DE3117996A1

DE3117996A1 - Windkraftanlage

Info

Publication number: DE3117996A1
Application number: DE19813117996
Authority: DE
Inventors: Reinhold 8011 Kirchseeon Ficht
Original assignee: Ficht GmbH
Current assignee: Ficht GmbH
Priority date: 1981-05-07
Filing date: 1981-05-07
Publication date: 1982-11-25
Also published as: DE3117996C2

Description

WINDKRAFTANLAGE
Die Erfindung bezieht sich auf eine Windkraftanlage mit mindestens einem Rotorblatt, das zwecks Änderung seines Anstellwinkels zur Konstanthaltung seiner Drehzahl unabhängig von der Windstärke in einer in die Windrichtung verstellbaren Nabe um die Rotorbiatt-Längsachse mit Hilfe von Stellmitteln verstellbar gelagert ist.
Um das Problem konstanter Rotordrehzahlen trotz unterschiedlicher Windstärke zu lösen, ist es bei Windkraftanlagen zum Beispiel aus der DE-OS 27 15 584 bekannt, die Rotorblätter unabhängig voneinander elastisch oder gelenkig mit der Rotornabe derart zu verbinden, daß durch eine kleine Schlagbewegung eine große Anstellwinkeländerung herbeigeführt wird, wodurch Corioles-Kräfte unterdrückt und die Größe der Luftkraft individuell für jedes Blatt konstant und unabhängig von der Windstärke und -richtung gehalten wird..
Solche und ähnliche Anordnungen, wie sie beispielsweise die DE-AS 27 37 767 zeigt, konnten sich infolge ihrer Komplexität und der hohen Anforderungen an ihre Wartung in der Praxis vor allem für kleine WindkraftanJ agen nicht durchsetzen.
Eine andere Lösung dieses Problems zeigt die DE-OS 29 32 293, gemäß der zwei gegenläufig sich drehende, hintereinander an einem schwenkbaren Gehäuse angeordnete Propeller vorgesehen sind, von denen der äußere am freien Ende einer zentralen, den Rotor eines Generators tragenden Welle angeordnet ist, während der dem Gehäuse zugewandte Propeller am Ende einer die Rotorwelle umgebenden und den Stator des Generators tragenden Hohlwelle sitzt. Durch eine zwischen der Rotorwelle und der Hohlwelle vorgesehene getriebliche Verbindung werden die beiden Wellen im gegenläufigen Umlauf und in einem konstanten Drehzahlverhiltnis gehalten.
Da die getriebliche Verbindung in der Regel nur für ein festes Drehzahlverhältnis ausgelegt werden kann, miissen, um sich ändernde Windgeschwindigkeiten ausgleichen zu können, Zahnräder ausgewechselt oder aber ein Schaltgetriebe vorgesehen werden, was ebenfalls aufwendig ist und Bedienungspersonal oder aber besondere, selbsttätig arbeitende Schaltmittel zum Betätigen des Schaltgetriebes erfordert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine neue Anordnung zur Konstanthaltung der Drehzahl des Rotors einer Windkraftanlage zu schaffen, die einfach in ihrem Aufbau ist, zuverlässig über lange Betriebszeiten arbeitet und für deren Einstellung keine besonderen Hilfskräfte benötigt werden.
Ausgehend von einer Windkraftanlage der eingangs genannten Art ist diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß ein in der Nabe koaxial zur Rotorblatt'Drehachse gelagerter.Hilfsrotor vorgesehen ist, der mit den Stellmitteln des oder der Rotorblätter über ein Verstellgetriebe verbunden ist, das aus positive und negative Einstellwinkeländerungen bewirkenden Getriebeteiln besteht, die über eine von einem Fliehkraftregler gesteuerte Kupplung wechselweise einschaltbar sind.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Anordnung lassen sich also unabhängig von der jeweiligen Windgeschwindigkeit die Anstellwinkel der Rotorblätter stets so ändern, daß jeweils gleiche Luftkräfte am Rotor wirken. Daraus resultiert eine stets gleiche Drehgeschwindigkeit des Rotors, so daß ohne besondere Ausgleichsgetriebe ein elektrischer Generator direkt mit der Rotorwelle kuppelbar ist.
