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Windrad mit verstellbaren Flügeln Die Flügelverstellung an Windrädern
erfolgte bisher durch Aus-dem-Winde-Drehen der Flügel entweder mittels Fliehkraftregelung
oberhalb einer vorgegebenen Drehzahl oder durch Einwirkung eines Luftkraftmomentes
um die Drehachse der Flügelruten oberhalb einer vorgegebenen Windstärke. Hierbei
soll unter Aus-dem-Winde-Drehen verstanden werden, daß die Flügelfläche um die Längsachse
des Flügels aus der Drehebene des Windrades herausgeschwenkt wird. Abgesehen von
den zusätzlichen Einrichtungen bei mittelbarer Regelung durch Stauscheiben oder
sonstige Impulsgeber und Betätigung eines Servomotors wurde den Windkraftanlagen
eine unabhängige Gegenkraft, meist in Form einer Feder, zusätzlich beigegeben und
die Flügelverstellung durch den jeweiligen Kräfteunterschied zwischen dieser Unabhängigen
und dem vorgegebenen Wert der Fliehkraft bzw. des Luftkraftmomentes ausgelöst.
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Die vorliegendeErfindung unterscheidet sich vom Bekannten nun dadurch,
daß die Flügelverstellung durch das Kräftespiel zwischen dem Luftkraftmoment um
die Längsachse des Flügels und dem Windraddrehmoment herbeigeführt wird. Das Luftkraftmoment
um die Längsachse des Flügels ist ein Maß für die dargebotene Energie, das Windraddrehmoment
ist ein Maß für die benötigte Energie (Belastung des Windrades). Beide werden für
alle vorkommenden Betriebsfälle laufend und unmittelbar aufeinander abgestimmt.
Überwiegt die durch das benötigte Windraddrehmoment bedingte Verstellkraft, so drehen
sich die Flügel in den Wind;
überwiegt die durch das Luftkraftmoment
hervorgerufeneGegenkraft, sodrehen sie sich wieder zurück.
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Zur Erzielung des angestrebten Effektes wird das der Kraftübertragung
dienende Getriebeteil auf der Windradwelle oder der entsprechend gebauten Nabe des
Windrades gleichachsig drehbar gelagert und durch eine geeignete Mitnehmervorrichtung
mit den ebenfalls drehbar gelagerten Flügelruten beweglich verbunden.
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Abb. i zeigt die Seitenansicht eines als Prinzipanordnung gewählten
Ausführungsbeispiels mit leeseitig angeordnetem Windrad im Schnitt und feststehendem
Wellenzapfen; Abb. 2 ist die Ansicht desselben Windrades von vorn (Blick gegen den
Wind) ; Abb. 2 a stellt eine Teilanordnung von Abb. 2 in abgewandelter Ausführung
dar; Abb.3 ist die Schemaansicht desselben Windrades von oben; Abb. q. ist die Schemaansicht
von oben für ein luvseitig angeordnetes Windrad; Abb. 5 bis g zeigen weitere Ausführungsbeispiele
bzw. Kombinationen mit ergänzenden Einrichtungen.
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Auf dem feststehenden Wellenzapfen 15 (Abb. i) ist die Windradnabe
i drehbar gelagert. Auf ihr sind die Flügelrutenhalter 2 mit den um .ihre Längsachse
drehbaren Flügelruten 4 fest angebracht. An den Ruten 4 sind die Flügel 5 in bekannter
Weise so befestigt, daß die Drehachsen der Ruten aus den aerodynamischen Schwerpunktlinien
der Flügel herausgerückt sind, so daß die Luftkraft auf den Flügel ein Drehmoment
bezüglich der Rutendrehachsen ausübt.
