DE102014115927A1

DE102014115927A1 - Vertical wind turbine with stator framework in robust lightweight construction

Info

Publication number: DE102014115927A1
Application number: DE102014115927.6A
Authority: DE
Inventors: Victor Gómez Hernández; Martin Meingassner; Andreas Schiegl; Marcus Kuchler
Original assignee: TURBINA ENERGY AG
Current assignee: TURBINA ENERGY AG
Priority date: 2014-10-31
Filing date: 2014-10-31
Publication date: 2016-05-04
Also published as: DE112015004931A5; WO2016066164A1

Abstract

Bei einer Windkraftanlage mit vertikaler Drehachse wird die aus Stator und Rotor zusammengesetzte Turbine direkt am Generatorgehäuse befestigt. Dies gelingt vorzugsweise dadurch, dass die Statorblätter 4 tragende Statorblatthalter 2 direkt am Gehäuse des Generators 1 befestigt werden. So lässt sich die Masse des relativ schweren Generatoraufbaus nutzbringend zur Stabilisierung des Stators einsetzen.In a wind turbine with a vertical axis of rotation, the turbine composed of stator and rotor is fastened directly to the generator housing. This is preferably achieved by the fact that the stator blades 4 carrying stator blade holder 2 are attached directly to the housing of the generator 1. Thus, the mass of the relatively heavy generator construction can usefully be used to stabilize the stator.

Description

Windkraftanlagen mit vertikaler, das heißt im Wesentlichen quer zu einer horizontalen Windrichtung verlaufender Drehachse werden bevorzugt als einzelne Kleinanlagen im Bereich von 0,5 bis 5 kW und darüber betrieben. Sie enthalten einen Stator mit Statorblättern und einen Rotor mit Rotorschaufeln, wobei Rotor und Stator zusammen auch als Turbine bezeichnet werden. Der Rotor treibt einen Generator zur Gewinnung elektrischer Energie an. Gesucht wird allgemein nach Lösungen, die eine kostensparende, leichtgewichtige und trotzdem robuste Bauart der Windkraftanlage ermöglichen.Wind turbines with vertical, that is substantially transverse to a horizontal wind direction axis of rotation are preferably operated as a single small systems in the range of 0.5 to 5 kW and above. They include a stator with stator blades and a rotor with rotor blades, rotor and stator together also referred to as a turbine. The rotor drives a generator to generate electrical energy. The search is generally for solutions that enable a cost-effective, lightweight yet robust design of the wind turbine.

Die noch unveröffentlichte Gebrauchsmusteranmeldung DE 20 2013 105 475.5 zeigt bereits eine vergleichsweise leichte und kostengünstig herstellbare Konstruktion des Stators durch speziell geformte Statorblatthalter. Diese sind im Wesentlichen aus einem Stück Blech herstellbar und haben eine in der Seitenansicht trapezförmige Grundform. Allerdings wird bei dieser herkömmlichen Lösung immer noch davon ausgegangen, dass Stator und Rotor zusammen eine sich selbst tragende und stabile Turbinenkonstruktion bilden, um dann einen separat davon angeordneten Generator anzutreiben. Wie im Folgenden zu sehen sein wird, besteht in diesem Punkt eine Verbesserungsmöglichkeit.The still unpublished utility model application DE 20 2013 105 475.5 already shows a comparatively lightweight and inexpensive to produce construction of the stator by specially shaped stator blade holder. These are essentially produced from a piece of sheet metal and have a trapezoidal in the side view basic shape. However, in this conventional approach, it is still believed that the stator and rotor together form a self-supporting and stable turbine design to then drive a generator disposed separately therefrom. As will be seen below, there is room for improvement in this point.

In der Druckschrift GB 2 116 640 A wird eine vertikale Windturbine offenbart, bei der die Rotorblätter oder -schaufeln schwenkbar bzw. gefedert gelagert sind, um seitlich auf die Windkraftanlage einwirkenden Kräften bei Starkwinden standhalten zu können. Außerdem ist es generell bekannt, die Rotorlager mit Gummipuffern auszurüsten, um quer zur Drehachse wirkende Windkräfte bis zu einem gewissen Grad zu dämpfen. Ebenfalls bekannt ist es, die Aufhängung eines Generators an einem Stützmast durch geeignete Puffer zu dämpfen, um eine Übertragung von Vibrationen des Generators auf den Mast und das den Mast tragende Gebäudeteil (zum Beispiel ein Hausdach) zu reduzieren. Im Stand der Technik werden die Rotorwelle und die daran befestigten Rotorteile bzw. die drehbar dazu gelagerten Statorelemente aber generell als durchgängig starre Konstruktion begriffen. Wie im Folgenden zu sehen sein wird, besteht in diesem Bereich ebenfalls eine Verbesserungsmöglichkeit.In the publication GB 2 116 640 A discloses a vertical wind turbine in which the rotor blades or vanes are pivotally mounted to withstand laterally acting on the wind turbine forces in strong winds. In addition, it is generally known to equip the rotor bearings with rubber buffers to dampen transverse to the axis of rotation wind forces to some extent. It is also known to dampen the suspension of a generator on a support mast by suitable buffers to reduce transmission of vibrations of the generator to the mast and the mast-carrying building part (for example, a house roof). In the prior art, however, the rotor shaft and the rotor parts attached thereto or the stator elements rotatably mounted therefor are generally understood to be of a consistently rigid construction. As will be seen below, there is also room for improvement in this area.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Windkraftanlage zu schaffen, die leichtgewichtig und kostengünstig herstellbar ist und deren Konstruktion trotzdem robust genug ist, um auch starken Winden standzuhalten. Die Aufgabe wird durch die im beigefügten Anspruch 1 angegebene Windkraftanlage gelöst. Die Unteransprüche betreffen bevorzugte Ausführungsbeispiele.The object of the present invention is to provide a wind turbine, which is lightweight and inexpensive to produce and their construction is still robust enough to withstand strong winds. The object is achieved by the wind power plant specified in the appended claim 1. The subclaims relate to preferred embodiments.

