NL8102371A - Windturbine die zich op de wind stelt. - Google Patents

Description

- 1 - t >

Windturbine die zich op de wind stelt.

<T

ur.

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 windrichting.

5 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 as, werken in het algemeen met het hoogste rendement wanneer de rotor en de bladen op de wind zijn gesteld, of binnen 10 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. Voor zover bekend worden de instelassen van 15 dergelijke bekende windturbines steeds aangebracht in een gemeenschappelijk vlak met de hartlijn van de as van de naaf.

Er zijn zowel actieve als passieve middelen gebruikt om de turbine op de wind te stellen, zodanig dat 20 de windturbine de gewenste hoek maakt met de windrichting.

Bij de actieve middelen wordt in het algemeen gebruik gemaakt van een windrichtingvoeler, die via een geschikt regelstelsel middelen activeert om de naaf op de wind te stellen, zodat de naaf de juiste stand ten opzichte van 25 de windrichting inneemt, terwijl verder middelen aanwezig zijn om deze stand te handhaven zolang de windrichting dezelfde blijft. Bij de passieve middelen wordt in het algemeen gebruik gemaakt van het effekt van een "windvaan", waarbij door een zijdelingse belasting op de naaf door 30 de wind de turbine op de wind wordt gesteld. Hoewel de actieve middelen op effektieve wijze de turbine op de wind stellen en vasthouden, brengen dergelijke middelen in het algemeen complexe inrichtingen met zich mee, waardoor het economische rendement van de turbine lager wordt 35 en dus de kosten van de door de turbine opgewekte energie hoger.

De passieve middelen ofwel het windvaan-mechanisme voor het op de wind stellen van de turbine zijn gebleken 8102371 * " * - 2 - effektief te zijn bij toepassing op windturbines met relatief korte en stijve bladen. Bij de moderne, grote windturbines met bladen met een lengte van 37 meter en meer worden voor het verkrijgen van een minimaal gewicht, de 5 bladen soms uitgevoerd als een holle, samengestelde constructie met daardoor een aanmerkelijke elasticiteit.

Wanneer dergelijke windturbinebladen stijf met de naaf worden verbonden en blootgesteld aan vertikale windsnelheids-gradiënten en aan de zwaartekracht tijdens de normale 10 werking ervan, hebben zij de neiging cyclisch te buigen of te "flapperen", wat het op de wind 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 15 dwars op de draaiïngsas van de naaf en de as wordt door de verdraaiing van de op deze wijze gemonteerde bladen het elastisch trillen van de bladen vermeden, maar niettemin resulteert een horizontale verplaatsing van de naaf en de bladen om de zwenkas. Een dergelijke verplaatsing is het 20 resultaat van de gecombineerde verdraaiing en 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 25 beweging om de instelas.

Het 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.

30 Een verder doel van de uitvinding is het ver schaffen van een dergelijke windturbine waarbij de op-derwind-stelmiddelen passief van aard zijn.

Nog een verder doel van de uitvinding is het verschaffen van een windturbine waarbij de op-de-windstel-35 middelen economisch werken en slechts weinig toevoegen 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 40 op de wind stellen ervan en om deze stand van de windturbine 8102371 . ‘ - -3 - ten opzichte van de windrichting te handhaven niettegenstaande het trillen en/of verzwenken van schroefbladen om de zwenkassen van de naaf. Dergelijke op-de-windstelmid-delen worden geleverd door een versprongen opstelling van 5 de instelas ten opzichte van de draaiïngsas van de naaf.

De mate van verspringing wordt vastgesteld door de gemiddelde windsnelheid voor de betreffende plaats waar de turbine zal werken, door de grootte van de gemiddelde vertikale windsnelheidsgradiënt en door de geometrie van 10 de turbine zelf.

Ten gevolge van de bovengenoemde trilling of verzwenking van de bladen maakt de axiale krachtsvector een hoek met ofwel scheef ten opzichte van de draaiïngsas van de naaf. Door zijdelingse verplaatsing van de instelas 15 ten opzichte van de draaiïngsas naar een stand in lijn met de schuine krachtsvector, wordt voorkomen dat de krachtsvector een niet gebalanceerd moment of koppel uitoefent op de turbine om de instelas en wordt de turbine op de wind gesteld in een zodanige hoekstand dat een 20 nagenoeg optimaal bedrijfsrendement wordt bereikt. De instelas kan verder versprongen staan voor het compenseren van een zekere instel-onbalans tên gevolge van de uitoefening van blad-buigmomenten op de turbinegondel, evenals voor het compenseren van de bovengenoemde ver-25 springing van de krachtsvector.

