AT510035B1 - Windturbine - Google Patents

Description

österreichisches Patentamt AT510 035 B1 2012-01-15

Beschreibung [0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Windturbine mit einem axial durchströmbaren Turbinenrotor, dessen in einer Umfangsreihe angeordneten Rotorflügel um 180° um ihre Längsachse schwenkverstellbar in einer Rotornabe gelagert sind.

[0002] Um Windenergie vorteilhaft nützen zu können, ist es bekannt, zwei Bauwerke so auszubilden, dass zwischen ihren einander zugekehrten Außenwänden ein Strömungskanal entsteht, in dem über die Höhe des Strömungskanals verteilt axial durchströmte Windturbinen gelagert werden können. Strömungskanäle zwischen je zwei Bauwerken werden im Allgemeinen in Bezug auf eine vorgegebene Hauptwindrichtung ausgerichtet, die sich häufig, beispielsweise in einem Tag-Nacht-Rhythmus, um 180° dreht. Es empfiehlt sich daher in einem solchen Fall, gegensinnig anströmbare Windturbinen einzusetzen, die allerdings Rotorflügel voraussetzen, die um 180° um ihre Längsachse schwenkverstellbar in der Rotornabe gelagert sind. Rotorflügel axialer Windturbinen weisen ein einem Tragflächenprofil vergleichbares Flügelprofil auf, wobei die Flügelbreite für die Ausnützung der Windenergie eine bedeutende Rolle spielt. Aus diesem Grund verschlechtern Rotorflügel, die gegen die Rotornabe hin schmäler werden, den Wirkungsgrad. Die mögliche Anzahl an um 180° schwenkverstellbaren Rotorflügeln, die eine gegen die Rotornabe hin weitgehend gleiche Profilbreite aufweisen, ist aufgrund der nabenseitigen Profilbreite beschränkt. Da anderseits die mögliche Ausnützung der Windenergie mit der Anzahl der Rotorflügel steigt, bedeutet dies, dass mit einer größeren Anzahl an Rotorflügeln in ihrem Wirkungsgrad schlechtere Rotorflügel mit einer sich gegen die Nabe verjüngenden Profilbreite in Kauf genommen werden müssen.

[0003] Um die Anzahl der Rotorblätter von Windkraftanlagen mit einem um eine horizontale Achse drehbaren Rotor vergrößern zu können, ist es bekannt (DE 20 2008 016 665 U1), zwischen den verstellbaren Rotorblättern Rotorblätter vorzusehen, die an radialen Befestigungsansätzen mit radialem Abstand vom Rotor angeordnet sind und daher zwischen den verstellbaren Rotorblättern ausreichend Platz finden. Diese zusätzlichen Rotorblätter weisen allerdings eine im Vergleich zu den verstellbaren Rotorblättern kürzere Länge auf. Eine Drehverstellung der Rotorblätter um 180° ist nicht erforderlich, weil der Rotor um eine vertikale Achse drehbar gelagert ist.

[0004] Zur Vermeidung einer durch den Wind bedingten Überlastung ist es bei Windkraftanlagen mit horizontaler Achse des Rotors bekannt (JP 2004-011543 A), nur einen Rotorflügel voll anströmen zu lassen und die anderen Flügel in den Wind zu stellen, was eine voneinander unabhängige Verstellung der Rotorflügel bedingt. Außerdem ist es bekannt (JP 2006-118363 A) Rotorflügel in zwei mit axialem Abstand vorgesehenen Umfangsreihen anzuordnen, wobei die Rotorflügel der einen Umfangsreihe gegenüber den Rotorflügeln der anderen Umfangsreihe auf Lücke versetzt sind. Um vorteilhafte Anströmbedingungen sicherzustellen, können die Rotorflügel der einen Umfangsreihe unabhängig von den Rotorflügeln der anderen Umfangsreihe um ihre Längsachse verstellt werden. Wegen des axialen Versatzes der Rotorflügel der beiden Umfangsreihen ergeben sich hinsichtlich der Flügelverstellung keine Schwierigkeiten, weil die Umfangsabstände der Rotorflügel einer Umfangsreihe entsprechend groß sind.

[0005] Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zu schaffen, die Anzahl der um 180° schwenkverstellbaren Rotorflügel einer gegensinnig anströmbaren Windturbine zu erhöhen, ohne in ihrem Wirkungsgrad schlechtere Rotorflügel einsetzen zu müssen.

[0006] Ausgehend von einer Windturbine der eingangs geschilderten Art löst die Erfindung die gestellte Aufgabe dadurch, dass die in Umfangsrichtung der Rotornabe aufeinanderfolgenden Rotorflügel abwechselnd einer von zwei Flügelgruppen angehören und dass die Rotorflügel der einen Flügelgruppe wahlweise unabhängig von den Rotorflügeln der anderen Gruppe oder gemeinsam mit diesen verschwenkbar sind.

