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Die
Erfindung betrifft eine Windkraftanlage mit einer drehbar gelagerten
Welle, an der Rotorblätter angelenkt sind, die durch die
Windkraft entgegen der Kraft eines Federelements in radialer Richtung verstellt
werden können.
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Eine
solche Windkraftanlage ist aus der
DE 0 956 390 B bekannt. Die Rotorblätter
der Windkraftanlage werden bei Windstille durch die Kraft verhältnismäßig
weich vorgespannter Regelfedern in einer gegen die Welle geneigten
Anlaufstellung gehalten. Sie werden bei einsetzendem Wind durch
Fliehkraftwirkung in eine Vollaststellung verschwenkt, in der sie bezüglich
der Welle steiler angestellt sind. Wenn die Windgeschwindigkeit
den durch die Federspannung der Regelfedern bestimmten Normalwert übersteigt, werden
durch die weitere Auswärtsbewegung der Rotorblätter
härter vorgespannte Federn wirksam, die die Rotorblätter
in eine gegen die Welle flach angestellte Drosselstellung zurückschwenken.
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Die
radiale Verstellung der Rotorblätter einer Windkraftanlage
hat nur wenig Eingang in die Praxis gefunden. Sie ist aber für
spezielle Anwendungen durchaus attraktiv. Zu denken ist an Windkraftanlagen
von niedriger elektrischer Leistung in einer häufig sturmgepeitschten
Umgebung, beispielsweise off-shore Windkraftanlagen zur elektrischen
Energieversorgung von Fischfarmen in Meeresküstennähe.
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Aus
der
DE 20 2009
012 104 U1 des Anmelders, deren Priorität für
das vorliegende Gebrauchsmuster beansprucht wird, ist eine Windkraftanlage mit
einer Achse, die sich im wesentlichen horizontal erstreckt, und
mit einem Rotor bekannt, der mit einer Welle drehbar an der Achse
gelagert ist. An die Welle angelenkte Rotorblätter werden
durch die Windkraft entgegen der Kraft eines Federbeins, zu dem
ein hydraulischer Teleskop-Schwingungsdämpfer gehört, in
radialer Richtung verstellt.
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Einschlägige
Federbeine sind aus der Fahrwerkstechnik von Fahrzeugen, insbesondere
Motorrädern und Autos, bekannt. Sie machen die vorgenannte
Windkraftanlage unaufwendig im Aufbau, robust, wartungsarm und absolut
sturmtauglich.
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Dank
der radialen Verstellbarkeit der Rotorblätter paßt
sich die Windangriffsfläche der Windkraftanlage den herrschenden
Windverhältnissen selbsttätig an. Die Schwingungsdämpfung
der radialen Verstellbewegung wirkt Überreaktionen z. B. beim
Einfall einer Bö entgegen.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine einschlägige Windkraftanlage
baulich weiter zu vereinfachen und noch modularer, robuster und
wartungsärmer zu gestalten.
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Die
diese Aufgabe lösende Windkraftanlage hat als Achse eine
zylindrische Hohlachse und als Welle eine koaxial darin angeordnete,
zylindrische Hohlwelle. In die Hohlwelle ist ein zentrales Federbein
eingelassen, mit dem alle Rotorblätter angefedert und schwingungsgedämpft
sind.
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Das
zentrale Federbein ist in der Hohlwelle gekapselt und dadurch vor
schädlichen Umwelteinflüssen sehr gut geschützt.
In einer baulich besonders einfachen Ausführungsform kommt
die Windkraftanlage mit einem einzigen Federbein aus.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform hat der Teleskop-Schwingungsdämpfer
des Federbeins eine Kolbenstange, die vorn aus der Hohlwelle heraussteht
und ein Stellglied trägt, mit dem die Rotorblätter
in ihrer radialen Verstellbewegung zusammenwirken.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform läßt sich
das Stellglied an der Kolbenstange in seiner Position verstellen
und arretieren. Dadurch läßt sich die Federvorspannung
des Federbeins variieren und an die Größe des
Rotors, die Anzahl seiner Rotorblätter und die normalerweise
herrschenden Windverhältnisse anpassen.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform ist das Stellglied eine
kreisscheibenförmige, ebene Platte.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform stützen sich
die Rotorblätter mit einem Rad oder einer Rolle an dem
Stellglied ab. Das ermöglicht einen reibungsarmen Betrieb
mit wenig Verschleiß.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform sind die Rotorblätter
bei Windstille oder schwachem Wind mit dem Rad oder der Rolle an
einer Wellenscheibe abgefangen, die starr an der Hohlwelle sitzt.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform sind die Rotorblätter
Gelenkhebel mit einem radial inneren Schaft, der das Rad oder die
Rolle trägt. Der Schaft kommt mit dem Rad oder der Rolle
zwischen dem Stellglied und der Wellenscheibe zu liegen.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform ist wenigstens eines
der Rotorblätter mit einer einstellbaren Beschwerung versehen.
