.The overall structure would be much easier and thus much cheaper.

Alle Verschleißteile ließen sich im Fußpunkt und damit wesentlich leichter zugänglich bauen.All wear parts were in the base and build much more accessible.

Die aus den Kreiselbewegungen entstehenden Belastungen müßten vom Gesamtsystem nicht aufgenommen werden. The resulting from the gyroscopic movements The entire system would not have to be burdened be included.  

Der Windkonverter hätte einen freien Kreiselgang, d. h. der Scheitelpunkt bliebe ohne jede Befestigung nach außen.The wind converter would have a free gyro, d. H. the apex would remain without any attachment outward.

Die Achse könnte den sich überlagernden Kreiselbewegungen folgen, wobei sich die Rotationskegel wegen der unstetig zugeführten Windenergie nicht symmetrisch ausbilden würden. Dazu müßte der Fußpunkt die Achsbewegungen ohne Belastungsaufnahme ermöglichen, d. h. er würde als Kardangelenk oder elastisch ausgebildet sein, mit den notwendigen Schwingungsdämpfern gegen kritische Betriebszustände.The axis could overlap Gyro movements follow, with the Rotation cone because of the discontinuous feed Would not train wind energy symmetrically. To do this, the base point would have to have the axis movements without Enable load absorption, d. H. he would as Cardan joint or elastic, with the necessary vibration dampers against critical Operating states.

Für die Achseinbindung in das System ergäben sich drei Möglichkeiten, einmal nach Fig. 3 eine mit dem System rotierende Achse, ein Kopflager wäre dann überflüssig. Zum Zweiten eine im System nicht mitrotierende Achse nach Fig. 4. Dabei wäre ein Kopflager erforderlich, das nur von der Achse getragen würde. Die Achse müßte im Fußpunkt den Bewegungsabläufen folgen können. Als drittes könnte die Achse in das System mit zwei eigenen Lagern eingebunden nach Fig. 5 frei stabilisierend mit eigener Drehzahl rotieren.There would be three possibilities for the axis integration into the system, firstly according to FIG. 3 an axis rotating with the system, a head bearing would then be superfluous. Secondly, an axis according to FIG. 4 that does not rotate in the system would require a head bearing that would only be supported by the axis. The axis should be able to follow the movements at the base. Third, the axis could be integrated into the system with two separate bearings as shown in FIG. 5 and rotate freely at its own speed.

Da die Achse nur noch die Funktion der Ableitung der Kräfte aus den Blättern hätte, könnte bei entsprechender Ausbildung der Blätter die mechanische Achse entfallen. Es würde sich dann nur noch eine theoretische Figurenachse in der Bewegung des Windenergiekonverters ausbilden.Since the axis only functions as a derivative who could have powers from the leaves could appropriate training of the leaves mechanical axis is eliminated. It would then only a theoretical figure axis in the movement of the wind energy converter form.

Die zur Leistungsaufnahme und Umwandlung notwendigen Maschinenanlagen, z. B. Getriebe, Generator oder Pumpe, könnten entweder über bewegungsausgleichende Kupplungen angeschlossen und fest stationiert sein, Fig. 7, oder ganz oder teilweise in das Schwingungs- und Kreiselsystem, Fig. 8, eingebunden sein. The machinery required for power consumption and conversion, e.g. B. gear, generator or pump, could either be connected via motion-compensating couplings and permanently stationed, Fig. 7, or fully or partially integrated into the vibration and gyro system, Fig. 8.

Erläuterung der Erfindung an SkizzenExplanation of the invention on sketches

Anhand der Fig. 1 bis 8 wird die Erfindung im folgenden erläutert.The invention is explained below with reference to FIGS. 1 to 8.

Dabei geht es um die Darstellung der Zusammenarbeit und nicht um die maschinenbautechnischen Details.It is about the representation of the collaboration and not the mechanical engineering details.

Es zeigtIt shows

Fig. 1 Übersichtsplan eines Vertikalachsenwindenergiekonverters als freier Kreisel mit Hauptteilen (1 bis 16). Fig. 1 Overview plan of a vertical axis wind energy converter as a free gyro with main parts (1 to 16).

Fig. 2 Kreisel und das Zusammenspiel der Drehbewegungen. Fig. 2 gyroscope and the interaction of the rotary movements.

Fig. 3 Blattabschnitt eines Windenergiekonverters mit rotierender Achse. Fig. 3 sheet section of a wind energy converter with a rotating axis.

Fig. 4 Blattabschnitt eines Windenergiekonverters mit nicht rotierender Achse. Fig. 4 sheet section of a wind energy converter with a non-rotating axis.

Fig. 5 Blattabschnitt eines Windenergiekonverters mit in zwei Lagern frei rotierender Achse. Fig. 5 sheet section of a wind energy converter with freely rotating axis in two bearings.

