WO2018109029A1 - Lagervorrichtung für ein rotorblatt, rotorblattstellvorrichtung, rotor für eine windenergieanlage und windenergieanlage - Google Patents

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WO2018109029A1
WO2018109029A1 PCT/EP2017/082670 EP2017082670W WO2018109029A1 WO 2018109029 A1 WO2018109029 A1 WO 2018109029A1 EP 2017082670 W EP2017082670 W EP 2017082670W WO 2018109029 A1 WO2018109029 A1 WO 2018109029A1
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rotor
solid
joint
bearing
blade
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PCT/EP2017/082670
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Alexander Hasse
Michael Jüttner
Stephan Tremmel
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Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
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    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction

Definitions

  • the invention relates to a bearing device for a rotor blade of a wind turbine and a rotor blade actuator for a wind turbine. Furthermore, the invention relates to a rotor for a wind turbine and a wind turbine with such a rotor.
  • Wind turbines also referred to as “wind turbines” or “wind turbines” are used in the field of so-called renewable energies for power generation.
  • Such wind turbines usually include a coupled to a generator rotor which is rotated by wind power and thus drives the generator.
  • generators are used, which ideally should be operated with as constant a (rotating) speed as possible. This is particularly advantageous with regard to efficient and cost-effective power generation.
  • the rotational speed of the rotors is usually set, in particular regulated, by a change in the so-called pitch angle (also referred to as “pitch") of the rotor blades to a setpoint value be stopped by the rotor blades "out of the wind” (in particular aligned to the wind direction) are rotated.
  • pitch angle also referred to as "pitch”
  • angle of attack is understood here and below as meaning, in particular, the angle of the sheet plane (specifically a so-called chord of the profile) of the respective rotor blade with respect to the direction of the inflowing air.
  • the entire wind energy installation is also subject to variable loads due to constantly varying wind speeds, in particular also within a region called "wind field" over the diameter of the rotor
  • the respective rotor blade, its bearing, the bearing of the rotor, itself and / or the entire wind turbine may damage the wind turbine, leading to premature failure of the wind turbine in extreme cases can even prevent amortization of the wind turbine.
  • the invention has for its object to increase the life of the storage of rotor blades.
  • This object is achieved by a storage device for a rotor blade with the features of claim 1.
  • this object is achieved by a rotor blade actuator with the features of claim 12.
  • this object is achieved by a rotor for a wind turbine with the features of claim 15.
  • this object is achieved by a wind turbine with the features of the claim 16th
  • the storage device serves for (preferably adjustable) storage of a rotor blade of a wind energy plant.
  • the bearing device comprises a solid-state joint. This solid-state joint is set up to hold the rotor blade on a rotor hub of a rotor of the wind power plant. That is, preferably the rotor blade is fixed in the intended mounting state directly or indirectly to the solid-body joint and by means of the solid-state joint directly or indirectly on a rotor of the wind turbine.
  • the solid-body joint is designed such that under elastic deformation (in particular at least part of the solid-body joint) a rotation (also: torsion) around a rotational axis called Blattstellachse allowed (ie in particular under a directed to the rotation use of a force is possible), and that transversations (displacements) and / or rotations directed transversely and / or longitudinally relative to the blade pitch axis are substantially - ie completely or (in particular within the scope of customary tolerances) approximately - prevented. That is, the solid state joint is "stiffened” or “locked” with respect to degrees of freedom directed transversely of the blade pitch axis.
  • the solid-state joint in the rotational degree of freedom about the blade pitch axis (ie in the direction of rotation about the blade pitch axis), the solid-state joint has a low rigidity and in the other rotational and translational degrees of freedom a much higher rigidity, so that only negligible ranges of motion are possible or preferably prevented in these other degrees of freedom are.
  • under elastic deformation is understood here and below to mean that the solid-body joint is elastically deformed (preferably exclusively) if it is intended to be rotated about the blade pitch axis (especially when a force is used as intended) for adjusting the rotor blade
  • blade pitch axis is understood here and below to mean, in particular, the axis about which the rotor blade mounted on the bearing device is rotated in order to set a (blade) angle of attack in the intended mounting state.
  • the invention is based on the finding that the service life and possibly also the maintenance intervals of wind turbines, in particular their rotors, can be extended by an individual blade adjustment of each rotor blade, in particular depending on the different wind loads acting on the entire rotor in a wind field. Likewise, the loads acting on the structure of the wind turbine can also be reduced, so that at least individual components of the wind turbine can be simplified, in particular made lighter. Furthermore, the efficiency of the wind turbine can be improved. On the other hand, such an individual, mostly dynamic blade adjustment, which often takes place only in the range of a few angular degrees (in particular in the single-digit value range), has a negative effect on bearings which are used for the adjustable mounting of the respective rotor blade.
  • the bearing device in addition to the solid-state joint, also comprises a friction bearing which essentially (exactly or approximately) has only one rotational degree of freedom directed about the blade pitch axis.
  • the storage device is also in this case designed such that the frictional bearing or the solid-body joint for connection to the rotor hub and (correspondingly vice versa) the solid-body joint or the friction bearing are arranged for connection to the rotor blade.
  • the frictional bearing and the solid-state joint are also coupled with each other in terms of force transmission.
  • the frictional bearing and the solid-body joint are connected in series directly or by means of a preferably inherently rigid connection piece in series, resulting in a summation of the respective rotations of the friction bearing and the solid-body joint.
  • a “friction bearing” is understood here and below to mean a bearing which essentially (ie completely or approximately exclusively) is based on (quasi) rigid body movements
  • the frictional bearing is preferably also designed as a so-called “moment bearing”, so that only the above-described rotation is permitted, other shifts (especially in radial as well as in axial direction) and tilting (in particular tilting moments) but are absorbed by the friction bearing.
  • the blade pitch axis coincides with the axis of rotation of the frictional bearing.
  • the friction bearing and the solid joint each comprise, for example, a type of mounting surface or flange, by means of which both in the intended mounting state of the wind turbine (at least the rotor) directly or with the interposition of in particular rigid, preferably intrinsically rigid connecting elements (for example a kind of adapter, Spacers or the like) are connected to the rotor hub or the rotor blade.
  • the combination of the solid-body joint with the frictional bearing allows a large-angle adjustment of the rotor blade, in particular by up to 90 [deg.] Or more, which is usually the case for the conventional setting (control) compared to the maximum possible adjustment range of the solid-body joint (under purely elastic deformation). the rotational speed of the rotor is required.
  • the solid-state joint in the event that the solid-state joint is adjusted independently of the frictional bearing, may also for conventional, frictional bearing atypical and running contrary to their design criteria movement with a particularly small range of motion - especially below a WälzSystem republic or within or on the order of magnitude with respect to
  • relative movements of components preferably within small movement circumferences, which regularly lead to fatigue, material wear and / or deformations, can be decoupled, in particular, from an adjustment of the friction bearing become.
  • the solid-body joint is designed so that it under elastic deformation in an angular range with amounts between 0 ° and 10 °, more preferably from 0 ° to 3 ° or to 5 ° (in particular relative, ie regardless of a set on the frictional bearing angle of the rotor blade) is adjustable.
  • a first coupling element for coupling the solid-body joint with a first actuator element ie with a drive element of a according to the mounting state of the bearing device parent drive system
  • the friction bearing is operatively associated with a second coupling element for coupling the bearing to a second actuator element, in particular the aforementioned drive system (in particular independently controllable by the first actuator element).
  • a second coupling element for coupling the bearing to a second actuator element, in particular the aforementioned drive system (in particular independently controllable by the first actuator element).
  • the friction bearing and the solid joint in the intended mounting state of the rotor can be controlled separately from each other, d. H. adjustable.
  • this advantageously results in the above-described decoupling, in particular of small adjustments of the rotor blade, ie. H. Adjustments in the range of small angles of attack, in particular small angular differences with an amount of about 0 ° to 10 ° (or 5 ° or 3 °) further simplified.
  • the term "functionally assigned” here and below means, in particular, that the respective coupling element is interactively coupled to the frictional bearing or the solid-body joint in such a way that the actuating force transferred from the respective actuator element to the corresponding coupling element during normal operation is transmitted to the frictional bearing or gripper
  • the respective coupling element is expediently connected directly or indirectly to the friction bearing or the solid-body joint.
  • the solid-body joint has, in particular, a first carrier element assigned to the rotor hub or the rotor blade (preferably functionally) and a second carrier element assigned to the rotor blade or the rotor hub (preferably functionally).
  • the second carrier element is fastened to the first carrier element by means of in particular at least two plate-like struts (in particular flat, preferably thin-walled, ie flatter compared to their longitudinal and / or surface extension).
  • a plate plane (ie plane of a flat side) of the struts is also in particular in the direction of the Blattstellach- "(Functionally) assigned" is in this context (analogous to the above description) understood in particular to the effect that the respective support member for (direct or indirect) support of the solid-body joint on the rotor hub or relative to the corresponding other support member movable (immediate One of the two carrier elements thus forms a "stationary" carrier element from the point of view of the rotor blade moved along with the other carrier element - even if this carrier element is held on the rotor hub by means of the frictional bearing and consequently with respect to the rotor hub is mobile.
  • the plate-like struts (also referred to as “lamellae”) advantageously have an area moment of inertia (also referred to as “second-order axial moment of area”) in the direction of their plane of the plate, which (in concrete terms, its value) is a multiple (for example, about 10 to 100).
  • ause is greater than a transversely, in particular normal to the plate plane (ie in particular in the thickness direction of the individual struts) directed area moment of inertia.
  • the plate-like struts are aligned in such a way that a comparatively low area moment of inertia to enable the rotation of the two support elements to each other and a much larger, in particular the largest moment of area contribute to the "blocking" of the remaining degrees of freedom.
  • the struts described above, or at least an imaginary extension of their respective plate plane intersect the blade pitch axis. That is, the plate-like struts are preferably aligned radially to the blade pitch axis.
  • the plate plane of each strut is spanned by the blade pitch axis and a radius ("beam") thereon, due to this arrangement of each strut its area moment of inertia (hence its structural rigidity) is many times in the radial direction as described above greater than the surface moment of inertia (or the structural rigidity in this direction) directed transversely to the radial direction, ie in the circumferential direction or tangential direction (also: normal to the plane of the plate) every strut.
  • the solid-body joint in this case is formed to a large part of its volume (ie in particular to more than 50%) as a ripple-like structure, which contributes to a lightweight construction aimed particularly at wind turbines.
  • the first and the second carrier element of the solid-body joint are designed as ring sections (in particular opposite annular ring sections), in particular circular ring sections.
  • the at least two struts are fastened to one of the two ring sections with their opposite ends, in this case referred to as "radial ends.”
  • the respective ends of the two ring sections (in particular in the case of the circular ring sections whose ends are in the circumferential direction In the case of the circular ring sections, these are thus designed, in particular, smaller than a semicircular section and span, for example, approximately a quarter circle from the stiffness of the solid-body joint to be achieved in the other degrees of freedom (and in particular also by the size, preferably the diameter of the solid-body joint), the two ring sections are elongated in the direction of the blade pitch axis.
  • the at least two struts intersect in the leaf pitch axis.
  • the struts are connected to each other in particular in the field of Blattstellachse comparable to the spokes of a wheel.
  • the struts preferably extend in the direction of the blade pitch axis at least approximately over each other Same length as the two ring sections.
  • the struts also cross the blade pitch axis, but are sequentially (and separated) along the pitch axis, ie, the struts do not intersect one another in this case.
  • This second variant is also called "cross spring joint". In both cases, the struts in a rotation of the solid body joint about the blade axis, in particular of the two ring sections against each other, essentially to bending (in particular to the blade pitch axis) claimed.