Dies ermöglicht einen einfachen und wohlfeilen Aufbau der gesamten Windkraftanlage, so daß ihr unmgttelbarer Einsatz überall dort möglich wird, wo ein durchschnittliches Windangebot von ca. 3 m/sec gegeben ist und wo elektrische Leistungen bis etwa 8 kWh benötigt werden. Das Einspeisen in Verbundnetze und ähnliche problematische Schaltvorgänge entfallen hierdurch. Da Fliehkraftregler robust ausführbar sind, arbeiten diese über lange Zeiten hinweg ohne jede Wartung.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels beschrieben.
Eine hier nicht näher dargestellte Windkraftanlage WK weist eine in die jeweilige Windrichtung verstellbare Nabe N auf, in der nicht näher dargestellte Rotorblätter R1, R2 eines Hauptrotors, ein Hilfsrotor 2, ein Kupplungsgetriebe KG, ein mit diesem zusammenwirkender Fliehkraftregler FR und Stellgetriebe SG1 bis SG2 angeordnet sind. Ohne die Erfindung hierauf zu beschränken, sind hier lediglich zwei einander gegenüberliegende Rotorblätter R1 und R2 sowie die zugehörigen Stellgetriebe SG1 und SG2 gezeigt; grundsätzlich sind aber auch ein Rotorblatt mit Ausgleichsgewicht oder vier, sechs, acht oder mehr Rotorblätter mit den dazugehörigen Stellgetrieben möglich, Ferner ist jedem Rotorblatt ein sogenannter Vorflügel V und V2 zugeordnet. Da diese nicht zur Erfindung gehören, sind sie weder näher beschrieben noch im einzelnen dargestellt.
Jedes Potorblatt R1 und R2 ist um seine Rotorblatt-Längsachse L1 und L2 verstellbar in der Nabe N gelagert, die von einem Gehäuse 3 umgeben ist. Der Hilfsrotor 2 ist auf einer die Nabe mittig teilweise durchsetzenden Welle 4 befestigt, die an ihrem abgewandten Ende ein Kegelrad 5 des genannten Kupplungsgetriebes KG trägt. Mit dem Kegelrad 5 stehen rechtwinklig dazu gelagerte Kegelräder 6 und 7 in Eingriff, so daß beim Antrieb des Kegelrades 5 durch den Hilfsrotor 2 in der einen oder anderen Drehrichtung die Kegelräder 6 und 7 sich gleichzeitig aber gegensinnig bewegen.
Der dem Kupplungsgetriebe KG zugeordnete Fliehkraftregler FR besteht aus'einem die Drehachse D der Nabe N rechtwinklig schneidenden Stab 8, an dessen einem Ende ein Fliehkraftgewicht 9 befestigt ist. Eine den Stab umgebende Feder 10, die sich mit einem Ende nabenfest abstützt, ist mit ihrem anderen Ende am Stab 8 mittels einer nicht näher dargestellten Einstellvorrichtung in Form eines Federtellers 12 fest verbunden. Der Stab 8 durchsetzt die Drehachsen der Kegelräder 6 und 7 des Kupplungsgetriebes und ist mittels ebenfalls nicht näher dargestellter Lager in bezug auf die Zeichnung auf- und abbeweglich, also längsverschieblich gelagert, und wird in einer durch die Einstellung der Feder 10 definierten Mittelstellung gehalten.
Das Stellgetriebe SG1 besteht aus einem mit dem Lagerzapfen 13 des Rotorblattes R1 fest verbundenen, stirnverzahnten Zahnrad 14, mit dem ein auf dem Stab 8 verschiebbar aber unverdrehbar gelagertes Zahnrad 15 in Eingriff steht. Das Stellgetriebe SG2 weist ebenfalls ein stirnverzahntes Zahnrad 14' auf, das mit dem Lagerzapfen 13' des Rotorblattes R2 fest verbunden ist. Mit dem Zahnrad 14' kämmt ein Zwischenrad 16, das mit einem Zahnrad 15' in Eingriff steht.
Das Zahnrad 15' ist auf dem Stab 8 des Fliehkraftreglers unverdrehbar aber längsverschieblich angeordnet. Ein Kupplungsteil 18 ist mit der Stange 8 fest verbunden. Auf der dem Kupplungsteil 18 abgewandten Seite sitzt ein weiteres Kupplungsteil 19, das ebenfalls mit dem Stab 8 des Fliehkraftreglers fest verbunden ist. Beide Kupplungsteile befinden sich zwischen den einander zugewandten Kegelrädern 6 und 7 des Kupplungsgetriebes KG, ihnen sind jeweils Kupplungsteile 18' und 19' an den zugewandten Seiten der Kegelräder 6 und 7 zugeordnet.
