DK151351B - Vindmoelle med reduceret tilboejelighed til afdrift fra kroejeretningen - Google Patents

Description

i 151351 5 Denne opfindelse vedrører en vindmølle, der frit indstiller sig i krøjeretningen, og som iøvrigt er udformet med flere aerodynamiske møllevinger monteret på et nav, der kan rotere omkring en i hovedsagen vandret rotationsakse, idet navet kan dreje omkring 10 en lodret krøjeakse.

Vindmøller af den type, som har et nav eller en rotor med flere møllevinger, og som er indrettet til at rotere omkring en horisontal akse, fungerer i hovedsa-15 gen med optimal virkningsgrad, når rotoren og møllevingerne er orienterede mod vinden eller inden for en grad eller to fra denne retning. For at få det til at positionere sig selv med retning mod vinden er navet og hovedakslen, som forbinder navet med møllebelast-20 ningen, normalt ophængt drejelige omkring en lodret krøjeakse. Indtil nu har, så vidt det vides, krøjeak-serne på sådanne, hidtil kendte vindmøller været positioneret i hovedsagen i plant sammenfaldende (indbyrdes skærende) relation i forhold til hovedakslens 25 rotationsakse.

Der kendes vindmøller af den type, som tvangsstyres ind i ønsket krøjeretning, og hvor navets rotationsakse ikke forløber til skæring med krøjeaksen. Et ek-30 sempel herpå er beskrevet i det tyske patentskrift nr 809 179, der benytter et hjælpevindhjul til at frem bringe en aktiv krøjningsindstilling. I denne konstruktion fremkalder den resulterende vindtrykvektor, der er orienteret på linie med rotationsaksen, et 2 151351

C

krøjningsmoment, der virker i retning af altid at holde tandhjul og snekkedrev i det aktive krøjnings-aggregat i indgreb for at undgå svingningsbevægelser omkring den lodrette krøjningsakse. En tilsvarende 5 betragtning gør sig gældende for den vindmølle, som kendes fra det tyske patentskrift nr. 896 930.

Fra den amerikanske patentlitteratur kendes fra patent nr. 2 484 291 en vindmølle med en rotor, som 10 hælder i forhold til vandret med det formål at styre krafttilførslen til en kompressor, der drives af vindmøllens rotor. For kraftig vind får vindmøllens rotor til at vippe opad, så krafttilførslen til kompressoren holdes på et sikkert niveau. En sådan vip-15 ning af rotoren frembringer et drejningsmoment, fordi den resulterende drejningsmomentvektor på en nedad-vendende møllevinge forsættes mere fra krøjningsaksen end den anden drejningsmomentvektor, der virker på en opadvendende møllevinge. Det fremkommende, vandrette 20 drejningsmoment bliver afbalanceret af en trykkomponent (et aksialtryk), formodentligt forårsaget af forsætning af navets rotationsakse i forhold til krøjningsaksen. De tekniske forhold i denne specielle møllekonstruktion er helt forskellige fra forholdene 25 i en vindmølle med vandret rotationsakse og stor møllediameter, hvor de drejningsmomentvektorer, der virker på møllevingerne, angriber i ens afstande fra krøjningsaksen og derfor ikke danner noget krøjnings-destabiliserende kraftpar i møllen.

30

Vindmøller med passive midler eller "vejrhanemekanis-me" til drivning af krøjebevægelse og opretholdelse af vindmølleorienteringen har vist sig af være forholdsvis effektive, når de har relativt korte og sti- 3 151351 ve møllevinger. I moderne store vindmøller med møllevinger, hvis længde kan være 38 m eller mere, er møllevingerne somme tider, for at opnå minimering af deres vægt, opbygget som hule glasfiberkonstruktioner 5 med en betydelig elasticitet. Sådanne vindmøllevinger har, hvis de monteres stift på navet og udsættes for lodrette vindhastighedsgradienter og tyngdekraftpåvirkninger under normal funktion, tilbøjelighed til rytmisk at bøje eller "flagre", idet de udøver en 10 kraftpåvirkning mod opretholdelse af orienteringen af vindmøllen i vinden. Hvis man, for at opnå tilpasning til vindens lodrette hastighedsgradienter, har monteret vingerne med en mulighed for at kunne rokke i en vippebevægelse i forhold til en "vippe"akse, som lig-15 ger på tværs af navet og hovedakslens rotationsakse og på tværs af møllevingernes længdeakse, vil rotationen af møllevinger, der er monteret på denne måde, eliminere den nævnte elastiske svingning, men bevægelsen vil resultere i en horisontal præcisionsbevæ-20 gelse af navet og møllevingerne omkring "vippe"aksen.

