DEP0025460DA - Einrichtung zum Einstellen eines Windrades in einen gewollten Winkel zur jeweiligen Windrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Einstellen eines Windrades in einen gewollten Winkel zur jeweiligen Windrichtung unter Verwendung einer am schwenkbaren Windradkopf angebrachten Windrose. Bei den bekannten Vorrichtungen dieser Art diente die Windrose immer nur zur selbsttätigen Einstellung des Windrades in eine senkrechte Ebene zur jeweiligen Windrichtung. Zu diesem Zweck wurde die Windrose am drehbaren Turmkopf derart angebracht, dass ihre Achse immer unter einem gleichbleibenden Winkel zur Windradachse verblieb, mit der die Windrosenachse in der Regel einen rechten Winkel bildete. Bei dieser Ausbildung der Einstellvorrichtung wird die Windrose beim Ausdrehen des Windes nach verschiedenen Seiten ebenfalls von der einen oder anderen Seite beaufschlagt und bewirkt durch eine mechanische Übertragung mit geeigneter Übersetzung das selbsttätige Schwenken des Windrades in eine zur neuen Windrichtung senkrechte Stellung. Ferner ist es auch bereits bekannt, die Windräder zum Abstellen und besonders zur Verringerung der Beanspruchung der Flügel sowie des Turmes bei sehr grossen Windgeschwindigkeiten willkürlich so zu verstellen, dass die Windradebene in die Windrichtung fällt. Diese Verstellung wurde bisher durch eine zusätzliche, von Hand oder eine beliebige andere Antriebskraft betätigte Stelleinrichtung bewirkt, sodass diese an sich äusserst wirksam und eine hohe Sicherheit der Anlage gewährleistende Regelart eine ständige Wartung erforderte.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Regeleinrichtung für Windräder zu schaffen, bei der die bekannte Windrose sowohl zur selbsttätigen Einstellung des Windrades gegen die Windrichtung als auch zum Ausdrehen des Windrades aus dem Wind dient. Diese Aufgabe ist erfindungsgemäss grundsätzlich dadurch gelöst, dass die Achse der Windrose gegenüber der Windradachse winkelverstellbar ausgebildet ist. Durch diese Ausgestaltung, die nur einen ganz geringfügigen konstruktiven Mehraufwand gegenüber der bisherigen festen Winkelzuordnung zwischen Windrad und Windrosenachse erfordert, gelingt es, die Windrose sowohl in bekannter Weise zum selbsttätigen Vordrehen als auch durch Veränderung des Winkels zwischen den beiden Achsen von 90° bis auf 0° zum Ausdrehen zu benutzen, wodurch insgesamt eine wesentliche Vereinfachung des ganzen Regelmechanismus erzielt wird.

Grundsätzlich kann die Winkelverstellung der Windrosenachse gegenüber der Windradachse auf beliebige Weise also z. B. auch von Hand vorgenommen werden. Ganz besondere Vorteile besitzt die erfindungsgemässe Regeleinrichtung in der Form, dass die Windrosenachse in Abhängigkeit von der Windgeschwindigkeit z. B. durch eine Stauscheibe entgegen einer Rückführeinrichtung, z. B. einer vorgespannten Feder, aus ihrer zur Windradachse senkrechten Grundstellung bis in eine mit der Windradachse parallele Endstellung verschwenkbar ausgebildet wird. Auf diese Weise lässt sich nämlich mit einfachsten Mitteln erreichen, dass das Windrad bis zu einer bestimmten Windgeschwindigkeit laufend selbsttätig vorgedreht, mit wachsender Windgeschwindigkeit jedoch nach und nach selbsttätig aus dem Wind gedreht wird, bis es bei Sturm durch Ausdrehen um 90° völlig stillgesetzt wird, um beim Nachlassen des Windes auch wieder allein anzulaufen. Diese Regelvorgänge erfordern dabei keinerlei äusseren Eingriff, sodass für die mit einer solchen Regeleinrichtung ausgerüsteten Windräder auch keine laufende Wartung erforderlich ist.

Um bei der neuen Regeleinrichtung den Einfluss kurzzeitiger Windstärkeänderungen in Form von Böen auf das Ausdrehen des Rades möglichst klein zu halten, ist es im weiteren Ausbau der Erfindung vorteilhaft, die Winkelverstellung der Windrosenachse mit einer besonderen Dämpfungseinrichtung zu kuppeln, deren Dämpfungsgrad zweckmässig zur Anpassung an die örtlichen oder jahreszeitlichen unterschiedlichen klimatischen Verhältnisse regelbar ausgebildet wird.

Ferner liegt es im Rahmen der Erfindung, die Einstellvorrichtung mit einer zusätzlichen Einrichtung, z. B. in Form eines Handrades, zu versehen zur willkürlichen Winkelverstellung der Windrosenachse unabhängig von der Windgeschwindigkeit, um die Anlage im Bedarfsfall stillsetzen zu können.

