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Regelvorrichtung für eine Windkraftmaschine mit Flüssigkeitsdruckpumpe
Die Erfindung bezieht sich auf eine Regelvorrichtung für eine Windkraftmaschine,
die mit steigungsverstellbaren Flügeln versehen ist und eine an einen Vorratsbehälter
angeschlossene und in einen Akkumulator fördernde Flüssigkeitsdruckpumpe antreibt,
insbesondere zum Antrieb von Hilfsaggregaten für Flugzeuge.
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Bei einer bekannten Windkraftmaschinenregelvorrichtung dieser Art
wird die Pumpe unverändert angetrieben, wobei die in den Akkumulator geförderte
Flüssigkeit, wenn dieser gefüllt ist, durch ein Überlaufrohr in den Vorratsbehälter
zurückgeführt wird. Auch werden bei dieser Vorrichtung die Flügel der Windkraftmaschine
von Hand verstellt.
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Es sind auch Windkraftmaschinen bekannt, die elektrische Generatoren
antreiben und einen Drehzahlregler aufweisen, der die Steigung der Flügel verstellt,
um selbsttätig eine konstante Drehzahl aufrechtzuerhalten. Darüber hinaus sind hydraulische
Propellerflügelverstellvorrichiungen mit einer hydraulischen Verriegelungsvorrichtung
bekannt, mit der die eingestellte Steigung der Flügel feststellbar ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Regelvorrichtung der
eingangs genannten bekannten Art zu schaffen, welche mit einer ersten konstanten
Drehzahl bei belasteter Pumpe und mit einer zweiten konstanten Drehzahl bei entlasteter
Pumpe arbeitet, wobei das Umschalten von der belasteten auf die nicht belastete
Pumpe beim überschreiten eines vorbestimmten Förderdruckes erfolgen soll. Gleichzeitig
soll die Pumpe bei der Inbetriebnahme der Windkraftmaschine entlastet werden.
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Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung dadurch gelöst worden, daß eine
auf den Förderdruck der Pumpe ansprechende Vorrichtung vorgesehen ist, welche bei
Überschreiten des vorbestimmten Förderdruckes der Pumpe zu deren Entlastung eine
Steigungsverstellung der Flügel der Windkraftmaschine bewirkt.
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Bei dieser Einrichtung ist gemäß einem weiteren Vorschlag nach der
Erfindung für die Steigungsverstellung der Flügel der Windkraftmaschine ein an sich
bekannter, hydraulischer, doppeltwirkender Kolbenmotor vorgesehen, der zum Verstellen
der Flügel von einem als Fliehkraftregler wirkenden Steuerventil gesteuert wird,
wobei das Steuerventil eine erste Bezugsstellung aufweist, die einer ersten konstanten
Drehzahl der Windkraftmaschine entspricht, bei der die Pumpe hydraulisch belastet
ist, und daß die auf den Förderdruck der Pumpe ansprechende Vorrichtung beim Überschreiten
des vorbestimmten Förderdruckes das Steuerventil aus seiner ersten Bezugs-Stellung
in eine zweite Bezugsstellung verstellt, die einer zweiten konstanten Drehzahl der
Windkraftmaschine entspricht, bei der die Pumpe hydraulisch entlastet ist.
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Als vorteilhaft hat sich dabei erwiesen, daß das als Fliehkraftregler
ausgebildete Steuerventil ein mit seiner Achse senkrecht zur Drehachse der Windkraftmaschine
angeordnetes, auf einer Seite der Drehachse liegendes Kolbenschieberventil ist,
welches durch Fliehkraft gegen die Spannung einer auf der anderen Seite der Drehachse
vorgesehenen Feder längsverschiebbar ist.
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Gemäß einem weiteren Vorschlag der Erfindung ist die auf den Förderdruck
der Pumpe ansprechende Vorrichtung als ein Überdruckventil ausgebildet, das in einer
von der Druckleitung der Pumpe zum Kolbenschieberventil führenden Leitung liegt
und durch welches der Kolbenschieber beim Überschreiten des vorbestimmten Förderdruckes
der Pumpe mit Druckflüssigkeit in Richtung der Zentrifugalkraft beaufschlagt und
gegen die Spannung der Feder in die zweite, die Pumpe hydraulisch entlastende Bezugsstellung
bewegt wird.
