DE4340158C2

DE4340158C2 - Vertical axis converter

Info

Publication number: DE4340158C2
Application number: DE4340158A
Authority: DE
Inventors: Hans Erich Gunder; Heide Gunder
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1993-11-25
Filing date: 1993-11-25
Publication date: 1997-04-30
Anticipated expiration: 2013-11-26
Also published as: DE4340158A1

Description

State of the art

Windräder, die anstelle von starren Blättern drehbare Zylinder haben, sind seit den Veröffentlichungen von Flettner "Mein Weg zum Rotor", Verlag bei Koehler und Amelang, Leipzig, 1926, S. 111, Abb. 59 bekannt und ähnlich beschrieben wie in der DE- Gebrauchsmusteranmeldung G 82 35 448.Wind turbines that have rotatable cylinders instead of rigid blades have been, since the Flettner publications "Mein Weg zum Rotor ", published by Koehler and Amelang, Leipzig, 1926, p. 111, fig. 59 known and described similarly as in DE Utility model application G 82 35 448.

Bei diesen Anlagen wird die Leistungsfläche eines Blattes zwischen dem Maximum bei maximaler Drehzahl des Zylinders und dem Minimum bei stehendem Zylinder vergrößert oder verkleinert.In these systems, the power area is one sheet between the maximum at the maximum speed of the cylinder and increased the minimum with the cylinder stationary or downsized.

Zur Leistungsanpassung wird die Drehzahl des rotierenden Zylinders geändert und zur Anpassung an unterschiedliche Windgeschwindigkeiten über die Blattlänge schlägt Flettner konische Zylinder vor. In der Gebrauchsmusteranmeldung ist dieses Problem nicht berücksichtigt.The speed of the rotating cylinder is used to adjust the output changed and to adapt to different Flettner beats wind speeds over the length of the blade conical cylinder. This is in the utility model application Problem not considered.

task

Die maximale Belastung eines Windrades ergibt sich bei Stillstand in der sogenannten Jahrhundertboe am nicht rotierenden Zylinder. Die vorliegende Erfindung hat zur Aufgabe, diese Belastung zu minimieren und die Regelungsmöglichkeiten im Betrieb zu erweitern und zu optimieren. The maximum load on a wind turbine is at a standstill in the so-called century gust on the non-rotating cylinder. The present invention has for its object to this burden minimize and expand the control options in operation and optimize.

solution

Als Lösung wird vorgeschlagen, anstelle eines rotierenden Zylinders eine rotierende Tragfläche einzusetzen.The solution proposed is instead of a rotating one Cylinder to use a rotating wing.

Die aerodynamische Reaktion mit Änderung der Drehzahl ist ähnlich der am Zylinder, d. h. die aerodynamische Wirkbreite eines Blattes ist über die Drehzahl regelbar. Um die unterschiedlichen Windgeschwindigkeiten am langen Blatt auszugleichen, wird als Weiterbildung vorgeschlagen, dieses Blatt in Abschnitte aufzuteilen, die mit unterschiedlichen Drehzahlen rotieren können.The aerodynamic response as the speed changes is similar the one on the cylinder, d. H. the aerodynamic effective width of a blade can be regulated via the speed. To the different Balancing wind speeds on the long blade is a continuing education suggested this sheet in sections to divide, which can rotate at different speeds.

advantages

Dadurch, daß die Abschnitte unterschiedlich schnell rotieren, kann man die Abschnitte einzeln regeln und an die verschiedenen Strömungsverhältnisse, z. B. auch bei sehr unterschiedlichen Geländeverhältnissen, anpassen. Als Antriebs- und Regeleinheit sind alle bekannten Formen nutzbar.Because the sections can rotate at different speeds you regulate the sections individually and to the different ones Flow conditions, e.g. B. even with very different Terrain conditions, adjust. As a drive and control unit all known forms can be used.

