DE102016113785A1

DE102016113785A1 - Verfahren zur Anstellwinkelverstellung eines Rotorblattes einer Windkraftanlage und Windkraftanlage

Info

Publication number: DE102016113785A1
Application number: DE102016113785.5A
Authority: DE
Inventors: Stefan Schnieder; Jörg Rollmann
Original assignee: ThyssenKrupp AG; ThyssenKrupp Rothe Erde GmbH
Current assignee: ThyssenKrupp AG; ThyssenKrupp Rothe Erde Germany GmbH
Priority date: 2016-07-27
Filing date: 2016-07-27
Publication date: 2018-02-01

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Anstellwinkelverstellung eines Rotorblattes (2) einer Windkraftanlage (1) vorgeschlagen, wobei das Rotorblatt (2) über ein Blattlager (7) an einer Rotornabe (5) der Windkraftanlage (1) drehbar befestigt ist, wobei das Blattlager (7) eine Mehrzahl von Wälzkörpern (12) aufweist, die in Laufbahnen des Blattlagers (7) laufen, wobei die Wälzkörper (12) in den Laufbahnen mittels Wälzkörperkäfigen (13) geführt werden, wobei zur Anstellwinkelverstellung das Rotorblatt (2) mittels des Blattlagers (7) entlang einer ersten Schwenkrichtung (8) oder entlang einer zur ersten Schwenkrichtung (8) entgegengesetzten zweiten Schwenkrichtung (9) gegenüber der Rotornabe (5) verschwenkt wird, wobei unabhängig vom Winddruck je nach Ausrichtung der Rotornabe (5) auf das Blattlager (7) eine vom Rotorblattgewicht verursachte Oberlast oder Unterlast wirkt und wobei ferner die Anstellwinkelverstellung derart durchgeführt wird, dass eine Anstellwinkelverstellung unter Oberlast entlang der ersten Schwenkrichtung (8) und/oder eine Anstellwinkelverstellung unter Unterlast entlang der zweiten Schwenkrichtung (9) durchgeführt werden. Ferner wird eine Windkraftanlage (1) vorgeschlagen.

Description

Stand der Technik
Bei der Energieerzeugung gewinnen Windkraftanlagen seit Jahren immer mehr an Bedeutung. Eine Windkraftanlage besteht typischerweise aus einem im Erdreich verankerten Turm, an dessen Oberseite eine Gondel drehbar angeordnet ist. An der Gondel ist wiederum eine Rotornabe drehbar befestigt, von welcher mehrere profilierte Rotorblätter radial auskragen. Die Gondel beherbergt einen Generator, der optional über ein Getriebe mit der Rotornabe gekoppelt ist. Mit Hilfe der Rotorblätter wird die Rotornabe vom Wind zu einer Drehbewegung angetrieben, wobei mittels des Generators die rotatorische Bewegungsenergie in elektrische Energie umgewandelt wird.
Man ist bestrebt, die Leistungsfähigkeit und die Effizienz von Windkraftanlagen stetig zu steigern, um möglichst viel Energie aus dem Wind zu gewinnen und in elektrische Energie umzuwandeln. Hierfür sind die Rotorblätter jeweils mittels eines sogenannten Blattlagers um ihre eigene Achse drehbar an der Rotornabe befestigt, um den Anstellwinkel des Rotorblatts ändern zu können. Auf diese Weise kann der Anstellwinkel der Rotorblätter mit entsprechenden rechnerbasierten Regelverfahren an die momentan vorherrschende Windstärke angepasst werden. Bei Windkraftanlagen, die aufgrund ihrer Auslegung den Anstellwinkel häufig ändern, spricht man von continious pitch bzw. IPC (individual pitch control) Betrieb, bei dem die Anlagensteuerung unterschiedliche Regelungsziele (Begrenzung der Leistung, Dämpfung von Schwingungen) verfolgt. Entsprechende Blattlager sind meist als Kugellager ausgeführt.
Durch das ständige Ändern des Anstellwinkels wird das Blattlager einer ständigen Schwenkbewegung über einen vergleichsweise kleinen Schwenkwinkelbereich ausgesetzt. Je nach angestrebtem Anstellwinkel erfolgt die Schwenkbewegung immer entlang einer ersten Schwenkrichtung oder einer der ersten Schwenkrichtung entgegengesetzten zweiten Schwenkrichtung.
