Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Arretieren einer Windturbine sowie eine Windturbine zur Durchführung des Verfahrens gemäß dem Oberbegriff von

Anspruch 1 und 8.

Moderne Windturbinen im Multi-Megawettbereich sind in der Regel mit Rotorblättern ausgestattet, die durch eine Versteileinrichtung um ihre zentrale Längsachse verdreht werden können, um diese bei Bedarf aus dem Wind zu drehen, was in Fachkreisen auch als„Rotor-Pitch" bezeichnet wird. Werden die Rotorblätter aus dem Wind "gepitcht", reduziert sich die Windangriffsfläche des Rotors und das aerodynamische Drehmoment auf die Antriebswelle wird minimiert. Da diese beschriebene aerodynamische Bremse üblicherweise die einzige Bremse ist, muss jedes der Rotorblätter mit einem völlig redundanten Pitchsystem ausgestattet sein, so dass die verbleibenden Blätter auch bei Ausfall eines Blattes, bzw. der zugehörigen VerStelleinrichtung zuverlässig aus dem Wind gedreht werden können und dadurch eine sichere Reduktion der Drehzahl gewährleistet werden kann. Nach dem Bremsvorgang verbleibt der Rotor normalerweise im sogenannten „Trudelbetrieb", bei dem sich die Rotorblätter ähnlich einer Fahne frei im Wind bewegen können. Hierdurch wird die Turbine zwar nicht völlig stillgesetzt, jedoch verringern sich die aerodynamischen Lasten auf Rotor und Turm erheblich.

Ein Stillsetzen des Rotors ist lediglich bei Wartungs- und Reparaturarbeiten am drehenden Teil der Turbine erforderlich, beispielsweise am nabenseitigen Teil der VerStelleinrichtung, bzw. am Rotor etc.. Um die Windturbine für derartige Arbeiten stillzusetzen, wird diese bekanntermaßen durch eine mechanische Bremseinrichtung im Antriebsstrang abgebremst und in der gewünschten Winkelposition, in der insbesondere ein Zugang zu dem rotierenden nabenseitigen Teil des Rotors besteht, eine formschlüssige Arretierung des Rotors vorgenommen. Diese ist in einschlägigen Normen vorgeschrieben und besteht darin, dass im festgebremstem Zustand von Hand ein Arretierbolzen vom Stator aus in eine ^p nknr ^{p p} nH ^p Aufnahmebohrung im Rotor eingeschoben wird. Um den Bolzen zur Arretierung von jeder beliebigen Rotorposition aus einschieben zu können, ist es in der Praxis bekannt, den Rotor beispielsweise durch den dann motorisch betriebenen Generator an die gewünschte Position zu fahren. Nachteilig ist es in diesem Zusammenhang, dass hierfür zusätzlich ein 4-Quadranten-Umrichter und ein Lagegeber für die Rotorposition benötigt werden, was die Windturbine zusätzlich verteuert. Bei nicht betriebsbereitem Umrichter (z.B. wegen fehlendem Versorgungsnetz) ergibt sich bei hinreichendem Wind zudem die Möglichkeit, die gewünschte Rotorposition durch gezieltes manuelles Verstellen der Rotorblätter und gleichzeitiges Betätigen der mechanischen Bremse anzufahren und durch die Bremse fest zu setzen, um anschließend den Arretierbolzen von Hand in die rotorseitige Aufnahmeöffnung einzuschieben. Dies erfordert in der Praxis jedoch vergleichsweise viel Erfahrung und geschultes Personal, da die mechanische Bremse und Rotorblattverstellung gleichzeitig in Abhängigkeit von der jeweiligen Windgeschwindigkeit und Windrichtung verändert werden müssen.

Zurzeit befinden sich elektromechanische und hydraulische Rotorbremsen in der Anwendung. Die auf dem Markt weitverbreiteten hydraulischen Bremsvorrichtungen besitzen den Nachteil, dass Öl-Leckagen und verschlissene Ventile im Hydrauliksystem häufig zu einem Verlust der Bremskraft bis hin zu einem Totalausfall des Bremssystems führen. Häufige Wartungsarbeiten am Hydrauliksystem haben zudem hohe Wartungskosten und lange Stillstandszeiten der Windturbine zur Folge. Insbesondere bei Offshoreanlagen sind die Wartungskosten und Stillstandszeiten aufgrund eines fehlerhaften Hydrauliksystems sehr viel höher als bei Anlagen auf dem Festland.

