WINDKRAFTMASCHINE MIT SENKRECHTER DREHACHSE UND ZENTRALEM UMLENK-KÖRPER
Beschreibung
Aus der DE 3805370 (Goedecke), aus der US 4,359,311 (Benesh) und aus der US 4,490, 623 (Goedecke) sind Windkraftmaschinen bekannt welche wesentlich aus einem Rotor bestehen welcher mindestens zwei vertikale Schaufeln mit Flügelquerschnitt und im Mittelbereich einen Umlenk-Körper aufweist, wobei die Flügelkörper von der vertikalen Drehachse beabstandet mittels Endplatten getragen werden.
Für diese und ähnliche Rotoren sind, sei es betreffend die Flügelkörper als auch betreffend den Umlenk-Körper, zwecks Steigerung der Leistung und/oder zwecks Reduzierung der Laufgeräusche, verschiedene Querschnitte und unterschiedliche Anordnungen entwickelt worden. Weiters ist aus der FR 601.266 (Savonius), aus der CA 1045038 (Cameron) und aus der selben vorgenannten DE 3805370
(Goedecke) die Entwicklung von Rotoren mit senkrechter Drehachse bekannt, bei welchen die Flugelkorper beweglich an den Endplatten gelagert sind, weiters ist aus der US 4,293,274 (Gilman) und aus der DE 3919157 (Zillner) der Einsatz von spiralförmigen Flügelkörpern bekannt.
Die Praxis hat gezeigt, dass weder die beweglichen, noch die spiralförmigen Flügelkörper welche in den vorgenannten Patentschriften genannt werden, eine realisierbare Lösung darstellen um die Leistungsmerkmale der Rotoren mit vertikaler Drehachse zu verbessern und zwar weil die Verwirklichung dieser Lösungen zu kostenaufwändig und/oder der Betrieb wenig zuverlässig und/ oder die Wartung zu hoch sein würde.
Die Erfindung stellt sich die Aufgabe die Merkmale der Leistung der Rotoren mit vertikaler Drehachse und mit zentralem Umlenk-Körper auf einfache und wirkungsvolle Weise zu verbessern. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Endplatten eine Form und einen Querschnitt aufweisen welche geeignet sind einerseits dem vorbeistreichenden Wind weniger Widerstand zu bieten und anderseits die Leistung der Flügelkörper zu steigern. Weiters schlägt die Erfindung, eventuell zusätzlich zu den vorgenannten Eigenschaften, ein einfaches System zur Veränderung der, dem Wind ausgesetzten, Oberflächen der Flügelkörper und des Umlenk-Körpers vor und eventuell zusätzlich den Einsatz von Flügelkörper und eines Umlenk-Körpers welche koaxial zur Drehachse spiralförmig verlaufen, vor. Erfindungsgemäß ist also der mit verbesserten Endplatten versehene Rotor weiter, durch das Verändern der dem Wind ausgesetzten Oberflächen der Flügelkörper und des Umlenk-Körpers und/oder durch den Einsatz spiralförmig verlaufender Flügelkörper und Umlenk-Körper, weiter verbesserbar.
Die Erfindung schlägt weiters vor, dass die Endplatten im Bereich zwischen den Flügelkörpern schmäler als die Breite der Flügelkörper sind jedoch an den Endbereichen einen Rand aufweisen welcher über den Querschnitt der Flügelkörper vorsteht, wobei die Breite dieses Randes im Bereich der Eintrittskante des Flügelkörpers größer ist während er im Bereich der Abströmkante kleiner, bzw. auch fast null, sein kann. Der besagte vorstehende Rand bewirkt die Eindämmung der Luftmasse welche auf die Eintrittskante der Flügelkörper auftrifft und anschließend innen und außen an den Flächen der Flügelkörper vorbeistreicht während er im Bereich der Abströmkante eine Abrisskante bildet und dadurch merklich die aerodynamische Nutzung aller Oberflächen der Flügelkörper erhöht um einen besseren Leistungsgrad zu erzielen. Die selbe Wirkung kann dadurch erreicht werden dass auch im Bereich des zentralen Umlenk-Körpers ein mehr oder weniger vorstehender Rand vorgesehen wird. Zwecks Erreichung dieser Effekte sieht die Erfindung Formen vor bei welchen die Längsränder der Endplatten bogenartig verlaufen und zwar mit
der Mindestbreite im Bereich des zentralen Umlenk-Körpers, oder Formen bei welchen die Längsränder geradlinig und parallel zueinander verlaufen und im Bereich der Eintrittskanten und der Abströmkanten der angebrachten Flügelkörper mehr oder weniger abgerundete Übergänge aufweisen. Die Mindestbreite der Endplatten ist erfindungsgemäß, außer durch die statischen und dynamischen Erfordernisse, durch den mehr oder weniger breit über den Querschnitt des zentralen Umlenk-Körpers vorstehenden Rand, welcher erfindungsgemäß jedenfalls kleiner als die Hälfte der Mindestabmessung des Querschnittes des Umlenk-Körpers ist, bestimmt.