Gemäß einem ersten Grundgedanken der vorliegenden Erfindung wird der Generator nicht mehr als von dem Aufbau der übrigen Windkraftanlage unabhängig betrachtet, sondern als tragendes Konstruktionselement der Turbine eingesetzt. Genauer gesagt wird mindestens ein Statorblatthalter direkt am Gehäuse des Generators befestigt. Weil der Generator aufgrund der darin befindlichen Kupferspulen und Permanentmagnete ein relativ schweres und damit tragfähiges Bauteil ist, lässt sich auf diese Weise die Masse des Generators nutzbringend zur Stabilisierung des Statorgrundgerüsts einsetzen. Der Stator kann damit insgesamt schlanker konzipiert werden, ohne an Stabilität zu verlieren.According to a first aspect of the present invention, the generator is no longer considered independent of the structure of the rest of the wind turbine, but used as a supporting structural element of the turbine. More specifically, at least one stator blade holder is attached directly to the housing of the generator. Because the generator is a relatively heavy and therefore sustainable component due to the copper coils and permanent magnets therein, the mass of the generator can be usefully used to stabilize the Statorgrundgerüsts in this way. The stator can thus be made slimmer overall, without losing stability.

Gemäß einem zweiten Grundgedanken der vorliegenden Erfindung, der sich in Kombination mit dem ersten Grundgedanken, aber auch völlig unabhängig davon verwirklichen lässt, wird die Rotorwelle nicht mehr als ein durchgängig starres Gebilde ausgeführt, sondern oberhalb des Generators ein flexibles Gelenk darin eingebracht, das eine gelenkige Verbindung zwischen einem oberen Rotorabschnitt und einem den Generator antreibenden unteren Rotorabschnitt herstellt. Das Gelenk erlaubt ein Kippen der Rotorachse über einen vorbestimmten Winkelbereich bei gleichzeitig voller Drehmomentübertragung zum unteren Rotorabschnitt und damit zum Generator. Durch das Verkippen der Rotorwelle wird ein Teil der seitlich auf die Windkraftanlage einwirkenden überschüssigen Kraft bei Starkwind absorbiert, so dass die Stützkonstruktion für die Turbine insgesamt nicht so stark dimensioniert werden muss.According to a second basic idea of the present invention, which can be realized in combination with the first basic idea, but also completely independent thereof, the rotor shaft is no longer designed as a consistently rigid structure, but above the generator, a flexible joint introduced therein, which is an articulated Connects between an upper rotor portion and a generator driving the lower rotor section manufactures. The joint allows tilting of the rotor axis over a predetermined angular range while full torque transmission to the lower rotor section and thus to the generator. Due to the tilting of the rotor shaft, a part of the excess force acting on the side of the wind turbine is absorbed in strong winds, so that the support structure for the turbine as a whole does not have to be so strongly dimensioned.

Die Erfindung wird im Folgenden genauer anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigt:The invention will be explained in more detail below with reference to an embodiment with reference to the accompanying drawings. It shows:

1 eine schematische Querschnittsansicht eines Bodenbereichs der erfindungsgemäßen Windkraftanlage von der Seite; 1 a schematic cross-sectional view of a bottom portion of the wind turbine according to the invention from the side;

2a eine perspektivische Ansicht eines ersten erfindungsgemäßen Statorblatthalters von schräg oben; 2a a perspective view of a first stator blade according to the invention obliquely from above;

2b eine perspektivische Ansicht des ersten Statorblatthalters von schräg unten; 2 B a perspective view of the first stator blade holder obliquely from below;

2c eine perspektivische Ansicht eines zweiten erfindungsgemäßen Statorblatthalters von schräg oben; 2c a perspective view of a second stator blade according to the invention obliquely from above;

2d eine perspektivische Ansicht des zweiten Statorblatthalters von schräg unten; 2d a perspective view of the second stator blade holder obliquely from below;

3 eine perspektivische Seitenansicht des Bodenbereichs der erfindungsgemäßen Windkraftanlage; 3 a perspective side view of the bottom portion of the wind turbine according to the invention;

4a eine schematische Querschnittsansicht der erfindungsgemäßen Windkraftanlage von der Seite; und 4a a schematic cross-sectional view of the wind turbine according to the invention from the side; and

4b eine schematische Darstellung der Bewegbarkeit der Windkraftanlage in einer Seitenansicht. 4b a schematic representation of the mobility of the wind turbine in a side view.

1 zeigt einen im Erdboden oder an einem Gebäude oder dergleichen befestigbaren Mast 6, dessen vertikaler Endabschnitt 3 die Form eines Flansches hat. Auf diesem Flansch 3 liegt die Bodenplatte 12 des Generatorgehäuses auf, die mittels Schrauben 9 oder anderen geeigneten Befestigungsmitteln daran angeflanscht ist. Der Generator 1 wird mittig von der Drehachse 7 durchdrungen, um die sich die Rotorwelle 17 dreht bzw. drehbar gelagert ist. An der Rotorwelle 17 sind Rotorarme 18 befestigt, die die Rotorschaufeln 5 tragen. Seitlich auf die Windkraftanlage einströmende Luft wird von den Statorblättern 4, die oft auch als Leitbleche bezeichnet werden, so abgelenkt, dass die Rotorflügel 5 unabhängig von der Windrichtung ein Drehmoment in einer Richtung (hier in der Draufsicht im Uhrzeigersinn) erfahren. 1 shows a fixable in the ground or on a building or the like mast 6 whose vertical end portion 3 has the shape of a flange. On this flange 3 lies the bottom plate 12 of the generator housing, which by means of screws 9 or other suitable fasteners flanged thereto. The generator 1 becomes centered on the axis of rotation 7 penetrated by the rotor shaft 17 rotates or is rotatably mounted. At the rotor shaft 17 are rotor arms 18 attached to the rotor blades 5 wear. Air flowing sideways onto the wind turbine is taken from the stator blades 4 , often referred to as baffles, so deflected that the rotor blades 5 regardless of the wind direction, a torque in one direction (here in the plan view clockwise) experience.

