NO811264L - Vindmoelle. - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse har generell befatning nied store vindturbiner og vedrører, nærmere bestemt, slike vindturbiner som er utstyrt med aerofoilblader.

Med en fornyet interesse for vindturbiner som middel til utvikling av elektrisk energi av vindenergi, tilstrebes fort-løpende forbedringer av slike vindturbiners virkningsgrad. For-søk på å forbedre virkningsgraden ved store vindturbiner har ført til utvikling av vindturbiner med regulerbar bladstigning. En utførelsesform av en vindturbin med regulerbar bladstigning

er kjent fra US-patentskrift 4.083.651. Som det fremgår av dette patentskrift, blir vindturbinbladenes stigning justtert i overensstemmelse med vindforholdene, med henblikk på regulering av vindturbinens hastighet eller, med andre ord, for å regu-

lere den vindenergimengde som oppfanges av turbinbladene. Bladstigningen kan også justeres for å minske opptredende forstyrrelser i turbindrivsysternet, f.eks. grunnet vindstøt, usymmetrisk vinstrøm, torsjonssvingning o.l., for å redusere skadelig innvirkning på vindturbinbelastningen (strømgenerator e.l.) som følge av slike forstyrrelser. Ifølge det ovennevnte patentskrift blir turbinbladenes stigning regulert automatisk gjennom et system av svingende pendelelementer i tilknytning til bladene, men det er også utviklet forskjellige systemer for regulering av vindturbinbladers stigning, digitalt eller på andre, likeverdige måter. US-patentskrift 4.193.005 omhandler et eksempel på et digitalt bladstigningsreguleringssystem.

I det sistnevnte reguleringssystem er systemutsignalet

et stigningsvinkelreferansesignal som er bestemt som en lukket sløyfefunksjon av akselmomentet i likhet med andre driftspara-metre og referansesignaler. Under forhold med høy vindhastighet, dvs. når den tilgjengelige vindenergi er større enn det som

kreves for å drive vindturbinbelastningen, og turbinen "bortsøler" vindenergi fra bladene, vil vindstøt og usymmetrisk vindstrømning mot turbinmotoren forårsake mekaniske forstyrrelser i turbin-drivsystemet, som avføles som plutselige forandringer i akselmomentet og som resulterer i at reguleringssystemet justerer bladstigningen, for å opprettholde akselmomentet på et referanse-nivå, hvorved forstyrrelsens amplityde reduseres .og drivsystems-forstyrrelsenes innvirkninger på generatoren minskes. Under marginale vindhastighetsforhold vil dette reguleringssystem justere vindturbinbladenes stigning med henblikk på oppfanging av en maksimal vindenergimengde for drift av generatoren. I slike til-feller er reguleringssystemet ute av stand til å justere bladstigningen, for å opprettholde et konstant akselmoment og derved kompensere for vindstøt og usymmetrisk vindstrømn.ing. I mangel av anordninger for absorbering av forstyrrelser som skyldes vindstøt og usymmetrisk vindstrømning og som opptrer som vridningsmomentkrefter i vindturbindrivsysternet, vil slike forstyrrelser overføres gjennom drivsystemet til generatoren,

med risiko for beskadigelse av denne..

Det er tidligere foreslått forskjellige midler til opptakelse av forstyrrelser eller støtpåvirkninger av drivsystemet grunnet vibrasjon, vridningsmomentkref ter o.l.. Eksempler på

slike anordninger er kjent fra US-patentskrifter 2.844.048 og 3.460.405. Det fremgår ved granskning av disse patentskrifter at de omtalte apparater hverken er -beskrevet eller antydet anvendt i et vindturbindrivsystem, for opptakelse av støt og vibrasjon og forøkning av en vindturbins evne til opptakelse av vindenergi under marginale vindforhold.

