DE102016224877A1

DE102016224877A1 - Lagervorrichtung für ein Rotorblatt, Rotorblattstellvorrichtung, Rotor für eine Windenergieanlage und Windenergieanlage

Info

Publication number: DE102016224877A1
Application number: DE102016224877.4A
Authority: DE
Inventors: Alexander Hasse; Michael Jüttner; Stephan Tremmel
Original assignee: Friedrich Alexander Univeritaet Erlangen Nuernberg FAU
Current assignee: Friedrich Alexander Univeritaet Erlangen Nuernberg FAU
Priority date: 2016-12-13
Filing date: 2016-12-13
Publication date: 2018-06-14
Also published as: WO2018109029A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Lagervorrichtung (4) für ein Rotorblatt (3), eine Rotorblattstellvorrichtung und einen Rotor (1) einer Windenergieanlage, sowie eine solche Windenergieanlage selbst. Die Lagervorrichtung (4) umfasst ein Festkörpergelenk (12). Letzteres dient zur Halterung des Rotorblatts (3) an einer Rotornabe (2) des Rotors (1) der Windenergieanlage. Außerdem ist das Festkörpergelenk (12) derart gestaltet, dass unter elastischer Deformation eine Verdrehung um die Blattstellachse (5) zugelassen ist, und dass quer und/oder längs zur Blattstellachse (5) gerichtete Translationen und/oder Verdrehungen im Wesentlichen unterbunden sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Lagervorrichtung für ein Rotorblatt einer Windenergieanlage sowie eine Rotorblattstellvorrichtung für eine Windenergieanlage. Des Weiteren betrifft die Erfindung einen Rotor für eine Windenergieanlage sowie eine Windenergieanlage mit einem solchen Rotor.
Windenergieanlagen, auch als „Windturbinen“ oder „Windräder“ bezeichnet, kommen im Bereich der sogenannten erneuerbaren Energien zur Stromerzeugung zum Einsatz. Derartige Windenergieanlagen umfassen üblicherweise einen mit einem Generator gekoppelten Rotor, der durch Windkraft in Rotation versetzt wird und somit den Generator antreibt. Meist kommen dabei Generatoren zum Einsatz, die idealerweise mit einer möglichst konstanten (Dreh-)Geschwindigkeit betrieben werden sollten. Dies ist insbesondere im Hinblick auf eine effiziente und kostengünstige Stromerzeugung vorteilhaft.
Da meist allerdings lokal und zeitlich variierende Windgeschwindigkeiten vorliegen, wird die Drehgeschwindigkeit der Rotoren üblicherweise durch eine Veränderung des sogenannten Anstellwinkels (auch als „Pitch“ bezeichnet) der Rotorblätter auf einen Sollwert eingestellt, insbesondere geregelt. Mittels einer solchen Rotorblattverstellung kann im Bedarfsfall die Rotation auch gestoppt werden, indem die Rotorblätter „aus dem Wind“ (insbesondere fluchtend zur Windrichtung) gedreht werden. Unter dem Begriff „Anstellwinkel“ wird hier und im Folgenden insbesondere der Winkel der Blattebene (konkret einer sogenannten Profilsehne) des jeweiligen Rotorblatts gegenüber der Richtung der anströmenden Luft verstanden.
Zusätzlich zu der Problematik, dass eine möglichst gleichbleibende Drehgeschwindigkeit des Rotors beibehalten werden sollte, ist die gesamte Windenergieanlage aber auch aufgrund von ständig variierenden Windgeschwindigkeiten, insbesondere auch innerhalb eines als „Windfeld“ bezeichneten Bereichs über den Durchmesser des Rotors, veränderlichen Belastungen ausgesetzt. Diese Belastungen können das jeweilige Rotorblatt, dessen Lagerung, die Lagerung des Rotors, diesen selbst und/oder die gesamte Windenergieanlage unter Umständen schädigen und so zu einem vorzeitigen Ausfall der Windenergieanlage führen. Deshalb sind unter Umständen vergleichsweise hohe Wartungskosten zum Erhalt der Funktionstüchtigkeit der Windenergieanlage nötig, die im Extremfall sogar eine Amortisation der Windenergieanlage verhindern können.
Um aufgrund derartiger Windfelder mit lokal variierenden Windgeschwindigkeiten die Belastung der einzelnen Rotorblätter möglichst gering zu halten, kommt teilweise eine sogenannte individuelle Anstellwinkelregelung (auch als „individual pitch control“, kurz: IPC, bezeichnet) zum Einsatz. Dabei wird in Abhängigkeit von der auf ein einzelnes Rotorblatt wirkenden Windkraft das jeweilige Rotorblatt einzeln (d. h. alle Rotorblätter separat voneinander und insbesondere während der Rotation fortlaufend) in seinem Anstellwinkel verstellt. Dadurch kann auch die auf die gesamte Windenergieanlage wirkende Belastung verringert werden, was zur Reduktion von Material an nahezu allen Komponenten der Windenergieanlage genutzt werden kann. Nachteilig an einer solchen individuellen Verstellung der Anstellwinkel ist jedoch, dass hier häufig (nur) Verstellungen im Bereich einstelliger Winkelwerte (insbesondere gemessen in Winkel- oder Bogengrad) erforderlich sind und vorgenommen werden, denn derart kleine Bewegungen unter Last führen bei herkömmlichen Lagern, wie z.B. Wälz- oder Gleitlagern, häufig zu übermäßigem Verschleiß und/oder zu Belastungen, die außerhalb des bestimmungsgemäßen, insbesondere auslegungskonformen Lastbereichs solcher Lager liegen. Dies kann wiederum zu erhöhten Wartungskosten und/oder zu vorzeitigen Ausfällen derartiger Lager führen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Lebensdauer der Lagerung von Rotorblättern zu erhöhen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Lagervorrichtung für ein Rotorblatt mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Des Weiteren wird diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch eine Rotorblattstellvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 12. Ferner wird diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch einen Rotor für eine Windenergieanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 15. Außerdem wird diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch eine Windenergieanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 16.
Die erfindungsgemäße Lagervorrichtung dient zur (vorzugsweise verstellbaren) Lagerung eines Rotorblatts einer Windenergieanlage. Die Lagervorrichtung umfasst dabei ein Festkörpergelenk. Dieses Festkörpergelenk ist dabei zur Halterung des Rotorblatts an einer Rotornabe eines Rotors der Windenergieanlage eingerichtet. Das heißt, dass vorzugsweise das Rotorblatt im bestimmungsgemäßen Montagezustand mittelbar oder unmittelbar an dem Festkörpergelenk befestigt ist und mittels des Festkörpergelenks mittelbar oder unmittelbar an einem Rotor der Windenergieanlage. Außerdem ist das Festkörpergelenk derart gestaltet, dass unter elastischer Deformation (insbesondere zumindest eines Teils des Festkörpergelenks) eine Verdrehung (auch: Torsion) um eine als Blattstellachse bezeichnete Rotationsachse zugelassen (d. h. insbesondere unter einem auf die Verdrehung gerichteten Einsatz einer Stellkraft möglich) ist, und dass quer und/oder längs zur Blattstellachse gerichtete Translationen (Verschiebungen) und/oder Verdrehungen im Wesentlichen - d. h. vollständig oder (insbesondere im Rahmen üblicher Toleranzen) näherungsweise - unterbunden sind. Das heißt, dass das Festkörpergelenk im Hinblick auf quer bzw. längs zur Blattstellachse gerichtete Freiheitsgrade „versteift“ oder „gesperrt“ ist. Anders ausgedrückt weist das Festkörpergelenk im rotatorischen Freiheitsgrad um die Blattstellachse (d. h. in Rotationsrichtung um die Blattstellachse) eine niedrige Steifigkeit und in den übrigen rotatorischen und translatorischen Freiheitsgraden eine um ein Vielfaches höhere Steifigkeit auf, sodass in diesen übrigen Freiheitsgraden lediglich vernachlässigbare Bewegungsumfänge möglich oder vorzugsweise unterbunden sind.
