NL8503391A

NL8503391A - Post-mounted windmill for electrical generation - has suspended central see=saw pivot with low centre of gravity

Info

Publication number: NL8503391A
Application number: NL8503391A
Authority: NL
Original assignee: Petrus Jacobus Van Der Veld
Priority date: 1985-12-09
Filing date: 1985-12-09
Publication date: 1987-07-01

Abstract

The wind-driven rotor of the windmill is mounted on one end of a tubular assembly, while the generator is at the other end. The shaft of the rotor passes through the main bearing and the tubular assembly, and is coupled to the electrical generator via a gearbox and rotation brake. The assembly is supported by a 'see-saw' pivot bearing mounted, via a horizontal rotation bearing, on a vertical post. The vertical distance between the see-saw pivot axis and the assembly centre of gravity, divided by the distance between the rotor and pivot is a ratio of less than 40 to 1.

Description

-1--1-

Aanvrager :P.J. van der Veld.Applicant: P.J. van der Veld.

Titel :Constructie voor de ondersteuning van een windmolenrotoras.Title: Construction for supporting a windmill rotor shaft.

De uitvinding heeft betrekking op een constructie welke een windmolenrotoras voor een windmolen van het horizontale as type, zodanig ondersteund dat windvlagen ,windstoten en windschiftingen, in combinatie met optredende aërodynamische demping van de rotor en traagheidskrachten van de gondel, de 5 belasting op de windturbine constructie doen verminderen.In feite wordt de windturbine gondel opgehangen aan een schommelconstructie.The invention relates to a construction which supports a windmill rotor shaft for a windmill of the horizontal axis type, such that gusts, gusts and wind shifts, in combination with occurring aerodynamic damping of the rotor and inertia forces of the nacelle, the load on the wind turbine construction. In fact, the wind turbine nacelle is suspended from a swing construction.

De hierna te beschrijven werkwijze is een aanvulling en verbetering op constructies zoals omschreven in eerder ingediende Nederlandse octrooien en wel in de nummers 7807589 en7801247. Bij deze constructies is 10 de rotor via een betrekkelijk lange , vrij beweeglijke arm en via een korte mast met de vaste grond verbonden.Het voordeel van deze constructies is een reductie van de belasting op de windmolenmast. Het nadeel van de- constructie genoemd in octrooi nr.7807589 is het optreden van nogal grote momenten in het voorste hoofdasleger.In octrooi nr7801247 is dit euvel verholpen omdat 15 nu de rotor wel evenwijdig aan de luchtstroming kan gaan staan. Overigens is deze gigantische constructie nooit in de praktijk getest. Verder moet van beide octrooien opgemerkt worden dat de er aan ten grondslag liggende theorie met betrekking tot het reageren op windvlagen, windstoten en windschiftingen onvolledig is zoals gebleken is uit metingen aan een gebouwd proto-20 type van een nog nader te omschrijven constructie en zoals blijkt uit reeds lang bestaande mechanica wetten.De hiervoor vermeldde theorie komt in het · kort hierop neer.The method to be described below is an addition and improvement to constructions as described in previously filed Dutch patents, namely in numbers 7807589 and 7801247. In these structures, the rotor is connected to the solid ground via a relatively long, freely movable arm and via a short mast. The advantage of these constructions is a reduction of the load on the windmill mast. The disadvantage of the construction mentioned in patent no. 7807589 is the occurrence of rather large moments in the front main shaft army. In patent no. 7801247 this problem has been remedied because the rotor can now move parallel to the air flow. Incidentally, this gigantic construction has never been tested in practice. Furthermore, it should be noted of both patents that the underlying theory regarding the response to gusts, gusts and wind shifts is incomplete, as has been shown by measurements on a built prototype of a construction yet to be described in more detail. from long-standing mechanics laws. The theory mentioned above boils down to this in brief.

Indien een draaiende windmolenrotor twee of meer vrijheidsgraden van bewegen heeft is deze draaiende rotor te vergelijken met het gedrag van 25 een gyroscoop. Wanneer loodrecht op de draaiingsas van een gyroscoop een kracht of stoot uitgeoefend wordt verandert de richting van de draaiingsas van de rotor , zodanig "· dat de richting van verplaatsing steeds loodrecht staat op het vlak dat gevormd wordt door de kracht of stootvector die loodrecht staat op de draaiingsas en de impulsiemomentvector van de rotor.De 30 resultante van dit krachtenspel is een gedempte nutatiebeweging van de rotor-as ofwel het centrum van de rotor beschrijf na een verstoring van buitenaf (zoals een windvlaag,windstoot of windschifting) een spiraliserende baan vanuit zijn beginsituatie naar zijn nieuwe positie. In het verdere verhaal noemen we dit reactiepatroon een loodrecht reactie.If a rotating windmill rotor has two or more degrees of freedom of movement, this rotating rotor can be compared to the behavior of a gyroscope. When a force or impact is applied perpendicular to the axis of rotation of a gyroscope, the direction of the axis of rotation of the rotor changes such that the direction of displacement is always perpendicular to the plane formed by the force or impact vector perpendicular to the axis of rotation and the momentum vector of the rotor. The result of this play of forces is a damped nutation movement of the rotor axis or the center of the rotor describe after a disturbance from the outside (such as a gust of wind, gust or wind shifting) from its spiraling path initial situation to its new position In the further story we call this reaction pattern a perpendicular reaction.

