DE102011052668B4

DE102011052668B4 - Nabe für eine Windkraftanlage und Verfahren zur Montage einer Windkraftanlage

Info

Publication number: DE102011052668B4
Application number: DE102011052668.4A
Authority: DE
Inventors: Laurent Bonnet
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Renovables Espana SL Es
Priority date: 2010-08-16
Filing date: 2011-08-12
Publication date: 2022-02-24
Anticipated expiration: 2031-08-13
Also published as: CN102374114B; US8696315B2; DK201170421A; DE102011052668A1; DK178018B1; CN102374114A; US20110142658A1

Abstract

Modulare Rotorblattnabe für einen Windkraftanlagenrotor, die mehrere Segmente aufweist, wobei wenigstens ein Segment wenigstens eine Seite enthält, die an wenigstens einer Seite wenigstens eines benachbarten Segmentes anliegt, und wobei wenigstens eine der Seiten sich von einem Außenumfang der Nabe zu einem zentralen Bereich der Nabe erstreckt, wobei die Segmente mit einer eine Anordnung von Bolzenlöchern aufweisenden Frontplatte verbunden sind, die an Seitenflächen der Segmente montiert ist, die in eine Richtung von der Gondel weg weisen.

Description

HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
Der hierin offenbarte Gegenstand betrifft allgemein Verfahren und Systeme für Windkraftanlagen und insbesondere Verfahren und Systeme für eine modulare Rotorblattnabe für Windkraftanlagen.
Wenigstens einige bekannte Windkraftanlagen enthalten einen Turm und eine an dem Turm montierte Gondel. Ein Rotor ist an der Gondel drehbar montiert und ist über eine Welle mit einem Generator gekoppelt. Mehrere Blätter erstrecken sich von dem Rotor weg. Die Blätter sind derart ausgerichtet, dass über die Blätter vorbeiströmender Wind den Rotor dreht und die Welle in Drehung versetzt, wodurch der Generator angetrieben wird, um Elektrizität zu erzeugen.
Die Entwicklung von Windkraftanlagen strebt ständig nach höheren Ausgangsleistungen, was zur steigenden Größe der Anlagen führt. In letzten Jahren hat sich die Größe der größten auf dem Markt verfügbaren Windkraftanlagen alle fünf Jahre verdoppelt, ein Trend, der zunehmend vorherrschend zu sein scheint. Einer der Gründe dafür ist das Ziel der Verringerung von Kosten der Elektrizität (in Cent pro kWh) bei gleichzeitiger Steigerung der Energiegewinnung (der jährlichen mittleren Ausgangsleistung, AEP). Demgemäß besteht ein allgemeines Ziel darin, sowohl die Energieumwandlung bei einer gegebenen Rotorgröße zu steigern, als auch die Rotorgröße selbst zu vergrößern, was zu einer höheren mittleren Ausgangsleistung führt.
Jedoch bedeutet eine zunehmende Rotorgröße auch eine allgemeine Vergrößerung der Maschinen- und Gondelgröße, was zu höheren Gesamtmassen und auch einer Erhöhung der Masse der Rotorblätter und der Nabe führt. Demgemäß führen zunehmend schwere Komponenten zu der Tatsache, dass einzelne Blattneigungsverstelllager oder Gierlager ihre zulässigen Biegemomente oder Schubkomponenten erreichen. Somit bedeuten zunehmende Windkraftanlagengrößen auch größere dynamische Belastungen, und sie erfordern demgemäß Konstruktionsmaßnahmen, um die höheren Belastungen zu berücksichtigen. Eine Maßnahme, um diese Anforderungen zu erfüllen, besteht darin, die Dimensionen von Bauteilen, z.B. der Nabe, anzupassen. Folglich neigt die Nabe zu einer Zunahme der Größe und des Gewichts, was hinsichtlich der Transportierbarkeit und der Handhabung am Aufbauort nicht erwünscht ist.
Folglich besteht ein Wunsch nach einer Nabe für eine Windkraftanlage, die verbesserte Stabilitäts- und Lastaufnahmefähigkeiten für größere Windkraftanlagen ergibt, während gleichzeitig der Transportaufwand reduziert sein soll und die Handhabung der Nabe während des Aufbaus der Windkraftanlage verbessert sein soll.
Dokument EP 1 394 406 A2 betrifft eine getriebelose Windturbine mit vielpoligem Synchrongenerator. Die Erfindung zeichnet sich nach Darstellung im Dokument dadurch aus, dass die Flügel des Windrotors auf dem Läuferring oder/und einer axialen Verlängerung des Läuferrings angeordnet sind. Dadurch würde die Erfindungslösung gemäß der Zusammenfassung des Dokuments neben einer Reduzierung der Masse und Vereinfachung der Konstruktion eine Verringerung des Abstandes zwischen Trägerturm und Rotor bewirken.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
In einem Aspekt ist eine modulare Rotorblattnabe für einen Windkraftanlagenrotor geschaffen. Die modulare Rotorblattnabe enthält mehrere Segmente, wobei wenigstens ein Segment wenigstens eine Seite enthält, die gegen wenigstens eine Seite wenigstens eines benachbarten Segmentes anliegt und wobei wenigstens eine der Seiten sich von einem Außenumfang der Nabe zu einem zentralen Bereich der Nabe erstreckt, wobei die Segmente mit einer eine Anordnung von Bolzenlöchern aufweisenden Frontplatte verbunden sind, die an Seitenflächen der Segmente montiert ist, die in eine Richtung von der Gondel weg weisen.
In einem weiteren Aspekt ist eine Windkraftanlage, die eine modulare Nabe wie oben beschrieben enthält, geschaffen. Die Windkraftanlage enthält die modulare Nabe, die mehrere Segmente enthält, die jeweils wenigstens zwei Seiten enthalten, die an Seiten wenigstens eines benachbarten Segmentes anliegen.
In einem noch weiteren Aspekt ist ein Verfahren zur Montage einer Windkraftanlage geschaffen. Das Verfahren enthält: Bereitsteilen mehrerer Segmente einer modularen Nabe, wobei die Segmente mit einer eine Anordnung von Bolzenlöchern aufweisenden Frontplatte verbunden sind, die an Seitenflächen der Segmente montiert ist, die in eine Richtung von der Gondel weg weisen; Anordnen der Segmente auf eine im Wesentlichen kreisförmige Weise um die Achse der Nabe herum, so dass wenigstens eine Seite des Segmentes an wenigstens einer Seite wenigstens eines benachbarten Segmentes anliegt, und wobei wenigstens eine der Seiten sich von einem Außenumfang der Nabe aus zu einem zentralen Bereich der Nabe erstreckt; und Montieren der Segmente.
Weitere Aspekte, Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung sind aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen offenkundig.
Figurenliste
Eine umfassende und eine Umsetzung ermöglichende Offenbarung, einschließlich deren bester Ausführungsform, die sich an einen Fachmann auf dem Gebiet richtet, ist in größeren Einzelheiten in der restlichen Beschreibung gegeben, die eine Bezugnahme auf die beigefügten Figuren enthält, worin:

1 zeigt eine Perspektivansicht einer beispielhaften Windkraftanlage.
2 zeigt eine vergrößerte Schnittansicht eines Abschnitts der in 1 veranschaulichten Windkraftanlage.
3 zeigt eine Perspektivansicht einer modularen Rotorblattnabe gemäß Ausführungsformen.
4 zeigt eine Perspektivansicht der modularen Rotorblattnabe nach 3 mit Verbindungsnaben gemäß Ausführungsformen.
5 zeigt eine Perspektivansicht eines Segmentes der modularen Rotorblattnaben, wie sie in den 3 und 4 veranschaulicht sind.
6 zeigt eine Perspektivansicht und eine Querschnittsansicht einer Verbindungsnabe, wie sie in 4 veranschaulicht ist.
7 zeigt eine Seitenansicht der in 4 veranschaulichten Rotorblattnabe gemeinsam mit der Frontplatte und der Hauptwelle der Windkraftanlage.
8 zeigt eine Vorderansicht eines Windkraftanlagenrotors mit einer modularen Rotorblattnabe gemäß Ausführungsformen.
