DE4014685A1

DE4014685A1 - Propeller wind power machine - has aerofoil blades with hinged flap on ŸŸŸŸŸŸŸŸŸŸŸŸŸŸŸŸŸŸŸŸŸŸŸŸŸŸŸŸŸŸŸŸŸŸŸŸ leading edge

Info

Publication number: DE4014685A1
Application number: DE4014685A
Authority: DE
Inventors: Alfred Frohnert
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1988-09-16
Filing date: 1990-03-08
Publication date: 1991-12-12

Abstract

The machine is in the form of a propeller, which is driven by the wind. The blades of the propeller have an aerofoil cross-section and the leading edge of the aerofoil is fitted with a hinged flap. The hinge of this flap is equipped with a spring which at low rotational speeds holds the flap at a distance from the leading edge of the aerofoil. As the rotational speed increases centrifugal force acts on the flap to reduce the gap between it and the aerofoil. The aerofoil is provided with internal ducts which extend from a stagnation point on the leading edge to thea low pressure side of the trailing edge. USE - Wind power generators.

Description

Bei dem heutigen Stand der Technik wird eine Drehverstellung des Anstellwinkels der Horizontalachsrotor-Flügelblätter für notwendig erachtet, um den jeweils besten Wirkungsgrad in Bezug zur Windgeschwindigkeit zu erreichen. Bei genauer Untersuchung des Grenzschichtverlaufs um das Flügelprofil stellt sich heraus, daß auch die gebrauchliche Drehverstel lung bei gleichbleibendem Flügelprofil-Querschnitt nur einen Kompromiß zwischen theoretisch optimalen Möglichkei ten und der kostenmäßig machbaren praktischen Ausführungs form darstellt. Um einen theoretisch besten Wirkungsgrad zu erzielen, müßte nicht nur der Anstellwinkel, sondern auch der Flügelprofil-Querschnitt in Abhängigkeit von der Windgeschwindigkeit verändert werden. Da bei schwachem Wind und dementsprechend niedriger Rotordrehzahl der Flügel der anströmenden Luft nur geringen Widerstand entgegensetzt, könnte mit einem erhöhten Profil-Querschnitt der Wirkungs grad wesentlich verbessert werden. Bei Lastensegel-Flugzeug flügeln beispielsweise wird dieses Profil verwendet, weil dieser Flugzeugtyp beim langsamen Flug große Last tragen kann. Es bedeutet, daß dieser Flügel einen großen Auftrieb besitzt. Bei hoher Windgeschwindigkeit und dementsprechend hoher Rotordrehzahl würde dieses Profil den anströmenden Luftmassen einen zu großen Widerstand entgegensetzen, selbst bei günstigstem Anstellwinkel. Man wählt deshalb ein relativ schlankes Flügelprofil, dessen Anstellwinkel- Steuerung der günstigsten Wirkungsgrad bei höheren Windgeschwindigkeiten erreicht und verzichtet damit auf einen Teil der möglichen Leistung bei schwachem Wind, weil die Änderung des Flügel profils bei laufendem Rotor technisch aufwendig wäre. Möglich wäre z. B. die Ausbildung der Saugseiten- Flügelhälfte aus plastischem Werkstoff, dessen Wölbung mit Hydraulikzylindern verstellt werden könnte. Damit könnte in Verbindung mit der Anstellwinkel-Steuerung ein stets optimaler Wirkungsgrad er zielt werden. Ob der bessere Wirkungsgrad diesen hohen tech nischen Aufwand rechtfertigt, mag dahingestellt sein. With the current state of the art there is a rotary adjustment the angle of attack of the horizontal axis rotor blades deemed necessary to achieve the best efficiency to achieve in relation to wind speed. If more precisely Investigation of the boundary layer around the wing profile it turns out that the used rotary adjuster only with the same wing profile cross-section a compromise between theoretically optimal possibilities ten and the cost-effective practical execution represents form. A theoretically best efficiency to achieve not only the angle of attack, but also the wing profile cross-section depending on the Wind speed can be changed. Because with weak wind and correspondingly lower rotor speed of the blades of the only little resistance to incoming air, could be effective with an increased profile cross section degrees are significantly improved. For cargo sail aircraft wing for example this profile is used because this type of aircraft carry a heavy load when flying slowly can. It means that this wing has a great lift owns. At high wind speeds and accordingly high rotor speed, this profile would be the incoming Opposing air masses too much resistance, even with the cheapest angle of attack. So you choose a relative slim wing profile, the pitch control of the best efficiency at higher wind speeds achieved and thus dispensed with part of the possible Low wind performance because of the change of wing profiles would be technically complex with the rotor running. Possible would be z. B. from the formation of the suction side wing half plastic material, the curvature of which with hydraulic cylinders could be adjusted. This could be in conjunction with the Angle control always an optimal efficiency aims to be. Whether the better efficiency of this high tech justified, may be left open.

