NL8102370A

NL8102370A - WIND TURBINE ON THE WIND.

Info

Publication number: NL8102370A
Application number: NL8102370A
Authority: NL
Original assignee: United Technologies Corp
Priority date: 1980-05-19
Filing date: 1981-05-14
Publication date: 1981-12-16
Also published as: IT8121791A0; ES8203465A1; KR830006583A; ZA813056B; GB2076070B; DK198681A; IN154875B; FR2484552A1; SE8103049L; FR2484552B1; IL62819A0; DE3119738A1; JPH0211747B2; JPS5716267A; CA1155062A; AU7069081A; IT1136605B; NO811653L; SE455115B; FI811522L

Description

- 1 - V +- 1 - V +

Windturbine die zich op de wind stelt.Wind turbine that adjusts to the wind.

De uitvinding heeft betrekking op een windturbine en meer in het bijzonder op een windturbine/ die is ontworpen voor een optimaal rendement wanneer hij in een bepaalde stand wordt gesteld ten opzichte van de 5 windrichting. Windturbines of windmolens van het type, voorzien van een naaf of rotor met een aantal daarop gemonteerde schroefbladen en geschikt voor verdraaiing om een horizontale asf werken in het algemeen met het hoogste rendement wanneer de rotor en de bladen op de 10 wind zijn gesteld, of binnen een graad of twee ten opzichte van deze richting. Om het mogelijk te maken dat de naaf zich op de wind stelt zijn de naaf en een as, die de naaf met de turbinebelasting verbindt, in het algemeen verzwenkbaar om een vertikale instelas.The invention relates to a wind turbine and more particularly to a wind turbine designed for optimum efficiency when it is set in a certain position relative to the wind direction. Wind turbines or windmills of the type, provided with a hub or rotor with a number of propeller blades mounted thereon and suitable for rotation about a horizontal axis generally operate with the highest efficiency when the rotor and blades are set to wind, or within a degree or two from this direction. In order to allow the hub to wind up, the hub and a shaft connecting the hub to the turbine load are generally pivotable about a vertical adjustment axis.

15 Er zijn zowel actieve.of passieve middelen gebruikt om de turbinè op de wind te stellen, zodanig dat de windturbine een gewenste stand in blijft nemen ten opzichte van de windrichting. Bij de actieve middelen wordt in het algemeen gebruik gemaakt van een windrichting-20 voeler, die via een geschikt regelstelsel middelen activeert om de naaf op de wind te stellen, zodat de naaf de juiste stand ten opzichte van de windrichting inneemt, terwijl verder middelen aanwezig zijn om deze stand te handhaven zolang de windrichting dezelfde blijft.Both active or passive means have been used to adjust the turbine to the wind, such that the wind turbine continues to assume a desired position relative to the wind direction. The active means generally uses a wind direction sensor, which activates means to set the hub to the wind via a suitable control system, so that the hub assumes the correct position relative to the wind direction, while further means are present to maintain this position as long as the wind direction remains the same.

25 Bij de passieve middelen wordt in het algemeen gebruik gemaakt van het effekt van een "windvaan", waarbij een zijdelingse belasting op de naaf door de wind de turbine op de wind wordt gesteld. Hoewel de actieve middelen op effektieve wijze de turbine op de wind stellen en 30 vasthouden, brengen dergelijke middelen in het algemeen complexe inrichtingen met zich mee, waardoor het economische rendement van de turbine lager wordt en dus de kosten van de door de turbine opgewekte energie hoger.The passive means generally make use of the effect of a "wind vane", whereby a lateral load on the hub by the wind is set on the wind by the turbine. While the active means effectively turns and holds the turbine upwind, such means generally involve complex devices, thereby reducing the economic efficiency of the turbine and thus increasing the cost of the energy generated by the turbine .

De passieve middelen ofwel het windvaan-35 mechanisme voor het op de wind stellen van de turbine zijn gebleken relatief effektief te zijn bij toepassing op windturbines met relatief korte en stijve bladen.The passive means or the wind vane mechanism for winding the turbine has been found to be relatively effective when used on wind turbines with relatively short and rigid blades.