De eneste kjente anordninger for isolering av en vindtur-binbelas tning mot drivsy steins fors tyrrelser innbefatter en viskøs kopling som er montert i hovedturbinakselen. En slik kopling har vist seg å forårsake et betydelig tap i den energi som over-føres til belastningen, og representerer følgelig ingen heit akseptabel løsning på drivsystemfox"styrrelsesproblemet.

Det er et hovedformål ved den foreliggende oppfinnelse

å frembringe en vindturbin uten de ovennevnte mangler ved den kjente teknikk.

Et annet formål ved oppfinnelsen er å frembringe en vindturbin med anordninger som gjør det mulig å isolere turbin-belastningen mot forstyrre-lser i drivsystemet grunnet vibrasjon, dreiemomentkrefter o.l.

Et ytterligere formål ved oppfinnelsen er å frembringe

en slik vindturbin med drivsystemsforstyrrelsesisolering, hvor anordningene for opprettelse av isoleringenøker turbinbladenes evne til energioppfangelse under marginale vindforhold.

De ovennevnte og andre formål som vil fremgå av den etter-følgende, detaljerte beskrivelse i forbindelse med de med-følgende patentkrav og tegninger er oppnådd ved vindturbinen ifølge oppfinnelsen, som omfatter et drivsystem med et antall aerofoilblader som er montert på et nav eller en rotor som er anordnet for roterende drift av en belastning, såsom en dynamo eller synkrongenerator. Rotorens rotasjonshastighet oppdrives til en verdi som er forenelig med belastningens driftshastighet, gjennom en transmisjon som er elastisk montert på et ikke-roterbart parti av turbinen, f.eks. gondolen, ved hjelp av elastiske elementer såsom fjærer e.l. I den foretrukne utførel-ses f orm er transmisjonen innmontert i en girboks som er svingbart opplagret ved hjelp av et antall skruetrykkfjærer, hvorved girboksens svingninger som følge av opptakelse av dreiemomentkrefter grunnet vindstøt og vibrasjon fra iboende drivsystemresonanser svekkes ved hjelp av en demperanordning, f.eks. en svingningsdemper (dash pot) i tilknytning til hver opplag-ringsfjær. På grunn av denne elastisk monterte transmisjon som isolerer generatoren eller omformeren mot slike drivsystemforstyrrelser, kan bladstigningsreguleringssystemet frigjøres for innstilling av bladstigningen for maksimal energioppfangelse under minimale vindhastighetsforhold, med derav følgende økning av vindturbinens kapasitet og totale virkningsgrad.

Oppfinnelsen vil bli nærmere beskrevet i det etterfølgende under henvisning til de medfølgende tegninger, hvori: Fig. 1 viser et isometrisk riss av en gunstig utførelses-form av vindturbinen ifølge oppfinnelsen, som omfatter en skje-matisk vist bladstigningskontroll- og stigningsreguleringsanord-ning i tilknytning til turbinen, og hvor visse deler av turbinen er utelatt for å tydeliggjøre detaljer ved konstruksjonen. Fig. 2 viser et forstørret vertikalriss av en girkasse for anvendelse i vindturbinen ifølge fig. 1, hvor deler av girkassen og de tilhørende, elastiske opplagringsdeler er utelatt for å tydeliggjøre detaljer ved konstruksjonen. Fig. 3 viser et diagram som illustrerer forholdet mellom turbinutgangskraften og vindhastigheten under normale turbin-driftsbetingeiser. Fig. 4 viser et diagram som illustrerer forholdet mellom turbinkraftstørrelsen og bladstigningen ved en enkelt, vilkårlig vindhastighet.

