DE4241631A1 - Windkraftanlage - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Windkraftanlage mit einem Rotor, der mindestens ein Rotorblatt aufweist, das an einer im wesentlichen horizontal angeordneten Welle zum Zwecke der Ver­ stellung des Blattwinkels um eine im wesentlichen radial gerich­ tete Verstellachse drehbar befestigt sind, wobei die Verstell­ achse und die Rotorblattlängsachse einen spitzen Winkel bilden, derart, daß der resultierende Druckpunkt hinter der Blattver­ stellachse herläuft.

Bei Windkraftanlagen besteht das generelle Problem in dem stark schwankenden Primärenergieangebot "Wind" (vgl. Erich Hau "Wind­ kraftanlagen", Springer-Verlag 1988, Seiten 330 ff.). Wind­ kraftanlagen müssen deshalb bei Windgeschwindigkeiten oberhalb der Nennwindgeschwindigkeit die Regelungsaufgabe erfüllen, bei einer ständig und unterschiedlich schnell schwankenden Primären­ ergie eine möglichst gleichbleibende Leistung abzugeben. Es ist bekannt, daß diese Regelungsaufgabe am besten mit Hilfe der Anpassung des Blattwinkels (Winkel zwischen der Profilsehne des Rotorblattes und der Drehebene) an das Primärenergieangebot, d. h. an die Windgeschwindigkeit, gelöst werden kann (Pitchregelung). Dabei sind im wesentlichen zwei Wege beschritten worden, die durch die Merkmale Drehzahlvariabilität und Drehzahlkonstanz charakterisiert sind.

Drehzahlvariable Windkraftanlagen haben den Vorteil, daß die Anforderungen an die Verstellgeschwindigkeit des Blattwinkels nicht hoch sein müssen. Die Rotorblattverstellung braucht bei­ spielsweise einem schnellen Anstieg der Windgeschwindigkeit nicht unmittelbar zu folgen. Die Drehzahl des Rotors nimmt zu, so daß der Rotor die Funktion eines Kurzzeitenergiespeichers übernimmt. Die Kombination der Drehzahlvariabilität mit einer relativ trägen, aktiven Blattwinkel-Regelung kann heute als ausgereiftes Regelungsprinzip mit gutem Betriebsverhalten betrachtet werden. Wie fast alle technisch anspruchsvollen Lösungen hat sie jedoch ihren Preis: Der Aufwand für die elektrische Seite, also für den Synchrongenerator, den Frequenzformer und sämtliche zur aktiven Blattwinkel-Verstellung bzw. -Regelung notwendigen Baugruppen ist sehr hoch. Für Windkraftanlagen kleinerer Leistung kommen Lö­ sungen dieser Art aus wirtschaftlichen Gründen kaum in Frage.

Drehzahlkonstante Windkraftanlagen haben den Vorteil, daß sie einen nahezu drehzahlkonstanten Asynchrongenerator betreiben können, von der elektrischen Seite her also besonders robust und kostengünstig sind. Die Erzielung einer Leistungskonstanz bei fester Drehzahl stellt jedoch hohe Anforderungen an die Regelung des Blattwinkels, d. h., an die Geschwindigkeit, mit der sich der Blattwinkel an Windgeschwindigkeitsänderungen anpassen kann. Ein träge reagierendes Blattwinkel-Regelsystem hat bei schnellen Windgeschwindigkeitsänderungen nicht nur unerwünschte Leistungs­ schwankungen zur Folge; zusätzlich treten hohe Belastungen der Bauteile, insbesondere des Turmes, auf, da die Rotorblätter schnelle Bewegungen in Richtung Fahnenstellung nicht ausführen können.

Sehr schnell reagierende, aktive Blattwinkelregelsysteme sind ebenfalls nicht unproblematisch, da unter ungünstigen Umständen durch Phasenverschiebungen im Regelkreis und/oder durch Rück­ kopplungseffekte mit dem mechanischen Eigenschwingverhalten der Windkraftanlage gefährliche Leistungsschwingungen entstehen können.

Alle aktiv geregelten Systeme haben die Eigenschaft, daß erst eine Wirkung (z. B. hier: Abweichung von der Soll-Leistung) am Ende der Regelstrecke entstehen muß, um den Regelvorgang am Beginn der Regelstrecke (hier: Rotorblattwinkel) auszulösen. Bei der Beherrschung extrem schneller mechanischer Ausgleichsvorgänge (wie z. B. die Fahrt eines PKW über Kopfsteinpflaster) scheinen hoch entkoppelte passive Systeme (z. B. Luftreifen mit moderner Radaufhängung) den aktiven Systemen überlegen zu sein, da die Störgröße bereits am Beginn der Regelstrecke zum größten Teil abgefangen wird, also bevor sie eine Wirkung auf das Ende der Regelstrecke (im angegebenen Beispiel: Beschleunigung der Fahr­ zeugkarosserie) ausüben kann.

