NO328175B1 - Rotorblad med en demperinnretning for et vindkraftanlegg - Google Patents

Description

Oppfinnelsen vedrører et rotorblad med en demperinnretning for et vindkraftanlegg. Ved tiltagende lengde av rotorbladene opptrer det bladsvingninger. De opptredende svingninger kan deles i svingninger ut fra rotorplanet og svingninger i rotorplanet. Ut fra konstruksjonshensyn er svingningene ut fra rotorplanet, i den såkalte slagretning, ikke kritisk for rotorbladet. Annerledes stiller det seg imidlertid for svingningene i rotorplanet. Spesielt opptrer det bladsvingninger i rotorplanet ved stålregulerte vindener-gianlegg, hvor rotorbladene er stivt forbundet med navet og hvor ytelsesbegrensningen ved høye vindhastigheter skjer ved ståling.

Fra EP 0 792 414 er det kjent en vindhjulvinge som er forsynt med et oscillasjonsreduk-sjonselement. Ved dette kjente oscillasjonsreguleringselement svinger et masselegeme i rotorplanet mot kraften av en fjær. Masselegemets bevegelser blir dempet ved hjelp av et demperelement med en hastighetsproporsjonal dempning. En ulempe ved denne oscillasjonsreduksjonsmekanisme er at den faller bort ved et fjærbrudd og medfører ukontrollerte dempningsforhold.

Fra WO 00/06898 A er det kjent en demper som oppviser et sylindrisk element i en boks. Boksen er fylt med en væske og har en krummet sidevegg som er orientert mot vingespissen. Det sylindriske element har tenner som inngriper med den krummede sidevegg av boksen. Radien av den krummede sidevegg er mindre enn avstanden fra navet til den krummet sidevegg, slik at det oppnås en bestemt dempningseffekt. Demperen er slik utformet at oscillasjonen av den første egenfrekvens dempes i en grad som tilsvarer et logaritmisk dekrement av amplituden på minst 2%. Det logaritmiske dekrement setter derved amplituden av de på hverandre følgende svingningssykler i forhold til hverandre.

Fra US 4527951 er det kjent en demper for et rotorblad av et helikopter. Demperen har to roterende pendler som er koblet til hverandre ved hjelp av en aksel hvor hver pendel er forsynt med et fritt bevegelig rotasjonslegeme.

Oppfinnelsen legger til grunn den oppgave å tilveiebringe et rotorblad hvis svingninger

i rotorplanet kan dempes på en pålitelig måte med en demper som er enkel å dimensjo-nere.

Oppfinnelsens oppgave blir løst ved et rotorblad med de trekk som er angitt i krav 1. Fordelaktige utførelser av rotorbladet er gjenstand for underkravene.

Ved rotorbladet ifølge oppfinnelsen blir det innsatt en fjærløs demperinnretning. Demperinnretningen har et huselement hvori det er anordnet et dempningslegeme. Dempningslegemet kan bevege seg frem og tilbake i huselementet. Huselementet har to, fortrinnsvis parallelle flater. Flatene danner en krummet avrullingsflate for dempningslegemet. Huselementet er slik innrettet i rotorbladet at dempningslegemet utfører en begrenset bevegelse i rotorens plan på tvers av dettes lengderetning. Ved en svingning av rotorbladet i rotorplanet blir dempningslegemet også beveget frem og tilbake i huselementet. På grunn av den krumme avrullingsflate har legemet under innvirkning av sentrifugalakselerasjonen en uforstyrret egenfrekvens som tilsvarer omtrent frekvensen av grunnmodusen av en svingning av rotorbladet i rotorplanet. Sentrifugalakselerasjonen blir bestemt for et nominelt omdreiningstall for rotorbladet. Den utforstyrrede egenfrekvens av dempningslegemet opptrer når dette beveger seg fritt på krumningen av avrullingsflaten under innflytelse av tyngdekraften og sentrifugalkraften. Nær en hvilestilling på avrullingsflaten beskriver dempningslegemet en tilnærmet harmonisk bevegelse som kan tilordnes en frekvens. Denne blir betegnet som uforstyrret egenfrekvens. Ifølge oppfinnelsen har dempningslegemet i huselementet en egenfrekvens som omtrent tilsvarer frekvensen av den svingning av rotorbladet som skal dempes. Demperinnretningen består av et huselement og et dempningslegeme; et fjærelement eller et ytterligere demperelement vil her bortfalle, slik at et fjærbrudd eller slitasje av demperelementet ikke kan opptre. Den fjærende virkning som er viktig for dempningen oppnås ved hjelp av sentrifugalkraften og fortrengningen av et medium som befinner seg i huset.

