NL1005000C2

NL1005000C2 - Windturbine.

Info

Publication number: NL1005000C2
Application number: NL1005000A
Authority: NL
Inventors: Richard Yemm; Hendrik Jan Heerkes
Original assignee: Aerpac Special Products B V
Priority date: 1997-01-14
Filing date: 1997-01-14
Publication date: 1998-07-15
Also published as: EP0853197A1

Description

X Sch/BM/3

Windturbine

De uitvinding heeft betrekking op een windturbine, omvattende: een draagconstructie; een door die draagconstructie gedragen gestel; 5 een ten opzichte van dat gestel roteerbaar gelagerde as die aan een vrije eindzone een naaf draagt waaraan ten minste één aërodynamisch gemodelleerd blad bevestigd is, welk blad door wind in beweging kan worden gebracht voor het doorroteren van de as; en 10 met de as gekoppelde omzetmiddelen voor het omzetten van de bewegingsenergie aan de as in een andere vorm van energie, bijvoorbeeld warmte, waterstroming, elektriciteit of dergelijke. Een dergelijke windturbine is in vele uitvoeringen bekend.

15 Bijvoorbeeld omvat de turbine twee of meer bladen die zodanig zijn gegroepeerd, dat de rotor, omvattende de as, de naaf en de bladen, een rotatiehartlijn bezit die samenvalt met de omwentelingshartlijn van de as. Ook kan gebruik worden 20 gemaakt van een structuur, waarbij slechts één blad wordt gebruikt. Ter vermijding van onbalans wordt dan gebruik gemaakt van een contragewicht.

Het is gebleken, dat de bladen van snel draaiende windturbines bij het toenemen van de 25 windsnelheid kunnen worden geëxciteerd in een

Eigenfrekwentie. Dit verschijnsel treedt op doordat onder deze omstandigheden de aërodynamisch demping afneemt en zelfs negatieve waarden kan bereiken. De Eigenfrekwenties in kwestie zijn afhankelijk van het ontwerp van de 30 turbine maar liggen in vele gevallen in de orde van grootte van 2-3 Hz.

Bekend zijn beveiligingsmiddelen die in staat zijn het optreden van dergelijke resonanties te 1005000 2 detecteren en remmiddelen in werking kunnen stellen, waardoor bij het optreden van resonanties met een gevaarlijk amplitude de rotor van de turbine wordt afgeremd of zelfs geheel wordt stilgezet.

5 Het is een doel van de uitvinding, voorzieningen te bieden, door toepassing waarvan een windturbine onder de genoemde omstandigheden zonder noodingrepen kan blijven werken, zonder dat er gevaar op gevaarlijke resonanties ontstaat.

10 Met het oog hierop vertoont de windturbine volgens de uitvinding het kenmerk dat in de vrije eindzone van het of ten minste één blad ten minste één mechanische resonator met een daarmee gekoppelde demper is aangebracht, waarvan een Eigenfrekwentie in hoofdzaak 15 gelijk is aan de frekwentie van een te onderdrukken resonantie van het blad, in welke resonantie de wiek trilt in het door zijn baan tijdens bedrijf bepaalde vlak; en de resonator een massa omvat die althans in het 20 genoemde vlak reciprocerend rond een middenstand beweegbaar is.

De Eigenfrekwentie en de dempingsfactor van de demper dienen aan het ontwerp van de windturbine in kwestie te worden aangepast en kunnen sterk uiteenlopen. 25 Een specifieke uitvoering vertoont de bijzonderheid dat de massa deel uitmaakt van een slinger, waarvan de rotatiehartlijn en het massamiddelpunt van de slinger een arm bepalen die zich in de genoemde middenstand in de lengterichting van het blad uitstrekt. 30 Een voorkeursuitvoering is gekenmerkt door een met de eerste slinger positief gekoppelde tweede slinger, waarvan de arm zich in de genoemde middenstand in de lengterichting van het blad uitstrekt.

