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Regelmechanismus fUr Windkraftanlagen
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Die Erfindung betrifft einen Regelmechanismus für Windkraftanlagen,
der selbsttätig den Anlaufzustand, Nennbetriebszustand und Sturmbetriebszustand
bei Windkraftanlagen steuert und regelt.
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Bekannte Regelmechanismen fUr Wi ndkraftanl agen sind: - Rotorblottverstellung
mit Fliehkraftregler durch eigene Kraft oder mit Verstärker - Rotorblattverstellung
durch hydraulische, pneumatische oder elektrische Regeleinrichtungen - Beidrehen
des Rotors - Bremsklappen am Rotor Alle bisher bekannten Regelmechanismen erfüllen
die hohen Anforderungen in Bezug auf Wartung, Nutzungszeit und Betriebssicherheit
nur mangelhaft und es ist ein großer Aufwand erforderlich.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, selbsttätig die Rotorblätter
einer Windkraftanl age auf folgende Betriebszustände einzustellen: - Im Anlaufzustand
müssen die Rotorblätter einen großen Einstellwinkel haben, damit die Luftströmung
an den Rotorblättern nicht abreißt und ein genügend großes Anlaufdrehmoment entsteht.
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- Im Nennbetriebszustand mUssen die Rotorblätter entsprechend ihrer
Schnellaufzahl einen kleineren Einstellwinkel haben, um die Windenergie richtig
zu nutzen. Während des Hochtourens der Windkraftanlage
muß der Einstellwinkel
kontinuierlich verkleinert werden, bis der fUr den Nennbetriebszustand richtige
Einstellwinkel erreicht wird.
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- Im Sturmbetriebszustand müssen die Rotorblätter einen großen Einstellwinkel
(Segelstellung) oder einen negativen Einstellwinkel (Bremsstellung) haben Dann wird
die Windenergie von den Rotorblättern nicht aufgenommen und die Anlage wird vor
Zerstörung geschützt.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, das Anlaufen der Windkraftanlage
bei geringem Wind zu ermöglichen, sie bei genügend Wind auf Nennbetriebsdrehzahl
Hochtouren zu lassen und die Windkraftanlage bei starkem Sturm vor Zerstörung zu
schützen.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß vor dem Hauptrotor
der Windkraftanlage ein Regel rotor angeordnet ist, der über einen Mechanismus die
Einstellwinkel der Hauptrotorblätter verstellt. Dabei können die Hauptrotorblätter
ganz oder über einen Teilbereich verstellt werden.
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Damit bei gleicher Drehzahl des Hauptrotors und des Regelrotors am
Regelrotor andere Anströmverhältnisse entstehen als am Hauptrotor, hat der Regelrotor
eine andere Schnellaufzahl als der Hauptrotor. Dadurch bedingt treten am Regel rotor
relativ zum Hauptrotor ie nach Betriebszustand unterschiedlich gerichtete und unterschiedlich
große Drehmomente auf. Diese Drehmomente werden vom Regelmechanismus genutzt um
die Windkraftanlage zu steuern und zu regeln.
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Durch die Erfindung werden folgende Vorteile erzielt: - der Regelmechanismus
ist einfach, verursacht niedrige Kosten, hat eine lange Nutzungszeit und erfordert
geringe Wartung - der Regelmechonismus ist betriebssicher auch bei extremen Witterungseinfl
Ussen - der Regelmechanismus stellt die Windkraftanlage ohne äußere Energieversorgung
immer wieder in den Anlaufzustorsd, auch bei mehreren direkt aufeinanderfolgenden
Startversuchen - der Regelmechanismus kann je nach Ausführungsart die Windkraftanlage
windabhängig oder drehzahlabhängig regeln - der Regelmechanismus funktioniert bei
allen Betriebszuständen auch bei plötzlichem Lastabwurf.
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Die Erfindung ist in den nachfolgenden Zeichnungen beispielhaft dargestellt.
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Es zeigen: Fig. 1 Windkraftanlage im Anlaufzustand, Fig. 2 Anströmverhältnisse
am Regelrotor vor dem Verstellvorgang, Fig. 3 Anströmverhöltnisse om Hauptrotor
vor dem Verstellvorgang, Fig. 4 Anströmverhältnisse am Hauptrotor nach dem Verstellvorgang,
Fig.
