DE860930C

DE860930C - Windkraftmaschine

Info

Publication number: DE860930C
Application number: DEP13059A
Authority: DE
Inventors: Ernst Dipl-Ing Jahnke
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1948-10-02
Filing date: 1948-10-02
Publication date: 1952-12-29

Description

Windkraftmaschine Die bisher bekannten maschinellen Vorrichtungen zur Ausnutzung der Windkraft sind so durchgebildet, daß die lebendige Kraft des Windes in eine drehende Bewegung der Windkraftmaschine umgesetzt wird. Bei der größten Anzahl der Windkraftmaschinen erfolgt die Drehbewegung um eine waagerecht gelagerte Achse, wie z. B. bei den Windmühlen. Ein kleinerer Teil ist so konstruiert, daß diese -Drehbewegung um eine senkrecht stehende Achse erfolgt. -Im ersteren Falle stecken in der waagerechten Achse Flügel, deren vom Luftstrom getroffene Fläche entsprechend den verschiedenen Geschwindigkeiten, welche die einzelnen Flügelquerschnitte bei der Drehbewegung erhalten, gegenüber der Windrichtung verschieden geneigt ist.- Die Herstellung eines solchen Flügels, Propellerflügel genannt, ist naturgemäß wesentlich teurer als die Herstellung eines Flügels, bei dem die vom Winde getroffene Fläche durchgehend meiner Ebene liegt. Eine solche Form darf ein Flügel bei guter Ausnutzung der Windkraft aber nur erhalten, wenn die ihm vom Winde erteilte Bewegung zwangsläufig so erfolgt, daB der Flügel auf seiner gesamten Länge mit gleicher Geschwindigkeit bewegt wird.
Es ist bekannt, daß letzteres erreicht wird durch eine Maschine mit senkrechter Drehwelle und mit um die Drehwelle im Kreise umlaufenden Flügeln-, die um ihre zur Drehwelle parallelen Flügelachsen geschwenkt werden können und die hierbei jeweils unter einem bestimmten AnstelIwinkel von fallweise erforderlicher Größe eingestellt werden. Für die Einstellung der Flügel sind verschiedene Führungskonstruktionen bekannt, die als Gestänge oder Ring in Abhängigkeit von der Strömungsrichtung gleichzeitig sämtliche Flügel unter jeweils einem bestimmten Winkel zur Relativgeschwindigkeit einstellen.
Der Umstand, daß diese Führungskonstruktion von der Strömungsrichtung abhängig ist und außerdem gleichzeitig sämtlichen Flügeln bestimmte, jeweils andersartige Bewegungen erteilen soll, erfordert eine komplizierte kinematische Anordnung, welche bei der Windkraftmaschine außerdem zwei Windfahnen erforderlich macht, sowie Konstruktionen großer Abmessung bedingt, die konstruktiv und betrieblich schwer zu beherrschen sind.
Die hiermit zum Patent angemeldete, an einem Modell ausprobierte und nachstehend beschriebene Erfindung sieht vor, daß die im Winde enthaltene Energie in eine Drehbewegung der Windkraftmaschine um eine vertikal gelagerte Achse umgesetzt wird, wobei aber jeder Flügel beim Umlauf um die Drehwelle durch Ausgleich der um seine Schwenkachse wirkenden Luftkraftmomente selbsttätig um seine tangentiale Stellung während einer Radumdrehung einmal hin und her schwingt.
Die Flügel dieser Maschine sind gemäß Abb. i und 2 parallel zur vertikalen Drehachse und jeweils in gleichem Abstande von ihr angeordnet. Die Drehachse G des einzelnen Flügels (s. Abb. 3) wird innerhalb des z. B. symmetrischen Flügelquerschnittes in der Nähe der äußeren Flügelfläche so gelegt, daß die resultierende Kraft R der auf den Flügel auf der Luvseite des Windrades unter dem Anstellwinkel a wirkenden resultierenden Luftströmung c durch den Punkt G führt. Ändert sich die Richtung von c und damit der Winkel a, so verlagert sich die Kraft R und erzeugt mit Bezug auf Punkt G ein Moment, welches den Flügel im Sinne der Winkeldrehung von c so weit dreht, bis zwischen Sehne und der neuen Richtung der Anströmung c wiederum der Winkel a vorhanden ist. Hierbei ist die auf den Flügel wirkende Luftkraft in das Innere des Windradzylinders gerichtet.