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Hierbei ist dann in der Druckleitung unmittelbar vor dem Akkumulator
ein Rückschlagventil und weiter stromaufwärts davon ein Niederdruckentlastungsventil
angeordnet, welches den Auslaß der Pumpe über eine Drosselöffnung ständig mit dem
Akkumulator und dem Überdruckventil und beim Anlauf des Aggregates den Auslaß der
Pumpe mit
der Rücklaufleitung zum Vorratsbehälter verbindet, bei
zunehmender Drehzahl der Windkraftmaschine und steigendem Förderdruck der Pumpe
jedoch den Durchlaß zum Vorratsbehälter verschließt.
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Dieses Niederdruckentlastungsventil ist mit einem Kolbenschieber mit
einem axialen Durchgang versehen, dessen eines Ende die Einlaßdrosselöffnung aufweist
und dessen anderes Ende als Ventilsitz für ein federbelastetes Durchgangsventil
ausgebildet ist, dessen Auslaß einmal mit der zum Vorratsbehälter führenden Leitung
und zum anderen über eine Drosselöffnung mit der Auslaßleitung des überdruckventils
verbunden ist, wobei die axiale Bohrung des Kolbenschiebers mit einer Umfangsnut
des Kolbenschiebers verbunden ist, welche ständig mit dem Auslaß zur Druckleitung
und zum Überdruckventil verbunden ist.
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Die Erfindung wird an Hand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert,
wobei in der Zeichnung eine Windkraftmaschine mit einer Kolbenpumpenanlage für die
Verwendung in einem Flugzeug dargestellt ist. Die Einheit kann in den Flugzeugkörper
eingezogen werden, wenn sie nicht in Benutzung ist. Wenn die Turbine der Einheit
in den Nachstrom des Flugzeuges ausgefahren wird, wird diese angetrieben und betätigt
die Pumpe, um einen Flüssigkeitsdruck zum Betrieb von bestimmten Flugzeugfunktionen
zu schaffen.
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Windkraftmaschinen dieser Art werden oft nur in Notfällen benutzt,
wenn die inneren Kraftquellen des Flugzeuges ausgefallen sind.
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Die Windkraftmaschine10 weist mehrere Flügel 11 auf, die alle bei
12 in der Nabe 13 der Windkraftmaschine drehbar angebracht sind. Auf Grund ihrer
drehbaren Befestigungen sind die Flügel durch einen von Flüssigkeitsdruck betriebenen
Motor 15 in ihrer Steigung verstellbar. Der Kolben 14 des Motors 15 ist mit einer
Kolbenstange 16 versehen, die mittels des Gestänges 17 mit den auf den Ansätzen
jedes Flügels gebildeten Kurbelzapfen 18 verbunden sind. Die Windkraftmaschine 10
ist durch eine Welle 19 mit der drehbaren Zylindertrommel 20 einer festen taumelscheibenartigenVerdrängungsflüssigkeitspumpe
21 verbunden.
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Die drehbare Zylindertrommel 20 ist mit mehreren axial gerichteten
und auf dem Umfang in Abständen verteilten Zylindern 22 versehen, die alle einen
Kolben 23 enthalten. Das äußere Ende jedes Kolbens greift in einen Gleitkörper 24
ein, der wieder mit einer gemeinsamen Taumelscheibe 25 im Eingriff steht. Die Pumpe
21 erhält ihre Flüssigkeit durch einen Einlaßkanal 26 aus einem Behälter 27 und
gibt Flüssigkeit unter Druck in einen Kanal 28 und durch eine Leitung 29 an die
angeschlossene Anlage ab. In dem Kanal 28 befindet sich ein Entlastungsventil 30,
während in der Leitung 29 ein Rückschlagventil 31 eingebaut ist, das in einer Zweigleitung
unmittelbar stromaufwärts vor einem Sammler 32 angeordnet ist. Das Entlastungsventil
30 weist einen unter Federspannung stehenden Ventilkörper 30a auf, der mit einem
verschiebbaren Kern 30 b zusammenwirkt, das eine Einlaßdrosselöffnung30c und einen
Sitz 30d für den Ventilkörper 30a besitzt.
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Eine Leitung 33 ist von der Leitung 29 abgezweigt und weist ein Hochdruckrückschlagventil
34 auf.
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Der mit den Flügeln der Windkraftmaschine verbundene, mit Flüssigkeitsdruck
betriebene Motor 15 wird durch einen Umlaufregler geregelt, der ein in einem Zylinder
36 untergebrachtes Kolbenschieberventil 35 einschließt, wobei der Zylinder 36 in
der Nabe 13 angeordnet ist. Die Längsachse des Zylinders 36 ist rechtwinklig zu
der Drehachse 37 der Windkraftmaschine angeordnet und schneidet sie.
