Windrad Die Erfindung betrifft ein Windrad gemäß dem Oberbegriff des Patent- anspruchs 1.

Bei derartigen Windrädern wird die Strömungsenergie des Windes in nutzbare Rotationsenergie umgewandelt. Eine der ersten in Deutschland realisierten Windkraftanlagen war die Versuchsanlage"GROWIAN", bei der an einem Turm ein drehbares Maschinenhaus abgestützt ist, an dem stirn- seitig ein Rotor gelagert ist. Der"GROWIAN"-Rotor (siehe www. dkrz. de) hat eine Rotorwelle, die in Wirkverbindung mit einem im Maschinenhaus ange- ordneten Generator steht. Der Anstellwinkel (Pitch-Winkel) der Rotorblätter zum Wind läßt sich über einen mechanischen Verstellmechanismus in Ab- hängigkeit von der Windstärke einstellen, wobei der Antrieb und die Steuer- elemente des Verstellmechanismus ebenfalls im Maschinenhaus aufge- nommen sind.

In der Homepage www. dkrz. de ist eine Nachfolgeanlage des "GROWIAN"erläutert, die in Helgoland betrieben wird. Diese Windkraftanla- ge (WKA60) hat drei Rotorblätter, wobei der Blattverstellmechanismus hy- draulisch betätigt ist. Das Hydraulikaggregat zur Verstellung der Rotorblätter ist ebenfalls im Maschinenhaus gelagert.

Entsprechende Lösungen sind auch in der US-PS-4,503,673 und der US-PS-4,781,533 beschrieben. Nachteilig bei allen vorgenannten Lösungen ist, das ein erheblicher vorrichtungstechnischer Aufwand erforderlich ist, um die mit dem Rotor umlaufenden Stellelemente zur Verstellung der Rotorblät- ter an die im Maschinenhaus oder im Kopf angeordneten Aggregate, wie beispielsweise eine Hydropumpe, Druckspeicher etc. mechanisch und hy- draulisch anzukoppeln.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Windrad zu schaffen, bei dem die Verstellung des Anstellwinkels eines Rotorblattes mit minimalem vorrichtungstechnischen Aufwand realisierbar ist.

Diese Aufgabe wird durch ein Windrad mit den Merkmalen des Patent- anspruchs 1 gelöst.

Das erfindungsgemäße Konzept sieht vor, daß die wesentlichen Bau- elemente der Hydraulik zur Verstellung des Anstellwinkels von Rotorblättern drehbar mit dem Rotor gelagert ist. D. h., Hydraulikelemente, wie beispiels- weise Druckspeicher, Hydropumpe incl. Antrieb oder Steuerventile etc. lau- fen mit dem Rotor um, so daß die mechanischen und hydraulischen Verbin- dungselemente zwischen den Stellgliedern der Rotorblätter und dem hydrau- lischen Antrieb äußerst einfach ausgestaltet werden können. Es bedarf kei- ner vergleichsweise komplexer Verbindungen im Übergangsbereich zwi- schen dem drehenden Rotor und dem still stehenden Maschinengehäuse bzw. der Gondel des Windrades.

Bei einer Variante des erfindungsgemäßen Windrades wird die Dreh- bewegung des Rotors bzw. der Pumpenwelle ausgenutzt, um die Hydro- pumpe anzutreiben.

Die Kopplung zwischen Rotor und Hydropumpe erfolgt vorzugsweise über ein Getriebe, das ein in der Gondel des Windrades drehfest gelagertes Zahnrad hat, welches mit einem Antriebsritzel einer Pumpenwelle kämmt.

Dabei wird es bevorzugt, das Zahnrad als Hohl-oder Stirnrad auszuführen.

Die Relativanordnung der relativ schweren Bauteile, d. h. der Hydro- pumpe, deren Antrieb, des Hochdruckspeichers und des den Hochdruck- speicher speisenden Niederdruckspeichers wird so gewählt, daß keine Un- wucht auftritt. Dabei erfolgt die Befestigung der Bauelemente vorzugsweise über eine an der Rotorwelle oder dem Rotor befestigte Drehkonsole.

