NL1007538C1 - Rotorbladophanging van een windturbine. - Google Patents

Description

Rotorbladophanging van een windturbine

De uitvinding betreft een rotorbladophanging en regeling van een horizontale as windturbine met een of meer rotorbladen (fig.l).

5 Horizontale as windturbines zijn in velerlei uitvoeringsvormen bekend, waarbij de rotorbladen op diverse manieren zijn verbonden met de rotomaaf, welke aan de horizontale aandrijfas is bevestigd. Indien de verstelling van de rotorbladen om hun lengteas mogelijk is,spreekt men van bladgeregelde windturbines, indien de rotorbladen vast aan de rotomaaf zijn verbonden ,zijn dit veelal overtrek 10 geregelde windturbines. Daarnaast kan het toerental van de horizontale as konstant of variabel zijn.

Doordat de wind varieert in snelheid en in richting treden er grote krachtenvaraties op, waardoor de rotorbladen en dus de gehele windturbine zwaar op vermoeiing belast wordt, hetgeen een sterk nadelige invloed heeft op 15 de dimensionering en levensduur van de windturbine, waardoor de verhouding kostprijs/opbrengst, verder genoemd efficiency nog niet optimaal is.

De uitvinding beoogt een hogere efficiency te verkrijgen, door de fluktuaties van de optredende krachten te verkleinen, waardoor bij eenzelfde windbelasting op de windturbine en grotere rotordiameter kan worden toegepast, 20 zodat de opbrengst en efficiency vergroot wordt.Dit wordt bereikt door de rotorbladen te laten roteren om een langwerpig cilindrisch draagelement welke aan de rotomaaf is bevestigd, waarbij de rotorbladen van de wind af draaien in Y-X richting volgens fig.4 en de rotorbladen een bladhoekstand innemen, welke optimaal is en bij hogere windsnelheden het gewenste maximale vermogen 25 konstant houden en niet laten overschrijden.

Het resultaat is een verbeterde vermogens-windsnelheidscurve de z.g.

P-Vcurve (fig.2) en daardoor een grotere efficiency.

Een grotere efficiency is getracht te bereiken door vele windturbine-bouwers en ontwerpers.

30 Overtrek of z.g. stall geregelde windturbines zullen nooit optimaal zijn, doordat bij hogere windsnelheden de benodigde vermogensreduktie wordt bereikt, door meer aërodynamische weerstand te creeren, waardoor de windturbine zwaar wordt belast. Tevens treden bij windrichtings en windsnelheidvariaties, sterke belastingvariaties op.

1 0 0 7 5 3 8 2

Een andere groep windturbines zijn de actief bladgeregelde windturbines. Hierbij wordt de bladverstelling geregeld door een actief element zoals een mechanisch,electrisch , pneumatisch of hydraulisch element, welke het rotorblad een bepaalde bladhoekstand geeft.

5 De gebleken nadelen van deze oplossing zijn: - De snelheid van de bladhoekregeling is te laag t.o.v.de snelheid van de verandering van de windsnelheid en windrichting. Daardoor treden juist extra hoge kracht en vermogensfluktuaties op.

- De draaibare bevestiging van het rotorblad aan de rotomaaf en de uitvoering 10 van de bladhoekverstelling en regeling is ingewikkeld, kwetsbaar en duur.

Een andere groep ontwerpers heeft getracht de bladhoek van het rotorblad te regelen door middel van de aërodynamische krachten op het rotorblad.

Het resultaat van deze pogingen is veelal: - De gewenste P-Vcurve wordt toch niet bereikt.

15 - Er treden ongewenste trillingen en krachtenfluctuaties op.

- De konstruktie is toch ingewikkeld en duur, vooral voor grotere rotordiameters.

De belangrijkste oorzaak van deze slechte resultaten is, dat het aërodynamische regelmoment Maer volgens fig.4 , welke het rotorblad van de wind af moet 20 laten draaien, relatief klein is en welk moment niet groot genoeg is ten opzichte van het tegengestelde moment welke bestaat uit de som van het wrijvingsmoment Mw, het massatraagheidsmoment Mm, en het tegenwerkend moment Mt.

