DE3117996C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Windkraftanlage nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

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 Winstärke 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 Paxis vor allem für kleine Windkraftanlagen nicht durchsetzen.

Eine Windkraftanlage der eingangs angegebenen Art ist in der FR-PS 10 50 246 beschrieben und zeichnerisch dargestellt. Bei dieser bekannten Ausgestaltung ist zur Verstellung des Anstellwinkels der Rotorblätter eine axiale Schub- und Zugstange vorgesehen, die durch einen Fliehkraftregler axial verschiebbar und durch ein Lenkergetriebe mit den Rotorblättern verbunden ist, wobei das Lenkergetriebe die Axialbewegung der Schub- und Zugstange in eine Drehbewegung der Rotorblätter umwandelt.

Eine ähnliche Ausgestaltung ist aus der US-PS 29 64 111 zu entnehmen. Bei dieser bekannten Ausgestaltung treibt der Hilfsrotor einen Kompressor an, dessen pneumatischer Druck eine pneumatische Schubeinrichtung beaufschlagt, die jeweils durch einen Kurbeltrieb mit den um ihre Längsachse drehbar gelagerten Rotorblättern verbunden ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Windkraftanalge der eingangs angegebenen Art so auszugestalten, daß bei Gewähr­ leistung eines einfachen Aufbaus und einer zuverlässigen Funktion der Einstellungsaufwand verringerbar ist.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Ausgestaltung lassen sich unabhängig von der jeweiligen Windgeschwindigkeit die Anstellwin­ kel der Rotorblätter stets so ändern, daß jeweils gleiche Luftkräfte am Rotor wirken. Daraus resultiert eine stets gleiche Drehgeschwindigkeit des Rotors, so daß ohne besondere Ausgleichs­ getriebe eine elektrischer Generator direkt mit der Rotorwelle kuppelbar ist, dies ermöglicht einen einfachen und vorteilhaften Aufbau der gesamten Windkraftanlage, so daß ihr unmittelbarer Einsatz dort möglich wird, wo ein durchschnittliches Windangebot von ca. 3 m/s gegeben ist, und wo elektrische Leitungen bis etwa 8 kWh benötigt werden. Schwierigkeiten beim Einspeisen in Verbundnetze und ähnliche problematische Schaltvorgänge entfallen hierdurch. Da Fliehkraftregler robust ausführbar sind, arbeiten diese über lange Zeiten hinweg ohne jede Wartung. Es ermöglicht die erfindungsgemäße Ausgestaltung den angestrebten verringerten Einstellungsaufwand dadurch, daß aufgrund der erfindungsgemäßen Kupplung die Einstellvorrichtung für die Rotorblätter auch außer Funktion treten kann, wodurch es möglich ist, im Normalzustand bzw. bei einer bestimmten, normalen Windstärke die Einstellvor­ richtung und somit auch die Einstellung außer Funktion zu setzen. Bei einer Änderung der Windstärke tritt die Einstellung der Rotorblätter automatisch wieder in Funktion.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung, die ebenfalls zu einer einfachen und kostengünstig herstellbaren Bauweise sowie zuverlässigen Funktion beitragen, sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in einer Zeichnung dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

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 zusammen­ wirkender Fliehkraftregler FR und Stellgetriebe SG₁ bis SG₂ an­ geordnet 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; grundsätz­ lich sind aber auch ein Rotorblatt mit Ausgleichsgewicht oder vier, sechs, acht oder mehr Rotorblätter mit den dazugehörigen Stellge­ trieben möglich. Ferner ist jedem Rotorblatt ein sogenannter Vor­ flügel V₁ und V₂ zugeordnet. Da diese nicht zur Erfindung gehören, sind sie weder näher beschrieben noch im einzelnen dargestellt.

Jedes Rotorblatt 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 teil­ weise 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 Hilfs­ rotor 2 in der einen oder anderen Drehrichtung die Kegelräder 6 und 7 sich gleichzeitig aber gegensinnig bewegen.

