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BESCHREIBUNG
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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 Bereich der Rotorblattnabe
an das Rotorblatt gekoppelten Eebelgestänge, durch dessen vom Verstellantrieb verursachte
Bewegung das Rotorblatt in einem in der Nabe ausgebildeten Blattlager um seine Längsachse
gedreht wird.
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Verstellantriebe dieser oder ähnlicher Art werden z.B.
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bei Flugzeug- und Schiffspropellern, bei Turbinen oder bei Rotoren
von Hubschraubern eingesetzt. Die bekannten Verstellantriebe sind in verschiedener
Weise ausgebildet.
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Bei Flugzeug- und Schiffspropellern ist üblicherweise ein auf der
Antriebswelle des Propellers axial verschiebliches, nicht drehendes Lager vorgesehen,
auf dem ein mit dem Propeller drehendes Teil gelagert ist, welches über ein Hebelgestänge
an das Rotorblatt gekoppelt ist. Durch axiales Verschieben des nicht drehenden Teils
wird das Hebelgestänge zum Verstellen des Einstellwinkels des Rotorblatts betätigt.
Bei dieser Art von Verstellantrieben sind in der Reael höhere Verstellkräfte notwendig.
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Eine weitere bekannte Ausgestaltung von Verstellantrieben sieht vor,
den Antrieb direkt in der Blattnabe als zusammen mit dem Rotor drehendes Teil anzuordnen.
Die gleichförmige Verstellung sämtlicher Rotorblätter erfolgt z.B. über Spindeln,
Zahnräder, Gestänge oder dergleichen. Je nach Antriebsart (elektrisch oder hydraulisch)
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.
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Als weitere Möglichkeit für einen Verstellantrieb kommt in Betracht,
jedes einzelne Rotorblatt mit einem separaten Antrieb auszustatten, der in der Nähe
des Blattlagers angeordnet wird. Hierbei tritt jedoch das Problem auf, daß das exakte
gleichmässige Verstellen sämtlicher Rotorblätter schwierig ist. Demgemäß können
Synchronisationsprobleme 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 ruhenden Teil auf das sich drehende
Teil zu übertragen.
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Besondere Anforderungen an einen Verstellantrieb werden dann gestellt,
wenn der Verstellantrieb für den Rotor einer Windenergieanlage eingesetzt werden
soll.
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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.
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Aus diesem Grund scheiden die eingangs erläuterten bekannten Stellantriebe
mit axial verschieblichem Lager aus, da derartige Verstellantriebe relativ hohe
Verstellkräfte erfordern.
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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 dünnbesiedeltem Gebiet errichtet
werden und die Teile der Anlage konstruktionsbedingt nicht sehr leicht zugänglich
sind.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Verstellantrieb der
eingangs genannten Gattung derart weiterzubilden, daß die zum Verstellen der Rotorblätter
aufzuwendenden 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.
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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 Antriebswelle eines hochuntersetzenden Rotationsantriebs gekoppelt,
dessen Abtriebsseite mit dem Hebelgestänge gekoppelt ist.
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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 Zeiträume hinweg
wartungsfrei ohne Störungen arbeiten kann.
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Da an das Hebelgestänge ein hochuntersetzender Rotationsantrieb gekoppelt
ist, wird auf der Abtriebsseite des Rotationsantriebs ein sehr hohes Drehmoment
erzeugt.
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Rotationsantriebe, wie sie hier zum Einsatz gelangen, sind an sich
bekannt, z.B. aus dem Flugzeugbau, wo sie zum Verstellen von Ruderklappen eingesetzt
werden.
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Da die Verstellung der Rotorblätter von einem einzigen Verteilergetriebe
aus erfolgt, treten keinerlei Synchronisations- und Gleichlaufprobleme auf.
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Das Verteilergetriebe kann von der der Rotorwelle gegenüberliegenden
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 ausgebildete Rotorwelle konzentrisch durchsetzende Zentralwelle
gekoppelt ist. Das Antriebsaggregat, welches über die Zentralwelle an die Antriebs
seite des Verteilergetriebes gekoppelt ist, kann durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung
des Verstellantriebs ortsfest installiert werden.