Eine gegenüber hydraulischen Rotorbremsen höhere Zuverlässigkeit und einen verbesserten Funktionsfähigkeit bieten die bekannten elektromechanischen Rotorbremsen. Bei diesen werden die Bremsbeläge durch einen Elektromotor bewegt. Die wesentlichen Vorteile der elektromechanischen Rotorbremsen gegenüber den hydraulischen Systemen liegen in der durch den Wegfall des Hydraulikaggregats und der reduzierten Anzahl von Bauteilen bedingten kompakteren Bauweise der Bremssysteme. Obgleich die elektromechanischen Rotorbremssysteme eine erhöhte Anlagensicherheit und einen geringeren Wartungsaufwand besitzen, müssen auch hier die verschlissenen Bremsbeläge gewechselt werden. Bei Windturbinen mit Getriebe zwischen Turbine und Generator wird die mechanische Rotorbremse üblicherweise aufgrund des geringeren Drehmomentes und dem damit einhergehenden reduzieren Bauvolumen auf der schneller laufenden Generatorseite installiert. Bei einer direkt angetriebenen Windturbine muss jedoch das demgegenüber hohe turbinenseitige Drehmoment von der Bremse aufgenommen werden. Die Bremseinrichtung weist deshalb ein großes Bauvolumen auf und führt dadurch zu einem erheblichen Mehraufwand in der Gondel.

Dennoch kann bei den bekannten Windturbinen trotz der zuvor genannten Nachteile auf die mechanischen Rotorbremsen nicht verzichtet werden kann, da andernfalls bei einem nicht betriebsbereiten Umrichter die Möglichkeit entfällt, den Rotor überhaupt abzubremsen und zu arretieren.

Demgemäß ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Arretieren des Rotors einer Windturbine sowie eine Windturbine zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen, bei denen der Einsatz einer zusätzlichen mechanischen Bremseinrichtung entfallen kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale von Anspruch 1 und 8 gelöst.

Weitere Merkmale der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Gemäß der Erfindung zeichnet sich das Verfahren zum Arretieren des Rotors einer Windturbine, der einen Generator antreibt und wenigstens ein Rotorblatt aufweist, das durch eine Versteileinrichtung aus einer Betriebsstellung in eine Fahnenstellung um seine Längsachse verstellbar ist, in der im Wesentlichen kein Drehmoment auf den Rotor ausgeübt wird, wobei der Rotor durch Einschieben eines Arretierbolzens in eine rotorseitige Aufnahmeöffnung in einer Arretierposition gegen eine Rotation sperrbar ist, dadurch aus, dass der Rotor durch Kurzschließen wenigstens einer Statorwicklung des Generators in eine Kriech-Rotationsbewegung mit einer solch niedrigen Rotationsgeschwindigkeit versetzt wird, dass der Arretierbolzen bei rotierendem Rotor in die rotorseitige Aufnahmeöffnung eingeschoben werden kann.

Das erfindungsgemäße Verfahren setzt hierbei einen Generator, insbesondere einen Synchrongenerator mit Permanentmagneterregung voraus, wobei sich die Erfindung den physikalischen Effekt zunutze macht, dass das unabhängig vom Versorgungsnetz permanent vorhandene Rotorfeld des Generators bei jeder Bewegung des Rotors in der zugehörigen Statorwicklung eine elektrische Spannung induziert. Ist der Generator ein elektrisch erregter Synchrongenerator, wird im Falle des fehlenden Versorgungsnetzes die Erregung mit Hilfe von Batterien vorgenommen. Durch eine geeignete Kurzschluss-Schaltung der Statorwicklung und Betätigen, bzw. Öffnen eines Kurzschlusschalters, mit dem bevorzugt alle drei Phasen des Generators gemäß dem Maschinen-Ersatzschaltbild in Fig. 2 gegeneinander kurzgeschlossen werden, wird dann die daraus resultierende elektromagnetisch bremsende Kraft des Generators ausgenutzt, um den vom Wind aufgrund der nahezu eingenommenen Fahnenstellung der Rotorblätter mit einem vergleichsweise geringen Drehmoment angetriebenen Rotor in die Arretierposition zu verfahren, in der der Arretierbolzen in die zugehörige Öffnung eingeführt werden kann.

