DE4241631C2

DE4241631C2 - Windkraftanlage

Info

Publication number: DE4241631C2
Application number: DE4241631A
Authority: DE
Inventors: Peter Dipl Ing Frieden; Klaus-Juergen Krieger
Original assignee: Individual
Current assignee: Conergy AG
Priority date: 1992-12-10
Filing date: 1992-12-10
Publication date: 1994-11-24
Anticipated expiration: 2012-12-11
Also published as: DE4241631A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Windkraftanlage mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.

Bei Windkraftanlagen besteht das generelle Problem in dem stark schwankenden Primärenergieangebot "Wind" (vgl. Erich Hau "Wind kraftanlagen", Springer-Verlag 1988, Seiten 330 ff.). Wind kraftanlagen müssen deshalb bei Windgeschwindigkeiten oberhalb der Nennwindgeschwindigkeit die Regelungsaufgabe erfüllen, bei einer ständig und unterschiedlich schnell schwankenden Primären ergie eine möglichst gleichbleibende Leistung abzugeben. Es ist bekannt, daß diese Regelungsaufgabe am besten mit Hilfe der Anpassung des Blattwinkels (Winkel zwischen der Profilsehne des Rotorblattes und der Drehebene) an das Primärenergieangebot, d. h. an die Windgeschwindigkeit, gelöst werden kann (Pitchregelung). Dabei sind im wesentlichen zwei Wege beschritten worden, die durch die Merkmale Drehzahlvariabilität und Drehzahlkonstanz charakterisiert sind.

Drehzahlvariable Windkraftanlagen haben den Vorteil, daß die Anforderungen an die Verstellgeschwindigkeit des Blattwinkels nicht hoch sein müssen. Die Rotorblattverstellung braucht bei spielsweise einem schnellen Anstieg der Windgeschwindigkeit nicht unmittelbar zu folgen. Die Drehzahl des Rotors nimmt zu, so daß der Rotor die Funktion eines Kurzzeitenergiespeichers übernimmt. Die Kombination der Drehzahlvariabilität mit einer relativ trägen, aktiven Blattwinkel-Regelung kann heute als ausgereiftes Regelungsprinzip mit gutem Betriebsverhalten betrachtet werden. Wie fast alle technisch anspruchsvollen Lösungen hat sie jedoch ihren Preis: Der Aufwand für die elektrische Seite, also für den Synchrongenerator, den Frequenzformer und sämtliche zur aktiven Blattwinkel-Verstellung bzw. -Regelung notwendigen Baugruppen ist sehr hoch. Für Windkraftanlagen kleinerer Leistung und für kleine Inselnetze kommen Lösungen dieser Art aus wirtschaftlichen Gründen kaum in Frage.

Drehzahlkonstante Windkraftanlagen haben den Vorteil, daß sie am Netz mit einem nahezu drehzahlkonstanten Asynchrongenerator betrieben werden können, von der elektrischen Seite her also besonders robust und kostengünstig sind. Bei der Verwendung von Synchrongeneratoren lassen sich mit diesen Anlagen besonders einfache und robuste Inselnetze aufbauen. Die Erzielung einer Leistungskonstanz bei fester Drehzahl oberhalb der Nennwindge schwindigkeit stellt jedoch hohe Anforderungen an die Regelung des Blattwinkels, d. h., an die Geschwindigkeit, mit der sich der Blattwinkel an Windgeschwindigkeitsänderungen anpassen kann. Ein träge reagierendes Blattwinkel-Regelsystem hat bei schnellen Windgeschwindigkeitsänderungen nicht nur unerwünschte Leistungs spitzen zur Folge; zusätzlich treten hohe Belastungen der Bau teile, insbesondere des Turmes, auf, da die Rotorblätter schnelle Bewegungen in Richtung Fahnenstellung nicht ausführen können.

Sehr schnell reagierende, aktive Blattwinkelregelsysteme sind ebenfalls nicht unproblematisch, da unter ungünstigen Umständen durch Phasenverschiebungen im Regelkreis und/oder durch Rück kopplungseffekte mit dem mechanischen Eigenschwingverhalten der Windkraftanlage gefährliche Leistungsschwingungen entstehen können.

Alle aktiv geregelten Systeme haben die Eigenschaft, daß erst eine Wirkung (z. B. hier: Abweichung von der Soll-Leistung) am Ende der Regelstrecke entstehen muß, um den Regelvorgang am Beginn der Regelstrecke (hier: Rotorblattwinkel) auszulösen. Bei der Beherrschung extrem schneller mechanischer Ausgleichsvorgänge (wie z. B. die Fahrt eines PKW über Kopfsteinpflaster) scheinen hoch entkoppelte passive Systeme (z. B. Luftreifen mit moderner Radaufhängung) den aktiven Systemen überlegen zu sein, da die Störgröße bereits am Beginn der Regelstrecke zum größten Teil abgefangen wird, also bevor sie eine Wirkung auf das Ende der Regelstrecke (im angegebenen Beispiel: Beschleunigung der Fahr zeugkarosserie) ausüben kann.

Kleine und mittlere Windenergiekonverter können immer nur in der bodennahen, turbulenten Grenzschicht betrieben werden. Da der Energiegehalt der Luftmasse mit der 3. Potenz ihrer Geschwindig keit variiert, führen bereits minimale zeitliche oder lokale Geschwindigkeitsgradienten zu erheblichen Schwankungen der Energiedichte, die je nach Turbulenzgrad sogar im Zehntelsekun denbereich nennenswerte Variationen aufweisen kann. Insofern ist es durchaus zulässig, den Betrieb eines Windenergiekonverters bei turbulentem Starkwind mit einer Fahrt über "energetisches Kopf steinpflaster" zu vergleichen.