Die Beschwerung eröffnet zusätzliche Einstellmöglichkeiten
zur Optimierung der Energieeffizienz der Windkraftanlage. Die Energieeffizienz
hängt unter anderem von der Anzahl, Form und Größe
der Rotorblätter, der Federcharakteristik des Federbeins
und den normalerweise herrschenden Windverhältnissen ab.
Man kann durch Nachrüsten und/oder nachträgliches
Verstellen der Beschwerung eine Anpassung vornehmen, ohne an dem
Federbein baulich etwas zu verändern, und man kommt für
Windräder von verschiedener Bauart und Größe
mit baugleichen Federbeinen aus. Der modulare Aufbau mit nur wenigen
verschiedenen Komponenten innerhalb einer Bauserie von Windkraftanlagen
bringt erhebliche ökonomische Vorteile mit sich.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform läßt sich
die Beschwerung in der Position an einem Arm verstellen und arretieren,
der von dem Schaft des Rotorblatts quer auskragt.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform hat der Arm eine Gewindestange
mit Kontermutter für die Beschwerung.
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Nicht
jedes einzelne Rotorblatt muß mit einer Beschwerung versehen
sein, solange nur gewährleistet ist, daß keine
Unwucht bezüglich der Drehachse auftritt. Es besteht die
Möglichkeit, von 2n × u
(n und u natürliche Zahlen; u ungerade; u > 1; n ≥ 1) gleichmäßig über
den Umfang des Rotors verteilen Rotorblättern wenigstens
u und höchstens 2n–1 × u
mit gleichem Winkelabstand angeordnete Rotorblätter mit
einer Beschwerung zu versehen. Es liegt dann zwischen den Beschwerungen
tragenden Rotorblättern, die den Vollkreis in gleiche Winkelsegmente
unterteilen, eine jeweils gleiche Zahl keine Beschwerungen tragender
Rotorblätter. Selbstverständlich können
aber auch stets alle Rotorblätter mit einer Beschwerung
versehen sein.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform ist der Rotor ein Luvläufer.
Die Rotorblätter sind geeignet, unter der Windkraft zu
dem Gehäuse der Windkraftanlage hinzuschwenken.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform sind die Rotorblätter
zweiarmige, an der Wellenscheibe angelenkte Gelenkhebel.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform ist das Stellglied an
der Kolbenstange mit Schlitzen versehen, durch die die Beschwerungen
der Rotorblätter tragenden Arme vorstehen.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform sind die Räder
oder Rollen beidseits der Schlitze an den Rotorblättern
angebracht.
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Bei
einer alternativ bevorzugten Ausführungsform ist der Rotor
ein Leeläufer. Die Rotorblätter sind geeignet,
unter der Windkraft von dem Gehäuse der Windkraftanlage
wegzuschwenken.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform sind die Rotorblätter
einarmige Gelenkhebel, die mit ihrem radial inneren Ende an der
Hohlwelle angelenkt sind.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform ist das Stellglied an
der Kolbenstange mit Schlitzen versehen, in die der Schaft der Rotorblätter
einzuschwenken geeignet ist.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform sind die Räder
oder Rollen beidseits der Schlitze an den Rotorblättern
angebracht.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform ist die Wellenscheibe
mit Schlitzen versehen, durch die die Beschwerungen der Rotorblätter
tragenden Arme zurückstehen.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform bildet das vordere Ende
der Hohlwelle eine großvolumige Schmiermittelkammer. Letztere
ermöglicht die Bevorratung einer großen Menge
Schmiermittel für die Lagerschmierung des Rotors und einen
entsprechend wartungsarmen Betrieb. Der Schmiermittelvorrat hält
schädliche Umwelteinflüsse von dem hinter der
Schmiermittelkammer in die Hohlwelle eingelassenen Federbein ab.