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Das Kolbenschieberventil 35 weist vier in Abständen verteilte
Stege 38, 39, 40 und 41 auf, die zwischen sich die ringförmigen Kammern 42,43 und
44 begrenzen. Das Kolbenschieberventil 35 ist mit einer Stange 45 versehen, die
sich über ihren Schnittpunkt mit der Drehachse 37 hinaus auf das andere Ende des
Zylinders 36 zu erstreckt und an ihrem Endteil mit einer Auflagefläche 46 versehen
ist. Zwischen dem Auflager 46 und einer auf der Innenwand des Zylinders 36 gebildeten
Auflagefläche 48 ist eine Beschleunigungsfeder 47 eingefügt.
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Die Pumpe 21 ist so angeordnet, daß sie Flüssigkeit unter Druck durch
einen in der Welle 19 gleichachsig ausgebildeten Kanal 49 und durch einen weiteren
Kanal 50 an den Zylinder 36 fördert. Steht das Kolbenschieberventil 35 in der in
der Zeichnung gezeigten Stellung, dann steht der Steg 39 genau über dem angrenzenden
Ende der Leitung 50. Desgleichen verschließen die Stege 38 und 40 die Enden der
Leitungen 51 und 52, die von dem Zylinder 36 abgehen. Die Leitungen 51 und 52 sind
Abflußleitungen, die in eine gemeinsame Leitung 53 münden, welche mit den Unterdruck-
und Ausflußzonen 54 des Gehäuses der Pumpe 21 in Verbindung steht. Diese Zonen stehen
durch einen weiteren Kanal 55 mit dem Behälter 27 in Verbindung.
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Die zwischen den Stegen 38, 39 und 40 gebildeten ringförmigen Kammern
42 und 43 sind durch Leitungen 56 und 57 mit den Kammern 58 und 59 verbunden, die
sich in der Zeichnung links und rechts vom Kolben 14 des durch Flüssigkeitsdruck
betriebenen Motors 15 befinden. Der Teil des Zylinders 36, der die Stange 45 des
Kolbenschieberventils 35 umgibt, steht durch eine Leitung 60 mit einer weiteren
Leitung 60 a in Verbindung, welche gleichachsig mit dem Kanal 49 in der Welle 19
verläuft. Die Leitung 60 a steht wieder über eine Muffe 60 b
mit einer
Leitung 61 in Verbindung, die an den Kanal 55 angeschlossen ist.
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Das Hochdruckrückschlagventil 34 ist so angeordnet, daß es durch eine
Zweigleitung 62 ausströmen läßt, die mit der Leitung 61 verbunden ist. Weiterhin
ist eine von der Unterseite des Entlastungsventils 30 abzweigende Leitung 63 an
die Leitung 61 angeschlossen. In der Leitung 61 ist eine geeichte Auslaßöffnung
64 eingefügt und zwischen den Einmündungsstellen der Leitung 62 und 63 in der Leitung
61 angeordnet.
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Der Betrieb der Windkraftmaschine und Pumpanlage geht folgendermaßen
vor sich: Wenn die Einheit in den Nachstrom der Ladezone des Flugzeuges ausgefahren
wird, befinden sich die Flügel 11 schon in einer groben Steigung, d. h. in einer
Stellung, in der sie dem Luftstrom den geringsten Widerstand bieten. Wenn die Windkraftmaschine
anfängt, sich zu drehen, beginnt die Pumpe sich auch zu drehen und saugt dadurch
die Flüssigkeit unter Druck durch die Leitung 26 aus dem Behälter 27 und gibt diese
Flüssigkeit unter Druck durch die Leitung 28 sowie durch die Ausflußöffnung 30 c
des Kernes 30 b des Entlastungsventils 30 in die Versorgungsleitung 29 ab. Das Entlastungsventil
ist ein Niederdruckentlastungsventil und ist dazu bestimmt,
beim
Starten der Einheit zu arbeiten, um Druck abzugeben, der an dem Ventil 30 a vorbei
zu der Abflußleitung 61 entlassen wird. Während des Startens ist ein derartiger
Vorgang notwendig, um zu verhindern, daß die Pumpe die Windkraftmaschine unter übermäßiger
hydraulischer Belastung abwürgt. Da der Kern 30 b auf Grund seiner Einlaßdrosselöffnung
strömungsempfindlich ist, ist eine wirksame Druckentlastung geschaffen.
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Es ist ersichtlich, daß bei einer Zunahme des Versorgungsdruckes von
der Pumpe der Kern 30 b progressiv verschoben wird, um die Belastung der
Feder des Ventilkörpers 30a zu vergrößern.
