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Diese
Erfindung betrifft ein passives Geschwindigkeits- und Leistungsregelsystem
für eine Windturbine.
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Windturbinen
sind hinreichend bekannte Vorrichtungen, die verwendet werden, um
dem Wind Energie zu entziehen. Am häufigsten handelt es sich dabei
um Maschinen mit horizontalen Achsen mit zwei oder mehr Blättern. Eine
wesentliche Herausforderung bei der Planung sämtlicher derartiger Maschinen
ist die Notwendigkeit, die dem Wind entzogene Leistung zu regeln,
um eine übermäßig hohe
Rotorgeschwindigkeit oder eine Überlastung
des Generators bei starkem Wind zu vermeiden. Ein Verfahren, um
dies zu erreichen, ist eine Veränderung
des Anstellwinkels der Blätter.
Dies kann entweder durch aktive Regelung (zum Beispiel unter Verwendung
von elektrischen oder hydraulischen Stellgliedern) oder mit passiven
Mitteln erreicht werden. Passive Regelung umfasst die Nutzung der
in der Windturbine natürlich
vorhandenen Kräfte,
um die Blätter
gegen eine Feder zu verstellen oder die Blätter oder deren Befestigungspunkte
zu verformen.
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Die
natürlich
vorhandenen Kräfte
schließen die
auf die Windturbinenblätter
einwirkenden Zentrifugallasten, das Drehmoment in der Hauptantriebswelle
und den axial entlang der Hauptantriebswelle wirkenden Axialschub
ein. Diese Kräfte
können
in vielen unterschiedlichen physikalischen Konfigurationen eingesetzt
werden, um die Blätter
zu verstellen. Das Verstellen der Blätter kann entweder entgegen der
Strömungsabrissrichtung
(um den aerodynamischen Angriffswinkel und somit die aerodynamische Auftriebskraft,
welche die Windturbine mit der Leistung vorsorgt, zu verringern)
oder in Richtung Strömungsabriss
erfolgen. Ein Verstellen in Richtung Strömungsabriss erhöht den Angriffswinkel
und kann daher die Leistung anfänglich
erhöhen,
letztendlich wird jedoch der Anstellwinkel erreicht, bei dem die Blätter „überziehen", und der aerodynamische
Auftrieb geht verloren, und der Luftwiderstand erhöht sich.
Somit verliert die Windturbine ihre Fähigkeit, Leistung zu erzeugen.
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Es
existieren mehrere Verfahren, die zum Erreichen einer passiven Blattverstellung
angewendet werden, einschließlich
Verfahren, die jede dieser Kräfte
nutzen. Insbesondere offenbart die
US 5,226,805 eine
Windturbine, die Blätter
mit einer normalerweise geklappten Konfiguration umfasst, bei der
jedes Blatt um ein Paar Gelenkachsen geklappt ist und die Blätter in
Reaktion auf eine zunehmende Windgeschwindigkeit um diese Achsen
herum aufklappen, sodass der Anstellwinkel jedes Blatts bis zum
Strömungsabriss
abnimmt. Die
EP 0095807 offenbart
eine Windturbine, die Blätter
umfasst, deren Anstellwinkel sich entgegen der Strömungsabrissrichtung
in Reaktion auf eine zunehmende Windgeschwindigkeit erhöht.
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Dieses
Patent beschreibt ein sich unterscheidendes Verfahren, das die Kombination
von auf die Blätter
einwirkenden Zentrifugallasten wie auch von Wellendrehmomentlasten
ausnutzt, um ein verbessertes Verfahren der Anstellwinkelregelung
bereitzustellen, das unabhängig
davon funktioniert, ob der Generator elektrische Leistung bereitstellt
oder nicht. Nicht nur die Kombination dieser Kräfte ist von Bedeutung, sondern
auch die Richtung, in die sie wirken. Die Zentrifugallast wirkt
so, dass die Leistung durch Verstellen der Blätter in Richtung Strömungsabriss
vermindert wird, und die Wellendrehmomentlast wirkt in die entgegengesetzte
Richtung, um den Umfang der Blattverstellung zu verringern und somit
die Höhe
der Leistungsminderung zu verringern.
