CZ297548B6 - Vetrný motor - Google Patents

Abstract

Vetrný motor má na kazdém rameni (3) vybíhajícím radiálne z hrídele (2) kolmého na smer vetru ulozen pár výklopných lopatek (5), které mají v prícnémrezu rovnobezném s osou vyklápení aerodynamický profil krídla s vydutou spodní plochou. Lopatky (5)mohou být k dalsímu zvýsení vztlakového efektu v oblasti svých hran opatreny výklopnými vztlakovýmiklapkami (6).

Description

Oblast techniky

Vynález se týká zařízení pro přeměnu energie větru na mechanickou energii odebíranou z otáčejícího se hřídele, tedy větrného motoru, který je tvořen páry výklopných lopatek uložených na ramenech vybíhajících radiálně z hřídele kolmého na směr větru.

Dosavadní stav techniky

U převážné většiny větrných motorů, které se staví v současné době, je hnacím prvkem vrtule otáčející se kolem osy rovnoběžné se směrem větru. Fungují na principu cirkulace vzduchu kolem aerodynamického profilu listů, které jsou uchyceny v náboji kolmo na osu rotace křídele, jenž má polohu přibližně vodorovnou Jsou nej dokonalejším známým prostředkem pro získávání mechanické energie z kinetické energie proudícího vzduchu. S rychloběžnými dvou a třílistými vrtulemi dosahují účinnosti až 45 % a s pomaluběžnými vícelistými vrtulemi asi 35 %. Vyžadují však vždy nastavování osy rotace podle směru větru a úhlu profilu listů vzhledem k rovině rotace. Jejich nevýhodou jsou dále velké pořizovací náklady, vyžadují umístění v poměrně vysoké stavbě pevně spojené se zemí, z ekologických a urbanistických důvodů je nelze instalovat v běžné zástavbě. Nejsou tudíž vhodné pro maloodběratele elektrické energie.

Jsou dále známy větrné motory pracující na náporovém principu, které jsou tvořeny tělesy lopatkami - upevněnými na hřídeli, jehož osa je kolmá na směr větru. Hnací moment získávají z proudu vzduchu v důsledku rozdílu aerodynamického odporu těchto těles při pohybu po větru a proti větru - tzv. karuselové motory, nebo po větru a v uměle vytvořeném závětří - tzv. bubnové motory. Příkladem karuselového motoru je řešení popsané ve zveřejněné patentové přihlášce WO 96/34197.

Z mezinárodní patentové přihlášky WO 0233253 je známa větrná turbína se svislou osou, která má lopatkovou sestavu tvořenou rameny eliptickými v průřezu, umístěnými po obou stranách svislé osy, a lopatkami umístěnými symetricky na ramenech a upevněnými k nim prostřednictvím závěsů. Přitom když na lopatky působí vítr proti jejich čelní stěně, jsou zcela otevřeny větrem, který pronikne do vnitřního prostoru volným okrajem, a tím se zvětší jejich plocha nastavená větru. Na druhé straně, kde vítr působí proti jejich zadní straně, jsou překlopeny přes rameno a nabudou tvar ramene, tj. aerodynamický tvar, čímž minimalizují svůj odpor kladený větru. Jak je zřejmé z obrázků, které jsou součástí přihlášky, mají lopatky tvar protáhlých žlabů, jejichž podélné osy se při otáčení nacházejí ve vodorovné rovině. Na návětmé i na závětmé straně jsou obtékány podélně, nepůsobí na ně tudíž žádné vztlakové síly ve smyslu otáčení.

Zařízení k přeměně větrné energie na využitelnou energii podle mezinárodní patentové přihlášky WO 9634197 má obdobně umístěné lopatky ve tvaru rovinných desek.

Všechna popsaná známá zařízení mají dělené a výklopné lopatky. Při pohybu proti větru jsou lopatky uzavřeny, vytvoří aerodynamicky neutrální útvar, který klade vzduchu minimální odpor. Poté co uzavřené lopatky projdou návětmou úvratí a pootočí se ještě o určitý úhel, vyrovná se aerodynamický odpor působící na pár lopatek proti smyslu otáčení se složkou náporové síly větru působící ve smyslu otáčení. V tom okamžiku jsou lopatky otevřeny, náporová složka postupně narůstá až dosáhne maxima při pootočení o 90° od návětmé úvratě. Poté postupně klesá, až v určitém úhlu před závětmou úvratí se vyrovná s aerodynamickým odporem lopatek působícím proti smyslu otáčení. V tom okamžiku je nutno lopatky uzavřít. Průběh užitečné složky náporové síly větru - výkonová křivka - se u známých zařízení tohoto druhu podobá kladné polovině sinu

-1 CZ 297548 B6 soidy. Plocha pod touto křivkou odpovídá užitečné práci zařízení během jedné otáčky. Ta je u všech známých náporových větrných motorů nízká. Proto také nenašly širší uplatnění v praxi.

