EP2567089A2 - Rotorblattverstelleinrichtung - Google Patents

Rotorblattverstelleinrichtung

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Publication number
EP2567089A2
EP2567089A2 EP11735969A EP11735969A EP2567089A2 EP 2567089 A2 EP2567089 A2 EP 2567089A2 EP 11735969 A EP11735969 A EP 11735969A EP 11735969 A EP11735969 A EP 11735969A EP 2567089 A2 EP2567089 A2 EP 2567089A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
rotor blade
hydraulic
emergency
adjusting device
motor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP11735969A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Wolfgang Schäfer
Martin Laube
Bastian Beckmann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP2567089A2 publication Critical patent/EP2567089A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D7/00—Rotors with blades adjustable in operation; Control thereof
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D7/00—Controlling wind motors 
    • F03D7/02—Controlling wind motors  the wind motors having rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor
    • F03D7/022—Adjusting aerodynamic properties of the blades
    • F03D7/0224—Adjusting blade pitch
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D7/00—Controlling wind motors 
    • F03D7/02—Controlling wind motors  the wind motors having rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor
    • F03D7/0264—Controlling wind motors  the wind motors having rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor for stopping; controlling in emergency situations
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2260/00—Function
    • F05B2260/40—Transmission of power
    • F05B2260/406—Transmission of power through hydraulic systems
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F05B2260/00—Function
    • F05B2260/70—Adjusting of angle of incidence or attack of rotating blades
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    • F05B2260/79—Bearing, support or actuation arrangements therefor
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    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction

Definitions

  • the present invention relates to a rotor blade adjusting device of a wind turbine according to the preamble of patent claim 1.
  • a wind turbine rotates by the buoyancy of the wind on the rotor blades, the wind power increases with the cube of the wind speed. This means for modern wind turbines that usually from a wind speed of about 9 m / s, the rotor power (generated by the buoyancy force) is greater than that
  • One possibility is basically the power output by a specifically initiated stall on the rotor blades when a certain exceeded
  • stall control is the simplest and also the oldest control system and is based on designing the rotor blade profile (i.e., its curvature) such that, for a given analytically determinable one
  • the problem of this type of control is that the rotor blade profile does not remain the same but changes in the course of the operating time due to weather conditions such as rain, ice / snow, wear, etc.
  • the stall wind speed can therefore not be determined exactly in advance, so that the design of the l Rotor blade profile is difficult. For this reason, stall limits are set so that the rated power is not reached to provide a safety buffer, which, however, degrades the power yield and hence the efficiency of the plant.
  • Another possibility of power limitation concerns the (active) rotation of the rotor blades (pitch), after which the regulation of the power in pitch-controlled
  • Wind turbines is ensured by the rotation of the rotor blades by means of the so-called pitch system.
  • pitch system the following flow-mechanical relationships are used:
  • the power coefficient of a rotor blade increases with the angle of attack (comparable to the wing of an aircraft). This means that a low angle of attack provides a low buoyancy force and consequently a lower power. With this principle, the power is now adapted by twisting (pitching) the rotor blades to the wind speed.
  • the rotor blades are basically rotated in the flag position. It has been found that even with a conventional wind rotor, which generally has three rotor blades, it is sufficient to pitch only one rotor blade in order to adapt the system to changing wind speeds. Incidentally, this mode of operation according to the above explanation also applies to the subject matter of the invention.
  • a pitch system of this type consisting of an electro-hydraulic actuator for controlling / regulating the rotational position of a rotor blade of a wind turbine.
  • the actuator has a function of the electric current and polarity speed and direction variable electric motor which drives a hydraulic pump via a motor shaft as the primary pressure medium source.
  • the pump thereby delivers a hydraulic fluid via a hydraulic circuit to a hydraulic motor, for example in the form of an actuating cylinder, which is arranged (together with the pump and the electric motor) within a rotor hub and operatively connected to a rotor blade for rotation about the longitudinal axis.
  • a hydraulic motor for example in the form of an actuating cylinder, which is arranged (together with the pump and the electric motor) within a rotor hub and operatively connected to a rotor blade for rotation about the longitudinal axis.
  • In the hydraulic circuit is another, secondary pressure medium source in the form of a
  • Integrated pressure accumulator which feeds a pressurized hydraulic fluid into the hydraulic circuit in the event of failure of the primary pressure medium source, so as to
  • EP 1 739 807 A2 discloses an electric actuator for a
  • the emergency energy supply device comprises one
  • Energy storage which provides a support voltage available here is less than 80% of the nominal operating voltage of the electrical circuit and is then switchable when the circuit voltage drops below this support voltage.
  • the object of the 'invention is to provide a rotor blade of a wind turbine provided which allows a simplified kinematics, with appropriate utilization of the advantages of an electric and hydraulic blade adjustment system.
  • This object is achieved by a rotor blade adjusting a wind turbine with the features of claim 1.
  • Advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.
  • a rotor blade adjusting a wind turbine is therefore proposed with a direction variable and preferably variable-speed motor-pump unit, which is fluidly connected via a hydraulic control / regulation with a hydraulic actuator, with at least one rotor blade of the wind turbine for its rotation about its Longitudinal axis is mechanically coupled.
  • the electrical control circuit of the motor-pump unit is equipped with an emergency power supply device that supplies at least the control circuit with electrical energy in case of failure of an external power grid.
  • an emergency power supply device that supplies at least the control circuit with electrical energy in case of failure of an external power grid.