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Die
vorliegende Erfindung umfasst die Kombination von auf die Windturbinenblätter oder
an diesen befestigten Komponenten einwirkender Zentrifugalbelastung
und die Nutzung des Generatorreaktionsdrehmoments zur Bereitstellung
des Schutzes einer Windturbine gegen Überdrehen und gegen die Produktion
von zu viel Leistung. Das Verfahren zum Schutz funktioniert unabhängig davon,
wie viel Leistung der Verbraucher durch den Generator von der Windturbine
anfordert. Der Schutz wird erreicht durch passive Anstellwinkelregelung,
sodass die Zentrifugalbelastung so wirkt, dass sie versucht, die
Blatter aus der optimalen Position für eine Energiegewinnung heraus
in Richtung Strömungsabriss
zu verstellen, um die Leistung zu vermindern. Das Generatorreaktionsdrehmoment
wirkt (sofern vorhanden) in die entgegengesetzte Richtung, um den
Umfang der Verstellbewegung zu verringern und somit die Höhe der Leistungsverminderung
zu verringern.
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Es
wird eine geometrische Konfiguration vorgestellt, die diese Kombination
von Eigenschaften erreicht.
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Gemäß der Erfindung
wird eine Windturbine nach Anspruch 1 bereitgestellt. Speziellere
und/oder bevorzugte Merkmale der Erfindung sind in den Unteransprüchen dargelegt.
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In
einer speziellen Ausführungsform
der Erfindung führt
ein Mittel der Befestigung der Blätter an der Windturbine zu
einer teilweisen Aufhebung einiger der lokalen Lasten, die normalerweise
auf die Nabe einwirken. Dies wird erreicht durch Befestigung des
Blatts an seinen Enden wie auch an einer zweiten äußeren Stelle.
Die Blätter
sind so angeordnet, dass sich jeder äußere Blattbefestigungspunkt
so nahe wie möglich
an dem Endbefestigungspunkt des benachbarten Blatts befindet. Da
die mit benachbarten Blättern
zusammenhängenden
Lasten größtenteils
gleich und entgegengesetzt sind, verringert dies in hohem Maße das Ausmaß der von
den Blättern
auf die Nabe übertragenen
lokalen Lasten. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn die Blätter direkt
an dem Rotor eines Direktantrieb-Generators befestigt sind, da es
wichtig ist, einen Verzug des Generators und die Schwankung des
Generatorluftspalts zu minimieren.
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Es
ist wünschenswert,
dass die Turbinenblätter
so miteinander verbunden sind, dass sie jederzeit eine identische
Anstellwinkeleinstellung aufweisen. Zwei unterschiedliche Mittel,
wie dies zu erreichen ist, sind ebenfalls beschrieben.
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Das
erste Verfahren umfasst ein kompaktes Mittel der Verbindung einer
Anzahl von Blättern
mit der oben beschriebenen Geometrie, wobei eine Vorlast und ein
elastischer Widerstand gegen Blattverstellung aufgebracht werden
und ermöglicht
wird, dass das Blatt in seinem Anstellwinkel verbunden wird, während gleichzeitig
die von dem Verbindungsmechanismus getragenen Lasten minimiert werden.
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Dieses
Verfahren verwendet an einem Verstellhebel an jedem Blatt befestigte
Stößelstangen, die
gegen ein elastisches Element, beispielsweise eine Druckfeder, wirken.
Die Stößelstange
wird in ihrer Bewegung zurückgehalten,
um als eine feste Stoppvorrichtung zu wirken, um die optimale Blattanstellwinkelposition
festzulegen und zusammen mit der Feder sowohl eine Vorlast aufzubringen
als auch einen Widerstand proportional zu weiterer Blattverstellung
zu bieten.
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Eine
profilierte Anstellwinkel-Verbindungsplatte wird so montiert, dass
sie in der Lage ist, sich um die Hautachse der Turbine zu drehen.
Die Spitzen dieser Platte sind jeweils mit einer der Blatt-Stößelstangen
so verbunden, dass sich die Platte infolge des Blattanstellwinkels
dreht, wodurch die Blätter
so beschränkt
werden, dass ein identischer Anstellwinkel sichergestellt ist. Durch
Verbinden der Platte direkt mit den Stößelstangen werden die von der
sich drehenden Platte übertragenen
Lasten verringert, indem die Notwendigkeit der Übertragung einer Verstellvorlast
oder von Verstellwiderstandslasten beseitigt wird.
