SE533903C2 - Vindturbinenhet innefattande en nödbroms med två samverkande gängade delar - Google Patents

Description

_25 533 903 REDoGöRELsE FÖR UPPFINNNGEN Syftet med föreliggande uppfinning är att eliminera eller åtminstone minimera ovan beskrivna problem. Detta uppnås med en vindturbinenhet innefattande en turbin med turbinblad, varvid nämnda vindturbin dessutom innefattar en nödbroms för att ställa in turbinbladens pitch mot ett viloläge, huvudsakligen medelst vindkrañ, när nödbromens aktiveras. Därigenom kan en felsäker bromsning av turbinbladen uppnås och risken för skador på vindturbinen eller det omgivande området beroende på att vindturbinenheten är manöveroduglig kan väsentligen minskas eller till och med elimineras.

Enligt en aspekt på uppfinningen är nödbromen anordnad att ställa in turbinbladens pitch medelst enbart vindkraft och nämnda vilolâge är i en position där turbinbladen är i ett flöjlat läge. Därigenom styr själva vinden överföringen fiån operativ pitch hos turbinbladen till viloläget där luiimotståndet är som minst, och detta bidrar dessutom till systemets tillförlitlighet och säkerheten behöver inte någon specifik åtgärd från styrsystemen i vindturbinenheten för att stoppa turbinens rotationsrörelse.

Enligt ytterligare en aspekt av uppfimiingen innefattar nödbromsen två samverkande gängade delar, varvid en första av de samverkande gängade delarna roterar med turbin- bladen och är operativt kopplad till turbinbladen ßr att variera turbinbladens pitch genom att flytta sig längs sin axiella utsträckning, och en andra av de samverkande gängade delarna är axiellt stationär, så att turbinbladens pitchvinkel varieras medelst deras relativa gängande förskjutning i förhållande till varandra. Dägenom kan turbinbladens pitch varieras på ett kontrollerat och kontinuerligt sätt.

Enligt ännu en annan aspekt på uppfinningen aktiveras nödbromsen medelst rotations- bromsning av den andra av de samverkande gängade delarna, så att, om turbinbladen roterar, den första av de samverkande gängade delarna flyttas axiellt genom gängníng på den andra av de samverkande gängade delarna och därigenom ändras turbinbladens pitchvinkel. Därigenom tillåter bromsning av den andra gängade delen att impulsen från turbinbladen genomför aktionen att stegvis minska rotationen av turbinbladen och generatorn på ett felsäkert sätt och gör det möjligt att använda själva vinden som bromsmedel, eftersom varje ytterligare rotation av turbinbladen som orsakas av vinden kommer att resultera i en bromsefïekt av vindttirbinens rörelse tills ett fullständigt stillastående kan uppnås.

Enligt en ytterligare aspekt av uppfinningen innefattar nödbromsen en rotor som är förarilaad vid den andra av de samverkande delarna och en icke-roterande stator, och 533 303 nämnda nödbroms aktiveras genom bromsning av statorns rörelse, varigenom den andra av de samverkande delarna rotationsbromsas. Nödbromsen kan därigenom aktiveras på ett enkelt och lämpligt sätt, exempelvis genom kortslutning av enheten på sådant sätt att statorn stoppas och inte någon ytterligare åtgärd behövs fiån styrsysternet eller den felsäkra mekanismen för att uppnå bromsningseffekten.

Enligt ännu en annan aspekt på 'uppfinningen innefattar vindturbinenheten en bladpitch- aktivator för att variera turbinbladens pitch som svar på pitchkommandosignaler som appliceras därpå och en styrkrets för att generera pitchkomniandosignaler, varvid nämnda styrkrets sänder kommandosignaler till nämnda bladpitchaktivator för att åstadkomma ändringar av pitchvinkeln Turbinbladens pitch kan därigenom styras under normal drift av vindturbinenheten för att kontrollera hastigheten och turbinens effekt så att önskad utefïekt från systemet uppnås.

Enligt en annan aspekt av uppfinningen innefattar pitchaktivatom de båda samverkande gängade delarna för att variera turbinbladens pitch. Därigenom kan såväl pitchstyr- ningen som nödbromsen styras med samma komponenter på ett tillförlitligt sätt, vilket resulterar i en effektiv och relativt enkel konstruktion som är både kostnadseffektiv och tillförlitlig.

