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Die Erfindung betrifft eine Turbine, die sich unter dem
Einfluß eines strömenden Mediums um eine Drehachse dreht,
insbesondere eine Windturbine mit einer vertikalen Drehachse,
die eine Anzahl von Flügeln aufweist mit im wesentlichen
parallel zu der Turbinenachse verlaufenden Längsachsen, wobei
die Flügel in einem Abstand von der Turbinenachse mit Hilfe von
Halteelementen drehbar um ihre Längsachse befestigt sind, so
daß sie sich unter dem Einfluß des Strömungsmediums auf einer
Bahn um diese bewegen, wobei jeder der Flügel mit einer
Rückstelleinrichtung versehen ist, die mit einer Federkraft auf
die Flügel wirkt und diese in eine Normallage zu bewegen
versucht, in der die Vorderkante der Flügel in deren
Bewegungsrichtung entlang der Bahn zeigt, und wobei die Flügel
beim Betrieb 360º um ihre Längsachse drehbar sind.
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Während der letzten 10 bis 20 Jahre ist eine große Anzahl
von Windturbinen zum Erzeugen von elektrischem Strom
installiert worden. Am häufigsten sind dabei Windturbinen mit
horizontaler Achse, deren Betrieb auf dem alten
Windmühlenprinzip basiert. Diese Turbinen sind jedoch mit einigen Nachteilen
behaftet, die sich wie folgt zusammenfassen lassen: Die
Windturbine muß mit einer Vorrichtung versehen sein, die die
Turbine in Bezug auf die Windrichtung in die richtige Position
bringt. Der Generator ist in einer großen Höhe über dem Boden
angeordnet und muß gemeinsam mit der Turbine gedreht werden, so
daß sich keine direkt vom Generator ausgehende Leitung
installieren läßt. Die Herstellung der Turbinenflügel ist teuer
und problematisch. Eine hohe Geschwindigkeit der Flügelspitzen
kann unangenehmen Lärm verursachen. Bei hohen
Windgeschwindigkeiten muß die Turbine angehalten werden, damit sie nicht
zerstört wird.
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Windturbinen mit vertikaler Achse haben gegenüber jenen
mit horizontaler Achse eine Anzahl von Vorteilen, von denen
folgende genannt sein sollen: Die Turbinen arbeiten in jeder
Windrichtung gleich gut. Der Generator läßt sich in einer
geringen Höhe anordnen und ist stationär. Die Turbinenflügel
sind einfach herstellbar, und sie weisen über ihre gesamte
Länge das gleiche Profil auf. Die Flügel sind mit einer
geringen Geschwindigkeit antreibbar, so daß kaum Lärm verursacht
wird.
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Eine Windturbine des im Oberbegriff der Beschreibung
erwähnten Typs ist aus der US-A-4 052 134 vorbekannt. Bei
dieser bekannten Turbine ist jeder der Flügel mit einer
Rückstelleinrichtung versehen, die eine Feder aufweist, die den
Flügel zurück in eine stabile Stellung zu bringen versucht, in
der er in einer Lage tangential zum Turbinenumfang gehalten
wird. Ferner ist eine Schwingungsdämpfer-Einrichtung
vorgesehen, mit der die vom Wind verursachten
Schwingungsbewegungen aus ihrer Tangentiallage abgebremst werden. In
einigen der gezeigten Ausführungsformen weist die Einrichtung
einen abgedichteten, mit Fluid gefüllten Zylinder auf mit einem
Kolben, der auf seinen gegenüberliegenden Seiten fluidgefüllte
Kammern bildet, und mit einem Strombegrenzungsventil sowie
einem Rückschlagventil, das eine Verbindung zwischen den
Kammern bildet, wobei das Strombegrenzungsventil einen
begrenzten Dämpfungsstrom erzeugt, der als eine Reaktion auf
zunehmenden Windkraftangriff an dem Flügel durch das Ventil
fließt, und wobei das Rückschlagventil das Fluid bei
abnehmender Windkraft an dem Flügel ungehindert passieren läßt
und seine Rückstellfeder den Flügel zurück in seine
Tangentiallage zu bewegen versucht. Mittels der fluidgefüllten Zylinder
wird also die Flügelbewegung gedämpft, und zwar auf solche
Weise, daß die Dämpfung bei der Flügelbewegung aus der
Tangentiallage erheblich größer ist als bei der Bewegung zurück
in diese Lage. Die vorhandene Federkraft ist während des
Betriebs der Windturbine nicht einstellbar, demzufolge ist auch
die Rückstellkraft an den Flügeln nicht einstellbar, so daß das
optimale Trimmen der Flügel je nach den Windverhältnissen nicht
möglich ist.
