DE29601634U1 - Windkraftanlage - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Windkraftanlage mit zwei sich gegenläufig drehenden Einblattrotoren, auf einem drehbar gelagerten Chassis, deren zwei horizontal liegende Rotorwellen über eine zweifache Stirnzahnrad- bzw. Flachzahnriemenübersetzung mit zwei Generatoren verbunden sind. Weiter beinhaltet die Windkraftkonstruktion ein dynamisches Fliehkraftsystem mit zwei halbrunden Scheibengewichten, die auf der Drehachse zwischen dem Rotorflügel und dem Gegengewicht sitzen. Zusätzlich besteht die Rotorblattkonstruktion aus einer .Leichtbauweise und der Rotorflügel laßt sich noch um einen Vorder- und Heckflügel· erweitern.

Nachteile' bei dieser Bauart entstehen, wenn die zwei Rotoren nicht über eine getriebliche Verbindung verfügen und somit unterschiedliche Umfangsgeschwindigkeiten erreichen. So beginnt der vordere Rotor sich sehr schnell zu drehen und erzeugt sehr starke Randwirbel, wodurch die laminare Strömung beeinträchtigt wird und der hintere Rotor durch zu niedrige Drehzahlen keine zufriedenstellende Leistungswerte erbringt. Zudem besteht die Gefahr, daß der vordere Rotor als Folge einer unkontrolliert hohen Umlaufgeschwindigkeit Schaden .an Einzelteilen in der naengeordneten Mechanik verursachen kann.

Fliehkraftsysteme werden beim gegenwärtigen Stand der Technik von Windkraftanlagen vereinzelt nur zur Leistungsbegrenzung und nicht zur Leistungsmaximierung eingesetzt.

Kostenmäßige Nachteile ergeben sich auch aus dem heutigen praktizierten Herstellungsverfahren von Rotorblättern. Rotorblätter in Faserverbundbauweise werden nach dem Stand der Bauart aufwendig und umständlich im Handlaminierverfahren hergestellt. Bei diesem Verfahren werden Negativformen ver wendet, in denan zunächst zwei Rotorblatthalbschalen vorgefertigt werden. In die vorbereiteten Formen werden Fasermatten, die von Hand mit dem Matrix-&EEgr; arz getränkt eingelegt.

Neben vorgetränkten Rovings ( in der HauptSpannungsrichtung ausgerichtete Faserstränge) werden z.T. auch Hartschaumplatten zur Versteifung der Struktur einlsminiert. Je nach Matrix-Harz (Epoxid- oder Polyesterharz härten die auflaminierten Schichten bei Raumtemperatur (Kaltaushärtung)oder müssen durch eine Wärmebehandlung ausgehärtet werden. Diese Herstellungsweise läßt kein semi- oder vollautomatisiertes Fertigungsverfahren zu. Die Herstellung des:Rotorflügels err folgt überwiegend in kosten- und zeitintensiver Handarbeit.

Auch die Verwendung eines Vorder- und Heckflügels im Rahmen .:....;.. einer dreiteiligen Rotorblattkonstruktion zum Zwecke der Auftrieb sertiöhunh bei Schwachwindverhältnissen findet nach dem jetztigen Stand der Technik keine konstruktive Anwendung beim Bau von Rotorblättern.

Die Aufgabe der Erfindung wird darin gesehen, eine Anordnung der anfangs genannten Bauart zu konstruieren, der den dargestellten Nachteil beseitigen soll.

Die Lösung der Aufgabe besteht erfindungsgemäß darin, daß der vordere und hintere Einblattrotor auf je einer horizontal gelagerten Rotorwelle angeordnet ist. Die getriebliche Installation von zwei gleichgroßen Stirnzahnrädern im festgelegten Übersetzungsverhältnis von 1:1, sorgen für gegenläufige Dreh-iv;^ bewegungen und verhindert den Stillstand des zweiten Rotors. Durch die entgegengesetzte.. Rotation der zwei Rotoren werden die Auftriebskräfte aerodynamisch leistungseffizienter umgesetzt, d.h. anstatt einer halben Rotorkreisfläche können ströinungstechnisch zwei Rotorkreishälften auftriebsnutzend abgedeckt werden.

