WO2016139152A1 - Vorrichtung zur begrenzung der rotationsgeschwindigkeit eines rotors - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a device for limiting the rotational speed of a rotor according to the preamble of the first claim.
  • the rotational speed of a rotor of a wind turbine should be limited in many cases, to avoid too fast rotation at high wind speeds, which leads to a
  • the invention has the object, an improved device, an improved rotor and a
  • the device comprises a braking means, at least one
  • the braking means in the state of the device attached to the rotor about a pivot axis from a first position to a second position and vice versa is pivotable.
  • the brake means has a higher flow resistance in a rotation of the rotor in the second position than in the first position.
  • the return means is to
  • the braking means for a Pivoting movement is formed in the direction of the first position, the restoring force can trigger in particular this pivotal movement. It may therefore be a restoring force resulting from a torque exerted by the return means. In the first position, the restoring force can also be exerted on the braking means. Preferably, however, in the first position, a movement triggered by the restoring force is prevented. This means that the braking means is arranged without the action of further forces in the first position. During a rotation of the rotor, a centrifugal force acts on the braking means.
  • the device is designed so that, starting from a certain rotational speed of the rotor, the centrifugal force acting on the brake means is greater than the restoring force. When this occurs, the braking means is moved by the centrifugal force in the direction of the second position. As already mentioned, the brake means in the second position during a rotation of the rotor has a greater flow resistance than in the first position. This has the consequence that the rotational speed of the rotor is slowed down. Thus, the risk of damage to the rotor can be reduced by a too high rotational speed.
  • the higher flow resistance of the braking means in the second position can be achieved for example by the fact that Braking means in the second position in the flow direction of the air is relatively short and relatively wide, whereas in the first position in the flow direction of the air it is relatively long and narrow.
  • the width of the brake fluid in the flow direction in the first position may correspond to the length of the brake fluid in the flow direction in the second position.
  • the length of the braking means in the flow direction in the first position may be a multiple of the width of the braking means in the flow direction in the first position. It is particularly possible that this length is at least four times as large as this width.
  • the length in the flow direction can be understood in particular to be the dimension of the brake means in which the air flows.
  • the width in the flow direction can be understood in particular to mean the dimension of the braking means which extends perpendicular to this direction.
  • the length of the brake fluid affects the air resistance much less than the width of the brake fluid.
  • the third dimension of the braking means may be referred to as height.
  • the height of the braking means is the same in the first and second positions.
  • the return means may comprise a spring.
  • the device may comprise a stop means.
  • the braking means may be adapted to abut in the first position on the stop means.
  • the stop means may be designed to be one of Restoring force counteracting force on the brake fluid
  • the braking means is arranged stable in the first position without the action of another force.
  • the braking means may have a teardrop-like cross-sectional shape.
  • drop-like shape can in particular a shape
  • the thickest portion of the mold is slightly offset toward a first end portion such that the thickness of the braking means increases more from the first end portion to the thickest portion than from the second end portion to the thickest portion because of the distance between the second end portion and the thickest portion is greater than the distance between the first end region and the thickest point.
  • the second end region is opposite the first end region.
  • This cross-sectional shape is particularly advantageous for a low flow resistance of the braking means in the first position and a high flow resistance of the braking means in the second position.
  • the brake means In the first position, the brake means may be arranged so that the air flow resulting from the rotation of the rotor flows against the brake means at the first end portion, flows over the thickest portion of the brake means and at the second end portion
  • the braking means may have a center of gravity, which is arranged offset in a first direction to the pivot axis.
  • the first direction is perpendicular to the pivot axis. This also implies that the center of gravity is still in another
  • Direction offset from the pivot axis can be arranged.
  • Mass center of the braking means also be arranged in a second direction offset from the pivot axis.
  • the second direction may be perpendicular to the first direction and perpendicular to the pivot axis.
  • Displaced directions to the pivot axis have the advantage that the centrifugal force moves the braking means in a predictable direction about the pivot axis from the first position to the second position.
  • the return means can be arranged and the restoring force can be chosen so that this movement at relatively low
  • the return means may be adapted to exert the restoring force on the braking means in a position between the first and the second position and in the second position. This includes that the
  • Fig. 1 is a schematic view of an embodiment of
  • Fig. 2 is a sectional view taken along the section line B-B of Figure 1;
  • FIG. 3 is a sectional view taken along the section line A-A of Figure 1.