Aus der deutschen Patentschrift 36 28 626 ist eine Windkraftan lage mit den eingangs erwähnten Merkmalen bekannt. Die Anpassung des Blattwinkels an die Windgeschwindigkeit erfolgt passiv. Da der resultierende Druckpunkt, d. h. der Punkt, in dem man sich die Summe aller am Blatt angreifenden Luftkräfte zusammengefaßt vorstellt, nachläuft, also in Drehrichtung des Rotors gesehen hinter der Blattverstellachse liegt, verursachen die Luftkräfte ein relativ großes Verstellmoment in Richtung Fahnenstellung. Bei ansteigender Windgeschwindigkeit vergrößert sich der Blattwinkel, wobei sich die Auftriebskräfte und damit das Verstellmoment verringern. Das dem Verstellmoment entgegenwirkende Haltemoment ist durch gezielte Auslegung eines Gelenksystems für jeden Blattwinkel so bemessen, daß die Umfangskraft und damit auch das Nutzmoment und die Leistung des Rotors konstant bleiben. Aufgrund der sehr schnellen und vor allem mit unterschiedlichen Blattver stellgeschwindigkeiten reagierenden passiven Blattwinkel -Regelung konnten wesentliche Vorteile in Bezug auf den Abbau von Bela stungs- und Leistungsspitzen erreicht werden.

In der Patentschrift 28 55 375 wird eine Windkraftanlage mit freitragendem Rotor beschrieben, die sich zwar in der konstruk tiven Ausführung von der zuerst erwähnten Patentschrift 36 28 626 deutlich unterscheidet, vom Erfindungsziel und den grundlegenden Merkmalen her aber eng verwandt ist.

Erfindungsziel ist in beiden Fällen eine Begrenzung des vom Windrotor erzeugten Nutzmomentes und damit der abgegebenen Leistung beim Überschreiten der Nennwindgeschwindigkeit. Reali siert wird dieses Ziel in beiden Fällen dadurch, daß der resul tierende Kraftangriffspunkt der am Rotorblatt angreifenden aerodynamischen Kräfte außerhalb der Drehachse des Rotorblattes liegt und daß das dadurch erzeugte Drehmoment von einem nach giebig federnden Haltemechanismus aufgefangen wird. Zusätzlich wird in 28 55 375 ein Dämpfer erwähnt, der im Haltemechanismus integriert ist und dessen Aufgabe darin besteht, evt. auftretende Schwingungstendenzen zu unterdrücken. Unterschiedlich ist auch, daß der Rotor keinen Konuswinkel hat und dementsprechend auch keine Drehzahlbegrenzung vorgesehen ist.

Die in der der Literatur bekannten Regelungskonzepte, die auf den Blattwinkel (Pitch) einwirken, haben alle das gemeinsame Merkmal, daß alle Rotorblätter beim Regelvorgang eine Steigungswinkelän derung von gleichem Betrag und gleicher Richtung ausführen.

Unsymmetrische aerodynamische Belastungen, die z. B. durch kleinste Montageungenauigkeiten beim Einjustieren der Blattwinkel, durch asymmetrische Verschmutzung oder Vereisung nach längerem Still stand, durch Fertigungstoleranzen der Blätter, durch Windge schwindigkeitsgradienten in der Bodengrenzschicht, durch Schräg anströmung und Azmuthbewegungen entstehen, vermindern die Lauf ruhe, indem sie die gesamte Struktur der Windkraftanlage zu Schwingungen anregen, erhöhen zusätzlich die Beanspruchung von ohnehin hochbelasteten Baugruppen, und können sich nachteilig auf die Geräuschemission auswirken.

Unter Beibehaltung der bisher bekannten Regelungskonzepte konnten diese unsymmetrischen Belastungen nur mit Hilfe von aufwendigen Zusatzmaßnahmen ausgeschaltet werden. Als Lösungsversuche sind Rotoren mit Schlaggelenken, mit Pendelrahmen (mit oder ohne Rücksteuerung) oder mit Pendelrahmen in Verbindung mit d3 -Kopp lung aus der Literatur bekannt und auch praktisch umgesetzt worden.

Nachteilig ist bei diesen Lösungen, daß die im Nabenbereich von freitragenden Rotoren besonders hohen Biege- und Torsionsmomente durch ein zusätzliches, entsprechend hochbeanspruchtes Gelenk, bzw. durch zusätzliche Baugruppen geleitet werden müssen. Außer dem können im Stillstand (z. B. bei Sturmabschaltung) pendelnd gelagerte Rotoren (bzw. bei Einzelblattschlaggelenken die Rotor blätter) gegen den Pendelanschlag prallen, was zu gefährlichen Stören führen kann, wenn dies nicht durch weitere Zusatzmaßnahmen verhindert wird.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Laufruhe und Leistungskonstanz von Windkraftanlagen der eingangs erwähnten Art nur durch Beeinflussung des Blattwinkels zu ver bessern und insbesondere alle unsymmetrischen aerodynamischen Belastungen im Betrieb auszuschalten.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Durch diese Maßnahme wird erreicht, daß die Ausgleichsvorgänge zum Neutralisieren einer Störgröße nur noch im Steuergestänge der Blattwinkelsteuerung stattfinden, und nicht mehr in der kraft- und leistungsübertra genden Nabenstruktur, was eine drastische Reduzierung des maschi nenbaulichen Aufwands bedeutet, da die Steuerkräfte um 1 bis 2 Zehnerpotenzen kleiner als die am Rotor insgesamt wirkenden Kräfte sind.

Zum Neutralisieren der unsymmetrischen aerodynamischen Belastung wird zwischen dem Stellglied, mit dem in bisher bekannter Art der Blattwinkel geregelt wurde (Pitchregelung) und den Steuerstangen - die bisher die außerhalb der Blattverstellachse liegenden Anlenkpunkte der Rotorblätter direkt mit dem Stellglied verbunden haben - eine Art Waagebalken (beim 2-Flügler) bzw. eine soge nannte Ausgleichsplatte (bei mehr als 2 Flügeln) eingebaut.

