DE4221783A1 - Vorrichtung zur Verstellung von Rotorblättern - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verstellung von
Rotorblättern.
Bekanntlich werden in Windenergieanlagen, die eine
Blatteinstellwinkelregelung zur Leistungsbegrenzung aufweisen,
Blattverstellantriebe mit hydraulischer oder elektrischer
Antriebsenergie eingesetzt. In der Regel sitzen diese Antriebe
auf der rotierenden Nabe, so daß die Antriebsenergie von dem
ruhenden Teil mittels Drehdurchführungen oder Schleifringen auf
das sich drehende Teil übertragen werden muß.
Um auf diese problematische Energieübertragung verzichten zu
können, muß der Antrieb auf dem ruhenden Teil installiert werden.
Hierzu besteht die Möglichkeit, ein Verteilergetriebe koaxial auf
der drehenden Nabe anzuordnen und dessen Antriebswelle durch eine
hohle Rotorwelle zu einem ortsfest installierten Antriebsaggregat
zu führen (vgl. DE 34 15 428).
Eine Störung oder ein Ausfall eines Blattverstellsystems darf
nach den einschlägigen Sicherheitsbestimmungen für
Windkraftanlagen nicht zu einer Beschädigung oder Zerstörung der
Anlage führen. Aus diesem Grunde muß jede Anlage mit einem
Sicherheitssystem ausgerüstet sein, das Zugriff auf mindestens
zwei vollständig voneinander unabhängige Bremssysteme hat.
Jedes Bremssystem muß für sich allein in der Lage sein, den Rotor
gezielt zu verzögern bzw. zum Stillstand zu bringen.
In der Regel wird neben dem Blattverstellsystem, das zur
aerodynamischen Abbremsung des Rotors herangezogen werden kann,
ein mechanisches Bremssystem eingesetzt. Dieses muß für ein
mehrfaches Nennantriebsmoment ausgelegt sein, sowie besonders
strengen Sicherheitsauflagen entsprechen.
Mechanische Bremssysteme unterliegen in der Regel starkem
Verschleiß. Dies erfordert eine aufwendige Zustandsüberwachung
der Bremsvorrichtung, wobei hier die gleichen
Sicherheitsstandards zu erfüllen sind wie bei der
Bremseinrichtung selbst.
Der Mehraufwand für dieses mechanische Bremssystem schlägt sich
zum einen auf die Herstellkosten der Anlage sowie auf die
Wartungsintervalle und -kosten nieder.
Weiterhin verursacht die mechanische Bremse selbst durch Ausfall
oder Störung erhebliche Stillstandszeiten der Windkraftanlage,
so daß deren Verfügbarkeit und Energieausbeute reduziert wird.
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines
Blattverstellsystems, welches bei einfachem Aufbau mit Hilfe
weniger Teile eine Verstellung von Rotorblättern ermöglicht.
Gelöst wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe durch die
im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale.
Vorteilhaft weitergebildet wird der Erfindungsgegenstand durch
die Merkmale der Unteransprüche 2 bis 4.
Wesen der Erfindung ist die Ausbildung des
Blattverstellmechanismus als zweifach unabhängiges
aerodynamisches Bremssystem. Dies wird erreicht durch ein koaxial
zur Rotornabe angeordnetes und nabenseitig befestigtes
Verteilergetriebe, das einerseits von einem nicht mit der
Rotornabe drehenden Verstellmotor angetrieben wird sowie
abtriebseitig mit jedem Rotorblatt separat gekoppelt ist.
Andererseits bewirkt eine nicht mit der Rotornabe drehende Bremse
und ein damit festgehaltenes zusätzliches Zahnrad, ausgelegt als
übergeordnetes Sicherheitssystem, bei drehendem Rotor eine
zwangsweise Drehung der Rotorblätter in Fahnenstellung.
Die im Rotor der Windkraftanlage gespeicherte Rotationsenergie
liefert hierzu die Antriebsenergie.
Im normalen Produktionsbetrieb der Anlage werden die
Einstellwinkel der Rotorblätter je nach Windangebot über den
zentralen Verstellmotor synchron verstellt. Bei Störungen
jeglicher Art wird das übergeordnete Sicherheitssystem aktiviert,
das nach dem "fail safe"-Prinzip ausgelegt ist.
