NO784315L - Stigningsregulator for rotorbladene paa en vindmotor - Google Patents

Description

"Stigningsregulator for totorbladene

på en vindmotor".

Foreliggende oppfinnelse angår en stigningsregulator for rotorbladene på en vindmotor.

Det er kjent at effektytelsen til en vindmotor med rotorblader som har fast stigning øker proporsjornalt med tredje potens av vindhastigheten, mens de krefter som virker på bladene øker pro-porsjonalt med kvadratet av vindhastigheten.

Det er derfor nødvendig å beskytte vindmotoren mot skader når vindhastigheten overstiger en bestemt øvre grense, idet de krefter som virker på rotorbladene og den omsatte effekt i motsatt fall kan komme opp i slike verdier at det medfører skade eller øde-leggelse av motoren og de mekanismer som er tilkoblet motoren.

Det er kjent å beskytte vindmotorer ved hjelp av passende varia-sjon av stigningen til rotorbladene. Stigningen kan reguleres slik at kreftene som virker på bladene og den omsatte effekt reguleres på en slik måte at kreftene og effekten holdes under verdier som kan medføre skader.

Slik stigningsregulering oppnås vanligvis ved at det på motoren monteres en innretning for å variere stigningen til rotorbladene. Imidlertid er kjente innretninger av denne type kompliserte og kostbare på grunn av at de omfatter et stort antall komponenter.

Et formål med den foreliggende oppfinnelse er å komme frem til

en stigningsregulator for rotorbladene til en vindmotor som er av enkel konstruksjon og som gir en sikker styring av den av-

gitte effekt fra motoren.

I henhold til oppfinnelsen er det kommet frem til en stigningsregulator for en vindmotor med blader som kan dreies om sine lengdeakser for å variere stigningen, og regulatoren kjennetegnes ved at et aksialt forskyvbart element er innrettet til å forskyves langs aksen til rotoren, hvilket element har en arm for hvert rotorblad, hvilken arm ved hjelp av en kamanordning er tilkoblet en dreiearm forbundet med et tilhørende rotorblad, for å bevirke aksial forskyvning av elementet når rotorbladet dreies om aksen for stigningsregulering, og en fjæranordning er innrettet til å virke på elementet med en aksialkraft som virker mot den forandring av stigningen som skjer på grunn av vindkreftene mot bladet under bruk.

Stigningsregulatoren i henhold til den foreliggende oppfinnelse oppviser den fordel at den er av en enkel konstruksjon, og kam-anordningen og fjæranordningen kan velges, og i noen utførelses-former justeres, slik at det skjer en automatisk regulering av bladenes stigning på en slik måte at belastningen på bladene redu-seres når vindkreftene på bladene overstiger en forut bestemt verdi, slik at det unngås•overbelastning av rotoren eller motoren som rotoren utgjør en del av.

Oppfinnelsen skal i det følgende beskrives nærmere ved hjelp av

et eksempel, under henvisning til de vedføyde tegninger.

Fig. 1 viser, delvis i snitt, en del av en stigningsregulator i henhold til en utførelsesform av oppfinnelsen, sett forfra. Fig. 2 viser regulatoren, sett delvis i snitt, i retning av pilen II i fig. 1. Fig. 3 er en grafisk fremstilling av den avgitte effekt som funk-

sjon av vindhastigheten, for forskjellige stigningsvinkler.

I fig. 1 er vist en navkapsel 4 med aerodynamisk form, innrettet til å beskytte regulatoren. Navkapselen 4 er laget av plast eller annet passende material. Rotornavet bærer flere rotorblader 6 anordnét med jevne vinkelavstander rundt aksen til rotoren, og ved den viste utførelsesform er det tre slike blader 6, av hvilke bare ett er vist. Rotornavet omfatter også en plan skive 7 som den bakre kant av navkapselen 4 er festet til, idet skiven 7 er festet til en ende av en rotoraksel 8.

I det følgende skal beskrives mekanismen for regulering av stigningen til et rotorblad 6, idet det vil forstås at samme type mekanisme er tilkoblet hvert av de øvrige blader.