Die Funktionsweise lädt sich am einfachsten beim 2-Flügler erklären:
Trifft z. B. bei senkrechter Blattstellung auf das obere Rotor blatt 1 ein stärkerer Wind als auf das untere Blatt 2 (z. B. infolge des Windgeschwindigkeitsgradienten), so würde normaler weise bei gleichen Blattwinkeln α₁ = α₂ das obere Blatt steiler angeströmt werden und somit einen höheren Auftrieb erzeugen als das untere Blatt, womit die Symmetrie bereits gestört wäre.

Der Waagebalken gleicht die unterschiedlichen Kräfte aus, denn er erlaubt dem oberen Blatt 1, den Steigungswinkel α₁ geringfügig zu vergrößern, wodurch das Blatt weniger steil angeströmt wird und entsprechend weniger Auftrieb erzeugt. Beim unteren Rotorblatt 2 läuft der Ausgleichsvorgang genau gegensinnig ab: der Steigungs winkel α₂ verkleinert sich geringfügig, das Blatt wird etwas steiler angeströmt und der Auftrieb erhöht sich. Der Ausgleichs vorgang ist beendet, sobald die beiden Rotorblätter im kräfte mäßigen Gleichgewicht stehen.

Im Gegensatz zu bisherigen Regelungsverfahren erlaubt ein solcher Rotor den gegenüberliegenden Blättern gegenläufige Steigungswin keländerungen von etwa gleichem Betrag, jedoch gegenläufiger Richtung. (Ausnahme: Pendelrahmen mit Rücksteuerung oder d3-Kopp lung).

Während des Betriebs eines solchen Rotors finden nur noch mini male Ausgleichsbewegungen statt. Die Blattwinkel passen sich im Verlauf einer jeden Rotorumdrehung kontinuierlich an die momen tanen Anströmbedingungen an. Die dabei auftretenden Winkelände rungen sind kaum wahrnehmbar und liegen in der Größenordnung von Zehntelgraden.

Beim Dreiflügler ist anstelle des Waagebalkens eine Ausgleichs platte vorgesehen. Die Verbindung der Platte mit dem Stellglied und mit den Steuerstangen erfolgt über Kugelgelenke oder elastische Verbindungselemente. Der 3-Blattrotor ist genau dann aerodynamisch ausgewuchtet, wenn die Kräfte der drei Steuerstan gen gleich groß sind, die Ausgleichsplatte also ebenfalls im Gleichgewicht ist. Gleiches gilt sinngemäß für Rotoren mit 4 und mehr Rotorblättern.

Mathematisch formuliert folgten die bisher gebräuchlichen Pitch regelungen beispielsweise beim 3-Flügler dem Gesetz: α₁ = α₂ = α₃ = , wobei mit α_{1, 2, 3} die Steigungswinkel der einzelnen Rotorblätter und mit der durch das Stellglied vorgegebene Steigungswinkel bezeichnet wird. Es lag also eine starre Kopplung der Blattwinkel vor. Durch Einführung der Ausgleichsplatte ändert sich beim Dreiflügler die mathematische Formulierung in: α₁ + α₂ + α₃ = 3. Hier wird durch das Stellglied nur noch der Mittelwert vorgegeben, der zum Konstanthalten der Leistung nötig ist.

Während bisher die Verbesserung der Laufruhe durch Neutralisieren von Asymmetrien erläutert wurde, soll nun über die Verbesserung der Laufruhe durch Abbau von Leistungs- und Belastungsspitzen gesprochen werden. Nach Erich Hau wird unterschieden zwischen Windgeschwindigkeitsänderungen im "mehrere Sekunden Bereich", die regelungstechnisch relativ einfach zu bewältigen sind und in "kurzzeitige Fluktuationen" von weniger als einer Sekunde, auf die nach E. Hau bekannte Regelungen nicht reagieren können (vgl. E. Hau "Windkraftanlagen" S. 331) und die zu Beginn auch schon als "Kopfsteinpflastereffekt" bezeichnet wurden.

Passive Regelungen, wie sie in den Anmeldungen 35 28 626 und 28 55 375 beschrieben sind können dies. Aktive Regelungen, bei denen erst eine Störung am Ende der Regelstrecke registriert werden muß, um den Regelvorgang auszulösen, können dies nicht.

Bei kleinen Windkraftanlagen werden solche passiven Systeme in Zukunft dazu beitragen können, die Maschinen einfacher, weniger störanfällig und preiswerter zu machen.

Bei großen Windkraftanlagen wird man schon allein zur Beherr schung von Anfahr- und Bremsvorgängen auf eine aktive Beeinflussung des Blattwinkels nur ungern verzichten. Hier bietet es sich an, dem aktiven Regelteil, der in bekannter Art die langsamen Änderungen ausregelt, einen passiven Regelteil zur Beherrschung der schnellen Vorgänge zu überlagern.

Zum Neutralisieren der schnellen Fluktuationen werden zwischen dem Stellglied des Aktiven Reglers und den Anlenkpunkten der Rotorblätter in den Kraftfluß der Übertragungsmechanik an geeig neter Stelle eines oder mehrere Federelemente eingesetzt. Den Wegänderungen der Federelemente entsprechen Blattwinkeländerungen dα, so daß sich die mathematische Formulierung auf α₁ + α₂ + α₃ = 3α + dα erweitert. Da Federn Energie fast beliebig schnell aufnehmen und wieder abgeben können, wird durch dα die Beherr schung von beliebig schnellen Fluktuationen regelungstechnisch gelöst.