  • the solid-state joint as the first and second support member comprises a first and a second hinge base plate and the above described at least two, with their respective plate plane axially and radially aligned struts.
  • the two joint base plates are arranged with their respective associated base plate plane perpendicular to the pitch axis and in particular axially spaced from each other.
  • each strut is arranged to extend axially between the two hinge base plates.
  • the struts are preferably fastened with their respective axial ends to the first joint base plate and to the second joint base plate.
  • the solid-state hinge comprises four or more than four of these struts, for example six, seven, eight or up to about thirty.
  • the at least two struts intersect in the leaf pitch axis.
  • the struts do not extend beyond the blade pitch axis, but are spaced radially therefrom, in which case the solid-body joint includes at least four struts In the case of exactly four struts, their plate planes are expediently perpendicular to one another.
  • This further variant is also referred to as "cage joint", in particular in the event that more than four struts are present, since the struts are "grid-like" around a central, about the leaf pitch axis In the latter case, it is also possible in a simple manner to save mass in the area of the solid-state joint without the rigidity of the solid-state joint in the to significantly reduce their degrees of freedom (as the degree of freedom rotatable about the pitch axis).
  • the struts are claimed in two variants of this embodiment in a rotation of the solid body joint about the blade axis, in particular the two joint base plates against each other, superimposed on bending superimposed with torsion.
  • the solid-body joint is also designed in such a way that any shortening that occurs in the event of torsion of the solid-body joint (in particular with respect to the total length of the solid-body joint) is negligibly small.
  • the entire length of the solid-body joint (in particular with a rotor diameter of about 40 to 160 meters) in the direction of the blade pitch axis is between 1 and 3 meters, in particular about 2 meters.
  • the solid-body joint comprises a steep-force support element which is in particular rigidly connected to the first coupling element and which is rigidly coupled to the first support element, for example the first joint base plate.
  • the first coupling element and the Steeilkraft spalement are formed in one optional variant by one and the same component.
  • the second support element for example, the second base plate to
  • the fastening element is rigidly connected to the second carrier element.
  • the steep force support element thus serves to transmit the actuating force between the two carrier elements and therefore to enable the adjustment (in particular the rotation about the blade pitch axis) of the second carrier element to the first carrier element.
  • the steep force support element is designed in particular as a (preferably circular) hollow cylinder which extends centrally to the struts from the first joint base plate to the second joint base plate.
  • the steep force support member forms a tube or channel that extends centrally through the solid-body hinge (particularly through the central clearance of the cage hinge) from the first hinge base plate to the second hinge base plate.
  • the second coupling element can be arranged on an axial side, in particular in the region of the second joint base plate.
  • a conduit for the implementation of supply lines through the solid-state joint itself can also serve as a passageway for maintenance personnel in the rotor blade.
  • the steep-force support element designed as a hollow cylinder extends on the outside to the struts from the first joint base plate to the second joint base plate and thus forms a kind of housing around the struts.
  • This is expedient, for example, in the formation of the solid-body joint as a universal joint.
  • this design of the Steeilkraft spalements but also come in the execution of the solid-state joint as Wagenrad- or Kreuzfedergelenk used.
  • the struts described above of the solid-body joint are made of metal, in particular steel, or of a fiber-reinforced plastic, for example of a carbon-fiber-reinforced thermoset or of a thermoplastic.
  • a fiber-reinforced plastic for example of a carbon-fiber-reinforced thermoset or of a thermoplastic.
  • fibers alternatively or optionally additionally glass fibers, aramid fibers, basalt fibers and / or plastic fibers are used.
  • a composite construction of metal and fiber-reinforced plastic is used for the struts.
  • a metallic core is sandwiched with a fiber reinforced plastic.
  • the frictional bearing is designed as a roller bearing, for example as a ball bearing, roller bearing or roller bearing. det. In this case, the friction is thus "rolling friction.”
  • the friction bearing is designed as a sliding bearing, preferably as a “segmented" sliding bearing.
  • the slide bearing comprises two abutting, annular sliding elements, of which at least one is divided into a plurality of individual elements, which can be exchanged separately. This allows a particularly high level of serviceability and, in particular, comparatively low repair costs in the event of damage, since possibly only individual segments have to be exchanged.
  • one of the sliding elements is U-shaped and surrounds the other sliding element seen in the axial direction front and back.
  • the individual elements are U-shaped.
  • the rotor blade adjusting device according to the invention for the wind turbine comprises the bearing device described above. That is, the rotor blade actuating device comprises at least the above-described solid-body joint, and preferably also the friction bearing. Furthermore, the rotor blade actuating device comprises the drive system which is superordinate to the bearing device and which is set up at least for adjusting the solid-body joint, if appropriate also preferably for respectively separate adjustment of the friction bearing and the solid-body joint. Ie. the drive system is designed in the latter case such that it can adjust the friction bearing independently of the solid-state joint (and vice versa). For example, the drive system comprises a central force generating element, in particular a hydraulic unit such. B.
  • the drive system preferably comprises a central control unit, in particular a controller (preferably a microchip, in particular with an associated memory module), which is optionally (switching or software technology) configured to control the first actuator element separately from the second actuator element.
  • the drive system comprises at least one (separate) electric motor with a correspondingly assigned transmission as the first and optionally as the second actuator element.
  • This or the respective electric motor is in this case coupled with the central control unit or the controller in a signal-transmitting manner, so that optionally a separate generation of a control force for the adjustment of the frictional bearing or of the solid-body joint can take place in a targeted manner. In this case, therefore, the above-mentioned series connection of the setting angles of the frictional bearing and the solid-state joint is realized.
  • the drive system in particular its (central) controller, is set up to adjust the frictional bearing only when a manipulated variable required for adjusting the respective rotor blade exceeds a predetermined threshold value.
  • both the control value and the threshold value are an angular difference between an actual setting angle of the rotor blade and a desired setting angle.
  • the solid-state joint comprises a mechanical stop for limiting the possible adjusting movement.
  • Conswiese is this stop on the (hollow cylindrical) Steep force support element arranged, and a corresponding counterpart on the second carrier element.
  • the drive system is signal transmission-technically coupled in the normal operating condition with sensors or includes such sensors, in particular those that make a conclusion on the voltage applied to the respective rotor blade wind load - or preferably on the applied within a subsequent time window wind loads.
  • sensors are formed in a simple embodiment by force sensors, for example. Strain sensors. Radar sensors or optical sensors, for example, are also used for the predictive determination of wind loads. Thus, a reactive or preferably even predictive adjustment (control) of the individual (rotor blade) angle of attack is possible.
  • the rotor according to the invention for the wind power plant comprises a number of rotor blades and a rotor hub for supporting these rotor blades.
  • the respective rotor blade is mounted on the rotor hub adjustable by means of the bearing device of the type described above.
  • the rotor comprises the drive system described above.
  • the drive system is therefore set up to adjust the solid-body joint and preferably to separate it from the friction bearing.
  • the rotor comprises, in particular, the rotor blade adjusting device described above.
  • the wind power plant according to the invention comprises a mast (or tower) as well as the rotor mounted in particular on this mast, which is preferably designed in the manner described above.
  • FIG. 1 is a schematic front view of a fragment of a rotor of a wind turbine
  • FIG. 8 in a sectional view VI I -VI I of FIG. 1 a section of the
  • FIG. 9 shows a diagram of the course of an angle of attack of the rotor blade over time.
  • a rotor 1 is shown a wind turbine not shown.
  • the rotor 1 comprises a rotor hub 2, by means of which the rotor 1 is rotatably supported on a mast of the wind power plant about a rotor axis.
  • the rotor 1 further comprises three rotor blades 3.
  • the rotor 1 for supporting each rotor blade 3 on the rotor hub 2 in each case comprises a bearing device 4.
  • the bearing device 4 is configured to rotatably support the respective rotor blade 3 about a longitudinal axis designated as "blade pitch axis 5."
  • blade pitch axis 5 a longitudinal axis designated as "blade pitch axis 5.”
  • angle of attack ⁇ thereby amounts to values between 0 ° - ie the leaf level (also referred to as profile chord) of the rotor blade 3 lies here in the direction of flow of the wind, usually perpendicular to a plane of rotation of all rotor blades 3 of the rotor 1- and 90 °.
  • the rotor blade 3 is usually located with its plane in the plane of rotation of the rotor.
  • the bearing device 4 comprises in addition to such a friction bearing 10, a solid-state joint 12, which is arranged to the frictional bearing 10 in series and rigid with it is coupled.
  • the rotor blade 3 is coupled to the solid-state joint 12.
  • the frictional bearing 10 is coupled to the rotor hub 2.
  • the drive system is configured in the manner described in more detail below to adjust the solid-body joint 12 independently of the friction bearing 10, so that adjustment movements in an angular range with amounts between 0 ° and 10 °, specifically between 0 ° and 3 °, only under elastic Deformation of the solid-body joint 12 and carried out without adjustment of the friction bearing 10.
  • the bearing device 4 comprises only the solid-state joint 12.
  • the friction bearing 10 is omitted in this case. 2
  • an embodiment of the solid-state joint 12 is shown in more detail.
  • the solid-body joint 12 comprises a first circular ring section 14 as a first carrier element and a second circular ring section 16 as a second carrier element. Both circular ring sections 14 and 16 are arranged concentrically around the blade pitch axis 5.
  • the first circular ring section 14 is coupled in the intended mounting state (see Fig. 1) with a first axial end 18 with the friction bearing 10 and thus forms from the perspective of the respective rotor blade 3, a fixed element of the solid-state joint 12 (indicated by four bars 20).
  • the second circular ring section 16 is connected to the first circular ring section 14 by means of two struts 22 crossing in the leaf adjusting axis 5 (spoke-like) and plate-shaped.
  • the struts 22 are connected with their respective radial ends to the first and second circular ring section 14 and 16, respectively.
  • the second circular ring section 16 is connected in the intended mounting state with a first axial end 18 axially opposite second axial end 26 with the rotor blade 3.
  • This embodiment of the solid state joint 12 is also referred to as Wagenradgelenk.
  • the solid-state joint 12 is thus stiffened (or "locked") in this direction, but due to the plate-like shape of the struts 22, the area moment of inertia of each strut 22 is small, so that an elastic deformation is possible Struts 22 can thus be a rotation of the second circular ring section 16 relative to the first circular ring section 14, ie a movement in the circumferential direction 28. This results in an adjustment of the angle ⁇ of the rotor blade 3 without relative movement of two components to each other - ie without sliding or rolling as in rolling or sliding bearings - allows.
  • Fig. 3 is a modified to the embodiment described above embodiment of the solid-state joint 12 is shown.
  • the solid-state joint 12 comprises three struts 22 which are axially consecutive, d. H. at least minimally axially spaced from each other.
  • the mode of operation essentially corresponds to the exemplary embodiment described above.
  • the axially centrally disposed to the two axially outer struts 22 strut 22 has a wider plate surface.
  • the area is chosen such that the area moment of inertia of the central strut 22 (in the axial and / or radial direction) corresponds to the sum of the area moments of inertia of the two outer struts 22.
  • This embodiment of the solid-state joint 12 is also referred to as a cross spring joint.
  • the solid-state joint 12 is formed in the manner of the two embodiments described above and has more than two or three struts 22 each.
  • the solid-state joint 12 also has the struts 22, which are formed here comparable to the embodiment of FIG. In contrast to Fig. 2, however, the radial ends (edges) of the struts 22 are free.
  • the solid-state joint 22 also has a first and a second joint base plate 30 and 32, respectively.
  • the two joint base plates 30 and 32 are arranged with their base plate planes perpendicular to the Blattstellachse 5 and axially - concretely spaced from each other by the axial longitudinal extension of the struts 22.
  • the struts 22 are secured with their axial ends to the respective joint base plate 30 and 32, respectively.
