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Hintergrund der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein System für eine Turbine mit einem gasförmigen oder
flüssigen Arbeitsmedium
und insbesondere für
eine Windturbine für
einen Windturbinen-Generator. Die Turbine weist eine mit einer vorgegebenen
Kreis- oder Winkelfrequenz drehbare Welle, eine Nabe, auf der mindestens
ein Turbinenblatt befestigt ist, und ein zwischen der Welle und
der Nabe angeordnetes Gelenkelement auf. Das Gelenkelement weist
ein Lager und Federelemente auf, die zusammen eine starre Struktur
bilden, die bezüglich
Bewegungen im Gelenkelement widerstandsfähig ist. Das Turbinenblatt
hat einen Massenträgheitsfaktor bzw.
ein Massenträgheitsmoment
bezüglich
des Gelenkelements und ist dazu geeignet, sich durch eine Gas- oder
Flüssigkeitsströmung zu
bewegen, deren Strömungsrichtung
im Wesentlichen senkrecht zur Rotationsebene des Turbinenblatts
ausgerichtet ist, und die eine veränderliche Geschwindigkeit in
dieser Richtung hat, so dass das System Störkräften ausgesetzt ist. Die Erfindung
betrifft außerdem
einen Windturbinen-Generator mit einem derartigen System.
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Hintergrund der Erfindung
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Windturbinen-Generatoren
weisen herkömmlich
starre Naben auf, d.h., dass die Blätter der Windturbine starr
mit der Nabe verbunden sind. Diese Funktion ist geeignet, wenn die
Anzahl der Turbinenblätter
mindestens drei beträgt,
weil drei symmetrisch angeordnete Turbinenblätter in gewissem Ma ße in der
Lage sind, Ungleichgewichtskräfte
auszugleichen, die aufgrund von Unregelmäßigkeiten im Windfeld erzeugt
werden. Eine Verminderung der Anzahl der Turbinenblätter auf
zwei ist erwünscht,
weil dies zu einer wesentlichen Reduzierung der Turbinenblattkosten
führt und
weitere Vorteile mit sich bringt, z.B. eine weniger komplizierte Montage.
Die für
einen bestimmten Turbinendurchmesser berechnete jährliche
Energieausbeute für
eine Turbine mit zwei Turbinenblättern
nimmt dabei nur um 2-3% ab. Eine Windturbine mit zwei Turbinenblättern und einer
starren Nabe ist jedoch auch während
eines Normalbetriebs erheblichen Ungleichgewichtskräften ausgesetzt,
wodurch Materialermüdungen
in den Komponenten der Turbine verursacht werden. Dies muss durch größere Abmessungen
der Hauptkomponenten kompensiert werden, so dass diese Lösung für zwei Turbinenblätter aufgrund
der übermäßigen Kosten,
nicht mehr gerechtfertigt ist. Daher wird eine derartige Windturbine nicht
mehr hergestellt.
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Eine
Pendelnabe wurde als Lösung
der Probleme der Windturbine mit zwei Turbinenblättern und starrer Nabe verwendet.
Gemäß dieser
Lösung
sind zwei Blätter
an einer an der Turbinenwelle gelenkig gelagerten Nabe starr befestigt.
Im US-Patent Nr. 4565929 ist ein Beispiel einer Turbine beschrieben,
die dazu geeignet ist über
einen Winkelbereich von ±7° zu pendeln,
bevor sie mit Anschlagelementen in Kontakt kommt. Die Funktion ist
während
Normalbedingungen zufriedenstellend, d.h., dass das Ermüdungsverhalten
vorteilhaft ist. Während
extremer Windverhältnisse
mit großen
Turbulenzen und Windscherung können
jedoch Kontakte mit den Anschlagelementen auftreten, die zu stärkeren Momenten
führen
als bei einer Windturbine mit starrer Nabe. Es sind daher die extremen
Lastverhältnisse,
die kritisch sind. Keine der Turbinen mit dieser einfachen Pendelnabe
hat breite Anwendung gefunden.
