DE60221293T2 - Passives geschwindigkeits- und leistungsregelsystem für eine windturbine - Google Patents
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Description
- Diese Erfindung betrifft ein passives Geschwindigkeits- und Leistungsregelsystem für eine Windturbine.
- Windturbinen sind hinreichend bekannte Vorrichtungen, die verwendet werden, um dem Wind Energie zu entziehen. Am häufigsten handelt es sich dabei um Maschinen mit horizontalen Achsen mit zwei oder mehr Blättern. Eine wesentliche Herausforderung bei der Planung sämtlicher derartiger Maschinen ist die Notwendigkeit, die dem Wind entzogene Leistung zu regeln, um eine übermäßig hohe Rotorgeschwindigkeit oder eine Überlastung des Generators bei starkem Wind zu vermeiden. Ein Verfahren, um dies zu erreichen, ist eine Veränderung des Anstellwinkels der Blätter. Dies kann entweder durch aktive Regelung (zum Beispiel unter Verwendung von elektrischen oder hydraulischen Stellgliedern) oder mit passiven Mitteln erreicht werden. Passive Regelung umfasst die Nutzung der in der Windturbine natürlich vorhandenen Kräfte, um die Blätter gegen eine Feder zu verstellen oder die Blätter oder deren Befestigungspunkte zu verformen.
- Die natürlich vorhandenen Kräfte schließen die auf die Windturbinenblätter einwirkenden Zentrifugallasten, das Drehmoment in der Hauptantriebswelle und den axial entlang der Hauptantriebswelle wirkenden Axialschub ein. Diese Kräfte können in vielen unterschiedlichen physikalischen Konfigurationen eingesetzt werden, um die Blätter zu verstellen. Das Verstellen der Blätter kann entweder entgegen der Strömungsabrissrichtung (um den aerodynamischen Angriffswinkel und somit die aerodynamische Auftriebskraft, welche die Windturbine mit der Leistung vorsorgt, zu verringern) oder in Richtung Strömungsabriss erfolgen. Ein Verstellen in Richtung Strömungsabriss erhöht den Angriffswinkel und kann daher die Leistung anfänglich erhöhen, letztendlich wird jedoch der Anstellwinkel erreicht, bei dem die Blätter „überziehen", und der aerodynamische Auftrieb geht verloren, und der Luftwiderstand erhöht sich. Somit verliert die Windturbine ihre Fähigkeit, Leistung zu erzeugen.
- Es existieren mehrere Verfahren, die zum Erreichen einer passiven Blattverstellung angewendet werden, einschließlich Verfahren, die jede dieser Kräfte nutzen. Insbesondere offenbart die
US 5,226,805 eine Windturbine, die Blätter mit einer normalerweise geklappten Konfiguration umfasst, bei der jedes Blatt um ein Paar Gelenkachsen geklappt ist und die Blätter in Reaktion auf eine zunehmende Windgeschwindigkeit um diese Achsen herum aufklappen, sodass der Anstellwinkel jedes Blatts bis zum Strömungsabriss abnimmt. DieEP 0095807 offenbart eine Windturbine, die Blätter umfasst, deren Anstellwinkel sich entgegen der Strömungsabrissrichtung in Reaktion auf eine zunehmende Windgeschwindigkeit erhöht. - Dieses Patent beschreibt ein sich unterscheidendes Verfahren, das die Kombination von auf die Blätter einwirkenden Zentrifugallasten wie auch von Wellendrehmomentlasten ausnutzt, um ein verbessertes Verfahren der Anstellwinkelregelung bereitzustellen, das unabhängig davon funktioniert, ob der Generator elektrische Leistung bereitstellt oder nicht. Nicht nur die Kombination dieser Kräfte ist von Bedeutung, sondern auch die Richtung, in die sie wirken. Die Zentrifugallast wirkt so, dass die Leistung durch Verstellen der Blätter in Richtung Strömungsabriss vermindert wird, und die Wellendrehmomentlast wirkt in die entgegengesetzte Richtung, um den Umfang der Blattverstellung zu verringern und somit die Höhe der Leistungsminderung zu verringern.
