DE892130C

DE892130C - Windmotor

Info

Publication number: DE892130C
Application number: DEC4557A
Authority: DE
Inventors: Johann Dr-Ing Cassens
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1951-08-03
Filing date: 1951-08-03
Publication date: 1953-10-05

Description

Windmotor Gegenstand der Erfindung ist ein schnell laufender Windmotor mit vorzugsweise vertikaler Drehachse und während einer Umdrehung bezogen auf ihre gegenseitige Stellung zueinander unveränderlicher Lage seiner Windkraftflächen.
Bekannt sind Windmotoren mit horizontaler oder nahezu horizontaler Drehachse des Triebwerks. Sie haben einen verhältnismäßig guten Wirkungsgrad, aber den Nachteil, daß sie mittels besonderer Vorrichtungen in die Windrichtung eingestellt werden müssen.
Es sind ferner bekannt Windmotoren mit senkrcchter Drehachse, wie zum Beispiel die sogenannte Polnische Windmühle mit äußerem festem Leitschaufelkranz und innerem Laufschaufelkranz; ferner die sogenannten Robinson-Windräder mit Schalenkreuz, die aber nur für Meßzwecke benutzt werden, und die sogenannte Savonius-Walze, die als Fahrzeuglüfter und in besonderer Ausführung als Schornsteinlüfter verwandt wird. Es sind schließlich einige Bauarten bekanntgeworden, bei denen die Lage jeder Windkraftfläche während einer Umdrehung des umlaufenden Motorteils entsprechend einem günstigsten Widerstandswert jeder Windkraftfläche bezogen auf deren Bewegung mit oder gegen die Luftströmung periodisch verändert wird, wobei die Verstelleinrichtung durch die Windrichtung beeinflußt wird.
Diese Windmotoren mit vertikaler Drehachse haben den Vorteil, daß sie nicht in die Windrichtung eingestellt zu werden brauchen, nachteilig ist aber ein recht geringer Wirkungsgrad bzw. eine umständliche und witterungsempfindliche Steuereinrichtung. Bei allen diesen vorgenannten Windmotoren beruht die Wirkung darauf, daß die Windradflügel mit über ihrer ganzen Flügeltiefe gleichbleibender Flügeldicke der Luftströmung einen mehr oder weniger großen Widerstand bieten. Die Windradflügel werden vom Staudruck in Windrichtung oder quer zur Windrichtung bewegt, wobei die Luftströmung hinter dem Flügel abreißt und sich die Drehbewegung hemmende Luftwirbel bilden.
Erfindungsgemäß soll die Auftriebswirkung eines schnell im Luftstrom bewegten Körpers windschnittigen Querschnitts zur Leistungserzeugung ausgenutzt werden. Aus der Tatsache, daß die an sich bekannte Erscheinung der Auftriebskraft eines schnell im Luftstrom bewegten Profilkörpers unter möglichster Vermeidung von bisher bei Windmotoren immer auftretenden, die Drehbewegung hemmenden Luftwirbeln zur Ausnutzung der Windkraft benutzt wird, kann für den nach den erfindungsgemäßen Gedanken gebauten Windmotor ein wesentlich besserer Wirkungsgrad gegenüber früheren Bauarten erwartet werden. Der dieser Bedingung entsprechende Windmotor besteht im wesentlichen aus einer Anzahl von sich parallel zur Drehachse verhältnismäßig 1a4g erstreckenden Windradflügeln mit einem Q'uerschnittsprofil von windschnittiger Form. Dabei ist die Anordnung der Windradflügel derart, daß ihre Profilmittellinie tangential oder nahezu tangential zu dem vom Schwerpunkt des Profilquerschnitts beschriebenen Umlaufkreis verläuft. Unter windschnittiger Form des Profilquerschnitts soll dabei eine Form verstanden werden, bei der das Verhältnis der Dicke des Querschnitts zur Länge des Querschnitts sich etwa wie r : 3 bis z : zo verhält. Es soll weiter das eine Ende mehr oder weniger stark abgerundet sein, während das andere Ende spitz ausläuft und schließlich sollen die Seitenlinien des Querschnitts gerade oder etwas nach innen oder nach außen gekrümmt verlaufen.
