DD221505A1 - Regeleinrichtung fuer windkraftanlagen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung beinhaltet eine mechanische Regeleinrichtung fuer Windkraftanlagen, die in Abhaengigkeit der angreifenden Windkraefte ueber einen grossen Betriebsbereich eine konstante Drehzahl einhaelt, wobei eine Vorgabe der Nenndrehzahl von aussen moeglich ist und gleichermassen eine Ueberlastung der Anlage ausgeschlossen werden kann. Die Loesung sieht vor, dass unter Ausnutzung der moeglichen Veraenderung des Propellerblatt-Anstellwinkels und der Veraenderung ihres Flugkreisdurchmessers die Propellerblaetter federelastisch gegenueber der Propellernabe gelagert sind und dazu ueber eine sinusfoermige Steuerkurve zwangsgefuehrt werden und dass die Propellerblaetter selbst untereinander kontraer zusammengekoppelt sind und dass das Koppelglied mit einer Verstelleinrichtung wirkungsverbunden ist. Mit diesen Massnahmen ist eine automatische Konstanthaltung an die vorgegebene Nenndrehzahl unabhaengig der verfuegbaren Windenergie moeglich. Gleichermassen kann von aussen die Einstellung der Propellerblaetter jederzeit beeinflusst werden. Die vorgeschlagene Einrichtung eignet sich besonders fuer horizontal angestroemte Windkraftanlagen mit Propellern grosser Dimensionen. Figur

Description

Titel der Erfindung:

Regeleinrichtung für Windkraftanlagen :

Anwendungsgebiet der Erfindung:

Die Erfindung betrifft eine Regeleinrichtung für Windkraftanlagen mit horizontal angeströmtem Windrad, dessen Rotorblätter zum Zwecke der Drehzahlregelung und Sturmsicherung verstellbar ausgeführt sind und in direkter Wechselbeziehung zur Regeleinrichtung stehen.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen:

Allgemein sind Windkraftanlagen mit verstellbaren Rotorblättern bekannt. Ihre Verstellung erfolgt mittels separater mechanischer oder hydraulischer Verstellmechanismen

In der DE-OS 3217765 wird vorgeschlagen, die Verstellung der Rotorblätter unter Ausnutzung der wirksamen Zentrifugalkräfte mittels einer Federeinrichtung und einem nicht selbsthemmenden Gewinde vorzunehmen.

Obwohl dieses System gegenüber dem übrigen Stand der Technik Vorteile bietet, ist festzustellen, daß mit dieser Anlage nur ein optimaler Betriebspunkt (Uenndrehzahl) angefahren werden kann. Eine Anpassung an andere Drehzahlbereiche unabhängig der zur Verfügung stehenden Windenergie ist nicht möglich

Das gleiche trifft auch auf das Anfahrverhalten der Anlage zu, da mit der vorgeschlagenen Einrichtung eine Vorgabe des Anstellwinkels nicht möglich ist. Weiterhin ist festsustel-

len, daß dieses Regelsystem nur für relativ kleine Windkraftanlagen geeignet ist. Das hat seine Ursache in der fehlenden Möglichkeit eines Kraftausgleichs bezüglich der freiwerdenden Massenkräfte, die beim Durchlaufen des oberen bzw. unteren Plugkreises unter Berücksichtigung der Erdanziehungs- .

kraft G wirksam werden.

Bei größeren Anlagen führt dieser Effekt mit Sicherheit zu Unwuchten und damit zur Laufunruhe und letztendlich zum Ausfall der Anlage. .

Ziel der Erfindung:

Das Ziel der Erfindung ist es, eine einfache mechanische direkt auf die Propellerblätter wirkende Regeleinrichtung zu schaffen, die unabhängig der angreifenden Windkräfte ein Konstanthalten einer vorgegebenen Uenndrehzahl ermöglicht, eine Überlastung der Anlage verhindert und ein günstiges Anlaufverhalten bei niedrigen Windgeschwindigkeiten zeigt.

Gleichzeitig ist die Möglichkeit einer zeitweiligen Energiespeicherung zu schaffen, um unterschiedliche Windgeschwindigkeiten effektiv auszunutzen, um damit eine hohe Frequenz-Stabilität zu sichern und eine große Laufruhe zu erreichen.

