SE433648B - Varvtalsbegrensande anordning vid en vertikalaxlad vindturbin - Google Patents

Description

8103054-6 i är det således känt att under inverkan av centrifugalkraften och/eller luftkraften på ett turbinblad åstadkomma omställning av turbinbladen i beroende av turbinens varvtal.

Ett-förslag till en vertikalaxlad vindturbin med denna funktion har före- slagits av P.J. Musgrave i Proceedings of the International Symposium on Wind Energy Systems i Cambridge, 7 - 9 september 1976. I denna vindturbin är de vertikala turbinbladen osymmetriskt upphängda i sin längdriktning på vardera endast en eker. Denna upphängning består av en horisontell axel, som tillåter svängning av turbinbladen under inverkan av den vid rotation av turbinen på turbinbladen verkande centrifugalkraften. Vid ökande varv- tal kommer turbinbladen att svänga från vertikalt läge mot horisontellt läge, varvid det från luftkrafterna härrörande drivmomentet på turbinen reduceras och härigenom varvtalet begränsas.

Emellertid uppbäres i denna vindturbin vardera turbinbladet i en enda upp- - hängningspunkt, vilket ställer stora krav på ledens utformning. Leden ut- sättes ständigt för varierande belastning i beroende av de under varvet 'varierande lutftkrafterna. Därtill kommer att víndstyrkan ofta varierar.

Till följd av de ständigt varierande luftkrafterna på turbinbladen före- ligger stor risk för utmattning i upphängningsleden, varför denna vindturbin inte lämpar sig ör uppställning utan tillsyn. Denna varvtalsbegränsande konstruktion möjliggör inte heller aerodynamisk bromsning av turbinen. vilket erfordras om en startturbin, tex. av Savonius-typ, utnyttjas.

Vidare har Mc Donnel Aircraft Company i en rapport av Robert V. Brulle i sammanställningen Vertical-axis Wind Turbine Technology Workshop den 17 - 20 maj 1976 beskrivit en vertikalaxlad vindturbin, Giromill, med en robust konstruktion där varje turbinblad är uppburet av minst tvâ över varandra liggande ekrar. Turbinbladen är individuellt omställbara runt vertikala axlar för erhållande av optimal anfallsvinkel i varje läge av turbinens rotationsvarv, varvid omställningen åstadkommas medelst stötstänger, som är ansatta mot en kamkurva på turbinens axel. Någon mekanism för vartals- begränsning har emellertid ej visats. Ändamålet med uppfinningen är att vid en vindturbin av inledningsvis nämnt slag åstadkomma en tillförlitlig turbinbladomställningsanordning, som be- gränsar turbinens varvtal genom automatisk aerodynamisk bromsning, varigenom I\J un 3 8103054-6 en driftsäker turbin åstadkommes, vilken kan lämnas utan tillsyn.

Detta ändamål uppnås enligt uppfinningen medelst en varvtalsbegränsande anordning, som utmärkes av de i efterföljande patentkrav angivna särdragen.

Uppfinningen beskrives närmare nedan utifrån en föredragen utföringsform och med hänvisning till bifogade ritning, på vilken figur 1 är en perspek- tivvy över hela vindturbinen, figur 2 i en sektionerad planvy genom en eker och turbinnavet visar ett turbinblad i begynnelselägevid stillastående turbin, figur 3 i en sektionerad sidovy, tagen utefter linjen III-III i figur 2, visar turbinbladets upphängning på ekrarna, figur 4 är en vy av samma slag som figur 2 och visar turbinbladet omställt vid högt varvtal, och figur 5 i en schematisk sektionerad delvy visar de på ett turbinblad verkande krafterna.

I figur 1 betecknar 1 en vertikalaxlad vindturbin, vilken anblåses från vänster av en vind som åskådliggöres medelst en vektor ÜÄ Turbinen har ett på en vertikal axel 2 roterbart lagrat, långsträckt, rörformat nav 3, från vilket utgår tre par radiellt orienterade, lika långa, rörformade ekrar 4.

Navet 3 och ekrarna 4 bildar ett turbinställ. De tre paren ekrar är fast förbundna med navet och är inrättade med lika delning runt detta. Ekrarna är i varje par belägna i samma vertikalplan och åtskilda i vertikal led.

Varje par ekrar uppbär ett vertikalt orienterat, långsträckt turbinblad 6 med aerodynamiskt, företrädesvis symmetriskt utformad profil. Turbinbladet sträcker sig ett stycke utanför ekrarna i vertikal riktning och utgöres företrädesvis av raka, ihåliga profiler såsom visas på ritningen.

