DE9410662U1 - Flügelrad - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Flügelrad zur Umsetzung von Strömungsenergie, insbesondere von Windenergie.

Flügelräder zur Umsetzung von Strömungsenergie sind insbesondere als Windräder oder Wasserräder bekannt. Diese weisen Flügelflächen auf, auf welche die jeweilige Strömung auftrifft. Die Flügelflächen sind dabei zu einer Drehachse des Flügelrades derart angeordnet, daß die durch die Strömung auf die Flügelflächen erzeugte Kraft ein Drehmoment um die Drehachse erzeugt. Dieses Drehmoment kann zum Antreiben einer mechanischen Arbeitsmaschine oder eines Generators zur elektrischen Stromerzeugung verwendet werden.

Im Hinblick auf eine möglichst gute Energieausbeute ist es notwendig, die Flügelflächen möglichst günstig zur Strömungsrichtung auszurichten. Das Flügelrad soll dabei so ausgerichtet sein, daß ein größtmögliches Drehmoment erzeugt wird. Vor allem bei der Nutzung von Windenergie ist eine schnelle und energetisch günstige Ausrichtung des Flügelrades aufgrund der häufig wechselnden Windrichtungen von besonderer Bedeutung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Flügelrad zur Umsetzung von Strömungsenergie zu schaffen, welches sowohl einen einfachen Aufbau hat, als auch bei wechselnden Strömungsrichtungen eine besonders gute Ausrichtung der Flügel zur Strömungsrichtung aufweist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Flügelrad mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben .

Erfindungsgemäß ist ein Flügelrad zur Umsetzung von Strömungsenergie, insbesondere Windenergie, mit einer im wesentlichen senkrecht zur Strömungsrichtung angeordneten Drehachse, mit radial zur Drehachse angeordneten Flügeln vorgesehen, wobei ein Flügel wenigstens ein schwenkbar gelagertes Flügelelement aufweist, das während der Drehbewegung des Flügelrades im wesentlichen in Strömungsrichtung zur Bildung einer geschlossenen Flügelfläche radial zur Drehachse angeordnet ist und während der Drehung des Flügelrades im wesentlichen entgegen der Ströumgsrichtung in Ausrichtung auf die Strömungsrichtung verschwenkbar ist.

Das Flügelrad kann also mit einer Drehachse vertikal zur Bodenfläche angeordnet werden. Eine Verstellung der Drehachse auf eine geänderte Strömungsrichtung erfolgt durch eine einfache Veränderung der Positionen, an denen die Flügelelemente zur Bildung einer möglichst großen oder möglichst kleinen Angriffsfläche verstellt werden.

Bei der Drehbewegung der Flügel mit einer Bewegungskomponente in Strömungsrichtung bilden die Flügelelemente einen geschlossenen Flügel mit großer Angriffsfläche, wodurch ein entsprechend hohes Drehmoment um die Drehachse erzeugt wird. Bei der zweiten Hälfte der Drehung mit einer Bewegungskomponente entgegengesetzt zur Strömungsrichtung schwenken die Flügelelemente auf, wodurch ein geringerer Strömungswiderstand mit entsprechend geringerem entgegengesetzten Drehmoment erreicht wird.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß ein Flügel eine Vielzahl von jalousieartig angeordneten Flügelelementen aufweist, die sich bei radial zur Drehachse gerichteter Stellung bereichsweise überlappen und eine geschlossene Flügelfläche bilden. Bei einer Vielzahl kleinerer Flügelelemente müssen deren einzelne Schwenkachsen jeweils geringere Kräfte aufnehmen. Hierdurch können diese einfacher ausgebildet werden, wodurch sowohl eine besonders leichte als auch kostengünstige Konstruktion erreichbar ist.

