DE3221422C3 - Einblatt-Windturbine mit Fliehkraftregelung - Google Patents

Description

Windturbinen bedürfen in irgendeiner Form einer Regelung zur Vermeidung von Überlasten bei hohen Windgeschwindigkeiten. Die Regelung kann aus einer Reihe von Stellgliedern mechanischer, hydraulischer oder pneumatischer Art bestehen oder auch aus Fliehgewichten unter Ausnutzung des sog. Propellermomentes:
Massen außerhalb der Rotorebene haben unter Fliehkrafteinfluß physikalisch das Bestreben, sich auf die Rotorebene zuzubewegen.

Im Hinblick auf Verschleiß und Wartungsaufwand ist man bestrebt, eine Windkraftanlage so einfach wie möglich zu gestalten. Rege­ lungen der erwähnten Art sind kompliziert im Aufbau und erhöhen zudem das Gesamtgewicht der Anlage. Diese Nachteile zu vermeiden, ist Aufgabe der vorgeschlagenen Neuerung.

In bekannten Bauausführungen von Fliehkraftregelungen ist im allgemeinen ein Gewicht oder ein Gewichtepaar über einen Hebel so mit dem drehbar gelagerten Turbinenblatt verbunden, daß das Gewicht un­ ter Fliehkraft das Blatt verstellt. Hierbei ist das Gewicht oder Gewichtepaar meist unmittelbar in der Nähe der Rotornabe angebracht. Bei mehrblättrigen Rotoren ist jedem Blatt ein gesondertes Gewicht (paar) zugeordnet. In jedem Falle erhöhen diese Gewichte das Gesamtgewicht des Rotors und damit der Anlage. Anordnungen dieser Art werden in der deutschen Patentschrift 9 06 440 und in der US-Patentschrift 40 83 651 beschrieben, wobei bei mehrblättrigen Rotoren das Problem der Synchronisierung der Blattbewegungen hin­ zukommt.

Eine Einblatturbine benötigt in jedem Falle ein Gegengewicht als Massenausgleich gegenüber dem vorhandenen Blatt. Mit Hilfe dieses Gewichtes kann erfindungsgemäß vermieden werden, zusätzliche Gewichte als Fliehgewichte zur Blattregelung vorzusehen. Die Neu­ erung betrifft somit eine Windturbine mit einem Blatt, dessen Blattschaft um die Längsachse des Rotorblattes drehbar gelagert ist und einem das Blattgewicht kompensierenden Gegengewicht dadurch gekennzeichnet, daß das Gegengewicht in mindestens zwei Gewichts­ körper aufgeteilt ist, die in einem Abstand voneinander derart angeordnet sind, daß die Verbindungslinie der Schwerpunkte der Gewichtskörper nicht mit der Rotorebene zusammenfällt.

Eine so gewählte, dem Erfindungsgedanken entsprechende Anordnung hat einen weiteren Vorteil: In Anbetracht von aerodynamischen Stö­ rungen, die sich beim normalen Betrieb einer Windturbine ereignen, ist es wünschenswert und sogar in bestimmten Ausführungsformen unumgänglich, den Regelvorgang zu dämpfen. Dies kann durch eine große Eigenträgheit des Fliehgewichtsystems erreicht werden.

Da das Gegengewicht des Blattes im Verhältnis zur Gesamt-Rotormasse eine relativ große Masse hat, ist auch die Eigenträgheit im Ver­ gleich zu herkömmlichen Fliehgewichten groß, so daß der gewünschte Dämpfungseffekt ohne zusätzlichen Gewichts- oder Bauaufwand erreicht wird.

Anhand der Zeichnungen sollen Funktion und Ausführungsbeispiele erläutert werden:

Fig. 1 zeigt einen Einblattrotor mit modifiziertem Gegengewicht (11) gemäß dem Erfindungsgedanken. Das Blatt (1) ist um seine Längsachse mit dem Blattschaft in der Blattlagerung (7) drehbar gelagert. Die Blattlagerung ist wiederum mittels Schlaggelenklagerung (8) im Rotorkopf bzw. zwischen dessen Wangen (6) gelagert, wobei die Achse des Schlaggelenks schräg zur Blattachse angeordnet sein kann, wodurch eine zusätzliche schlagbewegungsabhängige Blattverstellung bewirkt werden kann, die hier jedoch nur der Vollständigkeit halber erwähnt wird und keinen Einfluß auf die Funktion gemäß dem Erfindungs­ gedanken hat.