Ein Rotor, der erfindungsgemäß mit Federelementen oder mit Ausgleichsplatte (bzw. Waagebalken) oder mit beidem ausgerüstet ist, kann systembedingt in Schwingung geraten, da die Grundvor aussetzungen Massenträgheit (Trägheitsmoment der Blätter um die Verstellachse) und Rückstellkräfte in die Neutrallage gegeben sind. An erfindungsgemäß ausgestatteten Versuchsrotoren konnten unter bestimmten Betriebszuständen tatsächlich erhebliche Flat terbewegungen beobachtet werden. Dabei lag die Blattwinkelampli tude bei ca. ±20° und die Flatterfrequenz beim etwa 4-fachen der Rotordrehzahl. Zum Ausgleich von unsymmetrischen aerodynamischen Belastungen und schnellen Fluktuationen sind jedoch nur Winkel amplituden von nur wenigen Zehntelgraden ausreichend, wobei die Frequenz beim etwa 1-fachen der Rotordrehzahl liegt. Dieser Umstand ermöglicht es, die Flatterbewegung mit Flüssigkeitsdämp fern zu unterdrücken, da diese den sehr schnellen Flatterbewe gungen einen sehr hohen Widerstand entgegensetzten, wohingegen den sehr kleinen Ausgleichsbewegungen praktisch kein Widerstand entgegengesetzt wird.

Der in 28 55 375 erwähnte Dämpfer wirkt nur auf den zentralen Regler und könnte deshalb bei einem erfindungsgemäß mit Aus gleichsplatte oder Waage ausgerüstetem Rotor die Schwingungsneigung der einzelnen Blätter nicht unterdrücken. Bei einem erfindungsgemäß ausgerüstetem Rotor müssen daher die Dämpfungselemente eine direkte Wirkung auf die einzelnen Rotor blätter ausüben können. Neben dem Flüssigkeitsdämpfer kommen noch alternative Eingriffsmöglichkeiten zur schwingungstechnischen Beherrschung in Frage:

- Ein Luftdämpfer, der beispielsweise als ein an einem langen Hebelarm montierter Widerstandskörper ausgebildet ist. Da der Luftwiderstand eines Körpers mit dem Quadrat der An strömgeschwindigkeit ansteigt, ergibt sich hier ein ähn licher Effekt wie beim Flüssigkeitsdämpfer. Entscheidend für die Dimensionierung sind der wirksame Hebelarm und die Größe der Widerstandsfläche.
- Zusätzliche aerodynamische Leitflächen, die möglichst weit von der Verstellachse entfernt sind, können die Rückstell kräfte erhöhen und somit die Eigenfrequenz der Flatterbewe gung anheben. Da die Anhebung von Eigenfrequenzen in aller Regel mit einer Abnahme der Amplitude einhergeht, ist es zumindest theoretisch denkbar, die Eigenfrequenz soweit anzuheben, daß keine schädlichen Amplitudenwirkungen mehr auftreten.

Durch den erfindungsgemäßen Einsatz einer geschwindigkeitsabhän gigen Dämpfung können somit alle nachteiligen Folgen der Flat terbewegungen vermieden werden. Die geschwindigkeitsunabhängigen Reibungskräfte (Couloub-Reibung) können so gering wie möglich gehalten werden, um im übrigen ein möglichst feinfühliges Regel verhalten zu erreichen.

Zweckmäßig ist es, wenn das Dämpfungsverhalten drehwinkelabhängig ist, und zwar derart, daß mit steigendem Blattwinkel α die Dämpfung härter wird. Dadurch wird bei hohen Windgeschwindig keiten, bei denen die Flattergefahr größer ist, eine verstärkte Dämpfungswirkung erzielt.

Um unerwünschte Turmschwingungen zu vermeiden, wird weiterhin vorgeschlagen, den Blattschwerpunkt eines jeden Rotorblattes in seine Verstellachse, oder zumindest in die Nähe der Verstellach se, zu legen. Beschleunigungsbedingte Verstell- bzw. Schwenkbe wegungen führt ein in dieser Weise ausgebildetes Rotorblatt nicht mehr aus, so daß kein Anfachungsmechanismus für Turmschwingungen gegeben ist. Weiterhin können bei Rotoren mit Konuswinkel (wie in der DE-OS 36 28 626 beschrieben) fliehkraftbedingte Verstellmo mente bei der Bemessung der Haltemomente unberücksichtigt blei ben, so daß die Genauigkeit der Blattwinkelregelung zur Erhaltung der Nutzmomentenkonstanz nicht durch die Rotordrehzahl beeinflußt wird. Dadurch ergibt sich auch ein unproblematisches Bremsver halten. Wegen der Entkopplung der Drehmomentregelung von der Drehzahl, muß die Sicherung gegen eine Überdrehzahl bei Lastab wurf zwar durch andere an sich bekannte Maßnahmen (z. B. mit Hilfe eines separaten Drehzahlreglers) herbeigeführt werden; wesentlich ist jedoch, daß diese Sicherung nicht mehr durch Maßnahmen (Erhöhung der Coulomb-Reibung) erkauft werden muß, die das Regelverhalten verschlechtern.

Bei der Konstruktion von kleinen und groben Windenergiekonvertern war es bisher gängige Praxis, die Rotorblätter über ihre volle Länge in selbsttragender Schalenbauweise aus Glas-Faserverstärk tem-Kunststoff (GFK) zu fertigen. Diese Bauart führt aufgrund des vergleichsweise niedrigen E-Moduls von GFK zu relativ biege weichen Blättern, die durch diese Eigenschaft auch bei konven tionellen Rotoren eine befriedigende Laufruhe ermöglichten. Bei einem erfindungsgemäß konstruierten Rotor ist es möglich, erheb lich härtere Blätter einzusetzen ohne daß die Laufruhe darunter leidet. Als Optimierungskriterien für solche Rotorblätter spielen dann nur noch die Dauerfestigkeit, die Senkung der Herstellkosten (durch reduzierte Handarbeit) und eine höhere Recyclefähigkeit (durch reduziertes Kunststoffgewicht) eine Rolle, weil man nun die Tragfunktion zumindest im hochbelasteten Innenbereich des Blattes auf einen biegestreifen Metall-(Stahl)-Holm übertragen kann.

