NL8102370A - Windturbine die zich op de wind stelt. - Google Patents

Description

- 1 - V +

Windturbine die zich op de wind stelt.

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.

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.

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.

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.

81 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.

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.

Een verder doel van de uitvinding is het 30 verschaffen van een dergelijke windturbine waarbij de op-de-windstelmiddelen passief van aard zijn.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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^.

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.

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.

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.

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.

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).

De beide turbines zijn bij deze verdraaiing stabiel, 10 ten gevolge van een compensatie van het krachtsmoment door aërodynamische krachten op de bladen.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

- conclusies - 8102370

Claims (8)

1. Windturbine omvattende een draaibare naaf en ten minste één schroefblad gemonteerd bij een voetdeel daarvan op de draaibare naaf en verzwenkbaar beweegbaar om het voetdeel in de richting van de wind en daar tegen in, 5 in afhankelijkheid van vertikale windsnelheidsgradiënten inwerkend op het blad, met het kenmerk, dat het blad op zodanige wijze met de naaf is verbonden, dat bij een verzwenkende beweging in de windrichting en daar tegen in het blad wordt ingesteld onder een bladhoek ten 10 opzichte van de windrichting voor het minimaal maken van de instel-onbalans van de naaf ten gevolge van de invloed van de vertikale windsnelheidsgradiënten op het blad.

2. Windturbine volgens conclusie 1, m e t het kenmerk, dat het blad met de windrichting mee en 15 daar tegen in verzwenkt om een as die schuin staat ten opzichte van de langsas van het blad.

3. Windturbine volgens conclusie 2, m e t het kenmerk, dat de schuine as versprongen staat ten opzichte van de langsas van het blad over een hoek van 20 40 tot 70°.

4. Windturbine volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de naaf een hoofdas omvat, waarbij het blad en het voetdeel daarvan verzwenkbaar zijn verbonden met de hoofdas door een scharnierpen aangebracht 25 langs de scharnieras.

5. Windturbine volgens conclusie 4, m e t het kenmerk, dat het blad en het voetdeel daarvan de hoofdas daar binnen opnemen, waarbij de scharnieras zich uitstrekt door in lijn liggende boringen in’de hoofdas 30 en het voetdeel.

6. Windturbine volgens conclusie 1, waarbij het blad scharnierend in de windrichting en daar tegen in beweegt om een as in hoofdzaak op de langsas van het blad, 8102370 - 12 - met het kenmerk, dat het blad verzwenkbaar is om zijn langsas en bij een einde daarvan scharnierend is verbonden met de naaf, waardoor een verplaatsing van het blad in de windrichting en daar tegen in een verzwenking 5 van het blad tot stand brengt om de langsas ervan, voor het verstellen van de bladhoek.

7. Windturbine volgens conclusie 6, m e t het kenmerk, dat de naaf een hoofdas omvat, die is opgenomen binnen het voetdeel van het blad en daarmee 10 is verbonden door een scharnieras opgenomen binnen in lijn liggende boringen van de hoofdas en.het voetdeel en zich uitstrekkend langs de dwarsas.

8. Windturbine als beschreven en/of weergegeven ' in de tekening. 81 0 2 3 70