DE2922885A1

DE2922885A1 - Zyklische klappensteuerung fuer windkraftanlagen

Info

Publication number: DE2922885A1
Application number: DE19792922885
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Rath
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1979-06-06
Filing date: 1979-06-06
Publication date: 1980-12-18

Description

Zyklische Klappensteuerung für Windkraftanlagen
Die Erfindung beinhaltet zyklisch gesteuerte Klappen an den Rotorblättern einer Windkraftanlage mit horizontaler ltotorachsé.
Bei Windkraftanlagen mit horizontaler Rotorachse ist eine Steuerung der Drehung des Rotorkopfes und Rotors um die Turmachse erwünscht, um 1) bei Änderung der Windrichtung den Rotor nachzuführen, 2) bei zu starkem Wind aus Sicherheitsgründen den Rotor aus der Windrichtung heraus zudrehen, 3) das J)rehmoment an der Turmachse zu kompensieren, das bei eventuell leichter Schrägstellung der Rotorachse zur Forizontalen entsteht.
Eine einfache, aber nicht allen obigen Anforderungen genügende Steuerung erfolgt durch eine Windfahne oder leeseitige ( in Windrichtung gesehen hinter dem Turm ) Anbringung des itotors.
Darüber hinaus löste man bisher dieses Problem dadurch, daß man zuätzlich mit einem Stellmotor oder anderem Antrieb am Rotorkopf und einem Zahnkranz am Turm ( oder umgekehrt ) die gewiinschte l)rehung herbeiführte, z.B. im Projekt GROWIAN von der Firma MAN.
fla oft gewisse Schwingungen des Rotors um die Turmachse auftreten, werden Zahnrad und Zahnkranz stark belastet und schnell verschlissen, insbesondere bei Großanlagen, bei denen viele Tonnen schwere Nassen bewegt werden. Außerdem werden Turm, Rotorkopf und Rotor durch das in der Turmachse aufzubringende ?3rehmoment belastet. Schließlich ist eine hohe elektrische oder andere Antriebsleistung für den Stellmotor notwendig.
Die Erfindung vermeidet die genannten Nachteile der Steuerung mit Zahnkranz und erzielt nebenbei weitere Vorteile.
Das geschieht dadurch, daß, ähnlich wie die Querruder beim Bluzzeug, an den äußeren Enden der Rotorblätter Ruderklapnen- angebracht sind, deren Anstellwinkel aber periodisch und synchron mit der Rotorumdrehung verändert werden. Durch den je nach Anstellwinkel unterschiedlichen Auftrieb läßt sich ein beliebiges Drehmoment erzeugen. Dasselbe Prinzip wird bei Ftubsohraubern angewandt. Dort werden allerdings die ganzen Blätter verstellt.
Zur Steuerung der Klappen lassen sich direkt in die llotorblattenden eingebaute Elektromotoren verwenden, z.B. Synchronmotoren, die mit der Frequenz des von der Windkraftanlage erzeugten Drehstroms betrieben werden, und deren rotierende Bewegung mit einer Sleuelstange in eine Auf-Ab-Bewegung der Klappe mit verstellbarer Amplitude umgewandelt wird. hine weitere Möglichkeit besteht darin, die Klappen hydraulisch zu bewegen, wobei die Steuerung der Hydraulik über eine an der Rotorachse angebrachte Taumelscheibe erfolgen könnte, ähnlich wie beim Hubschrauber.
Die Vorteile der Erfindung liegen darin, daß die Steuerung "weich" erfolgt, d.h., es werden keine Drehmomente und-schwingungen auf den Turm übertragen. Der J'nergieaufwand für die Steuerung ist gering, da die zu bewegenden KlaDpenmassen relativ klein sind und zyklisch bewegt werden. Nebenbei ermöglicht die Klappensteuerung auch, unter Umständen auftretende Blattsc}1wingungen zu bedampfen, z.B. beim Durchlaufen kritischer Drehzahlbereiche. Wenn die Klappen konstant so stark angestellt werden, daß die Strömung abreißt, können sie als Bremse wirken und beim Ausfall anderer Sicherheitseinrichtungen verwendet werden. )adurch wird die Sicherheit des Gesamtsystems erhöht.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung für eine zweiflügelige schnelläufige Windkiaftanlage ist in Fig.1 und 2 dargestellt.
