NL8602097A - Windturbinerotor met twee rotorbladen. - Google Patents

Description

P" f 'T .

V

N.O. 33997 - 1 - dBr/VK.

Titel:

Windturbinerotor met twee rotorbladen.

De uitvinding heeft betrekking op een windturtinerotor met twee rotorbladen die via een op de turbinenaaf aan te brengen verbindingskonstruktie met elkaar zijn verbonden en die in dwarsdoorsnede een aërodynamisch gevormd pro-5 fiel met ronde neus en scherp toelopende staart bezitten.

Bekende windturbines vertonen de nadelen, dat de bevestigingskonstruktie, waarmee de rotor op de naaf is bevestigd, stijf en voor het kunnen opnemen van buig- en torsiemomenten stevig en zwaar 10 moet zijn uitgevoerd. Een aërodynamische sturing van de bladhoek, zodanig dat bij toenemende wind of toerental, de invalshoeken van het rotorblad kleiner worden, zal slechts met een gecompliceerde konstruktie mogelijk zijn.

Met de uitvinding wordt beoogd deze bezwaren te 13 ondervangen en een windturbinerotor van het in de aanhef genoemde type te verschaffen, welke zodanig aan de wind-turbineas kan worden bevestigd, dat hij zonder dure gecompliceerde voorzieningen een torsie- en buig-vrijheid heeft.

20 Volgens de uitvinding is de windturbinerotor hiertoe gekenmerkt doordat de verbindingskonstruktie een buigen tordeerbare balk omvat, die aan beide einden een stijf verbindingsorgaan ter verbinding met een rotorblad heeft en dat koppelmiddelen aanwezig zijn om torsie van het aan 25 één zijde van de naaf gelegen deel van de balk over te brengen naar het deel van de balk dat zich aan de andere zijde van de naaf bevindt.

De torsievrijheid verschaft de mogelijkheid de bladen van de rotor passief en door aërodynamische momenten te 30 sturen, d.w.z. dat bij toenemende wind of toerental de 8602097 ’f - 2 - rotorbladen zo draaien dat de invalshoek van de bladen kleiner wordt waardoor toerental en vermogen beperkt blijven tot aanvaardbare waarden. De koppelmiddelen dienen ertoe om de asymmetrische effekten van de zwaartekracht en 5 scheve aanstroming te elimineren; de bladhoeken gaan steeds tegelijk open en hebben dezelfde waarde.

De verend opgehangen rotorbladen kunnen vrij klappen, echter grote afwijkingen, in het bijzonder in geval van starten uit stilstand in harde wind, kunnen worden voor-lü komen wanneer er aanslagorganen om het buigen van de balk te beperken aanwezig zijn.

Een relatief simpele uitvoering van de koppelmiddelen omvat twee stijve kokers, die zich elk uitstrekken rond een deel van genoemde balk tussen een stijf verbindings-15 orgaan en een aanslagschijf, waarbij de twee kokers door een hefboom zijn gekoppeld die scharnierbaar om de naaf-as is bevestigd.

Genoemde aanslagorganen kunnen in de rotor zijn geïntegreerd, doordat elke koker twee op enige afstand 20 van elkaar geplaatste inwendige ringflenzen heeft, waar tussen de omtreksrand van genoemde aanslagschijf valt.

Om de bladhoek onder het regeltoerental en winddruk constant te houden dienen de aërodynamische momenten te worden tegengewerkt door een voorspanveer. Deze zou 25 als afzonderlijke torsieveer op de turbineas of in de vorm van staalbladen in genoemde kokers te kunnen zijn uitgevoerd. De voorkeur verdient echter dat de verende voorspanmiddelen in de buigzame balk zijn geïntegreerd.

Bekende uit hout, staal, met glasvezels versterkt 30 kunststof of aluminium vervaardigde rotorbladen voor windturbines zijn relatief zwaar en hebben een ongunstige gewichtsopbouw. In een snel draaiende windturbine leidt dit tot wisselende buigmomenten. Het gevolg is het optreden van vermoeiingsschade ten gevolge van zwaartekracht in het 86Q2097 <· - 3 - rotorblad. Hoe zwaarder het rotorblad, hoe zwaarderwegender het probleem van de wisselende buigmomenten. Het relatief grote gewicht van de bestaande rotorbladen voor snel draaiende windturbines is bovendien nadelig omdat het blad 5 duur is en langzaam op gang komt, terwijl ook andere onderdelen van de turbine zwaarder moeten worden uitgevoerd.