V posledním desetiletí byla věnována velká pozornost větrným motorům se svislou osou otáčení, u nichž se využívá cirkulace vzduchu kolem profilu velmi štíhlého křídla zavěšeného u vrcholu svislého hřídele a drženého v šikmé poloze podpěrou zakotvenou do paty hřídele. U jiného typu probíhá cirkulace kolem křídla ve tvaru přibližně kruhového prstence uchyceného jak u vrcholu, tak u paty hřídele. Tyto typy motorů založené na principu cirkulace vzduchu kolem křídla dosahují účinnosti až 30 %. Jejich nevýhodami jsou hlučnost a potřeba dalšího motoru k roztočení.

Vynález si klade za úkol navrhnout zdokonalený větrný motor na náporovém principu s účinností podstatně vyšší než mají známá zařízení tohoto typu a zároveň vyřešit i některé konstrukční problémy a přiblížit tak větrný motor podle vynálezu praktickému použití.

Podstata vynálezu

Uvedený úkol řeší větrný motor, který je tvořen páry výklopných lopatek uložených na ramenech vybíhajících radiálně z hřídele kolmého na směr větru, jehož podstata spočívá v tom, že lopatky mají v příčném řezu rovnoběžném s osou vyklápění aerodynamický profil křídla s vydutou spodní plochou. Profilem křídla se rozumí takový profil, při jehož obtékání bez vírů jsou proudnice na jeho jedné straně kratší než na druhé straně, rychlost obtékání v kratší proudnici je nižší než v delší, což má za následek rozdíl tlaků a vznik vztlakové síly působící na profil kolmo na směr přitékajícího proudu.

Ke zvýšení vztlakového účinku a k vyvážení aerodynamických sil mohou být lopatky v oblasti svých hran opatřeny výklopnými vztlakovými klapkami.

Jako výhodné řešení pro otevírání a zavírání lopatek se jeví, když lopatky každého páru jsou prostřednictvím páru táhel kloubově propojeny s jezdcem, který je uložen na vedení kolmém na rovinu otevřených lopatek a opatřen zarážkou k vymezení polohy jezdce při otevřených lopatkách.

K potlačení rázu při otevření lopatek je s výhodou mezi jezdec a zarážku vložena pružina.

Aerodynamický odpor páru zavřených lopatek při pohybu proti větru se omezí, jestliže je před jejich příčnými hranami v zavřené poloze umístěn aerodynamický kryt.

Aby bylo možno zamezit v případě potřeby otevírání lopatek, jsou s výhodou lopatky každého páru opatřeny západkovým mechanismem k jejich vzájemnému uzamčení, který je propojen se zařízením ke kontrole přetížení.

Toto zařízení může být konstruováno tak, že ramena jsou uložena výkyvné na náboji upevněném na hřídeli, každé rameno je v pracovní poloze na dorazu přitahováno a drženo pružinou a magnetem upevněným na náboji a působícím na dvojramennou páku uloženou výkyvné na rameni a propojenou se západkovým mechanismem příslušného páru lopatek.

Mechanismus k ovládání lopatek může být vytvořen tak, že dvojramenné páky jsou propojeny s ovládací deskou vedenou na svislých tyčích, která ve své spodní poloze dosedá na vypínací páky, v jejichž dosahu se nacházejí dvojramenné páky.

Ve výhodném provedení jsou ramena vzájemně provázána lanem nebo táhly.

-2CZ 297548 B6

V obzvláště výhodném provedení větrného motoru je na hřídeli uloženo v jedné rovině šest ramen s páry lopatek, přičemž po obvodu se střídají kratší ramena s rameny delšími nejméně o šířku lopatky.

Popis obrázků na výkresech

Vynález bude dále objasněn pomocí výkresu, na němž je vyobrazen funkční trojramenný model větrného motoru a jeho detaily. Obr. 1 představuje půdorys tohoto provedení funkčního modelu, obr. 2 je pohled směrem P podle obr. 1, obr. 3 je pohled směrem Q podle obr. 1, obr. 4 je řez AA podle obr. 2 a obr. 5 je řez B-B podle obr. 1.

Příklady provedení vynálezu

Popisovaný funkční model je příkladem trojramenného provedení náporového větrného motoru podle vynálezu, jehož hřídel má svislou polohu. Vynález se však vztahuje i na provedení s jiným počtem ramen, případně s vodorovným hřídelem.