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Ziel der Erfindung ist es, eine Turbine der oben
beschriebenen Art zu schaffen, die unter veränderlichen
Betriebsbedingungen eine optimale Leistungsausbeute dadurch ermöglicht, daß
die Rückstellkraft an den Flügeln einstellbar ist, so daß sich
die Flügel für eine bestmögliche Leistung unter den jeweils
herrschenden Bedingungen trimmen lassen.
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Dazu wird eine Turbine des einleitend beschriebenen Typs
geschaffen, die erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, daß
die Rückstelleinrichtung mit einer kraftausübenden Einrichtung
zusammenwirkt, die eine einstellbare Kraft auf die
Rückstelleinrichtung ausübt, die während des Betriebs auf einen
zwischen Null und einem Maximalwert variierbaren Wert
einstellbar ist, so daß die Rückstellkraft an den Flügeln je
nach den momentanen Arbeitsbedingungen auf einen gewünschten
Wert einstellbar ist.
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Das Prinzip der Erfindung ist auch bei einer Turbine
anwendbar, die sich in einem von Luft verschiedenen
Strömungsmedium befindet, z.B. unter Wasser. In diesem Fall kann die
Turbine eine horizontal oder vertikal ausgerichtete Drehachse
aufweisen.
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Die Erfindung wird anhand bevorzugter Ausführungsformen
unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. In der
Zeichnung zeigen
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Fig. 1 eine schematische Perspektivansicht einer
erfindungsgemäßen dreiflügligen Turbine mit vertikaler Achse,
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Fig. 2 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Kraft- und Rückstelleinrichtung,
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Fig. 3 eine vergrößerte Ansicht der Rückstelleinrichtung
nach Fig. 2,
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Fig. 4 eine zweite Ausführungsform der Kraft- und
Rückstelleinrichtung,
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Fig. 5 eine dritte Ausführungsform der Kraft- und
Rückstelleinrichtung,
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Fig. 6 eine vierte Ausführungsform der Kraft- und
Rückstelleinrichtung,
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Fig. 7 und Fig. 8 jeweils schematisch eine Draufsicht auf
eine vierflüglige Windturbine bei verschiedenen
Windverhältnissen,
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Fig. 9 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Wasserturbine, schematisch und schräg von unten gesehen, und
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Fig. 10 eine zweite Ausführungsform einer
erfindungsgemäßen Wasserturbine aus der Perspektive.
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In den verschiedenen Figuren sind einander entsprechende
Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Wie aus der schematischen Darstellung nach Fig. 1
ersichtlich ist, weist eine Turbine eine vertikale Welle 1 auf,
die auf einer Drehachse 2 liegend befestigt ist und an der
jeweils ein oberes Halteelement 3 und ein unteres Halteelement
4 befestigt sind, mit denen drei Turbinenflügel 5 drehbar
befestigt sind, so daß die Flügel jeweils um eine parallel zu
der Turbinenachse 2 verlaufende Längsachse 6 drehbar sind, wie
aus der Zeichnung ersichtlich ist. Wie ebenfalls ersichtlich
ist, werden die Halteelemente 3, 4 von drei Paar radial
ausgerichteter Arme 7, 8 gebildet, wobei die Flügel 5 jeweils
am außenliegenden Ende der Arme befestigt sind, so daß sich die
Flügel auf einer Kreisbahn um die Turbinenachse 2 bewegen. Die
Kreisbahn bildet den Umfangskreis der Turbine. Der Schwerpunkt
der Flügel liegt in deren Drehachse 6, der Balancepunkt für den
Vortrieb der Flügel befindet sich auf oder hinter dieser Achse.
