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Konventionelle Windkraftanlagen zur Gewinnung von elektrischer Energie beruhen auf rein technisch aufeinander aufbauenden, sich gegenseitig bedingenden und sich gegenseitigen unterstützenden Konstruktionen in entsprechender Mathematik. Die naturgegebenen Formen, also die, die mit der Natur verbundenen eigenen Mathematik und logarithmischen Häufigkeitsverteilungen und/oder auch der bekannten universellen mathematischen Naturformel des „Goldenen Schnittes” in Verbindung stehen, werden nicht oder nur sehr wenig angewandt. Schon vielfach wurde aber festgestellt, und das nicht nur bei rein technischen Fragen, dass die Nutzung der natürlichen d. h. der organischen Formen und Prinzipien hoch effizient und durch die Jahrtausende organisch entwickelt – quasi langzeiterprobt und getestet – ist und dadurch ökologische als auch ökonomische Vorteile in deren Wirksamkeit während der Verwendung bieten (Ökologie ist Ökonomie). Die Naturformeln (z. B. das Fließen von Flüssigkeiten, die Bewegungen des Windes und des Schalls) sind in der luftigen Natur wie auch in der wässrigen Umgebung hoch ähnlich bzw. gewissermaßen gleich und unterliegen den gleichen natürlichen Gesetzen. D. h. dass die Strömungseigenschaften der Luft, also für die Bereiche der Winde, und die des Wassers nach den gleichen Prinzipien ablaufen. Lediglich die Geschwindigkeiten, mit der diese Medien strömen, sind unterschiedlich.
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Speziell kann man auch innerhalb der belebten Natur wie z. B. bei der Fortbewegung der Wale, der Delphine und der Haie eine hocheffiziente Formgebung feststellen, die ganz spezifische Eigenschaften ermöglichen. Auch bei den Forellen und Lachsen hat man anhand der Schuppenform i. V. mit der körperlichen Formgebung feststellen können, dass sich die Tiere mit allerfeinsten und körperlich geringen Bewegungen pfeilschnell nach vorne bewegen und dabei bedeutende Geschwindigkeiten entwickeln können – nach dem scheinbar paradoxen in der BWL bekannten MiniMax – Modell, welches mit einem minimalen Aufwand einen maximalen Ertrag ermöglicht. In diesem Zusammenhang war und ist die Natur immer schon ökonomisches Vorbild.
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Bis in die 90iger Jahre wurde dieser ,Naturphänomenologie', den dazugehörigen evolutionären Entwicklungen sowie Fragen nach natürlichen mathematischen Gesetzen und Methoden in der Natur, innerhalb unserer Technisierung nur gelegentlich bzw. spärlich nachgegangen. Pioniere wurden und werden bekanntlich belächelt, bekämpft und sogar massiv sabotiert. Seit Mitte/Ende der 90iger Jahre hat hier jedoch ein Wandlung eingesetzt, um, durch tiefgreifende und grundsätzlichere Untersuchungen, der Natur Wirkprinzipien abzuschauen um die konventionelle Technik zu innovieren und wirksamere Produkte zu erzeugen (z. B. der Lotuseffekt für Oberflächen).
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Ausgehend hiervon ist es deshalb die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine neuartige Windkraftanlage, die möglichst in Anlehnung an die Natur ausgebildet ist und die insbesondere gegenüber dem Stand der Technik einen verbesserten Wirkungsgrad (Erntegrad) aufweist. Weiterhin sollen die Investitionskosten einer derartigen Windkraftanlage niedrig sein.
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Die Aufgabe wird durch eine Windkraftanlage, wie sie in Patentanspruch 1 definiert ist, gelöst. Die Unteransprüche zeigen vorteilhafte Weiterbildungen auf.
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Erfindungsgemäß wird somit vorgeschlagen, die Rotorblätter einer Windkraftanlage als windaufnehmende Hohlkörper auszubilden, wobei die Form eines muschelförmigen Trichters wesentlich ist. Ein weiterer wichtiger Aspekt bei der vorliegenden Erfindung ist, dass an der tiefsten Stelle im Inneren des Hohlkörpers der Muschel mindestens eine Öffnung angeordnet ist. Der muschelförmige Hohlkörper ist dadurch definiert, dass seine Längsausdehnung größer ist als die Breite.
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Durch die Ausbildung des Rotorblatts in Form eines muschelförmigen Trichters wird erreicht, dass die auf die offene Seite des muschelförmigen Trichters auftreffende Luft in Form einer Helix verwirbelt und nach unten konzentrierend durch die Öffnung geführt wird. Durch die im Inneren des Hohlkörpers angeordnete Öffnung, die von der einströmenden Luft, die wie vorstehend beschrieben in Form einer Helix durch das Loch geführt wird, entsteht zusätzlich ein Turbodüse.