Kleine und mittlere Windenergiekonverter können immer nur in der bodennahen, turbulenten Grenzschicht betrieben werden. Da der Energiegehalt der Luftmasse mit der 3. Potenz ihrer Geschwindig­ keit variiert, führen bereits minimale zeitliche oder lokale Geschwindigkeitsgradienten zu erheblichen Schwankungen der Energiedichte, die je nach Turbulenzgrad sogar im Zehntelsekun­ denbereich nennenswerte Variationen aufweisen kann. Insofern ist es durchaus zulässig, den Betrieb eines Windenergiekonverters bei turbulentem Starkwind mit einer Fahrt über "energetisches Kopf­ steinpflaster" zu vergleichen.

Aus der deutschen Patentschrift 36 28 626 ist eine Windkraftan­ lage mit den eingangs erwähnten Merkmalen bekannt. Die Anpassung des Blattwinkels an die Windgeschwindigkeit erfolgt passiv. Da der resultierende Druckpunkt, d. h. der Punkt, in dem man sich die Summe aller am Blatt angreifenden Luftkräfte zusammengefaßt vorstellt, nachläuft, also in Drehrichtung des Rotors gesehen hinter der Blattverstellachse liegt, verursachen die Luftkräfte ein relativ großes Verstellmoment in Richtung Fahnenstellung. Bei ansteigender Windgeschwindigkeit vergrößert sich der Blattwinkel, wobei sich die Auftriebskräfte und damit das Verstellmoment verringern. Das dem Verstellmoment entgegenwirkende Haltemoment ist durch gezielte Auslegung eines Gelenksystems für jeden Blattwinkel so bemessen, daß die Umfangskraft und damit auch das Nutzmoment und die Leistung des Rotors konstant bleiben. Aufgrund der sehr schnellen und vor allem mit unterschiedlichen Blattver­ stellgeschwindigkeiten reagierenden passiven Blattwinkel-Regelung konnten wesentliche Vorteile in Bezug auf den Abbau von Bela­ stungs- und Leistungsspitzen erreicht werden.

Das Rotorsystem der vorbekannten Windkraftanlage ist außerdem mit einer einfachen und wirkungsvollen Sicherung gegen Überdrehzahl bei Lastabwurf ausgerüstet. Diese Lösung setzt voraus, daß - neben dem resultierenden Druckpunkt - auch der Blattschwerpunkt eines jeden Rotorblattes der Verstellachse nachläuft und daß außerdem die Verstellachsen der Rotorblätter in Bezug auf die Rotationsebene geneigt angeordnet sind, und zwar entgegen der Windrichtung (negativer Konuswinkel). Dadurch ergibt sich ein fliehkraftbedingtes Verstellmoment, das dem luftkraftbedingten Verstellmoment gleichgerichtet ist. Überschreitet bei einer Überdrehzahl das fliehkraftbedingte Verstellmoment das entgegen­ wirkende Haltmoment, bewegen sich die Rotorblätter in Richtung Fahnenstellung und verhindern dadurch ein weiteres Ansteigen der Drehzahl des Rotors.

Erfahrungen mit dem Betrieb von Windkraftanlagen, wie sie in der deutschen Patentschrift 36 28 626 beschrieben sind, haben fol­ gende Nachteile erkennen lassen:

In dem Bestreben, möglichst schnelle Blattwinkelverstellge­ schwindigkeiten zuzulassen, waren zunächst alle Gelenke und Verstellachsen mit Wälzlagern, die praktisch reibungsfrei arbei­ ten, ausgerüstet worden. Dabei zeigte sich in bestimmten Be­ triebszuständen eine ausgeprägte Flatterneigung der Rotorblätter. Nur durch eine Verschlechterung der Lagergüte, d. h., durch eine Erhöhung der Reibung und damit durch Inkaufnahme eines ver­ schlechterten Regelverhaltens, konnte dieser Nachteil beseitigt werden.

Bei ungünstigen Windverhältnissen oberhalb der Nennwindgeschwin­ digkeit konnten bei der vorbekannten Windkraftanlage Turmschwin­ gungen mit großen und deshalb die Turmkonstruktion stark bela­ stenden Amplituden auftreten. Untersuchungen ergaben, daß diese Turmschwingungen durch die blattwinkelabhängige Variation des Rotorschubs angefacht wurden. Die weiter oben erwähnte Tatsache, daß der Blattschwerpunkt außerhalb der Blattverstellachse liegt, führte dazu, daß Horizontalbeschleunigungen in Richtung des Windes (bzw. der Rotorachse), wie sie bei diesen Turmschwingungen auftreten, ebenfalls auf den Blattwinkel einwirkten, wodurch ein sich selbst verstärkender Rückkopplungseffekt gegeben war. Auch dieser Mangel des vorbekannten Systems konnte nur durch eine verstärkte, sich auf das Regelverhalten nachteilig auswirkende Reibungsdämpfung unterdrückt werden.