Bei vorliegender Anmeldung wird ein anderer Weg gewählt. Bei genauer Betrachtung des Grenzschichtverlaufs erscheint es sogar unnötig, die relativ aufwendige Anstellwinkel- Steuerung einzusetzen. Bei einem fest verschränkten Flügel gibt es Möglichkeiten, den Grenzschichtverlauf den wechseln den Windgeschwindigkeiten optimal anzupassen. Im Flugzeug bau ist die sogenannte Nasenklappe bekannt. In dem techni schen Nachschlagewerk: "Wie funktioniert das?" aus dem Jahr 1967 wird dazu folgendes ausgeführt: "Die Klappen dienen der Steuerung des Gleitwinkels, sie beeinflussen in ausgefahrenem Zustand Auftrieb und Widerstand. Beim Ausfahren der Nasenklappe, die auch Vorflügel genannt wird, bildet sich zwischen dieser und dem Tragflügel ein Schlitz, durch den die Luft wegen des Druckunterschiedes von der Drucksei te zur Saugseite strömt und dort der Grenzschicht neue Energie zuführt. Das Ablösen der Grenzschicht wird dadurch zu größeren Anstellwinkeln hinausgeschoben." Flugzeugflügel sind am Rumpf in der Regel starr angebaut, die Änderung des Anstellwinkels würde relativ langsam zu machen sein. Die Klappensteuerung reagiert wesentlich schneller, weil die zu bewegenden Massen viel kleiner sind.A different route is chosen for the present registration. A closer look at the course of the boundary layer appears it is even unnecessary to use the relatively complex Control. With a firmly folded wing there are ways to change the course of the boundary layer optimally adapt to the wind speeds. On the plane construction is known as the so-called nasal valve. In the techni reference book: "How does it work?" from the The following was carried out in 1967: "The flaps are used to control the glide angle, they influence in extended state buoyancy and resistance. When extending the nasal valve, which is also called slat, forms a slot between it and the wing, through the air because of the pressure difference from the pressure cable te flows to the suction side and there the boundary layer new Supplies energy. This will remove the boundary layer pushed out to larger angles of attack. "Airplane wing are usually rigidly attached to the fuselage, the change of Angle of attack would be relatively slow. The Damper control reacts much faster because the masses to be moved are much smaller.

Vorflügel oder Nasenklappen sind aus folgenden Patentbeschrei bungen bekannt: P DE 27 41 893 C3, in diesem wird auf DE-PS 8 73 980 und US 19 53 444 hingewiesen. Zudem OS-DE 31 17 995, sowie OS-DE 32 07 539. Allen gemeinsam sind, mit Ausnahme der letztgenannten, wo alle Profilteile starr auf der Horizontalachse angeordnet sind, zwangsweise willkürlich zu steuernde Profilteile, aufwendige Mechanik und damit ver bundenen Impulsgebern, sowie aufgelöst bleibende Flügelpro file mit dem Nachteil der damit verbundenen Widerstandserhö hung insbesondere bei höherer Rotordrehzahl und daraus er folgende Gegenstrombildung. Es stellt sich die erfindungs mäßige Aufgabe, diese Nachteile zu vermeiden.Slats or nasal valves are from the following patent specifications exercises known: P DE 27 41 893 C3, in this is on DE-PS 8 73 980 and US 19 53 444 noted. Also OS-DE 31 17 995, and OS-DE 32 07 539. All are common to Except for the latter, where all profile parts are rigid the horizontal axis are arranged, forcibly arbitrarily profile parts to be controlled, complex mechanics and thus ver tied pulse generators, as well as resolved wing pro file with the disadvantage of the associated increases in resistance hung especially at higher rotor speed and from it following countercurrent formation. It turns the invention moderate task to avoid these disadvantages.