Die Drehzahlsynchronisierung der gegenläufigen Rotationsbewegungen der beiden Einblattrotoren gewährleistet eine dauerhafte Stabilisierung jedes einzelnen Rotorkörpers in einer laminaren Luftströmung, d.h. die beiden Rotoren befinden sich ständig in der günstigsten Anströmposition, ohne daß die Rotorstellung nachträglich korrigiert werden muß.

Die entgegengesetzten Drehbewegungen wirken auf eine leistungsmindernde Drallbildung neutralisierend. Dies bedeutet eine Steigerung der Leistungseffizienz, eine Erhöhung der Energiebilanz und damit eine Verbesserung der Wirtschaftlichkeit bei Anwendung dieses Konstruktions- und Funktionsprinzips.

Zur Verbesserung der Rotorleistung wird ein dynamisches Fliehkraftsystem genutzt. Die Leistungserhöhung kommt durch den Einsatz eines Vorder- und Heckflügels zum Tragen.

Aus der nachfolgenden Beschreibung und der schematischen und perspektivischen Darstellung der Windkraftanlage soll die Erfindung ausführlich erläutert werden.

.1: Vorderansicht der Windkraftanlage (WKA);

Fig.2: Schematische Darstellung der Vorderansicht der WKA;

Fig.3: Vorderansicht der WKA;

Fig.4-: Schemat. Darstellung der Vorderansicht der WKA;

Fig.3: Vorderansicht der WKA;

Fig.6: Schemat. Darstellung der Vorderansicht der WKA;

Fig.7: Abb. der beiden Rotorblatthälften im Querschnitt;

Fig.8: Einzeldarstellung des Rotorblattaufbaus; Fig.9: Einzeldarstellung des Rotorblattaufbsus; Fig.10: Gesamtdarstellung des Rotorblattaufbaus;

Fig.11: Abb. der Rotorwelle mit Stehwellenlager, runden Nabenflansch und angedeutetes Fliehkraftsystem (gestrichelte Linie);

Fig.12: Schemat. Darstellung des Fliehkraftsystems im Querschnitt;

Fig.13: Schemat. Darstellung des Blattverstellmechanismus im Querschnitt;

ig. 14·; Scheinst. Darstellung der Seitenansicht der WKA; iK.13: Schemat. Darstellung der Draufsicht der WKA; Fig.16: Abb. des mechan. Aufbaus der WKA;

Fig.17: Schemat. Darstellung des Vorder- u. Hauptflügels im Querschnitt;

Fig.18; Schemat. Gesamtdarstellung des Vorder- und Hauptflügeis.;.

Fig.19: Schemat. Darstellung des Vorder-, Haupt- und Heck flügels im Querschnitt;

Fig.20: Schemat. Gesamtdarstellung des Vorder-, Haupt- und Heckflügels;

Wie aus den einzelnen Figuren und Darstellungen zu ersehen ist, besteht die Windkraftanlage aus zwei Einblattrotoren 1,2,3» die sich gegenläufig drehen. Die beiden Einflügeier sind an zwei runden Nabenflanschen 6 befestigt. Die Naben 6 sitzen kraftschlüssig au je einer Rotorwelle 8a,b, die wiSerum über zwei Stirnzahnräder IQ im Übersetzungsverhältnis von 1:1 miteinander getrieblich Verbunden sind. Die Kraftübertragung dieser Wellen 8a,b wird mit Hilfe von zwei weiteren Stirn -. zahnrad- oder Plachzahnriemenübersetzungen 9a,bc-:3n zwei Generatoren^aweitergeleitet. Die zwei Rotorwellen 8a,b sind in je zwei Stehwellenlager 73*b,c,d horizontal angeordnet.