81 0 2 3 7 0 - 2 - ί ft81 0 2 3 7 0 - 2 - ί ft

Bij de moderne, grote windturbines met bladen met een lengte van 37 meter en meer worden voor het verkrijgen van een minimaal gewicht, de bladen soms uitgevoerd als een holle, samengestelde constructie met daardoor een aanmerke-5 lijke elasticiteit. Wanneer dergelijke windturbinebladen stijf met de naaf worden verbonden en blootgesteld aan vertikale windsnelheidsgradiënten en aan de zwaartekracht tijdens de normale werking ervan, hebben zij de neiging cyclisch te buigen of te "flapperen", wat het op de wind 10 houden van de turbine tegenwerkt. Indien, in verband met het opnemen van vertikale windsnelheidsgradiënten de bladen verzwenkbaar op de naaf worden aangebracht door middel van een zwenkas dwars op de draaiïngsas van de naaf en de as en de langsas van de bladen, wordt door 15 de verdraaiing van de op deze wijze gemonteerde bladen het elastisch trillen van de bladen vermeden, maar niette-min resulteert een horizontale verplaatsing van de naaf en de bladen om de zwenkas. Een dergelijke verplaatsing is het resultaat van de gecombineerde verdraaiing en 20 verzwenking van de bladen onder invloed van de vertikale windsnelheidsgradiënten en van de zwaartekracht en is er oorzaak van dat de turbine een hoekverplaatsing uitvoert vanuit de juiste stand ten opzichte van de wind, door de verzwenkende beweging om de instelas.In the modern, large wind turbines with blades with a length of 37 meters and more, in order to obtain a minimum weight, the blades are sometimes designed as a hollow, composite construction, thereby having a considerable elasticity. When such wind turbine blades are rigidly connected to the hub and exposed to vertical wind speed gradients and to gravity during their normal operation, they tend to bend or "flap" cyclically, which prevents holding the turbine upwind. If, in order to accommodate vertical wind speed gradients, the blades are pivotally mounted on the hub by means of a pivot axis transverse to the axis of rotation of the hub and the axis and the longitudinal axis of the blades, the rotation of the blades in this manner mounted blades avoid elastic vibration of the blades, but nevertheless a horizontal displacement of the hub and the blades around the pivot axis results. Such displacement is the result of the combined rotation and pivoting of the blades under the influence of the vertical wind speed gradients and of gravity and causes the turbine to perform an angular displacement from the correct position with respect to the wind, by the pivoting movement around the adjusting axis.

25 Een doel van de uitvinding is daarom het verschaffen van een windturbine met verbeterde middelen voor het op de wind stellen van de turbine en om deze stand van de turbine te handhaven.An object of the invention is therefore to provide a wind turbine with improved means for winding the turbine and for maintaining this position of the turbine.

Een verder doel van de uitvinding is het 30 verschaffen van een dergelijke windturbine waarbij de op-de-windstelmiddelen passief van aard zijn.A further object of the invention is to provide such a wind turbine in which the upwind winding means are passive in nature.

Nog een verder doel van de uitvinding is het verschaffen van een windturbine waarbij de op-de-wind-stelmiddelen economisch werken en slechts weinig toevoegen 35 aan de vervaardigingskosten van de turbine en dus aan de kosten van de door de turbine opgewekte energie.Yet a further object of the invention is to provide a wind turbine in which the upwind winding means operate economically and add little to the manufacturing cost of the turbine and thus to the cost of the energy generated by the turbine.

Overeenkomstig de onderhavige uitvinding is een windturbine voorzien van passieve middelen voor het op de wind stellen ervan en om deze stand van de wind-40 turbine ten opzichte van de windrichting te handhaven.In accordance with the present invention, a wind turbine is provided with passive means for winding it and maintaining this position of the wind-40 turbine relative to the wind direction.

81 0 2 3 70 5* i - 3 -81 0 2 3 70 5 * i - 3 -

Dergelijke op-de-windstelmiddelen omvatten een zodanige montage van de bladen bij de voetdelen daarvan, dat door verzwenking van de bladen met de wind mee en daar tegen in onder invloed van vertikale windsnelheidsgradiënten een 5 instelling tot stand brengt in de bladhoek ten opzichte van de windrichting. Door een dergelijke bladhoekinstelling wordt de lift op die bladen verminderd, die zijn blootgesteld aan hogere windsnelheden en een grotere invalshoek, terwijl de lift wordt vergroot op die bladen die zijn 10 blootgesteld aan een lagere windsnelheid en een kleinere invalshoek ten gevolge van de snelheidsgradiënt. Door deze egalisatie van de lift over de turbinebladen wordt een horizontale beweging ofwel een onbalans, resulterend uit een verzwenking, minimaal gemaakt, waardoor verzekerd is •15 dat de turbine in de juiste stand op de wind wordt gehouden.Such upwind adjustment means comprise mounting the blades at their base parts such that by pivoting the blades downwind and counteracted by vertical wind speed gradients, an adjustment is made in the blade angle with respect to the blade angle. Wind direction. Such a blade angle adjustment reduces the lift on those blades that are exposed to higher wind speeds and a greater angle of attack, while increasing the lift on those blades that are exposed to a lower wind speed and a smaller angle of attack due to the speed gradient. This equalization of the lift over the turbine blades minimizes horizontal movement or imbalance resulting from pivoting, ensuring that the turbine is kept in the correct position upwind.

