DE3119736C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Windturbine der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.

Solche Windturbinen arbeiten im allgemeinen mit einem Spit­ zenwirkungsgrad, wenn sie mit ihrer Nabe in den Wind gerich­ tet sind oder einen Winkel von 1° oder 2° mit dieser Richtung bilden. Damit sich die Nabe selbst in den Wind stellen kann, sind die Nabe und eine Welle, welche die Nabe mit der Bela­ stung der Windturbine verbindet, um die vertikale Gierachse drehbar.

Es sind bereits sowohl aktive als auch passive Vorrichtungen zur Gierstabilisierung, d. h. zur Drehung um die Gierachse der Windturbine benutzt worden, um eine gewünschte Ausrichtung der Windturbine in bezug auf den Wind aufrechtzuerhalten. Bei den aktiven Vorrichtungen wird ein Windrichtungsfühler be­ nutzt, der über eine Steuereinrichtung eine Vorrichtung für den Gierantrieb der Nabe betätigt, um die Nabe in den Wind zu stellen, und eine Vorrichtung, die diese Stellung so lange aufrechterhält, wie die Windrichtung konstant bleibt. Die passive Vorrichtung arbeitet nach dem Prinzip einer Wetter­ fahne, wobei die Belastung der Nabe und der mit dieser ver­ bundenen Teile durch den Wind die Ausrichtung der Windturbine in den Wind aufrechterhält. Die aktiven Vorrichtungen können zwar die Windturbine in den Wind stellen und darin halten, sie erfordern jedoch komplexe Einrichtungen und verringern deshalb die Wirtschaftlichkeit der Windturbine, indem sie die Kosten der durch die Windturbine erzeugten Energie erhöhen.

Eine Windkraftanlage mit aktiver Gierstabilisierung ist z. B. aus der DE-PS 8 09 179 bekannt. Bei dieser Windkraftanlage ist die Gierachse seitlich versetzt von der Drehachse der Nabe angeordnet, und es ist ein Hilfs- oder Seitenwindrad vorge­ sehen zum Bewegen des Hauptwindrades um die Gierachse. Da­ durch, daß das Hauptwindrad gegenüber der Gierachse so ver­ setzt ist, daß der resultierende Schubvektor mit der Dreh­ achse ausgerichtet ist, wird ein Giermoment erzeugt, das be­ strebt ist, in Getrieberädern den kraftschlüssigen Eingriff aufrechtzuerhalten, um Schwingungsbewegungen um die vertikale Gierachse zu vermeiden.

Die passive Gierstabilisierung hat sich bei Windturbinen, die relativ kurze und steife Blätter haben, als relativ wirksam erwiesen. Bei modernen großen Windturbinen, die Blätter mit einer Länge von 38 m oder mehr haben, haben jedoch die Blät­ ter zur Erzielung eines minimalen Gewichts manchmal einen hohlen Verbundaufbau mit einer beträchtlichen Eigenelastizi­ tät. Wenn solche Windturbinenblätter starr an der Nabe befe­ stigt und in vertikaler Richtung unterschiedlichen Anströmge­ schwindigkeiten sowie der Schwerkraft während des normalen Betriebes ausgesetzt sind, neigen sie zum zyklischen Verbie­ gen oder "Schlagen", das dem Beibehalten der Ausrichtung der Windturbine in den Wind entgegenwirkt. Wenn die Blätter zum Kompensieren der in vertikaler Richtung unterschiedlichen An­ strömgeschwindigkeiten an der Nabe in bezug auf die Wippachse quer zu der Drehachse der Nabe und der Welle gelenkig befe­ stigt sind, eliminiert die Drehung der so befestigten Blät­ ter dieses elastische Schlagen, was aber trotzdem zu einer horizontalen Präzession der Nabe und der Blätter um die Wippachse führt. Diese Präzession ist das Ergebnis des kom­ binierten Drehens und Wippens der Blätter unter dem Einfluß von in vertikaler Richtung unterschiedlichen Anströmge­ schwindigkeiten und der Schwerkraft und führt dazu, daß die Windturbine selbst sich gegenüber der richtigen Ausrichtung in bezug auf den Wind durch eine Drehbewegung um die Gier­ achse verlagert.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Windturbine der eingangs genannten Art mit einer einfachen und wirtschaftlichen Vor­ richtung zur passiven Gierstabilisierung zu versehen.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Da bei der Windturbine nach der Erfindung die Gierachse so weit seitlich von der Drehachse der Nabe versetzt angeord­ net ist, daß der resultierende Schubvektor durch die Gier­ achse verläuft, wirkt auf die Windturbine kein Giermoment ein. Die Bemessung der Versetzung wird so gewählt, daß der resultierende Schubvektor, der in bezug auf die Nabendreh­ achse geneigt ist, und zwar aufgrund der Präzession unter dem Einfluß von in vertikaler Richtung unterschiedlichen An­ strömgeschwindigkeiten, durch die Gierachse verläuft, um die Gierstabilisierung der Nabe gegen den Einfluß der in vertika­ ler Richtung unterschiedlichen Anströmgeschwindigkeiten zu erreichen. Das Maß der Versetzung wird durch die mittlere Windgeschwindigkeit am Aufstellungsort der Windturbine, durch die Größe des Mittelwertes der in vertikaler Richtung unter­ schiedlichen Anströmgeschwindigkeiten und durch die Geometrie der Windturbine selbst bestimmt. Aufgrund des Schlagens oder Wippens der Blätter ist der Schubvektor gegenüber der Naben­ drehachse winkelversetzt angeordnet. Durch das seitliche Ver­ setzen der Gierachse gegenüber der Nabendrehachse in eine Po­ sition, die kollinear zu dem Schubvektor ist, wird verhin­ dert, daß der Schubvektor ein Momentenungleichgewicht der Windturbine um die Gierachse hervorruft, und wird eine Gierstabi­ lisierung der Windturbine in einer Winkel- oder Kursrichtung bewirkt, die in einer Linie mit dem Wind ist, so daß sich ein optimaler Betriebswirkungsgrad ergibt. Während zur Gier­ stabilisierung der oben angegebenen bekannten Windkraftanla­ ge ein Giermoment erzeugt wird, wird also bei der Windturbi­ ne nach der Erfindung die Versetzung so gewählt, daß der re­ sultierende Schubvektor durch die Gierachse verläuft und so­ mit auf die Windturbine nach der Erfindung kein Giermoment einwirkt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung bilden den Gegen­ stand der Unteransprüche.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine Vorderansicht der Windturbine nach der Erfindung,

