DE19544401A1

DE19544401A1 - Einrichtung zum selbsttätigen Einstellen der Blätter von Vertikalachs-Rotoren nach der Anströmung im Bahnumlauf

Info

Publication number: DE19544401A1
Application number: DE1995144401
Authority: DE
Inventors: Guenther Eggert; Philipp Otto
Original assignee: En Umwelt Beratung E V I
Current assignee: En Umwelt Beratung E V I
Priority date: 1995-11-29
Filing date: 1995-11-29
Publication date: 1997-06-05

Description

Gegenstand der Erfindung

Gegenstand der Erfindung ist eine Einrichtung zum selbsttätigen Einstellen der Tragflügel-Blätter von Vertikalachs-Rotoren bei Windkraftanlagen in den wechselnden Positionen entlang ihrer Umlaufbahn mit dem Ziel einer auftriebsgünstigen Anstellung des Profils zur Richtung des wirksamen resultierenden Windes.

Stand der Technik

Bekannte Bauarten des Vertikalachs-Rotors nach dem aerodynamische Tragflügelprinzip sind der Darrieus-Rotor und der H-Rotor. Das hier interessierende Merkmal beider Maschinen besteht in der festen Anordnung aller Flügelblätter an ihren Befestigungsholmen, womit der Nachteil verbunden ist, daß die Blätter in bestimmten Abschnitten ihrer Umlaufbahn kein positives Drehmoment liefern, sondern gegen den Windwiderstand geschleppt werden müssen. Ein weiterer Nachteil dieser Bauarten besteht darin, daß sie für den Anlauf einen Hilfsantrieb benötigen.

Es sind weiterhin Rotoren bekannt, bei denen die Flügelblätter in Gelenken beweglich angeordnet sind, so daß die Blätter nach ihrer Position auf der Umlaufbahn durch einen Mechanismus ähnlich dem bekannten Zykloidalpropeller eingestellt werden können. Ein anderer Vorschlag sieht alternativ eine rechnergesteuerte Einstellung eines Verstellgestänges vor. Gemeinsam ist dieser Gruppe der einstellbaren Rotoren jeweils eine Stell- und Steuerbaugruppe, die mittels einer Hilfsenergie die positionsgerechte Einstellung der Flügelblätter durchführt.

Mit dieser Form der Blattsteuerung ist neben der Bereitstellung und dem Einsatz einer Hilfsenergie ein erhöhter baulicher Aufwand erforderlich, der insbesondere bei kleinen Windkraftanlagen zur Unwirtschaftlichkeit führt.

Ziel der Erfindung

Die Erfindung stellt sich zum Ziel, die Blatteinstellung zwar mittels eines gemeinsamen Mechanismus in Anlehnung an den Zykloidalpropeller vorzunehmen, jedoch mit einem selbsteinstellenden zentralen Steuerpunkt sowie ohne Einsatz einer von außen zuzuführenden Hilfsenergie.

Lösungsweg

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die an den Blattprofilen wirkenden aerodynamischen Momente selbsttätig die Blatteinstellung vornehmen und mit den Momenten auch die Synchronisation der Blattstellungen untereinander erfolgt. Hierzu sind die Blätter durch einen Gelenkmechanismus so miteinander verbunden, daß sich ein Momentengleichgewicht in einem Gelenkmechanismus ausbildet und der gemeinsame Schnittpunkt aller Gelenkkräfte mit dem zentralen Steuerpunkt für die günstigte Blattstellung annähernd zusammenfällt.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung wird nachfolgend an einem Beispiel beschrieben. Es zeigen
Bild 1 die Darstellung eines Blattflügels an einem Rotorholm mit einem angelenkten Steuergestänge unter der Wirkung eines aerodynamischen Moments,
Bild 2 die Wirkungen der aerodynamischen Momente auf einen gemeinsamen Gelenkmechanismus in Abhängigkeit von der Windrichtung und Windgeschwindigkeit,
Bild 3 die Führung des zentralen Steuerpunktes in einer Führungsbahn in Abhängigkeit von der Windrichtung,
Bild 4 die Darstellung einer elastischen Kraftübertragung im Gelenkmechanismus.

