NL8105689A

NL8105689A - Inrichting voor het winnen van energie uit een stromend medium.

Info

Publication number: NL8105689A
Application number: NL8105689A
Authority: NL
Original assignee: Stichting Energie
Priority date: 1981-12-17
Filing date: 1981-12-17
Publication date: 1983-07-18
Also published as: EP0082378A3; EP0082378B1; DK554682A; JPS58160563A; AU9154282A; US4530644A; PT75992B; GR77830B; DE3272208D1; KR840002956A; CA1188994A; PT75992A; EP0082378A2

Description

* * - *

Inrichting voor het winnen van energie uit een stromend medium Stichting Energieonderzoek Centrum Nederland te 's-Gravenhage.

De uitvinding heeft betrekking op een inrichting voor het afnemen van energie uit een aangeboden stromend medium, zoals een windturbine, in hoofdzaak omvattend een om zijn as draaibare naaf, waarop in nagenoeg radiale richting lopende vermogensbladen (schroefbladen) zijn be-5 vestigd, waarbij elk van de vermogensbladen aan of nabij hun uiteinde voorzien zijn van een hulpvleugel, die gezien in een doorsnijdingsvlak waarin de relatieve stromingsrichting, tijdens bedrijf, en de hartlijn van het vermogensblad zijn gelegen, zodanig gericht is, dat de naar voren toe verlengde, in het betreffende vlak gelegen, koorde van het 10 bladprofiel een lijn snijdt, die in het betreffende vlak ligt en nagenoeg evenwijdig loopt met de relatieve stromingsrichting en gaat door de draaiingsas van de naaf.

Bovenbedoelde inrichting wordt beschreven in NL-OA nr. 7407721 (DS nr. 4,093,402). Door het toepassen van hulpvleugels aan of nabij 15 het uiteinde van de vermogensbladen wordt een stationair ringvormige wervelstroming opgewekt, die het rendement kan vergroten.

Gebleken is, dat het rendement niet optimaal wordt vergroot, als de hulpvleugels volgens de voor de hand liggende constructie, zoals in ' bedoeld octrooi met fig. 2 is aangegeven, aan de vermogensbladen zijn 20 bevestigd. Loslaten van de grenslaag van de hulpvleugel treedt bij deze plaatsing gemakkelijk op en leidt soms tot zeer aanzienlijk ver-mogensverlies. De aangegeven configuratie kan bovendien tot trillings-of flutterproblemen leiden, met problematiek ten aanzien van blad-breuk.

25 Doel van de uitvinding is te voorzien in zodanige maatregelen, dat, bij een gegeven, door de vermogensbladen bestreken oppervlak, een optimale hoeveelheid energie uit de aangeboden luchtstroom wordt verkregen en voorts het trillen of flutteren wordt opgeheven.

Dit wordt in de eerste plaats bereikt door een zodanige plaatsing 30 van de hulpvleugel ten opzichte van het vermogensblad dat bij rotatie de onderdrukpieken van vleugel en blad meer dan 0,3 maal de lengte van de grootste bladkoorde uit elkaar liggen.

015 Ned. I5—12—I98I

8105689 i ΐ - 2 -

Meer in het bijzonder wordt het beoogde doel bereikt door een aantal elkaar aanvullende maatregelen, te weten: a. een zodanige, in rotatie-richting geziene, naar voren gerichte situering van de hulpvleugel ten opzichte van het vermogensblad, 5 dat de onderdrukpieken van de vleugel en het vermogensblad (bij rotatie) meer dan 0,3 maal de lengte van de grootste koorde uit elkaar liggen; b. de hulpvleugel is zodanig geconstrueerd dat zijn zwaartepunt voor de elastische as van het vermogensblad ligt; en 10 c. het vermogensblad nabij de naaf zodanig is gevormd, dat de aangeboden luchtstroom niet van de naaf loslaat.

De hulpvleugels verstoren het gebruikelijke stromingspatroon, waardoor aanpassing van de wrong van de vermogensbladen voor het verkrijgen van het optimale rendement nodig is. Dit betekent, dat het 15 aanbrengen van hulpvleugels, ook volgens de thans aangegeven wijze, op de vermogensbladen van bestaande windturbines niet automatisch tot een optimaal rendement leidt.

Bij voorkeur wordt de afstand tussen onderdrukpieken (bij rotatie) gekozen in de orde van 0,5 maal de lengte van de grootste koorde. 20 Meestal zal dit de lengte van de koorde van de hulpvleugel zijn.