Die Erfindung ist anhand von in den Fig. 1 bis 12 dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigen

Fig. 1 und 2 Einführung in die prinzipielle Wirkungsweise der passiven Pitchregelung

Fig. 3 alternative Möglichkeiten zur Dämpfung von Flattereffekten

Fig. 4 bis 6 genauere Erläuterungen zur prinzipiellen Wirkungsweise der passiven Pitchregelung

Fig. 7 und 8 Konstruktions- und Schemaskizze eines 2-Blatt-Rotors mit Waagebalken und passiver Pitchre gelung

Fig. 9 Draufsicht auf einen durch Ausgleichsplatte aerodynamisch ausgewuchteten 3-Blatt-Rotor

Fig. 10 Beispiel für den Einbau von Federelementen in die Übertragungsmechanik eines aktiv pitchgeregelten 3-Blatt-Rotors

Fig. 11 Vorschlag zur Optimierung des Dämpfungsverhaltens und

Fig. 12 Schemaskizze eines aerodynamisch ausgewuchteten 2-Blatt-Rotors mit passiver Pitchregelung und mechani schem Drehzahlregler.

Fig. 1 zeigt ein Rotorblatt 1, das über einen Wellenstumpf 2 mit der Nabe 3 der Rotorwelle 4 verbunden ist. Die Rotorblattlagerung 5 (Lagerbock mit Lager) ermöglicht die gewünschte Verstellung des Blattwinkels α (Fig. 2) um die im wesentlichen radial (in Bezug auf die Rotorwelle 4) gerichtete Verstellachse 6. Strichpunktiert eingezeichnet ist die Druckpunktlinie 7, auf der der resultie rende Druckpunkt 8 liegt. Sein Abstand zur Blattverstellachse ist der wirksame Hebelarm x. Die Drehrichtung des Rotors ist durch den Pfeil 9 gekennzeichnet. Der Schwerpunkt 10 des Rotorblattes 1 liegt in der Verstellachse 6.

In Fig. 2 ist zum besseren Verständnis der Wirkungsweise der passiven Pitchregelung der Haltemechanismus, der dem aerodyna mischen Verstellmoment entgegenwirkt direkt mit der Blattachse eines Rotorblattes verbunden. Das schematisch angedeutete Kurven scheibengetriebe soll die Blattwinkelabhängigkeit des Haltemo ments veranschaulichen. Fig. 2 zeigt Schnitte in Höhe des Wellenstumpfes 2 und in Höhe des resultierenden Druckpunktes 8. Der Schnitt in Höhe des Wellenstumpfes 2 läßt erkennen, daß eine fest mit dem Wellenstumpf 2 verbundene Scheibe 11 vorhanden ist. Sie liegt in der dargestellten Stellung dem Anschlag 12 an. Schematisch eingezeichnet sind eine Feder 13 zur Erzeugung einer Rückstellkraft und ein Schwingungsdämpfer 14, z. B. ein handels üblicher Stoßdämpfer, der so ausgebildet und ausgelegt ist, daß er nur auf Flatterbewegungen dämpfend wirkt. Die Scheibe 11 ist als Kurvenscheibe gestaltet. Dem Kurvenabschnitt der Scheibe 11 legt sich ein mit der Feder 13 verbundener Riemen 15 an. Scheibe 11 und Riemen 15 bilden einen als Kurvenscheibengetriebe ausge bildeten Regler 20 für das jeweils wirksame, vom Blattwinkel abhängige Haltemoment.

In die Schnittdarstellung in Höhe des resultierenden Druckpunktes 8 sind der wirksame Hebelarm x und ein Kräftedreieck (Auftriebs kraft F_a, Schubkraft F_s, Umfangskraft F_u) eingezeichnet. Weitere Erläuterungen dazu folgen in der Beschreibung zu den Fig. 4 bis 6.

Fig. 3 zeigt zwei Lösungen für eine Dämpfung der Flatterbewe gungen mit Hilfe von Luftdämpfern. Bei einer ersten Lösung ist die Blattspitze mit einer sich seitlich zur Blattverstellachse 6 erstreckenden aerodynamischen Leitfläche 16 ausgerüstet. Eine andere Lösung besteht darin, daß ein an einen langen Hebelarm montierter Widerstandskörper 17 den Luftdämpfer bildet. Die Länge des Hebelarmes und die Größe der Widerstandsfläche sind derart ausgelegt, daß die gewünschten Dämpfungseigenschaften erzielt werden.

Die Fig. 4 bis 6 zeigen Schnittdarstellungen entsprechend Fig. 2, und zwar bei unterschiedlichen Blattwinkeln α. Auch hier ist zum besseren Verständnis der Haltemechanismus - diesmal in Form eines Kniehebelgelenks - direkt mit der Blattachse verbun den. Der Blattwinkel α₀ in Fig. 4 entspricht der Rotorblatt stellung bei Windgeschwindigkeiten bis zur Nenngeschwindigkeit. Die in den Fig. 5 und 6 dargestellten Blattwinkel bzw. Blatt stellungen entsprechen Windgeschwindigkeiten oberhalb der Nenn geschwindigkeit. Unterschiedlich gegenüber Fig. 2 ist noch die Ausbildung des Reglers 20. Anstelle eines Kurvenscheibengetriebes ist ein Kniehebelgelenksystem 18 (mit Zugfeder 19) vorgesehen.

