ITPG20090008U1

ITPG20090008U1 - STATIC AERODYNAMIC FLOW DIVERTER FOR VERTICAL WIND ROTOR BLADES.

Info

Publication number: ITPG20090008U1
Authority: IT
Inventors: Leonardo Valentini
Original assignee: Leonardo Valentini
Priority date: 2009-04-27
Filing date: 2009-04-27
Publication date: 2010-10-28
Also published as: WO2010125599A3; WO2010125599A2

Description

Descrizione di brevetto per modello di utilità industriale dal titolo “Deviatore statico di flusso aerodinamico per pale di rotori eolici ad asse verticale” Patent description for industrial utility model entitled "Static aerodynamic flow diverter for vertical axis wind rotor blades"

Testo della descrizione Description text

L’adozione dei generatore eolici ad asse verticale a calettamento fisso rispetto all’asse orizzontale risulta competitiva in virtù dell’elevata efficienza energetica e dalla bassa manutenzione d’esercizio, poiché per la sua particolare configurazione non necessita di orientamento secondo l’asse vento e possono essere installati su torri di sostegno con altezza doppia o tripla rispetto al diametro riducendo così l’impatto ambientale ed ampliando la possibilità d’installazione su territori più vasti. The adoption of vertical axis wind turbines with fixed keying with respect to the horizontal axis is competitive by virtue of the high energy efficiency and low maintenance operation, since due to its particular configuration it does not require orientation according to the wind axis and they can be installed on support towers with double or triple height compared to the diameter, thus reducing the environmental impact and expanding the possibility of installation on larger territories.

I rotori eolici ad asse verticale sono più idonei ad essere installati anche in zone non eccessivamente ventose e con elevata variabilità direzionale. Vertical axis wind rotors are more suitable for installation even in areas that are not excessively windy and with high directional variability.

Le applicazioni tipiche di queste macchine eoliche sono le case di campagna, le fattorie, gli allevamenti animali, le coltivazioni intensive in serra, gli agriturismo, i villaggi turistici ecc.. dove l’eolico può anche essere agevolmente integrato con il solare. The typical applications of these wind machines are country houses, farms, animal husbandry, intensive greenhouse cultivation, farm holidays, tourist villages, etc. .. where wind power can also be easily integrated with solar power.

II dispositivo oggetto del presente trovato è stato ideato, progettato e costruito in forma sperimentale per risolvere le problematiche dei rotori eolici ad asse verticale quale l auto-avviamento e la limitazione del regime di rotazione. The device according to the present invention has been conceived, designed and built in an experimental form to solve the problems of vertical axis wind rotors such as self-starting and limitation of the rotation speed.

L’auto-avviamento di un rotore eolico ad asse verticale con pale a calettamento fisso presenta notevoli difficoltà poiché il rotore è costretto ad avviarsi con un flusso aerodinamico delle pale stallato e quindi si hanno delle posizioni del rotore rispetto all’asse vento in cui non si genera coppia. The self-starting of a vertical axis wind rotor with fixed keying blades presents considerable difficulties since the rotor is forced to start with an aerodynamic flow of the blades stalled and therefore there are positions of the rotor with respect to the wind axis in which torque is generated.

La Fig. 1 illustra in forma schematica una vista in pianta del rotore con il deviatore pos.l , la pala pos.2 e le aste di sostegno pos.3. Fig. 1 schematically illustrates a plan view of the rotor with the diverter pos. 1, the blade pos. 2 and the support rods pos. 3.

La Fig. 2 mostra la sezione del profilo della pala pos.2 e del deviatore pos.l investiti dal flusso del vento e la generazione del vortice Cv pos.3 con deviazione della direzione del vento da a a p. Fig. 2 shows the section of the profile of the blade pos.2 and the deviator pos.l hit by the wind flow and the generation of the vortex Cv pos.3 with deviation of the wind direction from a to p.

La Fig. 3 mostra la stessa sezione della Fig. 2 con la pala pos.2 e il deviatore pos.l in cui sono riportati i parametri dimensionali intercorrenti tra loro. Fig. 3 shows the same section of Fig. 2 with the blade pos.2 and the diverter pos.l which show the dimensional parameters between them.

