MD1476Z

MD1476Z - Wind turbine

Info

Publication number: MD1476Z
Application number: MDS20190114A
Authority: MD
Inventors: Виорел БОСТАН; Валериу ОДАЙНЫЙ; Марин ГУЦУ
Original assignee: Технический университет Молдовы
Priority date: 2019-11-15
Filing date: 2019-11-15
Publication date: 2021-07-31
Also published as: MD1476Y

Abstract

The invention relates to wind-power engineering, namely to devices for converting wind energy into electrical energy.The wind turbine comprises a mast (1), on which is installed with the possibility of rotation around its axis a rotor with aerodynamic blades (7), fixed on an input shaft (6), connected to an electric current generator (5), including a mechanism (3) for transferring the current produced by the generator (5), and a safety mechanism (2) of the generator (5). Each aerodynamic blade (7) is equipped on its ledge with a longitudinal groove (a) of semicircular shape, open outward, with a radius of (0.0125 - 0.0135)L, the center of which is placed on the continuation of the aerodynamic profile contour at a distance of (0.56 - 0, 58)L from the attack board, where L is the length of the blade (7) chord.

Description

Invenţia se referă la energetica eoliană, şi anume la dispozitive de conversie a energiei eoliene în energia electrică. The invention relates to wind energy, namely to devices for converting wind energy into electrical energy.

Este cunoscută o turbină eoliană, care conţine un rotor cu cinci pale aerodinamice simetrice cu profil răsucit longitudinal. Turbina eoliană include un turn, pe care este fixată o nacelă cu posibilitatea rotirii sale în jurul axei turnului prin intermediul unui lagăr de alunecare, fiind orientat la direcţia vântului prin intermediul unei giruete, fixate de nacelă, în care este montat un generator cu magneţi permanenţi, iar pe arborele de intrare al generatorului este fixat rotorul cu palele aerodinamice. Pe rotor este instalat conul nacelei [1]. A wind turbine is known, which contains a rotor with five symmetrical aerodynamic blades with a longitudinally twisted profile. The wind turbine includes a tower, on which a nacelle is fixed with the possibility of its rotation around the axis of the tower by means of a sliding bearing, being oriented to the wind direction by means of a weather vane, fixed to the nacelle, in which a generator with permanent magnets is mounted, and on the input shaft of the generator the rotor with aerodynamic blades is fixed. The nacelle cone is installed on the rotor [1].

Dezavantajul turbinei eoliene cunoscute constă în performanţa aerodinamică limitată a rotorului la viteza nominală a vântului. The disadvantage of the known wind turbine lies in the limited aerodynamic performance of the rotor at the nominal wind speed.

De asemenea, este cunoscută o turbina eoliană, care conţine un turn, pe care este amplasată o nacelă cu posibilitatea rotirii ei în jurul axei turnului prin intermediul roţilor-vindroză, cuplate cu un mecanism de acţionare, format din două angrenaje cu melc, şi cu un rotor cu pale cu profil aerodinamic, fixat pe arbore de intrare, unit cu rotorul unui generator, dotat cu un dispozitiv de transformare a energiei, legat cinematic cu rotorul. Fiecare pală este dotată cu o gură de aspiraţie a aerului, amplasată longitudinal în zona bordului de atac, şi o gură de refulare, amplasată în zona adiacentă bordului de fugă, pe partea dorsală a palelor. Totodată, gurile de aspiraţie şi de refulare sunt executate ca deschizături în învelişul palelor, gurile de aspiraţie şi de refulare fiind unite între ele printr-un tunel pentru circulaţia aerului, executat între învelişul părţii dorsale a palei şi învelişul echidistanţat de învelişul părţii dorsale a palei [2]. Also known is a wind turbine, which contains a tower, on which is placed a nacelle with the possibility of rotating it around the axis of the tower by means of wind wheels, coupled with a drive mechanism, consisting of two worm gears, and with a rotor with blades with an aerodynamic profile, fixed on the input shaft, joined to the rotor of a generator, equipped with an energy transformation device, kinematically connected to the rotor. Each blade is equipped with an air suction mouth, located longitudinally in the area of the leading edge, and a discharge mouth, located in the area adjacent to the trailing edge, on the dorsal side of the blades. At the same time, the suction and discharge ports are made as openings in the blade casing, the suction and discharge ports being connected to each other by a tunnel for air circulation, made between the dorsal side of the blade casing and the casing equidistant from the dorsal side of the blade casing [2].

