SE442046B - Rotor for en vindturbin - Google Patents

Description

l0 7803823-9 2 mellan 7:1 - 3:1, varvid huvuddelen av höljets längd kommer att ligga utanför själva diffusorn. Dylika statiska höljen med stora dimensioner är inte bara dyra att framställa, utan de fordrar även kostsamma stödkonstruktioner.

Genom den brittiska patentskriften 1 386 335 är en rotor för en turbin av ovan nämnt slag förut känd, vilken nyttjas för bildande av en cylindrisk strömning för ett luftfartygs_ framdrivning. Denna kända rotor uppvisar, såväl en yttre ring- mantel, omslutanden rotorbladen, som en vid rotorbladens inre ändar placerad ringmantel. Båda ringmantlarna roterar med ro- torbladen och avgränsar en ringformad strömningskanal, i vil- ken rotorbladen befinner sig. I radiell skärning uppvisar de båda ringmantlarna ett tvärsnitt, vilket beroende på slaget av diffusorbegränsning, förlöper från främre inloppsänden till en avböjning mot kanalens inre och sedan mot bakre änden under avvinkling utåt till en utloppsöppning med en större diameter.

Den inre ringmanteln och den yttre ringmanteln bildar därvid tillsammans en diffusor, vars smalaste ställe, sett i ström- ningsriktningen, befinner sig bakom den främre kanten hos den ringformade strömningskanalen. Vid användning av en sådan ut- formad rotor för ett vindkraftverk, kan en ökning av den er- hållna energin uppnås med 50 % med avseende på den befintliga rotorskivytan. Ändamålet med föreliggande uppfinning är att tillhanda- hålla en rotor av nämnt slag, vilken genom enkel uppbyggnad och billig framställning åstadkommer en bättre energiomvand- ling i förhållande till kända rotorer med samma diameter, vil- ken har ett mindre utrymmesbehov och vilken är tillförlitlig och ekonomisk i drift.

Enligt uppfinningen uppnås detta ändamål genom att en rotor för en vindturbin av inledningsvis angivet slag utfor- mas så, att den inre ringmanteln är placerad vid rotorbladens innerändar och tillsammans med den yttre ringmanteln begrän- sar en ringformig kanal, varvid profilerna hos den inre re- spektive den yttre ringmanteln är så orienterade, att deras 3 7803825-9 sugsidor är vända mot kanalen.

Utformningen av rotorerna enligt föreliggande uppfinning har väsentliga fördelar jämfört med teknikens ståndpunkt. Då profilens anfallsvinkel hos den yttre ringmanteln inte över- skrider den kritiska släppningsvinkeln för profilen, fungerar ringmantelns profil med avseende på luftströmmen såsom en vinge, vilken alstrar en lyftkraft. Denna lyftkraft är i föreliggande fall radiellt riktad inåt och strävar att för- skjuta den yttre ringmanteln till koncentriskt läge med ring- mantelns centrumaxel. En dylik aerodynamisk kraft, vilken verkar på ringmanteln, är förknippad med en cirkulation runt ringmanteln, (En dylik cirkulation bildas även vid den vanli- ga luftströmningen längs en vinge.) Då ringmanteln är axial- symmetrisk, alstras en virveltorus, vilken ligger i rotorns huvudplan och vilken begränsas till ett område i omedelbar närhet till rotorplanet. Detta betyder, att en cirkulation upprättas på sådant sätt, att en ökning av strömningsmängden uppträder utan att någon diffusoranordning är placerad i rotorns närhet. Enbart genom virveltorusens närhet erhåller den inströmmande luften en ökad hastighet i rotorns kanal och i motsvarande grad ökar den volymetriska strömningsmäng- den och det nedströms liggande strömningstvärsnittet. Av denna anledning ökas turbinens energiavgivning. Vid rotorn en- ligt uppfinningen är strömningskanalen, genom vilken luft- strömmen passerar in i turbinen, inte endast begränsad av den yttre ringmanteln, utan även av den inre ringmanteln, som genom utformningen av sitt tvärsnitt fungerar på liknande sätt som gäller för den yttre ringmanteln och som redan be- skrivits. På detta sätt kommer såväl den inre väggen hos ringkanalen som den yttre väggen hos ringkanalen att alstra en cirkulation, som var och en fungerar såsom en diffusor och på- 7803825-9 verkar en del av den tillströmmande luften och leder in i rotorn, vilken strömning är vida större än det strömningsomrâde som bestämmes av tvärsnittet hos rotorns ringkanal. Även härigencm erhålles en vida större utnyttjandegrad hos det tillströmmande mediets energi jämfört med konventionella rotorer, respektive en vida utrymmesbesparande konstruktion jämfört med rotorer, vilka är omgivna av lângsträckta diffusorer. Vid en rotor enligt uppfinningen är det axiella innerutrymmet innanför rotorbladen inte utfyllt av en i förhållande till rotorytorna framåtskjutande näsa, utan kvar- står såsom en ringformad öppning, vilken endast genomlöpes av stöttor för rotorns fixering vid sin axel, för att möjliggöra en genomströmning i denna öppning och därmed alstrandet av en cirku- lation kring den inre ringmantelns profil. Genom rotorn enligt? uppfinningen ernår man genom utformningen och profileringen av ringmanteln en påverkan av strömningen i rotorns närhet, genom vilken påverkan med aerodynamiska medel en verkan uppnås motsva- rande verkan från en fysisk diffusoranordning anordnad runt rotorn och med en mycket stor axiell längd, vilken därmed skulle kräva ett stort utrymme. Rotorn enligt föreliggande uppfinning kan genom avsaknad av en skrymmande, särskilt i axialriktningen utsträckt, diffusoranordning, göras mycket kompakt och möjliggör trots detta en ökning av energiomvandlingen,jämfört med kända rotorer med avseende på rotorns genomströmningsyta,av betydande storlek jämfört med kända rotorer. Rotorn enligt uppfinningen kan göras mycket lätt och därmed även billig att framställa, eftersom den, genom profilen hos den yttre ringmanteln, vid luftströmning alstrade, radiellt inåt riktade "lyftkraften" till största del kompenseras av den vid rotorns rotation utåt riktade centrifugalkraften som verkar på ringmanteln. Genom de små krafter som verkar på konstruk- tionen är det därför även möjligt, att framställa ringmanteln i särskilda avsnitt, vilka har lämplig storlek för transport, varvid avsnitten sedan kan byggas samman vid turbinens användninqsställe.

