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1. (WO1980000733) MOTEUR A VENT
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WINDKRAFTMASCHINE

Die Erfindung betrifft eine Windkraftmaschine mit
senkrechter Drehwelle und mit gemeinsam mit dieser
umlaufenden Flügeln mit einem Tragflächenprofil,
welches inbezug auf die Umlaufbahn etwa tangential
angeordnet ist.

Derartige Windkraftmasfchinen sind als Darrieus-Rotoren (US-PS 1A 835018) bekannt und haben gegenüber reinen
Widerstandsläufern, die den Winddruck unmittelbar in ein Drehmoment umsetzen, eine Reihe von Vorteilen.
Im Gegensatz zu den Widerstandsläufern, die von jeder ganzen Umdrehung die Hälfte gegen den Wind laufen, ist das von einem Darrieus -Rotor abgegebene Drehmoment bei einem Umlauf um 36O nur während zweier sehr kurzer
Phasen negativ, nämlich dann, wenn sich die Flügel
parallel zum Wind befinden.Während der gesamten übrigen Umlaufbahn gibt der Darrieus-Rotor ein positives Moment ab aufgrund von Auftriebskräften, die am Tragflächenprofil der Flügel wirksam werden.

Außerdem hat der Darrieus-Rotor den Vorteil einer
relativ hohen Drehzahl; die Umfangsgeschwindigkeit
seiner Flügel ist nämlich größer als die Windgeschwindigkeit. Ein weiterer wesentlicher Vorteil besteht darin, daß bei Sturm nur relativ geringe Kräfte für das Bremsen bzw. Festhalten der Flügel erforderlich sind und bei stillstehenden Flügeln der Sturm die gesamte Konstruktion nur wenig beansprucht.

Ein Nachteil des Darrieus-Rotors besteht aber in einer schlechten Kennlinie, d.h., solche Windkraftmaschinen geben nur in einem kleinen Drehzahlbereich die maximale Leistung ab. Bei Drehzahlschwankungen infolge ungleichmäßiger Windgeschwindigkeiten bzw. Belastungen wird die bei einer bestimmten Windgeschwindigkeit theoretisch mögliche Leistung daher nicht erreicht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Windkraftmaschine nach dem Prinzip des Darrieus-Rotors mit einer verbesserten Kennlinie, d.h., mit einem größeren nutzbaren'Drehzahlbereich zu schaffen.

Diese Aufgabe wird bei einer Windkraftmaschine der eingangs erwähnten Art dadurch gelöst, daß neben jedem Flügel in einem Abstand in der Größenordnung der
Flügeltiefe mindestens ein etwa gleich großer paralleler Flügel angeordnet ist. Dadurch wird eine aerodynamische Verbesserung erreicht, die zu einer höheren Leistung der Windkraftmaschine insbesondere beim Hochlaufen auf eine größere Drehzahl führt. Die parallele Anordnung der Flügel ermöglicht deren Verbindung mittels radialer Streben. Dadurch ergibt sich eine Verbesserung der
Festigkeit, wodurch wenigerAbstützungen benötigt
werden und Verluste aufgrund deren Luftwiderstands entfallen.

Vorteilhaft sind je zwei parallele Flügel nebeneinander und in der Drehrichtung unversetzt angeordnet.
Bei einer anderen Ausfuhrungsforra der erfindungsgemäßen Windkraftmaschine sind die parallelen Flügel in der Drehrichtung gegeneinander versetzt angeordnet. Es ist auch möglich, drei parallele Flügel nebeneinander anzuordnen, wobei der mittlere Flügel gegenüber den beiden äußeren Flügeln in der Drehrichtung nach vorne versetzt sein kann .

Es können im weiteren alle Flügel in an sich bekannter Weise dasselbe symmetrische Tragflächenprofil haben.

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt
Fig.1 schematisch ein Ausführungsbeispiel einer
erfindungsgemäßen Windkraftmaschine,
Fig.2 die Wirkungsweise eines Darrieus-Rotors anhand
einer Vektor-Darstellung,
Fig.3 dieses Vektor-Diagramm in einer bestimmten Drehstellung eines Flügels und
Fig.4 das Profil zweier miteinander verbundener Flügel
einer erfindungsgemäßen Windkraftmaschine.
Die in Fig.l dargestellte Windkraftmaschine hat eine senkrechte Drehwelle 1, welche auf einen in der Zeichnung nicht sichtbaren Generator treibt und mit der Drehwelle 1 über radiale Strebefti 2 verbundene senkrechte Flügel 3.
Die Flügel 3 haben ein Tragflächenprofil, welches in
Bezug auf die Umlaufbahn 4 etwa tangential angeordnet ist.Es sind drei Flügel 3 Abständen von je 120 über die Umlaufbahn 4 verteilt angeordnet.

