DE10146968A1 - Windrad - Google Patents

Abstract

Offenbart ist ein Windrad mit einer Gondel, in der ein Rotor gelagert ist. Der Anstellwinkel der von der Rotornabe gelagerten Rotorblätter kann mittels eines hydraulischen Stellmechanismus in Abhängigkeit von der Windstärke eingestellt werden. Erfindungsgemäß sind wesentliche Bauelemente des Stellmechanismus, wie Hydropumpe und deren Antrieb sowie ggf. Druckmittelspeicher etc., am Rotor bzw. der Rotorwelle gelagert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Windrad gemäß dem Oberbe­ griff des Patentanspruchs 1.

Bei derartigen Windrädern wird die Strömungsenergie des Windes in nutzbare Rotationsenergie umgewandelt. Eine der ersten in Deutschland realisierten Windkraftanlagen war die Versuchsanlage "GROWIAN", bei der an einem Turm ein drehba­ res Maschinenhaus abgestützt ist, an dem stirnseitig ein Rotor gelagert ist. Der "GROWIAN"-Rotor (siehe www.dkrz.de) hat eine Rotorwelle, die in Wirkverbindung mit einem im Maschinenhaus angeordneten Generator steht. Der Anstellwin­ kel (Pitch-Winkel) der Rotorblätter zum Wind läßt sich über einen mechanischen Verstellmechanismus in Abhängigkeit von der Windstärke einstellen, wobei der Antrieb und die Steu­ erelemente des Verstellmechanismus ebenfalls im Maschinen­ haus aufgenommen sind.

In der Homepage www.dkrz.de ist eine Nachfolgeanlage des "GROWIAN" erläutert, die in Helgoland betrieben wird. Diese Windkraftanlage (WKA60) hat drei Rotorblätter, wobei der Blattverstellmechanismus hydraulisch betätigt ist. Das Hydraulikaggregat zur Verstellung der Rotorblätter ist ebenfalls im Maschinenhaus gelagert.

Entsprechende Lösungen sind auch in der US-PS-4,503,673 und der US-PS-4,781,533 beschrieben. Nachteilig bei allen vorgenannten Lösungen ist, das ein erheblicher vorrich­ tungstechnischer Aufwand erforderlich ist, um die mit dem Rotor umlaufenden Stellelemente zur Verstellung der Rotor­ blätter an die im Maschinenhaus oder im Kopf angeordneten Aggregate, wie beispielsweise eine Hydropumpe, Druckspei­ cher etc. mechanisch und hydraulisch anzukoppeln.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Windrad zu schaffen, bei dem die Verstellung des An­ stellwinkels eines Rotorblattes mit minimalem vorrichtungs­ technischen Aufwand realisierbar ist.

Diese Aufgabe wird durch ein Windrad mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Das erfindungsgemäße Konzept sieht vor, daß die wesent­ lichen Bauelemente der Hydraulik zur Verstellung des An­ stellwinkels von Rotorblättern drehbar mit dem Rotor gela­ gert ist. D. h., Hydraulikelemente, wie beispielsweise Druckspeicher, Hydropumpe incl. Antrieb oder Steuerventile etc. laufen mit dem Rotor um, so daß die mechanischen und hydraulischen Verbindungselemente zwischen den Stellglie­ dern der Rotorblätter und dem hydraulischen Antrieb äußerst einfach ausgestaltet werden können. Es bedarf keiner ver­ gleichsweise komplexer Verbindungen im Übergangsbereich zwischen dem drehenden Rotor und dem still stehenden Ma­ schinengehäuse bzw. der Gondel des Windrades.

Bei einer Variante des erfindungsgemäßen Windrades wird die Drehbewegung des Rotors bzw. der Pumpenwelle ausge­ nutzt, um die Hydropumpe anzutreiben.

Die Kopplung zwischen Rotor und Hydropumpe erfolgt vor­ zugsweise über ein Getriebe, das ein in der Gondel des Windrades drehfest gelagertes Zahnrad hat, welches mit einem Antriebsritzel einer Pumpenwelle kämmt. Dabei wird es bevorzugt, das Zahnrad als Hohl- oder Stirnrad auszuführen.

