MD1738Z - Vertical axis wind turbine with aerodynamic protection against overloads - Google Patents
Vertical axis wind turbine with aerodynamic protection against overloads Download PDFInfo
- Publication number
- MD1738Z MD1738Z MDS20230006A MDS20230006A MD1738Z MD 1738 Z MD1738 Z MD 1738Z MD S20230006 A MDS20230006 A MD S20230006A MD S20230006 A MDS20230006 A MD S20230006A MD 1738 Z MD1738 Z MD 1738Z
- Authority
- MD
- Moldova
- Prior art keywords
- rotating shaft
- blade
- aerodynamic
- angle
- attack
- Prior art date
Links
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 claims abstract description 4
- 230000009471 action Effects 0.000 claims description 7
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 4
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 abstract description 2
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 238000011144 upstream manufacturing Methods 0.000 description 3
- UJCHIZDEQZMODR-BYPYZUCNSA-N (2r)-2-acetamido-3-sulfanylpropanamide Chemical compound CC(=O)N[C@@H](CS)C(N)=O UJCHIZDEQZMODR-BYPYZUCNSA-N 0.000 description 2
- 241001669680 Dormitator maculatus Species 0.000 description 2
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 2
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 239000013598 vector Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/70—Wind energy
- Y02E10/74—Wind turbines with rotation axis perpendicular to the wind direction
Landscapes
- Wind Motors (AREA)
Abstract
Description
Invenţia se referă la dispozitive de conversie a energiei eoliene, în special la turbinele eoliene cu ax vertical cu protecţie aerodinamică împotriva suprasarcinilor. The invention relates to wind energy conversion devices, in particular to vertical axis wind turbines with aerodynamic protection against overloads.
Este cunoscută o turbină eoliană, care conţine trei pale cu profil aerodinamic cu elemente elastice ajustabile, prin intermediul cărora palele sunt fixate cu capetele de ax, fapt ce asigură deformarea palei după o formă optimă în funcţie de viteza de rotaţie, capete de prindere ale palelor de un disc de capăt, care permit autoajustarea poziţiei prin intermediul unor articulaţii, şi astfel, reducerea stării de tensionare din pale [1]. A wind turbine is known, which contains three blades with an aerodynamic profile with adjustable elastic elements, by means of which the blades are fixed with the ends of the shaft, which ensures the deformation of the blade according to an optimal shape depending on the speed of rotation, attachment ends of the blades by an end disc, which allow the self-adjustment of the position by means of joints, and thus, the reduction of the state of tension in the blades [1].
Dezavantajele soluţiei cunoscute constau în construcţia ei complicată şi în fiabilitatea redusă a exploatării. The disadvantages of the known solution consist in its complicated construction and low reliability of operation.
Cea mai apropiată soluţie prezintă o turbină eoliană cu ax vertical, care conţine un turn, pe care este instalat un arbore rotitor cu pale cu profil aerodinamic executate înclinat, capetele de jos ale cărora sunt unite rigid cu capetele unor bare radiale inferioare, celelalte capete ale cărora sunt unite rigid cu arborele rotitor, iar în capetele de sus ale palelor sunt executate caneluri, în care sunt amplasate articulaţii, prin intermediul cărora capetele de sus ale palelor sunt unite cu elemente inerţiale instalate pe capetele unor bare radiale superioare cu posibilitatea asigurării unui unghi de atac optim αopt, totodată celelalte capete ale barelor radiale superioare sunt fixate rigid într-o bucşă instalată liber pe arborele rotitor, iar arborele rotitor este unit cu un arbore rotitor al generatorului electric instalat rigid într-o carcasă fixată rigid pe turn. În cea de-a doua realizare a invenţiei capetele de jos ale palelor sunt unite prin intermediul unor articulaţii cu capetele barelor radiale inferioare, iar bucşa este unită cu arborele rotitor prin intermediul unor elemente elastice [2]. The closest solution presents a wind turbine with a vertical axis, which contains a tower, on which is installed a rotating shaft with blades with an aerodynamic profile executed at an angle, the lower ends of which are rigidly joined to the ends of lower radial bars, the other ends of to which they are rigidly connected to the rotating shaft, and in the upper ends of the blades grooves are made, in which joints are located, through which the upper ends of the blades are joined to inertial elements installed on the ends of upper radial bars with the possibility of ensuring an angle of optimal attack αopt, at the same time the other ends of the upper radial bars are rigidly fixed in a bushing freely installed on the rotating shaft, and the rotating shaft is united with a rotating shaft of the electric generator rigidly installed in a housing rigidly fixed on the tower. In the second embodiment of the invention, the lower ends of the blades are joined by means of joints with the ends of the lower radial bars, and the bushing is joined to the rotating shaft by means of elastic elements [2].
