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Windkraftmaschinenanlage Die Erfindung bezieht sich auf 'eine Windkraftmaschinenanlage
mit quer zur Windströmung angeordneter Drehachse des mit gewölbten Flügeln versehenen
Windrades und mit einer fest angeordneten und muschelartig gebogenen Leitfläche
mit sich verjüngender Windfangtasche, deren Austrittsöffnung auf der der Windströmung
abgekehrten Seite des Flügelrades liegt. Windkraftmaschinen in Gestalt eines Flügelrades
mit bogenförmigen Flügeln, bei denen die Flügelräder auf einem Umfangsabschnitt
von etwa i8o° mit Leitwänden umgeben sind, die eine Windeintritts-und eine Windaustrittsöffnung
freilassen, sind bereits bekannt.
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Zusätzlich sind außerdem noch besondere Windkanäle auf den Umfangswänden
angeordnet, durch welche der Wind gegen weiter zurückliegende Flügel geleitet wird.
Auch hat ma;n schon gelenkige Windfangflügel vorgesehen, die auf der einen Drehungshälfte,
die sich in den Wind dreht, eine kleinere Angriffsfläche bieten als auf der anderen
Drehungsfläche, die sich mit dem Winde bewegt.
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Diesem Bekannten gegenüber besteht die Erfindung darin, daß j e eine
vollständige Windkraftmaschine in an sich bekannter Weise an den Enden eines Armkreuzes
gelagert ist, welches auf einer die Drehachse der Windräder lotrecht kreuzenden
Hauptwelle umläuft, und daß die Drehbewegung der Windradachsen durch ein Getriebe
auf eine Hauptantriebswelle übertragen wird. Ferner ist mit der auf der einen Seite
des Schaufelradgehäuses fest angeordneten, muschelartig gebogenen Leitfläche, welche
eine Windfangtasche bildet, eine ihre Fortsetzung bildende Leitfläche durch eine
Achse drehbar verbunden, und auf der anderen Seite der Eintrittsöffnung des Schaufelradgehäuses
ist an letzterem ein Leitblech durch eine Achse angelenkt. Die .beiden angelenkten
Leitflächen werden von einer fest angeordneten Hubscheibe silittels eines Gestänges
derart gesteuert, daß das zuletzt genannte Leitblech zeitweilig die Öffnung einer
zweiten auf der Seite des Leitbleches fest angeordneten Windfangtasche verschließt
und die erstgenannte Leitfläche zeitweilig sich zum größeren Teil vor die Öffnung
des festen Flügelradgehäuses legt, so daß die vom Wind beaufschlagte Fläche stark
verringert wird, solange das Flügelradgehäuse den unteren Halbkreis seines Umlaufs
um die Hauptwelle beschreibt.
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Man hat auch bereits an einem Armkr@uz durch den Magnuseffekt sich
um eine Hauptwelle drehende Flügelräder angeordnet. Von dieser Anlage unterscheidet
sich der Erfindungsgegenstand dadurch, daß bei ihm die Drehung um die Hauptwelle
nicht durch den Magnuseffekt, sondern durch ständige Änderung der vom Wind beaufschlagten
Gehäuseflächen der einzelnen Flügelräder während des Umlaufes der Gehäuse bewirkt
wird.
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Durch die gekennzeichnete Anordnung der Windkraftmaschinenanlage werden
die Windkräfte
sowohl in der Höhe .als auch in der Tiefe so vollkommen
als möglich ausgenutzt und die in die Flügelräder und in die die Räder umschließenden
Windfangtaschen eintretende Windströmung in mechanische Energie umgesetzt. Bei leichter
Bauart der Anlage werden auch leichte Winde erfaßt und dienstbar gemacht. Dadurch,
daB mehrere Flügelradgehäuse selbst wieder ein großes Flügelrad bilden, wird ein
besonders guter Wirkungsgrad .der Anlage erzielt.