Dezavantajul turbinei eoliene cunoscute constă în construcţia complicată a palelor rotorului, ceea ce diminuează eficienţa constructivă, sporind doar costurile de fabricare şi de exploatare. The disadvantage of the known wind turbine lies in the complicated construction of the rotor blades, which reduces the constructive efficiency, only increasing the manufacturing and operating costs.

Problema pe care o rezolvă invenţia constă în sporirea eficienţei conversiei şi în simplificarea construcţiei palelor. The problem that the invention solves consists in increasing the conversion efficiency and simplifying the construction of the blades.

Turbina eoliană, conform invenţiei, înlătură dezavantajele menţionate mai sus prin aceea că conţine un turn imobil, pe care este instalat cu posibilitatea rotirii în jurul axei lui un rotor cu pale aerodinamice, fixat pe un arbore de intrare, unit cu un generator de curent electric, rotorul cu pale aerodinamice fiind orientat după direcţia vântului de o giruetă. Turbina mai include un mecanism de transmitere a curentului produs de generator, şi un mecanism de siguranţă a generatorului. Fiecare pală aerodinamică este dotată pe extradosul ei cu o canelură longitudinală de formă semicirculară, deschisă spre exterior, cu raza de (0,0125 - 0,0135)L, centrul căreia este amplasat pe prelungirea conturului profilului aerodinamic la distanţa de (0,56 - 0,58)L de bordul de atac, unde L - lungimea coardei palei. The wind turbine, according to the invention, eliminates the above-mentioned disadvantages by containing a stationary tower, on which is installed with the possibility of rotation around its axis a rotor with aerodynamic blades, fixed on an input shaft, connected to an electric current generator, the rotor with aerodynamic blades being oriented according to the wind direction by a weather vane. The turbine also includes a mechanism for transmitting the current produced by the generator, and a generator safety mechanism. Each aerodynamic blade is equipped on its extrados with a longitudinal groove of semicircular shape, open to the outside, with a radius of (0.0125 - 0.0135)L, the center of which is located on the extension of the aerodynamic profile contour at a distance of (0.56 - 0.58)L from the leading edge, where L - the length of the blade chord.

Canelura longitudinală este amplasată la o distanţă proporţională de la bordul de atac pe toată lungimea palei, având aceiaşi rază pe lungimea palei. The longitudinal groove is located at a proportional distance from the leading edge along the entire length of the blade, having the same radius along the length of the blade.

Rezultatul tehnic al invenţiei constă în faptul că aplicarea canelurii longitudinale executate pe extradosul palei de formă semicirculară, deschisă spre exterior, cu o rază stabilită, conduce la sporirea eficienţei de conversie. Totodată, amplasarea canelurii la o distanţă proporţională de la bordul de atac pe toata lungimea palei şi executarea ei de aceiaşi adâncime conduce la simplificarea constructivă şi tehnologică a palelor. The technical result of the invention consists in the fact that the application of the longitudinal groove executed on the extrados of the blade of semicircular shape, open to the outside, with a set radius, leads to an increase in the conversion efficiency. At the same time, the placement of the groove at a proportional distance from the leading edge along the entire length of the blade and its execution of the same depth leads to the constructive and technological simplification of the blades.

