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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Rotoranordnung für Windenergieanlagen mit Lagerung
mittels einer Rotorwelle innerhalb eines an einer Turmspitze angeordneten
Maschinenhauses
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Ein
besonderes Problem bei solchen Rotoranordnungen ergibt sich daraus,
daß einerseits
zur Erzielung großer
elektrischer Leistung die Schaufellänge möglichst groß sein soll, andererseits die
durch Gewicht, Wind und Rotation an den rotierenden Teilen und Lagerelementen
angreifenden Kräfte
und Momente auf Dauer beherrscht werden müssen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Rotoranordnung der eingangs
genannten Art zu schaffen, mit der auch bei großer Schaufellänge der Rotoren
und entsprechender Gewichts-, Wind- und Rotationsbeanspruchung die
auftretenden Kräfte
und Momente sicher beherrschbar sind.
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Erfindungsgemäß wird die
gestellte Aufgabe bei einer gattungsgemäßen Rotoranordnung durch die
im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebene Kombination der folgenden
Merkmale gelöst:
- a) die Rotorblätter sind jeweils mittels einer
Rotorblattwelle in ihrem Windanstellwinkel verstellbar gelagert;
- b) die Lager an den Enden der Rotorblattwelle sind mittel- oder
unmittelbar einerseits mit einer Nabe der Rotorwelle, andererseits
mit einer die Nabe konzentrisch umgebenden Felge fest verbunden,
wobei die Felge mittels Speichen an der Nabe befestigt ist;
- c) zur Verstellung der Rotorblätter sind hydraulische Kolben-Zylinder-Systeme
vorgesehen, die an der Felge einerseits und an Tragholmen der Rotorblätter andererseits
zur Ausübung
eines Drehmoments um die Achse der jeweiligen Rotorblattwelle angreifen,
wobei in einer End-Abstützposition
der Rotorblätter
diese bei maximaler Stellung zum Wind sich an die Felge anlehnen
bzw. aus dieser Position mehr oder weniger aus dem Wind hydraulisch
drehbar und und fixierbar sind.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes sind in den Ansprüchen 2 bis
11 angegeben. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Rotorblätter im
wesentlichen eine Dreiecksform besitzen, die von der Nabe gesehen
sich bis zu einer maximalen Blattbreite und -höhe vergrößert und anschließend bis
zur Blattspitze verjüngt,
wobei im Bereich und Nahbereich der maximalen Blattbreite und -höhe die durch
die Abstützung
an der Felge verursachten Auflagerkräfte angreifen. Gemäß einer
bevorzugten Bemessung entspricht dabei der Radius der Felge ungefähr einem
Viertel der Länge
eines Rotorblattes. Die mechanische Stabilität des Rotors kann dadurch weiter
verbessert werden, daß zwischen
der Felge und einer mit der Felge drehbaren Verlängerung der Welle Zugseile
zur zusätzlichen
Fixierung der Felge gespannt sind. Die Rotorblätter bestehen bevorzugt aus
einer verstrebten Dreieckskonstruktion, die mit einer glatten Außenhaut,
z.B. aus Stahl oder GFK, verkleidet wird. Eine günstige Ausführung für die Schaufelverstellung besteht
darin, daß an
einer unteren Schrägseite
des Rotorblattes sich die Rotorblattwelle befindet.
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Die
Rotorwelle kann als feststehende Achse an einem Lagerbock des Maschinenhauses
eingebaut und der Rotor mittels einer Nabe auf der Welle drehbar
gelagert sein. Eine andere Lagerungsmöglichkeit besteht darin, daß die Rotorwelle
drehbar am Lagerbock des Maschi-nenhauses gelagert ist und der Rotor
mittels einer auf der Welle festsitzenden Nabe mit dieser drehbar
gelagert ist.
