DK153241B - Vindmoelle med rotorblade med variabel bladvinkel - Google Patents

Description

DK 153241 B

5 Denne opfindelse angår en vindmølle med kraftoverføring og med flere møllevinger monteret på en rotor eller et nav således, at deres indfaldsvinkel kan varieres, hvilket nav er indrettet til at drive en last, idet møllevingernes indfaldsvinkel styres af 10 en bladvinkelstyremekanisme, hvis udgangssignal ved store vindhastigheder angiver den indfaldsvinkel, som er nødvendig for møllevingerne for at isolere lasten fra forstyrrelser i kraftoverføringen, samtidigt med opretholdelse af en ønsket udgangseffekt, og som ved 15 marginale vindhastigheder angiver den indfaldsvinkel, der er nødvendig for at maksimere navets udgangseffekt uafhængigt af uregelmæssigheder i kraftoverføringen, og hvor der i kraftoverføringen indgår en gearmekanisme, der er indrettet til at forøge navets 20 rotationshastighed til en størrelse, der passer til lasten.

En vindmølle af denne art beskrives med udgangspunkt i det amerikanske patentskrift nr. 4 193 005. En så-25 dan vindmølle er hensigtsmæssig, fordi den takket være reguleringen af møllevingernes bladvinkel kan bygges med en stor virkningsgrad målt som forholdet mellem den teoretisk til rådighed værende vindenergi og den nytteeffekt, der kan tilføres vindmøllebelastnin-30 gen, særligt når denne er en elektrisk vekselstrømsgenerator, der skal levere el med en bestemt vekselstrømsfrekvens. Det har imidlertid vist sig, at en sådan vindmølle blandt andet på grund af uregelmæssigheder i vindstrømningen (vindstød, turbulens o.l.) 2

DK 153241B

har visse mangler.

Ved vindmøller af den art, som er beskrevet i ovennævnte, amerikanske patent, optræder der ikke ved hø-5 je vindhastigheder, det vil sige ved vindhastigheder, hvor der i luftstrømmen er mere energi til rådighed, end nødvendigt til at drive den fulde vindmøllelast, nogen problemer, der kan medføre mekaniske forstyrrelser i vindmøllens kraftoverføringsmaskineri, så-10 fremt der forekommer vindstød og/eller usymmetri i den luftstrøm, som bestryger vindmøllen. Vindstød og usymmetriske forhold i luftstrømmen vil under sådanne forhold føles som pludselige ændringer i akseldrejningsmomentet, hvorefter styresystemet justerer møl-15 levingernes indfaldsvinkel for at fastholde akseldrejningsmomentet på referanceniveauet og reducere forstyrrelsens amplitude. På denne måde minimeres variationer i kraftoverføringens indvirkning på generatoren.

20

Ved marginale vindhastigheder (hastigheder mellem indkobling og dimensioneret hastighed) optræder der imidlertid et problem. Under sådanne vilkår justerer vindmøllen ifølge det amerikanske patent nr. 4 193 25 005 sine møllevingers indfaldsvinkel således, at den optagne vindenergi maksimeres til brug for at drive generatoren. Under sådanne marginale vilkår er møllens styresystem ude af stand til at justere møllevingernes indfaldsvinkel således, at der opretholdes 30 et konstant drejningsmoment i akselen og samtidigt kompenseres for vindstød og usymmetriske forhold i luftstrømmen. Derfor bliver virkningerne af vindstød og usymmetriske forhold i luftstrømningen i en sådan vindmølle overført gennem kraftoverføringsmaskineriet 3

DK 153241 B

til generatoren med risiko for beskadigelse af denne.

For en fagmand vil det selvfølgelig være nærliggende under forhold med marginale vindhastigheder at modulere indfaldsvinklen i afhængighed af drejningsmomen-5 tet i akselen, såfremt der optræder vindstød og/eller usymmetrier i luftstrømningen. En sådan modulering har imidlertid som følgevirkning, at den reducerer vindmøllens evne til at optage vindenergi under forhold med marginale vindhastigheder. Der er selvfølge-10 lig kun en indfaldsvinkel, der resulterer i maksimal mølleeffektivitet, og reguleringer af indfaldsvinklen, der betyder afvigelse fra denne optimale vinkel, vil nødvendigvis formindske vindmøllens virkningsgrad.