Darüberhinaus setzt die weiter oben beschriebene Überdrehzahl­ sicherung voraus, daß neben dem luftkraftbedingten Verstellmoment noch ein gleichgerichtetes, sich addierendes fliehkraftbedingtes Verstellmoment vorhanden ist. Das Regelsystem dieser Windkraft­ anlage muß deshalb Haltmomente aufbauen, die nicht nur das Rotorantriebsmoment berücksichtigen, sondern auch noch die drehzahlabhängigen Fliehkraftanteile kompensieren müssen. Der sicherheitstechnische Vorteil wird deshalb bei der vorbekannten Windkraftanlage mit einer regelungstechnischen Unsauberkeit erkauft, die bei abnehmenden Drehzahlen zu einem erhöhten Rotor­ antriebsmoment führt. Dadurch wird bei Starkwind das Bremsver­ halten negativ beeinflußt. Diese Nachteile können bei kleineren Windkraftanlagen, z. B. durch Überdimensionierung der Bremsen, durchaus hingenommen werden, bei größeren Maschinen jedoch nicht.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Windkraftanlage der eingangs erwähnten Art mit einer verbesserten Blattwinkel-Regelung auszurüsten, so daß sich insgesamt ein verbessertes Betriebsverhalten ergibt.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß zur Dämpfung der Bewegung des Rotorblattes um seine Verstellachse eine Dämpfung vorgesehen ist, die derart ausgelegt ist, daß sie nur auf Flatterbewegungen dämpfend wirkt.

Die Erfindung beruht auf den folgenden Erkenntnissen: Im oben erwähnten Buch von Erich Hau "Windkraftanlagen" wird unter­ schieden zwischen kurzzeitigen Fluktuationen (Windturbulenzen und Böen) und Veränderungen der Windgeschwindigkeit im "mehrere- Sekunden-Bereich". Die Anpassung des Rotorblattwinkels an Windgeschwindigkeitsänderungen im zuletzt genannten Bereich sind regelungstechnisch relativ einfach zu bewältigen. Problematisch sind die kurzzeitigen Fluktuationen mit Windgeschwindigkeitsän­ derungen in weniger als einer Sekunde, auf die - nach Erich Hau - bekannte Regelungen nicht reagieren können (vgl. Erich Hau "Windkraftanlagen", Seite 331). Durch das in der DE-PS 36 28 626 beschriebene Regelsystem könnten jedoch auch diese Regelungsauf­ gaben gut bewältigt werden, wenn nicht die große Flatterneigung mit ihren ernsten Folgen bestünde. Die Beobachtung und Untersu­ chung der Flatterbewegungen ergab, daß es sich hierbei um Blatt­ winkeländerungen mit hoher Frequenz und Amplitude handelt. Die Rotorblätter verändern ihren Anstellwinkel während ihrer Schwin­ gungsbewegungen extrem schnell, und zwar wesentlich schneller als zur Bewältigung jeglicher Regelungsaufgabe nötig wäre.

Erfindungsgemäß werden allein diese Flatterbewegungen gedämpft. Bei der Realisierung dieser Dämpfung ist es von Bedeutung, daß ein um eine Blattwinkelverstellachse verstellbares Rotorblatt grundsätzlich als drehschwingungsfähiges System betrachtet werden muß, da die beiden Grundvoraussetzungen Massenträgheit (in diesem Fall Massenträgheitsmoment um die Verstellachse) und Rückstell­ kraft (in diesem Fall die Luftkraft, die das Rotorblatt in eine Neutrallage zurückdrängen will) erfüllt sind. Zur schwingungs­ technischen Beherrschung bieten sich verschiedene Eingriffsmög­ lichkeiten an:

• - Ein Flüssigkeitsdämpfer, der den höherfrequenten Flatterbe­ wegungen einen hohen Widerstand entgegensetzt, die nieder­ frequenten und mit kleiner Amplitude behafteten Regelungs- und Ausgleichsbewegungen aber zuläßt.
• - Ein Luftdämpfer, der beispielsweise als ein an einem langen Hebelarm montierter Widerstandskörper ausgebildet ist. Da der Luftwiderstand eines Körpers mit dem Quadrat der An­ strömgeschwindigkeit ansteigt, ergibt sich hier ein ähn­ licher Effekt wie beim Flüssigkeitsdämpfer. Entscheidend für die Dimensionierung sind der wirksame Hebelarm und die Größe der Widerstandsfläche.
• - Zusätzliche aerodynamische Leitflächen, die möglichst weit von der Verstellachse entfernt sind, können die Rückstell­ kräfte erhöhen und somit die Eigenfrequenz der Flatterbewe­ gung anheben. Da die Anhebung von Eigenfrequenzen in aller Regel mit einer Abnahme der Amplitude einhergeht, ist es zumindest theoretisch denkbar, die Eigenfrequenz soweit anzuheben, daß keine schädlichen Amplitudenwirkungen mehr auftreten.

Durch den erfindungsgemäßen Einsatz einer geschwindigkeitsabhän­ gigen Dämpfung können somit alle nachteiligen Folgen der Flat­ terbewegungen vermieden werden. Die geschwindigkeitsunabhängigen Reibungskräfte (Couloub-Reibung) können so gering wie möglich gehalten werden, um im übrigen ein möglichst feinfühliges Regel­ verhalten zu erreichen.

