DE102012013365A1

DE102012013365A1 - Zentraler Pitchverstellung für Windkraftanlagen

Info

Publication number: DE102012013365A1
Application number: DE201210013365
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-06-22
Filing date: 2012-06-22
Publication date: 2013-12-24

Abstract

Zentrale Pitchverstellung für Windkraftanlagen mit mindestens zwei Rotorblättern dadurch gekennzeichnet, dass diese aus zwei Baugruppen besteht, wobei sich die erste Baugruppe I in der umlaufenden Rotornabe 7 und die zweite Baugruppe II im feststehenden Anlagenteil 14 befindet, und die beiden Baugruppen über ein Lager 1, das eine Relativdrehung erlaubt, miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass sich alle für die Verstellung der Rotorblätter 5 erforderlichen Einrichtungen im feststehenden Anlagenteil 14 befinden, die den an seiner Drehbewegung gehinderten Teil der Taumelscheibe 2 axial in unterschiedliche Lagen bringen können und neben unterschiedlichen Axialstellungen auch jede beliebige räumliche Winkellage α der Taumelscheibe 2 ermöglichen, und eine Baugruppe in der rotierenden Nabe 7 vorliegt, die über Lenker 3 die Winkellage der Rotorblätter 5 um deren Längsachse bestimmen und die Winkellage der Rotorblätter 5 je nach ihrer Drehstellung bezogen auf die Rotationsachse der Nabe 7 gleich oder bei vorliegen eines Winkels α ≠ 0 der Taumelscheibe 2 unterschiedlich einstellen können.

Description

Die Erfindung betrifft eine zentrale Rotorblattverstellung um die Längsachse der Rotorblätter, im weiteren Pitchverstellung genannt, für Windkraftanlagen mit näherungsweise horizontaler Drehachse des Rotors und mindestens zwei Rotorblättern, die einerseits eine unterschiedliche Stellung der Rotorblätter verhindert und andererseits eine dynamische Einzelblattansteuerung ermöglicht.
Bei modernen Windkraftanlagen erfolgt der Antrieb der Pitchverstellung, wie beispielsweise in [1] dargestellt, für jedes der Rotorblätter getrennt. Der Antrieb erfolgt dabei über, pro Rotorblatt fallweise mehrfach vorhandene, elektrisch oder hydraulisch angetriebene Stellantriebe die über ein Zahnrad (Ritzel) in einen Zahnkranz eingreifen, hier Bauform A genannt, oder über Hydraulikzylinder, wahlweise elektromechanische Spindelsysteme hier Bauform B genannt. Beide Systeme für jedes vorhandene Blatt getrennt mit einer elektronischer Positionskontrolle ausgerüstet. Oder der Antrieb erfolgt zentral für alle vorhandenen Rotorblätter über eine Stelleinrichtung hier Bauform C genannt. Nachteile dieser bekannten Pitchantriebe sind:

– Großer Regelaufwand und Leistungsbedarf bei den Bauformen A und B für eine unterschiedliche Winkelstellung um die Längsachse der Rotorblätter zum permanenten Ausgleich unterschiedlicher Windgeschwindigkeit innerhalb einer Rotorumdrehung. Dieser permanente Ausgleich reduziert die Kräfte auf die Rotorblätter innerhalb einer Rotorumdrehung.
– Großer Leistungsbedarf bei elektrischen Antrieben, der Bauformen A, B und C für eine schnelle Blattwinkeländerung bei stark wechselnder Windgeschwindigkeit (Böen), da keine Energiespeicherung möglich ist.
– Großer Steuerungsaufwand bei den Bauformen A und B damit sichergestellt werden kann, dass alle Rotorblätter bei Ausfall einer Einzelblattsteuerung zeitgleich auf Neutralstellung (Segelstellung) gehen.
– Bei hydraulischen Antrieben in den Bauformen A und B führen Undichtheiten der Hydraulikanlagen in der rotierenden Nabe, zur Kontamination des gesamten Rotorkopfes einschließlich der Rotorblätter.
– Bei der hydraulischen Lösung der Bauform C werden aufwendige Hydraulik-Hochdruckdrehdurchführungen benötigt.

