DE10145785C2 - Drehzahlregelung einer ummantelten Windkraftturbine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Windkraftturbine mit einem mit Rotorblättern versehenen, einen elektrischen Genera­ tor rotierend antreibenden Rotor, wobei die Rotorblätter zur Verbesserung des Wirkungsgrades von einem umlaufenden Mantelgehäuse umgeben sind, dessen Querschnittsform aero­ dynamisch der Querschnittsform eines Tragflügels eines Flugzeuges ähnlich ist und dessen vorderer Luftein­ laßquerschnitt kleiner ist als dessen hinterer Luftaus­ laßquerschnitt, wodurch zumindest bereichsweise eine Er­ höhung der Strömungsgeschwindigkeit des durch das Mantel­ gehäuse hindurchströmenden Luftstromes erreicht wird, wo­ bei der Rotor mit seinen Rotorblättern in seiner Be­ triebsposition innerhalb des Mantelgehäuses axial im Be­ reich der größten Strömungsgeschwindigkeit angeordnet ist.

Windkraftturbinen der gattungsgemäßen Art sind schon seit Jahrzehnten bekannt und werden in sogenannte "freifahren­ de" Windkraftturbinen und in sogenannte Mantelturbinen unterschieden. Solche als Mantelturbinen ausgebildete Windkraftturbinen der gattungsgemäßen Art bestehen im we­ sentlichen aus einem Rotor, welcher mit zwei oder mehre­ ren Rotorblättern versehen ist. Durch diesen Rotor wird zur elektrischen Energieerzeugung ein elektrischer Gene­ rator rotierend angetrieben, wobei die Rotorblätter zur Verbesserung des Wirkungsgrades von einem umlaufenden Mantelgehäuse umgeben sind. Im normalen Betriebszustand sind dabei die Rotorblätter des Rotors in ihrer axialen Position relativ zum Mantelgehäuse im Bereich der größten Strömungsgeschwindigkeit angeordnet, welche etwa dem Be­ reich des engsten Durchtrittsquerschnittes des Mantelge­ häuses entspricht.

Es hat sich dabei gezeigt, wie insbesondere aus der US 4,132,499 ersichtlich ist, daß für bestimmte Quer­ schnittsformen des Mantelgehäuses die Ausbeute aus der Windenergie im Vergleich zu einer sogenannten freifahren­ den Windkraftturbine erheblich verbessert werden kann, indem die Querschnittsform etwa der Querschnittsform ei­ nes Tragflügels eines Flugzeuges ähnlich ausgestaltet wird. Dabei wird dieses Tragflügelprofil als umlaufender Ringmantel ausgebildet, dessen vorderer Lufteinlaßquer­ schnitt kleiner ist als dessen hinterer Luftauslaßquer­ schnitt. Durch diese Art "Trichterform" wird in Zusammen­ wirken mit der aerodynamischen Querschnittsform eine er­ hebliche Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit des durch das Mantelgehäuse hindurchströmenden Luftstromes im Ver­ gleich zur Umgebung erreicht. Mit der Ausgestaltung un­ terschiedlicher Querschnittsformen des Mantelgehäuses so­ wie einem zusätzlichen im Luftaustrittsbereich des Man­ telgehäuses angeordneten Diffusor-Ring befaßt sich bei­ spielsweise auch die WO 00/50769 A1, in welcher die unter­ schiedlichen Varianten von Querschnittsformen des Mantel­ gehäuses sowie unterschiedliche Anstellwinkel der vorge­ schlagenen Querschnittsprofile zur Windrichtung darge­ stellt sind.

Weiter ist aus der CH 625 018 A5 ebenfalls eine "umman­ telte" Windkraftturbine bekannt. Diese Windkraftturbine weist einen Rotor mit einem Laufrad, eine Eintritts­ leiteinrichtung und eine Austrittsleiteinrichtung auf, welche zusammen in einem Mantelgehäuse angeordnet sind. Im Zentrum einer sich trichterförmig verjüngenden Ein­ strömzone des Mantelgehäuses ist eine mit der Eintritts­ leiteinrichtung verbundene Einströmhaube angeordnet. Im engen Abschnitt des Mantelgehäuses befindet sich inner­ halb eines Ringes des Mantelgehäuses das Laufrad, welchem die gesamte durchströmende Luftmenge zugeführt wird. Dem Rotor folgt die Austrittsleiteinrichtung, welcher sich eine Luftaustrittszone anschließt, die von einem sich er­ weiternden Mantelabschnitt und einer hohlen Austrittshau­ be begrenzt ist. In der Austrittshaube ist ein Getriebe untergebracht, über welches ein Generator angetrieben wird. Das Mantelgehäuse ist aus Abschnitten aus geschäum­ tem Kunststoff gebildet, die zwischen dem Ring und einer Verschalung des Mantelgehäuses gehalten sind. Bei glei­ cher Leistung ist der Rotoraußendurchmesser bei dieser Windkraftturbine erheblich kleiner als bei einer freifah­ renden Windkraftturbine.

Es hat sich nun gezeigt, daß bei Windkraftturbinen mit Mantelgehäuse, ähnlich wie bei freifahrenden Windkraft­ turbinen, bei äußerst hohen Windstärken die Nenndrehzahl des Rotors und somit auch des Generators überschritten wird, was zur Beschädigung der Windkraftturbine führen kann. Bekannterweise ist bei solchen Windkraftturbinen mit Mantelgehäuse eine gewisse Nenndrehzahl vorgegeben, welche einerseits von der Belastbarkeit des Rotors bzw. der Rotorblätter und andererseits von der maximalen Be­ lastbarkeit des Generators abhängig ist. Dies bedeutet wiederum, wie dies aus dem Stand der Technik auch für freifahrende Windkraftturbinen bekannt ist, daß solche Windkraftturbinen bei größeren Windstärken abgeschaltet werden.