De gewichtsopbouw moet zodanig zijn, dat instabiliteit zoals flutter wordt voorkomen. Hiervoor is het vaak noodzakelijk om tipmassa toe te voegen.

10 Genoemde nadelen worden voorkomen indien het rotor blad bestaat uit de kombinatie van een neusprofiel dat weerstand biedt tegen wisselende buigmomenten en een slechts een aërodynamische funktie vervullende staart uit licht gewicht materiaal.

15 Het neuspofiel neemt de sterktefunktie van het rotor blad voor zijn rekening, terwijl de lichtgewichtstaart slechts een vormfunktie heeft. Het gewicht van het blad is zo laag, dat door snellere responsie op windvlagen het rendement van een windturbine aanmerkelijk kan worden 20 verhoogd en op de investeringskosten voor de onderdelen van een turbine wezenlijk kan worden bespaard.

Het neusprofiel is een kokerprofiel dat is vervaardigd door extrusie van een aluminiumlegering of door het wikkelen of lamineren van met glasvezel versterkte kunst- 25 hars.

De kokers aan de voorzijde kunnen zijn voorzien van een afzonderlijk rond neusstuk uit licht materiaal, echter verdient het de voorkeur dat het kokerprofiel D-vormig is, zodat de neus deel uitmaakt van een stevig neusprofiel.

30 In geval in het D-vormige profiel een ribverstijving is aangebracht die de koker in twee delen verdeelt, kunnen zware voorwerpen worden ingébracht in één van die kokers voor het uitbalanceren van het rotorblad en om de gewichtsverdeling te kunnen reguleren.

8602097 ! ^ - 4 -

De lichtgewichtstaart kan bestaan uit met glasvezels versterkte polyester, dunne aluminiumplaten en dergelijke; de voorkeur verdient echter de toepassing van door aramideweefsel versterkte hars. De staart is zodanig aan 5 het neusprofiel vastgelijmd, dat geen verhogingen worden gevormd.

In het algemeen is de dwarsverstijving in de staart noodzakelijk en deze kan bestaan uit op onderlinge afstand aangebrachte ribben terwijl een andere mogelijk-10 heid is dat de staart is opgevuld met PVC-schuim.

Van belang is dat de kombinatie van neusprofiel en staart glad is, waartoe een gladde laklaag is aangebracht.

De uitvinding zal nu aan de hand van de figuren, waarin een uitvoeringsvoorbeeld is weergegeven, nader 15 worden toegelicht.

Fig. 1 toont een perspektivisch aanzicht van een deel van de rotor volgens de uitvinding, waarbij som** mige delen in gedemonteerde toestand zijn getoond.

Fig. 2 toont een ander perspektivisch aanzicht van 20 de rotor volgens fig. 1, doch nu in samengebouwde toe stand .

Fig. 3 toont een perspektivisch aanzicht van een rotorblad.

De weergegeven windturbinerotor heeft twee rotor-25 bladen 1, die met elkaar zijn verbonden door een verbin-dingskonstruktie 2, welke toelaat dat de bladen torderen en in klaprichting buigen.

Genoemde verbindingskonstruktie 2 omvat een buigen tordeerbare plaat 3, die aan twee einden is bevestigd 30 aan een stijf gietstuk 4 en in het midden een verstijfd deel 5 heeft, waarin een naafopening 6 is uitgespaard.

Aan weerszijden van het verstijfde deel 5 is een schijf 7 bevestigd die een nader te beschrijven aanslag-funktie vervult. De gietstukken 4 hebben ook een holte, 35 waarin de wortel 8 van een rotorblad kan worden geschoven 8602097 ¥' - 5 - en b. v. door bouten kan worden vastgezet.

Elk gietstuk 4 omvat een schijf 9 en een aantal verdikkingen 10. Aan de schijf 9 worden de helften 11a en 11b van een kokerhelft bevestigd en wel doordat een 5 schot 12 door middel van bouten (niet weergegeven) aan de schijf 9 wordt vastgemaakt en genoemde verdikkingen 10 in uitsparing 14 van het schot 12 vallen. De open-ingen in de schijf 9 en het schot 12, waardoorheen de bouten worden gevoerd, zijn met 15 aangeduid.

