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Windrad
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Zusatz zu Patent . ... ... (Patentanmeldung P 28 25 061.5) Die Erfindung
bezieht sich auf ein Windrad mit mindestens zwei um eine annähernd horizontale Achse
drehbar gelagerten Flügeln, die jeweils um die Flügellängsachse, schwenkbar aufgehängt
und über hydraulische Druckzylinder miteinander gekoppelt sind derart, daß durch
gegenseitige Verdrehung jeweils mindestens zweier einander zugeordneter Flügel in
den bzw. aus de Wind ein Ausgleich unterschiedlicher Winddruckkräfte.erfolgt, wobei
die jedem Flügel zugeordneten Druckzylinder über Druckkanäle miteinander in Verbindung
stehen.
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Es ist bekannt, daß die Windgeschwindigkeit mit der Höhe gegenüber
dem Erdboden rasch zunimmt. Um die dadurch auf die Windradflügel örtlich unterschiedlich
einwirkenden Druckkräfte auszugleichen, ist gemäß der Hauptanmeldung
vorgeschlagen
worden, die Flügelblätter um eine Längsachse, die außerhalb der aerodynamischen
rittelachse in Richtung der Vorderkante des Flügelblattes liegt, frei schwenkbar
zu lagern und mittels eines hydraulischen Kopplungssystems so miteinander zu verbinden,
daß durch verstärkte Windkräfte auf einen Flügel, dieser aus der Windrichtung und
der gegenüber liegende Flügel dabei in Windrichtung gedreht werden.
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Das hydraulische System besteht aus je einem Flügel zugeordneten hydraulischen
Druckzylindern, die mittels Druckleitungen hydraulisch miteinander verbunden sind.
Die durch den stärkeren Winddruck bewirkte Verdrehung eines Flügels wird über den
Anlenkzapfen auf den entsprechenden Zylinderkolben übertragen. Die dabei hervorgerufenen
Druckänderungen in diesem Zylinderkolben werden dann über die Druckleitungen auf
einen anderen Druckzylinder übertragen, der seinerseits die gegenläufige Verstellung
des zweiten Flügels bewirkt.
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Die Druckzylinder müssen dabei so ausgelegt sein, daß der Kolben eine
ausreichende Hubbewegung ausführen kann, um eine Regelung in jedem Betriebszustand
bzw. Anstellwinkel der Flügelblätter zu gewährleisten. Hierdurch erhalten die Kolben
für jeden bestimmten Anstellwinkel für die Ausgleichsbewegung einen Hubweg, der
sich in relativ weiten Grenzen abspielt, so daß die Flügelblätter durch den Winddruck
zu weit ausgeschwenkt werden und damit der Rotor einen instabilen Lauf bekommen
kann.
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Die Ausführungsform nach der Hauptanmeldung wird gemäß den Merkmalen
im Anspruch 1 dahingehend verbessert, daß in den Druckkanälen zwischen den Druck
zylindern absperrbare Ventile zwischengeschaltet sind, die den Druckausgleich zwischen
den Druckzylindern steuern derart, daß die Kolben in dem jeweils eingestellten Anstellwinkel
der Flügel nur einen begrenzten Hub ausüben können.
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In einer einfachen Ausgestaltung gemäß der Erfindung kann die Betätigung
des Ventilsystems mechanisch erfolgen. Eine vorteilhafte Ausgestaltung besteht darin,
daß ein Mehrwege-Kolbenventil, über ein Differenzhebelgestänge von den Flügeln betätigt
wird. Bei einer Schwenkbewegung eines Flügels wird zusätzlich zum Zylinderkolben
das Hebelgestänge betätigt, das bei einer Differenz in der Winkelstellung der Flügel
den Ventilkolben bewegt und dabei nach Überwindung eines Hubweges mindestens einen
der Druckkanäle zwischen den Druckzylindern sperrt. Der Druckmittelaustausch zwischen
den Zylindern wird dadurch gehemmt und damit die Bewegung der Kolben beendet.
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Damit die Flügel aber nicht in einer solchen Absperrstellung-"kleben"
bleiben, wird ferner vorgeschlagen, die Verbindungsleitungen sowie die Zu- und Rückleitungen
zum Druckerzeuger mittels Rückschlagventilen zu umgehen derart, daß die .Rückbewegung
der Kolben in jedem Fall ungehindert vonstatten gehen kann.