Bei Windkraftturbinen mit einem umlaufenden Mantelgehäuse hingegen wird beispielsweise in der DE 196 44 917 A1 vor­ geschlagen, mittels eines sogenannten Steuerschildes den für den Rotor wirksamen Durchlaßquerschnitt des Mantelge­ häuses zumindest teilweise zu verschließen. Dabei handelt es sich bei diesem Mantelgehäuse jedoch nicht um ein ke­ gelförmig, in Strömungsrichtung erweitertes und aerodyna­ misch profiliertes Mantelgehäuse, sondern um eines mit einem sich im wesentlichen trichterförmig verjüngenden Einlaufbereich, an dessen Ende der Rotor mit seinen Ro­ torblättern angeordnet ist. Vom Rotor ausgehend in Strö­ mungsrichtung der Luftströmung weist das Mantelgehäuse wiederum einen leicht kegelförmig divergierenden Durch­ laßquerschnitt auf, wobei jedoch auf eine aerodynamische Formgebung verzichtet wurde.

Um beim teilweisen Verschließen dieses Einlaßtrichters durch das Steuerschild eine übermäßige Erhöhung des Stau­ druckes im Einlaßtrichter zu vermeiden, ist im Bereich des Einlaßtrichters ein Durchbruch vorgesehen, welcher mit zunehmender Schließstellung des Steuerschildes gleichzeitig geöffnet wird. Von Nachteil bei dieser Art von Strömungsregulierung innerhalb des Mantelgehäuses ist, daß durch das Steuerschild nicht beeinflußbare tur­ bulente Strömungen der Luftströmung erzeugt werden, so daß im Bereich des Rotors keine kontinuierliche Luftströ­ mung mehr vorliegt. Damit kann zwar die Strömungsge­ schwindigkeit innerhalb des Mantelgehäuses im Bereich des Rotors verringert werden, eine definierte Gleichlaufdreh­ zahl des Rotors kann allerdings aufgrund der turbulenten Strömungsanteile nicht gewährleistet werden.

Im weiteren wird in der DE 199 03 846 A1 ebenfalls vorge­ schlagen, zur Steuerung der Stärke des Windes an dessen eingangsseitig am Mantelgehäuse eine Dämpfungsvorrichtung anzuordnen. Eine solche Dämpfungsvorrichtung besteht hier beispielsweise aus einem Art Rolladen, welcher mehr oder weniger in Abhängigkeit der jeweils vorliegenden Wind­ stärke verschließbar ist. Als weiterer Vorschlag kann im Einströmbereich, also ebenfalls in Strömungsrichtung vor dem Rotor, auch eine mit Fenstern versehene Metallplatte vorgesehen sein, bei welcher sich die Fenster mit einem Winkel zwischen 0° und 90° in das Innere des Mantelgehäu­ ses öffnen lassen. Auch hier treten zwangsläufig, insbe­ sondere bei nur teilweise geschlossener "Dämpfungsein­ richtung", äußerst starke Verwirbelungen des Luftstromes insbesondere im Bereich des Rotors auf, so daß durch die­ se undefinierten Strömungsverhältnisse eine konstante Drehzahlregelung oder Steuerung des Rotors nur schwer oder gar nicht vorgenommen werden kann.

Demgemäß liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Windkraftturbine mit Mantelgehäuse der gattungsgemäßen Art derart auszugestalten, daß eine Drehzahlregelung, bei welcher insbesondere die den Rotor antreibende Luftströ­ mung stets ohne Verwirbelungen erhalten bleibt, sicher durchführbar ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmalskombi­ nationen der unabhängigen Patentansprüche 1 und 4 gelöst.

Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung gemäß der Patentansprüche 1 und 4 wird eine Drehzahlregulierung bzw. Drehzahleinstellung des Rotors und somit auch des Generators bewirkt, ohne daß im Bereich des Rotors zu­ sätzliche, undefinierte Verwirbelungen der durch das Man­ telgehäuse hindurchtretenden Luftströmung bewirkt werden.

Gemäß Anspruch 1 ist dabei vorgesehen, daß der Rotor in Richtung seiner Drehachse axial verstellbar gelagert ist und daß der Rotor bei Überschreiten seiner Nenndrehzahl aus seiner Betriebsposition axial relativ zum Mantelge­ häuse in unterschiedliche Positionen geringerer Strö­ mungsgeschwindigkeit fahrbar ist.

Dies bedeutet, daß nach der Lösung gemäß Anspruch 1 die Luftströmung selbst innerhalb des Mantelgehäuses nicht negativ beeinflußt wird. Da aber aufgrund der aerodynami­ schen Formgebung der Querschnittsform des Mantelgehäuses innerhalb dieses Mantelgehäuses in axialer Richtung un­ terschiedliche Strömungsgeschwindigkeiten vorliegen, wird durch die axiale Verstellbarkeit des Rotors in Richtung seiner Drehachse erreicht, daß dieser annähernd beliebig in axiale Positionen verfahrbar ist, in welchen die Strö­ mungsgeschwindigkeit der durchtretenden Luftströmung zum Erreichen und Stabilisieren der Nenndrehzahl optimal ist.

Gemäß Anspruch 2 ist für die Positionierung des Rotors eine Steuereinrichtung vorgesehen, welcher über einen Drehgeber die aktuelle Drehzahl des Rotors übermittelt wird. Bei Überschreiten der Nenndrehzahl um einen gewis­ sen Prozentsatz, welcher ebenfalls der Steuereinrichtung vorgebbar ist, wird ein Stellantrieb des Rotors zu dessen Axialverstellung aktiviert. Dabei ist sowohl vorgesehen, den Rotor entgegen der Strömungsrichtung der Luftströmung wie auch in gleicher Richtung der Luftströmung in axiale Bereich geringerer Strömungsgeschwindigkeit zu verfahren.

Dabei kann gemäß Anspruch 3 vorgesehen sein, daß der Ro­ tor aus seiner Betriebsposition in eine axiale Endstel­ lung gefahren wird, welche zumindest geringfügig außer­ halb des Mantelgehäuses auf der Lufteinlaßseite liegt. Damit wird die Wirkung des Mantelgehäuses fast vollstän­ dig aufgehoben, so daß in dieser Endstellung die erfin­ dungsgemäße Windkraftturbine zu einer Art freifahrenden Windkraftturbine wird, welche bekanntlich einen geringe­ ren Wirkungsgrad aufweist und somit eine Drehzahlabsen­ kung des Rotors sicher bewirkt wird.

