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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verstellung eines Rotorblatts und/oder eines Teils eines Rotorblatts nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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STAND DER TECHNIK
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Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Rotorblattversteller bekannt.
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In diesem Zusammenhang wird auf die
DE 10 2008 055 473 A1 hingewiesen. Der dort aufgezeigte Rotorblattversteller weist einen Einzelantrieb auf. Es handelt sich um einen Rotor für eine Windenergieanlage, welche eine Rotornabe, wenigstens ein an der Rotornabe um eine Blattachse drehbar gelagertes Rotorblatt, mit einem Gewindespindel-Mechanismus, welcher zwischen die Rotornabe und das Rotorblatt geschaltet und sowohl mit der Rotornabe als auch mit dem Rotorblatt verbunden ist. Das Rotorblatt wird durch Betätigen des Gewindespindel-Mechanismus relativ zu der Rotornabe um die Blattachse gedreht. Nachteilig hierbei ist der Umstand, dass aufgrund der Bauweise eine Abdichtung nicht erfolgen kann. Eine Einzel-Flügel-Integration ist nicht möglich.
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Ausserdem wird auf die
WO 2011/088925 A2 hingewiesen. Dort ist eine Windenergieanlage mit einem oder mehreren an einer Rotornabe über ein Drehlager winkelverstellbar angeordneten Rotorblättern gezeigt, wobei jedes Rotorblatt mit einem Verstellantrieb für die Blattwinkelverstellung verbunden ist. Herkömmliche elektrische Stellsysteme umfassen dabei vorzugsweise jeweils einen einem Rotorblatt zugeordneten Getriebemotor, der über ein Ritzel und einen an der Rotorblattwurzel angeordneten Zahnkranz das Rotorblatt verstellt, wie beispielsweise in der
DE 199 48 997 A1 angegeben ist.
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Weiter wird auf die
EP 1 998 042 A1 hingewiesen. Dort ist eine Rotoreinheit beschrieben, welche eine Verstellvorrichtung zum Verstellen der Rotorblätter mit einem einzigen Antriebsaggregat bzw. Stellmotor aufweist, wobei als Stellmotor üblicherweise ein Elektromotor dient. Dieser Stellmotor weist einen Motorenstator und einen Motorenrotor auf. Der Motorenstator ist mit der Rotornabe verbunden und synchron mit dieser, ggf. auch schneller, drehbar. Der Motorenrotor weist eine Motorenwelle auf, die relativ zur Rotornabe drehbar oder schwenkbar ist, wobei diese Drehung bzw. Schwenkung der Motorenwelle bei Änderung der Anströmverhältnisse des Fluids im allgemeinen langsam und um kleine Stellwinkel vor sich geht. Im weiteren ist ein vorzugsweise selbsthemmender Schneckenantrieb vorgesehen. Dieser Schneckenantrieb umfasst eine Schnecke, die an der Motorenwelle des Motorenrotors angeordnet und durch diese antreibbar ist. Ausserdem umfasst der Schneckenantrieb pro Rotorblatt ein Schneckenrad oder ein Segment eines Schneckenrades. Dabei sind alle Schneckenräder bzw. Segmente von Schneckenrädern jeweils mit der Schnecke in Eingriff bringbar. Jedes der Segmente bzw. Schneckenräder ist mit der Stellachse des zugehörigen Rotorblattes verbunden. Die Stellachsen der Rotorblätter können auf diese Weise mittels des Elektromotors gedreht bzw. geschwenkt werden, wenn sich die Anströmverhältnisse ändern sollten. Nachteilig hierbei ist, dass Biegemomente nicht übertragen werden können. Ausserdem ist die Rotoreinheit nicht als Lager geeignet.
