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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Pitchsystem einer Windenergieanlage mit einem Rotor mit mindestens zwei Rotorblättern sowie eine Windenergieanlage mit diesem Pitchsystem. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein derartiges Pitchsystem mit einer drehfesten Baugruppe, die dazu eingerichtet ist, drehfest bezüglich einer Rotorachse des Rotors der Windenergieanlage montiert zu werden, und einer Rotationsbaugruppe, die dazu eingerichtet ist, mit dem Rotor der Windenergieanlage bezüglich der drehfesten Baugruppe um die Rotorachse zu rotieren und einen Pitchwinkel der Rotorblätter der Windenergieanlage an eine Position der drehfesten Baugruppe in Axialrichtung der Rotorachse zu koppeln. Die drehfeste Baugruppe weist ein Führungselement zur Drehführung der Rotationsbaugruppe in einer Rotationsebene um die Rotorachse auf. Das Führungselement ist insbesondere ein taumelscheibenartiges Führungselement.
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Unter einem Pitchwinkel der Rotorblätter wird der Winkel verstanden, der zwischen einer geometrisch festgelegten Ebene im Rotorblatt, die die Blattlängsachse beinhaltet und sich bei einer als Pitchen bezeichneten Drehung um die Längsachse des Rotorblattes mit dem Rotorblatt mitdreht, und einer geometrisch festgelegten Ebene in der Rotornabe, die die Blattlängsachse beinhaltet und sich durch das Pitchen nicht ändert, definiert ist. Unterschiedliche Pitchsysteme sind für Windenergieanlagen bekannt. Diese unterscheiden sich grundlegend dahin, ob die Pitchverstellung für jedes der Rotorblätter getrennt oder für alle der Rotorblätter gemeinsam erfolgt. Die unterschiedlichen Ausgestaltungen weisen häufig Nachteile auf, wie beispielsweise einen großen Regelaufwand und Leistungsbedarf für unabhängige Blattverstellungen sowie eine aufwändige Konstruktion im Fall gemeinsamer Pitchverstellungen.
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Das aus der Anwendung bei Hubschraubern und Propellerflugzeugen bekannte System von Taumelscheiben ermöglicht eine kollektive Änderung des Pitchwinkels der Rotorblätter über eine Axialbewegung einer drehfesten Baugruppe entlang der Rotorachse sowie eine individuelle Ansteuerung der Rotorblätter über eine Verkippung wenigstens eines Teils der drehfesten Baugruppe relativ zu der Rotorachse.
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Die Rotationsebene des Führungselementes zur Drehführung der Rotationsbaugruppe kann senkrecht auf der Axialrichtung der Rotorachse oder gekippt dazu angeordnet sein. Eine senkrecht auf der Axialrichtung der Rotorachse stehende Rotationsebene führt zu einem konstanten Pitchwinkel über den Umlauf der Rotorblätter um die Rotorachse, da der Pitchwinkel an die Position in Axialrichtung der Rotorgruppe gekoppelt ist. Eine Neigung der Rotationsebene bzw. eine Rotationsebene, deren Normale gegenüber der Axialrichtung der Rotorachse verkippt ist, führt zu einer sinusoidalen Form der Änderung des Pitchwinkels über den Umlauf.
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Die Anwendung des Taumelscheibenprinzips auf Windenergieanlagen ist beispielsweise aus der
DE 10 2012 013 365 A1 bekannt. Das hieraus bekannte System ermöglicht, dass über einen Umlauf des Rotors periodische Pitchwinkeländerungen der Rotorblätter mit realisiert werden, ohne dass eine kontinuierliche Verstellung von Aktuatoren nötig ist. Die Frequenz des im Allgemeinen sinusförmigen Verlaufs der Änderung des Pitchwinkels bzw. des Pitchwinkel selbst entspricht der Umlauffrequenz.
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Ein weiteres Bespiel einer taumelscheibenartigen Pitchsteuerung einer Windenergieanlage ist in der Veröffentlichung
US 2013/0039762 A1 gezeigt. Das bekannte Taumelscheibensystem zeichnet sich dadurch aus, dass die Aktuatoren nur im feststehenden System angeordnet sind. Eine zyklische Pitchwinkeländerung, die sich einmal pro Umlauf wiederholt, ist ohne periodisches Verstellen der Aktuatoren möglich.
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Während die bekannten Taumelscheibenlösungen eine Pitchwinkelveränderung mit der Umlauffrequenz ermöglichen, bieten sie keine Möglichkeit, lokale Pitchwinkelveränderungen mit einer höheren lokalen Frequenzkomponente zu ermöglichen. Mit anderen Worten, die Änderung des Pitchwinkels, die über die Neigung der Taumelscheibe definiert wird, ist bei den bekannten Systemen über den gesamten Umlauf eine harmonische Kurve mit der Frequenz des Umlaufes, außer die Neigung wird während eines Umlaufs beispielsweise durch Aktuatoren verändert.