- Die vorliegende Erfindung umfasst die Kombination von auf die Windturbinenblätter oder an diesen befestigten Komponenten einwirkender Zentrifugalbelastung und die Nutzung des Generatorreaktionsdrehmoments zur Bereitstellung des Schutzes einer Windturbine gegen Überdrehen und gegen die Produktion von zu viel Leistung. Das Verfahren zum Schutz funktioniert unabhängig davon, wie viel Leistung der Verbraucher durch den Generator von der Windturbine anfordert. Der Schutz wird erreicht durch passive Anstellwinkelregelung, sodass die Zentrifugalbelastung so wirkt, dass sie versucht, die Blatter aus der optimalen Position für eine Energiegewinnung heraus in Richtung Strömungsabriss zu verstellen, um die Leistung zu vermindern. Das Generatorreaktionsdrehmoment wirkt (sofern vorhanden) in die entgegengesetzte Richtung, um den Umfang der Verstellbewegung zu verringern und somit die Höhe der Leistungsverminderung zu verringern.
- Es wird eine geometrische Konfiguration vorgestellt, die diese Kombination von Eigenschaften erreicht.
- Gemäß der Erfindung wird eine Windturbine nach Anspruch 1 bereitgestellt. Speziellere und/oder bevorzugte Merkmale der Erfindung sind in den Unteransprüchen dargelegt.
- In einer speziellen Ausführungsform der Erfindung führt ein Mittel der Befestigung der Blätter an der Windturbine zu einer teilweisen Aufhebung einiger der lokalen Lasten, die normalerweise auf die Nabe einwirken. Dies wird erreicht durch Befestigung des Blatts an seinen Enden wie auch an einer zweiten äußeren Stelle. Die Blätter sind so angeordnet, dass sich jeder äußere Blattbefestigungspunkt so nahe wie möglich an dem Endbefestigungspunkt des benachbarten Blatts befindet. Da die mit benachbarten Blättern zusammenhängenden Lasten größtenteils gleich und entgegengesetzt sind, verringert dies in hohem Maße das Ausmaß der von den Blättern auf die Nabe übertragenen lokalen Lasten. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn die Blätter direkt an dem Rotor eines Direktantrieb-Generators befestigt sind, da es wichtig ist, einen Verzug des Generators und die Schwankung des Generatorluftspalts zu minimieren.
- Es ist wünschenswert, dass die Turbinenblätter so miteinander verbunden sind, dass sie jederzeit eine identische Anstellwinkeleinstellung aufweisen. Zwei unterschiedliche Mittel, wie dies zu erreichen ist, sind ebenfalls beschrieben.
- Das erste Verfahren umfasst ein kompaktes Mittel der Verbindung einer Anzahl von Blättern mit der oben beschriebenen Geometrie, wobei eine Vorlast und ein elastischer Widerstand gegen Blattverstellung aufgebracht werden und ermöglicht wird, dass das Blatt in seinem Anstellwinkel verbunden wird, während gleichzeitig die von dem Verbindungsmechanismus getragenen Lasten minimiert werden.
- Dieses Verfahren verwendet an einem Verstellhebel an jedem Blatt befestigte Stößelstangen, die gegen ein elastisches Element, beispielsweise eine Druckfeder, wirken. Die Stößelstange wird in ihrer Bewegung zurückgehalten, um als eine feste Stoppvorrichtung zu wirken, um die optimale Blattanstellwinkelposition festzulegen und zusammen mit der Feder sowohl eine Vorlast aufzubringen als auch einen Widerstand proportional zu weiterer Blattverstellung zu bieten.
- Eine profilierte Anstellwinkel-Verbindungsplatte wird so montiert, dass sie in der Lage ist, sich um die Hautachse der Turbine zu drehen. Die Spitzen dieser Platte sind jeweils mit einer der Blatt-Stößelstangen so verbunden, dass sich die Platte infolge des Blattanstellwinkels dreht, wodurch die Blätter so beschränkt werden, dass ein identischer Anstellwinkel sichergestellt ist. Durch Verbinden der Platte direkt mit den Stößelstangen werden die von der sich drehenden Platte übertragenen Lasten verringert, indem die Notwendigkeit der Übertragung einer Verstellvorlast oder von Verstellwiderstandslasten beseitigt wird.
- Das zweite Verfahren weist die zusätzlichen Vorteile auf, dass es sowohl ein Mittel zum vollständigen Stoppen der Turbine bei starkem Wind als auch eine zur Änderungsrate des Blattanstellwinkels proportionale Dämpfungskraft bereitstellt. Dies kann die dynamischen Eigenschaften der Verstellbewegung verbessern.