Alternativ zur Lösung gemäß Anspruch 1 ist gemäß des un­ abhängigen Patentanspruches 4 vorgesehen, innerhalb des Mantelgehäuses im Axialbereich des radial erweiterten Luftaustritts in Strömungsrichtung hinter dem Rotor ein oder mehrere Staukörper vorzusehen, welche bei Überschreiten der Nenndrehzahl des Rotors aus ihrer im we­ sentlichen neutralen Position in den Luftstrom einbring­ bar sind.

Bei solchen Staukörpern kann es sich um Klappen, Rolla­ den, Jalousien oder dergleichen handeln, welche bei­ spielsweise aus einer im wesentlichen neutralen, in Strö­ mungsrichtung verlaufenden Stellung in den Luftstrom ein­ geklappt werden können. Durch diese, in Strömungsrichtung hinter dem Rotor angeordneten Staukörper wird die Luft­ strömung im Bereich des Rotors auch bei nur teilweise ge­ schlossenen Staukörpern nicht beeinflußt, so daß dort stets eine laminare Luftströmung vorliegt und der Rotor durch diese definierte Luftströmung angetrieben wird. Aufgrund der Verengung des Auslaßquerschnittes des Man­ telgehäuses wird somit am Ende des Mantelgehäuses ein Rückstau bewirkt, durch welchen lediglich die Strömungs­ geschwindigkeit innerhalb des vor dem Staukörpers liegen­ den Luftstromes bewirkt wird, ohne daß im Bereich des Ro­ tors Verwirbelungen erzeugt werden. Auch durch diese Lö­ sung ist eine optimale Regulierung bzw. Einstellung der Nenndrehzahl des Rotors auch bei größeren Windstärken si­ cher und einfach durchführbar.

Gemäß Anspruch 5 können dabei die Staukörper aus um radi­ al zur Drehachse des Rotors verlaufende Drehachsen dreh­ baren, im wesentlichen plattenförmige Stauplatten bestehen. Diese Stauplatten können dabei im geschlossenen Zu­ stand ein annähernd vollständiges Verschließen des Aus­ laßquerschnittes des Mantelgehäuses bewirken, oder noch einen Restquerschnitt frei lassen, so daß der Rotor auch in voll geschlossener Stellung der Stauplatten auch bei größeren Windstärken noch betrieben werden kann.

Vorzugsweise können vier solcher Stauklappen vorgesehen sein, deren Drehachsen entsprechend radial unter jeweils 90° zueinander verlaufen. Dabei ist auch vorgesehen, daß die Drehachsen unter 45° geneigt zur vertikal verlaufen­ den Drehachse der Windkraftturbine angeordnet sind, um zu verhindern, daß insbesondere bei teilweise geschlossener Stellung der Stauklappen keine Stellmomente im hinteren Bereich des Mantelgehäuses um diese vertikale Stellachse der Windkraftturbine auftreten. Damit wird sicherge­ stellt, daß sich auch bei teilweise geschlossenen Stau­ klappen die Windkraftturbine mit ihrem Mantelgehäuse nicht aus dem Wind dreht.

Gemäß Anspruch 6 kann vorgesehen sein, daß die Staukörper durch einen gemeinsamen Schwenkantrieb in ihre jeweilige Schwenkstellung bringbar sind, wodurch auch ein automati­ sches Schließen und Öffnen in unterschiedlichen Schwenk­ stellungen der Staukörper möglich wird.

Zu diesem Zweck kann gemäß Anspruch 7 ebenfalls eine Steuereinrichtung vorgesehen sein, welcher ebenfalls über einen Drehgeber die aktuelle Drehzahl des Rotors übermit­ telt wird. Bei entsprechendem Signal des Drehgebers wird durch die Steuereinrichtung der Schwenkantrieb der Stau­ körper aktiviert, wobei vorgesehen ist, daß unterschied­ liche Schließstellungen dieser Staukörper in Abhängigkeit von der Drehzahl des Rotors bzw. von der Windstärke ein­ stellbar sind, wie dies gemäß Anspruch 8 beansprucht wird.

Gemäß der Ansprüche 9 und 10 wird eine Kombination der beiden grundsätzlich unterschiedlichen Lösungen zur Dreh­ zahlregelung beansprucht. So ist gemäß Anspruch 9 vorge­ sehen, daß die Steuereinrichtung ein Einschwenken der Staukörper in den Luftstrom bewirkt, sobald der Rotor seine axiale Endstellung erreicht hat und in dieser End­ stellung eine weitere Drehzahlerhöhung des Rotors durch den Drehgeber an die Steuerung übermittelt wird. Durch diese Merkmalskombination soll erreicht werden, daß für den Fall, daß eine Axialverstellung bei äußerst hohen Windstärken nicht ausreichend ist, um die Drehzahl des Rotors auf die Nenndrehzahl zu reduzieren, zusätzlich zur Axialverstellung des Rotors das Mantelgehäuse bzw. der freie Durchlaßquerschnitt des Mantelgehäuses durch die Staukörper mehr oder weniger verringert wird.

Dabei kann gemäß Anspruch 10 auch durch die Steuerein­ richtung eine variable Kombination sowohl der Axialverschiebung des Rotors wie auch der Schließbewegung bzw. Schließstellung der Staukörper erreicht werden.