5 Anströmverholtnisse am Regelrotor, wenn seine Nenndrehzahl überschritten ist,
Fig. 6 Anströmverhältnisse am Hauptrotor während des Verstellvorganges, Fig. 7 Anströmverhältnisse
am Hauptrotor bei Nenndrehzahl, Fig. 8 Windkranftanlage im Nennbetriebszustand,
Fig. 9 Anströmverhältnisse am Regelrotor bei Sturm, Fig. 10 Anströmverhältnisse
am Hauptrotor im Sturmbetriebszustand, Fig. 11 Windkraftanlage im Sturmbetriebszustand.
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Der Regel mechanismus nach Fig. 1, Fig. 8 und Fig. 11 besteht aus
der Hauptrotorwellel, an der die beiden Lagerzapfen 2 befestigt sind. Auf den Lagerzapfen
2 sind drehbar angeordnet die Rotorblattlagerungen 3, an denen die Rotorblätter
des Hauptrotors 4 befestigt sind.
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Vor dem Hauptrotor 4 läuft auf der Regelrotorachse 15 der Regelrotor
17, der mit der Wandermutter 16 fest verbunden ist. Am Ende der Regelrotorachse
15 befindet sich ein Stellring 18 gegen den die Wandermutter 16 in der Endstellung
anläuft.
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Auf der Wandermutter 16 läuft auf einer Lagerung 14 der Verstellring
13.
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Der Verstellring 13 verstellt über die Verbindungsstangen 10, die
Hebel 9 und die Zugstangen 8 die Blätter des Hauptrotors 4.
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Die Wandermutter 16 ist über eine Hebelverbindung 11 mit der auf der
Regelrotorachse 15 frei verschiebbaren Zahnkupplung 12 verbunden.
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Auf der Regelrotorachse 15 festsitzend ist das Federgehäuse 7 angebracht,
in dem die Spiralfeder 6 mit der Außenwindung befestigt ist.
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Die Innenwindung der Spiralfeder 6 ist an der Zahnkupplung 5 befestigt,
die frei auf der Regelrotorachse 15 läuft.
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Die Anströmverhältnisse am Regel- und Hauptrotor sind für die Funktionsweise
des Reglers von entscheidender Bedeutung.
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Zu den jeweiligen Betriebszuständen der Windkraftanlage sind die Anströmverhältnisse
in Zeichnungen dargestellt.
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In den Zeichnungen werden folgende Abkürzungen benutzt: = = Windgeschwindigkeit
in der Rotorebene an = Umfangsgeschwindigkeit des Regelrotors UN = Umfangsgeschwindigkeit
des Hauptrotors lxk = Relativgeschwindigkeit zwischen der Luft und dem Flügelblatt
des Regelrotors WA = Relativgeschwindigkeit zwischen der Luft und dem Flügelblatt
des Hauptrotors = = Einstellwinkel des Regelrotorblottes d = Einstellwinkel des
Hauptrotorblattes ç = Anstellwinkel des Regelrotorblattes = = Anstellwinkel des
Hauptrotorblattes = Regelrotorebene RJJ = Hauptrotorebene
= Drehrichtung angegeben bei Ansicht von rechts
Es wird angenommen,
daß die Windkraftanlage mangels Wind oder durch zu große Belastung stehengeblieben
ist.
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Die Windkraftanlage ist im Nennbetriebszustand Fig. 8d.h. die Hauptrotorblätter
4 haben einen kleinen Einstellwinkel und der Regelrotor 17 steht.
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Wenn nun der Wind einsetzt, bestehen am Regelrotor 17 die Anströmverhältnisse
wie in Fig. 2 dargestellt. Die am Hauptrotor 4 bestehenden Anströmverhältnisse zeigt
Fig. 3.
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Der Regel rotor 17 erzeugt ein rechtsdrehendes Drehmoment, während
am Hauptmotor 4 bedingt durch die ungünstigen Anströmverhältnisse kein Drehmoment
auftritt.
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Das rechtsdrehende Drehmoment des Regelrotors 17 dreht nun diesen
und die Wandermutter 16 rechts herum. Die Wandermutter 16 wandert auf dem Linksgewinde
der Regelrotorachse 15 bis gegen den Stellring 18. Gleichzeitig werden dabei die
Rotorblätter des Hauptrotors 4 durch den mitwandernden Verstellring 13 über die
Verbindungsstangen 10, die Hebel 9 und die Zugstangen 8 in Anlaufstellung gebracht.
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Am Hauptrotor 4 bestehen am Ende des Verstellvorganges die in Fig.
4 dargestellten Anströmverhältnisse.
