NO800696L - Vindturbinrotor. - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår forbedringer ved rotorer for vinddrevne elektriske generatorer.og lignende.

I den senere tid har det vært en tendens til å bruke tobladede rotorer sammen med vinddrevne elektriske genera-torer. Teoretisk er en matematisk datamaskintegnet, to-bladet vindrotor for høy hastighet den mest effektive type, men dette har ikke alltid vist seg å være tilfelle i prak-sis. Alle tobladede rotorer er i og for seg todimensjonalt oppbygde systemer (dvs. en enkel utbalansert bjelke som ro-terer om et fast sentrumspunkt), som alle har en meget be-grenset konstruksjonsstyrke. Slike farer som is, snø, vind-oppblåst sand, store vibrasjoner som skyldes vindkast og vindskygge fra den rotorbærende mast, vil i tillegg til på-kjenninger fra sentrifugalkraften i rotoren uvegerlig re-sultere i ytterst vanskelige kontrollproblemer, som til slutt kan føre til fullstendig rotorsammenbrudd. Et slikt sam-menbrudd ved høy hastighet på tunge, todimensjonale rotorblad er meget farlig for liv og eiendom innenfor et område med stor radius omkring den vinddrevne generator. Det har vært eksperimentert med enkeltbladede vindturbiner, men også disse eksperimenter har vært utsatt for de foran angitte problemer, og erfaringen har vist at det kan oppstå store vibrasjoner og stort støynivå på grunn av den store hastighet ved tuppen av rotoren.

Det er et formål med oppfinnelsen å overvinne proble-mene i forbindelse med en- og toblads-rotorer og tilveiebringe en flerblads vindturbinrotor som har et tredimensjo-nalt oppbygd strekksystem. Det er også et formål med oppfinnelsen å tilveiebringe en rotor der overflatearealet på bladene kan. reduseres uten å endre stigningen på bladene.

En vindturbinrotor ifølge oppfinnelsen erkarakterisert vedat den omfatter et ytre ringformet omkretselement med aerofiltverrsnitt forbundet med et ringformet navelement ved hjelp av en rekke radiale liner med stor strekkstyrke, slik at det fås en stiv hjulkonstruksjon, og at en rekke rotorblad med aerofoiltverrsnitt er anordnet radialt mellom det ytre, omkretselement og navelementet. Et sekundært ringformet aerofoilelement er fortrinnsvis anordnet konsentrisk med det ytre omkretselement og er plassert mellom det ytre omkretselement og navelementet.

Aerofoilrotorbladene er fortrinnsvis avstøttet av en rekke radiale liner med stor strekkstyrke, og disse liner forbinder det ytre omkretselement med navelementet. Når det benyttes et sekundært aerofoilelement, kan et sett av aerofoilrotorbladene være anordnet radialt utad fra det sekundære og ringformede aerofoilelement, mens et annet sett av aerofoilrotorblad er anordnet radialt innad fra det sekundære ringelement. I en utførelse er det antall radiale rotorblad som ligger mellom det sekundære aerofoilelement større enn det antall rotorblad som ligger mellom det sekundære ringformede aerofoilelement og navelement.

Ifølge et annet trekk ved oppfinnelsen omfatter vindturbinrotoren et ytre ringformet omkretselement forbundet med et ringformet navelement ved hjelp av en rekke radiale liner med stor strekkstyrke, slik at det fås en stiv hjulkonstruksjon, at en rekke rotorblad med aerofoiltverrsnitt er anordnet radialt mellom det ytre omkretselement og navet og er avstøttet av de radiale liner, og at det er anordnet organer for justering av den radiale lengde av rotorbladene, slik at rotorbladenes overflate kan reduseres. Ifølge en utførelse av oppfinnelsen består hvert rotorblad av en rekke malplater med aerofoilform, anordnet i avstand fra hverandre parallelt med og langs de radiale liner, der det til de ytre kanter på malplatene er forbundet en fleksibel membran som danner den ytre flate på rotorbladet og der det er anordnet organer for å bevege malplatene radialt mot og bort fra navelementet, slik at den radiale lengde av rotorbladet kan justeres. Organene for bevegelse av malplatene omfatter minst en line som er bevegbar i radialretningen mellom navelementet og det ytre, ringformede omkretselement.

