DE3913505A1 - Fluegel mit aerodynamischer bremse fuer windkraftmaschinen - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Flügel für Windkraftmaschinen mit einem verstellbaren Störkörper an der Saugseite des Flügels zur Erzeugung eines Strömungsabrisses zwecks aerodynamischer Bremsung. Die Verstellung erfolgt durch Veränderung des Luftdruckunterschieds, der unmittelbar am Störkörper wirksam ist und sie wird abhängig gemacht vom Anstieg der Drehzahl und/oder des Drehmoments vom Flügel.

In der europäischen Patentanmeldung 02 83 730 wird eine aufblasbare Membran zur Veränderung des Druckfeldes an einem umströmten Flügelprofil vorgeschlagen. Durch die dehnelastische Membran über dem gesamten Flügelprofil ist bei Erhöhung des Innendrucks eine stetige Erhöhung der Wölbung möglich, so daß der Auftrieb ansteigt. Würde die Membran nur ein kurzes Stück der Flügelprofillänge überdecken, so würde unter Innendruck eine zum Strömungsabriß führende Störschwelle entstehen können.

In nachteiliger Weise wäre dazu eine erhebliche Drucksteigerung und Überdehnung der Membran erforderlich. Bei Drucksenkung, wenn also die Membran zumindest teilweise wieder am Flügelprofil anliegt, entsteht durch Nachkriechen Reibung an den Oberflächen. Bei Verwendung von Luft als Druckmedium ist Verschleiß die Folge.

Aus der deutschen OS 28 44 262 ist bekannt, das Innere eines um seine Längsachse drehbaren Außenflügels durch Fanghutzen mit dem Staudruck der Anströmung aufzupumpen. Auf der Saugseite des Außenflügels drehbar gelagerte und federbelastete Störklappen werden beim Anstieg der Drehzahl bzw. des Staudrucks durch Drehung um eine radiale Achse geöffnet und erzeugen einen Strömungsabriß am Außenflügel. Die unmittelbare und ständige Entnahme von Luft unter dem Staudruck der Anströmung hat zumindest den Nachteil, daß Fremdkörper mit hoher Geschwindigkeit über die Fanghutze unter die Klappen dringen und sich dort festsetzen können. Außerdem stellt die Fanghutze bei Nennbetrieb ein nachteiliges Strömungshindernis dar.

Mit den dort gezeigten Mitteln wird auch nur dem Drehzahlanstieg, jedoch nicht dem Anstieg des Drehmomentes entgegengewirkt.

Aufgabe der Erfindung ist daher, unter Behebung der bisherigen Nachteile einen pneumatisch verstellbaren Störkörper vorzusehen, der bei einfacher Bauweise hohe Zuverlässigkeit und Wirksamkeit in sich vereinigt. Dadurch und mit entsprechenden meß- und regelungstechnischen Mitteln wird es möglich, den Anstieg von Drehzahl und Drehmoment des Flügels schnell und sicher zu reduzieren zwecks Schonung von Getriebe und Generator.

Zur Lösung der Aufgabe wird gemäß dem Hauptmerkmal der Erfindung folgendes vorgeschlagen:

Ein radial innerhalb des Flügels verlaufender Kanal wird durch einen verstellbaren Störkörper nach außen dichtend abgedeckt. Die Verstellung erfolgt durch Veränderung des Kanaldrucks. So ergibt sich eine Ausbiegung des flexiblen Störkörpers nach außen bei Erhöhung des Kanaldrucks.