Diesen vielfältigen Nachteilen, die nicht zwangsweise bei jeder bekannten Lösung gesammelt auftreten müssen, begegnet die hier vorgestellte Erfindung durch eine entsprechend ausgebildete Pitchverstellung über eine Taumelscheibe, die durch drei voneinander unabhängig zu bewegenden Stelleinrichtungen gesteuert wird.
Zentrale Pitchverstellungen über Taumelscheiben sind aus der Anwendung in Hubschraubern und Propellerflugzeugen bekannt. In beiden Anwendungen wird über die Pitchsteuerung und gleichzeitige Änderung der Rotordrehzahl die Vertikalbewegung des Hubschraubers bzw. die Geschwindigkeit des Flugzeugs variiert. Die vorliegende Erfindung kehrt das aus den bisherigen Anwendungen bekannte Prinzip um, und ergänzt es in genialer Weise auf die anwendungsspezifischen Notwendigkeiten bei Windkraftanlagen. Hierzu gehört die bezüglich der Umlaufstellung der Rotorblätter völlig unabhängige, freie Wählbarkeit der Stellung der einzelnen Rotorblätter um ihre Längsachse, die, wenn gewünscht, kraftgesteuert erfolgen kann. Überraschenderweise gibt diese Umkehrung mit ihren Ergänzungen erhebliche Vorteile in den Gestehungskosten, der Betriebssicherheit und dem Energieverbrauch der Anlage.
Die erfindungsgemäßen Vorteile werden durch eine Ausgestaltung der Pitchsteuerung erreicht, wie sie beispielhaft in den 1 dargestellt ist. Die Pitchsteuerung besteht im Wesentlichen aus zwei Baugruppen. Die erste Baugruppe I befindet sich in der umlaufenden Rotornabe 7 und die zweite Baugruppe II im feststehenden Anlagenteil 14. Verbunden sind die beiden Baugruppen durch das Lager 1, das hier als Wälzlager ausgebildet ist.
Die erste Baugruppe I in der rotierenden Rotornabe 7 besteht aus einem ringförmigen Bauteil der Taumelscheibe 2, die hier mit dem Außenring des Lagers 1 verbunden ist. An die Taumelscheibe 2 sind Längslenker 3 angelenkt, deren Anzahl der Blattanzahl des Rotors oder einem Vielfachen davon entspricht, und mindestens ein Querlenker 4 der die Lage der Taumelscheibe 2 zur Rotornabe 7 in Umfangsrichtung festlegt. Ändert sich die axiale Lage der Taumelscheibe 2 relativ zur Rotornabe 7, wird eine Schwenkbewegung der Rotorblätter 5 um deren radial nach außen gerichteten Längsachsen um die Rotorblattlagerung 6 über die Längslenker 3 eingeleitet. Die zweite, nicht umlaufende Baugruppe II, besteht vorzugsweise aus drei Verstelleinrichtungen 10. Diese können als hydraulische Zylinder wie in der 1 dargestellt, oder als Gewindespindeln elektrisch bzw. hydraulisch angetrieben, ausgeführt werden. Die Verstelleinrichtungen 10, welche am Innenring des Lagers 1 wie in der 1 dargestellt angreifen, sorgen dafür, dass das in radialer Richtung geführt und zentrisch zur Drehachse der Rotornabe 7 gehalten wird. Durch unterschiedliche Längen der Verstelleinrichtungen 10 kann die Taumelscheibe 2 normal bezüglich der Rotationachse der Rotornabe 7 verschoben und/oder in jeder gewünschten Richtung schiefgestellt werden. Ist die Taumelscheibe 2 schief gestellt, werden die Längslenker 3 unterschiedlich axial bewegt und unterschiedliche Winkelstellungen um die Langsachse der Rotorblätter 5 erzeugt. Dies ermöglicht es, unterschiedliche Kräfte auf die Rotorblätter 5 aus unterschiedlichen Windgeschwindigkeiten innerhalb der Rotorabdeckung über die umlaufende Pitchverstellung auszugleichen. Eine Ausführung bei der die erste, umlaufende Baugruppe I am Innenring und die zweite, räumlich feststehende Baugruppe II, am Außenring des Lagers 1 befestigt sind, ist eine naheliegende konstruktive Variante.
Durch entsprechende Anordnung der Verstelleinrichtungen 10a, b, c besteht des Weiteren die Möglichkeit die unterschiedlichen Rotorblattkräfte die aus dem Windstau im Bereich des Turmdurchgangs herrühren durch eine individuelle Ansteuerung zu kompensieren. Diese Kompensation erfolgt über die Verstelleinrichtung 10a, vorzugsweise als Hydraulikzylinder ausgeführt. Dieser ist so angeordnet, dass nur das senkrecht nach unten stehende Rotorblatt direkt angesteuert wird. Die Verstelleinrichtungen 10b, c sind so angeordnet, dass die oben liegenden Rotorblätter 5 durch die Bewegung der Verstelleinrichtung 10a praktisch nicht beeinflusst werden.
Um die Reaktionsgeschwindigkeit bei Überlast durch Starkwind oder eine Böe zu erhöhen ist es vorteilhaft die Verstelleinrichtungen 10, wie in 1 dargestellt, hydraulisch zu betätigen. Bei Überlast versuchen die Rotorblätter 5 durch Drehung um ihre Längsachse auszuweichen. Dadurch erhöht sich der Druck in den Verstellzylindern 10. Über eine geeignete Hydraulikeinheit 11 mit einer Steuereinheit und Druckbegrenzungsventil, einem Mengenteiler 12 und einem Druckspeicher 13 für den Arbeitsdruck können die Rotorblätter 5 bei Überlast ausweichen. Das Öl wird dabei in den Druckspeicher 13 gefördert. Nach abnehmender Überlast wird das Öl über den Mengenteiler 12 in die Verstelleinrichtungen 10 zurück gefördert, sodass sich wieder die Ausgangswinkellage der Rotorblätter 5 einstellt.
Bei Abschaltung bzw. Ausfall der Steuerung sorgt je Verstelleinrichtung 10 ein Druckspeicher 13, vorzugsweise integriert in der Hydraulikeinheit 11, dafür, dass alle Rottorblätter 5 in Segelstellung gehen. Über den Mengenteiler 12 wird sichergestellt, dass die Bewegung aller Rotorblätter 5 synchron erfolgt.
Die Anordnung der hydraulischen Verstelleinrichtung 10 im stationären Bereich ist bezogen auf Undichtigkeiten und der daraus resultierenden Verschmutzung in Relation zu umlaufenden Hydrauliksystemen unkritisch, da eventuelle Undichtigkeiten z. B. über eine stationär angeordnete Ölwanne aufgefangen werden können.

