NO792151L - Vindmaskinsystem. - Google Patents

Abstract

Vindmaskinsystem.

Description

Denne oppfinnelse angår vindmøller og vindmaskiner hvor en flerbladsvifte eller -rotor driver en transmisjon som omdanner rotasjonsbevegelse til frem- og tilbakegående bevegelse for heving og senking av en vertikal stang som driver en vannpumpe eller annen belastning. Ved denne type vindmaskiner er rotoren og transmisjonen montert på et høyt tårn og løfter stangen, pumpesylinderen samt vannet bare ved stangens oppadslag. Ved nedadslaget beveges ikke vannet, men stangen og pumpesylinderen beveges nedad. Nyttig arbeid utføres således bare ved oppad- eller løfteslaget. Lasten påvirkes ikke ved nedadslaget.

Konvensjonelle vindmøller har den vesentlige begrens-ning at de ikke arbeider ved vindhastigheter under ca. 24 km pr. time. Ettersom vindhastigheter lik eller større enn 24 km pr. time bare forekommer på jordens overflate ca. 30 % av tiden, er vindmøllene effektive mindre enn en tredjedel av tiden, selv om der er behov for dem 100 % av tiden. Når vinden midlertidig faller under 24 km pr. time er rotorens momentum vanligvis ikke .tilstrekkelig til å drive rotoren rundt inntil tilstrekkelig vindhastighet igjen opptrer, slik at rotoren stopper og det kan være nødvendig med vindhastigheter større enn 24 km pr. time for å starte den igjen. Hvis ikke et vindkast med slik høy hastig-het opptrer forblir vindmøllen inaktiv.

En har tidligere, forsøkt å forbedre løfteevnen til flerblads-vindmøller av pumpetypen ved utbalansering av vekten av løftestang og vann ved bruk av snorskiver og vekter. Disse har vist seg å være lite praktiske og pålitelige under drift.

Et annet foreslått utbalanseringsarrangement er foreslått i US patentskrift 3 782 222. Dette patentskrift beskriver en utbalanseringsanordning hvor teleskoparmer strekker seg utad fra motsatte sider av en vertikalt bevegelig løftestang i en vindmølle. Armene er dreibart festet til roterbare skiver som bæres av vind- mølletårnet. Til hver skive er festet en fleksibel kabel mellom den vertikalt bevegelige stang og skiven for utbalansering av stangens tyngde. Armene har teleskopseksjoner som kan forlenges eller forkortes for regulering av enhetens hevarmvirkning på stangen. Denne type utbalanseringsanordning er vanligvis istand til å utbalansere ca. 98 % av vekten av den vertikalt bevegelige stang, og vindmøller som er utstyrt med anordningen er istand til å arbeide ved vindhastigheter helt ned til ca. 5 km pr. time. Teoretisk skulle denne type utbalanseringssystem kunne tilpasses for utbalansering av stangtyngden samt i det minste en del av tyngden av pumpet væske for å bistå rotoren under syklusens løfte-fase. Når stangen senkes må imidlertid rotoren avgi effekt for heving av de tunge teleskoparmer. Konvensjonelle vindmøller er ikke konstruert for å skyve en last under syklusens nedfase.