Vom Bereich der Flügelnabe her führt eine Zuleitung unter Umgebungsdruck oder unter einem durch ein Hilfsgebläse erhöhten Vordruck Luft über eine auf kleinerem Flügelradius liegende sog. Innendrossel in den Kanal. Von dort aus fließt die Luft über eine auf größerem Flügelradius befindliche sog. Außendrossel zu einer Stelle sehr niedrigen statischen Drucks an der Flügelspitze. Diese Stelle kann der engste Querschnitt eines Venturirohres sein. Im Kanal ist die Luftsäule der Fliehbeschleunigung ausgesetzt mit einer Druckzunahme zur Flügelspitze hin, die etwa in der Größe der Staudruckzunahme der äußeren Anströmung ist. Daher läßt sich der Kanaldruck gegenüber dem statischen Druck auf der Saugseite des Störkörpers durch weiteres Öffnen der Innendrossel bzw. auch durch weiteres Schließen der Außendrossel erhöhen, wodurch der Störkörper aus der strömungsgünstig anliegenden Normallage am Flügel, eine Störschwelle bildend, herausgebogen wird. Durch Schließen der Innendrossel bzw. Öffnen der Außendrossel läßt sich der Kanaldruck absenken, weil dadurch der niedrige statische Druck im Venturirohr in dem Kanal an Einfluß gewinnt. Damit wird der Störkörper wieder zum Anliegen gebracht und die Störschwelle verschwindet. Somit wird in vorteilhafter Weise auf die problematische Entnahme von Stauluft aus der Anströmung verzichtet. Außerdem sind durch einen Vorzeichenwechsel des Kanaldrucks gegenüber dem Druck auf der Saugseite keine besonderen Vorspannfedern am Störkörper erforderlich.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird ein Störkörper vorgeschlagen, der als flexibles und schmales Band radial längs des Flügels verlaufende Falten hat. Dieses, im folgenden Faltenband genannt, überdeckt den Kanal und ist an seinen Längsseiten dichtend eingespannt. Die Falten ermöglichen mit besonders geringer Werkstoffbeanspruchung die notwendige Breitenänderung des Faltenbandes beim Aus- und Einbiegen. Die Falten weisen nach innen in den Kanal hinein. Sie stören daher die äußere Umströmung nicht und benötigen auch keinen zusätzlichen Einbauraum. Infolge der Abdichtung an den Längsseiten ergibt sich ein besonders niedriger mittlerer Luftverbrauch, damit auch ein geringer Kanalquerschnitt, ein kleines Venturirohr und die Möglichkeit einer effizienten Vorwärmung und Filterung der Zuluft. Unter diesen Gegebenheiten ist es möglich, mit geringem Aufwand und hoher Betriebssicherheit große Anteile der Flügellänge, z. B. mehr als 30% von der Flügelspitze aus, mit einem Faltenband zu versehen, das dann eine wirksame aerodynamische Bremsung ergibt. Mit dem geringen Einbauraum des Faltenbandes wird auch die tragende Struktur des Flügels nur wenig beeinträchtigt.

Da das Faltenband in sich keine große Biegesteifigkeit hat, genügen bereits geringe Druckunterschiede zum völligen Ausbiegen oder Anliegen in der Normallage. Oberhalb einer Mindestausbiegung zum Erzeugen eines ausgeprägten Strömungsabrisses muß jedoch eine maximal zulässige Ausbiegung durch Anschläge definiert sein. Dann bleibt die Biegebeanspruchung zur Erzielung einer sehr hohen Lastwechselzahl gering. Die Höhe der Ausbiegung ist auf Grund des biegeweichen Faltenbandes, des relativ geringen Maximaldrucks im Kanal und der nicht genau definierten Rückwirkung der saugseitigen Strömung nicht proportional zum Kanaldruck oder zum Öffnungsgrad einer der Drosseln.

Aus Gründen der Regelstabilität bei der angestrebten Drehzahl- und Drehmomentregelung ist jedoch wenigstens eine annähernde Proportionalität zwischen dem Öffnungsgrad z. B. der Innendrossel und dem aerodynamischen Bremsmoment erforderlich.

Die Proportionalität ist in überraschender Weise möglich, und zwar mittels der Anschläge, weil der voll ausgebogene radiale Längenanteil des Faltenbandes beinahe proportional zum Öffnungshub ist und der Längenanteil zum Bremsmoment proportional ist.

Das Faltenband kann beispielsweise an beiden Längsseiten Faltungen haben. Zur Begrenzung der maximal zulässigen Ausbiegung dient eine jeweils der Faltung gegenüberliegende Anschlagfläche im Kanal.

In weiterer Abwandlung kann ein auf halber Breite längs geschlitztes Faltenband eine oder mehrere Längsfalten haben, die, den Schlitz überbrückend, in den Kanal hineinragen. Ein Vorsprung am Scheitel einer Falte begrenzt die Ausbiegung gegen einen Anschlag im Kanal. An den in der Höhe beweglichen Querseiten der diversen Faltenbandausführungen wird ein enger, berührungsfreier Dichtspalt durch auf den Flügel aufgesetzte dünne Endscheiben parallel zu den Querseiten geschaffen.