Zweckmäßig ist es, wenn das Dämpfungsverhalten drehwinkelabhängig ist, und zwar derart, daß mit steigendem Blattwinkel α die Dämpfung härter wird. Dadurch wird bei hohen Windgeschwindig­ keiten, bei denen die Flattergefahr größer ist, eine verstärkte Dämpfungswirkung erzielt.

Um zusätzlich die unerwünschten Turmschwingungen zu vermeiden, wird weiterhin vorgeschlagen, den Blattschwerpunkt eines jeden Rotorblattes in seine Verstellachse, oder zumindest in die Nähe der Verstellachse, zu legen. Beschleunigungsbedingte Verstell- bzw. Schwenkbewegungen führt ein in dieser Weise ausgebildetes Rotorblatt nicht mehr aus, so daß auch der Anfachungsmechanismus für die Turmschwingungen nicht mehr gegeben ist. Weiterhin können dann fliehkraftbedingte Verstellmomente bei der Bemessung der Haltemomente unberücksichtigt bleiben, so daß die Genauigkeit der Blattwinkelregelung zur Erhaltung der Nutzmomentenkonstanz nicht mehr durch die Rotordrehzahl beeinflußt wird. Dadurch ergibt sich auch ein unproblematisches Bremsverhalten. Wegen der Entkopplung der Drehmomentregelung von der Drehzahl, muß die Sicherung gegen eine Überdrehzahl bei Lastabwurf zwar durch andere an sich bekannte Maßnahmen (z. B. mit Hilfe eines separaten Drehzahlreg­ lers) herbeigeführt werden; wesentlich ist jedoch, daß diese Sicherung nicht mehr durch Maßnahmen (Erhöhung der Coulomb-Rei­ bung) erkauft werden muß, die das Regelverhalten verschlechtern.

Eine besonders vorteilhafte Maßnahme besteht darin, die Blatt­ winkelverstellbewegungen der Rotorblätter eines Rotors derart zu koppeln, daß ein aerodynamisch ausgewuchtetes Betriebsverhalten erzielt wird. Dadurch werden unsymmetrische Rotorbelastungen, die infolge von besonderen Windverhältnissen (Schräganströmungen, unterschiedliche Windgradienten, Turbulenzen usw.) oder auch aufgrund von Kreiselkräften, Montage- und Fertigungstoleranzen der Blätter oder dergleichen auftreten, vermieden. Eine mecha­ nische Lösung, mit der dieses Ziel erreicht werden kann, umfaßt ein nach Art einer Waage arbeitendes Hebelsystem, mit dem die Verstellkräfte der einzelnen Rotorblätter ausgeglichen werden, bevor sie in einen gemeinsamen Regler eingeleitet werden.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sollen anhand von in den Fig. 1 bis 12 dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 bis 3 Beispiele für Rotorblätter mit der erfindungsgemäßen Dämpfung,

Fig. 4 bis 6 Skizzen zur Erläuterung des Funktionsprinzips,

Fig. 7 und 8 Rotorblatt-Aufhängungen zur Erzielung eines aerodynamisch ausgewuchteten Betriebsverhaltens bei einem Rotor mit zwei Rotorblättern,

Fig. 9, 10 und 11 Rotorblatt-Aufhängungen bei einem Rotor mit drei Rotorblättern und

Fig. 12 eine Lösung für einen passiven Fliehkraftregler.

Fig. 1 zeigt ein Rotorblatt 1, das über einen Wellenstumpf 2 mit der Nabe 3 der Rotorwelle 4 verbunden ist. Die Rotorblattlagerung 5 (Lagerbock mit Lager) ermöglicht die gewünschte Verstellung des Blattwinkels α (Fig. 2) um die im wesentlichen radial (in Bezug auf die Rotorwelle 4) gerichtete Verstellachse 6. Strichpunktiert eingezeichnet ist die Druckpunktlinie 7, auf der der resultie­ rende Druckpunkt 8 liegt. Sein Abstand zur Blattverstellachse ist der wirksame Hebelarm x. Die Drehrichtung des Rotors ist durch den Pfeil 9 gekennzeichnet. Der Schwerpunkt 10 des Rotorblattes 1 liegt in der Verstellachse 6.

Fig. 2 zeigt Schnitte in Höhe des Wellenstumpfes 2 und in Höhe des resultierenden Druckpunktes 8. Der Schnitt in Höhe des Wellenstumpfes 2 läßt erkennen, daß eine fest mit dem Wellen­ stumpf 2 verbundene Scheibe 11 vorhanden ist. Sie liegt in der dargestellten Stellung dem Anschlag 12 an. Schematisch einge­ zeichnet sind eine Feder 13 zur Erzeugung einer Rückstellkraft und ein Schwingungsdämpfer 14, z. B. ein handelsüblicher Stoß­ dämpfer, der so ausgebildet und ausgelegt ist, daß er nur auf Flatterbewegungen dämpfend wirkt. Die Scheibe 11 ist als Kurven­ scheibe gestaltet. Dem Kurvenabschnitt der Scheibe 11 legt sich ein mit der Feder 13 verbundener Riemen 15 an. Scheibe 11 und Riemen 15 bilden einen als Kurvenscheibengetriebe ausgebildeten Regler 20 für das jeweils wirksame, vom Blattwinkel abhängige Haltemoment.