In het bijzonder deze laatste uitvoering maakt 35 als het ware gebruik van een positieve en een negatieve slinger, waardoor een groot massatraagheidsmoment ontstaat, corresponderend met een relatief grote effectieve lengte van de slinger. Bijvoorbeeld kan met 1005000 3 een totale inbouwlengte in de langsrichting van een blad in de orde van 250 mm een slinger met de lengte van 800 mm worden gesimuleerd.

Ten einde onbalans en moeilijk voorspelbaar 5 gedrag van de twee slingers te voorkomen kan de genoemde uitvoering de bijzonderheid vertonen dat in de middenstand de armen van de slingers zich in hoofdzaak in eikaars verlengde uitstrekken, zodanig dat de massamiddelpunten van de slingers in hoofdzaak in één 10 gemeenschappelijk vlak beweegbaar zijn.

Een praktische uitvoering van de variant met de twee tegengesteld werkende slingers vertoont de bijzonderheid dat twee massa's worden gedragen door respectieve draagarmen en rond respectieve 15 rotatiehartlijnen roteerbaar zijn, en dat de armen door transmissiemiddelen voor tegengestelde rotatie positief gekoppeld zijn. De transmissiemiddelen kunnen bijvoorbeeld een tandriem of dergelijke omvatten. De voorkeur wordt echter gegeven aan een uitvoering, waarin 20 de koppelmiddelen een stel samenwerkende tandwielen omvatten.

Ontwerptechnisch zeer eenvoudig is die uitvoering, waarin de transmissieverhouding 1 bedraagt.

Tevens kunnen de beide slingerarmen in 25 hoofdzaak gelijk zijn.

Een mechanisch elegante uitvoering van het beschreven voorkeursvoorbeeld vertoont de bijzonderheid dat de draagarm van elke slinger een zodanige vorm bezit, dat hij een aanzienlijke rotatie in beide richtingen ten 30 opzichte van de middenstand kan maken onder vrijlating van het rotatielager van de andere slinger.

Een andere variant die met eenvoudige middelen een groot massatraagheidsmoment kan realiseren en daarmee een grote slingerlengte kan realiseren vertoont de 35 bijzonderheid dat de massa vrij roteerbaar is en tijdens beweging door een vaste baan positief roterend wordt aangedreven.

1005000 4

De demper kan in principe van elk geschikt type zijn, dat in staat is een snelheidsafhankelijke tegenkracht op de resonator uit te oefenen. Een demper kan zijn gebaseerd op viscositeit, op wrijving of elk 5 ander geschikt mechanisme. Volgens de uitvinding wordt de voorkeur gegeven aan een uitvoering, waarin de demper een wervelstroomdemper is, omvattende elektrische geleidingsmiddelen en magneetmiddelen, waarvan de ene met de beweegbare massa gekoppeld is en de andere vast ten 10 opzichte van het blad opgesteld is. Begrepen dient te worden, dat de elektrische geleidingsmiddelen en de magneetmiddelen zodanig dienen samen te werken, dat de gewenste dempingsfactor wordt verkregen.

Een praktische uitvoering is gekenmerkt door 15 tweede transmissiemiddelen die de rotatie van de resonator overbrengen naar een roteerbaar gelagerde, elektrisch geleidende schijf van bijvoorbeeld aluminium, langs het hoofdvlak waarvan magneetmiddelen, bijvoorbeeld ten minste één permanente magneet, is opgesteld.

20 Deze uitvoering is bij voorkeur zodanig uitgevoerd dat de tweede transmissiemiddelen een transmisseverhouding van meer dan 1, bijvoorbeeld 10-50, bezitten.

Zoals reeds gemeld, is de optimale 25 dempingsfactor afhankelijk van het totale ontwerp van de turbine. De voorkeur wordt evenwel gegeven aan een uitvoering, waarin de dempingsfactor van de demper een waarde in het gebied van ca. 0,1 - 1,0 bezit.

Ten einde de aërodynamisch vormgeving van een 30 blad niet te verstoren kan bij voorkeur de turbine volgens de uitvinding zodanig zijn uitgevoerd dat de resonator in het blad is geaccommodeerd.