Unter dem Ausdruck „unter elastischer Deformation“ wird hier und im Folgenden insbesondere verstanden, dass das Festkörpergelenk (vorzugsweise ausschließlich) elastisch deformiert wird, wenn es zur Verstellung des Rotorblatts bestimmungsgemäß um die Blattstellachse (insbesondere unter bestimmungsgemäßem Einsatz einer Stellkraft) verdreht wird. Unter dem Begriff „Blattstellachse“ wird hier und im Folgenden insbesondere die Achse verstanden, um die im bestimmungsgemäßen Montagezustand das an der Lagervorrichtung montierte Rotorblatt zur Einstellung eines (Blatt-)Anstellwinkels verdreht wird.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Lebensdauer sowie gegebenenfalls auch die Wartungsintervalle von Windenergieanlagen, insbesondere deren Rotoren, durch eine individuelle Blattverstellung eines jeden Rotorblatts, insbesondere in Abhängigkeit der in einem Windfeld auf den gesamten Rotor wirkenden, unterschiedlichen Windlasten, verlängert werden können. Ebenso können auch die auf die Struktur der Windenergieanlage wirkenden Belastungen verringert werden, sodass zumindest einzelne Bauelemente der Windenergieanlage vereinfacht, insbesondere leichter gestaltet werden können. Des Weiteren kann auch der Wirkungsgrad der Windenergieanlage verbessert werden. Andererseits wirkt sich eine solche individuelle, meist dynamische Blattverstellung, die häufig nur im Bereich weniger Winkelgrad (insbesondere im einstelligen Wertebereich) abläuft, negativ auf Lager aus, die zur verstellbaren Halterung des jeweiligen Rotorblatts eingesetzt werden. Mittels der erfindungsgemäßen Lagervorrichtung ist es hingegen möglich, eine Blattverstellung insbesondere im Bereich weniger (Winkel-)Gradzahlen nur durch elastische Deformation des Festkörpergelenks auszuführen. Somit können aufgrund der erfindungsgemäßen Lagervorrichtung Relativbewegungen (z. B. Abgleiten und/oder Abrollen) von Bauteilen, die regelmäßig zu Ermüdung, Materialverschleiß und/oder Deformationen führen, vermieden werden.
In einer bevorzugten Ausführung umfasst die Lagervorrichtung zusätzlich zu dem Festkörpergelenk auch ein reibungsbehaftetes Lager, das im Wesentlichen (exakt oder näherungsweise) nur einen um die Blattstellachse gerichteten rotatorischen Freiheitsgrad aufweist. Insbesondere ist die Lagervorrichtung dabei außerdem derart gestaltet, dass das reibungsbehaftete Lager oder das Festkörpergelenk zur Verbindung mit der Rotornabe und (entsprechend umgekehrt) das Festkörpergelenk bzw. das reibungsbehaftete Lager zur Verbindung mit dem Rotorblatt eingerichtet sind.
Vorzugsweise sind das reibungsbehaftete Lager und das Festkörpergelenk außerdem untereinander kraftübertragungstechnisch gekoppelt. Besonders bevorzugt sind das reibungsbehaftete Lager und das Festkörpergelenk dabei unmittelbar oder mittels eines vorzugsweise in sich starren Verbindungsstücks in Reihe geschaltet, sodass sich eine Summation der jeweiligen Verdrehungen des reibungsbehafteten Lagers und des Festkörpergelenks ergibt.
Unter einem „reibungsbehafteten“ Lager wird hier und im Folgenden ein Lager verstanden, das im Wesentlichen (d. h. vollständig oder näherungsweise ausschließlich) auf (Quasi-)Starrkörperbewegungen beruht. Insbesondere sind bei einem solchen Lager wenigstens zwei Bauteile des Lagers (die jeweils einen der vorstehenden Starrkörper bilden) unter Überwindung einer Reibungskraft (z. B. Rollreibung oder Gleitreibung) relativ zueinander verstellbar. Das reibungsbehaftete Lager ist vorzugsweise außerdem als sogenanntes „Momentenlager“ ausgeführt, sodass lediglich die vorstehend beschriebene Rotation zugelassen ist, sonstige Verschiebungen (insbesondere in radialer sowie in axialer Richtung) und Verkippungen (insbesondere Kippmomente) aber von dem reibungsbehafteten Lager aufgenommen werden.
Vorzugsweise fällt die Blattstellachse mit der Rotationsachse des reibungsbehafteten Lagers zusammen.
Unter „zur Verbindung eingerichtet“ wird hier und im Folgenden insbesondere dahingehend verstanden, dass das reibungsbehaftete Lager sowie das Festkörpergelenk jeweils bspw. eine Art Montagefläche oder Flansch umfassen, mittels derer beide im bestimmungsgemäßen Montagezustand der Windenergieanlage (zumindest des Rotors) unmittelbar oder unter Zwischenschaltung von insbesondere steifen, vorzugsweise in sich starren Verbindungselementen (bspw. einer Art Adapter, Abstandsstücken oder dergleichen) mit der Rotornabe bzw. dem Rotorblatt verbunden sind.
Unter dem Ausdruck „und/oder“ wird hier und im Folgenden insbesondere verstanden, dass die mit diesem Ausdruck verknüpften Merkmale als Alternativen oder auch in Kombination vorliegen können.
Vorteilhafterweise ermöglicht die Kombination des Festkörpergelenks mit dem reibungsbehafteten Lager eine, im Vergleich zum (unter rein elastischer Deformation) maximal möglichen Verstellbereich des Festkörpergelenks gesehen, großwinkelige Verstellung des Rotorblatts, insbesondere um bis zu 90° oder mehr, die meist zur herkömmlichen Einstellung (Regelung) der Rotationsgeschwindigkeit des Rotors erforderlich ist. Insbesondere für den Fall, dass das Festkörpergelenk unabhängig von dem reibungsbehafteten Lager verstellt wird, kann auch eine für herkömmliche, reibungsbehaftete Lager untypische und entgegen deren Auslegungskriterien ablaufende Bewegung mit besonders kleinem Bewegungsumfang - insbesondere unterhalb einer Wälzkörperteilung oder innerhalb oder in der Größenordnung einer in Bezug auf ein Wälzlager sogenannten „Kontaktellipse“ - auf besonders einfache Weise vermieden werden. Somit können mittels der vorliegenden Ausführung der Lagervorrichtung Relativbewegungen von Bauteilen vorzugsweise innerhalb kleiner Bewegungsumfänge, die regelmäßig zu Ermüdung, Materialverschleiß und/oder Deformationen führen, insbesondere von einer Verstellung des reibungsbehafteten Lagers entkoppelt werden.
Vorzugsweise ist das Festkörpergelenk derart ausgelegt, dass es unter elastischer Deformation in einem Winkelbereich mit Beträgen zwischen 0° und 10°, besonders bevorzugt von 0° bis 3° oder bis 5° (insbesondere relativ, d. h. unabhängig von einem über das reibungsbehaftete Lager eingestellten Anstellwinkel des Rotorblatts) verstellbar ist.
Zur Verstellung des Festkörpergelenks ist in einer zweckmäßigen Ausführung diesem ein erstes Kopplungselement zur Kopplung des Festkörpergelenks mit einem ersten Stellantriebselement (d. h. mit einem Antriebselement eines im bestimmungsgemäßen Montagezustand der Lagervorrichtung übergeordneten Antriebssystems) funktionell zugeordnet.
In einer weiteren zweckmäßigen Ausführung ist dem reibungsbehafteten Lager ein zweites Kopplungselement zur Kopplung des Lagers mit einem (insbesondere von dem ersten Stellantriebselement unabhängig ansteuerbaren) zweiten Stellantriebselement, insbesondere des vorstehend genannten Antriebssystems funktionell zugeordnet. Dadurch sind vorzugsweise das reibungsbehaftete Lager und das Festkörpergelenk im bestimmungsgemäßen Montagezustand des Rotors separat voneinander ansteuerbar, d. h. verstellbar. Insbesondere wird dadurch vorteilhafterweise die vorstehend beschriebene Entkopplung insbesondere kleiner Verstellungen des Rotorblatts, d. h. Verstellungen im Bereich kleiner Anstellwinkel, insbesondere kleiner Winkeldifferenzen mit einem Betrag von etwa 0° bis 10° (bzw. 5° oder 3°) weiter vereinfacht.