Desweiteren sei an dieser Stelle noch herausgestellt, daß durch die Axialverstellung des Rotors auch die Einstel­ lung des Radialspaltes zwischen den Rotorblättern und der Innenwand des Mantelgehäuses optimal einstellbar ist, um auch in diesem Randbereich eine optimale Verstärkungswir­ kung des Mantelgehäuses in bezug auf die Drehung des Ro­ tors zu bewirken. So könnte beispielsweise der Außen­ durchmesser des Rotors identisch sein mit dem kleinsten Innendurchmesser des Mantelgehäuses. Durch axiale Ver­ stellung des Rotors kann nun der Radialspalt zwischen dem Rotor und der Innenwand des Mantelgehäuses beliebig prä­ zise eingestellt werden. Dies ist unter anderem deshalb möglich, weil die Querschnittsform des Mantelgehäuses in etwa der Querschnittsform eines Tragflügels eines Flug­ zeuges entspricht. D. h., daß das Mantelgehäuse vom Innen­ durchmesser her zur Lufteinlaßseite hin bogenförmig, ra­ dial erweitert ausgebildet ist und desgleichen gilt auch für die Luftauslaßseite. Die sich zur Auslaßseite hin öffnende Trichterform wird dabei dadurch erreicht, daß der wirksame Innendurchmesser des Mantelgehäuses auslaß­ seitig größer bemessen ist als einlaßseitig. Aufgrund dieser aerodynamischen Formgebung des Querschnittes des Mantelgehäuses ist eine Einstellung des Radialspaltes zwischen den Rotorblättern und der Innenwand des Mantelgehäuses durch Axialverstellung des Rotors ebenfalls mög­ lich.

Dabei ist gemäß Anspruch 11 vorgesehen, daß der Rotor zu­ sammen mit dem Generator auf einem höhenverstellbaren Kreuzschlitten gelagert ist. Durch diese Art der Lagerung ist eine zentrierte, koaxiale Ausrichtung des Rotors mit seiner Drehachse relativ zum Mantelgehäuse durchführbar. Durch den Kreuzschlitten ist zusätzlich zur Axialverstel­ lung des Rotors eine horizontale Querverstellung möglich, wodurch die koaxiale Ausrichtung erheblich vereinfacht wird.

Nachfolgend wird anhand der Zeichnung ein Ausführungsbei­ spiel der erfindungsgemäßen Windkraftturbine dargestellt.

Es zeigt:

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung einer Wind­ kraftturbine der erfindungsgemäßen Art;

Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung einer Kreuzschlit­ tenlagerung des Rotors und des Generators;

Fig. 3 einen Vertikalschnitt durch die Windkraftturbi­ ne aus Fig. 1;

Fig. 4 die Schwenklagerung der Windkraftturbine aus den Fig. 1 und 3 als vergrößerten Ausschnitt III aus Fig. 3;

Fig. 5 einen vergrößerten Ausschnitt IV aus Fig. 3;

Fig. 6 eine perspektivische Rückansicht der erfin­ dungsgemäßen Windkraftturbine mit geschlossen Staukörpern.

Fig. 1 zeigt eine perspektivische Darstellung einer er­ findungsgemäßen Windkraftturbine 1 mit einem Mantelgehäu­ se 2, einem Rotor 3, einem Generator 4 sowie einem am hinteren Ende des Mantelgehäuses 2 angeordneten Diffusor- Ring 5. Der Rotor 3 ist beim vorliegenden Ausführungsbei­ spiel mit fünf Rotorblättern 6 versehen, durch welche der Rotor bei einer entsprechenden durch das Mantelgehäuse 2 hindurchströmenden Luftströmung rotierend angetrieben wird. Diese Rotationsbewegung des Rotors 3 wird über eine entsprechende mechanische Kopplung auf den in der Zeichnung nicht näher dargestellten Generator 4 übertragen, so daß dieser elektrische Energie erzeugt.

Das Mantelgehäuse 2 weist eine aerodynamische Form auf, dessen Querschnittsform der Tragflügelform eines Flug­ zeugtragflügels ähnlich ist, wie dies insbesondere aus Fig. 3 ersichtlich ist. Wie aus den Fig. 1 und 3 weiter erkennbar ist, ist der Rotor 3 zusammen mit dem Generator 4 auf einer säulenartigen, auf dem Untergrund feststehend montierbaren Tragvorrichtung 7 angeordnet. Zur Montage des Rotors 3 zusammen mit dem Generator 4 auf der Trag­ vorrichtung 7 ist eine Art Kreuzschlitten 8 vorgesehen, welcher beim vorliegenden Ausführungsbeispiel mit einem vertikal nach unten gerichteten Montagezylinder 9 fest­ stehend auf der Tragvorrichtung 7 montiert ist.

Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel besteht der Kreuz­ schlitten 8 aus einer unteren Stützplatte 10, auf welcher eine zweite Lagerplatte 11 vorgesehen ist, die mit der Stützplatte 10 über eine Schwalbenschwanzverbindung 12 (Fig. 2 und 3) in horizontaler Richtung quer zur Drehach­ se 13 des Rotors 3 verstellbar gelagert ist. Desweiteren ist auf dieser Lagerplatte 11 eine Montageplatte 14 vor­ gesehen, auf welcher der Generator 4 feststehend montiert ist. Diese Montageplatte 14 steht ihrerseits wiederum über eine quer zur Schwalbenschwanzverbindung 12 verlau­ fend ausgerichteten Schwalbenschwanzverbindung 15 mit der mittleren Lagerplatte 11 in axialer Richtung der Drehach­ se 13 verstellbar in Verbindung. Durch diese beiden Schwalbenschwanzverbindungen 12 und 15 ist der Generator 4 und somit auch der Rotor 3 bezüglich des Mantelgehäuses 2 einerseits zentriert ausrichtbar und andererseits ist eine optimale axiale Position des Rotors 3 mit seinen Ro­ torblättern 6 möglichst im engsten Querschnittsbereich des Luftdurchtritts des Mantelgehäuses 2 einstellbar.

Desweiteren weisen die Stützplatte 10 und die Lagerplatte 11 rückseitig einen Verlängerungsabschnitt 16 bzw. 17 auf, welcher zur Abstützung eines Lagermoduls 18 für ins­ gesamt vier im Ausströmbereich des Mantelgehäuses 2 im hinteren Endbereich angeordnete Staukörper in Form von insgesamt vier Stauklappen 19 vorgesehen ist. Desweiteren weist dieses Lagermodul 18 einen Stellantrieb auf, wel­ cher insbesondere in den Fig. 1 und 3 vereinfacht als Stellwelle 20 dargestellt ist und beim vorliegenden Aus­ führungsbeispiel zur exakten axialen Positionierung in Richtung der Drehachse 13 des Rotors 3 für den Generator 4 zusammen mit der Rotor 3 dient.

