专利名称：风车轮的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种按权利要求1前序部分所述的、具有多个转子叶 片的、低速风力发电设备用的风车轮。
背景技术：
具有多个转子叶片的风力发电设备是公知的并越来越频繁地应用 于另选的和环保的能量获取中。在此，广泛使用带有三个转子叶片的 风车轮，这是风的高能范围用的风力发电设备并具有每个风力发电设
备最高6MW的公称功率。在此，这种风力发电设备通常远远高于100 m，并在运行时由于顶端上转子叶片高达300 km/h的圆周速度而出现 很大的运行噪声。表示叶尖的速度与风速之比的所谓叶尖速比 (Schnelllaufzahl)在这种设备中大多处于6至8的范围内。这种风力 发电设备在制造方面是昂贵的并因此对许多应用领域来说不能获利 的，而且由于尺寸和噪声形成，只允许以距确定的位置(特别是居民 区)预先确定的间距来架设。
为在50 kW到500 kW的公称功率范围内的应用，通常使用风的 低能范围用的风力发电设备。这些风力发电设备通常可以具有大量转 子叶片，特别是多于三个的转子叶片，这是因为转子叶片范围内的空 气涡流对紧邻的转子叶片仅有很小的影响。风车轮借助大量的转子叶 片还可以在低风速时，也就是在每个时间单位转数较低时，有效利用 风力。在此，叶尖速比运行时始终低于5。通过低速运行方式和这种风 力发电设备的风车轮较小的直径，可以避免风的高能范围用的风力发 电设备的许多缺点，因此，风的低能范围用的这种风力发电设备在许 多应用领域和许多架设地点变得越来越受欢迎。在此，风的低能范围 用的风力发电设备大多具有低于风的高能范围用的风力发电设备的结构高度，例如低于50m。
但以往所使用的风力发电设备的缺点是，在低风速时风车轮运转 不稳定并且不能进行功率输出。在此，主要在地面附近加强地出现的 阵风经常强烈地起作用。特别是在风车轮短时间停止运转时出现很大 的功率波动，因此，通常在风很弱直至中度时出现的抑制态(Flauten) 对电网有特别要求并因此在这种条件下该使用常常是不适合的。
发明内容
因此，本发明的任务在于，给出一种开头所述类型的、低速风力 发电设备用的风车轮，利用该风车轮可以避免所称的缺点并且该风车 轮在风很弱和阵风下，可以适合而有效地使用。
该任务依据本发明通过权利要求1的特征得以实现。
通过加速环也可以有利于风力发电设备在风很弱时运行。通过空 气流的加速作用，可以使风车轮即便在风速特别低时也置于旋转状态， 由此，可以将很弱的风用于产生能量。这一点首先可以在年平均测量 下风速中度的地点上的使用并因此实现在中等空气流速度的地点上和 风的低能范围内的使用。由此，特别是可以通过提高运行时间而实现 效率改善。
首先，在空气流由于增强的阵性和频度而完全停顿的地面附近， 在此重要的是，风车轮在空气流较小时继续旋转和不会完全停止运转。 在此，利用加速环可以取消电子辅助装置，该电子辅助装置阻止或延 迟风车轮完全停止运转。由此，可以进一步简化该结构并可以进一步 降低风力发电设备的制造成本。
即便在风速很低的情况下，也可以将很高的力传递到轮毂上。相
应于如下关系式功率等于转矩乘以风速，由此即使在风速很低时也将高功率传递到风车轮的轮毂上。由此，确保风力发电设备特别有效 和持久运行。
在此，用于空气加速的加速环使通过加速环运动的空气加速。这 种加速在正交于风车轮平面的方向上进行。风在风车轮的投影平面上 至少区域式的加速可以减少狂风(Windb6en)的影响。由此在阵风下， 可以实现输出的功率更加稳定。在此，还可以对电网加载较少负荷， 由此风力发电设备在低风强度的空气流下的使用是适合的。
同样与权利要求1同时形成说明书一部分的从属权利要求涉及本 发明的其它具有优点的构成。
在此，加速环3可以替代风车轮的包覆部(Ummantelung)，由此
可以使风车轮的空气阻力最小化并使效率最大化。