Na náboji 1 upevněném na svislém hřídeli 2 jsou výkyvné uložena tři ramena 3, na jejichž koncích jsou na kloubech 4 otočně uloženy páry výklopných lopatek 5. Jak je zřejmé z průřezu lopatky 5 na obr. 4, mají lopatky profil prohnutého křídla. Lopatky 5 jsou v oblasti svých hran opatřeny výklopnými vztlakovými klapkami 6, které jsou do zatažené polohy přitahovány pružinami. Synchronizaci otevření páru lopatek 5 zajišťuje mechanismus tvořený páry táhel 7 kloubově upevněných na jezdci 8 uloženém na vedení 9, které je upevněno na rameni 3 kolmo na jeho osu. Krajní poloha jezdce 8 a zároveň míra otevření lopatek 5 je vymezena zarážkou 10 na vedení 9. K utlumení rázu při otevření lopatek 5 slouží tlačná pružina 1_L Před příčnými hranami páru lopatek 5 v zavřené poloze je umístěn aerodynamický kryt 12. Jedna z lopatek 5 je opatřena odpruženou západkou 13 a druhá záchytkou 14. Tento západkový mechanismus slouží ke vzájemnému uzamčení lopatek 5, a to zejména tehdy, mohlo-li by dojít k přetížení motoru v důsledku příliš silného nárazu větru. Proto je západka 13 propojena lankem 15 se zařízením ke kontrole přetížení. Toto zařízení, jak je zřejmé z obr. 1, je provedeno tak, že každé rameno 3, výkyvné uložené, se v pracovní poloze opírá o doraz 16, k němuž je přidržováno pružinou 17 a magnetem 18 upevněným na náboji 1 a působícím na dvouramennou páku 19 uloženou výkyvné na rameni 3 a propojenou lankem 15 se západkou 13. V příkladném provedení je navržen rovněž mechanismus sloužící k ovládání západky 13, tj. uvolňování a opětnému zamykání lopatek 5. Je zřejmý z obr. 1 a 5. Dvojramenná páka 19 je propojena zapínacím lankem 20 přes kladku s prstencovitou ovládací deskou 21 vedenou na svislých tyčích 22, která ve své spodní poloze dosedá na vypínací páky 23, v jejichž dosahu jsou dvouramenné páky 19. Je zřejmé, že zvednutí ovládací desky 21 má za následek opětovné uvolnění zamčených lopatek 5, její stlačení dolů na vypínací páky 23 má za následek zamčení lopatek 5 v zavřené poloze. Ramena 3 jsou vzájemně provázána spojovacím lanem 24, takže při zamčení jednoho páru lopatek 5 dojde automaticky k zamčení ostatních párů. Na obr. 1 až 3 jsou vztahovou značkou 25 označeny závěsy, které spojují konce vedení 9 s přečnívajícím vrcholem hřídele 2 a slouží ke stabilizaci celého systému.

Jako velmi výhodné provedení větrného motoru, které není na výkrese znázorněno, se jeví takové, jež má na náboji 1 uloženo šest ramen 3 s páry lopatek 5, přičemž po obvodu se střídají kratší ramena 3 s rameny 3 delšími nejméně o šířku lopatky 5. Je rovněž možno umístit větší počet párů lopatek na jednom rameni.

Za předpokladu, že v páru zavřených lopatek 5 je uvolněn západkový mechanismus, dojde zejména v důsledku tlaku působícího uvnitř lopatek 5 za přední úvratí k jejich otevření a zároveň k vyklopení vztlakových klapek 6 na odtokové hraně lopatek 5. Na otevřené lopatky 5 začne působit ve smyslu otáčení motoru strmě narůstající vztlaková síla. Při dalším pootočení postupně

