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Windkraftanlage, insbesondere zum Antrieb einer Kolbenpumpe Die Erfindung
erstreckt sich auf eine Windkraftanlage, bestehend aus einem Windrad und einer von
diesem angetriebenen Arbeitsmaschine, vorzugsweise einer Kolbenpumpe. Bei den bekannten
Anlagen dieser Art wird die Drehbewegung der Windradwelle, gegebenenfalls unter
Zwischenschaltung einer Zahnraduntersetzung, durch ein Kurbelgetriebe in eine vertikale
Translationsbe-#vegung des Pumpenantriebsgestänges umgewandelt. Es ist auch bereits
bekannt, die Kurbelgetriebe durch Anordnung mehrerer Anschlußaugen für die Pleuelstange
auf verschiedene Kurbelradien einstellbar auszubilden, um den Pumpenhub der jeweiligen
Förderhöhe und/oder den am Aufstellungsort herrschenden Windverhältnissen anpassen
zu können. Diese Einstellung kann jedoch nur bei stillstehender Anlage nach öffnung
des Getriebegehäuses am @Viildmotorkopf vorgenommen werden und erfolgt im allgemeinen
nur einmalig bei der Montage für die gesamte Betriebszeit.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, dde von einem Windmotor
bei wechselnden Windgeschwindigkeiten dargebotene Energie in einem größeren Bereich
der häufigsten Windgeschwindigkeiten möglichst vollständig in nutzbare mechanische
Arbeit der angetriebenen Arbeitsmaschine, vorzugsweise in Form einer Kolbenpumpe,
umzuwandeln. \'on den verschiedenen, zur Flüssigkeitsförderung bekannten Vorrichtungen
eignet sich nämlich die Kolbenpumpe grundsätzlich deswegen am besten für den Betrieb
durch einen Windmotor, weil ihr Wirkungsgrad, im Gegensatz z. B. zu Kreiselpumpen
aller Art, von der Arbeitsgeschwindigkeit weitgehend unabhängig ist. Auf der anderen
Seite paßt jedoch die Leistungsaufnahme einer Kolbenpumpe in Abhängigkeit von der
Hubzahl,
die in erster Näherung linear mit der Hubzahl ansteigt,
nur schlecht zu der mit der 3. Potenz seiner Drehzahl anwachsenden verfügbaren Leistung
eines Windmotors, sofern die Pumpe, wie bisher allgemein üblich, mit gleichbleibendem
Hub betrieben wird. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, das Anlaufverhalten
von `Windpumpanlagen, insbesondere für größere Förderhöhen, zu verbessern, die eine
verhältnismäßig hohe Anfahrkraft benötigen, während das verfügbare Anlaufdrehmoment
besonders von schnelläufigen Windmotoren mit wenigen schmalen Flügeln, die beste
Wirkungsgrade im Betrieb aufweisen, nur klein ist.
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Gemäß der Erfindung wird der Kraftbedarf der Arbeitsmaschine an die
verfügbare Leistung des Windmotors bei unterschiedlichen Windgeschwindigkeiten dadurch
angepaßt, daß zwischen Windrad und Pumpe ein Regelorgan zur selbsttätigen Veränderung
des wirksamen Kolbenhubes in Abhängigkeit von der Arbeitsgeschwindigkeit eingeschaltet
ist. Auf diese Weise gelingt es, das Windrad nahezu unbelastet schon bei sehr geringen
Windgeschwindigkeiten zum Anlaufen zu bringen und die Arbeitsaufnahme der Pumpe
durch selbsttätige Veränderung des wirksamen Kolbenhubes zwischen Null und einem
konstruktiv bedingten Höchstwert der jeweils vom Windmotor angebotenen Energie anzupassen.
