DE577917C - Mit einem elektrischen Stromerzeuger gekuppeltes Windrad - Google Patents
Mit einem elektrischen Stromerzeuger gekuppeltes WindradInfo
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Description
in Paris
Die Erfindung bezieht sich auf Windräder zum Antrieb elektrischer Stromerzeuger mit
wenigen schmalen Flügeln von Stromlinienprofil mit guter Gleitzahl, die so lang be-S
messen sind, daß ihre Umfangsgeschwindigkeit bei der vorgesehenen mittleren Windstärke
mindestens das Achtfache der Windgeschwindigkeit beträgt und - deren gesamte Fläche, senkrecht zur Drehungsachse gemessen,
nicht größer als 1Z15 der bestrichenen
Fläche ist.
Bei Windrädern, also auch bei denen der vorstehend gekennzeichneten Art, die an sich
nicht den Gegenstand der Erfindung bilden, besteht die Schwierigkeit, daß die Geschwindigkeit
des antreibenden Windes in sehr weiten Grenzen schwankt und infolgedessen bei großen Windstärken die Gefahr eines zu
schnellen Umlaufens (Durchgehens) der von dem Luftmotor angetriebenen Stromerzeugungsmaschine
auftritt.
Um diesem Mißstand, abzuhelfen, muß Vorsorge getroffen werden, daß die Umlaufgeschwindigkeit
des Windrades nicht über einen Wert hinausgehen kann, der einer normalen Drehzahl der angetriebenen Dynamomaschine
entspricht. Diese Aufgabe konnte bisher nur durch besondere mit dem Windrad verbundene Hilfsvorrichtungen gelöst
werden.
Beispielsweise ist bereits vorgeschlagen worden, mit dem Windrad ein unter der
Wirkung eines Steuers oder eines Hilfsrades stehendes Getriebe zu verbinden, durch welches
die Flügelflächen des Windrades unter Zusammendrückung von Federn verändert werden
und dadurch die auf das Rad wirkende Windkraft verringert wird.
Eine andere Lösung der Aufgabe geht dahin, daß die Flügel des Windrades unter
der Wirkung der Fliehkraft oder einer Hilfsvorrichtung ihre Neigung ändern können.
Es ist weiter vorgeschlagen worden, an dem Windrad auf der Saugseite der Flügel
drehbare Klappen anzubringen, die normalerweise durch eine Zugfeder in tangentialer '
Richtung gehalten werden, so daß sie bei der Bewegung der Flügel keinen nennenswerten
Widerstand bieten. Beim Überschreiten einer bestimmten Drehzahl werden diese Klappen durch die Wirkung der Fliehkraft
gedreht, so daß sie sich mehr oder weniger radial einstellen. In dieser Stellung
bieten die Klappen bei der Drehung der ■-Flügel einen großen Widerstand und wirken
dadurch und durch die gleichzeitige Störung der Strömung an den Flügeln vermindernd
auf clie Auftriebskomponente, so daß keine· zu
hohen Drehzahlen erreicht werden. Diese \rorrichtung bedarf zur richtigen Einstellung
il·
der Klappen einer Zugfeder und ist in ihrer Wirkung von der Zugkraft der Feder abhängig.
Windräder sind den Unbilden der Witterung ausgesetzt. Dies kann einen un-5.
günstigen Einfluß auf die Beschaffenheit der Federn haben und gegebenenfalls ihre Auswechselung
erforderlich machen. Eine solche Maßnahme ist aber bei schneilauf enden Windrädern,
die meistens in beträchtlicher Höhe to angebracht sind und eine erhebliche Flügellänge
besitzen, mit Umständen verbunden.
Nach einem anderen Vorschlag wird bei zu hohem Winddruck durch elektrische Mehrbelastung
des Windrades mittels Einschaltung zusätzlicher Stromerzeuger die überschüssige
Windkraft ohne Erhöhung der Umlaufgeschwindigkeit nutzbar gemacht. Eine solche Erhöhung der elektrischen Belastung ist allerdings
geeignet, die Umlaufgeschwindigkeit des Windmotors nicht zu groß werden zu lassen; sie kann aber nicht verhindern, daß
das Drehmoment bei starkem Wind außerordentlich hohe Werte erreicht und daß demgemäß
auch eine übermäßige Beanspruchung des Windrades und der Kraftübertragungsorgane
eintritt.
