DE3319165A1

DE3319165A1 - Neuartige synchrone fluegelblattverstellung bei ein- oder mehrblaettrigen horizontalen windkraftanlagen (windraedern)

Info

Publication number: DE3319165A1
Application number: DE19833319165
Authority: DE
Inventors: Gerd 2963 Engerhafe Claassen
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1983-05-26
Filing date: 1983-05-26
Publication date: 1984-12-06

Description

NEUARTIGE SYNCHRONE FLÜGELBLATTVERSTELLUNG
BEI EIN- ODER MEHRBLÄTTRIGEN HORIZONTALEN WINDKXASTANLAGEN (WINDXÄDXRN) Die Erfindung betrifft eine Flügelblattverstellung bei ein- oder mehrblättrigen horizontalen Windkraftanlagen, die zu einer hohen Sicherheit und konstanten Drehzahl bei turm führt.
Die Erfindung ist durch seine einfache technische honstruktion so gehalten, auch mehrblättrige Kotorblattzahlen von größer als drei ( bis 12 Flügel pro Windrad) mit diesem System auszustatten.
Die Erfindung ersetzt alle bisher bekannten , komplizierten Fliehkraftverstellungen bei ein- und mehrblättrigen Windrädern und führt deshalb zu weniger Verschleißerscheinungen.
Alle Regel- und Hebelsysteme sind als Massenartikel im handel und deshalb preiswert zu bekommen.
Die Sicherheit des Flügelrades wird durch einen Außenring 3 (siehe dazu die Blatt-Nr. 1 und 2 als schematische Skizze in der Anlage) zusätzlich gesteigert.
Alle bisherigen horizontalen Rotorsysteme mit 8ynchroner Flügelblattverstellung sind an der Nabe eingespannt, sie haben durch die einseitige einspannung (Kragbalken) am Rutenende alle Schwingungs-, Rotations- und Torsionsbeanspruchungen aufzunehmen.
Bei meiner Erfindung wird der Flügel noch zusätzlich durch einen festen Außenring (Außenrad 3), der Außenring beansprucht ungefähr ein Drittel des Windraddurchmessers, unterstützt, so daß im Vergleich zu anderen Windrädern eine dreifach höhere Festigkeit, bei kleinen Wirkungsgradverlusten, erzielt wird.
Höhere Festigkeit bedeutet Sicherheit und längere Lebensdauer.
Allgemeines Die Ausnutzung der Wind energie stellt an die Technik sehr hohe Anforderungen, weil der Wind als Naturkraft stets ungleichmäßig und wechselnd auf das Windrad prallt oder vorbeiströmt.
Das Material ist diesen Wechselspannungen als starres Gebilde nicht gewachsen, deshalb haben die Menschen seit Jahrhunderten danach gestrebt, ein dynamisches, bewegliches Windrad, das sich dem Wind mit seiner Kraft anpaßt, zu entwickeln.
Diese Techniken waren gegen Ende des 19.Jahrhunderts sehr vielseitig, die 'orschungen wurden dann aber nach dem Weltkrig wegen preiswerterer Energien eingestellt.
Mit dem Ansteigen der Ölpreise wurde auch die Windenergie für viele Länder wieder als Energiequelle entdeckt und von Hochschulen weiterentwickelt.
Unsere in der borde liegenden Energrevorrate sind begrenzt und deshalb zum Verbrennen zu schade; deshalb ist es in Zeiten wachsender Energieverknappung ein volkswirtschaftliches Anliegen, die vorhandenen Naturkräfte mit geringstmöglichem Aufwand so efrektiv wie möglich in eine dem Menschen nützliche Energieform umzuwandeln.
Windenergie it in bestimmten Gegenden und zu bestimmten Zeiten, meit analog dem Bedarf, in großen Mengen verfügbar und sollte deshalb als Alternativenergie in verstärktem Maße genutzt werden.
Die Energie des Windes ist unendlich groß, sie ist stets erneuerbar und könnte bei größeren Zusammenschlüssen von Windrädern zu Windfarmen einen Teil des Energiebedarfs der BRD decken, ohne daß hochgiftige oder radiaktive Schadstoffe wie bei anderen Energieumwandlungen entstehen.
In Zeiten hoher Arbeitslosenzahlen sorgt der Bau von Windrädern in strukturschwachen Gebieten gerade in Klein- und Mittelbetrieben für eine Belebung des Arbeitsmarktes und Schaffung von Arbeitsplätzen.
In den letzten Jahren bemüht man sich, mit neuen Werkstoffen und Techniken, den Wirkungsgrad gegenüber den älteren Windrädern erheblich zu steigern.
Diese Steigerung ist letztlich eine 'rage der Blattverstellung.
Die Blattverstellung sorgt in erster Linie dafür, daß ein Windrad bei Sturm nicht durch seine eigene Fliehkraft auseinanderfliegt. Diese Verstellung erfolgt durch Wegnahme der Flügelfläche zum Wind. Sie sorgt somit für eine Leistungsbegrenzung und gleichzeitiger Minderbeanspruchung des Materials (längere Dauerfestigkeit).
Bei der neuen Generation vun Windkraftanlagen (Windrädern) darf die Schnellaufzahl nicht als eine Komponente bei der Wirtschaftlichkeitsberechnung eingehen, sondern die Sicherheit für die Anlage und dem Betreiber muß an erster Stelle stehen sie vorliegende Erfindung macht es möglich, auch Windräder mit mehr als drei Plügeln, von der Flügelzahl hängt die Schnellaufzahl # ab, für eine bestimmte Drehzahl zu verstellen.
Sie erhöht durch die zweiseitige Einspannung der flügel am Innen-@ und Außenrad ß erheblich die Sicherheitsanforderungen eines horizontalen Windrades.
Alle bisherigen synchronen Flügelblattverstellungen zur Drehzahlbegrenzung.bei Sturm oder anderen Anlässen sind wegen des hohen technischen Aufwandes nur bei Windrädern mit ein bis drei flügeln, sogenannten Schnelläufern möglich.
Hierzu werden 'liehkraftregelungen in den verschiedensten technischen variationen eingebaut. Alle hebel und Synchron teile für die verstellung sind in der Nabe untergebracht.
Die Spitzen der Flügel sind von der Nabe sehr weit entfernt und sind bei Sturm allen Biege-, Druck-,Torsions- undSchubspannungen ausgesetzt.
Wegen dieser einseitigen Einspannung der flügel an der tabe gehen viele windräder bei Sturm zu Bruch und stellen somit eine Gefahrenquelle dar.
Die Aufgabe der vorliegenden erfindung besteht darin, die möglichen Spannungen bei Sturm durch eine zweiseitige

