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Windenergieanlage mit aerodynamischer Selbststeuerung
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Die geringe Energiedichte des Windes erfordert von Windturbinen im
Megawattbereich sehr große Abmessungen, die in technischer Hinsicht wegen der starken
Massenzunahme schwer zu beherrschen sind und Kosten verursachen, die die Wirtschaftlichkeit
dieser Energiequelle in Frage stellen.
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Große Abmessungen bedeuten aber auch, daß die räumliche und zeitliche
Ungleichförmigkeit des Windes insbesondere beim Rotor neue und stärkere Belastungen
hervorruft els bei kleinen Windturbinen.
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Hier ist zu unterscheiden zwischen Belastungen, die der Rotor als
interne Lasten aufnehmen kann und solchen, die er nach außen z.B. als Nutzmoment
an Getriebe und Generator oder als Querkraft oder -moment auf den Turm abgibt. Offensichtlich
ist es neben genereller Laufruhe am wichtigsten, das abgegebene Nutzmoment von der
Windunruhe unabhängig zu machen, um die Lebensdauer der Anlage zu steigern.
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Die wichtigsten Kräfte und Bezeichnungen an einer.Windturbine sind
in Abb. 1 dargestellt. F sei die Fliehkraft, N die senkrecht auf der Drehebene stehende
Luftkraftkomponente, T die tangentiale Komponente der Luftkraft, die in der Drehebene
liegt und das Nutzmoment liefert, G das Blattgewicht. OC ist die Anstellung des
Rotorblattes gegen die Anblasrichtung, die'aus Wind- und Umfangsgeschwindigkeit
resultiert, der Winkel # zwischen Drehebene und Rotationskegel der Blätter ist der
Konuswinkel. Seine änderung durch eine Winkelgeschwindigkeit , dß=ß heißt Schlagbewegung.
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dt Die Winkelgeschwindigkeit des Rotors ista= 2t. Eine kurzzeitige
Xnderung von, heißt Schwenkbewegung.
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Die Kräfte sind von sehr unterschiedlicher Größe. Wenn die Nutzkraft
T willkürlich gleich eins gesetzt wird, ist N s: 15, Fe 50-75 und bei großen Anlagen
G < 5-10.
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Ist der Konuswinkel> 0, gibt es eine Position, bei der die
Blätter
in Richtung der Resultierenden N+F zeigen und die Blattwurzel keine Biegemomente
erfährt. Bei passender Massenverteilung kann man erreichen, daß die Resultierende
für alle Radien die gleiche Richtung annimmt, das Blatt also an keiner Stelle Biegemomente
erfährt. Dieser Fall wird der Einfachheit halber im folgenden immer angenommen.
Wenn man die Blattwurzel für einen mittleren Konuswinkel starr baat, sind die verbleibenden
Wurzelmomente noch immer sehr groß, weil bei konstanter Drehzahl die Normalkraft
N unmittelbar mit der leistung verbunden ist und je nach Windstärke in weiten Grenzen
variiert. Es ist deshalb naheliegend, durch eine gelenkige oder elastische Lagerung
einen variablen Konuswinkel zuzulassen, um damit die Biegebelastung völlig abzubauen.
Die Blattgewichte und Kosten lassen sich dadurch grob halbieren. Dieser Gedanke
wurde bereits bei der 1.25 MW -Windenergieanlage von Smith-Putnam, die 1941 in USA
in Betrieb ging, realisiert.
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Die folgenden Ausführungen konzentrieren sich auf das Problem, wie
trotz der Windturbulenz eine möglichst gleichmäßige Leistungsabgabe bei möglichst
geringen Belastungen des Gesamtsystems realisiert werden kann. Dabei werden einige
Voraussetzungen als bereits gegeben angesehen: 1) Das Rotorblatt ist für alle Drehzahlen
und Windgeschwindigkeiten sicher gegen Flattern.
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2) Drehachse, elastische Achse, aerodynamisches Zentrum und die Schwereachse
liegen dicht beim t/4-Punkt des Blattes.
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w) Das Drehmoment des Blattes um den t/4-Punkt ist sehr klein.