Gemäß der Erfindung soll eine Regelung der Umlaufgeschwindigkeit und des Drehmomentes
ermöglicht werden, ohne daß irgendeine besondere mechanische oder -elektrische Hilfsvorrichtung notwendig "wäre. Vielmehr
soll die Selbstregelung des Windrades ausschließlich durch die Art der Anordnung der
Flügel und die Wahl der Charakteristik der angetriebenen Stromerzeugungsmaschine erreicht
werden.
Wie eingangs erläutert ist, setzt die Erfindung für die Flügel des Windrades die
Verwendung eines an sich bekannten Stromlinienprofils voraus, bei dem das Zahlenverhältnis
der Widerstandskomponente zur Auftriebskomponente klein ist. Ein solches Profil gewährt die Möglichkeit, mit einer geringen
Anzahl von Flügeln Umfangsgeschwindigkeiten zu erreichen, welche die normaleWindgeschwindigkeit
um ein Vielfaches übertreffen.
Die Selbstregelung des Windrades beruht auf den Widerstandseigenschaften der genannten
Profile. Der Widerstand, den diese Profile bei ihrer Fortbewegung erfahren, ist nämlich in eigentümlicher Weise von dem
Anstellwinkel abhängig, den die Profilsehne mit der Richtung der relativen Strömung
bildet, die sich als Resultante aus der absoluten Windgeschwindigkeit und der tangentialen
Umlaufgeschwindigkeit des betrachteten Profils ergibt. Solange dieser Anstellwinkel
klein bleibt, wächst die nutzbare Auftriebskomponente ungefähr proportional,
mit dem Anstellwinkel bis zu einem dem Profil eigentümlichen kritischen Wert des
Anstellwinkels. Wird aber dieser kritische Wert überschritten, was z. B. bei einem
Wachsen der absoluten Windgeschwindigkeit bei gleichbleibender Tangentialgeschwindigkeit
eintritt, so erfolgt ein Abreißen der Strömung von dem Profil, und dadurch tritt
eine plötzliche Vergrößerung der Widerstandkomponente ein.
Wenn man die auf das Windrad ausgeübte Kraft in Abhängigkeit von der Umlaufgeschwindigkeit
(Winkelgeschwindigkeit) des Windrades aufträgt, so erhält man für jede Windgeschwindigkeit eine Kurve, die bis zu
einem Höchstwert ansteigt und von diesem Höchstwert ab, der dem kritischen. Anstellwinkel
entspricht, wieder fällt. Diese Kurven verlaufen im allgemeinen getrennt voneinander,
ohne sich zu berühren. Einer gegebenen Winkelgeschwindigkeit des Windrades entspricht also für jede Windgeschwindigkeit
eine Antriebskraft, die mit wachsender Windgeschwindigkeit ebenfalls wächst. Diese
Verhältnisse sind durch die Untersuchungen von Eiffel über Luftschrauben festgestellt
worden.
Es sind nun die Profile der Flügel und deren Neigung zur Umlaufebene des Rades
sowie die Flügellängen und -breiten derart zu bemessen, daß je zwei aufeinanderfolgende
benachbarten Windgeschwindigkeiten entsprechende Kurven sich mit ihren aufsteigenden
Ästen berühren, derart, daß durch die aufeinanderfolgenden Berührungspunkte eine
Hüllkurve bestimmt wird, welche "der Glei-
chung -^y = ο entspricht, in der C das Drehmoment
und V die absolute Windgeschwindigkeit bedeuten.
Außerdem ist der Punkt, welcher der normalen Geschwindigkeit und der Höchstleistung,
für die die Anlage bestimmt ist, entspricht, so zu wählen, daß er in der Nähe der Hüllkurve liegt. Daraus ergibt sich also,
daß jede Erhöhung der Windgeschwindigkeit innerhalb der praktisch in Betracht kommenden
Grenzen gegebenenfalls nur eine verhältnismäßig geringe Vermehrung des Drehmomentes
und der erzeugten Kraft bewirkt.