Eine solche axiale Position sollte dabei derart gewählt sein, daß der Rotor 3 im Betriebszustand mit seinen Ro­ torblättern 6 im wesentlichen im Bereich der engsten in­ neren Stelle des Mantelgehäuses 2 angeordnet ist. Eine solche axiale Einstellung kann hier auch manuell durch einfaches Verdrehen der Stellwelle 20 geschehen, welche bei Erreichen der optimalen axialen Position der Rotor­ blätter 6 arretierbar ist. Desgleichen gilt auch für die Schwalbenschwanzverbindung 12, welche ebenfalls über ent­ sprechende Stellspindeln in ihrer horizontalen Querlage zur Stützplatte 10 eingestellt und festgelegt werden kann. Desweiteren ist auch eine entsprechende Höhenein­ stellung der gesamten Anordnung, bestehend aus Rotor 3, Generator 4, Montageplatte 14, Lagerplatte 11 und Stütz­ platte 10 vorgesehen, welche im Bereich des Montagezylin­ ders 9 vorgesehen sein kann und eine entsprechende verti­ kale, relative Einstellung der Drehachse 13 zu deren kon­ zentrischen Ausrichtung bezüglich des Mantelgehäuses 2 ermöglicht.

Wie desweiteren aus den Fig. 1 und 3 ersichtlich ist, ist das Mantelgehäuse 2 über eine separate Stützvorrichtung 21 selbsttragend mit dem Untergrund verbindbar.

Wie insbesondere aus Fig. 4 ersichtlich ist, ist diese Stützvorrichtung 21 ein Bestandteil des Mantelgehäuses 2. Die Tragvorrichtung 7 des Rotors 3 und des Generators 4 durchragt dabei sowohl das Mantelgehäuse 2 als auch die Stützvorrichtung 21 des Mantelgehäuses 2. Die Tragvor­ richtung 7 und die Stützvorrichtung 21 sind beim vorlie­ genden Ausführungsbeispiel im wesentlichen zylindrisch ausgebildet und jeweils mit einem unteren Montageflansch 22 bzw. 23 versehen. Über diese beiden Montageflansche 22 und 23 sind die Tragvorrichtung 7 und die Stützvorrich­ tung 21 zusammen an einem drehbaren Lagerring 24 mon­ tiert, welcher wiederum an einer Lagerplatte 25 drehbar aufgenommen ist.

Der Lagering 24 und die Lagerplatte 25 bilden zusammen ein Wälzlager, wobei die Lagerplatte 25 zur endgültigen Montage der gesamten Windkraftturbine auf einem Unter­ grund, wie beispielsweise einer Tragsäule, (in der Zeich­ nung nicht näher dargestellt) feststehend montierbar ist.

Durch die gemeinsame Montage der Tragvorrichtung 7 mit ihrem Montageflansch 22 und der Stützvorrichtung 21 mit ihrem Montageflansch 23 am Lagerring 24 und deren konzen­ trische Anordnung bezüglich der vertikalen Drehachse 26 des aus dem Lagerring 24 und der Lagerplatte 25 bestehen­ den Wälzlagers wird somit eine gemeinsame Schwenkbewegung des Montagegehäuses 2 und des Rotors 3 zusammen mit dem Generator 4 erreicht. Durch diese drehbare Lagerung des Mantelgehäuses 2 zusammen mit dem Rotor 3 und dem Genera­ tor 4 richtet sich die gesamte Windkraftturbine 1 automa­ tisch auf die gerade vorherrschende Windrichtung aus.

Dies ist beispielhaft in den Fig. 1 und 3 durch die Pfei­ le 27 und 28 dargestellt. Dabei ist erkennbar, daß eine solche Ausrichtung derart erfolgt, daß die Luftströmung im Bereich der Rotorblätter 6, also vorderseitig, in das Mantelgehäuse 2 eintritt und rückseitig im Bereich des Diffusor-Ringes 5 wieder aus dem Mantelgehäuse 2 aus­ tritt. Aufgrund der "kegelförmig" profiliert erweiterten Formgebung in Strömungsrichtung der Pfeile 27 und 28 und der aerodynamischen Formgebung des Mantelgehäuses 2, wie dies insbesondere aus Fig. 3 erkennbar ist, wird eine er­ hebliche Beschleunigung der Strömungsgeschwindigkeit in­ nerhalb des Mantelgehäuses 2, insbesondere im axialen Be­ reich der Rotorblätter 6, erreicht, so daß der Wirkungs­ grad zur Ausnutzung der Windenergie erheblich gesteigert wird.

Wie aus den Fig. 1 und 3 andeutungsweise bereits erkenn­ bar ist, weist das Mantelgehäuse 2 im Querschnitt eine Innenwand 34 und eine Außenwand 35 auf. Dabei können un­ terschiedliche Strukturen für das Mantelgehäuse 2 vorge­ sehen sein.

Wie aus den Fig. 1 und 3 weiterhin erkennbar ist, weist der Diffusor-Ring 5 einen größeren Durchmesser auf als der hintere Endbereich des Mantelgehäuses 2. Zur Montage des Diffusor-Ringes 5 dienen mehrere Radialstege 29, wel­ che beispielsweise im hinteren Endbereich des Mantelge­ häuses 2 eingelassen sind. Diese Radialstege 29 können einstückiger Bestandteil des Diffusor-Ringes 5 oder auch einstückiger Bestandteil des Mantelgehäuses 2 sein. Auch eine separate Ausbildung dieser Radialstege 29 ist vorgesehen, wobei zwischen den Radialstegen 29 und dem Mantel­ gehäuse 2 einerseits und den Radialstegen 29 und dem Dif­ fusor-Ring 5 andererseits Schraub-, Kleb- oder auch an­ derweitig geeignete Verbindungen vorgesehen sein können.