Dezavantajele soluţiei cunoscute constau în fiabilitatea redusă a exploatării turbinei şi sensibilitatea joasă a repoziţionării palelor sub un unghi de atac modificat αm ≠ αopt constant pe toată lungimea palei în cazul în care viteza vântului depăşeşte limita maximală, la care viteza de rotaţie a arborelui rotitor trebuie redusă. Totodată modificarea unghiului de atac se realizează prin răsucirea fizică sub sarcină a palelor, fapt ce asigură repoziţionarea doar a unei porţiuni de pală la unghiul αm, iar tensiunile la răsucire diminuează rezistenţa mecanică în timp a palelor cu profil aerodinamic, şi implicit se reduce fiabilitatea arborelui rotitor în ansamblu. Efortul mecanic de repoziţionare a palelor sub un unghi de atac αm ≠ αopt constituie efortul de deformare a arcului elastic, prin care pala revine la repoziţionarea sub unghiul αopt şi efortul suplimentar de răsucire a palelor. The disadvantages of the known solution consist in the reduced reliability of the turbine operation and the low sensitivity of repositioning the blades under a modified angle of attack αm ≠ αopt constant along the entire length of the blade in case the wind speed exceeds the maximum limit, at which the rotation speed of the rotating shaft must be reduced . At the same time, the change of the angle of attack is achieved by physically twisting the blades under load, which ensures the repositioning of only a portion of the blade at the angle αm, and the twisting stresses reduce the mechanical resistance over time of the blades with an aerodynamic profile, and implicitly the reliability of the shaft is reduced rotator as a whole. The mechanical effort to reposition the blades under an angle of attack αm ≠ αopt constitutes the effort to deform the elastic spring, by which the blade returns to the repositioning under the angle αopt and the additional effort to twist the blades.
Problema tehnică pe care o rezolvă invenţia propusă constă în crearea unei turbine cu ax vertical, care ar asigura sensibilitatea repoziţionării palelor sub un unghi de atac αm ≠ αopt şi reducerea vitezei unghiulare a arborelui rotitor la viteze ale vântului U∞ care depăşesc limita maximală admisibilă cu condiţia excluderii tensionării mecanice a palelor prin deformare cu răsucirea lor. The technical problem that the proposed invention solves consists in the creation of a turbine with a vertical axis, which would ensure the sensitivity of the repositioning of the blades under an angle of attack αm ≠ αopt and the reduction of the angular speed of the rotating shaft at wind speeds U∞ that exceed the maximum admissible limit with the condition of excluding the mechanical tensioning of the blades by deformation with their twisting.
Problema se rezolvă prin aceea că turbina eoliană cu ax vertical cu protecţie aerodinamică împotriva suprasarcinilor conţine un turn, pe care este instalat un generator electric cu un arbore rotitor, unit cu un arbore rotitor cu pale cu profil aerodinamic executate înclinat şi montate flexibil cu posibilitatea autoschimbării unui unghi de atac α prin pivotare. Palele sunt unite cu arborele rotitor prin intermediul unor bare radiale, la extremităţile periferice ale cărora sunt montate articulaţii mecanice axial distanţate una faţă de alta, cu o axă comună de articulare O1O1 concurentă cu o axă OO a arborelui rotitor şi care în secţiunea amplasării barelor radiale trece printr-un punct O1 cu proiecţia pe coarda palei într-un punct N1, amplasat între bordul de atac B al palei şi un punct Oʹ de aplicare a unor forţe aerodinamice de portanţă FL şi de rezistenţă FD cu respectarea condiţiei BN1<BOʹ, astfel încât la viteza limită maximală a vântului pala, dotată cu un arc, sub acţiunea forţelor aerodinamice menţionate şi centrifuge FCF definită de masa m a unui corp inerţial, amplasat pe pală, şi de viteza lui unghiulară, să poziţioneze pala sub un unghi de atac αm diferit decât cel optim αopt, modificarea forţată a căruia αm ≠ αopt provocând majorarea forţei de rezistenţă FD şi micşorarea vitezei unghiulare a arborelui rotitor şi a forţei centrifuge FCF a masei m a corpului inerţial, totodată, sub acţiunea forţei de elasticitate a arcului, pala prin pivotare în jurul axei O1O1 revine în poziţia cu unghiul de atac optim αopt, iar viteza unghiulară a arborelui rotitor şi a generatorului electric revine la valoarea regimului staţionar de funcţionare. The problem is solved by the fact that the vertical axis wind turbine with aerodynamic protection against overloads contains a tower, on which an electric generator with a rotating shaft is installed, united with a rotating shaft with blades with an aerodynamic profile executed at an angle and mounted flexibly with the possibility of self-change of an angle of attack α by pivoting. The blades are connected to the rotating shaft by means of radial bars, at the peripheral ends of which mechanical joints are mounted axially spaced from each other, with a common joint axis O1O1 concurrent with an axis OO of the rotating shaft and which in the section where the radial bars are located passes through a point O1 with the projection on the chord of the blade in a point N1, located between the leading edge B of the blade and a point Oʹ of application of some aerodynamic forces of lift FL and resistance FD respecting the condition BN1<BOʹ, thus so that at the maximum wind speed the blade, equipped with a spring, under the action of the mentioned aerodynamic and centrifugal forces FCF defined by the mass m of an inertial body, placed on the blade, and its angular velocity, will position the blade under a different angle of attack αm than the optimum αopt, the forced change of which αm ≠ αopt causing the increase of the resistance force FD and the decrease of the angular speed of the rotating shaft and the centrifugal force FCF of the mass m of the inertial body, at the same time, under the action of the elastic force of the spring, the blade by pivoting in around the axis O1O1 returns to the position with the optimal angle of attack αopt, and the angular speed of the rotating shaft and the electric generator returns to the value of the stationary mode of operation.
