DE19644705A1

DE19644705A1 - Vorrichtung zur Verstellung von Rotorblättern

Info

Publication number: DE19644705A1
Application number: DE19644705A
Authority: DE
Inventors: Joerg Dr Riedel
Original assignee: Preussag AG
Current assignee: Preussag AG
Priority date: 1996-10-28
Filing date: 1996-10-28
Publication date: 1998-04-30

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verstellung von Rotorblättern, insbeson dere einen Verstellantrieb zum individuellen Verstellen des Einstellwinkels eines oder mehrerer Rotorblätter für Windkraftanlagen zur Leistungsbegrenzung.

Beschreibung

Die Notabschaltung von Windkraftanlagen für den Fall, daß die Netzspannung aus fällt und die Windkraftanlage sicher stillgelegt werden muß, erfordert derzeit noch einen erheblichen Aufwand an Anlagen- und Steuertechnik. Solche Notabschaltun gen werden im allgemeinen dadurch realisiert, daß eine Scheibenbremse die Hauptwelle und damit den Rotor soweit abbremst, daß er zum Stillstand kommt, wenn alle Versorgungsspannungen ausfallen. Diese Notbremse muß in der Lage sein die Stillsetzung des Rotors auch unter maximaler Windgeschwindigkeit zu rea lisieren. Deshalb muß diese Anlagenkomponente relativ stabil ausgelegt werden. Weiterhin ist auch die Bereitstellung von Energie meist mit Hilfe von ständig nachzu ladenden Akkumulatoren oder Druckluftflaschen erforderlich.

Bekannte Verstellantriebe zum Verstellen des Einstellwinkels von Rotorblättern all gemein sind in verschiedenster Weise ausgebildet. An einen Verstellantrieb für die Rotorblätter einer Windkraftanlage werden jedoch besondere Anforderungen ge stellt. Da Rotoren von Windkraftanlagen zur Erzielung eines günstigen Wirkungs grades große Abmessungen besitzen, müssen die Rotorblätter imstande sein, sehr hohe Kräfte aufzunehmen. Gleichzeitig soll die zum Verstellen der Rotorblätter auf zuwendende Kraft relativ gering sein.

Bei Windkraftanlagen, die eine Blatteinstellwinkelregelung zur Leistungsbegrenzung aufweisen, werden bekanntlich Blattverstellantriebe mit hydraulischer oder elektri scher Antriebsenergie eingesetzt. Diese Antriebe sitzen auf der rotierenden Nabe, so daß die Antriebsenergie von dem ruhenden Teil mittels Drehdurchführungen oder Schleifringen auf das sich drehende Teil übertragen werden muß. Damit auf diese problematische Energieübertragung verzichtet werden kann, muß der Antrieb auf dem ruhenden Teil installiert-werden.

Nach der DE 34 14 428 besteht hierzu die Möglichkeit, ein Verteilergetriebe koaxial auf der drehenden Nabe anzuordnen und dessen Antriebswelle durch eine hohle Rotorwelle zu einem ortsfest installierten Antriebsaggregat zu führen.

Nach den bestehenden Sicherheitsbestimmungen für Winkraftanlagen darf eine Stö rung oder ein Ausfall eines Blattverstellsystems nicht zu einer Beschädigung der Anlage führen. Aus diesem Grund muß jede Anlage mit einem Sicherheitssystem ausgerüstet sein, welches Zugriff auf mindestens zwei vollständig voneinander un abhängige Bremssysteme hat. Jedes Bremssystem muß für sich allein in der Lage sein, den Rotor gezielt zu verzögern bzw. zum Stillstand zu bringen. In der Regel werden deshalb neben dem Blattverstellsystem, welches zur aerodynamischen Ab bremsung des Rotors herangezogen werden kann, mechanische Bremssysteme eingesetzt, die jedoch einem starken Verschleiß unterliegen. Dies führt zu einer aufwendigen Zustandsüberwachung, was sich auf die Herstellungs- und Wartungs kosten der Anlage niederschlägt. Weiterhin verursacht eine mechanische Bremse durch Ausfall oder Störung selbst erhebliche Stillstandszeiten, wodurch die Ausla stung der Anlage reduziert wird.