Een specifieke uitvoering vertoont de bijzonderheid dat de naaf ten minste drie bladen draagt 35 en dat ten minste twee aangrenzende bladen elk van een resonator voorzien zijn. Merkwaardigerwijze is gebleken, dat het optreden van de genoemde resonanties veelal een beeld toont, volgens welke twee aangrenzende bladen in 1005000 5 tegenresonantie verkeren. Begrepen dient er te worden, dat de eventueel in de rotor optredende onbalans, die ontstaat doordat niet alle bladen van een resonator zijn voorzien, bijvoorbeeld door een contramassa of een dummy-5 massa in een ander blad kan worden gecompenseerd. Anderzijds dient ook te worden begrepen, dat een resonator, die bijvoorbeeld geheel uit metaal, bijvoorbeeld aluminium, staal of dergelijke is opgebouwd, een ten opzichte van het totale gewicht van een blad 10 verwaarloosbare extra massa met zich meebrengt. Zo nodig kan een wiek ook door een of meer contragewichten in balans worden gebracht.

In een specifieke uitvoering vertoont de turbine de bijzonderheid dat de demper van extern 15 bestuurbaar elektromagnetisch type is.

In het bijzonder kan deze variant zodanig zijn uitgevoerd dat de demper een inrichting omvat die zowel als elektromotor als als generator kan werken. Hiermee kan enerzijds actief in het gedrag van de demper worden 20 ingegrepen en anderzijds kan hiermee worden bereikt dat de door de demper afgegeven energie kan worden gebruikt om bijvoorbeeld een elektronisch besturingssysteem te voeden, waardoor de turbine in hoofdzaak onafhankelijk kan zijn van externe energietoevoer. Bijvoorbeeld kan een 25 centrale energie-opslag en een of meer batterijen omvatten en kunnen bijvoorbeeld zonnecellen worden gebruikt voor het op spanning houden van de accu voor voeding van de elektronische componenten van de turbinen.

De beschreven bestuurbare uitvoeringen van de 30 demper kunnen deel uitmaken van een tegengekoppeld systeem, waardoor een grote mate van flexibiliteit wordt gecombineerd met een grote betrouwbaarheid.

Een specifieke uitvoering is gekenmerkt door een programmeerbare besturingseenheid voor het besturen 35 van de demper. Bijvoorbeeld kan het systeem adaptief of zelfs lerend zijn. De besturingseenheid kan op fuzzy logic gebaseerd zijn.

1005000 6

De uitvinding zal nu worden toegelicht aan de hand van bijgaande tekeningen. Hierin tonen: figuur 1 een vooraanzicht van een windturbine,· figuur 2 een schematisch vooraanzicht van een 5 resonator; figuur 3 een schematisch vooraanzicht van een andere uitvoering van een resonator, die twee tegengesteld werkende slingers omvat; figuur 4 een zij-aanzicht van de resonator 10 volgens figuur 3; de figuren 5a, 5b en 5c respectievelijk een eerste extreme stand, een middenstand en een tweede extreme stand van de resonator volgens figuur 3; figuur 6 een grafische weergave van de 15 Eigenfrekwentie van een proefmodel van de resonator volgens figuur 3, uitgezet tegen de massaverhouding van de twee slingers; figuur 7 een oscilloscoopbeeld dat is opgenomen bij het bepalen van een Eigenfrekwentie bij een 20 centrifugale versnelling van 19g,· de figuren 8 en 9 oscilloscoopbeelden van de respectieve uitwijkingen van de resonator van een testmodel bij respectievelijk maximale en minimale demping.

25 Figuur 1 toont een windturbine 1, omvattende een voet 2, een draagkolom 3, een gestel 4, dat tevens de behuizing van een generator vormt, een niet-getekende, aan het gestel gelagerde as, een aan de as aangebrachte naaf 5 en drie op onderling gelijke hoekafstanden aan die 30 naaf bevestigde bladen 6, 7, 8. Een pijl 9 geeft de rotatierichting weer, die wordt bepaald door de aërodynamische vorm en richting van de bladen 6, 7, 8. De bladen 7 en 8 zijn aan hun einden voorzien van identieke resonatoren, die beide met een verwijzingsgetal 10 zijn 35 aangeduid. De resonatoren zijn van het type volgens de figuren 3, 4 en 5.