  • the first joint base plate 30 is also designed and provided for coupling with the friction bearing 10, and thus forms the fixed element from the perspective of the rotor blade 3. Accordingly, the second joint base plate 32 is arranged and provided for holding the rotor blade 3.
  • the second joint ground plate 32 is adjustable with elastic deformation of the struts 22 in the circumferential direction 28 with respect to the first joint base plate 30.
  • This embodiment of the solid-body joint 12 is also referred to as a universal joint.
  • FIG. 5 shows a further embodiment of solid-state joint 12 that has been developed with reference to FIG. 4.
  • the two struts 22 of the previous embodiment are replaced by four struts 22, which are arranged radially opposite each other and offset by 90 ° about an axis-central free space 34.
  • the struts 22 thus do not extend beyond the blade pitch axis 5, but are spaced therefrom.
  • the free space 34 also extends through the two hinge base plates 30 and 32 in that they each have a corresponding axis-central opening.
  • the solid-body joint 12 has a multiplicity (in the present case, in concrete terms) of the struts 22, which are arranged analogously to the exemplary embodiment according to FIG. 5.
  • This embodiment of the solid-body joint 12 is - due to the grid-like arrangement of the struts 22 around the free space 34 around - also referred to as a cage joint.
  • the operation of this embodiment and the embodiment of FIG. 5 substantially corresponds to that of the embodiment of FIG. 4th
  • FIG. 7 an embodiment of the rotor 1 in an exploded view and in Fig. 8 in a section VI I -VI I shown in FIG. 1 is shown.
  • the solid-body joint 12 of the bearing device 4 is analogous to the embodiment of FIG. 6 is formed.
  • the frictional bearing 10 is formed as a sliding bearing having a first, annular sliding member 36 and a second, in individual elements (segments 38) divided sliding member 40.
  • the segments 38 of the second sliding member 40 are U-shaped and engage in the intended mounting state of the rotor 1, the first sliding member 36 seen in the direction of the blade pitch axis 5 front and back (see Fig .. 8).
  • the first sliding element 36 is designed for (specifically rigid) connection to the rotor hub 2.
  • the first sliding element 36 is in the assembly according to the mood of the rotor 1 with the rotor hub 2 screwed (screws are not shown in Fig. 7 and 8 for clarity).
  • the second sliding element 40 is correspondingly screwed to the first joint base plate 30 of the solid-body joint 12.
  • the respective rotor blade 3 is screwed to the second joint base plate 32 of the solid-body joint 12.
  • Solid-state hinge 12 also includes a steep-bore support member 44 formed as a hollow cylinder that is rigidly (i.e., immovably) connected to first hinge base plate 30.
  • the steep force support element 44 extends from the first joint base plate 30 through the clearance 34 with a rotor blade-side end 48 beyond the second joint base plate 32, but is not directly connected to the latter.
  • the actuating force support element 44 is rigidly connected to the first coupling element 42.
  • On the second joint base plate 32 also three fasteners 50 are each arranged in the form of a Anschraubwinkels.
  • first actuator elements 52 are each formed as a hydraulic cylinder. A change in length of these hydraulic cylinders thus leads to a rotation of the second joint base plate 32 about the blade pitch axis 5 with respect to the steep force support element 44 and thus with respect to the first joint base plate 30.
  • a second coupling element 54 specifically in the form of a dome, and a second actuator element 56 are associated therewith.
  • the second coupling element 54 a force applied by the second actuator element 56 is transmitted to the sliding bearing, specifically to the first sliding base plate 30 rigidly connected to the second sliding element 40.
  • the second coupling element 54 is arranged eccentrically on the first joint base plate 30 (see Fig. 8).
  • the second actuator element 56 is a hydraulic cylinder. A Due to its eccentric connection, the change in length of the hydraulic cylinder thus leads to a rotation of the second sliding element 40 and the entire rotor joint 3 and the rotor blade 3 supported thereon about the pitch axis 5.
  • the actuator elements 52 and 56 each form part of the drive system described above.
  • the drive system also includes a central control unit, not shown, which is also referred to as a controller.
  • This controller is set up to cause an individual, wind load-dependent adjustment of each rotor blade 3 in addition to a uniform adjustment of all rotor blades 3 during operation of the wind turbine.
  • the controller is set up to control the respective rotor blade 3 by small angle (degree) differences with an amount of 0 ° to 5 °, specifically up to 3 ° to drive only the first actuator elements 52 and thus only the solid-state joint 12 twist.
  • the second actuator element 56 will only then be activated (and thus the slide bearing will not be rotated) if the angular difference required to set a value of the angle of attack ⁇ exceeds a predetermined threshold, specifically if this angular difference is greater than 5 ° or 3 °.
  • the diameter of the rotor 1 is between 70 and 130 meters.
  • the length of the solid-body joint 12 in the direction of the leaf pitch axis 5 is about 2 meters.
  • FIG. 9 schematically shows the course of the angle of attack ⁇ of a single rotor blade 3 over time t.
  • the course shown by a solid line indicates the angle of rotation of the friction bearing 10 again.
  • the course shown with a dashed line indicates the angle of rotation of the solid-body joint 12 both with respect to the friction bearing 10 and the actual Chen incidence ⁇ of the rotor blade 3 again.
  • the friction bearing 10 is used to align the rotor blade 3 according to the average wind load, whereas with the solid-state joint 12 adjusting operations for individual, (high) dynamic adjustment of the Anstellwin- cle ⁇ to locally varying wind loads small amounts of movement.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Lagervorrichtung (4) für ein Rotorblatt (3), eine Rotorblattstellvorrichtung und einen Rotor (1) einer Windenergieanlage, sowie eine solche Windenergieanlage selbst. Die Lagervorrichtung (4) umfasst ein Festkörpergelenk (12). Letzteres dient zur Halterung des Rotorblatts (3) an einer Rotornabe (2) des Rotors (1) der Windenergieanlage. Außerdem ist das Festkörpergelenk (12) derart gestaltet, dass unter elastischer Deformation eine Verdrehung um die Blattstellachse (5) zugelassen ist, und dass quer und/oder längs zur Blattstellachse (5) gerichtete Translationen und/oder Verdrehungen im Wesentlichen unterbunden sind.

Description

Beschreibung
Lagervorrichtung für ein Rotorblatt, Rotorblattstellvorrichtung, Rotor für eine Windenergieanlage und Windenergieanlage
Die Erfindung betrifft eine Lagervorrichtung für ein Rotorblatt einer Windenergieanlage sowie eine Rotorblattstellvorrichtung für eine Windenergieanlage. Des Weiteren betrifft die Erfindung einen Rotor für eine Windenergieanlage sowie eine Windenergieanlage mit einem solchen Rotor.
Windenergieanlagen, auch als„Windturbinen" oder„Windräder" bezeichnet, kommen im Bereich der sogenannten erneuerbaren Energien zur Stromerzeugung zum Einsatz. Derartige Windenergieanlagen umfassen üblicherweise einen mit einem Generator gekoppelten Rotor, der durch Windkraft in Rotation versetzt wird und somit den Generator antreibt. Meist kommen dabei Generatoren zum Einsatz, die idealerweise mit einer möglichst konstanten (Dreh-)Geschwindigkeit betrieben werden sollten. Dies ist insbesondere im Hinblick auf eine effiziente und kostengünstige Stromerzeugung vorteilhaft.
Da meist allerdings lokal und zeitlich variierende Windgeschwindigkeiten vorliegen, wird die Drehgeschwindigkeit der Rotoren üblicherweise durch eine Veränderung des sogenannten Anstellwinkels (auch als„Pitch" bezeichnet) der Rotorblätter auf einen Sollwert eingestellt, insbesondere geregelt. Mittels einer solchen Rotorblattverstellung kann im Bedarfsfall die Rotation auch gestoppt werden, indem die Rotorblätter„aus dem Wind" (insbesondere fluchtend zur Windrichtung) gedreht werden. Unter dem Begriff„Anstellwinkel" wird hier und im Folgenden insbesondere der Winkel der Blattebene (konkret einer sogenannten Profilsehne) des jeweiligen Rotorblatts gegenüber der Richtung der anströmenden Luft verstanden. Zusätzlich zu der Problematik, dass eine möglichst gleichbleibende Drehgeschwindigkeit des Rotors beibehalten werden sollte, ist die gesamte Windenergieanlage aber auch aufgrund von ständig variierenden Windgeschwindigkeiten, insbesondere auch innerhalb eines als„Windfeld" bezeichneten Bereichs über den Durchmesser des Rotors, veränderlichen Belastungen ausgesetzt. Diese Belastungen können das jeweilige Rotorblatt, dessen Lagerung, die Lagerung des Rotors, diesen selbst und/oder die gesamte Windenergieanlage unter Umständen schädigen und so zu einem vorzeitigen Ausfall der Windenergieanlage führen. Deshalb sind unter Umständen vergleichsweise hohe Wartungskosten zum Erhalt der Funktionstüchtigkeit der Windenergieanlage nötig, die im Extremfall sogar eine Amortisation der Windenergieanlage verhindern können.
Um aufgrund derartiger Windfelder mit lokal variierenden Windgeschwindigkeiten die Belastung der einzelnen Rotorblätter möglichst gering zu halten, kommt teilweise eine sogenannte individuelle Anstellwinkelregelung (auch als„individual pitch control", kurz: IPC, bezeichnet) zum Einsatz. Dabei wird in Abhängigkeit von der auf ein einzelnes Rotorblatt wirkenden Windkraft das jeweilige Rotorblatt einzeln (d. h. alle Rotorblätter separat voneinander und insbesondere während der Rotation fortlaufend) in seinem Anstellwinkel verstellt. Dadurch kann auch die auf die gesamte Windenergieanlage wirkende Belastung verringert werden, was zur Reduktion von Material an nahezu allen Komponenten der Windenergieanlage genutzt werden kann. Nachteilig an einer solchen individuellen Verstellung der Anstellwinkel ist jedoch, dass hier häufig (nur) Verstellungen im Bereich einstelliger Winkelwerte (insbesondere gemessen in Winkel- oder Bogengrad) erforderlich sind und vorgenommen werden, denn derart kleine Bewegungen unter Last führen bei herkömmlichen Lagern, wie z.B. Wälz- oder Gleitlagern, häufig zu übermäßigem Verschleiß und/oder zu Belastungen, die außerhalb des bestimmungsgemäßen, insbesondere auslegungskonformen Lastbereichs solcher Lager liegen. Dies kann wiederum zu erhöhten Wartungskosten und/oder zu vorzeitigen Ausfällen derartiger Lager führen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Lebensdauer der Lagerung von Rotorblättern zu erhöhen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Lagervorrichtung für ein Rotorblatt mit den Merkmalen des Anspruchs 1 . Des Weiteren wird diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch eine Rotorblattstellvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 12. Ferner wird diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch einen Rotor für eine Windenergieanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 15. Außerdem wird diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch eine Windenergieanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 16.