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Um
die durch Extremlasten verursachten Probleme zu lösen, ist
vorgeschlagen worden, die Pendelbewegung durch Kombinieren der Anschlagelemente
mit einer Dämpfung
zu steuern. Ein Beispiel ist im US-Patent Nr. 5354175 beschrieben,
in dem vorgeschlagen wird, die Pendelbewegung durch eine steuerbare hydraulische
Dämpfung
zu begrenzen. Keine dieser Nabentypen ist jedoch aufgrund der fehlenden
Kenntnis darüber,
wie eine Nabe konstruiert sein sollte, um eine starke Zunahme der
Störkräfte im System
bei bestimmten Verhältnissen
zu verhindern, weit verbreitet verwendet worden.
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Grundidee der Erfindung
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein System für eine Turbine
bereitzustellen, insbesondere ein System für eine Windturbine für einen
Windturbinen-Generator, durch das die Wirkung der durch die Unregelmäßigkeiten
im Windfeld verursachten Ungleichgewichtskräfte und damit die Gefahr von
Ermüdungen und
die extremen Lasten in der Struktur minimiert werden.
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Die
Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass eine Windturbine, z.B.
eine Windturbine mit zwei Turbinenblättern, mit einem Pendelgelenk
mit einer bestimmten Steifigkeit gemäß der klassischen Mechanik
theoretisch als ein Masse-Feder-System betrachtet werden kann.
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Das
Windfeld weist sowohl eine sich systematisch ändernde Komponente, Windscherung,
d.h., dass die mittlere Windgeschwindigkeit im oberen Teil der Turbinenumdrehung
höher ist,
als auch eine sich stochastisch ändernde
Komponente, Turbulenzen, auf. Es ist offensichtlich, dass die Windscherung
einen Lastzyklus für
jede Umdrehung der Turbine in einem sich mit der Turbine drehenden
Koordinatensystem erzeugt. Außerdem
erzeugt der weniger signifikante Turmschatten (der Luftstrom, der
durch den Turm gestört
wird) die gleiche Änderung.
Bei näherer
Betrachtung sollte realisiert werden, dass auch Turbulenzen Komponenten
der gleichen Frequenz erzeugen werden, weil die Turbinenblätter sich
schnell bewegen (50-100 m/s) im Vergleich zum Wind (etwa 5-25 m/s)
und seinen Unregelmäßigkeiten.
Jedes Turbinenblatt wird daher mehrmals auf eine spezifische Unregelmäßigkeit
des Windes auftreffen, d.h., dass die erhaltene Störung auch
in diesem Fall eine Frequenz ωStörung aufweisen
wird, die der Winkelfrequenz ωRotation gleicht, d.h. ωStörung = ωRotation (1)
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Nachstehend
wird diese Frequenz als Störfrequenz
bezeichnet.
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Diese
Bedingung ist in einem sich mit der Turbine drehenden Koordinatensystem
erfüllt,
was für
jene Kräfte
relevant ist, die die Turbine beeinflussen. In einem an der Gondel
oder dem Turm fixierten Koordinatensystem ist die Störfrequenz
dem Ergebnis der Multiplikation der Anzahl der Turbinenblätter mit
der Winkelfrequenz proportional.
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Die
meisten gegenwärtig
verwendeten Windturbinen arbeiten bei einer Drehzahl (Winkelfrequenz),
die sich normalerweise in Abhängigkeit
vom Schlupf des allgemein verwendeten Induktorgenerators um ein
paar Prozent ändert.