De onderdrukpiek van de hulpvleugel bevindt zich ongeveer ter plaatse van zijn grootste dikte, dus bij een normaal volgens een vliegtuigprofiel uitgevoerde vleugel, relatief ver naar voren. Het zelfde is het geval met de onderdrukpiek van het vermogensblad. Eên en 25 ander resulteert in een, uit constructief oogpunt gezien, niet voor de hand liggende plaatsing van de hulpvleugel ten opzichte van het vermogensblad. Deze merkwaardig ver naar voren geplaatste hulpvleugel komt ook tegemoet aan de tweede eis, dat trillen of flutteren wordt vermeden. Het kan echter nodig zijn dat de hulpvleugel plaatselijk 30 voorzien is van materiaal van hoog gewicht om het zwaartepunt naar voren te verleggen.

Een heel ander effect dat de werking van de turbine nadelig kan beïnvloeden is de waarde van de ”tilt"-hoek van de hulpvleugels. Bij een verkeerde "tilt,,-hoek ontstaat bij rotatie een stroming door het 35 conische oppervlak dat doorlopen wordt door de hulpvleugels, zodanig 1 8105689

Ned. 15-12-1981 ψ * - 3 - dat deze gaan werken als propellers. Dit nadelige effect wordt vermeden als de spanwijdte van elk van de hulpvleugels een hoek met de draaiingsas van de naaf maakt gelegen tussen 10° en 40°, bij voorkeur gelegen tussen 25° en 30°.

5 Een ander ongewenst effect is het zogenaamde "randzuigeffect".

Dit ontstaat als volgt: de tipwervels die zich bevinden of ontstaan aan de toppen of randen (zijkanten) van de hulpvleugels veroorzaken hoge onderdrukken aan beide randen (zijkanten). Omdat de "vleugeltip-wervel"-configuratie asymetrisch, is (dit in tegenstelling tot normale 10 vliegtuigvleugels), blijft er een resulterende netto dwarskracht over, die een component heeft tegengesteld aan de rotatierichting.

Het "randzuigeffect" kan worden voorkomen of worden verminderd door de configuratie van de hulpvleugels aan de stroomopwaartse zijde (met stroomopwaarts is hier bedoeld de zijde waarvan de lucht aan-15 stroomt). Deze rand wordt daartoe ten opzichte van de voorrand achterwaarts afgeschuind onder een hoek van 15® tot 45°, bij voorkeur van 30° tot 40°. Voorts is het voor een optimaal effect nodig dat deze rand scherp is en beide daar samenkomende vlakken een hoek vormen die de waarde van 0° zoveel mogelijk benadert, terwijl in het ondervlak de 20 beschrijvende lijnen nagenoeg recht zijn.

De uitvinding wordt toegelicht met een tekening. Deze toont met: fig. 1: een schematisch zijaanzicht van de bekende inrichting, waarbij slechts één schroefblad is weergegeven; fig. 2: een achteraanzicht van deze inrichting volgens de lijn II-II; 25 fig. 3: een bovenaanzicht van de inrichting van fig. 1 met daarbij een snelheidsdiagram; fig. 4: een aanzicht in perspectief van een vermogensblad en een hulp-vleugel als hiervoor als uitvinding is omschreven; en fig. 5: een nader gedetailleerd aanzicht van de hulpvleugel en ver-30 mogensblad volgens de uitvinding, gezien vanaf de naaf.

De met fig. 1, fig. 2 en fig. 3 weergegeven tekening wordt beschreven ter nadere toelichting van het bekende principe waarop de uitvinding een vooral constructief niet voor de hand liggende verbetering vormt.

35 De weergegeven bekende inrichting omvat een naaf 1 waarop twee of meer schroefbladen 2 zijn aangebracht, waarvan er in de tekening 1 8105689

Ned. 15-12-1981 -4 - steeds slechts één is weergegeven. Wanneer een luchtstroom met een snelheid L vanaf links, als gezien in fig. 1, naar de inrichting toestroomt, zal de naaf gaan verdraaien in de richting van pijl P.

Wanneer de inrichting draait zal het uiteinde van het schroefblad 2 een snelheid krijgen, als in fig. 3 aangegeven is met S.

5 In de fig. 1-3 is op het uiteinde van het schroefblad 2 een rechthoekige hulpvleugel bevestigd. Tengevolge van de rotatie van het schroefblad heeft de hulpvleugel 3 eveneens een omtreksnelheid die ongeveer gelijk is aan S. In het diagram van fig. 3 is de, tengevolge van deze rotatie optredende, relatieve luchtsnelheid aangegeven met 10 Sr, zodat ten opzichte van de hulpvleugel 3 een relatieve luchtsnelheid Lr ontstaat. Daar Sr een aantal malen groter is dan L zal, ook bij een veranderende verhouding de richting van Lr slechts weinig variëren. De hulpvleugel 3, waarvan de voorrand ongeveer haaks op de richting van Lr staat, wordt dus nagenoeg steeds op dezelfde 15 wijze aangestroomd.