9 zeigt eine seitliche Schnittansicht eines Rotorblattfußabschnitts gemäß Ausführungsformen.
10 zeigt eine seitliche Schnittansicht eines Rotorblattfußabschnitts gemäß weiteren Ausführungsformen.
11 zeigt eine Vorderansicht eines Windkraftanlagenrotors mit einer modularen Rotorblattnabe gemäß noch weiteren Ausführungsformen.
12 zeigt eine Vorderansicht eines Windkraftanlagenrotors mit einer modularen Rotorblattnabe gemäß weiteren Ausführungsformen.
13. zeigt eine Vorderansicht eines Windkraftanlagenrotorblatts mit einem montierten Teilsegment einer modularen Rotorblattnabe gemäß Ausführungsformen.
14 zeigt eine Vorderansicht eines Rotorblatts mit einem montierten Segment einer Rotorblattnabe, die auf einem Transportfahrzeug angeordnet ist, gemäß Ausführungsformen.
15 zeigt ein Blockdiagramm eines Verfahrens zum Zusammenbau einer Windkraftanlage gemäß Ausführungsformen.
16 zeigt ein Blockdiagramm eines Verfahrens zur Montage einer Windkraftanlage gemäß Ausführungsformen.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Es wird nun im Einzelnen auf die verschiedenen Ausführungsformen Bezug genommen, von denen ein oder mehrere Beispiele in jeder Figur veranschaulicht sind. Jedes Beispiel ist zur Erläuterung vorgesehen und ist nicht als eine Beschränkung angedacht. Z.B. können Merkmale, die als ein Teil einer Ausführungsform veranschaulicht oder beschrieben sind, bei oder in Verbindung mit anderen Ausführungsformen verwendet werden, um noch weitere Ausführungsformen zu ergeben. Es besteht die Absicht, dass die vorliegende Offenbarung derartige Modifikationen und Veränderungen umfasst.
Die hierin beschriebenen Ausführungsformen umfassen ein Windkraftanlagensystem, das leicht zu transportieren und zu montieren ist. Insbesondere lässt sich die Rotorblattnabe aufgrund ihres modularen Aufbaus leichter transportieren und zusammenbauen.
In dem hierin verwendeten Sinne soll der Ausdruck „modulare Nabe“ für eine Nabe kennzeichnend sein, die wenigstens zwei Segmente enthält. In dem hierin verwendeten Sinne soll der Ausdruck „Blatt“ für jede Vorrichtung kennzeichnend sein, die eine Reaktionskraft liefert, wenn sie sich relativ zu einem umgebenden Fluid in Bewegung befindet. In dem hierin verwendeten Sinne soll der Ausdruck „Windkraftanlage“ für jede Vorrichtung kennzeichnend sein, die Rotationsenergie aus Windenergie erzeugt und insbesondere kinetische Energie des Windes in mechanische Energie wandelt. In dem hierin verwendeten Sinne soll der Ausdruck „Windgenerator“ für jede Windkraftanlage kennzeichnend sein, die elektrische Leistung aus von Windenergie erzeugter Rotationsenergie erzeugt und insbesondere aus der kinetischen Energie des Windes umgewandelte mechanische Energie in elektrische Leistung umwandelt.
1 zeigt eine Perspektivansicht einer beispielhaften Windkraftanlage 10. In der beispielhaften Ausführungsform ist die Windkraftanlage 10 eine Windkraftanlage mit horizontaler Achse. Alternativ kann die Windkraftanlage 10 eine Windkraftanlage mit einer vertikalen Achse sein. In der beispielhaften Ausführungsform enthält die Windkraftanlage 10 einen Turm 12, der sich von einem Tragsystem 14 aus erstreckt, eine an dem Turm 12 montierte Gondel 16 und einen Rotor 18, der mit der Gondel 16 gekoppelt ist. Der Rotor 18 enthält eine drehbare Nabe 20 und wenigstens ein Rotorblatt 22, das mit der Nabe 20 gekoppelt ist und sich von dieser aus nach außen erstreckt. In der beispielhaften Ausführungsform weist der Rotor 18 drei Rotorblätter 22 auf. In einer alternativen Ausführungsform enthält der Rotor 18 mehr oder weniger als drei Rotorblätter 22. In der beispielhaften Ausführungsform ist der Turm 12 aus Stahlrohr hergestellt, um einen (in 1 nicht veranschaulichten) Hohlraum zwischen dem Tragsystem 14 und der Gondel 16 zu definieren. In einer alternativen Ausführungsform ist der Turm 12ein Turm von einer beliebigen geeigneten Bauart mit einer beliebigen geeigneten Höhe. In einer Ausführungsform ist die Nabe 200 eine modulare Nabe, wie dies nachstehend beschrieben ist.
Die Rotorblätter 22 sind rings um die Nabe 200 beabstandet verteilt, um eine Drehung des Rotors 18 zu unterstützen, um eine Umwandlung der kinetischen Energie aus dem Wind in nutzbare mechanische Energie und anschließend in elektrische Energie zu ermöglichen. Die Rotorblätter 22 sind mit der Nabe 20 passend verbunden, indem ein Blattfußabschnitt 24 mit der Nabe 200 an mehreren Lastübertragungsbereichen 26 gekoppelt ist. Die Lastübertragungsbereiche 26 weisen einen Nabenlastübertragungsbereich und einen Blattlastübertragungsbereich auf (die beide in 1 nicht veranschaulicht sind). In die Rotorblätter 22 eingeleitete Kräfte werden auf die Nabe 200 über die Lastübertragungsbereiche 26 übertragen.
In einer Ausführungsform weisen die Rotorblätter 22 eine Länge im Bereich von etwa 15 Meter (m) bis etwa 91 m auf. Alternativ können die Rotorblätter 22 jede beliebige geeignete Länge aufweisen, die der Windkraftanlage 10 ermöglicht, in der hierin beschriebenen Weise zu funktionieren. Z.B. enthalten weitere nicht beschränkende Beispiele für Blattlängen 10 m oder weniger, 20 m, 37 m oder eine Länge, die größer ist als 91 m. Wenn Wind die Rotorblätter 22 von einer Richtung 28 streift, wird der Rotor 18 rings um eine Drehachse 30 gedreht. Wenn Rotorblätter 22 gedreht und Fliehkräften ausgesetzt werden, sind die Rotorblätter 22 ferner verschiedenen Kräften und Momenten ausgesetzt. Die Rotorblätter 22 können sich als solche von einer neutralen oder nicht ausgelenkten Stellung aus in eine ausgelenkte Stellung auslenken und/oder rotieren.
Außerdem kann ein Anstellwinkel oder eine Blattneigung der Rotorblätter 22, d.h. ein Winkel, der eine Perspektive der Rotorblätter 22 in Bezug auf die Richtung 28 des Windes bestimmt, durch ein Blattneigungsverstellsystem 32 verändert werden, um durch Anpassung einer Winkelstellung wenigstens eines Rotorblatts 22 in Bezug auf Windvektoren die Last und durch die Windkraftanlage 10 erzeugte Leistung zu steuern. Neigungsachsen 34 für die Rotorblätter 22 sind veranschaulicht. Während eines Betriebs der Windkraftanlage 10 kann das Neigungsverstellsystem 32 eine Blattneigung bzw. einen Blattanstellwinkel der Rotorblätter 22 derart verändern, dass die Rotorblätter 22 zu einer Segelstellung überführt werden, so dass die Perspektive wenigstens eines Rotorblatts 22 in Bezug auf Windvektoren einen minimalen Flächenbereich des Rotorblatts 22 ergibt, der in Richtung auf die Windvektoren orientiert wird, was eine Reduktion einer Drehzahl des Rotors 18 ermöglicht und/oder ein Anhalten des Rotors 18 ermöglicht.
In der beispielhaften Ausführungsform wird eine Blattneigung jedes Rotorblatts 22 einzeln durch ein Steuersystem 36 gesteuert. Alternativ kann die Blattneigung für alle Rotorblätter 22 durch das Steuersystem 36 gleichzeitig gesteuert werden. Ferner kann in der beispielhaften Ausführungsform, wenn sich die Richtung 28 verändert, eine Gierrichtung der Gondel 16 rings um eine Gierachse 38 gesteuert werden, um die Rotorblätter 22 in Bezug auf die Richtung 28 zu positionieren.