Eine weitere Beschreibung beinhaltet die Anwendung eines dynamischen Fliehkraftsystems durch die Nutzung der Zentrifugalkraft zum Zwecke der Leistungssteigerung und -optimierung von Sinblatturbinen mit hoher Schnellaufzahl. Die bei zunehmenden Drehzahlen des Rotorkörpers entstehenden Fliehkräfte, wirken gleichmäßig auf die verteilten Gewichtsmassen 5c ( die zwischen Rotorblatt und Gegengewicht auf der Drehachse sitzen) um den Rotornabenbereiche- herum. Die Fliehkraftgewichte entsprechen in ihrer geometrischen Form einen Scheibenhalbkreis und werden im Ruhezustand von zwei Schraubendrückfedern 5b zum Achsmittelpunkt gedrückt. Die Zentrifugalkraft wird erst ab einer bestimmten Drehzahl flieh kraftwirksam, d.h. die an elastischen Schraubendruckfedern 5b

angeordneten C-ewichte 5c v/erden mit zunehmender Umfangsgeschwindigkeit aufgrund ihrer Zigengriigheit weg vom ^chsmittelpunkt nach außen gedruckt, und nehmen mit steigender Dynamik Bewegungsenergie auf, die bei VJindschwankungen temporär abgegeben wird. Diese dynamische Leistungsreserve gleicht bei schwankenden V/indverhültnissen entstehende Leistungsdefizite am Rotor kurzfristig aus. So wird der Rotor auf eine konstante Nenndrehzahl gehalten. Weiter liefert der Rotorkcrper eine Snergieleistung mit dem höchstmöglichen Wirkungsgrad, der leistungsmäßig erreichbar ist. Das Fliehkraftsystem 5 hat hier nicht nur die Funktion eines dynami- ~\ sehen Energiespeichers, sondern soll auch die Ungleichförmigkeit des Rotorumlaufs ausgleichen. Eine aerodynamische Un wuchtbildung, aufgrund der einblattbedingten asymmetrischen Rotorblattkonstruktion wird durch das gleichmäßige Verteilen der beiden C-ewichte zwischen Rotorblatt und Gegengewicht größtenteils kompensiert, und es wird ein verbesserter Hassenausgleich geschaffen.

Es folgt eine 3eschreibung der Leichtbauweise des Rotorflügels in Rechteck-Geometrie.

Bei dem hier verwendeten Flügelprofil handelt es sich um einen Rechteckflügel ohne Blattverwindung mit gleichförmiger Profiltiefe, und entspricht der aerodynamischen Profilnorm Gö 624. J Das Rotorblatt Iv"besteht aus drei gleichgroßen Segmenten. Jedes dieser Teile setzt sich aus zwei Flügelhälften 1a,b zusammen, die an ihren Kanten mit je einem Doppelfalz versehen sind. Der Doppelfalz ist vierkantig geformt und ermöglicht so ein Ineinanderschieben der beiden Blatthälften 1a,b . Die Falzart garantiert ausreichende Biegesteifigkeit der Flügelform und des Materials bei extremen Windlasten.

Jedes Segment sitzt in einem Vierkantprofil einer speziellen Holmhalterung 1d . Für einen besseren Zusammenhalt der beiden Flügelhälften 1a,b sorgt eine durchgehende Leistövim Vierkantprofil 1g . Die Flügelholuihalterung 1d besteht aus zwei Hälften 1d, die in ihrem Querschnitt dem aerodynamischen Blattprofil

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entsprechen. Die beiden Hälften 1d werden auf das quadratische Rotorholmprofil 1h formschlüssig gesetzt, und mit drei Schrauben 1f wird eine kraftschlüssige Verbindung hergestellt. Die Halterung 1d wird noch mit einem 31ech 1c rundherum versehen, daß als Auflageblech 1c für die Blattsegmente 1a,b dient. Das Auflageblech 1c ist durch Verschraubungen 1e fest mit der Halterung 1d verbunden.

Zur besseren Biegeversteifung des Rotorholms 1h ist noch ein Rundprofil 1i in den Holm 1h eingezogen. Statisch betrachtet, wird ein Durchbiegen des Rotorholms 1h,i bei V/indboen auf ein Minimum reduziert und das Umlaufverhalten des Rotorkörpers zusätzlich optimiert.