Varje eker uppbär resp. turbinblad på samma vis, varför nedan endast en upphängningspunkt beskrivas. I figur 2 visas således en eker 4 i sektion med ett vid sin ytterände upphängt turbinblad 6. I den här som exempel och i figur 3 tydligare visade upphängningen har turbinbladet 6 ett utsprång 7, som skjuter in i ekerns öppna ände. En axel 8, vilken visas som en bult med i ekern försänkt skalle och stopp vid sin andra ände, sträcker sig tvärs ekern och genom ett hål i utsprånget 7, varigenom turbinbladet är svängbart runt en vertikal vridningsaxel CA. Axeln 8 är i ekern ä infäst i förstyvande partier 9, som likt en gaffel omgriper utsprånget 7.

En i ekern A belägen fjäderanordning 10 i form av ett fjäderpaket bestående av minst en, och företrädesvis flera mot varandra anliggande bladfjädrar 11 (i figur 3 visas tre bladfjädrar) är mellan turbinbladet och stället ( i den visade utförinqsformen turbinnavet 3) med sin ena ände fast infäst i 8103054-6 v turbínbladets utsprång 7, tex. medelst en i figur 3 visad bult 12, och med sin andra ände anbringad mellan ekerns vägg och en ansats 13 på stället vid ekerns botten (här på navet 3) för att tillåta rörelse vä- sentligen ondast i fjäderpaketebšlängdriktning.

Fjäderpaketet 10 är så inspänt att det vid stillastående turbín är obe- lastat och företrädesvis rätlinjigt. Dess tyngdpunkt DG är, såsom tydligare visas överdrivet i figur 3, belägen på ett litet avstånd Q, som kan närma sig noll, från och i turbinens rotationsriktning sett bakom ett radiellt _plan 15 genom turbinaxelns symmetriaxel CB och turbinbladets vridningsaxel CA. Detta lilla avstånd d_tjänar som momentarm för den vid rotation av - turbinen alstrade centrifugalkraften på fjäderpaketet för alstring av ett moment, som verkande runt turbinbladets vridningsaxel CA vid ökande varv- tal omställer turbínbladet under utböjning av fjäderpaketet, såsom visas i figur ä. Ekern 4 har på insidan av sitt främre väggparti ett anslag 5, som säkerställer att fjäderpaketet utböjes från rotationsriktningen.

I den visade utföringsformen har de enskilda, fjäderpaketet uppbyggande bladfjädrarna 11 triangulär planform och jämn tjocklek. Varje bladfjäder har således formen av en likbent triangel,som med sin bas 16 är inspänd vid turbinbladet, medan dess spetsiga ände 17 anligger mot an- satsen 13. Bladfjäderns triangulära form ger två Fördelar. För det första blir vid utböjníng av bladfjädern påkänningarna jämt fördelade över blad- fjäderns längd med ty åtföljande viktbesparing, samtidigt som maximal vinkeländring vid bladfjäderns ände erhålles. För det andra kommer blad- fjäderns tyngdpunkt CG att ligga på större avstånd från turbinaxeln än som skulle vara fallet vid en rektangulär bladfjäder, varigenom den på bladfjäderpaketet verkande centrifugalkraften Fc (figur 5), som är pro- portionell mot tyngdpunktens Cßradietill turbinens symmetriaxel CB, kom- mer att ha ett högre värde.

Turhinbladets 6 massa är företrädesvis liten i förhållande till fjäderpaketets, och turbinbladet är därför lämpligen en ihålig profil. Den från turbinbladets massa härrörande centrífugalkraftens inverkan på omställningen av turbinbladet vid rotation kan därför försummas eller också kan fjäderpaketets 10 tidigare nämnda tyngdpunkt CG tänkas gälla för kombinationen av fjäderpaketet och tur- binbladet, vilka är förbundna.

