SE448489B - Vindturbin - Google Patents

Description

448 439' - ._ kring gungningsaxeln. Sådan precession är resultatet- av den 'kombinerade _' rotationen och gungningen hos askovlarna under inverkan Vavvertikala vindhastig- hetsgradienter och tyngdkraften, och-den medför att turbinen vinkelförskjuter sig själv från den korrekta orienteringen' med avseende på vinden genom svängnings- rörelse kring giraxeln. I ' _ i _ Det är följaktligen ett syfte med ' föreliggande uppfinning att åstad- komma en vindturbin med förbättradeanordningar för girtrimning. av turbinen inställning och bibehållande av orienteringen av turbinen direkt in i vinden.

Ett annat syfte-med uppfinningen är att åstadkomma en sådan vindturbin, vari trimningsanordningarna är passiva till sin natur.

' Ett ytterligare syfte med uppfinningen är att åstadkomma -en sådan vindturbin, vari trimningsanordningarna är ekonomiska och inte ger något väsentligt. bidrag till kostnaden för turbinen eller den därigenom producerade energin. f ' s f ' ' ' l enlighet med föreliggande uppfinning förses enavindturbin med passiva anordningar för gírtrimning avturbinen, därigenom inställande och bibehållande orienteringen av fvindturbinen generellt in i vinden, trots skovelfladdring och/eller gungning kring navgungningsaxeln. Sådana girtrimningsanordningar åstadkommes genom »förskjuten 'anordning av giraxeln från navets rotationsaxel. Graden av ~ förskjutning bestäms av medelvindhastigheten för det område, i vilket turbinen skall arbeta, storlekenpå den' genomsnittliga vertikaia vindhastighetsgradienten och geometrin .på själva turbinen. Beroende .på ovannämnda fladdring eller gungning hosskovlarna vinkelförskjutseller lutas denna dragkraftvektor från navets rotationsaxel. Sidoförskjutning av giraxeln 'från rotationsaxeln till ett läge i linje med den lutade dragkraftvektorn förhindrar den senare från att etablera ett moment eller koppla obalans ioturbinen kring giraxeln och trimmar turbinen i i girning till en vinkelorientering eller inriktning väsentligen in i vinden för optimal' driftseffektivitet. Giraxeln' kan vidare förskjutas för att kompensera för girobalans beroende pâ applicering skovelböjmoment på turbingondolen liksom kompenseringför ovan noterade dragkraftvektorförskjutning. ' o De föregående och andraosyften, särdrag och fördelar med föreliggande uppfinning framgår närmare av' följande beskrivning ochobifogade ritningar, i vilka ' i " i " ' ' . Fig. I är en vy framifrånoavvindturbinen enligt uppfinningen, Fig. 2 är en' förstorad isometrisk v'y av det inre av turbinnavet, varvid delar av navet är borttagna 'för att' visa konstruktionsdetaljer, 'Fig. 3 är en sidovy av 'vindturbinen enligt uppfinningen, _ i .Fig. 4 är en planvy ovanifrän av vindturbinen enligt uppfinningen, som lO l5 ' 448 489 3 __ - å _ -..~.- í illustrerar hur turbingiraxeln sammanfaller med vektorrepresentationen av den nettovinddragkraft, som verkar på turbinskovlarna, i Fig. 5 är en sektionsv.y av den övre skoveln i "Fig". 3, varvid denna vy är tagen längs linjen 5-51' Fig. 3 och illustrerar lyftnings- och bromskrafter på denna skovel, j ' '- f Fig. 6 är en sektionsvy av den undre iskoveln i Figr 3 tagen längs linjen 6- g g6 i Fig. 3 och illustrerande lyftnings- och de bromskrafter, som verkar på denna skovel, , i _ i i i' Fig. 7, ären planvygovanifrån av en känd vindturbinkonstruktion, vari giraxeln och navets rotationsaxel skär varandra; varvid denna ritning illusterar lutningen för,nettorotordragkraftvektorn från navets rotationsaxel som svar på dallring eller gungning hos skovlarna, . i Fig. 8 är en vy liknande Fig.r7, men som illustrerar girfelinställningen hos den kända. vindturbinen relativt vindriktningen beroende på vinkelförskjutningen eller lutningen av dragkraftvektorn medgavseende på giraxeln, Fig; 9 är enggrafisk representation av förhållandet mellan .giracceleration och girvinkel för två typiska stora vindturbiner konstruerade i enlighet med känd teknik "enligt Fig. 7 och _8,i varvid en av turbinerna försedd med -en gungningsförbindelse mellan skovlarna och »navet och den andra är försedd med en .stel förbindelse, och gFig. lO är en grafisk representation av relationerna mellan effektför- hållande och :girvinkel och mellan dragkraftförhållande och girvinkel för en t-ypiskstor vindturbin. I " i Med hänvisning till Fig. l - 4 omfattarfden girstabiliserade vindturbinen enligtsföreliggande uppfinning tvâ aerofoilskovlar 6 och 7, som är monterade på ett roterbart nav 9 och sträcker sig framåt och radiellt utåt från navet. Navet är roterbart kring en rotationsaxel 12 och kopplat till vindturbinbelastningen, t.ex. enielektrisk generator eller omformare (ej visad) medelst en huvudaxel l5 (Fig. 2), som också är roterbar kring axeln 12. Belastningen och varje utväxling f (ej visad), som krävs för att stega upp rotationshastigheten för axeln 15 till belastningemär anordnade i en gondol 18 vid normal drift, varvid gondolen är anordnad omedelbart motvinds om skovlarna och i navet. Gondolen och nav/skovel-aggregatet är svängbara som en vindflöjel, genom vindens inverkan, kring engiraxel 21, vilken kan sammanialla med ett torn eller bärkonstruktiong 24, som svängbart uppbär vindturbinen på girlager 27. Som bäst framgår av Fig. l och- 4 ärfgiraxeln 21 förskjuten i sidled från rotationsaxelns 12 axellinje i syfte att stabiliseravinidturbinen i girning för att hålla inriktningen av turbinnavet väsentligen i vindriktningen ellerinom en eller två grader.