  • the H-Darrieus rotor 1 comprises a braking means 2, which is a
  • Swivel axis 4 is pivotable.
  • the braking means 2 is shown in a first position in which it has a relatively low flow resistance during rotation of the rotor 1.
  • the braking means 2 is about a pivot axis 4 of the first
  • the center of mass 3 of the braking means 2 is in two mutually perpendicular directions from the pivot axis 4th
  • Pivot axis 4 is achieved that acting on the braking means 2 centrifugal force exerts a pivotal movement of the braking means 2 about the pivot axis 4 when the centrifugal force is sufficiently large and exceeds the restoring force of the return means 5. Then, the braking means is pivoted to a second position in which it has a substantially greater flow resistance than in the first position and triggers a deceleration of the rotational movement.
  • the drop-like cross-sectional shape brake means 2 is shown particularly well.
  • the braking means 2 is shown in the first position. The centrifugal force pivots at a sufficiently high rotational speed of the rotor 1
  • Braking means 2 in Figure 2 in a clockwise direction about the pivot axis 4 in the second position.
  • the rotation from the first position to the second position is about 90 °.
  • In the second position is the

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Begrenzung der Rotationsgeschwindigkeit eines Rotors (1), umfassend ein Bremsmittel (2), zumindest ein Rückstellmittel (5) und zumindest ein Befestigungsmittel zur Befestigung am Rotor (1), wobei das Bremsmittel (2) im am Rotor (1) befestigten Zustand um eine Schwenkachse (4) von einer ersten Position in eine zweite Position und umgekehrt verschwenkbar ist, wobei das Bremsmittel (2) bei einer Rotation des Rotors (1) in der zweiten Position einen höheren Strömungswiderstand als in der ersten Position aufweist, und wobei das Rückstellmittel (5) dazu ausgebildet ist, eine Rückstellkraft auf das Bremsmittel (2) in Richtung der ersten Position auszuüben.

Description

Vorrichtung zur Begrenzung der Rotationsgeschwindigkeit eines
Rotors
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Begrenzung der Rotationsgeschwindigkeit eines Rotors gemäß dem Oberbegriff des ersten Anspruchs.
Die Rotationsgeschwindigkeit eines Rotors einer Windkraftanlage soll in häufigen Fällen begrenzt werden, um eine zu schnelle Rotation bei hohen Windgeschwindigkeiten zu vermeiden, die zu einer
Beschädigung des Rotors führen könnte. Für diesen Zweck sind bereits Bremsmittel für Rotoren bekannt.
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Vorrichtung, einen verbesserten Rotor und eine
verbesserte Windkraftanlage zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1, einen Rotor gemäß Anspruch 8 und eine Windkraftanlage gemäß Anspruch 10 gelöst. Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Die Vorrichtung umfasst ein Bremsmittel, zumindest ein
Rückstellmittel und zumindest ein Befestigungsmittel zur Befestigung am Rotor. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Bremsmittel im am Rotor befestigten Zustand der Vorrichtung um eine Schwenkachse von einer ersten Position in eine zweite Position und umgekehrt verschwenkbar ist. Das Bremsmittel weist bei einer Rotation des Rotors in der zweiten Position einen höheren Strömungswiderstand als in der ersten Position auf. Das Rückstellmittel ist dazu
ausgebildet, eine Rückstellkraft auf das Bremsmittel in Richtung der ersten Position auszuüben. Da das Bremsmittel für eine Schwenkbewegung in Richtung der ersten Position ausgebildet ist, kann die Rückstellkraft insbesondere diese Schwenkbewegung auslösen. Es kann sich also um eine Rückstellkraft handeln, die aus einem Drehmoment resultiert, das von dem Rückstellmittel ausgeübt wird. In der ersten Position kann ebenfalls die Rückstellkraft auf das Bremsmittel ausgeübt werden. Bevorzugterweise wird jedoch in der ersten Position eine durch die Rückstellkraft ausgelöste Bewegung verhindert. Dies bedeutet, dass das Bremsmittel ohne Einwirkung weiterer Kräfte in der ersten Position angeordnet ist. Bei einer Rotation des Rotors wirkt eine Fliehkraft auf das Bremsmittel. Bei einer relativ langsamen Rotation ist diese Fliehkraft so gering, dass das Bremsmittel weiterhin in der ersten Position angeordnet ist. Da das Bremsmittel in der ersten Position einen relativ geringen Strömungswiderstand aufweist, behindert es nur in einem relativ geringen Ausmaß die Rotation des Rotors. Dies ist besonders vorteilhaft für eine effiziente
Energieumwandlung bei einer Windkraftanlage. Die Vorrichtung ist dazu ausgebildet, dass ab einer bestimmten Rotationsgeschwindigkeit des Rotors die auf das Bremsmittel wirkende Fliehkraft größer ist als die Rückstellkraft. Wenn dieser Fall eintritt, wird das Bremsmittel durch die Fliehkraft in Richtung der zweiten Position bewegt. Wie bereits erwähnt, weist das Bremsmittel in der zweiten Position bei einer Rotation des Rotors einen größeren Strömungswiderstand auf als in der ersten Position. Dies hat zur Folge, dass die Rotationsgeschwindigkeit des Rotors verlangsamt wird. So lässt sich die Gefahr einer Beschädigung des Rotors durch eine zu hohe Rotationsgeschwindigkeit verringern.