Wie insbesondere aus Fig. 3 erkennbar ist, ist auch der Diffusor-Ring 5 in Strömungsrichtung der Pfeile 28 kegel­ förmig erweitert ausgebildet, so daß durch diesen eine Verstärkung der Beschleunigungswirkung der Luftströmung bewirkt wird. Mit maßgeblich für diese Wirkung ist auch, daß der Diffusor-Ring 5 zum Mantelgehäuse 2 hin auf dem kompletten Umfang beabstandet ist und somit ein im we­ sentlichen vollständig umlaufender Ringspalt 30 gebildet wird. Durch diesen Ringspalt 30 strömt ein an der Außen­ fläche des Mantelgehäuses 2 entlangströmender Luftstrom (Pfeil 31) hindurch und wird durch die kegelige, eben­ falls aerodynamisch ausgestaltete Querschnittsform des Diffusor-Ringes 5, wie dies bereits aus dem Stand der Technik bekannt ist, ebenfalls nochmals radial nach außen umgelenkt, wodurch wiederum die Saugwirkung am Ende des Mantelgehäuses 2 verstärkt wird. Dies führt wiederum zu einer Beschleunigung der Luftströmung innerhalb des Man­ telgehäuses 2, insbesondere im Bereich der Rotorblätter 6. Zur weiteren Verstärkung der Strömungsgeschwindigkeit können noch weitere Diffusor-Ringe vorgesehen sein, wel­ che wiederum radial größer ausgebildet sind als der in den Fig. 1 und 3 dargestellte Diffusor-Ring 5, so daß ei­ ne weitere Strömungsverstärkung bewirkt werden kann.

Wie aus Fig. 1 weiter ersichtlich ist, sind die Stauklap­ pen 19 am Lagermodul 18 über Lagerwellen 40 drehbar gela­ gert. Diese Lagerwellen 40 verlaufen dabei jeweils radial zur Drehachse 13 des Rotors 3 und des Generators 4. Im entsprechenden Umfangsbereich des Mantelgehäuses 2 sind in dieses entsprechend der Anzahl der Stauklappen 19 und der zugehörigen Lagerwellen 40 entsprechende Drehlager 41 vorgesehen, in welchen entsprechende Stützwellen 42 zur äußeren, drehbaren Lagerung der Stauklappen 19 drehbar aufgenommen sind. In der speziellen Ausgestaltung des ge­ zeigten Ausführungsbeispiels sind vier Stauklappen 19 vorgesehen. Deren radiale Lagerwellen 40 verlaufen dabei jeweils um 90° in Umfangsrichtung versetzt zueinander. Des weiteren sind die Lagerwellen 40 zur vertikalen Dreh­ achse 26 der gesamten Windkraftturbine 1 in Umfangsrich­ tung um jeweils 45° positiv bzw. negativ geneigt, so daß insbesondere bei teilweise geschlossener Stellung der Stauklappen 19 keine Stellmomente im Endbereich des Man­ telgehäuses 2 bewirkt werden, wodurch sich die Windkraft­ turbine aus dem Wind drehen würde. Die Windkraftturbine 1 bleibt durch diese Wahl der Anordnung der durch die La­ gerwellen 40 und die Stützwellen 42 definierten Drehach­ sen der Stauklappen 19 stets mit ihrer Rotordrehachse 13 parallel zur Windrichtung ausgerichtet.

Fig. 2 zeigt eine vergrößerte, perspektivische Darstel­ lung des Generators 4, welcher auf dem Kreuzschlitten 8 verstellbar gelagert ist. Für die Axialverstellung des Generators und somit auch des auf der Generatorwelle 43 drehbar gelagerten Rotors 3 (in Fig. 2 nicht dargestellt) in Richtung des Doppelpfeiles 44 (siehe auch Fig. 3) ist ein entsprechender Stellantrieb 45 vorgesehen. Dieser Stellantrieb 45 ist in Fig. 2 als integraler Bestandteil des Generators 4 in gestrichelten Linien dargestellt. Da­ bei kann es sich um einen elektromotorischen Stellantrieb 45 handeln, durch welchen in Zusammenwirken mit der Stellwelle 20 eine Axialbewegung des Generators 4 mit der Montageplatte 14 entlang der Schwalbenschwanzverbindung 15 in Richtung der Drehachse 13 bewirkt wird.

Zur Aktivierung dieses Stellantriebes 45 ist eine eben­ falls im Generator 4 integrierte Steuereinrichtung 46 vorgesehen, welcher beispielsweise durch einen Drehgeber 47 Steuersignale bezüglich der momentan vorliegenden Drehzahl des Rotors 3 bzw. des Generators 4 übermittelt werden. Liegt die aktuelle Drehzahl des Rotors 3 bzw. des Generators 4 um einen gewissen Prozentsatz oberhalb der vorab bestimmten Nenndrehzahl des Rotors 3 oder auch des Generators 4, so wird der Stellantrieb 45 über die Steu­ ereinrichtung 46 aktiviert, so daß eine Axialverstellung des Generators 4 zusammen mit dem Rotor 3 beispielsweise in Richtung des Pfeiles 48 erfolgt. Durch diese Axialverstellung gelangt insbesondere der Rotor 3 aus dem Bereich der höchsten Strömungsgeschwindigkeit, welcher etwa der engsten Stelle des Mantelgehäuses 2 entspricht, entgegen der Strömungsrichtung (Pfeile 27 aus Fig. 1) in Richtung der Einlaßöffnung des Mantelgehäuses 2. Da die Strömungs­ geschwindigkeit der Luftströmung zur Einlaßöffnung des Mantelgehäuses 2 hin stetig geringer wird, verringert sich somit mit zunehmender Axialverstellung des Rotors 3 auch dessen Drehzahl, bis diese wieder der vorgegebenen Nenndrehzahl entspricht.

Mit Erreichen dieser vorgegebenen Nenndrehzahl wird der Stellantrieb 45 durch die Steuereinrichtung 46 wiederum abgeschaltet. Läßt nun die Windgeschwindigkeit nach und verringert sich somit wiederum die Drehzahl des Rotors 3 um einen gewissen, vorgebbaren Prozentsatz der Nenndreh­ zahl, so wird der Stellantrieb 45 durch die Steuerein­ richtung 46 in entgegengesetzter Richtung zum Pfeil 48 erneut aktiviert und in diesem Falle wiederum in den Be­ reich höherer Luftströmungsgeschwindigkeit in das Mantel­ gehäuse 2 verfahren, so daß sich dessen Drehzahl wiederum kontinuierlich erhöht, bis die Nenndrehzahl wieder er­ reicht ist.