Obgleich sich durch das elektromagnetisch erzeugte Gegenmoment die Rotordrehzahl nicht auf null reduzieren lässt, sondern der Rotor stets mit einer wenn auch sehr geringen Drehzahl rotieren muss, um die Bremswirkung zu erzeugen, wurde von der Anmelderin erkannt, dass die sich einstellenden Kriechbewegung hinreichend langsam ist, um den Rotor der Turbine beim Erreichen der Arretierposition durch Einschieben des Bolzens zuverlässig mechanisch mit dem Stator koppeln zu können und dadurch den Rotor der Windturbine bei Arbeiten am Rotor zuverlässig zu arretieren. Eine aufwändige und wartungsintensive mechanische Bremsvorrichtung wird daher in vorteilhafter Weise nicht mehr benötigt.

Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst das Verfahren hierzu die nachfolgend beschriebenen Verfahrensschritte.

Zuerst wird die Windturbine dadurch in den Trudelbetrieb versetzt, dass das wenigstens eine Rotorblatt, bevorzugt jedoch alle Rotorblätter, aus der Betriebsstellung in die Fahnenstellung verstellt werden. Wenn sich der Trudelbetrieb sicher eingestellt hat, werden die Windgeschwindigkeit und/oder die Windrichtung erfasst, bzw. überprüft und dann die Gondel der Windturbine derart nachgeführt, dass die Rotorachse im Wesentlichen in Windrichtung weist. Anschließend wird die Rotordrehzahl überprüft und der Trudelbetrieb dadurch verifiziert, dass die Rotordrehzahl im Wesentlichen null ist. Danach wird die wenigstens eine Statorwicklung des Generators, der insbesondere ein direkt angetriebener Permanentmagnet erregter Synchrongenerator ist, kurzgeschlossen, um die Kriech- Rotationsbewegung des Rotors einzuleiten. Anschließend wird das wenigstens eine Rotorblatt in Abhängigkeit von der Windstärke gegenüber der Fahnenstellung verstellt, um die gewünschte Arretierposition anzufahren. Sobald diese erreicht ist, wird der Arretierbolzen in die Aufnahmeöffnungn eingeschoben. Anschließend wird das wenigstens eine Rotorblatt bevorzugt wieder in die Fahnenstellung zurück verstellt.

Bei der bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das wenigstens eine Rotorblatt zum Anfahren der Arretierposition aus der Fahnenstellung (90°) in einem Winkelbereich zwischen etwa 95° und 85° Grad bezogen auf die Drehebene des Rotors verstellt. Hierbei wird der jeweilige Winkel in Abhängigkeit von der momentanen Windgeschwindigkeit und/oder Windrichtung insbesondere manuell eingestellt und verändert. Bei der bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird der Winkel während des Anfahrens der Arretierposition fortlaufend in dem genannten Bereich verstellt, um die gewünschte Rotationsgeschwindigkeit der Kriech- Rotationsbewegung vorzugsweise im Wesentlichen konstant und unterhalb einer maximalen Obergrenze zu halten. Die Rotationsgeschwindigkeit des Rotors während der Kriech-Rotationsbewegung wird dabei durch „Pitchen" des, bzw. der Rotorblätter so eingestellt, dass diese weniger als 1 Grad/s beträgt und insbesondere zwischen 0,00 und 0,15 Grad/s liegt.

Nach einem weiteren der Erfindung zugrundeliegenden Gedanken kann es zweckmäßig sein, die Rotationsgeschwindigkeit der Kriech-Rotationsbewegung kurz vor dem Erreichen der Arretierposition durch Verstellen des Rotorblattwinkels in Richtung Fahnenstellung nochmals weiter zu reduzieren, um die auf den Bolzen durch den rotierenden Rotor ausgeübten Kräfte nach dem Einschieben desselben in die rotorseitige Aufnahmeöffnung weiter zu verringern.