Hvis de må skyve ned en stang med tilfestet pumpesylinder vil transmisjonen komme bort fra eller løftes av sin opplagring på tårnet, tannhjulene kommer i uorden og vindmøllen kommer ut av drift. Vanskelige og tidskrevende reparasjoner kan da bli nødven-dig for å bringe vindmøllen i driftsmessig stand igjen. Konvensjonelle vindmøllers manglende evne til å pumpe eller skyve under arbeidssyklusens nedfase er karakteristisk for alle de flere enn seks millioner vindmøller som hittil er reist. Dette er grunnen til at vindmøller bare brukes for å løfte laster, ikke for å skyve dem ned. Utbalanseringssystemet som anvender teleskoparmer, roterende skiver og forbindelseskabler kan derfor i praksis ikke bidra til å løfte vannet som pumpes, men kan bare bidra til å løfte selve stangen og pumpesylinderen. Dette motvektsystem med teleskoparmer har en rekke ytterligere begrensninger som begren-ser dets generelle bruk. Således er det vanskelig eller umulig på feltet å oppnå nøyaktig justering av teleskoparmenes lengder for å sikre at de begge har samme lengde og er nøyaktig innstilt slik at de bare utbalanserer tyngden av stangen og pumpesylinderen og ikke mer enn denne tyngde. I motsatt fall motvirkes trans-misjonsbevegelsen, teleskoparmene klapper sammen og forbindelses-kablene ryker. Dersom mindre enn tyngden av stangen og sylinderen utbalanseres minsker effekten av utbalanseringén og vindmøl-len kan ikke arbeide effektivt ved lave vindhastigheter.

Videre kommer teleskoparmenes innstilling ofte ut av justering fordi holdeskruene løsner og armseksjonene glir i forhold til hverandre, slik at armlengdene må gjeninnstilles.

Når dette opptrer mens vindmøllen er i drift stopper vindmøllen eller den må stoppes, og vanskelige feltjusteringer av teleskop- . armene må utføres. Dette er ofte en tidkrevende operasjon, under hvilken vindmøllen ikke kan arbeide..

Foreliggende oppfinnelse er rettet mot å overvinne ovennevnte samt andre vanskeligheter og ulemper forbundet med kjente typer av vindmøller og deres motvektsystemer. Foreliggende oppfinnelse tilveiebringer vindmøller eller vindmaskiner med evne til å avgi effekt for drift både under syklusens oppadrettede løftefase og under syklusens nedadrettede skyvefase. Således er det for første gang blitt praktisk mulig å utvide an-vendbarheten av vindmaskiner til andre anvendelser såsom drift av luftkompressorer, varmepumper etc. For første gang er det blitt mulig å konstruere en vindmølle eller vindmaskin som kan skyve ned såvel som løfte opp. Videre kan vindmaskinene benyttes ved alle vindhastigheter større enn ca. 5- km pr. time. Iføl-ge oppfinnelsen er transmisjonen, som kan være en utveksling eller en vekselkasse, montert på vindmølletårnet mellom øvre og nedre lågere, hvilket setter vindmaskinen istand til å skyve nedad såvel som trekke oppad i samvirke med det tilhørende, integrerte motvektsystem. Konvensjonelle stenger som benyttes i. vindmøller er massive elementer med liten diameter, fremstilt av tre eller stål fra 13 til 20 mm diameter. Disse massive elementer med liten diameter kan ikke benyttes for skyving av last idet de vil bøyes eller brekke under en skyvebelastning. Ved foreliggende oppfinnelse har det vertikalt bevegelige element form av et stivt rør eller hul rørformet aksel med stor diameter (f.eks. 75 til 100 mm) slik at vindmaskinen kan benyttes for å skyve en last nedad såvel som for å løfte den oppad ved hastig-heter på 20 sykluser pr. sekund eller mer. Tårnet er konstruert av kvadratiske rør eller bjelker med kvadratisk tverrsnitt som er tilstrekkelig sterke til å motstå de store skyve- og løfte-krefter som vindmaskinen er istand til å frembringe. Videre er tårnet solid forankret i marken for å sette maskinen istand til å skyve ned såvel som løfte opp. Det er tilveiebragt en ny og forbedret motvektsanordning som kan integreres med vindmaskin-konstruksjonen. Den er direkte koplet til det vertikalt bevegelige rør eller aksel. Feltjusteringer er bragt til et minimum eller eliminert ettersom de kan utføres ved fabrikken. Justeringer kan enkelt utføres uten behov for den nøyaktighet som kreves ved de ovenfor omtalte tidligere patenterte motvektsystemer. Den nye motvektsanordning har to stive rørformede armer i hver av hvilke er anordnet en aksielt utstrakt stang som bærer et sylind-risk lodd. Stangen er gjenget og loddet kan beveges langs"stangen og låses på plass. Hver rørarm er skyvbart montert i et glidelager som er dreibart festet til et stasjonært bærelager. Bærelageret er festet til tårnrammen. Armenes indre frie ender er direkte og dreibart festet til det vertikalt bevegelige rør eller den rørformede aksel, slik at armene svinger aksielt mens de dreier i vertikale buer rundt de dreibart opplagrede lager-hylser i bærelagrene. Motvektskonstruksjonen er enklere enn tidligere kjente motvektsystemer og krever mindre deler og mindre justeringer. Når parametre såsom brønndybde, sylinderstørrelse og vertikal akselvekt er kjent kan ved foreliggende oppfinnelse armenes innvendige vekter innstilles ved fabrikken for å oppnå optimal ytelse på feltet. Dette vil eliminere alle forsøksvise justeringer på feltet. Det nye system vil utligne tyngden av den frem og tilbake bevegelige aksel samt en vesentlig del av tyngden av væske som pumpes. Videre kan vindmaskinen benyttes for andre formål enn pumping av væsker, såsom drift av en luftkompressor, varmepumpe, eller annen last som krever både skyving og trekking. Denne oppfinnelse gjør det mulig å utnytte fullt potensialet i vindkraft ved vindhastigheter under 24 km pr. time som opptrer ca. 70 % av tiden i områder nær jordoverflaten, og ved vindhastigheter over 24 km pr. time som opptrer den resterende 30 % av tiden. Fig. 1 er et oppriss sett bakfra, delvis i snitt, av vindmaskinen ifølge oppfinnelsen. Fig. 2 er en del av et sideriss sett langs linjen 2- 2 på fig. 1. Fig. 3 er en del av et horisontalt snitt langs linjen 3- 3 på fig. 1. Fig. 4 er en del av et vertikalt snitt i større målestokk, langs linjen 4-4 på fig. 1. Fig. 5 er et aksialsnitt i større målestokk av en motvektsarm;langs linjen 5-5 på fig. 1. Fig. 6 er et utspilt perspektivriss av deler av mot-vektsarmen. Fig. 1, 2 og 3 viser en vindmaskin eller vindmølle 10 med fire hjørnebjelker 12 av kvadratisk tverrsnitt, som danner