In der beispielhaften Ausführungsform ist das Steuersystem 36 veranschaulicht, wie es in der Gondel 16 zentralisiert ist, wobei jedoch das Steuersystem 36 ein durch die Windkraftanlage 10 hinweg, auf dem Tragsystem 14, innerhalb eines Windenergieparks und/oder in einer entfernten Steuerzentrale verteiltes System sein kann. Das Steuersystem 36 enthält einen Prozessor 40, der konfiguriert ist, um die hierin beschriebenen Verfahren und/oder Schritte durchzuführen. Ferner enthalten viele der weiteren hierin beschriebenen Komponenten einen Prozessor. In dem hierin verwendeten Sinne ist der Ausdruck „Prozessor“ nicht auf integrierte Schaltungen beschränkt, die in der Technik als ein Computer bzw. Rechner bezeichnet werden, sondern bezeichnet im weiten Sinne einen Controller, einen Mikrocontroller, einen Mikrocomputer, eine programmierbare Logiksteuerung (PLC), eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung und andere programmierbare Schaltkreise, und diese Ausdrücke werden hierin gegeneinander austauschbar verwendet. Es sollte verstanden werden, dass ein Prozessor und/oder ein Steuersystem auch einen Speicher, Eingangskanäle und/oder Ausgangskanäle enthalten kann.
In den hierin beschriebenen Ausführungsformen kann ein Speicher, ohne Beschränkung, ein computerlesbares Medium, wie beispielsweise einen Direktzugriffsspeicher (RAM), und ein computerlesbares nicht flüchtiges Medium, wie beispielsweise einen Flash-Speicher, enthalten. Alternativ können auch eine Floppy-Diskette, eine CD-ROM (Compact Disk Read-Only Memory), eine magentooptische Scheibe (MOD) und/ oder eine digitale vielseitige Scheibe (DVD) verwendet werden. Ferner enthalten in den hierin beschriebenen Ausführungsformen Eingangskanäle, ohne Beschränkung, Sensoren und/ oder Computerperipheriegeräte, die einer Benutzerschnittstelle zugeordnet sind, wie beispielsweise eine Maus und eine Tastatur. Ferner können in der beispielhaften Ausführungsform Ausgangskanäle, ohne Beschränkung, ein Steuergerät, einen Bedieneroberflächenmonitor und/oder eine Anzeige enthalten.
Hierin beschriebene Prozessoren verarbeiten Informationen, die von mehreren elektrischen und elektronischen Vorrichtungen übertragen werden, die, ohne Beschränkung, Sensoren, Aktuatoren, Kompressoren, Steuersysteme und/oder Überwachungsvorrichtungen enthalten können. Derartige Prozessoren können z.B. in einem Steuersystem, einem Sensor, einer Überwachungsvorrichtung, einem Desktop-Computer, einem Laptop-Computer, einem Schaltschrank mit programmierbarer Logiksteuerung (PLC) und/oder einem Schaltschrank mit verteiltem Steuersystem (DCS) physisch angeordnet sein. Das RAM und die Speichervorrichtungen speichern und übertragen Informationen und Instruktionen, die durch den (die) Prozessor(en) ausgeführt werden sollen. Das RAM und die Speichervorrichtungen können ferner verwendet werden, um während einer Ausführung der Instruktionen durch den (die) Prozessor(en) temporäre Variablen, statische (d.h. sich nicht ändernde) Informationen und Instruktionen oder andere Zwischeninformationen für die Prozessoren zu speichern und zu liefern. Instruktionen, die ausgeführt werden, können, ohne Beschränkung, Steuerbefehle des Windkraftanlagensteuersystems enthalten. Die Ausführung der Sequenzen von Instruktionen ist nicht auf irgendeine spezielle Kombination von Hardwareschaltung und Softwareinstruktionen beschränkt.
2 zeigt eine vergrößerte Schnittansicht eines Abschnitts der Windkraftanlage 10. In der beispielhaften Ausführungsform enthält die Windkraftanlage 10 die Gondel 16 und die Nabe 20, die mit der Gondel 16 drehbar gekoppelt ist. Insbesondere ist die Nabe 200 mit einem elektrischen Generator 42, der in der Gondel 16 positioniert ist, über eine Rotorwelle 44 (die manchmal entweder als eine Hauptwelle oder als eine langsam drehende Welle bezeichnet wird), ein Getriebe 46, eine schnell drehende Welle 48 und eine Kupplung 50 drehfest gekoppelt. In der beispielhaften Ausführungsform ist die Rotorwelle 44 koaxial zu der Längsachse 116 angeordnet. Eine Drehung der Rotorwelle 44 treibt das Getriebe 46 drehend an, das anschließend die schnell drehende Welle 48 antreibt. Die schnell drehende Welle 48 treibt den Generator 42 mit der Kupplung 50 drehend an, und eine Drehung der schnell drehenden Welle 48 ermöglicht eine Erzeugung elektrische Leistung durch den Generator 42. Das Getriebe 46 und der Generator 42 sind durch einen Träger 52 bzw. einen Träger 54 gehaltert. In der beispielhaften Ausführungsform verwendet das Getriebe 46 eine Doppelpfadgeometrie, um die schnell drehende Welle 48 anzutreiben. Alternativ ist die Rotorwelle 44 mit der Kupplung 50 unmittelbar an dem Generator 42 angekoppelt.
Die Gondel 16 enthält ferner einen Gierantriebsmechanismus 56, der verwendet werden kann, um die Gondel 16 und die Nabe 200 über der (in 1 veranschaulichten) Gierachse 38 zu drehen, um die Perspektive der Rotorblätter 22 in Bezug auf die Richtung 28 des Windes zu steuern. Die Gondel 16 enthält ferner wenigstens einen Windmessmast 58, der eine Windfahne und ein Anemometer enthält (von denen keine(s) in 2 veranschaulicht ist). Der Mast 58 liefert Informationen an das Steuersystem 36, die die Windrichtung und/oder die Windgeschwindigkeit umfassen können. In der beispielhaften Ausführungsform enthält die Gondel 16 ferner ein vorderes Hauptstützlager 60 und ein hinteres Hauptstützlager 62
Das vordere Stützlager 60 und das hintere Stützlager 62 ermöglichen eine radiale Abstützung und Ausrichtung der Rotorwelle 44. Das vordere Stützlager 60 ist mit der Rotorwelle 44 in der Nähe der Nabe 20 gekoppelt. Das hintere Stützlager 62 ist an der Rotorwelle 44 in der Nähe des Getriebes 46 und/oder des Generators 42 positioniert. Alternativ enthält die Gondel 16 eine beliebige Anzahl von Stützlagern, die der Windkraftanlage 10 ermöglichen, in der hierin offenbarten Weise zu funktionieren. Die Rotorwelle 44, der Generator 42, das Getriebe 46, die schnell drehende Welle 48, die Kupplung 50 und jede zugehörige Befestigungs-, Halterungs- und/oder Sicherungsvorrichtung, einschließlich, jedoch nicht darauf beschränkt, des Trägers 52 und/oder des Trägers 54 sowie des vorderen Stützlagers 60 und des hinteren Stützlagers 62, werden manchmal als ein Antriebsstrang 64 bezeichnet.
In der beispielhaften Ausführungsform enthält die Nabe 200 eine Blattneigungs- bzw. Blattverstellanordnung 66. Die Blattverstellanordnung 66 enthält ein oder mehrere Blattverstellantriebssysteme 68 und wenigstens einen Sensor 70. Jedes Blattverstellantriebssystem 68 ist mit einem jeweiligen (in 1 veranschaulichten) Rotorblatt 44 zur Beeinflussung der Blattneigung des zugehörigen Rotorblatts 22 an der Blattneigungsverstellachse 34 gekoppelt. In 2 ist lediglich eines der drei Blattverstellantriebssysteme 68 veranschaulicht.