Voor een goede bladhoekregeling is dan ook een eis: 25 Maer Mw + Mm + Mt

Een andere oorzaak van de slechte resultaten is, dat men het zwaartepunt van het rotorblad inclusief eventueel kontragewicht op een te grote afstand van de rotatieas van het rotorblad positionneert.

Bij niet gekoppelde rotorbladen treden dan als gevolg van de zwaartekracht, bij 30 rotatie om de aandrijfas, krachtenfluktuaties op welke bladhoekvariaties geven, hetgeen weer aërodynamische krachtenfluktuaties geeft, met als totaal gevolg; trillingen en sterke belastingvariaties. Men lost de trillingen dan op door het bladverstelmechanisme van de rotorbladen te koppelen. Door optredende momentane windsnelheids en richtingsveranderingen in het rotatievlak van de 35 rotor, treden dan echter weer sterke belastingsvariaties op, omdat ieder rotorblad afzonderlijk geen optimale stand heeft ten opzichte van windrichting en snelheid.

1007538 3

Een aantal octrooiaanvragen en octrooien hebben als doel een optimaal door aërodynamische krachten bladhoekgeregelde turbine te realiseren zoals 8202174, 8202174, 8802485, W O 91/12429, 8603304, 4,366,387,8204927, 0 009 767 BI,DE 3335027 Al,DE 3219930 Al,DE 3446843 Al.

5 Het beoogde optimale resultaat wordt niet bereikt om een of meer van de volgende redenen: le. De plaats en richting van de rotatieas van het rotorblad t.o.v.de lengteas van het rotorblad wordt niet juist gekozen, waardoor het benodigde aërodynamische regelmoment voor bepaalde bladhoeken te klein is.

10 2e. Het gewicht van het rotorblad is te hoog en het zwaartepunt ligt op een te grote afstand van de rotatieas.

3e. Het bladverstelmechanisme van de rotorbladen is gekoppeld.

4e. De rotorbladen maken te grote klapbewegingen in stroomafwaartse richting van de wind.

15 5e. De scharnieren of lagers waarmee de rotorbladen aan de rotomaaf zijn bevestigd hebben een te grote wrijvingsweerstand.

6e. De gekozen veermechanismen hebben niet de vereiste veerkarak-teristiek.

7e. Het zwaartepunt van het rotorblad ligt op een te grote afstand van de 20 rotatieas, waardoor het massatraagheidsmoment ten opzichte van de rotatieas te groot is, waardoor de bladhoekverstelling te traag wordt.

Een uitvinder en fabrikant welke door middel van aërodynamische bladhoekregeling erg ver gekomen is in de efficiencyverbetering van horizontale 25 as windturbines ,is Lagerwey.

De Lagerwey windturbines van circa 80 en 250 Kw hebben een 2-bIadige rotor. De rotorbladen zijn door middel van een dubbelschamier aan de rotomaaf verbonden. De rotorbladen kunnen in stroomafwaartse richting van de wind (Z-X richting volgens fig. 1) klappen en de bladhoek kan variëren.

30 Het benodigde aërodynamisch moment Maer,om de bladhoek bij hogere windsnelheden de gewenste stand te geven, wordt hoofdzakelijk bereikt, door het toerental van de rotor te verhogen.

Het zwaartepunt van het rotorblad ,de rotatieas van de bladverstelling vallen nagenoeg samen met de 1/4 koordeas van het rotorblad. Doordat de rotorbladen 35 tevens een klapbeweging in Z-X richting kunnen maken, worden er veel vrijheidsgraden geïntroduceerd.

1 0 C 7 5 3 8 4

De nadelen van de genoemde Lagerwey turbine zijn de volgende: le. Het toerental moet variabel zijn. Dit maakt een windturbine ingewikkelder en duurder. Daardoor is dit concept niet geschikt voor de grote groep windturbines met een konstant toerental.

5 Door het dubbelschamier van de rotorbladophanging kunnen de rotorbladen in de stroomafwaartse richting van de wind klappen.

Daardoor wordt een groot aantal vrijheidsgraden geïntroduceerd.

