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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Pitchzylinder zum Verändern des Anstellwinkels eines Rotorblatts einer Windkraftanlage und eine Windkraftanlage mit einem solchen Pitchzylinder.
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Für einen optimalen Windertrag ist es bei Windkraftanlagen essenziell, die einzelnen Rotorblätter in ihrem Anstellwinkel gegenüber dem anströmenden Wind verändern zu können. Hierzu sind in der Nabe einer Windkraftanlage sogenannte Pitchzylinder vorgesehen, von denen ein jeder dazu dient, ein zugehöriges Rotorblatt um seine Längsachse zu rotieren.
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Bis zu 900 mal pro Stunde regulieren Pitchzylinder die Rotorblätter, um auf die schwankende Windleistung zu reagieren und die Rotorblätter optimal in den Wind zu stellen.
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Neben dieser sehr häufigen Beanspruchung des Pitchzylinders kommt darüber hinaus eine sehr hohe Temperaturschwankung des Arbeitsbereichs hinzu, die von -30 °C in den Wintermonaten bis ca. +50 °C in den Sommermonaten reichen kann, sodass eine Wartungsfreiheit des Pitchzylinders und insbesondere von dessen Kolbenstangendichtung über die Lebensdauer einer Windkraftanlage in der Regel nicht möglich ist, sondern je nach Einsatzort der Windkraftanlage aufwändige Wartungsarbeiten durchgeführt werden müssen.
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Da aber eine jede Wartung bei einer Windkraftanlage mit einem sehr hohen Aufwand und damit einhergehenden hohen Kosten verbunden ist (insbesondere bei Offshore-Anlagen) ist es das Ziel, die Wartungsintervalle bei den Komponenten einer Windkraftanlage und insbesondere auch bei dem Pitchzylinder möglichst groß zu definieren, um die Standzeit der Anlage zu erhöhen.
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Insbesondere die typischerweise bei Pitchzylindern als Kolbenstangendichtung verwendete Elastomer-Dichtung muss aufgrund der hohen Aktuationsfrequenz des Zylinders verschleißbedingt ausgetauscht werden. Der Verschleiß an dieser Dichtung entsteht dabei aufgrund einer unvermeidlichen Reibung der Kolbenstange an der Kolbenstangendichtung.
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Es ist das Ziel der vorliegenden Erfindung einen Pitchzylinder zum Verändern eines Anstellwinkels eines Rotorblatts einer Windkraftanlage vorzusehen, der weniger wartungsintensiv ist und somit eine höhere Standzeit einer Windkraftanlage ermöglicht. Dies gelingt mit einem Pitchzylinder, der sämtliche Merkmale des Anspruchs 1 aufweist. In den abhängigen Ansprüchen finden sich jeweils vorteilhafte Ausführungen des erfindungsgemäßen Pitchzylinders.
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Der erfindungsgemäße Pitchzylinder zum Verändern des Anstellwinkels eines Rotorblatts einer Windkraftanlage umfasst dabei ein Zylinderrohr, das an einer Seite mit einem Zylinderboden verschlossen ist, eine Kolbenstange, die in dem Zylinderrohr axial verschieblich gelagert ist und an der von dem Zylinderboden gegenüberliegenden Seite aus dem Zylinderrohr herausragt, einen Kolben, der an der Kolbenstange angeordnet ist und das Zylinderrohr in zwei fluidisch voneinander getrennte Abschnitte unterteilt, einen Zylinderkopf, der an der zum Zylinderboden gegenüberliegenden Seite des Zylinderrohrs angeordnet ist und eine Öffnung zum Durchführen der Kolbenstange aufweist, und eine Kolbenstangendichtung, die im Zylinderkopf angeordnet ist, um die Öffnung des Zylinderkopfs zum Durchführen der Kolbenstange abzudichten. Der Pitchzylinder ist dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenstangendichtung eine Spaltdichtung, vorzugsweise eine mechanische Spaltdichtung ist.
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Durch das Verwenden einer Spaltdichtung wird die Reibung im Vergleich zu den bisher verwendeten herkömmlichen Elastomer-Dichtungen deutlich verringert, was zu einer erhöhten Standzeit und einer geringeren Ausfallwahrscheinlichkeit führt. Ein Stillstand des Pitchzylinders aufgrund einer verschlissenen Dichtung tritt nun nicht mehr oder nur sehr viel seltener auf
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Nach einer optionalen Fortbildung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Spaltdichtung schwimmend gelagert ist, also gegenüber der sich in Axialrichtung erstreckenden Kolbenstange in Radialrichtung bewegbar ist.
