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Windkraftmaschine Die Erfindung bezieht sich auf eine Windkraftmaschine
mit senkrechter Drehachse und mit um senkrechte Achsen schwenkbaren, quer zum Winde
stehenden Flügeln.
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Die bisherigen Windkraftmaschinen, deren Flügel um senkrechte Drehachsen
umlaufen und dabei um ihre gleichfalls senkrechten Achsen geschwenkt werden, besitzen
vier an ein Getriebesystem angeschlossene Flügel. Flügelanordnungen in solcher Anzahl
haben den Nachteil, daß sie nicht oder nur unter großen Schwierigkeiten sturmsicher
gemacht werden können, da mindestens einer dieser Flügel mit der Breitfläche dem
Sturmwind zugeneigt verbleibt. Solche Windkraftmaschinen sind deshalb auf ganz bestimmte
kleine Größen beschränkt. Der Vorteil einer Windkraftmaschine mit großen Angriffsflächen
liegt aber gerade darin begründet, daß bei leisem Wind eine rationelle Ausnutzung
möglich ist. Andererseits muß die Anlage aber auch sturmsicher sein, da man sonst
Konstruktionen schaffen müßte, die unwirtschaftlich und unrationell werden. Man
hat deshalb schon Windkraftmaschinen mit zwei Flügeln vorgeschlagen. Aber auch diese
Konstruktionen genügen den an Windkraftmaschinen zu stellenden Anforderungen nicht,
da sie bei Sturm nicht abstellbar sind. Allen bisherigen Windkraftmaschinen der
genannten Art ist gemeinsam, daß die Mittelachsen, um die die Flügel sich drehen,
als umlaufende Wellen ausgebildet sind, d. h. als Wellen, die nicht besonders abgestützt
werden. Es ergibt sich hierbei eine frei tragende Konstruktion. In Anbetracht des
dabei auftretenden großen Kippmomentes in den Lagern ist auch bei diesen Ausführungen
eine erhebliche Beschränkung in der Größe und in der Möglichkeit der Windausnutzung
erforderlich.
Die Erfindung hat eine Windkraftmaschine zum Gegenstand,
bei der diese Nachteile vermieden werden. Die Erfindung zeichnet sich im wesentlichen
dadurch aus, daß die Flügel stets nur zu Gruppen zusammengefaßt werden, deren Flügelzahl
weniger als vier beträgt. Innerhalb jeder Gruppe laufen diese Flügel auf vorbestimmten
Bahnen um ruhende Masten, an denen Zugstangen oder Seile zur Aufnähme des Winddruckes
oberhalb oder. zwischen den Flügelgruppen angreifen können. Die Umlaufbahnen können
kreisförmig oder auch elliptisch verlaufen. Die elliptische Bahn ist vorteilhaft
zum Mast bzw. zur Symmetrieachse exzentrisch gelegen, wobei die große Hauptachse
der elliptischen Bahn durch den Mast bzw. die Symmetrieachse läuft.
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Die Flügelgruppen können entweder nebeneinander in Zwillingsbauweise
oder wiederum in Zwillingsbauweise übereinander angeordnet werden, Maschinen in
Zwillingsbauweise haben den Vorteil, daß sie Selbsteinstellung zum Wind besitzen.
Die Größe der Windauffangfläche der Flügel kann hierbei verändert werden, z. B.
indem die Flügelflächen jalousieartig aufrollbar, zusammenklappbar oder ineinanderschiebbar
sind. Vorteilhaft erfolgt bei jeder Umdrehung die Verkleinerung der Auffangfläche
für die Zeit des Rücklaufes des Flügels gegen den Wind.
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Die erfindungsgemäße Ausbildung von Windkraftmaschinen vereinigt in
sich vor allem alle die Vorteile, die eine erhöhte Betriebssicherheit mit einer
verbesserten Funktionsfähigkeit und einer vergrößerten Leistungsfähigkeit aufweist.
. Die erfindungsgemäße Ausbildung ermöglicht eine Windausnutzung auf rationellste
Art. Durch die Zusammenfassung von Flügelgruppen mit weniger als vier Flügeln und
bei einer Drehbewegung dieser Gruppen um ruhende Masten, die allseitig abgespannt
werden können, kann man Aggregate schaffen, die jeder Windstärke gewachsen sind.