15

Fra den teknologi, der beskriver propellerkonstruktioner, og som derfor i visse henseender kan betegnes som nærliggende i forhold til vindmølleteknik, kendes eksempler på tekniske foranstaltninger til regulering 20 af akslens drejningsmoment. Et eksempel er det amerikanske patent nr. 2 959 228, som beskriver en propeller med styret indstilling af indfaldsvinklen i afhængighed af akselens drejningsmoment. Som forklaret ovenfor er en sådan teknik imidlertid netop noget, 25 der ønskes undgået i vindmøller, når disse er i drift under marginale vindforhold. Anvendelse af denne propellerteknik i en vindmølle til isolering af variationer i drejningsmomentet i drivakslen vil betyde, at man vil opleve modulering af møllevingernes ind-30 faidsvinkel som reaktion på øgning i drejningsmomentet i akselen, for eksempel under vindstød eller andre forstyrrelser. Der vil som tidligere beskrevet indtræde en justering af indfaldsvinklen bort fra den optimale indstilling til maksimal vindenergioptagel-

DK 153241 B

4 se, og vindmøllens virkningsgrad vil således blive reduceret.

Fra den teknologi, som beskriver gearkonstruktioner 5 kendes eksempler på angivelse af indbygget fjedervirkning i et geararrangement. Et eksempel findes i det amerikanske patentskrift nr. 3 146 629, der beskriver et vridningsreaktionsorgan, der er fastgjort til huset for et akselmonteret, hastighedreducerende 10 gear for at fastholde huset mod rotation og forhindre maskinens drivaksel i at blive drevet af reaktive vridningskræfter. Den maskine, som skal sikres mod at blive drevet af reaktive vridningskræfter ifølge det amerikanske patent nr. 3 146 629 er konstrueret til 15 særligt høje hastigheder. Problemerne er derfor helt forskellige fra det problem, der skal løses med denne patentansøgning, og den angivne tekniske løsning er da også helt forskellig fra denne opfindelses konstruktion. Vindmøller har sædvanligvis relativt lave 20 omdrejningshastigheder.

Det er formålet med den i ansøgningen beskrevne opfindelse at isolere generatoren i en vindmølle fra vindstød og drivakselforstyrrelser i vindmøllens 25 funktionsområde mellem indkoblingshastigheden og den dimensionerende hastighed (under marginale hastig hedsforhold) uden at reducere vindmøllens virkningsgrad.

30 Formålet opnås ifølge opfindelsen med en vindmølle, der er ejendommelig på den måde, som er angivet i den kendetegnende del af krav 1.

Fordelen ved en vindmølle med den således angivne e- 5

DK 153241 B

jendommelighed er, at møllevingernes indfaldsvinkel kan holdes på den optimale størrelse til opnåelse af optimal energiindvinding under forhold med marginale vindhastigheder, idet der er plads til al stødabsor-5 bering (forstyrrelsesisolering) i den fjedrende op hængning af vindmøllegearmekanismen. Derfor opnår man med maskinen ifølge denne opfindelse forstyrrelsesisolering uden behov for modulering af møllevingernes indfaldsvinkel.

10

Foretrukne udførelsesformer er defineret i underkravene. Fordelen ved indbygning af svingningsdæmpere i forbindelse med affjedringen er udover de mekaniske fordele ved en rolig gang, at man særligt ved vind-15 mølleproduktion af vekselstrøm med en bestemt fre kvens opnår en kvalitativt meget bedre produktion. En luftpotte anvendt som svingningsdæmper muliggør en let, billig og driftssikker konstruktion, hvilket er særligt fordelagtigt til denne konstruktion, der skal 20 anbringes højt oppe i et tårn, hvor både vægt og mi nimalt krav til vedligeholdelse er af betydning. Fjederorganerne skal være dimensioneret til at optage en ret stor energimængde, og opfinderen anser en udformning med en samlet affjedring af hele gearkassen for 25 fordelagtig, fordi man herved muliggør en i sin helhed enklere mekanisk konstruktion, en lodret affjedring er særligt fordelagtig i en vindmøllekonstruktion, fordi lodrette kræfter lettere optages i mølletårnet end kræfter med vandrette komponenter.