Infolge der am Blattflügel F₂ angreifenden Windgeschwindigkeit V und der Bahngeschwindigkeit U bildet sich die resultierende Windgeschwindigkeit R₂ aus, Bild 1. Im Druckpunkt des Profils wirkt die Auftriebskraft A₂. Da der Druckpunkt D von der Eintrittskante des Profils ausgehend hinter der Anlenkpunkt G liegt, entsteht das Auftriebsmoment A₂, das das Profil mit der Austrittskante zu Rotordrehpunkt M hin dreht. Das an der Austrittskante angelenkte Gestänge S wird damit aus dem Rotordrehpunkt zum Punkt M′ um die Exzentrizität e verschoben, das System nimmt damit die unter der wirkenden Windgeschwindigkeit und Windrichtung mögliche stabile Lage ein. Die Verschiebung von M zu M′ erfolgt in Wirkungsrichtung des angreifenden Windes.

In gleicher Weise entstehen an den Blattflügeln F₁ und F₃ aerodynamische Momente, die über die angelenkten Gestänge zu einem Momenten- und Kräftegleichgewicht im Punkt M′ zusammengeführt werden. M′ ist dabei um den Betrag e in Windrichtung verschoben, Bild 2. Die Exzentrizität e ist der Windgeschwindigkeit etwa proportional. Der Punkt M′ kommt dem günstigsten Steuerpunkt des Systems nahe oder fällt mit ihm zusammen. In der technischen Realisierung wird der Steuerpunkt M′ in einer Gleitbahn G geführt, die im einfachen Fall durch eine Windfahne F in die Richtung des Windes gebracht wird, Bild 3. Hierdurch wird gleichzeitig der Selbstanlauf des Rotors unterstützt, da eine ausreichend große Windgeschwindigkeit zusammen mit den bei stillstehendem Rotor stets ungleichen Blattkräften zu einer Verschiebung des Steuerpunktes bis zur stabilen Endlage führt.

Mit wachsender Windgeschwindigkeit erhöht sich die Verschiebung des Steuerpunktes M′ und die Exzentrizität e. Es entsteht der Betriebszustand des Abreißens der Umströmung der Blattprofile, mit dem das positive Antriebsmoment abnimmt. Die Anlage geht in einen Zustand über, in dem die gemessene Windgeschwindigkeit und die sich wieder reduzierende Exzentrizität den Sicherheitsabschaltvorgang der Anlage auslösen.

Die Zusammenführung der Gestängekräfte zu einem Kräftegleichgewicht wirkt auch im Fall des Zwischenschaltens federnder Elemente in das Gestänge, Bild 4. Mit den federnden Elementen wird bei bestimmten Geschwindigkeiten ein günstigeres Übergangsverhalten in den Blattstellungen erreicht.

Darüberhinaus kann das erfindungsgemäße Grundprinzip des Gleichgewichts mechanischer Momente und Kräfte in anderer als der beschriebenen Weise auch über beispielsweise hydraulische oder Seilverbindungen erreicht werden.

Claims

1. Einrichtung zum selbsttätigen Einstellen der Blätter von Vertikalachs-Rotoren nach der Anströmung im Bahnumlauf, dadurch gekennzeichnet, daß die an den Blattprofilen wirkenden aerodynamischen Auftriebskräfte Drehmomente um die Anlenkpunkte der Blätter an den Rotorholmen erzeugen und damit eine der jeweiligen Anströmung der Blätter entlang ihrer Umlaufbahn entsprechende auftriebswirksame Anstellung bewirken.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß alle Profilblätter mit Kraftübertragungsgliedern verbunden sind, die auf einen gemeinsamen zentralen, in der Ruhestellung des Rotors mit der Rotorachse zusammenfallenden Gelenkpunkt geführt werden derart, daß die aus den aerodynamischen Auftriebskräften entstehenden Kräfte in diesem Gelenkpunkt zu einem geschlossenen Kräftepolygon zusammenlaufen, mit dem das Kräftegleichgewicht hergestellt wird.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der gemeinsame Gelenkpunkt der Kraftübertragungsglieder in einer radial zur Rotorachse gerichteten Führungsbahn geführt wird.

4. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausrichtung der Führungsbahn in Abhängigkeit von und in der Windrichtung erfolgt.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausrichtung der Führungsbahn durch die Windkraft selbst erfolgen kann.

6. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftübertragungsglieder passive biegesteife oder nachgiebige oder biegeschlaffe mechanische Elemente oder aktive hydraulische oder pneumatische Stellelemente sein können, die untereinander verbunden sind und ein geschlossenes Kräftepolygon herstellen können.

7. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle der radial gerichteten Führungsbahn auch andere Elemente verwendet werden wie beispielsweise Nockenscheiben, die den Zweck, der Windrichtungsausrichtung des Steuerpunktes erfüllen können.