- Bei dieser Anordnung sind als Verstellarm bezeichnete starre Elemente so an den Blättern befestigt, dass sie sich drehen, wenn sich die Blätter verstellen. Die anderen Enden dieser Verstellarme sind mittels eines Bolzengelenks mit einem starren Kranz verbunden, der sich um die Rotorachse drehen kann. Der von dem Ende eines jeden Verstellarms aufgrund der Drehung des verstellten Blatts beschriebene Bogen weist zwei Komponenten auf, eine parallel zu der Hauptachse der Turbine (die „axiale Komponente") und eine in der Drehebene der Nabe (die „Ebenenkomponente").
- Die Ebenenkomponente des durch das Ende jedes Verstellarms beschriebenen Bogens führt zu einer Drehung des Kranzes, wodurch jedes Blatt zu einem identischen Anstellwinkel und einer identischen Anstellwinkeländerung gezwungen wird.
- Die axiale Komponente des durch das Ende jedes Verstellarms beschriebenen Bogens verschiebt den Kranz axial. Wenn der Kranz mittels eines elastischen Elements, das einen Widerstand proportional zu dem Grad der Drehung des verstellten Blatts bietet, axial zurückgehalten wird und die axiale Bewegung des Kranzes mittels fester Stoppvorrichtungen in einer Richtung begrenzt ist, um einen festgelegten anfänglichen Blattanstellwinkel vorzugeben, kann auf das elastische Element eine Vorlast so aufgebracht werden, dass das Blattverstellmoment ein festgelegtes Maß erreichen muss, bevor das Blatt beginnt, den Anstellwinkel zu ändern.
- Das elastische Vorspannelement kann eine kreisförmige Membran umfassen, welche aus einer Ebene heraus elastisch durchbiegbar ist, sodass eine axiale Wegbewegung aus ihrer Gleichgewichtsposition zu einem Widerstand führt, der proportional zu ihrer Durchbiegung ist. Die kreisförmige Membran ist axial und radial begrenzt, kann sich jedoch um die Rotorachse drehen. Auf die Membranfeder kann eine Vorlast aufgebracht werden, indem die Blätter durch Verwendung von festen Stoppvorrichtungen daran gehindert werden, sich über einen bestimmten Punkt hinaus zu verstellen, und indem der mittlere Abschnitt der Membran in einer axial aus seiner undurchbogenen Position herausbewegten Position gesichert wird.
- Der starre Kranz kann mit einer Fläche verbunden sein, welche bezogen auf die Windrichtung so angeordnet ist, dass sie aufgrund ihres wesentlichen dynamischen Windwiderstands eine Axialkraft auf den Kranz aufbringt, welche sich in Abhängigkeit von der Windgeschwindigkeit erhöht.
- Die durch diese Fläche aufgebrachte Kraft wirkt derart, dass der starre Kranz und somit die Enden der Verstellarme axial bewegt werden, wodurch bewirkt wird, dass sich die Blätter in Richtung einer Strömungsabrissposition verstellen, sobald die Vorlast in der Membran durch die Kombination aus Blattverstellmoment aufgrund der Zentrifugalkräfte und der auf diese Fläche einwirkenden aerodynamischen Kraft überwunden ist. Dies führt tendenziell dazu, dass die Blätter bei extremen Windverhältnissen in der Strömungsabrissposition gehalten werden, und zu niedrigeren Drehzahlen.
- Der axialen Bewegung der Fläche, welche aus einer Änderung des Anstellwinkels der Blätter aufgrund der Drehung derselben um ihre Verstellachsen resultiert, wird außerdem durch eine zur Geschwindigkeit der axialen Durchbiegung proportionale Kraft aufgrund des Luftwiderstands der Fläche entgegengewirkt, wodurch eine Dämpfungskraft aufgebracht wird, um Änderungen des Blattanstellwinkels entgegenzuwirken. Diese Dämpfungskraft erhöht sich proportional zu der Änderungsrate des Blattanstellwinkels, wodurch schnellen Änderungen des Blattanstellwinkels entgegengewirkt wird.