Unter „funktionell zugeordnet“ wird hier und im Folgenden insbesondere verstanden, dass das jeweilige Kopplungselement derart wirktechnisch mit dem reibungsbehafteten Lager bzw. dem Festkörpergelenk gekoppelt ist, dass die im bestimmungsgemäßen Betrieb von dem jeweiligen Stellantriebselement auf das entsprechende Kopplungselement übertragene Stellkraft auf das reibungsbehaftete Lager bzw. das Festkörpergelenk übertragen wird. Zweckmäßigerweise ist das jeweilige Kopplungselement dabei mittelbar oder unmittelbar mit dem reibungsbehafteten Lager bzw. dem Festkörpergelenk verbunden.
In einer weiteren zweckmäßigen Ausführung weist das Festkörpergelenk insbesondere ein der Rotornabe oder dem Rotorblatt (vorzugsweise funktionstechnisch) zugeordnetes erstes Trägerelement und ein dem Rotorblatt bzw. der Rotornabe (vorzugsweise funktionstechnisch) zugeordnetes zweites Trägerelement auf. Das zweite Trägerelement ist dabei mittels insbesondere wenigstens zweier plattenartiger (insbesondere flächiger, vorzugsweise dünnwandiger, d. h. im Vergleich zu ihrer Längs- und/oder Flächenerstreckung um ein Vielfaches flacherer) Streben an dem ersten Trägerelement befestigt. Eine Plattenebene (d. h. Ebene einer Flachseite) der Streben ist dabei außerdem insbesondere in Richtung der Blattstellachse ausgerichtet. „(Funktionstechnisch) zugeordnet“ wird in diesem Zusammenhang (analog zur vorstehenden Beschreibung) insbesondere dahingehend verstanden, dass das jeweilige Trägerelement zur (unmittelbaren oder mittelbaren) Halterung des Festkörpergelenks an der Rotornabe bzw. zur gegenüber dem entsprechend anderen Trägerelement beweglichen (unmittelbaren oder mittelbaren) Halterung des Rotorblatts an dem Festkörpergelenk eingerichtet ist. Eines der beiden Trägerelemente bildet somit aus Sicht des mit dem anderen Trägerelement mitbewegten Rotorblatts ein „feststehendes“ Trägerelement - selbst wenn dieses Trägerelement mittels des reibungsbehafteten Lagers an der Rotornabe gehaltert und folglich gegenüber der Rotornabe beweglich ist. Die plattenartigen Streben (auch als „Lamellen“ bezeichnet) weisen vorteilhafterweise in Richtung ihrer Plattenebene ein Flächenträgheitsmoment (auch als „axiales Flächenmoment zweiter Ordnung“ bezeichnet) auf, das (konkret dessen Wert) um ein Vielfaches (beispielsweise um das 10- bis 100-Fache) größer ist als ein quer, insbesondere normal zur Plattenebene (d. h. insbesondere in Dickenrichtung der einzelnen Streben) gerichtetes Flächenträgheitsmoment. Vorzugsweise sind die plattenartigen Streben dabei derart ausgerichtet, dass ein vergleichsweise niedriges Flächenträgheitsmoment zur Ermöglichung der Verdrehung der beiden Trägerelemente zueinander und ein um ein Vielfaches größeres, insbesondere das größte Flächenträgheitsmoment zur „Sperrung“ der übrigen Freiheitsgrade beitragen.
In einer zweckmäßigen Weiterbildung kreuzen die vorstehend beschriebenen Streben selbst oder zumindest eine gedachte Verlängerung ihrer jeweiligen Plattenebene die Blattstellachse. Das heißt, dass die plattenartigen Streben vorzugsweise radial zur Blattstellachse ausgerichtet sind. Somit wird die Plattenebene einer jeden Strebe von der Blattstellachse und einem auf dieser stehenden Radius(-„Strahl“) aufgespannt. Aufgrund dieser Anordnung einer jeden Strebe ist deren Flächenträgheitsmoment (mithin deren strukturbedingte Steifigkeit) - wie vorstehend beschrieben - in radialer Richtung um ein Vielfaches größer als das quer zur radialen, d. h. in Umfangsrichtung oder Tangentialrichtung (auch: normal zur Plattenebene) gerichtete Flächenträgheitsmoment (bzw. die strukturbedingte Steifigkeit in dieser Richtung). Vorzugsweise ist dieses radial gerichtete Flächenträgheitsmoment auch um ein Vielfaches größer als das Torsionsträgheitsmoment einer jeden Strebe. Durch diese Ausrichtung der unterschiedlich hohen Trägheitsmomente wird vorteilhafterweise auf einfache Weise eine Beweglichkeit des Festkörpergelenks um die Blattstellachse ermöglicht, wohingegen aufgrund der Zusammenwirkung aller Streben in Richtung der übrigen Freiheitsgrade Bewegungen (d. h. elastische Deformationen) vollständig verhindert oder zumindest auf ein im Rahmen üblicher Toleranzen vernachlässigbares Maß verringert werden. Außerdem ist das Festkörpergelenk in diesem Fall zu einem Großteil seines Volumens (d.h. insbesondere zu mehr als 50%) als gerippeartige Struktur gebildet, die zu einem insbesondere bei Windenergieanlagen angestrebten Leichtbau beiträgt.
In einer zweckmäßigen Ausführung sind das erste und das zweite Trägerelement des Festkörpergelenks als (sich vorzugsweise über die Blattstellachse hinweg gegenüberliegende) Ringabschnitte, insbesondere Kreisringabschnitte ausgebildet. Die wenigstens zwei (vorzugsweise die Blattstellachse kreuzenden) Streben sind dabei mit ihren entgegengesetzten Enden, in diesem Fall als „Radialenden“ bezeichnet, an jeweils einem der beiden Ringabschnitte befestigt. Die jeweiligen Enden der beiden Ringabschnitte (insbesondere im Fall der Kreisringabschnitte deren Enden in Umfangsrichtung) sind dabei im unausgelenkten Zustand in Umfangsrichtung voneinander beabstandet, sodass innerhalb der Ringebene eine rotatorische Beweglichkeit der beiden Ringabschnitte gegeneinander möglich ist. Im Fall der Kreisringabschnitte sind diese somit insbesondere kleiner als ein Halbkreisabschnitt ausgebildet und überspannen bspw. etwa einen Viertelkreis. In Abhängigkeit von der zu erzielenden Steifigkeit des Festkörpergelenks in den übrigen Freiheitsgraden (sowie insbesondere auch von der Größe, vorzugsweise dem Durchmesser des Festkörpergelenks) sind die beiden Ringabschnitte in Richtung der Blattstellachse langgestreckt ausgebildet.
In einer ersten Variante des vorstehend beschriebenen Festkörpergelenks kreuzen sich die wenigstens zwei Streben in der Blattstellachse. Die Streben sind dabei insbesondere im Bereich der Blattstellachse vergleichbar zu Speichen eines Rades miteinander verbunden. In diesem Fall erstrecken sich die Streben in Richtung der Blattstellachse vorzugsweise jeweils über zumindest näherungsweise die gleiche Länge wie die beiden Ringabschnitte. Diese erste Variante wird auch als „Wagenradgelenk“ bezeichnet. In einer zweiten Variante kreuzen die Streben die Blattstellachse ebenfalls, sind dabei aber entlang der Blattstellachse aufeinanderfolgend (und voneinander getrennt) angeordnet. D. h. die Streben kreuzen sich in diesem Fall nicht gegenseitig. Diese zweite Variante wird auch als „Kreuzfedergelenk“ bezeichnet. In beiden Fällen werden die Streben bei einer Verdrehung des Festkörpergelenks um die Blattachse, insbesondere der beiden Ringabschnitte gegeneinander, im Wesentlichen auf Biegung (insbesondere um die Blattstellachse) beansprucht.