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Durch entsprechende Wahl der Getriebeverhältnisse lassen sich die
Betätigungskräfte in dem gewünschten Masse klein halten.
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Bei dem Verteilergetriebe handelt es sich vorzugsweise um ein Kegelradgetriebe,
welches das Eingangs-Drehmoment auf eine der Anzahl von Rotorblättern entsprechende
Anzahl von Ausgangs-Kegelrädern verteilt.
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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 Zähne zahlen der Abschnitte der Stufenplaneten und/oder der
mit den einzelnen Stufen der Stufenplaneten in Eingriff befindlichen Hohlräder wird
eine Relativbewegung zwischen den Hohlrädern erreicht.
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In einer speziellen Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen,
daß die Antriebsseite des Verteilergetriebes von einem mit dem Rotorlauf synchronisierten
Antriebsaggregat angetrieben wird. Der Synchronlauf zwischen der Zentralwelle und
der als Hohlwelle ausgebildeten Rotorwelle kann auf unterschiedlichste Weise erreicht
werden, z.B. durch entsprechende Regelung der Drehzahl des Antriebsaggregats.
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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 angeordnetes, gleichgroßes Sonnenrad eines Steuergetriebes gekoppelt sind,
daß die zu dem ersten und dem zweiten Sonnenrad gehörigen Planetenräder paarweise
zu einer Bewegungseinheit gekoppelt sind, und daß das Hohlrad welches 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 Verteilergetriebes 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 Rotationsantriebe der einzelnen Rotorblätter übertragen.
Eine relativ große Winkelverstellung der Antriebs seiten der Rotationsantriebe bewirkt
aufgrund der hohen Unter setzung 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.
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Im Gegensatz zu der oben erläuterten Ausführungsform der Erfindung,
nach der die Zentralwelle direkt von einem Antriebsaggregat angetrieben wird, braucht
bei der zuletzt erläuterten Ausführungsform der Erfindung das Antriebsaggregat 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.
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Im folgenden werden mögliche Ausführungsforrnen der Erfindung anhand
der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine teilweise schematisch dargestellte
Querschnittansicht eines Teils einer Rotornabe mit einem Teil eines Rotorblatts
mit Verstellantrieb, Fig. 1a eine Schnittansicht entlang der Linie Ia-Ia in Figur
1, Fig. 2 eine ähnliche Ansicht wie Figur 1, jedoch einer modifizierten Ausführungsform
der Erfindung,
Fig. 3 eine schematisierte Schnittansicht des in
Figur 2 dargestellten Steuergetriebes, und Fig. 4 eine Schnittansicht durch einen
Rotationsantrieb, wie er in den Anordnungen gemäß Figur 1 und 2 verwendet wird.
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Figur 1 zeigt eine Rotornabe 1, in der mehrere Blattlager 2 ausgebildet
sind, von denen in der Figur nur eines dargestellt 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 beschriebenen Ausführungsbeispiel handelt es
sich um den Rotor einer Windenergieanlage, und durch Drehen der Rotorblätter 3 um
deren jeweilige Längsachse L läßt sich der Anstellwinkel zu dem z.B. in Figur 1
von rechts nach links anströmenden Wind einstellen.
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Zur Verstellung des Rotorblatts 3 ist, wie Figur 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 Hebel4b abgewandte
Ende des Hebels 4c ist fest die Abtriebswelle 5 eines Rotationsantriebs 6 gekoppelt.
Dieser Rotationsantrieb 6 wird unten noch näher beschrieben.
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Eine Antriebswelle 7 des Rotationsantriebs 6 ist über eine Verbindungswelle
8 mit der Abtriebswelle 9 eines Verteilergetriebes 10 gekoppelt. Figur 1 zeigt außerdem
noch eine der Abtriebswelle 9 gegenüberliegend angeordnete Abtriebswelle 9', die
über eine weitere Verbindungswelle mit einem für ein weiteres Rotorblatt vorgesehenen
Rotationsantrieb gekoppelt ist.