En vindturbin som er generelt betegnet med 10 i fig. 1

og 2, omfatter to eller flere blader 15 med variabel stigning, hvor stigningen justeres ved dreining av bladene om deres lengdeakser ved hjelp av hydrauliske betjeningsanordninger 20 som mottar en kontrollert strøm av hydraulisk væske fra en stigningsreguleringsmekanisme 25. Den sistnevnte mekanisme kan være av vilkårlig, kjent type og utgjør ingen del av oppfinnelsen. Stigningsreguleringsmekanismen kontrolleres av en bladstigningsregulator 30 som beregner et bladstignings-referansesignal i avhengighet av innsignaler for turbinstart/ -stopp, rotorhastighetsreferanse, turbinrotorhastighet, rotor-akseleras jonsgrense ,• rotorretardasjonsgrense, vindhastighet, akselmoment, generatorhastighet og generatorfra/-tilkopling. Detaljer ved bladstigningsregulatoren 30 gjenfinnes i det før-nevnte US-patentskrift 4.193.005.

Vindturbinen 10 omfatter et drivsystem som omfatter en rotor eller et nav 35 med påmonterte blader 15, hvor rotoren er fastgjort til en hovedaksel 40 som er opplagret i innbyrdes atskilte lagre eller lagerbukker 45. Vindenergien som oppfanges av vindturbinen 10, driver en belastning 50, f.eks. en dynamo: eller synkrongenerator. For gradvisøkning av hovedakselens 40 hastighet til en verdi som er forenelig med den normale (syn-krone) driftshastighet for generatoren 50, er drivsystemet utstyrt med en transmisjon eller girkasse 55 som forbinder akselen 40 med generatoren. For å isolere generatoren 50 mot torsjonsvibrasjon som følge av' vindturbinens normale funksjon og vridningsmomentkrefter som forårsakes av vindkast o.l. og samtidig øke turbinens virkningsgrad ved å tillate at bladstigningsregulatoren, under minimale vindforhold, innstiller bladstigningen for maksimal oppfanging av vindenergi, er girkassen 55 elastisk forbundet med et ikke-roterbart parti av turbinen, ved hjelp av fjærende monteringsdeler 60 som i den ene ende er samvirkende forbundet med girkassen og i den annen ende med et gulvparti 65 av motorgondolen 70. Selv om gondolen, drivsystemet og navet normalt dreies i en giringsbevegelse om en vertikalakse, betraktes en slik bevegelse ikke som rotasjon slik denne be-tegnelse inngår i uttrykket "ikke-roterbart parti av turbinen".

Det fremgår av fig. 3, hvor vindturbinens utgangseffekt

er avsatt mot vindhastigheten, at under innkoplingshastigheten er turbinen ute av stand til å avgi noen brukbar effekt. Ved hastigheter mellom innkoplingshastigheten og den nominelle driftshastighet vil enøkning i vindhastigheten resultere i en øket turbinutgangseffekt. For å opprettholde vindturbinens nytteeffektutvikling i dette driftsområde, må vindenergimengden som oppfanges av turbinen, være optimal. Ved vindhastigheter som overstiger den nominelle, vil vinden gi en energi som er større enn nødvendig for drift av turbinen og generatoren med nominell hastighet, og turbinen vil derfor "bortsøle" effekt fra bladene. Det vil således fremgå av fig. 3 at under marginale vindforhold, dvs. ved vindhastigheter mellom innkoplingshastigheten og den nominelle driftshastighet, må bladstigningsregulatoren 30 beregne en turbinbladstigning som gir optimal vindenergioppfanging, mens det ved vindhastigheter over den nominelle og under utkoplingshastigheten bare kreves en del av den tilgjengelige energi for å holde turbinen igang med nominell effekt, og regulatoren vil beregne en stigning som angir den nødvendige energioppfanging for opprettholdelse av. generatorens nominelle utgangseffekt» Ved utkoplingshastighet er vindhastigheten så stor at turbinen utkoples for ikke å beskadiges.

Ved regulering av stigningsvinkelen når generatoren er innkoplet og synkronisert med et avtakernett, vil den kjente bladstigningsregulator ifølge US-patentskrift 4.193.005 inn-stille bladstigning i overensstemmelse med vindhastigheten, akseldreiemomentet, rotorhastigheten og generatorhastigheten.