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Das
Maschinenhaus weist in bevorzugter Ausführung zwei die Turmspitze bildende,
in einer ersten und in einer zweiten Horizontalebene angeordnete
Ringkonstruktionen auf:
- a) einen unteren Tragring
in der ersten Ebene, der am Außenumfang
des Turmes in Höhe
einer Horizontalverstrebung angeordnet und an seinem Innenumfang
zumindest mit den Eckstützrohren des
Turmes fest verbunden ist;
- b) einem oberen Tragring in der zweiten Ebene, der im Abstand
oberhalb des unteren Tragringes an den oberen Enden der Eckstützrohre
befestigt ist, wobei schräg
verlaufende Stützstreben
von der Horizontalverstrebung der ersten Ebene zum oberen Tragring
verlaufen und daran befestigt sind; und
- c) einen Drehkranz, der mittels Rollen auf dem oberen Tragring
in Umfangsrichtung verfahrbar und in der jeweiligen Drehposition
festbremsbar ist, wobei der Drehkranz einen Lagerbock aufweist zur
drehbaren Lagerung des Rotors und der zu ihm gehörenden Komponenten, wie Nabe,
Felge, Rotorblätter,
Rotorblattwellen, Speichen und ggfs. Spannseile für die Felge
und hydraulische Kolben-Zylinder-Systeme zur Verstellung der Rotorblätter.
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Der
Drehkranz kann von einem Teil der Last des Rotors dadurch entlastet
werden, wenn am vorderen Teil des Lagerbockes ein nach unten weisendes
Stützbein
befestigt ist, das an einem Fußteil
seines unteren Endes ein drehbar gelagertes Rad aufweist, mit welchem
das Stützbein
auf einer oberen stirnseitigen Ringfläche des unteren Tragringes
in Umfangsrichtung abrollbar gelagert ist. Diesem Stützbein kann
eine weitere wichtige Funktion zugeordnet werden, wenn am Fußteil des
Stützbeins
eine vorzugsweise hydraulische Fetstellbremse installiert ist, die
in Bremsposition mit ihren ausgefahrenen Bremsbacken am Außenumfang
der Felge angreift und für
die Felge eine mechanische Stützverbindung zum
Tragring herstellt, wogegen bei gelöster Feststellbremse die Felge
frei drehbar ist.
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Weitere
Merkmale und Vorteile sowie Aufbau und Wirkungsweise des Erfindungsgegenstandes werden
im folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels
noch näher
erläutert.
In der Zeichnung zeigt in z.T. vereinfachter und bei den 4 bis 8 in
perspektivischer Darstellung:
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1 den
Mittelteil des Rotors im Ausschnitt;
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2 ein
Rotorblatt ohne Verkleidung in Draufsicht;
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3 den
dreiflügeligen
Rotor in Stirnansicht von vorne;
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4 die
letzte Etage des Turms mit Laufring für das Stützrad;
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5 im
Ausschnitt Stützbein
mit Stützfuß, Stützrad und
Rotorbremse;
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6 alle
Teile des Rotoraufbaus mit Felge, Abspannung, Stützfuß mit Rad und Bremse, Rotorblattlagerung
sowie Maschinenplattform mit Kranaufbau;
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7 Gesamtanlage
mit Rotor in Arbeitsstellung auf Turmaufbau; und
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8 die
Rotoranordnung nach 7 in Ruhestellung, wobei nur
der obere Teil des Turms gezeigt ist.
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Bei
der Rotoranordnung nach 1 ist mit 1 die Welle
bezeichnet. Die Welle 1 kann feststehend eingebaut werden,
dann wird die Nabe 2 drehbar gelagert, oder die Welle 1 wird
beweglich gelagert und die Nabe 2 fest mit der Welle 1 verbunden.
Im folgenden sei die zweite Möglichkeit
zugrundegelegt. Zwischen der Felge 5 und einer mit der
Felge drehbaren Verlängerung 3 der
Welle 1 sind Zugseile 7 zur zusätzlichen
Fixierung der Felge 5 gespannt. Die Felge 5 ist
außerdem über Speichen 4 mit
der Nabe 2 fest verbunden. In den Drehlagern 6,
die einerseits mit der Felge 5, andererseits mit der Nabe 2,
verbunden sind, ist die Rotorblattwelle 8 drehbar gelagert.
Um die Achse der Welle 8 kann das jeweilige Rotorblatt von
der Arbeitsposition in eine Ruheposition und umgekehrt verstellt
werden, und zwar mittels hydraulischer Kolben-Zylinder-Systeme 11,
die ein Drehmoment auf das Rotorblatt 13 (Tragholm 9)
ausüben können und
sich an der Felge 5 abstützen. Dabei befindetd sich
an einer unteren Schrägseite
des Rotorblattes (13) die Rotorblattwelle (8).