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Die Zeichnung veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Abb. z zeigt eine schaubildliche Darstellung der Gesamtanlage unter
Weglassung zweier Antriebskörper des Windrades, Abb. 2 ist ein Teilschnitt in Richtung
einer Flügelradachse und der Hauptwelle des von mehreren Flügelrädern gebildeten
Windrades, Abb. 3 ist ein Schnitt nach Linie A-B der Abb. 2 in der Pfeilrichtung
gesehen.
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In der Abb. z bezeichnet z die Spitze eines turmartigen Gerüstes,
auf welchem mittels Kugelspurlagers 2 (Abb. 2) um die senkrecht gelagerte Hauptantriebswelle
3 ein gabelförmiger Lagerkörper 4 für eine waagerecht gelagerte Hauptwelle 5 .drehbar
gelagert ist. Der gabelförmige Lagerkörper 4 ist mit einer Windfahne 6 versehen,
durch welche die waagerechte Hauptwelle 5 in eine bestimmte Winkelstellung zur Windrichtung
gebracht wird. Die Hauptantriebswelle 3 steht durch ein Kegelrad 7 mit einem auf
der waagerechten Hauptwelle 5 lose sitzenden Kegelrad 8 in Antriebsverbindung, das
auf einer lose auf der Hauptwelle 5 sitzenden Lagerbüchse 9 befestigt ist. Auf der
gleichen Büchse 9 sitzt fest ein Kegelrad-ro, das einen doppelten Zahnkranz r r
und 12- besitzt. Gegenüber dem Doppelkegelrad 1o sitzt fest auf der Hauptwelle 5
ein Doppelkegelrad 13 mit den Zahnkränzen 14 und 15.
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Mit dem Zahnkranz z r kämmen vier Kegelräder 16, die auf vier rechtwinklig
zueinander und rechtwinklig zur waagerechten Hauptwelle 5 sich erstreckenden Wellen
17 sitzen und je in einer Hohlwelle 18 gelagert sind, auf deren inneren Enden Kegelräder
r9 sitzen, die mit den Kegelzahnkränzen t2 kämmen. Die Hohlwellen z8 sind in einem
Lagerkörper gelagert, der auf der Hauptwelle 5 gelagert ist und aus einem zylinderartigen
Kern 2o, 2,1
mit- radial angesetzten Armen besteht. Der zylinderartige Kern
besteht aus zwei untereinander quer verbundenen Scheiben 2o, 2,1, von welchen die
erstere auf der Hauptwelle 5, die andere 2 i auf der Lagerbüchse 9 lose drehbar
sitzt. Von dem zylinderartigen Kern 2o, 2 1 erstrecken sich kreuzweise Arme 22,
23, an welchen äußere Lagerkörper 24 für die Hohlwellen 18 befestigt sind. Jede
innere Welle 17 trägt am äußeren Ende ein fest verkeiltes Kegelrad 25, das mit einem
auf einer waagerecht gelagerten Welle 27 befestigten Kegelrad 26 kämmt, und
entsprechend trägt jede Hohlwelle 18 am äußeren Ende ein Kegelrad 28, das mit einem
Kegelrad 29 kämmt. Letzteres sitzt fest auf einer im Lagerkörper 24 gelagerten Hohlwelle
30, in der die Welle 27 gelagert ist.
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Auf jeder Hohlwelle 30 ist ein mit seinem Hauptteil in einer
waagerechten Ebene sich erstreckender Lagerkörper 31 (Abb. 3) an zwei Stellen
befestigt. Der Lagerkörper 3r besitzt einen plattenförmigen Fortsatz 32 (Abb. 2),
der sich nach vorn über das Ende der Hohlwelle 30 und der Welle 27 hinaus
erstreckt. Der plattenartige Fortsatz 32 jedes Lagerkörpers 31 ist von einer
senkrechten Welle-33 durchquert, welche mittels Kugelspurlager 34 auf der Platte
32 gelagert isi und unterhalb der Platte 32 ein undrehbar befestigtes Kegelrad 35
besitzt, das durch eine Durchbrechung 36 (Abb. 3) der Platte 32 hindurch mit einem
auf der Welle 3o befestigten Kegelrad 37 kämmt.