Möglichst geringe Formfehler sind zur Vermeidung von Strömungsverlusten in der Normallage angesichts der großen Länge des Faltenbandes insbesondere bei Laminarflügeln von Bedeutung. Das Faltenband paßt sich in der Normallage den durch Stützflächen vorgegebenen strömungsgünstigen Profilkonturen an der Saugseite des Flügels an. Günstige Voraussetzungen dafür bietet bei kleinen Flügeln ein stranggepreßtes Flügelprofil, z. B. aus Leichtmetall, welches unmittelbar den Kanal nebst Anschlägen, Stützflächen und Längsnuten zum Einschieben des mit Paßfedern versehenen, z. B. aus thermoplastischem Kunststoff extrudierten Faltenbandes enthält. Größere Flügel bestehen meist aus faserverstärkten Kunstharzen. Hier empfiehlt sich eine maßgenau extrudierte oder stranggepreßte Fassung, die alle bisher erwähnten Einzelheiten zur Aufnahme des Faltenbandes enthält und die im Flügel eingebaut wird.

Zwischen der aus fertigungstechnischen Gründen meist grob tolerierten Auflagefläche des Flügels und der Unterseite der Fassung sind gummielastische Zwischenlagen zu empfehlen, die durch individuelles Anziehen von Schrauben vorgespannt werden. Dadurch ist die örtliche Höhenlage der Fassung bündig mit der Flügeloberfläche einstellbar. Die Schrauben können auch in strömungsgünstiger Weise innerhalb des Kanals angeordnet sein.

Für eine einfache Drehzahlregelung kann vorzugsweise die Innendrossel als Fliehkraftventil ausgeführt sein, bei dem der Öffnungshub eines Schließkörpers gegen eine Vorspannfeder mit der Fliehkraft bzw. mit der Drehzahl zunimmt und die Bremsung einleitet.

Wenn am Fliehkraftventil ein Teil der Vorspannfederkraft durch eine elektromagnetische Kraft ersetzt wird, so kann der Öffnungshub auch von außen, z. B. durch elektrische Messung des Drehmoments, des Schwenkwinkels oder der Durchbiegung des Flügels, zusätzlich beeinflußt werden. Beim Schwenkwinkel oder bei der Biegung ist die Gravitation zu kompensieren, damit keine Fehlbremsung eintritt. Außerdem ist die Rückmeldung zur Präzisierung der Einflußnahme nützlich.

Bei einer weiteren Ausführung kann das Drehmoment von der Nabe zum Getriebe durch eine genügend drehweiche Hohlwelle übertragen werden. Hierbei kann die Rotordrehzahl z. B. infolge eines Böenangriffs kurzzeitig ansteigen ohne wesentliche Erhöhung des Getriebeeingangsmomentes. Der nominelle Verdrehwinkel der Hohlwelle entspricht dem am Getriebeeingang zulässigen Drehmoment. Die Erhöhung des Verdrehwinkels wird elektrisch gemessen und führt zur Abnahme der elektromagnetischen Kraft am Fliehkraftventil.

Ebenfalls kann die Erhöhung des Verdrehwinkels zur unmittelbaren mechanischen Öffnung eines die Innendrossel repräsentierenden Drehmomentventils dienen, das auf der Rotornabe sitzt.

Die Hohlwelle ermöglicht auch eine besonders einfache Luftzufuhr. Drehzahl- und Drehmomentventil können auch pneumatisch parallel geschaltet sein.

Bei zwei oder mehr Flügeln kleinerer Baugröße kann vereinfacht eine gleichmäßige Verteilung des Bremsmomentes auf die Flügel dadurch erreicht werden, daß nur eine Innendrossel allen Kanälen der einzelnen Flügel gemeinsam vorgeschaltet ist. Wenn die Außendrosseln einander gleiche Durchlaßquerschnitte und alle Venturirohre einander gleiche Abmessungen haben, so stellt sich in jedem Kanal auch der gleiche radiale Druckverlauf ein mit dem gleichverteilten Bremsmoment.

Über die erwähnte Zuführung von vorgewärmter Gebläseluft hinausgehend, ist gegen eine bereits vorhandene Vereisung nach längerem Stillstand eine elektrische Widerstandsheizung geeignet, welche die luftführenden Teile im Flügel begleitet.