Axa comună de articulare O1O1 a articulaţiilor mecanice în secţiunea amplasării barelor radiale poate trece prin punctul O1 cu proiecţia pe coarda palei în punctul N1, amplasat în afara segmentului BO1 cu respectarea condiţiei BN1>BOʹ. The common axis of articulation O1O1 of the mechanical joints in the section where the radial bars are located can pass through point O1 with the projection on the chord of the blade at point N1, located outside the segment BO1 in compliance with the condition BN1>BOʹ.
Rezultatul tehnic al invenţiei propuse constă în asigurarea la viteze maximale ale vântului, respectiv, la viteze unghiulare mari ale arborelui rotitor, a posibilităţii autorepoziţionării prin pivotarea palelor cu profil aerodinamic la un unghi de atac αm ≠ αopt, la care se provoacă majorarea forţei aerodinamice de rezistenţă FD a palei şi diminuarea vitezei unghiulare ω a arborelui rotitor şi a generatorului electric. The technical result of the proposed invention consists in ensuring at maximum wind speeds, respectively, at high angular speeds of the rotating shaft, the possibility of self-positioning by pivoting the blades with an aerodynamic profile at an angle of attack αm ≠ αopt, which causes an increase in the aerodynamic force of resistance FD of the blade and the decrease of the angular speed ω of the rotating shaft and the electric generator.
Invenţia se explică prin desenele din fig. 1-10, care reprezintă: The invention is explained by the drawings in fig. 1-10, which represent:
- fig. 1, turbina eoliană cu ax vertical cu pale elicoidale nedeformabile şi unghiul de atac autoschimbabil αm ≠ αopt la viteza limită maximală a vântului; - fig. 1, vertical axis wind turbine with non-deformable helical blades and self-changeable angle of attack αm ≠ αopt at maximum limit wind speed;
- fig. 2, turbina eoliană cu ax vertical cu pale elicoidale cu profil aerodinamic, pivotant în jurul axei O1O1; - fig. 2, vertical axis wind turbine with airfoil helical blades, pivoting around the axis O1O1;
- fig. 3, vederea A din fig. 2; - fig. 3, view A from fig. 2;
- fig. 4, schema de calcul cu prezentarea unghiurilor, forţelor şi vectorilor vitezelor aplicate la pală cu profil aerodinamic a turbinei eoliene cu ax vertical amplasată în zona amonte a arborelui rotitor; - fig. 4, the calculation scheme showing the angles, forces and velocity vectors applied to the blade with an aerodynamic profile of the wind turbine with a vertical axis located in the upstream area of the rotating shaft;
- fig. 5, schema constructiv-cinematică a palei cu profil aerodinamic poziţionată sub unghiul de atac optim αopt şi repoziţionată la viteze mari ale vântului sub unghiul de atac αm, totodată αm ≠ αopt; - fig. 5, the constructive-kinematic diagram of the blade with an aerodynamic profile positioned under the optimal angle of attack αopt and repositioned at high wind speeds under the angle of attack αm, at the same time αm ≠ αopt;
- fig. 6, schema constructiv-cinematică a palei cu profil aerodinamic şi unghiul de atac autoschimbabil la viteza limită maximală a vântului (BN1< BO ́); - fig. 6, the constructive-kinematic diagram of the blade with an aerodynamic profile and the self-changeable angle of attack at the maximum limit wind speed (BN1< BO ́);
- fig. 7, schema constructiv-cinematică a palei cu profil aerodinamic şi unghiul de atac autoschimbabil la viteza limită maximală a vântului (BN1 >BO ́); - fig. 7, the constructive-kinematic diagram of the blade with an aerodynamic profile and the self-changeable angle of attack at the maximum limit speed of the wind (BN1 >BO ́);
- fig. 8, interacţiunea profilului aerodinamic cu fluxul de vânt la unghiurile de atac în poziţie optimă de lucru; - fig. 8, the interaction of the aerodynamic profile with the wind flow at the angles of attack in the optimal working position;
- fig. 9, interacţiunea profilului aerodinamic cu fluxul de vânt la unghiurile de atac în poziţie de frânare aerodinamică; - fig. 9, the interaction of the aerodynamic profile with the wind flow at the angles of attack in the aerodynamic braking position;
- fig. 10, date compilate din diverse surse de cercetare experimentale şi numerice în funcţie de rapiditatea optimă λ şi de soliditatea σ a arborelui rotitor al turbinei. - fig. 10, data compiled from various experimental and numerical research sources depending on the optimal speed λ and solidity σ of the rotating shaft of the turbine.