Obgleich die Windnachführung der Gondel in Abhängigkeit von der momentan herrschenden Windgeschwindigkeit und/oder Windrichtung bevorzugt manuell erfolgt, kann es insbesondere bei großen Windturbinen von Vorteil sein, das Überprüfen der Windgeschwindigkeit und/oder der Windrichtung und/oder das Nachführen der Gondel und/oder das Überprüfen der Rotordrehzahl und Verifizieren des Trudelbetriebs sowie bevorzugt auch das Kurzschließen der wenigstens einen Statorwicklung bzw. das Anfahren der gewünschten Arretierposition automatisiert durchzuführen. Ebenso kann das Einschieben des Arretierbolzens in die Aufnahmeöffnung beim Erreichen der Arretierposition nicht nur von Hand, sondern auch durch einen motorischen Antrieb, oder durch eine auf den Bolzen wirkende federelastische Kraft, z.B. eine vorgespannte Druckfeder erfolgen, die den Bolzen in Richtung der Aufnahmeöffnung drängt.

Nach einem weiteren der Erfindung zugrunde liegenden Gedanken umfasst eine Windturbine zur Durchführung des zuvor beschriebenen Verfahrens einen Rotor, der eine Generator antreibt und wenigstens ein Rotorblatt aufweist, das durch eine Versteileinrichtung aus einer Betriebsstellung in eine Fahnenstellung verstellbar ist, wobei der Rotor durch Einschieben eines Arretierbolzens in eine rotorseitige Aufnahmeöffnung in einer Arretierposition gegen eine Rotation sperrbar ist. Die Windturbine zeichnet sich dadurch aus, dass diese einen Kurzschlussschalter, insbesondere in Form eines manuell betätigbaren Schalters in der Gondel, aufweist, durch den die wenigstens eine Statorwicklung, vorzugsweise jedoch alle Statorwicklungen des Generators gegeneinander und untereinander kurzgeschlossen werden können, um den Rotor in eine Kriech-Rotationsbewegung mit einer solch niedrigen Rotationsgeschwindigkeit zu versetzen, dass der Arretierbolze bei rotierendem Rotor in die rotorseitige Aufnahmeöffnung einschiebbar ist.

Bei dem Generator handelt es sich vorzugsweise um einen direkt angetriebenen Permanentmagnet erregten Synchrongenerator. Obgleich die Permanentmagneten zur Erhöhung des Bremsmoments des kurzgeschlossenen Generators bei der Kriech- Rotationsbewegung vorzugsweise radial außerhalb der Statorspulen sitzen, ist es ebenfalls denkbar, diese gegenüber den Statorspulen radial innenliegend anzuordnen.

Der Generator besitzt in vorteilhafter Weise eine Vielzahl von Statorspulen, deren Wicklungen in diesem Falle bevorzugt allesamt gemeinsam über den Kurzschlussschalter elektrisch leitend miteinander verbunden werden, um die Kriech- Rotationsbewegung des Rotors zu ermöglichen. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung ist der Kurzschlusschalter beispielsweise als Stufenschalter ausgebildet und umfasst mehrere den Statorwicklungen zugeordnete Einzelschalter, die separat betätigbar sind. Über diese lassen sich die Statorwicklungen zur Erzeugung unterschiedlich starker Bremsmomente jeweils einzeln kurzschließen, wobei im Falle eines Mehrstufenschalters z.B. in der 1. Stufe eine Statorwicklung, in der zweiten Stufe zwei Statorwicklungen und in der dritten Stufe alle drei Statorwicklungen gemeinsam kurzgeschlossen werden.

Die Erfindung wird nachfolgend am Beispiel einer erfindungsgemäßen Windturbine zur Durchführung des zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens anhand von Zeichnungen beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Windturbine und Fig. 2 ein elektrisches Ersatzschaltbild, welches den kurzgeschlossenen Generator während der Kriech-Rotationsbewegung wiedergibt.