Bovengenoemde en andere kenmerken en voordelen van de onderhavige uitvinding zullen nu nader worden toegelicht aan de hand van de beschrijving van een uitvoeringsvoorbeeld, weergegeven in de tekening, waarin: 30 fig. 1 een vooraanzicht toont van een wind turbine volgens de onderhavige uitvinding; fig. 2 een perspectivisch aanzicht.toont, op vergrote schaal, van een deel van de windturbine waarbij bepaalde delen van de naaf zijn weggelaten voor het 35 tonen van constructiedetails; fig. 3 een zijaanzicht toont van de windturbine volgens de onderhavige uitvinding; fig. 4 een bovenaanzicht toont van de windturbine volgens de uitvinding voor het weergeven van het samenvallen 40 van de turbine-instelas en de vector, die de netto wind- 8102371 , ~4- belasting aangeeft, werkend op de turbinebladen; 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 5 op het blad? 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 ; 10 fig. 7 een bovenaanzicht toont van een bekende windturbineconstructie, waarbij de instelas en de draai’ingsas van de naaf elkaar snijden en waarin de schuine stand van de rotorkrachtsvector ten opzichte van de draaiïngsas van de naaf is weergegeven ten gevolge 15 van het verzwenken van de bladen; fig. 8 een aanzicht toont overeenkomstig fig. 7 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; 20 fig. 9 een grafische weergave toont van het verband tussen de instel-versnelling en de instelhoek voor een paar grote windturbines, vervaardigd op de bekende wijze als weergegeven in de fig. 7 en 8, waarbij ëên van de turbines is voorzien van een zwenkverbinding 25 tussen de bladen en de naaf en de andere van een stijve verbinding? en fig. 10 een grafische weergave toont van het verband tussen de vermogens-verhouding en de instelhoek en tussen de krachtsverhouding en de instelhoek voor een 30 grote windturbine.

Zoals weergegeven in fig. 1-4 omvat de gestabiliseerde windturbine volgens de onderhavige uitvinding een paar schroefbladen 6 en 7, gemonteerd op een draaibare naaf 9 en zich naar voren toe en radiaal 35 naar buiten toe uitstrekkend 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), die eveneens draaibaar is om de hartlijn 12. De aan te 40 drijven inrichting en de eventuele overbrenging (niet 81 02 3 7 1 - 5 - 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 18, welke gondel bij het normale bedrijf zich direkt voor de bladen en de 5 naaf bevindt, dus stroomopwaarts daarvan. De gondel en het naaf-bladsamenstel zijn verzwenkbaar als een vaan door middel van de wind om een instelas 21, die kan samenvallen met de toren of de ondersteuningsconstructie 24, voor het instelbaar ondersteunen van de windturbine door 10 middel van het leger 27. Zoals in het bijzonder .blijkt uit de fig. 1 en 4 staat de instelas 21 versprongen ten opzichte van de draaiïngsas 12, zodanig dat de windturbine bij het op de wind stellen ervan wordt gestabiliseerd zodat de turbinenaaf in het algemeen op de wind wordt gehouden of 15 binnen enkele graden daarmee.

Zoals bekend doen er zich in de wind dikwijls vertikale snelheidsgradiënten voor. Dat betekent dat de windsnelheid dicht bij het aardoppervlak vaak aanmerkelijk lager is dan de windsnelheid gemeten in punten op een 20 afstand van het aardoppervlak, dat wil zeggen op afstanden 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 25 en dus 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* 30 in gevormd door de vectorsom van de wind ter plaatse van de straal r (V ) en de windsnelheid fir uitgeoefend door het blad ten gevolge van de rotatie daarvan. De resulterende maakt met de koorde van het blad 6 een invalshoek a^.

Op gelijke wijze is de resulterende snelheid van de wind, 35 werkend op het blad 7 namelijk het onderste blad, de vectorsom van de windsnelheid V ’, gemeten op de straal r w en de snelheid &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 blad 7 40 een invalshoek die kleiner is dan de hoek o^.

8102371 - 6 -

Daar de bij elk der bladen 6 en 7 behorende lift evenredig is met de invalshoek zal de lift op het bovenste blad. aanmerkelijk groter zijn dan de lift op het onderste blad.

Bij het verdraaien van de bladen zal elk blad periodiek 5 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 veroorzaken. Een dergelijke 10 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 van de bladen en gedeeltelijk door een hoek-15 verschuiving in de vector resulterend uit de kracht die inwerkt op de bladen.