  • the emergency power supply device as an accumulator or
  • the emergency power supply device for supplying power to the electrical Steuerkretses and the motor-pump unit is switchable. If, therefore, the power supply of the motor is interrupted, it can be maintained at least for emergency operation via the emergency power supply device.
  • Another aspect of the invention relates to the hydraulic control / regulation according to the invention, a hydraulic emergency operation device for supplying the
  • Hydraulic actuator with hydraulic pressure energy in case of failure or reduced power of the motor-pump unit has. If the electric drive motor of the hydraulic pump has a fault, the electric emergency Energy supply device ineffective. In this case, an auxiliary hydraulic pressure at least for an emergency (for rotating the at least one rotor blade in the
  • the rotor blade adjusting device is also equipped with a direction variable and preferably variable-speed motor-pump unit, which is fluidly connected via a hydraulic control / regulation with a hydraulic actuator.
  • the actuator is mechanically connected to at least one rotor blade for its pitch adjustment. It is intended to form the actuator as a pressure cylinder of the multi-chamber design (preferably three pressure chambers), wherein a pressure chamber is fluid-connected exclusively for the emergency with the pressure accumulator, whereas the other pressure chambers
  • FIG. 1 shows a block diagram relating to a rotor blade adjusting device of FIG
  • FIG. 3 shows a rotor blade adjusting device of a wind power plant according to a second preferred embodiment of the invention
  • FIG. 4 shows a rotor blade adjusting device of a wind power plant according to a third preferred embodiment of the invention.
  • FIG. 1 schematically shows a rotor blade adjusting device of a wind power plant according to the invention with a hydraulic system 1, preferably consisting of a
  • the rotor blade adjustment device has at least one,
  • an electric emergency storage 10 is provided, which is the electric drive
  • hydraulic control circuit 12 Electric control circuit 12 and possibly motor 8, which together form an electric servo drive supplied in the event of failure of a primary power grid with electrical energy sufficient for at least one emergency as defined above.
  • the hydraulics 1 may optionally also be equipped with a hydraulic emergency accumulator 14, which supplies the hydraulic system 1 with hydraulic energy, for example in the form of a hydraulic fluid flow .
  • This hydraulic Emergency memory 14 makes sense, for example, if the engine 8 is disturbed at the end of the electric drive chain and therefore an electrical emergency supply would be ineffective.
  • a not further illustrated rotor blade of a wind turbine is rotated by a synchronous cylinder 6 about its longitudinal axis, which is coupled via a likewise not shown lever mechanism with the rotor blade.
  • a pressure pump 16 is provided, which is connected in parallel to the cylinder 6, i. whose two ports are connected to a respective pressure chamber 6A, 6B of the cylinder 6.
  • the pressure pump 16 can thereby convey a hydraulic fluid in both directions, wherein the hydraulic fluid in the pressure chambers 6A, 6B of the cylinder is in each case only pumped around.
  • an (inverted) shuttle valve 18 is connected in a pressure pump bypass line 20 to which a surge tank 22 for tracking
  • a secondary pressure medium source for example in the form of a pressure accumulator 14 connected via a control valve 24, preferably an electromagnetically controlled (to be opened).
  • a control valve 24 preferably an electromagnetically controlled (to be opened). 2 / 2-way valve with this pressure chamber 6 B is fluid-connectable.
  • the pressure chamber 6 B opposite pressure chamber 6 A has an additional access 26 for
  • a switching valve 28 preferably an electromagnetic opening 2/2-way valve is interposed, which is spring-biased in a blocking position.
  • the pressure pump 16 is driven by an electric motor 8, which in turn is controlled controlled by an electrical circuit (driver circuit), not shown, such that the direction of rotation and preferably the speed of the motor 8 is variable.
  • the electrical circuit is equipped with an emergency power supply device in the form of a rechargeable battery, the electric circuit and possibly the electric motor 8 for a certain (limited) time or a certain max. Serving movement of the cylinder 6 can provide emergency power.
  • the pressure pump 16 is operated via the variable-speed and direction-variable electric motor 8 such that at least one rotor blade receives a specific pitch angle as a function of the wind force, in which the rotor power does not exceed the nominal power of the system. It should be mentioned that as an alternative to the variable-speed electric motor 8, the pressure pump 16 can be designed to be variable in displacement. To the variable-speed electric motor 8, the pressure pump 16 can be designed to be variable in displacement.
  • the electrical emergency power supply device is applied to the electrical circuit, wherein the electrical control circuit 12, the hydraulic circuit 4 is driven so that the cylinder 6 is pressurized for a rotation of the rotor blade in the flag position. If the electric motor 8 is disturbed, ie the connection of the electrical emergency power supply device have no effect, the hydraulic emergency operation device is activated. In this case, therefore, the electric current to all the directional control valves 24, 28 is interrupted, so that this by the corresponding spring bias be switched to the open position. Accordingly, the accumulator 14 is released via the upstream directional control valve 24 to the hydraulic control 4 and builds up a corresponding actuation pressure in the cylinder 6 for a rotation of the rotor blade in the flag position.
  • the chamber 6A Since the pump 16 is stopped, the hydraulic fluid from the chamber 6A can not escape via the pump 16. However, in this (emergency) case, the chamber 6A has direct access to the tank 22 via the directional control valve 28, so that hydraulic fluid is forced out of the chamber 6A into the tank 22 during the emergency movement of the cylinder.
  • Fig. 3 shows a second preferred embodiment of the invention, which corresponds in principle to the first embodiment described above, but dispenses with the arrangement of a hydraulic emergency device.
