Beste Christian
Het is zeer lastig om in het kort goed uit te leggen wat het verschil is tussen de drie systemen. Rapport R999D uit 1989 heeft 108 pagina's en is nog niet eens volledig, o.a. omdat toendertijd het beveiligingsgedrag nog niet voorspeld kon worden. Maar ik zal proberen om een indruk te geven van waar het om gaat.
Ik ga er vanuit dat bij alle drie de systemen het wegdraaimoment van de kop verkregen wordt door excentrische positionering van de rotoras t.o.v. de torenas. Verder ga ik er vanuit dat de excentriciteit e ongeveer 10% van de rotordiameter is. In dit geval wordt het wegdraaimoment nagenoeg geheel bepaald door de axiale kracht op de rotor of thrust en leveren de zijdelingse kracht en het zogenaamde zelforienterende moment maar een beperkte bijdrage aan het wegdraaimoment (het zelforienterende moment heeft de neiging om de rotor in de wind te draaien).
Het belangrijkste doel van de beveiliging is het beperken van het rotortoerental en de thrust boven de rated windsnelheid. Het blijkt dat deze bepaald worden door de component V * cos delta, van de windsnelheid haaks op het rotorvlak. Dit betekent dat de rotor boven Vrated zo weg moet draaien dat V * cosdelta constant blijft (delta is de hoek tussen de windrichting en de rotoras). Er moet dan gelden dat delta = arc cos Vrated / V. Er kan aangetoond worden dat dit verloop van delta verkregen wordt wanneer het vaanmoment om de torenas boven Vrated constant is.
Nu zal ik de drie systemen beschrijven.
Het ecliptische systeem is het oudst en wordt zo genoemd omdat het toegepast werd op een oud type waterpompende windmolen met als merknaam Eclipse. De vaan draait om een vertikale as die vlak achter de torenas ligt en wordt door een veer tegen een aanslag getrokken. Als het rotormoment om de vaanas groter wordt dan het moment van de veer om de vaanas, komt de vaan los van zijn aanslag en draait de kop uit de wind. Wanneer als veer een trekveer gebruikt wordt is het vaanmoment afhankelijk van de plaats van het aangrijppunt van de veer op het kopframe en van de wegdraaihoek van de vaan. Daarom heeft het vaanmoment een maximum bij een bepaalde wegdraaihoek. Het vaanmoment is dus niet constant wat als gevolg heeft dat de rotor bij hoge windsnelheden te ver uit de wind draait. Dit systeem kan verbeterd worden door geen trekveer te gebruiken maar een slappe torsieveer om de vaanas. Een ander nadeel van dit systeem is dat de vaan tegen de aanslag botst als de windsnelheid weer afneemt.
Bij het scheve staart systeem draait de vaan om een as die een hoek van ongeveer 10 graden maakt met de vertikaal. Door het eigen gewicht van de vaan heeft deze de neiging om in zijn laagste stand te gaan staan (vergelijkbaar met klaphekjes bij natuurgebieden). Het vaanmoment verloopt sinusvormig met de wegdraaihoek van de vaan en is dus helemaal niet constant. Het nadeel van dit systeen is dat de kop al bij lage windsnelheden begint weg te draaien wanneer dit nog niet nodig is. Men kan dit gedeeltelijk voorkomen door toch een aanslag in te voeren maar hierdoor gaat een aantrekkelijk voordeel, namelijk dat het systeem geen aanslag heeft, weer verloren. DIt systeem is lastiger theoretisch te beschrijven dan het ecliptische systeem. Voor beide systemen geldt als nadeel dat de vaan bij lage windsnelheden in de rotorschaduw zit en dat daarom niet precies bekend is hoe hoog de windsnelheid is waarmee het vaanvlak aangestroomd wordt. Er zijn daarom scheve staart systemen gebouwd waarbij het vaanvlak boven de rotor uit steekt.
Bij het scharnierende zijvaan systeem vormt de vaanarm één geheel met de kop en steekt schuin achter de rotor uit. Aan het eind van de vaanbuis zit een strip waar het vierkante vaanblad d.m.v. scharnieren aan bevestigd is. Deze scharnieras loopt horizontaal en maakt een hoek van ongeveer 30 graden met de rotoras. Het vaanblad steekt links buiten het rotorvlak uit en zit dus altijd in de ongestoorde stroming. Daardoor kan het relatief klein zijn, zelfs bij een grote excentriciteit en is de windsnelheid bekend. Doordat de vaanarm één geheel is met de kop is het traagheidsmoment van de kop erg hoog en daardoor richt de kop zich traag op de wind. Dit beperk het gyroscopisch moment in de bladen en de rotoras. Het functioneren van dit systeem wordt beschreven in de VIRYA-folders. Dit systeem heeft net als de scheve staart geen aanslag voor lage windsnelheden maar toch begint de kop niet al bij lage windsnelheden uit de wind te draaien.
Om het gedrag van een beveiligingssysteem te kunnen voorspellen moeten de momentvergelijkingen om de torenas en om de scharnieras van de vaan bepaald worden. Dit is knap lastig en je moet daarvoor alles weten van de rotor en van de vanen die je gebruikt. Om dan ook nog te kunnen voorspellen hoe een bepaald systeem bij toename van de windsnelheid uit de wind draait, is nog lastiger. Voor het scharnierende zijvaan systeem zoals dat in mijn VIRYA-windmolens gebruikt wordt is het mij echter gelukt om dit te beschrijven. Het werkelijke beveiligingsgedrag komt zeer goed overeen met de theoretisch voorspelling. Dit staat allemaal in rapport KD 213. De gebruikte rotor in KD 213 heeft een Gotingen 623 profiel en daarvoor is het zelforienterend moment tamelijk laag. Ik heb ook rotoren ontworpen met een gewelfde plaat profiel en daarvoor is het zelforienterend moment veel hoger. Dit heeft invloed op het rotormoment en daardoor op beveiliging. In KD 223 wordt de scharnierende zijvaan beveiliging beschreven voor een rotor met gewelfde plaatstalen bladen.
Adriaan Kragten
Doorzoek het forum
Zoeken met Startpagina
Startpagina Thema's
