NL1014719C2 - Windturbine met asymmetrische rotor en rotor. - Google Patents

Description

WINDTURBINE MET ASYMMETRISCHE ROTOR EN ROTOR

De onderhavige uitvinding betreft een windturbine voor het genereren van elektrische energie uit windenergie, omvattende een staander, een door de staander gedragen generator, en een door de wind aan te drij-5 ven rotor, die via een rotoras met de generator is verbonden voor aandrijving hiervan, en welke rotor ten minste twee wieken omvat. De onderhavige uitvinding betreft tevens de rotor afzonderlijk van de windturbine, evenals een naaf voor de rotor, voorzover de uitvinding 10 daarin is verwezenlijkt, alsmede een wiek van de rotor, voorzover daarin de uitvinding is verwezenlijkt.

Bij bekende rotoren worden de wieken symmetrisch om de rotoras verdeeld in een vlak, dat in hoofdzaak loodrecht staat op de rotoras. De symmetrische 15 verdeling van de wieken om de rotoras resulteert in een regelmatige indruk bij een waarnemer, in het bijzonder, wanneer de rotor in stilstand verkeert. Verder is men er in het verleden altijd vanuitgegaan, dat een symmetrische verdeling van de wieken om de rotoras ten goede komt aan 20 het hiermee te behalen rendement.

De bekende rotoren met een symmetrische verdeling van de wieken om de rotoras vertonen een aantal nadelen. Dergelijke bekende rotoren zijn bijzonder gevoelig voor "stall induced vibrations", hetgeen samenhangt 25 met een variërende trek in de windstroom. Hierdoor ontstaan spanningen in de wieken en kan schade ontstaan, waardoor het nodig kan zijn om de rotor af te remmen en/of buiten gebruik te stellen. Hierbij kunnen vibraties ontstaan, waarbij afwisselende paren wieken oscillerend 30 van en naar elkaar toe buigen, waarbij de bij deze vibraties betrokken paren wieken variëren in de tijd. Ook kunnen andere destructieve vibraties in de wieken optre- 1014719 2 den, die een langdurig betrouwbaar gebruik in de weg staan.

Het is in de onderhavige techniek bekend om gebruik te maken van dempers, doch hierdoor wordt de 5 boven beschreven problematiek slechts enigszins onderdrukt. Bovendien resulteren dergelijke dempers in een hogere kostprijs, omdat bijv. ten minste twee wieken in een windturbine met drie wieken van een demper moeten worden voorzien - waartoe een monteur twee wieken in moet 10 - en, wellicht erger, de behoefte aan geregeld onderhoud, dat op grote hoogte moet plaatsvinden, omdat de dempers mechanisch zijn en de werking hiervan derhalve geregeld moet worden gecontroleerd.

Met de onderhavige uitvinding is beoogd om de 15 bovengenoemde problemen van de bekende rotoren te verhelpen of althans aanzienlijk te verminderen, waartoe een windturbine volgens de onderhavige uitvinding zich onderscheid, doordat ten minste één van de wieken onder een afwijking ten opzichte van symmetrische verdeling van de 20 wieken om de rotoras is aangebracht.

Door verstoring van de geometrische symmetrie van de wieken om de rotoras kunnen eigen trillingen in de wieken en hiermee samenhangend ook de bovenbeschreven verschijnselen, die problemen zijn van de bekende roto-25 ren, doeltreffend worden vermeden, terwijl de hiertoe benodigde investering of extra maatregelen om dit te verwezenlijken minimaal zijn en eenvoudig in het gebruikelijke productieproces kunnen worden opgenomen.

De afwijking kan zijn gelegen in het bereik tot 30 25° of met meer voorkeur tot 15°, of bij benadering 2° bedragen. De voor het vermijden van de bovengenoemde problemen van de bekende rotoren benodigde afwijking is sterk afhankelijk van het soort windturbine, het soort rotor, de afmetingen hiervan, etc., zodat de uitvinding 35 op generlei wijze dient te worden beschouwd als beperkt tot één van deze bereiken of waardes.

In een uitvoeringsvorm van de uitvinding is het naar de rotoras gerichte uiteinde van ten minste één van 1014719 3 de wieken afgeschuind. Dit is een bijzonder gunstige uitvoeringsvorm, die zeer eenvoudig te verwezenlijken is, doordat voor voltooiing van de productie van een wiek (veelal uit met hars geïmpregneerd glasvezelmateriaal) 5 dit uiteinde toch moet worden afgewerkt voor bevestiging aan de rotoras of eventueel een tussenkomende naaf. Hierbij is dus nagenoeg geen aanvullende moeite of kosten benodigd ten opzichte van de bekende rotoren, om de uitvinding te verwezenlijken.

