DK162359B - Vindturbine - Google Patents

Description

DK 162359 B

- i -

Den foreliggende opfindelse angår en vindturbine af den i krav l's indledning angivne art.

Typisk omfatter en moderne vindturbine en vippelig rotor 5 med flere bæreplansformede blade og forbundet via en aksel til en elektrisk generator via en gearkasse. Generatoren og gearkassen er indeholdt i en gondol, der bæres over jordoverfladen af et lodret, fritbærende tårn med iboende fleksibilitet. Ofte er tyngdepunktet for kombinationen af 10 rotor, blade, generator og gearkasse (i gondolen) langsgå ende (regnet i forhold til gondolen) forsat fra tårnets lodrette centerlinie eller akse. Tårnets iboende fleksibilitet i forbindelse med den nævnte tyngdepunktsforskydning har vist sig problematisk, idet dette giver anledning til 15 krøjningsoscillationer i turbinen. Man har erfaret, at så danne oscillationer skyldes virkning af rotoren, som fremmer (leder energi til) en periodisk sideforskydning af den øverste del af tårnet. En sådan sideforskydning af tårnet kan skyldes sådanne forstyrrelser som vindstød og lignende 20 fænomener. Antag eksempelvis, at vindturbinen er hensigts mæssigt orienteret (i eller nær den fremherskende vindretning) og den øverste del af tårnet forsat og derefter frigivet i en retning vinkelret på vindretningen som ved sidevindstød, da vil de deraf følgende oscillationer midlerti-25 digt forskyde turbineakslen i et vandret plan som følge af, at kombinationen af gondolens og rotorens tyngdepunkt er forsat fra tårnets centerlinie. Rotation af de vippelige j blade samtidig med en sådan vinkeloscillation vil, på grund af gyroskopiske virkninger, periodisk forskyde turbinens 30 belastningsvektor vinkelmæssigt i et vandret plan i fase med tårnsvingningerne. Frembringelse af tårnsvingningerne forstærker den periodiske belastningsvektorforskydning og medfører ovennævnte oscillationer af turbinegondolen.

35 Det er indlysende, at sådanne oscillationer af turbinen er helt uønskede såvel af sikkerhedsmæssige grunde som af hen-

DK 162359 B

- 2 - syn til turbineydelsen, hvorfor sådanne svingninger skal undgås. Umiddelbart kan det forekomme, at sådanne krøj-ningsoscillationer kan undgås ved anvendelse af organer, som holder vindturbinen i krøjning ved den ønskede krøj-5 ningsstilling. Det ses imidlertid, at sidebevægelser af den øvre del af tårnet som følge af dettes iboende fleksibilitet stadig vil søge at fremkalde en vinkelforskydning af turbineakslens centerlinie, som kan belaste de krøj-ningsfastholdende organer væsentligt. Endvidere kan virk-10 ningen af de fastholdende organers fjederkonstant forøge den naturlige frekvens for tårnets sideudbøjninger til en svingning pr. omdrejning af turbinerotoren. Hvis rotoren ' er helt ubalanceret, vil tårnudbøjningsoscillationer være i det væsentlige forstærket og derved belaste de krøjnings-15 fastholdende organer i utilladelig grad og ødelægge disse.

DE-A-30 08 379 viser en mekanisme til indstilling af rotor-hovedet i en vindturbine i krøjningsstilling og omfattende dobbeltvirkende stempler til drejning af rotorhovedet med 20 uret og mod uret i forhold til det tårn, som bærer vind turbinen.

CH-A-242-424 viser en vindturbine med et aggregat til at indstille rotorhovedet i krøjningsstilling og et arrange-25 ment til at dæmpe oscillationer af vindturbinen, medens denne indstilling finder sted, hvilket arrangement udgøres af drøvleorganer indsat mellem sugesiden og tilførselssiden af de væskepumper, hvormed vindturbinen drejes til krøjningsstilling.