fiinspannung

zur Flügelspitze hin zu reduzieren.
Die synchrone verstellung bleibt trotzdem erhalten, so daß eine bestimmte endliche drehzahl mit Hilfe einer Druckfeder, in Abhängigkeit von der umfangsgeschwindigkeit und des Haddurchmessers, eingestellt werden kann.
Diese maximale endliche Drehzahl liegt weit unter der kritischen oberen Drehzahl, dadurch ist eine hohe Sicherheit gegenüber anderen Flügelverstellungen, auch älteren, gegeben.
bei älteren Hegelsystemen gnalladay-, Ellipsensystem usw.) wurden ganze Flügel segmente oder Klappen aus dem Wind gedreht.
Hierzu war ein ganzes Bündel von hebelsystemen notwendig, das mit der neigt zu Ausschlagungen und Klappergeräuschen führte.
Die erfindungsgemäße Umgestaltung der Flügelblattverstellung ist gegenüber diesen älteren und neuen, einseitig eingespannten Systeme wesentlich sicherer und vereinfacht worden, so daß die Material- und Lohnkosten erheblich reduziert werden.
<lappergeräusche durch ausgeschlagene Hebel entfallen durch die Verwendung von Kugel- und Spurgelenken aus dem Automobilbau.
Beschreibung der erfindungsgemäßen Umgestaltung der plügelblattverstellung bei horizontalen windrädern (KlewLan) NEUART@GE SYNCHRONE FLÜGELBLATTVERSTELLUNG BEI EIN- @DER MEHRBLÄTTRIGEN HORIZONTALEN W@NDKRAFTANLAGEN (WINDRÄDERN) Bisherige synchrone Blattverstellungen bei horizontalen Windrädern bis zu einer Leistung von einhundert Kilowatt verwenden zur Flügelverstellung zusätzliche Fliehgewichte, die bei einer bestimmten Drehzahl des Rades ansprechen.
Selbstverständlich kann dieses Auslösen auch über die Generatorspannung, die Erregerfrequenz, die Drehzahl des Windrades oder eines Windgeschwindigkeitsmessers mit Hilfe der Elektronik ausgelöst werden.
Reine mechanische Verstellungen der Flügel, das Windrad bleibt dabei voll im Wind, werden meistens über die angebrachten Pliehgewichte vorgenommen. nur Übertragung wählt man pneumatische, hydraulische, mechanische oder gekoppelte Systeme.
Das Ziel ist dabei immer die Verkleinerung der Flügelfläche zum Wind, eine Verstellung der Flügel in Segelstellung.
In Segelstellung bietet der Flügel dem Wind die kleinste Fläche und damit die geringste Beanspruchung; denn bei der Leistung des Windes geht die Geschwindigkeit kubisch und die Fläche quadratisch in die Berechnungen des Windrades ein! Bei starren Plügeln wird zur Drehzahlbegrenzung des Windrades ein Wegdrehen des Windrades aus dem Wind vorgenommen, die Fläche der Flügel bleibt also voll erhalten. Da der Wind aber immer in der Richtung schwankt, kommt es bei diesen verschiedenen Systemen des Wegdrehens zu komplizierten Kreiselkräften, die zu einer Zerstörung des Rades führen können! Die Materialbeanspruchung ist sehr hoch, die Leistung des Rades ist durch das ständige Schwanken im Wind unbefriedigend.
Eine andere ltsöglichkeit der Drehæahlbegrenzlmg, das Wind rad steht voll im Wind, ist das Anbringen von Bremsklappen an dSX Flügel enden der starren Flügel, Diese Bremsklappen werden bei einer bestimmten Umfangsgeschwindigkeit des Rades ausgelöst und übertragen damit alle ankommenden Windkräfte auf,:di'e' Flügel'und damit auch auf die Nabe bzw. die Achse . Auch dieses System führt zwangsläufig zu hoher Abnutzung und Materialermüdung mit Sicherheitsrisikenl! Ein horizontales Windrad mit optimalen beistungs- und Sicherheitsdaten muß deshalb eine synchrone Blattverstellung haben. Das windrad bleibt dabei voll im Wind stehen, wobei die flügel bei sturm oder anderen schäden auf begelstellung gehen.