Die Flügelelemente sind dabei so ausgebildet, daß diese sich bei der ersten Hälfte der Drehbewegung überlappen und durch den Strömungsdruck eine geschlossene Fläche bilden. Bei der zweiten Hälfte der Drehbewegung werden die Flügelelemente durch den Strömungsdruck aufgeklappt und richten sich in Strömungsrichtung aus.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Flügelrades ist, daß die Flügelelemente ein gewölbtes Querschnittsprofil aufweisen und daß die Flügelelemente während zumindest eines Teiles der Drehung des Flügelrades entgegen der Strömungsrichtung zu dieser in einem Winkel angestellt sind. Die Anstellung der Flügelelemente erfolgt dabei derart, daß selbst bei entgegengesetzter Strömungsrichtung eine Kraft erzeugt wird, die ein Drehmoment in Drehrichtung des Flügelrades erzeugt. Durch die Umströmung der Flügelelemente wird wie beim Kreuzen eines Segelschiffes gegen den Wind eine Kraft entgegen der Windrichtung erzeugt. Hierdurch ist ein besonders hohes Drehmoment durch das Flügelrad erzielbar. Die Wölbung des Profiles hängt von den Strömungsbedingungen ab und kann ähnlich wie bei einem Flugzeugflügelprofil ausgebildet sein.

Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist es vorteilhaft, daß an einer Innen- und/oder Außenseite des

Flügels ein angestellter Seitenflügel klappbar angeordnet ist. Durch diesen Seitenflügel wird ein seitliches Abgleiten des Windes von der geschlossenen Flügelfläche weitgehend verhindert. Der Schwenkwinkel beträgt hierbei ca. 30° zwischen der eingeklappten und der ausgeklappten Stellung.

Hierbei ist es besonders vorteilhaft, daß der Seitenflügel einen Innenflügel aufweist, an dem ein Außenflügel in einem stumpfen Winkel schwenkbar angeordnet ist, und daß eine Koppelungseinrichtung vorgesehen ist, die bei einer Schwenkbewegung des Innenflügels in eine Richtung des Außenflügel in die entgegengesetzte Richtung schwenkt. Hierdurch wird ein Abgleiten der Strömung besonders gut reduziert und ein entsprechend höheres Drehmoment erreicht.

Bei einer erfindungsgemäßen Ausführungsform ist es vorteilhafterweise vorgesehen, daß die Koppelungseinrichtung ein Rollen-Seil-Mechanismus ist. Ein derartiger Mechanismus ist sowohl robust als auch kostengünstig ausführbar.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung besteht darin, daß die Flügelelemente eines Flügels an ihrem einen Ende schwenkbar gelagert sind und an ihrem freien Ende mit einem Stellglied verbunden sind, durch welches die Stellung der Flügelelemente vorgebbar ist. Das Stellglied kann hierbei eine Seilanordnung, eine Stange oder eine Platte sein, welche im wesentlichen parallel zur Flügelfläche angeordnet ist. Die Flügelelemente sind hierbei über eine Gelenkverbindung an dem Stellglied befestigt. Durch das Stellglied wird eine zueinander parallele Anordnung und Bewegung der Flügelelemente erreicht.

Erfindungsgemäß besteht eine vorteilhafte Weiterbildung darin, daß die Stellung der Flügelelemente durch das Stellglied mittels einer Verriegelungsvorrichtung fixierbar ist. Eine derartige Fixierung ist insbesondere bei der Anstel-

• ·

lung der Flügelelemente zur Erzeugung einer Kraftkomponente entgegen der Strömungsrichtung notwendig. Das Schließen und Öffnen der Verriegelungsvorrichtung erfolgt dabei während der Drehbewegung entgegen der Windrichtung bei einer bestimmten Winkelstellung zur Strömungsrichtung. Das Anstellen und Fixieren der Flügelelemente kann hierbei durch elektrisch betätigbare Stellelemente oder durch eine mechanische Vorrichtung erfolgen, die mit der Drehbewegung des Flügelrades gekoppelt ist.

Es stellt hierbei eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung dar, daß ein zentral angeordneter Strömungsrichtungsanzeiger zur Ermittlung der Strömungsrichtung vorgesehen ist und in Verbindung mit der Verriegelungsvorrichtung steht, und daß die Verriegelungsvorrichtung abhängig von der ermittelten Strömungsrichtung die Verriegelungsvorrichtung ver- oder entriegelt. Der Strömungsrichtungsanzeiger kann dabei insbesondere eine auf der Spitze der Drehachse angeordnete Windfahne sein, welche sich selbständig auf die Windrichtung einstellt. Hierdurch kann ein mechanisches Stellglied gesteuert werden, welches in Abhängigkeit zur Strömungsrichtung die Verriegelungsvorrichtung derart betätigt, daß diese die Flügelelemente in einer bestimmten Stellung fixiert und diese Fixierung an einer anderen bestimmten Stelle löst. Die Verstellbewegung der Flügelelemente kann hierbei durch den Strömungsdruck selbst erfolgen, so daß separate Stellglieder für die Flügelelemente nicht notwendig sind.