Bei einer alternativen Variante der Erfindung ist zumindest das Hydrau- likaggregat mit der Hydropumpe und dem dazugehörigen Antrieb in der Na-

be des Windrades gelagert. Dabei wird es besonders bevorzugt, wenn jedem der Rotorblätter ein eigenes Hydraulikaggregat zugeordnet ist.

Die Nabe läßt sich besonders kompakt ausgestalten, wenn diese Hy- draulikaggregate jeweils in einer Rotorblattwurzel des zugehörigen Rotors gelagert sind. Dieses Ausführungsbeispiel hat den Vorteil, daß das Hydrau- likaggregat relativ einfach durch ein geeignetes integriertes oder nachträglich ansetzbares Hebezeug in die Rotorblattwurzel abgesenkt werden kann.

Ein weiterer Vorteil derjenigen Lösung, bei der jedem Rotorblatt ein ei- genes Hydraulikaggregat zugeordnet ist, liegt darin, daß aufgrund der rotati- onssymmetrischen Anordnung die Unwuchten im Bereich der Nabe minimal sind, so daß die Wellenlagerung in der Gondel nicht wesentlich mehr als bei herkömmlichen Lösungen beansprucht ist.

Der Rotor läßt sich praktisch mit dem gesamten Hydrauliksystem zur Pitch-Verstellung vormontieren, wobei das Hydrauliksystem jeweils aus der Hydropumpe, dem Antrieb, den Ventilen, einem Druckmittelspeicher, einem Steuerblock und einem Zylinder zur Verschwenkung der Rotorflügel beste- hen kann. Die komplete Einheit kann im Reparaturfall oder bei Wartung aus- getauscht werden.

Die Energieversorgung der Hydraulikaggregate erfolgt bei der bevor- zugten Variante über elektrische Schleifringe, die sehr kostengünstig und ohne technische Probleme montierbar sind.

Die Pitch-Verstellung erfolgt vorzugsweise über in der Nabe abgestütz- te Hydraulikzylinder.

Da zur Druckmittelversorgung der Stellelemente des Rotors erhebliche Drücke erforderlich sind und die Stellbewegung bei Windböen in kurzer Zeit erfolgen soll, ist das Windrad mit einem Hochdruckspeicher versehen, der über die Hydropumpe aufgeladen wird, so daß stets ein hinreichendes kon- stantes Druckniveau zur Verfügung steht.

Das hydraulische System des Windrads hat vorzugsweise einen Hoch- druckspeicher, über den bei Ausfall des Hydraulikaggregats eine Notschal- tung der Windkraftanlage gewährleistet ist.

Die Rotation der Hydraulikaggregate kann zur Kühlung des Druckmit- tels ausgenutzt werden, in dem beispielsweise in der Rücklaufleitung von den Stellelementen zum Niederdruckspeicher ein Konvektionskühler-bei- spielsweise gebildet durch ein Rohrwendel angeordnet ist.

Sonstige vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der weiteren Unteransprüche.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen : Figur 1 eine schematische Ansicht eines Windrades ; Figur 2 ein Blockschaubild eines ersten Ausführungsbeispiels eines hy- draulischen Stellmechanismus zur Verstellung des Einstellwinkels von Ro- torblättern des Windrades aus Figur 1 ; Figur 3 ein Blockschema des hydraulischen Stellmechanismus aus Fi- gur 2 ; Figur 4 einen Längsschnitt durch ein Windrad gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung ; Figur 5 eine geschnittene Seitenansicht des Windrades aus Figur 4 und Figur 6 eine Prinzipdarstellung der Rotorvorstellung der vorbeschriebe- nen Windräder.

Figur 1 zeigt eine dreidimensionale Prinzipdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines Windrades 1, das als Lee-oder Luvläufer ausge- führt sein kann. Das Windrad 1 hat einen Turm 2, auf dem eine drehbar ge- lagerte Gondel 4, bei größeren Windrädern auch Maschinenhaus genannt- gelagert ist.