Die selben Konstruktionsmerkmale der erfindungsgemäßen Endplatten sind auch an Rotoren mit vertikaler Drehachse und mit spiralförmig verlaufenden Flügelkörpern und zentralem Umlenk-Körper anwendbar. Erfindungsgemäß kann der spiralförmige Verlauf durch eine Verdrehung um nur wenige Grade bis um eine vollständige Drehung (360°) oder um mehr als eine Drehung erzeugt werden. Auch die Steigung der Spirale kann unterschiedlich sein, wobei natürlich beachtet werden muss dass eine zu kleine Steigung den Leistungsgrad vermindert weil der Durchgang für die Luft eng wird und dadurch Wirbel und Gegenwirbel entstehen welche einen aerodynamisch einwandfreien Durchfluss negativ beeinflussen. Die Erfindung schlägt vor, dass die Steigung der Spirale ungefähr gleich groß oder größer als die Länge der Endplatten ist.
Gemäß einer Weiterentwicklung des Erfindungsgedankens wird ein System zur Veränderung der dem Wind ausgesetzten Oberfläche der Flügelkörper eines Rotors mit vertikaler Drehachse, welcher die oben angeführten Eigenschaften aufweist, vorgeschlagen welches das Aus- und Einfahren von Flügelkörper und eines zentralen Umlenk-Körpers aus den entsprechenden Flügelkörpern und dem zentralen Umlenk-Körper eines Basis-Rotors vorsieht. Dieses System ermöglicht eine eventuell stufenlose Anpassung der, dem Wind ausgesetzten, Oberfläche an die Windgeschwindigkeit, wobei eine verbesserte Nutzung bei niederer und mittlerer Windgeschwindigkeit und größere Sicherheit bei hohen Windgeschwindigkeiten und/oder bei Sturm, gegeben sind. Das Aus- und
Einfahren der Flügelkörper und des zentralen Umlenk-Körpers ist hydraulisch, pneumatisch und/oder mechanisch realisierbar indem die Aus- und Einfahrelemente im Innern des Umlenk-Körpers und/oder der Flügelkörper untergebracht sein können. Das Aus- und Einfahrsystem ist auch an Rotoren mit spiralförmigen Flügelkörpern anwendbar, in diesem Fall muss natürlich die axiale Bewegung mit einer Drehbewegung kombiniert werden welche in abhängigkeit der Steigung der Spirale erfolgt. Die Flügelkörper und der zentrale Umlenk-Körper welche den ausfahrbaren Teil des erfindungsgemäßen Rotors bilden haben einen Querschnitt welcher etwas kleiner ist als jener der entsprechenden Flügelkörper und des Umlenk-Körpers des Grundteiles des Rotors so dass diese in
Längsrichtung, innen in den Elementen mit größerem Querschnitt, eventuell unter Zwischenlage von Gleitelementen wie Rollen und/oder Gleitschuhe, gleiten können. Die Erfindung schließt weiters ein, dass der aus- und einfahrbare Teil des Rotors an einer Verlängerung der Drehachse des Rotors geführt ist. Vorteilhafterweise sind die aus- und einfahrbaren Flügelkörper und der zentrale Umlenk-Körper an ihrem Ende welches als erstes ausgefahren wird mit einer Endplatte verbunden welche mit jener des Basisrotors identisch ist. Das Ausfahren kann aus dem oberen Teil oder/und aus dem unteren Teil des Basisrotors erfolgen.
Die Erfindung schließt weiters ein, dass der aus- und einfahrbare Teil, was die Flügelkörper und den Umlenk-Körper betrifft, die Form eines Rahmens, eines Gerüstes oder einer Gitterstruktur hat und dass die Oberflächen der Flügelkörper und des zentralen Umlenk-Körpers von entsprechenden balgartigen Hüllen gebildet sind.
