• 专利附录
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  • 法律状态
  • 优先权
    • 专利摘要:

    公开号:WO1986005846A1
    申请号:PCT/EP1986/000190
    申请日:1986-03-27
    公开日:1986-10-09
    发明作者:Michael Martin
    申请人:Herter Rotor Gmbh；
    IPC主号:F03D7-00
    专利说明:
    [0001] Windenergiekonverter
    [0002] Die Erfindung betrifft einen Windenergiekonverter mit einem Rotor mit senkrechter Drehachse und mit mindestens einem angenähert senkrechten Vortriebsflügel, der jeweils an mindestens einem Rotorarm um eine angenähert senkrecht Schwenkachse frei schwenkbar gelagert ist, und mit einer mit dem Vortriebsflügel starr verbundenen, in Drehrichtun vor diesem angeordneten Ausgleichsmasse.
    [0003] Windenergiekonverter mit senkrechter Rotordrehachse sind in zahlreichen Ausführungsformen bekannt. Sie bieten den Vorteil, daß sie von der Windrichtung unabhänqiq sind un daher mit verhältnismäßig geringem Bauaufwand ausgeführt werden können, da keine Verstellung bei einer Windrichtu änderung erforderlich ist. Ein grundsätzlicher Nachteil artiger Windenergiekonverter besteht darin, daß sich der Anblaswinkel des Vortriebflügels während jeder Rotorum¬ drehung zwischen einem größten und einem kleinsten Wert kontinuierlich ändert. Diese Änderunq des Anblaswinkels nimmt mit niedrigeren Schnellaufzahlen zu. Die Schnell- laufzahl ist das Verhältnis der Windgeschwindigkeit zu der Umfangsgeschwindigkeit des Rotors.
    [0004] Mechanische oder sonstige Zwangssteuerungen, die den An¬ stellwinkel der Vortriebsflügel bei jeder RotorUmdrehung zur Anpassung an den Anblaswinkel verändern, sind mecha¬ nisch sehr aufwendig und benötigen verhältnismäßig viel Energie; außerdem muß bei dieser Steuerung die jeweilige Windrichtung berücksichtigt werden.
    [0005] Eine starre Anbringung der Vortriebsflügel an den Rotor- armen und somit der Verzicht auf eine Anpassung des
    [0006] Anstellwinkels an den sich ändernden Anblaswinkel führt zu einer erheblichen Verringerung des Wirkungsgrades des Windenergiekonverters, da eine größtmögliche Vortriebs¬ kraft am Vortriebsflügel nur erreicht werden kann, wenn der Anstellwinkel den für den jeweiligen augenblicklichen Anblaswinkel optimalen Wert einnimmt. Asymmetrische Flü¬ gelprofile, die eine höhere Vortriebskraft und damit eine besseren Wirkungsgrad des Rotors ergeben, können im Berei kleiner Schnellaufzahlen nicht verwendet werden, weil bei der großen Anblaswinkeländerung die Strömung vollständig abreißen würde. Deshalb konnten in diesen Bereichen bis¬ her nur symmetrische Flügelprofile verwendet werden, die jedoch einen schlechten Wirkungsgrad haben. Auch bei die¬ sen besteht im Bereich kleiner bis mittlerer Schnellauf- zahlen noch der Nachteil, daß die Änderung des Anblas¬ winkels zumindest teilweise zu einem Ablösen der Strömun und somit zu einem erhöhten Strömungswiderstand bei teil weise wegfallenden Vortrieb führt, wodurch der Gesamt¬ wirkungsgrad des Windenergiekonverters erheblich herab- gesetzt wird.
    [0007] Bei einem bekannten Windenergiekonverter der eingangs ge nannten Gattung (DE-AS 26 02 380) sind die Vortriebsflüg frei schwenkbar am Rotorarm gelagert, damit sie sich bei jeder RotorUmdrehung auf den sich ständig ändernden An¬ blaswinkel einstellen können. Da die Schwenkachse des Vortriebflügels etwa an der Flügelvorderkante und somit vor dem Massenschwerpunkt des Flügels liegt, ist eine Ausgleichsmasse vor der Schwenkachse vorgesehen, die den Fliehkrafteinfluß aufhebt; die Schwenkachse liegt im Gesamtmassenschwerpunkt des aus dem Vortriebflügel und der Ausgleichsmasse bestehenden Körpers.
    [0008] Bei diesem bekannten Windenergiekonverter bleibt die von der Drehzahl abhängige Fliehkraft somit ohne Ein¬ fluß auf den Anstellwinkel des Vortriebsflügels; der . Anstellwinkel stellt sich nur unter der Wirkung der angreifenden Strömungskräfte auf einen Wert ein, der jedoch keine optimale Vortriebskraft und somit keinen günstigen Wirkungsgrad ergibt. Deshalb können die Vor¬ triebsflügel dieses bekannten Windenergiekonverters auch nur mit symmetrischem Flügelprofil ausgeführt werden, wodurch sich ebenfalls ein sehr ungünstiger Wirkungsgrad ergibt.