转子叶片的做功压力在风车轮上可以径向向外地，也就是在转子 尖端的方向上推移。由此，在风恒定时，可以提高做功并因此随之提 高功率。这一点首先在风很弱时具有特别的优点，由此，风在低能范 围为了获取能量而得到更好地利用。
通过空气流在加速环内的加速，在转子叶片的后面出现低压，该 低压在下面被称为吸力。该吸力特别是即使在风速很低时也有利于启 动风车轮并因此有利于风车轮的效率。
另外，通过回转的加速环，可以提高风车轮的稳定性。因此，即 使在高风速时也可以实现安全地使用风力发电设备，并进一步提高风 力发电设备的应用范围。因此，进一步提高年运行小时数并改善风力 发电设备的年预算效率。
7参考其中仅举例示出优选实施方式的附图来对本发明进行详细说明。
在此
图1以示意图在正视图中示出第一实施方式的风车轮；
图2以示意图示出一个转子叶片以及两个加速环，这两个加速环 以剖面图沿图1的线A-A示出；
图3示出第二实施方式的一个转子叶片和两个加速环，第二实施 方式以示意图类似于图2地示出；
图4示出一个转子叶片，该转子叶片以正交于转子叶片的纵向延 伸的剖面并沿图1的线B-B地示出，该转子叶片带有第一环流体和第 二环流体；以及
图5以示意图示出包括依据本发明第三实施方式的风车轮的风力 发电站。
具体实施例方式
图1至5示出具有多个转子叶片2的、低速风力发电设备5用的 风车轮1的实施方式，其中，风车轮1为在正交于风车轮1的平面的 方向上进行空气加速而具有风车轮1的至少一个连接转子叶片2的加 速环3。
也可以称为转子或者空气螺旋桨的风车轮1借助轮毂15与风力发 电设备5的发电机连接并以能环绕中心轴线14转动的方式支承。风力 发电设备5也可以称为风能设备、风力或者风能发电站。
风车轮l具有大量，特别是四个或者更多的转子叶片2。由此，在 能以风车轮1的每分钟旋转来测量的转数很低的情况下，就可以从空 气流中获取能量。
在风车轮l上设置有至少一个加速环3。这种环绕整个转子圆周和基本上在径向上恒定地相对于中央轮毂15保持间距的加速环3在穿通
加速环3的空气团的穿流方向11上平行于风车轮1的中心轴线14地 导致附加的加速，其中，加速被理解为速度提高。由此，风车轮即便 在低风速下也可以发生旋转，从而很弱的风就可以被利用来产生能量。 转子叶片2也称为风车轮叶片和/或者螺旋桨叶片。在此，运行持续时 间的数量通常可以明显提高，由此所实现的功率输出得以攀升。特别 是在需要情况下可以实现能量提供的高可靠性。
风车轮1相对于塔架51大多在迎风侧设置。在此，通过加速环3 将压力能转化为动能，其中，在中心轴线14的方向上观察，在加速环 3的后面形成低压。这样，在中心轴线14的方向上，在加速环3的后 面和转子叶片2的后面出现吸力。该吸力特别是即使在低风速下也产 生良好的做功表现和高效率。
具有优点地可以设置为，加速环3包括至少一个第一引导件31和 第二引导件32，其中，第一引导件31和第二引导件32在风车轮1的 径向12上观察，彼此是保持间距的并在正交于风车轮1的平面的方向 上形成空气通道34。
图1以示意图在正视图中示出第一实施方式的风车轮1。示出了轮 毂15、 12个转子叶片2、两个加速环3、每个加速环3的各6个间距 保持件37、加速环3的多个空气通道34、第一引导件31、第二引导件 32、第三引导件33，从风车轮1的中心和轮毂远离指向的径向12以及 风车轮l的外边缘13。通过第三引导件33可以实现风车轮1后面的气 流的平滑作用。
空气通道34的截面在正交于风车轮1平面的、图1中未示出的穿 流方向11上观察具有使空气通道34变细的区域。这样，特别有效地 实现使穿通加速环3的空气团进行空气加速，并保证在穿流方向11上 观察，加速 3后面和转子叶片2后面区域内的吸力作用。由此，即便在低风速或者空气流的速度很低的情况下，也可以保证风车轮1旋 转。通过对风车轮1的首要地与风的强度和风速相关的适合的应用范 围的评估，可以利用简单而成本低廉的手段提高平均效率和年收益。