An einer Stirnseite der Gondel 4 ist ein Rotor 6 gelagert, an dessen Nabe 8 beispielsweise drei Rotorblätter 10 befestigt sind. Der Anstellwinkel

der Rotorblätter 10 kann über einen hydraulisch betätigten Stellmechanis- mus (in Figur 1 nicht dargestellt) verändert werden, so daß das Windrad 1 auch bei hohen Windstärken betrieben werden kann.

Figur 2 zeigt einen stark vereinfachten Schnitt durch denjenigen Be- reich des Windrades 1, in dem die Nabe 8 mit einer Rotorwelle 12 in der Gondel 4 gelagert ist.

In Figur 2 ist die Bewegungsebene 14 der Rotorblätter 10 strichpunk- tiert angedeutet.

Die Rotorwelle 12 ist über eine Wellenlagerung 16 in der Gondel 4 ge- lagert, die Lagerelemente zur Abstützung der Rotorwelle in Radial-und Axialrichtung aufweist.

An dem in Figur 2 nicht dargestellten, rechten Endabschnitt der Rotor- welle 12 ist ein Getriebe angeordnet, über das die Rotorwellendrehzahl auf eine Generatordrehzahl übersetzt wird. Das Übersetzungsgetriebe ist derart gewählt, daß beispielsweise eine Rotordrehzahl von 20 Umdrehungen pro Minute in eine Generatordrehzahl von etwa 1500 Umdrehungen in der Minu- te übersetzbar ist.

An dem Kopf 4 ist bei dem in Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ein Hohlrad 18 mit Bezug zur Rotorwelle 12 drehfest befestigt. Das mit einer Innenverzahnung versehene Hohlrad 18 kämmt mit einem Antriebsritzel 20 einer Hydropumpe 22.

Diese Hydropumpe 22 ist an einer Drehkonsole 24 befestigt, die über einen nabenförmigen Abschnitt drehfest mit der Rotorwelle 12 verbunden ist.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Hydropumpe 22 und der zugehörige Steuerblock zu einer Einheit zusammengefaßt und an einem ra- dial vorspringenden flanschartigen Teil der Drehkonsole 24 befestigt. Die Hydropumpe 22 kann beispielsweise mit einer hydraulischen p-Regelung ausgeführt sein. Das Antriebsritzel 20 ist an einer Pumpenwelle 26 der Hy- dropumpe 22 befestigt. Bei einer durch die kinematische Energie des Win- des verursachten Rotation der Rotorwelle wird die Pumpenwelle 26 aufgrund

des Eingriffs des Antriebsritzels 20 mit dem Hohlrad 18 gedreht und somit die Hydropumpe 22 angetrieben.

Wie insbesondere aus Figur 3 hervorgeht, ist ein Niederdruckanschluß T der Hydropumpe 22 mit einem ebenfalls an der Drehkonsole 24 befestig- ten Niederdruckspeicher 28 verbunden, so daß über die Hydropumpe 22 Druckmittel aus dem Niederdruckspeicher 28 angesaugt und über einen Druckanschluß P an einem an der Drehkonsole 24 befestigten Hochdruck- speicher 30 abgegeben wird. Die Druckregelung der Hydropumpe 22 ist so eingestellt, daß der Hochdruckspeicher auf einen Druck von beispielsweise 200 bar aufgeladen wird.

Die Druckbehälter des Hochdruck-und des Niederdruckspeichers 28, 30 können jeweils mit Kühlrippen versehen sein, so daß das Druckmittel auf einem niedrigen Temperaturniveau gehalten werden kann.

Über eine nicht näher beschriebene hydraulische Steueranordnung 32, mit Druckbegrenzungs-, Schaltventilen etc. wird ein Stellglied, beispielsweise ein Hydrozylinder 34 mit Druckmittel versorgt, über den der Anstellwinkel der Rotorblätter 10 veränderbar ist. Auch die Bauelemente der hydraulischen Steuerung 32 und der Hydrozylinder 34 sind im Rotor gelagert.