Die Schrägstellung der Rotorachse, die das oben erwähnte Drehmoment in der Turmachse erzeugt, dient, wie man erkennen kann, dazu, einen ausreichenden Abstand zwischen Rotorblatt und ';ell zu ermöglichen. Da die Geschwindigkeit an der Blattspikze sehr hoch ist ( etwa zwischen 80 und 250 m/s ) und die Kraft an einem langen Hebelarm wirkt, braucht die Steuerklappe nur relativ klein zu sein.
Zwei Ausführungsbeispiele für die Steuerung der Klappen sind in Fig. 3 und 4a,b schematisch dargestellt, Fig. 3 zeigt die Steuerung über einen Elektromotor in der Blattspitze. 1)er Schnitt zeigt das Rotorblatt in Längsrichtung gesehen. I)er Motor ist hicr auf einem Steg im Profil befestigt und wird mit der Frequenz des Generators der Windkraftanlage betrieben. Da die Drehzahl des Rotors in der Regel zum Betrieb des Generators durch ein Getriebe heraufgesetzt wird, muß die Drehzahl des Elektromotors wieder heruntergesetzt werden, hier angedeutet durch ein kleines und ein großes Zahnrad, so daß sich Rotor und großes Zahnrad gleich schnell drehen. Zahnrad und Klappe sind über eine Pleuelstange mit beidseitigen Drehgelenken miteinander verbunden, so daß eine IJmdrehunZ des Zahnrad es eine annihernd sinusförmige Auf-Ab-I-3ewegung der Klanne bewirkt. Um die Amplitude der Klappenbewegung zu beeinflussen, sind auf dem großen Zahnrad Schienen in radialer Richtung angebracht, in denen ein "Schlitten" bewegt werden kann, auf dem sich der linke Drehpunkt der Pleuelstange befindet. Ist der Schlitten in der Mitte des Zahnrades, bleibt die Steuerklappe in Ruhe -bei laufendem Motor. Wird er zur einen oder anderen Richtung verschoben, erfolgt ein entsprechend starker Klappenausschlag, wobei die llichtunC der Verschiebung die Richtung des an der Turmachse auftretenden Drehmoments bestimmt. Durch Anhalten des Motors in einer bestimmten Stellung kann die Klappe auch als Bremse verwendet werden.
Fig. 4 a und b erläutern schematisch die hydraulische Steuerung. Fi.4a zeigt die Anordnung an der Klappe, die über zwei Kolben und zwei Stangen bewegt wird, je nachdem, welcher kolben unter Druck gesetzt wird. Fig.4b zeigt die Anordnung an der Rotorachse. A und B sind kardanisch und in axialer Richtung verschiebbar aufgehängte Taumelscheiben, wobei A mit dem Rotorkoni und B mit dem Rotor verbunden ist. B wirkt über Steuerstan;en auf je einen Hydraulikkolben pro Blatt, dessen zwei Leitungen zu der Klappe in Fig.4a führen. An A stellt man durch -;chrägstellung die Steuerbewegung der Klappen in Amplitude und tasenlage ein. Durch axiale Verschiebung der Taumelscheiben ohne -Schrägstellung kann man die Klappen zum Bremsen verwenden.
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Claims

Patentansprüche 1) Klappen für Windkraftanlagen mit horizontaler Rotorachse, dadurch gekennzeichnet, daß die Klappen zyklisch gesteuert werden und dadurch ein Drehmoment in der i'urmachse erzeugen.
2) Klappen nach Anspruch 1), dadurch gekennzeichnet, daß sie durch einen Elektromotor im Blatt mit verstellbarer Amplitude auf- und abbewegt werden, wie in Fig. 3 dargestellt.

-5) Klappen nach Anspruch 1), dadurch gekennzeiclmet, daß sie über Taumelscheibe und lIydraulik verstellt werden, wie in Fig. 4 a und b beschrieben.