AT514711A1

AT514711A1 - Vorrichtung zum Ändern der Stellung von Rotorblättern

Info

Publication number: AT514711A1
Application number: ATA618/2013A
Authority: AT
Inventors: Johannes Geromiller; Carsten Herrmann
Original assignee: Andritz Hydro Gmbh
Priority date: 2013-08-01
Filing date: 2013-08-01
Publication date: 2015-03-15
Also published as: AT514711B1

Abstract

Eine Vorrichtung zum Ändern der Stellung von Rotorblättern (6), insbesondere eine Turbine zur Energiegewinnung aus Meeresströmung, weist einen Rotor mit einer Nabe (3), an der die Rotorblätter (6) verdrehbar gelagert sind, und eine Welle (2), die drehmomentübertragend mit der Nabe (3) verbunden ist, auf. Eine Verstellvorrichtung (12, 34) dreht über ein weiteres Verstellgetriebe (5) die Rotorblätter (6) in die eine oder andere Richtung, ist direkt oder indirekt mit der Nabe (3) verbunden ist, und weist zwei Bremsen (29, 31; 44, 45) auf, die alternativ aktivierbar sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ändern der Stellung von Rotorblättern, insbesondere einer Turbine zur Energiegewinnung aus Meeresströmung, mit einem Rotor mit einer Nabe, an der die Rotorblätter verdrehbar gelagert sind, und mit einer Welle, die drehmomentübertragend mit der Nabe verbunden ist.

Zum Ändern der Drehstellung von Rotorblättern, insbesondere von Turbinen zur Energiegewinnung aus Meeresströmung, vorzugsweise aus durch Gezeitenwechsel verursachten Strömungen, werden bislang hydraulische oder elektrische Antriebe verwendet, mit denen sowohl die Reibungskräfte der Lagerung der Rotorblätter als auch hydraulische Kräfte, die durch die Strömung auf die Rotorblätter wirken, überwunden werden müssen. Wenn der Rotor von Luft oder anderen Gasen angetrieben wird, müssen von den hydraulischen oder elektrischen Antrieben sowohl die Reibungskräfte der Lagerung der Rotorblätter als auch aerodynamische Kräfte, die durch die Strömung auf die Rotorblätter wirken, überwunden werden. Derartige elektrische oder hydraulische Antriebe stellen aber nicht nur einen zusätzlichen, mit Kosten verbundenen Installationsaufwand von Energiegewinnungsanlagen dar, sondern auch ein Risiko für Störungen und erfordern einen erhöhten Wartungsaufwand.

Aus der WO 2010/002264 A ist eine derartige Turbine zum Erzeugen von elektrischem Strom bekannt, deren Rotorblätter verstellt werden können, um ihr Drehstellung („Steigung") an die Strömung des die Turbine antreibenden Mediums anzupassen. Insbesondere wird "bei der Turbine der WO 2010/002264 A die Ausrichtung („Steigung") der Rotorblätter an wechselnde, durch Gezeitenwechsel bedingte Meeresströmung angepasst. Zum Ändern der Drehstellung der Rotorblätter sind bei der bekannten Turbine hydraulisch oder elektromagnetisch angetriebene Aktuatoren vorgesehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung zum Ändern der Drehstellung von Rotorblättern zu schaffen, die möglichst einfach aufgebaut und betriebssicher ist.

Gelöst wird diese Aufgabe bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Gattung durch eine Verstellvorrichtung, die über ein weiteres Verstellgetriebe die Rotorblätter in die eine oder andere Richtung dreht, die direkt oder indirekt mit der Nabe verbunden ist, und die zwei Bremsen aufweist, die alternativ aktivierbar sind. So kann die Drehstellung der Rotorblätter, also deren Ausrichtung (Winkellage bzw. Steigung) zur Achse des Rotors geändert und an die jeweilige Richtung der die Vorrichtung (z.B. Turbine) zur Energiegewinnung antreibenden Strömung angepasst werden. Dies ist insbesondere von Vorteil, wenn die Ausrichtung der Rotorblätter an die Richtung von durch Gezeitenwechsel verursachten Meeresströmungen angepasst werden muss.

