DE3415428C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Verstellantrieb zum Verstellen des Einstellwinkels eines oder mehrerer Rotorblätter, insbesondere für Windenergieanlagen, mit einem für jeweils ein Rotorblatt vorgesehenen, im Be­ reich der Rotorblattnabe an das Rotorblatt gekoppelten Hebelgestänge, durch dessen vom Verstellantrieb verur­ sachte Bewegung das Rotorblatt in einem in der Nabe aus­ gebildeten Blattlager um seine Längsachse gedreht wird.

Verstellantriebe dieser oder ähnlicher Art werden z. B. bei Flugzeug- und Schiffspropellern, bei Turbinen oder bei Rotoren von Hubschraubern eingesetzt. Die bekannten Verstellantriebe sind in verschiedener Weise ausgebildet. Bei Flugzeug- und Schiffspropellern ist üblicherweise ein auf der Antriebswelle des Propellers axial ver­ schiebliches, nicht drehendes Lager vorgesehen, auf dem ein mit dem Propeller drehendes Teil gelagert ist, welches über ein Hebelgestänge an das Rotorblatt ge­ koppelt ist. Durch axiales Verschieben des nicht drehen­ den Teils wird das Hebelgestänge zum Verstellen des Einstellwinkels des Rotorblatts betätigt. Bei dieser Art von Verstellantrieben sind in der Regel höhere Verstellkräfte notwendig.

Eine weitere bekannte Ausgestaltung von Verstellantrie­ ben sieht vor, den Antrieb direkt in der Blattnabe als zusammen mit dem Rotor drehendes Teil anzuordnen. Die gleichförmige Verstellung sämtlicher Rotorblätter er­ folgt z. B. über Spindeln, Zahnräder, Gestänge oder der­ gleichen. Je nach Antriebsart (elektrisch oder hydrau­ lisch) muß die Antriebsenergie in bestimmter Weise in die sich drehende Blattnabe übertragen werden. Hierzu sind z. B. elektrische Schleifringe oder hydraulische Durchführungen erforderlich. Durch solche Maßnahmen wird der Antrieb jedoch relativ störanfällig und konstruktiv aufwendig.

Als weitere Möglichkeit für einen Verstellantrieb kommt in Betracht, jedes einzelne Rotorblatt mit einem separa­ ten Antrieb auszustatten, der in der Nähe des Blattlagers angeordnet wird. Hierbei tritt jedoch das Problem auf, daß das exakte gleichmäßige Verstellen sämtlicher Rotor­ blätter schwierig ist. Demgemäß können Synchronisations­ probleme auftreten. Im übrigen müssen auch für derartige Verstellantriebe je nach Art der Antriebsenergie elektrische Schleifringe oder hydraulische Durchführungen vorgesehen werden, um die Antriebsenergie von dem ruhen­ den Teil auf das sich drehende Teil zu übertragen.

Besondere Anforderungen an einen Verstellantrieb werden dann gestellt, wenn der Verstellantrieb für den Rotor einer Windenergieanlage eingesetzt werden soll.

Da Rotoren von Windenergieanlagen zur Erzielung eines günstigen Wirkungsgrads große Abmessungen besitzen, müssen die Rotorblätter imstande sein, sehr hohe Kräfte aufzunehmen. Gleichzeitig soll die zum Verstellen der Rotorblätter aufzuwendende Kraft relativ gering sein. Aus diesem Grund scheiden die eingangs erläuterten bekannten Stellantriebe mit axial verschieblichem Lager aus, da derartige Verstellantriebe relativ hohe Ver­ stellkräfte erfordern.

