SE526845C2 - Vindturbinanläggning med många vindupptagande blad anordnade kring en sluten rotationsbana - Google Patents

Description

O 0 inte nu n 526 s 45 L; . 1 _ Varierande vindförhållanden kräver varierbara bladvinkelinställningar gentemot vindriktningen för olika vindstyrkor för att uppnå optimalt resultat men kräver även differentierade bladvinkeländringar längs vingutbredningen radiellt utåt för varje för stunden rådande vindstyrka. Det är alltså önskvärt att kunna ändra bladvinkelinställningarna i varierande grad längs hela bladutbredningen. Hittills har detta inte varit möjligt. Visserligen finns det olika anordningar för att vrida bladinställningen, men oftast med samma vridvinkel för en stor del av bladen.

Konventionella anläggningar kräver uppväxling av rotationshastigheten eller så pass vida el generatorer att nödvändig rotor-hastighet i gapet mellan stator och rotor kan uppfyllas enligt Faradays lag E = - N døldt eller Maxwells ekvation, i vektorform: rotation l_5_= - dßldt.

Uppfinningens ändamål och viktigaste kännetecken Ändamålet med uppfinningen är att åstadkomma anordningar i vindkraftverk medelst vilka _ a maximal vingverkningsgrad görs möjlig att uppnå medelst både fler och längre vingar, b. billigare tillverkningsmetoder av bladen blir möjliga; c. klenare vingbreddar- och tjocklekar kan väljas för att minska tillverkningskostnadema, d. tunnar vingar kan väljas för att ytterligare öka vingverkningsgraden, e. effektivare vindupptagning av bladen genom differentierad bladvinkeländring längs hela bladutbredningen görs möjlig för varje rådande vindförhållande, f. tillfredsställande elgenerering enligt E = - N dø/dt kan uppfyllas utan mellanliggande utväxlingar, som både fördyrar och minskar totalverkningsgraden. g. låg ljudspridning till omgivningen vad gäller både aerodynamiskt buller från de vindupptagande bladen och mekaniskt buller från de rörliga, metalliska rotationsdetaljerna.

Upppgiften har lösts genom atti det vertikala vingplanet, for infastning av bladen, införa en cirkulär, helt sluten rotationsbana med samma funktion och delvis även form som ett vidsträckt ' rnllager, varvid givits möjlighet att välja ett godtyckligt stort antal vindupptagande blad för varje anläggning. Den cirknlära rotationsbanan utformas som en ändlös rotationsmantel på ett godtyckligt men ändarnålsenli gt avstånd från rotationscentrum samt en cirkulärt anordnad styrmantelfast förankrad i anläggningen, varvid rotations- och styrmanteln är åtskilda av mellanliggande rullar, anordnade både vertikalt och liggande mellan rotations- och styrmantel så anordnade att mantlarna tar upp både radial- och sidokrafter, varvid ett stort antal radiellt utåtriktade vindupptagande blad växelvis är vridbart fastade vid, i förhållande till vindriktrringen, ömsom främre fästen vid rotationsrnanteln och ömsom bakre, varvid bladens ytterpartier eller spetsar är fastade vid en sammanhållande cirkulär, yttre båge, varvid de vindupptagande bladen genom de inre och yttre infástningarna medgivas ytterst tunna blad med dragspänningsegenskaperna som viktigaste parametrar. Vid rotationsmanteln är även vridbart f ästade ett stort antal inåtgående blad med innerspetsarna växelvis roterbart fastade vid, i förhållande till vindiiktningen, ömsom främre och ömsom bakre fästen vid en sammanlrållande cirkulär, inre, mantelforrnad ring.

Rotationsmantelns diameter väljs så att tillfredsställande hög rotorhastighet uppnås för elgenerering enligt E = - N dø/dt, varvidenergiuttaget sker genom en eller flera el generatorer med rotorema löpande längs och fastade vid rotationsrnanteln och statorerna löpande parallellt 'OO I 0 O O n - Q c o» b I 0 vnoo o: .u a > ~ o Q ao med rotorerna och fástade vid styrmanteln och dess fästen. invändigt vart och ett av de radiellt utåtgående vindupptagande bladen kan vid behov införas en stagande lina med uppgift att hållfasthetsrnässi gt uppta drag- och övriga spänningar och att förhindra böjning av bladen, varvid linan förses med en spännanordning fastad vid rotationsmanteln vid de vridbara fastena och varvid linans motsatta ände fast förankras i det yttre fästet. Tack vare linan kan bladen utföras med en tjocklek mindre än 10 % av bladbredden med ökad vingverkningsgradjärrrfört med tjockare blad vid konventionella vindkraftverk.