JJ i_44s 489 of _ n -.' ...-..> .__ Som är allmänt känt uppvisar vindar ofta vertikala hastighetsgradienter. i Detta innebär att vindhastigheten nära jordytan typisktysett är väsentligt mindre än vindhastigheten mätt vid punkter på avstånd från jordytan, t.ex. _60 eller 90 m från denna. Om man antar att skovlarna har lika stigning kommer följaktligen, när skovlarna roterar, den översta skoveln vid varje enskild 'tidpunkt att utsättas för vindar med högre' hastighet och angreppsvinkel än den understa skoveln. Med f hänvisning till Fig.._5 och 6 pâverkas den övre' skoveln 6 vid varje axiellt ställe därpå, definierat genom radien r mätt från navets rotationsaxel, av luft med en resulterande hastighet innefattande vektorsumman av vindhastigheten vid radien r (Vw) och den vindhastighet _ Qr, som skoveln utsätts för på grund av endast sin egen rotation. Resultanten definierar' med skovelns 6 korda en angreppsvinkel a I.

Pâ liknande sätt är resultanthastigheten för vinden på skoveln 7, den-understa skoveln; ”vektorsummanr avi vindhastigheten Vw' mätt vid radien r,' och den _ hastighet Qr, som uppfattas av skoveln 7 beroende på dess egen rotation. Denna _ resultant definierar, beroende på* storleken på Vw', med skovelns 7_ korda en angreppsvinkel az, som är väsentligt mindre än vinkeln al. Eftersom den lyftning, som är förknippad med var och en av skovlarna 6 och 7, är proportionell mot angreppsvinkeln, är lyftningen på den-översta skoveln; såsom illustreras, väsentligt större lyftningen på den undre skoveln. När skovlarna roterar intar varje skovel periodiskt övre och undre lägen .och, 'när skovlarna är styvt monterade på, rotorn, orsakar variationer i lyftkraft- på varje skovel, när denna periodiskt intar övre och undre lägenyen periodisk böjning eller "fladdring" hos skoveln. Sådan .fladdring innebär, inte bara en potentionell risk för skador på skovlarna, utan orsakar också att turbinen girar från sin korrekta inställning, delvis beroende på girstörningsmoment direkt härrörandefrân skovelböjning, och dels på en vinkelskiftning “i den dragkraftresultantvektor, som verkar på skovlarna. i s _ _ e U s _ _ periodiska höjningen eller fladdringen kan elimineras genom en svängningsförbindelse mellan skovlarna och navet¿ såsom illustreras i Figr 2. Som visas är skovlarna monterade på en ihålig axelbult 30, (som upptar huvudaxeln 15 därigenom. Huvudaxeln och axeltappen är försedda med linjeinställda öppningar, vilka upptar en gângjärnstapp _33, som är anordnad väsentligen tvärs såväl rotationsaxeln 12 som i skovlarnas längdaxel. 'Med 'denna "gångleds"- eller "gungande" konstruktion ersätts ovan noterade periodiska skovelfladdring av en cyklisk svängning: av skovlarna navet kring gångledstappen (gungningsaxeln).