Fjäderpaketet är så dimensionerat att det vid normala driftvarvtal för tur- binen bjuder ett tillräckligt stort motstånd mot centrífugalkraften Fc (figur 5) för att väsentligen motverka utböjning av fjäderpaketet, vari- genom vridmomentet runt turbinbladets vridningsaxel CA blir litet,om något, 840402 S 8103054-6 och endast obetydlig anställning av turbinbladet erhålles. Vridnnmentot från Centrifugalkraftcn balanseras av ett lika lit1n.zw>triktaL uxmrw1t,sxxu svarar mot fjäderpaketets utböjning och i fig 5 syntuiiseras av den radiollt riktade kraften F_. ä Då turbinens varvtal ökas över det normala varvtalsomràdet kamner emellertid det rörliga systemet, bestående av turbinblad och fjäderpaket, att kontinuer- ligt omställas under inverkan av den excentrískt verkande centrifugalkraften Fc. Denna kraft är ju proportionell not varvtalet i kvadrat och det okända varvtalet ger därför en snabb tillväxt av böjmomentet på fjäderpaketet, något som i sin tur medför att fjäderpaketet utböje;i riktning motsatt rotationen dvs medurs på ritningen. Härvid förflyttas paketets tyngdpunkt CG i samma rikt- ning bort från radialplanet 15 samtidigt som bladfjädrarnas fria ändar glider något radiellt utåt på avsatsen 13. Resultatet blir att det yttre vridande momentet, dvs produkten Fcxd och därmed utböjningen av fjäderpaketet snabbt växer till följd av varvtalssökningen till dess att det åter balanseras av det inre, mot fjäderspänningen svarande böjmomentet. Läget kan nu vara det som illustreras i figur 4 där angreppspunkten för centrifugalkraften, dvs tyngdpunkten CG flyttas, så att momentarmen nu antager värdet d'.

När varvtalet åter minskar kommer den på fjäderpaketet verkande centrifugal- kraften FC också att minska, varigenom fjäderpaketet kommer att återgå mot sitt i figur 2 visade begynnelsetillstånd och därvid omställa turbinbladet i motsatt riktning.

Ansatsen 13 har en så stor utsträckning i radiell led att fjäderpaketet vid maximal utböjning i ekern fortfarande har sin fria ände ansatt mot ansatsen.

Ansatsens not fjäderpdæmetvända sida är motsatt rotationsriktningen krökt i turbinens omkretsled för att möjliggöra tangentiell anlíggning mellan ansat- sen och fjäderpaketets ände vilket eftersträvas för att säkerställa att fjäderpaketet efter utböjning återföres.

Gemom att fjäderpaketets ände under utböjning glider mot ansatsen från rota- tionsriktníngen förskjutes fjäderpaketets tyngdpunkt CG ytterligare fran planet 15. Även om bladfjäderpaketet kan anbringas på olika sätt mellan turbinbladet och turbinens ställ, förcdrages den på ritningen visade utföringsfornen, eftersom ett långt bladfjäderpaket eftersträvas. I den visade utföringsfornen skär fjäderpaketet 10 det radiella planet 15 genom turbinaxelns symmetriaxel CB och turbinbladets vridningsaxel CA. Härigenom kan ett längre fjäderpaket anbringas inom ekerns begränsade utrymme, varvid en större utböjning av Ejäderpaketet och därmed en större omställningsvinkel för turbin- 840402 8103054-6 e hlndrt är möjlig. Samtidigt säkerställas att fjüdcrpuketctu tyngdpunkt FG kommer att ligga nära nämnda plan 15. Således är fjädcrpakctot 10 vid turbinbladet infäst bakom dettas vridningsaxel CA, sett i rolntíonsrikt- ningzwärncdun det vid navet är anbringat framför nämnda plan 15 mellan - ekerns främre väggparti och ansatsen 13.

Figur 5 är en vy av samma slag som figur 2 och 4 och visar ett turbinblad 6 schematiskt i ett momentan rotationsläge med vinkeln 8 i ett koordinat- system XY under turbinens rotations vid normala driftvarvtal. Vindriktningcn är utefter X-axeln. De på turbinbladet verkande luftkrafterna är bortsett från av vindturbinen själv inducerade störningar visade liksom kraftverkan i fjäderpaketet.

Turbinbladet 6 är medelst fjäderpaketet 10 inställt för att vid stilla- stående turbin och därmed vid normala driftvarvtal bilda en kordavinkelfß K utåt från tangenten för omloppscirkeln genom turbinbladets tryckcentrum CP, i vilket resultanten för luftkrafterna anses angripa. Vinkelnfš är vald till ungefär 20, eftersom detta värde vid en symmetrisk profil visat sig ge bäst momentankurva för det på turbinbladet verkande, turbinen drivande luftkraf- terna, visade som fb, sett över ett rotationsvarv.

I figur 5 visas oekså hur luftens anblåsningshastighet V erhålles som resul- tant till vinazl-.åtigheten U och turbinbladets periferihastighet w-R. An- låsningshastigheten V bildar en anfallsvinkel(x mot turbinbladets korda 19, vilken har längden E¿ De av vindturbinens närvaro och rotation föror- sakade vindstörningar, vilka kan vara av betydande storlek och resulterar i lokala ändringar av vindhastigheten-Ü' både vad avser storlek och riktning, har ej visats, eftersom de ej erfordras för beskrivning av uppfinningen.

