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Gebiet des Gebrauchsmusters
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Das vorliegende Gebrauchsmuster gehört zum Bereich der Stromerzeugung mittels Windkraft und betrifft insbesondere ein Laufrad mit einer einstellbaren Anzahl von Schaufeln.
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Technischer Hintergrund
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Die meisten neuen Windparks werden derzeit bei schlechten Windverhältnissen und niedrigen jährlichen durchschnittlichen Windgeschwindigkeiten betrieben. Um die Windenergienutzung durch die Windkraftanlage bei niedrigen Windgeschwindigkeiten zu verbessern, vergrößern die Hersteller häufig die Schaufellänge, um die überstrichene Fläche des Laufrads zu vergrößern und so eine möglichst hohe Windenergienutzung zu erreichen.
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Die einfache Vergrößerung der Schaufellänge zur Erhöhung der Windenergienutzung birgt jedoch erhebliche Gerätesicherheitsrisiken. In den letzten Jahren zeigte sich ein Aufwärtstrend unsicherer Vorfälle mit langen Schaufeln (Einzelschaufellänge über 50 Meter), bei denen die Schaufel über den Turm streicht oder durchbricht oder der Schaufelfußbolzen gebrochen wird. Dies ist auf folgende Ursachen zurückzuführen: (1) Der Herstellungsprozess einer Schaufel ist komplex, wobei mit zunehmender Schaufellänge die Schwierigkeit des Herstellungsverfahrens steigt und die Wahrscheinlichkeit des Auftretens von Prozessfehlern in der Schaufel deutlich zunimmt. (2) Momentan ist die Massenproduktion von 90 m langen Schaufeln bereits zustande gekommen. Je länger die Schaufel ist, desto flexibler ist sie, so dass die Schaufel, wenn sich die Windkraftanlage in einem komplexen Gelände befindet, bei starken Windturbulenzen eine über den Auslegungswert hinausgehende Verformung erfahren kann, was leicht zu Unfällen führt, bei denen die Schaufel über den Turm streicht oder durchbricht. (3) Mit zunehmender Schaufellänge nehmen auch das Schaufelgewicht und die Belastung des mit der Nabe verbundenen Bolzens während der Bewegung der Schaufel zu, was leicht zum Bruch des Bolzens führen kann und den sicheren Betrieb der Schaufel und der gesamten Anlage beeinträchtigt.
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Offenbarung des Gebrauchsmusters
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Um die oben genannten Probleme des Stands der Technik zu überwinden, stellt sich das vorliegende Gebrauchsmuster die Aufgabe, ein Laufrad mit einer einstellbaren Anzahl von Schaufeln bereitzustellen, um die Stromerzeugungskapazität eines Windkraftgeneratoraggregats zu maximieren und einen sicheren und stabilen Betrieb der Windkraftanlage zu realisieren.
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Zur Lösung dieser Aufgabe sieht das vorliegende Gebrauchsmuster folgende Ausgestaltungen vor:
- Ein Laufrad mit einer einstellbaren Anzahl von Schaufeln umfasst eine Hauptwelle, eine an einem Ende der Hauptwelle befestigte feste Nabe und zwei an der festen Nabe befestigte feste Schaufeln. Darüber hinaus umfasst es eine verstellbare Nabe, die über eine Keilverbindungsstruktur auf der Hauptwelle angeordnet ist, zwei verstellbare Schaufeln, die jeweils über eine Bolzenverbindungsstruktur an der verstellbaren Nabe angeordnet sind, eine am anderen Ende der Hauptwelle angeordnete Gondel und eine Steuervorrichtung, die auf einer inneren Plattform der Gondel angeordnet ist. Eine axiale Befestigungsstange für die verstellbare Nabe ist mit einem Ende an der verstellbaren Nabe befestigt, während das andere Ende der axialen Befestigungsstange für die verstellbare Nabe im Vier-Schaufel-Betriebsmodus mit einem hydraulischen Verriegelungsstift und einem Stiftloch, welche sich innerhalb der festen Nabe befinden, verbunden ist, um die verstellbare Nabe zu befestigen, und im Zwei-Schaufel-Betriebsmodus hingegen in der Luft hängt. Ein Hydraulikzylinder und eine Kolbenstange sind über eine Hydraulikpumpe an der Innenwand der verstellbaren Nabe angeordnet, während an der Innenwand der verstellbaren Schaufel eine Welle angeordnet ist, auf der eine Verbindungsstange vorgesehen ist, wobei die Kolbenstange und die Verbindungsstange einen Koppelstangenmechanismus zum Drehen der beiden verstellbaren Schaufeln um eine Schraube der jeweiligen Bolzenverbindungsstruktur bilden. Innerhalb der Steuervorrichtung befinden sich ein erster Elektromotor und ein zweiter Elektromotor, wobei der erste Elektromotor über eine Zwischenwelle mit einem Zahnrad verbunden ist und das Zahnrad zur Drehung antreibt, welches Zahnrad mit einer Zahnstange eine Zahnradpaarung bildet, um die Steuervorrichtung horizontal zu bewegen, während der zweite Elektromotor mit einer Antriebsstützstange verbunden ist und diese antreibt, welche Antriebsstützstange zum Verbinden mit einer sich an der Oberfläche der verstellbaren Radnabe befindenden Nabenstützbohrung dient, an deren Innenseite eine Gewindestruktur ausgebildet ist, wobei das Innengewinde der Nabenstützbohrung und ein Außengewinde am Ende der Stützstange beim Betrieb des Laufrads mit zwei Schaufeln eine Gewindepaarung bilden, um die verstellbare Nabe zu befestigen.
