SE455115B - Vindturbin - Google Patents

Description

455115 2 navet och skovlarna kring gungningsaxeln. Sådan precession är resultatet av den kombinerade rotationen och gungningen för bladen under inverkan av vertikala vindhastighetsgradienter och tyngdkraften och leder till att turbinen vinkelför- skjuter sig själv från den korrekta orienteringen med avseende på vinden genom vridningsrörelse kring giraxeln.

Föreliggande uppfinning syftar följaktligen till att åstadkomma en vindturbin med förbättrade anordningar för girtrimning av turbinen för inställ- ning och upprätthållande av orienteringen av turbinen direkt in i vinden, där trimningsanordningarna är passiva till sin natur, och där trimningsanordningarna är ekonomiska och inte ger något väsentligt bidrag till kostnaderna för turbinen eller den därigenom producerade energin.

I enlighet med uppfinningen förses en vindturbin med passiva anordningar för att girtrimma vindturbinen, dvs. för att hålla orienteringen av vindturbinen i huvudsak in i vinden. Sådana girtrimningsanordningar innefattar en sådan montering av skovlarna med rotpartierna på navet, att gungning av skovlarna in i och ut ur vinden under inverkan av vertikala vindhastighetsgradienter åstad- kommer en justering av skovellutningen eller -stigningen relativt vindriktníngen.

Sådan lutningsjusteríng minskar lyftningen på de skovlar, som är utsatta för högre vindhastigheter och större angreppsvinkel, medan lyftningen ökas på de skovlar, som är utsatta för lägre vindhastigheter och angreppsvinklar beroende på gradienten. Denna utjämning av lyftningen över turbinskovlarna minimerar varje horisontell navprecession eller girobalans resulterande från sådan gungning, för att därigenom tíilförsäkra upprätthållande av korrekt trimning av turbinen med vinden.

Enligt uppfinningen uppnås sådan lutningsjustering vid en vindturbin innefattande ett roterbart nav med en rotationsaxel och minst en aerofoilskovel med en längdaxel och som vid ett rotparti är monterad på det roterbara navet och är svängbart rörlig kring en axel tvärställd till navets rotationsaxel in i och ut ur vinden som svar på vertikala vindhastighetsgradienter som verkar på skoveln genom att nämnda axel är snedställd mot skovelns längdaxellinje, så att skovelns svängningsrörelse in i och ut ur vinden kring den snedställda axeln justerar skovellutningen relativt vindriktningen för att minimera girobalans hos navet beroende på inverkan av de vertikala vindhastighetsgradienterna på skoveln.

De föregående och andra särdrag och fördelar med uppfinningen kommer att framgå närmare av följande beskrivning och bifogade ritningar, i vilka 455115 Fig. 1 är en vy framifrån av vindturbinen enligt uppfinningen, Fig. 2 är en förstorad, delvis sektionerad isometrisk vy av det inre av turbinnavet, varvid delar av detta är borttagna för att visa konstruktionsdetaljer, Fig. 3 är en sidovy av vindturbinen enligt uppfinningen, Fig. 4 är en planvy ovanifrân av vindturbinen enligt uppfinningen, Fig. 5 är en sektionsvy av den övre skoveln i Fig. 3, varvid denna vy är tagen längs linjen 5-5 i Fig. 3 och illustrerar lyftning och bromskrafter på denna skoveh Fig. 6 är en sektionsvy av den undre skoveln i Fig. 3 tagen längs linjen 6-6 i Fig. 3 och illustrerande lyftning- och bromskrafter som verkar på denna skovel, Fig. 7 är en planvy ovanifrån av en känd ledad vindturbinkonstruktion, som illustrerar en lutning av nettovinddragkraftsvektorn från navets rotations- axel som svar på fladdring eller gungning hos skovlarna, Fig. 8 är en vy liknande Fig. 7, men illustrerar girfeiinställningen hos den kända vindturbinen med vindriktningen beroende på vinkelförskjutning eller lutning av dragkraftsvektorn med avseende på giraxeln, Fig. 9 är en grafisk representation av förhållandet mellan giraccelera- tion och girvinkel för två typiska stora vindturbiner konstruerade i enlighet med känd teknik enligt Fig. 7 och 8, varvid en av turbinerna är försedd med en gungande förbindelse mellan skovlarna och navet och den andra är försedd med en stel förbindelse, varvid Fig. 9 även grafiskt illustrerar ett sådant förhållande för en stor vindturbin konstruerad i enlighet med uppfinningen, och Fig. 10 är en grafisk representation av relationen mellan effektför- hållande och girvinkel och mellan dragkraftsförhållande och girvinkel för en typisk stor vindturbin såsom den enligt föreliggande uppfinning.

