DE10019214A1 - Windradnabe - Google Patents

Abstract

Bei Windrädern mit starrer Nabe, die Wasserfahrzeuge antreiben, treten Kreiselkräfte auf, wenn das Fahrzeug z. B. durch Seegang in Rotationsbewegungen versetzt wird. Ein Zweiblattrotor mit einer Pendelnabe, welche die Kreiselkräfte wesentlich verringert und damit eine Gewichtsersparnis an der Struktur ermöglicht, hat bei einer bei Gegenwindfahrt vorteilhaften kleinen Schnellaufzahl jedoch einen niedrigen Leistungswert, weil die Anzahl der Rotorblätter niedrig ist. Die neue Nabe ermöglicht die Anordnung mehrerer Rotorblattpaare mit Pendelrahmen auf einer gemeinsamen Rotorwelle. DOLLAR A An der Rotorwelle (1) ist ein Träger (2) befestigt, woran sich die Pendellager (3) befinden, welche einen inneren Pendelrahmen (4) und einen äußeren Pendelrahmen (5) tragen. Am inneren Pendelrahmen (4) sind die 2 sich gegenüberliegenden Rotorblätter (6) befestigt und am äußeren Pendelrahmen (5) sind die 2 sich gegenüberliegenden Rotorblätter (7) befestigt. Beide Pendelrahmen und die jeweils mit ihnen verbundenen Rotorblätter können ihre Pendelbewegungen unabhängig voneinander ausführen. DOLLAR A Windradantrieb von Wasserfahrzeugen.

Description

Die nachfolgend beschriebene Windradnabe eignet sich besonders für Windräder, die zum Antrieb von Wasserfahrzeugen benutzt werden. Aus diesem Grund wird zunächst auf die technischen Besonderheiten eines windradgetriebenen Wasserfahrzeugs und die insbesondere bei der Fahrt gegen den Wind auftretenden Schwierigkeiten eingegangen.

Die deutlichsten Vorteile eines Wasserfahrzeugs mit Windradantrieb gegenüber einem Segelboot sind folgende:

• 1. Ein windradgetriebenes Wasserfahrzeug kann bei richtiger Auslegung des Antriebs gerade gegen den Wind fahren. [1] Es ermöglicht z. B. das Befahren enger Kanäle gegen den Wind.
• 2. Bei Verwendung eines Windrades mit verstellbaren Rotorblättern läßt sich das Windrad schnell und bequem auf veränderte Wind- und Betriebsverhältnisse einstellen [1].

Beim gegenwärtigen Stand der Technik werden zum Antrieb von Wasserfahrzeugen Windräder eingesetzt, die denen von stationären Windkraftanlagen ähneln: Ein Rotor mit starrer Nabe und meistens 3 Blättern, deren Einstellwinkel sich während des Laufs verändern läßt. Wenn die Achse eines solchen Rotars während des Laufs relativ zum Raum gedreht wird, treten Kreiselkräfte auf die über Nabe, Rotorwelle, Lager und Mast auf das Fahrzeug einwirken. Es ist bekannt, daß beispiels­ weise eine Drehbewegung um die Hochachse des Fahrzeugs ein Drehmoment um die Querachse des Fahrzeugs verursacht, wenn die Welle des laufenden Rotors parallel zur Längsachse des Fahr­ zeugs ausgerichtet ist. [2] Des weiteren sind dann durch Seegang verursachte Bewegungen um die Querachse des Fahrzeugs (Stampfen) stets mit einem Drehmoment um die Hochachse des Fahr­ zeugs gekoppelt. Unter diesen Bedingungen weiden insbesondere die Rotorblätter außerordentlichen Biegebeanspruchungen durch die Kreiselkräfte ausgesetzt. Ferner ist zu berücksichtigen, daß Nabe, Rotorwelle, Lager und Mast diese Kräfte auf das Fahrzeug übertragen sollen, ohne sich dabei merk­ lich zu verformen. Diese Forderung nach erhöhter Festigkeit steht der im Fahrzeugbau üblichen Forderung nach geringem Gewicht entgegen. Durch das hohe Gewicht von Windrad und Mast werden Fahrleistung und Kentersicherheit des Wasserfahrzeugs beeinträchtigt.