- Ein Beispiel für einen geometrischen Aufbau, mit dem die oben dargelegten Anforderungen an eine passive Blattverstellung erreicht werden, sowie Beispiele dafür, wie dieser Aufbau realisiert werden kann, sind nachstehend unter Bezugnahme auf die folgenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
-
1 die Geometrie der Blattbefestigung und der Verstellachse zeigt; -
2 eine Ansicht der Hauptachse des Turbinenrotors einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist, welche die Anordnung der Blätter auf einer dreieckigen Nabenplatte zeigt, wobei die Anstellwinkelregelungskomponenten aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt sind; -
3 ein Seitenriss des Turbinenrotors ist, der die Anordnung eines an der Nabe befestigten Blatts zeigt, wobei die Anstellwinkelregelungskomponenten und weitere Blätter aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht gezeigt sind; -
4 eine Ansicht der Unterseite eines Blatts ist, welche den Verstellhebel, die Stößelstange, die Druckfeder und die Federbefestigung zeigt; -
5 eine Modifikation der ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt, in der die Baugruppe aus Blatt und Stößelstange auf einer kreisförmigen Nabenplatte montiert ist und mit dem Anstellwinkel-Verbindungssystem verbunden ist, wobei die Blätter aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht gezeigt sind; -
6 die auf einer kreisförmigen Nabenplatte montierte und mit dem Anstellwinkel-Verbindungssystem verbundene Baugruppe aus Blatt und Stößelstange zeigt, wobei die Blätter gezeigt sind; -
7 eine Ansicht des angeströmten Wurzelbereichs des Blatts einer zweiten Ausführungsform der Erfindung ist, welche die Befestigung des äußeren Blattverstelllagers und Verstellarms und den Verstellbolzen am Blattende zeigt; -
8 eine isometrische Ansicht des Turbinenrotors von der Abwindseite aus ist, welche die Verbindung der Verstellarme der einzelnen Blätter durch den starren Kranz zeigt; -
9 eine isometrische Ansicht des Turbinenrotors von der angeströmten Seite aus ist, welche den auf der Hauptantriebswelle durch das Membranfederelement angeordneten starren Kranz zeigt; und -
10 ein Seitenriss des Turbinenrotors ist, der die drei mit dem starren Kranz und dem Membranfederdämpfer verbundenen Blätter zeigt. - Eine geometrische Anordnung, mit der die Anforderungen an die passive Blattverstellung erfüllt werden, ist in
1 gezeigt. Die Figur zeigt aus Gründen der Übersichtlichkeit nur ein Blatt. Die Turbinenhauptachse ist durch (Z-Z) gezeigt, die Richtung der Drehung durch (R) und die Richtung des Windes durch (U). Das Blatt ist so montiert, dass es sich um eine Verstellachse (X-X) drehen kann, die durch einen Abstand (y) in Bezug auf die Achse der Hauptantriebswelle (Z-Z) versetzt ist. Die Blattachse (B-B) ist um einen Winkel (A1) gegenüber der Verstellachse (X-X) geneigt. Der Massenschwerpunkt des Blatts (m) liegt auf der Blattachse (B-B). - Ein vorbelastetes elastisches Element, wie beispielsweise eine Feder (D), hält das Blatt in der optimalen Anstellwinkelposition gegen eine harte Stoppvorrichtung, um die Energiegewinnung zu maximieren. Das Windturbinenblatt ist so angeordnet, dass es sich in Richtung Strömungsabriss verstellen kann, jedoch durch die vorbelastete Feder daran gehindert wird. Die Blätter werden in diesem optimalen Anstellwinkel gehalten, bis die Lasten, die eine Verstellung der Blätter bewirken, ausreichen, um die Vorlast zu überwinden und beginnen, die Blätter in Richtung von Pfeil (P) in Richtung Strömungsabriss zu verstellen.
- Diese Anordnung weist zwei Merkmale auf. Erstens weist die Zentrifugalbelastung, die auf das Blatt einwirkt, wenn sich die Windturbine dreht (Fc), eine Komponente auf, die versucht zu bewirken, dass sich das Blatt um die Verstellachse (X-X) herum verstellt. Es ist vorgesehen, dass diese Kraft versucht zu bewirken, dass die vorbelastete Feder überwunden wird und das Blatt in Richtung Strömungsabriss verstellt wird, um die aerodynamische Leistung zu vermindern.