Die erfindungsgemäße Lagervorrichtung dient zur (vorzugsweise verstellbaren) Lagerung eines Rotorblatts einer Windenergieanlage. Die Lagervorrichtung um- fasst dabei ein Festkörpergelenk. Dieses Festkörpergelenk ist dabei zur Halterung des Rotorblatts an einer Rotornabe eines Rotors der Windenergieanlage eingerichtet. Das hei ßt, dass vorzugsweise das Rotorblatt im bestimmungsgemäßen Montagezustand mittelbar oder unmittelbar an dem Festkörpergelenk befestigt ist und mittels des Festkörpergelenks mittelbar oder unmittelbar an einem Rotor der Windenergieanlage. Außerdem ist das Festkörpergelenk derart gestaltet, dass unter elastischer Deformation (insbesondere zumindest eines Teils des Festkörpergelenks) eine Verdrehung (auch: Torsion) um eine als Blattstellachse bezeichnete Rotationsachse zugelassen (d. h. insbesondere unter einem auf die Verdrehung gerichteten Einsatz einer Stellkraft möglich) ist, und dass quer und/oder längs zur Blattstellachse gerichtete Translationen (Verschiebungen) und/oder Verdrehungen im Wesentlichen - d. h. vollständig oder (insbesondere im Rahmen üblicher Toleranzen) näherungsweise - unterbunden sind. Das hei ßt, dass das Festkörpergelenk im Hinblick auf quer bzw. längs zur Blattstellachse gerichtete Freiheitsgrade„versteift" oder„gesperrt" ist. Anders ausgedrückt weist das Festkörpergelenk im rotatorischen Freiheitsgrad um die Blattstellachse (d. h. in Rotationsrichtung um die Blattstellachse) eine niedrige Steifigkeit und in den übrigen rotatorischen und translatorischen Freiheitsgraden eine um ein Vielfaches höhere Steifigkeit auf, sodass in diesen übrigen Freiheitsgraden lediglich vernachlässigbare Bewegungsumfänge möglich oder vorzugsweise unterbunden sind. Unter dem Ausdruck„unter elastischer Deformation" wird hier und im Folgenden insbesondere verstanden, dass das Festkörpergelenk (vorzugsweise ausschließlich) elastisch deformiert wird, wenn es zur Verstellung des Rotorblatts bestimmungsgemäß um die Blattstellachse (insbesondere unter bestimmungsgemäßem Einsatz einer Stellkraft) verdreht wird. Unter dem Begriff„Blattstellachse" wird hier und im Folgenden insbesondere die Achse verstanden, um die im bestimmungsgemäßen Montagezustand das an der Lagervorrichtung montierte Rotorblatt zur Einstellung eines (Blatt-)Anstellwinkels verdreht wird.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Lebensdauer sowie gegebenenfalls auch die Wartungsintervalle von Windenergieanlagen, insbesondere deren Rotoren, durch eine individuelle Blattverstellung eines jeden Rotorblatts, insbesondere in Abhängigkeit der in einem Windfeld auf den gesamten Rotor wirkenden, unterschiedlichen Windlasten, verlängert werden können. Ebenso können auch die auf die Struktur der Windenergieanlage wirkenden Belastungen verringert werden, sodass zumindest einzelne Bauelemente der Windenergieanlage vereinfacht, insbesondere leichter gestaltet werden können. Des Weiteren kann auch der Wirkungsgrad der Windenergieanlage verbessert werden. Andererseits wirkt sich eine solche individuelle, meist dynamische Blattverstellung, die häufig nur im Bereich weniger Winkelgrad (insbesondere im einstelligen Wertebereich) abläuft, negativ auf Lager aus, die zur verstellbaren Halterung des jeweiligen Rotorblatts eingesetzt werden. Mittels der erfindungsgemäßen Lagervorrichtung ist es hingegen möglich, eine Blattverstellung insbesondere im Bereich weniger (Winkel-)Gradzahlen nur durch elastische Deformation des Festkörpergelenks auszuführen. Somit können aufgrund der erfindungsgemäßen Lagervorrichtung Relativbewegungen (z. B. Abgleiten und/oder Abrollen) von Bauteilen, die regelmäßig zu Ermüdung, Materialverschleiß und/oder Deformationen führen, vermieden werden.
In einer bevorzugten Ausführung umfasst die Lagervorrichtung zusätzlich zu dem Festkörpergelenk auch ein reibungsbehaftetes Lager, das im Wesentlichen (exakt oder näherungsweise) nur einen um die Blattstellachse gerichteten rotatorischen Freiheitsgrad aufweist. Insbesondere ist die Lagervorrichtung dabei außerdem derart gestaltet, dass das reibungsbehaftete Lager oder das Festkörpergelenk zur Verbindung mit der Rotornabe und (entsprechend umgekehrt) das Festkörpergelenk bzw. das reibungsbehaftete Lager zur Verbindung mit dem Rotorblatt eingerichtet sind.
Vorzugsweise sind das reibungsbehaftete Lager und das Festkörpergelenk außerdem untereinander kraftübertragungstechnisch gekoppelt. Besonders bevorzugt sind das reibungsbehaftete Lager und das Festkörpergelenk dabei unmittelbar oder mittels eines vorzugsweise in sich starren Verbindungsstücks in Reihe geschaltet, sodass sich eine Summation der jeweiligen Verdrehungen des reibungsbehafteten Lagers und des Festkörpergelenks ergibt.
Unter einem„reibungsbehafteten" Lager wird hier und im Folgenden ein Lager verstanden, das im Wesentlichen (d. h. vollständig oder näherungsweise ausschließlich) auf (Quasi-)Starrkörperbewegungen beruht. Insbesondere sind bei einem solchen Lager wenigstens zwei Bauteile des Lagers (die jeweils einen der vorstehenden Starrkörper bilden) unter Überwindung einer Reibungskraft (z. B. Rollreibung oder Gleitreibung) relativ zueinander verstellbar. Das reibungsbehaftete Lager ist vorzugsweise außerdem als sogenanntes„Momentenlager" ausgeführt, sodass lediglich die vorstehend beschriebene Rotation zugelassen ist, sonstige Verschiebungen (insbesondere in radialer sowie in axialer Richtung) und Verkippungen (insbesondere Kippmomente) aber von dem reibungsbehafteten Lager aufgenommen werden.
Vorzugsweise fällt die Blattstellachse mit der Rotationsachse des reibungsbehafteten Lagers zusammen.
Unter„zur Verbindung eingerichtet" wird hier und im Folgenden insbesondere dahingehend verstanden, dass das reibungsbehaftete Lager sowie das Festkörpergelenk jeweils bspw. eine Art Montagefläche oder Flansch umfassen, mittels derer beide im bestimmungsgemäßen Montagezustand der Windenergieanlage (zumindest des Rotors) unmittelbar oder unter Zwischenschaltung von insbesondere steifen, vorzugsweise in sich starren Verbindungselementen (bspw. einer Art Adapter, Abstandsstücken oder dergleichen) mit der Rotornabe bzw. dem Rotorblatt verbunden sind.
Unter dem Ausdruck„und/oder" wird hier und im Folgenden insbesondere verstanden, dass die mit diesem Ausdruck verknüpften Merkmale als Alternativen oder auch in Kombination vorliegen können.
Vorteilhafterweise ermöglicht die Kombination des Festkörpergelenks mit dem reibungsbehafteten Lager eine, im Vergleich zum (unter rein elastischer Deformation) maximal möglichen Verstellbereich des Festkörpergelenks gesehen, großwinkelige Verstellung des Rotorblatts, insbesondere um bis zu 90° oder mehr, die meist zur herkömmlichen Einstellung (Regelung) der Rotationsgeschwindigkeit des Rotors erforderlich ist. Insbesondere für den Fall, dass das Festkörpergelenk unabhängig von dem reibungsbehafteten Lager verstellt wird, kann auch eine für herkömmliche, reibungsbehaftete Lager untypische und entgegen deren Auslegungskriterien ablaufende Bewegung mit besonders kleinem Bewegungsumfang - insbesondere unterhalb einer Wälzkörperteilung oder innerhalb oder in der Größenordnung einer in Bezug auf ein Wälzlager sogenannten„Kontaktellipse" - auf besonders einfache Weise vermieden werden. Somit können mittels der vorliegenden Ausführung der Lagervorrichtung Relativbewegungen von Bauteilen vorzugsweise innerhalb kleiner Bewegungsumfänge, die regelmäßig zu Ermüdung, Materialverschleiß und/oder Deformationen führen, insbesondere von einer Verstellung des reibungsbehafteten Lagers entkoppelt werden.
Vorzugsweise ist das Festkörpergelenk derart ausgelegt, dass es unter elastischer Deformation in einem Winkelbereich mit Beträgen zwischen 0° und 10°, besonders bevorzugt von 0° bis 3° oder bis 5° (insbesondere relativ, d. h. unabhängig von einem über das reibungsbehaftete Lager eingestellten Anstellwinkel des Rotorblatts) verstellbar ist.
Zur Verstellung des Festkörpergelenks ist in einer zweckmäßigen Ausführung diesem ein erstes Kopplungselement zur Kopplung des Festkörpergelenks mit einem ersten Stellantriebselement (d. h. mit einem Antriebselement eines im bestim- mungsgemäßen Montagezustand der Lagervorrichtung übergeordneten Antriebssystems) funktionell zugeordnet.
In einer weiteren zweckmäßigen Ausführung ist dem reibungsbehafteten Lager ein zweites Kopplungselement zur Kopplung des Lagers mit einem (insbesondere von dem ersten Stellantriebselement unabhängig ansteuerbaren) zweiten Stellantriebselement, insbesondere des vorstehend genannten Antriebssystems funktionell zugeordnet. Dadurch sind vorzugsweise das reibungsbehaftete Lager und das Festkörpergelenk im bestimmungsgemäßen Montagezustand des Rotors separat voneinander ansteuerbar, d. h. verstellbar. Insbesondere wird dadurch vorteilhafterweise die vorstehend beschriebene Entkopplung insbesondere kleiner Verstellungen des Rotorblatts, d. h. Verstellungen im Bereich kleiner Anstellwinkel, insbesondere kleiner Winkeldifferenzen mit einem Betrag von etwa 0 ° bis 10° (bzw. 5° oder 3°) weiter vereinfacht.
Unter„funktionell zugeordnet" wird hier und im Folgenden insbesondere verstanden, dass das jeweilige Kopplungselement derart wirktechnisch mit dem reibungsbehafteten Lager bzw. dem Festkörpergelenk gekoppelt ist, dass die im bestimmungsgemäßen Betrieb von dem jeweiligen Stellantriebselement auf das entsprechende Kopplungselement übertragene Stellkraft auf das reibungsbehaftete Lager bzw. das Festkörpergelenk übertragen wird. Zweckmäßigerweise ist das jeweilige Kopplungselement dabei mittelbar oder unmittelbar mit dem reibungsbehafteten Lager bzw. dem Festkörpergelenk verbunden.
In einer weiteren zweckmäßigen Ausführung weist das Festkörpergelenk insbesondere ein der Rotornabe oder dem Rotorblatt (vorzugsweise funktionstechnisch) zugeordnetes erstes Trägerelement und ein dem Rotorblatt bzw. der Rotornabe (vorzugsweise funktionstechnisch) zugeordnetes zweites Trägerelement auf. Das zweite Trägerelement ist dabei mittels insbesondere wenigstens zweier plattenartiger (insbesondere flächiger, vorzugsweise dünnwandiger, d. h. im Vergleich zu ihrer Längs- und/oder Flächenerstreckung um ein Vielfaches flacherer) Streben an dem ersten Trägerelement befestigt. Eine Plattenebene (d. h. Ebene einer Flachseite) der Streben ist dabei außerdem insbesondere in Richtung der Blattstellach- se ausgerichtet.„(Funktionstechnisch) zugeordnet" wird in diesem Zusammenhang (analog zur vorstehenden Beschreibung) insbesondere dahingehend verstanden, dass das jeweilige Trägerelement zur (unmittelbaren oder mittelbaren) Halterung des Festkörpergelenks an der Rotornabe bzw. zur gegenüber dem entsprechend anderen Trägerelement beweglichen (unmittelbaren oder mittelbaren) Halterung des Rotorblatts an dem Festkörpergelenk eingerichtet ist. Eines der beiden Trägerelemente bildet somit aus Sicht des mit dem anderen Trägerelement mitbewegten Rotorblatts ein„feststehendes" Trägerelement - selbst wenn dieses Trägerelement mittels des reibungsbehafteten Lagers an der Rotornabe gehaltert und folglich gegenüber der Rotornabe beweglich ist. Die plattenartigen Streben (auch als„Lamellen" bezeichnet) weisen vorteilhafterweise in Richtung ihrer Plattenebene ein Flächenträgheitsmoment (auch als„axiales Flächenmoment zweiter Ordnung" bezeichnet) auf, das (konkret dessen Wert) um ein Vielfaches (beispielsweise um das 10- bis 100-Fache) größer ist als ein quer, insbesondere normal zur Plattenebene (d. h. insbesondere in Dickenrichtung der einzelnen Streben) gerichtetes Flächenträgheitsmoment. Vorzugsweise sind die plattenartigen Streben dabei derart ausgerichtet, dass ein vergleichsweise niedriges Flächenträgheitsmoment zur Ermöglichung der Verdrehung der beiden Trägerelemente zueinander und ein um ein Vielfaches größeres, insbesondere das größte Flächenträgheitsmoment zur„Sperrung" der übrigen Freiheitsgrade beitragen.