[1] Hau, Erich (2003) Windkraftanlagen. Berlin: Springer

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

Hau, Erich (2003) Windkraftanlagen. Berlin: Springer [0010]

Claims

Zentrale Pitchverstellung für Windkraftanlagen mit mindestens zwei Rotorblättern dadurch gekennzeichnet, dass diese aus zwei Baugruppen besteht, wobei sich die erste Baugruppe I in der umlaufenden Rotornabe 7 und die zweite Baugruppe II im feststehenden Anlagenteil 14 befindet, und die beiden Baugruppen über ein Lager 1, das eine Relativdrehung erlaubt, miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass sich alle für die Verstellung der Rotorblätter 5 erforderlichen Einrichtungen im feststehenden Anlagenteil 14 befinden, die den an seiner Drehbewegung gehinderten Teil der Taumelscheibe 2 axial in unterschiedliche Lagen bringen können und neben unterschiedlichen Axialstellungen auch jede beliebige räumliche Winkellage α der Taumelscheibe 2 ermöglichen, und eine Baugruppe in der rotierenden Nabe 7 vorliegt, die über Lenker 3 die Winkellage der Rotorblätter 5 um deren Längsachse bestimmen und die Winkellage der Rotorblätter 5 je nach ihrer Drehstellung bezogen auf die Rotationsachse der Nabe 7 gleich oder bei vorliegen eines Winkels α ≠ 0 der Taumelscheibe 2 unterschiedlich einstellen können.
Zentrale Pitchverstellung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschiebungen der Taumelscheibe 2 ausschließlich über hydraulisch wirkende Systeme erfolgen.
Zentrale Pitchverstellung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschiebungen der Taumelscheibe 2 über eine Kombination von hydraulisch wirkenden Systemen mit elektromechanischen Spindelsystemen erfolgen.
Zentrale Pitchverstellung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschiebungen der Taumelscheibe 2 ausschließlich über elektromechanische Spindelsysteme erfolgen.
Zentrale Pitchverstellung nach den Ansprüchen 1 bis 4 bei der die Verstelleinrichtungen 10 dergestalt angeordnet sind, dass bei axialer Bewegung der Verstelleinheit 10a im Wesentlichen das nach unten weisende Rotorblatt 5 in Drehung um seine Längsachse versetzt wird, während die anderen ihre Stellung kaum verändern, um die durch den Turmschatten veränderten Strömungsverhältnisse (Stauwind) verursachten periodischen Drehmomentschwankungen zu minimieren.
Zentrale Pitchverstellung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei Starkwind oder Böen über einen Druckspeicher 13 ein rasches Ausweichen der Rotorblätter 5 einschließlich einer schnellen Rückstellung in die ursprüngliche Lage, ohne einen zusätzlichen großen Leistungsbedarf der Verstelleinrichtungen erfolgen kann, um den Antriebsstrang vor Überlast zu schützen und gleichzeitig eine hohe Energieausbeute zu gewährleisten.
Zentrale Pitchverstellung nach den Ansprüchen 1 bis 3 und 5 dadurch gekennzeichnet, dass bei Überlast ein synchrones Ausweichen bzw. Rückstellen der Rotorblätter 5 durch Verwendung eines geeigneten Mengenteilers 12 im Hydrauliksystem der Verstelleinrichtungen 10 gesichert ist.
Zentrale Pitchverstellung nach den Ansprüchen 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass ein Druckspeicher integriert in der. Hydraulikeinheit zur Verfügung steht, der bei einem kompletten Ausfall der Energieversorgung alle Rotorblätter 5 über die Verstelleinrichtungen 10 in die Neutral-(Segel-)Stellung bringt.