Ecologieforum

Mijn bezoek als PUM-expert in Tanzania leerde dat er belangstelling is in Afrika voor een tamelijk grote molen waarmee naast het opwekken van elektriciteit ook water gepompt kan worden. Een concept waarmee dit kan met een direct drive 34-polige generator wordt beschreven in mijn rapport KD 614 voor de VIRYA-5 en men heeft zeker belangstelling voor deze molen. Bij deze eerste versie van de VIRYA-5 wordt gebruik gemaakt van het kantelbare zijvaan beveiligingsmechanisme dat ook in al mijn andere VIRYA-windmolens wordt toegepast. Dit mechanisme werkt goed als de molen gebruikt wordt voor acculaden maar het is mogelijk dat het toerental bij gebruik in combinatie met een 34-polige PM-generator niet voldoende stak begrensd wordt. In dit geval zou het toerental van de pompmotor te hoog kunnen worden als de pomp niet voldoende zwaar belast wordt. Als alternatief wordt in hoofdstuk 9 van KD 622 een bladverstelmechanisme beschreven waarvan verwacht mag worden dat het toerental voldoende strak begrensd wordt.

Omdat het mechanisme in ontwikkelingslanden gebouwd moet kunnen worden moet het zo simpel mogelijk. Ik ben er vanuit gegaan dat alleen het aerodynamisch moment voldoende is om de bladverdraaiing aan te sturen. Omdat er dus geen centrifugaalgewichten in zitten, treedt er ook geen cyclische wisseling in het centrifugaalmoment op die het gevolg is van het eigen gewicht van de centrifugaalgewichten. Het aerodynamisch moment wordt nagenoeg geheel bepaald door de lokale snelheid van het blad en daar zit geen cyclische variatie op. Daarom lijkt het me niet nodige dat de bladbeweging van de bladen met een mechanisme gesynchroniseerd is zoals dat wel gedaan is in het bladverstelmechanisme van de VIRYA-15 rotor (zie KD 437). Het systeem wordt daardoor erg eenvoudig en elk blad heeft zijn eigen veer. Het is daardoor ook toepasbaar voor 3-bladige rotoren. Omdat het aerodynamisch moment niet erg groot is mogen de lagers waar de bladas in draait maar weinig wrijving hebben anders ontstaat er te veel hystere in de bladbeweging. De bladas is van roestvrij staal. De axiale kracht wordt opgenomen door bronzen INA-Permaglide lagers en de centrifugaalkracht wordt opgenomen door een RVS taatskogellager waardoor de lagering niet afgeschermd behoeft te worden tegen water. De bladbevestiging aan de naafstrip wordt weergegeven in figuur 7 van KD 622.

Ik denk niet dat iets dergelijks al eens eerder geprobeerd is maar ik ben niet van plan om het zelf uit te proberen. Maar fabricage van een prototype van dit systeem in ontwikkelingslanden lijkt alleen zinnig als er grote kans is dat het goed functioneert. Ik vraag daarom de technici onder ons om hoofdstuk 9 en 10 van KD 622 eens door te lezen en er commentaar op te leveren. Het rapport kan gekopieeerd worden van mijn website: http://www.kdwindtubines.nl onderaan de lijst met KD-reports.

Als bij een molen de belasting wegvalt moeten de wieken naar vaanstand. En rap.

Volgens mij hebben ze bij EAZ http://www.eazwind.com/nl/home/
een systeem zoals je beschrijft in je rapport.
Er draaien een aantal van die molens in Groningen. Ik weet niet welke beveiliging zij hebben als bij stormachtige wind de belasting wegvalt.

Als de belasting plotseling wegvalt dan heeft de rotor de neiging om te versnellen maar een beveiliging die aangestuurd wordt door het aerodynamisch moment of door centrifugaalgewichten levert een sterk met het toerental toenemend moment om de bladas dat de bladverstelling activeert en dit voorkomt weer dat de rotor te snel gaat draaien. Deze beveiliging werk dus ook voor een onbelast draaiende rotor. De bladen hoeven dus niet naar de vaanstand gedraaid te worden. De vaanstand is alleen nodig als je de rotor zonder rem stil wilt kunnen zetten. Dit kan bij grote molens gedaan worden omdat de bladverstelling extern wordt aangestuurd maar zonder externe aansturing kan dit niet werken.