Im normalen Betrieb einer Windkraftanlage dreht sich die Rotornabe ständig um die im Wesentlichen horizontale Rotornabendrehachse, wodurch jedes Rotorblatt während einer vollständigen Umdrehung zweimal eine vertikale Ausrichtung (oben und unten) sowie zweimal eine horizontale Ausrichtung (links und rechts) durchläuft. Die maximale Beanspruchung von Flügelverstelllagern resultiert aus den schwankenden Momentenlasten, die sich aus Blattgewicht und Schwerpunktabstand sowie Windlast und Druckpunktabstand des Blattes zusammensetzen.
Die Gewichtskraft des Rotorblattes führt in Verbindung mit dessen Schwerpunktabstand zu einer zwischen einer Oberlast und einer Unterlast wechselnden Momentenbelastung des Blattlagers. Wenn das Rotorblatt in Bezug auf die Drehachse des Rotors horizontal (z B. auf 3 Uhr Position steht, wirkt auf das Blattlager die Momentenlast aus der Gewichtskraft in Drehrichtung des Rotors (Oberlast). Wenn das Rotorblatt in Bezug auf die Drehachse des Rotors horizontal in 9 Uhr Position steht, wirkt auf das Blattlager die Momentenlast aus der Gewichtskraft entgegen der Drehrichtung des Rotors (Unterlast).
Bei schwachem Wind kommt es im Betrieb der Windenergieanlage vorrangig zu einer wechselnden Belastung der Blattlager durch Ober und Unterlast. Dem überlagert wirkt mit zunehmendem Wind ein ebenfalls zunehmendes Moment aus der Windlast, welches die Windmühle in die Drehrichtung des Rotors antreibt. Aus der Überlagerung beider Momente wirkt ein schwellendes Moment.
Gattungsgemäße Windkraftanlagen und Blattlager sind beispielsweise aus den Druckschriften DE 10 2011 113 122 A1 , DE 10 2012 002 203 A1 und DE 10 2015 110 246.3 (zum Anmeldezeitpunkt noch unveröffentlicht) bekannt.
Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Windkraftanlagen besteht nun das Problem, dass die Blattlager aufgrund der weitgehend gleichbleibenden und vergleichsweise kleinen Amplitude des Schwenkweges bei der Anstellwinkelverstellung einem erhöhten Verschleiß unterliegen, da sich die Wälzkörper ständig an den nahezu gleichen Stellen auf der Wälzkörperlaufbahnoberfläche befinden, wodurch sich mit der Zeit das Schmiermittel aus dem Kontaktbereich zwischen Wälzkörpern und Wälzkörperlaufbahn herausarbeitet und anschließend für eine zuverlässige Schmierung nicht mehr zur Verfügung steht. Diese Verdrängung des Schmiermittels kann daher für einen erhöhten Verschleiß und reduzierte Standzeiten sorgen.
Zur Lösung des Problems können die Wälzlager entweder zwischendurch über einen großen Winkelbereich gedreht und/oder häufiger nachgefettet werden, um die Wälzkörperkette wieder auseinander zu ziehen und um das Schmiermittel wieder gleichmäßig über die gesamte Wälzkörper-Laufbahnen zu verteilen. Beide Lösungsansätze sind bei einer Windkraftanlage ohne die Betriebskosten signifikant zu erhöhen nicht praktikabel.
Offenbarung der Erfindung
Es ist also eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Anstellwinkelverstellung eines Rotorblatts einer Windkraftanlage zur Verfügung zu stellen, bei welchem ein erhöhter Verschließ in den Blattlagern aufgrund einer Verdrängung von Schmiermittel aus den Kontaktbereichen zwischen Wälzkörpern und Wälzkörperlaufbahnen unterbunden wird.
