SE448488B - Vindturbin med drivsystemstorningsisolering - Google Patents

Description

l5 448 4ss , 2 ' marginella betingelser är reglersystemetloförmöget att justera skovellutningen för att hålla ett konstant axelmoment och därigenom kompensera för vindstötar och vindströmsosymmetri. Utan anordningar för att absorberalstörningar från vindstötar och vindströmsosymmetri såsom vridmomentreaktioner i vindturbin- a drivsystemet skulle följaktligen sådana störningar ledas genom drivsystemet till generatorn' med risk för skador på denna.

Känd teknik har föreslagit olikamedel för att åstadkomma adsorption av störningar eller stötar på drivsystemet beroende på vibration, vridmoment- reaktioner och liknande. Exempel på sådana stöt-l och vibrationsabsorberande anordningar återfinns i US-PS 2 Silli 048 (Benett. et al), 3 146 629 (Schmitter) och 3 460 405 (Simmons). Enl analys av 'dessa patent ger vid handen, att de däri beskrivna j apparaterna vare sig beskrivs eller antyds vara använda i något vindturbindrivsystem för stöt- foch vibrationsabsorption med ökning av den vindenergiupptagande förmågan å' hos en vindturbin under marginella vind- betingelser. i i i De enda kända anordningarna för att isolera en vindturbinbelas-tning från drivsystemstörningar innefattar en viskös koppling anordnad i huvudturbin- axeln. Det har visat sig, att en sådan koppling innebär en betydande förlust av den energi, som avges till belastningen, och är därför inte någon helt acceptabel lösning på drivsystemstörningsproblemet. i »Ett-huvudsyfte med föreliggande uppfinning är att åstadkomma en vindturbin, som övervinner bristerna hos känd teknik.

Ett annat syfte meduppfinningen är att åstadkomma en vindturbin med anordningar för att. isolera turbinbelastningen från störningar i drivsystemet beroende. på åvibration, vridmomentreaktion och liknande.

I Ännu ett syfte med uppfinningen är att åstadkomma en sådan vindturbin, som har drivsystemstörningsisolering, vari organen för* att uppnå* sådan isolering ökar :energiinfångningsförmågan hos turbínskovlarna under marginella vindbetingelser. i I i _ ' Dessa och andra syften, som' kommer att framgå närmare av följande detaljerade beskrivning i samband med de bifogade patentkraven och ritningarna, uppnås med vindturbinen enligt föreliggande uppfinning, vilken innefattar ett drivsystem med* ett flertal aerofoilskovlar monterade på ett nav eller en rotor, anordnad att roterbart driva en belastning såsom en elektrisk generator eller omformare. Rotorns'rotationshastighet stegas upp tilllett värde förenligt med arbetshastigheten för: belastningen 'genom utväxling elastiskt monterad på ett icke-roterande parti av turbinen, t.ex. gondolen, *medelståelastiska organ såsom fjädrar eller liknande. Vida den föredragna utföringsformen ärautväxlingen inrymd i ett hus, som sväng_bart uppbärs avett flertal spiralfjädrar, varvidisvängningar log - ' _35 448 488 3 hos huset beroende på absorption av vridmomentreaktioner från vindstötar och vibration från inneboende ïdrivsystemresonanser dämpas genom dämpningsorgan såsom en stötfångare förenad med varje Jmonteringsgfjäder. isoleringen avi' 'generatorn eller omformaren. från .sådana drivsystemstörningar .genom a elastiskt monterad utväxling frigör skovellutningsreglersystemet för att inställa bladlutningeni maximal energiinfângning under minimala víndhastighets- betingelser, därigenom ökande vindturbinens prestanda och 'totala effektivitet.

Det föregående _och andra särdrag och fördelar med uppfinningen kommer att framgå. närmare ljuset av följande beskrivning och bifogade ritningar, i vilka i i i * i .Figfi 1 är den .isometrisk vy av en föredragen utföringsform av vindturbinen' enligt föreliggande uppfinning, med schematisk framställning av en skovellutningsvinkelstyrningioch en lutningsändringsmekanism för turbinen, var- vid delar av turbinen är utbrutna för att visa konstruktionsdetaljer, Fig. 2 är: en förstorad sidovy av en växellåda 'använd i vindturbinen enligt Pig. l,_ varvid delar 'av växellådan och* elastiska monteringar för denna är borttagna för att. visa konstruktionsdetaljerf i Fig. 3 är en grafisk representation av förhållandet mellan turbinuteffekt och vindhastighet under betingelser med normal turbindrift, och I gFig. l+ ärien grafisk' representation av relationen mellan 'turbineffekt- i g förhållandet och skovellutningsvinkeln för en enskild godtycklig vindhastighet.

