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Drehkopf für Windräder mit Einrichtung zur Sturmsicherung
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und Leistungsregelung
Die Erfindung bezieht sih auf einen Drehkopf
für Windräder mit einer Einrichtung zur Sturmsicherung und Leistungsregelung und
ist vorwiegend für Hauswindkraftanlagen vorgesehen, deren Windrad horizontal gelagert
ist und sowohl als Langsamläufer als auch als Schnelläufer ausgebildet sein kann,
Hauswindkraftanlagen sollen einen einfachen, sturmsicheren Aufbau aufweisen und
ihr Drehkopf benötigt eine Vorrichtung, die das Windrad bei Überschreitung der Ausbauwindgesehwindigkeit
zunehmend aus dem Wind dreht, um eine Überlastung der Anlage zu vermeiden.
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Es ist eine Vielzahl von Einrichtungen zur Sturmsieherung und Grobregelung
der Leistung bekannt. Iiaeh der Bewegungsrichtung lassen sich Einrichtungen unterscheiden,
die das Wind rad um eine vertikale oder eine horizontale Achse aus dem Wind schwenken
oder die Flügel iiber Schlaggelenke zu einem veränderlichen Konus zusammenklappen.
Bei den Einrichtungen mit vertikaler oder horizontaler Achse wird die auf die Windgeschwindigkeit
abgestimmte Verstellkraft durch Querfahnen, Kassetten, Verstellmotoren, Hydraulikregelung,
exzentrische Lagerung des Windrades oder ein an einem i,enkermechanismus befestigtes
Gegengewicht bestimmt.
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Den Lösungen mit Querfahne, Rosetten, Verstellmotoren, Hydraulikregelung
und exzentrischer Lagerung ist gemeinsam, daß das Windrad vor dem Drehkopf angelenkt
ist0 er Drehkopf wird als Drehkranz mit Kugel- oder Rollenlagerung zur Aufnahme
der Drehmomente bei kleiner Reibung ausgebildet. Die aufwendige Drehkopflagerung,
Windfahne, Verstellmotorer und hOBetten Können entfallen, wenn ein auf einem Stahlrohrmast
drehbar gelagertes Rohrstück mit Anlenkung des Windrades hinter den Mast Verwendung
findet.
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Als bekannte Einrichtung zur Sturmsicherung und iäeistungsregelung
ist hier der Einsatz von Windflügeln mit Sehlag-
gelenken möglich,
Diese Lösung ist jedoch nur bei Schnellläufer wirtschaftlich anwendbar, deren Einsatzbereich
auf windstarke Gebiete begrenzt ist, Windkraftanlagen, bei denen das Windrad zur
Sturmsicherung und Leistungsregelung um eine vertikale Achse aus dem Wind geschwenkt
wird, sind nicht so gut gegen seitliche Sturmböen abgesichert0 Eine bessere Absicherung
gegen Seitenböen durch Schwenken des Windrades um eine horizontale Achse ist bei
zwei Lösungen bekannt. Bei der ersten Lösung wird das Windrad vor dem Mast angelenkt
und schwenkt bei Sturm um eine horizontale Achse nach oben0 Dabei nimmt naturgemäß
mit zunehmendem Schwenkwinkel die Rückstellkraft des Windrades ab, da der Hebelarm
sich verkleinert, an dem sein Eigengewicht wirksam wird. Die Kennlinie der vorhandenen
Rückstellkraft verläuft somit enlgebengesetzt zur erforderlichen0 Außerdem ist bei
dieser lösung eine relativ aufwendige Drehkopflagerung und eine Windfahne erforderlich0
Bei der zweiten Lösung mit guter Absicherung gegen Seitenböen schwenkt das Windrad
bei Sturm gegen den Widerstana eines schweren Gegengewichts nach unten, wobei es
sich gleichzeitig um die horizontalen Achsen eines Gelenkmechanismus aus dem Winc
dreht Das Windrad wird hinter dem Mast und das Gegengewicht vor dem, Mast angeordnet.