Der höhere Strömungswiderstand des Bremsmittels in der zweiten Position kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass das Bremsmittel in der zweiten Position in Strömungsrichtung der Luft relativ kurz und dafür relativ breit ist, wohingegen es in der ersten Position in Strömungsrichtung der Luft relativ lang und schmal ist. Beispielsweise kann die Länge des Bremsmittels in
Strömungsrichtung in der ersten Position der Breite des Bremsmittels in Strömungsrichtung in der zweiten Position entsprechen. Die Breite des Bremsmittels in Strömungsrichtung in der ersten Position kann der Länge des Bremsmittels in Strömungsrichtung in der zweiten Position entsprechen. Dabei kann die Länge des Bremsmittels in Strömungsrichtung in der ersten Position ein Vielfaches der Breite des Bremsmittels in Strömungsrichtung in der ersten Position betragen. Es ist insbesondere möglich, dass diese Länge mindestens viermal so groß ist wie diese Breite. Unter der Länge in Strömungsrichtung kann dabei insbesondere die Dimension des Bremsmittels verstanden werden, in der die Luft strömt. Unter der Breite in Strömungsrichtung kann insbesondere die Dimension des Bremsmittels verstanden werden, die sich senkrecht zu dieser Richtung erstreckt. Die Länge des Bremsmittels beeinflusst den Luftwiderstand sehr viel weniger als die Breite des Bremsmittels. Die dritte Dimension des Bremsmittels kann als Höhe bezeichnet werden. Bevorzugterweise ist die Höhe des Bremsmittels in der ersten und der zweiten Position gleich. Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann das Rückstellmittel eine Feder umfassen. Es ist insbesondere möglich, dass es sich um eine Torsionsfeder handelt.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann die Vorrichtung ein Anschlagsmittel umfassen. Das Bremsmittel kann dazu ausgebildet sein, in der ersten Position an dem Anschlagsmittel anzuschlagen. Das Anschlagsmittel kann dazu ausgebildet sein, eine der Rückstellkraft entgegenwirkende Kraft auf das Bremsmittel
auszuüben, sodass das Bremsmittel ohne Einwirkung einer weiteren Kraft stabil in der ersten Position angeordnet ist. Mit anderen Worten kann das Rückstellmittel das Bremsmittel also gegen das
Anschlagsmittel drücken, sodass das Bremsmittel erst durch die Fliehkraft weg vom Anschlagsmittel bewegt wird.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann das Bremsmittel eine tropfenähnliche Querschnittsform aufweisen. Unter einer
tropfenähnlichen Form kann dabei insbesondere eine Form
verstanden werden, die beispielsweise als Querschnittsform von Flugzeugflügeln bekannt ist. Dabei ist der dickste Bereich der Form leicht versetzt in Richtung zu einem ersten Endbereich angeordnet, sodass die Dicke des Bremsmittels vom ersten Endbereich zur dicksten Stelle hin stärker zunimmt als vom zweiten Endbereich zur dicksten Stelle, da die Distanz zwischen dem zweiten Endbereich und der dicksten Stelle größer ist als die Distanz zwischen dem ersten Endbereich und der dicksten Stelle. Dabei liegt der zweite Endbereich dem ersten Endbereich gegenüber.
