DE951709C

DE951709C - Fluegel-Verstelleinrichtung fuer Windkraftanlagen

Info

Publication number: DE951709C
Application number: DEH14087A
Authority: DE
Inventors: Fritz Huebner
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1952-10-10
Filing date: 1952-10-10
Publication date: 1956-10-31

Description

Flügel -Verstelleinrichtung für Windkraftanlagen Eine selbsttätige F1ügefverstellung an Windrädern durch die Luftkraft erfolgt bekanntlich dadurch, daß die aerodynamische Schwerpunktslinie jedes Flügels aus seiner Verstellachse derart herausgerückt ist, daß die Flügel unter der Einwirkung der außermittig angreifenden Luftkräfte das Bestreben haben, sich entgegen einer vorgegebenen Rückstellkraft auf große Steigung zu verstellen, sobald die höchstzulässige Windstärke überschritten wird. Bei Anwendung dieses Verstellprinzips treten jedoch nachteilige Schwingungen - das »Flattern« - der Flügel auf, die mit bekannten Dämpfungsmitteln nicht ohne weiteres beseitigt werden konnten. Denn alle bekannten, mit der vorliegenden Erfindung in Vergleich zu setzenden Flügelverstelleinrichtungen an Windrädern haben eine für beide Verstellrichtungen gleiche Charakteristik. Wurde bei ihnen die Dämpfung genügend fest gewählt, um das Flattern der Flügel zu, verhindern, dann war das Windrad nicht mehr böennachgiebig, und die den Winddruck aufnehmenden Teile mußten unnötig schwer' gewählt werden; war die Dämpfung mit Rücksicht auf Böennachgiebigkeit entsprechend weich, dann trat das gefährliche Flattern der Flügel auf. Dieser Mangel soll durch die vorliegende Erfindung überwunden werden.
Die Flügelverstelleinrichtung gemäß der Erfindung unterscheidet sich vom Bekannten dadurch, daß an Stelle der üblichen Dämpfer zur Stabilisierung der Flügelstellung eine nach der einen Verstellrichtung stärker wirkende Dämpfung vorgesehen ist; und zwar ist diese Dämpfungseinrichtung so ausgebildet, daß bei stärker werdendem Wind, also wenn die Flügel sich in Richtung »große Steigung« bewegen, kein Verstellwiderstand auftritt oder darüber hinaus die Verstellbewegung unterstützt wird. Bei nachlassendem Wind, wenn die Flügel sich wieder auf »kleine Flügelsteigung« drehen wollen, bietet die Dämpfungseinrichtung einen großen Verstellwiderstand, und/oder die Verstellbewegung setzt nur langsam bzw. verzögert ein. Eine damit verbundene geringe Abweichung vom idealen Betriebsverhalten während des Verstellvorganges wird zugunsten einer erhöhten Betriebssicherheit in Kauf genommen.
Ferner ist zu bemerken, daß bei bekannten Windrädern mit selbsttätiger, von der Luftkraft abhängiger Flügelverstellung, die durch Dämpfung stabilisiert werden soll, eine Änderung der Dämpfungscharakteristik nur vorgenommen werden kann, _wenn die Anlage außer Betrieb ist und wichtige Zubehörteile vorher entfernt sind. Bei der Verstelleinrichtung gemäß der Erfindung kann dagegen eine Änderung der Dämpfungswirkung von außen ohne Abbau wichtiger, zur Betriebsbereitschaft gehöriger Teile, unter Umständen sogar während des Betriebes vorgenommen werden.
Der unterschiedliche Dämpfungseffekt kann durch jedes beliebige Mittel, z. B. Fliehgewichte, Federn oder hydraulische Einrichtungen, hervorgerufen werden. Die unterschiedliche Wirkung in beiden Verstellrichtungen wird bei Fliehgewichten und Federn durch Anordnung einer geeigneten Steilgewindeführung zwischen Schwingsystem und Gegenkraft und bei hydraulischer Dämpfung durch Anwendung entsprechender- Öffnungen und einseitig wirkender Ventile herbeigeführt.