10 In een andere uitvoeringsvorm vertoont een windturbine volgens de uitvinding de eigenschap, dat ten minste één van de wieken nabij het naar de rotoras gerichte uiteinde een met de afwijking overeenkomende kromming in de lengteas hiervan vertoont. Hiertoe is 15 weliswaar een nieuwe mal voor productie van de wiek nodig, maar ook mallen zijn aan vervanging onderhevig, zodat de uitvinding eenvoudig kan worden geïmplementeerd, wanneer om gebruikelijke redenen een nieuwe mal in gebruik moet worden genomen.

20 In nog een andere uitvoeringsvorm vertoont de windturbine de eigenschap, dat als tussen de rotoras en de wieken een naaf is aangebracht, die koppelingen voor de wieken omvat, ten minste één van de koppelingen in overeenstemming met de afwijking is vormgegeven. Hierbij 25 kan de de afwijking ten opzichte van symmetrie vertonende wiek op zich langs bekende weg worden geproduceerd, zonder aanpassing hiervan, en het productieproces voor elke van de wieken uniform kan blijven.

In deze uitvoeringsvorm kan de betreffende 30 koppeling aan de naar de de symmetrie veroorzakende wiek gerichte zijde in overeenstemming met de afwijking zijn afgeschuind. In het bijzonder in het geval van een kunststof naaf, zoals die op zich is beschreven in de Nederlandse octrooiaanvrage 1.013.807 van aanvraagster zelf en 35 geen deel uitmaakt van de onderhavige uitvinding, kan een dergelijke afwerking van de koppeling aan de naaf op dezelfde wijze geschieden als hierboven is beschreven in verband met de wiek. Wanneer een gebruikelijke naaf wordt 1014719 4 toegepast, bijv. van staal, zal de productie hiervan wellicht ingrijpendere aanpassingen behoeven, doch resulteert in het verhelpen van de bovengenoemde nadelen van de bekende techniek. Als alternatief kan ten minste één 5 van de koppelingen onder een afwijking ten opzichte van symmetrische verdeling van de koppelingen om de rotoras zijn aangebracht. Hiertoe is weliswaar een ingrijpende aanpassing in de productie van de naaf vereist voor zowel kunststof naven als metalen naven, doch ook hiermee 10 worden de nadelen en problemen van de bekende rotoren verholpen of althans verlicht.

In een andere uitvoeringsvorm vertoont een windturbine volgens de uitvinding de eigenschap, dat ten minste één van de wiek middelen omvat ter compensatie 15 vanuit de afwijking resulterende onbalans in de rotor.

Dit kan een contragewicht zijn. Door de positionering van de wieken en de asymmetrie in de rotor worden doeltreffend de problemen bij de bekende rotoren verholpen, terwijl met de middelen voor het compenseren van de 20 onbalans het krachtenspel op de rotoras wordt geoptimaliseerd.

In nog een andere uitvoeringsvorm van een windturbine volgens de uitvinding kan de rotor een naaf omvatten, waarbij tussen ten minste één van de wieken en 25 de naaf een verloopstuk is aangebracht met een met de afwijking overeenkomende vorm. Een dergelijk verloopstuk heeft het voordeel, dat alle overige productiestappen op de gebruikelijke wijze gehandhaafd kunnen worden, en bestaande windturbines aldus relatief eenvoudig aan te 30 passen zijn, terwijl met de door toevoeging van het verloopstuk verkregen afwijking ten opzichte van symmetrie in de rotor volgens de onderhavige uitvinding de nadelen en de problemen van de bekende rotoren worden verholpen of althans verlicht.