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Wie
es 1 bis 3 zeigen, besitzen die Rotorblätter 13 im
wesentlichen eine Dreiecksform, die von der Nabe 2 gesehen
(Blattwurzel 13a) sich bis zu einer maximalen Blattbreite
und -höhe 13.0 vergrößert und
anschließend
bis zur Blattspitze 13b verjüngt, wobei im Bereich und Nahbereich
der maximalen Blattbreite und -höhe 13.0 die
durch die Abstützung
an der Felge 5 verursachten Auflagerkräfte angreifen. Aus 1 und 2 erkennt
man die Tragholme 9 für
das Rotorblatt 13 und Streben 10 in Dreieckkonstruktion,
ferner den Belag bzw. die Außenhaut 12,
der bzw. die frei gewählt
werden können, z.B.
Stahl- oder GFK-Außenhaut
(GFK = Glasfaserverstärkter
Kunststoff).
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Rotoraufbau
mit Felge im einzelnen
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Der
Rotor R erhält
eine Felge 5, an der die Rotorblätter 13 gelagert und
abgestützt
werden. Die Felge 5 wird so bemessen, dass der Radius ungefähr einem
viertel der Länge
eines Rotorblättes 13 entspricht.
Dadurch werden die Rotorblätter
an ihrer stärksten
und breitesten Stelle abgestützt,
die Last und große
Hebelwirkung, die bei bestehenden Anlagen an der Nabe und an den
Rotorblättern
am inneren Ende auftritt, wird stark gemindert und nach außen auf
die Felge 5 verlagert. Die Felge 5 wird mit Speichen 4 an
der Nabe 2 befestigt, wobei die hinteren Speichen 4 im
Winkel (90°)
zur Nabe 2 stehen, dagegen werden die vorderen Speichen 4 schräg und damit
auf Zug zur Felge 5 angebracht. Die schrägen Speichen 4 erhalten
einmal an der Nabe 2 und einmal an der Felge 5 je
ein Lager 6, in denen später die Rotorblätter 13 beweglich
angebaut werden. Die Lagerung ist von der Drehrichtung aus gesehen
die hintere Seite der Rotorblätter 13,
von vorne gesehen wird an der rechten Seite der Blätter die
Felge 5 mit Seilen 7 an der Verlängerung 3 der
Antriebswelle 1 abgespannt und kann dadurch hohe Kräfte aufnehmen.
(1 und 7) Auf die Felge 5 wirken
auch die Bremsbacken der Bremse 19, die an dem Stützbein 14, 14a angebracht
ist (vergl. 5 und 6).
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Abstützung des Maschinenhauses durch
ein Stützrad
(vergl. insbes. die 5 und 6
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Um
hei größeren Anlagen
nicht alle Last des Rotors R auf den Drehkranz DK zu verlagern,
besteht die Möglichkeit,
unter das vordere Lager der Antriebswelle und die Auskragung des
Maschinenhauses ein Stützbein 14 mit
Stützfuß 14a anzubringen, der
am unteren Ende mit einem Stützrad 15 versehen ist.
Dieses Rad findet seine Lauffläche
auf einem unteren Tragring 16a, der an den Eckstützrohren 17 des Turms
T und den Streben 18 der vorletzten Etage befestigt ist.
Das Stützbein 14 kann
für zwei
Aufgaben verwendet werden: Zum einen wird die Last des Rotors R
und des Maschinenhauses 22 nach unten verlagert und, wie
oben schon erwähnt,
der Drehkranz DK entlastet und zum anderen kann an diesem Stützbein 14 die
Rotorbremse 19 angebaut werden. Da der Rotor R eine Felge 5 erhält, kann
die Bremswirkung nach außen
verlagert werden, wo sie einen viel stärkeren Wirkungsgrad hat, als
nahe am Drehpunkt. Dadurch kann eine verhältnismäßig kleine Bremse 19 eine
hohe Bremskraft erzielen und gleichzeitig als Feststellung des Rotors
R verwendet werden. Die Kraft der Rotorblätter 13 wird nicht
an der Nabe 2, sondern ungefähr auf einem Viertel der Blattlänge abgefangen,
wo die Rotorblätter 13 ihre
breiteste und tragfähigste
Stelle besitzen und durch ein Lager 6 an der Felge 5 befestigt
sind. Die geschilderte Abstützung
des Maschinenhauses ist insbesondere bei großen Anlagen von Nutzen.