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Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die Kolbenstange nicht perfekt zentriert zu der Öffnung im Zylinderkopf ausgerichtet ist, sodass es in einem solchen Zustand nicht zu einem besonders verschleißintensiven Kontakt zwischen Dichtung und Kolbenstange kommen kann.
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Weiter kann hierbei vorgesehen sein, dass die schwimmend gelagerte Spaltdichtung über eine Stellanordnung verfügt, die die Spaltdichtung in eine zentrierte Stellung gegenüber einer Längsachse der Kolbenstange drängt. Dadurch ist immer eine korrekte Ausrichtung bzw. Anordnung der Spaltdichtung gegenüber der Kolbenstange gewährleistet, sodass auch bei einer Schrägstellung der Kolbenstange kein erhöhter Verschleiß bzw. ein verstärkter Reibkontakt mit der Kolbendichtung vorliegt. Denn auch in der Schrägstellung ist die schwimmende Spaltdichtung immer zur Kolbenstange zentriert
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Nach einer optionalen Modifikation der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass die schwimmend gelagerte Spaltdichtung dazu ausgelegt ist, bei einer Schrägstellung der Kolbenstange gegenüber dem Zylinderkopf eine Bewegung entsprechend der Schrägstellung der Kolbenstange mitzugehen.
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Vorzugsweise kann die mindestens der Kolbenstange zugewandte Fläche der Spaltdichtung in Bronze ausgeführt oder mit einem bronzeähnlichen Überzug versehen sein.
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Bronze bzw. der bronzeähnliche Überzug ist ein sehr weiches Metall und kann auch im Falle eines direkten Kontakts mit der Kolbenstange zu keinen Beschädigungen an der Kolbenstange führen. Hierdurch ist ein gewisser Schutz von der Kolbenstange gewährleistet, sodass es zu keinen direkten Beschädigungen der Kolbenstange durch eine Berührung mit der Spaltdichtung kommen kann. Eine solche kann beispielsweise bei einer über das normale Maß einer Schrägstellung der Kolbenstange auftreten, führt aufgrund des dann erfolgenden Kontakts mit dem Weichmetall aber nicht direkt zu einer Beschädigung der Kolbenstange, sondern nur zu einem Verschleiß der leichter austauschbaren Spaltdichtung.
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Nach einer weiteren optionalen Fortbildung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass eine Leckageabführung vorgesehen ist, um ein an der Spaltdichtung auftretendes Leckfluid, bspw. ein Lecköl, von dem Pitchzylinder abzuführen, wobei vorzugsweise die Leckageabführung eine in der Kolbenstangendichtung verlaufende Fluidleitung ist, die von einem Außenabschnitt der Kolbenstangendichtung hin zu der Spaltdichtung führt.
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Im Normalbetrieb der Spaltdichtung erfolgt ein kontinuierlicher Fluidaustritt über den Spalt zwischen der Spaltdichtung und der Kolbenstange. Zwar ist die Menge des hierbei austretenden Fluids sehr gering, es ist aber nichtsdestotrotz von Vorteil, diese Menge aus dem Pitchzylinder herauszuführen, da ansonsten auf Leckage-Seite ebenfalls hohe Drücke auftreten können, welche die Funktionalität der Spaltdichtung beeinträchtigen. Beispielsweise kann das Leckagefluid dann einem Fluidspeicher zurückgeführt werden, von wo aus es erneut in den Kreislauf zum Betätigen des Pitchzylinders eingespeist werden kann.
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Ferner kann nach der Erfindung vorgesehen sein, dass die Spaltdichtung eine Ringspaltdichtung ist, die die Kolbenstange umfangsseitig umschließt.
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Die Ringspaltdichtung weist demnach also die Form eines Rings oder einer Zylindermantelfläche auf und umschließt die Kolbenstange umfangsseitig. Das generelle Wirkprinzip einer Spaltdichtung ist dem Fachmann bekannt, kann aber rudimentär so beschrieben werden, dass bei einem eingesteckten Zustand der Kolbenstange durch die Spaltdichtung ein sehr hoher Druck auf der einen Seite dazu führt, dass die Spaltdichtung in eine Querschnittsansicht auf der Seite des hohen Drucks sich leicht von der Kolbenstange abhebt, sodass es dort zu einer Aufweitung kommt und auf der Seite des niedrigen Drucks nur eine ganz geringe spaltartige Öffnung zwischen der Spaltdichtung und der Kolbenstange beibehalten wird, durch welche eine geringe Menge von unter hohem Druck stehenden Fluid zur Niederdruckseite durch den Spalt zwischen Dichtung und Kolbenstange austritt. Im Optimalfall kommt es damit zu keiner Berührung von der Spaltdichtung und der Kolbenstange, sodass der Verschleiß dieser Dichtung äußerst gering ist oder auch gar nicht auftritt.