35 De onderhavige uitvinding zal hieronder worden beschreven aan de hand van een aantal uitvoeringsvoor-beelden hiervan onder verwijzing naar de bijgevoegde tekening, waarin: A014 7 f 9 5 fig. 1 een perspektivisch aanzicht toont van een windturbine volgens de onderhavige uitvinding; fig. 2-4 schematische vooraanzichten tonen van uitvoeringsvormen van rotoren aan de windturbine volgens 5 de onderhavige uitvinding; fig. 5 een perspektivisch aanzicht toont van de uiteengenomen verbinding tussen een wiek en een naaf in een rotor volgens de onderhavige uitvinding; fig. 6 een perspektivisch vooraanzicht toont 10 van een naaf voor een rotor volgens de onderhavige uitvinding; fig. 7 een schematisch vooraanzicht toont van de verbinding tussen een wiek en de naaf in een rotor volgens de onderhavige uitvinding; 15 fig. 8 een perspektivisch aanzicht toont van een alternatieve uitvoeringsvorm.

In de diverse figuren van verschillende uitvoeringsvormen zijn dezelfde of overeenkomstige componenten telkens aangeduid met gelijke referentienummers.

20 De in fig. 1 getoonde windturbine 1 omvat een als paal 2 vormgegeven staander, met aan de bovenzijde hiervan een elektrische generator 3, waaraan een rotor is aangebracht, die een naaf 4 met hieraan wieken 5 omvat.

De rotoras 12 vormt de verbinding tussen de rotor en de 25 elektrische generator.

Ter voorkoming van "stall induced vibrations" als gevolg van variërende trek in windstromen en van oscillerende vibraties in paren wieken 5 van en naar elkaar, zoals hierboven is beschreven, zijn de wieken 30 onder een afwijking ten opzichte van een symmetrische verdeling van de wieken om de rotoras 12 aangebracht.

Dit is schematisch weergegeven in fig. 2 voor een rotor met twee wieken 5, die binnen een draaiingsra-dius 6 draaien, met hoek ot. Hoek ar is afhankelijk van de 35 vormgeving van de windturbine en bedraagt bij voorbeeld 2°. Voor een windturbine met meer wieken 5, zoals bijvoorbeeld in fig. 3 voor drie wieken en in fig. 4 voor vier wieken is weergegeven, kan de afwijking een andere J 0 1 4 7 1 d t ft 6 zijn dan hoek α, hetgeen resp. met hoek β in fig. 3 en hoeken γ en δ in fig. 4 is weergegeven. Fig. 4 toont in het bijzonder een uitvoeringsvorm van een windturbine volgens de onderhavige uitvinding, waarbij twee van de 5 vier wieken 5 een afwijking ten opzichte van symmetrie om de rotoras 12 vertonen.

De hoeken a, β, γ, δ kunnen, zoals hierboven reeds is vermeld, verschillende waardes hebben. Deze waardes zijn bijv. gelegen in het bereik tot 25°, doch 10 met meer voorkeur tot 15°. Door de lengte van de gebruikte windturbinewieken zouden zelfs afwijkingen tussen 0,1° en nog kleiner kunnen volstaan. Ook andere waardes binnen deze bereiken zijn mogelijk. Teneinde een door de asymmetrie of afwijking veroorzaakte onbalans in de rotor 15 zoveel mogelijk te beperken wordt een waarde voor deze hoeken a, β, γ en δ gekozen, die zo klein mogelijk is, waarbij juist "stall induced vibrations" en oscillerende vibraties van de paren wieken 5 worden voorkomen.

Dit sluit niet uit, dat ook grotere waardes van 20 de hoeken a, β, γ en δ worden gekozen. Om hierbij voor een onbalans in de rotor, die een negatieve invloed zou kunnen hebben op het krachtenspel aan de rotoras 12, te compenseren kan, zoals in fig. 1 is weergegeven, een contragewicht 13 aan één van de wieken 5 zijn aange-25 bracht. Aanvullend is het mogelijk contragewichten aan meer dan één van de wieken 5 aan te brengen.

In fig. 5 is een perspektivisch aanzicht getoond van een uiteengenomen verbinding tussen een naaf 4 en één van de wieken 5. De naaf 4 omvat een naaflichaam 7 30 met ten behoeve van bevestiging van de wieken 5 verschafte bevestigingskransen 8. De bevestigingskransen zijn te verbinden met verstevigde ringen 9 aan het proximale uiteinde van wieklichamen 10 van de wieken 5, d.w.z. die uiteinden, die het dichtst bij de naaf 4 zijn gelegen.