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Details zur Konstruktion
der Rotorblätter
und Verstellung durch Hydraulikzylinder (1 bis 8)
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Die
tragenden Teile der Rotorblätter 13 bestehen
aus einer verstrebten Dreieckskonstruktion 9, 10,
die ihre größte Breite
und Höhe
an der Felge 5 des Rotors R haben, an der auch die höchste Belastung
abgefangen wird. Durch diese Bauart wird eine hohe Tragfähigkeit
und vor allem ein sehr geringer Reibungsverlust erreicht. An der
unteren Schrägseite befindet
sich die Welle 8, mit der die Rotorblätter 13 an den Lagern
an Felge 5 und Nabe 2 befestigt werden, somit
wird jedes Rotorblatt 13 im unteren Teil im Abstand von
ca. 10 bis 20 m (je nach Bauart) zweimal gehalten. Die dritte Abstützung erhalten
die Rotorblätter
an der Felge 5, an die sie sich bei maximaler Stellung
zum Wind anlehnen. Wird eine Verstellung der Rotorblätter erforderlich, übernimmt
ein Hydraulikzylinder 11 diese Abstützung und dreht das Blatt 13 nach
Bedarf aus dem Wind. (vergl. 6, 7 und 8).
Auf diese Weise lassen sich Rotorblätter erstellen, die sehr lang
und großflächig sein
können und
in ihrer ganzen Fläche
maximal zum Wind stehen. Dadurch wird der Gesamtwirkungsgrad wesentlich
erhöht,
und es können
so große
Anlagen gebaut werden, die mit herkömmlichen Rotorblättern nicht erreicht
werden können.
Durch diese Bauart ist es möglich,
große
und im Verhältnis
nicht zu schwere Blätter
zu erstellen, die in Teilen auf die Baustelle geliefert und dort
zusammengebaut werden. Kurz zusammengefaßt können die Rotorblätter 13 sehr
lang und großflächig gebaut
werden, woraus sich eine sehr hohe Leistung und Wirtschaftlichkeit
ergibt. Die Hauptlast wird nach außen auf die Felge 5 verlagert, wo
die Blätter über ein
großes
Dreieck ihre höchste Tragfähigkeit
erreichen. Durch die doppelte Lagerung der Blätter und die Hydraulikzylinder
wird eine sehr einfache Blattverstellung möglich
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In 6 ist
zu sehen, dass es mit wenig Mitteln möglich ist, auf das Maschinenhaus 22 einen Laufkatzkran 20 zu
bauen, mit dem man Lasten oder mit einem Förderkorb auch Personen befördern kann.
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Turmkonstruktion mit Maschinenhaus
(4 und 6 bis 8)
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4 zeigt
die Vorbereitung der Turmkonstruktion, welche zwei die Turmspitze
bildende, in einer ersten und in einer zweiten Horizontalebene E3, E4
angeordnete Ringkonstruktionen aufweist, und zwar einen unteren
Tragring 16a in der ersten Ebene E3, der am Außenumfang
des Turmes T in Höhe
einer Horizontalverstrebung 18 angeordnet und an seinem
Innenumfang zumindest mit den Eckstützrohren 17 des Turmes
T fest verbunden ist. Ferner einen oberen Tragring 16b in
der zweiten Ebene E4, der im Abstand oberhalb des unteren Tragringes 16a an
den oberen Enden der Eckstützrohre 17 befestigt
ist, wobei schräg
verlaufende Stützstreben 23 von
der Horizontalverstrebung 18 der ersten Ebene E3 zum oberen
Tragring 16b verlaufen und daran befestigt sind. Schließlich ist
ein Drehkranz DK vorgesehen (siehe 6 und 7),
der mittels Rollen 24 auf dem oberen Tragring 16b in
Umfangsrichtung verfahrbar und in der jeweiligen Drehposition festbremsbar
ist, wobei der Drehkranz DK einen Lagerbock 21 aufweist
zur drehbaren Lagerung des Rotors R und der zu ihm gehörenden Komponenten,
wie Nabe 2, Felge 5, Rotorblätter 13, Rotorblattwellen 8,
Speichen 4 und ggfs. Spannseile 7 für die Felge 5 und
hydraulische Kolben-Zylinder-Systeme 11 zur Verstellung
der Rotorblätter.