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Die Bolzenverbindungsstruktur umfasst ein Lager, eine Schraube, eine Mutter und eine Beilagscheibe, wobei der Außenring des Lagers an der Innenwand der verstellbaren Nabe angeordnet ist, während die Schraube an einem Ende in den Innenring des Lagers passt und am anderen Ende über ein Außengewinde mit der Mutter und der Beilagscheibe verbunden ist.
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Die Keilverbindungsstruktur umfasst einen sich an der Oberfläche der Hauptwelle befindenden Außenkeil und eine im Inneren der verstellbaren Nabe angeordnete Keilnut, wobei die Verbindung zwischen der Hauptwelle und der verstellbaren Nabe durch Einführen des Außenkeils in die Keilnut hergestellt wird, um ein Drehen der Hauptwelle durch die verstellbare Nabe beim Betrieb des Laufrads mit vier Schaufeln zu ermöglichen.
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An der Oberfläche der verstellbaren Nabe sind zwei Nabenstützbohrungen vorgesehen.
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Gegenüber dem Stand der Technik bietet das vorliegende Gebrauchsmuster folgende Vorteile:
- Mit zunehmender Schaufelanzahl erhöht sich der Bedeckungsgrad des Laufrads entsprechend, was die Ausgabe eines verhältnismäßig großen Moments bei gleicher Windgeschwindigkeit und eine sehr hohe Startfähigkeit bei geringen Windgeschwindigkeiten ermöglicht, so dass das Windkraftgeneratoraggregat auch bei niedrigeren Windgeschwindigkeiten gestartet werden kann. Das vorliegende Gebrauchsmuster ermöglicht es dem Laufrad, bei geringen Windgeschwindigkeiten mit vier Schaufeln betrieben zu werden, um Strom zu erzeugen, ohne dass die Schaufeln verlängert werden müssen, wodurch die Stromerzeugungskapazität der Windkraftanlage bei niedrigen Windgeschwindigkeiten erheblich gesteigert wird. Bei hohen Windgeschwindigkeiten kann das Steuersystem die Anzahl der Laufradschaufeln auf zwei einstellen, um die Belastung des Windkraftgeneratoraggregats während des Betriebs zu verringern und gleichzeitig die Stromerzeugungskapazität der Windkraftanlage zu gewährleisten. Daraus können sich eine Maximierung der Stromerzeugungskapazität des Windkraftgeneratoraggregats und ein sicherer und stabiler Betrieb der Windkraftanlage ergeben.
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Figurenliste
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- 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Laufrads im Vier-Schaufel-Betriebsmodus.
- 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Laufrads im Zwei-Schaufel-Betriebsmodus.
- 3 zeigt eine schematische Darstellung der Verbindung zwischen einer verstellbaren Schaufel 3 und einer verstellbaren Nabe 4.
- 4 zeigt eine schematische Darstellung des hydraulischen Mechanismus aus 3 in C-Richtung.
- 5 zeigt eine schematische A-A-Ansicht der festen Nabe 2 aus 1.
- 6 zeigt eine schematische B-B-Ansicht der verstellbaren Nabe 4 aus 1.
- 7 zeigt eine Draufsicht auf eine innerhalb der Gondel angeordnete Steuervorrichtung für die Schaufelverstellung.
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Bezugszeichenliste
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- 1.
