DE3031390A1 - Power and speed limiter for axial wind driven turbines - has torque generating spring system, consisting of torsion rod inside hollow runner wheel shaft - Google Patents

Power and speed limiter for axial wind driven turbines - has torque generating spring system, consisting of torsion rod inside hollow runner wheel shaft

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Abstract

The limiter is intended for a wind driven turbine runner wheel, whose blades are adjustable during operation, at least partly. Spring forces for the blade adjustment are opposed, directly or indirectly, by torque acting in the direction of reduction of the blade adjusting angles. The spring system prestress is adjustable. A torsion rod (14), mounted in hollow runner wheel shaft, forms the spring system. The torsion rod end, facing the runner wheel, transmits an adjusting movement for the adjustable blades (7). The other torsion rod end is coupled to a rotor (25) which can be braked and whose braking moment is adjustable. Preferably a rotary field magnet (26) forms the brake, its armature (25) being coupled to the torsion rod end for appropriate torque transmission. Between the torsion rod and armature may be mounted a gear train (23,24).

Description

Kennwort: "Drehstabbremse"Password: "torsion bar brake"

Leistungs- und Drehzahlbegrenzung von axial angeströmten Turbinenlaufrädern, insbesondere Windturbinen Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Leistungs- und Drehzahlbegrenzung von axial angeströmten Turbinenlaufrädern, insbesondere Windturbinen, mit im Betrieb wenigstens in einem Teilbereich verstellbaren Laufschaufeln, bei denen an diesen angreifenden, ein Torsionsmoment im Sinne einer Verkleinerung ihres Anstellwinkels verursachendeaKräft unmittelbar oder mittelbar an dem verschwenkbaren Laufschaufelteil angreifende Federmittel entgegenwirken, wobei die Vorspannung der Federmittel einstellbar ist.Limitation of power and speed of axially flown turbine impellers, in particular wind turbines The invention relates to a device for power and speed limitation of axially flown turbine runners, especially wind turbines, with blades adjustable at least in a partial area during operation those attacking them, a torsional moment in the sense of a reduction in their The angle of attack causing the force directly or indirectly on the pivotable Counteracting blade part attacking spring means, the bias of the Spring means is adjustable.

Der Betrieb von derartigen durch Medien unterschiedlicher Strömungsgeschwindigkeit betriebenen Anlagen, z.B. von Windkraftanlagen, erfordert eine Einrichtung, die zuverlässig vor Überlastung oder vor zu hoher Drehzahl des Laufrades schützt.The operation of such media through different flow rates operated systems, e.g. wind turbines, requires a facility that reliably protects against overloading or against excessive speed of the impeller.

Zu diesem Zweck ist schon vorgeschlagen worden, konzentrisch zur Laufradwelle eine Schraubenfeder anzuordnen, die sich einerseits an einem axial unverschieblich auf der Laufradwelle gehaltenen Anschlag und andererseits an einem axial verschieblich an der Laufradwelle gelagerten Anschlag abstützt, welch letzterer über einen Lenker gelenkig mit der Laufradschaufel verbunden ist, sodaß die Schraubenfeder dem durch das Betriebsmedium verursachten Torsionsmoment entgegenwirkt (deutsche Patentanmeldung P 29 41 992.9). Es ergibt sich hierbei eine relativ komplizierte und damit störanfällige Konstruktion. Dies gilt auch für die Veränderung der Federvorspannung und damit die Einstellung unterschiedlichen Betriebsverhaltens mittels eines Stellmotors, es sei denn, daß diese bei Stillstand des Laufrades erfolgt, wobei es erforderlich ist, daß ein Monteur von Hand an dem allgemein in einem Mastkopf gelagerten Laufrad bzw. dessen Gehäuse eingreift.For this purpose it has already been proposed to be concentric with the impeller shaft to arrange a helical spring that is axially immovable on the one hand on the impeller shaft held stop and on the other hand on an axially displaceable on the impeller shaft supported stop, the latter via a handlebar is articulated with the impeller blade, so that the coil spring through the operating medium counteracts the torsional moment (German patent application P 29 41 992.9). This results in a relatively complicated and therefore prone to failure Construction. This also applies to changing the spring preload and thus the setting of different operating behavior by means of a servomotor, unless this takes place when the impeller is at a standstill, in which case it is necessary is that a fitter works by hand on the impeller, which is generally mounted in a mast head or the housing engages.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Gattung zu schaffen, welche einfach und betriebssicher ist und welche im Betrieb mit einfachen Mitteln eine Veränderung der Federvorspannung vorzunehmen gestattet, ohne daß z.B. im Falle einer auf einem Mast angeordneten Windkraftanlage ein Monteur den Mast ersteigen muß.The invention is based on the object of providing a device of the initially described to create the type mentioned, which is simple and reliable and which to change the spring preload during operation with simple means permitted without, for example, in the case of a wind turbine arranged on a mast a fitter has to climb the mast.