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Ein großes Zahnrad 6 sitzt nach Art einer Leerscheibe drehbar auf
der Nabe i und steht mit dem beispielsweise die Dynamomaschine 24 antreibenden Ritzel
7 im Eingriff. Ein Zapfen g ist gemäß Abb. 1, 2 und 3 über den kräftigen Bügel io
mit dem Zahnrad 6 starr verbunden. Bei luvseitig beaufschlagten Windrädern kann
er nachAus.führungsbeispiel gemäß Abb. 4 als Teil eines Hakens ioa fest am Zahnrad
6 sitzen. Er steht mit dem vorzugsweise mit Langloch versehenen Hebel i i im Eingriff
und kann konisch oder evolventenähnlich ausgebildet werden, um in jeder Stellung
(Abb.2) beiderseitig gut anzuliegen, damit ein Klappern oder Klemmen im Betriebe
vermieden wird.
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Der Hebel i i ist an der Rute 4 befestigt, gemäß .ebb. i bis 4, und
zwar so, daß der Flügel in der einen Endstellung voll in den Wind und in der anderen
Endstellung gänzlich aus dem Wind gedreht ist (Abb. 3 und 4). Die Mitnehmeranordnung
kann natürlich auch vertauscht werden, so daß der Mitnehmerzapfen g als Hebel an
der Rute 4 erscheint und das Langloch i i am Bügel io (Abb. 2 a). Im übrigen bildet
der Wellenzapfen 15 mit dem Königs stuhlzapfen 12 eine bauliche Einheit und ist
in bekannter Weise indem Ständer oder Rohrmast oder Turm 22 drehbar gelagert.
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Die Wirkungsweise ist nun folgende: Bläst der Wind in Richtung des
Pfeiles 14 (Abb. i bis 3) h7«-. 14" (Abb. 4) und ist das Windrad völlig entlastet,
so dreht sich der Flügel 5 durch das Luftkraftmoment in Richtung des Pfeiles 16
(Abb. 3) ; denn da keine Gegenkraft vorhanden ist, nimmt der Hebel i i über den
Zapfen g das Zahnrad 6 um den Betrag der Schwenkbewegung mit. Im extremen Fall dreht
sich der Flügel über die Zwischenstellung 2o in die Endstellung 2i (Abb. 3) völlig
aus dem Wind bzw. die Flügelfläche aus der Drehebene des Windrades heraus oder,
wenn die entsprechende Begrenzung vorgesehen ist, in die jeweilige Endstellung.
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Bei der nachfolgenden Betrachtung mögen Lagerrelbung und sonstige
verzögernden Kräfte zunächst unberücksichtigt bleiben.
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Da Flügel mit bekannten Profilen hei einem Anstellwinkel von d° und
zum Teil sogar bei negativem Anstellwinkel noch nennenswerten Auftrieb haben, würde
ein Windrad mit der Flügelstellung 21 (Abb. 3) nach vorheriger Flaute bei aufkommendem
Wind anlaufen, was an sich ebenfalls bekannt ist, und zwar im Sinn des Windraddrehmomentpfeiles
17 (Abb. 2 und 3) bzw. 17" (Abb. 4). Erfolgt nun eine geringe Belastung des Windrades,
so wirkt sie als Moment im Sinn des Pfeiles 18 (Abb.2 und 3) dem Drehmoment 17 entgegen.
Dadurch bleibt :das auf der Nabe drehbare Zahnrad 6 etwas zurück. Die Flügelrute,
die sich mit dem Windrad in Richtung des Pfeiles 17 bewegt, nimmt aber das Zahnrad
6 über den Hebel i i und den Zapfen g mit, zieht es also hinter sich her. Dadurch
entsteht, wie aus Abb.3 ersichtlich, an der Rute ein Verstellmoment in Richtung
des Pfeiles ig bzw. ig, Das Windrad dreht also die Flügel selbsttätig in, den Wind
bzw. die Flügelfläche in die Drehebene des Windrades. Dadurch wird aber der Anstellwinkel
des Flügels gegenüber der resultierenden Anblasrichtung, also auch das im Sinn des
Pfeiles 16 wirkende Luftkraftmoment um die Drehachse der Flügelruten immer größer.
Die Flügelverstellung geht also so lange vor sich, bis zwischen den durch Pfeile
16 un d 19a gekennzei chneten, gegeneinander gerichteten Verstellmomenten Gleichgewicht
herrscht.