Lediglich der Vollständigkeit halber ist ein elektrischer Generator G dargestellt, der mit der Drehachse D der Nabe N derart gekuppelt ist, daß sein Läufer stets mit der gleichen Drehzahl n umläuft wie die über die Rotorblätter R1 und R2 angetriebene Nabe N.
Die Wirkungsweise der beschrietenen Anordnung ist folgende: Bei vorgegebener Drehzahl der Nabe N, hervorgerufen durch den die Rotorblätter R1 und R2 anströmenden Wind, zieht die Feder 10 entgegen der Fliehkraft des Fliehkraftgewichtes 9 den Stab 8 in die in der Zeichnung dargestellte neutrale Mittellage. Bei steigender Windgeschwindigkeit erhöht sich infolge der an den Rotorblättern R1 und R2 sich ebenfalls vergrößernden Windkräfte die Drehzahl der Nabe N, was zu einer höheren Zentrifugalkraft am Fliehkraftgewicht 9 führt. Dadurch wird der Stab 8 entgegen der Wirkung der Felder 10 in bezug auf die Zeichnung nach oben bewegt. Hierbei gelangen die Kupplungsteile 19 und 19' in Eingriff, so daß über das vom Hilfsrotor 2 gleichfalls angetriebene Kegelrad 5 des Kupplungsgetriebes KG die Drehbewegung des Kegelrades 7 auf die Stellgetriebe SG1 und SG2 übertragen und damit die Rotorblätter im Sinne einer Verkleinerung ihrer Anstellwinkel um ihre Längsachsen L1 und L2 verstellt werden. Damit werden die Reaktionskräfte an diesen Rotorblättern geringer und die Drehzahl der Nabe N sinkt, bis die Feder 10 infolge sich verringender Zentrifugalkraft den Stab 8 in die in der Zeichnung dargestellte Neutralstellung zurückbewegt, Bei geringer werdender Windgeschwindigkeit dagegen zieht infolge geringerer Zentrifugalkraft die Feder 10 den Stab 8 aus der dargestellten Mittelstellung heraus in eine Stellung, in der die Kupplungsteile 18 und 18' in Eingriff gelangen. Damit wird die Drehbewegung des gegenläufig umlaufenden Kegelrades 6 des Kupplungsgetriebes KG über das Kupplungsteil 18 und das Zahnrad 15 auf- das Zahnrad 14 und die Zahnräder 15' und 16 auf das Zahnrad 14' und damit auf die Rotorblätter R und R übertragen, derart, daß eine 1. 2 Vergrößerung des augenblicklich herrschenden Anstellwinkels dieser Rotorblätter erfolgt. Damit erhöhen sich die Reaktionskräfte an den Rotorblättern, was zu einem Anstieg der Drehgeschwindigkeit der Nabe N führt.
Auf diese Weise wird also die Drehgeschwindigkeit der Nabe N über einen weiten Bereich konstantgehalten. Die hierzu erforderliche Verstelleistung wird durch den gleichachsig angeordneten Hilfsrotor 2 aufgebracht, wobei durch die vom Fliehkraftregler betätigte Kupplung 18, 19 die Rotorblittey R1 und R2 einmal im Sinne der Vergrößerung des Anstellwinkels und einmal im Sinne der Verkleinerung des Anstellwinkels verstellt werden. Selbstverständlich ist darauf zu achten, daß die Verstellgetriebe SG1 und SG2 trotz des beim Verstellgetriebe SG2 notwendigen Zwischenrades 16 exakt gleiche Übersetzungsverhältnisse aufweisen, um die einandergegenüberliegenden Rotorblätter um jeweils gleiche Winkelbeträge zu verstellen. Durch Verstellen des Federtellers 12 in Richtung der Pfeile 21, 22 kann dabei die Betriebsdrehzahl der Nabe N verändert werden. Über ein hier nicht dargestelltes Windnachführsystem, zum Beispiel über einen leeseitig angeordneten Hilfsrotor, kann über ein weiteres, ebenfalls nicht dargestelltes Getriebe die Nabe N jeweils in die Windrichtung verdreht werden.