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Alternativ
oder zusätzlich kann der Hohlraum zwischen der Hohlachse
und der Hohlwelle als großvolumige Schmiermittelkammer
für die Lagerschmierung des Rotors ausgebildet sein.
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Die
Erfindung wird im folgenden anhand von zwei in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Es zeigen:
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1 und 2 diametrale
Schnittansichten einer Windkraftanlage im Bereich von deren Rotor,
der als Luvläufer ausgebildet ist, und zwar in
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1 bei
Windstille oder schwachem Wind; und in
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2 bei
stärkerem Wind;
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3 eine
Vorderansicht der Windkraftanlage mit Blick in Richtung A von 1;
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4 einen
Schnitt durch die Windkraftanlage nach B-B von 1;
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5 und 6 diametrale
Schnittansichten einer Windkraftanlage im Bereich von deren Rotor,
der als Leeläufer ausgebildet ist, und zwar in
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5 bei
Windstille oder schwachem Wind; und in
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6 bei
starkem Sturm;
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7 eine
Vorderansicht der Windkraftanlage mit Blick in Richtung A von 5;
und
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8 einen
Schnitt durch die Windkraftanlage nach B-B von 5.
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Die
Windkraftanlagen haben einen Turm, Mast, Pylon o. ä., auf
dem mit einem Azimutlager normalerweise um 360° drehbar
ein Gehäuse (Maschinengondel) gelagert ist, das einen windkraftbetätigten
Rotor trägt. Bei dem Rotor kann es sich um einen Luvläufer
oder einen Leeläufer handeln.
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Ein
Luvläufer ist ein Rotor auf der dem Wind zugekehrten Seite
des Turms. Ein Leeläufer ist ein Rotor auf der dem Wind
abgekehrten Seite des Turms.
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Die
Windkraftanlage gemäß 1 bis 4 hat
eine bezüglich des Azimutlagers starre, zentrale Hohlachse 8 in
Form eines Zylinderrohrs, das sich im wesentlichen horizontal erstreckt.
An der Hohlachse 8 ist der Rotor drehbar gelagert. Dazu
dient eine Hohlwelle 10 in Form eines Zylinderrohrs, das
koaxial im Innern der Hohlachse 8 angeordnet ist und nach vorn
aus der Hohlachse 8 heraussteht.
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Am
vorderen Ende der Hohlachse 8 ist zwischen dem Innenmantel
der Hohlachse 8 und dem Außenmantel der Hohlwelle 10 ein
Wellenlager 9 angeordnet.
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Das
vordere Ende der Hohlwelle 10 ist mit einem ebenen Boden
verschlossen.
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Der
Rotor sitzt mit einer Wellenscheibe 7 an der vorderen Partie
der Hohlwelle 10, die aus der Hohlachse 8 heraussteht.
Die Wellenscheibe 7 ist eine ebene, kreisringförmige
Platte, die mit ihrer Zentralöffnung auf die Hohlwelle 10 paßt
und gegen den Boden der Hohlwelle 10 nach hinten versetzt
mit dem Außenmantel der Hohlwelle 10 verschweißt
ist.
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Die
Wellenscheibe 7 steht von der Hohlwelle 10 radial
nach außen ab und über den Umfang der Hohlachse 8 nach
außen vor.
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Die
Rotorblätter 4 des Rotors sind an der äußeren
Peripherie der Wellenscheibe 7 angelenkt 5. Sie
lassen sich um ihre Gelenkachse in radialer Richtung verschwenken.
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Die
Rotorblätter 4 sind zweiarmige Hebel mit einem
inneren Schaft, einem äußeren Flügel
und dem Gelenk 5 dazwischen. Der Schaft kommt vorn vor
der Wellenscheibe 7 zu liegen. Er trägt an seinem inneren
Ende ein Doppel-Rad 6, dessen Achse in Umfangsrichtung
orientiert ist.