30 *

Formålet med opfindelsen er at minimere risikoen for oscillerende krøjningsforstyrrelser for en stor vindturbine som følge af sideudbøjninger af tårnet.

35 Dette opnås ifølge opfindelsen ved den i krav 1 anviste konstruktion.

- 3 -

DK 162359 B

Opfindelsen skal i det følgende forklares nærmere i forbindelse med tegningen, hvor fig. 1 skematisk viser en vindturbine med et krøjnings-, 5 driv- og dæmpesystem ifølge opfindelsen, og fig. 2 samme, men med systemet i en anden tilstand.

I fig. 1 er vist en stor vindturbine med bæreplansformede blade 15 og 20, som er monteret på et vippeligt roterbart 10 nav 25. Navet er via en hængseltap 26 drejeligt forbundet til en aksel 28. Akslen står i forbindelse med en gearkasse 30, som forøger omdrejningshastigheden for nav og blade til en størrelsesorden passende for drift af en elektrisk generator 35, der er forbundet med gearkassen via en aksel 15 37. En gondol 40 omgiver generatoren, gearkassen og for bindelsesakslerne. Gondolen omfater et drejeleje 45, som tjener til at understøtte gondolen på et slankt, elastisk og fritbærende tårn 50. Den viste vindturbine 10 er af den type, hvor rotoren omfattende bladene og navet er placeret 20 bag tårnet og gondolen set i vindretningen. Tyngdepunktet C.M. for den masse, som udgøres af rotoren, gondolen og andet turbineudstyr, er typisk også beliggende nedstrøms.

Tårnet, dvs. langsgående i forhold til gondolens længderetning forsat fra tårnets akse, og den samlede vægt af vind-25 turbinen uden tårnet er i fig. 1 repræsenteret ved en vek tor 55, der går gennem tyngdepunktet C.M.

Som tidligere omtalt vil en sådan kombination af et selvbærende tårn med iboende fleksibilitet og en vindturbine, 30 hvis tyngdepunkt er beliggende forsat fra tårnaksen, kunne medføre, at vindturbinen udsættes for kraftige krøjningsos-cillationer fremkaldt af periodisk sidebevægelse af den øverste del af tårnet. Til at minimere virkningen af sådanne oscillationer benyttes ifølge den foreliggende opfin-35 delse et system 60, som omfatter drivorganer 65, som er monteret på tårnet og forbundet til gondolen for at stille vindturbinen i krøjning og absorbere energi fra turbinens f f

DK 162359 B

- 4 - tendens til at oscillere i krøjning for at dæmpe sådanne oscillationer og de uheldige følger af disse.

Ved den foretrukne udførelsesform omfatter drivorganerne 65 5 en væskemotor med rotorer eller bevægelige dele 70 forbun det til gondolen ved drejelejet 45 som antydet med den punkterede streg 75. Væskemotoren 65 kan være af enhver kendt type, hvori rotorer 70 drives af en væskestrøm fra en væsketrykkilde 80, der er forbundet til drivorganerne 65 10 via ledninger 85 og 90 med en første styreventil 95 og led ninger 100 og 105. Væskemotoren 65 kan eksempelvis være en tandhjulspumpe, som antydet i fig. 1.

Styreventilen 95 har som vist tre indstillinger. Den øver-15 ste indstilling (fig. 2) afskærer alle væskestrømme mellem kilden 80 og drivorganerne 65. Den midterste indstilling (fig. 1) tillader væskestrøm med uret fra kilden 80 gennem ledningerne 85 og 100 til drivorganerne 65 og derfra retur gennem ledningerne 105 og 90, hvorved rotor 70 og gondol 20 drejes i en første krøjningsretning. I den nederste ven tilstilling ledes væske den modsatte vej gennem drivorganerne (mod uret), således at rotor 70 og gondol drejes i den modsatte krøjningsretning. En ønsket krøjningsindstil-ling kan således opnås ved selektiv styring af væskestrøm-25 men til motoren 65. Når den ønskede stilling er nået, stilles ventilen 95 i den øverste stilling, hvor væskestrøm er udelukket.

