CZ20031810A3 - Větrná turbina s vertikální osou - Google Patents

Description

Větrná turbina s vertikální osou

Oblast techniky

Tento vynález se vztahuje k větrné energetice, zejména k větrným turbinám s vertikální osou, které se mohou používat u větrných elektrických generátorů nebo u zařízení na přeměnu větrné energie na elektrickou energii.

Dosavadní stav techniky

Dřívější rotor pro větrnou turbinu je znám z patentu Ruské federace č. 2135824, IPC⁶ F03D7/06 registrovaného 09.10.1996, vydaného 27.08.1999. Známý rotor větrné turbiny zahrnuje dvě esovité lopatky namontované na vertikální hřídeli. Esovité lopatky jsou upevněny na otáčivých rovnoběžných příčných nosnících, které jsou pevně spojeny s vertikální hřídelí. Kromě toho jsou místa připevnění lopatek zarovnány s osou souměrnosti lopatky za jejím těžištěm ve směru od vrcholu esovité lopatky.

Nevýhoda výše popsané známé otáčivé větrné turbiny tkví ve složitosti otáčivé konstrukce, nízkém výkonu a poměrně malé účinnosti.

Je známa i další větrná turbina s vertikální hřídelí, např. z patentu Ruské federace č. 2096259, IPC⁶ B63H13/00 registrovaného 15. 11. 1993, prototyp vydán 20. 11. 1997, který je opatřen dolním a horním diskem podložkového typu a mechanizmem pro otáčení lopatek. Osa podložek je vyrovnána s vertikální osou otáčení. Na spodním čele lopatek jsou připevněny polohové lokátory s možností zapadnout do děr, vytvořených v uvedených podložkách. Uvedený mechanizmus pro otáčení lopatek zahrnuje prvek, který je upevněn k rotorové hřídeli na spodní podložce.

Nevýhoda uvedené známé rotační větrné turbiny spočívá v nedostatečné spolehlivosti, nedostatečném výkonu a nedostatečně vysoké účinnosti.

Podstata vynálezu

Předmětem uváděného vynálezu je zvýšení účinnosti a výkonu následkem vysoké otáčivé rychlosti rotoru a zvýšení počáteční akcelerace rotoru.

Podle uváděného vynálezu má větrná turbina s vertikální osou rotor, opatřený množstvím ramen, namontovaných pod stejnými úhly dokola vertikální osy do bloků v kaskádách a vyznačující se tím, že počet lopatkových bloků je zvolen z následujícího rozsahu: dva, tři; lopatkové bloky jsou opatřeny čtyřmi lopatkami v kaskádě, uvedené lopatky v kaskádových blocích jsou rozmístěny s ohledem na osu souměrnosti každého bloku ve směru otáčení rotoru.

Je žádoucí opatřit větrnou turbinu dvěma lopatkovými bloky a čtyřmi kaskádovými lopatkami v každém bloku tak, aby uvedené kaskádové lopatky byly rozmístěny pravotočivé vzhledem k ose souměrnosti uvedených dvou bloků; nebo v jiném provedení je nutné opatřit větrnou turbinu třemi lopatkovými bloky a čtyřmi lopatkami v kaskádě v každém bloku tak, aby uvedené kaskádové lopatky v blocích byly rozmístěny pravotočivě vzhledem kose souměrnosti každého bloku.

Přehled obrázků na výkrese

Vynálezu lépe porozumíme z následujícího detailního popisu provedení s odkazy na připojené výkresy, kde:

Obrázek 1 zobrazuje schematický pohled na kaskádové uspořádání lopatek;

Obrázek 2 je horní pohled na rotor větrného motoru; a

Obrázek 3 je profil lopatky.

Příklady provedení vynálezu

Větrná turbina s vertikální osou zahrnuje rotor 1. s dvěma symetrickými rameny , které s bloky 2 a 3 aerodynamických kaskád, kde každý blok výhodně obsahuje čtyři lopatky 4 ve formě turbinového uspořádání lopatek. Ramena s bloky 2 a 3_aerodynamické kaskády jsou namontovány na centrální vertikální hřídeli 5 dokola ve stejných úhlech, konkrétně ve 180° jeden od druhého. Obrázek 2 zobrazuje rozmístění kaskádových lopatek 4 v bloku 2 a shodně kaskádových lopatek 4 v bloku 3 vzhledem k ose souměrnosti 0-0 uvedeného bloku 2 a 3 ve směru otáčení uvedeného rotoru 7 - naznačeno šipkami. Rotor 7 popsaného provedení větrné turbiny je zobrazen při pravotočivém otáčení. Účinnost uvažovaného projektu rotačního kaskádového větrného motoru je určen výběrem stoupání lopatky γ, montážním úhlem kaskádového bloku φ_ρ, sklonem kaskádové lopatky χ, hodnotou faktoru zastínění K3 a a

4 4 · 9 9 9 9 ί · * · 4 · 99 9 9

9 9 9 9 9 9 9 9

99 99 9 999

9 9 9 9 9 9 9 9 9 9

9 9 9 9 9 9 9 9 9 9

44 44 · 44 44

A?

hodnotou tětivy profilu lopatky b. Je stanoveno, že hodnoty uvedených parametrů mohou být v rozmezí:

stoupání /lopatky 0,4 4- 0,6 b;

- montážní úhel φ_ρ kaskádového bloku 0 4-5°;

- sklon χ kaskádové lopatky 0,4 4- 0,6 ů;

- hodnota faktoru zastínění K3 0,3 4- 0,5;

Ř kde b - je hodnota tětivy profilu lopatky.