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4) Das Blatt wird als gerade angenommen, und die Torsionsfrequenz
soll weit über allen anderen Eigenfrequenzen liegen.
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5) Die Regelung des stationären Betriebsverhaltens wird als bekannt
angesehen, während hier nur schnelle und kurzzeitige Vorgänge betrachtet werden,
welche die Dynamik der Windenergieanlage bestimmen.
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Wenn man wie bei Smith-Putnam die Blattwurzel hinsichtlich einer Schlagbewegung
elastisch oder gelenkig ausführt, ergibt sich sofort folgendes Problem: jede Schlaggeschwindigkeit
erzeugt eine Trägheitskraft in Richtung der Drehebene, die als Corioliskraft bezeichnet
wird und umso größer wird, je größer der Ausgangskonuswinkel ist. Als Trägheitskraft
ist sie wiederum bei großen Anlagen überproportional wirksam und erreicht leicht
ein Vielfaches
der Nutzkraft T und damit neben der Biegebelastung
der Wurzel eine untragbare Variation des Nutzmomentes. Es sollte also einerseits
jeder Konuswinkel realisierbar sein, um Blattachse und Resultierende von F und N
in Übereinstiztirnung zu bringen, andererseits sollte die zeitliche Änderung des
Konuswinkels z.B. beim Einfall von Böen möglichst gering bleiben, um Corioliskräfte
in der Drehebene zu vermeiden.
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Dies läßt sich durch eine passende Kopplung von cdund p erreichen,
d.h.: wird z.B. durch eine größere Luftkraft N der Konuswinkel vergrößert, sollte
die Flügelanstellung >t möglichst vermindert werden, damit die auslösende Kraft
N reduziert wird. Abb.2 gibt das einfachste Beispiel. Dieses stabilisierende Prinzip
wird z.B.
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beim Pfeilflügel moderner Verkehrsflugzeuge zur Böenminderung und
beim Hubschrauber unter der Bezeichnung S -Winkel zur Stabilisierung angewendet
und ist auch bereits für Windturbinen vorgeschlagen worden. DBP 805 388 (1951).
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Um die Unterschiede zu den Ansprüchen des DBP 805 388 herauszuarbeiten,
muß kurz auf die dort fixierten Vorstellungen eingegangen werden. Das Ziel dieses
Patents ist, sowohl die Drehzahl als auch die Schubbelastung einer Windturbine zu
begrenzen, stellt also einen Überlastschutz für das offensichtlich klein gedachte
Windrad dar. Die Drehzahl soll über eine Fliehkraftmasse geregelt werden: Soll die
Erdschwere bei horizontaler Drehachse nicht als untragbare Störgröße auf die Fliehkraftmasse
wirken, muß sie durch eine gleich große Gegenmasse an einem zweiten Flügel ausgeglichen
werden. Auch aus dem Text (Zeile 8 und 67) geht hervor, daß es sich beim DBP 805
388 um einen zweiflügeligen Rotor handelt, wobei beide Blätter sowohl unter Fliehkraft-
als auch unter Luftkrafteinfluß gemeinsam im gleichen Sinn ausgesteuert werden.
Man bezeichnet das heute als kollektive Steuerung.
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Ein solcher Vorschlag ist jedoch für große Rotoren ungeeignet und
muß vielmehr durch eine individuelle und vom gegenüberliegenden Blatt völlig unabhängige
Steuerung ersetzt werden. Auch der Gedanke einer einfachen Drehzahlregelung ist
für große Rotoren sekundär, weil sie im allgemeinen einen Synchrongenerator antreiben,
der von einem starken Netz stabilisiert ist. Weiterhin ist es für große Rotoren
unvorstellbar, daß man, wie hier vorgeschlagen, negative Konuswinkel vorsieht und
Fliehkraft und
Luftkraft gemeinsam als Moment auf die Blattwurzel
wirken. Man muß vielmehr beide Größen gegeneinander ausspielen, um die Wurzelmomente
zu reduzieren.
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Darüberhinaus kann der Vorschlag des DBP 805 388 den speziellen Lastfall
"volle Drehzahl - plötzlicher Windausfall" nicht beherrschen, weil die vorgesehene
Blattlagerung nur ein Ausweichen nach rückwärts, nicht aber nach vorn gegen die
Windrichtung erlaubt.