- Feste Schaufel,
- 2.
- Feste Nabe,
- 3.
- Verstellbare Schaufel,
- 4.
- Verstellbare Nabe,
- 5.
- Hauptwelle,
- 6.
- Außenkeil,
- 7.
- Keilnut,
- 8.
- Hydraulikpumpe,
- 9.
- Hydraulikzylinder,
- 10.
- Kolbenstange,
- 11.
- Verbindungsstange,
- 12.
- Welle,
- 13.
- Lager,
- 14.
- Schraube,
- 15.
- Beilagscheibe,
- 16.
- Mutter,
- 17.
- Nabenstützbohrung,
- 18.
- Gondel,
- 19.
- Steuervorrichtung,
- 20.
- Erster Elektromotor,
- 21.
- Zwischenwelle,
- 22.
- Zahnrad,
- 23.
- Zahnstange,
- 24.
- Zweiter Elektromotor,
- 25.
- Stützstange,
- 26.
- Axiale Befestigungsstange für die verstellbare Nabe,
- 27.
- Hydraulischer Verriegelungsstift,
- 28.
- Stiftloch.
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Konkrete Ausführungsformen
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Im Folgenden wird das vorliegende Gebrauchsmuster anhand konkreter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben.
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Wie in 1, 2, 4 und 7 dargestellt ist, betrifft das vorliegende Gebrauchsmuster ein Laufrad mit einer einstellbaren Anzahl von Schaufeln, das eine Hauptwelle 5, eine an einem Ende der Hauptwelle 5 befestigte feste Nabe 2 und zwei an der festen Nabe 2 befestigte feste Schaufeln 1 umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass es ferner eine verstellbare Nabe 4, die über eine Keilverbindungsstruktur auf der Hauptwelle 5 angeordnet ist, zwei verstellbare Schaufeln 3, die jeweils über eine Bolzenverbindungsstruktur an der verstellbaren Nabe 4 angeordnet sind, eine am anderen Ende der Hauptwelle 5 angeordnete Gondel 18 und eine Steuervorrichtung 19, die auf einer inneren Plattform der Gondel 18 angeordnet ist, umfasst. Eine axiale Befestigungsstange für die verstellbare Nabe 26 ist mit einem Ende an der verstellbaren Nabe 4 befestigt, während das andere Ende der axialen Befestigungsstange für die verstellbare Nabe 26 im Vier-Schaufel-Betriebsmodus mit einem hydraulischen Verriegelungsstift 27 und einem Stiftloch 28, welche sich innerhalb der festen Nabe 2 befinden, verbunden ist, um die verstellbare Nabe 4 zu befestigen, und im Zwei-Schaufel-Betriebsmodus hingegen in der Luft hängt. Ein Hydraulikzylinder 9 und eine Kolbenstange 10 sind über eine Hydraulikpumpe 8 an der Innenwand der verstellbaren Nabe 4 angeordnet, während an der Innenwand der verstellbaren Schaufel 3 eine Welle 12 angeordnet ist, auf der eine Verbindungsstange 11 vorgesehen ist, wobei die Kolbenstange 10 und die Verbindungsstange 11 einen Koppelstangenmechanismus zum Drehen der beiden verstellbaren Schaufeln 3 um eine Schraube 14 der jeweiligen Bolzenverbindungsstruktur bilden. Innerhalb der Steuervorrichtung 19 befinden sich ein erster Elektromotor 20 und ein zweiter Elektromotor 24, wobei der erste Elektromotor 20 über eine Zwischenwelle 21 mit einem Zahnrad 22 verbunden ist und das Zahnrad 22 zur Drehung antreibt, welches Zahnrad 22 mit einer Zahnstange 23 eine Zahnradpaarung bildet, um die Steuervorrichtung 19 horizontal zu bewegen, während der zweite Elektromotor 24 mit einer Antriebsstützstange 25 verbunden ist und diese antreibt, welche Antriebsstützstange 25 zum Verbinden mit einer sich an der Oberfläche der verstellbaren Radnabe 4 befindenden Nabenstützbohrung 17 dient, an deren Innenseite eine Gewindestruktur ausgebildet ist, wobei das Innengewinde der Nabenstützbohrung 17 und ein Außengewinde am Ende der Stützstange 25 beim Betrieb des Laufrads mit zwei Schaufeln eine Gewindepaarung bilden, um die verstellbare Nabe 4 zu befestigen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des vorliegenden Gebrauchsmusters umfasst die Bolzenverbindungsstruktur, wie in 3 erkennbar, ein Lager 13, eine Schraube 14, eine Mutter 16 und eine Beilagscheibe 15, wobei der Außenring des Lagers 13 an der Innenwand der verstellbaren Nabe 4 angeordnet ist, während die Schraube 14 an einem Ende in den Innenring des Lagers 13 passt und am anderen Ende über ein Außengewinde mit der Mutter 16 und der Beilagscheibe 15 verbunden ist.