Die Lösung dieser Aufgabe stellt eine Nasenklappe dar, die fliehkraftgesteuert (ohne Impulsgeber) den Spalt zum Profilkörper selbsttätig je nach Drehzahl des Rotors mehr oder weniger öffnet und die bei geschlossenem Spalt mit dem Profilkörper des Flügels ein einziges geschlossenes aerody namisches Profil bildet ohne Erhebungen oder Kanten, genau wie bei einem gut ausgebildeten Profil eines Schnell läufer- Rotorblattes. An mechanischen Teilen werden ledig lich in einer Richtung öffnende Scharniere (z. B. 2 Stk. pro Nasenklappe und Flügel) mit auf den Scharnierschenkeln angebrachten Druckfedern (Blatt- oder Spiralfedern) benö tigt. Diese Teile können so eingebaut werden, daß sie den Luftstrom nicht wesentlich störend beeinflussen. Die Federn sind nötig, um bei langsamer Umdrehung des Rotors die Nasen klappe stetig geöffnet zu halten. Der Federdruck muß beim Einbau so austariert werden, daß die Nasenklappe bei stei gender Drehzahl zu schließen beginnt. Die Fliehkraft zieht die Nasenklappe in Richtung Flügelspitze. Geführt durch die Scharniere (eine Bewegung quer zur Rotorkreisfläche ist nicht möglich), verengt sich der Spalt zwischen Nasenklappe und Rotorblatt und somit verringert sich der Luftdurchtritt durch den Spalt, der bei anliegender Nasenklappe bei hoher Rotordrehzahl ganz unterbunden wird. Der Anstellwinkel des Flügels wird fest auf hohe Drehzahl ausgerichtet (je nach Rotordurchmesser, Flügelzahl und Schnellaufzahl zwischen ca. 5° bis ca. 15° an den Flügelspitzen). Für eine langsame Dreh zahl wäre ein größerer Anstellwinkel erforderlich. Hier be ginnt die Wirkung der Nasenklappe. Statt wie bisher üblich den gesamten Flügel um dessen Längsachse zu drehen, besteht bei dem Flügel mit fliehkraftgeregelter Nasenklappe ein Spalt zwischen dieser und dem Profilkörper des Flügels, durch den der Grenzschicht die nötige Energie zum wirbelfreien Abfließen zugeführt wird. Die Wirksamkeit der Nasenklappe ist schon länger bekannt. Durch die neue Fliekraftrege lung dieser Nasenklappe können alle bei den anderen Syste men zuvor genannten Nachteile dieses effektiven aerodynami schen Bauteils vermieden werden.The solution to this problem is a nasal valve that controlled by centrifugal force (without pulse generator) Profile body automatically more depending on the speed of the rotor or less opens and the closed gap with the Profile body of the wing a single closed aerody Named profile forms without elevations or edges, just like a well-trained profile of a Schnell rotor rotor blade. Mechanical parts become single Hinges that open in one direction (e.g. 2 pcs. per nose flap and wing) with on the hinge legs attached compression springs (leaf or spiral springs) does. These parts can be installed so that they Do not significantly interfere with air flow. The feathers are necessary to turn the nose when the rotor rotates slowly keep the flap open constantly. The spring pressure must Installation must be balanced so that the nasal valve is steep gender speed begins to close. The centrifugal force pulls the nose flap towards the wing tip. Run by the Hinges (a movement is transverse to the rotor circular area not possible), the gap between the nasal valve narrows and rotor blade and thus the passage of air is reduced through the gap that is high when the nasal valve is in contact Rotor speed is completely prevented. The angle of attack of the The wing is fixed at high speed (depending on Rotor diameter, number of blades and quick number between approx. 5 ° to approx. 15 ° at the wing tips). For a slow spin number would require a larger angle of attack. Here be begins the effect of the nasal valve. Instead of as usual to rotate the entire wing around its longitudinal axis at the wing with a centrifugal-controlled nose flap Gap between this and the profile body of the wing that of the boundary layer the energy required for vortex-free Drainage is supplied. The effectiveness of the nasal valve has been known for a long time. Thanks to the new flow force This nasal valve can be used in all other systems Men previously mentioned disadvantages of this effective aerodynami be avoided.

