DE19807477C2

DE19807477C2 - Rotor

Info

Publication number: DE19807477C2
Application number: DE19807477A
Authority: DE
Inventors: Ulf-Carsten Ehlert
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 1997-09-30
Filing date: 1998-02-24
Publication date: 2000-01-13
Anticipated expiration: 2018-02-25
Also published as: DE19807477A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Rotor mit Rotorblättern mit einer jeweiligen Blatt achse sowie ein Verfahren zum Steuern von Rotorblättern eines solchen Rotors.

Im Zeitalter der alternativen Energien werden gerade in Deutschland immer mehr Windkraftanlagen installiert. Deutschland hat beispielsweise auf diesem Gebiet die USA als Land mit der größten installierten Leistung aus Windkraft abgelöst. Bekannt sind dabei die am häufigsten verwendeten Auftrieb nutzen den Horizontalachsen-Anlagen, deren Dreiblatt-Rotor dem Winde zugewandt, also luvseitig, angeordnet ist. Weiterentwicklungen tendieren dabei sehr deutlich zu größeren Anlagen mit 1,5 Megawatt Nennleistung und mehr. Die dazu benö tigten Türme der Windkraftanlagen, an denen die jeweiligen Rotoren angeord net sind, erreichen daher Höhen von mehr als 70 Metern, wobei die Längen der einzelnen Rotorblätter 30 Meter überschreiten können. Bei derartigen Ausfüh rungen erweist es sich als sehr sinnvoll, stark ausgeprägten Leichtbau zu ver wenden. Bei zunehmender Schlankheit der Rotorblätter und Türme wird jedoch die Schwingungsanfälligkeit und damit einhergehend auch die Geräusch entwicklung der gesamten Anlage erhöht.

Aus der jeweiligen Art der Anströmung ergibt sich für die Windkraftanlage eine aerodynamische Belastung außerhalb der Rotorebene, welche zum Teil stochastisch und zum Teil periodisch auftritt. Neben dynamischen Belastungen der Anlage führt dies auch zu Schallentstehung. Diese Schwingungen werden sowohl auf andere Anlagenkomponenten übertragen als auch als Schall abge strahlt. Daneben wirken das Antriebsmoment und die Schwerkraft innerhalb der Rotorebene auf die Rotorblätter der Windkraftanlage ein. Zur Erhöhung der Le bensdauer einer Windkraftanlage einerseits, welche in der Regel 20 Jahre und darüber betragen soll, und zur Verbesserung der Akzeptanz andererseits ist es erforderlich, die dynamische Belastung und die Schallabstrahlung der Wind kraftanlage zu reduzieren. Dazu muß die Schwingungsentstehung sowohl an den Blättern als auch im Triebstrang reduziert werden. Darüber hinaus wird die Übertragung der Schwingungen auf andere Anlagenkomponenten zu verhindern gesucht.

Die Blattwurzeln der Rotorblätter von Windkraftanlagen sind im Betrieb erheb lichen Schlag- und Schwenkbiegemomenten ausgesetzt. Bei Helikoptern bei spielsweise werden bekanntermaßen Schlag- und Schwenkgelenke eingesetzt, um die aerodynamischen Momente durch die Momente der Zentrifugalkräfte auszugleichen. Dies kann, wie sich gezeigt hat, nur bei großen Drehzahlen ge schehen. Die Rotorblätter von Windkraftanlagen erreichen jedoch üblicherweise nicht die dazu erforderliche Größenordnung der Drehzahlen. Es muß daher die jeweilige Blattwurzel der Rotorblätter die aerodynamischen Momente aufneh men.