Enligt ytterligare en aspekt på uppfinningen utgörs den första av de samverkande gängade delarna av en rörlig stång med utvändiga gängor utmed åtminstone ett parti av sin utsträckning, vilken roterar med turbinbladen och är operativt kopplad till turbin- bladen för att variera turbinbladens pitch genom att flytta nänmda stång längs dess axiella utsträckning, och varvid den andra av de samverkande gängade delarna utgörs av en axiellt stationär mutter med invändiga gängor för att med gängning komma i ingrepp med stångens utvändiga gängor, varigenom nämnda axiella förflyttning av stången styrs genom att variera muttems rotationshastighet relativt stångens rotationshastighet. En kontrollerad och kontinuerlig fórflytming kan därigenom uppnås och pitchstyrnings- operationen därigenom genomföras på önskat sätt.

KORT FIGURBESKRIVNING Uppfinningen kommer nu att beskrivas mer i detalj med hänvisning till bifogade ritningar, varvid Fig. 1A visar en utvändig vy av huset enligt en fóredragen utföringsform av vind- turbinenheten enligt uppfinningen där turbinbladen är i ett flöjlat läge, 533 903 Fig. lB visar en planvy av en föredragen utiöringsform av vindturbinenheten enligt uppfinníngen där turbinbladens pitch är i ett flöjlat läge såsom i Fig. 1A, Fig. 2A visar en utvändig vy av huset enligt uttöringsformen i Fig. 1A där turbin- k bladen har en pitchvinkel för ett lämpligt startläge, Fig. 2B visar en planvy av huset enligt uttöringsformen i Fig. lb där turbinbladen har en pitchvinkel ßr ett lämpligt startläge, Fig. 3A visar en utvändig vy av uttöringsformen i Fig. 1A och 2A där turbinbladen har en pitchvinkel för ett lämpligt operativt läge, och Fig. 3B visar en planvy av utiöringsformen i Fig. 1B och 2B där turbinbladen har en pitchvinkelvinkel för ett lämpligt operativt läge.

DETALIERAD BESKRIVNING AV UPPFINNINGEN Fig. IB visar en töredragen utiöringsform av en vindturbinenhet enligt uppfinningen, innefattande ett hus 11 som rymmer en turbin 9.

Turbinen 9 innefattar ett nav 2 med en fläns 3 för att förankra ett turbinblad 31 (visas ej) via ett bladbärlager 32. Nämnda fläns 3 är roterbart anordnad i nämnda bladbärlager 32 och år kopplad till en tvärgående stång 41 via en roterbart anordnad stång 4a på sådant sätt att det relativa avståndet mellan en punkt 33 på flänsens 3 yta och fästpunkten på den tvärgående stången 41 hålls ungefär konstant. Flänsen 3 kan således röra sig relativt navet 2 samtidigt som avståndet mellan punkt 33 och stången 41 hålls konstant.

Navet 2 innefattar dessutom ett antal andra flänsar för att förankra ytterligare 'curbinblad (visas ej) på sådant sätt att ett lämpligt antal turbinblad kan monteras vid navet 2. Dessa ytterligare blad är monterade på den tvärgående stången 41 på ett sätt som liknar det ovan beskrivna, dvs. med en roterbart anordnad stång för att rotera flånsarna samtidigt som avståndet mellan en punkt på flänsen och den tvärgående stången 41 hålls konstant.

Den tvärgående stången 41 är också monterad på en huvudaxel i form av en stång 4 som utbreder sig från stången 41 inuti navet 2 genom en generator 6 i turbinen 9 och in i en mutter på en pitchaktivator 7. Nämnda stång 4 är placerad längs symmetriaxelri för nämnda nav, generator 6 och pitchaktivator 7 och uppvisar ett första gångat parti 42.

Generatorn 6 är utrustad med bärlager 6a, 6b som är placerade mellan nämnda generator _6 och huset ll för att turbinen 9 skall kunna rotera. Vid generatorn 6 skapas en elektrisk krets fiån turbinens 9 rotationsrörelser på ett sätt som inte visas och matas till ett 533 903 lcrafinät i närheten av vindturbinenheten eller lagras i ett batteri eller annan lämpligt krafilagringsanordning.

På den andra sidan av generatom 6 jämfört med var navet är lokaliserat är pitch- aktivatorn 7 placerad, innefattande en rotor 7a och en mutter såsom en kulmutter 6 med ett invändigt gängat parti 51 lämpligt att interagera med det första gängade partiet 41 på stången 4. Rotom 7 a, tillsammans med en motsvarande stator 7b, som är fastsatt på huset 11 i axiell närhet till rotorn 7a, bildar en pitchmotor 71, företrädesvis en direktdriven motor även om andra typer också kan vara lämpliga för användning tillsanmiaris med den häri beskrivna vindturbinenheten. Pitchaktivatorn 7 kan rotera runt turbinens 9 symmetriaxel, dvs. i samma plan som stången 4 och generatorn 6, och pitchaktivatorns 7 mutter är dessutom kopplad till huset 11 via bärlager 8a för att tillåta dess rotation.

