DE102013008218A1 - Automatic mechanical rotor blade angle adjustment with overspeed protection for small wind turbines. - Google Patents

Automatic mechanical rotor blade angle adjustment with overspeed protection for small wind turbines. Download PDF

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Abstract

Der Nachteil der Rotorblattwinkelverstellung durch Zentrifugalkraft, beinhaltet immer erst einen hohen Drehzahlaufbau, der häufig zu starken Geräuschentwicklungen führen kann. Zudem wird bei Windböen der Antriebsstrang und Turm des Windrades stark belastet. Die hier vorgestellte Rotorblattwinkelverstellung ist eine nach dem Kippprinzip und Hebelgesetz arbeitende Regelung, die durch die Faktoren – Winddruck auf die Rotorblätter, – Zentrifugalkraft der Rotorblätter, und – Auftriebskraft der Rotorblätter erfolgt. Durch die Gesamtkraft P werden die in V-Stellung an einem Synchronisierungsgleitstück (10) beweglich befestigten Rotorblätter in Richtung Rotationsebene gedrückt bzw. durch den Auftrieb gezogen. Über einen Kipppunkt (3) (je Rotorblatt) wird ein mit Federdruck beaufschlagtes Synchronisierungsgleitstück (10), an dem alle Rotorblätter beweglich befestigt sind, axial auf einer Führungsvorrichtung (Rohr/Welle) (14) verschoben (Gegenkraft zu P). Durch die Schwenkhebel (8) und Verstellhebel (16) wird bei der Rotorblattpositionsverstellung in Richtung Rotationsebene eine gleichzeitige Drehbewegung aller Rotorblattgestänge erreicht. Durch die Rotorblattwinkelvergrößerung lässt der Auftrieb nach und die Drehzahl verringert sich. Eine Überdrehzahl ist somit unmöglich. Es ist eine weiche und geräuschlose Regelung, die die Windböenbelastung des Antriebstrangs und des Turmes stark verringert.The disadvantage of the rotor blade angle adjustment by centrifugal force always includes a high speed build-up, which can often lead to strong noise development. In addition, the drive train and tower of the wind turbine are heavily stressed in gusts of wind. The rotor blade angle adjustment presented here is a regulation that works according to the tilting principle and lever law, which takes place through the factors - wind pressure on the rotor blades, - centrifugal force of the rotor blades, and - lift force of the rotor blades. As a result of the total force P, the rotor blades, which are movably attached to a synchronization sliding piece (10) in the V position, are pressed in the direction of the plane of rotation or pulled by the lift. Via a tipping point (3) (per rotor blade), a spring-loaded synchronization sliding piece (10), to which all rotor blades are movably attached, is moved axially on a guide device (tube / shaft) (14) (counterforce to P). When the rotor blade position is adjusted in the direction of the plane of rotation, the pivot lever (8) and adjusting lever (16) achieve a simultaneous rotary movement of all rotor blade linkages. By increasing the rotor blade angle, the lift and the speed decrease. An overspeed is therefore impossible. It is a soft and noiseless control that greatly reduces the wind gust load on the drive train and the tower.

Description

Die Verstellung des Blattanstellwinkels bei Windkraftanlagen erfolgt in der Regel

  • a) elektrisch (E-Motor),
  • b) hydraulisch (Pumpe/Zylinder), oder per
  • c) Zentrifugalkraftverstellung (Kleinwindanlagen, reiner Überdrehzahlschutz).
The adjustment of the Blattanstellwinkels in wind turbines is usually
  • a) electric (electric motor),
  • b) hydraulic (pump / cylinder), or per
  • c) centrifugal force adjustment (small wind turbines, pure overspeed protection).

Bei elektronischen und hydraulischen Rotorblattwinkelverstelleinrichtungen müssen Gewicht und technischer Aufwand in die Konzeption der Windkraftanlage einbezogen werden, was diese Techniken für Großanlagen prädestiniert.In electronic and hydraulic Rotorblattwinkelverstelleinrichtungen weight and technical complexity must be included in the design of the wind turbine, which predestined these techniques for large plants.

Die im Vergleich leichtere Zentrifugalkraftverstellung wird bei Kleinwindanlagen eingesetzt, bringt jedoch den funktionsbedingten Nachteil des hohen Drehzahlaufbaus und damit einhergehender Lärmemission mit sich. Zudem können Windböen ein hohes Stoßdrehmoment auf den Antriebsstrang (Getriebe/Kupplung) ausüben und damit das gesamte System stark belasten.The lighter in comparison centrifugal force adjustment is used in small wind turbines, but brings the function-related disadvantage of high speed structure and associated noise emission with it. In addition, gusts of wind can exert a high impact torque on the drive train (transmission / clutch) and thus heavily load the entire system.

Diese o. g. Nachteile werden durch folgende Innovation vermieden.This o. G. Disadvantages are avoided by the following innovation.

BESCHREIBUNGDESCRIPTION

A) AUFBAU (siehe Zeichnung 1 und 5).A) CONSTRUCTION (see drawing 1 and 5).