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AUFGABE DER ERFINDUNG
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Verstellung eines Rotorblattes oder eines Teils eines Rotorblattes zu ermöglichen, wobei eine kleine Bauweise mit wenig Gewicht angestrebt wird, welche dabei ein hohes Biegemoment aufnehmen soll und hohes Drehmoment ausüben soll. Im weiteren Rahmen soll eine Montage im engeren Bauraum ermöglicht werden, wobei die Vorrichtung hierbei für jegliche Arten von Turbinen, wie z.B. Windturbinen mit radialen Blättern, Darrieus-Windturbinen mit Senkrechtläufern oder bei Wasserturbinen möglich sein.
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LÖSUNG DER AUFGABE
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Zur Lösung der Aufgabe führen die Merkmale des Anspruchs 1.
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Die erfindungsgemässe Vorrichtung zur Verstellung eines Rotorblatts einer Turbine weist einen Antrieb, ein Drehgleitelement, einen Stator und einen Rotor auf. Hierbei soll als Turbine jegliche Art von Turbinen in Betracht kommen. Eine Turbine ist eine Strömungsmaschine, welche die innere Energie eines strömenden Fluids in Rotationsenergie und letztendlich in mechanische Antriebsenergie umwandelt.
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Dem Fluidstrom wird durch die möglichst wirbelfreie laminare Umströmung der Turbinenschaufeln ein Teil seiner inneren Energie, bestehend aus Bewegungs-, Lage- und Druckenergie entzogen, der auf die Laufschaufeln der Turbine übergeht. Über diese wird dann die Turbinenwelle in Drehung versetzt. Die nutzbare Leistung wird an eine angekuppelte Arbeitsmaschine, wie beispielsweise einen Generator abgegeben. Ein konstantes Drehmoment der Arbeitsmaschine sorgt für eine gleichmässige Drehzahl der Turbine.
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Ansonsten muss die Drehzahl über einen Regler konstant gehalten werden. Im Einzelnen kann es sich bei den Turbinen um Windturbinen, auch bekannt als Windkraftanlagen, Wasserturbinen, Gasturbinen oder Dampfturbinen handeln. In besonderer Weise sind als Windturbinen neben der Windkraftanlage mit radialen Rotorblättern auch die Darrieus-Windkraftanlagen mit Senkrechtläufern gemeint.
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Als Antrieb einer solchen Vorrichtung ist der Antrieb zu verstehen, welcher benötigt wird, um das Rotorblatt und/oder einen Teil des Rotorblatts zu verstellen. Die Energie zur Verstellung des Rotorblatts wird von dem Antrieb zur Verfügung gestellt. Der Antrieb ist bevorzugt ein Elektromotor. Denkbar sind aber auch andere Antriebe, welche ausreichend Energie erzeugen können, um ein Rotorblatt und/oder einen Teil eines Rotorblatts zu verstellen. Weiter ist ein Drehgleitelement vorhanden. Das Drehgleitelement dient der Übertragung der Energie des Antriebs auf den Rotor, relativ zu dem Stator.
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In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Drehgleitelement, der Stator und der Rotor uniaxial angeordnet. Eine uniaxale Anordnung bedeutet in diesem Zusammenhang, dass das Drehgleitelement, der Stator, der Rotor und der Antrieb auf derselben Ebene anschliessend aneinander aufgebaut sind. Folglich bilden sie einen einachsigen Aufbau. Uniaxial bezeichnet eine Orientierung des Drehgleitelements, des Stators, des Rotors und des Antriebs an einer ungebrochenen Linie und dies ist beispielsweise in Achsrichtung, längsachsig oder achsrecht bezeichnebar.
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Ein anderes erfindungsgemässes Ausführungsbeispiel ist derart gestaltet, dass der Stator von einer Nabe umfasst ist. Die Nabe bezeichnet ein Maschinenelement zur Befestigung eines Drehelements. Das Drehelement ist in diesem Zusammenhang der Rotor bzw. das Drehgleitelement. Als Rotor ist der sich drehende Teil einer Maschine oder eines Aggregats zu verstehen. Ein Rotor ist hierbei rotierend gegenüber dem Stator zu sehen. Alternativ wird der Rotor auch als Läufer, Anker, Induktor oder Polrad bezeichnet. Die Nabe ist hierbei beispielsweise der Teil der Windkraftanlage, an dem das Rotorblatt eine Verbindung mit dem restlichen Teil der Windkraftanlage eingeht.