In der EP 094 106 A2 ist bei einem Rotorblattverstellsystem eine Bremse vorgese hen, die eine zwangsweise Drehung der Rotorblätter in Fahnenstellung bewirkt. Die se ist jedoch nur funktionsfähig, solange der Antriebsstrang sowie alle Blattlager voll funktionsfähig sind. Dies erfordert nach den einschlägigen Sicherheitsbestimmungen für Windkraftanlagen eine zusätzliche Bremseinrichtung, da das Versagen eines Teiles der Blattverstelleinrichtung im Notfall nicht zu einer Zerstörung der gesamten Anlage führen darf. Diese zusätzliche Bremsvorrichtung muß für ein mehrfaches der Nenn-Antriebsmoment des Rotors ausgelegt sein und besonders strengen Sicher heitsauflagen entsprechen. Der dafür erforderliche Bauaufwand verursacht erhebli che, der Wirtschaftlichkeit der Anlage abträgliche Investitionskosten.

Aus der DE 42 21 783 C2 ist eine Vorrichtung zur Verstellung von Rotorblättern, die um ihre Längsachse drehbar gelagert sind, insbesondere für Rotorblätter an Wind kraftanlagen bekannt. Bei diesem System wird als Verteilergetriebe je Rotorblatt ein Zahnriemen verwendet, der in räumlicher Anordnung ein Ritzel eines zentralen Ver stellmotors über Umlenkrollen mit dem Rotorblatt verbindet, wobei gleichzeitig alle Ritzel mit einer Bremsscheibe verbunden sind, die mittels einer nicht mit der Ro tornabe drehenden Bremszange festgebremst werden kann. Die nicht mit der Ro tornabe drehende Bremse ist als übergeordnetes Sicherheitssystem ausgelegt und bewirkt bei drehendem Rotor eine zwangsweise Drehung der Rotorblätter in Fah nenstellung. Die im Rotor der Windkraftanlage gespeicherte Rotationsenergie liefert hierzu die Antriebsenergie. Nachteilig bei diesem System ist der hohe mechanische Aufwand und der Wartungsbedarf des Zahnriemenantrieb. Das System ist außerdem nach außen offen, d. h. nicht im Gesamtsystem eingekapselt und damit gegen Um welteinflüsse ungeschützt.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin die Nachteile der bekannten Vorrichtungen zur Verstellung von Rotorblättern, insbesondere zum individuellen Verstellen des Einstellwinkels eines oder mehrerer Rotorblätter für Windkraftanla gen zur Leistungsbegrenzung zu überwinden.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind im zugehörigen Unteranspruch enthal ten.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht es durch eine Querstellung der Ro torblätter die Drehbewegung der Windkraftanlage zu stoppen und damit die Notab schaltung systemintern zu realisieren. Die für diesen Vorgang erforderliche Energie wird aus der momentanen Drehbewegung des Rotors mit Hilfe eines Generators gewonnen, der fest im Verbund Turmkopf/Rotor installiert ist und die Energie aus der Drehbewegung des Rotors relativ zum Turmkopf gewinnt. Mit der aus ihm gewonne nen Energie werden die Rotorblätter ohne Zwischenspeicherung gedreht. Die Zufuhr an weiterer Energie wird mit dem Stillstand des Rotors unterbunden. Dies ist aber in diesem Zusammenhang nicht von Bedeutung, da die Windkraftanlage nun stillge setzt ist und erst dann wieder angefahren wird, wenn wieder Hilfsenergie zur Verfü gung steht. Dies impliziert gleichzeitig einen zusätzlichen Schutz gegen Unbefugte. Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläu tert.

In der Abbildung zeigt die

Fig. 1 in schematischer Darstellung die wesentlichen Teile einer Windkraftanlage im Schnitt ohne Turm.