Bij een uitvoeringsvorm wordt een dergelijke bladhoekinstelling verkregen door een verzwenkende montage van het blad op de naaf, zodanig dat het blad verzwenkt onder invloed van de snelheidsgradiënt om een as 20 die schuin staat ten opzichte van de langsas van het blad. Bij een alternatieve uitvoeringsvorm wordt de bladhoekinstelling verkregen door een zodanige montage van de bladen, dat de bladen verzwenkbaar zijn om hun langsas, waarbij de bladen bij naar buiten toe liggende delen ervan 25 verzwenkbaar zijn verbonden met de naaf of het einddeel van de hoofdturbine-as, zodat flapperen of verzwenken van het blad een gewenste scharnierende verplaatsing van het blad tot stand brengt om zijn langsas voor het verkrijgen van de bladhoekinstelling, vereist om de horizontale 30 verplaatsing van de naaf ofwel de onbalans van de naaf ten opzichte van de windrichting minimaal te maken.In one embodiment, such a blade angle adjustment is achieved by a pivotal mounting of the blade on the hub such that the blade is pivoted under the influence of the speed gradient about an axis 20 that is inclined to the longitudinal axis of the blade. In an alternative embodiment, the blade angle adjustment is accomplished by mounting the blades such that the blades are pivotable about their longitudinal axis, the blades being pivotally connected to the hub or end portion of the main turbine shaft at outward portions thereof. so that flapping or pivoting of the blade accomplishes a desired hinged displacement of the blade about its longitudinal axis to obtain the blade angle adjustment, required to minimize the horizontal displacement of the hub or the imbalance of the hub relative to the wind direction to make.

Bovengenoemde kenmerken en voordelen van de onderhavige uitvinding zullen nu nader worden toegelicht aan de hand van de beschrijving van een uitvoerings-35 voorbeeld, weergegeven in de tekening, waarin: fig. 1 een vooraanzicht toont van een windturbine volgens de onderhavige uitvinding; fig. 2 een perspectivisch aanzicht toont, op vergrote schaal, van een deel van de windturbine, 40 waarbij bepaalde delen van de naaf zijn weggelaten voor 8102370 - 4 - het tonen van constructiedetails? fig. 3 een zijaanzicht toont van de windturbine volgens de onderhavige uitvinding; fig. 4 een bovenaanzicht toont van de windturbine 5 volgens de uitvinding; fig. 5 een doorsnede toont over het bovenste blad van fig. 3, volgens de lijn V-V daarvan, voor het weergeven van de lift- en weerstandskrachten werkend op het blad? 10 fig. 6 een doorsnede toont over het onderste blad van fig. 3 volgens de lijn VI-VI daarvan, voor het weergeven van de lift- en weerstandskrachten, werkend op dat blad? fig. 7 een bovenaanzicht toont van een bekende 15 windturbineconstructie met verzwenkende bladen, waarbij de schuine stand van de netto krachtsvector van de wind ten opzichte van de draai'ingsas van de naaf is weergegeven ten gevolge van het verzwenken van de bladen? fig. 8 een aanzicht toont overeenkomstig fig. 7, 20 maar met. de afwijking van de instelling van de naaf ten opzichte van de windrichting, ten gevolge van de schuine stand van de krachtsvector ten opzichte van de instelas? fig. 9 een grafische weergave toont van het 25 verband tussen de instel-versnelling en de instelhoek voor een paar grote windturbines vervaardigd op de wijze als weergegeven in de fig. 7 en 8, waarbij één van de turbines is voorzien van een zwenkverbinding tussen de bladen en de naaf en de andere van êen stijve verbinding, 30 terwijl eveneens het grafische verband is weergegeven voor een grote windturbine, vervaardigd volgens de onderhavige uitvinding? fig. 10 een grafische weergave toont van het verband tussen de vermogensverhouding en de instelhoek 35 en tussen de krachtsverhouding en de instelhoek voor een grote windturbine overeenkomstig de onderhavige uitvinding; en fig. 11 een aanzicht toont overeenkomstig fig, 2, maar van een alternatieve uitvoeringsvorm van de 40 onderhavige uitvinding.Above mentioned features and advantages of the present invention will now be further elucidated with reference to the description of an exemplary embodiment, shown in the drawing, in which: fig. 1 shows a front view of a wind turbine according to the present invention; fig. 2 shows an enlarged perspective view of a part of the wind turbine, 40 with certain parts of the hub omitted for 8102370-4 - showing construction details? Fig. 3 shows a side view of the wind turbine according to the present invention; Fig. 4 shows a top view of the wind turbine 5 according to the invention; FIG. 5 is a cross-sectional view of the top blade of FIG. 3, taken along line V-V thereof, for illustrating the lift and drag forces acting on the blade? Fig. 6 shows a section on the bottom sheet of Fig. 3 along the line VI-VI thereof, for showing the lift and drag forces acting on that sheet? FIG. 7 is a plan view of a prior art pivoting-blade wind turbine construction, showing the inclination of the net force vector of the wind relative to the axis of rotation of the hub due to pivoting of the blades. fig. 8 shows a view corresponding to fig. 7, 20 but with. the deviation of the adjustment of the hub from the wind direction, due to the tilt of the force vector with respect to the adjustment axis? FIG. 9 is a graphical representation of the relationship between the adjustment gear and the adjustment angle for a pair of large wind turbines manufactured in the manner shown in FIGS. 7 and 8, one of the turbines having a pivot connection between the blades and the hub and the other of one rigid connection, while also showing the graphical relationship for a large wind turbine manufactured according to the present invention? Fig. 10 is a graphical representation of the relationship between the power ratio and the setting angle 35 and between the power ratio and the setting angle for a large wind turbine according to the present invention; and FIG. 11 shows a view similar to FIG. 2, but of an alternative embodiment of the present invention.

