FI62404B - Vindkraftmaskin - Google Patents

Description

n —--Π Γ1 KUULUTUSJULKAISU , _ , Λ IB] (11) UTLÄGGNINGSSKRIFT 624 0 4 • C (45) Patentti nyΓηκ: t Ly ίΟ 1C 1932 ^ ^ (51) Kv.tk.3/int.a.3 f 03 D 7/06 SUOMI —FINLAND (21) P«t«mlK»k«mu*-P«ttm>n»eimln| 8θθ8θ9 (22) Hakamliptlvi — Anrtknlng*d«c lU.03.80 (Fl) (23) AlkupAlvt—GlMghtttdai il . 03 · 80 (41) Tulkit luikituksi — »Iirit offumtlg 15.09.8l

Pfttantti- ]· reklfteri hallitut (44) N«httvlk*lpme*i |» kuuljulktltun pvm. —

Patent- och registerttyralsen 7 Antökan utiagd och uti.*krifttn pubiictrad 31 · 08.82 (32)(33)(31) Pyy4otty «uolkeuj —prtorftut (Tl)(72) Aarre Sinkkilä, 16630 Tennilä, Suomi-Finland(Fl) (Tl) Leitzinger Oy (5U) Tuulivoimakone - Vindkraftmaskin

Keksinnön kohteena on tuulivoimakone, jossa pystysuuntaisen pääak-selin ympäri pyörivään runkovarteen on järjestetty pääakselilta sivussa olevien pystyakseleiden ympäri pyörivät siipipinnat, joiden pyörimisliike on siten pakko-ohjattu, että siipipintojen pyörimisnopeus on puolet runkovarren pyörimisnopeudesta, jolloin mainitun pakko-ohjauksen aikaansaava elin on kytketty tuulen suuntaa tunnustelevan elimen ohjaamaksi siten, että siipipinnat, jotka pääakselin vastakkaisilla puolilla ovat pääasiallisesti kohtisuorassa toisiaan vastaan, ovat määrätyssä kulmassa tuulen suuntaan nähden.

Tällainen pyöriväsiipinen tuulivoimakone on tunnettu esim. saksalaisista patenttijulkaisuista 1229, 5939 ja 70508. Tällaisen tuulivoima-koneen edullisuus perustuu siihen, että siipipintoina voidaan käyttää suuria, olennaisesti tasomaisia pintoja, jotka ovat suurimman osan runkovarren kierroksen ajasta edullisessa, runkovarren pyörimistä edistävässä kulmassa tuulen suuntaan nähden. Suhteellisen yksinkertaisella laiterakenteella päästään suuriin vääntömomentteihin ja siten suureen tehoon. Huolimatta näistä selvistä eduista, joita tämän tyyppinen tuulivoimakone tarjoaa verrattuna nopeasti pyöriviin potkurikäyttöisiin tuulivoimakoneisiin, ne eivät ole yleistyneet vaikka periaate on ollut tunnettu jo noin sata vuotta. Pääasiallisena 2 62404 syynä tähän on nähtävä se, että mainitun tyyppistä tuulivoimakonetta ei ole onnistuttu kehittämään voimakkaasti vaihteleviin tuuliolosuhteisiin soveltuvaksi ja erityisesti myrskyä kestäväksi. Tosin saksalaisessa patenttijulkaisussa 21604 on ehdotettu laitteistoa, jolla siipipintoina toimivat purjeet pudotetaan alas tuulen voimakkuuden ylittäessä määrätyn arvon. Tällöin kuitenkin energiantuotanto katkeaa aina kun tuulen voimakkuus on keskimääräistä huomattavasti voimakkaampi. Toisaalta laitetta ei voida mitoittaa siten, että se keskimääräisellä tuulen voimakkuudella antaisi maksimitehon.