Bei Aufzeichnung der Leistung bzw. des Drehmomentes als Funktion der Windgeschwindigkeit
bei gleichbleibender Winkelgeschwindigkeit ergibt sich demgemäß für jede Winkelgeschwindigkeit eine Kurve, die
auf einer erheblichen Strecke praktisch parallel zur Abszissenachse verläuft, so daß für einen
rheblichen Bereich der Windgeschwindigkeit kaum ein Wachsen des Drehmomentes stattfindet.
Wenn man also dafür Sorge trägt, daß die Drehzahl (Winkelgeschwindigkeit) des Wind-
rades nicht über den gewollten Wert wachsen kann, so erreicht man damit zwangsläufig
auch die Begrenzung des Drehmomentes auf den entsprechenden Wert, ohne an der Einstellung
des Windrades oder seiner Flügel etwas ändern zu müssen.
In Abb. ι ist für ein der Erfindung entsprechendes
Windrad der Verlauf der den verschiedenen Windgeschwindigkeiten entsprechenden
Leistungskurven gezeigt, wobei die Winkelgeschwindigkeiten des Windrades als Abszissen und die Kraftleistungen (Drehmomente)
als Ordinaten dargestellt sind. Die gestrichelte Linie e stellt die durch die
aufeinanderfolgenden Berührungspunkte der Leistungskurven bestimmte Hüllkurve dar.
Neben der vorstehend gekennzeichneten Beschaffenheit und Ausbildung des Windrades,
bei dem die Profile der' Flügelquerschnitte längs des Halbmessers annähernd
ähnlich und ihre Breite von einer gewissen Entfernung von der Drehungsachse ab ungefähr
umgekehrt proportional dem entsprechenden Umlaufhalbmesser sind, müssen zum Erreichen des erstrebten Zweckes gemäß
der Erfindung folgende Bedingungen erfüllt sein:
Die Neigung der Flügelprofile gegen die Rotationsebene ist derart zu bemessen, daß
ihr Anstellwinkel in bezug auf die Richtung der relativen Strömungsgeschwindigkeit auf
der ganzen Länge des Halbmessers ungefähr den gleichen Wert, nämlich annähernd den
kritischen Wert erreicht, wenn die der vorgesehenen Höchstkraft entsprechenden Bedingungen
erreicht sind.
Die Winkelgeschwindigkeit des Windrades ist weiterhin auf dem vorgesehenen Normalwert zu halten; es ist also auch bei dauern-
der übernormaler Windgeschwindigkeit dafür zu sorgen, daß sich die Winkelgeschwindigkeit
des Rades der erhöhten Windgeschwindigkeit nicht angleicht.
Diese Begrenzung der Winkelgeschwindigkeit nach oben auf den Betrag, der dem normalen
Gang der Maschine entspricht, wird dadurch erhalten, daß man der angetriebenen Stromerzeugungsmaschine eine geeignete
Charakteristik gibt. Und zwar muß die Charakteristik einen Verlauf gemäß der Kurve C in Abb. 1 aufweisen, d. h. das widerstehende
Drehmoment der Stromerzeugungsmaschine muß oberhalb des dem normalen Gang entsprechenden Punktes größer sein
und schneller wachsen als das durch den Wind hervorgebrachte Drehmoment des
Windmotors. Die Kurve C1 die das widerstehende Drehmoment des Stromerzeugers
als Funktion der Winkelgeschwindigkeit zeigt, muß also oberhalb des Punktes der normalen Winkelgeschwindigkeit ein größeres
Steigungsmaß haben als die Hüllkurve e. Der Schnittpunkt der- beiden Kurven C und e
entspricht dem vorgesehenen Höchstwert der Winkelgeschwindigkeit. ·.--. j
Die Charakteristik C kann die eines Synchronwechselstromerzeugers
sein, der parallel auf ein Leitungsnetz arbeitet, also mit konstanter
Geschwindigkeit, oder die Charakteristik einer asynchronen Nebenschlußmaschine
mit schwacher Schlüpfung, oder die einer Maschine mit Nebenschlußerregung, oder die
Charakteristik einer Maschine mit schwacher Unterkompoundwickelung mit etwas stärker
ausgeprägtem Ansteigen der Geschwindigkeit.