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Das
zweite Verfahren weist die zusätzlichen Vorteile
auf, dass es sowohl ein Mittel zum vollständigen Stoppen der Turbine
bei starkem Wind als auch eine zur Änderungsrate des Blattanstellwinkels
proportionale Dämpfungskraft
bereitstellt. Dies kann die dynamischen Eigenschaften der Verstellbewegung verbessern.
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Bei
dieser Anordnung sind als Verstellarm bezeichnete starre Elemente
so an den Blättern
befestigt, dass sie sich drehen, wenn sich die Blätter verstellen.
Die anderen Enden dieser Verstellarme sind mittels eines Bolzengelenks
mit einem starren Kranz verbunden, der sich um die Rotorachse drehen kann.
Der von dem Ende eines jeden Verstellarms aufgrund der Drehung des
verstellten Blatts beschriebene Bogen weist zwei Komponenten auf,
eine parallel zu der Hauptachse der Turbine (die „axiale Komponente") und eine in der
Drehebene der Nabe (die „Ebenenkomponente").
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Die
Ebenenkomponente des durch das Ende jedes Verstellarms beschriebenen
Bogens führt
zu einer Drehung des Kranzes, wodurch jedes Blatt zu einem identischen
Anstellwinkel und einer identischen Anstellwinkeländerung
gezwungen wird.
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Die
axiale Komponente des durch das Ende jedes Verstellarms beschriebenen
Bogens verschiebt den Kranz axial. Wenn der Kranz mittels eines
elastischen Elements, das einen Widerstand proportional zu dem Grad
der Drehung des verstellten Blatts bietet, axial zurückgehalten
wird und die axiale Bewegung des Kranzes mittels fester Stoppvorrichtungen in
einer Richtung begrenzt ist, um einen festgelegten anfänglichen
Blattanstellwinkel vorzugeben, kann auf das elastische Element eine
Vorlast so aufgebracht werden, dass das Blattverstellmoment ein
festgelegtes Maß erreichen
muss, bevor das Blatt beginnt, den Anstellwinkel zu ändern.
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Das
elastische Vorspannelement kann eine kreisförmige Membran umfassen, welche
aus einer Ebene heraus elastisch durchbiegbar ist, sodass eine axiale
Wegbewegung aus ihrer Gleichgewichtsposition zu einem Widerstand
führt,
der proportional zu ihrer Durchbiegung ist. Die kreisförmige Membran ist
axial und radial begrenzt, kann sich jedoch um die Rotorachse drehen.
Auf die Membranfeder kann eine Vorlast aufgebracht werden, indem
die Blätter
durch Verwendung von festen Stoppvorrichtungen daran gehindert werden,
sich über
einen bestimmten Punkt hinaus zu verstellen, und indem der mittlere
Abschnitt der Membran in einer axial aus seiner undurchbogenen Position
herausbewegten Position gesichert wird.
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Der
starre Kranz kann mit einer Fläche
verbunden sein, welche bezogen auf die Windrichtung so angeordnet
ist, dass sie aufgrund ihres wesentlichen dynamischen Windwiderstands
eine Axialkraft auf den Kranz aufbringt, welche sich in Abhängigkeit von
der Windgeschwindigkeit erhöht.
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Die
durch diese Fläche
aufgebrachte Kraft wirkt derart, dass der starre Kranz und somit
die Enden der Verstellarme axial bewegt werden, wodurch bewirkt
wird, dass sich die Blätter
in Richtung einer Strömungsabrissposition
verstellen, sobald die Vorlast in der Membran durch die Kombination
aus Blattverstellmoment aufgrund der Zentrifugalkräfte und der
auf diese Fläche
einwirkenden aerodynamischen Kraft überwunden ist. Dies führt tendenziell
dazu, dass die Blätter
bei extremen Windverhältnissen
in der Strömungsabrissposition
gehalten werden, und zu niedrigeren Drehzahlen.