Abb. i stellt ein Ausführungsbeispiel der Flügelverstelleinrichtung mit unmittelbar durch Fliehgewichte wirkender Dämpfungseinrichtung innerhalb der einzelnen Verstellflügel dar; Abb. 2 zeigt eine Flügelverstelleinrichtung mit durch Federkraft bewirkter unterschiedlicher Dämpfung; Abb.3 zeigt eine Flügelverstelleinrichtung mit einerDämpfungseinrichtung, die unter derWirkung eines an sich bekannten. Fliehkrattpendels steht.
Ahb. q. zeigt ein Beispiel für eine hydraulische Dämpfungseinrichtung.
Die nur andeutungsweise dargestellten Windradflügel i sind mit ihren Verstellruten 2 in den Rutenhaltern 3 drehbar gelagert. Im Innern der Nabe q., die mit der Windradwelle 5 eine bauliche Einheit bildet, wird die Drehbewegung beim Verstellvorgang über eine bekannte Zapfenanordnung 6 in eine Längsbewegung übergeführt und auf die Stange 7 übertragen, die mit einem bekannten Kraftspeicher, z. B. einer Feder 8, verbunden ist. Dabei ist zu bemerken, daß die dem Luftkraftmoment entgegenwi,rkerde Kraft auch z. B. durch die Last der angetriebenen Maschine oder durch eine Kombination von zwei Teilkräften zustande kommen kann. Eine Feder 8 bzw. 8" (Abb. 3) ist in den Abb. i bis q. nur beispielsweise gewählt, um das Schwingsystem zu veranschaulichen.
Die Dämpfungseinrichtung ist gemäß Abb. i durch die Fliehgewichte 9 gegeben, deren Geradführung durch die am Rutenhalter 3 befestigte Führungsleiste io erfolgt und die im Eingriff mit den an den Ruten 2 befindlichen Steilgewindeführungen i i stehen. Letztere sind so steil gehalten, daß der gewünschte einseitig wirkende Dämpfungseffekt bei gleichzeitig geringer Masse der Fliehgewichte erreicht wird. Im übrigen kann die Geradführung bzw. Führungsleiste io auch an den Kuten 2 und die Steilgewindeführung i i am Rutenlialter 3 angebracht werden, ohne daß sich am Prinzip etwas ändert.
Im Betriebe haben die Fliehgewichte 9 stets das Bestreben, sich nach außen zu bewegen und drücken dabei dauernd gegen die Gewindeführung i i, und zwar so, daß sie das Verstellen der Flügel auf große Steigung unterstützen, also auf die Flügelruten 2 im gleichen Drehsinn wirken wie der Winddruck, während die Feder 8 in entgegengesetzter Richtung angreift. Wird nun die vorgegebene maximale Windstärke überschritten, dann überwiegen der Winddruck und die Kraft der Fliehgewichte, und die Flügel verstellen sich auf größere Steigung. Bei nachlassendem Winde überwiegt zwar sofort die Federkraft, aber infolge der Steilheit der Gewindeführung, in Verbindung mit der Gleitreibung der Fliehgewichte, ist für die Rückverstellung der Flügel auf kleinere Steigung ein größerer Kraftaufwand nötig, so daß die Flügelrückverstellung verzögert wird; denn die Fliehgewichte drücken ständig nach außen und folgen infolge der Fliehkraft hei der geringsten Verstellung der Flügel auf große Steigung sofort nach, setzen aber der Rückverstellung einen Widerstand entgegen, da sie entgegen der Fliehkraftwirkung bewegt werden müssen.
Auf Grund der durch die Steilgewindeführung i i gegebenen »übersetzung« ist auch ein Rütteln der Flügel um den Betrag eines etwaigen Leerganges an den Führungsleisten io ausgeschlossen; denn die Fliehgewichte drücken im Betriebe wie Keile gegen die 'Führungsleisten io und das Gewinde i i. Da die Fliehgewichte nur dämpfend wirken sollen, ist ihre Masse im Gegensatz zur bekannten Flügelverstellung durch Fliehgewichte klein.