- Zweitens erzeugt das Blatt, wenn es Leistung produziert, ein aerodynamisches Drehmoment um die Achse der Hauptantriebswelle (Z-Z), wie durch Pfeil (R) angegeben. Wenn der Generator keine Leistung erzeugt, stellt er keine Reaktion auf dieses Drehmoment bereit, und das aerodynamische Drehmoment bewirkt einfach, dass der Rotor beschleunigt und beeinflusst den Anstellwinkel nicht direkt (sofern der überwiegende Teil der Rotationsträgheit des Systems in den Blättern vorhanden ist und nicht im Generator). Wenn der Generator jedoch mit einer Last verbunden ist, stellt er ein Reaktionsdrehmoment bereit, das ausreicht oder nicht ausreicht, um zu verhindern, dass der Rotor beschleunigt. Dieses Reaktionsdrehmoment weist ebenfalls eine Komponente auf, die versucht zu bewirken, dass sich das Blatt verstellt. Die Geometrie ist dergestalt, dass das Generatordrehmoment bewirkt, dass die Blätter aus dem Strömungsabriss heraus in Richtung der für die Energiegewinnung optimalen Position verstellt werden.
- Um die Vorteile dieser Geometrie zu verstehen, ist ein Vergleich erforderlich zwischen dem, was erfolgt, wenn der Generator nicht mit einer Last verbunden ist (und die Windturbine sich im Freilauf befindet), und dem, was erfolgt, wenn er mit einer Last verbunden ist und Leistung produziert.
- Wenn der Generator nicht mit einer elektrischen Last verbunden ist, befindet sich die Windturbine effektiv im Freilauf. Bei der maximal zulässigen Geschwindigkeit kann die Federkraft so eingestellt werden, dass die Zentrifugalkraft in der Lage ist, die Vorlast zu überwinden und die Blätter ausreichend zu verstellen, um eine Erzeugung aerodynamischer Leistung zu verhindern, um eine weitere Beschleunigung zu verhindern (typischerweise handelt es sich dabei um 15 bis 20° in Richtung Strömungsabriss).
- Wenn der Windturbinengenerator in leichtem bis mäßigem Wind Leistung erzeugt, ist kein Verstellen erforderlich, da der Generator in der Lage ist, die Geschwindigkeit der Windturbine zu begrenzen. Bei starkem Wind ist eine gewisse Verstellung erforderlich, um sicherzustellen, dass bei gleicher maximal zulässiger Drehzahl die produzierte aerodynamische Leistung nicht die Leistung überschreitet, die vom Generator in Elektrizität umgewandelt wird, um eine weitere Beschleunigung zu verhindern. Dafür ist eine geringere Änderung des Anstellwinkels erforderlich, als es bei Nichtgebrauch des Generators der Fall wäre. Die Geometrie der Windturbine kann so konfiguriert sein, dass sichergestellt ist, dass das Generatorreaktionsdrehmoment einen ausreichenden Beitrag zum Verstellmoment leistet, um die Höhe der Lastverminderung um genau die erforderliche Menge zu verringern.
- Daher ermöglicht diese Kombination von Merkmalen, dass die Windturbine eine definierte maximal zulässige Drehzahl aufweist, die nicht überschritten wird, unabhängig davon, ob der Generator mit einer Last verbunden ist oder sich die Windturbine einfach im Freilauf befindet.
- Zusätzlich kann eine für die oben dargelegten Anforderungen an die passive Verstellanordnung geeignete Geometrie so angeordnet sein, dass das Ausmaß der auf die Nabe übertragenen Lasten stark verringert wird. Dies ist in
2 und3 veranschaulicht, in denen drei Blätter (1 ), die sich um eine Welle (4 ) drehen, jeweils an ihren Enden (11 ) wie auch an einer zweiten äußeren Stelle (12 ) an der Nabenplatte (2 ) befestigt sind. Die Blätter (1 ) sind so angeordnet, dass sich jeder äußere Blattbefestigungspunkt (12 ) so nahe wie möglich an dem Endbefestigungspunkt des benachbarten Blatts befindet. Da die mit benachbarten Blättern zusammenhängenden Lasten größtenteils gleich und entgegengesetzt sind, verringert dies in hohem Maße das Ausmaß der von den Blättern auf die Nabe übertragenen lokalen Lasten. - Vorzugsweise weisen die Turbinenblätter jederzeit eine identische Anstellwinkeleinstellung auf. Um dies zu erreichen, ist es notwendig, dass die Blätter mechanisch miteinander verbunden sind. Es sind zwei unterschiedliche Mittel zur Sicherstellung dieser Anpassung der Blattanstellwinkeleinstellungen aneinander vorgeschlagen.