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Der
axialen Bewegung der Fläche,
welche aus einer Änderung
des Anstellwinkels der Blätter aufgrund
der Drehung derselben um ihre Verstellachsen resultiert, wird außerdem durch
eine zur Geschwindigkeit der axialen Durchbiegung proportionale
Kraft aufgrund des Luftwiderstands der Fläche entgegengewirkt, wodurch
eine Dämpfungskraft
aufgebracht wird, um Änderungen
des Blattanstellwinkels entgegenzuwirken. Diese Dämpfungskraft
erhöht sich
proportional zu der Änderungsrate
des Blattanstellwinkels, wodurch schnellen Änderungen des Blattanstellwinkels
entgegengewirkt wird.
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Ein
Beispiel für
einen geometrischen Aufbau, mit dem die oben dargelegten Anforderungen
an eine passive Blattverstellung erreicht werden, sowie Beispiele
dafür,
wie dieser Aufbau realisiert werden kann, sind nachstehend unter
Bezugnahme auf die folgenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
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1 die
Geometrie der Blattbefestigung und der Verstellachse zeigt;
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2 eine
Ansicht der Hauptachse des Turbinenrotors einer ersten Ausführungsform
der Erfindung ist, welche die Anordnung der Blätter auf einer dreieckigen
Nabenplatte zeigt, wobei die Anstellwinkelregelungskomponenten aus
Gründen
der Übersichtlichkeit
nicht dargestellt sind;
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3 ein
Seitenriss des Turbinenrotors ist, der die Anordnung eines an der
Nabe befestigten Blatts zeigt, wobei die Anstellwinkelregelungskomponenten
und weitere Blätter
aus Gründen
der Übersichtlichkeit
nicht gezeigt sind;
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4 eine
Ansicht der Unterseite eines Blatts ist, welche den Verstellhebel,
die Stößelstange,
die Druckfeder und die Federbefestigung zeigt;
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5 eine
Modifikation der ersten Ausführungsform
der Erfindung zeigt, in der die Baugruppe aus Blatt und Stößelstange
auf einer kreisförmigen Nabenplatte
montiert ist und mit dem Anstellwinkel-Verbindungssystem verbunden
ist, wobei die Blätter
aus Gründen
der Übersichtlichkeit
nicht gezeigt sind;
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6 die
auf einer kreisförmigen
Nabenplatte montierte und mit dem Anstellwinkel-Verbindungssystem
verbundene Baugruppe aus Blatt und Stößelstange zeigt, wobei die
Blätter
gezeigt sind;
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7 eine
Ansicht des angeströmten
Wurzelbereichs des Blatts einer zweiten Ausführungsform der Erfindung ist,
welche die Befestigung des äußeren Blattverstelllagers
und Verstellarms und den Verstellbolzen am Blattende zeigt;
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8 eine
isometrische Ansicht des Turbinenrotors von der Abwindseite aus
ist, welche die Verbindung der Verstellarme der einzelnen Blätter durch
den starren Kranz zeigt;
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9 eine
isometrische Ansicht des Turbinenrotors von der angeströmten Seite
aus ist, welche den auf der Hauptantriebswelle durch das Membranfederelement
angeordneten starren Kranz zeigt; und
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10 ein
Seitenriss des Turbinenrotors ist, der die drei mit dem starren
Kranz und dem Membranfederdämpfer
verbundenen Blätter
zeigt.
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Eine
geometrische Anordnung, mit der die Anforderungen an die passive
Blattverstellung erfüllt werden,
ist in 1 gezeigt. Die Figur zeigt aus Gründen der Übersichtlichkeit
nur ein Blatt. Die Turbinenhauptachse ist durch (Z-Z) gezeigt, die
Richtung der Drehung durch (R) und die Richtung des Windes durch
(U). Das Blatt ist so montiert, dass es sich um eine Verstellachse
(X-X) drehen kann, die durch einen Abstand (y) in Bezug auf die
Achse der Hauptantriebswelle (Z-Z) versetzt ist. Die Blattachse (B-B)
ist um einen Winkel (A1) gegenüber
der Verstellachse (X-X) geneigt. Der Massenschwerpunkt des Blatts
(m) liegt auf der Blattachse (B-B).