Kiese Konstruktion wird zusätzlich durch das Gegengewicht statisch belastet und
erfordert ein aufwendiges, biegesteifes Lenkersystem Zusammenfassend läßt sich feststellen,
daß es keine Vorriehtune zur Windnachführung, Sturmsieherung und Leistungsgrobregelung
gibt, die folgende Forderungen gleichzeitig in einer Konstruktion erfüllt: 10 Anwendbarkeit
für Langsam- und Schnelläufer in gleicher Weise, 2 Verzicht auf Wind- und Querfahne,
Rosetten und Verstellmotoren sowie einen breiten, kugel- oder rollengelagerten Drehkranz
für den Drehkopf, 30 keine zusätzlichen Bauelemente wie beispielsweise Gegengewichte
und biegesteife Lenker als hoppelgelenk-
system zum Aufbringen einer
mit der Windgesehwindiekeit ansteigenden Verstellkraft, 4. kein völliges"Abregeln'
der Anlage bei Starkwind und zuverlässige Sicherung gegen seitliche Sturmböen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, die dargestellten Nachteile zu vermeiden
und eine Einrichtung zur Windnachführung, Sturmsicherung und Leistungsgrobregelung
zu schaffen, die gegenüber dem Stand der Technik eine wesentlich vereinfachte Bauweise
aufweist und auch ffir langsamlaufende Windturbinenräder geeignet ist0 Die Erfindung,
wie sie in den Ansprtichen gekennzeichnet ist, löst die Aufgabe, eine Einrichtung
zur Windnachführung, Sturmsicherung und Leistungsregelung für Windturbinenräder
zu schaffen, bei der das Windturbinenrad mit dem Generator hinter dem Drehkopf an
einer horizontalen Scharnierachse aufgehängt ist, die sich oberhalb von Windrad-
und Generatorwelle befindet, so daß der Gewichts- und Flaehensehwerpunkt von Windturbinenrad
und Generator unterhalb dieser horizontalen Scharnierachse liegt.
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Eine weitere Ausbildung der Erfindung besteht in der Anlenkung von
zwei Zugfedern zwischen Windturbinenradbefestigung und Drehkopf in der Weise, daß
ihr wirksamer Hebelarm sich mit zunehmender Kippung des Windrades nach oben um die
horizontale Scharnierachse verkleinert.
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Die mit der Erfindung erreichten Vorteile sind im wesentlichten darin
zu sehen, daß unabhängig von der Sehnellhäufigkeit des Windturbinenrades fiir Sturmsicherung,
Leistungsregelung und Windnachführung ein wesentlich geringerer Bauaufwand als bei
bisherigen Lösungen erforderlich ist0 Das Eigengewicht von Windturbinenrad und Generator
kann unmittelbar als Rückstellkraft zur Leistungsregelung genutzt werden, da sein
wirksamer Hebelarm sich mit zunehmender Kippung des Windturbinenrades um die horizontale
Achse nach oben vergrößert0 Imfolgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen
näher
erläutert, die lediglich einen Ausführungsweg und zwei Anwendungsbeispiele darstellen.
Es zeigt Figur 1 die Anwendung des Drehkopfes ffir Schnelläufer, Figur 2 die Anwendung
des trehkopfes ftir Langsamläufer mit Abnahme der Drehbewegung für den Generator
an einer Außenfelge mittels Reibradtrieb, Figur 3 die konstruktive Gestaltung der
Einzelteile des Drehkopfes für Langsamläufer nach Figur 2.