- Bei dem ersten Verfahren (siehe
4 ) ist jedes Blatt (1 ) drehbar an einer Blatt-End-Befestigung (11 ) und einer äußeren Blattbefestigung (12 ) montiert. Ein Verstellhebel (13 ) ist mit der Unterseite des Blatts starr verbunden, sodass er sich mit dem verstellten Blatt (1 ) dreht. Der Verstellhebel (13 ) ist mit einer Stößelstange (14 ) verbunden, auf die durch eine Feder (15 ) eingewirkt wird und die außerdem durch einen Federbock begrenzt wird. Dieser wirkt als eine feste Stoppvorrichtung, sodass sich das Blatt nur in Richtung Strömungsabriss verstellen kann und bringt außerdem eine Vorlast auf die Feder (15 ) auf. Der Federbock (16 ) und die Stößelstange (14 ) halten das Blatt (1 ) in einer eingestellten Position gegen die Vorlast der Feder (15 ). - Das Mittel zur Verbindung der drei verstellten Blätter ist in
5 und6 dargestellt, die eine Anordnung mit drei an einer kreisförmigen Nabenplatte montierten Blättern zeigen. Um die verstellten Blätter miteinander zu verbinden, ist eine profilierte Platte (17 ) mit Verbindungspunkten an jeder ihrer drei Spitzen drehbar auf der Turbinenhauptachse parallel zu der Nabenplatte montiert. Jede Stößelstange (14 ) ist an einem der Verbindungspunkte durch radial nachgiebiges Verbindungselement (18 ) befestigt. Jede Änderung des Blattanstellwinkels bewirkt eine Drehung der Platte (17 ) und eine identischen Änderung des Anstellwinkels aller Blätter. - Durch Trennung der Funktionen der sich drehenden Anstellwinkel-Verbindungsplatte und der Anforderung einer Vorlast und eines elastischen Widerstands gegen ein Verstellen, werden die durch die Anstellwinkel-Verbindungsplatte übertragenen Lasten wesentlich verringert.
- In dem zweiten Verfahren sind die verstellten Blätter nicht nur miteinander verbunden, sondern unterliegen auch einem Verstellmoment in Richtung Strömungsabriss, das sich mit zunehmender Windgeschwindigkeit erhöht. Dieses Merkmal ist in der Lage, die Windturbine bei extremen Windgeschwindigkeiten anzuhalten.
-
7 zeigt die Stelle der äußeren Befestigung (8 ) und (9 ) des Blatts sowie Verstellarm (5 ), die mit der angeströmten Fläche des Blatts (1 ) starr verbunden sind. Sie zeigt außerdem den Blatt-End-Bolzen (10 ), der gleichachsig zu der Verstellachse und dem äußeren Blattbefestigungsbolzen (9 ) angeordnet ist. - Ein Mittel zur Verbindung der Blätter miteinander ist in
8 gezeigt. Die drei Blätter (1 ) (aus Gründen der Übersichtlichkeit mit gepunkteten Linien dargestellt) sind über ihre jeweiligen Verstellarme (5 ) mit einem starren Kranz (6 ) verbunden. Die Drehung der Blätter (1 ) um ihre Verstellachsen bewirkt sowohl eine Drehung als auch eine axiale Durchbiegung des starren Kranzes (6 ), und somit wird jedes Blatt (1 ) gezwungen, sich in gleichem Maße um seine Verstellachse zu drehen. -
9 zeigt den Turbinenrotor von der angeströmten Seite aus, wobei die Blätter (1 ) mit dem starren Kranz (6 ) durch Verstellarme (5 ) verbunden sind. Der starre Kranz (6 ) ist an einer Membran (7 ) befestigt, die mit ihrem mittleren Abschnitt so auf der Welle (4 ) angeordnet ist, dass sie in der radialen und der axialen Richtung zurückgehalten wird, sich jedoch frei um die Hauptachse des Rotors drehen kann. - Da die Membran (
7 ) in ihrer Mitte axial zurückgehalten wird, ist sie gezwungen, sich zu durchbiegen, wenn sich der äußere Kranzrand (6 ) axial bewegt, und wirkt somit so, dass sie eine Vorspannkraft bietet, um dieser Bewegung entgegenzuwirken. Die Membran (7 ) ist axial so positioniert, dass sie als eine Vorspannkraft wirkt, um die Blätter (1 ) um ihre Verstellachsen zu drehen, bis diese mit einer festen Stoppvorrichtung in Kontakt kommen, welche positioniert ist, um sie in einem zuvor gewählten Anstellwinkel zu halten. -