Denne præcisionsbevægelse er resultatet af den kombinerede rotations- og rokkebevægelse af møllevingerne under påvirkning af lodrette vindhastighedsgradienter og tyngdekraften, og den medfører, at møllenavet ind-25 stiller sig selv i en vinkel forskellig fra den korrekte orientering i forhold til vinden ved, at den udøver en vippebevægelse omkring krøjeaksen.

Det er derfor nærværende opfindelses formål at frem-30 bringe en vindmølle med forbedrede midler til trimning af vindmøllen i krøjeretningen, således at denne indstilles i og forbliver i korrekt orientering direkte mod vinden. Det er målet, at de nye trimningsmidler skal være af passiv natur og økonomisk skal 4 151351 være billige i anskaffelse.

Vindmøllen ifølge opfindelsen er ejendommelig ved, at krøjeaksen er sideværts forsat i forhold til navets 5 rotationsakse, og at den sideværts forsætning er valgt således, at en vandret forbindelseslinie mellem krøjeaksen og skæringspunktet mellem navets rotationsakse og en ret linie gennem en møllevinges tip og vingerod danner en vinkel på mellem 1 og 2° med 10 navets rotationsakse.

Fordelen ved at udforme vindmøllen på denne måde er, at man med disse passive midler til trimning af vindmøllen i krøjeretningen opnår at vindmøllen indstil-15 les og holdes i en orientering, der i hovedsagen er ret mod vinden på trods af møllevingesvingninger og/ eller rokning om navrokkeaksen. Størrelsen af den sideværts forsætning bestemmes på grundlag af den fremherskende vind på den lokalitet, hvor vindmøllen pla-20 ceres, størrelsen af den fremherskende, lodrette vindgradient på lokaliteten og vindmøllens egen geometri. Det er fordelagtigt at vælge forsætningens størrelse således, at den ovenfor definerede vinkel i hovedsagen er lige så stor som den vinkel, hvormed 25 vektorresultanten af vindtrykket på møllevingerne af viger fra navets rotationsakse som følge af vindgradienten under de mest fremherskende vindforhold, under hvilke vindmøllen forventes at skulle fungere. Da den lodrette vindgradients praktiske påvirkning af 30 krøjningsindstillingen vokser med voksende vindmølle diameter, og da en vindmølle med passiv indstilling i krøjningsretningen fordelagtigt konstrueres med rotoren placeret på læsiden af krøjningsaksen, har en særlig fordelagtig udførelsesform for nærværende op 5 151351 findelse placeret vindmøllerotoren på læsiden af krø-jeaksen. Krøjeaksen kan yderligere også være forskudt for at kompensere for krøjningsubalance på grund af påtrykning af vingebøjemomenter på møllens nacelle.

5

Ovennævnte og andre ejendommeligheder og fordele ved nærværende opfindelse vil fremstå tydeligere illustreret af efterfølgende beskrivelse og vedlagte tegning, hvori: 10

Fig. 1 er en projektion forfra af vindmøllen i-følge nærværende opfindelse,

Fig. 2 en forstørret, isometrisk fremstilling af 15 det indre af møllenavet, idet dele af møllenavet er borttaget for at vise konstruktionsdetaljer ,

Fig. 3 en sideprojektion af vindmøllen ifølge 20 nærværende opfindelse,

Fig. 4 en projektion ovenfra af vindmøllen ifølge nærværende opfindelse illustrerende sammenfaldet af vindmøllekrøjningsaksen 25 og det som vektor viste nettovindtryk, som virker på vindmøllevingerne,

Fig. 5 et tværsnit af den øverste møllevinge, som vises i figur 3, idet tværsnittet er 30 taget langs linien 5-5 på figur 3, og tværsnittet illustrerer yderligere opdrift og trækkræfter på møllevingen, 6 151351

Fig. 6 et tværsnit af den nedre møllevinge, som vises i figur 3 og er taget langs linien 6-6 på figur 3, og tværsnittet illustrerer yderligere opdrift og trækkræfter, 5 som virker på denne vinge,

