DE19720025B4

DE19720025B4 - Antrieb zur Winkelverstellung von Rotorblättern in Windkraftanlagen

Info

Publication number: DE19720025B4
Application number: DE19720025A
Authority: DE
Inventors: Fritz Fahrner
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-05-13
Filing date: 1997-05-13
Publication date: 2006-06-22
Anticipated expiration: 2017-05-14
Also published as: DE19720025A1; DE19720025C5

Abstract

Antrieb zur Verstellung von Rotorblättern in Windkraftanlagen, bei dem für die Notrückstellung der Rotorblätter ein Antriebssystem mit Energie-Vorratspeicher verwendet wird, der von der Normalbetriebs-Energieversorgung für die Rotorblattverstellung unabhängig ist und eine Drehbewegung des Rotorblattes in Bremsrichtung bewirkt, dadurch gekennzeichnet, dass jedes vorhandene Rotorblatt (1) ein eigenständiges Antriebssystem (13) mit jeweils einem Energie-Vorratsspeicher (5) für die Notrückstellung besitzt, und die Energie aus dem Energie-Vorratsspeicher (5) über ein Getriebe (6) auf das Rotorblatt übertragen wird.

Description

Zur Leistungsregelung von Windkraftanlagen werden vermehrt Rotorblätter mit einstellbarem Blattwinkel eingesetzt. Durch die variable Winkeleinstellung der Rotorblätter wird der Wirkungsgrad der Gesamtanlage verbessert. Werden bei einer drehenden Windkraftanlage ein oder mehrere Rotorblätter (1) des dem Stand der Technik entsprechenden Beispiels einer Windkraftanlage wie in 1 dargestellt in die Nulllage (auch Fahnenposition genannt) zurückgestellt, so erzeugen diese Rotorblätter ein Bremsmoment und verhindern, dass der Rotor (11) zusammen mit dem Generator (14) beschleunigt wird. Besitzen die Stellantriebe (13) keine Sicherheits-Rückfallebene, die bei einer Systemstörung eine Rückstellung der Rotorblätter in die Bremsposition ermöglicht, dann muss eine zusätzliche mechanische Sicherheitsbremse (12) zur Stillsetzung des Rotors (11) installiert werden.

Um die Installation einer zusätzlichen Sicherheitsbremse zu vermeiden, wird bei den dem Stand der Technik entsprechenden elektromotorischen Rotorblatt-Stellantrieben (13), jedem Stellantrieb jeweils eine unabhängige unterbrechungsfreie Stromversorgung zugeordnet, um bei Netzausfall die Stellantriebe weiter mit elektrischer Energie zu versorgen. Dadurch wird erreicht, daß der elektrische Teil der Stellantriebe funktionsfähig bleibt und die Rotorblätter bei einer Gefahrensituation in Bremslage zurückgestellt werden können. Als Unsicherheit bleibt dabei eine Störung innerhalb des elektrischen Antriebssystems der Stellantriebe, zum Beispiel durch Blitzeinschlag trotz eines vorhandenen Blitzschutzes, und zum Beispiel des dadurch verursachten Versagens elektronischer Bauelemente oder der Elektromotoren.

Bekannt ist auch eine Ausführung nach DE 42 21 783 A1 , bei der vorgeschlagen wird Energie zur Notverstellung der Rotorblätter aus der Drehbewegung des Rotors zu entnehmen. Wegen der mechanischen Kopplung der 3 Antriebe ist dabei eine für jedes Rotorblatt autarke Energieversorgung zur Notverstellung nicht gegeben, und auch bei Rückanströmung der Rotorblätter eine Verstellung in die Bremsposition außer Funktion gesetzt.

Die in DE 30 09 922 A1 beschriebene Einrichtung ist zur Regelung der Flügelposition ausgeführt und besitzt nur einen Energiespeicher für die Notrückstellung in die Fah nenlage. Bei Ausfall der Energie aus dem nur einmal vorhandenen Speicher wird die Rückstellfunktion für alle Rotorblätter unterbrochen.