Es wäre also vorteilhaft, auf Wasserfahrzeugen einen Rotor einzusetzen, welcher möglichst geringe Kreiselkräfte auf das Fahrzeug überträgt, wodurch sich Gewichtseinsparungen an Windrad und Mast erreichen ließen und auch die durch die Kreiselkräfte verursachten Fahrzeugbewegungen verringert würden.

Grundsätzlich bietet ein Zweiblattrotor mit Pendelnabe diese Möglichkeit. Bei stationären Windkraft­ anlagen hat das Pendelgelenk eines solchen Zweiblattrotors die Aufgabe, asymmetrische Belastun­ gen von der Struktur weitgehend fernzuhalten. Dabei hat solch ein Zweiblattrotor noch eine Eigen­ schaft, und zwar ist bei stationären Windkraftanlagen bei Gierbewegungen der Maschinengondel das wirksame Massenträgheitsmoment erheblich kleiner, als das eines gleich schweren Dreiblattro­ tors. [3] Der laufende Zweiblattrotor mit Pendelnabe hat nämlich das Bestreben, die Drehebene seines Rotors senkrecht zur Achse der Rotorwelle auszurichten, wobei eventuell auftretende Kreisel­ kräfte zum größten Teil an die umströmende Luft übertragen werden.

Diese Eigenschaft ermöglicht die oben genannte Gewichtseinsparung und das Verringern der durch Kreiselkräfte verursachten Fahrzeugbewegungen.

Während des Betriebs folgt die Drehebene eines Zweiblattrotors mit Pendelnabe den Drehbewegun­ gen des Fahrzeugs mit einer gewissen Verzögerung, d. h. die Rotorblätter führen dabei Pendelbewe­ gungen um die Achse des Pendelgelenks aus. Diese Pendelbewegungen, die auch durch ungleich­ mäßige Anströmverhältnisse verursacht werden, können durch Blattwinkelrücksteuerung über ein Blattverstellgestänge und/oder eine geeignete Schrägstellung der Pendelachse in Bezug auf die Längsachse der Rotorblätter (δ3-Kopplung) gedämpft werden. Diese Prinzipien der aerodynami­ schen Dämpfung sind bereits von stationären Zweiblattanlagen her ber bekannt. [4] Beim Einsatz auf einen Wasserfahrzeug bewirkt eine solche Dämpfung, daß die Rotordrehebene den Drehbewegun­ gen des Fahrzeugs schneller und genauer folgt, d. h. die Pendelbewegungen der Rotorblätter bleiben während des Betriebs innerhalb zumutbarer Grenzen.

Um ein bei Gegenwindfahrt möglichst günstiges Verhältnis vom antreibenden Schiffsschrauben­ schub zum bremsenden Windrotorschub zu erhalten, läßt man das Windrad mit geringer Schnel­ laufzahl arbeiten. [5] In diesem Betriebszustand läuft beispielsweise ein Zweiblattrotor mit Schnel­ laufzahlen um 5, das ist etwa die Hälfte des bei stationären Zweiblattanlagen üblichen. Ein Zweiblatt­ rotor, der so langsam läuft, hat einen geringen Leistungsbeiwert, auch wenn die Verwindung der Rotorblätter an geringe Schnellaufzahlen angepaßt ist. Durch Verbreiterung der Rotorblätter läßt sich zwar der Leistungsbeiwert eines solchen Rotors steigern, allerdings steigt dann auch wegen kleinerer Blattstreckung der induzierte Widerstand an und die Gleitzahl der Rotorblätter nimmt ab, was eine Verringerung des Wirkungsgrads des gesamten Antriebs zur Folge hat. Hinsichtlich des Wirkungs­ grades ist es vorteilhafter, die gesamte Blattfläche des Rotors anstatt auf 2 breite Rotorblätter mit geringer Gleitzahl auf 4 oder gar 6 schlanke Rotorblätter mit hoher Gleitzahl zu verteilen. Der Nach­ teil eines gewöhnlichen Vier- oder Sechsblattrotors mit liegt jedoch darin, daß seine starre Nabe die Kreiselkräfte überträgt.

Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einem Rotor mit 4 oder 6 Blättern ein Verhalten zu geben, welches in Bezug auf die Kreiselkräfte dem eines Zweiblatt­ rotors mit Pendelnabe ähnelt wodurch eine Gewichtsersparnis und eine damit einhergehende Steige­ rung der Fahrleistung ermöglicht wird.

Ein Vierblattrotor mit schlanken Blättern und Pendelnabe hat bei niedriger Schnellaufzahl einen guten Leistungsbeiwert bei vergleichsweise geringem Rotorschub und überträgt nur geringe Kreiselkräfte auf die Struktur. Dabei ist es aus Gründen das Wirkungsgradas und der Laufruhe vorteilhaft, wenn alle 4 Rotorblätter unter möglichst ähnlichen Verhältnissen angeströmt werden. Ein solcher Rotor läßt sich realisieren, indem man gewissermaßen die Pendelrahmen von 2 Zweiblattrotoren rechtwinklig ineinander verschachtelt, wobei die Pendelrahmen so gestaltet sind, daß sie ihre jeweili­ gen Pendelbewegungen unabhängig voneinander ausführen können und sich die Achsen aller Pendellager in einer gemeinsamen Ebene befinden, welche senkrecht zur Achse der Rotorwelle liegt.

Fig. 1 zeigt das Schema einer solchen Pendelnabe, die 4 Rotorblätter trägt. Am vorderen Ende der Rotorwelle (1) ist ein kreuzförmiger Träger (2) befestigt, woran sich die Pendellager (3) befinden. Die Pendellager tragen einen inneren Pendelrahmen (4) und einen äußeren Pendelrahmen (5). Am inneren Pendelrahmen (4) sind die zwei sich gegenüberliegenden Rotorblätter (6) befestigt, und am äußeren Pendelraunen (5) sind die zwei sich gegenüberliegenden Rotorblätter (7) befestigt. Beide Pendelrahmen und die jeweils mit ihnen verbundenen Rotorblätter können ihre Pendelbewegungen unabhängig voneinander ausführen.

In Fig. 2 wurden mehrere bekannte Elemente aus der Technik des Zweiblattrotors mit Pendelnabe auf einen Vierblattrotor mit Pendelnabe übertragen. Fig. 2 zeigt in der Draufsicht aus axialer Rich­ tung eine entgegen dem Uhrzeigersinn drehende Nabe mit Blattverstellmechanismus. An dem Träger (2) sind die Pendellager (3) befestigt, welche den inneren Pendelrahmen (4) und den äußeren Pen­ delrahmen (5) tragen. An den Pendelrahmen wiederum sind die Rotorblattlager (8) für die um ihre Längsachse drehbaren Rotorblätter (6), (7) befestigt. Vor dem äußeren Pendelrahmen befindet sich ein vierarmiger Lenkerstem (9), der am vorderen Ende einer Schubstange befestigt ist. Die Schub­ stange ist in einer in der Rotorwelle befindlichen Bohrung verschiebbar gelagert und wird auf die von gewöhnlichen Windrädern her bekannte übliche Weise betätigt. (Der Lenkerstern wurde teilweise gestrichelt gezeichnet, um die Sicht auf die ineinander verschachtelten Pendelrahmen nicht unnötig zu erschweren.) Der Lenkerstern ist über mit Gelenken versehenen Verstellstangen (10) mit den Anlenkzapfen der Rotorblätter gekoppelt. Entsprechend einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nach Patentanspruch 2 stehen die Längsachsen der Rotorblätter in diesem Beispiel nicht senkrecht zu den Achsen ihrer zugehörigen Pendelgelenke, weit die aus der Technik des Zweiblatt­ rotors bekannte Blattwinkelrücksteuerung mit einer Schrägstellung der Pendelachse (δ3-Kopplung) auf diesen Vierblattrotor übertragen wurde. Da die Dämpfung der Pendelbewegungen durch die reine δ3-Kopplung u. U. in schwerem Seegang nicht ausreicht, wurde der Blattverstellmechanismus so gezeichnet, daß eine zusätzliche Blattwinkelrücksteuerung über das Blattverstellgestänge erfolgt. Für das Befahren von Binnengewässern mit geringer Wellenhöhe reicht dagegen die reine δ3- Kopplung aus, wodurch der Verschleiß der Rotorblattlager verringert wird. Dies läßt sich durch eine Verlängerung der Anlenkzapfen bis zu den Punkten (11) und ein entsprechendes Verdrehen des Lenkersterns erreichen.

