DE577917C

DE577917C - Mit einem elektrischen Stromerzeuger gekuppeltes Windrad

Info

Publication number: DE577917C
Application number: DES81681D
Authority: DE
Original assignee: LEBLANC VICKERS MAURICE SA
Current assignee: LEBLANC VICKERS MAURICE SA
Priority date: 1927-06-27
Filing date: 1927-09-18
Publication date: 1933-06-07
Also published as: FR636615A; NL24839C; GB292953A; US1820529A

Description

in Paris

Die Erfindung bezieht sich auf Windräder zum Antrieb elektrischer Stromerzeuger mit wenigen schmalen Flügeln von Stromlinienprofil mit guter Gleitzahl, die so lang be-S messen sind, daß ihre Umfangsgeschwindigkeit bei der vorgesehenen mittleren Windstärke mindestens das Achtfache der Windgeschwindigkeit beträgt und - deren gesamte Fläche, senkrecht zur Drehungsachse gemessen, nicht größer als ¹Z₁₅ der bestrichenen Fläche ist.

Bei Windrädern, also auch bei denen der vorstehend gekennzeichneten Art, die an sich nicht den Gegenstand der Erfindung bilden, besteht die Schwierigkeit, daß die Geschwindigkeit des antreibenden Windes in sehr weiten Grenzen schwankt und infolgedessen bei großen Windstärken die Gefahr eines zu schnellen Umlaufens (Durchgehens) der von dem Luftmotor angetriebenen Stromerzeugungsmaschine auftritt.

Um diesem Mißstand, abzuhelfen, muß Vorsorge getroffen werden, daß die Umlaufgeschwindigkeit des Windrades nicht über einen Wert hinausgehen kann, der einer normalen Drehzahl der angetriebenen Dynamomaschine entspricht. Diese Aufgabe konnte bisher nur durch besondere mit dem Windrad verbundene Hilfsvorrichtungen gelöst werden.

Beispielsweise ist bereits vorgeschlagen worden, mit dem Windrad ein unter der Wirkung eines Steuers oder eines Hilfsrades stehendes Getriebe zu verbinden, durch welches die Flügelflächen des Windrades unter Zusammendrückung von Federn verändert werden und dadurch die auf das Rad wirkende Windkraft verringert wird.

Eine andere Lösung der Aufgabe geht dahin, daß die Flügel des Windrades unter der Wirkung der Fliehkraft oder einer Hilfsvorrichtung ihre Neigung ändern können.

Es ist weiter vorgeschlagen worden, an dem Windrad auf der Saugseite der Flügel drehbare Klappen anzubringen, die normalerweise durch eine Zugfeder in tangentialer ' Richtung gehalten werden, so daß sie bei der Bewegung der Flügel keinen nennenswerten Widerstand bieten. Beim Überschreiten einer bestimmten Drehzahl werden diese Klappen durch die Wirkung der Fliehkraft gedreht, so daß sie sich mehr oder weniger radial einstellen. In dieser Stellung bieten die Klappen bei der Drehung der ■-Flügel einen großen Widerstand und wirken dadurch und durch die gleichzeitige Störung der Strömung an den Flügeln vermindernd auf clie Auftriebskomponente, so daß keine· zu hohen Drehzahlen erreicht werden. Diese \^rorrichtung bedarf zur richtigen Einstellung

il·

der Klappen einer Zugfeder und ist in ihrer Wirkung von der Zugkraft der Feder abhängig. Windräder sind den Unbilden der Witterung ausgesetzt. Dies kann einen un-5. günstigen Einfluß auf die Beschaffenheit der Federn haben und gegebenenfalls ihre Auswechselung erforderlich machen. Eine solche Maßnahme ist aber bei schneilauf enden Windrädern, die meistens in beträchtlicher Höhe to angebracht sind und eine erhebliche Flügellänge besitzen, mit Umständen verbunden.

