NO810842L - System for justering av vindturbinbladers stigning - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en vindturbin, nærmere bestemt et system for justering av stigningen på vindturbinblader med variabel stigning.

Med henblikk på optimal drift er det hensiktsmessig å utstyre vindturbiner med blader som har regulerbar stigning. Bladstigningen justeres ved selektiv dreining av bladene om deres lengdeakser, og dette vil, foruten å lette igangsettingen av turbinen og forebygge drift ved for høyt omdreiningstall

(ved bladomstilling) i vind av høy hastighet, gjøre det mulig for vindturbinen å fungere med maksimal effektivitet over et stort vindhastighetsområde.

Det er foreslått forskjellige mekanismer for regulering

av vindturbinbladers stigning. En slik mekanisme som er kjent fra US-patentskrift 4.083.651, er basert på anvendelse av turbinblader som torsjonsvrides ved hjelp av dermed forbundne pendelelementer som gjennom sentrifugalkraftpåvirkning reagerer på vindturbinens rotorhastighet ved å vri bladene og derved variere bladstigningen over vindturbinens totale virkeområde. Bladjusteringsområdet for et slikt system er selvsagt auto-matisk og ute av stand til å reguleres kontinuerlig under turbindriften, og det kan vise seg umulig å oppnå stignings-regulering over ekstremt store områder.

Et annet stigningsjusteringssystem for vindturbinblader fungerer ved anvendelse av en glideblokk som roterer med vindturbinen og er glidbart opplagret på dennes hovedaksel. Gjennom et antall .sterke ledd tilkoplet vindturbinbladene som er montert på et rotasjonsnav og derved kan dreies om sine egne akser. Ved hjelp av en opplagringsanordning er blokken også forbundet med et antall faste betjeningsmekanismer. Under justering av bladstigningen vil betjeningsmekanismene som virker gjennom opplagringsanordningen, forskyve glideblokken rettlinjet langs akselen, og derved bevege leddkoplingene som i sin tur dreier bladene. Det er innlysende at dette system for justering av bladstigningen krever et energiforbruk som er tilstrekkelig til å overvinne vingenes egen motstand mot slik bevegelse, og dessuten overvinne massen av leddkoplingene, glideblokken og opplagringsanordningen og friksjonstapene i tilknytning til glideblokkens opplagring og bevegelse langs akselen. Da vind-turbinenes kommersielle anvendelighet ikke bare er avhengig av mengden av oppsamlet energi, men også av de tap som oppstår i forbindelse med driften av vindturbinen, er det åpenbart at store tap, slik som de her nevnte, som er forbundet med dette kjente system for bladstigningsjustering, kan gjøre turbinen kommersielt uegnet under marginale vindforhold.

Selv om det er foreslått forskjellige stigningsreguleringsmekanismer for flypropeller, har slike systemer vist seg generelt uegnet for anvendelse i vindturbiner. Eksempler på slike stig-ningsforandringsmekanismer er kjent fra US-patentskrifter 1.908.894 og 3.163.232. Ifølge det førstnevnte patentskrift 1.908.894 forandres propellbladenes stigning ved hjelp av en navmontert elektromotor som gjennom en girkasse driver pro-pellbladene svingbart. En slik tannhjulstransmisjon som forbinder elektromotoren med bladene, vil i vesentlig grad med-virke til å øke tyngden av turbinnavet, og derved forårsake betydelige tap i systemet. Ifølge det sistenevnte patentskrift 3.163.232 bibringes bladene en stigningsforandringsbevegelse ved hjelp av en hydraulisk motor og gjennom et relativt massivt, roterende kam-kjegledrevsystem som bidrar med betydelig tyngde og vesentlige energitap i systemet..

Det er derfor et formål ved den foreliggende oppfinnelse

å frembringe et stigningsjusteringssystem for vindturbinvinger, hvor ulempene ved den kjente teknikk er eliminert.

Et annet formål ved oppfinnelsen er å frembringe et slikt, stignings.justeringssystem, hvor samtlige blader kan innstilles samtidig i forskjellige stigningsvinkler under styring av en kontroller.

Et annet formål ved oppfinnelsen er å frembringe et slikt stigningsjusteringssystem av liten tyngde.

Et annet formål ved oppfinnelsen er å-frembringe et slikt stigningsjusteringssystem, hvor de tap som opptrer i tilknytning til hver forbindelse mellom systemets drivanordninger og bladene, er redusert.