由此，该应用特别是可以在风速为例如2.5m/s，具有优点地在2m/s， 特别是在1.5m/s的情况下来实现。
此外可以设置为，第一引导件31的截面和/或者第二引导件32的 截面基本上呈流线形地构成并且这样减少空气阻力和进一步提高加速 环3的效率。第三引导件33和/或者间距保持件37同样可以呈流线形 地构成，由此，可以进一步使空气阻力最小化。这样，这些引导件31、 32、 33的空气阻力很低，而效率却很高。
在图1中，12个转子叶片2在径向上相邻地以相对于紧邻的转子
叶片2各30。的角度来构成。转子叶片2在一种实施方式中可以相同地
构成，或者特别是在转子叶片2为偶数的情况下，以转子叶片2的两
种或者更多不同的实施方式构成。在此，转子叶片2的不同实施方式
特别是可以另选交替地沿风车轮1的圆周构成。在此，可以交替地为
在低风速下运行而构成有优选的转子叶片2和为在高风速下运行而构
成有优选的转子叶片2。这样，可以在很大的风的范围上确保风车轮1
和风力发电站5的功率输出。这一点在对于对功率波动反应敏感的电
网是特别有利的。电流的输出可以这样变得更好并且首先可以在很大
的风速范围内被预先确定，由此，可以在与风力发电设备5连接的电
网内实现高百分比份额的风能。由此，可以为依据本发明的风力发电 设备开辟其它的应用可能性。
图1示出两个加速环3。这两个加速环之一在径向12上观察，相 比于距外边缘13，距轮毂15更近地构成。两个加速环3的另一个构造 为风车轮l的外边缘13。两个加速环3的这种具有优点的定位可以影 响空气流沿转子叶片2的做功点。由此做功点可以在径向12上向风车 轮1外边缘13的方向推移，该做功点在上下文中是指转子叶片2上在
10穿流方向11上穿流的空气流与转子叶片2之间具有最大相互作用的那 个点。由此，可以将较大的力矩传递到发电机上并在风车轮1转数恒 定的情况下提高功率，或者在功率恒定的情况下可以降低风车轮1的 转数。在转数降低时，还可以减少转子叶片2、风车轮l和风力发电设
备5的噪声形成，这样有利于和/或者说实现在居民区和/或者休闲区附
近的使用。
在风车轮1的另一实施方式中，也可以具有仅一个加速环3或者 具有较大数目的加速环3。在仅一个加速环3的情况下，优选该加速环 3设置在转子叶片2的外端上。
第一引导件31和第二引导件32可以借助间距保持件37相互连接。 图1中所示的间距保持件37以具有优点的方式在位置和数目方面选 择。 一方面间距保持件37应尽可能少，以降低空气阻力。另一方面， 这些间距保持件37应实现风车轮1的最大可能的刚度。为此，间距保 持件37的数目可以精确地相应于转子叶片2数目的一半，并且可以具 有优点地设置为，至少一个间距保持件37的截面呈流线形地构成。各 个间距保持件37可以距各自两个相邻的转子叶片2以相同的间距保持 间距地构成。这样，加速环3的全部间距保持件37距其两个分别相邻 的转子叶片2保持相同间距，由此避免风车轮1上的应力峰值并且风 车轮可以最优地为预先确定的全部应用范围进行设计。通过风车轮1 的高刚度，应用范围，也就是在其中风力发电设备5可以运行并将功 率输送到电网的那个风的范围，可以扩展到高风速，例如12m/s，具有 优点地为15m/s，特别是18m/s。
通过多个上述特征的组合，应用范围既可以扩展到低风速，也可 以扩展到高风速，由此实现在例如2.5至12m/s，具有优点地在2至 15m/s，特别是在1.5至18m/s之间的风速下的使用。
图2以示意图在俯视图中示出轮毂15、转子叶片2中完整的一个和风车轮l的两个以剖面示出的加速环3。轮毂15沿中心轴线14安装。中心轴线14为风车轮1的转动中心。转子叶片2与轮毂15连接并由从该轮毂向外呈星形地构成。
