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Drehzahl-Regelvorrichtung für Windkraft- Generator -Anlagen mit leeseitiger
Anordnung des Windrades zum Triebwerkskopf Die zum Antrieb von Generatoren dienenden
Windmotoren werden zweckmäßig als »Schnelläufer« ausgebildet, da diese einen besseren
Wirkungsgrad besitzen als die früher üblichen und auch heute noch für Windkraft-Pumpwerke
verwendeten Mittel- und Langsamläufer. Während für letztere einfache Blechflügel
ausreichend sind, müssen die Schnelläufer mit vollprofilierten und aerodynamisch
möglichst vollkommenen Flügeln versehen werden.
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Eine einwandfreie und schnell ansprechende Drehzahlregelung ist für
schnell laufende Windkraft-Generator-Anlagen von grundsätzlicher und entscheidender
Bedeutung. In der Praxis haben sich bisher solche Windmotoren zum Antrieb von Generatoren
durchgesetzt, bei denen die Drehzahlregelung durch um ihre Achse drehbar angeordnete
Windradflügel bewirkt wird. Es werden auch zweiteilige Flügel verwendet, bei denen
jeweils lediglich das Spitzenteil des Flügels drehbar angeordnet ist.
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Die Verstellung der Windradflügel erfolgt dabei durch einen meist
auf der Windradwelle angeordneten Fliehkraftregler oder durch die Fliiehkräfte der
umlaufenden Flügel selbst, wobei bei Überschreiten der zulässigen Höchstdrehzahl
die in Windrichtung projizierte Flügelfläche verkleinert wird.
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Weiterhin sind auch bereits Regelvorrichtungen bekannt, bei denen
ein solcher auf der Windradwelle angeordneter Fliehkraftregter die Hauptwindfahne
oder eine Seitenwi.ndfahne des Windrades verstellt, wodurch der Triebwerkskopf mit
dem Windrad durch die Seitenwindfahne aus dem Wind gedreht und damit die in Windrichtung
projizierte Fläche des Windrades verkleinert wird.
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Die vorgenannten Regler weisen folgende Nachteile auf: 1. Der auf
der Windradwelle angeordnete Fldehkraftregler fällt sehr groß und sperrig aus, wenn
er einigermaßen annehmbare Verstellkräfte liefern soll.
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2. Die gesamte Verstellvorrichtung mit den Flügellagerungen, Übertragungsgliiedern,
Dichtungen und vielfach zugeordneten, öldruckbetätigten Stellmotoren ist teuer und
erhöht die Gestehungskosten der Anlagen beträchtlich.
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3. Es isst auf die Dauer unmöglich, das Eindringen von Staub, Flugsand
oder Wasser in die Flügel-
lagerungen und in den Flügelkopf zu verhindern,
so daß die sich ständig in Bewegung befindlichen Regelorgane einem hohen Verschleiß
unterworfen sind.
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4. Eine periodische Wartung - Säuberung und Schmierung - der Verstellvorrichtung
ist daher unerläßlich.
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5. Die vielen Lager, Gelenke und Gleitelemente bedingen. beträchtliche
Reibungswiderstände, die besonders dann zu Betriebsstörungen führen, wenn die drehbaren
und gleitenden Teile durch Korrosion und Verschmutzung in ihrer Beweglichkeit behindert
werden.
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In Übersee, dem Haupteinsatzgebiet für Windkraftanlagen, wirken sich
diese Nachteile besonders aus. Dort ist mit einer sorgfältigen Wartung nie zu rechnen,
obwohl dort eine solche infolge der vielfach ungünstigen klimatischen Betriebsbedingungen
unbedingt erforderlich wäre.
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Die Erfindung bezieht sich nun auf eine Drehzahl-Regelvorrichtung
für mixt starren; Flügeln ausgerüstete Windkraft-Generator-Anlagen mit leeseitiger
Anordnung des Windrades zum Triebwerkskopf, bei welcher ein Fliehkraftregler das
Windrad nebst Triebwerkskopf um eine vertikale Achse dadurch aus der bzw. im, die
Windrichtung dreht, daß er eine am Ende einer horizontalen, quer zur Windradwelle
durch den Triebwerkskopfgehenden Welle angeordnete Seitenwindfahne mit zunehmender
Drehzahl um ihre Längsachse zunehmend- in eine Lage quer zur Windrichtung verdreht.
Erfindungsgemäß wird der Fliehkraftregler in an sich bekannter Weise auf der höher
übersetzten Generatorwelle angeordnet und am anderen Ende der die Seiitenwindfahne
tragenden Welle eine in Drehrichtung um 90° versetzte kleine Stabildsüerungsfahne
in ein-ein solchen Abstand vom Triebwerkskopf und von einer solchen Größe angeordnet,
daß sie der aus dem Winddruck auf die mit ihrer Ebene in die Windrichtung gedrehten
Seiitenwindfahne das Gleichgewischt hält.
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Weiterhin ist Gegenstand der Erfindung, daß der Fliehkraftregler in
an sich bekannter Weise mit einer vorgespannten Feder versehen ist, geigen die er
arbeitet,
und daß die Vorspann ung dieser Feder durch ein zum Zwecke der Feinabstimmung des
Reglers unterteiltes Gewicht veränderbar isst, welches im unteren Teil des Windradturmes
zugänglich angeordnet isst.