Et ytterligere formål ved oppfinnelsen er å frembringe et slikt system som er kjennetegnet ved konstruksjonsøkonomi.

De ovennevnte og andre formål vil fremgå tydeligere av den etterfølgende, detaljerte beskrivelse sammen med patent-kravene og de medfølgende tegninger som omfatter et bladstig-ningsjusteringssystem for en vindturbin, hvor hvert blad drives av en egen, hydraulisk betjeningsanordning som er montert på navet, for å dreies med dette, og direkte forbundet med bladet, for derved å eliminere behovet for mellomliggende koplingsanordninger såsom ledd, kammer, drev o.l., og de dermed forbundne tap. Betjeningsanordningene styres uavhengig gjennom en reguleringsanordning som er anbrakt utenfor navet og som leverer hydraulisk væske til betjeningsanordningene gjennom en egnet væskeoverføringsinnretning, f.eks. et over-føringslager som fortrinnsvis er anordnet på hovedturbinakselen. En nødtilførselskilde for bladomsti Iling kan likeledes monteres på navet i direkte forbindelse med betjeningsanordningene. Et tilbakekoplingsorgan, f.eks. en lineær transduktor for variabel forflytting, leverer en kontinuerlig inngangsverdi til reguler-ingssystemet, som angir turbinvingestigningen. Tilbakekoplincs-organet mottar drivkraft gjennom en egnet anordning, eksempelvis et slepering-børsteaggregat som også kan danne forbindelse

mellom tilbakekoplingsutgangen og reguleringsanordningen.

Oppfinnelsen vil bli nærmere beskrevet i det etterfølgende,

under henvisning til de medfølgende, tegninger, hvori:

Fig. 1 viser et sideriss av en stor vindturbin hvori blad-stigningsjusteringssystemet ifølge den foreliggende oppfinnelse er anvendt, og hvor et parti er utelatt for illustrering av konstruksjonsdetaljer i turbinen. Fig. 2 viser et skjematisk delsideriss, delvis i snitt, av et parti av bladstigningsjusteringssysternet ifølge oppfinnelsen. Fig. 3 viser et skjematisk delsideriss, delvis i snitt,

av et annet parti av bladstigningssysternet ifølge oppfinnelsen.

Som det fremgår av tegningene, er stignings regulerings - systemet ifølge foreliggende oppfinnelse for vindturbinblader innrettet for anvendelse ved en vindturbin, hvor to eller flere blader 10 og 12 med variabel stigning er montert på egnete (ikke viste) lager på et dreibart nav 14 (fig. 2) som er dekket av en propellnavkapsel 15, hvorved bladene er selektivt drei bare om sine lengdeakser, for regulering av vindturbinens drifts-hastighet over et vidt område av vindforhold, og for omstilling av bladene når vindturbinen skal avstenges. Navet er fastgjort til en roterende aksel 16 som kan -drive en vilkårlig, ønsket belastning, såsom en elektrisk dynamo 18 eller liknende. Ved hjelp av en hensiktsmessig girkasse 20 kan akselens rotasjonshastighet etter ønske økes eller minskes. Belastningen og girkassen 20 kan, sammen med forskjellige styreanordninger 50, plasseres i en gondol 22, montert på en svivel en fritt dreibar akseltapp 24 på et tårn 26, som regel bakenfor bladene 10 og 12.

Bladstigningsjusteringsmekanismen ifølge den foreliggende oppfinnelse omfatter første og andre, hydrauliske betjeningsanordninger eller -motorer 28 som hver for seg regulerer stigningen på et enkelt turbinblad, ved direkte forbindelse med bladet. Selv om det i den foretrukne utførelsesform er vist to blader og to betjeningsanordninger, er det åpenbart at oppfinnelsen omfatter et vilkårlig antall blader og dermed forbundne betjeningsanordninger. Hver betjeningsanordning omfatter en sylinder 30 med et stempel 34 og tilhørende koplingsstang 36 som er anordnet i sylinderen, for bevegelse i frem-

og tilbakegående retning i forhold til denne. Sylinderen mottar og avgir hydraulisk væske på motsatte sider av stemplet, gjennom hydrauliske ledninger 38 og 40.