Keksinnön tarkoituksena on edelleenkehittää mainituntyyppistä tuuli-voimakonetta siten, että sen energiantuotanto on suhteellisen tasaista ja katkeilematonta myöskin silloin, kun tuulen voimakkuus vaih-telee keskimääräisen arvon ja myrskyn välillä ja että kone kestää voimakkaankin myrskyn huolimatta siitä, että se on mitoitettu maksimaalista energiantuotantoa varten jollakin kohtuullisella keskimääräisellä tuulenvoimakkuudella.

Tämä tarkoitus saavutetaan alussa mainittua tyyppiä olevalla tuuli-voimakoneella keksinnön mukaisesti siten, että mainitun pakko-ohjaus-elimen ja tuulen suuntaa tunnustelevan elimen väliseen ohjauskytken-tään on järjestetty vaikuttamaan runkovarren pyörimisnopeuteen reagoiva elin siten, että runkovarren pyörimisnopeuden kasvaessa yli määrätäyn nopeuden, pakko-ohjauselin kääntää siipipintoja mainitusta määrätystä kulmasta tuulen suuntaan nähden kulmaan, jossa runkovar-teen kohdistuva pyörityssuuntainen voima pienenee. Kun siis laitteen pyörimisnopeus saavuttaa halutun maksimaalisen pyörimisnopeuden, ohjataan siipipintojen kulman määräävää pakko-ohjauselintä siten, että siipipinnat kääntyvät tuulen suuntaan nähden epäedullisempaan asentoon, jolloin pyörimisnopeus ei pääse olennaisesti kasvamaan. Tällöin pyörimisnopeus saadaan pidetyksi halutuissa rajoissa myös myrskyn aikana. Tosin siipipintoihin kohdistuvat voimat saattavat tämän järjestelyn ansiosta kasvaa entisestään, mutta keksinnön edullisen jatkokehitystuloksen mukaan tämä ongelma on ratkaistu järjestämällä siipipinnat alaosastaan niiden tasojen suuntaisten vaaka-akseleiden ympäri jousivoimaa vastaan kääntyviksi. Tällöin tehollinen siipipin-ta-ala pienenee, eikä mainitun pakko-ohjauksen avulla siipipintoja tarvitse kääntää yhtä suuressa määrin epäedullisempaan asentoon tuulen suuntaan nähden, jotta pyörimisnpeus saadaan pysymään määrätyissä rajoissa. Samansuuntaisesti voidaan vaikuttaa myös sovittamalla siipipinnat pyörimisakseleilleen siten, että ne pääsevät pienen mat- 3 62404 kaa kääntymään vasten jousivoimaa akseleidensa ympäri mainittua pakko-ohjausta vastaan. Tällä järjestelyllä on erityisesti nopeammin vaihtelevia tuulenpuuskia tasoittava vaikutus, koska hitausvoiman johdosta voimakkaatkaan äkkinäiset tuulenpuuskat eivät olennaisesti muuta koko laitteiston pyörimisnopeutta. Edellä mainittujen järjestelyjen yhteydessä voidaan erityisen edullisesti käyttää runkovarteen tai sen mukana pyörivään runkoholkkiin ylennysvaihteen välityksellä liitettyä suurimassaista vauhtipyörää, joka sen lisäksi, että toimii tasoittavana energiavarastona ja estää pyörimisnopeuden vaihteluita puuskittaisella tuulella, hyrrävaikutuksensa avulla vastustaa dynaamisesti vaihtelevan tuulipaineen kaatavaa voimaa.

Näiden keksinnön mukaisten järjestelyjen yhteisvaikutuksella voidaan taata tasainen ja maksimaalinen energiantuotanto tuulen voimakkuuden vaihdellessa jonkin sopivaksi katsotun keskimääräisen arvon ja myrskyn välillä, ilman, että olisi vaaraa laitteen rikkoontumisesta. Toisaalta keksinnön mukainen tasoitus- ja rajoitusjärjestely ei millään tavoin vähennä laitteen maksimaalista hyötysuhdetta pienehköillä tuulen voimakkuuksilla.