Die Statorblätter 4, die (wie gezeigt) gerade oder auch gebogen ausgeführt sein können, ruhen jeweils auf einem Statorblatthalter 2, genauer gesagt auf dessen im Wesentlichen horizontal verlaufender Grundplatte 21. Außerdem weist jeder Statorblatthalter 2 mindestens eine Seitenwand 23 auf, die sich zur Drehachse 7 hin verbreitert und dadurch eine gute Übertragung der Kraftvektoren vom Außenumfang des Stators zu dem in der Mitte angeordneten Generatorgehäuse gewährleistet. Zur Mitte hin endet die Seitenwand 23 in der Endkante 26, die an der Seitenwand des Generatorgehäuses anliegt, sowie in einem die Deckenplatte 11 des Generatorgehäuses überlappenden Vorsprung 25.The stator blades 4 , which may be straight or curved (as shown), each resting on a stator blade holder 2 more precisely on its essentially horizontal base plate 21 , In addition, each stator blade holder has 2 at least one side wall 23 up, pointing to the axis of rotation 7 widens and thereby ensures a good transfer of the force vectors from the outer circumference of the stator to the arranged in the middle of the generator housing. Towards the middle, the side wall ends 23 in the end edge 26 , which rests against the side wall of the generator housing, and in a the ceiling plate 11 the generator housing overlapping projection 25 ,

Durch Bohrlöcher 32a, 32b (siehe 2a–d) in dem Vorsprung 25 und der Deckenplatte 11 lassen sich geeignete Befestigungsmittel, beispielsweise Schrauben 8, einbringen. Ein entsprechendes Bohrloch 34a (siehe 2a–d) befindet sich in einer Abkantung 24 der Seitenwand 23 und dient zur Befestigung an der Bodenplatte 12 mittels geeigneter Befestigungsmittel, beispielsweise Schrauben 9. Die Befestigung des Statorblatthalters 2 an dem Generatorgehäuse erfolgt also im Wesentlichen durch das Anschrauben des Vorsprungs 25 an der Deckenplatte 11, das Abstützen der Endkante 26 gegen die Generatorseitenwand und das Anschrauben der Abkantung 24 an der Bodenplatte 12. Dies ermöglicht nicht nur eine besonders feste und tragfähige Verbindung zwischen Statorblatthalter 2 und Generator 1, sondern erlaubt auch das Ableiten der auf die Statorblatthalter 2 einwirkenden Tragekräfte auf das wesentlich massivere Generatorgehäuse.Through boreholes 32a . 32b (please refer 2a -D) in the projection 25 and the ceiling tile 11 can be appropriate fasteners, such as screws 8th , bring in. A corresponding hole 34a (please refer 2a -D) is in a fold 24 the side wall 23 and serves for attachment to the bottom plate 12 by means of suitable fastening means, for example screws 9 , The attachment of the stator blade holder 2 on the generator housing is thus carried out essentially by screwing the projection 25 on the ceiling plate 11 , supporting the end edge 26 against the generator side wall and screwing on the fold 24 at the bottom plate 12 , This not only allows a particularly strong and sustainable connection between stator blade holder 2 and generator 1 , but also allows the derivation of the on the stator blade holder 2 acting forces on the much massive generator housing.

Oberhalb des Generators 1, aber unterhalb der Rotorarme 18 weist die Rotorwelle 17 des gezeigten Ausführungsbeispiels das flexible Gelenk 10 auf. Dieses vorzugsweise als Klauenkupplung mit Gummipuffer oder Elastomerkupplung ausgebildete Gelenk erlaubt ein flexibles Verkippen der Rotorwelle 17 bezüglich der vertikal orientierten Drehachse 7. Einzelheiten dazu werden später anhand der 4a und 4b erläutert.Above the generator 1 but below the rotor arms 18 has the rotor shaft 17 of the embodiment shown, the flexible joint 10 on. This preferably designed as a claw coupling with rubber buffer or elastomer coupling joint allows flexible tilting of the rotor shaft 17 with respect to the vertically oriented axis of rotation 7 , Details will be given later on the basis of 4a and 4b explained.

Die 2a bis 2d zeigen Details zu den vorzugsweise verwendeten zwei Arten von Statorblatthaltern 2 der vorliegenden Erfindung. Die 2a und 2b zeigen eine erste Bauart der Statorblatthalter 2 und die 2c und 2d deren zweite Bauart. Vorzugsweise können die zwei Bauarten abwechselnd in Umfangsrichtung angeordnet werden. Die Grundidee der vorliegenden Erfindung lässt sich aber auch mit Statorblatthaltern 2 verwirklichen, die alle von der gleichen Bauart sind. Dies kann eine der zwei Bauarten sein, die in den 2a bis 2d zu sehen sind, oder eine davon abweichende Bauart, solange diese eine zuverlässige Verbindung mit dem Gehäuse des Generators 1 oder direkt in Verbindung mit diesem Gehäuse stehenden Bauteilen ermöglicht. In dem Ausführungsbeispiel, das in der 3 zu sehen ist, werden nur Statorblatthalter 2 der ersten Bauart verwendet. Genauso gut könnte man aber auch solche der zweiten Bauart verwenden.The 2a to 2d show details of the preferably used two kinds of stator blade holders 2 of the present invention. The 2a and 2 B show a first type of stator blade holder 2 and the 2c and 2d their second type. Preferably, the two types can be arranged alternately in the circumferential direction. The basic idea of the present invention can also be achieved with stator blade holders 2 which are all of the same type. This can be one of the two types used in the 2a to 2d can be seen, or a different design, as long as they have a reliable connection to the generator housing 1 or directly in connection with this housing stationary components. In the embodiment shown in the 3 You can see only stator blade holders 2 the first type used. But you could just as well use those of the second type.