Respectieve getrokken en onderbroken getekende pijlen 11, 12 duiden symbolisch aan, op welke wijze 1005000 7 bijvoorbeeld de bladen 7 en 8 in tegenresonantie kunnen verkeren. De resonatoren 10 dienen ervoor om deze tegenresonantie effectief te voorkomen.

Figuur 2 toont een resonator 13 omvattende een 5 ten opzichte van een rotorblad vast opgesteld rotatielager 14 waaromheen een slinger 15 roteerbaar is. De slinger draagt aan zijn einde via een rotatielager 16 een roteerbare schijf 17, die tijdens het uitvoeren van een zwenkbeweging volgens pijl 18 roterend wordt 10 aangedreven door een tandwiel 39 dat samenwerkt met een gekromde tandheugel 19. Met onderbroken lijnen is de slinger 15' getekend in de situatie waarin hij een rotatie heeft ondergaan. Hydraulische dempers 20, 21 dempen de zwenkbewegingen van slinger 15. Ze zijn 15 aangebracht tussen een vast gestel 22, dat vast verbonden is met een blad, en twee zij-airmen 23, 24 van slinger 15. Door middel van verschillende gaten, die alle gemakshalve met 125 zijn aangeduid, kunnen de posities van de dempers 20, 21 en daarmee de dempingsfactor worden ingesteld.

20 Doordat de massa 17 roteerbaar is vertoont de slinger 15 een aanzienlijk grotere traagheid dan uitsluitend verklaarbaar zou zijn aan de hand van het massatraagheidsmoment van de slinger 15, 17. Hierdoor wordt een grotere dan de fysieke slingerlengte 25 gesimuleerd.

Figuur 3 toont een voorkeursuitvoering, waarbij een met bijvoorbeeld blad 7 verbonden resonator een gestel 25 omvat, dat door middel van respectieve rotatielagers 26, 27 respectieve tandwielen 28, 29 en 30 draagarmen respectievelijk 30, 31 draagt. Deze draagarmen dragen respectievelijk massa's 32, 33. Deze massa's zijn bijvoorbeeld uitgevoerd als zware metalen blokken, waarvan de effectieve waarde kan worden gewijzigd door daarin via aanwezige schroefgaten schroeven te bevestigen 35 of te verwijderen.

De tandwielen 28 en 29 zijn identiek, evenals de armen 30 en 31. Hierdoor zijn de rotaties van de massa's 32 en 33 identiek. Door het feit dat de massa's 1005000 8 ongelijk zijn en bovendien onderling iets verschillende afstanden tot het rotatiemiddelpunt van naaf 5 bezitten, werken de massa's elkaar voor het onderdrukken van de beschreven resonanties effectief tegen. Hierdoor wordt 5 een verrassend grote traagheid gerealiseerd, zonder dat daarvoor een langer slinger noodzakelijk is.

Via een transmissie, omvattende een door tandwiel 29 aangedreven niet-getekend tandwiel, een daarmee op één as 34 gerangschikt tandwiel 35 en een 10 relatief klein tandwiel 36 wordt een daarmee rechtstreeks gekoppelde aluminium schijf 37 roterend aangedreven onder positieve koppeling met de rotatie of zwenking van de massa's 32 en 33. Doordat langs het hoofdvlak van de schijf 37 een permanente magneet 38 is geplaatst, worden 15 tijdens de relatief snelle rotatie van schijf 37 tijdens werkzaamheid van de resonator aanzienlijke wervelstromen in de schijf 37 opgewekt, die een sterk remmende invloed hebben op de door de resonator nagestreefde bewegingssnelheid. Dit heeft effectief het effect van het 20 introduceren van een demping. De sterkte van de magneet en zijn afstand tot de schijf is bepalend voor de dempingsfactor.