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Der etwa kreisförmige äußere Teil 38 des plattenförmigen Fortsatzes
32 ist gegenüber dem inneren Teil nach unten abgekröpft und mit vier etwa in radialer
Richtung vorspringenden Armen 39 versehen, an welchen Mantelbleche 4o und 41 befestigt
sind. Diese Bleche sind Segmente eines Zylindermantels, der die Welle 33 zur Achse
hat, und besitzen zur Achse parallel laufende Seitenkanten. An den oberen und unteren
Bogenkanten sind sie durch kegelförmige Haubenbleche 42 bzw. 43, durch deren Spitzen
die Welle 33 hindurchragt und geführt ist, zu einem starren Gehäuse verbunden. _
Innerhalb des Gehäuses sind oberhalb und unterhalb des rahmenartigen Lagerkörpers
3 i , 32, 38, 39 auf -der senkrechten Welle 33 je ein Flügelrad 44 bzw. 45,. je
aus zwei Kreisscheiben und je drei dazwischen angeordneten bogenförmigen Flügeln
bestehend, befestigt. Die obere Kreisscheibe des oberen Flügelrades 44 ist innerhalb
der Haube 42 und die untere Kreisscheibe des unteren Flügelrades 45 in gleicher
Weise durch dreieckige Rippen innerhalb der Haube 43 versteift, welche in gleicher
Weise wie die Radflügel gebogen sind (nicht gezeichnet).
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Der durch .die vordere Öffnung des von den Mantelblechen 40 und 41
und den Haubenblechen 42, 43 gebildeten Gehäuses gegen die Radflügel wirkende Winddruck
bewirkt eine Umdrehung der Flügelräder 44, 45 samt der Welle 33, auf welcher sie
sitzen, im Sinne des Uhrzeigers mit Bezug auf Abb.3. Die Drehung der Welle 33 wird
durch das Kegelräderpaar 35, 37 auf die waagerechte Welle 27,
weiter
durch das Kegelräderpaar 26, 2 5 auf die senkrechte Welle 17, durch das
X egelräderpaar 16, io auf die Lagerbüchse 9 und durch das Kegelräderpaar
8, 7 auf die Haupt, antriebswelle 3 übertragen. Bei vierfacher kreuzweiser Anordnung
der beschriebenen Vorrichtung wirken sämtliche Vorrichtungen im gleichen Sinne.
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Zur besseren Ausnutzung des Winddruckes in den Flügelrädern 44, 45
ist das die Räder umgebende Gehäuse in besonderer Weise ausgestaltet und angeordnet.
Auf den Außenseiten der Mantelbleche 40, 41 sind Windfangtaschen durch Anordnung
von muschelartig gebogenen Blechen 46 bzw. 47 gebildet, welche oben und unten an
die Umfangskanten der Anschlußh,auben 4a und 43 und an die oberen und unteren Kanten
der Mantelbleche 40, 41 sich anschließen und etwa in der Mitte der Höhe des Gehäuses
durch waagerechte Bleche versteift sind. Während die Vorderkante der Bleche 46 und
47 mit den Vorderkanten der Mantelbleche 40, 41 je eine weite Windeintrittsöffnung
bildet, verengern sich die Windfangtaschen nach hinten durch allmähliche Heranführung
der Bleche 46, 47 an den Drehungsraum der Flügel, so daß der Wind in den Taschen
eine Pressung erfährt. Die Hinterkanten der Bleche 46 und 47 bilden mit den Hinterkanten
der Mantelbleche 40, 41 je eine Spaltöffnung, durch welche der Winddruck gegen die
Innenseite der Radflügel wirkt,. deren äußere Kanten die hinteren Kanten der Mantelbleche
40, 41 überschritten haben. Auf diese Weise wird durch die muschelartig gebogenen
Windfangtaschen 46, 47 der an den Außenseiten der Mantelbleche 40, 41 entlang streichende
Wind aufgefangen und zur Wirkung auf die Radflügel gebracht. Fächerartig sind hinter
den Windfangtaschen 46, 47 entsprechend gestaltete Windfangbleche 48 bzw. 49 angeordnet,
welche die von ihnen aufgefangenen Windmengen durch Spaltöffnungen gegen die konkaven
Flächen der Radflügel leiten. Zwischen den beiden Fang- und Leitblechen 48, 49 befindet
sich ein den Flügelradraurn abschließendes Mantelblech 50 (Abb.2) in Gestalt eines
Zylindermantelsegmentes.