Blatt und Gegengewicht bilden die Einheit Rotor und drehen sich um die Rotorachse (2), die innerhalb des Maschinensatzes (3) mit dem Energieumsetzer, z. B. el. Generator, verbunden ist. Der Maschi­ nensatz ist vorzugsweise durch Zwischenschaltung elastischer Ele­ mente mit der Schwenklagerung (4) verbunden, die eine Ausrichtung des Rotors nach der Windrichtung gestattet und die Halterung auf dem Mast (5) darstellt.

Die Anordnung der Gewichtskörper als Bestandteil des Gegengewichts gemäß dem Erfindungsgedanken ist in zwei Ausführungsbeispielen a) und b) dargestellt. Je einer der Gewichtskörper (11) befindet sich an jedem Ende des Querträgers (10), der in Richtung der Rotor­ ebene (19) vorzugsweise stromlinienförmig, d. h. in Tropfenform, verkleidet ist, um den Strömungswiderstand zu minimieren. Zu diesem Zweck kann er auch entsprechend seinem Umlaufbogen gekrümmt ausgeführt sein (nicht gezeichnet). Der Gewichtsträger (9) kann zudem mit einem Gelenk (12) in Schlagrichtung an den Blattschaft angeschlossen sein.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel sind jedem Gewichtskörper Einzelarme als Gewichtsträger zugeordnet, die sich im Blattschaft vereinen (Fig. 1b).

Die Funktion wird durch die prinzipielle Darstellung in Fig. 2 erläutert. Es sei vorerst das Gewichtepaar (11 _I) am Hebel (10 _I) betrachtet, das mit dem Blattschaft (7) verbunden ist. Die Ansicht stellt eine Draufsicht auf die Blattspitze dar, so daß die Rotor­ achse (2) in ihrer waagerechten Projektion erscheint. Die Rotor­ ebene ist (19). Die Verbindungslinie der Schwerpunkte der Gewichts­ körper (11) fällt nicht mit der Rotorebene zusammen, wie es er­ findungsgemäß gefordert ist.

Bei Drehung der Rotorachse sind die Gewichtskörper unter dem Einfluß der Fliehkraft bestrebt, sich in Pfeilrichtung zu bewegen, wodurch das Rotorblatt (1), das mit dem Blattschaft (7) verbunden ist, eine Drehung im Sinne einer sog. Rücksteuerung ausführt.

Das Gewichtepaar (11 _II) bildet eine Variante gemäß der Neuerung. Es sei über Hebel (10 _II) mit dem koaxial innen im Schaft (7) angeordneten zweiten Schaft verbunden, dem eine weitere von der ersten unabhängige Steuerungsfunktion zugeeignet sein möge. Bei gleicher Drehung der Achse (2) führt entsprechend der Pfeilrichtung der innere Schaft eine der ersten Drehbewegung entgegengesetzte Drehbewegung aus. Beide Drehbewegungen und gegebenenfalls noch weitere durch zusätzliche Gewichtsanordnungen, die alle als Teilgewichte der Gesamtgegengewichtsmasse ausgeführt sein sollen, hängen hinsichtlich Drehkraft, Eigenträgheit und Drehwinkel nach physikalischen Gesetzmäßigkeiten von der Gewichtsgröße, ihrem Abstand vom Schaft und ihrer Winkelstellung sowie Relativlage zur Rotorebene ab und bieten somit einen weiten Spielraum unter­ schiedlicher Steuerungsbewegungen. Bei allen Anordnungen ist praktisch kein zusätzlicher Gewichtsaufwand erforderlich, da selbst die Hebel (10) als in der Gesamtgegengewichtsmasse enthal­ ten angesehen werden können.