Fig. 7 en projektion fra oven af en møllevinge af tidligere kendt konstruktion, hvori krøjningsakse og navets rotationsakse 10 skærer hinanden. Denne figur viser hæld ningen af nettorotortrykvektoren bort fra navets rotationsakse som reaktion på svingning eller rokning af møllevingerne, 15 Fig. 8 en figur, som svarer til figur 7, men vi sende krøjningsafvigelsen for tidligere kendte vindmøller i forhold til vindretningen på grund af den vinkelmæssige forskydning eller skråstilling af trykvekto-20 ren i forhold til krøjningsaksen,

Fig. 9 grafisk fremstilling af forholdet mellem krøjningsacceleration og krøjningsvinkel for et par typiske store vindmøller, som 25 er konstrueret i overensstemmelse med tidligere kendt teknik som vist i figurrerne 7 og 8, idet en af vindmøllerne er udformet med en stiv forbindelse, og 1

Fig. 10 en grafisk fremstilling af forholdet mel lem kraftforhold og krøjningsvinkel og mellem trykforhold og krøjningsvinkel for en typisk, stor vindmølle.

7 151351

Med henvisning til figurerne 1-4 omfatter den krøj-ningsstabiliserede vindmølle ifølge nærværende opfindelse et par aerodynamiske vinger 6 og 7 monteret på et roterende nav 9 og strækkende sig fra dette nav 5 fremad og radialt udad. Navet kan rotere omkring en rotationsakse 12 og er forbundet med vindmøllelasten, for eksempel en elektrisk jævnstrøms- eller vekselstrømsgenerator (ikke vist) ved hjælp af en hovedaksel 15 (figur 2), der også kan rotere omkring akse 10 12. Lasten og eventuel gearing (ikke vist), som er nødvendige for at geare hovedakslens 15 rotationshastighed op til brug for vindmøllebelastningen, er placeret i en nacelle 18. Under normal funktion er nacellen placeret umiddelbart på vindsiden af mølle-15 vinger og nav. Nacellen og nav-vingesamlingen er drejelige som en vejrhane i vinden omkring en krøjeakse 21, som kan falde sammen med tårn eller understøttende struktur 24, der drejeligt understøtter vindmøllen på et krøjeleje 27. Som det bedst fremgår af figur 1 20 og 4 er krøjeaksen 21 sideværts forskudt fra rotationsaksen 12 med det formål at stabilisere vindmøllen i krøjning for at opretholde vindmøllenavets retning eller orientering til i hovedsagen at være op i vinden eller inden for en grad eller to deraf.

25

Det er almindeligt kendt, at vind ofte fremviser lodrette hastighedsgradienter. Det vil sige, at vindhastigheden nærmest jordoverfladen typisk er betydeligt mindre i størrelse end den vindhastighed, der måles 30 på punkter fjernet fra jordens overflade, for eksempel på 50 - 100 meters højde. Følgelig vil, under forudsætning af at møllevingerne har samme indfaldsvinkel hele vejen i vingernes omdrejning, den til enhver tid øverste møllevinge være udsat for vinde med 8 151351 højere hastighed og indfaldsvinkel end den nedre møllevinge. Med henvisning til figur 5 og 6 påvirkes den øvre møllevinge 6 på ethvert aksialt sted, som defineres ved radius r målt fra navets rotationsakse, af 5 luft med en resulterende hastighed, der sammensættes som envektorsum af vindhastigheden ved radius r (VTT) w og den vindhastighed ££r, som fremkommer ved møllevingens egen rotation. Resultanten definerer sammen med korden i møllevingen 6 en indfaldsvinkel q^. På 10 lignende måde er den resulterende hastighed af den vind, som virker på møllevingen 7, den nederste vinge, vektorsummen af vindhastigheden -· målt ved radius r og hastigheden Si.r, som møllevingen udsættes for på grund af dens egen rotation. Denne resultant 15 definerer på grund af størrelsen af Vw✓sammen med korden i møllevinge 7 en indfaldsvinkel «<2, som er betydeligt mindre end vinklen . Da opdriften, som fremkommer på hver af vingerne 6 og 7 er proportional med indfaldsvinklen, er opdriften på den øverste vin-20 ge, som illustreret, betydeligt større end opdriften på den nederste vinge. Eftersom vingerne roterer, indtager hver vinge periodisk de øvre og nedre stillinger, og derfor forårsager, hvor vingerne er stift forbundet med rotoren, variationen i opdrift, som 25 virker på hver vinge, eftersom den periodisk indtager øvre og nedre stillinger, en periodisk udbøjning eller svingning af vingerne. En sådan svingning er ikke alene potentielt skadelig for vingerne, men medfører også, at vindmøllen krøjer ud fra sin ønskede orien-30 tering, delvis på grund af krøjningsforstyrrende momenter, der direkte er et resultat af møllevingernes bøjning, og delvis skyldes en vinkelforskydning i vektorresultanten for trykket, som virker på vingerne.