An Hand der folgenden Fig. 1-Fig. 17 werden Ausführungsbeispiele und weitere Einzelheiten des erfindungsgemäßen Gegenstandes näher erläutert. Es zeigt im einzelnen

Fig. 1 den zur Flügelspitze weisenden Teil eines Flügels von der Saugseite gesehen,

Fig. 2 verschiedene Druckverläufe längs des Flügels gemäß Fig. 1,

Fig. 3 einen Profilschnitt (vergrößert) durch einen Flügel gemäß Fig. 1 längs der Linie I-I,

Fig. 4 im Querschnitt ein anliegendes Faltenband mit einer Falte in der Normallage,

Fig. 5 ein ausgebogenes Faltenband gemäß Fig. 4,

Fig. 6 ein Faltenband mit zwei Falten in der Normallage,

Fig. 7 ein ausgebogenes Faltenband gemäß Fig. 6,

Fig. 8 ein mittig längsgeschlitztes Faltenband in Normallage,

Fig. 9 ein ausgebogenes Faltenband gemäß Fig. 8,

Fig. 10 einen Schnitt in Flügellängsrichtung längs der Linie II-II durch eine der Fig. 5, Fig. 7, Fig. 9,

Fig. 11 eine in einen Flügel eingebaute Fassung im Profilschnitt,

Fig. 12 ein einfaches Fliehkraftventil,

Fig. 13 ein Fliehkraftventil mit Elektromagnet und Hubrückmeldung,

Fig. 14 einen Flügel mit Nabe, Hohlwelle, Verdrehwinkelgeber sowie einer Luftzuführung,

Fig. 15 einen Flügel mit Nabe, Hohlwelle und einem Drehmomentventil,

Fig. 16 einen Schnitt (vergrößert) längs der Linie III-III durch das Drehmomentventil gemäß Fig. 15,

Fig. 17 schematisch die Parallelschaltung von Fliehkraft- und Drehmomentventil,

Fig. 18 eine bei mehreren Flügeln den Kanälen vorgeschaltete Innendrossel.

Fig. 1 zeigt als Beispiel schematisch den äußeren Teil eines Flügels 1 von der Saugseite her gesehen. Dieser Teil kann sich über mehr als 30% der gesamten Flügellänge erstrecken. Innerhalb des Flügels 1 strömt Luft in Richtung des Pfeils 2 über eine Luftzuleitung 3 zu einer Innendrossel 4, an die sich der nach außen abgedichtete radiale Kanal 5 anschließt, der von einem Faltenband 6 abgedeckt ist. Der Kanal 5 leitet die Luft radial nach außen über die Außendrossel 7 zum engsten Querschnitt 8 eines Venturirohres 9 an der Flügelspitze. Eine Widerstands­ heizschleife 10 ist gestrichelt angedeutet und begleitet die genannten luftführenden Teile. Der Pfeil 11 weist in Anströmrichtung des Flügels 1 in der Zeichenebene. Das Faltenband 6 ist von unten bis zum Radius 12 in der Normallage bündig in die saugseitige Flügeloberfläche einbezogen. Oberhalb vom Radius 12 bis zur Flügelspitze befindet sich das Faltenband 6 im ausgebogenen Zustand, erkennbar an einer durch eine vordere Kante 13 und eine hintere Kante 14 erzeugten Störschwelle die sich über die momentane Ausbiegungslänge 15 erstreckt.

Zur weiteren Verdeutlichung dient Fig. 2, welche verschiedene Druckverläufe längs des Flügels 1 gemäß Fig. 1 bei verschiedenen Öffnungsgraden der Innendrossel 4 zeigt. In Richtung des Pfeils 16 nimmt der jeweilige statische Druck zu. Die Kurve 17 entspricht dem mittleren statischen Druck an der Saugseite des Flügels 1 im Bereich des Faltenbandes 6. Die Kurve 18 entspricht dem Druck im Kanal 5, wenn die Innendrossel 4 wesentlich mehr Druckabfall als die Außendrossel 7 hat. Da hierbei der Druck im Kanal 5 überall unterhalb der Kurve 17 liegt, ist das Faltenband 6 abweichend von Fig. 1 überall in der Normallage. Wird die Innendrossel 4 nun gegenüber der Außendrossel 7 weiter geöffnet, so stellt sich der Kanaldruck gemäß der Kurve 19 oberhalb von Kurve 17 ein, so daß das Faltenband im Gegensatz zu Fig. 1 auf seine ganzen Länge ausgebogen ist.

Schließlich ergibt sich das in Fig. 1 dargestellte, auf einer Ausbiegungslänge 15 ausgebogene Faltenband 6, wenn beide Drosseln in etwa vergleichbaren Druckabfall erzeugen, d. h. teilweise geöffnet sind. Der Kanaldruck folgt dabei der Kurve 20, wobei der Schnittpunkt 21 mit der Kurve 17 einen Druckausgleich anzeigt, der den Übergang von der Normallage in die ausgebogene Lage bei Radius 18 in Fig. 1 bewirkt. Es hat sich herausgestellt, daß der Schnittpunkt 21 ziemlich proportional mit der Verstellung der Innendrossel 4 sich verschiebt, auch wenn der Querschnitt der Außendrossel 7 unverändert bleibt.

