DE1036780B - Device for automatically reducing the blade position with high-speed wind turbines - Google Patents

Description

Einrichtung zum selbsttätigen Verringern der Flügelstellung bei schnell laufenden Windrädern Schnell laufende Windräder werden bekanntlich am leistungsfähigsten bei verhältnismäßig geringer Steigung ihrer Flügel, d. h. bei einem Anstellwinkel von etwa 12° dar mittleren Flügelnormalen zur Anblasrichtung, betrieben. Dieser flache Anstellwinkel ist jedoch für den Anlauf der Windräder recht ungünstig, da. das beste Anlaufdrehmoment bei einem Anstellwinkel von etwa 45° erreicht wird. Ferner besteht bei einer derartig flachen Einstellung der Flügelsteigung bei hohen Windgeschwindigkeiten die Gefahr einer Überhöhung der Drehzahl und eine damfit verbundene unzulässig hohe Beanspruchung der Anlage. Dies läßt sich nun wiederum durch eine Erhöhung der Flügelsteigung, notfalls bis 90°, verhindern. Um nun allen Erfordernissen gerecht zu werden, ist also eine Veränd'eru'ng der Flügelsteigung während des Betriebes von schnell laufenden Windrädern erforderlich, und zwar in dem Sinne, daß zunächst die Flügelsteigung beim Anlaufen den hierfür günstigsten Wert von etwa 45° erhält. sich dann beim normalen Schnellaufbetriel-, verringert und schließlich oberhalb der höchstzulässigen Grenzdrehzahl wieder anwächst. Diese. Einstellung erfolgt dabei zweckmäßig selbsttätig In Abhängigkeit von der Drehzahl.Device for automatically reducing the wing position at Schnell Running wind turbines It is well known that high-speed wind turbines are the most powerful with a relatively low pitch of their wings, d. H. at an angle of attack from about 12 ° to the mean wing normal to the blowing direction. This However, a flat angle of attack is quite unfavorable for the start-up of the wind turbines because. the best starting torque is achieved at an angle of attack of around 45 °. Further exists with such a flat setting of the wing pitch at high wind speeds the risk of excessive speed and an impermissibly high level associated with damfit Stress on the system. This can again be done by increasing the wing pitch, if necessary up to 90 °, prevent. In order to meet all requirements, is thus a change in the wing pitch during the operation of high-speed ones Wind turbines required, in the sense that first the pitch of the blades receives the most favorable value for this of about 45 ° when starting up. then the normal Schnellaufbetrieb-, reduced and finally above the maximum permissible limit speed grows again. These. Adjustment is expediently automatic depending on the speed.

Es sind bereits Windräder bekanntgeworden, die neben feststehenden auch noch über verstellbare Flügel verfügen bzw. deren sämtliche Flügel verstellbar eingerichtet sind und deren Verstellflügel sich unter Fliehkrafteinwirkung entgegen der Wirkung von Federn verstellen. Die Verstellflügel sind dabei um ihre Längsachse drehbar gelagert. Die Einstellung erfolgt vorzugsweise selbsttätig, wobei die Stehkräfte von der Fliehkraft der Flügel selbst oder von besonderen Fliehmassen erzeugt werden. Bei derartigen Einrichtungen erfolgt die Verstellung der Flügel jedoch nur in einer Drehrichtung entweder zu kleineren oder zu größeren Anstellwinkeln hin.There are already known wind turbines, the next to fixed also have adjustable wings or all of the wings are adjustable are set up and their adjustable wing counteracts under the influence of centrifugal force adjust the action of springs. The adjustable wings are around their longitudinal axis rotatably mounted. The setting is preferably done automatically, with the standing forces can be generated by the centrifugal force of the wings themselves or by special centrifugal masses. In such devices, however, the adjustment of the wings takes place in only one Direction of rotation either towards smaller or larger angles of attack.