Die Erfindung wird anschließend anhand vorzuziehender, erfindungsgemäßer Ausführungsbeispiele von Windkraftmaschinen mit Rotoren mit vertikaler Drehachse und mit zentralem Umlenk-Körper welche in den beigelegten Zeichnungen schematisch dargestellt sind, näher erklärt, dabei erfüllen die Zeichnungen rein erklärenden, nicht begrenzenden Zweck.
Die Fig. 1 zeigt in perspektivischer Darstellung einen Rotor mit vertikaler Drehachse mit zwei Flügelkörpern und einem zentralen Umlenk-Körper welche mit den jeweiligen Enden an erfindungsgemäßen Endplatten befestigt sind.
Die Fig. 2 zeigt eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Endplatte deren Längsränder bogenförmig verlaufen.
Die Fig. 3 zeigt eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Endplatte mit geradlinig und zueinander parallel verlaufenden Längsrändern wobei ein beachtenswerter Abstand zwischen dem Querschnitt des Umlenk-Körpers und den beiden Längsrändern vorgesehen ist.
Die Fig. 4 zeigt eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Endplatte mit geradlinigen zueinander parallel verlaufenden Längsrändern wobei ein geringer Abstand zwischen dem Querschnitt des Umlenk-Körpers und den beiden geradlinigen Längsrändern vorgesehen ist.
Die Fig. 5 zeigt in perspektivischer Darstellung einen Rotor von der in Fig. 1 dargestellten Art mit einem Teil des Rotors welcher oben vom Basisrotor aus- und einfahrbar ist.
Die Fig. 6 zeigt in perspektivischer Darstellung einen Rotor mit vertikaler Drehachse mit spiralförmigen Flügelkörpern und Umlenk-Körper, wobei diese an erfindungsgemäßen Endplatten befestigt sind.
Die Fig. 7 zeigt eine Draufsicht auf den in Fig. 6 gezeigten Rotor.
In einem Rotor mit vertikaler Drehachse A welcher aus zwei geradlinigen vertikalen Flügelkörpern 2, bzw. spiralförmigen Flügelkörpern 2e, und aus einem zentralen geradlinigen Umlenk-Körper 3, bzw. spiralförmigen Umlenk-Körper 3e, gebildet ist, sind diese Elemente 2, 2e; 3, 3e mit jeweils beiden Enden an identischen Endplatten 1 befestigt welche in zwei zueinander beabstandeten und
parallelen Ebenen liegen. Diese Endplatten 1 folgen außen, im Bereich der geraden Flügelkörper 2, bzw. der spiralförmigen Flügelkörper 2e, wesentlich dem Profil der Flügelkörper indem sie einen vorstehenden Rand bilden welcher im Bereich 1a, entsprechend der Eintrittskante 2a der Flügelkörper 2, 2e, breiter ist, im Bereich 1c, entsprechend der Flügelaußenwölbung, stufenweise abnimmt und im Bereich 1 b, entsprechend der Abströmkante 2b der Flügelkörper 2, 2e, merklich schmäler oder nahe null ist. Jener Teil der Endplatten 1 welcher sich zwischen den, durch die Ränder 1a, 1 b, 1c bestimmten, Enden welche größere Ausmaße als der Querschnitt der Flügelkörper 2, 2e aufweisen erstreckt, hat erfindungsgemäß eine eindeutig geringere Breite als jene der Flügelkörper 2, 2e. Dieser Zwischenbereich kann erfindungsgemäß bogenförmige Längsränder 1s aufweisen welche an den Endbereichen Übergänge zu den Bereichen 1a und 1 b bilden, wobei diese Bereiche einen mehr oder weniger breit vom Profil der Flügelkörper 2, 2e vorstehenden Rand ausbilden. Der selbe Zwischenbereich kann erfindungsgemäß auch durch einen geradlinigen und zueinander parallelen Verlauf der Längsränder 1g gekennzeichnet sein, diese bilden an den Endbereichen durch Bögen 1 r einen Übergang zu den entsprechenden Bereichen der, vom Profil der Flügelkörper 2, 2e vorstehenden, Ränder 1a, 1 b. Auch in diesem Fall wird der Zwischenbereich der Endplatten 1 schmäler als die Breite der Flügelkörper 2, 2e sein. Erfindungsgemäß kann die Breite des Zwischenbereiches der Endplatten 1 derart sein, dass ein Bereich 1d, 1f bestimmt wird welcher mehr oder weniger vom Querschnitt des zentralen Umlenk-Körpers 3, 3e vorsteht. Die Breite der vorstehenden Bereiche 1d, 1f ist erfindungsgemäß kleiner als die Hälfte der kleineren Abmessung des Querschnittes des zentralen Umlenk-Körpers 3, 3e.
