DE742788C - Vertikalachsiges Schaufelrad - Google Patents

Description

• Vertikalachsiges Schaufelrad Die Anwendung eines vertikalachsigen Schaufelrades als Windrad hat ,vor allem bei größeren Leistungen den Vorteil einer einfachen Kraftübertragung auf die anzutreibende Maschine und einer leichten Einstellbarkeit in jede Windrichtung. Die zur Erzielung eines einigermaßen brauchbaren Wirkungsgrades 'notwendige Steuerung der Schaufeln während des Umlaufens des Schaufelrades bereitet dabei gewisse Schwierigkeiten. Es ist bereits vorgeschlagen worden, die Flügel während einer Umdrehung des Rades '/2mal um ihre eigene Achse umlaufen zu lassen. Der damit erzielte Wirkungsgrad ist jedoch zu ungünstig, da die Flügel nicht in jeder Stellung während der Drehung des Schaufelrades den aerodynamisch günstigsten Anstellwinkel gegen die Windrichtung einnehmen. Zwar ist bei Schiffsantrieben eine vom hydrodynamischen Standpunkt aus einwandfreie Steuerung dieser Relativbewegung der Schaufeln bekannt. Sie läßt sich aber nicht ohne weiteres auf vertikalachsige Windräder anwenden, wie im folgenden gezeigt wird, besonders wenn es sich um Windräder für größere Leistungen handelt, deren Flügelabmessungen ein Vielfaches der eines Schiffspropellers ausmachen. Die Erfindung ermöglicht durch -grundlegende Vereinfachung und Abänderung der bekannten Art der Schaufelverstellung die Anwendung solcher Schaufelräder auch als Windräder zum Antrieb z. B. von elektrischen Generatoren.
• In der Abbildung ist die grundsätzliche Anordnung der Schaufeln eines derartigen Windrades dargestellt. Die Drehachse des Schaufelrades ist d. Die Schaufeln a1 b1, a., b2, a3 b3, a4 b4, a5 b5 und ae b6 sind am Umfang des Rades um die vertikalen Achsen cl, c2, c3, c4, c5 und c6 drehbar angeordnet. Die Schaufeln des Rades müssen in jedem Augenblick so stehen, daß bei einer gegebenen konstanten Windgeschwindigkeit V und einer bestimmten Umfangsgeschwindigkeit U des Schaufelrades ihre Richtung mit der Relativgeschwindigkeit W übereinstimmt. Für die Schaufeln a5 bs und aß b6 ist das entsprechende Geschwindigkeitsdiagramm eingezeichnet. Die richtige Schaufelverstellung wird in bekannter Weise durch eine kinematischeAnordnung erreicht, bei der die :Mittelsenkrechten der Schaufeln durch einen Punkt e gehen, der auf der durch die Achse d gehenden Senkrechten zur Windrichtung liegt. Diese, wie eingangs erwähnt, £iii7 Schiffsantriebe vorgeschlageneEinrichtun g ist mechanisch nur sehr schlecht zu verwirk--; liehen. Da die Verbindungsstangen e cl, e c:,,' c c3, e c4, e c,, und e c6 die Länge ständig ändern, müßte jede für sich in Büchsen gleiten. Abgesehen von den erheblichen Reibungsverlusten ist eine solche Anordnung bei Windrädern wegen der schlechten Schmierungsmöglichkeit, Vereisungsgefahr usw. praktisch nicht ausführbar. Ein weiterer Vorschlag geht dahin, daß bei Schiffspropellern die Steuerung der Schaufeln durch einen zum Radmittelpunkt exzentrisch angeordneten Steuerring erfolgt, an dem die mit den Schaufeln starr verbundenen Lenkstangen angreifen. Auch hier ist also für die Stangen ein Führungsmechanismus notwendig, der die bereits angegebenen Nachteile aufweist. Außerdem läßt sich diese Anordnung für größere Anstellwinkel, wie sie bei Windrädern notwendig werden, nicht verwenden.