10 zeigt einen Seitenriss des Turbinenrotors, wobei die Membran (7 ) durchbogen ist, um auf eine vorbelastete Feder Vorspannung aufzubringen, um die Blätter (1 ) gegen die festen Stoppvorrichtungen zu halten, bis das Verstellmoment ausreicht, um eine Änderung des Blattanstellwinkels zu bewirken. Daher ist die Membran in der Lage, die Funktion der im vorangehenden Fall erwähnten vorbelasteten Feder zu ersetzen. Sie bietet außerdem einen Grad der Anstellwinkel-Verbindung, der das zuvor beschriebene Anstellwinkel-Verbindungssystem ersetzen kann. - Die Anstellwinkel-Regelungsmembran (
7 ) ist außerdem so angeordnet, dass die gesamte Kraft des vorherrschenden Windes auf sie einwirkt. Eine sorgfältige Bemessung dieser Fläche ermöglicht, dass auf den äußeren Kranzrand (6 ), der mit den Verstellarmen verbunden ist, welche die Blattverstellung regeln, eine vorhersagbare zusätzliche Axialkraft aufgebracht wird. Somit bewegt der aerodynamische Widerstand dieser Fläche bei starkem Wind die Blätter automatisch in eine Strömungsabrissposition. Dieses System kann verwendet werden, um die Windturbine bei starkem Wind anzuhalten. - Die axiale Bewegung der Fläche in Verbindung mit der Änderung des Anstellwinkels des Blatts ermöglicht, dass die Fläche zu einer zu der Änderungsrate des Blattanstellwinkels proportionalen Dämpfungskraft beiträgt. Diese Dämpfungskraft geht aus den Änderungen der Windgeschwindigkeit hervor, die auf die Membran aufgrund ihrer Bewegung einwirken, und dies kann wesentlich zur Verbesserung des dynamischen Verhaltens des Verstellsystems beitragen.
Claims (13)
- Windturbine, bei welcher zumindest ein Blatt (
1 ) so angeordnet ist, dass es in Richtung Strömungsabriss gegen die Wirkung einer Feder oder einer anderen elastischen Vorrichtung (7 ,15 ) verstellbar ist und außerdem so, dass die auf das Blatt (1 ) einwirkende Zentrifugalbelastung oder ein oder mehrere an diesem optional befestigte Komponenten gegen die Feder (7 ,15 ) so in einer Richtung wirken, dass durch Verstellen des Blatts (1 ) in Richtung Strömungsabriss die Leistung vermindert wird und dass außerdem die durch den Generator oder eine andere Leistungsumwandlungsvorrichtung aufgebrachte Drehmomentbelastung so wirkt, dass das Blatt (1 ) in die entgegengesetzte Richtung verstellt wird, um die Höhe der Leistungsverminderung immer dann zu verringern, wenn die Leistung der Windturbine entzogen wird, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest ein Blatt (1 ) eine Verstellachse (X-X) aufweist, welche seitlich versetzt ist, sodass sie nicht die Hauptrotationsachse der Windturbine (Z-Z) schneidet, sowie einen Massenschwerpunkt (m) und einen aerodynamischen Mittelpunkt, welche gegenüber der Verstellachse (X-X) in der zur Rotationsachse der Windturbine (Z-Z) parallelen Richtung versetzt sind. - Windturbine nach Anspruch 1 mit zwei oder mehr Blättern (
1 ), wobei der Anstellwinkel aller Blätter (1 ) durch ein gemeinsames Anstellwinkel-Verbindungssystem aneinander angeglichen wird. - Windturbine nach Anspruch 2, wobei die Verbindung durch eine Platte (
17 ) hergestellt ist, welche sich um dieselbe Achse dreht wie der Windturbinenrotor. - Windturbine nach Anspruch 1 mit zwei oder mehr Blättern (