Noen utførelser av oppfinnelsen skal i det følgende beskrives med henvisning til de medfølgende tegninger, hvor: Fig. 1 er et frontriss av en rotor ifølge oppfinnelsen. Fig. 2 er et snitt lagt langs linjen II-II på fig.l.

Fig. 3 er et sideriss av en alternativ utførelse av

en rotorkonstruksjon ifølge oppfinnelsen.

Fig. 4 er et sideriss av en detalj av sammenstillingen ifølge fig. 1. Fig. 5 er et frontriss av deri på fig*4 viste detalj. Fig. 6 er et frontriss av en annen utførelse av en rotor ifølge oppfinnelsen. Fig. 7 viser en detalj ved aerofoilbladenheten og radiale strekkribber. Fig. 8 viser et tverrsnitt gjennom et ytre ringformet omkretselement for rotorene ifølge fig. 1 og 6. ;Fig. 9 er et snitt av et aerofoilblad.;Fig. 10 er et snitt av et rotorblad.;Fig. 11 er et frontriss av bærekonstruksjonen for et lengdejusterbart rotorblad ifølge en annen utførelse ifølge oppfinnelsen, og viser rotorbladet i fullt uttrukket stilling.. Fig. 12 er et riss i likhet med det på fig. 11, men viser rotorbladet i fullt tilbaketrukket stilling. Fig. 13 og 14 er sideriss av en detalj av de på fig. 11 resp. 12 viste arrangementer. ;Fig. 15 er et snitt gjennom et rotorblad, og;Fig. 16 er et skjematisk frontriss som viser forskjel-lige modifikasjoner av rotorbladarrangementet. ;Det skal nå vises til fig. 1 og 2 på tegningene, der;en vindturbinrotor omfatter et ytre ringformet omkretselement 1 med aerofoiltverrsnitt og en strukturell indre bære-ringenhet eller et nav 2. Det ytre omkretselement 1 er forbundet med navelementet 2 ved hjelp av en rekke radiale liner 3 som har stor strekkstyrke og som f.eks. kan fremstilles av stålwire med stor strekkstyrke, men det foretrekkes å benytte om-mantlede polyamidfilamenter (f.eks. av den type som selges under handelsbetegneIsene "PARAFIL" eller "KEVLAR"); Et sekundært ringformet aerofoilelement 4 som er anordnet konsentrisk med det ytre omkretselement er plassert midt mellom elementet 1 og navet 2. En rekke rotorblad 5 med aerofoiltverrsnitt strekker seg radialt mellom navet 2 og det ytre omkretselemént 1. Rotorbladene 5 avstøttes av grupper av liner 6 med stor strekkstyrke, som strekker seg radialt og som også forbinder det ytre omkretselement 1 med navet 2., ;Navet 2 kan ha enhver ønsket omkrets og kan ha ubestemt aksiel lengde. Navet 2 er opplagret på passende måte på et roterbart bæresystem 7 som er vist mer detaljert på fig. 4 og 5. Bæresystemet 7 omfatter fortrinnsvis en indre ro-terbar ring 8 som navet 2 er forbundet med ved hjelp av bolter 9 eller lignende. Den indre ring 8 er igjen opplagret på en rekke roterbare hjul 10. Som klarest vist på fig. 8 består navet 2 av' en frontring 2a som er forbundet med en bakring 2b ved hjelp av stive diagonalstaver eller fagverk 11 som danner en meget stiv tredimensjonal enhet. ;Fremgangsmåten for avstøtning av aerofoilbladene 5;er f.eks. vist på fig. 7 og 8. Som tidligere forklart er grupper av liner med stor strekkstyrke forbundet mellom navelementet 2 og det ytre omkretselement 1. Disse liner er forbundet med elementene 1 og 2 ved hjelp av bolter eller