In einer bevorzugten, zu den vorstehend beschriebenen Wagenrad- oder Kreuzfedergelenken alternativen Ausführung umfasst das Festkörpergelenk als erstes und zweites Trägerelement eine erste und eine zweite Gelenkgrundplatte sowie die vorstehend beschriebenen wenigstens zwei, mit ihrer jeweiligen Plattenebene axial und radial ausgerichteten Streben. Die beiden Gelenkgrundplatten sind dabei mit ihrer jeweils zugeordneten Grundplattenebene senkrecht zur Blattstellachse und insbesondere zueinander axial beabstandet angeordnet. Des Weiteren ist jede Strebe zwischen den beiden Gelenkgrundplatten axial verlaufend angeordnet. Die Streben sind dabei vorzugsweise mit ihren jeweiligen Axialenden an der ersten Gelenkgrundplatte und an der zweiten Gelenkgrundplatte befestigt. Vorzugsweise umfasst das Festkörpergelenk vier oder mehr als vier dieser Streben, beispielsweise sechs, sieben, acht oder bis zu etwa dreißig. In einer Variante kreuzen sich die wenigstens zwei Streben in der Blattstellachse. Diese Variante wird auch als Kreuzgelenk (englisch: „cruciform-hinge“) bezeichnet. In einer weiteren Variante erstrecken sich die Streben nicht über die Blattstellachse hinweg, sondern sind radial von dieser beabstandet angeordnet. In diesem Fall umfasst das Festkörpergelenk mindestens vier Streben. Im Fall von genau vier Streben stehen deren Plattenebenen zweckmäßigerweise senkrecht aufeinander. Diese weitere Variante wird - insbesondere für den Fall, dass mehr als vier Streben vorhanden sind - auch als „Käfiggelenk“ bezeichnet, da die Streben „gitterstabartig“ um einen zentralen, um die Blattstellachse gebildeten Freiraum angeordnet sind. In letzterem Fall wird außerdem auf einfache Weise ermöglicht, Masse im Bereich des Festkörpergelenks einzusparen ohne die Steifigkeit des Festkörpergelenks in den anderen Freiheitsgraden (als dem um die Blattstellachse rotatorischen Freiheitsgrad) signifikant zu verringern. Die Streben werden in beiden Varianten dieser Ausführung bei einer Verdrehung des Festkörpergelenks um die Blattachse, insbesondere der beiden Gelenkgrundplatten gegeneinander, im Wesentlichen auf Biegung überlagert mit Torsion beansprucht. Vorteilhafterweise ist das Festkörpergelenk dabei auch derart ausgelegt, dass eine bei Torsion des Festkörpergelenks gegebenenfalls auftretende Verkürzung (insbesondere gegenüber der Gesamtlänge des Festkörpergelenks) vernachlässigbar gering ist.
Beispielsweise beträgt die gesamte Länge des Festkörpergelenks (insbesondere bei einem Rotordurchmesser von etwa 40 bis 160 Meter) in Richtung der Blattstellachse zwischen 1 und 3 Metern, insbesondere etwa 2 Meter.
In einer zweckmäßigen Ausführung umfasst das Festkörpergelenk ein mit dem ersten Kopplungselement insbesondere starr verbundenes Stellkraftstützelement, das mit dem ersten Trägerelement, bspw. der ersten Gelenkgrundplatte starr gekoppelt ist. Das erste Kopplungselement sowie das Stellkraftstützelement sind in einer optionalen Variante durch ein- und dasselbe Bauteil gebildet. In beiden Fällen weist das zweite Trägerelement, bspw. die zweite Grundplatte zur rotatorischen Verstellung gegenüber dem ersten Trägerelement ein Befestigungselement auf, das im bestimmungsgemäßen Montagezustand unter Zwischenschaltung des vorstehend beschriebenen ersten Stellantriebselements mit dem ersten Kopplungselement (bzw. dem Stellkraftstützelement), insbesondere zur Übertragung einer Stellkraft gekoppelt ist. Vorzugsweise ist das Befestigungselement dabei starr mit dem zweiten Trägerelement verbunden. Das Stellkraftstützelement dient somit dazu, die Stellkraft zwischen den beiden Trägerelementen zu übertragen und mithin die Verstellung (insbesondere die Verdrehung um die Blattstellachse) des zweiten Trägerelements zu dem ersten Trägerelement zu ermöglichen.
In einer bevorzugten Ausführung, in der das Festkörpergelenk insbesondere als Käfiggelenk gebildet ist, ist das Stellkraftstützelement insbesondere als (vorzugsweise kreisförmiger) Hohlzylinder ausgebildet, der sich zentral zu den Streben von der ersten Gelenkgrundplatte zu der zweiten Gelenkgrundplatte erstreckt. Mithin bildet das Stellkraftstützelement insbesondere ein Rohr oder eine Art Kanal, das bzw. der sich zentral durch das Festkörpergelenk (insbesondere durch den zentralen Freiraum des Käfiggelenks) von der ersten Gelenkgrundplatte bis zur zweiten Gelenkgrundplatte erstreckt. Somit kann im bestimmungsgemäßen Montagezustand das zweite Kopplungselement auf einer Axialseite, insbesondere im Bereich der zweiten Gelenkgrundplatte angeordnet sein. Außerdem wird durch diese Ausführung vorteilhafterweise auch ein Leitungskanal zur Durchführung von Versorgungsleitungen durch das Festkörpergelenk selbst zur Verfügung gestellt. Je nach Abmessungen des Festkörpergelenks und des Rotorblatts kann der Hohlzylinder (zusätzlich oder alternativ) auch als Durchstieg für Wartungspersonal in das Rotorblatt dienen.
In einer alternativen, im Rahmen der Erfindung ebenfalls denkbaren Ausführung erstreckt sich das als Hohlzylinder ausgeführte Stellkraftstützelement außenseitig zu den Streben von der ersten Gelenkgrundplatte bis zur zweiten Gelenkgrundplatte und bildet somit eine Art Gehäuse um die Streben. Dies ist beispielsweise bei der Ausbildung des Festkörpergelenks als Kreuzgelenk zweckmäßig. Alternativ kann diese Gestaltung des Stellkraftstützelements aber auch bei der Ausführung des Festkörpergelenks als Wagenrad- oder Kreuzfedergelenk zum Einsatz kommen.
In einer weiteren zweckmäßigen Ausführung sind die vorstehend beschriebenen Streben des Festkörpergelenks aus Metall, insbesondere Stahl, oder aus einem faserverstärkten Kunststoff, beispielsweise aus einem kohlenstofffaserverstärkten Duroplasten oder aus einem Thermoplasten gefertigt. Als Fasern kommen alternativ oder optional zusätzlich Glasfasern, Aramidfasern, Basaltfasern und/oder Kunststofffasern zum Einsatz. Optional kommt für die Streben auch eine Verbundbauweise aus Metall und faserverstärktem Kunststoff zum Einsatz. Beispielsweise ist ein metallischer Kern mit einem faserverstärkten Kunststoff sandwichartig umgeben.
In einer weiteren zweckmäßigen Ausführung ist das reibungsbehaftete Lager als Wälzlager, beispielsweise als Kugellager, Rollenlager oder Tonnenlager ausgebildet. In diesem Fall handelt es sich bei der Reibung somit um „Rollreibung“. In einer alternativen, bevorzugten Ausführung ist das reibungsbehaftete Lager als Gleitlager, vorzugsweise als „segmentiertes“ Gleitlager ausgebildet. In letzterem Fall umfasst das Gleitlager zwei aneinander anliegende, kreisringförmige Gleitelemente, von denen zumindest eines in eine Vielzahl von Einzelelementen unterteilt ist, die separat voneinander ausgetauscht werden können. Dadurch werden eine besonders hohe Wartungsfreundlichkeit und insbesondere vergleichsweise niedrige Reparaturkosten im Schadensfall ermöglicht, da gegebenenfalls nur einzelne Segmente getauscht werden müssen. Um zusätzlich eine Kippstabilität des Gleitlagers und somit das Gleitlager als Momentenlager auszubilden, ist eines der Gleitelemente U-förmig ausgebildet und umgreift das andere Gleitelement in Axialrichtung gesehen vorder- und rückseitig. Insbesondere sind die Einzelelemente dabei U-förmig ausgebildet.