Som det tydeligst fremgår av fig. 2, er den frie ende

av hver betjeningsanordnings koplingsstang forbundet med rot-partiet av det motsvarende turbinblad gjennom et første gaffelledd 42, idet koplingen er anordnet i en avstand d fra bladets lengdeakse a, hvorved en frem- og tilbakegående bevegelse av stemplet bibringer bladet en dreiebevegelse om dets lengdeakse. Betjeningsanordningens motsatte ende, ved den lukkete ende av sylinderen, er ved 4 4 svingbart forbundet med et midtre parti 46 på navet 14, for å redusere vindhindringen på grunn av blad-betjeningsmekanismen. Da hver betjeningsanordning bare skal betjene et enkelt turbinblad, har disse anordninger generelt liten tyngde og er av kompakt utførelse sammenliknet med de forskjellige, kjente bladstigningsjusteringssystemer, hvori en enkelt betjeningsanordning styrer samtlige blader under stigningsjusteringen. Følgelig vil anvendelsen av flere betjeningsanordninger, istedenfor en enkelt og kraftigere betjeningsanordning, ikke representere noe alvorlig vektproblem for

turbinnavet. Det fremgår videre at anvendelsen av en enkelt, navmontert betjeningsanordning av liten tyngde for hvert tur-t binblad muliggjør direkte forbindelse mellom betjeningsanordningen og bladet, og derved bortfaller behovet for tunge og plasskrevende, mekaniske forbindelser mellom turbinblad og betjeningsanordning, i form av glideklosser, leddkoplinger og opplagringer som anvendes ved kjente vindturbiner, og roterende kam- og tannhjulsaggregater som anvendes i kjente propell-stigningsreguleringsmekanismer. Som tidligere omtalt, vil disse kjente stigningsreguleringsmekanismer redusere systemets effektivitet, ved at det i systemet innføres tap som skyldes komponentenes tyngde og de fremkalte friksjonskrefter grunnet samvirkningen mellom komponentene. Videre vil arrangementet ifølge oppfinnelsen muliggjøre individuell justering av hvert blads stigning slik at bladene, ved hjelp av reguleringssys-temet, kan innstilles samtidig med forskjellig stigning.

Som det fremgår av fig. 2 og 3, løper ledningene 38 og

40 fra hver betjeningsanordning 28 aksialt gjennom sentrum av navet 14 til reguleringsanordningen 50 gjennom et første over-føringsorgan 52. Det bør bemerkes at reguleringsanordning-en 50 styrer driften av betjeningsanordningene 28. Hvis disse er av hydraulisk type, som de viste, vil reguleringsanordningen, selvsagt innbefatte midler for styring av den hydrauliske væske-strøm, slik at sylindrene 30 selektivt kan bringes under trykk og dreneres på motsatte sider av stemplene 34. Slike styremidler er beskrevet i norsk patentsøknad 810845.

Som vist på fig. 1, er reguleringsanordningen 50 fortrinnsvis montert i gondolen 22.

Hvis det anvendes hydrauliske bladbetjeningsanordninger, vil det første overføringsorgan innbefatte et overførings lager med et første (ytre) element 54 og et dermed konsentrisk, andre (indre) element 56 som i den foretrukne utførelsesform er anordnet dreibart med akselen 16 på et lager 57 og utstyrt med et dermed integrert parti. Det indre element 56 omfatter et antall kanaler 58 for hydraulisk væske, hver enkelt med et ytre, radialt parti 60 og et indre, langsgående parti 64. Gjennom hver kanal 58 overføres hydraulisk væske under trykk til de ledninger som er forbundet med betjeningsanordningene 28 og bladomstillings-anordningen, som beskrevet i det etterfølgende. Et radialt parti av hver kanal 58 står i forbindelse med en tilgrensende, ring- formet kanal 66 i det ytre element 54, som er forbundet med reguleringsanordningen 50 gjennom ledninger 68 i det ytre element 54 og forlengelses ledninger 69.