en firesidet ramme. Bjelkenes bunnender er festet til fotplater 16 som fastholdes på plass i grunnen ved hjelp av forankringspe-ler 18. Bjelkene strekker seg oppover og innover mot hverandre for å danne et. tårn. En ringformet plate 20 er festet til-bjelkenes øvre ender. Denne plate danner en nedre opplagring eller lagerflate 21 for kulelagre 22 som bærer en indre lagerring 24, se fig. 4. En vekselkasse 26 er festet til ringen 24. En aksial, vertikal, hul aksel eller rør 27 er festet til tannhjul (ikke vist) i vekselkassen 26. På toppen av vekselkassen er festet en lagerplate 28 på hvilken hviler lågere 30 som er innesluttet i en øvre ringformet bæreplate 32. Platen 32 danner en øvre ringformet lagerflate 34 for lågere 30. En kort aksel 38 strekker seg oppover gjennom et hull 36 i platen 32, idet akselen 38 er festet til platen 28 og bærer en horisontalt avsmalnende vindhylse 40. Fire adskilte bolter 42 strekker seg oppover fra lagerplaten 20 og gjennom hull i platen 32. Muttere 44 holder enheten bestående av lagerplater og bolter sammen. En aksel 4 6 strekker seg horisontalt fra tannhjulene i kassen 26 og bærer en rotasjonsvifte 4 3 som innbefatter et antall radielt anordnede blad 49. Tannhjulsystemet i vekselkassen 26 er en konvensjonell transmisjon slik anordnet at rotasjonsbevegelse fra rotorviften 8 på akselens 46 horisontalakse omdannes til vertikal aksial frem- og tilbakebevegelse av akselen 27. Akselen 27 strekker seg gjennom en styrehylse eller krage 47 fastholdt i stag 47' festet til hjørnebjelkene 12.