Die erfindungsgemäße Rotorblattstellvorrichtung für die Windenergieanlage umfasst die vorstehend beschriebene Lagervorrichtung. Das heißt, dass die Rotorblattstellvorrichtung zumindest das vorstehend beschriebene Festkörpergelenk umfasst, sowie vorzugsweise auch das reibungsbehaftete Lager. Weiterhin umfasst die Rotorblattstellvorrichtung das der Lagervorrichtung übergeordnete Antriebssystem, das wenigstens zur Verstellung des Festkörpergelenks, gegebenenfalls vorzugsweise auch zur jeweils separaten Verstellung des reibungsbehafteten Lagers und des Festkörpergelenks eingerichtet ist. D. h. das Antriebssystem ist in letzterem Fall derart ausgebildet, dass es das reibungsbehaftete Lager unabhängig von dem Festkörpergelenk (sowie entsprechend umgekehrt) verstellen kann. Beispielsweise umfasst das Antriebssystem dazu ein zentrales Krafterzeugungselement, insbesondere eine Hydraulikeinheit wie z. B. eine Hydraulikpumpe, sowie als erstes und gegebenenfalls als zweites Stellantriebselement, die dem Festkörpergelenk bzw. dem reibungsbehafteten Lager zugeordnet sind, jeweils mindestens einen Hydraulikzylinder. Zudem umfasst das Antriebssystem vorzugsweise eine zentrale Steuereinheit, insbesondere einen Controller (vorzugsweise einen Mikrochip insbesondere mit einem zugeordneten Speichermodul), der gegebenenfalls (schaltungs- oder softwaretechnisch) dazu eingerichtet ist, das erste Stellantriebselement separat von dem zweiten Stellantriebselement anzusteuern. In einer alternativen Ausführung umfasst das Antriebssystem als erstes und gegebenenfalls als zweites Stellantriebselement jeweils mindestens einen (separaten) Elektromotor mit einem entsprechend zugeordneten Getriebe. Dieser oder der jeweilige Elektromotor ist dabei mit der zentralen Steuereinheit bzw. dem Controller signalübertragungstechnisch gekoppelt, sodass gegebenenfalls eine separate Erzeugung einer Stellkraft für die Verstellung des reibungsbehafteten Lagers bzw. des Festkörpergelenks zielgerichtet erfolgen kann. In diesem Fall wird mithin die vorstehend genannte Reihenschaltung der Stellwinkel des reibungsbehafteten Lagers sowie des Festkörpergelenks realisiert.
In einer besonders zweckmäßigen Ausführung ist das Antriebssystem, insbesondere dessen (zentraler) Controller dazu eingerichtet, das reibungsbehaftete Lager erst (dann) zu verstellen, wenn ein zur Verstellung des jeweiligen Rotorblatts auf einen Anstellwinkel erforderlicher Stellwert einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet. Vorzugsweise handelt es sich sowohl bei dem Stellwert als auch bei dem Schwellwert um eine Winkeldifferenz zwischen einem Ist-Stellwinkel des Rotorblatts und einem Soll-Stellwinkel. Dadurch wird auf einfache Weise ermöglicht, dass insbesondere im Hinblick auf eine individuelle Blattverstellung (IPC) vergleichsweise geringe Winkeldifferenzen (vorzugsweise mit einem Betrag bis zu 10°, besonders bevorzugt bis etwa 3°) lediglich unter elastischer Deformation des Festkörpergelenks eingestellt werden. Erst größere Winkeldifferenzen, die einen „schonenden“, insbesondere auslegungsgerechten Bewegungsumfang für ein reibungsbehaftetes Lager darstellen, werden somit durch Verstellung des reibungsbehafteten Lagers selbst „angefahren“. Mithin wird eine komponentenschonende, insbesondere dynamische Rotorblattverstellung als Reaktion auf die in dem an dem Rotor anstehenden Windfeld vorliegenden (lokal variierenden) Windlasten ermöglicht und somit die Lebensdauer der Rotorblattstellvorrichtung an sich sowie der gesamten Windenergieanlage vorteilhaft erhöht.
In einer optional zusätzlichen Ausführung umfasst das Festkörpergelenk einen mechanischen Anschlag zur Begrenzung der möglichen Stellbewegung. Beispielswiese ist dieser Anschlag an dem (hohlzylindrischen) Stellkraftstützelement angeordnet, sowie ein korrespondierendes Gegenstück an dem zweiten Trägerelement.
In einer bevorzugten Weiterbildung ist das Antriebssystem im bestimmungsgemäßen Einsatzzustand signalübertragungstechnisch mit Sensoren gekoppelt oder umfasst derartige Sensoren, insbesondere solche, die einen Rückschluss auf die an dem jeweiligen Rotorblatt anliegende Windlast - oder vorzugsweise auf die innerhalb eines nachfolgenden Zeitfensters anliegenden Windlasten - ermöglichen. Derartige Sensoren sind in einfacher Ausführung durch Kraftsensoren, bspw. Dehnungssensoren gebildet. Zur vorausschauenden Ermittlung von Windlasten kommen bspw. auch Radarsensoren oder optische Sensoren zum Einsatz. Somit ist eine reaktive oder vorzugsweise sogar vorausschauende Verstellung (Regelung) der individuellen (Rotorblatt-)Anstellwinkel möglich.
Der erfindungsgemäße Rotor für die Windenergieanlage umfasst eine Anzahl von Rotorblättern sowie eine Rotornabe zur Halterung dieser Rotorblätter. Das jeweilige Rotorblatt ist dabei mittels der Lagervorrichtung der vorstehend beschriebenen Art an der Rotornabe verstellbar gelagert. Des Weiteren umfasst der Rotor das vorstehend beschriebene Antriebssystem. Das Antriebssystem ist mithin zur Verstellung des Festkörpergelenks sowie vorzugsweise zur davon separaten Verstellung des reibungsbehafteten Lagers eingerichtet. Mit anderen Worten umfasst der Rotor insbesondere die vorstehend beschriebene Rotorblattstellvorrichtung. Die Vorteile eines solchen Rotors ergeben sich in entsprechender Art und Weise analog zu den vorstehend beschriebenen Vorteilen der Lagervorrichtung bzw. der Rotorblattstellvorrichtung.
Die erfindungsgemäße Windenergieanlage umfasst einen Mast (oder auch: Turm) sowie den insbesondere an diesem Mast gelagerten Rotor, der vorzugsweise nach der vorstehend beschriebenen Art ausgebildet ist.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher dargestellt. Darin zeigen:

1 in einer schematischen Frontansicht ausschnittsweise einen Rotor einer Windenergieanlage,
2 bis 6 in einer schematischen Perspektivdarstellung jeweils ein Ausführungsbeispiel eines Festkörpergelenks zur verstellbaren Halterung eines Rotorblatts an einer Rotornabe des Rotors,
7 einen Ausschnitt des Rotors in einer Explosionsdarstellung,
8 in einer Schnittdarstellung VII-VII gemäß 1 einen Ausschnitt des Rotors gemäß 7, und
9 in einem Diagramm schematisch den Verlauf eines Anstellwinkels des Rotorblatts über der Zeit.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren stets mit gleichen Bezugszeichen versehen.
In 1 ist ein Rotor 1 einer nicht näher dargestellten Windenergieanlage dargestellt. Der Rotor 1 umfasst eine Rotornabe 2, mittels derer der Rotor 1 an einem Mast der Windenergieanlage um eine Rotorachse rotierbar gehaltert ist. Der Rotor 1 umfasst des Weiteren drei Rotorblätter 3. Außerdem umfasst der Rotor 1 zur Halterung eines jeden Rotorblatts 3 an der Rotornabe 2 jeweils eine Lagervorrichtung 4.
Die Lagervorrichtung 4 ist dazu eingerichtet, das jeweilige Rotorblatt 3 um eine als „Blattstellachse 5“ bezeichnete Längsachse drehbar zu haltern. Durch diese Drehbarkeit des jeweiligen Rotorblatts 3 gegenüber der Rotornabe 2 können die Rotorblätter 3 im Betrieb zur Regelung der Drehgeschwindigkeit des Rotors 1 unter einem variablen Anstellwinkel φ (auch als „Pitch“ bezeichnet) „in den Wind“ oder auch zum Stoppen der Rotation des Rotors 1 „aus dem Wind“ gedreht werden. Üblicherweise beträgt der Anstellwinkel φ dabei Werte zwischen 0° - d. h. die Blattebene (auch als Profilsehne bezeichnet) des Rotorblatts 3 liegt hier in der Anströmrichtung des Winds, üblicherweise senkrecht zu einer Rotationsebene aller Rotorblätter 3 des Rotors 1 - und 90°. In letzterem Fall liegt das Rotorblatt 3 üblicherweise mit seiner Blattebene in der Rotationsebene des Rotors 1.