Zusätzlich soll an dieser Stelle eine zwei- bzw. dreiteilige Rotorblattkonstruktion 1,2,3, bestehend aus dem Vorder-, Haupt- und Heckflügel, mit einer strömungstechnischen Anordnung . zwecks Auftriebserhöhung, beschrieben werden.

Eine Steigerung der Zirkulationsgeschwindigkeit durch Verringerung des Spalts des Vorflügels 2 zum Hauptflügel 2 ermöglicht eine Auftriebsverbesserung des Rotors 2 . Der verengte Luftspalt erhält hier die Punktion eines Düsenspalts. 3s kommt zu einer Erhöhung der Durchströmungsgeschwindigkeit zwischen Rotorblattprofilen 2 . Da der Vorflügel einen größeren An stellwinkel als der Hauptflügel hat, bewirken die beiden Flügelsegmente 2, infolge ihrer aerodynamischen Anordnung eine Auftriebsverstärkung sei Vorderflügel. Vor-und Hauptflügel sind starr miteinander verbunden.

Eine weitere Steigerung des maximal erreichbaren Auftriebsbeiwertes bei schwachen YJinden, kann noch durch die Installation eines Heckflügels 3 sm Hauptflügel 3 des Rotors erzielt v/erden. Dieser vergrößerte Auftrieb setzt geziet bei Schwachwinverhältnissen ein. Bei zunehmender './indstärke wird der Anstellwinkel das Rotors durch einen Verstellmechanismus 4 so verändert, doß gefährliche yindlasten vom Rotorblatt genommen werden.

Claims (13)

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   Ansprüche

   Windkraftanlage mit zwei sich, gegenläufig drehenden Einblattrotoren, auf einem drehbar gelagerten Chassis, deren zwei
   horizontal liegende Rotorwellen über eine zweifache Stirn zahnrad-
   bzw. Flachzahnriemenübersetzung mit zwei Generatoren verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß

   1. am kreisförmigen Kabenflansch (6), je ein einflügeliges
   Rotorblatt (1,2,3) angeordnet ist;
2. 2. der Rotorflügel (1,2,3) im Profil unverwunden ist und die
   Form einer Rechteckgeometrie entspricht;
3. 3. das Rotorblatt (1) noch um einen Vor- und Heckflügel (2,3) erweitert werden kann, um den Auftrieb zu verbessern;
4. 4. am entgegengesetzten Rotorende ein Gegengewicht als Masseausgleich sitzt;
5. 5. um den Nabenbereich herum in einer runden Trommel (5^)
   ein dynamisches Fliehkraftsystem^installiert ist;
6. 6. das aktive Fliekraftsystem (5) aus zwei halbrunden Scheibengewichten (5c) besteht, die auf der Drehachse (8) zwischen Rotorflügel (1,2,3) und Gegengewicht sich befinden und die Gewichte (5<0 von zwei Schraubendruckfedern (5b) umgeben
   sind;
7. 7· der Flügelaufbau aus drei Teilen besteht;
8. 8. oed.es- der drei Flügelteile aus zwei Hälften (1a,b) zusammengesetzt ist;
9. 9. die beiden Flügelhälften (1a,b) sitzen in einem doppelten
   Falz mit einer passgerechten Halterung, deren zwei Hälften (1d) formschlüssig auf dem Rotorholm montiert sind und
   durch Schraubverbindungen (1e,f) kr3ftschlüssig·zusammengehalten
   werden;

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10. 10. die beiden Rotorwellen (8a,b) in je zwei Steliwellen lager (7a,b,c,d) gelagert werden;
11. 11. die zwei Rotorwellen (8a,b) mit zwei Stirnzahnrädern (riO) Übersetzungsvertialtnis 1:1 verbunden sind;
12. 12. die Kraftübertragung der Rotorwellen (8s,b) auf den Zwillingsgenerator (11a,b) entweder durch eine Stirnzahnrad- oder Plachzahnrienienübersetzung erfolgt;
13. 13. as äußeren Nabenflansch (6) eine Trommel (4) sitzt, in der ein Blattverstellmechanisinus untergebracht ist, der aus einer gekrümmten Blattfeder besteht ;