Dieser Wert kann bei einem speziellen Generatordesign auf bis zu
etwa zehn Prozent zunehmen. An Stelle einer festen Drehzahl arbeitet
die Windturbine innerhalb eines Drehzahlbereichs. Es existieren außerdem Generatoren
mit Doppelwicklungen, die in zwei verschiedenen Drehzahlbereichen
arbeiten. Die Drehzahl kann durch Verwendung spezifischer elektrischer
Geräte
auf einen beliebigen Wert geregelt werden, normalerweise auf einen
niedrigen Wert bei niedrigen Windgeschwindigkeiten und einen hohen
Wert bei hohen Windgeschwindigkeiten. Die Winkelfrequenz ωRotation der Turbine sollte in der vorliegenden
Erfindung als während
eines Normalbetriebs, in dem ein Haupt stromkreis angeschlossen ist,
verwendeter höchster
Drehzahlbereich festgelegt werden. Dies ist möglich, weil die hohen Drehzahlen
normalerweise verwendet werden, wenn die Windgeschwindigkeiten ziemlich
hoch oder hoch sind und die Windturbine eine hohe Ausgangsleistung
erzeugt, was die Betriebsbedingungen darstellt, die für die Auslegung
oder Dimensionierung der Turbine entscheidend sind.
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Das
Massenträgheitsmoment
J
Turbine der Turbine bezüglich der Pendelachse kann
berechnet werden. Der Beitrag von der Nabe ist jedoch unwesentlich.
Daher kann das Massenträgheitsmoment
der Turbine näherungsweise
als Massenträgheitsmoment
der Turbinenblätter
bestimmt werden. Es wird vorausgesetzt, dass das Gelenkelement ein
Element ist, in dem der Bewegung durch Federn entgegengewirkt wird,
wodurch eine Federkonstante k für
das Gelenkelement berechnet werden kann. Die Federkonstante stellt
einen Steifigkeitswert des Gelenkelements dar. Gemäß der klassischen
Mechanik kann die Eigenfrequenz ω
Resonanz der Turbine bezüglich des Gelenks durch
berechnet werden. Nachstehend
wird diese Größe als Eigenfrequenz
des Pendelgelenks bezeichnet. Zur Verdeutlichung wird klargestellt,
dass der stabilisierende Einfluss der Zentrifugalkraft auf die Pendelbewegung, d.h.
eine Erhöhung
der Steifigkeit aufgrund der Zentrifugalkraft, hierin nicht analysiert
worden ist.
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Um
die allgemeine Reaktion eines derartigen Masse-Feder-Systems auf Störungen verschiedener Frequenzen
zu klären,
ist die Verstärkung,
d.h. das Verhältnis
der Amplitude des Systems zur Amplitude der Störung, untersucht worden. Dem
System ist entsprechend einem tatsächlichen Zustand, in dem die
Luft die Pendelbewegung der Turbinenblätter dämpfen wird und das Gelenkelement
mit Dämpfungselementen
ausgestattet sein kann, eine moderate Dämpfung hinzugefügt worden.
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Die
Untersuchungen zeigen, dass durch eine niedrige Störfrequenz ωStörung bezüglich der
Eigenfrequenz ωResonanz des Pendelgelenks, d.h. bei einem
gemäß der klassischen
Mechanik unterkritischen Betrieb, eine Systemantwort erhalten wird,
die etwas größer ist
als die Störung,
d.h. die Verstärkung
ist etwas größer als
1, was einer idealen Nabe mit einem relativ hohen Steifigkeitsgrad
entspricht. Es zeigt sich außerdem,
dass die Verstärkung
groß ist,
wenn die Störfrequenz
und die Eigenfrequenz des Systems gleich sind, d.h., bei einem kritischen
Betrieb. Es ist wahrscheinlich, dass sich bei früheren Versuchen zum Verwenden
von Pendelnaben mit gegenwirkenden Federn diese Wirkung gezeigt
hat. Wenn die Störfrequenz
höher ist
als die Eigenfrequenz, d.h. bei einem überkritischen Betrieb, ist
die Verstärkung
wesentlich niedriger.
