NO811653L - Vindmoelle med giringstrimminng. - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører vindturbiner og, nærmere bestemt vindturbiner som er konstruert for å fungere med optimal virkningsgrad ved å bringes i en spesiell stilling i forhold til vindretningen.

Vindturbiner eller vindmøller av den type som omfatter

et nav eller en rotor med et antall påmonterte aerofoilblader som er anordnet for rotasjon om en horisontal akse, fungerer vanligvis med maksimal effekt når rotoren 'og bladene er innstilt i vindretningen eller avviker én eller to grader fra denne. For å kunne innstilles mot vinden, er navet og en aksel som forbinder navet med turbinbelastningen, generelt svingbar om en vertikal giringsakse. I disse kjente vindturbiner har giringsaksene hittil, så vidt kjent, forløpt stort sett i samme plan (skjærende) som akselens rotasjonsakse.

Både aktive og passive midler har vært anvendt for giringstrimming av turbinen, for å opprettholde en ønsket stilling av vindturbinen i forhold til vinden. De aktive midler innbefatter vanligvis en vindretningsføler som ved hjelp av et egnet reguler-ingssystem aktiviserer en anordning som bibringer navet en giringsbevegelse slik at navet innstilles i vindretningen, og midler for opprettholdelse av denne innstilling så lenge vindretningen er konstant. De passive midler er som regel basert på en "værhane"-effekt, hvorved turbinens innstilling i vindretningen opprettholdes ved at navet og den tilgrensende konstruksjon sidebelastes av vinden. Selv om de aktive midler på effektiv måte kan innstille turbinen og fastholde denne i vindretningen, vil midlene vanligvis innbefatte en komplisert apparatur, hvorved turbinens økonomiske virkningsgrad nedsettes og prisen øker for den energi som leveres av turbinen.

Den passive eller værhanemekanismen for girtrimming av turbinen har vist seg relativt effektiv i tilknytning til vind turbiner med forholdsvis korte og stive blader. For å oppnå vektminskning i moderne, store vindturbiner med bladlengder på 37 meter eller mer, blir det imidlertid i flere tilfeller anvendt blader av hul og sammensatt konstruksjon med betydelig egenelastisitet. Hvis slike vindturbinblader monteres stivt på navet og utsettes for vertikale vindhastighetsgradienter og gravitasjonskrefter under normal drift, vil bladene ha tendens til å bøyes eller "flagre" periodisk og derved motvirke opprettholdelsen av turbinens innstilling i vindretningen. Hvis bladene, for å oppta de vertikale vindhastighetsgradienter, monteres slik .på navet at de er svingbare i forhold til en "vippe"-akse som forløper på tvers av navets og akselens rotasjonsakse, vil rotasjonen av de således monterte blader eliminere den elastiske flagring, men dette medfører likevel en horisontal presesjon av navet og bladene om vippeaksen.

Denne presesjon som skyldes bladenes kombinerte rotasjons-

og vippebevegelse under innvirkning av vertikale vindhastighetsgradienter og tyngdekraften, har som følge at turbinen vinkelforskyver seg selv fra den riktige stilling i forhold til vindretningen, ved å dreies om giringsaksen.

Det er derfor et formål ved den foreliggende oppfinnelse

å frembringe en vindturbin med forbedrete anordninger for giringstrimming av turbinen, slik at denne kan innrettes og bibeholde sin stilling direkte i vindretningen.

Et annet formål ved oppfinnelsen' er å frembringe en slik

vindturbin hvor trimmingsanordningene fungerer på passiv måte.

Et ytterligere formål ved oppfinnelsen er å frembringe en slik vindturbin med trimmingsanordninger som er økonomisk rimelige og ikke i vesentlig grad bidrar til prisen for turbinen eller for energien som produseres av turbinen.

En vindturbin ifølge den foreliggende oppfinnelse innbefatter passive midler for trimming av vindturbinen under giring, dvs. for .opprettholdelse av vindturbinens stilling generelt i vindretningen. I disse giringstrimmingsmidler inngår en mon-tering av bladene, ved deres rotpartier, på navet på slik måte, at bladenes vippebevegelser inn i og ut av vinden forårsaker en justering av bladstigningen i forhold til vindretningen. En slik stignings justering minsker 'løftevirkningen mot de blader som utsettes for større vindhastigheter og 'større angrepsvinkel, og øker løftevirkningen mot de blader som utsettes for mindre vind hastigheter og mindre angrepsvinkel, på grunn av gradienten. Denne løfteutjevning langs turbinbladene vil mest mulig redusere enhver horisontal navpresesjon eller giringsubalanse på grunn av vippebevegelsen, og derved sikre opprettholdelsen av den riktige innstilling av turbinen i vindretningen..