Med hänvisning till Fig. 1-4 innefattar den girstabiliserade vindturbinen enligt föreliggande uppfinning två aerofoilskovlar 6 och 7, som är monterade på ett nav 9 och sträcker sig framåt och radiellt utåt från detta. Navet är roterbart kring en rotationsaxel 12 och kopplat till vindturbinbelastningen, t.ex. en elektrisk generator eller omformare (ej visad) genom en huvudaxel 15 (Fig. 2), varvid navets rotationsaxellinje och axeln sammanfaller. Belastningen och varje utväxling (ej visad), som krävs för att stega upp rotationshastigheten hos axeln 15 till belastningen, är anordnade i en gondol 18 i normal drift, varvid gondolen är placerad omedelbart motvinds skovlarna och navet. Det bör dock noteras, att 455115 uppfinningen inte är begränsad till en sådan placering av gondolen uppvinds.

Gondolen och nav/skovel-aggregatet är svängbara kring en giraxel 21, som kan sammanfalla med ett torn eller bärkonstruktion 21+, vilken svängbart uppbär vindturbinen på girlager 27. Som bäst framgår av Fig. l och 4 är giraxeln 21 väsentligen i samma plan som (skär) navrotationsaxellinjen 12.

Med hänvisning till Fig. 2 innefattar navet ett ändparti på axeln 15, som upptas i ett ihåligt skovelrot- eller axeltapparti 30. Skovlarna är kopplade till navet genom en snedställd tapp eller gångledsbult 33, som är upptagen i linjeinriktade borrningar i axeltapp- eller rotpartiet och axeln 15. När skovlarna svänger eller gungar in i och ut ur vinden kring gångledsbulten beroende på vertikala vindhastighetsgradienter åstadkommer den sneda anordningen av gångledsbulten en justering av skovellutningen relativt vindriktningen för att utbalansera lyftningen på turbinskovlarna för minimering av girobalans.

Såsom är allmänt känt uppvisar vindar ofta vertikala hastighets- gradienter. Detta innebär att vindhastigheten nära jordytan typiskt är väsentligt lägre än vindhastighet mätt vid punkter på avstånd från jordytan, t.ex. 60 eller 90 m därifrån. Om man antar att skovlarna har lika lutning kommer följaktligen, när skovlarna roterar, den översta skoveln vid varje enskild tidpunkt att exponeras för vindar med högre hastigehet och angreppsvinkel än den understa skoveln. Med hänvisning till Fig. 5 och 6 pâverkas den övre skoveln 6 vid varje axiellt ställe därpå, definierat genom radien r mätt från navets rotationsaxel- linje, av luft med en resultanthastighet omfattande vektorsumman av vindhastig- heten vid radien r (Vw) och den vindhastighet Hr, som bladet utsätts för endast på grund av sin egen rotation. Resultanten definierar med kordan för skoveln 6 en angreppsvinkel al. På liknande sätt är den resulterande hastigheten för den vind, som verkar på skoveln 7, den undre skoveln, vektorsumman av vindhastigheten Vw' mätt vid radien r och hastigheten S2 r för skoveln 7 på grund av dess egen rotation. Denna resultant definierar, beroende på storleken på Vw', med kordan för skoveln 7 en angreppsvinkel az, som är väsentligt mindre än vinkeln a 1.

Eftersom den lyftning, som är förknippad med var och en av skovlarna 6 och 7, är proportionell mot angreppsvinkeln blir lyftningen på det översta bladet, såsom illustreras, väsentligt större än lyftningen på den undre skoveln. När skovlarna roterar intar varje skovel periodiskt övre och undre lägen, och när skovlarna är styvt monterade pâ rotorn orsakar därför variationen i lyftverkan på varje skovel när den periodiskt intar övre och undre lägen en periodisk böjning eller "fladdring" på skoveln. Sådan fladdring innebär inte endast en potentiell risk för skador på skoveln, utan den leder även till att turbinen girar från sin korrekta inriktning beroende delvis på girstörningsmoment direkt härrörande från skovel- 455115 böjning, och delvis på en vinkelskiftning i vektorresultanten för dragkraft verkande på skovlarna.