Wesen der erfindungsgemäßen Lösung:

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Entwicklung einer mechanischen direkt mit den Propellerblättern in Wirkungsbeziehung stehenden Regeleinrichtung zur Konstanthaltung einer vorgegebenen Uenndrehzahl. Die Propellerblätter sollen dazu in Abhängigkeit der zur Verfugung stehenden Windenergie stets einen optimalen Anströmwinkel einnehmen. Besonders für die Anlaufphase ist eine Vorgabe des günstigsten Anströmwinkels von außen zu ermöglichen, wie auch eine Sturmeinstellung möglich sein muß. Weiterhin ist für die Kompensation der angreifenden Massen- und Zentrifugalkräfte ein Energiespeicher vorzusehen, mit dem die Überbrückung von Windschwankungen möglich ist. Dazu ist die Regeleinrichtung mit einem System auszustatten, bei dem neben der Veränderung des An— strömwinkels eine radiale Verstellung der Propellerblätter mit gegenseitigem Kraftausgleich möglich ist.

Die erfindungsgemäße Lösung sieht vor, daß die Propellerblätter einzeln in einer Propellernabe radial und winkelverstellbar gelagert und mittels einer Steuerkurve kinematisch mit der Propellernabe wirkungsverbunden ist. Gleichzeitig ist vorgesehen, daß die einzelnen Propellerblätter gegenüber der Propellernabe mechanisch, hydraulisch oder pneumatisch

federelastisch, abgestützt werden und daß sie zueinander konträr über ein gemeinsames von außen verstellbares Koppelglied kinematisch gekoppelt sind. Zur Verstärkung des dabei erzielbaren Energiespeichereffektes kann die Masse der Propellerblätter durch zusätzliche an den Propellerblättern angeordnete Massen erhöht werden.

Die vorgesehene Steuerkurve besitzt einen solchen Bahnverlauf, daß sie den Flügellagerzapfen konzentrisch umschließt und einen Blattanstellwinkel von + 0-90 Grad zuläßt. Die Amplitude der Kurve bestimmt sich aus dem vorgesehenen veränderbaren Flugkreisdurchmesser der Propellerblätter. Entsprechend dem vorgegebenen Kurvenverlauf ist als federelastisches energiespeicherndes Abstützelement eine Feder am Hydraulik- oder" Pneumatikzylinder vorgesehen, deren Federweg bzw. Hub größer ist als der masimal auszuführende radiale Hub der Propeller-. blätter.

Als gemeinsames Koppelglied für die konträre Kopplung der Propellerblätter untereinander ist ein auf der Propellerwelle drehbar gelagertes Stellrad vorgesehen, an dem die einzelnen Flügellagerzapfen über eine Schubkurbel angekoppelt sind. Die Ankopplung der Schubkurbel ist so gelöst, daß zur Erzielung der konträren Wirkungsrichtung alle Schubkurbeln im gleichen Drehsinn tangential andas Stellrad und auf der Flügellagerzapfenseite an einen Anschlußzapfen mit Axiallager angekoppelt sind. An Stelle des Schubkurbelmechanismus können auch eine hydraulische oder pneumatische Verkopplung vorgenommen werden.

Das Stellrad selbst ist zur Beeinflussung des erforderlichen Betriebspunktes (Uenndrehzahl, Anfahrstellung, Sturmstellung) mit einem von außen ansteuerbaren Stellmotor wirkungsverbunden.

Die vorgeschlagene Regeleinrichtung hat den Vorteil, daß auf Grund des großen Arbeitsbereiches der Anlage, unabhängig der verfügbaren Windenergie, eine weitestgehende Konstanthaltung einer bestimmten Uenndrehzahl möglich ist. .Gleichzeitig wird durch die konträre Zusammenkopplung der einzelnen Propellerblätter die angreifenden Zentrifugalkräfte sowie die wirksam

werdende Erdanziehungskraft G beim Durchlaufen des oberen und unteren Propellerflugkreises kompensiert, bzw. bei Windschwankungen in Form einer zeitweiligen Energiespeicherung zur Kompensation der Drehzahlschwankungen erfolgreich genutzt. Durch die Anordnung zusätzlicher Massen an den Propellerblättern kann dieser Effekt noch verstärkt werden. Damit wird eine hohe Laufruhe der Anlage gewährleistet, eine Überlastung verhindert und der einfallende Wind effektiv ausgenutzt werden. Dieser Yorteil wirkt sich besonders im Generatorbetrieb günstig aus.

Ausführungsbeispiel: ,

Nachfolgend soll das System der Regeleinrichtung an einer Prinzipdarstellung nochmals verdeutlicht werden.