Den yttre hågen, de vindupptagande bladen och linorna tjänar även syftet som åskavledare, varvid liuornas ändar anordnas samrnankopplade med den yttre bågen resp rotationsmanteln med extra elektriska ledare förutom genom den direkta kontakten mellan metaller-na, varvid rotorerna och statorerna skyddas genom att infastninganra utföres av icke elektriskt ledande material. i De vindupptagande bladens lutning till turbinens rotationsplan, bladvinkeln ß regleras genom att vid de vindupptagande bladens vridbara faster: anordna reglerarrnar anslutna till styrdon för bladvinkelregleringen via styrlinor eller dylikt, vilka löper på rullar längs rotationsmanteln. Vid en ändring av bladvinkeln sker den till fullo vid de vridbara infastningarna och avtar successivt radiellt utåt längs bladutbredningen och har avtagit helt vid den yttre infästningen. De radiellt inåtrilctade bladens bladvinkel ß ändras lika mycket längs hela utbredningen tack vare de vridbara fastena vid inneningen.

Rotationsbanans styrrnantel är fästad vid ett fackverk eller likartad anordning, fástad vid ett eller flera tom, som är vilande på ett tornunderlag roterbart anordnad via rullar på skenor eller dylikt på ett fast underlag.

Beskrivning av ritningar Fig. l visar diagram över etïektkoefficienten vid olika antal vingar och olika glidtal.

Fig. 2 visar diagram över glidtal vid ökande turbindiameter vid olika släta vingytor.

Figs visar aniäggningenivy framifrån. ' Frg. 4 visar anläggningen i ett snitt efter den vertikalayentrurnlinjen i lig. 3.

Fig. 5 visar ett snitt genom rotationsmanteln och styrmanteln med bladinfastningarna, reglerarmaina och generatordetal j er markerade.

Fr g. 6 visar ett snitt genom det roterbara tornunderlaget med överspår, underspår och rullar markerade. _ Fr g. 7 visar en konventionell bladproñl i järnförelse med de sammantagna profilerna i en anläggning med ett stort antal blad med samma totala bladbredd.

Beskrivning av utföringsexempel Vindturbinanläggningen är försedd med många vindupptagande blad (1, 2, 3, 4) anordnade kring en sluten rotationsbana (5) uppbyggd av en hela Omkretsen omfattande ändlös cirkulär rotationsmantel (10) på godtyckligt men ändamålsenligt avstånd från rotationscentrum (1 l) samt en cirkulärt anordnad styrmantel (12) fast förankrad i 10 15 20 30 35 45 526 84-5 anläggningen, varyid notationsmanteln och styrrnanteln är åtskilda av mellanliggande rullar (13, 14), anordnade både vertikalt (13) och liggande (14) mellan rotationsmanteln och styrmanteln med uppgift att förmedla vertikal- och sidokrafter till styrmanteln. De vindupptagande bladen är inriktade både väsentligen radiellt utåt (1, 2) och radiellt inåt (3, 4) från rotationsrnanteln (10), varvid verket är uppbyggd av ett eller flera plåt- eller f ackverkstom (6) som är förenade med varandra genom sammanbindande fackverk (7, 8) som också utgör fästen for rotationsbanan. Tornen vilar på ett roterbart tornunderlag, tombädden (9).

Rotationsmanteln (10) är uppbyggd av minst en välvd plåtmantel (15) och längsgående kantbalkar (16, 17) fästade vid plåtmanteln. Styrmanteln innefattar minst en välvd , plåtmantel (18) och längsgående styrbalkar (19) fästade vid styrmanteln. Rullama (13, 14) i rullbanoma mellan rotationsmanteln (10) och styrmanteln (12) hålls i sär av runt rullbanoma anordnade rullhållare (20). I detta utföringsexempel är de utförda med lagertappar (21) anpassade i hålta gningar i rullama, vilket medför lägre friktionjärnfört med rullhållare som åtskiljer rullama via mllperiferierna. Rullstöd (23, 24) av exempelvis fyrkantjärn är fästade längs rullbanorna för stabilare gång för rullarna.