  • an electrical emergency power supply device is provided in order to energize the electric motor 8 for operating the hydrostatic transmission. Since no pressure accumulator is provided in the second embodiment, which is intended to effect a (pumpless) operation of the actuator 6, no external access with interposed 2/2-way valve between a pressure chamber 6A of the actuator 6 and the tank 22 is necessary, as this in first embodiment has been described.
  • FIG. 4 corresponds in principle to the first embodiment of the invention, but in which a multi-chamber cylinder 6, preferably a three-chamber cylinder is used for a rotation of the at least one rotor blade.
  • the pressure accumulator 14 is connected to the emergency operation of a single chamber 6B via the electromagnetically disclosed directional control valve 24, which is pressurized in this case, however, exclusively for rotating the rotor blade in the flag position in an emergency.
  • a pressure relief or access line 26 is connected to the (emergency) pressure chamber 6B, which leads directly to the tank 22 and in the likewise an electromagnetically disclosed 2/2-way valve 28th
  • the directional control valve 28 is energized in normal operation and thus in the open position, so that the piston can displace or suck in hydraulic fluid from the (emergency) pressure chamber 6B via the access line 26 during an axial movement.
  • Multi-chamber cylinder are connected to the two ports of the pump 16, so that the cylinder piston in response to the conveying direction of the pump 16 in a normal operation back and forth is movable.
  • These two pressure chambers 6A and 6C are also directly connected to each other via a short-circuit line into which a 2/2-way valve 30 to be opened electromagnetically is interposed.
  • the pressure pump bypass line 20 is arranged, in which the (inverted) shuttle valve 18 is interposed, which 'is fluidly connected to the tank 22.
  • the pump 16 is with the chambers 6A and 6C
  • the directional control valves 24, 28 and 30 are energized.
  • the valve 28 is opened and the valves 24 and 30 are closed. That the pressure accumulator 14 is separated from the chamber 6B and there is a connection via the line 26 between the tank 22 and the chamber 6B, while the chambers & A and & C are separated from each other.
  • the corresponding volume of fluid between the two chambers 6A and 6C is thus circulated and at the same time exchanged between the chamber 6B and the tank 22.
  • the memory 14 is connected to the chamber 6 B, while the chambers 6 A and 6 C are short-circuited to each other via the valve 30.
  • the pressure force acting on the chamber 6B by the accumulator pressure pushes the piston in FIG. 4 to the left (in feathering position).
  • the volume of oil from the chamber 6A is displaced to the chamber 6C. Possible differences in volume due to possible area ratios are exceeded by the
  • Electric control circuit 12 Emergency operation device / accumulator 14
  • Tank 22 control valve between accumulator and cylinder 24th

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Abstract

Offenbart wird eine Rotorblattverstelleinrichtung einer Windkraftanlage mit einer drehzahl- sowie richtungsvariablen Motor-Pumpeneinheit, die über eine hydraulische Steuerung/Regelung mit einem hydraulischen Aktor fluidverbunden ist. Der Aktor ist mit zumindest einem Rotorblatt der Windkraftanlage für dessen Verdrehung um seine Längsachse mechanisch gekoppelt. Zum Betreiben des Motors ist erfindungsgemäß ein eine Not-Energieversorgungseinrichtung umfassender elektrischer Steuerkreis vorgesehen.

Description

Rotorblattverstelleinrichtung
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Rotorblattverstelleinrichtung einer Windkraftanlage gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Eine Windkraftanlage dreht sich durch die Auftriebskraft des Windes an den Rotorblättern, wobei die Windleistung mit der dritten Potenz der Windgeschwindigkeit zunimmt. Dies bedeutet für moderne Windkraftanlagen, dass üblicher weise ab einer Windgeschwindigkeit von ca. 9 m/s die Rotorleistung (erzeugt durch die Auftriebkraft) größer ist als die
Nennleistung, sodass die Windkraftanlage in ihrer abgegebenen Leistung begrenzt werden muss, um Materialschäden insbesondere an den empfindlichen Rotorblättern zu vermeiden.
Grundsätzlich existieren im Stand der Technik zwei Hauptkonzepte der
Leistungsbeschränkung:
Eine Möglichkeit besteht grundsätzlich darin, die Leistungsabgabe durch einen gezielt eingeleiteten Strömungsabriss an den Rotorblättern bei Überschreiten einer bestimmten
Windgeschwindigkeit zu begrenzen. Diese sogenannte Stall-Regelung ist das einfachste und auch das älteste Regelungssystem und basiert darauf, das Rotorblattprofil (d.h. dessen Wölbung) so auszugestalten, dass bei einer bestimmten analytisch ermittelbaren
Windgeschwindigkeit (bei konstanter Drehzahl) Turbulenzen am Rotorblatt entstehen, wodurch sich der Auftrieb automatisch verringert und damit die Leistung der Anlage auf der Nennleistung gehalten werden kann. Das Problem dieser Regelungsart besteht jedoch darin, dass das Rotorblattprofil nicht gleich bleibt sondern sich im Lauf der Betriebszeit durch Witterungseinflüsse wie Regen, Eis/Schnee, Verschleiß, etc. verändert. Die Stall- Windgeschwindigkeit ist daher nicht exakt vorher bestimmbar, sodass die Auslegung des l Rotorblattprofils schwierig ist. Aus diesem Grund werden Stall-Grenzen so gesetzt, dass die Nennleistung nicht erreicht wird, um einen Sicherheitspuffer zu schaffen, wodurch sich jedoch die Leistungsausbeute und damit der Wirkungsgrad der Anlage verschlechtert. Eine Andere Möglichkeit der Leistungsbeschränkung betrifft die (aktive) Verdrehung der Rotorblätter (Pitch), wonach die Regelung der Leistung bei pitch-geregelten
Windkraftanlagen durch das Verdrehen der Rotorblätter mittels des sogenannten Pitch- Systems gewährleistet ist. Hierbei macht man sich folgende strömungsmechanische Zusammenhänge zunutze:
Im üblichen Betriebsbereich von Windkraftanlagen nimmt der Leistungsbeiwert eines Rotorblatts mit dem Anstellwinkel (vergleichbar zu dem Tragflügel eines Flugzeugs) zu. Dies bedeutet, dass ein niedriger Anstellwinkel eine niedrige Auftriebskraft und folglich eine niedrigere Leistung erbringt. Mit diesem Prinzip wird nunmehr die Leistung durch Verdrehen (Pitchen) der Rotorblätter an die Windgeschwindigkeit angepasst.