In einer zweckmäßigen Weiterbildung kreuzen die vorstehend beschriebenen Streben selbst oder zumindest eine gedachte Verlängerung ihrer jeweiligen Plattenebene die Blattstellachse. Das heißt, dass die plattenartigen Streben vorzugsweise radial zur Blattstellachse ausgerichtet sind. Somit wird die Plattenebene einer jeden Strebe von der Blattstellachse und einem auf dieser stehenden Radius(- „Strahl") aufgespannt. Aufgrund dieser Anordnung einer jeden Strebe ist deren Flächenträgheitsmoment (mithin deren strukturbedingte Steifigkeit) - wie vorstehend beschrieben - in radialer Richtung um ein Vielfaches größer als das quer zur radialen, d. h. in Umfangsrichtung oder Tangentialrichtung (auch: normal zur Plattenebene) gerichtete Flächenträgheitsmoment (bzw. die strukturbedingte Steifigkeit in dieser Richtung). Vorzugsweise ist dieses radial gerichtete Flächenträgheitsmoment auch um ein Vielfaches größer als das Torsionsträgheitsmoment einer jeden Strebe. Durch diese Ausrichtung der unterschiedlich hohen Trägheitsmomente wird vorteilhafterweise auf einfache Weise eine Beweglichkeit des Festkörpergelenks um die Blattstellachse ermöglicht, wohingegen aufgrund der Zusammenwirkung aller Streben in Richtung der übrigen Freiheitsgrade Bewegungen (d. h. elastische Deformationen) vollständig verhindert oder zumindest auf ein im Rahmen üblicher Toleranzen vernachlässigbares Maß verringert werden. Außerdem ist das Festkörpergelenk in diesem Fall zu einem Großteil seines Volumens (d.h. insbesondere zu mehr als 50%) als gerippeartige Struktur gebildet, die zu einem insbesondere bei Windenergieanlagen angestrebten Leichtbau beiträgt.
In einer zweckmäßigen Ausführung sind das erste und das zweite Trägerelement des Festkörpergelenks als (sich vorzugsweise über die Blattstellachse hinweg gegenüberliegende) Ringabschnitte, insbesondere Kreisringabschnitte ausgebildet. Die wenigstens zwei (vorzugsweise die Blattstellachse kreuzenden) Streben sind dabei mit ihren entgegengesetzten Enden, in diesem Fall als„Radialenden" bezeichnet, an jeweils einem der beiden Ringabschnitte befestigt. Die jeweiligen Enden der beiden Ringabschnitte (insbesondere im Fall der Kreisringabschnitte deren Enden in Umfangsrichtung) sind dabei im unausgelenkten Zustand in Um- fangsrichtung voneinander beabstandet, sodass innerhalb der Ringebene eine rotatorische Beweglichkeit der beiden Ringabschnitte gegeneinander möglich ist. Im Fall der Kreisringabschnitte sind diese somit insbesondere kleiner als ein Halbkreisabschnitt ausgebildet und überspannen bspw. etwa einen Viertelkreis. In Abhängigkeit von der zu erzielenden Steifigkeit des Festkörpergelenks in den übrigen Freiheitsgraden (sowie insbesondere auch von der Größe, vorzugsweise dem Durchmesser des Festkörpergelenks) sind die beiden Ringabschnitte in Richtung der Blattstellachse langgestreckt ausgebildet.
In einer ersten Variante des vorstehend beschriebenen Festkörpergelenks kreuzen sich die wenigstens zwei Streben in der Blattstellachse. Die Streben sind dabei insbesondere im Bereich der Blattstellachse vergleichbar zu Speichen eines Rades miteinander verbunden. In diesem Fall erstrecken sich die Streben in Richtung der Blattstellachse vorzugsweise jeweils über zumindest näherungsweise die gleiche Länge wie die beiden Ringabschnitte. Diese erste Variante wird auch als „Wagenradgelenk" bezeichnet. In einer zweiten Variante kreuzen die Streben die Blattstellachse ebenfalls, sind dabei aber entlang der Blattstellachse aufeinanderfolgend (und voneinander getrennt) angeordnet. D. h. die Streben kreuzen sich in diesem Fall nicht gegenseitig. Diese zweite Variante wird auch als„Kreuzfedergelenk" bezeichnet. In beiden Fällen werden die Streben bei einer Verdrehung des Festkörpergelenks um die Blattachse, insbesondere der beiden Ringabschnitte gegeneinander, im Wesentlichen auf Biegung (insbesondere um die Blattstellachse) beansprucht.
In einer bevorzugten, zu den vorstehend beschriebenen Wagenrad- oder Kreuzfedergelenken alternativen Ausführung umfasst das Festkörpergelenk als erstes und zweites Trägerelement eine erste und eine zweite Gelenkgrundplatte sowie die vorstehend beschriebenen wenigstens zwei, mit ihrer jeweiligen Plattenebene axial und radial ausgerichteten Streben. Die beiden Gelenkgrundplatten sind dabei mit ihrer jeweils zugeordneten Grundplattenebene senkrecht zur Blattstellachse und insbesondere zueinander axial beabstandet angeordnet. Des Weiteren ist jede Strebe zwischen den beiden Gelenkgrundplatten axial verlaufend angeordnet. Die Streben sind dabei vorzugsweise mit ihren jeweiligen Axialenden an der ersten Gelenkgrundplatte und an der zweiten Gelenkgrundplatte befestigt. Vorzugsweise umfasst das Festkörpergelenk vier oder mehr als vier dieser Streben, beispielsweise sechs, sieben, acht oder bis zu etwa dreißig. In einer Variante kreuzen sich die wenigstens zwei Streben in der Blattstellachse. Diese Variante wird auch als Kreuzgelenk (englisch:„cruciform-hinge") bezeichnet. In einer weiteren Variante erstrecken sich die Streben nicht über die Blattstellachse hinweg, sondern sind radial von dieser beabstandet angeordnet. In diesem Fall umfasst das Festkörpergelenk mindestens vier Streben. Im Fall von genau vier Streben stehen deren Plattenebenen zweckmäßigerweise senkrecht aufeinander. Diese weitere Variante wird - insbesondere für den Fall, dass mehr als vier Streben vorhanden sind - auch als„Käfiggelenk" bezeichnet, da die Streben„gitterstabartig" um einen zentralen, um die Blattstellachse gebildeten Freiraum angeordnet sind. In letzterem Fall wird außerdem auf einfache Weise ermöglicht, Masse im Bereich des Festkörpergelenks einzusparen ohne die Steifigkeit des Festkörpergelenks in den an- deren Freiheitsgraden (als dem um die Blattstellachse rotatorischen Freiheitsgrad) signifikant zu verringern. Die Streben werden in beiden Varianten dieser Ausführung bei einer Verdrehung des Festkörpergelenks um die Blattachse, insbesondere der beiden Gelenkgrundplatten gegeneinander, im Wesentlichen auf Biegung überlagert mit Torsion beansprucht. Vorteilhafterweise ist das Festkörpergelenk dabei auch derart ausgelegt, dass eine bei Torsion des Festkörpergelenks gegebenenfalls auftretende Verkürzung (insbesondere gegenüber der Gesamtlänge des Festkörpergelenks) vernachlässigbar gering ist.
Beispielsweise beträgt die gesamte Länge des Festkörpergelenks (insbesondere bei einem Rotordurchmesser von etwa 40 bis 160 Meter) in Richtung der Blattstellachse zwischen 1 und 3 Metern, insbesondere etwa 2 Meter.
In einer zweckmäßigen Ausführung umfasst das Festkörpergelenk ein mit dem ersten Kopplungselement insbesondere starr verbundenes Steilkraftstützelement, das mit dem ersten Trägerelement, bspw. der ersten Gelenkgrundplatte starr gekoppelt ist. Das erste Kopplungselement sowie das Steilkraftstützelement sind in einer optionalen Variante durch ein- und dasselbe Bauteil gebildet. In beiden Fällen weist das zweite Trägerelement, bspw. die zweite Grundplatte zur
rotatorischen Verstellung gegenüber dem ersten Trägerelement ein Befestigungselement auf, das im bestimmungsgemäßen Montagezustand unter Zwischenschaltung des vorstehend beschriebenen ersten Stellantriebselements mit dem ersten Kopplungselement (bzw. dem Steilkraftstützelement), insbesondere zur Übertragung einer Stellkraft gekoppelt ist. Vorzugsweise ist das Befestigungselement dabei starr mit dem zweiten Trägerelement verbunden. Das Steilkraftstützelement dient somit dazu, die Stellkraft zwischen den beiden Trägerelementen zu übertragen und mithin die Verstellung (insbesondere die Verdrehung um die Blattstellachse) des zweiten Trägerelements zu dem ersten Trägerelement zu ermöglichen.
In einer bevorzugten Ausführung, in der das Festkörpergelenk insbesondere als Käfiggelenk gebildet ist, ist das Steilkraftstützelement insbesondere als (vorzugsweise kreisförmiger) Hohlzylinder ausgebildet, der sich zentral zu den Streben von der ersten Gelenkgrundplatte zu der zweiten Gelenkgrundplatte erstreckt. Mithin bildet das Steilkraftstützelement insbesondere ein Rohr oder eine Art Kanal, das bzw. der sich zentral durch das Festkörpergelenk (insbesondere durch den zentralen Freiraum des Käfiggelenks) von der ersten Gelenkgrundplatte bis zur zweiten Gelenkgrundplatte erstreckt. Somit kann im bestimmungsgemäßen Montagezustand das zweite Kopplungselement auf einer Axialseite, insbesondere im Bereich der zweiten Gelenkgrundplatte angeordnet sein. Außerdem wird durch diese Ausführung vorteilhafterweise auch ein Leitungskanal zur Durchführung von Versorgungsleitungen durch das Festkörpergelenk selbst zur Verfügung gestellt. Je nach Abmessungen des Festkörpergelenks und des Rotorblatts kann der Hohlzylinder (zusätzlich oder alternativ) auch als Durchstieg für Wartungspersonal in das Rotorblatt dienen.
In einer alternativen, im Rahmen der Erfindung ebenfalls denkbaren Ausführung erstreckt sich das als Hohlzylinder ausgeführte Steilkraftstützelement außenseitig zu den Streben von der ersten Gelenkgrundplatte bis zur zweiten Gelenkgrundplatte und bildet somit eine Art Gehäuse um die Streben. Dies ist beispielsweise bei der Ausbildung des Festkörpergelenks als Kreuzgelenk zweckmäßig. Alternativ kann diese Gestaltung des Steilkraftstützelements aber auch bei der Ausführung des Festkörpergelenks als Wagenrad- oder Kreuzfedergelenk zum Einsatz kommen.