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In den Figuren ist ein Drehkopf für Windturbinenräder mit Einrichtung
zur Sturmsicherung und Leistungsregelung dargestellt, welcher in seinem grundsätzlichen
Aufbau aus einer lagergabel 1 mit einem Rohrende 2, einem Stahlrohrmastende 3 mit
Axialdruckfläche 4 und Ansatzzapfen 5, einer horizontalen Scharnierachse 6, twei
Zuglasche 8a oder einer Zugstange 8c mit Lageraugen 8b und einer Grundplatte 7,
zwei Zugfedern 9 mit einem Bolzen 10 fitr die obere Anlenkung und einem Bolzen 11
für die untere Anlenkung, einem Pufferelement 12, einer Windturbinenradachse 13
für Langsamläufer mit Außenrelge, einer Axialdruekseheibe 14 und einer Befestigungsschraube
15 besteht.
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Erfindungsgemäß ist das auf oder in dem Stahlrohrmastende 3 drehbar
gelagerte Rohrende 2 mit einer Lagergabel 1 fest verbunden (Fig. 1, 2 und 3), deren
zwei Gabelenden 16 hinter der senkrechten Achse des Drehkopfes liegen und jeweils
mit einer waagerechten Lagerbohrung 17 (Fig.3) zur Aufnahme der horizontalen Scharnierachse
6 versehen sind, wobei auf der Scharnierachse 6 je nach Ausführung des Windturbinenrades
zwisr,hen den Gabelenden 16 zwei Zuglasche 8a mit Lageraugen 8b (Fig.1) oder eine
Zugstange Bc mit Lageraugen 8b (Fig.2 und 3) drehbar angelenkt sind und die zwei
Zuglasche 8a bzw0 die Zugstange 8c an ihrem unteren Ende eine Grundplatte 7 zur
Aufnahme des Generators 18 und der Lagerung der Windflügel 19 (Fig.1) bei Schnelläufern
enthalten oder zusätzlich zwischen den Lageraugen 8b und der Grundplatte 7 die nach
hinten weisende Achse 13 eines lang-
samläufigen Windturbinenrades
2o mit Außenfelge (Fig.2 und 3).
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Nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung ist durch zwei waagerechte
Querbohrungen 21 in den Stegen der Lagergabel 1 (Fig.3) ein Bolzen 10 gesteckt,
dessen Uberstehende Enden den Anlenkpunkt für zwei Zugfedern 9 bilden, die an ihrem
unteren Ende in ähnlicher Weise an den überstehenden Enden eines Bolzens 11 befestigt
sind, der durch waagereehtcQuerbohrungen 22 in die Zuglaschen 8a bzw. die Zugstange
Sc gesteckt wird, wobei die Lage der Querbohrungen 21 für die obere Anlenkung der
Zugfedern9 und die Querbohrungen 22 für die untere Anlenkung so zur horizontalen
Scharnierachse 6 gewählt wird, daß der wirksame @ebelarm der Zugfeder 9 um die Scharnierachse
6 sich mit zunehmender Auslenkung der Grundplatte 7 bzw0 der Zugstange 8e verkleinert
(vgl.
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Fig.1 und 2) Erfindungsgemäß befindet sich zwischen Grundplatte 7
und nterseite des hinteren Endes der Lagergabel 1 (Fig.1) bzw0 zwischen Zugstange
8c und Rohrende 2 (Fig.2 und 3) ein Pufferelement 12, das beispielsweise durch eine
Spannhilse 29 (Fig.3) befestigt wird0 Die Windturbinenradachse 13 (Fig0 3) fiir
jangsamläufer mit Außenfelge ist mit der nach hinten weisenden Wiickseite der Zugstange
8c fest verbunden und enthalt zur Aufnahme des Axialdrucks eine Axialdruekseheibe
14 und eine Befestigungsschraube 15o Die am Drehkopf auftretenden Axialdruckkräfte
werden von der Unterseite der Lagergabel 1 auf eine Axialdruckfls'che 4 am Stahlrohrmastende
3 Übertragen. Die Axialdruekfleehe 4 am Stahlrohrmastende 3 enthält in Achsmitte
einen mit einer zentrischen Durchgangsbohrung 23 und einer Ringnut 24 versehenen
Ansatzzapfen 5. Der Ansatzzapfen 5 wird durch eine senkrechte Bohrung 25 in der
Unterseite der Lagergabel 1 gesteckt (Fig*3) und in montiertem Zustand zur Sicherung
gegen Abheben mit einem Sicherungsring 26 in der Nut 24 versehen. Die Bohrung 23
dient zur Durchführung eines Stromkabels mittels Drehsteekere Als horizontaler Scharnierbolzen
6 kann ein Normbolzen gewählt werden, der mit einem Sicherungsring 27 gesichert
wird (Fig.3).
