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Dokumentenidentifikation DE19529096A1 14.03.1996
Titel Kegelförmige Windkraftanlage mit Grenzschicht-Teilung
Anmelder Frohnert, Alfred, 48531 Nordhorn, DE
Erfinder Frohnert, Alfred, 48531 Nordhorn, DE
DE-Anmeldedatum 08.08.1995
DE-Aktenzeichen 19529096
Offenlegungstag 14.03.1996
Veröffentlichungstag im Patentblatt 14.03.1996
IPC-Hauptklasse F03D 7/00
IPC-Nebenklasse F03D 11/00   
Zusammenfassung In der kegelförmigen Ummantelung einer Windturbine wird die Grenzschicht zweimal geteilt: Der Turbinenschacht-Luftstrom wird infolge Strömungsweg-Verlängerung gegenüber dem Turbinen-Mantel-Luftstrom beschleunigt. Der Sogabriß wird mit dem fliehkraftgeregelten Innen-Luftstrom verhindert, dessen Volumen mit der beweglichen Kegelspitze durch fliehkraftbetätigte Hebel bemessen ist.

Beschreibung[de]

Bei Kleinanlagen mit einem Durchmesser bis etwa 5 m ist der Repeller-Rotor wegen seiner schlechten Anlauf-Eigenschaften im Binnenland nur sehr bedingt einsatzfähig. Andererseits ergeben Ausführungen mit vielflügeligen Rotoren, z. B. die Western-Rotoren, nicht nur Vorteile wegen deren gutem Anlaufverhalten, sie beinhalten zugleich den Nachteil des schlechten Wirkungsgrades bei großen Windstärken. In der Windkrafttechnik werden für Klein-Anlagen deshalb Turbinen mit Kegel-Abdeckungen benutzt, um den Luftstrom aus der Mitte an den Rand zu den Flügeln zu leiten, der dadurch komprimiert und deshalb leistungsfähiger wird. Um den Luftstau bei größeren Windgeschwindigkeiten und damit eine Leistungsminderung weitgehend zu vermeiden, sind bisher einige technische Vorrichtungen erdacht worden. In DE-OS 38 36 325 z. B. sind auf die Turbinenummantelung mehrere hohle Flügel gesetzt, die Luft aus dem Bereich der Turbinen-Innenflügel absaugen. Dazu ist der Kegel mit einem Abstand vor die Turbine gesetzt, so daß die Luft bei einem plötzlichen Druckanstieg (Böen) zur Mitte ausweisen kann. Nachteilig könnte bei dieser Anordnung die Vermischung der Grenzschicht-Luft vor und hinter den Turbinenflügeln sein, d. h., die Luft, die zur Mitte der Turbine ausweicht, kann ungeregelt hinter die Turbinenflügel gelanten und damit den Sog anderen Saugseite unterbrechen.

Es stellt sich die erfindungsgemäße Aufgabe, diese ungeregelten Luftströmungen zu vermeiden:

Die Turbinenflügel werden peripher, Fig. 1 (3), und axial umwandelt. Dieser axiale Mantel wird mit dem Kegelmantel verbunden, Fig. 1 (2). Die von der Kegelspitze zur Kegelgrundfläche strömende Luftschicht wird dabei komprimiert und teilt sich im Bereich der Turbinenflügel, Fig. 1 (1). Der Teil, der in die Turbinenflügel strömt, legt einen längeren Weg zurück und bekommt deshalb eine höhere Geschwindigkeit, Fig. 1 (4), als die außen um die Turbine strömende Luftschicht, Fig. 1 (5), wo sich hinter der Turbine die zuvor geteilten Luftschichten vereinen und gemeinsam abströmen. Weil aber hinter der Turbine die Luft verdünnt ist und deshalb Wirbel entstehen könnten, muß zur Vermeidung dieser Gegenströmungen (hinter der Turbine in Richtung Kegelspitze) Luft zugeführt werden, in diesem Fall von der Kegelspitze aus, Fig. 1 (6). Einfach die Kegelspitze abzunehmen, wäre nicht zweckmäßig, denn diese wird für das "Aufdrehen" der Luft benötigt. Außerdem sind die Regelmöglichkeiten dieser Öffnung konstruktiv aufwendig. Die erfindungsmäßig beste Möglichkeit besteht in der Teilung des Kegels, Fig. 1 (7), mit dem Vorteil, daß diese Öffnung drehzahlabhängig mit Hilfe der Fliehkraft regelbar ist, wobei diese Konstruktion einfach auszuführen ist und zuverlässig funktioniert. Zu diesem Zweck wird die Kegelspitze beweglich auf der Horizontalachse gelagert, so daß sie sich darauf vor- und zurückschieben läßt, Fig. 2 (8). Gestänge halten die Kegelspitze fest und verhindern unwillkürliche Bewegungen: Haltearme, Fig. 2 (9), sind fest auf der Achse angebracht. (Die Zeichnung zeigt nur eine Anordnung. Zur Vermeidung der Unwucht sollten mindestens zwei Hebelanordnungen angebracht werden, wenn nicht ein Gegengewicht verwendet wird.) Die Fliehkraft richtet die Winkel-Hebelarme mehr oder weniger auf, Fig. 2 (10), und regelt die Größe der Öffnung zwischen Kegelspitze und Kegelstumpf, Fig. 2 (11). Federn (nicht gezeigt) regulieren die Bewegungen besonders bei geringer Drehzahl. Platz für den Einbau aller Konstruktionsteile ist in der Kegelspitze genügend vorhanden. Behindert wird dort auch der Luftstrom nicht, der sich auch nicht mit dem Luftstrom des Turbinen-Schachtes mischen kann, sondern nur hinter die Turbine gelangen kann, Fig. 1 (6). Da der Luftstrom aus der Kegelspitze in Abhängigkeit der Drehzahl (die wiederum von der Windgeschwindigkeit abhängt), volumengeregelt ist, wird ein Sogabriß an der Saugseite der Turbinenflügel vermieden, so daß die erfindungsmäßige Aufgabe damit erfüllt ist.


Anspruch[de]
  1. Kegelförmige Windkraftanlage mit Grenzschicht-Teilung, dadurch gekennzeichnet, daß
    1. 1. vor eine Turbine gesetzter Kegel auf etwa der Hälfte der Länge seiner Seitenfläche durchtrennt ist. Der vordere Kegelteil wird auf der Horizontalachse in einer Ebene beweglich vor und zurück in Richtung Kegelspitze-Kegelgrundfläche (Fig. 2 (8)) angebracht und mit Gestänge und Hebelarmen mit diesem verbunden (Fig. 2 (9 und 10). Die Fliehkraft verändert drehzahlabhängig die Lage der Hebelarme und damit die Öffnung zwischen Kegelspitze und Kegelstumpf (Fig. 2 (11));
    2. 2. der Bereich zwischen Turbinenflügeln und Kegelstumpf so ausgestaltet ist, daß die in die Turbinenflügel (Fig. 1 (1)) strömende Luftschicht einen längeren Weg (Fig. 1 (4)) zurücklegt als die außen über den Turbinenmantel (Fig. 1 (5)) strömende Luft und deshalb eine höhere Geschwindigkeit erhält. Die für die Abflußenergie notwendige Luftmenge strömt drehzahlabhängig durch die fliehkraftgesteuerte Öffnung in der Kegelmitte (Fig. 1 (6)), ohne den Bereich der Turbinenflügel direkt zu berühren.






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