Da man häufig bestrebt ist, eine bestimmte Turbinendrehzahl zu erreichen, ohne daß die Regelung einsetzt, ist es notwendig, ein Federelement einzubauen, das gegen einen Anschlag vorgespannt der Regelbewegung entgegenwirkt. Ausführungsbeispiele hierfür sind in Fig. 1b und Fig. 3 gezeigt. Entweder kann eine Zug- oder Druckfeder (13) über einen Hebel (14), der mit dem Schaft fest verbunden ist, diese Aufgabe übernehmen, oder es kann eine Dreh­ stabfeder (15) angeordnet werden, die einerseits an irgendeiner Stelle mit dem Gewichtsträger (9), dem Querstück (10) oder anderen mit diesen eine Einheit bildenden Bauteilen fest verbunden ist und zum andern mit der äußeren Lagerung (7) bzw. mit dieser einheitlichen Teilen. Die Anordnung einer Torsionsfeder im Innern des Schaftes hat den Vorteil, daß alle Teile gegen Witterungseinflüsse geschützt sind.

Um eine Drehbewegung ausführen zu können, muß der Schaft bei dieser Anordnung einen Schlitz (16) aufweisen, dessen Länge mindestens der vorgesehenen Winkelbewegung des Schaftes entsprechen muß. Gleichzeitig ist durch diesen Schlitz eine axiale Begrenzung der Schaftbewegung in Blattlängsachse gegeben, durch die gegebe­ nenfalls solche Begrenzungen im Bereich der Lagerung hinfällig werden.

Fig. 4 zeigt eine Draufsicht der gesamten Windkraftanlage (die Schwenklagerung (4) ist durch den Maschinensatz (3) verdeckt) im Stillstand mit dem Rotorblatt in nach vorn bzw. leeseitig geschlagener Stellung. In dieser Windfahnenstellung kann der Rotor semistabil verharren, ohne anzulaufen. Um dem zu begegnen, ist es möglich den Querträger oder dessen der jetzigen Windrich­ tung entgegenzeigende Fläche (durch den Pfeil (17) markiert) derart schräg zu stellen oder diese Fläche zu verwinden, so daß eine Kraftkomponente durch die Luftströmung in Anlaufrichtung entsteht. Im Falle der Bauvariante Fig. 1b kann die Strebe (18) durch entsprechende Formgebung diese Aufgabe übernehmen.

Die Größe des Gesamtgegengewichtes ergibt sich zwangsläufig aus dem Blattgewicht und demjenigen aller am Gleichgewicht beteiligter Bauteile und dem Abstand von der Rotorachse, der für das Gegengewicht gewählt wurde. Es kann daher sein, daß die Gesamtmasse des Gegengewichtes unnötig groß ist für die Verwendung als Fliehgewicht zur Regelung. Insbesondere können die Dimensionen der entgegen wirkenden Feder in solchem Falle das als zulässig anzusehende Maß überschreiten. Dann kann erfin­ dungsgemäß nur ein Teil des Gegengewichtes in Gewichtskörper umgewandelt werden, die für die Fliehkraftregelung verwendet werden, während der Rest am Regelvorgang unbeteiligt in Verlän­ gerung der Blattachse angeordnet bleibt. Es ist auch möglich, daß die Feder selbst aufgrund ihrer räumlichen Anordnung einen Teil des Gegengewichtes bildet, wie andere Bauteile, die mittel­ bar oder unmittelbar mit dem Regelmechanismus zusammenhängen.

Außer der beschriebenen Federanordnung als innenliegende Tor­ sionsfeder können auch mehrere Torsionsstäbe diese Aufgabe übernehmen, die innerhalb oder außerhalb des Gewichtsträgers (9) angebracht sein können und im Falle einer Aufteilung desselben gemäß Fig. 1b jedem einzelnen zugeordnet. Eine solche Anordnung kann hinsichtlich vorspannens und justierens der Federn von Vorteil sein.

So wie die Schlaglagerung das Rotorblatt festigkeitsmäßig ent­ lastet und daher häufig vorgesehen wird, so kann zur Biegeent­ lastung des Gewichtsträgers ein in Schlagrichtung wirkendes Gelenk (12) eingebaut werden. Dieses hindert den Fliehkraft gesteuerten Regelvorgang nicht. Damit das Blatt im Stillstand nicht infolge dieses Gelenkes bei senkrechter Stellung nach unten klappt, ist es zweckmäßig gemäß der Neuerung den Weg des Gelenkes durch Einbringung eines gummielastischen Werkstof­ fes auf den im Betrieb erforderlichen Betrag von etwa 10° Bewegungsfreiheit zu begrenzen. Anstelle des Gelenkes kann auch der Gewichtsträger (9) selbst erfindungsgemäß biegeelastisch ausgeführt werden.