Den vid turbinens rotation på profilen verkande, i samband med vingprofiler som lyftkraft benämnda luftkraften I angriper i tryckoentrum CP och verkar vinkelrätt mot anblåsningshastigheten VÄ Genom addition av den bromsande luftkraften D, som verkar i anblåsningshastighetens riktning erhålles den totala på turbinbladet verkande luftkraftsresultanten F, vilken visar upp- löst i den tangentiella komposanten Fä, som ger upphov till turbinens rotation, och en radiell komposant PR, som ej påverkar rotationen. Det ínses att den i figur 5 utåt verkande kraftresultanten P under turbinbladets rotation runt turbinaxeln kommer att undergå förändring både till sin storlek kn ZÛ 7 8103054-6 och riktning. Dessutom varierar turbinbladets tryckcentrum CP något kring PH PU“kl P5 UVSïånÜPt Ü»25 ' C, räknat från turbinbladets framkant, i bo- rnendv ax nnfallsvinkeln 0<, Ett viktigt särdrag för uppfinningen är att turbinbladets vridningsaxel CA är så belägen att medelvärdet av luftkrafternas resultant F över ett rota- tionsvarv har en riktning genom turbinbladets 6 vrídningsaxel CA, varigenom inverkan av luftkrafterna på omställningen av turbinbladet minimeras. I finur 5 visas resultanten F för luftkrafterna riktad genom vrídningsaxeln (Å, varigenom den inte ger upphov till något vridmoment på turbinbladet runt dennas vridningsaxel CA. För den visade symmetriska profilen är för detta ändamål vridningsaxeln CA belägen på avståndet 0,3 ° c från turbinbladets framkant, räknat parallellt med kordan 19. I figur 2 och 4 visas två extrema riktningar för luftkrafternas resultant F- under turbinens rotationsvarv.

Vid rotation av vindturbinen försedd med en varvtalsbegränsande anordning enligt uppfinningen kommer luftkrafterna att i mycket liten utsträckning på- verka turbinbladets inställning, vilken istället är beroende av den på fjäder- pnketet 10 verkande centrifugalkraften Fc.

Vid ökande varvtal över normala driftvarvtal kommer som tidigare nämnts, under utböjning av fjäderpaketet, kordavinkelnlå att gradvis minskas mot noll för att sedan antaga allt större negativa värden. Denna förändring av kordavinkehwß resulterar i en sjunkande effektkoefficient för turbinen och skulle för oförändrad vindstyrka innebära att drivmomentet sjönk. Eftersom minskningen av kordavinkeln erhålles till följd av ökande vindstyrka och därmed större luftkrafter, kommer trots den sjunkande effektkoefficienten rotationshastigheten att vid måttliga vindhastigheter hållas nära konstant vid driftvarvtal. Om varvtalet, trots att turbinbladets kordavinkelfš minskats, fortsätter att öka resulterar den forsatta bladomställningen i att vid ett bestämt varvtal effektkoefficienten blir negativ, dvs. turbinen bromsas, vilket sker ungefär när kordavinkeln underskrider -60.

Anordningen enligt uppfinningen utföres lämpligen med ett arbetsintervall för omställning av turbinbladets kordavinkel till åtminstone storleksordningen 100, varigenom ett stort bromsmoment kan erhållas. Detta är ofta nödvändigt vid en vertíkalaxlad turbin, som är uppställd utan tillsyn. Vertíkalaxlade turbiner är nämligen ej självstartande. I den händelse elektrisk energi, tex. '_s103os4-6 g från ett, av en till turbinen förbunden generator uppladdningabart batteri, ej får utnyttjas för start krävs tex. en på navet anbringad s.k. Savonius- turbin, vilken har skovellliknande blad. En Savoniusturbin är självstar- tande men ger litet bidrag till drivmomentet vid normala driftvarvtal.

Emellertid ger Savoniusturbinen vid varvtal över normala driftvarvtal åter ett avsevärt drivmoment. För att upphäva detta måste således den vertikal- axlade turbinen alstra ett bromsmoment vid höga varvtal, vilket enligt upp- finningen åstadkommes genom att turbinbladet omställes till allt större negativa kordavinklar.

Utöver ovan nämnda fördelar med den varvtalbegränsande anordningen skall nämnas att de vid drift av turbinen ofrånkomliga smärre variationerna av luftkraftens 'F verkan på turbinbladet till följd av vindstötar och luft- kraftsresultantens F pendling över turbinbladets vridningsaxel motverkas av rörelse mellan fjäderpaketets enskilda bladfjädrar.