Außerdem umfasst die Windenergieanlage, konkret der Rotor 1 ein Antriebssystem (nicht näher dargestellt), das dazu eingerichtet ist, den Anstellwinkel φ eines jeden Rotorblatts 3 im Betrieb der Windenergieanlage in Abhängigkeit von der an dem jeweiligen Rotorblatt 3 anliegenden Windlast - oder in einem optional zusätzlichen Ausführungsbeispiel in Abhängigkeit von der zu erwartenden Windlast - individuell zu verändern. Das heißt, dass während der Rotation des Rotors 1 jedes Rotorblatt 3 einzeln, kontinuierlich oder gegebenenfalls mehrfach während eines Umlaufs, verdreht wird, um die vom Wind auf das jeweilige Rotorblatt 3 ausgeübte Kraft näherungsweise auf einem Sollwert zu halten. Dadurch wird vorteilhafterweise die Belastung auf das jeweilige Rotorblatt 3 verringert sowie eine besonders gleichmäßige Rotationsbewegung ermöglicht. Derartige individuelle Verstellbewegungen laufen dabei größtenteils in einem vergleichsweise kleinen Bewegungsumfang von Winkelbeträgen zwischen 0° und 10° (meist zwischen 0° und 5°) ab. Das Antriebssystem bildet dabei zusammen mit der Lagervorrichtung 4 eine Rotorblattstellvorrichtung.
Um aus Verstellbewegungen mit derartig geringem Bewegungsumfang resultierende, nicht auslegungskonforme Belastungen auf herkömmliche Wälz- oder Gleitlager zu vermeiden, umfasst die Lagervorrichtung 4 zusätzlich zu einem solchen, reibungsbehafteten Lager 10 ein Festkörpergelenk 12, das zu dem reibungsbehafteten Lager 10 in Reihe angeordnet und mit diesem starr gekoppelt ist. Das Rotorblatt 3 ist dabei mit dem Festkörpergelenk 12 gekoppelt. Das reibungsbehaftete Lager 10 ist mit der Rotornabe 2 gekoppelt. Das Antriebssystem ist in nachfolgend näher beschriebener Art und Weise dazu eingerichtet, das Festkörpergelenk 12 unabhängig von dem reibungsbehafteten Lager 10 zu verstellen, sodass Verstellbewegungen in einem Winkelbereich mit Beträgen zwischen 0° und 10°, konkret zwischen 0° und 3°, nur unter elastischer Deformation des Festkörpergelenks 12 und ohne Verstellung des reibungsbehafteten Lagers 10 erfolgen.
In einem nicht näher dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst die Lagervorrichtung 4 nur das Festkörpergelenk 12. Das reibungsbehaftete Lager 10 entfällt in diesem Fall.
In 2 ist ein Ausführungsbeispiel des Festkörpergelenks 12 näher dargestellt. Das Festkörpergelenk 12 umfasst dabei als ein erstes Trägerelement einen ersten Kreisringabschnitt 14 sowie als ein zweites Trägerelement einen zweiten Kreisringabschnitt 16. Beide Kreisringabschnitte 14 und 16 sind konzentrisch um die Blattstellachse 5 angeordnet. Der erste Kreisringabschnitt 14 ist im bestimmungsgemäßen Montagezustand (vgl. 1) mit einem ersten Axialende 18 mit dem reibungsbehafteten Lager 10 gekoppelt und bildet damit aus Sicht des jeweiligen Rotorblatts 3 ein feststehendes Element des Festkörpergelenks 12 (angedeutet durch vier Striche 20). Der zweite Kreisringabschnitt 16 ist mittels zweier sich in der Blattstellachse 5 (speichenartig) kreuzender und plattenförmiger Streben 22 mit dem ersten Kreisringabschnitt 14 verbunden. Die Streben 22 sind dabei mit ihren jeweiligen radialen Enden mit dem ersten bzw. zweiten Kreisringabschnitt 14 bzw. 16 verbunden. Des Weiteren ist eine Plattenebene 24 der Streben 22 - d. h. deren flächige Erstreckung - von der Blattstellachse 5 und einem auf dieser stehenden Radiusstrahl aufgespannt. Der zweite Kreisringabschnitt 16 ist im bestimmungsgemäßen Montagezustand mit einem dem ersten Axialende 18 axial gegenüber liegenden zweiten Axialende 26 mit dem Rotorblatt 3 verbunden. Dieses Ausführungsbeispiel des Festkörpergelenks 12 wird auch als Wagenradgelenk bezeichnet.
Durch die in einer Axial-Radial-Ebene liegende Plattenebene 24 der Streben 22 ist deren Flächenträgheitsmoment in zur Blattstellachse 5 radialer Richtung um ein Vielfaches gegenüber den Trägheitsmomenten in anderen Raumrichtungen, konkret in Umfangsrichtung 28 erhöht. Dadurch werden Bewegungen, d. h. Verschiebungen und/oder Verdrehungen, in radialer Richtung effektiv unterbunden oder auf ein vernachlässigbares Maß eingeschränkt. Das Festkörpergelenk 12 ist somit in dieser Richtung versteift (oder auch: „gesperrt“). In Umfangsrichtung 28 ist allerdings aufgrund der plattenartigen Form der Streben 22 das Flächenträgheitsmoment einer jeden Strebe 22 gering, sodass eine elastische Deformation möglich ist. Aufgrund der radialen Ausrichtung der Streben 22 kann somit eine Rotation des zweiten Kreisringabschnitts 16 gegenüber dem ersten Kreisringabschnitt 14, d. h. eine Bewegung in Umfangsrichtung 28 erfolgen. Dadurch wird eine Verstellung des Anstellwinkels φ des Rotorblatts 3 ohne Relativbewegung zweier Bauteile aneinander - d. h. ohne Abgleiten oder Rollen wie bei Wälz- oder Gleitlagern - ermöglicht.
In 3 ist ein zu dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel abgewandeltes Ausführungsbeispiel des Festkörpergelenks 12 dargestellt. In diesem Fall umfasst das Festkörpergelenk 12 drei Streben 22, die axial aufeinanderfolgend, d. h. zumindest minimal axial voneinander beabstandet sind. Die Funktionsweise entspricht dabei im Wesentlichen dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel. Die axial mittig zu den beiden axial äußeren Streben 22 angeordnete Strebe 22 weist eine breitere Plattenfläche auf. Die Fläche ist dabei derart gewählt, dass das Flächenträgheitsmoment der mittleren Strebe 22 (in Axial- und/oder Radialrichtung) der Summe der Flächenträgheitsmomente der beiden äußeren Streben 22 entspricht. Dieses Ausführungsbeispiel des Festkörpergelenks 12 wird auch als Kreuzfedergelenk bezeichnet.
In weiteren, nicht näher dargestellten Ausführungsbeispielen ist das Festkörpergelenk 12 nach Art der beiden vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele ausgebildet und weist jeweils mehr als zwei bzw. drei Streben 22 auf.
In 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des Festkörpergelenks 12 dargestellt. Das Festkörpergelenk 12 weist ebenfalls die Streben 22 auf, die hierbei vergleichbar zum Ausführungsbeispiel nach 2 ausgebildet sind. In Abweichung zu 2 sind allerdings die radialen Enden (Kanten) der Streben 22 frei. Als erstes und zweites Trägerelement weist das Festkörpergelenk 22 außerdem eine erste und eine zweite Gelenkgrundplatte 30 bzw. 32 auf. Die beiden Gelenkgrundplatten 30 und 32 sind dabei mit ihren Grundplattenebenen senkrecht zur Blattstellachse 5 angeordnet und axial - konkret um die axiale Längserstreckung der Streben 22 - voneinander beabstandet. Die Streben 22 sind dabei mit ihren Axialenden an der jeweiligen Gelenkgrundplatte 30 bzw. 32 befestigt. Die erste Gelenkgrundplatte 30 ist auch hier zur Kopplung mit dem reibungsbehafteten Lager 10 eingerichtet und vorgesehen, und bildet somit das aus Sicht des Rotorblatts 3 feststehende Element. Entsprechend ist die zweite Gelenkgrundplatte 32 zur Halterung des Rotorblatts 3 eingerichtet und vorgesehen. Die zweite Gelenkgrundplatte 32 ist dabei unter elastischer Deformation der Streben 22 in Umfangsrichtung 28 gegenüber der ersten Gelenkgrundplatte 30 verstellbar. Dieses Ausführungsbeispiel des Festkörpergelenks 12 wird auch als Kreuzgelenk bezeichnet.