Bei der Erfindung kann die Rotationsenergie des Rotors bzw. die Strömungsenergie des Wassers verwendet werden, um sowohl die Reibungskräfte der Lagerung der Rotorblätter als auch beim Ändern der Drehstellung auftretende aerodynamische oder hydraulischen Kräfte zu überwinden. Bei der Erfindung muss daher nur mehr Energie für die Steuerung des Änderns der Drehstellung, aber nicht mehr - wie bei der' Turbine der WO 2010 002264 A die Energie für das Verstellen der Rotorblätter von außen zugeführt werden.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die angeschlossenen Zeichnungen. Es zeigt:

Fig. 1 eine erste Ausführungsform einer Vorrichtung zum Ändern der

Stellung von Rotorblättern,

Fig. 2 eine detailliertere Darstellung der Verstellvorrichtung von

Fig. 1,

Fig. 3 die Verstellvorrichtung von Fig. 1 im Schrägriss,

Fig. 4 eine erste Schaltstellung der Verstellvorrichtung von Fig. 1,

Fig. 5 eine zweite Schaltstellung der Verstellvorrichtung von Fig. 1,

Fig. 6 eine zweite Ausführungsform der Vorrichtung zum Ändern der

Stellung von Rotorblättern,

Fig. 7 eine detailliertere Darstellung der Verstellvorrichtung von

Fig. 6,

Fig. 8 die Verstellvorrichtung von Fig. 6 im Schrägriss,

Fig. 9 eine erste Schaltstellung der Verstellvorrichtung von Fig. 6 und

Fig. 10 eine zweite Schaltstellung der Verstellvorrichtung von Fig. 6.

Zunächst wird die in den Fig. 1 bis 5 gezeigte Ausführungsform beschrieben.

In Fig. 1 ist ein Maschinenhaus 1 dargestellt, in dem eine Welle 2 mit einer Nabe 3 drehbar gelagert eingebaut ist. Die Welle 2 ist über ein nicht dargestelltes Leistungsgetriebe mit einem ebenfalls nicht dargestellten Generator verbunden. In der Nabe 3 sind beispielsweise drei Lagerzapfen 4 drehbar gelagert, mit denen einerseits jeweils ein Verstellgetriebe 5 und anderseits Rotorblätter 6 bzw. Schaufeln verbunden sind.

Achsen 7 der Lagerzapfen 4 der Rotorblätter 6 liegen in durch eine Achse 8 der Welle 2 mit der Nabe 3 gehenden Axialebenen. Durch Verdrehen der Rotorblätter 6 über die Verstellgetriebe 5 wird der Winkel, den die Rotorblätter 6 mit den jeweiligen Axialebenen einschließen, also deren Steigung, geändert. Dabei wird die Ausrichtung der Rotorblätter 6, also deren Drehstellung bzw. Steigung, so weit geändert, dass diese an entgegengesetzte Strömungsrichtungen, wie Gezeitenströmungen, angepasst werden können.

Mit dem Maschinenhaus 1 starr verbunden und somit stillstehend ist bei der in den Fig. 1 bis 5 dargestellten Ausführungsform eine Eingangswelle 9 vorgesehen, die koaxial in der Welle 2 liegt. Zwischen der feststehenden Eingangswelle 9 und einer Zwischenwelle 10 kann ein mit der Nabe 3 fest verbundenes Getriebe 11 vorgesehen sein. Durch das Getriebe 11 wird die Drehzahldifferenz zwischen der Nabe 3 und der Eingangswelle 9 auf eine für eine Verstellvorrichtung 12 für die Rotorblätter 6 passende

Drehzahl der Zwischenwelle 10 übersetzt. Die Zwischenwelle 10 treibt die Verstellvorrichtung 12 an.

In der in Fig. 2 und Fig. 3 im Detail dargestellten Ausführungsform weist die Verstellvorrichtung 12 ein Getriebe 11 in Form eines Stirnraddifferentialgetriebes auf, dessen Eingangsrad 13 bzw. Sonnenrad direkt mit der die Verstellvorrichtung 12 antreibenden Zwischenwelle 10 verbunden ist. Es sind drei Paar von jeweils zwei miteinander kämmenden Planetenrädern 14 und 15 vorgesehen, von denen ein Planetenrad 14 mit dem Eingangsrad 13 in Eingriff ist. Ein Planetenträger 17, in dem die Planetenräder 14 und 15 drehbar gelagert sind, weist am Außenumfang eine Verzahnung auf, die direkt in Stirnzahnräder 18 der Verstellgetriebe 5 eingreift.