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In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist ein Bauteil an dem Rotor angeordnet. Dieses Bauteil kann beispielsweise in das Rotorblatt einer Windkraftanlage und/oder ein Teil eines Rotorblatts einer Windkraftanlage integriert sein.
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In einem weiteren erfindungsgemässen Ausführungsbeispiel ist der Rotor über eine kraftaufnehmende Stabildichtung mit dem Stator verbunden. Diese kraftaufnehmende Stabildichtung führt dazu, dass Biegemomente, welche zwischen dem Stator und dem Rotor auftreten können, abgefedert bzw. vollständig kompensiert werden. Dazu ist die kraftaufnehmende Stabildichtung derart gestaltet, dass sie den Rotor und den Stator zumindest teilweise übergreift. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel umfasst die kraftaufnehmende Stabildichtung auch jeweils ein Dichtelement. Dabei weist der Rotor und der Stator jeweils ein eigenes Dichtelement auf. Die Dichtelemente können entweder fest mit dem Rotor bzw. mit dem Stator verbunden sein. Dies ist nicht zwingend. Es können sich auch um nicht fest mit dem Rotor bzw. dem Stator verbundene Dichtelemente handeln, welche lediglich auf der Oberfläche durch die kraftaufnehmende Stabildichtung gehalten werden.
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Das Vorsehen von Dichtelementen auf der Oberfläche des Stators bzw. des Rotors, die von der kraftaufnehmenden Stabildichtung umfasst und positioniert werden, führt dazu, dass gerade bei einer festen Verbindung der Dichtelemente mit dem Rotor bzw. dem Stator Biegemomente besonders gut aufgenommen werden können.
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Diese Dichtelemente haben ausserdem die Eigenschaft, dass sie es ermöglichen, dass die kraftaufnehmende Stabildichtung neben der Möglichkeit der Aufnahme von Biegemomenten auch eine Abdichtung zwischen Rotor und Stator ermöglichen.
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In einem erfindungsgemässen Ausführungsbeispiel ist der Antrieb uniaxial mit dem Drehgleitelement, dem Stator und dem Rotor angeordnet. Dies hat zur Folge, dass noch weniger Bauraum benötigt wird, um die positiven Vorteile der Erfindung zu nutzen.
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Alternativ kann anstatt des Antriebs aber auch ein Tellerrad vorgesehen werden, welches einen eigenen weiteren Antrieb aufweist. Das Tellerrad wiederum ist beispielsweise vorteilhaft für den Einsatz bei mehreren Rotorblättern einer Windturbine geeignet. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Anordnung derart, dass das Tellerrad für sich bereits einen weiteren Rotor darstellt, welcher dann einen ersten Rotor antreibt, welcher dann wiederum einen zweiten Rotor antreibt, wobei zwischen dem ersten Rotor und dem zweiten Rotor ein Stator vorgesehen ist. Das Tellerrad wirkt wie ein weiterer Rotor. Bei diesem Ausführungsbeispiel erspart man sich die Einzelausführung der Antriebe für jede Vorrichtung zur Verstellung eines Rotorblatts.
