DE2913407A1

DE2913407A1 - Windturbine mit horizontaler achse

Info

Publication number: DE2913407A1
Application number: DE19792913407
Authority: DE
Inventors: Hans-Dietrich Goslich
Original assignee: Individual
Current assignee: Ventor Windkraft Ag Stans Ch
Priority date: 1979-04-04
Filing date: 1979-04-04
Publication date: 1980-10-16

Description

I.INDTUR E MIT HORIZONTALER AChSE
Es werden Windturbinen mit einer Neiqung der Achse gegenüber der Horizontalen insoweit eingeschlossen, als die viirkungs weise der Turbine vom Prinzip her derjenigen einer solchen mit exakt horizontaler Achse entspricht.
Eine solche Windturbine besteht im allgemeinen aus folgenden hauptsächlichen Baugruppen: - dem Rotor oder Turbinenrad - der Rotorachse - dem Maschinensatz, der die Lagerung des Rotors bzw. der Rotorachse und den Energieumsetzer einschließt - dem Schwenkmechanismus in horizontaler Ebene - der Regeleinrichtung - dem Mast, genebenenfalls mit Fundament In zahllosen Varianten sind bis heute Windturbinen yebaut worden, die in ihrem Grundaufbau den vorgenannten Prinzipien entsprechen, jedoch in allen Bereichen erhebliche Nachteile aufweisen, wenn nicht anders, dann zumindest hinsichtlich der Baugewichte. Diese lassen sich jeaoch nicht ohne weiteres verringern, wenn die bisher verwirklichten Bauformen beibehalten werden.
Die Reauzierung der Baugewichte ist jedoch von entscheidender Bedeutung weil - der Einfluß der Massenkräfte herabgesetzt wird - Transport und Montage vereinfacht und die anteiligen Kosten herabgesetzt werden - Material- und Herstellkosten zwangsläufig mit den Baugewichten abnehmen.
Gegenstand der Neuerung ist eine Windturbine mit horizontaler Achse und den in den Schutzansprüchen aufgeführten Merkmalen.
Bemerkenswert ist, daß nur unter Anwendung nahezu aller Schutzmerkmale gleichzeitig der Bau einer Windturbine nach dem Erfindungsgedanken möglich ist.
Beispielsweise werden die Kräfte bei Verwendung eines starren oder in üblicher Bauweise als starr anzusehenden Mastes auf die Strukturteile des Maschinensatzes wie auch der Rotorachse so groß, daß die hierdurch erforderlichen Verstärkungen eine Zunahme der Gewichte und bewegten Massen bedingen, die ihrerseits wieder die gleichen Folgen bei anderen Bauelementen auslösen. Dieses Prinzip beginnt erfindungsgemäß bei den Rotorblättern und setzt sich über nahezu alle Baugruppen der gesamten Anlage fort, wobei die Schutzmerkmale zur Durchführbarkeit einer Bauweise wie vorgeschlagen, im wesentlichen unumgänglich sind, wie im folgenden erläutert.
Die Verteilung der aerodynamischen Auftriebskräfte am Rotorblatt, die für die Energieausbeute maßgebend sind, entspricht etwa der im Diagrarran Fig.l wiedergegebenen Form, wobei L die Blattlänge und A die Größe des Auftriebs in einem von den Abmessungen abhängigen Maßstab darstellt. Das Zentrum des Rotors liege hierbei im Koordinatenursprun.
Es ist ersichtlich, daß bei einer Verkürzung des Rotorblattes um die Hälfte seiner Länge nur ein geringer Teil der Auftriebskräfte verloren geht. Andrerseits liegt auf der Hand, daß sowohl Gewicht wie Fertigunqsaufwana aurch diese Maßnahme drastisch zu senken sind.
Maßgebe für den Grad der Blattverkürzung sind die aerodynamischen Verhältnisse am Rotor, die sich aus Profilwiderstand, Oberflächengüte und dem Luftwiderstana der ersatzweisen Nabenstruktur des Rotors bezoqen auf die in Drehrichtung gerichtete Auftriebskomponente ergeben. Je nach Wahl und Ausführung der einzelnen Bauelemente kann das Verhältnis der Verkürzung variiert werden.
Ein weiterer Vorteil ist bautechnisch gegeben. Durch die verschiedenen Umfangsgeschwindigkeiten längs des Blattes ergeben sich bei gleich angenommener Windrichtung unterschiedliche Anblasrichtungen, denen mittels sog. Verschränkung des Blattes Rechnung getragen werden muß, um an allen Stellen des Blattes gleiche Anströmverhältnisse für das Profil zu bekommen.