Fig. 3 zeigt vergrößert einen Profilschnitt längs der Linie I-I von Fig. 1 mit ausgebogenem Faltenband 6, das den Kanal 5 abdeckt. Infolge der Anströmung des Flügels 1 in Richtung des Pfeils 11 erzeugt die relativ zur Flügeldicke 23 geringe Höhe der Störschwelle 24 eine ausgeprägte Abreißzone 25. Es genügt bereits eine Höhe von etwa einem Zehntel der Flügeldicke 23. Die Bremswirkung ist vergleichbar mit der Höhe 26 einer quer zur Richtung des Pfeils 11 stehend gedachten Bremsplatte.

Fig. 4 zeigt im Querschnitt ein Faltenband 30 in der Normallage mit einer Falte 31 an der rechten Längsseite. Ein die Ausbiegung begrenzender Anschlag 32 liegt der Falte 31 gegenüber. Eine oder mehrere Stützflächen 33 geben eine strömungsgünstige, dem Flügel angepaßte Außenkontur des Faltenbandes 30 in der Normallage vor. Die Stützflächen werden bei den folgenden Faltenbandvarianten ebenfalls weiter verwendet und sind in Fig. 6 mit 133 bzw. in Fig. 8 mit 233 bezeichnet. Mit Federn 34 (Fig. 4) ist das Faltenband 30 an seinen Längsseiten in Nuten 35 eingeschoben. Dies gilt auch für die folgenden Varianten 134, 135 in Fig. 6 und 234, 235 in Fig. 8. Zur Sicherung gegen Verschieben können mit Kerben (nicht dargestellt) versehene Federn (34, 134, 234) mit Schmelzkleber in den Nuten (35, 135, 235) eingeklebt sein. Der Schmelzkleber erlaubt leichtes Auswechseln des Faltenbandes.

Fig. 5 zeigt das Faltenband 30 gemäß Fig. 4 im ausgebogenen Zustand mit anliegender Falte 31 am Anschlag 32.

Fig. 6 zeigt ein Faltenband 130 mit Falten 131 an beiden Längsseiten in der Normallage.

Fig. 7 zeigt den ausgebogenen Zustand gemäß Fig. 6. Bei gleichgroßer Ausbiegung ist die Bauhöhe 136 in vorteilhafter Weise wesentlich kleiner als die Bauhöhe 36 in Fig. 5.

Fig. 8 zeigt ein mittig längsgeschlitztes Faltenband 230 im Querschnitt, ähnlich wie in Fig. 3. Eine doppelte Falte 231 ragt, den Schlitz 38 abdichtend, in den Kanal 5 hinein. Ein Vorsprung 39 befindet sich am Scheitel einer Falte 231. Auf der Stütze der Stützfläche 233 ist ein Anschlag 40 befestigt, gegen den sich der Vorsprung 39 bei voller Ausbiegung in

Fig. 9 anlegt. Der Schlitz 38 klafft auseinander. Dadurch wird die Abreißwirkung bei gleicher Bauhöhe 236 wie die Bauhöhe 136 in Fig. 7 hoch verstärkt.

Fig. 10 zeigt einen Schnitt in Längsrichtung des Flügels 1 durch eine der Fig. 5, Fig. 7 und Fig. 9 längs der Linie II-II mit Endscheiben 41und Dichtspalte 42 parallel zu den Querseiten der Faltenbänder 30, 130 und 230.

Die Anordnungen gemäß Fig. 4 bis Fig. 9 können auf besonders kostengünstige Weise unmittelbar in einen stranggepreßten Flügel kleiner bis mittlerer Größe integriert sein.

Fig. 11 zeigt eine vorteilhaft in einen größeren Flügel 1 eingebaute Fassung 43 im Profilschnitt. Diese ist maßhaltig extrudiert und integriert die beispielsweise in den Fig. 4 bis Fig. 10 enthaltenen Merkmale und wird durch Schrauben 44 im Flügel 1 befestigt. Gummielastische Zwischenlagen 45 erlauben das bündige Einstellen der örtlichen Höhenlage 43′ der Fassung 43 mit der Saugseite 46 des Flügels.

Fig. 12 zeigt ein einfaches Fliehkraftventil 47, das als Innendrossel zwischen der Luftzuleitung 3 und dem Kanal 5 eingebaut ist. Die Fliehkraft wirkt in Richtung des Pfeils 48 und hebt den gelenkig am Ventilgehäuse gelagerten Schließkörper 49 bei Überdrehzahl gegen die Vorspannkraft der Feder 50 vom Sitz 51 ab.

