SE521358C2 - Turbin avsedd för ett gas- eller vätskeformigt arbetsmedium, speciellt en vindturbin i ett vindkraftverk - Google Patents

Description

5212 3 5 8 -äfïïfïïffïïâfz lösningen inte kan rättfärdigas. Denna typ av vindturbin tillverkas därför inte längre.

En lösning på problemen med den tvåbladiga stela vindturbinen blev gungnavet, som utmärks av att de bägge bladen är stelt infästa till ett nav, vilket i sin tur är ledat till turbinaxeln. Det amerikanska pat- entet US 4,565,929 visar ett exempel där turbínen kan röra sig :70 innan gungstoppen tar i. Principen fungerar bra normalt, vilket innebär att utmattningsförhållandena är gynnsamma. Vid extrema vindförhål- landen med hög turbulens och vindskjuvning kan emellertid sådana i- slag i gungstoppen inträffa att de resulterande momenten blir värre än för en turbin med stelt nav. Det kritiska är alltså extremlastfallen. Inte heller turbiner med denna enkla form av gungnav har därför vunnit någon större spridning.

För att råda bot på problemen med extremlasterna har föreslagits att ändlägesstoppen kompletteras med dämpning så att gungrörelsen skall kunna kontrolleras. Ett exempel är det amerikanska patentet US ,354, 175 där gungrörelsen föreslås begränsas genom en styrbar hyd- raulisk dämpning. Inte heller dessa navtyper har fått någon spridning på grund av att man saknat kunskap om hur ett sådant nav bör kon- strueras, för att, under vissa förhållanden, undvika att en kraftig förstärkning av störkrafter i systemet skall uppträda.

Uppfinningens idé Till grund för uppfinningen ligger uppgiften att utforma ett system för en turbin, speciellt ett system för en vindturbin i ett vindkraftverk, som medför att effekterna av de obalanskrafter som uppstår av ojämn- heter i vindfältet och därmed riskerna för utmattning och extremlaster i konstruktionen kan minimeras.

Uppfinningen har sin grund i insikten av att en, exempelvis två- bladig, vindturbin med en gungled med viss styvhet, teoretiskt kan betraktas som ett massa-fjäder system enligt klassisk mekanik. lO 521 3358 Vindfältet utmärks dels av en systematisk variation, så att det i medeltal blåser mer under den övre delen av turbinvarvet, vindskjuv- ning, dels av en slumpmässig variation, turbulens. Det inses att vind- skjuvníngen ger en lastcykel per turbinvarv, betraktat i ett med tur- binen medroterande koordinatsystem. Även den i sammanhanget min- dre betydelsefulla tornskuggan (den störda luftströmningen omkring tornet) ger samma variation. Efter ytterligare eftertanke inses, att även turbulensen kommer att ge huvudsakliga komponenter som har samma frekvens. T urbinbladen rör sig ju snabbt (50-100 m/ s) jämfört med vin- den (ca 5-25 m/ s) och därmed störningarna i vinden. Således kommer varje turbinblad att träffa en viss vindstörning ett flertal gånger, vilket leder till att den resulterande störningen också i detta fall får en fre- kvens oastöming som överensstämmer med rotationens vinkelfrekvens (Ûrotation, dVS l 1) (Dstörning: (Ûrotation Denna frekvens benämns i det följande störfrekvensen.

Det bör observeras att ovan nämnt förhållande gäller i ett med turbínen medroterande koordinatsystem, vilket är relevant för de krafter som påverkar turbinen. I ett koordinatsystem som utgår från maskin- huset eller tornet kommer störfrekvensen att uppfattas som proportion- ell mot produkten av bladantal och rotationsfrekvens.