35 Bij een niet vrij beweeglijke rotor kan bovengenoemd reactiepatroon niet ontstaan en treden grote momenten in rotoras en gondel op terwijl nu bij een vrij beweeglijke rotor,in feite veroorzaakt door scheve aanstroming,4f door een natuurlijk reactiepatroon een groot deel van de verstoringsenergie door de rotor wordt afgevoerd of gedissipeerd.35 With a not freely movable rotor, the above-mentioned reaction pattern cannot arise and large moments occur in the rotor shaft and nacelle, while now with a freely movable rotor, in fact caused by skewed flow, 4f by a natural reaction pattern a large part of the disturbance energy through the rotor is drained or dissipated.

40 De nieuwe constructie is als volgt opgebouwd en heeft de volgende kenmerken welke aan de hand van fig. 1 nader toegelicht zullen worden.The new construction is constructed as follows and has the following features, which will be explained in more detail with reference to Fig. 1.

De rotor draait achter de mast op een afstand van minstens een kwart van de rotordiameter ten opzichte van de mast. =1/4 rotordiameter.The rotor rotates behind the mast at a distance of at least a quarter of the rotor diameter from the mast. = 1/4 rotor diameter.

De rotor is via een lange,horizontaal liggende hoofdas en ondersteund in de 45 legers l en 2 t verbonden met omzetter o en daarbij behorende componenten.The rotor is connected to converter o and associated components via a long, horizontal main axis and supported in the 45 bearings 1 and 2 t.

De legers 1 en 2 zijn onderling verbonden door een draagconstructie Het tot zover besprokene noemen we de gondel.De draagconstructie is voorzien van een,in horizontale stand geplaatste en loodrecht op de hoofdas staande en op een afstand L4 boven het zwaartepunt van de gondel liggende, as.welke 50 in de legers 3 en 4 draaien kan.The bearings 1 and 2 are interconnected by a support structure. The so-called discussed is the gondola. The support structure is provided with a horizontal position and perpendicular to the main axis and at a distance L4 above the center of gravity of the gondola, which can rotate 50 in bearings 3 and 4.

De gondel met deze bovenliggende as is dus in balans opgehangen in de legers 3 en 4 welke laatste zijn opgenomen in een vorkconstructie die zelf om een vertikale as, ook wel kruias genoemd, draaien kan door middel van de legers 5 en 5 .De hartlijn van de as door de legers 5 en g snijdt de hartlijn 55 van de hoofdasDe gondel, dus ook rotor en rotoras, kunnen can een vertikale as bewegen maar ook een schommelbeweging uitvoeren vanwege de nu gevormde 8503391 ·-- -2- —'Si schommelconstructie.The gondola with this upper axis is thus suspended in balance in bearings 3 and 4, the latter of which are incorporated in a fork construction that itself can rotate about a vertical axis, also called a cross, by means of bearings 5 and 5. the axis through the bearings 5 and g intersects the axis 55 of the main axis. The nacelle, including the rotor and rotor axis, can move a vertical axis, but also perform a rocking movement due to the now formed 8503391 · -2-2 —'Si swing construction.

Omdat de gondel om een horizontale as, welke op een afstand L4 loodrecht boven het zwaartepunt van de gondel aangebracht is, bewegen kan ontstaat een gondel met schommelconstructie.Because the gondola moves about a horizontal axis, which is arranged at a distance L4 perpendicularly above the center of gravity of the gondola, a gondola with a swing construction can be created.

55

De vinding berust op de gunstige werking van deze gondel met schommelconstructie ten aanzien van verstoringen van buitenaf.The invention is based on the favorable effect of this gondola with swing construction with regard to disturbances from the outside.

De gedragskenmerken van deze constructie worden hieronder besprong ken en ontschreven.The behavioral characteristics of this construction are discussed and described below.

De schommelbeweging van de gondel met schommelconstructie kan beschouwd worden als een samenstelling van twee bewegingen en wel en draaiing om de schommelas en een translatie evenwijdig aan de hoofdas.The rocking movement of the gondola with rocking construction can be considered as a combination of two movements, namely rotation about the swing axis and a translation parallel to the main axis.