Nach einem anderen Vorschlag wird bei zu hohem Winddruck durch elektrische Mehrbelastung des Windrades mittels Einschaltung zusätzlicher Stromerzeuger die überschüssige Windkraft ohne Erhöhung der Umlaufgeschwindigkeit nutzbar gemacht. Eine solche Erhöhung der elektrischen Belastung ist allerdings geeignet, die Umlaufgeschwindigkeit des Windmotors nicht zu groß werden zu lassen; sie kann aber nicht verhindern, daß das Drehmoment bei starkem Wind außerordentlich hohe Werte erreicht und daß demgemäß auch eine übermäßige Beanspruchung des Windrades und der Kraftübertragungsorgane eintritt.

Gemäß der Erfindung soll eine Regelung der Umlaufgeschwindigkeit und des Drehmomentes ermöglicht werden, ohne daß irgendeine besondere mechanische oder -elektrische Hilfsvorrichtung notwendig "wäre. Vielmehr soll die Selbstregelung des Windrades ausschließlich durch die Art der Anordnung der Flügel und die Wahl der Charakteristik der angetriebenen Stromerzeugungsmaschine erreicht werden.

Wie eingangs erläutert ist, setzt die Erfindung für die Flügel des Windrades die Verwendung eines an sich bekannten Stromlinienprofils voraus, bei dem das Zahlenverhältnis der Widerstandskomponente zur Auftriebskomponente klein ist. Ein solches Profil gewährt die Möglichkeit, mit einer geringen Anzahl von Flügeln Umfangsgeschwindigkeiten zu erreichen, welche die normaleWindgeschwindigkeit um ein Vielfaches übertreffen.

Die Selbstregelung des Windrades beruht auf den Widerstandseigenschaften der genannten Profile. Der Widerstand, den diese Profile bei ihrer Fortbewegung erfahren, ist nämlich in eigentümlicher Weise von dem Anstellwinkel abhängig, den die Profilsehne mit der Richtung der relativen Strömung bildet, die sich als Resultante aus der absoluten Windgeschwindigkeit und der tangentialen Umlaufgeschwindigkeit des betrachteten Profils ergibt. Solange dieser Anstellwinkel klein bleibt, wächst die nutzbare Auftriebskomponente ungefähr proportional, mit dem Anstellwinkel bis zu einem dem Profil eigentümlichen kritischen Wert des Anstellwinkels. Wird aber dieser kritische Wert überschritten, was z. B. bei einem Wachsen der absoluten Windgeschwindigkeit bei gleichbleibender Tangentialgeschwindigkeit eintritt, so erfolgt ein Abreißen der Strömung von dem Profil, und dadurch tritt eine plötzliche Vergrößerung der Widerstandkomponente ein.

Wenn man die auf das Windrad ausgeübte Kraft in Abhängigkeit von der Umlaufgeschwindigkeit (Winkelgeschwindigkeit) des Windrades aufträgt, so erhält man für jede Windgeschwindigkeit eine Kurve, die bis zu einem Höchstwert ansteigt und von diesem Höchstwert ab, der dem kritischen. Anstellwinkel entspricht, wieder fällt. Diese Kurven verlaufen im allgemeinen getrennt voneinander, ohne sich zu berühren. Einer gegebenen Winkelgeschwindigkeit des Windrades entspricht also für jede Windgeschwindigkeit eine Antriebskraft, die mit wachsender Windgeschwindigkeit ebenfalls wächst. Diese Verhältnisse sind durch die Untersuchungen von Eiffel über Luftschrauben festgestellt worden.

Es sind nun die Profile der Flügel und deren Neigung zur Umlaufebene des Rades sowie die Flügellängen und -breiten derart zu bemessen, daß je zwei aufeinanderfolgende benachbarten Windgeschwindigkeiten entsprechende Kurven sich mit ihren aufsteigenden Ästen berühren, derart, daß durch die aufeinanderfolgenden Berührungspunkte eine Hüllkurve bestimmt wird, welche "der Glei-

chung -^y = ο entspricht, in der C das Drehmoment und V die absolute Windgeschwindigkeit bedeuten.