Flertalet vindturbiner i dagens vindkraftverk arbetar med ett varv- tal (vinkelfrekvens), som varierar med ett värde av normalt några proc- ent, vilket beror av den vanligen använda asynkrongeneratorns efter- släpning. Genom att utforma generatorn speciellt, kan detta värde ökas till storleksordningen tio procent. Detta innebär att man i stället för ett fast varvtal arbetar med ett varvtalsorriråde. Det förekommer också generatorer med dubbla lindningar, vilka kan drivas vid två skilda varv- talsområden. Med speciella elektriska lösningar kan man uppnå att lO 521 558 4 varvtalet kan styras till valfritt område, vanligen lågt vid svag vind och högt vid stark vind. Vid betraktande av föreliggande uppfinning avses med rotationens vinkelfrekvens mmtaüon det högsta varvtalsområde som används vid normal, nätansluten drift. Att man kan göra så hänger samman med att de höga varvtalen används vid de medelhöga och höga vindhastigheter som ger vindkraftverket full effekt, vilket är de driftfall som är avgörande för dimensioneringen.

Turbinens masströghetsmoment Jtufbin omkring gungaxeln kan beräknas. Navets bidrag är dock försumbart, varför turbinens mass- tröghetsmoment kan approximeras som bladens masströghetsmoment.

Leden antas vara av en typ där rörelsen hela tiden motverkas av fjädrar, vilket innebär att man kan härleda en fiäderkonstant k för denna led.

Denna fjäderkonstant är således ett mått på ledens styvhet. Enligt klassisk mekanik kan nu turbinens egenfrekvens cofesonans relativt gung- leden skrivas <2) = « k /Jiufbfni Denna benämns fortsättningsvis gungledens egenfrekuens. Det bör observeras att, för ökad tydlighet, centrifugalkraftens stabiliserande inverkan på gungrörelsen, centrifugalkraftsuppstyvningen, inte redovisas här.

Med syfte att klargöra hur ett dylikt massa-fiäder system generellt svarar på en varierande störfrekvens har förstärkningen, dvs förhål- landet mellan systemets och störningens amplituder, som funktion av förhållandet mellan störfrekvens och egenfrekvens, studerats. Systemet har kompletterats med en måttlig dämpning, vilket svarar mot verkliga förhållanden där luften kommer att dämpa turbinbladens gungrörelse samt att leden eventuellt har försetts med dämpande element. 521 358 <æ3¿g3¿_p“: Det framkommer härvid att om störfrekvensen wstöfning är låg jämfört med gungledens egenfrekvens wfesonans, dvs driften är under- kritisk enligt klassisk mekanik, blir svaret något större än störningen, dvs förstärkningen är strax över 1. Detta svarar mot ett idealt nav med en relativt hög grad av styvhet. Vidare framkommer att om störfrekvens och egenfrekvens är lika, vilket innebär att driften är kritisk, inträder en stor förstärkning av störningen. Man kan förmoda att denna effekt har uppkommit vid tidigare försök med gungnav med mothållande fjädrar.

När slutligen störfrekvensen är högre än egenfrekvensen, vilket innebär att driften är överkritisk, blir svaret klart lägre än när frekvenserna är lika.

De redovisade fallen illustrerar förhållandena under normal drift.

Med ett utförande med en viss styvhet i gungleden vinner man dess- utom att fallen med extrem turbulens och vindgradient, som inträffar ett begränsat antal gånger under verkets livstid, kan tas om hand med måttliga laster och gungutslag.

Det är förhållandena under normal drift som i första hand avgör utmattningen av konstruktionsmaterialen, medan de extrema driftfallen helt naturligt avgör extremlasterna. Med ett nav med viss styvhet får man en bättre balans mellan utmattningslastfallen och extremlast- fallen.

Den redovisade studien enligt ovan visar att man bör undvika drift i området där en kraftig förstärkning av störningen inträffar, dvs i om- rådet där störfrekvensen sammanfaller med egenfrekvensen. Dessa resultat bekräftas vid datorsimuleringar i tidsplanet med en tillnär- melsevis fullständig turbinmodell, vilken på ett korrekt sätt tar hänsyn till massfördelning, stationär och instationär aerodynamik, leder, styv- heter, dämpning, vindfördelning, centrifugalkraftsuppstyvning, etc, för aktuella vindturbiner vid olika vindhastigheter. Därvid har konstaterats att momenten i navet blir upp till tio gånger större då navets styvhet lO . . . . .- 5216358 Éïïfiåfï. uppgår till kritiskt värde jämfört med om det har ett högre eller lägre värde.

