WO2012016262A2 - Windturbine - Google Patents

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    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction

Definitions

  • the invention relates to a wind turbine with an axial flow turbine rotor whose arranged in a circumferential row of rotor blades are mounted 180 ° pivotable about its longitudinal axis in a rotor hub.
  • Rotor blades of axial wind turbines have a wing profile comparable to a wing profile, wherein the wing width plays an important role in the exploitation of wind energy. For this reason, rotor blades which become narrower towards the rotor hub degrade the efficiency.
  • the possible number of rotor blades which can be swiveled through 180 ° and which have a profile width which is substantially identical to the rotor hub is limited on account of the hub-side profile width.
  • since the possible use of wind energy increases with the number of rotor blades this means that with a larger number of rotor blades. In their efficiency worse rotor blades with a tapering profile against the hub profile must be accepted.
  • the invention is therefore an object of the invention to provide a way, the number of pivotable by 180 ° rotor blades one in opposite directions To increase inflatable wind turbine without having to use worse rotor blades in their efficiency.
  • the invention solves this problem by virtue of the fact that the rotor blades consecutive in the circumferential direction of the rotor hub belong alternately to one of two blade groups and the rotor blades of one blade group can be pivoted independently of the rotor blades of the other group or together with these are.
  • the rotor blades of both groups can be adjusted together again to adjust the respective required angle of attack for the rotor blades in a single operation in a single operation.
  • the rotor hub has a coaxial hollow shaft for the rotary drive of the rotor blades of a wing group and a hollow shaft coaxially penetrating shaft for the rotary drive of the rotor blades of the other wing group that the rotor blades via bevel gear alternately with the hollow shaft and the hollow shaft penetrating shaft driving are connected and that the hollow shaft and the shaft passing through each carry a common bevel gear for the associated angle gear.
  • the rotor blades of one group of wings are adjusted via the hollow shaft and the rotor blades of the other group of wings through the shaft passing through the hollow shaft.
  • rotor blades with separate servomotors, which are controlled in groups together for the rotor blades of the two wing groups via a control device.
  • the rotor blades of one wing group can be adjusted independently of the rotor blades of the other wing group or together with them via the control device provided for this purpose, but then only in a limited angular range.
  • FIG. 1 shows a wind turbine according to the invention in sections in the region of the rotor hub in a schematic end view
  • Fig. 2 is a section along the line II-II of Fig. 1 and the
  • FIG. 3 and 4 Figs. 1 and 2 corresponding representations of an embodiment of a wind turbine according to the invention.
  • the turbine rotor 1 of a wind turbine over its circumference evenly distributed radial rotor blades 2 and 3, which are provided with a dot-dash line indicated in Fig. 2 airfoil 4 in the manner of an airfoil and therefore one in the direction of flow extending broadside and have a transversely oriented narrow side.
  • a turbine rotor 1 from opposite sides to be able to flow, the rotor blades 2, 3 to rotate 180 ° about its longitudinal axis. From Fig.
  • the rotor blades 2, 3 may be arranged in its working position with sufficient distance in the circumferential direction to allow adapted to the respective wind conditions angle of attack, but that with a common rotation of the rotor blades 2, 3 to 180 °, the rotor blades 2, 3 can not be rotated past each other because of the wing width, if the blade width is maintained up to the area of the rotor hub 5 of the turbine rotor 1 without corresponding taper, which is advantageous for the exploitation of wind energy.
  • the rotor blades 2, 3 are not pivoted together, but in groups one after the other.
  • the rotor blades 2 form a group of wings and the rotor blades 3 arranged between the rotor blades 2 of this group of wings form a second group of wings.
  • the rotor blades 2 of one group of wings despite their considerable profile width in the area of the wing root, can be rotated past the rotor blades 3 of the other, stationary group of wings, as indicated by dot-dash lines.
  • the remaining rotor blades 3 of the second group of wings can be rotated in the same way by 180 °.
  • the rotor hub 5 In order to rotate the rotor blades 2, 3 in groups about their longitudinal axis, the rotor hub 5 according to the exemplary embodiment according to FIGS. 1 and 2 comprises a coaxial hollow shaft 6 for the rotary actuator 7 of the rotor blades 2.