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Bei der Erfindung ist es dabei bevorzugt, wenn drei derartige, wie vorstehend beschriebene Rotorblätter symmetrisch um eine horizontale zentrale Rotorachse angeordnet sind. Die Rotorblätter sind dabei mit einer entsprechenden Vorrichtung bevorzugt mit einem Rohrgestell an der zentralen Achse befestigt.
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Bei der erfindungsgemäßen Windkraftanlage ist es weiterhin bevorzugt, wenn die Rotorblätter im Bereich der äußeren Umfangskante noch zusätzliche Öffnungen aufweisen. Diese Öffnungen können gleich beabstandet über die gesamte Umfangskante angeordnet sein oder aber auch in nicht gleichmäßiger Form.
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Bei der erfindungsgemäßen Windkraftanlage kann weiterhin vorgesehen sein, dass jeweils drei Rotorblätter in bis zu drei Ebenen hintereinander angeordnet sind.
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Eine weitere bevorzugte Ausführungsform schlägt vor, dass auf der windabgewandten Seite der Rotorblätter ein fliehkraftgesteuerter Trägheitsdämpfer angeordnet ist. Die Windkraftanlage ist hierzu bevorzugt in Form eines Pendels, das z. B. dreibeinig am Boden verankert ist, ausgebildet.
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Auch besteht die Möglichkeit, dass auf der windabgewandten Seite der Rotorblätter ebenfalls an der horizontalen Rotorachse nach außen offene, gewölbte Halbschalen als Schutzmechanismus hinter den Rotorblättern angeordnet sind.
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Bei der erfindungsgemäßen Windkraftanlage mit den Rotorblättern wird somit eine naturoptimierte Formenqualität erreicht. Erfindungsgemäß ist somit ein neuer Windkraftanlagentyp realisiert worden.
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Der sogenannte „Erntegrad” liegt bei der hier vorliegenden Erfindung höher als bei den konventionellen Windkrafträdern. Auch ist es ein Ziel die Windradgröße sehr stark zu reduzieren und die Investitionskosten in Relation zur Ausbringungsmenge also: Monetäres Investment in Relation zur Leistung in KW, weit unter die Grenze von 800 €/KW zu bringen, um auch Kleininvestoren, Gemeinschaften und einzelnen Haushalten ein eigenes kostengünstiges Windkraftrad zur Deckung des lokalen Bedarfs zu ermöglichen.
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Die beschriebene Konstruktion und die daraus abgeleiteten Varianten dieser Konstruktion eines neuen naturphänomenalen Windkrafttyps beinhalten verschiedene aber sehr einfach zu verstehende und zusammenwirkende Grundprinzipien. In diesem Zusammenhang sei zu erwähnen, dass die Natur zumeist sehr einfache Lösungen zu bestimmten Fragen hervorgebracht hat, die wir grundsätzlich suchen und verstehen lernen müssen. Auch und gerade deswegen wurde darauf geachtet, dass das Windkraftrad möglichst einfach gebaut ist, um ein robustes langlebiges Gerät zu sein.