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Zuletzt wird nochmals darauf Bezug genommen, dass durch die erfindungsgemässe Vorrichtung lediglich ein Teil eines Rotorblatts verstellt werden kann. Dazu ist es notwendig, dass das Drehgleitelement, der Stator und der Rotor uniaxial innerhalb eines Rotorblatts gelagert werden. Der Rotor wiederum ist in dem Teil des Rotorblatts gelagert, welcher verstellt werden soll. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, dass die Rotorspitze im Vergleich zum Rest des Rotorblattes verstellt werden soll. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist hierbei der Stator, das Drehgleitelement und der Motor im Rest des Rotorblattes und der Rotor wiederum in der Rotorspitze des Rotorblattes angeordnet. Durch ein entsprechendes Ansteuern wird der Rotor derart zum Stator versetzt, dass dann wiederum die Spitze des Rotorblattes zum Rest des Rotorblattes verstellbar ist.
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FIGURENBESCHREIBUNG
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einzelner Figuren. Diese zeigen im Einzelnen in
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1 eine erfindungsgemässe Vorrichtung aus seitlicher Ansicht;
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2 eine erweiterte Ansicht der 1 mit weiteren erfindungsgemässen Vorrichtungen;
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3 eine Draufsicht auf eine Nabe einer Windkraftanlage mit einer erfindungsgemässen Vorrichtung;
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4 eine schematische Seitenansicht der 3;
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5 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemässen Vorrichtung nach den 1 und 2;
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6 eine vergrösserte Ansicht einer erfindungsgemässen Vorrichtung;
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7 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Verwendung einer erfindungsgemässen Vorrichtung.
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In 1 ist eine erfindungsgemässe Vorrichtung V zu erkennen. Diese erfindunsgemässe Vorrichtung weist einen Antrieb 1, ein Drehgleitelement 2, einen Stator 3 und einen Rotor 4 auf. Der Stator 3 ist mit einer Statorbefestigung 5 verbunden. Der Rotor 4 wiederum ist mit einem Rotorblatt 6 verbunden. Durch den Antrieb 1 in Zusammenspiel mit dem Drehgleitelement 2 wird der Rotor 4 derart zu der Statorbefestigung 5 bzw. dem Stator 3 verstellt, wie es die Pfeile P1, P2 andeuten.
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In 2 ist eine erweiterte Ansicht der 1 zu sehen. Dort ist nun gezeigt, wie neben der Vorrichtung V weitere Vorrichtungen V1 und V2 um einen zentralen Drehpunkt 33 angeordnet sind. Die erfindungsgemässen Vorrichtungen V, V1, V2 sind radial von diesem zentralen Drehpunkt wegragend.
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Obwohl dies in 2 nicht gezeigt ist, ist vorgesehen, dass auch die Vorrichtungen V1, V2 jeweils ein entsprechendes Rotorblatt aufweisen. Daneben wird darauf hingewiesen, dass die Vorrichtungen V1 und V2 in gleicher Weise jeweils einen Antrieb 1.1, 1.2, ein Drehgleitelement 2.1, 2.2, einen Stator 3.1, 3.2 und einen Rotor 4.1, 4.2 aufweisen, wie dies bereits in der erfindungsgemässen Vorrichtung V in der 1 ausführlich beschrieben ist.
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Auch in den erfindungsgemässen Vorrichtungen V1 und V2 sind diese Merkmale uniaxial ausgebildet.
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In 3 ist ein weiteres erfindungsgemässes Ausführungsbeispiel zu erkennen. Dort ist beispielsweise ein Rotor 11 gezeigt, welcher ein Tellerrad 9 antreibt. Das Tellerrad 9 wiederum steht mit weiteren Rotoren 7, 7.1, 7.2 in Wirkverbindung.
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Daneben weist beispielsweise der Rotor 7 einen uniaxial angeordneten Stator 8 und einen Rotor 10 auf, wobei der Rotor 10 mit einem Rotorblatt 12 verbunden ist. Bei Antreiben des Tellerrads 9 durch den Rotor 11 wird im Zusammenspiel des Rotors 7 und des Rotors 10 das Rotorblatt 12 relativ zu dem Stator 8 schwenkbar bzw. drehbar angeordnet. Der Rotor 7.1 wiederum steht in Wirkverbindung mit dem Rotor 10.1. Zwischen dem Rotor 7.1 und dem Rotor 10.1 ist ein Stator 8.1 angeordnet. In gleicher Weise steht der Rotor 7.2 mit dem Rotor 10.2 in Wirkverbindung, wobei zwischen den beiden Elementen ein Stator 8.2 angeorndet ist.
