SE430529B - Anordning vid vindturbiner - Google Patents

Description

8297495-6 2 mande vindstyrkan, eller, om anordningar finns för urdrifttagande av turbinen vid en viss vindstryka, den största vindhastighet, som man avser att utnyttja.

Detta leder till att rotorn får ett visst startmotstånd, som gör att turbinen ej producerar någon kraft vid svaga vindar. Genom ett dysarrangemang kan gränsvärdet för den lägsta vindhastigheten sänkas dels genom att vindens hastighet accelereras och dels genom att rotorn kan göras mindre än vid en frilöpande rotor på grund av den högre vindhastighet den arbetar med och blir därmed ej så utsatt för skaderisker. ' Den mindre storleken hos rotorn kan även leda till ett lägre tillverk- ningspris på grund av att delar av rotorn ersättes av en statisk del, som kan göras både mera robust och ofta till lägre kostnad än den del som skall rotera.

En vindturbins kraftproduktion står i viss proportion till dess frontarea, som vid en frilöpande turbin enbart bildas av rotorn medan den vid en dysturbin bildas av rotorn tillsammans med den icke roterande dysan.

En dysa av det nämnda slaget bildas ofta av en accelerator i form av en inloppstratt och en diffusor i form av en utloppstratt. Vid ren trattform, så- ledes konisk form erhålles dock en mycket begränsad acceleration emedan man vid försök att överskrida ett visst förhållande erhåller så stora turbulenser i trattarna att den tänkta vinsten elimineras av förluster. Man har därför före- slagit andra former än den rent koniska men därvid ej uppnått de avsedda för- bättrin garna .

Föreliggande uppfinning har till ändamål att åstadkomma en anordning vid vindturbixier, som ger en acceleration av luftströmmen förbi turbinens rotor vid lägre turbulensförluster än som erhållits vid tidigare kända anordningar såsom dysor av det nämnda slaget.

Uppfinningens ändamål uppnås genom att utföra anordningen med de i patentkrav 1 angivna kännetecknen.

I följande beskrivning åskådliggöres uppfinningen under hänvisning till bifogade ritningar. På dessa är fig. 1 en radiell genomskärníng genom turbinen och fig. 2 är en frontvy.

Anordningen enligt föreliggande uppfinning kan sägas hänföra sig till dysturbiner i det att rotorn omges av en ringformig kropp. Emellertid är denna i ej utförd som en dysa i den meningen att den ej innefattar någon diffusor av konventionellt slag. I det följande benämnes därför den rotorn omgivande ring- formiga kroppen som "ringkroppen". .

Vid uppfinningen innefattar ringkroppen företrädesvis en accelerator på turbinens anströmningssida men på frånströmningssidan ej en diffusor utan en ytterligare accelerator för fortsatt acceleration av luften efter turbinen. Detta medför en statisk trycksänkning bakom turbinen, vilket ger en ytterligare an- strömning av luft till och genom turbinen. I det följande benämnes accelerator-n 3 eåó749s-6 på anströmningssidan "föracceleratorn" och acceleratorn efter turbinen som "efteracceleratorn". ' Den nämnda åstadkommes enligt uppfinningen genom att ringkroppen ut- formas som en cirkelformig, dvs oändlig vinge med vingprofilens flatare under- sida på anströmningssidan och vingprofilens mera välvda översida på frånström- ningssídan. Vingprofilens framkant, vars ínnersida bildar föracceleratorn befin- ner sig framför och radiellt sett innanför vingprofilens bakkant, som utgör av- slutningen på efteracceleratorn. Vingprofilens tvärsnitt pekar således bakåt och radiellt utåt och kan sägas bilda en stympad kon, som vidgar sig i strömnings- riktningen. Avsikten är att den frånströmmande luften skall följa efteraccelera- torns välvda insida, så att luften härigenom accelereras liksom luften accelereras på översidan av en vinge och ger det där rådande lägre trycket. Emellertid måste luften för att denna effekt skall uppnås avlänkas utåt, vilket lämpligen sker medelst en kon i ringkroppens centrala hål, vilken kon vidgar sig i ström- ningsriktningen och kan på så sätt avlänka luften utåt. Lämpligen utgör denna kon nav i själva rotorn och turbinbladen skall därvid således vara monterade på konen.