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Entgegen des bisherigen ,Stand der Technik' findet sich beim Gegenstand der Erfindung keine Repeller-, Impeller- oder Propellertechnik, sondern ein ,Windcatcher', also eine ,Windfängertechnik'. Es wird also keine Rotorfläche durch Strömungseinfluss des Windes (wie beim Repeller) weggedrückt, weggeschoben bzw. in Bewegung gebracht oder, durch Einsatz eines Motors selber zum ,Wegschieber' von Wind konstruiert (Propeller), sondern, entgegengesetzt der bisherig dominanten Gedanken- und Handlungsansätzen der Windkraftradstechnik, eine den Wind einfangende Methode angewandt, die als „Windcatcher” oder „Windfänger” bezeichnet wird. Das bereits mit dem Begriff „Windcatcher” und „Windfängertechnik” beschriebene und erfindungsmäßige Konstruktionsprinzip bewirkt unmittelbar eine andere Abnahme und Wirkungsweise der Windkraft, da es den Wind im Sinne des Wortes konfrontiert bzw. zur Abgabe von Kraft zwingt und die direkte Abnahmefläche sich auf einen verhältnismäßig sehr kleinen Kreisbereich konzentriert. Es gibt auch grundsätzlich keine oder im Vergleich nur sehr geringe Anlaufverluste bzw. Anlaufverzögerung (mtr./s). Auch hat dieser Rotor, der aus der vorstehend beschriebenen Muschel gebildet ist, durch seine natürliche Formgebung, eine natürliche Ab- bzw. Wegleitung des einströmenden Windes in sich veranlagt. Nicht nur die Krümmungsöffnungen, also die Krümmungen die sich natürlich auf einer ebenen Untergrundfläche ergeben, bilden den Bereich zur Ableitung der Windkraft, sondern auch die angelegten Öffnungen bzw. Löcher innerhalb der Muschel. Diese können in der natürlich vorhandenen Anzahl bleiben oder, da sie zum Zentrum hin i. d. R. verschlossen sind, vorzugsweise wieder geöffnet und/oder zunehmend nach oben geschlossen werden um im Bedarfsfall vermehrt oder weniger Wind abzuleiten. Auch kann vorzugsweise jedes dieser Löcher oder nur ganz bestimmte Löcher durch flexibel nachrüstbare und je nach Bedarf unterschiedlich schwere An- bzw. Einlagerung von Fliehkraftgewichten (z. B. Hartgummi) in seiner Laufleistung und Laufruhe dahingehend optimiert werden, dass es so den ortsüblichen Windverhältnissen angepasst wird (offene Löcher oben, verschlossene Löcher unten). Zu dieser sehr einfachen Variante der Anbringung von Fliehkraftgewichten sind zusätzlich alternativ Fliehkraftgewichte bevorzugt, welche sich bei Windstille in die Ausgangsposition zurückziehen um einen problemlosen bzw. neutralisierten Start so wieder zu ermöglichen. Diese Variante dient in besonders windreicheren Regionen und ist vorzugsweise bei einer 3, 6 und/oder 9er Kombination von Rotorblättern verwendbar.
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Das erfinderische Muschel-Rotorblatt ist eine beliebige Muschel und so verwendbar wie es ist. Vorzugsweise ist es aber durch eine weitere erfindungsmäßige Optimierung zu versehen, die sich als eine Art „organisch saugender Turbodüseneffekt” beschreiben lässt. Dazu wird eine nach hinten links außen, d. h. entgegengesetzt der Laufrichtung, geführt austretende Wirbeltrichteröffnung in die ursprünglich angelegte tiefste Stelle des Innenraumes der Muschel ermöglicht (hyperbolische Berechnung der Führungsleisten ist zwingend nötig), die den von vorne wirbelnd einströmenden Wind quasi wirbeltechnisch kanalisiert, diesen komprimiert und so erheblich beschleunigt. Diese energiewirksame Führung wird durch den Befestigungskorpus und ggf. der dahinterliegenden Rotorblätter geführt, um dann dem Windrad zusätzlichen „Drive” dadurch zu geben, dass die beschleunigt komprimierte Windluft nach links (für alle drei Wirbeltrichterturbos deckungsgleich und dadurch synchron) austritt. Hierzu liegt der Austrittswinkel der Turbodüsen vorzugsweise unter 45°. Dadurch, dass der einströmende turbulente Wind, sowohl vorne im Flächenraum der Muschel kräftetechnisch ansetzt, der beschleunigende Sog im geführten Wirbel nach hinten hin mit seinem geführten Kompressionsdruck gleichzeitig andrückt, erhält das Windkraftrad eine enorme zusätzliche Beschleunigungskraft, das das Aggregat selbst größere Generatoren antreibt.
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Um die so optimierte Beschleunigungskraft als gesteigerten Wirkungsgrad insbesondere für variable Windverhältnisse zu nutzen, wird der Generatorbereich vorzugsweise in zwei oder mehrere nacheinander gelagerte kleinere Generatoren aufgeteilt und/oder in einem Generator vorliegende und durch Kupplungen untereinander zu verbindende Einzelkammergeneratoren konstruiert. D. h. der zweite (evtl. dritte/vierte etc.) Teilgenerator bzw. die Generatorkammer setzt dann ein, wenn der vorgelagerte hierzu „auffordert”, was insbesondere dann passiert, wenn die anliegende Windkraft einen bestimmten Kraftbereich übersteigt. So können auch geringe Windkräfte durch den geringeren Widerstand nur eines Generators bzw. einer Generatorteilkammer optimaler genutzt werden um dann, beim Aufkommen stärkerer Windkräfte, durch das über Kupplungen automatisierte Hinzuschalten eines weiteren Generators oder Generatorteils, mehr bzw. zusätzliche Kraft am Wind abnehmen zu können.