Dreieaksen 9 for stigningsregulering av bladet 6 er slik plassert

i forhold til angrepspunktet 10 for de aerodynamiske krefter 11

som virker på bladet 6 (vist med strek-punktlinje i fig. 2),, at kreftene utøver et moment om dreieaksen 9 på en slik måte at mo-mentet søker å øke stigningen til bladet 6.

Sentrifugalkreftene som virker på bladet 6 utbalanseres ved hjelp av kjente midler, f.eks. motvekter (ikke vist).

Bladet 6 bæres av en aksel 12 som er koaksial med dreieaksen 9

og ligger i tverr-retning av navkapselen 4. Akselen 12 er lagret i to lågere 16, og et avstandselement 18 er anordnet mellom lagerne. Lagerne 16 er montert i en hylse 20 som er festet til skiven 7

ved hjelp av et par festeelementer 22 som er sveiset til skiven 7.

På den ende som vender bort; fra bladet 6 har akselen 12 et gjenget parti 24 og et ytre parti 26 med minsket diameter. En ringmutter 28 er skrudd inn på det gjengede parti 24, slik at endeflatene til lagrene 16 trykkes aksialt mot avstandselementet 18.

En dreiearm 14 er festet til partiet 26 på akselen 12, og dreiearmen 14 holdes på plass på endepartiet ved hjelp av en Seeger-

ring 30. Dreiearmen 14 er i kileforbindelse med akselen 12,

slik at den hindres i å dreie i forhold til akselen.

En kamfølger-rulle 32 ér festet til den frie ende av dreieakselen 14. Rullen 32 kan bevege seg langs en passende profilert sliss 33 i en av flere armer 34 (i dette tilfellet tre), hvilke armer er anordnet med jevne innbyrdes vinkelavstander og rager utover fra en ringformet krave 36. Ved den viste utførelsesform er de tre armer 34 anordnet i 120° innbyrdes vinkelavstand, og har like profiler i slissene.

Armen 34 kan ha en ytre kamflate eller en annen type kam i stedet for slissen 33. F.eks. kan kammen være festet til armen 34 på en slik måte at den kan løsnes, f.eks. ved hjelp av skruer eller lignende. Et slik arrangement har den fordel at kammen på en enkel måte kan skiftes ut med en annen kam med ønsket profil, der-som det er ønskelig å forandre karakteristikken for overføring av bevegelsen.

I henhold til en utførelsesform har rullen 32 og slissen 33 byttet plass, slik at rullen 32 befinner seg på armen 34 og slissen 33, eller en ekvivalent/.kam, er utformet på eller bæres av dreiearmen 14. Dessuten kan en glidende kamfølger samvirke med kammen, i stedet for rullen 32.

Den ringformede krave 3 6 kan forskyves aksialt på en hul sylinder

38 som er koaksial med rotoraksen. Et endeparti av sylinderen 38 er forsynt med utvendige gjenger 4 0 som en ringmutter 42 er skrudd inn på. Sylinderen 38 er festet til skiven 7. Ringmutteren 4 2

er avtrappet, med en flate 4 4 som har minsket diameter og er ført inn i en skruefjær 4 6 som har anlegg mot den skulder som er dannet i avtrapningen, og den annen ende av fjæren 46 ligger rundt en ringformet forhøyning 47 på flensen 36. Forspenningen til fjæren 4 6 kan justeres ved at ringmutteren 4 2 skrus langs gjengene 40 på sylinderen 38.

Sylinderen 38 har utvendige, aksiale spor 48 (to i det viste

eksempel), i hvilke er innført kiler 50 for å feste kraven 36

til sylinderen 38 slik at kraven 3 6 kan forskyves aksialt på sylinderen 38.

Et stempel 52 kan forskyves inne i den hule sylinder 38. Stempelet 52 har i det minste to gjennomgående hull 52a med forskjellige diametre, og for hvert hull er det anordnet en enveis-ventil, for å dempe mekaniske vibrasjoner, av bladet 6 om aksen 9. Sylinderen 38 og stempelet 52 virker således som en støtdemper. Stempelet 52 er forbundet med den ringformede krave 3 6 via en skive 53 som er tilkoblet stempelet 52 via en stempelstang 60 og er forbundet med kraven 36 via en stav 62. Sylinderen 38 har en endevegg 64 som stempelstangen 60 er ført gjennom, med passende tetning. En ringformet kapsel 68 er påskrudd et gjenget parti 66 på endeveggen 64. Mellom endeveggen 64 og kapselen 68 er dannet et ringformet rom for anbringelse av tetningsringer 70.