In het bijzonder uit fig. 2 blijkt, dat de hulpvleugel 3 een zodanige invalshoek heeft ten opzichte van de relatieve luchtsnelheid, dat op de hulpvleugel een kracht wordt uitgeoefend waarvan de hoofdcomponent in de richting van de hartlijn van de naaf 1 loopt. Fig. 2 2Ό toont namelijk weliswaar een achteraanzicht van fig. 1, maar dit achteraanzicht maakt slechts een zeer geringe hoek met een aanzicht in de lengterichting van de vleugel, dus haaks op een, in fig. 3 aangegeven, vlak V, dat evenwijdig loopt met de relatieve luchtsnelheid en gaat door de hartlijn van het schroefblad 2. De in 25 fig* 2 met L'r aangegeven component van de relatieve luchtsnelheid maakt dus slechts een zeer geringe hoek met de werkelijke relatieve luchtsnelheid.

In fig. 4 zijn met vergelijkbare verwijzingscijfers dezelfde delen weergegeven als in fig. 1, 2 of 3. Essentieel is nu dat hulp-30 vleugel 13 ten opzichte van vermogensblad 12 in stroomopwaartse richting veel verder naar voren is geplaatst en wel zodanig dat de afstand tussen de onderdrukpieken, waarvan het verloop voor vleugel 13 en vermogensblad 12 met een stippellijn (14 resp. 15) is weergegeven (in bedrijf), een waarde heeft van ongeveer 0,5 k. In dit voorbeeld is 35 k de lengte van de koorde van de hulpvleugel 13, die groter is dan die van het vermogensblad 12. In fig. 4 ziet men ook dat de spanwijdterichting een hoek α (de "tilthoek") met de draaiingsas 11 maakt.

8105689 015 Ned. 15-12-1981 - 5 -

Fig. 5, toont dat de "stroomopwaartse" zijkant 17 is afgeschuind met een hoek 8 ten opzichte van de voorrand 16 en de vlakken die aan deze kant 17 samenkomen een hoek γ ten opzichte van elkaar vormen die de waarde van 0° zoveel mogelijk benadert, terwijl in het onder-5 vlak de beschrijvende lijnen 18 nagenoeg recht zijn.

Opgemerkt wordt, dat de volgens de relatieve stromingsrichting verlengde vlakken van spanwijdte en koorde, gezien volgens het vlak van de energiebladen 12, elkaar tenminste raken, bij voorkeur gedeeltelijk overlappen. Hiermede wordt de spanwijdte van de hulpvleugels 10 bepaald. De spanwijdte van de hulpvleugels moet tenminste deze lengte hebben, die bepaald wordt door de formule:

. ü 2 HR

b s —————— , ,

OR N

waarin: 15 b * spanwijdte, U windsnelheid, 0 = hoeksnelheid rotor, R * straal rotor, N * aantal vermogensbladen.

20 Fig. 5 toont ook dat het zwaartepunt Zg van de hulpvleugel 13 voor (de elastische as) van het vermogensblad 12 ligt.

Het een voorbeeld zal worden aangetoond dat voor een representatief windturbine-ontwerp met hulpvleugels, volgens nader aan te geven ontwerpgrootheden, en waarbij loslating van de grenslaag van de hulp-25 vleugels optreedt, deze geen enkel vermogen zal leveren.

Tijdens windtunnelproeven wordt de weerstandscoëfficiënt van de hulpvleugels gemeten. Deze wordt gedefinieerd als: CD = ^hulpvl._, waarin: 30 ^hulpvl. * weerstand van deze vleugel, p ** luchtdichthe'id,

S

hulpvl. = geprojecteerd oppervlak van de vleugel, Ω = hoeksnelheid rotor, R = straal rotor. 1 8105689

Ned. 15-12-1981 '· *5.

- 6 -

De toename van t.g.v. loslating van de grenslaag kan liggen in de orde van Δ0β=0,ΐ0. Als er gëën loslating is (dus in de positie volgens de uitvinding) is AC^O.

De vertaling van dit gegeven naar het vermogen van de windturbine 5 volgt uit de uitdrukking: 3 ACp= ACjj.o .λ , waarin: ACp = verlies aan vermogenscoëfficiënt (Cp is gedefinieerd als: cr = P ,) 10 i pü3 irR2 „ o = volheidsgraad van de vleugels = totaal oppervlak hulp- vleugels/frontaal oppervlak van de vermogens-2 bladenschijf ttR , 15 λ snellopendheid = fiR/U, P * vermogen windturbine, U .= windsnelheid.

ACp is dus nul als AC^ * 0 is (geen loslating van de grenslaag).