Die paarweise angeordneten Planetenräder 14, 15 sind fest mit Zahnrädern 19, 20 verbunden, die mit jeweils einem Hohlrad 21, 22 kämmen. Das Eingangsrad 13 ist über ein Wälzlager 23 in der Nabe 3 gelagert und der Planetenträger 17 über jeweils ein Wälzlager 24 und 25 einerseits am Eingangsrad 13 und andererseits an der Nabe 3. Das mit dem Zahnrad 19 kämmende Hohlrad 21 ist über ein Wälzlager 26 auf dem Eingangsrad 13 drehbar gelagert und das mit dem Zahnrad 20 kämmende Hohlrad 22 ist ebenfalls über ein Wälzlager 27 an der Nabe 3 drehbar gelagert.

An dem Hohlrad 21, das über das Zahnrad 19 und das Planetenrad 14 direkt mit dem Eingangsrad 13 der Zwischenwelle 10 verbunden ist, greift über ein Ritzel 28 eine Bremse 29 an. Am Hohlrad 22, das über das Zahnrad 20 mit dem jeweils zweiten Planetenrad 15 direkt verbunden ist, greift über ein Ritzel 30 eine Bremse 31 an.

Die Bremsen 29 und 31 sind bevorzugt Wirbelstrombremsen, da diese sehr betriebssicher und verleißarm und daher wartungsarm sind. Andere Bremsen sind ebenso möglich. Die Eingangswelle 9 könnte auch direkt, d.h. ohne das Getriebe 11 und die Zwischenwelle 10, mit der Verstellvorrichtung 12 verbunden sein. Das Getriebe 11 ist insbesondere dann von Vorteil, wenn Wirbelstrombremsen verwendet werden oder zum Anpassen der Verstellgeschwindigkeit der Rotorblätter 6, z.B. bei langsamer

Rotordrehzahl. Grundsätzlich wäre es auch denkbar, auf die Eingangswelle 9 und die Zwischenwelle 10 gänzlich zu verzichten und das Eingangsrad 13 im Wesentlichen direkt ortsfest im Maschinenhaus 1 zu lagern, wenn die Nabe 3 entsprechend angeordnet und gelagert ist und z.B. ein direkt angetriebener Generator verwendet wird.

Wenn sich die Nabe 3 mit den Rotorblättern 6 dreht, dreht sich die Zwischenwelle 10 mit dem Eingangsrad 13 mit einer der Übersetzung des Getriebes 11 entsprechenden Drehzahl. Ist die erste Bremse 29 aktiv und die zweite Bremse 31 gelöst, entsteht die in Fig. 4 dargestellte Situation. Die Bremse 29 und damit auch das Hohlrad 21 stehen mit Bezug zur Nabe 3 fest, wie durch ein „X" symbolisiert ist. Dreht sich das Eingangsrad 13 mit Bezug zur Nabe 3 z.B. in der in Fig. 4 dargestellten Richtung gegen den Uhrzeigersinn (in Fig. 4 von rechts betrachtet), dann drehen sich das Zahnrad 19 und das Planetenrad 14 gegen den Uhrzeigersinn, da das Zahnrad 19 innen am feststehenden Hohlrad 21 abrollt und sich dabei mit seiner Achse gegen den Uhrzeigersinn bewegt.

Da das Zahnrad 19 und das Planetenrad 14 mit ihrer gemeinsamen Achse im Planetenträger 17 gelagert sind, bewegt sich auch der Planetenträger 17 gegen den Uhrzeigersinn, was zu einer Drehung der Stirnzahnräder 18 der Verstellgetriebe 5 im Uhrzeigersinn führt. Die Rotorblätter 7 drehen sich dadurch in eine erste Richtung.

Ist alternativ die zweite Bremse 31 aktiv und die erste Bremse 29 gelöst, entsteht die in Fig. 5 dargestellte Situation, in der, wiederum bei gleicher Drehrichtung des Eingangsrades 13 gegen den Uhrzeigersinn, das Planetenrad 14 im Uhrzeigersinn gedreht wird. Da die erste Bremse 29 gelöst ist, kann sich das erste Hohlrad 21, vom Zahnrad 19 angetrieben, frei drehen. Da allerdings die zweiten Planetenräder 15 permanent mit den ersten Planetenrädern 14 im Eingriff sind und mit ihren Zahnrädern 20 am feststehenden Hohlrad 22 angreifen, rollen die Zahnräder 20 gegen den Uhrzeigersinn drehend am Hohlrad 22 derart ab, dass sie sich insgesamt im Uhrzeigersinn bewegen und dementsprechend den Planetenträger 17, in dem diese gelagert sind, ebenfalls in diese Richtung drehen. Dies führt schließlich zu einer Drehbewegung der Stirnzahnräder 18 der

Verstellgetriebe 5 gegen Uhrzeigersinn. Die Rotorblätter 7 drehen sich dadurch in eine zweite Richtung.