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Ein
vorbelastetes elastisches Element, wie beispielsweise eine Feder
(D), hält
das Blatt in der optimalen Anstellwinkelposition gegen eine harte Stoppvorrichtung,
um die Energiegewinnung zu maximieren. Das Windturbinenblatt ist
so angeordnet, dass es sich in Richtung Strömungsabriss verstellen kann,
jedoch durch die vorbelastete Feder daran gehindert wird. Die Blätter werden
in diesem optimalen Anstellwinkel gehalten, bis die Lasten, die
eine Verstellung der Blätter
bewirken, ausreichen, um die Vorlast zu überwinden und beginnen, die
Blätter
in Richtung von Pfeil (P) in Richtung Strömungsabriss zu verstellen.
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Diese
Anordnung weist zwei Merkmale auf. Erstens weist die Zentrifugalbelastung,
die auf das Blatt einwirkt, wenn sich die Windturbine dreht (Fc), eine
Komponente auf, die versucht zu bewirken, dass sich das Blatt um
die Verstellachse (X-X) herum verstellt. Es ist vorgesehen, dass
diese Kraft versucht zu bewirken, dass die vorbelastete Feder überwunden wird
und das Blatt in Richtung Strömungsabriss
verstellt wird, um die aerodynamische Leistung zu vermindern.
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Zweitens
erzeugt das Blatt, wenn es Leistung produziert, ein aerodynamisches
Drehmoment um die Achse der Hauptantriebswelle (Z-Z), wie durch
Pfeil (R) angegeben. Wenn der Generator keine Leistung erzeugt,
stellt er keine Reaktion auf dieses Drehmoment bereit, und das aerodynamische Drehmoment
bewirkt einfach, dass der Rotor beschleunigt und beeinflusst den
Anstellwinkel nicht direkt (sofern der überwiegende Teil der Rotationsträgheit des
Systems in den Blättern
vorhanden ist und nicht im Generator). Wenn der Generator jedoch
mit einer Last verbunden ist, stellt er ein Reaktionsdrehmoment
bereit, das ausreicht oder nicht ausreicht, um zu verhindern, dass
der Rotor beschleunigt. Dieses Reaktionsdrehmoment weist ebenfalls
eine Komponente auf, die versucht zu bewirken, dass sich das Blatt
verstellt. Die Geometrie ist dergestalt, dass das Generatordrehmoment
bewirkt, dass die Blätter
aus dem Strömungsabriss
heraus in Richtung der für
die Energiegewinnung optimalen Position verstellt werden.
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Um
die Vorteile dieser Geometrie zu verstehen, ist ein Vergleich erforderlich
zwischen dem, was erfolgt, wenn der Generator nicht mit einer Last
verbunden ist (und die Windturbine sich im Freilauf befindet), und
dem, was erfolgt, wenn er mit einer Last verbunden ist und Leistung
produziert.
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Wenn
der Generator nicht mit einer elektrischen Last verbunden ist, befindet
sich die Windturbine effektiv im Freilauf. Bei der maximal zulässigen Geschwindigkeit
kann die Federkraft so eingestellt werden, dass die Zentrifugalkraft
in der Lage ist, die Vorlast zu überwinden
und die Blätter
ausreichend zu verstellen, um eine Erzeugung aerodynamischer Leistung
zu verhindern, um eine weitere Beschleunigung zu verhindern (typischerweise
handelt es sich dabei um 15 bis 20° in Richtung Strömungsabriss).
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Wenn
der Windturbinengenerator in leichtem bis mäßigem Wind Leistung erzeugt,
ist kein Verstellen erforderlich, da der Generator in der Lage ist,
die Geschwindigkeit der Windturbine zu begrenzen. Bei starkem Wind
ist eine gewisse Verstellung erforderlich, um sicherzustellen, dass
bei gleicher maximal zulässiger
Drehzahl die produzierte aerodynamische Leistung nicht die Leistung überschreitet,
die vom Generator in Elektrizität
umgewandelt wird, um eine weitere Beschleunigung zu verhindern.
Dafür ist
eine geringere Änderung
des Anstellwinkels erforderlich, als es bei Nichtgebrauch des Generators
der Fall wäre.