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Das Verteilergetriebe 10 besitzt eine Antriebswelle 11,
die
über eine Zentralwelle 12 mit der Ausgangswelle 13 eines Antriebsaggregats, z.B.
eines Elektromotors, gekoppelt ist. Die Zentralwelle 12 durchsetzt einen Hohlraum,
der in einem Teil der Rotornabe und der hohlen Rotorwelle 15 ausgebildet ist.
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Wenn das Rotorblatt 3 eine bestimmte Winkelstellung einnimmt und diese
Winkelstellung nicht geändert werden soll, laufen der Rotor bzw. die Rotornabe 1
mit der Rotorwelle 15 einerseits und die vom Antriebsaggregat 14 angetriebene 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).
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Sollen die Rotorblätter 3 um ihre Längsachse verstellt werden, so
wird das Antriebsaggregat 14 derart gesteuert, daß seine Ausgangswelle 13 und mithin
die Zentralwelle 12 und die Antriebswelle 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 Verteilergetriebes 10 relativ
zu dessen Gehäuse, und die auf das Verteilergetriebe 10 übertragene Bewegung wird
auf die Abtriebswellen 9, 9' des Verteilergetriebes übertragen.
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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 Figur 1 dargestellten Rotationsantriebs 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 30 machen.
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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 Verteilergetriebes 10, von der Auslegung
des Rotationsantriebes 6 und von der Konstruktion des Hebelgestänges 4. Das Ausmaß
der Verstellung des Rotorblatts läßt sich also exakt vorbestimmen.
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Figur 4 zeigt eine Schnittansicht eines Rotationsantriebs 6, wie er
bei dem Verstellantrieb nach Figur 1 verwendet wird.
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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 Figur 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 den
gleichen 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.
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Figur 2 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform der Erfindung. Es
sollen nur die unterschiedlichen Merkmale beschrieben werden: Die Zentralwelle 12
ist nicht direkt an die Ausgangswelle 13 des Antriebsaggregats 14 gekoppelt, sondern
es ist ein Steuergetriebe 17 zwischengeschaltet, dessen Stenerwelle 16 an die Ausgangswelle
13 des Antriebsaggregats 14 gekoppelt ist. Sollen die Rotorblätter 3 nicht verstellt
werden, so ist das Antriebsaggregat 14 und mithin dessen Ausgangswelle 13 in Ruhe.
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Das Steuergetriebe 17 hat z.B. den in Figur 3 im einzelnen iurgestellten
.aufbau. In einem Gehäuse 1 7g sind zwei identisch ausgebildete Planetengetriebe
untergebracht.
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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 Verzahnuna eines Hohlrades 22, welches starr mit der
Steuerwelle 16 verbunden ist. Ein zweites Planetengetriebe 23 ist mit seinem Sonnenrad
24 an die als Hohlwelle ausgebildete Rotorwelle 15 gekoppelt. Planetenräder 25 und
26 des zweiten Planetengetriebes 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 verbindender Planetenträger
29 vorgesehen, so daß sämtliche Planetenräder 22, 21, 25 und 26 eine Bewegungseinheit
bilden.
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Da beide Planetengetriebe gleich dimensioniert sind, drehen sich bei
stillstehender Steuerwelle 16 die Zentralwelle 12 und die Rotorwelle 15 mit identischer
Drehzahl und Drehrichtung.
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Um die Rotorblätter 3 zu verstellen, muß - wie oben ausgeführt - eine
Drehzahlabweichung zwischen den Wellen 12 und 15 erreicht werden. Dies geschieht
durch das in Figur 3 dargestellte Steuergetriebe dadurch, daß die Steuerwelle 16
gedreht wird. Je nach Drehzahl und Drehrichtung der Steuerwelle 16 erfolgt eine
Verstellung der Rotorblätter 3 in die eine oder die andere Richtung. Da eine feste
Beziehung zwischen den Umdrehungen der Steuerwelle und der Stellung der Rotorblätter
existiert, kann eine Positionsrückführung für einen Regelkreis auch von der Steuerwelle
aus erfolgen.