DE2806874A1

DE2806874A1 - Horizontalachsenrotor, vorzugsweise fuer windkraftwerke

Info

Publication number: DE2806874A1
Application number: DE19782806874
Authority: DE
Inventors: Rickard Andersson
Original assignee: PRAKTISK TEKNIK AB
Current assignee: PRAKTISK TEKNIK AB
Priority date: 1976-08-26
Filing date: 1978-02-17
Publication date: 1979-08-23
Also published as: GB1592114A; SE7609457L; SE401241B; NL7801830A

Description

Pafentenwalfe

Dipl. Ing. H. Weitann, Dipl. Phys. Dr. K. Finfo '

Dipl. Ing. F. A. Weiten, Dipl. Chem B Kuber

Dr.-Sn₅. H. Liska
Mönlsfrafo 22, SCGi) München 85 ο

17. FeD. 1978

Praktisk Teknik AB *

Sköldmyrvägen 1,
S-72 231 Västeras

Horizontalachsenrotor, vorzugsweise für Windkraftwerke

Die vorliegende Erfindung betrifft einen auf horizontaler Achse gelagerten, vorzugsweise für Windkraftwerke vorgesehenen Rotor, der aus einer Nabe und mindestens zwei an der Habe gelagerten Flügeln besteht, von denen jeder eine in Längsrichtung der Flügel sich erstreckende Hauptstrebe enthält.

Mit beginnendem Interesse für alternative Energieformen ist der Wunsch nach größeren Windkraftwerken zunehmend stärker gewachsen. Die gegenwärtig bestehenden Windkraftwerke'haben keine solche Größe, daß sie mit den herkömmlichen Kraftwerken ernsthaft konkurrieren können.

Eine der Schwierigkeiten im Bauen großer Windkraftwerke liegt in der Einwirkung auf große Windflächen der Größenordnung

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10.00 -10 000 m . Eine Möglichkeit der Beeinflussung derart · großer Flächen ist der Bau von auf horizontalen Achsen gelagerten Rotoren mit Durchmessern von 30 - 150 m, und möglicherweise noch größeren. Es ist jedoch außerordentlich schwierig, Propellerblätter dieser Größenordnung mit freien Streben zu konstruieren und herzustellen, die den starken Windkräften und den aus der Rotation resultierenden dynamischen Kräften widerstehen. Die Befestigungselemente an der Rotornabe und die Biegemoraente in den Blättern sind von einer solchen Größenordnung, daß es nahezu unmöglich ist, die Konstruktion ohne Verstrebung mit angemessenem Gewicht und zu angemessenem Preis auszuführen.

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Es ist ferner erstrebenswert, und vielleicht notwendig, die Flügel drehbar auszuführen, so daß der Rotor verstellt werden kann. Dies trägt noch zusätzlich erschwerend zu dem Umstand bei, die Flügel mit großen Eefestigungsmomenten an der Habe zu befestigen.

Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, einen auf horizontaler Achse gelagerten Rotor der vorstehend genannten Art zu schaffen, hei dem die Hauptstrebe drehsteif und in vier Richtungen abgestrebt ist, und diese Abstrebung teilweise durch sog. äußere Streben , z.B. in Form von Abstrebseilen, geschieht, und die Lagerung der Flügel an der Nabe quer zum Flügelpro^fil gelenkbar ist.

Bei einer bevorzugten Ausführungsforir. der Erfindung sind die Flügel urn. die Mittellinie ihrer Hauptstreben drehbar, so daß die Flügel t ei starkem ^T.-7ind beiseite verstellt werden können, wodurch sowohl die Beanspruchungen vermindert werden, als auch die Geschwindigkeit geregelt werden kann.

Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erfolgt dieses Beiseitedrehen der Flügel automatisch bei zunehmendem Winddruck, was durch einen gegenhaltenden hydraulischen Kolben geeigneter Ausbildung oder eine andere mechanische Einrichtung, z.B. einen Federmechanismus oder Gewichte, bewerkstelligt wird. Diese V/inddruckregelung verlangt jedoch, daS die Drehreibung der. Lagerung des Flügels an der ilabe nicht zu groß ist, und das Drehzentrum für den Flügel zu dessen Vorderkante verlagert ist.

Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht eines Uindkraftwerkes mit einem Potor gem. der Erfindung ist,

Fig. 2 eine Seitenansicht des Rotors gem. Fig. 1 in vergrößertem Maßstab ist,

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Fig. 3 eine Vorderansicht des Rotors ist, Fig. 4 perspektivisch eine Flügelbefestigung an der Nabe zeigt,

Fig. 5 die Lagerung des Rotors an der Nabe im Detail zeigt, Fig. 6 schematisch darstellt, wie die Windkraft auf den Flügel wirkt,

Fig. 7 ein Querschnitt einer Ausf ührur.gsform eines Flügels ist, Fig. 8 ein Querschnitt einer alternativen Ausf ührungsf crns eines: Flügels ist.

Das in Fig. 1 gezeigte Windkraftwerk 1 weist einen auf horizontaler Achse gelagerten Rotor 2 ir.it zwei abgestrebten Flügeln 3 und 3* auf, die in diesen Ausf ührung.sbeispiel einen Abstrebpunkt 4 bzw. 4' haben, der etwa zwei Drittel der Flügellilnpe von der aus einem Blechzylinder bestehenden Rotornabe 5 entfernt liegt.

Wie deutlicher aus Fig. 2 und 3 hervorgeht, gehen von den Abstrebpunkten 4 bzw. 4' äußere Streben 6 und 7 bzw. 6' und 7' aus, die mit ihren den Abstrebpunkten 4 bzw. 4' abgewendeten Endpartien an der Nabe 5 befestigt sind.

Aus Fig. 4 ist am deutlichsten ersichtlich, daß die Endpunkte der Streben 6 und 7 an diametral entgegengesetzten Stellen an der Nabe 5 befestigt sind, was entsprechend auch für die Streben 6' und 7' gilt.

Fig. 5 zeigt im einzelnen die Lagerung -des Rotors 2 an der 'labe Ferner ist in dieser Figur dargestellt, daß die Flügel 3 und 3' sowohl mit Kugelgelenk-Lagerungen 8 bzw. 8* als auch rait sphärischen Gelenklagerungen S bzw. 9' an der ü-iabe 5 befestigt sind. Die Kugelgelenklagerungen S und S' sind mit den Flügeln 3 bzw. 3' über Hauptstreben 10 und 10' verbunden, die jju Drehzentruir. der Flügel 3 bzw. 3' angeordnet sind. Die sphärischen Gelenklagerungen 9 und 9' sind an den hinteren Kanten der Flügel 3 bzw. 3' angeordnet und mit drehbaren Jochen 11 bzw. 11' verbunden, die ihrerseits mit demselben Drehzentrum wie die Flügel 3 und 3' an der

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Nabe 5 gelagert sind. Da sowohl die Kugelgelenklagerungen als auch die sphärischen Gelenklagerungen sphärisch gelenkbar sind, können die Flügel 3 und 3' quer zu den Flügelprofilen geschwenkt werden und kennen keine Biegemomente in diesen Richtungen aufnehmen. Die drehbaren Joche 11 und 11' ermöglichen Drehen der Flügel 3 bzw. 3' um ca. UO . Zur Regelung der Drehung der Flügel 3 und 3' sine zwischen den -Jochen 11 bzw. 11' und der "ate 5 hydraulische Kolben 12 bzw. 12* angeordnet. Die Funktion dieser Kolben wird nachstehend beschrieben.

Fig. 6 zeigt anhand einer Prinzipskizze, wie ein Blatt vor. der Windkraf t, ir. diesem Fall der Kormalwir.dkraft bei Betrieb,' beeinflußt t-::rd. Die VJindkraft besteht natürlich aus einer ausgebreiteten Telastung, ist jedoch hier aus Anschaulichkeitsrrünci nur als eine Punktlast gezeigt. Die Windrichtung ist stets parallel zur Eerestigungsachse der Nabe 5, da das '.-.'ir^kraftvrerk stets eine solche Stellung in Beziehung zur ^indrichtunr: einnimmt. Die dabei auf den Flügel wirkenden Kräfte sind sever.I eine axiale als auch eine tangentiale Kraft in Eezxehunr zur Befestigungsachse der Nabe (siehe Fig. 6). Die Resultante dieser beiden Kräfte ist durch einen gestrichelten Vektor in Fig. 6 angedeutet. In Richtung dieser Resultante wird die au." ei ■= Zrrebe 6 bzw. 6' angeordnet, die auch ."aurtstrebe genannt wird. Turch diese Richtunqsgebung der Hau pt strebe wird der ranze Wind, ir "ick in axialer Richtung überxragen. Durch '\^Tahl einer geeigneter. Neigung der Strebe zur !Tabe in Beziehung zur. Vabenc^rchr.esser wird auch das ganze Drehmoment zur ".labe übertrager., da die zwei Hauptstreben ein Kräftepaar bilden, das an der Mantelfläche des Nabenzylinders angreift.

