DE3502712C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Windturbine mit einem an einem Mast drehbar gelagerten Horizontalrotor mit mindestens einem an einem Armende um eine vertikale Achse schwenkbar ange­ ordneten Windfangblatt, wobei das Windfangblatt mit einer Masse zu seiner Selbststabilierung in bezug auf den Umlaufkreis versehen ist.

Windturbinen der genannten Art sind allgemein bekannt, und es sind viele Bemühungen angestellt worden, solche Turbinen mit Horizontalrotoren zu optimieren, um in bezug auf die Windgeschwindigkeit ein Vielfaches der Umlaufgeschwindigkeit, d. h. hohe Drehzahlen, zu erreichen. Ansatzpunkt hierfür waren beispielsweise besondere Ge­ staltungen der Profile der Windfangblätter, deren Ein­ stellbarkeit während des Umlaufes und schließlich An­ ordnungen und Ausbildungen des Rotors mit Windfang­ blättern derart, daß sich die Windfangblätter beim Umlauf nicht gegenseitig stören. Insbesondere die Be­ weglichkeit der Windfangblätter zu den Anlenkenden an den Rotorarmen ist mit einem relativ hohen Aufwand ver­ bunden, der nicht nur wegen der optimalen Einstellung der Windfangblätter während ihres Umlaufes in Kauf genom­ men wurde, sondern auch um derartigen Turbinen selbst Anlaufeigenschaften zu vermitteln.

Aus der DE-OS 26 02 380 ist eine Drehvorrichtung bekannt, bei welcher an dem Schwenkende der Schaufeln Gewichte über Arme angebracht sind, so daß je nach Größe der Flieh­ kraft eine Verstellung der Schaufeln erfolgt. Diese Gewichte müssen verhältnismäßig groß sein, um die gewünschte Wirkung zu erzielen, wodurch insgesamt große Massenkräfte auftreten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Windturbine der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß ohne besondere Einstellmaßnahmen bzw. besondere Stell­ mittel der Horizontalrotor selbst anlaufen kann und sich das Windfangblatt bzw. die Windfangblätter beim Umlauf selbst stabilisierend auf ihre optimale Stellung einstellen, ohne daß dazu große Gewichte erforderlich sind und nicht beherrschbare Massenkräfte auftreten.

Diese Aufgabe ist mit einer Windturbine der eingangs genannten Art nach der Erfindung durch die im Kennzeichen des Hauptanspruchs angeführten Merkmale gelöst. Vorteil­ hafte Weiterbildungen ergeben sich nach den Unteransprüchen.

Wesentlich bei dieser erfindungsgemäßen Lösung ist, daß das Windfangblatt mit einem Ausleger an der vertikalen Achse angelenkt und das Windfangblatt selbst die Stabili­ sierungsmasse bildet. Das Windfangblatt ist mit einer Masse zu seiner Stellungsstabilisierung in bezug auf den Umlaufkreis versehen, und zwar derart, daß entweder die Distanz dieser Masse zur Rotorachse größer ist als der Abstand der vertikalen Achse der Rotorachse oder daß die Masse in diesen größeren Abstand selbsttätig einstellbar am Windfangblatt angeordnet ist. Durch die frei pendelnde Anordnung des Windfangblattes am Rotorarmende kann das Windfangblatt nahezu jede beliebige Stellung in bezug auf sein Gelenk einnehmen, wodurch bei nicht laufendem Rotor und aufkommendem Wind früher oder später eine Stellung eingenommen wird, bei der sich eine Antriebskomponente in Drehrichtung ergibt. Sobald der Rotor läuft, beginnt die auftretende Zentrifugalkraft sich zwangsläufig an der Masse auszuwirken, die dann, insbesondere bei weiter zunehmender Umlaufgeschwindigkeit, das ganze Windfangblatt bezüglich seiner Stellung zur kreisförmigen Umlaufbahn optimal einstellt und in dieser Stellung stabilisiert.

Abgesehen von den Anlaufeigenschaften einer solchen Turbine und der optimalen Einstellung der Windfangblätter während der Rotation besteht ein weiterer Gesichtspunkt für die Betriebsfähigkeit einer solchen Windturbine darin, daß natürlich auch hinsichtlich der Festigkeit des Windfang­ blattes der insofern zulässigen Maximaldrehzahl Rechnung getragen werden muß. Dem trägt das erfindungsgemäße Prinzip Rechnung derart, daß die Masse bezüglich ihrer Extremalstellung bei zulässiger Maximaldrehzahl außerhalb einer gedachten Verbindungslinie durch Rotorachse und vertikaler Achse angeordnet ist.