30

Opfindelsen belyses nedenfor mere detaljeret ved hjælp af en eksempelvis udførelsesform, der også er illustreret i tegningen, hvortil der henvises, og hvori: 6

DK 153241B

Fig. 1 er en isometrisk fremstilling af en fordelagtig udførelsesform af vindmøllen i- følge opfindelsen med EJcematisic visning af et bladvinkelstyresystem og en blad-5 vinkelindstillingsmekanisme forbundet med møllen, og med dele af møllekonstruktionen fjernet for at vise konstruktionsdetaljer, 10 Fig. 2 er en forstørret projektion på en gear kasse anvendt i vindmøllen ifølge figur 1, idet dele af gearkassen og affjedringsorganerne er fjernet for at vise konstruktionsdetaljer, 15

Fig. 3 er en grafisk fremstilling af forholdene mellem den vindmølleproducerede energi og vindhastigheden under vilkår, som giver normal møllefunktion, og 20

Fig. 4 er en grafisk fremstilling af forholdet mellem vindmøllens producerede energi og bladvinklen med en konstant (arbitrært fastsat) vindhastighed.

25

Med henvisning til figurerne 1 og 2 betegnes vindmøllen ifølge opfindelsen i sin helhed med henvisningstallet 10, og den har to eller flere møllevinger 15 med variabel bladvinkelindstilling, idet bladvinklen 30 indstilles ved at dreje møllevingerne omkring deres længdeakser ved hjælp af hydrauliske regulatorer 20, som forsynes med en styret mængde hydraulikvæske fra en bladvinkelændringsmekanisme 25. Bladvinkelæn-dringsmekanismen kan være af kendt art og udgør ikke 7

DK 153241 B

nogen del af nærværende opfindelse. Bladvinkelæn-dringsmekanismen styres af en bladvinkelstyremekanis-me 30, som beregner et bladvinkelreferancesignal som resultat af in/outputsignal fra vindmøllestart/-stop, 5 vindmøllerotorhastighed, rotorhastighedsreferance, rotoraccelerationsgrænse, rotordecelerationsgrænse, vindhastighed, hovedakselvridning, generator(dynamo)-hastighed og generator (dynamo)off/-on line. Enkeltheder vedrørende bladvinbkelstyremekanismen 30 findes 10 i det ovenfor anførte amerikanske patentskrift nr. 4 193 005.

Vindmøllen 10 omfatter en kraftoverføringsmekanisme, som omfatter et rotornav 35, hvorpå der er monteret 15 møllevinger 15, og rotoren er fastgjort til en hovedaksel 40, som bærende understøttes af lejer eller lejehuse 45. Den vindenergi, der optages af vindmøllen 10, driver belastningen 50, som er en jævnstrøms- eller vekselstrømsgenerator. For at øge rotationsha-20 stigheden fra hovedakslens 40 rotationshastighed til en hastighed, som er anvendelig til normal (synkron) funktionshastighed for generatoren 50, er der i kraftoverføringsorganerne indskudt et gear 55, som forbinder hovedakslen 40 med generatoren. For at be-25 skytte generatoren 50 mod torsionsvibrationer, som fremkommer ved normal funktion af vindmøllen, og mod reaktionsvridningskræfter, som opstår på grund af vindstød og lignende, under samtidig forbedring af møllens virkningsgrad ved at muliggøre, at bladvin-30 kelstyremekanismen under vilkår med lave vindhastigheder indstiller bladvinklen til maksimal energiproduktion, er gearet 55 elastiskt ophængt i forhold til en ikke roterende del af vindmøllen ved hjælp af fjedrende monteringer 60, som mekanisk er forbundet

DK 153241 B

8 med sin ene ende til gearkassen, og med sin anden ende er forbundet med en del af gulvet 65 i et maskinhus, en såkaldt nacelle, 70. Selv om nacellen, kraftoverføringsmekanismen og navet normalt drejer i en 5 krøjebevægelse omkring en lodret krøjeaksel, betragtes en sådan drejning i vinden ikke som rotation i den terminologi, som i dette skrift anvendes i vendingen "ikke roterende del af vindmøllen".