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Die
vorstehend erwähnten
Fälle zeigen
die Bedingungen während
des Normalbetriebs. Eine Windturbine mit einem Pendelgelenk mit
einer bestimmten Steifigkeit hat zusätzlich den Vorteil, dass die
Zustände während extremen
Turbulenzen und extremer Windscherung, die einige Male während der
Betriebsdauer einer Windturbine auftreten, mit angemessenen Lasten
und Pendelwinkeln gehandhabt werden können.
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Die
Bedingungen während
eines Normalbetriebs bestimmen primär die Ermüdung der Materialien der Struktur,
während
die extremen Betriebszustände
für die
Extremlasten entscheidend sind. Durch eine Nabe mit einer bestimmten
Steifigkeit wird ein verbessertes Gleichgewicht zwischen den Ermüdungslastfällen und den
Extremlastfällen
erhalten.
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Die
vorstehend beschriebenen Untersuchungen zeigen, dass ein Betrieb
im Bereich einer großen
Verstärkung
der Störung,
d.h., wenn die Störfrequenz
und die Eigenfrequenz gleich sind, vermieden werden sollte. Diese
Ergebnisse sind durch Simulationen im Zeitbereich mit einem geeigneten
umfassenden Computerturbinenmodell bestätigt worden, wobei das Modell
die Massenverteilung, stationäre
und nicht-stationäre
Aerodynamiken, Gelenke, die Steifigkeit, die Dämpfung, die Windverteilung,
die Zunahme der Steifigkeit aufgrund der Zentrifugalkraft, usw.
für Windturbinen
bei verschiedenen Windgeschwindigkeit korrekt berücksichtigt.
Die Simulationen haben gezeigt, dass das Moment in der Nabe zehnmal
größer wird,
wenn die Steifigkeit der Nabe im Vergleich zu einem höheren oder
niedrigeren Wert einen kritischen Wert annimmt.
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Wie
vorstehend beschrieben wurde, ist der Grad des kritischen Verhaltens
von den Beziehungen zwischen der Störfrequenz, dem Massenträgheitsmoment
der Turbine und der Steifigkeit des Pendelgelenks abhängig. In
der Konstruktionsphase können
diese Werte ohne Einschränkungen
ausgewählt
werden. Die Störfrequenz
ist der Drehzahl gleich. Das Massenträgheitsmoment der Turbine ist
hauptsächlich
durch die Massenverteilung und durch die Geometrie der Turbinenblätter bestimmt.
Für eine
spezifische Blattgeometrie kann das Massenträgheitsmoment durch die Wahl
von Konstruktionsmaterialien und durch Hinzufügen von Ballastmaterial beeinflusst
werden. Die Steifigkeit des Pendelgelenks wird durch die Steifigkeit
der verschiedenen Gelenkelemente bestimmt, die normalerweise aus
Gummi oder einem anderen elastischen Material bestehen. Daher ist
es auch in einem vorhandenen Pendelgelenk relativ einfach, die Steifigkeit
zu ändern,
indem die Gummielemente durch neue Gummigelenke mit einem anderen
Elastizitätsmodul
und möglicherweise
einer anderen Geometrie ersetzt werden.
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Zusammengefasst
ist die Nabe erfindungsgemäß derart
konstruiert, dass der Betrieb entweder über- oder unterkritisch ist.
Durch Umsetzen der Erfindung in die Praxis nehmen die Lasten erheblich
ab und werden sowohl technische als auch wirtschaftliche Vorteile
erzielt.
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Kurze Beschreibung der
Zeichnungen
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Die
Erfindung wird nachstehend unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen
ausführlich
beschrieben; es zeigen:
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1 ein
Diagramm zum Darstellen, wie ein aus einer Masse, einer Feder und
einem Dämpfungsglied bestehendes
System allgemein auf Störungen
verschiedener Frequenzen reagiert;
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2 die
allgemeine Struktur eines Windturbinen-Generators mit einer horizontalen Windturbinenachse;
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3A eine
Seitenansicht, teilweise im Querschnitt, einer erfindungsgemäßen Pendelnabe;
und
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3B eine
Vorderansicht der in 3A dargestellten Pendelnabe.