In der beispielhaften Ausführungsform enthält die Blattverstellanordnung 66 wenigstens ein Blattverstelllager 72, das mit der Nabe 200 und mit dem jeweiligen (in 1 veranschaulichten) Rotorblatt 22 gekoppelt ist, um das zugehörige Rotorblatt 22 über der Blattverstellachse 34 zu verdrehen. Das Blattverstellantriebssystem 68 enthält einen Blattverstellantriebsmotor 74, ein Blattverstellantriebsgetriebe 76 und ein Blattverstellantriebsritzel 78. Der Blattverstellantriebsmotor 74 ist mit dem Blattverstellantriebsgetriebe 76 derart gekoppelt, dass der Blattverstellantriebsmotor 74 auf das Blattverstellantriebsgetriebe 76 eine mechanische Kraft überträgt. Das Blattverstellantriebsgetriebe 76 ist mit dem Blattverstellantriebsritzel 78 derart gekoppelt, dass das Blattverstellantriebsritzel 78 durch das Blattverstellantriebsgetriebe 76 gedreht wird. Das Blattverstelllager 72 ist mit dem Blattverstellantriebsritzel 78 derart gekoppelt, dass die Drehung des Blattverstellantriebsritzels 78 eine Drehung des Blattverstelllagers 72 verursacht. Insbesondere ist in der beispielhaften Ausführungsform das Blattverstellantriebsritzel 78 mit dem Blattverstelllager 72 derart gekoppelt, dass eine Drehung des Blattverstellantriebsgetriebes 76 das Blattverstelllager 72 und das Rotorblatt 22 um die Blattvertellachse 34 dreht, um den Blattanstellwinkel bzw. die Blattneigung des Blattes 22 zu verändern.
Das Blattverstellantriebssystem 68 ist mit dem Steuersystem 36 zur Einstellung des Blattanstellwinkels des Rotorblatts 22 bei Empfang eines oder mehrerer Signale von dem Steuersystem 36 gekoppelt. In der beispielhaften Ausführungsform ist der Blattverstellantriebsmotor 74 ein beliebiger geeigneter Motor, der durch elektrische Leistung und/oder ein hydraulisches System angetrieben ist, das der Blattverstellanordnung 66 ermöglicht, in der hierin beschriebenen Weise zu funktionieren. Alternativ kann die Blattverstellanordnung 66 eine beliebige geeignete Struktur, Konfiguration, Einrichtung und/oder beliebige geeignete Komponenten, wie beispielsweise, jedoch nicht darauf beschränkt, hydraulische Zylinder, Federn und/oder Servomechanismen, enthalten. Außerdem kann die Blattverstellanordnung 66 durch jedes beliebige geeignete Mittel, wie beispielsweise, jedoch nicht darauf beschränkt, ein hydraulisches Fluid und/oder mechanische Leistung, wie beispielsweise, jedoch nicht darauf beschränkt, eingeleitete Federkräfte und/oder elektromagnetische Kräfte, angetrieben sein. In manchen Ausführungsformen wird der Blattverstellantriebsmotor 74 durch Energie angetrieben, die aus der Massenträgheit der Nabe 200 und/oder einer (nicht veranschaulichten) gespeicherten Energiequelle entnommen wird, die Energie zu Komponenten der Windkraftanlage 10 liefert.
Die Blattverstellanordnung 66 enthält ferner ein oder mehrere Überdrehzahlsteuersysteme 80 zur Steuerung des Blattverstellantriebssystems 68 während einer Rotorüberdrehzahl. In der beispielhaften Ausführungsform enthält die Blattverstellanordnung 66 wenigstens ein Überdrehzahlsteuersystem 80, das mit jeweiligem Blattverstellantriebssystem 68 kommunikationsmäßig gekoppelt ist, um das Blattverstellantriebssystem 68 unabhängig von dem Steuersystem 36 zu steuern. In einer Ausführungsform enthält die Blattverstellanordnung mehrere Überdrehzahlsteuersysteme 80, die jeweils mit jeweiligen Blattverstellantriebssystemen 68 kommunikationsmäßig verbunden sind, um das zugehörige Blattverstellantriebssystem 68 unabhängig von dem Steuersystem 36 zu betreiben. Das Überdrehzahlsteuersystem 80 ist ferner mit dem Sensor 70 kommunikationsmäßig verbunden. In der beispielhaften Ausführungsform ist das Überdrehzahlsteuersystem 80 mit dem Blattverstellantriebssystem 68 und mit dem Sensor 70 über mehrere Kabel 82 verbunden. Alternativ ist das Überdrehzahlsteuersystem 80 mit dem Blattverstellantriebssystem 68 und mit dem Sensor 70 unter Verwendung einer beliebigen geeigneten fest verdrahteten und/oder drahtlosen Kommunikationsvorrichtung kommunikationsmäßig verbunden. während eines normalen Betriebs der Windkraftanlage 10 steuert das Steuersystem 36 das Blattverstellantriebssystem 68, um einen Anstellwinkel des Rotorblatts 22 einzustellen. In einer Ausführungsform setzt das Überdrehzahlsteuersystem 80, wenn der Rotor 18 mit Rotorüberdrehzahl arbeitet, das Steuersystem 36 außer Kraft, so dass das Steuersystem 36 nicht mehr das Blattverstellantriebssystem 68 steuert, und das Überdrehzahlsteuersystem 80 steuert das Blattverstellantriebssystem 68, um das Rotorblatt 22 zu einer Segelstellung zu überführen, um eine Drehung des Rotors 18 zu verlangsamen.
Mit dem Sensor 70, dem Überdrehzahlsteuersystem 80 und dem Blattverstellantriebssystem 68 ist ein Stromgenerator 84 gekoppelt, um eine Stromquelle für die Blattverstellanordnung 66 bereitzustellen. In der beispielhaften Ausführungsform stellt der Stromgenerator 84 eine beständige Stromquelle für die Blattverstellanordnung 66 während des Betriebs der Windkraftanlage 10 bereit. In einer alternativen Ausführungsform stellt der Stromgenerator 84 Strom für die Blattverstellanordnung 66 im Falle eines elektrischen Leistungsverlustereignisses der Windkraftanlage 10 bereit. Das elektrische Leistungsverlustereignis kann einen Stromnetzverlust, eine Fehlfunktion des elektrischen Systems der Turbine und/oder einen Ausfall des Windkraftanlagensteuersystems 36 enthalten. Während eines elektrischen Leistungsverlustereignisses arbeitet der Stromgenerator 84, um elektrische Leistung zu der Blattverstellanordnung 66 zu liefern, so dass die Blattverstellanordnung 66 während des elektrischen Leistungsverlustereignisses arbeiten kann.
In der beispielhaften Ausführungsform sind das Blattverstellantriebssystem 68, der Sensor 70, das Überdrehzahlsteuersystem 80, die Kabel 82 und der Stromgenerator 84 alle in einem Hohlraum 86 positioniert, der durch eine innere Oberfläche 88 der Nabe 20 definiert ist. In einer speziellen Ausführungsform sind das Blattverstellantriebssystem 86, der Sensor 70, das Überdrehzahlsteuersystem 80, die Kabel 82 und/oder der Stromgenerator 84 unmittelbar oder mittelbar mit der inneren Fläche 88 verbunden. In einer alternativen Ausführungsform sind das Blattverstellantriebssystem 68, der Sensor 70, das Überdrehzahlsteuersystem 80, die Kabel 82 und der Stromgenerator 84 in Bezug auf eine äußere Oberfläche 90 der Nabe 200 positioniert und können unmittelbar und mittelbar mit der Außenfläche 90 gekoppelt sein.
3 zeigt eine Ausführungsform einer modularen Rotorblattnabe 200 für einen Rotor mit drei Rotorblättern. Die Nabe 200 enthält drei Segmente 108, 109, 110. In der beispielhaften Ausführungsform sind die Segmente im Wesentlichen gleich und derart gestaltet, dass die Anlageseitenflächen 133, 134, 135, 136, 137, 138 benachbarter anliegender Segmente 108, 109, 110 drei Ebenen 140, 141, 142 bilden. „Im Wesentlichen gleich“ bedeutet in dieser Hinsicht, dass die äußeren Dimensionen der Segmente sich hinsichtlich entweder der Weite, der Höhe oder der Länge zwischen den Segmenten um nicht mehr als 15% voneinander unterscheiden.