I innkoplet tilstand er generatoren stort sett låst i sin syn-krone driftshastighet, og justeringer i bladstigningsreferanse-signalet vil derfor være meget mer avhengig av akseldreie-moment og vindhastighet enn av rotor- og generatorhastigheten. Fig. 6 i US-patentskrift 4.193.005■viser at det i en innkoplet akselmomentregulator frembringes et tidsderivativ av blad-stigningsreferansesignalet ved forskjellig behandling av feil-signaler som skyldes.en jevnføring mellom et referanseaksel-rnoment og det virkelige akselmoment og en jevnførelse mellom rotorhastigheten og generatorhastigheten. Der er åpenbart at da den tilgjengelige vindenergi ved vindhastigheter over den nominelle er mer enn tilstrekkelig for å drive turbinen med nominell driftshastighet, er det nødvendig at bladstigningen justeres kontinuerlig for å kompensere for vindkast og usymmetrisk vind-strømning mot turbinen, uten at turbinens utgangseffekt synker under den verdi som er nødvendig for synkron drift av generatoren. Det fremgår videre av det ovennevnte patentskrift at de innkoplete akselmomentregulatorkretser ifølge fig. 6 bevirker dempning av torsjonsresonansen i drivsystemet under normale driftsforhold.

Det fremgår videre, i forbindelse med den innkoplete vridningsmomentregulator, som beskrevet i US-patentskrift 4.193.005, at når generatoren er innkoplet og vindturbinen drives ved hastigheter mellom innkoplingshastighet og nominell hastighet, vil det virkelige akselvridningsmoment ha mindre, absolutt størrelse enn et referansemomentsignal som subtra-heres fra det virkelige vridningsmomentsignal, og dette ut-løser et negativt feilsignal til en dynamisk kompenserings-krets. Denne negative feil resulterer i et utgangssignal, re-presentert ved et negativt tidsderivativ av bladstigningen, fra den innkoplete akselmomentregulator. Ved integrering av dette negative utgangssignal i en integrator som vist i fig.

8 i det ovennevnte patentskrift, vil den resulterende, lave

stigning overføres som et inngangssignal til en krets som gjennomfører integratorstopping ved maksimums- og minimums-verdier og som oppretter en minimumsstigning (for maksimal vindenergioppfanging) som utgangssignal fra stigningsregula-toren 30. Ifølge det ovennevnte patentskrift angis minimums - bladstigningen som en funksjon av rotorhastighet og vindhastighet. Da rotorhastigheten vil opprettholdes stort sett konstant for alle praktiske formål, når generatoren er synkronisert med avtakernettet, vil det innses, at mellom innkoplings- og nominalhastighetene vil bladstigningen fastlegges mer eller mindre som en åpen sløyfefunksjon (open loop function) av vindhastigheten. Da akselvridningsmomentet ikke er et effektivt grunnlag for modulering av bladstigningen i området mellom innkoplingshastigheten og den nominelle hastighet, kan stigningen følgelig ikke justeres i avhengighet av akselmoment-forstyrrelser og vibrasjoner.

Hvis bladstigningen skulle moduleres i avhengighet av bladvridnihgsmomentét, ville dessuten en slik modulering reusere turbinens evne til oppfanging av vindenergi, som, slik det tidligere er omtalt, må være optimal under lave vindhastighetsforhold. I fig. 4 er turbineffektforholdet (turbinens utgangseffekt/tilgjengelig effekt av en vindstrøm som oppfanges av turbinen) avsatt mot bladstigningen. Det fremgår at den resulterende kurve har et toppunkt ved effektforhold PR^som mot-svarer en bladstigning B-^. Det vil følgelig innses at den opti-male turbineffekt bare motsvares av én bladstigning, og at en stignings forandring fra denne ene stigning nødvendigvis ned-setter virkningsgraden og derved reduserer det vindhastighets-område hvori turbinen kan produsere utnyttbar kraft.