Fig. 2 eine vergrößerte perspektivische Ansicht der Turbinennabe, von der Teile weggebrochen sind, um Einzelheiten der Konstruktion sicht­ bar zu machen,

Fig. 3 eine Seitenansicht der Windturbine,

Fig. 4 eine Draufsicht auf die Windturbine, die das Zusammenfallen der Turbinen­ gierachse und des Vektors des Gesamt­ windschubes, der auf die Turbinenblätter einwirkt, zeigt,

Fig. 5 eine Querschnittansicht des in Fig. 3 darge­ stellten oberen Blattes nach der Linie 5-5 von Fig. 3, die die Auftriebs- und Luftwiderstands­ kräfte an diesem Blatt zeigt,

Fig. 6 eine Querschnittansicht des in Fig. 3 darge­ stellten unteren Blattes nach der Linie 6-6, die die Auftriebs- und Luftwiderstandskräfte an diesem Blatt zeigt,

Fig. 7 in Draufsicht eine bekannte Windturbine, bei der sich die Gierachse und die Nabendrehachse schneiden, wobei außerdem die Schräglage des Gesamtrotorschubrektors gegenüber der Drehachse der Nabe aufgrund des Schlagens oder Wippens der Blätter gezeigt ist,

Fig. 8 in einer ähnlichen Ansicht wie in Fig. 7 die Gierfehlausrichtung der bekannten Windturbine zu der Windrichtung aufgrund der Winkelversetzung oder Schräglage des Schubvektors bezüglich der Gierachse,

Fig. 9 eine graphische Darstellung der Beziehungen zwischen der Gierbeschleunigung und dem Gierwinkel für zwei typische große Windturbinen, die den in den Fig. 7 und 8 gezeigten bekannten Aufbau haben, wobei eine der Turbinen mit einer Wipp- oder Gelenkverbindung zwischen den Blättern und der Nabe versehen ist, wogegen die andere mit einer starren Verbindung versehen ist, und

Fig. 10 eine graphische Darstellung der Beziehung zwi­ schen dem Leistungsverhältnis und dem Gierwinkel sowie zwischen dem Schubverhältnis und dem Gier­ winkel für eine typische große Windturbine.