Es ist beispielsweise aus der EP 0 025 791 B1 bekannt, zur Entlastung der Blattwurzeln der Rotorblätter bei starrem Blattanschluß die Rotorblätter selbst um einen Konuswinkel γ windabwärts aus der Rotorebene zu neigen bzw. eine Verdreheinrichtung um die Blattachse vorzusehen. Dadurch wird den Zentrifugalkräften ein Hebelarm gegeben, der das entstehende Moment dem aerodynamischen Schlagbiegemoment entgegenwirken läßt. Es hat sich jedoch als nachteilig erwiesen, daß bei konstanter Drehzahl und fest eingestelltem Konuswinkel γ das entlastende Moment der Zentrifugalkräfte unabhängig von dem tatsächlich auftretenden Schlagbiegemoment konstant bleibt. Dadurch können dennoch an der Blattwurzel des jeweiligen Rotorblattes hohe Belastungen auftreten. Darüber hinaus ist der Konuswinkel γ bei Luvläufern, also bei vor dem Turm montiertem Rotor, durch den jeweiligen Abstand der Blattspitze von einem Turm, an dem der Rotor befestigt ist, begrenzt. Aus Sicherheitsgründen muß nämlich zur Vermeidung einer Kollision des Rotorblattes mit dem Turm ein bestimmter Abstand der jeweiligen Blattspitze vom Turm eingehalten werden.

In einer weiteren Konzeption wird in der DE 29 44 718 A1 vorgeschlagen, die Rotorblattlänge weitestmöglich zu reduzieren und die Schlaggelenke in die unmittelbare Nähe der Rotorachse zu verlegen. Neben den schon diskutierten problematischen Aspekten kommt hier noch hinzu, daß dies baulich den Aufbau der Rotorachse stark einschränkt und eine solche Konzeption in der Praxis häufig gar nicht möglich ist.

Auch die DE 31 30 257 A1 sieht eine Schwenkbarkeit von Propellerflügeln vor. Die Flügel des Propellers sind an Schwenkachsen gelagert, die im wesentlichen senkrecht zur Drehachse des Propellers verlaufen. Im Ergebnis führt dieses ebenfalls zu einer Veränderung des Konuswinkels der Rotorblätter. Mittels Gegengewichten und der dadurch erzeugten Fliehkraft soll bei höheren Umdrehungsgeschwindigkeiten das Schwenken erfolgen. Hier treten wiederum die gleichen Nachteile auf.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Lastspitzen der dyna mischen Wurzelbiegemomente, welche an den Rotorblättern insbesondere im Bereich von deren Blattwurzeln auftreten, zu verringern und dadurch die Le bensdauer der Rotorblätter zu erhöhen.

Die Aufgabe wird mit einem Rotor mit Rotorblättern mit einer jeweiligen Blatt achse erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein oder mehrere aktivierbare und deaktivierbare aktive Elemente vorgesehen und so angeordnet sind, daß die Blattachse innerhalb der Rotorebene und/oder aus dieser heraus in Abhängig keit von der an dem jeweiligen Rotorblatt auftretenden aerodynamischen und/oder durch Schwerkraft bedingten Last durch Einwirken des oder der akti ven Elemente neigbar ist. Die Aufgabe wird auch durch ein Verfahren zum Steuern von Rotorblättern eines Rotors dadurch gelöst, daß das Rotorblatt aktiv um die Blattachse der Bewegungsrichtung folgend geneigt wird, und daß jeweils vor dem Passieren des Rotorturms das Rotorblatt zumindest teilweise so weit zurückgestellt wird, daß keine Schwenk- und Schlagbiegemomente von Rotor blatt und Turm auftreten. Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen definiert.

Dadurch wird vorteilhaft eine Reduzierung des zeitlichen Anteils der hohen Lastspitzen an der Gesamtbelastung des Rotors im Bereich seiner Rotorblätter erzielt. Die jeweilige Rotorblattachse wird aktiv innerhalb der Rotorebene und aus der Rotorebene heraus den äußeren Lasten folgend geneigt. Der Konus winkel ist dabei variabel und wird entsprechend den Erfordernissen durch die aktiven Elemente, welche besonders bevorzugt in der Blattwurzel der Rotorblät ter integriert sind, variiert. Die aktiven Elemente sind vorzugsweise so gefertigt, daß sie im passiven Zustand, also im deaktivierten Zustand, die an dem Rotor blatt auftretenden Lasten ertragen können, um auch bei einem Ausfall des ge samten Systems die Sicherheit der Windkraftanlage nicht zu gefährden. Im akti ven Zustand sollen die aktiven Elemente zuverlässig eine Biegung des Blattes der Bewegungs- bzw. Belastungsrichtung folgend, beispielsweise windabwärts initiieren. Diese Biegung oder Neigung vergrößert damit den Konuswinkel. Besonders bevorzugt ist ein vorgegebener, fest eingestellter Konuswinkel γ₁ der Blattachse zur Senkrechten voreingestellt. Eine weitere Verstellung der Blatt achse geschieht dann um einen lastabhängig einstellbaren Konuswinkel γ₂. Die Schlagmomentenbelastung kann dadurch vorteilhaft verringert werden.