Trifft eine Luftströmung (Wind) auf einen erfindungsgemäß gebauten Motor,- so beginnt sich dieser zunächst langsam zu drehen .unter dem Einfluß der verschieden großen Widerstandswerte beim Auftreffen der Luftströmung auf die verschieden gestaltete Form der in Drehrichtung bzw. in dieser entgegengesetzter Richtung weisenden Teile der Windradflügel. Das stumpfe runde Ende des Querschnittsbewegt sichentgegenderLuftströmung.
-Eine merkliche Wirkung von Luftkräften bzw. Antriebskräften ist während des Anlaufens nicht vorhanden. Größe und Richtung von entstehenden Luftkräften bei schnell im Luftstrom bewegten windschnittigen Profilkörpern sind abhängig von der Geschwindigkeit und Richtung des Anblaseluftstroms. Wächst also im weiteren Verlauf des Anlaufvorgangs die Drehzahl so stark, daß die Umfangsgeschwindigkeit der Windradflügel größer wird als die Windgeschwindigkeit, dann werden die Windradflügel immer nur in einer solchen Weise von der aus Windgeschwindigkeit und Umfangsgeschwindigkeit resultierenden Anströmgeschwindigkeit getroffen, daß .sich aus der resultierenden Anblasrichtung eine Luftkraft auf den Flügel ergibt, die -in jeder Stellung des Windradflügels ein Moment hervorruft, das den gleichen in Richtung .der Drehbewegung wirkenden Drehsinn hat und daher zur weiteren Erhöhung der Drehzahl beiträgt. Die Anblasrichtung für jede Lage eines Windradflügels während einer Umdrehung ergibt sich als resultierende aus der Richtung des Windes und der jeweiligen Ortstangente an die Umlaufbahn des Flügels. Auf der Luvseite des Windmotors ist dabei die Anblasströmung immer gegen die Außenseite der Windkraftflächen, auf der Leeseite immer gegen deren Innenseite gerichtet.
Ist die resultierende Anblasrichtung zu stark gegen die Profilmittellinie des Windradflügels geneigt, so reißt die Luftströmung hinter diesem ab; es entstehen die Drehbewegung hemmende Luftwirbel. Als günstigste Werte für die Neigung der Anblasrichtung gegen die Profilmittellinie, den sogenannten Anstellwinkel, wurden q. bis i5° ermittelt.
Um diese Werte zu erzielen, muß die Umfangsgeschwindigkeit ein Mehrfaches der Windgeschwindigkeit sein. Für den größten noch zulässigen Anstellwinkel ergibt sich eine Umfangsgeschwindigkeit etwa vom Dreieinhalbfachen der Windgeschwindigkeit; für kleinere Anstellwinkel kann die Umfangsgeschwindigkeit bis zum Fünfzehnfachen der Windgeschwindigkeit steigen.
Der Umfangsgeschwindigkeit sind nur mit Rücksicht auf die mechanischen Eigenschaften des verwendeten Werkstoffs, Festigkeit usw. gewisse Grenzen gesetzt. Hat der Windmotor die erforderliche Umfangsgeschwindigkeit erreicht, so ist er imstande, Arbeit zu leisten.
Zur Vermeidung von Luftwirbeln an den oberen und unteren Enden der W.indradflügel werden diese zwischen kreisförmigen oder kreisringförmigen mitumlaufenden Endscheiben angeordnet, wobei die Lagerstellen der Windradflügel auf diesen Endscheiben vorgesehen sind.
Da es schwierig ist, die günstigste Einstellung der Profilmittellinie in bezug auf die Umlaufbahn des Flügels rechnerisch festzulegen, die für verschiedene Querschnittsformen, Windgeschwindigkeiten bzw. Umfangsgeschwindigkeiten nicht unbedingt gleich ist, werden erfindungsgemäß Einrichtungen vorgesehen, um die Windradflügel um ihre Längsachse zu verstellen und jeweils durch Versuch einen Bestwert für den Wirkungsgrad zu erzielen.
Bei steigender Windgeschwindigkeit wächst der Anstellwinkel sowie das entstehende Drehmoment. Sofern nicht gleichzeitig die abgenommene Leistung erhöht wird, wächst auch die Drehzahl des Windmotors.