Ik heb wel iets anders ontdekt waardoor het ontwerp in de huidige vorm niet zal werken. Uit de berekening van het wrijvingsmoment van de Permaglide lagers, zoals gedaan is hoofdstuk 9.4, blijkt dat dit wrijvingsmoment al behoorlijk groot is als je het vergelijkt met het aerodynamisch moment. Ik heb daarbij al de opmerking geplaatst dat de onderdelen nauwkeurig gemaakt moeten worden. Dit houdt in dat de aseinden aan weerszijden van de bladas perfect met elkaar in lijn moeten liggen en dat ook de twee Permaglide lagerbussen op de verbindingstrip perfect met elkaar in lijn moeten liggen. Maar zelfs als dit gerealiseerd wordt dan nog treedt er verklemming op van de as in de lagers als de verbindingstrip te veel doorbuigt. Om dit tegen te gaan heb ik deze strip als dikker gemaakt dan de strip van de originele VIRYA-5. Nu heb ik eens uitgerekend wat de hoekverdraaiing is aan het einde van de strip als gevolg van het moment dat door een blad op de strip wordt uitgeoefend. Deze hoekverdraaiing blijkt meer dan een graad te zijn en bij 30 mm brede lagers is dan een spleet van ongeveer 0,7 mm tussen de lagers en de as nodig om geen verklemming te krijgen. Dit is natuurlijk veel te veel. Omdat de vlaktedruk in de lagers erg laag is kan ik de lagers nog wel wat korter maken maar bij een normale lagerspeling van een paar honderdsten treedt zeker verklemming op.

Het probleem is op te lossen door de verbindingsstrip zo veel stijver te maken dat de doorbuiging van de strip gelijk wordt aan de doorbuiging van het blad en de bladas. De totale stijfheid van het blad plus de bladas is echter lastig te bepalen waardoor het onzeker is of dit gaat werken. Een andere optie is om geen Permaglide lagerbussen te gebruiken maar lagers toe te passen zoals die ook in stangkoppen gebruikt worden. Deze lagers hebben inwendig een bol en stellen zich daarom in en compenseren zo de doorbuiging van de verbindingsstrip. Een nadeel van dit soort lagers is wel dat ze veel mee ruimte in nemen en veel duurder zijn. Een ander nadeel van het toestaan van doorbuiging van de verbindingsstrip is dat het taatslager eenzijdig belast gaat worden als de aanlegvlakken niet meer perfect evenwijdig aan elkaar zijn. Ik moet er nog eens goed over nadenken. Als ik geen oplossing vind die maakbaar is in ontwikkelingslanden dan werk dit dus niet en dan haal ik KD 622 weer van mijn website af.

De verbindingstrip werd veel stijver gemaakt door strip van 50 * 25 mm i.p.v. 120 * 12 mm te gebruiken. De strip is nu ongeveer even stijf als de bladas waardoor beiden ongeveer even ver zullen doorbuigen (hoewel dat maar erg weinig is). De Permaglide lagers werden ingekort van 30 naar 20 mm waardoor ze minder gevoelig zijn voor klemmen. De optredende vlaktedruk is nog steeds erg laag. Omdat klemmen van de lagers nu voorkomen wordt, tenminste als de onderdelen voldoende nauwkeurig gemaakt zijn, denk ik dat het concept nu kan werken. Rapport KD 622 werd op deze punten aangepast.

De hoofdstukken 9.6 en 9.7 werden toegevoegd aan KD 622. In hoofdstuk 9.6 werd nagegaan wat de invloed is op het aerodynamisch moment als de bladas op een afstand 0,2 * c vanaf de neus van het profiel gelegd wordt. Het aerodynamisch moment neemt hierdoor toe van 7,5 Nm naar 10 Nm waardoor de invloed van het wrijvingsmoment van de Permaglide lagers relatief kleiner wordt. Een bijkomend voordeel is dat het systeem nu ook gevoeliger reageert op windstoten omdat de absolute waarde van de momentcoëfficiënt nu toeneemt bij toenemende aanstroomhoek. In hoofdstuk 9.7 wordt de geometrieberekening van de drukveer gegeven. De veergeometrie blijk heel aardig overeen te komen met de geometrie die ik in figuur 7 geschat had alleen moet de veer wat langer zijn.

Omdat dit tamelijk eenvoudige bladverstelmechanisme de molen toch aanzienlijk gecompliceerder maakt dan de in KD 614 beschreven VIRYA-5 met het scharnierende zijvaan mechanisme en een vaste rotor, heb ik nog eens gekeken of er geen andere manier is om het maximum toerental te begrenzen zodat de pompmotor niet te snel gaat draaien. Dit lijkt te kunnen met een wervelstroomrem. Ik heb een hoofdstuk 11 aan KD 614 toegevoegd waarin deze optie wordt beschreven. Een andere optie dan een wervelstroomrem zou kunnen zijn het beperken van de fasespanning tot 230 V. Dit kan met in serie geschakelde spanningsregelaars en dump loads analoog aan de manier waarop de laadspanning begrensd wordt voor windmolens die accu's laden.