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Beispielsweise ist bekannt, dass die Windgeschwindigkeit vor dem Turm der Windenergieanlage reduziert ist, was als Turmvorstau bekannt ist. Entsprechend sollten die Rotorblätter im Bereich des Turmes, also von der Rotornabe aus in etwa senkrecht nach unten, einen anderen Pitchwinkel zeigen, um der geringeren Windgeschwindigkeit Rechnung zu tragen. Derartige, lokale, Pitchwinkelveränderungen sind bei den bekannten Systemen nur mit einem hohen Regelungsaufwand und durch die unerwünschte zyklische Betätigung der Aktuatoren möglich.
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Es war somit eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung die bekannten Pitchsysteme dahingehend zu verbessern, mehr Freiraum und Gestaltungsmöglichkeiten bei der zyklischen Wahl des Pitchwinkels zu ermöglichen. Es war ferner eine Aufgabe, den Regelungsaufwand bekannter Pitchsysteme zur Realisierung lokaler Pitchwinkelveränderungen zu verringern.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei einem Pitchsystem der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass das Führungselement einen Abweichabschnitt aufweist, wobei der Abweichabschnitt einen Ausschlag aus der Rotationsebene des Führungselementes definiert.
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Indem das Führungselement einen Abweichabschnitt aufweist, der einen Ausschlag aus der Rotationsebene beispielsweise in Form einer unregelmäßigen Führung in Axialrichtung definiert, übernimmt die Rotationsbaugruppe, welche den Pitchwinkel der Rotorblätter mit der Position der drehfesten Baugruppe in Axialrichtung koppelt, die Abweichung bzw. den Ausschlag in der Führung des Führungselementes auf den Pitchwinkel in wenigstens einem Bereich während eines zyklischen Umlaufs um die drehfeste Baugruppe. Zyklisch wiederkehrende lokale Veränderungen des Pitchwinkels können demnach mit dem Führungselement realisiert werden, ohne dass die drehfeste Baugruppe beispielsweise durch Aktuatoren zyklisch zu steuern ist. Somit wird ein Regelungsaufwand verringert und die Lebensdauer der Anlage, insbesondere der Aktuatoren, erhöht.
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Durch den Ausschlag erzeugt das Führungselement in dem Abweichabschnitt ein lokales Signal zum Verändern des Pitchwinkels, das über die Rotationsbaugruppe an das bzw. die Rotorblätter übertragen wird. Das Signal ist zyklisch mit dem Umlauf und die Frequenzkomponente des Signals ist höher als die Umlauffrequenz, wenn sich der Abweichabschnitt nicht über den gesamten Umlauf erstreckt.
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Der Abweichabschnitt definiert eine zyklische Veränderung im Wesentlichen unabhängig von der Lage des Führungselementes in Axialrichtung der Rotorachse. Das heißt, eine axiale Verlagerung oder ein Kippen des gesamten Führungselementes definiert Veränderungen der Pitchwinkel, die mit dem Abweichabschnitt überlagern und damit zusätzlichen Freiraum bei der Steuerung der Pitchwinkel der Rotorblätter in Umlaufrichtung bieten. Der Abweichabschnitt schließt derart mit dem verbleibenden Führungselement an, dass die umlaufende Führung der Rotationsbaugruppe sichergestellt ist.
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In einer Ausführungsform definiert der Ausschlag in wenigstens einem Bereich eine in Axialrichtung der Rotorachse von dem verbleibenden Führungselement verschiedene Führungsposition in Axialrichtung der Rotorachse, derart, dass die Rotorblätter bei Rotation eine zyklische lokale Veränderung des Pitchwinkels erfahren. Beispielsweise kann der Ausschlag einen gegenüber der weiteren Führung durch das Führungselement nach vorne oder hinten von dem Führungselement hervorstehenden Bereich bezeichnen. Auch eine Kombination, beispielsweise aus einem hervorstehenden und einem nach hinten stehenden Bereich bzw. Ausschlag, sind denkbar.
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Vorzugsweise ist der Zyklus der zyklischen, lokalen Veränderung gleich dem Umlaufzyklus. In anderen Ausführungsformen kann der Zyklus auch Teilen des Umlaufzyklus entsprechen, wenn mehr als ein Abweichabschnitt bereitgestellt wird.
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Ferner betrifft der Begriff der zyklischen, lokalen Veränderung eine Veränderung des Pitchwinkels, die nur in einem bestimmten, lokal begrenzten, Umlaufbereich der Rotorblätter um die Rotorachse auftritt. Hiervon zu unterscheiden ist insbesondere die harmonische (d.h. sinusoidale) Veränderung des Pitchwinkels periodisch mit dem Umlauf, wie sie beispielsweise durch ein Kippen der Taumelscheibe erreicht wird. Die lokale Veränderung kann somit auch als eine Veränderung mit der gleichen Periode nämlich dem Umlauf, aber mit einer Frequenzkomponente, die höher als die Umlauffrequenz ist, beschrieben werden.
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In einer Ausführungsform weist die Rotationsbaugruppe mindestens eine Steuerstange auf, die dazu eingerichtet ist, einen Pitchwinkel eines Rotorblattes in Abhängigkeit des Führungselements zu steuern.