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Die Grundplatte 7 kann Bohrungen 27 zur drehbaren Befestigung eines
mittels Reibradtrieb von der Außenfelge des Windturbinenrades angetriebenen Generators
18 enthalten.
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Figur 1 und 2 verdeutlichen die Wirkungsweise des Drehkopfes mit Sturmsieherung
und Leistungsregelung. Wie die Figuren 1, 2 und 3 sowie die Beschreibung des aufbaus
gezeigt haben, liegt der Massensehwerpunkt von Windturbinenrad mit Generator und
der Flächenechwerpunkt der Windangriffsfläche des Windturbinenrades unterhalb und
etwas hinter der waagerechten Scharnierachse 6. Die Gewichtskraft von Windturbinenrad
und Generator erzeugt im gemeinsamen Wssenschwerpunkt angreifend ein rechtsdrehendes
Drehmoment um die Scharnierachse 6, so daß das @ufferelement 12 gegen die Unterseite
der Lagergabel 1 (Fig.1) bzw. gegen das Rohrende 2 (Fig.2 und 3) gedrückt wird.
Die in Achsrichtung des Windturbinenrades wirkende Windkraftkomponente erzeugt ein
linksdrehendes Drehmoment um die waagerechte Scharnierachse 6, das der Gewichtskraft
entgegengerichtet ist.
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Meiste bei waagerechter Stellung der Windradachse 13 die in Achsrichtung
wirkende Windkraftkomponente allein die Gewichtskraft überwinden, so würde das Windrad
bereits bei Windgeschwindigkeiten unterhalb der Ausbauleistung um die senkrechte
Scharnierachse 6 nach oben kippen, bis die Windangriffsfläche so weit verkleinert
ist, daß sich ein Gleichgewichtspunkt zwischen den Drehmomenten von Gewiehtskraft
und Windkraft eingestellt hat. Beim Abkippen des Windrades nach oben folgt die Verkleinerung
der Windangriffs fläche und die Vergrößerung des Wirksamen hebelarms der Gewichtskraft
der gleichen geometrisehen Gesetzmäßigkeit. Um ru verhindern, daß die waagerechte
Projektion der Windangriffsfläche sich bereits bei Windgeschwindigkeiten unterhalb
der Ausbauleistung verkleinert, sind die Zugfedern 9 als Totpunktfedern so zwischen
den Scharnierteilen angelenkt, daß sie ihren größten wirksamen Hebelarm in waagerechter
Lage der Windradachse aufweisen; Auf diese Weise unterstützen sie das rechtsdrehende
Drehmoment der Gewichtskraft in Ausgangsstellung und können so bemessen werden,
daß bei Windgesehwindigkeiten bis zur
Ausbauleistung das Windturbinenrad
in Ausgangsstellung bleibt. Wird die Ausbauwindgeschwindigkeit überschritten, so
verkleinert sich der wirksame Hebelarm der Zugfedern 9 mit zunehmender Neigung des
Windturbinenrades (Fig.1 und 2), während der wirksame hebelarm der Gewichtskraft
sich vergrößert. Die Federkräfte, die Lage des Totpunktes der Zugfedern 9 sowie
der senkrechte Abstand zwischen Windturbinenradachse 13 und horizontaler Scharnierachse
6 werden so aufeinander abgestimmt, daß sich bei Starkwind ein Gleichgewichtspunkt
einstellte bei dem die waagerechte Projektion der Windradfläche den statischen Gegebenheiten
der Konstruktion entspricht,
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