  • the rotary actuators 8 for the rotor blades 3 another group of wings are driven via a hollow shaft 6 coaxially penetrating shaft 9, wherein the hollow shaft 6 and the shaft 9 are assigned to each other separately controllable drive motors 10.
  • the bevel gears 7 and 8 comprise angle gear 11, 12.
  • bevel gears 11 and 12 each have a common, connected to the shaft 9 and the hollow shaft 6 bevel gear 13, 14, so with the driving of the common bevel gears 13, 14 via the associated Angular drives 11, 12 each rotor blades 2, 3 of a wing group groups are jointly adjusted.
  • these rotor blades 2, 3 of both groups of wings can be adjusted together by the provided therefor drive motors 10 are acted upon at the same time.
  • the groupwise rotational adjustment of the rotor blades 2, 3 can be made in accordance with FIGS. 3 and 4 also via the individual rotor blades 2, 3 associated actuating drives 15.
  • the servomotors 15 are group-wise to control so that when stationary rotor blades 2, the rotor blades 3 are arranged between these rotor blades 3 are rotated by 180 ° before the rotor blades 2 are turned back, as soon as the rotor blades 3 rotated by 180 ° position for the opposing Have reached the flow of the turbine rotor 1.
  • a control device 16 is provided, which acts on the individual servomotors 15 accordingly, as indicated in FIG. 3.
  • About encoder 17 the respective rotational position of the individual rotor blades 2, 3 is detected and forwarded to the control device 16.

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Abstract

Es wird eine Windturbine mit einem axial durchströmbaren Turbinenrotor (1) beschrieben, dessen Rotorflügel (2, 3) um 180° um ihre Längsachse schwenkverstellbar in einer Rotornabe (5) gelagert sind. Um vorteilhafte Konstruktionsverhältnisse zu schaffen, wird vorgeschlagen, dass die in Umfangsrichtung der Rotornabe (5) aufeinanderfolgenden Rotorflügel (2, 3) abwechselnd einer von zwei Flügelgruppen angehören und dass die Rotorflügel (2) der einen Flügelgruppe wahlweise unabhängig von den Rotorflügeln (3) der anderen Gruppe oder gemeinsam mit diesen verschwenkbar sind.

Description

Windturbine
Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf eine Windturbine mit einem axial durchströmbaren Turbinenrotor, dessen in einer Umfangsreihe angeordneten Rotorflügel um 180° um ihre Längsachse schwenkverstellbar in einer Rotornabe gelagert sind.
Stand der Technik
Um Windenergie vorteilhaft nützen zu können, ist es bekannt, zwei Bauwerke so auszubilden, dass zwischen ihren einander zugekehrten Außenwänden ein Strömungskanal entsteht, in dem über die Höhe des Strömungskanals verteilt axial durchströmte Windturbinen gelagert werden können. Strömungskanäle zwischen je zwei Bauwerken werden im Allgemeinen in Bezug auf eine vorgegebene Hauptwindrichtung ausgerichtet, die sich häufig, beispielsweise in einem Tag-Nacht-Rhythmus, um 180° dreht. Es empfiehlt sich daher in einem solchen Fall, gegensinnig anströmbare Windturbinen einzusetzen, die allerdings Rotorflügel voraussetzen, die um 180° um ihre Längsachse schwenkverstellbar in der Rotornabe gelagert sind. Rotorflügel axialer Windturbinen weisen ein einem Tragflächenprofil vergleichbares Flügelprofil auf, wobei die Flügelbreite für die Ausnützung der Windenergie eine bedeutende Rolle spielt. Aus diesem Grund verschlechtern Rotorflügel, die gegen die Rotornabe hin schmäler werden, den Wirkungsgrad. Die mögliche Anzahl an um 180° schwenkverstellbaren Rotorflügeln, die eine gegen die Rotornabe hin weitgehend gleiche Profilbreite aufweisen, ist aufgrund der nabenseitigen Profilbreite beschränkt. Da anderseits die mögliche Ausnützung der Windenergie mit der Anzahl der Rotorflügel steigt, bedeutet dies, dass mit einer größeren Anzahl an Rotorflü- geln in ihrem Wirkungsgrad schlechtere Rotorflügel mit einer sich gegen die Nabe verjüngenden Profilbreite in Kauf genommen werden müssen.