Medfhänvisning till Fig. l' och 2 visas vindturbinen enligt föreliggande uppfinning generellt vid l0,doch den innefattar tvâ eller flera skovlar 15 med variabel lutning, .varvid lutningen' justeras' genom svängning av skovlarna kring deras längdaklar med hjälp av hydrauliska manöverdon 20, som förses med ett reglerat flöde av hydraulvätska från den lutníngsändringsmekanism 25. Lutnings- W ändringsmekanismen kan vara .av godtycklig känd typ och utgör inte någon del av uppfinningen. Lutningsändringsmekanismen regleras genom en skovellutnings- ändringsstyrenhet 30, som beräknar en skovellutningsvinkelreferenssignal som svar pâ insignaler för turbinstart/stopp, turbinrotorhastighet; rotorhastighets- referens, rotoraccelerationsgräns, rotordecelerationsgräns, vindhastighet, axel- moment; generatorhastighet och »generatorfrân/in-koppling. Detaljerrför skovel- lutningsvinkelstyrenheten 30 âterfinnsi ovannämnda Kos et al-patent.

Vindturbinen- 10 innefattar ett drivsystem, som omfattar en rotor eller ett nav 35 med skovlar 15* monterade därpâ,fvarvíd rotorn är fäst vid en huvudaxel 40, vilken uppbärs av distanslageriellerrbärlager 45§ Den vindenergi, som infångas av vindturbinen 10, driver en belastning 50 såsom en generator eller en omformare. För att" uppstega hastigheten på axeln 40 till ett värde förenligt med den normala (synkrona)arbetshastigheten för generatorn 50 är drivsystemet l0 448 488 #1 __ _ _. försett med enutväxling eller 'växellåda 55, som kopplar axeln 4D till generatorn.

För att isolera generatorn 50 från torsionsvängning härrörande från normal drift avi vindturbinen och reaktionsmomentkrafter härrörande "från vindstötar och liknande, under ökning- av turbineffektiviteten genom att tillåta skovellutnings- vinkelreglering vid minimala vindbetingelser för att inställa skovellutningsvinkeln för maximal vindenergiinfångning, är utväxlingen 55 elastiskt fäst vid ettiicke- roterbart parti av turbinen 'medelst elastiska monteringar 60, som är operativt kopplade vid den ena änden till växellådan och vid den andra änden till ett golvpartí 65 på gondolen 70. Fastänigondolen, drivsystemet och navet normalt svänger i girning kring en vertikal giraxel betraktas sådan svängning inte som rotation såsom detta uttryck används 'i uttrycket “icke-roterbart parti- av turbinen". i g i I i - i i Med hänvisning till Fig. 83,. där uteffekten för' vindturbinen är plottad mot vindhastigheten, framgår iattihturbinen under inkopplingshastigheten är oför- mögen att alstra någon användbar effekt. Vid hastigheter mellan inkopplings- och märkhastighet åstadkommer en ökningi vindhastighet en ökning av turbinens Uteffekt. För att upprätthålla' alstring av användbar effekt i vindturbinen måste i detta arbetsområde den mängd vindenergi, som infångas av turbinen, vara optimerad. Vid vindhastigheter över märkhastigheten är ett överskott av energi tillgängligt frånvinden för att driva turbinen och generatorn med märkhastighet, och därför ','spiller" turbinen .effekt från sina skovlar. Man inser sålunda från Fig. 3, att vid marginella vindhastighetsbetingelser, dvs. vindhastigheter" mellan inkopplings- och märkhastighet, skovellutningsvinkelstyrningen 30 måste beräkna g en turbinskovellutningsvinkel för att optimera vindenergiinfångningen, medan vid vindhastigheter över märk- och under urkopplingshastigheten endast en del av den tillgängliga energin krävs för att upprätthålla driftav turbinen vid märkeffekt, och styrningen kommer atjttberäkna en lutningsvinkel indikerande den infångade energi, som krävs för att hålla generatorns Uteffekt vid märkeffekten. Vid urkopplingshastigheten är vindhastigheten så hög, att turbinen stoppas för att förhindra vindskador på denna. g i i i SkovellutningsvinkelstyrningenI30, såsom .den anges i ovan angivna Kos et al-patent, inställer vid reglering" av' lutningsvinkeln när generatorn är inkopplad och synkroniserad med ett användningskraftnät, skovellutningsvinkeln i enlighet med vindhastighet, axelmoment,"rotorhastighet och generatorhastighet.