Figuur 4 toont de resonator 10 in zij-aanzicht.

Figuur 5b toont schematisch de middenstand van 25 de resonator 10 volgens figuur 3.

Figuur 5a toont de ene extreme rotatiestand, terwijl figuur 5c de andere extreme rotatiestand toont. Deze laatste stand wordt bereikt door de in het bijzonder in figuur 3 duidelijk getoonde vorm van de draagarmen 30, 30 31. Door de gekromde vorm kan de getekende verweven opbouw van de slingers worden gerealiseerd, waardoor een geheel symmetrische opbouw zonder onbalans is bereikt.

De resonator volgens de figuren 3, 4 en 5 omvat, zoals beschreven, als het ware een positief 35 werkende slinger met positieve stijfheid en een daarmee positief gekoppelde tweede slinger met tegengestelde werking die beschreven kan worden als een slinger met negatieve stijfheid. Door het wijzigen van de verhouding 1005000 9 van de massa's 32 en 33 kan de Eigenfrekwentie van de resonator over een brede band nauwkeurig worden ingesteld, zonder de geometrie van het systeem of de totale bewegende massa te wijzigen, en onder handhaving 5 van de geringe inbouwlengte. In de getoonde uitvoering kunnen de slingers rotatiehoeken tot +/- 40° vertonen. De wervelstroomdemper is gemakkelijk in te stellen en vereist geen enkel onderhoud.

De ongedempte natuurlijke frekwentie van de 10 vrije trilling van de resonator is bij een versnelling lg gemeten over het hele instelgebied. Figuur 2 toont de meetresultaten in vergelijking tot theoretische voorspellingen. Het is duidelijk, dat de overeenstemming tussen theorie en praktijk zeer goed is.

15 Figuur 3 toont een typisch oscilloscoopbeeld dat wordt verkregen bij onderzoekingen van de oscillatiefrekwentie. Opgemerkt wordt, dat bij sneldraaiende turbines grote versnellingen in de eindzones van de bladen en daarmee de resonatoren kunnen 20 optreden. Deze versnellingen kunnen in de orde 15-25g liggen.

De figuren 8 en 9 tonen oscilloscoopbeelden van het dempingsgedrag bij verschillende extreme dempingsfactoren. Alle proefnemingen zijn bij een 25 versnellingsniveau van lg uitgevoerd. Figuur 8 toont een zwaar overgedempt gedrag, in dit geval corresponderend met een dempingsfactor van meer dan 3 bij lg. Dit correspondeert met een dempingsfactor van iets meer dan 0,8 bij praktische omstandigheden van 17g.

30 De situatie volgens figuur 9 correspondeert met een dempingsfactor van ca. 1,5 bij lg corresponderend met ongeveer 0,35 bij 17g.

Begrepen dient te worden, dat de getoonde gegevens slechts indicatief zijn. Vermoed wordt, dat de 35 dempingsfactor in de praktijk nog iets lager dan de gemeten waarden kunnen liggen, bijvoorbeeld in de orde van 0,2.

1005000

Claims

1. Windturbine, omvattende: een draagconstructie; een door die draagconstructie gedragen gestel; een ten opzichte van dat gestel roteerbaar 5 gelagerde as die aan een vrije eindzone een naaf draagt waaraan ten minste één aërodynamisch gemodelleerd blad bevestigd is, welk blad door wind in beweging kan worden gebracht voor het doorroteren van de as,· en met de as gekoppelde omzetmiddelen voor het 10 omzetten van de bewegingsenergie aan de as in een andere vorm van energie, bijvoorbeeld warmte, waterstroming, elektriciteit of dergelijke; met het kenmerk dat in de vrije eindzone van het of ten minste één 15 blad ten minste één mechanische resonator met een daarmee gekoppelde demper is aangebracht, waarvan een Eigenfrekwentie in hoofdzaak gelijk is aan de frekwentie van een te onderdrukken resonantie van het blad, in welke resonantie de wiek trilt in het door zijn baan tijdens 20 bedrijf bepaalde vlak; en de resonator een massa omvat die althans in het genoemde vlak reciprocerend rond een middenstand beweegbaar is.