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Durch die beschriebene Anordnung des Flügelradgehäuses wird die Windströmung
soweit als möglich ausgenutzt, indem der in den Windtaschen aufgefangene und durch
die Verengung der Taschen nach hinten unter Druckspannung gebrachte Wind durch die
düsenartig wirkenden Spaltöffnungen zur Entspannung und die dabei entwickelte Strömungsenergie
gegen die Radflügel im Sinne der Umdrehung derselben zur Wirkung gebracht wird.
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Bei der Beaufschlagung der vorher beschriebenen Flügelräder 44, 45
wird außer dem durch die Drehung der Flügelräder mit ihrer Welle 33 erzeugten Drehmoment,
das durch die Getriebe 35, 37, 27, 26, 25, 17, 16, 1o, 9, 8, 7 auf die Hauptantriebswelle
3 übertragen wird, auch unmittelbar ein Drehmoinent um die waagerechte Haupttvelle
5 erzeugt, das darauf beruht, daß das Flügelradgehäuse als Windradflügel wirkt und
das durch-den Druck des Windes auf das Rotorgehäus-e während des Durchlaufens der
oberen Halbkreisbahn erzeugte Drehmoment größer ist als das entgegengesetzt gerichtete
Drehmoment, welches durch den Druck des Windes auf das Radgehäuse beim Durchlaufen
der unteren Halbkreisbahn .erzeugt wird. Dieses Drehmoment wird erfindungsgemäß
für die Verstärkung der mechanischen Arbeitsleistung des Windes dadurch ausgenutzt,
daß das ganze System mit der Büchse 9 in Triebver bindung steht und dadurch das
Drehmoment unmittelbar auf- die senkrechte Hauptantriebswelle 3 übertragen wird.
Die Verbindung, zwischen dem kreisenden Gehäuse und der Büchse 9 ist dadurch hergestellt,
daß die auf den Wellen 17, 18 sitzenden Zahnräder 16, i9 in die Zahnkränzen, 12
des mit der Büchse 9 fest verkeilten Kegelrades io eingreifen. Zu dem durch die
Drehung der Flügelräder 44, 45 um ihre eigene Achse auf die Hauptwelle 5 ausgeübten
Drehmoment tritt das in gleichem Sinne wirkende Drehmoment hinzu, das durch das
Kreisen der Flügelradgehäuse um die Hauptwelle 5 erzeugt wird. ' Das auf der Hohlwelle
3o befestigte und mittels dieser Welle im Lagerkörper 34 frei drehbar gelagerte
Flügelradgehäuse wird infolge seiner Gestaltung beim Kreisen um die Hauptwelle 5
dauernd in der Stellung gehalten,-inwelcher die Flügelradwelle 33 senkrecht zur
Hohlwelle 3o gerichtet ist. Infolgedessen führt das Gehäuse beim Kreisen um die
Hauptwelle 5, und zwar bei jedem Umlauf eine Umdrehung in entgegengesetzter Richtung
um seine Lagerachse aus, bei der es die Welle 30 mitnimmt. Diese Drehung
wird durch die Hohlwelle 3o, die Zahnräder 29, 28, die Hohlwelle 18, Zahnrad i9
und Zahnkranz 12 auf die Büchse 9 übertragen und ist im gleichen Sinne gerichtet
wie das von dem Flügelrade und vom Gehäuse bzw. durch die Drehung des Flügelrades
und des ganzen Systems auf die Hauptwelle 5 ausgeübte Drehmoment. Das Übersetzungsverhältnis
der Kegelräder 29, 28 einerseits und der Zahnkränze 15 und 12 zum Kegelrad i9 andererseits
muß das gleiche sein, weil auf einen Umlauf des Armkreuzes ein einziger Umlauf des
Gehäuses um seine Lagerachse kommt.
