DE4423247C2 - Einblattrotor für horizontale oder vertikale Drehachsen, gelenkiger Lagerung der Systemkomponenten und passiver, aerodynamischer Selbststeuerung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Einblattrotor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Danach kann die Erfindung prinzipiell sowohl für Windkraftmaschi­ nen als auch für senkrecht startende Flugmaschinen verwendet wer­ den.

Die folgenden Ausführungen beziehen sich insbesondere auf eine Verwendung des Rotors als Bestandteil einer Windkraftanlage in Form eines Einblattrotors nach Anspruch 1 bis 3.

Gemäß dem heutigen Stand der Technik in der Windenergie werden weitgehend symmetrische Rotorkonzepte bevorzugt, die mit starren Achsen und ohne gelenkige Verbindungen arbeiten. Trotz oft überdimensionierter, kostenintensiver Bauweise der Rotoren und komplizierter Stell- und Regelmechanismen konnten diese Anlagen, insbesondere im Großanlagenbau, weder von ihrer Lebensdauer noch von ihrer Wirtschaftlichkeit überzeugen.

Einblattrotoren unterscheiden sich bekannterweise von den Mehr­ blattrotoren dadurch, daß sie höhere Drehzahlen ermöglichen, wo­ durch höhere aerodynamische Geräuschpegel entstehen können, daß sie mit nur leicht vergrößertem Durchmesser die gleiche Leistung erbringen, daß sie kostengünstiger herzustellen sind und zudem optisch weniger ins Auge fallen, um nur einige Merkmale zu nennen.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Einblattrotor der eingangs bezeichneten Art zu schaffen, der die Konkurrenzfähig­ keit anderen Energiewandlern gegenüber fördert und sich durch weitere vorteilhafte Merkmale vom Stand der Technik abhebt:

• - asymmetrische und von Blattspitze bis Gegengewicht durchgehende faserverbundgerechte Bauweise des Rotors mit viel Gestaltungs- und Auslegespielraum in der Blattwurzel,
• - externes Rotorlager und somit keine Schwächung der Blattwurzel,
• - Reduzierung der aerodynamischen Geräusche des Rotors,
• - ruhiges, dämpfendes, aerodynamische Unwuchten ausgleichendes Laufverhalten von Einblattrotoren im weitgehenden Gleichge­ wicht der Kräfte bei geringer Belastung des Gesamtsystems,
• - einfacher, einachsiger Aufbau des Rotorlagers,
• - problemlose Verbindung Blattwurzel-Rotorlager,
• - wirksame spielfreie Steuer- und Regelfähigkeit und
• - kostengünstige Herstellbarkeit der Systemkomponenten.

Voraussetzung zur Lösung dieser Aufgabenstellung ist erfin­ dungsgemäß die Lehre nach dem Anspruch 1. Die gekrümmte Form des Rotors bietet, besonders bei höheren Anströmge­ schwindigkeiten, bei der Steuerung sowie bei der Parierung von Böen, Vorteile. Wichtig bezüglich der heutzutage wachsenden Anfor­ derungen an Geräuschemissionen ist besonders, daß die aerodynami­ schen Geräusche von schnellaufenden Rotoren, vorrangig die Turm- bzw. Heckdurchlaufgeräusche, durch die Rotorform reduziert werden.

Überlegungen, herkömmliche Anlagen betreffend, den Schlag- bzw. Konuswinkel mittels Schlagachse variabel zu lassen, ihn ganz oder in bestimmten Betriebszuständen zu arretieren oder durch Schlag- und Blattachse (Kardan) Schlag- und Anstellwinkel abhängig oder unabhängig voneinander zu steuern, sind von sekundärer Bedeutung, da der Rotor mit Rotorlager 10, das nach dem Kennzeichen des An­ spruchs 2 neben Drehachse 11 nur eine weitere Achse 10a besitzt, diese Aufgaben übernimmt.

Der Rotor mit Lager 10 nach Anspruch 1 und 2 vereinigt eine schnell reagierende, aerodynamisch gedämpfte Nachgiebigkeit mit passiver Selbststeuerung. Diese Kombination beinhaltet funktionell die beiden Freiheitsgrade von Schlag- und Blattachse in nur einer Achse 10a und erlaubt ohne besondere Verstellvorrichtungen, daß der Rotor, abhängig vom Gleichgewicht seiner Trägheits- und der auf ihn wirkenden Schubkräfte, den Blattkonuswinkel und die An­ stellung von Blatt 4 durch Drehung um Lagerachse 10a in gegen­ seitiger Abhängigkeit verändert, wodurch auch das Gierverhalten des Rotors verringert wird.