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Die Erfindung betrifft ferner einen Pitchzylinder, bei dem in dem Zylinderboden ein Positionssensor vorgesehen ist, um die Lage des Kolbens in dem Zylinderrohr zu bestimmen.
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Es ist für eine aktive Regelung des Anstellwinkels eines Rotorblatts von Vorteil, die aktuelle Position des Kolbens in dem Pitchzylinder zu ermitteln, sodass auf die dadurch eingenommene Stellung des Rotorblatts zurückgeschlossen werden kann.
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Dabei kann vorzugsweise vorgesehen sein, dass die Lagebestimmung des Kolbens in dem Zylinderrohr messstabfrei erfolgt, vorzugsweise mit Hilfe von elektromagnetischen Wellen, bspw. Mikrowellen mit Wellenlängen von 1 mm bis 780 mm.
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Herkömmlicherweise wird hierzu mit Hilfe eines vom Zylinderboden abgehenden Stabs die Position des Kolbens in dem Zylinderrohr ermittelt. Dieser fährt in die Kolbenstange ein, sodass beispielsweise durch eine kapazitive Messung die Position der Kolbenstange bzw. des damit fest verbundenen Kolbens, festgestellt werden kann.
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Nachteilhaft in dieser Umsetzung ist, dass für einen solchen Positionssensor ausreichend Platz im Umgebungsbereich des Einsatzortes des Pitchzylinders vorhanden sein muss, da der Austausch eines solchen Stabes ausreichend Platz in Axialrichtung am Einsatzort des Pitchzylinders benötigt. Das Herausführen bzw. das Einschieben des Messstabs benötigt Platz, sodass besonders kompakte Bauformen von Naben einer Windkraftanlage damit nicht umsetzbar sind.
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Dies gelingt jedoch mit der messstabfreien Umsetzung des Positionssensors.
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Von Vorteil hat sich dabei insbesondere die Verwendung von Mikrowellen herausgestellt, die sich auch durch das beim Pitchzylinder verwendete Hydraulikfluid, vorzugsweise ein Hydrauliköl, ausbreiten.
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Vorzugsweise kann nach einer Modifikation der vorliegenden Erfindung vorgesehen sein, dass die Lagebestimmung des Kolbens mit Hilfe einer Pulslaufzeitmessung bestimmt wird. Dabei wird die Laufzeit eines von dem Positionssensor ausgesendeten Mikrowellenpulses bzw -signal gemessen, der an der zum Zylinderboden zugewandten Fläche des Kolbens reflektiert wird, sodass auf eine Position des Kolbens im Pitchzylinder geschlossen werden kann.
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Die Erfindung umfasst ferner eine Windkraftanlage mit einem Pitchzylinder zum Verändern des Anstellwinkels eines Rotorblatts nach einer der diskutierten Varianten.
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Die Erfindung betrifft zudem die Verwendung eines Pitchzylinders nach einer der vorhergehend diskutierten Varianten in einer Windkraftanlage zum veränderbaren Anstellen der Rotorblätter.
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Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden anhand der nachfolgenden Figurenbeschreibung ersichtlich. Dabei zeigt:
- 1: eine Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Pitchzylinders.
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1 zeigt eine Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Pitchzylinders 1. Man erkennt das Zylinderrohr 2, in das die Kolbenstange 4 bewegbar einschiebbar ist. Das Zylinderrohr 2 weist an einer ersten Stirnseite, an welcher die Kolbenstange 4 nicht herausgeführt ist, einen Zylinderboden 3 auf, der das Zylinderrohr dort dichtend abschließt. An der dazu gegenüberliegenden Stirnseite des Zylinderrohrs 2 ist der Zylinderkopf 6 vorgesehen, die eine Öffnung zum Hindurchführen der Kolbenstange 4 aufweist. Damit im Grenzbereich zwischen der Kolbenstange 4 und dem Zylinderkopf 6 kein im Inneren des Zylinderrohrs 2 vorhandenes Fluid im Übermaß austritt, ist eine Spaltdichtung 7 vorgesehen. Die Spaltdichtung 7 wird durch ein Befestigungselement 9 an der gewünschten Position gehalten. Dabei kann vorgesehen sein, dass das Befestigungselement 9 über eine Schraubverbindung an dem Zylinderkopf 6 befestigt ist, sodass die Spaltdichtung 7 kein oder nur ein sehr geringes Spiel in Axialrichtung besitzt. Für die schwimmende Lagerung der Spaltdichtung 7 ist vorgesehen, dass in Radialrichtung gesehen ein ausreichendes Spiel vorhanden ist, sodass eine Bewegung der Spaltdichtung 7 in Radialrichtung nach außen möglich ist. Um während einer solchen Bewegung keine zu hohe Reibung an den axialseitigen Stirnflächen der Spaltdichtung 7 zu erzeugen, kann dort jeweils ein O-Ring vorgesehen sein, um eine direkte Kontaktierung der Gegenflächen zu vermeiden.