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Für das Regelorgan zur selbsttätigen Veränderung des wirksamen Kolbenhubes
gibt es eine Vielzahl konstruktiver Ausführungsmöglichkeiten. So kann das Regelorgan
z. B. als ein Kurbelgetriebe mit während des Betriebes durch eine Schraub Spindel
veränderlichem Kurbelradius ausgebildet werden. Besondere Vorteile ergeben sich
jedoch durch die Ausgestaltung des Regelorgans als ein Nockenantrieb mit veränderlichem
Hut>. Während nämlich bei jedem Kurbelantrieb das Pumpenantriebsgestänge im Verlauf
einer Kurbelumdrehung zwangläufig je einen Aufwärts- und Abwärtshub von gleicher
Dauer und mit sinusförmigem Geschwindigkeitsverlauf macht, wodurch in Verbindung
mit einer einfachwirkenden Pumpe nur etwa 5o% der Windenergie zur Arbeitsleistung
herangezogen werden können, lassen sich bei Verwendung eines Nockenantriebes mit
unsymmetrischer Nockenform der Arbeits- und Rückhub der Pumpe beliebig z. B. so
verteilen, daß 75 % jeder Nockenumdrehung auf den Aufwärts- (Arbeits-) und nur 250/9
auf den Abwärtsweg des Kolbens entfallen.
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Im weiteren Ausbau der Erfindung läßt sich die Hubhöhe bei Verwendung
eines Nockenantriebes dadurch in weiten Grenzen verändern, daß der Antriebsnocken
als ein in Abhängigkeit von der Windraddrehzahl selbsttätig in Achsrichtung verstellbarer
Kurvenkörper ausgebildet wird. Bei dieser Ausgestaltung läßt sich allein durch die
Formgebung des Kurvenkörpers ein besonders leichter Anlauf des Windrades erzielen,
indem das eine Ende des Kurvenkörpers mit einem konzentrisch zur Drehachse verlaufenden
Querschnitt ausgeführt wird, der allmählich in eine immer höhere Nockenform übergeht,
so daß sich der Pumpenhub bei einer zusätzlichen Längsverschiebung des Kurvenkörpers
in seiner Achsrichtung stetig von Null bis zu seinem durch die N ockenhöhe bestimmten
Größtwert verändert.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung, die sich besonders
für langsam taufende Windräder mit höherem :@nlaufdrehmoment eignet, besteht das
Regelorgan aus einer in das Pumpenantriebsgestänge eingeschalteten hubveränderlichen
Kupplung. Eine solche mit geschwindigkeitsabhängigem Gesperre arbeitende Kupplung
ermöglicht ebenfalls ein Anlaufen des Windrades bei in Ruhe verbleibender Pumpe,
die erst von einer bestimmten Geschwindigkeit des antreibenden Gestängeteils ab
mitgenommen wird. Durch Verwendung einer Antriebsnockenform, die dem Gestänge eine
während jedes Arbeitshubes zunehmende Geschwindigkeit erteilt, läßt sich auch mit
Hilfe einer solchen Kupplung eine allmähliche Vergrößerung des wirksamen Kolbenhubes
in Abhängigkeit von der Arbeitsgeschwindigkeit erzielen.
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Eine besonders einfache Ausführungsform der hubveränderlichen Kupplung
besteht in deren Gestaltung als flüssigkeitsgefüllter Federkörper mit in Abhängigkeit
von der Arbeitsgeschwindigkeit z. B. durch eine federnde Ventilplatte verschließbaren
Öffnungen, die in einen Flüssigkeitsausgleichsbehälter führen. Diese Bauform zeichnet
sich durch eine Mindestzahl beweglicher Teile aus und bietet dadurch die Gewähr
für größte Zuverlässigkeit im Dauerbetrieb der Windpumpanlage.
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Schließlich liegt es auch im Rahmen der Erfindung, den wirksamen Kolbenhub
durch Anordnung eines geschwindigkeitsabhängigen Druckventils unmittelbar am Pumpenkolben
zu verändern, wobei das Ventil während kleiner Kolbengeschwindigkeiten geöffnet
bleibt und sich erst hei zunehmender Arbeitsgeschwindigkeit schließt.