Het ontwerp en berekeningen zijn ingewikkeld en betreffen de gehele windturbine voor een bepaald vermogen en diameter. Het rotor-10 concept kan niet zonder meer op een andere turbine worden toege past.

3e. De uitslag van de klapbewegingen van de rotorbladen moet bij zeer hoge windsnelheden beperkt worden. Deze uitslagbegrenzers geven hoge belastingen op rotorbladen en konstruktie.

15 4e. Het scharnier van de rotorbladverstelling is uitgevoerd als astap aan het rotorblad en lager in het dubbelschamier van de rotomaaf.

Bij kleinere rotordiameters en beperkte astapdiameter is de weerstand nog acceptabel. Bij grotere rotordiameters en astapdiameters wordt de weerstand te groot.

20 5e. Het dubbelschamier van de rotorbladophanging en bevestiging van het rotorblad aan de astap is ingewikkeld, niet universeel en duur, vooral voor grotere rotordiameters.

6e. Door de klapbewegingen van de rotorbladen moet het middelpunt van het rotatievlak van de rotor op een grotere afstand dan normaal, van de 25 mast gelegen zijn. De wisselende krachten op het kruimechanisme worden dan groter, waardoor het kruimechanisme en overige draag-konstruktie zwaarder en duurder worden, vooral voor grotere rotordiameters.

Een uitvinding welke een oplossing geeft ,is die welke beschreven 30 wordt in octrooi nummer 1002324.

Deze uitvinding is een verbetering van octrooi 1002324 en wel op de volgende punten.Ten eerste wordt geen kontragewicht meer toegepast.

Ten tweede wordt nu een langwerpig draagelement toegepast, waardoor het rotorblad minder gewicht heeft en de reaktiekrachten op de lagering kleiner zijn. 35 Ten derde wordt nu het tegenwerkende moment Mt gerealiseerd door een luchtcilinder met veer i.p.v. het ingewikkelder nok-rol-veermechanisme 1 0 0 7 5 3 8 5

Deze uitvinding beoogt het doel te bereiken en de bovengenoemde bezwaren op te heffen met een windturbinerotor, die zich kenmerkt, doordat elk rotorblad kan roteren om een langwerpig draagelement welke is bevestgd aan de rotomaaf, waarbij de rotorbladen onafhankelijk van elkaar een zodanige 5 bladhoekstand innemen, dat deze bladhoekstand op ieder moment optimaal is en bij hogere windsnelheden het gewenste maximale vermogen konstant houdt.

Het benodigde aërodynamische regelmoment Maer wordt verkregen door de rotatieas een bepaalde hoek te laten maken en eventueel een bepaalde afstand ,met de lengteas van het rotorblad.

10 Daarbij is de lengteas veelal dezelfde als de z.g. 1/4 koordeas welke in deze beschrijving samenvalt met de Z-as. De rotatieas en de 1/4 koordeas liggen in het Y-Z vlak,welk vlak binnen bepaalde grenzen loodrecht staat op de windrichting.De afstand tussen de rotatieas en de 1/4 koordeas is nabij de rotoras groter dan aan het uiteinde van het rotorblad. Daardoor is een voldoende 15 aerodynamiisch moment Maer beschikbaar bij verschillende blad-hoeken β .

Het zwaartepunt van het rotorblad ligt zo dicht mogelijk bij de rotatieas, om variabele zwaartekrachteffecten tijdens rotatie van de rotor om de aandrijfas te elimineren,en om het massatraagheidsmoment van het rotorblad t.o.v. de 20 rotatieas te minimaliseren.

De langwerpige veelal cilindrische draagelementen waar de rotorbladen aan zijn bevestigd,nemen een groot gedeelte van de krachten en momenten op, waardoor de rotorbladen zelf licht kunnen worden gekonstrueerd en het moment Mm,als gevolg van het roteren van de bladmassa t.o.v. de rotatieas 25 laag is.

De lagers waarmee de rotorbladen aan de langwerpige draagelementen zijn bevestigd hebben een minimale wrijving met als gevolg een laag wrijvingsmoment Mw.