Z.B. stützt sich die Seite (oder Seitenfläche) 133 des Segmentes 110 gegen die Seite (oder Seitenfläche) 138 des Segmentes 109 ab, wodurch die Ebene 140 definiert ist, und die Seite 137 des Segmentes 109 stützt sich gegen die Seite 136 des Segmentes 108 ab, wodurch die Ebene 142 definiert ist.
In der beispielhaften Ausführungsform erstrecken sich die Seiten 133, 134, 135, 136, 137, 138 der Segmente 108, 109, 110 von einem Außenumfang 145 der Nabe aus zu einem zentralen Bereich 146 der Nabe. Per Definition enthält der zentrale Bereich 146 der Nabe in Ausführungsformen, die nicht auf die in 3 veranschaulichte beispielhafte Ausführungsform beschränkt sind, das Loch in der Mitte der Nabe und die unmittelbar angrenzenden Seitenflächen der Segmente 108, 109, 110. Der Ausdruck „Seite“ wird hierin in der herkömmlichen Bedeutung einer Oberfläche eines Körpers, insbesondere eines Segmentes, aber auch für eine Seite als eine Darstellung der Begrenzung zwischen aneinander anliegenden Segmenten verwendet.
In anderen Ausführungsformen sind die Nabe und die Segmente anders konstruiert und weisen eine andere Gestalt auf, was zu der Tatsache führt, dass der Ausdruck „zentraler Bereich“ auch anders definiert ist. Falls z.B. wenigstens eine Seite wenigstens eines Segmentes wenigstens einen Teil der Rotationsmittelachse der Nabe erfasst (anders als bei der Ausführungsform nach 4), ist der zentrale Bereich derart definiert, dass er die geometrische Drehachse 106 ist. In einer anderen Ausführungsform ist eine Seite derart definiert, dass sie sich von einem äußeren Umfang der Nabe zu einem zentralen Bereich erstreckt, falls irgendeine Stelle der Seite an dem Außenumfang der Nabe liegt und falls irgendeine zweite Stelle der Seite auf der Fläche eines geometrischen Körpers liegt, die durch die innersten Flächen der Segmente in Bezug auf die Achse gebildet ist und die wenigstens zum Teil die geometrische Drehachse der Nabe einschließt. Es wird verstanden, dass eine modulare Nabe auf verschiedene Arten und Weisen gestaltet werden kann, die hierin nicht alle beschrieben werden können. Dennoch wird als ein gemeinsames Merkmal unter den Varianten angesehen, dass wenigstens eine der Seiten zwischen aneinander anliegenden Segmenten sich von einem Außenumfang der Nabe zu einem innersten Teil oder Bereich (dem „zentralen Bereich“) der Nabe erstreckt. Gleichzeitig kann die Seite sich von dem Außenumfang zu dem inneren Teil oder Bereich in einer linearen Richtung oder in einer nicht-linearen Richtung erstrecken, was bedeutet, dass eine Querschnittsprojektion der Seite Kurven und/oder Winkel zeigen kann. Ferner kann die Seite an mehr als zwei Segmenten anliegen, falls die Nabe z.B. zwei Segmentlagen in Bezug auf eine radiale Richtung enthält.
In der beispielhaften Ausführungsform nach 3 erstrecken sich die Seiten 133, 134, 135, 136, 137, 138 von dem Außenumfang 145 zu dem zentralen Bereich 146 in einer radialen Richtung und bilden ebene Flächen. In anderen Ausführungsformen können sich die Seiten von dem Außenumfang zu einem zentralen Bereich in Richtungen erstrecken, die nicht radial sind, und/oder die Seiten können von einer ebenen Form abweichen. Z.B. können die Seiten in anderen Ausführungsformen die Form eines Zylindersegmentes mit konstantem oder veränderlichem Radius aufweisen.
Die Ebenen 140, 141, 142 enthalten jeweils die geometrische Mittelachse (oder Drehachse) 106 der Nabe 200. Sie schließen einen Winkel α jeweils mit benachbarten Ebenen ein, der zwischen all den benachbarten Ebenen in der beispielhaften Ausführungsform nach 3 120° beträgt.
Die Seiten 133, 134, 135, 136, 137, 138 der Segmente, die den benachbarten Segmenten zugewandt sind, sind im Wesentlichen eben, um eine kostengünstige Erzeugung zu ermöglichen und um eine Passung zwischen den benachbarten und aneinander anliegenden Segmenten 108, 109, 110 zu ermöglichen. „Im Wesentlichen eben“ bedeutet, dass die Seitenfläche noch als eine Ebene angesehen wird, solange mehr als 60% des Flächeninhalts der Seite eine geometrische Ebene bilden. In anderen Ausführungsformen können die Seitenflächen von einer ebenen Form abweichen.
In der beispielhaften Ausführungsform weist die modulare Nabe drei Symmetrieebenen (die Ebenen 140, 141 und 142) auf, die jeweils die Drehachse 106 der Nabe enthalten, die auch eine zyklische Symmetrieachse der Nabe ist.
4 zeigt die Ausführungsform nach 3, die ferner drei hier nachstehend als Verbindungsnaben bezeichnete Schraubverbindungen 111 enthält, die als Schnittstellen zwischen der Nabe 200 und den Rotorblättern 22 dienen. In der beispielhaften Ausführungsform dienen sie ferner als Verbindungsmittel zwischen den Segmenten 108, 109, 110, wobei jede Verbindungsnabe 111 zwei Segmente verbindet. Demgemäß dienen die Verbindungsnaben ferner als Verbindungsmittel zwischen einzelnen Segmenten 108, 109, 110.
In der Ausführungsform sind die Ebenen 140, 141 und 142 jeweils parallel zu einer Längsachse eines (nicht veranschaulichten) Rotorblatts 22 ausgerichtet, das an den jeweiligen Segmenten über die Verbindungsnaben 111 montiert ist (nicht veranschaulicht). Somit verläuft die Ebene 40 parallel zu der Längsachse des an den Segmenten 109 und 110 montierten Rotorblatts, während die Ebene 141 parallel zu der Längsachse des an den Segmenten 110 und 108 montierten Rotorblatts verläuft und die Ebene 142 parallel zu der Achse des Rotorblatts verläuft, das an den Segmenten 108 und 109 montiert ist. Wie in 3 ersehen werden kann, ist die modulare Nabe um ihre Drehachse 106 rotationssymmetrisch, d.h. eine Drehung von 120° um die Achse 106 herum ergibt die gleiche Nabe. Demgemäß sind die Segmente 108, 109, 110 ebenfalls zyklisch symmetrisch zueinander um die Drehachse 106 der Nabe 200 herum.
Die Ebenen 140, 141 und 142 enthalten jeweils die Drehachse 106 der Nabe. Die Winkel α zwischen benachbarten Ebenen betragen jeweils 120°, d.h. zwischen der Ebene 140 und der Ebene 141 oder zwischen der Ebene 141 und der Ebene 142. Die Anzahl von Segmenten 108, 109, 110 ist in der beispielhaften Ausführungsform 3, was gleich der Anzahl von Rotorblättern 22 ist, die an der Nabe montiert werden können. Die Segmente sind auf eine im Wesentlichen kreisförmige Weise um die Drehachse 106 der Nabe 200 herum angeordnet. „Auf eine wesentliche kreisförmige Weise angeordnet“ bedeutet, dass die geometrischen Positionen der verschiedenen Massenmittelpunkte der Segmente im Wesentlichen den gleichen Abstand zu der Drehachse der Nabe haben, was bedeutet, dass die einzelnen Abstände zu der Nabe um weniger als 20%, insbesondere weniger als 10%, sogar mehr im Besonderen weniger als 2% variieren. In der beispielhaften Ausführungsform enthalten die Segmente 108, 109, 110 jeweils eine Anordnung von Bolzenlöchern 120. Diese Bolzenlöcher sind derart angeordnet, dass die zusammengebaute Nabe 200 wenigstens zwei redundante, konzentrische, im Wesentlichen kreisförmige Anordnungen von Bolzenlöchern 120 auf ihrer Vorderseite aufweist. Die Bolzenlöcher sind gewöhnlich, jedoch nicht notwendigerweise koplanar. „Eine im Wesentlichen kreisförmige Anordnung“ bedeutet, dass die Bolzenlöcher derart angeordnet sind, dass ihr spezielles Bolzenmuster in Bezug auf die Drehachse der Nabe (oder in einer anderen Hinsicht relativ zu der Drehachse des Blattes) eine geschlossene Anordnungskurve über einen Winkel von 360° in einer Ebene definiert.