Die Verschränkung nimmt zum Rotorzentrum hin sehtstark zu.
Gleichzeitig wird die Blattbreite im allgemeinen zum Zentrum hin größer ausgeführt als an der Blattspitze. Beide Einflüsse zusammen ergeben erhöhte Fertigungsprobleme, sofern die Blätter bis in die Nähe des Rotorzentrums reichen. Besonders bei Blättern aus Aluminium oder andaen Metallen fällt dieser Umstand ins Gewicht, weil sich die so entstehenden sphärisch verformten Flächen nur durch Flißverformung der Materialien (Pressen)erzeugen lassen. Es ist also von großem Vorteil, möglichst viel des inneren Blattbereiches fortlassen zu können.
Die Erkenntnis des geringen Nutzens im Bereich des Rotorzentrums ist nicht neu, und es gibt zahlreiche Beispiele ausgeführter Windkraftanlagen, bei denen die Blätter nicht in unmittelbarer Nähe der Achse beginnen, sondern an armartigen Streben, wie sie in fast gleicher reise auch der Erfindung zugrunde liegen.
Im Falle solcher Bauweise sind die Streben dann aber unter sich sofern es sich um mehr als zwei Blätter handelt, und gegenüber gegenüber der Achse abgestrebt, weil aufgrund der hohen Blattgewichte eine freitragende Konstruktion nur dann ausführbar wäre, wenn die Arme so stark dimensioniert sind, daß kein Vorteil in dieser Bauausführung mehr läge.
Hier greifen mehrere Merkmale, die dem Erfindungsgedanken entsprechen, ineinander.
1. Die Blätter sind gelenkig an den Armen angebracht.
Dadurch treten, abgesehen vom Vorttiebsmoment, nahezu keine Biegekräfte in der Blattwurzel auf.
2. Wegen 1. können die Blätter extrem leicht ausgeführt werden.
3. Wegen 2. können die Arme sehr leicht, dünn und elastisch gebaut werden, ohne abgestrebt werden zu müssen.
4. Die Konsequenz aus 3. bringt mit sich, aß der Luftwiderstand der Arme sehr gering ist 5. Aus 4. resultiert, daß bei gleich angenommenen relativen Verlusten die Blätter weiter verkürzt werden können, woraus sich wieder positive Konsequenzen für die Punkte 3 ff ergeben.
Die Optimierung aus diesen Überlegungen weitergeführt über angerenzende Baugruppen führte in ausgeführten Beispielen zu Gewichtsreduzierungen am kompletten Rotor um das 18 bis 20 fache und mehr gegenüber vergleichbaren Anlagen herkömmlicher Bauart.
Durch das somit erreichte extrem niedrige Gewicht des Rotors kann dieser in großem Abstand vom Mast angeordnet werden, wodurch sich bei vorausgesetzte leeseitigen Betrieb eine bessere Richtungsstabilität bezogen auf die Windrichtung ergibt.
Dadurch kann eine mechanische Nachführeinrichtung, die bisher bei größeren Rotordurchmessern als unumgänglich galt, entfallen.
Wiederum Gewichts- und Kosteneinsparungen sind die Folge.
Ferner kann die aus den Armen bestehende Nabe fest mit Achse verbunden werden und dadurch trotz des anordnungsgemäß bedingten großen Abstandes des Rotors vom Mast auf eine zusätzliche Lagerung rotorseitig verzichtet werden. Dadurch entfallen wiederum dem Maschinensatz zuzuordnende Strukturteile, die zur Halterung eines solchen Lagers weit nach außen vorgeschoben werden müßten. Gewichts- und Kostenvorteile sind auch hier die Folge.
Die Verhältnisse werden erfindungsgemäß dadurch zusätzlich verbessert, daß die in Nähe des Mastzentrums befindliche Lagerung der Hauptachse zusammen mit dem Maschinensatz oder auch getrennt von diesem und gelenkig mit ihm verbunden derart um eine horizontale Achse vorzugsweise elastisch schwenkbar aufgehängt ist, daß die Achse in vertikaler Ebene in einem Winkelbereich von etwa 200 beweglich ist. Dese Bewegungen werden mit Nickbewegungen bezeichnet.
Es gibt stets Geschwindigkeitsunterschiede des Windes in der oberen gegenüber der unteren Hälfte des Rotors oder kurzzeitige Böen mit nach oben oder unten gerichteter Komponente, die im Falle einer starren Lagerung erhebliche Kräfte in Form von Biegekräften auf die Rotorachse ausüben würden. Diese überlagern sich den aus dem Rotorgewicht resultierenden Biegekräften und bedingen eine verstärkte Ausführung der Rotorachse bei der gewählten Anordnung.