Der Statorblatthalter 2 ist insgesamt einstückig durch mehrfaches Abkanten und Zuschneiden bzw. Bohren und Stanzen aus einem Stück Blech hergestellt. Das Blech wird so abgekantet, dass es eine im Wesentlichen rechteckige Grundplatte 21a aufweist, von deren Seitenkanten sich U-förmig eine kurze Seitenwand 22a und eine lange Seitenwand 23a erstrecken. Auf der Grundplatte 21a sind mehrere Befestigungslöcher 31a zum Befestigen der senkrecht zur Grundplatte 21a orientierten Statorblätter 4 vorhanden. Außerdem befinden sich – wie weiter oben bereits erwähnt – am radial innen liegenden Ende der Grundplatte 21a Befestigungslöcher 32a zur Befestigung des Vorsprungs 25a an der Deckenplatte 11 mittels der Befestigungsmittel 8. Am radial außen liegenden Ende der Grundplatte 21a ist ferner ein Befestigungsloch 33a vorhanden, das zum Befestigen eines Umfangsrings 19 dient, der später anhand der 3 näher erläutert wird.The stator blade holder 2 is a total of one piece by multiple folding and cutting or drilling and punching made of a piece of sheet metal. The sheet is folded so that it is a substantially rectangular base plate 21a has, from the side edges U-shaped a short side wall 22a and a long sidewall 23a extend. On the base plate 21a are several mounting holes 31a for fixing the perpendicular to the base plate 21a oriented stator blades 4 available. In addition - as already mentioned above - are located at the radially inner end of the base plate 21a mounting holes 32a for fastening the projection 25a on the ceiling plate 11 by means of the fastening means 8th , At the radially outer end of the base plate 21a is also a mounting hole 33a present, for attaching a peripheral ring 19 serves, later on the basis of 3 is explained in more detail.

Die erste Seitenwand 22a ist im Wesentlichen rechteckförmig und stellt lediglich eine kurze Abkantung der ersten Seitenkante der Grundplatte 21a dar. Sie dient vor allem zur Aussteifung des Statorblatthalters 2 gegen Durchbiegen. Die zweite Seitenwand 23a ist länger und hat die bereits in der 1 dargestellte Grundform eines gleichschenkligen Trapezes. Sie dient der Ableitung der Tragekräfte der auf der Grundplatte 21a liegenden Last in Richtung Drehachse 7 auf das Generatorgehäuse. Die zweite Seitenwand 23a ist an ihrem unteren Ende nochmals nach innen abgekantet und bildet hier die im Wesentlichen rechteckige Abkantung 24a. Am radial innen liegenden Ende der Abkantung 24a ist – wie weiter oben bereits erwähnt – wiederum ein Bohrloch 34a angebracht, durch das die Befestigungsmittel 9 den Statorblatthalter 2 an der Bodenplatte 12 und dem Mastflansch 3 befestigen können.The first side wall 22a is substantially rectangular and provides only a short fold of the first side edge of the base plate 21a It mainly serves to stiffen the stator blade holder 2 against bending. The second side wall 23a is longer and has already in the 1 illustrated basic form of an isosceles trapezium. It serves to derive the carrying forces of the base plate 21a lying load in the direction of the axis of rotation 7 on the generator housing. The second side wall 23a is at its lower end folded inwards again and here forms the substantially rectangular fold 24a , At the radially inner end of the fold 24a is - as already mentioned above - again a borehole 34a attached by which the fasteners 9 the stator blade holder 2 at the bottom plate 12 and the mast flange 3 can fix.

Die in den 2c und 2d dargestellte zweite Bauart des Statorblatthalters 2 unterscheidet sich von der ersten Bauart nur insofern, als die Grundplatte 21b nicht rechteckig ist, sondern im Wesentlichen die Grundform eines gleichschenkligen Trapezes hat. Dadurch liegen die zwei radial innen liegenden Befestigungslöcher 32b näher beieinander als die entsprechenden Befestigungslöcher 32a, und die lineare Anreihung der Befestigungslöcher 31b auf der Grundplatte 21b verläuft in einem spitzeren Winkel zum Radius des Gesamtaufbaus der Windkraftanlage als die Anreihung der entsprechenden Bohrlöcher 31a der Grundplatte 21a. Alle übrigen Elemente des Statorblatthalters 2 der zweiten Bauart entsprechen in Form und Funktion den entsprechenden Elementen bei der ersten Bauart, insbesondere die Seitenwände 22b, 23b, die Abkantung 24b und die Bohrlöcher 33b und 34b. Der Statorblatthalter 2 kann in seiner zweiten Bauart dichter in Umfangsrichtung um das Generatorgehäuse angeordnet werden, ohne dass die radial weiter außen liegende Nutzfläche zum Befestigen der Statorblätter 4 an den Befestigungslöchern 31b wesentlich verkleinert wäre.The in the 2c and 2d illustrated second type of stator blade holder 2 differs from the first type only in so far as the base plate 21b is not rectangular, but has essentially the basic shape of an isosceles trapezium. As a result, the two radially inner mounting holes lie 32b closer together than the corresponding mounting holes 32a , and the linear array of mounting holes 31b on the base plate 21b runs at a more acute angle to the radius of the overall structure of the wind turbine than the baying of the corresponding holes 31a the base plate 21a , All other elements of the stator blade holder 2 The second type correspond in shape and function to the corresponding elements in the first type, in particular the side walls 22b . 23b , the fold 24b and the holes 33b and 34b , The stator blade holder 2 can be arranged in its second type denser in the circumferential direction around the generator housing without the radially outer surface lying useful for attaching the stator blades 4 at the mounting holes 31b would be much smaller.

Die Funktion der Vorsprünge 25a und 25b sowie der Endkante 26a und 26b besteht, wie schon unter Bezugnahme auf 1 erläutert, darin, das Generatorgehäuse mit dem Vorsprung 25 zu überlappen und mit der radial innen liegenden Endkante 26 den Statorblatthalter 2 gegen die zylindrische Seitenwand des Generatorgehäuses abzustützen. Eine ähnliche Abstützungsfunktion übernimmt (wenn auch in geringerem Maße) die radial innen liegenden Endkante der kurzen Seitenwand 22a, 22b. Insgesamt entsteht so eine belastbare und Tragekräfte gut ableitende Verbindung zwischen dem Statorblatthalter 2 und dem Generator 1. Die Statorblatthalter 2 können so die gesamte Traglast des Stators halten und an das Generatorgehäuse ableiten, obwohl die Statorblatthalter 2 nur aus einem einfachen Stück Blech geformt sind und sich daher leicht und kostengünstig herstellen lassen.The function of the projections 25a and 25b as well as the end edge 26a and 26b consists, as already referring to 1 explains, in it, the generator housing with the projection 25 to overlap and with the radially inner end edge 26 the stator blade holder 2 to support against the cylindrical side wall of the generator housing. A similar support function takes over (although to a lesser extent) the radially inner end edge of the short side wall 22a . 22b , Overall, this creates a load-bearing and carrying forces well dissipating connection between the stator blade holder 2 and the generator 1 , The stator blade holder 2 so can hold the entire load of the stator and divert to the generator housing, although the stator blade holder 2 are formed from a simple piece of sheet metal and therefore can be easily and inexpensively manufactured.