Turbina eoliană cu ax vertical cu protecţie aerodinamică împotriva suprasarcinilor (fig. 1-10) conţine turnul 1, pe care este instalat generatorul electric 10 cu arborele rotitor 7, unit cu arborele rotitor 2 cu palele cu profil aerodinamic 3 executate înclinat şi montate flexibil cu posibilitatea autoschimbării unghiului de atac α prin pivotare. Palele 3 sunt unite cu arborele rotitor 2 prin intermediul barelor radiale 4, la extremităţile periferice ale cărora sunt montate articulaţiile mecanice 5, 6 axial distanţate una faţă de alta, cu axa comună de articulare O1O1 concurentă cu axa OO a arborelui rotitor 2 şi care în secţiunea amplasării barelor radiale 4 trece prin punctul O1 cu proiecţia pe coarda palei 3 în punctul N1, amplasat între bordul de atac B al palei 3 şi punctul Oʹ de aplicare a forţelor aerodinamice de portanţă FL şi de rezistenţă FD cu respectarea condiţiei BN1<BOʹ, astfel încât la viteza limită maximală a vântului pala 3, dotată cu arcul 8, sub acţiunea forţelor aerodinamice menţionate şi centrifuge FCF definită de masa m a corpului inerţial 9, amplasat pe pala 3, şi de viteza lui unghiulară ω, să poziţioneze pala 3 sub unghiul de atac αm diferit decât cel optim αopt, modificarea forţată a căruia αm ≠ αopt provocând majorarea forţei de rezistenţă FD şi micşorarea vitezei unghiulare ω a arborelui rotitor 2 şi a forţei centrifuge FCF a masei m a corpului inerţial 9, totodată, sub acţiunea forţei de elasticitate a arcului 8, pala 3 prin pivotare în jurul axei O1O1 revine în poziţia cu unghiul de atac optim αopt, iar viteza unghiulară ω a arborelui rotitor 2 şi a generatorului electric 10 revine la valoarea regimului staţionar de funcţionare. The wind turbine with a vertical axis with aerodynamic protection against overloads (fig. 1-10) contains the tower 1, on which the electric generator 10 is installed with the rotating shaft 7, joined to the rotating shaft 2 with the blades with an aerodynamic profile 3 made inclined and mounted flexibly with the possibility of self-changing the angle of attack α by pivoting. The blades 3 are joined to the rotating shaft 2 by means of the radial bars 4, at the peripheral ends of which are mounted the mechanical joints 5, 6 axially spaced from each other, with the joint joint axis O1O1 concurrent with the axis OO of the rotating shaft 2 and which in the section where the radial bars 4 are located passes through point O1 with the projection on the chord of blade 3 at point N1, located between the leading edge B of blade 3 and the point Oʹ of applying the aerodynamic forces of lift FL and resistance FD in compliance with the condition BN1<BOʹ, so that at the maximum wind speed the blade 3, equipped with the spring 8, under the action of the aforementioned aerodynamic and centrifugal forces FCF defined by the mass m of the inertial body 9, located on the blade 3, and its angular velocity ω, will position the blade 3 below the angle of attack αm different than the optimum αopt, the forced modification of which αm ≠ αopt causing the increase of the resistance force FD and the decrease of the angular speed ω of the rotating shaft 2 and the centrifugal force FCF of the mass m of the inertial body 9, at the same time, under the action of the elasticity force of the spring 8, the blade 3 by pivoting around the axis O1O1 returns to the position with the optimal angle of attack αopt, and the angular speed ω of the rotating shaft 2 and the electric generator 10 returns to the value of the stationary mode of operation.
Totodată, axa comună de articulare O1O1 a articulaţiilor mecanice 5, 6 în secţiunea amplasării barelor radiale 4 poate trece prin punctul O1 cu proiecţia pe coarda palei 3 în punctul N1, amplasat în afara segmentului BO1 cu respectarea condiţiei BN1>BOʹ (fig. 4). At the same time, the common axis of articulation O1O1 of the mechanical joints 5, 6 in the section where the radial bars 4 are located can pass through the point O1 with the projection on the chord of the blade 3 at the point N1, located outside the segment BO1 in compliance with the condition BN1>BOʹ (fig. 4) .