Um die Anzahl der Rotorblätter von Windkraftanlagen mit einem um eine horizontale Achse drehbaren Rotor vergrößern zu können, ist es bekannt (DE 20 2008 016 665 U1), zwischen den verstellbaren Rotorblättern Rotorblätter vorzusehen, die an radialen Befestigungsansätzen mit radialem Abstand vom Rotor angeordnet sind und daher zwischen den verstellbaren Rotorblättern ausreichend Platz finden. Diese zusätzlichen Rotorblätter weisen allerdings eine im Vergleich zu den verstellbaren Rotorblättern kürzere Länge auf. Eine Drehverstellung der Rotorblätter um 180° ist nicht erforderlich, weil der Rotor um eine vertikale Achse drehbar gelagert ist.
Zur Vermeidung einer durch den Wind bedingten Überlastung ist es bei Windkraftanlagen mit horizontaler Achse des Rotors bekannt (JP 2004 011543 A), nur einen Rotorflügel voll anströmen zu lassen und die anderen Flügel in den Wind zu stellen, was eine voneinander unabhängige Verstellung der Rotorflügel bedingt. Außerdem ist es bekannt (JP 2006 118363 A) Rotorflügel in zwei mit axialem Abstand vorgesehenen Umfangsreihen anzuordnen, wobei die Rotorflügel der einen Umfangsreihe gegenüber den Rotorflügeln der anderen Um- fangsreihe auf Lücke versetzt sind. Um vorteilhafte Anströmbedingungen sicherzustellen, können die Rotorflügel der einen Umfangsreihe unabhängig von den Rotorflügeln der anderen Umfangsreihe um ihre Längsachse verstellt werden. Wegen des axialen Versatzes der Rotorflügel der beiden Umfangsreihen ergeben sich hinsichtlich der Flügelverstellung keine Schwierigkeiten, weil die Umfangsabstände der Rotorflügel einer Umfangsreihe entsprechend groß sind.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zu schaffen, die Anzahl der um 180° schwenkverstellbaren Rotorflügel einer gegensinnig anströmbaren Windturbine zu erhöhen, ohne in ihrem Wirkungsgrad schlechtere Rotorflügel einsetzen zu müssen.
Ausgehend von einer Windturbine der eingangs geschilderten Art löst die Erfindung die gestellte Aufgabe dadurch, dass die in Umfangsrichtung der Rotornabe aufeinanderfolgenden Rotorflügel abwechselnd einer von zwei Flügelgruppen angehören und dass die Rotorflügel der einen Flügelgruppe wahlweise unabhängig von den Rotorflügeln der anderen Gruppe oder gemeinsam mit diesen verschwenkbar sind.
Da zufolge dieser Maßnahme für eine Schwenkverstellung der Rotorflügel um 180° lediglich die Rotorflügel der einen Flügelgruppe an den stillstehenden Rotorflügeln der anderen Flügelgruppe vorbeigedreht werden müssen, kann für die zu verschwenkenden Rotorflügel der durch die Flügelschmalseiten bestimmte Zwischenraum zwischen den Rotorflügeln der stillstehenden Flügelgruppe genützt werden, sodass nach einer 90°-Drehung der zu verschwenkenden Rotorflügel diese angenähert senkrecht zu den stillstehenden Rotorflügeln ausgerichtet sind. Damit werden für die Rotorflügel größere Profilbreiten im Nabenbereich möglich, was zur unmittelbaren Lösung der gestellten Aufgabe führt. Nach einer aufeinanderfolgenden Schwenkverstellung der Rotorflügel der beiden Flügelgruppen zur Anpassung der Windturbine an eine gegensinnige Anströmrichtung können die Rotorflügel beider Gruppen wieder gemeinsam verstellt werden, um den jeweils erforderlichen Anstellwinkel für die Rotorflügel in einfacher Weise in einem Arbeitsgang einzustellen.