Zur Vereinfachung der Bedienung in einem solchen Falle sowie zur gelegentlichen Überprüfung der Anlage auf ordnungsgemässes Arbeiten aller Regelglieder ist es dabei besonders zweckmässig, die Rückführeinrichtung, Dämpfungseinrichtung und Zusatzverstelleinrichtung zu einer Baueinheit zusammenzufassen und diese im Bedienungsstand der ganzen Anlage unterzubringen.

Weitere vorteilhafte Merkmale der erfindungsgemässen Einstellvorrichtung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles an Hand der Zeichnung. Von den 10 Abbildungen zeigen im Einzelnen

Abb. 1 und 2 eine Windkraftanlage mit der neuen Einstellvorrichtung in Seitenansicht und im Grundriss,

Abb. 3 einen senkrechten Längsschnitt durch den Turmkopf nach der Linie III-III der Abb. 2 in vergrössertem Massstab,

Abb. 4 einen ähnlichen Schnitt durch den am Turmfuss angeordneten Bedienungsstand und die

Abb. 5 und 10 drei verschiedene Regelstellungen des Turmkopfes jeweils im Aufriss und Grundriss.

In der Zeichnung bedeutet 1 das eigentliche Windrad, dessen Achse 2 in einem um 360° schwenkbaren Turmkopf 3 gelagert ist. Der Turmkopf 3 enthält ferner die Kegelräder 4 und 5, die die Antriebsleistung von der Windradachse 2 über die stehende Welle 6 in den am Turmfuss angeordneten Maschinenraum 7 übertragen, in dem über ein zweites Winkelgetriebe 8 mit den Kegelrädern 9 und 10 und einer Antriebswelle 11 die Windradleistung an beliebige Arbeitsmaschinen, wie z. B. einen elektrischen Generator 12 und eine Pumpe 13 abgegeben wird. An dem Turmkopf 3 ist ausserdem eine Windrose 14 angebracht, deren Achse 15 gegenüber der Windradachse 2 in Richtung des Pfeiles 16 winkelverstellbar ausgebildet ist. Die Windrosenachse 15 ist zu diesem Zweck in einem um die vertikale Achse 17 um 90° gegenüber dem Turmkopf 3 verschwenkbaren Windrosenkopf 18 befestigt. Die Achse 15 ist dabei in diesem Fall auf der von der Windrose abgewandten Seite 19 des Windrosenkopfes 18 fest eingespannt und trägt an ihrem durch die Windrose 14 hindurch verlängerten Ende 15' eine Stauscheibe 20. Die auf der stillstehenden Achse 15 drehbar gelagerte Windrose 14 überträgt ihre Drehbewegung über eine Hohlwelle 21, ein Kegelgetriebe 22, 23, eine Welle 24, deren Achse mit der Schwenkachse 17 des Windrosenkopfes zusammenfällt, und ein zweites Kegelgetriebe 25, 26 auf eine Schnecke 27, die in Zusammenarbeit mit einem am oberen Ende 28 des festen Turmes angeordneten Schneckenrad 29 das Schwenken des Turmkopfes 3 bewirkt. Der Windrosenkopf 18 wird durch eine im Bedienungsstand 7 angeordnete vorgespannte Rückführfeder 30 über ein Verbindungsgestänge 31 bis 34 in die in den Abb. 2 und 6 dargestellte Grundstellung gezogen, bei der die Windrosenachse 15 und die Windradachse 2 im Grundriss rechtwinklig zueinander stehen. Die Verstellung des Windrosenkopfes 18 mit Hilfe des Gestänges 31 bis 34 erfolgt über einen senkrecht zur Zeichenebene in Abb. 3 verlaufenden Hebel 41, eine Drehwelle 42, einen weiteren Hebel 43 und eine wiederum senkrecht zur Zeichenebene angeordnete Zahnstange 44, die mit einem am Windrosenkopf 18 befestigten Stirnradsegment 45 kämmt. Die Rückführfeder 30 ist nun so bemessen, dass beim Überschreiten einer bestimmten Windgeschwindigkeit des durch den Luftwiderstand der Stauscheibe 20 und der Windrose 14 selbst auf den Windrosenkopf 18 ausgeübte Drehmoment das von der Vorspannkraft der Rückführfeder 30 erzeugte und durch das Verbindungsgestänge 31 bis 34 und 41 bis 45 auf den Windrosenkopf 18 übertragene Gegendrehmoment übersteigt, wodurch sich die Windrosenachse 15 zunächst im Sinne des Pfeiles 16 gegenüber der Windradachse 2 in die in Abb. 6 gestrichelt eingetragene Lage verstellt. Da hierbei die Windrose 14 jedoch einseitig vom Wind beaufschlagt wird, beginnt diese sich zu drehen und schwenkt dabei den Windradkopf 3 mit dem Windrad 1 solange aus dem Wind, bis sie selbst wieder senkrecht zu ihrer Achse 15 angeblasen wird. Auf diese Weise wird das Windrad 1 mit ständig weiter zunehmender Stärke des in Richtung des Pfeiles 35 verlaufenden Windes aus der Grundstellung entsprechend den Abb. 5 und 6 über die Stellung der Abb. 7 und 8 schliesslich in die Endstellung der Abb. 9 und 10 aus dem Wind gedreht, bei der die Ebene des Windrades 1 genau mit der Anströmrichtung des Windes zusammenfällt. In dieser Stellung kann das Windrad 1 leicht gänzlich, vorzugsweise durch eine ebenfalls durch das Verbindungsgestänge 31 betätigte Reibungsbremse 39, zum Stillstand gebracht werden. In dem Verbindungsgestänge 31 bis 34 zwischen Windrosenkopf 18 und Rückführfeder 30 ist ferner eine z. B. aus einem Kolben 36 und einem gas- oder flüssigkeitsgefüllten Zylinder 37 bestehende Dämpfungseinrichtung eingeschaltet, um den Einfluss kurzzeitiger Windstärkeänderungen in Form von Böen nach Möglichkeit auszuschalten. Der Dämpfungsgrad kann dabei beispielsweise durch Veränderung des Durchgangsquerschnittes einer Drosselöffnung 38 im Kolben 36 verändert werden. Mit der Rückführfeder 30 und der Dämpfungseinrichtung 36 bis 38 ist schliesslich eine zusätzliche durch Handkraft zu betätigende Verstelleinrichtung in Form eines auf der Zugstange 31 verschraubbaren Handrades 40 für die willkürliche Stillsetzung der Windkraftanlage zu einer Baueinheit im Bedienungsstand 7 zusammengefasst. Die Windrose 14 ist am schwenkbaren Turmkopf 3 exzentrisch zur Windradachse 2 neben dem Kopf angeordnet. Das auf den schwenkbaren Turmkopf 3 auszuübende Verstellmoment (Vordrehmoment), das erforderlich ist, um das Windrad 1 bei Änderungen der Windrichtung mit seiner Ebene wieder senkrecht gegen die Anblasrichtung zu stellen, nimmt bei Auswanderung des Windes nach der einen oder anderen Seite stark unterschiedliche Werte an. Dies ist auf das Gegenmoment zu dem auf die stehende Welle 6 vom Windrad her übertragene Drehmoment zurückzuführen, das einmal im Sinne des "Vordrehens" und das andere Mal diesem entgegen wirkt. Um nun mit einer möglichst kleinen Windrose auszukommen, ist es wesentlich, dass der Wind die nicht vom Turmkopf verdeckte Seite der Windrose dann beaufschlagen kann, wenn das grössere Vordrehmoment erforderlich ist. Da die Richtung des Gegenmomentes der stehenden Welle vom Drehsinn des Hauptwindrades und der Ausführung des Kegelgetriebes abhängt, ist also die Windrose auf der Seite des Turmkopfes anzuordnen, die vom Wind beaufschlagt wird, wenn das grössere Vordrehmoment erforderlich ist.

