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Windkraftanlage mit verstellbaren Flügeln und einer Anlaufhilfseinrichtung
Die Erfindung erstreckt sich auf eine Windkraftanlage mit zur Leistungsregelung
voll oder teilweise um ihre Längsachse verstellbaren Flügeln und einer Anlaufhilfseinrichtung.
Es ist bereits bekannt, besonders bei schnellaufenden Windkraftanlagen die Flügel
oder deren Teile in Abhängigkeit von der Drehzahl oder dem auf die Flügel wirkenden
Luftkraftmoment zur Leistungsregelung um ihre Längsachse zu verstellen, wobei die
Flügel zumeist durch einen federbelasteten Fliehkraftregler beim überschreiten einer
Solldrehzahl des Windrades im Sinne einer Verkleinerung des Anstellwinkels verdreht
werden, um die Leistungsaufnahme des Windrades aus dem Wind zu begrenzen. Es sind
ferner auch schon Anlaufhilfseinrichtungen bekannt, um schnelläufige Windräder bei
Windgeschwindigkeiten in Betrieb zu setzen, bei denen das veThältnismäßig kleine
Anlaufmoment der schmalen und im Stillstand sehr ungünstig beaufschlagten Flügel
üi ihrer Betriebsstellung noch nicht ausreicht, um den Anlaufwiderstand zu überwinden.
Hierzu hat man bisher bei stromerzeugenden Anlagen in der Regel den normalerweise
vom Windrad angetriebenen elektrischen Generator von einer äußeren Stromquelle aus
als Motor angetrieben. Dieses elektrische »Anwerfen« des Windrades ist jedoch auf
stromerzeugende Anlagen beschränkt und erfordert außerdem für ein voll selbsttätiges
Arbeiten verhältnismäßig verwickelte und daher auch sehr störanfällige elektrische
Schalteinrichtungen. Man hat deshalb auch bereits vorgeschlagen, das Anlaufmoment
durch eine selbsttätige Verstellung der Flügel auf einen günstigeren Anströmwinkel
bei stillstehendem Rad zu vempößern,, wobei das Eindrehen in die
Betriebsstellung
mit Hilfe eines besonderen Fliehkraftreglers erfolgen sollte. Dieser verhältnismäßig
einfach erscheinende Vorschlag ist jedoch kaum zu verwirklichen, weil die verfügbaren
Reglerkräfte unmittelbar bei Beginn der Windraddrehung zu klein sind, um die Reibungskräfte
zu überwinden.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, den Selbstanlauf von Windkraftanlagen
hoher Schnelllaufzahl und mit zur Leistungsbegrenzung vorzugsweise durch einen Fliehkraftregler
verstellbaren Flügeln auf mechanischem Wege zu verbessern. Bei derartigen Windkraftanlagen
besteht nämlich die besondere Schwierigkeit, daß die Flügel zum Anlaufen in dem
gleichen Drehsinn verstellt werden müssen, wie sie beim Erreichen der Solldrehzahl
durch den Regler !entgegen einer Reglerfeder verstellt werden. Gemäß. der Erfindung
wird diese Umkehrbewegung mit Hilfe einer der Kraftrichtung der normalen Reglerfeder
entgegenwirkenden vorgespannten Feder erreicht, die bei laufender Anlage - vorzugsweise
durcheinehilfskraftbetätigte Vorrichtung - selbsttätig gespannt und so außer Einwirkung
auf die Flügelverstellung gebracht wird. Durch diese Ausgestaltung der Anlaufhilfe
werden die Flügel bei stillstehendem Windrad selbsttätig in Anlaufstellung und sogleich
bei den ersten Windradumdrehungen zunehmend in ihre Betriebsstellung verschwenkt,
aus der sie beim Erreichen der Solldrehzahl, z. B. durch einen Fliehkraftregler,
wiederum auf kleine Leistung verstellt werden.