Bei einem sehr schwachen Wind (0 - 4 m/s) produziert eine herkömmliche
Windkraftanlage nicht, da die Anströmgeschwindigkeit des Winds zu gering ist, um eine ausreichende Auftriebskraft am Rotorblatt zu erzeugen. In diesem Fall werden die Rotorblätter in eine sogenannte Fahnenstellung (Pitchwinkel = 90°;
Anströmwinkel = 0°) gedreht, in der kein Auftrieb erzeugt wird.
Bei leichtem Wind (4 - 13 m/s) dreht die Windkraftanlage und produziert nutzbare Leistung, wobei jedoch der Wind zu schwach ist, um die Nennleistung der Anlage zu erreichen. In diesem Fall wird der Pitchwinkel minimal (Pitchwinkel = 0°) und damit der Anstellwinkel maximal, um so viel wie möglich an Windenergie in mechanische
Energie umzuwandeln.
Bei Starkwind (13 - 25 m/s) kann die Nennleistung der Anlage überschritten werden. Um dies zu verhindern ist die Anlage dann„gepitcht", d.h. die Rotorblätter werden kontinuierlich oder stufenweise zurück in Richtung Fahnenstellung gedreht.
- Bei Sturm (ab 25 m/s) ist das Beschädigungsrisiko zu hoch, sodass aus
Sicherheitsgründen dann die Rotorblätter grundsätzlich in Fahnenstellung verdreht werden. Dabei hat sich herausgestellt, dass es bereits bei einem konventionellen Windrotor, der in der Regel drei Rotorblätter aufweist, ausreichend ist, nur ein Rotorblatt zu pitchen, um die Anlage an sich verändernde Windgeschwindigkeiten anzupassen. Diese Funktionsweise gemäß vorstehender Erläuterung trifft im Übrigen auch auf den Erfindungsgegenstand zu.
Aus dem Stand der Technik, beispielsweise gemäß der WO 2009/064 264 ist ein Pitch- System dieser Gattung bekannt, bestehend aus einem elektro-hydraulischen Aktor zur Steuerung/Regelung der Verdrehstellung eines Rotorblatts einer Windkraftanlage. Der Aktor hat einen in Abhängigkeit der elektrischen Stromstärke und Polung drehzahl- sowie richtungsvariablen Elektromotor, der über eine Motorwelle eine hydraulische Pumpe als primäre Druckmittelquelle antreibt. Die Pumpe fördert dabei ein Hydraulikfluid über eine Hydraulikschaltung zu einem Hydraulikmotor beispielsweise in Form eines Stellzylinders, der (zusammen mit der Pumpe und dem Elektromotor) innerhalb einer Rotorennabe angeordnet und mit einem Rotorblatt für dessen Verdrehung um die Längsachse wirkverbunden ist. In die Hydraulikschaltung ist eine weitere, sekundäre Druckmittelquelle in Form eines
Druckspeichers integriert, der im Fall eines Versagens der primären Druckmittelquelle ein druckbeaufschlagtes Hydraulikfluid in die Hydraulikschaltung einspeist, um somit im
Rahmen eines Notlaufs das Rotorblatt in seine (sichere) Fahnenstellung gemäß
vorstehender Definition zu verdrehen.
Des Weiteren offenbart die EP 1 739 807 A2 einen elektrischen Stellantrieb für eine
Verdrehung zumindest eines Rotorblatts einer Windkraftanlage mit einer Not- Energieversorgungseinrichtung, die an einen elektrischen Schaltkreis des Stellantriebs angeschlossen ist. Die Not-Energieversorgungseinrichtung umfasst dabei einen
Energiespeicher, der eine Stützspannung zur Verfügung stellt, die vorliegend unter 80% der Nennbetriebsspannung des elektrischen Schaltkreises beträgt und dann zuschaltbar ist, wenn die Schaltkreisspannung unter diese Stützspannung abfällt.