Vindhylsens 40 brede ende dreier opp mot vinden slik at rotasjonsbladenes 49 akse vender mot vinden. Under bladenes omdreining beveges akselen 27 opp og ned. Når akselen senkes eller skyves aksielt nedad utgjør den øvre plate 32 en skyve-lagerflate for akselen 27 og enhver belastning på denne såvel som for transmisjonsvekselkassen 26 og tannhjulene i denne. Når akselen 27 løftes aksielt danner den nedre lagerplate 20 løfte-lagerflate 21 for tyngden av akselen 27 og enhver belastning som måtte bæres av akselen. Ved det beskrevne arrangement kan vindmaskinen 10 arbeide både under den oppadrettede løftefase og den nedadrettede skyvefase, syklisk under akselens 27 vertikale opp og ned bevegelse.

For å lette bevegelsen av akselen 27 er der anordnet en motvekts.anordning 50 innbefattende to motvektsarmer 52 som er innrettet til å beveges i et diametralt vertikalplan gjen nom akselen 27. Armene er anordnet på motsatte sider av akselen 27 og strekker seg radielt utad. Akselen 27 kan beveges aksielt vertikalt oppad og nedad, men kan ikke rotere. To par braketter 54 er festet til motsatte sider av akselen 27. Et rektangulært, omvendt U-formet tapplager 56 er ved hjelp av stag (ikke vist) festet til hvert par adskilte sidebjelker 12, se fig. 1, 5 og 6. Tapplageret har nedadragende ben 58 som bærer en lagerhylse 60. Aksialt på linje anordnede tapper 62 er montert i sokkelhull 63 på motsatte sider av hylsen 60. Tappene er opptatt i hull 66 i benene 58 slik at hylsen kan dreie fritt i en bue om en horison-tal akse, mens tapplageret 54 forblir stasjonært.

Et rør 68 er aksialt forskyvbart i hver hylse 60. Ved sin indre ende avsluttes røret i en gjennomhullet flens 70 som ved hjelp av en tapp 72 er dreibart festet til et par braketter 54. Innvendig i røret 68 er anordnet en gjenget ring 74 som bæres av radielle armer 75 som er festet til rørets 68 inner-vegg. Et gjenget hull 76 er innrettet aksielt på linje med aksen til røret 68. En gjenget stang 76 står i inngrep med ringen 74 og strekker seg aksielt ut av røret for å ende i et hode 77. På røret 68 er anordnet en kapselmutter 80 med et midtre hull 82 - gjennom hvilket stangen 78 strekker seg. En låsemutter 84 på stangen låser stangen på plass i røret 68. Et massivt metallodd 86 står i inngrep med stangen innvendig i røret 68. Loddet er sylinderformet og har en aksielt gjenget boring 88. Loddets stilling langs stangen 78 kan justeres ved å dreie enten stangen eller loddet idet én av delene holdes stasjonært. Loddet holdes i ønsket stilling langs stangen ved hjelp av en låsemutter 90 som tiltrekkes mot enden av loddet. Loddene 86 bringes lett i stilling for ønsket utbalansering av akselen 27 og den skyve--eller trekkelast som skal ansettes. Med låsemutterene 84 løse og kapselmutterene 80 fraskrudd rørene 6 8 kan enhetene bestående av stenger 78 og lodd 86 dreies inntil hver mutter 90 og lodd 86 er frilagt for endring av loddenes stilling. Deretter kan mutteren 90 løses og loddet kan dreies med hånden eller med en nøkkel mens stanghodet 76 holdes stasjonært. Alternativt kan loddet holdes stasjonært mens stangen 78 dreies. Når loddene på begge stenger 78 er i vesentlig samme avstand fra stengenes ytre ender, tiltrekkes låsemutterene 90 mot loddene og stengene 78 innføres i samme dybde i rørene 68.