Avšak v průběhu zkoušek modelů s podzvukovými aerodynamickými profily lopatek a

bylo prokázáno, že optimální hodnoty uvedených parametrů jsou následující: γ = 0,5 b;

ψρ = °°;

X = 0,5 b;

K₃ < 0,5;

Hodnota tětivy b profilu lopatky b je určena v závislosti na počtu Z lopatkových profilů, zvolené hodnotě faktoru zastínění K3 a průměru D rotoru větrného motoru. Je zjištěno, že optimální počet kaskádových bloků jsou dva, ale optimální počet lopatkových profilů Z v každém bloku nepřevyšuje čtyři. Avšak počet kaskádových aerodynamických bloků větrného motoru může být určen za podmínky, že hodnota faktoru zastínění K3 < 0,5. Podle požadavků pevnosti a účinnosti je nejvhodnější počet bloků dva nebo tři.

Rotační kaskádová větrná turbina se může používat nej účinnějším způsobem jako velká větrná turbina , který má rozměry: průměr D > 6 4- 10 m, výšku H = 1,0 4-1,5 D.

Výkon jednotky N jedné řady aerodynamických lopatkových profilů v optimálním režimu může být na experimentálním základě stanoven:

ij ¹ Ni = N/S = a χ p x U_n ³/10³ kw/m²,

kde N - je celkový výkon jedné řady dvou bloků,

S - celková plocha lopatek uspořádaných do jedné řady dvou bloků;

U_n - vnější rychlost lopatek uspořádaných do jedné řady dvou bloků v m/sec;

- hustota vzduchu v kg/m ;

4444 f, a - faktor účinnosti aerodynamických charakteristik kaskádových lopatkových profilů; tento faktor je stanoven během zkoušení větrného motoru, opatřeného charakteristickými lopatkovými profily, v plném měřítku.

Rotor větrné turbiny se otáčí účinkem větru, pohání elektrický generátor nebo jiné zařízení, které přeměňuje energii větru na elektrickou nebo mechanickou energii.

Větrná turbina opatřená kaskádovým blokem turbinového uspořádání aerodynamických lopatkových profilů podle výsledků zkoušení na modelech dovoluje:

významně zvýšit účinnost turbiny, kterou způsobí efektivnější využití aerodynamických charakteristik lopatkových profilů v turbinovém uspořádání; prakticky je účinnost větší než 0,8. 4_max > 0,8;

- zvýšit výkon větrné turbiny následkem udržování charakteristické rychlosti rotoru rozšířením proměnlivého rozsahu hodnot faktoru zastínění K3 až ke K3 < 0,5 místo K3 < 0,3, který je u dosavadních větrných turbin·, zvýšit počáteční akceleraci větrné turbiny vlivem použití kaskádového uspořádání turbinového typu.

Další zlepšení parametrů výkonu větrné turbiny se dosáhne zlepšením aerodynamických vlastností podzvukových lopatkových profilů, používaných u turbinových kaskád větrných motorů použitím mechanizačního zařízení pro lopatky, např. použitím klapky v náběžné hraně, klapky v odtokové hraně, odlehčením zařízení hraničních vrstev atd.

Průmyslová využitelnost

Větrná turbina podle uváděného vynálezu je průmyslově využitelná neboť uvedená větrná turbina může být vyráběna a široce používána ve větrných turbinách s vertikální osou k přeměně větrné energie na elektrickou nebo mechanickou energii.

Claims (3)

1. PATENTOVÉ NÁROKY fi ¹ 1. Větrná turbina s vertikální osou, která obsahuje rotor s množstvím ramen upevněných i?

   ve stejných úhlech kolem vertikální osy a množstvím lopatek připevněných do bloku v kaskádě ,vyznačující se t í m, že počet lopatkových bloků je zvolen z následujícího rozsahu: dvě, tři; lopatkové bloky jsou opatřeny čtyřmi kaskádovými lopatkami, uvedené kaskádové lopatky v blocích jsou rozmístěny s ohledem na osu souměrnosti každého bloku ve směru otáčení rotoru.
2. 2. Větrná turbina s vertikální osou podle patentového nároku 1, vyznačující se t í m, že uvedená turbina obsahuje dva lopatkové bloky se čtyřmi kaskádovými lopatkami v každém bloku, uvedené kaskádové lopatky v blocích jsou rozmístěny v pravotočivém směru s ohledem na osu souměrnosti uvedených dvou bloků.
3. 3. Větrná turbina s vertikální osou podle patentového nároku 1, vyznačující se t í m, že uvedená turbina obsahuje tři lopatkové bloky se čtyřmi kaskádovými lopatkami v každém z uvedených bloků, uvedené kaskádové lopatky v blocích jsou rozmístěny v pravotočivém směru s ohledem na osu souměrnosti každého bloku.