Somit wird deutlich, daß eine Drehzahlregulierung des Ro­ tors 3 und somit des Generators 4 in einfacher Weise durch eine Axialverstellung des Generators 4 zusammen mit dem Rotor 3 auf dem Kreuzschlitten 8 durchführbar ist.

Die Steuerung 46 ist gleichzeitig auch derart ausgebil­ det, daß durch diese ein gemeinsamer Schwenkantrieb 49 der Stauklappen 19 aktivierbar ist. Dieser Schwenkantrieb 49 ist beim vorliegenden Ausführungsbeispiel als elektro­ motorischer, mit einem Getriebe versehener Antrieb ausge­ bildet und integraler Bestandteil des Lagermodules 18, wie dies aus Fig. 2 ersichtlich ist. Durch diesen Schwen­ kantrieb 49 werden bei entsprechender Aktivierung durch die Steuereinrichtung 46 die Lagerwellen 40 drehend ange­ trieben, so daß auch die Stauklappen 19 eine dementspre­ chende Schwenkbewegung ausführen.

In Fig. 1 und Fig. 3 sind diese Stauklappen 19 in ihrer im wesentlichen neutralen Schwenkposition, also parallel zur Drehachse 13 des Rotors 3 verlaufenden Stellung dar­ gestellt. Bei Aktivierung des Schwenkantriebes 49 werden die Stauklappen 19 vorzugsweise gleichzeitig aus der in Fig. 1 und 3 dargestellten neutralen Schwenkposition in eine quer zur Längsmittelachse 13 verlaufende Schwenkpo­ sition verschwenkt, wie dies insbesondere aus Fig. 6 er­ sichtlich ist. In Abhängigkeit von der jeweils vorliegen­ den Windstärke und damit auch der Drehzahl des Rotors 3 ist selbstverständlich auch zwischen diesen beiden extremen Schwenkpositionen jede mögliche Mittelstellung ein­ stellbar.

Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, daß sowohl die Axialverstellung des Rotors 3 zusammen mit dem Generator 4 als auch die Schließbewegung der Stauklappen 19 gleich­ zeitig möglich ist. Es kann allerdings auch vorgesehen sein, daß die Aktivierung des Schwenkantriebes 49 zum Verschwenken der Stauklappen 19 erst dann aktiviert wird, wenn der Rotor 3 mit dem Generator 4 seine in Richtung des Pfeiles 48 maximal mögliche Endposition erreicht hat. Diese Endposition kann dabei auf der in Fig. 3 linken Einlaßseite des Mantelgehäuses 2 auch außerhalb des Man­ telgehäuses 2 liegen. Dazu ist es lediglich erforderlich, die Schwalbenschwanzverbindung 15 in entsprechender Länge auszuführen.

In Fig. 5 ist nochmals dargestellt, wie sich der radiale Abstand a1, a2 und a3 mit zunehmender Axialverschiebung des Rotors mit seinen Rotorblättern 6 in Richtung des Pfeiles 48 ändert. Es ist deutlich erkennbar, daß der Ra­ dialspalt zwischen dem äußeren Ende des Rotorblattes 6 mit zunehmendem Stellweg stets größer wird. Zusätzlich zu der Tatsache, daß in diesen in Richtung des Pfeiles 48 weiter links liegenden Bereichen des Mantelgehäuses 2 ge­ ringere Strömungsgeschwindigkeiten vorliegen, wird auch aufgrund des größeren Radialspaltes zwischen den Rotorblättern 6 und der Innenwand 34 des Mantelgehäuses 2 ein Strömungsabriß im radial äußeren Endbereich der Rotor­ blätter 6 bewirkt, wodurch die Verstärkungswirkung des Mantelgehäuses 2 ebenfalls verringert wird.

Somit wird mit der Axialverstellung in Richtung des Pfei­ les 48 einerseits der Rotor 3 mit seinen Rotorblättern 6 in Strömungsbereiche des durch das Mantelgehäuse 2 hin­ durchströmenden Luftstromes mit geringer Strömungsge­ schwindigkeit gebracht und andererseits auch der Radial­ spalt a1, a2 und a3 vergrößert, wodurch das Antriebs­ drehmoment auf den Rotor 3 aufgrund der genannten Effekte verringert wird, so daß eine Drehzahlverminderung bis auf Nenndrehzahl erfolgt.

Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung einerseits durch die Axialverstellung und andererseits durch die im Be­ reich des Luftaustritts des Mantelgehäuses 2 vorgesehenen Stauklappen 19 ist eine beliebige Drehzahlregelung des Rotors 3 und somit auch des Generators 4 auch bei größe­ ren Windstärken durchführbar, so daß die erfindungsgemäße Windkraftturbine in einem weiten Windgeschwindigkeitsbe­ reich betrieben werden kann und insbesondere bei äußerst hohen Windgeschwindigkeiten nicht abgeschaltet werden muß. Insbesondere im Bereich des Rotors 3 mit seinen Ro­ torblättern 6 bleibt erfindungsgemäß stets eine laminare Luftströmung erhalten, so daß die Regelung der Drehzahl sowohl durch die Axialverstellung des Rotors 3 als auch durch die Schließbewegung der Stauklappen 19 präzise auf die Nenndrehzahl einstellbar ist.

Es versteht sich, daß die Stauklappen 19 unterschiedlich groß ausgebildet sein können, so daß insbesondere bei vollständig geschlossener Stellung ein annähernd voll­ ständiger Verschluß der Strömungsauslaßseite des Mantel­ gehäuses erfolgt. Dies ist im wesentlichen vom Einsatzort abhängig und damit von den am Einsatzort zu erwartenden Windstärken. Ein vollständiges Verschließen durch die Staukörper 19 ist allerdings nicht erforderlich. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel, bei welchem die Ge­ samtfläche der Stauplatten 19 etwa 60% der Durchgangs­ querschnittes des Mantelgehäuses 2 ausmacht, genügt auch bei größeren Windstärken ein Verschwenken der Stauplatten um beispielsweise etwa 40° bis 50° aus ihrer geöffneten Stellung in Schließrichtung, um den Rotor 3 vollständig zum Stillstand zu bringen. Die Windkraftturbine 1 weist dabei einen wirksamen Rotordurchmesser 3 bzw. Durchgangs­ querschnitt des Mantelgehäuses 2 von etwa 1,5 m auf. Bei größeren oder kleineren Abmessungen einer Windkraftturbi­ ne kann die prozentuale Gesamtfläche der Stauplatten be­ zogen auf den Durchgangsquerschnitt des Mantelgehäuses entsprechend der vorliegenden Randbedingungen auch größer oder kleiner gewählt werden, um eine optimale Regelung der Drehzahl des Rotors 3 bzw. ein gewünschtes Regelver­ halten zu erreichen.

