DE102014115928A1 - Vertical wind turbine with joint in rotor shaft - Google Patents
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Abstract
Bei einer Windkraftanlage mit vertikaler Drehachse wird an der Rotorwelle 17 zwischen dem Generator 1 und dem die Rotorblätter 5 tragenden oberen Rotorabschnitt 15 ein flexibles Gelenk 10, vorzugsweise eine Klauenkupplung mit Gummipuffer oder eine Elastomerkupplung, vorgesehen, die eine Auslenkung der Rotorwelle 17 im oberen Rotorabschnitt 15 gegenüber der Vertikalen um einen vorbestimmten Winkelbereich zulässt. Dies ermöglicht eine weniger massiv ausgelegte Bauart der Rotorbefestigung, weil der obere Rotorabschnitt 15 und die damit verbundenen Bereiche 13 der gesamten Turbine nicht mehr starr den seitlich einwirkenden Windkräften standhalten müssen, sondern diese Kräfte teilweise durch das flexible Gelenk 10 und die seitliche Auslenkung des oberen Rotorabschnitts 15 aufgenommen werden können.In a wind turbine with a vertical axis of rotation, a flexible joint 10, preferably a claw coupling with rubber buffer or an elastomer coupling, is provided on the rotor shaft 17 between the generator 1 and the rotor blades 5 carrying the upper rotor section 15, the deflection of the rotor shaft 17 in the upper rotor section 15th relative to the vertical by a predetermined angular range permits. This allows for a less massive design of the rotor attachment because the upper rotor section 15 and the associated areas 13 of the entire turbine no longer have to rigidly withstand the wind forces acting laterally, but these forces in part through the flexible hinge 10 and the lateral deflection of the upper rotor section 15 can be recorded.
Description
Windkraftanlagen mit vertikaler, das heißt im Wesentlichen quer zu einer horizontalen Windrichtung verlaufender Drehachse werden bevorzugt als einzelne Kleinanlagen im Bereich von 0,5 bis 5 kW und darüber betrieben. Sie enthalten einen Stator mit Statorblättern und einen Rotor mit Rotorschaufeln, wobei Rotor und Stator zusammen auch als Turbine bezeichnet werden. Der Rotor treibt einen Generator zur Gewinnung elektrischer Energie an. Gesucht wird allgemein nach Lösungen, die eine kostensparende, leichtgewichtige und trotzdem robuste Bauart der Windkraftanlage ermöglichen.Wind turbines with vertical, that is substantially transverse to a horizontal wind direction axis of rotation are preferably operated as a single small systems in the range of 0.5 to 5 kW and above. They include a stator with stator blades and a rotor with rotor blades, rotor and stator together also referred to as a turbine. The rotor drives a generator to generate electrical energy. The search is generally for solutions that enable a cost-effective, lightweight yet robust design of the wind turbine.
Die noch unveröffentlichte Gebrauchsmusteranmeldung
In der Druckschrift
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Windkraftanlage zu schaffen, die leichtgewichtig und kostengünstig herstellbar ist und deren Konstruktion trotzdem robust genug ist, um auch starken Winden standzuhalten. Die Aufgabe wird durch die im beigefügten Anspruch 1 angegebene Windkraftanlage gelöst. Die Unteransprüche betreffen bevorzugte Ausführungsbeispiele.The object of the present invention is to provide a wind turbine, which is lightweight and inexpensive to produce and their construction is still robust enough to withstand strong winds. The object is achieved by the wind power plant specified in the appended
Gemäß einem ersten Grundgedanken der vorliegenden Erfindung wird der Generator nicht mehr als von dem Aufbau der übrigen Windkraftanlage unabhängig betrachtet, sondern als tragendes Konstruktionselement der Turbine eingesetzt. Genauer gesagt wird mindestens ein Statorblatthalter direkt am Gehäuse des Generators befestigt. Weil der Generator aufgrund der darin befindlichen Kupferspulen und Permanentmagnete ein relativ schweres und damit tragfähiges Bauteil ist, lässt sich auf diese Weise die Masse des Generators nutzbringend zur Stabilisierung des Statorgrundgerüsts einsetzen. Der Stator kann damit insgesamt schlanker konzipiert werden, ohne an Stabilität zu verlieren.According to a first aspect of the present invention, the generator is no longer considered independent of the structure of the rest of the wind turbine, but used as a supporting structural element of the turbine. More specifically, at least one stator blade holder is attached directly to the housing of the generator. Because the generator is a relatively heavy and thus sustainable component due to the copper coils and permanent magnets therein, the mass of the generator can be usefully used to stabilize the Statorgrundgerüsts in this way. The stator can thus be made slimmer overall, without losing stability.