Claims (7)

1. Vorrichtung zum Einstellen eines Windrades in einen gewollten Winkel zur jeweiligen Windrichtung unter Verwendung einer am schwenkbaren Turmkopf angebrachten Windrose, dadurch gekennzeichnet, dass die Windrosenachse (15) vorzugsweise in Abhängigkeit von der Windgeschwindigkeit z. B. durch eine Stauscheibe (20) entgegen einer Rückführeinrichtung, z. B. einer vorgespannten Feder (30), aus ihrer zur Windradachse senkrechten Grundstellung bis in eine mit der Windradachse parallele Endstellung verschwenkbar ist.

2. Einstellvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Winkelverstellung der Windrosenachse mit einer Dämpfungseinrichtung gekuppelt ist.

3. Einstellvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämpfungseinrichtung regelbar ausgebildet ist.

4. Einstellvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine zusätzliche Einrichtung, z. B. ein Handrad (40) zur willkürlichen Winkelverstellung der Windrosenachse unabhängig von der Windgeschwindigkeit.

5. Einstellvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückführeinrichtung (30), Dämpfungseinrichtung (36, 37) und Zusatzverstelleinrichtung (40) zu einer Baueinheit zusammengefasst sind, die vorzugsweise im Bedienungsstand der Anlage angeordnet ist.

6. Einstellvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Windrose mit geringem Abstand vom Windrad und der Windradachse auf der Seite des Turmkopfes angeordnet ist, die vom Winde beaufschlagt wird, wenn das grössere Vordrehmoment erforderlich ist.

7. Einstellvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stauscheibe (20) in Verlängerung der Windrosenachse (15) angeordnet ist.