Aufgabe der'Erfindung ist es, eine Rotorblattverstelleinrichtung einer Windkraftanlage bereit zu stellen, welche unter geeigneter Ausnutzung der Vorteile eines elektrischen und hydraulischen Blattverstellsystems eine vereinfachte Kinematik ermöglicht. Diese Aufgabe wird durch eine Rotorblattverstelleinrichtung einer Windkraftanlage mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Zur Lösung der gestellten Aufgabe wird demzufolge eine Rotorblattverstelleinrichtung einer Windkraftanlage vorgeschlagen mit einer richtungsvariablen sowie vorzugsweise drehzahlvariablen Motor-Pumpen-Einheit, die über eine hydraulische Steuerung/Regelung mit einem hydraulischen Aktor fluidverbunden ist, der mit zumindest einem Rotorblatt der Windkraftanlage für dessen Verdrehung um seine Längsachse mechanisch gekoppelt ist. Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist der elektrische Steuerkreis der Motor-Pumpen- Einheit mit einer Not-Energieversorgungseinrichtung ausgerüstet, die bei Ausfall eines externen Stromnetzes zumindest den Steuerkreis mit elektrischer Energie versorgt. Auf diese Weise können auch sämtliche Funktionen der hydraulischen Steuerung einschließlich der zwischengeschalteten, elektromagnetisch betätigten Ventile zumindest für den Notlauf aufrecht erhalten bleiben. Die hydraulische Steuerung muss daher nicht notwendiger Weise für einen (elektrisch stromlosen) Notbetrieb ausgelegt sein.
Vorteilhaft ist es, die Not-Energieversorgungseinrichtung als ein Akkumulator oder
Kondensatoren auszubilden, die bei einem vorbestimmten Spannungsabfall im elektrischen Steuerkreis an diesen zuschaltbar sind. Derartige Akkumulatoren sind heutzutage sehr langlebig und besitzen auch bei geringen Abmessungen eine hohe Energiedichte, die ausreichend ist, einen Notlauf auszuführen.
Gemäß einem anderen Aspekt ist es vorgesehen, dass die Not- Energieversorgungseinrichtung zur Energieversorgung des elektrischen Steuerkretses und der Motor-Pumpen-Einheit zuschaltbar ist. Sollte daher die Energieversorgung des Motors unterbrochen werden, kann diese zumindest für den Notlauf über die Not- Energieversorgungseinrichtung beibehalten werden. Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft die hydraulische Steuerung/Regelung, die erfindungsgemäß eine hydraulische Notbetriebseinrichtung zur Versorgung des
hydraulischen Aktors mit hydraulischer Druckenergie bei Ausfall oder reduzierter Leistung der Motor-Pumpen-Einheit aufweist. Sollte nämlich der elektrische Antriebsmotor der Hydraulikpumpe eine Störung haben, wäre die elektrische Not- Energieversorgungseinrichtung wirkungslos. In diesem Fall kann ein Hilfs-Hydraulikdruck zumindest für einen Notlauf (zur Verdrehung des zumindest einen Rotorblatts in die
Fahnenstellung) gewährleistet werden. Diese duale Absicherung hat wesentliche Vorteile gegenüber dem Stand der Technik. Die Ausschließlich elektrische Absicherung hat, wie bereits angedeutet ist, keine Wirkung für den Fall, dass beispielsweise der Elektromotor als letztes Glied der elektrischen Steuerungskette eine Fehlfunktion hat. Der hydraulische Druckspeicher wirkt direkt auf den hydraulischen Stellantrieb (Aktor) und damit das letzte Glied der hydraulischen Steüerkette. Indessen können Druckspeicher den Ladedruck mit der Zeit verlieren. Die Kombination beider Sicherheitssysteme bietet daher den größten Schutz bei Fehlfunktionen der Anlage.
Schließlich sei noch auf einen anderen Aspekt der Erfindung hingewiesen, wonach die Rotorblattverstelleinrichtung ebenfalls mit einer richtungsvariablen sowie vorzugsweise drehzahlvariablen Motor-Pumpen-Einheit ausgerüstet ist, die über eine hydraulische Steuerung/Regelung mit einem hydraulischen Aktor fluidverbunden ist. Der Aktor ist mit zumindest einem Rotorblatt für dessen Pitchverstellung mechanisch verbunden. Dabei ist es vorgesehen, den Aktor als einen Druckzylinder der Mehrkammerbauart (vorzugsweise drei Druckkammern) auszubilden, wobei eine Druckkammer ausschließlich für den Notlauf mit dem Druckspeicher fluidverbunden ist, wohingegen die anderen Druckkammern
ausschließlich für den normalen Regel-/Steuerbetrieb von der Druckpumpe mit Hydraulikfluid beaufschlagbar sind. Auf diese Weise kann die Notlauf-Druckkammer bezüglich des
Speicherdrucks und Speichervolumens des Druckspeichers angepasst und somit das Notlaufsystem optimiert werden, ohne dass die restliche Hydraulik entsprechend adaptiert werden muss. An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass dieser zuletzt genannte Aspekt der Erfindung unabhängig von oder aber auch in Kombination mit den zuvor aufgezählten Aspekten in einer Rotorblattverstelleinrichtung umgesetzt werden kann, und daher auch getrennt von den übrigen Aspekten zu beanspruchen ist.
Die Erfindung wird nachstehend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter
Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen näher erläutert.