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Da aber das Windrad beim In-den-Wind-Drehen der Flügel aus bekannten
Gründen schneller läuft, das Drehmoment des Windrades dabei ansteigt und das Rad
entsprechend mehr Leistung abgeben kann, so kann auch die anfänglich geringe Belastung
um den entsprechenden Betrag erhöht werden. Das bewirkt im Sinn der vorbeschriebenen
Wirkungsweise ein weiteres Vordrehen der Flügel in .den Wind usf., bis die Flügel
.die in Abb. 3 und 4 stark ausgezogene, durch einen geeigneten, beliebig angebrachten
Anschlag festgelegte optimale Arbeitsstellung erreicht haben und das Windrad die
optimale Leistung abgibt. Es versteht sich von selbst, daß rein, konstruktiv für
alle aufeinander einwirkenden Kräfte die Abstände ihrer Angriffspunkte von ihren
Drehachsen so bemessen werden, daß das vorbeschriebene Kräftespiel auch zweckentsprechend
erfolgen kann, daß also das aus dem jeweiligen Windraddrehmoment entstehende Flügelverstellmoment
stets etwas größer ist als das Luftkraftmoment um die Rutendrehachse.
Da
die obere Grenze der von der Windkraftanlage abzugebenden Leistung eine Funktion
der für die Konstruktion zugelassenen Höchstwindstärke ist, gilt das dargelegte
Kräftespiel bis zu dieser Grenze. Darüber hinaus bleibt das dem Windraddrehmoment
bzw. das der maximalen Leistung entsprechende Flügelverstellmoment konstant, während
das Luftkraftgegenmoment je nach der Windstärke «-eiter ansteigen kann. überwiegt
dadurch das in Richtung des Pfeiles 16 (Abb. 3) wirkende Moment, so dreht sich der
Flügel je nach der Windstärke so lange, beispielsweise bis zur Schrägstellung 2o
(Abb. 3), bis zwischen dem der maximalen Leistung entsprechenden, in Richtung des
Pfeiles i9 wirkenden Moment und dem Luftkraftgegenmoment, Pfeil 16, Gleichgewicht
herrscht.
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Läßt der Wind nach, so drehen sich die Flügel wieder in den Wind.
Dasselbe Spiel vollzieht sich auch, wenn die Windstärke in normalen Grenzen bleibt,
aber die entnommene Leistung verringert, also z. B. ein Stromverbraucher abgeschaltet
wird. Es tritt dann eine teilweise Entlastung ein. Dadurch wird das Windrad'drehmoment
kleiner bzw. nicht voll ausgenutzt, und das Luftkraftmoment um die Rutendrehachse
überwiegt, bis der Ausgleich in dem vorbeschriebenen Sinn erneut vollzogen ist.
Das Windrad kann also in keinem Fall durchgehen.
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Ist das Windrad in allgemein üblicher Weise an der Generatorwelle
abgebremst und angehalten, so gelten für .die Flügelverstellung die Verhältnisse
für das stillstehende Windrad mit unendlich großer Last. Das Zahnrad steht in diesem
Fall fest, während das Windrad sein bei voll im Wind stehenden Flügeln im Stillstand
bekanntlich kleines Drehmoment in Richtung des Pfeiles 17 ausübt und dabei ein entsprechend
kleines Verstellmoment in Richtung des Pfeiles i9 entsteht. Das Luftkraftmoment
um die Rutendrehachse ist in diesem Fall wesentlich größer und übt ein entsprechend
größeres Gegenmoment in Richtung des Pfeiles 16 aus. Die Flügel drehen sich dadurch
so lange aus dem Wind, wobei sich das Windrad um den entsprechenden Betrag rückwärts
bewegt, bis zwischen dem bei zunehmender Schrägstellung aus bekannten Gründen anwachsenden
Moment in Richtung des Pfeiles 17 bzw. i9 und dem entsprechend abnehmenden Gegenmoment,
Pfeil 16, Gleichgewicht herrscht. Die dadurch bedingte Schrägstellung ist für alle
Windstärken dieselbe. Wird nun das Windrad an der Nabe, beispielsweise durch ein
beliebig ausgeführtes Gesperre 13 (Abb. i), festgehalten und die Bremse an der Generatorwelle
gelöst, so gelten für die Flügelverstellung die 'Verhältnisse für das unbelastete
Windrad mit
= o (Umfangsgeschwindigkeit/Windgeschwindigkeit). Die bei der vorherigen Abbremsung
als unendlich groß angenommene Last wird jetzt gleich Null, und die Flügel drehen
sich in der am Anfang der Beschreibung dargelegten Weise aus dem Wind.
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Für den praktischen Betrieb empfiehlt es sich also, in eine Windkraftanlage
gemäß vorliegender Erfindung eine aus beliebigen bekannten Vorrichtungen bestehende
und daher in den Zeichnungen nicht besonders dargestellte zweistufige Bremsvorrichtung
einzubauen, die zugleich unbedingt betriebssicher sein muß, um Brüche zu vermeiden
und zwangsläufig erst an der Generatorwelle praktisch bis zum Stillstand abbremst,
dann die Nabe im Sinn von. 13 (Abb. i) gegen Drehung sichert und dabei gleichzeitig
die Generatorbremse wieder freigibt.
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Bei der vorbeschriebenen Flügelverstellung, die an sich alle vorkommenden
Betriebsfälle berücksichtigt, wurde, wie oben erwähnt, zum besseren Verständnis
die Lagerreibung der drehbaren Flügelruten usw. zunächst vernachlässigt. Diese ist
aber in Wirklichkeit vorhanden und wirkt sich so aus, daß das Windrad bei voll aus
dem Wind gedrehten Flügeln und schwachem Wind nicht ohne weiteres von allein hochlaufen
und die Flügel in den Wind drehen kann, insbesondere beim Antrieb von Stromerzeugern,
die sich erst bei höherer Drehzahl nennenswert erregen und entsprechend belastet
werden können. Es ist hier für schwachen Wind ein toter Bereich vorhanden, der zwischen
der Endstellung 2i und der Zwischenstellung 2o (Abb. 3) liegt. Ähnliche Verhältnisse
gelten für das bei einsetzender Flaute in der vollen Arbeitsstellung der Flügel
stehengebliebene Windrad. Die Flügel s können sich bei schwachem Wind nicht in eine
für den Anlauf günstigere Schrägstellung drehen.
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Zur Überwindung des toten Bereiches dient eine schematisch dargestellte
und an der jeweils geeigneten Stelle anzubringende Zug- und Druckfeder 23 (Abb.3),
deren Kraft bei mittlerem Hub etwa gerade so groß ist, daß sie die Lagerreibung
der einzelnen der Flügelverstellung dienenden Teile gerade oder angenähert aufhebt.
Sie bewegt also den angenommen voll ausgeschwenkten Flügel bei eintretender Flaute
und vollem Hub aus seiner Endstellung 21 (Abb. 3), bis sie sich etwa auf mittleren
Federhub entspannt hat. Bei aufkommendem Wind genügt nun die immer vorhandene Leerlauflast,
um den Flügel so weit in den Wind zu drehen, daß sie aus dem toten Bereich herauskommen
und daß das Rad von allein in der erforderlichen Weise hochläuft und eine weitere
Belastung und volles Eindrehen der Flügel in die Arbeitsstellung möglich ist. Dabei
geht die Feder vom Zustand des mittleren Hubes über den ihrer völligen Entspannung
in den ihrer entgegengesetzten Belastung über und wirkt nun beispielsweise als Druckfeder.
Auf Grund der Charakteristik schnelläufiger Windräder ist dabei auch bei schwachem
Wind genügend Kraft vorhanden, um beim Eindrehen der Flügel die verhältnismäßig
geringe Federkraft zu überwinden, was konstruktiv natürlich berücksichtigt werden
muß. Die Feder ist für diesen Betriebszustand so eingerichtet, daß sie bei voll
in den Wind gedrehten Flügeln wieder etwa ihre mittlere Hubkraft erreicht hat, die
wiederum gerade ausreicht, um die obengenannte Lagerreibung ganz oder fast ganz
aufzuheben. Ist das Windrad nun bei voller Arbeitsstellung der Flügel stehengeblieben,
so genügt ein sehr schwacher Wind, um die Flügel
um einen Winkel
zu drehen, der genügend groß ist, um das Windrad vorzeitig anlaufen zu lassen. Statt
der Feder 23, die aus konstruktiven Gründen wegen ihres verhältnismäßig großen Hubes
und ihrer möglichst .weichen Charakteristik nicht in allen Fällen vorteilhaft unterzubringen
ist, kann in die Flügelrute q. beispielsweise auch eine Torsionsfeder sinngemäß
eingebaut und bemessen werden. Die Feder 23 kann aus Billigkeitsgründen bei kleinen
Windrädern eingespart werden, wenn man die Rückdrehung der Flügel durch entsprechenden
Anschlag begrenzt, etwa bis zur Zwischenstellung 2o oder auch noch etwas weiter
bis zur extremen Stellung 21 hin, aber so, daß der obenerwähnte tote Bereich vom
Flügel nicht erreicht wird. Das Anlaufen des Windrades von allein dürfte dann begünstigt
werden, wenn beispielsweise, wie es bei kleinen Windrädern oft der Fall ist, ein
Kleinspannungsdynamo mit verhältnismäßig großer Bürstenreibung angetrieben wird,
die infolge der großen ü'bersetzung eine ausreichende Leerlauflast geben dürfte,
um den obigen Verstelleffekt zu bewirken.
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Schließlich kann die Feder 23 auch so bemessen und angebracht werden,
daß sie nur in einer der beiden Richtungen wirkt.
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Abb. 5 zeigt nun ein weiteres vereinfachtes Ausführungsbeispiel. Der
Bügel io ist durch eine Stange iob ersetzt, die mit dem einen Ende gelenkig am Zahnrad
6, mit dem anderen in gleicher Weise am zweckentsprechend abgewandelten Hebel i
i" angebracht ist.
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Ein besonders einfaches und billiges Ausführungsbeispiel ist in Abb.6
dargestellt. Danach kann die Stange iob (Abb. 5) auch durch eine einfache Schnur,
ein Band oder Seil io, (Abb.6) ersetzt werden, die an der Stelle I ,b an der Flügelrute
angreifen. Hierdurch ergeben sich weitere Vereinfachungen an den Verbindungsstellen.
Es ist lediglich darauf zu achten, daß, wie oben schon erwähnt, die Abstände zwischen
den Angriffspunkten der einzelnen aufeinander einwirkenden Kräfte von ihren Drehachsen
richtig bemessen werden, damit die Größen der einzelnen Verstellmomente zweckmäßig
aufeinander abgestimmt sind und das oben beschriebene Kräftespiel auch erfolgen
kann. Dies gilt sinngemäß auch für die anderen Ausführungen der beschriebenen Mitnehmerv
orrichtung.
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Die bisherigen Ausführungsbeispiele bezogen sich sämtlich auf eine
gemeinsame Verstellung aller Flügel, die für den einzelnen Flügel entsprechend unelastisch
ist. Denn auch bei zeitweilig verschieden starker Beaufschlagung würden diese sich
auf einen gemeinsamen Mittelwert einstellen. Je größer ein Windrad aber ist, desto
größer wird bekanntlich auch die Möglichkeit einer zeitweilig oder sogar periodisch
verschieden starken Beaufschlagung der einzelnen Flügel insbesondere durch Böen.
Das bedingt sowohl eine starke Beanspruchung des Windrades als auch eine unnötige
Biegebeanspruchung der Flügel und der Flügelruten. Dies kann vermieden werden, wenn
man statt der Stange iOb (Abb. 5) eine genügend stark bemessene Feder iod (Abb.
7) verwendet. Dadurch wird eine für den einzelnen Flügel elastische Verstellung
möglich, so daß die gesamte Anordnung nach Abb. 7 eine Kombination zwischen selbsttätiger
Einzelflügelverstellung im Sinn eines Abfangens einseitiger und. stoßweiser Beaufschlagung
und selbsttätiger Gesamtflügelverstellung ergibt. Soll die Flügelverstellung eine
besondere Charakteristik erhalten, z, B. entweder in Anpassung an das veränderliche
Luftkraftmoinent um . die Rutendrehachse oder in Anpassung an die etwaige besondere
Belastungscharakteristik der vom Windrad angetriebenen Maschine oder aus sonstigen
Gründen, so kann der Hebel i i, (Abb. 8) mit einer je nach dem Bedarfsfall ausgebildeten,
an sich bekannten Kurvenanordnung 25 versehen werden, auf der beim Verstellvorgang
das Seil oder Band oder ein sonstiger, mindestens bei Zugbeanspruchung biegsamer
Teil io, mehr oder weniger weit anliegt, so daß der Abstand zwischen Verstellachse
und dem Angriffspunkt der Verstellkraft, also auch das wirksame Verstellmoment,
veränderlich ist. Im übrigen kann die Mitnehmervorrichtung mit oder ohne diese Kurve
25 gemäß Abb. 8 auch aus einer Kombination zwischen Seil, Band, Kette oder Schnur
io, usw. (Abb. 6) oder sonstigen Vorrichtung und Feder iod (Abb.7) bestehen.
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Bei großen Windrädern, bei denen mit recht erheblichen Kräften gerechnet
werden muß, empfiehlt sich die Aufteilung der Feder iod in mehrere Einzelfedern
von genügend großem Hub bzw. Anwendung eines Torsionskörpers 8 gemäß Abb. 9, der
in eine beliebig große Zahl von Federstäben aufgeteilt werden kann und innerhalb
der Flügelrute 4. untergebracht ist. Der sockelartige Teil 3 (Abb. g) ist im Fuß
der Rute q. drehbar gelagert. Die Verbindung zwischen ersterem und dem Zahnrad 6
wird nach einem beliebigen Ausführungsbeispiel, z. B. gemäß Abb. i bis 6, hergestellt,
beispielsweise nach Abb. 5. Der Hebel i i" (Abb. 9) ist also fest am Teil 3 angebracht
und mit der kräftigen Stange iob verbunden und diese im übrigen gemäß Abb. 5 angeordnet.
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Bei .der zukünftigen Verwendung größerer Windkraftanlagen im Verbundbetrieb
mit bestehenden überlandnetzen wird neben der selbsttätigen Flügelverstellung durch
das Luftkraftmoment um die Rutendrehachse eine zusätzliche, ferngesteuerte Feinregulierung
notwendig werden. Zu diesem Zweck ist in Abb.9 am Teil 3 ein Kurbelzapfen oder Hebel
mit Langloch 36 angebracht und die dazugehörige Verstellstange 37 durch die oben
beschriebene Feder 23 mit diesem Zapfen 36 verbunden. Mit Hilfe :der übrigen anderweitig
dargestellten Verstelleinrichtung kann die Feder 23 durch Druck oder Zug das oben
beschriebene Kräftespiel in der einen oder anderen. Richtung und damit die Flügelverstellung
und Drehzahl des Windrades beeinflussen.
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Diese Anordnung läßt sieh sinngemäß auch für alle übrigen Ausführungsbeispiele
gemäß Abb. i his 7 anwenden. Im übrigen ist jedes der Ausführungsbeispiele
gemäß
Abb.5 bis 9 sowohl für luvseitige als auch für teeseitige Anordnung des Windrades
verwendbar.
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Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele
beschränkt, sondern gilt für alle Anwendungsmöglichkeiten und Kombinationen mit
bekannten Einrichtungen.
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Als besonderer Vorteil der Erfindung ist hervorzuheben, daß diese
insbesondere bei Kleinanlagen mit den denkbar einfachsten Mitteln eine praktisch
vollkommene und selbsttätige Flügelverstellung z. B. bei Anwendung des Prinzips
nach Abb. 6 ermöglicht, die alle vorkommenden Betriebsfälle berücksichtigt.