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Bei
Windstille hat der Rotor eine Ruhestellung, und bei schwachem Wind
eine Arbeitsstellung, in denen seine Rotorblätter 4 im
wesentlichen radial orientiert sind (vgl. 1). Die
Räder 6 am Ende des Schafts der Rotorblätter 4 kommen
mit geringem Abstand vom Außenmantel der Hohlwelle 10 mit
bündigem Presskontakt an der vorderen Stirnfläche
der Wellenscheibe 7 zu liegen. Dadurch sind die Rotorblätter 4 an
der Wellenscheibe 7 abgefangen.
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In
die Hohlwelle 10 ist ein Federbein 2 eingelassen,
das einen hydraulischen Teleskop-Schwingungsdämpfer mit
einer Schraubendruckfeder kom biniert. Einschlägige Federbeine 2 sind
aus der Fahrwerkstechnik von Fahrzeugen, insbesondere Motorrädern
und Autos, bekannt.
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Das
Federbein 2 ist Teil eines Stellmechanismus, der die radiale
Neigung der Rotorblätter 4 zu verstellen ermöglicht,
um die Windangriffsfläche der Windkraftanlage an die herrschenden
Windverhältnisse selbsttätig anzupassen.
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Die
Verbindung zwischen der Hohlwelle 10 und dem Federbein 2 ist
drehfest. Der komplette Stellmechanismus dreht sich mit der Hohlwelle 10 mit.
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Das
Federbein 2 hat einen Zylinder und eine diesbezüglich
in axialer Richtung ein- und ausfahrbare Kolbenstange. Die Ein-
und Ausfahrbewegung der Kolbenstange ist hydraulisch gedämpft.
Beim Ausfahren der Kolbenstange wird die Schraubendruckfeder des
Federbeins 2 gespannt.
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Der
Zylinder ist gegen den Boden der Hohlwelle 10 rückversetzt
in die Hohlwelle 10 eingebaut und gegen das Ausfahren der
Kolbenstange an der Schulter eines Stützrings 12 abgefangen,
der mit dem Innenmantel der Hohlwelle 10 verschweißt
ist.
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Die
Kolbenstange erstreckt sich nach vorn und durch den Boden der Hohlwelle 10 hindurch nach
außen. Sie steht über den Boden vor.
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Zwischen
dem Boden der Hohlwelle 10 und dem Stützring 12 für
den Zylinder bildet das Innere der Hohlwelle 10 eine großvolumige
Schmiermittelkammer 13, aus der das vordere Wellenlager 9 mit Schmiermittel gespeist
wird. Der Zylinder ist in Einbaustellung an dem Stützring 12 abgedichtet 11.
Die Kolbenstange ist mit einer Dichtung 11 durch den Boden
der Hohlwelle 10 hindurchgeführt.
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An
dem aus der Hohlwelle 10 herausragenden Ende der Kolbenstange
ist eine radial abstehende, kreisscheibenförmige Stellplatte 1 angebracht. Die
Stellplatte 1 ist auf ein Gewindeende der Kolbenstange
aufgeschraubt und mit einer Mutter 3 gekontert. Die Verbindung
zwischen Kolbenstange und Stellplatte 1 ist drehfest.
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Die
Stellplatte 1 läd radial über den Umfang der
Wellenscheibe 7 aus. Sie steht an der der Wellenscheibe 7 abgewandten
Seite mit den Rädern 6 der Rotorblätter 4 in
Anlage.
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Von
dem Schaft der Rotorblätter 4 zwischen dem Gelenk 5 und
den Rädern 6 kragt nach vorn ein Arm 14 aus,
der eine verstellbare Beschwerung 15 trägt. Der
Arm 14 ist mit dem Rotorblatt 4 verschraubt oder
verschweißt. Er ragt durch einen Schlitz in der Stellplatte 1 hindurch.
Die Beschwerung 15 ist außen vor der Stellplatte 1 auf
einen Gewindestab 16 an dem Arm aufgeschraubt und mit einer
Kontermutter 17 gesichert.
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Die
Räder 6 eines Radpaars an dem Rotorblatt 4 kommen
beidseits des Schlitzes in der Stellplatte 1 zu liegen
(vgl. 4).
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Bei
der Windkraftanlage gemäß 5 bis 8 sind
die Rotorblätter 4 einarmige Gelenkhebel, die
mit einem Gelenk 5 an dem vorderen Ende der Hohlwelle 10 sitzen.