Turbina eoliană cu ax vertical funcţionează în modul următor. The vertical axis wind turbine works in the following way.
La viteze ale vântului U∞, palele 3 cu profil aerodinamic (de exemplu, simetric), instalate cu unghiul de atac optim αopt vor genera forţele de portanță FL, care vor antrena palele 3, iar prin intermediul barelor radiale 4 vor antrena şi arborele rotitor 2 în mişcare de rotaţie cu viteza unghiulară ω, care este transmisă arborelui rotitor 7 al generatorului 10. At wind speeds U∞, the blades 3 with an aerodynamic profile (for example, symmetrical), installed with the optimal angle of attack αopt will generate the lift forces FL, which will drive the blades 3, and by means of the radial bars 4 will also drive the rotating shaft 2 in rotational motion with the angular velocity ω, which is transmitted to the rotating shaft 7 of the generator 10.
În consecinţă, pentru unghiurile de atac mici, fluxul de vânt poate cuprinde întreaga pală 3. Frânarea rotirii palelor 3 se propune a fi realizată prin frânarea aerodinamică a acestora, şi anume prin majorarea forţei de rezistenţă FD (drag), respectiv prin diminuarea forţei de portanţă FL (lift). Descreşterea coeficientului de portanţă se datorează desprinderii stratului limită al fluxului de vânt de suprafaţa palei 3 (vecinătatea palei). Acest efect se manifestă la unghiurile de atac mai mari sau mai mici decât valoarea optimă a unghiului de atac (fig. 8). Punctul de desprindere a stratului limită se dezvoltă în regiunea bordului de fugă, iar odată cu abaterea unghiului α de la valoarea optimă αopt tinde să se deplaseze către bordul de atac. Acest fenomen are drept consecinţă creşterea în ascensiune a forţei de rezistenţă FD (fig. 9). Coraportul forţelor aerodinamice de portanţă FL şi de rezistenţă FD depinde de unghiul de atac al profilului palei 3 şi de viteza relativă a fluxului de vânt. Consequently, for small angles of attack, the wind flow can encompass the entire blade 3. Braking the rotation of the blades 3 is proposed to be achieved by their aerodynamic braking, namely by increasing the drag force FD (drag), respectively by decreasing the drag force lift FL (lift). The decrease in the lift coefficient is due to the detachment of the boundary layer of the wind flow from the surface of the blade 3 (the vicinity of the blade). This effect is manifested at angles of attack greater or less than the optimal value of the angle of attack (fig. 8). The point of separation of the boundary layer develops in the region of the trailing edge, and with the deviation of the angle α from the optimal value αopt it tends to move towards the leading edge. This phenomenon has as a consequence the upward increase of the resistance force FD (fig. 9). The ratio of the aerodynamic forces of lift FL and resistance FD depends on the angle of attack of the blade profile 3 and the relative speed of the wind flow.
Performanţa profilului aerodinamic se exprimă prin raportul forţelor aerodinamice de portanţă FL şi de rezistenţă FD, care univoc pot fi exprimate prin raportul coeficienţilor de portanţă CL (α) şi de rezistenţă CD (α) în funcţie de unghiul de atac după cum urmează: The performance of the airfoil is expressed by the ratio of the aerodynamic forces of lift FL and resistance FD, which can be uniquely expressed by the ratio of the coefficients of lift CL (α) and resistance CD (α) depending on the angle of attack as follows:
(1) (1)
Parametrul ε(α) se consideră drept măsură cuantificată a performanţei aerodinamice a profilului palei. Este de menţionat că pentru profilul aerodinamic simetric NACA 0018 utilizat în construcţia turbinei eoliene, valoarea maximă a parametrului ε(α) se manifestă la unghiuri de atac cuprinse între 5° şi 10° şi este prezentată în baza de date internaţională a profilelor aerodinamice (http://airfoiltools.com/airfoil/details?airfoil=naca0018-il). S-a constatat că sensibilitatea valorilor ε dezvoltate la vitezele mici ale vântului (numere Reynolds mai mici de 100000) se caracterizează prin oscilaţii puternice. The parameter ε(α) is considered as a quantified measure of the aerodynamic performance of the blade profile. It should be mentioned that for the symmetrical airfoil NACA 0018 used in the construction of the wind turbine, the maximum value of the parameter ε(α) occurs at angles of attack between 5° and 10° and is presented in the international airfoil database (http ://airfoiltools.com/airfoil/details?airfoil=naca0018-il). It was found that the sensitivity of the ε values developed at low wind speeds (Reynolds numbers lower than 100000) is characterized by strong oscillations.