In Bezug auf die Hauptanmeldung OS-DE 38 36 325 begünstigt die Bewegung der Nasenklappe in Richtung Flügelspitze eine Erweiterung deren Erfindungsmerkmale: Die Injektordüse an der Hohlflügelspitze kann als oberes Teil der Nasenklappe ausgebildet werden. Die Düse würde bei steigender Drehzahl ihren Querschnitt vergrößern bis zu dem Punkt, an dem die Nasenklappe am Flügel anliegt. Die Scharnierlänge bestimmt sowohl das Spaltmaß als auch den Düsenquerschnitt. Die Quer schnittvergrößerung der Injektordüse hat den Vorteil, daß deren Saugleistung entsprechend der Drehzahl gesteigert wird. Eine Drehzahlbegrenzung ist trotzdem gegeben, weil auch die Größe des Düsenquerschnittes begrenzt ist. An der Übergangsstelle von Nasenklappe zur Injektordüse wird zur Vermeidung von Gegenströmungen eine nasenförmige Erhebung angebracht.Favored in relation to the main application OS-DE 38 36 325 the movement of the nose flap towards the wing tip one Extension of their invention features: The injector nozzle on The hollow wing tip can act as the upper part of the nasal valve be formed. The nozzle would increase with speed enlarge their cross-section to the point where the Nose flap lies against the wing. The hinge length determines both the gap size and the nozzle cross-section. The cross Enlargement of the injector nozzle has the advantage that the suction power increased according to the speed becomes. A speed limit is still given because the size of the nozzle cross section is also limited. At the transition point from the nasal valve to the injector nozzle becomes a nose-shaped to avoid counter currents Survey attached.

Außer der Nasenklappe gibt es noch eine andere Möglichkeit der Beeinflussung der Grenzschichtströmung. Theoretische Grundlage zu dieser Erkenntnis ist folgendes Buchzitat aus dem schon erwähnten Nachschlagewerk: "Wie funktioniert das?" Seite 434 in Auszügen: "Das Geschwindigkeitsprofil der la minaren Grenzschicht zeigt einen stetigen Verlauf, während bei der turbulenten Grenzschicht der Geschwindigkeitszuwachs nur im Mittel stetig ist und bei genauer Betrachtung Größen schwankungen auftreten. Im Bereich der Abreißzone tritt so gar eine Strömung entgegen der Flugrichtung auf. Die Umströ mung des Tragflügels nimmt ihren Anfang im vorderen Stau punkt . . .". Diese beiden letzten Sätze enthalten auch schon die Lösung der gestellten erfindungsmäßigen Aufgabe: Wenn an der Vorderkante eines Flügels ein Staupunkt besteht (Überdruck) und an der Saugseiten- Hinterkante eine Gegen strömung (Unterdruck aufgrund fehlender Abflußenergie), braucht man doch nur diese beiden Punkte durch einen Kanal miteinander zu verbinden, um die Energie dorthin zu trans portieren, wo sie gebraucht wird.There is another option besides the nasal valve influencing the boundary layer flow. Theoretical The following book quotation is the basis for this finding the reference book already mentioned: "How does it work?" Page 434 in excerpts: "The speed profile of the la mineral boundary layer shows a steady course while with the turbulent boundary layer the speed increase is only steady on average and, on closer inspection, sizes fluctuations occur. This occurs in the area of the tear-off zone even a current against the direction of flight. The currents wing begins in the front traffic jam Point . . . ". These last two sentences also contain already the solution of the inventive task: When there is a stagnation point on the leading edge of a wing (Overpressure) and a counter on the suction side rear edge flow (negative pressure due to lack of discharge energy), you only need these two points through a channel to connect with each other to transfer the energy there port where it is needed.

Recherchen in Patentschriften zu diesem Thema brachten kein Ergebnis.Research in patent documents on this topic did not work Result.