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In der Zeichnung sind drei Ausführungsbeispiele der Erfindung in sechs
Abbildungen dargestellt. Von diesen zeigt im einzelnen Abb. t eine Windpumpanlage
mit hubveränderlichem Nockenantrieb in Form eines verstellbaren Kurvenkörpers im
Längsschnitt, Abb. 2 die gleiche Windpumpanlage um 9o° gedreht teils im Schnitt,
teils in Ansicht, Abb. 3 einen Teillängsschnitt durch eine andere Windpumpanlage
mit hubveränderlichem Nockenantrieb in Form einer in das Antriebsgestänge eingeschalteten
hydraulischen Kupplung, Abb. 4 einen Längsschnitt durch die hydraulische Kupplung
gemäß Abb. 3 in vergrößertem Maßstab, Abb. 5 ein Geschwindigkeit-Weg-Diagramm für
einen Nockenantrieb und Abb. 6 die Anordnung eines in Abhängigkeit von der Arbeitsgeschwindigkeit
schließenden Druckventils am Pumpenkolben.
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Bei der Windpumpanlage nach den Abb. i und 2 treibt ein schnelläufiges
Windrad, bestehend aus Flügeln i und einer Nabe 2, über eine Windradwelle 3 und
ein Zahnradvorgelege4, 5 einen auf der Antriebswelle 6 verschiebbar angeordneten
Kurvenkörper 7 an, der über eine Rolle 8, eine durch einen
Lenker
9 im Schwenkkopfkörper io geführte Stoßstange i i, einen am Windradmast 12 gelagerten
1'mlenkhebel 13 und ein Gestänge 14 den Kolben 15 einer Pumpe 16 betätigt. Der Kurvenkörper
7 ist auf der Antriebswelle 6 gegen Drehen durch eine Schiebekeilverbindung 17 gehindert,
dagegen in Richtung des Doppelpfeiles 18 leicht verschieblich gehaltert. Seine Verschiebung
in Richtung des Doppelpfeiles iS erfolgt durch eine Mitnehmerrolle i9, eine Stoßstange
20, die die hohleWindradwelle3 durchdringt, und durch über Umlenkrollen 21 geführte
Seile 22 mit Hilfe von in den Flügeln i angeordneten Fliehgewichten 23 bei ansteigender
Drehzahl nach rechts im Sinn einer Hubvergrößerung und beim Absinken der Drehzahl
durch eine Rückführfeder 24 im umgekehrten Sinn. Die Fliehgewichte 23 können dabei
gegebenenfalls gleichzeitig zur Betätigung von aerodynamischen Bremsen beim Überschreiten
der zulässigen Höchstdrehzahl benutzt werden. Der Kurvenkörper 7 besitzt an seinem
bei Stillstand der Anlage mit der Rolle 8 in Berührung stehendem Ende, wie in Abb.
i ausgezogen dargestellt, einen kreisförmigen, zur Antriebswelle 6 konzentrischen
Querschnitt, so daß die Stoßstange i i beim Anlaufen des Windrades völlig in Ruhe
bleibt. Mit zunehmender Windraddrehzahl wird der Kurvenkörper 7 allmählich nach
rechts verstellt, wobei die mit zum linken Ende hin wachsender Pfeilhöhe gestaltete
Nockenform der Stoßstange i i und damit auch dem Pumpenkolben 15 einen immer wachsenden
Hub bei jeder Umdrehung der Antriebswelle 6 erteilt.
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Bei der in den Abb. 3 und 4 dargestellten Windpumpanlage treibt ein
vorzugsweise als Langsamläufer (u!z,- il ausgel>ildetes@@'indrad4i die'Nockenwelle
42 mit einem festen Betätigungsnocken 43 für das Pumpenantriebsgestänge 44 unmittelbar
an. Der Hub des Pumpenantriehshebels 13 wird in diesem Fall mit Hilfe einer hydraulischen
Kupplung 25 der jeweiligen Windraddrehzahl a.ngepaßt. In Abb.4 ist die Kupplung
in vergrößertem Maßstab im Längsschnitt veranschaulicht. Diese besteht in der Hauptsache
aus einem Federkörper 26, der an seinen Enden durch Böden 27 und 28 abgeschlossen
wird. Mit dem Boden 27 ist ein Führungsbolzen 29 fest verbunden, dessen abgesetzter
Teil 3o den Boden 28 mit Schiebesitz durchdringt und mittels einer Mutter 31 die
relative Beweglichkeit der beiden Böden 27 und 28 nach der einen Seite begrenzt.
während der Bund 32 den Anschlag für die Zusammendrückung des Federkörpers bildet.