Die Flügel 3 und 3' gem. der vorlierenden Erfindung sind in vier Richtungen abgestrebt, von denen zwei Richtungen aus der Eiegesteifheit der Flürelprofile hochkant mit zwei Befestigungen 8 und 9 bzw. 8' und 9' des Flügels bestehen, während die übrigen zwei Abstrebrichtungen aus den beiden äußeren Streben 5 und 7 bz·. 6' und V bestehen, von denen 6 und 6' als Kauptstreben und 7 und 7' als Sekundärstreben bezeichnet werden.

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Durch die vorstehend beschriebene Richtunggebung der Haupts tr eben 6 und 6' werden somit die übrigen drei Abstrebrichtungen im wesentlichen keinen von der Windkraft herrührenden Kräften ausgesetzt. Diese drei Abstrebrichtungen nehmen anstelle dessen Kräfte auf, die vom Eigengewichtsmoment, von Beschleunigungen, Verzögerungen, Windrichtungsfehlern und anderen undefinierbaren Größen herrühren.

In Fig. 2 ist eingezeichnet, wie Windkraft und Fliehkraft den unteren Flügel 3' beeinflussen. Es handelt sich hier, wie in Fig. 6, um ausgebreitete Belastungen. Die Hauptstrebe 6' hat, wie aus Fig. 2 hervorgeht, in Beziehung zur Mauptstrebe 10* (siehe Fig. S) eine solche Richtung, daß die Fliehkraft ira Flügel die Druckkraft in der Hauptstrebe 10* innen vor der Strebe δ' zu einem wesentlichen Teil entlastet. Durch Neigung des Flügels in die Windrichtung gibt die Fliehkraft Anlaß zu eine- "onent rund um die Befestigung 8' des Flügels 3', das dem Winddruck entgegenwirkt.

Es ist somit möglich (siehe Fig. 2), durch Kombination des Abstrebwinkels und der Flügelneigung auf geeignete Weise die Kräfte in der Hauptstrebe 10' innen vor dem Abstrebpunkt 4* bei Normalbelastung des Winddruckes bei maximaler Leistungsentnahme im wesentlichen zu Null zu reduzieren. Die Sekundärstrebe 7' zusammen mit der Biegesteifheit des Flügels 3* hochkant nimmt Kräfte quer zur Richtung der Kauptstrebe und Kräfte von rückwärts auf.

Da der Flügel keine momentbelastete Befestigung an der Nabe 5 hat, außer durch das Joch 11 bzw. 11', das Sekundärkräfte aufnimmt, ist die Drehreibung des Flügels gering. Die Hauptstrebe 10 bzw. 10', siehe Fig. U, ist an der- Vorderkante des Flügels 3 bzw. 3' angeordnet. Dies ist dadurch möglich, daß die Hauptstrebe 10 bzw. 10' nicht so grob ausgeführt zu werden braucht, da sie nicht nennenswert morr.entbelastet ist. Diese Anordnung bewirkt, daß der Wind bestrebt ist, den Flügel beiseite zu drehen. Dieser Kraft wirkt der vorerwähnte hydraulische Kolben 12 bzw. 12* o. dgl. entgegen, der das Joch 11 bzw. 11' betätigt, das di-e Kraft zur Hinterkante des Flügels überträgt, die ihrer-

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seits über ein Querstück 13 bzw. 13' mit der Hauptstrebe 10 bzw. 10* verbunden ist. Der Gegenhalt ist so bemessen, daß er einer unbedeutenden Erhöhung des Normalwinddruckes nachgibt. Da der Flügel auf diese Weise gegen den Wind ausgeglichen ist, regelt er bei Windkräften beiseite, die die Normalkraft überschreiten, und verhindert dadurch Überbelastung der Konstruktion.

Die Joche 11, 11* sind, wie Fig. 5-zeigt, mit einer Synchror.isierungseinrichtung 14 verbunden, die bewirkt, daß die Flügel einander bei der Drehung stets folgen.

Die abgestrebte Konstruktion erhält auch hinsichtlich Ernrüdungsbeanspruchung eine Dünstige Belastung, im Hinblich auf den Druck auf Kauptstrebe und Abstrebseile. Die Konstruktion bietet auch eine gute Sicherheitsspanne gegen Bruchbeanspruchungen, da die Abstrebung leicht nit reichlich Sicherheitsspanne ber.esser. werden kann.