Mellan rotationsmantelns plåtar ( 15) och mellan styrmantelns plåtar (18) och även mellan de längsgående balkarna (19) och styrmantelns plåtar är inpassade ljuddämpande skivor (52, 53) av lj udisolerande material för reducering av de ljud som alstras av rullarnas kontaktmed plåtama, men även i hållfasthetsökande syfte för mantlarna.

I en annan utföringsform är även ett mycket stort antal vindupptagande blad (62) stumt anordnade mellan den yttre bågen (27) och en yttersta båge (63).

De radiellt utåtriktade vindupptagande bladen (1 , 2) är växelvis vridbart fastade vid, i förhållande till vindriktningen, ömsom främre fästen (25) vid rotationsmanteln och ömsom bakre fästen (26), varvid bladens ytterpartier eller spetsar är fästade vid en sammanhållande cirkulär, yttre båge (27). Vid rotationsmanteln (10) är även vridbart fástade inåtgående blad (3, 4) vars inre ändar växelvis är vridbart fästade vid, i förhållande till vindriktningen, ömsom främre fästen och ömsom bakre fästen vid en sammanhållande cirkulär inre, bredare, mantelformad ring (30). De vindupptagande bladen kan utformas mycket tunna, mindre än 2 % av av bladbredden, varvid väsentligen endast draghållfastlietsegenskaperna begränsar bladtj ockleken eftersom bladen är f astspända mellan de bägge ändama. För uppnående av ett minimalt vindmotstånd kan bladens profiler utformas något böjda i enlighet med bladens rörelse i förhållande till vindens minskade hastighet just före passerandet och något förändrade rörelseriktning vid passerandet av turbinens rotationsplan med uppkomst av viss rotation av luftflödet.

Vid en förlustfri, idealisk turbin uppstår ingen luftrotation och ingen förändring av vindens rörelseriktning.

Vid bladens vridbara fästen (25, 26) vid rotationsmanteln är fästade reglerannar (31) anslutna till styrdon för bladvinkelre glerin gen (32), antingen elektroniskt styrda med vindhastigheten som väsentlig driftsparameter ellermekaniskt styrda med 55 65 70 75 5 2 6 F) 4- 5 centrif u galregul atorer med rotationsmantelns periferihastighet som väsentlig _ . driftsparameter, eller en kombination av bägge styrsystemen, varvid styrlinor eller böJli ga styrplattjäm (35) som löper på rullar (36) längs rotationsmanteln via reglerarmarna förrnedlar vinkelf orändrin gen till de vindupptagande bladen.

För att kompensera luftflödets kortare löpsträcka fram till de, i förhållande till vindriktningen, främre vindupptagande bladen och i förhållande till löpsträckan fram till ett tänkta medelläge (37) mellan de främre (25) och bakre fästena (26), anordnas de f rämre bladen (l) vridbart fastade något framåt på rotationsmanteln, i rotationsriktningen räknat, från de tänkta infästningspunkter som skulle gälla vid jämnt fördelade avstånd mellan bladen med infástningarna i de tänkta medellägena (37). På samma sätt anordnas de bakre bladen (2) vridbart fästas något bakåt, i rotationsriktningen räknat, från inf ästningarnas tänkta medelläge (37) på rotationsmanteln. invändigt vart och ett av de radiellt utåtgående vindupptagande bladen är införda en stagande lina (38) som är försedd med en spännanordning (39) förankrad vid rotationsmanteln vid de vridbara fästena (25, 26), varvid linans motsatta ände är fast förankrad vid det yttre f ástet med linlås och varvid linan verkar som en stadgande stomme för bladet i hela dess utsträckning.

Energiuttaget sker genom en längs rotationsbanan löpande krökt, dvs icke-linjär elgenerator (41, 42) med rotorn (41) fastad vid rotationsmanteln och statorn (42) vid styrmantelns fästen (43). Eftersom rotati onsmantelns hastighet ökar med ökande mantelradie vid en viss rotationshastighet och därmed också rotoms hastighet, väljs mantelns radie så att tillfredsställande hög rotorhastighet uppnås för elgenereringen enligt E = - N dø/dt. Rotorns resp statorns infástningar utföras elektriskt isolerande.