10 Med henvisning til figur 3, hvor vindmøllens producerede energi i afhængighed af vindhastigheden er vist som en kurve, ses det, at under tilslutningshastighed er vindmøllen ikke i stand til at producere anvendelig energi. Med vindhastigheder mellem tilslutnings-15 hastighed og dimensionerende hastighed bevirker en forøgelse af vindhastigheden en forøgelse af den producerede energi. For at opretholde maksimal produktion af anvendelig energi fra en vindmølle i dette operationsområde skal den energimængde, som optages 20 af vindmøllen, maksimeres. Ved vindhastigheder over den dimensionerende vindhastighed er der mere end den nødvendige energimængde til rådighed i vinden til at drive vindmøllen og generatoren med dimensioneret hastighed og belastning, og derfor "tabes" der energi 25 fra vindmøllevingerne. Det fremgår af figur 3, at bladvinkelstyremekanismen 30 under marginale vindhastigheder, det vil sige vindhastigheder mellem indkoblingshastigheden og den dimensionerende hastighed, skal beregne bladvinklen, så energioptagelsen maksi-30 meres. Ved vindhastigheder over den dimensionerende hastighed og under udkoblingshastigheden er kun en del af den til rådighed værende energi nødvendig for at opretholde den ønskede rotationshastighed for vindmøllen, og styreenheden 30 vil beregne en blad- 9

DK 153241B

vinkel, som resulterer i en tilstrækkelig stor energioptagelse til opretholdelse af rotationshastigheden med tilkoblet, fuldt belastet generator. Ved udkoblingshastighed er vindhastigheden så stor, at vind-5' møllen standses for at hindre stormskader.

Bladvinkelstyremekanismen 30, som er beskrevet i det amerikanske patentskrift nr. 4 193 005, indstiller bladvinklen efter vindhastigheden, hovedakselvridnin-10 gen, rotorhastigheden og generatorhastigheden, når bladvinkelstyrringen sker, medens generatoren er koblet ind på el-nettet og er synkroniseret med et kraftværks højspændingsnet. Når dynamoen er indkoblet (on-line), er den principielt låst i en synkron rota-15 tionshastighed, og derfor vil justeringer i bladvin-kelreferancesignalet afhænge meget mere af hovedak-selvridningen og vindhastigheden end af rotorhastigheden og af generatoren. I figur 6 i ovennævnte amerikanske patentskrift ses det, at der i en on-line 20 akselvridningsstyring opnås (opsamles) en tidsafledet af bladvinkelreferancesignalet ved forskellige manøvrer, der udløses af "fejl"-signaler, som fremkommer ved sammenligning mellem referanceakselvridning og den målte akselvridning og ved sammenligning af ro-25 torhastighed med generatorhastighed. Det er væsentligt, at bladvinklen ved vindhastigheder over den dimensionerende hastighed kontinuerligt kan justeres for at kompensere for vindstød og usymmetrier i luftstrømmen over det bestrøgne mølleareal uden at redu-30 cere vindmøllens kraftproduktion til en størrelse, som er mindre end den, der er nødvendig for synkron drift af generatoren. Dette skyldes, at der er mere end nok vindenergi til rådighed. Det fremgår yderligere ved studiet af det nævnte skrift, at on-line ak- selvridningsstyrekredsløbene i figur 6 udøver en dæmpning af torsionsresonans i kraftoverføringsmeka nismen under normale funktionsvilkår.

DK 153241 B .