Die Geometrie der Windturbine kann so konfiguriert sein, dass sichergestellt
ist, dass das Generatorreaktionsdrehmoment einen ausreichenden Beitrag zum
Verstellmoment leistet, um die Höhe
der Lastverminderung um genau die erforderliche Menge zu verringern.
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Daher
ermöglicht
diese Kombination von Merkmalen, dass die Windturbine eine definierte
maximal zulässige
Drehzahl aufweist, die nicht überschritten
wird, unabhängig
davon, ob der Generator mit einer Last verbunden ist oder sich die
Windturbine einfach im Freilauf befindet.
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Zusätzlich kann
eine für
die oben dargelegten Anforderungen an die passive Verstellanordnung geeignete
Geometrie so angeordnet sein, dass das Ausmaß der auf die Nabe übertragenen
Lasten stark verringert wird. Dies ist in 2 und 3 veranschaulicht,
in denen drei Blätter
(1), die sich um eine Welle (4) drehen, jeweils
an ihren Enden (11) wie auch an einer zweiten äußeren Stelle
(12) an der Nabenplatte (2) befestigt sind. Die
Blätter
(1) sind so angeordnet, dass sich jeder äußere Blattbefestigungspunkt
(12) so nahe wie möglich
an dem Endbefestigungspunkt des benachbarten Blatts befindet. Da
die mit benachbarten Blättern
zusammenhängenden Lasten
größtenteils
gleich und entgegengesetzt sind, verringert dies in hohem Maße das Ausmaß der von den
Blättern
auf die Nabe übertragenen
lokalen Lasten.
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Vorzugsweise
weisen die Turbinenblätter
jederzeit eine identische Anstellwinkeleinstellung auf. Um dies
zu erreichen, ist es notwendig, dass die Blätter mechanisch miteinander
verbunden sind. Es sind zwei unterschiedliche Mittel zur Sicherstellung
dieser Anpassung der Blattanstellwinkeleinstellungen aneinander
vorgeschlagen.
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Bei
dem ersten Verfahren (siehe 4) ist jedes
Blatt (1) drehbar an einer Blatt-End-Befestigung (11) und einer äußeren Blattbefestigung
(12) montiert. Ein Verstellhebel (13) ist mit
der Unterseite des Blatts starr verbunden, sodass er sich mit dem verstellten
Blatt (1) dreht. Der Verstellhebel (13) ist mit
einer Stößelstange
(14) verbunden, auf die durch eine Feder (15)
eingewirkt wird und die außerdem durch
einen Federbock begrenzt wird. Dieser wirkt als eine feste Stoppvorrichtung,
sodass sich das Blatt nur in Richtung Strömungsabriss verstellen kann
und bringt außerdem
eine Vorlast auf die Feder (15) auf. Der Federbock (16)
und die Stößelstange
(14) halten das Blatt (1) in einer eingestellten
Position gegen die Vorlast der Feder (15).
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Das
Mittel zur Verbindung der drei verstellten Blätter ist in 5 und 6 dargestellt,
die eine Anordnung mit drei an einer kreisförmigen Nabenplatte montierten
Blättern
zeigen. Um die verstellten Blätter miteinander
zu verbinden, ist eine profilierte Platte (17) mit Verbindungspunkten
an jeder ihrer drei Spitzen drehbar auf der Turbinenhauptachse parallel
zu der Nabenplatte montiert. Jede Stößelstange (14) ist an
einem der Verbindungspunkte durch radial nachgiebiges Verbindungselement
(18) befestigt. Jede Änderung
des Blattanstellwinkels bewirkt eine Drehung der Platte (17)
und eine identischen Änderung des
Anstellwinkels aller Blätter.
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Durch
Trennung der Funktionen der sich drehenden Anstellwinkel-Verbindungsplatte
und der Anforderung einer Vorlast und eines elastischen Widerstands
gegen ein Verstellen, werden die durch die Anstellwinkel-Verbindungsplatte übertragenen
Lasten wesentlich verringert.
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In
dem zweiten Verfahren sind die verstellten Blätter nicht nur miteinander
verbunden, sondern unterliegen auch einem Verstellmoment in Richtung Strömungsabriss,
das sich mit zunehmender Windgeschwindigkeit erhöht. Dieses Merkmal ist in der
Lage, die Windturbine bei extremen Windgeschwindigkeiten anzuhalten.