Det är av särskilt stor betydelse, om vindturbiner med sLn1 d1nm~»~1 skall byggas. Rotorn enligt uppfinningen är enkel och ringa utnymmfls krävande och den uppvisar en mycket hög verkningsgrad och vid drih Lu uu en god ekonomi och tillförlitlighet. l0 L.) C x .KJ 7803823-9 Utformningen av den yttre och den inre ringmanteln,och därmed rotorn enligt uppfinningen, är direkt beroende av de profiler som väljes för ringmantlarna. Rotorn enligt uppfinningen kan t.ex. vara så utformad, att profilen hos den yttre och den inre ring- manteln är så utformad och anordnad, att dess profilkorda divergerar i förhållande till centrumaxeln hos kanalen omslutande ringmanteln mot den bakre utloppsöppningen. Rotorn enligt uppfinningen kan även vara så utformad, att ringmanteln är så utformad, att den omslutande kanalen vidgar sig från den främre inloppsöppningen till den bakre utloppsöppningen.

En särskilt gynnsam utformning av rotorn enligt uppfinningen ernås även därigenom, att profilen hos varje ringmantel är utfor- mad såsom välvd, aerodynamisk formad profil med spetsig framkant och avströmningskanter. Genom lämpligt val av profilen, t.ex. genom val bland ett flertal i litteraturen angivna vingprofiler (t.ex. NACA-profiler, CLARK-, eller LIEBECK-profiler), får man motståndsvärde, lyftkraftsegenskaper och kritiskt anfallsvinkel på ett enkelt sätt, så att,vid varje önskad användning,en maximalt gynnsam verkan hos ringmanteln erhålles.

En särskilt gynnsam utformning erhålles även om rotorbladens främre kant ligger i plan med ringmantelns främre kant. På detta sätt uppnås att rotorbladen anordnas vid varje ställe runt ring- manteln där den av cirkulationen kring ringmanteln befintliga strömningen genom ringkanalen, i vilken rotorbladen befinner sig, uppvisar sin största hastighet. På detta sätt erhålles en optimal utnyttjandegrad vid minsta rotordimension.

Rotorn enligt uppfinningen är med fördel utformad så, att ringmantelns längd, mätt i axialriktningen, utgör en bråkdel av rotorns ytterdiameter. Vid rotorn enligt uppfinningen kan den axiella längden hos ringmanteln hållas mycket kort, eftersom genom profileringen en cirkulation och därmed en aerodynamisk diffusor- verkan uppnås utan att en fysisk och över en större längd bakom turbinen sig sträckande diffusor behöver förefinnas. På detta sön erhålles en mycket kompakt rotor, vilken i axiell längd i huvudsak begränsas till rotorbladens längd.