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Die Eigendrehung des Flügelradgehäuses um seine Lagerachse bzw. die
stetige senkrechte Stellung der Flügelradwelle 33 zur
Hauptwelle
5 wird einerseits durch die kegelförmigen Abschlußhauben, durch die dreieckige,
in der Mitte erweiterte und nach den Abschlußhauben verjüngte Gestalt der außen
auf. das zylindrischeRotorgehäuse aufgesetzten Windfangtaschen, durch die schnelle
Drehung der Flügelräder, durch die Gewichtsverteilung und andererseits durch Stabilisierungsflächen
oder Bleche, welche in zur Flügelradachse senkrechter Ebene angeordnet sind, gesichert.
Die Stabilisierungsbleche sind etwa in der Mitte in der Höhe des Gehäuses in den
Windfangtaschen angebracht und dienen gleichzeitig zur Absteifung der Außenbleche
der Windfangtaschen.
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Das muschelartige Blech 46, das die Windfangtasche an der Leeseite
des Flügelradgehäuses bildet, ist vorn durch eine Leitfläche 5 z verlängert, die
mittels einer Achse 52 drehbar gelagert ist. An der anderen Seitenkante der vorderen
Öffnung des Flügelradgehäuses ist ein an der Hauptachse ebenflächiges Leitblech
53 mittels einer Achse 54 schwenkbar am Flügelradgehäuse angelenkt.
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An der Achse 52 der Leitfläche 51 ist ein Arm 55 (Abb. 3) fest
angebracht, der durch einen Gelenkarm 56 mit dem freien Ende eines Hebels 57 gelenkig
verbunden ist. Dieser Hebel ist in dem Teil 38 des rahmenartigen Lagerkörpers
34 32 um einen senkrechten Bolzen 58 schwenkbar gelagert. In gleicher Weise ist
ein am Leitblech 53 ;befestigter Arm 59 durch eine Gelenkstange 6o mit einem um
den Bolzen 58 schwenkbaren Arm 61 gelenkig verbunden. An den Hebeln 57 bzw. 61 ist
je eine Stange 62 bzw. 63 gelenkig angeschlossen, deren rückwärtiges Ende mit dem
einen Arme eines am Lagerkörper 3 r, 32 schwenkbar gelagerten Winkelhebels 64 bzw.
8r (Abb. 2, 3) gelenkig verbunden ist, dessen anderer mit einer Laufrolle versehener
Arm die seitlich angeordnete Hubfläche einer am Lagerkörper -q. befestigten Hubscheibe
65 berührt.
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Wenn sich ein Flügelradgehäuse in der in Abb. 2 gezeichneten Stellung
senkrecht oberhalb der waagerechten Hauptwelle 5 befindet, werden durch die Wirkung
der Hubscheibe 65 mittels der Gestänge 55 .bis 57, 62 und 59 bis 61, 63 die
Leitfläche 51 und das Leitblech 53 in der in Abb. 3 gezeichneten Stellung gehalten,
in welcher die Leitfläche 51
unmittelbar an die Windfangtasche 46 sich anschließt
und sie ohne Unterbrechung verlängert und das Leitblech 53 etwa radial zur Flügelradachse
gerichtet ist und in der Windrichtung liegt. Diese Stellung behalten die beweglichen
Teile des Flügelradgehäuses während des Durchlaufens der oberen Hälfte seiner Kreisbahn
um die Hauptwelle 5 bei. Beim Übertritt in den unteren Halbkreis der Bahn des Gehäuses
um die Hauptwelle 5 erfolgt eine Umsteuerung des Gestänges durch die Hubscheibe
65 derart, daß das Leitblech 53 die Öffnung der Windfangtasche 47 verschließt und
die Leitfläche 5 r zum größeren Teil vor die Öffnung des festen Flügelradgehäuses
sich legt unter Offenlassung eines großen Eintritts- und Austrittsplatzes für den
Wind. Es wird also, wenn das Flügelradgehäuse den unteren Halbkreis der Drehung
um die Hauptwelle 5 beschreibt, die vom Wind beaufschlagte Fläche stark verringert
und entsprechend natürlich auch der gegen die Umdrehung des Flügelradgehäuses gerichtete
Winddruck.