Im einzelnen haben die in den Fig. 4 bis 6 eingezeichneten Symbole folgende Bedeutung:

- Blattwinkel α₀ < α₁ < α₂
- Geschwindigkeitsdreieck Dg mit
Windgeschwindigkeit V₀ < V₁ < V₂
Umfangsgeschwindigkeit U₀ = U₁ = U₂
Anströmgeschwindigkeit W₀ < W₁ < W₂
- Kräftedreieck Dk mit
Umfangskraft F_u0 = F_u1 = F_u2
Schubkraft F_s0 < F_s1 < F_s2
Auftriebskraft F_a0 < F_a1 < F_a2
- Verstellmoment M_v0 = F_a0 · x < M_v1 = F_a1 · x < M_v2 = F_a2 · x

Es ist ersichtlich, daß mit zunehmender Windgeschwindigkeit der Blattanstellwinkel α um einen solchen Betrag zunimmt, daß die Umfangskraft F_u bzw. das Nutzmoment konstant bleiben. Aus der Tatsache, daß die Umfangsgeschwindigkeit U ebenfalls konstant ist (drehzahlkonstanter Betrieb), ergibt sich die gewünschte Lei stungskonstanz. Ebenso ist hier ersichtlich, daß mit zunehmendem Blattwinkel das Haltemoment abnehmen muß.

Anhand dieser Funktionsskizzen läßt sich auch bereits die hohe Dynamik und Feinfühligkeit dieses Regelungskonzeptes veranschaulichen: Je höher die Sollwert-Istwert-Abweichung von der gewünschten Umfangskraft - und damit auch von der blattwinkel abhängigen Auftriebskraft - desto schneller dreht sich das Blatt in die erforderliche neue Position, die einer plötzlich veränder ten Windgeschwindigkeit entspricht.

Beim Ausführungsbeispiel nach den Fig. 7 (Ansicht von vorne) und 8 (Seitenansicht, Gelenksysteme schematisiert) sind zwei Rotorblätter 1 an der Nabe 3 um ihre Verstellachsen 6 drehbar befestigt. Als Regler 20 für beide Rotorblätter ist ein Kniehe belgelenksystem 21 mit zwei Zugfedern 22 vorgesehen, das sich auf der Nabe 3 abstützt. Es ist mit einer sich axial (in Bezug auf die Rotorwelle 4) erstreckenden Führung ausgerüstet, die aus der Führungshülse 23 und der dadurch geführten Stange 24 besteht. Die Stange 24 ist mit den vorderen Anlenkpunkten 25 des Kniehebelsy stems 21 verbunden, so daß diese Anlenkpunkte nur axial gerich tete Bewegungen ausführen können.

Das freie Ende der Stange 24 steht mit einem nach Art einer Waage arbeitenden Hebelsystem 26 in Verbindung. Ein derartiges Hebel system kann zwei Aufgaben erfüllen. Ist ein zentraler Regler 21 vorhanden, dann dient das Hebelsystem 26 dazu, die vom gemein samen Regler 21 erzeugten Haltekräfte auf die Rotorblätter 1 zu übertragen. Zum anderen ermöglicht das Hebelsystem 26 eine gegenläufige Kopplung der Blattwinkelverstellbewegungen, und zwar derart, daß sich die gegenüberliegenden Rotorblätter in gegen läufiger Weise bewegen lassen. Der Rotor wuchtet sich dadurch aerodynamisch aus, sobald er in Rotation versetzt wird. Die herkömmlichen, dem gleichen Zweck dienenden Lösungen (Schlagge lenke, Pendelrahmen), bei denen die gesamten Blattkräfte durch zusätzliche Gelenke geführt werden müssen, können durch diese Anordnung ersetzt werden.

Im einzelnen besteht das Hebelsystem 26 aus zwei seitlich an den Wellenstümpfen 2 angelenkten Stangen 27, 28 (Anlenkpunkte 29, 31). Ihre freien Enden sind über Gelenke mit einer Querstange 32 verbunden. Die Mitte der Querstange 32 steht - vorzugsweise gelenkig - mit dem freien Ende der Stange 24 des Reglers 21 in Verbindung.

Das Hebelsystem 26 bewirkt, daß eine Blattwinkelverstellung an einem der beiden Rotorblätter den Blattwinkel des anderen Rotor blattes beeinflußt. Der Ort der Anlenkpunkte 29, 31 ist so gewählt (seitlich, einander gegenüberliegend), daß eine Zunahme des Blattwinkels α des einen Rotorblattes eine Abnahme des Blattwinkels α des anderen Rotorblattes bewirkt und umgekehrt. Eine durch eine Turbulenz erzeugte, einseitige Schubbelastung des Rotors, welche normalerweise auf die Rotorwelle ein erhöhtes Biegemoment ausüben würde, wird also zunächst dadurch reduziert, daß sich der Blattwinkel α des belasteten Rotorblattes vergröß ert, wodurch die Belastung teilweise abgebaut wird. Gleichzeitig bewirkt das Hebelsystem 26, daß der Blattwinkel α des anderen Rotorblattes abnimmt. Auf der gegenüberliegenden Seite wird also die Schubbelastung erhöht, wodurch eine vollständige Biegemo mententlastung der Rotorwelle erreicht wird. Weiterhin treten durch aerodynamische Unwuchten angeregte Turmschwingungen nicht mehr auf. Eine Geräuschreduzierung und eine verbesserte Laufruhe werden erzielt. Schließlich ist eine vereinfachte Fertigung und Montage der Rotorblätter möglich.

Beim Ausführungsbeispiel für einen Rotor nach den Fig. 7 und 8 können Einrichtungen zur Dämpfung der Flatterbewegungen vorgese hen sein. Sie sind als Flüssigkeitsdämpfer 14 ausgebildet und jeweils zwischen einem nabenfesten Träger 33 und einem geeigneten Anlenkpunkt 34, angeordnet.

In den Fig. 9 (Vorderansicht) und 10 (Schnitt) ist ein Rotor mit drei Flügeln dargestellt. Zur Erzielung eines aerodynamisch ausgewuchteten Betriebsverhaltens ist ebenfalls ein Hebelsystem 26 vorgesehen. Dieses umfaßt anstelle der Querstange 32 eine Ausgleichsplatte 35. Sie hat im wesentlichen die Form eines Dreiecks. Jede Ecke steht über jeweils eine Stange 36 (Fig. 10) mit dem jeweiligen Wellenstumpf 2 der Rotorblätter 1 in Verbin dung. Das aus der Platte 35 und den Stangen 36 bestehende Hebel system 26 übernimmt hier ebenfalls die Aufgaben, die Verstellkräfte von den Rotorblättern auf das zentrale Stellglied (in diesem Beispiel der Hydraulikzylinder einer klassischen aktiven Pitchregelung) 20 zu übertragen und die gewünschte gegenseitige Beeinflussung der Blattanstellwinkel zu realisieren.