Uppfinningen skall nu beskrivas i anslutning till visnnfl flUÅllçY 7803323-9 l5 utföringsexempel, där; figur l i perspektiv visar ena hälften av ett utföringsexempel av rotorn enligt uppfinningen _ figur 2 är ett radiellt snitt genom rotorn enligt figur l,och där figur 3 visar fem utföringsexempel a-e av tvärsnittsprofiler hos en rotors ringmantel enligt figurerna l och 2.

I figurerna l och 2 visas ett utföringsexempel av rotorn.

Såsom framgår av dessa figurer är ett antal längs periferin jämnt fördelade rotorblad 9 anordnade, vid vars yttre ändar en yttre ringmantel 10 och vid vars inre ända en inre ringmantel ll är fästa. Den inre ringmanteln ll är via ekrar 12 förbunden med ett centralt nav 13, vilket är vridfast förbundet med en axel 14, vilken t.ex. är roterbart lagrad i en bärare och kan vara kopplad till en generator (den sistnämnda delen är inte visad av åskådlighetsskäl).

Vid detta utföringsexempel är den yttre ringmanteln 10 på ett sätt utformad och profilerad, att den tillsammans med en inre ringmantel 11 begränsar en kanal 15, genom vilken luft strömmar som påverkar rotorbladen, vidgar sig från den främre inloppsöppningen till den bakre utloppsöppningen. Ringmanteln 10 visar en profil i radiellt snitt, som vid luftströmning är ägnad att utöva en lyftkraft och som är så orienterad i ringmanteln 10, att en sugsida bildas vid den innersida hos ringmanteln 10 som är riktad mot kanalen 15 och att profilens anfallsvinkel i förhållande till en riktning parallell med ringkanalens 15 centrumaxel är mindre än den kri- tiska anfallsvinkeln för profilen, vid vilken en avlösning av strömningen kring profilen skulle ske. Såsom särskilt framgår av fig 2 är den yttre ringmantelns 10 profil över totala omkretsen hos ringmanteln inställd i en vinkel i förhållande till luft- strömningen. Därvid ernås en i huvudsak radiellt inåt riktad aero- dynamisk kraft (lyftkraft) vid ringmanteln 10, vilken kraft är känd genom aerodynamiska teorier. Härigenom uppstår en cirkulation kring ringmantelns profil, vilken i fig 2 är antydd vid båda snitifln genom ringmanteln genom ellipsformade linjer. Genom denna cjrkn~ lation uppstår i kanalen 15 en ökning av strömningshastighoLfln Poon guuAuTv .f- _..-... .._..__.f p: UI 7803823-9 i förhållande till den tillströmmande luftens hastighet framför rotorn och i kanalen kommer ett strömningstvärsnitt av den tillströmmande luften att passera, som är större är kanalens strömningstvärsnitt. Det sig i huvudsak upprättade ström- ningsförloppet av det berörda omrâdet genom utformning och anordnande av ringmanteln 10 av tillströmmande luft och ström- ningsförhållandet hos denna luft efter passering genom rotorn, är antydd i fig 2 med streckade linjer. Genom anordnandet och profileringen av ringmanteln 10 erhålles en aerodynamisk ver- kan på rotorn, medelst vilken den tillströmmande luften över ett vida större område berör. ett parti som täcker rotorns dimension och passerar genom rotorns kanal 15 och bakåt under vidgning av strömningstvärsnittet. Den inre ringmanteln ll upp- visar i radiellt snitt likaså en profil, vilken vid luftströmning är ägnad att alstra en lyftkraft och som är så anordnad vid den inre ringmanteln, att dess sugsida utgöres av den från kanalen 15 vända yttersidan hos den inre ringmanteln. Kanalen 15 begränsas utåt av ringmanteln 10 och inåt av ringmanteln ll och bildar en ringkanal i vilken rotorbladen 9 är anordnade, och genom vilken den på rotcrbladen 9 verkande luftströmmen passerar. Profilens anfallsvinkel hos den inre ringmanteln ll i förhållande till en riktning parallellt till ringkanalens centrumaxel är mindre än den kritiska anfallsvinkeln för profilen, vid vilken en av- lösning av strömningen skulle ske. Såsom profiler kommer t.ex. vanliga vingprofiler 4a, 4b, 4c, 4d, 4e i fråga, såsom visas i figurerna 3a - 3e, och som närmare skall anges i den följande beskrivningen.

Ringmantlarnas anordnande med sin profilering ger på aero- dynamisk väg en strömningsförstärkande effekt, som annars endast skulle kunna uppnås medelst en fixerad diffusoranordning, vilken i så fall skulle vara placerad runt en roterande rotor och som skulle ha en långt bakåt, förbi rotorn, riktad diffusordnl. En dylik långsträckt fysiskt diffusor är inte erforderlig vid rotorn enligt figurerna l och 2. Genom den strömningsförstärkande ~Fínk~ ten vid rotorn enligt fig 1 och 2, erhålles en mycket bättre verkningsgrad än vad som skulle kunna uppnås med en konventionell 7803823-9 l5 rotor med samma diameter.