Systemet 60 omfatter også en ledning 110, der er forbundet 30 mellem ledningerne 85 og 90, altså parallelt med væskemoto ren 65, gennem styreventiler 115 og 120. Ledningen 110 indeholder en regulerbar drøvleventil 125, som letter styringen af strømmen gennem motoren 65. Som vist på tegningen har hver af ventilerne 115 og 120 to stillinger. I den 35 ene stilling forbindes ledningerne 85 og 90 med ledningen 110, når motoren 65 arbejder. I ventilernes 115 og 120 anden stilling (fig. 2) forbindes ledningerne 85 og 90 til - 5 -

DK 16 2 3 5 9 B

indstillelige dæmpeorganer 130,135 (variable modstande), som er forbundet med akkumulatorer 140 -henholdsvis 145.

Når vindturbinen er indstillet i den ønskede krøjningsstil-5 ling, stilles styreventilen 95 i sin øverste stilling (fig.

2), hvorved væskestrøm mellem kilden 80 og drivmotoren 65 ophører. Antages det nu, at tårnet udsættes for periodiske sideforskydninger, vil dette give anledning til oscillationer af gondolen på tårnet. Forbindelsen mellem rotorerne 10 70 og gondolen vil ved sådanne krøjningsoscillationer med føre, at rotorerne 70 drejes således, at motoren 65 virker som pumpe og leder væske fra den ene akkumulator til den anden gennem ventilerne 115 og 120, som er bragt i deres i fig. 2 viste stilling samtidig med, at forbindelserne mel-15 lem kilden 80 og motoren 65 blev afbrudt. En tendens, til at turbinen svinger i én retning, vil eksempelvis medføre, at væske pumpes fra akkumulatoren 140 gennem dæmpeorganet 130, ventilen 115, motoren 65 (der nu arbejder som pumpe), ventilen 120 og dæmpeorganet 135 til akkumulatoren 145. En 20 svingning i den modsatte retning vil fremkalde en væske strømning i den modsatte retning. Denne pumpeydelse kræver naturligvis energi tilført og vil derved dæmpe gondoloscillationerne. Herved minimeres de destabiliserende virkninger af disse oscillationer for opretholdelse af vindturbi-25 nen i den ønskede krøjningsindstilling. Det ses, at den ønskede energiafledning (dæmpning) skyldes bevægelse af rotorerne 70 mod væskens modtryk i ledningerne og akkumulatorerne. Dæmpningen forstærkes af dæmpeoganerne 130 og 135, som opvarmes af den gennemstrømmende væske. Hvis der op-30 står betragtelige krøjningsoscillationer, aktiveres aflast ningsventiler 150 og 155, som er parallelforbundet med den som pumpe arbejdende drivmotor 65. Når en af aflastningsventilerne 150,155 åbnes (afhængigt af pumperetrningen), øges pumpens 65 kapacitet, hvorved torsionsbelastningen på 35 tårnet begrænses.

- 6 -

DK 162359 B

Systemet 60 afleder således effektivt energi, som har forbindelse med vindturbine-krøjningsoscillationer. Dette fastholder ikke blot vindturbinen i den ønskede krøjnings-stilling, men hindrer også tårnudbøjning som følge af 5 rotorubalance, momenttransienter, sidevindstød og rotor- vipning. Det ses endvidere, at systemet, foruden de nævnte krøjningsoscillationer, dæmper enhver dynamisk krøjnings-instabilitet i vindturbinen, uanset om denne er i drift eller ude af drift med bladene kantstillet. I tilfælde af 10 blad- eller turbinestyresystemødelæggelse, som vil nedsætte den naturlige frekvens for kantvis bøjning af bladene, vil systemet ifølge den foreliggende opfindelse give et middel til at dæmpe krøjningsforstyrrelser fremkaldt deraf. For den mest effektive anvendelse af den 15 foreliggende opfindelse skal drejelejet have lille friktion, hvorhos systemet ifølge opfindelsen vil dæmpe krøjningsoscillationer generelt.