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Wie oben bereits erwähnt haben natürliche organische Formen und lebendige Körper eine entwicklungstechnische Optimierung in den entsprechenden Medien Luft/Wind und Wasser erfahren. Die Körperformen des Delphins und des Hammerhais (in diesem Falle insbesondere auch die Schwanzflossen) dienen hier vorzugsweise zur Bildung
- a) der strömungsgünstigen Körperform der Gesamtanlage;
- b) Zur stabilen Steuerung der Gesamtanlage am und im Wind durch die Flössen von Hammerhai (Vertikalruder) und des Delphins (Horizontal- und evtl. stabilisierende Seitenruder);
- c) Und einem marketingtechnisch zu bevorzugendes Design (Naturformen statt rein technisches Design sind Hingucker).
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Um der Gesamtanlage in seiner Aufstellung am Ort, neben der positiven Einflüsse der organischen Körperformung, eine maximale Stabilität am und im Wind, eine quasi automatische ,Permanentjustierung' und eine besondere Reaktionsschnelligkeit zu ermöglichen, ist ein justierendes und zudem stoßdämpfendes Pendelprinzip mit einem dazugehörigen Pendellager bevorzugt. Das Pendelsystem hat zudem die Grundeigenschaft, je nach Anlagenzusammenstellung d. h. Größe und Rotorzahl, durch unterschiedliche Gewichte an verschiedenen Befestigungspunkten an der nach unten langenden Pendelstange, den unterschiedlichsten örtlichen Gegebenheiten und den sich zusehends verändernden Umweltbedingungen des Windes anpassbar zu machen. Das gleiche Aggregat kann so im Gebirge als auch an der Küste stehen. Das Gesamtgewicht des oberen Aggregats mit dem/den Generator/en wird in den Mittelpunkt des Pendelkugelgelenks berechnet um dem Prinzip der Pendeleinrichtung zutragend zu sein.
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Zum Schutz der dargelegten Anlage, gibt es Prüffaktoren, die die Sicherheit der Anlage in Extremsituationen (Sturm, Orkan etc.) gewährleisten. Hier wurde insbesondere der Begriff der „Überlebensgeschwindigkeit” bezüglich der maximalen Windverhältnisse auf die Anlage in den Leistungscharakteristika einer jeden Anlage geprägt. Durch die ,Windcatcher' Eigenschaft ist diese Anlage diesbezüglich stärker gefährdet als konventionelle Anlagen, die flügeltechnisch aus dem Wind gedreht werden. Vorzugsweise dient hier ein Schutzmechanismus der wie folgt zu beschreiben ist: Drückt der Wind von vorne auf die Anlage stülpen sich drei vorzugsweise vier hinter den Rotoren (also im Windschatten liegend) angebrachte Schalen über die äußeren Spitzen der Rotoren über das Aggregat und verschließen bzw. bedecken tendenziell die Rotationsinnenflächen. Auch dies sind rein organische Formen bzw. dem beschriebenen Prinzip anzugleichende Formen z. B. der Blüten- und Verschlussform der Trollblume ähnlich. Die Übertragung des anliegenden Winddruckes für diesen ,Überstülpeffekt' geschieht vorzugsweise durch ein einfaches Federdruck- und zügig umlenkendes Hydrauliksystemgestänge, welches sich, nach Erreichen der notwendigen Abdeckung, bei nachlassendem Winddruck, sehr langsam – durch öldruckrückführende Bypässe – wieder öffnet. Bei dieser Variante läuft die Anlage trotzdem weiter! Sie wird aber weniger durch den ,Flächenangriff' auf die Rotoren sondern mehr über die o. a. 3 Turbodüsen, die im Mittelpunkt der ersten und/oder zweiten Reihe der Rotorblätter lokalisiert sind, weiter betrieben, während übermäßige Windkraft zunehmend durch die Abdeckung abgewiesen wird. Optimierbar ist diese Variante, durch eine einfache Kombination d. h. Rückkopplung mit den Leistungsdaten der Aggregate, wobei aufwendige und anfällige Elektronik vermieden wird.
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Zur Übertragung der Kräfte auf den/die Generator/en ist ein solides Keilriemengetriebe auch aus Kostengründen sinnvoll; Zudem sind Wartungsarbeiten dadurch wesentlich vereinfacht. Als Bremse wird eine selbstregulierende Wirbelstrombremse i. V. mit einer manuellen Feststellbremse eingesetzt. Zudem wird das Aggregat durch einen rückwärtigen, also hinter dem/den Rotor/en und vor den ,Abdeckblättern' durch einen Abdeckkorb geschützt. Der Stand wird für die 3, 6, bzw. 9 rotorigen Kleinvarianten zwischen 3.5–max. 10 mtr. sein, während der Gesamtrotordurchmesser zwischen 50 cm–180 cm ist, sich aber je nach gewünschter Leistungskapazität vergrößern kann.