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Wenn sich die Drehzahl der Windkraftmaschine und der Pumpe weiter
erhöht, wird das Kolbenschieberventil 35 entgegen der Kraft der Beschleunigungsfeder
47 in dem Zylinder 36 radial nach außen verschoben. Während dieser Bewegung schiebt
sich der Steg 38 auf und über das Ende der an dem Zylinder 36 angrenzenden Leitung
56 hinaus, und der Steg 39 schiebt sich auf und über das Ende der an dem Zylinder
36 angrenzenden Leitung 57 hinaus. Das bewirkt ein Verschließen der Leitung 57 für
die Druckflüssigkeit aus der Leitung 50 und ein öffnen der Leitung 56 für die Druckflüssigkeit
aus dieser Leitung 56. Auf diese Weise wird keine weitere Druckflüssigkeit an die
Grobeinstellungs-Flügelsteigungskammer 59 des Motors 15 abgegeben, sondern sie wird
statt dessen in die Feineinstellungs-Flügelsteigungskammer 58 geleitet, wobei die
Kammer 59 über die ringförmige Kammer 43 an die Abflußleitung 52 angeschlossen wird.
In diesem Beispiel liegt die Änderungsmarke, bei der begonnen wird, die Flügel
11 in Richtung auf die Feineinstellung der Steigung zu bewegen, bei ungefähr
1000 Umdrehungen pro Minute.
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Die Breite des Steges 39 ist etwas geringer als der Durchmesser der
Endöffnung der Leitung 50, die in den Zylinder 36 führt. Wenn die Drehzahl der Windkraftmaschine
und der Pumpe sich weiter bis zu einem vorherbestimmten Wert erhöht hat, d. h. einer
ersten Bezugsdrehzahl bei eingeschalteter Pumpe, befindet sich der Steg 39 zwischen
dem Durchmesser der Endöffnung der Leitung 50, so daß der Flüssigkeitsstrom zum
Motor 15 derartig ist, daß der Kolben 14 des Motors an einer Stelle gehalten wird.
Die Windkraftmaschine wird dann mit gleichbleibender Drehzahl umlaufen, wobei das
Kolbenschieberventil 35 eine erste Bezugsstellung einnimmt.
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Wenn sich die Drehzahl der Windkraftmaschine und der Pumpe über die
erste Bezugsdrehzahl hinaus erhöht, dann wird das Kolbenschieberventil
35
unter einer zentrifugalen Belastung so verschoben, daß der Steg 39 sich
mit Bezug auf die Endöffnung der Leitung 50 bewegt, um einen größeren Durchfluß
an die Kammer 59 des Motors 15 zu gestatten und die Steigung der Flügel demgemäß
zu vergrößern. Gleichzeitig wird der Steg 38 mit Bezug auf den Kanal 51 so verstellt,
daß ein entsprechend größerer Durchfluß aus der Kammer 58 des Motors 15 in die Leitung
51 stattfindet. Umgekehrt wird, wenn die Drehzahl der Windkraftmaschine und der
Pumpe unter die erste Bezugsdrehzahl abfällt, das Ventil 35 derartig radial nach
innen verschoben, daß der Steg 39 einen größeren Druckflüssigkeitsstrom in die Kammer
58 des Motors gestattet, so daß die Flügel eine feinere Steigung einnehmen, wobei
der Steg 40 so verstellt ist, daß er einen entsprechenden Flüssigkeitsfluß aus der
Kammer 59 in den Abflußkanal 52 gestattet. Auf diese Art und Weise wird die Drehzahl
der Windkraftmaschine und der Pumpe wieder auf ihren Bezugswert geführt.
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Auf Grund der während des Betriebes bei konstanter Drehzahl auftretenden
aerodynamischen Kraft von dem Nachstrom des Flugzeuges über die Zwischenstation
der Windkraftmaschine 10 und der Pumpe 21 wird der Sammler 32 voll aufgeladen, und
die Anlage wird mit ihren Druck- und Strömungserfordernissen beschickt.
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Wenn ein Förderdruck von 210 kg/cm2 erreicht ist, springt das Rückschlagventil
34 auf und verringert den Druck so, daß Druckflüssigkeit in die Leitungen 62 und
61 eintritt. Auf Grund der geeichten Ausflußöffnung 64 wird in der Leitung 61 ein
Druck aufrechterhalten und durch die Leitungen 60 und 59 an den Teil des Zylinders
weitergeleitet, der die Stange 45 des Kolbenschieberventils 35 umgibt. Dieser Druck
ist so beschaffen, daß das Kolbenschieberventil 35 gegen den Druck der Beschleunigerfeder
47 in einer radial nach außen weisenden Richtung weiter von seiner ersten Grundwertstellung
verdrängt wird, bis der Steg 39 so verstellt ist, daß die ringförmige Kammer
43 zu der Leitung 50 vollständig geöffnet ist und ein maximaler Durchfluß von Druckflüssigkeit
durch die Flügelsteigungs-Grobeinstellungsleitung 57 an die Kammer 59 stattfindet.