Som noterats tidigare beror graden av kriticitet på de inbördes relationerna mellan störfrekvens, turbinens masströghetsmoment samt gungledens styvhet. På konstruktionsstadiet kan dessa storheter i prin- cip väljas fritt. Störfrekvensen är identisk med varvtalet. Turbinens masströghetsmoment bestäms huvudsakligen av turbinbladens vikt- fördelning och geometriska utsträckning. För en given bladgeometri kan masströghetsmomentet påverkas genom val av konstruktionsmateríal samt genom att tillföra ballastmaterial. Gungledens styvhet bestäms av styvheten hos de ingående elementen, vilka normalt utförs av gummi eller annat material av elastomer typ. Till följd av detta är det relativt enkelt att förändra styvheten även hos en befintlig gungled, genom att byta gummielementen mot nya med annan elasticitetsmodul och ev. med förändrad geometri.

Sammanfattningsvis innebär uppfinningen att navet konstrueras så att driften blir antingen över- eller underkritisk. Genom att tillämpa uppfinningen minskar lasterna väsentligt, vilket innebär stora tekniska och ekonomiska fördelar.

Kortfattad ñgurbeskrivning Uppfinningen beskrivs närmare i det följande med hänvisning till bifogade ritning, där Figur 1 redovisar hur ett system bestående av en massa, en fjäder och en dämpare principiellt svarar på störningar av olika frekvenser.

Figur 2 visar den principiella uppbyggnaden av ett vindkraftverk med en horisontalaxlad vindturbin.

Figur 3A visar en sidovy av ett gungnav enligt uppfinningen, delvis i tvärsnitt, och Figur SB visar gungnecvct enligt Figur 3A i en frontvy. 521 558%fEåRäf 7 Detaljerad beskrivning av utfóringsformer av uppfinningen I Figur 1 redovisas hur ett system besående av en massa, en fjäder och en dämpare principiellt svarar på störningar av olika frekvenser.

Förstärkningen (Y-led i Fig.1), dvs förhållandet mellan systemets och störningens amplituder, visas som funktion av förhållandet mellan sys- temets störfrekvens och egenfrekvens (X-led i Fig. 1). I punkten A mar- keras ett fall där störfrekvensen costömíng är låg jämfört med gungledens egenfrekvens cofesonans, dvs driften är underkritisk enligt klassisk meka- nik. Detta svarar mot ett idealt nav med en relativt hög grad av styvhet.

Svaret blir något större än störningen, dvs förstärkningen är strax över 1. I punkten B sammanfaller störfrekvens och egenfrekvens, vilket inne- bär att driften är kritisk. En stor förstärkning av störningen inträder. I punkten C är slutligen störfrekvensen högre än egenfrekvensen, vilket innebär att driften är överkrítisk. Svaret är lägre än i punkt A och spe- ciellt punkt B.

Ett studium av Figur l ger till resultat att man bör undvika drift i området omkring punkten B, där en kraftig förstärkning av störningen inträffar.

Figur 2 visar den principiella uppbyggnaden av ett vindkraftverk med en horisontalaxlad vindturbin. De bägge aerodynamiskt utformade turbinbladen (1) är fast eller vridbart (omkring sin längdaxel) infästa till ett nav (2), vilket är fäst till en turbinaxel (3). Axeln (3) uppbärs av lager (4) och är ansluten till en kuggväxel (5), vilken omvandlar turbinens låga varvtal till ett varvtal passande för en generator (6). Maskineriets komponenter uppbärs av en maskinbädd (7), vilken är fäst till ett gir- lager (8) och är vridbart på ett torn (10) med hjälp av en giranordning (9). Tornet är i sin tur förbundet med fast grund via ett fundament (ej visat). De olika funktionerna kan vara mer eller mindre integrerade i varandra, vilket dock inte påverkar den fortsatta beskrivningen.