Damit können durch Aktivieren entweder der Bremse 29 oder der Bremse 31 die Rotorblätter 6 wahlweise in die eine oder die andere Richtung verstellt werden. Die Antriebsenergie für das Ändern der Drehstellung der Rotorblätter 6 kommt aus der kinetischen Energie, mit der sich der Rotor 3 dreht bzw. aus der über die Rotorblätter auf den Rotor wirkenden Strömung. Die einzige Energie, die zum Andern der Drehstellung der Rotorblätter 6 von außen aufgebracht werden muss, ist die Energie für das Aktivieren der Bremsen 29 und 31.

Nachstehend wird die in den Fig. 6 bis 10 dargestellte alternative Ausführungsform der Erfindung beschrieben.

In einem Maschinenhaus 1 ist koaxial zur Welle 2 des Rotors mit der Nabe 3 und den Rotorblättern 6 eine Steuerwelle 33 vorgesehen, die eine' Verstellvorrichtung 34 mit einem Zahnrad 35 verbindet, das mit den Zahnrädern 18 der Verstellgetriebe 5 der Rotorblätter 7 kämmt. Die Rotorwelle 2 ist über ein Leistungsgetriebe 36, das als Planetengetriebe ausgeführt ist, mit einem nicht dargestellten Generator verbunden. Die Steuerwelle 33 ist über die Verstellvorrichtung 34 mit dem Leistungsgetriebe 36 gekuppelt.

In der in den Fig. 6 bis 10 dargestellten Ausführungsform, ist die Verstellvorrichtung 34 ein Planetengetriebe, dessen Sonnenrad 37 mit einer Eingangswelle 38 verbunden ist und dessen Planetenträger 39 mit der Steuerwelle 33 verbunden ist. Die Verstellvorrichtung 34 weist des Weiteren zwei Hohlräder 40, 41 auf, die parallel nebeneinander bzw. in Achsrichtung hintereinander angeordnet sind. Am Planetenträger 39 sind drei Paar von Planetenrädern 42, 43 drehbar gelagert, von denen das jeweils erste Planetenrad 42 mit dem ersten Hohlrad 40 und das jeweils zweite Planetenrad 43 mit dem zweiten Hohlrad 41 in Eingriff steht. Des Weiteren stehen die Planetenräder 42, 43 jeweils- paarweise miteinander in Eingriff und drehen sich daher immer paarweise gleichzeitig in entgegengesetzte Richtungen.

An jedem der Hohlräder 40, 41 greift eine Bremse 44, 45 über Ritzel 46, 47, die mit einer Außenverzahnung der Hohlräder 40, 41 kämmen, an. Die Bremsen 44, 45 sind wiederum bevorzugt Wirbelstrombremsen, da diese sehr betriebssicher und verschleißarm und daher wartungsarm sind. Andere Bremsen sind aber natürlich auch verwendbar.

Wenn sich der Rotor der Energiegewinnungsanlage dreht, dreht sich die Welle 37 mit einer der Übersetzung des Leistungsgetriebes 29 entsprechenden, proportionalen Geschwindigkeit und dementsprechend auch das Sonnenrad 37 der Verstellvorrichtung bzw. des Planetengetriebes 34.

Ist die zweite, dem Hohlrad 41 zugeordnete Bremse 45 gelöst und die erste, dem Hohlrad 40 zugeordnete Bremse 44 aktiv (durch ein „X" symbolisiert), entsteht die in Fig. 9 dargestellte Situation, in der sich das Sonnenrad 37 beispielsweise gegen den Uhrzeigersinn und der Planetenträger 39 mit der Steuerwelle 33 ebenfalls gegen den Uhrzeigersinn dreht, da das erste Hohlrad 40 durch die erste Bremse 44 festgehalten wird, wodurch sich das erste Planetenrad 42, durch das Sonnenrad 37 drehend angetrieben, im Uhrzeigersinn drehend an der Innenverzahnung des ersten Hohlrades 40 abrollt und somit den Planetenträger 39 gegen den Uhrzeigersinn dreht.

Ist dem gegenüber die zweite Bremse 45 aktiv und die erste Bremse 44 gelöst, entsteht die in Fig. 10 dargestellte Situation, in der das zweite Hohlrad 41 durch die zweite Bremse 45 fest gehalten wird, wodurch das zweite Planetenrad 43 an der Innenverzahnung des zweiten Hohlrades 41 gegen den Uhrzeigersinn drehend abrollen muss und dementsprechend den Planetenträger 39 im Uhrzeigersinn gegen die Drehrichtung des Sonnenrades 37 dreht.