In Abb. 2 ist eine in gleichem Sinne wirkende Steilgewindeführung im Innern der Nabe q. zentral angeordnet. Sie besteht aus einer Büchse i2 mit Innengewinde, die mit einem Zapfen 6 der Flügelrute im Eingriff steht, wobei die Büchse die Stelle der in Ahb. i dargestellten Stange 7 einnimmt und sich im übrigen beim Verstellvorgang bewegt wie diese. Dabei wirkt die Büchse 12 auf die Feder 8 ein. Innerhalb der Büchse ist ein mit einem Außengewinde versehener Zapfen 13 an der Nabe 4. bei 1q. drehbar gelagert, gegen Längsbewegung gesichert und mit einer Torsionsfeder 15 verbunden, an deren anderem Ende sich eine Einstellvorrichtung 16 befindet. Es ist dadurch möglich, die den dämpfenden Effekt auslösende Kraft von außen her zu beeinflussen, ohne daß zu diesem Zweck vorher wichtige, zur Betriebsbereitschaft gehörige Teile abgebaut werden müssen.
Die Steigung des Gewindes zwischen der Büchse 12 und dem Zapfen 13 wird zweckentsprechend gewählt, wodurch im wesentlichen derselbe Effekt erzielt wird wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Abb. i. Der Unterschied besteht nur darin, daß sich die dämpfende Wirkung bei den Fliehgewichten 9 gemäß Abb. i mit .der Windraddrehzahl ändert, während sie bei Verwendung einer Feder 15 gemäß Abb.2 von der Windraddrehzahl im wesentlichen unabhängig bleibt und lediglich bei Entspannung derselben etwas nachläßt.
Entsprechendes gilt auch für das Ausführungsbeispiel gemäß Abb. 3, bei dem die zum Flügelrückstellsystem gehörige Feder 8" nicht längs belastet, sondern durch eine Kegelradübersetzung 17 auf Drehung beansprucht wird. Sie .ist deshalb in der Abb. 3 etwas anders dargestellt. Mit dem bei 1d. unverschieblidh, aber drehbar gelagerten Kegelrad 17 ist eine mit Innengewinde versehene I. _ichse 12 verbunden, an der die Torsionsfeder 8, angreift, während der Zapfen 13 mit Außengewinde die Längsbewegung ausführt und über die Stange i8 mit einem bekannten Fliehkraftpendel i9 als Erzeuger der dämpfenden Kraft verbunden ist.
Abb.4 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine einseitig wirkende hydraulische Dämpfungseinrichtung. Das Flügelrückstellsystem ist wie in Abb. i dargestellt. Der einseitige Dämpfungseffekt wird durch eine in einem Zylinder 21 befindliche Flüssigkeit (Öl) 24. ausgelöst, gegen die ein Kolben 22 drückt, auf den die Verstellbewegung des Rück-§tellsystems mittels einer Stange 2o übertragen wird. Dieser Kolben 22 hat eine kleine Öffnung 23 ohne Ventil, durch die die Flüssigkeit 24 in beiden Bewegungsrichtungen gleichmäßig hindurchfließen kann. Eine weitere große Öffnung 25 im Kolben 22 ist mit einem Ventil 26 versehen, das sich bei Bewegung nach der einen Richtung in bekannter Weise öffnet, so daß die Kolbenbewegung bzw. Flügelverstellung wegen des verminderten Widerstandes schnell erfolgen kann, während es sich bei entgegengesetzter Verstellrichtung in bekannter Weise schließt. Ein Durchfluß ist dann nurmehr durch die kleine Öffnung 23 möglich, die einen großen Widerstand bietet, so daß das Verstellen der Flügel auf kleine Steigung entsprechend langsam bzw. verzögert erfolgt.
Statt der Dämpfungseinrichtung gemäß Abb. q. kann auch eine Ausführung mit Drehkolben oder mit einem bekannten Membranrohr verwendet werden, wobei das letztere den Vorteil bietet, daß keine Abdichtungen erforderlich sind. Am grundsätzl-ichen Erfindungsgedanken ändert sich durch derartige Abwandlungen nichts.