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Bedingt durch den großen Eins tellwinkel ß,4 tritt nun am Hauptrotor
4 ein großes rechtsdrehendes Drehmoment auf und die Windkraftanlage läuft bei der
Mindestgeschwindigkeit 4 an.
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Wenn der Hauptrotor 4 eine Drehzahl erreicht hat, die höher ist als
die Nenndrehzahl des Regelrotors 17, ändern sich die Anströmverhältnisse an dem
mitlaufenden Regelrotor 17.
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Fig. 5 zeigt die Anströmverhältnisse am Regelrotor 17 wenn seine Nenndrehzahl
Uberschritten ist.
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Durch den negativen Anströmwinkel-djt tritt am Regelrotor 17 ein linksdrehendes
Drehmoment auf und der Regelrotor 17 dreht sich relativ zum Hauptrotor4 links herum.
Mit dem Regelrotor 17 läuft die Wandermutter 16 auf dem Linksgewinde der Regelrotorachse
15 links herum und damit wandert die Wandermutter 16 in Richtung Hauptrotor 4. Dabei
verstellt die Wandermutter 16 Uber den Verstellring 13, die Verbindungsstangen 10,
die Hebel 9 und die Zugstangen 8 die Blätter des Hauptrotors 4 auf einen kleineren
Einstel Iwinkel Durch die Verkleinerung des Einstellwinkels dH dreht der Hauptrotor
4 immer schneller bis er seine Nennbetriebsdrehzahl erreicht hat.
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Die Anströmverhöltnisse am Hauptrotor 4 während des Verstelivorganges
zeigt Fig. 6.
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Der Regelrotor 17 läuft auf der Regelrotorachse 15 so lange links
herum, bis die Ueber die Hebelverbindung 1) sich mitdrehende Zahnkupplung 12 in
die Zahnkupplung 5 einrastet.
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Bei normaler Windgeschwindigkeit ist das linksdrehende Drehmoment
des Regelrotors 17 nicht ausreichend, um die Spiralfeder 6 aufzudrehen. Somit dreht
sich der Regelrotor 17-mit der gleichen Drehzahl wie der Hauptrotor 4 und verstellt
die Hauptrotorblätter 4 nicht weiter.
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Die am Hauptrotor 4 bestehenden Anströmverhältnisse im Nennbetriebszustand
zeigt Fig. 7.
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Die Fig. 8 zeigt den Regelmechanismus der Windkraftanlage im Nennbetriebszustand.
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Bei Sturm bestehen am Regelrotor 17 Anströmverholtnisse, wie sie in
Fig. 9 dargestellt sind.
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Durch die hohe Anströmgeschwindigkeit V entsteht am Regel rotor 17
ein großes linksdrehendes Drehmoment. Dos Drehmoment überwindet das Gegendrehmoment
der Spiralfeder 6, dreht diese auf und dreht den Regelrotor 17 relativ zum Hauptrotor
4 linksherum.
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Die Wandermutter 16 wandert auf dem Linksgewinde der Regeirotorachse
15 in Richtung Hauptrotor 4. Der Verstellring 13 verstellt dabei die Blätter des
Hauptrotors 4 über die Verbindungsstangen 10, die Hebel 9 und die Zugstangen 8 bis
/§,q groß ist und der Anstellwinkel a(Ef negativ wird.
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Der Hauptrotor 4 bremst ab und dreht sich mit niedrigerer Drehzahl.
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Fig. 10 zeigt die Anströmverhältnisse am Hauptrotor 4 in Sturmbetriebszustand.
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Die Verstellung erfolgt so longe, bis das linksdrehende Drehmoment
des Regelrotors 17 und das Gegendrehmoment der Feder 6 in Gleichgewicht stehen.
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In der Fig. 11 ist der Regelmechanismus dargestellt, wenn sich die
Windkraftanlage im Sturmbetriebszustand befindet. (Blätter des Hauptrotors 4 befinden
sich in Segelstellung) Nimmt jetzt die Drehzahl des Hauptrotors 4 bedingt durch
die Sturmstellung ab und der Wind läßt nach, dann nimmt die Anströmgeschwindigkeit
kp am Regelrotor 17 ab und damit wird sein linksdrehendes Drehmoment geringer.
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Dos Gegendrehmoment der Feder 6 Uberwiegt und dreht den Regelrotor
17 relativ zum Hauptrotor 4 rechts herum. Die Wandermutter 16 wandert in Richtung
Stellring 18 und verstellt die Blätter des Hauptrotors 4 in Nennbetriebszus tand.
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