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In dieser Ausführungsform ist die Steuerstange zwischen Führungselement und Rotorblatt gekoppelt. Die Kopplung am Rotorblatt ist vorzugsweise von der Drehachse in Längsrichtung des Rotorblattes entfernt, was Exzentrizität genannt wird, so dass eine Abweichung in Axialrichtung durch das Führungselement in eine Drehbewegung um die Längsachse des Rotorblattes übersetzt wird.
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Die Exzentrizität der Steuerstange bezüglich des Rotorblattes wird vorzugsweise derart gewählt, dass eine Pitchwinkelautorität von etwa 90° ermöglicht ist. Damit wird gewährleistet, dass das Rotorblatt im Notfall in Segelstellung in den Wind gedreht wird. Hierbei wird die Exzentrizität vorzugsweise unter Berücksichtigung der Bewegungsautorität des Führungselementes der drehfesten Baugruppe ausgelegt.
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Vorzugsweise weist jedes der Rotorblätter des Rotors der Windenergieanlage eine unabhängige Steuerstange auf. Dadurch sind zyklische Veränderungen des Pitchwinkels für jedes der Rotorblätter unabhängig von den anderen möglich. Zusätzlich kann durch eine Verlagerung des gesamten Führungselements der drehfesten Baugruppe eine Einstellung aller Rotorblätter gemeinsam vorgenommen werden.
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In einer Ausführungsform weist die mindestens eine Steuerstange ein Lager auf, das einen Umlauf der Steuerstange um das Führungselement ermöglicht.
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Indem die Steuerstange ein Lager aufweist entfällt die Notwendigkeit, ein zu dem Führungselement der drehfesten Baugruppe paralleles Führungselement für die Rotationsbaugruppe bereitzustellen, das klassischer Weise eine weitere Taumelscheibe war, die auf der ersten Taumelscheibe drehbar gelagert ist. Dadurch sind beliebige Führungen durch das Führungselement möglich, ohne an eine ebene Oberfläche des Führungselementes gebunden zu sein.
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Mit anderen Worten, das klassische Taumelscheibenprinzip ist durch Auflösen der drehenden Scheibe in voneinander unabhängige Steuerstangen, die jeweils Lager aufweisen, abgewandelt.
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In einer Ausführungsform ist das Lager als eine Rollenlagerung ausgestaltet.
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Bei einer Rollenlagerung weist die Steuerstange vorzugsweise zwei Rollen auf, die axial vor und hinter dem Führungselement angeordnet sind und an die Rotation des Rotors gekoppelt um das Führungselement laufen. Die zwei Rollen sind durch einen Teil der Steuerstange, der sich außerhalb des Führungselementes befindet, miteinander verbunden.
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In der alternativen Ausführungsform weist das Führungselement zwei in Axialrichtung parallele Führungen auf. Die Lagerung ist dann zwischen den zwei parallelen Führungen vorgesehen, wobei in dieser Ausführungsform die Steuerstangen dann beispielsweise radial von außen in das Führungselement eingreifen können. Bevorzugt ist die Lagerung als eine zentrale Rolle zwischen den parallelen Führungen ausgestaltet.
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Die Ausgestaltung der Lagerung ist nicht auf die gezeigten Beispiele von Rollenlagerungen beschränkt, in anderen Ausführungsformen sind auch andere Formen der Lagerung, beispielsweise andere Formen von Rollenlagerungen, Gleitlagerungen oder sonstige Lagerungen, vorteilhaft einsetzbar.
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In einer Ausführungsform weist das Führungselement die Drehführung in einem äußeren Umlaufbereich auf. Dies ermöglicht eine besonders einfache Ausgestaltung des Führungselementes sowie der Rotationsbaugruppe, die entlang des Führungselementes geführt wird. In anderen Ausführungsformen kann das Führungselement die Führung auch in einem anderen Bereich aufweisen.
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In einer Ausführungsform ist der Ausschlag des Abweichabschnittes in Form wenigstens eines Teiles einer Welle aus der Rotationsebene ausgestaltet.
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Der Übergang der Welle und somit auch das durch die Welle ausgelöste Signal ist vorzugsweise krümmungsstetig. Vorzugsweise ist die Welle im Wesentlichen sinusartig mit krümmungsstetigem Übergang an den Rändern und umfasst zumindest eine halbe Wellenperiode. Eine Welle in dem Führungselement resultiert in einer lokal beschränkten kurzfristigen Pitchwinkelerhöhung mit anschließender Verringerung bzw. kurzfristiger Verringerung des Pitchwinkels mit anschließender Erhöhung. Im Unterschied zu einer gesamten Verkippung des Führungselementes wirkt sich die Welle demnach nur auf einen räumlich beschränkten Teil des Umlaufes aus. In anderen Ausführungsformen könnten auch andere Formen und Ausgestaltungen, beispielsweise auch mehrere Wellen, in dem Führungselement als Abweichabschnitt auftreten und eine unregelmäßige Führung definieren. In anderen Ausgestaltungen kann die Welle auch andere, von der Sinusform abweichende, Formen haben und/oder mehr als eine halbe Sinusperiode umfassen, d.h. mehr als einen Wellenberg und/oder ein Wellental umfassen.