Die Rotorblätter (1) werden mit den Blattspitzen in den Wind gestellt (V-Stellung). Alle Rotorblätter werden an einem Synchronisierungsgleitstück (10), das auf einer Führungsvorrichtung (Rohr/Welle) (14) axial verschoben wird, beweglich befestigt. Das Synchronisierungsgleitstück (10) muss auf der Führungsvorrichtung gegen Drehung gesichert werden (Nut/Steg).The rotor blades ( 1 ) are placed with the blade tips in the wind (V position). All rotor blades are attached to a synchronization slider ( 10 ) mounted on a guide device (tube / shaft) ( 14 ) is axially displaced, movably mounted. The synchronization slider ( 10 ) must be secured on the guide device against rotation (groove / web).

Jedes Rotorblattgestänge (9) hat einen am Rotorstern (4) befestigten Kipppunkt (3), der eine axiale Bewegung entlang der Führungsvorrichtung und eine Drehbewegung zulässt (Gleitbuchse). Ein zweites Gestänge, parallel zum Rotorblattgestänge (9) eingebaut, dient der Vermeidung von Vibrationen. Dieses Einstellgestänge (9a) ist am Rotorblatt (1) und am Verstellhebel (16) zu befestigen (siehe Zeichnung 6). Mit diesem Einstellgestänge lässt sich das Rotorblatt in der Ruheposition genau einstellen (Verbindung 9a mit 16).Each rotor blade linkage ( 9 ) has one on the rotor star ( 4 ) fixed tipping point ( 3 ), which permits axial movement along the guide device and a rotational movement (slide bushing). A second linkage, parallel to the rotor blade linkage ( 9 ), prevents vibration. This adjustment linkage ( 9a ) is on the rotor blade ( 1 ) and the adjusting lever ( 16 ) (see drawing 6). With this adjustment linkage, the rotor blade can be adjusted precisely in the rest position (connection 9a With 16 ).

Das Synchronisierungsgleitstück (10) wird durch einen zentralen Federmechanismus (11) gegen den Anschlag in Ruheposition gedrückt. Die Federvorspannung ist variabel.The synchronization slider ( 10 ) is controlled by a central spring mechanism ( 11 ) pressed against the stop in rest position. The spring preload is variable.

Die Rotorblattwinkelverstellung wird durch zwei zusätzliche Gestänge erreicht, den Schwenkhebel und den Verstellhebel. Der Schwenkhebel (8) wird mit einem Kugelgelenk am Rotorstern (4) befestigt. Der Verstellhebel (16) muss so nah wie möglich zum Synchronisierungsgleitstück (10) am Rotorblattgestänge (9) befestigt werden. (maximale Drehbewegung). Die Schwenkhebel (8) und die Verstellhebel (16) eines jeden Blattes werden mit Kugelgelenken miteinander verbunden. Die Länge und Einbauposition von Schwenk- und Verstellhebel bestimmen den Verstellbereich (siehe Zeichnung 3 und 4).The rotor blade angle adjustment is achieved by two additional linkages, the pivoting lever and the adjusting lever. The swivel lever ( 8th ) with a ball joint on the rotor star ( 4 ) attached. The adjusting lever ( 16 ) must be as close as possible to the synchronization slider ( 10 ) on the rotor blade linkage ( 9 ) are attached. (maximum rotation). The swivel levers ( 8th ) and the adjusting levers ( 16 ) of each leaf are connected with ball joints. The length and installation position of the swivel and adjustment lever determine the adjustment range (see drawing 3 and 4).

Diese einfache, robuste und kostengünstige Rotorblattwinkelverstellung kann mit zwei oder mehr Rotorblättern aufgebaut werden.This simple, robust and cost-effective rotor blade angle adjustment can be built with two or more rotor blades.

B) FUNKTIONB) FUNCTION

Als Grundprinzip dient das Hebelgesetz Kraft (P)·Kraftarm (a) = Last (Q)·Lastarm (b), wobei a und b aus Rotorblatt und Rotorblattgestänge gebildet werden.The basic principle is the lever law Force (P) · power arm (a) = load (Q) · load arm (b), where a and b are formed from rotor blade and rotor blade linkage.

Die Last Q resultiert aus der Vorspannung des Federmechanismus (11, Zeichnung 1 und 2).The load Q results from the bias of the spring mechanism ( 11 , Drawing 1 and 2).

Die Kraft P setzt sich zusammen aus den Faktoren

  • – Winddruck auf Rotorblätter,
  • – Zentrifugalkraft der Rotorblätter, und
  • – Auftriebskraft der Rotorblätter
The force P is made up of the factors
  • - wind pressure on rotor blades,
  • - Centrifugal force of the rotor blades, and
  • - buoyancy of the rotor blades