Blattkonus- und Blattanstellwinkel sind aber nicht nur lastab­ hängig variabel, sondern können auch in bestimmten Übersetzungs­ verhältnissen zueinander eingestellt werden.

So kann das Übersetzungsverhältnis in Abhängigkeit von der Krüm­ mung des Rotors und einem hier als Ausrichtungswinkel definiertem veränderbarem Winkel zwischen Lagerachse 10a und Blattachse 8, be­ einflußt werden. Zwei Fälle sollen zum besseren Verständnis ange­ sprochen werden. Ist z. B. die Lagerachse 10a parallel zur Blatt­ achse - der Ausrichtungswinkel ist dann gleich null-, dann bleibt der Blattkonuswinkel unverändert bei null, und der Anstellwinkel hängt nur vom Drehwinkel um Lagerachse 10a ab. Ist z. B. die Lager­ achse 10a deckungsgleich mit der Rotorachse 7, dann ist der Aus­ richtungswinkel gleich β und der Konuswinkel nimmt Werte bis maximal β ein, wenn der Rotor um 90° um Lagerachse 10a aus der Drehebene gedreht würde. Drehung um Lagerachse 10a bei geeigneten Ausrichtungswinkeln von Achse 10a kann auch dazu dienen, oberhalb des Nennlastbereichs, z. B. bei zu hoher Anströmung, den Energie­ entzug aus der Strömung, den Leistungsbeiwert des Rotors, den Schub auf den Rotor und das an der Rotorwelle abgegebene Drehmo­ ment, ohne zusätzliche Bremshilfen zu begrenzen Rotor und Anlage können so vor Überlast und Überdrehzahl geschützt und strukturell entlastet werden. Je nach Ausrichtungswinkel kann die passive Selbststeuerung verstärkt, reduziert oder ganz ausgeschaltet wer­ den.

Soll die passive Selbststeuerung nicht ausgeschaltet werden, dann bedingen Rotor und Lager 10 nach Fig. 1, daß das Blatt 4 bei Ein­ fall einer Böe mit positiver Anströmung zur Profilachse mit seiner Blattspitze 6 leewärts ausweicht und damit voneinander abhängig den Blattkonuswinkel durch Drehung um Lagerachse 10a vergrößert und den Blattanstellwinkel verkleinert. Bei schnellem Abfall der Windstärke, also negativer Anströmung, wird die in Leerrichtung ausgewichene Blattspitze 6 drehzahlabhängig, durch die Trägheits­ kräfte, gegen den aus der Anströmung auf das Blatt resultierenden Schub in die Drehebene des Rotors, durch Drehung um Achse 10a von Lager 10, zurückgeführt. Der Blattkonuswinkel nimmt ab, der An­ stellwinkel nimmt zu. Damit kann der Rotor auch auf die bei jeder Drehung auftretenden, insbesondere vom Abstand zur Erdoberfläche abhangigen, unterschiedlichen Anstromgeschwindigkeiten reagieren.

Inwieweit die Drehung um Achse 10a zu dämpfen ist, oder ob die Dämpfung durch Luft- und Trägheitskräfte ausreicht, soll nicht weiter angesprochen werden.

Bei den zuvor angesprochenen Rotordrehungen um Lagerachse 10a ver­ lassen, im Gegensatz zu bekannten Systemen mit Schlagachse, die Schwerpunkte 5 und 2 von Blatt 4 und Gegenblatt 1 die Drehebene nicht, sofern die Lagerachse weitgehend deckungsgleich mit Achse 7 des Rotors ist.

Die durch Rotation des Rotors verursachten Trägheitskräfte- und momente um Lagerachse 10a, die durch die Massen von Gegengewicht 3 und Blattspitze 6 auf der Lee- und durch die Masse der Blattwur­ zelstruktur auf der Luvseite rotorformbedingt entstehen, sind nützlich. Sie stabilisieren die Drehbewegung des Rotors und för­ dern aerodynamische Dämpfung und Laufruhe beim Einfall von Böen. Am Rotor zusätzlich Ausgleichsmassen anzubringen, ist somit nicht erforderlich.

Zudem bringen die erwähnten Trägheitsmomente den Rotor, ohne be­ sondere Verstellmechanismen oder eine Aufteilung des Gegengewich­ tes in Teilmassen und gegen die auf ihn arbeitenden Schubkräfte der Luft, in die richtige Anstellung bei Nenndrehzahl.

Bei Stillstand oder bei geringer Drehzahl der horizontalen Dreh­ achse 11 und geringen Trägheitskräften um die Lagerachse 10a, reicht der Schub, je nach Ausrichtungswinkel der Lagerachse 10a, auf die Blattspitze aus, um diese um die Lagerachse in Richtung Fahnenstellung zu drehen und damit die Anstellung soweit zurück­ zunehmen, daß der Rotor selbständig anläuft.