10 Om de kokerhelften 11a en 11b tot een koker 11 met elkaar te verbinden, bezitten zij flenzen 16 met bout-gaten 17.

De naar het verstijfde deel 5 toegekeerde einde van elke koker 11 is aan de binnenzijde voorzien van ring-15 flenzen 18, die enige onderlinge afstand hebben. In ge monteerde toestand van de kokers 11 bevindt elke schijf 7 zich tussen twee ringflenzen 18. Deze konstruktie laat een torsiebeweging volledig en een buigbeweging tot het aanslaan van de schijf 7 tegen een ringflens 18 20 toe. De konstruktie verschaft dus enige speling in axiale richting van de koker 11, hetgeen voor het kunnen buigen van de plaat 3 noodzakelijk is.

Beide kokers 11 zijn aan elkaar gekoppeld door middel van een hefboom 19 die bij elk einde sleuven heeft 25 waardoorheen met een koker 11 verbonden scharnierpennen 20,21 steken. Deze hefboom is in het midden scharnierbaar verbonden met een as 23, waarvan de hartlijn samenvalt met de hartlijn van de rotornaaf van de windturbine die in de opening 6 is gestoken. Het zal duidelijk zijn, dat bij torsie van één van de rotorbladen 11 de bijbehorende 30 koker 11 over een bepaalde hoek wordt gedraaid en deze draaibeweging via de hefboom 19 wordt doorgegeven aan de andere koker 11 welke daardoor over dezelfde hoek in tegengestelde richting draait en het andere rotorblad tordeert. Om bladverdraaiing onder het regel-35 toerental te voorkomen is op de naaf tegen de hefboom 19 een aanslag aangebracht.

8602097 - 6 -

De uitvoering van de rotorbladen is in fig. 3 getoond. De vorm in dwarsdoorsnede is aërodynamisch.

Elk blad omvat een stevig D-vormig geëxtrudeerd neusprofiel 25 uit een hoogwaardige aluminiumlegering 5 en een daarop vastgelijmde staart 26 uit een licht gewicht materiaal, in het bijzonder een met aramide (aromatische polyamide) weefsel versterkte epoxyhars.

De tweebladige windturbinerotor volgens de uitvinding laat torsie en buiging in klaprichting toe. Te grote buig-10 vervormingen in klaprichting van elk rotorblad worden echter voorkomen doordat de betreffende schijf 7 aanslaat tegen een ringflens 18.

De plaat 3 is bij voorkeur een laminaat van dunne platen van metaal of kunststof. Eventueel is tussen de 15 dunne platen een visco-elastische strook gelegd om de torsiebeweging te dempen en de plaat 3 een betere vormvastheid te geven. De torsiekoker 11 van een rotorblad neemt bij het aanslaan van schijf 7 tegen een ringflens 18 het buigend moment van het rotorblad grotendeels op 20 waardoor de effektieve buigstijfheid vele malen (b.v. viermaal) groter wordt zonder dat de torsiestijfheid van de flexibele plaat 3 wordt veranderd.

Als gevolg van de torsievrijheid kunnen de rotorbladen passief door aërodynamische momenten worden gestuurd. Met 25 andere woorden zullen de bladen bij een bepaald toerental een bepaalde bladhoek vertonen; bij toenemend aërodynamisch moment (groter toerental, toegenomen wind) zal de bladhoek groter en dus de z.g. invalshoek kleiner worden. De turbine regelt af. Uiteraard is daarbij van belang dat het aerody-30 namische moment wordt tegengewerkt door torsievering. Bij het weergegeven uitvoeringsvoorbeeld is de torsieveer geïntegreerd in de buigzame plaat 3. De mogelijkheid bestaat echter een afzonderlijk voorgespannen torsieveer toe te passen, b.v. in de vorm van een om de naaf gewikkelde 35 torsieveer of in de vorm van staalbladen in een koker.

860 2 09 7 - 7 - ’ ö *

Door de spanning wan de torsieveer regelbaar uit te voeren, kan het regeltoerental worden ingesteld.

De koppeling van beide kokers 11 door middel van de scharnierhefboom 19 leidt ertoe, dat nadelige effekten 5 van scheve aanstroming en zwaartekracht, in het bijzonder vermoeiingsbelastingen worden gecompenseerd. Het moment wordt via torsiekokers 11 en de hefboom 19 van het ene rotorblad aan het andere rotorblad doorgegeven.

Het lage gewicht van de rotorbladen leidt tot een 10 snelle responsie bij windvlagen, een verbetering van het rendement van de turbine en een relatief goedkopere kon-struktie.