Werden Verstellantriebe mit elektrischen Schleifringen oder hydraulischen Durchführungen eingesetzt, so muß mit Verschleiß bzw. verminderter Zuverlässigkeit gerechnet werden. Die Anlage muß in kürzeren Intervallen gewartet werden, so daß verschlissene Teile frühzeitig erkannt und gegebenenfalls ausgetauscht werden können. Bei Windenergieanlagen wird gefordert, daß die einzelnen Teile über relativ lange Zeiträume hinweg praktisch wartungsfrei ohne Störungen arbeiten. Ein Grund hierfür ist, daß Windenergieanlagen üblicherweise in dünnbe­ siedeltem Gebieterrichtet werden und die Teile der Anlage konstruktionsbedingt nicht sehr leicht zugänglich sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Verstell­ antrieb der eingangs genannten Gattung derart weiterzu­ bilden, daß die zum Verstellen der Rotorblätter aufzu­ wendenden hohen Kräfte mit relativ einfachen Mitteln zur Verfügung gestellt werden, wobei gleichzeitig weitestgehend auf einem raschen Verschleiß unterliegende Teile, wie z. B. elektrische Schleifringe oder dergleichen, verzichtet werden kann.

Bei einem Verstellantrieb der eingangs genannten Gattung wird diese Aufgabe durch folgende Merkmale gelöst:

• a) An der Nabe ist ein Verteilergetriebe angebracht, dessen Antriebsseite bei konstanter Blattstellung synchron mit der Rotorbewegung angetrieben wird, und
• b) die Abtriebsseite bzw. die Abtriebsseiten des Verteilergetriebes ist bzw. sind an die An­ triebswelle eines hochuntersetzenden Rotations­ antriebs gekoppelt, dessen Abtriebsseite mit dem Hebelgestänge gekoppelt ist.

Der erfindungsgemäße Verstellantrieb arbeitet im Bereich der Rotornabe, also rein mechanisch, so daß auf elektri­ sche Kontaktschleifringe, hydraulische Durchführungen oder dergleichen verzichtet werden kann. Dies hat den Vorteil, daß der Verstellantrieb nach der Erfindung über lange Zeit­ räume hinweg wartungsfrei ohne Störungen arbeiten kann. Da an das Hebelgestänge ein hochuntersetzender Rotations­ antrieb gekoppelt ist, wird auf der Abtriebsseite des Rotationsantriebs ein sehr hohes Drehmoment erzeugt. Rotationsantriebe, wie sie hier zum Einsatz gelangen, sind an sich bekannt, z. B. aus dem Flugzeugbau, wo sie zum Ver­ stellen von Ruderklappen eingesetzt werden.

Da die Verstellung der Rotorblätter von einem einzigen Verteilergetriebe aus erfolgt, treten keinerlei Synchroni­ sations- und Gleichlaufprobleme auf.

Das Verteilergetriebe kann von der der Rotorwelle gegen­ überliegenden Seite der Rotornabe aus angetrieben werden, z. B. durch ein separates Antriebsaggregat. Vorzugsweise sieht die Erfindung jedoch vor, daß die Antriebsseite des Verteilergetriebes an eine die als Hohlwelle ausge­ bildete Rotorwelle konzentrisch durchsetzende Zentralwelle gekoppelt ist. Das Antriebsaggregat, welches über die Zentralwelle an die Antriebsseite des Verteilergetriebes gekoppelt ist, kann durch die erfindungsgemäße Ausge­ staltung des Verstellantriebs ortsfest installiert werden. Durch entsprechende Wahl der Getriebeverhältnisse lassen sich die Betätigungskräfte in dem gewünschten Masse klein halten.

Bei dem Verteilergetriebe handelt es sich vorzugsweise um ein Kegelradgetriebe, welches das Eingangs-Drehmoment auf eine der Anzahl von Rotorblättern entsprechende An­ zahl von Ausgangs-Kegelrädern verteilt.