Om het rotorblad een optimale bladhoekstand boven een bepaalde windsnelheid 30 te geven en in relatie tot windsnelheid en windrichting, is een speciale luchtcilinder met veer toegepast, welke zodanig is ontworpen en ingesteld, dat ten opzichte van het aërodynamisch regelmoment Maer een tegenwerkend moment Mt wordt geleverd, welke voldoet aan de eis: 35 Maer ^ Mw + Mm + Mt l Ü 0 7 5 3 8 6

Doordat Maer voldoende groot is en Mm en Mw klein,is de regelsnelheid van het bladverstelhoekmechanisme zodanig groot, dat veranderingen van windsnelheid en windrichting voldoende snel gevolgd worden door verandering van de bladhoek, zodanig, dat boven een bepaalde 5 windsnelheid,belastingsvariaties op het rotorblad en vermogenfluktuaties vermeden worden.

Het bladverstelmechanisme van ieder rotorblad is niet gekoppeld aan een ander rotorblad. Daardoor worden momentane windsnelheids en windrichtingsveranderingen, welke in het rotatievlak van de rotor optreden door 10 ieder rotorblad afzonderlijk opgevangen door bladhoekverstelling, waardoor minimale belastingfluktuaties op de rotorbladen optreden.

Deze uitvinding zal nader worden toegelicht aan de hand van de hieronder staande figuurbeschrijving en uitvoeringsvoorbeelden.

In tekening toont: 15 Fig 1 Een driebladige horizontale as windturbine.

Fig.2 Vermogen-windsnelheidscurves voor diverse windturbinetypes Fig.3 Een Cl/Cd- cL· kromme.

Fig.4 Een doorsnede van een rotorbladelement met de diverse gebruikte eenheden.

20 Fig.5 t/m 7 Een uitvoeringsvoorbeeld van deze uitvinding.

Fig.8 De relatie tussen het veermoment Mv en de verandering van de bladhoek4$ en de windsnelheid V

De in fig. 1 getoonde horizontale as windturbine bestaat in hoofdzaak uit een mast 1, welke vast aan de grond is bevestigd. De mast is aan de bovenzijde 25 voorzien van een draaibaar kruimechanisme 2, welke de windturbinerotor en gondel 3 in de gewenste stand ten opzichte van de wind kan positioneren. De windturbinerotor bestaat uit een rotomaaf 6, waaraan de rotorbladen 4 zijn bevestigd. De rotomaaf is bevestigd aan een nagenoeg horizontale aandrijfas 7, welke veelal via een tandwieloverbrenging een generator aandrijft.

30 De rotor roteert met een hoeksnelheid w om de aandrijfas. De buitenstraal van de rotor is R, een willekeurige straal is r ,X,Yen Z zijn de gebruikte coordinaatassen.

Fig.2 geeft in principe een aantal P-V karakteristieken weer voor een horizontale as windturbine, waarbij het belastingspatroon gelijk is voor 35 zowel statische als dynamische belasting.

Curve 1 geeft de theoretisch maximaal haalbare P-V curve voor 1007538 7 een bepaalde rotordiameter D (D= 2R) in relatie tot curve 2 en 3 Curve 2 geeft de curve voor een stall-geregelde windturbine.

Curve 3 geeft de curve voor een actief bladgeregelde windturbine.

Curve 4 geeft de curve weer van de windturbine volgens deze uitvinding 5 met een rotordiameter groter van D,maar met dezelfde windbelasting als curve 1,2 en 3.

Fig.3 geeft een gebruikelijke Cl /Cd - ok karakteristiek van een willekeurig profiel van een rotorblad.

Cl is de liftcoefficient, welke rechtevenredig is met de liftkracht, welke op het 1 o rotorblad wordt uitgeoefend.

Cd is de weerstandscoefficient, welk rechtevenredig is met de weerstandkracht, welke op het rotorblad wordt uitgeoefend. cO is de relatieve aanstroomhoek.

Fig.4 toont de doorsnede van een rotorbladelement op een willekeurige 15 straal r.Daarin stellen de symbolen het volgende voor: β is de bladhoek t.o.v. het rotatievlak Z-Y .

V is de richting en grootte van de windsnelheid, tv is de rotatiehoeksnelheid van de rotor.