Die wahlweise abwechselnde oder gemeinsame Verstellung der beiden Flügelgruppen kann konstruktiv auf unterschiedliche Weise gelöst werden. So ist es beispielsweise möglich, dass die Rotornabe eine koaxiale Hohlwelle für den Schwenkantrieb der Rotorflügel der einen Flügelgruppe und eine die Hohlwelle koaxial durchsetzende Welle für den Schwenkantrieb der Rotorflügel der anderen Flügelgruppe aufweist, dass die Rotorflügel über Winkelgetriebe abwechselnd mit der Hohlwelle und der die Hohlwelle durchsetzenden Welle antriebs- verbunden sind und dass die Hohlwelle und die sie durchsetzende Welle jeweils ein gemeinsames Kegelrad für die zugehörigen Winkelgetriebe tragen. In diesem Fall werden die Rotorflügel der einen Flügelgruppe über die Hohlwelle und die Rotorflügel der anderen Flügelgruppe über die die Hohlwelle durchsetzende Welle verstellt.
Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Rotorflügel mit gesonderten Stellmotoren zu versehen, die für die Rotorflügel der beiden Flügelgruppen über eine Steuereinrichtung gruppenweise gemeinsam ansteuerbar sind. Es können somit über die hiefür vorgesehene Steuereinrichtung die Rotorflügel der einen Flügelgruppe wahlweise unabhängig von den Rotorflügeln der anderen Flügelgruppe oder gemeinsam mit diesen verstellt werden, dann allerdings nur in einem beschränkten Winkelbereich.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise dargestellt. Es zeigen
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Windturbine ausschnittsweise im Bereich der Rotornabe in einer schematischen stirnseitigen Ansicht,
Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie II-II der Fig. 1 und die
Fig. 3 und 4 den Fig. 1 und 2 entsprechende Darstellungen einer Ausführungsvariante einer erfindungsgemäßen Windturbine.
Weg zur Ausführung der Erfindung
Gemäß dem Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1 und 2 weist der Turbinenrotor 1 einer Windturbine über seinen Umfang gleichmäßig verteilt radiale Rotorflügel 2 und 3 auf, die mit einem in Fig. 2 strichpunktiert angedeuteten Flügelprofil 4 nach Art eines Tragflächenprofils versehen sind und daher eine in Anströmrichtung verlaufende Breitseite und eine dazu quer ausgerichtete Schmalseite besitzen. Um einen Turbinenrotor 1 von entgegensetzten Seiten anströmen zu können, sind die Rotorflügel 2, 3 um 180° um ihre Längsachse zu drehen. Aus der Fig. 1 ergibt sich, dass die Rotorflügel 2, 3 zwar in ihrer Arbeitsstellung mit ausreichendem Abstand in Umfangsrichtung angeordnet werden können, um einen an die jeweiligen Windverhältnisse angepassten Anströmwinkel zu ermöglichen, dass aber bei einem gemeinsamen Drehen der Rotorflügel 2, 3 um 180° die Rotorflügel 2, 3 wegen der Flügelbreite nicht aneinander vorbeigedreht werden können, wenn die Flügelbreite bis in den Bereich der Rotornabe 5 des Turbinenrotors 1 ohne entsprechende Verjüngung beibehalten wird, was für die Ausnützung der Windenergie von Vorteil ist. Um trotzdem eine Schwenkverstellung der Rotorflügel 2, 3 um 180° zu ermöglichen, werden die Rotorflügel 2, 3 nicht gemeinsam, sondern gruppenweise nacheinander verschwenkt. Die Rotorflügel 2 bilden demnach eine Flügelgruppe und die zwischen den Rotorflügeln 2 dieser Flügelgruppe angeordneten Rotorflügel 3 eine zweite Flügelgruppe. Wie der Fig. 1 zu entnehmen ist, können die Rotorflügel 2 der einen Flügelgruppe trotz ihrer beträchtlichen Profilbreite im Bereich der Flügelwurzel an den Rotorflügeln 3 der anderen, stillstehenden Flügelgruppe vorbeigedreht werden, wie dies strichpunktiert angedeutet ist. Nach der Verstellung der Rotorflügel 2 können die übrigen Rotorflügel 3 der zweiten Flügelgruppe in gleicher Weise um 180° gedreht werden.
