ONE-VANE WIND ROTOR WITH BUILT-IN BEARING AND HYPERCRITICAL SUSPENSION OF THE ROTOR SHAFT

Abstract: 1. Single-vane wind turbine with a single-vane rotor with counterweight (6) and a hypercritically suspended horizontal rotor shaft (2), characterised in that the single-vane rotor is constructed in the form of a shell (1) and the mounting (3) of the shell (1) is disposed at the rotor shaft (2) inside the shell.

Description: Wenn Windturbinen wirtschaftlich sein sollen, müssen ihre Herstellungskosten gering bleiben und ihre Zuverlässigkeit muss sehr hoch sein. Beides wird ganz wesentlich vom Rotor beeinflusst. Seine Form bestimmt sowohl die Herstellungskosten, seine Vergrösserungsfähigkeit und seine aerodynamische Funktion. Die Art seiner Lagerung wie auch die Art der Rotorwellenlagerung hat entscheidenden Einfluss auf das dynamische Verhalten und damit auf die Lebensdauer der gesamten Maschine. Gegenstand dieser Anmeldung ist deshalb die Beschreibung eines neuartigen Einblattrotors mit einer neuartigen Lagerung von Rotor und Welle. 1) Rotor Als Rotor vgl. Fig.1 wird ein Einblattrotor vorgeschlagen, der aus einer einzigen Schale 1 besteht, deren Querschnitt nahe der Rotorachse 2 gross genug ist, um dort eine räumliche kompakte Innenlagerung 3 aufzunehmen. Die grossen Querschnitte der Schale in Achsnähe sorgen für sehr niedrige Spannungen und machen es möglich, die erforderlichen Steifigkeiten auch bei sehr grossen Durchmessern und konventionellen Werkstoffen zu verwirklichen. Die Lagerung des Rotors im Schwerpunkt wird vorzugsweise als handelsübliches Kardanlager 3 ausgeführt, weil auf diese Weise eine Winkelfreiheit um zwei Achsen , nämlich um eine Schlagachse und um eine Anstellwinkelachse am einfachsten möglich wird. Dieses Lager hat keine Fliehkräfte und keine Gewichtsmomente, sondern nur den Schub, das Gewicht und das Nutzmoment des Rotors zu tragen. Das Kardanlager kann deshalb vergleichsweise kompakt und leicht sein. Es wird durch topfartige Übergangs stücke 4 mit der Rotorschale verbunden. Das Rardanlager muss im oder nahe beim Schwerpunkt des Rotors liegen, d.h. es wird sich normalerweise im Innern der Schale befinden. Es ist jedoch auch möglich, die Rotorschale im Bereich der Achse windabwärts zu knicken, so dass der Schwerpunkt und damit das Innenlage zur Lee seite des Rotors wandert. Ein weiteres Merkmal der Schale besteht darin, dass in der Draufsicht d.h. in Richtung der Rotorachse gesehen das Gegengewicht 6 des Rotors nicht auf der Verlängerung der Mittellinie 7 des Rotorblattes liegt. Vielmehr ist es vorteilhaft, die Verbindungslinie Kardangelenk-Gegengewicht 8 ähnlich wie bei einem Boomerang gegenüber der Mittellinie des aerodynamisch wirksamen Rotorblattes zu knicken, vgl. Fig. la. Damit der Schwerpunkt des Blattes etwa in der Schalenmitte bleibt, ist jetzt ein Ausgleichsgewicht 9 in der Nähe der Achse notwendig. Dabei hat es sich als günstig herausgestellt, das Propellermoment oder Deviationsmoment der Blattmasse zum Verschwinden zu bringen. Das lässt sich erreichen, in dem man die Masse 6 und/oder 9 in zwei Teilmassen auf splittert. Die aktive Steuerung des Blattes durch einen Regler,als auch die passive Selbststeuerung des Blattes erfolgt in bekannter Weise durch eine Steuerstange, die am Gelenkpunkt 10 angreift. Achslagerung Im Gegensatz zu symmetrischen Rotoren erzeugt ein Einblattrotor selbst bei homogener Anströmung eine aerodynamische Unwucht. Es ist deshalb für die Funktionstüchtigkeit und Lebensdauer der Maschine von grosser Bedeutung, die vom Rotor ausgehenden periodischen und stochastischen Querkräfte vom Turm fernzuhalten und dadurch Turm und Rotor zu entkoppeln. Das gelingt, wenn man den Rotor um eine freie Achse rotieren lässt. Man hat dafür bereits eine biegsame Rotorachse vorgeschlagen. Statt dessen kann auch der Rotor mit seiner Welle federnd oder gelenkig gelagert sein. Eine noch wesentlich bessere Entkopplung erhält man, wenn man vom physikalischen Prinzip des Stoss zentrums Gebrauch macht. Dieses Zentrum ist dadurch definiert, dass bei periodischer oder stossartiger Erregung z.B. am Ende eines Balkens oder einer Welle je nach Massenverteilung immer ein Punkt d.h. das Stoss zentrum zu finden ist, der durch Trägheitskräfte bedingt in Ruhe bleibt. Dabei liegt vgl.Fig.2 das Stosszentrum 11 von der Erregerstelle 12 aus gesehen, immer jenseits des Schwerpunktes 13 der Massenverteilung. In diesem Punkt 11 lässt. sich ein Lager anbringen, das zwar eine Nick Gierbewegung d.h. ein Taumeln der Rotorwelle zulässt, was in Fig.2 durch den gestrichelten Kegel 14 angedeutet ist, aber in jeder anderen Hinsicht fest mit dem Turm verbunden sein kann ohne Querkräfte zu übertragen. Da der Schwerpunkt 13 immer zwischen.Stosszentrum 11 und Erregerstelle 12 liegt, muss die horizontale Rotorachse noch gegenüber der Schwerkraft abgestützt werden. Diese zweite Lagerstelle 15 kann und muss sehr weich gebettet werden, so dass die Eigenfreguenz der Nick-Gierbewegung möglichst unter einem Drittel der Nenndrehfrequenz des Rotors liegt. Ausserdem ist es vorteilhaft, wenn beide Freguenzen in Nicken und Gieren gleich gross sind, was z.B. leicht durch eine sternförmige Anordnung von Zug- oder Druckfedern erreicht werden kann.

Claims: Ansprüche 1) Einblattwindturbine mit überkritisch gelagerter horizon taler Achse, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor als Schale 1 ausgebildet und die Lagerung 3 im Innern der Schale oder auf der Leeseite der Schale angeordnet ist. 2) Einblattwindturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net,dass das Blattlager 3 als Kardanlager ausgebildet ist. 3) Einblattwindturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, dass das Gegengewicht 6 des Rotors der Blattachse 7 voraus angeordnet ist. 4) Einblattwindturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, dass das Gegengewicht 6 und/oder die Ausgleichsmasse 9 in zwei Massen aufgeteilt wird. 5) Einblattwindturbine nach Anspruch 1 und/oder 2, 3, 4 da durch gekennzeichnet, daB die Rotorachse überkritisch ge lagert wird, wobei eine Lagerstelle im oder nahe dem StoB zentrum 11 der Rotorachse liegt.

Inventors: MAYER, MICHAEL, MICKELER, SIEGFRIED, SCHULTES, KLAUS, WORTMANN, FRANS-XAVER, PROF. DR.-ING.
Applicants: AERO-DYNAMIK-CONSULT GMBH
Application year: 1983
Main classification: F03D1
IPC codes: F03D1