Die Erfindung löst das Problem durch eine solche Vorrichtung, in welcher als Federmittel ein innerhalb der als Hohlwelle ausgebildeten Laufradachse angeordneter Drehstab dient, auf dessen laufradseitiges Ende eine Verstellbewegung der Schaufel übertragen wird und dessen vom Laufrad abgelegenes Ende mit einem abbremsbaren Rotor verbunden ist. Es ergibt sich hierdurch eine sehr einfache und störunanfällige Vorrichtung. Die Abbremsung am Ende des Drehstabes kann beispielsweise durch eine Wirbelbremse (Strömungsbremse), Pumpe, Turbokupplung oder dergleichen erfolgen.The invention solves the problem by such a device in which as a spring means arranged within the impeller axle designed as a hollow shaft Torsion bar is used, on whose end on the impeller side an adjustment movement of the blade is performed is transmitted and its end remote from the impeller with a brakable rotor connected is. This results in a very simple device that is not susceptible to failure. The braking at the end of the torsion bar can, for example, be achieved by a vortex brake (Flow brake), pump, turbo coupling or the like.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausbildung der Erfindung dient als Bremsvorrichtung für das vom Laufrad abgelegene Drehstabende ein Drehfeldmagnet, dessen Anker mit dem Drehstabende zur Übertragung eines Drehmomentes in Wirkverbindung steht.According to a particularly advantageous embodiment of the invention is used a rotating field magnet as a braking device for the end of the torsion bar remote from the impeller, whose anchor with the torsion bar end for the transmission of a torque is in operative connection.

Dabei ist zwischen Drehstab und Anker vorzugsweise eine Zahnradübersetzung vorgesehen, um eine genügend hohe Drehzahl des Ankers zu gewährleisten. Durch auf den Drehfeldmagneten aufgebrachte unterschiedliche Spannung oder Strom kann die Drehspannung des Drehstabes gegenüber der Laufradwelle in einfachster Weise berührungslos verändert werden. Vorzugsweise ist die Relativbewegung des Drehstabendes gegenüber der Laufradwelle durch einen Anschlag begrenzt.There is preferably a gear ratio between the torsion bar and the armature provided to ensure a sufficiently high speed of the armature. Through on different voltage or current applied to the rotating field magnet Torsional tension of the torsion bar with respect to the impeller shaft in the simplest way without contact to be changed. The relative movement of the torsion bar end is preferably opposite the impeller shaft is limited by a stop.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der Drehstab laufradseitig mit den Schaufeln über ein in der Laufradnabe gelagertes Kegelradgetriebe verbunden.According to an advantageous development of the invention, the torsion bar is On the impeller side with the blades via a bevel gear mounted in the impeller hub tied together.

Die Erfindung ist im folgenden in einem Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt: Fig. 1 schematisch im Längsschnitt das Laufrad einer Windkraftanlage mit einer Vorrichtung nach der Erfindung Fig. 2 im Schnitt entlang der Linie II-II der Fig. 1 eine Einzelheit der Vorrichtung.The invention is based on an exemplary embodiment below the drawing explained in more detail. Therein shows: Fig. 1 schematically in longitudinal section the Impeller of a wind turbine with a device according to the invention Fig. 2 in Section along the line II-II of FIG. 1 shows a detail of the device.