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Die Leitfläche5i der Windfangtasche46 und das schwenkbare Leitblech
53 sind etwa in der Mitte ihrer Höhe bzw. in Höhe der Hohlwelle 3o durch einen waagerechten
Schlitz unterbrochen, und in den Schlitzen führt sich ein in waagerechter Ebene
sich erstreckendes Blech 66 von Sichelform, das mit der Spitze durch den Schlitz
des Leitbleches 53 hindurchragt. An der Spitze des Bleches 66 ist bei 67 einArm68
angelenkt, der bei 69 seinen festen Drehpunkt hat. Ein Fortsatz des Armes 68 ist
durch eine Gelenkstange 7o mit einem Arm 71 gelenkig verbunden, der um den Bolzen
58 schwenkbar gelagert ist. An dem Arm 71 ist eine Stange 72 angelenkt, deren anderes
Ende mit dem einen Arm eines an dem Lagerkörper 31 angelenkten Winkelhebels 73 gelenkig
verbunden ist. Die Rolle des Winkelhebels 73 läuft auf einer kreisförmigen Hubbahn
der am Lagerkörper 24. befestigten Hubscheibe 65, welche die Stellung und Bewegung
der Spitze des sichelförmigen Bleches 66 im Verlaufe der Drehung des Flügelradgehäuses
um die Achse der Welle 30 und um die Hauptwelle 5 steuert.
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Das andere Ende des sichelförmigen Bleches 66 ist bei 74 durch einen
Arm75 von gleicher Länge wie .der Arm 68 an einen an der Windfangtasche ¢6 befestigten
Bolzen 76 angelenkt. Der Arm 75 ist durch eine Gelenkstange 77 mit dem freien Ende
eines um den Bolzen 58 schwenkbaren Armes 78 gelenkig verbunden. Der Arm 78 ist
durch eine Stange; 9 mit dem einen Arm eines am Lagerkörper 31 angelenkten Winkelhebels
8o gelenkig verbunden, dessen Rolle auf einer Kreishubbahn der Hubscheibe 65 läuft.
Diese Hubbahn steuert somit die Bewegung des stumpfen Endes des Sichelbleches 66.
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Das Sichelblech 66 dient zur Ausnutzung des Auftriebswindes für die
Drehung des ganzen Gehäuses um die Hauptwelle 5. In der gleichen Weise wie die Leitfläche
51 und das Leitblech 53 beim Übergang von der oberen Hälfte der Kreisbahn des Gehäuses
in die untere und umgekehrt durch den Kurvenhubkörper
65 umgesteuert
werden, wird das Blech 66 beim Übergang von der linken Hälfte der Kreisbahn in die
rechte und umgekehrt durch die Hubscheibe 65 umgesteuert, derart, daß in der Kreisbahnhälfte,
in welcher der Auftriebwind gegen die Unterseite des Bleches 66 im Sinne der Drehung
des Gehäuses wirkt, das Blech 66 die in Abb. 3 gezeichnete Stellung einnimmt und
in der anderen Kreisbahn hälfte, in welcher der Auftriebwind der Drehung entgegenwirkt;
das Blech 66 soweit als möglich an den Drehungsraum der Flügelräder 44, 45 herangezogen
wird, wodurch die vom Auftriebwind beaufschlagte Fläche des Bleches 66 stark verkleinert
wird.
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Die beschriebene Windkraftmaschine kann wahlweise entweder derart
betrieben werden, daß das Armkreuz 2o bis 24 mit den Hohlwellen 30 und den
Flügelradgehäusen um die Hauptwelle 5 umläuft oder derart, daß das Armkreuz auf
der Hauptwelle 5 feststeht und nur die Wirkung der Flügelräder auf die Hauptantriebswelle
3 übertragen wird. Es bedarf hierzu nur einer Einrichtung, um nach Belieben den
Nebenkörper :2o, 21 in Bezug auf die Hauptwelle 5 zu verriegeln oder frei zu machen.