Anspruch 3 befaßt sich damit, Böen auf die Drehebene und Unwuchten des Rotors dadurch nachzugeben bzw. zu dämpfen, daß sie als Stoß sowohl radial als auch axial auf die Drehachse 11 weitergegeben werden, wodurch Drehachse/Figurenachse 11 nicht in der Ausgangs­ lage vor dem Stoß bleibt, sondern durch Nicken und Gieren um die Impulsachse(Nutation/Nutationskegel) ausweichen kann.

Der Rotor arbeitet somit in vielen Bereichen im Gleichgewicht der Luft- und Trägheitskräfte passiv selbststeuernd.

Die Rotorkonzeption weist folgende Merkmale und Vorteile auf:

• - Sie ist vorzugsweise für Einblattrotoren als Leeläufer einsetz­ bar.
• - Sie ermöglicht selbständiges Anlaufen von Einblattrotoren bei niedrigen Windgeschwindigkeiten.
• - Sie ermöglicht weitgehende Rücknahme der Anstellung des Rotor­ blattes bei Sturm.
• - Sie vermindert durch die geknickte Rotorform die Laufgeräusche beim Turmdurchlauf.
• - Sie fördert Laufstabilität und Laufruhe.
• - Sie beherrscht Böen sowie hohe Anströmgeschwindigkeiten.
• - Sie erhöht Regelqualität und vermindert Regelaufwand.
• - Sie beinhaltet Überlastschutz und erhöht damit die Sicherheit.
• - Sie reduziert das Gierverhalten.
• - Sie beinhaltet passive Selbststeuerung.
• - Sie erleichtert aktive Steuerungseingriffe.
• - Sie arbeitet in mehrfacher Hinsicht aerodynamisch gedämpft.
• - Sie ermöglicht durchgehende, faserverbundwerkstoffgerechte Blattstruktur vom Gegengewicht bis zur Blattspitze mit großen Querschnitten im Bereich der Blattwurzel.
• - Sie macht Ausgleichsgewichte am Rotor überflüssig.
• - Sie ermöglicht die externe Anbindung des Rotorlagers ohne Ein­ griffe in die Blattstruktur im Blattwurzelbereich.
• - Sie setzt Belastungen der Blattstruktur aerodynamisch und struk­ turell herab und erhöht dadurch die Lebensdauer des Rotors.
• - Sie kann bei jeder Drehzahl ein aerodynamisches Gleichgewicht zwischen den Schubkräften auf das Blatt und den Trägheitskräften des Rotors in der Drehebene herstellen, so daß der Rotor eine für geringe Blattbelastung optimalen Konuswinkel und bezüglich des Leistungsbeiwertes die richtige Anstellung einnehmen kann.
• - Sie ermöglicht, daß die Schwerpunkte von Blatt und Gegenblatt bei Drehung um das Blattgelenk die Drehebene kaum verlassen.
• - Sie ist für den Großanlagenbau geeignet.

Das im folgenden beschriebene Ausführungsbei­ spiel zeigt nach

Fig. 1 laut Anspruch 1 und 4 Vorder- und Seitenansicht des Ro­ tors und, räumlich in die Vorderansicht eingezeichnet, die Drehachse 11.

Fig. 2 laut Anspruch 2 im Blattwurzelbereich in größerem Maßstab als Fig. 1 den Schnitt A-B durch die Blattwurzel des Ro­ tors, Sattel 13 und Rotorlager 10.

Der in Fig. 1 dargestellte Einblattrotor besteht erfindungsgemäß aus dem Gegenblatt 1 mit seinem Schwerpunkt 2 und Gegengewicht 3 und aus dem Blatt 4 mit Schwerpunkt 5 und Blattspitze 6. Dabei sind Blatt 4 und Gegenblatt 1 im Blattwurzelbereich zueinander geknickt bzw. gekrümmt, so daß Achse 7 des Rotors und Blattachse 8 sich unter einem Winkel β außerhalb von Rotorlager 10 schnei­ den, wodurch die gekrümmte Form des Rotors entsteht. Die Anströ­ mung trifft also bei Rotor nach Anspruch 1 nicht senkrecht zur Blattachse 8 auf, sondern im wesentlichen unter dem Winkel 90°+β oder 90°-β, je nach Betrachtungsweise von Fig. 1. Höhe und Art der Luftgeräusche des Rotors sind abhängig von diesem Winkel β.