Gemäß den Fig. 1-4 hat eine gierstabilisierte Windturbine zwei Flügelprofilblätter 6 und 7, die an einer drehbaren Nabe 9 befestigt sind und sich von der Nabe aus nach vorn und radial nach außen erstrecken. Die Nabe ist um eine horizontale Drehachse 12 drehbar und mit der Windtur­ binenbelastung, d. h. mit einem elektrischen Generator oder Wechselstromerzeuger (nicht dargestellt) durch eine Welle 15 (Fig. 2), die ebenfalls um die Drehachse 12 drehbar ist, verbunden. Die Belastung und Getriebe (nicht dargestellt), das zum Übersetzen der Drehzahl der Welle 15 auf die der Belastung erforderlich ist, sind in einer Gondel 18 angeordnet, die im normalen Betrieb unmittelbar auf der Luvseite der Blätter und der Nabe angeordnet ist. Die Gondel 18 und die Baugruppe aus der Nabe 9 und den Blättern 6, 7 sind wie eine Wetterfahne durch den Wind um eine vertikale Gierachse 21 drehbar, die mit der vertikalen Achse eines Turms 24 zusammen­ fallen kann, auf welchem die Windturbine auf einem Gierlager 27 drehbar gelagert ist. Gemäß den Fig. 1 und 4 ist die Gier­ achse 21 seitlich versetzt von der Wellendrehachse 12 ange­ ordnet, und zwar zum Zweck der Gierstabilisierung der Wind­ turbine, um die Turbinennabe 9 insgesamt in den Wind gerich­ tet oder innerhalb eines davon um einen oder zwei Grad ab­ weichenden Bereiches zu halten.

Es ist allgemein bekannt, daß Winde häufig in vertikaler Richtung unterschiedliche Geschwindigkeit aufweisen. Das heißt, die Wind­ geschwindigkeit in der Nähe der Erdoberfläche ist im all­ gemeinen beträchtlich kleiner als die an von der Erdober­ fläche entfernten Punkten, d. h. als die in einer Entfernung von 60 oder 90 m von der Erdoberfläche gemessene Windge­ schwindigkeit. Wenn angenommen wird, daß die Blätter den gleichen Anstellwinkel haben, wird demgemäß bei der Dreh­ hung der Blätter in jedem einzelnen Zeitpunkt das oberste Blatt Winden größerer Geschwindigkeit und größeren Anblase­ winkels als das unterste Blatt ausgesetzt sein. Gemäß den Fig. 5 und 6 wirkt auf das obere Blatt 6 an jeder axialen Stelle auf demselben, die durch einen Radius r definiert ist, der von der Nabendrehachse 12 aus gemessen wird, Luft mit einer resultierenden Geschwindigkeit ein, die sich aus der Vektorsumme der Windgeschwindigkeit V _w an einer Stelle mit dem Radius r und der Windgeschwindigkeit Ω r, die das Blatt aufgrund nur seiner eigenen Drehung erfährt, zusammensetzt. Die Resultierende bildet mit der Sehne des Blattes 6 einen Anblasewinkel α ₁. Ebenso ist die resultieren­ de Geschwindigkeit des Windes, der auf das Blatt 7, das un­ terste Blatt, einwirkt, die Vektorsumme der Windgeschwindig­ keit V _w ′ an einer Stelle mit dem Radius r und der Geschwindigkeit Ω r, die das Blatt 7 aufgrund seiner ei­ genen Drehung erfährt. Diese Resultierende bildet aufgrund der Größe der Windgeschwindigkeit V _w ′ mit der Sehne des Blattes 7 einen Anblasewinkel a ₂, der wesentlich kleiner als der Winkel α ₁ ist. Da der Auftrieb, der jedem der Blätter 6 und 7 zugeordnet ist, zu dem Anblasewinkel pro­ portional ist, ist der Auftrieb an dem obersten Blatt, wie dargestellt, wesentlich größer als der Auftrieb an dem untersten Blatt. Wenn sich die Blätter drehen, nimmt jedes Blatt periodisch eine obere und eine untere Position ein, weshalb, wenn die Blätter starr an dem Rotor befestigt sind, die Veränderung des Auftriebes, der auf jedes Blatt einwirkt, wenn diese periodisch eine obere und eine untere Position einnimmt, ein periodisches Verbiegen oder "Schlagen" des Blattes verursacht. Dieses Schlagen ist nicht nur potentiell nachteilig für das Blatt, sondern hat auch zur Folge, daß die Windturbine durch Drehung um ihre Hochachse von ihrem rich­ tigen Kurs abweicht, und zwar zum Teil durch Gierstörmomente, die direkt aus der Blattverbiegung resultieren, und zum Teil aufgrund einer Winkelverschiebung des resultierenden Vektors des auf die Blätter einwirkenden Schubes.