-3 CZ 297548 B6 vztlaková složka klesá a naopak narůstá náporová síla větru působící na vydutou plochu otevřených lopatek 5. Ta dosahuje maxima při pootočení o 90° od návětmé úvratě. Při dalším otáčení klesá náporová složka, naopak vzrůstá vztlaková složka, která dosáhne svého maxima před závětmou úvratí. Ještě před úvratí strmě poklesne a v tom okamžiku je třeba lopatky uzavřít. Po průchodu bodem pootočení o 90° se zaklopí vztlakové klapky 6 na hraně, která se zde stává náběhovou a vyklopí se klapky na opačné hraně, která se stává odtokovou. Vyklápění vztlakových klapek 6 může být řešeno jako nucené, např. odvozené od pohybu jezdce 8 po vedení 9. Propojení lopatek 5 s jezdcem 7 prostřednictvím táhel 8 zajišťuje synchronizaci a stabilitu lopatek 5. Odpružená západka 12, pokud poleví tah v lanku 15, vzájemně zamkne pár lopatek 5. To se může stát buď při přetížení otevřených lopatek 5 poryvem větru nebo pomocí ovládacího zařízení. Při náhlém poryvu větru je rameno 3 s otevřenými lopatkami 2 vykývnuto dopředu proti působení pružiny 17 a magnetu 18 a dvouramenná páka 19 uvolní tah na lanku 15, a jakmile se pár lopatek 5 zavře, západka 13 je v této poloze uzamkne. Prostřednictvím spojovacího lana 24 se vychýlí i zbylá ramena 3 a uzamknou se i ostatní páry lopatek 5. Stejného efektu se dosáhne též stlačením ovládací desky 21 směrem dolů, a to prostřednictvím vypínacích pák 23. Naopak uvolnění západek 13 se dosáhne pozvednutím ovládací desky 21, která prostřednictvím zapínacích lanek 20 vrátí dvouramenné páky 19 jakož i ramena 2 do původní polohy a napne lanka 15.

Jestliže se porovná průběh užitečné síly působící na lopatky zařízení podle vynálezu s průběhem užitečné síly u známých zařízení tohoto druhuje zřejmý podstatný rozdíl. U navrhovaného zařízení vztlaková síla vytvoří ihned po otevření lopatek a těsně před jejich uzavřením ve výkonové křivce strmé špičky přesahující dokonce hodnotu v bodu pootočení o 90° od návětmé úvratě. Rozdíl mezi plochou pod výkonovou křivkou zařízení podle vynálezu a plochou pod výkonovou křivkou známých zařízení představuje zvýšení účinnosti dosažené v důsledku nového řešení.

Claims (10)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Větrný motor, který je tvořen páry výklopných lopatek uložených na ramenech vybíhajících radiálně z hřídele kolmého na směr větru, vyznačující se tím, že lopatky (5) mají v příčném řezu rovnoběžném s osou vyklápění aerodynamický profil křídla s vydutou spodní stranou.
2. 2. Větrný motor podle nároku 1, vyznačující se tím, že lopatky (5) jsou v oblasti svých hran opatřeny výklopnými vztlakovými klapkami (6).
3. 3. Větrný motor podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se t í m , že lopatky (5) každého páru jsou prostřednictvím páru táhel (7) kloubově propojeny s jezdcem (8), který je uložen na vedení (9) kolmém na rovinu otevřených lopatek a opatřen zarážkou (10) k vymezení polohy jezdce (8) při otevřených lopatkách (6).
4. 4. Větrný motor podle nároku 3, vyznačující se t í m , že mezi jezdec (8) a zarážku (10) je vložena pružina (11).
5. 5. Větrný motor podle nároků 1 až 4, vyznačující se t í m , že před příčnými hranami lopatek (5) v jejich zavřené poloze je umístěn aerodynamický kryt (12).
6. 6. Větrný motor podle nároků 1 až 5, vyznačující se t í m , že lopatky (5) každého páru jsou opatřeny západkovým mechanismem k jejich vzájemnému uzamčení, který je propojen se zařízením ke kontrole přetížení.

   -4CZ 297548 B6
7. 7. Větrný motor podle nároku 6, vyznačující se tím, že ramena (3) jsou uložena výkyvné na náboji (1) upevněném na hřídeli (2), každé rameno (3) je v pracovní poloze na dorazu (16) přidržováno pružinou (17) a magnetem (18) upevněným na náboji (1) a působícím na dvojramennou páku (19) uloženou výkyvné na rameni (3) a propojenou se západkovým mechanismem příslušného páru lopatek (5).
8. 8. Větrný motor podle nároku 7, vy z n a č uj í c í se t í m , že dvoj ramenné páky (19) jsou propojeny s ovládací deskou (21) vedenou na svislých tyčích (22), která ve své spodní poloze dosedá na vypínací páky (23), v jejichž dosahu se nacházejí dvojramenné páky (19).
9. 9. Větrný motor podle nároku 7 nebo 8, vyznačující se tím, že ramena (3) jsou vzájemně provázána spojovacím lanem (24) nebo táhly.
10. 10. Větrný motor podle nároků 1 až 9, vyznačující se tím, že na hřídeli (2) je uloženo v jedné rovině šest ramen (3) s páry lopatek (5), přičemž po obvodu se střídají kratší ramena s rameny delšími nejméně o šířku lopatky (5).