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In einer Ausführungsform ist der Abweichabschnitt derart angeordnet, dass das jeweilige Rotorblatt mittels der Rotationsbaugruppe in dem Bereich eines Turmes der Windenergieanlage aufgrund des Ausschlages eine Verstellung des Pitchwinkels erfährt. Mit anderen Worten, der Abweichabschnitt, beispielsweise in der Form der Welle, entspricht im Wesentlichen der Position der Führungselementes, der über die Rotationsbaugruppe, insbesondere über die Steuerstangen, derart mit den Rotorblättern gekoppelt ist, dass die Veränderung des Pitchwinkels bei den Rotorblättern in einer Richtung nach unten ausgehend von der Rotornabe erfolgt. Dies ermöglicht dem oben angesprochenen Effekt, der als Turmvorstau bekannt ist, entgegenzuwirken. Hierunter wird eine impulsartige Veränderung der Windgeschwindigkeit verstanden, wie sie in dem Bereich des Turmes, also von der Rotornabe aus in Richtung des Erdbodens, auftritt. Die Windgeschwindigkeit reduziert sich in diesem Bereich in einer Größenordnung von 15%, natürlich je nach eingesetztem Turm und anderen Parametern in einigen Fällen auch abweichend davon. Um den optimalen Pitchwinkel auch in dem Bereich des Turmvorstaus zu erreichen, ermöglicht die vorliegende Erfindung in vorteilhafter Weise eine lokal begrenzte Anpassung des Pitchwinkels in diesem Bereich.
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Besonders bevorzugt ermöglicht die unregelmäßige Führung des Abweichabschnitts eine Veränderung des Pitchwinkels im Bereich von bis zu 2 Grad, besonders bevorzugt von 1 bis 2 Grad. Damit können die Effekte des Turmvorstaus für den gesamten Windgeschwindigkeitsbereich von der Auslegungswindgeschwindigkeit bis hin zu der Abschaltwindgeschwindigkeit kompensiert werden. Je nach Bedarf sind in anderen Ausführungsformen auch andere, beispielsweise größere, Pitchwinkelveränderungen aufgrund des Abweichabschnitts möglich.
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In einer Ausführungsform umfasst die drehfeste Baugruppe wenigstens einen Aktuator. Der oder jeder der mehreren Aktuatoren ist dazu eingerichtet, zumindest einen Teil des Führungselementes in Axialrichtung der Rotorachse zu verlagern. Eine Verlagerung des Führungselementes in Axialrichtung der Rotorachse führt zu einer Veränderung des Pitchwinkels des beziehungsweise der Rotorblätter, die mittels der Rotationsbaugruppe an eine Position der drehfesten Baugruppe und insbesondere des Führungselementes gekoppelt sind.
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In einer Ausführungsform ist der wenigstens eine Aktuator eingerichtet, das Führungselement insgesamt axial zu verlagern. Besonders bevorzugt sind drei Aktuatoren vorgesehen, die das Führungselement an drei Lagerungspunkten lagern, um eine Lage einer Ebene des Führungselementes im Raum zu definieren. Durch Verlagerung des gesamten Führungselementes in einer Richtung, die im Wesentlichen senkrecht auf der Rotorebene steht, wird der Pitchwinkel aller Rotorblätter über dem gesamten Umlauf verändert.
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In einer Ausführungsform ist der wenigstens eine Aktuator eingerichtet, das Führungselement bezüglich der Rotorachse zu verkippen. In dem Fall, in dem das Führungselement bezüglich der Rotorachse verkippt ist, werden zyklisch wiederkehrende, in der Frequenz des Umlaufes liegende, Pitchwinkelveränderungen der Rotorblätter realisiert. Effekte, die mit einer solchen Verkippung des Führungselementes kompensiert werden können, sind bekannt und umfassen beispielsweise eine Windscherung, eine Schwenk-Torsionskupplung und eine achswinkelinduzierte Anströmvariation. Die durch die Verkippung begründete zyklische Pitchwinkelveränderung überlagert sich mit der lokalen und demnach höher frequenten zyklischen Pitchwinkelveränderung aufgrund der unregelmäßigen Führung des Abweichabschnitts.
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In einer Ausführungsform ist das Pitchsystem zur Montage innerhalb einer Rotornabe der Windenergieanlage, vor der Rotornabe der Windenergieanlage oder hinter/auf der Rotornabe der Windenergieanlage eingerichtet.