8102370 - 5 -8102370 - 5 -

Zoals weergegeven in de fig. 1 - 4 omvat de gestabiliseerde windturbine volgens de onderhavige uitvinding een paar schroefbladen 6 en 7, gemonteerd op een naaf 9 en zich naar voren toe en radiaal naar buiten toe uitstrekkend 5 vanaf de naaf. De naaf is draaibaar om een as 12 en verbonden met de aan te drijven inrichting, bijv. een elektrische generator of dergelijke (niet weergegeven) door middel van de as 15 (fig. 2), waarbij de draailngsas van de naaf en de as met elkaar samenvallen. De aan te drijven inrichting 10 en de eventuele overbrenging (niet weergegeven) vereist voor het vergroten van het toerental van de as 15 tot aan het toerental van de aan te drijven inrichting, zijn aangebracht in de gondel 15, welke gondel bij het normale bedrijf zich direkt voor de bladen en de naaf bevindt, dus 15 stroomopwaarts daarvan. Het zal echter duidelijk zijn, dat de onderhavige uitvinding niet beperkt is tot een dergelijke opstelling van de gondel. De gondel en het naaf-bladsamenstel zijn verzwenkbaar om een instelas 21, die kan samenvallen met de toren of de ondersteuningsconstructie 24, voor het 20 instelbaar ondersteunen van de windturbine door middel van het leger 27. Zoals in het bijzonder blijkt uit de fig. 1 en 4 ligt de instelas 21 in het algemeen in êên vlak met de draaiïngsas 12, zodat hij deze as snijdt.As shown in Figs. 1-4, the stabilized wind turbine of the present invention comprises a pair of propeller blades 6 and 7 mounted on a hub 9 and extending forward and radially outward from the hub. The hub is rotatable about an axis 12 and connected to the driven device, e.g. an electric generator or the like (not shown) by means of the axis 15 (fig. 2), the axis of rotation of the hub and the axis being coincide. The device 10 to be driven and any transmission (not shown) required to increase the speed of the shaft 15 to the speed of the device to be driven are arranged in the gondola 15, which in normal operation directly in front of the blades and hub, so 15 upstream thereof. It will be understood, however, that the present invention is not limited to such an arrangement of the nacelle. The nacelle and the hub-blade assembly are pivotable about an adjusting shaft 21, which can coincide with the tower or the support structure 24, for adjustable support of the wind turbine by means of the bearing 27. As can be seen in particular from fig. 1 and 4, the adjustment shaft 21 is generally flush with the rotary shaft 12 so that it intersects this shaft.

Zoals blijkt uit fig. 2 omvat de naaf een 25 einddeel of as 15, die is opgenomen binnen de holle blad-voet of een holle astap 30. De bladen zijn met de naaf verbonden door een schuine scharnierpen 33, opgenomen in, in lijn liggende boringen in de astap of het voetdeel en de as 15. Wanneer de bladen verzwenken in de richting 3 0 van de wind en daar tegen in om de scharnierpen ten gevolge van vertikale windsnelheidsgradiënten, brengt de schuine stand van de scharnierpen een instelling van de bladhoek tot stand ten opzichte van de windrichting, voor het egaliseren van de lift op de turbinebladen zodat 35 instel-onbalans minimaal wordt gemaakt.As shown in Fig. 2, the hub comprises an end portion or shaft 15 received within the hollow blade base or a hollow journal 30. The blades are connected to the hub by an oblique hinge pin 33 received in aligned bores in the journal or the foot part and the shaft 15. When the blades pivot in the direction of the wind and against it around the hinge pin due to vertical wind speed gradients, the tilt of the hinge pin adjusts the blade angle position relative to the wind direction, to equalize the lift on the turbine blades to minimize adjustment imbalance.

Zoals bekend doen er zich in de wind dikwijls vertikale snelheidsgradiënten voor. Dat betekent dat de windsnelheid dicht bij het aardoppervlak aanmerkelijk lager is dan de windsnelheid gemeten in punten op een 40 afstand van het aardoppervlak, dat wil zeggen op afstanden 8102370 - 6 - van 60 of 90 meter daarvan. Wanneer aangenomen wordt dat de bladen onder de gelijke spoedhoek staan tijdens het draaien ervan, betekent dit dat op een bepaald moment het bovenste blad is blootgesteld aan hogere windsnelheden 5 en dus aan een grotere invalshoek dan het onderste blad.As is known, vertical speed gradients often occur in the wind. This means that the wind speed close to the surface of the earth is considerably lower than the wind speed measured in points at a distance from the earth's surface, i.e. at distances 8102370-6 - from 60 or 90 meters from it. Assuming that the blades are at the same pitch angle as they are rotated, this means that at some point the top blade has been exposed to higher wind speeds and thus to a greater angle of attack than the bottom blade.