Eine weitere Möglichkeit der Notrückstellung wird beschrieben in dem Buch Lueger, „Lexikon der Technik" 1965, Bd. 7, Seite 574 bis 581, und bezieht sich auf eine vorgespannte Feder, die bei Ausfall der Hydraulik eine gemeinsame Verstellung aller Rotorblätter in Fahnenlage bewirkt. Eine unabhängige Rückstellung und Bremsfunktion für jedes einzelne Rotorblatt besteht dabei nicht.

Der im Patentanspruch 1–4 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, die Funktionssicherheit eines Antriebes für die Notrückstellung der Rotorblätter ohne Aktivierung elektrischer Komponenten zu gewährleisten. Gelöst wird das Problem durch einen Antrieb mit den Merkmalen des Patentanspruches 1.

Zum Beispiel ist es möglich, daß die erfindungsgemäße Anordnung eines Stellantriebes gemäß 2 im Störungsfall eine Rückstellung des Rotorblattes in eine Bremsposition durch in der Stelleinheit gespeicherte Federenergie erfolgen läßt. Durch Einwirkung des gespeicherten Feder-Drehmomentes über ein Getriebe (6), das für die Drehmomentverstärkung des Rotorblatt-Stellmotors (3) bereits benötigt wird, kann die erforderliche Rückstell-Energie aus einem Federsystem, das eine Vielzahl von Umdrehungen ausführt, bereitgestellt werden.
Die Speicherung und Bereitstellung der Federkraft erfolgt dadurch, daß die Anordnung der in 2 angegebenen Komponenten folgenden Funktionsablauf ausführt:
Ersatzweise wird das System für einen Rotorblattantrieb beschrieben, und bei Ausführung mit mehreren Rotorblättern summiert sich die Anordnung in identischer Weise. Eine handelsübliche Dauermagnet-Kupplung (32) stellt im stromlosen Zustand einen Kraftschluß zwischen Antriebswelle (31) des Stellmotors (3) mit der Antriebswelle (51) des als Federspeicher ausgebildeten Energie-Vorratsspeichers (5) her, indem der Dauermagnet (323) eine Anpresskraft der Reibscheibe (321) an das Zahnrad (322) erzeugt. Die zwischen Kupplung (32) und Federspeicher angeordnete handelsübliche und mittels Arbeitstrom betätigte Bremse (4) bleibt ebenfalls stromlos und somit ohne Bremswirkung.
Führt der Stellmotor (3) nun eine Drehbewegung in Arbeitsrichtung des Rotorblattes durch, wird durch Drehung der Welle im Federspeicher die Feder (52) solange durch Drehen gespannt, bis sie blockiert. Nach Erkennung der maximalen Aufwicklung der Feder durch Sensoren oder durch Anstieg des Drehmomentbedarfs des Stellmotors wird die Bremse (4) bestromt und somit die Antriebswelle (51) blockiert und die Feder (52) im gespannten Zustand festgehalten, d.h. die Energie ist gespeichert. Eine indirekte Überwachung der Federspannung läßt sich zum Beispiel mittels Abtastung des Feder-Wickeldurchmessers gewährleisten.
Damit der Stellmotor (3) zu seiner ihm zugedachten Aufgabe kommen kann, nämlich der kontinuierlichen Verstellung der Rotorblätter, wird nun die Spule (324) der Kupplung bestromt und dadurch die Wirkung des Dauermagneten aufgehoben. Dies führt zu einer Trennung des Kraftschlusses von Antriebswelle (31) und Zahnrad (322) und somit auch zur Antriebswelle (51) des Federspeichers. Antriebswelle (31) und Antriebswelle (51) des Federspeichers sind zum Beispiel über ein Zahnriemengetriebe (7) verbunden. Die Bremse (4) kann wahlweise auch zwischen Kupplung (32) und Zahnriemengetriebe (7) angeordnet sein.
Die Abgabe der bereitgestellten Energie erfolgt durch Abschaltung der kompletten Stromversorgung, dadurch verbindet die Kupplung (32) den Federspeicher mit dem Getriebe (6), und die öffnende Bremse (4) gibt die gespeicherte Energie frei.
Je nach Ausführung der gespannten Feder wird nun am Getriebe-Eingang eine Vielzahl von Umdrehungen eingeleitet, und der Getriebe-Ausgang (61) dreht das Rotorblatt in eine Position, die Bremswirkung für den Rotor erzeugt.
Als beispielhafte Variante besitzt der Federspeicher Spiralfedern (52, 53), deren inneres Ende im Zentrum mit einer Antriebswelle (51) verbunden ist, und deren äußeres Ende am Gehäuse (54) befestigt wird. Zur Verstärkung des Drehmomentes werden weitere Federn parallel angeordnet. Da der Winkelbereich für die Rotorblatt-Rückstellung in die Endlage je nach augenblicklicher Lage des Rotorblattes unterschiedlich sein kann, die gespeicherte Federenergie aber für den maximal möglichen Winkel ausgelegt ist, muß die mechanische Endlagenbegrenzung des Rotorblattes mit besonderen Dämpfern zum Abbau eventuell noch vorhandener Energie ausgerüstet werden.
Da für die erfindungsgemäße Art, einer Erzeugung der Sicherheitsbewegung des Rotorblattes in die Bremslage, keinerlei elektrische Komponenten aktiviert werden müssen, und jedes im System vorhandene Rotorblatt eine vollkommen unabhängig wirkende Rückstelleinheit besitzt, erfährt das Gesamtsystem eine erhöhte Sicherheitsstufe bei einer sicherheitsbedingt notwendigen Abbremsung des Rotors.
Die Einbringung der Federenergie nicht direkt am Rotorblatt, sondern über ein Getriebe, bewirkt eine erhebliche Reduzierung des Aufwandes, da die erforderliche Rückstellkraft am Rotorblatt durch das Getriebe über mehrere Feder-Umdrehungen erzeugt wird. Weiterer Vorteil ist eine mögliche Anpassung des erforderlichen Rückstell-Drehmomentes durch Variation der Anzahl und Stärke der eingesetzten Federn.
Eine Ausgestaltung der Erfindung ist die feste, nicht schaltbare Verbindung der Antriebswelle (51) des Federspeichers mit der Antriebswelle (31) des Stellmotors. Die Bremse (4) und die Kupplung (32) werden in diesem Fall nicht benötigt. Mit jeder Drehbewegung des Stellmotors, und somit auch des Rotorblattes, spannt und entspannt sich der Federspeicher.

