DE4221783A1 - Vorrichtung zur Verstellung von Rotorblättern - Google Patents

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.