De periodieke buiging of trilling kan worden geëlimineerd door een scharnierende verbinding tussen de bladen en de naaf als weergegeven in fig. 2. Zoals 20 weergegeven zijn de bladen gemonteerd op een holle astap 30, waar de hoofas 15 doorheen gaat. De hoofdas en de astappen zijn voorzien van in lijn liggende doorgangen voor het opnemen van een scharnierpen 33, welke scharnierpen in hoofdzaak dwars staat op zowel de draaiingsas 12 als 25 de langsas van de bladen. Bij een dergelijke zwenkconstructie wordt de boven aangegeven periodieke bladdoorbuiging vervangen door een cyclisch verzwenken van de bladen op de naaf om de langsas van de zwenkpen. Wanneer nu de bladen roteren onder invloed van de heersende wind zullen zij 30 cyclus met de wind mee bewegen en tegen de wind in door de cyclische verzwenking om de pen 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 heeft 35 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 40 verzwenking de naaf en de bladen een hoekafwijking met 81 0 2 3 7 1 ' - 7 - de windrichting maken van enkele graden. 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 van de 5 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 zal 10 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 versprongen krachtsvector, gepaard gaande met de resulterende 15 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 optreden van de windturbinerotors vanaf de gewenste hoek 20 van 0°, zowel bij turbinerotors met vaststaande als scharnierende bladen. Wanneer de rotor met verzwenkbare bladen begint onder een windstroomhoek van 0° zal de verdraaiing tot ongeveer 15° kunnen bedragen bij een rotor met verzwenkbare bladen, terwijl bij de rotor met vaste bladen de verdraaiïngs-25 hoek -33°, -22° of ongeveer 55° kan bedragen ten opzichte van de gewenste stand voordat evenwichtsomstandigheden optreden (verdraaiïngsversnelling 0). De beide turbines zijn bij deze verdraaiing stabiel, ten gevolge van een compensatie van het krachtsmoment door aërodynamische 30 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.

De vermogensverhouding is een maat voor het uitgangsvermogen 35 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 van de windkolom, die door de turbinebladen wordt onderschept. Zoals blijkt 40 uit fig. 10 zal.elke aanmerkelijke verplaatsing vanuit 8102371 - 8 - de gewenste instelhoek van 0° een zeer nadelige invloed uitoefenen op de vermogens-opwekkende eigenschappen van de turbine.

Ter overkoming van de bezwaren gepaard gaande 5 met het stabiel instellen van bekende windturbines op de wind, waarbij de draaiïngsas van de naaf en de instelas elkaar snijden, wordt bij de windturbine volgens de onderhavige uitvinding de instelas versprongen aangebracht ten opzichte van de draaiïngsas van de naaf, in een 10 zodanige mate dat de instelas in lijn komt te liggen met de onder een hoek verdraaide krachtsvector, resulterend uit een afwijking van de naaf en de bladen om de zwenkas ten gevolge van doorbuiging of verzwenking van het blad. Zoals weergegeven in fig. 4 wordt de netto versprongen 1.5 kracht op de bladen weergegeven door een krachtsvector, die loopt door de instelas. Hierdoor zal de krachtsvector niet resulteren in een ongebalanceerd moment uitgeoefend op de turbine, maar loopt de vector door de instelas heen, waardoor deze geen verdere verzwenking van de turbine 20 kan veroorzaken vanuit de gewenste op de wind gestelde stand. Hierdoor zal de turbine werkzaam blijven met een zeer geringe verplaatsing vanuit de juiste stand, waarbij de grootte van een dergelijke verplaatsing enkele graden, bijv. 2° bedraagt, waardoor de vermogensopwekkende eigen-25 schappen van de turbine slechts minimaal worden verminderd.

De windturbine volgens de onderhavige uitvinding blijft hierdoor niet slechts nagenoeg stabiel op de wind gesteld staan, maar dit gebéurt op een nagenoeg passieve • wijze, zonder dat gecompliceerde en dure windvoelers 30 noodzakelijk zijn en middelen om de turbine in de gewenste ingestelde stand te brengen en te houden. De mate van afwijking tussen de instelas en de draaiïngsas van de naaf zal uiteraard afhankelijk zijn van het geometrische ontwerp van de turbine en de heersende windomstandigheden waaronder 35 de turbine moet werken. Bij dergelijke parameters kan de instel-onbalans ten gevolge van flapperen of verzwenken van de bladen worden berekend en de verspringing van de instelas kan voldoende groot zijn om deze onbalans te compenseren.