Det indre av sylinderen 3 8 er fylt med et fluid som demper be-vegelsene til stempelet 52 inne i sylinderen 38. Dette fluid er fortrinnsvis luft, slik at periodisk etterfylling av sylinderen 3 8 er unødvendig.

Regulatoren er fortrinnsvis slik utformet at den virker i henhold til de karakteristikker som er vist grafisk i fig. 3, der vindhastigheten VQ er angitt langs abscisseaksen og effekten P som avgis av vindmotoren er avsatt langs ordinataksen.

Vq^er den vindhastighet som bevirker at motoren begynner å rotere, og Vn.„ er den vindhastighet der stigningsregulatoren begynner å virke. Mellom vindhastighetene VQ1og VQ2arbeider motoren med rotorbladene i fast stigning. I punktet 80, dvs. ved vindhastigheten Vq2'der regulatoren begynner å virke, stiger effektkurven 82 bratt. For å hindre en stor økning av den avgitte effekt ved hastigheter større enn VQ2, dvs. forbi punktet 80, hvilket kan medføre skader på motoren, reguleres effekten som funksjon av vindhastigheten ved hastigheter større enn Vq2«Reguleringen kan følge linjen 84 (konstant effekt) eller linjene 86 eller 88, etter hva som er ønskelig. Det nøyaktige forhold mellom avgitt effekt P og vindhastighet V. (f.eks. linjen 84, 86 eller 88) av-henger først og fremst av profilet til slissene 33 eller ekviva-lente kammer, og for det annet av belastningen på fjærene 4 6 og geometrien i mekanismen for overføring av den stigningsregulerende bevegelse for hvert rotorblad.

Jo mer profilet til slissen 33 er skrådd innover i forholdet til den sirkelbue som rullen 32 beskriver når stigningen til bladet 6 (vist med strek-punktlinje i fig. 2) forandres, desto større vil sammentrykningen av fjæren 4 6 være for en gitt dreining av bladet 6 om aksen 9, og desto større vil derfor dreiemomentet som kraften 46 utøver på akselen 12 være. Linjen 86 representerer en effekt P som ved vindhastigheter Vq større enn hastigheten øker med vindhastigheten som følge av en sliss 33 som forløper mest radialt innover av de viste' tilfeller.

For hvert av rotorbladene 6 på vindmotor en er det ".en tilhørende aksel 12 og lågere på skiven 7, en dreiearm 14, en sliss 33 eller en ekvivalent kam samt en arm 34 på kraven 36, tilkoblet dreiearmen 14, slik som beskrevet ovenfor. Det er anordnet en stav 62 for hvert blad, for å forbinde den ringformede krave 36 med skiven 53, og stempelstangen 60 samt stempelet 52 er felles for alle bladene. I det følgende skal beskrives virkemåten for den beskrevne stigningsregulator i henhold til oppfinnelsen.

Når motoren ikke roterer trykker fjæren 4 6 mot skulderen 4 7 på kraven 36, som via slissen 33 og rullen 32, den tilhørende dreiearm 14 og akselen 12 holder bladet .6 i den stilling der stigningen er minst mulig, idet bladet ved små vindhastigheter mellom V^^og V _ (fig- 3) arbeider med fast stigning. Når rotoren drives av vind med hastighet mindre enn er ikke de aerodynamiske krefter 11 som virker på bladet 6 tilstrekkelig til å overvinne den kraften som fjæren 46 utøver mot kraven 36, og bladet 6 holder seg i den utgangsstilling som er vist i fig. 1 og 2.

Ettersom vindhastigheten øker øker også de aerodynamiske krefter mot bladet 6, og når vindhastigheten er kommet til verdien vil de overførte krefter overvinne forspenningen i fjæren 46. Bladet 6 dreies derved om aksen 9 i en slik retning at stigningen øker, og kraven 3 6 forskyves til en likevektstilling som tilsvarer en bestemt stigning for en bestemt vindhastighet, idet kompresjonen av fjæren 46 er i likevekt med de krefter som over-føres til kraven 3 6 fra bladene 6.