andre egnede organer og blir plassert på navelementet 2 ;i den mest effektive aerodynamiske stilling. Linene 6 er anordnet diagonalt over navelementet 2, slik som vist på fig. 8, dvs. i en vinkel til rotasjonsaksen, slik at rotorbladene 5 også er anordnet i en vinkel til rotasjonsaksen. Rotorbladene 5 har generelt den på fig. 10 viste tverrsnittsform og har en fremre kant 12 og en bakre kant 13. Det skal påpekes at både den fremre kant og den bakre kant strekker seg radialt i rotoren. ;Som vist klarest på fig. 7 og 10 avstøtter linene 6 aerofoilformede malplater 14 som derved gir de sekundære strekkbæreliner 15 aerofoilform. Aerofoilbladet er fullstendig omsluttet av et ytre dekke 16 som består av en værbestandig plastmembran eller lignende. ;Den generelle tverrsnittsform for det ytre omkretselement 1 ér f.eks. vist på fig. 9. Elementet 1 består ;av en passende utformet fagverksbjelke som ét tredimensjo-nalt rammeverk 2 0 som er krummet og danner en stiv sirku-lær enhet med form og tverrsnitt som for en aerofoil. Konstruksjonen gjøres enda stivere ved hjelp av kontinuerlige sirkulære strekkliner 21 som er tredd periferielt gjennom fagverkskonstruksjonen ved en forspenning av konstruksjons-sammenstillingen mot for store sentrifugalkrefter... Den ytre flate på det ringformede omkretselement 1 er utstyrt ;med et ytre dekke av en plastmembran 22 eller lignende i likhet med dekket 16 på aerofoilbladene. Stramme periferi-elle liner 21a holder piastmembranet 22 i aerofoilf.orm og strekker denne mot konstruksjonsrammeverket 20. Det ytre omkretselement 1 har en fremre, kant 2 3 og en bakre kant 2 4 og disse kanter er ved hjelp av liner 3 forbundet med navelementet. Som vist på fig. 2 kan ytterligere radiale av-stivningsliner 31 være anordnet for å gjøre konstruksjonen enda stivere. I den på fig. 2 viste utførelse er et enkelt mellomliggende og ringformet aerofoilemenent 4 anordnet midt mellom det ringformede element 1 og navet 2. Ringele-mentet 4 er konstruert hovedsakelig på samme måte som ring-elementet 1. I den på fig. 3 viste utførelse er det vist to mellomliggende ringelementer 4 og 4a. I denne utførel-se er det sørget for ytterligere avstivning ved hjelp av tilleggsliner 3 og 31. ;I den på fig. 1 viste"utførelse er aerofoilrotorbladene 5 anordnet radialt på hver side av det midtre ringformede aerofoilelement 4, og■rotorbladene på hver side av elementet 4 er anordnet radialt på linje med hverandre. ;I den på fig. 6 viste utførelse er imidlertid rotorbladene som ligger utenfor det midtre ringformede element 4, anordnet i et større antall enn antallet rotorblad mellom elementet 4 og navet 2. ;Det skal påpekes at ved å benytte liner med stor strekkstyrke fås det en meget stiv hjulkonstruksjon med.enhver ønsket aksial lengde. Linene kan bære et hvilket som helst antall ikke bærende aerofoilformede blad, slik at det oppnås maksimal aerodynamisk rotasjonskraftvirkningsgrad ved alle vindhastigheter. Vindturbinrotoren som er fremstilt i samsvar.med oppfinnelsen er utformet for å tåle alle vindkrefter på lignende måte som for en vel utformet