    [0009] Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Windenergie¬ konverter der eingangs genannten Gattung so auszubilden, daß ein Selbstanlauf gewährleistet ist und daß ein gün¬ stiger Wirkungsgrad insbesondere bei kleinen und mittle ren Schnellaufzahlen erreicht wird.
    [0010] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Vortriebsflügel ein asymmetrisches Tragflügelprofil aufweist und daß der Gesamtmassenschwerpunkt des aus dem Vortriebsflügel und der Ausgleichsmasse bestehenden Körpers in Drehrichtung vor der Schwenkachse liegt.
    [0011] Die Verlagerung des Gesamtmassenschwerpunktes vor die Schwenkachse führt dazu, daß der Vortriebsflügel mit zunehmender Drehzahl einen größeren Anstellwinkel ein¬ zunehmen sucht. Den durch die Fliehkrafteinwirkung bei erhöhter Drehzahl auftretenden Kräfte wirken die Strö¬ mungskräfte entgegen; bei einem Kräftegleichgewicht nimmt der Vortriebsflügel für jeden augenblicklichen Anblaswinkel den jeweils günstigsten Anstellwinkel ein. Dadurch und durch die jetzt mögliche Verwendung eines asymmetrischen Tragflügelprofils wird eine wesentliche Steigerung des Wirkungsgrades erreicht.
    [0012] Die am asymmetrischen Tragflügelprofil angreifende Auf- triebskraft und das aerodynamische Moment sind im Bereich anliegender Strömung vom Anblaswinkel linear abhängig. Zugleich greift an dem Vortriebsflügel eine Fliehkraft an. Da der Auftrieb, das Flügelmoment und die Fliehkraft von den jedweiligen Geschwindigkeiten quadratisch abhän- gen, läßt sich bei jeder Geschwindigkeit und somit bei jedem während des Umlaufs vorkommenden Anblaswinkel ein Gleichgewicht erzielen, das durch die Verlagerung der Ausgleichsmasse noch beeinflußt werden kann. Auch im Bereich mittlerer bis kleiner Schnellaufzahlen wird ein Ablösen der Strömung zuverlässig dadurch vermieden, daß der Anstellwinkel den jeweiligen Anblasverhältnissen nachgefahren wird. Erst dadurch wird es möglich, asym¬ metrische Tragflügelprofile zu verwenden, die gegenüber symmetrischen Profilen einen deutlichen Leistungsgewinn aufweisen, da wesentlich höhere Auf riebsbeiwerte bei gleichen Anblaswinkeln erreicht werden.
    [0013] Die Verwendung von asymmetrischen Flügelprofilen für die Vortriebsflügel von Windenergiekonvertern ist zwar be- kannt (DE-OS 28 16 026); jedoch sind diese Vortriebsflügel starr an den Rotorarmen befestigt und ermöglichen deshalb keine Anpassung an den sich ändernden Anblaswinkel. Des¬ halb wird bei diesem bekannten Windenergiekonverter auch nur ein sehr spezielles Flügelprofil vorgesehen, das gegen Änderungen des Anblaswinkels weniger empfindlich ist, dessen Wirkungsgrad jedoch schlecht ist.
    [0014] Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Erfindungs- gedankens ist vorgesehen, daß der Gesamtsσhwerpunkt höchstens um 20 % der mittleren Flügeltiefe vor der Schwenkachse liegt.
    [0015] Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungsgedan kens sind Gegenstand weiterer Unteransprüche.
    [0016] Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungs¬ beispiel näher erläutert, das in der Zeichnung darge- stellt ist. Es zeigt:
    [0017] Fig. 1 in räumlicher, vereinfachter Darstellungsweise einen Windenergiekonverter, Fig. 2 einen vergrößerten Schnitt längs der Linie II - II in Fig. 1 und
    [0018] Fig. 3 einen Schnitt längs der Linie III - III in Fig
    [0019] Der in Fig. 1 gezeigte Windenergiekonverter trägt an ein Mast 1 einen Rotor 2 mit senkrechter Drehachse, der bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel zwei waagrechte R arme 3 aufweist, an deren Ende jeweils ein Vortriebsflü 4 angebracht ist.