Uppställningsmotorn 71 drivs av vilket lämpligt medel som helst, såsom ett batteri eller lcrafinât men det är speciellt fördelaktigt att turbinen 9 själv driver denna motor 71.

Muttern 5 har en invändig gängad yta 51 och är anpassad så att den första gängade delen 42 av stången 4 skall passa i gängorna på denna andra gängade del 51, varigenom en axiell gängningsrörelse för nämnda stång verkställs. Denna rörelse förmår stången 4 att flytta sig längs turbinens 9 symmetriaxel och förflyttrringen kopplas till turbinbladen 31 genom ett länksystem där stången 41 flyttar sig tillsammans med huvudstången 4, varvid även stången 4a och punkten 33 på flänsen 3 där denna stång 4a är monterad således flyttas så att i själva verket flyttas själva flänsen antingen medsols eller motsols mot bärlagret 32 och vrider således turbinbladen.

I den situation som visas i Fig. 1B befinner sig huvudstången 4 i ett läge nästan så långt bort från lculrnuttern 5 som systemet tillåter den att gå, dvs. eftersom varje ytterligare förflyttning av huvudstången 4 mot vindturbinenhetens hölje begränsas av stångens 4a längd. I denna position är turbinbladet 31 i ett flöjlat läge och erbjuder således ett mycket lågt lufimotstånd. Även om det blåser stadigt, förmås inte turbinen att rotera och följaktligen står turbinen stilla.

Fig. 1A utgör en utvändig vy av turbinen 9 och visar turbinens hus 2 med flänsen 3 och turbinbladet 31 monterat på flänsen. Figuren visar turbinbladet 31 positionerat så att nämnda turbinblads 31 huvudaxel sträcker sig i samma riktning som själva turbinen 9. 533 903 Detta är i turbinbladets 31 vilolåge, varvid turbinbladet 31 i detta läge är flöjlat och motsvarar det som beskrivs ovan med hänvisning till Fig. IB.

I Fig. 2B ses vindturbinenheten enligt Fig. 1A, IB i en planvy som visar turbinbladet 31 i startläge. Stången 4 sträcker sig nu helt och hållet genom muttern 5 och drar stången 41 och änden på stången 4a som är kopplad därtill vidare mot riktningen för vindturbin- enhetens hus 1 l. Detta har förmått punkten 33, där stången 4a är fastsatt vid fiänsen 3 att flytta sig från positionen enligt Fig. 1A, IB och roterar därigenom flänsen 3 medsols så att turbinbladens 31 pitchvinkel har ökats i jämförelse med startpositionens som visas i den utvändiga vyn enligt Fig. 2A.

Fig. 3B visar vindturbinenheten i full drift, varvid stången 4 sträcker sig en bra bit genom muttern 5 och stängema 41 och 4a och förmår punkten 33 på flänsen 3 att flytta sig till en position nästan 90° från det viloläge som visas i Fig. 1 längs axellagret 33 och skapar ett avsevärt lufimotstånd och förmår därigenom hela turbinen 9 att rotera när vinden blåser mot turbinbladen 31.

Driften av vindtnrbinenheten kommer nu att beskrivas i detalj.

Vid stillstående är turbinbladen 31 i ett flöjlat läge. I detta läge förmår vinden vanligen inte turbinen att rotera och följaktligen befinner sig turbinen 1 i vila När turbinen skall startas, sänder ett styrsystem (visas ej) pitchstymingssignaler till pitchmotom 71 och motorn 71 aktiverar pítchvinkeländririgen genom att rotera muttem 5 så att stången 4 skruvas längre genom muttern 5. Denna förflytmirig förmår den tvärgående stången 41 och stången 4a att flytta sig, vilket resulterar i vridning medsols av punkten 33 på flänsen 3 längs bärlagret 32. Turbinbladet 31, som är fastsatt på flänsen 3, vrids medsols utmed nämnda fläns 3 och ändrar således bladets 31 pitchvinkel från det viloläge som visas i Fig. IA, 1B mot en startposition som visas i Fig. 2A, 2B. Alltmedan vridningen av turbinbladet 31 fortsätter, ökar turbinbladets 31 lufimotstånd och detta förmår krafigeneratorn 9 att börja vrida sig när vinden blåser.