Oo.T. is de omtreksnelheid van de betreffende doorsnede.

20 Vrel is de relatieve windsnelheid, welke is samengesteld uit V en u>. r.

L is de liftkracht L= 1/2. ƒ .VrelZ Cl. A waarin ƒ = soortelijke massa van de lucht.

A = oppervlak van het bladelement.

D is de weerstandskracht D = 1/2 .j> -Vrel. Cd.A 25 Lx, Ly, Dx, Dy zijn ontbondenen van L en D in X en Y richting, o6 is de relatieve aanstroomhoek.

JP is de hoek tussen Vrel en ^.r.

Fr is de resulterende kracht op het bladelement.

Maer is het aërodynamische regelmoment van het rotorblad in Y-X richting 30 t.o.v. de rotatieas 8-8.

Δβ is de verandering van de bladhoek 8- 8 is de rotatieas waarom het rotorblad kan roteren in Y-X richting, a is de afstand van de rotatieas 8-8 tot de 1/4 koordeas van het rotorblad, waarbij hier de 1/4 koordeas gelijk is aan de Z-as.

35 Zoals blijkt uit fig. 4, 3 en 2 zal om het vermogen te beperken bij hogere 1007538 8 windsnelheden bij stallregeling ,bij hogere V, 06 toenemen en waardoor Cl afneemt en Cd toeneemt.

Fr. zal groot blijven. Bij verandering van V qua richting en snelheid zal bij een vaste hoek β , Fr.sterk fluctueren. Daarom geven stallgeregelde windturbines 5 een zwaar belastingspatroon.

Bij bladgeregelde windturbines is Cd laag en neemt bij kleinere cL ,C1 sterk af. Deze regeling verdient dus de voorkeur. Voor het regelgebied 0 <(\ 0 ° is de Cl -d curve stijl. Er moet dus snel geregeld worden en zoals reeds genoemd, voldoen vele aktief bladgeregelde windturbines daar niet aan. io Bij intensieve bestudering van fig. 3 en 4 blijkt, dat bij een te trage bladverstelling t.o.v. een snelle verandering van V qua richting en grootte en een te trage verandering van β , juist extra grote belastingfluktuaties op kunnen treden.

Een snelle bladhoekregeling is dan ook een vereiste.

15 Aangezien bij vele bestaand bladgeregelde windturbines de bevestiging van het rotorblad aan de rotomaaf met behulp van een groot draaikranslager geschiedt, (welk lager een grote wrijving heeft), is de technische realisatie van een snelle bladregeling technisch gekompliceerd en duur en een passieve aërodynamische bladhoekregeling bijna niet mogelijk, omdat Maer kleiner is 20 dan het wrijvingsmoment Mw; bovendien is Mm groot door de veelal grote rotorbladmassa.

Fig 5 t/m 7 geeft een uitvoermgsvoorbeeld van deze uitvinding.

Rotorblad 1 is d.m.v.de lagers 4 en 5 aan een langwerpig cilindrisch draagelement 3 bevestigd.

25 Dit draagelement 3 heeft een lengte van 1/4 tot 1/2 van de lengte van het rotorblad en is vast bevestigd aan de rotomaaf 2.

De rotomaaf 2 drijft d.m.v.de aandrijfas 6 het gebruikelijke mechanisme van de windturbine aan.

Het rotorblad 1 kan roteren of draaien in Y -X richting om het draagelement 3 , 30 waarbij de rotatieas 8 - 8 is.

De rotatieas 8-8 van het draagelement 3 valt niet samen met de 1/4 koordeas ? van het rotorblad, maar heeft een bepaalde afstand en bepaalde hoek t.o.v.de 1/4 koordeas.?.

De koorde is de breedte van het rotorblad hoofdzakelijk in Y-richting.

35 Op ieder gedeelte van het rotorblad grijpen de aërodynamische krachten aan op een 1/4 koorde vanaf de voorkant van het rotorblad.

1 0 0 7 5 3 β 9

De rotatie van het rotorblad om de rotatieas wordt tegengehouden door een luchtcilinder met veer 10 , waarbij de zuigerstang verbonden is met het rotorblad en de cilinder met de rotomaaf 2.