Din punct de vedere a performanţei conversiei energiei fluxului de vânt în energie utilă, un parametru constructiv important este lungimea corzii palei C, definită de soliditatea şi rapiditatea arborelui rotitor. Soliditatea arborelui rotitor σ, de regulă se exprimă prin relaţia: From the point of view of the performance of converting the energy of the wind flow into useful energy, an important constructive parameter is the length of the chord of the blade C, defined by the solidity and speed of the rotating shaft. The solidity of the rotating shaft σ is usually expressed by the relation:
σ · λ2 opt ≈ 2 (2), σ · λ2 opt ≈ 2 (2),
în care λ este rapiditatea optimă a arborelui rotitor, şi este definită prin relaţia: where λ is the optimal speed of the rotating shaft, and is defined by the relation:
λ = (N ∙ C ∙ ℎ)⁄A (3), λ = (N ∙ C ∙ ℎ)⁄A (3),
unde: where:
A - aria baleiată, m2; A - swept area, m2;
h - înălţimea arborelui rotitor, m; h - height of the rotating shaft, m;
N - numărul de pale; N - the number of blades;
C - lungimea corzii palei, m. C - the length of the blade chord, m.
Totodată este de menţionat, că lungimea corzii palei C cu profil aerodinamic este direct proporţională cu numărul Reynolds (Re), care la rândul său influenţează coeficientul de performanţă Cp al arborelui rotitor al turbinei eoliene (relaţia 7). Pentru a obţine efectul de autofrânare aerodinamică propus în invenţie este necesară asigurarea numărului Re mai mare de 100000. Dependenţa coeficientului de performanţă Cp de numărul Re pentru profilul aerodinamic NACA 0018 este prezentată în baza de date internaţională de profiluri aerodinamice (http://airfoiltools.com/airfoil/details?airfoil=naca0018-il). At the same time, it should be mentioned that the blade chord length C with an aerodynamic profile is directly proportional to the Reynolds number (Re), which in turn influences the performance coefficient Cp of the rotating shaft of the wind turbine (relation 7). In order to obtain the aerodynamic self-braking effect proposed in the invention, it is necessary to ensure the Re number greater than 100000. The dependence of the performance coefficient Cp on the Re number for the NACA 0018 airfoil is presented in the international database of airfoils (http://airfoiltools. com/airfoil/details?airfoil=naca0018-il).
La creşterea vitezei curenţilor de vânt, creşte şi viteza unghiulară a arborelui rotitor 2ω → ω max, iar corpul inerţial 9 cu masa m va dezvolta forţa centrifugă Totodată, la creşterea vitezei curenţilor de vânt, profilul aerodinamic cu unghiul de atac optim αopt, va dezvolta forţa aerodinamică de portanță FL (lift) şi de rezistenţă FD (drag): When the speed of the wind currents increases, the angular speed of the rotating shaft 2ω → ω max also increases, and the inertial body 9 with mass m will develop the centrifugal force. At the same time, when the speed of the wind currents increases, the aerodynamic profile with the optimal angle of attack αopt, will develop the aerodynamic force of lift FL (lift) and resistance FD (drag):
(4), (4),
unde: where:
este viteza relativă a fluxului de vânt; is the relative speed of the wind flow;
- reprezintă aria suprafeţei laterale a palei (C - lungimea corzii palei, h - înălţimea palei); - represents the area of the lateral surface of the blade (C - the length of the chord of the blade, h - the height of the blade);
ρ - densitatea aerului, kg/m3; ρ - air density, kg/m3;
CL, CD - coeficienţii aerodinamici adimensionali de portanţă (lift) şi de rezistenţă (drag). CL, CD - dimensionless aerodynamic lift (lift) and drag (drag) coefficients.
Valorile numerice ale coeficienţilor aerodinamici CL şi CD depind de unghiul de atac optim αopt, numărul Reynolds Re şi forma aerodinamică a profilului palei 3. Componentele forţei aerodinamice în sistemul de coordonate sunt: The numerical values of the aerodynamic coefficients CL and CD depend on the optimal angle of attack αopt, the Reynolds number Re and the aerodynamic shape of the blade profile 3. The components of the aerodynamic force in the coordinate system are:
(5), (5),
iar coeficienţii CN şi CT pot fi rescrişi and the CN and CT coefficients can be rewritten
(6) (6)
Numărul Reynolds este un factor adimensional definitoriu în cazul determinării coeficienţilor aerodinamici locali, cât şi pentru palele arborelui rotitor al turbinei în general (relaţiile de determinare sunt expuse în lucrarea Paraschivoiu I. Wind Turbine Design. With Emphasis on Darrous Concept. - Quebec: Politecnic International Press. 2002. - 590 p, ISBN 2-553-00931-3). The Reynolds number is a defining dimensionless factor in the case of determining the local aerodynamic coefficients, as well as for the blades of the rotating shaft of the turbine in general (the determination relations are exposed in the work Paraschivoiu I. Wind Turbine Design. With Emphasis on Darrous Concept. - Quebec: Politecnic International Press. 2002. - 590 p., ISBN 2-553-00931-3).