Der Fuß 9 der Turbine weist ein geeignetes Getriebe und einen
Stromgenerator auf (nicht gezeigt).
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Die Flügel 5 der Turbine sind so befestigt, daß sie
während des Betriebs vollständig um ihre Längs- bzw. Drehachse
drehbar sind. Die Flügel sind mit einer Rückstelleinrichtung
versehen, die mit einer als Einzelteil D aus Fig. 1
ersichtlichen kraftausübenden Einrichtung zusammenwirkt und die Flügel
in eine Normallage zu bewegen versucht, in der die Vorderkante
der Flügel in deren Bewegungsrichtung auf der beschriebenen
Kreisbahn zeigt. Unter Windeinfluß richten sich die Flügel mit
der Vorderkante entgegen der Windrichtung aus, solange die
kraftausübende Einrichtung keinerlei Kraftwirkung auf die
Flügel erzeugt. Die Windturbine befindet sich dann in ihrer
Stillstandsstellung. Bei Betätigen der kraftausübenden
Einrichtung werden die Flügel wieder in ihre Normallage
gedrückt, sobald von außen keine Windkraft mehr angreift.
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Aus Fig. 2 ist eine erste Ausführungsform der
kraftausübenden und der Rückstelleinrichtung ersichtlich, wobei ein
Flügel 5 mit einer Strichlinie angedeutet ist und ein Pfeil A
die Bewegungsrichtung des Flügels zeigt. Die kraftausübende
Einrichtung ist an der Unterseite des Flügels angeordnet und
weist einen Hydraulik- oder Pneumatikzylinder 10 auf, der in
dem angeschnitten dargestellten Halteelement 4 befestigt und
über eine Kolbenstange 11 mit der Flügel-Rückstelleinrichtung
verbunden ist. Letztere weist eine Nockenscheibe 12 auf, die in
der gezeigten Ausführungsform symmetrisch ist, eine im
wesentlichen herzförmige Nockenfläche 13 aufweist und mit einem
Nocken-Betätigungsglied in Form einer Rolle 14 zusammenwirkt,
die drehbar an der Kolbenstange 11 befestigt ist. Wie anhand
eines Zapfens 15 ersichtlich ist, ist die herzförmige Scheibe
12 an dem Flügel 5 festgelegt und dreht sich mit diesem um die
Drehachse 6 des Flügels.
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Aus Fig. 2 ist der Flügel 5 in seiner Normalstellung
ersichtlich, in der seine Vorderkante in die Bewegungsrichtung
zeigt und die Rolle 14 gegen den einspringenden Abschnitt der
von der herzförmigen Scheibe gebildeten Nockenfläche 13
gedrückt ist. Die Anordnung ist aus der Draufsicht in Fig. 3
als Einzelteil ersichtlich, der einspringende Abschnitt der
Nockenfläche 13 ist dabei mit 16 bezeichnet. Die Scheibe 12 ist
in einer solchen Lage an dem Flügel befestigt, daß die
Drehachse 6 des Flügels die Symmetrieachse 17 der Scheibe in
einem Punkt schneidet, der näher an dem einspringenden
Nockenflächenabschnitt 16 der Scheibe liegt als die übrigen
Punkte der Nockenfläche 13. Anders ausgedrückt: Ausgehend von
dem Punkt, in dem die Symmetrieachse 17 den einspringenden
Abschnitt 16 schneidet, nimmt der "Radius" der Scheibe zu,
wobei der Radius in einem Winkel von 180º von diesem Punkt aus
am größten ist. Daraus folgt, daß die Scheibe 12 und der Flügel
5 nur eine einzige stabile Position haben, wenn die Rolle 14
von dem Pneumatikzylinder 10 gegen die Scheibe gedrückt wird,
nämlich die beschriebene Normalstellung.
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Die Scheibe 12 kann in unterschiedlicher Form ausgeführt
sein, so daß eine gewünschte Rückstellkraft der Scheibe bezogen
auf die Auslenkung des Flügels aus der Normalstellung
realisierbar ist.