Die Relativanordnung der relativ schweren Bauteile, d. h. der Hydropumpe, deren Antrieb, des Hochdruckspeichers und des den Hochdruckspeicher speisenden Niederdruckspei­ chers wird so gewählt, daß keine Unwucht auftritt. Dabei erfolgt die Befestigung der Bauelemente vorzugsweise über eine an der Rotorwelle oder dem Rotor befestigte Drehkon­ sole.

Bei einer alternativen Variante der Erfindung ist zu­ mindest das Hydraulikaggregat mit der Hydropumpe und dem dazugehörigen Antrieb in der Nabe des Windrades gelagert. Dabei wird es besonders bevorzugt, wenn jedem der Rotor­ blätter ein eigenes Hydraulikaggregat zugeordnet ist.

Die Nabe läßt sich besonders kompakt ausgestalten, wenn diese Hydraulikaggregate jeweils in einer Rotorblattwurzel des zugehörigen Rotors gelagert sind. Dieses Ausführungs­ beispiel hat den Vorteil, daß das Hydraulikaggregat relativ einfach durch ein geeignetes integriertes oder nachträglich ansetzbares Hebezeug in die Rotorblattwurzel abgesenkt werden kann.

Ein weiterer Vorteil derjenigen Lösung, bei der jedem Rotorblatt ein eigenes Hydraulikaggregat zugeordnet ist, liegt darin, daß aufgrund der rotationssymmetrischen Anord­ nung die Unwuchten im Bereich der Nabe minimal sind, so daß die Wellenlagerung in der Gondel nicht wesentlich mehr als bei herkömmlichen Lösungen beansprucht ist.

Der Rotor läßt sich praktisch mit dem gesamten Hydrau­ liksystem zur Pitch-Verstellung vormontieren, wobei das Hydrauliksystem jeweils aus der Hydropumpe, dem Antrieb, den Ventilen, einem Druckmittelspeicher, einem Steuerblock und einem Zylinder zur Verschwenkung der Rotorflügel beste­ hen kann. Die komplette Einheit kann im Reparaturfall oder bei Wartung ausgetauscht werden.

Die Energieversorgung der Hydraulikaggregate erfolgt bei der bevorzugten Variante über elektrische Schleifringe, die sehr kostengünstig und ohne technische Probleme mon­ tierbar sind.

Die Pitch-Verstellung erfolgt vorzugsweise über in der Nabe abgestützte Hydraulikzylinder.

Da zur Druckmittelversorgung der Stellelemente des Ro­ tors erhebliche Drücke erforderlich sind und die Stellbewe­ gung bei Windböen in kurzer Zeit erfolgen soll, ist das Windrad mit einem Hochdruckspeicher versehen, der über die Hydropumpe aufgeladen wird, so daß stets ein hinreichendes konstantes Druckniveau zur Verfügung steht.

Das hydraulische System des Windrads hat vorzugsweise einen Hochdruckspeicher, über den bei Ausfall des Hydraulikaggregats eine Notschaltung der Windkraftanlage gewährleistet ist.

Die Rotation der Hydraulikaggregate kann zur Kühlung des Druckmittels ausgenutzt werden, in dem beispielsweise in der Rücklaufleitung von den Stellelementen zum Nieder­ druckspeicher ein Konvektionskühler - beispielsweise gebil­ det durch ein Rohrwendel angeordnet ist.

Sonstige vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der weiteren Unteransprüche.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Windrades;

Fig. 2 ein Blockschaubild eines ersten Ausführungsbei­ spiels eines hydraulischen Stellmechanismus zur Verstellung des Einstellwinkels von Rotorblättern des Windrades aus Fig. 1;

Fig. 3 ein Blockschema des hydraulischen Stellmecha­ nismus aus Fig. 2;

Fig. 4 einen Längsschnitt durch ein Windrad gemäß ei­ nem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 5 eine geschnittene Seitenansicht des Windrades aus Fig. 4 und

Fig. 6 eine Prinzipdarstellung der Rotorvorstellung der vorbeschriebenen Windräder.