Der zentrale Regler 20 kann - wie bei den Ausführungsbeispielen nach den Fig. 1 bis 8 - passiv sein. Die erfindungsgemäße Rotorblattaufhängung kann aber auch - wie in Fig. 10 dargestellt - mit einer aktiven Pitchregelung kombiniert werden. Als Regler 20 ist ein aktives, beispielsweise von außen gesteuertes, elek trisch, pneumatisch oder hydraulisch betätigtes Stellglied vorgesehen, das beim dargestellten Ausführungsbeispiel aus einem Zylinder 37 und einem darin verschiebbaren Kolben 38 besteht. Der Kolben 38 ist mit einer sich koaxial zur Rotorwelle 4 erstrec kenden Kolbenstange 39 ausgerüstet, die gelenkig mit der Aus gleichsplatte 35 (beim Ausführungsbeispiel nach den Fig. 7, 8 mit der Querstange 32) in Verbindung steht.

Eine besonders zweckmäßige Verbindung zwischen Ausgleichsplatte 35 und Kolbenstange 39 ist in Fig. 10 dargestellt. Die Kolben stange 39 ist mit zwei Stützscheiben 41, 42 ausgerüstet. Zwischen den Stützscheiben befindet sich eine auf der Kolbenstange mit Spiel gleitende Hülse 43, an der die Ausgleichsplatte 35 befe stigt ist. Zwei Spiralfedern 44, 45, die sich auf der Hülse 43 und auf jeweils einer Stützscheibe 41, 42 abstützen, halten die Hülse 43 und damit die Ausgleichsplatte 35 in einer Zwischen stellung. Auch die Querstange 32 eines Rotors mit zwei Rotor blättern (Fig. 7 und 8) und aktiver Pitchregelung kann in dieser Weise mit dem aktiven Stellglied verbunden sein.

Bei einer in dieser Weise ausgebildeten Windkraftanlage besteht die Möglichkeit, langsame Energiefluktuationen aktiv auszuregeln. Die Ausgleichsplatte 35 folgt den Bewegungen des Kolbens 38, indem sie selbst eine Parallelverschiebung ausführt (Pfeil 46). Eine gleichförmige Änderung der Blattwinkel aller Rotorblätter 1 wird dadurch erreicht. Bei größeren Maschinen ist durch eine derartige Bewegung der Ausgleichsplatte 35 auch der Anfahr- und Bremsvorgang in einfacher Weise beherrschbar. Bei turbulenten Energiefluktuationen ("energetisches Kopfsteinpflaster") ist der erfindungsgemäße Rotor gemäß Fig. 10 in der Lage, diese passiv auszuregeln. Dabei führt die Platte 35 kleine und schnelle Parallelverschiebungen innerhalb des Federweges aus. Bei unsymme trischer Anströmung des Rotors läuft der Vorgang des aerodyna mischen Auswuchtens ab. In diesem Fall führt die Ausgleichsplatte 35 Schwenkbewegungen aus (Pfeil 47). Nur sehr schnelle Flatter bewegungen werden vom Dämpfer 14 gedämpft.

In Fig. 11 ist angedeutet, wie die mit Hilfe des Dämpfers 14 erzielte Dämpfungswirkung drehwinkelabhängig gestaltet werden kann. Das Dämpfungsverhalten ist abhängig von der Lage des Anlenkpunktes des Dämpfers 14 am Wellenstumpf 2. Beim in Fig. 11 dargestellten Beispiel vergrößert sich der Hebelarm y mit zuneh mendem Winkel (Pfeil 48), so daß die Dämpfung mit zunehmendem Winkel α, d. h., mit zunehmender Windgeschwindigkeit und damit erhöhter Flattergefahr, härter wird. Auch der Verlauf des Halte moments, übertragen durch die Stange 36, kann durch eine geeig nete Wahl des Anlenkpunktes der Stange 36 am Wellenstumpf 2 optimiert werden.

Der in Fig. 12 dargestellte Rotor, der wie beim Ausführungsbei spiel nach den Fig. 7 und 8 mit einem zentralen Regler 20, 21 und mit einem Hebelsystem 26 ausgerüstet ist, weist ein passives Fliehkraftregelsystem zur Drehzahlbegrenzung - Drehzahlregelung - auf. Es umfaßt ein jeweils in den Rotorblättern 1 (nur eines ist der Deutlichkeit halber dargestellt) befindliches Fliehgewicht 51, das sich entgegen der Kraft einer Feder 52 radial nach außen bewegen kann. Über eine sich etwa radial durch das Innere des Rotorblattes 1 erstreckende Stange 53 und einen Hebel 54 steht das Fliehgewicht 51 mit dem als Kniehebelgelenksystem 21 ausge bildeten Regler 20 in Verbindung. Der Hebel 54 ist derart an einer Stange des Kniehebelgelenksystems 21 (Anlenkpunkt 55, Abstützpunkt 56) gelenkig befestigt, daß eine Bewegung des Fliehgewichtes 51 nach außen ein Spreizen des Kniehebelgelenksy stems 21 und damit eine Blattwinkelverstellung in Richtung Fahnenstellung bewirkt. Die Bewegung einiger Gelenke ist durch eingezeichnete Pfeile angedeutet. Die unmittelbare Verbindung des Hebels 54 mit dem Gelenksystem 21 (Anlenkpunkt 55) ist ebenfalls als Gelenk ausgebildet, so daß der Regler in seiner Arbeitsweise bei Normalbetrieb nicht beeinträchtigt ist.