L’adozione dello specifico deviatore di flusso oggetto del presente trovato calettato anteriormente alla pala (pos.2 Fig. 2) e rivolto verso l interno del rotore (pos.l Fig. 2) permette la creazione di un vortice Cv nella parte interna del profilo della pala (pos.3 Fig.2) rispetto al centro del rotore (O Fig. 2) da bassi valori dell’angolo d’incidenza (10°-15°) fino a valori estremi (45°-90°) The adoption of the specific flow diverter object of the present invention keyed in front of the blade (pos. 2 Fig. 2) and turned towards the inside of the rotor (pos. 1 Fig. 2) allows the creation of a vortex Cv in the internal part of the blade profile (pos. 3 Fig. 2) with respect to the center of the rotor (O Fig. 2) from low values of the angle of incidence (10 ° -15 °) up to extreme values (45 ° -90 °)

Questo vortice aderente alla superficie interna della pala devia il flusso ventoso generando una forza propulsiva nelle pale ortogonale al raggio del rotore anche a rotore fermo λ = 0 (λ è il rapporto tra la velocità periferica delle pale Vp e la velocità del vento W ; λ = Vp/W) dovuta alla variazione dell’angolo di direzione del vento rispetto alla pala da a a β (Fig. 2) This vortex adhering to the internal surface of the blade deflects the windy flow generating a propulsive force in the blades orthogonal to the radius of the rotor even with the rotor stationary λ = 0 (λ is the ratio between the peripheral speed of the blades Vp and the wind speed W; λ = Vp / W) due to the variation of the angle of direction of the wind with respect to the blade from a to β (Fig. 2)

Si ottiene così una notevole coppia omnidirezionale ad Ω=0 che evita l’inserimento nel rotore eolico di sistemi di lancio per l avviamento e sensori di rilevamento della velocità minima del vento per iniziare la rotazione e la generazione di energia. In this way, a considerable omnidirectional torque is obtained at Ω = 0 which avoids the insertion in the wind rotor of launch systems for starting and sensors for detecting the minimum wind speed to start the rotation and generation of energy.

L’altra grave problematica dei rotori ad asse verticale a calettamento fìsso è l’elevato regime di rotazione imposto da progetto ( λ tra 5 e 6 ) con un conseguente incremento di dissipazione di potenza dovuta sia alla resistenza del profilo sia alle strutture di sostegno della pale; resistenza proporzionale al quadrato della velocità di rotazione Ω. The other serious problem of vertical axis rotors with fixed keying is the high rotation speed imposed by the design (λ between 5 and 6) with a consequent increase in power dissipation due to both the resistance of the profile and the supporting structures of the shovels; resistance proportional to the square of the rotation speed Ω.

Questa costrizione di progetto (pena lo stallo della zona frontale del rotore con fortissimo e repentino aumento della resistenza aerodinamica) è imposta anche per consentire la stabilità alla raffica (incremento improvviso della velocità del vento). This design constraint (under penalty of stalling the frontal area of the rotor with a very strong and sudden increase in aerodynamic resistance) is also imposed to allow stability to the gust (sudden increase in wind speed).

Infatti se il λ di funzionamento fosse di 4 (corrispondono circa 15° d’incidenza massima) un repentino aumento della velocità del vento abbasserebbe il λ di funzionamento del rotore prima che questo possa aumentare la velocità di rotazione causando lo stallo della pala con conseguente incremento della resistenza di profilo che rallenterebbe ulteriormente il rotore facendolo così collassare. In fact, if the operating λ were 4 (corresponding to approximately 15 ° of maximum incidence) a sudden increase in wind speed would lower the operating λ of the rotor before this can increase the rotation speed causing the blade to stall with a consequent increase. of the profile resistance which would further slow down the rotor causing it to collapse.

Inoltre gli elevati regimi di rotazione portano a notevoli carichi centrifughi nelle pale, soprattutto per i rotori di piccole dimensioni (r tra lm e 6m) perché la forza centrifuga è proporzionale al quadrato della velocità periferica ed inversamente proporzionale al raggio rotorico (Fc = M x Vp<2>/ R) mentre il λ d’esercizio del rotore è costante. Furthermore, the high rotation speeds lead to considerable centrifugal loads in the blades, especially for small rotors (r between lm and 6m) because the centrifugal force is proportional to the square of the peripheral speed and inversely proportional to the rotor radius (Fc = M x Vp <2> / R) while the rotor operating λ is constant.

Ad esempio a parità di velocità del vento W un rotore di 1 metro di diametro è una soggetto ad una sollecitazione specifica doppia rispetto ad un rotore di 2 metri di diametro. For example, with the same wind speed W, a rotor with a diameter of 1 meter is subjected to a specific stress that is double that of a rotor with a diameter of 2 meters.