Diese Querschnittsform ist besonders vorteilhaft für einen niedrigen Strömungswiderstand des Bremsmittels in der ersten Position und einen hohen Strömungswiderstand des Bremsmittels in der zweiten Position. In der ersten Position kann das Bremsmittel so angeordnet sein, dass die aus der Rotation des Rotors resultierende Luftströmung das Bremsmittel am ersten Endbereich anströmt, über den dicksten Bereich des Bremsmittels strömt und am zweiten Endbereich
abströmt. Diese Umströmung des Bremsmittels hat einen besonders geringen Strömungswiderstand zur Folge, was vorteilhaft für die Energieerzeugung mittels des Rotors ist. Wenn dann das Bremsmittel durch die Fliehkraft in die zweite Position bewegt wird, erreicht die Luftströmung in etwa zeitgleich den ersten und den zweiten Endbereich. Die von der Luft zu umströmende Breite der Querschnittsfläche hat sich also erheblich vergrößert, sodass der Luftwiderstand sehr viel größer ist und der Rotor gebremst wird. Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann das Bremsmittel einen Massenschwerpunkt aufweisen, der in einer ersten Richtung versetzt zur Schwenkachse angeordnet ist. Die erste Richtung verläuft dabei senkrecht zur Schwenkachse. Dies schließt mit ein, dass der Massenschwerpunkt außerdem noch in einer weiteren
Richtung versetzt zur Schwenkachse angeordnet sein kann.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann der
Massenschwerpunkt des Bremsmittels auch in einer zweiten Richtung versetzt zur Schwenkachse angeordnet sein. Die zweite Richtung kann senkrecht zur ersten Richtung und senkrecht zur Schwenkachse verlaufen.
Die Anordnung des Massenschwerpunkts in einer oder zwei
Richtungen versetzt zur Schwenkachse hat den Vorteil, dass die Fliehkraft das Bremsmittel in einer vorhersagbaren Richtung um die Schwenkachse von der ersten Position in die zweite Position bewegt. Das Rückstellmittel kann so angeordnet und die Rückstellkraft so gewählt werden, dass diese Bewegung bei relativ geringen
Rotationsgeschwindigkeiten verhindert wird.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann das Rückstellmittel dazu ausgebildet sein, die Rückstellkraft auf das Bremsmittel in einer Position zwischen der ersten und der zweiten Position und in der zweiten Position auszuüben. Dies schließt mit ein, dass die
Rückstellkraft im gesamten Bereich zwischen der ersten Position und der zweiten Position ausgeübt wird. Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegenden
Abbildungen. Dabei werden für gleiche und ähnliche Bauteile und für Bauteile mit gleichen oder ähnlichen Funktionen dieselben
Bezugszeichen verwendet. Darin zeigen:
Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Ausführungsform der
Erfindung ;
Fig. 2 eine Schnittansicht gemäß der Schnittlinie B-B aus Figur 1 ;
und
Fig. 3 eine Schnittansicht gemäß der Schnittlinie A-A aus Figur 1.
Der H-Darrieus-Rotor 1 umfasst ein Bremsmittel 2, das um eine
Schwenkachse 4 schwenkbar ist. In Figur 1 ist das Bremsmittel 2 in einer ersten Position dargestellt, in der es einen relativ niedrigen Strömungswiderstand bei einer Rotation des Rotors 1 aufweist.
Das Bremsmittel 2 ist um eine Schwenkachse 4 von der ersten
Position in eine zweite Position schwenkbar, in der es einen größeren Strömungswiderstand bei einer Rotation des Rotors 1 aufweist. Der Massenschwerpunkt 3 des Bremsmittels 2 ist in zwei zueinander senkrecht verlaufenden Richtungen von der Schwenkachse 4
beabstandet. Die Abstände sind in den Figuren 2 und 3 als Abstand A in der einen und als Abstand B in der anderen Richtung dargestellt.