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Ausführliche Beschreibung von Ausführungsformen
der Erfindung
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1 zeigt
ein Diagramm zum Darstellen, wie ein aus einer Masse, einer Feder
und einem Dämpfungsglied
bestehendes System allgemein auf Störungen verschiedener Frequenzen
reagiert. Die Verstärkung (Y-Richtung
in 1), d.h. das Verhältnis der Amplitude des Systems
zur Amplitude der Störung,
ist als Funktion des Verhältnisses
der Störfrequenz
zur Eigenfrequenz des Systems (X-Richtung in 1) dargestellt.
Ein Punkt A stellt einen Zustand dar, in dem die Störfrequenz ωStörung bezüglich der
Eigenfrequenz ωResonanz des Pendelgelenks niedrig ist, d.h.
der Betrieb ist gemäß der klassischen
Mechanik unterkritisch, was einer idealen Nabe mit einer relativ
hohen Steifigkeit entspricht. Die Antwort ist etwas größer als
die Störung,
d.h. die Verstärkung
ist etwas größer als
1. In einem Punkt B sind die Störfrequenz
und die Eigenfrequenz gleich, d.h. der Betrieb ist kritisch. Die
Verstärkung
der Störung
ist groß.
Ein Punkt C stellt einen Zustand dar, in dem die Störfrequenz
höher ist
als die Eigenfrequenz, d.h. der Betrieb ist überkritisch. Die Ant wort ist
geringer als im Punkt A und wesentlich geringer als im Punkt B.
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1 zeigt,
dass ein Betrieb im Bereich des Punktes B, in dem eine wesentliche
Verstärkung
der Störung
auftritt, vermieden werden sollte.
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2 zeigt
die allgemeine Struktur eines Windturbinen-Generators mit einer
horizontalen Windturbinenachse. Zwei aerodynamisch geformte Turbinenblätter 1 sind über eine
feste oder (entlang der Längsachse) gelenkige
Verbindung an einer Nabe 2 befestigt. Die Nabe 2 ist
mit einer Turbinenwelle 3 verbunden, die durch Lager 4 gehalten
wird. Die Turbinenwelle 3 ist mit einem Getriebe 5 verbunden,
das die niedrige Drehzahl der Turbine in eine für einen Generator 6 geeignete
Drehzahl umwandelt. Die Komponenten der Maschine werden durch ein
Maschinenbett 7 gehalten, das mit einem Gier- oder Azimutlager 8 verbunden
ist. Das Azimutlager 8 ist durch einen Giermechanismus 9 auf
einem Turm 10 drehbar. Der Turm ist durch ein Fundament
(nicht dargestellt) mit festem Untergrund verbunden. Die verschiedenartigen
Funktionen können
mehr oder weniger miteinander kombiniert oder integriert sein, was
die nachfolgende Beschreibung jedoch nicht beeinflusst.
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2 zeigt,
dass die Nabe 2 eine Pendelnabe ist, d.h., dass zwei Turbinenblätter 1 starr
mit der Nabe 2 verbunden sind. Die Nabe 2 ist
an der Turbinenwelle 3 gelenkig gelagert und kann über einen
Winkel A, wie dargestellt, in jede Richtung pendeln.
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Die
Anzahl der Blätter
beträgt
normalerweise zwei, in einer bevorzugten Ausführungsform wird das Strukturprinzip
jedoch auf eine Turbine mit einem Turbinenblatt angewendet, wobei
das fehlende Turbinenblatt durch ein Gegengewicht kompensiert wird.
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3 zeigt eine erfindungsgemäße Pendelnabe.