In de fig. 5 en 6 is een bepaalde plaats van het bovenste blad 6 weergegeven, dat zich op een bepaalde straal r bevindt, gemeten vanaf de draaiïngsas van de naaf. Op deze plaats werken op het blad de resulterende luchtsnelheid 10 in gevormd door de vectorsom van de windsnelheid ter plaatse van de straal r (V ) en de windsnelheid ftr uitgeoefend door het blad ten gevolge van de rotatie daarvan. De resulterende maakt met de koorde van het blad 6 een invalshoek o^. Op gelijke wijze is de resulterende snelheid 15 van de wind werkend op het blad 7, nl. het onderste blad, de vectorsom van de windsnelheid V 1, gemeten op de straal r en de snelheid Λ r uitgeoefend door het blad 7 ten gevolge van zijn eigen rotatie. Ten gevolge van de waarde van V ' vormt deze resulterende met de koorde van het w 20 blad 7 een invalshoek o^, die kleiner is dan de hoek a^.Figures 5 and 6 show a particular location of the upper blade 6, which is located at a certain radius r, measured from the axis of rotation of the hub. At this location, the resulting air velocity 10 acts on the blade formed by the vector sum of the wind velocity at the radius r (V) and the wind velocity ftr exerted by the blade due to its rotation. The resultant makes an angle of attack ^ with the chord of the blade 6. Likewise, the resulting wind speed 15 acting on the blade 7, i.e. the bottom blade, the vector sum of the wind speed V 1, is measured on the radius r and the speed Λ r exerted by the blade 7 due to its own rotation. Due to the value of V ', this resulting with the chord of the sheet 7 forms an angle of incidence ^ which is smaller than the angle α.

Daar de bij elk der bladen 6 en 7 behorende lift evenredig is met de invalshoek zal, zoals weergegeven, de lift op het bovenste blad aanmerkelijk groter zijn dan de lift op het onderste blad. Bij het verdraaien van de bladen 25 zal elk blad periodiek de bovenste en de onderste stand innemen, zodat bij een stijve montage van de bladen op de rotor de variatie in lift werkend op elk blad, daar dit periodiek de bovenste en de ‘onderste stand inneemt, een • periodieke buiging of "flapperen" van de bladen zal ver-30 oorzaken. Een dergelijke doorbuiging is niet slechts nadelig voor de bladen, maar draagt er ook toe bij, dat de turbine uit zijn juiste stand ten opzichte van de wind wordt gedrukt, gedeeltelijk ten gevolge van de verstorende momenten, direkt resulterend uit de buiging 35 van de bladen, en gedeeltelijk door een hoekverschuiving in de vector resulterend uit de kracht die inwerkt op de bladen.Since the elevator associated with each of the blades 6 and 7 is proportional to the angle of incidence, as shown, the elevator on the top blade will be significantly larger than the elevator on the bottom blade. When rotating the blades 25, each blade will periodically assume the top and bottom positions, so that when the blades are rigidly mounted on the rotor, the variation in lift acting on each blade will periodically assume the top and bottom positions. periodic bending or "flapping" of the blades will cause. Such deflection is not only detrimental to the blades, but also helps to push the turbine out of its proper position with respect to the wind, in part due to the disruptive moments resulting directly from the blade bending. , and in part by an angular shift in the vector resulting from the force acting on the blades.

Bij bekende inrichtingen, wordt de periodieke buiging of trilling soms geëlimineerd door een zodanige 40 verbinding tussen de bladen en de naaf dat de bladen ver- 8102370 - 7 - zwenken om een as, die ongeveer dwars staat op de draaiïngsas van de naaf en op de langsas van de bladen, zonder dat dit gepaard gaat met enige cyclische bladhoek-verandering. Bij deze bekende wijze van verzwenkende 5 constructie wordt de hierboven beschreven periodieke bladdoorbuiging vervangen door een cyclische verzwenking van de bladen op de naaf om de zwenkas. Dientengevolge zullen bij het verdraaien van de bladen onder de invloed van de heersende wind deze cyclisch met de wind mee 10 en daar tegen in bewegen door de cyclische verzwenking om de zwenkpen 33.In known devices, the periodic bending or vibration is sometimes eliminated by such a connection between the blades and the hub that the blades pivot about an axis approximately transverse to the axis of rotation of the hub and to the axis of rotation. longitudinal axis of the blades, without this being accompanied by any cyclic blade angle change. In this known pivoting construction, the periodic blade deflection described above is replaced by a cyclic pivoting of the blades on the hub about the pivot axis. As a result, when the blades are rotated under the influence of the prevailing wind, they will move cyclically downwind and counter against this by the cyclic pivoting about the pivot pin 33.