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Die Scheibe kann auch so ausgeführt sein, daß sie in ihrem
hinteren Teil einen konstanten Radius aufweist, so daß der
Flügel während einer vollen Umdrehung in einem Teil seiner
Rotationsbahn frei beweglich und von keinerlei Rückstellkraft
beeinflußt ist. Aus der Zeichnung ist eine symmetrische Scheibe
12 ersichtlich, es ist jedoch auch eine asymmetrische Scheibe
verwendbar.
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Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, ist an der Kolbenstange 11
ein Gewicht 18 angeordnet, so daß während der Bewegung des
Flügels auf seiner Bahn eine Fliehkraft auf das Gewicht wirkt.
Das Gewicht 18 wirkt auf die Rolle 14, so daß die auf die Rolle
und die Scheibe 12 wirkende Kraft von der Fliehkraft verstärkt
wird. Das hat zur Folge, daß eine höhere Windkraft auf den
Flügel wirken muß, so daß dieser aus der Normalstellung
ausgelenkt wird.
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Aus Fig. 4 ist eine Ausführungsform ersichtlich, die im
wesentlichen der aus Fig. 2 ersichtlichen Ausführungsform
entspricht, bei der jedoch anstelle des Gewichts 18 eine
Schraubenfeder 19 angeordnet ist, die gegen die Rolle 14 und
die Scheibe 12 drückt. Der Federdruck ist über die Stellung des
Kolbens (nicht gezeigt) in dem Hydraulik- oder
Pneumatikzylinder 10 einstellbar.
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Aus Fig. 5 ist eine Ausführungsform ersichtlich, die in
ihren wesentlichen Merkmalen der aus Fig. 2 ersichtlichen
Ausführungsform gleicht, bei der jedoch eine herzförmige
Nockenscheibe 20 im Vergleich zu der Nockenscheibe 12 nach Fig.
2 um 180º gedreht ist, und eine auf die Scheibe wirkende Rolle
21 bezogen auf den Hydraulik- oder Pneumatikzylinder 10 an der
"äußeren" oder entgegengesetzten Seite der Scheibe 20
angeordnet ist. Der Zylinder 10 übt hier eine Zugkraft auf die
Rolle 21 aus, so daß diese gegen die Scheibe 20 gedrückt und
der Flügel im Falle einer Auslenkung aus der Normalstellung in
diese zurückbewegt wird. Ferner ist bei dieser Ausführungsform
ein Gewicht 22 auf der Kolbenstange 11 angeordnet, auf das eine
Fliehkraft wirkt. Die Fliehkraft verringert bei dieser
Ausführungsform jedoch mit zunehmender Geschwindigkeit der
Windturbine den von der Rolle 21 gegen die Scheibe 20
ausgeübten Druck. Daraus resultiert eine Begrenzung der Anzahl
der Umdrehungen pro Minute.
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Aus Fig. 6 ist eine einfache Einrichtung ersichtlich, mit
der eine auf den Flügel 5 wirkende Rückstellkraft erzeugbar
ist. Bei dieser Ausführungsform ist ein Ende eines Kurbelarms
23 mittels eines Zapfens 24 an dem Flügel 5 befestigt, so daß
sich der Kurbelarm um die Drehachse 6 des Flügels dreht, und
das andere Ende des Kurbelarms ist mittels einer geeigneten
Kopplungseinrichtung, im dargestellten Fall einer starken
Schnur 25, mit einem Elektromagneten 26 mit beweglichem
Eisenkern (nicht gezeigt) verbunden. Der Magnet 26 übt hier
eine Zugkraft auf den Kurbelarm 23 aus und erzeugt so eine auf
den Flügel 5 wirkende Rückstellkraft. Die auf den Flügel
wirkende Rückstellkraft ist durch Einstellen des durch den
Elektromagneten fließenden Stroms einstellbar.