Praktisch werden quer durch den Flügel Profilrohre einge arbeitet, welche diese beiden genannten Punkte möglichst gradlinig miteinander verbinden und so den Luftdurchtritt ermöglichen. Theoretisch besteht der Flügel aus 2 Teilen, die Trennlinie geht im Verlauf der Kanallinie quer durch das Flügelprofil, von der Basis bis an die Spitze. Die beiden Flügelhalften werden durch Stege miteinander verbun den. Die Steghöhe ist die Kanalbreite, die nur wenige cm betragen muß (je nach Flügelgröße). Die Flügelstatik wird durch solche Staupunktkanale sogar noch verbessert. Der Luftdurchsatz regelt sich in Abhängigkeit von der Rotordreh zahl ebenso selbsttätig wie bei der fliehkraftgeregelten Nasenklappe. Beide aerodynamischen Bauteile können sowohl gemeinsam als auch jede einzeln für sich mit gutem Erfolg an Rotorflügeln allgemein verwendet werden.Practical profile tubes are inserted across the wing works, which these two mentioned points as possible connect straight with each other and thus the passage of air enable. Theoretically, the wing consists of two parts, the dividing line runs across the channel line the wing profile, from the base to the top. The the two halves of the wing are connected to each other by webs the. The web height is the channel width, which is only a few cm must be (depending on the wing size). The wing statics will even improved by such stagnation point channels. The Air flow is regulated depending on the rotor rotation number as automatic as with the centrifugal control Nasal valve. Both aerodynamic components can both together as well as individually individually with good success are generally used on rotor blades.

Speziell für die Hohlflügelturbine aus der OS-DE 38 36 325 ist folgende Kombination zweckmäßig: In die innenliegenden Turbinenflügel werden die Staupunktkanäle und in die außen angebauten Hohlflügel die fliehkraftgeregelte Nasenklappe eingebaut. Andere Kombinationsmöglichkeiten werden nicht ausgeschlossen.Especially for the hollow-wing turbine from OS-DE 38 36 325 the following combination is appropriate: In the inside Turbine blades are the stagnation point channels and in the outside attached hollow wing the centrifugally controlled nose flap built-in. There are no other possible combinations locked out.

Die unter Punkt 7 in der OS-DE 38 36 325 in den Ansprüch en genannte Verhältniszahl 1 : 6 zwischen vorderer und hinterer Segmentabstrebung und durchschnittlichem Kegel stumpf- Radius wird zu 1 : 3 bis 6 erganzt, wodurch 1. der Kegelstumpfmantel länger wird und 2. der Anstellwinkel der festverschränkten innenliegenden Turbinenflügel größer wird, was sowohl statische als auch aerodynamische Vortei le bringt.The point 7 in OS-DE 38 36 325 in the claims en ratio 1: 6 between the front and rear segment strut and average cone blunt radius is added to 1: 3 to 6, whereby 1. the Truncated cone is longer and 2. the angle of attack of the entangled internal turbine blades larger becomes what is both static and aerodynamic advantage le brings.

Die Nummern der Patentansprüche stimmen mit den Bezugs zahlen der Zeichnung überein.The numbers of the claims correspond to the reference pay the drawing.

Claims

Centrifugal-controlled nose flap and stagnation point channels on the entangled propeller-shaped wind rotor blades on the horizontal axis, characterized in that

1. a centrifugal-controlled nose flap is attached to the front edge of a wing described above with hinges.
2. this nose flap together with the wing profile results in a wing profile.
3. Steel or plastic leaf or spiral springs are integrated into the hinges, the spring force of which is tared so that the nose flap has a distance from the airfoil at a low rotor speed, which is predetermined by the length of the hinges, and is becoming higher The speed begins to close and at high speeds it lies completely against the front edge of the wing profile, ie there is a continuous expansion or contraction of the nasal valve gap due to the centrifugal force, which is dependent on the speed.
4. an injector nozzle is attached to the radial end of the nasal valve in hollow wings, which has an aerodynamic shape.
5. the injector nozzle changes its cross-section according to the movement of the nasal valve.
6. a bulge is attached to the front edge of the nasal valve below the injector nozzle (in the axial direction), which prevents harmful eddy formation.
7. inside the wing stagnation point channels are incorporated transversely, the entrance of which is at the front stagnation point and the exit of which is on the suction side rear edge.
8. The course of the stagnation point channels is as straight as possible.
9. the in OS-DE 38 36 325 (main application) under spr. 7 ratio 1: 6 between the front and rear segment struts and the average truncated cone radius is added to 1: 3-6.