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Die Sperrventile können auch elektrisch betätigt werden, indem ein
Regler in Abhängigkeit von den Signalen der Weggeber, welche die Zylinderkolbenhübe
messen, die als Magnetventile ausgebildeten Steuerventile für die Verbindungsleitungen
zwischen den Druckzylindern regelt.
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Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung sind in der Zeichnung schematisch
dargestellt. Es zeigen: Fig. 1 eine Rotornabe im Schnitt, Fig. 2-4 je ein Ausführungsbeispiel.
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Fig. 1 zeigt eine Nabe 10, in der zwei Flügel 11 mittels Kugellagern12ium
die Längsachse 13 drehbar aufgehängt sind.
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Die Nabe 10 ist in gehäusefesten Bauteilen 14 um die Rotorachse 16
ebenfalls drehbar gelagert.
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Um unterschiedliche Winddruckkräfte auf den beiden Flügeln 11 auszugleichen,
sind diese über ihren Schaft 18 mit je einem Druckzylinder 19 bzw. 20, die miteinander
nydraulisch verschaltet sind, miteinander gekoppelt. Die den Zylindern 19 und 20
zugeordneten Kolben 21 bzw. 22 sind je über einen Zapfen 23 bzw. 24 mit dem Schaft
18 des entsprechenden Flügels 11 verbunden. In der in Fig. 1 gezeigten Ausführung
sind die Druckzylinder 19 und 20 über Druckleitungen 25 und 26
gemäß
der Hauptanmeldung direkt miteinander verbunden.
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An den Leitungen 25 und 26 ist außerdem ein dritter Druckzylinder
30 angeschlossen, dessen Kolben 31 mit einer Leistungs-Verstellstange 33 zusammenwirkt.
Bei axialer Verschiebung der Leistungs-Verstellstange 33 werden über den .dttelzylinder
30 beide Druckzylinder 19 und 20 in gleicher Weise beaufschlagt und damit beide
Flügel 11 gleichsinnig verdreht. Wird aber ein Flügel 11 durch höhere Windkräfte
in Richtung "aus dem Wind" geschwenkt, so bewirkt der Arbeitsdruck des entsprechenden
Zylinders die entgegengesetzte Wirkung im zweiten Zylinder, wodurch der zweite Flügel
"in den Wind" geschwenkt wird derart, daß der durch unterschiedliche Windgeschwindigkeiten
ausgeübte Druck auf beiden Flügeln gleich ist.
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Das in Fig. 1 vereinfacht dargestellte Kopplungssystem 19-26 wird
gemäß der Erfindung mit einer Ventilanordnung ausgestattet, die den Durchfluß der
Arbeitsflüssigkeit durch die Druckleitungen 25 bzw. 26 und damit den Kolbenhubweg
regelt. Ausführungsbeispiele von Steuerventilen sind in den Fig. 2 und 3 gezeigt.
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In Fig. 2 sind die beiden Druckzylinder 19 und 20 gezeigt, deren zugehörige
Kolben 21 bzw. 22 über Exzenter-23' bzw.
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24' je einem Flügelschaft 18' zugeordnet sind. Die beiden Druckleitungen
25 und 26 aus Fig. 1 sind in diesem Fall
in vier Zweige 25', 25",
26' und 26 " unterteilt und miteinander über ein mechanisches Steuerventil 40 verbunden.
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Das als Kolbenventil ausgebildete Steuerventil 40 besteht aus einem
Ventilzylinder 41, in dem ein mit drei Steuerkolben 42 bis 44 ausgestatteter Schieber
axial beweglich angeordnet. ist. Die vier Druckleitungszweige 25', 25" bzw.
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26', 26'' münden axial versetzt in den Ventilzylinder 41 derart, daß
je nach Stellung des Schiebers 45 entweder die vorderen Druckkammern 49 und 50 und
die hinteren Druckkammern 51 und 52 jeweils miteinander in Verbindung stehen oder
jeweils zwei Zweigleitungen gesperrt sind, und zwar eine mit der vorderen Arbeitskammer
des einen Druckzylinders verbundene Leitung und eine mit der hinteren Arbeitskammer
des zweiten Druckzylinders verbundenen Leitung.
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Ein an den Exzentern 23' und 24' angekoppeltes Differenz-Hebelgestänge
55, 56 betätigt den Schieber45, wenn eine Differenz in der Winkelstellung der beiden
Flügel auftritt, und zwar wird dabei je nach Orientierung der Winkeldifferenz der
Schieber 45, der in Fig. 2 in seiner Ruhestellung dargestellt ist, entweder nach
unten oder nach oben geschoben.