Claims (11)

1. Windkraftturbine (1) mit einem mit Rotorblättern (6) versehenen, einen elektrischen Generator (4) rotie­ rend antreibenden Rotor (3), wobei die Rotorblätter (6) zur Verbesserung des Wirkungsgrades von einem um­ laufenden Mantelgehäuse (2) umgeben sind, dessen Querschnittsform aerodynamisch der Querschnittsform eines Tragflügels eines Flugzeuges ähnlich ist und dessen vorderer Lufteinlaßquerschnitt (Pfeile 27) kleiner ist als dessen hinterer Luftauslaßquerschnitt (Pfeile 28), wodurch zumindest bereichsweise eine Er­ höhung der Strömungsgeschwindigkeit des durch das Mantelgehäuse (2) hindurchströmenden Luftstromes er­ reicht wird, wobei der Rotor (3) mit seinen Rotor­ blättern (6) in seiner Betriebsposition innerhalb des Mantelgehäuses (2) axial im Bereich der größten Strö­ mungsgeschwindigkeit angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet,
daß der Rotor (3) in Richtung seiner Drehachse (13) axial (Doppelpfeil 44) verstellbar gelagert ist, und
daß der Rotor (3) bei Überschreiten seiner Nenndreh­ zahl aus seiner Betriebsposition axial (Pfeilrichtung 48) relativ zum Mantelgehäuse in unterschiedliche Po­ sitionen geringerer Strömungsgeschwindigkeit fahrbar ist.

2. Windkraftturbine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine Steuereinrichtung (46) vorgesehen ist, welcher über einen Drehgeber (47) die aktuelle Drehzahl des Rotors (3) übermittelt wird, und durch welche ein Stellantrieb (45) zur Axialverstellung des Rotors (3) aktivierbar ist.

3. Windkraftturbine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die aus der Betriebsposition des Rotors (3) axial einstellbare Endstellung zumindest geringfügig außerhalb des Mantelgehäuses (2) auf der Lufteinlaßseite (Pfeile 27) liegt.

4. Windkraftturbine (1) mit einem mit Rotorblättern (6) versehenen, einen elektrischen Generator (4) rotie­ rend antreibenden Rotor (3), wobei die Rotorblätter (6) zur Verbesserung des Wirkungsgrades von einem um­ laufenden Mantelgehäuse (2) umgeben sind, dessen Querschnittsform aerodynamisch der Querschnittsform eines Tragflügels eines Flugzeuges ähnlich ist und dessen vorderer Lufteinlaßquerschnitt (Pfeile 27) kleiner ist als dessen hinterer Luftauslaßquerschnitt (Pfeile 28), wodurch zumindest bereichsweise eine Er­ höhung der Strömungsgeschwindigkeit des durch das Mantelgehäuse (2) hindurch strömenden Luftstromes er­ reicht wird, wobei der Rotor (3) mit seinen Rotor­ blättern (6) in seiner Betriebsposition innerhalb des Mantelgehäuses (2) axial im Bereich der größten Strö­ mungsgeschwindigkeit angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des radial erweiterten Luftaustritts (Pfeile 28) des Mantelgehäuses (2) in Strömungsrich­ tung (Pfeile 27 und 28) hinter dem Rotor (3) ein oder mehrere Staukörper (19) vorgesehen sind, welche bei Überschreiten der Nenndrehzahl des Rotors (3) aus ih­ rer im wesentlichen neutralen Position in den Luft­ strom (Pfeile 28) einbringbar sind.

5. Windkraftturbine (1) nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Staukörper (19) aus um radial zur Drehachse (13) des Rotors (3) verlaufende Drehachsen (40, 41) drehbaren, im wesentlichen plattenförmigen Stauplatten (19) bestehen.

6. Windkraftturbine (1) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Staukörper (19) durch einen gemeinsamen Schwenkantrieb (49) in ihre jeweiligen Schwenkstellungen bringbar sind.

7. Windkraftturbine (1) nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine Steuereinrichtung (46) vorgesehen ist, welcher über einen Drehgeber (47) die aktuelle Drehzahl des Rotors 3 übermittelt wird, und durch welche der Schwenkantrieb (49) der Staukörper (19) aktivierbar ist.

8. Windkraftturbine (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Staukörper (19) zur variablen Verminderung der Luftströmung (Pfeile 28) in unterschiedliche Schwenkposition bringbar sind, in welchen unterschiedlich starke Stauwirkungen bewirkbar sind.

9. Windkraftturbine (1) nach den Ansprüchen 2 und 7, da­ durch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung ein Einschwenken der Staukörper (19) in den Luftstrom be­ wirkt, sobald der Rotor (3) seine axiale Endstellung erreicht hat und in dieser Endstellung eine weitere Drehzahlerhöhung des Rotors (3) durch den Drehgeber (47) an die Steuereinrichtung (46) übermittelt wird.

10. Windkraftturbine (1) nach Anspruch 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Steuereinrichtung (46) die Axial­ verstellung des Rotors (3) und die Einschwenkbewegung der Staukörper (19) wahlweise oder gleichzeitig be­ wirkt.

11. Windkraftturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (3) zusammen mit dem Generator (4) auf einem höheneinstellbaren, quer zur Drehachse (13) des Rotors und quer zu einer vertikalen Drehachse (26) der Windkraftturbine (1) sowie in Richtung der Drehachse (13) des Rotors (3) verstellbaren Kreuzschlitten (8) gelagert ist.