Denn es ist nicht nur eine Bauart mit hohen Drehzahlen möglich, bei der man dem
Wind bei kleinen Radien große Flächen bieten kann, so daß die Windkraftmaschine
auch bei schwachem Wind ansprechen kann, sondern es ist auch eine doppelte Sicherung
gegen Gefährdung bei Sturm gegeben, und zwar einerseits durch die Anordnung von
je zwei Flügeln in Gruppen an sich und andererseits durch das Vorhandensein von
ruhenden Masten, um die die Flügelgruppen umlaufen. Da die Kippmomente nicht durch
die Lagerorgane aufgefangen zu werden brauchen, sondern von den Masten selbst abgefangen
werden, wird eine verhältnismäßig leichte Bauart ermöglicht.
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Der Erfindungsgegenstand ist in der Zeichnung in.mehreren Ausführungsbeispielen
veranschaulicht. DieFig. i bis 3 zeigenschematischeDarstellungen des Verlaufs der
Flügelstellungen zweier in Zwillingsanordnung nebeneinanderstehender Gruppen, und
zwar Fig. i bei einer Kreisbahn, Fig. 2 bei einer schwach elliptischen Bahn und
Fig. 3 bei einer exzentrisch elliptischen Bahn; Fig. 4 zeigt die Flügelsteuerung
bei der Bahn der Fig. 3; r'ig. 5 bis 7 veranschaulichen verschiedene Bauarten der
erfindungsgemäßen Windkraftmaschine in nebeneinander oder übereinander angeordneter
Zwillingsbauweise.
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Gemäß F ig. 3 und 4, die die Flügelsteuerung bei exzentrischer und
elliptischer Bahn veranschaulichen, wird an dem Rad i, das fest mit dem Hauptarm
I verbunden ist, die Energie abgenommen. Das Rad 2 steht normalerweise fest und
wird nur von außen her verstellt, wenn die Flügel zum Wind eingestellt werden sollen.
An ihm rollt über das Zwischenrad 3 das .Rad 4 ab, welches - halb soviel Zähne besitzt
wie das Rad 2. Der mit dem Rad 4 verbundene Arm 1I muß daher bei jeder Umdrehung
des Armes I einmal im entgegengesetzten Sinn umlaufen.
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Fest mit dem Arm I verbunden, befindet sich auf derselben Achse wie
das Rad 4 das Rad 5. Es steuert über das Zwischenrad 6 das Rad 7. Dieses Rad 7 besitzt
doppelt soviel Zähne wie das Rad 5. Dadurch wird erreicht, daß der mit dem Rad 7
fest verbundene Arm III während der Drehungen der Arme I und II seine Richtung ebenso
unverändert beibehält wie ein Durchmesser des Rades 2, von dem die gesamte Steuerung
abgeleitet wird.
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Fest mit dem Arm II verbunden, befindet sich auf derselben Achse wie
das Rad 7 das Rad B. Es steuert in dem gezeichneten Beispiel über die Zwischenräder
9 und io das Endrad ii und damit den Flägel F1. Das Rad i i besitzt dabei die doppelte
Zähnezahl wie das Rad B.
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Bei nur elliptischer, nicht aber gleichzeitig auch exzentrischer Bahn
fehlt der Arm III mit den Rädern 8, 9, io und ii. An die Stelle der Räder 5, 6 und
7 treten zwei andere und ein Endrad, welche mit dem Flügel F verbunden ist.
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Bei nur exzentrischer, nicht aber gleichzeitig auch elliptischer Bahn
fehlt der Arm III mit den Rädern 8, 9, 1o und i i. An die Stelle des Rades 4 tritt
ein Rad, welches ebensoviel Zähne hat wie das Rad 2. An die Stelle der Räder 5,
6 und 7 treten zwei andere Räder und ein Endrad, das den Flügel F trägt. Bei der
normalen exzentrischen Kreisbahn der Flügel ist lediglich der Arm I erforderlich.
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Fig. 5 zeigt schematisch einen senkrechten Windzylinder mit zwei Doppelwendeflügeln.
Über einem Mast M mit dem daran befestigten Querhaupt 12 läuft ein glockenförmiger
Radkörper 13, an dessen Umfang sich die Hauptlager 14 für die Achsen der zwei Doppelflügel
F1 und F2 befinden. Werden die Lager 14 um eine horizontale Achse drehbar ausgeführt,
so lassen sich die oberen Flügelhälften mit leichter Mühe für Reparaturen nach unten
schwenken. Kleinere Lager an leichten Armen 15 können der besseren Geradführung
dienen.