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In 4 ist eine Seitenansicht der 3 zu erkennen. Dort ist wiederum eine erfindungsgemässe Vorrichtung V3 gezeigt, welche einen Antrieb 13, ein Drehgleitelement 14 und einen Stator 15 aufweist. An den Stator 15 ist andernends des Drehgleitelements 14 der Rotor 16 angefügt. Der Rotor 16 steht dann wiederum mit dem Tellerrad 9 in Wirkverbindung, was letztendlich bedeutet, dass der Rotor 16 das Tellerrad 9 antreibt und dazu führt, dass die Rotoren 7, 7.1, 7.2 gleichzeitig in gewünschte Positionen gebracht werden, um das Rotorblatt zu verstellen. Ein Verstellen bedeutet in diesem Zusammenhang ein Schwenken bzw. Teildrehen.
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In 5 sieht man ein anderes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemässen Vorrichtung. Dabei ist zunächst der in 2 ersichtliche Teil in gleicher Weise gegeben. Dies ist beispielsweise durch die gleichen Bezugsziffern der erfindungsgemässen Vorrichtung V, V1, V2 zu erkennen. Es wird hier auf eine Wiederholung der einzelnen Merkmale verzichtet. Die Ausführungen zur 2 sollten insoweit auch für die 5 gelten. Dies soll insbesondere dann der Fall sein, wenn die gleichen Bezugsziffern die gleichen Merkmale bezeichnen. Anders als in 2 ist nun ein Rotorblatt 17 gezeigt. In dem Rotorblatt 17 ist wiederum zumindest teilweise eine erfindungsgemässe Vorrichtung V4 untergebracht. Und zwar ist die erfindungsgemässe Vorrichtung V4 andernends des zentralen Drehpunkts 33 am Rotorblatt 17 angeordnet: Hierbei ist ein Antrieb 19, ein Drehgleitelement 20 und ein Stator 21 in das Rotorblatt 17 integriert. Ein Rotor 22 wiederum ist in eine Rotorblattspitze 18 eingefasst. Durch die Anordnung der erfindungsgemässen Vorrichtung V4 zwischen und teilweise in dem Rotorblatt 17 und der Rotorblattspitze 18 ist ein Verstellen bzw. Schwenken der Rotorblattspitze 18, wie in den Pfeilen P3, P4 angedeutet, möglich.
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In 6 ist eine vergrösserte Seitenansicht einer erfindungsgemässen Vorrichtung V5 gezeigt. In der erfindungsgemässen Vorrichtung V5 ist wiederum ein Antrieb 23, ein Drehgleitelement 31 und ein Rotor 29 gezeigt. Ausserdem ist ein Stator 25 zu erkennen, welcher zwischen dem Antrieb 23 und dem Rotor 29 angeordnet ist. Der Stator 25 wiederum ist mit einer Statorbefestigung 26 verbunden. Weiterhin ist eine Spindel 24 gezeigt, welche über den Antrieb 23 mit dem Drehgleitelement 31 in Wirkverbindung steht. D.h., dass durch das Drehen der Spindel 24 mit Hilfe des Antriebs 23 das Drehgleitelement 31 rotiert wird. Dabei kommt es zu einer Rotationsbewegung des Drehgleitelements 31 in der Weise, als dass der Rotor 29 relativ zu dem Stator 25 rotiert werden kann.