Das periodische Verbiegen oder Schlagen kann durch eine Dreh- oder Gelenkverbindung zwischen den Blättern und der Nabe eliminiert werden, wie es in Fig. 2 gezeigt ist. Die Blätter sind, wie dargestellt, an einer hohlen Stummelachse 30 befestigt, durch die die Welle 15 hindurchführt. Die Welle 15 und die Stummelachse 20 sind mit fluchtenden Löchern versehen, welche einen Gelenkstift aufnehmen, der insgesamt quer sowohl zu der Drehachse 12 als auch zu den Längsachsen der Blätter angeordnet ist und dessen Längsachse die Wippachse 33 bildet. Aufgrund dieser Gelenk- oder Wippkonstruktion wird das obenerwähnte perio­ dische Blattschlagen durch ein zyklisches Schwenken der Blätter 6, 7 auf der Nabe 9 um die Wippachse 33 ersetzt. Wenn sich die Blätter 6, 7 unter dem Einfluß des vorherrschenden Windes drehen, werden sie sich demgemäß zyklisch in den Wind (mit dem Wind) und weg von dem Wind (entgegen dem Wind) bewegen, und zwar durch zykli­ sches Wippen auf dem Gelenkstift um die Wippachse 33.

Dieses Wippen oder Schwenken um den Gelenkstift, wenn sich die Blätter 6, 7 drehen, bewirkt durch Präzession eine Drehung der Nabe 9 und der Blätter um die Wippachse 33, die dann am größten ist, wenn der Gelenkstift vertikal ausgerichtet ist. Die Größe dieser durch Präzession hervorgerufenen Drehbewegung wird zwar von der Windgeschwindigkeit, dem Windgradienten, der Blattkonfiguration und von anderen Aspekten der Turbinenkonstruktion sowie von den Betriebs­ bedingungen abhängig sein, dieses durch Präzession her­ vorgerufene Drehen führt jedoch dazu, daß die Nabe und die Blätter um einen oder zwei Grad von der Windrichtung ab­ weichen. Gemäß Fig. 7 bewirkt die Winkelabweichung der Nabe 9 und der Blätter 6, 7 von der Windrichtung eine gleiche Schräglage oder Winkelabweichung des resultierenden Vektors des auf die Blätter einwirkenden Gesamtschubes, wobei dieser Schubvektor sich per Definition normal zu einer Linie erstreckt, die die Blattspitzen schneidet. Die Schräglage des Schubvektors bedeutet eine Winkelabweichung des Vektors von der kollinearen Ausrichtung mit der Gierachse 21. Der versetzte Schubvektor übt deshalb ein Giermoment auf die Wind­ turbine aus, das zu einer übertriebenen Gierabweichung von der gewünschten Windrichtung führt, wie es in Fig. 8 gezeigt ist.

In Fig. 9 sind die Auswirkungen der Versetzung des Schub­ vektors in Verbindung mit der resultierenden Nabengierab­ weichung bei einer Windgeschwindigkeit von 25 m/s für zwei bekannte große Windturbinen mit Gelenk (Gelenkrotor oder gelenkiger Blattanschluß) bzw. ohne Gelenk (gelenkloser Rotor oder starrer Blattanschluß) gezeigt. Diese Kurven zeigen, daß sich die beiden bekannten Windturbinen, die sich frei um eine Gierachse drehen können, selbst um die Hochachse gegenüber dem gewünschten 0°-Kurs (Anströmungs­ winkel) beträchtlich verdrehen werden. Der Gelenkrotor wird daher, wenn bei einem Anströmwinkel von 0° begonnen wird, sich um ungefähr 15° gegenüber dem Kurs um die Hochachse verdrehen, während der gelenklose Rotor, wenn er auf 0° eingestellt ist, sich um -33°, -22° oder ungefähr 55° um die Hochachse gegenüber dem gewünschten Kurs verdrehen könnte, bevor die Gleichgewichtskurse (Gierbeschleunigung null) erreicht werden. Beide Windturbinen werden bei diesen versetzten Gierkursen aufgrund eines Ausgleiches des Schubmoments durch aerodynamische Kräfte an den Blättern gierstabilisiert.

Gemäß Fig. 10 werden sowohl das Schubverhältnis als auch das Leistungsverhältnis optimiert, indem die Windturbine dem Wind im wesentlichen direkt entgegengedreht gehalten wird. Das Leistungsverhältnis ist ein Maß für die abgegebene Leistung der Windturbine dividiert durch die verfügbare Leistung der Windströmung, die durch die Turbine aufgefangen wird, und das Schubverhältnis ist ein Maß für den Schub an den Turbinenblättern dividiert durch den gesamten Schub, der aus der Windsäule verfügbar ist, die durch die Turbinenblätter aufgefangen wird. Demgemäß wird gemäß Fig. 10 jede nennens­ werte Abweichung von dem gewünschten 0°-Gierwinkel-Kurs das Energieerzeugungsvermögen der Windturbine beträchtlich verschlechtern.