Gelöst wird diese Aufgabe mit einem Verfahren zur Anstellwinkelverstellung eines Rotorblattes einer Windkraftanlage, wobei das Rotorblatt über ein Blattlager an einer Rotornabe der Windkraftanlage drehbar befestigt ist, wobei das Blattlager eine Mehrzahl von Wälzkörpern aufweist, die in Laufbahnen des Blattlagers laufen, wobei die Wälzkörper in den Laufbahnen mittels Wälzkörperkäfigen geführt werden, wobei zur Anstellwinkelverstellung das Rotorblatt mittels des Blattlagers entlang einer ersten Schwenkrichtung oder entlang einer zur ersten Schwenkrichtung entgegengesetzten zweiten Schwenkrichtung gegenüber der Rotornabe verschwenkt wird, wobei unabhängig vom Winddruck je nach Ausrichtung und Drehrichtung der Rotornabe auf das Blattlager eine vom Rotorblattgewicht verursachte Oberlast oder Unterlast wirkt, wobei ferner die Anstellwinkelverstellung derart durchgeführt wird, dass eine Anstellwinkelverstellung unter Oberlast entlang der ersten Schwenkrichtung und/oder eine Anstellwinkelverstellung unter Unterlast entlang der zweiten Schwenkrichtung durchgeführt werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass das Blattlager in der Oberlastsituation stets entlang der einen Schwenkrichtung und in der Unterlastsituation stets entlang der anderen Schwenkrichtung gedreht wird. Dies führt in überraschender Weise dazu, dass die in den Käfigen relativ zueinander fixierten Wälzkörper entlang der Wälzkörperlaufbahnen in eine Richtung und über große Winkelbereiche wandern, obwohl die eigentlichen Schwenkbewegungen zur Anstellwinkelverstellung nur über kleine Winkelbereiche durchgeführt werden. Das Wandern der Wälzkörperkette führt vorteilhafterweise dazu, dass sich das Schmiermittel gleichmäßig über die gesamte Wälzkörperlaufbahn verteilt und auf diese Weise der Verdrängung des Schmiermittels aus einzelnen Kontaktbereichen vorgebeugt wird. Im Ergebnis reduziert sich hierdurch der Verschleiß im Blattlager und die Standzeit der Windkraftanlage wird verlängert. Die Käfige sorgen ferner dafür, dass sich die Wälzkörper während ihrer Wanderbewegung nicht zusammenschieben und so zu einem Aufstauen der Wälzkörperkette führen. Die Windkraftanlage weist für jedes Rotorblatt insbesondere ein Blattlager auf, welches eine Vielzahl von Wälzkörpern aufweist, die zwischen zwei Wälzkörper-Laufbahnen angeordnet sind. Die eine Wälzkörper-Laufbahn verläuft auf einem mit der Rotornabe verbundenen Lagerteil, während die andere Wälzkörper-Laufbahn auf einem mit dem Rotorblatt verbundenen Lagerteil verläuft. Die Wälzkörper sind hintereinander in einer umlaufenden Wälzkörperkette angeordnet und dabei jeweils in den Wälzkörperkäfigen geführt. Das erfindungsgemäße Verfahren wird insbesondere im „continious pitch“ Betrieb der Windkraftanlage eingesetzt, bei welchem der Anstellwinkel der Rotorblätter ständig geändert und für die aktuelle Windgeschwindigkeit optimiert wird.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können den Unteransprüchen, sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnommen werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Anstellwinkelverstellung derart durchgeführt wird, dass eine Anstellwinkelverstellung unter Oberlast ausschließlich entlang der ersten Schwenkrichtung und/oder eine Anstellwinkelverstellung unter Unterlast ausschließlich entlang der zweiten Schwenkrichtung durchgeführt werden. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass die Wälzkörperkette bei jeder Anstellwinkelverstellung weiterwandert und für eine gleichmäßige Verteilung des Schmiermittels sorgt und die die Belastungen über der Zeit gleichmäßig auf alle Wälzkörper verteilt wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass das Blattlager derart betrieben wird, dass sich der Tragwinkel des Blattlagers bei einer Anstellwinkelverstellung entlang der ersten Drehrichtung von dem Tragwinkel des Blattlagers bei einer Anstellwinkelverstellung entlang der zweiten Drehrichtung unterscheidet. Vorteilhafterweise unterscheiden sich die Tragwinkel des Blattlagers bei Oberlast und bei Unterlast. Wenn das Rotorblatt beispielsweise horizontal in 3.00 Uhr Position relativ zum Turm der Windenergieanlage ausgerichtet ist, dann wirkt auf das Blattlager ein aus der Gewichtskraft des Blattes resultierendes Kippmoment in Drehrichtung des Rotors (Oberlastsituation). Wenn das Rotorblatt horizontal in 9.00 Uhr Position relativ zum Turm der Windenergieanlage ausgerichtet ist, dann wirkt das aus der Gewichtskraft des Blattes resultierende Kippmoment entgegen der Drehrichtung des Rotors (Unterlastsituation). Mit dem Wechsel der Kippmomentenrichtung im Verlauf einer halben Rotorumdrehung (von 3.00 nach 9.00, bzw. von 9.00 nach 3.00) ist auch eine Änderung der Tragwinkel verbunden. Dementsprechend bewirkt eine überwiegende Blattverstellung in eine Schwenkrichtung bei Oberlast und eine überwiegende Blattverstellung in die entgegengesetzte Schwenkrichtung bei Unterlast ein erfindungsgemäßes Wandern der Einlage und damit eine Verbesserung der Schmierstoffverteilung.