De invloed van de loslating is afhankelijk van vele factoren; voor 20 een hierboven bedoeld representatief ontwerp gelden grootheden in de orde van: σ » 0.02 λ = 10, ACp = 2.

25 Dit laatste betekent, dat met loslating de windturbine geen enkel vermogen zal leveren, omdat Cp = 0,45-ACp negatief zou zijn. Vergelijk: een conventionele turbine heeft 0,45 en een turbine met hulpvleu-gels zonder loslating van de grenslaag Cp<^l,0 a 1,1, waarbij Δ€ρβ0 is. Een tweede punt betreft verbetering t.g.v. de bijzondere randvorm 30 17 die de hulpvleugel 13 nodig heeft.' De verhoging van de weerstands- coëfficiënt AC^ met een randvorm zoals tot dusverre gebruikelijk is,* bedraagt ongeveer AC^^ 0,02 a 0,03, hetgeen betekent ACp-ta 0,-4 a 0,6. Ook dit resulteert in een minder toelaatbaar verlies aan vermogen. 1 8105689

Ned. 15-12-1981

Claims

1. Inrichting voor het afnemen van energie uit een aangeboden stromend medium, zoals een windturbine, in hoofdzaak omvattend een om zijn as draaibare naaf, waarop in nagenoeg radiale richting lopende vermogensbladen (schroefbladen) zijn bevestigd, waarbij elk van de 5 vermogensbladen aan of nabij hun uiteinde voorzien zijn van een hulp-vleugel, die gezien in een doorsnijdingsvlak waarin de relatieve stromingsrichting, tijdens bedrijf, en de hartlijn van het vermogens-blad zijn gelegen, zodanig gericht is, dat de naar voren toe verlengde, in het betreffende vlak gelegen, koorde van het bladprofiel een 10 lijn snijdt, die in het betreffende vlak ligt en nagenoeg evenwijdig loopt met de relatieve stromingsrichting en gaat door de draaiingsas van de naaf, met het kenmerk, dat de hulpvleugel (13) ten opzichte van het vermogensblad zodanig geplaatst is, dat bij rotatie de onderdruk-pieken van vleugel (13) en vermogensblad (12) meer dan 0,3 maal de 15 lengte van de grootste bladkoorde uit elkaar liggen*

2. Inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat: a) de hulpvleugel (13) in rotatierichting gezien zodanig ten opzichte van het vermogensblad (12) naar voren is gericht, dat de onderdruk-pieken van de vleugel het vermogensblad (bij rotatie) meer dan 0,3 20 maal de lengte van de grootste koorde uit elkaar liggen; ' b) de hulpvleugel (13) zodanig is geconstrueerd dat zijn zwaartepunt voor de elastische as van het vermogenslbad (12) ligt; en c) het vermogensblad (12) nabij de naaf (1) zodanig is gevormd, dat de aangeboden luchtstroom niet van de naaf (1) loslaat.

3. Inrichting volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat de afstand tussen onderdrukpieken (bij rotatie) wordt gekozen in de orde van 0,5 maal de lengte van de grootste bladkoorde.

4. Inrichting volgens conclusies 1-3, met het kenmerk, dat de spanwijdte van elk van de hulpvleugels (13) een hoek met de draaiings- 30 as (11) van de naaf (1) maakt, gelegen tussen 10° en 40° (hoek a).

5. Inrichting volgens conclusies 1-4, met het kenmerk, dat de hoek tussen spanwijdte van de hulpvleugel (13) en de draaiingsas (11) van de naaf (1) een hoek maakt, gelegen tussen 25° en 30°.

6. Inrichting volgens conclusies 1-5, met het kenmerk, dat de

015 Ned. 15-12-1981 8 1 0 5 S 8 9 - 8 - zijkant (17) van de hulpvleugel (13) (stroomopwaarts met betrekking tot de aanstroomrichting van de lucht) ten opzichte van de voorrand (16) achterwaarts afgeschuind is onder een hoek van 15° tot 45° (hoek e ).

7. Inrichting volgens conclusies 1-6, met het kenmerk, dat de zijkant (17) is afgeschuind onder een hoek van 30° tot 40°.

8. Inrichting volgens conclusies 1-6, met het kenmerk, dat deze zijkant (17) zodanig is afgeschuind dat de vlakken die aan deze kant (17) samenkomen ten opzichte van elkaar een hoek vormen die de waarde 10 van 0° zoveel mogelijk benadert, terwijl in het ondervlak van de hulpvleugel (13) de beschrijvende lijnen (18) nagenoeg recht zijn (hoek γ ).

9. Inrichting zoals beschreven en met een tekening toegelicht. 015 Ned. 15-12-1981 8105689