In 5 ist ein gegenüber dem anhand von 4 beschriebenen, weitergebildetes Ausführungsbeispiel des Festkörpergelenks 12 dargestellt. Die zwei Streben 22 des vorherigen Ausführungsbeispiels sind dabei durch vier Streben 22 ersetzt, die radial gegenüberliegend und um jeweils 90° versetzt um einen achszentralen Freiraum 34 angeordnet sind. Die Streben 22 erstrecken sich mithin nicht über die Blattstellachse 5 hinweg, sondern sind zu dieser beabstandet. Der Freiraum 34 erstreckt sich auch durch die beiden Gelenkgrundplatten 30 und 32, indem diese jeweils einen korrespondierenden achszentralen Durchbruch aufweisen.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel gemäß 6, weist das Festkörpergelenk 12 eine Vielzahl (vorliegend konkret 14) der Streben 22 auf, die analog zu dem Ausführungsbeispiel nach 5 angeordnet sind. Dieses Ausführungsbeispiel des Festkörpergelenks 12 wird - aufgrund der gitterstabartigen Anordnung der Streben 22 um den Freiraum 34 herum - auch als Käfiggelenk bezeichnet. Die Funktionsweise dieses Ausführungsbeispiels sowie des Ausführungsbeispiels gemäß 5 entspricht im Wesentlichen derjenigen des Ausführungsbeispiels nach 4.
In 7 ist ein Ausführungsbeispiel des Rotors 1 in einer Explosionsdarstellung und in 8 in einem Schnitt VII-VII gemäß 1 gezeigt. In diesem Ausführungsbeispiel ist das Festkörpergelenk 12 der Lagervorrichtung 4 analog zu dem Ausführungsbeispiel nach 6 ausgebildet. Das reibungsbehaftete Lager 10 ist als Gleitlager ausgebildet, das ein erstes, kreisringförmiges Gleitelement 36 und ein zweites, in Einzelelemente (Segmente 38) unterteiltes Gleitelement 40 aufweist. Die Segmente 38 des zweiten Gleitelements 40 sind dabei U-förmig ausgebildet und umgreifen im bestimmungsgemäßen Montagezustand des Rotors 1 das erste Gleitelement 36 in Richtung der Blattstellachse 5 gesehen vorder- und rückseitig (vgl. 8). Das erste Gleitelement 36 ist zur (konkret starren) Verbindung mit der Rotornabe 2 eingerichtet. Konkret ist das erste Gleitelement 36 im bestimmungsgemäßen Montagezustand des Rotors 1 mit der Rotornabe 2 verschraubt (Schrauben sind in 7 und 8 der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt). Das zweite Gleitelement 40 ist entsprechend mit der ersten Gelenkgrundplatte 30 des Festkörpergelenks 12 verschraubt. Das jeweilige Rotorblatt 3 ist mit der zweiten Gelenkgrundplatte 32 des Festkörpergelenks 12 verschraubt.
Zur Verstellung des Festkörpergelenks 12 ist diesem ein erstes Kopplungselement 42, konkret in Form eines Rings mit drei vorstehenden Haltearmen, zugeordnet. Das Festkörpergelenk 12 umfasst außerdem ein als Hohlzylinder ausgebildetes Stellkraftstützelement 44, das mit der ersten Gelenkgrundplatte 30 starr (d. h. unbeweglich) verbunden ist. Das Stellkraftstützelement 44 erstreckt sich dabei von der ersten Gelenkgrundplatte 30 durch den Freiraum 34 mit einem rotorblattseitigen Ende 48 bis über die zweite Gelenkgrundplatte 32 hinaus, ist aber mit letzterer nicht unmittelbar verbunden. An dem rotorblattseitigen Ende 48 ist das Stellkraftstützelement 44 mit dem ersten Kopplungselement 42 starr verbunden. An der zweiten Gelenkgrundplatte 32 sind außerdem drei Befestigungselemente 50 in Form jeweils eines Anschraubwinkels angeordnet. Diese sind unter Zwischenschaltung jeweils eines ersten Stellantriebselements 52 mit dem ersten Kopplungselement 42 zur Übertragung einer von den ersten Stellantriebselementen 52 aufgebrachten Stellkraft gekoppelt. Konkret sind die ersten Stellantriebselemente 52 jeweils als Hydraulikzylinder ausgebildet. Eine Längenänderung dieser Hydraulikzylinder führt somit zu einer Verdrehung der zweiten Gelenkgrundplatte 32 um die Blattstellachse 5 gegenüber dem Stellkraftstützelement 44 und somit gegenüber der ersten Gelenkgrundplatte 30.
Zur Verstellung des Gleitlagers (d. h. des reibungsbehafteten Lagers 10) ist diesem ein zweites Kopplungselement 54, konkret in Form eines Doms, und ein zweites Stellantriebselement 56 zugeordnet. Mittels des zweiten Kopplungselements 54 wird eine von dem zweiten Stellantriebselement 56 aufgebrachte Stellkraft auf das Gleitlager, konkret auf die mit dem zweiten Gleitelement 40 starr verbundene erste Gelenkgrundplatte 30 übertragen. Das zweite Kopplungselement 54 ist dabei exzentrisch an der ersten Gelenkgrundplatte 30 angeordnet (s. 8). Bei dem zweiten Stellantriebselement 56 handelt es sich um einen Hydraulikzylinder. Eine Längenänderung des Hydraulikzylinders führt aufgrund dessen exzentrischer Anbindung somit zu einer Verdrehung des zweiten Gleitelements 40 sowie des gesamten Festkörpergelenks 12 und dem daran gehalterten Rotorblatt 3 um die Blattstellachse 5. Die Stellantriebselemente 52 sowie 56 bilden dabei jeweils einen Teil des vorstehend beschrieben Antriebssystems.
Das Antriebssystem umfasst außerdem eine nicht näher dargestellte zentrale Steuereinheit, die auch als Controller bezeichnet wird. Dieser Controller ist dazu eingerichtet, im Betrieb der Windenergieanlage neben einer einheitlichen Verstellung aller Rotorblätter 3 auch eine individuelle, windlastabhängige Verstellung jedes einzelnen Rotorblatts 3 zu bewirken. Im Speziellen ist der Controller dazu eingerichtet, zur Verstellung des jeweiligen Rotorblatts 3 um kleine Winkel(grad)differenzen mit einem Betrag von 0° bis 5°, konkret bis 3° nur die ersten Stellantriebselemente 52 anzusteuern und somit nur das Festkörpergelenk 12 zu verdrehen. Das zweite Stellantriebselement 56 wird hingegen erst dann angesteuert (und somit das Gleitlager erst dann verdreht), wenn die zur Einstellung eines Werts des Anstellwinkels φ erforderliche Winkeldifferenz einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet, konkret wenn diese Winkeldifferenz größer als 5° bzw. 3° ist.
Zur Ansteuerung und Druckbeaufschlagung der ersten Stellantriebselemente 52 erforderliche Steuerleitungen und Hydraulikleitungen sind durch das Stellkraftstützelement 44 hindurch axial durch das Festkörpergelenk 12 geführt.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel liegt der Durchmesser des Rotors 1 zwischen 70 und 130 Metern. Die Länge des Festkörpergelenks 12 in Richtung der Blattstellachse 5 beträgt dabei etwa 2 Meter.
In 9 ist schematisch der Verlauf des Anstellwinkels φ eines einzelnen Rotorblatts 3 über der Zeit t dargestellt. Der mit durchgezogener Linie dargestellte Verlauf gibt dabei den Drehwinkel des reibungsbehafteten Lagers 10 wieder. Der mit strichlinierter Linie dargestellte Verlauf gibt den Drehwinkel des Festkörpergelenks 12 sowohl gegenüber dem reibungsbehafteten Lager 10 als auch den tatsächlichen Anstellwinkel φ des Rotorblatts 3 wieder. Wie aus 9 entnommen werden kann, dient das reibungsbehaftete Lager 10 dazu, das Rotorblatt 3 entsprechend der gemittelten Windlast auszurichten, wohingegen mit dem Festkörpergelenk 12 Stellvorgänge zur individuellen, (hoch-)dynamischen Anpassung des Anstellwinkels φ an lokal variierende Windlasten mit geringen Bewegungsumfängen durchgeführt werden.