[0007] Da zufolge dieser Maßnahme für eine Schwenkverstellung der Rotorflügel um 180° lediglich die Rotorflügel der einen Flügelgruppe an den stillstehenden Rotorflügeln der anderen Flügelgruppe vorbeigedreht werden müssen, kann für die zu verschwenkenden Rotorflügel der 1 17 österreichisches Patentamt AT510 035B1 2012-01-15 durch die Flügelschmalseiten bestimmte Zwischenraum zwischen den Rotorflügeln der stillstehenden Flügelgruppe genützt werden, sodass nach einer 90°-Drehung der zu verschwenken-den Rotorflügel diese angenähert senkrecht zu den stillstehenden Rotorflügeln ausgerichtet sind. Damit werden für die Rotorflügel größere Profilbreiten im Nabenbereich möglich, was zur unmittelbaren Lösung der gestellten Aufgabe führt. Nach einer aufeinanderfolgenden Schwenkverstellung der Rotorflügel der beiden Flügelgruppen zur Anpassung der Windturbine an eine gegensinnige Anströmrichtung können die Rotorflügel beider Gruppen wieder gemeinsam verstellt werden, um den jeweils erforderlichen Anstellwinkel für die Rotorflügel in einfacher Weise in einem Arbeitsgang einzustellen.

[0008] Die wahlweise abwechselnde oder gemeinsame Verstellung der beiden Flügelgruppen kann konstruktiv auf unterschiedliche Weise gelöst werden. So ist es beispielsweise möglich, dass die Rotornabe eine koaxiale Hohlwelle für den Schwenkantrieb der Rotorflügel der einen Flügelgruppe und eine die Hohlwelle koaxial durchsetzende Welle für den Schwenkantrieb der Rotorflügel der anderen Flügelgruppe aufweist, dass die Rotorflügel über Winkelgetriebe abwechselnd mit der Hohlwelle und der die Hohlwelle durchsetzenden Welle antriebsverbunden sind und dass die Hohlwelle und die sie durchsetzende Welle jeweils ein gemeinsames Kegelrad für die zugehörigen Winkelgetriebe tragen. In diesem Fall werden die Rotorflügel der einen Flügelgruppe über die Hohlwelle und die Rotorflügel der anderen Flügelgruppe über die die Hohlwelle durchsetzende Welle verstellt.

[0009] Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Rotorflügel mit gesonderten Stellmotoren zu versehen, die für die Rotorflügel der beiden Flügelgruppen über eine Steuereinrichtung gruppenweise gemeinsam ansteuerbar sind. Es können somit über die hiefür vorgesehene Steuereinrichtung die Rotorflügel der einen Flügelgruppe wahlweise unabhängig von den Rotorflügeln der anderen Flügelgruppe oder gemeinsam mit diesen verstellt werden, dann allerdings nur in einem beschränkten Winkelbereich.

[0010] In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise dargestellt. Es zeigen [0011] Fig. 1 eine erfindungsgemäße Windturbine ausschnittsweise im Bereich der

Rotornabe in einer schematischen stirnseitigen Ansicht, [0012] Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie ll-ll der Fig. 1 und die [0013] Fig. 3 und 4 den Fig. 1 und 2 entsprechende Darstellungen einer Ausführungsvariante einer erfindungsgemäßen Windturbine.

[0014] Gemäß dem Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1 und 2 weist der Turbinenrotor 1 einer Windturbine über seinen Umfang gleichmäßig verteilt radiale Rotorflügel 2 und 3 auf, die mit einem in Fig. 2 strichpunktiert angedeuteten Flügelprofil 4 nach Art eines Tragflächenprofils versehen sind und daher eine in Anströmrichtung verlaufende Breitseite und eine dazu quer ausgerichtete Schmalseite besitzen. Um einen Turbinenrotor 1 von entgegensetzten Seiten anströmen zu können, sind die Rotorflügel 2, 3 um 180° um ihre Längsachse zu drehen. Aus der Fig. 1 ergibt sich, dass die Rotorflügel 2, 3 zwar in ihrer Arbeitsstellung mit ausreichendem Abstand in Umfangsrichtung angeordnet werden können, um einen an die jeweiligen Windverhältnisse angepassten Anströmwinkel zu ermöglichen, dass aber bei einem gemeinsamen Drehen der Rotorflügel 2, 3 um 180° die Rotorflügel 2, 3 wegen der Flügelbreite nicht aneinander vorbeigedreht werden können, wenn die Flügelbreite bis in den Bereich der Rotornabe 5 des Turbinenrotors 1 ohne entsprechende Verjüngung beibehalten wird, was für die Ausnützung der Windenergie von Vorteil ist. Um trotzdem eine Schwenkverstellung der Rotorflügel 2, 3 um 180° zu ermöglichen, werden die Rotorflügel 2, 3 nicht gemeinsam, sondern gruppenweise nacheinander verschwenkt. Die Rotorflügel 2 bilden demnach eine Flügelgruppe und die zwischen den Rotorflügeln 2 dieser Flügelgruppe angeordneten Rotorflügel 3 eine zweite Flügelgruppe. Wie der Fig. 1 zu entnehmen ist, können die Rotorflügel 2 der einen Flügelgruppe trotz ihrer beträchtlichen Profilbreite im Bereich der Flügelwurzel an den Rotorflügeln 3 der anderen, stillstehenden Flügelgruppe vorbeigedreht werden, wie dies strichpunktiert angedeutet ist. Nach der Verstellung der Rotorflügel 2 können die übrigen Rotorflügel 3 der zweiten Flügelgruppe in 2/7