Ved en utførelsesform av oppfinnelsen er denne stignings-justering oppnådd ved at bladet er forbundet med navet på slik måte at bladet, under innvirkning av hastighetsgradienten, pendler om en akse som forløper i skråretning i forhold til bladets lengdeakse. I en modifisert versjon er bladstignings-justeringen oppnådd ved at bladene er montert på slik måte, at de er svingbare om sine lengdeakser og, ved sine ytterpartier, tilkoplet navet eller endepartiet av hovedturbinakselen, hvorved flagring eller vipping av bladet bevirker en ønsket for-skyvningsbevegelse av bladet om dets lengdeakse, som muliggjør innstilling av den stigning som kreves for minskning av den horisontale navpresesjon eller giringsubalanse.

Oppfinnelsen vil bli nærmere beskrevet i det etterfølgende under henvisning til de medfølgende tegninger, hvori: , Fig. 1 viser et fremre enderiss av en vindturbin ifølge foreliggende oppfinnelse. Fig. 2 viser et forstørret, isometrisk riss, delvis i snitt, av det indre av turbinnavet, hvor visse, navpartier er utelatt for å vise detaljer ved konstruksjonen. Fig. 3 viser et sideriss av vindturbinen ifølge oppfinnelsen Fig. 4 viser et øvre planriss av vindturbinen ifølge oppfinnelsen . Fig.. 5 viser ét snitt, langs linjen 5-5 i fig. 3, av det øvre blad i fig. 3, som illustrerer de løfte- og trekkrefter som virker mot bladet. Fig. 6 viser et snitt, langs linjen 6-6 i fig. t3, av det nedre blad i fig. 3, som illustrerer de løfte- og bremsekrefter som virker mot bladet. Fig. 7 viser et øvre planriss av en hengslet vindturbin-konstruksjon av kjent type, som illustrerer en avbøyning av netto-vindtrykkvektoren fra navets rotasjonsakse i avhengighet av en flagring eller vipping av bladene. Fig. 8 viser et riss i likhet med fig. 7, men som illustrerer den skjeve innstilling av en kjent vindturbin i forhold til vindretningen, som følge av trykkvektorens vinkelforskyvning

eller avbøyning i forhold til gireaksen.

Fig. 9 viser en grafisk fremstilling av forholdet mellom giringsakselerasjon og giringsvinkel ved to typiske, store vindturbiner av'kjent type, som vist i fig. 7 og 8, hvor bladene i den ene turbin er svingbart forbundet med navet mens det i den annen turbin er anordnet en stiv forbindelse, samt en grafisk fremstilling av samme forhold ved en stor vindturbin som er konstruert i overensstemmelse med oppfinnelsen. Fig. 10 viser en grafisk fremstilling av forbindelsen mellom ytelsesforholdet og giringsvinkelen og mellom trykkfor-holdet og giringsvinkelen for en typisk, stor vindturbin i overensstemmelse med oppfinnelsen. Fig. 11 viser et riss i likhet med fig. 2, men av en modifisert utførelsesform av oppfinnelsen.

Det er i fig. 1-4 vist en giringsstabilisert vindturbin ifølge den foreliggende oppfinnelse, som omfatter to aerofoilblader 6 og 7 som er montert på et nav 9, hvorfra de forløper i fremadgående og radialt utadgående retning. Navet er dreibart om en rotasjonsakse 12 og forbundet med vindturbinbelastningen, dvs. en elektrisk dynamo eller vekselstrømgenerator (ikke vist), gjennom en hovedaksel 15 (fig. 2), hvor navets og akselens rotasjonsakser er sammenfallende. Belastningen og den nødvendige transmisjon (ikke vist) for gradvis økning av rotasjonshastig-heten av akselen 15 til belastningen er anordnet i en gondol 18 som under normal drift vil være plassert i vindretningen umiddel-bart foran bladene og navet. Det bør imidlertid bemerkes at oppfinnelsen ikke er begrenset til en slik plassering, foran-liggende i vindretningen, av gondolen. Gondolen og nav-blad-aggregatet er svingbar om en gireakse 21 som kan forløpe sammenfallende med den tårn- eller bærekonstruksjon 24 hvori vindturbinen er svingbart montert på et giringslager 27. Som det tyde-ligst fremgår av fig. 1 og 4, forløper gireaksen 21 stort sett i plan med (skjærer) navets rotasjonsakse 12.