35 De verbinding tussen de bevestigingskransen 8 en de verstevigde ringen 9 maakt op zich geen deel uit van de onderhavige uitvinding en is al dan niet gebruikelijk, maar zal hier niet nader worden beschreven. Het 1 0 1 4 7 1 9 7 naaflichaam 7 kan een gegoten metalen monolithisch blok zijn of/ net als de wiek 5, een kunststof composiet zijn. Een dergelijke naaf van kunststof composiet is bijv. beschreven in aanvraagsters1 eigen octrooiaanvrage 5 1013807. De naaf 4 omvat overigens een doorgang 14 voor opname hierin van de rotoras 12, die in fig. 5 niet is weergegeven.

In fig. 6 is een mogelijke uitvoeringsvorm van de samenstelling van een naaf 4 en een wiek 5 getoond, 10 waarmee de onderhavige uitvinding te verwezenlijken is. Hierbij is de in de figuur bovenste bevestigingskrans 8 in overeenstemming met fig. 3 onder een schuinstand van hoek β geplaatst. De aan de bevestigingskrans 8 aan te brengen wiek 5 vertoont aldus een overeenkomstige afwij-15 king van hoek δ, zodat de wieken een afwijking vertonen ten opzichte van symmetrische verdeling hiervan om de rotoras. De op zich bekende symmetrische verdeling om de rotoras 12 is aangeduid met de richtlijnen 15, waarmee de afwijking ten opzichte van symmetrische verdeling van de 20 wieken 5 om de rotoras direct duidelijk is.

In een alternatieve uitvoeringsvorm ten opzichte van die, welke in fig. 6 is getoond, kan de bevestigingskrans 8 in de plaats van de afschuining van fig. 6 zijn verschoven langs de omtrek van de naaf 4, waarbij de 25 betreffende bevestigingskrans 8 weer haaks kan staan ten opzichte van de verbindingslijn tussen het middelpunt hiervan en de rotoras 12. Hoewel een dergelijke uitvoeringsvorm hier niet expliciet is weergegeven, valt deze onder het bereik van de onderhavige uitvinding en ver-30 toont het aanvullende voordeel, dat een gunstigere krachtwerking in het naaflichaam 7 kan worden bereikt.

In fig. 7 is een alternatieve uitvoeringsvorm van de verbinding van de wiek 5, die de afwijking ten opzichte van symmetrische verdeling bewerkstelligt en de 35 naaf 5 getoond. Hierbij is de verstevigde ring 9 afgeschuind oftewel onder een hoek δ geplaatst, die derhalve weer overeenkomt met de configuratie van fig. 3. De afschuining onder hoek δ kan bij afwerking van het hier- tl 0 1 4 7 1 g 8 boven gedefinieerde proximale uiteinde van de wiek 5 tijdens het normale productieproces worden verwezenlijkt, hetgeen kostentechnisch een zeer gunstige oplossing is, en verder geen aanvullende maatregelen behoeft.

5 Als alternatief voor de in fig. 7 getoonde configuratie kan de ring 9 recht zijn en langs de streep-lijn 16 lopen, waarbij dan de lengteas van de wiek 5 nabij het hierboven gedefinieerde proximale uiteinde hiervan een knik kan vertonen, die dan overeenkomt met 10 hoek β.

In fig. 8 is nog een alternatieve uitvoeringsvorm getoond, waarbij een verloopstuk 11 is aangebracht tussen de wiek 5 en de naaf 4. Het verloopstuk 11 heeft in het hier getoonde schematische vooraanzicht een wig-15 vorm. Door bevestiging van de ring 9 van de wiek 5 aan de bevestigingskrans 8 van de naaf 4 onder tussenkomst van het verloopstuk 11 wordt de volgens de uitvinding vereiste schuinstand of afwijking van de betreffende van de wieken 5 verwezenlijkt, zodat symmetrische verdeling van 20 de wieken om de rotoras is verstoord, en de problemen van de bekende rotoren en windturbines in verband met "stall induced vibrations" en oscillerende vibraties in de wieken 5 zijn verholpen of althans aanzienlijk zijn verlicht.