høy-bygning, uten noen som helst henvisning til rotorenhetens rotasjonsfaktor. Det er ikke nødvendig at det ved rotoren ifølge oppfinnelsen tas noe hensyn til vindkreftene, f.eks. ved "giring", avfjæring, bendsling eller tjoring. Vindturbinrotoren ifølge oppfinnelsen er utformet for å ta ut maksimal kraft fra vinden uansett vindhastigheten, byge-effekten og de verst mulige værforhold. ;Uten fordom mot det som er sagt foran kan det under;visse forhold væreønskelig å redusere rotorbladenes over-flateareal, f.eks. når rotoren skal settes opp, eller hvis det skal foretas reparasjoner på dekket på rotoren, hvis det er ønskelig å redusere rotorens hastighet i meget sterk vind. Dette kan oppnås med den utførelse ifølge oppfinnel- ;sen som er vist på figurene 11 til 16.;I denne utførelse er totålkonstruksjonen for rotoren;lik den som er beskrevet med henvisning til fig. 1 til 8,;og samme henvisningstall betegner samme deler. Som i de tidligere beskrevne utførelser har det ytre ringformede om- ■•, kretselement 1 aerofoiltverrsnitt, dvs. det kan virke som en forsterker. Det ytre ringformede omkretselement 1 kan imidlertid ifølge denne utførelse alternativt ha form av en krans, dvs. at det ikke har aerofoiltverrsnitt. Hoved-forskjellen mellom denne utførelse og de tidligere beskrevne utførelser er at det er anordnet organer for å justere den radiale lengde av rotorbladené. ;Arrangementet for å justere den radiale lengde av rotorbladené 5 er vist på fig*11 til 15. I dette arrangement er de aerofoilformede malplater 14 anordnet i avstand fra hverandre langs radiale bæreliner 6. Malplatene 14 er anordnet parallelle med hverandre og ligger i plan som er plassert langs korder til sirkelen gjennom det ytre ringformede omkretselement 1. I den på fig. 11 og 12 viste ut-førelse er det syv malplater 14 som hver er nummerert 14(1) til 14(7). Den radialt sett innerste malplate 14(1) er festet til navet 2 ved hjelp av bolter eller lignende (ikke vist). Bærelinene 6 stikker gjennom hull i malene, slik at målene 12(2) til 14 (7) kan gli radialt langs linene 6. Forskyvning av malene 14(2) til 14(7) langs linene 6 kan oppnås ved hjelp av et par reguleringsliner 6a. Hver reguleringsline 6a er viklet på en linetrommel 18 som er pias- ' sert inne i navet 2, og linen 6a passerer fra en første del av linetrommelen radialt gjennom hullene i hver av malene 14; rundt en lineskive 17 på omkretselementet 1 og tilbake gjennom et annet sett hull i malplatene 14, idet linen der vikles i motsatt retning rundt en annen del av linetrommelen 18. Linen 6a føres lagvis på de respektive deler av line trommelen 18 ved hjelp av føringsskiver 23 (se fig. 13). Lirietromlene 18 drives ved hjélp av reverserbare elektro-motorer 24 hvorfra driften overføres, ved hjelp av en pin-jong 25 som er koblet til motoren og står i inngrep med et kronhjul'19 på en drivaksel for linetrommelen 18. Ved hjelp av dette arrangement kan hver reguleringsline 6a beveges kontinuerlig i en retning rundt lineskivene 17, eller ved å reversere motoren 2 4 kahden beveges kontinuerlig i den mot-satte retning.