Claims (15)

1. Einblatt-Windturbine mit einem um die Längsachse des Rotorblattes (1) drehbar gelagerten Blattschaft und einem an diesem befestigten, das Blattgewicht kompensierenden Gegengewicht (10 und 11), dadurch gekennzeichnet, daß das Gegengewicht in mindestens zwei Gewichtskörper (11) aufgeteilt ist, die in einem Abstand voneinander derart angeordnet sind, daß die Verbindungslinie der Schwerpunkte der Gewichtskörper (11) nicht mit der Rotorebene (19) zusammenfällt und mit einer der Kraftwirkung der Gegengewichtskörper (11) entgegenwirkenden Feder (15).

2. Windturbine gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder in Form einer oder mehrerer Torsionsfedern ausgebildet und innerhalb oder außerhalb des Blattschaftes (7) bzw. des Gegengewichtsträgers (9) angeordnet sein kann.

3. Windturbine gemäß Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein dritter Gewichtskörper des Gegengewichtes (10, 11) sich in Verlängerung der Blattachse befindet.

4. Windturbine gemäß einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere Teilgewichte (11) des Gegengewichtes (10, 11) in einer dem Anspruch 1 entsprechender Weise angeordnet und fest mit einer oder mehr koaxial oder parallel der Blattachse verlaufenden Achsen verbunden sind.

5. Windturbine nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeich­ net, daß der Gewichtsträger (9) über ein Gelenk (12) mit Frei­ heit in Schlagrichtung mit dem Blattschaft (7) verbunden ist.

6. Windturbine gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslenkung des Gewichtsträgers (9) im Gelenk (12) durch Ein­ bringung eines gummielastischen Werkstoffes gedämpft und auf einen Winkel von etwa 10° begrenzt wird.

7. Windturbine nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der oder die Gewichtsträger (9) in Schlag­ richtung elastisch verformbar gestaltet sind/ist.

8. Windturbine gemäß einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Gewichtskörper (11) an getrennten Ge­ wichtsträgern (9) befestigt sind, die in Nabennähe zu einem gemeinsamen Träger bzw. Blattschaft (7) zusammenlaufen.

9. Windturbine gemäß einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der oder die Gewichtsträger (9) stromlinien­ förmig verkleidet sind/ist.

10. Windturbine gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Gewichtskörper (11) durch eine Strebe (10) miteinander verbunden sind, die stromlinienförmig verkleidet sein kann.

11. Windturbine gemäß einem der Ansprüche 1-10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Gewichtsträger T-förmig ausgebildet ist, wobei die Gewichtskörper (11) im Querstück (10) des T's untergebracht sind.

12. Windturbine gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Querstück (10) des Gewichtsträgers (9) stromlinienförmig verkleidet und gegebenenfalls seinem Umlaufkreisbogen entsprechend gekrümmt ausgeführt ist.

13. Windturbine gemäß Anspruch 11 und 12, dadurch gekennzeich­ net, daß das Trägerquerstück (10) bei Windfahnenstellung des Blattes im Stillstand eine derart schräg gestellte oder verwundene Fläche (17) aufweist, daß ein Anlaufmoment entsteht.

14. Windturbine gemäß Anspruch 2 und einem der Ansprüche 8-10, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Gewichtsträger (9) eine oder mehrere Torsionsfedern (15) zugeordnet sind.

15. Windturbine gemäß einem der Ansprüche 1-4 und 8-14, dadurch gekennzeichnet, daß der Befestigungspunkt der Torsionsfeder (15) am feststehenden Teil der Blattlage­ rung (7) durch ihre Verbindung mit dem drehbaren Blatt­ schaft (16) gleichzeitig als Fixierung der axialen Bewegungsfreiheit des Blattschaftes dient.