Invenţia se explică prin desenele din fig. 1 - 6, care reprezintă: The invention is explained by the drawings in Fig. 1 - 6, which represent:

- fig. 1, turbina eoliană cu cinci pale; - Fig. 1, five-blade wind turbine;

- fig. 2, pala cu profil aerodinamic cu canelură longitudinală; - Fig. 2, blade with aerodynamic profile with longitudinal groove;

- fig. 3, secţiunea palei, dotată cu canelură; - Fig. 3, section of the blade, equipped with a groove;

- fig. 4, separarea stratului limită şi variaţia energiei cinetice turbulente asupra profilului aerodinamic pentru profilul aerodinamic NACA 4412, executat fără canelura longitudinală; - Fig. 4, boundary layer separation and turbulent kinetic energy variation on the airfoil for the NACA 4412 airfoil, executed without the longitudinal groove;

- fig. 5, separarea stratului limită şi variaţia energiei cinetice asupra profilului aerodinamic pentru profilul aerodinamic NACA 4412, executat cu canelura longitudinală; - Fig. 5, boundary layer separation and kinetic energy variation on the airfoil for the NACA 4412 airfoil, executed with the longitudinal groove;

- fig. 6, reprezentarea forţei de portanţă în funcţie de unghiul de atac al profilului aerodinamic. - Fig. 6, representation of the lift force as a function of the angle of attack of the aerodynamic profile.

Turbina eoliană (fig. 1) conţine turnul 1 imobil, pe care este instalat cu posibilitatea rotirii în jurul axei lui rotorul cu pale 7 aerodinamice, fixat pe arborele de intrare 6, unit cu generatorul 5 de curent electric, rotorul cu pale 7 aerodinamice fiind orientat după direcţia vântului de girueta 4, inclusiv mecanismul 3 de transmitere a curentului produs de generatorul 5, şi mecanismul de siguranţă 2 a generatorului 5. Fiecare pală 7 aerodinamică este dotată pe extradosul ei cu canelura longitudinală a de formă semicirculară, deschisă spre exterior, cu raza de (0,0125 - 0,0135)L, centrul căreia este amplasat pe prelungirea conturului profilului aerodinamic la distanţa de (0,56 - 0,58)L de bordul de atac, unde L - lungimea coardei palei 7. The wind turbine (fig. 1) contains the immobile tower 1, on which the rotor with aerodynamic blades 7 is installed with the possibility of rotation around its axis, fixed on the input shaft 6, connected to the electric current generator 5, the rotor with aerodynamic blades 7 being oriented according to the wind direction by the weather vane 4, including the mechanism 3 for transmitting the current produced by the generator 5, and the safety mechanism 2 of the generator 5. Each aerodynamic blade 7 is equipped on its top surface with the longitudinal groove a of semicircular shape, open to the outside, with the radius of (0.0125 - 0.0135)L, the center of which is located on the extension of the aerodynamic profile contour at a distance of (0.56 - 0.58)L from the leading edge, where L - the chord length of the blade 7.

Turbina eoliană funcţionează în modul următor. The wind turbine operates in the following way.

La o viteză a vântului mai mare de 2,5 m/s forţele aerodinamice ale fluxului de aer, care curge în jurul palelor 7, formează o componenţă tangenţială, care antrenează generatorul 5 prin intermediul arborelui 6 cu o mişcare de rotaţie cu viteza unghiulară, care produce energie electrică. Orientarea turbinei la direcţia vântului este asigurată prin intermediul giruetei 4, iar frânarea rotorului la viteze ale vântului mai mari de 25 m/s este asigurată combinat pe cale electromagnetică şi aerodinamica. At a wind speed of more than 2.5 m/s, the aerodynamic forces of the air flow, flowing around the blades 7, form a tangential component, which drives the generator 5 via the shaft 6 with a rotational movement with angular velocity, which produces electrical energy. The orientation of the turbine in the wind direction is ensured by the weather vane 4, and the braking of the rotor at wind speeds higher than 25 m/s is ensured by a combined electromagnetic and aerodynamic means.

Pala poate fi executată prin frezare, deformare plastică sau tehnologii aditive cu ajutorul imprimantelor 3D din materiale compozite. The blade can be made by milling, plastic deformation or additive technologies using 3D printers made of composite materials.