Es sind außerdem zwei Torsionsfedern als Rückstellmittel 5
vorgesehen, das auf das Bremsmittel 2 eine Rückstellkraft ausübt, die das Bremsmittel 2 bei einer relativ geringen Rotationsgeschwindigkeit des Rotors in der ersten Position hält. Durch die Beabstandung des Massenschwerpunkts 3 von der
Schwenkachse 4 wird erreicht, dass die auf das Bremsmittel 2 wirkende Fliehkraft eine Schwenkbewegung des Bremsmittels 2 um die Schwenkachse 4 ausübt, wenn die Fliehkraft genügend groß wird und die Rückstellkraft des Rückstellmittels 5 übersteigt. Dann wird das Bremsmittel in eine zweite Position verschwenkt, in der es einen wesentlich größeren Strömungswiderstand als in der ersten Position aufweist und eine Abbremsung der Rotationsbewegung auslöst.
In Figur 2 ist besonders gut die tropfenähnliche Querschnittsform Bremsmittels 2 dargestellt. In Figur 2 ist das Bremsmittel 2 in der ersten Position dargestellt. Die Fliehkraft verschwenkt bei einer ausreichend hohen Rotationsgeschwindigkeit des Rotors 1 das
Bremsmittel 2 in Figur 2 im Uhrzeigersinn um die Schwenkachse 4 in die zweite Position. Die Drehung von der ersten Position in die zweite Position erfolgt um ca. 90°. In der zweiten Position ist der
Strömungswiderstand des Bremsmittels 2 erheblich größer, da die breite Seite der tropfenähnlichen Querschnittsform vom Luftstrom angeströmt wird.

Claims

Patentansprüche:
1. Vorrichtung zur Begrenzung der Rotationsgeschwindigkeit eines Rotors (1), umfassend ein Bremsmittel (2), zumindest ein Rückstellmittel (5) und zumindest ein Befestigungsmittel zur Befestigung am Rotor (1),
dadurch gekennzeichnet, dass
das Bremsmittel (2) im am Rotor (1) befestigten Zustand um eine Schwenkachse (4) von einer ersten Position in eine zweite Position und umgekehrt verschwenkbar ist, wobei das
Bremsmittel (2) bei einer Rotation des Rotors (1) in der zweiten Position einen höheren Strömungswiderstand als in der ersten Position aufweist, und wobei das Rückstellmittel (5) dazu ausgebildet ist, eine Rückstellkraft auf das Bremsmittel (2) in Richtung der ersten Position auszuüben.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Rückstellmittel (5) eine Feder, insbesondere ein
Torsionsfeder, umfasst.
3. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ein Anschlagsmittel umfasst, wobei das Bremsmittel (2) dazu ausgebildet ist, in der ersten Position an dem Anschlagsmittel anzuschlagen, und wobei das Anschlagsmittel dazu ausgebildet ist, eine der Rückstellkraft entgegenwirkenden Kraft auf das Bremsmittel (2) auszuüben, sodass das Bremsmittel (2) ohne Einwirkung einer weiteren Kraft stabil in der ersten Position angeordnet ist.
4. Vorrichtung nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bremsmittel (2) eine tropfenähnliche Querschnittsform aufweist.
5. Vorrichtung nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bremsmittel (2) einen
Massenschwerpunkt (3) aufweist, der in einer ersten Richtung versetzt zur Schwenkachse (4) angeordnet ist, wobei die erste Richtung senkrecht zur Schwenkachse (4) verläuft.
6. Vorrichtung nach dem vorherigen Anspruch, dadurch
gekennzeichnet, dass der Massenschwerpunkt (3) in einer zweiten Richtung versetzt zur Schwenkachse (4) angeordnet ist, wobei die zweite Richtung senkrecht zur ersten Richtung und zur Schwenkachse (4) verläuft.
7. Vorrichtung nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rückstellmittel (5) dazu ausgebildet ist, die Rückstellkraft auf das Bremsmittel (2) in einer Position zwischen der ersten und der zweiten Position und in der zweiten Position auszuüben.
8. Rotor (1), umfassend eine Vorrichtung nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Vorrichtung mit dem
Befestigungsmittel am Rotor befestigt ist.
9. Rotor (1) nach dem vorherigen Anspruch, dadurch
gekennzeichnet, dass der Rotor als H-Darrieus-Rotor
ausgebildet ist.
10. Windkraftanlage, umfassend zumindest einen Rotor (1) nach einem der beiden vorherigen Ansprüche.
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