2. Windturbine volgens conclusie 1, 25 met het kenmerk dat de massa deel uitmaakt van een slinger, waarvan de rotatiehartlijn en het massamiddelpunt van de slinger een arm bepalen die zich in de genoemde middenstand in de lengterichting van het blad uitstrekt.

3. Windturbine volgens conclusie l, gekenmerkt door 1005000 een met de eerste slinger positief gekoppelde tweede slinger, waarvan de arm zich in de genoemde middenstand in de lengterichting van het blad uitstrekt.

4. Windturbine volgens conclusie 3 5 met het kenmerk dat in de middenstand de armen van de slingers zich in hoofdzaak in eikaars verlengde uitstrekken, zodanig dat de massamiddelpunten van de slingers in hoofdzaak in één gemeenschappelijk vlak beweegbaar zijn.

5. Windturbine volgens conclusie 3 met het kenmerk dat twee massa's worden gedragen door respectieve draagarmen en rond respectieve rotatiehardlijnen roteerbaar zijn, en dat de armen door transmissiemiddelen 15 voor tegengestelde rotatie positief gekoppeld zijn.

6. Windturbine volgens conclusie 5 met het kenmerk dat de koppelmiddelen een stel samenwerkende tandwielen omvatten.

7. Windturbine volgens conclusie 5 met het kenmerk dat de transmissieverhouding 1 bedraagt.

8. Windturbine volgens conclusie 5 met het kenmerk dat 25 de beide slingerarmen in hoofdzaak gelijk zijn.

9. Windturbine volgens conclusie 5 met het kenmerk dat de draagarm van elke slinger een zodanige vorm bezit, dat hij een aanzienlijke rotatie in beide 30 richtingen ten opzichte van de middenstand kan maken onder vrijlating van het rotatielager van de andere slinger.

10. Windturbine volgens conclusie l met het kenmerk dat 35 de massa vrij roteerbaar is en tijdens beweging door een vaste baan positief roterend wordt aangedreven.

11. Windturbine volgens conclusie l met het kenmerk dat 1005000 de demper een wervelstroomdemper is, omvattende elektrische geleidingsmiddelen en magneetmiddelen, waarvan de ene met de beweegbare massa gekoppeld is en de andere vast ten opzichte van het blad opgesteld is.

12. Windturbine volgens conclusie 11, gekenmerkt door tweede transmissiemiddelen die de rotatie van de resonator overbrengen naar een roteerbaar gelagerde, elektrisch geleidende schijf van bijvoorbeeld aluminium, 10 langs het hoofdvlak waarvan magneetmiddelen, bijvoorbeeld ten minste één permanente magneet, is opgesteld.

13. Windturbine volgens conclusie 12, met het kenmerk dat de tweede transmissiemiddelen een 15 transmisseverhouding van meer dan 1, bijvoorbeeld 10-50, bezitten.

14. Windturbine volgens conclusie l met het kenmerk dat de dempingsfactor van de demper een waarde in 20 het gebied van ca. 0,1 - 1,0 bezit.

15. Windturbine volgens conclusie 1 met het kenmerk dat de resonator in het blad is geaccommodeerd.

16. Windturbine volgens conclusie 1 25 met het kenmerk dat de naaf ten minste drie bladen draagt en dat ten minste twee aangrenzende bladen elk van een resonator voorzien zijn.

17. Windturbine volgens conclusie 1 30 met het kenmerk dat de demper van extern bestuurbaar elektromagnetisch type is.

18. Windturbine volgens conclusie 17 met het kenmerk dat 35 de demper een inrichting omvat die zowel als elektromotor als als generator kan werken.

19. Windturbine volgens conclusie 18 gekenmerkt door 1005000 een programmeerbare besturingseenheid voor het besturen van de demper. ' Λ 0 50 00