Komplizierte elektronische und mechanische Regelsysteme dürfen bei der @lattverstellung nur im ganz geringen Umfang vorkommen, weil sie zu einer Verteuerung und Mu Störanfälligkeiten führen.
rei beachtung dieser Grundgesetze bleiben die Kreiselkräfte spring, die Abnutzung des Materials und das Sicherheitsrisiko bleiben beherrschbar.
Alle bisherigen modernen windräder mit synchroner Flügelblattverstellung haben an der Sabe die verstellorgane, wobei die gesamte Flügellänge als Kragbalken allen Unbilden der Natur ausgesetzt ist. Der Flansch des flügels muß praktisch alle Biege-, Torsions-, Schub- und Überlagerungskräfte mit den möglichen Schwingungsfrequenzen aufnehmen.
inzu kommt die unterschiedliche und wechselnde windgeschwindigkeit für ein oben und unten stehendes Flügelblatt für den Bruchteil einer sekunde, die praktisch für ein Beschleunigen oder Bremsen des Flügels pro Umdrehung sorgen.
Bei einen Leeläufer kommt der Windschatten des Mastes als zusätzliches Moment noch hinzu.
Die Aufnahme der Flügel ander Nabe ist deshalb für die Sicherheit des Windrades und für die Dauerfestigkeit von größter Bedeutung.
Erfindungsgemäß erreiche ich die gleiche synchrone Blattverstellung dadurch, daß der Flügel nicht einseitig als sragbalken, sondern zweiseitig am innenrad 7 und in ein drittel vom windraddurchmesser sm festen Außenrad 3 eingespannt wird, Durch diese Anordnung wird das BiegYemomenl des Flügels Ruf ein Drittel gegenüber bekanntes windrädern verkleinert.
Die Sicherheit und die vauerfestigkeit sind damit entscheidend erhöht worden, was der windenergie auf längerer Sicht auch politisch zum Durchbruch verhelfen kann.
bei der Beschreibung der erfindungsgemäßen Flügelverstellung mit zweiseitiger Einspannung verwenden Sie bitte die Zeichnungen Blatt ar, 1 und 2 1 Blatt Nr. 1 ist eine Zusammenstellzeichnung, Blatt Nr. 2 verdeutlicht die Flügelstellung bei Normal- und Sturmstellung.
Alle Bezeichnungen und Bezifferungen stimmen mit der folgende @eschreibung überein.
vas horizontale Windrad besteht erfindungsgemäß aus einem starren Innen- 7 und Außenrad 3, die durch Speichen in radialer und Schubrichtung als statisches Fachwerk mit der Felge (Achse) verbunden sind. Die beweglichen flügel werden in dieses Fachwerksystem durch besondere Maßnahmen eingebracht! Je nach Anzahl der Flügel auf der zeichnung Blatt Nr. 1 sind drei Flügel eingezeichnet, werden die Flügelwellen in die Gleitlager 2 und 6 vom Innen- und Außenrad eingebaut.
Die Gleitlager sind selbstverständlich teilbar und jederzeit auf nagerabnutzung oder anderen Schäden zu kontrollieren.
In diesen uleitlagern 2 und 6 kann sich die Flügelwelle bis zu einer gewissen Länge axial verschieben.
Da der Außenring 3 wegen der Anstellung der Flügel durch das Kastenprofil des Flügels hindurchgeht, muß der Flügel an dieser Stelle mit einer besonderen ovalen Öffnung , Wegdrehen und axialer Verschiebung bei Sturm, versehen werden.
Durch besondere konstruktive Maßnahmen wird -die Schwächung des Kastenprofils wieder aufgehoben! eii drehen des Windrades werden durch die Fliehkräfte die Flügel nach außen gezogen, die Flügelwelle gleitet dabei axial bis zu einer bestimmten Länge durch die Gleitlager 2 u. 6 im Außenrad 3 und innenrad 7m Begrenzt wird diese axiale Verschiebung durch eine einstellbare Druckfeder am Gleitlager 6 und einem Lager mit Bund auf der Flügelwelle.