Wenn die Nabe ausgehend von den Segmenten 108, 109, 110 montiert oder zusammengebaut wird, werden die Segmente derart angeordnet, dass sie die Nabe ergeben, wie dies in 3 veranschaulicht ist. Anschließend wird eine gewöhnlich kreisförmige Frontplatte 117 (nicht veranschaulicht), die zwei entsprechende Anordnungen von Bolzenlöchern 120 aufweist, an der Vorderseite der zusammengefügten Nabe 200 positioniert und an dieser mittels Bolzen fixiert. In den 3 und 4 weist die Vorderseite der Nabe, an der sich die Frontplatte montieren lässt, zu dem Betrachter hin.
In den beispielhaften Ausführungsformen nach 4 ist die Nabe derart eingerichtet, dass jedes Rotorblatt an zwei Segmenten 108, 109, 110 über eine Verbindungsnabe 111 montiert ist.
Es wird verstanden, dass in anderen Ausführungsformen die Gestalt der Segmente anders sein kann. Als ein Beispiel können die Seitenflächen zwischen den Segmenten (die die Ebenen 140, 141 und 142 in den beispielhaften Ausführungsformen nach 3 und 4 bilden) Stufen oder Abstandshalter enthalten; z.B. können Platten aus Gummi, Kunststoffmaterial, Metallplatten oder dergleichen zwischen den Segmenten vorgesehen sein. Ferner kann die Anzahl von Segmenten differieren, insbesondere in Naben für Rotoren mit einer anderen Anzahl von Rotorblättern. Als eine allgemeine Regel liegt der Winkel α zwischen benachbarten Ebenen zwischen den Segmenten im Bereich von 30° bis 180°, insbesondere von 90° bis 180°.
In einer Ausführungsform für einen Rotor mit zwei Rotorblättern 22 enthält die modulare Nabe 200 gewöhnlich zwei Segmente. In einer Ausführungsform für einen Rotor, der drei Rotorblätter aufweist, wie vorstehend beschrieben, enthält die Nabe gewöhnlich drei Segmente. In einer weiteren Ausführungsform, die nachstehend beschrieben ist, enthalten all die drei Segmente zwei spiegelsymmetrische Teilsegmente, so dass die Nabe insgesamt sechs Teilsegmente enthält. Spiegelsymmetrisch bedeutet, dass die Gestalt von zwei Teilsegmenten derart ist, als ob sie Spiegelbilder voneinander wären. Im Wesentlichen spiegelsymmetrisch bedeutet, dass zwei Segmente in Bezug auf ihre Umrisslinie und ihre Grunddimensionen spiegelsymmetrisch sind, dass die Teilsegmente sich aber hinsichtlich geringer Details, z.B. eines Bolzenlochs in einem Segment, das kein Äquivalent in seinem spiegelbildlichen Gegenstück aufweist, voneinander unterscheiden können. In einer Ausführungsform mit einem Rotor mit vier Rotorblättern enthält die Nabe gewöhnlich vier Segmente, so dass folglich, falls die Segmente jeweils zwei Teilsegmente enthalten, die Nabe acht Teilsegmente enthält.
In den hierin beschriebenen Ausführungsformen ist die Anzahl von Segmenten der Nabe 200 gleich der Anzahl von Blättern des Rotors oder die doppelte Anzahl in dem Fall, wenn die Segmente jeweils zwei Teilsegmente enthalten. Allgemein gesprochen, enthält die Nabe gewöhnlich eine Anzahl von Segmenten oder Teilsegmenten, die gleich der Anzahl von Rotorblättern des Rotors multipliziert mit einem ganzzahligen Faktor von 1 oder mehr ist.
Andere Ausführungsformen können eine Anzahl von Segmenten enthalten, die den vorstehenden Beziehungen nicht folgt. In all den hierin beschriebenen Ausführungsformen werden nur Segmente, die strukturelle Grundelemente der Nabe sind, als „Segmente“ betrachtet und gezählt; somit werden Bolzen, Befestigungselemente, Teile des Blattverstellmechanismus und dergleichen nicht als Segmente gezählt. „Strukturelles Element“ bedeutet auch, dass das Element einen wesentlichen strukturellen Teil der Nabe selbst bildet. Gewöhnlich weist ein strukturelles Element, wie es hierin beschrieben ist, ein Gewicht von mehr als 5% des Gesamtgewichtes der zusammengebauten Nabe ohne die Rotorblätter auf.
In anderen Ausführungsformen können die Segmente der Nabe 200 durch andere Mittel zusätzlich oder alternativ zu der Frontplatte 117 und den Verbindungsnaben 111 zusammen montiert werden. Mittel und Verfahren zu diesem Zweck sind für einen Fachmann allgemein bekannt. Z.B. können die Segmente durch Bolzen miteinander verbunden werden, die die Segmente an ihren Anlageseitenflächen 133, 134, 135, 136, 137, 138 verbinden, die die Seiten sind, die die Ebenen 140, 141 und 142 in der Ausführungsform nach 3 bilden. Zu diesem Zweck können die Seiten mit Durchgangslöchern versehen sein, die Durchgangslöchern in den Seitenflächen der aneinander anliegenden Segmente entsprechen.
5 zeigt ein Segment 110 der Nabe 200 nach 3 und 4 mit Seiten 133 und 134 unter Veranschaulichung der konzentrischen kreisförmigen Anordnung von zwei Reihen von Bolzenlöchern 120 zur Montage einer (nicht veranschaulichten) Frontplatte 117 auf der Vorderseite der zusammengefügten Nabe. An der in 5 nicht sichtbaren Rückseite des Segmentes ist eine ähnlich Anordnung von Bolzenlöchern 120 zur Montage der zusammengefügten Nabe an der Hauptwelle 44 der Windkraftanlage vorgesehen. Ein Winkel β ist ein Kennzeichen für Segmente der modularen Nabe 200 und steht mit dem vorwähnten Winkel insofern in Beziehung, als β 360° minus α entspricht. In der beispielhaften Ausführungsform beträgt β 240°. In anderen Ausführungsformen kann der Winkel von 180° bis 330° betragen.
6 zeigt eine Perspektivansicht (von oben) und eine Querschnittsansicht entlang der Linie A-A (unten) einer Verbindungsnabe 111, wie sie in 4 veranschaulicht ist. Die Verbindungsnabe 111 bildet eine Verbindungsstelle zwischen den Segmenten der Nabe und einem (nicht veranschaulichten) Rotorblatt 22. Das Blatt ist an der Verbindungsnabe 111 über Bolzen montiert; demgemäß sind gewöhnlich zwei Anordnungen von Bolzenlöchern 130, 131 in der Verbindungsnabe vorgesehen. Ferner sind in der Verbindungsnabe 111 Durchgangslöcher 112 zur Montage eines Blattverstelllagers und/ oder von Blattverstellaktuatoren (nicht veranschaulicht) vorgesehen.