Tornen (6) utföres som strömlinjeformade avlånga plåttorn, alternativt som avlånga fackverkskonstruktioner uppbyggda av pelare (53) och stag (54, 55), varvid tomen i detta utföringsexempel utformas som bakom varandra sammankopplade kvadratiska tomsektioner, varvid plåtar (56) infästas vid de bakre tomsektorernas (57) övre och yttre sidosektioner, med syftet att medverka till självstyming av anläggningen rakt mot vindriktningen och även medverka till stadgandet av tornen. Tomen förstärks med stödtom (58) placerade, i vindens riktning räknat, bakom tomen.

Tomens rotationsunderlag, här benämnd tornbädden (44), är anordnad att rotera på en sluten, cirkulär bana (45) som innefattar under tornbädden fästade nedåtriktade överspår (46) anordnade att rotera på fasta underspår (47) via mellanliggande rullar (48) med rullhållare (49). Stag (60) sammanbinder tornens främre överdelar, via pasage genom den inre ringen (30), med infastriingar med motvikter (61) på tombäddens främre parti.

Vid anläggningar med en rotationsbana (5) med relativt liten radie i förhållande till tornbredden kan vindturbinanläggningen uppföras med ett enda, runt tom fast förankrad i underlaget, varvid kring tornet är anordnade rotationsringar vid vilka rotationsbanan (5) är vridbart anordnad.

Claims (11)

10 15 20 30 35 5 2 6 8 4 5 Patentkrav b

1. Vindturbinanläggning med många vindupptagande blad (1-4) anordnade kring en sluten rotationsbana (5), vilka blad är inriktade väsentligen radiellt utåt (1, 2) och radiellt inåt (3, 4) från rotationsbanan, varvid energiuttaget sker genom en eller flera längs rotationsbanan utbredande elgeneratorer (41, 42), varvid verket är uppbyggd av ett eller flera plåt- eller fackverkstorn (6) som är förenade med varandra genom sarnmanbindande fackverk (7, 8) därtill utgörande fästen för rotationsbanan, varvid tornen vilar på ett roterbart underlag (9) kännetecknad av, att rotationsbanan (5) är helt sluten och uppbyggd av en hela Omkretsen omfattande cirkulär rotationsmantel (10) på ändamålsenligt avstånd från rotationscentrum (11) samt av en cirkulärt anordnad styrmantel (12) fast förankrad i anläggningen, varvid rotations- och styrmanteln är åtskilda av mellanliggande rullar (13, 14), anordnade både vertikalt (13) och liggande (14) mellan rotations- och styrmantelni rullbanor, varvid radiellt utåtriktade vindupptagande blad (1, 2) växelvis är vridbart fästade vid, i förhållande till vindriktningen, ömsom vridbara främre fästen (25) vid rotationsmanteln och ömsom vridbara bakre fästen (26), varvid bladens ytterpartier eller spetsar är fästade vid en sarnmanhållande cirkulär, yttre båge (27), varvid vid rotationsmanteln (10) vridbart är fästade inåtgående vindupptagande blad (3, 4) vars inre ändar växelvis är vridbart fästade vid, i förhållande till vindriktnin gen, ömsom främre fästen och ömsom bakre fästen vid en sammanhållande inre, cirkulär, mantelfonnad ring (30), varvid vid bladens vridbara fästen (25, 26) vid rotationsmanteln (10) är anordnade reglerannar (31) anslutna till en eller flera bladvinkelreglerare (32) via styrlinor (35) eller dylikt löpande på rullar (36) längs rotationsmanteln, varvid elgeneratoremas rotorer (41) är anordnade elisolerat fästade längs den slutna rotationsmanteln och statorema (42) elisolerat fästade vid stynnanteln och dess fästen längs rotationsbanan.

2. Vindkraftverk enligt krav 1, kännetecknad av, att rotationsmanteln (10) är uppbyggd av minst en välvd plåtmantel (15) och längsgående kantbalkar ( 17) fästade vid plåtmanteln samt att styrmanteln innefattar minst en välvd plåtmantel (18) och minst en styrbalk (19) fästad vid styrrnanteln.