• Bei einem weiteren bekanntgewordenen, als Schiffsantrieb dienenden Schaufelrad erfolgt die Führung der Schaufeln mittels zwei jeweils an den Stirnseiten der Schaufeln angeordneten, außermittig zur Radachse liegenden Führungsbahnen. Entsprechend befinden sich an jeder Stirnseite der Schaufelräder je zwei auf einem gemeinsamen Träger gelagerte Führungsrollen, deren Träger mit den Schaufelradachsen verbunden sind. Mittels dieser Führung vollführen die Schaufelräder bei einer Umdrehung des Schaufelrades eine halbe Umdrehung um ihre Achse, so daß das Schaufelrad, wie eingangs erwähnt, einen ungünstigen Wirkungsgrad besitzt.
• Die Erfindung bezieht sich auf ein vertikalachsiges Schaufelrad, dessen um parallel zur Achse liegende Achsen schwenkbare Schaufeln unter Vermeidung von Steuergestängen mittels einer zum Radmittelpunkt außermittig gelegenen kreisförmigen Führungsbahn jetveils in den aero- oder hydrodynamisch günstigsten Anstellwinkel gegen die Strömungsrichtung eingestellt werden. Erreicht wird dies dadurch, daß die voreilenden Schaufelkanten mittels an ihren Spitzen angeordneten Wälzlagern in einer der Kreisbahn entsprechenden Aussparung geführt sind. Daß durch eine solche Führung ein günstiger Anstellwinkel der Schaufeln über eine Gesanitumdrelaung erzielt wird, geht aus folgender LTberlegultg hervor. Sollen die in die Zeichnung eingezeichneten Geschwindigkeitsdiagramme in jeder Flügelstellung erfüllt sein, so beschreibt eine Kante jeder Schaufel eine schwach elliptische Kurve, die sich, wie aus der Zeichnung ersichtlich, ohne großen Fehler durch einen Krei: ä ersetzen läßt. So werden beispielsweise in der schematischen Darstellung die Flügelkanten a,, a:3, a;" a, durch die Kreisbahnführung in die Lage a,', a3 , a5', a,;' gebracht, wodurch die Flügel die punktiert gezeichneten Lagen einnehmen, die nur gering von den durch das Geschwindigkeitsdiagramm bedingten Lagen abweichen. Der Fehler kann angesichts der Ungleichförmigkeit der Luftströmung ohne weiteres vernachlässigt werden. Es ergibt sich aus vorstehendem, daß der Radius der Kreisbahn etwa gleich der Hypotenuse eines rechtwinkeligen Dreiecks ist, dessen Katheten die Entfernungen der Schaufelachse zur Radachse und der Schaufelachse zu der zu führenden Schaufelkante bilden. In der Zeichnung ist die Kreisbahn mit g bezeichnet, deren Mittelpunkt f exzentrisch zur Radachse c1 liegt. Der Radius r der Kreishahn ist nach dem Vorangehenden also Als kreisförmige Führung kann eine U-förmige Aussparung dienen, in der an den Spitzen der geführten Schaufelkanten angeordnete Wälzlager laufen. Um die Reibung der in der Führung laufenden Wälzlager möglichst herabzusetzen, wird zweckmäßig der Träger der kreisförmigen Führungsbahn in seinem Mittelpunkt drehbar gelagert. Er kann dabei vom Schaufelrad selbst mitgenommen werden. In den meisten Fällen wird der Führungsring durch die Reibung der an den Flügelkanten angebrachten Wälzlager mitgenommen werden, so daß er mit dem Schaufelrad synchron umläuft. Diese Anordnung hat den großen Vorteil, daß nur geringe Relativbewegungen zwischen Schaufelkante und Führung auftreten und daher sich die Schaufelsteuerung selbst fast ohne jede Reibung vollzieht.