Questo finora ha creato problemi strutturali e limiti nella velocità vento massima ammissibile dei rotori eolici ad asse verticale tradizionali di piccole dimensioni. This has so far created structural problems and limits in the maximum allowable wind speed of small traditional vertical axis wind rotors.

L’inserimento del deviatore di flusso fa si che il profilo della pala possa accettare angoli d’incidenza istantanei di quasi 45° senza stallare, potendo così abbassare drasticamente il λ d’esercizio (λ tra 1 e 2). The insertion of the flow diverter means that the blade profile can accept instantaneous angles of almost 45 ° without stalling, thus being able to drastically lower the operating λ (λ between 1 and 2).

Un λ di lavoro del rotore eolico tra 1 e 2 abbassa i carichi centrifughi nelle pale ed aumenta sia la velocità massima sopportabile sia la stabilità alla raffica transitoria. A working λ of the wind rotor between 1 and 2 lowers the centrifugal loads in the blades and increases both the maximum bearable speed and transient gust stability.

Quindi l’utilizzo del deviatore di flusso oggetto del presente trovato apre un nuovo campo d’applicazione dei rotori ad asse verticale per piccole potenze ed utenze ad uso privato con aree spazzate tra 2 m e 40 m<2>(tra 1.5 m e 6 m di diametro). Therefore, the use of the flow diverter object of the present invention opens up a new field of application of vertical axis rotors for small powers and users for private use with swept areas between 2 m and 40 m <2> (between 1.5 m and 6 m of diameter).

Come si può notare dalla fig.3 esiste un rapporto ottimale tra la corda del deviatore 11 e la corda della pala principale 12 (11/12) che può variare da 1/10 a 1/3 preferibilmente intorno ad 1⁄4. As can be seen from fig. 3 there is an optimal ratio between the chord of the deviator 11 and the chord of the main blade 12 (11/12) which can vary from 1/10 to 1/3, preferably around 1⁄4.

Sono inoltre determinanti, per ottenere il massimo angolo d’incidenza senza incorrere nello stallo, sia l’angolo di calettamento γ tra la corda della pala ed il deviatore sia la loro distanza relativa Z. In order to obtain the maximum angle of incidence without stalling, both the keying angle γ between the blade chord and the diverter and their relative distance Z are also decisive.

L’angolo γ può variare tra 0° e 30° preferibilmente intorno ai 15° mentre il rapporto tra la corda del deviatore 11 e la distanza Z (11/z) varia da 10 a 2 , preferibilmente intorno a 4. The angle γ can vary between 0 ° and 30 ° preferably around 15 ° while the ratio between the chord of the deviator 11 and the distance Z (11 / z) varies from 10 to 2, preferably around 4.

Il rapporto s/11 può variare da 0 a 1⁄2 , preferibilmente intorno 1/6. The s / 11 ratio can vary from 0 to 1⁄2, preferably around 1/6.

L’ottimizzazione tra i vari rapporti geometrici ed angolari tra pala e deviatore è funzione dei rispettivi profili aerodinamici adottati per la realizzazione del rotore eolico. The optimization between the various geometric and angular ratios between blade and diverter is a function of the respective aerodynamic profiles adopted for the construction of the wind rotor.

Claims

CLAIMS 1) It claims the adoption of auxiliary blades with aerodynamic profile with the function of flow deviators rigidly coupled to the main blades of vertical axis wind rotors.

2) The front positioning of the auxiliary flow deviating blade with respect to the leading edge of the main blade is claimed.

3) The internal positioning of the auxiliary flow deviating blade with respect to the circular trajectory of the main blades is claimed.

4) The dimensional ratio between the chord of the diverter profile and the chord of the main blade is claimed between 1/10 to 1/3, preferably 1⁄4.

5) The dimensional relationship between the distance of the diverter with respect to the leading edge of the main blade and the chord of the diverter between 0 and 1/2, preferably 1/6, is claimed.

6) The dimensional ratio between the diverter cord and the distance between the trailing edge of the diverter and the main blade is claimed between 1/10 and 1/2, preferably 1⁄4 7) The angular positioning of the diverter with respect to the main blade is claimed, the respective axes of the profiles form an angle between 0 ° and 30 °, preferably 15 °. 8) The value of the keying angle formed between the axis of the main blade and the tangent to the circular trajectory between -15 ° and 15 °, preferably 0 °, is claimed.