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Eine Montage innerhalb einer Rotornabe der Windenergieanlage ermöglicht, dass das Pitchsystem einschließlich taumelscheibenartigem Führungselement in der Nähe des Schnittpunktes der Rotorblattpitchachsen montiert wird. Dies ermöglicht die Anordnung des erfindungsgemäßen Pitchsystems ohne Schwierigkeiten in Windenergieanlagen mit Naben mit Momentenlager beziehungsweise zurückgezogenem Achszapfen, wie es insbesondere für kleinere Windenergieanlagen der Fall ist. Die Montage des Pitchsystems vor der Rotornabe ermöglicht, dass die klassische Achszapfenbauweise, wie sie insbesondere für größere Anlagen eingesetzt wird, erhalten bleiben kann. Weiter kann das Führungselement vorzugsweise auch als Ring außerhalb der Rotornabe zwischen der Rotornabe und einem Generator der Windenergieanlage ausgeführt liegen, wobei durch kleine zu realisierende Kippwinkel der Rotationsebene bezüglich der Rotorachse vermieden werden kann, dass das Führungselement mit der übrigen Struktur kollidiert.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß ferner durch eine Windenergieanlage mit einem erfindungsgemäßen Pitchsystem gelöst. Die erfindungsgemäßen Vorteile und bevorzugten Ausgestaltungen, wie sie bereits bezüglich des Pitchsystems erläutert wurden, sind ebenso auf die Windenergieanlage anwendbar.
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In einer Ausführungsform ist das Pitchsystem innerhalb einer Rotornabe der Windenergieanlage montiert. Wie angesprochen kann das Pitchsystem demnach in der Nähe der Pitchachse der Rotorblätter im Zentrum des Rotors montiert werden. Besonders bevorzugt ist das System in dieser Ausführungsform für eine Windenergieanlage anwendbar, die eine Rotornabe mit Momentenlager oder eine Rotornabe mit einem Achszapfen, der nicht durch die gesamte Nabe reicht, aufweist. Vorzugsweise wird die drehfeste Baugruppe des Pitchsystems in dieser Ausführungsform direkt auf dem Achszapfen montiert.
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In einer Ausführungsform ist das Pitchsystem vor einer Rotornabe eine Windenergieanlage montiert. Mit dem Begriff "vor" wird in Axialrichtung des Rotors die Richtung bezeichnet, die normalerweise dem Wind zugewandt ist. Mit anderen Worten, das Pitchsystem ist in dieser Ausführungsform weiter von dem Turm der Windenergieanlage entfernt, als der Rotor. In dieser Ausführungsform kann, wie oben beschrieben, in vorteilhafter Weise die bekannte Bauweise mit einem Achszapfen, der durch die Rotornabe ragt, erhalten bleiben.
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In einer Ausführungsform ist das Pitchsystem hinter/außerhalb einer Rotornabe der Windenergieanlage montiert, insbesondere ist das Führungselement als Ring außerhalb der Rotornabe zwischen der Rotornabe und einem Generator der Windenergieanlage ausgeführt. Durch kleine zu realisierende Kippwinkel der Rotationsebene bezüglich der Rotorachse wird vermieden, dass das Führungselement mit der übrigen Struktur kollidiert.
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Weitere vorteilhafte und bevorzugte Ausführungsformen werden im Folgenden mit Verweis auf beiliegende Figuren beschrieben. Hierbei zeigen:
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1 eine Windenergieanlage schematisch in einer perspektivischen Ansicht,
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2 schematisch und exemplarisch eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Pitchsystems,
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3 schematisch und perspektivisch einen Auszug des in 2 gezeigten Ausführungsbeispiels,
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4 schematisch und beispielhaft eine Ansicht auf eine Rotornabe von vorne,
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5 schematisch und exemplarisch ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Pitchsystems,
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6 ein erstes Beispiel einer Anordnung des erfindungsgemäßen Pitchsystems in einer Rotornabe,
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7 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Anordnung des Pitchsystems in einer Rotornabe und
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8a bis 8c Ansichten einer beispielhaften Anordnung des erfindungsgemäßen Pitchsystems in mehreren Ansichten.
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1 zeigt eine Windenergieanlage 100 mit einem Turm 102 und einer Gondel 104. An der Gondel 104 ist ein Rotor 106 mit drei Rotorblättern 108 und einem Spinner 110 angeordnet. Die drei Rotorblätter 108 erstrecken sich jeweils entlang einer Längsachse LA von einer Nabe im Zentrum des Rotors 106. Die Rotorblätter 108 sind um die jeweilige Längsachse LA drehbar, um den Pitchwinkeleinzustellen, der zwischen einer geometrisch festgelegten Ebene im Rotorblatt 108, die eine Längsachse des Rotorblattes 108 beinhaltet und sich bei einer als Pitchen bezeichneten Drehung um die Längsachse des Rotorblattes 108 mit dem Rotorblatt 108 mitdreht, und einer geometrisch festgelegten Ebene in der Nabe, die die Längsachse des Rotorblattes 108 beinhaltet und sich durch das Pitchen nicht ändert, definiert ist. Durch das Einstellen des Pitchwinkels wird der Anströmwinkel des Rotorblattes verändert. Der Rotor 106 wird in Betrieb durch den Wind in eine Drehbewegung um eine Rotorachse RA versetzt und treibt dadurch einen Generator (nicht gezeigt) in der Gondel 104 an. Die Gondel 104 ist drehbar an dem Turm 102 montiert und in allgemein bekannter Weise mittels eines Azimutantriebs angetrieben verbunden.