Damit nicht -bei sehr starkem Wind oder Sturm infolge allzu hoher Drehzahlen irgendwelche Schäden eintreten können, ist eine von der Drehzahl abhängige überlastsicherung vorgesehen. Sie kann darin bestehen, daß die Windradflügel um ein geringes Maß um ihre Längsachse gedreht werden, d. h. daß die Einstellung sämtlicher Windradflügel zur Umlaufbahn- im Sinne einer gewollten Verschlechterung des Wirkungsgrads geändert wird. Hierdurch wird die Luftströmung mehr oder weniger stark abreißen und dadurch die Drehbewegung gehemmt werden. Man kann auch den Windmotor mittels einer Reibungskupplung od. dgl. mit einer Bremse oder einem zusätzlichen Energieverbraucher kuppeln, die mittels eines drehzahlabhängigen Reglers beeinflußt werden.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel eines Windmotors gemäß der Erfindung dargestellt, und zwar zeigt Abb. i eine Seitenansicht, Abb. 2 einen Querschnitt mit eingezeichneten Geschwindigkeitsdiagrammen, Abb.3 einen Querschnitt eines Windradflügels mit in bezug auf die Umlaufbahn nach außen eingestellter Profilmittellinie, Abb. q. einen Querschnitt eines Windradflügels mit in bezug auf die Umlaufbahn nach innen eingestellter Profilmittellinie.
Zwischen den Endscheiben i sind die Windradflügel 2 befestigt. Sie bilden den umlaufenden Teil des Windmotors mit der Drehachse 3. Wenn der Windmotor in vollem Betrieb ist, haben die Windradflügel die Umlaufgeschwindigkeit u. Zusammengesetzt mit der Windgeschwindigkeit w ergibt sich die Resultierende R für Anblasrichtung und Geschwindigkeit. Die aus der Anblasströmung sich ergebenden Luftkräfte A ergeben ein Drehmoment, das stets im Sinne der Drehbewegung wirkt. Die Profilmittellinie 8 der Ouerschnittsform des Windradflügels 2 (vgl. Abb. 3 und q.) ist gegen die Tangente T an den Umlaufkreis L um den Winkel z nach außen oder um den Winkel y nach innen eingestellt.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: i. Windmotor, dessen Drehachse in einer zur Windrichtung senkrechten Ebene liegt, mit vorzugsweise vertikal angeordneter Drehachse, wobei die Windradflügel bezogen auf die Umlaufbahn in gleicher Einstellung, an besonderen Haltegliedern des umlaufenden Motorteils befestigt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Windradflügel ein windschnittiges Qucrschnittsprofil aufweisen und daß die Profilmittellinien der Windra@dflügel parallel oder nahezu parallel zu der durch den Profilschwerpunkt gelegten Tangente an die Umlaufbahn eingestellt und die Flügel an in einem umlaufenden Nabenkörper befestigten, kreis- oder kreisringförmigen Haltegliedern festgelegt sind. z. Windmotor nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der Einstellwinkel der Profilmittellinie zu der durch den Profilschwerpunkt gezogenen Tangente an die Umlaufbahn des Schwerpunkts sowohl bei Stillstand des Motors als auch während des Betriebs willkürlich einstellbar ist. 3. Windmotor nach Anspruch i oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Einstellwinkel in Abhängigkeit von der Windgeschwindigkeit oder der Umlaufgeschwindigkeit mittels einer besonderen Regelanlage selbsttätig einstellbar ist. q.. Windmotor nach einem der Ansprüche i bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine in Abhängigkeit von der Drehzahl wirkende Überlastsicherung vorgesehen ist. 5. Windmotor nach einem der Ansprüche i bis q., dadurch gekennzeichnet, daß die mitumlaufenden Halteglieder für die Windra-dflügel als Endscheiben ausgebildet sind. 6. Windmotor nach einem der Ansprüche i bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Entfernung von der Drehachse bis zur Umlaufbahn des Schwerpunkts des Querschnitts der Windradflügel ein Mehrfaches der Flügelprofiltiefe beträgt. Windmotor nach einem der Ansprüche i bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen zwei in der Bewegungsrichtung au.feinanderfolgenden Windradflügeln einen Teil oder ein Mehrfaches der Flügelprofiltiefe beträgt. -