9 151351

Den periodiske bøjning eller svingning kan elimineres med en vippelig forbindelse mellem møllevingerne og navet som vist i figur 2. Som vist monteres vingerne på en hul vingerod 30, som omslutter hovedakslen 15, 5 der rækker ind igennem vingeroden. Hovedaksel og vingerod er udformet med på linie liggende huller, hvorigennem der går en hængseltap 33, idet hængseltappen i hovedsagen er vinkelret på såvel rotationsaksen 12 som på møllevingernes længdeakser. Med denne "hængs-10 lede" eller "rokkende" konstruktion erstattes den ovenfor beskrevne, periodiske vingesvingning med en periodisk vipning af møllevingerne på navet omkring hængseltappens (rokketappens) længdeakse. Følgelig vil, eftersom vingerne roterer under påvirkning af 15 den fremherskende vind, disse vinger cyclisk bevæge sig ind i (med) og bort fra (mod) vinden ved cyklisk at rokke på hængseltappen 33.

Denne rokning omkring hængseltappen, eftersom vinger-20 ne roterer, forårsager ved præcisering en vipning af navet og møllevingerne omkring rokkeaksen, som er størst, når hængseltappen er orienteret vandret. Mens størrelsen af denne præciseringsrokning vil afhænge af vindhastigheden, vindgradienten, vingekonfigura-25 tionen og andre aspekter i vindmøllens design og funktionsvilkår, så forskyder en sådan præciseringsrokning nav og møllevinger vinkelmæssigt en grad eller to bort fra vindretningen. Med henvisning til figur 7 frembringer en vinkelmæssig forskydning af nav 30 og møllevinger bort fra retningssammenfald med vinden en tilsvarende skævhed eller vinkelmæssig forskydning af vindtrykkets vektorresultant på møllevingerne.

Denne trykvektor defineres som gående vinkelret på en linie, som skærer møllevingetipperne. Skævheden for 151351 ίο trykvektoren forskyder vektoren vinkelmæssigt fra sin lineære orientering sammenfaldende med krøjesaksen.

Derfor tilfører den forskudte trykvektor vindmøllen et krøjningsmoment, som resulterer i en forøget krøj-5 ningsforskydning bort fra den ønskede orientering i vindretningen, således som vist i figur 8.

Med henvisning til figur 9 vises virkningen af den forskudte trykvektor sammenholdt med den resulterende 10 krøjningsændring for navet for en typisk hængslet (rokkende) vingeforbindelse og for en hængselløs (stiv) vingeforbindelse for store vindmøllerotorer ved vindhastigheder på 25 m/sek. Som det fremgår af disse kurver, vil såvel hængslede som hængselløse 15 vindmøllerotorer, som er overladt til frit at bevæge sig omkring krøjeaksen, forskyde sig selv i krøjning betydeligt bort fra den ønskede 0°s orientering (indstrømningsvinkel). Således vil den hængslede rotor, hvis den startes med 0° indstrømningsvinkel, krøje ud 20 til en retning omkring 15°, mens den hængselløse rotor, hvis den indstilles på 0°, kan krøje - 33°, -22° eller omkring 55° bort fra den ønskede orienteringsretning, før den når ligevægtsorientering (ingen krøjningsacceleration). Begge vindmøller stabiliseres 25 i krøjning ved disse forskudte krøjningsorienteringer på grund af en afbalancering af trykmomentet for de aerodynamiske kræfter, som virker på vingerne.

Som illustreret i figur 10 er såvel tryk- som kraft-30 forholdene optimeret, hvis man opretholder en orientering af vindmøllen i hovedsagen rettet direkte op i vinden. Kraftforholdet er et mål for den af vindmøllen producerede energi divideret med den til rådighed værende energi i den vindstrøm, som gribes af vind- 11 151351 møllen, og trykforholdet er et mål for vindtrykket på vindmøllevingerne divideret med det netto tilstedeværende tryk af den vindsøjle, som gribes af vindmøllens vinger. Følgelig vil, som det vises i figur 10, 5 enhver betydelig afvigelse fra den ønskede orientering med 0° krøjningsvinkel alvorligt reducere vindmøllens evne til at producere energi.