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Alle hier aufgeführten und zu berechnenden Komponenten sowie deren Zusammenführung zur entsprechenden Gesamtanlage ist auf der Grundlage des ,Global Scaling' durchzuführen, wonach die naturgegebenen Formen, also die, die mit der Natur verbundenen eigenen mathematischen und logarithmischen Verteilung in Verbindung stehen (siehe www.global-scalinginstitute.de).
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von zehn Figuren näher beschrieben.
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1 zeigt in der Draufsicht schematisch den Aufbau eines erfindungsgemäßen Rotorblatts 1 in Muschelform. Der rechte, nach unten links tendierende Rand ist dabei überstehend und raumabdeckend. Darunter ist ein Hohlraum, der den einströmenden Wind einerseits einfängt (der Rand wird von oben rechts nach links unten hin breiter) und andererseits bei Drehung des Objekts nach außen ableitet bzw. diesen wieder hinauswirft. Die vorgegebene Strichführung im Innenraum (es handelt sich um wellige Erhöhungen bzw. dazugehörige Wellentäler) der Muschel wird windführend dahingehend genutzt, dass windeinströmungstechnisch gesehen der erfinderische Wirbeltrichterdurchstoß durch das Objekt unterstützt wird. Im Umfangsbereich des muschelförmigen Rotorblatts sind zusätzliche Öffnungen 2 vorgesehen.
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2 zeigt nun das Rotorblatt wie vorstehend beschrieben liegend in Nullstellung. Aus dem Schnitt des Rotorblatts 1 nach 2 ist dabei auch die in die tiefste Stelle eingebrachte Öffnung 3 ersichtlich.
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3 zeigt nun die Ausführungsform der Erfindung, bei der drei muschelförmige Rotorblätter 1 symmetrisch an einer Haltevorrichtung 4 befestigt sind. Es handelt sich dabei um eine 120°-Anordnung.
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In 4 ist nun eine weitere Ausführungsform dargestellt, bei der jeweils, wie in 3 bereits beschrieben, drei muschelförmige Rotorblätter 1 in eine 120°-Einteilung in einer Ebene angeordnet sind, wobei hier eine zweite Ebene vorgesehen ist. Die zweite Ebene ist dabei verdreht zur ersten Ebene angeordnet. Im Ergebnis resultiert somit bei der Ausführungsform nach 4 durch die versetzte Anordnung eine 60°-Anordnung. Die Erfindung umfasst dabei selbstverständlich auch Ausführungsformen, bei denen eine sog. Neunerkombination, d. h. drei Ebenen mit jeweils drei muschelförmigen Rotorblättern vorgesehen sind. In diesem Fall resultiert dann eine Anordnung in einem 40°-Winkel.
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5 zeigt nun schematisch die aus der Muschelform abgeleitete Trichterführung. In 5 sind dabei drei muschelförmige Trichter in schematischer Darstellung gezeigt, deckungsgleich und dadurch synchron laufend. Die Dreiteilung entspricht der Dreieraufteilung einer Rotorebene, wie sie in 3 gezeigt worden ist. Eine Sechseranordnung in der zweiten Rotorebene ist dann abhängig von der Aufhängung der Rotorblätter bzw. von der nach vorne zugänglichen Windeinflugsfreifläche und ist in der Konstruktion entsprechend zu berücksichtigen.
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6 zeigt ein Fliehkraftdämpfersystem für mindestens drei unterschiedliche Gewichte mit One-Way-Bypassschaltung (ohne Zeichnung).
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7 zeigt nun in der Seitenansicht eine Gesamtanlage in einer Neunervariante der Rotorblätter inklusiv Fliehkraftdämpfer im Pendel 15 stehend.
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Analoges ist aus der 8, Frontansicht zu entnehmen. Insbesondere aus der 8 wird der Fliehkraftdämpfer 15 ersichtlich.
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In 9 ist dazu das entsprechende Pendellager dargestellt.
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10 zeigt letztlich das Verschlussschema, das bei ansteigender Überlast der Anlage durch Federn und Hydraulikgestänge gesteuert wird. Halbschalen aus dem Hinterraum des Aggregats überstülpen das Rotorblatt zum Schutz gegen übermäßigen Windeinflug. Mit zunehmenden Druck auf die Gesamtanlage schiebt sich blütenblätterähnlich die Abdeckung druckgesteuert über die Rotoranordnung.