Der in dem erfindungsgemäßen Verstellantrieb vorgesehene Rotationsantrieb für jedes Rotorblatt ist vorzugsweise als reduziertes Planetenkoppelgetriebe mit Stufenplaneten ausgebildet. Derartige, an sich bekannte Rotationsantriebe zeichnen sich durch einen sehr kompakten Aufbau aus und gestatten eine starke Untersetzung. Durch unterschiedliche Zähnezahlen der Abschnitte der Stufenplaneten und/oder der mit den einzelnen Stufen der Stufenplaneten in Eingriff befindlichen Hohlräder wird eine Relativbewegung zwischen den Hohlrädern erreicht.

In einer speziellen Ausführungsform der Erfindung ist vor­ gesehen, daß die Antriebsseite des Verteilergetriebes von einem mit dem Rotorlauf synchronisierten Antriebsaggregat angetrieben wird. Der Synchronlauf zwischen der Zentral­ welle und der als Hohlwelle ausgebildeten Rotorwelle kann auf unterschiedlichste Weise erreicht werden, z. B. durch entsprechende Regelung der Drehzahl des Antriebsaggregats. In einer modifizierten Ausführungsform sieht die Erfindung vor, daß die Rotorwelle und die Zentralwelle an ein erstes bzw. an ein zweites, zu dem ersten koaxial ange­ ordnetes, gleichgroßes Sonnenrad eines Steuergetriebes gekoppelt sind, daß die zu dem ersten und dem zweiten Sonnenrad gehörigen Planetenräder paarweise zu einer Be­ wegungseinheit gekoppelt sind, und daß das Hohlrad wel­ ches zu dem einen, vorzugsweise dem zweiten Sonnenrad zugehörigen Planetengetriebe gehört, an eine Steuerwelle gekoppelt ist. Durch diese Ausgestaltung der Erfindung wird erreicht, daß in dem Steuergetriebe bei gegebener Einstellung des Rotorblatts bzw. der Rotorblätter zwei gleichmäßig ausgebildete Planetengetriebe synchron laufen. Demgemäß drehen sich Rotor und Antriebsseite des Verteilergetriebes mit gleicher Drehzahl, so daß die Abtriebsseite bzw. die Abtriebsseiten des Verteilerge­ triebes stillsteht bzw. stillstehen. Wenn nun das in dem Steuergetriebe vorgesehene Planetengetriebe, dessen Sonnenrad an die Zentralwelle gekoppelt ist, durch Drehen der Steuerwelle eine zusätzliche Drehbewegung erfährt, ergibt sich eine Relativdrehung zwischen der Zentralwelle und der Rotorwelle, mit der Folge, daß die Abtriebsseiten des Verteilergetriebes eine Verstellbewegung auf die Rota­ tionsantriebe der einzelnen Rotorblätter übertragen. Eine relativ große Winkelverstellung der Antriebsseiten der Rotationsantriebe bewirkt aufgrund der hohen Untersetzung eine nur geringfügige, jedoch mit einem großen Drehmoment einhergehende Verstellung der Abtriebsseite des jeweiligen Rotationsantriebs, so daß das Rotorblatt mit hoher Kraft über das Hebelgestänge um seine Längsachse verstellt wird.

Im Gegensatz zu der oben erläuterten Ausführungsform der Erfindung, nach der die Zentralwelle direkt von einem Antriebsaggregat angetrieben wird, braucht bei der zu­ letzt erläuterten Ausführungsform der Erfindung das An­ triebsaggregat nur dann in Betrieb gesetzt werden, wenn ein Verstellen der Rotorblätter erforderlich ist. Ist keine Verstellung erforderlich, so bleibt die Steuerwelle und mithin das Antriebsaggregat in Ruhe.

Im folgenden werden mögliche Ausführunsformen der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine teilweise schematisch dargestellte Quer­ schnittansicht eines Teils einer Rotornabe mit einem Teil eines Rotorblatts mit Verstellantrieb,

Fig. 1a eine Schnittansicht entlang der Linie Ia-Ia in Fig. 1,

Fig. 2 eine ähnliche Ansicht wie Fig. 1, jedoch einer modifizierten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 3 eine schematisierte Schnittansicht des in Fig. 2 dargestellten Steuergetriebes, und

Fig. 4 eine Schnittansicht durch einen Rotationsantrieb, wie er in den Anordnungen gemäß Fig. 1 und 2 verwendet wird.