Deze verzwenking Om de zwenkpen bij verdraaiing van de bladen veroorzaakt een verzwenking van de naaf en de bladen om de zwenkas, welke de grootste waarde' 15 heeft wanneer de zwenkpen zich in vertikale stand bevindt. Terwijl de grootte van de plaatsvindende verzwenking afhankelijk zal zijn van de windsnelheid, de windgradiënt, de bladvorm en andere aspecten van het turbine-ontwerp en van de bedrijfsomstandigheden, zal door de veroorzaakte 20 verzwenking de naaf en de bladen een hoekafwijking met de windrichting vertonen van enkele, bijv. 2°. Zoals aangegeven in fig. 7 zal de hoekverplaatsing van de naaf en de bladen, zodanig dat zij niet meer in de windrichting liggen, een dienovereenkomstige hoekverplaatsing veroorzaken 25 van de vector resulterend uit de netto kracht die inwerkt op de bladen, welke krachtsvector wordt gedefinieerd als werkend loodrecht op een lijn die de bladtippen snijdt.This pivoting around the pivot pin upon rotation of the blades causes a pivoting of the hub and the blades about the pivot axis, which has the greatest value when the pivot pin is in vertical position. While the magnitude of the pivot occurring will depend on the wind speed, wind gradient, blade shape and other aspects of the turbine design and operating conditions, the pivot caused will cause the hub and blades to have an angular deviation from the wind direction of some, eg 2 °. As shown in Fig. 7, the angular displacement of the hub and the blades, so that they are no longer in the wind direction, will cause a corresponding angular displacement of the vector resulting from the net force acting on the blades, which force vector is defined as operating perpendicular to a line intersecting the leaf tips.

Door de schuine stand van de krachtsvector zal de vector verplaatst zijn uit de in-lijnstand met de instelas. Hierdoor 30 zal de versprongen krachtsvector een instelmoment uitoefenen op de turbine, resulterend in een vergrote instel-verplaatsing van de heersende windrichting als weergegeven in fig. 8.Due to the tilt of the force vector, the vector will have moved out of the in-line position with the adjusting axis. As a result, the offset force vector will exert an adjustment moment on the turbine, resulting in an increased adjustment displacement of the prevailing wind direction as shown in Fig. 8.

In fig. 9 zijn de effekten getoond van de 35 versprongen krachtsvector, gepaard gaande met de resulterende naafinstelverplaatsing voor grote windturbinerotors met een verzwenkende ondersteuning van de bladen en met vaste bladen, bij een windsnelheid van 25 m/sec. Zoals uit de weergegeven krommen blijkt, zal een aanzienlijke verdraaiing 40 optreden van de windturbinerotors vanaf de gewenste hoek 8102370 - 8 - van 0°, zowel bij turbinerotors met vaststaande als met verzwenkbare bladen. Wanneer de rotor met verzwenkbare bladen begint onder een aanstroomhoek van 0° zal de verdraaiing tot ongeveer 15° kunnen bedragen bij een rotor met verzwenk-5 bare bladen, terwijl bij de rotor met vaste bladen de verdraaiingshoek -33°, -22° of ongeveer 55° kan bedragen ten opzichte van de gewenste stand voordat evenwichts-omstandigheden optreden (verdraaiïngsversnelling 0).In Fig. 9, the effects of the staggered force vector are shown, accompanied by the resulting hub adjustment displacement for large wind turbine rotors with pivoting blade support and fixed blade speed, at a wind speed of 25 m / sec. As can be seen from the curves shown, a significant twisting of the wind turbine rotors will occur from the desired angle of 0 ° from 10 °, both for fixed and pivot blade turbine rotors. When the pivot-blade rotor starts at an approach angle of 0 °, the rotation may be up to about 15 ° with a pivot-blade rotor, while with the fixed-blade rotor, the rotation angle is -33 °, -22 °, or about Can be 55 ° in relation to the desired position before equilibrium conditions occur (turning acceleration 0).

De beide turbines zijn bij deze verdraaiing stabiel, 10 ten gevolge van een compensatie van het krachtsmoment door aërodynamische krachten op de bladen.Both turbines are stable at this rotation, due to a compensation of the torque by aerodynamic forces on the blades.

Zoals weergegeven in fig. 10 worden zowel de krachts- als de vermogensverhoudingen optimaal door de kop van de turbine nagenoeg direkt op de wind te houden.As shown in Fig. 10, both the power and power ratios become optimal by keeping the turbine head almost directly on the wind.

15 De vermogensverhouding is een maat voor het uitgangs- vermogen van de turbine gedeeld door het beschikbare vermogen van de windstroom die door de turbine gaat en de krachtsverhouding is een maat voor de kracht op de turbinebladen gedeeld door de netto beschikbare kracht 20 van de windkolom, die door de turbinebladen wordt onderschept. Zoals blijkt uit fig. 10 zal elke aanmerkelijke verplaatsing vanuit de gewenste instelhoek van 0° een zeer nadelige invloed uitoefenen op de vermogens-opwekkende eigenschappen van de turbine.15 The power ratio is a measure of the turbine output power divided by the available power of the wind flow passing through the turbine and the power ratio is a measure of the force on the turbine blades divided by the net available force 20 of the wind column, intercepted by the turbine blades. As can be seen from Figure 10, any significant displacement from the desired 0 ° entering angle will have a very detrimental effect on the power generating properties of the turbine.