Gemäß einem zweiten Grundgedanken der vorliegenden Erfindung, der sich in Kombination mit dem ersten Grundgedanken, aber auch völlig unabhängig davon verwirklichen lässt, wird die Rotorwelle nicht mehr als ein durchgängig starres Gebilde ausgeführt, sondern oberhalb des Generators ein flexibles Gelenk darin eingebracht, das eine gelenkige Verbindung zwischen einem oberen Rotorabschnitt und einem den Generator antreibenden unteren Rotorabschnitt herstellt. Das Gelenk erlaubt ein Kippen der Rotorachse über einen vorbestimmten Winkelbereich bei gleichzeitig voller Drehmomentübertragung zum unteren Rotorabschnitt und damit zum Generator. Durch das Verkippen der Rotorwelle wird ein Teil der seitlich auf die Windkraftanlage einwirkenden überschüssigen Kraft bei Starkwind absorbiert, so dass die Stützkonstruktion für die Turbine insgesamt nicht so stark dimensioniert werden muss.According to a second basic idea of the present invention, which can be realized in combination with the first basic idea, but also completely independent thereof, the rotor shaft is no longer designed as a consistently rigid structure, but above the generator a flexible joint introduced therein, which is an articulated Connects between an upper rotor portion and a generator driving the lower rotor section manufactures. The joint allows tilting of the rotor axis over a predetermined angular range while full torque transmission to the lower rotor section and thus to the generator. Due to the tilting of the rotor shaft, a part of the excess force acting on the side of the wind turbine is absorbed in strong winds, so that the support structure for the turbine as a whole does not have to be so strongly dimensioned.
Die Erfindung wird im Folgenden genauer anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigt:The invention will be explained in more detail below with reference to an embodiment with reference to the accompanying drawings. It shows:
Die Statorblätter
Durch Bohrlöcher
Oberhalb des Generators
Die
Der Statorblatthalter
Die erste Seitenwand
Die in den
Die Funktion der Vorsprünge
Die
Auf den vordersten zwei Statorblatthaltern
In den
Die Rotorwelle
Das Gestänge des Stators hat sich als insoweit ausreichend flexibel erwiesen, dass eine Auslenkung der Rotorwelle
Zusammenfassend wird bei einer Windkraftanlage mit vertikaler Drehachse die aus Stator und Rotor zusammengesetzte Turbine direkt am Generatorgehäuse befestigt. Dies gelingt vorzugsweise dadurch, dass die Statorblätter
Im Folgenden werden Aspekte [1] bis [10] gemäß dem ersten Grundgedanken der vorliegenden Erfindung aufgezählt. Diese Aspekte oder einzelne Elemente daraus lassen sich bevorzugt in Kombination mit dem Gegenstand verwirklichen, der in den angehängten Patentansprüchen definiert wird, aber auch unabhängig davon als eigenständige Erfindungsideen:
- [1] Windkraftanlage mit
einem Rotor, der drehbar um eine vertikale Drehachse (