Fig. 13 zeigt ein Fliehkraftventil 147 in erweiterter Ausführung. Hierbei ist die Vorspannkraft der Feder 150 um einen Betrag reduziert, der nun als Magnetkraft eines Elektromagneten 53 auf den mit einem Anker 54 versehenen Schließkörper 149 übertragen wird. Zur Verringerung von Druckrückwirkung dient ein Ausgleichsbalg 56 in Verbindung mit der Bohrung 57, so daß das Ventil feinfühliger arbeitet. Der Spulenstrom kann bei Überdrehzahl in einfacher Weise durch einen nichtdargestellten, im Flügel eingebauten Fliehkraft- bzw. Erschütterungsschalter oder von außen her abgeschaltet werden. Es kann auch aus einer nicht näher dargestellten Messung des Schwenkwinkels oder auch der Flügelbiegung in Umlaufrichtung ein Drehmomentsignal gewonnen werden, dessen Abweichung von einem Sollwert den Spulenstrom bestimmt. Die Kompensation der störenden Gravitation ist innerhalb einer nichtdargestellten elektronischen Einrichtung möglich, die die momentane Drehlage des Flügels gegenüber einem erdfesten Bezugspunkt erfaßt und daraus ein sinusförmiges Korrektursignal erzeugt zur Überlagerung des Meßwertes der Flügelbiegung bzw. des Schwenkwinkels. Damit führt nur die aerodynamisch bedingte Überlast zur Drehmomentbegrenzung.

Für die Rückmeldung des Hubes vom Schließkörper 149 in Fig. 13 ist ein Weggeber 55 vorgesehen. Die dafür erforderliche Elektronik kann ebenfalls Mittel enthalten (nicht dargestellt), die einen der Regelabweichung der Biegung oder des Schwenkwinkels unter Nutzung des Weggebers 55 proportionalen Ventilhub erzeugen.

Fig. 14 zeigt als weiteres Beispiel einen einflügeligen Rotor mit einem Flügel 1, der von einem Holm 60 getragen wird, an dessen Ende sich eine Ausgleichsmasse 61 befindet. Der Holm 60 ist an eine Nabe 62 befestigt, die in einem Gestell 63 drehbar gelagert ist. Innerhalb der Nabe 62 überträgt eine drehelastische Hohlwelle 64 das Drehmoment von der Nabe 62 auf die Getriebewelle 65. Eine am rechten Ende der Hohlwelle befestigte Stange 66 reicht durch die Hohlwelle 64 hindurch bis zur Stirnseite 67. Dort ist die Stange 66 mit einem an der Stirnseite 67 angebauten Verdrehwinkelgeber 68 gekuppelt. Dieser bildet auch die Regelabweichung, die mit einem entsprechenden Spulenstrom z. B. auf das Fliehkraftventil 147 (Fig. 13) einwirkt unter Berücksichtigung des Signals vom Weggeber 55.

Anhand dieses Beispiels läßt sich auch eine geeignete Luftzuführung erläutern. Zuluft vom Kühlgebläse eines Generators strömt gefiltert (nicht dargestellt) durch einen mit einem berührungslosen Dichtspalt versehenen, gestellfesten Stützen 69 in das Innere der Hohlwelle 64 ein und gelangt von dort aus im Bereich der Stirnseite 67 in die Luftzuleitung 3. Bedingt durch den Überdruck des Kühlgebläses sind spaltbedingte Leckstellen, wie z. B. am Stutzen 69 unkritisch. Der Überdruck verhindert das Eindringen von Fremdkörpern. Das folgende Beispiel zeigt anhand der Fig. 15 und Fig. 16 eine besonders einfache und zuverlässige mechanische Drehmomentbegrenzung. Anstelle des Verdrehwinkelgebers 68 von Fig. 14 ist in Fig. 15 unter Beibehaltung der übrigen Anordnung ein Drehmomentventil 71 an der Stirnseite 67 angebaut, welches die Innendrossel 4 von Fig. 1 repräsentiert. Die mit einer Nabe versehene Platte 72 sitzt, begrenzt drehbar, auf dem linken Ende der Stange 67, das im Gehäuse 70 drehbar gelagert ist.