Den radialt ytterste malplate 14(7) er permanent fast-speiit . til hver reguleringsline 6a ved hjelp av en spenn- . klemme 26. Hver av malplatene 14(2) til 14(6) er utformet med et par spennklemmer 2 7 som er festet til malplatene der linene 6a passerer disse. Spennklemmene 2 7 kan påvirkes ved hjelp av elektriske solenoider eller elektrohydrauliske eller lignende systemer. Når hver spennklemme 2 7 påvirkes,

gripes linen 6a slik at den fastholder en malplate 14 i fast avstand fra hverandre.

Rotorbladet er på fig. 11 vist i fullt uttrukket stilling, der malplatene ligger i like stor avstand fra hverandre langs bærelinene 6, og spennklemmene 2 7 er påvirket

slik at de griper om linen 6a.som ikke er i bevegelse. For å kunne trekke tilbake rotorbladet blir spennklemmene 2 7

for hver malplate 14(2) til 14(6) iøsgjort fra linen 6a, slik at den kan passere fritt gjennom hver spennklemme. Motoren 2 4 kan da settes i drift for å drive linetrommelen 18, slik åt reguleringslinene 6a vil bevege seg i urvisér-retningen slik det kan sees på fig. 11 og 12. På grunn av at den radialt sett ytterste malplate 14(7) er permanent fastspent til reguleringslinene 6a, vil denne malplate tvin-ges til å gli langs bærelinene radialt innad og vil etter tur skyve malplatene 14(6) til 14(2) radialt mot navet 2. Malplatene 14 er på fig. 12 vist i fullt tilbaketrukket stilling, men der skal påpekes at ved å stoppe motoren 2 4 når malplaten 14(7) er i en ønsket radial stilling på linene 6 og derpå benytte spennklemmene, kan det oppnås en delvis tilbaketrekning av rotorbladerie 6.

Som klarest vist på fig. 13 og 14 er den fleksible membran 16 avstøttet på sekundære faste liner 15 ved hjelp av glideringer 16a, slik at membranen kan bøyes i forhold til linene 15. I intervaller med radial avstand som tilsva-rer avstanden mellom malplatene når rotoren er fullt uttrukket, er membranen festet til omkretskantene på malplatene ved hjelp av nagler eller skruer 16b.

For å strekke ut rotorbladene 5 fra den på fig. 12 viste til den på fig. 11 viste stilling drives motoren i motsatt retning av retningen-for tilbaketrekning av bladet. Derved vil réguleringslinen 6a beveges mot urviserretningen og vil trekke malplaten 14(7) radialt utad. Når malplaten 14(7) beveges radialt utad, vil membranen mellom malplaten 14(7) og malplaten 14(6) trekkes stram, og vil da trekke malplaten 14(6) radialt utad. Hver av malplatene vil trekkes på samme måte utad (se fig. 14) inntil bladet er fullstendig uttrukket. Motoren blir da stoppet og spennklemmene 2 7 settes på for å fastholde malplatene i riktig stilling i for-, hold til hverandre. Det skal påpekes at selv om spennklemmene 27 i den beskrevne utførelse virker på reguleringslinene 6a, vil de alternativt kunne anordnes slik at de virker på bærelinene 6.

Fig. 16 viser på skjematisk måte to separate utførelser som benytter et regulerbart rotorblad ifølge oppfinnelsen.

I segmentene A til C på fig. 16 har rotorkonstruksjonen et nav 2 og et enkelt ytre ringelément 1, mens i utførelsen som er vist i segmentene D til F er et sekundært ringformet aerofoilelement 4 anordnet mellom det ytre omkretselement og navelementet. Med henvisning til segment A viser dette to blad fullt uttrukket<p>g tre blad som er tilbaketrukket om-trent 25% av lengden. Segment B viser alle fem bladene tilbaketrukket. Segmentene D til F viser eksempler på for-skjellige kombinasjoner som kan oppnås i det tilfelle der det benyttes et midtre ringformet aerofoilelement 4. I denne utførelse kan bladene mellom navet 2 og elementet 4 regu-leres i lengden uavhengig av de blad som er beliggende mellom elementet 4 og det ytre omkretselement 1.