25 Ter overkoming van de bezwaren gepaard gaande met het stabiel instellen van bekende windturbines op de wind worden nu volgens de onderhavige uitvinding de bladen scharnierend gemonteerd bij het voetdeel daarvan, op zodanige wijze dat een verzwenkende beweging van de 30 bladen optreedt om de scharnierpen 33 onder invloed van een vertikale windsnelheidsgradiënt, waardoor een cyclische instelling van de bladhoek van de bladen ten opzichte van de windrichting plaatsvindt. Wanneer dus de bladen vertikaal zijn aangebracht zoals weergegeven 35 in fig. 3, zal het bovenste blad 6 met de wind verzwenken om de pen 33, waardoor de voorrand van het blad naar de windrichting toe wordt gedraaid, waardoor de lift of dat blad wordt verkleind. Op gelijke wijze zal het onderste blad 7 tegen de wind in worden gedraaid, waardoor * 40 de voorrand van dat blad iets van de wind wordt afgedraaid, 8102370 r *· - 9 - waardoor de lift op het onderste blad wordt vergroot tot een waarde ongeveer corresponderend met die op het bovenste blad. Hierdoor zal de lift op beide bladen nagenoeg geëgaliseerd worden, waardoor de horizontale verplaatsing 5 van de rotor, vanuit de op de wind gestelde stand, minimaal zal worden gemaakt.In order to avoid the drawbacks associated with the stable adjustment of known wind turbines to the wind, according to the present invention the blades are now hingedly mounted at the base part thereof in such a manner that a pivoting movement of the blades around the hinge pin 33 underneath occurs. influence of a vertical wind speed gradient, causing a cyclic adjustment of the blade angle of the blades relative to the wind direction. Thus, when the blades are arranged vertically as shown in Fig. 3, the top blade 6 will pivot with wind about the pin 33, turning the leading edge of the blade toward the wind direction, thereby reducing the lift or that blade . Likewise, the bottom blade 7 will be rotated upwind, turning * 40 the leading edge of that blade slightly off the wind, 8102370 r * - - 9 - increasing the lift on the bottom blade to a value of approximately corresponding to the one on the top sheet. As a result, the lift will be virtually leveled on both blades, so that the horizontal displacement of the rotor, from the wind-set position, will be minimized.

De mate van bladhoekinstelling, tot stand gebracht door een bepaalde amplitude van de verzwenking, zal uiteraard afhangen van de hoek die de scharnierpen 33 10 maakt met de langsas van de bladen. De waarde van deze hoek hangt af van de heersende windomstandigheden ter plaatse van de turbine en van de geometrie van de turbine zelf. Gebleken is echter, dat hoekverstellingen van de scharnierpen 33 vanaf de hartlijn van het blad van 15 40-70° bevredigend werken voor gebruik bij grote turbines, dat wil zeggen bij die turbines met een spanwijdte in de orde van grootte van 60 meter of meer.The degree of blade angle adjustment effected by a certain amplitude of the pivot will of course depend on the angle the hinge pin 33 makes with the longitudinal axis of the blades. The value of this angle depends on the prevailing wind conditions at the location of the turbine and on the geometry of the turbine itself. However, it has been found that angular adjustments of the hinge pin 33 from the axis of the blade of 40-70 ° operate satisfactorily for use with large turbines, that is to say, those with a wingspan of the order of 60 meters or more.

De werking van een instel-gestabiliseerde turbine overeenkomstig de onderhavige uitvinding is weergegeven 20 in het bovenste deel van de grafiek van fig. 9, die de instelversnelling weergeeft ten opzichte van de aanstroom-hoek, ofwel de instelhoek. Zoals uit de kromme' blijkt is de instelversnelling 0 bij een instelhoek van 0 (oriëntatie van de turbine nagenoeg direkt op de wind). Wanneer 25 dus de turbine door mechanische middelen of door middel van een windvaaneffekt in deze stand is ingesteld, zal de windturbine volgens de onderhavige uitvinding deze stand behouden voor een optimale energie-afgifte.The operation of an adjustment stabilized turbine according to the present invention is shown in the upper part of the graph of Figure 9, which shows the adjustment acceleration with respect to the approach angle, or the adjustment angle. As can be seen from the curve, the adjustment acceleration is 0 at an adjustment angle of 0 (orientation of the turbine almost directly on the wind). Thus, when the turbine is set in this position by mechanical means or by means of a wind vane effect, the wind turbine of the present invention will maintain this position for optimum energy delivery.