Fig. 1 zeigt ein Blockdiagramm bezüglich einer Rotorblattverstelleinrichtung einer
Windkraftanlage zur Darstellung der Kombinationsmöglichkeiten der einzelnen Komponenten eines elektrischen und hydrostatischen Antriebs, Fig. 2 zeigt eine Rotorblattverstelleinrichtung einer Windkraftanlage gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung, Fig. 3 zeigt eine Rotorblattverstelleinrichtung einer Windkraftanlage gemäß einem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung und
Fig. 4 zeigt eine Rotorblattverstelleinrichtung einer Windkraftanlage gemäß einem dritten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
In der Fig. 1 schematisch eine Rotorblattverstelleinrichtung einer Windkraftanlage gemäß der Erfindung dargestellt mit einer Hydraulik 1 , vorzugsweise bestehend aus einer
richtungsvariablen sowie vorzugsweise drehzahlvariablen Motor-Pumpen-Einheit 2, die über eine hydraulische Steuerung/Regelung 4 mit einem hydraulischen Aktor 6 fluidverbunden ist. Der Aktor 6 ist mit zumindest einem (nicht gezeigten) Rotorblatt der Windkraftanlage für dessen Verdrehung um seihe Längsachse mechanisch gekoppelt. Zum Betreiben des Motors 8 ist erfindungsgemäß ein eine Not-Energieversorgungseinrichtung 10 umfassender elektrischer Steuerkreis 12 vorgesehen. Alternativ oder in Ergänzung hierzu kann auch die Hydraulik 1 mit einer Notbetriebseinrichtung (Notspeicher) 14 versehen sein. Demzufolge verfügt die erfindungsgemäße Rotorblattverstelleinrichtung über zumindest eine,
vorzugsweise zwei Sicherungssysteme, mit deren Hilfe in einem Störfall das zumindest eine Rotorblatt der Windkraftanlage im Rahmen eines Notlauf in Fahnenstellung verdreht werden kann. Zum Einen ist ein elektrischer Notspeicher 10 vorgesehen, der den elektrischen Antrieb
(elektrischer Steuerkreis 12 und ggf. Motor 8, die zusammen einen elektrischen Servoantrieb bilden) bei Ausfall eines primären Stromnetzes mit elektrischer Energie versorgt, die für zumindest einen Notlauf gemäß vorstehender Definition ausreichend ist. Zum Anderen kann optional auch zusätzlich die Hydraulik 1 (Pumpe 16, hydraulische Regelung/Steuerung 4, Aktor 6, die zusammen ein hydrostatisches Getriebe bilden) mit einem hydraulischen Notspeicher 14 ausgerüstet sein, der der Hydraulik 1 eine hydraulische Energie beispielsweise in Form eines Hydraulikfluidstroms zuführt. Dieser hydraulische Notspeicher 14 macht dann Sinn, wenn beispielsweise der Motor 8 am Ende der elektrischen Antriebskette gestört ist und daher eine elektrische Notversorgung wirkungslos bliebe.
In der Fig. 2 ist ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, in der das vorstehend erläuterte Grundprinzip technisch umgesetzt ist.
Demzufolge wird ein nicht weiter dargestelltes Rotorblatt einer Windkraftanlage durch einen Gleichgangzylinder 6 um dessen Längsachse gedreht, der über einen ebenfalls nicht dargestellten Hebelmechanismus mit dem Rotorblatt gekoppelt ist. Zur Betätigung des Zylinders 6 ist eine Druckpumpe 16 vorgesehen, die parallel zum Zylinder 6 geschaltet ist, d.h. deren zwei Anschlüsse an eine jeweilige Druckkammer 6A, 6B des Zylinders 6 angeschlossen ist. Die Druckpumpe 16 kann dabei in beide Richtungen ein Hydraulikfluid fördern, wobei das Hydraulikfluid in den Druckkammern 6A, 6B des Zylinders jeweils nur umgepumpt wird.
Parallel zur Druckpumpe 16 ist ein (invertiertes) Wechselventil 18 in eine Druckpumpen- Umgehungsleitung 20 geschaltet, an die ein Ausgleichsbehälter 22 zum Nachführen
(Nachsaugen) von Hydraulikfluid über das Wechselventil 18 angeschlossen ist. Des Weiteren ist an eine der Druckkammern 6B des Zylinders 6, die zur Verdrehung des Rotorblatts in dessen Fahnenstellung druckbeaufschlagt werden müss, eine sekundäre Druckmittelquelle beispielsweise in Form eines Druckspeichers 14 angeschlossen, die über ein Steuerventil 24, vorzugsweise ein elektromagnetisch gesteuertes (zu öffnendes) 2/2- Wegeventil mit dieser Druckkammer 6B fluidverbindbar ist. Die der Druckkammer 6 B gegenüberliegende Druckkammer 6A hat einen zusätzlichen Zugang 26 zum
AüsgleichsbehälterfTank 22, wobei in diesen Zugang 26 ein Schaltventil 28, vorzugsweise ein elektromagnetische sich öffnendes 2/2-Wegeventil zwischengeschaltet ist, das in eine Sperrstellung federvorgespannt ist. Angetrieben wird die Druckpumpe 16 durch einen Elektromotor 8, der wiederum durch einen nicht dargestellten elektrischen Schaltkreis (Treiberkreis) gesteuert geregelt wird, derart, dass die Drehrichtung sowie vorzugsweise die Drehzahl des Motors 8 varrierbar ist. Der elektrische Schaltkreis ist mit einer Not-Energieversorgungseinrichtung in Form eines Akkumulators ausgerüstet, der den elektrischen Schaltkreis und ggf. den Elektromotor 8 für eine bestimmte (begrenzte) Zeit oder eine bestimmte max. Stellbewegung des Zylinders 6 mit Notstrom versorgen kann.