Claims

-PATENTANSPRÜCHE: i. Flügelverstelleinrichtung tür Windkraftanlagen, bei der sich die Windradflügel infolge des an den Flügeln auftretenden Luftkraftmomentes bezüglich ihrer Verstellachse in Abhängigkeit von der Windgeschwindigkeit selbsttätig entgegen der .Wirkung eines Kraftspeichers oder eines Betriebslastmomentes verstellen und bei der die Verstellbewggung durch eine Dämpfungseinrichtung gedämpft wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfungsenrichtung in der Verstellrichtung »große.Flügelsteigung« keinen Verstellwiderstand bietet. oder darüber hinaus die Verstellbewegung . :rstützt und in der Verstellrichtunä »kleine Flügelsteigung« einen großen Verstellwiderstand bietet und/oder die Verstellbewegung verzögert einsetzen läßt.
2. Flügelverstelleinrichtung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß in der Windradnabe (3) auf jeder Flügelrute (2) in an sich bekannter Weise ein radial verschiebliches Fliehgewicht (9) angeordnet ist, das in zueinander geneigten Führungen (i o, i i) an der Flelrute und der Nabe z. B. einer Steilgewinueführung (i i) auf der Flügelrute und einer Geradführung (io) an der Nabe oder umgekehrt geführt ist, wobei die gegenseitige Neigung der Führungen in an sich bekannter Weise so ängeoranet ist, daß das Fliehgewicht unter der Einwirkung zunehmender Fliehkraft den Flügel auf größere Steigung zu verstellen sucht.
3. Flügelverstelleinrichtung nach Anspruch i, bei der die Flügel über ein Getriebe miteinander gekuppelt sind, das auf eine in der Drehachse der Nabe angeordnete Verstellstange wirkt, die entgegen der Wirkung des Kraftspeichers verstellt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstellstange als hohle Büchse (12) ausgebildet und innerhalb der Büchse ein in der Nabendrehachse drehbeweglich, aber in der Achsrichtung unverschieblich gelagerter Zapfen (13) angeordnet ist, der mit der höhlen Büchse durch ein Steilgewinde in Wirkungsverbindung steht, wobei der Zapfen mit einer unter Spannung stehenden Torsionsfeder (15) verbunden und das Steilgewinde so angeordnet ist, daß der unter Torsionsspannung stehende Zapfen die Flügel auf große Steigurig zu stellen sucht. q..
Flügelverstelleinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung der Torsionsfeder (i5) durch eine Einstellvorrichtung (16) von außen verändert werden kann.
5. Flügelverstelleinrichtung nach Anspruch i, bei der die Flügel über ein Kegelradgetriebe miteinander gekuppelt sind und entgegen der Wirkung eines Kraftspeichers verstellt werden, dadurch gekennzeichnet, daß das in der Windraddrehaehse drehbeweglich gelagerte Zentralrad (17) eine hohle Büchse (12) trägt und innerhalb der Büchse ein in der Nabendrehachse unverdrehbar, aber in der Achsrichtung längs verschieblich gelagerter Zapfen (13) angeordnet ist, der mit der hohlen Büchse durch ein Steilgewinde in' Wirkungsverbindung steht, wobei der Zapfen mit einem Fliehkraftpendel (i9) verbunden und. das Steilgewinde so angeordnet ist, daß der durch das Fliehkraftpendel längs verschobene Zapfen die Flügel auf große Steigung zu verstellen sucht.
6. Flügelverstelleinrichtung nach Anspruch i, bei der die Flügel über ein Getriebe miteinander gekuppelt sind, das auf eine in der Drehachse der Nabe angeordnete Verstellstange wirkt, die entgegen der Wirkung des Kraftspeichers verstellt wird und mit einer hydraulischen Dämpfungseinrichtung verbunden ist, die aus einem in einem Zylinder geführten Kolben besteht, dadurch gekennzeichnet, da$ der Kolben (22) mit einer kleinen Öffnung (23) und einer großen, mittels einseitig wirkendem Ventil (26) eerschließbaren Öffnung (25) versehen ist, wobei das Ventil (26) so angeordnet ist, daß es bei einer Verstellbewegung der Flügel auf kleine Steigung die Öffnung (25) verschließt. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 734 147, 477 371, 466 197, 805 388.