Fig. 16 zeigt eine vergrößerte Schnittdarstellung von Fig. 15 längs der Linie III-III. Die Platte 72 wird mittels einer am Gehäuse 70 abgestützten Druckfeder 73 gegen den Ventilsitz 74 gedrückt. Eine Lücke 75 gibt einem auf der Stange 66 sitzenden Mitnehmer 76 genügend Freiraum, so daß die Hohlwelle 64 mit dem Gehäuse 70 bis zum Nenndrehmoment gegen den Uhrzeigersinn vorverdreht werden kann, ohne daß sich das Ventil öffnet. Bei Überschreitung des Nenndrehmoments gerät die Fläche 77 in der Platte 72 mit dem Mitnehmer 76 in Kontakt, so daß die Platte 72 sich gegen den Uhrzeigersinn relativ zur Stange 66 nicht weiter drehen kann. Das Gehäuse 66 dreht sich jedoch weiter und entfernt den Ventilsitz 74 von der Platte 72, so daß Luft in die Zuleitung 3 strömt.

Fig. 17 zeigt eine pneumatische Parallelschaltung von Drehmomentventil 71 an der Nabe 62 gemäß Fig. 15 und Fig. 16 mit dem Fliehkraftventil 47, 147 gemäß Fig. 12 und Fig. 13 im Flügel 1. Damit läßt sich sowohl die Drehzahl als auch das Drehmoment begrenzen.

Fig. 18 zeigt schematisch eine Nabe 162 mit zwei Flügeln 1, 1′. Die Luftzuleitung 3 mündet in der bisher gezeigten Weise in die Innendrossel 4 innerhalb des Flügels 1 ein. Stromabwärts der Innendrossel 4 führt eine Zweigleitung 78 zum Kanal 5 in den Flügel 1′. Die Außendrosseln 7 sind einander gleich dimensioniert. Dasselbe gilt für die Venturirohre 9. Daher stellen sich in den Kanälen 5 gleiche radiale Druckverläufe ein.

Obwohl anhand der Beispiele und Figur nur Flügel für Rotoren der horizontalachsigen Bauart erläutert wurden, ist grundsätzlich der Erfindungsgegenstand auch auf vertikalachsige Windkraftmaschinen anwendbar.

Claims (23)

1. Flügel mit aerodynamischer Bremse für Windkraftmaschinen, der an einer umlaufenden Nabe befestigt einen elektrischen Generator oder andere Energiewandler antreibt und der Flügel mit einem vom veränderbaren Luftdruck betätigten Störkörper versehen ist, der sich quer zur Anströmung bewegt, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Kanal (5), der radial innerhalb des Flügels (1) verläuft und der auf der Saugseite von dem Störkörper (6) nach außen dichtend abgedeckt wird, eine der Fliehbeschleunigung ausgesetzte Luftsäule sich befindet, in den Kanal (5) Zuluft über eine Innendrossel (4) hinein und über eine Außendrossel (7) aus dem Kanal (5) heraus zu einer Stelle (9) geringen statischen Drucks nach außen abströmt und der Luftdruck in Kanal (5) durch Veränderung des Durchlaßquerschnitts einer oder beider Drosseln veränderbar ist.

2. Flügel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Außendrossel (7) einen festen Durchlaßquerschnitt hat.

3. Flügel nach Ansprüchen 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Außendrossel (7) in den engsten Querschnitt (8) eines Venturirohres (9) an der Flügelspitze einmündet.

4. Flügel nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Störkörper (6) ein in sich flexibles quer zur Anströmung ausbiegsames Faltenband (6), (30), (130), (230) ist mit radial längs des Flügels (1) verlaufenden Falten (31), (131), (231).

5. Flügel nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder beide Längsseiten des Faltenbandes (30), (130) zum Kanal (5) hin weisende Falten (31), (131) haben, die zur Begrenzung der Ausbiegung an Anschlägen (32), (132) anliegen.

6. Flügel nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Faltenband (230) etwa auf halber Breite eine oder mehrere Falten (231) hat und am Scheitel einer Falte (231) sich ein Vorsprung (39) befindet, der sich zur Begrenzung der Ausbiegung an einem Anschlag (40) im Kanal (5) anlegt.

7. Flügel nach Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Flügel (1) aufgesetzte Endscheiben (41) einen engen Dichtspalt (42) mit den Querseiten des Faltenbandes (30), (130), (230) bilden.

8. Flügel nach Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Faltenband (30), (130), (230) sich an Stützflächen (33), (133), (233) anlegt, deren Lage um die jeweilige Dicke des Faltenbandes gegenüber der strömungsgünstigen Außenkontur des Flügelprofils nach innen versetzt sind.