Door middel van het tipgewicht 31 kunnen stabiliteit, rotorbladbelasting en regeleigenschappen gunstig worden 15 beïnvloed.

Binnen het kader van de uitvinding zijn verschillende wijzigingen van de weergegeven rotor mogelijk. De uit schijf 7 en ringflenzen 18 bestaande verbinding tussen koker 11 en plaat 3 zou door elke pen-sleufverbinding-20 konstruktie kunnen worden vervangen; de konstruktie moet torsie en een relatief kleine axiale beweging, nodig voor buiging, toe kunnen laten.

| 8602097

Claims (16)

1. Windturbinerotor met twee rotorbladen die via een op de turbinenaaf aan te brengen verbindingskonstruktie met elkaar zijn verbonden en die in dwarsdoorsnede een aërodynamisch gevormd profiel met een ronde neus eri 5 scherp toelopende staart bezitten, met het kenmerk, dat de verbindingskonstruktie (2) een buig- en tordeerbare balk (3) omvat, die aan beide einden een stijf verbindingsorgaan (4) ter verbinding met een rotorblad (1) heeft, en dat koppelmiddelen (11,19) aanwezig 10 zijn om torsie van het aan één zijde van de naaf gelegen deel van de balk over te brengen naar het deel van de balk dat zich aan de andere zijde van de naaf bevindt.

2. Windturbinerotor volgens conclusie 1, gekenmerkt door aanslagorgaan (7, 11, 18) om het buigen 15 van de balk (3) te beperken.

3. Windturbinerotor volgens conclusie 1 of 2, m e t het kenmerk, dat genoemde koppelmiddelen twee stijve kokers (11) omvatten, die zich elk uitstrekken rond een deel van genoemde balk (3) tussen een stijf ver- 20 bindingsorgaan (4) en een aanslagschijf (7), waarbij de twee kokers (11) door een hefboom (19) zijn gekoppeld die scharnierbaar om de naafas is bevestigd.

4. Windturbinerotor volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat elke koker (11) twee op enige 25 afstand van elkaar geplaatste inwendige ringflenzen (18) heeft, waartussen de omtreksrand van een aanslagschijf (7) valt.

5. Windturbinerotor volgens één van de voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat verende voor- 30 spanmiddelen de aërodynamische opgewekte torsiemomenten tegenwerken. 8602097 - 9 - * J

6. Windturbinerotor volgens conclusie 5, met het kenmerk, dat de voorspanmiddelen in de buigzame balk (3) zijn geïntegreerd.

7. Windturbinerotor volgens één van de voorgaande 5 conclusies, met het kenmerk, dat elk rotorblad bestaat uit een neusprofiel (25) dat weerstand biedt tegen wisselende buigmomenten, en een slechts een aërodynamische funktie vervullende staart (26) uit licht gewicht materiaal.

8. Rotorblad volgens conclusie 7, met het kenmerk , dat het neusprofiel (25) een kokerprofiel is, dat is vervaardigd door extrusie van een aluminium-legering of het wikkelen of lamineren van met glasvezel versterkte kunsthars.

9. Windturbinerotor volgens conclusie 8, met het kenmerk, dat het kokerprofiel (25) D-vormig is.

10. Windturbinerotor volgens conclusie 9, m e t het kenmerk, dat in het D-vormige profiel (25) 20 een ribverstijving (27) is aangebracht die de koker in twee delen (28, 29) verdeelt.

11. Windturbinerotor volgens één van de conclusies 7-10, met het kenmerk, dat de staart (26) bestaat uit door aramideweefsel versterkte hars.

12. Windturbinerotor volgens één van de conclusies 7-10, met het kenmerk, dat het voorste deel van de neus uit door aramideweefsel versterkte hars bestaat.

13. Windturbinerotor volgens één van de voorgaande 30 conclusies 7-12, met het kenmerk, dat in de staart een dwarsverstijving (30) is aangebracht.

14. Windturbinerotor volgens conclusie 13, met het kenmerk, dat de dwarsverstijving bestaat uit een op onderlinge afstand aangebrachte ribbe (30). 8602097 ï - 10 -

15. Windturbinerotor volgens conclusie 13, met h e t k e n m e r k , dat de staart is gevuld met PVC-schuim.

16. Windturbinerotor volgens één van de ocnclusies 5 7-15, met het kenmerk, dat de kombinatie van neusprofiel en staart is voorzien van een gladde laklaag. 8602097