在图2中所示的转子叶片2由两个加速环3之一依照预先确定的间距中断。在此可以设置为，在风车轮1的径向12上观察，将转子叶片2设置在加速环3的两侧上。设置在风车轮1的内部并因此也可以称为内置加速环3的加速环3包括第一引导件31、第二引导件32和第三引导件33，其中，引导件31、 32、 33呈流线形地构成。同样以剖面示出的间距保持件37同样呈流线形地构成。在此，空气阻力很小，而加速环3的效率却很高。
在此，加速环3在第一引导件31与第二引导件32之间具有变细的区域。在此，迎风侧的区域35内(也就是从相对于风转子叶片2的假想的中心进而与风的方向相反观察)的加速环3的净截面大于背风侧的区域36内(也就是从转子叶片2的假想的中心朝向风的方向观察)的加速环3的净截面。在这种具有优点的实施方式中，第三引导件33设置在背风侧的区域36内。该第三引导件33在构成上与第一引导件31和第二引导件32相协调。在该区域内附加构成的第三引导件33将加速环3内的空气流分成两个单空气流。在该单空气流的每一个中，又可以在正交于风车轮1平面的穿流方向11上观察，进行变细区域的穿流。在此，穿流通过加速环3的空气被加速并且保证加速环3的高效率。特别是空气流可以在低风速下加速，由此，风车轮1旋转和功率输出即使在低风速下也得到保证并且特别是在该风的范围内可有确保风力发电设备5的效率。
在此，第三引导件33的截面可以呈流线形地构成，由此，将加速环3的空气阻力保持得很小并且避免湍流态(turbuknteStr3mungszustande)。需要时在由第三引导件33划分的单空气流中可以实现不同的排出速度。由此，可以实现特别好地对风车轮1后面的空气流进行平滑。
第三引导件33能够以具有优点的方式构成用于径向12上的气流的转向。这样，做功点，特别是风作用面的压力点可以推移。这样，利用简单手段便可以中风速范围上保持功率输出恒定和/或者为这些风速的每一个调整最佳的做功点。在此，风力发电设备的高效率可以在
很宽的风强度范围内，也就是在风速的很宽范围内得到保证。
具有优点地可以设置为，加速环3基本上设置在风车轮1的外边缘13上。因为加速环3在这种设置中设置在风车轮1的外边缘13上，所以该加速环3也可以称为外置加速环3。特别具有优点的是，外置加速环3可以附加于中断转子叶片2的内置加速环3地设置。在很大的风车轮1上，也可以构成有多个内置加速环3。在此，内置加速环3的最大适合数目由风车轮l在穿流方向ll上的截面面积得出，其中，风车轮1的截面面积与加速环3截面面积总和的比例应不低于2:1，也就是例如为3:1或者更大。
在将加速环3有利地设置在风车轮1的外边缘13的区域内的情况下，可以设置为，加速环3在其在风车轮1的径向12上观察的外端上具有导叶(Diffusor) 38。这样，避免降低效率的湍流。
在本发明的特别具有优点的实施方式中可以设置为，转子叶片2的截面至少区域式地分两部分地构成并包括第一环流体21和至少一个与第一环流体21保持间距的第二环流体22，其中，在穿流方向ll上观察，第二环流体22跟随在第一环流体21的后面设置。由此，即使在空气流的穿流速度特别小的情况下，也可以在转子叶片2上实现巻扬效应(Auftriebseffekt)并且风车轮1的旋转即便在风速特别地的情况下也可以出现。首要地，由此可以在低风速下提高效率并且风力发电设备5的公称功率即便在低风速下也可以达到。这样可以在特别大的时间段内输出年平均的公称功率，由此可以将具有小波动宽度的预先确定的功率在所述大的时间段内输入电网。
第一环流体21和/或者第二环流体22可以在一端固定在轮毂15上并且在与这一端对置的另一端上固定在加速环3上。这样可以实现特别简单的装配以及实现第一和/或者第二环流体21、 22成本低廉且表
面优化的构成方案。通过装配在第一和/或者第二环流体21、 22纵向延伸的两端上，可以将这些装配点内出现的应力保持得很小，由此这些装配点区域内部件的负荷很小，可以保证这些部件的高使用寿命和最小的维护开支。