Die Fig. 1 zeigt in einer Schnittdarstellung den Turmkopf 1 mit der Rotorwelle 2 und der Rotornabe 12, die die Lager 4 der Rotorblätter 3 enthält. Mit 5 ist das Lager der Rotorwelle 2 im Turmkopf 1 bezeichnet und 6 zeigt den umlaufenden Zahnkranz am Lager 5. Mit dem Hilfsgenerator 11 wird die Energie zur Abschaltung der Anlage ge wonnen, wobei sein Ritzel 10 in den am Lager 5 der Rotorwelle 2 im Turmkopf 1 be findlichen Zahnkranz 6 eingreift.

Das Bezugszeichen 7 zeigt den umlaufenden Zahnkranz in der Rotornabe 12 am Lager 4 des Rotorblatts 3, wobei 8 den E - Motor für die Blattverstellung darstellt und 9 das Ritzel für die Blattverstellung zum Eingriff in 7 bezeichnet.

Die vorliegende Erfindung geht davon aus, daß durch eine Querstellung der Rotor blätter die Drehbewegung der Windkraftanlage gestoppt und damit die Notabschal tung systemintern realisiert wird.

Die für diesen Vorgang erforderliche Energie wird aus der momentanen Drehbewe gung des Rotornabe 12 mit Hilfe eines Generators 11 gewonnen, der fest im Ver bund Turmkopf 1/Rotor 12 installiert ist und die Energie aus der Drehbewegung des Rotors relativ zum Turmkopf gewinnt. Mit der aus dem Generator 11 gewonne nen Energie werden die Rotorblätter 3 aktiv ohne Zwischenspeicherung gedreht. Die Zufuhr an weiterer Energie wird mit dem Stillstand des Rotors unterbunden. Dazu ist in der Rotornabe 12 jedem Rotorblatt 3 ein Lager 4 zugeordnet. Dieses Lager 4 weist einen Zahnkranz 7 auf in dem ein Ritzel 9 des Flügelblattstellmotors 8 ein greift. Die erforderliche Energie für den Stellmotor 8 wird über den gesonderten Hilfsgenerator 11 gewonnen, der die Drehbewegung des Rotors 12 gegenüber dem Lager der Rotorwelle 5 ausnutzt. Bei hoher Windstärke wird über eine Steuerung die Energie aus dem Hilfsgenerator 11 für die Verstellung der einzelnen Rotorblätter 3 dergestalt genutzt, daß jedes einzelne Rotorblatt 3 unabhängig von den/dem ande ren quergestellt wird und damit die Drehbewegung des Rotors 12 wirksam (sicher) unterbindet, d. h. eine Abschaltung erreicht wird.

Der Generator kann wahlweise fest in der Rotornabe oder im Turmkopf angeordnet sein und über entsprechende Ritzel seine Drehbewegungsenergie erhalten. Der Generator kann dabei elektrische oder hydraulische Energie bereitstellen.

Bezugszeichenliste

1

Turmkopf

2

Rotorwelle

3

Rotorblatt

4

Lager Rotorblatt in Rotornabe

5

Lager Rotorwelle in Turmkopf

6

umlaufender Zahnkranz am Lager Rotorwelle

7

umlaufender Zahnkranz am Lager Rotorblatt

8

E-Motor für Rotorblattverstellung

9

Ritzel für Rotorblattverstellung zum Eingriff in

7

10

Ritzel für Hilfsenergiegenerator zum Eingriff in

6

11

Hilfsenergiegenerator für Blattverstellung

12

Rotornabe

Claims

1. Vorrichtung zur Verstellung von Rotorblättern, die um ihre Längsachse drehbar gelagert sind, insbesondere für Rotorblätter an Windkraftanlagen, wobei in der Rotornabe (12) jedem Rotorblatt (3) ein Lager (4) zugeordnet ist, welches einen Zahnkranz (7) aufweist, in welchem ein Ritzel (9) eines mit einem Generator (11) verbundenen Flügelblattstellmotors (8) eingreift.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erforderliche Energie für den Flügelblattstellmotors (8) über den Generator (11) gewonnen wird, der die Drehbewegung der Rotornabe (12) gegenüber dem Lager (5) der Rotorwelle (2) ausnutzt.