Ferner ist eine Steuereinrichtung für schnell laufende Windräder bekanntgeworden, bei der zwei gekuppelte Fliehkraftregler unterschiedlicher Empfindlichkeit über Gestänge derart auf die Flügel einwirken. daß beide für den Betrieb von schnell laufenden Windrädern erforderlichen Verstellrichtungen, @7erringerung der Flügelsteigung beim Lebergang vom Ablauf zur Schnellaufstellung und Vergrößerung derselben oberhalb einer kritischen Drehzahl, erzielt werden. Die Lagerstellen und Hebelgelenke einer derartigen Steuereinrichtung sind jedoch einem hohen Verschleiß unterworfen und erfordern daher eine sorgfältige Wartung. Mit einer solchen ist aber, besonders in Übersee, dem Haupteinsatzgebiet solcher Windräder, fast nie zu rechnen. Die vielen Lager und Gelenke bedingen außerdem einen erheblichen Totgang der Flügel, der Schlag- und Stoßbelastungen auslöst, oft auch zu Flatterbewegungen führt und den ohnehin hohen Verschleiß der beweglichen Regelorgane beschleunigt.Furthermore, a control device for high-speed wind turbines has become known, with the two coupled centrifugal governors of different sensitivity The rods act on the wings in this way. that both for running quickly running wind turbines necessary adjustment directions, @ 7reduction of the blade pitch in the liver duct from the drain to the rapid installation and enlargement of the same above a critical speed. The bearings and lever joints of a However, such control devices are subject to high wear and tear therefore require careful maintenance. With such a thing is, however, special almost never to be expected overseas, the main area of application for such wind turbines. The many Bearings and joints also cause considerable backlash in the wings, the flapping and triggers shock loads, often leads to fluttering movements and that anyway high wear of the moving control elements accelerated.

Erfindungsgemäß wird eine besonders vorteilhafte und betriebssichere Einrichtung zum selbsttätigen Verringern der Flügelsteigung während des Anlaufs schnell laufender Windräder beim Übergang aus eine günstigen Anlaufstellung in die günstigste Betriebsstellung und zur selbsttätigen Erhöhung der Flügelsteigung beim Überschreiten einer bestimmten Grenzdrehzahl, unter Verwendung von Verstellflügeln, die sich unter Fliehkrafteinwirkung entgegen der Wirkung von Federn verstellen, dadurch erzielt, daß der Flügel mit seiner Flügelwurzel in an sich bekannter Weise um eine radiale Achse verstellbar in einer Halterung gelagert ist und daß die Halterung ihrerseits um eine parallel zur Flügelverstellachse angeordnete Achse in der Windradnabe schwenkbar ist.According to the invention, a particularly advantageous and operationally reliable Device for automatically reducing the wing pitch during start-up high-speed wind turbines when transitioning from a favorable starting position to the the most favorable operating position and for the automatic increase of the wing pitch at Exceeding a certain limit speed, using adjustable vanes, which adjust under the influence of centrifugal force against the action of springs, achieved in that the wing with its wing root in a known manner is mounted adjustable about a radial axis in a holder and that the holder in turn around an axis in the wind turbine hub that is arranged parallel to the blade adjustment axis is pivotable.

Die Drehbewegung um die Flügelachse wird vorzugsweise durch Anschläge in der günstigsten Anlaufstellung und in der günstigsten Betriebsstellung begrenzt, doch ist es zweckmäßig, da.ß diese Anschläge h--i sehr großen Verstellkräften überschritten werden können. Ein Ausführungsbeispiel ist in den Fig. 1 und 2 dargestellt; Fig.3 zeigt die verschiedenen Stellungen, die das Flügelblatt infolge der Einstellbewegung einnehmen kann; Fig. 4 stellt eine besondere Ausführung des Flügels dar; L xA.W Fig. 5 zeiglfrt usführungsbeispielh, bei dene-' verschiedene, symmetrisch zueinander angeordnete Flügelpaare teilweise fest sind oder verschiedenartige Einstellbewegungen ausführen.The rotary movement around the vane axis is preferably limited by stops in the most favorable starting position and in the most favorable operating position, but it is useful that these stops h - i can be exceeded by very large adjusting forces. An embodiment is shown in Figures 1 and 2; 3 shows the various positions which the blade can assume as a result of the adjustment movement; Fig. 4 shows a particular embodiment of the wing dar; L xA.W Fig. 5 shows an exemplary embodiment, in which- ' different, symmetrically arranged Pairs of wings are partially fixed or perform various adjustment movements.

