DE102013008218A1

DE102013008218A1 - Automatische mechanische Rotorblattwinkelverstellung mit Überdrehzahlschutz für Kleinwindanlagen.

Info

Publication number: DE102013008218A1
Application number: DE102013008218.8A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-05-14
Filing date: 2013-05-14
Publication date: 2014-11-20

Abstract

Der Nachteil der Rotorblattwinkelverstellung durch Zentrifugalkraft, beinhaltet immer erst einen hohen Drehzahlaufbau, der häufig zu starken Geräuschentwicklungen führen kann. Zudem wird bei Windböen der Antriebsstrang und Turm des Windrades stark belastet. Die hier vorgestellte Rotorblattwinkelverstellung ist eine nach dem Kippprinzip und Hebelgesetz arbeitende Regelung, die durch die Faktoren – Winddruck auf die Rotorblätter, – Zentrifugalkraft der Rotorblätter, und – Auftriebskraft der Rotorblätter erfolgt. Durch die Gesamtkraft P werden die in V-Stellung an einem Synchronisierungsgleitstück (10) beweglich befestigten Rotorblätter in Richtung Rotationsebene gedrückt bzw. durch den Auftrieb gezogen. Über einen Kipppunkt (3) (je Rotorblatt) wird ein mit Federdruck beaufschlagtes Synchronisierungsgleitstück (10), an dem alle Rotorblätter beweglich befestigt sind, axial auf einer Führungsvorrichtung (Rohr/Welle) (14) verschoben (Gegenkraft zu P). Durch die Schwenkhebel (8) und Verstellhebel (16) wird bei der Rotorblattpositionsverstellung in Richtung Rotationsebene eine gleichzeitige Drehbewegung aller Rotorblattgestänge erreicht. Durch die Rotorblattwinkelvergrößerung lässt der Auftrieb nach und die Drehzahl verringert sich. Eine Überdrehzahl ist somit unmöglich. Es ist eine weiche und geräuschlose Regelung, die die Windböenbelastung des Antriebstrangs und des Turmes stark verringert.

Description

Die Verstellung des Blattanstellwinkels bei Windkraftanlagen erfolgt in der Regel

a) elektrisch (E-Motor),
b) hydraulisch (Pumpe/Zylinder), oder per
c) Zentrifugalkraftverstellung (Kleinwindanlagen, reiner Überdrehzahlschutz).

Bei elektronischen und hydraulischen Rotorblattwinkelverstelleinrichtungen müssen Gewicht und technischer Aufwand in die Konzeption der Windkraftanlage einbezogen werden, was diese Techniken für Großanlagen prädestiniert.
Die im Vergleich leichtere Zentrifugalkraftverstellung wird bei Kleinwindanlagen eingesetzt, bringt jedoch den funktionsbedingten Nachteil des hohen Drehzahlaufbaus und damit einhergehender Lärmemission mit sich. Zudem können Windböen ein hohes Stoßdrehmoment auf den Antriebsstrang (Getriebe/Kupplung) ausüben und damit das gesamte System stark belasten.
Diese o. g. Nachteile werden durch folgende Innovation vermieden.
BESCHREIBUNG
A) AUFBAU (siehe Zeichnung 1 und 5).
Die Rotorblätter (1) werden mit den Blattspitzen in den Wind gestellt (V-Stellung). Alle Rotorblätter werden an einem Synchronisierungsgleitstück (10), das auf einer Führungsvorrichtung (Rohr/Welle) (14) axial verschoben wird, beweglich befestigt. Das Synchronisierungsgleitstück (10) muss auf der Führungsvorrichtung gegen Drehung gesichert werden (Nut/Steg).
Jedes Rotorblattgestänge (9) hat einen am Rotorstern (4) befestigten Kipppunkt (3), der eine axiale Bewegung entlang der Führungsvorrichtung und eine Drehbewegung zulässt (Gleitbuchse). Ein zweites Gestänge, parallel zum Rotorblattgestänge (9) eingebaut, dient der Vermeidung von Vibrationen. Dieses Einstellgestänge (9a) ist am Rotorblatt (1) und am Verstellhebel (16) zu befestigen (siehe Zeichnung 6). Mit diesem Einstellgestänge lässt sich das Rotorblatt in der Ruheposition genau einstellen (Verbindung 9a mit 16).
Das Synchronisierungsgleitstück (10) wird durch einen zentralen Federmechanismus (11) gegen den Anschlag in Ruheposition gedrückt. Die Federvorspannung ist variabel.
Die Rotorblattwinkelverstellung wird durch zwei zusätzliche Gestänge erreicht, den Schwenkhebel und den Verstellhebel. Der Schwenkhebel (8) wird mit einem Kugelgelenk am Rotorstern (4) befestigt. Der Verstellhebel (16) muss so nah wie möglich zum Synchronisierungsgleitstück (10) am Rotorblattgestänge (9) befestigt werden. (maximale Drehbewegung). Die Schwenkhebel (8) und die Verstellhebel (16) eines jeden Blattes werden mit Kugelgelenken miteinander verbunden. Die Länge und Einbauposition von Schwenk- und Verstellhebel bestimmen den Verstellbereich (siehe Zeichnung 3 und 4).
Diese einfache, robuste und kostengünstige Rotorblattwinkelverstellung kann mit zwei oder mehr Rotorblättern aufgebaut werden.
B) FUNKTION
Als Grundprinzip dient das Hebelgesetz Kraft (P)·Kraftarm (a) = Last (Q)·Lastarm (b), wobei a und b aus Rotorblatt und Rotorblattgestänge gebildet werden.
Die Last Q resultiert aus der Vorspannung des Federmechanismus (11, Zeichnung 1 und 2).
Die Kraft P setzt sich zusammen aus den Faktoren