Samen met een draaiing om een vertikale as zijn met deze constructie,ofschoon 25 in beperkte mate, drie vrijheidsgraden van bewegen gecreëerd.Along with a rotation about a vertical axis, although limited, three degrees of freedom of movement have been created with this construction.

Zonder verstoring van buitenaf hangt de gondel met schommelconstructie in stabiel evenwicht.The gondola with swing construction hangs in stable balance without disturbance from the outside.

De schommel heeft een eigenfrequentie of schommelperiode Tg , die bepaald wordt door de schommelarmlengte I4 en het traagheidsmoment van gondel en 2o schommelconstructie ten opzichte van de schommelas.The swing has a natural frequency or swing period Tg, which is determined by the swing arm length I4 and the moment of inertia of the nacelle and the 2o swing construction with respect to the swing axis.

Daarnaast wordt de schommelperiode bepaald door de mate van wrijvingsdemping pingvan de schommelaslegers en aërodynamische demping van de rotor, indien deze scheef aangestroomd wordt.In addition, the oscillation period is determined by the degree of frictional damping ping of the oscillating axle bearings and the aerodynamic damping of the rotor, if it is approached at an angle.

De gondel met schommelconstructie reageert principieel anders op windvlagen, 25 windstoten en windschiftingen.The gondola with swing construction reacts differently in principle to gusts, 25 gusts and wind shifts.

Er is sprake van een windvlaag als de stijgtijd van de windvlaag Tv>Tg.A gust of wind occurs when the rise time of the gust Tv> Tg.

Is dit het geval dan voert de gondel met schommelconstructie een gedempte gedwongen beweging uit welke gecombineerd wordt met een specifieke loodrecht reactie . De baan welke het centrum van de rotor in deze situatie beschrijft 30 is weergegeven in fig. 2.If this is the case, the gondola with swing construction performs a damped forced movement, which is combined with a specific perpendicular reaction. The path describing the center of the rotor in this situation is shown in Figure 2.

Er is sprake van een windstoot als de stijgtijd van de windstoot Ts< .There is a wind gust as the rise time of the gust gust Ts <.

In dit geval zal de gondel met schommelconstructie een gedempte harmonische beweging gaan uitvoeren welke beweging weer gecombineerd wordt met een "loodrecht reactie" In fig. 3 is de baan van het centrum van de rotor gete-kend voor een zware windstoot.In this case, the swing construction gondola will perform a dampened harmonic motion which in turn is combined with a "perpendicular reaction". In Fig. 3 the trajectory of the center of the rotor is shown for a strong gust of wind.

J J ♦! »·J J ♦! »·

Tenslotte treedt bij windschifting alleen een loodrecht reactie op waarvan de baan die het centrum van de rotor beschrijft in fig. 4 is weergegeven.Finally, in wind shifting, only a perpendicular reaction occurs, the path of which describes the center of the rotor is shown in Fig. 4.

Punt a in deze figuur is de positie van de rotor vóór de windschifting en punt b de positie na de windschifting 40Point a in this figure is the position of the rotor before the wind shift and point b the position after the wind shift 40

In fig. 5 is de constructie tekening weergegeven van gondel en schommelconstructie zoals deze gebouwd en getest is in een prototype windturbine.Fig. 5 shows the construction drawing of the nacelle and swing construction as it was built and tested in a prototype wind turbine.

45·^ Onderzoek naar het gedrag van scheef aangestroomde rotoren wordt momenteel uitgevoerd door het Nationaal Lucht en Ruimtevaartlaboratorium in opdracht van het Projectbureau Energie Onderzoek. : 850339145 · ^ Research into the behavior of skewed rotors is currently being carried out by the National Aerospace Laboratory on behalf of the Project Office for Energy Research. : 8503391

Claims

1 Device driven by a flowing medium, in particular a gondola with special suspension or rocking construction, characterized in that the rotor shaft present in the gondola, without the presence of a flowing medium, is in horizontal position and in stable equilibrium,

2. Device as claimed in claim 1, characterized in that the suspension points of the nacelle are at a distance 14 perpendicular to the center of mass of the nacelle. 10

Device according to claim 2, characterized in that the axis of the vertical axis of rotation of the gondola intersects the axis of the rotor axis.

15. Device as claimed in claim 3, characterized in that the rotor is located downstream, at a distance 1 ^ from the center of mass of the gondola with rocking construction.

20. Device according to claim 4, characterized in that the ratio L- ^ divided by L4 is less than 40.

6. Device as claimed in claim 5, characterized in that the energy present in the flowing medium, in particular in gusts and gusts of wind, is partly dissipated by the rotor due to the aerodynamic damping due to skewed flow and is dissipated. .

Device according to claim 6, characterized in that a device carried out according to the above method reduces fatigue problems in this device and consequently extends the service life. 8503331