Ved drift av vindmaskinsystemet antas først at systemet benyttes som en pumpeløf teanordning' som hever vann aksielt opp i et vertikalt rør 84 som strekker seg ned i grunnen G, se fig. 1. Motvektsarmene 52 er slik innstilt at de utbalanserer vekten av akselen 27, pumpestangen 95, sylinderen 96, og en del eller hele tyngden av vann 98 som oppebæres av sylinderen. Vannet renner ut av sideutløpsrør 99. Pumpingen■finner sted i akselens 27 løftefase, og bunnplaten 20 bærer hele tyngden. Idet røret 27 beveges oppover dreier motvektsarmene 52 nedover til de med brutt linje viste stillinger i fig. 1. For å bevege akselen 2 7 nedover er det nødvendig å overvinne den oppadrettede kraft fra motvektsarmene 52. Tannhjulene i trans-misjonshuset 26 virker nå i skyvefasen og lagerplaten 32 motvir-ker nå skyvekraften. Det skal forståes at loddene i rørene 68 ikke trenger å være plassert med mikrometrisk nøyaktighet, ettersom vindmaskinen er istand til å arbeide under skyvefasene såvel som under løftefasene. Dette i motsetning til tidligere kjente motvektsystemer hvor motvektsmekanismen bare kan benyttes for

utbalansering av tyngden av de frem og tilbake bevegelige pumpe-deler, men ikke til effektiv utbalansering av noen del av lasten, slik at motvektene i henhold til den kjente teknikk må innstilles nøyaktig for utbalansering utelukkende av tyngden av den vertikalt bevegelige stang og sylinder.

Foreliggende oppfinnelse gjør det også mulig å be-nytte vindmaskinen for andre formål enn vannpumping. F.eks. kan vindmaskinen benyttes til å drive en luftkompressor, varmepumpe eller annen maskin hvor skyving er hoved-lastbærefasen, eller hvor både skyve- og trekkfasene er nødvendige for å drive lasten eller den drevne maskin.

Det fremgår av ovenstående at vindmaskinsystemet ifølge oppfinnelsen er ista/id til å pumpe væsker eller utføre annet arbeid ved å omdanne rotorens dreiebevegelse til frem- og tilbakegående bevegelse av det vertikale rør eller aksel. Systemet er istand til å utøve forutbestemte og regulerbare løfte-krefter og nedadrettede skyvekrefter på den vertikalt frem og tilbake bevegelige aksel. Systemet er videre istand til å utbalansere en forutbestemt og regulerbar del av de statiske belastninger og dynamiske frem og tilbake bevegelige belastninger. Det skal bemerkes at de skyvbare armer er stive og uten teleskop-deler. De justerbare lodd er separat, bevegelig og regulerbart montert.i eller på armene. Armene er direkte forbundet med den vertikalt frem og tilbake bevegelige aksel uten mellomliggende fleksible kabler. Den nye mot<y>ektsanordning er stivt og meka-nisk festet til den vertikale aksel og tårnet, slik at feltjusteringer og kritiske installasjonsprosedyrer elimineres og/eller vesentlig reduseres, samtidig som hurtige systemjusteringer om nødvendig kan utføres, såsom bevegelse av motvektene og bevegelse av armene i forhold til transmisjons-utvekslingen eller vekselkassen for optimal "timing".

Av det foregående vil det forstås at vindmøller hittil er blitt bygget og drevet utelukkende for løfting av laster. Fagmenn på området har tidligere hverken innsett behovet for eller erkjent fordelene ved vindmøller som kan drive laster både under nedskyvningsfasen og opptrekkingsfasen. Foreliggende oppfinnelse gjør det mulig å utnytte vindmaskiners potensial over et vesentlig større anvendelsesområde enn det hittil har vært mulig. Det er tilveiebragt en vindmaskin som kan drive en vertikal aksel som bærer en utvendig last opp og ned med samme maksi-malkraft under hver av akselens opp- og ned-sykluser. Videre er det tilveiebragt en mer pålitelig motvektsanordning som muliggjør kontinuerlig drift ved vindhastigheter fra ca. 5 km pr. time og oppover, slik at vindmaskinenes og vindmøllenes fulle potensial kan utnyttes.