In einer Rücklaufleitung 36 von der hydraulischen Steueranordnung 32 zum Niederdruckspeicher 28 kann ein Konvektionskühler 38 angeordnet werden. Dieser Konvektionskühler 38 kann beispielsweise durch einen Rohr- wendelbereich der Rücklaufleitung 36 ausgebildet sein.

Aufgrund der Rotation der vom Druckmittel durchströmten Bauelemen- te kann durch Konvektion eine sehr effektive Kühlung des Druckmittels erfol- gen, so daß der Wirkungsgrad der Anlage erhöht ist.

Selbstverständlich kann anstelle des in Figur 2 dargestellten Getriebes zum Antrieb der Hydropumpe 22 auch ein anderer Getriebemechanismus beispielsweise ein Stirnrad, Schrägverzahnungen, ein Riementrieb etc. ver- wendet werden. Anstelle der Drehkonsole 24 können auch andere geeignete Befestigungsmittel der Steueranordnung im Rotor 6 vorgesehen sein.

Ein wesentliches Merkmal des vorbeschriebenen Ausführungsbeispiels besteht darin, daß die Rotationsenergie der Rotorwelle durch Zwischen- schaltung eines Getriebes direkt ausgenützt wird, um die Hydropumpe 22 anzutreiben.

Figur 4 zeigt einen stark vereinfachten Längsschnitt durch ein Windrad 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. Ähnlich wie beim vorbeschrie- benen Ausführungsbeispiel ist in der Gondel 4 ein Rotor 6 mit der Rotorwelle 12, der Nabe 8 und den Rotorblättern 10 gelagert. Während beim vorbe- schriebenen Ausführungsbeispiel die Hydropumpe mit dem dazugehörigen Aggregaten auf der Rotorwelle 12 gelagert und durch deren Drehbewegung angetrieben wurde, ist bei dem in Figur 4 dargestellen Ausführungsbeispiel jedem der Rotorblätter 10 ein eigenes Hydraulikaggregat 40 zugeordnet.

Dieses enthält zumindest eine Hydropumpe 22 und den dazugehörigen Pumpenantrieb 42, wobei die Stromversorgung des Antriebs 42 über Schleifringe 44 erfolgt, die im Bereich zwischen der Gondel 4 und der Rotor- welle 12 angeordnet sind.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel enthält das Hydraulikaggre- gat 40 neben der Hydropumpe 22 und dem Antrieb 42 noch einen nicht dar- gestellen Druckspeicher sowie Steuerelemente, wie beispielsweise einen Steuerblock, über den der Hydrozylinder 34 zur Einstellung des Pitch-Win- kels ansteuerbar ist. Dieser Hydrozylinder 34 ist in der Nabe 8 gelagert.

Der Vorteil der in Figur 4 dargestellten Variante liegt darin, daß die Hy- draulikleitungen zwischen dem Hydrozylinder 34 und dem Hydraulikaggregat 40 äußerst kurz ausgeführt sind, so daß eine sehr kompakte Ausführungs- form mit geringem Totvolumen etc. zur Verfügung gestellt wird. Die Hydrau- likaggregate 40 sind vergleichsweise klein mit geringer Masse ausgeführt und nahe der Drehachse gelagert, so daß das Massenträgheitsmoment des Rotors nur unwesentlich beeinflußt wird. Da jedem Rotor ein eigenes Hy- draulikaggregat 40 zugeordnet ist, sind die Unwuchten im Bereich der Rotors 8 minimal.