Die Anströmrichtung ist in den Zeichnungen mit L' bezeichnet, In Fig. 1 ist das Flügelblatt 1 mit seinem Schaft 2 (Flügelachse) in der Halterung 3 drehbar gelagert. Der Schaft 2 wird von der vorgespannten und auf Verdrehung abgestellten Feder 4 in der Anlaufstellung, also beim Stillstand des Windmotors, so von Anschlägen gehalten, daß der Anstellwinkel des Flügelblattes dem des besten Anlaufdrehmomentes, etwa 45°, entspricht. Der Feder 4 wirkt das Fliehgewicht 5 entgegen, welches den Flügel unmittelbar nach dem Anlauf des Windrades so weit verdreht, daß er den größtmöglichen Auftriebsbeiwert erhält, entsprechend einem Anstellwinkel von etwa 12°. Die Halterung 3 ist fest mit der Nabenachse 6 verbunden, die in der Nabe 7 drehbar ist. Die Flügelachse ist also gegen die Achse der Nabenwelle versetzt. so daß sich ein kraftschlüssiges Kurbelsystem ergibt.The direction of flow is denoted by L 'in the drawings, in Fig. 1, the blade 1 can be rotated with its shaft 2 (blade axis) in the holder 3 stored. The shaft 2 is pre-tensioned and turned off Spring 4 in the start-up position, so when the wind engine is at a standstill, so from stops kept that the angle of attack of the blade is that of the best starting torque, about 45 °. The spring 4 counteracts the flyweight 5, which the Immediately after the start-up of the wind turbine, the wing is twisted so far that it is the largest possible Receives a lift coefficient, corresponding to an angle of attack of about 12 °. The bracket 3 is firmly connected to the hub axle 6, which is rotatable in the hub 7. The wing axis is therefore offset from the axis of the hub shaft. so that there is a force-fit Crank system results.

Wie Fig.2 veranschaulicht, sitzt fest auf der Nabenwelle 6 der Hebelarm 8, der über den Gelenkhebel 9 gegen die Feder 11 auf den Federteller 10 einwirkt. Der Flügel ist beim Umlauf, der Fliehkraft folgend, bestrebt, sich so weit zu verdrehen, daß sich die Achse X der Halterung 3 mit der in der Drehebene liegenden Achse Y der Nabenwelle 6 deckt. Die Vorspannung der Feder 11 ist so bemessen, daß die Verstellkräfte des Kurbelsystems erst nach dem Erreichen der zulässigen Höchstdrehzahl und Nennleistung des Windmotors wirksam werden. Die Flügelblätter drehen sich dann, entgegen dem Drehsinn des vom Fliehgewicht 5 ausgeübten Drehsinnes und des ersten Einstellvorganges regelnd und so weit aus dem Wind, daß Überdrehzahlen mit Sicherheit verhindert werden. Durch die hohle Welle 12 (Hauptachse) wird das mit einem Drucklager versehene und am Federteller 10 sitzende Anschlußteil 13 mit dem Zugseil 14 verbunden, das zu einem am Mast der Anlage angebrachten Hebel geführt wird und die beliebige Abstellung des Windmotors ermöglicht.As Figure 2 illustrates, the lever arm sits firmly on the hub shaft 6 8, which acts on the spring plate 10 via the articulated lever 9 against the spring 11. During rotation, following the centrifugal force, the wing strives to twist so far that that the axis X of the holder 3 with the axis Y lying in the plane of rotation the hub shaft 6 covers. The bias of the spring 11 is dimensioned so that the adjustment forces of the crank system only after the maximum permissible speed and rated power have been reached of the wind engine take effect. The blades then turn in the opposite direction Direction of rotation of the direction of rotation exercised by the flyweight 5 and the first adjustment process regulating and so far out of the wind that overspeeding is definitely prevented. Through the hollow shaft 12 (main axis) is provided with a thrust bearing and on the spring plate 10 seated connecting part 13 connected to the pull cord 14, the to a lever attached to the mast of the system and any parking of the wind engine.