Claims

Antrieb zur Verstellung von Rotorblättern in Windkraftanlagen, bei dem für die Notrückstellung der Rotorblätter ein Antriebssystem mit Energie-Vorratspeicher verwendet wird, der von der Normalbetriebs-Energieversorgung für die Rotorblattverstellung unabhängig ist und eine Drehbewegung des Rotorblattes in Bremsrichtung bewirkt, dadurch gekennzeichnet, dass jedes vorhandene Rotorblatt (1) ein eigenständiges Antriebssystem (13) mit jeweils einem Energie-Vorratsspeicher (5) für die Notrückstellung besitzt, und die Energie aus dem Energie-Vorratsspeicher (5) über ein Getriebe (6) auf das Rotorblatt übertragen wird.
Stellantrieb nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Energie-Vorratsspeicher (5) ein Federspeicher ist.
Stellantrieb nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einleitung der Rückstellenergie aus dem Federspeicher auf die Antriebswelle (31) des Stellmotors (3) und somit auf das Rotorblatt (1), dadurch erfolgt, dass durch Abschaltung der Versorgungsspannung eine Dauermagnetkupplung (32) eine kraftschlüssige Verbindung von der Antriebswelle des Stellmotors (3) zur Antriebswelle (51) des Federspeichers hergestellt wird, und die Abschaltung der Versorgungsspannung einer Bremse (4), oder einer anderen Verriegelung, die Antriebswelle (51) drehbar freischaltet und somit die gespeicherte Energie freigibt.
Stellantrieb nachPatentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Energie-Vorratsspeicher (5) ein Druckluft- oder ein Hydraulik-Vorratstank ist, der im Notfall selbständig geöffnet wird und einen entsprechenden Druckluft- oder Hydraulikmotor mit Energie versorgt, welcher über ein Getriebe mit dem Rotorblatt (1) verbunden ist.