10 5 Stadig under henvisning til on-line vridningsstyreenheden i det amerikanske patentskrift nr. 4 193 005 er den målte akselvridning, når generatoren er on-line, og vindmøllen opererer i vindhastigheder mellem indkoblingshastigheden og den dimensionerende hastighed, 10 af mindre absolut betydning end et referancevrid-ningssignal, som subtraheres fra det målte vridningssignal, hvorved der afgives et negativt misvisningssignal til et dynamisk kompensationskredsløb. Dette negative misvisningssignal medfører en negativ tids-15 afledet af bladvinklen som output fra on-line aksel-vridningsstyreenheden. Når dette negative output integreres i den beskrevne integrator (figur 8), fødes den resulterende lille bladvinkel ind som input i et kredsløb, som indeholder maksimum og minimum integra-20 torstop. Dette kredsløb vælger en minimumbiadvinkel (til maksimal vindenergioptagelse) som output for bladvinkelstyreenheden 30. Patentet beskriver, at minimumbi ad vink len indstilles som en funktion af rotorhastigheden og vindhastigheden. Eftersom rotorhastig-25 heden i alle praktiske henseender vil forblive i hovedsagen konstant, når generatoren er synkroniseret med el-kraftnettet, er det klart, at bladvinklen mellem indkoblings- og dimensionerende vindhastigheder vælges mere eller mindre som open-loop funktion af 30 vindhastigheden. Eftersom akselvridningen ikke er en effektiv basis for modulation af bladvinklen i området mellem indkoblingshastigheden og den dimensionerende hastighed, kan bladvinklen ikke i dette område justeres i respons på akselvridningsforstyrrelser og

DK 153241B

11 vibrationer.

Yderligere vil, såfremt bladvinklen moduleres som respons på akselvridningen, en sådan modulation reduce-5 re vindenergioptagelsen i vindmøllen, og denne energioptagelse skal som ovenfor anført maksimeres under vilkår med lave vindhastigheder. Med henvisning til figur 4 vises vindmøllens virkningsgrad (den af vindmøllen opsamlede energi/den energi det teoretisk er 10 muligt at opsamle med vindmøllen fra den luftstrøm, som passerer det bestrøgne areal) i afhængighed af bladvinklen. Det fremgår af kurven, at denne har maksimum ved et forhold PR^ svarende til en bladvinkel på . Det er således klart, at kun een bladvinkel 15 svarer til maksimal vindmøllevirkningsgrad, og justering af bladvinklen bort fra denne vinkel vil nødvendigvis reducere virkningsgraden, hvorved det vindhastighedsområde, inden for hvilket vindmøllen kan producere anvendelig energi, reduceres..

20

For at forbedre vindmøllens effektivitet, er møllen ifølge nærværende opfindelse udformet med organer til at beskytte genratoren mod hovedakselvridningsforstyrrelser eller chok i operationsområdet mellem 25 indkoblingshastigheden og den dimensionerende vindhastighed, uden at dette kræver bladvinkelmodulation.

Med henvisning til tegningens figurer 1 og 2 omfatter disse beskyttelsesorganer den affjedrede montage af gearkassen 55 på en ikke-roterende del af vindmølle-30 konstruktionen som for eksempel nacellen 70. I den fordelagtige udførelsesform omfatter gearsystemet 55 et planetgearsystem, hvor aksel 40 og generatorrotor 50 kan være monteret koaksialt. Hermed kan, som det er vist i figur 2, gearkassen omfatte et centralt 12

DK 153241 B

tandhjul 75, som driver adskillige planettandhjul 80, der er i indgreb med centraltandhjulet og med en ydre tandkrans 85. Det er selvfølgelig klart, at en flertrins planetgearkonstruktion i almindelighed er nød-5 vendig for at opnå det ønskede udvekslingsforhold, og alle sådanne udvekslingsforholdsmuligheder kan anvendes inden for denne opfindelses rammer. Det er heller ikke nødvendigt, at generatoren og mølleakslen er placeret koaksialt, alle andre geararrangementer kan 10 tages i anvendelse.

Det roterende tandhjul er monteret i og bæres af en gearkasse 90, som kan være af enhver kendt art. Gearkassen 90 har udformet en første- og en andenarm el-15 ler -clevis 95, som rækker udad fra kassen, idet hver af deviserne er basis for en vippelig forbindelse mellem gearkassen og de fjedrende understøtninger 60.