Fig. 1 zeigt eine Rotornabe 1, in der mehrere Blattlager 2 ausgebildet sind, von denen in der Figur nur eines dar­ gestellt ist. In dem Blattlager 2 ist ein Ende eines Rotorblatts 3 derart gelagert, daß das Blatt um seine Längsachse L gedreht werden kann. Bei dem hier beschrie­ benen Ausführungsbeispiel handelt es sich um den Rotor einer Windenergieanlage, und durch Drehen der Rotorblät­ ter 3 um deren jeweilige Längsachse L läßt sich der Anstellwinkel zu dem z. B. in Fig. 1 von rechts nach links anströmenden Wind einstellen.

Zur Verstellung des Rotorblatts 3 ist, wie Fig. 1a zeigt, an das Rotorblatt 3 ein Hebelgestänge 4 mit seinen Teilen 4a, 4b und 4c gekoppelt, wobei der Hebel 4a fest mit dem Rotorblatt 3 verbunden ist. An das dem Hebel 4b abgewandte Ende des Hebels 4c ist fest die Abtriebswelle 5 eines Rotations­ antriebs 6 gekoppelt. Dieser Rotationsantrieb 6 wird unten noch näher beschrieben.

Eine Antriebswelle 7 des Rotationsantriebs 6 ist über eine Verbindungswelle 8 mit der Abtriebswelle 9 eines Verteilergetriebes 10 gekoppelt. Fig. 1 zeigt außerdem noch eine der Abtriebswelle 9 gegenüberliegend ange­ ordnete Abtriebswelle 9′, die über eine weitere Verbin­ dungswelle mit einem für ein weiteres Rotorblatt vorge­ sehenen Rotationsantrieb gekoppelt ist.

Das Verteilergetriebe 10 besitzt eine Antriebswelle 11, die über eine Zentralwelle 12 mit der Ausgangswelle 13 eines Antriebsaggregats, z. B. eines Elektromotors, ge­ koppelt ist. Die Zentralwelle 12 durchsetzt einen Hohlraum, der in einem Teil der Rotornabe und der hohlen Rotorwelle 15 ausgebildet ist.

Wenn das Rotorblatt 3 eine bestimmte Winkelstellung ein­ nimmt und diese Winkelstellung nicht geändert werden soll, laufen der Rotor bzw. die Rotornabe 1 mit der Rotorwelle 15 einerseits und die vom Antriebsaggregat 14 angetrie­ bene Zentralwelle 12 mit gleicher Drehzahl um. Da mithin keine relative Drehung zwischen der Antriebswelle 11 des Verteilergetriebes und dem Gehäuse des Verteilergetriebes vorliegt, befinden sich die Abtriebswellen 9, 9′ des Verteilergetriebes 10 relativ zu dem Gehäuse des Verteilergetriebes in Ruhe, sie drehen sich lediglich zusammen mit dem Rotor (senkrecht zur Zeichenebene).

Sollen die Rotorblätter 3 um ihre Längsachse verstellt werden, so wird das An­ triebsaggregat 14 derart gesteuert, daß seine Ausgangs­ welle 13 und mithin die Zentralwelle 12 und die Antriebs­ welle 11 des Verteilergetriebes 10 mit einer anderen Drehzahl bzw. Drehrichtung laufen als die Rotornabe 1 mit der Rotorwelle 15. Hierdurch dreht sich die Antriebswelle 11 des Ver­ teilergetriebes 10 relativ zu dessen Gehäuse, und die auf das Verteilergetriebe 10 übertragene Bewegung wird auf die Abtriebswellen 9, 9′ des Verteiler­ getriebes übertragen.