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Eine individuelle Blattsteuerung bei positiven Konuswinkeln, wie sie
hier vorgeschlagen wird, eröffnet dagegen neue und entscheidend wichtige Möglichkeiten:
1) Wird z.B. ein zweiblättriger Rotor in Bodennähe von einem schwachen, in der Höhe
jedoch von einem starken Wind beaufschlagt, muß die AnsteZlwinkeländerung an jedem
Blatt nicht in gleicher, sondern in entgegengesetzter Richtung erfolgen, wenn der
Konuswinkel konstant bleiben soll und keine Corioliskräfte auftreten sollen. Andernfalls
würde ein Biegemoment auf die Rotorachse erzeugt, das nicht mehr zu beherrschen
ist.
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2) Bei schräger Anströmung des Rotors würde eine kollektive Steuerung
zu einem unerwünschten Richtmoment um die Hochachse des Rotors führen. Die individuelle
Steuerung dagegen macht den Rotor seitenwindunempfindlich. Das ist vor allem wichtig,
wenn die Rotorachse gegen die Horizontale geneigt ist, um den nötigen Freigang der
Blätter vom Turm oder von der Turmabspannung zu schaffen. Bei individueller Steuerung
kann dann der Wind kein Kippmoment ausüben, das zur Kollision führt.
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Wenn eine schräge Anblasung der Windturbine nicht zu einem Kippmoment
führt, entfällt auch die primäre Ursache für das sogenannte "Rotor-whirl"-Flattern.
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3) Bei einem Rotor ohne individuelle + Steuerung läßt sich z.B. bei
einer Winddrehung die Rotorachse nur sehr langsam in die neue Richtung bewegen,
wenn man große Kreiselmomente (Präzessionskräfte) vermeiden will. Bei individueller
Steuerung werden die Kreiselkräfte bei den üblichen Blattgewichten völlig von den
Luftkräften überspielt, und ein schnelles Eindrehen auf neue Windrichtungen ist
problemlos und führt zu vereinfachten Turmkonstruktionen.
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4) Die individuelle Steuerung enthält natürlich die gleiche Wirkung
wie eine kollektive Steuerung gegenüber Böen. Sie wirkt aber auch dann noch, wenn
nur ein Blatt von einer Bö getroffen wird.
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5) Nicht nur der oben erwähnte Lastfall, sondern fast alle übrigen
Lastannahmen, die bei Windturbinen üblicherweise notwendig sind, werden durch die
α-ß-Kopplung auf eine Normalbelastung reduziert.
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Die vorgenannten Eigenschaften kommen nur dann zum Tragen, wenn die
Anstellwinkeländerung &R bei Änderung des Konuswinkels «3 genügend groß ist.
Das Verhältnis muß Werte von 10 bis 20 erreichen, andernfalls ist die Einschwingzeit
auf den neuen Gleichgewichtszustand relativ zur Umlaufzeit des Rotors zu groß.
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Eine starke KS-Kopplung bedeutet also eine aerodynamische Stabilisierung
des Konuswinkels, die dem Rotorblatt hinsichtlich der Schlagbewegung eine hohe Eigenfrequenz
verleiht, so als ob die Wurzel eine strukturelle Steifigkeit besäße. Die aerodynamische
Steifigkeit hat noch den zusätzlichen Vorzug, außerordentlich stark gedämpft zu
sein.
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Die erste Möglichkeit, eine hohe Winkelübersetzung mechanisch zu verwirklichen,
besteht darin, den Gelenkhebel, der das Rotorblatt in Abb.2 mit einem Festpunkt
verbindet, in möglichst großem Abstand vß von der Drehachse des Rotors anzubringen,
vgl.Abb.5.C Das Übersetzungsverhältnis wird dann durch das Radienverhältnis /v bestimmt,
Eine weitere Möglichkeit, noch größere tfbersetzungen ohne große Lagerkräfte zu
realisieren, besteht erfindungsgemäß darin, daß man wie in Abb.3 nicht nur die Bewegung
des drehbaren Rotorblattes sondern auch die Bewegung der Blatthalterung oder der
Schwinge 3 relativ zu einem Festpunkt mit heranzieht. Wenn in Abb.3 der mittlere
Drehpunkt in der Mitte des Kipphebels 7 liegt, wurde die α-Änderung gerade
verdoppelt. Eine Verschiebung des mittleren Drehpunktes zum Gelenkhebel der Schwinge
3 hin erhöht die Übersetzung sehr schnell, und zusammen mit einem großen Yn /<«
lassen sich die nötigen Übersetzungen rein mechanisch leicht mit einfachen Gelenkhebeln
verwirklichen.