Ved en fordelaktig utførelse har huselementet to plane, innbyrdes parallelt anordnede sidevegger som sideveis begrenser flatene. Huselementet har et firkantet tverrsnitt. For at dempningslegemet skal kunne påvirkes av en svingning i rotorplanet er avrullingsflatene krummet fra spissen av rotorbladet. I sin hvilestilling har dempningslegemet den minste avstand fra spissen av rotorbladet. Huselementet er helt eller delvis fylt med et fluid, fortrinnsvis luft. Det som skive utformede dempningslegeme ruller på avrullingsflaten langs dennes krumning, idet det i det minste i forhold til den motstående flate gjenstår en avstand som fluidet strømmer gjennom ved en bevegelse av dempningslegemet. Dempningslegemet beveger seg altså gjennom fluidet og fortrenger dette ved sin bevegelse.

Dempningslegemet er fortrinnsvis utformet som en skive som ruller på avrullingsflaten langs dettes krumning. Skiven er fortrinnsvis forsynt med en rundtgående skulder, som ligger an mot husets motstående sidevegger. På grunn av anlegget mellom skiven og sideveggene blir en tumle- eller slingrebevegelse under trykket.

Avrullingsflatene har ved sine ender fortrinnsvis endeveggspartier som er hovedsakelig halvsirkelformig krummet. Det skiveaktig utformede dempningslegeme kan rulle fra den ene avrullingsflate til den andre avrullingsflate via endeveggspartiene. Dermed for-hindres slag i den begrensede bevegelse av dempningslegemet.

Et foretrukket utførelseseksempel skal forklares nærmere i det følgende ved hjelp av figurene, hvor: fig. 1 viser et rotorblad ifølge oppfinnelsen med en demperinnretning i oppress i rotorplanet,

fig. 2 viser et huselement med en dempermasse anordnet i dette,

fig. 3 viser et snitt langs linjen 3-3 på fig. 2, og

fig. 4 viser et snitt langs linjen 4-4 på fig. 2.

Fig. 1 viser et rotorblad 10 i oppriss i rotorplanet. Rotorbladet er fremstilt av glassfiber-forsterket plast og er stabilisert ved hjelp av tversgående steg og langsgående vingebjel-ker. Spesielt ved stålanlegg er rotorbladet utsatt for svingninger i rotorplanet, hvis svingningsamplitude er antydet med en dobbel pil. Svingningene i rotorplanet kan be-traktes som bøyesvingninger av rotorbladet med en stiv innfesting i navet. Slike bøye-svingninger kan ha flere egenfrekvenser eller områder av egenfrekvenser, idet egenfrekvensen med det største bidrag til svingningsamplituden betegnes som den første egenfrekvens eller som grunnmodus. Vanligvis er dette også den minste egenfrekvensen.

Når rotorbladet drives i stålområdet, hvor det skjer en ståling av luftstrømmen med en etterfølgende virveldannelse, blir også svingningene i rotorplanet spesielt sterkt eksitert.

På fig. 1 er området for bladspissen 14 av rotorbladet 10 ifølge oppfinnelsen vist. I avstand fira bladspissen 14 er det anordnet et hus 16 med et deri anordnet dempningslegeme 18.

Huset 16 har to innbyrdes parallelle, motstående flater 20 og 22. Flatene 20 og 22 er krummet, fortrinnsvis som sirkelbuesegmenter. Dempningslegemet 18 ruller på den som avrullingsflate utformede flate 22, som vender mot spissen av rotorbladet. Siderettede tverrbevegelser av dempningslegemet blir begrenset av sideveggene 24 og 26.

Dempningslegemet 18 har en rundtgående skulder 28 langs sin ytre omkrets. Skulderen 18 rager ut fra dempningslegemet 18 og ligger an mot sideveggflatene 24 og 26. Dempningslegemet 18 er med fordel utformet som en massiv skive.

Figur 4 viser dempningslegemet 18 som ruller på avrullingsflaten 22, hvilken flate befinner seg i en avstand 30 fra flaten 20.