När generatorn är inkopplad' är den väsentligen låst till sin synkrona arbetshastig- het, varför justeringar i skovellutningsvinkelreferenssignalen kommer att bero mycket mer på axelmoment och vindhastighet än på rotor- och generator- hastigheten. Av Pig. 6 itKos et alæpatentet framgår, att man vid en inkopplad axelmomentstyrning får en tldsderivatag av skovellutningsreferenssígnalen genom .o ^ -w fl0 .* - n* 448 488 _5 _. _ olika operationer påfelsígnaler härrörande från en jämförelse av ett' referens- axelmoment med faktisktaxelmoment och en jämförelse av rotorhastíghet med generatorhastighet. Eftersom vid víndhastigheter över märkhastigheten mer än- nog med- vindenergi är tillgänglig för att-driva turbinen med märkhastighet, så inser man att skovellutningen kan justeras kontinuerligt för att kompensera för vindstötar och -vindströmsosymmetri över turbinen .utan minskning av turbinens Uteffekt till ett värde under det som krävsiför att synkront driva generatorn. Ett studium av Kos et al-patentet ger vidare vid handen, att inkopplingsaxelmomernt- reglerkretsarna* ii Fig. 6 åstadkommer dämpning av torsionsresonans i driv- systemet under betingelser med normal drift. I i Fortfarande med hänvisning tillimomentregleringen under inkoppling i Kos et al-patentet, så framgår: att när generatorn är inkopplad och vindturbinen arbetar' vid hastigheter mellan inkopplings-r och märkhastighet, det faktiska axelmomentet har mindre absolut storlek än en referensmomentsignal, som fsubtraheras från iden faktiska momentsignalen, därigenom resulterande i en negativ 'felsignal till en dynamisk kompensationskrets. Detta negativa fel resulterar i en negativ tidsderivata för skovellutningsvinkeln som utsignal på _ axelmomentstyrningen under inkoppling. När denna negativa utsignal integreras i integratorn enligtKos et al (Fig. 8) matas. den resulterande låga lutningsvinkeln som en insigngalftillen krets, vilken genomför .maXimi--coch minimiintegratorstopp; denna krets etablerar en 'minimilutningsvinkel (för 'maximal vindenergiinfång- ningl, som är utsignal för lutningsvinkelstyrningen 30. Kos et al-patentet ' beskriver 'att minimiskovelvinkeln anges som en funktion av-rotorhastighet och vindhastighet. _ Eftersom rotorhastigheten för alla praktiska ändamål förblir väsentligen' konstant 'när generatorn är synkroniserad med användningsnätet' inser man att skovellutningsvinkeln. mellan inkopplings- och märkvindhastighet anges mer eller mindre som en öppen slingfunktion ("open loop") av vindhastigheten. I omrâdet mellan inkopplings- och märkhastigheterna blir därför, eftersom aalcelmomentet inte är någon effektiv bas för modulering av skovellutningen, lutningen inte justerbar som svar på axelmomentstörningar och vibrationer.