In einer weiteren zweckmäßigen Ausführung sind die vorstehend beschriebenen Streben des Festkörpergelenks aus Metall, insbesondere Stahl, oder aus einem faserverstärkten Kunststoff, beispielsweise aus einem kohlenstofffaserverstärkten Duroplasten oder aus einem Thermoplasten gefertigt. Als Fasern kommen alternativ oder optional zusätzlich Glasfasern, Aramidfasern, Basaltfasern und/oder Kunststofffasern zum Einsatz. Optional kommt für die Streben auch eine Verbundbauweise aus Metall und faserverstärktem Kunststoff zum Einsatz. Beispielsweise ist ein metallischer Kern mit einem faserverstärkten Kunststoff sandwichartig umgeben.
In einer weiteren zweckmäßigen Ausführung ist das reibungsbehaftete Lager als Wälzlager, beispielsweise als Kugellager, Rollenlager oder Tonnenlager ausgebil- det. In diesem Fall handelt es sich bei der Reibung somit um„Rollreibung". In einer alternativen, bevorzugten Ausführung ist das reibungsbehaftete Lager als Gleitlager, vorzugsweise als„segmentiertes" Gleitlager ausgebildet. In letzterem Fall umfasst das Gleitlager zwei aneinander anliegende, kreisringförmige Gleitelemente, von denen zumindest eines in eine Vielzahl von Einzelelementen unterteilt ist, die separat voneinander ausgetauscht werden können. Dadurch werden eine besonders hohe Wartungsfreundlichkeit und insbesondere vergleichsweise niedrige Reparaturkosten im Schadensfall ermöglicht, da gegebenenfalls nur einzelne Segmente getauscht werden müssen. Um zusätzlich eine Kippstabilität des Gleitlagers und somit das Gleitlager als Momentenlager auszubilden, ist eines der Gleitelemente U-förmig ausgebildet und umgreift das andere Gleitelement in Axialrichtung gesehen vorder- und rückseitig. Insbesondere sind die Einzelelemente dabei U-förmig ausgebildet.
Die erfindungsgemäße Rotorblattstellvorrichtung für die Windenergieanlage umfasst die vorstehend beschriebene Lagervorrichtung. Das heißt, dass die Rotorblattstellvorrichtung zumindest das vorstehend beschriebene Festkörpergelenk umfasst, sowie vorzugsweise auch das reibungsbehaftete Lager. Weiterhin umfasst die Rotorblattstellvorrichtung das der Lagervorrichtung übergeordnete Antriebssystem, das wenigstens zur Verstellung des Festkörpergelenks, gegebenenfalls vorzugsweise auch zur jeweils separaten Verstellung des reibungsbehafteten Lagers und des Festkörpergelenks eingerichtet ist. D. h. das Antriebssystem ist in letzterem Fall derart ausgebildet, dass es das reibungsbehaftete Lager unabhängig von dem Festkörpergelenk (sowie entsprechend umgekehrt) verstellen kann. Beispielsweise umfasst das Antriebssystem dazu ein zentrales Krafterzeugungselement, insbesondere eine Hydraulikeinheit wie z. B. eine Hydraulikpumpe, sowie als erstes und gegebenenfalls als zweites Stellantriebselement, die dem Festkörpergelenk bzw. dem reibungsbehafteten Lager zugeordnet sind, jeweils mindestens einen Hydraulikzylinder. Zudem umfasst das Antriebssystem vorzugsweise eine zentrale Steuereinheit, insbesondere einen Controller (vorzugsweise einen Mikrochip insbesondere mit einem zugeordneten Speichermodul), der gegebenenfalls (schaltungs- oder softwaretechnisch) dazu eingerichtet ist, das erste Stellantriebselement separat von dem zweiten Stellantriebselement anzusteuern. In einer alternativen Ausführung umfasst das Antriebssystem als erstes und gegebenenfalls als zweites Stellantriebselement jeweils mindestens einen (separaten) Elektromotor mit einem entsprechend zugeordneten Getriebe. Dieser oder der jeweilige Elektromotor ist dabei mit der zentralen Steuereinheit bzw. dem Controller signal- übertragungstechnisch gekoppelt, sodass gegebenenfalls eine separate Erzeugung einer Stellkraft für die Verstellung des reibungsbehafteten Lagers bzw. des Festkörpergelenks zielgerichtet erfolgen kann. In diesem Fall wird mithin die vorstehend genannte Reihenschaltung der Stellwinkel des reibungsbehafteten Lagers sowie des Festkörpergelenks realisiert.
In einer besonders zweckmäßigen Ausführung ist das Antriebssystem, insbesondere dessen (zentraler) Controller dazu eingerichtet, das reibungsbehaftete Lager erst (dann) zu verstellen, wenn ein zur Verstellung des jeweiligen Rotorblatts auf einen Anstellwinkel erforderlicher Stellwert einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet. Vorzugsweise handelt es sich sowohl bei dem Stellwert als auch bei dem Schwellwert um eine Winkeldifferenz zwischen einem Ist-Stellwinkel des Rotorblatts und einem Soll-Stellwinkel. Dadurch wird auf einfache Weise ermöglicht, dass insbesondere im Hinblick auf eine individuelle Blattverstellung (IPC) vergleichsweise geringe Winkeldifferenzen (vorzugsweise mit einem Betrag bis zu 10°, besonders bevorzugt bis etwa 3°) lediglich unter elastischer Deformation des Festkörpergelenks eingestellt werden. Erst größere Winkeldifferenzen, die einen „schonenden", insbesondere auslegungsgerechten Bewegungsumfang für ein reibungsbehaftetes Lager darstellen, werden somit durch Verstellung des reibungsbehafteten Lagers selbst„angefahren". Mithin wird eine komponentenschonende, insbesondere dynamische Rotorblattverstellung als Reaktion auf die in dem an dem Rotor anstehenden Windfeld vorliegenden (lokal variierenden) Windlasten ermöglicht und somit die Lebensdauer der Rotorblattstellvorrichtung an sich sowie der gesamten Windenergieanlage vorteilhaft erhöht.
In einer optional zusätzlichen Ausführung umfasst das Festkörpergelenk einen mechanischen Anschlag zur Begrenzung der möglichen Stellbewegung. Beispielswiese ist dieser Anschlag an dem (hohlzylindrischen) Steilkraftstützelement angeordnet, sowie ein korrespondierendes Gegenstück an dem zweiten Trägerelement.
In einer bevorzugten Weiterbildung ist das Antriebssystem im bestimmungsgemäßen Einsatzzustand signalübertragungstechnisch mit Sensoren gekoppelt oder umfasst derartige Sensoren, insbesondere solche, die einen Rückschluss auf die an dem jeweiligen Rotorblatt anliegende Windlast - oder vorzugsweise auf die innerhalb eines nachfolgenden Zeitfensters anliegenden Windlasten - ermöglichen. Derartige Sensoren sind in einfacher Ausführung durch Kraftsensoren, bspw. Dehnungssensoren gebildet. Zur vorausschauenden Ermittlung von Windlasten kommen bspw. auch Radarsensoren oder optische Sensoren zum Einsatz. Somit ist eine reaktive oder vorzugsweise sogar vorausschauende Verstellung (Regelung) der individuellen (Rotorblatt-)Anstellwinkel möglich.
Der erfindungsgemäße Rotor für die Windenergieanlage umfasst eine Anzahl von Rotorblättern sowie eine Rotornabe zur Halterung dieser Rotorblätter. Das jeweilige Rotorblatt ist dabei mittels der Lagervorrichtung der vorstehend beschriebenen Art an der Rotornabe verstellbar gelagert. Des Weiteren umfasst der Rotor das vorstehend beschriebene Antriebssystem. Das Antriebssystem ist mithin zur Verstellung des Festkörpergelenks sowie vorzugsweise zur davon separaten Verstellung des reibungsbehafteten Lagers eingerichtet. Mit anderen Worten umfasst der Rotor insbesondere die vorstehend beschriebene Rotorblattstellvorrichtung. Die Vorteile eines solchen Rotors ergeben sich in entsprechender Art und Weise analog zu den vorstehend beschriebenen Vorteilen der Lagervorrichtung bzw. der Rotorblattstellvorrichtung.
Die erfindungsgemäße Windenergieanlage umfasst einen Mast (oder auch: Turm) sowie den insbesondere an diesem Mast gelagerten Rotor, der vorzugsweise nach der vorstehend beschriebenen Art ausgebildet ist.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher dargestellt. Darin zeigen: Fig. 1 in einer schematischen Frontansicht ausschnittsweise einen Rotor einer Windenergieanlage,
Fig. 2 bis 6 in einer schematischen Perspektivdarstellung jeweils ein Ausführungsbeispiel eines Festkörpergelenks zur verstellbaren Halterung eines Rotorblatts an einer Rotornabe des Rotors,
Fig. 7 einen Ausschnitt des Rotors in einer Explosionsdarstellung,
Fig. 8 in einer Schnittdarstellung VI I -VI I gemäß Fig. 1 einen Ausschnitt des
Rotors gemäß Fig. 7, und
Fig. 9 in einem Diagramm schematisch den Verlauf eines Anstellwinkels des Rotorblatts über der Zeit.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren stets mit gleichen Bezugszeichen versehen.
In Fig. 1 ist ein Rotor 1 einer nicht näher dargestellten Windenergieanlage dargestellt. Der Rotor 1 umfasst eine Rotornabe 2, mittels derer der Rotor 1 an einem Mast der Windenergieanlage um eine Rotorachse rotierbar gehaltert ist. Der Rotor 1 umfasst des Weiteren drei Rotorblätter 3. Außerdem umfasst der Rotor 1 zur Halterung eines jeden Rotorblatts 3 an der Rotornabe 2 jeweils eine Lagervorrichtung 4.
Die Lagervorrichtung 4 ist dazu eingerichtet, das jeweilige Rotorblatt 3 um eine als „Blattstellachse 5" bezeichnete Längsachse drehbar zu haltern. Durch diese Drehbarkeit des jeweiligen Rotorblatts 3 gegenüber der Rotornabe 2 können die Rotorblätter 3 im Betrieb zur Regelung der Drehgeschwindigkeit des Rotors 1 unter einem variablen Anstellwinkel φ (auch als„Pitch" bezeichnet)„in den Wind" oder auch zum Stoppen der Rotation des Rotors 1„aus dem Wind" gedreht werden. Üblicherweise beträgt der Anstellwinkel φ dabei Werte zwischen 0° - d. h. die Blattebene (auch als Profilsehne bezeichnet) des Rotorblatts 3 liegt hier in der Anströmrichtung des Winds, üblicherweise senkrecht zu einer Rotationsebene aller Rotorblätter 3 des Rotors 1 - und 90°. In letzterem Fall liegt das Rotorblatt 3 üblicherweise mit seiner Blattebene in der Rotationsebene des Rotors 1 . Außerdem umfasst die Windenergieanlage, konkret der Rotor 1 ein Antriebssystem (nicht näher dargestellt), das dazu eingerichtet ist, den Anstellwinkel φ eines jeden Rotorblatts 3 im Betrieb der Windenergieanlage in Abhängigkeit von der an dem jeweiligen Rotorblatt 3 anliegenden Windlast - oder in einem optional zusätzlichen Ausführungsbeispiel in Abhängigkeit von der zu erwartenden Windlast - individuell zu verändern. Das heißt, dass während der Rotation des Rotors 1 jedes Rotorblatt 3 einzeln, kontinuierlich oder gegebenenfalls mehrfach während eines Umlaufs, verdreht wird, um die vom Wind auf das jeweilige Rotorblatt 3 ausgeübte Kraft näherungsweise auf einem Sollwert zu halten. Dadurch wird vorteilhafterweise die Belastung auf das jeweilige Rotorblatt 3 verringert sowie eine besonders gleichmäßige Rotationsbewegung ermöglicht. Derartige individuelle Verstellbewegungen laufen dabei größtenteils in einem vergleichsweise kleinen Bewegungsumfang von Winkelbeträgen zwischen 0° und 10° (meist zwischen 0° und 5°) ab. Das Antriebssystem bildet dabei zusammen mit der Lagervorrichtung 4 eine Rotorblattstellvorrichtung.