För att uppnå den bästa effekten måste luftflödet längs efteracceleratorns insida vara så laminärt som möjligt. Uppnåendet och bibehållandet av en så hög grad som möjligt av laminär strömning kan ske genom att hastigt strömmande luft intagen framför rotorn leds via kanaler förbi rotorn och får strömma ut på efter- acceleratorns insida i huvudsak i ytans riktning, så att gränsskilttet mellan krop- pens yta och den strömmande luften tillföres en energirik jetstråle. Försök har visats att en betydande lufthastighet längs kroppens yta kan uppnås på detta sätt. Mätvärden visar att man på det beskrivna sättet kan uppnå ett tryckfall av 13 mm/HZO bakom rotorn vid 6 m/s vindhastighet och 200 mm/HZO vid 25 m/s.

En utföringsform av turbinen skall nu beskrivas under hänvisning till bi- fogade ritningar. På dessa visar fig. 1 ett tvärsnitt genom turbinen och fig. 2 en frontvy av densamma.

Såsom framgår av figurerna innefattar turbinen den nämnda ríngkroppen, vilken betecknas med 1 och rotorn, vilken betecknas med 2. Rotorn 2 uppbäres av en fast centrumkropp 3, vilken i sin' tur uppbäres av ett fundament medelst en mast 4. Centrumkroppen 3 uppbär rotorn 2 medelst lager, så att rotorn kan rotera. Rotorn skall därvid driva den maskin, medelst vilken vindkraften skall utnyttjas. Denna kan vara en i centrumkroppen 3 innesluten elektrisk generator, eller exempelvis en hydraulpump. Alternativt kan i centralkroppen vara inneslu- ten en växel, som överför kraften från rotorn till ett i fundamentet beläget maskineri genom en axel i masten 4. Denna typ av lösningar för upptagande och överföring av rotorns rörelse är emellertid tidigare kända och behöver ej beskri- vas närmare. 8207495-6 , För att hålla ringkroppen 1 i dess läge kring turbinen 2 förenas den me- delst radiella armar 5 med den uppbärande centrumkroppen 3.

Av fig. 1 framgår att den cirkulär-a ringkroppen 1 har ett radiellt tvär- snitt, som kan inskrivas i ytterkonturen till en vingprofil. Ringkroppen uppvisar därvid en yttre frontyta 6, samt en inre frontyta, båda på anströmningssidan, vilken senare yta bildasav de främre kanterna 7, 8 och 9 till tre ringar 10, 11 och 12, i vilka ringkroppen 1 är indelad genom att två smala spalter 13 och 14 löper genom densamma. Den yttre ringens frontyta mot anströmningssidan bildar ringkroppens närnnda yttre frontyta 6. Nämnas bör att av dessa ringar uppbäres den yttre ringen 10 av centrumkroppen 3 via armarna 5 och uppbär sedan i sin tur genom distanselement 15 de båda återstående ringarna.

Ring-kroppens baksida på frånströmningssidan bildas av ändytorna 16 och 17 till de båda yttre ringarna 10 och 11 samt den mot frånströmningssidan vända ytan 18 på den inre ringen 12.

Som bekant består en vingprofil av en utåt välvd "översida" och en plan eller konvex "undersida" samt en rundad framkant och en spetsig bakkant till vilken "över- och undersidan" ansluter. Av dessa ytor motsvaras på vingkroppen den välvda "översidan" av ytorna 16, 17 och 18, den plana "undersidan" av ytan 6, den välvda framkanten av ytorna 7, 8 och 9 samt den spetsade bakkan- ten av den spetsade övergången 19 mellan ytorna 6 och, 16 på den yttre ringen 10. Emellertid är ringkroppen 1 till skillnad från en normal vinge som nämnts indelad i tre delar medelst spalterna 13 och 14. Om emellertid denna tredelade kropp tänkas omsluten av en spaltöppningarna överbryggande kontur framgår att tvärsnittet nära ansluter till en konventionell vingprofil. Denna vingprofil är således böjd till en ring och dess tvärsnitt pekar med sin spetsade "bakkant" 19 snett utåt från centrum samt bakåt i strömningsrilttningen räknat.