Außerdem ist der Punkt, welcher der normalen Geschwindigkeit und der Höchstleistung, für die die Anlage bestimmt ist, entspricht, so zu wählen, daß er in der Nähe der Hüllkurve liegt. Daraus ergibt sich also, daß jede Erhöhung der Windgeschwindigkeit innerhalb der praktisch in Betracht kommenden Grenzen gegebenenfalls nur eine verhältnismäßig geringe Vermehrung des Drehmomentes und der erzeugten Kraft bewirkt.

Bei Aufzeichnung der Leistung bzw. des Drehmomentes als Funktion der Windgeschwindigkeit bei gleichbleibender Winkelgeschwindigkeit ergibt sich demgemäß für jede Winkelgeschwindigkeit eine Kurve, die auf einer erheblichen Strecke praktisch parallel zur Abszissenachse verläuft, so daß für einen rheblichen Bereich der Windgeschwindigkeit kaum ein Wachsen des Drehmomentes stattfindet.

Wenn man also dafür Sorge trägt, daß die Drehzahl (Winkelgeschwindigkeit) des Wind-

rades nicht über den gewollten Wert wachsen kann, so erreicht man damit zwangsläufig auch die Begrenzung des Drehmomentes auf den entsprechenden Wert, ohne an der Einstellung des Windrades oder seiner Flügel etwas ändern zu müssen.

In Abb. ι ist für ein der Erfindung entsprechendes Windrad der Verlauf der den verschiedenen Windgeschwindigkeiten entsprechenden Leistungskurven gezeigt, wobei die Winkelgeschwindigkeiten des Windrades als Abszissen und die Kraftleistungen (Drehmomente) als Ordinaten dargestellt sind. Die gestrichelte Linie e stellt die durch die aufeinanderfolgenden Berührungspunkte der Leistungskurven bestimmte Hüllkurve dar.

Neben der vorstehend gekennzeichneten Beschaffenheit und Ausbildung des Windrades, bei dem die Profile der' Flügelquerschnitte längs des Halbmessers annähernd ähnlich und ihre Breite von einer gewissen Entfernung von der Drehungsachse ab ungefähr umgekehrt proportional dem entsprechenden Umlaufhalbmesser sind, müssen zum Erreichen des erstrebten Zweckes gemäß der Erfindung folgende Bedingungen erfüllt sein:

Die Neigung der Flügelprofile gegen die Rotationsebene ist derart zu bemessen, daß ihr Anstellwinkel in bezug auf die Richtung der relativen Strömungsgeschwindigkeit auf der ganzen Länge des Halbmessers ungefähr den gleichen Wert, nämlich annähernd den kritischen Wert erreicht, wenn die der vorgesehenen Höchstkraft entsprechenden Bedingungen erreicht sind.

Die Winkelgeschwindigkeit des Windrades ist weiterhin auf dem vorgesehenen Normalwert zu halten; es ist also auch bei dauern- der übernormaler Windgeschwindigkeit dafür zu sorgen, daß sich die Winkelgeschwindigkeit des Rades der erhöhten Windgeschwindigkeit nicht angleicht.

Diese Begrenzung der Winkelgeschwindigkeit nach oben auf den Betrag, der dem normalen Gang der Maschine entspricht, wird dadurch erhalten, daß man der angetriebenen Stromerzeugungsmaschine eine geeignete Charakteristik gibt. Und zwar muß die Charakteristik einen Verlauf gemäß der Kurve C in Abb. 1 aufweisen, d. h. das widerstehende Drehmoment der Stromerzeugungsmaschine muß oberhalb des dem normalen Gang entsprechenden Punktes größer sein und schneller wachsen als das durch den Wind hervorgebrachte Drehmoment des Windmotors. Die Kurve C₁ die das widerstehende Drehmoment des Stromerzeugers als Funktion der Winkelgeschwindigkeit zeigt, muß also oberhalb des Punktes der normalen Winkelgeschwindigkeit ein größeres Steigungsmaß haben als die Hüllkurve e. Der Schnittpunkt der- beiden Kurven C und e entspricht dem vorgesehenen Höchstwert der Winkelgeschwindigkeit. ·.--. j

Die Charakteristik C kann die eines Synchronwechselstromerzeugers sein, der parallel auf ein Leitungsnetz arbeitet, also mit konstanter Geschwindigkeit, oder die Charakteristik einer asynchronen Nebenschlußmaschine mit schwacher Schlüpfung, oder die einer Maschine mit Nebenschlußerregung, oder die Charakteristik einer Maschine mit schwacher Unterkompoundwickelung mit etwas stärker ausgeprägtem Ansteigen der Geschwindigkeit.