Nähert sich oder überschreitet der einzelne Flügel den Punkt III (Abb. 2), so nähert sich z. B. bei Punkt IIIa die Richtung von e der Senkrechten zum Radius. Dabei würde der Flügel wegen seiner Selbsteinstellung im Sinne der Rotation der Windkraftmaschine über die Tangente hinaus in Richtung Windraddrehachse verschwenkt werden. Es würde dann der Flügel eine Luftkraft A erhalten, die entgegengesetzt der Drehung der Windkraftmaschine wirksam würde. Um dieses zu verhindern, wird für jeden Flügel ein Anschlag m2, (Abb. 3 und 4) vorgesehen, der eine Drehung des Flügels nur so weit zuläßt, daß die Außenfläche des Flügels etwa senkrecht zum Radius verläuft (Abb.4).
Die automatische Einstellung der Flügel wird beschleunigt, wenn an der hinteren Kante eines jeden Flügels ein kleines Steuer P, biegungsfest mit dem Flügel verbunden, angebracht wird, welches gegenüber der Profilsehne etwa um den Winkel a abgeknickt ist, d. h. in Richtung der resultierenden Luftströmung c liegt (Abb.5). Der Flügel stellt sich bei Ausführung ohne Steuerruder (Abb. 3 und 4) oder mit Steuerruder (Abb. 5) auf der Luvseite selbsttätig ein, indem er entsprechend der veränderlichen Richtung der Anströmung c wechselnde kleine Drehbewegungen ausführt, wobei unabhängig von der jeweiligen Stellung des Flügels im Luvbereich und unabhängig von der Windgeschwindigkeit v ständig der von c und der äußeren Flügelfläche gebildete Anstellwinkel zu rund a wird.
Nachdem der Flügel den Bereich bei Punkt IIIa durchlaufen hat, wird er auf der Leeseite des Windrades im Bereich des Punktes IV fest gelagert aus dem Innern des Windradzylinders von einem Luftstrom v, der naturgemäß kleiner als v ist, angetrieben. Die Innenfläche des Flügels ist etwa unter io° gegen die Senkrechte zum Radius geneigt und bildet mit der Anströnuichtung c einen veränderlichen Winkel ä, wobei eine im Drehsinn der Maschine wirkende Luftkraft A wirksam wird.
Bei größeren Windkraftmaschinen kann es zweckmäßig sein, auch im Leebereich eine selbsttätige Einstellung der Flügel vorzusehen, durch die sich zwischen Innenfläche des Flügels und der Anströmung 7 ebenfalls stets ein bestimmter Anstellwinkel ä ergibt. Für diesen Fall wird das Steuerruder P gelenkig mit seinem jeweiligen Flügel verbunden, während die Drehachse G statt an der Außenfläche des Flügels in der Flügelachse angeordnet wird (Abb. 6). Das Steuer nimmt zwangsläufig beim Umlauf folgende Stellungen ein: In der Nähe der Punkte Ja und IIIa wirkt die Anströmung c rund senkrecht zum Radius. Die Mittelachse des Flügels und des Ruders werden hierbei etwa in der gleichen Ebene wie c liegen (Abb.6). Der Flügel durchläuft diese Strecke ohne Arbeitsleistung. Es genügt hierbei, daß Ruder und Flügel nur gelenkig verbunden sind.
Nähert sich der Flügel dem Punkt I bzw. dem Punkt IV und führt er infolge der seitlichen Anströmung c bzw. e eine Drehbewegung aus, so wird das Steuerruder gezwungen, zusätzlich eine Drehung im gleichen Sinne auszuführen, bis es etwa in Richtung von c bzw. c liegt. Die äußere Flügelfläche bildet dann mit c den Winkel a, die innere Flügelfläche mit c den Winkel ä (Abb. 7 und 8).
Die Steuerung des Ruders kann elektrisch erfolgen. Es wird z. B. im Luvbereich durch die dem Uhrzeigersinn entgegengesetzte Drehung des Flügels der Kontakt k1 geschlossen und hierdurch der Magnet ml wirksam (Abb.7 und 7a). Im Leebereich werden entsprechend k2 und m2 von einem elektrischen Strom durchflossen (Abb.8). Im Bereich der Punkte Ia und IIIa sind die Magnete ohne Wirkung (Abb. 6).
Die automatische Steuerung des Ruders kann auch mechanisch, z. B. wie in Abb. 9 dargestellt, erfolgen. Bei einer Drehung des Flügels gleitet ein mit dem Steuerruder p starr verbundener Stab o, der am Ende mit einer Laufrolle versehen ist, mit der Laufrolle in einer Führung f, durch die dem Steuerruder die jeweils erforderliche Bewegung und Stellung erteilt wird.
Der Modellversuch zeigte, daß die Richtung der Windströmung beiderseits seitlich der kreisenden Maschine mehr oder weniger nach dem Innern des Zylinders gerichtet ist. (Es mag dieses daran liegen, daß es sich hierbei nicht um einen geschlossenen Zylinder handelt.) Will man die günstige Wirkung der Ablenkung der Luftströmung nach dem Zylinderinnern vergrößern, so können eine oder mehrere Leitflächen (Abb. ii) außerhalb oder innerhalb des Zylinders symmetrisch zur Windrichtung angeordnet und durch eine besondere Windfahne, entsprechend der jeweiligen Windrichtung automatisch sich einstellend, vorgesehen werden.
Die Umdrehungsgeschwindigkeit u braucht nicht ein bestimmtes Verhältnis zur Windgeschwindigkeit zzu besitzen, um einen guten Wirkungsgrad zu erzielen. Infolge der selbsttätigen Einstellung der Flügel kann die Maschine z. B. bei einer Windgeschwindigkeit von v = 4 m pro Sekunde mit einer Umdrehungsgeschwindigkeit von 12 m pro Sekunde, u/v = 3 laufen und diese Umdrehungsgeschwindigkeit bei gleichzeitig gutem Wirkungsgrad beibehalten, auch wenn v auf 8 m pro Sekunde, u/v = 1,5 oder auf 12 m pro Sekunde, u/v = i oder noch höher ansteigen würde. Diese Tatsache bedeutet einen weiteren wesentlichen Vorteil der beschriebenen Windkraftmaschine gegenüber den nach dem Windmühlenprinzip gebauten Windrädern und auch gegenüber den bisher bekannten Windkraftmaschinen mit vertikaler Achse.
Für den Fall, daß die vorgesehene Drehzahl n der Maschine z. B. infolge Belastungsabfalls oder größerer Windgeschwindigkeit über ein -bestimmtes Maß anwachsen sollte, ist vorgesehen, daß mechanisch durch einen Regler, einen Zentrifugalregler, z. B. gemäß Abb. 12 und 13, ein Teil der Flügel, mit der Außenfläche senkrecht zum Radius stehend, festgehalten wird. Sollte die Drehzahl trotzdem weiter steigen, so wird durch einen zweiten Fliehkraftregler ein weiterer Teil der Flügel oder der Rest derselben blockiert. Statt dieser mechanischen Regelung oder gleichzeitig mit dieser kann auch eine elektrische Regelung erfolgen. Es kann z. B. im Anschlag m3 gemäß Abb. 3 und 4 ein Magnet vorgesehen werden, der bei Überschreitung einer bestimmten Drehzahl durch ein Relais betätigt wird und den Flügel, mit der Außenfläche senkrecht zum Radius stehend, festhält.
Für den Fall, daß die Windgeschwindigkeit ein Maß erreichen sollte, bei welchem ein Betrieb der Windkraftmaschine nicht mehr zulässig sein dürfte, können mit einfachen Mitteln sämtliche Flügel auf mechanischem oder elektrischem Wege festgelegt und die Maschine zum Stillstand gebracht werden.
Der Fliehkraftregler (Abb. i2 und 13) tritt in Tätigkeit, nachdem unter der Wirkung der Fliehkraft kleine Gegengewichte angehoben worden sind. Mit Benutzung der gleichen Vorrichtung können die Flügel bei Sturm auch bei stillstehender Maschine festgelegt und festgehalten werden. Zum Beispiel kann eine an einem Hebel befindliche Scheibe, deren Fläche sich stets senkrecht zur Windrichtung einstellt und z. B. bei v > 2o m/sec um eine waagerechte Drehachse kippt, hierbei mittels Hebelübertragung die Gegengewichte heben. Die sich kappenartig auf die Flügelköpfe stülpenden Vorrichtungen sind federnd an der den jeweiligen Flügel tragenden Rippe angeschlossen und blockieren die Flügel, sobald die Gegengewichte angehoben sind. Gleichzeitig oder als alleiniges Mittel zur Stillegung der Maschine infolge zu starken Windes kann durch die Kippbewegung der Windscheibe ein elektrischer =Kontakt geschlossen werden, der (s. Abb. 3) bei m3 einen Magnet betätigt oder bei Ausführung einer elektrisch betätigten Steuerung den in Abb. 6 bis 8 vorgesehenen Magnet m2 so lange zur Wirkung bringt, wie v >_ 2o m/sec beträgt.
Wird von der Maschine die Drehzahl trotz vorhandenen @N"indes unterschritten, so muß die Belastung der Maschine herabgesetzt werden, wofür verschiedene Methoden bekannt sind.
Bei der Festlegungdes einzelnen Flügelquerschnittes ist zu berücksichtigen, daß der Luftdruck von beiden Seiten abwechselnd wirksam wird und daß die Bewegung der Flügel nicht geradlinig, sondern auf einer Peripherie erfolgt. Ist die Flügelbreite im Verhältnis zum Radius groß, so empfiehlt es sich, den Querschnitt mehr oder weniger der Peripherie anzupassen (Abb. io).

Claims

PATENTANSPRÜCHE: i. Windkraftmaschine mit senkrechter Drehwelle und mit um die Drehwelle im Kreise umlaufenden Flügeln, die um ihre zur Drehwelle parallelen Flügelachsen geschwenkt werden können und die hierbei jeweils unter einem bestimmten Anstellwinkel von fallweise erforderlicher Größe eingestellt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Flügel beim Umlauf um die Drehwelle durch Ausgleich der um ihre Schwenkachse wirkenden Luftkraftmomente selbsttätig um ihre tangentiale Stellung während einer Radumdrehung einmal hin- und herschwingen (Abb. i und 2).
2. Windkraftmaschine nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Luvseite des Windrades die Flügel sich auf einen solchen Anstellwinkel zur Anströmrichtung einstellen, daß die auf den Flügel wirkende Luftkraft in das Innere des Windradzylinders gerichtet ist und daß auf der Leeseite des Windrades die Selbsteinstellung durch einen Anschlag derart begrenzt ist, daß durch die nunmehr aus dem Inneren des Windradzylinders kommende Strömung eine Luftkraft auf den Flügel entsteht, die nach außen gerichtet ist (Abb. 3 und 4).
3. Windkraftmaschine nach Anspruch i und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgleich der Lüftkraftmomente hervorgerufen wird durch ein an der hinteren Flügelkante mit dem Flügel fest verbundenes Ruder (Abb. 5).
4. Windkraftmaschine nach Anspruch i und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgleich der Luftkraftmomente hervorgerufen wird durch ein besonderes mit dem Flügel gelenkig verbundenes Steuerruder, welches elektrisch oder mechanisch auf der Luv- und Leeseite eingestellt wird (Abb. 6, 7, 8 und 9).
5. Windkraftmaschine nach Anspruch i bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß außerhalb oder innerhalb des Windradzylinders und symmetrisch zur Windrichtung eine oder mehrere Leitflächen angeordnet sind, welche die Luftströmung nach dem und im Zylinderinneren lenken und die sich vermöge einer besonderen Windfahne bei sich ändernder Windrichtung selbsttätig einstellen (Abb. ii).
6. Windkraftmaschine nach Anspruch i bis q., dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahl der Maschine nach oben begrenzt wird durch eine mechanische und/oder elektrische Festlegung von Flügeln (Abb. 12 und 13 sowie Abb. 3 und q.).
7. Windkraftmaschine nach Anspruch i bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei besonders großer Windstärke die Maschine selbsttätig auf mechanischem und/oder elektrischem Wege zum Stillstand gebracht wird (Abb. 12 und 13 sowie 3 bis 6 oder 6 bis 8). Angezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 7q.2 788, 732 666.