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Die Kombination der Merkmale einer gelenkigen oder elastischen Blattaufhängung
mit einer individuellen Selbststeuerung der Rotorblätter
führt
erfindungsgemäß zu wichtigen neuen Eigenschafben des Rotors, die insgesamt die Herstellungskosten
senken und das Betriebsverhalten und die Lebensdauer der Anlage verbessern.
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Eine individuelle Selbststeuerung der Rotorblätter hält bei hoher
Übersetzung die Größe der Luftkraft, unabhängig von der Windscherung und von Böen,
praktisch konstant. Konstanz der Normalkraft N bedeutet konstanter Xonuswinkel und
Vermeidung von tangentialen Corioliskräften. Die Anpassung an geänderte Windbedingungen
erfolgt sehr schnell, weil die Schlagschwingung mehr als zehnfach schneller als
die Umlauffrequenz des Rotors sein kann.
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Sie ist zusätzlich stark gedämpft. Damit ist eine Grundaufgabe für
die Laufruhe der Windturbine auf einfache Weise weitgehend gelöst.
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Abb.4 zeigt die Rotornabe mit den wesentlichen Bauelementen.
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1 ist die Rotorachse, 2 überträgt Biege- und über eine Rutschkupplung
Torsionsmomente auf 1 und liefert das Festlager für das Steuergestänge nach Abb.3.
Die Schwinge 3 ist gelenkig gelagert und erlaubt alle Konuswinkel, die aus der Resultierenden
aus F und N bzw. der Position des Gelenkhebels 7 folgt. 4 ist die Flügelwurzel,
die alle Biegemomente über eine große Einspannlänge auf 3 überträgt. Anstelle der
üblichen großen Lager, die eine kreisrunde Flügelwurzel umspannen, sollen kleine,
robuste und einfache Lager treten.
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Abb.5 zeigt eine Variante, bei der die Krafteinleitung in den Flügel
modifiziert ist: der Flügelholm läuft in 5czur Wurzel hin in zwei getrennte Träger
aus, zwischen denen die Lager untergebracht sind. Das Stellglied 8 in 5a bildet
Teil eines Dreibeins, um die großen Stellwege einfacher zu erreichen. Die Lagerung
der Flügelwurzel in der Schwinge in Sb erlaubt hier eine Schwenkbewegung von etwa
+1o0, die weiter unten noch erläutert wird.
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In 5d1 und 5d2 sind schließlich die normale Arbeitsstellung und die
Segelstellung angedeutet.
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Die bislang diskutierte Selbststeuerung bezog sich im wesentlichen
auf die Konstanthaltung der Normalkräfte des Rotors. Als zweite grundlegende Aufgabe
bleibt noch das Problem, die in der Drehebene liegenden Tangentialkräfte, soweit
sie nicht das Nutzmoment darstellen, zu vermindern.
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Die schwerwiegendste Tangentialkraft entsteht durch das Gewicht der
Rotorblätter. Bereits bei statischer Betrachtungsweise begrenzt das aus dem Gewicht
resultierende Wechselbiegemoment die Lebensdauer des Blattes oder die maximale Baugröße
des Rotors.
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Diese Belastung wird noch verstärkt, wenn die Eigenfrequenzen des
Rotors bezüglich der Schwenkbewegung in die Nähe der Rotordrehfrequenz Q kommen.