Följaktligen kommer skovlarna, när de roterar undersinverkan av den rådande vinden, att periodiskt föras in i (med) och bort från (mot) vinden genom periodisk gungning på gângledstappen 3_3. I I I I ,:.x - '15 44'8 489 ___ Denna gungning kring gångjärnstappen när skovlarna roterar orsakar genom precession en svängning av navet och skovlarna kring gungningsaxeln, *vilken är störst när gångledstappen är orienterad vertikalt. Även om storleken pådenna precessionsgungningkommer att bero på vindhastigheten, vindgradien- ten, skovelkonfigurationen och andra aspekter på turbinkonstruktion och drifts- betingelser, så vinkelförskjuter en sådan 'precessíonsgungning navet och skovlarna någon grad, eller två från vindriktningen. Med hänvisning till Fig. 7 påverkar l vinkelförskjutningen av navetfoch -skovlarna från linjeinställning med vinden en liknande lutning eller vinkelförskjutning av vektorresultanten för den nettodrag- kraft, som verkar på skovlarna, vilken -icaftvektor definieras som sträckande sig normalt mot en linje skärande skoveltopparna. Lutningen av kraftvektorn vinkelförskjuter vektorn frånlden samlinjära orienteringen med giraxeln. Därför applicerar den förskjutna dragkraftvektorn ett girmoment på turbinen, resulte- rande i enöverdriven girförskjutning från den önskade vindriktningen, som visas i Fig. 8. ”l A Medlhänvisning till F_ig.9 visas effekterna av förskjutningen av drag- kraftvektorn kopplat med den resulterande navgirförskjutningen för typiska ledade (gungande skovelförbindelse) och oledade, (stel skovelförbindelse) stora vindturbinrotorer *vid en vindhastighet av 25 m/sekund. Som visas i dessa kurvor i kommersålväl ledade som oledade vindturbinrotorer, som tillåts svänga fritt kring en giraxel, att försk-juta-sig själva i girning väsentligt från den önskade inställningen på Oo (inströmningsvinkel). Sålunda kommer den ledade rotorn, om den startas med ooinströmningsvinkel,att gira bort från inriktningen ungefär 150, medan denoledade rotorn, om inställd på 0°, girar -33, -22, eller ungefär 55° från den önskade inriktningen, innan den uppnår jämviktsinriktning (girníngs- acceleration noll). Båda turbinerna är girstabiliserade vid dessa förskjutna girinriktningar beroende på balansering av kraftmomentet genom aerodynamiska krafter pâaskovlarna. i _ Som illusteras i Fig. IÖ är både dragkraft- och effektförhâllanden optimerade genom bibehållande av turbininriktningen väsentligen i vindrikt- ningen. Effektförhållandet är ett mått på turbinens uteffekt, dividerad med tillgänglig effekt hos den vindström, som infångas av turbinen, och dragkraft- - förhållandet är ett mått på påkänningen på turbinskovlarna, dividerad med den tillgängliga.nettodragkraften 'från den Vifldlfilafe, 50"! infånßfls aV fUfbín' skovlarna. Som visas i Fig. 10 kommer varje väsentlig förskjutning från den önskade 0° girvinkelinriktningenatt kraftigt minska turbinens energialstrings- förmåga. i _ För. att övervinna bristerna i girstabilisering förknippade med. kända '15 _30 . s,44s 489 ' - " " 6 _ -.~ . _”.- __.. vindturbiner, där navets rotationsakel och giraxeln skär varandra, så är i vindturbinen enligt föreliggande uppfinning *giraxeln för-skjuten i sidled från navets rotationsaxel-i-en; utsträckning, som »inställer giraxeln i linje med den vinkelförskjutna dragkraftvektor, som resulterar från varje precession av navet och skovlarnakring gungningsaxeln beroende på skovelböjning elle; .dam-ing, Som visas i Fig. I; representeras sålunda nettoförskjutningsdragkraften på skovlarna av en dragkraftvektor, som verkar genom giraåceln. Den lutande dragkraftsvektorn resulterar sålunda inte i något obalanserat moment applicerat på turbínen, utan verkar i stället genom denna axellinje och kan därför inteaorsaka ytterligare ' girning av turbinen bort från. den önskade inriktningen. Följaktligen kommer turbinen att förbli verksam Laden lätt förskjutna inriktningen beroende på precessionen; storleken på" en sådan förskjutning, någon grad eller två", reducerar endast minimalt turbinens energialstringsförmåga. " Vindturbinen enligt föreliggande e uppfinning blir därför inte bara i huvudsak stabil vid girning, utan detta sker på fullständigt passiv väg utan att i kräva komplicerade och kostnadskrävande vindavkännare 'och anordningar för att placera turbinen i girníng och bibehålla ett önskat g-irläge. Graden av förskjutning mellan giraxeln och navets rotationsaxel kommer givetvis att bero på turbinens konstruktionsgeometri och de rådande vindbetingelser, under vilka turbinen måste arbeta. Med sådana parametrarkan girobalans beroende på skovelfladdring eller -gungning beräknas och giraxeln förskjutas tillräckligt för att kompensera för sådan obalans. _ i I , ' e e i Även om* vindturbinen enligt föreliggande uppfinning beskrivits i samband med turbiner försedda rned två gungande skovlar, är det uppenbart att uppfin- ningen kan utnyttjaslvid turbiner som har ett godtyckligt antal ledade eller oledade skovlar. »När uppfinningen tillämpas: på oledade 'Iturbiner förskjuts giraxeln för att kompensera inte endast för den förskjutna dragkraftsvektorn, utan också förgirobalansskapande.skovelböjmoment, såsom noterats ovan. När man använder mer :änltvål skovlar ien vindturbin medigungande skovlar kommer skovlarna att kopplas till navet genom ett arrangemang med kardanlager istället för en enda gångled. Vidare kanarrangemanget enligt föreliggande uppfinning utnyttjas med turbiner, som_har skovlar med antingen variabel' eller fast lutning.