Solange die Drehzahldifferenz zwischen der Zentralwelle 12 und der Rotorwelle 15 existiert, drehen sich die Abtriebswellen 9 und 9′ und mithin die Antriebswellen 7 der jeweiligen Rotationsantriebe 6. Wenn z. B. die Antriebswelle 7 des in Fig. 1 dargestellten Rotations­ antriebs 6 während des Zeitraums der unterschiedlichen Drehzahlen von Zentralwelle 12 und Rotorwelle 15 zwanzig Umdrehungen macht, so wird aufgrund der in dem Rotationsantrieb 6 erfolgenden Untersetzung das Rotorblatt 3 z. B. eine Winkelbewegung von 3° machen.

Das Ausmaß der Verstellung des Rotorblatts 3 hängt ab vom Ausmaß des Drehzahlunterschieds zwischen Zentralwelle 12 und Rotorwelle 15, von der Dauer der Drehzahlabweichung, von der Bemessung des Ver­ teilergetriebes 10, von der Auslegung des Rotations­ antriebs 6 und von der Konstruktion des Hebelge­ stänges 4. Das Ausmaß der Verstellung des Rotor­ blatts läßt sich also exakt vorbestimmen.

Fig. 4 zeigt eine Schnittansicht eines Rotations­ antriebs 6, wie er bei dem Verstellantrieb nach Fig. 1 verwendet wird.

Der Rotationsantrieb 6 besitzt ein Antriebs-Sonnenrad 61, das mit einem Abtriebs-Hohlrad 64 über mehrere, von Stützringen 65 getragene Stufenplaneten 66 gekoppelt ist. Wie aus der Zeichnung ersichtlich ist, hat der in Fig. 4 dargestellte Stufenplanet 66 zwei Abschnitte mit gleicher Verzahnung, die mit den Verzahnungen des Gehäusehohlrades 63 kämmen, und einen weiteren Abschnitt 67, der mit dem Abtriebs-Hohlrad 64 kämmt. Durch die geringe Abstufung zwischen dengleichen Abschnitten einerseits und dem Abschnitt 67 andererseits und eine damit verbundene unterschiedliche Zähnezahl bewirkt eine Drehung des Sonnenrads 61 eine Relativdrehung zwischen dem Gehäusehohlrad 63 und dem Abtriebs-Hohlrad 64. Mit einem derartigen Rotationsantrieb läßt sich eine sehr hoch untersetzte Drehmomentübertragung erzielen.

Fig. 2 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform der Er­ findung. Es sollen nur die unterschiedlichen Merkmale beschrieben werden: Die Zentralwelle 12 ist nicht direkt an die Ausgangswelle 13 des Antriebsaggregats 14 ge­ koppelt, sondern es ist ein Steuergetriebe 17 zwischen­ geschaltet, dessen Steuerwelle 16 an die Ausgangswelle 13 des Antriebsaggregats 14 gekoppelt ist. Sollen die Rotorblätter 3 nicht verstellt werden, so ist das An­ triebsaggregat 14 und mithin dessen Ausgangswelle 13 in Ruhe.

Das Steuergetriebe 17 hat z. B. den in Fig. 3 im einzel­ nen dargestellten Aufbau. In einem Gehäuse 17′ sind zwei identisch ausgebildete Planetengetriebe untergebracht. Ein erstes Planetengetriebe 18 ist mit seinem Sonnenrad 19 starr an die Zentralwelle 12 gekoppelt. Zwei in der Zeichnung dargestellte Planetenräder 20 und 21 kämmen mit einer Verzahnung eines Hohlrades 22, wel­ ches starr mit der Steuerwelle 16 verbunden ist. Ein zweites Planetengetriebe 23 ist mit seinem Sonnenrad 24 an die als Hohlwelle ausgebildete Rotorwelle 15 ge­ koppelt. Planetenräder 25 und 26 des zweiten Planeten­ getriebes 23 kämmen mit einer Innenverzahnung des Ge­ häuses 17′. Die Planetenräder der beiden Planetengetriebe sind jeweils paarweise über Verbindungswellen 27 bzw. 28 gekoppelt. Außerdem ist ein die Wellen 27 und 28 verbinden­ der Planetenträger 29 vorgesehen, so daß sämtliche Planeten­ räder 22, 21, 25 und 26 eine Bewegungseinheit bilden. Da beide Planetengetriebe gleich dimensioniert sind, drehen sich bei stillstehender Steuerwelle 16 die Zen­ tralwelle 12 und die Rotorwelle 15 mit identischer Dreh­ zahl und Drehrichtung.