Om skovelglutningsvinkelnrskulle modiulerasgsom svar på axelmoment, skulle :vidare sådan modulering' minska vindenergiinfångningsförmågan hos turbinen, vilken såsom angivits ovan krävs för att optimeras vid betingelser med låg vindhastighet. I Fig. 4 är turbineffektförhåilandet (turbinens uteffekt/till-i gänglig effekt hosivindström uppfångad av turbinen) plottad mot skovellutnings- vinkeln. , Det framgår, att _den¿ resulterande kurvan har en topp vid ett effektförhållande PR I, svarandesmot en skovelvinkel. Bl. Följaktligen inser man att endast en lutningsvinkel svarar mot optimal turbineffektivitet, och justering av lutningsvinkeln från denna. enda vinkel minskar med nödvändighet effektivi- _44a 488 6' __ _ a' ~_. teten, därigenom reducerande det område av vindhastigheter, vid vilka turbinen kan producera användbar kraft, För att öka .effektiviteten hos turbinen innefattar vindturbinen enligt föreliggande uppfinning anordningar för att isolera generatorn från drivaxel- .störningar i arbetsområdet mellan inkopplings- och märkvindhastigheter utan att kräva skovellutningsmodulering; Med hänvisning åter till Fig. 1 och 2 innefattar dessa isoleringsanordningar den elastiska monteringen av utväxlingen 55 vid ett icke-roterbart parti av turbinen, - t.ex, gondolen 70. Vid -den föredragna utföringsformen innefattar utväxlingen 55' ett planetväxelsystem, varigenom axeln #0 och rotorn på generatorn 50 kan vara anordnade koaxiellt. Som visas i Fig. 2 omfattar sålunda utväxlingen ett solhjul- 75,5 som driver ett flertal planethjul 80, vilka är i ingrepp med isolhjulet ochleitt yttre ringdrev 85. Det är givetvis underförstått, att ett flertal planetväxelsteg allmänt krävs för att uppnå ett önskat utväxlingsförhållande, och ett godtyckligt antal sådana steg kan utnyttjas utan att man avviker från uppfinningen. Om det vidare inte skulle vara nödvändigt att 'generator- och turbinaxlarna är 'anordnade koaxiellt, kan godtyckliga andra utväxlingsarrangemang användas. I _ i De roterbara hjulen eller dreveniär' anordnade inuti och uppbärs av ett hus 90 på godtyckligt lämpligt sätt, känt inom denna teknik. Huset 90 är försett med första och andra armar ellergafflar 95, som sträcker sig utåt från huset, varvid varje gaffel bildar ett ställe för vridförbindelsen mellanghuset och den elastiska monteringen 60. 7 _ Var och en av de elastiska monteringarna innefattar en fjäder 100, som är anordnad inuti och 'i sidled begränsas av ett hölje l05,-afäst vid gondolgoivet 65 med hjälp av bultar lll. Fjädern är placerad mellan bottnen på höljet 105 och en fjäderkvarhållningsplatta 110, som ärsvängbartkopplad till ena änden av en länk 115, vars andra ände är svängbart kopplad till gaffeln 95. Man inser följaktligen att varje svängningsrörelse hos växelhuset 90 kring dess längdaxel kommer att överföras till fjädrarna 100 under-komprimering av den ena av dessa fjädrar och utdragning av den andra. Följaktligen kommer varje vridmomentupptagning hos något av dreven i huset, härrörande från en drivsystemstörning orsakad av vindstötar eller liknande ochi varje torsionsvibration hos vindturbinrotorn beroende på inneboende strukturella och drif-tsegenskaper därav, attiisoleras från generatorn -50 medelst fjädrarna 100, varigenom man minimerar risken för generatorskador pågrund av sådana störningar. Man inser' vidare att den elastiska kopplingen -av utväxlinglen till gondolen åstadkommer sådan stöt- absorption eller störningsisolering oberoendeav skovellutngingsvinkelinställningen. llmotsats till kända gvindturbiner, därvmodulering av .lutningsvinkeln utgör det enda medlet för att uppta sådana drivsystemstörningar med tillhörande effektivi- '15 448 488 a tetsförlust, upprätthålls sålundavid 'föreliggande uppfinning turbineffektiviteten vid marginella 'vindhastighetsbetingelser 'vid Optimum genom skovellutnings- vinkelreglersystemet, varvid all, stötabsorption (störningsisolering) upptas genom a den elastiska kopplingen mellan utväxlingen och' gondolen.