Die Funktionsweise der in Fig. 1 dargestellten Rotorblattverstelleinrichtung lässt sich wie folgt beschreiben:
Im normalen (störungsfreien) Betrieb sind sämtliche genannten Wegeventile bestromt, sodass sich das Wegeventil' 24 zwischen Druckspeicher 24 und Druckkammer 6B und das Wegeventil 28 zwischen Tank 22 und Druckkammer 6A in Sperrstellung befinden. Dabei wird die Druckpumpe 16 über den drehzahl- sowie drehrichtungsvariablen Elektromotor 8 so betrieben, dass zumindest ein Rotorblatt in Abhängigkeit der Windstärke einen bestimmten Pitchwinkel erhält, in welchem die Rotorleistung die Nennleistung der Anlage nicht überschreitet. Hierbei sei erwähnt, dass alternativ zum drehzahlvariablen Elektromotor 8 auch die Druckpumpe 16 verdrängungsvariabel ausgeführt sein kann. Um den
Druckspeicher 14 zu laden, muss aus dem Hydraulikkreis Fluid entnommen werden. Zu diesem Zweck ist das Wechselventil 18 über eine externe Saugleitung mit dem Tank 22 fluidverbunden, wie dies vorstehend bereits beschrieben wurde, sodass die Druckpumpe 16 Fluid aus dem Tank in den Druckspeicher 14 nachfördern kann, bis dieser einen
vorbestimmten Ladedruck enthält.
Bei Auftreten einer Störung, also ein Abfallen der regulären Spannungs-/Stromversorgung des elektrischen Kreises und/oder ein Absinken der Förderleistung der Pumpe 16 und/oder ein Verringern des Hydraulikdrucks in der hydraulischen Regelung/Steuerung 4 unterhalb eines jeweils vorbestimmten Werts wird ein Notbetrieb ausgelöst, wonach die
Rotorblattverstelleinrichtung für einen Notgang zur Verstellung des Rotorblatts in die
Fahnenstellung betrieben wird.
In diesem Fall wird die elektrische Not-Energieversorgungseinrichtung an den elektrischen Schaltkreis angelegt, wobei der elektrische Steuerkreis 12 die hydraulische Schaltung 4 so angesteuert, dass der Zylinder 6 für ein Verdrehen des Rotorblatts in die Fahnenstellung druckbeaufschlagt wird. Sollte der Elektromotor 8 gestört sein, d.h. die Zuschaltung der elektrischen Not-Energieversorgungseinrichtung keine Wirkung haben, wird die hydraulische Notbetriebseinrichtung aktiviert. In diesem Fall wird folglich der elektrische Strom zu allen Wegeventile 24, 28 unterbrochen, sodass diese durch die entsprechende Federvorspannung in Offenposition geschaltet werden. Demnach wird der Druckspeicher 14 über das vorgeschaltete Wegeventil 24 zu der hydraulischen Regelung 4 freigeschaltet und ein entsprechenden Betätigungsdruck im Zylinder 6 für ein Verdrehen des Rotorblatts in die Fahnenstellung aufbaut. Da die Pumpe 16 steht, kann das Hydraulikfluid aus der Kammer 6A nicht über die Pumpe 16 entweichen. Jedoch hat die Kammer 6A in diesem (Not-)fall über das Wegeventil 28 direkten Zugang zum Tank 22, sodass Hydraulikfluid bei der Notbewegung des Zylinders aus der Kammer 6A in den Tank 22 gedrückt wird.
Die Fig. 3 zeigt ein zweites bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung, welches prinzipiell dem vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel entspricht, jedoch auf die Anordnung einer hydraulischen Noteinrichtung verzichtet. In diesem Fall ist lediglich eine elektrische Not-Energieversorgungseinrichtung vorgesehen, um den Elektromotor 8 für ein Betreiben des hydrostatischen Getriebes zu bestromen. Da im zweiten Ausführungsbeispiel kein Druckspeicher vorgesehen ist, der eine (pumpenlosen) Betätigung des Aktors 6 bewirken soll, ist auch kein externer Zugang mit zwischengeschaltetem 2/2-Wegeventil zwischen der einen Druckkammer 6A des Aktors 6 und dem Tank 22 notwendig, wie dieser im ersten Ausführungsbeispiel beschrieben wurde.
Abschließend sei noch ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Fig. 4 beschrieben, welches prinzipiell dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung entspricht, in dem jedoch ein Mehrkammerzylinder 6, vorzugsweise ein Dreikammerzylinder für ein Verdrehen des zumindest einen Rotorblatts verwendet wird.
In diesem Fall ist der Druckspeicher 14 für den Notbetrieb an eine einzige Kammer 6B über das elektromagnetisch offenbare Wegeventil 24 angeschlossen, die in diesem Fall jedoch ausschließlich zur Verdrehung des Rotorblatts in die Fahnenstellung in einem Notlauf druckbeaufschlagt wird. Zu diesem Zweck ist an die (Notlauf-)Druckkammer 6B eine Druckentlastungs- bzw. Zugangsleitung 26 angeschlossen, die unmittelbar zum Tank 22 führt und in die ebenfalls ein elektromagnetisch offenbares 2/2-Wegeventil 28
zwischengeschaltet ist. Das Wegeventil 28 ist im normalen Betrieb bestromt und damit in Offenposition, sodass der Kolben bei einer Axialbewegung Hydraulikfluid aus der (Notlauf-) Druckkammer 6B über die Zugangsleitung 26 verdrängen oder nachsaugen kann. Die zwei, der Druckkammer 6B gegenüberliegenden Druckkammern 6A, 6C des
Mehrkammerzylinders sind an die beiden Anschlüsse der Pumpe 16 angeschlossen, sodass der Zylinderkolben in Abhängigkeit der Förderrichtung der Pumpe 16 in einem normalen Betrieb hin- und her bewegbar ist. Diese beiden Druckkammern 6A und 6C sind zudem über eine Kurzschlussleitung unmittelbar miteinander verbunden in die ein elektromagnetisch zu öffnendes 2/2-Wegeventil 30 zwischengeschaltet ist. schließlich ist zur der Pumpe 16 die Druckpumpenumgehungsleitung 20 angeordnet, in die das (invertierte) Wechselventil 18 zwischengeschaltet ist, das 'mit dem Tank 22 fluidverbunden ist Bezüglich der Funktionsweise des dritten bevorzugten Ausführungsbeispiels wird folgendes ausgeführt:
Wie vorstehend ausgeführt wurde, ist die Pumpe 16 mit den Kammern 6A und 6C
fluidverbunden, um im normalen Betrieb den Zylinderkolben zu bewegen. Bei dem regulären betrieb sind die Wegeventile 24, 28 und 30 bestromt. Damit ist das Ventil 28 geöffnet und die Ventile 24 und 30 geschlossen. D.h. der Druckspeicher 14 ist von der Kammer 6B abgetrennt und es existiert eine Verbindung über die Leitung 26 zwischen dem Tank 22 und der Kammer 6B, während die Kammern &A und &C voneinander getrennt sind. Bei der regulären Bewegung des Kolbens wird somit das entsprechende Fluidvolumen zwischen den beiden Kammern 6A und 6C umgepumpt und gleichzeitig zwischen der Kammer 6B und dem Tank 22 ausgetauscht.