In einem hier nur schematisch angedeuteten Gehäuse 3, das in Wirklichkeit äußerlich nach aerodynamischen Gesichtspunkten gestaltet ist, ist die als Hohlwelle ausgebildete Laufradwelle 4 in ansich bekannter Weise in Kugellagern 5 gelagert. An ihrem laufradseitigen Ende ist die Laufradwelle 4 fest mit einem Nabengehäuse 6 verbunden, in welchem die Laufradschaufeln 7 mit Zapfen 8 in Lagern 9 um eine Achse 10 verschwenkbar gelagert sind.In a housing 3, only indicated schematically here, in reality is designed outwardly according to aerodynamic aspects, is as a hollow shaft trained impeller shaft 4 is mounted in ball bearings 5 in a manner known per se. At its end on the impeller side, the impeller shaft 4 is fixed to a hub housing 6 connected, in which the impeller blades 7 with pins 8 in bearings 9 around a Axis 10 are pivotably mounted.

Der Querschnitt der Schaufel 7 ist durch das in die Schaufeln eingezeichnete Profil 7' angedeutet. Die Schwenkachse 10 ist derart angeordnet, daß bei einer durch den Pfeil 11 angedeuteten Anströmung durch den Wind auf die Schaufel 7 ein Moment im Sinne einer Verkleinerung des Anstellwinkels OC ausgeübt wird. Im Nabengehäuse 6 sind auf den Enden der Schaufelzapfen 8 Kegelräder 12 befestigt. Die KeGelräder 12 der sich gegenüberliegenden Schaufeln 7 kämmen gemeinsam mit einem Kegelrad 13-, das auf einem die Hohlwelle 4 durchsetzenden Drehstab 14 angeordnet ist, der in Lagern 15 im bzw. am Nabengehäuse 6 gelagert ist.The cross-section of the blade 7 is drawn in by the blade Profile 7 'indicated. The pivot axis 10 is arranged such that when a through the flow indicated by the arrow 11 by the wind on the blade 7 a moment is exercised in the sense of a reduction in the angle of attack OC. In the hub shell 6 there are 8 bevel gears 12 on the ends of the bucket journals attached. The bevel gears 12 of the opposite blades 7 mesh together with one Bevel gear 13, which is arranged on a torsion bar 14 penetrating the hollow shaft 4 which is mounted in bearings 15 in or on the hub housing 6.

Somit werden Schwenkbewegungen der Schaufeln über das Kegelradgetriebe 12/13 auf den Drehstab 14 übertragen. An seinem vom Laufrad abgelegenen Ende ist der Drehstab in einem weiteren Lager 16 im Gehäuse 3 gelagert. Auf der Hohlwelle 4 ist ein Kettenrad 17 befestigt, welches über eine Kette 18 ein weiteres Kettenrad 19 antreibt, das auf einer fest im Gehäuse gelagerten Welle 20 über ein Planetengetriebe 21 den Generator 22 antreibt.Thus, pivoting movements of the blades via the bevel gear Transfer 12/13 to the torsion bar 14. At its end remote from the impeller is the torsion bar is mounted in a further bearing 16 in the housing 3. On the hollow shaft 4, a sprocket 17 is attached, which via a chain 18 is another sprocket 19 drives that on a shaft 20 fixedly mounted in the housing via a planetary gear 21 drives the generator 22.

Planetengetriebe 21 und Generator 22 sind ebenfalls im Gehäuse 4 gelagert.Planetary gear 21 and generator 22 are also mounted in housing 4.