Die Abbildung zeigt den Aufbau der Lagerung der Propellerblätter 1 in der Propellernabe 2. Die Propellerblätter 1 sind jeweils in einem Doppellager 13, 13^f drehbar und radial verstellbar gelagert. Gleichzeitig erfolgt eine Zwangsführung mittels der Steuerkurve β auf dem Flügelzapfenlager 3 in Verbindung mit dem Führungsring 7 in der Propeller-

.20 nabe 2. Zwischen der Steuerkurve 6 und dem Lager 13' wird das Propellerblatt 1 durch eine vorgespannte Feder 5 zentripetal belastet.

Die konträre Kopplung der einzelnen Propellerblätter 1 erfolgt über das Stellrad 9 auf der Propellerwelle 8, an welchem die einzelnen Schubkurbeln 11 angekoppelt sind, die ihrerseits über die Anschlußzapfen 12 und Axiallager 4 mit dem Flügellagerzapfen 3 zusammengekoppelt sind. Das Stellrad 9 dient gleichzeitig der Vorgabe eines bestimmten Betriebspunktes (ITenndrehzahl, Anfahrstellung, Sturmstellung), die mittels des Stellmotors 10 von außen eingegeben werden kann.

Im Betrieb funktioniert-die Regeleinrichtung wie folgt: Ausgehend von der erforderlichen ITenndrehzahl wird mittels des Stellmotors 10 das Stellrad 9 in die erforderliche Einstellung gebracht. (Diese Grundeinstellung bleibt während des Betriebes der Anlage unverändert.) Mit dieser Einstellung wird gleichzeitig der Anstellwinkel der Propellerblätter 1 in einer bestimmten Größe eingegeben. Dementsprechend

' wird die Feder 5 mit einer ganz bestimmten Federkraft ausgestattet,' die im vorgesehenen Betriebspunkt einen Gleichgewichtszustand zwischen den angreifenden Kräften sichert. Tritt während des Betriebes eine positive oder negative Veränderung der Windstärke auf, so bewirkt das eine Veränderung der Drehzahl gegenüber der Uenndrehzahl« In der Folge verändert sich .gleichzeitig die Zentrifugalkraft. Zwischen dieser und der Spannkraft der Feder 5 tritt ein Ungleichgewicht ein. Diese Abweichung vom GleichgewichtslOzustand wird jetzt durch die Feder 5 ausgeglichen, indem der Flügellagerzapfen 3 über die Steuerkurve β in die Propellernabe 1 ein- oder radial ausgefahren wird. Mit dieser Hubbewegung wird gleichzeitig über die Steuerkurve 6 und den Führungsring 7 ein neuer Anstellwinkel der Propellerblätter 1 eingestellt, so daß im Ergebnis dieser Korrektur wieder ein kinetischer Gleichgewichtszustand erreicht und die vorgegebene Nenndrehzahl wieder hergestellt wird. Da neben den Zentrifugalkräften auf die Feder 5 auch die aus den Massenkräften resultierende Erdanziehungskraft G einwirkt, ist es notwendig, zur Erreichung eines unwuchtfreien Laufes diese Kraftkomponente ebenfalls zu kompensieren. Diese Kompensation geschieht durch die konträre Kopplung der Propellerblätter 1 zueinander (alle Schubkurbeln 11 sind im gleichen tangentialen Anschlußwinkel an dem Stellrad 9 angekoppelt). Die Summe der Zentrifugalkraft und der Erdanziehungskraft G jedes Propellerblattes 1, bezogen auf den oberen und unteren Flugkreis des Propellers, bewirkt beim Durchlaufen desselben eine zeitweilige Veränderung des Propelleranstellwinkels (Atmen). Hierbei wirkt im oberen Flugkreis die Zentrifugalkraft negativ auf die Erdanziehungskraft G, wogegen sie im unteren Flugkreisdurchmesser sich mit dieser summiert.

Wie bereits bei der Anpassung an die jeweilige Windkraft wird durch die konträre Kopplung der Propellerblätter 1 die Wirksamkeit der Erdanziehungskraft G kompensiert und somit ein unwuchtfreier Lauf der Anlage gesichert. Gleichzeitig ergibt sich der Vorteil, daß beim Abfall der Windkraft die Propellerblätter einen kleineren Flugkreis bilden und damit die angreifenden Massenkräfte einen zusätzlichen Drehimpuls

auslösen (Pirouetteneffekt), der somit die kinetisch gespeicherte Energie zur Überwindung der Drehzahlschwankung freisetzt. Durch die Anordnung zusätzlicher Massen an den Propellerblättern 1 kann dieser Effekt bewußt genutzt und verstärkt werden. · '

Mit der beschriebenen Regeleinrichtung ist damit gesichert, daß der Abgriff einer konstanten vorgegebenen Drehzahl über einen relativ großen Bereich abgegriffen werden kann. Außerdem verschafft sie dem Betreiber die Möglichkeit, die Anlage bei relativ geringen Windgeschwindigkeiten durch äußere Beeinflussung des Anstellwinkels der Propellerblätter problemlos anzufahren. Weiterhin ist die Regeleinrichtung in der Lage, bei Überschreitung eines vorbestimmten Maximalwertes der Windgeschwindigkeit automatisch die Sturmstellung der

15. Propellerblätter herzustellen bzw. mittels des Stellmotors von außen einzugeben. Damit wird die Betriebssicherheit der Anlage vergrößert und eine Beschädigung in Sturm-Situationen verhindert. Dieser Vorteil wie alle übrigen Vorteile wirken sich besonders günstig bei großen Windkraftanlagen aus.

Claims (8)

• Erf indungsansprüche:

1. Regeleinrichtung für Windkraftanlagen, insbesondere zur Drehzahleinstellung, Drehzahlkönstanthaltung und Schutz vor Überlastung, vorzugsweise bei horizontal angeströmten Propellern in Abhängigkeit der angreifenden Windkraft, gekennzeichnet dadurch, daß die Propellerblätter (1) dreh- und im Zusammenwirken mit einer Steuerkurve (6) radial gegen eine Feder mechanisch, hydraulisch oder pneumatisch verstellbar in der Propellernabe (2) gelagert zueinander konträr zusammengekoppelt sind und/oder daß das Koppelglied mit einer von außen ansteuerbaren Verstelleinrichtung wirkungsverbun·? den ist.

2. Regeleinrichtung gemäß Punkt 1., gekennzeichnet dadurch, daß die Propellerblätter (1) gegenüber der Propellernabe (2) mittels einer Feder (5) federelastisch abgestützt sind.

3· Regeleinrichtung nach Punkt 1., gekennzeichnet dadurch, daß die Steuerkurve (6) auf dem Flügellagerzapfen (3) der · Propellerblätter (1) angeordnet ist und daß sie eine Bahnführung aufweist, die eine Veränderung des Anstellwinkels der Propellerblätter (1) von + 0-90 Grad zuläßt und daß ihre Amplitude dem vorgegebenen radialen Verstellhub der Propellerblätter (1) entspricht.

4· Regeleinrichtung nach Punkt 1. und 2., gekennzeichnet dadurch, daß die Peder (5) im eingebauten Zustand über eine Federspannung verfügt, mit der die optimale Betriebsdrehzahl im Gleichgewicht steht.

5. Regeleinrichtung nach Punkt 1. und 4·, gekennzeichnet dadurch, daß die Feder (5) im entspannten Zustand größer ist als der maximale radiale Hub der Propellerblätter (1).

6. Regeleinrichtung nach Punkt 1., gekennzeichnet dadurch, daß zur konträren Kopplung der Propellerblätter (1) auf der Propellerwelle (8) ein drehbar gelagertes Stellrad (9) angeordnet ist, an dem tangential in gleichsinniger Wirkungs-

richtung Schubkurbeln (11) angekoppelt sind, die mit dem - Flügellagerzapfen (3) über einen, Anschlußzapfen (12) mit Axiallager (4) zusammengekoppelt sind bzw. daß an Stelle des Schubkurbelantriebes eine hydraulische oder pneumatisehe Koppeleinheit vorgesehen ist.

7. Regeleinrichtung nach Punkt 1. und 6., gekennzeichnet dadurch, daß zur Beeinflussung der Einstellung des Stellrades (9) in der Propellernabe (2) ein Stellmotor (10) angeordnet ist, der mit dem Stellrad (9) im Eingriff steht und von außen ansteuerbar ist.

8. Regeleinrichtung nach Punkt 1., gekennzeichnet dadurch, daß zum wirksameren Drehzahlausgleich bei wechselnden Windverhältnissen an den Propellerblättern (1) zusätzliche Massen angeordnet sind.

· " - Hierzu 1 Blatt Zeichnung. -