Som vist i fig. 2, omfatter navet et endeparti av akselen 15 som opptas i et hult bladrot- eller akselstumpparti 30.

Bladene er forbundet med navet gjennom en skråstilt svingbolt eller hengseltapp 33 som opptas i innbyrdes fluktende utboringer i akselstumpen eller rotpartiet og akselen 15. Når bladene, under innvirkning av vertikale vindhastighetsgradienter, pendler eller vipper om hengseltappen, inn i og ut av vinden, vil skrå- stillingen av hengseltappen bevirke en bladstigningsjustering i forhold til vindretningen, for å utjevne løftevirkningen mot turbinbladene og derved redusere giringsubalansen.

Det er vanlig kjent at det i vinder ofte opptrer vertikale hastighetsgradienter. Dette innebærer at den typiske vindhastighet nær jordoverflaten er betydelig mindre enn den målte vindhastighet i punkter i større avstand fra jordoverflaten,

dvs. i seksti eller nitti meters høyde over denne. Under bladenes rotasjon og forutsatt at bladene har samme stigning, vil følge-lig det øverste blad til enhver tid påvirkes av vinder av større hastighet og angrepsvinkel, sammenliknet med det nederste blad. Det fremgår av fig. 5 og 6 at det øvre blad 6, i ethvert aksialpunkt som defineres av en radius r, målt fra navets rotasjonsakse, påvirkes av luft av en resultanthastighet be-stående av vektorsummen.av vindhastigheten i radialavstanden r (V ) og den vindhastighet fir som påvirker bladet som følge av bladrotasjonen. Sammen med bladets 6 korde avgrenser resul-tanten en angrepsvinkel a-^. Resultanthastigheten av vinden som virker mot det nederste blad 7, består likeledes av vektor-summen av vindhastigheten V 1, målt i radialavstanden r og den vindhastighet fir som påvirker bladet 7 som følge av bladrotasjonen. Grunnet størrelsen av Vw<1>vil sistnevnte resultant, sammen med bladets 7 korde, avgrense en angrepsvinkel som er vesentlig mindre enn vinkelen a^. Da løftekraften mot hvert av bladene 6 og 7 er proporsjonal med angrepsvinkelen, er løfte-kraften mot det øvre blad, slik som vist, betydelig større enn løftekraften mot' det nedre blad. Under bladrotasjonen vil hvert blad periodisk innta øvre og nedre stillinger, og når bladene er stivt forbundet med rotoren, vil følgelig den varierende løftekraft som påvirker bladet når dette periodisk bringes i øvre og nedre stillinger, forårsake en periodisk bøying^ eller "flagring" av bladet. Foruten å være potensielt skadelig for bladet vil en slik flagring medføre at turbinen girer ut fra sin riktige stilling, delvis på grunn av forstyr-rende giringsmomenter som direkte skyldes bladbøyningen, og delvis på grunn av en vinkelforskyvning av vektorresultanten som virker mot skovlene.

Ifølge den kjente teknikk er den periodiske bøying eller flagring i noen tilfeller eliminert ved at bladene er forbundet med navet på slik måte at de kan pendle om en akse, generelt på tvers av navets eller akselens rotasjonsakse og bladenes lengdeakser, uten ledsagende, periodisk stigningsforandring. Ved denne kjente "hengsel"- eller "vippe"-konstruksjon vil den ovennevnte, periodiske bladflagring avløses av en syklisk pendling av bladet på navet, om pendel- (vippe-) aksen. Under bladrotasjonen grunnet den rådende vind, vil følgelig bladene beveges periodisk inn i (med) vinden og ut av (mot) vinden ved syklisk pendling om hengseltappen 33.