Hver af de fjedrende understøtninger omfatter en fje-20 der 100, som er placeret i og lodret er holdt tilbage af huset 105, som er fastgjort til nacellegulvet 65 ved hjælp af bolte 110. Fjederen er monteret mellem husets 105 bund og en fjedertilbageholdelsesplade 110, som vippeligt er forbundet med en ende af et led 25 115, hvis anden ende er vippeligt forbundet med cle vis 95. Det er derfor klart, at enhver vippebevægelse i gearkassen 90 omkring dennes længdeakse vil blive overført til fjedrene 100, idet den ene af disse presses sammen, medens den anden strækkes. Dermed vil 30 alle vridningsreaktioner i tandhjulene i gearkassen, som afledes af chock i kraftoverføringen og er forårsaget af vindstød eller lignende, samt torsionssvingninger i vindmøllerotoren på grund af indbyggede strukturelle og andre funktionskarakteristika af 13

DK 153241 B

fjedrene 100 afskæres fra at nå generatoren 50, hvorved risikoen for chockskader på generatoren minimeres. Yderligere er det af værdi, at den fjedrende forbindelse mellem gearkassen og nacellen frembringer 5 denne chokabsorbtion og driftsuregelmæssighedsudligning uafhængigt af en bladvinkelindstilling. Som følge af konstruktionen ifølge nærværende opfindelse kan energiproduktionen, i modsætning til tidligere kendte vindmøller hvor modulation af bladvinklen er eneste 10 mulighed for udligning af uregelmæssigheder i kraftoverføringsmekanismerne med tilhørende effekttab, nu holdes på det maksimale, af bladvinkelstyresystemet indstillede niveau under marginale vindhastigheder, idet chockabsorbtion (driftsforstyrrelsesudligning) 15 sker ved hjælp af den fjedrende forbindelse mellem gearkassen og nacellen.

For at dæmpe svingninger i gearkassen på fjedrene 100 fra for eksempel fundamentale torsionssvingninger, 20 kan der være indskudt dæmpningsorganer mellem gearkassen og vindmøllens nacelle. I den foretrukne udfø-relsedform omfatter sådanne dæmpningsorganer luftpotter 120, hvis cylindre er forbundet med nacellegulvet ved bunden af et hus 105, og luftpottens stempel er 25 med sin stempelstang forbundet med fjedertilbageholdelsespladen 110 og således med leddet 115.

Claims (5)

14 DK 153241 B

1. Vindmølle med en kraftoverføring og med flere møl-5 levinger (15) monteret på en rotor eller et nav (35) således, at deres indfaldsvinkel kan varieres, hvilket nav er indrettet til at drive en last (50), idet møllevingernes indfaldsvinkel styres af en bladvinke ls tyremekanisme (30), hvis udgangssignal ved 10 store vindhastigheder angiver den indfaldsvinkel, som er nødvendig for møllevingerne for at isolere lasten (50) fra forstyrrelser i. kraftoverføringen, samtidigt med opretholdelse af en ønsket udgangseffekt, og som ved marginale vindhastigheder angiver den indfalds-15 vinkel, der er nødvendig for at maksimere navets udgangseffekt, og hvor der i kraftoverføringen indgår en gearmekanisme (55), der er indrettet til at forøge navets (35) rotationshastighed til en størrelse, der passer til lasten (50), kendetegnet 20 ved fjedrende understøtningsorganer (60), der er uafhængige af bladvinkelstyreorganet (30), og som ikke er forbundet med dette, til fjedrende understøtning af gearmekanismen i retningen af dennes torsionsreaktion på kortvarige belastninger. 25

2. Vindmølle ifølge krav 1 kendetegnet ved, svingningsdæmpningsorganer til dæmpning af svingninger i gearmekanismen (55) på de fjedrende understøtninger (60). 30

3. Vindmølle ifølge krav 2, kendetegnet ved, at svingningsdæmpningsorganerne omfatter mindst en støddæmper (120), der forbinder gearmekanismen (55) med den ikke-roterende del af vindmøllen. 15 DK 153241 B

4. Vindmølle ifølge et hvilket som helst af kravene 1 til 3, kendetegnet ved, at gearmekanismen (55) er anbragt og understøttet i en gearkasse (90), og at de fjedrende understøtningsorganer (60) 5 omfatter mindst en fjeder (100), der forbinder gearkassen og et maskinhus, en såkaldt nacelle (65).

5. Vindmølle ifølge krav 4, kendetegnet ved, at gearmekanismen (55) kan vippes i lodret 10 retning og er understøttet i nacellen (65), i det mindste delvis af fjederen (100).