Im Betrieb bewirkt die Kraft P eine Rotorblattpositionsverstellung in Richtung Rotationsebene. Der Federdruck (Q) wirkt dieser Kraft entgegen. Durch die Federvorspannung wird der Beginn der Rotorblattwinkelverstellung festgelegt. Während der Rotorblattpositionsverstellung in Richtung Rotationsebene, wird über die Schwenkhebel und Verstellhebel eine gleichzeitige Drehbewegung aller Rotorblattgestänge in Richtung Rotorblattwinkelvergrößerung erreicht. Da dies sehr schnell geschieht, kann z. B. bei Windböen kein Stall-Effekt (Strömungsabriss) auftreten. Durch die synchronisierte Rotorblattwinkelverstellung, wird eine aerodynamische Unwucht vermieden. Während dieser Verstellung lässt der Auftrieb nach, und die Drehzahl verringert sich. Eine Überdrehzahl ist somit unmöglich. Diese hier dargestellte Rotorblattwinkelverstellung ist eine weiche und geräuschlose Regelung, die die Windböenbelastung des Antriebstrangs und des Turmes stark verringert.In operation, the force P causes a rotor blade position adjustment in the direction of rotation plane. The spring pressure (Q) counteracts this force. The spring preload determines the beginning of the rotor blade angle adjustment. During the rotor blade position adjustment in the direction of the plane of rotation, a simultaneous rotational movement of all rotor blade linkage in the direction of the rotor blade angle enlargement is achieved via the pivot lever and adjusting lever. Since this happens very quickly, z. B. wind gusts no stall effect (stall) occur. The synchronized rotor blade angle adjustment avoids aerodynamic imbalance. During this adjustment the buoyancy decreases and the speed decreases. An overspeed is therefore impossible. This rotor blade angle adjustment shown here is a soft and noiseless control, which greatly reduces the wind load of the drive train and the tower.

Erläuterung:Explanation:

  • – Die Rotationsebene befindet sich im Kipppunkt bei einer 90° Stellung zwischen Rotorblattgestänge und Führungsrohr (siehe Zeichnung 2).- The plane of rotation is in the tipping point at a 90 ° position between the rotor blade linkage and the guide tube (see drawing 2).
  • – Der Rotorblattwinkel befindet sich zwischen Rotationsebene und Profilsehne des Rotorblattes (siehe Zeichnung 7).- The rotor blade angle is between the plane of rotation and chord of the rotor blade (see drawing 7).

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

Bauteilbenennung der Zeichnungen 1/2/5/6

1
Rotorblatt
2
Flansch am Rotorblatt
3
Kipplager
4
Rotorstern
5
Flansch (Rotorstern mit Antriebswelle)
6
Kugellager
7
Welle
8
Schwenkhebel mit Kugelgelenken
9
Rotorblattgestänge
9a
Einstellgestänge
10
Synchronisierungsgleitstück
11
Feder/Federn
12
Scheibe
13
Mutter
14
Führungsrohr/Führungswelle
15
Befestigungsgabel
16
Verstellhebel
17
Winkel für Befestigung des Schwenkhebels
Component naming of drawings 1/2/5/6
1
rotor blade
2
Flange on the rotor blade
3
rocker bearing
4
spider
5
Flange (rotor with drive shaft)
6
ball-bearing
7
wave
8th
Swivel lever with ball joints
9
Rotor blade harness
9a
adjustment linkage
10
Synchronisierungsgleitstück
11
Feather / Feathers
12
disc
13
mother
14
Guide tube / guide shaft
15
mounting fork
16
adjusting
17
Angle for mounting the pivoting lever

Claims (1)

Automatische mechanische Rotorblattwinkelverstellung mit Überdrehzahlschutz für Kleinwindanlagen, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: 1 Anordnung der Rotorblätter/des Rotorblattgestänges: 1.1 V-Stellung der Rotorblätter mit den Blattspitzen in den Wind gestellt, 1.2 Abstützung des Rotorblattgestänges in einer Kipppunktlagerung, und 1.3 bewegliche Befestigung aller Rotorblattgestänge an einem Synchronsierungsgleitstück. 2 Ein mit Federdruck beaufschlagtes Synchronisierungsgleitstück, 2.1 das auf einer Führungsvorrichtung (Rohr/Welle) axial bewegt wird, und 2.2 an dem alle Rotorblattgestänge beweglich befestigt werden. 3 Anordnung und Befestigung von Schwenkhebel und Verstellhebel: 3.1 Befestigung des Schwenkhebels mit einem Kugelgelenk am Rotorstern, 3.2 feste Verbindung des Verstellhebels am Rotorblattgestänge, 3.3 Verbindung von Schwenkhebel und Verstellhebel mit einem Kugelgelenk.Automatic mechanical blade angle adjustment with overspeed protection for small wind turbines, characterized by the following features: 1 Arrangement of the rotor blades / rotor blade linkage: 1.1 V position of the rotor blades with the blade tips in the wind, 1.2 support of the rotor blade linkage in a Kipppunktlagerung, and 1.3 movable attachment of all rotor blade linkage on a synchronizing slide. 2 a spring loaded synchronizing slide, 2.1 which is moved axially on a guide device (pipe / shaft), and 2.2 on which all rotor blade linkages are movably mounted. 3 Arrangement and mounting of pivoting lever and adjusting lever: 3.1 attachment of the pivoting lever with a ball joint on the rotor star, 3.2 fixed connection of the adjusting lever on the rotor blade linkage, 3.3 Connection of swivel lever and lever with a ball joint.
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