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass mittels einer Steuerungseinheit überwacht und insbesondere aufgezeichnet wird, in welche Schwenkrichtung und unter welcher Last die Anstellwinkelverstellung erfolgt. Denkbar ist, dass für jedes Lager die Anstellwinkelhistorie aufgezeichnet und abgespeichert wird, so dass die Steuerungseinheit detektieren und überwachen kann, dass in eine Schwenkrichtung hauptsächlich und insbesondere ausschließlich unter Oberlast geschwenkt wurde, während in die andere Schwenkrichtung hauptsächlich oder ausschließlich unter Unterlast geschwenkt wurde. Hierfür werden die aufgezeichneten Daten von der Steuerungseinheit vorzugsweise analysiert und anhand der aufgezeichneten Daten dann die jeweilige Schwenkrichtung für Oberlast und Unterlast detektiert, wenn bei der Anstellwinkelverstellung das Rotorblatt häufiger unter Oberlast oder Unterlast entlang der ersten oder zweiten Schwenkrichtung verschwenkt wurde. Denkbar ist auch, dass eine etwaige Gleichverteilung zwischen erster und zweiter Schwenkrichtung unter Ober- oder Unterlast detektiert wird und in zukünftigen Anstellwinkelverstellungen berücksichtigt wird, um die Gleichverteilung aufzuheben. Denkbar ist, dass hierfür von der Steuerungseinheit sodann festgelegt wird, dass die nächste oder mehrere zukünftige Anstellwinkelverstellungen entlang der ersten oder zweiten Drehrichtung unter Oberlast oder unter Unterlast durchzuführen sind, um wieder eine größtmögliche Ungleichverteilung von Oberlast- und Unterlastbewegungen auf beiden Schwenkrichtungen herzustellen. Denkbar ist, dass auch zur Aufrechterhaltung oder Wiederherstellung der Ungleichverteilung eine Anstellwinkelverstellung des Rotorblatts über mehrere Drehungen der Rotornabe gestreckt wird, um die Anstellwinkelverstellung gezielt auf bestimmte Oberlast- oder Unterlastphasen zu verteilen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass von einer Drehwinkelüberwachungseinheit die Drehrichtung an einem Blattlager bei der Anstellwinkelverstellung gemessen und an die Steuerungseinheit übermittelt wird. Alternativ oder zusätzlich ist ebenfalls gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vorgesehen, dass von einer Lastüberwachungseinheit die auf ein Blattlager wirkende Last gemessen und an die Steuerungseinheit übermittelt wird. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass die Steuerungseinheit insbesondere für jedes Blattlager alle Daten darüber erhält, wann das Blattlager, unter welcher Last und in welche Schwenkrichtung, ggf. um welchen Schwenkwinkel verschwenkt wurde. Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Windkraftanlage, insbesondere zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei die Windkraftanlage eine Rotornabe und eine Mehrzahl von Rotorblättern, die jeweils über Blattlager drehbar an der Rotornabe befestigt sind, aufweist, wobei zur Anstellwinkelverstellung der Rotorblätter jedes Rotorblatt mittels des zugehörigen Blattlagers entlang einer ersten Schwenkrichtung oder entlang einer zur ersten Schwenkrichtung entgegengesetzten zweiten Schwenkrichtung gegenüber der Rotornabe schwenkbar ist, wobei unabhängig vom Winddruck je nach Ausrichtung und Drehrichtung der Rotornabe auf das Blattlager eine vom Rotorblattgewicht verursachte Oberlast oder Unterlast wirkt und wobei die Windkraftanlage eine Steuerungseinheit zur Steuerung der Anstellwinkel der Rotorblätter aufweist, welche derart konfiguriert ist, dass eine Anstellwinkelverstellung unter Oberlast entlang der ersten Schwenkrichtung und/oder eine Anstellwinkelverstellung unter Unterlast entlang der zweiten Schwenkrichtung durchgeführt werden. Optional umfasst die Steuerungseinheit eine Überwachungseinheit zur Überwachung und insbesondere Aufzeichnung, in welche Schwenkrichtung und unter welcher Last die Anstellwinkelverstellung jeweils erfolgt. Vorzugsweise weist die Windkraftanlage ferner eine Lastüberwachungseinheit zur Messung der auf ein Blattlager wirkenden Last auf.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Zeichnungen, sowie aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen anhand der Zeichnungen. Die Zeichnungen illustrieren dabei lediglich beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung, welche den wesentlichen Erfindungsgedanken nicht einschränken.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine schematische Perspektivansicht einer Windkraftanlage gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, welche ferner mit einem Verfahren zur Anstellwinkelverstellung eines Rotorblattes gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung betrieben wird.