Fig. 11 toont een alternatieve uitvoeringsvorm 30 van de onderhavige uitvinding. Bij deze uitvoeringsvorm worden de bladen 6 en 7 ondersteund op de astap 36, zodanig dat de bladen om hun langsas kunnen verzwenken. De bladen zullen daartoe worden gemonteerd op geschikte (niet weergegeven) legers aangebracht tussen de bladen en de 35 astap. De bladen verzwenken eveneens met de wind mee en daar tegen in over een as 39, die in hoofdzaak dwars op het blad en de astappen staat. Zoals weergegeven in fig. 11 wordt de as 39 gedefinieerd door een scharnierpen 42, die zich uitstrekt door de astap 36 en de hoofdas 40 15. Het blad is bij een buitenste deel ervan scharnierend 81 0 2 3 7 0 - 10 - met de as 15 door een schakel 45, waarvan het ene einde verzwenkbaar is verbonden met de steun 48 en het andere einde met de hoofdas bij de steun 51. Wanneer op een windturbine met de naafvorm volgens fig. 11 vertikale 5 windsnelheidsgradienten inwerken, zullen de bladen om de as 39 verzwenken op de bovenbeschreven wijze. Ten gevolge van de verbinding van het blad met de as door de schakel 45 zal echter het blad om zijn eigen langsas gaan verzwenken, waardoor een instelling van de bladhoek tot stand wordt 10 gebracht, voor het egaliseren van de lift over de spanwijdte van de bladen op de bovenbeschreven wijze.Fig. 11 shows an alternative embodiment 30 of the present invention. In this embodiment, the blades 6 and 7 are supported on the journal 36 so that the blades can pivot about their longitudinal axis. The blades will therefore be mounted on suitable bearings (not shown) arranged between the blades and the journal. The blades also pivot downwind and against it about an axis 39, which is substantially transverse to the blade and the journal stubs. As shown in Fig. 11, shaft 39 is defined by a hinge pin 42 extending through shaft journal 36 and main shaft 40 15. The blade is hinged at an outer portion thereof 81 0 2 3 7 0 - 10 - with shaft 15 by a link 45, one end of which is pivotally connected to the bracket 48 and the other end to the main shaft at the bracket 51. When on a wind turbine with the hub shape of FIG. 11, vertical wind speed gradients act, the blades around the pivot axis 39 in the manner described above. However, due to the connection of the blade to the shaft by the link 45, the blade will pivot about its own longitudinal axis, thereby establishing an adjustment of the blade angle, to equalize the lift across the span of the blades. in the manner described above.

Hoewel de windturbine volgens de onderhavige uitvinding is beschreven in samenhang met turbines voorzien van twee bladen, zal het duidelijk zijn dat de uitvinding 15 ook kan worden toegepast voor turbines met een aantal verzwenkbare bladen. Bij toepassing van meer dan twee bladen, zullen de bladen met de naaf worden verbonden door een inrichting met cardanische legers in plaats van met een enkel scharnier. Verder zal het duidelijk zijn 20 dat, hoewel de uitvinding is beschreven en weergegeven aan de hand van bepaalde gedetailleerde uitvoeringsvormen, vele wijzigingen kunnen worden aangebracht zonder buiten de uitvindingsgedachte te vallen.Although the wind turbine according to the present invention has been described in connection with two-bladed turbines, it will be clear that the invention can also be applied to turbines with a number of pivotable blades. When using more than two blades, the blades will be connected to the hub by a gimbal bearing arrangement rather than a single hinge. Furthermore, it will be understood that while the invention has been described and illustrated by means of certain detailed embodiments, many modifications can be made without departing from the inventive concept.

- conclusies - 8102370- conclusions - 8102370

Claims

A wind turbine comprising a rotatable hub and at least one propeller blade mounted at a foot portion thereof on the rotatable hub and pivotally movable about the foot portion in the direction of the wind and against it, depending on vertical wind speed gradients acting on the blade, with characterized in that the blade is connected to the hub in such a manner that when pivoting in the wind direction and counter to it in the blade, it is adjusted at a blade angle relative to the wind direction to minimize the adjustment imbalance of the hub due to the influence of the vertical wind speed gradients on the blade.

2. Wind turbine according to claim 1, characterized in that the blade pivots along the wind direction and against it about an axis which is inclined with respect to the longitudinal axis of the blade.

Wind turbine according to claim 2, characterized in that the oblique axis is offset from the longitudinal axis of the blade by an angle of 40 to 70 °.

Wind turbine according to any one of the preceding claims, characterized in that the hub comprises a main shaft, the blade and the base part thereof being pivotally connected to the main shaft by a hinge pin arranged along the hinge shaft.

Wind turbine according to claim 4, characterized in that the blade and the foot part thereof receive the main shaft therein, the hinge axis extending through aligned bores in the main shaft 30 and the foot part.

Wind turbine as claimed in claim 1, wherein the blade pivots in the wind direction and counter to it about an axis substantially on the longitudinal axis of the blade, 8102370-12 - characterized in that the blade is pivotable about its longitudinal axis and at a end thereof is hingedly connected to the hub, thereby causing a displacement of the blade in the wind direction and counter-pivoting of the blade about its longitudinal axis for adjusting the blade angle.

Wind turbine according to claim 6, characterized in that the hub comprises a main shaft which is received within the base part of the blade and is connected thereto by a pivot axis received within aligned bores of the main shaft and the base part and extending along the transverse axis.

8. Wind turbine as described and / or shown in the drawing. 81 0 2 3 70