waarom niet meerdere bladen?
windturbines zijn gebouwd om de kinetische (bewegings) energie van de wind op te vangen. De vraag rijst waarom moderne windturbines niet worden gebouwd met veel rotorbladen, zoals de oude “Amerikaanse” windmolens. Turbines met veel bladen of zeer brede bladen, dat wil zeggen turbines met een zeer solide rotor, zullen echter worden onderworpen aan zeer grote krachten, wanneer de wind waait met een orkaansnelheid (vergeet niet dat de energie-inhoud van de wind van de wind varieert met de derde macht van de windsnelheid).
Windturbinefabrikanten moeten verklaren dat hun turbines zo zijn gebouwd dat ze bestand zijn tegen extreme winden die bijvoorbeeld gedurende 10 minuten eens in de 50 jaar optreden. Om de invloed van de extreme wind te beperken geven turbinefabrikanten daarom over het algemeen de voorkeur aan turbines te bouwen met een paar, lange, smalle bladen. Om de smalheid van de tegen de wind gerichte bladen goed te maken, laten turbinefabrikanten de turbines relatief snel roteren.
waarom niet een even aantal bladen?
moderne windturbine-ingenieurs vermijden het bouwen van grote machines met een even aantal rotorbladen. De belangrijkste reden is de stabiliteit van de turbine. Een rotor met een oneven aantal rotorbladen en ten minste drie bladen kan worden beschouwd als vergelijkbaar met een schijf bij het berekenen van de dynamische eigenschappen van de machine.
een rotor met een even aantal bladen geeft stabiliteitsproblemen voor een machine met een stijve structuur. De reden is dat op het moment dat het bovenste blad naar achteren buigt, omdat het het maximale vermogen van de wind krijgt, het onderste blad in de windschaduw voor de toren overgaat.
de meeste moderne windturbines die worden gebruikt voor de opwekking van elektriciteit hebben drie bladen, hoewel sommige twee of zelfs één bladen hebben. Drie bladen hebben het bijzondere voordeel dat het polaire Traagheidsmoment ten opzichte van het geeuwen constant is en onafhankelijk is van de azimutpositie van de rotor. Dit kenmerk draagt bij aan een relatief soepele werking, zelfs tijdens het geeuwen. Een tweebladige rotor heeft echter een lager Traagheidsmoment wanneer de bladen verticaal zijn dan wanneer ze horizontaal zijn. Deze ‘onbalans’ is een van de redenen dat de meeste tweebladige windturbines een wankele rotor gebruiken. Het gebruik van meer dan drie bladen kan ook resulteren in een rotor met een Traagheidsmoment onafhankelijk van de positie, maar meer dan drie bladen worden zelden gebruikt. Dit komt vooral door de hogere kosten die zouden worden geassocieerd met de extra messen.
het Deense driebladige concept
de meeste moderne windturbines zijn driebladige ontwerpen waarbij de rotorpositie tegen de wind (aan de winderige kant van de toren) wordt gehandhaafd met behulp van elektrische motoren in hun giermechanisme. Dit ontwerp wordt meestal het klassieke Deense concept genoemd en is meestal een standaard waaraan andere concepten worden getoetst. De overgrote meerderheid van de turbines verkocht op de wereldmarkten hebben dit ontwerp.
het basisontwerp werd voor het eerst geïntroduceerd met de gerenommeerde Gedser windturbine. Een ander kenmerk is het gebruik van een asynchrone generator.
tweebladige windturbine
tweebladige windturbineontwerpen hebben het voordeel dat de kosten en het gewicht van één rotorblad worden bespaard. Ze hebben echter meestal moeite om de markt te penetreren, deels omdat ze een hogere rotatiesnelheid nodig hebben om dezelfde energie-output op te leveren. Dit is een nadeel, zowel met betrekking tot ruis als visuele inbraak. De laatste tijd zijn verschillende traditionele fabrikanten van tweebladige machines overgestapt op driebladige ontwerpen.
twee-en éénbladige machines vereisen een complexer ontwerp met een scharnierende rotor (balanceernaaf), zoals in de tweede afbeelding is afgebeeld, dat wil zeggen dat de rotor moet kunnen kantelen om te zware schokken aan de turbine te voorkomen wanneer een rotorblad de toren passeert. De rotor wordt daarom gemonteerd op een as die loodrecht staat op de hoofdas en die samen met de hoofdas draait. Voor deze opstelling kunnen extra schokdempers nodig zijn om te voorkomen dat het rotorblad de toren raakt.
one-bladed concept
One-Blade windturbines bestaan en ze besparen de kosten van een ander rotorblad. Als er iets gebouwd kan worden, doen ingenieurs het. Eenbladige windturbines zijn commercieel echter niet erg wijdverbreid, omdat dezelfde problemen die onder het tweebladige ontwerp worden genoemd, in nog grotere mate van toepassing zijn op eenbladige machines.
naast de hogere rotatiesnelheid en de ruis-en visuele inbraakproblemen moet er een tegengewicht aan de andere kant van de naaf van het rotorblad worden geplaatst om de rotor in evenwicht te brengen (zie tweede figuur). Dit ontkent uiteraard de besparing op gewicht in vergelijking met een tweeblads ontwerp. De esthetische factor van het verschijnen van onbalans is een andere overweging. Het veronderstelde voordeel is dus dat de turbine met een relatief hoge toerentalverhouding kan draaien, en dat de kosten lager zouden moeten zijn omdat slechts één blad nodig is.
Video frames
– Two blades: general explanation
– Three blades: general explanation