DE2909781A1 - Fluegelrotor, insbesondere fuer windmotoren (windkraftwerke) mit in mindestens 2 konzentrisch aufgeteilte kreisringflaechen - Google Patents

Description

• Flügeirotor, insbesondere für Windmotoren (Windkraftwerke) mit in mindestens. 2 konzentrisch aufgeteilte Kreisringflächen Vorliegende Erfindung betrifft die Gestaltung von Flügelrotoren, insbesondere solche von Axialwindmotoren, und kann mit sinngemäß geänderten Fachbezeichnungen auf sämtliche strömungsnutzenden und strömungserzeugenden Maschinen übertragen werden, wie beispielsweise Flugzeugtriebe, Ventilatoren und Wassermotoren.
• Die Erfindung basiert auf folgender Theorie 1. Von der kinetischen Energie eines jeden Windteilchens bleibt nach dem energieabgebenden Aufprall gegen den schräggestellten Windflügel nach dem Gesetz des Einfall- und Ausfallwinkels nur nooh je eine der Rotordrehrichtung und eine der Windrichtung entgsegengesetste Eraftkomponente übrig, die gemeinsam mit der sich mit der Windflügellänge quadratisch erhöhenden Windfliehkraft wirbelbildend die nachfolgenden , energiegeladenen Frischwindteilohen in ihrer Leistungsabgabe behindern.
• 2. Die größte Energieausbeute findet an dem sehr schmalen Flügel streifen statt, der dea-Wind zugewendet ist. Ab dann erstreckt sich entlang der weiteren Flügelbreite ein störender Wirbelwind, der von dem noch energieträchtigen Frischwind über die gesamte restliche Flügelbreite hinweg vor sich hergeschoben werden muß, bis er dann nach rückwärts hinter die Windflügel abströmen kann.
• 3. Zwischen den Windflügeln entstehen sich nach außen quadratisch vergrößernde, kreisausschnittförmige, windunwirksame Zonen, die bei heriömmlichen Windflügeln ein Vielfaches der wirksamen Gesamtflügelfläche betragen, so daß der weitaus größte Teil der Windenergie an den Windflügeln vorbeiströmt.
• 4. Während die Leistungsein und abgabe bei strömungserzeugenden Flügelrotoren im Gegensatz zu den strömungsnutzenden Flügel rotoren nicht unbedingt von der wirksamen Flügelfläche abhängt, sondern von der Rotordrehzahl, also die Leistungsein- und abgabe theoretisch unbegrenzt hoch ist, wird die Gestaltung der atrömungsnutzenden Flügelrotoren ausschließlich von der pro Flächeneinheit begrenzten kinetischen Energie der Triebmedien bestimmt0 Weil bei Windkraftwerken insbesondere der kritische Bereich des geringsten Windenergieangebotes für eine wirtsehaftliche Windenergieausbeute zwangsmäßig am interessantesten ist, erfordert dies Theorie außer dem bekannten Blügeldrall die erfinderische Konsequenz daß die windunwirksamen Rotorflächen zugunsten eines wesentlich geringeren Rotordurchmessers ausgeschaltet werden, so daß die schädlichen Windfliehkräfte mit der Verringerung des Rotordurchmessers quadratisch sinken, Ferner müssen die Windflügel extrem schmal gebauten werden, um dem energiegeladenen Frischwind optimale Voraussetzungen zur Abgabe seiner Windenergie dadurch zu schaffen, daß dem zwar verminderten, aber doch noch vorhandenen schädlichen Wirbelwind möglichst scnnell der Weg nach rückwärts hinter die Windflügel freigegeben wird. Weil auch bei schmalen Windflügeln die Windgeschwindigkeit entlang der Flügelbreite etwas abnimmt, aber auch aus Festigkeitsgründen, sollen die Windflügel um ihre Radialaxe (gedachte Achae) etwas gewölbt sein, und die konkave Flügelfläoho dem Wind zugewendet montiert werden. Diese Wölbung ist in den folgenden Beispielen nicht gezeichnet.
• Die erfinderische Konsequenz wird dadurch berücksichtigt, daß die Rotorkreisfläche in mindestens a konzentrische Kreisflächen aufgeteilt wird, und jedem dieser Kreisringflächen entsprechend kurze, schmale Windflügel unter dem jeweilig erforderlichen Drallwinkel in einer solchen Stückahl zugeordnet werden, daß jede.
• Kreisringfläche für sich lückenlos ausgefüllt isto Diese XaBnahmen bieten 2 Rauptmöglichkeiten der Anwendung, und zwar 1. HauDtiöglichkeit Die verschiedenen Kreisringflächen werden innen und-oder-außen von Reifen umrahmt und können mit ihren zugeordneten Flügeln trotz gleicher Drallwinkelmontage Jede Kreisringfläche für sich mit einer ihrem Rotorradius angepaßten Drehzahl rotieren, wobei die Drehmozente verschiedener Drehzahl über Speichen auf jeweils eine von mehreren konzentrisch angeordneten Hohlwellen übertragen wird, deren verschiedene Drehzahlen durch Zahnradüber und untersetzung auf eine gemeinsame Drehzahl umgeformt werden0 Weil bei dieser Ausführung allen Kreisringflächen Windflügel mit gleicher, optimaler Drallwinkelmontage zugeordnet werden können, wird ein beinahe 90 Grad Drallwinkelgrenze erreichender, also unwirtschaftlicher Draliwinkel niemals erforderlich, so daß der Rotordurchmesser erfindungsgemäß unter Beibehaltung optimaler aerodynamis¢her Verhältnisse unbegrenzt groß sein darf. Diese optimale Drallwinkelmontage hebt jedoch nicht die Forderung auf, daß jeder Flügel für sich einen in bekannter Weise dem Rotordurchmesser angepaßten Drall erhält iur mit dem Unterschied, daß jede Kreisringfläche infolge ihrer verschiedenen Drehzahl wieder erneut mit der geringsten Drallwinkelmontage beginnen darf, und somit in allen Kreisringflächen gleiche Windflügel mit der gleichen Drallwinkelmontage möglich sind, Ausführbeispiel der lo Hauptmöglichkeit Bild 1 als Frontsicht und Bild 2 als Zentralschnitt zeigen ein Ausführbeispiel. Der Rotor besteht aus der inneren Kreisringfläche mit den Reifen 2 und 32 zwischen denen die Windflügel 1 mit gleicher Drallwinkelmontage befestigt sind. Das Gleiche geschieht mit der mittleren Kreisringfläche zwischen den Reifen 4 und 5, und mit der äußeren Kreisringfläche zwischen den Reifen 6 und 70 Alle Windflügel werden nicht nur mit dem gleichen Rtallwinkel montiert, sondern müssen jeder in sich selbst in bekannter Weise mit einem nicht gezeichneten Drall versehen sein, Durch die Möglichkeit einer optimal gewählten Drallwinkelmontage ist ein Rotor dieser Bauart ein ausgesprochener angsamläuf er, dem durch die verringerte Windfliehkraft insbesondere für Großwindanlagen außerordentlich günstige aerodynamische Verhältnisse geboten werden.