Betraktar man ringkroppen 1 ur strömningssynpunkt bildar ytorna 7, 8 och 9, "framkanten" ett inlopp och ytorna 16, 17 och 18, "baksidan" ett utlopp. lnloppet och utloppet övergår i varandra vid den innersta delen av ytan, som därvid bildar in- och utloppens inre begränsningskant och samtidigt kroppens genomströmningsöppning. Inloppets yttre begränsningskant bildas av över- gången 22 mellan ytorna 6 och 7. Utloppets yttre begränsníngskant utgöres av spetsen 19.

Rotorn 2 består dels av ett i strömningsriktningen koniskt sig vidgande nav 20 och dels av navets yttre parti uppburna skovlar 21. Skovlarna 21 är spiralformígt vridna i förhållande till navets motsvarande radie. Anströmmande luft kommer därför att åstadkomma ett vridande moment på rotorn. Detta sätt att anordna turbinskovlar är tidigare känt och det är därför ej nödvändigt att ange skovlarnas närmare utformning. 5 8207495-6 Ytterligare visas i figurerna att utanför ringkroppens 1 yttre kant l9_är anordnad en avledare 24, som kan sägas motsvara de "flaps", som ofta är an- ordnade vid en vinkelprofils bakkant. Denna avledare är indelad i sektioner 25 i form av cirkelringssektorer. Vart och ett av dessa sektioner är vridbar kring axeltappar 26, som uppbäres av armarna 5. Avledarens tvärsnitt motsvarar även den i stort sett en vingprofil med en välvd sida 27 och en flat sida 28, en run- dad anströmningskant 29 och en spetsig avslutning 30. Avledaren är ej nödvän- dig för den funktion, som nu skall beskrivas, men den ger möjlighet att anpassa turbinen till olika strömningshastigheter, varigenom dess genomsnittliga verk- ningsgrad kan förbättras inom ett stort område av skilda vindstyrkor. Inställ- ningen av sektionernas 26 vridningsläge kan ske manuellt men sker företrädes- vis medelst en av vindstyrkan styrd mekanism. Denna kan bestå av en givare, som avkänner vindstyrkan samt hydrauliska reglerdon, som omställer sektioner- na 26 i efter vindstyrkan avpassade, förutbestämda lägen.

Vid arbete är det avsett att turbinen skall riktas frontalt mot vinden, som således strömmar an i riktningen av pilen 32 i fig. 1. Den luft som träffar den del av ringkroppens 1 frontyta, som bildas av ytorna 7, 8 och 9 kommer att till största delen att länkas av inåt mot den innanför ytan 9 bildade öpp- ningen och kommer att träffa turbinbladen 21. Därvid bringas turbinen att ro- tera och vindkraften kan nyttíggöras på det sätt, som antytts tidigare. Den luft som träffar innanför skovlarna 21 kommer att riktas utåt av den koniskt sig vi- kande ytan 20 och den genom turbinen strömmande luften kommer att lämna tur- binen i en starkt utåtriktad rörelse. Den kommer således att svepa över ring- kroppens 1 av ytorna 16, 17 och 18 bildade baksida och följer dennas välvning.

Detta leder till en acceleration av den utåt - bakåt strömmande luften. Härige- nom bildas ett undertryck, som strävar att dra den anströmmande luften snab- bare genom turbinen. Samtidigt erhålles en viss acceleration i det koniska inlopp, som bildas av ytorna 7, 8 och 9. Man får således en för- och en efteracceleration, vilka tillsammans ger den eftersträvade, snabbare strömningen genom turbinen.

Luften strömmar således genom turbinen med högre hastighet än den mot anord- ningen anströmmande luften.

Den del av den anströmmande luften, som träffar ytan 6 kommer ej att föras till turbindhjulet utan kommer att riktas utåt. Vid den avslutande spetsen 19 kommer den att möta den längs ytan 6 strömmande luften och det är viktigt, att den frånströmmande luften ej störes, så att den längs ytorna 16, 17 och 18 åstadkomma accelerationen påverkas i ogynnsam riktning. Sådana störningar kan undvikas genom en riktig utformning av ytorna på anströmnings- och frånström- ningssidan. Emellertid är det svårt eller omöjligt att erhålla en optimal anpass- ning till olika vindstyrkor. Genom avledaren 24 kan emellertid i stor utsträck- szovuss--s 6 ning en anpassning till olika vindstyrkor ske genom omställning av avledaren, så att gynnsamma accelerationsförhållanden erhålles.