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In 5 sind die beiden an der festen Nabe 2 befestigten festen Schaufeln 1 schematisch dargestellt.
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Wie aus 6 zu ersehen ist, umfasst die Keilverbindungsstruktur in einer bevorzugten Ausführungsform des vorliegenden Gebrauchsmusters einen sich an der Oberfläche der Hauptwelle 5 befindenden Außenkeil 6 und eine im Inneren der verstellbaren Nabe 4 angeordnete Keilnut 7, wobei die Verbindung zwischen der Hauptwelle 5 und der verstellbaren Nabe 4 durch Einführen des Außenkeils 6 in die Keilnut 7 hergestellt wird, um ein Drehen der Hauptwelle 5 durch die verstellbare Nabe 4 beim Betrieb des Laufrads mit vier Schaufeln zu ermöglichen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des vorliegenden Gebrauchsmusters sind an der Oberfläche der verstellbaren Nabe 4 zwei Nabenstützbohrungen 17 vorgesehen.
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Das Laufrad mit einer einstellbaren Anzahl von Schaufeln gemäß dem vorliegenden Gebrauchsmuster wird wie folgt betrieben:
- 1) Bei niedrigen Windgeschwindigkeiten wird die Windkraftanlage zur Stromerzeugung mit vier Schaufeln betrieben, siehe hierzu 1. In diesem Zustand sind die beiden festen Schaufeln 1, die feste Nabe, die beiden verstellbaren Schaufeln 3 und die verstellbare Nabe 4 in Betrieb, wobei die verstellbare Nabe 4 über den Außenkeil 6 die Hauptwelle 5 in Drehung versetzt, um Strom zu erzeugen. Die axiale Befestigungsstange für die verstellbare Nabe 26 steht mit dem hydraulischen Verriegelungsstift 27 und dem Stiftloch 28 in Verbindung, um eine axiale Befestigung der verstellbaren Nabe 4 zu erreichen.
- 2) Wenn am Ort der Windkraftanlage ein Wechsel von einer niedrigen zu einer hohen Windgeschwindigkeit auftritt, wird das Laufrad vom Vier-Schaufel-Betriebsmodus in den Zwei-Schaufel-Betriebsmodus umgeschaltet. Dies erfolgt insbesondere dadurch, dass das Steuersystem der Windkraftanlage einen Befehl zum Anhalten der Windkraftanlage gibt und die Drehzahl des Laufrads so steuert, dass diese abnimmt, bis sich die beiden Nabenstützbohrungen 17 und die beiden Stützstangen 25 in einer koaxialen Position befinden, siehe hierzu 1. Die Steuervorrichtung 19 gibt einen Befehl, um den ersten Elektromotor 20 dazu anzusteuern, das Zahnrad 22 zu drehen. Die Zahnstange 23 ist an der inneren Plattform der Gondel 18 befestigt, so dass sich die gesamte Steuervorrichtung 19 als Ganzes entlang der Zahnstange 23 in Richtung der verstellbaren Nabe 4 bewegt und dann anhält, wenn die Stützstangen 25 mit den Nabenstützbohrungen 17 an der verstellbaren Nabe 4 in Kontakt treten. Anschließend arbeiten der erste Elektromotor 20 und der zweite Elektromotor 24 gleichzeitig, um die Stützstangen 25 in die Nabenstützbohrungen 17 zu treiben, bis die Gewinde der Antriebsstützstangen 25 und der Nabenstützbohrungen 17 vollständig ineinandergreifen. Der interne Mechanismus der festen Nabe 2 wird betätigt, um den hydraulischen Verriegelungsstift 27 aus dem Stiftloch 28 zurückzuziehen und so die axiale Befestigungsstange für die verstellbare Nabe 26 freizugeben. Die Steuervorrichtung 19 gibt einen Befehl ab, woraufhin der erste Elektromotor 20 das Zahnrad 22 zur Drehung antreibt, wodurch die Steuervorrichtung 19 als Ganzes entlang der Zahnstange 23 von der verstellbaren Nabe 4 wegbewegt wird und dann anhält, wenn sich die verstellbare Nabe 4 vollständig von dem Außenkeil 6 trennt. Das Steuersystem der Windkraftanlage gibt einen Befehl aus, woraufhin die Hydraulikpumpe 8 in Betrieb genommen wird, um die Kolbenstange 10 zu bewegen, was eine Drehung der Verbindungsstange 11 mit der Welle 12 und somit eine Drehung der verstellbaren Schaufeln 3 um die Achse der jeweiligen Schraube 14 bewirkt, wobei der erste Elektromotor 8 dann mit Drehen aufhört, wenn die Mittellinie des Fußes jeder der verstellbaren Schaufeln parallel zur Mittellinie der Hauptwelle 5 verläuft. Zu diesem Zeitpunkt sind die verstellbaren Schaufeln 3 zugeklappt, was in 2 dargestellt ist. Im Anschluss daran wird die Windkraftanlage eingeschaltet, um im Zwei-Schaufel-Betriebsmodus mit den beiden festen Schaufeln 1 Strom zu erzeugen.