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Die Zeichnungen veranschaulichen :ein Ausführungsbei,sp.iel der Erfindung,
und zwar an einem Triebwerkskopf mit horizontal angeordnetem Generator, wobei: jedoch
darauf hingewiesen sei, daß es prinzipiell auch möglich ist, diesen vertikal, und
zwar in diesem Fall z. B. starr im Mast der Anlage anzuordnen.
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Abb.1 zeigt im Längsschnitt dien Gesamtaufbau -eines Triebwerkskopfes
mit leeseritig angeordnetem Windrad, bei, welchem zur Verstellung eine um ihre horizontale
Achse drehbare S.eitenwindfahne dient; Abb. 2 stellt eine Rückansicht derselben
dar.
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Die Flügel 1, denen durch entsprechende Auslegung nicht nur ein guter
Wirkungsgrad, sondern auch ein leichter Anlauf bei kleinen Winden gesichert wird,
sind starr mit der Windradnabe 2 verbunden. Die Windradnabe sitzt auf der kräftigen
Windradwelle 3, deren Lagergehäuse fest mit der Vorderwand 5 der Getriebekammer
4 verbunden ist. Der Generator 7 ist mit der Rückwand 6 der Getriebekammer verflanscht.
Die Generatorwelle ist durch beide Lagerschilde geführt und trägt auf der einen
Seite das Antriebsritzel und entgegengesetzt unmittelbar den Fliehkraftregler B.
Dieser Fliehkraftregler kann verhältnismäßig klein bemessen werden, da die hohe
Generatordrehzahl bereits bei Verwendung sehr kleiner Fliehgewichte beträchtlich
Verstellkräfte liefert. Mit der Gleithülse 9 des Reglers ist eine Gallische Kette
10 verbunden, die über den Leitzahnkranz 11 mit dem Doppelzahnkranz 12 in Verbindung
steht. Der Zahnkranz 12 sitzt fest auf der nach beiden Seiten durch das Triebwerksgehäuse
geführten Welle 14 für die auf dem langen Wellenteil angeordnete Seitenwindfahne
15, die in der gezeigten Ruhe- und Normalstellung horizontal liegt und dem Wind
keine Angriffsfläche darbietet. Um aber den sich ergebenden Luftwiderstand der langen
Windfahnenwelle auszugleichen und das Windrad in normaler Betriebsstellung, also
vor Wirksamwerden des Reglers, im rechten Winkel zur Windströmung zu halten, ist
am kurzen Stumpf der Wi:udfahnenwelle 14, um 90° zur Seitenwindfahne 15 versetzt,
eine kleine Stabilisierungsfahne 16 angeordnet.
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Der Fliehkraftregler 8 arbeitet gegen eine Vorspannfed;er 17, die
ebenfalls auf der Generatorwelle sitzt oder aber in den Kettenzug eingefügt sein
kann. Die Vorspannung der Feder 17 ist durch :ein Vorspanngewicht 18 veränderbar,
das zweckmäßig im Mastrohr untergebracht wird, wie es in der Zeichnung dargestellt
ist. Durch Unterteilung und scheibenförmige Ausbildung des Gewichtes 18 kann die
Feinabstimmung des Reglers 8 erfolgen, und zwar bequem und während des Betriebes
vom Boden aus mit Hilfe einer am Mast angebrachten Klappe.
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Die Vorspannung der Feder 17 zuzüglich der Schwere des Vorspanngewichtes
18 bestimmen, wann und bei welcher Windgeschwindigkeit und Wind,ra:d-bzw. Gen:eratordrehzahl
:der Regler wirksam wird. Ist die zulässige Höchstdrehzahl erreicht und wird diese
überschritten, so überwiegen die Fliehkräfte des Reglers die Vorspannung, und die
Seitenwindfahne 15 stellt sich. mehr oder weniger quer zum Wind, während sich, die
kleine Stabilils.ierungfahne 16 in gleichem Maße aus dem Wind .dreht. Der auf die
Seitenwindfahne 15 einwirkende Staudruck dreht den Triebwerkskopf aus dem Wind,
wobei sich die in Windrichtung projizierte Windradfläche verkleinert und zwangläufig
eine Herabsetzung bzw. Begrenzung der Drehzahleintritt.
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Infolge der durch seine hohe Drehzahl bedingten hohen Verstelilkräfte
des Fliehkraftreglers wird bei der erfindungs:gemäßen Regelvorrichtung eine bereits
auf geringe Winddruckänderungen ansprechende Drehzahlregelung erreicht. Die sonst
unerwünschte Masse :nträgheit eines Fliehkraftreglers wirkt sich hier günstig, weil
stabilisierend aus und verhindert, daß der Triebwerkskopf bei böigen Winden zu stark
pendelt. Die kleinen Abmessungen dies Reglers erlauben einen gedrungenen und gut
abgekapselten Gesamtaufbau des Triebwerkskopfes. Von Wichtigkeit ist auch, daß bei
einer solchen Anlage unter Umständen jegliche Wartung des Triebwerkes und der Regelvorrichtung
entfallen kann, wenn die Lager mit Wälzlagern und versehen werden.
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Selbstverständlich ist die Anwendung der Erfindung keinesfalls nur
auf Generatoranlagen beschränkt. sondern auch bei schnell laufenden Pumpwerken,
z. B. solchen mit Kreiselpumpen möglich, bei denen etwa ein Getriebe zwischen Windrad
und Pumpe eingeschafet und der Flichkraftregler mit der höher übersetzten Pumpenquelle
gekuppelt ist.