Weiterhin ist es erfindungsgemäß vorteilhaft, daß das Stellglied durch den Seitenflügel an der Außenseite der Flügel betätigbar ist. Insbesondere wenn der Seitenflügel mit einer größeren Fläche als die Flügelelemente ausgebildet ist, wirkt auf den Seitenflügel ein größerer Strömungsdruck, welcher ein Verstellen der Vielzahl von Flügelelementen ermöglicht.

Eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Flügelrades besteht zudem darin, daß ein vertikaler Pfeiler als Drehachse vorgesehen ist, daß in dem Pfeiler ein Generator angeordnet ist und das ein Getriebe zur Übertragung der Drehbewegung auf den Generator vorgesehen ist. Die Nabe des Flügelrades kann hierbei ein innenverzahntes Hohlrad aufweisen, welches die Drehbewegung auf eine Zahnradgetriebeanordnung überträgt, welche innerhalb des Pfeilers angeordnet ist. Durch diese Getriebeanordnung kann direkt ein Generator zur Stromerzeugung angetrieben werden. Die Ausbildung der Drehachse als ein Generatorhaus ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn daß erfindungsgemäße Flügelrad bei einer Großanlage verwendet wird. Der Mittelpfeiler kann hierbei mit einer Höhe von ca. 20 m und das Flügelrad mit einem Durchmesser bis zu 100 m ausgebildet werden.

Hierbei ist es erfindungsgemäß vorteilhaft, daß die Flügel in ihrem Fußbereich entlang einer kreisförmigen Schiene geführt sind. Die Flügel weisen hierbei an ihrer Unterseite Rollen auf, welche auf der kreisförmigen Schiene während der Drehung abrollen. Hierdurch wird eine besonders gute Abstützung des Flügelrades entlang des gesamten Umfangs erreicht, so daß nur sehr geringe Biegekräfte an der Drehachse angreifen. Die Drehlager am Pfeiler können somit entsprechend für geringere Belastungen ausgelegt werden. Selbst bei Flügelrädern mit großer Dimensionierung kann so mit einem geringen Aufwand eine hohe mechanische Stabilität und entsprechende Betriebssicherheit erreicht werden. Das gesamte Flügelrad kann hierbei auch oberhalb von Wasseroberflächen angeordnet werden, wobei die kreisförmige Schiene auf Pfählen oberhalb des Wasserspiegels befestigt ist.

Erfindungsgemäß ist es eine weitere vorteilhafte Ausführungsform, daß Strömungslextbleche vorgesehen sind. Die Strömungslextbleche sind dabei im Bereich des Außenumfangs des Flügelrades vorgesehen, um die Strömung zu bündeln und auf bestimmte Flügelberexche zu leiten.

Die Erfindung wird anhand von Zeichnungen weiter erläutert. Es zeigen in stark schematisierter Darstellung

Fig. 1 eine Draufsicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Flügelrades,

Fig. 2 eine Querschnittsansicht einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Flügelrades,

Fig. 3 eine Detailansicht eines Flügels mit Stellglied im Querschnitt,

Fig. 4 eine Detailansicht eines Seitenflügels,

Fig. 5 eine Schienenanordnung für ein erfindungsgemäßes Flügelrad,

Fig. 6 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Flügelrades mit Windleitblech und

Fig. 7 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Flügelrades mit Windleitblech

In Fig. 1 ist eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Flügelrades gezeigt. Das Flügelrad 10 ist drehbar um eine Drehachse 11 angeordnet. Das Flügelrad 10 weist radial zur Drehachse 11 angeordnete Flügel 12 auf, welche jalousieartig ausgebildete Flügelelemente 13 umfassen.

Bei einer Strömungsrichtung Pl dreht sich das Flügelrad entsprechend dem Pfeil P2. Die Flügelelemente 13 sind bei der ersten Hälfte der Drehung mit einer Bewegungskomponente in Strömungsrichtung Pl überlappt und bilden eine geschlossene Flügelfläche. Bei der zweiten Hälfte der Drehung mit einer Bewegungskomponente entgegen der Strömungsrichtung Pl schwenken die Flügelelemente 13 entlang von Schwenkachsen 18 auf, wodurch die Flügelfläche geöffnet wird. Hierdurch wird der Widerstand der Strömung entgegen der Drehbewegung des Flügelrades 10 reduziert.