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Bei der erfindungsgemäßen Windturbine sind vorzugsweise
alle Flügel mit einer Kraft- und Rückstelleinrichtung gleichen
Typs ausgestattet, so daß alle Flügel auf die gleiche Weise
steuerbar sind. Es gibt natürlich viele unterschiedliche
Möglichkeiten zum Erzeugen der Rückstell-Federkraft, die anstelle
des beschriebenen hydraulischen oder pneumatischen
Stellantriebs verwendbar sind. Die Kraft kann z.B. elektromechanisch
oder auch manuell erzeugt und gesteuert werden. Die Verwendung
eines hydraulischen oder pneumatischen Stellantriebs ist jedoch
von Vorteil, da diese so ausgelegt sind, daß sie parallel
schaltbar sind und somit auf alle Flügel parallel und mit
gleicher Kraft wirken, sowie von einem zentralen Punkt aus
steuerbar sind. Die von dem Stellantrieb erzeugte Kraft ist
dann zwischen Null und einem gewünschten Maximalwert
variierbar. Die Windturbine läßt sich zum Stillstand bringen, indem
man die auf die Flügel wirkende Rückstellkraft auf Null
verringert.
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Aus Fig. 7 und Fig. 8 ist eine schematische Draufsicht
einer vierflügligen Windturbine ersichtlich, wobei jeweils die
Drehrichtung der Turbine mit einem Pfeil R und die Windrichtung
mit einem Pfeil W angegeben ist. In Fig. 7 ist die
Umfangsgeschwindigkeit der Turbine, d.h. die Bahngeschwindigkeit der
Flügel 27, viel höher als die Windgeschwindigkeit. In Fig. 8
ist hingegen die Windgeschwindigkeit viel höher als die
Umfangsgeschwindigkeit der Turbine. Einige der Flügel 27 werden
dann um eine volle Umdrehung gedreht, so daß die Vorderkante
aller Flügel im wesentlichen gegen die Windrichtung zeigt.
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Aus Fig. 9 ist eine schematisch dargestellte
erfindungsgemäße Turbine ersichtlich, die in einem fließenden Gewässer
installiert ist. Die gezeigte Turbine ist an der Unterseite
eines geeignet verankerten Schwimmers 30 befestigt, und in
diesem Fall so angeordnet, daß ihre Drehachse 31 horizontal
ausgerichtet ist. Die Turbine wird von Armen 32 gehalten, die
an der Unterseite des Schwimmers 30 befestigt sind. Die Turbine
weist drei Flügel 33 auf, die jeweils am äußeren Ende von
Haltearmen 34 drehbar um eine parallel zur Turbinenachse
liegenden Längsachse 35 befestigt sind. Ein Kegelradantrieb 36
überträgt die Rotationskraft der Turbine auf ein Getriebe 37,
das einen Generator 38 antreibt. Ansonsten entspricht die
Bauweise und Arbeitsweise der Turbine der der vorher
beschriebenen Windturbine.
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Eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen und
in einem fließenden Gewässer installierten Turbine ist aus Fig.
10 ersichtlich. Die Turbine weist eine vertikal ausgerichtete
Drehachse auf und entspricht einer auf den Kopf gestellten
Ausführungsform der oben beschriebenen Windturbine. Wie aus der
Zeichnung ersichtlich ist, arbeiten die Flügel der Turbine so,
daß ihre Vorderseite im wesentlichen nach vorn und entgegen der
Strömungsrichtung des Wassers zeigt, wobei die
Umfangsgeschwindigkeit der Flügel geringer ist als die
Strömungsgeschwindigkeit des Wassers. Wie ebenfalls ersichtlich ist, ist die
Turbine an der Unterseite einer Träger-Baugruppe in Form eines
Laufgangs oder Oberbaus 39 angeordnet, die den Stromgenerator
40 der Turbine trägt. Wie erwähnt weist die Turbine eine
vertikale Drehachse 41 auf und wird von einer nach unten
hängenden Säule 42 getragen, die an dem Oberbau 39 befestigt
ist. Die Turbine weist vier Schaufeln 43 auf, die jeweils am
äußeren Ende von Haltearmen 44 drehbar um eine Längsachse 45
befestigt sind, die parallel zur Turbinenachse 41 liegt. Auch
diese Turbine entspricht in ihren übrigen Merkmalen der Bau-
und Arbeitsweise der vorher beschriebenen Turbinen.