Zum Verhindern der Kollision des Rotorblattes mit dem Turm werden die aktiven Elemente vorzugsweise deaktiviert, bevor das Rotorblatt den Turm passiert. Vermittels der aktiven Elemente können auch die Schlagbiegemomente verrin gert werden, welche bei der Windnachführung der Windkraftanlage durch Dre hen der Gondel und des Rotors in den Wind entstehen.

Besonders vorteilhaft wird eine Reduzierung der Schwenkbiegemomente erzielt, wenn durch die aktiven Elemente eine Biegung oder Neigung des Rotorblattes innerhalb der Rotorebene in Richtung der Rotationsbewegung eingeleitet wird. Auf diese Weise kann insbesondere der wechselnde Schwenkmomentenanteil verringert werden, welcher durch die Einwirkung der Erdbeschleunigung auf die Rotorblätter entsteht.

In den beiden genannten Fällen erfolgt zur Entlastung der Blattwurzel eine Nei gung der Blattachse in der Richtung, in der auch die aerodynamische Last wirkt. Die Bewegung folgt damit der aerodynamischen Last und muß ihr nicht entge genwirken. Durch die aktive Steuerung der Neigung der Blattachse innerhalb der Rotorebene und aus der Rotorebene heraus werden die Schwankungen der Biegemomentenverläufe an der Blattwurzel vorteilhaft reduziert. Dadurch läßt sich eine Erhöhung der Lebensdauer der Rotorblätter aufgrund dieser Reduzie rung erzielen.

Zum entscheidenden Verbessern der Entlastung der Blattwurzel kann das je weilige Ausgleichsmoment in Abhängigkeit vom momentanen Azimutwinkel, also der Position des Rotorblattes während des Umlaufes, und der Windge schwindigkeit eingestellt werden. Bei drehzahlkonstantem Betrieb der Wind kraftanlage ist deren Trägheitskraft konstant, so daß der Konuswinkel variiert werden kann.

Es wird damit die Möglichkeit gegeben, bei höheren Windgeschwindigkeiten und den damit verbundenen größeren Schlagbiegemomenten das entlastende Mo ment über weite Bereiche einer Rotorumdrehung zu vergrößern, wobei insge samt die Zeiten hoher Lasten verkürzt werden. Da die Schwenkbiegemomente innerhalb der Blattebene ebenfalls in Abhängigkeit von der Windgeschwindigkeit und dem Azimutwinkel schwanken, ist der Einsatz aktiver Elemente auch für eine Verringerung dieser Belastungen möglich. Zum Erzeugen eines entlasten den Momentes durch die Trägheitskräfte sollte sich das Rotorblatt den Tangen tialkräften folgend innerhalb der Rotorebene biegen. Aufgrund des Einflusses der Erdbeschleunigung ist diese Biegung vorzugsweise bei der der Bewegungs- oder Belastungsrichtung folgenden Bewegung des Rotorblattes größer als bei der entgegengesetzten Bewegung. Ebenso wie bei der Reduzierung der Schlagbiegebelastung ergibt sich auch durch diese Maßnahme eine Verringe rung der Zeiten hoher Lasten und damit eine Erhöhung der Lebensdauer.