Die erstgenannten Biegekräfte können nahezu vollständig durch die beschriebene "weiche" Aufhängung der Achslagerung erfindungsgemäß eliminiert werden. Hierdurch kann die Rotorachse abermals leichter ausgeführt werden. Außerdem wird die Betriebssicherheit erhöht, da überraschend unvoraussehbare Kraftspitzen nicht auftreten können.
Es hängt von der Größe der Anlage und letztlich von cer Dimensionierung im einzelnen ab, wieweit Achse und Arme des Rotors völlig freitragend ausgeführt werden können oder aber, weil weitere Gewichtsminimierung die Folge ist, durch ein zusätzliches Lager gestützt werden, das im Extremfall nur durch Seile mit der Yopfstruktur verbunden zu sein braucht, da es lediglich dazu dient, die am rotorseitigen Achsende angreifenden Eigengewichte zu kompensieren und damit Wechselbiegekräften entegegen zu wirken sowie evtl. angeregte Schwingungen zu dämpfen.
Werden zudem die Arme mit der Achse durch ein elastisches Zwischenqlied z.B. aus Gummi, Federstahl oder elastischem Kunststoff o.ä. verbunden, so werden auch hier Spannungsspitzen, die aus Biegekräften in den Armen herrühren, die ihrerseits z.B. aus den oben erwähnten unterschiedlichen Windgeschwindigkeiten entstehekn können, fast vollständig abgebaut, was wieder zu einer Dimensionierungs- und damit Gewichtseinsparung führt.
In Fig.2 ist ein Ausführunqsbeispiel in Form einer zweiblattrigen Windturbine gemäß dem Erfindungsgedanken in Seiten und Vorderansicht dargestellt. Im einzelnen sind die Bauteile und bewegungsfreiwinkel wie folgt bezeichnet: B = Blätter mit reduzierter Länge S = Schlaggelenke in wahlweise doppelter Schrägstellung in zwei Ebenen um die Winkels und Q A = Arme als Bestandteil der Nabe R-= Rotorachse N = Nickgelenk für vertikale Bewegungsfreiheit des gesamten Rotorsystems im Bereich des Winkels p E = Energieumsetzer z.B. Genenrator, Pumpe, Kompressor o.ä.
H = Schwenklager für Bewegungsfreiheit der Kopfstruktur in horizontaler Ebene M = Mast F = Fundament = = Schlag- oder Rlappwinkel.
Unter Einwirkung der Windkraft werden die Blätter nach Lee qedrückt. Die Fliehkraft wirkt dem entgegen und spreizt die Blätter nach außen, so daß sich ein Kräftegleichgewicht ergibt, das die Stellung der Blätter im jeweiligen Betriebszustand bestimmt.
Bei der Schlagbewegung der Blätter führen diese gleichzeitig eine Drehung um ihre Längsachse aus, sofern die Schlaggelenke, wie in Fig. 2 dargestellt in zwei Ebenen je einen von 900 verschiednen Winkel aufweisen.
Die Blätter können gemäß ihrer Profilierung für Links- oder Rechtslauf ausgelegt sein. Werden die Winkel der Schlaggelenke für beide Fälle beibehalten, so ergeben sich verschiedene Charakteristika für das Laufverhalten der Blätter in verschiedenen Betriebsstellungen, die in Entlehnung aus dem Hubschrauberbau mit positiver oder negativer Rücksteuerung bezeichnet werden. Durch geeignete Wahl der Ausgangsstellungen der Blätter bei stillstehender Anlage oder aber bei Gefahrenzuständen, z.E. bei Fortfall der Leistung, kann erreicht werden, daß z.B. das Anlaufverhalten verbessert oder eine Sturmsicherung erreicht wird dadurch, daß im letzteren Falle die Strömung an den Blättern abreiSt und der Rotor automatisch abgebremst wird.
Auch bei plötzlichen Richtungsänderungen infolge Eöeneinwirkuny kann auf diese Weise den gyroskopischen und Cortioliskräften entgegenqewirkt werden, wodurch Arme und Blätter weiter entlastet werden.
Im Stillstand müssen die Rotorblätter erfindungsgemäß im allgemeinen durch federelastische Bauelemente oder eine gegenseitige Seilverspannung, durch Gestänge, Kontergewichte oder andere Maßnahmen herkömmlicher Art in eine vorgewählte Ausgangsstellung gebracht werden. Erst im Rundlaufen übernehmen zunehmende Fliehkräfte die Funktion dieser Bauelemente.