Im Notfall (beispielsweise bei Stromausfall - Ventile werden nicht mehr bestromt) wird der Speicher 14 mit der Kammer 6B verbunden, während die Kammern 6A und 6C über das Ventil 30 miteinander kurzgeschlossen werden. Die durch den Speicherdruck auf die Kammer 6B einwirkende Druckkraft drückt den Kolben gemäß der Fig. 4 nach links (in Fahnenstellung). Dabei wird das Ölvolumen aus der Kammer 6A zur Kammer 6C verdrängt. Durch mögliche Flächenverhältnisse auftretende Differenzvolumen werden über das
Wechselventil 18 ausgeglichen.
Der Vorteil einen solchen Mehrkammerzylinders besteht im Wesentlichen darin, dass durch eine geeignete Wahl der Flächenverhältnisse Verschaltung der Zylinderkammern sowie der Position des Speichers auf eine Kolbenfläche dynamische, energetische sowie Vorteile beim Bauraum auftreten können. Bezugszeichenliste
Hydraulik 1
Motor-Pumpen-Einheit 2
Hydraulische Steuerung 4
Aktor/Zylinder 6
Zylinderkammem 6A, 6B, 6C
Elektrischer Motor 8
Not-Energieversorgungseinrichtung 10
Elektrischer Steuerkreis 12 Notbetriebseinrichtung/Druckspeicher 14
Pumpe 16
Wechselventil 18
Druckpumpen-Umgehungsleitung 20
Tank 22 Steuerventil zwischen Druckspeicher und Zylinder 24
Zugang(leitung) 26 2/2-Wegeventil 28 Schaltventil für Druckkammer 6C 30

Claims

Patentansprüche
1. Rotorblattverstelleinrichtung einer Windkraftanlage mit einer richtungsvariablen
Motor-Pumpen-Einheit (2), die über eine hydraulische Steuerung/Regelung (4) mit einem hydraulischen Aktor (6) fluidverbunden ist, der mit zumindest einem Rotorblatt der Windkraftanlage für dessen Verdrehung um seine Längsachse mechanisch gekoppelt ist, gekennzeichnet durch einen eine Not-Energieversorgungseinrichtung (10) umfassenden elektrischen Steuerkreis (12) der Motor-Pumpen-Einheit (2).
2. Rotorblattverstelleinrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Not- Energieversorgungseinrichtung (10) ein Akkumulator oder Kondensatoren sind, die bei einem vorbestimmten Spannungsabfall im elektrischen Steuerkreis (12) an diesen zuschaltbar sind.
3. Rotorblattverstelleinrichtung nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Not- Energieversorgungseinrichtung (10) zur Energieversorgung des elektrischen
Steuerkreises (12) und der Motor-Pumpen-Einheit (2) vorgesehen ist.
4. Rotorblattverstelleinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine hydraulische Notbetriebseinrichtung (14) zur Versorgung des hydraulischen Aktors (6) mit hydraulischer Druckenergie bei Ausfall oder reduzierter Leistung der Motor- Pumpen-Einheit (2).
5. Rotorblattverstellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, dass der hydraulische Aktor (6) eine hydraulische Kolben- Zylindereinheit ist.
6. Rotorblattverstelleinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass die Motor-Pumpen-Einheit (2) durch den elektrischen Steuerkreis (12) drehzahlvariabel steuerbar ist.
7. Rotorblattverstellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, dass die hydraulische Kolben-Zylindereinheit ein
Mehrkammerzylinder vorzugsweise der Dreikammerbauart ist. Rotorblattverstellvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ausschließlich eine der Kammern (6B) zur Verdrehung des zumindest einen
Rotorblatts indessen Fahnenstellung in einem Notlauf mit Hydraulikfluid aus einer Notbetriebseinrichtung (14) vorzugsweise einem Druckspeicher (14) beaufschlagbar ist wohingegen zumindest zwei weitere Kammern (6A, 6C) zur Verdrehung des zumindest einen Rotorblatts aus sowie in Richtung dessen Fahnenstellung in einem regulären Betrieb mit Hydraulikfluid beaufschlagbar sind.
Rotorblattverstellvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass an die ausschließlich eine Kammer (6B) die hydraulische Notbetriebseinrichtung (14) über ein Steuerventil, vorzugsweise ein elektromagnetisch offenbares 2/2-Wegeventil (24) angeschlossen ist.
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