3. Vindkraftverk enligt krav 1, f kännetecknad av, att de främre, väsentligen radiellt utåtriktade vindupptagande bladen (1) anordnas fästade, i rotationsriktriingen räknat, något framåt på rotationsmanteln (10) från tänkta medellägen (37) mellan de främre och bakre bladen vid jämnt fördelade avstånd mellan bladen, varvid de bakre bladen (2) anordnas fästade något bakåt, i rotationsriktningen räknat, från infästningarnas tänkta medellägen (37) på rotationsmanteln, varvid de inåtgående bladen (3,4) på likartat sätt anordnas fästade vid den inre ringen (30).

4. Vindkraftverk enligt krav l, kännetecknad av, , att rullarna (13, 14) i varje rullbana mellan rotationsmanteln (10) och styrmanteln (12) 45 55 65 70 75 9 ooo no o o ao ooco oo oo o o o; oovo oo o o o: o u o oo l ou oo aan e hålls i sär av runt hela rullbanan omslutande rullhållare (20).va.rvid rullstöd (23, 24), n utgörande av exempelvis platt- eller fyrkantjärn, är fastade längs rullbanan utgörande dess kanter medgivande stabilare gång för rullama.

5. Vindkraftverk enligt krav l, kännetecknad av, att reglerarmar (31) är fástade vid de vindupptagande bladen (l, 2, 3, 4) vid infästningarna vid rotationsmanteln (10), varvid reglerarmarna, via styrlinor (35) eller dylikt är anslutna till styrdon för bladvinkelreglering (32), antingen elektroniskt styrda genom avkännin g av vindhasti gheten eller mekaniskt styrda med centrifugalregulatorer, varvid rotationsmantelns periferihastighet utgör väsentlig driftsparameter, eller genom en kombination av bägge styrsystemen, anordnade att åstadkomma en fram- eller bakåtriktad rörelse Överförd till styrlinorna (35), som löper längs rotationsmanteln (10) och, genom den fram- eller bakåtriktad rörelsen, via reglerarmarna (31), förmedlar den önskade vinkelförändringen till de vindupptagande bladen.

6. Vindkraftverk enligt krav 1, kännetecknad av, att tornens rotationsunderlag, tornbädden (44) är anordnad att rotera på en sluten, cirkulär bana (45) innefattande under tornbädden fástade ett eller flera nedåtriktade överspår (46) anordnade att rotera på fasta underspår (47) via mellanliggande rullar (48) med rullhållare (49).

7. Vindkraftverk enligt krav l, kännetecknad av, att vindkraftverket anordnas med ett enda runt tom fast förankrad i underlaget, varvid kring tornets övre sektion är anordnade en eller flera rotationsringar vid vilka de vindupptagande bladens rotationsbana (5) är fästad.

8. Vindkraftverk enligt krav 1, kännetecknad av, att i de radiellt utåtriktade vindupptagande bladen är införda en lina (38) anordnad med en spännanordning (39) vid rotationsmanteln (10) vid de vridbara fástena (25, 26), varvid linan med linlås är fast förankrad vid den motsatta ändens fästen.

9. Vindkraftverk enligt krav 1, kännetecknad av, att de vindupptagande bladen (l, 2, 3, 4), genom infástrxingarna vid rotationsmanteln (10) och vid den yttre bågen (27) resp inre ringen (30), medgivas utformning relativt tunna, mindre än 5 % av bladbredden, med, i vindriktningen betraktat, något bågformad, konkav profil. '

10. Vindkraftverk enligt krav 1 och 2, kännetecknad av, att mellan rotationsmantelns plåtmantlar ( 15) och kantbalkar ( 16, 17) och mellan n oo 5 2 f) 4 5 :

11. ll. ro.: : an' sou: .v00 soc: .g Den: 90 styrmantelns plåtar (18) och även mellan de längsgående balkarna (19) åclištyiifnaiitelns plåtar är inpassade mellanliggande skivor (52, 53) av ljuddämpande, ljudisolerande och hållfastighetsökande material för reducering av de av rullarna alstrade ljuden, varvid även rullama, vad gäller kontakten med rotations- och styrmantlarna, utföras av minimalt ljudframkallande material.