Die einstellbare Druckfeder begrenzt bei der endgültigen Inbetriebnahme somit auch die Drehzahl des windrades, weil sich die Federkraft und die Fliehkraft des Flügels bis zu einer bestimmten Windgeschwindigkeit im Uleichgewicht halten.
Erst eine weitere erhöhung der Drehzahl überwindet die Druckkraft der Feder und führt zu einer axialen Verschiebung der Flügelwelle.
Ein verschieben des Flügels in axialer Richtung bedingt aber noch keine Verdrehung des Flügels zur Verkleinerung der Windangriffsfläche! Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß am dicken Flügelprofil (Nabenseite) ein stabiles kugelgelenk mit Spurstange 4 befestigt ist, das über ein weiteres einstellbares Gelenk am Außenrad 3 befestigt ist.
Nach dem einstellen des flügels hildet diese Spurstange 4 nit dem Außenrad 3 und dem Flügel 1 ein Dreieck, wobei das Au13enrad 3 die feste Seite dieses Fachwerksystems darstellt.
lurch die Kugelgelenke mit den Festpunkten am Außenrad 3 und der Führung der Flügelwelle in den beiden Gleitlagern ist die eindimensionale drehung des flügels bei axialer Verschiebung (zwei Freiheitsgraden) festgelegt! wird der Flügel bei Sturm durch die eigene Fliehkraft in axialer Richtung nach außen verschoben, muß sich der Flügel durch das Gelenksystem der Spurstange 4 @@ @n Segelstellung @agdrehen@ Durch ein besonderes Dämpfungssystem in Form von hydraulischen Stoßdämpfern wird bei vindböen in beiden Richtungen verhindert, daß die Flügel schlagartig wegdrehen oder in Normalstellung ruckartig gegen den Anschlag der plügelanstellung zurückfedern0 Bei Windrädern mit mehr als einem Flügel würden sich die Flügel nie synchron wegdrehen, was aber bei hohen Drehzahlen wegen der eintretenden Unwucht unbedingt erforderlich ist! Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Flügelwellen der einzelnen Flügel weiter zum Synchronrad 10 geführt werden.
Das Synchronrad 10 sitzt drehbar auf der Achse 9 und nimmt über besonders gekröpfte Spurstangen 8 mit Kugelgelenken die Flügelwellen 5 auf.
Auch hier sind wegen der besonderen Feineinstellung die gekröpften Spurstangen 8 mit Gewinde versehen.
Beim Überschreiten einer gewissen Drehzahl, abhängig von der Windgeschwindigkeit und der Federeinstellung am Gleitlager 6 verschiebt sich der flügel 1 axial nach außen.
Zwangsläufig müssen alle weiteren Flügel dieser Bewegung synchron nachkommen, weil sie durch das Synchronrad lu miteinander verbunden sind. Das nynchronrad 10 vollführt auf der Achse beim Wegdrehen des Flügels eine Drehung von Null bis ca sechzig Grad aus, diese Art aelativbewegung ist von der Windstärke abhängig.
Die Drehung des Synchronrades 10 sorgt somit über die gekröpften Spurstangen 8 für ein gleichmäßiges Wegdrehen aller Flügel. Die Sicherheit des Windrades ist damit gewährleistet.
Durch die lagerung der Flügelwelle am Synchronrad 10 , an den Gleitlagern 2 und 6 und den Halterungen der Spurstange 4 ist eine höchstmögliche Festigkeit des windrades, im Gegensatz zu nur nabeneingespannten Flügeln, gegeben.
Alle verstellmechanismen zur Flügelverstellung sind aus der Kfz-Branche serienmäßig und damit preiswert zu bekommen.
Mein Antrag auf erteilung eines Patents für die beschriebene Flügelverstellung bei einer horizontalen windkraftanlage mit drei Flügeln und vierzehn Pletem H'lügelraddurchmesser arbeitet seit einigen monaten zu meiner vollsten Zufriedenheit und trägt hoffentlich bald zu einer Förderung der windenertie insgesamt bei