Der dem Kupplungsgetriebe KG zugeordnete Fliehkraftregler FR be­ steht 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 na­ benfest 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 Dreh­ achsen 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 unverdreh­ bar aber längsverschieblich angeordnet. Ein Kupplungsteil 18 ist mit der Stange 8 fest verbunden. Auf der dem Kupplungsteil 18 abge­ wandten 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 Kegel­ räder 6 und 7 zugeordnet.

Lediglich der Vollständigkeit halber ist ein elektrischer Genera­ tor G dargestellt, der mit der Drehachse D der Nabe N derart ge­ kuppelt ist, daß sein Läufer stets mit der gleichen Drehzahl n um­ läuft wie die über die Rotorblätter R₁ und R₂ angetriebene Nabe N.

Die Wirkungsweise der beschriebenen Anordnung ist folgende: Bei vorgegebener Drehzahl der Nabe N, hervorgerufen durch den die Rotorblätter R₁ und R₂ anströmenden Wind, zieht die Feder 10 ent­ gegen 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 Feder 10 in bezug auf die Zeichnung nach oben bewegt. Hierbei gelangen die Kupplungsteile 19 und 19′ in Eingriff, so daß über das vom Hilfs­ rotor 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 Ver­ kleinerung ihrer Anstellwinkel um ihre Längsachsen L₁ und L₂ ver­ stellt werden. Damit werden die Reaktionskräfte an diesen Rotor­ blättern geringer und die Drehzahl der Nabe N sinkt, bis die Fe­ der 10 infolge sich verringernder 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 darge­ stellten Mittelstellung heraus in eine Stellung, in der die Kupp­ lungsteile 18 und 18′ in Eingriff gelangen. Damit wird die Drehbe­ wegung des gegenläufig umlaufenden Kegelrades 6 des Kupplungsge­ triebes 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 R₁ und R₂ übertragen, derart, daß eine Vergrößerung des augenblicklich herrschenden Anstellwinkels die­ ser 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 Hilfsro­ tor 2 aufgebracht, wobei durch die vom Fliehkraftregler betätigte Kupplung 18, 19 die Rotorblätter R₁ und R₂ einmal im Sinne der Vergrößerung des Anstellwinkels und einmal im Sinne der Verkleine­ rung des Anstellwinkels verstellt werden. Selbstverständlich ist darauf zu achten, daß die Verstellgetriebe SG₁ und SG₂ trotz des beim Verstellgetriebe SG₂ notwendigen Zwischenrades 16 exakt glei­ che Übersetzungsverhältnisse aufweisen, um die einander gegenüber­ liegenden Rotorblätter um jeweils gleiche Winkelbeträge zu ver­ stellen. 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 (4)

1. 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 Rotorblatt-Längsach­ se mit Hilfe von Stellmitteln verstellbar gelagert ist, wobei ein in der Nabe koaxial zur Rotorblatt-Drehachse gelagerter Hilfsrotor vorgesehen ist, der durch ein von einem Fliehkraftregler gesteuerten Getriebe mit den Stellmitteln des oder der Rotorblätter verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vergrößerung und Verkleinerung des Anstellwinkels des oder der Rotorblätter (R₁, R₂) einander entgegengesetzt und unabhängig voneinander wirksame Getriebeteile (5, 6, 7, 8, 14′, 15′) vorgesehen sind, die durch eine vom Fliehkraftreg­ ler (FR) gestuerte Wechselkupplung (18, 18′, 19, 19′) wahlweise mit dem Hilfsrotor (2) verbindbar sind.

2. Windkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselkupplung Teil eines Kupplungsgetriebes (KG) ist mit zwei koaxial gelagerten, durch ein auf der Drehachse (D) des Hilfsrotors (2) gelagertes Kegelrad (5) gegensinnig antreibbaren Kegelrädern (6, 7), 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 Kupplungselement (18, 19) angeordnet ist, mittels derer die Stellmittel (SG₁) für das positive oder die Stellmittel (SG₂) für das negative Ändern der Anstellwinkel der Rotorblätter (R₁, R₂) mit dem einen oder dem anderen der Kegelräder (6, 7) kuppelbar ist.

3. Windkraftanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, 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 Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Stab (8) zugeordneten Zahnräder (15, 15′) auf dem Stab (8) verschiebbar aber unverdrehbar gelagert sind.