DE2825061A1

DE2825061A1 - Windrad

Info

Publication number: DE2825061A1
Application number: DE19782825061
Authority: DE
Inventors: Siegfried Helm; Peter Dipl Ing Sprang
Original assignee: MAN Maschinenfabrik Augsburg Nuernberg AG
Current assignee: MAN AG
Priority date: 1978-06-08
Filing date: 1978-06-08
Publication date: 1979-12-13
Also published as: DE2825061C2

Description

Windrad
Die Erfindung bezieht sich auf ein Windrad mit mindestens zwei um eine annähernd horizontale Achse drehbar gelagerten Flügeln, die jeweils in einer Flügellängsachse auf gehängt und zur Leistungsregelung um diese Achse schwenkbar angebracht sind.
Derartige Windräder werden beispielsweise bei Windenenergie-Anlagen verwendet, die für eine Umwandlung von Windenergie in elektrische Energie sorgen.
In seinem Grundaufbau hat das Windrad eine um eine horizontale Achse drehbare Nabe, die zwei oder mehr Rotorblätter trägt, die annähernd senkrecht zu der Drehachse angeordnet sind und durch ein Gestänge jeweils gleichsinnig zur Leistungs- bzw. Drehzahlregelung um ihre Längsachse verstellt werden können.
Durch die mit der Höhe über dem Erdboden im allgemeinen zunehmende Windgeschwindigkeit und durch einseitig auftreffende Böen werden jedoch die Flügelblätter sowie das Lager starken Siomentenbelastungen ausgesetzt.
Außerdem führen derartige Belastungen auch zu einem Ungleichförmigkeitsgrad im Drehmomentverlauf.
Bekanntlich kann man bei einem zwei-flügeligen Rotor diese Nachteile durch einen zusätzlichen Freiheitsgrad, nämlich einer sorgenannten Pendelachse weitgehend beseitigen, die quer zur Rotor- bzw. Nabendrehachse und senkrecht zu den Blattachsen im Schwerpunkt von Rotor und Nabe liegt. Aufgrund der Pendelbewegung findet eine Angleichung der unterschiedlichen Anströmgeschwindigkeiten durch Ausweichbewegungen sowie eine Kompensation von plötzlichen Böenbelastungen durch Trägheitswirkung um die Pendelachse statt.
Als weitere Verbesserung ist eine zwangsläufig mit der Pendelbewegung gekoppelte gegensinnige Flügelverdrehung bekannt geworden, die im Sinn einer Anstellwinkelverkleinerung des in Windrichtung auspendelnden Rotorblattes und umgekehrt erfolgt. Hierzu wird das Leistungs-Verstellgestängeherangezogen, das in geeigneter Weise angeordnet oder durch Zusatzglieder erweitert wird. Die Schwenkbeweglichkeit der Flügel kann auch mit einer Pendelachse erreicht werden, die schräg zu den Blattlängsachsen verläuft, hierbei wirkt sich ein von der Schräglage abhängiger Anteil des Pendelwinkels als Blattverdrehungswinkel aus.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit konstruktiv einfacheren Maßnahmen als bei den bekannten Systemen ein Windrad der eingangs genannten Art zu schaffen, das zudem eine zuverlässige Anpassung an räumlich unterschiedliche Winddruckkräfte gewährleistet.
Die Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Aufhängungs-Längsachse des Flügelblattes zwischen der aerodynamischen Mittelachse und der Vorderkante des Flügelblattes liegt, und daß die Flügel so zwangsweise miteinander gekoppelt sind, daß durch wechselseitiges Drehen der Flügel in den bzw. aus dem Wind der an sich bekannte Ausgleich unterschiedlicher Winddruckkräfte erfolgt.
Hierbei werden für den Windstärke-Ausgleich, die bereits für die Leistungsverstellung vorgesehenen Lagerstellen für die Aufhängung der Flügel benutzt. Mit dem Leistungs-Verstellgestänge werden sämtliche Flügelblätter gleichsinnig, d.h. gleichzeitig in bzw. aus dem Wind um die jeweilige Längsachse gedreht. Da die Drehachse außerhalb der aerodynamischen Mittelachse liegt, sind die Blätter auch durch die Windströmung schwenkbar. Hierbei sind die Flügel mindestens paarweise durch eine geeignete Kopplung miteinander verbunden derart, daß eine gegensinnic2 Verdrehung der Flügolblatter rnöqiich ist. Beim Durchqueren der Zonen unterschiedlicher Windströmungsgeschwindigkeit erfolgt die Anstellwinkel-Verdrehung unter Herbeiführen eines Momentenausgleiches.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Rotornabe also nur umlaufend und nicht zusätzlich pendelnd gelagert und die Flügel an der Nabe in an sich bekannter Weise drehbar aufgehängt. Diese Aufhängung entspricht somit im wesentlichen dem einfachen Grundaufbau eines Flügelrades jedoch mit der Wirkung, daß kaum Laufunruhen durch unterschiedliche Luftströmungsgeschwindigkeiten im Rotordrehflächenbereich eintreten. Zusätzliche Gelenke bzw. Lagerstellen, wie die Pendelaufhängung der Rotornabe bei der bekannten Vorrichtung, werden dabei nicht benötigt.
Zuverlässige und fertigungstechnisch besonders einfache Kopplungsausführungen für die Flügelblätter von mit zwei Flügeln ausgerüsteten Windrädern sind durch die in den Unteransprüchen angegebenen Merkmalen gekennzeichnet.
In der Zeichnung sind vier Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung schematisch dargestellt. Es zeigen: Fig. 1 eine Windenergieanlage, Fig. 2 ein Flügelblatt im Querschnitt und Fig. 3 bis 7 je ein Ausführungsbeispiel.
Fig. 1 zeigt eine Windenergieanlage mit einem Maschinenhaus 10, das ein Windrad mit zwei Flügeln 11 trägt und auf einem Turm 12 errichtet ist. Der Turm ist mit Seilen 13, die am Erdboden an Sockeln 14 und mit dem Turm über einen Ring 15 befestigt sind, in seiner Lage gesichert.