Vid känd teknik eliminieras den periodiska böjningen eller fladdringen ibland genom en förbindelse mellan skovlarna och navet, vari skovlarna svänger kring en axellinje väsentligen tvärriktad mot navet eller rotationsaxelaxellinjen och skovellängdaxellinjerna utan någon tillhörande periodisk lutningsändring. Vid denna kända, "ledade" eller "gungande" konstruktion ersätts den ovan nämnda periodiska skovelfladdringen av en cyklisk svängning av skovlarna på navet kring svängnings(gungnings)axellinjen. När skovlarna roterar under inverkan av den rådande vinden kommer de följaktligen att periodiskt röra sig in i (med) och bort från (mot) vinden genom periodisk gungning på gångledsbulten 33.

Denna gungning kring gångledsbulten när skovlarna roterar orsakar genom precession en svängning av navet och skovlarna kring gungningsaxellinjen, som är störst när gungningsaxellinjen är orienterad vertikalt. Medan storleken på denna precessionsgungning beror på vindhastighet, vindgradient, skovelkon- figuration och andra aspekter av turbinkonstruktion och driftsbetingelser, vinkelförskjuter sådan precessionsgungning navet och skovlarna någon grad eller två från vindriktningen. Med hänvisning till Fig. 7 åstadkommer vinkelför- skjutningen av navet och skovlarna från linjeinställning med vinden en liknande lutning eller vinkelförskjutning hos vektorresultanten för den nettodragkraft, som verkar på skovlarna, vilken dragkraftsvektor definieras somsträckande sig normalt mot den linje som skär skoveltopparna. Lutningen av drägkraftsvektorn vinkelförskjuter vektorn från samlinjär orientering med giraxeln. Därför appli- cerar den förskjutna dragkraftsvektorn ett girmoment på turbinen, vilket resulterar i överdriven girförskjutning från den önskade vindriktningen, såsom visas i Fig. 8.

Med hänvisning till Fig. 9 visas effekterna av förskjutningen av dragkraftsvektorn kopplad med resulterande navgirförskjutning för typiska ledade (gungande skovelförbindelse) och oledade (stel skovelförbindelse) stora vind- turbinrotorer vid en vindhastighet av 25 m per sekund. Som framgår av dessa kurvor kommer både kända ledade och oledade vindturbinrotorer, som tillåts fritt svänga kring en giraxel, att förskjuta sig själva i girning väsentligt från den önskade inriktningen på 0° (inströmningsvinkel). Om den startas med 0° inströmningsvinkel kommer sålunda den ledade rotorn att gira ungefär 150 från inriktningen, medan den oledade rotorn, vid inställning på Oo, kunde gira -33, -22 eller ungefär 550 från den önskade inriktningen innan jämviktsinställningar uppnåddes (giracceleration lika med noll). Båda turbinerna är stabiliserade i girning vid dessa förskjutna girinriktningar beroende på balansering av drag- kraftsmomentet genom aerodynamiska krafter på skovlarna. 455115 Som illustreras i Fig. 10 är både dragkrafts- och effektförhållanden optimerade genom att man håller inriktningen av turbinen väsentligen direkt in i vinden. Effektförhållandet är ett mått på turbinens uteffekt dividerad med den tillgängliga effekten hos den vindström, som infângas av turbinen, och drag- kraftsförhållandet är ett mått på dragkraften på turbinskovlarna, dividerad med den nettotillgängliga dragkraften från den víndpelare, som infångas av turbin- skovlarna. Som visas i Fig. 10 kommer följaktligen varje väsentlig förskjutning från den önskæje 0° girvinkelinriktningen att kraftigt minska turbinens energi- alstringsförmåga.

För att övervinna bristerna vad gäller girstabilisering hos tidigare kända vindturbiner är enligt föreliggande uppfinning skovlarna svängbart monterade kring rotpartierna på sådant sätt, att svängningsrörelse eller gungning hos skovlarna kring gångledstappen 33 under inverkan av en vertikal vindhastighets- gradient utför en periodisk justering av skovlarnas lutning relativt vindriktningen.