Die Anzahl der Blattabschnitte bestimmt sich aus der Länge der Blätter und zu den überbrückenden Strömungsunterschieden. Sie ist daher variabel und örtlich anpaßbar. Dadurch ergibt sich eine optimale Betriebsregelung, wie sie mit durchlaufenden oder auch konisch zulaufenden Blättern nicht zu erreichen ist. Als sehr positiver Nebeneffekt ergibt sich, daß sich das starre Blatt in gegeneinander bewegliche Blattabschnitte auflösen läßt.The number of leaf sections is determined by the length of the Leaves and bridging flow differences. It is therefore variable and locally adaptable. This results in an optimal operating control, as with continuous or even tapered leaves cannot be reached. As very positive side effect is that the rigid sheet in can dissolve mutually movable sheet sections.

Wenn notwendig, können einzelne Blattabschnitte auch ganz abgeschaltet werden.If necessary, individual sheet sections can also be made entirely be switched off.

Dabei kann der gleiche Effekt ausgenutzt werden, der erfindungsgemäß auch zur Minimierung der Blattbelastung im Sturm angewandt wird und ein wesentlicher Vorteil gegenüber dem Zylinder ist.The same effect can be exploited that according to the invention also for minimizing the leaf load in the storm is applied and a significant advantage over the cylinder is.

Bleibt das Blatt ohne Fremdantrieb aber nicht arretiert, so daß es sich frei drehen kann, so stellt sich eine Eigenrotation ein, bei der die Umfangsgeschwindigkeit des Blattes etwa das 0,5fache der Anströmgeschwindigkeit ist. Das Blatt nutzt die anströmende kinetische Energie, um sich selbst in den Wind bzw. mit dem Wind zu drehen und diesem möglichst wenig Widerstand entgegenzusetzen.If the blade remains locked without external drive, it remains can rotate freely, a self-rotation occurs, at which the peripheral speed of the sheet about 0.5 times the Flow velocity is. The sheet uses the inflowing kinetic energy to get yourself into the wind or with the wind to rotate and oppose as little resistance as possible.

So kann sich auch ein stillgesetzter Blattabschnitt ohne große Verluste mitdrehen. An einem stillstehenden Windrad mit sich in Eigenrotation im Sturm drehenden Blättern treten die geringsten Belastungen auf. This means that even a shut down section of the sheet can be without a large one Turn losses along. In on a stationary wind turbine Self-rotating blades rotating in the storm occur the least Loads on.

Explanation of the invention using exemplary embodiments

Anhand der Fig. 1 bis 7 wird die Erfindung im folgenden näher erläutert. Es zeigenThe invention is explained in more detail below with reference to FIGS. 1 to 7. Show it

Fig. 1 Teil eines Vertikalachsenkonverters mit rotierenden Blättern und einem Vertikalachsenkleinkonverter mit starren Blättern als aerodynamischem Blattantrieb. Fig. 1 part of a vertical axis converter with rotating blades and a small vertical axis converter with rigid blades as an aerodynamic blade drive.

Fig. 2 Schnitt A durch den Leistungsbereich eines Vertikalachsenkonverters nach Fig. 1 mit drei rotierenden Blättern und sich ändernder Blattdrehzahl in einem Umlauf. Fig. 2 section A through the power range of a vertical axis converter according to Fig. 1 with three rotating blades and changing blade speed in one revolution.

Fig. 3 Teil eines Vertikalachsenkonverters mit rotierenden Blättern und motorischem Antrieb. Fig. 3 part of a vertical axis converter with rotating blades and motor drive.

Fig. 4 Schnitt A durch den Leistungsbereich eines Vertikalachsenkonverters nach Fig. 3 mit drei rotierenden Blättern in etwa gleicher Blattdrehzahl. Fig. 4 A section through the power portion of a vertical axis of the converter of FIG. 3 with three rotating blades at approximately the same blade speed.

Fig. 5 Teil eines Vertikalachsenkonverters mit rotierenden Blättern und zwei Leistungsabschnitten, angetrieben mit Motor und Vertikalachsenkleinkonverter. Fig. 5 part of a vertical axis converter with rotating blades and two power sections, driven by a motor and vertical axis small converter.