Die Drehachse 16 des Windrades führt axial durch das Maschinenhaus 10. Die Flügelblätter sind an ihrer Basis 17 an einer in den Fig. 3 bis 6 näher dargestellten Nabe um die Flügellängsachse 18 drehbar verbunden. Die Längsachse 18 in der die Aufhängung des Flügelblattes 11 erfolgt, befindet sich zwischen der momentenneutralen aerodynamischen Mittelachse 19 und der Vorderkante 20 des Flügelblattes oder noch davor.
Durch die Aufhängung in der Längsachse 18 kann vom auf den Flügel 11 auftreffenden Wind 21 ein Drehmoment hervorgerufen werden, das ausgenützt wird, um die freigelagerten Flügel 11 in Zonen stärkerer Windgeich-windiS it V2 aus den Wind bzw. in Zonen geringerer Windstärke V1 in den Wind zu schwenken. Hierzu sind die Flügel 11 miteinander so gekoppelt, daß bei einer Verdrehung eines Flügelblattes das andere automatisch in die Gegenrichtung geschwenkt wird.
Nachdem die Flügel 11 über eine Leistungsverstell-Vorrichtung je nach Bedarf entsprechend in den Wind gedreht sind, wobei die Drehung gleichsinnig erfolgt, laufen die Blätter um die Drehachse 16 um, wobei sie vom Strömungsfeld zusätzlich ständig um die Achse 18 hin- und hergeschwenkt werden derart, daß die an den Flügelblättern wirkenden Drehmomente gleich groß sind und damit die periodischen Schwankungen des Drehmomentes des Windrades sowie gegebenenfalls Schwingungsanregungen weitestgehend beseitigt sind. Die Rotorteile werden damit auch weniger beansprucht.
Wie in den Fig. 3 bis 6 näher gezeigt ist, sind die Flügel 11 mittels Kugellager 25 in einer Nabe 26 um die Längsachse 18 drehbar aufgehängt, während die Nabe 26 in gehäusefesten Bauteilen 27 um die Drehachse 16 drehbar gelagert ist.
Innerhalb der Nabe 26 ist axial eine Leistungs-Verstellungsstange 28 vorgesehen, die z.B. durch eine Gewindespindel oder einem Hydraulikzylinder verschoben wird und mit der und einer damit verbundenen axialen Verschiebung eines noch näher zu beschreibenden Kopplungselementes der Anstellwinkel der Flügelblätter 11 eingestellt wird.
Gemäß Fig. 3 besteht das Kopplungselement aus einem Ausgleichshebel 30, der eine zentrische Lagerstelle 31 hat, an der der Hebel 30 mit der Stange 28 in der Drehachse 16 des Windrades verbunden ist. An zwei gegenüber einer durch die Flügellängsachsen 18 führenden Ebene bzw.
eines Kegels und dem Lagerpunkt 31 diametral liegenden Punkten, beispielsweise in der Zeichnung von der Blattfläche aus gesehen an der vorderen Stirnseitenhälfte des oberen Flügelschaftes 32 und an der hinteren Stirnseitenhälfte des unteren Flügelschaftes 32, ist jeweils eine Exzenter-Gelenkkugel 33 angebracht. Die Kugeln 33 greifen in Schlitzen 34 des Ausgleichshebels ein und führen darin unter entsprechender Schwenkung des Hebels 30 Gleitbewegungen aus, wenn ein Flügelblatt um die Längsachse 18 gedreht wird. Die Drehung des Flügels 11 bzw.
des Schaftes 32 bewirkt über das Kugelgelenk 33, 34 eine Schwenkbewegung des Hebels 30 und damit eine gegensinnige Drehbewegung des zweiten Flügels 11. Die Leistungsverstellung erfolgt durch Verschieben des Lagerpunktes 31, womit im Gegensatz zur vorhergehenden Bewegung eine gleichsinnige Drehung der Flügelblätter erfolgt.
In der Ausführung gemäß Fig. 4 ist der Ausgleichshebel durch drei Hebel 35 und 36 ersetzt, die anstelle von Gleitbewegungen in Schlitzen nur Drehbewegungen in Gelenken 37 und 38 durchführen.
Nach der Ausführung gemäß Fig. 5 ist die Leistungsverstell-Stange 40 bis außerhalb der Nabe 26 geführt. Am freien Ende der Stange 40 ist ein symmetrischer Ausgleichshebel 41 angekoppelt, der an seinen Enden je einen beiderseitig drehbar gelagerten Hebel 42 trägt. Für die Gelenkverbindung 43 des Hilfshebels 42 mit dem Flügelschaft 32 ist jeweils ein an der Vorderseite bzw. an der Rückseite der Schaftmantelfläche angebrachter Bügel 44 vorgesehen. Die Wirkungsweise dieses Koppelelementes entspricht der des ersten Ausführungsbeispieles.
Schließlich ist in Fig. 6 ein hydraulisches Koppelelement vorgesehen, das drei Druckzylinder 50 und 51 hat, deren Kolben Exzenterstangen 52 für die Flügel 11 bzw. die Leistungsverstell-Stange 53 bewegen. Der Arbeitsdruck erfolgt entweder, bei der Leistungsverstellung, durch axiale Verschiebung der Stange 53 oder bei der Verdrehung eines Flügels 11 und der damit verbundenen Verschiebung des entsprechenden Exzenters 54. Der Druckaufbau im entsprechenden Hubzylinder wird dann über entsprechende Verbindungsleitungen 55 bzw. 56 in die Hubzylinder 50 und 51 bzw. in den zweiten Hubzylinder 50 zur Verstellung der bzw. des Windflügels 11 geleitet Bei Windräder mit mehr als zwei Flügeln, können diese paarweise mit einem der beschriebenen Kopplungssysteme miteinander verbunden werden, wenn das Rad eine gerade Anzahl von Flügeln besitzt.
Im allgemeinen ist es zweckmäßig, die Flügel eines mehrblättrigen Windrades alle miteinander zu koppeln. In Fig. 7 ist ein Ausführungsbeispiel gezeigt, in dem die Flügel 11 über Exzenter 61 und Gelenke 62 und 63 mit einem vollkardanischen Ring 64 gekoppelt sind. Eine Veränderung des Anstellwinkels eines Flügels durch Windkraft bewirkt eine Schwenkung um eine oder beide Aufhängungsachsen 65, 66 des Ringes 64 derart, daß die anderen beiden entsprechend der auf ihnen wirkenden Winddruckkraft im Gegensinn zum ersten gedreht werden.
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Claims