När skovlarna är vertikalt orienterade, såsom visas i Fig. 3, kommer sålunda den övre skoveln 6 att svänga eller gunga med vinden kring gångledstappen 33, varigenom framkanten på skoveln vrids in i vinden för att reducera lyftningen på denna skovel. På liknande sätt kommer den undre skoveln 7 att gunga in i (mot) vinden och vrida denna skovels framkant något bort från vinden för att därigenom öka lyftningen på den undre skoveln till ett värde generellt motsvarande det för den övre skoveln. Sålunda kommer lyftningen på båda skovlarna att väsentligen utjämnas för att därigenom minimera den horisontala precessionen för rotorn från inriktning med vinden.

Den grad av lutningsjustering, som utförs genom en speciell amplitud eller gungning, kommer givetvis att bero på den vinkel som gångledstappen 33 bildar med skovlarnas längdaxel. Värdet på denna vinkel beror på de rådande vindbetingelserna vid platsen för turbinen och geometrin på själva turbinen. Det har dock befunnits, att vinkelförskjutningar för gångledstappen 33 från skovel- axlarna pâ K+O~70° har visat sig vara tillfredställande för användning med stora turbiner, dvs. sådana som har en skovelvidd i närheten av 60 m eller mer.

Med hänvisning åter till Fig. 9 visas prestanda för en girstabiliserad turbin i enlighet med föreliggande uppfinning i den översta plottningen av giracceleration mot inströmnings-(gir-Winkel. Som denna kurva visar är gir- aeeelerafianen o vid o-insrröfnningsvinkel (orientering av turbinen väsentligen direkt in i vinden). När den är inställd i sådan inriktning genom mekaniska anordningar eller en vindflöjeleffekt kommer sålunda vindturbinen enligt före- liggande uppfinning att bibehålla denna inriktning för optimal energiproduktion.

Claims (4)

1. 0 15 20 25 30 455115 7 Även om vindturbinen enligt föreliggande uppfinning beskrivits i samband med vindturbiner försedda med tvâ skovlar, inser man att uppfinningen kan utnyttjas med turbiner som har ett godtyckligt antal ledade skovlar. När mer än två skovlar används kommer dessa att vara kopplade till navet genom ett arrangemang med kardanlager i stället för en enkel gângled. Man inser följaktligen att även om uppfinningen visats och beskrivits med avseende pâ detaljerade utföringsformer därav, så kan olika ändringar och uteslutanden till form och detalj göras utan att man avviker från uppfinningens grundtanke och omfattning. PATENTKRAV l. Vindturbin innefattande ett roterbart nav (9) med en rotationsaxel (12) och minst en aerofoilskovel (6, 7) med en längdaxel och som vid ett rotparti (30) är monterad på det roterbara navet (9) och är svängbart rörlig kring en axel tvärställd till navets (9) rotationsaxel in i och ut ur vinden som svar pä vertikala vindhastighetsgradienter som verkar på skoveln (6, 7), k ä n n e t e c k n a d av att nämnda axel är snedställd mot skovelns (6, 7) längdaxellinje, så att skovelns (6, 7) svängningsrörelse in i och ut ur vinden kring den snedställda axeln justerar skovellutningen relativt vindriktningen för att minimera girobalans hos navet (9) beroende på inverkan av de vertikala vindhastighetsgradienterna på skoveln (6, 7).

2. Vindturbin enligt patentkravet l, k ä n n e t e c k n a d av att den sneda axeln är förskjuten från skovelns (6, 7) iängdaxei med en vinkel från ao nu 7o°.

3. Vindturbin enligt patentkravet l eller 2, k ä n n e t e c k n a d av att navet (9) innefattar en huvudaxel (15), varvid skoveln (6, 7) vid sitt rotparti (30) är svängbart kopplad till huvudaxeln (15) genom en tapp (33) anordnad längs nämnda svängningsaxel. 1

4. Vindturbin enligt patentkravet 3, k ä n n e t e c k n a d av att skoveln (6, 7) vid sitt rotparti (30) upptar nämnda huvudaxel (15) däri, varvid nämnda tapp (33) löper genom i linje med varandra befintliga borrningar i huvudaxeln (15) och rotpartiet (30).