Um ein Abgleiten der Strömung an den geschlossenen Flügelflächen zu reduzieren oder sogar ganz zu vermeiden, sind an den Seiten der Flügel 12 außen Seitenflügel 14 und innen Seitenflügel 17 angeordnet. Der Seitenflügel 14 weist einen Innenflügel 15 und einen Außenflügel 16 auf. Der Außenflügel 16 ist hierbei am Innenflügel 15 schwenkbar angeordnet. Die Schwenkbewegung ist dabei entgegengesetzt gekoppelt.

Alle Flügel 12 sind über ein Rahmengestell mit einem Außenring 19 und einem Innenring 20 miteinander verbunden und zur Drehachse 11 drehbar gelagert.

In Figur 2 ist eine weitere Ausfuhrungsform eines erfindungsgemäßen Flügelrades dargestellt, welche im wesentlichen dem Aufbau des Flügelrades 10 gemäß Fig. 1 entspricht. Das Flügelrad 30 weist jedoch Flügelelemente 31 auf, welche während der gesamten Drehbewegung der Windrichtung Pl anstellbar sind. Die Flügelelemente 31 besitzen ein nicht dargestelltes Querschnittsprofil, welches im wesentlichen dem eines Flugzeugflügels entspricht. Die Flügelelemente werden dabei derart angestellt, daß sich eine Umströmung mit einer Druckverteilung ausbildet, die ein Drehmoment in Drehrichtung P2 des Flügelrad€is 30 erzeugt.

Das Flügelrad 30 weist radial gerichtete Träger 32 auf, welche die Flügel 35 mit der Nabe 36 verbinden. Die drehbar gelagerte Nabe weist ein innenverzahntes Hohlrad 33 auf, welches mit einem Antriebsritzel 34 kämmt. Das Antriebsritzel 34 treibt eine nicht dargestellte Generator-Einrichtung an.

In Fig. 3 ist eine Seitenansicht eines Flügels 12 in einer ersten Anstellungsanordnung und in einer gestrichelt dargestellten zweiten Anstellungsanordnung gezeigt. Die freien Enden der Flügelelemente sind über Gelenke 25 mit einer Stange als Stellglied 21 verbunden. Über ein plattenförmiges Verbindungselement 26 wird das Stellglied 21 entsprechend der Stellung des Seitenflügels 14 gestellt. Zur Fixierung der Stellung ist in dem plattenförmigen Verbindungselement 26 eine Verriegelungsvorrichtung 23 vorgesehen. Zur Verbindung zwischen dem Seitenflügel 14 und dem Verbindungselement 26 ist ein Teleskop-Rohr 22 vorgesehen. Die Stellbewegung erfolgt entsprechend den Pfeilen P3. Zur Dämpfung der Bewegung des Seitenflügels sind Dämpfer 24 vorgesehen.

In Fig. 4 ist ein Seitenflügel 14 in einer ausgeklappten Stellung und in einer gestrichelt dargestellten eingeklappten Stellung gezeigt. Über ein Klappgelenk 27 ist der Seitenflügel 15 an einem nicht dargestellten radial gerichteten Flügel angeordnet. Der Außenflügel 16 ist über ein Verbindungsgelenk 28 an dem Innenflügel 14 befestigt. Mittels eines nicht dargestellten Rollen-Seil-Mechanismus wird beim Umklappen des Innenflügels 15 auch der Anstellwinkel des Außenflügels 16 zum Innenflügel 15 verändert, um hierdurch eine bessere Windfangwirkung oder einen geringeren Strömungswiderstand zu erreichen.

Eine Schienenanordnung 40 zur Lagerung eines Flügelrades ist in Fig. 5 gezeigt. Die Lagerung weist eine ringförmige Schienenführung 41 auf. Zur Anordnung der Innenführung oberhalb einer Wasseroberfläche ist diese auf Pfählen 42 befestigt.