Bij lage windsnelheden en vermogens wordt de zuigerstang 9a tegen nok 12 5 gedrukt.

De werking van deze rotorbladophanging is als volgt:

Bij een goed ontworpen aërodynamisch rotorblad, zal het rotorblad tot windsnelheden van 10-12 m/sec, een vaste bladhoek/2> hebben,wat gerealiseerd wordt, doordat de luchtcilinder het rotorblad tegen de aanslag 12 io drukt.

Bij hogere windsnelheden dan 12m/sec. wordt het aërodynamische moment Maer, zodanig groot, dat de luchtcilinder wordt ingedrukt, het rotorblad om rotatieas 8-8 draait in Y -X richting over een hoek a/3 en er nieuwe stand onder hoek β wordt ingenomen.

15 Het rotorblad zal zich verstellen volgens de volgende voorwaarden: a bij het verstellen, dus dynamisch : Maer ? Mw + Mm + Mt b als een bepaalde stand is bereikt, dus statisch : Maer = Mt 20

Het tegenwerkende moment Mt van de luchtcilinder met veer is zodanig, dat voor windsnelheden groter dan b.v. 12m/sec. er zich een zodanige bladhoeky3 instelt, dat het vermogen konstant blijft en de wisselende krachten op het rotorblad minimaal zijn.

25 Bij toenemende windsnelheden zal naarmate β groter wordt, tC kleiner worden en de liftkracht L veranderen. Deze verandering van L voor een rotorbladelement is ook sterk afhankelijk van de straal r.

De verandering van het vermogen is voor een rotorbladelement bij verandering van V ook zeer sterk afhankelijk van r.

30 Uit diepgaande analyse van dit dynamische proces is gebleken, dat voor een goede werking, Maer voldoende groot moet zijn in relatie tot a /3 en dit is te realiseren is door de rotatieas een bepaalde hoekje te laten maken met de 1/4 koordeas van het van het rotorblad (fig.5).

De z.g. 1/4 koordeas van het rotorblad, valt in dit voorbeeld tevens samen met 35 de Z - as.

Door nu de luchtcilinder met veer een karakteristiek te geven, waarbij :007538 10

Maer statisch = Mt en het verband te bepalen tussen Mt en de gewenste hoek & A en V (fig. 8),stellen de rotorbladen zich in op de gewenste bladhoek A .

Het rotorblad zal zich ook voldoende snel in moeten stellen, waarbij als eis 5 geldt, dat de bladhoekveranderingssnelheid groter moet zijn dan de snelheid, waarmee de windsnelheid-en richting verandert bij windsnelheden boven circa 12 m/sec.Tevens zal deze bladhoekveranderingssnelheid groter moeten zijn,dan de hoeksnelheid U> van de rotor.

Uit het bovenstaande volgt dat Mw en Mm laag moeten zijn.

1 o Het wrijvingsmoment Mw wordt laag gehouden,doordat op de eerste plaats de het langwerpige draagelement een behoorlijke lengte heeft (circa 1/4 -1/2 van de rotorbladlengte), waardoor de reaktiekrachten in de lagers als gevolg van de krachten op het rotorblad laag worden.

Ten tweede worden de lagers het dichts gelegen nabij de rotoras, uitgevoerd als 15 nokrollen 13, welke bevestigd zijn aan het rotorblad en welke nokrollen over het draagelement rollen bij rotatie van het rotorblad om de rotatieas.

Doordat de diameter van de lagers en de nokrollen relatief klein zijn t.o.v.de diameter van het draagelement is de wrijving laag.

Het hoofdlager 5 in fig.6 is een tonlager met een relatief kleine diameter, 20 waardoor de wrijving laag is.

Het moment Mm veroorzaakt door de massatraagheidskrachten om de rotatieas 8-8, kan zo laag mogelijk gehouden worden, door de massa van het rotorblad te minimaliseren en de afstand van het zwaartepunt van het rotorblad tot de rotatieas zo klein mogelijk te houden.

25 De massa van het rotorblad is bij deze uitvinding minimaal, doordat het rotorblad zeer licht gekonstrueerd kan worden, doordat de krachten en momenten op het rotorblad hoofdzakelijk door het langwerpige draagelement op de rotomaaf worden overgebracht.