Besonders bevorzugt sind die aktiven Elemente im Bereich der Blattwurzel rundherum um die Blattachse verteilt auf dem Rotorblatt angeordnet. Die eine Kontraktion bzw. eine Ausdehnung erzeugenden Elemente sind dabei auf der der Bewegungsrichtung entgegengsetzten und der dieser folgenden Seite an geordnet. Halbkreisbildend sind dazwischen Elemente angeordnet, die ge staffelt angesteuert werden. Die der Bewegungsrichtung folgenden und dieser entgegengesetzten Elemente nehmen die aerodynamischen Belastungen auf. Die aktiven Elemente können dabei bevorzugt ein Linearaktuator sein, der strukturkonform in das Rotorblatt im Bereich von dessen Blattwurzel integriert ist. Linearaktuator ist dabei beispielsweise ein Piezoelement oder ein piezo keramisches scheibenförmiges Element. Durch vorzugsweises Anlegen eines elektrischen Feldes erfahren das oder die luvseitig angeordneten, also dem Wind bzw. der Bewegungs- oder Belastungsrichtung zugewandten Piezo elemente eine Ausdehnung und die leeseitigen, also diesem oder dieser abge wandtem Piezoelemente eine Kontraktion. Es können alternativ als Linear aktuatoren magnetostriktive, elektrische, elektromagnetische, hydraulische oder pneumatische Aktuatoren verwendet werden.

Zur näheren Erläuterung der Erfindung wird im folgenden ein Ausführungsbei spiel anhand der Zeichnungen beschrieben.

Diese zeigen in:

Fig. 1 eine seitliche Draufsicht auf ein erfindungsgemäß geneigtes Rotorblatt in Anbringung an einem Rotorturm mit Auftragung von Schubkraft und Trägheitskraft und

Fig. 2 eine Detailansicht einer erfindungsgemäß ausgestalteten Blattwurzel eines Rotorblattes.

In Fig. 1 ist eine Seitenansicht eines teilweise gebrochen dargestellten Ro tors 1 in Anbringung an einen Rotorturm 2 dargestellt. Der Rotor 1 weist meh rere Rotorblätter auf, wobei lediglich ein Rotorblatt 10 gezeigt ist. In Längsrich tung des Rotorblattes 10 verläuft eine Blattachse 11. Im Bereich seiner Blatt wurzel 12 ist das Rotorblatt 10 mit dem Rotorturm 2 verbunden. Die Verbindung stellt dabei eine Blattnabe dar.

An dem jeweiligen Rotorblatt 10 greifen durch Einfluß des Windes 3 verschie dene Kräfte an. Diese sind aufgeteilt in Trägheitskraft 4 und Schubkraft 5. Sie wirken an jedem Punkt auf dem Rotorblatt. Um hier einen Ausgleich zu schaf fen, ist das Rotorblatt bereits mit einem voreingestellten Konuswinkel γ₁ gegen über der Senkrechten angestellt. Die Neigung ist dem Wind abgewandt. Eine weitere Verstellung der Blattachse kann um einen Konuswinkel γ₂ geschehen, welcher lastabhängig einstellbar ist.

Die Verstellbarkeit bzw. Einstellbarkeit des jeweiligen Konuswinkels, in Abhän gigkeit von der an dem Rotorblatt angreifenden Windlast, wird durch aktive Ele mente 20 bewirkt. Diese sind in Fig. 1 lediglich angedeutet. Vorzugsweise lie gen sie in der Nähe der Blattwurzel 12 des Rotorblattes 10. Eine Neigung des Rotorblattes kann dann entweder innerhalb der Rotorebene erfolgen oder aber in Richtung aus dieser Rotorebene heraus.

Fig. 2 zeigt eine Detailansicht einer Blattnabe 13 mit angefügten Rotorblättern 10. Von den Rotorblättern ist jeweils lediglich die Blattwurzel 12 zu sehen.

Auf der jeweiligen Oberseite 14 bzw. Unterseite 15 des einen Rotorblattes 10 sind aktive Elemente 21, 22 angeordnet. Die aktiven Elemente sind strukturkon form in die Blattwurzel 12 integriert. Durch Anlegen eines elektrischen Feldes können die aktiven Elemente sich in Abhängigkeit von der Richtung des elek trischen Feldes ausdehnen oder kontrahieren. Wird das dem Wind zugewandte aktive Element 21 zur Ausdehnung und das dem Wind abgewandte aktive Ele ment 22 zur Kontraktion gezwungen, ergibt sich daraus die gewünschte Nei gung oder Biegung des Rotorblattes 10 der Bewegungs- oder Belastungs richtung folgend, also beispielsweise windabwärts, wie durch den Pfeil in Fig. 2 dargestellt. Der lastabhängig einstellbare Konuswinkel γ₂ (siehe Fig. 1) wird dadurch vergrößert.