Um die Rotorblätter 3 zu verstellen, muß - wie oben aus­ geführt - eine Drehzahlabweichung zwischen den Wellen 12 und 15 erreicht werden. Dies geschieht durch das in Fig. 3 dargestellte Steuergetriebe dadurch, daß die Steuerwelle 16 gedreht wird. Je nach Drehzahl und Dreh­ richtung der Steuerwelle 16 erfolgt eine Verstellung der Rotorblätter 3 in die eine oder die andere Richtung. Da eine feste Beziehung zwischen den Umdrehungen der Steuer­ welle und der Stellung der Rotorblätter existiert, kann eine Positionsrückführung für einen Regelkreis auch von der Steuerwelle aus erfolgen.

Claims (6)

1. Verstellantrieb zum Verstellen des Einstellwinkels eines oder mehrerer Rotorblätter, insbesondere für Wind­ energieanlagen, mit einem für jeweils ein Rotorblatt vorgesehenen, im Bereich der Rotoblattnabe an das Rotorblatt gekoppelten Hebelgestänge, durch dessen vom Verstellantrieb verursachte Bewegung das Rotorblatt in einem in der Nabe ausgebildeten Blattlager um seine Längsachse gedreht wird, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

• a) an der Nabe (1) ist ein Verteilergetriebe (10) angebracht, dessen Antriebsseite (11) bei kon­ stanter Blattstellung synchron mit der Rotorbewe­ gung angetrieben wird, und
• b) die Abtriebsseite (9, 9′) bzw. die Abtriebsseiten des Verteilergetriebes (10) ist bzw. sind an die Antriebswelle (7) eines für jeweils ein Rotorblatt (3) vorgesehenen, hochuntersetzenden Rotations­ antriebs (6) gekoppelt, dessen Abtriebsseite (5) mit dem Hebelgestänge (4) gekoppelt ist.

2. Verstellantrieb nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Antriebsseite (11) des Verteilergetriebes (10) an eine die als Hohlwelle (15) ausgebildete Rotorwelle konzentrisch durchsetzende Zentralwelle (12) gekoppelt ist.

3. Verstellantrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verteilergetriebe (10) als Kegelradgetriebe ausgebildet ist.

4. Verstellantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Rotationsantrieb (6) als reduziertes Planetenkoppelge­ triebe mit Stufenplaneten ausgebildet ist.

5. Verstellantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsseite (11) des Verteilergetriebes (10) von einem mit dem Rotorlauf synchronisierten Antriebs­ aggregat (13, 14) angetrieben wird.

6. Verstellantrieb nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorwelle (15) und die Zentralwelle (12) an ein erstes bzw. an ein zweites, zu dem ersten koaxial angeordnetes, gleich großes Sonnenrad eines Steuergetriebes (17) ge­ koppelt sind, daß die zu dem ersten und dem zweiten Sonnenrad (19, 24) gehörigen Planetenräder (20, 21; 25, 26) paarweise zu einer Bewegungseinheit gekoppelt sind, und daß das Hohlrad (22), welches zu dem einen, vorzugs­ weise dem zweiten Sonnenrad (19) zugehörigen Planetenge­ triebe (18) gehört, an eine Steuerwelle (16) gekoppelt ist.