7 zeigt eine Seitenansicht der zusammengefügten Nabe 200, wie sie in 4 veranschaulicht ist, gemeinsam mit der (nicht montierten) Frontplatte 117. Die Platte dient zur Montage und Fixierung der Segmente durch eine Anordnung von Bolzenlöchern. Die Platte weist gewöhnlich eine runde Gestalt auf, wobei aber auch andere Umrisslinien, wie beispielsweise ein Polygon oder eine Ellipse möglich sind. Die Löcher sind gewöhnlich auf einem Kreis oder in wenigstens zwei im Wesentlichen kreisförmigen Anordnungen angeordnet, die koplanar und/oder konzentrisch sein können. Dabei sorgen zwei oder mehrere Anordnungen für eine größere strukturelle Redundanz. Dieses Konzept wird ferner bei der Montage der Rotorblätter an den Verbindungsnaben 110 über die Bolzenlochanordnungen 130, 131 angewandt, siehe nachstehend. An der Ebene 115 wird die Nabe 200 gewöhnlich an der Rotorwelle 44 montiert (nicht veranschaulicht) und weist folglich eine konzentrische Anordnung von Durchgangslöchern auf. In einer Ausführungsform sind die Löcher als zwei konzentrische Kreise angeordnet, um die Stabilität und Redundanz zu verbessern. Wenn die Nabe an der Gondel 16 montiert wird, werden diese verwendet, um die Nabe 200 mit der Rotorwelle 44 mittels Bolzen zu koppeln. Somit sind die unterschiedlichen Segmente der Nabe jeweils mit einer Anordnung von Löchern versehen, die gewöhnlich ein Kreissegment bilden, so dass die zusammengefügte Nabe einen oder zwei Kreise mit Löchern auf ihrer der Gondel 16 und der Welle 44 zugewandten Fläche aufweist.
In der in den 6 und 7 veranschaulichten Ausführungsform ist jedes Rotorblatt 22 an der Nabe 200 durch eine doppelte Verbindung 111 montiert. Diese doppelte Verbindung enthält gewöhnlich zwei konzentrische, im Wesentlichen kreisförmige Anordnungen 130, 131 von Bolzenlöchern. Demgemäß sind die Lastübertragungsbereiche zwischen der Nabe 200 und den Blättern 22 (nicht veranschaulicht) in einen inneren Bereich und einen äußeren Bereich unterteilt. Indem der Bereich, an dem der Rotor mit der Nabe 200 gekoppelt ist, so verstärkt wird, ist die Stabilität des Rotor-Nabe-Systems verbessert. Gleichzeitig wird die Redundanz erhöht. Demgemäß können, wenn mehr Bolzen für die Verbindung verwendet werden und wenn die übertragene Kraft über einen größeren Bereich und mehr Bolzen verteilt wird, Sicherheitsreserven für die zulässige Anzahl defekter Bolzen vergrößert werden. Z.B. können 10% beschädigter Bolzen noch als zulässig angesehen werden, um einen weiteren Betrieb der Turbine zuzulassen.
8 zeigt eine Ausführungsform eines Rotors mit drei Rotorblättern 22, die an einer modularen Nabe 200 montiert sind, die die Segmente 108, 109, 110 enthält. Die Segmente sind an ihren Frontseiten mit der Frontplatte 117 ausgerüstet. An den Verbindungsnaben 111 sind die Lager 114 montiert, die eine Neigungsdrehung der Blätter 22 ermöglichen.
9 zeigt eine Schnittansicht eines Rotorblatts 22, das an der Verbindungsnabe 111 montiert ist, wie in den zuvor beschriebenen Ausführungsformen. Das Lager 114, gewöhnlich ein Rollenlager, ermöglicht dem Rotorblatt 22, sich um seine Längsachse zu drehen, um eine Blattwinkelveränderung zu ermöglichen. Verfahren zur Montage eines Rotorblatts an einer Nabe sind für den Fachmann allgemein bekannt und folglich nicht in größeren Einzelheiten ausgeführt.
Um eine höhere Stabilität des Nabe-Blatt-Systems zu ermöglichen, kann ein Doppellager vorgesehen sein, wie es in der Ausführungsform nach 10 veranschaulicht ist. Zu diesem Zweck ist ein Fortsatz 113 an der Verbindungsnabe 111 montiert. Der Fortsatz weist ein sich entlang seiner Längsachse erstreckendes Durchgangsloch 112 auf. An beiden Endabschnitten des Fortsatzes 113 sind Lager 114, 118 angeordnet, was die Lastaufnahmekapazität und Haltbarkeit im Vergleich zu der Ausführungsform nach 9 deutlich weiter verbessert.
11 zeigt eine weitere beispielhafte Ausführungsform einer modularen Nabe, wie sie in 7 veranschaulicht ist, in Verbindung mit Fortsätzen 113 nach 10, die jeweils zwei (nicht veranschaulichte) Lager 114, 118 enthalten. Die Frontplatte 117 ist nicht veranschaulicht.
12 zeigt eine weitere beispielhafte Ausführungsform einer modularen Nabe. Darin weisen Segmente 125, 126, 127 der modularen Nabe 200 eine andere Gestalt im Vergleich zu den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen auf. Sie sind derart gestaltet, dass jedes Rotorblatt 22 an nur einem einzelnen der Segmente montiert ist, während in den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen jedes Rotorblatt jeweils an wenigstens zwei Segmenten über die Verbindungsnabe 111 montiert ist.
In einer Ausführungsform, wie sie in 13 veranschaulicht ist, ist ein Rotorblatt 22 mit einem montierten Teilsegment 129 veranschaulicht. Demgemäß enthält in dieser Ausführungsform jedes Segment zur Montage eines Rotorblattes 22 zwei im Wesentlichen spiegelsymmetrische Teilsegmente 129. Das zweite Teilsegment ist in 3 nicht veranschaulicht.
14 zeigt ein Rotorblatt 22 mit einem vormontierten Nabensegment 26 der Nabe nach 11. Die Baugruppe ist von einem Transportfahrzeug 190 gestützt, das nur schematisiert dargestellt ist. Das Transportfahrzeug kann eine beliebige Transportvorrichtung sein, die sich für wenigstens einen der folgenden eignet: Luft-, See- oder Landtransport.
Es wird verstanden, dass die vorstehenden Konfigurationen Aufwand, Zeit und Kosten deutlich einsparen, weil die Segmente 108, 109, 110, 125, 126, 127 der Nabe an den Rotorblättern 22 in der Fabrik vormontiert werden können, um eine zur Beförderung geeignete Baugruppe zu bilden. Somit brauchen sie nicht gesondert zu dem Aufstellungsort der Windkraftanlage transportiert zu werden. In einer Ausführungsform kann ein Segment oder können ein oder mehrere Teilsegmente der Nabe in der Fabrik an einem Rotorblatt vormontiert werden, und die vormontierte Konstruktion (Baugruppe) wird auf einem Transportfahrzeug zu dem Aufstellungsort der Windkraftanlage über Luft-, Land- oder Seetransport befördert. Das Beförderungsverfahren ist in 15 schematisiert veranschaulicht.
An dem Errichtungsort werden die Blätter mit den vormontierten Nabensegmenten auf eine im Wesentlichen kreisförmige Weise rings um die Achse der Nabe angeordnet, montiert, z.B. indem eine Verbindungseinrichtung wie die Frontplatte 117 angebracht wird. Anschließend werden die Rotorblätter an der Nabe angebracht und fixiert. Nachfolgend wird der fertiggestellte Rotor mit einem Kran auf seine Position an dem Windkraftanlagenturm angehoben. Dieses Verfahren ist in 16 schematisiert veranschaulicht. Dies kann auch zur Wartung und Instandhaltung eines Windkraftanlagenrotors während des Betriebslebenszyklus angewandt werden, bei der die Nabe oder der Rotor von der Windkraftanlage demontiert und mit einem Kran auf den Boden abgesenkt wird. Die reparierte oder gewartete modulare Nabe oder der Rotor wird anschließend entsprechend den offenbarten Ausführungsformen erneut bis zu seiner Position an der Gondel angehoben.
Alternativ kann in einer Ausführungsform jedes Rotorblatt gesondert (ohne ein Nabensegment) angehoben und anschließend an der Hauptquelle der Windkraftanlage montiert werden, wo die zuvor zusammengebaute Nabe bereits montiert ist.
In einer weiteren Ausführungsform werden die Segmente oder Teilsegmente der Nabe gesondert auf ihre Positionen an der Hauptwelle der Windkraftanlage angehoben und dort montiert, um die Nabe zu bilden. Die Rotorblätter werden danach mit einem Kran angehoben und an der Nabe montiert.