Dotarea palelor cu profil aerodinamic (fig. 2, 3) cu canelura longitudinală amplasată pe extradosul lor de formă semicirculară, deschisă spre exterior, cu o rază oarecare R, centrul căreia este amplasat pe conturul profilului aerodinamic NACA 4412, iar distanţa centrului razei de la bordul de atac este în proporţie de (≈0,57)L, conduce la sporirea eficienţei conversiei. Rezerva de sporire a performanţei aerodinamice a palelor rotorului constă în diminuarea influenţei negative a fenomenului de separare a stratului limită la curgerea fluidului în direcţia transversală a palei. În fig. 4 şi 5 este prezentată separarea stratului limită şi variaţia energiei cinetice turbulente pentru profilul aerodinamic NACA 4412 cu şi fără canelură longitudinală. Se observă diferenţa de diminuare a energiei cinetice turbulente în fig. 4 la max. 10 J/kg, iar în fig. 5 la max. 8 J/kg, are loc o dată cu întârzierea separării stratului limită, cauzată de canelura longitudinală (fig. 5). Testările în tunelul aerodinamic specializat demonstrează sporirea performanţei aerodinamice cu 5%, obţinându-se creşterea forţei de portanţă în funcţie de unghiul de atac cauzat de canelura longitudinala (fig. 6), confirmându-se efectul pozitiv al soluţiei tehnice propuse de invenţie. The provision of blades with an aerodynamic profile (fig. 2, 3) with a longitudinal groove located on their extrados of a semicircular shape, open to the outside, with an arbitrary radius R, the center of which is located on the contour of the NACA 4412 aerodynamic profile, and the distance of the center of the radius from the leading edge is in the proportion of (≈0.57)L, leads to an increase in the conversion efficiency. The reserve for increasing the aerodynamic performance of the rotor blades consists in reducing the negative influence of the boundary layer separation phenomenon on the fluid flow in the transverse direction of the blade. Fig. 4 and 5 show the boundary layer separation and the variation of the turbulent kinetic energy for the NACA 4412 aerodynamic profile with and without a longitudinal groove. The difference in the reduction of the turbulent kinetic energy is observed in fig. 4 at max. 10 J/kg, and in fig. 5 at max. 8 J/kg, occurs simultaneously with the delay in boundary layer separation caused by the longitudinal groove (fig. 5). Tests in the specialized wind tunnel demonstrate an increase in aerodynamic performance by 5%, obtaining an increase in lift force depending on the angle of attack caused by the longitudinal groove (fig. 6), confirming the positive effect of the technical solution proposed by the invention.

1. HY-1000 wind turbine, Guangzhou HY energy Technology Limited Corp, Manufactured, Trading Company, 2001 [regăsit la 2020.10.02]. Găsit pe Internet <https://www.eworldtrade.com/c/hyenergytechnology/> 1. HY-1000 wind turbine, Guangzhou HY energy Technology Limited Corp, Manufactured, Trading Company, 2001 [retrieved 2020.10.02]. Found on the Internet <https://www.eworldtrade.com/c/hyenergytechnology/>

2. MD 661 Y 2013.07.31 2. MD 661 Y 2013.07.31

Claims

1. Wind turbine, comprising a stationary tower (1), on which is installed, with the possibility of rotating around its axis, a rotor with aerodynamic blades (7), fixed on an input shaft (6), connected to an electric current generator (5), the rotor with aerodynamic blades (7) being oriented according to the wind direction by a weather vane (4), including a mechanism (3) for transmitting the current produced by the generator (5), and a safety mechanism (2) of the generator (5), characterized in that each aerodynamic blade (7) is equipped on its top surface with a longitudinal groove (a) of semicircular shape, open towards the outside, with a radius of (0.0125 - 0.0135)L, the center of which is located on the extension of the aerodynamic profile contour at a distance of (0.56 - 0.58)L from the leading edge, where L - the length of the blade chord (7).

2. Wind turbine according to claim 1, characterized in that the longitudinal groove (a) is located at a proportional distance from the leading edge along the entire length of the blade (7), having the same radius along the length of the blade (7).