DE102016113786A1

DE102016113786A1 - Verfahren zur Anstellwinkelverstellung eines Rotorblattes einer Windkraftanlage und Windkraftanlage

Info

Publication number: DE102016113786A1
Application number: DE102016113786.3A
Authority: DE
Inventors: Stefan Schnieder; Jörg Rollmann; Bernd Lüneburg; Wolfgang Claus
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 der Windkraftanlage (1) drehbar befestigt ist, 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 oder unter Unterlast auf die erste und die zweite Schwenkrichtung (8, 9) verteilt 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 rechner basierten 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 Schwerpunktsabstand 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 Windkraftanlagen 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 , WO 2011 / 013 536 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 insbesondere bei einer fortgesetzten Anstellwinkelverstellung der Blattlager in Phase mit der Belastungsschwankung zwischen zwei festen Belastungsniveaus (Oberlast und Unterlast) ein erhöhter Drehwiderstand (bis hin zum Blockieren) der Blattlager auftreten kann, da bei dieser Betriebsweise die Wälzkörperkette dazu neigt sich aufzuschieben. Dieses Problem tritt insbesondere bei solchen Blattlagern auf, bei welchen die Wälzkörper durch frei bewegliche Trennelemente (sogenannte Zwischenstücke) voneinander getrennt eingebaut sind oder wenn auf den Einbau von Trennelementen zwischen den Wälzkörpern gänzlich verzichtet wird. Der erhöhte Drehwiderstand führt zu einem erhöhten Verschleiß im Blattlager. Ein weiteres Problem ist, dass sich das Schmiermittel im Blattlager aufgrund der gleichbleibenden Bewegung und der gleichbleibenden Belastung mit der Zeit aus dem Kontaktbereich zwischen Wälzkörpern und Wälzkörperlaufbahn des Blattlagers herausarbeitet und anschließend für eine zuverlässige Schmierung fehlt. Diese Verdrängung des Schmiermittels sorgt ebenfalls für einen erhöhten Verschleiß und reduzierte Standzeiten.
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 eines Aufschiebens der Wälzkörperkette sowie einer Verdrängung von Schmiermittel aus den Kontaktbereichen zwischen Wälzkörpern und Laufbahnen 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 zur Anstellwinkelverstellung das Rotorblatt mittels des Blattlagers entlang einer ersten Schwenkrichtung oder entlang einer zur ersten Schwenkrichtung entgegengesetzten zweiten Schwenkrichtung gegenüber der Rotornabe geschwenkt wird, wobei unabhängig vom Winddruck und je nach Ausrichtung und Drehrichtung der Rotornabe auf das Blattlager eine vom Rotorblattgewicht verursachte Oberlast oder Unterlast wirkt, wobei die Anstellwinkelverstellung derart durchgeführt wird, dass eine Anstellwinkelverstellung unter Oberlast oder unter Unterlast auf die erste und die zweite Schwenkrichtung verteilt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass eine Situation vermieden wird, in welcher die Anstellwinkelverstellung in die eine Schwenkrichtung stets bei Oberlast durchgeführt wird, während die Anstellwinkelverstellung in die andere Schwenkrichtung stets bei Unterlast erfolgt. Stattdessen wird die Anstellwinkelverstellung in die erste Schwenkrichtung auf beide Lastbereiche, d.h. Ober- und Unterlast aufgeteilt. Analog wird auch die Anstellwinkelverstellung in die zweite Schwenkrichtung auf beide Lastbereiche, Ober- und Unterlast aufgeteilt. Auf diese Weise wird verhindert, dass sich die Wälzkörperkette aufschiebt und sich beim Blattlager das Schmiermittel aufgrund der weitgehend gleichbleibenden und vergleichsweise kleinen Amplitude des Schwenkweges bei der Anstellwinkelverstellung in Kombination mit der wechselnden Belastung zwischen zwei festen Belastungsniveaus aus dem Kontaktbereich zwischen den Wälzkörpern und den Laufbahnen herausarbeitet. Vorteilhafterweise kann durch das erfindungsgemäße Verfahren somit der Drehwiderstand sowie der Verschleiß in den Blattlagern reduziert und die Standzeit der gesamten Windkraftanlage erhöht werden.
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. Vorzugsweise sind zwischen den Wälzkörpern frei bewegliche Trennelemente (sogenannte Zwischenstücke) angeordnet oder die Wälzkörper sind unmittelbar hintereinander angeordnet, so dass benachbarte Wälzkörper direkt aneinanderstoßen können (d.h. es wird auf den Einbau von Trennelementen zwischen den Wälzkörpern verzichtet). 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 oder unter Unterlast im Wesentlichen gleichmäßig auf die erste und die zweite Schwenkrichtung verteilt werden. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass die Wälzkörperkette weder entlang der ersten Schwenkrichtung noch in Richtung der zweiten Schwenkrichtung aufgeschoben wird, wodurch dauerhaft der Drehwiderstand und der Verschleiß im Blattlager reduziert werden.
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 überwachen kann, dass in eine Schwenkrichtung nicht nur oder zu häufig ausschließlich unter Ober- oder Unterlast geschwenkt wurde. Hierfür werden die aufgezeichneten Daten von der Steuerungseinheit vorzugsweise analysiert und anhand der aufgezeichneten Daten wird dann detektiert, wenn bei der Anstellwinkelverstellung das Rotorblatt vollständig häufiger unter Oberlast oder Unterlast entlang der ersten oder zweiten Schwenkrichtung verschwenkt wurde. Um diese Ungleichverteilung zu kompensieren, wird von der Steuerungseinheit sodann festgelegt, dass die nächste oder mehrere zukünftige Anstellwinkelverstellungen entlang der ersten oder zweiten Drehrichtung sowohl teilweise unter Oberlast als auch teilweise unter Unterlast durchzuführen sind, um wieder eine größtmögliche Gleichverteilung von Oberlast- und Unterlastbewegungen in beiden Schwenkrichtungen herzustellen. Denkbar ist, dass zur Wiederherstellung der Gleichverteilung der Wälzkörper eine Anstellwinkelverstellung des Rotorblatts über mehrere Drehungen der Rotornabe gestreckt wird, um die Anstellwinkelverstellung gezielt auf bestimmte Oberlast- oder Unterlastphasen zu verteilen. Die Anstellwinkelverstellung erstreckt sich somit zwar ggf. über einen längeren Zeitraum, aber dafür erhält die Steuerungseinheit mehr Flexibilität, um die Gleichverteilung schnell wieder herzustellen. Denkbar ist, dass solche Anstellwinkelverstellungen über mehrere Drehungen der Rotornabe nur in bestimmten zeitlichen Abständen oder wenn die Analyse der aufgezeichneten Daten zeigt, dass ein besonders großes Ungleichverteilung von Oberlast- und Unterlastbewegungen in beiden Schwenkrichtungen herrscht, durchgeführt werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass von einer Drehwinkelüberwachungseinheit die Schwenkrichtung 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.