9. Flügel nach Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Faltenband (30), (130), (230) mit Federn (34), (134), (234) in Längsnuten (35), (135), (235) auf der Flügelseite eingeschoben ist, und die Sicherung gegen radiales Verschieben durch Schmelzkleber erfolgt.

10. Flügel nach Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal (5) mit Stützflächen (33), (133), (233) und Anschlägen (32), (132), (40), sowie die Längsnuten (35), (135), (235) unmittelbar integrierte Bestandteile eines stranggepreßten Flügels (1) oder einer im Flügel (1) eingebauten Fassung (43) sind.

11. Flügel nach Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Fassung (43) und dem Flügel (1) gummielastische Zwischenlagen (45) sind, die Fassung (43) mit dem Flügel (1) verschraubt ist und die Fassungsränder (43′) bündig zur Profilkontur (46) mittels individueller Justierung der einzelnen Schrauben (44) eingestellt werden.

12. Flügel nach Ansprüchen 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Innendrossel (7) durch ein Fliehkraftventil (47), (147) gebildet wird mit einem Schließkörper (49), (149), der radial zum Sitz (51), (151) beweglich von einem elastischen Gelenk (49′), (149′) geführt und der gegen die Fliehkraft durch eine vorgespannte Feder (50), (150) in den Sitz gedrückt wird und bei Anstieg der Fliehkraft vom Sitz abhebt.

13. Flügel nach Ansprüchen 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß im Fliehkraftventil (147) der Hub des Schließkörpers (149) durch einen Elektromagneten (53) veränderbar ist.

14. Flügel nach Ansprüchen 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Spulenstrom zum Elektromagneten (53) bei Überdrehzahl durch einen im Flügel (1) eingebauten Fliehkraft- bzw. auch Erschütterungsschalter oder von außen abgeschaltet wird.

15. Flügel nach Ansprüchen 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß im Fliehkraftventil (147) der Hub des Schließkörpers (149) mittels eines Weggebers (55) meßbar ist.

16. Flügel nach Ansprüchen 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwenkwinkel oder die Flügelbiegung in der Umlaufebene des Flügels (1) gemessen wird, dem Meßwert ein von der Drehlage des Flügels (1) zum Schwerefeld abhängiger, sinusförmiger Korrekturwert überlagert wird und die Abweichung des korrigierten Meßwertes vom Sollwert den Hub des Schließkörpers (149) bestimmt.

17. Flügel nach Ansprüchen 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß sich eine verdrehelastische Hohlwelle (64) zwischen Nabe (62) und Getriebewelle (65) befindet, die Drehmomentstöße absorbiert und die Sollwertabweichung des an der Welle (64) elektrisch gemessenen Drehmomentes das Fliehkraftventil (147) elektromagnetisch beeinflußt.

18. Flügel nach Ansprüchen 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Drehmoment von der Rotornabe (62) auf die Getriebewelle (65) durch eine verdrehelastische Hohlwelle (64) übertragen wird und an der Getriebewelle (65) eine Stange (66) befestigt ist, die durch die Hohlwelle (64) hindurchführt und mit ihrem linken Ende an der Vorderseite (67) der Rotornabe (62) herausragt und der relative Drehwinkel des rechten Endes der Stange (66) gegenüber der Rotornabe (62) unmittelbar mechanisch ein die Innendrossel (4) repräsentierendes Drehmomentventil (71) betätigt.

19. Flügel nach Ansprüchen 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine Lücke (75) Freiraum für die Vorverdrehung der Hohlwelle (64) mit dem Gehäuse (70) entsteht.

20. Flügel nach Ansprüchen 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß vom Kühlgebläse des Generators her gefilterte Luft über einen Stutzen (69) durch das Innere der Hohlwelle (64) unmittelbar oder nach Durchströmen des Drehmomentventils (71) zur Luftzuleitung (3) gelangt.

21. Flügel nach Ansprüchen 1 bis 16 und 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Fliehkraftventil (47), (147) mit dem Drehmomentventil (71) gleichwertig einer Innendrossel (4) pneumatisch parallelgeschaltet ist.

22. Flügel nach Ansprüchen 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß bei zwei oder mehr Flügeln (1), (1′) eine Innendrossel (4) den Kanälen (5) gemeinsam vorgeschaltet ist, die Außendrosseln (7) einander gleiche Durchlaßquerschnitte haben und die Venturirohre (9) einander gleich sind.

23. Flügel nach Ansprüchen 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß eine Widerstandsheizschleife (10) alle luftführenden Teile im Flügel (1), (1′) begleitet.