På grunn av presesjon vil denne pendling om hengseltappen under bladrotasjonen resultere i at navet og bladene pendler om vippeaksen i en bevegelse som har sitt største utslag "når vippeaksen er vertikalstilt. Mens størrelsesgraden av denne presesjonspendling er avhengig av vindhastigheten, vindgradien-ten, bladformen og andre faktorer i forbindelse med turbin-konstruksjonen og driftsforholdene, vil en slik presesjonspendling medføre at navet og bladene forskyves en eller to grader fra vindretningen. Det fremgår av fig. 7 at navets og bladenes vinkelforskyvning fra vindretningen forårsaker en liknende avbøyning eller vinkelforskyvning av vektorresultanten av nettotrykket som virker mot bladene, hvor trykkvektoren er definert som forløpende i normalretning mot en linje som skjærer bladspissene. Grunnet trykkvektorens avbøyning blir vektoren vinkelforskjøvet fra stillingen i flukt med gireaksen. Den for-, skjøvete trykkvektor vil derfor overføre et giringsmoment til turbinen, som resulterer i en overdreven giringsforskyvning ut fra den ønskete stilling i vindretningen, slik det fremgår av fig. 8.

Fig. 9 viser virkningene av trykkvektorens avbøyning i forening med den resulterende navgiringsforskyvning for typiske, hengslete (pendlende bladmontering) og uhengslete (stiv bladmontering), store vindturbinrotorer ved en vindhastighet av 25 m/sek. Som det fremgår av kurvene, vil både de hengslete

og uhengslete, kjente vindturbinrotorer, når de får svinge fritt om en giringsakse, plassere seg i en giringsstilling som avviker vesentlig fra den ønskete 0°-innstilling (innløpsvinkel). Fra en utgangsstilling i 0°-innløpsvinkel vil således den hengslete rotor gire ca. 15° ut fra denne retning, mens den uhengslete rotor,.fra samme 0°-utgangsstilling, vil kunne gire -33, -22, eller ca. 55° fra denønskete retning, 'innen den bringes i like-vektstilling (giringsakselerasjon null).. I disse forskjøvete

giringsstillinger er begge turbiner giringsstabilisert som følge av at trykkmomentet balanseres av aerodynamiske krefter mot bladene.

Som det fremgår av fig. 10, vil det oppnås både optimale trykkforhold og ytelsesforhold ved at turbinen holdes innstilt stort sett direkte i vindretningen. Ytelsesforholdet er et mål på turbinens utgangseffekt dividert med den tilgjengelige effekt i vindstrømmen som oppfanges av turbinen, og trykkfor-holdet er et mål på trykket mot turbinbladene dividert med det tilgjengelige nettovindtrykk fra vindsøylen som oppfanges av turbinbladene. Som vist i fig. 10, vil følgelig enhver større avvikelse fra den ønskete 0°-giringsvinkel medføre alvorlig forringelse av turbinytelsen.

For å avhjelpe den mangelfulle giringsstabilisering ved vindturbinene av kjente typer er bladene, ifølge den foreliggende oppfinnelse, anordnet svingbare om sine rotpartier på slik måte, at en pendelbevegelse eller vipping av bladene om svingetappen 33, under innvirkning av en vertikal vindhastighetsgradient, bevirker en syklisk justering av bladstigningen i forhold til vindretningen. Hvis bladene således befinner seg 1 vertikal-stilling, som vist i.fig. 3, vil det øvre blad 6 pendle eller vippe med vinden om svingetappen 33, idet bladets forkant dreies mot vinden slik at løftevirkningen mot bladet avtar. Det nedre blad 7 vil- på tilsvarende måte vippe inn i (mot) vinden, idet bladets forkant dreies svakt fra vinden slik at løftekraften mot det nedre blad øker til en verdi som stort sett motsvarer løftekraften mot det øvre blad. Løftekraften mot de to blader blir derved stort sett utjevnet, hvorved rotorens horisontale presesjon ut av vindretningen reduseres.

Omfatningen av stigningsjusteringen i tilknytning til en spesiell pendlingsamplityde er selvsagt avhengig av vinkelen mellom svingtappen 33 og bladenes lengdeakser. Størrelsen av denne vinkel avhenger av de rådende vindforhold i turbinens omgivelser og selve turbinens konstruksjonsform. Det er imidlertid konstatert, at vinkelforskyvninger av 40-70° mellom svingtappen 33 og bladaksene er tilstrekkelig i forbindelse med store turbiner, dvs. turbiner med et bladspenn av 6 0 meter eller mer.