7 ) gelagert ist und mehrere Rotorflügel (5 ) aufweist, einem Stator mit mehreren feststehenden oder beweglichen Statorblättern (4 ), die auf wenigstens einem Statorblatthalter (2 ) angebracht und dazu ausgelegt sind, seitlich auf die Windkraftanlage einströmende Luft in Richtung der Rotorflügel (5 ) zu lenken, und einem Generator (1 ) zur Gewinnung elektrischer Energie aus der Drehung des Rotors um die Drehachse (7 ), wobei der Statorblatthalter (2 ) direkt am Gehäuse des Generators (1 ) befestigt ist. - [2] Windkraftanlage nach [1], wobei der Generator (
1 ) vom Innenläufer-Typ ist und vorzugsweise vollständig innerhalb des Stators und konzentrisch zu Rotor und Stator bezüglich der Drehachse (7 ) angeordnet ist. - [3] Windkraftanlage nach [1] oder [2], wobei der Statorblatthalter (
2 ) durch Befestigungsmittel (8 ,9 ), insbesondere Schrauben, an einer Decken- und/oder Bodenplatte (11 ,12 ) des Generatorgehäuses befestigt ist. - [4] Windkraftanlage nach einem der Aspekte [1] bis [3], wobei der Statorblatthalter (
2 ) durch mehrfache Abkant- und/oder Stanzvorgänge aus einem einzigen Stück Blech hergestellt ist. - [5] Windkraftanlage nach einem der Aspekte [1] bis [4], wobei der Statorblatthalter (
2 ) eine im wesentlichen horizontal verlaufende Grundplatte (21 ,21a ,21b ) und wenigstens eine im wesentlichen vertikal verlaufende Seitenwand (23 ,23a ,23b ) aufweist, die vorzugsweise die Grundform eines rechtwinkligen Trapezes hat. - [6] Windkraftanlage nach [5], wobei die Grundplatte (
21 ,21a ,21b ) in horizontaler Richtung zur Drehachse (7 ) hin um einen Vorsprung (25 ,25a ,25b ) länger ist als die Seitenwand (23 ,23a ,23b ), so dass der Vorsprung (25 ,25a ,25b ) die Deckenplatte (11 ) des Generatorgehäuses überlappt, während die radial innen liegende Endkante (26 ,26a ,26b ) der Seitenwand (23 ,23a ,23b ) vorzugsweise gegen eine Seitenwand des Generatorgehäuses abgestützt ist. - [7] Windkraftanlage nach [5] oder [6], wobei
erste Befestigungsmittel (
8 ) vertikal durch die Grundplatte (21 ,21a ,21b ) des Statorblatthalters (2 ) und die Deckenplatte (11 ) des Generatorgehäuses verlaufen, und/oder die wenigstens eine Seitenwand (23 ,23a ,23b ) nochmals horizontal abgekantet ist, so dass zweite Befestigungsmittel (9 ) vertikal durch die Abkantung (24 ,24a ,24b ) der Seitenwand (23 ,23a ,23b ) und die Bodenplatte (12 ) des Generatorgehäuses verlaufen können. - [8] Windkraftanlage nach einem der Aspekte [5] bis [7], wobei der Statorblatthalter (
2 ) zwei der im wesentlichen vertikal orientierten Seitenwände (22a ,22b ,23 ,23a ,23b ) aufweist, die die Schenkel eines Profils bilden, das zusammen mit der horizontalen Grundplatte (21 ,21a ,21b ) im Querschnitt im wesentlichen U-förmig ist, wobei insbesondere eine der Seitenwände (23 ,23a ,23b ) die Grundform eines Trapezes und die andere (22a ,22b ) die Grundform eines Rechtecks hat. - [9] System aus einer Windkraftanlage nach einem der Aspekte [1] bis [8] und einem im Erdboden und/oder einem Gebäudeteil verankerbaren Mast (
6 ), an dessen vertikalem Endabschnitt (3 ) die Windkraftanlage befestigt ist. - [10] System nach [9], wobei der vorzugsweise einen Flansch umfassende Endabschnitt (
3 ) des Mastes (6 ) mit einer Bodenplatte (12 ) des Generatorgehäuses verbunden ist, und zwar vorzugsweise mit den zweiten Befestigungsmitteln (9 ), mit denen auch die Abkantung (24 ,24a ,24b ) der Seitenwand (23 ,23a ,23b ) mit der Bodenplatte (12 ) des Generatorgehäuses verbunden ist.