Gegenüber der aus der DE-C-36 28 626 bekannten fliehkraftgeregel ten Überdrehzahlsicherung des Rotors einer Windkraftanlage besteht beim beschriebenen Fliehkraftregelsystem der Vorteil, daß eine weitergehende Entkopplung von Drehzahl und Drehmomentrege lung erreicht wird. Die Entkopplung wird um so besser, je größer die Masse des Fliehgewichtes 51 und stärker die Vorspannkraft der Druckfeder 52 im Rotorblatt 1 ist. Letztlich lädt sich jedoch bei passiven Fliehkraftregelsystemen eine vollständige Entkopplung von Drehzahl und Drehmoment nicht erreichen. Dieses ist nur dadurch möglich, daß auf den Zentralregler 20, 21 ein aktives Stellglied einwirkt. Dieses kann beispielsweise so ausgebildet sein, wie das Stellglied 37, 38, 39 (vgl. Fig. 10) zur aktiven Pitchregelung.

Claims

1. Windkraftanlage

- mit einem Rotor, der mindestens zwei Rotorblätter (1) aufweist, die an einer im wesentlichen horizontal angeordneten Welle (4) zum Zwecke der Verstellung ihrer Blattwinkel α um eine im wesentlichen radial gerichtete Verstellachse (6) drehbar befestigt sind, und zwar derart, daß der jeweilige resultierende Druckpunkt (8) der Rotorblätter (1) hinter der jeweiligen Blattver stellachse (6) herläuft, sowie
- mit einem zentralen Regel- oder Steuerelement (20) zur Leistungs- und/oder Drehzahlregelung, dadurch gekenn zeichnet,
- daß die Windkraftanlage mit einem Hebelsystem (26) ausgerüstet ist, welches derart ausgebildet ist, daß es bei unsymmetrischen Rotorbelastungen eine gegenläufige Kopplung der Blattwinkelverstellbewegungen gegenüber liegender Rotorblätter (1) bewirkt.

2. Windkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Hebelsystem (26) auch der Übertragung der Verstell- und Haltemomente bzw. -kräfte zwischen den Rotorblättern (1) und dem zentralen Regler (20) zum Zwecke der Leistungsregelung dient.

3. Windkraftanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß das Hebelsystem (26) aus seitlich an den Wellenstümpfen (2) angelenkten Stangen (27, 28 bzw. 36) und einer Querstange (32) (Rotor mit zwei Rotorblättern) oder Ausgleichsplatte (35) (Rotor mit mehr als zwei Rotorblät tern) besteht.

4. Windkraftanlage nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekenn zeichnet, daß die Querstange (32) bzw. die Ausgleichsplatte (35) gelenkig mit dem Zentralregler (20) und mit den Anlenk stangen (27, 28 bzw. 36) in Verbindung steht.

5. Windkraftanlage nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekenn zeichnet, daß sie mit einer aktiven Regelung ausgerüstet ist und daß die Querstange (32) bzw. Ausgleichsplatte (35) mit dem als aktives Stellglied (37, 38, 39) ausgebildeten Zentralregler (20) in Verbindung steht.

6. Windkraftanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verbindung des aktiven Stellgliedes (37, 38, 39) und der Querstange (32) bzw. Ausgleichsplatte (35) ein Federsystem (41 bis 45) vorgesehen ist, das Parallel- und Schwenk bewegungen der Querstange (32) bzw. der Ausgleichsplatte (35) zuläßt.

7. Windkraftanlage nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekenn zeichnet, daß sie mit einem aktiven System zur Drehzahlre gelung ausgerüstet ist, das auf das aktive Stellglied (37, 38, 39) des Zentralregler (20) einwirkt.

8. Windkraftanlage nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekenn zeichnet, daß sie mit einem passiven Fliehkraftregel system zur Drehzahlbegrenzung, Drehzahlregelung, ausgerüstet ist.

9. Windkraftanlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß im Rotorblatt (1) ein entgegen Federkraft radial nach außen bewegliches Fliehgewicht (51) vorgesehen ist, das über eine Stange (53) und einen Hebel (54) auf den zentralen, als Kniehebelgelenksystem (21) ausgebildeten Regler (20) ein wirkt.

10. Windkraftanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit einer aktiven Dreh zahlregelung und mit einer passiven Drehmomentenregelung ausgerüstet ist.

11. Windkraftanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Dämpfung der Bewegung des Rotorblattes (1) um seine Verstellachse (6) eine Dämpfung (14, 16, 17) vorgesehen ist.

12. Windkraftanlage nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine Flüssigkeitsdämpfung (14) vorgesehen ist.

13. Windkraftanlage nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen einem nabenfesten Punkt und einem Wellenstumpf (2) des Rotorblattes (1) ein Schwingungsdämpfer (14) vorge sehen ist.

14. Windkraftanlage nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine Luftdämpfung (16, 17) vorgesehen ist.

15. Windkraftanlage nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Rotorblatt (1) mit einem Hebelarm und mit einer Luftwiderstandsfläche (17) ausgerüstet ist.

16. Windkraftanlage nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Rotorblatt (1) mit einer von der Blattverstellachse (6) beabstandeten aerodynamischen Leitfläche (16) ausgerü stet ist.

17. Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfung derart ausgelegt ist, daß sie mit zunehmendem Blattwinkel α härter wird.

18. Windkraftanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Blattschwerpunkt (10) in der Blattverstellachse (6) oder zumindest in deren Nähe liegt.

19. Windkraftanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler (20) als Kurven scheibengetriebe (11, 13, 15) oder als Kniehebelgelenksystem (18) ausgebildet ist.

20. Windkraftanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in den Kraftfluß des Hebelsy stems (26) federnde Elemente (44, 45) dergestalt zwischen geschaltet sind, daß den Rotorblättern (1) kleine gleich sinnige Blattwinkelverstellbewegungen zum Zwecke der schnellen Abfederung von Leistungsschwankungen ermöglicht werden.