2 zeigt eine schematische Detailansicht der in 1 illustrierten Windkraftanlage.
3 zeigt eine schematische Schnittbildansicht eines Blattlagers der in 1 und 2 illustrierten Windkraftanlage.
Ausführungsformen der Erfindung
In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt bzw. erwähnt.
In 1 ist eine schematische Perspektivansicht einer erfindungsgemäßen Windkraftanlage 1 illustriert, deren Rotorblätter 2 mit einem Verfahren zur Anstellwinkelverstellung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verstellt werden.
Die Windkraftanlage 1 weist einen im Erdreich verankerten Turm 3 auf, an dessen Oberseite eine Gondel 4 über ein Azimut-Lager im Azimut drehbar angeordnet ist. An der Gondel 4 ist eine um eine horizontale Rotorachse drehbare Rotornabe 5 befestigt, von welcher mehrere profilierte Rotorblätter 2 radial auskragen. Die Gondel 4 beherbergt einen Generator (nicht dargestellt), der optional über ein Getriebe mit der Rotornabe 5 gekoppelt ist. Mit Hilfe der Rotorblätter 2 wird die Rotornabe 5 vom Wind zu einer Drehbewegung angetrieben, wobei mittels des Generators die rotatorische Bewegungsenergie sodann in elektrische Energie umwandelt wird.
In 2 ist eine schematische Detailansicht der in 1 illustrierten Windkraftanlage 1 dargestellt, welche insbesondere die Anbindung der Rotorblätter 2 an die Rotornabe 5 zeigt. Zur Steigerung der Effizienz der Windkraftanlage 1 sind die Rotorblätter 2 um ihre eigene Längsachse 6 drehbar an die Rotornabe 5 angebunden. Hierdurch kann der Anstellwinkel eines jeden Rotorblattes 2 verändert und für die momentan vorherrschende Windgeschwindigkeit optimiert werden. Das Rotorblatt 2 wird im sogenannten „continious pitch“ Betrieb betrieben, d.h. der Anstellwinkel wird ständig geändert und optimiert.
Dafür weist die Windkraftanlage 1 für jedes Rotorblatt 2 ein Blattlager 7 auf, welches das Verschwenken des zugehörigen Rotorblattes 2 um seine eigene Längsachse 6 gegenüber der Rotornabe 5 ermöglicht. Zur Optimierung des Anstellwinkels wird das Rotorblatt 2 typischerweise nur geringfügig verschwenkt. Durch das ständige Ändern des Anstellwinkels wird das Blattlager 7 also einer ständigen Schwenkbewegung über einen vergleichsweise kleinen Schwenkwinkelbereich ausgesetzt. Das Verschwenken des Rotorblattes 2 gegenüber der Rotornabe 5 kann entweder entlang einer ersten Schwenkrichtung 8 (in 2 im Uhrzeigersinn) oder entlang einer der ersten Schwenkrichtung 8 entgegengesetzten zweiten Schwenkrichtung 9 (in 2 entgegen des Uhrzeigersinns) erfolgen.