For å øke virkningsgraden er vindturbinen ifølge oppfinnelsen utstyrt med midler for isolering av generatoren mot drivakselforstyrrelser i driftssonen mellom innkoplingshastigheten og den nominelle hastighet-, uten krav om bladstignings-modulering. Ifølge fig. 1 og 2 innbefatter disse midler en elastisk montering av en giranordning 55 på et ikke-roterbart parti av turbinen, f.eks. gondolen 70. I den foretrukne ut-førelsesform omfatter giranordningen 55 et planethjulsystem hvor akselen 40 og generator-rotoren 50 kan være koaksialt plassert. Som vist i fig. 2, omfatter giranordningen et solhjul 75 som driver et antall planethjul 80 som befinner seg i inn-grep med solhjulet og en ytre tannkrans 85. Det er selvsagt underforstått at det vanligvis vil kreves en rekke trinn i planethjultransmisjonen for å oppnå et ønsket utvekslingsfor-hold, og slike trinn kan anordnes i et vilkårlig antall, uten å avvike fra oppfinnelsens ramme. Det kan dessuten anvendes forskjellige andre giranordninger, hvis det er unødvendig at generator- og turbinakslene forløper koaksialt.

De dreibare tannhjul er opplagret på egnet' og kjent måte

i et hus 90. Huset 90 er utstyrt med utadragende, første og andre armer eller gafler 9 5 som hver for seg danner et leddpunkt for svingbar forbindelse mellom huset og fjærende monteringsdeler 60.

Hver av de elastiske monteringsdeler 60 omfatter en skruefjær. 100 som er plassert og fastholdt i sideretning i et fjærhus 105 som er forankret ved bolter 110 til gondolgulvet 65. Fjæren er anbrakt mellom bunnen av fjærhuset 105 og en fjær-holderplate 110 som er svingbart forbundet med den ene endec.av en leddarm 115 hvis annen ende er svingbart forbundet med gaffelen 95. Det fremgår således at enhver svingebevegelse av girkassen 90 om sin lengdeakse vil overføres til fjærene 100, hvorved den ene fjær sammentrykkes mens den annen strekkes. Følgelig vil enhver vridningsmomentopptakelse i hvilket som helst av tannhjulene, grunnet en drivsystemforstyrrelse som forårsakes av vindkast eller liknende, og enhver torsjonsvibrasjon i vindturbinrotoren grunnet iboende konstruksjons- og driftsegenskaper isoleres fra generatoren 50 ved hjelp av fjærene 100, hvorved risikoen for beskadigelse av generatoren på grunn av slike forstyrrelser minsker. Det vil videre innses, at den elastiske forbindelse mellom giranordningen og gondolen gir en slik s tø tdemp rings- eller f ors tyrrelsesisolerings-virkning uavhengig av den innstilte bladstigning. Følgelig,

og i motsetning til de hittil kjente vindturbiner hvor stig-ningsmodulasjonen utgjør det eneste middel for opptakelse av slike drivsystemforstyrrelser, med derav følgende effektivi-tetstap, vil bladstigningsregulatorsysternet ifølge oppfinnelsen opprettholde en optimal turbinvirkningsgrad under marginale vindhastighetsforhold, idet all støtabsorbering (forstyrrelsesisolering) gjennomføres ved opptakelse i det elastiske forbindelsessystem mellom tannhjulstransmisjonen og gondolen.

For dempning av girkassens svingebevegelser på fjærene 100 fra eksempelvis fundamentale torsjonsvibrasjoner, kan det være anordnet dempermidler for samvirkning med girkassen og turbingondolen. I den foretrukne utførelsesform består demper-midlene av vibrasjonsdempere 120 med sylindre som er fastgjort til gondolgulvet ved bunnen av fjærhuset 105 og med stempler som er forbundet med fjærholderen 110 og følgelig med ledd-armen 115.