Seuraavassa keksintöä selostetaan lähemmin viittaamalla oheisiin piirustuksiin, joissa kuvio 1 esittää keksinnön kohteena olevan tuulivoimakoneen yleistä periaatekaaviota päältä nähtynä.

Kuvio 2 esittää samaa sivulta nähtynä ja keksinnön mukaisin lisälaittein varustettuna.

Kuvio 3 esittää yksityiskohtaisemmin, suurennetussa mittakaavassa ja osittain leikattuna keksinnön mukaista järjestelyä pyörimisnopeuden tasoittamiseksi.

Kuvio 4 esittää toista yksityiskohtaa suurennetussa mittakaavassa ja osittain leikattuna havainnollistaen edellistä täydentävää lisäjärjestelyä, jolla pyörimisnopeutta voidaan tasoittaa ja rakenteiden kestävyyttä lisätä puuskittaisella tuulella.

62404

Pinta-alaltaan suurikokoiset siipipinnat 1, jotka voivat olla kiinteää levyä tai joustavaa kalvoa tai purjekangasta, on järjestetty runkovarren 10 vastakkaisiin päihin pystyakseleiden 2 varassa pyöriviksi. Akselit 2 on kiinnitetty laakereilla 24 varren 10 pääty-holkkeihin 25 (kuvio 4). Toiseen akseliin 2 on kiinnitetty hammaspyörä 4 ja toiseen akseliin 2 hammaspyörät 3 ja 6. Hammaspyörät 3, 4 ja 6 ovat samankokoisia. Keskeiselle pääakselille 11 on järjestetty hammaspyörä 5, joka on puolta pienempi kuin edellä mainitut hammaspyörät. Hammaspyörä 5 on kytketty ketjulla 7 hammaspyörään 6, jonka kanssa samalla akselilla oleva hammaspyörä 3 on kytketty ketjulla 8 hammaspyörään 4. Hammaspyörä 5 on järjestetty käännettäväksi tuulen suunnan mukaan tuuliperäsimen 9 avulla. Runkovarsi 10 on laakeroitu runkoholkin 12 välityksellä pääakselin 11 ympäri pyöriväksi. Tällöin mainituista hammaspyörien suhteista johtuu, että runkovarren 10 pyörähtäessä yhden kierroksen, siipipinnat 1 pyörähtävät puoli kierrosta. Siipipinnat 1 on suunnattu siten, että ne ovat aina pääasiallisesti kohtisuorassa toisiinsa nähden. Tällöin siipipinnat 1 ovat aina tuulen suuntaan nähden sellaisessa asennossa (vrt. kuvio 1), että niihin vaikuttaa runkovarren 10 pyörimis-suuntainen voimakomponentti, lukuunottamatta sitä pientä hetkeä, jona tuulen suuntaa vastaan tulevan siiven pinta on tuulen suuntainen. Tällöin kuitenkin sen pyörimistä vastustava voima on hyvin vähäinen.