Claims

PATENTANSPRÜCHE Windkraftanlage mit mindestens einem Rotorblatt, das zwecks Änderung seines Anstellwinkels zur Konstanthaltung seiner Drehzahl unabhängig von der Windstärke in einer in die Windrichtung verstellbaren Nabe um die Roitorblatt-Längsachse mit Hilfe von Stellmitteln verstellbar gelfllrert ist, dadurch gek e n n z e i c h n e t , daß ein in der Nabe (N) koaxial zur Rotorblatt-Drehachse (D) gelagerter Hilfsrotor (2) vorgesehen ist, der mit den Stellmitteln (SG) des oder der Rotorblätter (R1, R2) über ein Kupplungsgetriebe (KG) verbunden ist, das aus positive und negative Einstellwinkeländerungen bewirkenden Getriebeteilen (5, 6, 7) besteht, die iiber eine von einem Fliehkraftregler (FR) gesteuerte Ktipplung (18/ 19) wechselweise einschaltbar sind.
2. Windkraftanlage naeb Anspruch 1, dadurch lr, e k e n n -z e i c h n e t , daß da.3 Kupplungsgetriebe ( KG ) aus zwei koaxial gelagerten, über ein auf der Drehachse (D) des Hi.Lfsrotors (2) gelagertes Kegelrad (5) gegensinnig angetriebenen Kegelrädern (6, 7) besteht, die auf den einander zugewandten Seiten Kupplungselemente (18, 19) aufweisen, daß der Fliehkraftregler (FR) ein ein gegen die Kraft einer Feder (10) wirkendes Fliehkraftgewicht (9) aufweisender Stab (8) ist, der längs der Drehachse der Kegelräder (6, 7) verschiebbar gelagert ist, und daß auf dem Stab (8) zwischen den Kegelrädern (6, 7) je ein weiteres Kupplungsteil (18, 19) angeordnet ist, mittels derer die Stellmittel (SG1) für das Positive oder die Stellmittel (SG2) für das negative Andern der Anstellwinkel der Rotorblätter (R1, R2) mit dem einen oder dem anderen der Kegelräder (6, 7) kuppelbar ist.
3. Windkraftanlage nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß als Stellmittel je ein Zahnradgetriebe (14, 14', 15, 15', 16) verwendet ist, von denen jeweils ein Zahnrad (15, 15') koaxial zum Stab (8) des Fliehkraftreglers (FR) drehbar gelagert ist.
4. Windkraftanlage nach den ansprüchen 1 bis 3, dadurch g e -k ein n z e i c h n e t , daß die dem Stab (8) zugeordneten Zahnräder (15, 15') auf dem Stab (8) verschiebbar aber unverdrehbar gelagert sind.