Selv om en foretrukket utføringsform av oppfinnelsen er beskrevet kan mange modifikasjoner tenkes. F.eks. kan de for-skyvbare motvektsrør erstattes av riflede eller slissede aksler som er forskyvbart eller dreibart opplagret i tårnrammen, og dreibart og/eller forskyvbart forbundet med motsatte sider av den vertikale aksel. De riflede aksler vil bære lodd hvis stilling kan reguleres. Som en annen alternativ modifikasjon kan de.regulerbare lodd monteres på motvektsarmenes yttersider, uten de innvendige stenger. Fagmenn på området vil lett innse andre modifikasjoner uten å avvike fra oppfinnelsens ramme som angitt i ved-lagte krav.

Claims (10)

1. Vindmaskinsystem innrettet både til å løfte opp og skyve ned en ytre last, innbefattende en bæreanordning, transmi-sjonsorganer montert på bæreanordningen og anordnet for å omdanne dreiebevegelse til frem- og tilbakegående bevegelse, en vinddrevet rotor som er tilkoplet for drift av transmisjonsorganene, en vertikal aksel koplet til transmisjonsorganene, karakterisert ved at den vertikale aksel (27) beveges syklisk frem og tilbake ved hjelp av transmisjonsorganene (26) når rotoren (48) roterer, samt monteringsorganer (20, 21,

22, 24, 28, 30, 32, 34, 42, .44) som er innrettet til å tilbake-holde og fastholde transmisjonsorganene på bæreanordningen på en slik måte at transmisjonsorganene skyver akselen ned og trek-ker akselen opp under hver av akselens frem- og tilbakegående sykluser.

2. Vindmaskinsystem ifølge krav 1, karakterisert ved at monteringsorganene innbefatter et første lager (22) som mothold mot løftekrefter som virker gjennom akselen, og et andre lager (30) som mothold mot nedadrettede skyvekrefter som virker gjennom akselen.

3. Vindmaskinsystem ifølge krav 2, karakterisert ved at det første lager er under transmisjonsorganene og det andre lager er over transmisjonsorganene.

4. Vindmaskinsystem ifølge krav 1, 2 eller 3, karakterisert ved motvektsorganer (50) for utbalansering av ønsket mengde av lastene.

5. Vindmaskinsystem ifølge krav 4, karakterisert ved at motvektsorganene (50) innbefatter: stive ikke-teleskopiske armer (52) som er opplagret i bæreanordningen ved motsatte sider av akselen og forbundet med akselen slik at armene dreier i vertikale plan når akselen beveges vertikalt opp og ned, samt lodd (86) som bæres av armene og hvis stilling kan reguleres til ønsket avstand fra akselen slik at forutbestemte og regulerbare deler av lastene utbalanseres når akselen beveges opp og ned.

6. Vindmaskinsystem ifølge krav 5, karakterisert ved organer for løsbar låsing av loddene i stilling på armene.

7. Vindmaskinsystem ifølge krav 6, karakterisert ved at armene er dreibart forbundet ved én ende til motsatte sider av akselen for bevegelse sammen med akselen.

8. Vindmaskinsystem ifølge krav 7, karakterisert ved organer som skyvbart understøtter armene ved bæreanordningen.

9. Vindmaskinsystem ifølge krav 5, karakterisert ved at armene har rørform og at loddene er bevegelig anordnet i armene.

10. Vindmaskinsystem ifølge krav 9, karakterisert ved stenger innvendig i armene, idet loddene er bevegelig anordnet på armene.