Inden for opfindelsens rammer kan den væskemekaniske reali-20 sering, som er vist på tegningen, erstattes af eksempelvis elektromekaniske motorer, bremser og lignende udstyr.

25 30 35

Claims (9)

1. Vindturbine med et antal bæreplansformede blade (15, 20. monteret på et roterbart nav (25), hvilken vindturbine 5 er monteret på et fleksibelt, selvbærende tårn (50) og har sit tyngdepunkt forsat i forhold til dette og er drejelig om en krøjningsakse gennem tårnet, og hvilken vindturbine omfatter et arrangement til dæmpning af svingninger omkring krøjningsaksen, kendetegnet ved at omfatte 10 drivorganer (70), der er monteret på tårnet (50) og forbun det til vindturbinen (10) for at bringe denne i ønsket krøjningsstilling, hvilke drivorganer ved valgte krøjnings-indstillinger for vindturbinen er indrettet til at blive drevet af krøjningsoscillationer og ved dæmpere, der er 15 forbundet med drivorganerne (70) for at dæmpe bevægelse i disse, når disse drives af krøjningsoscillationer.

2. Vindturbine ifølge krav 1, kendetegnet ved, at drivorganerne omfatter en væskemotor (70) forbundet med 20 en bevægelig del til vindturbinen, hvilken bevægelig del drives af en gennemstrømmende væske for at indstille vindturbinen i ønsket krøjningsstilling, og hvilken bevægelig del arbejder som pumpe, når den drives af vindturbinens oscillationer . 25

3. Vindturbine ifølge krav 2, kendetegnet ved at omfatte en væskekilde (80) og en første styreventil (95), der er anbragt mellem væskekilden og motoren for at styre tilførslen af væske til motoren fra kilden. 30

4. Vindturbine ifølge krav 3, kendetegnet ved, at den første styreventil (95) har en første stilling, som medfører væskestrøm fra kilden (80) til motoren (70) i en første retning, en anden stilling, som medfører væskestrøm 35 fra kilden (80) til motoren (70) i en anden modsat retning, og en tredje stilling, som adskiller kilden (80) fra motoren (70), således at denne kan drives som pumpe af vindtur- - 8 - DK 162359 B binens krøjningsoscillationer.

5. Vindturbine ifølge krav 4, kendetegnet ved, at de nævnte dæmpeorganer (130,135,140,145) omf atter gen- 5 nemstrømningsbegrænsning (130,135) af væske, der pumpes af motoren (70), når den drives af turbinekrøjningsoscillatio-ner.

6. Vindturbine ifølge krav 5, kendetegnet ved 10 at omfatte en akkumulator (140,145) til modtagelse af den fra motoren (70).gennem nævnte gennemstrømningsbegrænsning (130,135) pumpede væske.

7. Vindturbine ifølge krav 5 eller 6, kendet eg - 15 net ved at omfatte en anden styreventil (115,120) an bragt mellem væskemotoren (70) og dæmpeorganerne (130,135, 140,145).

8. Vindturbine ifølge krav 7, kendetegnet ved, 20 at den anden styreventil (115,120) har en første stilling, som tillader væskestrøm mellem væskemotoren (70) og dæmpeorganerne (130,135,140,145), og en anden stilling, hvor væskestrøm mellem motoren og dæmpeorganerne er afbrudt. 25

9. Vindturbine ifølge krav 2-8, kendetegnet ved at omfatte en drøvleventil (125) forbundet over væskemotoren (70) for at regulere væskestrømmen gennem denne, når motoren indstiller vindturbinen. 30 35