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2 zeigt das Innere des Rotors 106 in dem Nabenbereich, in dem die Längsachsen LA der Rotorblätter 108 aufeinandertreffen. Zur besseren Darstellbarkeit sind lediglich zwei der drei Rotorblätter 108 dargestellt. 2 zeigt ferner ein erfindungsgemäßes Pitchsystem 1, das in diesen Ausführungsbeispielen im Inneren der Rotornabe angeordnet ist.
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Das Pitchsystem 1 umfasst eine drehfeste Baugruppe 2, die drehfest bezüglich der Rotorachse RA montiert ist, sowie eine Rotationsbaugruppe 4, die an die Rotorblätter 108 gekoppelt ist und mit der Drehung des Rotors 106 um die drehfeste Baugruppe 2 rotiert.
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Die drehfeste Baugruppe 2 umfasst ein Führungselement 20, das an seinem äußeren Umlauf einen Führungsring 22 aufweist. Die drehfeste Baugruppe 2 ist in diesem Ausführungsbeispiel auf einem feststehenden Führungselement 120 der Windenergieanlage montiert. Das feststehende Führungselement 120 dient der Lagerung eines Generatorrotors (nicht gezeigt) sowie der Lagerung der Rotornabe und ist fest mit einem Maschinenträger (nicht gezeigt) der Windenergieanlage 100 verbunden. In einem Ausführungsbeispiel ist das feststehende Führungselement 120 in Form eines Achszapfens ausgestaltet. In anderen Ausführungsbeispielen sind auch andere Ausgestaltungen des feststehenden Führungselementes 120 möglich oder Anbringungen der drehfesten Baugruppe 2 vorstellbar, die kein feststehendes Führungselement 120 erfordern.
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Die drehfesten Baugruppe 2 umfasst ferner drei Aktuatoren 24, die in diesem Beispiel als Hydraulikzylinder ausgestaltet sind. Die Aktuatoren 24 ermöglichen eine Translation des Führungselementes 24 entlang der Rotorachse RA in Axialrichtung. Die drei Aktuatoren 24 können gleich oder unabhängig voneinander betätigt werden. Somit kann eine Parallelverschiebung des Führungselementes 20 oder eine Neigung des Führungselementes 20 bezüglich der Rotorebene RA erfolgen. Ein Neigen oder Kippen des Führungselementes 20 führt zu einer zyklischen Pitchwinkelveränderung mit der Frequenz des Umlaufs. Im Ausführungsbeispiel ist die Zahl der Aktuatoren 24 drei, die das Führungselement 20 an drei Punkten lagern und eine Lage des Führungselementes 20 im Raum definieren. In anderen Ausführungsbeispielen können auch mehr oder weniger Aktuatoren 24 zum Einsatz kommen.
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Die Aktuatoren 24 können beispielsweise als Hydraulikzylinder oder als Spindelantriebe, wie sie unter Anderem auch zur Trimmung von Flugzeugen eingesetzt werden, ausgestaltet sein.
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Zusätzlich zu den Aktuatoren 24 weist die drehfeste Baugruppe 2 einen Querträger 26 auf, der eine Verdrehung des Führungselementes 20 bezüglich des Achszapfens 120 verhindert. Der Querträger 26 ist ein Beispiel eines Mittels zur Hemmung einer Verdrehung der drehfesten Baugruppe 2, wobei in anderen Ausführungsbeispielen andere geeignete Mittel vorstellbar sind. Eine bevorzugte Möglichkeit ist das Vorsehen eines zentralen Hemmelementes im Zentrum des Führungselementes 20 zum Lagern des Führungselementes an dem feststehenden Führungselement 120. Das zentrale Hemmelement ist beispielsweise in Form einer Kugel ausgestaltet, die eine in Axialrichtung der Rotorachse RA verlaufende Nut aufweist, in die ein Stift eingreift. Das zentrale Hemmelement gibt dann den Rotationsfreiheitsgrad um die Rotorachse RA nicht frei, während sowohl einer Verkippung des Führungselementes 20 bezüglich der Rotorachse RA, wobei sich hierbei der Stift entlang der Nut bewegen kann, sowie eine Translation entlang der Rotorachse RA möglich sind.
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Die Rotationsbaugruppe 4 umfasst drei Steuerstangen 40, von denen ebenso wie von den Rotorblättern 108 in 2 zwei gezeigt sind. Die Steuerstangen 40 sind über ein Gelenk 42 mit den Rotorblättern 108 verbunden und werden über Rollen 44 auf der Seite der Rotationsbaugruppe in der umlaufenden Führung 22 des Führungselementes 20 geführt.
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Die Rotationsbaugruppe 4 umfasst ferner einen Träger 46, der zwischen Steuerstange 40 und einem Trägerelement 122, das Teil der Rotornabe ist, angeordnet ist und auf die Steuerstange 40 wirkende Querkräfte aufnimmt bzw. als eine Art Mitnehmer dafür sorgt, dass die jeweilige Steuerstange 40 mit der Nabe mitrotiert.