Auf dem vom Laufrad abgelegenen Ende des Drehstabes 14 ist ein Zahnrad 23 befestigt, das mit einem Zahnrad 24 kämmt, welches im auf der Ankerwelle 25 eines'Gehäuse 3 gelagerten Drehfeldmagneten 26 befestigt ist. Der Drehfeldmagnet 26 wird über eine Leitung 27 gespeist, die zu dem Regler 28 führt, der auch mit dem Generator 22 über eine Leitung 29 verbunden ist. An dem Zahnrad 23 ist ein Stift 30 befestigt, der, wie am besten aus der Figur 2 zu erkennen, in einen Schlitz 31 in einem Flansch 32 an der Hohlwelle 4 eingreift. Durch die Länge dieses Schlitzes wird der relative Verdrehweg zwischen dem Drehstab 14 und der Hohlwelle 4 festgelegt. Je nach Windangebot und Leistungsabnahme wird über den Regler 28 der Drehfeldmagnet 26 auf ein bestimmtes Bremsmoment eingestellt und damit auch das Federmoment des Drehstabes innerhalb eines bestimmten Bereiches stufenlos auf die gewünschte Größe.On the end of the torsion bar 14 remote from the impeller is a gear 23 attached, which meshes with a gear 24, which in a'Gehäuse on the armature shaft 25 3 mounted rotating field magnet 26 is attached. The rotating field magnet 26 is over a line 27 is fed which leads to the controller 28, which is also connected to the generator 22 is connected via a line 29. A pin 30 is attached to the gear 23, which, as can best be seen from FIG. 2, into a slot 31 in a flange 32 engages the hollow shaft 4. The length of this slot determines the relative Rotation path between the torsion bar 14 and the hollow shaft 4 is set. Depending on the wind and power decrease, the rotating field magnet 26 is set to a specific value via the controller 28 Braking torque set and thus also the spring torque of the torsion bar within a certain area steplessly to the desired size.

Claims (5)

Kennwort: "Drehstabbremse" Patentansprüche y9,l.' Vorrichtung zur Leistungs- und Drehzahlbegrenzung von axial angeströmten Turbinenlaufrädern, insbesondere für Windturbinen, mit im Betrieb wenigstens in einem Teilbereich verstellbaren Laufschaufeln, bei denen an diesen angreifenden, ein Torsionsmoment im Sinne einer Verkleinerung ihres Anstellwinkels verursachenden Kräften unmittelbar oder mittelbar an dem verschwenkbaren Laufschaufelteil angreifende.Federmittel entgegenwirken, wobei die Vorspannung der Federmittel einstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß als Federmittel ein innerhalb der als Hohlwelle ausgebildeten Laufradwelle (4) angeordneter Drehstab (14) dient, auf dessen laifradseitiges Ende eine Verstellbewegung des verstellbaren Teils der Schaufel (7) übertragen wird und dessen vom Laufrad abgelegenes Ende mit einem abbremsbaren Rotor (25) verbunden ist, dessen Bremsmoment einstellbar ist.Keyword: "torsion bar brake" claims y9, l. ' Device for Limitation of power and speed of axially flown turbine wheels, in particular for wind turbines, with blades that can be adjusted at least in part during operation, in the case of those acting on these, a torsional moment in the sense of a reduction in size their angle of attack causing forces directly or indirectly on the pivotable Counteracting the blade part attacking spring means, the bias of the Spring means is adjustable, characterized in that the spring means is an inside the torsion bar (14) arranged as a hollow shaft (4) is used, on the end of the laifradseitiges an adjustment movement of the adjustable part of the Blade (7) is transferred and its end remote from the impeller with a brakable Rotor (25) is connected, the braking torque of which is adjustable. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Bremsvorrichtung für das vom Laufrad abgelegene Drehstabende ein Drehfeldmagnet (26) dient, dessen Anker (25) mit dem Drehstabende zur übertragung eines Drehmomentes in Wirkverbindung steht. 2. Apparatus according to claim 1, characterized in that as a braking device a rotating field magnet (26) is used for the end of the torsion bar remote from the impeller whose Armature (25) in operative connection with the torsion bar end for transmitting a torque stands. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Drehstab (14) und Anker (25) eine Zahnradübersetzung (23/24) vorgesehen ist.3. Apparatus according to claim 2, characterized in that between Torsion bar (14) and armature (25) a gear ratio (23/24) is provided. 4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Relativbewegung des Drehstabendes gegenüber der Laufradwelle (4) durch einen Anschlag (30/31) begrenzt ist.4. Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that that the relative movement of the torsion bar end with respect to the impeller shaft (4) by a Stop (30/31) is limited. 5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehstab (14) laufradseitig mit den Schaufeln (7) über ein in der Lauftadnabe (6) gelagertes Kegelradgetriebe (12/13) verbunden ist.5. Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that that the torsion bar (14) on the impeller side with the blades (7) via an in the Lauftadnabe (6) mounted bevel gear (12/13) is connected.
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