Doordat de krachten en momenten in de rotorbladkonstruktie veel minder zijn 30 als gevolg van het toepassen van het langwerpige draagelement kan het zwaartepunt van het rotorblad dichter bij de rotatieas gebracht worden.

Een andere belangrijke reden om de massa van het rotorblad laag te houden en het zwaartepunt zo dicht mogelijk bij de rotatieas te leggen, is om wisselende momenten om de rotatieas te voorkomen, als gevolg van de zwaartekracht bij 35 rotatie van de rotor om de aandrijfas.

Dit wisselende moment,is bij deze uitvinding minimaal.

1007538 11

Doordat de rotatieas 8-8 loodrecht staat op de aandrijfas en de tilthoek (hoek welke aandrijfas met X-as maakt in het X-Z vlak) minimaal is ,bij deze uitvinding, geven de centrifugaalkrachten geen of minimale wisselende momenten om de rotatieas, wanneer de rotor roteert om de aandrijfas.

5 Een ander voordeel van de konstruktie is, dat dimensionering van rotomaaf en rotorblad, sterktetechnisch optimaal is.

Uit intensieve bestudering van fig. 4 blijkt, dat bij verandering van de windsnelheidsrichting, hoeken en krachten zodanig veranderen, dat het rotorblad zich in wil stellen naar de nieuwe windrichting, zodanig, dat ίο β een waarde krijgt, die hoort bij een bepaalde windsnelheid en richting.

Door de rotorbladen onafhankelijk van elkaar op te hangen, zal ieder rotorblad zich afzonderlijk instellen bij een bepaalde windsnelheid en richting.

Dit is van belang, omdat vooral bij grotere rotordiameters de windsnelheid en richting momentaan in het rotatievlak Z-Y, zeer sterk kunnen verschillen.

15 Daarom is de regelsnelheid groter dan u> .

De luchtcilinder met veer is zodanig ontworpen, dat ieder gewenste curve, zoals fig.8 weergeeft, gerealiseerd kan worden.

Door de keuze van een juiste kombinatie van de parameters: luchtdruk, diameter zuiger a, diameter zuiger b, lengte cilinder, beginslaglengte, veerlengte en 20 veerkonstante, kan het gewenste verband volgens fig.8 bereikt worden.

Het principe van deze luchtcilinder met veer is het volgende:

De cilinder bestaat uit 2 kamers a en b, welke normaal een open verbinding met elkaar hebben, waardoor de luchtdruk in beide kamers dezelfde is.

De zuigerstang is verbonden met het rotorblad, de cilinder met de rotomaaf.

25 Doordat de kracht op zuiger in b groter is dan op a, zal tot V is circa 12m/sec. het rotorblad tegen de aanslag 12 gedrukt worden.

Wanneer Maer groter wordt en daarmede de kracht op de zuigerstang en deze groter wordt dan de tegenwerkende kracht, zal de zuiger zodanig bewegen, dat ruimte a groter wordt en ruimte b kleiner.

30 De evenwichtstoestand die zich instelt voldoet aan de vergelijking:

Maer = P( Ab - Aa ) + Cv.Sv waarin c P - luchtdruk Ab = oppervlak zuiger b

Cv= veerconstante c = arm rotatieas-zuigerstang 9a 35 Sv= indrukking veer

Aa= oppervlak zuiger a 1007538 12

Het totale volume van ruimte a en b verandert bij verplaatsing van de zuiger, waardoor P verandert en dus de kracht P.(Ab - Aa).

Zoals reeds vermeld, is door een juiste keuze van parameters de gewenste karakteristiek te verkrijgen.

5 Een voordeel van dit systeem is, dat het verband tussen M^ren 4f5 vrij vlak is, waardoor het dynamische gedrag van de rotorbladverstelling nagenoeg geen 2e orde massaveersysteem is, hetgeen ongewenste trillingen en resonanties in de regeling voorkomt.

