DE2737767C2

DE2737767C2 - Windkraftanlage

Info

Publication number: DE2737767C2
Application number: DE2737767A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Prof. Dr.-Ing. 7312 Kirchheim Huetter
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1977-08-22
Filing date: 1977-08-22
Publication date: 1979-05-17
Also published as: US4197056A; DE2737767B1

Description

Die Erfindung erstreckt sich auf eine Anlage zum Umformen der Strömungsenergie des Windes in mechanische oder elektrische Energie vorzugsweise im Megawatt-Bereich. Es ist bereits bekannt, bei derartigen Windkraftanlagen die Blätter eines während des Betriebes in einer zumindest angenähert vertikalen Ebene umlaufenden Rotors an einer auf der Rotorwelle befestigten Nabe über Gelenke um einen gewissen Winkel schwenkbar anzuschließen, damit sich die Rotorblätter in die resultierende Kraftrichtung aus der im Betrieb auftretenden Luft-Widerstandskraft und der Fliehkraft einstellen können und so weitgehend von Wurzel-Biegemomenten senkrecht zur Rotationsebene entlastet werden. Diese bekannte Maßnahme ist jedoch nicht dazu geeignet, die beim Transport und der Montage der Rotorblätter bei größeren Windkraftanlagen zur Energie-Umformung im Megawatt-Bereich mit Längen über z. B. 50 Metern auftretenden Schwierigkeiten zu überwinden. Bereits ein Straßen-Transport derart langer Bauteile ließe sich nämlich nurmit aufwendigen Sonder-Fahrzeugen und entsprechenden Absperrungs-Maßnahmen durchführen. Darüber hinaus stellt vor allem bei Rotoren mit zwei oder mehr Blättern deren nacheinander durchzuführender Anbau an eine Nabe eine komplizierte Montageaufgabe dar, weil nach dem Anbau eines ersten Blattes in angenähert vertikaler Lage der Rotor zum Anbau weiterer Blätter unter Aufwand eines hohen Drehmomentes um bis zu 180° gedreht werden muß, bevor ein weiteres Rotorblatt in vertikaler Lage an die Nabe angebaut werden kann.

Aufgabe der Erfindung ist es in erster Linie, die vorstehend geschilderten Schwierigkeiten sowohl hinsichtlich der Montage als auch beim Transport von Windkraftanlagen zur Energie-Umformung vor allem im Megawatt-Bereich zu überwinden und gleichzeitig die Wirtschaftlichkeit solcher Anlagen durch Verringerung der erforderlichen Massen ihrer Bauteile zu verbessern, was im Hinblick auf die in naher Zukunft bevorstehende Verknappung von aus fossilen Stoffen - wie z. B. Erdöl und Erdgas - gewonnener Energie

jo außerordentlich wichtig ist. Diese Aufgaben sind bei der erfindungsgemäßen Windkraftanlage im wesentlichen durch die Vereinigung der Merkmale a), b) und c) gemäß dem Kennzeichen des Hauptanspruches gelöst worden.

ν-, Bei einer solchen Ausgestaltung der Anlage können die Rotorblätter in beliebiger Anzahl sämtlich nacheinander in vertikaler Lage an eine auf der Rotorwelle befestigte Nabe angebaut werden ohne die Nabe mit der Welle dazwischen verdrehen zu müssen. Durch die mechanisch-kinematische Kopplung zwischen den Schwenkbewegungen der Rotorblätter um ihre Verbindungsgelenke mit der Nabe und des die Rotorwelle drehbar tragenden Kopfteiles aus seiner vertikalen Lage bei Stillstand der Anlage in eine zumindest angenähert horizontale Betriebsstellung ist dabei sichergestellt, daß die Rotorblätter auch in allen beim Anlaufen und Stillsetzen der Anlage auftretenden Zwischenstellungen einen den Anlagenkopf in der erforderlichen Höhe über Grund tragenden Turm nicht berühren können.

Es liegt im Rahmen der Erfindung, eine Hilfskraft-Betätigungseinrichtung zum Unterstützen der Schwenkbewegungen der Rotorblätter und des Kopfteiles beim Anlaufen und/oder Stillsetzen der Anlagen vor allem mit sehr großen Abmessungen z. B. in Form von hydraulischen Arbeitszylindern od. dgl. zu verwenden, um das In- bzw. Außerbetriebsetzen zu beschleunigen.

Eine weitere wesentliche Vereinfachung des Transports und der Montage der Rotorblätter ist bei der erfindungsgemäßen Windkraftanlage dadurch erzielt worden, daß die Rotorblätter jeweils aus mehreren Teilen bestehen, die miteinander durch - insbesondere im Teillastbereich - senkrecht zur Drehebene des Rotors bewegliche, jedoch in der dazu senkrechten Richtung biegesteife und drehfeste Gelenke verbunden sind. Eine solche Unterteilung der Rotorblätter schafft die Möglichkeit, die Blätter auch von

Anlagen mit sehr großen Rotor-Durchmessern bis weit über 100 Metern ohne größere Schwierigkeiten von ihrer Fertigungsstelle zum Standort der Anlage zu transportieren und diese erst bei der Endmontage zusammenzubauen. Gleichzeitig kann durch die Anordnung derartiger Gelenke in den Rotorblättern deren Biegebeanspruchung während des Betriebes und damit auch deren Masse nochmals erheblich verringert werden.