Fig. 1 zeigt eine dreidimensionale Prinzipdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines Windrades 1, das als Lee- oder Luvläufer ausgeführt sein kann. Das Windrad 1 hat einen Turm 2, auf dem eine drehbar gelagerte Gondel 4, bei größeren Windrädern auch Maschinenhaus genannt - gela­ gert ist.

An einer Stirnseite der Gondel 4 ist ein Rotor 6 gela­ gert, an dessen Nabe 8 beispielsweise drei Rotorblätter 10 befestigt sind. Der Anstellwinkel der Rotorblätter 10 kann über einen hydraulisch betätigten Steilmechanismus (in Fig. 1 nicht dargestellt) verändert werden, so daß das Windrad 1 auch bei hohen Windstärken betrieben werden kann.

Fig. 2 zeigt einen stark vereinfachten Schnitt durch denjenigen Bereich des Windrades 1, in dem die Nabe 8 mit einer Rotorwelle 12 in der Gondel 4 gelagert ist.

In Fig. 2 ist die Bewegungsebene 14 der Rotorblätter 10 strichpunktiert angedeutet.

Die Rotorwelle 12 ist über, eine Wellenlagerung 16 in der Gondel 4 gelagert, die Lagerelemente zur Abstützung der Rotorwelle in Radial- und Axialrichtung aufweist.

An dem in Fig. 2 nicht dargestellten, rechten Endab­ schnitt der Rotorwelle 12 ist ein Getriebe angeordnet, über das die Rotorwellendrehzahl auf eine Generatordrehzahl übersetzt wird. Das Übersetzungsgetriebe ist derart ge­ wählt, daß beispielsweise eine Rotordrehzahl von 20 Umdre­ hungen pro Minute in eine Generatordrehzahl von etwa 1500 Umdrehungen in der Minute übersetzbar ist.

An dem Kopf 4 ist bei dem in Fig. 2 dargestellten Aus­ führungsbeispiel ein Hohlrad 18 mit Bezug zur Rotorwelle 12 drehfest befestigt. Das mit einer Innenverzahnung versehene Hohlrad 18 kämmt mit einem Antriebsritzel 20 einer Hydro­ pumpe 22.

Diese Hydropumpe 22 ist an einer Drehkonsole 24 befe­ stigt, die über einen nabenförmigen Abschnitt drehfest mit der Rotorwelle 12 verbunden ist. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Hydropumpe 22 und der zugehö­ rige Steuerblock zu einer Einheit zusammengefaßt und an einem radial vorspringenden flanschartigen Teil der Dreh­ konsole 24 befestigt. Die Hydropumpe 22 kann beispielsweise mit einer hydraulischen p-Regelung ausgeführt sein. Das Antriebsritzel 20 ist an einer Pumpenwelle 26 der Hydro­ pumpe 22 befestigt. Bei einer durch die kinematische Ener­ gie des Windes verursachten Rotation der Rotorwelle wird die Pumpenwelle 26 aufgrund des Eingriffs des Antriebsrit­ zels 20 mit dem Hohlrad 18 gedreht und somit die Hydropumpe 22 angetrieben.

Wie insbesondere aus Fig. 3 hervorgeht, ist ein Nie­ derdruckanschluß T der Hydropumpe 22 mit einem ebenfalls an der Drehkonsole 24 befestigten Niederdruckspeicher 28 verbunden, so daß über die Hydropumpe 22 Druckmittel aus dem Niederdruckspeicher 28 angesaugt und über einen Druck­ anschluß P an einem an der Drehkonsole 24 befestigten Hoch­ druckspeicher 30 abgegeben wird. Die Druckregelung der Hydropumpe 22 ist so eingestellt, daß der Hochdruckspeicher auf einen Druck von beispielsweise 200 bar aufgeladen wird. Die Druckbehälter des Hochdruck- und des Niederdruck­ speichers 28, 30 können jeweils mit Kühlrippen versehen sein, so daß das Druckmittel auf einem niedrigen Tempera­ turniveau gehalten werden kann.