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Als Hilfskraft zum Spannen der Anlauffeder wird im weiteren Ausbau
der Erfindung vorteilhaft eine durch das laufende Windrad unter Druck setzbare Flüssigkeit
verwendet, die über eine Zuleitung mit einer definierten Undichtheit auf einen Arbeitszylinder
wirkt. Auf diese Weise ist es möglich, unter Ausnutzung der bekannten Gesetze der
Hydraulik die z. B. im Fall einer festen Kupplung mit dem Regelgestänge einschließlich
der Regelfeder sehr beträchtliche Vor:spannkraft der Anlauffeder durch Verwendung
einer verhältnismäßig kleinen und nur geringe Betätigungskräfte benötigenden Druckpumpe,
die .auf einen Arbeitszylinder mit wesentlich größerer Kolbenfläche und/oder größerem
Hub arbeitet, zu überwinden. Beim Aussetzen der Druckmittelfö.rderung im Stillstand
des Windrades wird das Druckmittel von der gespannten Anlauffeder durch die definierte
Undichtheit aus dem Arbeitszylinder herausgedrückt, wobei die Flügel wieder in Anlaufstellung
verdreht werden.
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Um die erforderliche Zeit für die Verstellung der Flügel in die Anlaufstellung
vom Stehenbleiben des Windrades und der damit aussetzenden Druckmittelfö.rderung
,an abzukürzen, hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, die definierte Undichtheit
in der Druckmittelzuleitung zum Arbeitszylinder als ein »hydraulisches Relais« mit
selbsttätiger Veränderung des Durchflußquerschnitbes in Abhängigkeit von der Zeit
auszubilden.
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Als Druckmittelflüssigkest wird z veekmäßig das zugleich zur Schmierung
der umlaufenden Teile im Kopf der Windkraftanlage dienende Öl benutzt, so daß keine
zusätzlichen Betriebsmittel benötigt werden.
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Wenn dabei die Ansaugöffnung der zur Druckmittelpumpe führenden Leitung
in Höhe des mindestens erforderlichen Ölstandes im Getriebe angeordnet wird, bewirkt
die erfindungsgemäße AnJ.aufhilfseinrichtung zugleich eine voll selbsttätige Sicherung
gegen einen Betrieb der Anlage ohne ausreichende Ölfüllung im Getriebe, da die Flügel
bei zu niedrigem Ölstand ständig in der Anlaufstellung verbleiben, so daß das Windrad
nicht auf seine zur Abgabe einer nennenswerten Leistung erforderliche Drehzahl kommt.
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Schließlich liegt es im Rahmen der Erfindung, ein mit dem Druckmittelraum
des Arbeitszylinders in Verbindung stehendes, vorzugsweise in Abhängigkeit von der
Windgeschwindigkeit - z. B. durch einen Staudruckfühler - betätigbares Schaltventil
anzuordnen. Auf diese Weise kann die Anlaufhilfseinrichtung zusätzlich auch zum
selbsttätigen Verstellen der Windradflübl auf kleinere Leistung bei übergroßen Windgeschwindigkeiten
benutzt werden, wobei diese Verstellung entweder nur durch die druckentlastete Anlauffeder
bis zur Anlaufstellung oder durch Umleitung der Druckflüssigkeit auch bis zur völligen
Segelstellung der Flügel mit verschwindendem Drehmoment ausgeführt werden kann.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.
Es zeigt Fig. i eine ,schematische Darstellung des Kopfes einer Windkraftanlage
mit der erfindungsgemäßen Anlaufhilfseinrichtung und Fig. 2 und 3 zwei Schnitte
durch das hydraulische Relais in der Druckmitteizuleitung in vergrößertem Maßstab
mit verschiedenen Stellungen des Steuerkolbens.
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In der Fig. i bezeichnet i das Windrad, dessen drei Flügel 2, 2',
2" um die Flügellängsachsen 3, 3', 3." verdrehbar gelagert sind. Das Windrad 1 treibt
über eine hohle Welle 4 und ein zweistufiges Zahn,radgetriebe 5, 6, 7, 8 einen Generator
9 zur Erzeugung von, elektrischer Energie an. Auf der Antriebswelle i o des Getriebes
ist ein Fliehkraftregler i i angeordnet, der über eine durch die hohle Windradwelle
4 verlaufende Reglerstange 12, einen Lenkerstern 13 und Stoßstangen 14, 14', 14"
die Windradflü,gel 2, 2', 2" beim überschreiten der Solldrehzahl entgegen einer
in die Windradwelle eingebaute Reglerfeder 15 verstellt.