Claims

Patentansprüche Neuartige synchrone Flügelblattverstellung für ein-, zwei-, drei- oder vielflügeliges Windrad mit horizontaler Drehachse, dadurch gekennzeichnet, daß die flügel zweiseitig in ein festes, starres Innen- und Außenrand mit eleitlagern (Wälzlagern) um die Längsachse drehbar und axial verschiebbar eingebaut sind.
2. Neuartige Flügelverstellung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Flügel selbst 1bei Erreichen einer einstellbaren bestimmten Drehzahl, die Fliehkraft zur Flügelblattverstellung des Rades darstellen, was einer einfachen, wartungs- und beaufsichtigungsfreien Automatik, ohne komplizierte Hegelorgane und Fremdenergie, entspricht.
3. Neuartige Flügelblattverstellung nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß die einstellbare Spurstange mit Kugelgelenk an der Nabenseite des flügels und dem Außenrad befestigt ist, wodurch eine hohe sicherheit durch die zweiseitige Einspannung des flügels erreicht wird.
4. Neuartige i'lügelblattverstellung nach Anspruch 1, 2 und 3 dadurch gekennzeichnet, daß die Flügelwellen durch besonders gekröpfte einstellbare Spurstangen mit Kugelgelenken auf einem Synchronrad, das drehbar auf der Achse gelagert ist, befestigt damit eine gleichmäß@ge synchrone Flügelblattverstellung, bei mehr als einem Flügel, vorgenommen wird.
5. Neuartige Flügelblattverstellung nach Anspruch 1,2,3 und 4 dadurch gekennzeichnet, daß die Flügel des iaindrades bei Sturm automatisch auf @egelstellung gehen und damit hohen oicherheitsanforderungen entsprechen. @s kommt zu geringen Materialermüdungen bei verringerung aller am Windrad auftretenden iege-, 1orsions-, ochub- und sruckspannungen.
6. Neuartige lügelblattverstellung nach anspruch 1,2,3,4 und 5 dadurch gekennzeichnet, daß die lügel nach @berschreiten einer gewissen eingestellten drehzahl sich über ein besonderes hydraulisches ämpfungssystem wegdrehen und somit die Nenndrehzahl und Nennleistung des Generators durch die Verringerung der Flügelfläche zum Wind erhalten bleibt (kein Sturm). Dieser dämpfer ist ein doppelwirkender nyraulikkolben mit einstellbarem uberstromkanal, der völlig separat durch die Kräfte des Flügel gesteuert wird und durch seine dämpfende migenschaft fur eine gleichmäßige @eistungsabgabe sorgt4
7. Neuartige Flügelblattverstellung nach Anspruch 1,2,3,4,5 und 6 dadurch gekennzeichnet, daß durch die Einstellung der Druckfeder die drehzahlen des windrades in einem weiten bereich fast konstant eingestellt werden können.

sie Wahl der Druckfeder hängt von der Konstruktion des windrades ab: Wahlweise kann das windrad aus Stahl oder aluminium gefertigt werden, die Flügel können unabhängig vom indrad aus glasfaser (GFK), Kohlenfaser, nolz, Aluminium oder stahl konstruiert werden.

uie Druckfeder muß diesen Materialien entsprechend als proportionale, logarithmische oder exponentiale Feder ausgeführt werden.
8. neuartige Flügelblattverstellung nach Anspruch 1,2,3,4,5,6,u. 7 dadurch geknnnzeichnet, daß bei einer turbine, windrad mit vielen flügeln, drei oder sechs Flügel nach diesem system sich durch die Fliehkraft axial verschieben und damit wegdrehen, während die übrigen Flügel des windrades nur um die Längsachse drehbar oder starr angeordnet werden. sie synchron-verstellten Flügel sorgen für die Nenndrehzahl bzw. Drehzahlbegrenzung, die starren oder nur drehbaren Flügel tragen zu einer erhöhung des Anlauf- und Drehmomentes bei: Die Eigenschaften eines Schnelläufern werden mit den positiven Eigenschaften einer turbine gekoppelt.