Numărul Reynolds local Local Reynolds number
iar al turbinei and of the turbine
, ,
unde C este lungimea corzii palei, definită prin relaţia: where C is the length of the blade chord, defined by the relation:
(7) (7)
Vrel - viteza relativă a vântului, m/s; Vrel - relative wind speed, m/s;
υ - viscozitatea cinematică a fluidului, m2/s; υ - kinematic viscosity of the fluid, m2/s;
ω - viteza unghiulară a arborelui rotitor, sec-1; ω - angular speed of the rotating shaft, sec-1;
R - raza arborelui rotitor, m. R - radius of the rotating shaft, m.
În cazul în care axa comună de articulare O1O1 a articulaţiilor mecanice 5 şi 6 trece prin punctul O1 ( fig. 5-7) cu proiecţia pe coarda palei în punctul N1, amplasat între bordul de atac B al palei şi punctul Oʹ de aplicare a forţelor aerodinamice FL şi FD (conform condiţiei BN1<BO ́) starea de echilibru al palei din zona amonte a arborelui rotitor este: If the joint axis O1O1 of mechanical joints 5 and 6 passes through point O1 (fig. 5-7) with the projection on the chord of the blade at point N1, located between the leading edge B of the blade and the point Oʹ of application of forces aerodynamics FL and FD (according to the condition BN1<BO ́) the balance state of the blade in the upstream area of the rotating shaft is:
(8), (8),
unde: lL, lD, lm şi h sunt distanţele de la centrul de articulare O1 a palei, prin care trece axa comună de articulare O1O1 a articulaţiilor 5 şi 6 până la linia de acţiune a forţelor, respectiv, FL, FD, FCF şi P. where: lL, lD, lm and h are the distances from the center of articulation O1 of the blade, through which the joint axis O1O1 of joints 5 and 6 passes to the line of action of the forces, respectively, FL, FD, FCF and P .
În cazul în care axa comună de articulare O1O1 a articulaţiilor mecanice 5 şi 6 trece prin punctul O1 cu proiecţia pe coarda palei în punctul N1 (fig. 7), amplasat în afara segmentului dintre bordul de atac B al palei şi punctul Oʹ de aplicare a forţelor aerodinamice FL şi FD (conform condiţiei BN1>BOʹ) starea de echilibru a palei din zona amonte este: If the common axis of articulation O1O1 of mechanical joints 5 and 6 passes through point O1 with the projection on the chord of the blade at point N1 (fig. 7), located outside the segment between the leading edge B of the blade and the point Oʹ of application of aerodynamic forces FL and FD (according to the condition BN1>BOʹ) the equilibrium state of the blade in the upstream area is:
(9) (9)
Este de menţionat, că la creşterea vitezei curenţilor de vânt mai mari decât viteza admisibilă Uadm arborele rotitor cu pale şi generatorul electric trebuie să fie protejaţi de suprasarcini, spre exemplu, conform invenţiei propuse, prin reducerea vitezei unghiulare de rotaţie a acestora, prin majorarea forţei de rezistenţă a palelor (componenta FD). It should be mentioned that when the speed of the wind currents is higher than the admissible speed Uadm, the rotating shaft with blades and the electric generator must be protected from overloads, for example, according to the proposed invention, by reducing the angular speed of their rotation, by increasing the force of blade resistance (FD component).
Forţa de rezistenţă FD (drag), necesară pentru frânarea aerodinamică a arborelui rotitor, la viteza maximală admisibilă a vântului poate fi determinată din ecuaţia de echilibru al palelor aerodinamice, şi anume, pentru BN1<BOʹ din relaţia (7): The resistance force FD (drag), required for the aerodynamic braking of the rotating shaft, at the maximum permissible wind speed can be determined from the balance equation of the aerodynamic blades, namely, for BN1<BOʹ from relation (7):
(10) (10)
care poate fi rescrisă which can be rewritten
(11) (11)
iar pentru BN1>BOʹ din relaţia (7), care poate fi rescrisă and for BN1>BOʹ from relation (7), which can be rewritten
(12) (12)
În turbina eoliană cu ax vertical propusă, protecţia împotriva suprasarcinilor se realizează prin autoschimbarea unghiului de atac optim. În cazul în care unghiul de atac al palelor constituie αm ≠ αopt, se majorează forţa de rezistenţă aerodinamică, ceea ce, în consecinţă, prin frânare duce la micşorarea vitezei unghiulare ω a arborelui rotitor, şi implicit viteza unghiulară a arborelui generatorului va scădea. In the proposed vertical axis wind turbine, protection against overloads is achieved by auto-changing the optimal angle of attack. If the angle of attack of the blades is αm ≠ αopt, the aerodynamic resistance force increases, which, consequently, by braking leads to a decrease in the angular speed ω of the rotating shaft, and implicitly the angular speed of the generator shaft will decrease.