Die für den Bau einer erfindungsgemäßen Energie-Umformungsanlage nach der Erfindung erforderliche gesamte Masse läßt sich ferner dadurch herabsetzen, daß an den Rotorblättern in einem spitzennahen Bereich — in an sich bekannter Weise — Sekundär-Rotoren mit zumindest im Teillastbereich in der Drehebene des Hauptrotors Hegenden Achsen zum Antrieb von Energie-Wandlern, insbesondere elektrischen Generatoren, angeordnet sind. Bei einer solchen Ausgestaltung der Anlage läßt sich ein mechanisches Übersetzungs-Getriebe zwischen dem mit verhältnismäßig niedriger Drehzahl von unter 10 U/ min umlaufenden Hauptrotor und einem von diesem angetriebenen Energie-Wandler vorzugsweise in Form eines elektrischen Generators völlig einsparen, da die im spitzennahen Bereich der Haupt-Rotorblätter angeordneten Sekundär-Rotoren mit einer vielfach höheren Drehzahl arbeiten und daher direkt mit entsprechenden Energie-Wandlern gekuppelt werden können. Durch die Ausrüstung der Blätter des Hauptrotors mit derartigen Sekundär-Rotoren ergibt sich gleichzeitig die vorteilhafte Möglichkeit, diese Sekundär-Rotoren mit Fremdenergie zu beaufschlagen und sie auf diese Weise im Propeller-Betrieb zum Ingangsetzen des Hauptrotors aus seiner Stillstandslage zu verwenden.

Nachstehend folgt die Beschreibung eines Ausführungsbeispieles an Hand der Zeichnung mit drei Abbildungen. Es zeigt

Fig. 1 eine Windkraftanlage nach der Erfindung in Seitenansicht mit in Betriebsstellung befindlichem zweiblättrigen Rotor und des als Lagerung für die Rotorwelle dienenden schwenkbaren Teil des Anlagenkopfes,

Fig. 2 den oberen Teil der gleichen Windkraftanlage ebenfalls in Seitenansicht mit in Stillstands-Lage befindlichen Rotorblättern und schwenkbarem Anlagenkopf-Teil und

Fig. 3 einen Schnitt gemäß der Linie III-III in Fig. 2.

Bei der in der Zeichnung veranschaulichten Groß-Windkraftanlage zur Energieumwandlung im Megawatt-Bereich ist der durch die Strömungsenergie des Windes antreibbare Rotor 1 in einem um eine horizontale Achse 10 schwenkbaren Teil 2 des Anlagenkopfes drehbar gelagert. An der auf der Rotorwelle 11 befestigten Nabe 12 sind die Rotorblätter 3, 3' um Gelenke 4,4' mit in der Drehebene des Rotors liegenden Achsen zwischen ihrer in Fig. 1 dargestellten Betriebsstellung und einer in den Fig. 2 und 3 gezeigten Ruhelage bei Stillstand der Anlage um ca. 90° schwenkbar angelenkt. Die Schwenkbewegungen der Rotorblätter 3,3' um ihre Gelenke 4,4' und des Anlagenkopf-Teiles 2 um die horizontale Achse 10 sind dabei durch Gestänge 13, 13' bzw. 14, 14' und ein eine gegenseitige Drehung ermöglichendes Zwischenstück 15 kinematisch so miteinander gekoppelt, daß bei Übergang der Anlage aus der Ruhelage gemäß den Fig. 2 und 3 in die Betriebsstellung des Rotors 1 und des schwenkbaren Anlagenkopf-Teiles 2 gemäß Fig. 1 eine Berührung der Rotorblätter 3, 3' mit dem die Anlage im erforderlichen Abstand vom Grund 23 tragenden Turm 16 mit Sicherheit verhindert wird. Zum Verkürzen der für das Inbetrieb- bzw. Stillsetzen der Anlage benötigten Zeiten werden zweckmäßig zusätzliche hilfskraftbetätigte Verstell-Vorrichtungen z. B. in Form von hydraulischen Arbeitszylindern 17 od. dgl. vorgesehen.

Bei Windkraftanlagen nach der Erfindung mit z. B. 20 m übersteigender Länge der einzelnen Rotorblätter 3, 3' werden diese vorteilhafterweise zum Vereinfachen der Fertigung, des Transportes bis zum Standort der Anlage und der Montage sowie zum Verringern der Biegebeanspi uchung der Blätter senkrecht zur Drehachse des Rotors und damit auch ihrer Masse in mehreren — z. B. drei — durch Gelenkverbindungen 6, 7 mit in der Rotorebene liegenden Schwenkachsen verbundenen Teilen 18,19,20 hergestellt, die erst bei der Endmontage nacheinander in vertikaler Lage hochgezogen und an die in Stillstandslage befindliche Rotor-Nabe 12 gemäß Fig. 2 angebaut werden können.