Bei dem Zusammenbau von Stromerzeugern der angegebenen Art mit Windrädern nach den im vorstehenden dargelegten Grundsätzen wird bei Anwachsen der· Windgeschwindigkeit über den vorgesehenen Normalwert hinaus der kritische Anstellwinkel fast auf der ganzen Länge des Flügels gleichzeitig überschritten, abgesehen von dem m unmittelbarer Nähe der Achse gelegenen Teil des Flügels. Die durch das hierbei erfolgende ■ Abreißen der Strömung von der Flügeloberfläche entstehende sprunghafte Vermehrung des Profilwiderstandes bewirkt, wie oben ausgeführt, eine Bremsung des Flügelumlaufs, die über die in unmittelbarer Näh'e der Achse auftretende Verstärkung des Antriebsmomentes hinausgeht.

Bei der erläuterten Ausbildung der Flügel mit einer einzigen Tragfläche kommt man unter Umständen zu Flügelformen, die trotz verhältnismäßig geringer Oberfläche zu lang und zu schwach sind, um hohen Winddrucken standhalten zu können.

In bekannter Art können deshalb die Flügel mit mehreren Tragflächen ausgeführt werden, und zwar gemäß Abb. 2 oder 3 derart, daß zwei in der Windrichtung hintereinanderliegende Tragflächen angeordnet sind, die sich in einem entsprechenden Abstand von der gemeinsamen Nabe vereinigen und durch Querversteifungen e sowie gegebenenfalls durch Diagonalrippen f miteinander verbunden sind. Auf diese Weise erhält man einen Flügel, der bei verhältnismäßig geringer Masse eine, erhebliche Widerstandsfähigkeit gegen den Winddruck besitzt.

Flügel mit sehr schmalen Flächen, bei welchen auch in der tangentialen Umlaufrichtung eine Verstärkung erforderlich erscheint, können in der Weise gebaut werden, daß die einzelnen Flächen auch in tangentialer Richtung gegeneinander versetzt sind, derart, daß ein Träger mit mehreren Stützen entsteht, der in allen Richtungen ein erhebliches Trägheitsmoment aufweist; diese einzelnen Stützen können selbstverständlich durch geeignete Verstrebungen verstärkt sein.

Abb. 4 zeigt eine Ausführungsform eines Flügels, der aus drei Tragflächen zusammengesetzt ist, die zusammen einen Pfeiler von dreieckigem Querschnitt bilden und durch Versteifungen e und /' miteinander verbunden sind.

Claims

Patentanspruch:

ίο Mit einem elektrischen Stromerzeuger

gekuppeltes Windrad mit wenigen verhältnismäßig schmalen Flügeln von Stromlinienprofil, die so lang sind, daß ihre Umfangsgeschwindigkeit bei der vorgesehenen mittleren Windstärke mindestens das Achtfache der Windgeschwindigkeit beträgt, und deren gesamte Fläche, senkrecht zur Drehungsachse gemessen, nicht größer als ¹Z₁₅ der bestrichenen Fläche ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Neigung des Flügelprofils gegen die Drehebene auf dem größten Teil der Flügellänge so klein ist, daß beim Wachsen der Windgeschwindigkeit über den vorgesehenen Höchstwert hinaus der Anstellwinkel der relativen Windgeschwindigkeit in bezug auf die Profilsehne gleichzeitig seinen kritischen Wert derart überschreitet, daß das auf das Windrad ausgeübte resultierende Drehmoment nicht wesentlich weiterwächst, und daß zwecks Begrenzung der Winkelgeschwindigkeit der mit dem Windrad gekuppelte Stromerzeuger so gewählt wird, daß sein Widerstandmoment in Abhängigkeit von der Winkelgeschwindigkeit schneller zunimmt als das durch den Wind erzeugte Drehmoment des Windrades.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen