DE10145785A1

DE10145785A1 - Drehzahlregelung einer ummantelten Windkraftturbine

Info

Publication number: DE10145785A1
Application number: DE10145785A
Authority: DE
Inventors: Michael Ehrenberger
Original assignee: KBE Windpower GmbH
Current assignee: LUETHI-POOS, EVA, ERMATINGEN, CH
Priority date: 2001-09-17
Filing date: 2001-09-17
Publication date: 2003-04-10
Anticipated expiration: 2021-09-18
Also published as: DE10145785C2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Windkraftturbine (1) mit einem mit Rotorblättern (6) versehenen, einen elektrischen Generator (4) rotierend antreibenden Rotor (3), wobei die Rotorblätter (6) zur Verbesserung des Wirkungsgrades von einem umlaufenden Mantelgehäuse (2) umgeben sind. Zur Regulierung der Drehzahl des Rotors (3) bzw. des Generators (4) im Bereich seiner vorgeschriebenen Nenndrehzahl sind zwei Alternativen vorgesehen. Zum einen kann der Rotor (3) in axialer Richtung seiner Drehachse (13) aus dem Luftstrom höchster Strömungsgeschwindigkeit axial innerhalb des Mantelgehäuses (2) in Bereiche geringerer Strömungsgeschwindigkeit verfahren werden. Zum anderen ist alternativ dazu oder in Kombination mit dieser Axialverstellung vorgesehen, daß in Strömungsrichtung hinter dem Rotor (3) Staukörper (19) vorgesehen sind, welche zur Verminderung der Strömungsgeschwindigkeit innerhalb des Mantelgehäuses (2) in den Luftstrom einbringbar sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Windkraftturbine mit einem mit Rotorblättern versehenen, einen elektrischen Generator rotierend antreibenden Rotor, wobei die Rotorblätter zur Verbesserung des Wirkungsgrades von einem umlaufenden Mantelgehäuse umgeben sind, dessen Querschnittsform aerodynamisch der Querschnittsform eines Tragflügels eines Flugzeuges ähnlich ist und dessen vorderer Lufteinlaßquerschnitt kleiner ist als dessen hinterer Luftauslaßquerschnitt, wodurch zumindest bereichsweise eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit des durch das Mantelgehäuse hindurchströmenden Luftstromes erreicht wird, wobei der Rotor mit seinen Rotorblättern in seiner Betriebsposition innerhalb des Mantelgehäuses axial im Bereich der größten Strömungsgeschwindigkeit angeordnet ist.
Windkraftturbinen der gattungsgemäßen Art sind schon seit Jahrzehnten bekannt und werden in sogenannte "freifahrende" Windkraftturbinen und in sogenannte Mantelturbinen unterschieden. Solche als Mantelturbinen ausgebildete Windkraftturbinen der gattungsgemäßen Art bestehen im wesentlichen aus einem Rotor, welcher mit zwei oder mehreren Rotorblättern versehen ist. Durch diesen Rotor wird zur elektrischen Energieerzeugung ein elektrischer Generator rotierend angetrieben, wobei die Rotorblätter zur Verbesserung des Wirkungsgrades von einem umlaufenden Mantelgehäuse umgeben sind. Im normalen Betriebszustand sind dabei die Rotorblätter des Rotors in ihrer axialen Position relativ zum Mantelgehäuse im Bereich der größten Strömungsgeschwindigkeit angeordnet, welche etwa dem Bereich des engsten Durchtrittsquerschnittes des Mantelgehäuses entspricht.
Es hat sich dabei gezeigt, wie insbesondere aus der US 4,132,499 ersichtlich ist, daß für bestimmte Querschnittsformen des Mantelgehäuses die Ausbeute aus der Windenergie im Vergleich zu einer sogenannten freifahrenden Windkraftturbine erheblich verbessert werden kann, indem die Querschnittsform etwa der Querschnittsform eines Tragflügels eines Flugzeuges ähnlich ausgestaltet wird. Dabei wird dieses Tragflügelprofil als umlaufender Ringmantel ausgebildet, dessen vorderer Lufteinlaßquerschnitt kleiner ist als dessen hinterer Luftauslaßquerschnitt. Durch diese Art "Trichterform" wird in Zusammenwirken mit der aerodynamischen Querschnittsform eine erhebliche Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit des durch das Mantelgehäuse hindurchströmenden Luftstromes im Vergleich zur Umgebung erreicht. Mit der Ausgestaltung unterschiedlicher Querschnittsformen des Mantelgehäuses sowie einem zusätzlichen im Luftaustrittsbereich des Mantelgehäuses angeordneten Diffusor-Ring befaßt sich beispielsweise auch die WO 00/50769, in welcher die unterschiedlichen Varianten von Querschnittsformen des Mantelgehäuses sowie unterschiedliche Anstellwinkel der vorgeschlagenen Querschnittsprofile zur Windrichtung dargestellt sind.
Es hat sich nun gezeigt, daß bei Windkraftturbinen mit Mantelgehäuse, ähnlich wie bei freifahrenden Windkraftturbinen, bei äußerst hohen Windstärken die Nenndrehzahl des Rotors und somit auch des Generators überschritten wird, was zur Beschädigung der Windkraftturbine führen kann. Bekannterweise ist bei solchen Windkraftturbinen mit Mantelgehäuse eine gewisse Nenndrehzahl vorgegeben, welche einerseits von der Belastbarkeit des Rotors bzw. der Rotorblätter und andererseits von der maximalen Belastbarkeit des Generators abhängig ist. Dies bedeutet wiederum, wie dies aus dem Stand der Technik auch für freifahrende Windkraftturbinen bekannt ist, daß solche Windkraftturbinen bei größeren Windstärken abgeschaltet werden.
Bei Windkraftturbinen mit einem umlaufenden Mantelgehäuse hingegen wird beispielsweise in der DE 196 44 917 A1 vorgeschlagen, mittels eines sogenannten Steuerschildes den für den Rotor wirksamen Durchlaßquerschnitt des Mantelgehäuses zumindest teilweise zu verschließen. Dabei handelt es sich bei diesem Mantelgehäuse jedoch nicht um ein kegelförmig, in Strömungsrichtung erweitertes und aerodynamisch profiliertes Mantelgehäuse, sondern um eines mit einem sich im wesentlichen trichterförmig verjüngenden Einlaufbereich, an dessen Ende der Rotor mit seinen Rotorblättern angeordnet ist. Vom Rotor ausgehend in Strömungsrichtung der Luftströmung weist das Mantelgehäuse wiederum einen leicht kegelförmig divergierenden Durchlaßquerschnitt auf, wobei jedoch auf eine aerodynamische Formgebung verzichtet wurde.
Um beim teilweisen Verschließen dieses Einlaßtrichters durch das Steuerschild eine übermäßige Erhöhung des Staudruckes im Einlaßtrichter zu vermeiden, ist im Bereich des Einlaßtrichters ein Durchbruch vorgesehen, welcher mit zunehmender Schließstellung des Steuerschildes gleichzeitig geöffnet wird. Von Nachteil bei dieser Art von Strömungsregulierung innerhalb des Mantelgehäuses ist, daß durch das Steuerschild nicht beeinflußbare turbulente Strömungen der Luftströmung erzeugt werden, so daß im Bereich des Rotors keine kontinuierliche Luftströmung mehr vorliegt. Damit kann zwar die Strömungsgeschwindigkeit innerhalb des Mantelgehäuses im Bereich des Rotors verringert werden, eine definierte Gleichlaufdrehzahl des Rotors kann allerdings aufgrund der turbulenten Strömungsanteile nicht gewährleistet werden.
Im weiteren wird in der DE 199 03 846 A1 ebenfalls vorgeschlagen, zur Steuerung der Stärke des Windes an dessen eingangsseitig am Mantelgehäuse eine Dämpfungsvorrichtung anzuordnen. Eine solche Dämpfungsvorrichtung besteht hier beispielsweise aus einem Art Rolladen, welcher mehr oder weniger in Abhängigkeit der jeweils vorliegenden Windstärke verschließbar ist. Als weiterer Vorschlag kann im Einströmbereich, also ebenfalls in Strömungsrichtung, vor dem Rotor, auch eine mit Fenstern versehene Metallplatte vorgesehen sein, bei welcher sich die Fenster mit einem Winkel zwischen 0° und 90° in das Innere des Mantelgehäuses öffnen lassen. Auch hier treten zwangsläufig, insbesondere bei nur teilweise geschlossener "Dämpfungseinrichtung", äußerst starke Verwirbelungen des Luftstromes insbesondere im Bereich des Rotors auf, so daß durch diese undefinierten Strömungsverhältnisse eine konstante Drehzahlregelung oder Steuerung des Rotors nur schwer oder gar nicht vorgenommen werden kann.
Demgemäß liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Windkraftturbine mit Mantelgehäuse der gattungsgemäßen derart auszugestalten, daß eine Drehzahlregelung, bei welcher insbesondere die den Rotor antreibende Luftströmung stets ohne Verwirbelungen erhalten bleibt, sicher durchführbar ist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmalskombinationen der unabhängigen Patentansprüche 1 und 4 gelöst.
Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung gemäß der Patentansprüche 1 und 4 wird eine Drehzahlregulierung bzw. Drehzahleinstellung des Rotors und somit auch des Generators bewirkt, ohne daß im Bereich des Rotors zusätzliche, undefinierte Verwirbelungen der durch das Mantelgehäuse hindurchtretenden Luftströmung bewirkt wird.
Gemäß Anspruch 1 ist dabei vorgesehen, daß der Rotor in Richtung seiner Drehachse axial verstellbar gelagert ist und daß der Rotor bei Überschreiten seiner Nenndrehzahl aus seiner Betriebsposition axial relativ zum Mantelgehäuse in unterschiedliche Positionen geringerer Strömungsgeschwindigkeit fahrbar ist.
Dies bedeutet, daß nach der Lösung gemäß Anspruch 1 die Luftströmung selbst innerhalb des Mantelgehäuses nicht negativ beeinflußt wird. Da aber aufgrund der aerodynamischen Formgebung der Querschnittsform des Mantelgehäuses innerhalb dieses Mantelgehäuses in axialer Richtung unterschiedliche Strömungsgeschwindigkeiten vorliegen, wird durch die axiale Verstellbarkeit des Rotors in Richtung seiner Drehachse erreicht, daß dieser annähernd beliebig in axiale Positionen verfahrbar ist, in welchen die Strömungsgeschwindigkeit der durchtretenden Luftströmung zum Erreichen und Stabilisieren der Nenndrehzahl optimal ist.
Gemäß Anspruch 2 ist für die Positionierung des Rotors eine Steuereinrichtung vorgesehen, welcher über einen Drehgeber die aktuelle Drehzahl des Rotors übermittelt wird. Bei Überschreiten der Nenndrehzahl um einen gewissen Prozentsatz, welcher ebenfalls der Steuereinrichtung vorgebbar ist, wird ein Stellantrieb des Rotors zu dessen Axialverstellung aktiviert. Dabei ist sowohl vorgesehen, den Rotor entgegen der Strömungsrichtung der Luftströmung wie auch in gleicher Richtung der Luftströmung in axiale Bereich geringerer Strömungsgeschwindigkeit zu verfahren.
Dabei kann gemäß Anspruch 3 vorgesehen sein, daß der Rotor aus seiner Betriebsposition in eine axiale Endstellung gefahren wird, welche zumindest geringfügig außerhalb des Mantelgehäuses auf der Lufteinlaßseite liegt. Damit wird die Wirkung des Mantelgehäuses fast vollständig aufgehoben, so daß in dieser Endstellung die erfindungsgemäße Windkraftturbine zu einer Art freifahrenden Windkraftturbine wird, welche bekanntlich einen geringeren Wirkungsgrad aufweist und somit eine Drehzahlabsenkung des Rotors sicher bewirkt wird.
Alternativ zur Lösung gemäß Anspruch 1 ist gemäß des unabhängigen Patentanspruches 4 vorgesehen, innerhalb des Mantelgehäuses im Axialbereich des radial erweiterten Luftaustritts in Strömungsrichtung hinter dem Rotor ein oder mehrere Staukörper vorzusehen, welche bei Überschreiten der Nenndrehzahl des Rotors aus ihrer im wesentlichen neutralen Position in den Luftstrom einbringbar sind.
Bei solchen Staukörpern kann es sich um Klappen, Rolladen, Jalousien oder dergleichen handeln, welche beispielsweise aus einer im wesentlichen neutralen, in Strömungsrichtung verlaufenden Stellung in den Luftstrom eingeklappt werden können. Durch diese, in Strömungsrichtung hinter dem Rotor angeordneten Staukörper wird die Luftströmung im Bereich des Rotors auch bei nur teilweise geschlossenen Staukörpern nicht beeinflußt, so daß dort stets eine laminare Luftströmung vorliegt und der Rotor durch diese definierte Luftströmung angetrieben wird. Aufgrund der Verengung des Auslaßquerschnittes des Mantelgehäuses wird somit am Ende des Mantelgehäuses ein Rückstau bewirkt, durch welchen lediglich die Strömungsgeschwindigkeit innerhalb des vor dem Staukörpers liegenden Luftstromes bewirkt wird, ohne daß im Bereich des Rotors Verwirbelungen erzeugt werden. Auch durch diese Lösung ist eine optimale Regulierung bzw. Einstellung der Nenndrehzahl des Rotors auch bei größeren Windstärken sicher und einfach durchführbar.
Gemäß Anspruch 5 können dabei die Staukörper aus um radial zur Drehachse des Rotors verlaufende Drehachsen drehbare, im wesentlichen plattenförmige Stauplatten bestehen. Diese Stauplatten können dabei im geschlossenen Zustand ein annähernd vollständiges Verschließen des Auslaßquerschnittes des Mantelgehäuses bewirken, oder noch einen Restquerschnitt frei lassen, so daß der Rotor auch in voll geschlossener Stellung der Stauplatten auch bei größeren Windstärken noch betrieben werden kann.
Vorzugsweise können vier solcher Stauklappen vorgesehen sein, deren Drehachsen entsprechende radial unter jeweils 90° zueinander verlaufen. Dabei ist auch vorgesehen, daß die Drehachsen unter 45° geneigt zur vertikal verlaufenden Drehachse der Windkraftturbine angeordnet sind, um zu verhindern, daß insbesondere bei teilweise geschlossener Stellung der Stauklappen keine Stellmomente im hinteren Bereich des Mantelgehäuses um diese vertikale Stellachse der Windkraftturbine auftreten. Damit wird sichergestellt, daß sich auch bei teilweise geschlossenen Stauklappen die Windkraftturbine mit ihrem Mantelgehäuse nicht aus dem Wind dreht.
Gemäß Anspruch 6 kann vorgesehen sein, daß die Staukörper durch einen gemeinsamen Schwenkantrieb in ihre jeweilige Schwenkstellung bringbar sind, wodurch auch ein automatisches Schließen und Öffnen in unterschiedlichen Schwenkstellungen der Staukörper möglich wird.
Zu diesem Zweck kann gemäß Anspruch 7 ebenfalls eine Steuereinrichtung vorgesehen sein, welcher ebenfalls über einen Drehgeber die aktuelle Drehzahl des Rotors übermittelt wird. Bei entsprechendem Signal des Drehgebers wird durch die Steuereinrichtung der Schwenkantrieb der Staukörper aktiviert, wobei vorgesehen ist, daß unterschiedliche Schließstellungen dieser Staukörper in Abhängigkeit von der Drehzahl des Rotors bzw. von der Windstärke einstellbar sind, wie dies gemäß Anspruch 8 beansprucht wird.
Gemäß der Ansprüche 9 und 10 wird eine Kombination der beiden grundsätzlich unterschiedlichen Lösungen zur Drehzahlregelung beansprucht. So ist gemäß Anspruch 9 vorgesehen, daß die Steuereinrichtung ein Einschwenken der Staukörper in den Luftstrom bewirkt, sobald der Rotor seine axiale Endstellung erreicht hat und in dieser Endstellung eine weitere Drehzahlerhöhung des Rotors durch den Drehgeber an die Steuerung übermittelt wird. Durch diese Merkmalskombination soll erreicht werden, daß für den Fall, daß eine Axialverstellung bei äußerst hohen Windstärken nicht ausreichend ist, um die Drehzahl des Rotors auf die Nenndrehzahl zu reduzieren, zusätzlich zur Axialverstellung des Rotors das Mantelgehäuse bzw. der freie Durchlaßquerschnitt des Mantelgehäuses durch die Staukörper mehr oder weniger verringert wird.
Dabei kann gemäß Anspruch 10 auch durch die Steuereinrichtung eine variable Kombination sowohl der Axialverschiebung des Rotors wie auch der Schließbewegung bzw. Schließstellung der Staukörper erreicht werden.
Desweiteren sei an dieser Stelle noch herausgestellt, daß durch die Axialverstellung des Rotors auch die Einstellung des Radialspaltes zwischen den Rotorblättern und der Innenwand des Mantelgehäuses optimal einstellbar ist, um auch in diesem Randbereich eine optimale Verstärkungswirkung des Mantelgehäuses in bezug auf die Drehung des Rotors zu bewirken. So könnte beispielsweise der Außendurchmesser des Rotors identisch sein mit dem kleinsten Innendurchmesser des Mantelgehäuses. Durch axiale Verstellung des Rotors kann nun der Radialspalt zwischen dem Rotor und der Innenwand des Mantelgehäuses beliebig präzise eingestellt werden. Dies ist unter anderem deshalb möglich, weil die Querschnittsform des Mantelgehäuses in etwa der Querschnittsform eines Tragflügels eines Flugzeuges entspricht. D. h., daß das Mantelgehäuse vom Innendurchmesser her zur Lufteinlaßseite hin bogenförmig, radial erweitert ausgebildet ist und desgleichen gilt auch für die Luftauslaßseite. Die sich zur Auslaßseite hin öffnende Trichterform wird dabei dadurch erreicht, daß der wirksame Innendurchmesser des Mantelgehäuses auslaßseitig um größer bemessen ist als einlaßseitig. Aufgrund dieser aerodynamischen Formgebung des Querschnittes des Mantelgehäuses ist eine Einstellung des Radialspaltes zwischen den Rotorblättern und der Innenwand des Mantelgehäuses durch Axialverstellung des Rotors ebenfalls möglich.
Dabei ist gemäß Anspruch 11 vorgesehen, daß der Rotor zusammen mit dem Generator auf einem höhenverstellbaren Kreuzschlitten gelagert ist. Durch diese Art der Lagerung ist eine zentrierte, koaxiale Ausrichtung des Rotors mit seiner Drehachse relativ zum Mantelgehäuse durchführbar. Durch den Kreuzschlitten ist zusätzlich zur Axialverstellung des Rotors eine horizontale Querverstellung möglich, wodurch die koaxiale Ausrichtung erheblich vereinfacht wird.
Nachfolgend wird anhand der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Windkraftturbine dargestellt. Dabei ist die Erfindung nicht auf das konkrete Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern umfaßt auch weitere, nicht konkret als Ausführungsbeispiel beschriebene Varianten, welche insbesondere Inhalt der Patentansprüche sind. Es zeigt:
Fig. 1 eine perspektivische Darstellung einer Windkraftturbine der erfindungsgemäßen Art;
Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung einer Kreuzschlittenlagerung des Rotors und des Generators;
Fig. 3 einen Vertikalschnitt durch die Windkraftturbine aus Fig. 1;
Fig. 4 die Schwenklagerung der Windkraftturbine aus den Fig. 1 und 3 als vergrößerten Ausschnitt III aus Fig. 2;
Fig. 5 einen vergrößerten Ausschnitt IV aus Fig. 3;
Fig. 6 eine perspektivische Rückansicht der erfindungsgemäßen Windkraftturbine mit geschlossen Staukörpern.
Fig. 1 zeigt eine perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen Windkraftturbine 1 mit einem Mantelgehäuse 2, einem Rotor 3, einem Generator 4 sowie einem am hinteren Ende des Mantelgehäuses 2 angeordneten Diffusor- Ring 5. Der Rotor 3 ist beim vorliegenden Ausführungsbeispiel mit fünf Rotorblättern 6 versehen, durch welche der Rotor bei einer entsprechenden durch das Mantelgehäuse 2 hindurchströmenden Luftströmung rotierend angetrieben wird. Diese Rotationsbewegung des Rotors 3 wird über eine entsprechende mechanische Kopplung auf den in der Zeichnung nicht näher dargestellten Generator 4 übertragen, so daß dieser elektrische Energie erzeugt.
Das Mantelgehäuse 2 weist eine aerodynamische Form auf, dessen Querschnittsform der Tragflügelform eines Flugzeugtragflügels ähnlich ist, wie dies insbesondere aus Fig. 2 ersichtlich ist. Wie aus den Fig. 1 und 3 weiter erkennbar ist, ist der Rotor 3 zusammen mit dem Generator 4 auf einer säulenartigen, auf dem Untergrund feststehend montierbaren Tragvorrichtung 7 angeordnet. Zur Montage des Rotors 3 zusammen mit dem Generator 4 auf der Tragvorrichtung 7 ist eine Art Kreuzschlitten 8 vorgesehen, welcher beim vorliegenden Ausführungsbeispiel mit einem vertikal nach unten gerichteten Montagezylinder 9 feststehend auf der Tragvorrichtung 7 montiert ist.
Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel besteht der Kreuzschlitten 8 aus einer unteren Stützplatte 10, auf welcher eine zweite Lagerplatte 11 vorgesehen ist, die mit der Stützplatte 10 über eine Schwalbenschwanzverbindung 12 (Fig. 2 und 3) in horizontaler Richtung quer zur Drehachse 13 des Rotors 3 verstellbar gelagert ist. Desweiteren ist auf dieser Lagerplatte 11 eine Montageplatte 14 vorgesehen, auf welcher der Generator 4 feststehend montiert ist. Diese Montageplatte 14 steht ihrerseits wiederum über eine quer zur Schwalbenschwanzverbindung 12 verlaufend ausgerichteten Schwalbenschwanzverbindung 15 mit der mittleren Lagerplatte 11 in axialer Richtung der Drehachse 13 verstellbar in Verbindung. Durch diese beiden Schwalbenschwanzverbindungen 12 und 15 ist der Generator 4 und somit auch der Rotor 3 bezüglich des Mantelgehäuses 2 einerseits zentriert ausrichtbar und andererseits ist eine optimale axiale Position des Rotors 3 mit seinen Rotorblättern 6 möglichst im engsten Querschnittsbereichs des Luftdurchtritts des Mantelgehäuses 2 einstellbar.
Desweiteren weisen die Stützplatte 10 und die Lagerplatte 11 rückseitig einen Verlängerungsabschnitt 16 bzw. 17 auf, welche zur Abstützung eines Lagermoduls 18 für insgesamt vier im Ausströmbereich des Mantelgehäuses 2 im hinteren Endbereich angeordnete Staukörper in Form von insgesamt vier Stauklappen 19 vorgesehen ist. Desweiteren weist dieses Lagermodul 18 einen Stellantrieb auf, welcher insbesondere in den Fig. 1 und 3 vereinfacht als Stellwelle 20 dargestellt ist und beim vorliegenden Ausführungsbeispiel zur exakten axialen Positionierung in Richtung der Drehachse 13 des Rotors 3 für den Generator 4 zusammen mit der Rotor 3 dient.
Eine solche axiale Position sollte dabei derart gewählt sein, daß der Rotor 3 im Betriebszustand mit seinen Rotorblättern 6 im wesentlichen im Bereich der engsten inneren Stelle des Mantelgehäuses 2 angeordnet ist. Eine solche axiale Einstellung kann hier auch manuell durch einfaches Verdrehen der Stellwelle 20 geschehen, welche bei Erreichen der optimalen axialen Position der Rotorblätter 6 arretierbar ist. Desgleichen gilt auch für die Schwalbenschwanzverbindung 12, welche ebenfalls über entsprechende Stellspindeln in ihrer horizontalen Querlage zur Stützplatte 10 eingestellt und festgelegt werden kann. Desweiteren ist auch eine entsprechende Höheneinstellung der gesamten Anordnung, bestehend aus Rotor 3, Generator 4, Montageplatte 14, Lagerplatte 11 und Stützplatte 10 vorgesehen, welche im Bereich des Montagezylinders 9 vorgesehen sein kann und eine entsprechende vertikale, relative Einstellung der Drehachse 13 zu deren konzentrischen Ausrichtung bezüglich des Mantelgehäuses 2 ermöglicht.
Wie desweiteren aus den Fig. 1 und 3 ersichtlich ist, ist das Mantelgehäuse 2 über eine separate Stützvorrichtung 21 selbsttragend mit dem Untergrund verbindbar.
Wie insbesondere aus Fig. 4 ersichtlich ist, ist diese Stützvorrichtung 21 ein Bestandteil des Mantelgehäuses 2. Die Tragvorrichtung 7 des Rotors 3 und des Generators 4 durchragt dabei sowohl das Mantelgehäuse 2 als auch die Stützvorrichtung 21 des Mantelgehäuses 2. Die Tragvorrichtung 7 und die Stützvorrichtung 21 sind beim vorliegenden Ausführungsbeispiel im wesentlichen zylindrisch ausgebildet und jeweils mit einem unteren Montageflansch 22 bzw. 23 versehen. Über diese beiden Montageflansche 22 und 23 sind die Tragvorrichtung 7 und die Stützvorrichtung 21 zusammen an einem drehbaren Lagerring 24 montiert, welcher wiederum an einer Lagerplatte 25 drehbar aufgenommen ist.
Der Lagering 24 und die Lagerplatte 25 bilden zusammen ein Wälzlager, wobei die Lagerplatte 25 zur endgültigen Montage der gesamten Windkraftturbine auf einem Untergrund, wie beispielsweise einer Tragsäule, (in der Zeichnung nicht näher dargestellt) feststehend montierbar ist.
Durch die gemeinsame Montage der Tragvorrichtung 7 mit ihrem Montageflansch 22 und der Stützvorrichtung 21 mit ihrem Montageflansch 23 am Lagerring 24 und deren konzentrische Anordnung bezüglich der vertikalen Drehachse 26 des aus dem Lagerring 24 und der Lagerplatte 25 bestehenden Wälzlagers wird somit eine gemeinsame Schwenkbewegung des Montagegehäuses 2 und dem Rotor 3 zusammen mit dem Generator 4 erreicht. Durch diese drehbare Lagerung des Mantelgehäuses 2 zusammen mit dem Rotor 3 und dem Generator 4 richtet sich die gesamte Windkraftturbine 1 automatisch auf die gerade vorherrschende Windrichtung aus.
Dies ist beispielhaft in den Fig. 1 und 3 durch die Pfeile 27 und 28 dargestellt. Dabei ist erkennbar, daß eine solche Ausrichtung derart erfolgt, daß die Luftströmung im Bereich der Rotorblätter 6, also vorderseitig, in das Mantelgehäuse 2 eintritt und rückseitig im Bereich des Diffusor-Ringes 5 wieder aus dem Mantelgehäuse 2 austritt. Aufgrund der "kegelförmig" profiliert erweiterten Formgebung in Strömungsrichtung der Pfeile 27 und 28 und der aerodynamische Formgebung des Mantelgehäuses 2, wie dies insbesondere aus Fig. 3 erkennbar ist, wird eine erhebliche Beschleunigung der Strömungsgeschwindigkeit innerhalb des Mantelgehäuses 2, insbesondere im axialen Bereich der Rotorblätter 6, erreicht, so daß der Wirkungsgrad zur Ausnutzung der Windenergie erheblich gesteigert wird.
Wie aus den Fig. 1 und 3 andeutungsweise bereits erkennbar ist, weist das Mantelgehäuse 2 im Querschnitt eine Innenwand 34 und eine Außenwand 35 auf. Dabei können unterschiedliche Strukturen für das Mantelgehäuse 2 vorgesehen sein.
Wie aus den Fig. 1 und 3 weiterhin erkennbar ist, weist der Diffusor-Ring 5 einen größeren Durchmesser auf als der hintere Endbereich des Mantelgehäuses 2. Zur Montage des Diffusor-Ringes 5 dienen mehrere Radialstege 29, welche beispielsweise im hinteren Endbereich des Mantelgehäuses 2 eingelassen sind. Diese Radialstege 29 können einstückiger Bestandteil des Diffusor-Ringes 5 oder auch einstückiger Bestandteil des Mantelgehäuses 2 sein. Auch eine separate Ausbildung dieser Radialstege 29 ist vorgesehen, wobei zwischen den Radialstegen 29 und dem Mantelgehäuse 2 einerseits und den Radialstegen 29 und dem Diffusor-Ring 5 andererseits Schraub-, Kleb- oder auch anderweitig geeignete Verbindungen vorgesehen sein können.
Wie insbesondere aus Fig. 3 erkennbar ist, ist auch der Diffusor-Ring 5 in Strömungsrichtung der Pfeile 28 kegelförmig erweitert ausgebildet, so daß durch diesen eine Verstärkung der Beschleunigungswirkung der Luftströmung bewirkt wird. Mit maßgeblich für diese Wirkung ist auch, daß der Diffusor-Ring 5 zum Mantelgehäuse 2 hin auf dem kompletten Umfang beabstandet ist und somit ein im wesentlichen vollständig umlaufender Ringspalt 30 gebildet wird. Durch diesen Ringspalt 30 strömt ein an der Außenfläche des Mantelgehäuses 2 entlangströmender Luststrom (Pfeil 31) hindurch und wird durch die kegelige, ebenfalls aerodynamisch ausgestaltete Querschnittsform des Diffusor-Ringes 5, wie dies bereits aus dem Stand der Technik bekannt ist, ebenfalls nochmals radial nach außen umgelenkt, wodurch wiederum die Saugwirkung am Ende des Mantelgehäuses 2 verstärkt wird. Dies führt wiederum zu einer Beschleunigung der Luftströmung innerhalb des Mantelgehäuses 2, insbesondere im Bereich der Rotorblätter 6. Zur weiteren Verstärkung der Strömungsgeschwindigkeit können noch weitere Diffusor-Ringe vorgesehen sein, welche wiederum radial größer ausgebildet sind als der in den Fig. 1 und 3 dargestellte Diffusor-Ring 5, so daß eine weitere Strömungsverstärkung bewirkt werden kann.
Wie aus Fig. 1 weiter ersichtlich ist, sind die Stauklappen 19 am Lagermodul 18 über Lagerwellen 40 drehbar gelagert. Diese Lagerwellen 40 verlaufen dabei jeweils radial zur Drehachse 13 des Rotor 3 und des Generators 4. Im entsprechenden Umfangsbereich des Mantelgehäuses 2 sind in dieses entsprechend der Anzahl der Stauklappen 19 und der zugehörigen Lagerwellen 40 entsprechende Drehlager 41 vorgesehen, in welchen entsprechende Stützwellen 42 zur äußeren, drehbaren Lagerung der Stauklappen 19 drehbar aufgenommen sind. In der speziellen Ausgestaltung des gezeigten Ausführungsbeispiels sind vier Stauklappen 19 vorgesehen. Deren radial Lagerwellen 40 verlaufen dabei jeweils um 90° in Umfangsrichtung versetzt zueinander. Des weiteren sind die Lagerwellen 40 zur vertikalen Drehachse 26 der gesamten Windkraftturbine 1 in Umfangsrichtung um jeweils 45° positiv bzw. negativ geneigt, so daß insbesondere bei teilweise geschlossener Stellung der Stauklappen 19 keine Stellmomente im Endbereich des Mantelgehäuses 2 bewirkt werden, wodurch sich die Windkraftturbine aus dem Wind drehen würde. Die Windkraftturbine 1 bleibt durch diese Wahl der Anordnung der durch die Lagerwellen 40 und die Stützwellen 42 definierten Drehachsen der Stauklappen 19 stets mit ihrer Rotordrehachse 13 parallel zur Windrichtung ausgerichtet.
Fig. 2 zeigt eine vergrößerte, perspektivische Darstellung des Generators 4, welcher auf dem Kreuzschlitten 8 verstellbar gelagert ist. Für die Axialverstellung des Generators und somit auch des auf der Generatorwelle 43 drehbar gelagerten Rotors 3 (in Fig. 2 nicht dargestellt) in Richtung des Doppelpfeiles 44 (siehe auch Fig. 3) ist ein entsprechender Stellantrieb 45 vorgesehen. Dieser Stellantrieb 45 ist in Fig. 2 als integraler Bestandteil des Generators 4 in gestrichelten Linien dargestellt. Dabei kann es sich um einen elektromotorischen Stellantrieb 45 handeln, durch welchen in Zusammenwirken mit der Stellwelle 20 eine Axialbewegung des Generators 4 mit der Montageplatte 14 entlang der Schwalbenschwanzverbindung 15 in Richtung der Drehachse 13 bewirkt wird.
Zur Aktivierung dieses Stellantriebes 45 ist eine ebenfalls im Generator 4 integrierte Steuereinrichtung 46 vorgesehen, welcher beispielsweise durch einen Drehgeber 47 Steuersignale bezüglich der momentan vorliegenden Drehzahl des Rotors 3 bzw. des Generators 4 übermittelt werden. Liegt die aktuelle Drehzahl des Rotors 3 bzw. des Generators 4 um einen gewissen Prozentsatz oberhalb der vorab bestimmten Nenndrehzahl des Rotors 3 oder auch des Generators 4, so wird der Stellantrieb 45 über die Steuereinrichtung 46 aktiviert, so daß eine Axialverstellung des Generators 4 zusammen mit dem Rotor 3 beispielsweise in Richtung des Pfeiles 48 erfolgt. Durch diese Axialverstellung gelangt insbesondere der Rotor 3 aus dem Bereich der höchsten Strömungsgeschwindigkeit, welche etwa der engsten Stelle des Mantelgehäuses 2 entspricht, entgegen der Strömungsrichtung (Pfeile 27 aus Fig. 1) in Richtung der Einlaßöffnung des Mantelgehäuses 2. Da die Strömungsgeschwindigkeit der Luftströmung zum Einlaßöffnung des Mantelgehäuses 2 hin stetig geringer wird, verringert sich somit mit zunehmender Axialverstellung des Rotors 3 auch dessen Drehzahl, bis diese wieder der vorgegebenen Nenndrehzahl entspricht.
Mit Erreichen dieser vorgegebenen Nenndrehzahl wird der Stellantrieb 45 durch die Steuereinrichtung 46 wiederum abgeschaltet. Läßt nun die Windgeschwindigkeit nach und verringert sich somit wiederum die Drehzahl des Rotors 3 um einen gewissen, vorgebbaren Prozentsatz der Nenndrehzahl, so wird der Stellantrieb 45 durch die Steuereinrichtung 46 in entgegengesetzter Richtung zum Pfeil 48 erneut aktiviert und in diesem Falle wiederum in den Bereich höherer Luftströmungsgeschwindigkeit in das Mantelgehäuse 2 verfahren, so daß sich dessen Drehzahl wiederum kontinuierlich erhöht, bis die Nenndrehzahl wieder erreicht ist.
Somit wird deutlich, daß eine Drehzahlregulierung des Rotors 3 und somit des Generators 4 in einfacher Weise durch eine Axialverstellung des Generators 4 zusammen mit dem Rotor 3 auf dem Kreuzschlitten 8 durchführbar ist.
Die Steuerung 46 ist gleichzeitig auch derart ausgebildet, daß durch diese ein gemeinsamer Schwenkantrieb 49 der Stauklappen 19 aktivierbar ist. Dieser Schwenkantrieb 49 ist beim vorliegenden Ausführungsbeispiel als elektromotorischer, mit einem Getriebe versehener Antrieb ausgebildet und integraler Bestandteil des Lagermodules 18, wie dies aus Fig. 2 ersichtlich ist. Durch diesen Schwenkantrieb 49 werden bei entsprechender Aktivierung durch die Steuereinrichtung 46 die Lagerwellen 40 drehend angetrieben, so daß auch die Stauklappen 19 eine dementsprechende Schwenkbewegung ausführen.
In Fig. 1 und Fig. 3 sind diese Stauklappen 19 in ihrer im wesentlichen neutralen Schwenkposition, also parallel zur Drehachse 13 des Rotors 3 verlaufenden Stellung dargestellt. Bei Aktivierung des Schwenkantriebes 49 werden die Stauklappen 19 vorzugsweise gleichzeitig aus der in Fig. 1 und 3 dargestellten neutralen Schwenkposition in eine quer zur Längsmittelachse 13 verlaufende Schwenkposition verschwenkt, wie dies insbesondere aus Fig. 6 ersichtlich ist. In Abhängigkeit von der jeweils vorliegenden Windstärke und damit auch der Drehzahl des Rotors 3 ist selbstverständlich auch zwischen diesen beiden extremen Schwenkpositionen jede mögliche Mittelstellung einstellbar.
Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, daß sowohl die Axialverstellung des Rotors 3 zusammen mit dem Generator 4 als auch die Schließbewegung der Stauklappen 19 gleichzeitig möglich ist. Es kann allerdings auch vorgesehen sein, daß die Aktivierung des Schwenkantriebes 49 zum verschwenken der Stauklappen 19 erst dann aktiviert wird, wenn der Rotor 3 mit dem Generator 4 seine in Richtung des Pfeiles 48 maximal mögliche Endposition erreicht hat. Diese Endposition kann dabei auf der in Fig. 3 linken Einlaßseite des Mantelgehäuses 2 auch außerhalb des Mantelgehäuses 2 liegen. Dazu ist es lediglich erforderlich, die Schwalbenschwanzverbindung 15 in entsprechender Länge auszuführen.
In Fig. 5 ist nochmals dargestellt, wie sich der radiale Abstand a1, a2 und a3 mit zunehmender Axialverschiebung des Rotors mit seinen Rotorblättern 6 in Richtung des Pfeiles 48 ändert. Es ist deutlich erkennbar, daß der Radialspalt zwischen dem äußeren Ende des Rotorblattes 6 mit zunehmendem Stellweg stets größer wird. Zusätzlich zu der Tatsache, daß in diesen in Richtung des Pfeiles 48 weiter links liegenden Bereichen des Mantelgehäuses 2 geringere Strömungsgeschwindigkeiten vorliegen, wird auch aufgrund des größeren Radialspaltes zwischen den Rotorblättern 6 und der Innenwand 34 des Mantelgehäuses 2 ein Strömungsabriß im radial äußeren Endbereich der Rotorblätter 6 bewirkt, wodurch die Verstärkungswirkung des Mantelgehäuses 2 ebenfalls verringert wird.
Somit wird mit der Axialverstellung in Richtung des Pfeiles 48 einerseits der Rotor 3 mit seinen Rotorblättern 6 in Strömungsbereiche des durch das Mantelgehäuse 2 hindurchströmenden Luftstromes mit geringer Strömungsgeschwindigkeit gebracht und andererseits auch der Radialspalt A1, A2 und A3 vergrößert, wodurch das Antriebsdrehmoment auf den Rotor 3 aufgrund der genannten Effekte verringert wird, so daß eine Drehzahlverminderung bis auf Nenndrehzahl erfolgt.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung einerseits durch die Axialverstellung und andererseits durch die im Bereich des Luftaustritts des Mantelgehäuses 2 vorgesehenen Stauklappen 19 ist eine beliebige Drehzahlregelung des Rotors 3 und somit auch des Generators 4 auch bei größeren Windstärken durchführbar, so daß die erfindungsgemäße Windkraftturbine in einem weiten Windgeschwindigkeitsbereich betrieben werden kann und insbesondere bei äußerst hohen Windgeschwindigkeiten nicht abgeschaltet werden muß. Insbesondere im Bereich des Rotors 3 mit seinen Rotorblättern 6 bleibt erfindungsgemäß stets eine laminare Luftströmung erhalten, so daß die Regelung der Drehzahl sowohl durch die Axialverstellung des Rotors 3 als auch durch die Schließbewegung der Stauklappen 19 präzise auf die Nenndrehzahl einstellbar ist.
Es versteht sich, daß die Stauklappen 19 unterschiedlich groß ausgebildet sein können, so daß insbesondere bei vollständig geschlossener Stellung ein annähernd vollständig Verschluß der Strömungsauslaßseite des Mantelgehäuses erfolgt. Dies ist im wesentlichen vom Einsatzort abhängig und damit von den am Einsatzort zu erwartenden Windstärken. Ein vollständiges Verschließen durch die Staukörper 19 ist allerdings nicht erforderlich. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel, bei welchem die Gesamtfläche der Stauplatten 19 etwa 60% der Durchgangsquerschnittes des Mantelgehäuses 2 ausmacht, genügt auch bei größeren Windstärken ein Verschwenken der Stauplatten um beispielsweise etwa 40° bis 50° aus ihrer geöffneten Stellung in Schließrichtung, um den Rotor 3 vollständig zum Stillstand zu bringen. Windkraftturbine 1 weist dabei einen wirksamen Rotordurchmessers 3 bzw. Durchgangsquerschnitt des Mantelgehäuses 2 von etwa 1,5 m auf. Bei größeren oder kleiner Abmessungen einer Windkraftturbine kann die prozentuale Gesamtfläche der Stauplatten bezogen auf den Durchgangsquerschnitt des Mantelgehäuses entsprechend der vorliegenden Randbedingungen auch größer oder kleiner gewählt werden, um eine optimale Regelung der Drehzahl des Rotors 3 bzw. ein gewünschtes Regelverhalten zu erreichen.

Claims

1. Windkraftturbine (1) mit einem mit Rotorblättern (6) versehenen, einen elektrischen Generator (4) rotierend antreibenden Rotor (3), wobei die Rotorblätter (6) zur Verbesserung des Wirkungsgrades von einem umlaufenden Mantelgehäuse (2) umgeben sind, dessen Querschnittsform aerodynamisch der Querschnittsform eines Tragflügels eines Flugzeuges ähnlich ist und dessen vorderer Lufteinlaßquerschnitt (Pfeile 27) kleiner ist als dessen hinterer Luftauslaßquerschnitt (Pfeile 28), wodurch zumindest bereichsweise eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit des durch das Mantelgehäuse (2) hindurchströmenden Luftstromes erreicht wird, wobei der Rotor (3) mit seinen Rotorblättern (6) in seiner Betriebsposition innerhalb des Mantelgehäuses (2) axial im Bereich der größten Strömungsgeschwindigkeit angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet,
daß der Rotor (3) in Richtung seiner Drehachse (13) axial (Doppelpfeil 44) verstellbar gelagert ist, und
daß der Rotor (3) bei Überschreiten seiner Nenndrehzahl aus seiner Betriebsposition axial (Pfeilrichtung 48) relativ zum Mantelgehäuse in unterschiedliche Positionen geringerer Strömungsgeschwindigkeit fahrbar ist.

2. Windkraftturbine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuereinrichtung (46) vorgesehen ist, welcher über einen Drehgeber (47) die aktuelle Drehzahl des Rotors 3 übermittelt wird, und durch welche ein Stellantrieb (45) zur Axialverstellung des Rotors (3) aktivierbar ist.

3. Windkraftturbine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die aus der Betriebsposition des Rotors (3) axial einstellbare Endstellung zumindest geringfügig außerhalb des Mantelgehäuses (2) auf der Lufteinlaßseite (Pfeile 27) liegt.

4. Windkraftturbine (1) mit einem mit Rotorblättern (6) versehenen, einen elektrischen Generator (4) rotierend antreibenden Rotor (3), wobei die Rotorblätter (6) zur Verbesserung des Wirkungsgrades von einem umlaufenden Mantelgehäuse (2) umgeben sind, dessen Querschnittsform aerodynamisch der Querschnittsform eines Tragflügels eines Flugzeuges ähnlich ist und dessen vorderer Lufteinlaßquerschnitt (Pfeile 27) kleiner ist als dessen hinterer Luftauslaßquerschnitt (Pfeile 28), wodurch zumindest bereichsweise eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit des durch das Mantelgehäuse (2) hindurch strömenden Luftstromes erreicht wird, wobei der Rotor (3) mit seinen Rotorblättern (6) in seiner Betriebsposition innerhalb des Mantelgehäuses (2) axial im Bereich der größten Strömungsgeschwindigkeit angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des radial erweiterten Luftaustritts (Pfeile 28) des Mantelgehäuses (2) in Strömungsrichtung (Pfeile 27 und 28) hinter dem Rotor (3) ein oder mehrere Staukörper (19) vorgesehen sind, welche bei Überschreiten der Nenndrehzahl des Rotors (3) aus ihrer im wesentlichen neutralen Position in den Luftstrom (Pfeile 28) einbringbar sind.

5. Windkraftturbine (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Staukörper (19) aus um radial zur Drehachse (13) des Rotors (3) verlaufende Drehachsen (40, 41) drehbare, im wesentlichen plattenförmige Stauplatten (19) bestehen.

6. Windkraftturbine (1) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Staukörper (19) durch einen gemeinsamen Schwenkantrieb (49) in ihre jeweiligen Schwenkstellungen bringbar sind.

7. Windkraftturbine (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuereinrichtung (46) vorgesehen ist, welcher über einen Drehgeber (47) die aktuelle Drehzahl des Rotors 3 übermittelt wird, und durch welche der Schwenkantrieb (49) der Staukörper (19) aktivierbar ist.

8. Windkraftturbine (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Staukörper (19) zur variablen Verminderung der Luftströmung (Pfeile 28) in unterschiedliche Schwenkposition bringbar sind, in welchen unterschiedlich starke Stauwirkungen bewirkbar sind.

9. Windkraftturbine (1) nach den Ansprüchen 2 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung ein Einschwenken der Staukörper (19) in den Luftstrom bewirkt, sobald der Rotor (3) seine axiale Endstellung erreicht hat und in dieser Endstellung eine weitere Drehzahlerhöhung des Rotors (3) durch den Drehgeber (47) an die Steuereinrichtung (46) übermittelt wird.

10. Windkraftturbine (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (46) die Axialverstellung des Rotors (3) und die Einschwenkbewegung der Staukörper (19) wahlweise oder gleichzeitig bewirkt.

11. Windkraftturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (3) zusammen mit dem Generator (4) auf einem höheneinstellbaren, quer zur Drehachse (13) des Rotors und quer zu einer vertikalen Drehachse (26) der Windkraftturbine (1) sowie in Richtung der Drehachse (13) des Rotors (3) verstellbaren Kreuzschlitten (8) gelagert ist.