Bei dem Zusammenbau von Stromerzeugern der angegebenen Art mit Windrädern
nach den im vorstehenden dargelegten Grundsätzen wird bei Anwachsen der· Windgeschwindigkeit
über den vorgesehenen Normalwert hinaus der kritische Anstellwinkel fast auf der ganzen Länge des Flügels gleichzeitig
überschritten, abgesehen von dem m unmittelbarer Nähe der Achse gelegenen Teil des Flügels. Die durch das hierbei erfolgende
■ Abreißen der Strömung von der Flügeloberfläche entstehende sprunghafte Vermehrung
des Profilwiderstandes bewirkt, wie oben ausgeführt, eine Bremsung des Flügelumlaufs,
die über die in unmittelbarer Näh'e der Achse auftretende Verstärkung des Antriebsmomentes
hinausgeht.
Bei der erläuterten Ausbildung der Flügel mit einer einzigen Tragfläche kommt man
unter Umständen zu Flügelformen, die trotz verhältnismäßig geringer Oberfläche zu lang
und zu schwach sind, um hohen Winddrucken standhalten zu können.
In bekannter Art können deshalb die Flügel mit mehreren Tragflächen ausgeführt
werden, und zwar gemäß Abb. 2 oder 3 derart, daß zwei in der Windrichtung hintereinanderliegende
Tragflächen angeordnet sind, die sich in einem entsprechenden Abstand von der gemeinsamen Nabe vereinigen und
durch Querversteifungen e sowie gegebenenfalls durch Diagonalrippen f miteinander verbunden
sind. Auf diese Weise erhält man einen Flügel, der bei verhältnismäßig geringer Masse eine, erhebliche Widerstandsfähigkeit
gegen den Winddruck besitzt.
Flügel mit sehr schmalen Flächen, bei welchen auch in der tangentialen Umlaufrichtung
eine Verstärkung erforderlich erscheint, können in der Weise gebaut werden, daß die
einzelnen Flächen auch in tangentialer Richtung gegeneinander versetzt sind, derart, daß
ein Träger mit mehreren Stützen entsteht, der in allen Richtungen ein erhebliches Trägheitsmoment
aufweist; diese einzelnen Stützen können selbstverständlich durch geeignete Verstrebungen verstärkt sein.
Abb. 4 zeigt eine Ausführungsform eines Flügels, der aus drei Tragflächen zusammengesetzt
ist, die zusammen einen Pfeiler von dreieckigem Querschnitt bilden und durch Versteifungen e und /' miteinander verbunden
sind.
Claims (1)
- Patentanspruch:ίο Mit einem elektrischen Stromerzeugergekuppeltes Windrad mit wenigen verhältnismäßig schmalen Flügeln von Stromlinienprofil, die so lang sind, daß ihre Umfangsgeschwindigkeit bei der vorgesehenen mittleren Windstärke mindestens das Achtfache der Windgeschwindigkeit beträgt, und deren gesamte Fläche, senkrecht zur Drehungsachse gemessen, nicht größer als 1Z15 der bestrichenen Fläche ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Neigung des Flügelprofils gegen die Drehebene auf dem größten Teil der Flügellänge so klein ist, daß beim Wachsen der Windgeschwindigkeit über den vorgesehenen Höchstwert hinaus der Anstellwinkel der relativen Windgeschwindigkeit in bezug auf die Profilsehne gleichzeitig seinen kritischen Wert derart überschreitet, daß das auf das Windrad ausgeübte resultierende Drehmoment nicht wesentlich weiterwächst, und daß zwecks Begrenzung der Winkelgeschwindigkeit der mit dem Windrad gekuppelte Stromerzeuger so gewählt wird, daß sein Widerstandmoment in Abhängigkeit von der Winkelgeschwindigkeit schneller zunimmt als das durch den Wind erzeugte Drehmoment des Windrades.Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
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