Claims (10)

1. Vindturbinrotor, karakterisert ved at den omfatter et ytre ringformet omkretselement (1) med aerofoiltverrsnitt forbundet med ét ringformet navelement (2) ved hjelp av en rekke radiale liner (3,6) med stor strekkstyrke, slik at det fås en stiv hjulkonstruksjon, og at en rekke rotorblad (5) med aerofoiltverrsnitt er anordnet radialt mellom det ytre omkretselement (1) og navelementet (2).

2. Rotor ifølge krav 1, karakterisert ved at et sekundært ringformet aerofoilelement (4) er anordnet konsentrisk med det ytre omkretselement (1) og er plassert mellom det ytre omkretselement (1) og navelementet (2).

3. Rotor ifølge krav i eller 2, karakterisert ved at aerofoilrotorbladene (5) er avstøttet av radiale liner (6) med stor strekkstyrke og at disse liner (6) er forbundet mellom det ytre ringformede omkretselement og navelementet.

4. Rotor ifølge krav 2, karakterisert ved at et første sett aerofoilrotorblad (5) er anordnet radialt utenfor det sekundære ringformede aerofoilelement (4) og at et annet sett av aerofoilrotorblad (5) er anordnet radialt innenfor det sekundære ringformede element.

5. Rotor ifølge krav 4, karakterisert ved at antallet av radiale aerofoilblad (5) som er anordnet mellom det sekundære ringformede aerofoilelement (4) og det ytre ringformede omkretselement (1) er større enn det antall rotorblad (5) som ligger mellom det sekundære ringformede aerofoilelement (4) og navelementet (2).

6. Vindturbinrotor, karakterisert ved at den omfatter et ytre ringformet omkretselement (1) forbundet med et ringformet navelemerit (2) ved hjelp av en rekke radiale liner (3,6) med stor strekkstyrke, slik at det fås en stiv hjulkonstruksjon, at en rekke rotorblad (5) med aerofoiltverrsnitt er anordnet radialt mellom det ytre omkretselement! (1) og navet (2) og er avstøttet av de radiale liner (6) og at det er anordnet organer for justering av den radiale lengde av rotofbladene (5) slik at rotorbladenes overflate kan reduseres.

7. lotor ifølge krav 6, karakterisert ved at hvert av de radiale rotorblad (5) omfatter en rekke malplater (14) med aerofoilform, anordnet i avstand fra og parallelt med hverandre langs de radiale liner, og at det til de ytre kanter på malplatene (14) er forbundet en fleksibel membran (16) som danner den ytre flate på rotorbladet og at det er anordnet organer for å bevege malplatene (14) radialt mot og bort fra navelementet (2), slik at den radiale lengde av rotorbladene (5) kan justeres.

8. Rotor ifølge krav 7, karakterisert ved at organene for å bevege malplatene (14) omfatter minst én line (6a) som er bevegelig i radialretningen mellom navelementet (2) og det ytre, ringformede omkretselement (1) .

9. Rotor ifølge krav 8, karakterisert ved at de radiale bæreliner (6) med stor strekkstyrke passerer gjennom hull i fl-aten på hver malplate (14) slik at malplaten (14) kan gli radialt langs linene, at det er anordnet et par bevegelige reguleringsliner (6a) som passerer gjennom hull i flaten på hver malplate (14) og. at den radialt ytterste malplate(14(7)) er permanent forbundet med reguleringslinene (6a) samt at det er sørget for organer for å bevege reguleringslinene (6a) radialt i mot-satte retninger, slik at den radialt ytterste malplate (14(7)) skal kunne gli radialt langs bærelinene (6), idet dette igjen bevirker at .de andre malplater (14(2)) til (14(6) ) kan gli langs bærelinene (6).

10. Rotor ifølge krav 9 ^ karakterisert ved at organene for å bevege reguleringslinene omfatter en linetrommel som er drevet av en elektromotor (24), og at alle malplatene unntatt den radialt innerste (14(1)) og den radialt ytterste (14(7)) malplate alle er utstyrt med spennklemmer (27) som er avpasset for løsbart inngrep med reguleringslinene (6a).