Die Rotornabe 5 dreht sich im normalen Betrieb der Windkraftanlage 1 ständig um die im Wesentlichen horizontale Drehachse der Rotornabe 5, wodurch jedes Rotorblatt 2 während einer vollständigen Umdrehung der Rotornabe 5 zweimal eine vertikale Ausrichtung (oben und unten) sowie zweimal eine horizontale Ausrichtung (links und rechts) durchläuft. Die Gewichtskraft des Rotorblattes 2 führt dabei zu einer abwechselnden Belastung des jeweiligen Blattlagers 7 zwischen der sogenannten Oberlast und der sogenannten Unterlast, auch wenn die auf die Rotorblätter 2 wirkende Windkraft noch gar nicht berücksichtigt wird. Wenn das Rotorblatt 2 vertikal steht, wirkt dessen Gewichtsbelastung in Richtung der Blattlagerdrehachse als weitgehend harmlose, axiale Zug- oder Druckkraft. Bei einer horizontalen Stellung des Rotorblattes 2 ergibt sich jedoch eine Kombination aus einer Radialkraft und einem Kippmoment durch die Gewichtskraft des Rotorblattes. Das zugehörige Blattlager 7 ist hierbei einer vergleichsweise großen Belastung ausgesetzt, weswegen man hier von Oberlast und Unterlast spricht, je nachdem ob das resultierende Moment in Antriebsrichtung oder entgegengesetzt wirkt.
In 3 ist eine schematische Schnittbildansicht eines Blattlagers 7 der in 1 und 2 illustrierten Windkraftanlage 1 dargestellt. Das Blattlager 7 umfasst einen Innenring 10 sowie einen relativ zum Innenring 10 um eine Rotationsachse drehbar angeordneten Außenring 11. Der Innenring 10 ist in radialer Richtung zumindest teilweise innerhalb des Außenrings 11 angeordnet. Sowohl am Innenring 10 als auch am Außenring 12 sind jeweils zwei Laufbahnen für kugelförmige Wälzkörper 12 ausgebildet. Die Wälzkörper 12 sind dabei in Wälzlagerkäfigen 13 geführt, welche dafür sorgen, dass benachbarte Wälzkörper 12 in einer Wälzkörperkette einen definierten Abstand zueinander aufweisen und behalten. Ein Aufschieben der Wälzkörper 12 wird beispielsweise durch die Wälzkörperkäfige 13 verhindert. Die Laufbahnen weisen eine Innenkontur mit einem kreislinienförmigen Querschnitt auf. Je nach Position und Ausbildung der Innenkonturen weist das Blattlager 7 einen spezifischen Tragwinkel für eine bestimmte Belastung auf. Der Tragwinkel von Blattlagern 7 ist hier typischerweise größer als 10 Grad und kleiner als 90 Grad, so dass sowohl die Radialkraft als auch die Kippmomente des Rotorblattes 2 durch das Blattlager 7 aufgenommen werden können. In den beiden Laufbahnen ist jeweils eine umlaufende Kette von hintereinander angeordneten Wälzkörpern 12 angeordnet. Zur Reduktion des Drehwiderstandes und zur Reduzierung des Verschleißes befindet sich in den Laufbahnen und zwischen den Wälzkörpern ein Schmiermittel, typischerweise Schmierfett.
Bei der ständigen Verstellung der Anstellwinkel des Rotorblattes 2 besteht nun die Gefahr, dass sich das Schmiermittel 7 aufgrund der gleichbleibenden Bewegung über eine vergleichsweise kleine Winkelamplitude mit der Zeit aus dem Kontaktbereich zwischen Wälzkörpern 12 und Laufbahn herausarbeitet und anschließend für eine zuverlässige Schmierung fehlt. Diese Verdrängung des Schmiermittels sorgt für einen erhöhten Verschleiß und reduzierte Standzeiten.
Die in 1 bis 3 gezeigte Windkraftanlage 1 wird nun mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Verstellung der Anstellwinkel betrieben. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die Anstellwinkelverstellung derart durchgeführt wird, dass eine Anstellwinkelverstellung unter Oberlast stets entlang der ersten Schwenkrichtung 8 erfolgt, während eine Anstellwinkelverstellung unter Unterlast stets entlang zweiten Schwenkrichtung 9 durchgeführt wird.
Mit anderen Worten: Es wird sichergestellt, dass ein Rotorblatt 2 bei Oberlast immer nur entlang der einen Schwenkrichtung verschwenkt wird, indem aktiv gesteuert wird, dass das Rotorblatt 2 nur in der nahezu horizontalen Ausrichtung (Oberlast) entlang der ersten Schwenkrichtung 8 verschwenkt wird, während das Rotorblatt 2 nur in der nahezu vertikalen Ausrichtung (Unterlast) entlang der zweiten Schwenkrichtung 9 verschwenkt wird. Auf diese Weise weisen die beiden Schwenkbewegungen entlang der ersten Schwenkrichtung 8 einerseits und entlang der zweiten Schwenkrichtung 9 andererseits unterschiedliche Tragwinkel auf. Dies führt dazu, dass während der Anstellwinkelverstellung ein resultierendes Drehmoment auf die Wälzkörperketten wirkt, wodurch diese im Blattlager 7 anfangen zu wandern und das Schmiermittel gleichmäßig auf die Laufbahnen im Blattlager 7 verteilen. Vorzeitigem Verschleiß aufgrund einer Verdrängung von Schmiermittel aus den Kontaktbereich zwischen Wälzkörper 12 und Laufbahnen wird somit vorgebeugt.