Die beigefügten Zeichnungen stellen verschiedene
Ausführungsformen der Erfindung dar. Es zeigt:
Fig. 1 eine schematisch dargestellte Querschnittsansicht einer
Dreiblattnabe mit einem Teil eines Rotorblattes mit
Verstellmechanismus als Kegelradgetriebeausführung
Fig. 1A ein Rotorblatt mit Koppelung an das Verteilergetriebe
Fig. 1B eine schematische Darstellung des Verteilergetriebes
mit Blickrichtung von vorne auf den Nabenstern
Fig. 2 eine Querschnittsansicht der Rotornabe mit
Verstellmechanismus als Ausführung mit Zahnriementrieb
und Gewindespindel
Fig. 3 eine Querschnittsansicht der Rotornabe mit
Verstellmechanismus als Ausführung mit
Zahnriementrieb
Die Erfindung wird nachfolgend anhand des Ausführungsbeispiels
nach Fig. 1 näher erläutert.
Gemäß der Zeichnung umfaßt der Blattverstellmechanismus 1 ein
nabenseitig befestigtes Verteilergetriebe 10 in
Kegelradausführung.
Das Kegelrad 9 steht über die Antriebswelle 14 mit dem nicht mit
der Rotornabe drehenden Verstellmotor 15 in Verbindung. Das
Kegelrad 8 ist über eine Rutschkupplung 7 und eine Welle 6 mit
dem Stirnrad 5 gekoppelt. In Rad 5 greift ein Zahnsegment 3 ein,
das an Rotorblatt 2 angeflanscht ist.
Fig. 1A zeigt ein Rotorblatt 2 in verschiedenen Einstellungen.
Die Koppelung über ein Zahnsegment 3 an das Verteilergetriebe 10
ist ausreichend, da zur aerodynamischen Abbremsung des Rotors ein
Schwenkwinkel des Rotorblattes von weniger als 90 Grad
erforderlich ist.
In Fig. 1B ist die Anordnung der Abtriebsstränge (a, b, c) für
einen Dreiblattrotor zu erkennen. Die drei Zahnräder 8a, b, c
greifen gemeinsam in das zentrale Rad 9 ein. Um den
Einstellwinkel der Rotorblätter beim Betrieb der Anlage konstant
zu halten, muß das Rad 9 von dem Verstellmotor 15 mit
Rotordrehzahl angetrieben werden, so daß die Räder 8a, b, c relativ
zum Getriebe 10 in Ruhe sind und damit die Rotorblätter in ihrer
Winkelstellung verbleiben.
Eine Verstellung der Rotorblätter wird erreicht durch eine
Drehzahldifferenz zwischen dem Rotor und dem Kegelrad 9.
Diese Drehzahldifferenz wird durch Änderung der Antriebsdrehzahl
des Verstellmotors 15 erreicht. Dreht hierbei das Rad 9 schneller
als der Rotor, erfolgt eine Verstellung in Richtung
Fahnenstellung.
Bei geringerer Drehzahl des Rades 9 werden die Rotorblätter 2 in
Richtung kleinerer Einstellwinkel geschwenkt.
Die Verstellgeschwindigkeit ist bei gegebenem
Übersetzungsverhältnis direkt abhängig von der Drehzahldifferenz
und somit regelungstechnisch sehr einfach zu beeinflussen.
Fig. 1 zeigt neben der an sich bekannten Verstellmechanik eine
zweite Verstellmöglichkeit über ein Zahnrad 11, das in die drei
Zahnräder 8a, b, c eingreift.
Mit dem Zahnrad 11 ist eine Bremsscheibe 12 drehfest verbunden.
Über eine fest installierte Bremszange 13, vorzugsweise in
elektrisch öffnender Ausführung, kann mithin das Zahnrad 11
festgebremst werden. Befindet sich die Anlage im normalen
Betrieb, ist die Bremszange 13 gelüftet und hat somit keinen
Einfluß auf die Blattwinkelregelung über den zentralen
Antriebsstrang.
Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 dreht der Rotor bei
Blickrichtung von vorne auf den Rotor im Uhrzeigersinn. Wird nun
im Störfall über die federbelastete Bremszange 13 die Bremsscheibe
12 und mithin Zahnrad 11 festgebremst, so rollen die drei
Zahnräder 8a, b, c auf Zahnrad 11 ab. Hierdurch werden die
Rotorblätter zwangsweise in Fahnenstellung geschwenkt. Die
Verstellgeschwindigkeit ist hierbei proportional zur
Rotordrehzahl. Vorzugsweise sind die Übersetzungsverhältnisse
dieser Zwangsverstellung so zu wählen, daß sich bei Nenndrehzahl
des Rotors eine mehrfache Verstellgeschwindigkeit der
Rotorblätter gegenüber der normalen Verstellgeschwindigkeit im
Produktionsbetrieb ergibt.
Dies ermöglicht eine rasche Abbremsung des Rotors im Notfall, so
daß kritische Zustände der Anlage schnell überwunden werden.