In die Schnittdarstellung in Höhe des resultierenden Druckpunktes 8 sind der wirksame Hebelarm x und ein Kräftedreieck (Auftriebs­ kraft F_a, Schubkraft F_s, Umfangskraft F_u) eingezeichnet. Weitere Erläuterungen dazu folgen in der Beschreibung zu den Fig. 4 bis 6.

Fig. 3 zeigt zwei Lösungen für eine Dämpfung der Flatterbewe­ gungen mit Hilfe von Luftdämpfern. Bei einer ersten Lösung ist die Blattspitze mit einer sich seitlich zur Blattverstellachse 6 erstreckenden aerodynamischen Leitfläche 16 ausgerüstet. Eine andere Lösung besteht darin, daß ein an einen langen Hebelarm montierter Widerstandskörper 17 den Luftdämpfer bildet. Die Länge des Hebelarmes und die Größe der Widerstandsfläche sind derart ausgelegt, daß die gewünschten Dämpfungseigenschaften erzielt werden.

Die Fig. 4 bis 6 zeigen Schnittdarstellungen entsprechend Fig. 2, und zwar bei unterschiedlichen Blattwinkeln α. Der Blattwinkel α_o in Fig. 4 entspricht der Rotorblattstellung bei Windgeschwindigkeiten bis zur Nenngeschwindigkeit. Die in den Fig. 5 und 6 dargestellten Blattwinkel bzw. Blattstellungen entsprechen Windgeschwindigkeiten oberhalb der Nenngeschwindig­ keit. Unterschiedlich gegenüber Fig. 2 ist noch die Ausbildung des Reglers 20. Anstelle eines Kurvenscheibengetriebes ist ein Kniehebelgelenksystem 18 (mit Zugfeder 19) vorgesehen. Beide Reglerarten sind für Einflügler oder als Einzelregler für Mehrflügler geeignet.

Im einzelnen haben die in den Fig. 4 bis 6 eingezeichneten Symbole folgende Bedeutung:

- Blattwinkel
α₀<α₁<α₂
- Geschwindigkeitsdreieck Dg mit @	Windgeschwindigkeit	V₀<V₁<V₂
Umfangsgeschwindigkeit	U₀=U₁=U₂
Anströmgeschwindigkeit	W₀<W₁<W₂
- Kräftedreieck Dk mit @	Umfangskraft	Fu0=Fu1=Fu2
Schubkraft	Fs0<Fs1<Fs2
Auftriebskraft	Fa0<Fa1<Fa2
- Verstellmoment	Mv0=Fa0·x<Mv1=Fa1·x<Mv2=Fa2.

Es ist ersichtlich, daß mit zunehmender Windgeschwindigkeit der Blattanstellwinkel α um einen solchen Betrag zunimmt, daß die Umfangskraft F_u bzw. das Nutzmoment konstant bleiben.

Beim Ausführungsbeispiel nach den Fig. 7 (Ansicht von vorne) und 8 (Seitenansicht, Gelenksysteme schematisiert) sind zwei Rotorblätter 1 an der Nabe 3 um ihre Verstellachsen 6 drehbar befestigt. Als Regler 20 für beide Rotorblätter ist ein Kniehebelgelenksystem 21 mit zwei Zugfedern 22 vorgesehen, das sich auf der Nabe 3 abstützt. Es ist mit einer sich axial (in Bezug auf die Rotorwelle 4) erstreckenden Führung ausgerüstet, die aus der Führungshülse 23 und der dadurch geführten Stange 24 besteht. Die Stange 24 ist mit dem vorderen Anlenkpunkt 25 des Kniehebelsystems 21 gelenkig verbunden, so daß dieser Anlenkpunkt nur axial gerichtete Bewegungen ausführen kann.

Das freie Ende der Stange 24 steht mit einem nach Art einer Waage arbeitenden Hebelsystem 26 in Verbindung. Ein derartiges Hebel­ system kann zwei Aufgaben erfüllen. Ist ein zentraler Regler 21 vorhanden, dann dient das Hebelsystem 26 dazu, die vom gemein­ samen Regler 21 erzeugten Haltekräfte auf die Rotorblätter 1 zu übertragen. Zum anderen ermöglicht das Hebelsystem 26, und zwar unabhängig davon, ob eine zentrale Regelung (Fig. 7 bis 10) oder separate Regelung für jedes einzelne Rotorblatt (Fig. 1 bis 6) vorgesehen ist, eine gegenseitige Kopplung der Blatt­ winkelverstellbewegungen der beiden Rotorblätter 1, und zwar derart, daß sich die gegenüberliegenden Rotorblätter in gegen­ läufiger Weise bewegen lassen. Der Rotor wuchtet sich dadurch aerodynamisch aus, sobald er in Rotration versetzt wird. Die herkömmlichen, dem gleichen Zweck dienenden Lösungen (Schlagge­ lenke, Pendelrahmen), bei denen die gesamten Blattkräfte durch zusätzliche Gelenke geführt werden müssen, können durch diese Anordnung ersetzt werden.