1 ), deren einzelne Blätter (1 ) an zwei als die „Blatt-End"- und die „Außen"-Verbindung bezeichneten Positionen (11 ,12 ) befestigt und so angeordnet sind, dass bei allen Blättern die Blatt-End-Verbindung (11 ) eines Blatts (1 ) benachbart zu der Außen-Verbindung (12 ) des nächsten Blatts (1 ) liegt oder mit dieser übereinstimmt. - Windturbine nach Anspruch 4, deren Blätter (
1 ) direkt am Rotor eines Direktantrieb-Generators befestigt sind. - Windturbine nach Anspruch 1 mit mehr als einem Blatt (
1 ), wobei die Blätter (1 ) miteinander mittels Elementen (5 ) verbunden sind, welche an einem Ende mit dem Blatt (1 ) so verbunden sind, dass sie sich mit Änderungen des Anstellwinkels des Blatts (1 ) drehen, und am anderen Ende mit einem starren Kranz (6 ), welcher radial begrenzt ist, sich jedoch um die Rotorachse drehen kann und somit eine gleiche Anstellwinkeländerung sämtlicher Blätter (1 ) sicherstellt. - Windturbine nach Anspruch 6, wobei der die Verstellarme der Blätter verbindende Kranz (
6 ) durch ein elastisches Element (7 ) axial begrenzt ist, welches eine Vorspannkraft aufbringt, sodass eine axiale Wegbewegung aus seiner Gleichgewichtsposition zu einem Widerstand führt aufgrund seiner Durchbiegung, welche auf die axiale Komponente des durch das Ende des mit dem Kranz (6 ) verbundenen Verstellarms (5 ) beschriebenen Bogens einwirkt, um der Drehung des Blatts (1 ) um seine Verstellachse entgegenzuwirken. - Windturbine nach Anspruch 7, wobei feste Stoppvorrichtungen vorgesehen sind, um den Ausgangsanstellwinkel der Blätter (
1 ) einzustellen und eine Vorlast auf das elastische Element aufzubringen, um die Blätter (1 ) bis zum Erreichen einer gewählten Verstellbewegung im Nenn-Anstellwinkel zu halten. - Windturbine nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei der die Verstellarme (
5 ) der Blätter verbindende Kranz (6 ) mit einer kreisförmigen Membran (7 ) verbunden ist, welche aus einer Ebene heraus elastisch durchbiegbar ist, sodass eine axiale Wegbewegung aus ihrer Gleichgewichtsposition zu einem Widerstand führt, welcher proportional zu ihrer Durchbiegung ist, welche auf die axiale Komponente des durch das Ende des mit dem Kranz (6 ) verbundenen Verstellarms (5 ) beschriebenen Bogens einwirkt, um der Drehung des Blatts (1 ) um seine Verstellachse entgegenzuwirken. - Windturbine nach Anspruch 9, wobei die Membran (
7 ) einer Vorlast ausgesetzt wird, indem die Blätter (1 ) durch Verwendung von festen Stoppvorrichtungen daran gehindert werden, sich über einen bestimmten Punkt hinaus zu verstellen, und indem der axial aus seiner undurchbogenen Position herausbewegte mittlere Abschnitt der Membran (7 ) gesichert wird. - Windturbine nach einem der Ansprüche 6 bis 10, wobei der Kranz (
6 ) mit einer Fläche (7 ) verbunden ist, welche bezogen auf die Windrichtung so angeordnet ist, dass sie aufgrund ihres wesentlichen dynamischen Widerstands eine Axialkraft auf den Kranz (6 ) aufbringt, welche in Abhängigkeit von der Windgeschwindigkeit variiert. - Windturbine nach Anspruch 11, wobei die durch die Fläche (
7 ) aufgebrachte Kraft derart wirkt, dass die Enden der Verstellarme (5 ) axial bewegt werden, wodurch eine Verstellung der Blätter (1 ) bewirkt wird. - Windturbine nach Anspruch 11 oder Anspruch 12, wobei der axialen Bewegung der Fläche (
7 ), welche aus einer Änderung des Anstellwinkels der Blätter (1 ) aufgrund der Drehung derselben um ihre Verstellachsen resultiert, durch eine zur Geschwindigkeit der axialen Durchbiegung proportionale Kraft aufgrund des Luftwiderstands der Fläche (7 ) entgegengewirkt wird, wodurch eine Dämpfungskraft aufgebracht wird, um schnellen Änderungen des Blattanstellwinkels entgegenzuwirken.
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