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Anstellwinkelverstellung entlang der ersten oder zweiten Schwenkrichtung derart langsam durchgeführt wird, dass sie sich zeitlich über mehrere Rotornabenumdrehungen erstreckt. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass sich die Anstellwinkelverstellung auch über mehrere Oberlast- und Unterlastphasen erstreckt. Die Anstellwinkelverstellung erfolgt dabei insbesondere langsamer als beim herkömmlichen „continious-pitch-Betrieb“. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Anstellwinkelverstellung derart durchgeführt wird, dass die Anstellwinkelverstellung stets inmitten oder am Ende einer Oberlast- oder Unterlastphase beginnt und sich zeitlich wenigstens bis in die nachfolgende Unterlast- oder Oberlastphase erstreckt.
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 oder unter Unterlast auf die erste und die zweite Schwenkrichtung verteilt 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 erfindungsgemäße 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. Die Rotorblätter 2 werden 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 ständig alternierenden 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. Der Begriff Oberlast wird hier der Situation zugeordnet, bei der das Kippmoment aus der Gewichtskraft des Blattes in Drehrichtung des Rotors wirkt (Rotorblatt ist in der 3 Uhr Position). Der Begriff Unterlast wird für die Situation verwendet, bei der das Kippmoment aus der Gewichtskraft maximal entgegen der Drehrichtung des Rotors wirkt (Rotorblatt ist beispielsweise in der 9 Uhr Position).
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 Laufbahnen weisen eine Innenkontur mit einem kreislinienförmigen Querschnitt auf. Je nach Position und Ausbildung der Innenkonturen weist das Blattlager 7 einen spezifischen Tragwinkel auf. Der Tragwinkel von Blattlagern 7 ist typischerweise kleiner als 90 Grad (meist zwischen 40 und 80 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 lose hintereinander angeordneten Wälzkörpern 12 angeordnet. Im vorliegenden Beispiel sind zwischen den hintereinander in einer Laufbahn angeordneten Wälzkörpern 12 frei bewegliche Trennelemente sogenannte Zwischenstücke 13 eingebaut. Alternativ kann aber auf den Einbau der Trennelemente zwischen den Wälzkörpern 12 auch gänzlich verzichtet werden. 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 die Wälzkörperketten in beiden Laufbahnen des Blattlagers 7 aufgrund der weitgehend gleichbleibenden und vergleichsweise kleinen Amplitude des Schwenkweges in Kombination mit der wechselnden Belastung zwischen zwei festen Belastungsniveaus (Oberlast und Unterlast) in Umfangsrichtung aufschieben. Ein Aufschieben der Wälzkörperkette führt zu einem erhöhten Drehwiderstand im Blattlager und somit zu einem erhöhten Verschleiß. Ein weiteres Problem ist, dass sich das Schmiermittel 7 aufgrund der gleichbleibenden Bewegung und der gleichbleibenden Belastung mit der Zeit aus dem Kontaktbereich zwischen Wälzkörpern 12 und Laufbahn herausarbeitet und anschließend für eine zuverlässige Schmierung fehlt. Diese Verdrängung des Schmiermittels sorgt ebenfalls 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 der Rotorblätter 2 betrieben. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die Anstellwinkelverstellung derart durchgeführt wird, dass eine Anstellwinkelverstellung unter Oberlast möglichst gleichmäßig auf die erste und zweite Schwenkrichtung 8, 9 verteilt wird. Analog wird auch die Anstellwinkelverstellung unter Unterlast möglichst gleichmäßig auf die erste und zweite Schwenkrichtung 8, 9 verteilt.
Mit anderen Worten: Es wird verhindert, dass ein Rotorblatt 2 bei Oberlast immer nur entlang der einen Schwenkrichtung verschwenkt wird, indem aktiv gesteuert wird, dass das Rotorblatt 2 in der horizontalen Ausrichtung (Oberlast) nahezu genauso oft entlang der ersten Schwenkrichtung 8 verschwenkt wird wie entlang der zweiten Schwenkrichtung 9. Auf diese Weise wird verhindert, dass sich die Wälzkörper 12 aufschieben und zu einem erhöhten Drehwiderstand nebst größerem Verschleiß führen. Gleiches gilt analog für die Unterlast.
Alternativ wird der Zeitpunkt der Verstellbewegung eines Rotorblattes derart gewählt, dass die Anstellwinkelverstellung stets inmitten oder am Ende einer Oberlast- oder Unterlastphase beginnt und sich zeitlich wenigstens in den Anfang einer nachfolgenden Unterlast- oder Oberlastphase erstreckt.
Denkbar ist auch, dass die Anstellwinkelverstellung entlang der ersten oder zweiten Schwenkrichtung derart langsam durchgeführt wird, dass sie sich zeitlich über mehrere Rotornabenumdrehungen erstreckt. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass sich die Anstellwinkelverstellung auch über mehrere Oberlast- und Unterlastphasen erstreckt. Die Anstellwinkelverstellung erfolgt dabei insbesondere langsamer als beim herkömmlichen „continious-pitch-Betrieb“.
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 zudem mit einer Lastüberwachungseinheit versehen, welche die auf das Blattlager 7 wirkende Last (Oberlast oder Unterlast) misst und 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 ausschließlich oder überwiegend 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 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 entlang der ersten Schwenkrichtung 8 für einen längeren Zeitraum oder deutlich häufiger bei Unterlast verschwenkt wurde als bei Oberlast. 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 Verstellbewegung bei Oberlast durchgeführt werden sollte, um wieder eine gleichmäßigere Verteilung der Verstellbewegungen in der Historie zu erhalten und so ein Aufschieben der Wälzkörper 12 im zugehörigen Blattlager 7 zu vermeiden. Das Rotorblatt 2 wird sodann nur dann verschwenkt, wenn sich das Rotorblatt 2 in oder nahe der Ausrichtung bei Oberlast befindet. Falls die Zeit, in der das Rotorblatt 2 sich in und nahe der horizontalen Ausrichtung 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: Zwischenstücke