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Der Rotor 29 weist ausserdem eine Materialabspreizung 34 auf, welche eine gemeinsame Anschlagfläche mit einer Materialabspreizung 35 des Stators 25 aufweist. Weiterhin ist eine kraftaufnehmende Stabildichtung 32 zu erkennen. Die kraftaufnehmende Stabildichtung 32 umschliesst nicht nur die Materialabspeizungen 34, 35 des Rotors 29 und des Stators 25, sondern umfasst auch jeweils ein Dichtelement 27, welches auf dem Stator 25 angebracht ist und ein Dichtelement 28, welches auf dem Rotor 29 angebracht ist.
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Die kraftaufnehmende Stabildichtung 32 ist derart ausgebildet, dass sie die Dichtelemente 27, 28 und die Materialabspreizung 34, 35 umfasst. Das bedeutet im Einzelnen, dass die Dichtelemente 27, 28 und die Materialabspreizungen 34, 35 in entsprechend vorgesehene Nuten und Ausnehmungen der kraftaufnehmenden Stabildichtung 32 einordnebar sind. Dadurch wird erreicht, dass eine biegefeste Verbindung zwischen dem Stator 25 und dem Rotor 29 entsteht.
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Weiterhin ist in der 6 eine Rotorblattschnittstelle 30 gezeigt, welche auf den Rotor 29 aufgesetzt ist. Neben dem Aufsetzen von den anderen Ausführungsbeispielen auf eine andere Art der Verbindung bzw. Führung hin betrachtet.
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In
7 ist wiederum gezeigt, wie an einem sogenannten Darrieus-Rotor jeweils drei erfindungsgemässe Vorrichtungen V5, V6, V7 an jedem einzelnen, nicht näher bezeichneten Rotorblatt angebracht sind. Dadurch wird vorteilhaft erreicht, dass jedes Rotorblatt für sich verstellt werden kann. Hierbei handelt es sich bei der senkrechten Anordnung der Blattachse um lediglich ein einziges Ausführungsbeispiel von anderen. Auch Trapezanordnungen sollen umfasst sein. In dem in
7 gezeigten Ausführungsbeispiel wird jedes Rotorblatt eine erfindungsgemässe Vorrichtung V5, V6, V7 auf. Es ist aber ebenso möglich, dass Ketten- oder Riemenantriebe eingesetzt werden, die die Verstellung auf die drei Rotorblätter übertragen. So würde eine einzige erfindungsgemässe Vorrichtung zur Verstellung eines Rotorblatts ausreichen, um eine unbegrenzte Anzahl von senkrechten Rotorblättern zu verstellen. Bezugszeichenliste
| 1 | Antrieb | 34 | Materialabspreizung |
| 2 | Drehgleitelement | 35 | Materialabspreizung |
| 3 | Stator | | |
| 4 | Rotor | | |
| 5 | Statorbefestigung | | |
| 6 | Rotorblatt | | |
| 7 | Rotor | | |
| 8 | Stator | | |
| 9 | Tellerrad | | |
| 10 | Rotor | | |
| 11 | Rotor | | |
| 12 | Rotorblatt | | |
| 13 | Antrieb | | |
| 14 | Drehgleitelement | | |
| 15 | Stator | | |
| 16 | Rotor | | |
| 17 | Rotorblatt | | |
| 18 | Rotorblattspitze | | |
| 19 | Antrieb | | |
| 20 | Drehgleitelement | | |
| 21 | Stator | | |
| 22 | Rotor | | |
| 23 | Antrieb | | |
| 24 | Spindel | | |
| 25 | Stator | | |
| 26 | Statorbefestigung | | |
| 27 | Dichtelement | | |
| 28 | Dichtelement | | |
| 29 | Rotor | | |
| 30 | Rotorblattschnittstelle | | |
| 31 | Drehgleitelement | | |
| 32 | Stabildichtung | | |
| 33 | Drehpunkt | | |
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008055473 A1 [0003]
- WO 2011/088925 A2 [0004]
- DE 19948997 A1 [0004]
- EP 1998042 A1 [0005]