• Um die Schaufeln in die jeweils vorliegende Strömungsrichtung des auf sie wirkenden Mediums einzustellen, ist es notwendig, daß die die Schaufeln steuernde Kreisbahn ihre Lage gegenüber dem Schaufelrad entsprechend ändert. Zu diesem Zweck ist der im 'Mittelpunkt angreifende Stützpunkt der Kreisbahn um die Schaufelradachse im Kreis verstellbar angeordnet. Eine Änderung der Beaufschlagung der Schaufel, d. h. eine Änderung des Anstellwinkels für jede Stellung der Schaufel während einer Umdrehung des Schaufelrades wird durch Verstellung des Stützpunktes der Kreisbahn in radialer Richttang gegenüber der Radachse erzielt. Wird das Schaufelrad als Windrad benutzt, so liegt der Mittelpunkt f der Kreisbahn g für eine bestimmte Windrichtung fest, in der Abbildung z. B für die durch den Pfeil gekennzeichneten Richtung. Die Drehung des Schaufelrades ist dabei gegen den Uhrzeigersinn. Es besteht dabei die Aufgabe, die Schaufeln in die gerade herrschende Windrichtung einzustellen, und zwar soll diese Einstellung selbsttätig erfolgen.
• Nach der Erfindung geschieht dies dadurch, daß eine sich in die Windrichtung einstellende Leitfläche die Achse der Kreisbahn um die Schaufelradachse verstellt. Da bei dieser Verstellung nur verhältnismäßig geringe Massen bewegt werden, wird bei wechselnder Windrichtung die Kreisbahn fast augenblicklich in die richtige Stellung gebracht. An Stelle der Leitfläche können auch zwei gegenläufige Propeller dienen, die in an sich bekannter Weise als Servomotoren die Verstellung bewirken.
• Eine Regelung der Drehzahl bei einer bestimmten Windstärke kann durch Änderung der Beaufschlagung, d. h. durch Verstellung des Kreisbahnstützpunktes in radialer Richtung gegenüber der Radachse.erzielt werden. Insbesondere wird eine Regelung der Beaufschlagung notwendig, wenn von dem Windrad ein Drehstromgenerator angetrieben werden soll, der mit einem Netz parallel arbeitet. Da in diesem Fall der Generator mit konstanter Drehzahl angetrieben werden muß, ist ein brauchbarer Betrieb nur dann möglich, wenn die Drehzahlcharakteristik des Windrades in Abhängigkeit von der Belastung möglichst flach verläuft. Es muß also angestrebt werden, bei verschiedener Windgeschwindigkeit h eine möglichst konstante Umfangsgeschwindigkeit U zu erzielen. Das kann nur durch eine von der Windgeschwindigkeit abhängige selbsttätige Verstellung des Abstandes der Radachse zum Stützpunkt der Kreisbahn erfolgen.
• Bei einem bekannten vertikalachsigen Windrad mit der bekannten ungünstigen Steuerung der Schaufeln, derart, daß sie bei einer Umdrehung des Windrades eine halbe Umdrehung um ihre Achsen ausführen, wird eine von der Windstärke abhängige Drehzahlregelung dadurch erzielt, daß eine mit der Windradachse verbundene Windfahne und eine senkrecht dazu stehende kleinere Steuerfläche vorhanden ist. Diese kleinere Steuerfläche greift an einem schwenkbar gelagerten Hebel an, der bei starkem Wind entgegen einem auf ihn wirkenden Gewicht mehr oder weniger an die Windfahne herangedrückt wird. Je nach dem Grad der Verschwenkung dieser Steuerfläche werden die Windradschaufeln gegenüber der herrschenden Windrichtung verstellt. Erfindungsgemäß ist zwecks Verstellung des Kreisbahnstützpunktes zur Erzielung der gewünschten Drehzahlregelung die Windfahne bzw. Leitfläche um die Schaufelradachse drehbar gelagert und steuert mittels eines Winkelgestänges den Stützpunkt der Kreisbahn, wobei das am Stützpunkt angreifende Gestänge einen doppelarmigen Hebel bildet. An seinem freien Ende trägt der Hebel eine Steuerfläche, die den Stützpunkt in Abhängigkeit von der Windgeschwindigkeit entgegen einer Federspannung radial zur Radachse verstellt.