Stigningsjusteringssysternet ifølge oppfinnelsen omfatter også tilbakekoplingsanordninger 70 som hver for seg er montert på navet og forbundet med et motsvarende turbinblad, og som avgir et signal til reguleringsanordningen 50, som angir turbinbladets stigning, slik at reguleringsanordningen, på grunnlag av tilbakekoplingssignalene, kan justere betjeningsanordningene 28 for nøyaktig innstilling av turbinbladene. I den foretrukne utførelsesform omfatter tilbakekoplingsanordningene en elektrisk trahsd'uktor med en bevegelig kjerne som, gjennom et andre gaffelledd 72, er svingbart forbundet med bladroten, hvorved transduktoren primært og sekundært (sta-toren) er svingbart forbundet med navet ved 74. Det er derfor åpenbart, at når bladene dreies av betjeningsanordningene 28, vil den innbyrdes stilling mellom kjerne og viklinger variere, hvorved utgangssignalet fra sekundærsiden varierer i overensstemmelse med bladstigningen, Forbindelsene fra primær-og sekundærviklingene i reguleringsanordningens 50 tilbake-koplingsanordning 70 består delvis av ledninger 76 som fra tilbakekoplingsanordningen løper radialt innad og bakut gjennom navakselen og det indre overføringslagerelement 56 til et andre overføringsorgan 80.

Det fremgår av fig. 3, at ved anvendelse av elektriske tilbakekoplingsanordninger 70, vil den andre overføringsanord-ning 80 omfatte et antall sleperinger 82 som kan rotere med navet, med samme eller med større rotasjonshastighet, ved ut-gangen av girkassen 20. I den foretrukne utførelsesform er sleperingene montert på en integrert forlengelse av det indre overføringslagerelement 56, selv om også andre, likeverdige konstruksjoner vil være åpenbare for den fagkyndige. Som det tydeligst fremgår av fig. 3, er de elektriske ledninger ført i langsgående retning gjennom det indre element eller akselen 56 og radialt utad, og er fastloddet eller på annen måte forbundet med sidene av sleperingene. Sleperingene 82 griper inn i stasjonære børster 84 som er glidbare på sleperingene og montert på en stasjonær børsteholder 86. Strømledninger 88 forbinder børstene med kontrolleren.

Som tidligere omtalt, styrer reguleringsanordningen 50 tilførselen av hydraulisk væske til bet jeningsanordningene- 28 under innvirkning av et stigningsstillingssignal som leveres av tilbakekoplingsanordningen 70, selv om detaljene i reguleringsanordningen ikke omfattes av oppfinnelsen. Det er følgelig åpenbart at reguleringsanordningen omfatter samvirkende, elektriske og fluide, logiske kretser i ett eller annet, hensiktsmessig mønster. Det henvises i denne forbindelse til den ovennevnte patentsøknad som beskriver en hydraulisk styrekrets som er egnet for anvendelse i et stigningsjusteringssystem ifølge den foreliggende oppfinnelse. Ved behov for uavhengig styring av betjeningsanordningene, vil reguleringsanordningen selvsagt være utstyrt med overtallige logikkretser for samtidig innstilling av de enkelte turbinblader med forskjellig stigning, dersom driftsforholdene krever dette.

Stigningsjusteringssysternet ifølge oppfinnelsen kan dessuten utstyres med innretninger som i kritiske situasjoner kan omstille turbinbladene uavhengig av væsketilførselen til betjeningsanordningene, og som følgelig vil kunne fungere selv om denne væsketilførselen svikter. I den foretrukne utførelses-form omfatter disse innretninger en tank eller akkumulator 90 for hydraulisk væske under trykk, som gjennom en ledning 91 og en servoventil 92 står i forbindelse med den side av den an-gjeldende innretning, som må bringes under trykk for omstilling av det motsvarende turbinblad. Servoventilen 9 2 kan styres av væsketrykk eller elektrisk gjennom reguleringsanordningen 50. Ved væskestyring kan servodelen eller reguleringsdelen i ventilen kommunisere med reguleringsanordningen 50 gjennom kanalene i overførings lageret. Ved elektrisk styring vil ventilen be-tjenes ved hjelp av den elektriske del av reguleringsanordningen og være forbundet med denne gjennom sleperingbørsteaggregatet i det andre overføringsorgan 80.

Det vil således fremgå at systemet ifølge den foreliggende oppfinnelse gjør det mulig å justere vindturbinbladenes stigning effektivt og virkningsfullt uten anvendelse av de.tunge og ofte kompliserte, mekaniske aggregater av kjent type, som forbinder turbinbladene rned de tilhørende betjeningsanordninger. Betjeningsanordningene som fungerer hver for seg, uavhengig av de øvrige, og bare betjener ett enkelt turbinblad, kan følgelig være relativt lette. Forbindelsene mellom betjeningsanordningene og reguleringsanordningen er også opprettet med konstruksjons-økonomi, noe som ytterligere reduserer den kraft som kreves hos et slikt system, og dervedøker den totale virkningsgrad ved en vindturbin som anvender et stigningsjusteringssystem. Montering av omstillingsakkumulatorer på navet, nær turbinbladene, sikrer muligheten for bladomstilling i systemet, selv om primærvæsketilførselen til betjeningsanordningen blir avbrutt.