- [1] Wind turbine with a rotor that is rotatable about a vertical axis of rotation (
7 ) is mounted and several rotor blades (5 ), a stator having a plurality of fixed or movable stator blades (4 ) mounted on at least one stator blade holder (2 ) are mounted and adapted to the side of the wind turbine air flowing in the direction of the rotor blades (5 ) and a generator (1 ) for obtaining electrical energy from the rotation of the rotor about the axis of rotation (7 ), wherein the stator blade holder (2 ) directly on the housing of the generator (1 ) is attached. - [2] wind turbine according to [1], wherein the generator (
1 is of the internal rotor type and preferably completely within the stator and concentric with the rotor and stator with respect to the axis of rotation (7 ) is arranged. - [3] Wind turbine according to [1] or [2], wherein the stator blade holder (
2 ) by fastening means (8th .9 ), in particular screws, on a ceiling and / or base plate (11 .12 ) of the generator housing is attached. - [4] Wind turbine according to any one of aspects [1] to [3], wherein the stator blade holder (
2 ) is made by multiple Abkant- and / or punching operations from a single piece of sheet metal. - [5] Wind turbine according to one of the aspects [1] to [4], wherein the stator blade holder (
2 ) a substantially horizontally extending base plate (21 .21a .21b ) and at least one substantially vertically extending side wall (23 .23a .23b ), which preferably has the basic shape of a rectangular trapezium. - [6] wind turbine according to [5], wherein the base plate (
21 .21a .21b ) in the horizontal direction to the axis of rotation (7 ) to get a lead (25 .25a .25b ) is longer than the side wall (23 .23a .23b ), so the lead (25 .25a .25b ) the ceiling plate (11 ) of the generator housing overlaps, while the radially inner end edge (26 .26a .26b ) of the side wall (23 .23a .23b ) is preferably supported against a side wall of the generator housing. - [7] wind turbine according to [5] or [6], wherein first fastening means (
8th ) vertically through the base plate (21 .21a .21b ) of the stator blade holder (2 ) and the ceiling plate (11 ) of the generator housing, and / or the at least one side wall (23 .23a .23b ) is again folded horizontally, so that second fastening means (9 ) vertically through the fold (24 .24a .24b ) of the side wall (23 .23a .23b ) and the bottom plate (12 ) of the generator housing can run. - [8] Wind turbine according to one of the aspects [5] to [7], wherein the stator blade holder (
2 ) two of the substantially vertically oriented side walls (22a .22b .23 .23a .23b ), which form the legs of a profile, which together with the horizontal base plate (21 .21a .21b ) in cross-section is substantially U-shaped, in particular one of the side walls (23 .23a .23b ) the basic form of a trapezoid and the other (22a .22b ) has the basic shape of a rectangle. - [9] System of a wind turbine according to one of the aspects [1] to [8] and a mast anchorable in the ground and / or a building part (
6 ), at its vertical end portion (3 ) the wind turbine is attached. - [10] System according to [9], wherein the end section (preferably comprising a flange) (
3 ) of the mast (6 ) with a bottom plate (12 ) of the generator housing, preferably with the second fastening means (9 ), with which the fold (24 .24a .24b ) of the side wall (23 .23a .23b ) with the bottom plate (12 ) of the generator housing is connected.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Generator generator
- 22
- Statorblatthalter Statorblatthalter
- 33
- Mast-Endabschnitt/Flansch Mast-end portion / flange
- 44
- Statorblatt stator blade
- 55
- Rotorflügel rotor blades
- 66
- Mast mast
- 77
- Drehachse axis of rotation
- 8, 98, 9
- Befestigungsmittel/Schraube Fastening means / screw
- 1010
- flexibles Gelenk flexible joint
- 1111
- Deckenplatte des Generatorgehäuses Ceiling plate of the generator housing
- 1212
- Bodenplatte des Generatorgehäuses Base plate of the generator housing
- 1313
- flexibler Bereich flexible area
- 1414
- starrer Bereich rigid area
- 1515
- oberer Rotorabschnitt Upper rotor section
- 1616
- unterer Rotorabschnitt lower rotor section
- 1717
- Rotorwelle rotor shaft
- 1818
- Rotorarm rotor arm
- 1919
- Umfangsring peripheral ring
- 2020
- Befestigungsmittel/Schraube Fastening means / screw
- 21, 21a, 21b21, 21a, 21b
- Grundplatte baseplate
- 22a, 22b22a, 22b
- Seitenwand Side wall
- 23, 23a, 23b23, 23a, 23b
- Seitenwand Side wall
- 24a, 24b24a, 24b
- Abkantung fold
- 25, 25a, 25b25, 25a, 25b
- Vorsprung head Start
- 26, 26a, 26b26, 26a, 26b
- Endkante end edge
- 31a–b, 32a–b, 33a–b, 34a–b31a-b, 32a-b, 33a-b, 34a-b
- Befestigungslöcher mounting holes
- 4141
- oberes Radiallager Upper radial bearing
- 4242
- Leiste strip
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 202013105475 U [0002] DE 202013105475 U [0002]
- GB 2116640 A [0003] GB 2116640 A [0003]
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