Die 3 zeigt nochmals den Gesamtaufbau in einer perspektivischen Seitenansicht. Gut zu sehen sind die Statorblatthalter 2 erster Bauart, die sternförmig um das im Wesentlichen scheibenförmige Generatorgehäuse angeordnet sind. Gemäß einer ebenfalls bevorzugten aber nicht dargestellten Modifikation der Erfindung, können die Statorblatthalter erster und zweiter Bauart alternierend um das Generatorgehäuse angeordnet sein.The 3 again shows the overall structure in a perspective side view. Good to see are the stator blade holders 2 first type, which are arranged in a star shape around the substantially disc-shaped generator housing. According to a likewise preferred, but not shown, modification of the invention, the stator blade holders of the first and second types can be arranged alternately around the generator housing.

Auf den vordersten zwei Statorblatthaltern 2 sind die Grundplatten 21a ohne die darauf befestigten Statorblätter 4 dargestellt, um einen besseren Einblick ins Innere der Windkraftanlage zu ermöglichen. Auf den Grundplatten 21a sind aber die Befestigungsmittel 20 (vorzugsweise Schrauben) zum Anbringen der Statorblätter 4 dargestellt, damit man sich deren Befestigung besser vorstellen kann. Außerdem ist in Umfangsrichtung um die radial außen liegenden Enden der Statorblätter 2 ein Ring 19 in Form eines Hohlprofils zu sehen. Dieser wird über die Befestigungslöcher 33a mit den Statorblatthaltern 2 verbunden und sorgt für eine zuverlässige Verbindung der radial außen liegenden Enden der Statorblatthalter 2. Dadurch wird die gesamte Konstruktion zusätzlich ausgesteift.On the forefront two stator blade holders 2 are the base plates 21a without the stator blades attached to it 4 presented to allow a better insight into the interior of the wind turbine. On the base plates 21a but are the fasteners 20 (preferably screws) for attaching the stator blades 4 shown, so you can better imagine their attachment. In addition, in the circumferential direction around the radially outer ends of the stator blades 2 a ring 19 to be seen in the form of a hollow profile. This will be over the mounting holes 33a with the stator sheet holders 2 connected and ensures a reliable connection of the radially outer ends of the stator blade holder 2 , As a result, the entire construction is additionally stiffened.

In den 4a und 4b wird das Erfindungsprinzip des flexiblen Gelenks 10 genauer erläutert. Die 4a stimmt in ihrem unteren Bereich mit der bereits beschriebenen 1 überein, zeigt aber zusätzlich noch den weiteren Verlauf der Rotorwelle 17. Von dieser erstreckt sich zunächst ein weiterer Rotorarm 18, an dem die Rotorschaufel 5 befestigt ist. Die Rotorwelle 17 endet schließlich mit ihrem axialen Endabschnitt an dem Radiallager 41. An diesem ist die Rotorwelle 17 drehbar bezüglich des Stators gelagert. Sternförmig vom Radiallager 41 nach außen verlaufende Streben 42 stellen den oberen Abschluss der Windkraftanlage dar. An dem radial außen liegenden Ende der Streben 42 ist jeweils der obere Endabschnitt der Statorblätter 4 befestigt.In the 4a and 4b becomes the principle of the invention of the flexible joint 10 explained in more detail. The 4a agrees in its lower part with the one already described 1 but also shows the further course of the rotor shaft 17 , From this first extends another rotor arm 18 at which the rotor blade 5 is attached. The rotor shaft 17 finally ends with its axial end portion on the radial bearing 41 , At this is the rotor shaft 17 rotatably mounted with respect to the stator. Star-shaped from the radial bearing 41 outward struts 42 put the top of the wind turbine dar. At the radially outer end of the struts 42 is in each case the upper end portion of the stator blades 4 attached.

Die Rotorwelle 17 verläuft von dem Radiallager 41 bis zu ihrem im Inneren des Generators 1 liegenden Ende, an dem das Drehmoment an den Innenläufer des Generators 1 übertragen wird. Das flexible Gelenk 10 unterteilt die Rotorwelle in einen gegenüber der Vertikalen schwenkbaren oberen Rotorabschnitt 15 und einen nicht schwenkbaren unteren Rotorabschnitt 16. Die Auslenkung des oberen Rotorabschnitts 17 bezüglich der Vertikalen führt aufgrund der Verbindung der Rotorwelle 17 mit den Rotorblättern 5 über die Rotorarme 18 und der Verbindung mit den Statorblättern 4 über das Radiallager 41 und die Leisten 42 auch zu einem entsprechenden flexiblen Verkippen eines großen Bereichs 13 der gesamten Windkraftanlage. Wie in der 4b besser zu sehen ist, bleibt nur der Bereich 14 der Windkraftanlage starr, der fest mit dem oberen Endabschnitt des Haltemastes 6 verbunden ist, also der Generator 1 und der untere Rotorabschnitt 16. Der übrige Bereich 13 ist grundsätzlich flexibel und kann so Spitzenbelastungen aufgrund von seitlich einströmenden Starkwinden abfedern. Der starre Bereich 14 kann dadurch auch weniger massiv ausgelegt werden, weil er nicht so starke Gegenkräfte ableiten muss, wie bei einem starren oberen Rotorabschnitt. Außerdem wird dadurch die Übertragung von Vibrationen der Turbine auf den Mast 6 reduziert.The rotor shaft 17 runs from the radial bearing 41 up to her inside the generator 1 lying end, at which the torque to the internal rotor of the generator 1 is transmitted. The flexible joint 10 divides the rotor shaft in a relative to the vertical pivotable upper rotor portion 15 and a non-pivotable lower rotor section 16 , The deflection of the upper rotor section 17 with respect to the vertical results due to the connection of the rotor shaft 17 with the rotor blades 5 over the rotor arms 18 and the connection with the stator blades 4 over the radial bearing 41 and the ledges 42 also to a corresponding flexible tilting of a large area 13 the entire wind turbine. Like in the 4b better to see, only the area remains 14 the wind turbine rigidly fixed to the upper end portion of the mast 6 connected, so the generator 1 and the lower rotor section 16 , The rest of the area 13 is fundamentally flexible and can thus absorb peak loads due to sideways incoming strong winds. The rigid area 14 This can also be designed less massive, because he does not have to derive as strong counter forces, as in a rigid upper rotor section. It also makes the transmission of vibrations of the turbine to the mast 6 reduced.