Fig. 3 zeigt die von den Flügelblättern vom Anlauf des Windmotors bis zum vollen Ausschwenken bei Sturm oder Abstellung durchlaufenen Drehbewegungen. In Stellung A, der Anlaufstellung, haben die Flügelblätter das beste Anlaufdrehmoment, entsprechend einem Anstellwinkel von etwa 45°. Unmittelbar nach dem Anlauf des Windrades wird das Fliehgewicht 5 bzw. die dem Flügel auf Grund besonderer Ausbildung desselben eigene Fliehkraft wirksam, und das Flügelblatt dreht sich in der Pfeilrichtung a so weit, bis die dem höchsten Auftriebsbeiwert entsprechende Stellung B und ein Anstellwinkel von etwa 12° erreicht ist. Übersteigt die Drehzahl des Windmotors den optimal zulässigen Wert, so werden die Verstellkräfte des Kurbelsystems wirksam und drehen den Flügel in Pfeilrichtung b aus dem Wind, um bei Sturm oder bei Abstellung der Anlage die Stellung C einzunehmen.Fig. 3 shows the blades from the start of the wind motor until it swings out fully in the event of a storm or shutdown. In position A, the starting position, the blades have the best starting torque, corresponding to an angle of attack of about 45 °. Immediately after the wind turbine starts up is the flyweight 5 or the wing due to its special training own centrifugal force effective, and the blade rotates in the direction of the arrow a until the position B and a corresponding to the highest lift coefficient Attack angle of about 12 ° is reached. Exceeds the speed of the wind motor the optimally permissible value, the adjustment forces of the crank system are effective and turn the wing out of the wind in the direction of arrow b, to avoid storms or shutdown position C of the system.

Durch entsprechende Ausbildung der Flügelblätter können diese bekanntlich selbst die für den ersten Schaltvorgang erforderlichen Verstellkräfte liefern, so daß das Fliehgewicht 5 (s. Fig. 1) in Fortfall kommen kann. Wie ein solches Flügelblatt beispielsweise ausgeführt werden kann, veranschaulicht Fig.4.By appropriate training of the wing blades, these can be known even supply the adjustment forces required for the first switching process, see above that the flyweight 5 (see Fig. 1) can be omitted. Like such a wing blade 4 illustrates.

Man kann den Aufbau von Windrädern auch so vornehmen, daß nur ein Teil der symmetrisch liegenden Flügelpaare beide Verstellbewegungen ausführt, während der andere Teil fest in der Nabe angeordnet ist oder nur eine Verstellbewegung ausführt.You can also make the construction of wind turbines so that only one Part of the symmetrically lying pairs of wings performs both adjustment movements while the other part is fixed in the hub or only performs an adjustment movement.

Eine solche besonders für größere Windkraftanlagen zweckmäßige Regeleinrichtung zeigt Fig.5. Hier sind den in den Halterungen 3 drehbaren Flügelblättern 1 symmetrisch fest in der Flügelnabe sitzende Flügelblätter 1 a zugeordnet. Die Flügelblätter 1 sind so eingefugt, daß sie bei zu hohen Windgeschwindigkeiten und daraus resultierenden zu hohen Drehzahlen des Windrades über den der Stellung C in Fig. 3 entsprechenden Nullauftriebswert hinweggedreht werden und dadurch einen den festen Flügeln 1 a gegenläufigen Drehsinn erlangen und den Windmotor ab bremsen. Auf diese Weise ist ein »Durchgehen« des Windmotors unmöglich, sei es bei orkanartigen Stürmen oder bei plötzlicher Lastunterbrechung in Generatoranlagen.Such a control device, which is particularly useful for larger wind turbines shows Fig.5. Here the blades 1 rotatable in the mountings 3 are symmetrical Fixed in the wing hub seated wing blades 1 a assigned. The wing blades 1 are inserted in such a way that they can be used in the event of excessive wind speeds and the resulting too high speeds of the wind turbine above that corresponding to position C in FIG. 3 Zero lift value are turned away and thereby one of the fixed wings 1 a obtain opposite direction of rotation and brake the wind motor. That way is a "runaway" of the wind engine impossible, be it in hurricane-like storms or in the event of a sudden load interruption in generator systems.