Über eine nicht näher beschriebene hydraulische Steuer­ anordnung 32, mit Druckbegrenzungs-, Schaltventilen etc. wird ein Stellglied, beispielsweise ein Hydrozylinder 34 mit Druckmittel versorgt, über den der Anstellwinkel der Rotorblätter 10 veränderbar ist. Auch die Bauelemente der hydraulischen Steuerung 32 und der Hydrozylinder 34 sind im Rotor gelagert.

In einer Rücklaufleitung 36 von der hydraulischen Steu­ eranordnung 32 zum Niederdruckspeicher 28 kann ein Konvek­ tionskühler 38 angeordnet werden. Dieser Konvektionskühler 38 kann beispielsweise durch einen Rohrwendelbereich der Rücklaufleitung 36 ausgebildet sein.

Aufgrund der Rotation der vom Druckmittel durchströmten Bauelemente kann durch Konvektion eine sehr effektive Kühlung des Druckmittels erfolgen, so daß der Wirkungsgrad der Anlage erhöht ist.

Selbstverständlich kann anstelle des in Fig. 2 darge­ stellten Getriebes zum Antrieb der Hydropumpe 22 auch ein anderer Getriebemechanismus beispielsweise ein Stirnrad, Schrägverzahnungen, ein Riementrieb etc. verwendet werden. Anstelle der Drehkonsole 24 können auch andere geeignete Befestigungsmittel der Steueranordnung im Rotor 6 vorgese­ hen sein.

Ein wesentliches Merkmal des vorbeschriebenen Ausfüh­ rungsbeispiels besteht darin, daß die Rotationsenergie der Rotorwelle durch Zwischenschaltung eines Getriebes direkt ausgenützt wird, um die Hydropumpe 22 anzutreiben.

Fig. 4 zeigt einen stark vereinfachten Längsschnitt durch ein Windrad 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbei­ spiel. Ähnlich wie beim vorbeschriebenen Ausführungsbei­ spiel ist in der Gondel 4 ein Rotor 6 mit der Rotorwelle 12, der Nabe 8 und den Rotorblättern 10 gelagert. Während beim vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel die Hydropumpe mit dem dazugehörigen Aggregaten auf der Rotorwelle 12 gelagert und durch deren Drehbewegung angetrieben wurde, ist bei dem in Fig. 4 dargestellen Ausführungsbeispiel jedem der Rotorblätter 10 ein eigenes Hydraulikaggregat 40 zugeordnet. Dieses enthält zumindest eine Hydropumpe 22 und den dazugehörigen Pumpenantrieb 42, wobei die Stromversor­ gung des Antriebs 42 über Schleifringe 44 erfolgt, die im Bereich zwischen der Gondel 4 und der Rotorwelle 12 ange­ ordnet sind.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel enthält das Hydraulikaggregat 40 neben der Hydropumpe 22 und dem An­ trieb 42 noch einen nicht dargestellen Druckspeicher sowie Steuerelemente, wie beispielsweise einen Steuerblock, über den der Hydrozylinder 34 zur Einstellung des Pitch-Winkels ansteuerbar ist. Dieser Hydrozylinder 34 ist in der Nabe 8 gelagert.

Der Vorteil der in Fig. 4 dargestellten Variante liegt darin, daß die Hydraulikleitungen zwischen dem Hydrozylin­ der 34 und dem Hydraulikaggregat 40 äußerst kurz ausgeführt sind, so daß eine sehr kompakte Ausführungsform mit gerin­ gem Totvolumen etc. zur Verfügung gestellt wird. Die Hy­ draulikaggregate 40 sind vergleichsweise klein mit geringer Masse ausgeführt und nahe der Drehachse gelagert, so daß das Massenträgheitsmoment des Rotors nur unwesentlich beeinflußt wird. Da jedem Rotor ein eigenes Hydraulikaggre­ gat 40 zugeordnet ist, sind die Unwuchten im Bereich der Rotors 8 minimal.