Anordningen enligt uppfinningen kan modifieras i flera avseenden. Således kan tex. fjäderpaketet innehålla ett godtyckligt antal bladfjädrar. Vidare kan turbinbladets upphängning på ekrarna, som kan vara flera än två för- bundna med varje turbinblad, vara utförd på annat vis.

Claims (3)

1. v., 10 15 20 25 30 .___._..__....__.. ..-___ . 4. Anordning enligt något av krav 1 - 3, Fjäderns (11) tyngdpunkt (CG) är belägen på ett litet avstånd Från och, sett 7 8103054-6 Patentkrav 1. Varvtalsbegränsande anordning vid en vertikalaxlad vindturbin, som har ett på turbinaxeln (2) roterbart lagrat ställ med ett nav (3), från vilket ut- går ekrar (4), som vid sina ändar uppbär ett antal, koncentriskt runt tur- binaxeln belägna och runt denna jämnt fördelade turbinblad (6), vilka vart och ett på minst tvâ över varandra liggande ekrar (4) uppbäres svängbart runt en vridningsaxel (CA) parallell med turbinaxeln i och för omställning runt denna vridníngsaxel för begränsning av turbínens varvtal, k ä n n e - t e c k n a d av att minst en bladfjäder (11) är infäst mellan varje tur- binblad (6) och stället (3, 4) För att i beroende av en vid turbínens rota- tion alstrad, från bladfjäderns massa härrörande centrifugalkraft (Fc) vid varvtal över driftvarvtal åstadkomma ett runt turbinbladets vridningeaxel (CA) verkande, snabbt växande moment för omställning av turbinbladet i varv- talsbegränsande riktning under utböjning av bladfjädern (11).
2. 2. Anordning enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av att turbinbladets vridningsaxel (CA), sett i ett tvärplan mot turbinaxeln (2), är så belägen att medelvärdet över ett turbinvarv av resultanten(F) av de på turbinbladet (6) verkande luftkrafterna är riktat genom vridningsaxeln (CA), varigenom inverkan av luftkrafternas vridmoment på turbinbladet (6) runt dettas vrid- ningsaxel (CA) minimeras.
3. 3. Anordning enligt krav 1 eller 2, (11) är Fast infäst vid turbinbladet (6) och vid sin mot stället vända ände är anbringad rörlig i sin längdriktning under anliggníng mot en ansats (13). k ä n n e t e c k n a d av att blad- i rotationsriktningen,bakom ett tänkt plan (15) genom turbinbladets vrid- níngsaxcl (EA)och turbinens symmetriaxel (CB), varvid bladfjädern vid tur- binens rotation, under inverkan av det av oentrifugalkraften (FC) alstrade vridmomentet på turbinbladet utböjes bågformigt under ökning av nämnda av- stånd frän ett litet värde (d) vid driftvarvtal till ett större värde (d1) vid varvtal däröver. 5. Anordning enligt krav ä, k ä n n e t e c k n a d av att bladfjädern (11) skär nämnda plan (15) och från turbinbladet (6) sträcker sig till ekerns botten, där den är fritt uppburen mot ansatsen (13). k ä n n e t e c k n a d av att bladfjädern 10 15 8103054-6 6. IO Anordning enligt krav 5, k ä n n e t e c k n a d av att ansatsens (13) mot bladfjäderänden vända sida är krökt i riktning motsatt rotations- riktningen för att vid utböjníng av bladfjädern (11) tillåta att blad- fjäderänden glider mot ansatsen och möjliggör maximalt vinkelutslag hos turbinbladet. Anordning enligt något av krav 1 - 6, k ä n n e t e c k nya d av att bladfjädern (11) har triangulär planform med en utefter sin sträckning från turbínbladet (6) mot sin ansättning i stället minskande tvärsektion. Anordning enligt något av krav 1 - 7, k ä n n e t e c k n a d av att turbinbladet (6) är symmetriskt och att dess kordavinkel (fä) med tangenten i rotationsriktningen till en omloppscirkel genom turbinbladets tryck- centrum medelst bladfjädern (11) är ställd till ungefär 20 när turbinen är stillastående. . Anordning enligt något av krav 1 - 8, k ä n n e t e c k n a d av att två eller flera, mot varandra anliggande, ett fjäderpaket (10) bildande bladfjädrar (11) är inspända mellan turbinbladet och stället i varje eker (4).