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Wenn man den Konuswinkel durch die oben geschilderte aerodynamische
Selbststeuerung stabilisiert und fixiert hat, kann man die Schwenkbewegung als eine
unabhängige Schwingungsbewegung ansehen, durch die sich eine neue Möglichkeit zur
Reduktion der Tangentialkräfte eröffnet. Der Schwinger "Rotorblatt" führt unter
dem Einfluß der Schwerkrafterregung erzwungene Schwingungen aus, deren Amplituden
und Phasenlage primär vom Verhältnis der Erregerfrequenz 0 zur Eigenfrequenz des
Schwingers abhängen. Wenn die letztere viel niedriger ist also, etwa ein Drittel
oder noch kleiner, wird die Schwingungsamplitude gegenüber dem statischen Fall etwa
auf ein Viertel reduziert und die Schwingungsbewegung ist um 1800 gegen die Erregung
versetzt. Für den Rotor bedeutet das eine entsprechende Reduktion der Wurzelkräfte,
und die Rotorblätter zeigen bei annähernd horizontaler Position eine Schwenkbewegung
nach oben. Die Rotorachse erfährt also durch die Schwerkraft eine aufwärtsgerichtete
Vertikalkraft, übrigens mit doppelter Rotorfrequenz.
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Läßt man für einen Augenblick die Schwerkraft außer acht und betrachtet
den nicht ganz unmöglichen Sonderfall, bei dem die obere Rotorhälfte.vom Wind beaufschlagt
wird, die untere dagegen eine windstille Zone durchschneidet, so entstehen aerodynamische
Tangentialkräfte, die in der oberen wie unteren Rotorhälfte beide gleichsinnig horizontal
gerichtet sind und die Rotorachse seitlich belasten, aber mit stark verminderter
Amplitude.
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Wie kann die Eigenfrequenz der Schwenkbewegung gegenüber 2 erniedrigt
werden? Die einfachste Möglichkeit besteht darin, das äußere Lager der Flügelwurzel
nicht nur für die i-Verstellung heranzuziehen, sondern ihm auch die Freiheit zu
geben, um rund +100 zu schwenken. Das innere Lager muß dann beim Schwenken in der
Schwinge 3 gleiten.
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Die Achse des inneren Lagers und der Punkt 3a der Schwinge 3 iv'6b
können über Gelenklager mit einem hydraulischen Dämpfungselement verbunden sein.
Sieht man zunächst von der Dämpfung ab, stellt sich bei Solldrehzahl je nach Nutzmoment
ein bestimmter stationärer Schwenkwinkel bis zu zehn Grad zwischen Radius und Blattachse
ein, der in Abb.5b nicht gezeichnet ist. Damit ist die Nullage der Schwenkschwingung
gegeben.
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Eine strukturelle Feder ist für die Schwenkschwingung voraussichtlich
überflüssig, weil die Fliehkraft diese Funktion übernimmt. (Gegebenenfalls kann
jedoch das stationäre Nutzmoment am inneren Lager mit einer Gasfeder abgenommen
werden, deren Kraftanstieg genügend klein ist, um die Schwenkfrequenz nur wenig
zu erhöhen.) Die Eigenfrequen kann am leichtesten durch die Wahl des Abstandes e
(vgl.Abb.5), also des äußeren Lagers von der Rotorachse, variiert werden. Etwa 5-10%
des maximalen Blattradius ergeben die gewünschten Frequenzverhältnisse.
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Das hydraulische Dämpfungselement hat eine Doppelfunktion zu übernehmen.
Durch die Dämpfung wird die Schwingungsamplitude der Schwerkrafterregung nochmals
vermindert und damit unbedeutend.
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Gleichzeitig wird der Sonderfall, daß eine Folge von Böen die Eigenfrequenz
der Schwenkbewegung anregen sollte (etwa 10 sec.
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Schwingungszeit), beherrschbar. Es liegt auf der Hand, daß kurzzeitigere
Böen von diesem passiven System nahezu völlig absorbiert und nicht auf die Rotorachse
übertragen werden.
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Die zweite Funktion wird beim Unterschreiten der Solldrehzahl beim
Anlaufen und Abstellen des Rotors benötigt: durch Schließen des Dämpfungsventils
wird die Schwenkmöglichkeit verriegelt. Das Blatt nimmt dann bezüglich des Schwenkens
eine strukturell bedingte Eigenfrequenz an, die oberhalb der Drehfrequenz Q liegen
sollte. Beim An- und Abstellen tritt also keine Schwingungsgefährdung auf. Allerdings
muß während des An- und Auslaufens die volle Gewichtsbelastung ertragbar sein.