Wie sich insbesondere aus der Darstellung gemäß Fig. 5 ergibt, sind die jedem Rotorblatt 10a, 10b, 10c zugeordne­ ten Hydraulikaggregate 40a, 40b bzw. 40c jeweils in einer Rotorblattwurzel 46 des zugehörigen Rotorblatts 40 angeord­ net. Dies ermöglicht es, die Nabe 8 äußerst kompakt auszu­ bilden, da in ihrem Inneren praktisch keinerlei Hydrauli­ kaggregate aufgenommen werden müssen. In der Nabe 8 selbst sind dann im wesentlichen nur noch die vorbeschriebenen Hydrozylinder 34 zur Verstellung des Pitch-Winkels der Rotorblätter 40 und deren Lagerung aufgenommen. Fig. 6 zeigt eine Draufsicht von dar Nabe 8 her auf die Rotor­ blattwurzel 46, wobei die Schwenkachse des Rotorflügels 10 mit dem Bezugszeichen 48 bezeichnet ist. Der Hydrozylinder 34 ist über einen Schwenkzapfen 50 schwenkbar an einem Gehäuse der Nabe 8 gelagert. Eine Kolbenstange 52 des Hydrozylinders 34 greift an der Rotorblattwurzel 46 an, so daß durch Ein- bzw. Ausfahren der Kolbenstange 52 die Rotorblattwurzel 46 und damit das gesamte Rotorblatt 10 um die Schwenkachse 48 verschwenkbar ist. Die Ansteuerung des Hydrozylinders 34 erfolgt über das - vorzugsweise - zen­ trisch in der Rotorblattwurzel 46 gelagerte Hydraulikaggre­ gat 40, das über die vorbeschriebenen Druckleitungen 52, 54 mit dem Hydrozylinder 34 verbunden ist. Der Hydrospeicher und der Steuerblock zur Ansteuerung des Hydrozylinders 34 sind dabei in das Hydraulikaggregat 40 integriert.

Die Lagerung des Hydrozylinders 34 und dessen Anbindung an das Hydraulikaggregat 40 muß selbstverständlich so gewählt sein, dass der erforderliche Pitch-Winkelbereich des Rotorblattes einstellbar sind.

Wie in Fig. 4 strichpunktiert angedeutet ist, kann zur Wartung oder Demontage bzw. Montage des Hydraulikaggregats 40 in der Nabe 8 ein Hebezeug 56 eingesetzt werden, über das das Hydraulikaggregat 40 aus der Rotorblattwurzel 46 herausgehoben werden kann. Dieses Hebezeug 56 kann in die Nabe 8 zentral integriert oder nachträglich eingesetzt werden.

Die Montage des in Fig. 4-dargestellten Ausführungs­ beispiel ist besonders einfach, da praktisch das gesamte Hydrauliksystem zur Verstellung des Pitch-Winkels als vormontierte Einheit mit dem Rotorblatt 10 oder dem komple­ ten Rotor angeliefert werden kann. Die komplette Einheit kann dann im Reparaturfall ausgetauscht werden.

Offenbart ist ein Windrad mit einer Gondel, in der ein Rotor gelagert ist. Der Anstellwinkel der von der Rotornabe gelagerten Rotorblätter kann mittels eines hydraulischen Stellmechanismus in Abhängigkeit von der Windstärke einge­ stellt werden. Erfindungsgemäß sind wesentliche Bauelemente des Stellmechanismus, wie Hydropumpe und deren Antrieb sowie ggfs. Druckmittelspeicher etc. am Rotor bzw. der Rotorwelle gelagert.