Fig. 6 Blattabschnitt eines Windenergiekonverters ohne Achse. Fig. 6 sheet section of a wind energy converter without axis.

Fig. 7 Blattabschnitt eines Windenergiekonverters mit fest stationiertem Maschinenteil. Fig. 7 sheet section of a wind energy converter with a stationary machine part.

Fig. 8 Blattabschnitt eines Windenergiekonverters mit in die Systembewegungen integriertem Maschinenteil. Fig. 8 blade section of a wind energy converter with integrated in the system movements machine part.

Fig. 2 zeigt die theoretischen Grundlagen eines Kreisels, auf denen erfindungsgemäß ein Windenergiekonverter mit vertikaler Achse ohne Befestigung im Scheitelpunkt und mit festem Fußpunkt aufbaut. Statt der jetzt üblichen Befestigung des Kopflagers am Ende der Figurenachse und der Ableitung der Drehmomente und Kreiselkräfte in Haltesysteme kann der Windenergiekonverter nach vorgeschlagener Erfindung seine Achse entsprechend der momentanen Drehachse unbehindert ausrichten. Obwohl die Achse des Windenergiekonverters dann ständig ihre Lage unter dem Einfluß der von außen einwirkenden Kräfte ändert, ist das Kreiselsystem in sich stabil und die Schwankungsbreite nicht sehr groß. Fig. 2 shows the theoretical basics of a gyroscope, on which, according to the invention, a wind energy converter with a vertical axis is built without fastening at the apex and with a fixed base. Instead of the now usual attachment of the head bearing at the end of the figure axis and the derivation of the torques and gyroscopic forces in holding systems, the wind energy converter according to the proposed invention can align its axis unhindered according to the current axis of rotation. Although the axis of the wind energy converter then constantly changes its position under the influence of external forces, the gyro system is stable in itself and the range of fluctuation is not very large.

Vorraussetzung für die freie Kreiselbewegung des Systems ist ein fester Drehpunkt am Fuß und die allseits bewegliche also kardanische oder elastische Einspannung.Prerequisite for free gyroscopic movement of the system is a fixed fulcrum at the foot and the universal gimbal or elastic clamping.

Dabei kann der Windenergiekonverter mit einer Achse gebaut werden, die nach den Fig. 3, 4, 5 in das System integriert wird. Die Blätter können, wie bisher in der Technik üblich, etwa nach der Seillinie geformt sein, damit sie überwiegend auf Zug beansprucht werden. Ob man sich dabei für eine feststehende, eine mit dem System rotierende oder eine frei rotierende Achse entscheidet, ist für die erfindungsgemäße Ausbildung des Scheitelpunktes ohne Außenbefestigung unerheblich.The wind energy converter can be built with an axis which is integrated into the system according to FIGS. 3, 4, 5. The sheets can, as has been customary in the art, be shaped approximately according to the rope line, so that they are predominantly subjected to tension. It is irrelevant for the formation of the apex according to the invention without an external fastening whether one decides for a fixed axis, one rotating with the system or one freely rotating.

In einem Vertikalachsenwindkonverter ohne Befestigung des Scheitelpunktes ist ein Kopflager nicht mehr zwingend erforderlich. Damit entfällt auch der Zwang zu einer Achse entsprechend Fig. 6. Dann ändert sich allerdings die Belastungsverteilung im Windenergiekonverter.A head bearing is no longer absolutely necessary in a vertical-axis wind converter without fastening the apex. This also eliminates the need for an axis according to FIG. 6. However, the load distribution in the wind energy converter then changes.

Der Vertikalachsenwindkonverter braucht neben dem vorstehend beschriebenen vom Wind angetriebenen Teil auch den Maschinenteil, an den die aufgenommene Leistung weitergegeben wird. Dieser Maschinenteil ist grundsätzlich unabhängig vom Windenergiekonverter. Zwischen beiden Systemen muß daher immer eine bewegungsausgleichende Kupplung eingesetzt werden. Der Aufbau entspricht dann im Grundsatz Fig. 7. In addition to the wind-driven part described above, the vertical axis wind converter also needs the machine part to which the power consumed is passed on. This machine part is basically independent of the wind energy converter. A motion-compensating coupling must therefore always be used between the two systems. The structure then corresponds in principle to FIG. 7.

Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, die Maschinenteile ganz oder teilweise nach Fig. 8 in das Schwingungssystem zu integrieren. Das belastet die elastischen Elemente zwar höher, führt aber zu einer völlig anderen Massenverteilung des gesamten Schwingungssystems.However, there is also the possibility of integrating the machine parts in whole or in part according to FIG. 8 into the vibration system. This places a greater strain on the elastic elements, but leads to a completely different mass distribution of the entire vibration system.