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Erfindungsgemäß wird die zyklische lokale Pitchwinkelveränderung mittels des Führungselementes 20 dadurch gelöst, dass dieses ferner einen Abweichabschnitt 30 aufweist. In diesem Ausführungsbeispiel weicht die Führung des Führungselementes 20 in dem Abweichabschnitt 30 in Axialrichtung nach unten gezeigt von dem Rest der Führung ab Der Abweichabschnitt 30 kann somit als ein Abschnitt betrachtet werden, der eine unregelmäßige Führung definiert. Vorzugsweise ist der Abweichabschnitt 30 derart angeordnet, dass das jeweilige Rotorblatt mittels der Rotationsbaugruppe 4 und insbesondere der Steuerstangen 40 in dem Bereich des Turms 102 eine Veränderung des Pitchwinkels erfährt, so dass einem Turmvorstaueffekt Rechnung getragen werden kann, indem in dem zugehörigen Bereich der Pitchwinkel entsprechend kompensiert wird.
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Das erfindungsgemäße Pitchsystem 1 kombiniert somit die Vorzüge von gemeinsamer Pitchwinkelsteuerung, das heißt, dass die Pitchwinkel aller Rotorblätter 108 kollektiv angepasst werden können, mit den Vorzügen der individuellen Ansteuerung, das heißt, dass die Ansteuerung einzelner Rotorblätter 108 in einem bestimmten Bereich ihres Umlaufes um die Rotorachse RA möglich ist.
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3 zeigt das erfindungsgemäße Pitchsystem 1 exemplarisch und losgelöst von der Windenergieanlage 100. In 3 sind alle drei Steuerstangen 40 sowie alle drei Aktuatoren 24 des in 2 gezeigten Ausführungsbeispiels zu sehen. Es ist ferner zu sehen, dass die Aktuatoren 24 im Beispiel mit Kugelgelenken 25 an der unteren Seite des Führungselementes 20 gelagert sind, um eine Kippung des Führungselementes 20 zu ermöglichen. Das Führungselement 20 ist derart montiert, dass Torsion bezüglich der Rotorachse RA gehemmt ist und keine Querkräfte auf die Aktuatoren 24 auftreten, die zu Beschädigungen führen können. Wie in 2 gezeigt, können diese Querkräfte beispielsweise von einem Querträger 26 (in 3 nicht gezeigt) aufgenommen werden.
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In 3 weist der Abweichabschnitt 30 eine S-Form mit einem ansteigenden Bereich 32 und einem abfallenden Bereich 34 auf. Auch andere Formen der unregelmäßigen Führung 30 sind für den Fachmann vorstellbar und sinnvoll, beispielsweise wird in einem anderen Ausführungsbeispiel insbesonders eine Halbwelle mit lediglich einem ansteigenden Bereich 32 oder einem abfallenden Bereich 34 bevorzugt.
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4 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine Rotornabe in der Ebene des Rotors 106. Beispielhaft für ein Rotorblatt 108 ist ein Angriffspunkt der Steuerstange 40 gezeigt, der an einer Exzenterachse EA wirkt, die in einem bestimmten Abstand zu der Längsachse LA des Rotorblattes 108 steht. Der Abstand zwischen Exzenterachse EA und Längsachse LA wird Exzentrizität E genannt. Je größer die Exzentrizität E ist, desto größer muss der Verfahrweg in axialer Richtung der Rotorachse RA des Pitchsystems 1 sein, um das Rotorblatt 108 um den gewünschten Pitchwinkel zu verstellen. Umgekehrt werden die aufzuwendenden Kräfte durch den größeren Hebel geringer. Bei einer Auslegung des Pitchsystems 1 können somit die auf die Steuerstangen 40 wirkenden Kräfte, die Angriffspunkte und die nötigen Verfahrwege aufeinander abgestimmt werden. Auch die Aktuatorgeschwindigkeit muss berücksichtigt werden, da bei größeren Exzentrizitäten E höhere Geschwindigkeiten der Aktuatoren 24 von Nöten sind, um eine Winkelveränderung in der gleichen Zeit zu erzielen.
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5 zeigt schematisch und exemplarisch ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Pitchsystems 1. Das Pitchsystem 1 der 5 entspricht im Wesentlichen dem Pitchsystem 1, das in 2 gezeigt ist, mit dem Unterschied, dass eine abweichende Führung der Rotationsbaugruppe 4 bezüglich der drehfesten Baugruppe 2 erfolgt. Das Führungselement 20 weist in diesem Ausführungsbeispiel an seinem äußeren Umfang zwei parallele Führungsringe 23 auf, die von einander beabstandet sind und dazwischen eine Rollenlagerung für die Rotationsbaugruppe 4 bzw. insbesondere die Steuerstangen 40 ausbilden. Um in diesem Zwischenraum zwischen den zwei parallelen Führungsringen 23 geführt zu werden, weisen die Steuerstangen 40 an deren in der Zeichnung unten gezeigten Enden jeweils eine zentrale Rolle 45 auf, das in den Zwischenraum zwischen den parallelen Führungsringen 23 eingreift. Vorzugsweise ist die zentrale Rolle 45 mit einem Spiel zwischen den parallelen Führungsringen 23 ausgestaltet, so dass sie jeweils nur mit einer der beiden Führungsringe 23 in Kontakt ist. In einem alternativen Ausführungsbeispiel weisen die Steuerstangen 40 zwei zentrale Rollen auf, die von innen an jeweils eine der parallelen Führungsringe 23 anliegen.