Bezugszeichenliste

1

Windrad

2

Turm

4

Gondel

6

Rotor

8

Nabe

10

Rotorblatt

12

Rotorwelle

14

Bewegungsebene

16

Wellenlagereinrichtung

18

Hohlrad

20

Antriebsritzel

22

Hydropumpe

24

Drehkonsole

26

Pumpenwelle

28

Niederdruckspeicher

30

Hochdruckspeicher

32

hydraulische Steueranordnung

34

Hydrozylinder

36

Rücklaufleitung

38

Konvektionskühler

40

Hydraulikaggregat

42

Antrieb

44

Schleifring

46

Drehachse

48

Schwenkachse

50

Schwenkzapfen

52

Druckleitung

54

Druckleitung

56

Hebezeug

Claims (16)

1. Windrad mit einer Gondel (4), in der eine Rotorwelle (12) eines Rotorblätter (10) aufweisenden Rotors (6) gelagert ist, deren Anstellwinkel zum Wind über einen hydraulischen Stellmechanismus mit Stellgliedern (34), Druckmittelspeicher (28, 30) und einer Hydropumpe (22) mit Antrieb einstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Hydropumpe (22) am Rotor (6) oder an der Rotor­ welle (12) gelagert ist.

2. Windrad nach Patentanspruch 1, mit einem Getriebe (18, 20), über das die Drehbewegung des Rotors (6) auf eine Pumpenwelle (26) der Hydropumpe (22) übertragbar ist.

3. Windrad nach Patentanspruch 2, wobei das Getriebe ein an der Gondel (4) drehfest gelagertes Zahnrad (18) hat, das mit einem Antriebsritzel (20) an der Pumpenwelle (26) kämmt.

4. Windrad nach Patentanspruch 3, wobei das Zahnrad ein Hohlrad (18) oder ein Stirnrad ist.

5. Windrad nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, mit einer an der Rotorwelle (12) oder am Rotor (6) be­ festigten Drehkonsole (24), die zumindest den Druckmit­ telspeicher (28, 30) oder die Hydropumpe (22) und deren hydraulische Verbindungsmittel trägt.

6. Windrad nach Patentanspruch 5, wobei der Druckmit­ telspeicher (28, 30) und die Hydropumpe (22) etc. mit Bezug zum Schwerpunkt gleichmäßig am Umfang der Dreh­ konsole (24) verteilt angeordnet sind.

7. Windrad nach Patentanspruch 1, wobei zumindest ein Hydraulikaggregat (40) mit einer Hydropumpe (22) in ei­ ner die Rotorblätter (10) lagernden, mit der Rotorwelle (12) verbundenen Nabe (8) gelagert ist.

8. Windrad nach Patentanspruch 7, wobei jedem Rotorblatt (10a, 10b, 10c) ein Hydraulikaggregat (40a, 40b, 40c) zugeordnet ist.

9. Windrad nach Patentanspruch 8, wobei das Hydraulikag­ gregat (40) in einer Rotorblattwurzel (46) gelagert ist.

10. Windrad nach Patentanspruch 9, wobei die Stellglieder einem im Bereich der Rotorblattwurzel (46) angreifenden Hydrozylinder (34) haben.

11. Windrad nach einem der Patentansprüche 7 bis 10, wobei jeder Hydropumpe (22) ein eigener Antrieb (42) zugeord­ net ist.

12. Windrad nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei der Druckmittelspeicher (28, 30) und ein Steuer­ block am Rotor (6) insbesondere im Bereich der Nabe (8) gelagert ist.

13. Windrad nach einem der Patentansprüche 7 bis 12, wobei in der Nabe (8) ein Hebezeug (56) zum Anheben des Hy­ draulikaggregat (40) abstützbar ist.

14. Windrad nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, mit Schleifringen (44) zwischen Gondel (4) und Rotor (6) bzw. Rotorwelle (12), über die die Energieversor­ gung des Hydraulikaggregates (40) erfolgt.

15. Windrad nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei dem Druckspeicher (13) ein Niederdruckspeicher (28) zugeordnet ist.

16. Windrad nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei in einer Rücklaufleitung (36) ein Kühler (38) an­ geordnet ist.