När generatom 6 roterar och därigenom genererar elektrisk ström, roterar pitch- aktivatom 7 tillsammans därmed, driven av motom 7a, 7b, så att dess hastighet matchar generatoms 6 för att muttem 5 och stången 4 skall rotera tillsammans och utan att orsaka en relativ rörelse mellan stångens 4 första gängade del och mutterns 5 andra gängade del 51 och således hålls turbinbladens 31 pitchvinkel konstant. Det är också möjligt att förmå pitchaktivatom 7 att rotera tack vare friktionen mellan den första 533 903 gängade delen 42 och den andra gängade delen 51. Tack vare bärlagren 8a kan pitchaktivatorn 7 rotera fritt.

Från startpositionen enligt Fig. 2A, 2B kan styrsystemet beordra en ökning eller minsk- ning av pitchvinkeln enligt vad som önskas för att uppnå en fastställt utetïekt från systemet. Detta verkställs genom att pitchmotom ökar eller minskar pitchaktivatoms 7 vridningshastighet med hänsyn till den vridning av stången 4 som orsakas av rotationen av själva krafigeneratorn 9. En ökning av turbinbladens 31 pitchvinkel uppnås medelst pitchaktivatorn 7 samt att kulmuttem 5 vrider sig snabbare än stången 4 och därigenom förmår de gängade delarna 42, 51 att samverka på sådant sätt att stången 4 skruvas längre in i och genom muttern 5. Stängema 4, 41, 4a flyttas längre mot vindturbinens 1 hus 1 1 genom derma rörelse och flyttar således punkten 33 på flänsen 3 ytterligare medsols, varigenom en ökning av pitchvinkeln skapas och därigenom en ökning av lufimotståndet, vilket i sin tur ökar generatoms 6 hastighet och alstrar en högre utelïekt från systemet.

För att minska turbinbladets 31 pitchvinkel verkar pitchmotom 71 för att sakta ner pitchaktivatorn 7 med kulmuttem 5, så att den vrider sig långsammare än stången 4.

Stången 4 kommer därigenom att skruvas ut ur muttem 5 och stängerna 4, 41 och 4a flyttar sig bort från huset ll och flyttar således punkten 33 på flänsen motsols och skapar en minskning av turbinbladens 31 pitchvinkel och en minskning av luft- motståndet.

Generatom 6 alstrar en elektrisk ström, företrädesvis genom en direktdriven operation men andra slag av operationer kan också vara möjliga. Den kraft som således skapas kan, såsom beskrivits tidigare, infogas direkt i ett kraftnät eller lagras i närheten av vindturbinenheten. Den kan också användas för att styra styrsystemet och pitchmotom 71.

Om en situation skulle uppstå där en nödbromsning av vindturbinen l önskas, såsom ett strömavbrott i systemet eller en oväntad händelse, stoppas pitchaktivatorn 7 genom att plötsligt stoppa pitchmotom 71 för att minska kulmuttems 5 rotationshastighet. Detta kan uppnås genom att helt enkelt kortsluta pitchmotom 71, som kan aktiveras omedel- bart om ett strömavbrott inträffar eller kan alternativt ställas i ordning av styrsystemet i händelse av ett nödläge som inte är relaterat till ett strömavbrott. När vridningen av kulmuttem dämpas eller stoppas helt, skruvar den rotationskrafi som kvarstår i systemet från rotationen av krafigeneratom 9 i själva verket stången 4 längre in i kulmuttem 5 533 903 genom samverkan med de gångade delarna 42, 51, vilket åstadkommer en vridning motsols av turbinbladet 31 på ovan beskrivna sätt. Vridningen av turbínbladet 31 kommer att minska pítchvinkeln och i sig själv förmå turbinen att sakta in, och rotationsenergin i systemet tillsammans med vinden kommer att steg för steg skruva stången 4 längre in i kulmuttern 5 så långt den kan gå, dvs. till det viloläge som visas i Fig. 1A, där pítchvinkeln är minimal och turbinbladet 31 erbjuder ett så litet luft- motstånd som möjligt. I detta läge kan till och med en stark vind väsentligen inte åstadkomma någon rotation av gener-atom 6.