Claims (5)

PATFNTAN$PR(1(:iIE: 1. Einrichtung zum selbsttätigen Verringern der Flügelsteigung während des Anlaufs schnell laufender Windräder beim Übergang aus einer günstigen Anlaufstellung in die günstigste Betriebsstellung und zur selbsttätigen Erhöhung der Flügelsteigung beim Überschreiten einer bestimmten Grenzdrehzahl, unter Verwendung von Verstellflügeln, die sich unter Fliehkrafteinwirkung entgegen der Wirkung von Federn verstellen, dadurch gekennzeichnet, daß der Flügel (1) mit seiner Flügelwurzel (2) in an sich bekannter Weise um Eine radiale Achse verstellbar in einer Halterung (3) gelagert ist und daß die Halterung (3) ihrerseits um eine parallel zur Flügelverstellachse angeordnete Achse (6) in der Windradnabe (7) schwenkbar ist. PATFNTAN $ PR (1 (: iIE: 1. Device for automatically reducing the Blade pitch during the start-up of high-speed wind turbines at the transition off a favorable start-up position in the most favorable operating position and for automatic Increase in the wing pitch when a certain limit speed is exceeded, below Use of adjustable wings, which are counter to the action of centrifugal force Adjust the effect of springs, characterized in that the wing (1) with its Wing root (2) adjustable in a manner known per se about a radial axis in a holder (3) is mounted and that the holder (3) in turn by a parallel Axis (6) arranged in relation to the blade adjustment axis in the wind turbine hub (7) is pivotable is. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, bei der der Flügel durch eine Fliehmasse entgegen einer Feder verstellt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Flügelschafthalterung (3) durch die Fliehkräfte ihrer eigenen und der von ihr getragenen Massen entgegen einer Feder (11) verstellt wird. 2. Device according to claim 1, in which the wing counteracts by a centrifugal mass a spring is adjusted, characterized in that the wing shaft holder (3) the centrifugal forces counteract the masses it carries and its own a spring (11) is adjusted. 3. Einrichtung nach Anspruch 2. dadurch gekennzeichnet, daß die Feder (11), welche mit der Fiügelschafthalberung (3) verbunden ist, so vorgespannt ist, daß sie erst bei weit höherer Drehzahl betätigt wird als die Feder (4). 3. Device according to claim 2, characterized in that that the spring (11), which is connected to the wing shaft halving (3), is so biased is that it is only actuated at a much higher speed than the spring (4). 4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehbewegung des Flügelblattes (1) in der günstigsten Anlaufstellung und/ oder der günstigsten Betriebsstellung, bezogen auf die Grundstellung der Flügelschafthalterung (3). durch Anschläge begrenzt ist. 4th Device according to Claim 1, characterized in that the rotary movement of the blade (1) in the most favorable starting position and / or the most favorable operating position, based on the basic position of the wing shaft holder (3). limited by stops is. 5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, d@aß das Windrad aus spiegelbildlich zur Windradwelle angeordneten Flügelgruppen jeweils gleicher Ausführung besteht und daß die Flügel einer Gruppe mit der Nabe fest verbunden oder nur im Bereiche einer der beiden Verstellbewegungen (günstigste Anlaufstellung bis günstigste Betriebsstellung bzw. günstigste Betriebsstellung bis Überdrehzahlstellung) verstellbar sind, während die Flügel der anderen Gruppe im Bereiche beider Verstellbewegungen verstellbar sind. 6. 4j7indrad nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daB die Flügel der einen Gruppe über die Nullauftriebsstellung hinaus bis in die Stellungen. verschwenkbar sind, in denen ein Bremsmoment bezüglich der Windradwelle erzeugt wird. In Betracht gezogene Druckschrifteri: Deutsche Patentschriften Nr. 908 840, 860 030, 862 280, 906 440, 584 505, 895 128; USA.-Patentschrift Nr. 2 215 456.5. Device according to claim 1, characterized in that d @ ate out the wind turbine Wing groups arranged mirror-inverted to the wind turbine shaft, each of the same design exists and that the wings of a group are firmly connected to the hub or only in the Areas of one of the two adjustment movements (best starting position to best Operating position or most favorable operating position up to overspeed position) adjustable are, while the wings of the other group are adjustable in the range of both adjustment movements are. 6. 4j7indrad according to claim 1 to 5, characterized in that the blades of one group beyond the zero lift position up to the positions. pivotable are, in which a braking torque is generated with respect to the wind turbine shaft. Into consideration Drawn pamphlets: German patents nos. 908 840, 860 030, 862 280, 906 440, 584 505, 895 128; U.S. Patent No. 2,215,456.