Die Zusatzmasse ist danach also so austariert und am Wind­ fangblatt angeordnet, daß die Masse ihre Extremalstellung, d. h. in gedachter Linie durch Rotorachse und vertikale Schwenkachse erst dann erhält, wenn die kritische Drehzahl überschritten wird. Die Anordnung der Masse ist dabei aber zum Windfangblatt selbst so getroffen, daß das Windfangblatt vor Erreichen dieser Extremalstellung seine optimale Stellung zur Umlaufbahn einnimmt. Dies bedeutet aber, daß bei Über­ schreiten der kritischen Drehzahl das Windfangblatt wieder etwas aus seiner Optimalstellung herausgedrückt wird und dadurch zu bremsen beginnt.

Das Windfangblatt ist mit einem Ausleger versehen und mit dem Ende des Auslegers an der vertikalen Achse angelenkt, wodurch das Windfangblatt selbst die Stabilisierungsmasse bildet. Ferner kann die Masse gegen einen Verschiebewider­ stand verschieblich in bzw. am Windfangblatt gelagert sein.

Eine solche um die vertikale Achse schwenkbare Zusatzmasse kann ferner auch noch dadurch dargestellt werden, daß das Windfangblatt mit seinem Oberteil und seinem Unterteil nach innen geneigt ist und die gemeinsame Verbindungsstelle von Oberteil und Unterteil zur Rotorachse eine größere Distanz hat als die vertikale Achse zur Rotorachse.

Das erfindungsgemäße Prinzip ist selbstverständlich auch dann ohne weiteres zu verwirklichen, wenn das Windfangblatt über seine gesamte Länge oder eine Teillänge zweiteilig ausgebildet und ein Teil davon, wie vorerwähnt, um eine vertikale Achse frei pendelnd gelagert sein sollte und das andere Teil in optimaler Strömungsstellung starr am Rotorarm befestigt ist.

Die erfindungsgemäße Windturbine wird nachfolgend anhand der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 perspektivisch die Windturbine in Anordnung als Horizontalrotor an einem Mast;

Fig. 2 einen Schnitt durch ein Windfangblatt am Ende eines Rotorarmes;

Fig. 3 im Teilschnitt eine besondere Ausführungsform eines Windfangblattes;

Fig. 4 in Vorderansicht eine weitere Ausführungsform eines Windfangblattes; und

Fig. 5 eine besondere Anordnung eines Windfangblattes in bezug auf den Mast.

Wie aus Fig. 1 erkennbar, besteht die Windturbine aus einem an einem Mast 13 drehbar gelagerten Horizontalrotor mit an Rotorarmen 7 schwenkbar angeordneten Windfangblättern 1, die sich bei Drehung auf dem Umlaufkreis 3 bewegen. Die Windfangblätter 1 sind dabei um vertikale Achsen 5 frei pendelnd angelenkt, wobei die freie Pendelung ihre Grenzen an den Rotorarmen 7 selbst findet oder an besonderen An­ schlägen 17, die zweckmäßig elastisch ausgebildet sind. Wesentlich ist dabei, daß das Windfangblatt 1 mit einer Masse 2 zu seiner Stellungsstabilisierung in bezug auf den Umlaufkreis 3 versehen und entweder die Distanz dieser Masse 2 zur Rotorachse 4 größer ist als der Abstand der vertikalen Achse 5 zur Rotorachse 4, wobei es aber auch möglich ist, die Masse 2 in diesen größeren Abstand selbsttätig einstellbar am Windfangblatt 1 anzuordnen.

In beiden Fällen tritt auf jeden Fall der Effekt ein, daß die in größerer Distanz als die vertikale Achse 5 zur Rotorachse 4 angeordnete Masse 2 unter der Einwirkung der Zentrifugalkraft das Windfangblatt optimal auf den Umlaufkreis 3 zwangsläufig und selbsttätig einstellt, und zwar unabhängig davon, wie das Windfangblatt bei Ruhe­ stellung des Rotors gestanden hat.

Das Stabilisierungsprinzip geht aus Fig. 2 hervor. Das Windfangblatt 1 ist mit einem Ausleger 10 an der vertikalen Achse 5 angelenkt und damit bildet das Windfangblatt 1 selbst die Stabilisierungsmasse 2′. Denkt man sich die Gesamtmasse des Windfangblattes im Punkt 16 konzentriert, so ist damit auch die Bedingung erfüllt, daß sich, aus­ gehend von einer beliebigen Stellung des Windfangblattes in bezug auf die vertikale Achse 5, unter der Einwirkung der Zentrifugalkraft ein Drehmoment um die vertikale Achse 5 ergibt, das bestrebt ist, unter dem Einfluß der Zentrifugal­ kraft den Massepunkt 16 auf die gedachte Linie durch Rotor­ achse 4 und vertikaler Achse 5 einzustellen und damit die optimale Stellung des Windfangblattes zu erreichen, womit aber die optimale Stabilisierungsstellung in bezug auf den Umlaufkreis 3 gewährleistet ist. Selbstverständlich lassen sich hierzu entsprechende Sicherungselemente bezüglich des Überschreitens der maximal zulässigen Drehzahl, an geeigneter Stelle beispielsweise im Ausleger 10 oder sogar im Windfang­ blatt 1 selbst vorsehen.