I Figur 2 är antytt att navet (2) är av gungbrädestyp, vilket innebär att de två turbinbladen (1) är stelt infästa till navet (2), vilket i sin tur är lO 521 s5s;;¿¿¿;~ 8 ledat till turbinaxeln (3) och kan röra sig den visade vinkeln A åt var- dera hållet.

Bladantalet i vindturbinen är normalt två, men i en föredragen utföringsform tillämpas konstruktionsprincipen för en turbin med ett blad, varvid det felande bladet ersätts med en motvikt.

Figur 3 visar ett gungnav utfört enligt uppfinningen. Liksom ovan är bladen (1) infästa till navet (2), vilket normalt är en gjuten konstruk- tion, vilken via ett lager (12) är ansluten till turbinaxeln (3). Lagret (12) är normalt sammansatt av två eller fyra symmetriskt anbringade lager- enheter. Fjädrar (13) motverkar gungrörelsen och kan vara kombiner- ade med dämpare, antingen genom att det valda fjädermaterialet också har vissa dämpegenskaper, eller genom att parallellt anbringa dämpare av annan typ (ej visat). Både lager (12) och fjädrar (13) är företrädesvis utförda med aktiva delar av elastomera material.

Lagret (12) och fjädrarna (13) bildar tillsammans en led (12,13) med viss styvhet omkring ledens och därmed lagrets axel. I en före- dragen utföringsform har lager (12) och fjädrar (13) integrerats i en enhet, exempelvis en s.k. flexbeam. Såväl i detta fall som då angräns- ande komponenter (primärt turbinbladen) besitter en påtaglig vekhet gäller att i fiäderkonstanten i fjädrarna (13) kan inräknas inverkan från dessa element.

Ytterligare fördelar kan uppnås genom att man i föredragna ut- föringsformer gör fjädern (13) progressiv (dvs med en med dimensions- förändringen ökande fjäderkonstant) eller förspänd. Ett specialfall av den progressiva fjädern är att lämna ett glapp mellan fjäder och det element som påverkar denna, viket innebär att styvheten under den inledande delen av gungrörelsen är noll.

Såsom anges ovan bör konstruktionsparametrarna väljas så att man undviker drift där störfrekvensen placeras vid kritisk frekvens, dvs vid gungledens egenfrekvens. I föredragna utföringsformer väljer man därvid parametrarna så att störfrekvensen antingen blir lägre än 0,9 521 358 9 gånger egenfrekvensen eller högre än 1,1 gånger egenfrekvensen. Där- utöver kan konstateras att man i föredragna utföringsformer normalt lägger störfrekvensen högre än 0,1 gånger egenfrekvensen och lägre än gånger densamma. Med hänsyn till det tidigare nämnda behovet att så långt möjligt undvika stora extremlaster ger därvid området mellan 0,1 och 0,9 gånger egenfrekvensen särskilt intressanta föredragna ut- föringsformer.

Såsom ovan konstaterats innebär uppfinningen och här redovisade föredragna utföringsformer väsentliga fördelar av teknisk och ekono- misk betydelse vid tillämpning på speciellt en- och tvåbladiga vind- kraftverk.

Ovan beskrivna föredragna utföringsformer anger hur uppfin- ningen kan användas på vindturbíner med ett eller två blad. Systemet enligt uppfinningen kan emellertid tillämpas på vindturbiner med flera blad samt även på angränsande tillämpningsområden, såsom propellrar för flygplan och fartyg, fläktar, turbiner för andra gasformiga och flyt- ande arbetsmedier, etc.