Im einzelnen besteht das Hebelsystem 26 aus zwei seitlich an den Wellenstümpfen 2 angelenkten Stangen 27, 28 (Anlenkpunkte 29, 31). Die Stangen 27, 28 erstrecken sich etwa parallel zur Achse der Rotorwelle 4. Ihre freien Enden sind über Gelenke mit einer Querstange 32 verbunden. Die Mitte der Querstange 32 steht - vorzugsweise gelenkig - mit dem freien Ende der Stange 24 des Reglers 21 in Verbindung.

Das Hebelsystem 26 bewirkt, daß eine Blattwinkelverstellung an einem der beiden Rotorblätter den Blattwinkel des anderen Rotors beeinflußt. Wirkt beispielsweise eine Turbulenz auf das in den Fig. 7, 8 rechts dargestellte Rotorblatt derart ein, daß sich sein Blattwinkel α vergrößert, dann wird diese Verstellkraft über die Stangen 28 und 32 nicht nur auf den Regler 21 sondern auch über die Stange 27 auf das links dargestellte Rotorblatt 1 übertragen. Durch den Ort der Anlenkpunkte 29, 31 ist die Rich­ tung der gegenseitigen Beeinflussung festgelegt. Der Ort der Anlenkpunkte 29, 31 ist so gewählt (seitlich, einander gegen­ überliegend), daß eine Zunahme des Blattwinkels α des einen Rotorblattes eine Abnahme des Blattwinkels α des anderen Rotor­ blattes bewirkt und umgekehrt. Eine durch eine Turbulenz er­ zeugte, einseitige Schubbelastung des Rotors, welche normaler­ weise auf die Rotorwelle ein erhöhtes Biegemoment ausüben würde, wird also zunächst dadurch reduziert, daß sich der Blattwinkel α des belasteten Rotorblattes vergrößert, wodurch die Belastung teilweise abgebaut wird. Gleichzeitig bewirkt das Hebelsystem 26, daß der Blattwinkel α des anderen Rotorblattes abnimmt. Auf der gegenüberliegenden Seite wird also die Schubbelastung erhöht, wodurch eine vollständige Biegemomententlastung der Rotorwelle erreicht wird. Weiterhin treten durch aerodynamische Unwuchten angeregte Turmschwingungen nicht mehr auf. Eine Geräuschreduzie­ rung und eine verbesserte Laufruhe werden erzielt. Schließlich ist eine vereinfachte Fertigung und Montage der Rotorblätter möglich.

Auch beim Ausführungsbeispiel für einen Rotor nach den Fig. 7 und 8 können Einrichtungen zur Dämpfung der Flatterbewegungen vorgesehen sein. Sie sind als Flüssigkeitsdämpfer 14 ausgebildet und jeweils zwischen einem nabenfesten Träger 33 und einem geeigneten Anlenkpunkt 34, der den Anlenkpunkten 29, 31 des Hebelsystems 26 jeweils gegenüberliegt, angeordnet.

In den Fig. 9 (Vorderansicht) und 10 (Schnitt) ist ein Rotor mit drei Flügeln dargestellt. Zur Erzielung eines aerodynamisch ausgewuchteten Betriebsverhaltens ist ebenfalls ein Hebelsystem 26 vorgesehen. Dieses umfaßt anstelle der Querstange 32 eine Ausgleichsplatte 35. Sie hat im wesentlichen die Form eines Dreiecks. Jede Ecke steht über jeweils eine Stange 36 (Fig. 10) mit dem jeweiligen Wellenstumpf 2 der Rotorblätter 1 in Verbin­ dung. Das aus der Platte 35 und den Stangen 36 bestehende Hebelsystem 26 kann ebenfalls die Aufgaben übernehmen, die Verstellkräfte von den Rotorblättern auf den gemeinsamen zen­ tralen (im einzelnen nicht dargestellten) Regler 20 zu übertragen und/oder die gewünschte gegenseitige Beeinflussung der Blattan­ stellwinkel zu realisieren.

Der zentrale Regler 20 kann - wie bei den Ausführungsbeispielen nach den Fig. 1 bis 8 - passiv sein. Die erfindungsgemäße Rotorblattaufhängung kann aber auch - wie in Fig. 10 dargestellt - mit einer aktiven Pitchregelung kombiniert werden. Als Regler 20 ist ein aktives, beispielsweise von außen gesteuertes, elek­ trisch, pneumatisch oder hydraulisch betätigtes Stellglied vorgesehen, das beim dargestellten Ausführungsbeispiel aus einem Zylinder 37 und einem darin verschiebbaren Kolben 38 besteht. Der Kolben 38 ist mit einer sich koaxial zur Rotorwelle 4 erstreckenden Kolbenstange 39 ausgerüstet, die gelenkig mit der Aus­ gleichsplatte 35 (beim Ausführungsbeispiel nach den Fig. 7, 8 mit der Querstange 32) in Verbindung steht.