Wie sich insbesondere aus der Darstellung gemäß Figur 5 ergibt, sind die jedem Rotorblatt 10a, 10b, 10c zugeordneten Hydraulikaggregate 40a, 40b bzw. 40c jeweils in einer Rotorblattwurzel 46 des zugehörigen Rotor- blatts 40 angeordnet. Dies ermöglicht es, die Nabe 8 äußerst kompakt aus- zubilden, da in ihrem Inneren praktisch keinerlei Hydraulikaggregate aufge- nommen werden müssen. In der Nabe 8 selbst sind dann im wesentlichen nur noch die vorbeschriebenen Hydrozylinder 34 zur Verstellung des Pitch- Winkels der Rotorblätter 40 und deren Lagerung aufgenommen. Figur 6 zeigt eine Draufsicht von der Nabe 8 her auf die Rotorblattwurzel 46, wobei die Schwenkachse des Rotorflügels 10 mit dem Bezugszeichen 48 bezeich- net ist. Der Hydrozylinder 34 ist über einen Schwenkzapfen 50 schwenkbar an einem Gehäuse der Nabe 8 gelagert. Eine Kolbenstange 52 des Hydro- zylinders 34 greift an der Rotorblattwurzel 46 an, so daß durch Ein-bzw.

Ausfahren der Kolbenstange 52 die Rotorblattwurzel 46 und damit das ge- samte Rotorblatt 10 um die Schwenkachse 48 verschwenkbar ist. Die An- steuerung des Hydrozylinders 34 erfolgt über das-vorzugsweise-zentrisch in der Rotorblattwurzel 46 gelagerte Hydraulikaggregat 40, das über die vor- beschriebenen Druckleitungen 52,54 mit dem Hydrozylinder 34 verbunden ist. Der Hydrospeicher und der Steuerblock zur Ansteuerung des Hydrozylin- ders 34 sind dabei in das Hydraulikaggregat 40 integriert.

Die Lagerung des Hydrozylinders 34 und dessen Anbindung an das Hydraulikaggregat 40 muß selbstverständlich so gewählt sein, dass der er- forderliche Pitch-Winkel-bereich des Rotorblattes einstellbar sind.

Wie in Figur 4 strichpunktiert angedeutet ist, kann zur Wartung oder Demontage bzw. Montage des Hydraulikaggregats 40 in der Nabe 8 ein He- bezeug 56 eingesetzt werden, über das das Hydraulikaggregat 40 aus der Rotorblattwurzel 46 herausgehoben werden kann. Dieses Hebezeug 56 kann in die Nabe 8 zentral integriert oder nachträglich eingesetzt werden.

Die Montage des in Figur 4 dargestellten Ausführungsbeispiel ist be- sonders einfach, da praktisch das gesamte Hydrauliksystem zur Verstellung des Pitch-Winkels als vormontierte Einheit mit dem Rotorblatt 10 oder dem kompleten Rotor angeliefert werden kann. Die komplete Einheit kann dann im Reparaturfall ausgetauscht werden.

Offenbart ist ein Windrad mit einer Gondel, in der ein Rotor gelagert ist.

Der Anstellwinkel der von der Rotornabe gelagerten Rotorblätter kann mittels eines hydraulischen Stellmechanismus in Abhängigkeit von der Windstärke eingestellt werden. Erfindungsgemäß sind wesentliche Bauelemente des Stellmechanismus, wie Hydropumpe und deren Antrieb sowie ggfs. Druck- mittelspeicher etc. am Rotor bzw. der Rotorwelle gelagert.

Bezuqszeichenliste Windrad 2 Turm 4 Gondel 6 Rotor 8 Nabe 10 Rotorblatt 12 Rotorwelle 14 Bewegungsebene 16 Wellenlagereinrichtung 18 Hohlrad 20 Antriebsritzel 22 Hydropumpe 24 Drehkonsole 26 Pumpenwelle 28 Niederdruckspeicher 30 Hochdruckspeicher 32 hydraulische Steueranordnung 34 Hydrozylinder 36 Rücklaufleitung 38 Konvektionskühler 40 Hydraulikaggregat 42 Antrieb 44 Schleifring 46 Drehachse 48 Schwenkachse 50 Schwenkzapfen 52 Druckleitung 54 Druckleitung 56 Hebezeug