Dempningslegemet 18 ruller under virkning av sentrifugalkraften mellom endeveggpar-tiene 32 og 34 av avrullingsflatene. Massetyngdepunktet av dempningslegemet 18 beskriver herunder en bevegelse som er parallell med avrullingsflatene. Ved bevegelsen langs avrullingsflatene fortrenger dempningslegemet det medium som ligger foran i bevegelsesretningen gjennom en spalte 30 som forblir mellom dempningslegemet og flaten 20 og til et område av huset som ligger bak dempningslegemet i bevegelsesretningen. I motsetning til en pendel eller en rotasjonsbevegelse har massetyngdepunktet av dempningslegemet med en bevegelse langs avrullingsflaten 22 en annen posisjon enn ved bevegelsen langs avrullingsflaten 20.

Med fordel er huset og dempningslegemet fremstilt av stål. Huset består av et deksel, eksempelvis i form av en sidevegg og et huslegeme, idet flatene 20 og 22 så vel som sidepartiene 32 og 34 kan fremstilles i et stykke.

Dempningslegemets 18 egenfrekvens i huset avhenger av legemets masse, husets krumning, husets fylling og størrelsen av avstanden 30, så vel som av sentrifugalakselerasjonen ved det nominelle omdreiningstall. På grunn av rotasjonen av rotorbladet vil den utadrettede sentrifugale akselerasjon bidra til tyngdekraften avhengig av vinkelen.

For innbygging av huset i rotoren ligger dette innlaminert i en lomme av glassfiberfor-sterket plast og for eksempel limt inn i rotorbladet.

Ved dempningsinnretningen ifølge oppfinnelsen har det vist seg meget fordelaktig at en sentrering av dempningslegemets 18 hvilestilling skjer på den konvekse avrullingsflate på grunn av sentrifugalkraften. Dertil har svingningsdemperen ifølge oppfinnelsen ing-en ytterligere mekaniske deler, slik at det verken blir slitasje eller vedlikehold. Da dempningslegemet 18 i tillegg til sin bevegelse mellom husets endeflater også settes i rotasjon, er den effektive virksomme masse av dempningslegemet 18 større enn den i rotoren innebygde tilleggsmasse.

Claims (11)

1. Rotorblad for et vindkraftanlegg med en demperinnretning, - som oppviser et huselement (16) og et i huselementet anordnet dempningslegeme (18), - hvor huselementet har to flater (20, 22) hvorav den ene er utformet som en krummet avrullingsflate (22) for dempningslegemet (18) og er slik innrettet i rotorbladet at dem-ningslegemet (18) utfører en begrenset bevegelse i rotorbladets plan på tvers av dettes lengderetning, - hvor avrullingsflatens (22) krumning har en for dempningslegemet utforstyrret egenfrekvens som omtrent tilsvarer frekvensen av grunnmodusen av en svingning av rotorbladet i rotorplanet, karakterisert ved at egenfrekvensforholdet mellom den uforstyrrede egenfrekvensen av dempningslegemet og egenfrekvensen i rotorbladets grunnmodus for svingning i rotorplanet er mindre enn 1.

2. Rotorblad ifølge krav 1, karakterisert ved at flatene (20, 22) forløper parallelt med hverandre.

3. Rotorblad ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at huselementet oppviser to plane, innbyrdes parallelt anordnede sidevegger som sideveis begrenser avrullingsflatene.

4. Rotorblad ifølge krav 2, karakterisert ved at avrullingsflaten (22) krummer bort fra rotorbladets spiss (14).

5. Rotorblad ifølge et av kravene 1 til 4, karakterisert ved at huselementet (16) helt eller delvis er fylt med i det minste et fluid.

6. Rotorblad ifølge krav 5, karakterisert ved at luft er anordnet som fluidet.

7. Rotorblad ifølge krav 5 eller 6, karakterisert ved at dempningslegemet (18) er utformet som en skive, som ved en bevegelse på avrullingsflaten (22) ruller langs dennes krumning.

8. Rotorblad ifølge krav 7, karakterisert ved at det ved en rullebevegelse på avrullingsflaten (22) gjenstår en avstand (30) til den andre flate (20), gjennom hvilken fluidet strømmer på grunn av dempningslegemets bevegelse.

9. Rotorblad ifølge krav 8, karakterisert ved at skiven på begge flatsider er forsynt med en rundtgående skulder, som ligger an mot den motstående sidevegg av huselementet.

10. Rotorblad ifølge krav 9, karakterisert ved at avrullingsflatene ved sine ender har endeveggspartier som er hovedsakelig krummet halvsirkelformet.

11. Rotorblad ifølge et av kravene 1 til 10, karakterisert ved at egenfrekvensforholdet mellom uforstyrret egenfrekvens og egenfrekvensen av grunnmodusen for svingningen i rotorplanet er omtrent 0,98.