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Der Radkörper 13 dient mit seinem Gewicht und der angehängten
Flügellast als großes Reibrad zum Antrieb der beiden kleinen kegelförmigen Reibräder
16, die über Kegelräderpaare 17 Kettenräder 18 antreiben. Von letzteren kann die
Energie beliebig abgenommen werden.
Die Steuerung der Wendeflügel
erfolgt in richtigem Sinne dadurch, daß fest auf den Flügelachsen aufgekeilte Kettenräder
19 von halb so großen Kettenrädern 2o auf der Mastspitze abrollen. Die Kettenräder
2o stehen dabei normalerweise fest und werden nur bei Änderung der Windrichtung
gemeinsam über die Räder 21 und 22 verstellt. Die Stillsetzung bei Sturm erfolgt
dadurch, daß die beiden Räder 20 um 18'o° gegeneinander verdreht werden, bis die
Flächen F1 ebenso wie die Flächen F2 in Windrichtung stehen.
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Fig.6 zeigt schematisch zwei nebeneinanderstehende Windzylinder in
Zwillingsbauweise. An einem runden Mast 111 befinden sich zwei drehbare Quertraversen
23 und 24, die an ihren Enden Lager besitzen für die Hauptwellen 25 der beiden Windzylinder.
Auf diesen Wellen 25 sind die Arme 26 und 27 befestigt, in deren Enden die Wendeflügel
F1 und F2 gelagert sind. Die Arme 26 tragen Reibräder 28, welche die Energie der
Wellen 25 über die Kegelräder 29 und 3o und über das der Umkehrung der Drehrichtung
dienende Räderpaar 31 den Kegelrädern 32, 33, 34 zuleiten, von denen die Energie
beliebig weiter abgenommen werden kann. Die Räder 29, 30 und 31 sind
dabei in der Quertraverse 23 gelagert.
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Die Steuerung der Flügel erfolgt durch Abrollen der Kettenräder 35
von den halb so großen Kettenrädern 36 bzw. 37. Dabei stehen die Räder 36 fest mit
der Quertraverse 24 verbunden über den Wellen 25. Die Räder 37 stehen ebenfalls
zentrisch zu den Wellen 25; sie sind jedoch nicht mit der Traverse 23 verbunden,
sondern nur miteinander gekuppelt und um 18o° auf den Wellen 25 gegen die Traverse
23 verdrehbar. Durch ihre Verstellung erfolgt bei Sturm die Stillsetzung durch Ausrichtung
aller Flächen zum Winde. Durch die Zwillingsanordnung ist erreicht worden, daß sich
die beiden Windzylinder stets selbsttätig in den Wind stellen. Oberhalb der Traverse
24 am Mast M befestigte Arme 38 dienen der Abspannung des Mastes durch Seile 39.
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Fig. 7 zeigt zwei Windzylinder in Stockwerkbauweise, wie sie für die
schlanke Nadelbauweise gedacht ist. Um den Mast M rotieren die durch Hohlwellen
4o bzw. 41 verbundenen Dreharme 42 und 43 bzw. 44 und 45. Sie tragen an ihren Enden
die Lager für die Flügelwellen 46, 47, 48 und 49 mit den Wendeflügeln F1 und F2.
Der Dreharm 42 ist zur Energieabgabe an die Reibräder 5o als großes Reibrad ausgebildet.
Von 5o kann die Energie in beliebiger `'eise weitergeleitet werden. Die Lager der
Wellen der Räder 50 sind mit dem Erdboden fest verbunden. Die Energie des
oberen Windzylinders wird von der Hohlwelle 41 über die Kegelräder 51 mit auf die
Welle 40 übertragen.
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Die Steuerung wird über die Kettenräder 52 und 53 bewerkstelligt.
Die an den Rädern 53 auftretenden Drehmomente sind durch Kegelräder 54 und 55 so
gegeneinander geschaltet, daß sie sich gegenseitig aufheben. Durch diese Kombination
besitzen die Windzylinder Selbsteinstellung zum Winde. Die Parallelstellung der
Flügelflächen bei Sturmwind wird dadurch erreicht, daß die normalerweise starr miteinander
gekuppelten Räder 54 und 55 ein wenig gegeneinander verdreht werden. Oberhalb eines
jeden der beiden und gegebenenfalls noch weiterer Windzylinder kann eine Abspannung
des Mastes durch Drahtseile erfolgen. Der Generator kann auch auf solch einer Etage
untergebracht und wahlweise mit anderen in Reihe oder parallel geschaltet werden.