I fig 3 visas fem exempel på utformning av ringmantlarnas resp. ll profiler. Vid dessa utföringsexempel rör det sig om profiler som till större delen redan är testade och uppmätta såsom vingprofiler i försöksanstalter. De grundläggande egen- skaperna hos dessa profiler, såsom exempelvis motstånd, lyftkraft, kritisk anfallsvinkel, är angivna i handböcker är därför fritt tillgängliga för konstruktion av vingmantlarna. I fig 3a-3d är välvda profiler med avrundade framkanter och vassare släppkanter visade (fig 3a CLARK-profil, fig 3b välvd profil, fig 3c LIEBECK- profil, fig 3d NACA-profil). Dylika profiler ger särskilt gynnsamma strömningsförlopp vid användning i ringmanteln l0.I princip är det pdock även möjligt, att såsom profil använda en enkel plattprofil, såsom visas i fig 3e. De aerodynamiska egenskaperna hos en dylik plattprofil är visserligen inte så gynnsamma som de speciellt aerodynamiskt utformade profilerna, men ändå är den, med dylikt utformade ringmantlar, uppnådda strömningsförstärkande effekten hos rotorn enligt fig l och fig 2 mycket betydande.

Vid rotorn enligt fig l och 2 är det innanför rotorbladens 9 inre ändar befintliga centrala området utformat såsom fritt tvär- snitt, genom vilket luftströmningen kan passera. De i detta fria tvärsnitt anordnade ekrarna 12, medelst vilka rotorn är förbunden med navet l3, orsakar endast en försumbar minskning av tvärsnittet.

Den omständigheten, att rotorns centrala område vid utförings- exemplet enligt fig l och 2, medger luftgenomströmning, kan även vid lufttillströmning framifrån en cirkulation bildas kring den inre ringmantelns profil, såsom är antytt i fig 2. En dylik virvel- strömning sker naturligtvis kring ringmantelns hela omkrets.

Därför bildar cirkulationen kring den inre ringmanteln ll och kring den yttre ringmanteln 10 varsin virveltorus. Genom denna cirku- lation erhåller den tillströmmande luften i kanalens 15 område hos rotorn en hastighetsökning, varvid mer luft passerar genom denna kanal än vad som skulle ske genom en kanal med icke om- mantlade rotorer med samma diameter. Det bildas således en aero- dynamisk diffusoreffekt, utan att lângsträckta, fixerade diffu- sorer behöver vara placerade runt om rotorn. Detta utförings- exempel av rotorn kan därför göras mycket kort och kompakt och “WW QUALITY -..,_r._____ 7805823-9 får en verkningsgrad, som är vida större än verkningsgraden för konventionella rotorer med samma diametrar.

Såsom särskilt framgår av fig 2, ligger de främre kanterna hos rotorbladen 9 i ett plan med de främre kantpartierna hos ringmantlarna 10 respektive ll.

Ringmantelns längd, sett i axialriktningen, uppvisar endast en bråkdel av rotorns ytterdiameter.

Samtliga från beskrivningen och ritningarna framgående kännetecken, inberäknat de konstruktiva detaljerna, kan både var för sig och i lämpliga kombinationer sammanställas i enlighet med uppfinningen.

Claims (1)

1. 7803823-9 10 PATENTKRAV Rotor för en vindturbin för en av strömníngsledande statio- nära kåpor eller kanaler opåverkad inplacering i ett strömman- de medium, som befinner sig i ett i jämförelse med rotorns di- mensioner obegränsat rum, särskilt en rotor för ett vindkraft- verk, med en mantel, som är placerad på rotorbladen i området för rotorns ytterperiferi och utformad som en axialsymmetrisk, med rotorn roterande yttre ringmantel, och med en ytterligare, på radiellt avstånd innanför den yttre ringmanteln på rotor- bladen anbragt, av det strömmande mediet helt omströmmad inre ringmantel, varvid de båda mantlarna i radialsnítt uppvisar profiler, som vid anströmning är ägnade att alstra ett upp- tryck, k ä n n e t e c k n a d av att den inre ringmanteln (ll) är placerad vid rotorbladens (9) innerändar och tillsam- mans med den yttre ringmanteln (10) begränsar en ringformig kanal (15), varvid profilerna hos den inre (ll) respektive den yttre (10) ringmanteln är så orienterade, att deras sug- sidor är vända mot kanalen (15).