Um die Rotorflügel 2, 3, gruppenweise um ihre Längsachse zu verdrehen, um- fasst die Rotornabe 5 gemäß dem Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1 und 2 eine koaxiale Hohlwelle 6 für den Schwenkantrieb 7 der Rotorflügel 2. Die Schwenkantriebe 8 für die Rotorflügel 3 der anderen Flügelgruppe werden über eine die Hohlwelle 6 koaxial durchsetzende Welle 9 angetrieben, wobei der Hohlwelle 6 und der Welle 9 voneinander getrennt ansteuerbare Antriebsmotoren 10 zugeordnet sind. Die Stelltriebe 7 und 8 umfassen Winkelgetriebe 11 , 12. Diese Winkelgetriebe 11 und 12 besitzen jeweils ein gemeinsames, mit der Welle 9 bzw. mit der Hohlwelle 6 verbundenes Kegelrad 13, 14, sodass mit dem Antreiben der gemeinsamen Kegelräder 13, 14 über die zugehörigen Winkeltriebe 11 , 12 jeweils alle Rotorflügel 2, 3 einer Flügelgruppe gruppenweise gemeinsam verstellt werden. Zum Einstellen des jeweils erforderlichen Anstell- Winkels der Rotorflügel 2, 3 können diese Rotorflügel 2, 3 beider Flügelgruppen gemeinsam verstellt werden, indem die hiefür vorgesehenen Antriebsmotoren 10 zugleich beaufschlagt werden.
Die gruppenweise Drehverstellung der Rotorflügel 2, 3 kann gemäß den Fig. 3 und 4 auch über den einzelnen Rotorflügeln 2, 3 zugeordnete Stelltriebe 15 vorgenommen werden. In diesem Fall sind die Stellmotoren 15 gruppenweise anzusteuern, sodass bei stillstehenden Rotorflügeln 2, die zwischen diesen Rotorflügeln 2 angeordneten Rotorflügel 3 um 180° gedreht werden, bevor die Rotorflügel 2 nachgedreht werden, sobald die Rotorflügel 3 ihre um 180° gedrehte Stellung für die gegensinnige Anströmung des Turbinenrotors 1 erreicht haben. Zu dieser Ansteuerung der Stellmotoren 15 ist eine Steuereinrichtung 16 vorgesehen, die die einzelnen Stellmotoren 15 entsprechend beaufschlagt, wie dies in der Fig. 3 angedeutet ist. Über Geber 17 wird die jeweilige Drehlage der einzelnen Rotorflügel 2, 3 erfasst und an die Steuereinrichtung 16 weitergeleitet.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Windturbine mit einem axial durchströmbaren Turbinenrotor (1), dessen in einer Umfangsreihe angeordnete Rotorflügel (2, 3) um 180° um ihre Längsachse schwenkverstellbar in einer Rotornabe (5) gelagert sind, dadurch gekennzeichnet, dass die in Umfangsrichtung der Rotornabe (5) aufeinanderfolgenden Rotorflügel (2, 3) abwechselnd einer von zwei Flügelgruppen angehören und dass die Rotorflügel (2) der einen Flügelgruppe wahlweise unabhängig von den Rotorflügeln (3) der anderen Gruppe oder gemeinsam mit diesen verschwenkbar sind.
2. Windturbine nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Rotornabe (5) eine koaxiale Hohlwelle (6) für den Schwenkantrieb (7) der Rotorflügel (2) der einen Flügelgruppe und eine die Hohlwelle (6) koaxial durchsetzende Welle (9) für den Schwenkantrieb (8) der Rotorflügel (3) der anderen Flügelgruppe aufweist, dass die Rotorflügel (2) über Winkelgetriebe abwechselnd mit der Hohlwelle (6) und der die Hohlwelle (6) durchsetzenden Welle (9) antriebsverbunden sind und dass die Hohlwelle (6) und die sie durchsetzende Welle (9) jeweils ein gemeinsames Kegelrad (14, 13) für die zugehörigen Winkelgetriebe tragen.
3. Windturbine nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorflügel (2, 3) gesonderte Stellmotoren (15) aufweisen und dass die Stellmotoren (15) für die Rotorflügel (2, 3) der beiden Flügelgruppen über eine Steuereinrichtung (16) gruppenweise gemeinsam ansteuerbar sind.
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