Bei den in Verbindung mit den Fig. 9 und 10 beschriebenen Situationen ist jeweils eine der beiden Bremsen 44, 45 nicht aktiv, sodass sich das jeweilige Hohlrad 40, 41 mit dem jeweils daran angreifenden Ritzel 46, 47 der Bremse 44, 45 frei drehen kann.

Da der Planetenträger 39 über die Steuerwelle 33 mit dem Verstellgetriebe 5 verbunden ist, das die Rotorblätter 6 verdreht, können durch entsprechendes Aktivieren der Bremsen 44 oder 45 die Steuerwelle 33 und somit auch die Rotorblätter 6 in die eine oder andere Richtung verstellt (verdreht) werden. Die Antriebsenergie kommt dabei aus der kinetischen Energie, mit der sich der Rotor dreht. Die einzige Energie, die von außen aufgebracht werden muss, ist die Energie für das Aktivieren der Bremsen 44, 45.

Wenn keine der Bremsen 44, 45 aktiviert ist, wirken von außen keine nennenswerten Kräfte auf das Planetengetriebe 34 ein und die Steuerwelle 33 dreht sich in die gleiche Richtung und mit der gleichen Drehzahl wie der Rotor bzw. die Rotornabe 3, sodass keine Kräfte entstehen, die ausreichen groß sind, die Rotorblätter 7 zu verstellen.

Claims

Patentansprüche : 1. Vorrichtung zum Ändern der Stellung von Rotorblättern (6), insbesondere einer Turbine zur Energiegewinnung aus Meeresströmung, mit einem Rotor mit einer Nabe (3), an der die Rotorblätter (6) verdrehbar gelagert sind, und mit einer Welle (2), die drehmomentübertragend mit der Nabe (3) verbunden ist, gekennzeichnet durch eine Verstellvorrichtung (12, 34), die über ein weiteres Verstellgetriebe (5) die Rotorblätter (6) in die eine oder andere Richtung dreht, die direkt oder indirekt mit der Nabe (3) verbunden isu, und die zwei Bremsen (29, 31; 44, 45) aufweist, die alternativ aktivierbar sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstellvorrichtung (12, 34) ein Differentialgetriebe, Planetengetriebe, Stirnradgetriebe oder Kegelradgetriebe ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Bremsen (29, 31; 44, 45) auf unterschiedliche Getriebeelemente (8, 9; 34, 35) wirken.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstellvorrichtung (12) an der Nabe (3) angeordnet ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstellvorrichtung (34) in einem Maschinenhaus (1) feststehend angeordnet ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Eingangswelle (9, 38) der Verstellvorrichtung (12, 34) koaxial zur Welle (2) angeordnet ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstellvorrichtung (12, 34) ein mit der Eingangswelle (9, 38) verbundenes Sonnenrad (13, 37) sowie einen Planetenträger (17, 39) mit paarweise angeordneten und miteinander kämmenden Planetenrädern' (14, 15; 42, 43) aufweist, von denen jeweils ein Planetenrad (14, 42) mit dem Sonnenrad (13, 37) und dass das jeweils andere Planetenrad (15, 43) mit jeweils einem Zahnrad, insbesondere einem Hohlrad (21, 22; 40, 41) kämmt, das mit jeweils einer der Bremsen (29, 31; 44, 45) verbunden ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Planetenträger (17, 39) mit dem weiteren Verstellgetriebe (5) verbunden ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Rotorblatt (6) ein eigenes Verstellgetriebe (5) aufweist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (2) mit einem Getriebeelement (37) und eine mit dem weiteren Verstellgetriebe (5) verbundene Steuerwelle (33) mit einem anderen Getriebeelement (39) verbunden ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (2) mit dem Sonnenrad (37) und die Steuerwelle (33) mit dem Planetenrad (38) verbunden ist.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Bremsen (44, 45) ortsfest in einem Maschinengehäuse (1) gelagert sind.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Bremsen (29, 31) in der Nabe (3) gelagert sind.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Hohlrad (21) auf dem Sonnenrad (13) und das andere Hohlrad auf der Nabe (3) gelagert ist.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine Eingangswelle (9) der Verstellvorrichtung (12) über ein mit der Nabe (3) fest verbundenes Getriebe (11) mit dem Eingangsrad (13) verbunden ist.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Bremsen (29, 31; 44, 45) elektromagnetische Bremsen, insbesondere Wirbelstrombremsen, sind.