Patentansprüche Windrad mit mindestens zwei um eine annähernd horizontale Achse drehbar gelagerten Flügeln, die jeweils in einer Flügellängsachse auf gehängt und zur Leistungsregeluny um diese Achse schwenkbar angebracht sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufhängungs-Längsachse (18) der Flügel (11) zwischen der aerodynamischen Mittelachse (19) und der Vorderkante (20) des Flügelblattes oder auch noch davor liegt, und daß die Flügel so zwangsweise miteinander gekoppelt sind, daß durch wechselseitiges Drehen jeweils mindestens zweier einander zugeordneter Flügel in den bzw. aus dem Wind der an sich bekannte Ausgleich unterschiedlicher Winddruckkräfte erfolgt.
2. Windrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Flügel (11) vorgesehen sind, die miteinander mittels eines mit der Leistungsverstellung (28) zusammenwirkenden Kopplungselementes (30, 33) verbunden sind.
3. Windrad nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Kopplungselement ein Hebelsystem (30) ist, daß an mit den Flügeln (11) verbundenen Exzentern (33) angelenkt ist, und daß die Exzenter der beiden Flügel diametral gegenüber den Flügellängsachsen (18) angeordnet sind.
4. Windrad nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein symmetrischer Ausgleichshebel (30) vorgesehen ist, der um eine Achse (31) schwenkbar ist, die senkrecht zur Drehachse (16) und schräg zu den Flügellängsachsen (18) verläuft, und daß der Ausgleichshebel mit den Enden je an einen als Gelenkkugel ausgebildeten Exzenter (33) angelenkt ist.
5. Windrad nach Anspruch 4, dadurch gekennzeicnnet, daß der Ausgleichshebel (30) an einer axial verschiebbaren, in der Drehachse (16) liegenden Leistungsverstellungs-Stange (28) angelenkt ist.
6. Windrad nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Kopplungselement aus einem Ausgleichshebel (35 bzw. 41) und zwei jeweils mit einem Exzenter (37 bzw. 44) zusammenwirkenden Zusatzhebel besteht.
7. Windrad nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein hydraulisches Kopplungssystem (50, 51) vorgesehen ist.
8. Windrad nach Anspruch 1 mit einer geraden Anzahl von Flügeln, dadurch gekennzeichnet, daß die Flügel (11) paarweise miteinander gekoppelt sind.
9. Windrad nach Anspruch 1 mit mehr als zwei Flügeln, dadurch gekennzeichnet, daß die Flügel (11') miteinander durch einen vollkardanisch aufgehängten Ring (64) gekoppelt sind.