Eine besonders zweckmäßige Verbindung zwischen Ausgleichsplatte 35 und Kolbenstange 39 ist in Fig. 10 dargestellt. Die Kolben­ stange 39 ist mit zwei Stützscheiben 41, 42 ausgerüstet. Zwischen den Stützscheiben befindet sich eine auf der Kolbenstange mit Spiel gleitende Hülse 43, an der die Ausgleichsplatte 35 befe­ stigt ist. Zwei Spiralfedern 44, 45, die sich auf der Hülse 43 und auf jeweils einer Stützscheibe 41, 42 abstützen, halten die Hülse 43 und damit die Ausgleichsplatte 35 in einer Zwischen­ stellung. Auch die Querstange 32 eines Rotors mit zwei Rotor­ blättern (Fig. 7 und 8) und aktiver Pitchregelung kann in dieser Weise mit dem aktiven Stellglied verbunden sein.

Bei einer in dieser Weise ausgebildeten Windkraftanlage besteht die Möglichkeit, langsame Energiefluktuationen aktiv auszuregeln. Die Ausgleichsplatte 35 folgt den Bewegungen des Kolbens 38, indem sie selbst eine Parallelverschiebung ausführt (Pfeil 46). Eine gleichförmige Änderung der Blattwinkel aller Rotorblätter 1 wird dadurch erreicht. Bei größeren Maschinen ist durch eine derartige Bewegung der Ausgleichsplatte 35 auch der Anfahr- und Bremsvorgang in einfacher Weise beherrschbar. Bei turbulenten Energiefluktuationen ("energetisches Kopfsteinpflaster") ist der erfindungsgemäße Rotor gemäß Fig. 10 in der Lage, diese passiv auszuregeln. Dabei führt die Platte 35 kleine und schnelle Parallelverschiebungen innerhalb des Federweges aus. Bei unsymme­ trischer Anströmung des Rotors läuft der Vorgang des aerodyna­ mischen Auswuchtens ab. In diesem Fall führt die Ausgleichsplatte 35 Schwenkbewegungen aus (Pfeil 47). Nur sehr schnelle Flatter­ bewegungen werden vom Dämpfer 14 gedämpft.

In Fig. 11 ist angedeutet, wie die mit Hilfe des Dämpfers 14 erzielte Dämpfungswirkung drehwinkelabhängig gestaltet werden kann. Das Dämpfungsverhalten ist abhängig von der Lage des Anlenkpunktes des Dämpfers 14 am Wellenstumpf 2. Beim in Fig. 11 dargestellten Beispiel vergrößert sich der Hebelarm y mit zuneh­ mendem Winkel (Pfeil 48), so daß die Dämpfung mit zunehmendem Winkel α, d. h., mit zunehmender Windgeschwindigkeit und damit erhöhter Flattergefahr, härter wird. Auch der Verlauf des Halte­ moments, übertragen durch die Stange 36, kann durch eine geeig­ nete Wahl des Anlenkpunktes der Stange 36 am Wellenstumpf 2 optimiert werden.

Der in Fig. 12 dargestellte Rotor, der wie beim Ausführungsbei­ spiel nach den Fig. 7 und 8 mit einem zentralen Regler 20, 21 und mit einem Hebelsystem 26 ausgerüstet ist, weist ein passives Fliehkraftregelsystem zur Drehzahlbegrenzung - Drehzahlregelung - auf. Es umfaßt ein jeweils in den Rotorblättern 1 (nur eines ist der Deutlichkeit halber dargestellt) befindliches Fliehgewicht 51, das sich entgegen der Kraft einer Feder 52 radial nach außen bewegen kann. Über eine sich etwa radial durch das Innere des Rotorblattes 1 erstreckende Stange 53 und einen Hebel 54 steht das Fliehgewicht 51 mit dem als Kniehebelgelenksystem 21 ausge­ bildeten Regler 20 in Verbindung. Der Hebel 54 ist derart an einer Stange des Kniehebelgelenksystems 21 (Anlenkpunkt 55, Abstützpunkt 56) gelenkig befestigt, daß eine Bewegung des Fliehgewichtes 51 nach außen ein Spreizen des Kniehebelgelenksy­ stems 21 und damit eine Blattwinkelverstellung in Richtung Fahnenstellung bewirkt. Die Bewegung einiger Gelenke ist durch eingezeichnete Pfeile angedeutet. Die unmittelbare Verbindung des Hebels 54 mit dem Gelenksystem 21 (Anlenkpunkt 55) ist ebenfalls als Gelenk ausgebildet, so daß der Regler in seiner Arbeitsweise bei Normalbetrieb nicht beeinträchtigt ist.

Gegenüber der aus der DE-C-36 28 626 bekannten fliehkraftgeregel­ ten Überdrehzahlsicherung des Rotors einer Windkraftanlage besteht beim beschriebenen Fliehkraftregelsystem der Vorteil, daß eine weitergehende Entkopplung von Drehzahl und Drehmoment erreicht wird. Die Entkopplung wird um so besser, je größer der Masse des Fliehgewichtes 51 und stärker die Vorspannkraft der Druckfeder 52 im Rotorblatt 1 ist. Letztlich läßt sich jedoch bei passiven Fliehkraftregelsystemen eine vollständige Entkopplung von Drehzahl und Drehmoment nicht erreichen. Dieses ist nur dadurch möglich, daß auf den Zentralregler 20, 21 ein aktives Stellglied einwirkt. Dieses kann beispielsweise so ausgebildet sein, wie das Stellglied 37, 38, 39 (vgl. Fig. 10) zur aktiven Pitchregelung.