在上下文中可以设置为，第一环流体21的截面呈流线形地构成和/或者第二环流体22的截面呈流线形地构成。
引导件31、 32可以从转子叶片2伸出，由此可以在转子叶片2直接后方的区域内有效地避免产生涡流。
如果加速环3设置在风车轮1的外端上，那么通过不对称的构成方案(其中，外引导件32在进风侧进一步前伸)来确保碰到风车轮1上的风不在外部围绕风车轮1转向。
在图3中示出不具第三引导件33的实施方式。在此，通过所述变细区域实现空气流的加速。
在图4中以剖面示出带第一环流体21和第二环流体22的、依据本发明的转子叶片2，其中，第一环流体21和第二环流体22呈流线形地构成。在两个环流体21、 22之间设置有穿流区34。通过两个流线形环流体21、 22的这种设置，即便在低风速也形成构成可以使风车轮1旋转的巻扬力(Auftriebskraft)。风车轮1即便在低风速时也可以能量有效地做功并且风力发电站5就己可以将很低的风能转化为电功率。
14在上下文中可以设置为，第一环流体21固定地设置在风车轮1内
并且第二环流体22以能环绕风车轮1的基本上径向的轴线运动的方式设置。由此可以在大的风强度范围内，例如在lm/s至18m/s的风速范围内确保风力发电站5的功率输出。
在本发明具有优点的改进方案中可以设置为，在穿流方向11上观察，第二环流体22的长度为第一环流体21长度的约10%至约50%,优选约12%至约30%，特别是约15%至约25%。由此形成两个环流体21、 22的表面彼此相协调的面积比，由此可以预先确定最佳的风强度范围并在很大的风强度范围内确保最佳效率。
此外，可以考虑在风的低能范围内风力发电站5的使用，风的低能范围也就是在1.5m/s与6m/s之间，具有优点地在2m/s与6m/s之间，特别是在2.5m/s与6m/s之间。在上下文中，转子叶片2可以有利地在其从轮毂15至外边缘13，特别是直至加速环3的纵向延伸上在外边缘12的区域内构成有分两部分的或者分多部分的截面。在此，该截面可以至少区域式至少分三部分或者分四部分地构成。由此，有效功率可以首先在低风速的范围内形成得很高。在这种风速下，利用转子叶片2彼此保持间距的截面的数目而提高的空气阻力附加地有助于获取能
但在这种构造方案中，同样由于较大的空气阻力，效率在风强度很高时下降。转子叶片几何形状这种构造方案的可行的风速使用范围可以处于1.5m/s至6m/s的风速范围内。特别具有优点的是，在上下文中风车轮1带有很大数目的转子叶片2，例如超过12个。
图5示出如下的风力发电站5，其包括依据本发明的风车轮1的另一实施方式。在该举例中，轮毂15与内置加速环3之间的区域内构成有7个转子叶片2。在直径约为风车轮1直径60%的内置加速环3与直
15径大致相应于风车轮1直径的外置加速环3之间设置有双倍数量的转
子叶片2，在这种情况下为14个。这样，对于风车轮l节约了材料和重量。在穿流方向11上的空气阻力可以在轮毂15的区域内以及在围绕轮毂15的区域内最小化。
同样在这种具有优点的构成方式中，可以至少在两个加速环3之一的区域内设置有导叶38。
依据本发明的风车轮1所包括的多个加速环3可以具有优点地构成有在径向12上恒定的和/或者相同的宽度。这样，特别是在风力发电站5的建造地点，实现加速环3的几何形状与中等风速的最佳配合。
同样可以设置为，多个加速环3分别具有在穿流方向11上观察相同的截面。这样，可以保证加速环3在较大的风强度范围上保证恒定的加速作用。由此，首先可以将由于狂风而出现的功率波动保持得很低，由此，可以在很大的风速范围上实现风力发电站5的功率输出。加速环3提高了风车轮1的刚度，因此，转子叶片2可以简单而成本低廉地构成用于取得最佳的表面几何形状的条件。
具有优点的是，在加速环3中设置有用于控制转子叶片2相对于风的置的机构。由此，可以简单而成本低廉地改变转子叶片位置。在此，在轮毂与紧邻的加速环3之间的转子叶片2以及在设置于外边缘13区域内的加速环3与同其紧邻的加速环3之间的转子叶片2可以有利地彼此独立地，特别是在其相对于风的位置上受到控制。这样，可以在风车轮1的整个径向延伸上在空气流大的速度范围内来优化转子叶片的效率。