Följaktligeniinser man, att även* om uppfinningen visats' och beskrivits med avseende på detaljerade utföringsformerl därav, så kan olika ändringar och utelämnanden vad- gäller form och detalj göras utan att man Lavviker från uppíinningens grundtanke och omfattningå i

Claims (5)

fb 10 15 20 443 489 7 _

1. PATENTKRAV a - ' " ° i I. f Horisontalaxlad,trigirande vindturbin innefattande ett flertal aeroíoil- skovlar (6, 7), monterade pä ett nav (9), som är roterbart kring en rotationsaxel (12) och svängbart kring engiraxel (21), k ä n-Vn e t efc k n a d av att giraxeln (21) är aidoförskjuten från rotationsaxeln (12) hos navet (9) och att förskjutningsstorleken är vald så att vektorresultanten till dragkraít på skovlarna (6, 7) verkar genom giraxeln (21) för girstabilisering av navet (9) ' mot inverkan (av vertikala vindhastighetsgradienter, som verkar på skovlarna (6, 7). i I '

2. Vindturbin enligt patentkravet l, i k ä n n e teçk n a d av att skovlarna (6, 7) är svängbart monterade på navet (9) kring en axel väsentligen vinkelrät mot både navets .(9) rotationsaxel (12) och skovlarnas (6, 7) längdiaxlar, I

3.r Vindturbin enligtpatentkravet' 1, knä n n e t e c kn a d av attnavrotationsaxeln (12) och enlinje förbindande giraxeln (Zl) med navrotationsaxeln (12) skär varandra med en vinkel väsentligen " lika med den vinkel, som en vektorresiiltant för, dragkraften på aeroioilskovlarna ' (6, 7) avviker från navrotationsaxeln (12) beroende på nämnda vindhastighets- gradient. "

4. 14. Vindturbin enligt patentkravet 1,. 2 eller 3, k ä n n e t eck n a d av att vindturbinen är anordnad att arbeta med navet (9) medvinds giraxeln (21).

5. V Vindturbin enligt patentkravetß, k ä n n e t e c k- n a d av att nämnda vinkel är ungefär 10.