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Wird beispielsweise der gemäß der Zeichnung rechts zu liegen kommende
Flügel durch Wirkung von Windkräften so geschwenkt, daß der Kolben 21 nach oben
gezogen wird, dann überträgt .sich der in der Kammer 51 aufgebaute Druck über die
Leitung
26', den Ventilzylinder-Innenraum und die Leitung 261'
auf die Druckkammer 52 und bewirkt eine nach unten gerichtete Hubbewegung des Kolbens
22 und eine entsprechende gegensinnige Verdrehung des linken Flügels. Die dadurch
verursachte relative Verdrehung der beiden Flügel bringt das Differenzhebelgestänge
55, 56 und damit den Schieber 45 mit einer Abwärtsbewegung in Bewegung.
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Dabei deckt der Steuerkolben 42 die Mündung der Zweigleitung 26''
und der Steuerkolben 43 die der Zweigleitung 25' zum Ventilzylinder-Innenraum ab.
Ein weiterer Druckausgleich zwischen den Zylindern 19 und 20 ist damit unterbunden
und eine weitere Verdrehung der Flügel findet nicht mehr statt.
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Dieser hydraulische Anschlag löst sich-erst dann wieder, wenn der
höhere Winddruck auf den anderen Flügel einwirkt und eine Umkehr der Schwenkrichtung
aufzwingt. Dabei werden die abgesperrten Leitungen.25' und 26'' durch die Rückschlagventile
57' -und 57" umgangen, so daß die Rückwärtsbewegung von Anfang an trotz der zunächst
noch unterbrochenen Leitungen ungedrosselt. verläuft, bis auch diese durch die einsetzende,
rückläufige Schieberbewegung wieder geöffnet werden.
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Auf der entgegengesetzten Seite der Kolbenmittelstellung kann sich
das Spiel ion völlig analoger Weise wiederholen.
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Durch entsprechende Auslegung des Hebelsystemes und des Hubweges vom
Schieber 45 zwischen Offen- und Sperrstellung der Druckleitungen kann der erwünschte,
zulässige Schwenkwinkel der Flügel in weiten Grenzen vorgegeben werden.
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Zur Flügelverstellung ist das Hydrauliksystem im Unterschied zu Fig.
1 mittels der Leitungen 58 und 59 und des Magnet-Regelventiles 64 direkt an ein
Druckversorgungssystem, angedeutet durch Tank 61 und Förderpumpe 62, angeschlossen.
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Die Anschlußleitungen sind so mit den Kolbenschieberräumen und den
Rückschlagventilen verbunden; daß sich in den jeweiligen Grenzlagen der Flügel jeder
Verstellvorgang, gleichgültig welche der Leitungen 58 und 59 Zu- und Rückleitung
ist, zunächst als Verminderung des Flügel-Dif£erenzwinkels auswirkt Die Ansteuerung
des Regelventils obliegt dem Regler 63 in Abhängigkeit von Leistung und Drehzahl
des Windrades, wobei üblicherweise mittels einer internen Stellgrößenrückführung
ein Soll-Istwert-Vergleich der Flügelstellung mit Hilfe der Weggeber 65 und 65'
stattfindet.
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In Fig. 3 ist eine Ausführung gezeigt, bei der anstelle des Schieberventils
41, 45, welches einem 6/3- bzw. zwei gekoppelten 3/3-Wegeventilen gleichkommt, lediglich
ein 4/3-Wegeventil 70 vorgesehen ist. Bei dieser Schaltungstechnik wird jeweils
nur
eine der Verbindungsleitungen 25', 25'' bzw. 26', 26'' unterbrochen, wodurch in
Verbindung mit den mit Rückschlagventilen 57 ausgestatteten Umgehungsleitungen 71
und 72 eine ähnliche Wirkung wie beim System in Fig. 2 erreicht wird.
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Schließlich ist in Fig. 4 eine rein elektrisch betätigte Ventilsteuerung
zur Hubbegrenzung dargestellt. Die von den Weggebern 65 und 66 dem Regler 80 zugeführten
Signale, werden von diesem in entsprechende Steuersignale umgewandelt, die die-Magnetventile
81 und 82 wechselseitig öffnen und sperren. Im übrigen ist diese Variante in Aufbau
und Funktion identisch mit Fig. 3, insbesondere mit den Umgehungsleitungen 71, 72
und den Rückschlagventilen 57.
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