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Wenn der Rotor durch die beschriebenen Maßnahmen geringere und gleichmäßigere
Lasten auf den Turm ausübt, ergeben sich auch neue und kostensparende Möglichkeiten
für die Auslegung des Turmes.
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Für den Rotorturm gelten folgende Leitsätze: Der Turm sollte einen
möglichst geringen Bauaufwand erfordern, einen möglichst geringen Luftwiderstand
haben und aus größerer Entfernung möglichst wenig sichtbar sein.
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Abb.6 zeigt einen abgespannten Rohrturm, der den Forderungen nahekommt.
Turm und Turmkopf bilden eine Einheit und drehen sich gemeinsam in den Wind. Das
Fußlager ist in Abb.7 skizziert.
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Am Kopflager des Turms laufen die Abspannseile zusammen und belasten
den Turm zusätzlich zum Eigen- und Kopfgewicht mit den Seilspannungen, die aus dem
praktisch horizontalen Rotorzug resultieren. Um diese Spannungen klein zu halten,
ist ein großer Abspannwinkel erwünscht, der andererseits unerwünscht ist, weil für
den Rotor der notwendige Freigang bleiben muß. Wenn man den Hauptseilen einen Längenüberschuß
gibt und die Lose durch weitere Seile zum Mastfuß hin straffzieht, kann man durch
eine schräge Maststellung sowohl den Freigang als auch den großen Abspannwinkel
verwirklichen. Abb.6 zeigt die Situation bei geringem Rotorzug. Bei Steigerung der
Zugkraft wird die luvseitige Abspannung straffer und die leeseitige näher an den
Turm herangezogen.
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Eine wesentliche Funktion übernehmen die zum Turmfuß laufenden Hilfsseile.
Sie erhalten z.B. über Gewichte eine Zugspannung, und ihre Längenänderung wird zur
Dämpfung der Turmbewegung herangezogen. Die Dämpfung ist wichtig, weil die Turmeigenfrequenz
unter der Rotorfrequenz liegt und beim Anfahren des Rotors die Resonanzstelle beherrschbar
bleiben muß. Die Dämpfung bestimmt zusätzlich die Geschwindigkeit, mit der sich
der Turm um die Vertikale zu drehen vermag.
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Da der Turm auch in Ruhelage nicht senkrecht steht, dreht er sich
allein durch Luftkräfte in den Wind. Zusammen mit dem Rotor bildet er gewissermaßen
seine eigene Windfahne. Durch den in Abb.7 skizzierten Fuß wird auch die Rotorachse
und die Tropfenform des Mastes in Windrichtung gedreht. Die richtig orientierte
Tropfenform des Mastes eliminiert die ansonsten sehr störende Turm-Rotor-Wechselwirkung
nahezu völlig. Seitenkräfte auf den Turmkopf können den Turm nicht um die Turmachse,
sondern nur um die vertikale Achse drehen. Die Dämpfung der Abspannseile
dämpft
deshalb auch die mit solcher Erregung verbundene Schwingungsbewegung.
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Die außermittige Ruhelage des Turmes kann nach Art der Abb.8 erreicht
werden: die Abspannungen gegenüberliegender Seile laufen hier über drei Umlenkrollen
von einer Seite zur anderen.
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Die mittlere Rolle trägt das Spanngewicht, dessen Hubbewegung durch
ein Dämpfungselement gebremst wird. Die Seillänge wird so bemessen, daß das Gewicht
auf dem Boden aufsitzt, wenn der Turm etwa drei bis fünf Grad schräg steht. Dadurch
bleibt der Turm bei Windstille auf einem entsprechenden Rotationskegel im Gleichgewicht.
Das Innere des Kegels ist für den Turm unerreichbar, selbst wenn der Rotor durch
eine plötzliche Winddrehung genau entgegengesetzt angeblasen wird. Auch in diesem
Fall muß die Anlage eine gedämpfte Drehbewegung um die Vertikale ausführen, um sich
in den Wind zu stellen.
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L e e r s e i t e