- 3) Bei hohen Windgeschwindigkeiten wird die Windkraftanlage zur Stromerzeugung mit zwei Schaufeln betrieben, siehe hierzu 2. In diesem Zustand sind die beiden festen Schaufeln 1 und die feste Nabe 2 in Betrieb. Die verstellbare Nabe 4 ist vollständig von dem Außenkeil 6 getrennt. Die beiden verstellbaren Schaufeln 3 und die verstellbare Nabe 4 befinden sich in Ruhestellung. Die Stützstangen 25 tragen das Gewicht der beiden verstellbaren Schaufeln 3 und der verstellbaren Nabe 4 und halten sie in Position.
- 4) Wenn am Ort der Windkraftanlage ein Wechsel von einer hohen zu einer niedrigen Windgeschwindigkeit auftritt, wird das Laufrad vom Zwei-Schaufel-Betriebsmodus in den Vier-Schaufel-Betriebsmodus umgeschaltet. Dies erfolgt insbesondere dadurch, dass das Steuersystem der Windkraftanlage einen Befehl zum Anhalten der Windkraftanlage abgibt, bis der Außenkeil 6 entlang der Hauptwelle axial mit der Keilnut 7 ausgerichtet ist, siehe hierzu 2. Die Hydraulikpumpe 8 wird betrieben, um die Kolbenstange 10 zu bewegen, was eine Drehung der Verbindungsstange 11 mit der Welle 12 und somit eine Drehung der verstellbaren Schaufeln 3 um die Achse der jeweiligen Schraube 14 bewirkt, bis die Mittellinie ihres Schaufelfußes senkrecht zur Mittellinie der Hauptwelle 5 verläuft, siehe hierzu 3. Der Steuerschrank 19 gibt einen Befehl aus, woraufhin der erste Elektromotor 20 das Zahnrad 22 zur Drehung antreibt, wodurch der Steuerschrank 19 als Ganzes entlang der Zahnstange 23 in Richtung der verstellbaren Nabe 4 bewegt wird und dann anhält, wenn die verstellbare Nabe 4 und der Außenkeil 6 vollständig ineinander passen. Zu diesem Zeitpunkt ist ein Loch am Ende der axialen Befestigungsstange für die verstellbare Nabe 26 koaxial mit dem Stiftloch 28 angeordnet. Der interne Mechanismus der festen Nabe 2 wird betätigt, um den hydraulischen Verriegelungsstift 27 in das Stiftloch 28 einzuführen und so die axiale Befestigungsstange für die verstellbare Nabe 26 sicher zu befestigen. Der erste Elektromotor 20 und der zweite Elektromotor 24 arbeiten gleichzeitig, um die Stützstangen 25 in Drehung zu versetzen und in Richtung der Gondel zu bewegen, bis sich die Gewinde der Antriebsstützstangen 25 und der Nabenstützbohrungen 17 vollständig voneinander trennen. Die Steuervorrichtung 19 gibt einen Befehl, der erste Elektromotor 20 treibt das Zahnrad 22 zur Drehung an und die Steuervorrichtung 19 als Ganzes bewegt sich entlang der Zahnstange 23 von der verstellbaren Nabe 4 weg, wobei das Laufrad wie in 1 dargestellt aufgebaut ist. Im Anschluss daran wird die Windkraftanlage eingeschaltet, um im Vier-Schaufel-Betriebsmodus Strom zu erzeugen.