Es wird verstanden, dass das Konzept der modularen Nabe auch Folgen für die Instandhaltungskosten einer Windkraftanlage hat. Falls eine modulare Nabe während eines Feldeinsatzes der Windkraftanlage ersetzt werden muss, können beträchtliche Kosten und ein beträchtlicher Aufwand eingespart werden, weil die modulare Ersatznabe zu dem Ort in Segmenten transportiert wird, die mit kleineren und somit billigeren Transportmitteln befördert werden können, als sie beim Transport einer einstückigen Nabe benötigt würden.
Vorstehend sind beispielhafte Ausführungsformen von Systemen und Verfahren für eine modulare Rotorblattnabe im Einzelnen beschrieben. Die Systeme und Verfahren sind nicht auf die hierin beschriebenen speziellen Ausführungsformen beschränkt, so dass vielmehr Komponenten der Systeme und/oder Schritte der Verfahren unabhängig und gesondert von anderen hierin beschriebenen Komponenten und/oder Schritten verwendet werden können. Z.B. kann die modulare Nabe in Maschinen oder Anlagen verwendet werden, die sich von Windkraftanlagen unterscheiden, und sie ist nicht auf die Umsetzung bei lediglich den Windkraftanlagensystemen, wie hierin beschrieben, beschränkt. Vielmehr kann die beispielhafte Ausführungsform in Verbindung mit vielen anderen Rotoranwendungen implementiert und genutzt werden.
Obwohl spezielle Merkmale verschiedener Ausführungsformen der Erfindung in einigen Zeichnungen veranschaulicht sein können und in anderen nicht, ist die nur der Einfachheit wegen. Gemäß den Prinzipien der Erfindung kann jedes Merkmal aus einer Zeichnung in Verbindung mit jedem beliebigen Merkmal jeder anderen Zeichnung in Bezug genommen und/ oder beansprucht werden.
Diese Beschreibung verwendet Beispiele, um die Erfindung, einschließlich der besten Ausführungsart, zu offenbaren und auch um jedem Fachmann auf dem Gebiet zu ermöglichen, die Erfindung umzusetzen, wozu die Schaffung und Verwendung jeglicher Vorrichtungen oder Systeme und die Durchführung jeglicher enthaltener Verfahren gehören. Während verschiedene spezielle Ausführungsformen in dem Vorstehenden offenbart worden sind, werden Fachleute erkennen, dass der Rahmen und Umfang der Ansprüche gleichwirkende Modifikationen zulässt. Insbesondere können einander nicht ausschließende Merkmale der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen miteinander kombiniert werden. Der patentierbare Umfang der Erfindung ist durch die Ansprüche definiert und kann weitere Beispiele enthalten, die Fachleuten auf dem Gebiet einfallen. Derartige weitere Beispiele sollen in dem Schutzumfang der Ansprüche enthalten sein, wenn sie strukturelle Elemente aufweisen, die sich von dem Wortsinn der Ansprüche nicht unterscheiden, oder wenn sie äquivalente strukturelle Elemente mit gegenüber dem Wortsinn der Ansprüche unwesentlichen Unterschieden enthalten.
Eine modulare Rotorblattnabe 200 für einen Windkraftanlagenrotor enthält mehrere Segmente 108, 109, 110, wobei wenigstens ein Segment wenigstens eine Seite 133, 134, 135, 136, 137, 138 enthält, die an wenigstens einer Seite 133, 134, 135, 136, 137, 138 wenigstens eines benachbarten Segmentes anliegt, und wobei wenigstens eine der Seiten sich von einem Außenumfang der Nabe zu einem zentralen Bereich der Nabe erstreckt. Ferner sind Verfahren zur Montage einer Windkraftanlage, die eine modulare Nabe enthält, geschaffen.
Bezugszeichenliste

10: Windkraftanlage
12: Turm
14: Tragsystem
16: Gondel
18: Rotor
20: drehbare Nabe
22: Rotorblätter
24: Blattfußabschnitt
26: Lastübertragungsbereiche
28: Richtung
30: Drehachse
32: Blattverstellsystem
34: Blattverstellachsen
36: Steuersystem
38: Gierachse
40: Prozessor
42: elektrischer Generator
44: Rotorwelle
46: Getriebe
48: schnell drehende Welle
50: Kupplung
52: Halterung
54: Halterung
56: Gierantriebsmechanismus
58: Windmessmast
60: vorderes Stützlager
62: hinteres Stützlager
64: Antriebsstrang
66: Blattverstellanordnung
70: Sensor
72: Blattverstelllager
74: Blattverstellantriebsmotor
76: Blattverstellantriebsgetriebe
78: Blattverstellantriebsritzel
80: Überdrehzahlsteuersystem
82: Kabel
84: Stromgenerator
86: Hohlraum
88: innere Fläche
90: äußere Fläche
108, 109, 110, 125, 126, 127: Segment
106: Drehachse der Nabe
111: Verbindungsnabe
112: Durchgangsloch
113: Fortsatz
114: Lager
115: Verbindungsebene
116: Längsachse
117: Frontplatte
120: Bolzenlöcher
130, 131: Anordnung von Bolzenlöchern
133, 134, 135, 137, 138: Seite (nfläche)
190: Transportfahrzeug
200: Nabe
140, 141, 142: Ebene
145: Außenumfang
14: zentraler Bereich

Claims

Modulare Rotorblattnabe für einen Windkraftanlagenrotor, die mehrere Segmente aufweist, wobei wenigstens ein Segment wenigstens eine Seite enthält, die an wenigstens einer Seite wenigstens eines benachbarten Segmentes anliegt, und wobei wenigstens eine der Seiten sich von einem Außenumfang der Nabe zu einem zentralen Bereich der Nabe erstreckt, wobei die Segmente mit einer eine Anordnung von Bolzenlöchern aufweisenden Frontplatte verbunden sind, die an Seitenflächen der Segmente montiert ist, die in eine Richtung von der Gondel weg weisen.
Modulare Rotorblattnabe nach Anspruch 1, wobei die aneinander anliegenden Seiten zwischen den Segmenten Ebenen definieren und wenigstens eine der Ebenen die Drehachse der Naben enthält.
Modulare Rotorblattnabe nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Segmente auf eine im Wesentlichen kreisförmige Weise rings um die Achse der Nabe angeordnet sind und wobei die Segmente im Wesentlichen gleich sind.
Modulare Rotorblattnabe nach einem beliebigen vorhergehenden Anspruch, wobei die Segmente wenigstens teilweise zyklisch symmetrisch zueinander um die Drehachse der Nabe herum sind.
Modulare Rotorblattnabe nach einem beliebigen vorhergehenden Anspruch, wobei die Ebenen jeweils die Drehachse der Nabe aufweisen und der Winkel zwischen benachbarten Ebenen in dem Bereich von 30° bis 180° liegt.
Modulare Rotorblattnabe nach einem beliebigen vorhergehenden Anspruch, wobei jedes Segment eingerichtet ist, um an einer Anzahl von Rotorblättern montiert zu werden, die eins bis zwei beträgt.
Modulare Rotorblattnabe nach einem beliebigen vorhergehenden Anspruch, die ferner ein Fortsatzelement, das ein Durchgangsloch enthält, und zwei Lager aufweist, die entfernt voneinander benachbart zu dem Durchgangsloch angeordnet sind.
Windkraftanlage, die eine Rotorblattnabe nach einem beliebigen einzelnen der Ansprüche 1 bis 7 enthält, wobei jedes Segment der mehreren Segmente wenigstens zwei Seiten enthält, die an Seiten wenigstens eines benachbarten Segmentes anliegen.
Verfahren zur Montage einer Windkraftanlage, das aufweist: a) Bereitstellen mehrerer Segmente einer modularen Nabe, wobei die Segmente mit einer eine Anordnung von Bolzenlöchern aufweisenden Frontplatte verbunden sind, die an Seitenflächen der Segmente montiert ist, die in eine Richtung von der Gondel weg weisen; und b) Anordnen der Segmente auf eine im Wesentlichen kreisförmige Weise um die Achse der Nabe herum, so dass wenigstens eine Seite eines Segmentes an wenigstens einer Seite wenigstens eines benachbarten Segmentes anliegt, und wobei wenigstens eine der Seiten sich von einem Außenumfang der Nabe zu einem zentralen Bereich der Nabe erstreckt; und c) Montieren der Segmente.