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Mit der Reglerstange 12 steht ferner über einen im Gehäuse gelagerten
Hebel 16 die Anlaufhilfseinrichtung 17 in Wirkungsverbindung. Diese enthält in einem
Zylinder eine Schraubenfeder 18, deren Vorspannkraft der Kraftrichtung der normaJen
Regle.rfeder 15 entgegenwirkt. Durch Einfügen einer Gleitverbindung .in das Betätigungsgestänge
läßt sich der Einfluß der Reglerfeder auf die Anlaufhilfsfeder gegebenenfalls jedoch
auch gänzlich ausschalten, wobei die erforderlichen Betätigungskräfte und damit
auch die Abmessungen der Anlaufhilfseinrichtung entsprechend verringert werden können.
Der Arbeitszylinder der Anlaufhiifseinrichtun.
g enthält ferner
eine Kolbenstange r9 mit abdichtend im Zylinder geführten Kolben 20. Von der Vorgelegewelle
2 i des Zahnradgetriebes 5 bis 8 wird über einen Exzenter 22 eine Ölpumpe 23 angetrieben,
die aus dem Ölsumpf des Zahnradgetriebes durch eine Ansaugleitung 24 Öl ansaugt
und durch eine Druckleitung 25 mit zwischengebautem hydraulischem Relais 26 das
Druckmittel in den Zylinder der Anlaufhilfseinrichtung 17 drückt, so daß der Kolben
2o die Anlaufhilfsfeder 18 weiter zusammendrückt und dabei die Flügel 2 bis 2" in
Kraftrichtung der Reglerfeder 15 in Betriebsstellung gehen läßt.
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In den Fig. 2 und 3 isst eine beispielsweise Ausführttngsform des
hydraulischen Relais 26 im Schnitt vergrößert dargestellt. In dieses tritt das von
der Pumpe kommende Drucköl über die Druckleitung 25 durch den Stutzen 27 ein und
verschiebt einen Steuerkolben entgegen einer Schraubenfeder 29 aus der in Abb. 2
gestrichelt eingezeichneten Lage 28' in die durch ausgezogene Linien dargestellt
Stellung 28 der gleichen Fig. 2, bei der der Steuerkolben den Stutzen 3o für die
Druckleitung 25 zum Arbeitszylinder der Anlaufhilfsenrichtung freigibt, wodurch
die Betriebsstellung der Windradflügel herbeigeführt wird. Beim Aufhören der Förderung
von Drucköl infolge Stehenbleiben des Windrades stellt sich auf beiden Seiten des
in der Stellung 28 befindlichen Steuerkolbens :ein Druckausgleich ein, so daß die
vorgespannte Feder 29 den mit geringem Spiel irrt Gehäuse 31 geführten Kolben
langsam in die Stellung 28' verschiebt, in der ein freier Durchfluß von dem Arbeitszylinder
über den Stutzen 3o zu der Rücklaufleitung 32 freigegeben wird, so daß die Anlaufhilfsfeder
18 die Blätter beschleunigt in die Anlaufstellung verdreht.
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Sobald der Kolben 2o im Arbeitszylinder der Anlaufhilfseinrichtung
17 seine Endstellung erreicht hat, wird der Kolben durch den ansteigenden
Druck in die Stellung 28" (Fig. 3) verschoben, in der das von der Ölpumpe 23 weiter
geförderte Öl in die Rücklaufleitung 32 abfließt. Am Arbeitszylinder der Anlaufhilfseinrichtung
17 ist außerdem noch ein weiteres Ventil 35 angebracht, das durch eine Stauscheibe
36 in Abhängigkeit vom Winddruck betätigt wird und beim Überschreiten einer bestimmten
Windgeschwindigkeit eine Verstellung der Flügel auf kleinere Leistung durch die
Anlaufhilfsfeder wie folgt bewirkt: Die bei Windstille senkrecht nach unten hängende
Stauscheibe 36 wird mit ansteigender Windgeschwindigkeit durch den auf ihre Fläche
wirkenden Staudruck entgegen ihrem Eigengewicht um eine Drehachse 37 zunehmend in
Richtung auf eine horizontale Lage verschwenkt. Das von der Stauscheibe betätigte
Ventil 35 ist dabei so eingestellt, daß es bei z. B. 18 m/sec. Windgeschwindigkeit
einen Durchgang vom Druckraum 38 des Arbeitszylinders der Anlaufhilfseinrichtung
17 in eine Rücklaufleitung 39 zum Ölraum freigibt, wonach die Anlaufhilfsfeder
18 die Flügel auf kleinere Leistung verstellt.