– Winddruck auf Rotorblätter,
– Zentrifugalkraft der Rotorblätter, und
– Auftriebskraft der Rotorblätter

Im Betrieb bewirkt die Kraft P eine Rotorblattpositionsverstellung in Richtung Rotationsebene. Der Federdruck (Q) wirkt dieser Kraft entgegen. Durch die Federvorspannung wird der Beginn der Rotorblattwinkelverstellung festgelegt. Während der Rotorblattpositionsverstellung in Richtung Rotationsebene, wird über die Schwenkhebel und Verstellhebel eine gleichzeitige Drehbewegung aller Rotorblattgestänge in Richtung Rotorblattwinkelvergrößerung erreicht. Da dies sehr schnell geschieht, kann z. B. bei Windböen kein Stall-Effekt (Strömungsabriss) auftreten. Durch die synchronisierte Rotorblattwinkelverstellung, wird eine aerodynamische Unwucht vermieden. Während dieser Verstellung lässt der Auftrieb nach, und die Drehzahl verringert sich. Eine Überdrehzahl ist somit unmöglich. Diese hier dargestellte Rotorblattwinkelverstellung ist eine weiche und geräuschlose Regelung, die die Windböenbelastung des Antriebstrangs und des Turmes stark verringert.
Erläuterung:

– Die Rotationsebene befindet sich im Kipppunkt bei einer 90° Stellung zwischen Rotorblattgestänge und Führungsrohr (siehe Zeichnung 2).
– Der Rotorblattwinkel befindet sich zwischen Rotationsebene und Profilsehne des Rotorblattes (siehe Zeichnung 7).

Bezugszeichenliste
Bauteilbenennung der Zeichnungen 1/2/5/6

1: Rotorblatt
2: Flansch am Rotorblatt
3: Kipplager
4: Rotorstern
5: Flansch (Rotorstern mit Antriebswelle)
6: Kugellager
7: Welle
8: Schwenkhebel mit Kugelgelenken
9: Rotorblattgestänge
9a: Einstellgestänge
10: Synchronisierungsgleitstück
11: Feder/Federn
12: Scheibe
13: Mutter
14: Führungsrohr/Führungswelle
15: Befestigungsgabel
16: Verstellhebel
17: Winkel für Befestigung des Schwenkhebels

Claims

Automatische mechanische Rotorblattwinkelverstellung mit Überdrehzahlschutz für Kleinwindanlagen, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: 1 Anordnung der Rotorblätter/des Rotorblattgestänges: 1.1 V-Stellung der Rotorblätter mit den Blattspitzen in den Wind gestellt, 1.2 Abstützung des Rotorblattgestänges in einer Kipppunktlagerung, und 1.3 bewegliche Befestigung aller Rotorblattgestänge an einem Synchronsierungsgleitstück. 2 Ein mit Federdruck beaufschlagtes Synchronisierungsgleitstück, 2.1 das auf einer Führungsvorrichtung (Rohr/Welle) axial bewegt wird, und 2.2 an dem alle Rotorblattgestänge beweglich befestigt werden. 3 Anordnung und Befestigung von Schwenkhebel und Verstellhebel: 3.1 Befestigung des Schwenkhebels mit einem Kugelgelenk am Rotorstern, 3.2 feste Verbindung des Verstellhebels am Rotorblattgestänge, 3.3 Verbindung von Schwenkhebel und Verstellhebel mit einem Kugelgelenk.