Gleichzeitig wird aus der Kammer 58 durch die Leitung 56, die ringförmige Kammer
42 und die Leitung 51 Flüssigkeit zum Ausfluß abgelassen. So werden
die Flügel 11 der Windkraftmaschine in eine gröbere Flügeleinstellung bewegt.
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Wenn die Drehzahl der Windkraftmaschine auf Grund dieser gröberen
Einstellung der Steigung der Flügel abfällt, ist die auf das Ventil 35 wirkende
Zentrifugalkraft so beschaffen, daß das Ventil radial nach innen bewegt wird, bis
sich der Steg 39 über die Endöffnung der Leitung 50 geschoben hat. Mit dem Ventil
35 in dieser neuen Stellung, die eine zweite Grundwertstellung ist, beschleunigt
sich die Windkraftmaschine gleichmäßig mit ihrer neuen gröberen Pumpenentlastungs-Flügelsteigung
mit einer zweiten Grundwertdrehzahl. Unter diesen Bedingungen, und wenn das Rückschlagventil
31 geschlossen ist, ist der von der Pumpe 21 entwickelte Druck ausreichend, um das
Rückschlagventi134 offenzuhalten, wobei Flüssigkeit hindurchtritt, so daß der Flüssigkeitsdruck
auf der Innenseite des Ventils 35 aufrechterhalten wird.
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Indem die Pumpe durch das Verändern der Steigung der Flügel von der
durch den Fahrtwind angetriebenen Windkraftmaschine entlastet wird, ist keine verwickelte
Entlastungsvorrichtung in der Pumpe selbst erforderlich, und da bei der entlasteten
Pumpe der Leistungsaufwand zu der Pumpe gering ist, wird eine unnötige Erwärmung
der Flüssigkeit in der Pumpe vermieden.
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Wenn die Beanspruchung an die Anlage derart ist, daß es erforderlich
ist, die Einheit zur Vollast zurückzubringen, dann wird der Druckunterschied an
dem Rückschlagventil31 derartig sein, daß der Pumpendruck das Ventil 31 öffnet,
und der sich ergebende Druckabfall an dem Rückschlagventil 34 wird das Rückschlagventil
über dem Ende der Leitung schließen. Daher wird der auf das Ende des Ventils 35
wirkende Flüssigkeitsdruck auf den Abflußdruck verringert und das Ventil unter Kraft
der
Beschleunigungsfeder 47 entgegengesetzt der zentrifugalen Belastung
so radial nach innen verschoben, daß der Steg 39 einen Durchlaß von Druckflüssigkeit
von der Leitung 50 durch die ringförmige Kammer 42 in die Flügelsteigungs-Feineinstellungsleitung
56 gestattet. Gleichzeitig wird die Flügelsteigungs-Grobeinstellungsleitung 57 an
die Abflußleitung 52 angeschlossen. So werden die Flügel 11 der Windkraftmaschine
in die Flügelsteigungs-Feineinstellungsrichtung bewegt.
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Wenn die Windkraftmaschine in der Drehzahl ansteigt, wird das Ventil
35 gegen die Kraft der Beschleunigungsfeder 47 unter der Zentrifugalkraft
radial nach außen verdrängt, bis die Windkraftmaschine die erste Grundwertdrehzahl
für den Pumpenbelastungsbetrieb erreicht.
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Wenn es erwünscht ist, mit dem Betrieb der Windkraftmaschine und der
Pumpe aufzuhören, wird die Einheit in den Ladeteil des Flugzeuges eingezogen. Während
dieses geschieht, läuft die Windkraftmaschine aus, und da praktisch keine Zentrifugalkraft
auf das Kolbenschieberventil 35 einwirkt, verschiebt die Beschleunigungsfeder
47 das Kolbenschieberventil 35 in dem Zylinder 36 derart, daß der Steg 39 so verstellt
wird, daß er die am Ende durch die Leitung 50 und durch die ringförmige Kammer 42
gepumpte Flüssigkeit zu der Flügelsteigungs-Grobeinstellungsleitung 57 leitet. So
bewegen sich die Flügel in ihre Grobeinstellung und werden in ihr zum Wiederanlassen
gehalten, während die Einheit eingezogen ist.