Claims (10)

1. System for justering av vindturbinbladers stigning, karakterisert ved at det omfatter et dreibart nav (14)., minst to blader (10,12) som løper i hovedretning' radialt utad fra navet for a rotere med dette, hvor hvert av bladene kan dreies om sin lengdeakse (a) for regulering av bladstigningen, og hvor det på navet er montert betjeningsanordninger (28) som roterer med navet og er direkte forbundet med turbinbladene, for innstilling av forutvalgt bladstigning, og hvor systemet videre omfatter tilbakekoplingsanordninger (701 som er montert på navet og samvirkende forbundet med turbinbladene, for frembringelse av et signal som' angir bladstigningen, en reguleringsanordning (50). som er anbrakt i avstand fra navet og innrettet for å styre betjeningsanordningene (28) i avhengighet, i hvert fall. delvis, av det signal som frembringes av tilbakekoplingsanordningene, og første og andre overføringsorganer (52,80) som er innrettet for å danne forbindelse langs en roterende, stasjonær grenseflate mellom reguleringsanordningen (50). og henholdsvis bet jeningsanordningene og tilbakekoplingsanordningene (70).

2.. System i samsvar' med krav 1, karakterisert ved at betjeningsanordningene (28) omfatter hydrauliske sty.reorganer som reagerer på tilført hydraulisk trykkvæske.'

3. System i samsvar med krav 2, karakterisert ved at hvert turbinblads stigning justeres individuelt av minst én hydraulisk betjeningsanordning (28), slik at bladene kan innstilles samtidig med innbyrdes forskjellige stignings vink ler .

4. System i samsvar med krav 3, karakterisert ved at det første overføringsorgan (52) omfatter et hydraulisk overføringslager med første og andre, konsentriske ele-menter (54,56) hvorav det ene element drives dreibart med navet (14). , og er utstyrt med væskekanaler i forbindelse med de hydrauliske betjeningsanordninger, og hvor det annet element er stasjonært og utstyrt med væskekanaler i forbindelse med kanalene i det fø rnevnte lagerelement og dessuten i forbindelse med reguleringsanordningen (50).

5. System i samsvar med et av kravene 2-4, karakterisert ved at hver av de hydrauliske betjeningsanordninger (28) omfatter en hydraulisk sylinder (30) med et ■ stempel (34) som kan beveges frem og tilbake i sylinderen , og at betjeningsanordningene er svingbart forbundet med et rot-parti av turbinbladene (10,12). og med et midtparti av navet.

6. System i samsvar med et av de foregående krav, karakterisert ved at det videre omfatter om-stillingsinnretninger som er montert på navet, for å rotere med dette, og som, i avhengighet av et signal fra den primære reguleringsanordning,^overfø rer hydraulisk trykkvæske til betjeningsanordningene som derved gjennomfører omstilling av turbinbladene.

7. System i samsvar med krav 6, karakterisert ved at omstillingsinnretningene omfatter en beholder (90). for hydraulisk trykkvæske og en servoventil (92) som står i forbindelse med trykkvæskebeholderen og de hydrauliske betjen-ings anordninger (28), for å regulere strømmen av hydraulisk væske mellom disse i avhengighet av styresignaler fra den primære reguleringsanordning.

8. System i samsvar med et av de foregående krav, karakterisert ved .' . at tilbakekoplingsinnxet-ningene (70) omfatter en lineær, variabel differensialtransduktor som er samvirkende forbundet med turbinbladene, hvorved utgangssignalet fra transduktoren varierer i overensstemmelse med turbinbladenes stigningsstilling.

9. System i samsvar med krav 8, karakterisert ved at hvert turbinblad er forbundet med en og samme lineære, variable di fferensia1transduktor.

10. System i samsvar med krav 8 eller 9, karakterisert ved at det andre overfø ringsorgan omfatter.et antall sleperinger (82) som er dreibare med navet og elektrisk forbundet med den lineære, variable differensialtransduktor, og videre omfatter et antall stasjonære børster (84) som hver for seg befinner seg i glidende, elektrisk kontakt med en motsvarende slepering og er anordnet for elektrisk forbindelse med den primære reguleringsanordning (50)..