Jotta pyörimisnopeuden kohtuuton kasvaminen voimakkaalla tuulella ja myrskyllä voitaisiin estää, on keksinnössä ehdotettu, että hammaspyörän 5 ja tuuliperäsimen 9 välinen kytkentä ei ole kiinteä, vaan joustava ja lisäksi järjestetty runkovarren 10 pyörimisnopeudesta riippuvaisesti ohjatuksi. Tätä varten on peräsimen 9 akseliin hitsattu kiinni laippa 18 ja hammaspyörän 5 mukana kääntyvään hoikkiin 20 kiinnitetty vastinlaippa 17, jolloin laippojen 17 ja 18 väliseen rengasuraan on sovitettu renkaan muotoinen kierrejousi 19, joka on yhdessä kohdassa kiinnitetty laippaan 18 ja halkaisijan suunnassa vastakkaiselta puolelta kiinnitetty laippaan 17, jolloin laipat 17 ja 18 ja vastaavasti hammaspyörä 5 ja tuuliperäsin 9 pääsevät kiertymään toisiinsa nähden jousen 19 voimaa vastaan. Jousen 19 jäykkyys on riittävä, jotta normaalitoiminnassa mitään olennaista kiertymistä ei tapahdu. Hoikkiin 20 on lisäksi kiinnitetty jar-rulevy 16, jonka alapinta on yhteistoiminnassa varren 10 mukana pyörivän jarrukengän 13 kanssa. Kun varren 10 pyörimisnopeus ylittää määrätyn arvon, aiheuttaa keskipakopaino 15 vipuvarren 14 välityk- 5 62404 sellä jarrukengän 13 painautumisen jarrulevyyn 16, jolloin hammaspyörä 5 kiertyy suhteessa tuuliperäsimeen 9, joka pysyy tuulen suunnassa. Tämä hammaspyörän 5 kiertyminen tuulen suuntaan nähden saa aikaan sen, että myös siipipinnat 1 kääntyvät pois kuvion 1 mukaisesta edullisimmasta asennosta tuulen suuntaan nähden. Tämä luonnollisesti rajoittaa pyörimisnopeuden kasvamista. Sopivalla jarruvoiman valinnalla pyörimisnopeus voidaan pitää olennaisesti vakiona riippumatta siitä kuinka suureksi tuulen voima kasvaa. Tällöin vältytään koneen rikkoontumisvaaralta liian suurien pyörimisnopeuksien ja keskipakovoimien johdosta, mutta sen sijaan siipipintoihin kohdistuvat voimat saattavat muodostua niin suuriksi, että myös niiden rajoittaminen on tarpeen. Tätä varten on keksinnössä ehdotettu (kuvio 2), että siipipinnat 1 on järjestetty niiden suuntaisten vaaka-akselei-den 23 ympäri kääntyviksi jousien 22 voimaa vastaan. Tällöin siipipinnat pääsevät kallistumaan aina tarvittavaan suuntaan, joka suunta muuttuu kerran jokaisella varren 10 kierroksella. Tämä siipipin-tojen väistömahdollisuus estää itse siipirakenteiden rikkoutumisen.

Edellä selostetun siipien väistömahdollisuuden lisäksi tai vaihtoehtona sille, voidaan siipipinnat 1 järjestää väistämään tuulen voimaa kuviossa 4 esitetyllä tavalla siten, että pyörimisakselit 2 on kiinnitetty ketjupyöriin 4 tai 3, 6 joustavan kytkimen välityksellä, joka muodostuu akseliin 2 kiinnitetystä laipasta 26, hammaspyörään 4 tai 3, 6 kiinnitetystä laipasta 27 ja laippojen välisessä rengas-urassa olevasta renkaan muotoisesta kierrejousesta 28, joka halkaisijan suunnassa akselin 2 vastakkaisilla puolilla on kiinnitetty eri laippoihin 26 ja 27. Tällöin siipipinnan 1 väistöliike tapahtuu pystyakselin 2 ympäri. Jousen 28 jäykkyys on riittävä, jotta normaaleilla tuulikuormituksilla mitään olennaista väistöliikettä ei tapahdu .

Edellä mainituin järjestelyin aikaansaatua tasaista ja hallittua toimintaa voidaan vielä edistää järjestämällä (piirustuksissa esittämättä jätetty) suurimassainen vauhtipyörä, joka on ylennysvaih-teella liitetty runkovarren 10 tai runkoholkin 12 pyörittämäksi huomattavan suurella pyörimisnopeudella. Tällöin myös puuskaista ja vaihtelevaa tuulta voidaan käyttää hyväksi hyvällä hyötysuhteella tasaisen energiatuotannon ylläpitämiseksi. Ilman keksinnön mukaisia tasoitus- ja rajoitusjärjestelyjä vauhtipyörän käyttö ei olisi mahdollista kohtuullisilla rakennelujuuksilla, koska siipipinnat eivät pääsisi väistämään voimakkaampia tuulenpuuskia välittömästi lisään- 62404 tyvänä pyörimisnopeutena.