In den Figuren 6 und 7 sind erfindungsgemäße Flügelräder mit Windleitblechen 60 und 70 dargestellt. Das Windleitblech gemäß Fig. 6 dient zur kanalförmigen Bündelung einer Strömung. Eine derartige Anordnung ist insbesondere auch für eine Flüssigkeitsströmung, insbesondere für Wasser geeignet. Die Anordnung des Strömungsleitbleches 70 gemäß Fig. 7 dient zur Zuführung einer Strömung mit einer vorgegebenen Vorzugsrichtung.

Claims (13)

Ansprüche

1. Flügelrad zur Umsetzung von Strömungsenergie, insbesondere Windenergie, mit einer im wesentlichen senkrecht zur Strömungsrichtung Pl angeordneten Drehachse (11), mit radial zur Drehachse (11) angeordneten Flügeln (12), wobei ein Flügel (12) wenigstens ein schwenkbar gelagertes Flügelelement (13) aufweist, das während der Drehung des Flügelrades im wesentlichen in Strömungsrichtung Pl zur Bildung einer geschlossenen Flügelfläche radial zur Drehachse (11) angeordnet ist und während der Drehung des Flügelrades im wesentlichen entgegen der Strömungrichtung Pl in Ausrichtung auf die Strömungsrichtung Pl verschwenkbar ist.

2. Flügelrad nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet , daß der Flügel (12) eine Viezahl von jalousieartig angeordneten Flügelelementen (13) aufweist, die sich bei radial zur Drehachse (11) gerichteter Stellung bereichsweise überlappen und eine geschlossene Flügelfläche bilden.

3. Flügelrad nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Flügelelemente (13) ein gewölbtes Querschnittsprofil aufweisen und daß die Flügelelemente (13) während zumindest eines Teiles der Drehung des Flügelrades (10) entgegen der Strömungsrichtung Pl zu dieser in einem Winkel angestellt sind.

- 12 -

4. Flügelrad nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß an einer Innen- und/oder Außenseite des Flügels (12) ein Seitenflügel (14) klappbar angeordnet ist.

5. Flügelrad nach Anspruch 4,

dadurch gekennzeichnet , daß der Seitenflügel (14) einen Innenflügel (15) aufweist, an dem ein Außenflügel (16) in einem stumpfen Winkel schwenkbar angeordnet ist, und daß eine Koppelungseinrichtung vorgesehen ist, die bei einer Schwenkbewegung des Innenflügels (15) in eine Richtung den Außenflügel (16) in die entgegengesetzte Richtung schwenkt.

6. Flügelrad nach Anspruch 5,

dadurch gekennzeichnet , daß die Koppelungseinrichtung ein Rollen-Seil-Mechanismus ist.

7. Flügelrad nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Flügelelemente (13) eines Flügel (12) an ihrem einen Ende schwenkbar gelagert sind und an ihrem freien Ende mit einem Stellglied (21) verbunden sind, durch welches die Stellung der Flügelelemente (13) vorgebbar ist.

8. Flügelrad nach Anspruch 7,

dadurch gekennzeichnet , daß die Stellung der Flügelelemente (13) durch das Stellglied (21) mittels einer Verriegelungsvorrichtung (23) fixierbar ist.

13 -

9. Flügelrad nach Anspruch 8,

dadurch gekennzeichnet , daß ein zentral angeordneter Strömungsrichtungsanzeiger zur Ermittlung der Strömungsrichtung Pl vorgesehen ist und in Verbindung mit der Verriegelungsvorrichtung (23) steht und daß die Verriegelungsvorrichtung (23) abhängig von der ermittelten Strömungsrichtung Pl die Verriegelungsvorrichtung (23) ver- oder entriegelt.

10. Flügelrad nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet , daß das Stellglied (21) durch den Seitenflügel (14) betätigbar ist.

11. Flügelrad nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet , daß ein vertikaler Pfeiler als Drehachse (11) vorgesehen ist, daß in dem Pfeiler ein Generator angeordnet ist und daß ein Getriebe (33, 34) zur Übertragung der Drehbewegung der Flügel (12) auf den Generator vorgesehen ist.

12. Flügelrad nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet , daß die Flügel (12) in ihrem Fußbereich entlang einer kreisförmigen Schiene (41) geführt sind.

13. Flügelrad nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet , daß Strömungsleitbleche vorgesehen sind.