Este de menţionat, că în cazul de schimbare a unghiului de atac α prin pivotarea palelor, aceasta se realizează fără a supune palele deformaţiilor cu momente de răsucire, fapt ce asigură creşterea fiabilităţii de exploatare şi sporirea sensibilităţii procesului de modificare a unghiului de atac α. Totodată, soluţia tehnică propusă asigură schimbarea unghiului de atac αm ≠ αopt pe toată lungimea palelor cu repoziţionarea flexibilă în funcţie de pivotarea acestora cu unghiul Δα în jurul axei de articulare O1O1 concurentă cu axa OO a arborelui rotitor. It should be mentioned that in the case of changing the angle of attack α by pivoting the blades, this is done without subjecting the blades to deformations with twisting moments, a fact that ensures increased operational reliability and increased sensitivity of the process of changing the angle of attack α. At the same time, the proposed technical solution ensures the change of the angle of attack αm ≠ αopt along the entire length of the blades with flexible repositioning depending on their pivoting with the angle Δα around the articulation axis O1O1 competing with the axis OO of the rotating shaft.
Invenţia propusă asigură procesul de frânare mecanică şi aerodinamică a arborelui rotitor prin soluţii constructive relativ simple şi totodată asigură securizarea turnului de suprasarcini generate la vitezele mari ale vântului. The proposed invention ensures the process of mechanical and aerodynamic braking of the rotating shaft through relatively simple constructive solutions and at the same time ensures the securing of the tower from overloads generated at high wind speeds.
1. RO 130364 A0 2015.06.30 1. RO 130364 A0 2015.06.30
2. MD 1261 Y 2018.06.30 2. MD 1261 Y 2018.06.30
Claims (2)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| MDS20230006A MD1738Z (en) | 2023-01-26 | 2023-01-26 | Vertical axis wind turbine with aerodynamic protection against overloads |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| MDS20230006A MD1738Z (en) | 2023-01-26 | 2023-01-26 | Vertical axis wind turbine with aerodynamic protection against overloads |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| MD1738Y MD1738Y (en) | 2024-01-31 |
| MD1738Z true MD1738Z (en) | 2024-08-31 |
Family
ID=89843892
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| MDS20230006A MD1738Z (en) | 2023-01-26 | 2023-01-26 | Vertical axis wind turbine with aerodynamic protection against overloads |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| MD (1) | MD1738Z (en) |
-
2023
- 2023-01-26 MD MDS20230006A patent/MD1738Z/en active IP Right Grant
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| MD1738Y (en) | 2024-01-31 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US6830436B2 (en) | Wind turbine provided with nacelle | |
| CA2415087C (en) | Blade of a wind turbine | |
| CA1270802A (en) | Prop-fan with improved stability | |
| Menet et al. | A comparative calculation of the wind turbines capacities on the basis of the L–σ criterion | |
| WO2008113349A2 (en) | Slow rotating wind turbine rotor with slender blades | |
| PT2240687E (en) | Wind turbine rotor with the the vertical rotation axis | |
| CN105298740B (en) | The rotor stiffening device of wind-driven generator | |
| WO2013129046A1 (en) | Windmill rotating blade and wind power generating windmill | |
| CN101387262B (en) | Wind turbine rotor blade and turbine rotor | |
| US5161952A (en) | Dual-plane blade construction for horizontal axis wind turbine rotors | |
| BR112020001466B1 (en) | ROTOR BLADE OF A WIND TURBINE ROTOR, WIND TURBINE, AND, METHOD FOR IMPROVING THE EFFICIENCY OF A WIND TURBINE ROTOR | |
| MD1738Z (en) | Vertical axis wind turbine with aerodynamic protection against overloads | |
| KR100934617B1 (en) | Fastening structure of vertical wind power generator | |
| CN209844758U (en) | Heat radiator for motor | |
| JP5995816B2 (en) | Wind turbine blade and wind power generator | |
| KR20140056264A (en) | Fan blade with flexible airfoil wing | |
| US20190024628A1 (en) | Wind turbine blade, tubular structure for wind turbine blade, wind turbine and wind-utilization monitoring method | |
| CN116157597A (en) | Wind turbine | |
| JP2009056989A (en) | Marine propulsion efficiency improvement device and its construction method | |
| Spera | Structural analysis of wind turbine rotors for NSF-NASA MOD-0 wind power system | |
| US20090068020A1 (en) | Hollow blade anti-crack clamp support blocks | |
| US11459999B2 (en) | Rotor blade, wind turbine, and method for optimizing a wind turbine | |
| KR20150069066A (en) | Lift-Drag Blade and Rotor for Vertical Axis Wind-Turbine | |
| CN209414037U (en) | The wind electricity blade and blower of aerofoil with blunt tail edge | |
| WO2019189107A1 (en) | Water turbine and small hydroelectric generator |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| FG9Y | Short term patent issued |