DE3232459A1 - Regelmechanismus fuer windkraftanlagen - Google Patents

Regelmechanismus fuer windkraftanlagen

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DE3232459A1
DE3232459A1 DE19823232459 DE3232459A DE3232459A1 DE 3232459 A1 DE3232459 A1 DE 3232459A1 DE 19823232459 DE19823232459 DE 19823232459 DE 3232459 A DE3232459 A DE 3232459A DE 3232459 A1 DE3232459 A1 DE 3232459A1
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Heinrich 4520 Melle Ruwe
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    • F03MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03DWIND MOTORS
    • F03D7/00Controlling wind motors 
    • F03D7/02Controlling wind motors  the wind motors having rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor
    • F03D7/022Adjusting aerodynamic properties of the blades
    • F03D7/0224Adjusting blade pitch
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05BINDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2260/00Function
    • F05B2260/70Adjusting of angle of incidence or attack of rotating blades
    • F05B2260/74Adjusting of angle of incidence or attack of rotating blades by turning around an axis perpendicular the rotor centre line
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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Description

  • Regelmechanismus fUr Windkraftanlagen
  • Die Erfindung betrifft einen Regelmechanismus für Windkraftanlagen, der selbsttätig den Anlaufzustand, Nennbetriebszustand und Sturmbetriebszustand bei Windkraftanlagen steuert und regelt.
  • 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.
  • 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.
  • - 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.
  • - 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die Erfindung ist in den nachfolgenden Zeichnungen beispielhaft dargestellt.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Auf der Wandermutter 16 läuft auf einer Lagerung 14 der Verstellring 13.
  • Der Verstellring 13 verstellt über die Verbindungsstangen 10, die Hebel 9 und die Zugstangen 8 die Blätter des Hauptrotors 4.
  • Die Wandermutter 16 ist über eine Hebelverbindung 11 mit der auf der Regelrotorachse 15 frei verschiebbaren Zahnkupplung 12 verbunden.
  • Auf der Regelrotorachse 15 festsitzend ist das Federgehäuse 7 angebracht, in dem die Spiralfeder 6 mit der Außenwindung befestigt ist.
  • Die Innenwindung der Spiralfeder 6 ist an der Zahnkupplung 5 befestigt, die frei auf der Regelrotorachse 15 läuft.
  • Die Anströmverhältnisse am Regel- und Hauptrotor sind für die Funktionsweise des Reglers von entscheidender Bedeutung.
  • Zu den jeweiligen Betriebszuständen der Windkraftanlage sind die Anströmverhältnisse in Zeichnungen dargestellt.
  • 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.
  • Die Windkraftanlage ist im Nennbetriebszustand Fig. 8d.h. die Hauptrotorblätter 4 haben einen kleinen Einstellwinkel und der Regelrotor 17 steht.
  • 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.
  • Der Regel rotor 17 erzeugt ein rechtsdrehendes Drehmoment, während am Hauptmotor 4 bedingt durch die ungünstigen Anströmverhältnisse kein Drehmoment auftritt.
  • 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.
  • Am Hauptrotor 4 bestehen am Ende des Verstellvorganges die in Fig. 4 dargestellten Anströmverhältnisse.
  • 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.
  • 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.
  • Fig. 5 zeigt die Anströmverhältnisse am Regelrotor 17 wenn seine Nenndrehzahl Uberschritten ist.
  • 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.
  • Die Anströmverhöltnisse am Hauptrotor 4 während des Verstelivorganges zeigt Fig. 6.
  • 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.
  • 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.
  • Die am Hauptrotor 4 bestehenden Anströmverhältnisse im Nennbetriebszustand zeigt Fig. 7.
  • Die Fig. 8 zeigt den Regelmechanismus der Windkraftanlage im Nennbetriebszustand.
  • Bei Sturm bestehen am Regelrotor 17 Anströmverholtnisse, wie sie in Fig. 9 dargestellt sind.
  • 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.
  • 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.
  • Der Hauptrotor 4 bremst ab und dreht sich mit niedrigerer Drehzahl.
  • Fig. 10 zeigt die Anströmverhältnisse am Hauptrotor 4 in Sturmbetriebszustand.
  • Die Verstellung erfolgt so longe, bis das linksdrehende Drehmoment des Regelrotors 17 und das Gegendrehmoment der Feder 6 in Gleichgewicht stehen.
  • 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.
  • 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.
  • Leerseite

Claims (1)

  1. Regelmechanismus für Windkraftanlagen Patenta nspru che: 1. Regelmechanismus für W; ndkraftanl agen, der selbsttätig den Anloufzustand, Nennbetriebszustand und Sturmbetriebszustand bei Windkraftanlagen steuert und regelt, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - einem vor oder hinter dem Hauptrotor angeordneten Regel rotor, der über einen Mechanismus den Einstellwinkel der Hauptrotorblätter verstellt. Dabei können die Hauptrotorblätter ganz oder Uber einen Teilbereich verstellt werden.
    - der Regelrotor hat eine andere Schnellaufzahl als der Hauptrotor.
    Dadurch treten am Regel rotor relativ zum Hauptrotor je nach Betriebszustand unterschiedlich gerichtete und unterschiedlich große Drehmomente auf. Diese Drehmomente werden vom Regelmechanismus genutzt um die Windkraftanlage zu steuern und zu regeln.
DE19823232459 1982-09-01 1982-09-01 Regelmechanismus fuer windkraftanlagen Withdrawn DE3232459A1 (de)

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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2589201A1 (fr) * 1985-10-25 1987-04-30 Pelletier Jean Claude Eolienne a rotors contrarotatifs a reglage d'orientation des pales
DE102009055708A1 (de) * 2009-11-26 2011-06-01 Krebs & Aulich Gmbh Elektrischer Stellantrieb

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US2964111A (en) * 1956-07-17 1960-12-13 John U Morris Wind turbine prime mover and governor
FR2313576A1 (fr) * 1975-06-06 1976-12-31 Buys Victor Machine eolienne a vitesse de rotation constante

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