Een eis, welke aan windturbines wordt gesteld is, dat bij te hoge toerentallen, de 10 windturbine zichzelf aërodynamisch beveiligd. Bij deze uitvinding is hierin voorzien door in de open verbinding tussen ruimtes a en b van de luchtcilinder een driewegklep 11 te monteren.

Indien de windturbine in overtoeren gaat, wordt de driewegklep zodanig gedraaid, dat ruimte b een verbinding krijgt met de buitenlucht en ruimte a wordt 15 afgesloten.

Door de lucht in ruimte a, zal het rotorblad van de wind af draaien om de rotatieas en over een zodanige grote hoek^rè, dat het vermogen nihil wordt en het rotortoerental onder alle omstandigheden onder een veilige grens blijft.

De driewegklep wordt op 2 manieren bedient bij overtoeren, enerzijds 20 mechanisch door een centrifugaal gewichtje + kabeltje in het rotorblad, anderzijds electrisch c.q electronisch, door toerentalmeting.

1007538

Claims (8)

1. Rotorbladophanging voor een horizontale as windturbine, met het kenmerk, dat ieder rotorblad door middel van lagers is bevestigd aan een stijf 5 langwerpig veelal cilindrisch draagelement, waaromheen ieder rotorblad afzonderlijk kan roteren en waarbij boven een bepaalde windsnelheid waarbij het gewenste vermogen wordt bereikt, het rotorblad steeds een zodanige bladhoekstand inneemt, dat het vermogen nagenoeg constant blijft en de fluctuaties van de krachten op het rotorblad als gevolg van de windbelasting zo io gering mogelijk zijn.

2. Rotorbladophanging volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de rotatieas van het langwerpige draagelement een zodanige hoek maakt en afstand heeft tot de 1/4 koordeas van het rotorblad, dat het aërodynamische moment om de rotatieas, voor bladhoekveranderingen tussen 0 en 25 graden, steeds 15 voldoende groot is t.o.v.het tegenwerkende wrijvingsmoment en massatraagheidsmoment om het rotorblad met voldoende snelheid in de gewenste bladhoekstand te positioneren.

3. Rotorbladophanging volgens conclusie 1 en 2, met het kenmerk, dat het langwerpige draagelement zodanige afmetingen heeft, dat deze een groot deel 20 van de krachten en momenten, welke op het rotorblad werken, overbrengen naar de rotomaaf, waardoor het rotorblad zelf licht gekonstrueerd kan worden en de massa van het rotorblad gering is.

4. Rotorbladophanging volgens conclusie 1-3 met het kenmerk, dat het massazwaartepunt van het rotorblad, zo dicht mogelijk bij de rotatieas is 25 gelegen, waardoor het massatraagheidsmoment t.o.v.de rotatieas gering is en de wisselende momenten t.o.v.de rotatieas ,als gevolg van de zwaartekracht bij roteren van de rotor om de aandrijfas, zo klein mogelijk zijn.

5. Rotorbladophanging volgens conclusies 1-4, met het kenmerk, dat de rotatieas in een vlak ligt, welke loodrecht staat op de aandrijfas, waardoor de 30 fluktuaties van centrifugaalkrachten bij rotatie van de rotor om de aandrijfas :007538 gering zijn en geringe invloed hebben op het regelgedrag van de bladhoekinstelling.

6. Rotorbladophanging volgens conclusies 1-5, met het kenmerk, dat het langwerpige draagelement zodanige afmetingen heeft, dat de reaktiekrachten in 5 de lagers klein zijn, waardoor de wrijving laag is, wanneer het rotorblad roteert om de rotatieas.

7. Rotorbladophanging volgens conclusies 1-6 met het kenmerk, dat de lagers, welke nabij de rotomaaf gesitueerd zijn, uitgevoerd zijn als looprollen, welke kunnen rollen om het langwerpige draagelement, waardoor de i o lagerkonstruktie eenvoudig is en een lage wrijving heeft.

8. Rotorbladophanging volgens conclusies 1-7 met het kenmerk, dat het tegenwerkende moment om de rotatieas in evenwichtstoestand,wordt geleverd door een dubbelwerkende luchtcilinder met veer, welke in relatie tot de windsnelheid en bladhoekverandering een vooraf in te stellen waarde heeft. 1007538