An dem Schaft der Rotorblätter 4 sind Doppel- Räder 6 und
ein nach hinten auskragender Arm 14 angebracht, der eine
Beschwerung 15 trägt. Der Arm 14 ist
mit dem Rotorblatt 4 verschraubt oder verschweißt.
Er ragt durch einen Schlitz in der Wellenscheibe 7 hindurch.
Die Beschwerung 15 ist hinter der Wellenscheibe 7 an
dem Arm 14 angebracht.
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Die
Stellplatte 1 ist mit Schlitzen versehen, in die die Schäfte
der Rotorblätter 4 nach vorn einzuschwenken geeignet
sind. Die Räder 6 eines Radpaars an dem Rotorblatt 4 kommen
beidseits der Schlitze zu liegen (vgl. 7).
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In
der Ruhestellung des Rotors bei Windstille bzw. in der Arbeitsstellung
bei schwachem Wind (vgl. 1 und 5) ist die
Kolbenstange maximal eingefahren. Die Schraubendruckfeder des Federbeins 2 spannt
die Stellplatte 1 gegen die Räder 6,
so daß diese gegen die Wellenscheibe 7 gedrückt
werden. Die Rotorblätter 4 nehmen ihre an der
Wellenscheibe 7 abgefangene Stellung ein.
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Bei
stärkerem Wind oder Sturm schwenken die Rotorblätter 4 durch
die Windkraft um ihre Gelenkachse in radialer Richtung nach hinten
(vgl. 2) bzw. vorn (vgl. 6). Dabei
laufen die Räder 6 der Rotorblätter 4 mit
rollender Reibung an der Stellplatte 1 ab. Die Stellplatte 1 wird
in einer schwingungsgedämpften Ausfahrbewegung der Kolbenstange
gegen die Kraft der Schraubendruckfeder des Federbeins 2 nach
außen gedrückt und die Schraubendruckfeder gespannt.
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Bei
nachlassendem Wind entspannt sich die Schraubendruckfeder. Die Kolbenstange
vollführt eine schwingungsgedämpfte Einfahrbewegung,
und es werden die Rotorblätter 4 mittels der Stellplatte 1 unter
rollender Reibung der Räder 6 daran zurückgestellt.
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Eine
Windkraftanlage mit Luvläufer gemäß 1 bis 4 muß so
ausgelegt sein, daß die unter der Windkraft zu dem Gehäuse
hinschwenkenden Rotorblätter 4 nicht mit dem Turm
in Berührung kommen. Es bedarf dazu einer Anlenkung der
Rotorblätter 4 in einem Abstand vom Turm, der
größenordnungsmäßig der Länge
der Rotorblätter 4 entspricht oder diese gar übersteigt.
Bei einem Leeläufer gemäß 5 bis 8 können
die Rotorblätter 4 hingegen in geringem Abstand
vom Turm angelenkt werden. Das ist für schwerpunktbedingte
bauliche Auslegung der Anlage von Vorteil.
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Die
beschriebenen Windkraftanlagen mit Luvläufer und Leeläufer
sind in vielen Komponenten baugleich. Es wird ein Komponentensystem
bereitgestellt, mit dem sich Bauserien von Windkraftanlagen in beiden
Ausführungsvarianten und von verschiedener Größe,
insbesondere unterschiedlicher Rotorblattzahl und/oder -länge,
realisieren lassen. Der modulare Aufbau eröffnet vielfältige
Umbau- und Nachrüstmöglichkeiten. Damit gehen
erhebliche ökonomische Vorteile einher.
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- 1
- Kreisscheibe
(Stellplatte)
- 2
- Feder-Dämpfer
(Federbein)
- 3
- Mutter
- 4
- Rotorblatt
- 5
- Gelenk
- 6
- Doppel-Rad
- 7
- Widerlager
für Gelenk (Wellenscheibe)
- 8
- Gehäuse-Rohr 1 (Hohlachse)
- 9
- Lager
(Wellenlager)
- 10
- Gehäuse-Rohr 2 (Hohlwelle)
- 11
- Dichtung
- 12
- Widerlager
für 2 (Stützring)
- 13
- Fettkammer
(Schmiermittelkammer)
- 14
- Halterung
(Arm)
- 15
- Gesicht – variabel
(Beschwerung)
- 16
- Gewindestab
- 17
- Kontermutter
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 0956390
B [0002]
- - DE 202009012104 U1 [0004]