Zur Realisierung des Verfahrens weist die Windkraftanlage 1 eine Steuerungseinheit auf. Jedes Blattlager 7 ist zudem mit einer Drehwinkelüberwachungseinheit versehen, welche die Drehrichtung bei der Anstellwinkelverstellung (entlang der ersten Schwenkrichtung 8 oder entlang der zweiten Schwenkrichtung 9) misst und an die Steuerungseinheit übermittelt. Ferner ist jedes Blattlager 7 mit zudem mit einer Lastüberwachungseinheit versehen, welche die auf das Blattlager 7 wirkende Last (Oberlast oder Unterlast) misst und mit Hilfe eines Sensors an die Steuerungseinheit übermittelt. Die übermittelten Daten werden von der Steuerungseinheit gespeichert und eine Historie angelegt. Anhand der Historie kann von der Steuerungseinheit überwacht werden, wie oft jedes Rotorblatt 2 unter Ober- oder Unterlast entlang der ersten Schwenkrichtung 8 und entlang der zweiten Schwenkrichtung 9 verschenkt wurde. Wenn nun eine erneute Veränderung des Anstellwinkels ansteht, kann von der Steuerungseinheit sodann entschieden werden, ob diese künftige Veränderung des Anstellwinkels entlang einer bestimmten Schwenkrichtung bei Oberlast oder bei Unterlast erfolgen sollte.
Zur Illustration wird beispielsweise ein Fall angenommen, bei welchem die Historie zeigt, dass ein Rotorblatt 2 bei vergangenen Anstellwinkelverstellungen unter Oberlast stets oder zumindest häufiger entlang der ersten Schwenkrichtung 8 verschwenkt wurde. Wenn nun der Anstellwinkel dieses Rotorblatts 2 erneut geändert werden muss und die Anstellwinkelverstellung dabei entlang der ersten Schwenkrichtung 8 erfolgen muss (um schneller den optimalen Anstellwinkel zu erreichen), dann erkennt die Steuerungseinheit, dass diese Art der Verstellbewegung bei Oberlast durchgeführt werden sollte, um das Wandern der Wälzkörperkette herbeizuführen. Das Rotorblatt 2 wird sodann nur dann verschwenkt, wenn sich das Rotorblatt 2 in oder nahe der 3.00 Uhr Position befindet. Falls die Zeit, in der das Rotorblatt 2 sich in und nahe dieser horizontalen Ausrichtung in oder nahe der 3.00 Uhr Position befindet, nicht ausreicht, um in die gewünschte Zielposition verschwenkt zu werden, wird die Verstellbewegung des Rotorblattes 2 über mehrere Drehungen der Rotornabe 5 gestreckt.