Claims (10)

10 15 20 30 521 358 IO PATENTKRAV

1. Turbín avsedd för ett gas- eller vätskeforrnígt arbetsmedium, speciellt en vindturbm i ett vindkraftverk, vilken innefattar en axel (3), vilken är roterbar med en viss vinkelfrekvens (arctan-en), ett nav (2), på vilket minst ett turbixiblad (1) är fäst, och en led (12, 13) anordnad mellan nämnda axel (3) och nämnda nav (2) och innefattande lager (12) och íjäclerorgan (13), vilka tillsammans ger en styvhet (k) mot rörelse omkring leden (12, 13), varvid nämnda turbinblad (1) har ett masströghetsmoment (Juli-hm) relativt leden (12, 13) och är anordnat att röra sig genom nämnda gas- eller vätskeflöde, som är riktat väsentligen tvärs närnnda turbinblacls (1) rotationsplan och har varierande hastighet i detta plan, vilket utsätter turbinen för störkrafter vars väsentliga komponent har en störfrekvens (costömmg) som utgörs av nämnda vinkelfrekvens (wmracion), och varvid nämnda led (12, 13) bildar en gungled som har en egenfrekvens (cor-samma) som beräknas till nsesonms = kännetecknad av att styvheten (k) i näninda led (12, 13), masströghetsmomentet (Jmbm) för nämnda turbiriblad (1), och vinkelfrekvensen (wfumtmn) är så valda att villkoret commiiw f* *J k/ Jmrbm är uppfyllt.

2. TLu-bm enligt patentkrav l, kännetecknad av att förhållandet mellan vinkelfrekvensen (mmmfion) och gungledens egenfrekvens (comsonflss) uppgår till högst 0,9.

3. 'Turbin enligt patentkrav 2, kännetecknad av att förhållandet mellan vinkelfrekvensen (comauon) och gungledens egenfrekvens (cafesonnns) uppgår till minst 0,1. 10 15 20 25 521 358 H

4. 'lïirbin enligt patentkrav l, kännetecknad av att förhållandet mellan vinkelfrekvensen (comasm) och gungledens egenfrekvens (sammans) uppgår till minst 1,1. i

5. Turbin. enligt patentkrav 4, kännetecknar! av att förhållandet mellan vinkelfrekvensen (wfowuon) och gungledens egenfrekvens (mmsmms) uppgår till högst 10,0.

6. Turbin enligt något av Föregående patentkrav, känneteckna av att nämnda led ( 12, 13) även innefattar dämpare.

7. 'Iïirbin enligt något av föregående patentkrav, kännetecknad av att nämnda fjädrar (13) är av progressiv qlp.

8. 'furbin enligt något av föregående patentkrav, kännetecknad av att nämnda fjädrar (13) är för-spända.

9. Vindkraftverk med en turbin enligt något av föregående patentkrav.

10. Sätt att ufionna en turbin avsedd för ett gas- eller vâtske- forrnigt arbetsmedium, speciellt en vindtilrbin i ett vindkraftverk, vilken turbin innefattar en axel (3), vilken är roterbar med en viss vinkel- frekvens (Growing), ett nav (2), på vilket minst ett turbinblad (1) är fäst, och en led (12, .13) anordnad mellan nämnda axel (3) och nämnda nav (2) och innefattande lager (12) och fjâderorgan (13), vilka tillsammans ger en styvhet (k) mot rörelse omkring leden (12, 13), varvid närnnda turbinblad (l) har ett masströghetsmoment (Jmbin) relativt leden (12, 13) och är anordnat att röra sig genom nämnda gas- eller vätskeflöde, som är riktat väsentligen tvärs nämnda turbinblacls (1) rotafionsplan och har varierande hastighet i detta plan, vilket utsätter turbinen för störkrafter vars väsentliga komponent har en störfrekvens (costaming) som 10 521 358 /2 utgörs av nämnda vinkclfickvcns (Qmauon), Och varvid nämnda led (12, 13) bildar en gunglcd som har en egenfrekvcns (ozfcsonans) som beräknas till mresonm = , kännetecknat av att styvhcten (k) i nämnda led (12, 13), masströghetsxrâlomcntct (Jwbm) för nämnda turbinblad (1), och virlkelfrekvcnsen (wrotafion) väljas så att Villkoret mmmmm# /Jrurbizl är uppfyllt. 1 1. Sätt enligt patcntkrav 10, kännetecknat av att närnnda lcd (12, 13) ges en anpassad styvhet (k) så att villkoret oromuonvf -J k/Jtufim är uppfyllt vid normal vínkelfrekvens (cowwuon).