Claims (20)

1. Windkraftanlage mit einem Rotor, der mindestens ein Rotor­ blatt (1) aufweist, das an einer im wesentlichen horizontal angeordneten Welle (4) zum Zwecke der Verstellung des Blattwinkels α um eine im wesentlichen radial gerichtete Verstellachse (6) befestigt ist, wobei die Verstellachse (6) und die Rotorblattlängsachse (7) einen spitzen Winkel bilden, derart, daß der resultierende Druckpunkt (8) hinter der Blattverstellachse (6) herläuft, dadurch gekennzeichnet, daß zur Dämpfung der Bewegung des Rotorblattes (1) um seine Verstellachse (6) eine Dämpfung (14, 16, 17) vorgesehen ist, die derart ausgelegt ist, daß sie nur auf Flatterbewegungen dämpfend wirkt.

2. Windkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Flüssigkeitsdämpfung (14) vorgesehen ist.

3. Windkraftanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen einem nabenfesten Punkt und einem Wellenstumpf (2) des Rotorblattes (1) ein Schwingungsdämpfer (14) vorgesehen ist.

4. Windkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Luftdämpfung (16, 17) vorgesehen ist.

5. Windkraftanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Rotorblatt (1) mit einem Hebelarm und mit einer Luftwi­ derstandsfläche (17) ausgerüstet ist.

6. Windkraftanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Rotorblatt (1) mit einer von der Blattverstellachse (6) beabstandeten aerodynamischen Leitfläche (16) ausgerüstet ist.

7. Windkraftanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfung derart ausgelegt ist, daß sie mit zunehmendem Blattwinkel α härter wird.

8. Windkraftanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Blattschwerpunkt (10) in der Blattverstellachse (6) oder zumindest in deren Nähe liegt.

9. Windkraftanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Rotorblatt (1) mit einem Regler (20) ausgerüstet ist.

10. Windkraftanlage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler (20) als Kurvenscheibengetriebe (11, 13, 15) oder als Kniehebelgelenksystem (18) ausgebildet ist.

11. Windkraftanlage, vorzugsweise nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit einem Hebel­ system (26) ausgerüstet ist, das der gegenläufigen Kopplung der Blattwinkelverstellbewegungen gegenüberliegender Rotor­ blätter (1) dient.

12. Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit einem allen Rotorblättern (1) gemeinsamen Zentralregler (20) sowie mit einem Hebelsystem (26) ausgerüstet ist, das der Übertragung der vom gemein­ samen Regler (20) erzeugten Haltekräfte auf die Rotorblätter (1) dient.

13. Windkraftanlage nach Anspruch 11 und/oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Hebelsystem (26) aus seitlich an den Wellenstümpfen (2) angelenkten Stangen (27, 28, 36) und einer Querstange (32) (Rotor mit zwei Rotorblättern) oder Ausgleichsplatte (35) (Rotor mit mehr als zwei Rotor­ blättern) besteht.

14. Windkraftanlage nach Anspruch 12 und 13, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Mitte der Querstange (32) bzw. der Aus­ gleichsplatte (35) vorzugsweise gelenkig mit dem Zentral­ regler (20) in Verbindung steht.

15. Windkraftanlage nach Anspruch 12 und 13, dadurch gekenn­ zeichnet, daß sie mit einer aktiven Regelung ausgerüstet ist und daß die Querstange (32) bzw. Ausgleichsplatte (35) mit dem als aktives Stellglied (37, 38, 39) ausgebildeten Zentralregler (20) in Verbindung steht.

16. Windkraftanlage nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verbindung des aktiven Stellgliedes (37, 38, 39) und der Querstange (32) bzw. Ausgleichsplatte (35) ein Federsy­ stem (41 bis 45) vorgesehen ist, das Parallel- und Schwenk­ bewegungen der Querstange (32) bzw. der Ausgleichsplatte (35) zuläßt.

17. Windkraftanlage nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekenn­ zeichnet, daß sie mit einem aktiven System zur Drehzahlre­ gelung ausgerüstet ist, das auf das aktive Stellglied (37, 38, 39) des Zentralregler (20) einwirkt.

18. Windkraftanlage nach Anspruch 12, 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit einem passiven Fliehkraftregel­ system zur Drehzahlbegrenzung, Drehzahlregelung, ausgerüstet ist.

19. Windkraftanlage nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß im Rotorblatt (1) ein entgegen Federkraft radial nach außen bewegliches Fliehgewicht (51) vorgesehen ist, das über eine Stange (53) und einen Hebel (54) auf den zentralen, als Kniehebelgelenksystem (21) ausgebildeten Regler (20) ein­ wirkt.

20. Windkraftanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit einer aktiven Dreh­ zahlregelung und mit einer passiven Drehmomentenregelung ausgerüstet ist.