Erfindungsgemäß kann der Querschnitt der Endplatten die Form eines flachen Flügelprofils haben oder von zueinander parallel verlaufende Linien aufweisen wobei die Eintrittskante und die Abströmkante jeweils so ausgeformt sind dass der Luftwiderstand möglichst reduziert wird.
Die in den Bereichen 1a, 1b, 1c, 1d, 1f erfindungsgemäß vorstehenden Ränder vermeiden, dass die sich in Bewegung befindliche Luft weiche auf den Rotor
auftrifft, infolge des Aufpralls auf die Flügelkörper 2, 2e und auf den zentralen Umlenk-Körper 3, 3e an den Endbereichen abdriften kann ohne die gesamte Energie an den Rotor abgegeben zu haben. Die vorstehenden Ränder 1a, 1 b, 1d welche eine bestimmte Breite haben verhindern eine Ablenkung der Luft welche an den Flügelkörpern 2, 2e und am zentralen Umlenk-Körper 3, 3e vorbeistreicht nach unten, bzw. nach oben. Die Ränder 1 b im Bereich der Abströmkante 2b der Flügelkörper welche eventuell minimale Breite aufweisen, erfüllen hingegen die Funktion einer Abrisskante welche den widerstandslosen Abfluss der Luft von den Flügelkörpern 2, 2e begünstigt. Die Erfindung schlägt weiters den Einsatz der Endplatten 1 mit den obgenannten Merkmalen in Verbindung mit spiralförmigen, mit der Drehachse A koaxial angeordneten, Flügelkörpern 2e und zentralem Umlenk-Körper 3e vor.
Gemäß einer Weiterentwicklung des Erfindungsgedankens kann der Rotor mit vertikaler Drehachse A von der Art mit veränderlicher dem Wind ausgesetzter
Oberfläche sein, die Veränderung der Oberfläche erfolgt durch Aus- und Einfahren E von Flügelkörpern 2x und des Umlenk-Körpers 3x aus einem Basisrotor mit Flügelkörper 2 und zentralem Umlenk-Körper 3, wobei die Flügelkörper 2x und der zentrale Umlenk-Körper 3x des aus- und einfahrbaren Teiles einen entsprechenden aber kleineren Querschnitt aufweisen. Die Flügelkörper 2x und der zentrale Umlenk-Körper 3x sind über eine Endplatte 1x verbunden welche die selbe Form wie die Endplatte 1 aufweist. Die Aus- und Einfahrbewegung E kann hydraulisch, pneumatisch und/oder mechanisch erfolgen indem die Antriebsorgane im Inneren der Flügelkörper 2 und/oder des zentralen Umlenk- Körpers 3 untergebracht sind. Die Führung zwischen dem Basisrotor und den aus- und einfahrbaren Elementen 2x, 3x kann über einem Bereich der Welle 10 des Rotors und/oder mittels Abrollelemente oder Gleitelemente erfolgen welche zwischen den entsprechenden Flügelkörpern 2 - 2x und den entsprechenden Umlenkkörpern 3 - 3x vorgesehen sind.
Die Erfindung schließt auch die Anwendung eines aus- und einfahrbaren Teiles an einem Rotor mit spiralförmigen Flügelkörpern 2e und Umlenk-Körper 3e mit ein, in
diesem Fall muss die Aus- und Einfahrbewegung E zusammen mit einer Drehbewegung, in Abhängigkeit zur Steigung der Spirale erfolgen.
Weiters umfasst die Erfindung dass die ein- und ausfahrbaren E Flügelkörper 2x und der Umlenk-Körper 3x eine Gitter- oder Skelettstruktur aufweisen und dass die Oberfläche der Flügelkörper und des zentralen Umlenk-Körpers aus entsprechenden balgförmigen Hüllen bestehen.