• An Hand der Zeichnung wird diese Anordnung des näheren erläutert. Der Stützpunkt f der Kreisbahn g ist mit dem um den Drehpunkt i beweglichen Hebel if fest verbunden, dessen Verlängerung die Steuerfläche trägt. Der Drehpunkt i ist über das Gestänge uz. und n mit der Leitfläche h starr verbunden, so daß die Steuerachse f bei wechselnder Windrichtung mitgedreht wird. Durch die Feder L wird die Achse f an die Radachse d herangezogen, während die Steuerfläche k dem entgegenwirkt. Bei völliger Windstille fallen also praktisch die beiden Achsen f und d zusammen. Damit ist für die -Schaufel die größtmöglichste Beaufschlagung gegeben. Bei ansteigender Windstärke wird durch den Druck des Windes auf die Steuerfläche k die Achse f von d abgedrückt und dadurch der Anstellwinkel der Schaufel entsprechend geändert. Durch geeignete Abstimmung von Steuerfläche k und Feder l läßt sich die gewünschte Drehzahlcharakteristik leicht erreichen. Auch hierfür kann natürlich ein Servomotor zu Hilfe genommen werden, oder es kann die Steuerung von der Zentrale aus auf elektrischem Wege beeinflußt werden. Um einen möglichst hohen Wirkungsgrad zu erzielen, erhalten die Schaufeln Stromlinienform, ähnlich dem.Tragflügel eines Flugzeuges.
• Die Anordnung nach der Erfindung ist nicht nur für Windräder verwendbar, sie kann sinngemäß auch für die Steuerung eines Schiffspropellers dienen.

Claims (1)

1. PATENTANSPRÜCHE: i. Vertikalachsiges Schaufelrad, dessen um parallel zur Radachse liegende Achsen schwenkbare Schaufeln unter Verwendung einer zum Radmittelpunkt außermittig gelegenen kreisförmigen Führungsbahn jeweils in den aero- oder hydrodynamisch günstigsten Anstellwinkel eingestellt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die voreilenden Schaufelkanten mittels an ihren Spitzen angeordneten Wälzlagern in einer der Kreisbahn entsprechenden Aussparung geführt sind. =. Schaufelrad nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die kreisförmige Führungsbahn als U-förmige Aussparung ausgebildet ist. 3. Schaufelrad nach Anspruch i bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger der kreisförmigen Führungsbahn in seinem Mittelpunkt drehbar gelagert ist und gegebenenfalls synchron mit dem Schaufelrad umläuft. Schaufelrad nach Anspruch i bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der im Mittelpunkt angreifende Stützpunkt der Kreishahn um die Schaufelradachse im Kreise und radial dazu verstellbar ist. 5. Schaufelrad nach den Ansprüchen i bis 4 als Windrad für Antriebe, z. B. von einer Dynamo, dadurch gekennzeichnet, Saß die Steuerung des Stützlagers (f) durch eine um die Radachse drehbare Windfahne (h) in Verbindung mit einem doppelarmigen Hebel erfolgt, der an einem rechtwinklig zur Windfahnenachse gelegenen Arm (m) gelagert ist und dessen eines Ende eine Steuerfläche (k) trägt, während das andere Ende unter Zwischenschaltung einer Feder (L) gegen den Winkelarin des Windfahnengestänges (ii) abgestützt ist. Zur Abgrenzung des Anmeldungsgegenstandes vom Stand der Technik sind im Erteilungsverfahren folgende Druckschriften in Betracht gezogen worden: deutsche Patentschriften .... Nr. 125 185, 279 669, 488 564, österreichische Patentschriften - 105 723, 114 323, 142 139; französische Patentschrift , . . - 319 735 britische Patentschriften . , Nr. 23 470%4, 153 66o, 231 856, 269 620, 319 963; USA.-Patentschriften Nr. 591775, 6110o7, 695 276, 818 825, 964 293, 1 384 787.