BezugszeichenlisteReference list

Vertikalachsenwindkonverter als freier Kreisel
HauptteileVertical axis wind converter as a free gyro
Main parts

 1 Vertikalachs-Rotor
 2 Kopflager
 3 Kopfhalterung mit Blattanschlüssen, Scheitelpunkt
 4 Rotorblatt
 5 Fußhalterung mit Blattanschlüssen
 6 Bremssystem
 7 Hauptlager
 8 Schwingungssystem, allseits beweglich gedämpft
 9 Kupplung
10 Getriebe
11 Generator
12 Aufstellung, Mast
13 Mittelachse
14 Achslager, frei Mittelachslager
15 Fundamente
16 Elektroausgang 1 vertical axis rotor
2 head bearings
3 head holder with blade connections, apex
4 rotor blade
5 foot bracket with blade connections
6 braking system
7 main camps
8 vibration system, flexibly damped on all sides
9 clutch
10 gears
11 generator
12 installation, mast
13 central axis
14 axle bearings, free central axle bearing
15 foundations
16 electrical output

Claims (8)

1. Windkonverter mit Vertikalachs-Rotor,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Kopflager (2) bzw. der Scheitelpunkt (3) nicht von außen gehalten wird und Rotor (1) und Achse (13) am Fuße feststehen, aber allseits beweglich oder elastisch so gelagert sind, daß sie Kreiselbewegungen ausführen können.1. wind converter with vertical axis rotor,
characterized by
that the head bearing ( 2 ) or the apex ( 3 ) is not held from the outside and the rotor ( 1 ) and axis ( 13 ) are fixed at the foot, but are movably or elastically supported on all sides so that they can perform gyroscopic movements. 2. Windkonverter mit Vertikalachs-Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse (13) und das Blattsystem am Fuße allseits beweglich oder elastisch gelagert sind und Feder- und Dämpfungselemente (9) Resonanzschwingungen und kritische Betriebszustände verhindern.2. Wind converter with a vertical-axis rotor according to claim 1, characterized in that the axis ( 13 ) and the blade system at the foot are movably or elastically supported on all sides and spring and damping elements ( 9 ) prevent resonance vibrations and critical operating states. 3. Windkonverter mit Vertikalachs-Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse (13) und das Blattsystem am Fuße allseits beweglich oder elastisch gelagert sind, die Achse ein Kopflager (2) trägt und nicht mitrotiert.3. Wind converter with vertical axis rotor according to claim 1, characterized in that the axis ( 13 ) and the blade system at the foot are movably or elastically supported on all sides, the axis carries a head bearing ( 2 ) and does not rotate. 4. Windkonverter mit Vertikalachs-Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse (13) und das Blattsystem am Fuße allseits beweglich oder elastisch gelagert sind und die Achse in das System festeingebunden mit der Systemdrehzahl rotiert. 4. Wind converter with vertical axis rotor according to claim 1, characterized in that the axis ( 13 ) and the blade system at the foot are movably or elastically supported on all sides and the axis rotates firmly integrated into the system at the system speed. 5. Windkonverter mit Vertikalachs-Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse (13) und das Blattsystem am Fuße allseits beweglich oder elastisch gelagert sind und die Achse in das System mit zwei Lagern (2, 7) eingebunden ist, und angeregt über die Lagerreibung als Trag- und Stabilisierungsachse frei rotiert.5. Wind converter with a vertical-axis rotor according to claim 1, characterized in that the axis ( 13 ) and the blade system are flexibly or elastically supported on all sides at the foot and the axis is integrated into the system with two bearings ( 2, 7 ) and excited freely rotated via the bearing friction as a supporting and stabilizing axis. 6. Windkonverter mit Vertikalachs-Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß keine Mittelachse vorhanden ist und das Blattsystem einen rotationssymmetrischen Körper bildet, der mit seiner Symmetrieachse den Kreiselbewegungen folgt.6. Wind converter with vertical axis rotor according to claim 1, characterized, that there is no central axis and the leaf system forms a rotationally symmetrical body that with its axis of symmetry follows the gyroscopic movements. 7. Windenergiekonverter mit Vertikalachs-Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der angetriebene Maschinensatz fest stationiert ist und über eine bewegungsausgleichende Kupplung (9) angeschlossen ist.7. Wind energy converter with vertical axis rotor according to claim 1, characterized in that the driven machine set is stationed and connected via a motion-compensating coupling ( 9 ). 8. Windenergiekonverter mit Vertikalachs-Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der angetriebene Maschinensatz ganz oder teilweise in das Schwingungs- und Kreiselsystem eingebunden ist.8. Wind energy converter with vertical axis rotor according to claim 1, characterized, that the driven machine set in whole or in part the vibration and gyro system is integrated.
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