In dem oberen Boden 28 sind Öffnungen 33 angeordnet, die in einen ebenfalls allseitig
dicht geschlossenen Behälter 34 führen und mit einer Ventilplatte 35 verschließbar
sind. Der Federkörper 26 und ein Teil des Ausgleichsbehälters 34 sind mit einer
Flüssigkeit, z. B. Stoßdämpferöl, gefüllt, die durch eine fest verschließbare Einfüllöffnung
36 eingebracht werden kann. Die Größe und Anzahl der Öffnungen 33 sowie die Form
des Bodens 28 und die Steifigkeit der Ventilplatte 35 sind mit der Form des Antriebsnockens
43 so abgestimmt, daß beim Anlauf des Windrades 41 die Stoßstange 44 mit dem Behälter
34 und dem oberen Boden 28 der hydraulischen Kupplung sich ohne großen Widerstand
unter Zusammendrückung des Federkörpers 26 bewegen lassen, wobei ein Teil dessen
Flüssigkeitsfüllung durch die Öffnungen 33 in den Ausgleichsbehälter 34 überströmt
und bei der anschließenden Wiederverlängerung des Federkörpers nach dem Überschreiten
des Nockenhöchstpunktes in den Federkörper zurückfließt.
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Der Nocken 43 ist dabei so geformt, daß der Stoßstange 44 während
etwa '!4 Umdrehung des Windrades 41 und der Welle 42 eine beschleunigte Bewegung
erteilt wird, wie in dem Geschwindigkeit-Weg-Diagramm der Abb.5 veranschaulicht
ist. Von den vier verschiedenen Windraddrehzahlen entsprechenden Schaulinien ni
bis n4 gehört die unterste, nj, zum Leerlaufbetrieb, in dem die größte auftretende
Geschwindigkeit noch unterhalb der Schließgeschwindigkeit des Überströmventils vsenl
bleibt. Bei einer auf n2 gesteigerten Drehzahl des Windrades schließt das Ventil
zunächst erst kurz vor dem Erreichen des höchsten Nockenpunktes und veiursacht durch
den dann wie ein starrer Körper wirkenden flüssigkeitsgefülltenFederkörper 26 einen
verhältnismäßig kleinen Ausschlag des Umlenkhebels 13 und des von diesem angetriebenen
Gestänges 14 und Pumpenkolbens 15. Mit weiter ansteigender Drehzahl, entsprechend
der Linie n$, erfolgt das Schließen der Öffnungen 33 durch die Ventilplatte 35 immer
früher bei jedem Nockenspiel, wodurch sich der Hub des Gestänges 14 und des Kolbens
15 entsprechend vergrößern. Von einet bestimmten Drehzahl n4 ab werden die Öffnungen
33 so kurz nach Beginn des Arbeitshubes verschlossen, daß die hydraulische Kupplung
angenähert wie eine starre Verbindung wirkt und den vollen Arbeitshub entsprechend
der ganzen Nockenhöhe und dem gewählten Übersetzungsverhältnis des Umlenkhehels
13 auf das Gestänge 14 und den Kolben 1; überträgt.
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In der Abh. 6 ist schließlich die Anordnung eines in Abhängigkeit
von der Arbeitsgeschwindigkeit schließenden Druckventils 37 am Pumpenkolben 15 gezeigt,
durch das vor allem bei Windpumpanlagen mit geringerer Förderhöhe eine besondere
hydraulische Kupplung im Antriebsgestänge ersetzt werden kann, wenn man eine gewisse
Vergrößerung der beim Anlaufen zu beschleunigenden Massen und Erhöhung der Reibung
durch das sich im Leerlauf mitbewegende gesamte Antriebsgestänge einschließlich
des Kolbens in Kauf nimmt.