Im Gegensatz zu herkömmlichen ElndkraftadWgen, bei denen der Mast im allgemeinen möglichst starr ausgeführt wird, z.B.
als Gittermast, Betonmast oder hochabgespannter Stahlmast kommt der Gestaltung gemäß dem Erfindungsgedanken beim Mast besondere Bedeutung zu. Es wird angestrebt, unter Bercksichtigung der extrem niedrigen Baugewichte, die im Mastkopf zusammengefaßt sind, daß der Mast möglichst elastisch in dem Sinne ausgeführt wird, das seine Schwingungseigenfrequenz deutlich unterhalb der aus den wesentlichen Betriebszuständen der Anlage resultierenden Anregungsfrequenzen liegt.
Da die Anlage nach dem Anlaufen sehr schnell einen niedrigen Drehzahlbereich durchfährt und innerhalb dieses Bereiches auch keine gefährdenden Schwingungsanregungen zu erwarten sind, sollte die oberste Grenze der Masteigenfrequenz etwa bei der halben als Nenndrehzahl definierten Drehzahl des Rotors liegen.
Um auch hier Gewichte und damit Kosten zu sparen, wäre z.B. ein Gesichtspunkt zur Auslegung des Mastes der, das man nach Ermittlung der maximalen vertikalen und horizontalen Kräfte, die am Mastkopf auftreten. den Mast so auslegt, daß die örtlichen Materialipannungen über die gesamte Mastlänge hinweg etwa gleich und einen vorgegebenen etwa der Dauerfestigkeit entsprechenden Wert nicht überschreiten. Im Gegensatz zu allen üblichen Dimensionierungen ergibt dies Masten, die relativ große Schwingungsamplituden an der Mastspitze ausführen. Hinsichtlich der gesamten Konzeption, nämlich der Minimierung von örtlichen Kraftipitzen und damit gleichfalls Minimierung der Baugewichte ist dies jedoch geradezu erwünscht.
Als Material für Masten kommt Stahl, Aluminium aber auch Beton (Spannbeton) oder faserverstärkte Kunstsoffe infrage, um eine beispielgebende Auswahl zu nennen. Ferner können Einrichtungen zum Besteigen, zum Umlegen oder Aufrichten mittels mechanischer hydraulischer oder andrer Hilfsmittel oder sonstige Einrichtungen, die mehr oder weniger zum Betrieb der Anlage erforderlich sein könnten, am Mast angebracht werden. Bei hohen Masten ist auch die Anbringung einer Abspannung möglicht und wiederspricht nicht dem Erfindungsgedanken, sofern die vorgenannten Eigenschaften des Mastes dadurch nicht beeinträchtigt werden.
Leerseite

Claims

indtUrbille lait trorixontaler Achse SCHUTZANSPRÜCHE: 1. Windturbine mit horitontaler oder der horizontalen angenäherten Achse, im Lee des Mastes arbeitend, mit ein oder mehreren mit ein oder mehreren Rotorblättern, die mit der Rotornabe durch Schlaggelenke oder federelastische Bauelemente verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß durch Verringerung der Blattlänge bei vorgegebenem Rotorradius und entsprechende Vergrößerung des Nabenradius in Verbindung mit gelenkiger Ankopplung aller oder der wentlichen beweglichen Teile der gesamten Windkraftanlage zueinander, vorzugsweise unter Verwendung elastischer Bauelemente wie Gummilagerungen, Federn, Luftpolstern o.ä.sowie Dimensionierung des Mastes gleichfalls im hochelastischen und damit zwangsweise niederfrequenten Eigenschwingungsbereich Kräftespitzen weitestgehend unterbunden werden, daß dadurch alle Bauelemente extrem leicht ausgeführt werden können und dies rückwirkend zu einer Verminderung der Kräfte aus bewegten Massen führt.
2. Windturbine nach 1., dadurch gekennzeichnet, daß das oder die Blätter eine maximale Länge von 3/4 des Rotorradius haben, vorzugsweise jedoch,in Abhängigkeit von den aerodynamischen Widerstandswerten,eine kleinere Länge aufweisen.
3. Windturbine nach 1. und 2. dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorblätter derart miteinander gekoppelt sind, durch Seile, Hebel, Zahnräder oder -symente o.ä., daß ihre Schlagbewegungen zwangsweise gleichsinnig erfolgen und dadurch im Stillstand zusätzlich zu evtllen. Federelementen, die dadurch wahlweise entfallen können, ein Gewichtsausgleich der Blätter untereinander, vor allem beim Stillstand der Turbine, stattfindet.