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Zum
Maschinenhaus 22 gehört
ein Laufkatzkran 20. Die Turmkonsruktion nach 7 und 8 verjüngt sich
von den Einzelfundamenten 25 nach oben pyramidenstumpfförmig. Sie
hat an den vier Ecken aus Abschnitten kuppelbare Stützrohre 17,
in den vier Ebenen E1 bis E3 Viereck-Gitterwerke GW1, GW2, GW4,
die jeweils aus Rahmensreben und Diagonalstreben bestehen und den
Turm T versteifen, und in den einzelnen Turmetagen ET1, ET2, ET3 Spannglieder 26,
die flächig-
und räumlich-diagonal verlegt
sind und aus Stahlspannseilen mit (nicht dargestellten) Spannschlössern bestehen
sowie an den Viereck-Gitterwerken GW1 bis GW3 und an den Fundamenten 25 verankert
sind.
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Zusammenfassung
der Vorteile und Ausblick
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Durch
die Erfindung lassen sich Windkraftanlagen mit sehr hoher Leistung
erstellen, wodurch weniger Anlagen die gleiche Menge Strom erzeugen. Durch
ihre filigrane Bauart wirken diese Anlagen trotz ihrer Größe nicht
so wuchtig als die herkömmlichen Rohrtürme und
durch die sehr viel schwächeren Stützrohre 17 mit
Einzelfundamenten 25 (7) verringert
sich der Geräuschpegel,
der bei jeder Blattbewegung am Rohrturm entsteht, beträchtlich.
Es kann damit eine Wirtschaftlichkeit erreicht werden, die ohne
Bezuschussung mit anderen Energieträgern konkurrenzfähig wird.
Es könnte
daher auch in Erwägung
gezogen werden, solche Anlagen in Gruppen ins Meer zu bauen und
nicht mit Generatoren, sondern mit Pumpen zu versehen, die das Meerwasser über Rohrleitungen
in höher
liegenden Speicherseen pumpen. Solche Speicherseen müssten in
Küstenregionen
mit großem
Höhenunterschied
zum Meer angelegt werden, mit. denen man dann Kraftwerke betreiben
kann. Das hätte
folgende Vorteile:
Die Rotorblätter müssten nicht verstellbar angebaut werden,
denn Pumpen sind nicht so drehzahlabhängig wie Generatoren und können auch
bei Sturm weiterlaufen, was bei höherer Drehzahl auch höhere Leistung
bedeutet. Zum anderen bekommt man mit den Speicherseen Lageenergie,
die dann eingesetzt werden kann, wenn sie gebraucht wird. Die gleiche Lösung ist
auch in Gegenden mit tiefliegenden Flusstälern anwendbar.
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- R
- Rotoranordnung
bzw. Rotor
- 1
- Welle
- 2
- Nabe
- 5
- Felge
- 3
- Verlängerung
der Welle 1
- 7
- Zugseile
- 4
- Speichen
- 6
- Drehlager
- 8
- Rotorblattwelle
- 11
- hydraulische
Kolben-Zylinder-Systeme
- 9
- Tragholm
von (13)
- 13
- Rotorblatt
- 13a
- Blattwurzel
- 13.0
- maximale
Blattbreite und -höhe
- 13b
- Blattspitze
- 10
- Streben
von (13)
- 12
- Außenhaut
von (13)
- 19
- Bremse
für Felge
(5)
- DK
- Drehkranz
- 14
- Stützbein
- 14a
- Stützfuß
- 15
- Stützrad
- 16a
- Tragring,
unterer
- 16b
- Tragring,
oberer
- 17
- Eckstützrohren
- T
- Turm
- 18
- Streben
der vorletzten Etage
- 20
- Laufkatzkran
- 21
- Lagerbock
- 22
- Maschinenhaus
- 23
- Stützstreben
- 24
- Rollen
am Drehkranz (DK)
- 25
- Einzelfundament
- E1–E3
- Turmebenen
- GW1–GW3
- Viereck-Gitterwerke
- ET1–ET3
- Turmetagen
- 26
- Spannglieder