Durch entsprechende Anordnung der aktiven Elemente im seitlichen Bereich der jeweiligen Rotorblätter 10 kann eine Biegung oder Neigung des jeweiligen Ro torblattes innerhalb der Rotorebene erfolgen, wodurch eine Reduzierung der Schwenkmomentenbelastung realisierbar wird.

Die aktiven Elemente sind vorzugsweise Linearaktuatoren. Beispielsweise kön nen sie als Piezoelemente vorgesehen sein, wobei sich hierbei besonders vor teilhaft im wesentlichen scheibenförmige piezokeramische Elemente eignen. Es können aber auch beliebige andere Linearaktuatoren verwendet werden.

Bezugszeichenliste

1

Rotor

2

Rotorturm

3

Wind

4

Trägheitskraft

5

Schubkraft

10

Rotorblatt

11

Blattachse

12

Blattwurzel

13

Blattnabe

14

Oberseite

15

Unterseite

20

aktives Element

21

aktives Element

22

aktives Element
γ₁

Konuswinkel (voreingestellt)
γ₂

Konuswinkel (lastabhängig einstellbar)

Claims

1. Rotor mit Rotorblättern mit einer jeweiligen Blattachse, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere aktivierbare und deaktivierbare aktive Elemente (20, 21, 22) vorgesehen und so angeordnet sind, daß die Blattachse (11) innerhalb der Rotorebene und/oder aus dieser heraus in Abhängigkeit von der an dem jeweiligen Rotorblatt (10) auftretenden aerodynamischen und/oder durch Schwerkraft bedingten Last durch Einwirken des oder der aktiven Elemente (20, 21, 22) neigbar ist.

2. Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichet, daß die aktiven Elemente (20, 21, 22) im Bereich der Blattwurzel (12) angeordnet sind.

3. Rotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die aktiven Elemente (20, 21, 22) beidseitig auf dem Rotorblatt (10) auf dessen der Bewegungsrichtung entgegengesetzten (14) und der Bewegungsrichtung folgenden Seite (15) angeordnet sind.

4. Rotor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die aktiven Elemente (20, 21, 22) beidseitig an dem Rotorblatt (10) so angeordnet sind, daß dessen Neigung aus der Rotorebene heraus und/oder innerhalb der Rotorebene ansteuerbar ist.

5. Rotor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das jeweilige Rotorblatt (10) um einen vorbestimmten Konuswinkel γ der Bewegungsrichtung folgenden aus der Rotorebene neigbar ist.

6. Rotor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Linearaktuator als aktives Element (20, 21, 22) strukturkonform im Bereich der Blattwurzel des Rotorblattes (10) in dieses integriert vorgesehen ist.

7. Rotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß Linearaktuator ein Piezoelement, piezokeramisches scheibenförmiges Element oder ein magnetostriktives, elektrisches, elektromagnetisches, hy draulisches oder pneumatisches Element ist.

8. Rotor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß durch Anlegen eines elektrischen Feldes das oder die dem Wind zuge wandten Piezoelemente (21) eine Ausdehnung und die diesen abgewandten Piezoelemente (22) eine Kontraktion erfahren.

9. Rotor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein vorgegebener, fest eingestellter Konuswinkel γ₁ der Blattachse (11) zur Senkrechten voreinstellbar und/oder voreingestellt ist, und daß eine wei tere Verstellung der Blattachse (11) einen lastabhängig einstellbaren Konus winkel γ₂ geschieht.

10. Verfahren zum Steuern von Rotorblättern eines Rotors nach einem der An sprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Rotorblatt (10) aktiv um die Blattachse (11) der Bewegungsrichtung folgend geneigt wird, und daß jeweils vor dem Passieren des Rotorturms (2) das Rotorblatt (10) zumindest teilweise so weit zurückgestellt wird, daß keine Schlag- oder Schwenkbiegemomente von Rotorblatt (10) und Rotorturm (2) auftreten.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Biegung des Rotorblattes (10) innerhalb der Rotorebene bei der Bewegungsrichtung folgenden Bewegung des Rotorblattes (10) vergrößert und bei dessen der Bewegungsrichtung entgegengesetzten Bewegung verringert wird.