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7 zeigt
die Stelle der äußeren Befestigung
(8) und (9) des Blatts sowie Verstellarm (5),
die mit der angeströmten
Fläche
des Blatts (1) starr verbunden sind. Sie zeigt außerdem den
Blatt-End-Bolzen (10), der gleichachsig zu der Verstellachse
und dem äußeren Blattbefestigungsbolzen
(9) angeordnet ist.
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Ein
Mittel zur Verbindung der Blätter
miteinander ist in 8 gezeigt. Die drei Blätter (1)
(aus Gründen
der Übersichtlichkeit
mit gepunkteten Linien dargestellt) sind über ihre jeweiligen Verstellarme
(5) mit einem starren Kranz (6) verbunden. Die
Drehung der Blätter
(1) um ihre Verstellachsen bewirkt sowohl eine Drehung
als auch eine axiale Durchbiegung des starren Kranzes (6),
und somit wird jedes Blatt (1) gezwungen, sich in gleichem
Maße um
seine Verstellachse zu drehen.
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9 zeigt
den Turbinenrotor von der angeströmten Seite aus, wobei die Blätter (1)
mit dem starren Kranz (6) durch Verstellarme (5)
verbunden sind. Der starre Kranz (6) ist an einer Membran
(7) befestigt, die mit ihrem mittleren Abschnitt so auf
der Welle (4) angeordnet ist, dass sie in der radialen
und der axialen Richtung zurückgehalten
wird, sich jedoch frei um die Hauptachse des Rotors drehen kann.
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Da
die Membran (7) in ihrer Mitte axial zurückgehalten
wird, ist sie gezwungen, sich zu durchbiegen, wenn sich der äußere Kranzrand
(6) axial bewegt, und wirkt somit so, dass sie eine Vorspannkraft bietet,
um dieser Bewegung entgegenzuwirken. Die Membran (7) ist
axial so positioniert, dass sie als eine Vorspannkraft wirkt, um
die Blätter
(1) um ihre Verstellachsen zu drehen, bis diese mit einer
festen Stoppvorrichtung in Kontakt kommen, welche positioniert ist,
um sie in einem zuvor gewählten
Anstellwinkel zu halten.
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10 zeigt
einen Seitenriss des Turbinenrotors, wobei die Membran (7)
durchbogen ist, um auf eine vorbelastete Feder Vorspannung aufzubringen, um
die Blätter
(1) gegen die festen Stoppvorrichtungen zu halten, bis
das Verstellmoment ausreicht, um eine Änderung des Blattanstellwinkels
zu bewirken. Daher ist die Membran in der Lage, die Funktion der im
vorangehenden Fall erwähnten
vorbelasteten Feder zu ersetzen. Sie bietet außerdem einen Grad der Anstellwinkel-Verbindung,
der das zuvor beschriebene Anstellwinkel-Verbindungssystem ersetzen
kann.
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Die
Anstellwinkel-Regelungsmembran (7) ist außerdem so
angeordnet, dass die gesamte Kraft des vorherrschenden Windes auf
sie einwirkt. Eine sorgfältige
Bemessung dieser Fläche
ermöglicht, dass
auf den äußeren Kranzrand
(6), der mit den Verstellarmen verbunden ist, welche die
Blattverstellung regeln, eine vorhersagbare zusätzliche Axialkraft aufgebracht
wird. Somit bewegt der aerodynamische Widerstand dieser Fläche bei
starkem Wind die Blätter
automatisch in eine Strömungsabrissposition. Dieses
System kann verwendet werden, um die Windturbine bei starkem Wind
anzuhalten.
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Die
axiale Bewegung der Fläche
in Verbindung mit der Änderung
des Anstellwinkels des Blatts ermöglicht, dass die Fläche zu einer
zu der Änderungsrate
des Blattanstellwinkels proportionalen Dämpfungskraft beiträgt. Diese
Dämpfungskraft
geht aus den Änderungen
der Windgeschwindigkeit hervor, die auf die Membran aufgrund ihrer
Bewegung einwirken, und dies kann wesentlich zur Verbesserung des
dynamischen Verhaltens des Verstellsystems beitragen.