Luonnollisestikaan keksintö ei ole rajoittunut edellä selostettuihin piirustusten esittämiin rakenneratkaisuihin. Niinpä jarrua 13 voidaan käyttää myös muun kuin keskipakopainon 15 avulla. Tähän tarkoitukseen voidaan käyttää esim. runkovarren 10 tai hoikin 12 pyörittämän hydraulipumpun hydraulinesteen painetta. Suuremmissa laitoksissa voidaan hammaspyörän 5 ja tuuliperäsimen 9 välinen mekaaninen kytkentä korvata sähköisellä ohjauksella, johon vaikutetaan esim. myöskin sähköisesti runkovarren 10 pyörimisnopeutta mittaavalla elimellä. Ketjut 7 ja 8 voidaan luonnollisesti korvata hammaspyörillä .

Claims (6)

7 62404

1. Tuulivoimakone, jossa pystysuuntaisen pääakselin (11) ympäri pyörivään runkovarteen (10) on järjestetty pääakselilta sivussa olevien pystyakseleiden (2) ympäri pyörivät siipipinnat (1), joiden pyörimisliike on siten pakko-ohjattu, että siipipintojen (1) pyörimisnopeus on puolet runkovarren (10) pyörimisnopeudesta, jolloin mainitun pakko-ohjauksen aikaansaava elin (5) on kytketty tuulen suuntaa tunnustelevan elimen (9) ohjaamaksi siten, että siipipinnat (1), jotka pääakselin (11) vastakkaisilla puolilla ovat pääasiallisesti kohtisuorassa toisiaan vastaan, ovat määrätyssä kulmassa tuulen suuntaan nähden, tunnettu siitä, että mainitun pakko-ohjauselimen (5) ja tuulen suuntaa tunnustelevan elimen (9) väliseen ohjauskytkentään on järjestetty vaikuttamaan runkovarren (10) pyörimisnopeuteen reagoiva elin (13, 15) siten, että runko-varren pyörimisnopeuden kasvaessa yli määrätyn nopeuden, pakko-oh-jauselin (5) kääntää siipipintoja (1) mainitusta määrätystä kulmasta tuulen suuntaan nähden kulmaan, jossa runkovarteen (10) kohdistuva pyörityssuuntainen voima pienenee.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen tuulivoimakone, tunnettu siitä, että siipipinnat (1) on alaosastaan järjestetty niiden tasojen suuntaisten vaaka-akseleiden (23) ympäri jousivoimaa (22) vastaan kääntyviksi.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen tuulivoimakone, tunnettu siitä, että siipipinnat (1) on sovitettu pyörimisakseleilleen (2) siten, että ne pääsevät pienen matkaa kääntymään vasten jousivoimaa (28) akseleidensa (2) ympäri mainittua pakko-ohjausta (3-8) vastaan.

4. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen tuulivoimakone, tunnettu siitä, että runkovarteen (10) tai sen mukana pyörivään runkoholkkiin (12) on liitetty ylennysvaihteella suurimassainen vauhtipyörä.

5. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen tuulivoimakone, tunnettu siitä, että pakko-ohjauselimenä oleva hammaspyörä (5) on kytketty tuulen suuntaa tunnustelevaan elimeen (9) joustavalla kytkimellä (17, 18, 19) ja että hammaspyörän (5) mukana pyöriväksi on järjestetty jarrulevy (16), johon runkovarren (10) mukana pyö- 8 62404 rivä jarrukenkä (13) on järjestetty painettavaksi runkovarren (10) pyörimisnopeuden ylittäessä määrätyn arvon.

6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen tuulivoimakone, tunnettu siitä, että jarrukenkä (13) kuuluu runkovarteen (10) kiinnitettyyn keskipakoisjarruun (13-15).