Eine weitere Möglichkeit der Anordnung der Masse 2 außerhalb des Umlaufkreises 3, den die vertikale Achse 5 durchläuft, ist in Fig. 4 verdeutlicht, wobei das Windfangblatt 1 mit seinem Oberteil 1′ und seinem Unterteil 1′′ in bezug auf die vertikale Schwenkachse 5 nach innen geneigt ist und die ge­ meinsame Verbindungsstelle 12 von Oberteil und Unterteil zur Rotorachse 4 eine größere Distanz hat als die vertikale Achse 5 zur Rotorachse 4.

Abgesehen von der Möglichkeit, im Bereich der Verbindungs­ stelle 12 eine zusätzliche Massekonzentration vorzusehen, bilden hierbei die links neben der vertikalen Achse 5 befindlichen Windfangblatteile die Masse, die die Stabilisierung des Windfangblattes bewirkt. Wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, kann im Bereich eines Verschiebewider­ standes 11 ebenfalls eine Drehzahlbegrenzungssicherung vorgesehen werden. Ferner ist es hierbei möglich (Fig. 4), das Ganze als Gelenkdreieck auszubilden und zwischen Rotorarm 7 und Verbindungsstelle eine Zugfeder 16 anzuordnen, so daß sich bei extrem hohen Drehzahlen Ober- und Unterteil 1′, 1′′ des Windfangblattes 1 auf die gestrichelt angedeutete Stellung zu bewegen können.

Gemäß Fig. 5 können die Rotorarme in bekannter Weise auch selbst als Windfangblätter in Form von Bügeln 7′ ausge­ bildet werden. Derartige Windturbinen, bei denen die Wind­ fangblätter bei entsprechender Ausbildung und Anordnung zum Mast 13 bei zunehmender Drehzahl gegebenenfalls einen sich vergrößernden Durchmesser D annehmen können, haben jedoch keine Selbstanlaufeigenschaften, und ein Bremseffekt bei Erreichen der kritischen Drehzahlen ist auch nicht vorsehbar. Wie in Fig. 5 dargestellt, bietet hier das beschriebene Windfangblatt mit seiner einfachen Ausbildung eine ideale und vorteilhafte Möglichkeit, je nach Größe entweder als kleiner Hilfsflügel oder als größerer Zusatz­ flügel an den als Bügel 7′ ausgebildeten Rotorarmen mittig ange­ lenkt werden zu können.

Die Stabilisierungsmasse kann gegebenenfalls auch unmittelbar, ähnlich wie in Fig. 2 angedeutet, in einer entsprechenden Führung im Windfangblatt selbst angeordnet sein (zweckmäßig im Bereich des Masseschwerpunktes in der Mitte des Wind­ fangblattes), wobei die Führung in bezug auf das Windfang­ blatt nach außen und ansteigend nach oben gerichtet ist. Dadurch kann der gleiche Stabilisierungseffekt und gegebenen­ falls auch Bremseffekt erreicht werden.

Claims (6)

1. Windturbine mit einem an einem Mast drehbar gelagerten Horizontalrotor mit mindestens einem an einem Armende um eine vertikale Achse schwenkbar angeordneten Windfangblatt, wobei das Windfangblatt mit einer Masse zu seiner Selbst­ stabilisierung in bezug auf den Umlaufkreis versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Windfang­ blatt (1) mit einem Ausleger (10) an der vertikalen Achse (5) angelenkt und das Windfangblatt (1) selbst die Stabilisierungsmasse (2′) bildet.

2. Windturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Masse (2) gegen einen Verschiebewiderstand (11) unter Einwirkung der Zentrifugalkraft verschieblich in bzw. am Windfangblatt (1) gelagert ist.

3. Windturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß das Windfangblatt (1) mit seinem Oberteil (1′) und seinem Unterteil (1′′) nach innen geneigt ist und die gemeinsame Verbindungsstelle (12) von Oberteil und Unterteil zur Rotorachse (4) eine größere Distanz hat als die vertikale Achse (5) zur Rotorachse (4).

4. Windturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß im Stellweg des um die vertikale Achse (5) schwenkbaren Windfangblattes (1) Anschläge (17) angeordnet sind.

5. Windturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Rotorarme als am Mast (13) drehbar gelagerte Bügel (7′) ausgebildet und mittig an diesen die Windfangblätter (1) angelenkt angeordnet sind.

6. Windturbine nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Masse (2) in einer Führung im Windfangblatt (1) selbst gelagert und die Führung in bezug auf das Windfangblatt (2) nach oben ansteigend und nach außen gerichtet ist.