Bezugszeichenliste

1: Windkraftanlage
2: Rotorblatt
3: Turm
4: Gondel
5: Rotornabe
6: Längsachse
7: Blattlager
8: Erste Schwenkrichtung
9: Zweite Schwenkrichtung
10: Innenring
11: Außenring
12: Wälzkörper
13: Wälzkörperkäfig

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102011113122 A1 [0007]
DE 102012002203 A1 [0007]
DE 102015110246 [0007]

Claims

Verfahren zur Anstellwinkelverstellung eines Rotorblattes (2) einer Windkraftanlage (1), wobei das Rotorblatt (2) über ein Blattlager (7) an einer Rotornabe (5) der Windkraftanlage (1) drehbar befestigt ist, wobei das Blattlager (7) eine Mehrzahl von Wälzkörpern (12) aufweist, die in Laufbahnen des Blattlagers (7) laufen, wobei die Wälzkörper (12) in den Laufbahnen mittels Wälzkörperkäfigen (13) geführt werden, wobei zur Anstellwinkelverstellung das Rotorblatt (2) mittels des Blattlagers (7) entlang einer ersten Schwenkrichtung (8) oder entlang einer zur ersten Schwenkrichtung (8) entgegengesetzten zweiten Schwenkrichtung (9) gegenüber der Rotornabe (5) verschwenkt wird, wobei unabhängig vom Winddruck je nach Ausrichtung und Drehrichtung der Rotornabe (5) auf das Blattlager (7) eine vom Rotorblattgewicht verursachte Oberlast oder Unterlast wirkt, dadurch gekennzeichnet, dass die Anstellwinkelverstellung derart durchgeführt wird, dass eine Anstellwinkelverstellung unter Oberlast entlang der ersten Schwenkrichtung (8) und/oder eine Anstellwinkelverstellung unter Unterlast entlang der zweiten Schwenkrichtung (9) durchgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Anstellwinkelverstellung derart durchgeführt wird, dass eine Anstellwinkelverstellung unter Oberlast ausschließlich entlang der ersten Schwenkrichtung (8) und/oder eine Anstellwinkelverstellung unter Unterlast ausschließlich entlang der zweiten Schwenkrichtung (8, 9) durchgeführt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Blattlager (7) derart betrieben wird, dass sich der Tragwinkel des Blattlagers (7) bei einer Anstellwinkelverstellung entlang der ersten Drehrichtung (8) von dem Tragwinkel des Blattlagers (7) bei einer Anstellwinkelverstellung entlang der zweiten Drehrichtung (9) unterscheidet.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Blattlager (7) derart betrieben wird, dass der Tragwinkel des Blattlagers (7) stets größer als 10 Grad ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mittels einer Steuerungseinheit überwacht und insbesondere aufgezeichnet wird, in welche Schwenkrichtung (8, 9) und unter welcher Last die Anstellwinkelverstellung erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei mittels der Steuerungseinheit anhand der aufgezeichneten Daten bestimmt wird, in welche der beiden Schwenkrichtungen (8, 9) zukünftige Anstellwinkelverstellungen unter Oberlast oder unter Unterlast durchzuführen sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Anstellwinkelverstellung des Rotorblattes (2) über mehrere Drehungen der Rotornabe (5) gestreckt wird, um die Anstellwinkelverstellung gezielt auf bestimmte Oberlast- oder Unterlastphasen zu verteilen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei von einer Drehwinkelüberwachungseinheit die Drehrichtung an einem Blattlager (7) bei der Anstellwinkelverstellung gemessen und an die Steuerungseinheit übermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei von einer Lastüberwachungseinheit die auf ein Blattlager (7) wirkende Last gemessen und an die Steuerungseinheit übermittelt wird.
Windkraftanlage (1) zur Durchführung eines Verfahrens gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Windkraftanlage (1) eine Rotornabe (5) und eine Mehrzahl von Rotorblättern (2), die jeweils über Blattlager (7) drehbar an der Rotornabe (5) befestigt sind, aufweist, wobei zur Anstellwinkelverstellung der Rotorblätter (2) jedes Rotorblatt (2) mittels des zugehörigen Blattlagers (7) entlang einer ersten Schwenkrichtung (8) oder entlang einer zur ersten Schwenkrichtung (8) entgegengesetzten zweiten Schwenkrichtung (9) gegenüber der Rotornabe (5) schwenkbar ist, wobei unabhängig vom Winddruck je nach Ausrichtung und Drehrichtung der Rotornabe (5) auf das Blattlager (7) eine vom Rotorblattgewicht verursachte Oberlast oder Unterlast wirkt, dadurch gekennzeichnet, dass die Windkraftanlage (1) eine Steuerungseinheit zur Steuerung der Anstellwinkel der Rotorblätter (2) aufweist, welche derart konfiguriert ist, dass eine Anstellwinkelverstellung unter Oberlast entlang der ersten Schwenkrichtung (8) und/oder eine Anstellwinkelverstellung unter Unterlast entlang der zweiten Schwenkrichtung (9) durchgeführt werden.
Windkraftanlage (1) nach Anspruch 10, wobei die Steuerungseinheit eine Überwachungseinheit zur Überwachung und insbesondere Aufzeichnung, in welche Schwenkrichtung (8) und unter welcher Last die Anstellwinkelverstellung jeweils erfolgt, aufweist.
Windkraftanlage (1) nach einem der Ansprüche 10 oder 11, wobei die Windkraftanlage (1) eine Lastüberwachungseinheit zur Messung der auf ein Blattlager (7) wirkenden Last aufweist.