Das Gestänge des Stators hat sich als insoweit ausreichend flexibel erwiesen, dass eine Auslenkung der Rotorwelle 17 durch eine entsprechende Verbindung des aus Leisten 42 und Statorblatthaltern 2 zusammengesetzten Statorgrundgerüsts auch auf den Stator übertragen wird. Dies ist in der 4b durch die Überlagerung mehrerer Statorpositionen in dem flexiblen Bereich 13 dargestellt. Insbesondere die Statorblätter 4 sind in sich so weit elastisch, dass sie eine Auslenkung des oberen Rotorabschnitts 15 erlauben, ohne die Befestigung des Stators (besonders die Befestigung der Statorblatthalter 2 an dem Generatorgehäuse) in Mitleidenschaft zu ziehen. Zusätzlich wäre aber auch angedacht, an dem Ort der Befestigungselemente 8, 9 flexible Verbindungselemente vorzusehen, die eine noch bessere Beweglichkeit des flexiblen Bereichs 13 in Relation zu dem starren Bereich 14 ermöglichen. The linkage of the stator has proved to be sufficiently flexible so far that a deflection of the rotor shaft 17 by a corresponding connection of the last 42 and stator blades 2 composite stator framework is also transmitted to the stator. This is in the 4b by the superposition of multiple stator positions in the flexible area 13 shown. In particular, the stator blades 4 are so elastic in themselves that they are a deflection of the upper rotor section 15 allow, without the attachment of the stator (especially the attachment of the stator blade holder 2 on the generator housing). In addition, but would also be considered, at the location of the fasteners 8th . 9 provide flexible fasteners, which provides even better flexibility of the flexible area 13 in relation to the rigid area 14 enable.

Zusammenfassend wird bei einer Windkraftanlage mit vertikaler Drehachse die aus Stator und Rotor zusammengesetzte Turbine direkt am Generatorgehäuse befestigt. Dies gelingt vorzugsweise dadurch, dass die Statorblätter 4 tragende Statorblatthalter 2 direkt am Gehäuse des Generators 1 befestigt werden. So lässt sich die Masse des relativ schweren Generatoraufbaus nutzbringend zur Stabilisierung des Stators einsetzen. Gleichzeitig oder alternativ dazu wird an der Rotorwelle 17 zwischen dem Generator 1 und dem die Rotorblätter 5 tragenden oberen Rotorabschnitt 15 ein flexibles Gelenk 10, vorzugsweise eine Klauenkupplung mit Gummipuffer oder eine Elastomerkupplung, vorgesehen, die eine Auslenkung der Rotorwelle 17 im oberen Rotorabschnitt 15 gegenüber der Vertikalen um einen vorbestimmten Winkelbereich zulässt. Dies ermöglicht eine weniger massiv ausgelegte Bauart der Rotorbefestigung, weil der obere Rotorabschnitt 15 und die damit verbundenen Bereiche 13 der gesamten Turbine nicht mehr starr den seitlich einwirkenden Windkräften standhalten müssen, sondern diese Kräfte teilweise durch das flexible Gelenk 10 und die seitliche Auslenkung des oberen Rotorabschnitts 15 aufgenommen werden können.In summary, in a wind turbine with a vertical axis of rotation, the turbine composed of stator and rotor is fastened directly to the generator housing. This is preferably achieved in that the stator blades 4 carrying stator blade holder 2 directly on the housing of the generator 1 be attached. Thus, the mass of the relatively heavy generator construction can usefully be used to stabilize the stator. At the same time or alternatively, at the rotor shaft 17 between the generator 1 and the rotor blades 5 carrying upper rotor section 15 a flexible joint 10 , Preferably a jaw clutch with rubber buffer or an elastomer coupling, provided, which is a deflection of the rotor shaft 17 in the upper rotor section 15 relative to the vertical by a predetermined angular range permits. This allows a less massive design of the rotor attachment, because the upper rotor section 15 and the related areas 13 The entire turbine no longer has to withstand the side acting wind forces rigidly, but these forces partly through the flexible joint 10 and the lateral deflection of the upper rotor section 15 can be included.

Im Folgenden werden Aspekte [1] bis [10] gemäß dem zweiten Grundgedanken der vorliegenden Erfindung aufgezählt. Diese Aspekte oder einzelne Elemente daraus lassen sich bevorzugt in Kombination mit dem Gegenstand verwirklichen, der in den angehängten Patentansprüchen definiert wird, aber auch unabhängig davon als eigenständige Erfindungsideen:

[1] Windkraftanlage mit einem Rotor, der drehbar um eine vertikale Drehachse (7) gelagert ist und mehrere Rotorflügel (5) aufweist, einem Stator mit mehreren Statorblättern (4), die dazu ausgelegt sind, seitlich auf die Windkraftanlage einströmende Luft in Richtung der Rotorflügel (5) zu lenken, einem Generator (1) zur Gewinnung elektrischer Energie aus der Drehung des Rotors um eine Rotorwelle (17), und einem flexiblen Gelenk (10), das oberhalb des Generators (1) an der Rotorwelle (17) angeordnet ist und eine gelenkige Verbindung zwischen einem oberen Rotorabschnitt (15) und einem den Generator (1) antreibenden unteren Rotorabschnitt (16) herstellt.
[2] Windkraftanlage nach [1], wobei das Gelenk (10) zwischen dem Generator (1) und der Befestigung der Rotorflügel (5) angeordnet ist und den unteren Rotorabschnitt (16) gelenkig mit einem die Rotorflügel (5) tragenden oberen Rotorabschnitt (15) verbindet.
[3] Windkraftanlage nach [1] oder [2], wobei das Gelenk (10) in flexibler Weise und über einen bestimmten Winkelbereich ein Kippen der Rotorwelle (17) im Bereich des oberen Rotorabschnitts (15) in radialer Richtung quer zur Drehachse (7) erlaubt, nicht aber Auslenkungen in axialer Richtung entlang der Drehachse (7).
[4] Windkraftanlage nach [3], wobei das Gelenk (10) dazu ausgelegt ist, das Kippen der Rotorwelle (17) im Bereich des oberen Rotorabschnitts (15) gegenüber der Orientierung einer nicht verkippten Drehachse (7) im Bereich des unteren Rotorabschnitts (16) über einen Winkelbereich von 0° bis 20°, vorzugsweise 0° bis 15° zuzulassen.
[5] Windkraftanlage nach einem der Aspekte [1] bis [4], wobei das Gelenk (10) dazu ausgelegt ist, ein Drehmoment des oberen Rotorabschnitts (15) um die Drehachse (7) kraft- und/oder formschlüssig in ein entsprechendes Drehmoment des unteren Rotorabschnitts (16) um die Drehachse (7) umzusetzen.
[6] Windkraftanlage nach einem der Aspekte [1] bis [5], wobei das Gelenk (10) eine Klauenkupplung mit Gummipuffer oder eine Elastomerkupplung aufweist.
[7] Windkraftanlage nach einem der Aspekte [1] bis [6], ferner mit einem Radiallager (41), an dem der obere Rotorabschnitt (15) drehbar an einem oberen Endabschnitt des Stators gelagert ist, wobei der untere Rotorabschnitt (16) drehbar an einem unteren Endabschnitt des Stators gelagert ist, und zwar vorzugsweise über das Drehlager des Generators (1), indem der untere Endabschnitt des Stators direkt mit dem Generatorgehäuse verbunden ist.
[8] Windkraftanlage nach [7], ferner mit wenigstens einem Statorblatthalter (2), auf dem die Statorblätter (4) befestigt sind, wobei die drehbare Lagerung des unteren Rotorabschnitts (16) an dem unteren Statorendabschnitt dadurch erfolgt, dass der Statorblatthalter (2) an dem Gehäuse des Generators (1) befestigt und der untere Rotorabschnitt (16) drehbar in dem Generator (1) gelagert ist.
[9] Windkraftanlage nach [7] oder [8], wobei die Befestigung des unteren Statorendabschnitts an dem Gehäuse des Generators (1) durch ein elastisches Verbindungselement erfolgt.
[10] System aus einer Windkraftanlage nach einem der Aspekte [1] bis [9] und einem im Erdboden und/oder einem Gebäudeteil verankerbaren Mast (6), an dessen vertikalem Endabschnitt (3) der untere Rotorabschnitt (16) der Windkraftanlage ansetzt, wobei der vertikale Endabschnitt (3) des Mastes (6) vorzugsweise fest mit dem Gehäuse des Generators (1) verbunden ist.

Bezugszeichenliste

1

Generator

2 Statorblatthalter 3 Mast-Endabschnitt/Flansch 4

Statorblatt

5 Rotorflügel 6 Mast 7 Drehachse 8, 9 Befestigungsmittel/Schraube 10 flexibles Gelenk 11 Deckenplatte des Generatorgehäuses 12 Bodenplatte des Generatorgehäuses 13

flexibler Bereich

14 starrer Bereich 15 oberer Rotorabschnitt 16

unterer Rotorabschnitt

17

Rotorwelle

18

Rotorarm

19

Umfangsring

20 Befestigungsmittel/

Schraube

21, 21a,

21b

Grundplatte

22a,

22b

Seitenwand

23, 23a,

23b

Seitenwand

24a,

24b

Abkantung

25, 25a,

25b

Vorsprung

26, 26a,

26b

Endkante

31a–b, 32a–b, 33a–b, 34a–b

Befestigungslöcher

41 oberes Radiallager 42 Leiste

Hereinafter, aspects [1] to [10] according to the second aspect of the present invention will be enumerated. These aspects or individual elements thereof may preferably be realized in combination with the subject matter defined in the appended claims, but also independently of these as independent inventive ideas:

[1] Wind turbine with a rotor that is rotatable about a vertical axis of rotation ( 7 ) is mounted and several rotor blades ( 5 ), a stator with a plurality of stator blades ( 4 ), which are adapted to the side of the wind turbine air flowing in the direction of the rotor blades ( 5 ), a generator ( 1 ) for obtaining electrical energy from the rotation of the rotor about a rotor shaft ( 17 ), and a flexible joint ( 10 ), which is above the generator ( 1 ) on the rotor shaft ( 17 ) is arranged and an articulated connection between an upper rotor section ( 15 ) and one the generator ( 1 ) driving lower rotor section ( 16 ).
[2] wind turbine according to [1], wherein the joint ( 10 ) between the generator ( 1 ) and the attachment of the rotor blades ( 5 ) is arranged and the lower rotor section ( 16 ) hinged with a the rotor blades ( 5 ) supporting upper rotor section ( 15 ) connects.
[3] wind turbine according to [1] or [2], wherein the joint ( 10 ) in a flexible manner and over a certain angular range tilting of the rotor shaft ( 17 ) in the region of the upper rotor section ( 15 ) in the radial direction transverse to the axis of rotation ( 7 ) but not deflections in the axial direction along the axis of rotation ( 7 ).
[4] wind turbine according to [3], wherein the joint ( 10 ) is adapted to tilt the rotor shaft ( 17 ) in the region of the upper rotor section ( 15 ) relative to the orientation of a non-tilted axis of rotation ( 7 ) in the region of the lower rotor section ( 16 ) over an angular range of 0 ° to 20 °, preferably allow 0 ° to 15 °.
[5] Wind turbine according to any one of aspects [1] to [4], wherein the joint ( 10 ) is adapted to a torque of the upper rotor section ( 15 ) about the axis of rotation ( 7 ) positively and / or positively in a corresponding torque of the lower rotor section ( 16 ) about the axis of rotation ( 7 ) implement.
[6] Wind turbine according to one of aspects [1] to [5], wherein the joint ( 10 ) has a jaw clutch with rubber buffer or an elastomer coupling.
[7] Wind turbine according to one of aspects [1] to [6], further comprising a radial bearing ( 41 ), on which the upper rotor section ( 15 ) is rotatably mounted on an upper end portion of the stator, wherein the lower rotor portion ( 16 ) is rotatably mounted on a lower end portion of the stator, preferably via the rotary bearing of the generator ( 1 ), by the lower end portion of the stator is connected directly to the generator housing.
[8] wind turbine according to [7], further comprising at least one stator blade holder ( 2 ), on which the stator blades ( 4 ), wherein the rotatable mounting of the lower rotor section ( 16 ) at the lower Statorendabschnitt characterized in that the stator blade holder ( 2 ) on the housing of the generator ( 1 ) and the lower rotor section ( 16 ) rotatable in the generator ( 1 ) is stored.
[9] wind turbine according to [7] or [8], wherein the attachment of the lower Statorendabschnitts to the housing of the generator ( 1 ) is performed by an elastic connecting element.
[10] System of a wind turbine according to one of the aspects [1] to [9] and a mast anchorable in the ground and / or a building part ( 6 ), at its vertical end portion ( 3 ) the lower rotor section ( 16 ) attaches the wind turbine, wherein the vertical end portion ( 3 ) of the mast ( 6 ) preferably fixed to the housing of the generator ( 1 ) connected is.

LIST OF REFERENCE NUMBERS

1

generator

2 Statorblatthalter 3 Mast-end portion / flange 4

stator blade

5 rotor blades 6 mast 7 axis of rotation 8th . 9 Fastening means / screw 10 flexible joint 11 Ceiling plate of the generator housing 12 Base plate of the generator housing 13

flexible area

14

rigid area

15 Upper rotor section 16

lower rotor section

17

rotor shaft

18

rotor arm

19

peripheral ring

20 Fastening means / screw 21 . 21a .

21b

baseplate

22a .

22b

Side wall

23 . 23a .

23b

Side wall

24a .

24b

fold

25 . 25a .

25b

head Start

26 . 26a .

26b

end edge

31a -b, 32a -b, 33a -b, 34a -b mounting holes 41

Upper radial bearing

42 strip

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 202013105475 U [0002]
GB 2116640 A [0003]

Claims

Wind turbine with a rotor which is rotatable about a vertical axis of rotation ( 7 ) is mounted and several rotor blades ( 5 ), a stator having a plurality of fixed or movable stator blades ( 4 ) mounted on at least one stator blade holder ( 2 ) are mounted and adapted to the side of the wind turbine air flowing in the direction of the rotor blades ( 5 ) and a generator ( 1 ) for obtaining electrical energy from the rotation of the rotor about the axis of rotation ( 7 ), characterized in that the stator blade holder ( 2 ) directly on the housing of the generator ( 1 ) is attached.

2 Wind turbine according to claim 1, wherein the generator ( 1 is of the internal rotor type and preferably completely within the stator and concentric with the rotor and stator with respect to the axis of rotation ( 7 ) is arranged.

Wind turbine according to claim 1 or 2, wherein the stator blade holder ( 2 ) by fastening means ( 8th . 9 ), in particular screws, on a ceiling and / or floor slab ( 11 . 12 ) of the generator housing is attached.

Wind turbine according to one of the preceding claims, wherein the stator blade holder ( 2 ) is made by multiple Abkant- and / or punching operations from a single piece of sheet metal.

Wind turbine according to one of the preceding claims, wherein the stator blade holder ( 2 ) a substantially horizontally extending base plate ( 21 . 21a . 21b ) and at least one substantially vertically extending side wall ( 23 . 23a . 23b ), which preferably has the basic shape of a rectangular trapezium.

Wind turbine according to claim 5, wherein the base plate ( 21 . 21a . 21b ) in the horizontal direction to the axis of rotation ( 7 ) to get a lead ( 25 . 25a . 25b ) is longer than the side wall ( 23 . 23a . 23b ), so the lead ( 25 . 25a . 25b ) the ceiling plate ( 11 ) of the generator housing overlaps, while the radially inner end edge ( 26 . 26a . 26b ) of the side wall ( 23 . 23a . 23b ) is preferably supported against a side wall of the generator housing.

Wind turbine according to claim 5 or 6, wherein first fastening means ( 8th ) vertically through the base plate ( 21 . 21a . 21b ) of the stator blade holder ( 2 ) and the ceiling plate ( 11 ) of the generator housing, and / or the at least one side wall ( 23 . 23a . 23b ) is again folded horizontally, so that second fastening means ( 9 ) vertically through the fold ( 24 . 24a . 24b ) of the side wall ( 23 . 23a . 23b ) and the bottom plate ( 12 ) of the generator housing can run.

Wind turbine according to one of claims 5 to 7, wherein the stator blade holder ( 2 ) two of the substantially vertically oriented side walls ( 22a . 22b . 23 . 23a . 23b ), which form the legs of a profile, which together with the horizontal base plate ( 21 . 21a . 21b ) in cross-section is substantially U-shaped, in particular one of the side walls ( 23 . 23a . 23b ) the basic form of a trapezoid and the other ( 22a . 22b ) has the basic shape of a rectangle.

System of a wind turbine according to one of the preceding claims and a moor anchored in the ground and / or a building part ( 6 ), at its vertical end portion ( 3 ) the wind turbine is attached.

A system according to claim 9, wherein the end section (preferably comprising a flange) comprises 3 ) of the mast ( 6 ) with a bottom plate ( 12 ) of the generator housing, preferably with the second fastening means ( 9 ), with which the fold ( 24 . 24a . 24b ) of the side wall ( 23 . 23a . 23b ) with the bottom plate ( 12 ) of the generator housing is connected.