25 Uit het voorgaande blijkt, dat vele alternatie ve uitvoeringsvormen zich op zullen dringen aan de vakman na kennisneming van het voorgaande. Een zeer relevant voorbeeld van een hierboven niet beschreven uitvoeringsvorm van de uitvinding is die, waarbij van ten minste één 30 wiek de lengteas is gelegen buiten het vlak, dat loodrecht op de rotoras staat (waarin de overige wieken althans in rust en zonder windbelasting liggen). Bijv. onder verwijzing naar fig. 3 betekent dit, dat de wiek met de afwijking ten opzichte van symmetrie buiten het 35 vlak van de tekening komt te liggen. Een dusdanige wiek is dan in het middelpunt van de draaiingsradius 6 driedimensionaal onder hoek β om de als streeplijn weergegeven stand zonder afwijking zwenkbaar. De uitvinding is toe- 1014 7 19 9 pasbaar bij windturbines met twee of meer wieken. De hiervoor beschreven uitvoeringsvormen zijn beperkt tot twee, drie of vier wieken, maar de onderhavige uitvinding is hier niet toe beperkt. Vijf of zes of meer wieken zijn 5 tevens mogelijk. Ook andere varianten zijn gelegen binnen het bereik van de onderhavige uitvinding, voorzover deze voldoen aan de in de bijgevoegde conclusies gedefinieerde bescherming.

1014719

Claims (15)

1. Windturbine voor het genereren van elektrische energie uit windenergie, omvattende: - een staander; - een door de staander gedragen generator; en 5. een door wind aan te drijven rotor, welke via een rotoras met de generator is verbonden voor aandrijving hiervan en welke ten minste twee wieken omvat; waarbij ten minste één van de wieken onder een afwijking ten opzichte van symmetrische verdeling van de wieken om 10 de rotoras is aangebracht.

2. Windturbine volgens conclusie 1, waarbij de afwijking ten opzichte van symmetrische verdeling van de wieken om de rotoras is gelegen in het bereik tot 25°.

3. Windturbine volgens conclusie 1, waarbij de 15 afwijking ten opzichte van symmetrische verdeling van de wieken om de rotoras is gelegen in het bereik tot 15°.

4. Windturbine volgens conclusie 1, waarbij de afwijking ten opzichte van symmetrische verdeling van de wieken om de rotoras bij benadering 2° bedraagt.

5. Windturbine volgens één van de voorgaande conclusies, waarbij het naar de rotoras gerichte uiteinde van ten minste één van de wieken is afgeschuind.

6. Windturbine volgens één van de voorgaande conclusies, waarbij ten minste één van de wieken nabij 25 het naar de rotoras gerichte uiteinde een met de afwijking overeenkomende kromming in de lengte-as hiervan vertoont.

7. Windturbine volgens één van de voorgaande conclusies, waarbij tussen de rotoras en de wieken een 30 naaf is aangebracht, welke koppelingen voor de wieken omvat en waarvan ten minste één van de koppelingen in overeenstemming met de afwijking is vormgegeven.

8. Windturbine volgens conclusie 7, waarbij de ten minste één van de koppelingen aan de naar de betref- 1014 7 19 fende van de wieken gerichte zijde in overeenstemming met de afwijking is afgeschuind.

9. Windturbine volgens conclusie 7, waarbij de ten minste één van de koppelingen onder een afwijking ten 5 opzichte van symmetrische verdeling van de koppelingen om de rotoras is aangebracht.

10. Windturbine volgens één van de voorgaande conclusies, waarbij ten minste één van de wieken een contragewicht omvat ter compensatie van uit de afwijking 10 resulterende onbalans in de rotor.

11. Windturbine volgens één van de voorgaande conclusies, waarbij de rotor een naaf omvat en tussen ten minste één van de wieken en de naaf een verloopstuk is aangebracht met een met de afwijking overeenkomende vorm.

12. Wiek voor een rotor van een windturbine, omvattende: een langgerekt wiekblad met een distaai uiteinde en een proximaal, nabij een rotoras van de rotor te plaatsen uiteinde; en althans nabij het proximale uiteinde middelen voor het onder een afwijking ten op- 20 zichte van symmetrische verdeling van de wieken om de rotoras aanbrengen hiervan.

13. Naaf voor bevestiging van ten minste twee wieken aan een' rotoras, omvattende een naaflichaam en koppelingen voor de wieken, waarbij ten minste één van de 25 koppelingen middelen omvat voor het onder een afwijking ten opzichte van symmetrische verdeling van de wieken om de rotoras aanbrengen van de hiervoor bestemde van de wieken.

14. Rotor voor een windturbine, omvattende een 30 rotoras; een naaf volgens conclusie 13 aan de rotoras; en ten minste twee wieken aan de naaf.

15. Rotor voor een windturbine, omvattende een rotoras; een naaf aan de rotoras; en ten minste twee wieken met ten minste één van de wieken volgens conclusie 35 12 aan de naaf. 1014719