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6 zeigt ein erstes Beispiel einer Anordnung des erfindungsgemäßen Pitchsystems 1 in einer Rotornabe 116. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Rotornabe 116 mittels eines Momentenlagers 118 an einer nicht-rotierenden Tragstruktur des Generators (nicht gezeigt) der Windenergieanlage befestigt. Das Pitchsystem 1 befindet sich im Innen der Rotornabe 116 in der Nähe der Schnittpunkte der Blattlängsachsen LA. Die drehfeste Baugruppe 2 ist an der nicht-rotierenden Tragstruktur befestigt und die Rotationsbaugruppe 4 ist an der Rotornabe 116 befestigt.
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7 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer Anordnung des Pitchsystems 1 in einer Rotornabe 116 einer Windenergieanlage 100. Das Pitchsystem 1 ist in diesem Ausführungsbeispiel auf einem Achszapfen 120 montiert, der eine Fortsetzung eines Achszapfens 132 ist, der sich im Zentrum eines Ringgenerators 130 befindet und eine Lagerung 133 des an dem Generator 130 angeflanschten Rotors 106 bildet.
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Der Generator 130 umfasst einen Stator 138, der mittels eines Statorträgers 136 mit der Windenergieanlage drehfest verbunden ist. Im Inneren des Stators 138 ist ein Rotor 134 angeordnet, der mit dem Rotor 106 gekoppelt ist und sich getriebelos um den Achszapfen 132 dreht, wenn die Windenergieanlage 100 in Betrieb ist.
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In 7 ist weiter ein Azimutantrieb 122 gezeigt, der dazu eingerichtet ist, den Rotor 106 bzw. die gesamte Gondel 104 entlang einer Azimutführung 124 um den Turm 102 (vergleiche 1) zu drehen.
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8a bis 8c zeigen Ansichten einer weiteren beispielhaften Anordnung des Pitchsystems 1 aus mehreren Perspektiven. In dem in 8a bis 8c gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Pitchsystem 1 vor der Rotornabe 116 angeordnet gezeigt, wobei der Achszapfen 120 durch die gesamte Rotornabe 116 reicht. Der Achszapfen 120 lagert in diesem Ausführungsbeispiel die Rotornabe 116 über die gesamte axiale Länge der Nabe, was insbesondere bei großen Windenergieanlagen zu einer verbesserten Lastverteilung führt.
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In diesem Ausführungsbeispiel sind Steuerstangen 400 der Rotationsbaugruppe 4 als Kipphebel ausgestaltet, die über Kipphebelaufleger 117 auf der Vorderseite der Rotornabe 116 mit der drehfesten Baugruppe 2 gekoppelt sind bzw. davon geführt werden. Die Kipphebelaufleger 117 ermöglichen, dass eine Translation der drehfesten Baugruppe 2 auf eine radial äußere Seite der Rotationsbaugruppe 4 übertragen wird und über den durch die Kipphebelaufleger 117 definierten Hebelweg zu einer größeren Veränderung des Pitchwinkels der Rotorblätter 108 führt. Dies stellt selbstverständlich nur ein Beispiel des Anbringens von Steuerstangen 400 dar und auch weitere Möglichkeiten der Lagerung sowie der Führung der Rotationsbaugruppe 4 um die drehfeste Baugruppe 2 sind in anderen Ausführungsbeispielen vorstellbar.
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Die Erfindung stellt somit ein Pitchsystem einer Windenergieanlage 100 mit einem Rotor mit mindestens zwei Rotorblättern 108 bereit, das eine drehfeste Baugruppe 2, die drehfest bezüglich einer Rotorachse RA des Rotors 106 der Windenergieanlage 100 ist, und eine Rotationsbaugruppe 4 aufweist, die mit dem Rotor 106 rotiert und einen Pitchwinkel der Rotorblätter 108 der Windenergieanlage 100 an eine Position der drehfesten Baugruppe 2 in Axialrichtung der Rotorachse RA koppelt. Die drehfeste Baugruppe 2 weist ein Führungselement 20, insbesondere eine Taumelscheibe, zur Drehführung der Rotationsbaugruppe 4 in einer Rotationsebene um die Rotorachse RA auf. Das Führungselement 20 weist einen Abweichabschnitt 30 auf, wobei der Abweichabschnitt 30 einen Ausschlag aus der Rotationsebene des Führungselementes 20 definiert. Das erfindungsgemäße Pitchsystem ermöglicht es, lokale, zyklische Pitchwinkelveränderungen einfach und ohne kontinuerliche Aktuatoraktivität zu realisieren.
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Obwohl die Erfindung mit Bezug auf eine Windenergieanlage 100 mit mindestens zwei Rotorblättern 108 beschrieben wurde, ist in anderen Ausführungsformen auch eine Windenergieanlage, die ein Rotorblatt und ein Gegengewicht aufweist, vorstellbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012013365 A1 [0005]
- US 2013/0039762 A1 [0006]