Wie vorstehend erwähnt
wurde, sind die Turbinenblätter 1 mit
der Nabe 2 verbunden, die normalerweise eine Gussstruktur
hat und durch ein Gelenkelement mit der Turbinenwelle 3 verbunden
ist. Das Gelenkelement weist ein Lager 12 auf, das normalerweise
aus zwei oder vier symmetrisch angeordneten Lagerelementen besteht.
Federelemente 13 wirken der Pendelbewegung entgegen und
können
mit Dämpfungselementen
kombiniert werden, indem entweder ein Federmaterial mit gewissen
Dämpfungseigenschaften
verwendet wird, oder indem andersartige Dämpfungselemente (nicht dargestellt)
bereitgestellt werden. Der aktive Teil des Lagers 12 und
der aktive Teil der Federelemente 13 bestehen vorzugsweise
aus einem Elastomermaterial.
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Das
Lager 12 und die Federelemente 13 bilden zusammen
ein Gelenkelement 12, 13 mit einer spezifischen
Steifigkeit bezüglich
der Achse des Gelenkelements und damit des Lagers. In einer bevorzugten
Ausführungsform
sind das Lager 12 und die Federelemente 13 zu
einer Einheit integriert, z.B. zu einer sogenannten Flexbeam-Struktur.
In diesem Fall wie auch in dem Fall, dass benachbarte Komponenten
(in erster Linie die Turbinenblätter)
eine gewisse inhärente
Weichheit aufweisen, kann in der Federkonstante der Federelemente 13 der
Einfluss dieser Elemente berücksichtigt
sein.
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In
bevorzugten Ausführungsformen
können
weitere Vorteile erzielt werden, indem die Feder 13 progressiv
(d.h. die Federkonstante nimmt mit Größenänderungen zu) oder vorgespannt
ausgebildet wird. Ein besonderer Typ einer progressiven Feder wird
erhalten, wenn zwischen dem Federelement und dem damit zusammenwirkenden
Element ein Spiel vorhanden ist, was dazu führt, dass die Federkonstante
während
der Anfangsphase der Pendelbewegung null beträgt.
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Wie
vorstehend beschrieben wurde, sollten die Strukturparameter derart
ausgewählt
werden, dass ein Betrieb in einem Bereich vermieden wird, in dem
die Störfrequenz
nahe bei der kritischen Frequenz, d.h. der Eigenfrequenz des Pendel gelenks,
liegt. In bevorzugten Ausführungsformen
werden die Parameter derart ausgewählt, dass die Störfrequenz
niedriger ist als das 0,9-fache der Eigenfrequenz, oder höher als
das 1,1-fache der Eigenfrequenz. Außerdem ist in bevorzugten Ausführungsformen
die Störfrequenz
normalerweise höher als
das 0,1-fache der Eigenfrequenz und niedriger als das 10-fache der Eigenfrequenz.
Daher werden im Bereich zwischen dem 0,1- und dem 0,9-fachen der
Eigenfrequenz hinsichtlich dem Erfordernis zum Vermeiden großer Extremlasten,
wie vorstehend beschrieben wurde, besonders interessante bevorzugte
Ausführungsformen
erhalten.
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Durch
die vorstehend beschriebene Erfindung und die bevorzugten Ausführungsformen
der Erfindung werden wesentliche technische und wirtschaftliche
Vorteile erzielt, insbesondere wenn sie für Windturbinen-Generatoren
mit einem oder zwei Turbinenblättern
angewendet werden.
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Die
vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen zeigen, wie die
Erfindung für
Windturbinen mit einem oder zwei Turbinenblättern angewendet werden kann.
Für Fachleute
ist jedoch offensichtlich, wie die Erfindung für Windturbinen mit mehreren
Turbinenblättern
und auf verwandte Anwendungsgebiete, z.B. auf Propeller für Flugzeuge
und Schiffe, Ventilatoren, Turbinen für andere gasförmige oder
flüssige
Arbeitsmedien, usw. angewendet werden kann.