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Ferner erkennt man den im Zylinderboden 3 angeordneten Positionssensor 8, der dazu ausgelegt ist, die Einschubposition der Kolbenstange 4 im Zylinderrohr 2 zu messen bzw. zu erfassen. Von Vorteil ist dabei, wenn man dabei nicht auf den herkömmlicherweise im Stand der Technik verwendeten Messstab zurückgreift, der bei einer Bewegung der Kolbenstange 4 in diese einfährt. Zwar ist hier die Positionsbestimmung der Kolbenstange 4 recht zuverlässig möglich und es werden dabei auch nur recht primitive Komponenten benötigt, jedoch ist es bei einem Austausch dieses Messstabs erforderlich, dass in der direkten Umgebung des Einsatzortes des Pitchzylinders 1 ausreichend Platz vorhanden ist, um den Messstab aus dem Zylinderrohr 2 herauszuführen. Insbesondere bei Einsatzorten, in dem solch ein großzügiges Platzangebot nicht vorhanden ist, ist dies jedoch nicht unbedingt der Fall oder führt zu herausfordernden konstruktionstechnischen Aufgaben.
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Um diese Problematik zu umgehen bzw. abzumildern kann nach der vorliegenden Erfindung vorgesehen sein, dass der Positionssensor 8 messstabfrei ausgeführt ist, also die Bestimmung der exakten Lage der Kolbenstange 4 bzw. des daran angeordneten Kolbens 5 ohne einen solchen Messstab erfolgt.
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Als besonders vorteilhaft hat sich dabei ein Positionssensor 8 herausgestellt, der zum Bestimmen der Lage des Kolbens 5 auf das Aussenden von Signalen im Mikrowellenbereich zurückgreift, und anhand der an der zugewandten Stirnfläche des Kolbens zurückreflektierten Signale eine Laufzeit errechnet, die einen Rückschluss auf die aktuelle Position des Kolbens 5 in dem Pitchzylinder 1 ermöglicht.
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Man kann so beispielsweise den für eine Wartung des Pitchzylinders 1 erforderlichen Bauraum bedeutend geringer gestalten, da die sehr raumgreifende Wartungsaufgabe eines Austauschen des Messstabs nicht mehr existiert. Im Ergebnis kann so beispielsweise die Nabe einer Windkraftanlage kompakter und weniger schwer ausgeführt werden, sodass die mitrotierenden Bestandteile der Windkraftanlage leichter sind und weniger unnützeAngriffsfläche für Wind liefern.
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Mit dem Bezugszeichen 10 und 11 sind jeweils die Zuführ- bzw. Abführöffnungen der durch den Kolben 5 fluidisch voneinander getrennten Bereiche im Zylinderrohr 2 gekennzeichnet. Möchte man den Kolben beispielsweise aus seiner in 1 dargestellten Position aus dem Zylinderrohr 2 in Richtung Zylinderkopf 6 bewegen, sodass die Kolbenstange 4 aus dem Pitchzylinder 1 herausfährt, wird ein unter hohem Druck stehendes Fluid in die Öffnung 10 eingeführt, sodass der Kolben 5 in Richtung Zylinderkopf 6 bewegt wird. Möchte man hingegen die Kolbenstange 4 in dem Pitchzylinder 1 einführen, so ist an der Öffnung 11 das mit hohem Druck beaufschlagt Fluid anzulegen, was zu einer Bewegung des Kolbens 5 in Richtung Zylinderboden 3 führt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Pitchzylinder
- 2
- Zylinderrohr
- 3
- Zylinderboden
- 4
- Kolbenstange
- 5
- Kolben
- 6
- Zylinderkopf
- 7
- Spaltdichtung
- 8
- Positionssensor
- 9
- Abtriebszahnrad
- 10
- Zuführ- bzw. Abführöffnung
- 11
- Zuführ- bzw. Abführöffnung