Die Größe der Bremse 12, 13 ist vorzugsweise so zu wählen, daß bei
Blockierung von maximal zwei Rotorblattverstelleinheiten ihre
dazugehörigen Kupplungen 7 zum Durchrutschen gebracht werden
können. Damit ist sichergestellt, daß mindestens ein Rotorblatt
in Fahnenstellung geschwenkt werden kann. Dies führt bei einer
Dreiblatt-Anlage noch zu einer ausreichenden aerodynamischen
Bremswirkung des Rotors.
Eine besondere Ausgestaltung der Erfindung ist in Fig. 2
dargestellt. Das Verteilergetriebe 10 besteht bei dieser
Ausführung aus drei Zahnriemenräder 11, die mit der Antriebswelle
14 drehfest verbunden sind. Der Zahnriemen 18 treibt über das
Zahnriemenrad 5 und die Kupplung 7 die Gewindespindel 17 an. Die
Drehbewegung der Gewindespindel 17 bewirkt über die Gewindemutter
19, die über einen Hebel am Rotorblatt 2 befestigt ist, eine
Schwenkbewegung des Rotorblattes 2 um seine Längsachse. Die Räder
11 werden im Störfall mittels der Bremseinrichtung 12,13
festgebremst und mithin eine Drehung der Gewindespindel 17
eingeleitet, so daß alle Rotorblätter in Fahnenstellung
geschwenkt werden.
In Fig. 3 ist das Verteilergetriebe 10 als Zahnriementrieb 20
ausgeführt. Die Zentralräder 11 sind bei formschlüssigen
Zugmittelgetrieben über die Rutschkupplungen 7a, b, c auf der Welle
14 gelagert. Bei reibschlüssigen Zugmittelgetrieben können die
Zentralräder 11 direkt als Rutschkupplung benutzt werden. Das
maximal zu übertragende Drehmoment kann hierbei über die
Vorspannung der Zugmittel eingestellt werden.
Durch den erfindungsgemäßen Einbau einer zweiten
Verstellmöglichkeit in Verbindung mit den Rutschkupplungen 7a, b, c
wird ein Blattverstellsystem geschaffen, das eine zweifach
unabhängige Verstellbewegung der Rotorblätter ermöglicht.
Eine zusätzliche mechanische Betriebsbremse zum Abbremsen eines
mehrfachen Nennantriebsmomentes ist nicht mehr erforderlich.
Somit können alle verschleißbedingten Wartungsarbeiten an der
Bremseinrichtung entfallen.
Durch die reine aerodynamische Verzögerung des Rotors müssen
weiterhin keine Bremsmomente von der Rotorwelle und evtl.
zwischengeschalteter Getriebe und Übertragungselemente
aufgenommen werden. Hierdurch verringert sich die Anzahl der
dimensionierenden Lastfälle dieser Baugruppen und mithin kann
eine Reduzierung der Bauteilmassen erreicht werden.
Alle in der Beschreibung erwähnten und/oder in den Zeichnungen
dargestellten neuen Merkmale allein oder in sinnvoller
Kombination sind erfindungswesentlich, auch soweit sie in den
Ansprüchen nicht ausdrücklich beansprucht sind.
Claims (4)
1. Vorrichtung 1 zur Verstellung von Rotorblättern, die um ihre Längsachse drehbar
gelagert sind, insbesondere für Rotorblätter 2 an Windkraftanlagen, mit einem
koaxial zur Rotornabe 16 angeordneten und nabenseitig befestigten
Verteilergetriebe 10, das von einem nicht mit der Rotornabe drehendem
Verstellmotor 15 angetrieben wird und abtriebseitig mit jedem Rotorblatt
gekoppelt ist 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Zentralrad bzw. die Zentralräder 11 mit der Bremsscheibe 12 verbunden
ist bzw. sind und mittels nicht mit der Rotornabe drehender Bremszange 13
festgebremst werden kann und daß eine Rutschkupplung 7 je Abtriebstrang
vorgesehen ist.
2. Vorrichtung zur Verstellung von Rotorblättern nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß jedes Rotorblatt 2 über ein Zahnsegment 3 und ein Zahnrad 5 an das
Verteilergetriebe 10 gekoppelt ist.
3. Vorrichtung zur Verstellung von Rotorblättern nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß jedes Rotorblatt 2 über eine Gewindespindel 17 an das Verteilergetriebe 10
gekoppelt ist.
4. Vorrichtung zur Verstellung von Rotorblättern nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß jedes Rotorblatt 2 über ein Zugmittelgetriebe 20 an das Verteilergetriebe 10
gekoppelt ist.
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