• Die Verbindung der Reifen der verschiedenen Kreisringflächen 2+, 4+5 6+7 mit den jeweils zugeordneten Hohlwellen 15, 14 und 13 geschieht mit den als Fachwerk ausgebildeten Speichen 16, a und 9 Die an den Hohlwellen befestigten Zahnräder 10 bis 12 treiben über die gemeinsame Welle 23 die feste Riemenscheibe 21, und dies. über Riemen 22 die Riemenscheibe 25 des Stromerzeugers ce uer seinen strom uDer ein zentrisch angeordIIetes Kabel 17 nach unten leitet. Das bei Orkan sogenannte " Aus dem Wind schwenken " geschieht in bekannter Weise0 Ein elektronisches Zählwerk begrenzt das Schwenken auf 2 bis 3 volle Umdrehungen.
• Die Flügel können aber auch so angeordnet werden, daß sie sich bei Orkan von der Windkraft selbsttätig aus dem Wind schwenken so daß nicht der gesamte Rotor aus dem Wind geschwenkt werden muß.
• Schnitt A zeigt eine solche Flügelauthängungo Der Flügel 1 wird in seiner etwas aus seiner Radialschwerlinie heraußges¢hwenkten Linie an einer an die Reiten(2+3) 4+5 und (6+7) befestigten Radialachse 26 schwenkbar gelagert, so daß jeder Flügel 1 mittels einer an einem Ende radialachsenfest, und am anderen Ende windflügelfest verbundenen Feder 28 gegen einen ebenso radialachsenfesten Anschlag 27 bei Normaiwind in eine ihm zugewiesene Drallwinkelstellung gezwungen wird, so daß bei Orkan die größere Windflügelfläche durch die unsymmetrische Flügellagerung mittels Windkraft die vorgespannte Federkraft überwindet, und der gesamte flügel bis zutBahnenætellung aus dem Wind schwenken kann, 2o Hauptmöglichkeit Die Aufteilung des Rotors in verschiedene Kreisringflächen geschieht ebenfalls durch Reifen, die jedoch mittels in dem jeweiligen Drallwinkel montierten, an sich völlig gleichen Windflügeln verbunden werden, so daß samtliche Kreisringe zugleich rotieren müssen. Weil diesesfalls der innere Kreisring mit Flügeln geringster Drallwinkelmontage beginnt, und der jeweilige Drallwinkel mit steigender Kreisringzahl nur bis zur angenäherten 90 Gradstellung, also der unwirtSchaftlichsten Drallwinkelmontage.
• vergrößert werden darf, ist die Größe des Rotors in bekannter Weise begrenzt.
• Ausfuhrbeispiele der 2* aauptmöglichkeit Nach Bild 3 als Frontsicht und Bild 4 als Zentralschnitt geschieht die Aufteilung der Rotorkreisfläche in konzentrische Kreisring flächen mittels schmaler Zylindermäntel 2 bis 6 (Reifen), zwischen die einander völlig gleiche Windflügel 1, jedoch mit verschiedener Drallwinkelmontage befestigt werden, so daß sämtliche Kreisringe gemeinsam rotierens Die geringste Drallwinkelmontage beginnt in der inneren Kreisringfläche (Windrichtung v O Grad) und vergrößert sich pro Kreisringfläche nach außen, so daß die letzte Kreisringfläche Flügel größter Drallwinkelmontage erhält, Die im Zentrum angeordnete Nabe 7 mit 4 befestigten Rippen 8 werden mit sämtlichen Zylinderiänteln verbunden. Die weitere Funktion folgt wie beim vorhergehenden Beispiel. Bild 5 zeigt ein Ausführbeispiel, in dem die Rippen 8 Bild 4 durch eine Seilverspannung 9 ersetzt werden; die an der verlängerten Nabe 7 befestigt ist.
• Bild 6 als Frontsicht und Bild 7 als Zentralschnitt zeigen ein weiteres Ausführbeispiel der Bauptmöglichkeit 2 als bei Orkan durch Windkraft aus dem Wind schwenkbarer Rotor o Der an sich bereits in 4 konzentrische Kreisringflächen aufgeteilte Rotor -wird nochmals in 4 sektorförmige Rotorteile 1 bis 4 zerlegt Etwas exzentrisch aus der radialen Schwerlinie eines jeden Viertelrotors geschwenkt wird ein Rohr 11 in etwa Rotorradiuslänge durch entsprechende Löcher in den Viertelzylindermänteln 6 bis 10 hindurchgeschoben und mit den Viertelzylindtermänteln befestigt. Zwischen die Viertelzylindermäntel werden entsprechend dem jeweiligen Drallwinkel die an sich völlig gleichen Flügel 5 befestigt0 Die beiden inden der Viertelzylindermäntel werden jeder für sich mit seinem jeweiligen Drallwinkel zugeschnitten, und an ihnen durchgehende bonderflügel 21 in Breite der Viertelzylindermäntel befestigt, so daß diese Viertelzylindermäntel rundherum einen festen Abschluß haben An der Nabe 17 werden radial 4 kegelstumpfförmige Arme 14, und an diesen 4 radiale Rpeichen 13 befestigte Auf diese Speichen werden je ein Viertelrotor schwenkbar aufgesteckt und mittels Stellring 12 gegen Herausfallen gesichert. Mittels je einer an einem Ende an eine nabenfeste Stange 18 und am anderen Ende am Viertelrotor befestigten Zugfeder 20 wird jeder Viertelrotor gegen einen eben.
• falls nabenfesten Anschlag 19 bei Normalwind in Rotorebene gezwungen, und bei Orkan die größere Viertelrotorfläche durch die unsymmetrische' schwenkbare Lagerung mittels Windkraft die vorgespannte Federkraft überwunden, so daß jeder gesamte Viertelrotor bis zur Fahnenstellung aus dem Wind gestellt wird, Die Sliegenden Speichen 13 werden aus Festigkeitsgriinden je einmal mit Drahtseilen 16 abgespannt0