4. Windturbine nach 1, bis 3. dadurch gekennzeichnet, daß die Geometrie der Kopplung gemäß Anspruch 3 eine Zunahme elastischer Spannungen in beiden Richtungen der Schlagbewegung bedingt und dadurch ein Rückstellmoment auf die Blätter wirkt, Schutz ansprüche das diese im Stillstand in eine vorgegebene Stellung bringt.
5. Windturbine nach Anspruch 1. bis 4. dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorblätter mit Gelenken oder federnden Bauelementen an Armen befestigt sind, die ihrerseits mit der Achse des Rotors fest verbunden sind, mit dieser einen auch außerhalb 900 liegenden Winkel bilden können und untereinander verstrebt sein können.
6. Windturbine nach Anspruch 1. bis 5. dadurch gekennzeichnet, daß die Arme unter Zwischenschaltung eines elastischen Bauelements bekannter Art mit oder ohne erhöhte Eigendämpfung derart an die Achse angekoppelt sind, daß das Drehmoment aus der Energieaufnahme aus dem Rotor auf die Achse übertragen werden kann und die Arme parallel zur Achse elastische Bewegungen ausführen können.
7. Windturbine gemäß Anspruch 1. bis 6. dadurch gekennzeichnet, daß die Gelenkverbindung zwischen Armen (Rotornabe) und Blättern sowohl am Ende des Blattes, das der Rotornabe zugekehrt ist, (BLattfuß), angeordnet sein kann wie auch an einer beliebigen Stelle zwischen Blattfuß und Hattschwerpunkt.
8..Windturbine nach Anspruch 1. bis 7. dadurch gekennzeichnet, daß die Arme untereinander starr verbunden sind bzw. aus einem Stück bestehen und in ihrer Gesamtheit nach Anspruch 5 und 6 mit der Achse verbunden sind.
9. Windturbine nach Anspruch l.bis 8. dadurch gekennzeichnet daß die Rotorachse sog. fliegend gelagert ist, d.h. in ihrer ganzen Länge hinter dem Mastkopf bzw. dem Maschinensatz oder dessen unmittelbarer Umgebung ohne weitere Zwischenlagerung frei drehend angeordnet ist.
lo. Windturbine nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, daß das Prinzip des in diesem Anspruch geschilderten Anordnung gewahrt bleibt, die Achse jedoch in Rotor- oder Armansatznähe durch ein Lager gestützt wird, das im Extremfall an Seilen aufgehängt sein kann und nur der Schwingungsdämpfung und reduzierung der Wechselbiegekräfte an der Stelle der höchsten Beanspruchung der Achse dient.
Schutzanspziiche 11. Windturbine nach Anspruch 1 bis lo dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorachse zusammen mit dem von ihr angetriebenen Energiewnsetzer (Generator, Pumpe, mechanische Einrichtung o.a.) neben der ohnehin vorhandenen Schwenkfreiheit in horizontaler Richtung derart gelagert ist, daß sie auch in vertikaler Ebene frei beweglich ist und/oder durch elastische Bauelemente aus pendelnder Bewegung in vertikaler Ebene in eine vorgegebene Mittellage zurückkehrt.
12. Windturbine nach 1 undi dadurch gekennzeichnet, daß der Energieumsetzbr in vertikaler Richtung starr mit dem in horizontaler Ebene schwenkbaren Mastkopf verbunden ist und die Rotorachse mittels Gelenkkupplung angeschlossen und ihre separate Lagerung um eine horizontale Achse beweglich angeordnet ist, damit die Rotorachse die in Anspruch 11 erwähnte Bewegung in der Vertikalen ausführen kann.
13. Windturbine nach Anspruch 1 bis 12 dadurch gekennzeichnet, daß der Mast der Windturbine hinsichtlich seines elastischen Verhaltens so dimensioniert ist, daß seine Eigenfrequenz deutlich unter der Nenn- oder überwiegenden Dauerdrehzahl des Rotors gemäß seiner Auslegung liegt. Er kann dabei aus Spannbeton, Stahlrohr, Federstahl, Aluminium, faserverstärkten Kunststoffen bestehen und freistehend oder (teilweise) abgespannt sein.
14. Windturbine nach Anspruch 1 bis 13 dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Mastkopf bzw. Maschinensatz und Mast eine Kopplung unter Verwendung bekannter Bauelemente besteht derart, daß bei Ausschwingung der Mastspitze die Stellung des Kopfes in waagerechter Position erhalten bleibt,ohne daß dadurch die Bewegungsfreiheit der Achse gemäß Anspruch 11 und 12 beeinträchtigt wird.