Es ist neben jedem Flügel 3 in einem weiter unten näher erläuterten Abstand ein etwa gleich großer paralleler Flügel 5 angeordnet; es ergeben sich somit drei Gruppen von je zwei parallelen Flügeln 3, 5. Die Flügel 3, 5 sind in der Drehrichtung unversetzt angeordnet.

Im übrigen ist in Fig.1 die Drehrichtung der Maschine durch einen Pfeil rund um die Drehwelle 1 und die
Windrichtung durch einen Pfeil v angedeutet.

Die Vektor-Darstellung der Fig.2 veranschaulicht das
Prinzip des Darrieus-Rotors. In Fig.2 sind für den in Fig.l links unten befindlichen Flügel 3 die Luftrelativ geschwindigkeit aufgrund der Umfangsgeschwindigkeit (-u) und die Windgeschwindigkeit (v) eingezeichnet.
Die Summe aus (-u) und (v) ergibt (w), das ist die
Geschwindigkeit derjenigen Luftströmung, die den in der Richtung von (-u) befindlichen Flügel 3 anströmt. Diese Luftströmung erzeugt am Flügel 3 die Auftriebskraft A, die senkrecht zu (w) ist. Die Auftriebskraft A bewirkt ein Moment um die Drehachse 1, das umso größer ist je größer der Winkelαzwischen der Richtung der Auftriebskraft A und der Radialrichtung (Strebe 2) ist. DieserWinkelαist gleich groß wie der ebenso mit α bezeichnete Winkel zwischen (-u) und (w). Die Auftriebskraft A ändert sich also mit der Drehstellung des
Flügels 3. Sie ist null, wenn der Winkel α null ist, also wenn sich der Flügel 3 parallel zur Windrichtung (v) befindet. Sie ist am größten , wenn - wie in Fig.3 eingezeichnet - der Winkel zwischen (v) und (w) 90 beträgt und der Winkelαden größten Wert hat.

In dieser Drehstellung - nahe derjenigen Stelle, wo die Radialrichtung (Strebe 2) mit der Windrichtung (v) zusammenfällt - besteht allerdings die Gefahr eines Leistungsverlustes durch Ablösen der Strömung vom
Profil des Flügels 3. Der Wertαdarf einen bestimmten Grenzwert nicht überschreiten, wenn die den Auftrieb A bewirkende Strömung nicht abreißen soll. Die Überschreitung dieses Grenzwertes ist jedoch dann nicht zu verhindern, wenn das Verhältnis der Absolutwerte von (-u) und (v) zu klein wird, d.h., wenn (-u) bei gegebener Größe von (v) zu klein oder (v) bei gegebener Größe von (-u) zu groß wird. Diese Situation ist beim Anfahren des Darrieus-Rotors - dieser benötigt eine Anlaufhilfe, weil sonst keine ausreichend große Auftriebskraft A zustande kommt - aber auch dann unvermeidlich, wenn die Windgeschwindigkeit (v) plötzlich zunimmt.

Hier setzt nun die Erfindung ein : Der dem Flügel 3
gemäß Fig. 1 zugeordnete Flügel 5 bewirkt eine Vergrößerung des maximalen Grenzwertes für den Winkelα; d.h., die Strömung zwischen den beiden Flügeln 3, 5 reißt nicht so schnell ab, wie wenn nur ein Flügel 3 vorhanden wäre. Der nutzbare Drehzahlbereich der Windkraftmaschine
wird also vergrößert und es kann eine größere Leistung abgegeben werden.

Fig.4 zeigt das Profil der miteinander verbundenen
Flügel 3, 5 in einem größeren Maßstab. Man sieht, daß beide Flügel dasselbe symmetrische Tragflächenprofil haben. Man sieht auch, daß der Abstand der Flügel a
etwa die Größenordnung der Flügeltiefe t hat bzw. daß a beim dargestellten Ausführungsbeispiel etwas kleiner als t ist. Zwei radiale Streben, welche die Flügel 3 und 5 verbinden, sind in Fig. 4 mit 6 bzw. 7 bezeichnet.