Deshalb ist bei der hier beschriebenen Windturbine die Gierachse 21 seit­ lich gegen die Drehachse 12 der Nabe 9 in einem Ausmaß versetzt angeordnet, durch das die Gierachse in eine Linie mit dem winkelversetzten Schubvektor, der aus einer Präzession der Nabe und der Blätter 6, 7 um die Wippachse 33 aufgrund des Verbiegens oder Wippens der Blätter resultiert, gelangt. Gemäß Fig. 4 ist daher der gesamte versetzte Schub an den Blättern 6, 7 durch einen Schubvektor dargestellt, dessen Wirk­ richtung durch die Gierachse 21 geht. Die Schräglage des Schubvektors führt daher nicht zu einem unausgeglichenen Moment, das auf die Windturbine ausgeübt wird, vielmehr geht der Schubvektor durch diese Achse hindurch und kann dadurch nicht ein weiteres Weggieren der Windturbine von dem gewünschten Kurs verursachen. Demgemäß wird die Windturbine bei dem etwas versetzten Kurs aufgrund der Präzession funktionsfähig bleiben; die Größe dieser Versetzung von einem oder zwei Grad wird das Energieerzeugungsvermögen der Windturbine nur minimal verschlechtern.

Die Windturbine bleibt nicht nur im wesentlichen gierstabil, sondern dieses Ergebnis wird auch auf völlig passivem Wege erreicht, ohne daß komplizierte und teuere Windfühler und Vorrichtungen zur Gierpositionierung der Windturbine sowie zum Aufrechterhalten einer gewünschten Gierlage erforderlich sind. Das Ausmaß der Versetzung zwischen der Gierachse 21 und der Drehachse 12 der Nabe 9 wird von der Entwurfsgeometrie der Windturbine sowie von den vorherrschenden Windbedingungen, unter denen die Windturbine arbeiten muß, abhängig sein. Anhand dieser Parameter können das Gierungleichgewicht aufgrund des Blattschlagens oder -wippens sowie die Gier­ achsenversetzung, die zum Kompensieren dieses Ungleich­ gewichts ausreicht, berechnet werden.

Die Windturbine ist hier zwar in Verbindung mit zwei gelenkig ange­ schlossenen Blättern 6, 7 beschrieben worden, sie könnte jedoch irgend­ eine Anzahl von Gelenkblättern oder gelenklosen Blättern haben. Bei gelenklosen Windturbinen wird die Gierachse versetzt, um nicht nur den versetzten Schubvektor zu kompensieren, sondern um auch die das Gierungleichgewicht erzeugenden Blattbiegemomente, die oben erwähnt worden sind, zu kompensieren. Wenn mehr als zwei Blätter bei einer Windturbine benutzt werden, die gelenkig angeschlossene Blätter hat, werden die Blätter mit der Nabe durch eine Anordnung von kardanisch aufge­ hängten Lagern statt durch ein einzelnes Gelenk verbunden. Weiter kann die Windturbine Blätter mit verstellbarem An­ stellwinkel oder Blätter mit festem Anstellwinkel haben.

Claims (4)

1. Windturbine mit mehreren Flügelprofilblättern (6, 7), die auf einer Nabe (9) befestigt sind, welche um eine hori­ zontale Drehachse (12 ) drehbar und um eine vertikale Gier­ achse (21) schwenkbar ist, mit einem Schubvektor, der aus einer Präzession der Nabe (9) und der Blätter (6, 7) auf­ grund des Wippens der Blätter um eine quer zur Drehachse (12) und zur Blattlängsachse angeordnete Wippachse (33) re­ sultiert, dadurch gekennzeichnet, daß zur Gierstabilisierung der Nabe (9) gegen den Einfluß von in vertikaler Richtung unterschiedlichen Anströmgeschwin­ digkeiten, die auf die Blätter (6, 7) einwirken, die Gier­ achse (21) so weit seitlich versetzt von der Drehachse (12) der Nabe angeordnet ist, daß der resultierende Schubvektor durch die Gierachse (21) verläuft.

2. Windturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Blätter (6, 7) an der Nabe (9) gelenkig um die Wipp­ achse (33) befestigt sind.

3. Windturbine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Nabendrehachse (12) und eine horizontale Linie, die die Gierachse (21) mit der Drehachse an der Nabe (9) ver­ bindet, sich unter einem Winkel schneiden, der ungefähr gleich 1° bis 2° ist.

4. Windturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß sich die Nabe (9) auf der Leeseite der Gierachse (21) befindet.