Wie in Fig. 1 gezeigt ist, umfasst eine erfindungsgemäße Windturbine 1 einen lediglich ausschnittsweise dargestellten Turm 2 mit einer um die Turmlängsachse verschwenkbaren Gondel 4, an der ein Rotor 6 über schematisch angedeutete Lager 8 drehbar aufgenommen ist. Der Rotor 6 umfasst zwei, drei oder mehr Rotorblätter 10, von denen zumindest ein Rotorblatt 10, vorzugsweise jedoch alle Rotorblätter über eine schematisch angedeutete VerStelleinrichtung 12 um ihre Rotorblattachse 14 verdrehbar sind, um diese aus der dargestellten Betriebsstellung in eine als Fahnenstellung bezeichnete Position zu verdrehen, in der der Winkel zwischen einer gedachten zentralen Mittelebene des Rotorblatts 10 und der Drehebene, die durch den rotierenden Rotor 6 aufgespannt wird, 90° beträgt. Wie der Darstellung der Figur 1 weiterhin entnommen werden kann, ist der Rotor 6 antriebsmäßig mit einem Generator 16 gekoppelt, der bei der dargestellten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Windturbine 1 als ein direkt angetriebener Außenläufer-Synchron-Generator ausgestaltet ist, dessen radial außen liegender Generator-Rotor 18 auf seiner Innenseite umlaufend mit Permanentmagneten 20 besetzt ist, welche sich mit ihrer Innenseite in dichtem Abstand um den gestellfest an der Gondel 4, bzw. am Turm 2 aufgenommenen Stator 22 herum erstrecken. Den Permanentmagneten gegenüberliegend sind am Stator 22 des Generators 16 eine Vielzahl von Statorwicklungen 24 angeordnet, die in der Weise miteinander verschaltet sind, dass in den Statorwicklungen 24 bei einer Rotation des Rotor 6 eine Wechselspannung induziert wird, die an den drei schematisch angedeuteten Phasen 26a, 26b und 26c der Statorwicklungen 24 abgenommen und in bekannter Weise über einen nicht gezeigten Wechselrichter oder dergleichen in ein Stromnetz eingespeist wird. Wie in der Darstellung der Fig. 1 weiterhin gezeigt ist, ist bevorzugt innerhalb der Gondel 4 ein Kurzschlussschalter 28 angeordnet, welcher von einer Bedienperson, die sich in der Gondel 4 befindet, vorzugsweise von Hand entsprechend dem Doppelpfeil 30 betätigt werden kann, um die drei Phasen 26a, 26b und 26c elektrisch gegeneinander kurz zu schließen oder die kurz geschlossene Leitungsverbindung zu trennen. Hierdurch ist es in Verbindung mit einem Verstellen der Rotorblätter 10 aus der Fahnenstellung in einem Bereich zwischen vorzugsweise etwa 95° und 85° Grad bezogen auf die Drehebene des Rotors 6 möglich, den Rotor 6 in eine Kriech- Rotationsbewegung mit einer solch niedrigen Rotationsgeschwindigkeit zu versetzen, dass ein lediglich schematisch angedeuteter Arretierbolzen 32, der in einer mit dem Stator 22 des Generators 16, bzw. der Gondel 4 verbundenen gestellfesten Führungsbohrung 34 verschiebbar aufgenommen ist, bei drehendem Rotor 6 zur Arretierung desselben in eine rotorseitige Aufnahmeöffnung 36 eingeschoben werden kann, die sich mit dem Rotor 6 mitbewegt. In Fig. 2 ist das elektrische Ersatzschaltbild des kurzgeschlossenen Generators 16 wiedergegeben, wobei U _p die Polradspannung (durch Bewegungsinduktion erzeugte Spannung in einer Phase), die Hauptinduktivität einer Phase, L _a die Streuinduktivität einer Phase und R _s den Phasenwiderstand der Statorwicklung 24 bedeuten.

Liste der Bezugszeichen

1 erfindungsgemäße Windturbine

2 Turm

4 Gondel

6 Rotor

8 Lager für Rotor

10 Rotorblatt

12 Versteileinrichtung

14 Rotorblattachse

16 Generator

18 Generator-Rotor

20 Permanentmagnete

22 Stator des Generators

24 Statorwicklungen

26a, b,c Phasen

28 Kurzschlussschalter

30 Doppelpfeil

32 Arretierbolzen

34 gestellsfeste Führungsbohrung

36 rotorseitige Aufnahmeöffnung

U _p Polradspannung

L _h Hauptinduktivität einer Phase,

Streuinduktivität einer Phase

Rs Phasenwiderstand der Statorwicklung