Um aus Verstellbewegungen mit derartig geringem Bewegungsumfang resultierende, nicht auslegungskonforme Belastungen auf herkömmliche Wälz- oder Gleitlager zu vermeiden, umfasst die Lagervorrichtung 4 zusätzlich zu einem solchen, reibungsbehafteten Lager 10 ein Festkörpergelenk 12, das zu dem reibungsbehafteten Lager 10 in Reihe angeordnet und mit diesem starr gekoppelt ist. Das Rotorblatt 3 ist dabei mit dem Festkörpergelenk 12 gekoppelt. Das reibungsbehaftete Lager 10 ist mit der Rotornabe 2 gekoppelt. Das Antriebssystem ist in nachfolgend näher beschriebener Art und Weise dazu eingerichtet, das Festkörpergelenk 12 unabhängig von dem reibungsbehafteten Lager 10 zu verstellen, sodass Verstellbewegungen in einem Winkelbereich mit Beträgen zwischen 0° und 10°, konkret zwischen 0° und 3°, nur unter elastischer Deformation des Festkörpergelenks 12 und ohne Verstellung des reibungsbehafteten Lagers 10 erfolgen.
In einem nicht näher dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst die Lagervorrichtung 4 nur das Festkörpergelenk 12. Das reibungsbehaftete Lager 10 entfällt in diesem Fall. In Fig. 2 ist ein Ausführungsbeispiel des Festkörpergelenks 12 näher dargestellt. Das Festkörpergelenk 12 umfasst dabei als ein erstes Trägerelement einen ersten Kreisringabschnitt 14 sowie als ein zweites Trägerelement einen zweiten Kreisringabschnitt 16. Beide Kreisringabschnitte 14 und 16 sind konzentrisch um die Blattstellachse 5 angeordnet. Der erste Kreisringabschnitt 14 ist im bestimmungsgemäßen Montagezustand (vgl. Fig. 1 ) mit einem ersten Axialende 18 mit dem reibungsbehafteten Lager 10 gekoppelt und bildet damit aus Sicht des jeweiligen Rotorblatts 3 ein feststehendes Element des Festkörpergelenks 12 (angedeutet durch vier Striche 20). Der zweite Kreisringabschnitt 16 ist mittels zweier sich in der Blattstellachse 5 (speichenartig) kreuzender und plattenförmiger Streben 22 mit dem ersten Kreisringabschnitt 14 verbunden. Die Streben 22 sind dabei mit ihren jeweiligen radialen Enden mit dem ersten bzw. zweiten Kreisringabschnitt 14 bzw. 16 verbunden. Des Weiteren ist eine Plattenebene 24 der Streben 22 - d. h. deren flächige Erstreckung - von der Blattstellachse 5 und einem auf dieser stehenden Radiusstrahl aufgespannt. Der zweite Kreisringabschnitt 16 ist im bestimmungsgemäßen Montagezustand mit einem dem ersten Axialende 18 axial gegenüber liegenden zweiten Axialende 26 mit dem Rotorblatt 3 verbunden. Dieses Ausführungsbeispiel des Festkörpergelenks 12 wird auch als Wagenradgelenk bezeichnet.
Durch die in einer Axial-Radial-Ebene liegende Plattenebene 24 der Streben 22 ist deren Flächenträgheitsmoment in zur Blattstellachse 5 radialer Richtung um ein Vielfaches gegenüber den Trägheitsmomenten in anderen Raumrichtungen, konkret in Umfangsrichtung 28 erhöht. Dadurch werden Bewegungen, d. h. Verschiebungen und/oder Verdrehungen, in radialer Richtung effektiv unterbunden oder auf ein vernachlässigbares Maß eingeschränkt. Das Festkörpergelenk 12 ist somit in dieser Richtung versteift (oder auch:„gesperrt"). In Umfangsrichtung 28 ist allerdings aufgrund der plattenartigen Form der Streben 22 das Flächenträgheitsmoment einer jeden Strebe 22 gering, sodass eine elastische Deformation möglich ist. Aufgrund der radialen Ausrichtung der Streben 22 kann somit eine Rotation des zweiten Kreisringabschnitts 16 gegenüber dem ersten Kreisringabschnitt 14, d. h. eine Bewegung in Umfangsrichtung 28 erfolgen. Dadurch wird eine Verstellung des Anstellwinkels φ des Rotorblatts 3 ohne Relativbewegung zweier Bauteile aneinander - d. h. ohne Abgleiten oder Rollen wie bei Wälz- oder Gleitlagern - ermöglicht.
In Fig. 3 ist ein zu dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel abgewandeltes Ausführungsbeispiel des Festkörpergelenks 12 dargestellt. In diesem Fall umfasst das Festkörpergelenk 12 drei Streben 22, die axial aufeinanderfolgend, d. h. zumindest minimal axial voneinander beabstandet sind. Die Funktionsweise entspricht dabei im Wesentlichen dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel. Die axial mittig zu den beiden axial äußeren Streben 22 angeordnete Strebe 22 weist eine breitere Plattenfläche auf. Die Fläche ist dabei derart gewählt, dass das Flächenträgheitsmoment der mittleren Strebe 22 (in Axial- und/oder Radialrichtung) der Summe der Flächenträgheitsmomente der beiden äußeren Streben 22 entspricht. Dieses Ausführungsbeispiel des Festkörpergelenks 12 wird auch als Kreuzfedergelenk bezeichnet.
In weiteren, nicht näher dargestellten Ausführungsbeispielen ist das Festkörpergelenk 12 nach Art der beiden vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele ausgebildet und weist jeweils mehr als zwei bzw. drei Streben 22 auf.
In Fig. 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des Festkörpergelenks 12 dargestellt. Das Festkörpergelenk 12 weist ebenfalls die Streben 22 auf, die hierbei vergleichbar zum Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ausgebildet sind. In Abweichung zu Fig. 2 sind allerdings die radialen Enden (Kanten) der Streben 22 frei. Als erstes und zweites Trägerelement weist das Festkörpergelenk 22 außerdem eine erste und eine zweite Gelenkgrundplatte 30 bzw. 32 auf. Die beiden Gelenkgrundplatten 30 und 32 sind dabei mit ihren Grundplattenebenen senkrecht zur Blattstellachse 5 angeordnet und axial - konkret um die axiale Längserstreckung der Streben 22 - voneinander beabstandet. Die Streben 22 sind dabei mit ihren Axialenden an der jeweiligen Gelenkgrundplatte 30 bzw. 32 befestigt. Die erste Gelenkgrundplatte 30 ist auch hier zur Kopplung mit dem reibungsbehafteten Lager 10 eingerichtet und vorgesehen, und bildet somit das aus Sicht des Rotorblatts 3 feststehende Element. Entsprechend ist die zweite Gelenkgrundplatte 32 zur Halterung des Rotorblatts 3 eingerichtet und vorgesehen. Die zweite Gelenkgrund- platte 32 ist dabei unter elastischer Deformation der Streben 22 in Umfangsrich- tung 28 gegenüber der ersten Gelenkgrundplatte 30 verstellbar. Dieses Ausführungsbeispiel des Festkörpergelenks 12 wird auch als Kreuzgelenk bezeichnet.
In Fig. 5 ist ein gegenüber dem anhand von Fig. 4 beschriebenen, weitergebildetes Ausführungsbeispiel des Festkörpergelenks 12 dargestellt. Die zwei Streben 22 des vorherigen Ausführungsbeispiels sind dabei durch vier Streben 22 ersetzt, die radial gegenüberliegend und um jeweils 90° versetzt um einen achszentralen Freiraum 34 angeordnet sind. Die Streben 22 erstrecken sich mithin nicht über die Blattstellachse 5 hinweg, sondern sind zu dieser beabstandet. Der Freiraum 34 erstreckt sich auch durch die beiden Gelenkgrundplatten 30 und 32, indem diese jeweils einen korrespondierenden achszentralen Durchbruch aufweisen.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 6, weist das Festkörpergelenk 12 eine Vielzahl (vorliegend konkret 14) der Streben 22 auf, die analog zu dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 angeordnet sind. Dieses Ausführungsbeispiel des Festkörpergelenks 12 wird - aufgrund der gitterstabartigen Anordnung der Streben 22 um den Freiraum 34 herum - auch als Käfiggelenk bezeichnet. Die Funktionsweise dieses Ausführungsbeispiels sowie des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 5 entspricht im Wesentlichen derjenigen des Ausführungsbeispiels nach Fig. 4.
In Fig. 7 ist ein Ausführungsbeispiel des Rotors 1 in einer Explosionsdarstellung und in Fig. 8 in einem Schnitt VI I -VI I gemäß Fig. 1 gezeigt. In diesem Ausführungsbeispiel ist das Festkörpergelenk 12 der Lagervorrichtung 4 analog zu dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 ausgebildet. Das reibungsbehaftete Lager 10 ist als Gleitlager ausgebildet, das ein erstes, kreisringförmiges Gleitelement 36 und ein zweites, in Einzelelemente (Segmente 38) unterteiltes Gleitelement 40 aufweist. Die Segmente 38 des zweiten Gleitelements 40 sind dabei U-förmig ausgebildet und umgreifen im bestimmungsgemäßen Montagezustand des Rotors 1 das erste Gleitelement 36 in Richtung der Blattstellachse 5 gesehen vorder- und rückseitig (vgl. Fig. 8). Das erste Gleitelement 36 ist zur (konkret starren) Verbindung mit der Rotornabe 2 eingerichtet. Konkret ist das erste Gleitelement 36 im be- stimmungsgemäßen Montagezustand des Rotors 1 mit der Rotornabe 2 verschraubt (Schrauben sind in Fig. 7 und 8 der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt). Das zweite Gleitelement 40 ist entsprechend mit der ersten Gelenkgrundplatte 30 des Festkörpergelenks 12 verschraubt. Das jeweilige Rotorblatt 3 ist mit der zweiten Gelenkgrundplatte 32 des Festkörpergelenks 12 verschraubt.
Zur Verstellung des Festkörpergelenks 12 ist diesem ein erstes Kopplungselement 42, konkret in Form eines Rings mit drei vorstehenden Haltearmen, zugeordnet. Das Festkörpergelenk 12 umfasst außerdem ein als Hohlzylinder ausgebildetes Steilkraftstützelement 44, das mit der ersten Gelenkgrundplatte 30 starr (d. h. unbeweglich) verbunden ist. Das Steilkraftstützelement 44 erstreckt sich dabei von der ersten Gelenkgrundplatte 30 durch den Freiraum 34 mit einem rotorblattseiti- gen Ende 48 bis über die zweite Gelenkgrundplatte 32 hinaus, ist aber mit letzterer nicht unmittelbar verbunden. An dem rotorblattseitigen Ende 48 ist das Stell- kraftstützelement 44 mit dem ersten Kopplungselement 42 starr verbunden. An der zweiten Gelenkgrundplatte 32 sind außerdem drei Befestigungselemente 50 in Form jeweils eines Anschraubwinkels angeordnet. Diese sind unter Zwischenschaltung jeweils eines ersten Stellantriebselements 52 mit dem ersten Kopplungselement 42 zur Übertragung einer von den ersten Stellantriebselementen 52 aufgebrachten Stellkraft gekoppelt. Konkret sind die ersten Stellantriebselemente 52 jeweils als Hydraulikzylinder ausgebildet. Eine Längenänderung dieser Hydraulikzylinder führt somit zu einer Verdrehung der zweiten Gelenkgrundplatte 32 um die Blattstellachse 5 gegenüber dem Steilkraftstützelement 44 und somit gegenüber der ersten Gelenkgrundplatte 30.