Fig. 3 zeigt das Prinzip einer Nabe mit 2 gleich herzustellenden Pendelrahmen. Hier ist an der Rotor­ welle (1) ein Trägerkörper (2) mit quadratischem Querschnitt befestigt. An den 4 Seiten des Trägerkörpers (2) befinden sich die Pendellager (3), in denen ein vorderer Pendelrahmen (4) und ein hinterer Pendelrahmen (5) gelagert sind. Zur Herstellung der Balance müssen diese Pendelrahmen mit Zusatzgewichten (6) versehen werden.

Fig. 4 zeigt eine Pendelnabe mit 3 Pendelrahmen, die insgesamt 6 Rotorblätter tragen. An der Rotorwelle (1) ist ein Trägerkörper (2) mit dem Querschnitt eines gleichseitigen Sechsecks befestigt. An den 6 Seiten des Trägerkörpers befinden sich die Pendellager (3), in denen ein vorderer Pendelrahmen (4), ein mittlerer Pendelrahmen (5) und ein hinterer Pendelrahmen (6) gelagert sind. Zur Herstellung der Balance müssen der vordere und der hintere Pendelrahmen mit Zusatzgewichten (7) versehen werden. Anstatt der Zusatzgewichte lassen sich auch geeignete Verstrebungen anbrin­ gen, die jeweils den vorderen und hinteren Pendelrahmen wirksam versteifen. Ein solcher Pendel­ rahmen hätte dann eine ähnliche Gestalt wie der äußere Pendelrahmen in Fig. 1.

Mit einem Sechsblattrotor lassen sich schlankere Rotorblätter bei geringerer Schnellaufzahl als mit einem Vierblattrotor einsetzen, d. h. der Wirkungsgrad des Antriebs ist bei Gegenwindfahrt noch höher als bei einem Vierblattrotor.

Diese Erfindung hat den Zweck, die Leistungsfähigkeit des eigentlich seit bereits geraumer Zeit bekannten Windradantriebs für Wasserfahrzeuge zu verbessern.

Fundstellen

[1] Bose, N.: no tilting at these windmills Australian Boating/November 1985, Seite 66-67.
[2] Bose, N. and McGregor, R. C.: The Wind Turbine Driven Boat-Construction, Performance and Control, Seite 5, Department of Naval Architecture and Ocean Engineering, University of Glas­ gow, 1983.
[3] Molly, J. P.: Windenergie in Theorie und Praxis, Seite 101, Karlsruhe: Verlag C. F. Müller 1990, 2. Aufl.
[4] Hau, E.: Windkraftanlagen, Seiten 181-182, Seiten 234-238, Berlin - Heidelberg: Springer- Verlag 1988.
[5] Bose, N. and McGregor, R. C.: The Wind Turbine Driven Boat-Construction, Performance and Control, Seite 4, Seite 8

Fig.

3, Department of Naval Architecture and Ocean Engineering, Uni­ versitv of Glasgow, 1983.

Claims (2)

1. Windradnabe, dadurch gekennzeichnet, daß an einer gemeinsamen Rotorwelle 2 oder 3 Pendelrahmen, welche je zwei gegenüberliegende Rotorblätter tragen, gelagert sind, wobei die Pendel­ rahmen so gestaltet sind, daß sie ihre jeweiligen Pendelbewegungen unab­ hängig voneinander ausführen können und sich die Achsen aller Pendel­ gelenke in einer gemeinsamen Ebene befinden, welche senkrecht zur Achse der Rotorwelle liegt.

2. Windradnabe nach Patentanspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine geeignete Schrägstellung der Achsen aller Pendelgelenke in Bezug auf die Längsachsen der jeweils zugehörigen Rotorblattpaare eine zu­ sätzliche aerodynamische Dämpfung der Pendelbewegungen während des Laufs erfolgt.