Durch Anbringen von Sekundär-Rotoren 8, 8' mit verhältnismäßig kleinen Durchmessern und erheblich höherer Betriebsdrehzahl im Vergleich zum Hauptrotor im spitzennahen Bereich der Rotorblätter 3, 3' lassen sich die erforderliche Masse und die Abmessungen vor allem des Anlagenkopfes infolge des Fortfalls eines Getriebes zwischen dem Hauptrotor und einem von diesem angetriebenen Energie-Wandler weiter erheblich verringern, da die schnelläufigen Sekundär-Rotoren 8, 8' entweder direkt oder über Ge-

J5 triebe mit verhältnismäßig kleinem Übersetzungsverhältnis mit den zugehörigen Energie-Wandlern 9, 9', vorzugsweise in Form von Elektro-Generatoren, gekuppelt werden können. Die Sekundär-Rotoren 8, 8' sind dabei vorteilhaft zusätzlich zum besonders einfachen Ingangsetzen der Anlage aus ihrer Stillstandslage gemäß den Fig. 2 und 3 in die Betriebsstellung der Fig. 1 zu verwenden. Hierzu werden die Rotoren 8, 8' von ihren mit Fremdenergie gespeisten Energie-Wandlern 9,9' als Propeller angetrieben und üben dabei auf den Hauptrotor 1 ein diesen in Drehung setzendes Moment zuerst in Richtung der Pfeile 24 bei in vertikaler Lage befindlichem Kopfteil 2 und Welle 11 aus. bei zunehmender Drehzahl des Hauptrotors werden die Rotorblätter 3, 3' durch die auf sie einwirkenden Zentrifugalkräfte aus ihrer Ruhelage gemäß den Fig. 2 und 3 in die Betriebsstellung der Fig. 1 und infolge der kinematischen Kopplung gleichzeitig der Kopfteil 2 mit der Rotorwelle 11 in seine Betriebslage mit zumindest angenähert horizontaler Lage der Rotorwelle 11 geschwenkt, bei der der Rotor 1 in einer angenähert vertikalen Ebene umlaufend voll von der Luftströmung beaufschlagt wird.

Zum Einstellen des Rotors 1 in eine quer zur jeweiligen Windrichtung stehende Lage um die Vertikal-Achse können beliebige - an sich bekannte — Einrichtungen wie z. B. eine sogenannte »Windrose« mit senkrecht zur Umlaufebene des Hauptrotors angeordneter Drehebene benutzt werden. Im Ausführungsbeispiel ist zu diesem Zweck der ganze AnIagen-Turm 16 mitsamt einer diesen tragenden f undament-Platte 21 um die Vertikal-Achse 22 gegenüber dem Grund 23 schwenkbar ausgebildet.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Windkraftanlage bestehend aus einem während des Betriebes in einer zumindest angenähert vertikalen Ebene umlaufenden Rotor mit beliebiger Blattzahl, dessen einzelne Blätter über Gelenke an einer auf der Rotorwelle befestigten Nabe befestigt sind, die in einem von einem Turm in einer die Rotorblatt-Länge übersteigenden Höhe über Grund getragenen Anlagenkopf gelagert ist, gekennzeichnet durch die Vereinigung folgender Merkmale:

a) der Rotor (1) ist in einem bei stillstehender Anlage in eine vertikale Lage schwenkenden Kopfteil (2) gelagert,

b) die Rotor-Blätter (3, 3') sind um ihre Gelecke (4, 4') bei stillstehender Anlege bis in eine zumindest angenähert vertikale Lage geschwenkt und

c) die Enden (S, 5') der Rotor-Blätter (3, 3') sind mit dem schwenkbaren Kopfteil (2) kinematisch zu gemeinsamer Schwenkbewegung gekoppelt.

2. Windkraftanlage nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Hilfskraft-Betätigungseinrichtung für die Schwenkbewegungen der Rotor-Blätter (3, 3') und des Kopfteiles (2) aus der Stillstands- in die Betriebslage und umgekehrt.

3. Windkraftanlage nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotor-Blätter (3, 3') aus mehreren Teilen (18, 19, 20) bestehen, die miteinander durch - insbesondere im Teillastbereich - senkrecht zur Drehebene des Rotors bewegliche, jedoch in der dazu senkrechten Richtung biegesteife und drehfeste Gelenke (6, 7) verbunden sind.

4. Windkraftanlage nach Anspruch 1 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß an den Rotor-Blättern (3, 3') in einem spitzennahen Bereich in an sich bekannter Weise Sckundär-Rotoren (8,8') mit zumindest im Teillastbereich in der Drehebene des Hauptrotors liegenden Achsen zum Antrieb von Energie-Wandlern (9, 9'), insbesondere elektrischen Generatoren, angeordnet sind.

5. Windkraftanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Energie-Wandler (9, 9') mit Fremdenergie beaufschlagbar sind zum Inbetriebsetzen des Hauptrotors durch Antreiben der Sekundär-Rotoren als Propeller.