    [0020] Der Vortriebsflügel 4 (Fig. 2) , der in jeder herkömmlic Bauweise ausgeführt sein kann, beispielsweise aus Kunst Faserverbund, Metall- oder Holzbauweise, ist senkrecht geordnet und ist in der Mitte an einer senkrechten Lage welle 5, schwenkbar gelagert, die mit dem Rotorarm 3 mit - 6 -
    [0021] einer Schraube 6 verbunden ist (Fig. 3) . Die Lagerwelle ist an ihren beiden Enden jeweils an einer Krafteinlei¬ tungsrippe 7 des Vortriebsflügels 4 gelagert.* Die dadurc gebildete Schwenkachse 8 liegt angenähert an der Flügel¬ vorderkante des Vortriebsflügels 4. Die freie Schwenkbar keit des Vortriebsflügels 4 um die Schwenkachse 8 wird nur durch Anschläge 9 begrenzt, die in einem Winkelab¬ stand von etwa 30°beiderseits des Befestigungsendes des Rotorarms 3 angeordnet sind.
    [0022] In einer vor der Flügelvorderkante vorspringenden Flügel nase 10 ist eine mit dem Vortriebsflügel 4 starr verbun¬ dene Ausgleichsmasse 11 angeordnet, die dafür sorgt, daß der (in Fig. 2 hervorgehobene) Gesamtmassenschwerpunkt 1 des aus dem Vortriebsflügel 4 und der Ausgleichsmasse 11 bestehenden Körpers in Drehrichtung des Rotors 2 vor der Schwenkachse 8 liegt.
    [0023] Die Größe und der wirksame Hebelarm der Ausgleichsmasse werden so gewählt, daß der Abstand des Gesamtmassenschwe punktes 12 zu der Schwenkachse 8 höchstens 20% der mittl ren Flügeltiefe des Vortriebsflügels 4 beträgt.
    [0024] Wie man aus Fig. 2 erkennt, hat der Vortriebs lügel 4 ein asymmetrisches Tragflügelprofil, dessen Vortriebs¬ wirkungsgrad besonders günstig ist. Am Übergang vom Roto arm 3 zu der Verkleidung der vorspringenden Flügelnase 1 bzw. zum Vortriebsflügel 4 ist zweckmäßigerweise eine elastische Schlitzverkleidung 13 vorgesehen.
    [0025] Der Rotor 2 kann mit einer beliebigen Anzahl von Vortrie flügeln 4 und Rotorarmen 3 ausgeführt werden, beispiels¬ weise auch als Einflügelrotor. Auch bei kleinen Windge- schwindigkeiten läuft der Rotor 2 ohne Antriebshilfe selbst an. Es versteht sich, daß die Gesamtmasse des Vortriebsflügeis 4 mit der Ausgleichsmasse 11 zur Ver¬ meidung von zu großen dynamischen Massenkräften möglichst gering gehalten werden soll. Die einfache Veränderung der Lage der Ausgleichsmasse 11 ermöglicht eine optimale Anpassung an die Eigenschaften der jeweils verwendeten Flügelform.
    [0026] Die Schwenkachse 8 kann angenähert in oder kurz hinter der Flügelvorderkante liegen. Je nach der Flügelform (z.B. negativ oder positiv gepfeilt) kann die Schwenk¬ achse 8 in mittlerer Höhe des Vortriebsflügels 4 auch vor oder weiter hinter der Flügelvorderkante liegen.
    权利要求:
    Claims

    Windenergiekonverter
    P a t e n t a n s p r ü c h e
    1 , Windenergiekonverter mit einem Rotor mit senkrechter Drehachse und mit mindestens einem angenähert senk¬ rechten Vortriebsflügel, der jeweils an mindestens einem Rotorarm um eine angenähert senkrechte Schwenk- achse frei schwenkbar gelagert ist, und mit einer mit dem Vortriebsflügel starr verbundenen, in Drehrichtung vor diesem angeordneten Ausgleichsmasse, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß der Vortriebsflügel (4) ein asymmet¬ risches Tragflügelprofil aufweist und daß der Gesamt- massenschwerpunkt (12) des aus dem Vortriebsflügel (4) und der Ausgleichsmasse (11) bestehenden Körpers in Drehrichtung vor der Schwenkachse (8) liegt.
    2. Windenergiekonverter nach Anspruch 1 , dadurch gekenn- zeichnet, daß der Gesamtmassenschwerpunkt (12) höch¬ stens um 20% der mittleren Flügeltiefe vor der Schwenk achse (8) liegt.
    3. Windenergiekonverter nach Anspruch 1, dadurch gekenn- zeichnet, daß für den Vortriebsflügel (4) eine mecha¬ nische Schwenkwinkelbegrenzung (9) vorgesehen ist.
    4. Windenergiekonverter nach Anspruch 1 , dadurch gekenn¬ zeichnet, daß die Ausgleichsmasse (11) in einer vor de Flügelvorderkante vorspringenden Flügelnase (10) unter gebracht ist.
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