Avsikten med spalterna 13 och 14 är att erhålla en laminär gränsskikt- strömnixig över den av ytorna 16, 17 och 18 bildade ytan på frånströmningssidan.

Om en mycket begränsad luftström utsläppes genom spalternas bakre öppningar i ytans riktning erhålles nämligen ett tunt skikt längs ytan av laminärt ström- mande luft, vilken hjälper till att bibehålla den laminära strömning avden huvud- sakliga luftströmmen från turbinhjulet, som erfordras för att den nämnda acce- lerationen efter turbinhjulet skall kunna uppnås.

Detta arrangemang utgör dock ej någon huvudsaklig del av turbinen en- ligt uppfinningen. Om turbinen förenklas så att ringkroppen 1 utföres hel utan spalter-na 13 och 14, således i en ren vingprofil kan ändock fördelarna genom uppfinningen utnyttjas, särskilt vid mindre turbinstorlekar, där man torde kun- na uppnå en i huvudsak laminär strömming för den luft, som lämnar turbinhjulet även om några spalter ej är anordnade.

Claims (6)

8207495-6 7 PATENTKRAV

1. Anordning vid vindturbiner, vilka innefattar dels en rotor (2), som är avsedd att bringas till rotation kring en axel genom luftströmnixxg i huvudsak i axelns riktning från en anströmningssida mot en frånströmningssida, och dels en ringformig, rotorn koncentriskt omgivande kropp (1), vilken på sin avsedda anströmningssida uppvisar ett inlopp med en inre begränsningskant i anslutning till vilken rotorn är anordnad och vilken på ringkroppens frånströmniiigssida övergår i en främre, inre begränsningskant för ett i strömningsriktningen sig vidgande utlopp, vilket avslutas med en bakre, yttre begränsningskant (19), k ä n n e t e c k n a d d ä r a v, att den ringformiga kroppens (1) tvär- snittsprofil i huvudsak motsvarar en vingprofil, vars rundade, främre kant (7-9) bildar inloppet, vars bakre, spetsade kant (19) bildar utloppets yttre begräns- ningskant, vilken radiellt sett befinner sig utanför sagda främre kant, vars fla- tare' sida (6) bildar dysans anströmningsfront samt sträcker sig från inloppets yttre begränsningskant (22) bakåt och utåt till utloppets yttre begränsningskant (19), och vars välvda sida (16-18) bildar utloppet.

2. Anordning enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v, att inloppets yttre begränsningskant (22) befinner sig i radiell riktning räknat be- tydligt innanför den ringformiga kroppens (1) yttre begränsningskant (19), så att diameterförhållandet mellan den yttre och den inre begränsningskanten är betydligt större vid utloppet än vid inloppet.

3. Anordning enligt patentkrav 2, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v, att sagda diameterförhållande för inloppet är i området 1:2,5 och för utloppet i om- rådet 1:5.

4. Anordning enligt något av patentkraven 1, 2 eller 3, k ä n n e t e c k- n a d d ä r a v, att på den ringformiga kroppens (1) anströmningssida finns ett antal öppningar, från vilka kanaler (13, 14) leder till utströmningsöppningar i utloppet, så att från anströmningssidan inpressad luft bildar ett laminärt ström- ningsskilkt från utströmningsöppningarna och över åtminstone delar av utloppets Iyta.

5. Anordning enligt patentkrav 4. k ä n n e t e c k n a d d ä r a v, att inströmnixxgsöppnixigarna till kanalerna (13, 14) befinner sig i dysans inlopp.

6. Anordning enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k - n a d d ä r a v, att rotorn (2) uppvisar ett i strömningsriktnirigen sig vidgande ~ 8 nav (20), som uppbär skovlar (21) eller liknande, vilka tillsammans med navet befinner sig i huvudsak i utloppet, varvid navet (20) bildar en luftströmmen radiellt utåt avlänkande yta.