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

DE 102011113122 A1 [0007]
DE 102012002203 A1 [0007]
WO 2011/013536 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 der Windkraftanlage (1) drehbar befestigt ist, 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) geschwenkt 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 oder unter Unterlast auf die erste und die zweite Schwenkrichtung (8, 9) verteilt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Anstellwinkelverstellung derart durchgeführt wird, dass eine Anstellwinkelverstellung unter Oberlast oder unter Unterlast im Wesentlichen gleichmäßig auf die erste und die zweite Schwenkrichtung (8, 9) verteilt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mittels einer Steuerungseinheit überwacht und insbesondere aufgezeichnet wird, in welche Schwenkrichtung (8) und unter welcher Last die Anstellwinkelverstellung erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei mittels der Steuerungseinheit anhand der aufgezeichneten Daten detektiert wird, wenn bei der Anstellwinkelverstellung das Rotorblatt (2) häufiger unter Oberlast oder Unterlast entlang der ersten oder zweiten Schwenkrichtung (8, 9) verschwenkt wurde.
Verfahren nach Anspruch 4, 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 Umdrehungen der Rotornabe (5) gestreckt wird, um die Anstellwinkelverstellung gezielt auf bestimmte Oberlast- oder Unterlastphasen zu verteilen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Anstellwinkelverstellung derart durchgeführt wird, dass die Anstellwinkelverstellung stets inmitten oder am Ende einer Oberlast- oder Unterlastphase beginnt und sich zeitlich wenigstens bis in die nachfolgende Unterlast- oder Oberlastphase erstreckt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei von einer Drehwinkelüberwachungseinheit die Schwenkrichtung 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 oder unter Unterlast auf die erste und die zweite Schwenkrichtung (8, 9) verteilt 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.