40 Hoewel de windturbine volgens de onderhavige 81 0 2 3 7 1 - 9 - uitvinding is beschreven in samenhang met turbines voorzien van twee verzwenkbare bladen, zal duidelijk zijn dat de uitvinding ook kan worden toegepast voor turbines met een aantal scharnierende of vaste bladen. Bij toe-5 passing van de uitvinding bij turbines met vaste bladen zal de instelas niet slechts versprongen staan ter compensatie van de versprongen staande krachtsvector maar ook voor de bovenbeschreven niet gebalanceerde bladbuigmomenten. Bij toepassing van meer dan twee bladen bij een windturbine 10 met verzwenkbare bladen zullen de bladen met de naaf zijn verbonden door een inrichting met cardanische legers in plaats van met een enkel scharnier. Verder kan de inrichting volgens de onderhavige uitvinding worden toegepast bij turbines met bladen met hetzij een variabele 15 of een vaste spoed. Verder zal duidelijk zijn dat, hoewel de uitvinding is beschreven en weergegeven aan de hand van bepaalde gedetailleerde uitvoeringsvormen daarvan, vele wijzigingen kunnen worden aangebracht zonder buiten de uitvindingsgedachte te vallen.

- conclusies - ✓ 81 0 23 7 1

Claims (12)

1. Windturbine omvattende een aantal schroefbladen gemonteerd op een naaf, die draaibaar is om een draaiïngsas en welke naaf verzwenkbaar is om een instelas voor het op de wind stellen van de schroefbladen, met het 5 kenmerk, dat de instelas zijdelings versprongen staat ten opzichte van de draaiïngsas van de naaf voor het stabiliseren van de naaf bij het op de wind stellen daarvan tegen de invloed van vertikale windsnelheidsgradiënten, die inwerken op de bladen.

2. Windturbine volgens conclusie 1, m e t het kenmerk, dat de bladen verzwenkbaar zijn aangebracht op de naaf om een as die nagenoeg haaks staat ten opzichte van de draaiïngsas van de naaf en ten opzichte van de langsas van de bladen.

3. Windturbine volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat de draaiïngsas van de naaf en een lijn die de instelas verbindt met de draaiïngsas bij de naaf elkaar snijden onder een hoek, die nagenoeg gelijk is aan die welke een vector resulterend uit de kracht op de 20 schroefbladen afwijkt van de draaiïngsas van de naaf ten gevolge van de windsnelheidsgradiënt.

4. Windturbine volgens êën der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de windturbine bestemd is om te werken met de naaf stroomafwaarts van de instelas.

5. Windturbine volgens conclusie 3 of 4, me t het kenmerk, dat de afwijkingshoek ongeveer 1° bedraagt.

6. Windturbine omvattende een naaf die draaibaar is om een draaiïngsas, een aantal schroefbladen gemonteerd 30 op de naaf welke bladen in afhankelijkheid van de erop inwerkende vertikale windsnelheidsgradiënten periodiek beweegbaar zijn met de wind mee en daar tegen in, welke periodieke beweging een verplaatsing van de bladen veroor- 81 0 2 3 7 1 - 11 - zaakt en daardoor een hoekafwijking in de vector resulterend uit de windkracht die op de bladen inwerkt vanaf de draai’ingsas van de naaf, met het kenmerk, dat een zijdelingse verspringing aanwezig is van de instelas 5 ten opzichte van de draai’ingsas van de naaf voor het minimaal maken van de instelonbalans ten gevolge van een anders niet gebalanceerd moment uit de verspringing van de resulterende kracht ten opzichte van de instelas.

7. Windturbine volgens conclusie 6, m e t het 10 kenmerk, dat de periodieke schroefbladbeweging met de wind mee en daar tegen in bestaat uit. een cyclische verzwenking van het schroefblad om een as door de naaf en in het algemeen dwars op zowel de draaiingsas van de naaf als de langsas van de bladen.

8. Windturbine volgens conclusie 7, met het kenmerk, dat de instelas in hoofdzaak in lijn ligt met de resulterende krachtsvector.

9. Windturbine volgens conclusie 7,met het kenmerk, dat de draai’ingsas van de naaf en een 20 lijn die de instelas verbindt met de draaiingsas van de naaf onder een hoek versprongen staan in een mate die nagenoeg gelijk is aan de hoekafwijking van de windrichting en de netto windkracht werkend op de bladen.

10. Windturbine volgens conclusie 6, met het 25 kenmerk, dat de periodieke schroefbladbeweging met de wind mee en daar tegen in bestaat uit een cyclische buiging van de bladen ten gevolge van de elasticiteit daarvan.

11. Windturbine volgens conclusie 9, m e t het 30 kenmerk, dat de hoekverspringing ongeveer gelijk is _ o aan 1 .

12. Windturbine als beschreven en/of weergegeven in de tekening. 8102371