Der vorstehend beschriebene Rotor 2 hat einen Abstre&purJct U bzw. U' an jeden Flügel 3 bzw. 3*. Die Anzahl Abstrebpunkte ist jedoch beliebig und kann entsprechend der gewünschten Knicklänge der Hauptstrebe 10 bzw. 10* gewählt v/erden.

Der in den Figuren dargestellte Rotor 2 hat zwei Flügel, er kann jedoch auch mit drei oder mehr Flügeln ausgerüstet werden.

Die Erfindung ist auch nicht auf einen Rotor mit drehbaren Flügeln beschränkt, sondern das Abstrebungsprinzip kann auch an einem Rotor mit feststehenden Flügeln Anwendung finden.

Die Hauptstrebe 10 bzw. 10' des Flügels 3 bzw. 3* ist, wie Fig. 4 und 6 zeigen, mit einer hinteren Strebe 15 bzw. 15' ergänzt. Zwischen diesen beiden Streben sind Ouerstücke 13 bzw. 13' angeordnet. Fig. 7 zeigt eine Alternative zu dieser Konstruktion, wo die HauDtstrebe aus einer Schalenkonstrukticr. besteht, die das ganze oder Teile des Flügelprofiles aufni^t.

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Es können, abgesehen von den vorstehend genannten, zahlreiche andere Detailänderungen vorgenommen v/erden, ohne sich dadurch vom ursprünglichen Erfindungsgedanken zu entfernen. Die Erfindung ist somit im Rahmen der beigefügten Patentansprüche frei variierbar.

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AO _m Leerseite

Claims

Patentansprüche

! IJ Auf horizontaler Achse gelagerter Rotor (2), vorzugsweise für Windkraftwerke, mit einer Nabe (5) und mindestens zwei an der Nabe (5) gelagerten Flügeln (3, 3'), von denen jeder eine in Längsrichtung der Flügel sich erstreckende Hauptstrebe (10, 10') einschließt, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptstrebe (10,10') an der Nabe (5) quer zum Profil des Flügels (3, 3') gelenkbar befestigt und mittels Zugstreben (6,7, 6', 7') quer zum Profil des Flügels (3, 3') abgestrebt ist, und daß die Hauptstrebe (10,10') an der Nabe (5) längs dein Profil des Flügels (3,3') dadurch biegesteif befestigt ist, daß der Flügel (3,3') hochkant biegesteif und an der Nabe (5) in Längsrichtung seines Profiles biegesteif befestigt ist.
2. Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeic. h net, daß eine der äußeren Streben (6,6') an jedem Flügel (3, 3'; in der Richtung der auf den Flügel (3, 3') von der Normalwindkraft wirkenden Resultante angeordnet ist.
3. Rotor nach Anspruch 1 oder 2,dadurch gekennzeichnet, daß einer der äußeren Streben (6,6') an jedem Flügel (3,3") eine solche Neigung zur Nabe in Beziehung zum Nabendurchmesser gegeben wird, daß das ganze Drehmoment des Flügels (3, 3') zur Nabe (5) übertragen wird.
4. Rotor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß einer der äußeren Streben (6, 6') an jeden Flügel (3, 3') und dem Flügel (3, 3') selber solche Neigungen in Beziehung zur Achsrichtung der Nabe

(5) gegeben werden, daß die bei Rotation auf den Flügel (3,3') wirkende Fliehkraft in wesentlichem Grad die Druckkraft in der Hauptstrebe (10,10') innen vor dem Abstrebpunkt (4,4') ausgleicht.

ORIGINAL INSPECTED

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5. Rotor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Flügel (3,3') des Rotors (2) rund um die Mittellinie ihrer Hauptstreben (10,in') drehbar sind.
6. Rotor nach Anspruch 4, dadurch gekenn zeich net, daß ein in der Nabe (5) mit demselben Drehzentrum wie der Flügel (3, 3') gelagertes Joch (11,11') mit der Kauptstrebe (10,10') verbunden ist, und daß durch Steuerung dieses drehbaren Joches (11, 11') die Drehung des Flfels (3, 3') geregelt werden kann.
7. Rotor r..-ch Anspruch 6, dadurch gekenn zeich net, daß die Steuerung des Joches (11, 11') mit Hilfe eines hydraulischer. Kolbens (12, 12') geschieht.
8. Rotor nach Anspruch 6 oder 7,dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung des Joches (11, 11') se ausgebildet ist, daß der Flügel (3, 3') bei zunehmender Winddruckbelastung automatisch beiseitedreht und bei verminderter »vinddruckbelastung automatisch zurückdreht.

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