Blattachse 8 ist Längsachse des profilierten Blattes 4 und kann im Bereich der t/4-Achse von Blatt 4 liegen. Sie ist nicht deckungs­ gleich mit Achse 7 des Rotors, geht demgemäß nicht durch Schwer­ punkt 9 des Rotors und kann bei Turmdurchlauf, senkrecht zur Dreh­ ebene gesehen, nicht deckungsgleich mit der vertikalen Achse des das System tragenden Turms sein.

Achse 7 des Rotors verläuft in Längsrichtung durch den Schwerpunkt 2 des Gegenblattes 1, durch den Schwerpunkt 9 des Rotors und durch den Schwerpunkt 5 des Blattes 4. Sie ist bei Turmdurchlauf, senk­ recht zur Drehebene gesehen, deckungsgleich mit der Achse des Turms. Zwischen Achse 7 und Lagerachse 10a (senkrecht zur Dreh­ achse 11) kann auch ein fester, auf Nennlast abgestimmter Konus­ winkel voreingestellt werden.

Schwerpunkt 9 des Rotors im Zentrum von Rotorlager 10 liegt auf der nach innen gekrümmten Seite des Rotors außerhalb seiner Blatt­ wurzelstruktur.

Rotorlager 10 (Anspruch 2) benötigt neben seiner Drehachse 11 nur eine weitere Achse 10a, die, bedingt durch die Rotorform, Konus und Anstellung koppelt. Diese Achse steht im Normalfall senkrecht zur Drehachse 11, liegt in Längsrichtung des Rotors und kann starr oder auch weich gebettet sein. Die Lage/Ausrichtung der Achse 10a Von Rotorlager 10 gegenüber der Blattachse 8 kann steuerungsbe­ dingt und lastabhängig verändert werden.

Die Verbindung von Lager 10 mit der Blattwurzel des Rotors, z. B. über Sattel 13 nach Fig. 2, stellt nur eine mögliche Bauweise dar. Dabei kann der Sattel 13 die Blattwurzel umfassen oder an ihr an­ geflanscht sein. Eine direkte Verbindung zwischen Blattwurzel und Lager 10 ohne Sattel ist gestaltungsbedingt auch möglich.

Drehachse 11 des Rotors (Anspruch 3), im Bereich der Turmspitze/-achse gelenkig gelagert, kann gegenüber der Horizontalen auch leicht geneigt sein.

Punkt 12 im Bereich der Blattwurzel ist Angriffspunkt für aktive Steuerungseingriffe und Dämpfung des Rotors um die Achse 10a von Lager 10. Eine spielfreie Verstellung oder Regelung von Konus und Anstellung um diese Achse mittels Fliehkraft oder elektronisch über Stellmotor, Hydraulik usw. ist möglich, worauf hier jedoch nicht näher eingegangen werden soll.

Claims (4)

1. Einblattrotor für horizontale oder vertikale Drehachsen, gelen­ kiger Lagerung der Systemkomponenten und passiver, aerodynami­ scher Selbststeuerung dadurch gekennzeichnet, daß der Ro­ tor aus Blatt (4) und Gegenblatt (1) besteht, die im Be­ reich der Blattwurzel zueinander geknickt sind, daß Schwerpunkt/Lager (9/10) des Rotors auf der nach innen gekrümmten Seite des Rotors liegen, und daß Achse (7) des Rotors und Blattachse (8) sich unter einem Winkel β schneiden, wodurch die Anströmung auf Blattachse (8) des Rotors nicht senkrecht, sondern im wesentlichen unter dem Winkel 90° ±β erfolgt.

2. Einblattrotor nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß der Ro­ tor mit einem Rotorlager (10) verbunden ist, welches neben seiner Drehachse (11) nur eine weitere Achse, die Lager­ achse (10a), in Längsrichtung des Rotors aufweist, wodurch der Rotor, durch Drehung um diese Achse (10a) von Lager (10), den Blattkonus- und den Blattanstellwinkel in Abhän­ gigkeit voneinander verändern kann.

3. Einblattrotor nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß der Ro­ tor zum Antrieb einer Windkraftmaschine über Lager (10) mit einer horizontalen Drehachse (11) verbunden ist, die im Bereich der Turmspitze/-achse gelenkig gelagert ist, wodurch diese, bei aus der Drehebene resultierenden radia­ len Stößen auf die Drehachse (11), eine Nutationsbewegung um ihre jeweilige Ausgangslage ausführen kann.

4. Einblattrotor nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß der Ro­ tor über Lager (10) mit einer vertikalen Drehachse (11) verbunden ist, wodurch diese, seitens eines Motors ange­ trieben, als Antriebswelle einer senkrecht startenden Flugmaschine arbeiten kann.