Der Gegenstand der Erfindung geht zwar besonders klar aus der vorstehenden Beschreibung hervor. Dennoch ist der Gegenstand der Erfindung nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr können weitere Ausführungsformen der Erfindung von dem Fachmann aus der vorstehenden Beschreibung abgeleitet werden. Insbesondere können die anhand der verschiedenen Ausführungsbeispiele beschriebenen Einzelmerkmale der Erfindung und deren Ausgestaltungsvarianten auch in anderer Weise miteinander kombiniert werden.
Bezugszeichenliste

1: Rotor
2: Rotornabe
3: Rotorblatt
4: Lagervorrichtung
5: Blattstellachse
10: Lager
12: Festkörpergelenk
14: Kreisringabschnitt
16: Kreisringabschnitt
18: Axialende
20: Strich
22: Strebe
24: Plattenebene
26: Axialende
28: Umfangsrichtung
30: Gelenkgrundplatte
32: Gelenkgrundplatte
34: Freiraum
36: Gleitelement
38: Einzelelement
40: Gleitelement
42: Kopplungselement
44: Stellkraftstützelement
48: rotorseitiges Ende
50: Befestigungselement
52: Stellantriebselement
54: Kopplungselement
56: Stellantriebselement
φ: Anstellwinkel
t: Zeit

Claims

Lagervorrichtung (4) für ein Rotorblatt (3) einer Windenergieanlage, mit einem Festkörpergelenk (12), das zur mittelbaren oder unmittelbaren Halterung des Rotorblatts (3) an einer Rotornabe (2) eines Rotors (1) der Windenergieanlage eingerichtet ist, und das derart gestaltet ist, dass unter elastischer Deformation eine Verdrehung um eine Blattstellachse (5) zugelassen ist, und dass quer und/oder längs zur Blattstellachse (5) gerichtete Translationen und/oder Verdrehungen im Wesentlichen unterbunden sind.
Lagervorrichtung (4) nach Anspruch 1, mit einem reibungsbehafteten Lager (10), das im Wesentlichen nur einen um die Blattstellachse (5) gerichteten rotatorischen Freiheitsgrad aufweist, wobei das reibungsbehaftete Lager (10) oder das Festkörpergelenk (12) zur Verbindung mit einer Rotornabe (2) eines Rotors (1) der Windenergieanlage und das Festkörpergelenk (12) bzw. das reibungsbehaftete Lager (10) zur Verbindung mit dem Rotorblatt (3) eingerichtet sind.
Lagervorrichtung (4) nach Anspruch 1 oder 2, wobei dem Festkörpergelenk (12) ein erstes Kopplungselement (42) zur Kopplung mit einem ersten Stellantriebselement (52) funktionell zugeordnet ist.
Lagervorrichtung (4) nach Anspruch 2 oder 3, wobei dem reibungsbehafteten Lager (10) ein zweites Kopplungselement (54) zur Kopplung mit einem zweiten Stellantriebselement (56) funktionell zugeordnet ist
Lagervorrichtung (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Festkörpergelenk (12) ein der Rotornabe (2) oder dem Rotorblatt (3) zugeordnetes erstes Trägerelement (14,30) und ein dem Rotorblatt (3) bzw. der Rotornabe (2) zugeordnetes zweites Trägerelement (16,32) aufweist, wobei das zweite Trägerelement (14,30) mittels wenigstens zweier plattenartiger Streben (22) an dem ersten Trägerelement (14,30) befestigt ist, und wobei eine Plattenebene (24) der Streben (22) in Richtung der Blattstellachse (5) ausgerichtet ist.
Lagervorrichtung (4) nach Anspruch 5, wobei das Festkörpergelenk (12) als erstes Trägerelement einen ersten Ringabschnitt (14) und als zweites Trägerelement einen zweiten Ringabschnitt (16) aufweist, wobei die beiden Ringabschnitte (14,16) mit ihren Enden in Umfangsrichtung (28) voneinander beabstandet sind, und wobei die wenigstens zwei Streben (22) die Blattstellachse (5) kreuzen.
Lagervorrichtung (4) nach Anspruch 5, wobei das Festkörpergelenk (12) als erstes Trägerelement eine erste Gelenkgrundplatte (30) und als zweites Trägerelement eine zweite Gelenkgrundplatte (32) aufweist, wobei die beiden Gelenkgrundplatten (30,32) mit ihrer jeweiligen Grundplattenebene senkrecht zur Blattstellachse (5) ausgerichtet sind, und wobei die wenigstens zwei Streben (22) radial zur Blattstellachse (5) angeordnet sind und axial zwischen den beiden Gelenkgrundplatten (30,32) verlaufen.
Lagervorrichtung (4) nach einem der Ansprüche 3 bis 7, wobei das Festkörpergelenk (12) ein mit dem ersten Kopplungselement (42) verbundenes Stellkraftstützelement (44) aufweist, das mit dem ersten Trägerelement (14,30) starr gekoppelt ist, und wobei das zweite Trägerelement (16,32) zur rotatorischen Verstellung gegenüber dem ersten Trägerelement (14,30) ein Befestigungselement (50) aufweist, das im bestimmungsgemäßen Montagezustand unter Zwischenschaltung des ersten Stellantriebselements (52) mit dem ersten Kopplungselement (42) gekoppelt ist.
Lagervorrichtung (4) nach den Ansprüchen 7 und 8, wobei das Stellkraftstützelement (44) als Hohlzylinder ausgebildet ist, der sich zentral zu den Streben (22) von der ersten Gelenkgrundplatte (30) zu der zweiten Gelenkgrundplatte (32) erstreckt.
Lagervorrichtung (4) nach einem der Ansprüche 5 bis 9, wobei die Streben (22) aus Metall und/oder einem faserverstärkten Kunststoff gefertigt sind.
Lagervorrichtung (4) nach einem der Ansprüche 2 bis 10, wobei das reibungsbehaftete Lager (10) als Wälzlager oder als Gleitlager, insbesondere als segmentiertes Gleitlager ausgebildet ist.
Rotorblattstellvorrichtung für eine Windenergieanlage, - mit einer Lagervorrichtung (4) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, - mit einem Antriebssystem, das zur Verstellung des Festkörpergelenks (12) eingerichtet ist.
Rotorblattstellvorrichtung nach Anspruch 12, wobei das Antriebssystem zur jeweils separaten Verstellung des reibungsbehafteten Lagers (10) und des Festkörpergelenks (12) eingerichtet ist.
Rotorblattstellvorrichtung nach Anspruch 13, wobei das Antriebssystem dazu eingerichtet ist, das reibungsbehaftete Lager (10) erst zu verstellen, wenn ein zur Verstellung des jeweiligen Rotorblatts (3) auf einen Anstellwinkel (φ) erforderlicher Stellwert einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet.
Rotor (1) für eine Windenergieanlage, - mit einer Anzahl von Rotorblättern (3), - mit einer Rotornabe (2) zur Halterung der Rotorblätter (3), wobei das jeweilige Rotorblatt (3) mit einer Lagervorrichtung (4) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11 an der Rotornabe (2) verstellbar gelagert ist, und - mit einem Antriebssystem, das zur Verstellung des Festkörpergelenks (12), insbesondere zur jeweils separaten Verstellung des reibungsbehafteten Lagers (10) und des Festkörpergelenks (12) eingerichtet ist.
Windenergieanlage, - mit einem Mast, - mit einem Rotor (1), der eine Anzahl von Rotorblättern (3) und eine Rotornabe (2) zur Halterung des jeweiligen Rotorblatts (3) umfasst, wobei das jeweilige Rotorblatt (3) mit einer Lagervorrichtung (4) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11 an der Rotornabe (2) verstellbar gelagert ist, und - mit einem Antriebssystem, das zur Verstellung des Festkörpergelenks (12), insbesondere zur jeweils separaten Verstellung des reibungsbehafteten Lagers (10) und des Festkörpergelenks (12) eingerichtet ist.