Det fremgår således av det ovenstående, at det ifølge den foreliggende oppfinnelse er frembrakt et forbedret system til mekanisk sammenkopling av en vindturbin og en belastning, hvor drivverks forstyrrelser fra vindturbinen grunnet vindkast, usymmetrisk vindstrømning og iboende vibrasjonstendenser i systemet isoleres effektivt fra vindturbinens belastning. Det er videre åpenbart at denne forstyrrelsesisolasjon som oppnås uavhengig av bladstigningsregulatorsysternet under marginale vindhastighetsforhold, vil muliggjøre optimal virkningsgrad ved turbinen under slike omstendigheter.

Det vil være innlysende for den fagkyndige at den foreliggende oppfinnelse vil kunne modifiseres innenfor sin ramme. Uten å avvike fra oppfinnelsen kan girkassen være forbundet med egnete ikke-roterbare partier av vindturbinen ved hjelp av forskjellige, andre typer av fjærer eller elastiske deler. Innenfor oppfinnelsens ramme kan likeledes vibrasjonsdempere

av andre typer komme til anvendelse. Selv om demperne i den foretrukne utførelsesform er vist plassert inne i og koaksialt med fjærene, er det underforstått av andre og likeverdige, innbyrdes plasseringer av fjærer og dempere kan forekomme.

Claims (9)

1. Vindturbin omfattende et drivsystem med et antall aerofoilblader (15) som er anordnet på en rotor (35) for drift av en belastning (50), karakterisert ved at rotorens rotasjonshastighet økes gradvis til en verdi som er forenelig med drift av belastningen, ved hjelp av en giranordning (55) som er elastisk montert på et ikke-roterbart parti (65) av vindturbinen, for å isolere belastningen mot forstyrrelser i drivsystemet grunnet vindkast, usymmetrisk vind-strømning og iboende drivsystemresonanser.

2. Vindturbin i samsvar med krav 1, karakterisert ved at giranordningen (55) er innmontert og opplagret i et hus (90) som er anbrakt i en gondol (70) og forbundet med denne gjennom minst én fjær (100).

3. Vindturbin i samsvar med krav 2, karakterisert ved en anordning (120) som er samvirkende forbundet med huset (90) og gondolen (70) for å dempe husets svingninger på fjæren (100).

4. Vindturbin i samsvar med krav 3, karakterisert ved at demperanordningen innbefatter minst en støtdemper (120).

5. Vindturbin i samsvar med et >.av de foregående krav, karakterisert ved at aerof oi lbladenes (15). stigning er justerbar og kontrolleres av en bladstigningsregulator (30) hvis utgangssignal ved høye vindhastigheter angir den bladstigning som kreves for at belastningen (50) skal kunne isoleres mot drivsystemsforstyrrelser under opprettholdelse av en ønsket utgangseffekt, og hvis utgangssignal under marginale vindhastighetsforhold angir den bladstigning som kreves for maksimal rotorutgangseffekt, stort sett uavhengig av driv-systemsf orstyrrelser , idet belastningen er isolert mot drivsystemsforstyrrelser under slike marginale vindhastighetsforhold, gjennom den elastisk'monterte giranordning (55) , slik at rotorutgangseffekten opprettholdes optimalt både under marginale- og høyvindhastighets forhold.

6. Vindturbin i samsvar med krav 5, karakterisert ved at giranordningen (55) er svingbart opplagret på minst én fjær (100) som rager generelt utad fra giranordningen.

7. Vindturbin i samsvar med krav 6, karakterisert ved at'den omfatter anordninger som er innrettet for dempning av giranordningens svingninger på fjæren og som innbefatter minst en støtdemper. (120) som forløper generelt utad fra giranordningen.

8. Vindturbin i samsvar med krav 6 eller 7, karakterisert ved at giranordningen (55) er innmontert i et hus (90) som er plassert i en gondol (70) med et gulvparti (65), idet fjæren (100) er samvirkende forbundet med gondolen og huset, for vertikal understøttelse av huset på gondolgulv--' partiet.

9. Vindturbin i samsvar med krav 8, karakterisert ved at støtdemperen er anordnet stort sett parallelt med fjæren.