Claims (1)

1. Patentanspräche ylüg ~~~ Flügelrotor für axialströmungsnutzende und axialströmungserzeugende Maschinen mit in bekannter Weise geformten Flügeln, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorkreisfläche in mindestens zwei konzentrische Kreisringflächen aufgeteilt, und jede für sich ### mit einer beliebigen Zahl von Flügeln ausgerüstet wird4 2o Flügelrobor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Kreisringfläche mit ihren zugeordneten Flügeln für sich rotieren kann.

   3.

   Flügelrotor nach Anspruch 1, dadurch «ekennzeichnet daß die konzentrische Kreisringaufteilung durch Reifen geschieht, die mit entsprechend kurzen Flügeln miteinander verbunden sind, so daß sämtliche Kreisringe gemeinsam rotieren müssen.

   4.

   Flügelrotor nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Flügel für sich in einer etwas aus der Radialschwerlinie herausgeschwenkten Linie um eine nabönfeste R4dlalspeiche schwenkbar gelagert ist, so daß jeder Flügel bei Normalwind mittels einer an einem Ende nabenfest, und am anderen Ende flügelfest verbundenen Feder gegen einen nabeniesten Anschlag in seine ihm zugewiesene Drallwinkelstellung gezwungen wird, und bei Orkan die größere Flügelfläche die vorgespannte Federkraft überwindet, so daB jeder Flügel für sich bis zur Fahnenstellung aus dem Wind schwenken kann.

   5.

   Flügelrotor nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorkreisfläche nochmals in mindestens 2 sektorförmige Rotorteile zerlegt wird, von denen jeder für sich in einer etwas aus der radialen Sektorschwerlinie herausgeschwenkten i&ni. um eine nabenfeste Radialspeich schwenkbar gelagert wird, so daß bei Normaiwind jeder Rotorteil mittels einer an einem Ende nabenfest, und an anderen Ende rotorteilfest verbundenen Feder gegen einen nabenfesten Anschlag in Rotorebene gezwungen wird, und bei Orkan die größere Geilrotorfläche durch die unsymmetrische Lagerung mittels Windkraft die vorgespan@te Federkraft überwindet, so daß der gesamte Rotorteil - jeder für sich - bis zur Fahnenstellung aus dem kann0