Som det videre fremgår av fig. 9,' er ytelsen av en giringsstabilisert turbin ifølge oppfinnelsen vist i det øverste dia- gram, hvor giringsakselerasjonen er avsatt mot innstrømnings-(girings-) vinkelen. Ifølge denne kurve er giringsakselerasjonen null når innstrømningsvinkelen er lik null (turbininn-stilling stort sett direkte i vindretningen). Etter å være innstilt i en slik retning ved mekaniske midler eller ved en værhanevirkning vil følgelig vindturbinen ifølge oppfinnelsen opprettholde denne retningsinnstilling som gir optimal utgangseffekt.

En modifisert utførelsesform av oppfinnelsen er vist i fig. 11. I denne versjon er bladene 6 og 7 slik opplagret på akselstumpen 36, at bladene kan pendle om sine lengdeakser. Bladene er følgelig montert i egnete lagre (ikke vist) som er anordnet mellom bladene og akselstumpen. Videre kan bladene pendle inn i og ut av vinden om en akse 39 som forløper generelt på tvers av bladaksene og akselaksen. Som vist i fig. 11, er aksen 39 definert av en svingtapp 42 som er innført gjennom akselstumpen 36 og hovedakselen 15. Et ytterparti av bladet er forbundet med akselen 15 gjennom en koplingsanordning 45 hvis ene ende er svingbart opplagret i et gaffel- eller monterings-element 48 mens den annen ende er tilkoplet et monterings-element 51 på hovedakselen. Hvis en vindturbin med en navkon-struksjon som vist i fig. 11 påvirkes av vertikale vindhastighetsgradienter, vil bladene innledningsvis vippe om aksen 39 på samme måte .som tidligere beskrevet. Da hvert blad er forbundet med akselen gjennom koplingsanordningen 45, vil imidlertid en slik vipping medføre at bladene svinger om sine lengdeakser og derved forårsaker en bladstigningsjustering som resulterer i en utjevning av løftekreftene mot bladspennet, slik som tidligere beskrevet.

Selv om den -foreliggende beskrivelse av vindturbinen ifølge oppfinnelsen omfatter turbiner med to blader, vil det

innses at oppfinnelsen er egnet for anvendelse ved turbiner med et vilkårlig antall hengslete blader. Ved anvendelse av mer enn to biader bør disse være forbundet med navet gjennom et kardang-lagersystem istedenfor gjennom et enkelt ledd. Det kan følgelig gjennomføres modifiseringer innenfor oppfinnelsens ramme.

Claims (7)

1. Vindturbin omfattende et dreibart nav (9) og minst ett aerofoilblad (6,7) med et rotparti som er svingbart forbundet med navet slik at bladet kan pendle om rotpartiet inn i og ut av vinden i avhengighet av vertikale vindhastighetsgradienter som virker mot bladet,karakterisert vedat bladet er forbundet med navet på slik måte, at bladets pendelbevegelse inn i og ut av vinden bevirker justering av bladstigningen i forhold til vindretningen, hvorved navets giringsubalanse grunnet de vertikale vindhastighetsgradienters innvirkning på bladet reduseres. ,

2. Vindturbin i samsvar med krav 1,karakterisert ved- at bladet pendler inn i og ut av vinden om en akse som heller i forhold til bladets lengdeakse.

3. Vindturbin i samsvar med krav 2,karakterisert ved-at skråaksen danner en vinkel av 40-70° med bladets lengdeakse.

4. Vindturbin i samsvar med krav 2,karakterisert vedat navet (9) omfatter en hovedaksel (15), og at bladets rotparti er svingbart forbundet med hovedakselen gjennom en svingtapp (33) som er anordnet langs pendelaksen.

5. Vindturbin i samsvar med krav 4,karakterisert vedat bladets rotparti opptar hovedakselen '(151, idet svingtappen (33) er innført gjennom innbyrdes fluktende utboringer i hovedaksel og rotparti.

6. Vindturbin i samsvar med krav 1,karakterisert vedat bladet pendler inn i og ut av vinden om en akse (39) som forløper generelt på tvers av bladets lengdeakse, og at bladet er svingbart om lengdeaksen og forbundet gjennom et ytterparti med navet (9), slik at bladets bevegelse inn i og ut av vinden bevirker en svingebevegelse av bladet om dets lengdeakse, hvorved stignings justeringen gjennomføres. .

7. Vindturbin i samsvar med krav 6,karakterisert vedat navet (9) omfatter en hovedaksel (15) som opptas i bladrotpartiet og er forbundet med dette gjennom en svingtapp (42) som er innført gjennom innbyrdes fluktende utboringer i hovedakselen og rotpartiet og anordnet langs tverraksen.