Fig. 6a, 6b Schnitte A und B durch die Leistungsbereiche des Vertikalachsenkonverters nach Fig. 5 mit gleichbleibender und sich über den Umlauf ändernder Blattdrehzahl und unterschiedlichen Blattprofilen im Leistungsbereich. FIG. 6a, 6b sections A and B through the service areas of the vertical axis of the converter of FIG. 5 with a constant and on the circulation changing blade speed and different blade profiles in the power range.

Fig. 7 einen Schnitt durch ein optimales rotierendes Blatt für Vertikalachsenkonverter mit bauartbedingter vorgegebener Drehrichtung. Fig. 7 shows a section through an optimal rotating blade for vertical axis converters with a design-specific predetermined direction of rotation.

Die Drehzahl des rotierenden Blattes in Fig. 1 wird aus der Energie des zuströmenden Mediums erreicht und über die Geschwindigkeit des zuströmenden Mediums gesteuert.The speed of the rotating blade in Fig. 1 is achieved from the energy of the inflowing medium and controlled via the speed of the inflowing medium.

Die Geschwindigkeit des drehenden äußersten Profilpunktes gegenüber der relativen Anströmungsgeschwindigkeit aus Systemgeschwindigkeit und Geschwindigkeit des Mediums bestimmt sich aus dem Betriebsverhalten des Antriebsteils und liegt hier bei 3. Dies ist ein sehr guter Wert für einen Rotationsflügel.The speed of the rotating extreme profile point compared to the relative flow velocity System speed and speed of the medium is determined from the operating behavior of the drive part and here is 3. This is a very good value for a rotating wing.

Im Hauptleistungsbereich des Konverters, d. h. im Strömungsfeld vorne mit der ersten Abbremsung, wäre eine gute relative Anströmung 35° bis 45°, um ein gutes Drehmoment zu erhalten. Dies entspräche einer Schnellaufzahl des Systems 1,2 und ergäbe eine Anströmung des Blattes auf der Rückseite von 10° bis 15°. Damit erfolgt der Strömungswechsel und Drehmomentenwechsel etwa wie beim Einsatz eines symmetrischen Profils. Die Auftriebswerte, Widerstandswerte und Drehmomente sind jedoch wesentlich größer.In the main performance area of the converter, i.e. H. in the flow field in front with the first deceleration would be a good relative Inflow 35 ° to 45 ° to get a good torque. This would correspond to a quick number of the system 1,2 and would result in a flow of 10 ° on the back of the sheet up to 15 °. The flow change takes place with this Torque change is about the same as when using a symmetrical one Profiles. The lift values, resistance values and However, torques are much greater.

In Fig. 3 wird die Drehzahl des Blattes über motorischen Antrieb erreicht. Um hier mit der Konverterdrehzahl sich ändernde Blattdrehzahlen einzustellen, müssen die Meßwerte aus der Konverterdrehzahl und der Geschwindigkeit des strömenden Mediums ausgewertet werden. Dies sowohl hinsichtlich der Betriebs- als auch der maximalen Drehzahl des Konverters.In Fig. 3, the speed of the blade is achieved via a motor drive. In order to set blade speeds that change with the converter speed, the measured values from the converter speed and the speed of the flowing medium must be evaluated. This applies to both the operating speed and the maximum speed of the converter.

Da jeder Schnellaufzahl ein fester Strömungsabriß zugeordnet ist, ergäbe sich bei fest eingestellter Drehzahl eine sehr genau definierte maximale Leistung entsprechend der Windgeschwindigkeit bei 3. Höhere Windgeschwindigkeiten würden dann durch Strömungsabriß die effektive Blattbreite verkleinern und die Leistungsaufnahme praktisch konstant halten. Damit liegt auch die maximale aerodynamische Belastung der Blätter im Betrieb fest.Because everyone quick order a fixed stall is given fixed speed a very precisely defined maximum Power according to the wind speed at 3. Higher wind speeds would then result in stall reduce the effective sheet width and power consumption keep practically constant. This is also the maximum aerodynamic load on the blades during operation.