For at overvinde manglerne i forbindelse med krøj-10 ningsstabilisering, som er forbundet med tidligere kendte vindmøller, der er indrettet til frit at indstille sig i krøjning, og hvori navets rotationsakse og krøjningsaksen skærer hinanden, er krøjningsaksen i vindmøllen ifølge nærværende opfindelse sideværts 15 forskudt fra navets rotationsakse med en størrelse, som tilstræbt placerer krøjningsaksen på linie med den vinkeltmæssigt forskudte trykvektor, der fremkommer ved en præcisionsbevægelse af navet og møllevingerne omkring rokkeaksen og er forårsaget af rokning 20 eller af møllesvingningsbevægelse, og fordelagtigt med en sådan størrelse, at krøjningsaksen og trykvektoren ligger på linie under de mest fremherskende vindforhold på det sted, hvor vindmøllen opstilles.

På denne måde resulterer den skrå trykvektor ikke i, 25 at et balanceforstyrrende moment påføres vindmøllen, men derimod virker gennem krøjningsaksen, og den kan derfor ikke frembringe yderligere krøjning af vindmøllen bort fra den ønskede orientering. Følgelig vil vindmøllen forblive i funktion med en lille forskyd-30 ning i orienteringsretningen på grund af præcise ringsbevægelsen? størrelsen af denne forskydning er en grad eller to, som kun på minimal måde reducerer vindmøllens energiproducerende evne.

12 151351

Derfor forbliver vindmøllen ifølge nærværende opfindelse ikke blot i hovedsagen stabilt i krøjning, men den forbliver også i krøjning alene ved hjælp af passive midler, som ikke kræver komplicerede og bekoste-5 lige vindfølere og organer til positionering af møllen i krøjning og til opretholdelse af en ønsket krøjningsretning. Størrelsen af forskydningen mellem krøjningsaksen og navets rotationsakse vil selvfølgelig afhænge af møllens geometriske udformning og de 10 fremherskende vindvilkår, hvorunder vindmøllen skal fungere. Med sådanne parametre kan krøjningsubalancen forårsaget af vingesvingninger eller vingerokning beregnes, og den krøjningsakseforskydning, som er tilstrækkelig til at kompensere for denne ubalance, 15 fastlægges.

Når opfindelsen anvendes i forbindelse med vindmøller med stive vinger, skal krøjningsaksen forskydes ikke blot for at kompensere forskydningen af trykvektoren, 20 men også for det krøjningsubalancemoment, som vinge-udbøjningen beskrevet ovenfor forårsager. Hvor mere end to møllevinger anvendes i en vindmølle med rokkende vinger, kan møllevingerne forbindes med navet med et arrangement af kardanske lejer i stedet for 25 med et enkelt hængsel. Yderligere kan arrangementet ifølge nærværende opfindelse anvendes i forbindelse med møller, som enten har variabel eller fast indstillet bladvinkel.

30

Claims (3)

151351

1. Vindmølle med vandret akse og fri krøjeindstil- lingf og som iøvrigt er udformet med flere aerodynamiske møllevinger (6, 7) monteret på et nav (9), der kan rotere omkring en rotationsakse (12), idet navet kan dreje omkring en krøjeakse (21), kende-10 tegnet ved, at krøjeaksen (21) er sideværts forsat i forhold til navets (9) rotationsakse (12), og at den sideværts forsætning er valgt således, at en vandret forbindelseslinie mellem krøjeaksen (21) og skæringspunktet mellem navets (9) rota-15 tionsakse (12) og en ret linie gennem en møllevinges (6, 7) tip og vingerod danner en vinkel på mellem 1 og 2° med navets (9) rotationsakse.

2. Vindmølle ifølge krav 1, kendetegnet 20. e d , at vinklen er valgt således, at den i hovedsagen er lige så stor som den vinkel, hvormed vektorresultanten af vindtrykket på møllevingerne (6, 7) afviger fra navets (9) rotationsakse (12) som følge af vindgradienten under de mest fremherskende vind- 25 forhold, under hvilke den enkelte vindmølle forventes at skulle fungere.

3. Vindmølle ifølge krav 1, kendetegnet ved, at vindmøllen er indrettet til at fungere 30 med navet (9) placeret på krøjeaksens (21) læside.