Det skall noteras att turbinens 9 nav 2 vanligen rymmer ett flertal flänsar 3 för förankring av ett flertal turbinblad 31 via bladbârlager 32 även om endast en av dessa flânsar visas i figurema. De resterande flänsarna och turbinbladen liknar de som visas och beskrivs häri, såväl till utseende som fimktion och konstruktion.

Det skall inses att uppfmningen inte är begränsad till ovan beskrivna utföringsformer.

Många variationer kan genomföras inom ramen för bifogade krav, såsom fackmän inom området kommer att inse. Det skulle exempelvis vara möjligt att använda olika typer av transmission från kuhnuttern och stången till turbinbladen för att ändra pítchvinkeln, eller att använda olika typer av motorer och generatorer tillsammans med uppfinningen.

Olika konstruktioner för de samverkande gängade områdena är också möjliga, och många sätt att bromsa pitchaktivatorn kan väljas inom ramen för kraven. Många variationer är också möjliga, såsom fackmän inom området inser.

Claims (1)

10 15 20 25 30 533 B03 9 PATENTKRAV

1. Vindturbinenhet innefattande en turbin (9) med turbinblad (31), varvid nämnda Vindturbinenhet dessutom innefattar en nödbroms för att ställa in turbinbladens (31) pitch mot ett viloläge där turbinbladen är i ett flöjlat läge när nödbromsen aktiveras, k ä n n e t e c k n a d av att nödbromsen innefattar åtminstone två samverkande gängade delar (42, 51) och varvid en första (42) av de samverkande gängade delarna roterar med turbinen (9) och är operativt kopplad till turbinbladen (31) rör att variera turbinbladens (31) pitch genom att flytta sig längs sin axiella utsträckning, och en andra (51) av de samverkande gängade delarna är axiellt stationär, så att turbinbladens (31) pitchvinkel varieras medelst den relativa gängande íörskj utningen av de gängade delarna (42, 51) i förhållande till varandra, och varvid nödbromsen aktiveras genom att med rotation bromsa den andra (51) av de samverkande gängade delarna, så att, om turbinbladen (31) roteras, den första (42) av de samverkande gängade delarna flyttar sig axiellt genom gängande interaktion med den andra (51) av de samverkande gängade delarna och därigenom ändrar turbinbladens (31) pitchvinkel. . Vindturbinenhet enligt krav 1, varvid nödbromsen är anordnad att ställa in turbinbladens pitch medelst rotationsenergi från en interaktion mellan turbínen (9) och vinden. . Vindturbinenhet enligt krav 1-2, varvid nödbromsen innefattar en motor (71) irmefattande en rotor (7a), förankrad vid den andra (51) av de samverkande gängade delarna, och en .icke-roterande stator (7b), och nämnda nödbroms aktiveras genom kortslutning av motorn (71) och därigenom rotationsbromsar den andra (51) av de samverkande gängade delarna. . Vindturbinenhet enligt krav 1-2, varvid nödbromsen aktiveras genom att mekaniskt bromsa den andra gängade delen (51 ). . Vindturbinenhet enligt något av kraven 1-4, varvid nämnda enhet irmefattar en bladpitchaktivator (7), som omfattar en rotor (7a) och en mutter (5) som innefattar den andra gängade delen (51), för .att variera turbinbladens (31) pitch som svar på därpå applicerade pitchkommandosignaler, och en styrkrets för att generera pitchkommandosignaler, varvid styrkretsen sänder närrmda kommandosignaler till närrmda bladpitchaktivator för att beordra ändringar av pitchvinkeln. 10 15 533 903 10 . Vindturbinenhet enligt krav 5, varvid pitchalctivatom (7) innefattar den andra samverkande delen (51) för att variera turbinbladens (31) pitch. . Vindturbinenhet enligt något av kraven 1 eller 3-6, varvid den första (42) av de samverkande gängade delarna är monterad på en rörlig stång (4) med utvändiga gängor, vilken roterar tillsammans med turbinbladen (31) och är operativt kopplad till turbinbladen (31) för att variera turbínbladens (31) pitch genom att flytta nämnda stång (4) längs dess axiella utsträckning, och varvid den andra (51) av de samverkande gângade delarna är monterad på en axiellt stationär mutter (5) med invåndiga gånger för att med gängning komma i ingrepp med stångens utvändiga gängor, varigenom nämnda axiella törflyttníng av stången (4) styrs genom att variera mutterns (5) rotationshasfighet relativt stångens (4) rotationshastighet. . Vindturbinenhet enligt krav 7, varvid den rörliga stången (4) är operativt kopplad till turbinbladen (31) genom ett länksystem.