Den aksiale forskyvning av kraven 36 på sylinderen 38 bevirker også en forskyvning av stempelet 52 som er forbundet med kraven 36 via stavene 62, skiven 53 og stempelstangen 60. Denne forskyvning av stempelet 52 i sylinderen 38 har en vibrasjons^dempende virkning på grunn av fluidstrømmen gjennom hullene 52a og enveisventilene i stempelet 52. Dette demper vibrasjoner som kan oppstå på grunn av massetreghet i bladene 6 og mekanismen som er tilkoblet bladene når bladenes stigning forandres.

Likevektstillingen, dvs. den stigning som tilsvarer en gitt vindhastighet, er avhengig av kammekanismen som er tilkoblet bladene og forspenningen i fjæren 46. Både kammene og fjæren kan raskt skiftes ut for å oppnå en bestemt karakteristikk for stigningsregulatoren.

Stigningsregulatoren i henhold til den foreliggende oppfinnelse kan anvedes for forskjellige typer vindmotorer, også slike der rotorene er festet på vindsiden av et tårn eller en søyle og slike motorer der rotorene er festet på le-siden av et tårn eller en søyle. Rotoren kan også omstilles fra å brukes på vindsiden til å brukes på le-siden, ved at bladene monteres i en utgangsstilling som forandres 180° om aksen for stigningsjustering.

Claims (12)

1. Stigningsregulator for en rotor til en vindmotor, med blader som kan dreies om sine lengdeakser for å variere bladenes stigning, karakterisert ved at det er anordnet et aksialt forskyvbart element (36) for forskyvning langs aksen til rotoren, hvilket element har en arm (34) for hvert rotorblad (6), idet hver arm via en kamanordning (32, 34) er forbundet med en dreiearm (14) forbundet med det tilhørende rotorblad (6), for å bevirke aksial forskyvning av elementet (36) når bladet dreier om sin akse (9) for stigningsregulering, og at en fjæranordning (46) utøver en aksialkraft mot elementet (36), hvilken kraft virker mot den forandring av stigningen som forårsakes av vindkreftene mot bladet under bruk av rotoren.

2. Regulator som angitt i krav 1, karakterisert ved at hver kamanordning omfatter et kamfølgerelement (32) som bæres av dreiearmen (14) samt en kam (33) på armen (34) i kontakt med kamfølgerelementet.

3. Regulator som angitt i krav 1, karakterisert ved at hver kamanordning omfatter et kamfølgerelement festet til armen (34) og en kam på dreiearmen (14) .

4. Regulator som angitt i krav 2 eller 3, karakterisert ved at kamfølgerelementet omfatter en rulle.

5. Regulator som angitt i krav 2 eller 3, karakterisert ved at kamfølgerelementet omfatter et glideelement.

6. Regulator som angitt i krav 2-5, karakterisert ved at hver kam er dannet av en sliss som kamfølgerelementet er ført inn i.

7. Regulator som angitt i krav 2-5, karakterisert ved at hver kam er dannet som en ytre kant eller flate på den del som holder kammen.

8. Regulator som angitt i krav 2-7, karakterisert ved at hver kam er dannet på et element som er løsbart festet til det element som bærer kammen.

9. Regulator som angitt i krav 1-8, karakterisert ved at aksen (9) for stignings-reguler ing av hvert blad (6) er slik beliggende i forhold til angrepspunktet (10) til de aerodynamiske krefter (11) som virker på bladet at det moment som påvirker bladet på grunn av disse krefter virker til å øke stigningen til bladet.

10. Regulator som angitt i krav 1-9, karakterisert ved at det aksialt forskyvbare element (36) er tilkoblet en demperanordning (38, 52).

11. Regulator som angitt i krav 10, karakterisert ved at demperanordningen omfatter en sylinder (38) festet til rotoren (7) og et stempel (52) som kan forskyves inne i sylinderen og omfatter trange kanaler (52a), idet stempelet er forbundet med elementet (36) på utsiden av sylinderen (38).

12. Regulator som angitt i krav 11, karakterisert ved at elementet omfatter en krave (36) som omgir sylinderen (38) og er i kileforbindelse med denne for å kunne forskyves i lengderetningen i forhold til sylinderen.