Zur Verstellung des Gleitlagers (d. h. des reibungsbehafteten Lagers 10) ist diesem ein zweites Kopplungselement 54, konkret in Form eines Doms, und ein zweites Stellantriebselement 56 zugeordnet. Mittels des zweiten Kopplungselements 54 wird eine von dem zweiten Stellantriebselement 56 aufgebrachte Stellkraft auf das Gleitlager, konkret auf die mit dem zweiten Gleitelement 40 starr verbundene erste Gelenkgrundplatte 30 übertragen. Das zweite Kopplungselement 54 ist dabei exzentrisch an der ersten Gelenkgrundplatte 30 angeordnet (s. Fig. 8). Bei dem zweiten Stellantriebselement 56 handelt es sich um einen Hydraulikzylinder. Eine Längenänderung des Hydraulikzylinders führt aufgrund dessen exzentrischer An- bindung somit zu einer Verdrehung des zweiten Gleitelements 40 sowie des gesamten Festkörpergelenks 12 und dem daran gehalterten Rotorblatt 3 um die Blattstellachse 5. Die Stellantriebselemente 52 sowie 56 bilden dabei jeweils einen Teil des vorstehend beschrieben Antriebssystems.
Das Antriebssystem umfasst außerdem eine nicht näher dargestellte zentrale Steuereinheit, die auch als Controller bezeichnet wird. Dieser Controller ist dazu eingerichtet, im Betrieb der Windenergieanlage neben einer einheitlichen Verstellung aller Rotorblätter 3 auch eine individuelle, windlastabhängige Verstellung jedes einzelnen Rotorblatts 3 zu bewirken. Im Speziellen ist der Controller dazu eingerichtet, zur Verstellung des jeweiligen Rotorblatts 3 um kleine Win- kel(grad)differenzen mit einem Betrag von 0° bis 5°, konkret bis 3° nur die ersten Stellantriebselemente 52 anzusteuern und somit nur das Festkörpergelenk 12 zu verdrehen. Das zweite Stellantriebselement 56 wird hingegen erst dann angesteuert (und somit das Gleitlager erst dann verdreht), wenn die zur Einstellung eines Werts des Anstellwinkels φ erforderliche Winkeldifferenz einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet, konkret wenn diese Winkeldifferenz größer als 5° bzw. 3° ist.
Zur Ansteuerung und Druckbeaufschlagung der ersten Stellantriebselemente 52 erforderliche Steuerleitungen und Hydraulikleitungen sind durch das Stellkraft- Stützelement 44 hindurch axial durch das Festkörpergelenk 12 geführt.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel liegt der Durchmesser des Rotors 1 zwischen 70 und 130 Metern. Die Länge des Festkörpergelenks 12 in Richtung der Blattstellachse 5 beträgt dabei etwa 2 Meter.
In Fig. 9 ist schematisch der Verlauf des Anstellwinkels φ eines einzelnen Rotorblatts 3 über der Zeit t dargestellt. Der mit durchgezogener Linie dargestellte Verlauf gibt dabei den Drehwinkel des reibungsbehafteten Lagers 10 wieder. Der mit strichlinierter Linie dargestellte Verlauf gibt den Drehwinkel des Festkörpergelenks 12 sowohl gegenüber dem reibungsbehafteten Lager 10 als auch den tatsächli- chen Anstellwinkel φ des Rotorblatts 3 wieder. Wie aus Fig. 9 entnommen werden kann, dient das reibungsbehaftete Lager 10 dazu, das Rotorblatt 3 entsprechend der gemittelten Windlast auszurichten, wohingegen mit dem Festkörpergelenk 12 Stellvorgänge zur individuellen, (hoch-)dynamischen Anpassung des Anstellwin- kels φ an lokal variierende Windlasten mit geringen Bewegungsumfängen durchgeführt werden.
Der Gegenstand der Erfindung geht zwar besonders klar aus der vorstehenden Beschreibung hervor. Dennoch ist der Gegenstand der Erfindung nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr können weitere Ausführungsformen der Erfindung von dem Fachmann aus der vorstehenden Beschreibung abgeleitet werden. Insbesondere können die anhand der verschiedenen Ausführungsbeispiele beschriebenen Einzelmerkmale der Erfindung und deren Ausgestaltungsvarianten auch in anderer Weise miteinander kombiniert werden.
Rotor
Rotornabe
Rotorblatt
Lagervorrichtung Blattstellachse Lager
Festkörpergelenk Kreisringabschnitt Kreisringabschnitt Axialende
Strich
Strebe
Plattenebene
Axialende
Umfangsrichtung Gelenkgrundplatte Gelenkgrundplatte Freiraum
Gleitelement
Einzelelement Gleitelement
Kopplungselement Steilkraftstützelement rotorseitiges Ende Befestigungselement Stellantriebselement Kopplungselement Stellantriebselement
Anstellwinkel
Zeit

Claims

Ansprüche
1 . Lagervorrichtung (4) für ein Rotorblatt (3) einer Windenergieanlage,
mit einem Festkörpergelenk (12), das zur mittelbaren oder unmittelbaren Halterung des Rotorblatts (3) an einer Rotornabe (2) eines Rotors (1 ) der Windenergieanlage eingerichtet ist, und das derart gestaltet ist, dass unter elastischer Deformation eine Verdrehung um eine Blattstellachse (5) zugelassen ist, und dass quer und/oder längs zur Blattstellachse (5) gerichtete Translationen und/oder Verdrehungen im Wesentlichen unterbunden sind.
2. Lagervorrichtung (4) nach Anspruch 1 ,
mit einem reibungsbehafteten Lager (10), das im Wesentlichen nur einen um die Blattstellachse (5) gerichteten rotatorischen Freiheitsgrad aufweist, wobei das reibungsbehaftete Lager (10) oder das Festkörpergelenk (12) zur Verbindung mit einer Rotornabe (2) eines Rotors (1 ) der Windenergieanlage und das Festkörpergelenk (12) bzw. das reibungsbehaftete Lager (10) zur Verbindung mit dem Rotorblatt (3) eingerichtet sind.
3. Lagervorrichtung (4) nach Anspruch 1 oder 2,
wobei dem Festkörpergelenk (12) ein erstes Kopplungselement (42) zur Kopplung mit einem ersten Stellantriebselement (52) funktionell zugeordnet ist.
4. Lagervorrichtung (4) nach Anspruch 2 oder 3,
wobei dem reibungsbehafteten Lager (10) ein zweites Kopplungselement (54) zur Kopplung mit einem zweiten Stellantriebselement (56) funktionell zugeordnet ist
5. Lagervorrichtung (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
wobei das Festkörpergelenk (12) ein der Rotornabe (2) oder dem Rotorblatt (3) zugeordnetes erstes Trägerelement (14,30) und ein dem Rotorblatt (3) bzw. der Rotornabe (2) zugeordnetes zweites Trägerelement (16,32) aufweist, wobei das zweite Trägerelement (14,30) mittels wenigstens zweier plattenartiger Streben (22) an dem ersten Trägerelement (14,30) befestigt ist, und wobei eine Plattenebene (24) der Streben (22) in Richtung der Blattstellachse (5) ausgerichtet ist.
Lagervorrichtung (4) nach Anspruch 5,
wobei das Festkörpergelenk (12) als erstes Trägerelement einen ersten Ringabschnitt (14) und als zweites Trägerelement einen zweiten Ringabschnitt (16) aufweist, wobei die beiden Ringabschnitte (14,16) mit ihren Enden in Umfangsrichtung (28) voneinander beabstandet sind, und wobei die wenigstens zwei Streben (22) die Blattstellachse (5) kreuzen.
Lagervorrichtung (4) nach Anspruch 5,
wobei das Festkörpergelenk (12) als erstes Trägerelement eine erste Gelenkgrundplatte (30) und als zweites Trägerelement eine zweite Gelenkgrundplatte (32) aufweist, wobei die beiden Gelenkgrundplatten (30,32) mit ihrer jeweiligen Grundplattenebene senkrecht zur Blattstellachse (5) ausgerichtet sind, und wobei die wenigstens zwei Streben (22) radial zur Blattstellachse (5) angeordnet sind und axial zwischen den beiden Gelenkgrundplatten (30,32) verlaufen.
Lagervorrichtung (4) nach einem der Ansprüche 3 bis 7,
wobei das Festkörpergelenk (12) ein mit dem ersten Kopplungselement (42) verbundenes Steilkraftstützelement (44) aufweist, das mit dem ersten Trägerelement (14,30) starr gekoppelt ist, und wobei das zweite Trägerelement (16,32) zur rotatorischen Verstellung gegenüber dem ersten Trägerelement (14,30) ein Befestigungselement (50) aufweist, das im bestimmungsgemäßen Montagezustand unter Zwischenschaltung des ersten Stellantriebselements (52) mit dem ersten Kopplungselement (42) gekoppelt ist.
Lagervorrichtung (4) nach den Ansprüchen 7 und 8,
wobei das Steilkraftstützelement (44) als Hohlzylinder ausgebildet ist, der sich zentral zu den Streben (22) von der ersten Gelenkgrundplatte (30) zu der zweiten Gelenkgrundplatte (32) erstreckt.
10. Lagervorrichtung (4) nach einem der Ansprüche 5 bis 9,
wobei die Streben (22) aus Metall und/oder einem faserverstärkten Kunststoff gefertigt sind.
1 1 . Lagervorrichtung (4) nach einem der Ansprüche 2 bis 10,
wobei das reibungsbehaftete Lager (10) als Wälzlager oder als Gleitlager, insbesondere als segmentiertes Gleitlager ausgebildet ist.
12. Rotorblattstellvorrichtung für eine Windenergieanlage,
- mit einer Lagervorrichtung (4) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 1 1 ,
- mit einem Antriebssystem, das zur Verstellung des Festkörpergelenks (12) eingerichtet ist.
13. Rotorblattstellvorrichtung nach Anspruch 12,
wobei das Antriebssystem zur jeweils separaten Verstellung des reibungsbehafteten Lagers (10) und des Festkörpergelenks (12) eingerichtet ist.
14. Rotorblattstellvorrichtung nach Anspruch 13,
wobei das Antriebssystem dazu eingerichtet ist, das reibungsbehaftete Lager (10) erst zu verstellen, wenn ein zur Verstellung des jeweiligen Rotorblatts (3) auf einen Anstellwinkel (φ) erforderlicher Stellwert einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet.
15. Rotor (1 ) für eine Windenergieanlage,
- mit einer Anzahl von Rotorblättern (3),
- mit einer Rotornabe (2) zur Halterung der Rotorblätter (3), wobei das jeweilige Rotorblatt (3) mit einer Lagervorrichtung (4) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 1 1 an der Rotornabe (2) verstellbar gelagert ist, und
- mit einem Antriebssystem, das zur Verstellung des Festkörpergelenks (12), insbesondere zur jeweils separaten Verstellung des reibungsbehafteten Lagers (10) und des Festkörpergelenks (12) eingerichtet ist.
16. Windenergieanlage,
- mit einem Mast,
- mit einem Rotor (1 ), der eine Anzahl von Rotorblättern (3) und eine Rotornabe (2) zur Halterung des jeweiligen Rotorblatts (3) umfasst, wobei das jeweilige Rotorblatt (3) mit einer Lagervorrichtung (4) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 1 1 an der Rotornabe (2) verstellbar gelagert ist, und
- mit einem Antriebssystem, das zur Verstellung des Festkörpergelenks (12), insbesondere zur jeweils separaten Verstellung des reibungsbehafteten Lagers (10) und des Festkörpergelenks (12) eingerichtet ist.
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