Claims (4)

1. österreichisches Patentamt AT510 035 B1 2012-01-15 gleicherweise um 180° gedreht werden. [0015] Um die Rotorflügel 2, 3, gruppenweise um ihre Längsachse zu verdrehen, umfasst die Rotornabe 5 gemäß dem Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1 und 2 eine koaxiale Hohlwelle 6 für den Schwenkantrieb 7 der Rotorflügel 2. Die Schwenkantriebe 8 für die Rotorflügel 3 der anderen Flügelgruppe werden über eine die Hohlwelle 6 koaxial durchsetzende Welle 9 angetrieben, wobei der Hohlwelle 6 und der Welle 9 voneinander getrennt ansteuerbare Antriebsmotoren 10 zugeordnet sind. Die Stelltriebe 7 und 8 umfassen Winkelgetriebe 11, 12. Diese Winkelgetriebe 11 und 12 besitzen jeweils ein gemeinsames, mit der Welle 9 bzw. mit der Hohlwelle 6 verbundenes Kegelrad 13, 14, sodass mit dem Antreiben der gemeinsamen Kegelräder 13, 14 über die zugehörigen Winkeltriebe 11, 12 jeweils alle Rotorflügel 2, 3 einer Flügelgruppe gruppenweise gemeinsam verstellt werden. Zum Einstellen des jeweils erforderlichen Anstellwinkels der Rotorflügel 2, 3 können diese Rotorflügel 2, 3 beider Flügelgruppen gemeinsam verstellt werden, indem die hiefür vorgesehenen Antriebsmotoren 10 zugleich beaufschlagt werden. [0016] Die gruppenweise Drehverstellung der Rotorflügel 2, 3 kann gemäß den Fig. 3 und 4 auch über den einzelnen Rotorflügeln 2, 3 zugeordnete Stelltriebe 15 vorgenommen werden. In diesem Fall sind die Stellmotoren 15 gruppenweise anzusteuern, sodass bei stillstehenden Rotorflügeln 2, die zwischen diesen Rotorflügeln 2 angeordneten Rotorflügel 3 um 180° gedreht werden, bevor die Rotorflügel 2 nachgedreht werden, sobald die Rotorflügel 3 ihre um 180° gedrehte Stellung für die gegensinnige Anströmung des Turbinenrotors 1 erreicht haben. Zu dieser Ansteuerung der Stellmotoren 15 ist eine Steuereinrichtung 16 vorgesehen, die die einzelnen Stellmotoren 15 entsprechend beaufschlagt, wie dies in der Fig. 3 angedeutet ist. Über Geber 17 wird die jeweilige Drehlage der einzelnen Rotorflügel 2, 3 erfasst und an die Steuereinrichtung 16 weitergeleitet. Patentansprüche 1. Windturbine mit einem axial durchströmbaren Turbinenrotor (1), dessen in einer Umfangsreihe angeordnete Rotorflügel (2, 3) um 180° um ihre Längsachse schwenkverstellbar in einer Rotornabe (5) gelagert sind, dadurch gekennzeichnet, dass die in Umfangsrichtung der Rotornabe (5) aufeinanderfolgenden Rotorflügel (2, 3) abwechselnd einer von zwei Flügelgruppen angehören und dass die Rotorflügel (2) der einen Flügelgruppe wahlweise unabhängig von den Rotorflügeln (3) der anderen Gruppe oder gemeinsam mit diesen ver-schwenkbar sind.
2. 2. Windturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotornabe (5) eine koaxiale Hohlwelle (6) für den Schwenkantrieb (7) der Rotorflügel (2) der einen Flügelgruppe und eine die Hohlwelle (6) koaxial durchsetzende Welle (9) für den Schwenkantrieb (8) der Rotorflügel (3) der anderen Flügelgruppe aufweist, dass die Rotorflügel (2) über Winkelgetriebe abwechselnd mit der Hohlwelle (6) und der die Hohlwelle (6) durchsetzenden Welle (9) antriebsverbunden sind und dass die Hohlwelle (6) und die sie durchsetzende Welle (9) jeweils ein gemeinsames Kegelrad (14, 13) für die zugehörigen Winkelgetriebe tragen.
3. 3. Windturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorflügel (2, 3) gesonderte Stellmotoren (15) aufweisen und dass die Stellmotoren (15) für die Rotorflügel (2, 3) der beiden Flügelgruppen über eine Steuereinrichtung (16) gruppenweise gemeinsam ansteuerbar sind. Hierzu
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