Fig. 5 zeigt den erfindungsgemäßen Aufbau mit zwei Teilblättern, von denen ein Teil motorisch und ein Teil vom strömenden Medium angetrieben wird in senkrechter Anordnung. Fig. 5 shows the structure according to the invention with two sub-blades, a part of which is driven by a motor and a part by the flowing medium in a vertical arrangement.

In Fig. 6 zeigt sich, daß die Antriebsform bzw. die Zufuhr der Antriebsenergie die Drehzahl im Umlauf bestimmt. Motorisch angetrieben ist die Drehzahl fast gleich und sie ist durch Steuerkriterien vorbestimmt. Bei der Ausnutzung der zuströmenden Energie als Antriebsenergie ist die Drehzahl des Blattes von der Konverterdrehzahl und der Strömungsgeschwindigkeit des Mediums abhängig. Die sich ergebende effektive Anströmung ändert sich natürlich periodisch über den Umlauf und damit ändert sich auch die Blattdrehzahl über den Umlauf. In FIG. 6, that the drive mode or the supply of the drive energy determines the speed in the circulation is shown. The speed of the motor is almost the same and it is predetermined by control criteria. When the inflowing energy is used as drive energy, the speed of the blade depends on the converter speed and the flow speed of the medium. The resulting effective inflow naturally changes periodically over the cycle and thus the blade speed also changes over the cycle.

Um das Gewicht bei guten Leistungszahlen klein zu halten, ist ein Profil, insbesondere ein unsymmetrisches Profil mit S-Schlag, wie in Fig. 10 dargestellt, optimal, obwohl auch alle anderen bekannten Formen der Rotationsflügel anwendbar sind.In order to keep the weight low with good performance figures, a profile, in particular an asymmetrical profile with an S-lay, as shown in FIG. 10, is optimal, although all other known forms of the rotary blades can also be used.

Dieses Profil hat allerdings eine eindeutige bevorzugte Drehrichtung aus der Blattgeometrie, so daß die Drehrichtung fest vorgegeben ist.However, this profile has a clearly preferred one Direction of rotation from the blade geometry, so that the direction of rotation is fixed.

Insgesamt ergibt sich trotz hohem Auftrieb an kleiner Profilfläche über den größeren Profilwiderstand ein schlechterer Wirkungsgrad für das Gesamtsystem gegenüber nicht rotierenden, größeren, gut profilierten Blättern. Hier ist beim praktischen Einsatz die Verschlechterung des Wirkungsgrades gegenüber den Vorteilen aus der kleineren Abmessung und damit der kleineren Belastung und besseren Regelbarkeit abzuwägen.Overall, despite the high buoyancy, the result is smaller Profile area over the larger profile resistance poorer efficiency compared to the overall system non-rotating, larger, well-profiled blades. Here is the deterioration of the Efficiency versus the benefits from the smaller one Dimension and thus the smaller load and better Weighing controllability.

Claims

1. vertical axis converter, with individually driven rotation elements, characterized in that
that the rotary elements are designed as profiled rotary blades ( 5 ),
that the regulation of the vertical axis converter is carried out by regulating the speed of the rotary blades ( 5 ).

2. Vertical axis converter according to claim 1, characterized in that the rotary blades ( 5 ) are driven by a motor ( 9 ).

3. Vertical axis converter according to claim 1, characterized in that the rotary blades ( 5 ) are driven by a further converter ( 6 ).

4. Vertical axis converter according to one of claims 1 to 3, characterized in that the rotary blades ( 5 ) are divided into sections which are movable relative to one another in order to be able to yield different loads.

5. Vertical axis converter according to one of claims 1 to 4, characterized in that the speed of the rotary vane sections ( 5 ) is regulated differently for power adjustment of the vertical axis converter.

6. Vertical axis converter according to claim 5, characterized in that the drive of the individual blade sections ( 5 ) takes place with different forms of energy and drive and thus the control of the power adjustment z. B. is possible by switching on and off or regulating the energy supply to the individual drive parts of the rotary wing sections ( 5 ).

7. Vertical axis converter according to one of claims 1 to 6, characterized in that the rotary wing sections ( 5 ) are limited by cutting discs.