依据本发明的其它实施方式仅具有所描述特征的一部分，其中，可以设置每个特征组合，特别是也可以设置所描述的不同实施方式的特征组合。
权利要求
1.低速风力发电设备用的风车轮(1)，所述风车轮(1)具有多个转子叶片(2)，其特征在于，所述风车轮(1)为了在正交于所述风车轮(1)的平面的方向上进行空气加速而具有所述风车轮(1)的至少一个连接所述转子叶片(2)的加速环(3)。
2. 按权利要求1所述的风车轮，其特征在于，所述加速环(3)包括至少一个第一引导件(31)和第二引导件(32)，其中，在所述风车轮(1)的径向(12)上观察，所述第一引导件(31)和所述第二引导件(32)彼此是保持间距的并在正交于所述风车轮(1)的所述平面的方向上形成空气通道(34)。
3. 按权利要求2所述的风车轮，其特征在于，所述空气通道(34)的截面，在正交于所述风车轮(1)的所述平面的穿流方向(11)上观察，具有将所述空气通道(34)变细的区域(35)。
4. 按权利要求2或3所述的风车轮，其特征在于，所述第一引导件(31)的截面和/或者所述第二引导件(32)的截面基本上呈流线形地构成。
5. 按权利要求3或4所述的风车轮，其特征在于，在扩展的区域(36)内设置有第三引导件(33)。
6. 按权利要求5所述的风车轮，其特征在于，将所述第三引导件(33)构成用于径向(12)上的气流的转向。
7. 按权利要求2至6之一所述的风车轮，其特征在于，所述第一引导件(31)和所述第二引导件(32)借助间距保持件(37)相互连接。
8. 按权利要求7所述的风车轮，其特征在于，所述间距保持件(37)的截面呈流线形地构成。
9. 按权利要求l至8之一所述的风车轮，其特征在于，所述加速 环(3)基本上设置在所述风车轮(1)的外边缘(13)上。
10. 按权利要求9所述的风车轮，其特征在于，所述加速环(3) 在所述加速环(3)的在所述风车轮(1)的径向(12)上观察的外端 上具有导叶(38)。
11. 按权利要求1至IO之一所述的风车轮，其特征在于，在所述 风车轮(1)的径向(12)上观察，将转子叶片(2)设置在所述加速 环(3)的两侧上。
12. 按权利要求1至11之一所述的风车轮，其特征在于，所述转 子叶片(2)的截面至少区域式地分两部分地构成并包括第一环流体(21) 以及至少一个与所述第一环流体(21)保持间距的第二环流体(22) ，其中，在穿流方向(11)上观察，所述第二环流体(22)跟 随在所述第一环流体(21)的后面地设置。
13. 按权利要求12所述的风车轮，其特征在于，所述第一环流体 (21)的截面呈流线形地构成和/或者所述第二环流体(22)的截面呈流线形地构成。
14. 按权利要求12或13所述的风车轮，其特征在于，所述第一 环流体(21 )固定地设置在所述风车轮(1)内以及所述第二环流体(22) 以能够环绕所述风车轮的基本上径向的轴线运动的方式来设置。
15. 按权利要求12、 13或14所述的风车轮，其特征在于，在穿流方向(11)上观察，所述第二环流体(22)的长度为所述第一环流体(21)的长度的约10%至约50%，优选约12%至约30%，特别是约 15%至约25%。
全文摘要
在低速风力发电设备用的风车轮(1)中，所述风车轮(1)具有多个转子叶片(2)，为了在风很弱和阵风下使用而提出风车轮(1)为了在正交于风车轮(1)平面的方向上进行空气加速而具有风车轮(1)的至少一个连接转子叶片(2)的加速环(3)。
文档编号F03D1/02GK101668944SQ200880011221
公开日2010年3月10日 申请日期2008年4月3日 优先权日2007年4月5日
发明者赫尔曼·奥尔舍内格 申请人:赫尔曼·奥尔舍内格