Förnatt dämpa svängningar hos växelhuset på fjädrarna 100 från exempelvis fundamentala torsionsvibrationer kan dämpningsorgan vara operativt kopplade till utväxlingen och turbingondolen. Vid en föredragen utföringsform innefattar sådana dämpningsanordningar Stötfångare 120, som vid sina cylindrar - kopplade till gonçlolgolvet vid bottnen av höljet l05, varvid cylinderkolven med - sin kolvstång är kopplad till fjäderkvarhållaren ll0 och sålunda till länken 115. g I Man inser följaktligen att sföreliggandeiuppfinning erbjuder en för- : bättrad anordning för att mekaniskt koppla en vindturbin till en belastning, vid vilken drivsystemstörníngar från vindturbinen beroende på vindstötar, vindström- osymmetri och inneboende vibrationsegenskaper hos systemet effektivt isoleras från vindturblnbelastningen. Man inser vidare, att sådan störningsisolering uppnås oberoende av skovellutningsreglersystemet vid marginella hastighetsbetingelser, varigenom turbinens effektivitet kan optimeras vid sådana betingelser. Även om uppfinningen visats ochbeskrivits med avseende på detaljerade utföringsformer' därav, torde det* vara ^_uppenbart. för fackmannen att olika ändringar ochiuteslutanden till form och detaljer kan göras utan att man avviker från uppfinningens grundtanke och omfattning. Det är sålunda underförstått, att i enlighet med uppfinningen olika andra typer av fjädrar eller elastiska element kan koppla utväxlingen till godtyckliga lämpliga icke-roterbara partier hos vindturbinen. På liknande sätt kan någon godtycklig typ av dämpningsanordning utnyttjas utan att man avviker från uppfinningen. På liknande sätt är det underförstått, att ävenl om dämpningsorganen vid-den föredragna utföringsformen har anordnats inuti och koaxielltrmed fjädrarna, så kan andra ekvivalenta relativa anordningar mellan fjädrarna och dämpningsorganen utnyttjas.

Claims (5)

_1o 15 20 25 30 4481488 s' i i PATi-:NTKRAV _ ~ "

1. Vindturbin innefattande ett drivsystem med ett flertal aerofoilskovlar (15) medgvariabel lutning monterade på' en rotor (35) anordnad att driva en belastning (50), varvid skovellutningenireglerasimedelst en skovellutningsvinkel- styrning (30), varseutsignal vid höga vindhgastighetsbetingelser indikerar erforder- lig skovellutning för isolering av belastningen (50) från drivsystemstörningar under bibehållande av önskad uteffekt, och vid marginella vindhastighetsbetingel- ser indikerar erforderlig skovellutning för maximering i av rotoruteffekten oberoende av drivsystemstörningar, varvid gvindturbinen vidare innefattar en utväxlingsanordning (55) för att uppstega rotationshastigheten hos rotorn (35) till ett värde förenligt med drift *av belastningen (50), i e k ä n n e t e c k n a d av fjädrande fästorgan (60) oberoende av, och ej förbundna med skovellutningsvinkelstyrningen (30) för _att elastiskt montera utväxlingsanordningen (55) vid vindturbinen (10) vid ett icke-roterbart parti därav och därigenom isolera belastningen (50) från störningar på drivsystemet härröran- de frân sådana betingelser som vindstöitar, vindströrnsosymmetri och innebeoende drivsystemresonanser och tillåta nämnda maximering av rotoruteffekten genom skovellutningsvinkelstyrningen (30) oberoende av sådana störningar vid nämnda marginella vindhastighetsbetingelser. I I

2. Vindturbin enligt patentkravet l, g k ä n n e t e c kn a d av organ för att dämpa svängningar avgutväxlíngsanord-I ningen (55) på de fjädrande fästorganen (60).

3. Vindturbin enligt partentkravet2, k ä n n e t e c k n) a d av att dämpningsorganen innefattar minst en stötfângare -(120) som förbinder ugtväxlingsanordningen'(55) med det ickæroterbara vindtur- binpartiet. u.

4. Vindturbin enngfnaga: av parenfkraven 1-3, g k ä n n e te c k n a d e av att de fjädrande fästorganen (60) innefattar minst en fjäder (100), varvidjvindturbinen vidare innefattar en gondo1s(65), utväxlingsan- ordningen (55) är anordnad i och» uppbärs av ett hus (90), och fjädern (100) förbinder huse: (so) med gondolen (65).

5. Vindturbin enligt patentkravet ll, k ä n n et e c k n a _d av att utväxlingsanordningen (55) uppbärs svängbart och vertikalt inuti gondolen_(65)aâtminstone delvis av fjädern (100). igqi